一种鳍式场效应晶体管的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，在回刻蚀介质层以形成鳍部之间的浅沟槽隔离结构之前，先回刻蚀鳍部上表面预先形成的硬掩膜层使之部分去除，然后在整个器件表面形成盖层，所述盖层相当于增加浅沟槽填充物的宽度，并改善浅沟槽填充物的形貌，降低回刻蚀窗口的深宽比，从而改善回刻蚀后浅沟槽隔离结构表面的平坦度，同时剩余的硬掩膜层可以保持鳍部暴露出的侧面结构，最终提高鳍式场效应晶体管的器件性能。
【专利说明】一种鳍式场效应晶体管的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种鳍式场效应晶体管的制造方法。
【背景技术】
[0002] MOS晶体管通过在栅极施加电压，调节通过沟道区域的电流来产生开关信号。但 当半导体技术进入45纳米以下节点时，传统的平面式MOS晶体管对沟道电流的控制能力变 弱，造成严重的漏电流。即所谓的短沟道效应（SCE:short-channeleffects)更容易发生。
[0003] 由于这样的原因，平面CMOS晶体管渐渐向三维（3D)鳍式场效应晶体管（Fin FieldEffectTransistor,FinFET)器件结构过渡。在FinFET中，栅至少可以从两侧对超 薄体进行控制，具有比平面MOSFET器件强得多的栅对沟道的控制能力，能够很好的抑制短 沟道效应，而且相对其它器件具有更好的集成电路生产技术的兼容性。
[0004] 鳍式场效应晶体管（FinFET)是一种常见的多栅器件，图1示出了现有技术的 一种鳍式场效应晶体管的立体结构示意图。如图1所示，其为鳍式场效应晶体管示意图， 鳍式场效应晶体管是具有一从衬底10突出的有源区域，此结构狭长，故被称为鳍式结构 (fin) 12 ;相邻两个鳍式结构12之间形成有浅沟道隔离（STI) 11 ;鳍式结构12和浅沟道隔离 11的表面形成有栅极结构13 ;源/漏区（未示出）位于鳍式结构12上，栅极结构13的两 侦h沟道区则位于栅极结构13下方、源/漏区之间的有源区域中（未图示）。对于FinFET， 鳍式结构12的顶部以及两侧的侧壁与栅极结构13相接触的部分都成为沟道区，即具有多 个栅，有利于增大驱动电流，改善器件性能。
[0005] FinFET需要平坦的浅沟道隔离11的表面形貌。然而，现有技术中形成的方法是先 刻蚀形成鳍，然后在鳍之间填充氧化物，并回刻蚀氧化物，露出足够的鳍高度，从而形成浅 沟道隔离。由于鳍式结构12坚直的鳍不利于氧化物的填充，导致填充的氧化物表面形貌不 一致，进而使得回刻蚀氧化物工艺很容易造成形成的浅沟道隔离11的表面形貌不平坦。这 显然将大大降低器件的稳定性。
[0006] 因此，需要一种新的鳍式场效应晶体管的制造方法，以避免部分上述缺陷。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，能够提高浅沟槽隔离 结构的表面形貌的平坦度。
[0008] 为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，包括以下步 骤：
[0009] 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成预定义厚度的硬掩膜层；
[0010] 选择性蚀刻所述硬掩膜层和所述半导体衬底，以形成鳍部，所述鳍部两侧形成有 浅沟槽而上表面仍然覆盖所述硬掩膜层；
[0011] 在所述浅沟槽中填充介质层，所述介质层的上表面与所述硬掩膜层上表面平坦一 致；
[0012] 回刻蚀所述硬掩膜层至一定深度，并在所述介质层和暴露出的鳍部表面形成盖 层；
[0013] 采用回刻蚀工艺完全去除盖层并部分去除所述介质层，至所述鳍部上表面距离所 述介质层上表面的预定高度。
[0014] 进一步的，采用次常压化学汽相沉积（SACVD)工艺形成所述盖层。
[0015] 进一步的，所述方法还包括：在形成所述盖层之后，对所述盖层进行热退火处理。
[0016] 进一步的，所述盖层与所述介质层的材质相同或不同。
