纳米线场效应晶体管 |
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申请号 | CN201280065693.1 | 申请日 | 2012-12-13 | 公开(公告)号 | CN104025270B | 公开(公告)日 | 2017-05-03 |
申请人 | 国际商业机器公司; | 发明人 | S·邦萨伦提普; G·科恩; A·马宗达; J·W·斯雷特; | ||||
摘要 | 一种用于形成 纳米线 场效应晶体管 (FET)器件的方法,所述方法包括在衬底之上形成纳米线,在所述纳米线的一部分的周围形成衬里材料,在所述衬里材料上形成盖帽层,邻近所述盖帽层的 侧壁 并在所述纳米线的部分的周围形成第一间隔物,在所述盖帽层和所述第一间隔物上形成硬掩模层,去除所述纳米线的暴露部分以形成部分地由栅极材料限定的第一腔,在所述第一腔中的所述纳米线的暴露截面上 外延 生长 半导体 材料,去除所述硬掩模层和所述盖帽层,在所述第一腔中的外延生长的所述半导体材料的周围形成第二盖帽层以限定 沟道 区,以及形成与所述沟道区相 接触 的源极区和漏极区。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于形成纳米线场效应晶体管器件的方法,所述方法包括: |
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说明书全文 | 纳米线场效应晶体管技术领域背景技术[0002] 纳米线场效应晶体管(FET)通常包括具有沟道区的纳米线。沟道区的部分用栅极材料围绕。有源源极和漏极区被连接到沟道区。 发明内容[0003] 根据本发明的一个实施例,一种用于形成纳米线场效应晶体管(FET)器件的方法包括在衬底之上形成纳米线,在所述纳米线的一部分的周围形成衬里材料,在所述衬里材料上形成盖帽层,邻近在所述盖帽层的侧壁并在所述纳米线的部分的周围形成第一间隔物,在所述盖帽层和所述第一间隔物上形成硬掩模层,去除所述纳米线的暴露部分以形成部分地由栅极材料限制的第一腔,在所述第一腔中所述纳米线的暴露的截面上外延生长半导体材料,去除所述硬掩模层和所述盖帽层,在所述第一腔中外延生长的所述半导体材料的周围形成第二盖帽层以限定沟道区,以及形成与所述沟道区相接触的源极区和漏极区。 [0004] 根据本发明的另一实施例,一种用于形成纳米线场效应晶体管(FET)器件的方法包括在衬底之上形成纳米线,在所述纳米线的一部分的周围形成衬里材料,在所述衬里材料上形成盖帽层,邻近所述盖帽层的侧壁并在所述纳米线的部分的周围形成第一间隔物,在所述盖帽层和所述第一间隔物上形成硬掩模层,去除所述纳米线的暴露部分以形成部分地由栅极材料限定的第一腔,在所述第一腔中所述纳米线的暴露截面上外延生长半导体材料,去除所述硬掩模和所述盖帽层的部分以限定所述沟道区,以及形成与所述沟道区相接触的源极区和漏极区。 [0005] 根据本发明的另一实施例,一种场效应晶体管(FET)器件包括第一FET,所述第一FET包括包含第一外延生长材料的一部分和第二外延生长材料一部分的第一纳米线沟道区、围绕所述第一纳米线沟道区的第一栅极结构、以及设置在所述栅极结构周围的第一盖帽层。 附图说明[0008] 图1示出了在制造期间的FET器件的一部分的截面图。 [0010] 图3示出了纳米线材料的外延生长之后所得到的结构的示例性实施例。 [0011] 图4示出了去除硬掩模层和盖帽层之后所得到的结构。 [0012] 图5示出了在栅极材料的部分的周围形成盖帽层和硬掩模层之后所得到的结构。 [0013] 图6示出了用于制造纳米线器件的替代示例性方法之后所得到的结构。 [0014] 图7示出了形成间隔物材料之后的包括FET器件的所得到的结构。 [0015] 图8示出了用于制造纳米线器件的替代示例性方法。 [0016] 图9示出了形成纳米线材料之后所得到的结构。 [0017] 图10示出包括FET器件的所得到的结构。 具体实施方式[0018] 现有的用于制造纳米线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纳米线的合适方法。下述的方法及所得到的结构提供可包括在纳米线内形成的任何数量的外延生长材料的纳米线FET器件。 [0019] 图1示出了在制造期间的FET器件的一部分的截面图。在此方面,在设置在硅衬底100上的掩埋氧化物(BOX)层104上限制绝缘体上硅(SOI)衬垫区106、衬垫区108和纳米线部分(纳米线)109。通过在诸如反应离子蚀刻(RIE)的刻蚀工艺之后使用光刻将衬垫区106、衬垫区108和纳米线部分109构图。一旦衬垫区106、衬垫区108和纳米线部分109被构图后,各向同性蚀刻工艺使纳米线109悬挂在BOX层104上方。在各向同性蚀刻之后,平滑纳米线部分 109以形成椭圆状的(在一些例中,圆柱状)的纳米线109,该纳米线通过衬垫区106和衬垫区 108悬挂在BOX层上方。进行氧化工艺,以降低纳米线109的直径到所希望的尺寸。 [0020] 一旦形成纳米线109,可在纳米线109周围形成栅极叠层(包括若干膜)103,如下文中的进一步详细描述,并且其帽盖有多晶硅层(盖帽层)102。诸如氮化硅(Si3N4)的硬掩模层107被沉积在盖帽层102之上。通过在BOX层104和SOI部分上沉积多晶硅材料、在多晶硅材料上沉积硬掩模材料,并且用反应离子蚀刻(RIE)进行蚀刻以形成图1所示的盖帽层102和硬掩模层107。在形成盖帽层102之后,邻近盖帽层102的相对侧形成间隔物111。间隔物111包括,例如,氧化物或氮化物材料。使用同上述用于制造单行栅极相似的方法,进行图1所示的布置的制造。可使用本文描述的方法在衬垫区106和108之间的纳米线上形成任何数量的器件。 [0021] 通过在纳米线109周围沉积任何类型的栅极材料,形成栅极叠层103。例如,在纳米线109的周围形成诸如二氧化硅(SiO2)的第一栅极介质层。在第一栅极介质层120周围形成诸如氧化铪(HfO2)的第二栅极介质层。在第二栅极介质层周围形成诸如氮化钽(TaN)的金属层。用盖帽层102围绕金属层。用诸如硼(p型)或磷(n型)的杂质掺杂盖帽层102,使得盖帽层102导电。 [0022] 栅极材料103不限于上述材料,并且可包括包含单层的任何数量的材料层。在替代实施例中,栅极材料103包括牺牲材料(衬里材料)或者可以以上述类似的方式沉积的材料,以及随后在下述的步骤中去除并且用和上述布置相似的栅极材料或者栅极材料的层替代。 [0023] 图2示出了在诸如湿法蚀刻工艺或者各向同性反应离子蚀刻工艺(RIE)的各向同性蚀刻工艺之后所得到的结构。蚀刻工艺去除暴露的硅衬垫区106和108(图1)以及纳米线109的部分,从而导致通过栅极材料103和纳米线109部分限定的腔201。尽管所示的实施例示出了在纳米线109相对端上以对称布置形成腔201,替代实施例包括形成单腔或者两个非对称腔。可通过使用诸如非对称蚀刻工艺去除纳米线109的部分以使纳米线109的末端与间隔物111基本齐平,形成这样的布置。邻近间隔物111中的一个形成间隔物(未示出),以使该间隔物遮蔽暴露的纳米线109的末端中的一个。可按上述,进行各向同性蚀刻工艺,以去除纳米线109的相对的暴露部分,形成单腔201。可在后续工艺中去除间隔物。 [0024] 图3示出了在纳米线材料302的外延生长之后所得到的结构的示例性实施例。纳米线材料302可包括任何希望的外延生成材料和/或材料的组合。在示出的示例性实施例中,纳米线材料302包括通过两种外延生长工艺形成的第一型材料302a和第二型材料302b。