鳍式场效应晶体管及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种鳍式场效应晶体管及其形成方法。

背景技术：

随着半导体工艺技术的不断发展，工艺节点逐渐减小，后栅(gate-last)工艺得到了广泛应用，以获得理想的阈值电压，改善器件性能。但是当器件的特征尺寸(CD，Critical Dimension)进一步下降时，即使采用后栅工艺，常规的MOS场效应管的结构也已经无法满足对器件性能的需求，鳍式场效应晶体管(Fin FET)作为常规器件的替代得到了广泛的关注。

现有技术的一种鳍式场效应晶体管，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有凸出的鳍部，鳍部一般是通过对半导体衬底刻蚀后得到的；隔离层，覆盖所述半导体衬底的表面以及鳍部的侧壁的一部分；栅极结构，横跨在所述鳍部上，覆盖所述鳍部的顶端和侧壁，栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层上的栅电极；位于栅极结构两侧内的源区和漏区。

现有鳍式场效应晶体管的性能仍有待提升。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提高形成的鳍式场效应晶体管的性能。

为解决上述问题，本发明提供了一种鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有若干第一凹槽；

在所述半导体衬底上形成硅锗层，所述硅锗层填充满第一凹槽；

刻蚀去除部分厚度的硅锗层，在所述硅锗层中形成若干第二凹槽；

对所述第二凹槽侧壁和底部的硅锗层进行平坦化处理；

进行平坦化处理后，在所述第二凹槽中形成填充满第二凹槽的磷化铟层；

回刻蚀去除磷化铟层之间的硅锗层，暴露出磷化铟层的侧壁表面；

在所述磷化铟层的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层；

在所述铟镓砷层表面上形成高K介质层；

在所述高K介质层上形成金属栅电极。

可选的，所述硅锗层的厚度为15～550纳米。

可选的，所述硅锗层的形成过程为：采用外延工艺形成覆盖所述半导体衬底且填充满第一凹槽的硅锗材料层；平坦化所述硅锗材料层，形成硅锗层。

可选的，在刻蚀所述硅锗层之前，在所述硅锗层的表面形成图形化的硬掩膜层。

可选的，所述图形化的硬掩膜层的厚度为10～100nm，图形化的硬掩膜层的材料为氧化硅或氮化硅。

可选的，所述硅锗层中形成的第二凹槽的深度为10～500nm，宽度为5～50nm。

可选的，刻蚀所述硅锗层采用各向异性的干法刻蚀工艺。

可选的，所述各向异性的异性的干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体为Cl₂或NF₃，腔室压力为2～50mtorr，源功率为50～1500W，偏置功率为10～1000W，腔室温度为20～100摄氏度。

可选的，所述平坦化处理的过程为采用含氢气体的退火处理。

可选的，含氢气体的退火处理的退火处理采用的气体包括H₂，H₂的流量为100～200sccm，退火温度为700～1100℃，退火时间为2～10min。

可选的，所述磷化铟层的形成工艺为分子束外延。

可选的，回刻蚀所述硅锗采用的刻蚀溶液为氢氟酸溶液、双氧水溶液和醋酸溶液的混合溶液。

可选的，所述刻蚀溶液由体积百分比浓度为5％～6％的氢氟酸溶液、体积百分比浓度为25％～35％的双氧水溶液以及体积百分比浓度为97％～99.8％的醋酸溶液以1:1；1的体积混合而成。