[0017] 进一步的，所述介质层为氧化硅、氮氧化硅或者氧化硅-氮化硅-氧化硅构成的堆 叠结构，所述盖层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0018] 进一步的，所述硬掩膜层的材质为SiN，SiON，a-C，Si02，BN，TiN，金属硅化物中的 至少一种。
[0019] 进一步的，所述硬掩膜层的回刻蚀深度大于l〇〇A。
[0020] 进一步的，回刻蚀硬掩膜层的工艺为（wetetch)或者远程等离子刻蚀（remote plasmaetch)，回刻蚀介质层的工艺为湿法刻蚀或远程等离子刻蚀。
[0021] 进一步的，所述半导体衬底为纯硅、绝缘体上硅（SOI)、锗、锗硅、碳化硅、砷化镓或 者绝缘体上锗。
[0022] 进一步的，所述浅沟槽的侧壁为坚直结构，所述鳍部为上下一致的坚直结构；或者 所述浅沟槽的侧壁具有倾斜度，所述回刻蚀工艺后，所述鳍部位于所述介质层上方的部分 为垂直结构，而埋在所述介质层中的部分为倾斜结构。
[0023] 与现有技术相比，本发明提供的鳍式场效应晶体管的制造方法，在回刻蚀介质层 以形成鳍部之间的浅沟槽隔离结构之前，先先回刻蚀鳍部上表面预先形成的硬掩膜层使之 部分去除，然后在整个器件表面形成盖层，所述盖层相当于增加浅沟槽填充物的宽度，并改 善浅沟槽填充物的形貌，降低回刻蚀窗口的深宽比，从而改善回刻蚀后浅沟槽隔离结构表 面的平坦度，同时剩余的硬掩膜层可以保持鳍部暴露出的侧面结构，最终提高鳍式场效应 晶体管的器件性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是现有技术中一种鳍式场效应晶体管的器件剖面结构示意图；
[0025] 图2为本发明一实施例的鳍式场效应晶体管的制造方法流程图；
[0026] 图3A至3D为图2所示的鳍式场效应晶体管制造方法中的器件剖面结构示意图；
[0027] 图4A至4D为本发明另一实施例的的鳍式场效应晶体管制造方法中的器件剖面结 构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作 进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在所述的实施例。
[0029] 请参考图2,本发明一实施例提供一种鳍式场效应晶体管的制造方法，包括以下步 骤：
[0030] S1，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成预定义厚度的硬掩膜层；
[0031] S2,选选择性蚀刻所述硬掩膜层和所述半导体衬底，以形成鳍部，所述鳍部两侧形 成有浅沟槽而上表面仍然覆盖所述硬掩膜层；
[0032] S3,在所述浅沟槽中填充介质层，所述介质层的上表面与所述硬掩膜层上表面平 坦一致；
[0033] S4,回刻蚀所述硬掩膜层至一定深度，并在所述介质层和暴露出的鳍部表面形成 盖层；
[0034] S5,采用回刻蚀工艺完全去除盖层并部分去除所述介质层，至所述鳍部上表面距 离所述介质层上表面的预定高度。
[0035] 请参考图3A，在步骤Sl中，提供的半导体衬底300可以是任何半导体材料且可以 包括已知结构，例如可以包括梯度层或埋氧层。在实施例中，半导体衬底300包括可以是 非掺杂的或掺杂的（诸如P型、n型或它们的组合）块状硅。也可以使用适用于半导体器 件形成的其他材料。诸如锗、石英、蓝宝石以及玻璃的其他材料可以可选地用于半导体衬 底300。可选地，半导体衬底300可以是硅或者绝缘体上硅（SOI)、锗、锗硅、碳化硅、砷化镓 或者绝缘体上锗，本实施中所述半导体衬底300的材料为娃。在所述半导体衬底300上沉 积SiN(氮化硅）、SiON(氮氧化硅）、a-C(阿尔法碳）、SiO2 (二氧化硅）、BN(氮化硼）、 TiN(氮化钛）或金属硅化物等硬掩膜材料分别形成硬掩膜层302。为实现鳍部光刻图案良 好的转移效果，硬掩膜层302优选为氮化硅层，厚度远大于1〇〇螽。