纳米线材料302包括诸如外延生长的Si、SiGe、Ge或Ⅲ-Ⅴ族材料。如所示,纳米线材料302可对称地在纳米线109的暴露的相对末端301上形成(例如,引种),随后在外延生长的纳米线材料302的暴露的末端上形成。备选地,纳米线材料302可按下述进一步详细描述非对称地形成。 [0025] 图4示出了使用诸如反应离子蚀刻的合适的蚀刻工艺去除硬掩模层107和盖帽层102之后所得到的结构。在一些实施例中,蚀刻工艺可非所希望地去除盖帽层102和纳米线材料302的部分。为避免在去除盖帽层102的同时去除了纳米线材料302的部分,用与纳米线材料302不同的材料形成盖帽层102,这样在不明显去除暴露的纳米线材料302的情况下,选择性蚀刻工艺去除盖帽层102。间隔物111保留,以通过间隔物111支持和悬挂栅极材料103、纳米线109和纳米线材料302。在去除硬掩模107和盖帽层102之后,去除暴露的栅极材料103以暴露纳米线材料302(和/或纳米线109)的部分。用与上述相类似的方式,在纳米线材料 302(和/或纳米线109)的暴露的部分之上形成另一栅极材料103或栅极材料103的层。 [0026] 图5示出了在栅极材料的部分的周围形成盖帽层502和硬掩模507之后所得到的结构,该结构基本上形成场效应晶体管(FET)器件501。邻近盖帽层502的相对侧形成间隔物材料511。以与上述形成盖帽层102、硬掩模层517和间隔物111(图1)相类似的方式形成盖帽层502、硬掩模层507和间隔物材料511,并使用光刻掩蔽和蚀刻工艺构图。在形成盖帽层502(或者间隔物材料511)之后,去除暴露的栅极材料103以暴露纳米线材料302(和/或纳米线 109)的部分。用离子掺杂纳米线材料309(和/或纳米线109)的暴露的部分,以形成FET器件 501的有源区505(源极和漏极区)。在纳米线材料302的有源区505上形成硅化物材料(未示出),并且形成与硅化物材料相接触的导电接触(未示出)。在所示实施例中,FET器件501a包括在沟道区503中不同的材料,同时,FET器件501b包括在沟道区503中的一致材料。在一些实施例中,在外延生长工艺期间使用原位(in-situ)掺杂工艺形成FET器件501的有源区,使得在生长工艺期间,将掺杂剂设置在纳米线材料302的一部分中。盖帽层502、硬掩模层507和间隔物材料511的后续形成将使有源区505的部分暴露。 [0027] 图6示出了在替代的示例性方法之后所得到的结构。在此方面,形成纳米线材料302(如上面图3所述)之后,使用光刻构图和蚀刻工艺去除盖帽层102和硬掩模层107的部分,该光刻构图和蚀刻工艺暴露栅极材料103和BOX层104的部分。示出了设置在硬掩模层 107上的用于说明性目的的光刻抗蚀剂材料602。在一些示例性实施例中,在去除硬掩模层 107的暴露的部分之后并在去除盖帽层102之前,去除光刻抗蚀剂材料602。 [0028] 图7示出了在形成间隔物材料711之后所得到的包括FET器件701的结构,该间隔物材料711包括,例如,氧化物或氮化物材料。邻近盖帽层102的暴露部分形成间隔物材料711,该间隔物材料711围绕暴露的纳米线109和/或纳米线材料302的部分。在示出的实施例中,FET器件701a包括在沟道区703中不同的材料,同时,FET器件701b包括在沟道703中的一致材料。用离子掺杂纳米线材料302(和/或纳米线109)暴露的部分以形成FET器件701的有源区705(源极和漏极区)。在形成有源区705之后,在有源区705上形成硅化物材料(未示出)并且在硅化物材料之上形成导电接触(未示出)。在一些实施例中,在外延生长工艺期间使用原位(in-situ)掺杂工艺形成FET器件701,使得在生长工艺期间将掺杂剂设置在纳米线材料302的一部分中。