鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法
【專利摘要】一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法，所述鰭式場效應(yīng)晶體管包括：基底；位于所述基底上的鰭部；位于所述鰭部側(cè)壁和上表面的緩沖層；位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力；位于所述GaN層上的柵介質(zhì)層；位于所述柵介質(zhì)層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。本技術(shù)方案提供的鰭式場效應(yīng)晶體管的閾值電壓穩(wěn)定、驅(qū)動電流大、功耗小，而且能在較高溫度下工作。
【專利說明】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)體領(lǐng)域，特別涉及到一種鰭式場效應(yīng)晶體管及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵尺寸在不斷地縮小。當器件的關(guān)鍵尺寸持續(xù)減小時，常規(guī)的MOS場效應(yīng)晶體管會因為關(guān)鍵尺寸太小而導(dǎo)致短溝道效應(yīng)等缺點。鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)由于具有較大的溝道區(qū)，且能克服短溝道效應(yīng)而得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法包括:
[0004]參考圖1，提供基底10。
[0005]參考圖2,在所述基底10上形成轄部11。
[0006]形成所述鰭部11的方法包括:
[0007]在所述基底10上形成圖形化的掩膜層，所述圖形化的掩膜層定義鰭部的位置；
[0008]然后以所述圖形化的掩膜層為掩膜，刻蝕部分厚度的所述基底10，形成鰭部11，并去除所述圖形化的掩膜層。
[0009]參考圖3，形成柵極結(jié)構(gòu)20，所述柵極結(jié)構(gòu)20橫跨所述鰭部11。
[0010]所述柵極結(jié)構(gòu)20包括柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層上的柵極。
[0011]形成柵極結(jié)構(gòu)20后，還包括形成源極和漏極。
[0012]所述鰭部11源、漏極之間的區(qū)域作為溝道區(qū)。當鰭式場效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵尺寸持續(xù)減小時，若鰭部11的材料為Si，由于Si的電子遷移率低，會導(dǎo)致溝道區(qū)中的載流子遷移率低。所述鰭式場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電流小，而且功耗增大。因此，需要使用電子遷移率更高的材料來代替Si制作鰭部11。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用SiGe或Ge來代替Si制作鰭部11，但是由于Ge的能帶隙太窄，而使得溝道區(qū)對鰭部11的形貌很敏感，而鰭部11的形貌在鰭部11尺寸不斷減小的情況下難以保持各處一致，進而使最終形成的鰭式場效應(yīng)晶體管的閾值電壓不穩(wěn)定。
[0014]所以，現(xiàn)有技術(shù)中不能得到驅(qū)動電流大、功耗小，且閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有技術(shù)中，不能得到驅(qū)動電流大、功耗小，且閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0016]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:提供基底；在所述基底上形成鰭部；在所述鰭部側(cè)壁和上表面形成緩沖層；在所述緩沖層上形成GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力；在所述GaN層上形成柵介質(zhì)層；在所述柵介質(zhì)層上形成橫跨所述鰭部的柵極。
[0017]可選的，形成所述鰭部的方法包括:在所述基底上形成具有窗口的光刻膠；通過所述窗口刻蝕部分厚度的所述基底，在基底上形成鰭部；在基底上形成鰭部后，去除所述光刻膠。
[0018]可選的，所述基底為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底、位于底部襯底上的介質(zhì)層和位于介質(zhì)層上的頂部硅層；被刻蝕的部分厚度的基底為頂部硅層。
[0019]可選的，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括:在所述基底上形成光刻膠層；對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠；形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整。
[0020]可選的，形成鰭部的方法包括:使用沉積法或外延生長法在所述基底上形成鰭部材料層；在所述鰭部材料層上形成具有窗口的光刻膠；通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層，刻蝕至所述鰭部材料層下表面，形成鰭部；形成鰭部后，去除所述光刻膠。
[0021]可選的，所述鰭部材料層的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0022]可選的，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括:在所述鰭部材料層上形成光刻膠層；對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠；形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整。
[0023]可選的，對所述窗口的側(cè)壁進行修整的方法為Ar或He等離子體濺射。
[0024]可選的，形成鰭部后，形成緩沖層前，還包括:對所述鰭部的上表面和側(cè)壁進行自由基氧化，使所述鰭部的上表面和側(cè)壁形成氧化層；使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
[0025]可選的，所述自由基氧化的溫度為400°C，壓強為ITorr，功率為4kW，所述自由基氧化的氣源為Ar和O2,所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm。
[0026]可選的，形成所述緩沖層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0027]可選的，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
[0028]可選的，形成所述GaN層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0029]本發(fā)明還提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管，包括:基底；位于所述基底上的鰭部；位于所述鰭部側(cè)壁和上表面的緩沖層；位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力；位于所述GaN層上的柵介質(zhì)層；位于所述柵介質(zhì)層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。
[0030]可選的，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
[0031]可選的，所述鰭部的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0032]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:
[0033]本技術(shù)方案的鰭式場效應(yīng)晶體管使用GaN層形成溝道區(qū)，GaN的電子遷移率(1500cm2/Vs)高于Si的電子遷移率(700cm2/Vs)，因此本發(fā)明的鰭式場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電流增大，功耗下降。
[0034]其次，GaN的能帶隙較寬，由GaN層形成的溝道區(qū)對形貌的敏感度下降，有利于得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。而且GaN層形成在緩沖層上，所述緩沖層有利于減小所述GaN層內(nèi)的應(yīng)力，也有利于得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0035]再次，由于GaN的最高工作溫度(700°C )大于Si的最高工作溫度(300°C )，有利于鰭式場效應(yīng)晶體管在高溫下工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1至圖3是現(xiàn)有技術(shù)中鰭式場效應(yīng)晶體管形成方法各制作階段的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4至圖10是本發(fā)明第一實施例中鰭式場效應(yīng)晶體管形成方法各制作階段的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖11和圖12是本發(fā)明第二實施例中鰭式場效應(yīng)晶體管的鰭部形成方法各制作階段的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0039]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。
[0040]第一實施例
[0041]本實施例提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括:
[0042]參考圖4，提供基底110。
[0043]在具體實施例中，所述基底110的材料可以為硅、硅鍺、絕緣體上硅(silicon oninsulator，簡稱SOI)等常規(guī)的半導(dǎo)體材料。所述基底110還可以根據(jù)需要摻雜形成P型或η型基底。
[0044]然后，在所述基底110上形成鰭部。
[0045]形成所述鰭部的方法包括:
[0046]參考圖5，使用沉積法或外延生長法在所述基底110上形成鰭部材料層121。
[0047]在具體實施例中，所述鰭部材料層121的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0048]參考圖6,在所述鰭部材料層121上形成具有窗口(未作標記)的光刻膠130。
[0049]形成所述具有窗口的光刻膠130的方法包括:
[0050]在所述鰭部材料層121上形成光刻膠層；
[0051]對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠130 ；
[0052]形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整。對光刻膠層進行曝光顯影時會產(chǎn)生殘渣，所述殘渣會附著在所述窗口的側(cè)壁，使其側(cè)壁形貌變差。
[0053]形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整，可以去除所述窗口的側(cè)壁在曝光顯影時附著的殘渣；還能通過修整使所述窗口的側(cè)壁變得光滑，減小粗糙度。這有利于得到形貌良好的鰭部，最終得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0054]在具體實施例中，對所述窗口的側(cè)壁進行修整的方法為等離子體濺射，例如使用Ar或He等離子體派射。
[0055]對所述窗口的側(cè)壁進行修整，會使所述窗口的尺寸增大。可在所述窗口側(cè)壁上形成一層光刻膠，使所述窗口的尺寸減小，以彌補由于對所述窗口的側(cè)壁進行修整而帶來的尺寸偏差。
[0056]參考圖7，通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層121，刻蝕所述鰭部材料層121?？涛g至所述鰭部材料層121下表面，形成鰭部120 ;形成鰭部120后，去除所述光刻膠130。
[0057]所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石。使用藍寶石作為所述鰭部120材料，由于藍寶石的價格低廉，有利于降低工藝成本。
[0058]在具體實施例中，形成所述鰭部120后，對所述鰭部120的上表面和側(cè)壁進行自由基氧化，在所述鰭部120的上表面和側(cè)壁形成氧化層(未示出);然后，使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
[0059]在具體實施例中，所述自由基氧化的方法包括:
[0060]將形成有鰭部120的基底110放入反應(yīng)腔內(nèi)，所述反應(yīng)腔內(nèi)的溫度為400°C ；
[0061]往所述反應(yīng)腔內(nèi)通入Ar和O2作為氣源,所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm，反應(yīng)腔內(nèi)的壓強維持在ITorr ；
[0062]施加4kW的功率使所述O2產(chǎn)生氧自由基，所述氧自由基與所述鰭部120的上表面和側(cè)壁形成氧化層。
[0063]當所述鰭部120的尺寸很小時，基于光刻技術(shù)的限制，會使所述光刻膠130中的窗口難以達到預(yù)定尺寸，造成鰭部120的尺寸存在偏差；同時，若所述鰭部120的尺寸很小，在刻蝕所述鰭部材料層121以形成鰭部120時，會使所述鰭部120的形貌很差，所述鰭部120的邊緣粗糙度很大，這會造成最終得到的鰭式場效應(yīng)晶體管的閾值電壓不穩(wěn)定。在本實施例中，可以先形成尺寸較大的鰭部120，這有利于使其形貌得到優(yōu)化。然后，使用自由基氧化法使所述鰭部120的表面氧化，再去除所述氧化層，使所述鰭部120的尺寸減小，最終得到預(yù)定尺寸的鰭部120。由于自由基氧化法可以精確控制所述氧化層的厚度，所以可以得到尺寸很小，而且尺寸很精確的鰭部120，同時所述鰭部120的形貌很好。有利于得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0064]參考圖8，在所述鰭部120側(cè)壁和上表面形成緩沖層140。
[0065]由于GaN材料的熔解溫度極高，且具有較高的氮氣飽和蒸汽壓，通過常規(guī)的方法制備GaN單晶相當困難，因此目前GaN多生長在異質(zhì)基底上。本實施例中，如果不形成緩沖層140，則GaN層生長在所述鰭部120上，由于所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石，這些材料與GaN的晶格失配較大，且熱膨脹系數(shù)也相差較大，這會導(dǎo)致GaN層中缺陷密度很高，最終影響鰭式場效應(yīng)晶體管閾值電壓的穩(wěn)定性。所以，必須在所述鰭部120與GaN層之間形成緩沖層140，所述緩沖層140與GaN的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異較小，所述緩沖層140有利于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力，進而得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0066]形成所述緩沖層140的方法可以為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。使用外延生長法可以提高緩沖層140的形貌，并減小緩沖層140內(nèi)形成的應(yīng)力。
[0067]在具體實施例中，所述緩沖層140的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
[0068]參考圖9，在所述緩沖層140上形成GaN層141。
[0069]形成所述GaN層141的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
[0070]使用所述GaN層141形成溝道區(qū)，由于GaN的電子遷移率(1500cm2/Vs)高于Si的電子遷移率(700cm2/Vs)，因此本實施例得到的鰭式場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電流增大，功耗下降。
[0071]其次，GaN的能帶隙較寬，由GaN層141形成的溝道區(qū)對形貌的敏感度下降，有利于得到閾值電壓穩(wěn)定的鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0072]再次，由于GaN的最高工作溫度(700°C )大于Si的最高工作溫度(300°C )，得到的鰭式場效應(yīng)晶體管可在高溫下工作。
[0073]參考圖10，形成橫跨鰭部120的柵極結(jié)構(gòu)150。
[0074]所述柵極結(jié)構(gòu)150包括柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層上的柵極。
[0075]在具體實施例中，形成柵極結(jié)構(gòu)150的方法包括:
[0076]在所述GaN層141上形成柵介質(zhì)層，所述柵介質(zhì)層定義柵極的位置；
[0077]在所述柵介質(zhì)層上形成橫跨所述鰭部120的柵極。
[0078]形成所述柵極結(jié)構(gòu)150后，還包括形成源極和漏極。
[0079]第二實施例
[0080]第二實施例與第一實施例的區(qū)別在于:
[0081]形成所述鰭部120的方法包括:
[0082]參考圖11，在所述基底110上形成具有窗口(未作標記)的光刻膠130。
[0083]在具體實施例中，所述基底110為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底111、位于底部襯底111上的介質(zhì)層112和位于介質(zhì)層112上的頂部娃層113。
[0084]所述底部襯底111的材料為S1、Ge或SiGe等本領(lǐng)域所熟知的其他半導(dǎo)體材料。所述介質(zhì)層112為氧化物或氮化物介電材料層。
[0085]參考圖12,通過所述窗口刻蝕頂部娃層113,刻蝕頂部娃層113。在基底上形成鰭部120。形成鰭部120后，去除所述光刻膠130。
[0086]在其他實施例中，所述基底110也可以不為絕緣體上硅基底，則在刻蝕時，可以通過控制刻蝕的時間等工藝參數(shù)來得到預(yù)定高度的鰭部120。
[0087]本實施例中形成緩沖層、GaN層和柵極結(jié)構(gòu)的方法可以參考第一實施例。
