納米線場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】一種用于形成納米線場效應晶體管(FET)器件的方法，所述方法包括在襯底之上形成納米線，在所述納米線的一部分的周圍形成襯里材料，在所述襯里材料上形成蓋帽層，鄰近所述蓋帽層的側壁并在所述納米線的部分的周圍形成第一間隔物，在所述蓋帽層和所述第一間隔物上形成硬掩模層，去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由柵極材料限定的第一腔，在所述第一腔中的所述納米線的暴露截面上外延生長半導體材料，去除所述硬掩模層和所述蓋帽層，在所述第一腔中的外延生長的所述半導體材料的周圍形成第二蓋帽層以限定溝道區(qū)，以及形成與所述溝道區(qū)相接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)。
【專利說明】納米線場效應晶體管
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體納米線場效應晶體管。
【背景技術】
[0002]納米線場效應晶體管(FET)通常包括具有溝道區(qū)的納米線。溝道區(qū)的部分用柵極材料圍繞。有源源極和漏極區(qū)被連接到溝道區(qū)。

【發(fā)明內容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于形成納米線場效應晶體管(FET)器件的方法包括在襯底之上形成納米線，在所述納米線的一部分的周圍形成襯里材料，在所述襯里材料上形成蓋帽層，鄰近在所述蓋帽層的側壁并在所述納米線的部分的周圍形成第一間隔物，在所述蓋帽層和所述第一間隔物上形成硬掩模層，去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由柵極材料限制的第一腔，在所述第一腔中所述納米線的暴露的截面上外延生長半導體材料，去除所述硬掩模層和所述蓋帽層，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料的周圍形成第二蓋帽層以限定溝道區(qū)，以及形成與所述溝道區(qū)相接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種用于形成納米線場效應晶體管(FET)器件的方法包括在襯底之上形成納米線，在所述納米線的一部分的周圍形成襯里材料，在所述襯里材料上形成蓋帽層，鄰近所述蓋帽層的側壁并在所述納米線的部分的周圍形成第一間隔物，在所述蓋帽層和所述第一間隔物上形成硬掩模層，去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由柵極材料限定的第一 腔，在所述第一腔中所述納米線的暴露截面上外延生長半導體材料，去除所述硬掩模和所述蓋帽層的部分以限定所述溝道區(qū)，以及形成與所述溝道區(qū)相接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種場效應晶體管(FET)器件包括第一 FET，所述第一FET包括包含第一外延生長材料的一部分和第二外延生長材料一部分的第一納米線溝道區(qū)、圍繞所述第一納米線溝道區(qū)的第一柵極結構、以及設置在所述柵極結構周圍的第一蓋帽層。
[0006]通過本發(fā)明的技術能實現(xiàn)附加的特征和優(yōu)點。本文中詳細描述的本發(fā)明的其它實施例和方面被認為是所要求保護的發(fā)明的一部分。要更好的理解本發(fā)明的優(yōu)點和特征，請參考描述和附圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]在對說明書結論處的權利要求中具體地指出并清楚地要求保護被認為是發(fā)明的主題。從下述詳細描述并結合附圖，本發(fā)明的上述和其它特征、優(yōu)點將顯而易見。
[0008]圖1示出了在制造期間的FET器件的一部分的截面圖。
[0009]圖2示出了各向同性刻蝕工藝之后所得到的結構。
[0010]圖3示出了納米線材料的外延生長之后所得到的結構的示例性實施例。[0011]圖4示出了去除硬掩模層和蓋帽層之后所得到的結構。
[0012]圖5示出了在柵極材料的部分的周圍形成蓋帽層和硬掩模層之后所得到的結構。
[0013]圖6示出了用于制造納米線器件的替代示例性方法之后所得到的結構。
[0014]圖7示出了形成間隔物材料之后的包括FET器件的所得到的結構。
