利用離子束刻蝕產(chǎn)生環(huán)柵結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及利用離子束刻蝕產(chǎn)生環(huán)柵(gate-all-around)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路持續(xù)以日益變小的尺寸來制造。然而，諸如場效應(yīng)晶體管(FET)的某些半導(dǎo)體器件尺寸小卻會導(dǎo)致某些問題。例如，短溝道長度可導(dǎo)致短溝道效應(yīng)，其中，源區(qū)和/或漏區(qū)在溝道或溝道的載波上施加不適當(dāng)?shù)挠绊?。這些短溝道效應(yīng)能夠降低柵極對溝道的控制能力。有利的是，當(dāng)使用三維器件替代平面器件時，這些影響減少。例如，當(dāng)使用鰭片型場效應(yīng)晶體管(FinFET)的情況下，柵極增加對溝道的控制，這是因為柵極包圍了溝道的四個側(cè)面的3個(S卩，柵極接觸溝道的兩個側(cè)面和溝道的頂面)。同樣，環(huán)柵(GAA)結(jié)構(gòu)通過在溝道的各個面纏繞柵極材料實現(xiàn)了改進(jìn)的控制。通過以這種方式包圍溝道，柵極可以對溝道施加更嚴(yán)格地控制，從而更可靠地調(diào)節(jié)對器件的通/斷狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文的某些實施方式涉及用于在環(huán)柵器件中形成溝道的方法和裝置。該溝道可以在具有幾排溝道陣列中形成。在各種情況下可以使用反應(yīng)離子束刻蝕或化學(xué)輔助離子束蝕刻。
[0004]在本文的實施方式的一個方面，提供了一種用于為環(huán)柵器件或其它電子器件形成溝道(channel)或納米線的方法，該方法包括:(a)在反應(yīng)室中的襯底支架上提供襯底，該襯底包括在半導(dǎo)體材料上方的圖案化掩模層，其中所述圖案化掩模層包括定位成基本上彼此平行的多個線性掩模部分；(b)相對于離子軌跡將襯底定位在第一方位上，以及引導(dǎo)離子在第一方向上朝向襯底，其中所述離子以第一入射角撞擊襯底，從而各向異性地蝕刻半導(dǎo)體材料，以形成第一組蝕刻的溝槽；(C)相對于離子軌跡將襯底定位在第二方位上，并引導(dǎo)離子在第二方向上朝向襯底，其中所述離子以第二入射角撞擊襯底，從而各向異性地蝕刻半導(dǎo)體材料，以形成第二組溝槽；(d)重復(fù)(b)-(c)，以進(jìn)一步蝕刻第一組溝槽和第二組溝槽，以在平行于所述多個線性掩模部的方向上形成溝道或納米線。
[0005]在多種實施方式中，形成溝道陣列，溝道陣列包括一排或多排溝道，例如兩排或多排溝道。離子可以以離子束輸送，離子束可以設(shè)置為特定發(fā)散度。在一些實施方式中，離子束具有約3°或更小的發(fā)散度。在某些情況下，離子束具有約1°或更小的發(fā)散度，并形成溝道或納米線陣列，所述陣列包括至少三排溝道或納米線。
[0006]該方法還可以包括在(b)和/或(C)中將離子暴露于襯底的同時，平移所述襯底。在某些情況下，該方法還可以包括在襯底相對于所述離子的軌跡切換方位的同時，停止離子的通量。
[0007]離子可以引導(dǎo)為以特定的角度朝向襯底。在各種情況下，第一方向和第二方向分別都垂直于線性掩模部分的長度。第一方向和第二方向可以基本上彼此方向相反。在一些情況下，第一入射角和第二入射角基本相等，并且彼此相反。
[0008]可以通過許多不同的反應(yīng)機(jī)理來進(jìn)行蝕刻。在某些情況下，該方法包括在(b)期間和在(c)期間向襯底的表面輸送反應(yīng)性蝕刻劑。例如，反應(yīng)性蝕刻劑可以包括從由H2、O2、H20、F2、CH4、CF4、C2F6、BF3、NH3、N0、N02、SF6、N2、N20、BCl3、CHF3、CH2F2、C2H4Cl2、HCl、Cl2、Br2、HBr、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、亞甲基二醇、乙二醇、乙酰丙酮、乙酸、甲酸、六氟乙酰丙酮、酮類、胺類、酯類、以及它們的組合組成的組中選擇的氣體。在某些實施方式中，反應(yīng)性蝕刻劑包括從由11、0、？、(:1、8^1、8?2、8(:12以及它們的組合組成的組中選擇的材料的離子。
