CN106898553A - 一种鳍式场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种鳍式场效应晶体管及其制备方法。该器件采用高迁移率沟道材料，可以提高开态电流；在Fin条底部引入局域埋氧层，形成了体在绝缘层上(Body‑on‑Insulator,BOI)结构，切断了源漏间的泄漏电流通道，能够有效抑制泄漏电流，并且比SOI(/SGOI/GOI)FinFET具有更小的埋氧层面积，改善了散热问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种鳍式场效应晶体管及其制备方法，属于超大规模集成电路制造技术领域。
背景技术
随着集成电路的迅速发展，半导体器件的特征尺寸不断缩小。当特征尺寸进入纳米尺度，传统硅基平面器件面临短沟道效应严重、迁移率退化等问题。因此，人们从新器件结构、新沟道材料等方面提出了一些解决方案。鳍式场效应晶体管(FinFET)能够有效抑制短沟道效应，具有栅控能力强、开态电流大、与CMOS工艺兼容等优点，已在产业界得到应用。
对于体硅FinFET，在Fin条底部存在源漏泄漏电流通道，泄漏电流较大，导致静态功耗增大。SOI FinFET能够更好地抑制短沟道效应和泄漏电流，但是由于氧化硅埋氧层的热导率约为硅的1％，导致器件散热性较差。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种鳍式场效应晶体管及其制备方法，该器件采用高迁移率沟道材料，可以提高开态电流；在Fin条底部引入局域埋氧层，形成了体在绝缘层上(Body-on-Insulator,BOI)结构，切断了源漏间的泄漏电流通道，能够有效抑制泄漏电流，并且比SOI(/SGOI/GOI)FinFET具有更小的埋氧层面积，改善了散热问题。
本发明提供的鳍式场效应晶体管，包括半导体衬底，在半导体衬底上具有凸起的Fin条，在Fin条侧壁和顶部表面具有横跨Fin条的栅极结构，与栅极结构接触的Fin条部分构成沟道区，其特征在于，沟道区为高迁移率材料，沟道长度小于Fin条长度；源、漏位于沟道区两端；Fin条两端的半导体与衬底相连；Fin条与半导体衬底之间有一层局域埋氧层，形成BOI结构，该局域埋氧层的宽度大于或等于Fin条宽度。
本发明的鳍式场效应晶体管中，沟道区的高迁移率材料例如锗、锗硅、锗锡等。
本发明还提供了一种鳍式场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)在半导体衬底上形成采用高迁移率材料的凸起Fin条；
2)在Fin条与半导体衬底之间形成局域埋氧层，该局域埋氧层的宽度大于或等于Fin条宽度；
3)在所述Fin条侧壁和顶部表面形成栅极结构，并在栅极结构的侧面形成侧墙；
4)光刻定义源漏区图形，掺杂并退火形成源漏。
上述制备方法中，步骤1)中所述半导体衬底常用的为体硅衬底，但不局限于体硅衬底，形成Fin条的方法具体可包括：
1-1)在半导体衬底上生长高迁移率材料的半导体外延层；
1-2)定义器件有源区，并形成器件之间的隔离；
1-3)在步骤1-1)形成的半导体外延层上淀积硬掩膜，光刻定义Fin条图形，干法刻蚀硬掩膜和半导体外延层，停止在衬底表面，去掉光刻胶，形成Fin条。
所述步骤1-1)中所述半导体外延层的材料包括锗、锗硅、锗锡等，但不局限于上述外延材料，可为其他高迁移率材料，厚度可以为5～200nm，其厚度决定了Fin条的高度。
所述步骤1-1)中生长半导体外延层的工艺可以采用分子束外延(Molecule BeamEpitaxy,MBE)、化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition,CVD)等方法。
所述步骤1-3)中，硬掩膜可以是氧化硅层、氮化硅层、氧化硅/氮化硅叠层等，但不局限于上述材料，但应具有较好的保形性。淀积硬掩膜的工艺可以采用低压化学气相淀积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)等方法。硬掩膜厚度可以为10～800nm；Fin条宽度可以为5～100nm。光刻优选为电子束光刻或193nm浸没式光刻等能形成纳米尺度线条的先进光刻技术。
