CN103578964B - 半导体结构和鳍式场效应管的形成方法、刻蚀装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构和鳍式场效应管的形成方法、刻蚀装置，其中鳍式场效应管的形成方法，包括：提供半导体衬底；刻蚀所述半导体衬底，形成若干鳍部，相邻鳍部之间具有第一凹槽；在第一凹槽中填充满隔离材料，形成隔离结构；喷涂液体过程，在隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底；反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述隔离结构；重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构，形成第二凹槽，暴露部分高度的所述鳍部；形成横跨所述暴露部分高度的所述鳍部的表面和侧壁的栅极结构。提高了去除部分厚度的隔离结构的去除精度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种半导体结构和鳍式场效应管的形成方法、刻蚀装置。
背景技术
随着半导体工艺技术的不断发展，随着工艺节点逐渐减小，后栅（gate-last）工艺得到了广泛应用，来获得理想的阈值电压，改善器件性能。但是当器件的特征尺寸（CD，Critical Dimension）进一步下降时，即使采用后栅工艺，常规的MOS场效应管的结构也已经无法满足对器件性能的需求，鳍式场效应晶体管（Fin FET）作为常规器件的替代得到了广泛的关注。
图1示出了现有技术的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图。如图1所示，包括：半导体衬底10，所述半导体衬底10上形成有凸出的鳍部14，鳍部14一般是通过对半导体衬底10刻蚀后得到的；介质层11，覆盖所述半导体衬底10的表面以及鳍部14的侧壁的一部分；栅极结构12，横跨在所述鳍部14上，覆盖所述鳍部14的顶部和侧壁，栅极结构12包括栅介质层（图中未示出）和位于栅介质层上的栅电极（图中未示出）。
上述鳍式场效应管形成的具体过程请参考图2~图5。
首先，请参考图2，提供半导体衬底10，所述半导体衬底10上形成有硬掩膜层15，所述硬掩膜层15具有若干暴露半导体衬底10表面的开口16，所述开口16的位置与后续形成的第一凹槽的位置相对应。
参考图3，以所述硬掩膜层15为掩膜，沿开口16刻蚀所述半导体衬底10，形成第一凹槽17，第一凹槽17之间形成鳍部14。
参考图4，在所述硬掩膜层15（参考图3）上形成隔离材料，所述隔离材料填充满所述第一凹槽；化学机械掩膜所述隔离材料和硬掩膜层15，以半导体衬底10表面为停止层，形成隔离结构11。
参考图5，回刻蚀所述隔离结构11，形成第二凹槽18，第二凹槽18暴露出部分高度的鳍部14；在暴露的鳍部表面形成栅极结构（图中未示出），所述栅极结构覆盖暴露的部分鳍部14的表面和侧墙。回刻蚀所述隔离结构的工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
现有在回刻蚀所述隔离结构11形成第二凹槽18时，第二凹槽18的深度很难控制，使得暴露的鳍部14的表面的宽度（上表面的宽度和暴露的两侧侧壁的高度之和）易发生变化，而暴露的鳍部14的表面的宽度的变化，在形成栅极结构后会使得鳍式场效应管的阈值电压发生偏移，影响鳍式场效应管的稳定性。
更多关于鳍式场效应晶体管的介绍请参考专利号为“US7868380B2”的美国专利。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构和鳍式场效应管的形成方法、刻蚀装置，提高刻蚀精度。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种刻蚀装置，包括：处理腔室；基座，位于处理腔室中，用于夹持待处理晶圆，并使其水平旋转；液体喷头，位于基座上方，用于向待处理晶圆表面喷涂液体；若干气体喷头，位于基座上方，并环绕所述液体喷头，用于向待处理晶圆表面的喷涂的液体中供入反应气体，形成刻蚀溶液。
可选的，所述液体喷头喷涂的液体为纯水。
可选的，所述液体喷头的中心与基座的中心的连线垂直于基座表面。
可选的，所述气体喷头供入的反应气体为HF。
可选的，所述气体喷头还用于供入保护气体，所述保护气体为N2、He或Ar。
可选的，所述气体喷头以所述液体喷头呈同心圆分布。
可选的，每一个同心圆上相邻气体喷头之间的间距相等。
可选的，最外层同心圆的半径大于或等于待处理晶圆的半径。
可选的，所述气体喷头向液体喷头的一侧倾斜。
可选的，所述气体喷头的倾斜角度为0~45度。
