半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，特別是涉及一種具有高迀移率鰭片的FinFET及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著器件尺寸等比例縮減至22nm技術(shù)以及以下，諸如鰭片場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)和三柵(tr1-gate)器件的三維多柵器件成為最有前途的新器件技術(shù)之一，這些結(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]對(duì)于傳統(tǒng)工藝而言，通過(guò)如下的步驟來(lái)對(duì)包括FinFET、tr1-gate器件的CMOS器件進(jìn)行柵極圖形化以及形成接觸，以便實(shí)現(xiàn)隔離的功能器件:
[0004]1、采用布線-切割(line-and-cut)雙光刻圖形化技術(shù)以及隨后刻蝕柵極堆疊來(lái)對(duì)柵極圖形化；
[0005]2、采用統(tǒng)一特征尺寸和節(jié)距(pitch)來(lái)沿一個(gè)方向印刷用于柵極圖形化的平行線條；
[0006]3、僅在預(yù)定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處布置柵極線端(尖端)；
[0007]4、通過(guò)在形成器件間絕緣介質(zhì)層之后光刻以及刻蝕來(lái)形成用于器件柵極電極和源/漏極的導(dǎo)電接觸孔。
[0008]上述方法具有一些優(yōu)點(diǎn):
[0009]1、簡(jiǎn)化了適用于特殊照明模式的光刻；
[0010]2、消除了使光刻、刻蝕和OPC復(fù)雜化的許多鄰近效應(yīng)。
[0011]FinFET和三柵器件與平面CMOS器件不同，是三維(3D)器件。通常，通過(guò)選擇性干法或者濕法刻蝕在體襯底或者SOI襯底上形成半導(dǎo)體鰭片，然后橫跨鰭片而形成柵極堆疊。三維三柵晶體管在垂直鰭片結(jié)構(gòu)的三個(gè)側(cè)邊上均形成了導(dǎo)電溝道，由此提供了“全耗盡”運(yùn)行模式。三柵晶體管也可以具有連接起來(lái)的多個(gè)鰭片以增大用于更高性能的總驅(qū)動(dòng)能力。
[0012]然而，隨著FinFET器件進(jìn)入22nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)并且進(jìn)一步縮減，對(duì)于3D FinFET、尤其是對(duì)于SOI FinFET而言，難以形成具有合適的應(yīng)力的Si或SiGe鰭片結(jié)構(gòu)，或者諸如在Si襯底上形成諸如GaAs、GaN等II1-V族化合物半導(dǎo)體材料。這是因?yàn)镾i相對(duì)而言是硬質(zhì)材料，(晶格失配的)高迀移率材料的外延生長(zhǎng)可以導(dǎo)致位錯(cuò)，使得襯底中的Si或SiGe與上方外延生長(zhǎng)的其他高迀移率材質(zhì)的鰭片結(jié)構(gòu)之間存在較大的界面缺陷，應(yīng)變?cè)龃?、可靠性降低?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，提高FinFET器件高迀移率材料的鰭片結(jié)構(gòu)與襯底之間界面的可靠性。
[0014]為此，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件，包括在襯底上沿第一方向延伸分布的多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)、橫跨多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)沿第二方向延伸分布的柵極堆疊結(jié)構(gòu)、在柵極堆疊結(jié)構(gòu)沿第一方向兩側(cè)的源漏區(qū)，其中，襯底與多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)之間界面處具有多孔結(jié)構(gòu)。
[0015]其中，多孔結(jié)構(gòu)的多孔率為55%?70%。
[0016]其中，多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)不同于襯底。其中，多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)的材料選自S1、SiGe、SiGeC、SiC、S1:H、II1-V族化合物半導(dǎo)體、I1-VI族化合物半導(dǎo)體的任一種及其組合。
[0017]其中，多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)之間還具有緩沖層。
[0018]其中，襯底為具有4?10度傾斜角的P+襯底。
[0019]本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括:
[0020]在襯底上形成沿第一方向延伸分布的多個(gè)第一鰭片結(jié)構(gòu)；
[0021]在多個(gè)第一鰭片結(jié)構(gòu)之間填充絕緣層，并平坦化直至暴露多個(gè)第一鰭片結(jié)構(gòu)；
[0022]刻蝕去除多個(gè)第一鰭片結(jié)構(gòu)，形成暴露襯底的溝槽，并在襯底表面中形成多孔結(jié)構(gòu)；
[0023]生長(zhǎng)外延層填充溝槽和多孔結(jié)構(gòu)；
[0024]刻蝕去除部分絕緣層，暴露外延層的頂部和一部分側(cè)壁以形成多個(gè)第二鰭片結(jié)構(gòu)。
[0025]其中，刻蝕去除多個(gè)第一鰭片結(jié)構(gòu)的刻蝕工藝包括電化學(xué)刻蝕、等離子干法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕。
[0026]其中，電化學(xué)刻蝕溶液包含刻蝕劑和清除劑，刻蝕劑選自包含有Br、Br2, SO42、Cl-、PO33、Cr2O72、CrO42、Cr3、CrO2、OH、F、異丙醇基團(tuán)之中的任一種及其組合，清除劑選自含有巰基(-SH)的氨基酸類化合物、苯酚、無(wú)機(jī)亞砷酸、二甲基酰胺、乙醇的任一種及其組合。
[0027]其中，生長(zhǎng)外延層之前進(jìn)一步包括，在多孔結(jié)構(gòu)上形成緩沖層，緩沖層的晶格常數(shù)介于外延層與襯底之間。
[0028]其中，外延層的晶格常數(shù)不同于襯底。其中，外延層的材料選自S1、SiGe、SiGeC、SiC、S1:H、II1-V族化合物半導(dǎo)體、I1-VI族化合物半導(dǎo)體的任一種及其組合。
[0029]其中，襯底為具有4?10度傾斜角的P+襯底。
[0030]其中，多孔結(jié)構(gòu)的多孔率為55%?70%。
[0031]其中，形成多個(gè)第二鰭片結(jié)構(gòu)之后進(jìn)一步包括，形成橫跨多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)沿第二方向延伸分布的柵極堆疊結(jié)構(gòu)，以及形成在柵極堆疊結(jié)構(gòu)沿第一方向兩側(cè)的源漏區(qū)。
[0032]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，通過(guò)電化學(xué)刻蝕工藝在襯底表面形成多孔結(jié)構(gòu)之后再外延生長(zhǎng)鰭片結(jié)構(gòu)，通過(guò)填充了外延層的多孔結(jié)構(gòu)吸收一部分失配應(yīng)變以允許上部鰭片結(jié)構(gòu)弛豫，提高FinFET器件高迀移率材料的鰭片結(jié)構(gòu)與襯底之間界面的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0033]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0034]圖1至圖5為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法各步驟的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了能提高FinFET器件高迀移率材料的鰭片結(jié)構(gòu)與襯底之間界面的可靠性的FinFET及其制造方法。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(yǔ)“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(shuō)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。
[0036]值得注意的是，以下附圖1至圖5中，每個(gè)圖的左部所示為器件的頂視圖，右部所示為沿頂視圖中Α1-ΑΓ剖面線(垂直鰭片延伸分布的第一方向的剖面線，也即沿第二方向，穿過(guò)柵極堆疊結(jié)構(gòu))得到的剖視圖。
