CN103811325B - 鳍式场效应管的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种鳍式场效应管的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面形成介质层；刻蚀所述介质层和半导体衬底，形成若干间隔排列的第一凹槽；在所述第一凹槽内填充满隔离层；去除所述介质层，在隔离层之间形成第二凹槽；在所述第二凹槽内填充满第一功能层；通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层。本发明鳍式场效应管的形成方法提高了所形成鳍式场效应管的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种鳍式场效应管的形成方法。
背景技术
随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件朝着更高的元件密度，以及更高的集成度的方向发展。晶体管作为最基本的半导体器件目前正被广泛应用，因此随着半导体器件元件密度和集成度的提高，晶体管的栅极尺寸也越来越短。然而，晶体管的栅极尺寸变短会使晶体管产生短沟道效应，进而产生漏电流，最终影响半导体器件的电学性能。
为了克服晶体管的短沟道效应，抑制漏电流，现有技术提出了鳍式场效应管（FinFET），请参考图1和图2，图1为现有技术的鳍式场效应管的剖面结构示意图，图2为图1在AA’方向上的剖面结构示意图，包括：
半导体衬底10；位于所述半导体衬底10表面的若干个鳍部11，所述鳍部11的材料为硅、锗或硅锗；位于所述半导体衬底10行且鳍部11之间的绝缘层12，所述绝缘层12的上表面低于所述鳍部11顶部；横跨所述鳍部11的顶部和侧壁的伪栅极结构13；位于所述伪栅极结构13两侧鳍部11内的重掺杂区16。
需要说明的是，所述伪栅极结构13包括：横跨所述鳍部11的顶部和侧壁的栅介质层14、以及位于所述栅介质层14表面的伪栅极15；与伪栅极结构13相接触的所述鳍部11的顶部和侧壁为鳍式场效应管的沟道区。
现有工艺在伪栅极结构13形成后，通常通过外延生长工艺在伪栅极结构13两侧的鳍部11表面沉积锗硅层，以引入硅与锗硅之间晶格失配形成的压应力，提高沟道区中载流子的迁移率，进而提高所形成鳍式场效应管的性能。
然而，在通过外延生长工艺形成锗硅层时，所形成锗硅层易沿鳍部11向绝缘层12方向延伸，导致绝缘层12两侧相邻鳍部11上重掺杂区16之间的距离太小，低于进行后续工艺的临界线宽，不利于后续工艺的进行；当绝缘层12两侧相邻鳍部11上的重掺杂区16发生重叠时，会导致所形成鳍式场效应管失效，严重影响了鳍式场效应管的成品率。
另外，在伪栅极15两侧的鳍部11表面沉积锗硅层时，部分锗硅层易沉积于伪栅极15表面；在沉积完锗硅层后，去除所述伪栅极15并形成金属栅极时，被锗硅层覆盖的伪栅极15很难完全去除，严重影响了所形成鳍式场效应管的性能。
更多鳍式场效应管的形成方法请参考公开号为US2011068405A1的美国专利文件。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应管的形成方法，在通过锗硅技术提高所形成鳍式场效应管的性能的同时，避免锗硅形成工艺对鳍式场效应管的性能造成影响，提高所形成鳍式场效应管的稳定性。
为解决上述问题，本发明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；
在所述半导体衬底表面形成介质层；
刻蚀所述介质层和半导体衬底，形成若干间隔排列的第一凹槽；
在所述第一凹槽内填充满隔离层；
去除所述介质层，在隔离层之间形成第二凹槽；
在所述第二凹槽内填充满第一功能层；
通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层。
可选的，通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层包括：
在所述隔离层和第一功能层上表面由下至上依次沉积第二功能层和第三功能层，所述第二功能层的材料为锗硅，所述第三功能层的材料为硅；
对所述第二功能层和第三功能层进行氢离子注入；
进行第一退火处理，使氢离子在第二功能层中扩散；
进行第二退火处理，使第二功能层中锗离子进入第一功能层顶部部分厚度的第一功能层中，形成锗硅层；
对所述第二功能层和第三功能层进行氧化处理；
进行第三退火处理，激活所述锗硅层中锗离子；
去除氧化处理后的第二功能层和第三功能层。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
先在第二凹槽内填充第一功能层，再通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，使第一功能层顶部部分厚度的第一功能层转化为锗硅层，所述锗硅层与其下方第一功能层和半导体衬底构成鳍部。由于所形成锗硅层的形貌由第一功能层的形貌决定，而第一功能层的形貌能够通过第二凹槽的形状精确控制，因此，锗硅层的形貌可精确控制，在通过锗硅技术提高鳍式场效应管沟道区载流子迁移率的同时，避免锗硅形成工艺对鳍式场效应管的性能造成影响，提高所形成鳍式场效应管的稳定性。