[0015]圖8示出了用于制造納米線器件的替代示例性方法。
[0016]圖9示出了形成納米線材料之后所得到的結構。
[0017]圖10示出包括FET器件的所得到的結構。
【具體實施方式】
[0018]現(xiàn)有的用于制造納米線FET器件的自上而下方法不能提供用于形成具有不同材料的納米線的合適方法。下述的方法及所得到的結構提供可包括在納米線內形成的任何數(shù)量的外延生長材料的納米線FET器件。 [0019]圖1示出了在制造期間的FET器件的一部分的截面圖。在此方面，在設置在硅襯底100上的掩埋氧化物(BOX)層104上限制絕緣體上硅(SOI)襯墊區(qū)106、襯墊區(qū)108和納米線部分(納米線)109。通過在諸如反應離子蝕刻(RIE)的刻蝕工藝之后使用光刻將襯墊區(qū)106、襯墊區(qū)108和納米線部分109構圖。一旦襯墊區(qū)106、襯墊區(qū)108和納米線部分109被構圖后，各向同性蝕刻工藝使納米線109懸掛在BOX層104上方。在各向同性蝕刻之后，平滑納米線部分109以形成橢圓狀的(在一些例中，圓柱狀)的納米線109，該納米線通過襯墊區(qū)106和襯墊區(qū)108懸掛在BOX層上方。進行氧化工藝，以降低納米線109的直徑到所希望的尺寸。
[0020]一旦形成納米線109，可在納米線109周圍形成柵極疊層(包括若干膜)103，如下文中的進一步詳細描述，并且其帽蓋有多晶硅層(蓋帽層)102。諸如氮化硅(Si3N4)的硬掩模層107被沉積在蓋帽層102之上。通過在BOX層104和SOI部分上沉積多晶硅材料、在多晶硅材料上沉積硬掩模材料，并且用反應離子蝕刻(RIE)進行蝕刻以形成圖1所示的蓋帽層102和硬掩模層107。在形成蓋帽層102之后，鄰近蓋帽層102的相對側形成間隔物
111。間隔物111包括，例如，氧化物或氮化物材料。使用同上述用于制造單行柵極相似的方法，進行圖1所示的布置的制造。可使用本文描述的方法在襯墊區(qū)106和108之間的納米線上形成任何數(shù)量的器件。
[0021]通過在納米線109周圍沉積任何類型的柵極材料，形成柵極疊層103。例如，在納米線109的周圍形成諸如二氧化硅(SiO2)的第一柵極介質層。在第一柵極介質層120周圍形成諸如氧化鉿(HfO2)的第二柵極介質層。在第二柵極介質層周圍形成諸如氮化鉭(TaN)的金屬層。用蓋帽層102圍繞金屬層。用諸如硼(P型)或磷(η型)的雜質摻雜蓋帽層102，使得蓋帽層102導電。
[0022]柵極材料103不限于上述材料，并且可包括包含單層的任何數(shù)量的材料層。在替代實施例中，柵極材料103包括犧牲材料(襯里材料)或者可以以上述類似的方式沉積的材料，以及隨后在下述的步驟中去除并且用和上述布置相似的柵極材料或者柵極材料的層替代。
[0023]圖2示出了在諸如濕法蝕刻工藝或者各向同性反應離子蝕刻工藝(RIE)的各向同性蝕刻工藝之后所得到的結構。蝕刻工藝去除暴露的硅襯墊區(qū)106和108 (圖1)以及納米線109的部分，從而導致通過柵極材料103和納米線109部分限定的腔201。盡管所示的實施例示出了在納米線109相對端上以對稱布置形成腔201,替代實施例包括形成單腔或者兩個非對稱腔?？赏ㄟ^使用諸如非對稱蝕刻工藝去除納米線109的部分以使納米線109的末端與間隔物111基本齊平，形成這樣的布置。鄰近間隔物111中的一個形成間隔物(未示出)，以使該間隔物遮蔽暴露的納米線109的末端中的一個。可按上述，進行各向同性蝕刻工藝，以去除納米線109的相對的暴露部分，形成單腔201?？稍诤罄m(xù)工藝中去除間隔物。
[0024]圖3示出了在納米線材料302的外延生長之后所得到的結構的示例性實施例。納米線材料302可包括任何希望的外延生成材料和/或材料的組合。在示出的示例性實施例中，納米線材料302包括通過兩種外延生長工藝形成的第一型材料302a和第二型材料302b。納米線材料302包括諸如外延生長的S1、SiGe、Ge或II1- V族材料。如所示，納米線材料302可對稱地在納米線109的暴露的相對末端301上形成(例如，引種)，隨后在外延生長的納米線材料302的暴露的末端上形成。備選地，納米線材料302可按下述進一步詳細描述非對稱地形成。
