本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制作領(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)：

本發(fā)明隨著半導(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(CD，Critical Dimension)進一步下降時，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)作為常規(guī)器件的替代得到了廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有技術(shù)的一種鰭式場效應(yīng)晶體管包括：半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有凸出的鰭部，鰭部一般是通過對半導(dǎo)體襯底刻蝕后得到的；隔離層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底的表面以及鰭部的側(cè)壁的一部分；柵極結(jié)構(gòu)，橫跨在所述鰭部上，覆蓋所述鰭部的頂端和側(cè)壁，柵極結(jié)構(gòu)包括柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層上的柵電極。

所述柵介質(zhì)層的材料為氧化硅，柵電極的材料為多晶硅。隨著鰭式場效應(yīng)晶體管的特征尺寸也越來越小，為了降低鰭式場效應(yīng)晶體管的寄生電容以及減小器件的漏電流，提高器件速度，高K柵介質(zhì)層與金屬柵電極的柵極疊層結(jié)構(gòu)被引入到鰭式場效應(yīng)晶體管中。為了避免金屬柵極的金屬材料對晶體管其他結(jié)構(gòu)的影響，所述金屬柵極與高K柵介質(zhì)層的柵極疊層結(jié)構(gòu)通常采用“后柵(gate last)”工藝制作。

現(xiàn)有鰭式場效應(yīng)晶體管的金屬柵極的形成過程為：提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有若干鰭部；在所述鰭部的側(cè)壁和表面上形成偽柵；形成覆蓋所述偽柵、鰭部和半導(dǎo)體襯底表面的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的表面高于偽柵的頂部表面；采用化學(xué)機械研磨工藝平坦化所述介質(zhì)層，直至暴露出偽柵的頂部表面；去除所述偽柵，形成凹槽，所述凹槽暴露出鰭部的部分側(cè)壁和頂部表面；在所述凹槽的中形成高K柵介質(zhì)層和金屬柵電極。

現(xiàn)有形成的鰭式場效應(yīng)晶體管性能仍有待提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是怎樣改善N型鰭式場效應(yīng)晶體管的HCI效應(yīng)以及P型鰭式場效應(yīng)晶體管的NBTI效應(yīng)。

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)體襯底上形成有鰭部；形成橫跨部分鰭部側(cè)壁和頂部表面的偽柵；形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、鰭部和偽柵的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的表面與偽柵的頂部表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽；在所述凹槽的側(cè)壁和底部表面形成含氟的氧化層；在所述含氟的氧化層表面上形成高K介質(zhì)層；對所述含氟的氧化層和高K介質(zhì)層進行退火，使得含氟氧化層中的氟離子擴散至凹槽底部的鰭部中，剩余的氧化層作為界面層；退火后，在所述高K介質(zhì)層上形成填充凹槽的金屬柵極。

可選的，采用自摻雜沉積工藝形成所述含氟的氧化層。

可選的，所述含氟的氧化層的形成工藝為自摻雜的原子層沉積工藝。

可選的，自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層的過程包括：向沉積腔室中通入硅源氣體的步驟；向沉積腔室通入氧源氣體的步驟；向腔室中通入氟源氣體的步驟；施加射頻功率，將硅源氣體、氧源氣體和氟源氣體解離為等離子體的步驟；等離子體沉積形成含氟的氧化薄膜層的步驟；重復(fù)進行前述步驟，若干含氟的氧化薄膜層構(gòu)成含氟的氧化層。

可選的，所述硅源氣體為甲基二乙氧基硅烷、八甲基環(huán)四硅氧烷或正硅酸乙酯，硅源氣體的流量為60sccm至500sccm，氧源氣體為O₂或O₃，氧源氣體的流量為20～300sccm，氟源氣體為SiF₄，氟源氣體的流量為30～200sccm，沉積腔室壓強為0.1托至8托，沉積腔室射頻功率為300瓦至3000瓦，沉積腔室溫度為250～400攝氏度。

可選的，所述含氟的氧化層中氟離子的濃度為1E12atom/cm³～1E16atom/cm³，含氟氧化層的厚度為5～15埃。

可選的，進行退火時的600～1200攝氏度，退火時間為30秒～60分鐘。

可選的，所述偽柵兩側(cè)的鰭部內(nèi)還形成有源區(qū)和漏區(qū)。

本發(fā)明還提供了一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有鰭部；形成橫跨部分鰭部側(cè)壁和頂部表面的偽柵；形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、鰭部和偽柵的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的表面與偽柵的頂部表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽；在所述凹槽的側(cè)壁和底部表面形成含氟的氧化層；對所述含氟的氧化層進行退火，使得含氟氧化層中的氟離子擴散至凹槽底部的鰭部中；進行退火后，去除剩余的氧化層；去除所述氧化層后，在所述凹槽的側(cè)壁和底部表面上形成界面層；在界面層表面上形成高K介質(zhì)層；在所述高K介質(zhì)層表面上形成填充凹槽的金屬柵極。

可選的，采用自摻雜沉積工藝形成所述含氟的氧化層。

可選的，所述含氟的氧化層的形成工藝為自摻雜的原子層沉積工藝。

可選的，自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層的過程包括：向沉積腔室中通入硅源氣體的步驟；向沉積腔室通入氧源氣體的步驟；向腔室中通入氟源氣體的步驟；施加射頻功率，將硅源氣體、氧源氣體和氟源氣體解離為等離子體的步驟；等離子體沉積形成含氟的氧化薄膜層的步驟；重復(fù)進行前述步驟，若干含氟的氧化薄膜層構(gòu)成含氟的氧化層。

可選的，所述硅源氣體為甲基二乙氧基硅烷、八甲基環(huán)四硅氧烷或正硅酸乙酯，硅源氣體的流量為60sccm至500sccm，氧源氣體為O₂或O₃，氧源氣體的流量為20～300sccm，氟源氣體為SiF₄，氟源氣體的流量為30～200sccm，沉積腔室壓強為0.1托至8托，沉積腔室射頻功率為300瓦至3000瓦，沉積腔室溫度為250～400攝氏度。

可選的，所述含氟的氧化層中氟離子的濃度為1E12atom/cm³～1E16atom/cm³，含氟氧化層的厚度為5～15埃。

可選的，進行退火時的600～1200攝氏度，退火時間為30秒～60分鐘。

可選的，所述偽柵兩側(cè)的鰭部內(nèi)還形成有源區(qū)和漏區(qū)。

可選的，去除所述氧化層的工藝為濕法刻蝕工藝。

可選的，濕法刻蝕工藝采用的刻蝕溶液為氫氟酸，氫氟酸的質(zhì)量百分比 濃度為1％～10％。

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)明的方法，形成的含氟的氧化層為膜層，可以采用自摻雜工藝在形成的氧化層中均勻的摻雜氟離子，后續(xù)進行退火時可以使得含氟的氧化層中的氟離子均勻的擴散到凹槽底部的鰭部中，氟離子與鰭部表面的硅的懸浮鍵結(jié)合為穩(wěn)定的硅氟鍵，從而改善了N型鰭式場效應(yīng)晶體管的HCI效應(yīng)以及P型鰭式場效應(yīng)晶體管的NBTI效應(yīng)；并且由于含氟的氧化層不僅覆蓋凹槽的底部表面而且覆蓋凹槽的側(cè)壁表面，因而使得凹槽底部邊緣和中間處的鰭部均會均勻的摻雜氟離子。

進一步，采用自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層時，形成一層含氟的氧化薄膜層相應(yīng)的自摻雜氟離子，氟離子在每一層含氟的氧化薄膜層中能夠均勻分布，若干層含氟的氧化薄膜層堆疊形成含氟的氧化層，因而含氟的氧化層厚度均勻性較高，并且含氟的氧化層中氟離子均勻分布。

附圖說明

圖1～圖5為本發(fā)明一實施例鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6～圖7為本發(fā)明另一實施例鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如背景技術(shù)所言，現(xiàn)有形成的鰭式場效應(yīng)晶體管性能仍有待提升，比如現(xiàn)有技術(shù)形成的N型鰭式場效應(yīng)晶體管存在熱載流子注入(Hot Carrier Injection，HCI)的問題，P型鰭式場效應(yīng)晶體管存在負偏壓溫度不穩(wěn)定性(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)的問題。

研究發(fā)現(xiàn)，在鰭式場效應(yīng)晶體管的制作過程中，半導(dǎo)體襯底表面會形成大量硅的懸掛鍵或陷阱，使得形成的晶體管的柵介質(zhì)層與半導(dǎo)體襯底之間的界面態(tài)發(fā)生變化，使得鰭式場效應(yīng)晶體管的閾值電壓發(fā)生偏移，并且硅的懸掛鍵或陷阱在強電場下容發(fā)生雪崩碰撞電離而引起熱載流子注入效應(yīng)。

為解決上述問題，本發(fā)明一實施例中提供了一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有鰭部；形成橫跨部分鰭部側(cè)壁和頂部表面的偽柵；形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、鰭部和偽柵的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的表面與偽柵的頂部表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽；采用離子注入工藝向凹槽底部的半導(dǎo)體襯底中注入氟離子；注入氟離子后，在所述凹槽的側(cè)壁和底部表面上形成高K介質(zhì)層；在所述高K介質(zhì)層上形成填充凹槽的金屬柵極。通過向半導(dǎo)體襯底中注入氟離子，氟離子與硅懸掛鍵形成穩(wěn)定性較高的Si-F鍵，改善了高K介質(zhì)層底下的半導(dǎo)體襯底表面的界面態(tài)，改善了N型鰭式場效應(yīng)晶體管的HCI效應(yīng)以及P型鰭式場效應(yīng)晶體管的NBTI效應(yīng)。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，上述方法采用離子注入工藝對半導(dǎo)體襯底進行氟離子注入，但是由于鰭式場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)比較特殊，在進行離子注入時，鰭式場效應(yīng)晶體管產(chǎn)生的陰影效應(yīng)(shadow effect，進行注入時，部分區(qū)域無法注入到)會使得凹槽底部的半導(dǎo)體襯底中注入的氟離子分布不均勻，并且離子注入容易對半導(dǎo)體襯底帶來注入損傷。

為此，本發(fā)明提供了一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，在形成該含氟的氧化層時，可以采用自摻雜工藝在形成的氧化層中均勻的摻雜氟離子，后續(xù)可以使得含氟的氧化層中的氟離子均勻的擴散到凹槽底部的鰭部中，氟離子與鰭部表面的硅的懸浮鍵結(jié)合為穩(wěn)定的硅氟鍵，從而改善了N型鰭式場效應(yīng)晶體管的HCI效應(yīng)以及P型鰭式場效應(yīng)晶體管的NBTI效應(yīng)。

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的說明。在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明的保護范圍。此外，在實際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

圖1～圖5本發(fā)明一實施例鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖1，提供半導(dǎo)體襯底200，所述半導(dǎo)體襯底200上形成有鰭部201；形成橫跨部分鰭部201側(cè)壁和頂部表面的偽柵204；形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、 鰭部和偽柵的介質(zhì)層203，所述介質(zhì)層203的表面與偽柵204的頂部表面齊平。

所述半導(dǎo)體襯底200可以是硅或者絕緣體上硅(SOI)，所述半導(dǎo)體襯底200也可以是鍺、鍺硅、砷化鎵或者絕緣體上鍺或其他合適的材料，本實施中所述半導(dǎo)體襯底200的材料為硅。

所述半導(dǎo)體襯底200表面形成有若干凸起的鰭部201，本實施例中，所述鰭部201通過刻蝕半導(dǎo)體襯底200形成，在本發(fā)明的其他實施例中，所述鰭部201通過外延工藝形成。所述鰭部201中可以根據(jù)形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的類型不同摻雜有不同類型的雜質(zhì)離子，本實施例中，當(dāng)待形成的鰭式場效應(yīng)晶體管為P型鰭式場效應(yīng)晶體管時，鰭部201中可以摻雜N型雜質(zhì)離子；當(dāng)待形成的鰭式場效應(yīng)晶體管為N型鰭式場效應(yīng)晶體管時，鰭部201中可以摻雜P型雜質(zhì)離子。

所述偽柵204的材料為多晶硅、無定形碳。后續(xù)去除所述偽柵204形成凹槽，在凹槽中形成金屬柵極。

在一實施例中，所述偽柵204的形成過程為：形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底200和鰭部201的偽柵材料層，偽柵材料層的表面高于鰭部201的頂部表面；平坦化所述偽柵材料層的表面；在平坦化后的偽柵材料層的部分表面形成掩膜層；以所述掩膜層為掩膜刻蝕所述平坦化后的偽柵材料層，形成橫跨鰭部的部分側(cè)壁和頂部表面的偽柵204。

在其他實施例中，所述偽柵204和鰭部201還可以形成界面層。所述界面層的材料可以為氧化硅。

在一實施例中，所述半導(dǎo)體襯底200上還形成有隔離層202，所述隔離層202的表面低于鰭部201的頂部表面，所述隔離層202用于電學(xué)隔離相鄰的鰭部201和相鄰的柵極結(jié)構(gòu)，所述隔離層202的材料為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，本實施例中所述隔離層202的材料為氧化硅。隔離層202形成的具體過程為：首先形成覆蓋所述半導(dǎo)體襯底200和鰭部201的隔離材料層；然后采用化學(xué)機械研磨工藝平坦化所述隔離材料層，以鰭部201的頂部表面為停止層；接著回刻蝕去除部分所述隔離材料層，形成隔離層202，所述隔離層202的表面低于鰭部201的頂部表面。

在一實施例中，所述偽柵204的兩側(cè)側(cè)壁表面上還形成有側(cè)墻205。所述側(cè)墻205可以為單層或多層(≥2層)堆疊結(jié)構(gòu)。所述側(cè)墻205材料可以為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

在形成側(cè)墻205后，還可以在偽柵204和側(cè)墻205兩側(cè)的鰭部201分別形成源區(qū)和漏區(qū)206。

本實施例中，所述源區(qū)和漏區(qū)206為應(yīng)力源漏區(qū)，所述應(yīng)力源漏區(qū)的形成過程為：以所述偽柵204和側(cè)墻205為掩膜刻蝕偽柵204兩側(cè)的鰭部，形成凹槽；在凹槽中填充應(yīng)力材料層，形成應(yīng)力源漏區(qū)。

在一實施例中，所述凹槽可以為sigma形狀的凹槽，凹槽中填充的應(yīng)力材料為硅鍺。在另一實施例中，所述凹槽可以為矩形槽，凹槽中填充的應(yīng)力材料為碳化硅。

在本發(fā)明的其他實施例中，所述源區(qū)和漏區(qū)206可以通過離子注入工藝形成，其形成過程為：以所述偽柵204和側(cè)墻205為掩膜，采用離子注入工藝對偽柵204和側(cè)墻205兩側(cè)的鰭部摻雜雜質(zhì)離子，在偽柵204和側(cè)墻205兩側(cè)的鰭部201內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū)206。

所述離子注入注入的雜質(zhì)離子為P型雜質(zhì)離子或N型雜質(zhì)離子，所述P型雜質(zhì)離子為硼離子、鎵離子或銦離子中的一種或幾種；所述N型雜質(zhì)離子為磷離子、砷離子或銻離子中的一種或幾種。

所述介質(zhì)層203的材料為氧化硅、氮化硅或低K介電材料。

參考圖2，去除所述偽柵204(參考圖)，形成凹槽211；在所述凹槽211的側(cè)壁和底部表面形成含氟的氧化層210。

所述含氟的氧化層210為后續(xù)向凹槽211底部的鰭部擴散的氟離子提供氟源。本實施形成的含氟的氧化層210為膜層，在采用沉積工藝形成含氟的氧化層210時，可以采用自摻雜工藝在形成的氧化層中均勻的摻雜氟離子，后續(xù)可以使得含氟的氧化層210中的氟離子均勻的擴散到凹槽211底部的鰭部201中，相比于離子注入工藝，防止陰影效應(yīng)(shadow effect)對凹槽211底部的鰭部201中摻雜的氟離子的均勻性，并且由于含氟的氧化層210不僅覆蓋凹槽211的底部表面而且覆蓋凹槽211的側(cè)壁表面，使得凹槽底部邊緣 處和中間處的鰭部211都會均勻的摻雜氟離子。

采用自摻雜沉積工藝形成所述含氟的氧化層。

本實施例中，所述含氟的氧化層210的形成工藝為自摻雜的原子層沉積工藝，自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層的過程包括：向沉積腔室中通入硅源氣體的步驟；向沉積腔室通入氧源氣體的步驟；向腔室中通入氟源氣體的步驟；施加射頻功率，將硅源氣體、氧源氣體和氟源氣體解離為等離子體的步驟；等離子體沉積形成含氟的氧化薄膜層的步驟；重復(fù)進行前述步驟，若干含氟的氧化薄膜層構(gòu)成含氟的氧化層210。

在一實施例中，所述自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層210時，所述硅源氣體為甲基二乙氧基硅烷((CH₃CH₂O)₂HCH₃Si，DEMS)、八甲基環(huán)四硅氧烷(C₈H₂₄O₄Si₄)或正硅酸乙酯(C₈H₂₀O₄Si，TEOS)，硅源氣體的流量為60sccm至500sccm，氧源氣體為O₂或O₃，氧源氣體的流量為20～300sccm，氟源氣體為SiF₄，氟源氣體的流量為30～200sccm，沉積腔室壓強為0.1托至8托，沉積腔室射頻功率為300瓦至3000瓦，沉積腔室溫度為250～400攝氏度，提高形成含氟的氧化層210厚度均勻性以及氟離子分布的均勻性。

采用自摻雜的原子層沉積工藝形成含氟的氧化層210時，形成一層含氟的氧化薄膜層相應(yīng)的自摻雜氟離子，氟離子在每一層含氟的氧化薄膜層中均勻分布，若干層含氟的氧化薄膜層堆疊形成含氟的氧化層210，因而含氟的氧化層210厚度均勻性較高，并且含氟的氧化層210中氟離子均勻分布，使得含氟的氧化層210中不同位置的氟離子濃度分布均勻，厚度退火時，使得含氟的氧化層210中的氟離子可以均勻擴散至凹槽底部的鰭部201中。

上述方法形成的含氟的氧化層210厚度為5～15埃，含氟的氧化層210中氟離子的濃度為1E12atom/cm³～1E16atom/cm³。

參考圖3，在所述含氟的氧化層210表面上形成高K介質(zhì)層207。

所述高K介質(zhì)層207的材料為HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO和HfZrO中的一種或幾種。

參考圖4，對所述含氟的氧化層210和高K介質(zhì)層207進行退火，使得含氟氧化層210中的氟離子擴散至凹槽底部的鰭部中，剩余的氧化層作為界 面層。

在進行退火時，含氟的氧化層210中的氟離子會擴散進行凹槽底部的鰭部201中，并且部分或全部氟離子與鰭部201表面的硅的懸浮鍵結(jié)合為穩(wěn)定的硅氟鍵，由于含氟的氧化層210的氟離子是均勻分布，因而含氟的氧化層210中的氟離子從各個位置均勻的擴散到凹槽211底部的鰭部中，因而凹槽底部的鰭部中的不同位置的硅的懸浮鍵均會與氟離子結(jié)合為穩(wěn)定的硅氟鍵。

在一實施例中，所述退火工藝的溫度為600～1200攝氏度，退火時間為30秒～60分鐘，以使得含氟的氧化層210中氟離子均勻的擴散至凹槽底部的鰭部中，并使得氟離子與鰭部201表面的硅的懸浮鍵結(jié)合為穩(wěn)定的硅氟鍵。

含氟氧化層210中的氟離子擴散到鰭部201之后，剩余的氧化層作為高K介質(zhì)層207和鰭部201之間的界面層，以減小高K介質(zhì)層207與鰭部201直接接觸帶來的形變。

參考圖5，退火后，在所述高K介質(zhì)層207上形成填充凹槽的金屬柵極208。

所述金屬柵極208的材料為W、Al或Cu。

圖6～圖7為本發(fā)明另一實施例鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

結(jié)合參考圖6和圖7，本實施例與前述實施例的區(qū)別在于，在形成含氟的氧化層210后，直接對含氟的氧化層210進行退火，使得含氟氧化層中的氟離子擴散到凹槽底部的鰭部201中；進行退火后，去除剩余的氧化層；去除所述氧化層后，在所述凹槽的側(cè)壁和底部表面上形成界面層209；在界面層209表面上形成高K介質(zhì)層207；在所述高K介質(zhì)層207表面上形成填充凹槽的金屬柵極208。

在一實施例中，去除所述氧化層的工藝為濕法刻蝕工藝，濕法刻蝕工藝采用的刻蝕溶液為氫氟酸，氫氟酸的質(zhì)量百分比濃度為1％～10％，減小對鰭部表面的損傷，以保證半導(dǎo)體襯底表面已形成的硅氟鍵的穩(wěn)定性。

需要說明的是，本實施例中鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程中的其他限定 或描述請參考前述實施例相關(guān)部分的限定和描述，在此不再贅述。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準。