鳍式场效应晶体管的形成方法与流程

文档序号:11252602
鳍式场效应晶体管的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种鳍式场效应晶体管的形成方法。



背景技术:

MOS(金属-氧化物-半导体)晶体管,是现代集成电路中最重要的元件之一,MOS晶体管的基本结构包括:半导体衬底;位于半导体衬底表面的栅极结构,所述栅极结构包括:位于半导体衬底表面的栅介质层以及位于栅介质层表面的栅电极层;位于栅极结构两侧半导体衬底中的源漏区。

随着半导体技术的发展,传统的平面式的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(Fin FET)是一种新兴的多栅器件,它一般包括凸出于半导体衬底表面的鳍部,覆盖部分所述鳍部的顶部表面和侧壁的栅极结构,位于栅极结构两侧的鳍部中的源漏区。

随着特征尺寸的进一步减小,需要形成横跨鳍部的金属栅极结构以进一步的降低鳍式场效应晶体管的漏电流,有效改善栅极驱动能力。通常采用后栅工艺形成具有金属栅极结构的鳍式场效应晶体管,即先形成横跨鳍部的伪栅极结构,待形成源漏区后,去除伪栅极结构,形成开口,然后在所述开口中填充金属栅极结构。

然而,现有技术中形成的鳍式场效应晶体管的电学性能较差。



技术实现要素:

本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法,改善鳍式场效应晶体管的电学性能。

为解决上述问题,本发明提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法,包括:提供半导体衬底,所述半导体衬底上具有鳍部;形成横跨所述鳍部的伪栅介质层和位于所述伪栅介质层表面的伪栅电极;在所述半导体衬底和鳍部上形成覆盖所述伪栅介质层和伪栅电极的侧壁的层间介质层;去除所述伪栅电极, 形成开口;形成所述开口后,依次进行紫外线固化处理和氟气氛退火处理。

可选的,所述紫外线固化处理的工艺参数为:固化温度为350摄氏度~850摄氏度,紫外光源功率为1mW/cm2~200mW/cm2,固化时间为20min~200min。

可选的,所述氟气氛退火处理的工艺参数为:采用的气体为F2,温度为350摄氏度~800摄氏度,腔室压强为5E5帕~20E5帕,时间为5min~100min。

可选的,去除所述伪栅电极的工艺为干刻工艺或湿刻工艺。

可选的,所述层间介质层的材料为氧化硅、氮氧化硅或碳氧化硅。

可选的,还包括:在鳍部两侧的半导体衬底上形成隔离结构;在半导体衬底和隔离结构上形成横跨所述鳍部的伪栅极结构。

可选的,所述隔离结构的材料为氧化硅或氮氧化硅。

可选的,形成所述隔离结构的步骤为:采用流体化学气相沉积工艺、等离子体化学气相沉积工艺、亚常压化学气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺形成覆盖半导体衬底和鳍部的隔离结构;依次采用平坦化工艺、回刻蚀工艺处理所述隔离结构,使所述隔离结构的表面低于鳍部的顶部表面。

可选的,进行氟气氛退火处理后,还包括:去除所述伪栅介质层后,在所述开口中形成金属栅极结构。

可选的,在形成所述层间介质层之前,还包括:在所述伪栅介质层和伪栅电极的两侧的鳍部中形成源漏区。

与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:

由于形成所述开口后,依次进行了紫外线固化处理和氟气氛退火处理,在所述紫外线固化处理中,将所述伪栅介质层与鳍部的界面存在的硅-氢键打断,并释放氢元素,降低了所述伪栅介质层与鳍部的界面的氢含量,在伪栅介质层与鳍部的界面形成悬挂键;然后进行了氟气氛退火处理,使氟与所述悬挂键结合形成稳定的氟化物化学键。由于依次经过紫外线固化处理和氟气氛退火处理,使得所述伪栅介质层覆盖的鳍部表面的不稳定的硅-氢键减少,后续去除伪栅介质层后,在所述开口中形成金属栅极结构,使得鳍部与金属栅极结构之间的界面的不稳定的硅-氢键减少,从而改善了鳍式场效应晶体管 的电学性能。具体的,对于P型鳍式场效应晶体管,能够改善P型鳍式场效应晶体管的负偏压不稳定性效应,对于N型鳍式场效应晶体管,能够提高N型鳍式场效应晶体管沟道中载流子的迁移率。

