專利名稱：包含鰭片的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含鰭片的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法，具體地涉及用于FinFET的半導(dǎo)體鰭片。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的尺寸按比例縮小，出現(xiàn)了閾值電壓隨溝道長度減小而下降的問題，也即，在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生了短溝道效應(yīng)。為了抑制短溝道效應(yīng)，在美國專利US6，413，802中公開了在SOI上形成的FinFET， 包括在硅鰭片(Fin)的中間形成的溝道區(qū)，以及在硅鰭片兩端形成的源/漏區(qū)。為了在硅鰭片的中間形成溝道區(qū)、在其兩端形成源/漏區(qū)以及可選的源/漏延伸區(qū)，需要執(zhí)行離子注入。然而，離子注入導(dǎo)致硅的非晶化。在隨后的步驟中執(zhí)行退火，使得非晶硅通過固相外延生長重新轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч?。本發(fā)明人已經(jīng)研究了半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁與固相外延生長的結(jié)晶質(zhì)量之間的關(guān)系。在本發(fā)明人提交的中國專利申請CN200910M2769.3中提出，通過改變晶片定位缺口 (notch)的方向，可以消除固相外延生長形成的高缺陷區(qū)。在此通過引用將其全部內(nèi)容包含在本文中。另一方面，已經(jīng)認(rèn)識到半導(dǎo)體鰭片的表面質(zhì)量還受到在離子注入步驟之前執(zhí)行的蝕刻步驟的不利影響。通常采用例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的干法蝕刻工藝形成上述半導(dǎo)體鰭片，離子轟擊很容易造成晶體結(jié)構(gòu)的損傷。即使改變晶片定位缺口的方向，在固相外延生長之后，反應(yīng)離子蝕刻仍然可能導(dǎo)致最終的鰭片表面質(zhì)量變劣(即不平整以及高缺陷密度)，最終導(dǎo)致FinFET的柵極對溝道的控制能力下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有改善的表面質(zhì)量的半導(dǎo)體鰭片及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底和位于半導(dǎo)體襯底上方的半導(dǎo)體鰭片，在所述半導(dǎo)體襯底和所述半導(dǎo)體鰭片之間包括蝕刻停止層，所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁接近硅的{111}晶面，或位于硅的{111}晶面上，優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁與硅的{111}晶面之間的夾角小于5度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括以下步驟 a)在半導(dǎo)體襯底上形成蝕刻停止層；b)在所述蝕刻停止層上形成半導(dǎo)體層；c)在所述半導(dǎo)體層上形成圖案化的掩模層；d)通過濕法蝕刻，去除所述半導(dǎo)體層未被所述掩模層遮擋的部分，其中，所述濕法蝕刻停止在所述蝕刻停止層的上表面上，并且所述半導(dǎo)體層被所述掩模層遮擋的部分形成半導(dǎo)體鰭片，并且所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁接近或位于硅的{111}晶面。優(yōu)選地，半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁與硅的{111}晶面之間的夾角小于5度。在本發(fā)明的形成半導(dǎo)體鰭片的方法中，引入了附加的蝕刻停止層，從而可以采用濕法蝕刻代替干法蝕刻，避免了在干法刻蝕過程中由于離子轟擊造成的表面質(zhì)量變劣。
利用濕法蝕刻的選擇性，鰭片的高度將等于半導(dǎo)體層的厚度，從而可以利用半導(dǎo)體層的厚度精確地控制鰭片的高度。并且，在濕法蝕刻步驟中對半導(dǎo)體層進(jìn)行各向異性蝕刻，鰭片的側(cè)壁是蝕刻速度最慢的{111}晶面，這不僅避免了底切等缺陷的出現(xiàn)，而且鰭片的側(cè)壁也可以獲得良好的平整度和結(jié)晶質(zhì)量。此外，正如在上述背景技術(shù)部分中所指出的那樣，如果鰭片的側(cè)壁為{111}晶面， 則在之后的固相外延生長中可以使得高缺陷區(qū)的面積最小化。該半導(dǎo)體鰭片尤其適合于制作FinFET。


圖Ia和Ib示意地示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體鰭片在硅襯底上的取向。圖2至圖7是示意性地示出形成根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體鰭片的方法各階段半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實施例方式以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。應(yīng)當(dāng)理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時，當(dāng)將一層、一個區(qū)域稱為位于另一層、另一個區(qū)域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個區(qū)域“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個區(qū)域上面的情形，本文將采用“直接在......