本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝節(jié)點逐漸減小，后柵(gate-last)工藝得到了廣泛應(yīng)用，以獲得理想的閾值電壓，改善器件性能。但是當(dāng)器件的特征尺寸進(jìn)一步下降時，即使采用后柵工藝，常規(guī)的MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)無法滿足對器件性能的需求，鰭式場效應(yīng)晶體管(Fin FET)作為一種多柵器件得到了廣泛的關(guān)注。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的一種鰭式場效應(yīng)晶體管的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，包括：半導(dǎo)體襯底10，所述半導(dǎo)體襯底10上形成有凸出的鰭部20，鰭部20一般是通過對半導(dǎo)體襯底10刻蝕后得到的；介質(zhì)層30，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底10的表面以及鰭部20的側(cè)壁的一部分；柵極結(jié)構(gòu)，橫跨在所述鰭部20上，覆蓋所述鰭部20的部分頂部和側(cè)壁，柵極結(jié)構(gòu)包括柵介質(zhì)層41和位于柵介質(zhì)層上的柵極42。對于鰭式場效應(yīng)晶體管，鰭部20的頂部以及兩側(cè)的側(cè)壁與柵極結(jié)構(gòu)相接觸的部分都成為溝道區(qū)域，即具有多個柵，有利于增大驅(qū)動電流，改善器件性能。所述柵極結(jié)構(gòu)可以同時橫跨一個或兩個以上的鰭部。

現(xiàn)有技術(shù)形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能還有待進(jìn)一步的提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法，提高形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面形成有鰭部和隔離層，所述隔離層表面低于鰭部的頂部表面且覆蓋鰭部的部分側(cè)壁；在所述隔離層表面形成橫跨 鰭部的偽柵結(jié)構(gòu)，所述偽柵結(jié)構(gòu)覆蓋鰭部的頂部和側(cè)壁；在所述隔離層表面形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的表面與偽柵結(jié)構(gòu)表面齊平；去除所述偽柵結(jié)構(gòu)，形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)壁表面依次形成柵介質(zhì)層、位于柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層和位于所述功函數(shù)層上的非晶硅層，所述非晶硅層表面與介質(zhì)層表面齊平，所述非晶硅層包括沿半導(dǎo)體襯底表面平行排列的第一區(qū)域、第二區(qū)域；刻蝕所述非晶硅層，形成階梯非晶硅層，使所述階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域分別具有不同的高度；進(jìn)行退火處理，使位于所述階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)；去除所述階梯非晶硅層，在所述功函數(shù)層表面形成金屬柵極。

可選的，所述非晶硅層還包括第三區(qū)域；刻蝕所述非晶硅層，形成階梯非晶硅層，所述階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域分別具有不同的高度；退火處理之后，所述階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)。

可選的，形成所述階梯非晶硅層的方法包括：在所述介質(zhì)層和非晶硅層上形成第一掩膜層，所述第一掩膜層暴露出非晶硅層的第一區(qū)域的表面；刻蝕所述非晶硅層的第一區(qū)域，使所述第一區(qū)域高度下降，然后去除第一掩膜層；去除所述第一掩膜層之后，在所述介質(zhì)層和非晶硅層上形成第二掩膜層，所述第二掩膜層暴露出非晶硅層的第二區(qū)域的表面；刻蝕所述非晶硅層的第二區(qū)域，使所述第二區(qū)域高度下降，并且，所述第一區(qū)域與第二區(qū)域的高度不同；去除所述第二掩膜層。

可選的，形成所述階梯非晶硅層的方法包括：在所述介質(zhì)層和非晶硅層上形成第一掩膜層，所述第一掩膜層暴露出非晶硅層的第一區(qū)域的表面；刻蝕所述非晶硅層的第一區(qū)域，使所述第一區(qū)域高度下降，然后去除第一掩膜層；去除所述第一掩膜層之后在所述介質(zhì)層和非晶硅層上形成第二掩膜層，所述第二掩膜層暴露出非晶硅層的第一區(qū)域和第二區(qū)域的表面；刻蝕所述非晶硅層的第一區(qū)域和第二區(qū)域，使所述第一區(qū)域和第二區(qū)域高度同時下降；去除所述第二掩膜層。

可選的，所述第一掩膜層的材料為光刻膠層，所述第二掩膜層的材料為光刻膠層。

可選的，所述階梯非晶硅層的第一區(qū)域?qū)挾葹?nm～10nm，第二區(qū)域?qū)挾葹?nm～10nm，第三區(qū)域?qū)挾葹?nm～10nm。

可選的，所述第一區(qū)域高度小于第二區(qū)域高度，所述第二區(qū)域高度小于第三區(qū)域高度。

可選的，所述第一區(qū)域高度與第二區(qū)域高度之間的高度差為1nm～10nm，所述第二區(qū)域高度與第三區(qū)域高度之間的高度差為1nm～10nm。

可選的，所述功函數(shù)層的材料為TiN。

可選的，采用原子層沉積工藝形成所述功函數(shù)層。

可選的，所述退火處理采用微波退火工藝，溫度為200℃～500℃，微波頻率為1GHz～10GHz，功率為1kW～10kW，時間為10s～600s。

可選的，所述退火處理采用快速熱退火工藝，溫度為100℃～1000℃，時間為1s～600s。

可選的，所述退火處理在NH₃、N₂O或NO氛圍下進(jìn)行。

可選的，形成所述柵介質(zhì)層、功函數(shù)層和非晶硅層的方法包括：在所述凹槽內(nèi)壁表面以及介質(zhì)層表面依次形成柵介質(zhì)材料層、位于柵介質(zhì)材料層表面的功函數(shù)層、位于功函數(shù)層表面且填充滿所述凹槽的非晶硅材料層；以所述介質(zhì)層為停止層，對所述非晶硅材料層、功函數(shù)材料層和柵介質(zhì)材料層進(jìn)行平坦化，去除位于介質(zhì)層表面的非晶硅材料層、功函數(shù)材料層和柵介質(zhì)材料層，形成位于凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)層、功函數(shù)層和非晶硅層，且所述非晶硅層的表面與介質(zhì)層表面齊平。

可選的，采用濕法刻蝕工藝去除所述階梯非晶硅層。

可選的，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕溶液為四甲基氫氧化銨溶液。

可選的，所述柵介質(zhì)層的材料為氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化鑭或硅氧化鉿；所述金屬柵極的材料為Al、Au、Cu、W、Ti或Ta。

可選的，所述偽柵結(jié)構(gòu)包括偽柵介質(zhì)層和位于偽柵介質(zhì)層表面的偽柵極。

可選的，所述偽柵介質(zhì)層的材料為氧化硅，所述偽柵極的材料為多晶硅。

為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案還提供一種采用上述方法形成的鰭式場效應(yīng)晶體管，包括：半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底表面的鰭部和隔離層，所述隔離層表面低于鰭部的頂部表面且覆蓋鰭部的部分側(cè)壁；位于所述隔離層表面且覆蓋部分鰭部的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層內(nèi)具有凹槽，暴露出部分鰭部及鰭部兩側(cè)的部分隔離層；位于所述凹槽內(nèi)壁表面的柵介質(zhì)層、位于柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層和位于所述功函數(shù)層表面且填充滿所述凹槽的金屬柵極，所述金屬柵極包括沿半導(dǎo)體襯底表面平行排列的第一區(qū)域、第二區(qū)域，所述金屬柵極的第一區(qū)域、第二區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，在形成橫跨鰭部的偽柵結(jié)構(gòu)之后，形成與偽柵結(jié)構(gòu)表面齊平的介質(zhì)層，然后去除所述偽柵結(jié)構(gòu)，形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)形成柵介質(zhì)層、位于柵介質(zhì)層表面的功函數(shù)層和位于功函數(shù)層表面的非晶硅層，所述非晶硅層具有第一區(qū)域和第二區(qū)域；然后刻蝕所述非晶硅層，使第一區(qū)域和第二區(qū)域具有不同的高度，形成階梯非晶硅層；然后進(jìn)行退火處理，使得階梯非晶硅層第一區(qū)域和第二區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)；然后去除所述階梯非晶硅層，在功函數(shù)層表面形成金屬柵極。由于金屬柵極下方的不同區(qū)域的功函數(shù)層具有不同的功函數(shù)，從而使得不同區(qū)域的金屬柵極對下方的鰭部(即溝道區(qū)域)具有不同的控制能力，增強(qiáng)所述柵極結(jié)構(gòu)對晶體管溝道區(qū)域的控制能力，從而改善源漏穿通漏電流問題，提高形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

進(jìn)一步，所述非晶硅層還可以包括第三區(qū)域，并且使得刻蝕非晶硅層形成的階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域分別具有不同的高度，然后進(jìn)行退火處理后，使得第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域下方的功函數(shù)層具有不同的功函數(shù)，后續(xù)去除階梯非晶硅層，并形成金屬柵極之后，金屬柵極下方的功函數(shù)層具有三個不同的功函數(shù)，從而可以進(jìn)一步提高對晶體管不同區(qū)域的溝道區(qū)的控制能力，進(jìn)一步提高鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

進(jìn)一步，可以采用微波退火工藝或快速熱退火工藝進(jìn)行所述退火處理。在上述退火處理過程中，會在所述功函數(shù)層內(nèi)產(chǎn)生氧空穴，由于階梯非晶硅層的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域的厚度不同，導(dǎo)致第一區(qū)域、第二區(qū)域 和第三區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的外環(huán)境，從而在第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域下方的功函數(shù)內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)量的氧空穴，從而使得第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域下方的功函數(shù)具有不同的功函數(shù)。從而可以通過調(diào)整階梯非晶硅層各個區(qū)域的高度，調(diào)整下方的功函數(shù)層的功函數(shù)，工藝步驟簡單，易于實現(xiàn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管，包括半導(dǎo)體襯底、位于半導(dǎo)體襯底表面的鰭部和隔離層；位于隔離層表面且覆蓋部分鰭部的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層內(nèi)具有凹槽；位于所述凹槽內(nèi)壁表面的柵介質(zhì)層、位于柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層和位于所述功函數(shù)層表面的金屬柵極，所述金屬柵極包括沿半導(dǎo)體襯底表面平行排列的第一區(qū)域、第二區(qū)域，所述金屬柵極的第一區(qū)域、第二區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)，所以不同區(qū)域的金屬柵極對下方的鰭部(即溝道區(qū)域)具有不同的控制能力，可以增強(qiáng)所述柵極結(jié)構(gòu)對晶體管溝道區(qū)域的控制能力，從而改善源漏穿通漏電流問題，提高形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的鰭式場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2至圖16是本發(fā)明的實施例的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)有技術(shù)形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的柵極結(jié)構(gòu)通常包括柵介質(zhì)層41(請參考圖1)和位于柵介質(zhì)層41上的柵極42(請參考圖1)，其中柵介質(zhì)層41通常采用高K介質(zhì)材料，例如氧化鉿、氧化鋯、氧化鑭或氧化鋁等；而柵極42一般采用金屬材料，例如鎢、金、鋁或銀等。現(xiàn)有技術(shù)通常在柵介質(zhì)層41和柵極42之間還會形成功函數(shù)層，用來進(jìn)一步調(diào)節(jié)鰭式場效應(yīng)晶體管的柵極功函數(shù)。現(xiàn)有技術(shù)形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的柵極42和功函數(shù)層通常各采用一種金屬材料形成，功函數(shù)較為單一，導(dǎo)致柵極結(jié)構(gòu)對溝道區(qū)域的控制力不夠，所述鰭式場效應(yīng)晶體管經(jīng)常會出現(xiàn)源漏穿通漏電流問題。

本發(fā)明的實施例中，在形成柵介質(zhì)層以及位于柵介質(zhì)層表面的功函數(shù)層 之后，在所述功函數(shù)層表面形成階梯非晶硅層，所述階梯非晶硅層具有第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，分別具有不同的厚度，然后進(jìn)行退火處理，使得第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域下方的功函數(shù)層分別具有不同的功函數(shù)，然后去除所述階梯非晶硅層，在功函數(shù)層表面形成金屬柵極。從而使得形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的柵極結(jié)構(gòu)不同區(qū)域具有不同的功函數(shù)，可以提高柵極結(jié)構(gòu)對溝道區(qū)域的控制力，改善鰭式場效應(yīng)晶體管的源漏穿通漏電流問題。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)的說明。

請參考圖2，提供半導(dǎo)體襯底100。

所述半導(dǎo)體襯底100的材料包括硅、鍺、鍺化硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體襯底100可以是體材料也可以是復(fù)合結(jié)構(gòu)如絕緣體上硅。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)半導(dǎo)體襯底100上形成的半導(dǎo)體器件選擇所述半導(dǎo)體襯底100的類型，因此所述半導(dǎo)體襯底100的類型不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底100為單晶硅襯底。

后續(xù)在所述半導(dǎo)體襯底100上形成鰭式場效應(yīng)晶體管。

請參考圖3，在所述半導(dǎo)體襯底100上形成鰭部101之后，在半導(dǎo)體襯底100表面形成隔離層200，所述隔離層200表面低于鰭部101的頂部表面且覆蓋鰭部101的部分側(cè)壁。

本實施例中，形成所述鰭部101的方法包括：在所述半導(dǎo)體襯底100表面形成掩膜層，所述掩膜層覆蓋部分半導(dǎo)體襯底100；以所述掩膜層為掩膜刻蝕所述半導(dǎo)體襯底100，形成鰭部。

可以采用干法刻蝕工藝刻蝕所述半導(dǎo)體襯底100，本實施例中，所述干法刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝，采用的刻蝕氣體為HBr和Cl₂的混合氣體作為刻蝕氣體，O₂作為緩沖氣體，其中HBr的流量為50sccm～1000sccm，Cl₂的流量為50sccm～1000sccm，O₂的流量為5sccm～20sccm，壓強(qiáng)為5mTorr～50mTorr，功率為400W～750W，O₂的氣體流量為5sccm～20sccm，溫度為40℃～80℃，偏置電壓為100V～250V。本實施例中，以形成一個鰭部101作為示例，在本發(fā)明的其他實施例中，可以根據(jù)實際需要形成多個鰭部。

所述鰭部101的高度為20nm～50nm，寬度為15nm～40nm，可以根據(jù)實際需要調(diào)整所述鰭部101的尺寸。

在本發(fā)明的其他實施例中，還可以在所述半導(dǎo)體襯底100上形成外延層之后，刻蝕所述外延層以形成所述鰭部101。

所述隔離層200的形成方法包括：在所述半導(dǎo)體襯底100表面形成隔離材料層，所述隔離材料層覆蓋鰭部101；對所述隔離材料層進(jìn)行平坦化，使所述隔離材料層的表面與鰭部101的頂部表面齊平；對所述隔離材料層進(jìn)行回刻蝕，形成隔離層，使所述隔離層200的表面低于鰭部101的頂部表面，暴露出鰭部101的頂面和部分側(cè)壁。

所述隔離層200的材料可以是氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅等絕緣介質(zhì)材料。所述隔離層200作為相鄰鰭部101之間以及后續(xù)形成的柵極結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體襯底100之間的隔離結(jié)構(gòu)。

請參考圖4至圖6，在所述隔離層200表面形成橫跨鰭部101的偽柵結(jié)構(gòu)300，所述偽柵結(jié)構(gòu)300覆蓋部分鰭部101的頂部和側(cè)壁。圖4為沿所述偽柵結(jié)構(gòu)垂直于鰭部101方向的剖面示意圖；圖5為沿圖4中割線AA’的剖面示意圖；圖6為沿圖4中割線BB’的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。

所述偽柵結(jié)構(gòu)300包括：偽柵介質(zhì)層和位于偽柵介質(zhì)層表面的偽柵極(圖中未示出)。其中，所述偽柵介質(zhì)層的材料可以為氧化硅，所述偽柵極的材料可以為多晶硅。

形成所述偽柵結(jié)構(gòu)300的方法包括：在所述隔離層200、鰭部101表面依次形成偽柵介質(zhì)材料層和位于偽柵介質(zhì)材料層表面的偽柵極材料層之后，在所述偽柵極材料層表面形成圖形化掩膜層，所述圖形化掩膜層覆蓋部分偽柵極材料層；以所述圖形化掩膜層為掩膜，刻蝕所述偽柵極材料層、偽柵介質(zhì)材料層，形成橫跨鰭部101的偽柵結(jié)構(gòu)300。

本實施例中，在形成所述偽柵結(jié)構(gòu)300之后，還包括對所述偽柵結(jié)構(gòu)300兩側(cè)的鰭部101內(nèi)進(jìn)行重?fù)诫s離子注入，形成源漏極。

請參考圖7至圖8，在所述隔離層200表面形成介質(zhì)層400，所述介質(zhì)層400的表面與偽柵結(jié)構(gòu)300表面齊平。圖7為在圖5基礎(chǔ)上形成介質(zhì)層400后 的示意圖；圖8為在圖6基礎(chǔ)上形成介質(zhì)層400后的示意圖。

所述介質(zhì)層400的材料為氧化硅、碳氧化硅、氮氧化硅等絕緣介質(zhì)材料。形成所述介質(zhì)層400的方法包括：在所述隔離層200上沉積介質(zhì)材料層，所述介質(zhì)材料層覆蓋隔離層200、鰭部101以及偽柵結(jié)構(gòu)300；以所述偽柵結(jié)構(gòu)300作為停止層，對所述介質(zhì)材料層進(jìn)行平坦化，形成介質(zhì)層400，使形成的介質(zhì)層400的表面與偽柵結(jié)構(gòu)300頂部表面齊平。

請參考圖9至圖10，去除所述偽柵結(jié)構(gòu)300(請參考圖7)，形成凹槽301。圖9為在圖7基礎(chǔ)上去除所述偽柵結(jié)構(gòu)300之后的剖面示意圖；圖10為在圖8基礎(chǔ)上去除偽柵結(jié)構(gòu)300之后的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。

可以采用干法或濕法刻蝕工藝去除所述偽柵結(jié)構(gòu)300，形成凹槽301，所述凹槽301暴露出部分鰭部101的頂部和側(cè)壁，以及位于所述鰭部101兩側(cè)的部分隔離層200的表面。

后續(xù)在所述凹槽301內(nèi)形成鰭式場效應(yīng)晶體管的高K金屬柵結(jié)構(gòu)。

如非特別說明，本實施例的后續(xù)描述所參考的附圖均是以圖9為基礎(chǔ)的剖面示意圖。

請參考圖11，在所述凹槽301(請參考圖9)內(nèi)壁表面依次形成柵介質(zhì)層302、位于柵介質(zhì)層302上的功函數(shù)層303和位于所述功函數(shù)層303上的非晶硅層304，所述非晶硅層304表面與介質(zhì)層400表面齊平，所述非晶硅層304包括沿半導(dǎo)體襯底100表面平行排列的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II。

形成所述柵介質(zhì)層302、功函數(shù)層303和非晶硅層304的方法包括：在所述凹槽301內(nèi)壁表面以及介質(zhì)層400表面依次形成柵介質(zhì)材料層、位于柵介質(zhì)材料層表面的功函數(shù)材料層、位于功函數(shù)材料層表面且填充滿所述凹槽301的非晶硅材料層；以所述介質(zhì)層400為停止層，對所述非晶硅材料層、功函數(shù)材料層和柵介質(zhì)材料層進(jìn)行平坦化，去除位于介質(zhì)層400表面的非晶硅材料層、功函數(shù)材料層和柵介質(zhì)材料層，形成柵介質(zhì)層302、功函數(shù)層303和非晶硅層304，且所述非晶硅層304的表面與介質(zhì)層400表面齊平。

所述柵介質(zhì)層302的材料為氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化鑭或硅氧化鉿等高K介質(zhì)材料?？梢圆捎没瘜W(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝形成所述 柵介質(zhì)材料層。

所述功函數(shù)層303的材料為TiN。本實施例中，采用原子層沉積工藝形成所述功函數(shù)材料層，具體的，具體的，所述原子層沉積工藝采用的硅源氣體可以是SiH₄或SiH₂Cl₂等含硅氣體中的一種或幾種，氮源氣體為含氮類氣體，例如NH₃，所述硅源氣體的流量為50sccm～200sccm，所述氮源氣體的流量為50sccm～200sccm，所述原子層沉積的反應(yīng)溫度為200℃到500℃。采用上述原子層沉積工藝形成所述功函數(shù)材料層，可以較為準(zhǔn)確的控制形成的功函數(shù)材料層的厚度，并且，提高所述功函數(shù)材料層的沉積質(zhì)量，提高形成的功函數(shù)層303的質(zhì)量。本實施例中，所述功函數(shù)材料層的厚度為1nm～5nm。在本發(fā)明的其他實施例中，可以根據(jù)具體的器件性能要求，調(diào)整所述功函數(shù)材料層的厚度。

所述非晶硅材料層的形成方法可以是化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝或液相外延工藝等。

本實施例中，采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝對所述非晶硅材料層、功函數(shù)材料層和柵介質(zhì)材料層進(jìn)行平坦化，形成所述非晶硅層304、功函數(shù)層303和柵介質(zhì)層302。在本發(fā)明的其他實施例中，還可以采用刻蝕工藝進(jìn)行上述平坦化處理。

所述非晶硅層304包括相鄰的第一區(qū)域I和第二區(qū)域II，本實施例中，所述非晶硅層304還包括第三區(qū)域III。在本發(fā)明的其他實施例中，所述非晶硅層304還可以包括更多的區(qū)域。

所述非晶硅層304的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III的寬度可以各不相同，所述非晶硅層304的第一區(qū)域I寬度為1nm～10nm，第二區(qū)域II寬度為1nm～10nm，第三區(qū)域II寬度為1nm～10nm。本實施例中，所述第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域II的寬度相同，均為非晶硅層304總寬度的1/3。

請參考圖12，在所述介質(zhì)層400和非晶硅層304上形成第一掩膜層501，所述第一掩膜層501暴露出非晶硅層304的第一區(qū)域I的表面。

所述第一掩膜層501的材料可以是氮化硅、氧化硅或光刻膠等掩膜材料。本實施例中，所述第一掩膜層501的材料為光刻膠。由于所述第一區(qū)域I的寬 度較小，為了增大后續(xù)刻蝕所述第一區(qū)域I的工藝窗口，所述第一掩膜層501還暴露出靠近所述第一區(qū)域I一側(cè)的介質(zhì)層400的表面。

本實施例中，形成所述第一掩膜層501的方法包括：在所述介質(zhì)層400、非晶硅層304、柵介質(zhì)層302和功函數(shù)層303表面形成光刻膠層之后，對所述光刻膠層進(jìn)行曝光顯影，形成圖形化光刻膠層作為第一掩膜層501，暴露出第一區(qū)域I的表面。

請參考圖13，刻蝕所述非晶硅層304的第一區(qū)域I，使所述第一區(qū)域I高度下降，然后去除所述第一掩膜層501(請參考圖12)。

采用干法刻蝕工藝對所述非晶硅層304的第一區(qū)域I進(jìn)行刻蝕。本實施例中，所述干法刻蝕工藝采用的刻蝕氣體包括HBr和Cl₂，O₂作為緩沖氣體，其中HBr的流量為50sccm～1000sccm，Cl₂的流量為50sccm～1000sccm，O₂的流量為5sccm～20sccm，壓強(qiáng)為5mTorr～50mTorr，功率為400W～750W，O₂的氣體流量為5sccm～20sccm，溫度為40℃～80℃，偏置電壓為100V～250V。上述干法刻蝕工藝具有較高的刻蝕選擇性和各向異性，使得僅對非晶硅層304的第一區(qū)域I進(jìn)行縱向刻蝕。

本實施例中，對所述第一區(qū)域I進(jìn)行刻蝕的深度為1nm～10nm，使所述第一區(qū)域I的高度低于第二區(qū)域II、第三區(qū)域III高度。

請參考圖14，在所述介質(zhì)層400和非晶硅層304上形成第二掩膜層502，所述第二掩膜層502暴露出非晶硅層403的第一區(qū)域I和第二區(qū)域II的表面。

所述第二掩膜層502的材料可以是氮化硅、氧化硅或光刻膠等掩膜材料。本實施例中，所述第二掩膜層502的材料為光刻膠。由于所述第一區(qū)域I和第二區(qū)域II的寬度較小，為了增大后續(xù)刻蝕所述第二區(qū)域II的工藝窗口，所述第二掩膜層502還暴露出靠近所述第一區(qū)域I一側(cè)的介質(zhì)層400的表面。

本實施例中，形成所述第二掩膜層502的方法包括：在所述介質(zhì)層400、非晶硅層304、柵介質(zhì)層302和功函數(shù)層303表面形成光刻膠層之后，對所述光刻膠層進(jìn)行曝光顯影，形成圖形化光刻膠層作為第二掩膜層502，暴露出第一區(qū)域I和第二區(qū)域II的表面。

請參考圖15，刻蝕所述非晶硅層304(請參考圖14)的第一區(qū)域I和第 二區(qū)域II，使所述第一區(qū)域I和第二區(qū)域II高度同時下降，形成階梯非晶硅層304a，然后去除所述第二掩膜層502(請參考圖14)。

采用干法刻蝕工藝對所述第一區(qū)域I和第二區(qū)域II同時進(jìn)行刻蝕。本實施例中，所述干法刻蝕工藝采用的刻蝕氣體包括HBr和Cl₂，O₂作為緩沖氣體，其中HBr的流量為50sccm～1000sccm，Cl₂的流量為50sccm～1000sccm，O₂的流量為5sccm～20sccm，壓強(qiáng)為5mTorr～50mTorr，功率為400W～750W，O₂的氣體流量為5sccm～20sccm，溫度為40℃～80℃，偏置電壓為100V～250V。上述干法刻蝕工藝具有較高的刻蝕選擇性和各向異性，使得僅對非晶硅層304的第一區(qū)域I和第二區(qū)域II進(jìn)行縱向刻蝕。

由于所述干法刻蝕工藝同時對第一區(qū)域I和第二區(qū)域II進(jìn)行刻蝕，使得所述第一區(qū)域I的高度繼續(xù)下降，最終使得所述第一區(qū)域I的高度小于第二區(qū)域II的高度，所述第二區(qū)域II的高度小于第三區(qū)域III的高度，形成階梯非晶硅層304a。

本實施例中，對所述第一區(qū)域I和第二區(qū)域II同時刻蝕的深度為1nm～10nm。最終使得第一區(qū)域I高度與第二區(qū)域II高度之間的高度差為1nm～10nm，所述第二區(qū)域II高度與第三區(qū)域III高度之間的高度差為1nm～10nm。

在本發(fā)明的其他實施例中，所述第二掩膜層502(請參考圖14)可以僅暴露出非晶硅層304的第二區(qū)域II表面，后續(xù)以所述第二掩膜層502為掩膜，僅對第二區(qū)域II進(jìn)行縱向刻蝕，使得第二區(qū)域II的高度大于或小于第一區(qū)域I的高度。

在本發(fā)明的其他實施例中，還可以對第三區(qū)域III進(jìn)行刻蝕，降低所述第三區(qū)域III的高度。

本實施例中，所述階梯非晶硅層304a中，第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III的高度依次升高。在本發(fā)明的其他實施例中，可以僅要求所述階梯非晶硅層304a的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III分別具有不同的高度，對高低順序并沒有嚴(yán)格的限定，可以根據(jù)具體器件的性能要求進(jìn)行設(shè)置。

在本發(fā)明的其他實施例中，所述非晶硅層304可以僅包括第一區(qū)域I和第 二區(qū)域II，此時，僅需要對第一區(qū)域I或第二區(qū)域II進(jìn)行刻蝕，使所述第一區(qū)域I和第二區(qū)域II具有不同的高度。

形成所述階梯非晶硅層304a之后，進(jìn)行退火處理，使位于所述階梯非晶硅層304a的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)。

本實施例中，所述階梯非晶硅層304a還包括第三區(qū)域III，所述退火處理使得所述第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)。

可以采用微波退火工藝或快速熱退火工藝進(jìn)行所述退火處理。本實施例中，采用所述微波退火工藝進(jìn)行退火處理，所述微波退火工藝的溫度為200℃～500℃，微波頻率為1GHz～10GHz，功率為1kW～10kW，時間為10s～600s。

在本發(fā)明的其他實施例中，采用快速熱退火工藝進(jìn)行所述退火處理，所述快速熱退火的溫度為100℃～1000℃，時間為1s～600s。

上述退火工藝可以在NH₃、N₂O或NO氛圍下進(jìn)行。

在上述退火過程中，會在所述功函數(shù)層303內(nèi)產(chǎn)生氧空穴，由于階梯非晶硅層304a的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III的厚度不同，導(dǎo)致第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303分別具有不同的外環(huán)境，從而在第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)303產(chǎn)生不同數(shù)量的氧空穴，從而使得第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)303具有不同的功函數(shù)。本實施例中，所述階梯非晶硅層304a的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III的厚度依次升高，在所述第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303的功函數(shù)逐漸減小。

通過調(diào)整所述階梯非晶硅層304a的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III的高度，可以分別調(diào)整位于所述第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303的功函數(shù)，使得位于不同區(qū)域下方的功函數(shù)層303具有不同的功函數(shù)，從而更有利于增強(qiáng)對鰭式場效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域的控制能力，提高晶體管的性能。第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III之間的高度差，決定了第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的不同區(qū)域的功函數(shù)層303 之間的功函數(shù)差異大小，所述高度差越大，對應(yīng)區(qū)域的功函數(shù)層303之間的功函數(shù)差異越大。

請參考圖16，去除所述階梯非晶硅層304a(請參考圖15)，在所述功函數(shù)層303表面形成金屬柵極305。

采用濕法刻蝕工藝去除所述階梯非晶硅層304a，具體的，所述濕法刻蝕工藝采用的刻蝕溶液為四甲基氫氧化銨溶液。所述濕法刻蝕工藝具有較高的刻蝕選擇性，不會對功函數(shù)層303以及介質(zhì)層400造成損傷。

去除所述階梯非晶硅層304a之后，形成凹槽，在所述凹槽內(nèi)沉積金屬材料，所述金屬材料填充滿所述凹槽并覆蓋介質(zhì)層400表面，然后對所述金屬材料進(jìn)行平坦化，去除高于介質(zhì)層400的部分金屬材料，形成位于凹槽內(nèi)的功函數(shù)層303表面的金屬柵極305。所述金屬柵極305、功函數(shù)層303以及柵介質(zhì)層302構(gòu)成鰭式場效應(yīng)晶體管的柵極結(jié)構(gòu)。

可以采用化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝和濺射工藝形成所述金屬材料。所述金屬材料可以為Al、Au、Cu、W、Ti或Ta。

與所述階梯非晶硅層304a(請參考圖15)相對應(yīng)，所述金屬柵極305也包括第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III，且所述金屬柵極305的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)，所以不同區(qū)域的金屬柵極305對下方的鰭部101(即溝道區(qū)域)具有不同的控制能力，增強(qiáng)所述柵極結(jié)構(gòu)對晶體管溝道區(qū)域的控制能力，從而改善源漏穿通漏電流問題，提高形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

本發(fā)明的實施例還提供一種采用上述方法形成的鰭式場效應(yīng)晶體管。

請參考圖16，所述鰭式場效應(yīng)晶體管包括：半導(dǎo)體襯底100；位于所述半導(dǎo)體襯底100表面的鰭部101和隔離層200，所述隔離層200表面低于鰭部101的頂部表面且覆蓋鰭部101的部分側(cè)壁；位于所述隔離層200表面且覆蓋部分鰭部101的介質(zhì)層400，所述介質(zhì)層400內(nèi)具有凹槽，暴露出部分鰭部101及鰭部101兩側(cè)的部分隔離層200；位于所述凹槽內(nèi)壁表面的柵介質(zhì)層302、位于柵介質(zhì)層302上的功函數(shù)層303和位于所述功函數(shù)層303表面且填充滿所述凹槽的金屬柵極305，所述金屬柵極305包括沿半導(dǎo)體襯底100表面 平行排列的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II，所述金屬柵極305的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)。

所述鰭部101的高度為20nm～50nm，寬度為15nm～40nm，可以根據(jù)實際需要調(diào)整所述鰭部101的尺寸。

所述隔離層200的材料可以是氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅等絕緣介質(zhì)材料。所述隔離層200作為相鄰鰭部101之間以及柵極結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體襯底100之間的隔離結(jié)構(gòu)。

所述鰭式場效應(yīng)管還包括位于凹槽兩側(cè)的鰭部101內(nèi)的源漏極。

所述介質(zhì)層400的材料為氧化硅、碳氧化硅、氮氧化硅等絕緣介質(zhì)材料。

所述柵介質(zhì)層302的材料為氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化鑭或硅氧化鉿等高K介質(zhì)材料所述功函數(shù)層303的材料為TiN。本實施例中，所述功函數(shù)材料層的厚度為1nm～5nm。在本發(fā)明的其他實施例中，可以根據(jù)具體的器件性能要求，調(diào)整所述功函數(shù)材料層的厚度。

所述金屬柵極305的材料可以為Al、Au、Cu、W、Ti或Ta。本實施例中，所述金屬柵極305還包括第三區(qū)域III，所述金屬柵極305的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)。

所述金屬柵極305的第一區(qū)域I、第二區(qū)域II和第三區(qū)域III下方的功函數(shù)層303分別具有不同的功函數(shù)，所以不同區(qū)域的金屬柵極305對下方的鰭部101(即溝道區(qū)域)具有不同的控制能力，增強(qiáng)所述柵極結(jié)構(gòu)對晶體管溝道區(qū)域的控制能力，從而改善源漏穿通漏電流問題，提高形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。

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