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，不同于現有技術采用整個鰭部作為溝道區，而是僅利用鰭部的側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區，或僅利用鰭部的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區。上述較薄的溝道區使得源漏區導通過程中，將載流子限制在一個較薄的通道里，增大載流子的電流密度，避免其與襯底內的載流子復合，從而減小漏電流。
【專利說明】
鰭式場效應晶體管及其形成方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體技術領域，特別涉及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 Dimens1n)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，多柵器件作為常規器件的替代得到了廣泛的關注。
[0003]鰭式場效應晶體管(Fin FET)是一種常見的多柵器件，圖1示出了現有技術中的一種鰭式場效應晶體管的立體結構示意圖。如圖1所示，其包括:半導體襯底10，該半導體襯底10上形成有凸出的鰭部14 ;絕緣層11，覆蓋半導體襯底10的表面以及鰭部14的部分高度；柵極結構12，橫跨在鰭部14上，覆蓋鰭部14的頂部和側壁，柵極結構12包括柵介質層(圖中未示出)和位于柵介質層上的柵電極(圖中未示出)。對于Fin FET，柵極結構12覆蓋的鰭部14為溝道區，即具有多個柵，有利于增大驅動電流，改善器件性能。
[0004]實際研究結果表明，具有上述結構的鰭式場效應晶體管的漏電流較大。
[0005]有鑒于此，本發明提供一種新的鰭式場效應晶體管及其形方法，以降低漏電流。
【發明內容】
[0006]本發明解決的問題是現有的鰭式場效應晶體管溝道區的漏電流較大。
[0007]為解決上述問題，本發明的一方面提供一種鰭式場效應晶體管的形成方法，包括:
[0008]提供半導體襯底，在所述半導體襯底表面形成硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜刻蝕所述半導體襯底的部分厚度形成若干分立的頂部小、底部大的鰭部；
[0009]在所述分立的鰭部上及相鄰鰭部之間填充絕緣材料，并平坦化所述絕緣材料至鰭部上的硬掩膜層露出；
[0010]回蝕所述絕緣材料至部分高度的鰭部露出，所述回蝕過程使得位于鰭部頂部的硬掩膜層中間區域厚、邊緣區域薄；
[0011]以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行垂直方向的離子注入，以僅在所暴露的鰭部的側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區，或僅在所暴露的鰭部的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區；
[0012]去除硬掩膜層，在側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區的鰭部部分長度或側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區的鰭部部分長度上形成柵極結構，并在柵極結構兩側的鰭部形成源漏區，所述柵極結構覆蓋的離子注入區形成溝道區。
[0013]可選地，所述鰭式場效應晶體管為N溝道鰭式場效應晶體管，以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行的離子注入為P型離子注入。
[0014]可選地，所述鰭式場效應晶體管為P溝道鰭式場效應晶體管，以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行的離子注入為N型離子注入。
[0015]可選地，所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層截面呈三角形或上凸的弓形。
[0016]可選地，所述鰭部的側壁部分厚度內的離子濃度自側壁表面至鰭部中心逐漸減小。
[0017]可選地，所述半導體襯底為單晶硅。
[0018]可選地，所述半導體襯底包括單晶硅以及所述單晶硅上的外延層，所述分立的鰭部通過刻蝕所述外延層形成。
[0019]可選地，所述硬掩膜層的材質為氮化硅或氮氧化硅，所述絕緣材料的材質為二氧化娃。
[0020]本發明的另一方面提供一種鰭式場效應晶體管，包括:
[0021]位于半導體襯底上的若干分立的頂部小、底部大的鰭部；
[0022]填充在所述鰭部之間的絕緣層，所述絕緣層暴露出所述鰭部的部分高度；
[0023]橫跨在被所述絕緣層暴露的鰭部上的柵極結構，所述柵極結構兩側的鰭部形成有源漏區；
[0024]其中，所述柵極結構下的鰭部僅在側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區或僅在側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區。
