堆疊納米線制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種堆疊納米線制造方法，包括：步驟a，在襯底上形成硬掩模；步驟b，刻蝕襯底形成第一溝槽；步驟c，在第一溝槽底部形成底部刻蝕停止層；步驟d，刻蝕第一溝槽，在第一溝槽側(cè)面形成第二溝槽；步驟e，圓潤(rùn)化鰭片，形成堆疊納米線。依照本發(fā)明的堆疊納米線制造方法，采用干法刻蝕與濕法刻蝕混合，利用干法刻蝕控制垂直方向節(jié)距，注入形成刻蝕停止層以控制濕法腐蝕的進(jìn)行，由此提高了堆疊納米線的精度，有利于器件小型化。
【專利說明】堆疊納米線制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法，特別是涉及一種堆疊納米線的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)前的亞20nm技術(shù)中，三維多柵器件(FiinFET或Tri1-gate)是主要的器件結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了柵極控制能力、抑制了漏電與短溝道效應(yīng)。
[0003]例如，雙柵SOI結(jié)構(gòu)的MOSFET與傳統(tǒng)的單柵體Si或者S0M0SFET相比，能夠抑制短溝道效應(yīng)(SCE)以及漏致感應(yīng)勢(shì)壘降低(DIBL)效應(yīng)，具有更低的結(jié)電容，能夠?qū)崿F(xiàn)溝道輕摻雜，可以通過設(shè)置金屬柵極的功函數(shù)來調(diào)節(jié)閾值電壓，能夠得到約2倍的驅(qū)動(dòng)電流，降低了對(duì)于有效柵氧厚度(EOT)的要求。而三柵器件與雙柵器件相比，柵極包圍了溝道區(qū)頂面以及兩個(gè)側(cè)面，柵極控制能力更強(qiáng)。進(jìn)一步地，全環(huán)繞納米線多柵器件更具有優(yōu)勢(shì)。
[0004]在全環(huán)繞納米線多柵器件的制造過程中，已知的一種方法如下:在Si襯底上形成硬掩模，采用SF6刻蝕氣體的各向異性等離子體干法刻蝕在硬掩模下方襯底中形成略微內(nèi)凹的第一溝槽，相對(duì)的第一溝槽之間留有襯底材料構(gòu)成鰭片結(jié)構(gòu)；采用高密度CxF (碳氟比較高)刻蝕氣體的等離子體刻蝕，在襯底上以及第一溝槽側(cè)壁形成鈍化層；再次SF6各向異性刻蝕，去除襯底上鈍化層，留下第一溝槽內(nèi)側(cè)壁的鈍化層；SF6各向同性刻蝕，繼續(xù)刻蝕襯底，在第一溝槽下方形成第二溝槽；依次類推，形成多個(gè)溝槽以及鰭片結(jié)構(gòu)；氧化溝槽間的鰭片結(jié)構(gòu)，去除氧化物，留下納米線陣列。該方法工藝控制困難，納米線密度較小，一致性較差。
[0005]另一種已知的方法包括:在SOI襯底上依次外延形成Si與Ge/SiGe的交疊外延層，在頂層形成硬掩模層，刻蝕形成柵極線條，選擇性刻蝕去除相鄰Si層之間的Ge/SiGe層，留下Si納米線。該方法受限于Ge/SiGe層界面性能差，工藝成本高，難以普及。
[0006]又一種已知的方法包括對(duì)襯底交替進(jìn)行各向異性和各向同性的刻蝕，在襯底中形成多個(gè)Σ形剖面的溝槽。形成Σ形剖面的溝槽的方法例如是利用Si襯底在TMAH等刻蝕液中110面刻蝕速率大于100面速率，使得刻蝕終止在選定的晶面上。然而，該方法很難控制溝槽(納米線)形狀在垂直方向上的均一性，例如溝槽的上端點(diǎn)與下端點(diǎn)不在垂直線上(溝槽上部刻蝕較快，使得下部寬于上部)，不易于形成納米線堆疊結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]由上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種能低成本、高效的堆疊納米線制造方法。
[0008]為此，本發(fā)明提供了一種堆疊納米線制造方法，包括:步驟a，在襯底上形成硬掩模；步驟b，刻蝕襯底形成第一溝槽，第一溝槽之間形成鰭片；步驟C，在第一溝槽底部形成底部刻蝕停止層；步驟d，刻蝕鰭片，形成第二溝槽；步驟e，圓潤(rùn)化鰭片，形成堆疊納米線。
