专利名称：具有空腔界定栅极的装置及其制造方法
技术领域：
本发明的实施例大体涉及电子装置，且更具体来说，在特定实施例中，涉及鳍式场 效晶体管。
背景技术：
鳍式场效晶体管(finFET)经常建置于从衬底大体垂直地上升的鳍片(例如，高薄 半导电部件)周围。通常，栅极通过共形地沿着鳍片的一侧向上、越过顶部且沿着鳍片的另 一侧向下而横越鳍片。在一些情况下，栅极被安置成与鳍片的侧相抵且不越过顶部而延伸。 通常，源极和漏极位于栅极的在鳍片的末端附近的相对侧上。在操作中，穿过源极与漏极之 间的鳍片的电流是通过选择性地激励栅极而加以控制。一些finFET包括通过侧壁-隔片工艺而形成的栅极。在此工艺的一些型式中，通 过以共形导电薄膜覆盖鳍片且接着各向异性地蚀刻导电薄膜而形成栅极。在蚀刻期间，导 电材料从水平表面比从垂直表面更快速地被移除。因此，导电材料的一部分保持与鳍片的 垂直侧壁相抵，借此形成栅极。此工艺的优点在于相对于通过经常经受对准和分辨率约束 的光刻而图案化的栅极，可形成相对较窄的栅极。尽管通过侧壁_隔片工艺形成栅极会避免一些工艺问题，但其可引入其它故障机 制。由于鳍片是通过较不完全地各向异性的蚀刻步骤而形成，因此鳍片的侧壁经常成角度 而非垂直。这些成角度侧壁可使用于侧壁隔片工艺的工艺窗口变窄，且在一些状况下可将 其关闭。所述角度将邻近鳍片的基底置放成较接近于彼此，且当共形薄膜沉积于此较窄间 隙中时，薄膜的覆盖邻近侧壁的部分可接合，从而在间隙中形成具有较大垂直厚度的薄膜。 薄膜可在间隙中变得如此厚，以至于侧壁-隔片蚀刻未移除邻近栅极之间的所有导电薄 膜。所得导电残余物形成使邻近finFET短路且降低产量的纵梁(stringer)。
图1到图24说明根据本技术的实施例的制造工艺的实例。
具体实施例方式以上所论述的一些问题可通过新制造工艺的特定实施例而得以减轻。在以下所描 述的一个实施例中，栅极是沿着鳍片的侧而形成于绝缘孔洞中。此实施例的孔洞是通过形 成呈栅极的形状的碳质模具、以绝缘体覆盖碳质模具且接着通过燃烧模具而从绝缘体下方 移除碳质模具进行构造。接着对所得空腔至少部分地填充栅极绝缘体和导电栅极材料以形 成晶体管。由于空腔是在栅极形成之前彼此绝缘，因此栅极被认为不太可能短路到其它栅 极。以下参考图1到图24来描述此工艺和其它工艺。如由图1所说明，制造工艺通过提供衬底110而开始。衬底110可包括半导电材 料，例如，单晶硅或多晶硅、砷化镓、磷化铟，或具有半导体性质的其它材料。或者，或另外， 衬底110可包括可构造有电子装置的非半导体表面，例如，塑料或陶瓷工作表面。术语“衬
4底”涵盖在各种制造阶段中的主体，包括未经处理的全晶片、经部分处理的全晶片、经完全 处理的全晶片、经分割晶片的一部分，或已封装电子装置中的经分割晶片的一部分。在此实施例中，衬底110包括上部掺杂区112和下部掺杂区114。上部掺杂区112 与下部掺杂区114可经不同地掺杂。举例而言，上部掺杂区112可包括η+材料且下部掺杂 区114可包括ρ-材料。上部掺杂区112的深度可在衬底110的一实质部分上(例如，贯穿 (例如)存储器装置的阵列区域的一实质部分)为大体均勻的。上部掺杂区112和下部掺 杂区114可通过植入掺杂物材料或使掺杂物材料扩散而形成。或者，或另外，这些区112和 /或114中的一者或两者可在衬底110的全部或一部分的生长或沉积期间(例如，在半导电 材料的外延沉积期间或在晶片可被切割自的半导电铸锭的生长期间)被掺杂。如以下所解 释，上部掺杂区112可提供用以形成晶体管的源极和漏极的材料，且下部掺杂区114可提供 用以形成晶体管的沟道的材料。紧接着，如由图2所说明，形成深沟槽掩模116，且如由图3所说明，蚀刻深隔离沟 槽118。深沟槽掩模116可为光致抗蚀剂或硬掩模，且深沟槽掩模116可通过光刻设备或其 它类型的光刻设备(例如，纳米压印系统或电子束系统)而进行图案化。深沟槽掩模116 包括具有通常等于或小于1/4F、1/2F或F的宽度120的大体线性且大体平行的经暴露区， 以及具有通常等于或小于3/4F、3/2F或3F的宽度122的经遮蔽区，其中F为用以使深沟槽 掩模116图案化的系统的分辨率。在一些实施例中，深沟槽掩模116是通过对掩模(未图示)进行双间距而形成。在 所述工艺的一个实例中，深沟槽掩模116首先通过遮蔽每隔一对经暴露区域之间的区域且 接着在对应于经暴露区域中的每一者的区域上在掩模的侧上形成多晶硅侧壁隔片而形成。 