CN104465375A - P型鳍式场效应晶体管的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种P型鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：提供锗硅基底；在所述锗硅基底上形成硅层，所述硅层侧面为（111）晶面；湿法刻蚀所述硅层形成硅线，所述湿法刻蚀硅层为沿垂直于所述硅层上表面方向刻蚀所述硅层，所述硅线定义鳍部的位置；以所述硅线为掩模，刻蚀所述锗硅基底形成鳍部；去除所述硅线。在湿法刻蚀硅层形成硅线过程中，整个硅层完全浸入刻蚀剂中，刻蚀剂只在垂直于硅层上表面方向上刻蚀硅层。这样，形成的硅线侧壁非常光滑，线宽在其高度方向上体现一致性。在以该硅线为掩模，刻蚀锗硅基底形成的鳍部侧壁也非常光滑，硅线的线宽传递至鳍部，鳍部的线宽可以准确定位，在鳍部高度方向上体现一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种P型鳍式场效应晶体管的形成方法。
背景技术
在半导体技术领域，随着集成电路的特征尺寸不断减小，以及对集成电路更高信号传递速度的要求，晶体管需要在尺寸逐渐减小的同时具有更高的驱动电流。为顺应这种要求，传统的互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS）晶体管的长度变得比以往更短，然而，这仍然难以满足高集成度的需要。
因此，在现有技术中，提出了鳍式场效应晶体管（FinFET）。参照图1，鳍式场效应晶体管包括：位于基底10上的绝缘层11；贯穿绝缘层11且高出绝缘层11上表面的鳍部12；横跨所述鳍部12的栅极13，栅极13与其下的鳍部上表面和侧壁表面相对；分别形成在栅极13两侧鳍部的源极、漏极（未示出），源极与栅极之间、漏极与栅极之间为相互隔开。相比于CMOS晶体管，鳍式场效应晶体管为位于基底上的类似立体结构，它的特征尺寸更小，更能满足高集成度的要求。而且，鳍式场效应晶体管的栅极与鳍部的上表面相对，栅极与鳍部的两个相对的侧壁表面也相对，则在工作时，与栅极相对的鳍部的上表面和两个相对的侧壁表面均能形成沟道区，这提升了载流子的迁移率。
但是，随着现代社会的信息数据的膨胀，需要更快、更高效的数据传输。因此，现有技术提出了在P型鳍式场效应晶体管中，使用锗硅作为鳍部材料，锗硅相比于硅具有更高空穴迁移率，可以带来更高的信号传输。
使用锗硅材料的鳍部形成方法包括：
参照图2，提供锗硅基底1，在所述锗硅基底1上形成有硬掩模层2；
参照图3，使用光刻、刻蚀工艺，对硬掩模层2（参照图2）进行图形化，形成硬掩模线21，硬掩模线21对应鳍部的位置；
参照图4，以硬掩模线21为掩模，刻蚀部分厚度锗硅基底1形成鳍部11。
但是，具有该鳍部的P型场效应晶体管的性能不佳。
发明内容
本发明解决的问题是，具有现有技术形成的锗硅材料鳍部的P型鳍式场效应晶体管的性能不佳。
为解决上述问题，本发明提供一种P型鳍式场效应晶体管的形成方法，该P型鳍式场效应晶体管的形成方法包括：
提供锗硅基底；
在所述锗硅基底上形成硅层，所述硅层侧面为（111）晶面；
湿法刻蚀所述硅层形成硅线，所述湿法刻蚀硅层为沿垂直于所述硅层上表面方向刻蚀所述硅层，所述硅线定义鳍部的位置；
以所述硅线为掩模，刻蚀所述锗硅基底形成鳍部；
去除所述硅线。
可选地，在所述锗硅基底上形成硅层的方法为外延生长。
可选地，在湿法刻蚀所述硅层过程使用的刻蚀剂为四甲基氢氧化铵水溶液。
可选地，所述四甲基氢氧化铵水溶液的体积浓度范围为1%-40%，温度范围为大于等于20℃且小于100℃。
可选地，湿法刻蚀所述硅层形成硅线的方法包括：
在所述硅层上形成硬掩模层；
对所述硬掩模层进行图形化，形成硬掩模线，所述硬掩模线定义硅线的位置；
以所述硬掩模线为掩模，湿法刻蚀所述硅层形成硅线；
去除所述硬掩模线。
可选地，所述去除硬掩模线的方法为湿法刻蚀。
可选地，刻蚀所述锗硅基底形成鳍部的方法为干法刻蚀。
可选地，在干法刻蚀所述锗硅基底过程，使用CF4。
