CN106935636A - 鳍式场效应晶体管及其形成方法 - Google Patents

鳍式场效应晶体管及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，所述方法包括：提供基底，所述基底上具有凸起的鳍部；形成覆盖所述鳍部的黑磷层；在所述鳍部周围的基底上形成隔离结构，所述隔离结构的顶表面低于所述鳍部的顶表面；在所述黑磷层内形成源区和漏区，在所述源区和漏区之间的黑磷层上形成栅极结构。本发明的鳍式场效应晶体管形成方法的工艺简单，且所形成的鳍式场效应晶体管的应用范围广。

Description

鳍式场效应晶体管及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种鳍式场效应晶体管及所述鳍式场效应晶体管的形成方法。
背景技术
MOS晶体管通过在栅极施加电压，调节通过沟道区域的电流来产生开关信号。但随着半导体器件关键尺寸的缩小，传统的平面式MOS晶体管对沟道电流的控制能力变弱，造成严重的漏电流。
鳍式场效应晶体管(FinFET)是一种新兴的多栅器件，请参考图1，图1示出了现有技术的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图。所述鳍式场效应晶体管包括：半导体衬底10，所述半导体衬底10上形成有凸起的鳍部14，所述鳍部14一般是通过对半导体衬底10刻蚀后得到；介质层11，覆盖所述半导体衬底10的表面以及鳍部14的侧壁的一部分；栅极结构12，横跨在所述鳍部14上，覆盖所述鳍部14的顶部和侧壁，栅极结构12包括栅介质层和位于栅介质层上的栅电极(未示出)。上述鳍式场效应晶体管通常基于硅材料形成，但随着半导体工艺向更小尺寸的发展，硅材料受限于其自身物理特性，已逐渐达到其性能极限。为了提高晶体管内载流子迁移率，多种新型材料也被用于晶体管的制造以替代传统的硅材料，例如石墨烯、金属硫化物等。但这些材料多处于理论研究阶段，要么难以集成于硅半导体工艺，要么制备工艺复杂，造成晶体管的性能不佳。
因此，现有技术采用新型材料形成鳍式晶体管的工艺复杂。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术形成鳍式场效应晶体管的工艺复杂。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种鳍式场效应晶体管的形成方法，所述方法包括：提供基底，所述基底上具有凸起的鳍部；形成覆盖所述鳍部的黑磷层；在所述鳍部周围的基底上形成隔离结构，所述隔离结构的顶表面低于所述鳍部的顶表面；在所述黑磷层内形成源区和漏区，在所述源区和漏区之间的黑磷层上形成栅极结构。
可选地，所述鳍部的材料为红磷，形成覆盖所述鳍部的黑磷层包括：以锡或者碘化锡作为矿化剂对所述鳍部进行热处理，在所述鳍部上形成黑磷层。
可选地，形成覆盖所述鳍部的黑磷层包括：在所述鳍部上外延生长红磷层；对所述红磷层进行热处理，形成黑磷层。
可选地，对所述红磷层进行热处理包括：在高压下将所述红磷加热至1000摄氏度；以每小时100摄氏度的速率将所述红磷冷却至600摄氏度。
可选地，所述隔离结构的材料为氧化石墨烯。
可选地，在所述鳍部周围的基底上形成隔离结构包括：将氧化石墨烯分散在溶剂中形成氧化石墨烯溶液；将所述氧化石墨烯溶液旋涂在所述基底的表面形成氧化石墨烯层。
可选地，所述鳍式场效应晶体管的形成方法还包括还原所述氧化石墨烯层，形成还原氧化石墨烯层。
可选地，所述鳍式场效应晶体管的形成方法还包括：对所述黑磷层进行减薄处理，使得所述黑磷层的厚度达到预设值。
可选地，对所述黑磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。
可选地，所述鳍式场效应晶体管的形成方法还包括：在所述黑磷层上形成氧化铝钝化层。
