堆叠纳米线制造方法.pdf

《堆叠纳米线制造方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堆叠纳米线制造方法.pdf（11页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 104078324 A (43)申请公布日 2014.10.01 CN 104078324 A (21)申请号 201310110074.6 (22)申请日 2013.03.29 H01L 21/02(2006.01) H01L 21/308(2006.01) B82Y 10/00(2011.01) B82Y 40/00(2011.01) (71)申请人 中国科学院微电子研究所 地址 100029 北京市朝阳区北土城西路 3# (72)发明人 秦长亮 殷华湘 洪培真 马小龙 赵超 (74)专利代理机构 北京蓝智辉煌知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11345 代。

2、理人 陈红 (54) 发明名称 堆叠纳米线制造方法 (57) 摘要 本发明公开了一种堆叠纳米线制造方法， 包 括 ： 步骤 a， 在衬底上形成硬掩模 ； 步骤 b， 刻蚀衬 底形成第一沟槽与鳍片 ； 步骤 c， 在鳍片侧面形成 侧墙 ； 步骤 d， 刻蚀鳍片， 在侧墙下方形成第二沟 槽 ； 步骤e， 后处理鳍片， 形成堆叠纳米线。 依照本 发明的堆叠纳米线制造方法， 混合采用各向异性 与各向同性刻蚀， 在侧壁形成的侧墙保护下实现 了选择性刻蚀， 由此提高了堆叠纳米线的精度， 有 利于器件小型化。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国。

3、家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104078324 A CN 104078324 A 1/1 页 2 1. 一种堆叠纳米线制造方法， 包括 ： 步骤 a， 在衬底上形成硬掩模 ； 步骤 b， 刻蚀衬底形成第一沟槽与鳍片 ； 步骤 c， 在鳍片侧面形成侧墙 ； 步骤 d， 刻蚀鳍片， 在侧墙下方形成第二沟槽 ； 步骤 e， 后处理鳍片， 形成堆叠纳米线。 2. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中， 重复步骤 b 至步骤 d， 形成上下层叠的 多个鳍片组构成的鳍片阵列。 3. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中。

4、， 步骤 b 中采用各向异性的刻蚀， 形成的 第一沟槽具有垂直侧壁。 4. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中， 步骤 c 进一步包括 ： 在衬底上以及鳍片侧面形成介质层 ； 各向异性刻蚀介质层， 去除衬底上介质层， 仅在鳍片侧面留下介质层构成侧墙。 5.如权利要求4的堆叠纳米线制造方法， 其中， 形成介质层的方法包括沉积和/或热氧 化。 6. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中， 步骤 d 中采用各向同性的刻蚀， 形成的 第二沟槽具有内凹部分。 7.如权利要求6的堆叠纳米线制造方法， 其中， 各向同性刻蚀方法包括干法刻蚀和/或 湿法腐蚀。 8.如权利要求1的堆叠纳米线制造。

5、方法， 其中， 步骤d中的第二沟槽之间保留有鳍片的 剩余部分， 或者第二沟槽穿通以使得鳍片相互分离。 9. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中， 步骤 e 进一步包括 ： 在鳍片表面形成氧化层 ； 去除氧化层， 露出鳍片。 10. 如权利要求 1 的堆叠纳米线制造方法， 其中， 步骤 e 包括 ： 在氢气氛围下退火， 使得 鳍片圆润化形成堆叠纳米线。 权 利 要 求 书 CN 104078324 A 2 1/4 页 3 堆叠纳米线制造方法 技术领域 0001 本发明涉及一种半导体器件制造方法， 特别是涉及一种堆叠纳米线的制造方法。 背景技术 0002 在当前的亚20nm技术中， 三维。

6、多栅器件 （FinFET或Tri-gate） 是主要的器件结构， 这种结构增强了栅极控制能力、 抑制了漏电与短沟道效应。 0003 例如， 双栅 SOI 结构的 MOSFET 与传统的单栅体 Si 或者 SOI MOSFET 相比， 能够抑 制短沟道效应 （SCE） 以及漏致感应势垒降低 （DIBL） 效应， 具有更低的结电容， 能够实现沟 道轻掺杂， 可以通过设置金属栅极的功函数来调节阈值电压， 能够得到约 2 倍的驱动电流， 降低了对于有效栅氧厚度 （EOT） 的要求。而三栅器件与双栅器件相比， 栅极包围了沟道区 顶面以及两个侧面， 栅极控制能力更强。进一步地， 全环绕纳米线多栅器件更具有。

