专利名称：用保形氮化物形成耐用由上至下硅纳米线结构的方法和该结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高纳米线结构的可靠性的方法以及具有这种提高的可靠性的纳米线产品。
背景技术：
纳米线因其物理特性及在各种纳米装置中的应用而越来越受到关注。在半导体装置中，纳米线用作构建模块，用于制造光子和电子纳米装置，并且尤其用于传感器中。半导体装置也将纳米线用于各种目的。这些目的包括形成连接，诸如晶体管沟道，通过CMOS工艺制造的微电路中的晶体管的各电极之间的连接。纳米线可由硅制成，其优点在于容易集成到现有的硅装置技术，以及其电子特性的可重复控制。由上至下制造工序经常用于采用硅纳米线的装置的制造中。由上至下制造工序类似于CMOS装置的制造中采用的。在此工序中，衬底通常由硅制成，在其设置硅纳米线的顶表面上具有埋设氧化硅(BOX)。硅纳米线可通过在BOX层或者SOI晶片上Si的化学气相沉积形成或者通过其它已知技术来形成。在这种晶体管装置的一个类型中，纳米线横跨在阱上，非常像梁。阱是BOX层的蚀掉区域，其中将形成晶体管的栅极电极。从这种类型的纳米线产品的顶部执行各种处理步骤。一个这样的步骤是减薄纳米线梁的一部分，该纳米线梁的该部分横跨在用于形成超薄晶体管沟道的阱之上。在此步骤中，通过氧化减薄该线部分。为了实现氧化减薄纳米线的选定部分，在线和BOX层的将不因氧化而被蚀刻掉的部分上沉积硬掩模。硬掩模是不受氧化影响的适当材料。一种这样的材料是氮化硅。硬掩模具有开口部分，称为窗口，通过窗口， 纳米线的选定部分发生氧化。对于通过硬掩模窗口发生的选择性氧化处理，有时会遇到问题。上述问题有时引起硬掩模下面的纳米线梁与BOX层接触的区域中硅纳米线结构断裂，在该区域中纳米线梁的端部支撑在其BOX层上。在氧化工艺期间氧穿过BOX层的扩散增强了 BOX层上支撑的梁的端部的局部氧化。这引起硅纳米线在这些区域中减薄，由此产生梁支撑减弱的区域。当纳米线按比例减小为更小的尺寸时，诸如20nm以下，这些区域可能由于应力而导致纳米线结构的断裂。因此，需要改善制造工艺，使得以纳米线制造的诸如晶体管的产品没有纳米线断裂问题。
发明内容
本发明的一个示例性实施例涉及一种制造半导体纳米线产品的方法。该产品具有例如硅的衬底，并且一层埋设氧化物(BOX)位于该衬底的上表面。例如硅的纳米线位于 BOX层中。纳米线的一部分之下的BOX层被蚀刻掉以形成阱，而纳米线作为梁横跨于其上。 根据本发明的实施例，例如氮化硅的硬掩模沉积在BOX层上、横跨在阱上的纳米线梁周围和阱中。硬掩模具有窗口，通过该窗口发生氧化，以蚀刻掉纳米线的中心部分，从而将其减薄。横跨在阱上的梁在中心部分中间的部分以及其在BOX层上的每个端部(以下称为中间端部)没有被蚀刻。在本发明的示例性实施例中，在横跨在阱上的梁的中间端部上存在硬掩模，避免了在氧化期间通过BOX层扩散的氧完全地减薄这些区域中的纳米线。比线的减薄中心部分更厚的类似于支撑结构的梁保留在减薄梁中心部分与其由BOX层支撑的部分之间的纳米线中间端部区域每一个上。这改善了纳米线梁的每个端部上的支撑完整性以及避免断裂。在本发明的另一个实施例中，在氧化掩模沉积发生之前，横跨在阱上的纳米线梁的一部分被涂布热氧化掩模层。这用于控制纳米线的氧化，以去除可能在氧化掩模的边缘处产生的应力。在又一个实施例中，该氧化物层也应用于硬掩模的一部分上，以用作氧化掩模自身的图案化掩模。
参照以下说明和附图，本发明的其它目的和优点将变得更为清楚，在附图中图1至图11每一个为表示在由上至下制造工艺的各个步骤上半导体纳米线产品的一部分的截面图；图12为另一个实施例的截面图，在该实施例中在纳米线氧化之前热氧化物覆盖纳米线；以及图13为产品的截面图，在该产品中热氧化物也覆盖硬掩模的上表面。
