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      半導(dǎo)體器件制造方法

      文檔序號:7256905閱讀:123來源:國知局
      半導(dǎo)體器件制造方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件制造方法,包括:在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu);在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極層;刻蝕假柵極層形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)。依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法,采用介質(zhì)層作為假柵極堆疊,降低側(cè)墻形成次數(shù)并且仍能有效防止源漏外延在柵極上發(fā)生,從而有利于提高器件精細度以及可靠性。
      【專利說明】半導(dǎo)體器件制造方法

      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法,特別是涉及一種鰭片場效應(yīng)晶體管的制造方法。

      【背景技術(shù)】
      [0002]為了延續(xù)摩爾定律,要求器件的特征尺寸不斷的減小,但是隨著器件特征尺寸的不斷減小產(chǎn)生的短溝道效應(yīng)等效應(yīng)越來越明顯,嚴重影響器件的性能。在同樣的特征尺寸下,鰭柵場效應(yīng)晶體管(FinFET)比常規(guī)平面器件溝道長度大大增加同時短溝道效應(yīng)等能夠得到較好的改善,所以FinFET被認為是未來集成電路工藝發(fā)展的主流方向。
      [0003]FinFET與平面器件主要不同在于它的溝道為三維的,這就導(dǎo)致某些平面器件中所用的工藝應(yīng)用在FinFET中時會存在一定的問題。特別地,作為平面互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中常用的且非常成熟的工藝之一的側(cè)墻技術(shù),應(yīng)用到FinFET中會存在一定的困難。
      [0004]具體地,在常規(guī)的FINFET工藝中,形成柵極間隔墻(spacer)時通常在鰭片(fin)會產(chǎn)生殘留,因此在FinFET工藝中會采取過刻(over-etch)等工藝完全去除殘留在fin上的側(cè)墻材料(通常為氮化硅或氧化硅;因為FinFET中通常在源漏(S/D)區(qū)采用選擇性外延工藝,以降低源漏區(qū)電阻以及便于后續(xù)的接觸(contact,只在暴露的硅上生長鍺硅,而在氧化硅氮化硅等材料上不生長鍺硅))。在常規(guī)工藝中,如果fin上殘留有spacer,則導(dǎo)致部分殘留氮化硅的區(qū)域不能夠外延上鍺硅,增大了器件的電阻。如果采用過刻將殘留在fin上的氮化硅全部刻除,則可能會導(dǎo)致fin的結(jié)構(gòu)被破壞,同時由于過刻過程中導(dǎo)致柵極(gate)上的硬掩膜頂部或者側(cè)面被刻蝕掉,導(dǎo)致在多晶硅或非晶硅暴露出來的地方也會生長鍺硅,導(dǎo)致器件形成的劣化。


      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0005]由上所述,本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難,提出一種新的半導(dǎo)體器件制造方法,能無需形成側(cè)墻并且仍能有效防止源漏外延在柵極上發(fā)生,從而有利于提高器件精細度以及可靠性。
      [0006]為此,本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法,包括:在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu);在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極層;刻蝕假柵極層形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
      [0007]其中,在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu)的步驟進一步包括:刻蝕襯底,形成沿第一方向延伸的多個鰭片結(jié)構(gòu)以及鰭片結(jié)構(gòu)之間的溝槽;在溝槽中填充絕緣材料形成淺溝槽隔離。
      [0008]其中,在形成假柵極層之前,還包括在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極襯層。
      [0009]其中,假柵極層和/或假柵極襯層的材料選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、高k材料及其組合。
      [0010]其中,高k材料包括但不限于:氮化物,包括3丨隊41隊111金屬氧化物,包括1%0、A1203、Ta2O5, T12, ZnO、ZrO2, HfO2, CeO2, Y2O3, La2O3 ;氮氧化物,包括 HfS1N ;鈣鈦礦相氧化物,包括PbZrxTihO3 (PZTXBaxSivxT13 (BST);以及上述材料的組合。其中,假柵極層的厚度為10~ 10000A。其中,假柵極襯層的厚度為1 ~ 1000A。
      [0011]其中,形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)之后,進一步包括:以假柵極堆疊結(jié)構(gòu)為掩模,離子注入或者外延生長形成源漏區(qū)。
      [0012]其中,離子注入或者外延生長形成源漏區(qū)之前還包括:進行LDD/Halo注入;在假柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)形成側(cè)墻,以側(cè)墻為掩模執(zhí)行離子注入形成源漏區(qū)。
