鳍式场效应晶体管及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种鳍式场效应晶体管及其形成方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体工艺技术的不断发展，工艺节点逐渐减小，后栅(gate-last)工艺得到了广泛应用，以获得理想的阈值电压，改善器件性能。但是当器件的特征尺寸进一步下降时，即使采用后栅工艺，常规的MOS场效应管的结构也已经无法满足对器件性能的需求，鳍式场效应晶体管(Fin FET)作为一种多栅器件得到了广泛的关注。
[0003]同时，随着集成电路领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。半导体业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中具有较大开发潜力的石墨烯受到广泛的关注。石墨烯(Graphene)是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层石墨烯的厚度约为0.35纳米。实验证明，石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有出色的电学性能，例如0.4 μ m左右的弹道输运特性，高载流子迁移率，室温下的量子霍尔效应等等。石墨烯优越的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能取代硅成为新一代的主流半导体材料。
[0004]使用石墨烯材料作为鳍式场效应晶体管的沟道材料能够进一步提高鳍式场效应晶体管的性能，所以，如何形成高质量的石墨烯材料应用于鳍式场效应晶体管，以提高鳍式场效应晶体管的性能，是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，提高鳍式场效应晶体管的性能。
[0006]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；在所述半导体衬底上形成鳍部，所述鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角；在所述半导体衬底表面形成隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面并覆盖部分鳍部的侧壁表面，高于隔离层的部分鳍部作为第一部分鳍部，被隔离层覆盖的部分鳍部作为第二部分鳍部；对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间的具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；在所述第一部分鳍部侧壁表面形成含碳半导体层；在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层；在所述隔离层表面形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。
[0007]可选的，所述第二倾斜角的范围为50°?70°。
[0008]可选的，所述第一倾斜角的范围为80°?90°。
[0009]可选的，所述含碳半导体层的材料为SiC。
[0010]可选的，形成所述石墨烯层的方法包括:对所述含碳半导体层进行退火，使所述含碳半导体层表面部分厚度内的硅原子逸出，剩余碳原子形成石墨烯层，所述退火在真空或Ar氛围下进彳丁,压强为1mbar?900mbar,温度为150CTC?2000°C，时间为1min?20min。
[0011]可选的，对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀的方法包括:在鳍部的顶部表面形成掩膜层，所述掩膜层的宽度小于鳍部的顶部宽度，所述掩膜层两侧暴露出部分鳍部顶部；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一部分鳍部，使所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度减小。
[0012]可选的，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。
[0013]可选的，还包括:在形成所述石墨烯层之后，对所述石墨烯层进行表面修复处理，去除所述石墨稀层的缺陷。
[0014]可选的，所述表面修复处理的方法包括:将所述石墨烯层浸没于氢氟酸溶液中，然后取出，用去离子水清洗，所述氣氟酸溶液的质量浓度为0.5%?2%,浸没时间为1s?30so
[0015]可选的，其特征在于，还包括:对所述石墨烯层进行氢化处理。
[0016]可选的，所述氢化处理的方法包括:在H2氛围下进行退火，退火温度为600°C?1000°C，时间为 30min ?200min。
[0017]可选的，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。
[0018]为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种采用所述方法形成的鳍式场效应晶体管，包括:半导体衬底；位于半导体衬底上的鳍部，所述鳍部包括第二部分鳍部和位于第二部分鳍部上的第一部分鳍部，所述第二部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角，所述第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；位于半导体衬底上的隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面，所述隔离层覆盖第二部分鳍部的侧壁；位于第一部分鳍部侧壁表面的含碳半导体层；位于所述含碳半导体层表面的石墨烯层；位于所述隔离层表面的横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。
[0019]可选的，所述第二倾斜角的范围为50°?70°。
[0020]可选的，所述第一倾斜角的范围为80°?90°。
[0021]可选的，所述含碳半导体层的材料为SiC。
[0022]可选的，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。
[0023]可选的，所述石墨烯层为氢化石墨烯层。
[0024]可选的，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。
[0025]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0026]本实施例中，在形成所述鳍部以及隔离层之后，对高于隔离层表面的第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使所述第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，被隔离层覆盖的第二部分鳍部侧壁与半导体衬底之间具有第一倾斜角，且所述第二倾斜角小于第一倾斜角，所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度下降，可以提高后续在第一部分鳍部侧壁表面上形成的含碳半导体层的沉积质量，并且，减小所述含碳半导体层表面的自由能，后续再在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层。由于所述含碳半导体层表面的自由能下降，形成的石墨烯层与含碳半导体层界面之间的相互作用减小，从而可以提高形成的石墨烯层的质量以及载流子迁移率，进而提高最终形成的鳍式场效应晶体管的性能。
[0027]进一步的，在形成所述石墨烯层之后，可以对所述石墨烯层进行表面修复处理，消除所述石墨烯层的缺陷，从而进一步提高所述石墨烯层的载流子迁移率。还可以对所述石墨烯层进行氢化处理，使石墨烯层的性能从金属性向半导体性转变，从而可以提高形成的晶体管的性能。所述H原子会与石墨烯层内的碳原子之间形成C-H化学键，氢化后的C-C原子轨道由SP2杂化转化为SP3杂化，引起费米能级的迁移，从而使禁带宽度增大。可以通过控制石墨烯层的氢化程度，调整所述石墨烯层的禁带宽度，从而调整鳍式场效应晶体管的场效应特性和阈值电压，使其满足晶体管的要求。
[0028]本实施例中，提供的鳍式场效应晶体管包括半导体衬底、位于半导体衬底上的鳍部以及隔离层，所述鳍部包括高于隔离层的第一部分鳍部以及被隔离层覆盖的第二部分鳍部，所述第一部分鳍部侧壁表面具有含碳半导体层，位于含碳半导体层表面的石墨烯层，以及位于隔离层表面横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁表面的石墨烯层以及部分鳍部顶部。所述第一部分鳍部侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二部分鳍部侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角，使得第一部分鳍部的倾斜度下降，在所述第一部分鳍部表面的含碳半导体层的沉积质量较高，且表面自由能下降，所以位于所述含碳半导体层表面的石墨烯层与所述含碳半导体层之间界面的原子相互作用较弱，从而使得石墨烯层的质量较高，石墨烯层的载流子迁移率较高，进而使得所述鳍式场效应晶体管的性能提高。
【附图说明】
[0029]图1至图7是本发明的实施例的鳍式场效应晶体管的形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]如【背景技术】中所述，现有采用石墨烯作为沟道材料形成的鳍式场效应晶体管的性能有待进一步的提闻。
[0031]目前在鳍部上形成的石墨烯层的质量较差，石墨烯层表面的原子无序性较高，石墨烯层内的缺陷较多，导致所述石墨烯层内的载流子的迁移率下降，从而影响形成的鳍式场效应晶体管的性能。
[0032]研究发现，在鳍部表面的含碳半导体层表面形成石墨烯层作为鳍式场效应晶体管的沟道区域时，所述石墨烯层的形成质量与含碳半导体层的结构相关，由于