半导体结构及其形成方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的进步，对更高的存储容量、更快的处理系统、更高的性能和更低的成本的需求不断增加。为了满足这些需求，半导体工业继续按比例缩小半导体器件的尺寸，鳍式场效应晶体管(finfet)等三维结构的设计成为半导体领域关注的热点。
3.然而随着fin fet技术的进一步发展，鳍片的宽度变小，高度变高，且鳍片之间的间隔也缩小，这样鳍片容易倾倒或与相邻的鳍片发生粘连。因此，有必要提供更有效、更可靠的技术方案，避免鳍片的倾倒或粘连。


技术实现要素：

4.本技术提供一种半导体结构及其形成方法，可以避免鳍片倾倒或发生粘连。
5.本技术的一个方面提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面形成有种子鳍片以及位于所述种子鳍片两侧的隔离层，所述隔离层的顶面低于所述种子鳍片的顶面；在所述种子鳍片侧壁交替形成若干牺牲层和若干鳍片；在所述若干鳍片和若干牺牲层的顶面和侧壁形成伪栅极层；在所述隔离层表面形成层间介质层，所述层间介质层顶面与所述伪栅极层顶面共面；去除所述伪栅极层和所述若干牺牲层；形成完全覆盖所述若干鳍片和种子鳍片的金属栅极。
6.在本技术的一些实施例中，在所述种子鳍片侧壁交替形成若干牺牲层和若干鳍片的方法包括：在所述种子鳍片的顶面和侧壁交替形成若干牺牲材料层和鳍片材料层；形成完全覆盖所述若干牺牲材料层和鳍片材料层的介质层；使用化学机械研磨工艺研磨所述介质层、所述若干牺牲材料层和鳍片材料层至暴露所述种子鳍片；去除所述介质层。
7.在本技术的一些实施例中，在所述种子鳍片的顶面和侧壁交替形成若干牺牲材料层和鳍片材料层的方法包括外延生长。
8.在本技术的一些实施例中，形成所述种子鳍片和所述隔离层的方法包括：提供半导体衬底；刻蚀所述半导体衬底形成所述种子鳍片；形成覆盖所述半导体衬底和所述种子鳍片的隔离材料层；研磨所述隔离材料层至暴露所述种子鳍片顶面；回刻蚀所述隔离材料层形成所述隔离层。
9.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片和所述隔离层的高度差为10-100纳米。
10.在本技术的一些实施例中，所述若干牺牲层的厚度为5-30纳米，所述若干鳍片和所述种子鳍片的厚度为3-10纳米。
11.在本技术的一些实施例中，所述若干牺牲层的材料包括硅锗，所述若干鳍片的材料包括硅。
12.本技术的另一个方面还提供一种半导体结构，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底表面上的隔离层；种子鳍片，位于所述隔离层的侧面，所述种子鳍片的底部与半导体衬
底共面且与隔离层侧面共面；若干鳍片，位于所述隔离层的顶面以及所述种子鳍片两侧，所述种子鳍片与所述若干鳍片的顶面共面；金属栅极，位于所述隔离层表面完全覆盖所述鳍片；层间介质层，位于所述金属栅极两侧的隔离层表面，所述层间介质层顶面与所述金属栅极顶面共面。
13.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片和所述隔离层的高度差为10-100纳米。
14.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片和所述若干鳍片之间的间距为5-30纳米，所述若干鳍片和所述种子鳍片的厚度为3-10纳米。
15.本技术提供一种半导体结构及其形成方法，在鳍片之间采用牺牲层支撑，可以避免鳍片倾倒或发生粘连。
附图说明
16.以下附图详细描述了本技术中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本技术的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本技术中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
17.图1至图14为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。
具体实施方式
18.以下描述提供了本技术的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本技术中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本技术不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
19.下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
20.目前的fin fet结构制作工艺中，采用侧墙图形转移方式来形成鳍片，鳍片之间缺乏支撑，容易倾倒(尤其是当鳍片越来越薄，越来越高时)，此外鳍片之间间距也在缩小，鳍片之间容易发生粘连。
21.针对上述问题，本技术提供一种半导体结构及其形成方法，采用交替外延的方式形成高密度的鳍片阵列，在鳍片之间采用牺牲层支撑，直到要形成金属栅极之前再去除牺牲层，从而避免在工艺过程中鳍片倾倒或发生粘连。
22.图1至图14为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。下面结合附图对本技术实施例所述的半导体结构及其形成方法进行详细说明。
23.参考图1至图5，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100表面形成有种子鳍片110以及位于所述种子鳍片110两侧的隔离层120，所述隔离层120的顶面低于所述种子鳍片110的顶面。
24.参考图1所示，提供半导体衬底100。
