一种双栅极鳍式场效晶体管形成方法及结构与流程

本发明涉及一种半导体制备工艺，尤其涉及一种双栅极鳍式场效晶体管形成方法及结构。

背景技术：

随着半导体器件的尺寸越来越小，短沟道效应愈加明显。为了抑制短沟道效应，提出了在绝缘体上硅(soi，silicon-on-insulator)晶片或块状半导体衬底上形成的finfet(finfield-effecttransistor)。finfet包括在半导体材料的鳍片(fin)的中间形成的沟道区，以及在鳍片两端形成的源/漏区。栅电极在沟道区的两个侧面包围沟道区(即双栅结构)，从而在沟道各侧上形成反型层。由于整个沟道区都能受到栅极的控制，因此能够起到抑制短沟道效应的作用。

相比于传统的双栅(dualgate)结构的制作方法，如图1所示的美国专利us7,491,589b2提出了一种分别形成驱动栅(drivegate)和控制栅(controlgate)的工艺流程。提出的双栅(dualgate或doublegate)结构，通过调节控制栅可以有效改变驱动栅的阈值电压，提高器件性能。

然而在批量生产中，一方面，由于离子注入工艺很难在fin的垂直方向上分布均匀，使得fin的上下部分存在差异。另一方面，fin的有效沟道底部漏电较高。这就需要优化栅极结构来提升器件性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够在鳍垂直方向上设置多个栅极介质层从而有效降低鳍有效沟道底部的漏电，有效优化鳍式场效晶体管结构的方法以及根据该方法而制成的鳍式场效晶体管。

本发明首先提供了一种双栅极鳍式场效晶体管的形成方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双栅极鳍式场效晶体管的形成方法，包括以下步骤：

s1提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上形成一埋氧层；

s2在所述埋氧层上形成第一半导体层，并对所述第一半导体层图形化形成半导体鳍片层；

s3在所述半导体鳍片层的顶面及两侧面外延生长形成第二半导体层；

s4在所述第二半导体层及埋氧层上表面形成第一栅氧化层；

s5在所述第一栅氧化层表面形成第一栅极层；

s6在所述第一金属栅表面形成一氧化层并平整化所述氧化层使所述第一金属栅顶面露出；

s7对所述第一金属栅进行回刻并回刻停止于所述半导体鳍片层内；

s8去除所述半导体鳍片层以形成第一复合结构；

s9在所述第一复合结构表面形成第二栅氧化层；

s10在所述第二栅氧化层表面形成第二栅极层；

s11继续栅极和源漏区的制备工艺，以形成最终的双栅极鳍式场效晶体管

为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施为：

优选的，所述第二半导体层的材质为sige。

优选的，所述第一栅极层材质为多晶硅。

优选的，所述第二栅极层材质为金属。

优选的，所述第一栅极层和第二栅极层的材质相同。

优选的，所述第一栅极层和第二栅极层的材质不同。

优选的，所述步骤s7中的回刻工艺用化学机械研磨工艺替换。

优选的，所述外延生长的第二半导体层厚度为2—30nm。

优选的，所述第一栅极层和第二栅极层的厚度不同。

本发明还提供了一种根据上述方法形成的双栅极鳍式场效应晶体管结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双栅极鳍式场效应晶体管结构，采用上述方法形成，包括

一埋氧层，水平设置；

两所述第二半导体层，条状水平对称设置于所述埋氧层上；

两第一栅氧化层，l型对称设置，竖直内侧面与所述第二半导体层的外侧面相接并高度一致，水平底面与所述第二半导体层外侧面的埋氧层相接；

两第一栅极层，l型对称设置，竖直内侧面与所述第一栅氧化层的竖直外侧面相接并高度一致，水平底面与所述第一栅氧化层的水平上表面相接；

两氧化层，对称设置于所述第一栅极层的竖直外侧面；

一第二栅氧化层，设置于所述氧化层、第一栅极层、第一栅氧化层、第二半导体层和露出的埋氧层上表面；

一第二栅极层，设置于所述第二栅氧化层上；

所述第一栅极层为控制栅，所述第二栅极层为驱动栅。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的双栅极鳍式场效应晶体管的结构，其通过在鳍外侧面形成一个栅极作为控制栅，在鳍内侧面形成另一个栅极作为驱动栅，该结构不仅可以降低鳍的有效沟道底部的漏电，且通过调节控制栅的厚度可以有效改变驱动栅的阈值电压，还可以提高器件性能。

附图说明

图1为现有的美国专利结构示意图；

图2为本发明一种优选实施例中完成步骤s2后的结构剖面示意图；

图3为本发明一种优选实施例中完成步骤s3后的结构剖面示意图；

图4为本发明一种优选实施例中完成步骤s5后的结构剖面示意图；

图5为本发明一种优选实施例中完成步骤s6后的结构剖面示意图；

图6为本发明一种优选实施例中完成步骤s7后的结构剖面示意图；

图7为本发明一种优选实施例中完成步骤s8后的结构剖面示意图；

图8为本发明一种优选实施例中完成步骤s10后的结构剖面示意图；

图9为本发明一种优选实施例中双栅极鳍式场效应晶体管的制作流程示意图；

附图标记为：

1埋氧层；2半导体鳍片层；3第二半导体层；4第一栅氧化层；5第一栅极层；6氧化层；7第一复合结构；8第二栅氧化层；9第二栅极层。

具体实施方式

本发明提供了一种双栅极鳍式场效晶体管及其形成方法。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

如图9的流程图所示，本发明的一种优选实施例的双栅极鳍式场效晶体管的形成方法，包括以下步骤：

如图2所示，s1提供一半导体衬底(未示出)，在所述半导体衬底上形成一埋氧层1；

s2在所述埋氧层1上形成第一半导体层(未示出)，并对所述第一半导体层图形化形成半导体鳍片层2；

所述形成半导体鳍片层2的方法为先在埋氧层1上沉积一层第一半导体层，并对所述第一半导体层进行曝光、显影、刻蚀以得到半导体鳍片层2；

如图3所示，s3在所述半导体鳍片层2的顶面及两侧面外延生长形成第二半导体层3；所述半导体层3只外延生长于与所述半导体鳍片层2接触的位置。

如图4所示，s4在所述第二半导体层3及埋氧层1上表面形成第一栅氧化层4；

所述栅氧化层4将第二半导体层3及埋氧层1上表面覆盖并形成横跨第二半导体层3的拱形结构；

s5在所述第一栅氧化层4表面形成第一栅极层5；

所述栅极层5将第一栅氧化层4上表面覆盖并形成横跨第二半导体层3的拱形结构；

如图5所示，s6在所述第一栅极层5表面形成一氧化层6并平整化所述氧化层6使所述第一栅极层5顶面露出；

形成所述氧化层6的工艺为沉积，沉积到将第一栅极层5上表面完全覆盖，并将第一栅极层5的侧面的高度也填充到与第一栅极层5上表面的高度一致。然后对氧化层6进行平整化，也可采用化学机械研磨方法，研磨到直至露出第一栅极层5的顶面。最终的氧化层6设置于第一栅极层5的两侧面位置。

如图6所示，s7对所述第一栅极层5进行回刻并回刻停止于所述半导体鳍片层2内；

回刻的范围为除氧化层6以外的第一栅极层5的上表面开始刻蚀，一直刻蚀到露出半导体鳍片层2的位置，以方便后续的工艺；

如图7所示，s8去除所述半导体鳍片层2以形成第一复合结构7；只去除掉半导体鳍片层2；所述去除的方法为刻蚀。

如图8所示，s9在所述第一复合结构7表面形成第二栅氧化层8；在所述第一复合结构7的上表面进行沉积以形成第二栅氧化层8；

s10在所述第二栅氧化层8表面形成第二栅极层9；在所述第二栅氧化层8上表面沉积形成第二栅极层9，沉积到高过氧化层6的顶面的位置，并将原半导体鳍片层2的空腔完全填充后，再将表面平整化。

s11继续栅极和源漏区的制备工艺，以形成最终的双栅极鳍式场效晶体管。

进一步的，在一种较佳的实施例中，所述第二半导体层3的材质为sige或其他半导体材质。

再一步的，在一种较佳的实施例中，所述第一栅极层5材质为多晶硅。

更一步的，在一种较佳的实施例中，所述第二栅极层9材质为金属。

优选的，所述第一栅极层5和第二栅极层9的材质相同。材质相同时可选择多晶硅、金属合金等材质，如非晶态金属等。当所述第一栅极层5和第二栅极层9的材质不同时，可选用多晶硅，金属栅极材质等。

再一步的，在一种较佳的实施例中，所述步骤s7中的回刻工艺用化学机械研磨工艺替换。当用化学机械研磨工艺替换时，所述氧化层6也会被磨平到与所述半导体鳍片层2的位置一致的高度。

再一步的，在一种较佳的实施例中，所述外延生长的第二半导体层3厚度为2—30nm。

再一步的，在一种较佳的实施例中，所述第一栅极层5和第二栅极层9的厚度不同。当厚度不同时，更利于调节阈值电压。

本发明还提供一种双栅极鳍式场效应晶体管结构，包括

一埋氧层1，水平设置；

两所述第二半导体层3，条状水平对称设置于所述埋氧层1上；

两第一栅氧化层4，l型对称设置，竖直内侧面与所述第二半导体层3的外侧面相接并高度一致，水平底面与所述第二半导体层3外侧面的埋氧层1相接；

两第一栅极层5，l型对称设置，竖直内侧面与所述第一栅氧化层4的竖直外侧面相接并高度一致，水平底面与所述第一栅氧化层4的水平上表面相接；

两氧化层6，对称设置于所述第一栅极层5的竖直外侧面；

一第二栅氧化层8，设置于所述氧化层6、第一栅极层5、第一栅氧化层4、第二半导体层3和露出的埋氧层1上表面；

一第二栅极层9，设置于所述第二栅氧化层8上。

所述第一栅极层5为控制栅，所述第二栅极层9为驱动栅。

需要说明的是，在本发明的实施例中，第一栅氧化层4和第二栅氧化层8的材料可以相同或不同。较佳地，当第一栅氧化层4和第二栅氧化层8的材料相同时，可以选择氮氧化硅材料或者是氮氧化硅与高k材料的组合；并且，当第一栅氧化层4和第二栅氧化层8的材料相同时，可以通过第一栅氧化层4和第二栅氧化层8选择不同的厚度，来调节阈值电压。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。