[0025]圖4示出了使用諸如反應離子蝕刻的合適的蝕刻工藝去除硬掩模層107和蓋帽層102之后所得到的結構。在一些實施例中，蝕刻工藝可非所希望地去除蓋帽層102和納米線材料302的部分。為避免在去除蓋帽層102的同時去除了納米線材料302的部分，用與納米線材料302不同的材料形成蓋帽層102，這樣在不明顯去除暴露的納米線材料302的情況下，選擇性蝕刻工藝去除蓋帽層102。間隔物111保留，以通過間隔物111支持和懸掛柵極材料103、納米線109和納米線材料302。在去除硬掩模107和蓋帽層102之后，去除暴露的柵極材料103以暴露納米線材料302(和/或納米線109)的部分。用與上述相類似的方式，在納米線材料302 (和/或納米線109)的暴露的部分之上形成另一柵極材料103或柵極材料103的層。
[0026]圖5示出了在 柵極材料的部分的周圍形成蓋帽層502和硬掩模507之后所得到的結構，該結構基本上形成場效應晶體管(FET)器件501。鄰近蓋帽層502的相對側形成間隔物材料511。以與上述形成蓋帽層102、硬掩模層517和間隔物111 (圖1)相類似的方式形成蓋帽層502、硬掩模層507和間隔物材料511，并使用光刻掩蔽和蝕刻工藝構圖。在形成蓋帽層502 (或者間隔物材料511)之后，去除暴露的柵極材料103以暴露納米線材料302 (和/或納米線109)的部分。用離子摻雜納米線材料309(和/或納米線109)的暴露的部分，以形成FET器件501的有源區(qū)505 (源極和漏極區(qū))。在納米線材料302的有源區(qū)505上形成硅化物材料(未示出)，并且形成與硅化物材料相接觸的導電接觸(未示出)。在所示實施例中，F(xiàn)ET器件501a包括在溝道區(qū)503中不同的材料，同時，F(xiàn)ET器件501b包括在溝道區(qū)503中的一致材料。在一些實施例中，在外延生長工藝期間使用原位(in-situ)摻雜工藝形成FET器件501的有源區(qū)，使得在生長工藝期間，將摻雜劑設置在納米線材料302的一部分中。蓋帽層502、硬掩模層507和間隔物材料511的后續(xù)形成將使有源區(qū)505的部分暴露。
[0027]圖6示出了在替代的示例性方法之后所得到的結構。在此方面，形成納米線材料302 (如上面圖3所述)之后，使用光刻構圖和蝕刻工藝去除蓋帽層102和硬掩模層107的部分，該光刻構圖和蝕刻工藝暴露柵極材料103和BOX層104的部分。示出了設置在硬掩模層107上的用于說明性目的的光刻抗蝕劑材料602。在一些示例性實施例中，在去除硬掩模層107的暴露的部分之后并在去除蓋帽層102之前，去除光刻抗蝕劑材料602。[0028]圖7示出了在形成間隔物材料711之后所得到的包括FET器件701的結構，該間隔物材料711包括，例如，氧化物或氮化物材料。鄰近蓋帽層102的暴露部分形成間隔物材料711，該間隔物材料711圍繞暴露的納米線109和/或納米線材料302的部分。在示出的實施例中，F(xiàn)ET器件701a包括在溝道區(qū)703中不同的材料，同時，F(xiàn)ET器件701b包括在溝道703中的一致材料。用離子摻雜納米線材料302(和/或納米線109)暴露的部分以形成FET器件701的有源區(qū)705 (源極和漏極區(qū))。在形成有源區(qū)705之后，在有源區(qū)705上形成硅化物材料(未示出)并且在硅化物材料之上形成導電接觸(未示出)。在一些實施例中，在外延生長工藝期間使用原位(in-situ)摻雜工藝形成FET器件701，使得在生長工藝期間將摻雜劑設置在納米線材料302的一部分中。蓋帽層102的部分的后續(xù)去除將暴露有源區(qū)的部分。
[0029]圖8示出了用于制造納米線器件的替代的示例性方法。在此方面，示出了在與上述圖1所描述的結構類似的納米線結構上的各向同性蝕刻工藝之后所得到的結構。各向同性蝕刻工藝也與上述圖2所描述的工藝類似。蝕刻工藝去除納米線109暴露的部分以形成被柵極材料103和納米線109部分地限定的腔801。在形成腔801之后，鄰近間隔物111中的一個形成間隔物811，使得腔801的開口被遮蔽和覆蓋?？衫缤ㄟ^在蓋帽層102的相對側上形成間隔物811和間隔物(未示出)來形成間隔物811的示例性的布置，通過例如輻射該間隔物以便使用以比未經(jīng)輻射的間隔物811的去除速率更快的速率去除輻射的間隔物材料的蝕刻工藝來去除間隔物，而去除相對的間隔物。例如，通過使用離子源以相對晶片表面的角度獲得輻射工藝的不對稱，因此離子輻射一個間隔物而同時柵極102遮蔽另一間隔物。在形成間隔物811之后，進行外延生長工藝以在暴露的溝道801b中形成納米線材料803b，該納米線材料803b是從納米線109的暴露的末端307b按照如上面圖3所描述的相似方式被引種。