[0009]其中，重復(fù)步驟b至步驟d，形成上下層疊的多個(gè)鰭片。
[0010]其中，步驟b中采用各向異性的干法刻蝕，形成的第一溝槽具有垂直側(cè)壁。
[0011]其中，步驟c中采用離子注入或者旋涂玻璃形成底部刻蝕停止層。
[0012]其中，注入離子包括C、F、O、N、S、P、As及其組合。
[0013]其中，步驟e中采用濕法腐蝕，形成的第二溝槽側(cè)壁向內(nèi)凹陷。
[0014]其中，形成的第二溝槽具有三角形或者梯形側(cè)壁。
[0015]其中，濕法腐蝕液包括TMAH。
[0016]其中，步驟d中的第二溝槽之間保留有鰭片的剩余部分。
[0017]其中，步驟e進(jìn)一步包括:在鰭片表面形成氧化層；去除氧化層，露出棱柱形鰭片；使得棱柱形鰭片圓潤(rùn)化，形成堆疊納米線。
[0018]其中，步驟d中的第二溝槽相連，使得鰭片分離成棱柱形納米線。
[0019]其中，步驟e中在氫氣氛圍下退火，使得棱柱形納米線圓潤(rùn)化，形成堆疊納米線。
[0020]其中，襯底表面為(100)面。
[0021]其中，第一溝槽側(cè)壁為(110)面。
[0022]其中，第二溝槽側(cè)壁為(111)面。
[0023]依照本發(fā)明的堆疊納米線制造方法，采用干法刻蝕與濕法刻蝕混合，利用干法刻蝕控制垂直方向節(jié)距，注入形成刻蝕停止層以控制濕法腐蝕的進(jìn)行，由此提高了堆疊納米線的精度，有利于器件小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0025]圖1至圖11為依照本發(fā)明第一實(shí)施例的制造方法各步驟的剖示圖；
[0026]圖12至圖14為依照本發(fā)明第二實(shí)施例的制造方法步驟的剖視圖；以及
[0027]圖15為依照本發(fā)明的制造方法的示意性流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]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，公開了能低成本、高效的堆疊納米線制造方法。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“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0029]首先，以下將結(jié)合圖15的流程圖并且參照?qǐng)D1至圖11的剖面示意圖來詳細(xì)說明依照本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法各步驟。
[0030]如圖1所示，提供襯底I。襯底I依照器件用途需要而合理選擇，可包括單晶體硅
(Si)、絕緣體上硅(SOI)、單晶體鍺(Ge)、絕緣體上鍺(GeOI)、應(yīng)變硅(Strained Si)、鍺硅(SiGe),或是化合物半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb),以及碳基半導(dǎo)體例如石墨烯、SiC、碳納管等等。優(yōu)選地，襯底I為體Si以便與CMOS工藝兼容而用于制作大規(guī)模集成電路。更優(yōu)選地，襯底I為(100)晶面。
[0031]如圖2所示，步驟a，在襯底I上形成硬掩模2。通過LPCVD、PECVD、UHVCVD、HDPCVD、熱氧化、化學(xué)氧化、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等常規(guī)方法，在襯底I上形成硬掩模層，并利用已知工藝光刻/刻蝕形成硬掩模圖形2。硬掩模2的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合。
[0032]如圖3所示，步驟b，刻蝕襯底I形成第一溝槽1G，硬掩模2下方留下的襯底I剩余部分構(gòu)成第一鰭片1F。刻蝕優(yōu)選為各向異性刻蝕，以使得第一溝槽IG的側(cè)壁為(基本)垂直。各向異性刻蝕優(yōu)選是氟基氣體等離子體干法刻蝕，以便于通過控制刻蝕條件精確控制刻蝕深度dE，進(jìn)而控制最終納米線高度/厚度。刻蝕使得第一溝槽IG的側(cè)壁為(110)面，而襯底I表面仍然為(100)面。
