鳍式场效应晶体管的形成方法与流程

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的形成方法。

背景技术：

本发明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。

所述栅介质层的材料为氧化硅，栅电极的材料为多晶硅。随着鳍式场效应晶体管的特征尺寸也越来越小，为了降低鳍式场效应晶体管的寄生电容以及减小器件的漏电流，提高器件速度，高K栅介质层与金属栅电极的栅极叠层结构被引入到鳍式场效应晶体管中。为了避免金属栅极的金属材料对晶体管其他结构的影响，所述金属栅极与高K栅介质层的栅极叠层结构通常采用“后栅(gate last)”工艺制作。

现有鳍式场效应晶体管的金属栅极的形成过程为：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干鳍部；在所述鳍部的侧壁和表面上形成伪栅；形成覆盖所述伪栅、鳍部和半导体衬底表面的介质层，所述介质层的表面高于伪栅的顶部表面；采用化学机械研磨工艺平坦化所述介质层，直至暴露出伪栅的顶部表面；去除所述伪栅，形成凹槽，所述凹槽暴露出鳍部的部分侧壁和顶部表面；在所述凹槽的中形成高K栅介质层和金属栅电极。

为了进一步提高形成的鳍式场效应晶体管的性能，比如提高鳍式场效应晶体管沟道区载流子的迁移率，现有技术形成的鳍部采用Ge、SiGe或Ⅲ-Ⅴ元素。

现有形成的鳍式场效应晶体管性能仍有待提升。

技术实现要素：

本发明解决的问题是怎样改善鳍式场效应晶体管的高K介质层与鳍部之间的界面性能。

为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有鳍部，所述鳍部的材料为Ge、SiGe或Ⅲ-Ⅴ元素；形成横跨部分鳍部侧壁和顶部表面的伪栅；形成覆盖所述半导体衬底、鳍部和伪栅的介质层，所述介质层的表面与伪栅的顶部表面齐平；去除所述伪栅，形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和底部表面形成含氧离子的高K介质层；对所述含氧离子的高K介质层进行退火，使得含氧离子的高K介质层中的氧离子扩散至凹槽底部的鳍部中，氧离子与鳍部材料反应形成界面层；退火后，在所述高K介质层上形成填充凹槽的金属栅极。

可选的，采用自掺杂沉积工艺形成所述含氧离子的高K介质层。

可选的，所述含氧离子的高K介质层的形成工艺为自掺杂的原子层沉积工艺。

可选的，所述高K介质层的材料为HfO₂、TiO₂、HfZrO、HfSiNO、Ta₂O₅、ZrO₂、ZrSiO₂、Al₂O₃、SrTiO₃或BaSrTiO。

可选的，所述高K介质层材料HfO₂，自掺杂的原子层沉积工艺形成含氧离子的高K介质层的过程包括：步骤S21，向沉积腔室中通入铪源气体；步骤S22，向沉积腔室通入第一氧源气体；步骤S23，施加射频功率，将铪源气体、第一氧源气体解离为等离子体；步骤S24等离子体沉积形成高K介质薄膜层；步骤S25，循环进行步骤S21-S24至少1-4次后，进行通入第二氧源气体，并解离第二氧源气体，向高K介质薄膜层掺杂氧离子的步骤；步骤S26，重复进行步骤S21-S25，若干含氧离子的高K介质薄膜层构成含氧离子的高K 介质层。

可选的，所述铪源气体为HfCl₄，铪源气体的流量为60sccm至500sccm，第一氧源气体为H₂O，第一氧源气体的流量为20～300sccm，第二氧源气体为O₂或O₃，第二氧源气体的流量为30～200sccm，沉积腔室压强为0.1托至8托，沉积腔室射频功率为300瓦至3000瓦，沉积腔室温度为250～400摄氏度。

