纳米线场效应晶体管的形成方法与流程

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种纳米线场效应晶体管的形成方法。

背景技术：

集成电路已经从单一的芯片上集成数十个器件发展为集成数百万器件。传统的集成电路的性能和复杂性已经远远超过了最初的想象。为了实现在复杂性和电路密度(在一定芯片面积上所能容纳的器件的数量)方面的提高，器件的特征尺寸，也称为“几何尺寸(geometry)”，随着每一代的集成电路已经越变越小。提高集成电路密度不仅可以提高集成电路的复杂性和性能，而且对于消费者来说也能降低消费。基于对集成电路芯片高密度、高速度、低功耗的需求，集成电路越来越向高密度、高速度、低功耗方向发展。

当集成电路中的场效应晶体管的特征尺寸减小到32nm以下时，传统的场效应晶体管的形成方法已不适应，提出了纳米线场效应晶体管。其中纳米线场效应晶体管是指沟道长度为纳米(nm)数量级的场效应晶体管，实际上，也就是沟道的长度短到与沟道的厚度可相比拟时的场效应晶体管。纳米线场效应晶体管形成有高的电流开关比，同时受短沟道效应和漏致势垒降低效应影响较小。

随着纳米技术的发展，在纳米材料中引入了超晶格材料，其中，超晶格是由两种或多种不同掺杂、不同组分的半导体超薄层交替叠合生长在基底上，并且在其外延方向上形成附加一维周期的人造结构。随着超晶格材料在纳米器件中应用的不断深入，目前在一维纳米材料纳米线中引入了超晶格结构，以扩充纳米线的功能。

现有技术中，形成超晶格纳米线场效应晶体管的方法包括：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括单晶硅层、位于所述单晶硅层上的埋层、位于所述埋层上的单晶硅层；在单晶硅层上交叠形成单晶锗硅层和单晶硅层堆叠结构，堆叠结构中单晶锗硅层和单晶硅层均至少为一层；采用等离子刻蚀工艺图形 化所述堆叠结构中的单晶锗硅层和单晶硅层、以及SOI衬底中的单晶硅层和埋层，形成多层叠置的纳米线、位于纳米线底部的凹槽、位于纳米线两侧的源区区域和漏区区域，所述纳米线悬置于所述凹槽上方；利用各向同性的刻蚀工艺去除相互叠置的纳米线之间的单晶锗硅层；在所述纳米线表面上形成栅介质层，在栅介质层上形成栅电极，所述栅电极包围所述纳米线；对纳米线两侧的源区区域和漏区区域进行离子注入，形成源区和漏区。

现有技术形成的纳米线场效应晶体管的性能仍有待提升。

技术实现要素：

本发明解决的问题是怎样保证纳米线场效应晶体管形成过程中形成多层纳米线时的尺寸均匀性，以及提高形成的纳米线场效应晶体管性能。

为解决上述问题，本发明提供一种纳米线场效应晶体管的形成方法，包括：提供基底，所述基底上形成有锗层和锗锡层交替堆叠的堆叠结构，且每一层锗锡层位于相应层的锗层表面上方，所述堆叠结构包括纳米线区域、分别位于纳米线区域两侧的源极区域和漏极区域；在所述堆叠结构上形成图形化的掩膜层，所述图形化的掩膜层暴露出堆叠结构的纳米线区域的部分表面；进行各向异性的第一刻蚀工艺，刻蚀去除纳米线区域的部分顶层锗锡层，形成顶层纳米线；进行各向同性的第二刻蚀工艺，刻蚀去除顶层纳米线底部的一层锗层，形成凹槽，使得顶层纳米线悬空；循环进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，依次循环刻蚀下层的锗锡层和锗层，形成相应的下层纳米线以及形成使得对应的下层纳米线悬空的凹槽。

可选的，所述各向异性的第一刻蚀工艺为干法刻蚀工艺。

可选的，所述各向异性的第一刻蚀工艺采用的气体包括Cl₂和O₂，Cl₂的流量为50～500sccm，O₂的流量0～100sccm，腔室压力为50～200mtorr，射频源功率为100～1000W，偏置源功率为0～500W，刻蚀时的占空比为10％～100％，频率为0.1Khz～100Khz。

