CN103681331A - 鳍式场效应管及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种鳍式场效应管及其形成方法，其中所述鳍式场效应管，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底上的鳍部；横跨所述鳍部的表面和侧壁的金属栅极结构；位于所述半导体衬底表面的介质层，所述介质层覆盖所述鳍部和金属栅极结构，所述介质层的表面高于金属栅极结构的顶部表面；位于所述介质层中暴露所述金属栅极结构顶部表面的第二凹槽；填充满所述第二凹槽的隔离层，所述隔离层中具有空气隙。隔离层中的空气隙减小了金属栅极和源漏接触区之间的寄生电容。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种鳍式场效应管及其形成方法。
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；第一介质层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；金属栅极结构12，横跨在所述鳍部14上，覆盖所述鳍部14的顶部和侧壁，金属栅极结构12包括位于鳍部侧壁和表面的高K栅介质层（图中未示出）和位于高K栅介质层上的金属栅电极（图中未示出）；第二介质层（图中未示出），覆盖所述第一介质层11表面和鳍部14，第二介质层的表面与金属栅极结构12的表面齐平。
更多关于鳍式场效应管请参考专利号为“US7868380B2”的美国专利。
但现有形成的鳍式场效应管的金属栅极结构与源漏区接触区的寄生电容较大，影响鳍式场效应管稳定性。
发明内容
本发明解决的问题是现有形成的鳍式场效应管的金属栅极结构与源漏区接触区的寄生电容较大，影响鳍式场效应管稳定性。
为解决上述问题，本发明技术方案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，所述半导体衬底上具有鳍部；在所述鳍部上形成横跨鳍部表面和侧壁的牺牲栅极；在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层表面与牺牲栅极的表面平齐；去除所述牺牲栅极形成第一凹槽；在所述第一凹槽填充满金属，形成金属栅极；去除部分厚度的所述金属栅极，形成第二凹槽，在所述第二凹槽中填充满隔离层，所述隔离层中具有空气隙。
可选的，第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的宽度。
可选的，所述第二凹槽的深度小于等于60纳米，宽度小于等于30纳米。
可选的，所述隔离层的材料为SiN、SiON或SiOCN。
可选的，所述填充第二沟槽的工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺。
可选的，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力为0.3~0.5托。
可选的，所述金属栅极的材料为钨。
可选的，去除部分厚度的金属栅极的工艺为湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀工艺采用的溶液为乙二醇和氢氟酸的混合溶液。
可选的，乙二醇和氢氟酸的混合溶液中乙二醇的质量百分比浓度为94%~97%，氢氟酸的质量百分比浓度为4%~6%。
可选的，在第一凹槽中填充满金属之前，在第一凹槽的侧壁和底部形成高K栅介质层。
可选的，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化硅铪、氮氧化硅铪、氧化铪钽、氧化铪钛、氧化铪锆中的一种或几种。
可选的，去除部分厚度的所述金属栅极后，再去除第一凹槽侧壁的部分高度的所述高K栅介质层，所述高K栅介质层被去除的高度与金属栅极被去除的厚度相等。
可选的，刻蚀所述高K栅介质层采用的工艺为湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀工艺采用的溶液为稀释的乙二酸溶液。
可选的，所述乙二酸溶液的质量百分比浓度为30%~60%。
本发明技术方案还提供了一种鳍式场效应管，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底上的鳍部；横跨所述鳍部的表面和侧壁的金属栅极结构；位于所述半导体衬底表面的介质层，所述介质层覆盖所述鳍部和金属栅极结构，所述介质层的表面高于金属栅极结构的顶部表面；位于所述介质层中暴露所述金属栅极结构顶部表面的第二凹槽；填充满所述第二凹槽的隔离层，所述隔离层中具有空气隙。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
隔离层中具有空气隙，使得金属栅极与源/漏区（或源漏接触区）之间介质材料的介电常数减小，从而降低了金属栅极源/漏区（或源漏接触区）之间的寄生电容；另外，隔离层位于金属栅极上方，隔离层的长度等于金属栅极的长度（沿金属栅极横跨鳍部的方向），隔离层中空气隙的分布长度也等于金属栅极的长度，使得金属栅极沿长度方向的各个位置与源/漏区（或源漏接触区）之间介质材料的介电常数减小，并且所述空气隙只位于金属栅极上方的隔离层中，使得金属栅极和源/漏区（或源漏接触区）之间产生漏电流的可能性减小，提高了鳍式场效应管的稳定性；另外，由于所述隔离层和空气隙位于鳍式场效应管的源接触区和漏接触区之间，降低了源接触区和漏接触区之间的介质材料的介电常数，减小了源接触区和漏接触区之间的寄生电容。
