CN107946354A - 一种抗总剂量辐射的SOI FinFET器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗总剂量辐射的SOI FinFET器件及其制备方法。所述SOI FinFET是在SOI衬底上通过刻蚀形成上部宽大、下部窄小的“π”形Fin条结构,其剖面形貌与字母“π”相似。“π”形Fin条下部宽度较小,因此两侧栅间距更小,使得栅对Fin条下部电势控制能力增强,从而有效减弱总剂量辐射在BOX中产生的氧化层陷阱电荷以及Fin/BOX界面态对器件特性的影响,提高其抗总剂量辐射能力。
Description
技术领域
本发明涉及抗总剂量辐射的绝缘衬底上硅(SOI)鳍式场效应晶体管(FinFET)器件及其制备方法,属于超大规模集成电路制造技术领域。
背景技术
随着太空探索的深入,越来越多集成电路工作于辐射环境中,这对半导体器件抗辐照性能提出了较高要求。半导体器件受到电子、X射线、γ射线等辐照后,会产生总剂量辐射效应,导致器件直流特性发生变化,如阈值电压漂移、关态泄漏电流增加等,直接引起集成电路功耗增加、性能降低甚至功能失效。随着集成电路技术的飞速发展,特征尺寸已缩小到纳米尺度。为克服传统平面体硅器件所面临的短沟道效应、迁移率退化等问题,FinFET替代平面器件成为纳米级超大规模集成电路制造中的主流器件。FinFET器件具有良好的栅控能力,能够有效抑制短沟道效应。目前常见FinFET根据衬底不同,可以分为体硅FinFET和SOI FinFET。现有的研究表明,SOI FinFET器件主要总剂量敏感区为衬底中的埋氧层(BOX),总剂量辐射在BOX中产生的陷阱电荷通过静电耦合效应引起器件阈值电压漂移、关态泄漏电流增大等。特别是在Fin宽较大时,SOI FinFET器件的总剂量辐射效应更加严重。
发明内容
为提高SOI FinFET器件的抗总剂量辐射能力,本发明提出一种新型的抗总剂量辐射的SOI FinFET器件及其制备方法。
本发明提出的抗总剂量辐射的SOI FinFET器件通过刻蚀形成“π”形Fin条结构,该Fin条结构上部宽度较大,下部宽度减小,其剖面形貌与字母“π”相似。“π”形Fin条下部宽度较小,因此两侧栅间距更小,使得栅对“π”形Fin条下部的电势控制能力增强,从而有效减弱总剂量辐射在BOX中产生的氧化层陷阱电荷以及Fin/BOX界面态对器件特性的影响。
具体的,本发明提供的抗总剂量辐射的SOI FinFET器件,包括SOI衬底,其特征在于,在SOI衬底上具有“π”形Fin条结构,所述Fin条垂直于沟道方向的剖面为“π”形,即Fin条上部宽度较大,下部宽度较小,在该“π”形Fin条顶部至下部较窄区域侧壁表面具有横跨Fin条的栅极结构,与栅极结构接触的Fin条部分构成沟道区;源、漏位于沟道区两端。
进一步的,上述SOI FinFET器件的“π”形Fin条顶部宽度优选为1~50nm,与SOI衬底埋氧层接触的底部宽度不超过顶部宽度的70%。
进一步的,所述“π”形Fin条的材料可以是Si、Ge、SiGe、III-V族等半导体材料或它们的异质结构。
进一步的,在栅极结构的侧面为侧墙隔离层,通常是氮化硅侧墙。
本发明还提供了上述抗总剂量辐射的SOI FinFET器件的制备方法,包括以下步骤:
1)在SOI衬底上形成“π”形Fin条;
2)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;
3)光刻定义源漏区图形,掺杂并退火形成源漏。
上述步骤1)可以直接在SOI衬底上用刻蚀方法形成Si材料“π”形Fin条,也可以先腐蚀SOI衬底上硅膜,再外延Fin条所需的半导体材料,然后再刻蚀该外延层得到“π”形Fin条。
以直接在SOI衬底上刻蚀形成Si材料“π”形Fin条为例,步骤1)中形成“π”形Fin条的方法具体可包括:
1-1)在SOI半导体衬底上淀积硬掩膜,光刻定义Fin条图形;
1-2)干法刻蚀硬掩膜和一定深度的SOI上硅膜,形成“π”形Fin条上部结构;
1-3)淀积一层氮化硅,并进行干法刻蚀,形成氮化硅侧墙;
1-4)各向同性刻蚀衬底至埋氧层,湿法腐蚀去掉硬掩膜和侧墙,形成“π”形Fin条结构。
所述步骤1-1)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,所用材料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淀积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)等方法。硬掩膜的厚度一般为10~200nm;Fin条上部宽度一般小于50nm。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技术。
所述步骤1-2)中干法刻蚀硅膜深度决定了“π”形Fin条的上部高度,通常是1~30nm。
所述步骤1-4)中,各向同性刻蚀衬底应对SOI衬底硅膜和硬掩膜具有较好的刻蚀选择比,纵向刻蚀停止在埋氧层处,横向刻蚀距离决定了“π”形Fin条与埋氧层的接触面积。湿法腐蚀氮化硅可以采用加热浓磷酸溶液。
上述制备方法中,步骤2)和步骤3)为常规的工艺步骤。步骤2)包括淀积栅介质层,光刻、刻蚀形成栅电极,淀积氮化硅并刻蚀形成侧墙隔离层等。步骤3)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)“π”形Fin条下部宽度较小,两侧栅控能力更强,能够减弱总剂量辐射在BOX中产生的氧化层陷阱电荷以及Fin/BOX界面态对器件特性影响。