7、优势。 0004 在全环绕纳米线多栅器件的制造过程中， 已知的一种方法如下 ： 在 Si 衬底上形成 硬掩模， 采用 SF6刻蚀气体的各向异性等离子体干法刻蚀在硬掩模下方衬底中形成略微内 凹的第一沟槽， 相对的第一沟槽之间留有衬底材料构成鳍片结构 ； 采用高密度 CxF（碳氟比 较高） 刻蚀气体的等离子体刻蚀， 在衬底上以及第一沟槽侧壁形成钝化层 ； 再次 SF6各向异 性刻蚀， 去除衬底上钝化层， 留下第一沟槽内侧壁的钝化层 ； SF6各向同性刻蚀， 继续刻蚀衬 底， 在第一沟槽下方形成第二沟槽 ； 依次类推， 形成多个沟槽以及鳍片结构 ； 氧化沟槽间的 鳍片结构， 去除氧化物， 留下纳米线。

8、阵列。 该方法工艺控制困难， 纳米线密度较小， 一致性较 差。 0005 另一种已知的方法包括 ： 在 SOI 衬底上依次外延形成 Si 与 Ge/SiGe 的交叠外延 层， 在顶层形成硬掩模层， 刻蚀形成栅极线条， 选择性刻蚀去除相邻 Si 层之间的 Ge/SiGe 层， 留下 Si 纳米线。该方法受限于 Ge/SiGe 层界面性能差， 工艺成本高， 难以普及。 0006 又一种已知的方法包括对衬底交替进行各向异性和各向同性的刻蚀， 在衬底中形 成多个 形剖面的沟槽。形成 形剖面的沟槽的方法例如是利用 Si 衬底在 TMAH 等刻蚀 液中 110 面刻蚀速率大于 100 面速率， 使得刻蚀终。

9、止在选定的晶面上。然而， 该方法很难 控制沟槽 （纳米线） 形状在垂直方向上的均一性， 例如沟槽的上端点与下端点不在垂直线上 （沟槽上部刻蚀较快， 使得下部宽于上部） ， 不易于形成纳米线堆叠结构。 发明内容 0007 由上所述， 本发明的目的在于提供一种能低成本、 高效的堆叠纳米线制造方法。 0008 为此， 本发明提供了一种堆叠纳米线制造方法， 包括 ： 步骤 a， 在衬底上形成硬掩 模 ； 步骤 b， 刻蚀衬底形成第一沟槽与鳍片 ； 步骤 c， 在鳍片侧面形成侧墙 ； 步骤 d， 刻蚀鳍 片， 在侧墙下方形成第二沟槽 ； 步骤 e， 后处理鳍片， 形成堆叠纳米线。 0009 其中， 重复。

10、步骤 b 至步骤 d， 形成上下层叠的多个鳍片组构成的鳍片阵列。 0010 其中， 步骤 b 中采用各向异性的刻蚀， 形成的第一沟槽具有垂直侧壁。 0011 其中， 步骤 c 进一步包括 ： 在衬底上以及鳍片侧面形成介质层 ； 各向异性刻蚀介质 说 明 书 CN 104078324 A 3 2/4 页 4 层， 去除衬底上介质层， 仅在鳍片侧面留下介质层构成侧墙。 0012 其中， 形成介质层的方法包括沉积和 / 或热氧化。 0013 其中， 步骤 d 中采用各向同性的刻蚀， 形成的第二沟槽具有内凹部分。 0014 其中， 各向同性刻蚀方法包括干法刻蚀和 / 或湿法腐蚀。 0015 其中， 步。

11、骤 d 中的第二沟槽之间保留有鳍片的剩余部分， 或者第二沟槽穿通以使 得鳍片相互分离。 0016 其中， 步骤 e 进一步包括 ： 在鳍片表面形成氧化层 ； 去除氧化层， 露出鳍片。 0017 其中， 步骤 e 包括 ： 在氢气氛围下退火， 使得鳍片圆润化形成堆叠纳米线。 0018 依照本发明的堆叠纳米线制造方法， 混合采用各向异性与各向同性刻蚀， 在侧壁 形成的侧墙保护下实现了选择性刻蚀， 由此提高了堆叠纳米线的精度， 有利于器件小型化。 附图说明 0019 以下参照附图来详细说明本发明的技术方案， 其中 ： 0020 图 1 至图 9 为依照本发明的制造方法各步骤的剖示图 ； 以及 002。

12、1 图 10 为依照本发明的制造方法的示意性流程图。 具体实施方式 0022 以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技 术效果， 公开了能低成本、 高效的堆叠纳米线制造方法。需要指出的是， 类似的附图标记表 示类似的结构， 本申请中所用的术语 “第一” 、“第二” 、“上” 、“下” 等等可用于修饰各种器件 结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、 次 序或层级关系。 0023 首先， 以下将结合图 10 的流程图并且参照图 1 至图 9 的剖面示意图来详细说明依 照本发明的半导体器件制造方法各步骤。 0024 如图 1 所示， 。

