本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种鳍式场效应管及其形成方法。
背景技术：
随着半导体技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸不断缩小，使得集成电路的集成度越来越高，这对器件的性能也提出了更高的要求。
目前，随着金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的尺寸不断变小。为了适应工艺节点的减小，只能不断缩短mosfet场效应管的沟道长度。沟道长度的缩短具有增加芯片的管芯密度，增加mosfet场效应管的开关速度等好处。
然而，随着器件沟道长度的缩短，器件源极与漏极间的距离也随之缩短，这样一来栅极对沟道的控制能力变差，栅极电压夹断(pinchoff)沟道的难度也越来越大，使得亚阀值漏电现象，即短沟道效应(sce：short-channeleffects)成为一个至关重要的技术问题。
因此，为了更好的适应器件尺寸按比例缩小的要求，半导体工艺逐渐开始从平面mosfet晶体管向具有更高功效的三维立体式的晶体管过渡，如鳍式场效应管(finfet)。finfet具有很好的沟道控制能力。然而，finfet器件工作时会产生严重的自热效应，从而影响finfet器件的电学性能。
如何提高鳍式场效应管的电学性能，成为亟需解决的问题。
技术实现要素：
本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应管及其形成方法，改善鳍式场效应管的自热效应，提高鳍式场效应管的电学性能。
为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应管的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有多个分立的鳍部；在所述鳍部之间的半导体衬底以及鳍部底部侧壁上形成保护层，形成有保护层的鳍部为鳍部第一区域，未形成有保护层的鳍部为鳍部第二区域；在形成所述保护层之后，在所述保护层和鳍部上形成初始隔离层；在含氧氛围下，对所述初始隔离层进行退火处理，使所述初始隔离层转化为隔离层，且在所述退火处理过程中氧化所述鳍部第二区域，在所述鳍部第二区域的侧壁上形成氧化层；去除部分厚度的隔离层，且去除剩余隔离层露出的氧化层；在所述剩余隔离层上形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖所述鳍部的部分顶部和侧壁。
可选的，所述形成保护层的步骤包括：在所述半导体衬底和鳍部的表面覆盖保护膜；在所述保护膜上形成有机介质层，所述有机介质层覆盖半导体衬底以及鳍部；去除部分厚度的所述有机介质层，剩余有机介质层表面低于所述鳍部表面；以所述剩余有机介质层为掩膜刻蚀所述保护膜，形成保护层；去除剩余有机介质层。
可选的，采用刻蚀工艺去除部分厚度的所述有机介质层，所述刻蚀工艺参数包括：刻蚀气体为ch4、h2和n2的混合气体，ch4的气体流量为10sccm至100sccm，h2的气体流量为200sccm至1000sccm，n2的气体流量为10sccm至300sccm，压强为1mtorr至150mtorr，刻蚀时间为50s至1450s，功率为500至3200w，电压为30v至200v。
可选的，以所述剩余有机介质层为掩膜刻蚀所述保护膜，形成保护层；所述刻蚀工艺参数包括：刻蚀气体为n2和o2的混合气体，n2的气体流量为50sccm至800sccm，o2的气体流量为5sccm至110sccm，压强为0.1mtorr至200mtorr，刻蚀时间为4s至500s，功率为50至500w，电压为30v至100v。
可选的，所述保护层的材料为氮化硅。
可选的，在沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底方向上，所述保护层的厚度范围为：10埃至50埃。
可选的，所述形成保护层的工艺为原子层沉积工艺，所述形成保护层的工艺参数为：提供前驱气体，所述前驱气体包括sih2cl2和nh3，工艺温度为200摄氏度至600摄氏度，压强为0.1mtorr至200mtorr，前驱气体的气体流量为1500sccm至4000sccm，沉积次数为30次至100次。
可选的，所述氧化层的材料为氧化硅。
可选的，在所述保护层以及鳍部上覆盖初始隔离层的步骤中，采用流体化学气相沉积工艺形成所述初始隔离层。
可选的，所述退火处理的步骤包括：h2o2环境中，在300至800摄氏度下退火10至100分钟。
可选的，所述退火处理的步骤还包括：h2o2环境中退火之后，在n2环境中，在850至1050摄氏度下退火20至150分钟。