[0033]如圖4所示，步驟C，在第一溝槽IG的底部形成底部刻蝕停止層1D。例如，執(zhí)行離子注入，在(襯底I表面下方)第一溝槽IG的底部形成注入層1D，用作稍后濕法腐蝕的刻蝕停止層。注入的離子種類包括C、F、O、N、S、P、As等及其組合。此外，也可以在第一溝槽底部通過旋涂電介質(zhì)材料，例如旋涂玻璃(S0G)，來形成較薄的材料不同的底部刻蝕停止層ID (雖然圖4僅示出了在襯底下方形成層1D，但是當(dāng)采用SOG法形成刻蝕停止層時(shí)，層ID位于襯底表面、第一溝槽IG的底部)。此外，這個(gè)刻蝕停止層是選擇性的刻蝕停止層，步驟b可以刻蝕上一個(gè)循環(huán)中經(jīng)后續(xù)圖5中的步驟d刻蝕后形成的凹槽的底面，但是后續(xù)圖5中的步驟d不能夠刻蝕經(jīng)步驟c處理完后的底面。
[0034]如圖5所示，步驟d，執(zhí)行濕法腐蝕，在第一溝槽IG側(cè)面形成第二溝槽1G’。濕法腐蝕的腐蝕液為四甲基氫氧化銨(TMAH)，各向同性刻蝕第一溝槽IG之間的第一鰭片1F，在鰭片IF中(第一溝槽IG側(cè)面)形成第二溝槽1G’。在濕法腐蝕過程中，由于注入的離子影響了襯底I表面注入層ID的晶體結(jié)構(gòu)，使得TMAH基本不腐蝕注入層或者腐蝕速率很慢，腐蝕停止在層ID上而僅側(cè)向腐蝕了鰭片1F?？刂茲穹ǜg的速率和時(shí)間，使得第二溝槽1G’的剖面形態(tài)基本是三角形，終止在(111)面上。如圖5所示，在本發(fā)明第一實(shí)施例中，第二溝槽1G’并未使得鰭片IF穿通，而是在相對(duì)的第二溝槽之間留有相連部分。
[0035]如圖6所示，與圖3所示類似，繼續(xù)各向異性地刻蝕襯底1，在鰭片IF下方形成垂直側(cè)壁的另一個(gè)第一溝槽1G。
[0036]如圖7所示，與圖4所示類似，再次執(zhí)行離子注入，在襯底I表面下方形成又一注入層1D，用作稍后濕法腐蝕的刻蝕停止層。
[0037]如圖8所示，與圖5所示類似，再次執(zhí)行濕法腐蝕，在第一鰭片IF下方腐蝕形成又一第二溝槽1G’，留下第二鰭片1F’。
[0038]之后，如圖9所示，重復(fù)圖3至圖5 (或者圖6至圖8)的流程，形成多個(gè)第一溝槽、第二溝槽和鰭片結(jié)構(gòu)。
[0039]如圖10所示，進(jìn)行后處理以減薄鰭片結(jié)構(gòu)。常用的方法包括采用熱氧化、化學(xué)氧化的方法，在鰭片結(jié)構(gòu)IF表面形成氧化層3 (例如氧化硅)，而使得剩余的鰭片結(jié)構(gòu)IF構(gòu)成納米線1NW。優(yōu)選地，可以進(jìn)一步在氫氣氛圍中退火，使得剩余地鰭片結(jié)構(gòu)IF表面圓潤(rùn)化，形成圓形的納米線1NW。
[0040]如圖11所示，去除表面的氧化層3，留下納米線1NW。去除方法例如是整個(gè)器件晶片浸入HF基腐蝕液(dHF或者dBOE (緩釋刻蝕劑))，腐蝕去除氧化硅材質(zhì)的氧化層3，僅留下多個(gè)納米線INW堆疊構(gòu)成的柵極線條陣列。
[0041]在實(shí)施例1的上述制造工藝過程中，由于在濕法腐蝕形成側(cè)面的第二溝槽階段利用離子注入層作為刻蝕停止層，有效控制了鰭片的剖面形態(tài)，有利于精確控制納米線的精細(xì)度，提高了器件加工的精度，使得本發(fā)明能有效應(yīng)用于大規(guī)模制造精細(xì)的小尺寸納米線堆疊。
[0042]圖12至圖14所示為依照本發(fā)明第二實(shí)施例的制造方法的各步驟剖視圖。
[0043]圖12之前的各步驟與實(shí)施例的圖1至圖4類似，也即包括先干法刻蝕形成第一溝槽1G，然后注入形成刻蝕停止層1D，在此不再贅述。