[0037]如圖1所示，在襯底I上形成多個(gè)第一鰭片1F。提供襯底1，襯底I依照器件用途需要而合理選擇，可包括單晶體娃(Si)、單晶體鍺(Ge)、SO1、GeO1、應(yīng)變娃(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。出于與CMOS工藝兼容的考慮，襯底I優(yōu)選地為體Si或SOI。優(yōu)選地，在襯底I上通過(guò)LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等常規(guī)工藝形成硬掩模層(未示出)，其材料可以選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、類金剛石無(wú)定形碳(DLC)等及其組合。在絕緣材料上通過(guò)旋涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷等工藝形成聚合物材料的光刻膠，隨后采用預(yù)設(shè)的模板曝光、顯影，得到多個(gè)平行的光刻膠線條。以光刻膠線條為掩模，對(duì)絕緣材料進(jìn)行干法刻蝕，在襯底I形成多個(gè)平行的絕緣材料線條構(gòu)成的第一硬掩模線條，沿第一方向延伸分布。例如，硬掩模線條自身的長(zhǎng)度/寬度(沿圖1中Α1-ΑΓ方向，也即沿最終器件柵極堆疊延伸方向或稱作第二方向)為50?200nm，平行線條之間的間距、節(jié)距為10?50nm。雖然本發(fā)明圖示中均顯示了周期性的線條，然而實(shí)際上可以依據(jù)版圖設(shè)計(jì)需要合理設(shè)置線條自身寬度與節(jié)距，也即線條布局可以是離散、分立的。隨后，以硬掩模層圖形為掩模，刻蝕襯底1，在襯底I中形成多個(gè)沿第一方向平行分布的第一溝槽IG以及第一溝槽IG之間剩余的襯底I材料所構(gòu)成的第一鰭片1F。溝槽IG的深寬比優(yōu)選地大于5:1。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，刻蝕工藝可以是濕法腐蝕，對(duì)于Si(單晶體Si或者SOI)材質(zhì)的襯底I而言，濕法腐蝕的刻蝕劑為四甲基氫氧化銨(TMAH)或者KOH溶液，對(duì)于其他材質(zhì)(SiGe、Ge、GaN等)可以采用強(qiáng)酸(例如硫酸、硝酸)與強(qiáng)氧化劑(例如雙氧水、含臭氧的去離子水)的組合。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，刻蝕工藝?yán)缡堑入x子干法刻蝕或者反應(yīng)離子刻蝕，反應(yīng)氣體可以是碳氟基刻蝕氣體或其他齒素基刻蝕氣體(例如氯氣、氯化氫、溴蒸氣、溴化氫等)。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在整個(gè)晶片(襯底I)之上，多個(gè)鰭片IF之間具有相同的節(jié)距(pitch)以及相同的尺寸(例如沿A1-A1’方向的寬度，以及沿垂直于Α1-ΑΓ方向的長(zhǎng)度和高度)。在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中，可以由SOI襯底上島狀分布的頂薄Si層(例如通過(guò)刻蝕或者通過(guò)選擇性外延生長(zhǎng))構(gòu)成如圖1所示的鰭片結(jié)構(gòu)1F。
[0038]接著如圖2所示，通過(guò)熱氧化、熱氮化、PECVD, HDPCVD等工藝，在鰭片IF之間的溝槽IG中形成氧化硅或氮化硅等絕緣層2 (或稱作場(chǎng)介質(zhì)層)直至完全覆蓋鰭片結(jié)構(gòu)1F，隨后采用CMP等工藝平坦化直至露出鰭片結(jié)構(gòu)IF頂部(或一并去除未示出的硬掩模層圖形)。
[0039]隨后，如圖3所示，向下刻蝕去除第一鰭片結(jié)構(gòu)1F，直至暴露襯底1，并且進(jìn)一步在絕緣層2底部暴露的襯底I表面上/中形成多孔結(jié)構(gòu)1P。
[0040]在本發(fā)明的實(shí)施例中，采用電化學(xué)刻蝕工藝完全刻蝕去除第一鰭片結(jié)構(gòu)IF并且形成多孔結(jié)構(gòu)1P。電化學(xué)刻蝕溶液(陽(yáng)極氧化溶液)包含刻蝕劑和清除劑，刻蝕劑例如選自包含有 Br、Br2, SO42、Cl-、PO33、Cr2O72、CrO42、Cr3、CrO2、OH、F、異丙醇基團(tuán)之中的至少一種，濃度范圍為0.01?0.5M(mol/L)并優(yōu)選0.1?0.15M ;清除劑選自含有巰基(-SH)的氨基酸類化合物、苯酚、無(wú)機(jī)亞砷酸、二甲基酰胺、乙醇等，濃度范圍為0.001?0..2M并優(yōu)選0.0SM0電化學(xué)刻蝕時(shí)，用上述陽(yáng)極氧化溶液對(duì)從