另外,由于所述氟气氛退火处理是在去除伪栅电极后且在保留伪栅介质层的情况下进行的,氟通过伪栅介质层扩散至伪栅介质层与鳍部的界面,避免在氟气氛退火处理的过程中氟与鳍部直接接触,从而避免氟与鳍部表面的悬挂键结合到饱和的程度后还有大量的氟和鳍部反应形成稳定的配位化合物,从而避免这些稳定的配位化合物降低鳍式场效应晶体管的性能;所述紫外线固化处理在去除伪栅电极后进行,避免伪栅电极吸收大量的紫外线而造成所述紫外线固化处理不能有效的作用于鳍部表面。

附图说明

图1是本发明一实施例中鳍式场效应晶体管形成过程流程图;

图2至图8是本发明一实施例中鳍式场效应晶体管形成过程的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术形成鳍式场效应晶体管的方法进行研究,形成鳍式场效应晶体管的方法包括:提供半导体衬底,所述半导体衬底上具有鳍部;在所述鳍部两侧的半导体衬底上形成隔离结构;形成横跨所述鳍部的伪栅极结构,所述伪栅极结构位于隔离结构上且横跨所述鳍部;在所述半导体衬底和鳍部上形成覆盖所述伪栅极结构侧壁的层间介质层;去除所述伪栅极结构,形成开口;在所述开口中形成金属栅极结构。

研究发现,所述隔离结构的形成过程为:采用流体化学气相沉积工艺形成覆盖半导体衬底和鳍部的隔离结构,然后依次采用平坦化工艺、回刻蚀工艺处理所述隔离结构,使所述隔离结构的表面低于鳍部的顶部表面。然而,由于流体化学气相沉积隔离结构的过程中,需要依次经历沉积步骤、固化步骤和退火步骤。在所述沉积步骤中,沉积隔离结构初始层,此时,隔离结构初始层中含有大量的氢元素且所述隔离结构初始层为流体状;在所述固化步骤中,分别采用氧气、臭氧和气态水对所述隔离结构初始层在350摄氏度~750 摄氏度下进行处理,一方面氧气、臭氧和气态水中的氧元素取代隔离结构初始层中的部分氢元素,减少隔离结构初始层中的氢元素含量,另一方面,使得隔离结构初始层从流体状转变为固态状;在所述退火步骤中,采用的气体为N2,退火温度为400摄氏度~800摄氏度,进一步的去除隔离结构初始层中的氢元素,形成覆盖半导体衬底和鳍部的隔离结构。

研究发现,现有技术中形成的鳍式场效应晶体管的电学性能较差,原因在于:

在形成隔离结构的过程,在鳍部表面引入大量的不稳定的硅-氢键。具体的,在形成隔离结构过程中的固化步骤和退火步骤中,所述隔离结构初始层中的氢元素容易扩散至鳍部的表面,从而在鳍部的表面形成大量不稳定的硅-氢键;形成金属栅极结构后,鳍部与金属栅极结构之间的界面存在大量的不稳定的硅-氢键;对于P型鳍式场效应晶体管,导致增加了P型鳍式场效应晶体管的负偏压不稳定性效应;对于N型鳍式场效应晶体管,导致鳍部表面的界面态变差,从而导致N型鳍式场效应晶体管沟道中的载流子迁移率下降。

