一种调节鳍体形貌的方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种调节鳍体形貌的方法。

背景技术：

随着集成电路工艺的不断发展，器件的沟道长度不断的缩短，通过降低栅极电压Vgs不能使得金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件很好的关断；此外，MOSFET器件的亚阈值斜率和阈值电压均对栅长的变化特别敏感，即MOSFET器件的工艺容差变得很差，该现象被称为短沟道效应。英特尔在22nm技术节点引入鳍式场效应晶体管(FinFET)的立体器件结构，FinFET是具有鳍型沟道结构的晶体管，它利用薄鳍的几个表面作为沟道，大幅增强栅极对沟道的控制能力，从而可以防止传统晶体管中的短沟道效应，使得FinFET具有驱动电流大、关态电流小、器件开关比高、晶体管密度高等优点。

随着对FinFET的深入研究，发现鳍(Fin)的顶部形貌对器件的电学特性，例如，阈值电压和转角效应有着重要的影响。随着FinFET技术节点越来越小，Fin的几何尺寸和形貌对器件性能的影响越来越显著。例如，当Fin的宽度减小可以改善器件的亚阈值特性，提高器件对短沟道效应的抑制能力，但随之而来的是源/漏区电阻和扩展电阻的急速增大，引起驱动电流的下降。目前主流形成Fin的方法通常采用干法刻蚀工艺，通过等离子体的反应刻蚀工艺去除一定深度未被保护的硅材料形成Fin，但是该方法形成Fin的顶部两侧会存在尖角，如图1所示，如果不对Fin进行适当的处理会引起在该Fin上制造器件的阈值电压的离散和亚阈值特性的恶化，进一步影响器件的性能和成品良率。

为了解决上述问题，现有技术通常采用大于900℃的高温退火工艺和/或激光退火工艺等对形成的Fin进行处理，改善Fin的顶部形貌。但是，对于高温退火工艺，Fin在高温退火过程中容易发生较大的形变，导致Fin顶 端“塌陷”，以至于Fin的尺寸变大；对于激光退火工艺，需要添加新的设备以及相应的工艺步骤，大大增加了器件制程的复杂度和成本，而且在实际生产中的应用效果还需要进行进一步评估。

技术实现要素：

本发明提供了一种调节鳍体形貌的方法，以解决现有技术中难以简易的方式调整已形成鳍体的顶端形貌，且不会导致鳍体变形过大的问题。

本发明提供了一种调节鳍体形貌的方法，包括：

提供衬底，所述衬底上形成有鳍体；

对所述衬底进行退火，使得所述鳍体的顶部形成圆滑表面，其中，退火温度范围为：700-900℃，退火时间范围为：10-300s。

优选地，在外延腔室或退火炉中对所述衬底进行退火。

优选地，所述外延腔室或所述退火炉的腔室压力范围为：20Torr-1atm。

优选地，所述外延腔室或所述退火炉的腔室压力范围为：20-100Torr。

优选地，所述对所述衬底进行退火步骤原位集成于外延工艺，在进行外延生长之前，对所述衬底进行退火，使得所述鳍体的顶部形成圆滑表面。

优选地，所述外延工艺包括：SiGe、SiC和/或SiGeSn源/漏区选择性外延工艺。

优选地，所述退火炉为具备通入载气和/或保护气的高温退火炉。

优选地，在一定流速载气和/或保护气气氛中对所述衬底进行热处理。

优选地，所述载气和/或保护气包括：氢气、氮气、氦气、氩气及其任意组合。

优选地，所述载气为氢气，氢气流量范围为：20-180L/min。

本发明提供了一种调节鳍体形貌的方法，通过对形成有鳍体的衬底进行退火温度700-900℃、退火时间10-300s的退火工艺，使得所述鳍体的顶部形成圆滑表面。由于通过对退火温度及退火时间的严格控制，可以解决现有技术中为调节鳍体顶部形貌进行高温退火后，导致鳍体变形过大的问题。

进一步地，在外延腔室或退火炉中对所述衬底进行退火，所述外延腔 室或所述退火炉的腔室压力范围为：20Torr-1atm，优选的压力范围是20-100Torr，在该腔室压力范围内，既能保证较高的热传导效率，且能减小外界环境对鳍体的影响。当腔室压力过低时，鳍体表面的硅原子流动变快，会导致鳍体形变较大；当腔室压力过高时，不利于鳍体表面形貌再构，即本发明提供的腔室压力进一步使得在消除鳍体两端的尖角的同时，不会使得整个鳍的形貌发生大的改变。

