CN105489555A - 半导体器件制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件制造方法，包括：步骤1，在衬底上第一区域和第二区域中形成多个鳍片结构；步骤2，在第一区域和第二区域中多个鳍片结构上形成保护层；步骤3，选择性光刻/刻蚀去除第二区域中的保护层，露出鳍片结构；步骤4，在第二区域中露出的鳍片结构上形成第二外延层；步骤5，自对准刻蚀去除第一区域中的保护层，露出鳍片结构；步骤6，在第一区域中露出的鳍片结构上形成第一外延层。依照本发明的半导体器件制造方法，仅采用一次光刻/刻蚀工艺实现了在不同导电类型FinFET上选择性沉积不同的外延层，降低了工艺复杂度，节省了成本，并且提高了器件可靠性。

Description

半导体器件制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种CMOS型鳍片场效应晶体管(FinFET)的制造方法。

背景技术

当前通过单一缩减特征尺寸来降低成本的方法已经遇到了瓶颈，特别是当特征尺寸降至150nm以下时，很多物理参数不能按比例变化，例如硅禁带宽度Eg、费米势φF、界面态及氧化层电荷Qox、热电势Vt以及pn结自建势等等，这些将影响按比例缩小的器件性能。近30年来，半导体器件一直按照摩尔定律等比例缩小，半导体集成电路的特征尺寸不断缩小，集成度不断提高。随着技术节点进入深亚微米领域，例如100nm以内，甚至45nm以内，传统场效应晶体管(FET)，也即平面FET，开始遭遇各种基本物理定律的限制，使其等比例缩小的前景受到挑战。众多新型结构的FET被开发出来，以应对现实的需求，其中，FinFET就是一种很具等比例缩小潜力的新结构器件。

FinFET，鳍状场效应晶体管，是一种多栅半导体器件。由于结构上的独有特点，FinFET成为深亚微米集成电路领域很具发展前景的器件。顾名思义，FinFET包括一个垂直于体硅的衬底的Fin，Fin被称为鳍片或鳍状半导体柱，不同的FinTET被STI结构分割开来。不同于常规的平面FET，FinFET的沟道区位于Fin之内。栅极绝缘层和栅极在侧面和顶面包围Fin，从而形成至少两面的栅极，即位于Fin的两个侧面上的栅极；同时，通过控制Fin的厚度，使得FinFET具有极佳的特性：更好的短沟道效应抑制能力，更好的亚阈值斜率，较低的关态电流，消除了浮体效应，更低的工作电压，更有利于按比例缩小。

由于FinFET的鳍片结构较窄，源区、漏区的自身面积以及接触面积均较小，因此导致器件的外部电阻较大。通常，业界的一般性流程包括，在形成鳍片结构之后，通过轻掺杂离子注入在鳍片结构顶部形成LDD，退火激活注入离子之后，在LDD顶部以及鳍片结构的侧壁上外延生长抬升的源漏区以增大源漏区尺寸从而降低接触电阻，之后再对抬升源漏区注入掺杂或者在外延过程中原位掺杂。同时，优选晶格常数与衬底、鳍片结构略有差别的材料例如SiGe、SiC等以用于向沟道区施加应力，从而有效提高器件的驱动能力。

然而，对于不同导电类型的FinFET而言，外延源漏的材质通常是不同的。例如对于P型FinFET，外延材料通常为SiGe，而对于N型FinFET，外延材料通常为Si或SiC等。因此通常难以在同一个外延过程中同时外延生长两种外延层，也即需要如下两步外延工艺：a形成鳍片结构；b，在第一(器件类型例如NMOS)区域和第二(器件类型例如PMOS)区域的鳍片结构上同时沉积保护用的介质层；c，形成第一掩模遮蔽第一区域而露出第二区域，去除第二区域内的介质层；d，在第二区域暴露的鳍片结构上外延生长第二外延层，并优选随后去除第一掩模；e，沉积第二介质层覆盖第一区域内残留的第一介质层以及第二区域内的第二外延层；f，形成第二掩模遮蔽第二区域并露出第一区域，去除第一区域内的第二介质层和第一介质层；g，在第一区域暴露的鳍片结构上外延生长第一外延层，并优选随后去除第二掩模；h，最后去除第二区域上残留的第二介质层。

由此可见，对于包含两种不同导电类型FinFET器件的半导体器件而言，上述两步外延工艺需要两次光刻/刻蚀工艺才能选择性地在不同区域上沉积不同材质，工艺步骤复杂、耗时长，并且存在多步光刻之间对准的问题，难以适用于精细结构的小尺寸FinFET。

发明内容

由上所述，本发明的目的在于克服上述技术困难，提出一种半导体器件制造方法，通过选择外延层的材质和沉积顺序，从而能够高效率、低成本的。

为此，本发明提供了一种半导体器件制造方法，包括：步骤1，在衬底上第一区域和第二区域中形成多个鳍片结构；步骤2，在第一区域和第二区域中多个鳍片结构上形成保护层；步骤3，选择性光刻/刻蚀去除第二区域中的保护层，露出鳍片结构；步骤4，在第二区域中露出的鳍片结构上形成第二外延层；步骤5，自对准刻蚀去除第一区域中的保护层，露出鳍片结构；步骤6，在第一区域中露出的鳍片结构上形成第一外延层。

其中，第一区域为NMOS区域，第二区域为PMOS区域；或者，第一区域为PMOS区域，第二区域为NMOS区域。

其中，保护层的材质选自以下之一或其组合：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、非晶碳、类金刚石无定形碳、无定形碳氮、多晶硼氮、非晶氟化氢化碳、非晶氟化碳、氟化四面体碳。

其中，步骤3进一步包括：在第一区域和第二区域中的保护层上形成掩模层；光刻/刻蚀掩模层形成掩模图形，覆盖第一区域的保护层，露出第二区域的保护层；以掩模图形为掩模，刻蚀第二区域的保护层，露出鳍片结构。

其中，掩模层包括光刻胶，或者低K材料与光刻胶的组合。

其中，在步骤3和/或步骤5中，采用碳氟基气体等离子干法刻蚀、氧等离子体干法刻蚀、或者湿法腐蚀去除保护层。

其中，第一外延层和/或第二外延层的材质选自以下之一或其组合：Si、SiC、Si:H、SiGe、SiGeC、SiGeSn。

其中，步骤4中，第二外延层的生长终止面为<111>晶面；步骤6中，第二区域中的第二外延层上也具有第一外延层，并且第二区域中第一外延层的厚度小于第二外延层的厚度。

其中，在步骤4之后、步骤5之前，通过轻掺杂注入在第二外延层中形成LDD结构；或者在步骤4中，原位掺杂在第二外延层中形成LDD结构。

其中，步骤1中还包括在多个鳍片结构之间形成浅沟槽隔离结构；步骤3的保护层与步骤1同时形成。

其中，步骤5进一步包括：在第一区域和第二区域中的保护层上形成掩模层；光刻/刻蚀掩模层形成掩模图形，覆盖第二区域而露出第一区域的保护层；以掩模图形为掩模，刻蚀第一区域的保护层，露出鳍片结构。

依照本发明的半导体器件制造方法，仅采用一次光刻/刻蚀工艺实现了在不同导电类型FinFET上选择性沉积不同的外延层，降低了工艺复杂度，节省了成本，并且提高了器件可靠性。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1至图6为依照本发明的半导体器件制造方法各步骤的剖视图；以及

图7为依照本发明的半导体器件制造方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了高效、低成本在不同导电类型FinFET上选择性沉积不同的外延层的半导体器件制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。

如图1所示，在衬底1上形成多个鳍片结构1F，如图7的第一步骤。值得注意的是，各个附图并未严格按照比例绘制，仅为了方便示意说明的目的。

先提供衬底1，衬底1依照器件用途需要而合理选择，可包括单晶体硅(Si)、单晶体锗(Ge)、应变硅(StrainedSi)、锗硅(SiGe)，或是化合物半导体材料，例如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)，以及碳基半导体例如石墨烯、SiC、碳纳管等等。出于与CMOS工艺兼容的考虑，衬底1优选地为体Si或SOI。衬底1一般为<110>或<100>晶面，以便于生长上层结构。

任选的，对衬底1图形化而形成鳍片结构1F，也即衬底1顶部包括鳍片结构1F。例如，在衬底1顶部涂覆光刻胶薄膜并且曝光显影形成沿第一方向(图1中水平的左右方向)延伸的多个光刻胶图形(未示出)。以光刻胶图形为掩模各向异性地刻蚀衬底1形成多个鳍片结构1F，例如等离子干法刻蚀或RIE，刻蚀气体例如碳氟基气体(CF₄、CH₂F₂、CHF₃、CH₃F、C₃H₆、C₄F₆、C₄F₈等)，或者针对Si材质采用TMAH湿法腐蚀。进一步优选地，在多个鳍片结构1F之间、周围通过热氧化、化学氧化、CVD(例如HDPCVD、PECVD等)填充形成例如氧化硅、氮氧化硅材质的绝缘层并且回刻(etch--back)直至至少露出鳍片结构1F顶部而构成浅沟槽隔离(STI)2。值得注意的是，以下附图中左侧区域也即A区域称作第一区域或第一导电类型器件区域，右侧区域也即B区域称作第二区域或第二导电类型器件区域，在A、B区域中可以形成多个鳍片结构而不限于图中所示各一个，并且A、B区域也可以与图中所示不同，并且相邻配置而是两个区域之间间隔、夹杂若干其他区域(可以是导电区域，也可以是其他绝缘隔离区域)。

如图2所示以及图7步骤2所述，在整个器件上形成保护层3，覆盖了STI2的顶部、鳍片结构1F的顶部和侧壁，还可以覆盖由STI2所暴露出的衬底1区域顶部(未示出)。保护层3的材质例如包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、非晶碳、类金刚石无定形碳(DLC)、无定形碳氮、多晶硼氮、非晶氟化氢化碳、非晶氟化碳、氟化四面体碳等，其形成工艺可以包括热氧化、化学氧化、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD等，并且优选地采用共形沉积工艺。在本发明一个优选实施例中，形成保护层3以在稍后的外延工艺中提高生长的选择性。但是实际上，除了上述额外工艺沉积层3之外，也可以通过其他方式提供对鳍片结构1F的保护，例如湿法氧化鳍片结构1F顶部形成薄的氧化层(最终可以通过HF基腐蚀液去除)，或者在刻蚀形成鳍片结构1F过程后半段中增大碳氟比并减小氧化性气体供给而在鳍片结构1F顶部留下原生的保护层，或者仅通过调整刻蚀腔室内气压、温度、RF功率等物理参数而留下原生氧化物层，还可以在STI2沉积、回刻过程中采用光刻胶覆盖鳍片结构1F顶部并且减小侧向刻蚀速率从而在鳍片结构1F顶部也留下与STI2材质相同的绝缘保护层。此时如图2所示，保护层3完全覆盖了第一区域A和第二区域B内的所有鳍片结构1F。

如图3所示以及图7步骤3所述，采用掩模4覆盖第一区域，而暴露第二区域中的鳍片结构1F。掩模4可以是软质的光刻胶图形，例如采用公知常用的曝光、显影的光刻方法形成。此外，掩模4也可以是低k材料的层间介质层(ILD)与其上方软质光刻胶的叠层，以便于获得更好的光刻精度并且同时ILD4还能用于晶片上其他器件区域形成工艺，从而进一步缩减了工艺步骤、节省了成本。随后以掩模4为掩模，采用各向同性的刻蚀工艺选择性去除第二区域中鳍片结构1F上的保护层3，例如采用碳氟比小(例如CF₄、CHF₃)的碳氟基气体等离子干法刻蚀去除氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅等硅基材质，或者采用氧等离子干法刻蚀去除非晶碳、类金刚石无定形碳(DLC)、无定形碳氮、多晶硼氮、非晶氟化氢化碳、非晶氟化碳、氟化四面体碳等非硅基材质，还可以采用HF基腐蚀液(包括dHF、dBOE等)、热磷酸、KOH、硝酸、硫酸、双氧水等各种湿法腐蚀液。优选地，该步骤之后去除掩模4，例如灰化工艺或者强酸/强碱与氧化剂的湿法去除工艺。

如图4所示以及图7步骤4所述，在第二区域中暴露的鳍片结构1F上形成第二外延层5。在本发明一个优选实施例中，第二区域是PMOS区域，因此第二外延层的材质可以包括SiGe、SiGeC、SiGeSn等。在本发明其他实施例中，第二区域是NMOS区域，材质例如Si、SiC、Si:H等。外延工艺例如PECVD、HDPCVD、MBE、ALD、MOCVD、热生长等。由于第一区域上留下的绝缘材质的保护层3遮蔽了第一区域中的鳍片结构1F，因此外延生长仅在第二区域中暴露的鳍片结构1F上形成。并且值得注意的是，由于四族元素(Si、Ge、Sn、C等)在各个晶面上生长速度不同，例如在<111>面上生长速度最慢，因此最终形成的第二外延层5将突出于鳍片结构1F的侧面、中部的宽度大于顶部或底部宽度，也即形成菱形、棱锥等结构，剖面图中示出为多边形(往往是四边形或六边形)。第二外延层5的生长晶面终止于该<111>面。因此，后续即便是在该第二外延层5上再次外延生长不同材质的第一外延层6，因为<111>晶面上生长速度缓慢，第一外延层6在第二外延层5上的分布明显要较小。与此同时，在该外延生长过程中，可以进行原位掺杂以获得LDD结构，或者还可以在图4所示过程之后、图5所示过程之前插入LDD注入步骤。在LDD注入步骤过程中，第一区域中的保护层3(或者与其上方残留的掩模4一起)充当了注入掩模，因此进一步节省了工序、降低了成本。

如图5所示以及图7的步骤5所述，刻蚀去除第一区域A中鳍片结构1F上的保护层3。采用与如图3所述相同的工艺，各向同性的刻蚀去除保护层3。由于STI2、第二外延层5、鳍片结构1F的材质均不同于保护层3，因此该刻蚀过程可以称作是选择性的、或者是自对准的，也即无需光刻胶掩模。但是，也可以采用其他工艺步骤，例如在第一区域和第二区域中的保护层上形成掩模层(可以是光刻胶，也可以是与硬掩模层的组合)；光刻/刻蚀掩模层形成掩模图形，覆盖第二区域而露出第一区域的保护层；以掩模图形为掩模，刻蚀第一区域的保护层，露出鳍片结构。由此，与背景技术部分所述的工艺相比，节省了一道光刻刻蚀过程，降低了成本。并且减少的光刻/刻蚀步骤，也有利于获得更加洁净的鳍片1F结构顶表面，减小表面缺陷、提高外延生长的质量以及最终提高器件可靠性。

如图6所示以及图7的步骤6所述，在第一区域A中形成第一外延层6，并且该第一外延层6同时也形成在第二区域B中的第二外延层5上。类似于如图4所示的第二外延层5的形成工艺，采用PECVD、HDPCVD、MBE、ALD、MOCVD、热生长等工艺，外延生长与第二外延层5材质不同的第一外延层6。对于NMOS区域而言，第一外延层6材质例如Si、SiC、Si:H等；对于PMOS区域而言，材质可以包括SiGe、SiGeC、SiGeSn等。在本发明一个优选实施例中，为了使得PMOS、NMOS两种器件的电流相当，通常会使某种器件进行相对少量的外延。比如电子迁移率要高于空穴的迁移率，通常情况下NMOS的工作电流要大于PMOS的工作电流，所以可以先进行PMOS外延锗硅，然后在NMOS上进行较少量的外延硅。也即，本发明优选实施例中，第一区域为NMOS，第二区域为PMOS区域。但是在本发明其他实施例中，对于晶片上不同区域的不同类型器件，第一、第二区域的导电类型也可以相反，或者可以进一步掺杂具有In、B、Ga等其他元素以获得不同于上述这些材料的其他晶格常数以便施加各个不同的沟道应力。在第一外延层6的生长过程中，如前所述，由于第二外延层5的晶面为<111>晶面，因此即便第一外延层6除了在第一区域A的鳍片结构1F上大量生长之外，还可以在第二区域B的鳍片结构1F顶部的第二外延层5上也适量生长。在本发明一个优选实施例中，可以调整工艺使得第二区域B中的第一外延层6厚度例如优选小于1nm，或者小于第一区域A中第一外延层6的厚度的5％。在第二区域B中，由于第一外延层6厚度较小，对于第二区域中第二导电类型器件(例如PMOS)影响较小－－例如沟道区应力减少较小。因此可以通过如上所述的工艺以沟道区应力的细微调整的代价获得工艺复杂度的大大减缓，由此提高了半导体器件的制造效率和可靠性。在图6所示的步骤中，可以采用原位掺杂方式在第一区域A中形成LDD结构。

