鳍式场效应管的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种鳍式场效应管的形成方法。

背景技术：

随着半导体工艺技术的不断发展，半导体工艺节点遵循摩尔定律的发展趋势不断减小。为了适应工艺节点的减小，不得不不断缩短MOSFET场效应管的沟道长度。沟道长度的缩短具有增加芯片的管芯密度，增加MOSFET场效应管的开关速度等好处。

然而，随着器件沟道长度的缩短，器件源极与漏极间的距离也随之缩短，这样一来栅极对沟道的控制能力变差，栅极电压夹断(pinch off)沟道的难度也越来越大，使得亚阈值漏电(subthreshold leakage)现象，即所谓的短沟道效应(SCE：short-channel effects)更容易发生。

因此，为了更好的适应器件尺寸按比例缩小的要求，半导体工艺逐渐开始从平面MOSFET晶体管向具有更高功效的三维立体式的晶体管过渡，如鳍式场效应管(FinFET)。FinFET中，栅至少可以从两侧对超薄体(鳍部)进行控制，具有比平面MOSFET器件强得多的栅对沟道的控制能力，能够很好的抑制短沟道效应；且FinFET相对于其他器件，具有更好的现有的集成电路制作技术的兼容性。

然而，现有技术形成的鳍式场效应管的电学性能有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应管的形成方法，改善形成的鳍式场效应管的电学性能。

为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应管的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面形成有若干分立的鳍部，所述衬底表面还形成有覆盖鳍部部分侧壁表面的隔离层，且所述隔离层顶部低于鳍部顶部；对所述鳍部 进行掺杂处理；在进行所述掺杂处理之后，采用气体团簇离子束工艺对所述鳍部顶部和侧壁进行修复性处理，在所述鳍部顶部表面和侧壁表面形成修复层；去除所述修复层；在去除所述修复层之后，形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖鳍部的部分顶部表面和侧壁表面。

可选的，所述修复性处理适于改善鳍部顶部和侧壁的表面粗糙度。

可选的，所述修复性处理采用的气体包括含氧气体。

可选的，所述含氧气体为O₂、O₃或H₂O。

可选的，所述修复性处理采用的气体还包括Ar、N₂或He。

可选的，所述气体团簇离子束工艺的工艺参数包括：提供刻蚀气体和O₂，还提供Ar、N₂或He中的一种或多种气体，刻蚀气体为卤族元素、碳元素、氢元素或氮元素中的一种或多种组成的化合物气体，刻蚀气体气压大于等于1个标准大气压，刻蚀气体经过电离形成气体团簇的离子束，其中，离子束加速电场强度小于或等于100kv，离子束能量小于或等于100kev，离子束剂量小于或等于1E17cluster/cm²。

可选的，所述鳍部的材料为硅；所述修复层的材料为氧化硅。

可选的，所述修复层的厚度为0.5纳米至1纳米。

可选的，采用湿法刻蚀工艺，去除所述修复层。

可选的，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀液体为稀释的氢氟酸溶液，稀释的氢氟酸溶液中去离子水与氢氟酸的体积比为200:1至500:1。

可选的，在对所述鳍部进行掺杂处理之前，在所述鳍部顶部表面和侧壁表面形成屏蔽层；在进行所述修复性处理之前，去除位于鳍部顶部表面和侧壁表面的屏蔽层。

可选的，采用原子层沉积工艺形成所述屏蔽层。

可选的，所述屏蔽层的材料为氧化硅或氮氧化硅。

可选的，采用离子注入工艺进行所述掺杂处理；所述掺杂处理的掺杂离子为N型离子或P型离子。

可选的，在去除所述修复层之后、形成所述栅极结构之前，还包括步骤：对所述鳍部顶部表面和侧壁表面进行清洗处理。

可选的，所述栅极结构包括栅介质层以及位于栅介质层表面的栅电极层。

可选的，形成所述栅极结构的工艺步骤包括：在所述鳍部顶部表面和侧壁表面、以及隔离层表面形成栅介质膜；在所述栅介质膜表面形成栅电极膜；图形化所述栅电极膜以及栅介质膜，形成所述栅极结构。