      [0013]其中,形成源漏區(qū)之后,進一步包括:在器件上形成層間介質(zhì)層;刻蝕去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu),留下柵極溝槽;在柵極溝槽中形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
      [0014]其中,層間介質(zhì)層的材料不同于假柵極層的材料。
      [0015]其中,源漏區(qū)的材料選自Si: H, Si: C, SiGe, SiGe: C、SiGeSn及其組合。
      [0016]其中,源漏溝槽具有朝向溝道區(qū)的向內(nèi)突出部分。
      [0017]其中,假柵極襯層的材料不同于假柵極層的材料。
      [0018]其中,采用dHF、dBOE濕法腐蝕去除氧化硅材質(zhì)的假柵極層和/或假柵極襯層;采用熱磷酸濕法腐蝕去除氮化硅材質(zhì)的假柵極層和/或假柵極襯層;采用氧等離子體干法刻蝕去除非晶碳材質(zhì)的假柵極層和/或假柵極襯層。
      [0019]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法,采用介質(zhì)層作為假柵極堆疊,降低側(cè)墻形成次數(shù)并且仍能有效防止源漏外延在柵極上發(fā)生,從而有利于提高器件精細度以及可靠性。

      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0020]以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案,其中:
      [0021]圖1A和圖1B為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法步驟的示意圖;
      [0022]圖2A和圖2B為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法步驟的示意圖;
      [0023]圖3A和圖3B為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法步驟的示意圖;
      [0024]圖4A和圖4B為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法步驟的示意圖;以及
      [0025]圖5A和圖5B為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法步驟的示意圖。

      【具體實施方式】
      [0026]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果,公開了能有效提高FinFET精細度以及可靠性的半導(dǎo)體器件制造方法。需要指出的是,類似的附圖標記表示類似的結(jié)構(gòu),本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系。
      [0027]以下參照圖1?圖3各個步驟的示意圖,來詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案,其中圖A是沿溝道區(qū)(源區(qū)-溝道區(qū)-漏區(qū))的第一方向(鰭片延伸方向)的剖視圖,圖B是沿垂直于第一方向的第二方向(柵極線條延伸方向)的剖視圖。
      [0028]參照圖1,在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu)。
      [0029]提供襯底1,襯底I依照器件用途需要而合理選擇,可包括單晶體硅(Si)、單晶體鍺(Ge)、應(yīng)變硅(Strained Si)、鍺硅(SiGe),或是化合物半導(dǎo)體材料,例如氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb),以及碳基半導(dǎo)體例如石墨烯、SiC、碳納管等等。出于與CMOS工藝兼容的考慮,襯底I優(yōu)選地為體Si。
      [0030]在襯底中刻蝕形成溝槽以及鰭片。利用掩模(光刻膠和/或硬掩模,均未示出),沿第一方向刻蝕襯底1,形成沿第一方向延伸的單個或者相互平行的多個鰭片1F,以及鰭片IF之間以及周圍的溝槽1G。
      [0031]優(yōu)選地,在溝槽IG中沉積氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合等絕緣材料,形成淺溝槽隔離(STI)2。其中,STI2的表面優(yōu)選地低于鰭片IF的表面,以便于后續(xù)刻蝕鰭片形成源漏區(qū)溝槽以及外延生長抬升的源漏區(qū)。
      [0032]在后續(xù)形成假柵極層之前,優(yōu)選地,采用氟基溶液-諸如稀釋HF (dHF)溶液或者稀釋緩釋刻蝕劑(dBOE)進行短時間的表面清潔,去除襯底表面原生存在的氧化物,例如氧化娃薄層。
      [0033]雖然如圖1A以及圖1B所示,STI2分布在鰭片IF的兩側(cè)(沿第一方向以及第二方向),但是實際上在頂視圖(未示出)中,STI2包圍了鰭片IF (單個或者多個組成的陣列)而分布在其四周。
      [0034]參照圖2,在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極層。
      [0035]可選地,在形成較厚的假柵極層4之前,先在鰭片IF上形成較薄的假柵極襯層3。假柵極襯層3用于在后續(xù)刻蝕過程中保護鰭片1F,以避免鰭片IF的頂部(未來作為器件的溝道區(qū))受到損傷從而影響器件的最終性能。假柵極襯層3的材質(zhì)不同于襯底I (也即不選自硅、碳化硅、鍺硅、鍺等源漏區(qū)常用材料),能阻止源漏區(qū)材料在其上外延生長,優(yōu)選地為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、高k材料及其組合,其中高k材料包括但不限于氮化物(例如SiN、AIN、TiN)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金屬元素氧化物,例如MgO、A1203、Ta2O5' T12, ZnO, ZrO2, HfO2, CeO2, Y2O3> La203)、氮氧化物(如 HfS1N, S1N 等)、鈣鈦礦相氧化物(例如PbZrxTipxO3 (PZT)、BaxSivxT13 (BST));以及上述材料的組合,其中組合方式可以是混雜、合金、層疊等。假柵極襯層3的厚度較薄,優(yōu)選為1 ~ 1000Λ。值得注意的,假柵極襯層3僅是可選的,也即即便不采用襯層3也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。
      [0036]隨后,在鰭片結(jié)構(gòu)IF (以及假柵極襯層3,如果有的話)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極層4。假柵極層4的材質(zhì)可以與假柵極襯層3相同或者不同,均可以選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、高k材料及其組合。假柵極層4的厚度要大于假柵極襯層3,層4的厚度例如為10 ~ 10000 Λ。H:中,假柵極層4的厚度較大,可以完全填充STI2上方留下的溝槽1G,從而完全覆蓋了鰭片1F。
      [0037]形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極襯層3和/或假柵極層4的方法可以是各種常用的沉積工藝,例如LPCVD、PECVD、HDPCVD、熱氧化、化學(xué)氧化、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等及其組合。
      [0038]參照圖3,刻蝕假柵極層4 (以及假柵極襯層3)形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
      [0039]優(yōu)選地,在假柵極層4上形成光刻膠構(gòu)成的軟掩模(未示出)或者氧化硅、氮化硅等材質(zhì)構(gòu)成的硬掩模(未示出,并且硬掩模層的材質(zhì)不同于假柵極層4)。光刻軟/硬掩模形成沿第二方向分布的掩模圖案,以掩模圖案為掩模,依次刻蝕假柵極層4和/或假柵極襯層
      3,形成沿第二方向延伸分布的假柵極堆疊結(jié)構(gòu)4G/3G。第二方向優(yōu)選地垂直于第一方向。如圖3B所示,刻蝕形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)之后,鰭片IF之間的溝槽IG重新部分露出。刻蝕假柵極層4/假柵極襯層3的方法優(yōu)選為各向異性,例如等離子體干法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE),并且調(diào)節(jié)刻蝕工藝中各個參數(shù)(例如原料氣組成比例,諸如CHF系列刻蝕氣體比例、C12與02的比例等等;例如射頻功率、反應(yīng)室溫度、氣壓等等),使得刻蝕工藝基本不侵蝕鰭片1F(或者對于鰭片IF頂部的損傷(厚度減薄)小于等于I % ),而僅刻蝕去除了部分層4/3。
      [0040]參照圖4,在假柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)形成源漏區(qū)。
      [0041]由于假柵極層4為介質(zhì)材料構(gòu)成,因此在后續(xù)形成源漏區(qū)過程中,半導(dǎo)體材料不會在假柵極層4上外延生長,因此可以減少側(cè)墻形成次數(shù)甚至無需形成側(cè)墻,由此可以進一步縮減器件尺寸并且提高可靠性。
      [0042]直接以假柵極堆疊結(jié)構(gòu)為掩模,刻蝕鰭片IF形成源漏溝槽,并在源漏溝槽中外延生長抬升的源漏區(qū)1S/1D??涛g鰭片IF的方法至少包括各向異性的刻蝕工藝,例如等離子體干法刻蝕、RIE、TMAH濕法腐蝕(針對Si材質(zhì))等。源漏溝槽雖然如圖4A所示為垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu),但是實際上也可以沿第一方向具有朝向溝道區(qū)IC的向內(nèi)突出部分(未示出),構(gòu)成C形、D形、Σ形等,使得外延生長的源漏區(qū)的應(yīng)力能夠有效控制溝道區(qū)中載流子遷移率,進而有效提高器件性能。采用HDPCVD、MOCVD、HVCVD、MBE、ALD等方法,外延生長源漏區(qū),源漏區(qū)的材質(zhì)可以選自Si: H, Si: C, SiGe, SiGe: C、SiGeSn等及其組合。由于假柵極層4材料不同于鰭片IF而為介質(zhì)材料,因此這些外延的材料不會在假柵極層4上堆積。圖4B中虛線框所示為第二方向剖視圖中沿第一方向延伸(垂直紙面)的源漏區(qū)1S/1D。
      [0043]值得注意的是,雖然圖4所示是先刻蝕源漏溝槽然后外延形成抬升源漏區(qū),但是也可以采用常用的離子注入工藝形成與鰭片頂面齊平的源漏區(qū)。具體地,直接以假柵極堆疊結(jié)構(gòu)為掩模,執(zhí)行垂直離子注入,在硅材質(zhì)的鰭片IF中形成N+或者P+型的源漏區(qū)1S/1D。此外,還可以進一步在此之前執(zhí)行傾斜的輕摻雜離子注入,形成N-或者P-型的輕摻雜的源漏摻雜區(qū)(暈狀的Halo結(jié)構(gòu)、或者LDD結(jié)構(gòu))。其中,現(xiàn)在小尺寸器件中為了抑制短溝道效應(yīng),一般在SD注入之前會進行LDD/HAL0注入。所以在LDD/HAL0注入后可以選擇性的形成側(cè)墻然后在進行離子注入。
      [0044]參照圖5,去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu),形成柵極溝槽。
      [0045]優(yōu)選地,通過旋涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷、CVD沉積等工藝,在整個器件上形成層間介質(zhì)層(ILD)5。ILD5的材料例如選自氮化硅、氧化硅、低k材料及其組合。其中,低k材料包括但不限于有機低k材料(例如含芳基或者多元環(huán)的有機聚合物)、無機低k材料(例如無定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃、BSG、PSG、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S1CH、摻C 二氧化硅、摻F多孔無定形碳、多孔金剛石、多孔有機聚合物)。ILD5的材質(zhì)不同于假柵極層4和/或假柵極襯層3,以便提高去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu)時的刻蝕選擇性。
      [0046]隨后,去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu)4/3,在ILD5中留下柵極溝槽5G。去除方法優(yōu)選是濕法腐蝕,例如針對氧化硅材質(zhì)選用dHF、dB0E,針對氮化硅材質(zhì)選用熱磷酸,對于氮氧化硅材質(zhì)選用硫酸與雙氧水。此外,對于非晶碳材質(zhì),可以選用氧等離子體干法刻蝕。
      [0047]值得注意的是,雖然圖5中完全去除了假柵極襯層3,但是實際上對于高k材料的假柵極襯層3,可以保留在后續(xù)工序中以用作最后的柵極絕緣層。
      [0048]此后,參照標準的后柵工藝,完成器件的后續(xù)制造。例如包括在柵極溝槽5G中填充高k材料的柵極絕緣層以及金屬/金屬合金/金屬氮化物材質(zhì)的柵極導(dǎo)電層,形成柵極堆疊結(jié)構(gòu);刻蝕ILD5形成源漏接觸孔,在接觸孔中形成金屬硅化物以降低源漏接觸電阻;在接觸孔中填充金屬材料形成接觸塞等等。
      [0049]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法,采用介質(zhì)層作為假柵極堆疊,降低側(cè)墻形成次數(shù)并且仍能有效防止源漏外延在柵極上發(fā)生,從而有利于提高器件精細度以及可靠性。
      [0050]盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外,由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此,本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例,而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
      【權(quán)利要求】
      1.一種半導(dǎo)體器件制造方法,包括: 在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu); 在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極層; 刻蝕假柵極層形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
      2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,在襯底上形成鰭片結(jié)構(gòu)的步驟進一步包括:刻蝕襯底,形成沿第一方向延伸的多個鰭片結(jié)構(gòu)以及鰭片結(jié)構(gòu)之間的溝槽;在溝槽中填充絕緣材料形成淺溝槽隔離。
      3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,在形成假柵極層之前,還包括在鰭片結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)材料構(gòu)成的假柵極襯層。
      4.如權(quán)利要求1或3的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,假柵極層和/或假柵極襯層的材料選自氧化娃、氮化娃、氮氧化娃、非晶碳、高k材料及其組合。
      5.如權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,高k材料包括但不限于:氮化物,包括SiN, AIN、TiN ;金屬氧化物,包括 MgO、Al2O3' Ta2O5' Ti02、Zn。、ZrO2, HfO2, Ce02、Y2O3> La2O3 ;氮氧化物,包括HfS1N;鈣鈦礦相氧化物,包括PbZrxTinO3 (PZT)、BaxSr1^xT13 (BST);以及上述材料的組合。
      6.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,假柵極層的厚度為10~ 10000A。
      7.如權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,假柵極襯層的厚度為1~ 100Ao
      8.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)之后,進一步包括:以假柵極堆疊結(jié)構(gòu)為掩模,離子注入或者外延生長形成源漏區(qū)。
      9.如權(quán)利要求8的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,形成源漏區(qū)之后,進一步包括:在器件上形成層間介質(zhì)層;刻蝕去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu),留下柵極溝槽;在柵極溝槽中形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
      10.如權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件制造方法,其中,層間介質(zhì)層的材料不同于假柵極層的材料。
      【文檔編號】H01L21/336GK104078363SQ201310110082
      【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
      【發(fā)明者】秦長亮, 殷華湘, 尹海洲, 趙超 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所
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