鰭式場效應管及其形成方法
【專利摘要】一種鰭式場效應管及其形成方法，其中所述鰭式場效應管，包括：半導體襯底，位于所述半導體襯底上的鰭部；橫跨所述鰭部的表面和側壁的金屬柵極結構；位于所述半導體襯底表面的介質層，所述介質層覆蓋所述鰭部和金屬柵極結構，所述介質層的表面高于金屬柵極結構的頂部表面；位于所述介質層中暴露所述金屬柵極結構頂部表面的第二凹槽；填充滿所述第二凹槽的隔離層，所述隔離層中具有空氣隙。隔離層中的空氣隙減小了金屬柵極和源漏接觸區之間的寄生電容。
【專利說明】鰭式場效應管及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制作領域，特別涉及一種鰭式場效應管及其形成方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體工藝技術的不斷發展，隨著工藝節點逐漸減小，后柵(gate-last)工藝得到了廣泛應用，來獲得理想的閾值電壓，改善器件性能。但是當器件的特征尺寸(CD，Critical Dimension)進一步下降時，即使采用后柵工藝，常規的MOS場效應管的結構也已經無法滿足對器件性能的需求，鰭式場效應管(Fin FET)作為常規器件的替代得到了廣泛的關注。
[0003]圖1示出了現有技術的一種鰭式場效應管的立體結構示意圖。如圖1所示，包括:半導體襯底10，所述半導體襯底10上形成有凸出的鰭部14，鰭部14 一般是通過對半導體襯底10刻蝕后得到的；第一介質層11，覆蓋所述半導體襯底10的表面以及鰭部14的側壁的一部分；金屬柵極結構12，橫跨在所述鰭部14上，覆蓋所述鰭部14的頂部和側壁，金屬柵極結構12包括位于鰭部側壁和表面的高K柵介質層(圖中未示出)和位于高K柵介質層上的金屬柵電極(圖中未示出)；第二介質層(圖中未示出)，覆蓋所述第一介質層11表面和鰭部14，第二介質層的表面與金屬柵極結構12的表面齊平。
[0004]更多關于鰭式場效應管請參考專利號為“US7868380B2”的美國專利。
[0005]但現有形成的 鰭式場效應管的金屬柵極結構與源漏區接觸區的寄生電容較大，影響鰭式場效應管穩定性。
【發明內容】
[0006]本發明解決的問題是現有形成的鰭式場效應管的金屬柵極結構與源漏區接觸區的寄生電容較大，影響鰭式場效應管穩定性。
[0007]為解決上述問題，本發明技術方案提供了一種鰭式場效應管的形成方法，包括:提供半導體襯底，所述半導體襯底上具有鰭部；在所述鰭部上形成橫跨鰭部表面和側壁的犧牲柵極；在所述半導體襯底表面形成介質層，所述介質層表面與犧牲柵極的表面平齊；去除所述犧牲柵極形成第一凹槽；在所述第一凹槽填充滿金屬，形成金屬柵極；去除部分厚度的所述金屬柵極，形成第二凹槽，在所述第二凹槽中填充滿隔離層，所述隔離層中具有空氣隙。
[0008]可選的，第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的寬度。
[0009]可選的，所述第二凹槽的深度小于等于60納米，寬度小于等于30納米。
[0010]可選的，所述隔離層的材料為SiN、SiON或SiOCN。
[0011]可選的，所述填充第二溝槽的工藝為等離子體增強化學氣相沉積工藝。
[0012]可選的，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力為0.3^0.5托。
[0013]可選的，所述金屬柵極的材料為鎢。
[0014]可選的，去除部分厚度的金屬柵極的工藝為濕法刻蝕工藝，所述濕法刻蝕工藝采用的溶液為乙二醇和氫氟酸的混合溶液。
[0015]可選的，乙二醇和氫氟酸的混合溶液中乙二醇的質量百分比濃度為94%~97%，氫氟酸的質量百分比濃度為4%飛％。
[0016]可選的，在第一凹槽中填充滿金屬之前，在第一凹槽的側壁和底部形成高K柵介質層。
[0017]可選的，所述高K柵介質層的材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種。
[0018]可選的，去除部分厚度的所述金屬柵極后，再去除第一凹槽側壁的部分高度的所述高K柵介質層，所述高K柵介質層被去除的高度與金屬柵極被去除的厚度相等。
[0019]可選的，刻蝕所述高K柵介質層采用的工藝為濕法刻蝕工藝，濕法刻蝕工藝采用的溶液為稀釋的乙二酸溶液。
[0020]可選的，所述乙二酸溶液的質量百分比濃度為30%飛0%。
[0021]本發明技術方案還提供了一種鰭式場效應管，包括:半導體襯底，位于所述半導體襯底上的鰭部；橫跨所述鰭部的表面和側壁的金屬柵極結構；位于所述半導體襯底表面的介質層，所述介質層覆蓋所述鰭部和金屬柵極結構，所述介質層的表面高于金屬柵極結構的頂部表面；位于所述介質層中暴露所述金屬柵極結構頂部表面的第二凹槽；填充滿所述第二凹槽的隔離層，所述隔離層中具有空氣隙。
[0022]與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點:
[0023]隔離層中具有空氣隙，使得金屬柵極與源/漏區(或源漏接觸區)之間介質材料的介電常數減小，從而降低了金屬柵極源/漏區(或源漏接觸區)之間的寄生電容；另外，隔離層位于金屬柵極上方，隔離層的長度等于金屬柵極的長度(沿金屬柵極橫跨鰭部的方向)，隔離層中空氣隙的分布長度也等于`金屬柵極的長度，使得金屬柵極沿長度方向的各個位置與源/漏區(或源漏接觸區)之間介質材料的介電常數減小，并且所述空氣隙只位于金屬柵極上方的隔離層中，使得金屬柵極和源/漏區(或源漏接觸區)之間產生漏電流的可能性減小，提高了鰭式場效應管的穩定性；另外，由于所述隔離層和空氣隙位于鰭式場效應管的源接觸區和漏接觸區之間，降低了源接觸區和漏接觸區之間的介質材料的介電常數，減小了源接觸區和漏接觸區之間的寄生電容。
[0024]第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的寬度，所述第二凹槽的深度小于等于60納米，寬度小于等于30納米，第二凹槽的深度和寬度均較小，且第二凹槽的深寬比大于1:1，在第二凹槽中填充隔離層時，隔離材料能較容易封閉第二凹槽的開口，從而在隔離層中形成空氣隙。
[0025]所述隔離層的形成工藝為等離子體增強化學氣相沉積工藝(PECVD)，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力為0.3^0.5托，所述沉積腔的壓力大于現有的等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力(0.f 0.2托)，在形成隔離層時，能形成不均勻的隔離膜層，使得第二凹槽的開口容易被封閉，從而在隔離層中形成空氣隙。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為現有技術的一種鰭式場效應管的立體結構示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例鰭式場效應管的結構示意圖；[0028]圖:T圖11為本發明實施例鰭式場效應管形成過程的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]現有技術制作的鰭式場效應管的金屬柵極和源漏區的寄生電容較大，當鰭式場效應管工作時，寄生電容會影響鰭式場效應管的穩定性，影響鰭式場效應管的穩定性。
[0030]為解決上述問題，發明人提出一種鰭式場效應管，請參考圖2，圖2為本發明實施例鰭式場效應管的結構示意圖，所述鰭式場效應管包括:半導體襯底200，所述半導體襯底200上具有鰭部201 ;橫跨所述鰭部201頂部表面和側壁的金屬柵極207 ;位于所述金屬柵極207和鰭部201之間的高K柵介質層(圖中未示出)；位于所述半導體襯底200上的介質層208，所述介質層208覆蓋所述鰭部201和金屬柵極207，介質層208的表面高于金屬柵極207的表面；位于所述介質層208中的第二凹槽(圖中未示出)，所述第二凹槽暴露出金屬柵極207的頂部表面；填充滿所述第二凹槽的隔離層210，所述隔離層210中具有空氣隙211 ；位于所述金屬柵極207兩側的鰭部內的源/漏區(圖中未示出)；貫穿所述介質層208與源/漏區接觸的源/漏接觸區(圖中未示出)。
[0031]由于金屬柵極207上方的隔離層210中具有空氣隙211，使得金屬柵極207與源/漏區(或源漏接觸區)之間介質材料的介電常數減小，從而降低了金屬柵極207源/漏區(或源漏接觸區)之間的寄生電容，并且所述空氣隙211只位于金屬柵極上方的隔離層210中，使得金屬柵極201和源/漏區(或源漏接觸區)之間產生漏電流的可能性減小，提高了鰭式場效應管的穩定性，另外，由于所述隔離層210和空氣隙211位于鰭式場效應管的源接觸區和漏接觸區之間，降低了源接觸區和漏接觸區之間的介質材料的介電常數，減小了源接觸區和漏接觸區之間的寄生電容。
[0032]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對上述鰭式場效應管的具體的形成過程做詳細的說明。在詳述本發明實施例時，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，其在此不應限制本發明的保護范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0033]圖:T圖11為本發明實施例鰭式場效應管形成過程的剖面結構示意圖，其中圖3?圖10為沿圖2的切割線AB方向的剖面結構示意圖，圖11為沿圖2的CD方向的剖面結構示意圖。
[0034]參考圖3，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200上具有鰭部201 ;在所述半導體襯底200上形成橫跨所述鰭部201的表面和側壁的犧牲柵極202。
[0035]所述鰭部201可以通過刻蝕半導體襯底200獲得也可以通過外延工藝形成。
[0036]本實施例中，所述鰭部201通過刻蝕半導體襯底200形成，所述半導體襯底200的材料可以為硅(Si)、鍺(Ge)、或硅鍺(GeSi)、碳化硅(SiC);也可以是絕緣體上硅(S0I)，絕緣體上鍺(G0I);或者還可以為其它的材料，例如砷化鎵等II1- V族化合物。本實施例中，所述半導體襯底200的材料為硅。
[0037]在本發明的其他實施例中，所述鰭部201通過外延工藝形成時，所述鰭部201的材料為硅(Si)、鍺(Ge)、或硅鍺(GeSi)、碳化硅(SiC)或者II1- V族化合物。
[0038]所述犧牲柵極202和鰭部201之間還形成有保護層(圖中未示出)，所述保護層的材料為氧化硅，后續在去除犧牲柵極202時，保護鰭部201的表面不會受到損害。[0039]所述犧牲柵極202形成的具體的過程為:形成覆蓋所述鰭部201和半導體襯底表面的犧牲材料層；平坦化所述犧牲材料層；在犧牲材料層表面形成掩膜層，所述掩膜層具有暴露犧牲材料層表面的開口 ；沿開口，刻蝕去除部分犧牲層，形成橫跨所述鰭部201的表面和側壁的犧牲柵極202。所述犧牲柵極202的寬度小于等于30納米，鰭部201頂部表面的上的犧牲柵極202的厚度大于65納米。
[0040]在形成犧牲柵極202后，還包括，在所述犧牲柵極202的四周側壁形成側墻(圖中未示出)。所述側墻的材料為氮化硅。
[0041]在形成側墻后，還包括，以所述犧牲柵極202和側墻為掩膜，對所述犧牲柵極兩側的鰭部進行離子注入，在犧牲柵極202兩側的鰭部內形成鰭式場效應管的源/漏區(圖中未示出)。所述離子注入摻雜的雜質離子為N型雜質離子或P型雜質離子。
[0042]參考圖4，在所述半導體襯底200上形成介質層208，所述介質層208表面與犧牲柵極201的表面平齊。
[0043]所述介質層208的材料為氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氮碳氧化硅(SiOCN)或其他合適的材料，本實施例中，所述介質層208的材料為氧化硅。
[0044]所述介質層208形成的具體過程為:形成覆蓋所述半導體襯底200和犧牲柵極202的介質材料層；化學機械研磨所述介質材料層，以所述犧牲柵極202的表面為停止層，形成介質層208。
[0045]參考圖5，去除所述犧牲柵極202 (參考圖4)形成第一凹槽203，第一凹槽203的位置與犧牲柵極202的位置相對應。
[0046]去除所述犧牲柵極202的工藝為干法刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝。
[0047]參考圖6，在所述第一凹槽203的側壁和底部以及鰭部201表面和側壁形成高K柵介質層204。
[0048]所述高K柵介質層204的形成工藝為物理氣相沉積，高K柵介質層204的材料為氧化鉿、氧化娃鉿、氮氧化娃鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿錯中的一種或幾種。
[0049]所述高K柵介質層204部分位于介質層208的表面。
[0050]參考圖7,在所述高K柵介質層204表面形成金屬層206,所述金屬層206填充滿所述第一凹槽203 (參考圖6)。
[0051]本實施例中，所述金屬層206的材料為鎢，在本發明的其他實施例中，所述金屬層的材料還可以為鋁、銅、鎳、鉻、鈦、鈦鎢、鉭和鎳鉬中的一種或其組合。
[0052]參考圖8,化學機械研磨所述金屬層206和高K柵介質層204 (參考圖7),形成金屬柵極207。
[0053]參考圖9，去除部分厚度的所述金屬柵極207和高K柵介質層204，形成第二凹槽209。
[0054]所述高K柵介質層的去除步驟在金屬柵極207的步驟之后，即在去除部分厚度的所述金屬柵極后，再去除第一凹槽側壁的部分高度的所述高K柵介質層，所述高K柵介質層被去除的高度與金屬柵極被去除的厚度相等，先去除體積較大部分金屬柵極207，形成第二凹槽，然后再去除體積較小的部分高K柵介質層，去除部分高K柵介質層時，第二凹槽暴露高K柵介質層的側壁，使得體積小的高K柵介質層容易去除干凈，另外金屬柵極和高K柵介質層分步驟去除，防止在同時去除時，金屬柵極和高K柵介質層的刻蝕速率不一樣，金屬柵極的去除厚度和高K柵介質層的去除高度不一致，影響后續形成鰭式場效應管的穩定性。本實施例中，去除部分高K柵介質層后形成的空隙也作為第二凹槽209的一部分，高K柵介質層被去除的高度與金屬柵極被去除的厚度通過各自的刻蝕時間控制。
[0055]第二凹槽209的寬度與金屬柵極207的寬度相適應，第二凹槽209的深度大于等于第二凹槽的寬度，所述第二凹槽的深度小于等于60納米，寬度小于等于30納米，第二凹槽209的深度和寬度均較小，且第二凹槽209的深寬比大于1:1，后續在第二凹槽209中填充隔離層時，隔離材料能較容易封閉第二凹槽209的開口，從而在隔離層中形成空氣隙。
[0056]去除部分厚度的金屬柵極207的工藝為濕法刻蝕工藝，所述濕法刻蝕工藝采用的溶液為乙二醇和氫氟酸的混合溶液，乙二醇和氫氟酸的混合溶液中乙二醇的質量百分比濃度為94%~97%，氫氟酸的質量百分比濃度為4%飛％，采用乙二醇和氫氟酸的混合溶液刻蝕金屬柵極207時，使得金屬柵極207相對于介質層208和高K柵介質層204具有高的刻蝕選擇比。
[0057]去除部分高度的所述高K柵介質層204采用的工藝為濕法刻蝕工藝，濕法刻蝕工藝采用的溶液為稀釋的乙二酸溶液，所述乙二酸溶液的質量百分比濃度為30%飛0%，采用乙二酸溶液刻蝕高K柵介質層204，高K柵介質層204相對于介質層208和金屬柵極207具有高的刻蝕選擇比。
[0058]參考圖10和圖11，在所述第二凹槽209 (參考圖9)中填充滿隔離層210，在所述隔離層210中形成有空氣隙211。
[0059]所述隔離層210的材料為氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或氮碳氧化硅(SiOCN)。本實施例中，所述隔離層210的材料為氮化硅(SiN)。
[0060]所述隔離層210的形成工藝為等離子體增強化學氣相沉積工藝(PECVD)，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力為0.3~0.5托，所述沉積腔的壓力大于現有的等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力(0.1~0.2托)，在形成隔離層210時，能形成不均勻的隔離膜層，使得第二凹槽209的開口容易被封閉，從而在隔離層210中形成空氣隙。
[0061]在形成隔離層210時，還包括:進行化學機械研磨工藝，以去除介質層208表面多余的隔離材料。
[0062]在形成隔離層210之后，還包括，刻蝕所述介質層208，形成暴露鰭式場效應管源區和漏區的通孔；在通孔底部形成金屬硅化物；在通孔中填充滿金屬，形成插塞，插塞與金屬硅化物相連接，所述插塞和金屬硅化物構成源/漏接觸區。
[0063]由于隔離層210位于金屬柵極207上方，隔離層210的長度等于金屬柵極207的長度(沿金屬柵極207橫跨鰭部的方向)，隔離層210中空氣隙211的分布長度也等于金屬柵極207的長度，使得金屬柵極207沿長度方向的各個位置與源/漏區(或源漏接觸區)之間介質材料的介電常數減小，從而降低了金屬柵極207源/漏區(或源漏接觸區)之間的寄生電容，并且所述空氣隙211只位于金屬柵極上方的隔離層210中，使得金屬柵極201和源/漏區(或源漏接觸區)之間產生漏電流的可能性減小，提高了鰭式場效應管的穩定性，另外，由于所述隔離層210和空氣隙211位于鰭式場效應管的源接觸區和漏接觸區之間，降低了源接觸區和漏接觸區之間的 介質材料的介電常數，減小了源接觸區和漏接觸區之間的寄生電容。[0064]本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1.一種鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底上具有鰭部； 在所述鰭部上形成橫跨鰭部表面和側壁的犧牲柵極； 在所述半導體襯底表面形成介質層，所述介質層表面與犧牲柵極的表面平齊； 去除所述犧牲柵極形成第一凹槽； 在所述第一凹槽填充滿金屬，形成金屬柵極； 去除部分厚度的所述金屬柵極，形成第二凹槽，在所述第二凹槽中填充滿隔離層，所述隔離層中具有空氣隙。
2.如權利要求1所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，第二凹槽的深度大于第二凹槽的寬度。
3.如權利要求2所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述第二凹槽的深度小于等于60納米，寬度小于等于30納米。
4.如權利要求1所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述隔離層的材料為SiN, SiON 或 SiOCN。
5.如權利要求4所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述填充第二溝槽的工藝為等離子體增強化學氣相沉積工藝。
6.如權利要求5所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積腔的壓力為0.3^0.5托。
7.如權利要求1所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述金屬柵極的材料為鎢。
8.如權利要求7所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，去除部分厚度的金屬柵極的工藝為濕法刻蝕工藝，所述濕法刻蝕工藝采用的溶液為乙二醇和氫氟酸的混合溶液。
9.如權利要求8所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，乙二醇和氫氟酸的混合溶液中乙二醇的質量百分比濃度為94%~97%，氫氟酸的質量百分比濃度為4%飛％。
10.如權利要求1所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，在第一凹槽中填充滿金屬之前，在第一凹槽的側壁和底部形成高K柵介質層。
11.如權利要求10所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述高K柵介質層的材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種。
12.如權利要求11所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，去除部分厚度的所述金屬柵極后，再去除第一凹槽側壁的部分高度的所述高K柵介質層，所述高K柵介質層被去除的高度與金屬柵極被去除的厚度相等。
13.如權利要求12所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，刻蝕所述高K柵介質層采用的工藝為濕法刻蝕工藝，濕法刻蝕工藝采用的溶液為稀釋的乙二酸溶液。
14.如權利要求13所述的鰭式場效應管的形成方法，其特征在于，所述乙二酸溶液的質量百分比濃度為30%飛0%。
15.一種鰭式場效應管，其特征在于，包括: 半導體襯底，位于所述半導體襯底上的鰭部； 橫跨所述鰭部的表面和側壁的金屬柵極結構；位于所述半導體襯底表面的介質層，所述介質層覆蓋所述鰭部和金屬柵極結構，所述介質層的表面高于金屬柵極結構的頂部表面； 位于所述介質層中暴露所述金屬柵極結構頂部表面的第二凹槽； 填充滿所述第二凹槽的隔離層，所述隔離層中具有空氣隙。
16.如權利要求15所述的鰭式場效應管，其特征在于，所述隔離層的材料為SiN、SiON或 SiOCN。
17.如權利要求16所述的鰭式場效應管，其特征在于，第二凹槽的深度大于等于第二凹槽的寬度。
18.如權利要求17所述的鰭式場效應管，其特征在于，所述第二凹槽的深度小于等于60納米，寬度小于等于30 納米。
【文檔編號】H01L21/336GK103681331SQ201210332988
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月10日 優先權日:2012年9月10日
【發明者】三重野文健 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司