一种鳍式场效应晶体管及其制备方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种鳍式场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

为了满足电子设备不断小型化的需求，半导体器件的尺寸不断缩小，鳍式场效应晶体管(finfield-effecttransistor，finfet)的出现解决了传统的互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)晶体管在20nm线程以下时出现的源极和漏极之间的漏电流现象，真正将半导体器件的制程带入到了20nm线程以下领域，为半导体器件的小型化提供了新的方向。

鳍式场效应晶体管的结构如图1所示，包括：位于所述衬底10表面的多个鳍部11，位于相邻的所述鳍部11之间的隔离部(图1中未示出)；位于所述鳍部背离所述衬底一侧的源区12、沟道区13和漏区14，所述沟道区13位于所述源区12和漏区14之间；位于所述鳍部11背离所述衬底10一侧表面的栅极结构20，所述栅极结构20朝向所述衬底10一侧的锗鳍11为所述沟道区13，位于所述栅极结构两侧，覆盖所述栅极结构侧面的侧墙30以及覆盖所述鳍部11、隔离部侧面和顶面以及所述侧墙30侧面的层间介质层40。

现有技术中在形成鳍式场效应晶体管的栅极结构时，通常采用假栅工艺，即在衬底10表面形成鳍部11和隔离部之后，先形成包括假栅介质层和假栅的栅极结构，然后在完成后续工艺后采用后栅工艺去除假栅结构，并在去除假栅结构后留下的栅极开口中形成栅极结构，其中，由于假栅的立体形状的限制，在刻蚀形成假栅的过程中，位于鳍部11上方(背离衬底10一侧)的假栅先形成，这就导致在鳍部11顶部以下的栅极部分的刻蚀过程中，位于鳍部11上方的假栅需要经历长时间的过刻蚀，从而形成凹陷或表面损伤等受损现象，这些受损现象会对后续形成的栅极结构的形貌造成不良影响，对最终形成的鳍式场效应晶体管的电学性能产生不良影响。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种鳍式场效应晶体管及其制备方法，以解决由于在假栅的形成过程中，位于鳍部上方的假栅经历长时间过刻蚀而形成的凹陷等受损现象的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种鳍式场效应晶体管的制备方法，包括：

提供衬底，所述衬底表面具有多个相间排列的隔离部和鳍部，所述隔离部部分覆盖所述鳍部侧壁；

在所述鳍部背离所述衬底一侧表面沉积假栅介质层，以使所述假栅介质层覆盖所述鳍部的裸露表面；

在所述隔离部和鳍部背离所述衬底一侧表面沉积假栅层；

对所述假栅层进行第一次刻蚀，以形成假栅雏形结构，所述第一次刻蚀的持续时间为第一预设时间；

对所述假栅雏形结构进行氮化处理，以在所述假栅雏形结构背离所述衬底一端表面形成绝缘薄膜；

对氮化处理后的假栅雏形结构进行第二次刻蚀，以形成横跨至少一个所述鳍部的假栅，所述假栅与所述假栅介质层构成假栅结构，所述第二次刻蚀的持续时间为第二预设时间，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值大于或等于1，所述第一预设时间与第二预设时间之和等于假栅主刻蚀工艺所需时间。

可选的，所述对所述假栅雏形结构进行氮化处理，以在所述假栅雏形结构背离所述衬底一端表面形成绝缘薄膜包括：

将所述假栅雏形结构所处环境的反应墙体压力设置为70-80毫托，每分钟通入40-60毫升氮气，以700-900瓦的反应功率对所述假栅雏形结构氮化处理90-110秒。