可选的，每一层锗锡层的厚度为5～10nm。

可选的，所述干法刻蚀工艺的时间为10～60S。

可选的，进行干法刻蚀工艺时，过刻蚀去除底部部分厚度的锗层。

可选的，各向同性的第二刻蚀工艺为微波刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。

可选的，所述微波刻蚀工艺采用的气体包括CF₄，微波源的功率为500～2000W，微波源的频率为2～3Ghz，腔室压力为100-1000mTorr，CF₄的流量为50～500sccm。

可选的，每一层锗层的厚度为5～500nm。

可选的，所述微波刻蚀工艺的时间为10～60S。

可选的，所述掩膜层的材料为硅。

可选的，所述硅掩膜层的顶部表面晶向指数为(110)，垂直于顶部表面方向的晶面指数为(111)。

可选的，图形化所述硅掩膜层的工艺为湿法刻蚀。

可选的，所述湿法刻蚀采用的刻蚀溶液为TMAH溶液。

可选的，所述TMAH溶液的质量百分比浓度为1％～5％。

可选的，在纳米线的表面形成栅介质层，在栅介质层上形成栅电极。

可选的，在栅电极的侧壁形成侧墙。

可选的，在栅电极和侧墙两侧的源区区域和漏区区域注入杂质离子，形成源区和漏区。

可选的，所述堆叠结构中锗层和锗锡层的层数均≥2层。

可选的，所述堆叠结构中锗层和锗锡层的层数均为3层，包括位于基底上的第一锗层、位于第一锗层上的第一锗锡层、位于第一锗锡层上的第二锗层、位于第二锗层上的第二锗锡层、位于第二锗锡层上的第三锗层、位于第三锗层上的第三锗锡层。

与现有技术相比，本发明的技术方案形成有以下优点：

本发明的纳米线场效应晶体管的形成方法，形成纳米线时，交替进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，每一步各向异性的第一刻蚀工艺刻蚀相应的锗锡层形成一层纳米线，每一步的各向同性的第二刻蚀 工艺刻蚀相应的锗层形成使得纳米线悬空的凹槽，因而使得每一步各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺的刻蚀时间均较短，因而刻蚀过程中形成副产物很少并能及时排出刻蚀腔室，形成的副产物不会附着在已经形成的纳米线侧壁表面以及图形化掩膜层的侧壁表面，使得掩膜层的尺寸在形成纳米线的过程中始终保持一种，在以图形化的掩膜层和已经形成的纳米线为掩膜刻蚀形成的锗锡层，形成下层的纳米线时，使得下层的纳米线形貌和尺寸与上层的纳米线的形貌和尺寸对应，提高了形成的纳米线场效应晶体管的性能；并且，由于纳米线是一层一层的形成，每一层纳米线形成时，每一步各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺针对的待刻蚀材料只有一种，因而刻蚀工艺参数可以保持稳定，更利于包装形成每一层的纳米线的形貌和尺寸相同或相近。

进一步，所述掩膜层的材料为硅，硅掩膜层的顶部表面晶向指数为(110)，垂直于顶部表面方向的晶面指数为(111)，在对硅掩膜层进行图形化时，由于TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液对硅掩膜层(111)晶面的刻蚀速率(8～9nm/min)远小于对(110)晶面的刻蚀速率(350～360nm/min)，因而可以形成尺寸较小，并且侧壁表面平整度较高的图形化的掩膜层。