接着，初始掩模可经移除且例如氧化物等硬掩模材料可沉积于剩余多晶硅侧壁隔片上，且 硬掩模材料可经回蚀或通过化学机械平坦化(CMP)而进行平坦化以暴露多晶硅。紧接着， 多晶硅可经选择性地蚀刻以形成经暴露区(由图2所说明的氧化物硬掩模)。由于经暴露 区的宽度122通常由侧壁隔片的宽度界定，因此在一些实施例中，宽度122可小于F。如由图3所说明，可蚀刻衬底110的由掩模116所暴露的区以形成深隔离沟槽 118。在此实施例中，蚀刻是大体各向异性干式蚀刻。深隔离沟槽118可在Y方向上大体横 向地延伸且在Z方向上向下延伸。深隔离沟槽118可具有大体矩形或梯形横截面，且在一 些实施例中，其横截面在Y方向上的某一距离中可为大体均勻的。紧接着，在本实施例中，移除深沟槽掩模116，且使深隔离沟槽118填充有电介质， 如由图4所说明。深沟槽掩模116可通过各种技术(例如，使光致抗蚀剂与氧在熔炉中或 在等离子体蚀刻室中进行反应或选择性地湿式蚀刻掩模材料)而被移除。在一些实施例 中，在填充深隔离沟槽118之后移除深沟槽掩模116。在其它实施例中，可在填充深隔离沟 槽118之前移除深沟槽掩模116。举例而言，电介质覆盖层(overburden)可沉积于深沟槽 掩模116上和深隔离沟槽118中，且深沟槽掩模116可在用以移除覆盖层的化学机械平坦 化(CMP)期间充当终止区。深隔离沟槽118可部分地或全部地填充有各种电介质材料(例 如，高密度等离子体(HDP)氧化物、旋涂式玻璃(SOG)或正硅酸四乙酯(TEOS))以电隔离特 征。为了进一步隔离特征，在一些实施例中，可在填充沟槽118之前用经选择以增强隔离的 掺杂物来植入深隔离沟槽118的底部。另外，深隔离沟槽118可包括例如氮化硅等各种衬 垫材料，以消除薄膜应力、改善粘着力或充当障壁材料。在填充深隔离沟槽118之后，将浅沟槽掩模124形成于衬底110上，如由图5所说明。如同深沟槽掩模116 —样，浅沟槽掩模 124可为光致抗蚀剂或硬掩模，且其可通过例如以上所论述的各种光刻系统而进行图案化。 在一些实施例中，浅沟槽掩模124是通过类似于以上针对隔离沟槽掩模116所描述的工艺 的双间距掩模工艺而形成的硬掩模，不同的是此掩模在X方向上移位1/2间距。所说明的 浅沟槽掩模124包括具有可具有通常等于或小于1/4F、1/2F或F的宽度的空间126的经暴 露区，以及具有可通常等于或小于3/4F、3/2F或3F的宽度128的经覆盖区。经暴露区可为 大体线性的、大体平行的，且大体等距地插入于深隔离沟槽118之间。紧接着，如由图6所说明，可蚀刻衬底110的经暴露区以形成浅沟槽130。浅沟槽 130可为大体线性的、大体平行的、大体在Y方向上大体横向地延伸，且在Z方向上大体向下 延伸，且因此，可大体平行于深隔离沟槽118。在此实施例中，浅沟槽130是通过大体各向异 性干式蚀刻而形成，且比上部掺杂区112深，但不与深隔离沟槽118 —样深。浅沟槽130可 具有大体矩形或大体梯形轮廓，其在Y方向上在一实质距离内为大体均勻的。如由图7所说明，使浅沟槽130填充有例如氮化物等牺牲材料。在此实施例中，浅 沟槽130填充有与填充深隔离沟槽118的材料不同的材料，使得可在后续步骤中在未从深 隔离沟槽118移除实质量材料的情况下选择性地蚀刻浅沟槽130。然而，在其它实施例中， 这些沟槽118和130可包括相同材料。紧接着，如由图8所说明，形成鳍片掩模132。鳍片掩模132可由光致抗蚀剂制成， 或其可为硬掩模。鳍片掩模132可通过以上所描述的光刻系统中的任一者或其它光刻系统 而进行图案化。在此实施例中，鳍片掩模132界定具有宽度134的经遮蔽区和具有宽度136 的经暴露区。宽度134可通常等于或小于F，且宽度136可通常等于或小于3/2F。经遮蔽 区可为大体笔直的、大体彼此平行，且大体垂直于深隔离沟槽118和浅沟槽130两者，且在 X方向上大体延伸。在一些实施例中，对鳍片掩模132进行双间距。如由图9所说明，可与鳍片掩模132 的侧壁相抵而形成侧壁隔片138。侧壁隔片138可通过将共形薄膜沉积于衬底110上且各 向异性地蚀刻共形薄膜以将其从水平表面移除而形成。侧壁隔片138可由与鳍片掩模132 的材料不同的材料制成以促进在后续步骤中选择性地移除鳍片掩模132。侧壁隔片138可 具有通常等于或小于1/4F、1/2F或F的宽度140。