可选的，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值的取值范围为包括端点值。

可选的，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值为0.65：0.35。

可选的，所述对氮化处理后的假栅雏形结构进行第二次刻蚀之后还包括：

对所述假栅进行过刻蚀。

可选的，所述对所述假栅进行过刻蚀之后还包括：

在所述假栅结构两侧形成侧墙，所述侧墙覆盖所述假栅结构的侧面；

在所述鳍部内部、沟道区两侧形成源区和漏区，所述沟道区为所述假栅朝向所述衬底一侧的鳍部；

形成覆盖所述鳍部、隔离部侧面和顶面以及所述侧墙侧面的层间介质层；

采用后栅工艺去除所述假栅结构，以形成栅极开口；

在所述栅极开口中形成栅极结构。

可选的，所述在所述栅极开口中形成栅极结构包括：

在所述栅极开口中沉积高k材料，形成栅极介质层；

在所述栅极介质层表面沉积导电材料，形成栅极。

可选的，所述衬底的形成过程包括：

提供初始衬底；

在所述初始衬底表面形成掩模图形；

以所述掩膜图形为掩膜对所述初始衬底进行刻蚀，以形成多个分立的鳍部；

去除所述掩膜图形，在所述鳍部之间填充绝缘材料，以形成隔离结构；

对所述隔离结构执行平坦化工艺，直至暴露出所述鳍部的顶部；

减薄所述隔离结构，以暴露出所述鳍部的部分侧壁，剩余的所述隔离结构成为所述隔离部。

一种鳍式场效应晶体管，采用如上述任一项所述的鳍式场效应晶体管的制备方法制备。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种鳍式场效应晶体管及其制备方法，其中，所述鳍式场效应晶体管的制备方法将假栅的主刻蚀过程分为两次刻蚀过程，即对假栅层的第一次刻蚀和对假栅雏形结构的第二次刻蚀，并且在两次主刻蚀过程中引入了一次氮化处理，以在第一次刻蚀形成的假栅雏形结构背离衬底一端表面形成绝缘薄膜，所述绝缘薄膜在第二次刻蚀过程中起到了对假栅雏形结构背离所述衬底一端的假栅的保护作用，避免了顶部的假栅在第二次刻蚀过程中被长时间过刻蚀而形成凹陷等受损现象的可能，从而改善了后续形成的鳍式场效应晶体管的栅极的形貌，进而改善了最终形成的鳍式场效应晶体管的电学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的鳍式场效应晶体管的剖面结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图3-图12(b)为本申请的一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备流程示意图；

图13为本申请的另一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图14为本申请的又一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图15为本申请的再一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图16为本申请的一个具体实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图17为本申请的一个实施例提供的一种鳍式场效应晶体管的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种鳍式场效应晶体管的制备方法，如图2所示，包括：

s101：提供衬底，所述衬底表面具有多个相间排列的隔离部和鳍部，所述隔离部部分覆盖所述鳍部侧壁；

具体地，所述衬底的形成过程包括：

如图3所示，在一块平整的初始衬底表面形成掩模图形。所述初始衬底的材质可以是体硅或绝缘体上硅等常用的半导体硅基衬底。所述掩膜图形可以采用旋涂或喷涂或丝网印刷或气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)等工艺形成，所述掩模图形可以是光刻胶的软质掩膜，还可以是氮化物或氧化物或其堆叠结构(例如ono结构)的硬质掩膜，本申请对所述初始衬底的具体种类和所述掩膜图形的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定；图3中的标号n0表示所述初始衬底，pr表示所述掩模图形。

如图4所示，图4中的标号101表示鳍部，以所述掩模图形为掩膜，刻蚀所述初始衬底，形成具有多个分立的鳍部的衬底。对所述初始衬底进行刻蚀的工艺优选采用各向异性的刻蚀方法，例如采用氟基等离子干法刻蚀、反应离子刻蚀(reactiveionetching，rie)，或者采用四甲基氢氧化铵(tmah)或氢氧化钾(koh)湿法刻蚀。优选地，控制刻蚀参数，使得所述硅鳍部101的深宽比大于5:1并且优选大于10:1。