可选的，提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有多个分立的鳍部的步骤包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成硬掩膜层；以所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述半导体衬底，形成鳍部；在去除部分厚度隔离层的工艺步骤中，去除所述硬掩膜层。
可选的，剩余隔离层顶部低于所述鳍部第一区域顶部或者与所述鳍部第一区域顶部齐平；去除剩余隔离层露出的氧化层的工艺步骤中，去除全部氧化层。
可选的，剩余隔离层顶部高于所述鳍部第一区域顶部；去除剩余隔离层露出的氧化层的工艺步骤中，去除部分氧化层。
可选的，所述隔离层的材料为氧化硅。
可选的，形成所述保护层之后，形成所述初始隔离层之前，所述形成方法还包括：在所述保护层和鳍部第二区域上形成衬垫层；在去除部分厚度的隔离层的工艺步骤中，还去除剩余隔离层露出的衬垫层。
相应地，本发明还提供一种鳍式场效应管，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上具有多个分立的鳍部；位于鳍部之间的半导体衬底以及鳍部底部侧壁上的保护层，覆盖有保护层的鳍部为鳍部第一区域，未覆盖有保护层的鳍部为鳍部第二区域；沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底方向上，所述鳍部第一区域的尺寸大于鳍部第二区域的尺寸；位于所述鳍部露出的衬底上的隔离层，所述隔离层覆盖所述鳍部的部分侧壁表面，且所述隔离层顶部低于所述鳍部顶部；横跨所述鳍部且位于所述隔离层上的栅极结构，所述栅极结构覆盖鳍部的部分顶部和侧壁。
可选的，所述隔离层顶部低于所述鳍部第一区域顶部或者与所述鳍部第一区域顶部齐平。
可选的，所述隔离层顶部高于所述鳍部第一区域顶部；所述鳍式场效应管还包括：位于所述鳍部第二区域部分侧壁上的氧化层，所述氧化层位于所述隔离层与所述鳍部第二区域之间。
可选的，在沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底方向上，所述保护层的厚度范围为：10埃至50埃。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明提供的鳍式场效应管形成方法的技术方案中，通过在含氧氛围下，对所述初始隔离层进行退火处理，使所述初始隔离层转化为隔离层。在所述退火处理过程中，由于鳍部第一区域的侧壁上形成有保护层，使得所述鳍部第二区域被氧化的速率大于鳍部第一区域被氧化的速率，从而使得在沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底的方向上，所述鳍部第一区域的尺寸大于鳍部第二区域的尺寸，进而改善了鳍式场效应管工作时的自热效应问题。因此，提高了鳍式场效应管的电学性能。
可选方案中，形成所述保护层之后，形成所述初始隔离层之前，所述形成方法还包括：在所述保护层和鳍部第二区域上形成衬垫层，使得后续在所述鳍部第二区域上形成氧化层的厚度得到有效控制，从而提高了鳍式场效应管的电学性能。
附图说明
图1是一种鳍式场效应管的结构示意图；
图2至图11是本发明鳍式场效应管的形成方法一实施例中各步骤对应结构示意图；
图12是本发明鳍式场效应管一实施例的结构示意图。
具体实施方式
根据背景技术形成的鳍式场效应管的电学性能有待提高。
现结合一种鳍式场效应管对鳍式场效应管的电学性能有待提高的原因进行分析。
参考图1，图1为一种鳍式场效应管的剖面结构示意图，所述鳍式场效应管包括：衬底100；凸出于所述衬底100上的多个鳍部110。位于所述鳍部110露出的衬底100上的隔离结构120，所述隔离结构120覆盖所述鳍部110的部分侧壁表面，且所述隔离结构120顶部低于所述鳍部110顶部。横跨所述鳍部110上的栅极结构(图未示)。
上述鳍式场效应管工作时会出现自热效应问题，从而降低了鳍式场效应管的电学性能。
经分析，形成所述鳍部110的步骤包括：提供衬底100，所述衬底100表面形成有多个初始鳍部；形成覆盖衬底100表面以及初始鳍部的隔离层；采用退火工艺固化所述隔离层；去除部分厚度的隔离层形成隔离结构120，所述隔离结构120顶部低于鳍部110顶部。
鳍式场效应管的自热效应主要是由鳍部110的底部尺寸小引起的，鳍部110的底部尺寸小使得鳍式场效应管的散热性能下降，从而导致鳍式场效应管工作时会产生自热效应问题。因此，降低了鳍式场效应管的电学性能。