对应地，本发明实施例还提供了采用上述方法形成的鳍式场效应晶体管，所述鳍式场效应晶体管包括：基底，所述基底上具有凸起的鳍部；覆盖所述鳍部的黑磷层；位于所述鳍部周围基底上的隔离结构，所述隔离结构的顶表面低于所述鳍部的顶表面；位于所述黑磷层内的源区和漏区，以及位于所述源区和漏区之间的黑磷层上的栅极结构。
可选地，所述隔离结构的材料为氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯。
可选地，所述鳍式场效应晶体管还包括：位于所述黑磷层上的氧化铝钝化层。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例的鳍式场效应晶体管的形成方法中，在形成凸出于基底表面的鳍部之后，形成覆盖所述鳍部的黑磷层，在形成隔离结构后，在所述黑磷层中形成源区和漏区，以及在所述源区和漏区之间的黑磷层上形成栅极结构，从而形成了以黑磷为沟道材料的鳍式场效应晶体管，制作工艺简单。进一步地，由于黑磷材料的禁带宽度可调，使得本发明实施例的方法形成的鳍式场效应晶体管应用范围广。
对应地，本发明实施例的鳍式场效应晶体管也具有上述优点。
附图说明
图1示出了现有技术的一种鳍式场效应晶体管的结构示意图；
图2至图8示出了本发明一实施例的鳍式场效应晶体管的形成方法中所形成的中间结构的示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术采用新型材料形成鳍式场效应晶体管的工艺复杂。
本发明的发明人研究了现有技术采用新型材料形成晶体管的方法，例如，采用石墨烯作为沟道材料形成晶体管，需要采用机械剥离的方法制备石墨烯材料，工艺复杂，不适合规模化生产。此外，虽然石墨烯材料具有很高的载流子迁移率，但是与半导体材料相比，其缺乏带隙(band gap)。所述带隙使得半导体材料中的载流子仅在获得跨越所述带隙的能量时才能够导电，而石墨烯材料缺乏带隙，使得其一直处于导通的状态，而存在较大的漏电流，导致所形成的器件性能不佳。进一步地，本发明的发明人还研究了黑磷材料，发现黑磷材料具有较高的电子迁移率以及可调的带隙宽度，可以通过调节黑磷材料的厚度对带隙宽度进行调节，从而使得黑磷材料在晶体管制备方面具有较大的潜力。例如，由于黑磷为直接带隙材料且带隙可调，由黑磷材料制成的晶体管可以吸收从可见光到红外光的多种波长的光线，可应用于光电转换领域或者光电路(optical circuit)中。
基于以上研究，本发明实施例提供了一种鳍式场效应晶体管的形成方法，所述方法在形成凸出于基底表面的鳍部之后，再形成覆盖所述鳍部的黑磷层，后续形成隔离结构、源区和漏区后，在源区和漏区之间的黑磷层上形成栅极结构，从而形成以黑磷材料作为沟道材料的鳍式场效应晶体管。本发明的鳍式场效应晶体管形成方法的工艺简单；进一步地，由于黑磷材料的禁带宽度可调，使得本发明实施例的鳍式场效应晶体管应用范围广。
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。
需要说明的是，提供这些附图的目的是有助于理解本发明的实施例，而不应解释为对本发明的不当的限制。为了更清楚起见，图中所示尺寸并未按比例绘制，可能会做放大、缩小或其他改变。
首先，参考图2和图3，其中图3是图2沿AA1方向剖视图，提供基底200，所述基底上具有凸起的鳍部210。
本实施例中，所述基底200为红磷晶圆。所述红磷晶圆通常用于功率器件的制备中，可以通过商业途径获取。所述鳍部210通过对所述基底200的刻蚀后形成，因此，所述鳍部210的材料也为红磷。
在另外一些实施例中，所述基底200也可以为其他的半导体材料，例如硅、锗、III-V族化合物等，或者也可以为绝缘材料，例如，玻璃或者蓝宝石等。通过在所述基底200上沉积或者外延红磷材料后进行刻蚀，也可以形成红磷材料的鳍部210。
在另外一些实施例中，所述基底200为非红磷的半导体材料或者绝缘材料，通过对所述基底200的刻蚀形成所述鳍部210，所述鳍部210也为对应的半导体材料或者绝缘材料。例如，所述基底200和所述鳍部210的材料均为硅。
通过刻蚀工艺形成凸出于所述基底200表面的鳍部210的工艺可以参考现有工艺，此处不再赘述。
接着，参考图4，形成覆盖所述鳍部210的黑磷层220。
本实施例中，所述鳍部210的材料为红磷，以锡(Sn)和/或碘化锡(SnI4)为矿化剂(mineralization additive)对所述鳍部210进行热处理，基于短程输运反应(short way transport reaction)，使得所述鳍部210表面部分的红磷材料转化为黑磷，形成所述黑磷层220。在一具体实施例中，在以锡和碘化锡混合物为矿化剂的条件下，将所述鳍部210加热至650摄氏度，经数小时后降温至550摄氏度，由于红磷和黑磷为同素异形体，基于短程输运反应，所述鳍部210表面的部分红磷材料转化为黑磷材料，形成黑磷层220。此外，由于所述基底200的材料也为红磷，因此所述黑磷层220不仅形成于所述鳍部210的顶表面和侧壁上，还形成于所述基底200的表面上。
在另一些实施例中，所述鳍部210的材料不是红磷，例如所述鳍部210的材料为硅。形成所述黑磷层220的方法包括：首先，在所述鳍部210上外延生长红磷层；再对所述红磷层进行热处理，形成黑磷层220。在所述鳍部210上外延生长红磷层的工艺可以为化学气相沉积或者分子束外延工艺，在一些实施例中，为了提高外延生长的红磷层的质量，还可以先在所述鳍部210上形成缓冲层，再在所述缓冲层上外延生长红磷层，所述缓冲层的晶格常数介于所述鳍部210和红磷材料的晶格常数之间。在一具体实施例中，对所述红磷层进行热处理形成黑磷层220的工艺包括：在恒定高压10千巴(kbar)的条件下，将所述红磷层加热至1000摄氏度；接着，以100摄氏度每小时的冷却速率将所述红磷层降温至600摄氏度，从而将所述红磷层转化为黑磷层220。为了获得较高的黑磷质量，上述的升温和降温过程可以多次循环执行。
需要说明的是，在具体的实施例中，可以根据具体器件参数和工艺条件选择上述描述的两种将红磷材料转化为黑磷材料的工艺之中的一种或者两种。
参考图5，在所述鳍部210周围的基底200上形成隔离结构230，所述隔离结构230的顶表面低于所述鳍部210的顶表面。
本实施例中，所述黑磷层220覆盖在所述基底200和所述鳍部210的表面上，因此，所述隔离结构230形成于所述黑磷层220上。由于在具体的半导体制造过程中，在所述基底200上会同时形成多个鳍式场效应晶体管，所述隔离结构230可用于隔离相邻的鳍式场效应晶体管。
本实施中，所述隔离结构230的材料为氧化石墨烯(GO：Graphene Oxide)。具体地，形成所述隔离结构230的工艺包括以下步骤。
首先，将氧化石墨烯材料分散在溶剂中形成氧化石墨烯溶液(或者氧化石墨烯溶胶)。氧化石墨烯可以通过化学氧化剥离石墨而得到，工艺简单，成本低。所述溶剂可以为去离子水或者有机溶剂，所述有机溶剂可以为乙二醇。将所述氧化石墨烯置于溶剂后，可以进行超声处理，使得氧化石墨烯与溶剂混合均匀。
接着，将所述氧化石墨烯溶液旋涂在所述基底200的表面形成氧化石墨烯层。本实施例中，在所述基底200和鳍部210上还形成有黑磷层220，则旋涂工艺后，所述氧化石墨烯溶液位于所述黑磷层220的表面上。旋涂工艺后，对所述氧化石墨烯溶液烘干以形成氧化石墨烯层，通过控制旋涂氧化石墨烯溶液的量可以控制后续形成的隔离结构230的高度。
与现有技术的鳍式场效应晶体管中通过沉积介质层、化学机械抛光并回刻蚀的多步工艺形成隔离结构的方法相比，本发明实施例中直接采用旋涂的工艺形成所述氧化石墨烯层，构成所述隔离结构230，无需进行化学机械抛光工艺和回刻蚀的工艺，降低了工艺复杂度，减少了对黑磷层220的损伤。此外，所述氧化石墨烯材料的介电常数可以大于氧化硅材料，有利于器件的电学隔离。
