三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法，通过在衬底上鳍结构中间的栅极位置覆盖形成三个表面的石墨烯层，再依次沉积栅极介质层和栅极电极层，从而形成三栅结构，以形成3D器件，可以提高晶体管的电学性能，并相较于单栅和双栅结构，本发明的三栅结构还可缩小晶体管占用的硅片表面面积。
【专利说明】三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造【技术领域】，尤其涉及一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术的发展，半导体器件的性能稳步提高。半导体器件的性能提高主要通过不断缩小半导体器件的特征尺寸来实现，半导体器件的特征尺寸已经缩小到纳米级另IJ。半导体器件在这种特征尺寸下，传统平面制作半导体器件的方法，也就是单栅半导体器件的制作方法已经无法适用了，所以出现了多栅半导体器件的制作方法。与单栅半导体器件的制作方法相比较，多栅半导体器件具有更强的短沟道抑制能力、更好的亚阈特性，更高的驱动能力以及能带来更高的电路密度。
[0003]目前，鳍式场效应管(FinFET)作为多栅半导体器件的代表被广泛使用，FinFET分为双栅FinFET和三栅FinFET，其中的双栅FinFET被广泛使用。
[0004]图1为现有技术双栅FinFET的制作方法流程图，结合图2a?图2e所示的现有技术双栅FinFET的制作过程剖面结构示意图，对制作方法进行详细说明:
[0005]步骤101、提供娃上半导体(SOI, semiconductor on insulator)晶体为衬底材料的衬底11，该衬底11是由体硅区1、隐埋氧化层2及单晶硅3构成，如图2a所示；
[0006]步骤102、在该衬底11上形成具有翅片结构(即Fin，或称鳍结构)图案的掩膜12，如图2b所示；在该步骤中，具有翅片结构图案的掩膜12可以为氮化硅层，形成过程为:在衬底11上沉积掩膜12，在掩膜12涂覆光阻胶层后，采用具有翅片结构的光罩曝光涂覆光阻胶层后显影，在光阻胶层上形成翅片结构图案的光阻胶层，然后以具有翅片结构图案的光阻胶层为掩膜，刻蚀掩膜12，得到具有翅片结构图案的掩膜12 ;在该步骤中，也可以采用纳米压印方式形成具有翅片结构图案的掩膜12 ;在图2b的圆圈中为具有翅片结构图案的掩膜12立体结构图；
[0007]步骤103、以具有翅片结构图案的掩膜12为遮挡，刻蚀衬底11中的单晶硅3，得到翅片结构后，去除剩余的掩膜12，如图2c所示；在图2c的圆圈中为翅片结构的立体结构图；
[0008]步骤104、在翅片结构的中间区域采用离子注入方式进行高掺杂后退火，得到高掺杂区，然后采用腐蚀溶剂清洗翅片结构，腐蚀掉中间区域的高掺杂区，未掺杂区未被腐蚀掉，如图2d所示；在图2d的圆圈为已经经过中间区域掺杂及腐蚀后的翅片结构的立体结构图；
[0009]步骤105、在剩余的翅片结构表面依次沉积栅极介质层及多晶硅层，然后采用光刻和刻蚀工艺在翅片的中间区域形成栅极，如图2e所示；在本步骤中，翅片的两端分别作为源极和漏极；在图2e的圆圈为立体结构不意图；
[0010]步骤106、对栅极、源极及漏极采用离子注入方式进行掺杂，得到FinFET的器件层，在图中未示出。
[0011]研究表明，石墨烯材料是由单层石墨结构构成的，具有极好的电学性能，尤其是其载流子迁移率要远高于普通的Si材料，其理论计算值大约高于Si材料载流子迁移率1-2个数量级，因此石墨烯在晶体管中的应用备受关注。
[0012]如何将石墨烯应用于多栅鳍式场效应晶体管中作为沟道材料，实现3D器件，以提高晶体管的电学性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法，以形成3D器件，提高晶体管的电学性能，并可缩小晶体管占用的硅片表面面积。
[0014]为实现上述目的，本发明提供一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其包括:衬底、衬底上的介质层以及介质层上的鳍结构(即现有技术中所称“翅片结构”)，所述鳍结构为立方体形状且包括中间位置的栅极以及两端位置的源/漏电极，所述栅极具有不与下层介质层相接触的三个表面，每个所述表面依次覆盖石墨烯层、栅极介质层以及栅极电极层，以形成三栅石墨烯结构。
[0015]进一步地，所述衬底为S1、SiC或Ge，所述鳍结构为S1、SiC或Ge，所述石墨烯层为单层石墨烯或多层石墨烯。
[0016]进一步地，所述栅极介质层为二氧化硅或高K值材料，所述栅极电极层为多晶硅或金属材料。
[0017]进一步地，所述栅极介质层为含HfO2的高K值材料，所述栅极电极层为Ta、TaN或Mo。
[0018]本发明还提供一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其包括以下步骤:
[0019]步骤S01，提供衬底，并在衬底上依次形成介质层及待形成鳍结构的鳍结构层；
[0020]步骤S02，图形化所述鳍结构层，形成立方体形状的鳍结构；
[0021]步骤S03，在所述鳍结构不与下层介质层相接触的三个表面上，形成覆盖的石墨烯层；
[0022]步骤S04，在所述石墨烯层上依次沉积栅极介质层和栅极电极层；
[0023]步骤S05，图形化所述栅极介质层和栅极电极层，形成鳍结构中间位置的栅极图形，并去除所述栅极图形以外的石墨烯；
[0024]步骤S06，对所述鳍结构的两端进行离子注入，形成源/漏电极。