附图说明

图1为本发明实施例纳米线场效应晶体管形成方法的流程示意图；

图2～图6为本发明实施例纳米线场效应晶体管形成过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

现有技术形成的纳米线场效应晶体管的性能仍有待提升，比如现有技术在形成纳米线的过程中容易产生刻蚀损伤，并且纳米线的形状不好控制。

研究发现，图形化所述堆叠结构中的单晶锗硅层和单晶硅层、以及SOI衬底中的单晶硅层和埋层采用等离子刻蚀工艺，等离子刻蚀工艺采用的刻蚀气体为Cl₂，等离子在电场的加速下对纳米线的损伤较大；另外在进行堆叠结果的图形化是一步刻蚀，由于堆叠结构中每一层的材料不相同，使得刻蚀过程较为复杂，刻蚀工艺参数难以保持稳定，因而图形化的堆叠结构的上部和 下部的尺寸难以保持一种，并且侧壁的形貌以难以控制，特别是刻蚀时间较长时，刻蚀副产物容易附着在上部已图形化的堆叠结构侧壁表面，使得下部堆叠结构的尺寸更加难以控制，最终形成不同层的纳米线的尺寸和形貌会不同，影响了纳米线场效应晶体管的性能。

为此，本发明提供了一种纳米线场效应晶体管的形成方法，在形成锗层和锗锡层交替堆叠的堆叠结构后，交替采用各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺对堆叠结构进行刻蚀，进行各向异性的第一刻蚀工艺时，刻蚀去除纳米线区域的部分锗锡层，形成纳米线，进行各向同性的第二刻蚀工艺时，刻蚀去除相应的锗锡层底部的锗层，形成凹槽使得相应的纳米线悬置，本发明中，交替采用各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺对堆叠结构进行刻蚀，因而纳米线是一层一层的形成，每一层纳米线形成时，待刻蚀材料只有一种且刻蚀工艺参数可以保持稳定，使得每一层的纳米线的形貌和尺寸相同或相近。

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。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1为本发明实施例纳米线场效应晶体管形成方法的流程示意图。

参考图1，本发明实施例纳米线场效应晶体管形成方法，包括步骤：

S101，提供基底，所述基底上形成有锗层和锗锡层交替堆叠的堆叠结构，且每一层锗锡层位于相应层的锗层表面上方，所述堆叠结构包括纳米线区域、分别位于纳米线区域两侧的源极区域和漏极区域；

S102，在所述堆叠结构上形成图形化的掩膜层，所述图形化的掩膜层暴露出堆叠结构的纳米线区域的部分表面；

S103，进行各向异性的第一刻蚀工艺，刻蚀去除纳米线区域的部分顶层锗锡层，形成顶层纳米线；

S104，进行各向同性的第二刻蚀工艺，刻蚀去除顶层纳米线底部的一层 锗层，形成凹槽，使得顶层纳米线悬空；

S105，循环进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，依次循环刻蚀下层的锗锡层和锗层，形成相应的下层纳米线以及形成使得对应的下层纳米线悬空的凹槽；

S106，在纳米线的表面形成栅介质层，在栅介质层上形成栅电极；

S107，在栅电极的侧壁形成侧墙；在栅电极和侧墙两侧的源区区域和漏区区域注入杂质离子，形成源区和漏区。

下面结合图2～图6对上述流程进行详细的说明。

请参考图2，提供基底200，所述基底200上形成有锗层(201a、201b、201c)和锗锡层(202a、202b、202c)交替堆叠的堆叠结构203，且每一层锗锡层位于相应层的锗层表面上方，所述堆叠结构203包括纳米线区域21、分别位于纳米线区域21两侧的源极区域22和漏极区域23。

所述基底200的材料与锗层和锗锡层的材料不相同，所述基底200的材料可以为硅、绝缘体上硅或其他合适的材料。所述基底200中可以根据需要掺杂杂质离子。

所述堆叠结构203后续用于形成叠层的纳米线，所述堆叠结构203中锗层和锗锡层的层数均≥2层。

本实施例中，所述堆叠结构203中锗层和锗锡层的层数均为3层，包括位于基底200上的第一锗层201a、位于第一锗层201a上的第一锗锡层202a、位于第一锗锡层202a上的第二锗层201b、位于第二锗层201b上的第二锗锡层202b、位于第二锗锡层202b上的第三锗层201c、位于第三锗层201c上的第三锗锡层202c。本实施例中，所述第三锗锡层202c也可以称之为顶层锗锡层，相应的第二锗锡层202b和第一锗锡层202a可以称之为下层锗锡层，第三锗层201c可以称之为顶层锗层，相应的第二锗层201b和第一锗层201a可以称之为下层锗层。