进一步地，所述对所述衬底进行退火步骤原位集成于外延工艺中，即利用选择性外延工艺中的腔室加热步骤对所述衬底进行退火，可以无需额外增加退火工艺设备和步骤，在外延腔室中进行退火后即可进行原位外延生长，避免衬底暴露于空气中导致衬底被污染，且外延腔室中可以严格控制腔室内的气体组分、腔室压力及腔室温度，有助于提高退火工艺的稳定性以精确控制鳍的形貌的改变。

进一步地，所述外延工艺可以为SiGe、SiC和/或SiGeSn源/漏区选择性外延工艺，在外延腔室中进行退火工艺后，原位进行源/漏区选择性外延工艺，能保证工艺连续性，提高生产效率。

进一步地，所述载气为氢气，且氢气流量范围为：20-180L/min，氢气具有较高的热传导效率，并能防止鳍体在进行高温退火时被氧化，而二氧化硅的形成不利于鳍体顶部表面形貌的再构造。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据现有技术形成鳍体的截面结构示意图；

图2为根据本发明实施例的调节鳍体形貌的方法的流程图；

图3A至图3D为根据现有技术制造鳍体过程的截面结构示意图；

图4为根据现有技术对鳍体形貌进行调节后的截面结构示意图；

图5为根据本发明实施例提供的调节鳍体形貌的方法对鳍体形貌进行调节后的截面结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在平面器件中，由于源/漏区形成在平面硅表面上，无需对硅衬底表面进行退火形成平整表面；但是立体器件中，例如FinFET，器件的源/漏区形成在鳍上，且现有技术中通常采用干法刻蚀的方法形成鳍体，使得该鳍体的顶部两侧会存在尖角，该尖角的存在会引起在该Fin上制造器件的阈值电压的离散和亚阈值特性的恶化，进一步影响器件的性能和成品良率。现有技术通常采用高于900℃的高温退火工艺等对形成的Fin进行处理，使得鳍体表面熔化，在表面张力的作用下，在鳍体顶部形成圆滑的表面达到去除尖角的目的，但是，Fin在高温退火过程中容易发生较大的形变导致Fin的尺寸变大，影响后续制造工艺；此外，还有通过激光退火工艺对鳍体的顶部进行高精度局部退火，仅使得鳍体的顶部熔化，在表面张力的作用下，在鳍体顶部形成圆滑的表面达到去除尖角的目的，但是需要添加新的设备以及相应的工艺步骤，大大增加了器件制程的复杂度和成本，且缺乏相应方法能进行大规模稳定生产的验证。

本发明提供的调节鳍体形貌的方法，由于严格控制退火工艺，使得该退火工艺条件下，所述鳍体的主体不会熔化，但是该退火工艺提供的能量足以使得鳍体顶部的原子在张力的作用下进行表面再构，形成圆滑的表面去除上述尖角，并且不会使得鳍体的尺寸发生较大的变化。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合流程图和具体的实施例进行详细的描述，流程图如图2所示，对鳍体形貌进行调节后的截面结构示意图如图5所示。

在本发明实施例中，所述衬底100可以为半导体衬底，例如Si衬底、 SiGe衬底等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等。在其他实施例中，所述半导体衬底还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如Ge、GaAs、InP、GaP或SiC等。此外，还可以为绝缘体上半导体SeOI衬底，例如SOI衬底、GOI衬底、SGOI衬底等。需要说明的是，由于不同材料的熔点相差较大，相应的退火工艺会有所调整，例如，可以将退火工艺的退火温度根据实际采用衬底100的材料的熔点设定为略低于该材料熔点的温度，当然，实际采用的温度可以根据实际效果而定，在此不做限定。

在本发明实施例中，所述对所述衬底100进行退火可以在外延腔室对所述衬底100进行退火，也可以在退火炉中对所述衬底100进行退火，这样便于控制退火过程中的腔室压力；同时，还可以在腔室中通入载气和/或保护气体，以减小退火过程中外部环境对所述鳍体110的影响。