紧接着，如由图10所说明，移除鳍片掩模132，且如由图11所说明，形成鳍片行 142。鳍片掩模132可通过蚀刻或其它工艺而被移除，所述其它工艺以大体上高于移除衬底 110的其它材料的速率的速率而选择性地移除鳍片掩模材料。经暴露侧壁隔片138中的每 一者可遮蔽通常与鳍片行142的顶部对应的区域。在此实施例中，鳍片行142是通过大体 各向异性蚀刻而蚀刻到深度144，深度144通常大于浅沟槽130的深度，但不与深隔离沟槽 118 —样深。鳍片行142可具有大体梯形横截面，其在X方向上在一实质距离内大体均勻地 延伸。在其它实施例中，鳍片行142可具有其它轮廓，例如，大体矩形或弯曲轮廓。紧接着，如由图12所说明，可移除隔片138，或在一些实施例中，隔片138可留在鳍 片行142上且在后续步骤期间被移除。图13和图14说明可与鳍片行142的侧壁相抵而形成的牺牲材料146 (其在此实 施例中充当模具且可被称作模具)。牺牲材料142可通过侧壁隔片工艺而形成。牺牲材料 142可由可在随后参考图18描述的行列传导下变得可流动(例如，其可变成例如气体或液体等流体)的材料形成。抛弃式模具材料的实例包括碳和特定聚合物，其皆可通过将其与 氧在熔炉中进行反应而作为气体从衬底110移除。共形薄膜可沉积于衬底110上，从而覆 盖上部掺杂区112和下部掺杂区114，且随后经各向异性蚀刻。侧壁隔片蚀刻可移除下部掺 杂区114的一部分以形成凹部148。凹部148可具有通常等于或小于1F、1/2F或1/4F的宽 度150。如下文所解释，继续侧壁隔片蚀刻直到其形成凹部148为止被认为减少了通过模 具146形成的栅极彼此短路的可能性。在此实施例中，牺牲材料146在上部掺杂区112的 底部上方延伸且具有可小于或通常等于1F、1/2F或1/4F的宽度152。在形成牺牲材料146之后，可将电介质区154形成于牺牲材料146上，如由图15 所说明。在一些实施例中，电介质区154可为通过例如原子层沉积(ALD)等低温工艺而沉 积的氧化物。所说明的电介质154大体上或完全包封牺牲材料146且包括覆盖层156。覆盖层156在图16所说明的平坦化步骤中被消耗。可通过回蚀、CMP或其它工艺 对衬底110进行平坦化。在一些实施例中，可移除覆盖层156，直到暴露上部掺杂区112的 顶部、深隔离沟槽118和浅沟槽130为止。电介质区154与这些结构112、118和130之间 的转变可产生对用以对衬底110进行平坦化的工艺触发端点的现象。举例而言，此转变可 得到衬底110的光学性质(例如，颜色)的改变、离开衬底110的废料的化学性质(例如， 蚀刻室中的废气或浆料PH值)的改变，或衬底110的机械性质(例如，滑动摩擦)的改变。紧接着，如由图17所说明，可移除浅沟槽130中的材料的至少一部分。在一些实 施例中，此材料为氮化物，且其是通过相对于硅和氧化物为选择性以避免损失这些材料的 实质量的干式蚀刻而被移除。清除浅沟槽130的至少一部分会打开通向牺牲材料146的侧 壁158的通路，且此通路可促进移除牺牲材料146。如由图18所说明，可通过经由浅隔离沟槽130的打开通路而移除牺牲材料146。 为了移除牺牲材料146，可将衬底110在(例如)等离子体蚀刻室中暴露于氧等离子体或在 熔炉中暴露于氧。等离子体或其它反应物经由浅隔离沟槽130而流入，且(例如)通过燃 烧牺牲材料146而与牺牲材料146的侧壁158进行反应。在一些实施例中，反应的副产物 为气体，例如，蒸汽、一氧化碳和二氧化碳，且气体经由浅隔离沟槽130而回流出。在一些实 施例中，继续燃烧，直到燃尽实质部分或大体上整个牺牲材料146且形成空腔160为止。所 得空腔160在一侧上由电介质154界限且在另一侧上由鳍片行142界限。空腔160的形状由图19说明，图19说明在不具有衬底110的其它部分的情况下 的空腔160。空腔160中的每一者可包括两个大体反射对称、大体线性且大体平行的空隙 162和164以及多个沟槽区段166。所说明的沟槽区段166安置于空隙162和164的顶部 部分中，且将空隙162与164彼此接合。邻近空腔160可通过电介质154(图18)而彼此大 体上或全部地分离。紧接着，如由图20所说明，可将栅极电介质166形成于空腔160内。栅极电介质 166可(例如)通过CVD而沉积或通过将衬底110暴露于氧而生长。在所说明实施例中， 栅极电介质166是通过将衬底110的硅部分与氧进行反应而生长，因此，栅极电介质166安 置于鳍片行142的经暴露表面(包括浅沟槽130的表面)上。进行反应以形成栅极电介质 166的氧或其它化学品经由沟槽区段166而流入至空腔160中，且与线性空隙162和164 (图 19)内的表面进行反应。在各种实施例中，栅极电介质166可由各种材料制成，包括氧化物、 氮氧化物、铪基高k电介质，或其它适当材料。