第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的宽度，所述第二凹槽的深度小于等于60纳米，宽度小于等于30纳米，第二凹槽的深度和宽度均较小，且第二凹槽的深宽比大于1:1，在第二凹槽中填充隔离层时，隔离材料能较容易封闭第二凹槽的开口，从而在隔离层中形成空气隙。
所述隔离层的形成工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺（PECVD），所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力为0.3~0.5托，所述沉积腔的压力大于现有的等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力（0.1~0.2托），在形成隔离层时，能形成不均匀的隔离膜层，使得第二凹槽的开口容易被封闭，从而在隔离层中形成空气隙。
附图说明
图1为现有技术的一种鳍式场效应管的立体结构示意图；
图2为本发明实施例鳍式场效应管的结构示意图；
图3~图11为本发明实施例鳍式场效应管形成过程的结构示意图。
具体实施方式
现有技术制作的鳍式场效应管的金属栅极和源漏区的寄生电容较大，当鳍式场效应管工作时，寄生电容会影响鳍式场效应管的稳定性，影响鳍式场效应管的稳定性。
为解决上述问题，发明人提出一种鳍式场效应管，请参考图2，图2为本发明实施例鳍式场效应管的结构示意图，所述鳍式场效应管包括：半导体衬底200，所述半导体衬底200上具有鳍部201；横跨所述鳍部201顶部表面和侧壁的金属栅极207；位于所述金属栅极207和鳍部201之间的高K栅介质层（图中未示出）；位于所述半导体衬底200上的介质层208，所述介质层208覆盖所述鳍部201和金属栅极207，介质层208的表面高于金属栅极207的表面；位于所述介质层208中的第二凹槽（图中未示出），所述第二凹槽暴露出金属栅极207的顶部表面；填充满所述第二凹槽的隔离层210，所述隔离层210中具有空气隙211；位于所述金属栅极207两侧的鳍部内的源/漏区（图中未示出）；贯穿所述介质层208与源/漏区接触的源/漏接触区（图中未示出）。
由于金属栅极207上方的隔离层210中具有空气隙211，使得金属栅极207与源/漏区（或源漏接触区）之间介质材料的介电常数减小，从而降低了金属栅极207源/漏区（或源漏接触区）之间的寄生电容，并且所述空气隙211只位于金属栅极上方的隔离层210中，使得金属栅极201和源/漏区（或源漏接触区）之间产生漏电流的可能性减小，提高了鳍式场效应管的稳定性，另外，由于所述隔离层210和空气隙211位于鳍式场效应管的源接触区和漏接触区之间，降低了源接触区和漏接触区之间的介质材料的介电常数，减小了源接触区和漏接触区之间的寄生电容。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对上述鳍式场效应管的具体的形成过程做详细的说明。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。
图3~图11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，其中图3~图10为沿图2的切割线AB方向的剖面结构示意图，图11为沿图2的CD方向的剖面结构示意图。
参考图3，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200上具有鳍部201；在所述半导体衬底200上形成横跨所述鳍部201的表面和侧壁的牺牲栅极202。
所述鳍部201可以通过刻蚀半导体衬底200获得也可以通过外延工艺形成。
本实施例中，所述鳍部201通过刻蚀半导体衬底200形成，所述半导体衬底200的材料可以为硅（Si）、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。本实施例中，所述半导体衬底200的材料为硅。
在本发明的其他实施例中，所述鳍部201通过外延工艺形成时，所述鳍部201的材料为硅（Si）、锗（Ge）、或硅锗（GeSi）、碳化硅（SiC）或者Ⅲ-Ⅴ族化合物。
所述牺牲栅极202和鳍部201之间还形成有保护层（图中未示出），所述保护层的材料为氧化硅，后续在去除牺牲栅极202时，保护鳍部201的表面不会受到损害。
所述牺牲栅极202形成的具体的过程为：形成覆盖所述鳍部201和半导体衬底表面的牺牲材料层；平坦化所述牺牲材料层；在牺牲材料层表面形成掩膜层，所述掩膜层具有暴露牺牲材料层表面的开口；沿开口，刻蚀去除部分牺牲层，形成横跨所述鳍部201的表面和侧壁的牺牲栅极202。所述牺牲栅极202的宽度小于等于30纳米，鳍部201顶部表面的上的牺牲栅极202的厚度大于65纳米。
在形成牺牲栅极202后，还包括，在所述牺牲栅极202的四周侧壁形成侧墙（图中未示出）。所述侧墙的材料为氮化硅。
在形成侧墙后，还包括，以所述牺牲栅极202和侧墙为掩膜，对所述牺牲栅极两侧的鳍部进行离子注入，在牺牲栅极202两侧的鳍部内形成鳍式场效应管的源/漏区（图中未示出）。所述离子注入掺杂的杂质离子为N型杂质离子或P型杂质离子。