上面”或“在......上面并與之鄰接”的表述方式。在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細(xì)節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。然而，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。例如，襯底和鰭片的半導(dǎo)體材料可以選自IV族半導(dǎo)體，如Si或Ge，或III-V族半導(dǎo)體，如GaAs、InP, GaN, SiC,或上述半導(dǎo)體材料的疊層。此外，在下文中描述晶面或晶向時采用了晶面族或晶向族的表示方法。例如，特定的晶向[110]和[1 0]是彼此垂直的兩個方向，但由于硅晶體的對稱性，可以將兩個特定的晶向統(tǒng)一表示為晶向族<110>。由于硅晶體的對稱性是本領(lǐng)域公知的，當(dāng)表述“晶向<110> 與晶向<110>相垂直”，可以理解指的是“特定的晶向[110]與特定的晶向[1 0]相垂直”或類似的方向關(guān)系。在本文中，術(shù)語“蝕刻停止層”是指其蝕刻速度小于將蝕刻掉的半導(dǎo)體層的蝕刻速度的層。利用蝕刻停止層與半導(dǎo)體層之間蝕刻速度的差異，可以選擇性地去除半導(dǎo)體層。蝕刻停止層可由高摻雜(例如摻雜濃度高于5X1019/cm3)的P型半導(dǎo)體或SiGe組成，其中摻雜劑可為選自B、Al、feu In、Tl構(gòu)成中的至少一種。參見圖la，本發(fā)明意圖制作位于半導(dǎo)體襯底1的半導(dǎo)體鰭片2。僅僅作為示例，半導(dǎo)體襯底1和鰭片2都由硅組成。鰭片2可以形成在半導(dǎo)體襯底1的(110)表面上，通過外延生長形成，例如分子束外延(MBE)，并且鰭片2沿著硅的<111>方向延伸，側(cè)壁接近硅的 {111}晶面或位于硅的{111}晶面上。參見圖lb，為了獲得圖Ia所示的鰭片2的取向，通過以硅晶片1的中心為軸順時針旋轉(zhuǎn)大約35. 3度，將硅晶片1的定位缺口 3的位置從標(biāo)記硅的<110>晶向改為標(biāo)記硅的 <111>晶向。在隨后的光刻和蝕刻步驟中，將依據(jù)定位缺口 3的位置確定圖案方向，從而可以形成沿著硅的<111>方向延伸、側(cè)壁為{111}晶面的鰭片2。實際上，由于工藝上的變化，例如上述旋轉(zhuǎn)的角度可能在一定程度上出現(xiàn)偏差，鰭片的側(cè)壁可能偏離硅的{111}晶面。申請人發(fā)現(xiàn)，在鰭片的側(cè)壁與硅的{111}晶面之間的夾角小于5度的情形下，仍然有可能在鰭片中獲得理想的表面質(zhì)量。圖2至7示意性地示出在固相外延生長步驟之前形成半導(dǎo)體鰭片的各個步驟。本發(fā)明的方法開始于單晶Si襯底10。參見圖2，通過已知的沉積工藝，如PVD、CVD、原子層沉積、分子束外延(MBE)、濺射等，在Si襯底10的表面上從下至上依次外延生長含Ge約為10-30%、厚度約為5-20nm的 SiGe層11、以及厚度約為20-70nm的Si層12。在隨后的步驟中，將利用對Si層12的圖案化形成鰭片，Si層12的厚度可以按照在器件設(shè)計方面對鰭片高度的要求來選擇。參見圖3，在Si層12的表面上形成將用作硬掩模和保護(hù)層的氧化硅層13和氮化物層14?？梢酝ㄟ^熱氧化，將Si層12的表面的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸鑼?3。替代地，可以通過上述已知的沉積工藝形成氧化硅層13。氧化硅層的厚度約為5nm。通過上述已知的沉積技術(shù)，在氧化硅層13上形成厚度約為IOnm的氮化物層 14(如氮化硅)。參見圖4，在氮化物層14的表面上涂敷光致抗蝕劑層，然后通過包含曝光和顯影的光刻工藝，形成圖案化的光致抗蝕劑掩模15。替代地，可以利用電子束刻印(e-beam lithography)或其他合適的方法形成光致抗蝕劑掩模15。光致抗蝕劑掩模15中的條帶對應(yīng)于Si鰭片的形狀，從而確定了鰭片的延伸方向、 長度和寬度。參見圖5，利用光致抗蝕劑掩模15，通過其中使用蝕刻劑溶液的常規(guī)濕法蝕刻，或者通過干法蝕刻，如離子銑蝕刻、等離子蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻(RIE)、激光燒蝕，從上至下依次去除氧化硅層13和氮化硅層14未被遮擋的部分。然后，通過在溶劑中溶解或灰化去除光抗蝕劑掩模。該步驟將光致抗蝕劑掩模15的圖案轉(zhuǎn)換到氧化硅層13和氮化硅層14中，使得后者形成硬掩模。參見圖6，通過其中使用蝕刻劑溶液的常規(guī)濕法蝕刻，選擇性地去除Si，該蝕刻步驟停止在SiGe層11的上表面上，從而在Si層12中形成了硅鰭片。結(jié)果，硅鰭片的厚度等于Si層12的厚度。通過在前述的沉積步驟中控制所形成的Si層12的厚度，可以容易地控制最終的鰭片的厚度。
為了通過濕法蝕刻形成鰭片，在本發(fā)明中采用了附加的蝕刻停止層。在上述的實例中，SiGe層11作為蝕刻停止層。有利的是，利用濕法蝕刻的高度選擇性可以形成期望厚度的鰭片，并且由于完全代替了干法蝕刻，避免了干法蝕刻中由于粒子轟擊碰撞等造成的表面質(zhì)量缺陷等問題?？梢詫⒈绢I(lǐng)域所熟知的用于Si的各向異性蝕刻劑用在本發(fā)明中，例如KOH(氫氧化鉀)、TMAH (四甲基氫氧化銨)、EDP (乙二胺-鄰苯二酚)、N2H4 · H20 (水合胼)等。在使用KOH或EDP等作為蝕刻劑時，高摻雜的P型半導(dǎo)體或SiGe等材料可以作為蝕刻停止層。高摻雜的P型半導(dǎo)體是的摻雜劑可以選自B、Al、fe、In、TI等，可以實現(xiàn)相對于Si極佳的蝕刻選擇性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上述各向異性蝕刻劑在硅的各個晶面上的蝕刻速度不相同，在硅的{111}晶面上的蝕刻速度比其他晶面上的蝕刻速度小至少一個數(shù)量級。對于圖Ia所示的取向的鰭片，在垂直方向(硅的<110>晶向)上的蝕刻速度將明顯高于在橫向方向(硅的<111>晶向)蝕刻速度。