13、在衬底 1 上形成硬掩模 2。提供衬底 1， 衬底 1 依照器件用途需要而 合理选择， 可包括单晶体硅 （Si） 、 绝缘体上硅 （SOI） 、 单晶体锗 （Ge） 、 绝缘体上锗 （GeOI） 、 应变硅 （Strained Si） 、 锗硅 （SiGe） ， 或是化合物半导体材料， 例如氮化镓 （GaN） 、 砷化镓 （GaAs） 、 磷化铟 (InP)、 锑化铟 （InSb） ， 以及碳基半导体例如石墨烯、 SiC、 碳纳管等等。优选 地， 衬底 1 为体 Si 以便与 CMOS 工艺兼容而用于制作大规模集成电路。更优选地， 衬底 1 为 （100） 晶面。 0025 通过 LPCVD、。

14、 PECVD、 UHVCVD、 HDPCVD、 热氧化、 化学氧化、 MBE、 ALD、 蒸发、 溅射等常 规方法， 在衬底 1 上形成硬掩模层， 并利用已知工艺光刻 / 刻蚀形成硬掩模图形 2。硬掩模 2 的材料可以是氧化硅、 氮化硅、 氮氧化硅及其组合。 0026 如图2所示， 刻蚀衬底1形成第一沟槽1G， 硬掩模2下方留下的衬底1剩余部分构 成第一鳍片 1F。刻蚀优选为各向异性刻蚀， 以使得第一沟槽 1G 的侧壁为 （基本） 垂直。各 向异性刻蚀优选是氟基气体等离子体干法刻蚀， 以便于通过控制刻蚀条件精确控制刻蚀深 度 dE， 进而控制最终纳米线高度 / 厚度。优选地， 刻蚀使得第一沟槽。

15、 1G 的侧壁为 （110） 面 且 （基本） 垂直衬底， 而衬底 1 表面仍然为 （100） 面。 0027 如图 3 所示， 在衬底 1、 鳍片 1F 以及第一沟槽 1G 表面形成介质层 3。可以通过 说 明 书 CN 104078324 A 4 3/4 页 5 LPCVD、 PECVD、 HDPCVD、 UHVCVD、 MBE、 ALD 等方法沉积， 也可以通过热氧化 （例如在高温炉内加 热） 、 化学氧化 （例如浸入含有臭氧的去离子水中） 来氧化生长而形成介质层 3。介质层 3 的 材质优选地不同于硬掩模2、 衬底1， 可以选自氧化硅、 氮化硅、 氮氧化硅、 高k材料， 其中高k 材料。

16、包括但不限于氮化物 （例如 SiN、 AlN、 TiN） 、 金属氧化物 （主要为副族和镧系金属元素氧 化物， 例如 MgO、 Al2O3、 Ta2O5、 TiO2、 ZnO、 ZrO2、 HfO2、 CeO2、 Y2O3、 La2O3） 、 氮氧化物 （如 HfSiON） ； 钙钛矿相氧化物 （例如 PbZrxTi1-xO3（PZT） 、 BaxSr1-xTiO3（BST） ） 。在本发明一个优选实施例 中， 介质层3为热氧化工艺形成的氧化硅， 因为热氧化工艺能使得氧化硅的介质层3与硅的 衬底 1 之间存在明显的生长速率差， 有利于提高介质层 3 的保形性。介质层 3 完全覆盖了 衬底 1、。

17、 鳍片 1F、 第一沟槽 1G 的表面。 0028 如图 4 所示， 选择性刻蚀去除衬底 1 表面的部分介质层 3， 仅在鳍片 1F（第一沟槽 1G） 侧面保留部分介质层 3， 构成鳍片侧墙 3S。刻蚀方法优选是各向异性的刻蚀， 例如等离 子体干法刻蚀， 可以选用氟基气体诸如碳氟基气体 （CxHyFz） 或者氯基气体诸如 Cl2和 / 或 HCl。 0029 如图 5 所示， 继续刻蚀衬底 1， 在鳍片 1F 下方形成第二沟槽 1G 。由于鳍片侧墙 3S 的保护， 刻蚀对于鳍片1F影响较小， 而是在其下方形成了内凹的第二沟槽1G 。 此处的刻蚀 优选采用各向同性的刻蚀， 例如干法刻蚀和 / 或。