进一步分析发现，上述形成所述隔离结构120的工艺步骤中，通常采用退火工艺固化所述隔离层。由于受到退火工艺高温的影响，在所述鳍部110的侧壁上会形成氧化物，从而导致所述鳍部110的底部尺寸变小，进而导致鳍式场效应管的电学性能低下。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种鳍式场效应管的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有多个分立的鳍部；在所述鳍部之间的半导体衬底以及鳍部底部侧壁上形成保护层，形成有保护层的鳍部为鳍部第一区域，未形成有保护层的鳍部为鳍部第二区域；在形成所述保护层之后，在所述保护层和鳍部上形成初始隔离层；在含氧氛围下，对所述初始隔离层进行退火处理，使所述初始隔离层转化为隔离层，且在所述退火处理过程中氧化所述鳍部第二区域，在所述鳍部第二区域的侧壁上形成氧化层；去除部分厚度的隔离层，且去除剩余隔离层露出的氧化层；在所述剩余隔离层上形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖所述鳍部的部分顶部和侧壁。
本发明通过在含氧氛围下，对所述初始隔离层进行退火处理，使所述初始隔离层转化为隔离层。在所述退火处理过程中，由于鳍部第一区域的侧壁上形成有保护层，使得所述鳍部第二区域被氧化，从而造成在沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底的方向上，所述鳍部第一区域的尺寸大于鳍部第二区域的尺寸，进而改善了鳍式场效应管工作时的自热效应问题。因此，提高了鳍式场效应管的电学性能。
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。
图2至图11是本发明鳍式场效应管的形成方法一实施例中各步骤对应结构示意图。
参考图2，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200上具有多个分立的鳍部210。
本实施例中，所述半导体衬底200的材料为硅。在本发明其他实施例中，所述半导体衬底200的材料还可以是锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。在其他实施例中，所述半导体衬底200还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。
本实施例中，所述鳍部210的材料为硅。在本发明其他实施例中，所述鳍部210的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
本实施例中，形成所述半导体衬底200以及鳍部210的工艺步骤包括：提供初始衬底；在所述初始衬底表面形成图形化的硬掩膜层；以所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述初始衬底，刻蚀后的初始衬底作为半导体衬底200，位于半导体衬底200表面的凸起作为鳍部210；保留刻蚀后位于鳍部210顶部的剩余硬掩膜层201。所述硬掩膜层201的材料为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或者氮化硼。
本实施例中，形成所述硬掩膜层201的工艺步骤包括：首先形成初始硬掩膜层；在所述初始硬掩膜层表面形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述初始硬掩膜层，在初始衬底表面形成硬掩膜层；去除所述图形化的光刻胶层。在其他实施例中，所述硬掩膜层的形成工艺还能够包括：自对准双重图形化(sadp，self-aligneddoublepatterned)工艺、自对准三重图形化(self-alignedtriplepatterned)工艺、或自对准四重图形化(self-aligneddoubledoublepatterned)工艺。所述双重图形化工艺包括lele(litho-etch-litho-etch)工艺或lle(litho-litho-etch)工艺。
在本发明其他实施例中，提供所述半导体衬底200的步骤之后，还可以在所述鳍部210上形成氧化层。所述氧化层的材料可以为氧化硅。
参考图3至图7，在鳍部210之间的半导体衬底200以及鳍部210底部侧壁上形成保护层220a，形成有保护层220a的鳍部210为鳍部第一区域，未形成有保护层220a的鳍部210为鳍部第二区域。
以下将结合图3至图7对所述保护层220a的形成方法进行详细说明。
参考图3，在所述半导体衬底200和鳍部210的表面覆盖保护膜220。
所述保护膜220为后续形成保护层提供工艺基础。
本实施例中，采用原子层沉积工艺(atomiclayerdeposition)形成所述保护膜220。原子层沉积工艺是一种可以将保护膜220以单原子膜形式一层一层地镀在所述半导体衬底200和鳍部210表面的方法。形成所述保护膜220的工艺参数为：提供前驱气体，所述前驱气体包括sih2cl2和nh3，工艺温度为200摄氏度至600摄氏度，压强为0.1mtorr至200mtorr，前驱体的气体流量为1500sccm至4000sccm，沉积次数为30次至100次。
本实施例中，所述保护膜220的材料是氮化硅。在其他实施例中，所述保护膜的材料还可以是硼氮化硅、碳氮化硅。
本实施例中，在沿垂直于鳍部210延伸方向且平行于半导体衬底200方向上，所述保护膜220的厚度为10埃至50埃。
参考图4，在所述保护膜220上形成有机介质层230，所述有机介质层230覆盖所述半导体衬底200以及鳍部210。
本实施例中，形成所述有机介质层230的步骤包括：在所述半导体衬底200上覆盖有机介质膜，所述有机介质膜顶部高于所述鳍部210顶部；刻蚀所述有机介质膜形成有机介质层230，所述有机介质层230顶部和所述鳍部210顶部齐平。
参考图5，去除部分厚度的所述有机介质层230，剩余有机介质层230表面低于所述鳍部210顶部表面。
所述剩余有机介质层230作为后续工艺中形成保护层的刻蚀停止层。
本实施例中，所述去除部分厚度的有机介质层230的工艺为干法刻蚀工艺，所述刻蚀工艺参数包括：刻蚀气体为ch4、h2和n2的混合气体，ch4的气体流量为10sccm至100sccm，h2的气体流量为200sccm至1000sccm，n2的气体流量为10sccm至300sccm，压强为1mtorr至150mtorr，刻蚀时间为50s至1450s，功率为500至3200w，电压为30v至200v。
所述去除的有机介质层230的厚度范围为300埃至600埃。
参考图6，以所述剩余有机介质层230为掩膜刻蚀所述保护膜220(参考图5)，形成保护层220a。
所述保护层220a位于鳍部210之间的半导体衬底200以及鳍部210底部侧壁上，形成有保护层220a的鳍部210为鳍部第一区域，未形成有保护层220a的鳍部210为鳍部第二区域。
所述保护层220a的厚度既不能过大也不能过小，若所述保护层220a的厚度过小，则容易使得后续退火处理工艺中所述鳍部第一区域被氧化，导致所述鳍部第一区域的尺寸变小；若所述保护层220a的厚度过大，则使得后续工艺在采用流体化学气相沉积形成初始隔离层的填充效果差。
为此，本实施例中，在沿垂直于鳍部210延伸方向且平行于半导体衬底200方向上，所述保护层220a的厚度范围为：10埃至50埃。
本实施例中，所述保护层220a的材料为氮化硅。在其他实施例中，所述保护层220a的材料还可以是硼氮化硅或者碳氮化硅。
本实施例中，所述保护层220a在后续工艺中起保护鳍式场效应管鳍部第一区域的作用。具体地，本实施例中，所述保护层220a在后续退火工艺中保护所述鳍部第一区域，从而防止鳍部第一区域被氧化之后的尺寸变小。
本实施例中，采用干法刻蚀的工艺刻蚀所述保护膜220，形成保护层220a，刻蚀工艺参数包括：刻蚀气体为n2和o2的混合气体，n2的气体流量为50sccm至800sccm，o2的气体流量为5sccm至110sccm，压强为0.1mtorr至200mtorr，刻蚀时间为4s至500s，功率为50至500w，电压为30v至100v。
参考图7，去除剩余有机介质层230(参考图6)。
本实施例中，去除剩余有机介质层230的工艺为干法刻蚀工艺，去除完所述剩余有机介质层230之后，所述半导体衬底200以及鳍部第一区域的侧壁上覆盖有保护层220a。
在本发明其他实施例中，去除剩余有机介质层230(参考图6)的步骤之后，还可以在所述保护层220a和鳍部第二区域上形成衬垫层(图未示)。所述衬垫层的作用是使得后续工艺氧化层的厚度得到有效控制。所述衬垫层的材料为氧化硅。
参考图8，采用流体化学气相沉积的方式在所述半导体衬底200以及鳍部210上覆盖初始隔离层240。
本实施例中，所述初始隔离层240顶部高于所述鳍部210顶部。所述初始隔离层240可以起到电学隔离相邻分立鳍部210的作用。所述初始隔离层240的材料为氧化硅。采用流体化学气相沉积工艺形成所述初始隔离层240，使得形成的初始隔离层240在半导体衬底200和鳍部210之间拐角处的填充效果好。
参考图9，在含氧氛围下，对所述初始隔离层240(参考图8)进行退火处理，使所述初始隔离层240转化为隔离层241，且在所述退火处理过程中氧化所述鳍部第二区域，在所述鳍部第二区域的侧壁上形成氧化层250。
