具有高质量外延层的纳米线半导体器件及其制造方法_2

文档序号:9868373阅读:来源:国知局
范围(这样,掩模可以遮蔽支撑层在鳍状结构两侧的衬底表面上延伸的部分,从而该部分随后可以得以保留);而在鳍状结构的纵向延伸方向上,掩模在鳍状结构上方覆盖鳍状结构的纵向延伸长度的仅一部分(这样,掩模遮蔽鳍状结构的纵向延伸范围的仅一部分,从而该部分随后可以与支撑部相连)。掩模可以覆盖鳍状结构的一侧端部或两侧端部,或者覆盖鳍状结构的中部,得到的支撑部可以相应地位于鳍状结构的一侧端部或两侧端部或者中部。
[0026]之后,可以去除鳍状结构的一部分,以得到纳米线。例如,鳍状结构可以沿大致垂直于衬底表面的方向分为若干部分,这些部分分别沿着鳍状结构的纵向延伸方向延伸。去除其中一些部分并保留另外的部分,可以得到一条或多条纳米线。因而,这些纳米线可以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。这样,纳米线相对于衬底类似于悬梁构造,支撑部类似于悬梁的锚定结构(anchor),将作为悬梁的纳米线锚定至衬底。
[0027]为了便于去除鳍状结构的一部分,鳍状结构可以包括在衬底上形成的牺牲层和纳米线材料层交替叠置的叠层。例如,可以在衬底上交替形成牺牲层和纳米线材料层,然后可以将它们构图为鳍状结构。在该构图步骤可以进行到衬底中,从而在衬底上与鳍状结构相对应的位置处可以具有突起。随后,可以选择性去除牺牲层。
[0028]由于纳米线悬置从而其表面露出,可以在其表面上生长半导体层。于是,在充分生长的情况下,半导体层可以覆盖第一半导体层(被支撑部)露出的所有表面。半导体层随后可以充当器件的鳍。
[0029]或者,还可以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。于是,可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。然后,可以选择性去除纳米线和掩模层。留下的半导体层部分可以呈现大致纳米线的形状,且随后可以充当器件的鳍。
[0030]以鳍为基础,可以有多种方式来完成器件的制造。例如,可以在衬底上形成隔离层,并在隔离层上形成与半导体层相交的栅堆叠。隔离层的顶面可以低于半导体层最低的底面,并因此露出各半导体层。隔离层可以通过淀积电介质如氧化物并回蚀来得到。支撑部的材料可以不同于隔离层的材料,这样在回蚀时不会破坏支撑部。
[0031 ] 本公开可以各种形式呈现,以下将描述其中一些示例。
[0032]如图1所示,提供衬底1001。该衬底1001可以是各种形式的衬底,例如但不限于体半导体材料衬底如体Si衬底等。在以下的描述中,为方便说明,以体Si衬底为例进行描述。
[0033]在衬底1001上,例如通过外延生长,依次形成牺牲层1003-1、纳米线材料层1005-1、牺牲层1003-2和纳米线材料层1005-2。牺牲层1003-1、1003-2可以包括与衬底1001和纳米线材料层1005-1、1005-2不同的半导体材料,如SiGe (Ge的原子百分比例如为约5?20 %)。牺牲层1003-1的厚度可以为约10?lOOnm,牺牲层1003-2的厚度可以为约10?50nm(这些牺牲层的厚度可以根据希望获得的纳米线与衬底之间的间距以及相邻纳米线之间的间距来确定)。纳米线材料层1005-1、1005-2可以包括合适的半导体材料,例如Si,厚度为约3?10nm(纳米线材料层的厚度可以根据希望获得的纳米线的高度来确定)。当然,本公开不限于牺牲层和纳米线材料层的具体数目,而是可以包括更多或更少的牺牲层或纳米线材料层,只要它们交替叠置在衬底上。
[0034]随后,可以对如此形成的纳米线材料层和牺牲层(可选地,还有衬底)进行构图,以形成鳍状结构。例如,这可以如下进行。
[0035]具体地,可以在纳米线材料层1005-2上形成硬掩模层。在该示例中,硬掩膜层可以包括氧化物(例如,氧化硅)层1007和多晶Si层1009。例如,氧化物层1007的厚度为约2?10nm,多晶Si层1009的厚度为约50?120nm。在该示例中,利用图形转移技术,来将硬掩膜构图为鳍状。为此,可以在硬掩膜层上形成构图(例如,通过曝光、显影)的光刻胶PR。在此,光刻胶PR被构图沿垂直于纸面方向延伸的条状,且其宽度(图中水平方向上的维度)可以大致对应于两个鳍状结构之间的间距。