在此基础上,本发明提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法,包括:提供半导体衬底,所述半导体衬底上具有鳍部;形成横跨所述鳍部的伪栅介质层和位于所述伪栅介质层表面的伪栅电极;在所述半导体衬底和鳍部上形成覆盖所述伪栅介质层和伪栅电极的侧壁的层间介质层;去除所述伪栅电极,形成开口;形成所述开口后,依次进行紫外线固化处理和氟气氛退火处理。所述方法能够改善鳍式场效应晶体管的电学性能。

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是本发明一实施例中鳍式场效应晶体管形成过程流程图,包括以下步骤:

步骤S10:提供半导体衬底,所述半导体衬底上具有鳍部;

步骤S11:形成横跨所述鳍部的伪栅介质层和位于所述伪栅介质层表面的伪栅电极;

步骤S12:在所述半导体衬底和鳍部上形成覆盖所述伪栅介质层和伪栅电 极的侧壁的层间介质层;

步骤S13:去除所述伪栅电极,形成开口;

步骤S14:形成所述开口后,依次进行紫外线固化处理和氟气氛退火处理。

下面结合附图对上述各个步骤进行说明。

结合参考图2、图3和图4,图3为沿着图2中切割线A-A1得到的剖面图,图4为沿着图2中切割线B-B1得到的剖面图,其中,切割线A-A1平行于鳍部延伸方向且通过鳍部,切割线B-B1平行于伪栅极结构延伸方向且通过伪栅极结构,提供半导体衬底100,所述半导体衬底100上具有鳍部110。

所述半导体衬底100为后续形成鳍式场效应晶体管提供工艺平台。

所述半导体衬底100可以是单晶硅,多晶硅或非晶硅;半导体衬底100也可以是硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料;所述半导体衬底100还可以是其它半导体材料,这里不再一一举例。本实施例中,所述半导体衬底100的材料为硅。

本实施例中,所述鳍部110通过对所述半导体衬底100进行图形化而形成,具体的,在所述半导体衬底100上形成用以定义鳍部110位置的图形化的掩膜层,然后以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀半导体衬底100,从而形成鳍部110。形成鳍部110后,保留定义鳍部110的位置的图案化的掩膜层,在后续平坦化隔离结构中作为刻蚀停止层,避免对鳍部110的顶部表面造成损伤。在其它实施例中,形成鳍部110后,可以不保留定义鳍部110的位置的图案化的掩膜层。

在其它实施例中,也可以是:在所述半导体衬底100上形成鳍部材料层,然后对所述鳍部材料层进行图形化,从而形成鳍部110。

继续结合参考图2、图3和图4,在所述鳍部110两侧的半导体衬底100上形成隔离结构120。

所述隔离结构120用于电学隔离相邻的鳍部120;隔离结构120的材料为氧化硅或氮氧化硅。本实施例中,隔离结构120的材料为氧化硅。

形成隔离结构120的步骤为:采用流体化学气相沉积工艺、等离子体化 学气相沉积工艺、亚常压化学气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺形成覆盖半导体衬底100和鳍部110的隔离结构120;依次采用平坦化工艺、回刻蚀工艺处理所述隔离结构120,使所述隔离结构120的表面低于鳍部110的顶部表面。

本实施例中,采用流体化学气相沉积工艺形成覆盖半导体衬底100和鳍部110的隔离结构120,在此过程中,会在鳍部110的表面引入大量的不稳定的硅-氢键,具体过程参考对前述对现有技术中隔离结构形成过程的分析,不再详述。

需要说明的是,采用其它沉积工艺如高深宽比沉积工艺(HARP)以形成覆盖半导体衬底100和鳍部110的隔离结构120时,也会受到工艺环境的影响,从而在鳍部110表面引入硅-氢键,具体过程不再详述。