可选的，所述基座具有旋转驱动单元，用于驱动所述基座水平旋转。
本发明实施例还提供了一种半导体结构的方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成待刻蚀材料层；喷涂液体过程，在刻蚀材料层表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底；反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与刻蚀材料层表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述待刻蚀材料层；重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的待刻蚀材料层。
可选的，所述待刻蚀材料层的材料为氧化硅。
可选的，所述喷涂的液体为纯水。
可选的，所述供入的反应气体为HF。
可选的，所述喷涂液体过程的时间为3~15秒。
可选的，所述反应气体供入过程的时间为1~10秒。
本发明实施例还提供了一种鳍式场效应管的形成方法，包括：提供半导体衬底；刻蚀所述半导体衬底，形成若干鳍部，相邻鳍部之间具有第一凹槽；在第一凹槽中填充满隔离材料，形成隔离结构；喷涂液体过程，在隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底；反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述隔离结构；重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构，形成第二凹槽，暴露部分高度的所述鳍部；形成横跨所述暴露部分高度的所述鳍部的表面和侧壁的栅极结构。
可选的，所述隔离结构的材料为二氧化硅。
可选的，所述喷涂的液体为纯水。
可选的，所述供入的反应气体为HF。
可选的，所述喷涂液体过程的时间为3~15秒。
可选的，喷涂液体过程中所述半导体衬底的旋转速度为50~1000转/分钟。
可选的，所述反应气体供入过程的时间为1~10秒。
可选的，喷涂液体过程和反应气体供入过程中，半导体衬底的温度为20~80摄氏度。
可选的，所述第一凹槽的深度为100~500纳米。
可选的，所述第二凹槽的深度为15~100纳米。
可选的，在鳍部两端形成鳍式场效应管的源/漏区。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
本发明实施例的刻蚀装置，具有液体喷头用于向待处理晶圆表面喷涂液体，若干气体喷头用于向待处理晶圆表面的喷涂的液体中供入反应气体，形成刻蚀溶液，刻蚀时去除较小厚度的待刻蚀材料，提高了刻蚀的精度。
所述气体喷头向液体喷头的一侧倾斜，使得气体喷头供入反应气体时，反应气体的气流倾斜的与待处理晶圆上的液体接触，防止待处理晶圆上形成的液体溢出晶圆边缘，保证晶圆上分布的液体量不会减少以及液体分布的均匀性，提高后续刻蚀的质量。所述气体喷头的倾斜角度20为0~45度，使得供入气体的气流对液体的影响作用最小。
所述气体喷头以液体喷头为中心呈若干同心圆分布，每个同心圆上相邻气体喷头之间的间距相等，相邻同心圆之间的间距相等，最外层的同心圆的半径大于待处理晶圆的半径，使得气体喷头供入的反应气体较均匀的覆盖待处理晶圆上形成的液体的表面，从而形成浓度分布均匀的刻蚀溶液。
本发明实施例的半导体结构的形成方法，反应气体供入过程中形成的刻蚀溶液量一定，浓度也一定，一个反应气体供入过程中去除的待刻蚀材料层的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程减薄待刻蚀材料层时，使得待刻蚀材料层整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得减薄后剩余的待刻蚀材料层的厚度也具有较高的精度，提高了后续形成的半导体器件的性能。
本发明实施例中鳍式场效应管的形成方法，反应气体供入过程中形成的刻蚀溶液量一定，浓度也一定，一个反应气体供入过程中去除的隔离结构的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程回刻蚀隔离结构时，使得隔离结构整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得鳍部暴露的侧壁的高度维持在较高的精度，从而使得鳍部表面的整个的宽度维持在较高的精度，后续形成横跨鳍部的栅极结构时，使得鳍式场效应管的阈值电压保持稳定。
附图说明
图1~图5为现有鳍式场效应管形成过程的结构示意图；
图6~图7为本发明实施例刻蚀装置的结构示意图；
图8为本发明实施例半导体结构的形成方法的流程示意图；
