CN105679824B - 鳍式场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种鳍式场效应晶体管及其制造方法，包括：提供衬底；在衬底上形成鳍；在衬底上依次形成隔离层和阻挡层；形成位于鳍侧壁上的侧墙；在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽；在凹槽中填充半导体材料，并对半导体材料进行掺杂以形成源区或漏区；在源区或漏区之间的鳍上形成栅极。所述晶体管包括：衬底；位于所述衬底上的鳍；覆盖于所述鳍侧壁和顶部的隔离层；位于所述鳍侧壁上的侧墙；横跨至少一个所述鳍的栅极；形成于栅极两侧的鳍顶部隔离层中的漏区。本发明通过增加阻挡层形成隔离层侧壁，鳍、隔离层顶部与隔离侧墙构成的凹槽底面比较平坦，有利于源区或漏区材料生长的速度与质量，进而有利于提升形成的鳍式场效应晶体管的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种鳍式场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
传统金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)中的栅极为平面结构，随着晶体管尺寸不断减小，短沟道效应变得明显，亚阈值电流以及栅泄露电流的增加影响了MOSFET的整体性能，这也限制了传统MOSFET尺寸的进一步减小。
相比之下，多面栅MOSFET具有较好的栅控能力，并能够较好的抑制短沟道效应。在此之中，鳍式场效应晶体管(Fin Field Effect Transistor，FinFET)是一种常见的多面栅结构的晶体管。
鳍式场效应晶体管为立体结构，包括衬底，所述衬底上形成有一个或多个凸出的鳍，鳍之间设置有绝缘隔离部件；栅极横跨于鳍上且覆盖所述鳍的顶部和侧壁。由于这种立体结构与传统平面结构的晶体管具有较大区别，部分工艺如果操作不当可能对形成器件的电学性能造成很大影响。
现有技术中，会在形成的鳍中刻蚀形成凹槽，然后在凹槽中填充半导体材料以形成源区或漏区。如果刻蚀形成的凹槽形貌不佳，容易影响后续形成源区或漏区的质量，进而影响整个鳍式场效应晶体管的性能。
因此，如何优化鳍的刻蚀工艺，提升鳍式场效应晶体管的性能是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应晶体管及其制造方法，以提升鳍式场效应晶体管的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成鳍；
在所述鳍以及鳍之间的衬底上依次形成隔离层和阻挡层；
对所述阻挡层进行第一刻蚀，形成位于鳍侧壁上的侧墙；
对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽；
在所述凹槽中填充半导体材料，并对所述半导体材料进行掺杂以形成源区或漏区；
在源区或漏区之间的鳍上形成栅极，所述栅极横跨至少一个所述鳍且所述栅极覆盖所述鳍的侧壁与顶部。
可选的，对隔离层进行第二刻蚀的步骤中：阻挡层的刻蚀速率小于隔离层的刻蚀速率。
可选的，所述隔离层的材料为氮化硅，所述阻挡层的材料为碳氮化硅。
可选的，在所述鳍以及鳍之间的衬底上依次形成隔离层和阻挡层的步骤包括：在形成氮化硅材料的隔离层过程中，对氮化硅进行原位的碳掺杂，形成碳氮化硅材料的阻挡层。
可选的，所述对氮化硅进行原位碳掺杂的步骤中，所述碳掺杂的浓度在1×1018到5×1020原子每立方厘米的范围内。
可选的，所述阻挡层的厚度在到的范围内。
可选的，所述隔离层的厚度在到的范围内。
可选的，所述形成阻挡层的步骤包括：采用化学气相沉积、原子层沉积或者炉管的方式形成所述阻挡层。
可选的，对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽的步骤中，所述隔离层刻蚀速率是所述阻挡层刻蚀速率的3倍。
可选的，对所述阻挡层进行第一刻蚀，形成侧墙的步骤包括：采用干法刻蚀对所述阻挡层进行刻蚀以形成侧墙。
可选的，对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽的步骤包括：采用湿法刻蚀对所述隔离层进行刻蚀，以形成凹槽。
可选的，采用磷酸对所述隔离层进行第二刻蚀，以形成凹槽。
可选的，所述采用磷酸对所述隔离层进行第二刻蚀，以形成凹槽的步骤，所述磷酸的质量百分比浓度为85％；所述磷酸的温度在80℃～165℃。
可选的，形成源区或漏区的步骤包括：采用外延生长的方式在所述凹槽中填充半导体材料，并在外延生长过程中进行原位掺杂以形成源区或漏区。