[0030]圖9示出了在形成納米線材料803a之后所得到的結構，該納米線材料803a在去除間隔物811a(圖8)和形成間隔物811b之后按照上述類似的方式形成。在示出的實施例中，納米線材料803a和803b是不同的材料，并且包括上面圖3中所描述的任何外延生長的材料。
[0031]圖10示出了在一系列形成納米線材料803的生長循環(huán)后的所得到的包括FET器件1001的結構。替代實施例包括使用與上面圖8和9所描述的類似的方法形成的納米線材料803的任何組合。FET器件IOOla包括溝道區(qū)1002a，該溝道區(qū)1002a包括納米線材料(溝道材料)803a和803b，同時FET器件IOOlb包括溝道區(qū)1002b，該溝道區(qū)1002b包括納米線材料803a和803b。在BOX層104上，將FET器件IOOla和IOOlb彼此鄰近地布置，并且納米線材料803a和803b不同。溝道區(qū)1002a和1002b分別包括在溝道區(qū)1002a和1002b的對面?zhèn)戎械牟煌募{米線材料803a和803b。即，鄰近FET器件1001的每個溝道區(qū)1002包括非對稱布置的不同的材料。以與上述類似的方式形成與溝道區(qū)1002a和1002b相接觸的有源(源極和漏極)區(qū)1005。
[0032]本文所使用的術語僅用于描述特定的實施例，不旨在限制本發(fā)明。如本文所用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”也旨在包括復數(shù)形式，除非文中另有明確說明。要進一步理解，在本說明書中使用的用語“包括”和/或“包含”詳述所述特征、總體(integers)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一個或者多個其它特征、總體、步驟、操作、元素部件和/或其組。
[0033]下面權利要求中的相應的結構、材料、作用及所有裝置或步驟加上功能元件的等價物，均旨在包括用于與其它具體要求保護的要求權利的元素相結合執(zhí)行功能的任何結構、材料或者作用。已經(jīng)介紹的本發(fā)明的描述用于說明和描述目的，并非旨在窮盡的或限制于所公開形式的發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神下的很多修改和變化對本領域技術人員將是顯而易見的。選取和描述實施例以便最佳解釋本發(fā)明的原理和實際應用，以及使得本領域技術人員理解本發(fā)明針對所想到的適于特定應用的各種修改的各種實施例。
[0034]本文所繪的圖僅為一個實例。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，有許多對本文所描述的圖或者步驟(或操作)的變化。例如，用不同的順序執(zhí)行步驟或者加入、刪除或修改步驟。所有這些變化都被認為是所要求權利的發(fā)明的一部分。
[0035]已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，要理解，本領域技術人員，現(xiàn)在或者將來，可以進行落入所附權利要求保護范圍之內的各種改進和提高。這些權利要求將解釋為對前述本發(fā)明提供合適保護。
【權利要求】
1.一種用于形成納米線場效應晶體管(FET)器件的方法，所述方法包括: 在襯底之上形成納米線； 在所述納米線的一部分周圍形成襯里材料； 在所述襯里材料上形成蓋帽層； 鄰近所述蓋帽層的側壁并在所述納米線的部分的周圍形成第一間隔物； 在所述蓋帽層和所述第一間隔物上形成硬掩模層； 去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由柵極材料限定的第一腔； 在所述第一腔中的所述納米線的暴露截面上外延生長半導體材料； 去除所述硬掩模層和所述蓋帽層； 在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料的周圍形成第二蓋帽層以限定溝道區(qū)；以及 形成與所述溝道區(qū)相接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括: 去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由所述襯里材料限定的第二腔； 在所述第二腔中所述納米線的暴露截面上外延生長半導體材料。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料與在所述第二腔中外延生長的所述半導體材料不同。