具体实施例方式用于纳米线产品的制造工艺在图1至图8中示出，其中通篇相同的标号用于相同的元件。通过由上至下工艺制造具有纳米线产品的半导体装置诸如晶体管始于如图1所示。在此图中，上部是沿着垂直虚线A观测的下部的俯视图。图1仅示出该装置的一个产品，示意性地示出一个晶体管。在制造工艺期间该产品在衬底上通常重复许多次。衬底例如为适当厚度的硅晶片12。在晶片12的顶部上是埋设氧化物(BOX)层14， 其为具有氧化物的硅层。BOX层14还具有取决于要制造的特定产品的厚度。在BOX层的上表面上设置所需直径的纳米线20，在本发明的示例性实施例中纳米线20 ·由硅制成。纳米线可通过任何传统工艺限定，诸如光刻和反应离子蚀刻。图1的上部的俯视图以矩形区域 15基本限定产品外围。图2示出在纳米线20下方的BOX层14中形成的阱22。阱22可具有任何所需的形状，并且通常为圆形。阱22可通过湿或者干氟化氢气相蚀刻或者任何其它适当的工艺来形成。如图所示，纳米线20被释放为梁，其横跨在阱22上，该纳米线的一端位于阱的每一侧，并且支撑在BOX层上，如果制成的产品为晶体管，则在制造工艺的后续阶段栅极区域形成在阱22中。在图3中，在BOX层14的顶部和侧部、在阱22上纳米线梁的周围以及在阱的底壁和侧壁上，通过热生长或者气相沉积，沉积诸如氮化硅等抗氧化材料的硬掩模26。用于硬掩模的其它适当材料为碳化硅、硅锗以及多晶硅。该掩模形成保形涂层，并且对于氧化而言是良好的阻挡物。用于沉积硬掩模沈的适当工艺为热氧化、CVD(LPCVD、PECVD、RTCVD)和MLD。硬掩模26的一部分将被去除，使得窗口可以形成以允许横跨在阱22上的硅纳米线20梁的中心部分氧化。为此，如图4所示，具有与尺寸相适应的解析度的一层抗蚀剂材料32，诸如任何紫外线或者电子束敏感材料，被设置在掩模26上，位于纳米线的每一端处并且一定程度上延伸到阱22中，以限定将被蚀刻的纳米线的中心部分。没有被抗蚀剂材料 32覆盖的掩模26的部分可被去除。垂直线B-B限定线20的中心部分21，其为没有抗蚀剂材料32并且将要去除掩模26的区域。抗蚀剂材料32所遮掩的端部之间的纳米线的中心部分21将被氧化和减薄。图5示出纳米线的中心部分21之上硬掩模26的去除，其中在纳米线的中心部分 21上没有抗蚀剂掩模32。这形成垂直线B-B之间的氧化窗口。线中心部分下面的阱22中的硬掩模也已经去除，但是在线的中间端部、即在线中心部21与阱22侧壁之间留下区域 27。氮化物掩模26可通过化学氮化物蚀刻或者反应离子蚀刻(RIE)或者不会侵蚀抗蚀剂掩模32材料的任何其它选择性手段来去除，其中化学氮化物蚀刻可进行多次。图6示出从硬掩模26的顶部去除抗蚀剂材料。纳米线的氧化可通过窗口 41发生在线B-B之间。图7示出通过窗口 41提供氧的步骤。氧在没有掩模26的梁中心21周围流动，包括流到阱22中。通过将硅氧化为氧化硅，该氧化在线的中心部分产生材料44。随后去除该氧化物。如图所示，结果是硬掩模26材料之间线的中心部分21被减薄。基本上，纳米线的中心部分的直径减小。基于氧化气体的参数及其应用时间来控制减薄量。中心部分每一端之间纳米线20的中间端部48以及被掩模层部分27覆盖的BOX层14的阱侧壁也被减薄， 但是以不同的方式并且没有太多。参照图8，其示出在去除硬掩模材料26之后的结构，该结构包括阱22上线中间端部周围的部分27。BOX层形成用于纳米线每一端的衬垫47，并且在每一端为晶体管源极和漏极进行连接。在纳米线中心部分的每一侧的中间端部48被硬掩模27覆盖，且没有像中心部分21减薄那样多。因此，纳米线中间端部48朝向BOX层衬垫47变厚。这提供从BOX 层上支撑的纳米线的每一端到纳米线的减薄中心部分的过渡。这改善了纳米线结构的完整性。如果在区域27中纳米线的中间端部没有被硬掩模材料覆盖，则其也像纳米线中间部分 21那样减薄，由此使得梁变弱，并且更易于断裂。此外，如果暴露于高能量离子注入，例如用于使晶体管的栅极以及源极和漏极电极导电，减薄硅梁可变为非晶化，并且在该晶体管的电路径上形成断裂。减薄的区域将被后续形成的栅极保护。