[0025]可選地，所述溝道區的離子濃度自表面至所述鰭部的中心逐漸減小。
[0026]可選地，所述鰭式場效應晶體管為N溝道鰭式場效應晶體管，所述溝道區內的摻雜離子為P型離子。
[0027]可選地，所述鰭式場效應晶體管為P溝道鰭式場效應晶體管，所述溝道區內的摻雜離子為N型離子。
[0028]與現有技術相比，本發明的鰭式場效應晶體管具有以下優點:不同于現有技術采用整個鰭部作為溝道區，而是僅利用鰭部的側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區，或僅利用鰭部的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區，使得源漏區導通過程中，將載流子限制在一個較薄的通道里，增大載流子的電流密度，避免其與襯底內的載流子復合，因而減小了漏電流。
[0029]與現有技術相比，本發明的鰭式場效應晶體管的形成方法具有以下優點:對于鰭式場效應晶體管中的較薄溝道區，可以利用現有工藝中的部分結構進行形成，與現有工藝的兼容性強。具體地:保留形成鰭部所需的刻蝕工藝中的硬掩膜層，利用回蝕絕緣材料過程中的等離子體對該硬掩膜層進行刻蝕，該刻蝕在邊角區域的去除量大于中間區域的去除量，使得自然而然形成邊緣區域薄、中間區域厚的硬掩膜層，加之鰭部頂部小、底部大，因而以該硬掩膜層為掩膜對鰭部進行垂直方向的離子注入，所形成的離子注入區只在鰭部的側壁靠近表面區域的部分厚度內形成，通過調節離子注入能量，還可以在鰭部頂部靠近表面區域的部分厚度內也形成上述離子注入區，上述離子注入區中的離子被激活后形成溝道區。
【附圖說明】
[0030]圖1是現有技術中的一種鰭式場效應晶體管的立體結構示意圖；
[0031]圖2至圖7是本發明一實施例的鰭式場效應晶體管在不同制作階段的結構示意圖；
[0032]圖8至圖9是本發明另一實施例的鰭式場效應晶體管在不同制作階段的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]如【背景技術】中所述，現有的鰭式場效應晶體管的漏電流較大。針對上述問題，發明人進行了分析，發現產生問題的原因是:在源漏區導通過程中，整個鰭部都為溝道區，都有載流子通過，因而載流子密度較小，易于與襯底中的相應載流子進行復合，這產生了漏電流。基于上述分析，本發明提出:僅在側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區或僅在側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區，使得源漏區導通過程中，將載流子限制在一個較薄的通道里，增大載流子的電流密度，避免其與襯底內的載流子復合，因而減小了漏電流。
[0034]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。
[0035]請參考圖2所示，提供半導體襯底20，在半導體襯底20表面形成硬掩膜層30，以硬掩膜層30為掩膜刻蝕半導體襯底20的部分厚度形成若干分立的頂部小、底部大的鰭部
21ο
[0036]半導體襯底20的材質可以是單晶娃或者絕緣體上娃(SOI)，鰭部21是通過刻蝕部分高度的單晶硅或SOI形成的。此外，半導體襯底20也可以包括單晶硅(或SOI)以及單晶硅(或SOI)上的外延層，分立的鰭部21通過刻蝕該外延層形成。
[0037]本實施例中，硬掩膜層30的材質為氮化硅，其它實施例中，也可以為氮氧化硅或其它材質。
[0038]本實施例中，以形成三個分立的鰭部21為例進行說明，其它實施例中，本步驟形成的分立的鰭部21也可以為其它數目。
[0039]此外，由于刻蝕工藝中，開口處較開口底部的刻蝕時間長，因而去除的區域呈開口大、底部小，進而與去除區域互補的保留的鰭部21為頂部小、底部大的形狀。
[0040]接著，參考圖3所示，在分立的鰭部21上及相鄰鰭部21之間填充絕緣材料40，并平坦化該絕緣材料40至鰭部21上的硬掩膜層30露出。
[0041]本實施例中，絕緣材料40的材質為二氧化硅，其它實施例中，也可以為其它材質。填充二氧化硅的方法可以為物理氣相沉積、化學氣相沉積等方法。
[0042]本步驟中，平坦化可以采用化學機械研磨(CMP)，硬掩膜層30材質為氮化硅，其硬度大于絕緣材料40的二氧化硅，因而可以作為化學機械研磨的研磨終止層，用以檢測研磨終點。
[0043]之后，參考圖4所示，回蝕絕緣材料40 (參考圖3)至部分高度的鰭部21露出，回蝕過程使得位于鰭部21頂部的硬掩膜層30中間區域厚、邊緣區域薄。
[0044]本步驟中，回蝕(Etch Back)為無掩膜刻蝕，絕緣材料40的材質為二氧化娃時，例如采用含氟氣體進行刻蝕，CF4, C3F8等。
[0045]上述刻蝕過程中，由于刻蝕等離子氣體對邊角區域的去除量大，其它區域去除量小，因而，對絕緣材料40回蝕完畢后，硬掩膜層30會呈現中間區域厚、邊緣區域薄的形狀，例如圖4中的三角形，其它實施例中，也可以通過控制刻蝕氣體的功率、流量等參數，使得回蝕完畢后的硬掩膜層30呈上凸的弓形。
[0046]回蝕完畢保留的部分厚度的絕緣材料40形成對各鰭部21絕緣的絕緣層22。