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一旦形成栅极电介质166，便可将栅极材料沉积于空腔166内以形成栅极168，如 由图21、图22和图23所说明。所说明的栅极168可通过沉积氮化钛或其它适当导电材料 而形成。栅极材料可通过气相反应物而输送至衬底110且输送至空腔166中。反应物可经 由浅沟槽130而流入至空腔166中且在空腔166的表面上进行反应。在一些实施例中，栅 极材料在填充空腔166之前关闭浅沟槽130，借此留下空隙170。栅极材料的覆盖层可形成 于衬底110的表面上，且覆盖层可通过湿式蚀刻、干式蚀刻或CMP工艺而被移除。图24是通过上述工艺而形成的晶体管171的实例的分解透视图。然而，应注意， 本技术不限于晶体管，且可用以形成例如电容器或浮动栅极晶体管等其它装置。所说明的 晶体管171包括鳍片172、栅极电介质166和栅极168。所说明的鳍片172包括通过与浅沟 槽130对应的大体U形狭槽178而分离的两个支柱174和176。鳍片172的远端部分由上 部掺杂区112制成，且鳍片172的下部部分由下部掺杂区114制成。边缘180和182通常 由深隔离沟槽118界定且可长于鳍片172的侧184和185。所说明的栅极166被安置成与 侧184和185以及狭槽178的表面邻近。在所说明实施例中，栅极168包括两个侧栅极186和188以及一顶部栅极190。两 个侧栅极186和188为大体反射对称的且皆大体在X方向上延伸，其在一实质距离内具有 大体均勻的横截面。除了空隙170之外，侧栅极186和188的形状与牺牲材料146的形状 大体互补。所说明的顶部栅极190在Y方向上具有大体均勻的横截面且其将侧栅极186与 188彼此接合。顶部栅极190可通常为实心、不具有空隙，或在一些实施例中，顶部栅极190 也可包括空隙。侧栅极186被安置成与鳍片172的侧185至少部分地邻近，顶部栅极190 被安置成至少部分地在狭槽178内，且侧栅极188被安置成与鳍片172的侧184至少部分 地邻近。由于栅极168被安置成与鳍片172的两个侧和顶部部分邻近，因此所说明的晶体 管171可被表征为三栅极晶体管。在操作中，两个支柱174和176可充当源极和漏极，且晶体管171可根据栅极168 的电压而选择性地控制电流在源极与漏极之间的流动。所说明的晶体管171包括三个通 道由箭头192所表示的一大体水平通道，和由箭头194所表示的两个大体垂直通道。可通 过从顶部栅极190发散的电场而建立大体水平通道192，且可通过从两个侧栅极186和188 发散的电场而建立大体垂直通道194。虽然本发明可易受各种修改和替代形式，但已在图式中通过实例而展示特定实施 例且本文中已详细地描述特定实施例。然而，应理解，不希望本发明限于所揭示的特定形 式。更确切而言，本发明将涵盖属于如由随附权利要求书所界定的本发明的精神和范围内 的所有修改、均等物和替代物。
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权利要求
一种方法，其包含形成半导体鳍片；形成与所述半导体鳍片邻近的牺牲材料；用电介质材料覆盖所述牺牲材料；通过从所述电介质材料下方移除所述牺牲材料而形成空腔；以及在所述空腔中形成栅极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述牺牲材料包含形成与所述半导体鳍片 邻近的侧壁隔片。
3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述侧壁隔片包含形成碳侧壁隔片。
4.根据权利要求1所述的方法，其中移除所述牺牲材料包含 暴露模具的至少一部分；以及将所述牺牲材料的至少一部分转换成流体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中暴露所述牺牲材料的至少一部分包含通过化学 机械平坦化而移除安置于所述牺牲材料上的所述电介质材料中的一些而非全部。