在该产品已经处理为图8所示的形式之后，在纳米线的减薄中心部分44之下阱22 的底部形成栅极。这在图9至图11中示出，在图9中，在纳米线之上及周围以及BOX层14 的外表面上沉积一层栅极堆叠电介质材料81，例如但不限于二氧化硅、氧化铪或者具有高介电常数的某些其它材料(电容率与真空中电容率的比率)。在优选实施例中，栅极电介质选择为具有大约3和50之间的介电常数k，并且特定材料包括硅和氧(例如二氧化硅)，具有或者不具有氮，以及铪和氧(例如氧化铪)，具有镧、铝或者硅的至少之一。掩模层81也沉积在阱22的底部和侧壁上。随后，例如通过任何传统气相沉积工艺，在纳米线的周围沉积栅极电极材料82，例如但不限于多晶硅或者金属。图10示出经由硬掩模(例如栅极材料的顶部和抗蚀剂下面的CVD氧化物)例如通过RIE (反应离子蚀刻)图案化之后的栅极83。反应离子蚀刻停止在其上具有栅极电介质的纳米线上(从栅极沉积之前开始)，并且对于这些材料具有选择性。 这可认为从与阱相反的方向垂直蚀刻栅极材料。然后，进行各向异性蚀刻，从侧向蚀刻掉纳米线下面的材料，在那里栅极早先已经被由上至下蚀刻。这可认为沉积在阱中的栅极材料的横向蚀刻。此横向清除避免了从栅极到晶体管源极和漏极的电容或短路问题。最终的结果是环绕栅结构，其在静电控制方面优于单栅极、双栅极、甚至FinFET实施例的沟道。这个步骤之后，可形成例如氮化硅的间隔物88，以及随后进行离子注入，如图10所示。图11示出完成的装置，其中金属电极和接触可形成在区域84和86中，以在纳米线的端部提供到晶体管的源极和漏极的通路。也可以在减薄纳米线之前将栅极设置在阱中。图12示出本发明的另一实施例。这里，在纳米线20之上设置一层氧化物60，即热生长的氧化物。层60可以是二氧化硅。这个步骤优选在上述工艺顺序的图2之后进行。 在纳米线支撑在BOX层14上的端部也示出有二氧化硅。该氧化物没有生长在线端部区域的下侧，但是示出在附图中，这是因为二氧化硅存在于BOX层中。可在需要平衡掉由于诸如氮化物的氧化掩模引起的薄膜应力时使用二氧化硅层60。这个应力可改变氧化速率，并且可进一步危及结构稳定性。硬掩模材料的层26示出在氧化物层60之上。图13示出又一个实施例，其对图12的更改之处在于除了在纳米线20之上外，二氧化硅层62也生长在掩模26之上。这可以分两个阶段来进行，其中在上述图2所示的制造阶段之后，层60生长在纳米线20之上，并且在上述工艺顺序的图5之后氧化物层62生长在硬掩模26之上。掩模层26之上的氧化物层62将用作图案化氧化掩模(例如氮化物) 的掩模。在该实施例中，图4中的抗蚀剂层用于图案化此顶部氧化物层，其继而用于图案化氮化物层。也可以仅有一个堆叠，即只有氧化物在硬掩模(氮化物)之上的堆叠。也就是，纳米线的下侧不具有氧化物涂层。根据上述教导，有一种制造纳米线产品的方法，所述方法包括提供晶片，其具有埋设氧化物(BOX)上层，在埋设氧化物(BOX)上层中形成有阱，以及提供纳米线，该纳米线的端部支撑在该BOX层上，形成横跨在所述阱上的梁；以及在该BOX层的上表面上形成掩模涂层，而在所述阱之上的所述梁的中心部分上保留未涂布窗口，并且也在所述梁中心部分的每个端部与所述阱的侧壁之间的梁中间端部周围形成掩模涂层。上述方法可进一步包括一个或更多个下列步骤经由窗口提供氧至线上和阱中， 以薄化梁中心部分；每个梁中间端部被减薄至小于梁中心部分；以及阱中的梁中间端部总体具有比梁中心部分更厚的形状。在各种实施例中，纳米线由硅制成；和/或掩模选自氮化硅、碳化硅、硅锗以及多晶硅构成的组。在其它实施例中，上述方法还可以包括一个或者更多个以下步骤在阱的底部形成栅极电极；在纳米线的每个端部为源极和漏极提供电接触区域，在线的每个端部为源极和漏极提供电接触区域；在减薄梁中心部分之后形成栅极电极；在所述掩模形成之前在所述线的周围设置氧化物层；和/或在掩模形成之前在线的周围设置氧化层，并且在其形成之后在掩模上设置氧化物层。