盖帽层102的部分的后续去除将暴露有源区的部分。 [0029] 图8示出了用于制造纳米线器件的替代的示例性方法。在此方面,示出了在与上述图1所描述的结构类似的纳米线结构上的各向同性蚀刻工艺之后所得到的结构。各向同性蚀刻工艺也与上述图2所描述的工艺类似。蚀刻工艺去除纳米线109暴露的部分以形成被栅极材料103和纳米线109部分地限定的腔801。在形成腔801之后,邻近间隔物111中的一个形成间隔物811,使得腔801的开口被遮蔽和覆盖。可例如通过在盖帽层102的相对侧上形成间隔物811和间隔物(未示出)来形成间隔物811的示例性的布置,通过例如辐射该间隔物以便使用以比未经辐射的间隔物811的去除速率更快的速率去除辐射的间隔物材料的蚀刻工艺来去除间隔物,而去除相对的间隔物。例如,通过使用离子源以相对晶片表面的角度获得辐射工艺的不对称,因此离子辐射一个间隔物而同时栅极102遮蔽另一间隔物。在形成间隔物811之后,进行外延生长工艺以在暴露的沟道801b中形成纳米线材料803b,该纳米线材料 803b是从纳米线109的暴露的末端307b按照如上面图3所描述的相似方式被引种。 [0030] 图9示出了在形成纳米线材料803a之后所得到的结构,该纳米线材料803a在去除间隔物811a(图8)和形成间隔物811b之后按照上述类似的方式形成。在示出的实施例中,纳米线材料803a和803b是不同的材料,并且包括上面图3中所描述的任何外延生长的材料。 [0031] 图10示出了在一系列形成纳米线材料803的生长循环后的所得到的包括FET器件1001的结构。替代实施例包括使用与上面图8和9所描述的类似的方法形成的纳米线材料 803的任何组合。FET器件1001a包括沟道区1002a,该沟道区1002a包括纳米线材料(沟道材料)803a和803b,同时FET器件1001b包括沟道区1002b,该沟道区1002b包括纳米线材料803a和803b。在BOX层104上,将FET器件1001a和1001b彼此邻近地布置,并且纳米线材料803a和 803b不同。沟道区1002a和1002b分别包括在沟道区1002a和1002b的对面侧中的不同的纳米线材料803a和803b。即,邻近FET器件1001的每个沟道区1002包括非对称布置的不同的材料。以与上述类似的方式形成与沟道区1002a和1002b相接触的有源(源极和漏极)区1005。 [0032] 本文所使用的术语仅用于描述特定的实施例,不旨在限制本发明。如本文所用的单数形式“一”、“一个”、“所述”也旨在包括复数形式,除非文中另有明确说明。要进一步理解,在本说明书中使用的用语“包括”和/或“包含”详述所述特征、总体(integers)、步骤、操作、元素和/或部件的存在,但不排除一个或者多个其它特征、总体、步骤、操作、元素部件和/或其组。 [0033] 下面权利要求中的相应的结构、材料、作用及所有装置或步骤加上功能元件的等价物,均旨在包括用于与其它具体要求保护的要求权利的元素相结合执行功能的任何结构、材料或者作用。已经介绍的本发明的描述用于说明和描述目的,并非旨在穷尽的或限制于所公开形式的发明。在不脱离本发明的范围和精神下的很多修改和变化对本领域技术人员将是显而易见的。选取和描述实施例以便最佳解释本发明的原理和实际应用,以及使得本领域技术人员理解本发明针对所想到的适于特定应用的各种修改的各种实施例。 [0034] 本文所绘的图仅为一个实例。在不脱离本发明精神的情况下,有许多对本文所描述的图或者步骤(或操作)的变化。例如,用不同的顺序执行步骤或者加入、删除或修改步骤。所有这些变化都被认为是所要求权利的发明的一部分。 [0035] 已经描述了本发明的优选实施例,要理解,本领域技术人员,现在或者将来,可以进行落入所附权利要求保护范围之内的各种改进和提高。这些权利要求将解释为对前述本发明提供合适保护。 |