本发明还提供了一种鳍式场效应晶体管，包括：
衬底；
位于所述衬底上的多个鳍；
覆盖于所述鳍侧壁和顶部的隔离层；
位于所述鳍侧壁上的隔离层表面的侧墙；
横跨至少一个所述鳍的栅极，且所述栅极覆盖所述鳍的侧壁和顶部；
形成于栅极两侧的鳍顶部隔离层中凹槽，填充于所述凹槽中的半导体材料，所述半导体材料具有掺杂离子，用作源区或漏区。
可选的，所述隔离层的材料为氮化硅，所述侧墙的材料为碳氮化硅。
可选的，所述隔离层的厚度在到的范围内。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明通过设置在隔离层之外的阻挡层，形成位于鳍侧壁上的侧墙。所述阻挡层形成的侧墙能够在形成源区或者漏区的湿法刻蚀中保护鳍侧壁上的隔离层，是湿法刻蚀形成的，由鳍、隔离层顶部以及侧墙构成的源区或者漏区的凹槽底部比较平坦，有利于在所述凹槽中形成源区或者漏区的速率以及质量，进而有利于提升所形成的鳍式场效应晶体管的性能。
附图说明
图1是现有技术中鳍式场效应晶体管的结构示意图。
图2至图6C是本发明鳍式场效应晶体管制造方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
具体实施方式
由于现有技术形成鳍式场效应晶体管的工艺和传统平面晶体管有较大区别，因此很容易造成鳍式场效应晶体管的性能受到影响。
结合现有技术鳍式场效应晶体管的形成过程分析鳍式场效应晶体管性能不佳的原因。
参考图1，提供半导体衬底10，所述半导体衬底10上形成有若干凸起的鳍11；然后在相邻鳍11之间的半导体衬底10上形成隔离结构12，所述隔离结构12的顶部表面低于所述鳍11的顶部表面；在鳍侧壁形成侧墙13；刻蚀鳍11，在鳍11中形成开口14。
但是由于在刻蚀鳍11的时候，鳍11的侧壁已经形成有侧墙13，在刻蚀的过程中，与鳍11远离侧墙13的部分相比，鳍11靠近侧墙13的部分刻蚀的速度更慢。以干法刻蚀为例，因为靠近侧墙13的鳍11容易被侧墙13遮挡，所以刻蚀离子更容易打到位于鳍11中间的位置，而难以打到靠近侧墙13的位置，进而使鳍11靠近侧墙13的部分的刻蚀速率相对中间位置较慢。这样在刻蚀形成凹槽14之后，所述凹槽14呈现所述U形或V形结构。这种形状的凹槽14不利于后续形成源区或漏区，例如不利于源区或漏区材料的生长，从而影响形成的源区或漏区的质量，进而影响了器件的性能。
为了解决所述技术问题，本发明提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，包括如下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成鳍；
在所述鳍以及鳍之间的衬底上依次形成隔离层和阻挡层；
对所述阻挡层进行第一刻蚀，形成位于鳍侧壁上的侧墙；
对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽；
在所述凹槽中填充半导体材料，并对所述半导体材料进行掺杂以形成源区或漏区；
在源区或漏区之间的鳍上形成栅极，所述栅极横跨至少一个所述鳍且所述栅极覆盖所述鳍的侧壁与顶部。
本发明通过设置在隔离层外的阻挡层，形成鳍侧壁上的侧墙。在形成源区或漏区的湿法刻蚀中，所述侧墙能够保护鳍侧壁上的隔离层，使鳍、隔离层顶部以及侧墙构成的凹槽底面比较平坦，有利于后续在所述凹槽中形成源区或者漏区的速率以及质量，进而有利于提升所形成的鳍式场效应晶体管的性能。
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。
图2至图6是本发明所提供的鳍式场效应晶体管制造方法一实施例中各个步骤的结构示意图。需要说明的是，本实施例以P型鳍式场效应晶体管为例进行说明，但是本发明对鳍式场效应晶体管的类型不作限制。
结合参考图2和图2A，分别示出了鳍式场效应晶体管的立体图和沿A-A’线的剖视图。
本实施例鳍式场效应晶体管的制造方法包括：提供衬底100。
所述衬底100是后续工艺的工作平台。所述衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述衬底100也可以选自硅、锗、砷化镓或者锗硅化合物；所述衬底100还可以选自具有外延层或者外延层上的硅结构；所述衬底100还可以是其他半导体材料，本发明对此不做任何限制。本实施例中所述衬底100的材料为硅。
在所述衬底100上形成若干分立的鳍101。本实施例中，形成鳍101的步骤包括：在衬底100上形成鳍材料层；通过掩模刻蚀部分所述鳍材料层，进而形成所述鳍101。本实施例中，所述鳍101材料为硅。需要说明的是，以上方法仅为一个示例，本发明对此不做任何限定。
