半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上沿第一方向延伸的鰭片、鰭片上沿第二方向延伸的柵極堆疊結(jié)構(gòu)，其特征在于：鰭片的下部分的材料導(dǎo)電性小于鰭片的上部分。本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，在鰭片溝道區(qū)下方刻蝕形成孔洞并且可以進(jìn)一步填充氧化物，有效減小了溝道區(qū)底部泄漏電流同時(shí)還避免結(jié)電流和結(jié)電容增大，提高了器件性能。
【專利說明】半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種FinFET及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件的尺寸持續(xù)等比例縮小，出現(xiàn)了閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度減小而下降 的問題，也即在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生了短溝道效應(yīng)。為了抑制這種短溝道效應(yīng)，業(yè)界采用了鰭 片場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)的新結(jié)構(gòu)，也即在體Si或者SOI襯底的頂部薄硅層中形成多個(gè) 相互平行的垂直于襯底的硅鰭片(Fin)，在這些硅Fin中部形成溝道區(qū)、以及在兩端形成源 漏區(qū)，而控制柵極則橫跨這些多個(gè)硅Fin分布?？刂茤艠O包圍了溝道區(qū)的頂面以及部分側(cè) 面，因此能夠增強(qiáng)柵控能力。
[0003]然而，F(xiàn)inFET中鰭片的高寬比通常較大，并且控制柵極通常僅分布在鰭片頂部附 近(例如鰭片下部埋設(shè)在STI氧化物中)，也即控制柵極僅包圍了鰭片靠近頂面的部分側(cè) 面，對(duì)于鰭片溝道區(qū)底部控制能力較弱。在鰭片溝道區(qū)底部的泄漏電流成為制約FinFET發(fā) 展的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
[0004]現(xiàn)有的一種減小鰭片溝道區(qū)底部泄漏電流的方法是使用高阱區(qū)摻雜，也即在鰭片 溝道區(qū)下方(通常埋設(shè)在STI氧化物中)的區(qū)域中施加大劑量、大濃度的摻雜，使得該區(qū)域 與其上的FinFET具有不同的導(dǎo)電類型，例如對(duì)于PM0SFET而言為n+摻雜，對(duì)于NMOS而言 為P+摻雜。這種高阱區(qū)摻雜可以利用Pn結(jié)實(shí)現(xiàn)底部隔離，減小泄漏電流，因此也稱作穿通 阻擋層(PTS)。
[0005]然而，這種PTS具有的高濃度除了會(huì)減小溝道區(qū)底部泄漏電流之外，還會(huì)使得阱 區(qū)自身的結(jié)電流增大并且自身結(jié)電容增大，這些寄生參數(shù)的增大會(huì)大大影響器件整體性 能，特別是高頻響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于減小FinFET底部泄漏電流，同時(shí)避免結(jié)電流和結(jié)電 容增大。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，是通過提供一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上沿第一方 向延伸的鰭片、鰭片上沿第二方向延伸的柵極堆疊結(jié)構(gòu)，其特征在于:鰭片的下部分的材料 導(dǎo)電性小于鰭片的上部分。
[0008]其中，鰭片的下部分為由空氣或者絕緣體填充的孔洞。
[0009]其中，鰭片的上部分的晶向?yàn)?110)或者(112)，襯底的晶向?yàn)?100)。
[0010]本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括:刻蝕襯底，形成沿第一方向延伸 的鰭片，其中鰭片的上部分的側(cè)面與鰭片的下部分的側(cè)面晶向不同；各向異性刻蝕鰭片，刻 蝕鰭片的下部分形成孔洞；在鰭片上沉積墊層和隔離氧化層；刻蝕墊層和隔離氧化層，露 出鰭片的上部分；在鰭片的上部分上沉積沿第二方向延伸的柵極堆疊結(jié)構(gòu)。[0011]其中，襯底由不同晶向的第一襯底和第二襯底鍵合形成，刻蝕襯底形成鰭片時(shí)鰭 片的下部分由第一襯底構(gòu)成，鰭片的上部分由第二襯底構(gòu)成。
[0012]其中，鰭片的上部分的側(cè)面為{111}面。
[0013]其中，刻蝕襯底之前還包括在襯底上沉積蓋層，蓋層包括氧化硅、氮化硅及其組
八
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[0014]其中，沉積墊層和隔離氧化層的同時(shí)還采用絕緣體填充了孔洞。
[0015]其中，采用TMAH濕法刻蝕來各向異性刻蝕鰭片。
[0016]其中墊層和/或隔離氧化層包括氧化硅、氮化硅及其組合。