18、湿法腐蚀， 可以单独使用， 也可以结合使用 （例如先干法刻蚀垂直方向， 然后湿法腐蚀侧面） 。 对于干法刻蚀， 例如选用RIE， 可以选用碳 氟基气体并调整配比， 使其具有各向同性的刻蚀。 对于湿法腐蚀， 可以选用四甲基氢氧化铵 （TMAH） 或者 KOH 以对于 Si 材质的衬底 1 进行腐蚀。第二沟槽 1G 的剖面形态不必如图 5 所示仅为圆弧状， 而是可以包括矩形、 梯形、 倒梯形、 形 （多段折线相连， 朝向沟道区凹进， 也即沟槽中部的宽度要大于顶部和 / 或底部的宽度） 、 D 形 （1/2 曲线， 曲线包括圆、 椭圆、 双 曲线） 、 C 形 （大于 1/2 曲线， 曲线包括圆、 。

19、椭圆、 双曲线） 。在本发明一个实施例中， 其内凹深 度优选地小于等于鳍片 1F 的宽度的 1/3， 例如为 1/4， 也即第二沟槽并未穿通。 0030 如图 6 所示， 与图 2 图 4 所示工艺类似或重复执行这些工序， 先执行各向异性刻 蚀衬底以在鳍片1F下方形成另一组鳍片1F 与另一组第一沟槽1G， 然后优选采用热氧化法 形成另一介质层 3， 各向异性刻蚀介质层 3 形成另一鳍片侧墙 3S （第二组鳍片侧墙） 。 0031 如图 7 所示， 重复图 6 的工序、 或者图 2 至图 4 的工序， 在第二组鳍片下方形成第 三组鳍片， 以及相应地形成第三组鳍片侧墙 3S。 0032 以上各组鳍。

20、片将用于构成纳米线， 上下相邻的两组鳍片之间通过第二沟槽 1G 所 夹持的狭窄部分 1C 相连。 0033 如图 8 所示， 形成了多组鳍片 1F 以及狭窄相连部分 1C 之后， 参照图 5 所示工序， 形成最后一组第二沟槽 1G 。刻蚀方法可以是干法刻蚀和 / 或湿法腐蚀， 形成第二沟槽 1G 具有向内的凹进。 0034 如图 9 所示， 进行后处理以形成纳米线堆栈。 0035 常用的一种方法包括采用热氧化、 化学氧化的方法， 在鳍片结构 1F 表面形成氧化 层 （例如氧化硅， 未示出） ， 而使得剩余的鳍片结构 1F 构成纳米线 1NW。随后， 去除表面的氧 化层， 留下纳米线 1NW。去。

21、除方法例如是整个器件晶片浸入 HF 基腐蚀液 （dHF 或者 dBOE （缓 释刻蚀剂） ） ， 腐蚀去除氧化硅材质的氧化层， 仅留下多个纳米线1NW堆叠构成的栅极线条阵 列。优选地， 可以进一步在氢气氛围中退火， 使得剩余地鳍片结构 1F 表面圆润化， 形成圆形 说 明 书 CN 104078324 A 5 4/4 页 6 的纳米线 1NW。 0036 此外， 对于不同剖面形态的第二沟槽 1G 而言， 例如当第二沟槽 1G 内凹深度继续 增大以使得相对的第二沟槽 1G 穿通时， 鳍片 1F 构成棱柱状， 因此可以无需采用氧化方法 来减薄鳍片， 而是直接采用氢气退火工艺使得棱柱形鳍片 1F 表。

22、面圆润化为圆形的纳米线 1NW。 0037 优选地， 最后还进一步腐蚀去除顶部的硬掩模 2， 例如采用热磷酸腐蚀去除氮化硅 材质的硬掩模 2。 0038 值得注意的是， 图中所示的鳍片、 纳米线均为矩形剖面， 实际上可以依据工艺不同 而具有其他各种合理的形状， 例如圆形、 椭圆、 抛物线、 双曲线、 三角形、 梯形、 菱形及其组 合。 0039 依照本发明的堆叠纳米线制造方法， 混合采用各向异性与各向同性刻蚀， 在侧壁 形成的侧墙保护下实现了选择性刻蚀， 由此提高了堆叠纳米线的精度， 有利于器件小型化。 0040 尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明， 本领域技术人员可以知晓无需 脱离本。

23、发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外， 由所公开的教导可 做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此， 本发明的目的不在 于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例， 而所公开的器件结构 及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。 说 明 书 CN 104078324 A 6 1/5 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104078324 A 7 2/5 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104078324 A 8 3/5 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104078324 A 9 4/5 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104078324 A 10 5/5 页 11 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 104078324 A 11 。