可选的，所述含氧离子的高K介质层中氧离子的浓度为1E12atom/cm³～1E16atom/cm³，含氧离子的高K介质层的厚度为5～30埃。

可选的，进行退火时的600～1200摄氏度，退火时间为30秒～60分钟，退火氛围为惰性气体氛围60分钟，退火氛围为惰性气体氛围，退火氛围为惰性。

可选的，所述伪栅两侧的鳍部内还形成有源区和漏区。

可选的，还包括：在退火之前，在含氧离子的高K介质层表面上形成盖层。

可选的，所述盖层为金属氮化物。

可选的，所述金属氮化物为TiN或TaN。

可选的，所述盖层的厚度为10～50埃。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明鳍式场效应晶体管的形成方法，在形成该含氧离子的高K介质层时，可以采用自掺杂工艺在形成的高K介质层中均匀的掺杂氧离子，后续可以使得含氧离子的高K介质层中的氧离子均匀的扩散到凹槽底部的鳍部中，氧离子与鳍部材料反应形成界面层，由于氧离子在高K介质层中是均匀分布的，因而退火时，氧离子从高K介质层与鳍部的接触面不同位置均匀扩散到鳍部中，接触面上不同位置的扩散氧离子浓度是相同的，因而氧离子与不同位置鳍部材料反应形成的界面层的厚度均匀性较高，并且通过控制高K介质层中氧离子的含量，可以控制形成的界面层的厚度，从而本发明的方法可以形成厚度较薄且厚度均匀的界面层，改善了高K介质层与鳍部之间的界面性能；并且在进行退火时，形成的界面层位于高K介质层与鳍部之间，高K介质层防止刚形成的界面层与空气接触，从而提高了形成的界面层的稳定性， 进一步改善了高K介质层与鳍部之间的界面性能。进一步，采用自掺杂的原子层沉积工艺形成含氧离子的高K介质层时，形成一层含氧离子的高K介质薄膜层相应的自掺杂氧离子，氧离子在每一层含氧离子的高K介质薄膜层中能够均匀分布，若干层含氧离子的高K介质薄膜层堆叠形成含氧离子的高K介质层，因而含氧离子的高K介质层厚度均匀性较高，并且含氧离子的高K介质层中氧离子均匀分布。

进一步，自掺杂原子层沉积工艺时，进行步骤S26，重复进行步骤S21-S25，若干含氧离子的高K介质薄膜层构成含氧离子的高K介质层，进行步骤S26的目的主要是对形成高K介质薄膜层进行氧离子掺杂，防止作为杂质离子的氧离子参与高K介质薄膜层(HfO₂)的反应，使得氧离子游离在Hf-O键的空隙中，以使得形成高K介质层中保持一定的氧离子的掺杂浓度，便于后续退火时的扩散，并且该步骤还能够带出高K介质薄膜层中残留的氯元素。

附图说明

图1～图5为本发明一实施例鳍式场效应晶体管的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，现有形成的鳍式场效应晶体管性能仍有待提升，比如现有技术形成的鳍式场效应晶体管的高K栅介质层与鳍部界面面的界面性能非常差，而为了改善界面性能，需要在形成高K栅介质层之前在所述鳍部的表面形成界面层。

研究发现，现有的界面层一般通过氧化工艺或沉积形成，界面层的材料为GeO₂，但是现有技术形成的GeO₂界面层非常不稳定，非常容易溶于水，特别是暴露在空气中时容易与空气中的水汽发生反应；并且由于鳍部的结构比较特别，在形成界面层厚度较难控制，厚度的均匀性也很难保证，并且很难形成较薄厚度的GeO₂界面层。

为此，本发明提供了一种鳍式场效应晶体管的形成方法，在形成该含氧离子的高K介质层时，可以采用自掺杂工艺在形成的高K介质层中均匀的掺杂氧离子，后续可以使得含氧离子的高K介质层中的氧离子均匀的扩散到凹 槽底部的鳍部中，氧离子与鳍部材料反应形成界面层，由于氧离子在高K介质层中是均匀分布的，因而退火时，氧离子从高K介质层与鳍部的接触面不同位置均匀扩散到鳍部中，接触面上不同位置的扩散氧离子浓度是相同的，因而氧离子与不同位置鳍部材料反应形成的界面层的厚度均匀性较高，并且通过控制高K介质层中氧离子的含量，可以控制形成的界面层的厚度，从而本发明的方法可以形成厚度较薄且厚度均匀的界面层；并且在进行退火时，形成的界面层位于高K介质层与鳍部之间，高K介质层防止刚形成的界面层与空气接触，从而提高了形成的界面层的稳定性。

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5本发明一实施例鳍式场效应晶体管的形成过程的结构示意图。