另外，由于本技术方案中所述锗硅层在伪栅极结构形成之前形成，可避免伪栅极被锗硅层覆盖，进而避免锗硅层对伪栅极的去除以及金属栅极的形成造成影响，提高了所形成鳍式场效应管的性能。
进一步，所述第一功能层为通过外延生长工艺形成的单晶硅，其沿晶向排列整齐，第二功能层中锗原子进入第一功能层顶部部分厚度的第一功能层后，能够形成晶向排列整齐的锗硅层，增大了锗硅层与其下方第一功能层之间晶格失配形成的应力，在横跨鳍部顶部的栅极结构形成后，位于栅极结构两侧鳍部上的锗硅层能够有效提高沟道区载流子的迁移率，提高了所形成鳍式场效应管的响应速度。
附图说明
图1~图2为现有工艺所形成鳍式场效应管的示意图；
图3~图12为是本发明鳍式场效应管的形成方法一个实施例中所形成鳍式场效应管的示意图。
具体实施方式
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有工艺在鳍式场效应管的伪栅极结构形成后，通过外延生长工艺在伪栅极结构两侧的鳍部上沉积锗硅层，以在伪栅极结构下方的沟道区中引入硅与锗硅之间晶格失配形成的压应力，提高沟道区中载流子的迁移率，以达到提高鳍式场效应管的响应速度的目的。然而，在通过外延生长工艺形成锗硅层时，所形成的锗硅层易向鳍部之间的绝缘层表面延伸，导致绝缘层两侧位于相邻鳍部上的重掺杂区之间距离太小，低于进行后续工艺的临界线宽，不利于后续工艺的进行。另外，在伪栅极结构两侧的鳍部表面沉积锗硅层时，锗硅层易在伪栅极结构表面沉积，导致伪栅极很难被完全去除，严重影响了所形成鳍式场效应管的性能。
针对上述缺陷，本发明提供了一种鳍式场效应管的形成方法，先在半导体衬底和位于半导体衬底上的介质层中形成若干间隔排列的第一凹槽，并在所述第一凹槽内填充满隔离层，再去除所述介质层，在隔离层之间形成第二凹槽，并在第二凹槽内填充满第一功能层；然后通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层。本发明鳍式场效应管的形成方法能够精确控制形成于鳍部顶部锗硅层的形貌，在通过锗硅层提高沟道区中载流子迁移率的同时，避免锗硅层形成工艺对鳍式场效应管的性能造成影响，提高了所形成鳍式场效应管的性能。
图3~图12示出了本发明鳍式场效应管的形成方法一个实施例中所形成鳍式场效应管的示意图，下面结合附图进行详细说明。
参考图3，提供半导体衬底201。
本实施例中，所述半导体衬底201的材料为单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）、或硅锗（GeSi）或碳化硅（SiC）；也可以是绝缘体上硅（SOI）或绝缘体上锗（GeOI）；还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。
继续参考图3，在所述半导体衬底201上表面由下至上依次形成刻蚀停止层203和介质层205。
本实施例中，所述刻蚀停止层203的材料为氧化硅，形成所述刻蚀停止层203的方法可以为化学气相沉积工艺。
本实施例中，所述介质层205的材料为氮化硅，形成所述介质层205的方法可以为化学气相沉积。
在其他实施例中，还可以不包括所述刻蚀停止层203，在所述半导体衬底201表面直接沉积介质层205。
参考图4，依次刻蚀图3中所述介质层205、刻蚀停止层203和半导体衬底201，形成若干个间隔排列的第一凹槽206。
具体的，形成所述第一凹槽206包括如下步骤：
在图3中所述介质层205表面形成光刻胶层（图未示），所述光刻胶层包括光刻图形；
以所述光刻胶层为掩模，沿光刻图形依次刻蚀所述介质层205、刻蚀停止层203和半导体衬底201，形成第一凹槽206；
去除所述光刻胶层。
本实施例中，刻蚀所述介质层205、刻蚀停止层203和半导体衬底201的方法为干法刻蚀，如等离子体刻蚀。其具体刻蚀工艺作为本领域技术人员的公知技术，在此不再赘述。
参考图5，沿图4中第一凹槽206开口方向对所述介质层205进行湿法回刻。
本实施例中，沿第一凹槽206开口方向对所述介质层205进行湿法回刻的溶液可为热磷酸溶液。所述湿法回刻去除介质层205的厚度为10埃~30埃。
在对所述介质层205进行湿法回刻的过程中，所述刻蚀停止层203作为位于其下方半导体衬底201的保护层，其能够有效保护半导体衬底201不受损伤。
通过对所述介质层205进行湿法回刻，增大第一凹槽206开口的宽度，以利于后续隔离层的填充。
参考图6，在图5中所述第一凹槽206内填充满隔离层207，所述隔离层207的上表面与介质层205的上表面齐平。
本实施例中，填充所述隔离层207包括如下步骤：
在所述第一凹槽206内以及第一凹槽206开口两侧的介质层205上沉积隔离材料（图未示）；
通过CMP工艺平坦化所述隔离材料，至暴露出介质层205，形成填充于第一凹槽206内的隔离层207。