可选的，所述衬底包括第一区域和第二区域，其中，第一区域为NMOS区域或PMOS区域，第二区域为NMOS区域或PMOS区域。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的鳍式场效应管的形成方法的技术方案中，在对鳍部进行掺杂处理之后、形成栅极结构之前，采用气体团簇离子束工艺对鳍部顶部和侧壁进行修复性处理，在受到晶格损伤的鳍部顶部表面和侧壁表面形成修复层，当去除所述修复层之后，鳍部顶部表面和侧壁表面的晶格缺陷被去除，且鳍部顶部和侧壁表面的平坦度得到改善，使得后续形成的栅极结构与鳍部之间的界面性能得到提高，所述栅极结构与鳍部之间接触紧密，从而提高形成的鳍式场效应管的电学性能。

进一步，所述修复性处理采用的气体包括含氧气体，使得气体团簇离子束中具有氧离子，所述氧离子不仅能够对鳍部顶部和侧壁进行物理轰击，还能够将鳍部顶部和侧壁表面氧化，从而有效改善去除修复层之后鳍部顶部和侧壁表面平坦度。

进一步，所述修复性处理采用的气体还包括Ar、N₂或He，使得气体团簇离子束中具有Ar离子、N离子或He离子，所述Ar离子、N离子或He离子能够对鳍部顶部和侧壁进行物理轰击，从而进一步改善鳍部顶部和侧壁表面平坦度。

附图说明

图1至图10为本发明一实施例提供的鳍式场效应管形成过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术形成的鳍式场效应管的电学性能有待提高。

经研究发现，栅极结构中的栅介质层与鳍部之间的界面性能差，是导致鳍式场效应管中电学性能差的一个重要原因之一。

为此，本发明提供一种鳍式场效应管的形成方法，提供衬底，所述衬底表面形成有若干分立的鳍部，所述衬底表面还形成有覆盖鳍部部分侧壁表面的隔离层，且所述隔离层顶部低于鳍部顶部；对所述鳍部进行掺杂处理；在进行所述掺杂处理之后，采用气体团簇离子束工艺对所述鳍部顶部和侧壁进行修复性处理，在所述鳍部顶部表面和侧壁表面形成修复层；去除所述修复层；在去除所述修复层之后，形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖鳍部的部分顶部表面和侧壁表面。本发明在形成栅极结构之前，采用气体团簇离子束工艺对鳍部顶部和侧壁进行修复性处理，形成修复层，所述修复性处理能够改善鳍部顶部和侧壁表面粗糙度度，在去除修复层之后，所述鳍部具有较高的表面平坦度，且鳍部表面受到损伤的晶格被去除，使得形成的栅极结构与鳍部之间具有良好的界面性能，所述栅极结构与鳍部接触紧密，从而提高形成的鳍式场效应管的电学性能。

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1至图10为本发明一实施例提供的鳍式场效应管形成过程的剖面结构示意图。

参考图1，提供衬底200以及位于衬底200表面的若干分立的鳍部201。

所述衬底200可以为硅衬底或者为绝缘体上的硅衬底，所述衬底200还可以为锗衬底、锗化硅衬底、砷化镓衬底或者绝缘体上的硅衬底。所述衬底200包括第一区域I和第二区域II，第一区域I为NMOS区域或PMOS区域，第二区域II为NMOS区域或PMOS区域。本实施例以形成的鳍式场效应管为CMOS器件为例，其中，第一区域I为PMOS区域，第二区域II为NMOS区域，所述第一区域I衬底200表面形成有分立的鳍部201，所述第二区域II衬底200表面形成有分立的鳍部201。