[0017]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，在鰭片溝道區(qū)下方刻蝕形成孔洞并且可 以進(jìn)一步填充氧化物，有效減小了溝道區(qū)底部泄漏電流同時(shí)還避免結(jié)電流和結(jié)電容增大， 提高了器件性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0019]圖1至圖6為根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法各個(gè)步驟的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技 術(shù)效果。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第 二”、“上”、“下”、“厚”、“薄”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)。這些修飾除非特別說明并非暗 示所修飾器件結(jié)構(gòu)的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0021]參照?qǐng)D1，提供襯底。提供第一襯底100，其材質(zhì)例如是體S1、體Ge、GaAs, SiGe, GeSn、InP、InSb、GaN等等，并且優(yōu)選體Si (例如單晶Si晶片)。第一襯底100例如為(100) 面。提供第二襯底110，其材質(zhì)與第一襯底100相同，例如均是體Si晶片。第二襯底例如是 (110)、(210)、(211)、(112)、(310)、(311)、(320)等面，并且優(yōu)選(110)或者(112)面。通 過晶片鍵合，使得不同晶向的第一襯底100和第二襯底110結(jié)合成為鰭片的生長(zhǎng)襯底。其 中，第二襯底110的厚度必須要大于稍后要形成的鰭片的高度。
[0022]如圖2所示，刻蝕襯底，形成鰭片以及源漏接觸區(qū)。圖2B所示為器件的頂視圖，圖 2A為圖2B沿直線AA’的剖視圖。在襯底100/110上通過PECVD、HDPCVD等方式沉積蓋層 120，其材質(zhì)例如為氧化硅、氮化硅及其組合，用于在稍后刻蝕中保護(hù)襯底頂部，以避免在鰭 片頂部溝道區(qū)中引入過多缺陷。采用各向異性的刻蝕方法，刻蝕襯底100/110，形成鰭片結(jié) 構(gòu)，包括上部鰭片110和下部鰭片100。特別地，控制刻蝕參數(shù)，使得刻蝕完成之后得到的鰭 片結(jié)構(gòu)的側(cè)面的晶向不同。例如，不同的襯底沿不同方向刻蝕可以得到不同的側(cè)面:(100) 襯底沿中軸線方向垂直刻蝕得到晶向?yàn)閧100}(其中{}表示晶面族，例如{100}面其實(shí)包 括(100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)、(00-1)六個(gè)晶面，在本發(fā)明的實(shí)施例中表示{100} 晶面族中與(100)垂直的一個(gè)或多個(gè)晶面，以下類似)的側(cè)面，沿與中軸線夾角45度的方 向垂直刻蝕得到晶向?yàn)閧110}的側(cè)面，其余類似。此外，不同的晶向的襯底在鍵合時(shí)，進(jìn)行 角度旋轉(zhuǎn)，可以在不同襯底上刻蝕出不同晶向的側(cè)面:(112)襯底與(100)襯底鍵合之前， (100)襯底順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度(或者(112)襯底逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度)，鍵合之后統(tǒng)一沿(112)襯底的與中軸線垂直的方向進(jìn)行刻蝕，即可在(100)襯底上得到晶向?yàn)閧110}的側(cè)面，在 (110)襯底上得到晶向?yàn)閧111}的側(cè)面。由此，可以使得上部鰭片110的側(cè)面為{111}面， 而下部鰭片100的側(cè)面為除了 {111}面之外的其他面。如圖2B所示，除了形成鰭片之外， 還在鰭片的兩端形成源漏接觸區(qū)。鰭片可以沿平行于襯底表面的第一方向延伸，也即未來 器件溝道區(qū)方向。
[0023]如圖3所示，刻蝕鰭片，在鰭片底部形成孔洞。圖3A為刻蝕完成之后沿圖2中線 AA’的剖視圖，圖3B為沿圖2中線BB’的剖視圖。采用各向異性的刻蝕方法，例如采用TMAH 刻蝕Si，對(duì)鰭片進(jìn)行刻蝕，在鰭片底部形成孔洞130。由于上部鰭片110的側(cè)面為{111}面， 在TMAH刻蝕液中刻蝕速度最慢，因此鰭片上部由原第二襯底110構(gòu)成的部分將基本不被刻 蝕，而由原第一襯底100構(gòu)成的下部鰭片在鰭片區(qū)域?qū)⒈煌耆涛g去除，從而在上部鰭片 110的下方留下孔洞。與此同時(shí)，在源漏接觸區(qū)域，由于圖案較之鰭片要寬厚，因此第一襯底 100仍有部分保留，只是其寬度要小于第二襯底110部分。
[0024]如圖4所示，在鰭片和襯底上形成墊層、以及隔離氧化層。通過LPCVD、PECVD、 HDPCVD、快速熱氧化(RTO)等方法，在鰭片結(jié)構(gòu)120/110/130上沉積墊氧化層140以及優(yōu)選 地墊氮化層150 (140、150共同構(gòu)成墊層)。在墊層140/150上、多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)之間通過類似 方法沉積氧化硅、氮化硅及其組合的材料構(gòu)成的隔離氧化層160，用于器件之間的絕緣隔離 保護(hù)。此時(shí)，上部鰭片110下方的孔洞130可以保持由空氣填充，或者在沉積墊層140/150 時(shí)一并填充了氧化硅、氮化硅及其組合的材料而形成了絕緣體下層鰭片130A(其中圖4中 左側(cè)130代表為空氣，右側(cè)130A代表填充了絕緣體)，總之孔洞130或者絕緣體130A構(gòu)成 的鰭片的下部分的導(dǎo)電性能小于鰭片的上部分。該空氣填充的孔洞130或者絕緣體下層鰭 片130A可以有效減少泄漏電流，同時(shí)又不會(huì)帶來由于高摻雜引起的結(jié)電流和結(jié)電容的問 題。