[0044]如圖12所示，與圖5所示類似，執(zhí)行濕法腐蝕，在第一溝槽IG側(cè)面形成第二溝槽1G’。濕法腐蝕的腐蝕液為四甲基氫氧化銨(TMAH)，各向同性刻蝕第一溝槽IG之間的第一鰭片1F，在鰭片IF中(第一溝槽IG側(cè)面)形成第二溝槽1G’。在濕法腐蝕過程中，由于注入的離子影響了襯底I表面注入層ID的晶體結(jié)構(gòu)，使得TMAH基本不腐蝕注入層或者腐蝕速率很慢，腐蝕停止在層ID上而僅側(cè)向腐蝕了鰭片1F。與實(shí)施例1相比，增大腐蝕速度或者腐蝕時(shí)間，使得第二溝槽1G’的剖面形態(tài)基本是梯形，終止在(111)面上。如圖12所示，在本發(fā)明第二實(shí)施例中，相對(duì)的兩個(gè)第二溝槽1G’相連從而使得鰭片IF穿通，相對(duì)的第二溝槽之間不再有相連部分。剩余的鰭片IF實(shí)際上構(gòu)成了棱柱形的納米線陣列。
[0045]之后，如圖13所示，重度執(zhí)行干法刻蝕-離子注入-濕法腐蝕的工藝步驟，形成多個(gè)第一、第二溝槽以及棱柱形的納米線結(jié)構(gòu)。
[0046]最后，如圖14所示，圓潤(rùn)化納米線結(jié)構(gòu)。與實(shí)施例1不同的，實(shí)施例2無需進(jìn)行圖10、11所示的氧化以及去氧化層步驟，僅在氫氣氛圍下執(zhí)行退火，使得Si材質(zhì)的棱柱形鰭片結(jié)構(gòu)圓潤(rùn)化為圓柱形的納米線結(jié)構(gòu)1NW。
[0047]依照本發(fā)明的堆疊納米線制造方法，采用干法刻蝕與濕法刻蝕混合，利用干法刻蝕控制垂直方向節(jié)距，注入形成刻蝕停止層以控制濕法腐蝕的進(jìn)行，由此提高了堆疊納米線的精度，有利于器件小型化。
[0048]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)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)器件結(jié)構(gòu)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】
1.一種堆疊納米線制造方法，包括: 步驟a，在襯底上形成硬掩模； 步驟b，刻蝕襯底形成第一溝槽，第一溝槽之間形成鰭片； 步驟C，在第一溝槽底部形成底部刻蝕停止層； 步驟d，刻蝕第一溝槽，形成第二溝槽； 步驟e，圓潤(rùn)化鰭片，形成堆疊納米線。
2.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，重復(fù)步驟b至步驟d，形成上下層疊的位于第一溝槽之間的多個(gè)鰭片。
3.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，步驟b中采用各向異性的干法刻蝕，形成的第一溝槽具有垂直側(cè)壁。
4.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，步驟c中形成底部刻蝕停止層的方法包括離子注入或者旋涂玻璃(SOG)。
5.如權(quán)利要求4的堆疊納米線制造方法，其中，步驟c中的注入離子包括C、F、O、N、S、P、As及其組合。
6.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，步驟e中采用濕法腐蝕，形成的第二溝槽側(cè)壁向內(nèi)凹陷。
7.如權(quán)利要求6的堆疊納米線制造方法，其中，濕法腐蝕液包括TMAH。
8.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，步驟d中的第二溝槽之間保留有鰭片的剩余部分。
9.如權(quán)利要求8的堆疊納米線制造方法，其中，步驟e進(jìn)一步包括:在鰭片表面形成氧化層；去除氧化層，露出棱柱形鰭片。
10.如權(quán)利要求1的堆疊納米線制造方法，其中，步驟d中的第二溝槽相連，使得鰭片分離成棱柱形納米線。
11.如權(quán)利要求9或10的堆疊納米線制造方法，其中，步驟e中在氫氣氛圍下退火，使得棱柱形納米線圓潤(rùn)化，形成堆疊納米線。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK104253048SQ201310269609
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】馬小龍, 秦長(zhǎng)亮, 殷華湘, 付作振 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所