可选的，所述铟镓砷层的厚度为1～10nm。

可选的，铟镓砷层的形成工艺为分子束外延工艺。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的鳍式场效应晶体管的形成方法，在所述半导体衬底内形成有若干第一凹槽；在所述半导体衬底上形成硅锗层，所述硅锗层填充满第一凹槽；刻蚀去除部分厚度的硅锗层，在所述硅锗层中形成若干第二凹槽；对所述第二凹槽侧壁和底部的硅锗层进行平坦化处理；进行平坦化处理后，在所述第二凹槽中形成填充满第二凹槽的磷化铟层；回刻蚀去除磷化铟层之间的硅锗层，暴露出磷化铟层的侧壁表面；在所述磷化铟层的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层；在所述铟镓砷层表面上形成高K介质层；在所述高K介质层上形成金属栅电极。所述硅锗层作为形成磷化铟层的缓冲层，以减少形成磷化铟层时的缺陷，在硅锗层层形成第二凹槽后，对第二凹槽进行平坦化处理，使得第二凹槽的侧壁具有平坦的表面，在第二凹槽中形成磷化铟层时，使得形成的磷化铟层的与硅锗层接触的两侧侧壁具有平坦的表面，所述磷化铟层作为形成铟镓砷层的缓冲层，由于磷化铟层具有平坦的表面，使得磷化铟层的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层也具有平坦的表面，铟镓砷层与高K介质层的接触界面良好，铟镓砷层中作为沟道层时，铟镓砷层中载流子的迁移率提升。

进一步，含氢气体的退火处理的退火处理采用的气体包括H₂，H₂的流量为100～200sccm，退火温度为700～1100℃，退火时间为2～10min，使得对第二凹槽的侧壁表面的平坦化效果较好。

附图说明

图1～图9为本发明实施例鳍式场效应晶体管形成过程的结构示意图。

具体实施方式

现有鳍式场效应晶体管的性能仍有待提升，比如现有鳍式场效应晶体管载流子迁移率还有待提升。

为此本发明提供了一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，本发明的鳍式 场效应晶体管的形成方法，在所述半导体衬底内形成有若干第一凹槽；在所述半导体衬底上形成硅锗层，所述硅锗层填充满第一凹槽；刻蚀去除部分厚度的硅锗层，在所述硅锗层中形成若干第二凹槽；对所述第二凹槽侧壁和底部的硅锗层进行平坦化处理；进行平坦化处理后，在所述第二凹槽中形成填充满第二凹槽的磷化铟层；回刻蚀去除磷化铟层之间的硅锗层，暴露出磷化铟层的侧壁表面；在所述磷化铟层的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层；在所述铟镓砷层表面上形成高K介质层；在所述高K介质层上形成金属栅电极。所述硅锗层作为形成磷化铟层的缓冲层，以减少形成磷化铟层时的缺陷，在硅锗层层形成第二凹槽后，对第二凹槽进行平坦化处理，使得第二凹槽的侧壁具有平坦的表面，在第二凹槽中形成磷化铟层时，使得形成的磷化铟层的与硅锗层接触的两侧侧壁具有平坦的表面，所述磷化铟层作为形成铟镓砷层的缓冲层，由于磷化铟层具有平坦的表面，使得磷化铟层的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层也具有平坦的表面，铟镓砷层与高K介质层的接触界面良好，铟镓砷层中作为沟道层时，铟镓砷层中载流子的迁移率提升。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1～图9为本发明实施例鳍式场效应晶体管形成过程的结构示意图。

请参考图1，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有若干第一凹槽201。

所述半导体衬底200可以是硅或者绝缘体上硅(SOI)，所述半导体衬底200也可以是锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗或其他合适的材料，本实施中所述半导体衬底200的材料为硅。

所述半导体衬底200内形成有若干第一凹槽201，所述第一凹槽201的数量至少为1个，所述第一凹槽201的作用后续在形成硅锗层时将硅锗层中的线状缺陷约束在第一凹槽内，防止在第一凹槽201外的硅锗层中形成线状缺 陷。

所述第一凹槽201的形成过程为：在所述半导体衬底表面上形成图形化的掩膜层(图中未示出)，所述图形化的掩膜层中具有暴露出半导体衬底表面的若干开口，所述图形化的材料为硬掩膜材料(比如氮化硅等)或光刻胶材料；以所述图形化的掩膜为掩膜刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底200中形成第一凹槽201。