参考图4，在所述半导体衬底200上形成介质层208，所述介质层208表面与牺牲栅极201的表面平齐。
所述介质层208的材料为氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、氮碳氧化硅（SiOCN）或其他合适的材料，本实施例中，所述介质层208的材料为氧化硅。
所述介质层208形成的具体过程为：形成覆盖所述半导体衬底200和牺牲栅极202的介质材料层；化学机械研磨所述介质材料层，以所述牺牲栅极202的表面为停止层，形成介质层208。
参考图5，去除所述牺牲栅极202（参考图4）形成第一凹槽203，第一凹槽203的位置与牺牲栅极202的位置相对应。
去除所述牺牲栅极202的工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
参考图6，在所述第一凹槽203的侧壁和底部以及鳍部201表面和侧壁形成高K栅介质层204。
所述高K栅介质层204的形成工艺为物理气相沉积，高K栅介质层204的材料为氧化铪、氧化硅铪、氮氧化硅铪、氧化铪钽、氧化铪钛、氧化铪锆中的一种或几种。
所述高K栅介质层204部分位于介质层208的表面。
参考图7，在所述高K栅介质层204表面形成金属层206，所述金属层206填充满所述第一凹槽203（参考图6）。
本实施例中，所述金属层206的材料为钨，在本发明的其他实施例中，所述金属层的材料还可以为铝、铜、镍、铬、钛、钛钨、钽和镍铂中的一种或其组合。
参考图8，化学机械研磨所述金属层206和高K栅介质层204（参考图7），形成金属栅极207。
参考图9，去除部分厚度的所述金属栅极207和高K栅介质层204，形成第二凹槽209。
所述高K栅介质层的去除步骤在金属栅极207的步骤之后，即在去除部分厚度的所述金属栅极后，再去除第一凹槽侧壁的部分高度的所述高K栅介质层，所述高K栅介质层被去除的高度与金属栅极被去除的厚度相等，先去除体积较大部分金属栅极207，形成第二凹槽，然后再去除体积较小的部分高K栅介质层，去除部分高K栅介质层时，第二凹槽暴露高K栅介质层的侧壁，使得体积小的高K栅介质层容易去除干净，另外金属栅极和高K栅介质层分步骤去除，防止在同时去除时，金属栅极和高K栅介质层的刻蚀速率不一样，金属栅极的去除厚度和高K栅介质层的去除高度不一致，影响后续形成鳍式场效应管的稳定性。本实施例中，去除部分高K栅介质层后形成的空隙也作为第二凹槽209的一部分，高K栅介质层被去除的高度与金属栅极被去除的厚度通过各自的刻蚀时间控制。
第二凹槽209的宽度与金属栅极207的宽度相适应，第二凹槽209的深度大于等于第二凹槽的宽度，所述第二凹槽的深度小于等于60纳米，宽度小于等于30纳米，第二凹槽209的深度和宽度均较小，且第二凹槽209的深宽比大于1:1，后续在第二凹槽209中填充隔离层时，隔离材料能较容易封闭第二凹槽209的开口，从而在隔离层中形成空气隙。
去除部分厚度的金属栅极207的工艺为湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀工艺采用的溶液为乙二醇和氢氟酸的混合溶液，乙二醇和氢氟酸的混合溶液中乙二醇的质量百分比浓度为94%~97%，氢氟酸的质量百分比浓度为4%~6％，采用乙二醇和氢氟酸的混合溶液刻蚀金属栅极207时，使得金属栅极207相对于介质层208和高K栅介质层204具有高的刻蚀选择比。
去除部分高度的所述高K栅介质层204采用的工艺为湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀工艺采用的溶液为稀释的乙二酸溶液，所述乙二酸溶液的质量百分比浓度为30%~60%，采用乙二酸溶液刻蚀高K栅介质层204，高K栅介质层204相对于介质层208和金属栅极207具有高的刻蚀选择比。
参考图10和图11，在所述第二凹槽209（参考图9）中填充满隔离层210，在所述隔离层210中形成有空气隙211。
所述隔离层210的材料为氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）或氮碳氧化硅（SiOCN）。本实施例中，所述隔离层210的材料为氮化硅（SiN）。
所述隔离层210的形成工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺（PECVD），所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力为0.3~0.5托，所述沉积腔的压力大于现有的等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力（0.1~0.2托），在形成隔离层210时，能形成不均匀的隔离膜层，使得第二凹槽209的开口容易被封闭，从而在隔离层210中形成空气隙。
在形成隔离层210时，还包括：进行化学机械研磨工艺，以去除介质层208表面多余的隔离材料。
在形成隔离层210之后，还包括，刻蚀所述介质层208，形成暴露鳍式场效应管源区和漏区的通孔；在通孔底部形成金属硅化物；在通孔中填充满金属，形成插塞，插塞与金属硅化物相连接，所述插塞和金属硅化物构成源/漏接触区。