本实施例中，所述隔离层207的材料为氧化硅，所述隔离层207可通过化学气相沉积工艺或者热氧化工艺沉积。
参考图7，去除图6中所述介质层205，在隔离层207之间形成第二凹槽208。
本实施例中，去除所述介质层205的方法为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀的溶液可为热磷酸溶液。
在通过湿法刻蚀去除所述介质层205时，所述刻蚀停止层203能够有效保护位于其下方的半导体衬底201不受损伤。
在其他实施例中，还可以采用其他任意合适的工艺去除介质层205，本发明对此不做限制。
继续参考图7，去除图6中所述刻蚀停止层203。
本实施例中，去除所述刻蚀停止层203的方法为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀的溶液为氢氟酸溶液。
需要说明的是，本实施例中，刻蚀停止层203与隔离层207的材料相同，在通过氢氟酸溶液去除所述刻蚀停止层203的同时，对隔离层207进行回刻，使位于半导体衬底201外隔离层207的侧壁平直。
对于不包括所述刻蚀停止层203的实施例，相应的，也不包括去除刻蚀停止层203的步骤。
参考图8，在图7中所述第二凹槽208内填充满第一功能层209，所述第一功能层209的上表面与隔离层207的上表面齐平。
本实施例中，形成所述第一功能层209的方法为外延生长工艺，所述第一功能层209的材料为单晶硅。通过外延生长工艺在第二凹槽208内填充第一功能层209时，所述第二凹槽208能够精确控制所形成第一功能层209的形貌，避免所形成第一功能层209生长至第二凹槽208外的隔离层207上。
参考图9~图11，通过氧致锗聚集工艺（Oxidation-induced Gecondensationprocess）对所述第一功能层209表面进行处理，形成锗硅层210。
本实施例中，形成锗硅层210进一步包括：
参考图9，在图8中所述隔离层207和第一功能层209上表面由下至上依次沉积第二功能层211和第三功能层213；
对图9中所述第二功能层211和第三功能层213进行氢离子注入；
进行第一退火处理，使氢离子在第二功能层211中扩散；
进行第二退火处理，使第二功能层211中锗离子进入第一功能层209顶部部分厚度的第一功能层209中，形成图10中锗硅层210；
对图9中所述第二功能层211和第三功能层213进行氧化处理，形成图10中氧化层215；
进行第三退火处理，激活所述锗硅层210中锗离子；
参考图11，去除图10中所述氧化层215。
具体的，所述第二功能层211的材料为锗硅，所述第二功能层211的厚度为40nm~400nm，所述第二功能层211中锗元素所占的质量百分比为15%~40%，形成所述第二功能层211的方法为化学气相沉积工艺；所述第三功能层213的材料为硅，所述第三功能层213的厚度为7nm~30nm，形成所述第三功能层213的方法为化学气相沉积工艺。
所述氢离子注入的剂量为5E15/cm2~5E16/cm2，能量为8.4KeV。所述第一退火处理的温度为450℃~550℃，时间为25min~35min，气体为氮气；所述第二退火处理的温度为800℃~900℃，时间为55min~65min，气体为氮气；所述氧化处理的气体为氧气，氧化处理的温度为1100℃~1200℃；所述第三退火处理的温度为1150℃~1200℃，气体为氮气。
较佳的，所述第一退火处理的温度为500℃，时间为30min，气体为氮气；所述第二退火处理的温度为850℃，时间为60min，气体为氮气；所述第一退火处理的温度略低于所述第二退火处理的温度。
在对第二功能层211和第三功能层213进行氢离子注入之后，通过进行温度稍低的第一退火处理使氢离子在第二功能层211中扩散，再通过温度稍高的第二退火处理使第二功能层211中锗原子在氢离子存在的情况下进入第一功能层209中，在第一功能层209表面形成锗硅层210同时，第一退火处理和第二退火处理还能够修复氢离子注入对第二功能层211和第三功能层213造成的损伤，抑制氢离子注入引起的氧化作用。
通过对第二功能层211和第三功能层213进行氧化处理，使第二功能层211和第三功能层213中硅原子与氧原子结合，形成材料为氧化硅的氧化层215。所述第三退火处理能够激活锗硅层210中锗离子，促进锗原子在锗硅层210内均匀扩散。所述锗硅层210与其下方的第一功能层209和半导体衬底201构成鳍式场效应管的鳍部。
由于第一功能层209的形貌较好，进而保障了所形成锗硅层210的形貌。
本实施例中，去除所述氧化层215的方法为湿法刻蚀,所述湿法刻蚀的溶液为氢氟酸溶液。
参考图12，去除图11中部分厚度的隔离层207，在鳍部之间形成隔离结构214。
本实施例中，去除部分厚度的隔离层207的方法为湿法刻蚀,所述湿法刻蚀的溶液为氢氟酸溶液。
由于氧化层215与隔离层207的材料均为氧化硅，在其他实施例中，可将去除氧化层215与去除部分厚度的隔离层207通过湿法刻蚀一步完成。
继续参考图12，对所述鳍部进行清洗工艺。