参考图1，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200上形成有鳍部201，所述鳍部的材料为Ge、SiGe或Ⅲ-Ⅴ元素；形成横跨部分鳍部201侧壁和顶部表面的伪栅204；形成覆盖所述半导体衬底、鳍部和伪栅的介质层203，所述介质层203的表面与伪栅204的顶部表面齐平。

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表面形成有若干凸起的鳍部201，所述鳍部的材料为Ge、SiGe或Ⅲ-Ⅴ元素，以提高后续形成的鳍式场效应晶体管沟道区载流子的迁移率，在一实施例中，当半导体衬底200的材料为Ge、SiGe或Ⅲ-Ⅴ元素时，可以通过刻蚀半导体衬底，形成与半导体衬底相同材料的鳍部201。在本发明的其他实施例中，所述鳍部201也通过外延工艺形成。所述鳍部201中可以根据形成的鳍式场效应晶体管的类型不同掺杂有不同类型的杂质离子，本实施例中，当待形成的鳍式场效应晶体管为P型鳍式场效应晶体管时，鳍 部201中可以掺杂N型杂质离子；当待形成的鳍式场效应晶体管为N型鳍式场效应晶体管时，鳍部201中可以掺杂P型杂质离子。本实施例中所述鳍部的材料为Ge。

所述伪栅204的材料为多晶硅、无定形碳。后续去除所述伪栅204形成凹槽，在凹槽中形成金属栅极。

在一实施例中，所述伪栅204的形成过程为：形成覆盖所述半导体衬底200和鳍部201的伪栅材料层，伪栅材料层的表面高于鳍部201的顶部表面；平坦化所述伪栅材料层的表面；在平坦化后的伪栅材料层的部分表面形成掩膜层；以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述平坦化后的伪栅材料层，形成横跨鳍部的部分侧壁和顶部表面的伪栅204。

在一实施例中，所述半导体衬底200上还形成有隔离层202，所述隔离层202的表面低于鳍部201的顶部表面，所述隔离层202用于电学隔离相邻的鳍部201和相邻的栅极结构，所述隔离层202的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，本实施例中所述隔离层202的材料为氧化硅。隔离层202形成的具体过程为：首先形成覆盖所述半导体衬底200和鳍部201的隔离材料层；然后采用化学机械研磨工艺平坦化所述隔离材料层，以鳍部201的顶部表面为停止层；接着回刻蚀去除部分所述隔离材料层，形成隔离层202，所述隔离层202的表面低于鳍部201的顶部表面。

在一实施例中，所述伪栅204的两侧侧壁表面上还形成有侧墙205。所述侧墙205可以为单层或多层(≥2层)堆叠结构。所述侧墙205材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

在形成侧墙205后，还可以在伪栅204和侧墙205两侧的鳍部201分别形成源区和漏区206。

本实施例中，所述源区和漏区206为应力源漏区，所述应力源漏区的形成过程为：以所述伪栅204和侧墙205为掩膜刻蚀伪栅204两侧的鳍部，形成刻蚀槽；在刻蚀槽中填充应力材料层，形成应力源漏区。

在一实施例中，所述刻蚀槽可以为sigma形状的刻蚀槽，刻蚀槽中填充的应力材料为硅锗。在另一实施例中，所述刻蚀槽可以为矩形槽，刻蚀槽中填 充的应力材料为碳化硅。

在本发明的其他实施例中，所述源区和漏区206可以通过离子注入工艺形成，其形成过程为：以所述伪栅204和侧墙205为掩膜，采用离子注入工艺对伪栅204和侧墙205两侧的鳍部掺杂杂质离子，在伪栅204和侧墙205两侧的鳍部201内形成源区和漏区206。

所述离子注入注入的杂质离子为P型杂质离子或N型杂质离子，所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种；所述N型杂质离子为磷离子、砷离子或锑离子中的一种或几种。