由于隔离层210位于金属栅极207上方，隔离层210的长度等于金属栅极207的长度（沿金属栅极207横跨鳍部的方向），隔离层210中空气隙211的分布长度也等于金属栅极207的长度，使得金属栅极207沿长度方向的各个位置与源/漏区（或源漏接触区）之间介质材料的介电常数减小，从而降低了金属栅极207源/漏区（或源漏接触区）之间的寄生电容，并且所述空气隙211只位于金属栅极上方的隔离层210中，使得金属栅极201和源/漏区（或源漏接触区）之间产生漏电流的可能性减小，提高了鳍式场效应管的稳定性，另外，由于所述隔离层210和空气隙211位于鳍式场效应管的源接触区和漏接触区之间，降低了源接触区和漏接触区之间的介质材料的介电常数，减小了源接触区和漏接触区之间的寄生电容。
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 (18)
1.一种鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有鳍部；
在所述鳍部上形成横跨鳍部表面和侧壁的牺牲栅极；
在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层表面与牺牲栅极的表面平齐；
去除所述牺牲栅极形成第一凹槽；
在所述第一凹槽填充满金属，形成金属栅极；
去除部分厚度的所述金属栅极，形成第二凹槽，在所述第二凹槽中填充满隔离层，所述隔离层中具有空气隙。
2.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，第二凹槽的深度大于第二凹槽的宽度。
3.如权利要求2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小于等于60纳米，宽度小于等于30纳米。
4.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述隔离层的材料为SiN、SiON或SiOCN。
5.如权利要求4所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述填充第二沟槽的工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺。
6.如权利要求5所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积腔的压力为0.3~0.5托。
7.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述金属栅极的材料为钨。
8.如权利要求7所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，去除部分厚度的金属栅极的工艺为湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀工艺采用的溶液为乙二醇和氢氟酸的混合溶液。
9.如权利要求8所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，乙二醇和氢氟酸的混合溶液中乙二醇的质量百分比浓度为94%~97%，氢氟酸的质量百分比浓度为4%~6%。
10.如权利要求1所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，在第一凹槽中填充满金属之前，在第一凹槽的侧壁和底部形成高K栅介质层。
11.如权利要求10所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化硅铪、氮氧化硅铪、氧化铪钽、氧化铪钛、氧化铪锆中的一种或几种。
12.如权利要求11所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，去除部分厚度的所述金属栅极后，再去除第一凹槽侧壁的部分高度的所述高K栅介质层，所述高K栅介质层被去除的高度与金属栅极被去除的厚度相等。
13.如权利要求12所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，刻蚀所述高K栅介质层采用的工艺为湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀工艺采用的溶液为稀释的乙二酸溶液。
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，所述乙二酸溶液的质量百分比浓度为30%~60%。
15.一种鳍式场效应管，其特征在于，包括：
半导体衬底，位于所述半导体衬底上的鳍部；
横跨所述鳍部的表面和侧壁的金属栅极结构；
位于所述半导体衬底表面的介质层，所述介质层覆盖所述鳍部和金属栅极结构，所述介质层的表面高于金属栅极结构的顶部表面；
位于所述介质层中暴露所述金属栅极结构顶部表面的第二凹槽；
填充满所述第二凹槽的隔离层，所述隔离层中具有空气隙。
16.如权利要求15所述的鳍式场效应管，其特征在于，所述隔离层的材料为SiN、SiON或SiOCN。
17.如权利要求16所述的鳍式场效应管，其特征在于，第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的宽度。
18.如权利要求17所述的鳍式场效应管，其特征在于，所述第二凹槽的深度小于等于60纳米，宽度小于等于30纳米。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |