鳍式场效应晶体管及其形成方法
【专利摘要】一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，不同于现有技术采用整个鳍部作为沟道区，而是仅利用鳍部的侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区，或仅利用鳍部的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区。上述较薄的沟道区使得源漏区导通过程中，将载流子限制在一个较薄的通道里，增大载流子的电流密度，避免其与衬底内的载流子复合，从而减小漏电流。
【专利说明】
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，随着工艺节点逐渐减小，后栅(gate-last)工艺得到了广泛应用，来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(CD，Critical Dimens1n)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，多栅器件作为常规器件的替代得到了广泛的关注。
[0003]鳍式场效应晶体管(Fin FET)是一种常见的多栅器件，图1示出了现有技术中的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图。如图1所示，其包括:半导体衬底10，该半导体衬底10上形成有凸出的鳍部14 ;绝缘层11，覆盖半导体衬底10的表面以及鳍部14的部分高度；栅极结构12，横跨在鳍部14上，覆盖鳍部14的顶部和侧壁，栅极结构12包括栅介质层(图中未示出)和位于栅介质层上的栅电极(图中未示出)。对于Fin FET，栅极结构12覆盖的鳍部14为沟道区，即具有多个栅，有利于增大驱动电流，改善器件性能。
[0004]实际研究结果表明，具有上述结构的鳍式场效应晶体管的漏电流较大。
[0005]有鉴于此，本发明提供一种新的鳍式场效应晶体管及其形方法，以降低漏电流。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是现有的鳍式场效应晶体管沟道区的漏电流较大。
[0007]为解决上述问题，本发明的一方面提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法，包括:
[0008]提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述半导体衬底的部分厚度形成若干分立的顶部小、底部大的鳍部；
[0009]在所述分立的鳍部上及相邻鳍部之间填充绝缘材料，并平坦化所述绝缘材料至鳍部上的硬掩膜层露出；
[0010]回蚀所述绝缘材料至部分高度的鳍部露出，所述回蚀过程使得位于鳍部顶部的硬掩膜层中间区域厚、边缘区域薄；
[0011]以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行垂直方向的离子注入，以仅在所暴露的鳍部的侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区，或仅在所暴露的鳍部的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区；
[0012]去除硬掩膜层，在侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区的鳍部部分长度或侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区的鳍部部分长度上形成栅极结构，并在栅极结构两侧的鳍部形成源漏区，所述栅极结构覆盖的离子注入区形成沟道区。
[0013]可选地，所述鳍式场效应晶体管为N沟道鳍式场效应晶体管，以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行的离子注入为P型离子注入。
[0014]可选地，所述鳍式场效应晶体管为P沟道鳍式场效应晶体管，以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行的离子注入为N型离子注入。
[0015]可选地，所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层截面呈三角形或上凸的弓形。
[0016]可选地，所述鳍部的侧壁部分厚度内的离子浓度自侧壁表面至鳍部中心逐渐减小。
[0017]可选地，所述半导体衬底为单晶硅。
[0018]可选地，所述半导体衬底包括单晶硅以及所述单晶硅上的外延层，所述分立的鳍部通过刻蚀所述外延层形成。
[0019]可选地，所述硬掩膜层的材质为氮化硅或氮氧化硅，所述绝缘材料的材质为二氧化娃。
[0020]本发明的另一方面提供一种鳍式场效应晶体管，包括:
[0021]位于半导体衬底上的若干分立的顶部小、底部大的鳍部；
[0022]填充在所述鳍部之间的绝缘层，所述绝缘层暴露出所述鳍部的部分高度；
[0023]横跨在被所述绝缘层暴露的鳍部上的栅极结构，所述栅极结构两侧的鳍部形成有源漏区；
[0024]其中，所述栅极结构下的鳍部仅在侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区或仅在侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区。
[0025]可选地，所述沟道区的离子浓度自表面至所述鳍部的中心逐渐减小。
[0026]可选地，所述鳍式场效应晶体管为N沟道鳍式场效应晶体管，所述沟道区内的掺杂离子为P型离子。
[0027]可选地，所述鳍式场效应晶体管为P沟道鳍式场效应晶体管，所述沟道区内的掺杂离子为N型离子。
[0028]与现有技术相比，本发明的鳍式场效应晶体管具有以下优点:不同于现有技术采用整个鳍部作为沟道区，而是仅利用鳍部的侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区，或仅利用鳍部的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区，使得源漏区导通过程中，将载流子限制在一个较薄的通道里，增大载流子的电流密度，避免其与衬底内的载流子复合，因而减小了漏电流。
[0029]与现有技术相比，本发明的鳍式场效应晶体管的形成方法具有以下优点:对于鳍式场效应晶体管中的较薄沟道区，可以利用现有工艺中的部分结构进行形成，与现有工艺的兼容性强。具体地:保留形成鳍部所需的刻蚀工艺中的硬掩膜层，利用回蚀绝缘材料过程中的等离子体对该硬掩膜层进行刻蚀，该刻蚀在边角区域的去除量大于中间区域的去除量，使得自然而然形成边缘区域薄、中间区域厚的硬掩膜层，加之鳍部顶部小、底部大，因而以该硬掩膜层为掩膜对鳍部进行垂直方向的离子注入，所形成的离子注入区只在鳍部的侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成，通过调节离子注入能量，还可以在鳍部顶部靠近表面区域的部分厚度内也形成上述离子注入区，上述离子注入区中的离子被激活后形成沟道区。
【附图说明】
[0030]图1是现有技术中的一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图；
[0031]图2至图7是本发明一实施例的鳍式场效应晶体管在不同制作阶段的结构示意图；
[0032]图8至图9是本发明另一实施例的鳍式场效应晶体管在不同制作阶段的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]如【背景技术】中所述，现有的鳍式场效应晶体管的漏电流较大。针对上述问题，发明人进行了分析，发现产生问题的原因是:在源漏区导通过程中，整个鳍部都为沟道区，都有载流子通过，因而载流子密度较小，易于与衬底中的相应载流子进行复合，这产生了漏电流。基于上述分析，本发明提出:仅在侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区或仅在侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区，使得源漏区导通过程中，将载流子限制在一个较薄的通道里，增大载流子的电流密度，避免其与衬底内的载流子复合，因而减小了漏电流。
[0034]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。
[0035]请参考图2所示，提供半导体衬底20，在半导体衬底20表面形成硬掩膜层30，以硬掩膜层30为掩膜刻蚀半导体衬底20的部分厚度形成若干分立的顶部小、底部大的鳍部
21ο
[0036]半导体衬底20的材质可以是单晶娃或者绝缘体上娃(SOI)，鳍部21是通过刻蚀部分高度的单晶硅或SOI形成的。此外，半导体衬底20也可以包括单晶硅(或SOI)以及单晶硅(或SOI)上的外延层，分立的鳍部21通过刻蚀该外延层形成。
[0037]本实施例中，硬掩膜层30的材质为氮化硅，其它实施例中，也可以为氮氧化硅或其它材质。
[0038]本实施例中，以形成三个分立的鳍部21为例进行说明，其它实施例中，本步骤形成的分立的鳍部21也可以为其它数目。
[0039]此外，由于刻蚀工艺中，开口处较开口底部的刻蚀时间长，因而去除的区域呈开口大、底部小，进而与去除区域互补的保留的鳍部21为顶部小、底部大的形状。
[0040]接着，参考图3所示，在分立的鳍部21上及相邻鳍部21之间填充绝缘材料40，并平坦化该绝缘材料40至鳍部21上的硬掩膜层30露出。
[0041]本实施例中，绝缘材料40的材质为二氧化硅，其它实施例中，也可以为其它材质。填充二氧化硅的方法可以为物理气相沉积、化学气相沉积等方法。
[0042]本步骤中，平坦化可以采用化学机械研磨(CMP)，硬掩膜层30材质为氮化硅，其硬度大于绝缘材料40的二氧化硅，因而可以作为化学机械研磨的研磨终止层，用以检测研磨终点。
[0043]之后，参考图4所示，回蚀绝缘材料40 (参考图3)至部分高度的鳍部21露出，回蚀过程使得位于鳍部21顶部的硬掩膜层30中间区域厚、边缘区域薄。
[0044]本步骤中，回蚀(Etch Back)为无掩膜刻蚀，绝缘材料40的材质为二氧化娃时，例如采用含氟气体进行刻蚀，CF4, C3F8等。
[0045]上述刻蚀过程中，由于刻蚀等离子气体对边角区域的去除量大，其它区域去除量小，因而，对绝缘材料40回蚀完毕后，硬掩膜层30会呈现中间区域厚、边缘区域薄的形状，例如图4中的三角形，其它实施例中，也可以通过控制刻蚀气体的功率、流量等参数，使得回蚀完毕后的硬掩膜层30呈上凸的弓形。
[0046]回蚀完毕保留的部分厚度的绝缘材料40形成对各鳍部21绝缘的绝缘层22。
[0047]之后，参考图5所示，以中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层30为掩膜对暴露出的鳍部21进行垂直方向的离子注入，以仅在所暴露的鳍部21的侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区50。
[0048]本步骤中，由于鳍部21顶部小、底部大，在垂直离子注入过程中，侧壁自上而下都被进行了离子注入，而由于掩膜为中间区域厚、边缘区域薄，因而鳍部21内，越靠近侧壁表面区域，离子注入的浓度越大，越靠近鳍部21的中心，离子注入的浓度越小。某些实施例中，该鳍部21的中心没有注入的离子，某些实施例中，该鳍部21的中心注入的离子很少，以一定离子浓度值为限，大于该值的区域形成了离子注入区50，小于该值，则认为该离子浓度太小不足以形成离子注入区50。
[0049]上述离子注入区50的厚度可以根据鳍式场效应晶体管的性能需求，通过回蚀后硬掩膜层30的形状，离子注入浓度、能量等参数进行调节。
[0050]本步骤中，离子注入的类型根据鳍式场效应晶体管的沟道类型而定，例如对于N沟道鳍式场效应晶体管，本步骤注入的离子为P型离子，例如B ;对于P沟道鳍式场效应晶体管，本步骤注入的离子为N型离子，例如P。
[0051]之后，参考图6与图7所示，去除硬掩膜层30 (参考图5)，在侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区50 (参照图5所示)的鳍部21部分长度上形成栅极结构23，并在栅极结构23两侧的鳍部21形成源漏区24，栅极结构23覆盖的离子注入区50形成沟道区25。
[0052]硬掩膜层30的材质为氮化硅，采用热磷酸去除。接着在绝缘层22，以及绝缘层22所暴露出的鳍部21上依次形成一二氧化硅层(未图示)、多晶硅层(未图示)，选择性刻蚀后，保留覆盖鳍部21部分长度的二氧化硅层以及多晶硅层，上述鳍部21部分长度是指预定形成沟道区的鳍部21区域，因而所保留的二氧化硅层以及多晶硅层分别形成了栅氧化层以及栅极，上述栅氧化层以及栅极构成栅极结构23 ο其它实施例中，上述栅极氧化层以及栅极也可以采用其它材质。
[0053]之后对栅极结构23以及栅极结构23两侧的鳍部21进行离子注入，以形成源漏区24。在具体离子注入过程中，也可以在栅极结构23顶部以及侧壁形成侧墙(未图示)，以该侧墙为掩膜进行离子注入形成源漏区24。
[0054]上述形成源漏区24的过程中，需对注入离子进行激活，例如采用高温退火，上述激活用以形成源漏区24过程中，也对栅极结构23覆盖的离子注入区50内的离子进行了激活，因而离子注入区50形成了沟道区25。
[0055]参照图6与图7所示，本实施例还提供了一种鳍式场效应晶体管，该鳍式场效应晶体管包括:
[0056]位于半导体衬底20上的若干分立的顶部小、底部大的鳍部21 ；
[0057]填充在鳍部21之间的绝缘层22，绝缘层22暴露出鳍部21的部分高度；
[0058]横跨在被所述绝缘层22暴露的鳍部21上的栅极结构23，栅极结构23两侧的鳍部21形成有源漏区24 ;
[0059]其中，栅极结构23下的鳍部21仅在侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区25。
[0060]可以理解的是，上述鳍式场效应晶体管的源漏区24在导通过程中，由于沟道区25较薄，因而可以将载流子限制在一个较薄的通道里，增大载流子的电流密度，避免其与衬底内的载流子复合，因而可以减小漏电流。
[0061]在具体实施过程中，沟道区25的离子浓度自表面至鳍部21的中心逐渐减小。沟道区25的半导体类型由鳍式场效应晶体管的类型决定，例如鳍式场效应晶体管为N沟道型时，沟道区25内的掺杂离子为P型离子；鳍式场效应晶体管为P沟道型时，沟道区25内的掺杂离子为N型离子。
[0062]图8至图9是本发明另一实施例的鳍式场效应晶体管在不同制作阶段的结构示意图。可以看出，本实施例与图1至图7中的实施例中的鳍式场效应晶体管的形成方法，区别在于:以中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层30为掩膜对暴露出的鳍部21进行垂直方向的离子注入过程中，并非仅在所暴露的鳍部21的侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区50，而是仅在所暴露的鳍部21的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区50。相应地，上述离子注入区50被激活后，所形成的鳍式场效应晶体管中，仅在侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区25。
[0063]鳍部21顶部靠近表面区域的部分厚度内也形成离子注入区50可以通过调节离子注入能量实现，也可以通过控制回蚀完毕后的硬掩膜层30的形状来实现。
[0064]形成上述离子注入区50后，仍按上一实施例中的形成栅极结构23、源漏区24的方法相应形成各功能结构。