所述介质层203的材料为氧化硅、氮化硅或低K介电材料。

参考图2，去除所述伪栅204(参考图)，形成凹槽211；在所述凹槽211的侧壁和底部表面形成含氧离子的高K介质层210。

所述含氧离子的高K介质层210为后续向凹槽211底部的鳍部扩散的氧离子提供氧源。本实施形成的含氧离子的高K介质层210为膜层，在采用沉积工艺形成含氧离子的高K介质层210时，可以采用自掺杂工艺在形成的高K介质层中均匀的掺杂氧离子，后续可以使得含氧离子的高K介质层210中的氧离子均匀的扩散到凹槽211底部的鳍部201中，并与鳍部材料反应形成界面层，相比于氧化工艺或沉积工艺形成界面层，由于氧离子在高K介质层210中是均匀分布的，因而后续进行退火时，氧离子从高K介质层210与鳍部201的接触面不同位置均匀扩散到鳍部201中，接触面上不同位置的扩散氧离子浓度是相同的，因而氧离子与不同位置鳍部材料反应形成的界面层的厚度均匀性较高，并且通过控制高K介质层中氧离子的含量，可以控制形成的界面层的厚度，从而本发明的方法可以形成厚度较薄且厚度均匀的界面层；并且在后续进行退火时，形成的界面层位于高K介质层210与鳍部201之间，高K介质层210防止刚形成的界面层与空气接触，从而提高了形成的界面层的稳定性。

采用自掺杂沉积工艺形成所述含氧离子的高K介质层210。所述高K介质层210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210的材料为HfO₂。

本实施例中，所述含氧离子的高K介质层210的形成工艺为自掺杂的原子层沉积工艺，自掺杂的原子层沉积工艺形成含氧离子的高K介质层的过程包括(以形成含氧离子的HfO₂高K介质层210为例)：步骤S21，向沉积腔室中通入铪源气体；步骤S22，向沉积腔室通入第一氧源气体；步骤S23，施加射频功率，将铪源气体、第一氧源气体解离为等离子体；步骤S24等离子体沉积形成高K介质薄膜层；步骤S25，循环进行步骤S21-S24至少1-4次后，进行通入第二氧源气体，并解离第二氧源气体，向高K介质薄膜层掺杂氧离子的步骤；步骤S26，重复进行步骤S21-S25，若干含氧离子的高K介质薄膜层构成含氧离子的高K介质层。上述方法中，进行步骤S26的目的主要是对形成高K介质薄膜层进行氧离子掺杂，防止作为杂质离子的氧离子参与高K介质薄膜层(HfO₂)的反应，使得氧离子游离在Hf-O键的空隙中，便于后续退火时的扩散，并且该步骤还能够带出高K介质薄膜层中残留的氯元素。

需要说明的是，在形成其他材料的高K介质层时，自掺杂原子层沉积工艺的过程与形成HfO₂高K介质层过程类似，比如形成Al₂O₃是，上述过程中的铪源气体相应的替换为铝源气体，其他步骤均相同。简而言之，可以将高K介质层材料中氧元素之外的其他元素定义为第一元素，进行自掺杂原子层沉积工艺时，将上述的铪源气体替换为具有第一元素的源气体，比如高K介质层材料为Al₂O₃的时，第一元素为铝元素，将上述的铪源气体替换为具有铝元素的源气体；再比如，高K介质层材料为TiO₂，第一元素为钛元素，将上述的铪源气体替换为具有钛元素的源气体；在比如，高K介质层材料为HfZrO，第一元素为铪元素和锆元素，将上述的铪源气体替换为具有铪元素和锆元素的源气体。具体过程包括：步骤S21，向沉积腔室中通入具有第一元素的源气体；步骤S22，向沉积腔室通入第一氧源气体；步骤S23，施加射频功率，将具有第一元素的源气体、第一氧源气体解离为等离子体；步骤S24等离子体沉积形成高K介质薄膜层；步骤S25，循环进行步骤S21-S24至少1-4次后，进行通入第二氧源气体，并解离第二氧源气体，向高K介质薄膜层掺杂氧离子的步骤；步骤S26，重复进行步骤S21-S25，若干含氧离子的高K介质薄膜层构成含氧离子的高K介质层。

在一实施例中，所述自掺杂的原子层沉积工艺形成含氧的HfO₂高K介质 层210时，所述铪源气体为HfCl₄，铪源气体的流量为60sccm至500sccm，第一氧源气体为H₂O，第一氧源气体的流量为20～300sccm，第二氧源气体为O₂或O₃，第二氧源气体的流量为30～200sccm，沉积腔室压强为0.1托至8托，沉积腔室射频功率为300瓦至3000瓦，沉积腔室温度为250～400摄氏度，提高形成含氧离子的高K介质层210厚度均匀性以及氧离子分布的均匀性。