在形成多个分立的鳍部之后，采用等离子刻蚀、灰化等干法工艺或者采用氧化剂与酸液混合物的湿法工艺去除所述掩模图形。如图5所示，接着采用高深宽比沉积工艺(harp)、高密度等离子化学气相沉积工艺(hdpcvd)或者可流动化学气相沉积工艺(flowablecvd)在所述鳍部之间的凹槽中填充绝缘材料形成隔离结构。形成所述隔离结构的绝缘材料可以为氧化硅、氮氧化硅或者低k材料，其中，所述低k材料包括但不限于有机低k材料(例如含芳基或者多元环的有机聚合物)、无机低k材料(例如无定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃、bsg、psg和bpsg)、多孔低k材料(例如二硅三氧烷(ssq)基多孔低k材料、多孔二氧化硅、多孔sioch、掺c二氧化硅、掺f多孔无定形碳、多孔金刚石和多孔有机聚合物)。

在这个过程中，由于所述鳍部相对于所述衬底存在突起，使得形成的隔离结构的顶部也在所述鳍部的顶部对应位置处具有相应的突起。

如图6所示，对所述隔离结构执行平坦化工艺，直至暴露出所述鳍部的顶部。所述平坦化工艺可以是化学机械抛光(chemicalmechanicalpolish，cmp)工艺或者是针对所述隔离部与所述鳍部的刻蚀选择性而执行的回刻工艺(etch-back)，留在所述鳍部之间的隔离结构构成了finfet的隔离部，也称作浅沟槽隔离，图6中的标号sti表示所述隔离部。

如图7所示，利用浅沟槽氧化物减薄法减薄所述隔离部，露出所述鳍部的部分侧壁。在本申请的其他实施例中，还可以采用各向异性的干法刻蚀工艺，或者采用稀释的氢氟酸或稀释的缓释刻蚀剂湿法腐蚀对所述隔离部进行减薄。露出的鳍部的高度可以取决于finfet器件中包围栅极的形貌需求。

经过图2-图7的步骤形成的鳍部为硅鳍部，在本申请的其他实施例中，还可以通过各向异性的刻蚀工艺，选择性刻蚀去除所述硅鳍部，然后在硅鳍部去除后留下的凹槽中沉积其他具有较高电子迁移率和空穴迁移率的材料来作为鳍部，这些材料包括但不限于锗、砷化镓、硅锗。

s102：在所述鳍部背离所述衬底一侧表面沉积假栅介质层，以使所述假栅介质层覆盖所述鳍部的裸露表面；

参考图8，图8为经过步骤s102后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图，图8中的标号200a表示所述假栅介质层。

s103：在所述隔离部和鳍部背离所述衬底一侧表面沉积假栅层；

参考图9，图9为经过步骤s103后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图。所述假栅介质层及假栅层的形成可以采用等离子体增强化学气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)或高密度等离子体化学气相沉积法(hdpcvd)或分子束外延(molecularbeamepitaxy，mbe)或原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)或热蒸发火氧化或磁控溅射等工艺。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定，图9中的标号200b表示所述假栅层。

所述假栅介质层的材质可以是氧化硅，所述假栅层的材质可以为多晶硅或非晶硅或微晶硅或多晶锗或非晶锗或非晶碳等，所述假栅介质层和假栅层的材质选择以提高与周围其他材料的刻蚀选择性。

s104：对所述假栅层进行第一次刻蚀，以形成假栅雏形结构，所述第一次刻蚀的持续时间为第一预设时间；

参考图10，图10为经过步骤s104后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图。需要说明的是，所述第一次刻蚀是指形成假栅过程中的主刻蚀(mainetch，me)过程的一部分，在第一次刻蚀结束后，需要形成鳍部顶部背离所述衬底一侧的假栅部分。所述主刻蚀的刻蚀时间根据所述假栅层的厚度而定，图10中的标号200c表示假栅雏形结构中高于鳍部顶部的部分，这部分在后续的工艺中形成假栅中高于鳍部顶部的部分，200d表示假栅雏形结构中低于鳍部顶部的部分。

s105：对所述假栅雏形结构进行氮化处理，以在所述假栅雏形结构背离所述衬底一端表面形成绝缘薄膜；

参考图11，图11为经过步骤s105后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图，图11中的标号300表示所述绝缘薄膜，需要说明的是，当形成假栅层的材料为非晶硅时，我们认为在经过氮化处理后，形成的绝缘薄膜为氮化硅薄膜或氮氧化硅薄膜。

s106：对氮化处理后的假栅雏形结构进行第二次刻蚀，以形成横跨至少一个所述鳍部的假栅，所述假栅与所述假栅介质层构成假栅结构，所述第二次刻蚀的持续时间为第二预设时间，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值大于或等于1，所述第一预设时间与第二预设时间之和等于假栅主刻蚀工艺所需时间。