在其他一些实施例中，在形成所述氧化石墨烯层，还包括对所述氧化石墨烯层进行还原处理，形成还原氧化石墨烯层，构成所述隔离结构230。具体地，对所述氧化石墨烯层进行还原处理的工艺可以采用高温热处理工艺或者低温化学还原工艺。所述高温热处理工艺通常在惰性或者还原气氛中进行，由于温度较高，要求基底200及其上材料能够耐受高温。所述低温化学还原可以在低于100摄氏度的条件下进行，可以采用肼类还原剂或者金属氢化物类还原剂等。在其他一些实施例中，还可以采用电化学还原、光催化还原等方法对所述氧化石墨烯层进行还原。
接着，参考图6，对所述黑磷层220进行减薄处理，使得所述黑磷层220的厚度达到预设值。
如前所述，二维黑磷材料的禁带宽度与其厚度也就是层数相关。研究表面，随着黑磷层数的增加，带隙宽度会减小，单层的黑磷的禁带宽度为2.5eV，块状的黑磷的禁带宽度为0.3eV，且二维黑磷材料的厚度在10nm左右时，可以获得较高的迁移率。因此，基于待形成鳍式场效应晶体管的应用场景，也就是对所述鳍式场效应晶体管的性能需求，需要对所述黑磷层220的厚度进行控制。
本实施例中，在形成所述隔离结构230后，对用于形成器件功能部分的黑磷层220，也就是高于所述隔离结构230的部分黑磷层220进行减薄处理，使其厚度达到预设值。例如，根据具体应用，所述预设值可以为5nm～15nm。
具体地，本实施例中，采用氩气等离子体对所述隔离结构230暴露出的部分黑磷层220进行减薄处理。通过控制氩气等离子体刻蚀的工艺参数，可以精确控制减薄厚度，甚至达到逐层去除的效果。
接着，参考图7，在所述黑磷层220上形成氧化铝钝化层240。
本实施例中，所述隔离结构230覆盖了部分所述黑磷层220，因此，所述氧化铝钝化层240仅形成于高于所述钝化层230的、在前面工艺中被减薄的部分黑磷层220上。
发明人经过研究发现，黑磷材料具有亲水性，当磷表面暴露在大气环境中数小时之后，磷的表面变的粗糙，甚至在表面上吸附有微小的水滴。因此，为了后续形成的鳍式场效应晶体管的长期稳定性，需要对黑磷层220的表面进行保护。本实施例中，采用氧化铝材料对所述黑磷层220进行保护；当然，在其他实施例中，也可以采用其他合适的材料。
具体地，本实施中，通过原子层沉积工艺，在所述黑磷层220上形成氧化铝钝化层240。在其他实施例中，也可以先在所述黑磷层220上形成铝层，然后通过氧化工艺氧化所述铝层形成氧化铝钝化层240。
接着，参考图8，在所述黑磷层220内形成源区和漏区(未标示)，在所述源区和漏区之间的黑磷层220上形成栅极结构250。需要说明的是，为了简单明了起见，图8中并没有示出所述氧化铝钝化层240。
所述源区241和所述漏区242位于所述鳍部210延伸方向的两端，形成所述源区和漏区的工艺包括对源区和漏区的金属化(metalization)；形成所述栅极结构250的工艺包括形成栅介质层和栅电极，所述栅介质层和栅电极可以分别为高介电常数的栅介质层和金属栅极，构成HKMG结构。形成所述源区漏区和所述栅极结构250的顺序可以根据具体的工艺条件进行互换。形成所述源区、漏区和所述栅极结构250的具体工艺可以参考现有工艺，在此不再赘述。
本发明实施例的鳍式场效应晶体管的形成方法中，采用黑磷材料作为沟道材料，制作工艺简单；进一步地，由于黑磷材料的禁带宽度可调，使得本发明实施例的鳍式场效应晶体管应用范围广。
对应地，本发明实施例还提供了采用上述方法形成的一种鳍式场效应晶体管。参考图8，所述鳍式场效应晶体管包括：基底200，所述基底200上具有凸起的鳍部210；覆盖所述鳍部210的黑磷层220；位于所述鳍部210周围基底200上的隔离结构230，所述隔离结构230的顶表面低于所述鳍部210的顶表面；位于所述黑磷层220内的源区和漏区(未标示)，以及位于所述源区和漏区之间的黑磷层220上的栅极结构250。
本实施例中，所述黑磷层220覆盖了所述鳍部210的整个侧壁和顶表面，还覆盖了所述基底200的表面，因此，所述隔离结构230位于部分所述黑磷层220上。所述隔离结构230的材料为氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯。本实施例中，在所述黑磷层220上还具有氧化铝钝化层(未示出)，用于保护所述黑磷层220。