可选地，在干法刻蚀所述锗硅基底过程中，射频功率范围为50w-500W；压强范围为2mTorr-100mTorr，偏置电压范围为0-200V；CF4气体的流量范围为10sccm-500sccm。
可选地，去除所述硅线的方法为使用湿法刻蚀所述硅线。
可选地，在湿法刻蚀所述硅线过程中使用的刻蚀剂为硝酸溶液，或者使用的刻蚀剂为双氧水与氢氟酸溶液的混合溶液。
可选地，刻蚀所述锗硅基底为刻蚀部分厚度的所述锗硅基底；
在去除所述硅线后，在剩余锗硅基底上形成绝缘层，所述鳍部高于绝缘层；或者，在形成所述鳍部后，去除所述硅线前，在剩余锗硅基底上形成绝缘层，所述鳍部高于绝缘层。
可选地，在所述锗硅基底下还形成有底部硅层和位于底部硅层上的绝缘层；
刻蚀所述锗硅基底为刻蚀全部厚度的锗硅基底。
可选地，在所述绝缘层上形成横跨鳍部的栅介质层和栅极；
在形成所述栅极后，在所述鳍部两端分别形成源极、漏极，所述源极与栅极之间、所述漏极与栅极之间相互隔开。
可选地，在去除所述硅线后，还包括：在所述绝缘层上形成横跨鳍部的伪栅极；
在所述鳍部两端分别形成源极、漏极，所述源极与栅极之间、所述漏极与栅极之间相互隔开；
在所述绝缘层上形成层间介质层，所述层间介质层的上表面与所述伪栅极上表面持平；
去除所述伪栅极形成伪栅沟槽；
在所述伪栅沟槽中形成横跨所述鳍部的高K栅介质层和位于高K栅介质层上的栅极。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
在锗硅基底上形成的硅层侧面为（111）晶面，相应的，硅层上表面为（110）晶面。在湿法刻蚀硅层形成硅线过程中，整个硅层完全浸入刻蚀剂中，刻蚀剂对硅层侧面的（111）晶面是极其敏感的，刻蚀剂基本不会沿垂直于硅层侧面方向上刻蚀硅层，即对硅层侧面的刻蚀速率为0，刻蚀剂只在垂直于硅层上表面方向上刻蚀硅层。这样，形成的硅线侧壁非常光滑，线宽在其高度方向上体现一致性。在以该硅线为掩模，刻蚀锗硅基底形成的鳍部侧壁也非常光滑，硅线的线宽传递至鳍部，鳍部的线宽可以准确定位，在鳍部高度方向上体现一致性。
具有上述鳍部的P型鳍式场效应晶体管工作时，锗硅材料的鳍部具有较高空穴迁移率。而且，空穴迁移率比较稳定，使得P型鳍式场效应晶体管中的信号传输稳定、可靠，P性鳍式场效应晶体管的性能较佳。
附图说明
图1是现有技术的鳍式场效应晶体管的立体结构示意图；
图2～图4是现有技术的鳍式场效应晶体管的鳍部在形成过程中的剖面结构示意图；
图5～图12是本发明第一实施例的鳍式场效应晶体管在形成过程中的立体结构示意图；
图13～图15是本发明第二实施例的鳍式场效应晶体管在形成过程中的立体结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术存在的问题，经研究分析，随着集成电路集成度越来越高，鳍式场效应晶体管的鳍部的线宽很小，相应的，参照图4，在刻蚀锗硅基底1形成鳍部11时，刻蚀气体沿垂直于锗硅基底1上表面方向刻蚀锗硅基底1，同时，还沿垂直于锗硅基底1侧面方向刻蚀锗硅基底1。在同一刻蚀条件下，锗硅基底1在垂直于上表面方向的刻蚀速率，大于在垂直于侧面方向的刻蚀速率，但两者相差不大。所述刻蚀速率之差，造成形成的鳍部侧壁凹凸不平，再加上硬掩模线的侧壁具有相当的粗糙度，进一步增大了鳍部侧壁的粗糙度。这样，鳍部在高度方向上的线宽的一致性较差，呈现头细底粗的形状，严重时，鳍部在垂直于长度方向的剖面呈锥形。
鳍部在高度方向上的线宽的一致性较差，鳍部11的线宽不符合预定义，其中的载流子迁移率降低且不稳定，引起其中的信号传输不稳定，造成具有该鳍部的P型鳍式场效应晶体管性能不佳。
针对上述问题，本发明技术方案提出一种新的鳍部形成方法，具有该方法形成的鳍部的P型鳍式场效应晶体管的性能良好。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图5，提供锗硅基底100。
在本实施例中，锗硅基底100将用于形成P型鳍式场效应晶体管的鳍部。
继续参照图5，在所述锗硅基底100上形成硅层101。硅层101侧面为（111）晶面，硅层101上表面为（110）晶面。
在具体实施例中，在锗硅基底100上形成硅层101的方法为外延生长。在外延生长过程，实现硅层101在垂直于锗硅基底100上表面方向上，按照晶向<110>方向生长，形成硅层101上表面为（111）晶面，侧面为（110）晶面。具体地，所述外延生长工艺为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。
参照图6，在所述硅层101上形成硬掩模层102。
在具体实施例中，形成硬掩模层102的方法包括：
所述硬掩模层102为氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中的一种或多种的叠层结构，使用化学气相沉积形成硬掩模层102。
参照图7，对所述硬掩模层102（参照图6）进行图形化，形成硬掩模线103，所述硬掩模线103定义硅线的位置，硅线定义鳍部的位置。
在具体实施例中，使用光刻、刻蚀工艺，对硬掩模层进行图形化，此为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。
参照图8，以硬掩模线103为掩模，使用湿法刻蚀硅层101（参照图7）形成硅线104。
在本实施例中，在湿法刻蚀硅层过程中使用的刻蚀剂为四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium Hydroxide，TMAH）水溶液，TMAH水溶液具有较高的腐蚀速率、无毒无污染、便于操作，且TMAH水溶液的晶面选择性好。将硅层暴露在TMAH水溶液中，由于硅层上表面为（110）晶面，硅层侧面为（111）晶面，TMAH水溶液对（111）晶面极其敏感，TMAH水溶液基本不会腐蚀硅层侧面，即对硅层侧面的刻蚀速率接近0，而只在垂直于硅层上表面方向上刻蚀硅层。与现有技术的干法刻蚀相比，本实施例的方案缺少了对硅层沿垂直于硅层侧面方向的刻蚀，形成的硅线104侧壁比较竖直。而且，由于整个硅层均暴露在TMAH水溶液中，只有硬掩模线103侧壁的底部部分起到掩模作用，这就保证了硅线104侧壁非常光滑。具有竖直、光滑侧壁的硅线104的线宽在高度方向上具有一致性，硅线线宽定位鳍部线宽，确保鳍部线宽在高度方向上具有一致性。
在具体实施例中，TMAH水溶液的体积浓度范围为1%-40%，温度范围为20-100℃。如果TMAH水溶液的体积浓度低于1%，则TMAH水溶液的碱性不够，不具有足够的腐蚀性，刻蚀硅层的速率非常慢，甚至不会腐蚀硅层。如果TMAH水溶液的体积浓度高于40%，则可能对锗硅基底100造成腐蚀。对TMAH水溶液的温度范围，如果温度小于20℃，TMAH的溶解性不够；由于TMAH水溶液的沸点为100℃，如果温度大于100℃，可能会造成TMAH水溶液沸腾而形成液滴飞溅。
在本实施例中，使用的TMAH水溶液的体积浓度为2.38%，温度为50℃。在刻蚀过程中，TMAH水溶液在垂直于硅层上表面方向的刻蚀速率为359nm，而在垂直于硅层侧面方向的刻蚀速率为小于9nm，效果可见一斑。
参照图9，去除硬掩模线103（参照图8）。
在具体实施例中，使用湿法刻蚀法去除硬掩模线，不会对硅线104造成损伤。具体工艺参数，可根据硬掩模线的材料进行选择，在此不再详述。
参照图10，以硅线104为掩模，干法刻蚀部分厚度的锗硅基底100，形成高出锗硅基底100上表面的鳍部105。
在具体实施例中，干法刻蚀实现各向异性刻蚀，形成的鳍部105侧壁为竖直侧壁，且光滑。
在本实施例中，使用CF4等离子体刻蚀锗硅基底100。在同一刻蚀反应腔的同一刻蚀条件下，使用CF4等离子体，锗硅相对硅具有无限大的刻蚀选择比。也就是，使用CF4等离子体刻蚀锗硅基底100过程，硅线104基本不会受到损伤。另外，由于硅线104侧壁比较光滑，以硅线104为掩模，刻蚀锗硅基底100形成的鳍部105具有光滑侧壁，而且鳍部105的线宽比较精确，符合预定义线宽。
在具体实施例中，对CF4气体进行等离子体化产生CF4等离子体。在对CF4进行等离子体化产生CF4等离子体过程中，使用的射频功率范围为50w-500W；在干法刻蚀所述锗硅基底100过程，压强范围为2mTorr-100mTorr，偏置电压范围为0-200V；CF4气体的流量范围为10sccm-500sccm。
参照图11，使用湿法刻蚀去除硅线104（参照图10）；之后，在所述锗硅基底100上形成绝缘层106，所述鳍部105高于绝缘层106。
在具体实施例中，湿法刻蚀去除硅线过程中，使用的刻蚀剂为硝酸溶液，或者使用的刻蚀剂为双氧水与氢氟酸溶液的混合溶液。在同一湿法刻蚀条件下，硅相比于锗硅具有较高刻蚀选择比，在较快刻蚀去除硅线时，对鳍部105和剩余锗硅基底100基本不会造成损伤。
在其他实施例中，还可以是：在形成鳍部后，刻蚀去除硅线前，在剩余基底上形成绝缘层，绝缘层的材料为氧化硅，所述鳍部高于绝缘层。刻蚀去除硅线的方法亦为湿法刻蚀，使用的刻蚀剂为硝酸溶液，或者使用的刻蚀剂为双氧水与氢氟酸溶液的混合溶液。在同一湿法刻蚀条件下，硅相比于锗硅、氧化硅的刻蚀选择比较高，在快速刻蚀去除硅线时，基本不会损伤鳍部、绝缘层和剩余锗硅基底。
在具体实施例中，绝缘层106起到绝缘隔离作用。形成绝缘层106的方法包括：
使用化学气相沉积形成绝缘材料层，绝缘材料层覆盖锗硅基底100、鳍部105，位于基底100上的绝缘材料层与硅线上表面持平，或者位于基底100上的绝缘材料层高于鳍部105；
回刻蚀绝缘材料层形成绝缘层106。
参照图12，形成横跨鳍部105的栅介质层（未示出）和位于栅介质层上的栅极107；之后，在鳍部105两端分别形成P型重掺杂，具有P型重掺杂的鳍部两端分别作为源极108、漏极109。
在具体实施例中，在形成栅极107后，接着在栅极107两侧侧壁形成侧墙（未示出），之后，以该侧墙为掩模，对鳍部两端进行P型离子注入，形成源极108和漏极109。
在本实施例中，P型鳍式场效应晶体管是使用前栅工艺形成。
在其他实施例中，还可以是使用后栅工艺形成P型鳍式场效应晶体管。在去除所述硅线，形成绝缘层后，还包括：在所述绝缘层上形成横跨鳍部的伪栅极；
在所述鳍部两端分别形成源极、漏极，所述源极与栅极之间、所述漏极与栅极之间相互隔开；
在所述绝缘层上形成层间介质层，所述层间介质层的上表面与所述伪栅极上表面持平；
去除所述伪栅极形成伪栅沟槽；
在所述伪栅沟槽中形成横跨所述鳍部的高K栅介质层和位于高K栅介质层上的栅极，该栅极为金属栅极，在其他实施例中，该栅极还可为其他可行材料的栅极。
在另一实施例中，后栅工艺还可以是：在去除硅线，形成绝缘层后，再绝缘层上形成横跨鳍部的高K栅介质层和位于高K栅介质层上的伪栅极，也就是高K栅介质层是与伪栅极同时形成的，最后在伪栅沟槽中形成栅极。其他步骤与前述实施例的后栅工艺步骤相同。
利用第一实施例的技术方案，参照图12，形成具有锗硅材料的鳍部105的P型鳍式场效应晶体管。由于锗硅相对硅具有较高的空穴迁移率，在P型鳍式场效应晶体管工作时，栅极107覆盖度鳍部105表面作为沟道区，沟道区中的空穴迁移率较高，源极108至漏极109之间的电流较大，显著提升P型鳍式场效应晶体管中的信号传递速率。而且，鳍部105表面光滑，鳍部105的线宽具有一致性，使得空穴迁移率比较稳定，使得P型鳍式场效应晶体管中的信号传输稳定，P型鳍式场效应晶体管的性能可靠。
第二实施例
参照图13，提供锗硅基底300，在锗硅基底300下形成有底部硅层301和位于底部硅层301上的绝缘层302，形成类SOI基底。
参考第一实施例的技术方案，参照图14，形成鳍部303为：干法刻蚀全部厚度的锗硅基底，暴露绝缘层302。
参考第一实施例的技术方案，参照图15，最终形成具有鳍部303的P型鳍式场效应晶体管。
除与第一实施例的区别之处外，在本实施例中其它未详细说明的内容或可替换方案可参考第一实施例的内容，在本实施例中不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种P型鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括：