所述鳍部201的材料包括硅、锗、锗化硅、碳化硅或砷化镓。本实施例中，所述鳍部201的材料与衬底200的材料相同。

在一个实施例中，形成所述衬底200以及鳍部201的工艺步骤包括：提供初始衬底；在所述初始衬底表面形成图形化的硬掩膜层；以所述图形化的硬掩膜层为掩膜刻蚀所述初始衬底，刻蚀后的初始衬底作为衬底200，衬底200表面形成有若干分立的鳍部201。

所述图形化的硬掩膜层的形成工艺包括：自对准双重图形化(SADP，Self-aligned Double Patterned)工艺、自对准三重图形化(Self-aligned Triple Patterned)工艺、或自对准四重图形化(Self-aligned Double Double Patterned)工艺。所述双重图形化工艺包括LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)工艺或LLE(Litho-Litho-Etch)工艺。

本实施例中，形成所述衬底200以及鳍部201的工艺步骤包括：提供初始衬底；在所述初始衬底表面形成若干分立的牺牲层；形成覆盖于所述初始衬底表面以及牺牲层表面的侧墙膜；回刻蚀所述侧墙膜，刻蚀去除位于牺牲层顶部表面以及部分初始衬底表面的侧墙膜，形成紧挨牺牲层侧壁的侧墙层；去除所述牺牲层；以所述侧墙层为掩膜刻蚀所述初始衬底，形成若干分立的鳍部201，刻蚀后的初始衬底作为衬底200；去除所述侧墙层。

本实施例中，所述鳍部201底部尺寸大于顶部尺寸，所述鳍部201具有倾斜的侧壁表面。在其他实施例中，所述鳍部侧壁表面与衬底表面相互垂直，所述鳍部底部尺寸与顶部尺寸相同。

继续参考图1，在所述相邻鳍部201之间的衬底200表面形成隔离层202，所述隔离层202覆盖鳍部201部分侧壁表面，且所述隔离层202的顶部表面低于鳍部201顶部表面。

所述隔离层202用于后续作为鳍式场效应管的隔离结构，隔离相邻区域的鳍部201，防止相邻鳍部201之间发生不必要的电连接；所述隔离层202的材料为氧化硅或氮氧化硅。

作为一个实施例，形成所述隔离层202的工艺步骤包括：在所述衬底200表面以及鳍部201表面形成隔离膜，且所述隔离膜的顶部表面高于鳍部201 顶部表面；回刻蚀所述隔离膜形成隔离层202，且隔离层202顶部表面低于鳍部201顶部表面。

本实施例中，采用流动性化学气相沉积工艺(FCVD，Flowable Chemical Vapor Deposition)形成所述隔离膜，使得形成的隔离层202在衬底200和鳍部201之间的拐角处的填充效果好。

参考图2，在所述鳍部201顶部表面和侧壁表面形成屏蔽层203。

本实施例中，所述屏蔽层203还位于隔离层202表面。

所述屏蔽层203的作用包括：起到保护鳍部201的作用，防止鳍部201在后续形成硬掩膜层的过程中受到损伤，保持鳍部201的特征尺寸不变，从而提高形成的鳍式场效应管的电学性能。并且，后续在对部分鳍部201进行离子注入工艺时，所述屏蔽层203还能够起到离子注入缓冲层的作用，避免离子注入工艺对鳍部201造成注入损伤。同时，后续包括采用灰化工艺或湿法去胶工艺去除光刻胶材料的工艺步骤，所述屏蔽层203能够阻止鳍部201暴露在所述灰化工艺会湿法去胶工艺环境中，避免鳍部201受到损伤。

由于后续会去除所述屏蔽层203，要求去除屏蔽层203的工艺对鳍部201无不良影响，因此所述屏蔽层203的材料应该为易于被去除的材料，且去除屏蔽层203的工艺对屏蔽层203和鳍部201具有较大的刻蚀选择比。为此，本实施例中，所述屏蔽层203的材料为氧化硅。