[0036]接着,如图2所示,以该光刻胶PR为掩模,对多晶Si层1009(相对于氧化层1007)进行选择性刻蚀如反应离子刻蚀(RIE)。这样,可以将多晶Si层1009构图为与光刻胶PR相对应的条状。接着,如图3(a)所示,去除光刻胶PR,并在多晶Si层1009的侧壁上形成侧墙(spacer) 1011。本领域存在多种手段来形成侧墙。例如,可以通过如原子层淀积(ALD)大致共形淀积一层氮化物(例如,氮化硅),厚度例如为约3?10nm,然后对淀积的氮化物进行选择性刻蚀如RIE,去除其横向延伸部分,使得竖直延伸部分保留,以形成侧墙1011。侧墙1011覆盖Si层1009的侧壁。
[0037]图3(b)示出了图3(a)中所示结构的俯视图。注意,尽管图3(b)中未示出,但是在条状多晶Si层1009的上下两端的侧壁上,也存在侧墙1011,从而侧墙1011绕条状多晶Si层1009的外周形成封闭图案。
[0038]为了得到鳍状的掩模,如图4(a)和4(b)(图4(a)是俯视图,4(b)是沿图4(a)中AA'线的截面图)所示,可以选择性去除多晶Si层1009(例如,通过TMAH溶液),然后再形成构图的光刻胶1013。光刻胶1013可以遮蔽侧墙1011的中部,并露出侧墙1011上下两侧的部分。以该光刻胶1013为掩模,对侧墙1011进行选择性刻蚀如RIE,从而可以将原本为封闭图案的侧墙1011分离为两部分,如图5所示。每一部分对应于将要形成的鳍状结构,在该示例中为沿图中的竖直方向延伸的条状。
[0039]然后,如图6所示,以侧墙1011为掩模,可以依次对氧化物层1007、纳米线材料层1005-2、牺牲层1003-2、纳米线材料层1005-1和牺牲层1003-1进行选择性刻蚀如RIE。这样,将侧墙1011的图案转移到下方的层中,得到鳍状结构。因此,刻蚀后纳米线材料层1005-1和1005-2的宽度(图中水平方向的维度)与侧墙1011的宽度大致相同(例如,约3?1nm)。在此,还可以进一步选择性刻蚀衬底1001。因此,在与鳍状结构相对应的位置处,衬底1001上可以具有突起。鳍状结构在衬底上的投影大致位于该突起的中部。由于刻蚀的特性,刻蚀后的牺牲层1003以及衬底1001的突起可以呈从上至下逐渐变大的形状。之后,可以选择性去除侧墙1011 (还可以进一步选择性去除氧化物层1007)。
[0040]尽管在以上利用图形转移技术来形成鳍状结构,但是本公开不限于此。例如,可以直接在纳米线材料层1005-2上形成鳍状的光刻胶,并以光刻胶为掩模,选择性刻蚀纳米线材料层、牺牲层和衬底1001,以形成鳍状结构。或者,也可以在硬掩膜层上直接形成鳍状的光刻胶,利用光刻胶将硬掩膜构图为鳍状,并利用鳍状的硬掩膜依次选择性刻蚀纳米线材料层、牺牲层和衬底1001,以形成鳍状结构。
[0041]在此,示出了两个鳍状结构。但是,本公开不限于此,例如可以形成更多或更少的鳍状结构。另外,鳍状结构的布局可以根据器件需要不同地设计。
[0042]在形成鳍状结构之后,可以形成支撑部。例如,如图7所示,可以在形成有鳍状结构的衬底上,例如通过ALD,以大致共形的方式,淀积氧化物层1015和氮化物层1017。氧化物层1015的厚度可以为约I?10nm,氮化物层1017的厚度可以为约2?15nm。之后,如图8中的俯视图所示,可以在图7所示的结构上形成构图的光刻胶1019。该光刻胶1019被构图为覆盖鳍状结构一侧(图中下侧)的端部,并沿图中的水平方向延伸。这里需要指出的是,在图8的俯视图中,仅为方便起见,并未示出氮化物层1017随衬底上鳍状结构而起伏的形貌,以下俯视图中同样如此。
[0043]随后,如图9(a)、9(b)和9(c)(图9(a)是俯视图,图9(b)是沿图9(a)中AA'
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