参考图2，在所述半导体衬底200上形成硅锗层203，所述硅锗层203填充满第一凹槽201(参考图1)。

所述硅锗层203作为后续形成磷化铟层时的缓冲层，由于硅锗材料与磷化铟材料具有相似的晶格，使得磷化铟容易在硅锗材料上外延生长，使得形成磷化铟层中的缺陷较少，并使得与硅锗层接触的磷化铟层表面保持较好的界面形貌。

所述硅锗层203的形成过程为：采用外延工艺形成覆盖所述半导体衬底200且填充满第一凹槽的硅锗材料层；平坦化所述硅锗材料层，形成硅锗层203。

所述硅锗层203的形成工艺为外延工艺，硅锗层203的厚度为1000～10000埃。

参考图3和图4，刻蚀去除部分厚度的硅锗层203，在所述硅锗层203中形成若干第二凹槽205。

在刻蚀所述硅锗层203之前，在所述硅锗层203的表面形成图形化的硬掩膜层204，所述硬掩膜层204具有暴露出硅锗层203表面的若干开口，所述硬掩膜层204作为刻蚀硅锗层203时的掩膜。

在一实施例中，所述图形化的硬掩膜层204的厚度为10～100nm，图形化的硬掩膜层204的材料为氧化硅或氮化硅，或者也可以为其他合适的材料。

所述第二凹槽205限定了后续形成的磷化铟层的形状，所述第二凹槽205为后续磷化铟层的形成提供了空间，所述第二凹槽205的深度小于半导体衬底200上的硅锗层的厚度，使得第二凹槽205的底部和侧壁均是硅锗材料， 以保证磷化铟层的生长环境。

在一实施例中，所述硅锗层203中形成的第二凹槽205的深度为10～500nm，宽度为5～50nm。

刻蚀所述硅锗层203采用各向异性的干法刻蚀工艺。

在一实施例中，所述各向异性的异性的干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体为Cl₂或NF₃，腔室压力为2～50mtorr，源功率为50～1500W，偏置功率为10～1000W，腔室温度为20～100摄氏度，以减少第二凹槽205侧壁和底部粗糙度，以利于后续平坦化工艺的进行或者减小后续进行平坦化工艺的难度。

参考图5，对所述第二凹槽205侧壁和底部的硅锗层进行平坦化处理21。

对第二凹槽205进行平坦化处理的目的是使得第二凹槽的侧壁和底部具有平坦的表面，后续在第二凹槽中生长磷化铟层时，为磷化铟层的生长提供了良好的界面环境，使得与第二凹槽接触部分的磷化铟层侧壁和底部具有平坦的表面。

本实施例中，所述平坦化处理21的过程为采用含氢气体的退火处理。在本发明的其他实施例中可以采用其他合适的平坦化工艺。

在一具体的实施例中，所述含氢气体的退火处理的退火处理采用的气体包括H₂，H₂的流量为100～200sccm，退火温度为700～1100℃，退火时间为2～10min，在700～1100℃的温度下，第二凹槽205侧壁表面的凸起的硅锗材料处于熔融状态并且氢气的作用下迁移，从而使得对第二凹槽的侧壁表面的平坦化效果较好。

参考图6，进行平坦化处理后，在所述第二凹槽205(参考图3)中形成填充满第二凹槽的磷化铟层206。

本实施例中，所述形成的磷化铟层206还填充满图形化的硬掩膜层204中的开口。

所述磷化铟层206作为后续形成铟镓砷层的缓冲层，以提高形成的铟镓砷层界面性能，减少形成的铟镓砷层中的缺陷。

所述磷化铟层206的形成工艺为分子束外延。

硅锗层作为磷化铟层生长的缓冲层，由于第二凹槽205的侧壁和底部具有平坦的表面为磷化铟层的生长提供了平坦的表面，使得形成的磷化铟层206表面的平坦度较高，另外采用分子束外延形成磷化铟层，分子束外延形成磷化铟层时的生长速度较慢，中性粒子(原子或分子)一个一个地堆积在第二凹槽侧壁和底部表面上进行生长，并按晶体排列一层层的在第二凹槽的侧壁和底部表面上形成薄膜，进一步提高了形成的磷化铟层与第二凹槽接触面的表面平坦度。