为了使形成屏蔽层203的工艺对鳍部201的特征尺寸无不良影响或影响小，避免或减少形成屏蔽层203的工艺对鳍部201材料造成的消耗，采用沉积工艺形成所述屏蔽层203，且沉积工艺提供含有鳍部201材料原子的气体作为主源气体，能够大大的减小氧源气体氧化鳍部201材料的量，减少鳍部201材料的消耗。

本实施例中，所述鳍部201的材料为硅，则沉积工艺提供的主源气体为硅源气体，所述硅源气体包括SiH₄或SiH₂Cl₂。

采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成所述屏蔽层203，所述屏蔽层203的厚度为2纳米至10纳米。

参考图3，对所述第二区域II鳍部201进行第一掺杂处理。

所述第一掺杂处理用于改善第二区域II形成的器件的电学性能，以第一掺杂处理为阱区掺杂为例，所述第一掺杂处理的掺杂离子为N型离子或P型离子。

采用离子注入工艺进行所述第一掺杂处理。本实施例中，所述第二区域II为NMOS区域，所述第一掺杂处理的掺杂离子为P型离子，其中，N型离子为B、Ga或In。

进行所述第一掺杂处理的工艺步骤包括：形成覆盖所述第一区域I的鳍部顶部表面和侧壁表面以及隔离层202表面的第一光刻胶层204；以所述第一光刻胶层204为掩膜，对所述第二区域II鳍部202进行离子注入；去除所述第一光刻胶层204。在一个具体实施例中，采用离子注入工艺进行所述第一掺杂处理的工艺参数包括：注入角度范围0～20度，离子注入浓度范围为1E13atom/cm³～1E18/atom/cm³，注入能量范围为2Kev～20Kev。

参考图4，对所述第一区域I鳍部201进行第二掺杂处理。

所述第二掺杂处理用于改善第一区域I形成的器件的电学性能，以第二掺杂处理为阱区掺杂为例，所述第二掺杂处理的掺杂离子为N型离子或P型离子。

采用离子注入工艺进行所述第二掺杂处理。本实施例中，所述第一区域I为PMOS区域，所述第一掺杂处理的掺杂离子为N型离子，其中，N型离子为P、As或Sb。

进行所述第二掺杂处理的工艺步骤包括：形成覆盖所述第二区域II的鳍部顶部表面和侧壁表面以及隔离层202表面的第二光刻胶层205；以所述第二光刻胶层205为掩膜，对所述第二区域II鳍部202进行离子注入；去除所述第二光刻胶层205。在一个具体实施例中，采用离子注入工艺进行所述第二掺杂处理的工艺参数包括：注入角度范围0～20度，离子注入浓度范围为1E13atom/cm³～1E18/atom/cm³，注入能量范围为2Kev～20Kev。

参考图5，对所述鳍部201进行退火处理206。

所述处理处理206的作用包括：一方面，所述退火处理206能够在一定程度上修复前述掺杂处理对鳍部201造成的晶格损伤；另一方面，所述退火处理206还能够激活鳍部201内的掺杂离子，使得掺杂离子在鳍部201内进行浓度再分布。

采用激光退火、毫秒退火或快速热退火工艺，进行所述退火处理206。

参考图6，去除所述屏蔽层203(参考图5)。

采用干法刻蚀、湿法刻蚀或干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的工艺去除所述屏蔽层203。

作为一个实施例，所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液体为氢氟酸溶液(DHF：Dilute HF)，其中，氢氟酸中水和氢氟酸的体积比为50:1至1000:1。

作为另一实施例，采用干法刻蚀工艺刻蚀去除所述屏蔽层203，通过SiCoNi刻蚀系统执行所述干法刻蚀工艺，干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括NH₃和HF，在一些具体实施例中，刻蚀气体除包括NH₃和HF外，还可以包括惰性气体，例如N₂、He或Ar。

作为其他实施例，采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的工艺去除所述屏蔽层203，例如，先进行干法刻蚀工艺接着进行湿法刻蚀工艺，以刻蚀去除屏蔽层203。