上述制备方法中，步骤2)具体可包括：
2-1)在Fin条上淀积一层氮化硅，并进行干法刻蚀，形成氮化硅侧墙；
2-2)干法刻蚀半导体衬底至一定深度，然后通过热氧化使Fin条和衬底之间的半导体被氧化，形成局域埋氧层(对于体硅衬底来说，形成氧化硅绝缘层)；
2-3)湿法腐蚀去掉氮化硅侧墙。
所述步骤2-2)中衬底的刻蚀深度决定了埋氧层的厚度，刻蚀深度可以为5～50nm；热氧化工艺可以采用湿氧氧化、氢氧合成氧化、等离子体氧化等，使Fin条与衬底之间的半导体(硅)完全被氧化，氧化时间应根据其宽度及其氧化速率而定。
所述步骤2-3)中，湿法腐蚀氮化硅可以采用浓磷酸溶液。
上述制备方法中，步骤3)和步骤4)为常规的工艺步骤。步骤3)包括淀积栅介质层，光刻、刻蚀形成栅电极，淀积氧化硅并刻蚀形成侧墙隔离层。步骤4)包括光刻定义源漏区图形，离子掺杂并退火形成源漏，以及后续的工艺步骤：光刻、刻蚀接触孔，溅射金属，光刻、刻蚀形成金属互连，合金，钝化等。
本发明优点如下：
1)采用高迁移率沟道材料，改善了沟道中载流子迁移率，提高了开态电流。
2)采用BOI结构，抑制了泄漏电流，降低了功耗。
与SOI(/SGOI/GOI)FinFET相比，BOI FinFET具有更小的埋氧层面积，改善了散热问题，并且在提升器件特性的同时降低了成本。
附图说明
图1为实施例制备的硅基锗硅BOIFinFET的结构示意图。
图2～图8为实施例制备硅基锗硅BOIFinFET的关键工艺步骤示意图，各图中(a)为沿图1中A-A’方向的剖面图，(b)为沿图1中B-B’方向的剖面图。
其中：1-硅衬底；2-锗硅外延层；3-作硬掩膜的氧化硅层；4-作硬掩膜的氮化硅层；5-锗硅Fin条；6-保护锗硅Fin条的氮化硅侧墙；7-氧化硅绝缘层；8-栅介质；9-栅电极；10-侧墙隔离层；11-源；12-漏。
具体实施方式
本发明的鳍式场效应晶体管采用高迁移率沟道材料，可以提高开态电流；在Fin条底部引入局域埋氧层，形成了BOI结构，切断了源漏间的泄漏电流通道，能够有效抑制泄漏电流。比SOI(/SGOI/GOI)FinFET具有更小的埋氧层面积，改善了散热问题，并且在提升器件特性的同时降低了成本。下面结合附图对本发明进行详细说明。
根据下列步骤可以实现硅基锗硅BOIFinFET：
步骤1.在P型(100)硅衬底1上MBE生长50nm锗硅外延层2，PECVD淀积300nm氧化硅，光刻、刻蚀形成有源区，去胶；
步骤2.PECVD淀积20nm氧化硅层3和50nm氮化硅层4作为硬掩膜，通过电子束光刻形成Fin条图形，Fin宽为20nm，干法刻蚀硬掩膜，露出锗硅外延层2上表面，去胶，所得结构如图2所示；
步骤3.以硬掩膜为掩蔽，干法刻蚀锗硅外延层2，露出硅衬底1上表面，形成锗硅Fin条5结构，如图3所示；
步骤4.PECVD淀积氮化硅，并进行干法刻蚀，在锗硅Fin条两侧形成氮化硅侧墙6，如图4所示；
步骤5.以硬掩膜和侧墙为掩蔽，干法刻蚀硅衬底1，刻蚀深度为20nm，如图5所示；
步骤6.通过氢氧合成对硅衬底1进行氧化，氧化温度为800℃，在锗硅Fin条下方形成氧化硅绝缘层7，如图6所示；
步骤7.浓磷酸加热170℃，腐蚀去除氮化硅，所得结构如图7所示；
步骤8.进行牺牲氧化或氢气退火等工艺来改善刻蚀造成的Fin表面损伤，淀积Al2O3/TiN，光刻、刻蚀形成栅电极9，淀积氧化硅并刻蚀形成侧墙隔离层10；
步骤9.通过光刻定义源漏区图形，P+注入对源漏进行掺杂，注入能量为20keV，注入剂量2E15cm-2，并通过RTA退火950℃，30s，激活杂质，形成源11、漏12，具体退火条件根据锗组分改变，如图8所示；
步骤10.PECVD淀积氧化硅，通过CMP实现平坦化；
步骤11.通过光刻、ICP刻蚀形成栅、源、漏各端的接触孔，去胶；
步骤12.溅射金属，光刻、刻蚀形成金属互连，合金。
综上所述，该方法采用高迁移率沟道材料，可以提高器件电流驱动能力；在Fin条底部引入局域埋氧层，形成BOI结构，可以切断源漏间的泄漏电流通道，能够有效抑制泄漏电流，并且比SOI(/SGOI/GOI)FinFET具有更小的埋氧层面积，改善了散热问题。