25.在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底100的材料包括(i)元素半导体，例如硅或锗等；(ii)化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、磷化镓或磷化铟等；(iii)合金半导体，
例如硅锗碳化物、硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟等；或(iv)上述的组合。此外，所述半导体衬底100可以被掺杂(例如，p型衬底或n型衬底)。在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底100可以掺杂有p型掺杂剂(例如，硼、铟、铝或镓)或n型掺杂剂(例如，磷或砷)。
26.参考图2所示，刻蚀所述半导体衬底100形成所述种子鳍片110。刻蚀所述半导体衬底100的方法包括湿法刻蚀或干法刻蚀等。
27.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片110的位置位于当前的半导体衬底100的中心部分。出于简洁，附图不便展示整个半导体衬底的结构，只是展示了部分半导体衬底的结构(例如一个独立的有源区域或器件区域)。所述种子鳍片110位于中心，便于向两侧生长其余鳍片。
28.参考图3所示，形成覆盖所述半导体衬底100和所述种子鳍片110顶面和侧壁的隔离材料层120a。形成所述隔离材料层120a的方法包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等。所述隔离材料层120a的材料包括氧化硅。
29.参考图4所示，研磨所述隔离材料层120a至暴露所述种子鳍片110顶面。所述研磨例如为化学机械研磨工艺。
30.参考图5所示，回刻蚀所述隔离材料层120a形成所述隔离层120。所述回刻蚀例如为湿法刻蚀或干法刻蚀等。所述隔离层120可以隔离后续的鳍片和半导体衬底，也可以隔离相邻的有源区。
31.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片110和所述隔离层120的高度差为10-100纳米。所述高度差可以定义后续形成的鳍片的高度，其可以根据具体需求来设置。
32.参考图6至图9，在所述种子鳍片110侧壁交替形成若干牺牲层130和若干鳍片140。
33.参考图6所示，在所述种子鳍片110的顶面和侧壁交替形成若干牺牲材料层130a和鳍片材料层140a。
34.在本技术的一些实施例中，在所述种子鳍片110的顶面和侧壁交替形成若干牺牲材料层130a和鳍片材料层140a的方法包括外延生长。
35.参考图7所示，形成完全覆盖所述若干牺牲材料层130a和鳍片材料层140a的介质层150。形成所述介质层150的方法包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等。所述介质层150的材料包括氧化硅或氮化硅等。
36.参考图8所示，使用化学机械研磨工艺研磨所述介质层150、所述若干牺牲材料层130a和鳍片材料层140a至暴露所述种子鳍片110顶面。
37.参考图9所示，去除所述介质层150，在所述种子鳍片110侧壁交替形成了若干牺牲层130和若干鳍片140。去除所述介质层150的方法包括湿法刻蚀或干法刻蚀等。
38.在本技术的一些实施例中，所述若干牺牲层130的厚度为5-30纳米。所述若干牺牲层130的厚度就是鳍片之间的间距。
39.在本技术的一些实施例中，所述若干鳍片140和所述种子鳍片110的厚度为3-10纳米。所述种子鳍片110和所述若干鳍片140共同构成fin fet器件的鳍片结构，因此所述种子鳍片110和所述若干鳍片140的厚度以及材料等最好相同。
40.在本技术的一些实施例中，所述若干牺牲层130的材料包括硅锗，所述若干鳍片140的材料包括硅。
41.在本技术的一些实施例中，所述若干鳍片140的数量可以根据具体的工艺和器件
性能要求来设置。
42.常规工艺中，鳍片最初形成时就是分立的，不相连的，鳍片之间没有支撑，鳍片在后续工艺中容易倾倒，且由于鳍片间距小，鳍片之间容易发生粘连。而本技术所述的半导体结构的形成方法中，参考图9所示，初始的鳍片140之间由牺牲层130作为支撑，因此鳍片不会倾倒，直到要形成金属栅极之前再去除所述牺牲层130，则鳍片140之间不会发生粘连。
43.此外，所述若干鳍片140与半导体衬底100之间由隔离层120隔离，可以避免在鳍片140的根部栅极无法控制的位置形成并联的寄生晶体管，导致器件开启电压波动或漏电流增加。
44.参考图10所示，在所述若干鳍片140和若干牺牲层130以及种子鳍片110的顶面和侧壁形成伪栅极层160。所述伪栅极层160的材料包括多晶硅。形成所述伪栅极层160的方法包括化学气相沉积工艺和刻蚀工艺等。
45.在本技术的一些实施例中，所述伪栅极层160和所述若干鳍片140和若干牺牲层130以及种子鳍片110的顶面和侧壁还可以形成有氧化层(图中未示出)。
46.在本技术的一些实施例中，所述半导体结构的形成方法还可以包括：阱区离子注入；侧墙形成；源极和漏极形成。形成阱区、侧墙、源漏的工艺与常规工艺类似，在此不做赘述。
47.参考图11所示，在所述隔离层120表面形成层间介质层170，所述层间介质层170顶面与所述伪栅极层160顶面共面。所述层间介质层170的材料包括氧化硅。形成所述层间介质层170的方法包括化学气相沉积工艺和化学机械研磨工艺等。
48.参考图12所示，去除所述伪栅极层160。去除所述伪栅极层160的方法包括湿法刻蚀或干法刻蚀等。
49.参考图13所示，去除所述若干牺牲层130。去除所述若干牺牲层130的方法包括湿法刻蚀或干法刻蚀等。
50.在去除伪栅极层160之后才去除牺牲层130，此时鳍片140的两端(垂直于附图平面的方向)已经形成了源漏，所述源漏可以继续支撑所述若干鳍片，避免鳍片倾倒或发生粘连。
51.参考图14所示，形成完全覆盖所述若干鳍片140和种子鳍片110的金属栅极180。所述金属栅极180的材料包括铝。形成所述金属栅极180的方法包括化学气相沉积工艺和化学机械研磨工艺等。
52.在本技术的一些实施例中，所述半导体结构的形成方法还可以包括：在金属栅极和源漏表面形成接触孔；在所述接触孔底部形成金属硅化物；在金属硅化物表面形成接触结构。形成接触孔、金属硅化物、接触结构的工艺与常规工艺类似，在此不做赘述。
53.本技术所述的半导体结构的形成方法中，在形成金属栅极之前，在鳍片之间采用牺牲层支撑，直到要形成金属栅极时再去除牺牲层，可以避免工艺过程中鳍片倾倒或发生粘连。
54.本技术的实施例还提供一种半导体结构，参考图14所示，包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100表面形成有种子鳍片110以及位于所述种子鳍片110两侧的隔离层120，所述隔离层120的顶面低于所述种子鳍片110的顶面；若干鳍片140，位于所述种子鳍片110两侧的隔离层120上；金属栅极180，位于所述隔离层120表面完全覆盖所述若干鳍片140和种
子鳍片110；层间介质层170，位于所述金属栅极180两侧的隔离层120表面，所述层间介质层170顶面与所述金属栅极180顶面共面。
55.参考图14所示，在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底100的材料包括(i)元素半导体，例如硅或锗等；(ii)化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、磷化镓或磷化铟等；(iii)合金半导体，例如硅锗碳化物、硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟等；或(iv)上述的组合。此外，所述半导体衬底100可以被掺杂(例如，p型衬底或n型衬底)。在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底100可以掺杂有p型掺杂剂(例如，硼、铟、铝或镓)或n型掺杂剂(例如，磷或砷)。
56.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片110的位置位于当前的半导体衬底100的中心部分。出于简洁，附图不便展示整个半导体衬底的结构，只是展示了部分半导体衬底的结构(例如一个独立的有源区域或器件区域)。
57.继续参考图14，所述隔离层120可以隔离后续的鳍片和半导体衬底，也可以隔离相邻的有源区。所述隔离层120的材料包括氧化硅。
58.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片110和所述隔离层120的高度差为10-100纳米。所述高度差可以定义后续形成的鳍片的高度，其可以根据具体需求来设置。
59.继续参考图14，所述种子鳍片110两侧的隔离层120上形成有若干鳍片140。
60.在本技术的一些实施例中，所述种子鳍片110和所述若干鳍片140之间的间距为5-30纳米。
61.在本技术的一些实施例中，所述若干鳍片140和所述种子鳍片110的厚度为3-10纳米。所述种子鳍片110和所述若干鳍片140共同构成fin fet器件的鳍片结构，因此所述种子鳍片110和所述若干鳍片140的厚度以及材料等最好相同。
62.在本技术的一些实施例中，所述若干牺牲层130的材料包括硅锗，所述若干鳍片140的材料包括硅。
63.在本技术的一些实施例中，所述若干鳍片140的数量可以根据具体的工艺和器件性能要求来设置。
64.本技术所述的半导体结构中，所述若干鳍片140与半导体衬底100之间由隔离层120隔离，可以避免在鳍片140的根部栅极无法控制的位置形成并联的寄生晶体管，导致器件开启电压波动或漏电流增加。
65.继续参考图14，所述隔离层120表面形成有完全覆盖所述若干鳍片140和种子鳍片110的金属栅极180。所述金属栅极180的材料包括铝。
66.继续参考图14，所述金属栅极180两侧的隔离层120表面形成有层间介质层170，所述层间介质层170顶面与所述金属栅极180顶面共面。所述层间介质层170的材料包括氧化硅。
67.本技术所述的一种半导体结构及其形成方法，在鳍片之间采用牺牲层支撑，可以避免鳍片倾倒或发生粘连。
68.综上所述，在阅读本技术内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本技术的示例性实施例的精神和范围内。
69.应当理解，本实施例使用的术语
″
和/或
″
包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作
″
连接
″
或
″
耦接
″
至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
70.类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件
″
上
″
时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语
″
直接地
″
表示没有中间元件。
71.还应当理解，术语
″
包含
″
、
″
包含着
″
、
″
包括
″
或者
″
包括着
″
，在本技术文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
72.还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本技术的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
73.此外，本技术说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。