[0025]进一步地，所述鳍结构层是碳化硅，步骤S03包括通过高温退火，使碳化硅表面的硅原子扩散离开表面，从而形成石墨烯层。
[0026]进一步地，所述鳍结构是硅或锗，步骤S03包括通过离子注入或等离子体浸润注入含碳气体，将碳离子注入到鳍结构的三个表面上，然后通过高温退火形成石墨烯层。
[0027]进一步地，所述含碳气体为甲烷。
[0028]进一步地，步骤S04包括利用CVD或ALD工艺沉积所述栅极介质层，利用CVD或PVD工艺沉积所述栅极电极层。
[0029]进一步地，步骤S02包括双重曝光或基于边墙的多重曝光工艺。
[0030]进一步地，步骤S05与S06之间还包括通过离子注入形成LDD轻掺杂漏区结构，并在所述栅极图形与鳍结构两端待形成源/漏电极区域之间形成侧墙。
[0031]本发明提供的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管及其制造方法，在鳍结构中间的栅极位置覆盖形成三个表面的石墨烯层，再依次沉积栅极介质层和栅极电极层，从而形成三栅石墨烯结构，以形成3D器件，可以提高晶体管的电学性能，并相较于单栅和双栅结构，本发明的三栅结构还可缩小晶体管占用的硅片表面面积。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中:
[0033]图1为现有技术双栅FinFET的制作方法流程图；
[0034]图2a-图2e分别为现有技术双栅FinFET的制作过程剖面结构示意图；
[0035]图3为本发明三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法流程图；
[0036]图4a_图4d为本发明三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造过程剖面结构示意图；
[0037]图5为本发明三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的俯视结构示意图；
[0038]图6为图5中A-A方向剖视图。
【具体实施方式】
[0039]请参阅图5和图6，本实施例的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其包括:衬底21、衬底21上的介质层22以及介质层22上的鳍结构23，鳍结构23为立方体形状且包括中间位置的栅极31以及两端位置的源极32和漏极33，图6可见，鳍结构23的截面为长方形，其一条边与下方介质层相接触，另外三条边即鳍结构的三个表面不与介质层相接触，使得栅极31具有不与下层介质层22相接触的三个表面，每个表面上依次覆盖有石墨烯层24、栅极介质层25以及栅极电极层26，以形成三栅结构。
[0040]其中，衬底21可以是S1、SiC或Ge，鳍结构23可以是S1、SiC或Ge，石墨烯层可以是单层石墨烯或多层石墨烯，介质层22可以是S12或SiN等；栅极介质层25可以是二氧化硅或高K值材料，如含有HfO2的高K值材料，栅极电极层可以是多晶硅或金属材料，如Ta、TaN 或 Mo。
[0041]方法实施例1
[0042]请参阅图3并同时参阅图4a_4e，本实施例三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其包括以下步骤:
[0043]步骤S01，如图4a所示，提供SiC衬底51，并在SiC衬底51上依次形成二氧化硅层52及待形成鳍结构的鳍结构层531。其中，鳍结构层531是SiC材料，其晶向为沿衬底表面方向为0001晶向，厚度可以是10-1000nm。
[0044]步骤S02，如图4b所示，图形化所述鳍结构层，形成立方体形状的鳍结构53，鳍结构53的宽度可以是5-100nm，鳍结构53长度可以是20_10000nm(俯视角度)。其中，本步骤可以包括双重曝光或基于边墙的多重曝光工艺。
[0045]步骤S03，如图4c所示，在鳍结构53不与下层二氧化硅层52相接触的三个表面上，形成覆盖的石墨烯层54。其中，本步骤采用高温退火，一般为800-1200°C，使鳍结构SiC材料表面的Si原子扩散离开表面，保留C原子，而形成石墨烯层。
[0046]步骤S04，如图4d所示，在石墨烯层54上依次沉积栅极介质层55和栅极电极层56。其中，本步骤通过CVD或ALD工艺沉积栅极介质层55，通过CVD或PVD工艺沉积栅极电极层56。本实施例中栅极介质层55为二氧化娃,栅极电极层56为多晶娃。
[0047]步骤S05，图形化栅极介质层55和栅极电极层56，去除鳍结构中间栅极位置以外的栅极介质和栅极电极，形成鳍结构中间位置的栅极图形，并去除栅极图形以外的石墨烯。
[0048]步骤S06，对鳍结构53的两端进行离子注入掺杂，形成源/漏电极。
[0049]实际应用中，步骤S05与S06之间还包括通过离子注入形成LDD轻掺杂漏区结构，并在所述栅极图形与鳍结构两端待形成源/漏电极区域之间形成侧墙等现有工艺，以完善晶体管结构。其中，LDD轻掺杂漏区结构位于栅极两侧侧墙与源/漏电极之间。
[0050]在形成的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管结构中，以SiC衬底51作为沟道、二氧化硅层52作为栅极介质、埋层衬底(SiC衬底51)作为电极，可与石墨烯层一起形成围绕栅结构。此时，可在各个器件之间的衬底区域通过形成STI或PN结来实现隔离。
[0051]方法实施例2
[0052]本实施例三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其包括以下步骤:
[0053]步骤SOI，提供Si衬底，并在Si衬底上依次形成二氧化硅层及待形成鳍结构的鳍结构层。其中，鳍结构层是Si材料。
[0054]步骤S02，图形化所述鳍结构层，形成立方体形状的鳍结构，鳍结构的宽度可以是5-100nm,鳍结构长度可以是20_10000nm(俯视角度)。其中，本步骤可以包括双重曝光或基于边墙的多重曝光工艺。
[0055]步骤S03，在鳍结构不与下层二氧化硅层相接触的三个表面上，形成覆盖的石墨烯层。其中，本步骤通过离子注入或等离子体浸润注入含碳气体，将碳离子注入到鳍结构的三个表面上，然后通过高温退火，一般为500-1200°C，通过析出机制或扩散机制，形成石墨烯层。较佳地，该含碳气体为甲烷等。
[0056]步骤S04，在石墨烯层上依次沉积栅极介质层和栅极电极层。其中，本步骤通过CVD或ALD工艺沉积栅极介质层，通过CVD或PVD工艺沉积栅极电极层。本实施例中栅极介质层为含有HfO2以及Al、N等元素的高K值材料，栅极电极层为Ta。
[0057]步骤S05，图形化栅极介质层和栅极电极层，去除鳍结构中间栅极位置以外的栅极介质和栅极电极，形成鳍结构中间位置的栅极图形，并去除栅极图形以外的石墨烯。
[0058]步骤S06，对鳍结构的两端进行离子注入掺杂，形成源/漏电极。
[0059]实际应用中，步骤S05与S06之间还包括通过离子注入形成LDD轻掺杂漏区结构，并在所述栅极图形与鳍结构两端待形成源/漏电极区域之间形成侧墙。
[0060]在形成的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管结构中，以Si衬底作为沟道、二氧化硅层作为栅极介质、埋层衬底(Si衬底)作为电极，可与石墨烯层一起形成围绕栅结构。此时，可在各个器件之间的衬底区域通过形成STI或PN结来实现隔离。
【权利要求】
1.一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其特征在于，其包括:衬底、衬底上的介质层以及介质层上的鳍结构，所述鳍结构为立方体形状且包括中间位置的栅极以及两端位置的源/漏电极，所述栅极具有不与下层介质层相接触的三个表面，每个所述表面依次覆盖石墨烯层、栅极介质层以及栅极电极层，以形成三栅结构。
2.根据权利要求1所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其特征在于:所述衬底为S1、SiC或Ge,所述鳍结构为S1、SiC或Ge,所述石墨烯层为单层石墨烯或多层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其特征在于:所述栅极介质层为二氧化硅或高K值材料，所述栅极电极层为多晶硅或金属材料。
4.根据权利要求3所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管，其特征在于:所述栅极介质层为含Hf02的高K值材料，所述栅极电极层为Ta、TaN或Mo。
5.一种三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤S01，提供衬底，并在衬底上依次形成介质层及待形成鳍结构的鳍结构层； 步骤S02，图形化所述鳍结构层，形成立方体形状的鳍结构； 步骤S03，在所述鳍结构不与下层介质层相接触的三个表面上，形成覆盖的石墨烯层； 步骤S04，在所述石墨烯层上依次沉积栅极介质层和栅极电极层； 步骤S05，图形化所述栅极介质层和栅极电极层，形成鳍结构中间位置的栅极图形，并去除所述栅极图形以外的石墨烯； 步骤S06，对所述鳍结构的两端进行离子注入，形成源/漏电极。
6.根据权利要求5所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于:所述鳍结构层是碳化硅，步骤S03包括通过高温退火，使碳化硅表面的硅原子扩散离开表面，从而形成石墨烯层。
7.根据权利要求5所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于:所述鳍结构是硅或锗，步骤S03包括通过离子注入或等离子体浸润注入含碳气体，将碳离子注入到鳍结构的三个表面上，然后通过高温退火以形成石墨烯层。
8.根据权利要求7所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于:所述含碳气体为甲烷。
9.根据权利要求5所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于:步骤S04包括利用CVD或ALD工艺沉积所述栅极介质层，利用CVD或PVD工艺沉积所述栅极电极层。
10.根据权利要求5所述的三栅石墨烯鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于:步骤S02包括双重曝光或基于边墙的多重曝光工艺；步骤S05与S06之间还包括通过离子注入形成LDD轻掺杂漏区结构，并在所述栅极图形与鳍结构两端待形成源/漏电极区域之间形成侧墙。
【文档编号】H01L29/51GK104319290SQ201410593448
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】康晓旭 申请人:上海集成电路研发中心有限公司