[0036] 请继续参考图3A，在步骤S2中，以硬掩膜层302为掩膜，使用光刻技术、干法刻 蚀工艺通过图案化和蚀刻半导体衬底300来形成鳍部301。相邻鳍部301之间为浅沟槽 306a(鳍部301两侧形成有浅沟槽306a)，鳍部301上表面仍然覆盖硬掩膜层302 ;剩余的 硬掩膜层302在诸如蚀刻的接下来的工艺步骤中保护下面的鳍部301。本步骤的干法刻蚀 的刻蚀气体可以是例如为溴化氢、六氟化硫及氦气等气体。本实施例中，刻蚀后形成的鳍部 301，其剖面结构为上下宽度一致的坚直结构（矩形），利用该坚直结构可以增强栅极对沟 道的静电控制，减小整个芯片的面积，提高芯片上器件的集成密度，由此满足一些产品的制 作要求。
[0037] 请参考图3B，在步骤S3中，在所述浅沟槽内填充介质层（即隔离材料）303,可采 用已知的化学气相沉积或物理气相沉积工艺进行氧化层的填充，例如通过使用正硅酸乙酯 (TEOS)和氧作为前体的化学汽相沉积（CVD)技术来形成该介质层303,或者通过将诸如氧、 氮、碳等离子注入到半导体衬底300内来形成介质层303。然后，经化学机械平坦化工艺使 得介质层303表面与硬掩膜层302上表面齐平。
[0038] 接着，请参考图3C，在步骤S4中，采用湿法刻蚀或远程等离子刻蚀工艺回刻蚀硬 掩膜层302至一定深度，即剩余一定厚度的硬掩膜层302a。然后，采用例如次常压化学汽相 沉积（SACVD)工艺等具有保形性的制程在器件表面形成盖层304,在形成所述盖层304之 后，可以对所述盖层304进行高温退火（例如热退火处理）以增强其致密性。盖层304与介 质层303的材质可以相同，也可以不同。本实施例中盖层304与介质层303为氧化娃。盖 层304可以增加浅沟槽中填充物的宽度（可以看做是填充物宽度使得填充物延伸在浅沟槽 口外），来改善浅沟槽填充物的形貌。
[0039] 接着，请参考图3D，在步骤S5中，回刻蚀盖层304和介质层303,形成浅沟道隔离 结构306。具体的，可以采用远程等离子干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺进行回刻蚀，其中所述 湿法刻蚀工艺为采用稀释的氢氟酸或者盐酸或者磷酸进行刻蚀。盖层304的存在，降低了 回刻蚀窗口的深宽比，提高了浅沟槽填充物的表面形貌一致性，从而改善了回刻蚀后浅沟 槽隔离结构表面的平坦度。剩余的硬掩膜层302a保护其下面的鳍部在回刻蚀过程中的形 貌，尤其是侧面形貌，同时有利于形成鳍部301的双台阶结构。本实施例中，盖层304在硬 掩膜层302回刻蚀后形成的区域中未填满，以使得在回刻蚀工艺中起自对准的作用，提高 了工艺效率和刻蚀精度，进而改善器件性能。本实施例中，回刻蚀完毕后，浅沟道隔离结构 306的表面低于鳍部301的上表面，鳍部301的剖面结构为上下宽度一致的坚直结构（矩 形），即暴露于介质层上方的垂直部分301a和埋在介质层303中的埋层部分301b的宽度一 致。利用该坚直结构可以增强栅极对沟道的静电控制，减小整个芯片的面积，提高芯片上器 件的集成密度，由此满足一些产品的制作要求。同时，调节回刻蚀深度来调节上下两部分之 间的平台高度（也可以看做是上下两部分的相对位置），即垂直部分301a和埋层部分301b 之间的高度比，可以实现最佳的器件性能。
[0040] 本实施例中，在步骤S5之后，可以去除剩余的硬掩膜层302a，也可以保留。还可以 继续在鳍部301位置进行离子注入，形成源区与漏区，之后在源区与漏区之间的沟道区上 形成栅极氧化层及栅极。从而完成鳍式场效应晶体管的制作。
[0041] 请参考图4A至4D，在本发明的另一实施例中，依照图2所示的鳍式场效应晶体管 的制造方法流程，通过与图3A至3D不同的工艺参数控制，可以形成不同的鳍式场效应晶体 管。例如，在步骤S2中，刻蚀后形成的鳍部301，其剖面结构可以为梯形，即上窄下宽的结 构，其底角能够在后续浅沟槽中填充隔离材料时起到较优的效果，避免鳍部垂直结构不利 于浅沟槽填充的缺点，可以避免填充空洞缺陷的形成。这种结构相对图3A中的结构来说， 器件集成密度相对较大，可以满足另一些产品的制作要求。请参考图4D，进而在步骤S5中， 回刻蚀后,鳍部301被刻蚀为斜率不同的上下两部分：暴露于介质层上方的垂直部分301a 和埋在介质层303中的埋层部分301b。且调节回刻蚀深度来调节上下两部分之间的平台高 度（也可以看做是上下两部分的相对位置），即垂直部分301a和埋层部分301b之间的平台 高度，可以实现最佳的器件性能。