此后，可以完成器件制造。例如在图2之后、图3之前插入形成假栅极堆叠的步骤。以及在图6之后插入以下步骤：沉积ILD；刻蚀去除假栅极堆叠而在ILD中留下栅极开口；在栅极开口中形成高K的栅极绝缘层和金属的栅极导电层；刻蚀ILD形成源漏接触孔，暴露第一、第二外延；在源漏接触孔中沉积金属形成接触塞。最终完成器件制造。

依照本发明的半导体器件制造方法，仅采用一次光刻/刻蚀工艺实现了在不同导电类型FinFET上选择性沉积不同的外延层，降低了工艺复杂度，节省了成本，并且提高了器件可靠性。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种半导体器件制造方法，包括：

步骤1，在衬底上第一区域和第二区域中形成多个鳍片结构；

步骤2，在第一区域和第二区域中多个鳍片结构上形成保护层；

步骤3，选择性光刻/刻蚀去除第二区域中的保护层，露出鳍片结构；

步骤4，在第二区域中露出的鳍片结构上形成第二外延层；

步骤5，自对准刻蚀去除第一区域中的保护层，露出鳍片结构；

步骤6，在第一区域中露出的鳍片结构上形成第一外延层。

2.如权利要求1的方法，其中，第一区域为NMOS区域，第二区域为PMOS区域；或者，第一区域为PMOS区域，第二区域为NMOS区域。

3.如权利要求1的方法，其中，保护层的材质选自以下之一或其组合：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、非晶碳、类金刚石无定形碳、无定形碳氮、多晶硼氮、非晶氟化氢化碳、非晶氟化碳、氟化四面体碳。

4.如权利要求1的方法，其中，步骤3进一步包括：

在第一区域和第二区域中的保护层上形成掩模层；

光刻/刻蚀掩模层形成掩模图形，覆盖第一区域的保护层，露出第二区域的保护层；

以掩模图形为掩模，刻蚀第二区域的保护层，露出鳍片结构。

5.如权利要求4的方法，其中，掩模层包括光刻胶，或者低K材料与光刻胶的组合。

6.如权利要求1的方法，其中，在步骤3和/或步骤5中，采用碳氟基气体等离子干法刻蚀、氧等离子体干法刻蚀、或者湿法腐蚀去除保护层。

7.如权利要求1的方法，其中，第一外延层和/或第二外延层的材质选自以下之一或其组合：Si、SiC、Si:H、SiGe、SiGeC、SiGeSn。

8.如权利要求1的方法，其中，步骤4中，第二外延层的生长终止面为<111>晶面；步骤6中，第二区域中的第二外延层上也具有第一外延层，并且第二区域中第一外延层的厚度小于第二外延层的厚度。

9.如权利要求1的方法，其中，在步骤4之后、步骤5之前，通过轻掺杂注入在第二外延层中形成LDD结构；或者在步骤4中，原位掺杂在第二外延层中形成LDD结构。

10.如权利要求1的方法，其中，步骤1中还包括在多个鳍片结构之间形成浅沟槽隔离结构；步骤3的保护层与步骤1同时形成。

11.如权利要求1的方法，其中，步骤5进一步包括：

在第一区域和第二区域中的保护层上形成掩模层；

光刻/刻蚀掩模层形成掩模图形，覆盖第二区域而露出第一区域的保护层；

以掩模图形为掩模，刻蚀第一区域的保护层，露出鳍片结构。