2)与传统SOI FinFET器件相比,栅控能力更好、驱动电流更高。
3)与现有CMOS工艺完全兼容。
附图说明
图1为本发明器件在SOI衬底上“π”形Fin条的结构示意图,其中示意了(a)、(b)剖面方向。
图2~图7为实施制备的抗总剂量辐射的SOI FinFET器件的关键工艺步骤示意图,各图中(a)为垂直于沟道方向的剖面图,(b)为平行于沟道方向的剖面图,分别对应于图1中的(a)、(b)剖面方向。
其中:1-SOI衬底;2-氮化硅硬掩膜;3-“π”形Fin条;4-保护“π”形Fin条上部的氮化硅侧墙;5-栅电极;6-栅介质;7-侧墙隔离层;8-源区;9-漏区。
具体实施方式
本发明提出了一种新型抗总剂量辐射的SOI FinFET器件,该器件通过刻蚀形成“π”形Fin条结构。“π”形Fin条下部宽度小,因此两侧栅间距更小,栅对“π”形Fin条下部电势控制能力增强,从而有效减小总剂量辐射在BOX中产生的氧化层陷阱电荷以及Fin/BOX界面态电荷对Fin条下部电势的影响。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新型抗总剂量辐射的SOI FinFET器件,以NMOS为例:
步骤1.在SOI衬底1上通过化学气相沉积法(CVD)淀积氮化硅层作为硬掩膜2,通过电子束光刻定义Fin条图形,刻蚀硬掩膜,露出衬底上表面,去胶,如图2所示;
步骤2.以氮化硅硬掩膜2为掩蔽,刻蚀衬底,形成“π”形Fin条上部分结构,如图3所示;
步骤3.CVD淀积氮化硅并刻蚀,在“π”形Fin条两侧形成氮化硅侧墙4,如图4所示;
步骤4.以氮化硅硬掩膜2和氮化硅侧墙4为掩蔽,各向刻蚀SOI衬底1至埋氧层,如图5所示;
步骤5.通过浓磷酸加热170℃,腐蚀去除氮化硅,形成“π”形Fin条3,如图6所示;
步骤6.形成High-K/金属栅叠层,光刻、刻蚀形成栅电极5,淀积氧化硅并刻蚀形成侧墙隔离层7;
步骤7.通过光刻定义源漏区图形,P+注入对源漏进行注入掺杂,通过退火激活杂质,形成源区8和漏区9,如图7所示;
步骤8.CVD淀积氧化硅,通过CMP实现平坦化;
步骤9.通过光刻、ICP刻蚀形成栅、源、漏各端的接触孔,去胶;
步骤10.溅射金属,光刻、刻蚀形成金属互连,合金。
该方法通过刻蚀形成“π”形Fin条结构,“π”形Fin条下部宽度小,因此两侧栅间距更小,栅对“π”形Fin条下部电势控制能力增强,从而有效减弱总剂量辐射在BOX中产生的氧化层陷阱电荷以及Fin/BOX界面态电荷对器件特性的影响,从而提高其抗总剂量辐射能力。
Claims (10)
1.一种抗总剂量辐射的SOI FinFET器件,包括SOI衬底,其特征在于,在SOI衬底上具有“π”形Fin条结构,所述Fin条垂直于沟道方向的剖面为“π”形,即Fin条上部宽度较大,下部宽度较小,在该“π”形Fin条顶部至下部较窄区域侧壁表面具有横跨Fin条的栅极结构,与栅极结构接触的Fin条部分构成沟道区;源、漏位于沟道区两端。
2.如权利要求1所述的SOI FinFET器件,其特征在于,所述“π”形Fin条顶部宽度为1~50nm,与SOI衬底埋氧层接触的底部宽度不超过顶部宽度的70%。
3.如权利要求1所述的SOI FinFET器件,其特征在于,所述“π”形Fin条的材料为Si、Ge、SiGe、III-V族半导体材料或它们的异质结构。
4.权利要求1~3任一所述的SOI FinFET器件的制备方法,包括以下步骤:
1)在SOI衬底上形成“π”形Fin条;
2)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;
3)光刻定义源漏区图形,掺杂并退火形成源漏。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤1)直接在SOI衬底上用刻蚀方法形成Si材料“π”形Fin条,或者,先腐蚀SOI衬底上硅膜,再外延Fin条所需的半导体材料,然后再刻蚀该外延层得到“π”形Fin条。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中形成“π”形Fin条的方法包括:
1-1)在SOI半导体衬底上淀积硬掩膜,光刻定义Fin条图形;
1-2)干法刻蚀硬掩膜和一定深度的SOI上硅膜,形成“π”形Fin条上部结构;
1-3)淀积一层氮化硅,并进行干法刻蚀,形成氮化硅侧墙;
1-4)各向同性刻蚀衬底至埋氧层,湿法腐蚀去掉硬掩膜和侧墙,形成“π”形Fin条结构。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1-1)中的硬掩膜是氧化硅层、氮化硅层或氧化硅/氮化硅叠层,厚度为10~200nm。
8.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1-1)中光刻为电子束光刻或193nm浸没式光刻。
9.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1-2)中干法刻蚀硅膜的深度为1~30nm。
10.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1-4)中各向同性刻蚀对硬掩膜和SOI衬底硅膜具有较好的刻蚀选择比,纵向刻蚀停止在埋氧层处,横向刻蚀距离决定了“π”形Fin条与埋氧层的接触面积。
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