[0025]如圖5所示，刻蝕隔離氧化層以及墊層，形成柵極溝槽，暴露鰭片。采用碳氟基刻 蝕氣體并調(diào)整刻蝕參數(shù)，依次刻蝕隔離氧化層160、墊氮化層150以及墊氧化層140，直至露 出上部鰭片110。暴露出的上部鰭片IlOA將在后續(xù)工藝中用作器件的溝道區(qū)。
[0026]如圖6所示，在暴露的鰭片上形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)。采用PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、 ALD等方式沉積柵極介質(zhì)層170，其材質(zhì)為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高k材料及其組合，其 中高k材料包括但不限于氮化物(例如SiN、AlN、TiN)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金 屬元素氧化物，例如 Al2O3' Ta2O5' TiO2' Zn。、ZrO2, HfO2, Ce02、Y2O3' La2O3)、鈣鈦礦相氧化物 (例如 PbZrxTi1-A(PZT)、BaxSr1-JiO3(BST))。通過 MOCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等方法，在 柵極溝槽中柵極介質(zhì)層170上形成柵極電極層180，其材質(zhì)為Cu、Al、T1、Mo、Ta、W及其組 合，優(yōu)選地，柵極電極層180與柵極介質(zhì)層170之間還形成有TiN、TaN材質(zhì)的阻擋層/功函 數(shù)調(diào)節(jié)層(未示出)。其中，雖然圖6中并未示出，但是柵極堆疊結(jié)構(gòu)170/180沿不同于第 一方向的第二方向延伸，優(yōu)選地垂直于第一方向。
[0027]最終形成的器件結(jié)構(gòu)如圖6所示，至少包括襯底100、襯底100上沿第一方向延伸 的鰭片110、鰭片110上沿第二方向延伸的柵極堆疊結(jié)構(gòu)，其中鰭片110下方還包括孔洞 130或者絕緣體下層鰭片130A。其他的器件結(jié)構(gòu)和材料如方法描述中所述，在此不再贅述。
[0028]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，在鰭片溝道區(qū)下方刻蝕形成孔洞并且可 以進(jìn)一步填充氧化物，有效減小了溝道區(qū)底部泄漏電流同時(shí)還避免結(jié)電流和結(jié)電容增大，提高了器件性能。
[0029]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無(wú)需 脫離本發(fā)明范圍而對(duì)形成器件結(jié)構(gòu)的方法做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公 開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明 的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開 的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上沿第一方向延伸的鰭片、鰭片上沿第二方向延伸 的柵極堆疊結(jié)構(gòu)，其特征在于:鰭片的下部分的材料導(dǎo)電性小于鰭片的上部分。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，鰭片的下部分為由空氣或者絕緣體填充的孔洞。
3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，鰭片的上部分的晶向?yàn)?110)或者(112)，襯底 的晶向?yàn)?100)。
4.一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括:刻蝕襯底，形成沿第一方向延伸的鰭片，其中鰭片的上部分的側(cè)面與鰭片的下部分的 側(cè)面晶向不同；各向異性刻蝕鰭片，刻蝕鰭片的下部分形成孔洞；在鰭片上沉積墊層和隔離氧化層；刻蝕墊層和隔離氧化層，露出鰭片的上部分；在鰭片的上部分上沉積沿第二方向延伸的柵極堆疊結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中，襯底由不同晶向的第一襯底和第二襯底鍵合形成，刻蝕 襯底形成鰭片時(shí)鰭片的下部分由第一襯底構(gòu)成，鰭片的上部分由第二襯底構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求4的方法，其中，鰭片的上部分的側(cè)面為{111}面。
7.如權(quán)利要求4的方法，其中，刻蝕襯底之前還包括在襯底上沉積蓋層，蓋層包括氧化 硅、氮化硅及其組合。
8.如權(quán)利要求4的方法，其中，沉積墊層和隔離氧化層的同時(shí)還采用絕緣體填充了孔洞。
9.如權(quán)利要求4的方法，其中，采用TMAH濕法刻蝕來各向異性刻蝕鰭片。
10.如權(quán)利要求4的方法，其中墊層和/或隔離氧化層包括氧化硅、氮化硅及其組合。
【文檔編號(hào)】H01L29/10GK103594513SQ201210293573
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月16日
【發(fā)明者】尹海洲, 蔣葳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所