6.根据权利要求4所述的方法，其中暴露所述牺牲材料的至少一部分包含移除电介 质材料，直到至少部分地暴露所述牺牲材料的横越所述半导体鳍片的部分为止。
7.根据权利要求4所述的方法，其中将所述牺牲材料的至少一部分转换成所述流体包 含燃烧所述模具的至少一实质部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述空腔包含 在所述半导体鳍片的任一侧上形成大体线性空隙；以及 形成在所述大体线性空隙之间延伸的沟槽区段。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在所述空腔中形成所述栅极包含通过使反应物 气体流入多个开口中进入所述空腔中而形成横越所述半导体鳍片的至少三个侧的栅极。
10.一种装置，其包含鳍片行，其包含多个鳍式场效晶体管； 中空栅极，其被安置成与所述鳍片行邻近。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述栅极包含多个沟槽区段，所述沟槽区段横 越多个所述鳍式场效晶体管的远端部分。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个鳍式场效晶体管中的每一鳍式场效晶 体管包含三个通道。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个鳍式场效晶体管中的每一鳍式场效晶 体管包含大体U形远端部分。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个鳍式场效晶体管中的每一鳍式场效晶 体管的鳍片宽度小于光刻分辨率极限。
15.一种方法，其包含将包含抛弃式模具材料的牺牲材料形成于衬底上，其中所述牺牲材料安置在鳍片附 近，且其中所述抛弃式模具材料是经配置以响应于化学反应或热而作为流体离开所述衬底 的材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述牺牲材料包含非晶碳、光致抗蚀剂或此两者。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述牺牲材料包含第一侧壁隔片，所述第一侧 壁隔片被安置成与所述鳍片的一侧相抵；以及第二侧壁隔片，所述第二侧壁隔片被安置成 与所述鳍片的另一侧相抵。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述牺牲材料包含安置于从所述鳍片延伸的两 个支柱之间的沟槽区段。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一侧壁隔片通过所述沟槽区段耦合到所 述第二侧壁隔片。
20.根据权利要求15所述的方法，其包含通过将所述牺牲材料转换成气体而界定与 所述鳍片邻近的栅极。
21.一种装置，其包含多个三栅极晶体管，其各自包含一顶部栅极和两个侧栅极；多个电介质部件，其各自安置于邻近三栅极晶体管的所述侧栅极之间，其中所述电介 质部件延伸到比所述侧栅极深的凹部中。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述凹部为侧壁隔片过度蚀刻的凹部。
23.根据权利要求21所述的装置，其中所述凹部窄于光刻分辨率极限。
24.根据权利要求21所述的装置，其中所述顶部栅极或所述两个侧栅极中的至少一者 形成于空腔内。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述顶部栅极和所述两个侧栅极中的每一者形 成于空腔内。
全文摘要
本发明揭示方法、系统和装置，其包括一种包括以下动作的方法形成半导体鳍片；形成与所述半导体鳍片邻近的牺牲材料；用电介质材料覆盖所述牺牲材料；通过从所述电介质材料下方移除所述牺牲材料而形成空腔；以及在所述空腔中形成栅极。
文档编号H01L21/336GK101960572SQ200980107635
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月24日 优先权日2008年3月6日
发明者沃纳·云林 申请人:美光科技公司