[0009]反應(yīng)性蝕刻劑可以與惰性氣體一起提供，其中惰性氣體是用來生成等離子體，離子從該等離子體中提取。在某些實施方式中，(b)和(C)每一個都包括循環(huán)性地執(zhí)行以下步驟:向襯底的表面上提供反應(yīng)性蝕刻劑，并且將襯底的表面暴露于離子。循環(huán)可以在蝕刻期間重復(fù)進(jìn)行。舉例來說，在一些情況下，每當(dāng)在襯底相對于離子軌跡切換方位時，執(zhí)行至少兩個循環(huán)的反應(yīng)物輸送和離子暴露。在這些或其它實施方式中，襯底相對于所述離子軌跡的方位可以在形成溝道的過程中切換2次或更多次。在某些情況下，襯底相對于離子軌跡的方位可以在溝道形成期間切換5次或更多次，例如10次或10次以上。在(b)和/或(C)中的相對于離子軌跡定位襯底可以包括:(i)改變襯底的方位和/或(i i)改變離子軌跡的方位。
[0010]可以進(jìn)行若干附加的處理步驟，以形成溝道或納米線和/或形成環(huán)柵器件或其它電子器件。在一些實施方式中，該方法包括:在(d)之后，蝕刻所述溝道或納米線，以使溝道或納米線更圓。該方法還可以包括:移除所述圖案化掩模層；沉積圍繞溝道的犧牲材料(sacrificial material);進(jìn)行各向同性蝕刻，以除去位于溝道下方的額外的半導(dǎo)體材料，并進(jìn)行蝕刻，以除去圍繞所述溝道的犧牲材料。在一些實施方式中，在犧牲材料被移除后，可沉積介電材料，以涂覆溝道。該方法可進(jìn)一步包括在經(jīng)涂覆的溝道周圍沉積柵極結(jié)構(gòu)，以形成環(huán)柵器件。
[0011]在所公開的實施方式的另一個方面，提供了一種用于為半導(dǎo)體襯底上的環(huán)柵器件或另一個電子器件形成溝道或納米線的裝置，所述裝置包括:反應(yīng)室;等離子體源;襯底支撐件，其構(gòu)造成將襯底定位在至少第一方位和第二方位上，該襯底包括在包括多個線性掩模部分的圖案化掩模層下的半導(dǎo)體材料;和包括用于以下操作的指令的控制器:(a)相對于離子軌跡將襯底定位在第一方位上，并引導(dǎo)離子在第一方向上朝向襯底，其中所述離子以第一入射角撞擊襯底，從而各向異性地蝕刻襯底上的半導(dǎo)體材料，以形成第一組溝槽；(b)相對于離子軌跡將襯底定位在第二方位上，并引導(dǎo)離子在第二方向上朝向襯底，其中所述離子以第二入射角撞擊襯底，從而各向異性地蝕刻半導(dǎo)體材料，以形成第二組溝槽；(C)重復(fù)(a)-(b)，以進(jìn)一步蝕刻第一組溝槽和第二組溝槽，以在平行于所述多個線性掩模部的方向上形成溝道。
[0012]控制器可以進(jìn)一步具有執(zhí)行任何本文所公開的方法的指令。在某些實施方式中，該裝置還包括放置在反應(yīng)室中的多個電極，每一個電極都有多個孔。
[0013]在所公開的實施方式的另一個方面，提供了一種為環(huán)柵器件或其它電子器件形成溝道或納米線的方法，該方法包括:(a)在反應(yīng)室中的襯底支架上提供襯底，該襯底包括在半導(dǎo)體材料上方的圖案化掩模層，其中所述圖案化掩模層包括定位成基本上彼此平行的多個線性掩模部分；(b)相對于離子軌跡將襯底定位在第一方位上，并引導(dǎo)離子在第一方向上朝向襯底，所述多個線性掩模部分保護(hù)多個第一陰影區(qū)，其中所述離子以第一入射角撞擊襯底，從而蝕刻半導(dǎo)體材料，以在相鄰的第一陰影區(qū)之間形成第一組溝槽；(C)相對于離子軌跡將襯底定位在第二方位上，并引導(dǎo)離子在第二方向上朝向襯底，所述多個線性掩模部分保護(hù)多個第二陰影區(qū)，其中所述離子以第二入射角撞擊襯底，從而蝕刻半導(dǎo)體材料，以在相鄰的第二陰影區(qū)之間形成第二組溝槽；(d)重復(fù)(b)-(C)，以進(jìn)一步蝕刻第一組溝槽和第二組溝槽，其中第一組溝槽和第二組溝槽彼此交錯，其中第一陰影區(qū)和第二陰影區(qū)彼此交錯，并且其中在平行于所述多個線性掩模部分的方向上、在第一陰影區(qū)和第二陰影區(qū)彼此交錯的區(qū)域形成溝道或納米線。
[0014]將在下文參照相關(guān)【附圖說明】這些和其它的特征。
【附圖說明】
[0015]圖1提供了可在某些實施方式中使用的離子束蝕刻室的簡化視圖。
[0016]圖2示出了一個環(huán)柵器件。
[0017]圖3A-圖31示出了在經(jīng)歷了根據(jù)某些實施方式形成環(huán)柵器件的多個處理步驟時的部分制造的半導(dǎo)體器件。