[0047]之后，參考圖5所示，以中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層30為掩膜對暴露出的鰭部21進行垂直方向的離子注入，以僅在所暴露的鰭部21的側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區50。
[0048]本步驟中，由于鰭部21頂部小、底部大，在垂直離子注入過程中，側壁自上而下都被進行了離子注入，而由于掩膜為中間區域厚、邊緣區域薄，因而鰭部21內，越靠近側壁表面區域，離子注入的濃度越大，越靠近鰭部21的中心，離子注入的濃度越小。某些實施例中，該鰭部21的中心沒有注入的離子，某些實施例中，該鰭部21的中心注入的離子很少，以一定離子濃度值為限，大于該值的區域形成了離子注入區50，小于該值，則認為該離子濃度太小不足以形成離子注入區50。
[0049]上述離子注入區50的厚度可以根據鰭式場效應晶體管的性能需求，通過回蝕后硬掩膜層30的形狀，離子注入濃度、能量等參數進行調節。
[0050]本步驟中，離子注入的類型根據鰭式場效應晶體管的溝道類型而定，例如對于N溝道鰭式場效應晶體管，本步驟注入的離子為P型離子，例如B ;對于P溝道鰭式場效應晶體管，本步驟注入的離子為N型離子，例如P。
[0051]之后，參考圖6與圖7所示，去除硬掩膜層30 (參考圖5)，在側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區50 (參照圖5所示)的鰭部21部分長度上形成柵極結構23，并在柵極結構23兩側的鰭部21形成源漏區24，柵極結構23覆蓋的離子注入區50形成溝道區25。
[0052]硬掩膜層30的材質為氮化硅，采用熱磷酸去除。接著在絕緣層22，以及絕緣層22所暴露出的鰭部21上依次形成一二氧化硅層(未圖示)、多晶硅層(未圖示)，選擇性刻蝕后，保留覆蓋鰭部21部分長度的二氧化硅層以及多晶硅層，上述鰭部21部分長度是指預定形成溝道區的鰭部21區域，因而所保留的二氧化硅層以及多晶硅層分別形成了柵氧化層以及柵極，上述柵氧化層以及柵極構成柵極結構23 ο其它實施例中，上述柵極氧化層以及柵極也可以采用其它材質。
[0053]之后對柵極結構23以及柵極結構23兩側的鰭部21進行離子注入，以形成源漏區24。在具體離子注入過程中，也可以在柵極結構23頂部以及側壁形成側墻(未圖示)，以該側墻為掩膜進行離子注入形成源漏區24。
[0054]上述形成源漏區24的過程中，需對注入離子進行激活，例如采用高溫退火，上述激活用以形成源漏區24過程中，也對柵極結構23覆蓋的離子注入區50內的離子進行了激活，因而離子注入區50形成了溝道區25。
[0055]參照圖6與圖7所示，本實施例還提供了一種鰭式場效應晶體管，該鰭式場效應晶體管包括:
[0056]位于半導體襯底20上的若干分立的頂部小、底部大的鰭部21 ；
[0057]填充在鰭部21之間的絕緣層22，絕緣層22暴露出鰭部21的部分高度；
[0058]橫跨在被所述絕緣層22暴露的鰭部21上的柵極結構23，柵極結構23兩側的鰭部21形成有源漏區24 ;
[0059]其中，柵極結構23下的鰭部21僅在側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區25。
[0060]可以理解的是，上述鰭式場效應晶體管的源漏區24在導通過程中，由于溝道區25較薄，因而可以將載流子限制在一個較薄的通道里，增大載流子的電流密度，避免其與襯底內的載流子復合，因而可以減小漏電流。
[0061]在具體實施過程中，溝道區25的離子濃度自表面至鰭部21的中心逐漸減小。溝道區25的半導體類型由鰭式場效應晶體管的類型決定，例如鰭式場效應晶體管為N溝道型時，溝道區25內的摻雜離子為P型離子；鰭式場效應晶體管為P溝道型時，溝道區25內的摻雜離子為N型離子。
[0062]圖8至圖9是本發明另一實施例的鰭式場效應晶體管在不同制作階段的結構示意圖。可以看出，本實施例與圖1至圖7中的實施例中的鰭式場效應晶體管的形成方法，區別在于:以中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層30為掩膜對暴露出的鰭部21進行垂直方向的離子注入過程中，并非僅在所暴露的鰭部21的側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區50，而是僅在所暴露的鰭部21的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區50。相應地，上述離子注入區50被激活后，所形成的鰭式場效應晶體管中，僅在側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區25。
[0063]鰭部21頂部靠近表面區域的部分厚度內也形成離子注入區50可以通過調節離子注入能量實現，也可以通過控制回蝕完畢后的硬掩膜層30的形狀來實現。
[0064]形成上述離子注入區50后，仍按上一實施例中的形成柵極結構23、源漏區24的方法相應形成各功能結構。