需要说明的是，形成其他材料的含氧离子的高K介质层210时，工艺参数与形成含氧离子的HfO₂高K介质层210的工艺参数类似，只需将上述过程中的铪源气体替换为具有第一元素的源气体。具体为：所述具有第一元素的源气体的流量为60sccm至500sccm，第一氧源气体为H₂O，第一氧源气体的流量为20～300sccm，第二氧源气体为O₂或O₃，第二氧源气体的流量为30～200sccm，沉积腔室压强为0.1托至8托，沉积腔室射频功率为300瓦至3000瓦，沉积腔室温度为250～400摄氏度。

采用自掺杂的原子层沉积工艺形成含氧离子的高K介质层210时，形成一层含氧离子的高K介质薄膜层相应的自掺杂氧离子，氧离子在每一层含氧离子的高K介质薄膜层中均匀分布，并且氧离子在高K介质薄膜层中呈游离态，若干层含氧离子的高K介质薄膜层堆叠形成含氧离子的高K介质层210，因而含氧离子的高K介质层210厚度均匀性较高，并且含氧离子的高K介质层210中氧离子均匀分布，使得含氧离子的高K介质层210中不同位置的氧离子浓度分布均匀，厚度退火时，使得含氧离子的高K介质层210中的氧离子可以均匀扩散至凹槽底部的鳍部201中。

上述方法形成的含氧离子的高K介质层210厚度为5～30埃，研究发现高K介质层210的含量对后续形成的界面层的厚度具有直接的影响，在一实施例中，含氧离子的高K介质层210中氧离子的浓度为1E12atom/cm³～1E16atom/cm³。

参考图3，在所述含氧离子的高K介质层210表面上形成盖层207。

所述盖层207的材料为为金属氮化物。在一实施例中，所述金属氮化物为TiN或TaN，所述盖层207一方面可以作为后续形成的金属栅极的一部分；另一方便，在进行退火时，所述TiN还可以阻止高K介质层210中氧离子向 高K介质层210表面的方向扩散。

所述盖层207的厚度为10～50埃

在其他的实施例中，也可以不形成盖层207，在形成含氧离子的高K介质层210后直接进行后续的退火步骤。

参考图4，对所述含氧离子的高K介质层210进行退火，使得含氧离子的高K介质层210中的氧离子扩散至凹槽底部的鳍部201中，并与鳍部材料反应形成界面层209。

在进行退火时，含氧离子的高K介质层210中的氧离子会扩散进行凹槽底部的鳍部201中，并且与鳍部材料反应形成界面层209，由于含氧离子的高K介质层210的氧离子是均匀分布，因而含氧离子的高K介质层210中的氧离子从各个位置均匀的扩散到凹槽211底部的鳍部中，并与鳍部材料反应，因而高K介质层210和鳍部201之间形成界面层209的均匀性较高。

在一实施例中，所述退火工艺的温度为600～1200摄氏度，可以为600摄氏度、700摄氏度、800摄氏度、900摄氏度、1000摄氏度、1100摄氏度、1200摄氏度，退火时间为30秒～60分钟，退火氛围为惰性气体氛围，可以为30秒、1分钟、5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟、55分钟、60分钟，退火氛围为惰性气体氛围，以使得含氧离子的高K介质层210中氧离子从高K介质层210与鳍部201的接触面均匀的扩散至凹槽底部的鳍部中，并与鳍部材料反应，形成厚度均匀的界面层；并且使得含氧离子的高K介质层210氧离子全部或大部分扩散到鳍部201中，减少高K介质层210中氧离子的残留，使得高K介质层210性能保持不变。

含氧离子的高K介质层210中的氧离子扩散到鳍部201之后，剩余的高K介质层210仍作为金属栅极的栅介质层。

本实施例中，所述鳍部201的材料为Ge，相应的形成的界面层的材料为GeO₂，在其他实施例中，所述鳍部201为其他半导体材料时，形成的界面层的材料为相应的半导体材料的氧化物。

参考图5，退火后，在所述盖层207上形成填充凹槽的金属栅极208。

所述金属栅极208的材料为W、Al或Cu。

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。