图9~图12为本发明实施例半导体结构形成过程的剖面结构示意图；
图13为本发明实施例鳍式场效应管形成方法的流程示意图；
图14~图20为本发明实施例鳍式场效应管形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
现有鳍式场效应管的制作过程中，回刻蚀隔离结构暴露部分高度的工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，但是采用现有的刻蚀工艺很难控制刻蚀的终点，使得隔离结构被回刻蚀的深度难以准确控制，从而使得暴露的鳍部表面的宽度存在误差，在暴露的鳍部表面形成栅极结构后，会使得鳍式场效应管的阈值电压发生偏移，影响鳍式场效应管的稳定性。
为解决上述问题，发明人提出一种刻蚀装置以及采用刻蚀装置形成半导体结构和鳍式场效应管的方法，所述鳍式场效应管的形成方法，在回刻蚀隔离结构时，先进行喷涂液体过程，在隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底，接着进行反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述隔离结构，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构，形成第二凹槽，暴露部分高度的所述鳍部。反应气体供入过程中，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀溶液的量较少，因此只会去除很少厚度的隔离结构，使得在反应气体供入过程中，每次去除的隔离结构的厚度都确定，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，使得最终去除的隔离结构的厚度保持较高的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明实施例首先提供了一种刻蚀装置，请参考图6，图6为本发明实施例刻蚀装置的结构示意图，包括：
处理腔室100；
基座101，位于处理腔室100中，用于夹持待处理晶圆，并使其水平旋转；
液体喷头103，位于基座101上方，用于向待处理晶圆表面喷涂液体；
若干气体喷头104，位于基座101上方，并环绕所述液体喷头103，用于向待处理晶圆表面的喷涂的液体中供入反应气体，形成刻蚀溶液。
所述刻蚀装置还包括位于处理腔室下部的排废口，用于排除刻蚀后的废液或处理腔室100中残留的气体。
所述基座101具有旋转驱动单元102，用于驱动所述基座101水平旋转。
所述基座101还具有加热单元（图中未示出），用于对基座101上夹持的晶圆进行加热，所述加热的温度范围为20~80摄氏度。
所述基座101还具有高度调节单元（图中未示出），用于调节基座101的高度。所述旋转驱动单元102与高度调节单元相连接。
所述液体喷头103位于基座101上方，用于向待处理晶圆表面喷涂液体，所述喷涂的液体为纯水或者其他的液体。液体喷头103可以固定在处理腔室的顶部，液体喷头103的中心与基座101的中心的连线垂直于基座101的表面，液体喷头103在喷涂液体时位于待处理晶圆的正上方。
在本发明的其他实施例中，所述液体喷头也可以固定在传动单元上，当需要喷涂液体时，传动单元使液体喷头平移或旋转至待处理晶圆正上方，当喷涂结束时，液体喷头可以移至待处理晶圆的侧面，在气体喷头供应反应气体时，不会影响通入晶圆表面的反应气体的流向。
所述气体喷头104，位于基座101上方，并环绕所述液体喷头103，所述气体喷头104可以固定在处理腔室100的顶部，所述气体喷头104也可以固定在一个气体喷淋头上，气体喷头104为喷淋头上的喷淋孔。
所述气体喷头104供入的反应气体为HF（氟化氢）或其他反应气体，所述气体喷头104还可以供入保护气体，所述保护气体为N2、He或Ar。在采用刻蚀装置进行刻蚀时，在刻蚀之前，可以通入保护气体，排出处理腔室100内存在的其他气体，使得处理腔室100为N2、He或Ar的氛围，以防止刻蚀过程受到影响。在刻蚀结束时，也可以通入保护气体，防止处理腔室100残余的反应气体对待处理晶圆的影响。
所述气体喷头104向液体喷头103的一侧倾斜，使得气体喷头104供入反应气体时，反应气体的气流倾斜的与待处理晶圆上的液体接触，防止待处理晶圆上形成的液体溢出晶圆边缘，保证晶圆上分布的液体量不会减少以及液体分布的均匀性，提高后续刻蚀的质量。所述气体喷头104的倾斜角度20为0~45度，使得供入气体的气流对液体的影响作用最小。所述倾斜角度为气体喷头104外壁延长线与处理腔室100顶部表面垂线的夹角。
所述气体喷头104以所述液体喷头103呈同心圆分布，具体请参考图7，图7为气体喷头104和液体喷头103分布的俯视结构示意图。所述气体喷头104以液体喷头103为中心呈若干同心圆分布，每个同心圆上相邻气体喷头104之间的间距相等，相邻同心圆之间的间距相等，最外层的同心圆的半径大于待处理晶圆的半径，使得气体喷头104供入的反应气体较均匀的覆盖待处理晶圆上形成的液体的表面，从而形成浓度分布均匀的刻蚀溶液。
本发明实施例还提供了一种采用上述刻蚀装置形成半导体结构的方法，参考图8，图8为本发明实施例半导体结构的形成方法的流程示意图，包括：
步骤S21，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成待刻蚀材料层；
步骤S22，喷涂液体过程，在刻蚀材料层表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底，所述喷涂的液体为纯水；
步骤S23，反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与刻蚀材料层表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述待刻蚀材料层，所述供入反应气体为HF；
步骤S24，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的待刻蚀材料层。
图9~图12为本发明实施例半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
参考图9，提供半导体衬底200，在所述半导体衬底200上形成待刻蚀材料层201。
所述半导体衬底200的材料可以为单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）、或硅锗（GeSi）、碳化硅（SiC）；也可以是绝缘体上硅（SOI），绝缘体上锗（GOI）；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。
在本发明的其他实施例中，所述待刻蚀材料层201和半导体衬底200之间还形成有一层或多层层间介质层，所述层间介质层中形成有金属互连线或半导体器件。
所述待刻蚀材料层201的材料为氧化硅或其他材料，后续采用刻蚀工艺对待刻蚀材料层201进行减薄或者在待刻蚀材料中形成凹槽。
参考图10，将所述半导体衬底200置于刻蚀装置的基座101上，进行喷涂液体过程，在刻蚀材料层201表面喷涂形成一层液体202，喷涂时旋转所述半导体衬底200。
所述喷涂的液体为纯水，喷涂液体过程结束时，在待刻蚀材料层201表面形成一层均匀的水膜。
喷涂过程中，所述基座101带着半导体衬底200水平旋转，以使液体喷头103喷出的水均匀的覆盖在待刻蚀材料层201表面。
喷涂过程中，所述半导体衬底200的旋转速度为50~1000转/分钟，喷涂液体过程的时间为3~15秒，所述半导体衬底200的旋转速度可以先加速后匀速最后再减速，在去除待刻蚀材料层上残留的颗粒或反应物的同时，在待刻蚀材料层表面形成较均匀的液体薄膜。
参考图11，进行反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与待刻蚀材料层201表面喷涂形成的一层液体202（参考图10）溶合，形成刻蚀溶液204，刻蚀所述待刻蚀材料层201。
所述供入反应气体为HF（氟化氢），HF与纯水相溶合，形成稀释的氢氟酸刻蚀溶液204，由于气体喷头104以液体喷头103为中心呈若干同心圆分布，每个同心圆上相邻气体喷头104之间的间距相等，相邻同心圆之间的间距相等，最外层的同心圆的半径大于待处理晶圆的半径，使得气体喷头104供入的HF较均匀的覆盖待刻蚀材料层201上形成的液体202的表面，从而形成浓度分布均匀的氟化氢刻蚀溶液。
所述反应气体供入过程的时间为1~10秒，反应气体供入的时间可以等于反应气体供入过程的时间（即一直供应反应气体），也可以小于反应气体供入过程（比如：在反应气体供入过程的前一段时间供入反应气体，反应气体供入过程的后一段时间停止供入反应气体），使得待刻蚀材料层201表面的纯水与HF融合形成氟化氢刻蚀溶液，形成的氟化氢刻蚀溶液量一定，浓度也一定，因此在反应气体供入过程中刻蚀的待刻蚀材料层201的量也一定，一个反应气体供入过程中去除的待刻蚀材料层201的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程减薄待刻蚀材料层201时，使得待刻蚀材料层201整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得减薄后剩余的待刻蚀材料层的厚度也具有较高的精度，提高了后续形成的半导体器件的性能。
参考图12，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的待刻蚀材料层，减薄后剩余的待刻蚀材料层为待刻蚀材料层205。
一个反应气体供入过程中去除的待刻蚀材料层的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程减薄待刻蚀材料层201（参考图11）时，使得待刻蚀材料层201整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得减薄后剩余的待刻蚀材料层205的厚度也具有较高的精度，提高了后续形成的半导体器件的性能。
本发明实施例还提供了一种采用上述刻蚀装置形成鳍式场效应管的方法，参考图13，图13为本发明实施例鳍式场效应管形成方法的流程示意图，包括：
步骤S31，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有硬掩膜层，所述硬掩膜层具有若干相邻的开口，所述开口暴露半导体衬底表面；
步骤S32，沿开口刻蚀所述半导体衬底，形成若干第一凹槽，第一凹槽的位置与开口的位置相对应，相邻的第一凹槽之间形成鳍部；
步骤S33，在所述第一凹槽中填充满隔离材料，形成隔离结构；
步骤S34，喷涂液体过程，在隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底，所述喷涂的液体为纯水；
步骤S35，反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层的液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述隔离结构，所述供入反应气体为HF；
步骤S36，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构，形成第二凹槽，暴露部分高度的所述鳍部；
步骤S37，形成横跨所述暴露部分高度的所述鳍部的表面和侧壁的栅极结构；
步骤S38，在鳍部两端形成鳍式场效应管的源/漏区。
图14~图20为本发明实施例鳍式场效应管形成过程的剖面结构示意图。
参考图14，提供半导体衬底300，所述半导体衬底300上形成有硬掩膜层301，所述硬掩膜层301具有若干相邻的开口302，所述开口302暴露半导体衬底300表面。
所述半导体衬底300的材料可以为单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）、或硅锗（GeSi）、碳化硅（SiC）；也可以是绝缘体上硅（SOI），绝缘体上锗（GOI）；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。
所述硬掩膜层301作为后续刻蚀半导体衬底300时的掩膜，所述硬掩膜层301的材料为氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、碳氧化硅（SiOC）、无定形碳（a-C）或碳氮氧化硅（SiOCN）。本实施例中所述硬掩膜层301的材料为氮化硅。
所述硬掩膜层301的厚度为20~50纳米，硬掩膜层301的厚度对应后续形成的第二子鳍部的高度，使得后续在第二子鳍部表面形成栅极结构后，鳍式场效应管的沟道区保持足够的面积。
所述开口302的形成方法为：在所述半导体衬底上形成硬掩膜层；在所述硬掩膜层上形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述硬掩膜层，在硬掩膜层中形成若干暴露半导体衬底表面的开口302。
参考图15，沿开口302刻蚀所述半导体衬底300，形成若干第一凹槽305，第一凹槽305的位置与开口302的位置相对应，相邻的第一凹槽305之间形成鳍部306。
本实施例中所述第一凹槽305的侧壁包括位于上部分的垂直侧壁303和位于下部分的倾斜侧壁304，所述第一凹槽305的深度为100~500纳米。在本发明的其他实施例中所述第一凹槽的侧壁为垂直侧壁。
所述下部分的倾斜侧壁304与半导体衬底300表面的夹角30为75~85度，在第一凹槽305中沉积隔离材料时，不会在隔离材料中形成空隙。
所述具有垂直侧壁303和倾斜侧壁304的第一凹槽305的形成过程为：以所述掩膜层301为掩膜，采用第一等离子体刻蚀工艺刻蚀所述半导体衬底300，形成第一子凹槽，第一子凹槽的形状为矩形，第一子凹槽的侧壁为垂直侧壁；采用第二等离子体刻蚀工艺沿第一子凹槽刻蚀所述半导体衬底300，形成第二子凹槽，所述第二子凹槽的形状为“V”型，第二子凹槽的侧壁为倾斜侧壁。由于第一凹槽305的深度较大，先形成矩形的第一子凹槽，然后形成“V”型第二子凹槽，使得第二子凹槽的侧壁倾斜角度易于控制，“V”型第二子凹槽使得后续在第一凹槽305中形成隔离材料时，不会在隔离材料中形成空隙。
所述第一等离子体刻蚀工艺的源功率为550~650W，偏置功率为55~60W，刻蚀腔压力为2~10mtorr，刻蚀气体为CH2F2、SF6、N2和He。
所述第二等离子体刻蚀工艺的源功率为1100~1250W，偏置功率为200~220W，刻蚀腔压力为10~20mtorr，刻蚀气体为HBr、SF6和He，能更精确的控制“V”型第二子凹槽侧壁的倾斜角度。
在本发明的其他实施例中，所述第一凹槽的侧壁为向第一凹槽外侧倾斜的倾斜侧壁，所述倾斜侧壁与半导体衬底表面的夹角为80~84度。
参考图16，在硬掩膜层表面形成隔离材料，所述隔离材料填充满所述第一凹槽305和对应的开口302（参考图15）；化学机械研磨所述隔离材料和硬掩膜层，以半导体衬底表面为停止层，形成隔离结构307，所述隔离结构307用于鳍部与鳍部之间以及鳍部与半导体衬底之间的电学隔离。
所述隔离材料为氧化硅（SiO2）或其他合适的材料。
所述隔离材料的形成工艺为化学气相沉积工艺，比如：高密度等离子体化学气相沉积工艺（HDPCVD）或者偏常压化学气相沉积工艺（SACVD）。
在所述第一凹槽305和对应的开口302内填充满隔离材料后，还包括对所述隔离材料进行第一退火，以增强隔离材料的致密性。
所述第一退火的温度为800~1000摄氏度，退火的时间为10~40秒，采用的气体为N2。
参考图17，将所述半导体衬底300置于刻蚀装置的基座101上，进行喷涂液体过程，在鳍部306和隔离结构307表面喷涂形成一层液体308，喷涂时旋转所述半导体衬底300。
所述喷涂的液体为纯水，喷涂液体过程结束时，在鳍部306和隔离结构307表面形成一层均匀的水膜。
喷涂过程中，所述基座101带着半导体衬底200水平旋转，以使液体喷头103喷出的水均匀的覆盖在待刻蚀材料层表面。
喷涂过程中，所述半导体衬底300的旋转速度为50~1000转/分钟，喷涂液体过程的时间为3~15秒，所述半导体衬底300的旋转速度可以先加速后匀速最后再减速，在去除待刻蚀材料层上残留的颗粒或反应物的同时，在待刻蚀材料层表面形成较均匀的液体薄膜。
参考图18，进行反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与鳍部306和隔离结构307表面喷涂形成的一层液体308（参考图17）溶合，形成刻蚀溶液311，刻蚀所述隔离结构307。
所述供入反应气体为HF（氟化氢），HF与纯水相溶合，形成稀释的氢氟酸刻蚀溶液311，由于气体喷头104以液体喷头103为中心呈若干同心圆分布，每个同心圆上相邻气体喷头104之间的间距相等，相邻同心圆之间的间距相等，最外层的同心圆的半径大于待处理晶圆的半径，使得气体喷头104供入的HF较均匀的覆盖鳍部306和隔离结构307上形成的液体308的表面，从而形成浓度分布均匀的氟化氢刻蚀溶液。
所述反应气体供入过程的时间为1~10秒，反应气体供入的时间可以等于反应气体供入过程的时间（即一直供应反应气体），也可以小于反应气体供入过程（比如：在反应气体供入过程的前一段时间供入反应气体，反应气体供入过程的后一段时间停止工艺反应气体），使得鳍部306和隔离结构307表面的纯水与HF融合形成氟化氢刻蚀溶液，形成的氟化氢刻蚀溶液量一定，浓度也一定，因此在反应气体供入过程中刻蚀的隔离结构307的量也一定，一个反应气体供入过程中去除的隔离结构307的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程回刻蚀隔离结构307时，使得隔离结构307整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得鳍部暴露的侧壁的高度维持在较高的精度，从而使得鳍部表面的整个的宽度维持在较高的精度，后续形成横跨鳍部的栅极结构时，使得鳍式场效应管的阈值电压保持稳定。
喷涂液体过程和反应气体供入过程中，半导体衬底300的温度为20~80摄氏度，以提高反应的活性。
参考图19，重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构307，形成第二凹槽309。
所述隔离结构307的去除厚度为15~100纳米，即所述第二凹槽309的深度为15~100纳米，鳍部306暴露的侧壁的高度为15~100纳米。
一个反应气体供入过程中去除的隔离结构307的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程回刻蚀隔离结构307时，使得隔离结构307整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得鳍部暴露的侧壁的高度维持在较高的精度，从而使得鳍部表面的整个的宽度维持在较高的精度，后续形成横跨鳍部的栅极结构时，使得鳍式场效应管的阈值电压保持稳定。
参考图20，形成横跨所述暴露的鳍部306的栅极结构307，所述栅极结构307覆盖暴露的鳍部306的表面和侧墙，所述栅极结构307包括位于暴露的鳍部306的表面和侧墙表面的栅介质层和位于栅介质层表面的栅电极。
形成栅极结构307后，还包括，在鳍部306两端形成鳍式场效应管的源/漏极（图中未示出）。
综上，本发明实施例的刻蚀装置，具有液体喷头用于向待处理晶圆表面喷涂液体，若干气体喷头用于向待处理晶圆表面的喷涂的液体中供入反应气体，形成刻蚀溶液，刻蚀时去除较小厚度的待刻蚀材料，提高了刻蚀的精度。
所述气体喷头向液体喷头的一侧倾斜，使得气体喷头供入反应气体时，反应气体的气流倾斜的与待处理晶圆上的液体接触，防止待处理晶圆上形成的液体溢出晶圆边缘，保证晶圆上分布的液体量不会减少以及液体分布的均匀性，提高后续刻蚀的质量。所述气体喷头的倾斜角度为0~45度，使得供入气体的气流对液体的影响作用最小。
所述气体喷头以液体喷头为中心呈若干同心圆分布，每个同心圆上相邻气体喷头之间的间距相等，相邻同心圆之间的间距相等，最外层的同心圆的半径大于待处理晶圆的半径，使得气体喷头供入的反应气体较均匀的覆盖待处理晶圆上形成的液体的表面，从而形成浓度分布均匀的刻蚀溶液。
本发明实施例的半导体结构的形成方法，反应气体供入过程中形成的刻蚀溶液量一定，浓度也一定，一个反应气体供入过程中去除的待刻蚀材料层的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程减薄待刻蚀材料层时，使得待刻蚀材料层整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得减薄后剩余的待刻蚀材料层的厚度也具有较高的精度，提高了后续形成的半导体器件的性能。
本发明实施例中鳍式场效应管的形成方法，反应气体供入过程中形成的刻蚀溶液量一定，浓度也一定，一个反应气体供入过程中去除的隔离结构的厚度维持在较小的数量级（1~10纳米），因此重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程回刻蚀隔离结构时，使得隔离结构整个的去除厚度维持在较高的精度，从而使得鳍部暴露的侧壁的高度维持在较高的精度，从而使得鳍部表面的整个的宽度维持在较高的精度，后续形成横跨鳍部的栅极结构时，使得鳍式场效应管的阈值电压保持稳定。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (23)
1.一种刻蚀装置，其特征在于，包括：
处理腔室；
基座，位于处理腔室中，用于夹持待处理晶圆，并使其水平旋转；所述基座还具有加热单元，用于对所述基座上夹持的晶圆进行加热，所述加热的温度范围为20～80摄氏度；
液体喷头，位于基座上方，用于向待处理晶圆表面喷涂液体；
若干气体喷头，位于基座上方，并环绕所述液体喷头，用于向待处理晶圆表面的喷涂的液体中供入反应气体，形成刻蚀溶液；
所述气体喷头向液体喷头的一侧倾斜，所述气体喷头的倾斜角度为0～45度；
所述气体喷头以所述液体喷头呈同心圆分布；
每一个同心圆上相邻气体喷头之间的间距相等；
最外层同心圆的半径大于或等于待处理晶圆的半径。
2.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述液体喷头喷涂的液体为纯水。
3.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述液体喷头的中心与基座的中心的连线垂直于基座表面。
4.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述气体喷头供入的反应气体为HF。
5.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述气体喷头还用于供入保护气体，所述保护气体为N2、He或Ar。
6.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述基座具有旋转驱动单元，用于驱动所述基座水平旋转。
7.一种采用权利要求1所述的刻蚀装置形成半导体结构的方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成待刻蚀材料层；
喷涂液体过程，在刻蚀材料层表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底；