根据上述教导，有一种纳米线产品，其包括晶片，具有埋设氧化物(BOX)上层，其中形成有具有侧壁的阱；纳米线，具有支撑在BOX层上的端部，其形成横跨在阱上和侧壁上的梁；以及硬掩模，涂布在BOX层的上表面以及在阱的每个侧壁与梁的中心部分的端部之间的梁中间端部周围，在梁的中心部分之上保留未涂布窗口，经由窗口可产生梁的中心部分的氧化。上述纳米线产品还具有一个或更多个以下特征·在氧化之后去除硬掩模，使每个梁中间端部减薄为小于梁中心部分；·在阱的底壁上具有栅极电极；·在纳米线的支撑在BOX层上的一端处还具有晶体管源极以及在纳米线的另一端处具有晶体管漏极；·在氧化之后去除硬掩模，使阱中的梁中间端部总体具有比梁中心部分更厚的形状；·纳米线由硅制成；硬掩模由氮化硅制成；·在掩模之下的线周围具有氧化物层；和/或·在硬掩模之下的线周围还具有氧化物层以及在硬掩模之上具有氧化物层。根据上述教导的另一个实施例，有一种制造半导体装置的方法，所述方法包括在悬置在阱之上的线周围生长或者沉积一层栅极电介质材料；在该层栅极电介质材料和线之上和周围沉积栅极电极材料；从与阱相反的方向垂直蚀刻沉积的栅极材料的一部分；以及横向蚀刻沉积在阱中的栅极材料的一部分。上述另一种方法还可包括一个或更多个以下步骤·在垂直蚀刻之后，将栅极材料横向蚀刻为在与阱相反的方向上留下的栅极材料匹配；·该装置包括晶体管，在该晶体管中线横跨在源极和漏极上；·横向蚀刻的程度为避免线经由栅极材料与源极和漏极短路；·该线包括悬置在阱之上的较薄部分以及与源极和漏极接触的较厚部分；·栅极电介质材料选择为具有介于3和50之间的介电常数k ；·栅极电极材料为保形的，并且包括多晶硅和金属至少一种；·栅极电极材料通过化学气相沉积或者原子层沉积至少一种沉积；·栅极电极材料通过光刻图案化和硬掩模而被垂直蚀刻；·在该层栅极电介质材料和该线之上和周围沉积栅极电极材料，包括在阱中沉积栅极材料，并且在形成具有该层栅极电介质材料的线之后，然后在该层栅极电介质材料和线上沉积栅极电极材料，该线位于已经沉积栅极材料的阱之上；以及·在该层栅极电介质材料之上和周围沉积栅极电极材料以单个沉积工艺步骤执行。根据上述教导的另一个实施例，有一种计算机可读存储器，其存储计算机可读指示的程序，该程序被处理器执行时产生用于形成半导体装置的动作。在本发明的这个实施例中，以上面的任一种方法来阐述所述动作。仅为了方便起见在一个或者更多个附图中示出了本发明实施例的特定特征，这是因为根据本发明的各种实施例的每个特征可以与其它特征组合。可选实施例可由本领域的技术人员所认知，并且旨在包含在权利要求书的范围内。因此，上述说明应该解释为示例而非限制本发明的范围。所有这样的明显变化和修改落在随附权利要求书的保护范围内。
权利要求
1.一种制造纳米线产品的方法，包括提供具有埋设氧化物(BOX)上层(14)的晶片(12)，在该埋设氧化物层(14)中形成有阱(22)，该晶片(12)还具有纳米线(20)，该纳米线00)的端部支撑在该埋设氧化物层 (14)上，从而形成横跨在所述阱0 上的梁；以及在该埋设氧化物层(14)的上表面上形成掩模06)涂层，而在所述阱0 之上的所述梁的中心部分上保留未涂布窗口，并且也在所述梁中心部分的每个端部与所述阱02)的侧壁之间的梁中间端部周围形成掩模06)涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤经由所述窗口Gl)提供氧至所述纳米线00)上和所述阱02)中，以减薄所述梁中心部分(21)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中每个所述梁中间端部被减薄至小于所述梁中心部分 01)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述阱0 中的所述梁中间端部总体具有比所述梁中心部分更厚的形状。