所述堆叠结构203由锗层和锗锡层，锗层的材料为锗，锗锡层的材料为锗锡，以使两层材料之间具有刻蚀选择性，后续通过各向异性的第一刻蚀工 艺刻蚀某一层锗锡层可以形成(锗锡)纳米线，通过各向同性的第二刻蚀工艺去除该纳米线下方的锗层，形成凹槽使得该纳米线悬空。

所述锗层和锗锡层的形成工艺为化学气相沉积，在一具体的实施例中，所述锗层和锗锡层的形成工艺可以为分子束外延工艺。

在一实施例中，每一层锗锡层的厚度为5～10nm，每一层锗层的厚度为5～500nm。

所述堆叠结构203表面上还可以形成掩膜层204，所述掩膜层204在图形化后作为后续刻蚀堆叠结构时的掩膜。

所述堆叠结构203中每一层锗锡层位于相应层的锗层表面上方，即堆叠结构203中的顶层为锗锡层，顶层为锗锡层与图形化后的掩膜层204接触，后续通过各向异性的第一刻蚀工艺的锗锡层可以先形成顶层纳米线，使得形成的顶层纳米线的形状与图形化掩膜层的形状相同。

本实施例中，所述掩膜层204的材料为硅，后续也可将掩膜层204称之为硅掩膜层204，所述硅掩膜层的顶部表面晶向指数为(110)，垂直于顶部表面方向的晶面指数为(111)，后续在对硅掩膜层进行图形化时，由于TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液对硅掩膜层(111)晶面的刻蚀速率(8～9nm/min)远小于对(110)晶面的刻蚀速率(350～360nm/min)，因而可以形成尺寸较小，并且侧壁表面平整度较高的图形化的掩膜层。

在其他实施例中，所述掩膜层可以为其他合适的材料。

参考图2，图形化所述硅掩膜层204；以所述图形化的硅掩膜层204为掩膜，进行各向异性的第一刻蚀工艺，刻蚀去除纳米线区域21的部分顶层锗锡层(或者第三锗锡层202c)，形成顶层纳米线208。

在图形化所述硅掩膜层204之前，可以在硅掩膜层204表面上形成图形化的光刻胶层或图形化的硬掩膜层(比如氮化硅硬掩膜层)。

图形化所述硅掩膜层的工艺为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀采用的刻蚀溶液为TMAH溶液。在一实施例中，所述TMAH溶液的质量百分比浓度为1％～5％，可以为1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％，使得形成的图形化的硅掩膜层尺 寸较小的同时，侧壁表面平整度较高，在以图形化的硅掩膜层为掩膜进行图形转移时，使得形成的顶层的纳米线的尺寸较小的同时，侧壁表面的形貌的平整度也较高，更进一步，当图形化的硅掩膜层和顶层的纳米线的侧壁表面的平整度较高时，后续循环进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，以图形化的硅掩膜层和顶层的纳米线为掩膜形成的下层纳米线的侧壁表面的平整度也较高，并且使得下层纳米线的尺寸与顶层纳米线的尺寸相同或者差异很小。

所述各向异性的第一刻蚀工艺为干法刻蚀工艺或其他合适的工艺。

在一实施例中，所述各向异性的第一刻蚀工艺采用的气体包括Cl₂和O₂，Cl₂的流量为50～500sccm，O₂的流量0～100sccm，腔室压力为50～200mtorr，射频源功率为100～1000W，偏置源功率为0～500W，刻蚀时的占空比为10％～100％，频率为0.1～100Khz，使得形成的顶层纳米线208具有垂直的侧壁，并且侧壁表面的平整度较高。

在一实施例中，所述各向异性的第一刻蚀工艺的时间为10～60S。

在一实施例中，在进行各向异性的第一刻蚀工艺，形成顶层纳米线208后，可以过刻蚀去除底部部分厚度的锗层(或者第三锗层201c)，在后续进行微波刻蚀工艺时，减小了微波刻蚀工艺的刻蚀难度，方便凹槽的形成，防止顶层纳米线208底部锗层材料的残留。

