鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝節(jié)點逐漸減小，后柵(gate-last)工藝得到了廣泛應(yīng)用，以獲得理想的閾值電壓，改善器件性能。但是當(dāng)器件的特征尺寸進一步下降時，即使采用后柵工藝，常規(guī)的MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)無法滿足對器件性能的需求，鰭式場效應(yīng)晶體管(Fin FET)作為一種多柵器件得到了廣泛的關(guān)注。
[0003]同時，隨著集成電路領(lǐng)域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限。半導(dǎo)體業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中具有較大開發(fā)潛力的石墨烯受到廣泛的關(guān)注。石墨烯(Graphene)是一種單層蜂窩晶體點陣上的碳原子組成的二維晶體，單層石墨烯的厚度約為0.35納米。實驗證明，石墨烯不僅具有非常出色的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，還具有出色的電學(xué)性能，例如0.4 μ m左右的彈道輸運特性，高載流子遷移率，室溫下的量子霍爾效應(yīng)等等。石墨烯優(yōu)越的電學(xué)性能使發(fā)展石墨烯基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能取代硅成為新一代的主流半導(dǎo)體材料。
[0004]使用石墨烯材料作為鰭式場效應(yīng)晶體管的溝道材料能夠進一步提高鰭式場效應(yīng)晶體管的性能，所以，如何形成高質(zhì)量的石墨烯材料應(yīng)用于鰭式場效應(yīng)晶體管，以提高鰭式場效應(yīng)晶體管的性能，是目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的問題是提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法，提高鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括:提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成鰭部，所述鰭部的側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第一傾斜角；在所述半導(dǎo)體襯底表面形成隔離層，所述隔離層的表面低于鰭部的頂部表面并覆蓋部分鰭部的側(cè)壁表面，高于隔離層的部分鰭部作為第一部分鰭部，被隔離層覆蓋的部分鰭部作為第二部分鰭部；對第一部分鰭部的側(cè)壁進行刻蝕，使第一部分鰭部的側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間的具有第二傾斜角，所述第二傾斜角小于第一傾斜角；在所述第一部分鰭部側(cè)壁表面形成含碳半導(dǎo)體層；在所述含碳半導(dǎo)體層表面形成石墨烯層；在所述隔離層表面形成橫跨所述鰭部的柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)覆蓋部分第一部分鰭部側(cè)壁上的石墨烯層及部分第一部分鰭部頂部。
[0007]可選的，所述第二傾斜角的范圍為50°?70°。
[0008]可選的，所述第一傾斜角的范圍為80°?90°。
[0009]可選的，所述含碳半導(dǎo)體層的材料為SiC。
[0010]可選的，形成所述石墨烯層的方法包括:對所述含碳半導(dǎo)體層進行退火，使所述含碳半導(dǎo)體層表面部分厚度內(nèi)的硅原子逸出，剩余碳原子形成石墨烯層，所述退火在真空或Ar氛圍下進彳丁,壓強為1mbar?900mbar,溫度為150CTC?2000°C，時間為1min?20min。
[0011]可選的，對第一部分鰭部的側(cè)壁進行刻蝕的方法包括:在鰭部的頂部表面形成掩膜層，所述掩膜層的寬度小于鰭部的頂部寬度，所述掩膜層兩側(cè)暴露出部分鰭部頂部；以所述掩膜層為掩膜，刻蝕所述第一部分鰭部，使所述第一部分鰭部的側(cè)壁傾斜度減小。
[0012]可選的，所述石墨烯層為單層或者雙層的石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0013]可選的，還包括:在形成所述石墨烯層之后，對所述石墨烯層進行表面修復(fù)處理，去除所述石墨稀層的缺陷。
[0014]可選的，所述表面修復(fù)處理的方法包括:將所述石墨烯層浸沒于氫氟酸溶液中，然后取出，用去離子水清洗，所述氣氟酸溶液的質(zhì)量濃度為0.5%?2%,浸沒時間為1s?30so
[0015]可選的，其特征在于，還包括:對所述石墨烯層進行氫化處理。
[0016]可選的，所述氫化處理的方法包括:在H2氛圍下進行退火，退火溫度為600°C?1000°C，時間為 30min ?200min。
[0017]可選的，所述柵極結(jié)構(gòu)包括柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層表面的柵極，所述柵介質(zhì)層的材料為氧化鋁。