[0088]第三實施例
[0089]本實施例提供一種鰭式場效應(yīng)晶體管。
[0090]參考圖10,所述鰭式場效應(yīng)晶體管包括:
[0091]基底110;
[0092]位于所述基底110上的鰭部120 ；
[0093]位于所述鰭部120側(cè)壁和上表面的緩沖層140 ；
[0094]位于所述緩沖層140上的GaN層141，所述緩沖層140用于減小GaN層141內(nèi)的應(yīng)力；
[0095]橫跨所述鰭部120的柵極結(jié)構(gòu)150。
[0096]所述柵極結(jié)構(gòu)150包括柵介質(zhì)層和位于所述柵介質(zhì)層上的柵極。
[0097]在具體實施例中，所述緩沖層140的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
[0098]在具體實施例中，所述鰭部120的材料為S1、Ge或藍寶石。
[0099]雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，包括: 提供基底； 在所述基底上形成鰭部； 在所述鰭部側(cè)壁和上表面形成緩沖層； 在所述緩沖層上形成GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力； 在所述GaN層上形成柵介質(zhì)層； 在所述柵介質(zhì)層上形成橫跨所述鰭部的柵極。
2.如權(quán)利要求1所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述鰭部的方法包括: 在所述基底上形成具有窗口的光刻膠； 通過所述窗口刻蝕部分厚度的所述基底，在基底上形成鰭部； 在基底上形成鰭部后，去除所述光刻膠。
3.如權(quán)利要求2所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，所述基底為絕緣體上硅基底，所述絕緣體上硅基底包括:底部襯底、位于底部襯底上的介質(zhì)層和位于介質(zhì)層上的頂部硅層； 被刻蝕的部分厚度的基底為頂部硅層。
4.如權(quán)利要求2所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括: 在所述基底上形成光刻膠層； 對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠； 形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整。
5.如權(quán)利要求1所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成鰭部的方法包括: 使用沉積法或外延生長法在所述基底上形成鰭部材料層； 在所述鰭部材料層上形成具有窗口的光刻膠； 通過所述窗口刻蝕所述鰭部材料層，刻蝕至所述鰭部材料層下表面，形成鰭部； 形成鰭部后，去除所述光刻膠。
6.如權(quán)利要求5所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，所述鰭部材料層的材料為S1、Ge或藍寶石。
7.如權(quán)利要求5所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述具有窗口的光刻膠的方法包括: 在所述鰭部材料層上形成光刻膠層； 對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成具有窗口的光刻膠； 形成窗口后，對所述窗口的側(cè)壁進行修整。
8.如權(quán)利要求4或7所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，對所述窗口的側(cè)壁進行修整的方法為Ar或He等離子體濺射。
9.如權(quán)利要求1所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成鰭部后，形成緩沖層前，還包括: 對所述鰭部的上表面和側(cè)壁進行自由基氧化，使所述鰭部的上表面和側(cè)壁形成氧化 層； 使用HCl和HF的水溶液去除所述氧化層。
10.如權(quán)利要求9所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，所述自由基氧化的溫度為400°C，壓強為ITorr，功率為4kW，所述自由基氧化的氣源為Ar和O2，所述Ar的流速為1200sccm,所述O2的流速為400sccm。
11.如權(quán)利要求1所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述緩沖層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
12.如權(quán)利要求1或11所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
13.如權(quán)利要求1所述的鰭式場效應(yīng)晶體管的形成方法，其特征在于，形成所述GaN層的方法為外延生長、化學氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積法。
14.一種鰭式場效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括: 基底； 位于所述基底上的鰭部； 位于所述鰭部側(cè)壁和上表面的緩沖層； 位于所述緩沖層上的GaN層，所述緩沖層用于減小GaN層內(nèi)的應(yīng)力； 位于所述GaN層上的柵介質(zhì)層； 位于所述柵介質(zhì)層上的柵極，所述柵極橫跨所述鰭部。
15.如權(quán)利要求14所述的鰭式場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述緩沖層的材料為AlN或摻雜有P型雜質(zhì)的GaN。
16.如權(quán)利要求14所述的鰭式場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述鰭部的材料為S1、Ge或藍寶石。
【文檔編號】H01L29/10GK104425270SQ201310380205
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】張海洋, 王冬江 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司