反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与刻蚀材料层表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述待刻蚀材料层；
重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的待刻蚀材料层。
8.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述待刻蚀材料层的材料为氧化硅。
9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述喷涂的液体为纯水。
10.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述供入的反应气体为HF。
11.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述喷涂液体过程的时间为3～15秒。
12.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述反应气体供入过程的时间为1～10秒。
13.一种采用权利要求1所述的刻蚀装置形成鳍式场效应管的方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
刻蚀所述半导体衬底，形成若干鳍部，相邻鳍部之间具有第一凹槽；
在第一凹槽中填充满隔离材料，形成隔离结构；
喷涂液体过程，在隔离结构和鳍部表面喷涂形成一层液体，喷涂时旋转所述半导体衬底；
反应气体供入过程，供入反应气体，反应气体与隔离结构和鳍部表面喷涂形成的一层液体溶合，形成刻蚀溶液，刻蚀所述隔离结构；
重复上述喷涂液体过程和反应气体供入过程，直至去除部分厚度的隔离结构，形成第二凹槽，暴露部分高度的所述鳍部；
形成横跨所述暴露部分高度的所述鳍部的表面和侧壁的栅极结构。
14.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述隔离结构的材料为二氧化硅。
15.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述喷涂的液体为纯水。
16.如权利要求14所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述供入的反应气体为HF。
17.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述喷涂液体过程的时间为3～15秒。
18.如权利要求17所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，喷涂液体过程中所述半导体衬底的旋转速度为50～1000转/分钟。
19.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述反应气体供入过程的时间为1～10秒。
20.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，喷涂液体过程和反应气体供入过程中，半导体衬底的温度为20～80摄氏度。
21.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第一凹槽的深度为100～500纳米。
22.如权利要求21所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述第二凹槽的深度为15～100纳米。
23.如权利要求13所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，在鳍部两端形成鳍式场效应管的源/漏区。
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2012
- 2012-07-20 CN CN201210254236.9A patent/CN103578964B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102446974A (zh) * | 2010-10-13 | 2012-05-09 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | Finfet及其制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN103578964A (zh) | 2014-02-12 |
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