本实施例中，在所述鳍101之间还形成有隔离结构102。本实施例中，所述隔离结构102为氧化物。同样，形成隔离结构102的工艺与现有技术相同，在此不做赘述。
参考图3，在所述鳍101和鳍101之间的衬底100上形成隔离层103，在所述隔离层103上形成阻挡层104。所述隔离层103与阻挡层104的材料设置为：在后续隔离层103湿法刻蚀形成凹槽的步骤中，阻挡层104的刻蚀速率小于隔离层103的刻蚀速率。
所述隔离层103的作用是防止鳍101在后续所述隔离层103的湿法刻蚀中被损伤，影响沟道性能。
本实施例中，所述隔离层103的材料为氮化硅，具体的，可以采用炉管、原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)以及化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)等方式形成所述隔离层103。
需要说明的是，如果所述隔离层103的厚度过小，难以在后续刻蚀的步骤中起到保护鳍101的作用，如果所述隔离层103的厚度过大，则容易造成材料的浪费或者增加工艺难度，可选的，所述隔离层103的厚度在到之间。
所述阻挡层104用于后续工艺中形成隔离层103侧墙，还用于在后续的湿法刻蚀中保护鳍侧壁上的隔离层103，从而使湿法刻蚀只去掉鳍顶部的隔离层103，而侧壁的隔离层103被保护起来。
本实施例中，所述阻挡层104的材料为碳氮化硅。具体的，可以采用炉管、原子层沉积以及化学气相沉积等方式形成所述阻挡层104。
如果阻挡层104的厚度过小，难以在后续隔离层103刻蚀形成凹槽的步骤中起到保护隔离层侧壁的作用；如果阻挡层104厚度过大，则容易造成材料的浪费或增加工艺难度。本实施例中，所述阻挡层104厚度在到之间。
本实施例中，采用化学气相沉积的方式形成所述阻挡层104，沉积气体为SiH4、NH3和C2H2，气体流量为SiH4：50sccm～500sccm，NH3：50sccm～50slm，C2H2：5sccm～500sccm，沉积温度为80℃～600℃；气压为0.1torr～100torr。
需要说明的是，在其他实施例中，可以在形成所述隔离层103后，对所述氮化硅材料的隔离层103进行原位碳掺杂以形成阻挡层104。具体地所述碳掺杂的浓度在1×1018到5×1020原子每立方厘米。
结合参考图4，依次形成隔离层103和阻挡层104之后，对所述阻挡层104进行刻蚀，形成位于鳍101侧壁上的侧墙105。
具体的，采用各向异性干法刻蚀对所述阻挡层104进行刻蚀，在所述鳍101侧壁上的隔离层103外形成侧墙105。所述侧墙105保护鳍101侧壁上的隔离层103，以便于使后续隔离层103湿法刻蚀只去除鳍101顶层的隔离层103，而鳍101侧壁上的隔离层103不被刻蚀。
结合参考图5和5A，分别示出了鳍式场效应晶体管的立体示意图其中，和沿图5中B-B’线的剖视图，在形成侧墙105之后，对隔离层进行第二刻蚀，在隔离层103中形成多个露出鳍101的凹槽106。
需要说明的是，此处凹槽106用于填充半导体材料并形成源区和漏区，因此所述凹槽106的位置与待形成的源区或漏区的位置相对应。
本实施例中，所述形成凹槽106的第二刻蚀工艺采用湿法刻蚀技术，具体地，本实施例中采用的是各向同性湿法刻蚀，因此形成的凹槽106的底部较为平坦，这有利于后续形成鳍式场效应晶体管的源区或漏区。
所述湿法刻蚀采用的刻蚀剂是磷酸(H3PO4)，质量百分比浓度为80～90％，湿法刻蚀温度为80℃～165℃。利用磷酸进行刻蚀时，所述阻挡层104的刻蚀速率要比所述隔离层103小很多。
本实施例中，在磷酸刻蚀的时候，氮化硅的刻蚀速率是碳氮化硅的3到4倍。从而，在刻蚀形成凹槽106的过程中，材料为碳氮化硅的侧墙105可以保护鳍101侧壁的隔离层103，使湿法刻蚀只去除鳍顶部的氮化硅，而鳍侧壁上的氮化硅被侧墙105保护起来。这样，侧墙105与鳍101的顶部、隔离层103的顶部一起围成所述凹槽106。
需要说明的是，湿法刻蚀中，除了位于鳍101顶部的隔离层103被去除之外，位于隔离结构102表面的隔离层103也被去除了。因此鳍101侧壁上的隔离层103与侧墙105共同构成了鳍101的侧墙。
还需要说明的是，在形成凹槽106的刻蚀中，可以根据隔离层103厚度的不同选择刻蚀时间的长短。具体的，根据形成隔离层103的厚度，计算刻蚀时间的长短，使刻蚀在露出鳍101的顶部时停止。
结合参考图6、图6A、图6B和图6C，分别示意出了立体示意图、沿图6中C-C’线的剖视图、沿图6中D-D’线的剖视图，沿图6中E-E’线的剖视图。在形成凹槽106之后，分别在凹槽106中填充半导体材料，以形成源区或漏区107。
本实施例中，采用外延生长的方式在所述凹槽106中填充半导体材料。本实施例中，形成晶体管为P型鳍式场效应晶体管，因此填充凹槽106的半导体材料为锗硅材料，可以利用硅与锗硅之间的晶格失配，对沟道区域产生压应力，提高沟道内的载流子迁移率。
本实施例还在外延生长的过程中对所述半导体材料进行原位掺杂，以形成源区或漏区。采用原位掺杂方式可以简化工艺流程。具体地，在外延生长锗硅材料的同时在锗硅材料中掺杂P型离子。P型掺杂离子包括硼离子。
继续参考图6，形成源区或漏区107后，在源区或漏区107之间的鳍上形成栅极结构111，所述栅极结构111包括栅介质层(图中未示意)以及栅极(图中未标记)，横跨至少一个所述鳍101，并覆盖所述鳍101的侧壁与顶部。
需要说明的是，本实施例以P型鳍式场效应晶体管为例进行说明，但是本发明对此不做任何限定。本发明的其他实施例还可以是N型鳍式场效应晶体管。
本发明通过设置在隔离层外的阻挡层，形成保护鳍侧壁上隔离层的侧墙。在形成源区或者漏区的湿法刻蚀中，只去除鳍顶部的隔离层，形成露出鳍顶部的凹槽106。由于各向同性湿法刻蚀形成的，鳍、隔离层顶部与侧墙构成的凹槽底面比较平坦，有利于后续在所述凹槽106中形成源区或漏区的速率以及质量，进而有利于提升形成的鳍式场效应晶体管的性能。
相应地，本发明还提供一种鳍式场效应晶体管，请继续参考图6，结合参考图6A、图6B以及图6C，示出了本发明鳍式场效应晶体管一实施例的示意图。
所述鳍式场效应晶体管包括：
衬底100；
位于所述衬底100上的多个鳍101；
覆盖于所述鳍101侧壁和顶部的隔离层103；
位于所述鳍101侧壁上的隔离层103表面的侧墙105；
横跨至少一个所述鳍101的栅极111，且所述栅极111覆盖所述鳍101的侧壁和顶部；
形成于栅极111两侧的鳍101顶部隔离层中凹槽，填充于所述凹槽中的半导体材料，所述半导体材料具有掺杂离子，用作源区或漏区107。
所述衬底100是后续工艺的工作平台。所述衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述衬底100也可以选自硅、锗、砷化镓或者锗硅化合物；所述衬底100还可以选自具有外延层或者外延层上的硅结构；所述衬底100还可以是其他半导体材料，本发明对此不做任何限制。本实施例中所述衬底100的材料为硅。
所述鳍式场效应晶体管的沟道位于所述鳍101内。本实施例中，所述鳍101的材料为硅。
本实施例中，在所述鳍101之间还形成有隔离结构102。本实施例中，所述隔离结构102为氧化物。
所述隔离层103的作用是防止鳍101在后续所述隔离层103的湿法刻蚀中被损伤，影响沟道性能。本实施例中，所述隔离层103的材料为氮化硅。需要说明的是，如果所述隔离层103的厚度过小，难以在后续刻蚀的步骤中起到保护鳍101的作用，如果所述隔离层103的厚度过大，则容易造成材料的浪费或者增加工艺难度，可选的，所述隔离层103的厚度在到之间。
所述侧墙105的作用是在后续形成源区或者漏区的刻蚀中，保护鳍101侧壁上的隔离层103，以便于只去除鳍101顶层的隔离层103，而鳍101侧壁上的隔离层103不被刻蚀。
本实施例中，所述侧墙105的材料为碳氮化硅，所述隔离层103的材料为氮化硅。此外，本实施例中所述凹槽采用热磷酸湿法刻蚀而形成，可以使形成的凹槽具有较好的形貌，所述凹槽底面比较平坦，从而提高所形成源区或者漏区107的质量。但是本发明对侧墙105和隔离层103的具体材料、凹槽形成工艺均不做限制。
所述栅极111材料为多晶硅或者金属。
本实施例中，所述鳍式场效应晶体管为P型鳍式场效应晶体管，形成源区或者漏区107的半导体材料为锗硅材料，用于向沟道区域提供压应力。
所述半导体材料的掺杂的例子为P型离子(例如，P型离子为硼离子)，用作源区或者漏区107。
需要说明的是，本实施例中，侧墙105与鳍101的顶部、隔离层103一起构成了后续形成源区或者漏区107的凹槽，所述凹槽形成在所述鳍101顶部上的隔离层103内，在刻蚀形成凹槽的过程中，材料为碳氮化硅的侧墙105可以保护鳍101侧壁的隔离层103，使湿法刻蚀只去除鳍101顶部的氮化硅，而鳍101侧壁上的氮化硅被侧墙105保护起来。所以，本实施例中的凹槽具有较好的形貌，从而可以提高所述鳍式场效应晶体管的性能。
本发明鳍式场效应晶体管的优点在于，通过在鳍侧面隔离层外的侧墙的设置保护鳍侧面的隔离层，可以在形成鳍式场效应晶体管的过程中保护鳍从而使鳍中形成的凹槽底面比较平坦，有利于后续在所述凹槽内形成源区或者漏区的质量，进而有利于提升形成的鳍式场效应晶体管的性能。