Claims (10)
1.一种鳍式场效应晶体管，包括半导体衬底，在半导体衬底上具有凸起的Fin条，在Fin条侧壁和顶部表面具有横跨Fin条的栅极结构，与栅极结构接触的Fin条部分构成沟道区，其特征在于，沟道区为高迁移率材料，沟道长度小于Fin条长度；源、漏位于沟道区两端；Fin条两端的半导体与衬底相连；Fin条与半导体衬底之间有一层局域埋氧层，形成BOI结构，该局域埋氧层的宽度大于或等于Fin条宽度。
2.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述沟道区的高迁移率材料为锗、锗硅或锗锡。
3.一种鳍式场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)在半导体衬底上形成采用高迁移率材料的凸起Fin条；
2)在Fin条与半导体衬底之间形成局域埋氧层，该局域埋氧层的宽度大于或等于Fin条宽度；
3)在Fin条侧壁和顶部表面形成栅极结构，并在栅极结构的侧面形成侧墙；
4)光刻定义源漏区图形，掺杂并退火形成源漏。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)包括：
1-1)在半导体衬底上生长高迁移率材料的半导体外延层；
1-2)定义器件有源区，并形成器件之间的隔离；
1-3)在步骤1-1)形成的半导体外延层上淀积硬掩膜，光刻定义Fin条图形，干法刻蚀硬掩膜和半导体外延层，停止在衬底表面，去掉光刻胶，形成Fin条。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1-1)中所述半导体外延层的材料为锗、锗硅或锗锡，厚度为5～200nm。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1-3)中，所述硬掩膜是氧化硅层、氮化硅层或氧化硅/氮化硅叠层，厚度为10～800nm。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1-3)中的光刻采用电子束光刻或193nm浸没式光刻技术，形成宽度为5～100nm的Fin条。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：
2-1)在Fin条上淀积一层氮化硅，并进行干法刻蚀，形成氮化硅侧墙；
2-2)干法刻蚀半导体衬底至一定深度，然后通过热氧化使Fin条和衬底之间的半导体被氧化，形成局域埋氧层；
2-3)湿法腐蚀去掉氮化硅侧墙。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2-2)中衬底的刻蚀深度为5～50nm。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2-2)采用湿氧氧化、氢氧合成氧化或等离子体氧化，使Fin条与衬底之间的半导体完全被氧化。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108376709A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-07 | 北京大学 | 一种插入倒t形介质层的鳍式场效应晶体管及其制备方法 |
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| CN105826381A (zh) * | 2015-01-09 | 2016-08-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 鳍式场效应晶体管及其形成方法 |
-
2017
- 2017-03-16 CN CN201710156386.9A patent/CN106898553A/zh active Pending
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