依次采用平坦化工艺、回刻蚀工艺处理所述隔离结构120,使所述隔离结构120的表面低于鳍部110的顶部表面的过程为:采用平坦化工艺如化学机械研磨工艺平坦化所述隔离结构120直至暴露出定义鳍部110位置的图形化的掩膜层,然后采用回刻蚀工艺刻蚀隔离结构120以使得所述隔离结构120的表面低于鳍部110的顶部表面,之后去除所述定义鳍部110位置的图形化的掩膜层。在其它实施中,若形成鳍部110后,没有保留定义鳍部110位置的图形化的掩膜层,采用平坦化工艺如化学机械研磨工艺平坦化所述隔离结构120直至暴露出鳍部110的顶部表面,然后采用回刻蚀工艺刻蚀隔离结构120以使得所述隔离结构120的表面低于鳍部110的顶部表面。

继续结合参考图2、图3和图4,形成隔离结构120后,形成伪栅极结构130,所述伪栅极结构130位于隔离结构120上且横跨所述鳍部110。

所述伪栅极结构130包括横跨鳍部110的伪栅介质层131和位于伪栅介质层131表面的伪栅电极132,其中,伪栅介质层131位于隔离结构120表面、覆盖部分鳍部110的顶部表面和侧壁。所述伪栅介质层131的材料为氧化硅;所述伪栅电极132的材料为多晶硅。

形成所述伪栅极结构130的步骤为:形成覆盖所述半导体衬底100、隔离结构120和鳍部110的伪栅介质材料层和覆盖所述伪栅介质材料层的伪栅电 极材料层,然后对所述伪栅介质材料层和伪栅介质材料层进行图形化,形成伪栅极结构130。

由于鳍部110的表面形成大量的不稳定的硅-氢键,导致形成伪栅极结构130后,鳍部110与伪栅介质层131之间的界面存在大量的不稳定的硅-氢键,后续去除伪栅极结构130,形成金属栅极结构后,会导致鳍部110与金属栅极结构之间界面存在大量的硅-氢键,导致鳍式场效应晶体管的电学性能变差,具体的,对于P型鳍式场效应晶体管,导致增加了P型鳍式场效应晶体管的负偏压不稳定性效应;对于N型鳍式场效应晶体管,导致N型鳍式场效应晶体管沟道中的载流子迁移率下降。故需要提高鳍式场效应晶体管的电学性能。

结合参考图5和图6,图5为在图3基础上形成的示意图,图6为在图4基础上形成的示意图,在所述半导体衬底100和鳍部110上形成覆盖所述伪栅极结构130侧壁的层间介质层140。

在形成层间介质层140之前,还包括:在所述伪栅极结构130两侧的鳍部110中形成源漏区(未图示)。

所述层间介质层140的材料为氧化硅、氮氧化硅或碳氧化硅。本实施例中,所述层间介质层140的材料为氧化硅。

形成所述层间介质层140的步骤为:采用沉积工艺形成覆盖半导体衬底100、鳍部110、隔离结构120和伪栅极结构130的层间介质材料层;然后平坦化所述层间介质材料层直至暴露出伪栅极结构130的顶部表面,形成层间介质层140,所述层间介质层140的表面与所述伪栅极结构130的顶部表面齐平。

接着,结合参考图7和图8,图7为在图5基础上形成的示意图,图8为在图6基础上形成的示意图,去除所述伪栅电极132,形成开口150。

去除所述伪栅电极132以形成开口150的工艺为干刻工艺或湿刻工艺。本实施例中,采用湿刻工艺去除所述伪栅极结构130,采用的刻蚀溶液为四甲基氢氧化铵溶液。

接着,对所述鳍式场效应晶体管依次进行紫外线固化处理和氟气氛退火处理。

进行紫外线固化处理,能够将所述伪栅介质层131与鳍部110之间的界面的硅-氢键打断,并释放氢元素,降低了伪栅介质层131与鳍部110之间的界面的氢含量,释放氢元素后,所述伪栅介质层131与鳍部110之间的界面形成悬挂键。然后进行氟气氛退火处理,氟与伪栅介质层131与鳍部110之间界面的所述悬挂键结合形成稳定的氟化物化学键,如硅-氟键,替代不稳定的硅-氢键,减少了所述伪栅介质层131覆盖的鳍部110表面的不稳定的硅-氢键。