本实施例中，所述清洗工艺的溶液为加入双氧水（H2O2）的碱性溶液。
通过对所述鳍部进行清洗，能够有效去除通过湿法刻蚀去除氧化层215和部分厚度的隔离层207时残留的溶液，并使所形成鳍部的形貌均匀，防止包含所形成鳍部的鳍式场效应管阈值电压发生偏移，提高了鳍式场效应管的稳定性。
至此，完成了本实施例中所述鳍式场效应管的形成工艺。
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 (16)
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；
在所述半导体衬底表面形成介质层；
刻蚀所述介质层和半导体衬底，形成若干间隔排列的第一凹槽；
在所述第一凹槽内填充满隔离层；
去除所述介质层，在隔离层之间形成第二凹槽；
在所述第二凹槽内填充满第一功能层，且第一功能层仅形成在第二凹槽内；
通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层。
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，通过氧致锗聚集工艺对所述第一功能层表面进行处理，形成锗硅层包括：
在所述隔离层和第一功能层上表面由下至上依次沉积第二功能层和第三功能层，所述第二功能层的材料为锗硅，所述第三功能层的材料为硅；
对所述第二功能层和第三功能层进行氢离子注入；
进行第一退火处理，使氢离子在第二功能层中扩散；
进行第二退火处理，使第二功能层中锗离子进入第一功能层顶部部分厚度的第一功能层中，形成锗硅层；
对所述第二功能层和第三功能层进行氧化处理；
进行第三退火处理，激活所述锗硅层中锗离子；
去除氧化处理后的第二功能层和第三功能层。
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，所述第二功能层的厚度为40nm～400nm，所述第二功能层中锗所占的质量百分比为15％～40％。
4.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，所述第一退火处理的温度为450℃～550℃，时间为25min～35min；所述第二退火处理的温度为800℃～900℃，时间为55min～65min；所述氧化处理的温度为1100℃～1200℃，所述第三退火处理的温度为1150℃～1200℃，气体为氮气。
5.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，所述第一功能层的材料为单晶硅。
6.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，在所述第二凹槽内填充满第一功能层的方法为外延生长工艺。
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，在形成锗硅层之后，还包括：去除部分厚度的隔离层，形成隔离结构。
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，去除部分厚度的隔离层的方法为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀的溶液为氢氟酸溶液。
9.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，在去除部分厚度的隔离层，形成隔离结构之后，还包括：进行清洗工艺。
10.如权利要求9所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，所述清洗工艺的溶液为加入双氧水的碱性溶液。
11.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，在所述半导体衬底表面形成介质层之前，还包括：在所述半导体衬底表面形成刻蚀停止层。
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，所述介质层的材料为氮化硅，所述刻蚀停止层的材料为氧化硅。
13.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，在形成第一凹槽之后，还包括：沿第一凹槽开口方向对所述介质层进行湿法回刻。
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，所述湿法回刻去除介质层的厚度为10埃～30埃。
15.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，去除所述介质层之后，还包括：去除所述刻蚀停止层。
16.如权利要求15所述的鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀的溶液为氢氟酸溶液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |