CN104576392B - 一种鳍式场效应管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种鳍式场效应管的制备方法，所述制备方法至少包括步骤：首先，在已制备的鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，使有机材料层或无定形碳覆盖鳍结构表面和侧壁；然后，通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的作用下刻蚀有机材料层或无定形碳，使得鳍结构顶部暴露并圆化；最后，去除剩余的有机材料层或无定形碳。本发明提供的鳍式场效应管的制备方法可以有效地将鳍结构顶部圆化，圆化的鳍结构顶部一方面能够降低鳍结构顶部的高场聚集效应，减小源漏间的漏电流，另一方面，在圆化的鳍结构表面淀积形成的栅极结构的厚度比较均匀，不会出现断裂，器件的整体性能得以提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别是涉及一种鳍式场效应管的制备方法。
背景技术
通过半导体行业的不断努力和创新，传统平面MOSFET器件的生命力得到了极大的延续。但是，随着半导体器件特征尺寸按摩尔定律等比缩小，芯片集成度不断提高，出现的众多负面效应使传统的平面型MOSFET在半导体技术发展到22nm时遇到了瓶颈。为了维持摩尔定律继续有效，具有更强栅控能力的三维全耗尽MOSFET取代传统平面MOSFET成为必然趋势。
典型的三维器件有鳍式场效应管（FinFET），FinFET与平面型MOSFET结构的主要区别在于其沟道由绝缘衬底上凸起的高而薄的鳍（Fin）构成，源漏两极分别在其两端，三栅极紧贴其侧壁和顶部，用于辅助电流控制。这种鳍型结构增大了栅极对沟道的控制范围，栅极可以从多个方向控制沟道，有效地抑制平面器件中出现的短沟道效应，也正由于该特性，FinFET无需高掺杂沟道，因此能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迁移率，另外，FinFET还具有优良的驱动能力和低的关断电流，并且同时降低漏电和动态功耗。英特尔已经在22nm上使用了称为“三栅”的FinFET技术，同时许多晶圆厂也正在准备16nm或14nm的FinFET工艺。
如图1所示为现有的鳍式场效应管的立体结构示意图，所述鳍式场效应管结构至少包括：半导体衬底1A，所述半导体衬底1A上形成有凸出的鳍结构2A，所述鳍结构2A一般是通过对半导体衬底1A进行刻蚀形成沟槽后获得；浅沟道隔离结构5A，淀积在所述沟槽2A中。栅极结构7A，横跨于所述鳍结构2A上，覆盖于所述鳍结构2A的表面和侧壁，所述栅极结构7A包括栅氧和形成于栅氧上的栅电极。
然而，现有的鳍式场效应管的鳍结构顶部两侧容易形成大于等于90度的尖角，如图1虚线所示，该尖角容易产生高场聚集效应，导致源漏间漏电流增大，并且鳍结构顶部尖角的存在会使后续沉积在鳍结构之上的栅极结构厚度不均匀，从而导致栅极电阻不相同，影响器件的整体性能。
在实际工艺中，通常在鳍结构形成后采用一些方法将鳍结构顶部圆化，但工艺方法都不够便捷，工艺成本过高。
因此，提供一种优化的鳍式场效应管制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种鳍式场效应管的制备方法，用于解决现有技术中制备形成的鳍结构顶部存在尖角的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种鳍式场效应管的制备方法，所述鳍式场效应管的制备方法包括对鳍结构顶部的处理方法，所述处理方法至少包括以下步骤：
1）在已制备的鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，使有机材料层或无定形碳覆盖鳍结构的表面和侧壁；
2）通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的作用下刻蚀有机材料层或无定形碳，使得鳍结构顶部暴露并圆化；
3）去除剩余的有机材料层或无定形碳。
优选地，所述有机材料层为SOC、NFC。
优选地，所述有机材料层或无定形碳与鳍结构材料的刻蚀选择比为1.1～1.2。
优选地，所述第一气体为CF4，所述第二气体为CHF3、CH2F2或CH3F中的一种。
优选地，所述第一气体和第二气体的流量之比为1：1～1：2。
优选地，等离子刻蚀的功率范围为50～500瓦，等离子刻蚀的时间范围为30～120秒。
优选地，去除所述剩余的有机材料层的方法为原位灰化或异位灰化，其采用的处理气体包括O2、N2、H2、CO2、CH4、NH3中的至少一种。
优选地，所述步骤1）中制备的所述鳍结构的具体过程包括：首先，提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上自下而上依次沉积垫氧化层、垫氮化层和光刻胶层；然后图形化光刻胶层形成多个开口，再依次对开口下方的垫氮化层、垫氧化层和半导体衬底进行刻蚀形成多个沟槽，沟槽与沟槽之间的凸出的半导体衬底定义为鳍结构。
优选地，形成鳍结构之后还包括浅沟道隔离结构的形成步骤：首先，采用高密度等离子化学气相沉积工艺在所述沟槽中淀积绝缘介质材料，直至绝缘介质材料覆盖于垫氮化层表面；之后，采用化学机械抛光工艺抛除垫氮化层表面的绝缘介质材料；最后，采用干法刻蚀工艺刻蚀沟槽中的绝缘介质材料使绝缘介质材料表面低于鳍结构的表面，从而形成浅沟道隔离结构。
优选地，形成浅沟道隔离结构之后去除所述垫氮化层和垫氧化层，露出鳍结构表面。
如上所述，本发明的鳍式场效应管的制备方法，包括步骤：首先，在已制备的鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，使有机材料层或无定形碳覆盖鳍结构表面和侧壁；然后，通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的作用下刻蚀有机材料层或无定形碳，使得鳍结构顶部暴露并并圆化；最后，去除剩余的有机材料层或无定形碳。本发明在鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，并采用等离子刻蚀工艺将鳍结构的顶部圆化，圆化的鳍结构顶部一方面降低鳍结构顶部的高场聚集效应，减小源漏间的漏电流，另一方面，在圆化的鳍结构表面淀积形成栅极结构的厚度比较均匀，不会出现断裂，电阻处处相等，器件的整体性能得以提升。
附图说明
图1为现有技术的鳍式场效应管结构示意图。
图2为本发明鳍式场效应管的制备流程图。
图3～7为本发明鳍式场效应管的制备方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图8为本发明鳍式场效应管的制备方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图9为本发明鳍式场效应管的制备方法步骤3）所呈现的结构示意图。
元件标号说明
S1～S3 步骤
1,1A 半导体衬底
2,2A 鳍结构
3 垫氮化层
4 垫氧化层
5,5A 浅沟道隔离结构
6 有机材料层或无定形碳
7A 栅极结构
8 沟槽
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种鳍式场效应管的制备方法，如图2所示流程图，所述鳍式场效应管的制备方法包括对鳍结构2顶部的处理方法，所述处理方法至少包括以下步骤：
首先执行步骤S1，如图3～图7所示，在已制备的鳍结构2上旋涂有机材料层或无定形碳6，使有机材料层或无定形碳6覆盖鳍结构2表面和侧壁。
制备形成所述鳍结构2的具体过程包括：
第一步，如图3所示，提供一半导体衬底1，在所述半导体衬底1上自下而上依次沉积垫氧化层3、垫氮化层4和光刻胶层（未予以图示）。
所述半导体衬底1可以是Si衬底、GeSi衬底或者是绝缘体上硅衬底（Silicon OnInsulator，SOI）。本实施例中，所述半导体衬底1为Si衬底。
所述垫氧化层3包括但不限于二氧化硅，本实施例中优选为二氧化硅，有利于增强半导体衬底1与垫氮化层4之间的界面粘附性。所述垫氮化层4包括但不限于氮化硅，本实施例中优选为氮化硅，作为后续抛光工艺的停止层。
第二步，如图4所示，图形化光刻胶层形成多个开口，再依次对开口下方的垫氮化层4、垫氧化层3和半导体衬底1进行刻蚀以在所述半导体衬底1中形成多个沟槽8，并去除光刻胶层。
形成的沟槽8形状包括但不限于倒梯形，也可以是长方形等，本实施例中，所述沟槽8为倒梯形。
刻蚀形成多个沟槽8之后，沟槽与沟槽之间凸起的半导体衬底1被定义为鳍结构2，其中，所述鳍结构2的两端定义为源区和漏区，源区和漏区之间的区域定义为沟道区。根据器件的实际需要，源区和漏区的宽度可以与沟道区的宽度相等，也可以是源区和漏区的宽度大于沟道区的宽度。本实施例中，源区和漏区的宽度与沟道区的宽度相等（由于视图方向不同，源区、漏区及沟道区均未标示出）。