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 (17)
1.一种鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成鳍；
在所述鳍以及鳍之间的衬底上依次形成隔离层和阻挡层；
对所述阻挡层进行第一刻蚀，形成位于鳍侧壁上的侧墙；
对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽；
在所述凹槽中填充半导体材料，并对所述半导体材料进行掺杂以形成源区或漏区；
在源区或漏区之间的鳍上形成栅极，所述栅极横跨至少一个所述鳍且所述栅极覆盖所述鳍的侧壁与顶部。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，对隔离层进行第二刻蚀的步骤中：阻挡层的刻蚀速率小于隔离层的刻蚀速率。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述隔离层的材料为氮化硅，所述阻挡层的材料为碳氮化硅。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述鳍以及鳍之间的衬底上依次形成隔离层和阻挡层的步骤包括：在形成氮化硅材料的隔离层过程中，对氮化硅进行原位的碳掺杂，形成碳氮化硅材料的阻挡层。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述对氮化硅进行原位碳掺杂的步骤中，所述碳掺杂的浓度在1×1018到5×1020原子每立方厘米的范围内。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度在到的范围内。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述隔离层的厚度在到的范围内。
8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述形成阻挡层的步骤包括：采用化学气相沉积、原子层沉积或者炉管的方式形成所述阻挡层。
9.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽的步骤中，所述隔离层刻蚀速率是所述阻挡层刻蚀速率的3倍。
10.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，对所述阻挡层进行第一刻蚀，形成侧墙的步骤包括：采用干法刻蚀对所述阻挡层进行刻蚀以形成侧墙。
11.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，对位于鳍顶部的隔离层进行第二刻蚀，在隔离层中形成多个露出鳍的凹槽的步骤包括：采用湿法刻蚀对所述隔离层进行刻蚀，以形成凹槽。
12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，采用磷酸对所述隔离层进行第二刻蚀，以形成凹槽。
13.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述采用磷酸对所述隔离层进行第二刻蚀，以形成凹槽的步骤，所述磷酸的质量百分比浓度为85％；所述磷酸的温度在80℃～165℃的范围内。
14.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成源区或漏区的步骤包括：采用外延生长的方式在所述凹槽中填充半导体材料，并在外延生长过程中进行原位掺杂以形成源区或漏区。
15.一种鳍式场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的多个鳍；
覆盖于所述鳍侧壁和顶部的隔离层；
位于所述鳍侧壁上的隔离层表面的侧墙；
横跨至少一个所述鳍的栅极，且所述栅极覆盖所述鳍的侧壁和顶部；
形成于栅极两侧的鳍顶部隔离层中凹槽，填充于所述凹槽中的半导体材料，所述半导体材料具有掺杂离子，用作源区或漏区。
16.如权利要求15所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述隔离层的材料为氮化硅，所述侧墙的材料为碳氮化硅。
17.如权利要求15所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述隔离层的厚度在到的范围内。
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