参考图7，回刻蚀去除磷化铟层206之间的硅锗层，暴露出磷化铟层206的侧壁表面。

在回刻蚀去除磷化铟层206之间的硅锗层之前，去除硅锗层上的图形化的硬掩膜层204(参考图7)。

去除所述图形化的硬掩膜层204采用湿法刻蚀工艺或其他合适的工艺。在一实施例中，去除图形化的硬掩膜层204的湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为磷酸溶液或氢氟酸溶液。

回刻蚀所述硅锗层采用各向同性的湿法刻蚀工艺或各向同性的干法刻蚀工艺，以干净的去除磷化铟层206之间的硅锗层，防止磷化铟层206的侧壁存在硅锗材料的残留，为后续磷化铟层的形成提供了良好的表面。在一具体实施例中，去除磷化铟层206之间的硅锗层的湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为氢氟酸溶液、双氧水溶液和醋酸溶液的混合溶液，所述刻蚀溶液由体积百分比浓度为5％～6％的氢氟酸溶液、体积百分比浓度为25％～35％的双氧水溶液以及体积百分比浓度为97％～99.8％的醋酸溶液以1:1；1的体积混合而成。

参考图8，在所述磷化铟层206的顶部和侧壁表面上形成铟镓砷层207；在所述铟镓砷层207表面上形成高K介质层208。

所述铟镓砷层207作为鳍式场效应晶体管的沟道层，以提高载流子的迁移率。

所述铟镓砷层207的形成工艺为分子束外延。

前述形成的磷化铟层206具有平坦的表面，因而为铟镓砷层207提供了平坦的生长表面，有利于提高形成的铟镓砷层207的表面平坦度，另外采用 分子束外延形成铟镓砷层207，分子束外延形成铟镓砷层时的生长速度较慢，中性粒子(原子或分子)一个一个地堆积在磷化铟层206表面上进行生长，并按晶体排列一层层的在磷化铟层206表面上形成薄膜，使得最终形成铟镓砷层207的表面平坦度较高。

铟镓砷层207的表面平坦度提高，使得铟镓砷层207与后续形成的高K介质层的界面接触性能较高，有利于提高铟镓砷层207中电子的迁移率。

铟镓砷层207中In:Ga:As原子比例为0.53:0.47:1，以使的电子的迁移率较大。

所述高K介质层208的材料为HfO₂、TiO₂、HfZrO、HfSiNO、Ta₂O₅、ZrO₂、ZrSiO₂、Al₂O₃、SrTiO₃或BaSrTiO。本实施例中，所述高K介质层208的材料为Al₂O₃。

所述高K介质层208的形成工艺为化学气相沉积或原子层沉积。

参考图9，形成覆盖所述高K介质层208的金属栅电极210。

所述金属栅电极210的材料为W、Al、Cu、Ti、Ag、Au、Pt、Ni其中一种或几种。

所述金属栅电极210至少覆盖一个磷化铟层206。

本发明实施例还提供了一种鳍式场效应晶体管，请参考图9，包括：

半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有若干第一凹槽；

位于所述半导体衬底200上的硅锗层203，所述硅锗层203填充满第一凹槽；

位于硅锗层203上若干分立的磷化铟层206；

覆盖磷化铟层206的顶部和侧壁表面的铟镓砷层207；

位于铟镓砷层207表面上的高K介质层208；

覆盖所述高K介质层208的金属栅电极210。

在一实施例中，所述铟镓砷层207的厚度为1～10nm

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。