在一实施例中，所述锗层(或者第三锗层201c)过刻蚀被去除的厚度为整个厚度的1/2～3/4。

参考图4，进行各向同性的第二刻蚀工艺，刻蚀去除顶层纳米线底部的一层锗层(或者第三锗层201c)，形成凹槽209，使得顶层纳米线208悬空。

各向同性的第二刻蚀工艺为微波刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，或者其他合适的工艺。

本实施例中，各向同性的第二刻蚀工艺为微波刻蚀工艺，在进行微波刻蚀工艺时，基底200(或者刻蚀设备的基座上)上不需要施加偏置电压，因而等离子体对堆叠结构203的轰击作用很小，从而减小了等离子体对已形成的纳米线的等离子体刻蚀损伤，并且刻蚀选择比高，减少了纳米线底部的锗层 材料的残留。

在一实施例中，所述微波刻蚀工艺采用的气体包括CF₄，微波源的功率为500～2000W，微波源的频率为2～3Ghz，腔室压力为100～1000mTorr，CF₄的流量为50～500sccm，有效了的减小了等离子体对已形成的纳米线的等离子体刻蚀损伤，提高了锗材料相对于锗锡材料的刻蚀选择比，减少了纳米线底部的锗层材料的残留。

在一实施例中，微波刻蚀工艺具体的刻蚀过程为：在微波源的作用下，CF₄在一石英管中解离为等离子体，然后等离子体经过一特氟龙管扩散进入刻蚀腔室中，含氟的等离子与锗材料反应形成锗氟化合物，从而选择性的去除顶层纳米线208底部的锗层(第三锗层201c)。

参考图5，循环进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，依次循环刻蚀下层的锗锡层(202b、202a)和锗层(201b、201a)，形成相应的下层纳米线以及形成使得对应的下层纳米线悬空的凹槽。

本实施例中，下层的锗锡层包括第二锗锡层202b和第一锗锡层202a，下层的锗层包括第二锗层201b和第一锗层201a，因而循环刻蚀过程包括两次循环，即先进行各向异性的第一刻蚀工艺，刻蚀第二锗锡层202b，形成下层纳米线210；接着，进行各向同性的第二刻蚀工艺，去除下层纳米线210底部的第二锗层201b，形成凹槽211，使得下层纳米线210悬空；然后进行各向异性的第一刻蚀工艺，刻蚀第一锗锡层202a，形成下层纳米线212；最后，进行各向同性的第二刻蚀工艺，去除下层纳米线212底部的第一锗层201a，形成凹槽213，使得下层纳米线212悬空。

本发明实施例中，形成纳米线时，交替进行各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺，每一步各向异性的第一刻蚀工艺刻蚀相应的锗锡层形成一层纳米线，每一步的各向同性的第二刻蚀工艺刻蚀相应的锗层形成使得纳米线悬空的凹槽，因而使得每一步各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺的刻蚀时间均较短，因而刻蚀过程中形成副产物很少并能及时排出刻蚀腔室，形成的副产物不会附着在已经形成的纳米线侧壁表面以及图形化掩膜层的侧壁表面，使得掩膜层的尺寸在形成纳米线的过程中始终 保持一种，在以图形化的掩膜层和已经形成的纳米线为掩膜刻蚀形成的锗锡层，形成下层的纳米线时，使得下层的纳米线形貌和尺寸与上层的纳米线的形貌和尺寸对应，提高了形成的纳米线场效应晶体管的性能；并且，由于纳米线是一层一层的形成，每一层纳米线形成时，每一步各向异性的第一刻蚀工艺和各向同性的第二刻蚀工艺针对的待刻蚀材料只有一种，因而刻蚀工艺参数可以保持稳定，更利于包装形成每一层的纳米线的形貌和尺寸相同或相近。

参考图6，去除所述硅掩膜层204(参考图5)。

去除所述硅掩膜层204采用湿法刻蚀工艺或其他合适的工艺。

在去除所述硅掩膜层204后，还包括：在纳米线的表面形成栅介质层，在栅介质层上形成栅电极；在栅电极的侧壁形成侧墙；在栅电极和侧墙两侧的源区区域和漏区区域注入杂质离子，形成源区和漏区。

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。