鰭式場效應晶體管及其形成方法
【專利摘要】一種鰭式場效應晶體管及其形成方法，所述鰭式場效應晶體管包括：基底；位于所述基底上的鰭部；位于所述鰭部側壁和上表面的緩沖層；位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內的應力；位于所述GaN層上的柵介質層；位于所述柵介質層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。本技術方案提供的鰭式場效應晶體管的閾值電壓穩定、驅動電流大、功耗小，而且能在較高溫度下工作。
【專利說明】鰭式場效應晶體管及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體領域，特別涉及到一種鰭式場效應晶體管及其形成方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體技術的發展，半導體器件的關鍵尺寸在不斷地縮小。當器件的關鍵尺寸持續減小時，常規的MOS場效應晶體管會因為關鍵尺寸太小而導致短溝道效應等缺點。鰭式場效應晶體管(FinFET)由于具有較大的溝道區，且能克服短溝道效應而得到了廣泛的應用。
[0003]現有技術中，鰭式場效應晶體管的形成方法包括:
[0004]參考圖1，提供基底10。
[0005]參考圖2,在所述基底10上形成轄部11。
[0006]形成所述鰭部11的方法包括:
[0007]在所述基底10上形成圖形化的掩膜層，所述圖形化的掩膜層定義鰭部的位置；
[0008]然后以所述圖形化的掩膜層為掩膜，刻蝕部分厚度的所述基底10，形成鰭部11，并去除所述圖形化的掩膜層。
[0009]參考圖3，形成柵極結構20，所述柵極結構20橫跨所述鰭部11。
[0010]所述柵極結構20包括柵介質層和位于柵介質層上的柵極。
[0011]形成柵極結構20后，還包括形成源極和漏極。
[0012]所述鰭部11源、漏極之間的區域作為溝道區。當鰭式場效應晶體管的關鍵尺寸持續減小時，若鰭部11的材料為Si，由于Si的電子遷移率低，會導致溝道區中的載流子遷移率低。所述鰭式場效應晶體管的驅動電流小，而且功耗增大。因此，需要使用電子遷移率更高的材料來代替Si制作鰭部11。
[0013]現有技術中，通常采用SiGe或Ge來代替Si制作鰭部11，但是由于Ge的能帶隙太窄，而使得溝道區對鰭部11的形貌很敏感，而鰭部11的形貌在鰭部11尺寸不斷減小的情況下難以保持各處一致，進而使最終形成的鰭式場效應晶體管的閾值電壓不穩定。
[0014]所以，現有技術中不能得到驅動電流大、功耗小，且閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
【發明內容】
[0015]本發明解決的問題是現有技術中，不能得到驅動電流大、功耗小，且閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0016]為解決上述問題，本發明提供一種鰭式場效應晶體管的形成方法，包括:提供基底；在所述基底上形成鰭部；在所述鰭部側壁和上表面形成緩沖層；在所述緩沖層上形成GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內的應力；在所述GaN層上形成柵介質層；在所述柵介質層上形成橫跨所述鰭部的柵極。
[0017]可選的，形成所述鰭部的方法包括:在所述基底上形成具有窗口的光刻膠；通過所述窗口刻蝕部分厚度的所述基底，在基底上形成鰭部；在基底上形成鰭部后，去除所述光刻膠。
[0018]可選的，所述基底為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底、位于底部襯底上的介質層和位于介質層上的頂部硅層；被刻蝕的部分厚度的基底為頂部硅層。
[0019]可選的，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括:在所述基底上形成光刻膠層；對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠；形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整。
[0020]可選的，形成鰭部的方法包括:使用沉積法或外延生長法在所述基底上形成鰭部材料層；在所述鰭部材料層上形成具有窗口的光刻膠；通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層，刻蝕至所述鰭部材料層下表面，形成鰭部；形成鰭部后，去除所述光刻膠。
[0021]可選的，所述鰭部材料層的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0022]可選的，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括:在所述鰭部材料層上形成光刻膠層；對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠；形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整。
[0023]可選的，對所述窗口的側壁進行修整的方法為Ar或He等離子體濺射。
[0024]可選的，形成鰭部后，形成緩沖層前，還包括:對所述鰭部的上表面和側壁進行自由基氧化，使所述鰭部的上表面和側壁形成氧化層；使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
[0025]可選的，所述自由基氧化的溫度為400°C，壓強為ITorr，功率為4kW，所述自由基氧化的氣源為Ar和O2,所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm。