[0018]圖4A-圖4D示出了在經(jīng)歷了各向異性蝕刻工藝以形成用于環(huán)柵器件的溝道時的部分制造的半導(dǎo)體裝置。
[0019]圖5A-圖5G示出了形成環(huán)柵器件的某些處理步驟。
[0020]圖6A和圖6B示出了通過利用靜電和/或磁場被傾斜的離子軌跡。
【具體實施方式】
[0021 ]在本申請中，術(shù)語“半導(dǎo)體晶片”、“晶片”、“襯底”、“晶片襯底”和“部分制造的集成電路”可互換使用。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，術(shù)語“部分制造的集成電路”可以指在其上面進(jìn)行集成電路制造的許多階段中的任何階段期間的硅晶片。在半導(dǎo)體器件工業(yè)中使用的晶片或襯底典型地具有200毫米或300毫米或450毫米的直徑。下面的詳細(xì)描述假設(shè)本發(fā)明是在晶片上實現(xiàn)的。然而，本發(fā)明并不限于此。工件可以是具有各種形狀、尺寸和材料。除半導(dǎo)體晶片外，可利用本發(fā)明的優(yōu)點的其它工件包括諸如印刷電路板、磁記錄介質(zhì)、鏡子、光學(xué)元件、光電器件、微機(jī)械器件等各種制品。
[0022]在下面的說明中，許多具體細(xì)節(jié)被闡述，以便提供對所呈現(xiàn)的實施例的徹底理解。公開的實施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的部分或全部的情況下實施。在其它情況下，公知的處理操作沒有進(jìn)行詳細(xì)說明，以避免不必要地使本公開的實施方式難以理解。雖然所公開的實施方式將結(jié)合具體的實施方式進(jìn)行說明，但應(yīng)理解，并不意在限制本公開的實施例。
[0023]環(huán)柵(GAA)結(jié)構(gòu)提供了提高集成電路的電路密度的有希望的途徑，尤其是相對于2D場效應(yīng)晶體管(FET)而言。目前的形成GAA結(jié)構(gòu)的方法依賴于有選擇性的各向同性蝕刻來削弱光刻限定的線。本文所公開的方法利用使用反應(yīng)離子束刻蝕或化學(xué)輔助離子束蝕刻的高角度各向異性蝕刻，以形成這樣的結(jié)構(gòu)。所公開的方法的一個優(yōu)點是生成密集堆疊的導(dǎo)體陣列(其作為溝道)的能力，從而顯著增加器件的密度。
[0024]在本文的各個實施方式中，用于GAA結(jié)構(gòu)的溝道和溝道陣列通過反應(yīng)離子束蝕刻來形成。通過使用適當(dāng)?shù)难谀２奶囟ǖ膬A斜角和旋轉(zhuǎn)角蝕刻，這樣的溝道可以直接地蝕刻成到所希望的材料中。
[0025]離子束刻蝕已用于半導(dǎo)體器件的制造。它涉及通過向襯底表面提供高能離子而從襯底表面去除材料。離子束蝕刻可以大致分為僅涉及惰性離子(例如，氬離子)的工藝以及涉及反應(yīng)離子或通過離子(如氧離子、諸如含氟電離化合物之類的某些離子化化合物、引發(fā)與化學(xué)吸附或物理吸附在襯底表面上的反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)性離子或惰性離子及其它)弓丨發(fā)的化學(xué)反應(yīng)的工藝。在這些工藝中，離子撞擊襯底表面，并通過直接的物理動量轉(zhuǎn)移(濺射)或由來自離子的能量轉(zhuǎn)移引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)(反應(yīng)離子束刻蝕或化學(xué)輔助離子束蝕刻)移除材料。反應(yīng)離子束蝕刻(RIBE)通常涉及利用可與襯底化學(xué)反應(yīng)的離子(如氧、氟等)。在化學(xué)輔助離子束蝕刻(CAIBE)中，惰性離子或者引發(fā)襯底和反應(yīng)物(如被吸附在表面上的施加氣體)之間的化學(xué)反應(yīng)，或在襯底的表面上產(chǎn)生反應(yīng)部位，該反應(yīng)部位與產(chǎn)生反應(yīng)物部位的同時或之后與施加的反應(yīng)物反應(yīng)，或它們的任意組合。
[0026]影響蝕刻結(jié)果質(zhì)量的一個因素是控制離子撞擊表面的能量和角度(S卩，入射角)的能力。這些因素對于形成具有所期望的尺寸和形狀的特征很重要。如本文所述的，由于其控制離子撞擊襯底的角度