进一步地，形成鳍结构2之后还包括浅沟道隔离结构5的形成步骤：首先，采用高密度等离子化学气相沉积（HPCVD）工艺在所述沟槽8中淀积绝缘介质材料，直至绝缘介质材料覆盖于垫氮化层4表面；之后，以垫氮化层4为抛光停止层，采用化学机械抛光工艺抛除垫氮化层4表面的绝缘介质材料；最后，采用干法刻蚀工艺刻蚀沟槽2中的绝缘介质材料使绝缘介质材料表面低于鳍结构2的表面，露出鳍结构2的部分侧壁，未刻蚀的绝缘介质材料形成浅沟道隔离结构5，如图5所示。
当然，在沟槽8中淀积绝缘介质材料的工艺除了高密度等离子化学气相沉积也可以是其他合适的沉积工艺。所述绝缘介质材料包括但不限于二氧化硅。本实施例中，所述绝缘介质材料为二氧化硅。进一步地，在沟槽8中淀积绝缘介质材料之前，可以先在沟槽8底部生长一层衬氧化层（未予以图示），用于增强绝缘介质材料的粘附力。所述衬氧化层可以为二氧化硅。
更进一步地，形成浅沟道隔离结构5之后去除所述垫氮化层4和垫氧化层3，露出鳍结构2表面，如图6所示。去除所述垫氮化层4和垫氧化层3可以采用湿法刻蚀方法，但并不限于此。
本发明以便于填充、便于去除且去除后不形成残留为基准来选择所述有机材料层或无定形碳6，旋涂的有机材料层或无定形碳6如图7所示。其中，所述有机材料层6包括但不限于SOC（旋转涂布有机碳）或NFC（热交联染色的酚醛聚合物）。本实施例中，所述有机材料层6为无定形碳。无定形碳是一种多孔材料，很容易被去除，且在去除的过程中不会损害其他的半导体结构。
旋涂的无定形碳6除了覆盖鳍结构的表面和侧壁，浅沟道隔离结构5的表面也被无定形碳6覆盖，如图7所示，在后续进行等离子刻蚀工艺时，部分无定形碳6可以用来保护浅沟道隔离区5的表面以及鳍结构2部分侧壁。
之后执行步骤S2，如图8所示，通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的作用下刻蚀有机材料层或无定形碳6，使得鳍结构顶部暴露并圆化。
具体地，等离子刻蚀可以在等离子刻蚀机中完成，晶圆被送入反应腔中并由真空系统将反应腔内部压力降低，在真空建立起来后，将反应腔中充入第一气体和第二气体的混合气体，之后开启电源，给反应腔中的平行板电极之间创造一个高频电场，由高频电场将混合气体激发成为等离子态，利用等离子化的混合气体对所述有机材料层或无定形碳6及鳍结构2进行刻蚀，使鳍结构2的顶部圆化。
由于鳍结构2是刻蚀半导体衬底1而形成的，因此，鳍结构2的材料与半导体衬底1的材料相同。刻蚀气体对所述有机材料层或无定形碳6与鳍结构2材料的刻蚀选择比范围为1.1～1.2。本实施例中，刻蚀气体对所述有机材料层或无定形碳6与鳍结构1材料的刻蚀选择比为1.1，以保证刻蚀气体对有机材料层或无定形碳6的刻蚀速率稍快于鳍结构2顶部的刻蚀速率，从而顺利进行刻蚀工艺。
进一步地，采用的刻蚀气体中第一气体优选为CF4，第二气体为CHF3、CH2F2或CH3F中的一种。本实施例中，采用的刻蚀气体为CF4和CHF3气体的混合气体。鳍结构2顶部圆化的程度与CF4和CHF3气体的流量比值有关，比值越高，CF4的相对流量越多，刻蚀形成的鳍结构2顶部就越扁平；比值越低，CF4的相对流量越少，刻蚀形成的鳍结构2顶部就越为凸起。所述第一气体和第二气体的流量之比的范围为1：1～1：2。本实施例中，所述CF4和CHF3气体的流量之比为1：1.5。
优选地，等离子刻蚀的功率范围为50～500瓦，刻蚀的时间范围为30～120秒。作为示例，等离子刻蚀的功率为100瓦，刻蚀的时间为60秒。
当然，还可以在CF4和CHF3混合气体中加入Ar或O2，以对CF4和CHF3混合气体进行稀释，调节刻蚀速率，并且采用被稀释的混合气体在一定程度上可以缓解氟原子对鳍结构2顶部的损伤。
最后执行步骤S3，如图9所示，去除剩余的有机材料层或无定形碳6。
可采用灰化工艺将剩余的有机材料层或无定形碳6去除，灰化工艺可以是原位灰化（In-situ ashing）或者异位灰化（Extra-situ ashing）。当然，还可以采用其他方法将剩余的有机材料层或无定形碳6去除。本实施例中，采用原位灰化工艺去除剩余的有机材料层或无定形碳6，灰化工艺进行的腔室与步骤S2中等离子刻蚀腔室为同一个。所采用的处理气体包括O2、N2、H2、CO2、CH4、NH3中的至少一种。本实施例中，采用O2作为处理气体，处理的时间约为几十秒。由于步骤S2中等离子刻蚀采用的是含氟的气体，刻蚀之后会在半导体衬底1和鳍结构2的表面形成含氟的残留物，而进行灰化所用的气体为O2等不含氟气体，在对剩余有机材料层6进行灰化去除的同时，可以将含氟的残留物一并去除，避免半导体结构受到氟原子损伤。
需要说明的是，在获得如图9所示的结构之后，还需要在圆化的鳍结构2表面制备栅极结构（未予以图示），所述栅极结构包括形成于鳍结构2顶部的栅氧和形成于栅氧表面的栅电极。所述栅氧包括但不限于二氧化硅。所述栅电极可以是多晶硅、金属、金属硅化物或其他合适的导电材料。而后续工艺步骤为常规工艺，在此不再一一赘述。
综上所述，本发明提供一种鳍式场效应管的制备方法，所述鳍式场效应管的制备方法包括对鳍结构顶部的处理方法，所述处理方法至少包括以下步骤：首先，在已制备的鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，使有机材料层或无定形碳覆盖鳍结构表面和侧壁；然后，通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的共同作用下刻蚀有机材料层或无定形碳，使得鳍结构顶部暴露并圆化；最后，去除剩余的有机材料层或无定形碳。本发明提供的鳍式场效应管的制备方法可以有效地将鳍结构顶部圆化，圆化的鳍结构顶部一方面降低鳍结构顶部的高场聚集效应，减小源漏间的漏电流，另一方面，在圆化的鳍结构表面淀积形成栅极结构的厚度比较均匀，不会出现断裂，器件的整体性能得以提升。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种鳍式场效应管的制备方法，其特征在于，所述鳍式场效应管的制备方法包括对鳍结构顶部的处理方法，所述处理方法至少包括以下步骤：
1)在已制备的鳍结构上旋涂有机材料层或无定形碳，使有机材料层或无定形碳覆盖鳍结构的表面和侧壁；
2)通入第一气体和第二气体的混合气体，并将混合气体等离子化，在混合气体形成的等离子的作用下刻蚀有机材料层或无定形碳，使得所述鳍结构顶部暴露并圆化，所述有机材料层或无定形碳与鳍结构材料的刻蚀选择比为1.1～1.2；
3)去除剩余的有机材料层或无定形碳。
2.根据权利要求1所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：所述有机材料层为旋转涂布有机碳或热交联染色的酚醛聚合物。
3.根据权利要求1所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：所述第一气体为CF4，所述第二气体为CHF3、CH2F2或CH3F中的一种。
4.根据权利要求1或3所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：所述第一气体和第二气体的流量之比为1：1～1：2。
5.根据权利要求1所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：等离子刻蚀的功率范围为50～500瓦，等离子刻蚀的时间范围为30～120秒。
6.根据权利要求1所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：去除所述剩余的有机材料层的方法为原位灰化或异位灰化，其采用的处理气体包括O2、N2、H2、CO2、CH4、NH3中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中制备的鳍结构的具体过程包括：首先，提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上自下而上依次沉积垫氧化层、垫氮化层和光刻胶层；然后图形化光刻胶层形成多个开口，再依次对开口下方的垫氮化层、垫氧化层和半导体衬底进行刻蚀形成多个沟槽，沟槽与沟槽之间的凸出的半导体衬底定义为鳍结构。
8.根据权利要求7所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：形成鳍结构之后还包括浅沟道隔离结构的形成步骤：首先，采用高密度等离子化学气相沉积工艺在所述沟槽中淀积绝缘介质材料，直至绝缘介质材料覆盖于所述垫氮化层表面；之后，采用化学机械抛光工艺抛除垫氮化层表面的绝缘介质材料；最后，采用干法刻蚀工艺刻蚀沟槽中的绝缘介质材料使绝缘介质材料表面低于鳍结构的表面，从而形成浅沟道隔离结构。
9.根据权利要求8所述的鳍式场效应管的制备方法，其特征在于：形成浅沟道隔离结构之后去除所述垫氮化层和垫氧化层，露出鳍结构表面。
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