[0026]可選的，形成所述緩沖層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0027]可選的，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
[0028]可選的，形成所述GaN層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0029]本發明還提供一種鰭式場效應晶體管，包括:基底；位于所述基底上的鰭部；位于所述鰭部側壁和上表面的緩沖層；位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內的應力；位于所述GaN層上的柵介質層；位于所述柵介質層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。
[0030]可選的，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
[0031]可選的，所述鰭部的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0032]與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點:
[0033]本技術方案的鰭式場效應晶體管使用GaN層形成溝道區，GaN的電子遷移率(1500cm2/Vs)高于Si的電子遷移率(700cm2/Vs)，因此本發明的鰭式場效應晶體管的驅動電流增大，功耗下降。
[0034]其次，GaN的能帶隙較寬，由GaN層形成的溝道區對形貌的敏感度下降，有利于得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。而且GaN層形成在緩沖層上，所述緩沖層有利于減小所述GaN層內的應力，也有利于得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0035]再次，由于GaN的最高工作溫度(700°C )大于Si的最高工作溫度(300°C )，有利于鰭式場效應晶體管在高溫下工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1至圖3是現有技術中鰭式場效應晶體管形成方法各制作階段的立體結構示意圖；
[0037]圖4至圖10是本發明第一實施例中鰭式場效應晶體管形成方法各制作階段的立體結構示意圖；
[0038]圖11和圖12是本發明第二實施例中鰭式場效應晶體管的鰭部形成方法各制作階段的立體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
[0040]第一實施例
[0041]本實施例提供一種鰭式場效應晶體管的形成方法，包括:
[0042]參考圖4，提供基底110。
[0043]在具體實施例中，所述基底110的材料可以為硅、硅鍺、絕緣體上硅(silicon oninsulator，簡稱SOI)等常規的半導體材料。所述基底110還可以根據需要摻雜形成P型或η型基底。
[0044]然后，在所述基底110上形成鰭部。
[0045]形成所述鰭部的方法包括:
[0046]參考圖5，使用沉積法或外延生長法在所述基底110上形成鰭部材料層121。
[0047]在具體實施例中，所述鰭部材料層121的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0048]參考圖6,在所述鰭部材料層121上形成具有窗口(未作標記)的光刻膠130。
[0049]形成所述具有窗口的光刻膠130的方法包括:
[0050]在所述鰭部材料層121上形成光刻膠層；
[0051]對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠130 ；
[0052]形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整。對光刻膠層進行曝光顯影時會產生殘渣，所述殘渣會附著在所述窗口的側壁，使其側壁形貌變差。
[0053]形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整，可以去除所述窗口的側壁在曝光顯影時附著的殘渣；還能通過修整使所述窗口的側壁變得光滑，減小粗糙度。這有利于得到形貌良好的鰭部，最終得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0054]在具體實施例中，對所述窗口的側壁進行修整的方法為等離子體濺射，例如使用Ar或He等離子體派射。
[0055]對所述窗口的側壁進行修整，會使所述窗口的尺寸增大。可在所述窗口側壁上形成一層光刻膠，使所述窗口的尺寸減小，以彌補由于對所述窗口的側壁進行修整而帶來的尺寸偏差。
[0056]參考圖7，通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層121，刻蝕所述鰭部材料層121。刻蝕至所述鰭部材料層121下表面，形成鰭部120 ;形成鰭部120后，去除所述光刻膠130。
[0057]所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石。使用藍寶石作為所述鰭部120材料，由于藍寶石的價格低廉，有利于降低工藝成本。
[0058]在具體實施例中，形成所述鰭部120后，對所述鰭部120的上表面和側壁進行自由基氧化，在所述鰭部120的上表面和側壁形成氧化層(未示出);然后，使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
[0059]在具體實施例中，所述自由基氧化的方法包括:
[0060]將形成有鰭部120的基底110放入反應腔內，所述反應腔內的溫度為400°C ；
[0061]往所述反應腔內通入Ar和O2作為氣源,所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm，反應腔內的壓強維持在ITorr ；
[0062]施加4kW的功率使所述O2產生氧自由基，所述氧自由基與所述鰭部120的上表面和側壁形成氧化層。
[0063]當所述鰭部120的尺寸很小時，基于光刻技術的限制，會使所述光刻膠130中的窗口難以達到預定尺寸，造成鰭部120的尺寸存在偏差；同時，若所述鰭部120的尺寸很小，在刻蝕所述鰭部材料層121以形成鰭部120時，會使所述鰭部120的形貌很差，所述鰭部120的邊緣粗糙度很大，這會造成最終得到的鰭式場效應晶體管的閾值電壓不穩定。在本實施例中，可以先形成尺寸較大的鰭部120，這有利于使其形貌得到優化。然后，使用自由基氧化法使所述鰭部120的表面氧化，再去除所述氧化層，使所述鰭部120的尺寸減小，最終得到預定尺寸的鰭部120。由于自由基氧化法可以精確控制所述氧化層的厚度，所以可以得到尺寸很小，而且尺寸很精確的鰭部120，同時所述鰭部120的形貌很好。有利于得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0064]參考圖8，在所述鰭部120側壁和上表面形成緩沖層140。
[0065]由于GaN材料的熔解溫度極高，且具有較高的氮氣飽和蒸汽壓，通過常規的方法制備GaN單晶相當困難，因此目前GaN多生長在異質基底上。本實施例中，如果不形成緩沖層140，則GaN層生長在所述鰭部120上，由于所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石，這些材料與GaN的晶格失配較大，且熱膨脹系數也相差較大，這會導致GaN層中缺陷密度很高，最終影響鰭式場效應晶體管閾值電壓的穩定性。所以，必須在所述鰭部120與GaN層之間形成緩沖層140，所述緩沖層140與GaN的晶格失配和熱膨脹系數差異較小，所述緩沖層140有利于減小GaN層內的應力，進而得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0066]形成所述緩沖層140的方法可以為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。使用外延生長法可以提高緩沖層140的形貌，并減小緩沖層140內形成的應力。
[0067]在具體實施例中，所述緩沖層140的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
[0068]參考圖9，在所述緩沖層140上形成GaN層141。
[0069]形成所述GaN層141的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0070]使用所述GaN層141形成溝道區，由于GaN的電子遷移率(1500cm2/Vs)高于Si的電子遷移率(700cm2/Vs)，因此本實施例得到的鰭式場效應晶體管的驅動電流增大，功耗下降。
[0071]其次，GaN的能帶隙較寬，由GaN層141形成的溝道區對形貌的敏感度下降，有利于得到閾值電壓穩定的鰭式場效應晶體管。
[0072]再次，由于GaN的最高工作溫度(700°C )大于Si的最高工作溫度(300°C )，得到的鰭式場效應晶體管可在高溫下工作。
[0073]參考圖10，形成橫跨鰭部120的柵極結構150。
[0074]所述柵極結構150包括柵介質層和位于柵介質層上的柵極。
[0075]在具體實施例中，形成柵極結構150的方法包括:
[0076]在所述GaN層141上形成柵介質層，所述柵介質層定義柵極的位置；
[0077]在所述柵介質層上形成橫跨所述鰭部120的柵極。
[0078]形成所述柵極結構150后，還包括形成源極和漏極。
[0079]第二實施例
[0080]第二實施例與第一實施例的區別在于:
[0081]形成所述鰭部120的方法包括:
[0082]參考圖11，在所述基底110上形成具有窗口(未作標記)的光刻膠130。
[0083]在具體實施例中，所述基底110為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底111、位于底部襯底111上的介質層112和位于介質層112上的頂部娃層113。
[0084]所述底部襯底111的材料為S1、Ge或SiGe等本領域所熟知的其他半導體材料。所述介質層112為氧化物或氮化物介電材料層。
[0085]參考圖12,通過所述窗口刻蝕頂部娃層113,刻蝕頂部娃層113。在基底上形成鰭部120。形成鰭部120后，去除所述光刻膠130。
[0086]在其他實施例中，所述基底110也可以不為絕緣體上硅基底，則在刻蝕時，可以通過控制刻蝕的時間等工藝參數來得到預定高度的鰭部120。
[0087]本實施例中形成緩沖層、GaN層和柵極結構的方法可以參考第一實施例。
[0088]第三實施例
[0089]本實施例提供一種鰭式場效應晶體管。
[0090]參考圖10,所述鰭式場效應晶體管包括:
[0091]基底110;
[0092]位于所述基底110上的鰭部120 ；
[0093]位于所述鰭部120側壁和上表面的緩沖層140 ；
[0094]位于所述緩沖層140上的GaN層141，所述緩沖層140用于減小GaN層141內的應力；
[0095]橫跨所述鰭部120的柵極結構150。
[0096]所述柵極結構150包括柵介質層和位于所述柵介質層上的柵極。
[0097]在具體實施例中，所述緩沖層140的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
[0098]在具體實施例中，所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0099]雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，包括: 提供基底； 在所述基底上形成鰭部； 在所述鰭部側壁和上表面形成緩沖層； 在所述緩沖層上形成GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內的應力； 在所述GaN層上形成柵介質層； 在所述柵介質層上形成橫跨所述鰭部的柵極。
2.如權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述鰭部的方法包括: 在所述基底上形成具有窗口的光刻膠； 通過所述窗口刻蝕部分厚度的所述基底，在基底上形成鰭部； 在基底上形成鰭部后，去除所述光刻膠。
3.如權利要求2所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述基底為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底、位于底部襯底上的介質層和位于介質層上的頂部硅層； 被刻蝕的部分厚度的基底為頂部硅層。
4.如權利要求2所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括: 在所述基底上形成光刻膠層； 對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠； 形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整。
5.如權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成鰭部的方法包括: 使用沉積法或外延生長法在所述基底上形成鰭部材料層； 在所述鰭部材料層上形成具有窗口的光刻膠； 通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層，刻蝕至所述鰭部材料層下表面，形成鰭部； 形成鰭部后，去除所述光刻膠。
6.如權利要求5所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述鰭部材料層的材料為S1、Ge或藍寶石。
7.如權利要求5所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括: 在所述鰭部材料層上形成光刻膠層； 對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠； 形成窗口后，對所述窗口的側壁進行修整。
8.如權利要求4或7所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，對所述窗口的側壁進行修整的方法為Ar或He等離子體濺射。
9.如權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成鰭部后，形成緩沖層前，還包括: 對所述鰭部的上表面和側壁進行自由基氧化，使所述鰭部的上表面和側壁形成氧化 層； 使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
10.如權利要求9所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述自由基氧化的溫度為400°C，壓強為ITorr，功率為4kW，所述自由基氧化的氣源為Ar和O2，所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm。
11.如權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述緩沖層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
12.如權利要求1或11所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
13.如權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述GaN層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
14.一種鰭式場效應晶體管，其特征在于，包括: 基底； 位于所述基底上的鰭部； 位于所述鰭部側壁和上表面的緩沖層； 位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內的應力； 位于所述GaN層上的柵介質層； 位于所述柵介質層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。
15.如權利要求14所述的鰭式場效應晶體管，其特征在于，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質的GaN。
16.如權利要求14所述的鰭式場效應晶體管，其特征在于，所述鰭部的材料為S1、Ge或藍寶石。
【文檔編號】H01L29/10GK104425270SQ201310380205
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】張海洋, 王冬江 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司