[0065]离子注入区50内的离子被激活后，形成了沟道区25。可以理解的是，不论仅利用栅极结构23所覆盖的鳍部21的侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区25，还是仅利用栅极结构23所覆盖的鳍部21的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区25，相对于现有技术中以整个鳍部厚度作为沟道区的方案，都能使得源漏区24导通过程中，将载流子限制在一个较薄的通道里，增大载流子的电流密度，避免其与衬底内的载流子复合，从而减小漏电流。
[0066]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。
【主权项】
1.一种鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括: 提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述半导体衬底的部分厚度形成若干分立的顶部小、底部大的鳍部； 在所述分立的鳍部上及相邻鳍部之间填充绝缘材料，并平坦化所述绝缘材料至鳍部上的硬掩膜层露出； 回蚀所述绝缘材料至部分高度的鳍部露出，所述回蚀过程使得位于鳍部顶部的硬掩膜层中间区域厚、边缘区域薄； 以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行垂直方向的离子注入，以仅在所暴露的鳍部的侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区，或仅在所暴露的鳍部的侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区； 去除硬掩膜层，在侧壁靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区的鳍部部分长度或侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度内形成离子注入区的鳍部部分长度上形成栅极结构，并在栅极结构两侧的鳍部形成源漏区，所述栅极结构覆盖的离子注入区形成沟道区。2.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述鳍式场效应晶体管为N沟道鳍式场效应晶体管，以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行的离子注入为P型离子注入。3.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述鳍式场效应晶体管为P沟道鳍式场效应晶体管，以所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层为掩膜对所述暴露出的鳍部进行的离子注入为N型离子注入。4.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述中间区域厚、边缘区域薄的硬掩膜层截面呈三角形或上凸的弓形。5.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述鳍部的侧壁部分厚度内的离子浓度自侧壁表面至鳍部中心逐渐减小。6.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底为单晶娃。7.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底包括单晶硅以及所述单晶硅上的外延层，所述分立的鳍部通过刻蚀所述外延层形成。8.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氮化硅或氮氧化硅，所述绝缘材料的材质为二氧化硅。9.一种鳍式场效应晶体管，其特征在于，包括: 位于半导体衬底上的若干分立的顶部小、底部大的鳍部； 填充在所述鳍部之间的绝缘层，所述绝缘层暴露出所述鳍部的部分高度； 横跨在被所述绝缘层暴露的鳍部上的栅极结构，所述栅极结构两侧的鳍部形成有源漏区； 其中，所述栅极结构下的鳍部仅在侧壁靠近表面区域的部分厚度形成沟道区或仅在侧壁以及顶部靠近表面区域的部分厚度形成沟道区。10.根据权利要求9所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述沟道区的离子浓度自表面至所述鳍部的中心逐渐减小。11.根据权利要求9所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述鳍式场效应晶体管为N沟道鳍式场效应晶体管，所述沟道区内的掺杂离子为P型离子。12.根据权利要求9所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述鳍式场效应晶体管为P沟道鳍式场效应晶体管，所述沟道区内的掺杂离子为N型离子。
【文档编号】H01L21/336GK105826381SQ201510012084
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】黄敬勇
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司