参考图12(a)和图12(b)，图12(a)为经过步骤s106后的衬底及其表面结构的俯视结构示意图，图12(b)为图12(a)沿a-a线的剖面结构示意图，其中，sti表示隔离部，101表示鳍部，300表示覆盖假栅的绝缘薄膜，200c和200e共同构成所述假栅，200a表示所述假栅介质层。

所述第二次刻蚀和第一次刻蚀共同构成了形成假栅过程中的主刻蚀功过程，由于一般情况下对假栅的主刻蚀通常采用等离子体刻蚀工艺，由于在经过步骤s105后，位于鳍部顶部以上的假栅部分表面覆盖了一层绝缘薄膜，在后续的第二次刻蚀过程中，带电等离子体无法在绝缘体表面聚集，而只能聚集在未刻蚀的假栅层周围，这样就可以有效地预防带电活性离子在鳍部顶部以上的假栅部分表面的团聚，减轻在第二次刻蚀过程中对位于鳍部顶部以上的假栅的刻蚀作用，抑制或消除在刻蚀过程中该部分假栅出现内凹的现象。

优选的，所述假栅横跨所述衬底上的所有鳍部。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图13所示，所述对所述假栅雏形结构进行氮化处理，以在所述假栅雏形结构背离所述衬底一端表面形成绝缘薄膜包括：

s1051：将所述假栅雏形结构所处环境的反应墙体压力设置为70-80毫托，每分钟通入40-60毫升氮气，以700-900瓦的反应功率对所述假栅雏形结构氮化处理90-110秒。

更优选的，氮化工艺的工艺参数优选为：将所述假栅雏形结构所处环境的反应墙体压力设置为80毫托，每分钟通入50毫升氮气，以800瓦的反应功率对所述假栅雏形结构氮化处理100秒；

该氮化处理过程可简写为80mt/800w/50n2/100s，即在反应墙体压力为80毫托，反应功率为800瓦，通入50sccm(每分钟50毫升)的氮气，反应时间为100秒。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值的取值范围为包括端点值。

需要说明的是，一般情况下，位于鳍部顶部以上部分的假栅需要的刻蚀时间是大于位于鳍部顶部一下部分的假栅的刻蚀时间的，也就是说，所述第一预设时间需要大于或等于所述第二预设时间，在本申请的一个实施例中，所述第一预设时间占主刻蚀总时间的50％-70％，包括端点值；

优选的，所述第一预设时间与所述第二预设时间的比值为0.65：0.35。即所述第一预设时间占主刻蚀总时间的65％。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，如图14所示，所述对氮化处理后的假栅雏形结构进行第二次刻蚀之后还包括：

s107：对所述假栅进行过刻蚀。

一般情况下，在形成假栅的主刻蚀工艺之后，需要进行过刻蚀(overetch，oe)工艺对形成的假栅进行修饰，以使形成的假栅具有一个较好的形貌特征。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中提供了在形成假栅后的工序，如图15所示，所述对所述假栅进行过刻蚀之后还包括：