4.根據(jù)權利要求2的方法，其中，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料和在所述第二腔中外延生長的所述半導體材料被同時生長。
5.根據(jù)權利要求2的方法，其中，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料和在所述第二腔中外延生長的所述半導體材料的周圍形成所述第二蓋帽層。
6.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料的一部分的周圍形成第三蓋帽層。
7.根據(jù)權利要I的方法，進一步包括在所述納米線周圍形成第三蓋帽層。
8.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括形成與所述第二蓋帽層鄰近的間隔物材料。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述襯底包括掩埋氧化物層。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述襯里材料包括柵極材料。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述襯里材料為柵極結構。
12.一種用于形成納米線場效應晶體管(FET)器件的方法，所述方法包括: 在襯底之上形成納米線； 在納米線的一部分周圍形成襯里材料； 在所述襯里材料上形成蓋帽層； 鄰近所述蓋帽層的側壁并在所述納米線的部分的周圍形成第一間隔物； 在所述蓋帽層和所述第一間隔物上形成硬掩模層； 去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由柵極材料限定的第一腔； 在所述第一腔中的所述納米線的暴露截面上外延生長半導體材料； 去除所述硬掩模層和所述蓋帽層的部分以限定溝道區(qū)；以及 形成與所述溝道區(qū)相接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)。
13.根據(jù)權利要求12的方法，進一步包括:去除所述納米線的暴露部分以形成部分地由所述襯里材料限定的第二腔； 在所述第二腔中的所述納米線的所述暴露截面上外延生長半導體材料。
14.根據(jù)權利要求13的方法，其中，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料與在所述第二腔中外延生長的所述半導體材料不同。
15.根據(jù)權利要求13的方法，其中，在所述第一腔中外延生長的所述半導體材料和在所述第二腔中外延生長的所述半導體材料被同時生長。
16.根據(jù)權利要求12的方法，進一步包括形成與所述蓋帽層鄰近的間隔物材料。
17.根據(jù)權利要求12的方法，其中，所述襯底包括掩埋氧化物層。
18.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述襯里材料包括柵極材料。
19.根據(jù)權利要求12的方法，其中，所述襯里材料為柵極結構。
20.一種場效應晶體管(FET)器件，所述器件包括: 第一 FET，包括: 包括第一外延生長材料的一部分和第二外延生長材料的一部分的第一納米線溝道區(qū)； 圍繞所述第一納米線溝道區(qū)的第一柵極結構；以及 設置在所述柵極結構周圍的第一蓋帽層。
21.根據(jù)權利要求20的器件，其中，所述器件進一步包括: 布置為鄰近所述第一 FET的第二 FET，所述第二 FET包括: 包括所述第一外延生長材料的一部分和所述第二外延生長材料的一部分的第二納米線溝道區(qū)； 圍繞所述第二納米線溝道區(qū)的第二柵極結構；以及 設置在所述柵極結構周圍的第二蓋帽層。
22.根據(jù)權利要求20的器件，其中，與所述第二納米線溝道區(qū)同軸地布置所述第一納米線溝道區(qū)。
23.根據(jù)權利要求20的FET器件，其中，所述第一外延生長材料與所述第二外延生長材料不同。
【文檔編號】H01L21/336GK104025270SQ201280065693
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月13日 優(yōu)先權日:2012年1月5日
【發(fā)明者】S·邦薩倫提普, G·科恩, A·馬宗達, J·W·斯雷特 申請人:國際商業(yè)機器公司