对应地，本发明实施例的鳍式场效应晶体管也具有上述方法的优点，具体可参考对方法部分的描述，在此不再赘述。
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 (13)

1.一种鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底上具有凸起的鳍部；
形成覆盖所述鳍部的黑磷层；
在所述鳍部周围的基底上形成隔离结构，所述隔离结构的顶表面低于所述鳍部的顶表面；
在所述黑磷层内形成源区和漏区，在所述源区和漏区之间的黑磷层上形成栅极结构。
2.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述鳍部的材料为红磷，形成覆盖所述鳍部的黑磷层包括：
以锡或者碘化锡作为矿化剂对所述鳍部进行热处理，在所述鳍部上形成黑磷层。
3.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，形成覆盖所述鳍部的黑磷层包括：
在所述鳍部上外延生长红磷层；
对所述红磷层进行热处理，形成黑磷层。
4.如权利要求3所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，对所述红磷层进行热处理包括：在高压下将所述红磷加热至1000摄氏度；以每小时100摄氏度的速率将所述红磷冷却至600摄氏度。
5.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述隔离结构的材料为氧化石墨烯。
6.如权利要求5所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，在所述鳍部周围的基底上形成隔离结构包括：
将氧化石墨烯分散在溶剂中形成氧化石墨烯溶液；
将所述氧化石墨烯溶液旋涂在所述基底的表面形成氧化石墨烯层。
7.如权利要求6所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，还包括还原所述氧化石墨烯层，形成还原氧化石墨烯层。
8.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，还包括：对所述黑磷层进行减薄处理，使得所述黑磷层的厚度达到预设值。
9.如权利要求8所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，对所述黑磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。
10.如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，还包括：在所述黑磷层上形成氧化铝钝化层。
11.一种鳍式场效应晶体管，其特征在于，包括：
基底，所述基底上具有凸起的鳍部；
覆盖所述鳍部的黑磷层；
位于所述鳍部周围基底上的隔离结构，所述隔离结构的顶表面低于所述鳍部的顶表面；
位于所述黑磷层内的源区和漏区，以及位于所述源区和漏区之间的黑磷层上的栅极结构。
12.如权利要求11所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述隔离结构的材料为氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯。
13.如权利要求11所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，还包括：位于所述黑磷层上的氧化铝钝化层。
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