s108：在所述假栅结构两侧形成侧墙，所述侧墙覆盖所述假栅结构的侧面；

s109：在所述鳍部内部、沟道区两侧形成源区和漏区，所述沟道区为所述假栅朝向所述衬底一侧的鳍部；

s110：形成覆盖所述鳍部、隔离部侧面和顶面以及所述侧墙侧面的层间介质层；

s111：采用后栅工艺去除所述假栅结构，以形成栅极开口；

s112：在所述栅极开口中形成栅极结构。

具体的，如图16所示，所述在所述栅极开口中形成栅极结构包括：

s1121：在所述栅极开口中沉积高k材料，形成栅极介质层；

s1122：在所述栅极介质层表面沉积导电材料，形成栅极。

沉积高k材料和导电材料所采用的工艺可以为hdpcvd或mocvd或mbe或ald。所述高k材料包括但不限于氮化物(例如sin、aln、tin)、金属氧化物(主要为副族和镧系金属元素氧化物，例如mgo、al2o3、ta2o5、tio2、zno、zro2、hfo2、ceo2、y2o3、la2o3)、氮氧化物(如hfsion)；钙钛矿相氧化物(例如pbzrxti1-xo3(pzt)、baxsr1-xtio3(bst))。所述栅极的材料包括但不限于多晶硅、多晶锗硅、或金属，其中金属可包括co、ni、cu、al、pd、pt、ru、re、mo、ta、ti、hf、zr、w、ir、eu、nd、er、la等金属单质、或这些金属的合金以及这些金属的氮化物，所述栅极600b中还可掺杂有c、f、n、o、b、p、as等元素以调节功函数。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述栅极介质层与栅极之间还优选通过pvd、cvd、ald等常规方法形成氮化物的阻挡层，阻挡层材质为mxny、mxsiynz、mxalynz、maalxsiynz，其中m为ta、ti、hf、zr、mo、w或其它元素。更优选地，所述栅极与阻挡层不仅采用上下叠置的复合层结构，还可以采用混杂的注入掺杂层结构，也即构成所述栅极与阻挡层的材料同时沉积在所述栅极介质层上，因此所述栅极600b包括上述阻挡层的材料。之后，进一步刻蚀ild形成暴露所述抬升源区hs和抬升漏区hd的接触孔，在接触孔内填充w、al、cu、ti、ta、mo等金属、金属合金、金属氮化物等形成接触塞。并进一步优选地在此之前在接触孔内形成镍基金属硅化物以降低接触电阻。

相应的，本申请实施例还提供了一种鳍式场效应晶体管，所述鳍式场效应晶体管采用如上述任一实施例所述的鳍式场效应晶体管的制备方法制备。

可选的，如图17所示，所述鳍式场效应晶体管包括：位于所述衬底100表面的多个鳍部101，位于相邻的所述鳍部101之间的隔离部(图1中未示出)；位于所述鳍部背离所述衬底一侧的源区102、沟道区103和漏区104，所述沟道区103位于所述源区102和漏区104之间；位于所述鳍部101背离所述衬底100一侧表面的栅极结构500，所述栅极结构500朝向所述衬底100一侧的锗鳍101为所述沟道区103，位于所述栅极结构两侧，覆盖所述栅极结构侧面的侧墙600以及覆盖所述鳍部101、隔离部侧面和顶面以及所述侧墙600侧面的层间介质层400，

但需要说明的是，在本申请的其他实施例中，所述鳍部101可以是硅鳍部，还可以是锗鳍部，还可以是由硅锗鳍和锗鳍构成的鳍部。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

综上所述，本申请实施例提供了一种鳍式场效应晶体管及其制备方法，其中，所述鳍式场效应晶体管的制备方法将假栅的主刻蚀过程分为两次刻蚀过程，即对假栅层的第一次刻蚀和对假栅雏形结构的第二次刻蚀，并且在两次主刻蚀过程中引入了一次氮化处理，以在第一次刻蚀形成的假栅雏形结构背离衬底一端表面形成绝缘薄膜，所述绝缘薄膜在第二次刻蚀过程中起到了对假栅雏形结构背离所述衬底一端的假栅的保护作用，避免了顶部的假栅在第二次刻蚀过程中被长时间过刻蚀而形成凹陷等受损现象的可能，从而改善了后续形成的鳍式场效应晶体管的栅极的形貌，进而改善了最终形成的鳍式场效应晶体管的电学性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。