具有高质量外延层的纳米线半导体器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及半导体领域，更具体地，涉及一种具有高质量外延层的纳米线半导体器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件的发展，期望以迀移率高于硅(Si)的半导体材料来制作高性能半导体器件如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。但是，难以形成高质量的高迀移率半导体材料。
【发明内容】
[0003]本公开的目的至少部分地在于提供一种具有高质量外延层的半导体器件及其制造方法。
[0004]根据本公开的一个方面，提供了一种半导体器件，包括:衬底;与衬底相隔开的至少一条纳米线;至少一个半导体层，分别绕各纳米线外周形成以至少部分环绕相应纳米线，且绕各纳米线形成的各半导体层彼此分离;在衬底上形成的隔离层，隔离层露出各半导体层；以及在隔离层上形成的与半导体层相交的栅堆叠，其中栅堆叠包括至少部分环绕各半导体层外周的栅介质层以及栅导体层。
[0005]根据本公开的另一方面，提供了一种半导体器件，包括:衬底;与衬底相隔开的至少两条纳米线，其中，各纳米线沿大致垂直于衬底表面的方向排列，且各纳米线彼此间隔开大致平行延伸，其中至少一对相邻的纳米线相对于它们之间的中线在晶体结构上是镜像对称的;在衬底上形成的隔离层，隔离层露出各纳米线；以及在隔离层上形成的与纳米线相交的栅堆叠，其中栅堆叠包括至少部分环绕各纳米线外周的栅介质层以及栅导体层。
[0006]根据本公开的再一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括:在衬底上形成鳍状结构;在形成有鳍状结构的衬底上形成支撑层，并将该支撑层构图为从衬底表面延伸至鳍状结构的表面并因此将鳍状结构与衬底在物理上连接的支撑部;去除鳍状结构的一部分，以形成与衬底隔开的至少一条纳米线；以及以各纳米线为种子层，分别生长半导体层。
[0007]根据本公开的又一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括:在衬底上形成鳍状结构;在形成有鳍状结构的衬底上形成支撑层，并将该支撑层构图为从衬底表面延伸至鳍状结构的表面并因此将鳍状结构与衬底在物理上连接的支撑部;去除鳍状结构的一部分，以形成与衬底隔开的至少一条纳米线；以各纳米线为种子层，分别生长半导体层;在最靠近衬底的半导体层与衬底之间以及在各半导体层之间，形成掩模层；以纳米线和掩模层为掩模，选择性刻蚀各半导体层，使得半导体层留于纳米线与掩模层之间；以及选择性去除纳米线和掩模层。
[0008]根据本公开的实施例，可以利用相对于衬底悬置的纳米线作为种子层，来生长半导体层，半导体层可以具有高迀移率。这种悬置种子层可以使纳米线和半导体层中的应力弛豫，从而有助于抑制纳米线或半导体层中的缺陷。
【附图说明】
[0009]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0010]图1-15是示意性示出了根据本公开实施例的制造半导体器件流程的示意图；
[0011]图16-17是示意性示出了根据本公开另一实施例的制造半导体器件流程中部分阶段的示意图；
[0012]图18-19是示意性示出了根据本公开另一实施例的制造半导体器件流程中部分阶段的示意图；
[0013]图20-24是示意性示出了根据本公开另一实施例的制造半导体器件流程中部分阶段的示意图。
【具体实施方式】
[0014]以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0015]在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0016]在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
[0017]根据本公开的实施例，提供了一种具有悬置鳍结构的半导体器件。具体地，该器件的鳍相对于衬底悬置。在此，所谓“悬置”，是指鳍与衬底相分离。注意，鳍与衬底之间的间隔可以被其他材料(例如，隔离层)填充。鳍可以包括高迀移率半导体材料，以改善器件性能。在此，所谓的“高迀移率”是指相对于硅(Si)的迀移率要高。高迀移率半导体材料例如Ge、SiGe或II1-V族化合物半导体等。
[0018]鳍可以是在衬底上与衬底隔开的纳米线上(例如，外延)形成的半导体层。在此，所谓“纳米线”是指呈线状，即其纵向延伸长度远大于其截面尺度，且截面尺度在纳米级别的结构。纳米线可以相对于衬底悬置，例如大致平行于衬底的表面延伸。于是，半导体层可以至少部分地环绕纳米线的外周形成，从而与纳米线沿大致相同的方向延伸(因此呈鳍状)且随后可以用作器件的鳍。在此，所谓“部分地环绕”，是指沿纳米线的纵向延伸方向可以存在一范围，在该范围内，半导体层可以完全包封纳米线的外表面。也即，在该范围内，在与纳米线的纵向延伸方向垂直的截面上，半导体层可以形成闭合图案(例如，与纳米线的截面形状相对应的矩形、多边形等)。当然，纳米线除了被支撑部覆盖的表面之外，其余表面也可以被半导体层覆盖。纳米线相对较细(例如，宽度/高度为约3?20nm)，且相对于衬底悬置。这样，在生长过程中纳米线和半导体层中的应力可以得以弛豫，且因此可以抑制或避免在纳米线或半导体层中产生缺陷。
[0019]或者，鳍可以是如上形成的半导体层位于纳米线上侧和/或下侧的部分。半导体层的其余部分例如位于纳米线左侧和右侧的部分以及纳米线可以去除。这样，鳍本身呈现纳米线的形式。对于以同一纳米线为种子生长的半导体层，其位于该纳米线上侧的部分和位于该纳米线下侧的部分分别从纳米线的上、下侧表面开始生长，因此它们的晶体结构相对于它们之间的中心可以大致镜像对称。
[0020]纳米线可以经支撑部物理连接到衬底并因此由衬底支撑。在纳米线的纵向延伸方向上，纳米线与支撑部相连接的部分的延伸范围可以小于纳米线的纵向延伸长度。这样，当仅观察纳米线、衬底和支撑部之间的位置关系(不考虑其他层结构)时，纳米线类似于一种悬梁构造，支撑部类似于悬梁的销定结构(anchor)。
[0021]支撑部可以包括沿衬底表面延伸的横向延伸部分以及沿大致垂直于衬底表面的方向延伸的竖直延伸部分，其中竖直延伸部分延伸至纳米线沿大致垂直于衬底表面的竖直侧壁上。这样，通过该支撑部，将纳米线物理连接到衬底上，并因此由衬底支撑。支撑部的竖直延伸部分可以在纳米线的相对两侧的竖直侧壁上延伸，从而夹持纳米线。
[0022]支撑部可以设于纳米线的两侧端部之一或两端，或设于纳米线的中部。
[0023]衬底上可以形成有隔离层，用以电隔离器件的栅堆叠和衬底。隔离层的顶面可以比最低的半导体层/纳米线面向衬底的底面要靠近衬底，从而露出各半导体层/纳米线。这样，栅堆叠可以环绕半导体层/纳米线(，即器件的鳍)。
[0024]这种半导体器件例如可以如下制作。具体地，可以在衬底上形成鳍状结构。随后，将去除该鳍状结构的一部分以得到与衬底分离的至少一条纳米线，这些纳米线可以相对于衬底悬置。
[0025]为了支撑随后将悬置的纳米线，可以形成支撑部。这种支撑部可以如下形成。具体地，可以在形成有鳍状结构的衬底上形成支撑层，并将该支撑层构图为从衬底表面延伸至鳍状结构的表面并因此将鳍状结构与衬底在物理上连接的支撑部。支撑层的构图可以利用掩模进行。在垂直于鳍状结构纵向延伸方向的方向上，掩模在鳍状结构上方延伸超出鳍状结构的