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米线00)由硅制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述掩模06)选自氮化硅、碳化硅、硅锗以及多晶硅构成的组。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，还包括以下步骤在所述阱0 的底部形成栅极电极。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤在所述纳米线00)的每个端部为源极和漏极提供电接触区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成的栅极围绕所述阱0 之上的所述梁的中心部分01)。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述形成栅极电极的步骤是在所述梁中心部分 (21)减薄之后执行。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，还包括以下步骤在所述掩模06)形成之前，在所述纳米线00)的周围设置一层氧化物。
12.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，还包括以下步骤在所述掩模06)形成之前在所述纳米线00)的周围设置一层氧化物，并且在其形成之后在所述掩模06)之上设置一层氧化物。
13.一种纳米线产品，包括晶片(12)，具有埋设氧化物(BOX)上层(14)，在埋设氧化物层(14)中形成有具有侧壁的阱(22)；纳米线(20)，具有支撑在该埋设氧化物层(14)上的端部，以形成横跨在所述阱02)上和所述侧壁上的梁；以及硬掩模(26)，涂布在所述埋设氧化物层(14)的上表面上以及在所述阱0 的每个侧壁与所述梁的中心部分的端部之间的所述梁的中间端部周围，在所述梁的中心部分 (21)之上保留未涂布窗口(41)，经由所述窗口发生所述梁的中心部分的氧化。
14.根据权利要求13所述的纳米线产品，在氧化之后去除所述硬掩模( )，使每个所述梁中间端部减薄为小于所述梁中心部分01)。
15.根据权利要求14所述的纳米线产品，还包括所述阱02)的底壁上的栅极电极。
16.根据权利要求15所述的纳米线产品，还包括在所述纳米线OO)的支撑在所述埋设氧化物层(14)上的一端处的晶体管源极以及在所述纳米线OO)的另一端处的晶体管漏极。
17.根据权利要求14所述的纳米线产品，其中所述阱02)中的所述梁中间端部总体具有比梁中心部分更厚的形状。
18.根据权利要求14所述的纳米线产品，其中所述纳米线OO)由硅制成，而所述硬掩模06)由氮化硅制成。
19.根据权利要求13-18中任一项所述的纳米线产品，还包括所述掩模06)之下的所述纳米线OO)周围的一层氧化物。
20.根据据权利要求13-18中任一项所述的纳米线产品，还包括在所述硬掩模06)之下的所述纳米线OO)周围的一层氧化物以及在所述硬掩模06)之上的一层氧化物。
全文摘要
一种纳米线产品及其制造工艺，该纳米线产品包括具有埋设氧化物(BOX)上层的晶片，在该BOX层中形成有阱，并且纳米线的端部位于BOX层上，以形成横跨在阱之上的梁。掩模涂层形成在BOX层的上表面上，在梁的中心部分之上保留未涂布窗口，并且还在梁中心部分的每个端部与阱的侧壁之间的梁中间端部周围形成掩模涂层。经由窗口施加氧，以减薄梁中心部分，同时使阱之上的线中间端部更厚且总体具有弧形形状。热氧化涂层可设置在线上，并且在氧化之前也设置在BOX层上的掩模上。
文档编号H01L21/311GK102422401SQ201080020644
公开日2012年4月18日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月20日
发明者J.W.斯莱特, L.塞卡里克, T.巴维茨 申请人:国际商业机器公司