实施例一

在本实施例中，所述衬底100为体硅衬底，在外延腔室中对所述衬底100进行退火，该方法包括：

步骤S01，提供衬底，所述衬底上形成有鳍体110。

在本实施例中，所述衬底100为体硅衬底，所述衬底100上形成有鳍体110。

所述衬底100上的鳍体110可以通过双重图形成像技术获得，具体步骤包括：

在衬底100上形成一硬掩膜层；在该掩膜层之上形成第一次图形，如图3A所示；进行刻蚀，形成硬掩膜图形101于上述硬掩膜层中，并去除该硬掩膜层之上所有层，如图3B所示；在硬掩膜图形101周围形成侧墙102，并去除硬掩膜图形101，如图3C所示；以侧墙102为掩膜进行刻蚀，形成鳍体110，如图3D所示。其中，所述在硬掩膜图形101周围形成侧墙102，并去除硬掩膜图形101可以包括：沉积另一掩膜层(图未示出)；进行干法刻蚀，以形成侧墙102；去除硬掩膜图形101。

其中，所述硬掩膜层可以为常用介质薄膜，例如：通过化学气相沉积法(CVD)等形成的氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、无定形碳层及其叠层等； 用于形成硬掩膜图形的光阻层可以为通过旋涂法形成的光刻胶层及抗反射层等。

在一个具体实施例中，在衬底100上通过增强等离子体化学气相沉积法(PECVD)沉积二氧化硅薄膜，然后采用光刻工艺、刻蚀工艺等在二氧化硅薄膜上形成硬掩膜图形101，接着，通过PECVD法等沉积氮化硅薄膜，然后进行干法刻蚀以在硬掩膜图形101周围形成侧墙102，接着，以侧墙102为掩膜进行干法刻蚀，直至在衬底100内达到指定深度后去除侧墙102，在衬底100上形成鳍体110。此外，在实际应用中，还需要对侧墙102进行修正，去除多余的连接图形，在此不再详述。

需要说明的是，当然还可以通过一次光刻工艺及刻蚀工艺在衬底100上形成鳍体110，但是该方法不易制备小尺寸鳍，例如，宽度小于20nm的鳍。

步骤S02，对所述衬底100进行退火，使得所述鳍体110的顶部形成圆滑表面，如图5所示，其中，退火温度范围为：700-900℃，退火时间范围为：10-300s。

在本实施例中，在外延腔室中对所述衬底100进行退火；所述外延腔室的腔室压力范围为：20Torr-1atm；在进退火工艺时，该外延腔室中载入氢气、氮气、氦气、氩气及其任意组合作为载气和/或保护气体；载气和/或保护气体流量为：20-180L/min。

优选地，退火温度为750-820℃，腔室压力20-135Torr，氢气流量20-60L/min，退火时间30-60s。其中，当腔室压力过低时，鳍体表面的硅原子流动变快，会导致鳍体形变较大；当腔室压力过高时，不利于鳍体表面形貌再构。

进一步地，所述对所述衬底100进行退火步骤原位集成于外延工艺，在进行外延生长之前，对所述衬底100进行退火，使得所述鳍体110的顶部形成圆滑表面。由于将所述退火工艺集成于所述选择性外延工艺中，可以不单独增加退火工艺步骤，也不用另行准备生产设备而提高生产效率；此外，当所述外延工艺为SiGe、SiC和/或SiGeSn源/漏区选择性外延工艺时，由于退火工艺后可以原位进行外延工艺，避免了衬底100在进行外延 工艺前暴露于空气中，可以避免衬底100表面被污染。其中，所述外延工艺可以为减压外延RPCVD、气相外延VPE、金属有机物化学气相沉积MOCVD、分子束外延MBE等。

在一个具体实施例中，将步骤S01制造好的形成有鳍体110的衬底100上形成浅槽隔离STI 120、栅介质层以及栅介质层之上的栅极，该衬底100接下来要进行SiGe源/漏区外延生长工艺；然后将该衬底100置于VPE设备腔室中，并抽真空至腔室压力为50Torr；接着通入氢气，氢气流量为30L/min；然后进行退火工艺，退火温度为：800℃，退火时间为：40s；接着，不用从所述VPE设备腔室中取出所述衬底100，直接根据设定的外延工艺程序进行选择性外延生长。

在实际应用中，还需要对所述衬底100进行源/漏区离子注入工艺形成源/漏区，并在该源/漏区之上形成金属硅化物等以最终形成FinFET，具体同现有技术，在此不再详述。

对比图1和图4所示的截面结构示意图，可以看到根据现有技术对鳍体110形貌进行调节后，鳍体110顶部的尖角已经消失，但同时鳍体110的尺寸明显变宽，例如Fin半高宽从调节前25nm变为约40nm，且Fin的高度明显变矮，已不能满足后续工艺要求；对比图1和图5所示的截面结构示意图，可以看到本发明实施例提供的调节鳍体110形貌的方法对鳍体110形貌进行调节后，鳍体110顶部的尖角已经消失，同时鳍体110的尺寸没有发生明显变化，例如Fin半高宽从调节前25nm变为不超过28nm，且Fin的高度基本没变化，能够满足后续工艺要求，表明本发明实施例提供的调节鳍体形貌的方法可以解决现有技术中为调节鳍体顶部形貌进行高温退火后，导致鳍体110变形过大的问题。

在本发明提供的实施例中，通过将形成有鳍体110的衬底100在高真空的氢气气氛中进行退火工艺，并严格控制退火工艺，调整已形成鳍体110的顶部形貌，形成具有圆滑表面的鳍体110顶部，且不会导致鳍体110变形过大。此外，由于所述对所述衬底100进行退火步骤原位集成于外延工艺，在外延腔室中进行退火后即可进行原位外延生长，能避免衬底100暴露于空气中导致衬底100被污染并提高生产效率。

实施例二

调节鳍体110形貌的方法，如实施例一所述，所不同的是，在本实施例中，所述衬底100为SOI衬底；在退火炉中对所述衬底100进行退火；所述载气和/或保护气体为氮气；腔室压力为1atm，氮气流量为100L/min；然后进行退火工艺，退火温度为：820℃，退火时间为：50s。

步骤S11，提供衬底100，所述衬底100上形成有鳍体110。

在本实施例中，所述衬底100为SOI衬底，通过多重自对准图形方法在所述衬底100上定义鳍体110的位置，然后通过干法刻蚀形成鳍体110于衬底100上。

步骤S12，对所述衬底100进行退火，使得所述鳍体110的顶部形成圆滑表面，参考图5所示，其中，退火温度范围为：700-900℃，退火时间范围为：10-300s。

在本实施例中，将步骤S12制备好的形成有鳍体110的衬底100置于退火炉中，为了减小高温退火过程中空气对衬底100的影响，向退火炉中通入氮气作为载气和/或保护气体，其中，所述退火炉的腔室压力范围为：20Torr-1atm，退火温度范围为：700-900℃，退火时间范围为：10-300s，氮气流量范围为：20-180L/min。

在一个具体实施例中，将步骤S11制造好的形成有鳍体110的衬底100置于退火设备腔室中；接着通入氮气作为载气和/或保护气体，氮气流量为100L/min；然后进行退火工艺，退火温度为：820℃，退火时间为：50s；接着，从所述退火设备腔室中取出所述衬底100。

在实际应用中，还需要对所述衬底100进行浅槽隔离STI工艺、源/漏区选择性外延工艺、源/漏区离子注入工艺形成源/漏区，并在该源/漏区之上形成金属硅化物等以最终形成FinFET，具体同现有技术，在此不再详述。

在本实施例提供的方法调节鳍体110顶部形貌后的鳍体110上制备的器件的亚阈值斜率(SS)及漏致势垒降低效应(DIBL)均优于未调节形貌的鳍体上制备的器件。例如，对于源漏扩展区宽度为10nm的器件，在电源电压Vdd＝0.8V条件下，对于未调节形貌的鳍体上制备的器件测得SS和 DIBL分别为约70mV/dec和约55mV/V，对于利用本发明提供的方法条件形貌后的鳍体110上制备的器件测得SS和DIBL分别下降10％以上，说明利用本发明提供的方法处理鳍体形貌后，在该鳍体110上制造的器件的SS和DIBL特性更好，因而该器件也具有更好的短沟道效应抑制能力。

本发明实施例提供的调节鳍体形貌的方法，通过将形成有鳍体110的衬底100在氮气气氛中进行退火工艺，并严格控制退火工艺，调整已形成鳍体110的顶部形貌，形成具有圆滑表面的鳍体110顶部，且不会导致鳍体110变形过大。此外，由于使用常用的退火炉设备进行退火工艺就可以达到上述目的而无需额外准备昂贵的激光退火设备和/或外延设备，适合大规模生产应用。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。