[0065]離子注入區50內的離子被激活后，形成了溝道區25。可以理解的是，不論僅利用柵極結構23所覆蓋的鰭部21的側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區25，還是僅利用柵極結構23所覆蓋的鰭部21的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區25，相對于現有技術中以整個鰭部厚度作為溝道區的方案，都能使得源漏區24導通過程中，將載流子限制在一個較薄的通道里，增大載流子的電流密度，避免其與襯底內的載流子復合，從而減小漏電流。
[0066]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。
【主權項】
1.一種鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，在所述半導體襯底表面形成硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜刻蝕所述半導體襯底的部分厚度形成若干分立的頂部小、底部大的鰭部； 在所述分立的鰭部上及相鄰鰭部之間填充絕緣材料，并平坦化所述絕緣材料至鰭部上的硬掩膜層露出； 回蝕所述絕緣材料至部分高度的鰭部露出，所述回蝕過程使得位于鰭部頂部的硬掩膜層中間區域厚、邊緣區域薄； 以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行垂直方向的離子注入，以僅在所暴露的鰭部的側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區，或僅在所暴露的鰭部的側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區； 去除硬掩膜層，在側壁靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區的鰭部部分長度或側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度內形成離子注入區的鰭部部分長度上形成柵極結構，并在柵極結構兩側的鰭部形成源漏區，所述柵極結構覆蓋的離子注入區形成溝道區。2.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述鰭式場效應晶體管為N溝道鰭式場效應晶體管，以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行的離子注入為P型離子注入。3.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述鰭式場效應晶體管為P溝道鰭式場效應晶體管，以所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層為掩膜對所述暴露出的鰭部進行的離子注入為N型離子注入。4.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述中間區域厚、邊緣區域薄的硬掩膜層截面呈三角形或上凸的弓形。5.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述鰭部的側壁部分厚度內的離子濃度自側壁表面至鰭部中心逐漸減小。6.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述半導體襯底為單晶娃。7.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述半導體襯底包括單晶硅以及所述單晶硅上的外延層，所述分立的鰭部通過刻蝕所述外延層形成。8.根據權利要求1所述的鰭式場效應晶體管的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜層的材質為氮化硅或氮氧化硅，所述絕緣材料的材質為二氧化硅。9.一種鰭式場效應晶體管，其特征在于，包括: 位于半導體襯底上的若干分立的頂部小、底部大的鰭部； 填充在所述鰭部之間的絕緣層，所述絕緣層暴露出所述鰭部的部分高度； 橫跨在被所述絕緣層暴露的鰭部上的柵極結構，所述柵極結構兩側的鰭部形成有源漏區； 其中，所述柵極結構下的鰭部僅在側壁靠近表面區域的部分厚度形成溝道區或僅在側壁以及頂部靠近表面區域的部分厚度形成溝道區。10.根據權利要求9所述的鰭式場效應晶體管，其特征在于，所述溝道區的離子濃度自表面至所述鰭部的中心逐漸減小。11.根據權利要求9所述的鰭式場效應晶體管，其特征在于，所述鰭式場效應晶體管為N溝道鰭式場效應晶體管，所述溝道區內的摻雜離子為P型離子。12.根據權利要求9所述的鰭式場效應晶體管，其特征在于，所述鰭式場效應晶體管為P溝道鰭式場效應晶體管，所述溝道區內的摻雜離子為N型離子。
【文檔編號】H01L21/336GK105826381SQ201510012084
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年1月9日
【發明人】黃敬勇
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司