這樣，不僅可以避免在鰭片中產(chǎn)生底切， 而且鰭片的側(cè)壁是由于蝕刻而暴露的{111}晶面。鰭片的頂部表面和側(cè)壁表面都可以獲得良好的平整度和晶體質(zhì)量，尤其適合于制作雙柵設(shè)計的FinFET。因此，本發(fā)明不局限于所描述的實施例。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯可知的變型或更改，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底和位于半導(dǎo)體襯底上方的半導(dǎo)體鰭片，所述半導(dǎo)體襯底和所述半導(dǎo)體鰭片之間包括蝕刻停止層，并且所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁接近或位于硅的{111}晶面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁與硅的{111}晶面之間的夾角小于5度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體鰭片由選自SLG^GaAsUnP、 GaN和SiC構(gòu)成的組中的至少一種材料組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述蝕刻停止層由高摻雜的P型半導(dǎo)體或 SiGe組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述P型半導(dǎo)體中的摻雜劑為選自B、Al、 Ga、IruTl構(gòu)成中的組中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述蝕刻停止層為摻雜濃度高于5XIO19/ cm3的P型半導(dǎo)體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述蝕刻停止層為含Ge10-30%的SiGe。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底為{110}Si 襯底。
9.一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括a)在半導(dǎo)體襯底上外延生長蝕刻停止層；b)在所述蝕刻停止層上外延生長半導(dǎo)體層；c)在所述半導(dǎo)體層上形成圖案化的掩模層；d)通過各向異性的濕法蝕刻，去除所述半導(dǎo)體層未被所述掩模層遮擋的部分，其中，所述濕法蝕刻停止在所述蝕刻停止層的上表面上，使得所述半導(dǎo)體層被所述掩模層遮擋的部分形成半導(dǎo)體鰭片，并且所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁接近或位于硅的{111}晶
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁與硅的{111}晶面之間的夾角小于5度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其中形成圖案化的掩模層的步驟包括以下步驟 在所述半導(dǎo)體層上形成氧化物層；在所述氧化物層上形成圖案化的光致抗蝕劑層； 通過蝕刻去除氧化層未被光致抗蝕劑層遮擋的部分；以及去除所述光致抗蝕劑層，其中所述氧化物層被所述光致抗蝕劑層遮擋的部分形成所述圖案化的掩模層。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述濕法蝕刻采用的蝕刻劑為選自由Κ0Η、 TMAH、EDP、N2H4 · H20構(gòu)成的組中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述蝕刻停止層由高摻雜的P型半導(dǎo)體或 SiGe組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述蝕刻停止層為摻雜濃度高于5X IO1Vcm3的 P型半導(dǎo)體。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述P型半導(dǎo)體中的摻雜劑為選自B、Al、Ga、Ιη、Τ1構(gòu)成中的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述蝕刻停止層由含GelO-30%的SiGe組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底為{110}Si襯底。
全文摘要
公開了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。所述制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括a)在半導(dǎo)體襯底上外延生長蝕刻停止層；b)在所述蝕刻停止層上外延生長半導(dǎo)體層；c)在所述半導(dǎo)體層上形成圖案化的掩模層；d)通過各向異性的濕法蝕刻，去除所述半導(dǎo)體層未被所述掩模層遮擋的部分，其中，所述濕法蝕刻停止在所述蝕刻停止層的上表面上，使得所述半導(dǎo)體層被所述掩模層遮擋的部分形成半導(dǎo)體鰭片，并且所述半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁接近或位于硅的{111}晶面。該方法獲得的半導(dǎo)體鰭片具有良好的表面質(zhì)量和減少的晶體缺陷，可用于制造FinFET。
文檔編號H01L29/04GK102214676SQ201010145100
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者尹海洲, 朱慧瓏, 駱志炯 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所, 北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司