所述湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺对氧化硅的刻蚀速率很大，而几乎不会对硅造成刻蚀，因此，去除屏蔽层203的工艺不会对鳍部201造成不良影响，在去除所述屏蔽层203后，鳍部201仍保持有良好的特征尺寸。

尽管前述形成的屏蔽层203在一定程度上使鳍部201受到前述掺杂处理的不良影响减小，但是所述鳍部201顶部表面和侧壁表面仍具有晶格损伤，使得鳍部201顶部表面和侧壁表面性能仍较差，鳍部201顶部表面和侧壁表面粗糙，若后续直接在鳍部201表面形成栅极结构，则所述栅极结构与鳍部201之间的界面性能差。为此，本实施例后续还对鳍部201顶部和侧壁进行修复性处理，提高鳍部201顶部表面和侧壁表面性能。

参考图7，采用气体团簇离子束(GCIB，gas cluster ion beam)工艺对所 述鳍部201顶部和侧壁进行修复性处理，在所述鳍部201顶部表面和侧壁表面形成修复层207。

所述修复性处理适于改善鳍部顶部和侧壁的表面粗糙度。本实施例中，采用气体团簇离子束工艺进行修复性处理的过程中，不仅对鳍部201顶部和侧壁表面进行化学性(chemical)处理，还对鳍部201顶部和侧壁表面进行物理性(physical)处理，所述化学性处理主要包括将鳍部201顶部和侧壁表面氧化，将鳍部201顶部和侧壁表面的晶格缺陷进行氧化，所述物理性处理主要包括对鳍部201顶部和侧壁表面进行物理轰击(sputter)，特别对鳍部201顶部和侧壁凸出的部分进行物理轰击，从而去除鳍部201顶部和侧壁中的凸出部分。通过化学性处理和物理性处理相结合的方式，达到去除鳍部201中受到晶格损伤的表面去除的目的，且将鳍部201表面氧化形成修复层207，使得形成修复层207后的鳍部201表面粗糙度得到改善。

本实施例中，所述修复性处理采用的气体包括含氧气体，使得形成的气体团簇离子束中含有氧离子，一方面所述氧离子能够氧化鳍部201顶部表面和侧壁表面，另一方面所述氧离子还能够对鳍部201顶部和侧壁表面进行物理轰击。所述含氧气体为O₂、O₃或H₂O。

所述修复性处理采用的气体还包括Ar、N₂或He，使得形成的气体团簇离子束中含有Ar离子、N离子或He离子，所述Ar离子、N离子或He离子对鳍部201顶部表面和侧壁表面进行物理轰击，所述离子束轰击的方向垂直于衬底200表面，从而进一步轰击去除鳍部201表面受到损伤的晶格，进一步改善鳍部201顶部和侧壁表面平坦度。

本实施例中，所述鳍部201的材料为硅，所述修复层207的材料为氧化硅。采用气体团簇离子束工艺进行修复性处理的工艺参数包括：提供刻蚀气体和O₂，还提供Ar、N₂或He中的一种或多种气体，刻蚀气体为卤族元素、碳元素、氢元素或氮元素中的一种或多种组成的化合物气体，刻蚀气体气压大于等于1个标准大气压，刻蚀气体经过电离形成气体团簇的离子束，其中，离子束加速电场强度小于或等于100kv，离子束能量小于或等于100kev，离子束剂量小于或等于1E17cluster/cm²。

其中，刻蚀气体为CH₃F、CH₃Cl、CH₃Br、CHF₃、CHClF₂、CHBrF₂、CH₂F₂、CH₂ClF、CH₂BrF、CHCl₂F、CHBrCl₂、CHBr₃中的一中或多种。