提供锗硅基底；
在所述锗硅基底上形成硅层，所述硅层侧面为（111）晶面；
湿法刻蚀所述硅层形成硅线，所述湿法刻蚀硅层为沿垂直于所述硅层上表面方向刻蚀所述硅层，所述硅线定义鳍部的位置；
以所述硅线为掩模，刻蚀所述锗硅基底形成鳍部；
去除所述硅线。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述锗硅基底上形成硅层的方法为外延生长。
3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在湿法刻蚀所述硅层过程使用的刻蚀剂为四甲基氢氧化铵水溶液。
4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述四甲基氢氧化铵水溶液的体积浓度范围为1%-40%，温度范围为大于等于20℃且小于100℃。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，湿法刻蚀所述硅层形成硅线的方法包括：
在所述硅层上形成硬掩模层；
对所述硬掩模层进行图形化，形成硬掩模线，所述硬掩模线定义硅线的位置；
以所述硬掩模线为掩模，湿法刻蚀所述硅层形成硅线；
去除所述硬掩模线。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述去除硬掩模线的方法为湿法刻蚀。
7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，刻蚀所述锗硅基底形成鳍部的方法为干法刻蚀。
8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，在干法刻蚀所述锗硅基底过程，使用CF4。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，在干法刻蚀所述锗硅基底过程中，射频功率范围为50w-500W；压强范围为2mTorr-100mTorr，偏置电压范围为0-200V；CF4气体的流量范围为10sccm-500sccm。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除所述硅线的方法为使用湿法刻蚀所述硅线。
11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，在湿法刻蚀所述硅线过程中使用的刻蚀剂为硝酸溶液，或者使用的刻蚀剂为双氧水与氢氟酸溶液的混合溶液。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，刻蚀所述锗硅基底为刻蚀部分厚度的所述锗硅基底；
在去除所述硅线后，在剩余锗硅基底上形成绝缘层，所述鳍部高于绝缘层；或者，在形成所述鳍部后，去除所述硅线前，在剩余锗硅基底上形成绝缘层，所述鳍部高于绝缘层。
13.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述锗硅基底下还形成有底部硅层和位于底部硅层上的绝缘层；
刻蚀所述锗硅基底为刻蚀全部厚度的锗硅基底。
14.如权利要求12或13所述的形成方法，其特征在于，在去除所述硅线后，还包括：
在所述绝缘层上形成横跨鳍部的栅介质层和栅极；
在形成所述栅极后，在所述鳍部两端分别形成源极、漏极，所述源极与栅极之间、所述漏极与栅极之间相互隔开。
15.如权利要求12或13所述的形成方法，其特征在于，在去除所述硅线后，还包括：在所述绝缘层上形成横跨鳍部的伪栅极；
在所述鳍部两端分别形成源极、漏极，所述源极与栅极之间、所述漏极与栅极之间相互隔开；
在所述绝缘层上形成层间介质层，所述层间介质层的上表面与所述伪栅极上表面持平；
去除所述伪栅极形成伪栅沟槽；
在所述伪栅沟槽中形成横跨所述鳍部的高K栅介质层和位于高K栅介质层上的栅极。
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