[0018]為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案還提供一種采用所述方法形成的鰭式場效應(yīng)晶體管，包括:半導(dǎo)體襯底；位于半導(dǎo)體襯底上的鰭部，所述鰭部包括第二部分鰭部和位于第二部分鰭部上的第一部分鰭部，所述第二部分鰭部的側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第一傾斜角，所述第一部分鰭部的側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第二傾斜角，所述第二傾斜角小于第一傾斜角；位于半導(dǎo)體襯底上的隔離層，所述隔離層的表面低于鰭部的頂部表面，所述隔離層覆蓋第二部分鰭部的側(cè)壁；位于第一部分鰭部側(cè)壁表面的含碳半導(dǎo)體層；位于所述含碳半導(dǎo)體層表面的石墨烯層；位于所述隔離層表面的橫跨所述鰭部的柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)覆蓋部分第一部分鰭部側(cè)壁上的石墨烯層及部分第一部分鰭部頂部。
[0019]可選的，所述第二傾斜角的范圍為50°?70°。
[0020]可選的，所述第一傾斜角的范圍為80°?90°。
[0021]可選的，所述含碳半導(dǎo)體層的材料為SiC。
[0022]可選的，所述石墨烯層為單層或者雙層的石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0023]可選的，所述石墨烯層為氫化石墨烯層。
[0024]可選的，所述柵極結(jié)構(gòu)包括柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層表面的柵極，所述柵介質(zhì)層的材料為氧化鋁。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:
[0026]本實施例中，在形成所述鰭部以及隔離層之后，對高于隔離層表面的第一部分鰭部的側(cè)壁進行刻蝕，使所述第一部分鰭部的側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第二傾斜角，被隔離層覆蓋的第二部分鰭部側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底之間具有第一傾斜角，且所述第二傾斜角小于第一傾斜角，所述第一部分鰭部的側(cè)壁傾斜度下降，可以提高后續(xù)在第一部分鰭部側(cè)壁表面上形成的含碳半導(dǎo)體層的沉積質(zhì)量，并且，減小所述含碳半導(dǎo)體層表面的自由能，后續(xù)再在所述含碳半導(dǎo)體層表面形成石墨烯層。由于所述含碳半導(dǎo)體層表面的自由能下降，形成的石墨烯層與含碳半導(dǎo)體層界面之間的相互作用減小，從而可以提高形成的石墨烯層的質(zhì)量以及載流子遷移率，進而提高最終形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。
[0027]進一步的，在形成所述石墨烯層之后，可以對所述石墨烯層進行表面修復(fù)處理，消除所述石墨烯層的缺陷，從而進一步提高所述石墨烯層的載流子遷移率。還可以對所述石墨烯層進行氫化處理，使石墨烯層的性能從金屬性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變，從而可以提高形成的晶體管的性能。所述H原子會與石墨烯層內(nèi)的碳原子之間形成C-H化學(xué)鍵，氫化后的C-C原子軌道由SP2雜化轉(zhuǎn)化為SP3雜化，引起費米能級的遷移，從而使禁帶寬度增大。可以通過控制石墨烯層的氫化程度，調(diào)整所述石墨烯層的禁帶寬度，從而調(diào)整鰭式場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)特性和閾值電壓，使其滿足晶體管的要求。
[0028]本實施例中，提供的鰭式場效應(yīng)晶體管包括半導(dǎo)體襯底、位于半導(dǎo)體襯底上的鰭部以及隔離層，所述鰭部包括高于隔離層的第一部分鰭部以及被隔離層覆蓋的第二部分鰭部，所述第一部分鰭部側(cè)壁表面具有含碳半導(dǎo)體層，位于含碳半導(dǎo)體層表面的石墨烯層，以及位于隔離層表面橫跨所述鰭部的柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)覆蓋部分第一部分鰭部側(cè)壁表面的石墨烯層以及部分鰭部頂部。所述第一部分鰭部側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第二傾斜角，所述第二部分鰭部側(cè)壁與半導(dǎo)體襯底表面之間具有第一傾斜角，所述第二傾斜角小于第一傾斜角，使得第一部分鰭部的傾斜度下降，在所述第一部分鰭部表面的含碳半導(dǎo)體層的沉積質(zhì)量較高，且表面自由能下降，所以位于所述含碳半導(dǎo)體層表面的石墨烯層與所述含碳半導(dǎo)體層之間界面的原子相互作用較弱，從而使得石墨烯層的質(zhì)量較高，石墨烯層的載流子遷移率較高，進而使得所述鰭式場效應(yīng)晶體管的性能提高。
【附圖說明】
[0029]圖1至圖7是本發(fā)明的實施例的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030]如【背景技術(shù)】中所述，現(xiàn)有采用石墨烯作為溝道材料形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能有待進一步的提聞。
[0031]目前在鰭部上形成的石墨烯層的質(zhì)量較差，石墨烯層表面的原子無序性較高，石墨烯層內(nèi)的缺陷較多，導(dǎo)致所述石墨烯層內(nèi)的載流子的遷移率下降，從而影響形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的性能。
[0032]研究發(fā)現(xiàn)，在鰭部表面的含碳半導(dǎo)體層表面形成石墨烯層作為鰭式場效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域時，所述石墨烯層的形成質(zhì)量與含碳半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)相關(guān)，由于