本实施例中，所述修复层207的厚度为0.5纳米至1纳米，使得鳍部201表面受到损伤的缺陷均被氧化，且避免鳍部201被氧化的程度过大。

参考图8，去除所述修复层207(参考图7)。

为了避免去除修复层207的工艺对鳍部201顶部表面和侧壁表面造成损伤，采用湿法刻蚀工艺刻蚀去除所述修复层207。

本实施例中，湿法刻蚀工艺采用的刻蚀液体为稀释的氢氟酸溶液，稀释的氢氟酸溶液中去离子水与氢氟酸的体积比为200:1至500:1，所述刻蚀液体中的氢氟酸浓度较低，从而使得湿法刻蚀工艺对隔离层202的刻蚀速率小，避免隔离层202受到不必要的损伤。

由于本实施例中，采用气体团簇离子束工艺进行修复性处理时，所述修复性处理的环境较为温和，气体团簇离子束对鳍部201的损伤很小甚至不会对鳍部201表面造成损伤，使得在去除所述修复层207之后，鳍部201表面具有较高的晶格质量以及较高的表面平坦度。本实施例避免了等离子体对鳍部造成的晶格损伤。

在去除所述修复层207之后，还包括步骤：对所述鳍部201顶部表面和侧壁表面进行清洗处理，进一步为后续形成栅极结构提供良好的界面基础。

后续还包括步骤：形成横跨所述鳍部201的栅极结构，所述栅极结构覆盖鳍部201的部分顶部和侧壁表面。具体的，所述栅极结构的形成工艺包括以下步骤：在所述鳍部201顶部表面和侧壁表面、以及隔离层202表面形成栅介质膜；在所述栅介质膜表面形成栅电极膜；图形化所述栅电极膜以及栅介质膜，形成所述栅极结构。以下将结合附图对栅极结构的形成步骤进行详细说明。

参考图9，在所述鳍部201顶部表面和侧壁表面、以及隔离层202表面形成栅介质膜208。

所述栅介质膜208为后续形成栅极结构中的栅介质层提供工艺基础。由 于鳍部201顶部表面和侧壁表面的晶格损伤得到修复，所述鳍部201顶部和侧壁表面粗糙度得到改善，因此，本实施例形成的栅介质膜208与鳍部201之间的界面性能良好，所述栅介质膜208与鳍部201接触紧密。

所述栅介质膜208的材料为氧化硅、氮化硅或高k栅介质材料，高k栅介质材料指的是相对介电常数大于氧化硅相对介电常数的材料，高k栅介质材料包括LaO、AlO、BaZrO、HfZrO、HfZrON、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、Al₂O₃或Si₃N₄。

本实施例中，所述栅介质膜208的材料为Al₂O₃，采用物理气相沉积工艺形成所述栅介质膜208。

继续参考图9，在所述栅介质膜208表面形成栅电极膜209。

所述栅电极膜209为后续形成栅电极层提供工艺基础。

所述栅电极膜209的材料包括多晶硅、Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN或WSi。

本实施例中，所述栅电极膜209的材料为Al。

参考图10，图形化所述栅电极膜209(参考图9)形成栅电极层219；图形化所述栅介质膜208(参考图9)形成栅介质层218。

具体的，在所述栅电极膜209表面形成图形层；以所述图形层为掩膜，刻蚀去除位于部分隔离层202表面、以及部分鳍部201表面的栅电极膜209以及栅介质膜208；去除所述图形层。

其中，栅介质层218以及位于栅介质层218顶部表面的栅电极层219的叠层结构构成栅极结构，所述栅极结构横跨所述鳍部201，所述栅极结构还覆盖鳍部201的部分顶部表面和侧壁表面。

后续还包括步骤：对所述栅极结构两侧的鳍部201进行掺杂处理，在栅极结构一侧的鳍部201内形成源区，在栅极结构另一侧的鳍部201内形成漏区。

由于在形成栅极结构之前，所述鳍部201顶部表面和侧壁表面具有较高的平坦度，所述鳍部201顶部和侧壁的粗糙度得到改善，使得栅极结构中的 栅介质层218与鳍部201之间的界面性能良好，所述栅极结构与鳍部201接触紧密，从而使得形成的鳍式场效应管的电学性能得到提高。

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。