另外,由于所述氟气氛退火处理是在去除伪栅电极132后且在保留伪栅介质层131的情况下进行的,氟通过伪栅介质层131扩散至伪栅介质层131与鳍部110的界面,避免在氟气氛退火处理的过程中氟与鳍部110直接接触,从而避免氟与鳍部110表面的悬挂键结合到饱和的程度后还有大量的氟和鳍部110反应形成稳定的配位化合物,从而避免这些稳定的配位化合物降低鳍式场效应晶体管的性能;所述紫外线固化处理在去除伪栅电极后132进行,避免伪栅电极132吸收大量的紫外线而造成所述紫外线固化处理不能有效的作用于鳍部110表面。

若所述紫外线固化处理的固化温度高于850摄氏度,导致热预算太高;若所述紫外线固化处理的固化温度低于350摄氏度,导致不能有效的打断伪栅介质层131与鳍部110之间界面的硅-氢键;故选择所述紫外线固化处理的固化温度为350摄氏度~850摄氏度。

若所述紫外线固化处理的固化时间大于200min,导致制造时间太长而工艺成本增加,且增加了热预算;若所述紫外线固化处理的固化时间小于20min,导致没有足够的时间将鳍部110表面的硅-氢键均打断;故选择所述紫外线固化处理的固化时间为20min~200min。

若所述紫外光源功率大于200mW/cm2,导致对鳍部110表面造成损伤,若所述紫外光源功率小于1mW/cm2,导致不能有效的打断伪栅介质层131与鳍部110之间界面的硅-氢键;故选择所述紫外线固化处理采用的紫外光源功率为1mW/cm2~200mW/cm2

所述氟气氛退火处理采用的气体为F2

若所述氟气氛退火处理采用的温度高于800摄氏度,导致热预算太高;若所述氟气氛退火处理采用的温度低于350摄氏度,导致氟原子的动能较小,不能有效的进入伪栅介质层131和鳍部110之间的界面;故选择所述氟气氛退火处理采用的温度为350摄氏度~800摄氏度。

若所述氟气氛退火处理的腔室压强小于5E5帕,导致氟原子没有受到足够的推动而难以通过伪栅介质层131有效的进入伪栅介质层131和鳍部110之间的界面;若所述氟气氛退火处理的腔室压强大于20E5帕,受到工艺条件的限制;故选择所述氟气氛退火处理的腔室压强为5E5帕~20E5帕。

若所述氟气氛退火处理的时间大于100min,导致热预算太高,且过多的氟进入伪栅介质层131和鳍部110之间的界面会导致氟与鳍部110反应形成稳定的配位化合物,对鳍式场效应晶体管的性能有不利的影响;若所述氟气氛退火处理的时间小于5min,导致没有足够的时间使得氟扩散至鳍部110表面并与鳍部110表面的悬挂键结合;故所述氟气氛退火处理的时间选择5min~100min。

依次进行紫外线固化处理和氟气氛退火处理后,还包括:去除所述伪栅介质层;去除所述伪栅介质层后,在所述开口中形成金属栅极结构。

所述金属栅极结构包括:位于所述开口底部和侧壁的栅介质层和位于栅介质层表面的金属栅电极,所述金属栅电极的顶部表面与所述层间介质层的表面齐平。所述栅介质层的材料为高K介质材料(K大于3.9)。

由于减少了所述伪栅介质层131覆盖的鳍部110表面的不稳定的硅-氢键,当去除所述伪栅介质层131,形成金属栅极结构后,使得鳍部110和所述栅介质层之间界面的硅-氢键减少,从而改善了鳍式场效应晶体管的电学性能。具体的,对于P型鳍式场效应晶体管,能够改善P型鳍式场效应晶体管的负偏压不稳定性效应,对于N型鳍式场效应晶体管,能够提高N型鳍式场效应晶体管沟道中载流子的迁移率。

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。

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