本实施例中，所述退火工艺包括：水蒸气环境中，h2o2环境中，在300至800摄氏度下退火10至20分钟；h2o2环境中退火之后，在n2环境中，在850至1050摄氏度下退火20至150分钟。
需要说明的是，退火工艺的作用是固化所述初始隔离层240(参考图8)，使所述初始隔离层240转化为隔离层241。此外，在所述退火处理过程中，由于鳍部第一区域侧壁覆盖有保护层220a，使得所述退火处理对鳍部第一区域的氧化速率小于对鳍部第二区域的氧化速率，从而在所述鳍部第二区域的侧壁上形成氧化层250，进而使得在沿垂直于鳍部延伸方向且平行于半导体衬底200的方向上，所述鳍部第一区域的尺寸d1大于鳍部第二区域的尺寸d2。
本实施例中，由于鳍部第一区域的尺寸d1大于鳍部第二区域的尺寸d2，使得鳍式场效应管的散热效果得到提升。因此，提高了鳍式场效应管的电学性能。
本实施例中，所述隔离层241的作用是隔离相邻分立鳍部210，所述隔离层241的材料是氧化硅。所述氧化层250的材料为氧化硅。
参考图10，对所述隔离层241进行平坦化(cmp)处理，使所述隔离层241与所述硬掩膜层201表面齐平。
本实施例中，采用化学机械研磨的工艺对所述隔离层241进行平坦化处理，采用化学机械研磨工艺的作用是使得所述隔离层241获得全局平坦化。
参考图11，去除部分厚度的隔离层241，且去除剩余隔离层241露出的氧化层250；在所述剩余隔离层241上形成横跨所述鳍部210的栅极结构(图未示)，所述栅极结构覆盖鳍部210的部分顶部和侧壁。
本实施例中，剩余隔离层241顶部与所述鳍部第一区域顶部齐平；去除剩余隔离层241露出的全部氧化层250。在本发明其他实施例中，剩余隔离层241顶部还可以低于所述鳍部第一区域顶部，去除剩余隔离层241露出的全部氧化层250。或者剩余隔离层241顶部高于所述鳍部第一区域顶部；去除剩余隔离层241露出的氧化层250的步骤中，去除部分氧化层250。
相应地，本发明还提供一种鳍式场效应管，参考图12，所述鳍式场效应管包括：半导体衬底300，所述半导体衬底300上具有多个分立的鳍部310；位于鳍部310之间的半导体衬底300以及鳍部310底部侧壁上的保护层320，覆盖有保护层320的鳍部310为鳍部第一区域，未覆盖有保护层320的鳍部310为鳍部第二区域；沿垂直于鳍部310延伸方向且平行于半导体衬底300方向上，所述鳍部第一区域的尺寸大于鳍部第二区域的尺寸；位于所述鳍部310露出的衬底300上的隔离层340，所述隔离层340覆盖所述鳍部第一区域的部分侧壁表面，且所述隔离层340顶部与所述鳍部第一区域顶部齐平；横跨所述鳍部第二区域且位于所述隔离层340上的栅极结构(图未示)，所述栅极结构覆盖鳍部第二区域的部分顶部和侧壁。
以下将结合附图12对本实施例提供的鳍式场效应管进行详细说明。
本实施例中，所述半导体衬底300的材料为硅。在本发明其他实施例中，所述半导体衬底300还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。在其他实施例中，所述半导体衬底300还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。
本实施例中，所述鳍部310的材料为硅。在本发明其他实施例中，所述鳍部310的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
本实施例中，在沿垂直于鳍部310延伸方向且平行于半导体衬底300方向上，所述保护层320的厚度范围为：10埃至50埃。
本实施例中，所述保护层320的材料为氮化硅。在其他实施例中，所述保护层320的材料还可以是硼氮化硅或者碳氮化硅。
本实施例中，沿平行于半导体衬底300表面的方向，所述鳍部第一区域的尺寸d1大于鳍部第二区域的尺寸d2。由于鳍式场效应管的鳍部第一区域的尺寸d1大于鳍部第二区域的尺寸d2，使得鳍式场效应管的散热效果得到提升，从而改善了鳍式场效应管的自热效应，提高了鳍式场效应管的电学性能。
本实施例中，所述隔离层340顶部与所述鳍部第一区域顶部齐平。所述隔离层340的作用是隔离相邻分立鳍部310，所述隔离层340的材料为氧化硅。
在本发明其他实施例中，所述隔离层340顶部还可以低于或者高于所述鳍部第一区域顶部。所述隔离层340顶部高于所述鳍部第一区域顶部，所述鳍式场效应管还包括：位于所述鳍部第二区域部分侧壁上的氧化层(图未示)，所述氧化层位于所述隔离层340与所述鳍部第二区域之间。所述氧化层的材料为氧化硅。
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。