[0042] 综上所述，本发明提供的鳍式场效应晶体管的制造方法，在回刻蚀介质层以形成 鳍部之间的浅沟槽隔离结构之前，先回刻蚀鳍部上表面预先形成的硬掩膜层使之部分去 除，然后在整个器件表面形成盖层，所述盖层相当于增加浅沟槽填充物的宽度，并改善浅沟 槽填充物的形貌，降低回刻蚀窗口的深宽比，从而改善回刻蚀后浅沟槽隔离结构表面的平 坦度，同时剩余的硬掩膜层可以保持鳍部暴露出的侧面结构，最终提高鳍式场效应晶体管 的器件性能。
[0043] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神 和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之 内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1. 一种鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括： 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成预定义厚度的硬掩膜层 选择性蚀刻所述硬掩膜层和所述半导体衬底，以形成鳍部，所述鳍部两侧形成有浅沟 槽而上表面仍然覆盖所述硬掩膜层； 在所述浅沟槽中填充介质层，所述介质层的上表面与所述硬掩膜层上表面平坦一致； 回刻蚀所述硬掩膜层至一定深度，并在所述介质层和暴露出的鳍部表面形成盖层； 采用回刻蚀工艺完全去除盖层并部分去除所述介质层，至所述鳍部上表面距离所述介 质层上表面的预定高度。
2. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，采用次常压化学 汽相沉积工艺形成所述盖层。
3. 如权利要求2所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，还包括：在形成所 述盖层之后，对所述盖层进行热退火处理。
4. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述盖层与所述 介质层的材质相同或不同。
5. 如权利要求4所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述介质层为氧 化硅、氮氧化硅或者氧化硅-氮化硅-氧化硅构成的堆叠结构，所述盖层为氧化硅、氮化硅 或氮氧化硅。
6. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的 材质为SiN，SiON，a -C，SiO2, BN，TiN，金属硅化物中的至少一种。
7. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的 回刻蚀深度大于10〇A。
8. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，回刻蚀硬掩膜层 的工艺为湿法刻蚀或远程等离子刻蚀，回刻蚀介质层的工艺为为湿法刻蚀或远程等离子刻 蚀。
9. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底 为纯娃、绝缘体上娃、锗、锗娃、碳化娃、砷化镓或者绝缘体上锗。
10. 如权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述浅沟槽的侧 壁为坚直结构，所述鳍部为上下一致的坚直结构；或者所述浅沟槽的侧壁具有倾斜度，所述 回刻蚀工艺后，所述鳍部位于所述介质层上方的部分为垂直结构，而埋在所述介质层中的 部分为倾斜结构。
【文档编号】H01L21/336GK104332410SQ201410620001
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】鲍宇 申请人:上海华力微电子有限公司