一种半导体结构的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种半导体结构的形成方法。


背景技术：

2.在现有的半导体领域中，鳍式场效应晶体管(finfet)是一种新兴的多栅器件，与平面式的金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)相比，鳍式场效应晶体管具有更强的短沟道抑制能力，具有更强的工作电流，现已广泛应用于半导体各种器件中。
3.随着半导体技术的不断发展，提高芯片器件密度成为必然的趋势。为了制作尺寸更小、分布更密集的鳍片，现有技术引入隔断技术，在沿鳍片的长度方向上形成一个甚至多个隔断沟槽，然后通过热氧化等工艺在这些沟槽中填充氧化硅等绝缘材料，将鳍片分割成多个小鳍片，从而制造成更小的鳍式场效应晶体管器件。
4.然而，现有技术中鳍式场效应管结构的形成方法有待提高。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构的形成方法，以改善半导体结构性能。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括基底、以及位于所述基底表面的鳍部；形成横跨所述鳍部并覆盖所述鳍部的部分顶部表面和侧壁的栅极结构，所述栅极结构包括栅极层；以所述栅极结构为掩膜，在部分相邻栅极结构之间的所述鳍部内形成第一沟槽；在所述第一沟槽内填充隔离材料层，形成第一隔离结构。
7.可选的，所述第一隔离结构的材料包括氧化硅。
8.可选的，所述第一沟槽的深度为1000埃至4000埃。
9.可选的，还包括：在形成所述栅极层之后，在所述衬底表面形成层间介质层，所述层间介质层还位于所述栅极结构侧壁，并暴露出所述栅极结构顶部表面。
10.可选的，还包括：在所述层间介质层内形成与所述第一沟槽连通的第二沟槽；所述第一隔离结构还位于所述第二沟槽内。
11.可选的，所述第一隔离结构的形成方法包括：在所述层间介质层上、第二沟槽内和第一沟槽内形成隔离材料层；平坦化所述隔离材料层直至暴露出所述层间介质层表面为止，形成所述第一隔离结构。
12.可选的，所述栅极层的材料包括硅。
13.可选的，还包括：在形成所述层间介质前，且在形成所述栅极结构后，在所述栅极结构两侧的所述衬底内形成源漏区。
14.可选的，在形成所述栅极结构后，且在形成所述源漏区前，形成所述第一沟槽。
15.可选的，在形成所述源漏区后，且在形成所述层间介质层前，形成所述第一沟槽。
16.可选的，所述第一沟槽的形成方法包括：在所述衬底和所述栅极结构侧壁和表面
形成图形化层，所述图形化层暴露出相邻栅极结构之间的部分鳍部；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述鳍部和所述源漏区，在所述鳍部内形成所述第一沟槽。
17.可选的，还包括：去除所述栅极层，在所述层间介质层内形成栅极开口；在所述栅极开口内填充栅极材料，形成栅极。
18.可选的，所述栅极的材料包括金属。
19.可选的，在形成所述层间介质后，且在形成所述栅极前，形成所述第一沟槽。
20.可选的，所述第一沟槽和所述第二沟槽的形成方法包括：在所述层间介质层上形成图形化层，所述图形化层暴露出至少两个相邻栅极结构之间的层间介质层；以所述图形化层和栅极结构为掩膜，刻蚀所述层间介质层、所述源漏区和所述鳍部，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。
21.可选的，在形成所述栅极后，形成所述第一沟槽。
22.可选的，所述第一沟槽的形成方法还包括：在所述层间介质层上形成图形化层，所述图形化层暴露出至少两个相邻栅极之间的层间介质层；以所述图形化层和栅极为掩膜，刻蚀所述层间介质层、源漏区和部分衬底，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。
23.可选的，还包括：在所述鳍部内形成第二隔离结构，所述第二隔离结构位于部分所述栅极层位置下方的鳍部内。
24.可选的，所述第二隔离结构的形成方法包括：去除至少一个所述栅极层，在所述层间介质层内形成第三沟槽；刻蚀所述第三沟槽底部的部分鳍部，在所述鳍部内形成第四沟槽；在所述第四沟槽内填充满隔离材料层，形成第二隔离结构。
25.可选的，所述第二隔离结构的材料包括氧化硅。
26.可选的，形成第三沟槽的工艺包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺中的一者或者两者的结合。
27.可选的，所述第四沟槽在形成所述第一沟槽后，且在所述第一隔离结构形成前形成；所述第二隔离结构的形成方法还包括：在所述第一沟槽和所述第二沟槽内填充保护层；在形成第四沟槽后，去除所述保护层；在形成第一隔离结构的同时，在所述第四沟槽内填充隔离材料层，形成第二隔离结构。
28.可选的，所述第二隔离结构还位于所述第三沟槽内。
29.可选的，所述保护层的材料包括底部抗反射层材料。
30.可选的，所述基底表面还具有覆盖所述鳍部部分侧壁的第三隔离结构，所述第三隔离结构的顶部表面低于所述鳍部的顶部表面，所述栅极结构位于所述第三隔离结构上。
31.可选的，所述第三隔离结构的材料包括氧化硅。
32.可选的，所述栅极结构还包括：位于所述栅极层顶面和侧壁的侧墙。
33.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
34.本发明技术方案提供的半导体结构的形成方法中，在形成栅极结构后，以所述栅极结构为掩膜，在部分相邻栅极结构之间的所述鳍部内形成第一沟槽，在所述第一沟槽内填充隔离材料层，形成第一隔离结构，所述第一沟槽以所述栅极结构为掩膜形成，故形成所述第一沟槽时的图形化层的尺寸较大，以此增大图形化工艺的工艺窗口，可以实现自对准形成双扩散隔断结构，降低了对光刻工艺的要求。
35.进一步，由于在同一衬底上形成第一隔离结构和第二隔离结构，且所述第一隔离
结构为双扩散隔离结构，双扩散隔离结构对形成的器件之间具有较好的隔离性能，所述第二隔离结构为单扩散隔离结构，单扩散隔离结构可以降低芯片的单元尺寸，因此，根据器件的设计要求可以选择一种或两种隔离结构作为隔离器件，从而，即提高了器件的电学性能，又可以得到合理尺寸的单元器件。
附图说明
36.图1至图2是一种半导体结构形成过程的剖面示意图；
37.图3至图9是本发明一实施例半导体结构形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图；
38.图10至图13是本发明另一实施例半导体结构形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
39.如背景技术所述，现有技术中鳍式场效应管结构的形成方法有待提高。
40.图1至图2是一种半导体结构形成过程的剖面示意图。
41.请参考图1，提供衬底100，所述衬底100包括：基底101、以及位于所述基底表面的鳍部102；在所述衬底100表面和所述鳍部102侧壁和表面形成硬掩膜材料层103，在所述硬掩膜材料层103上形成图形化的光刻胶层104。
42.请参考图2，以所述光刻胶层104刻蚀所述硬掩膜材料层103，形成硬掩膜层105，所述硬掩膜层105使所述鳍部102表面部分暴露，以所述硬掩膜层105为掩膜刻蚀所述鳍部102，形成隔断沟槽(图中未标出)；在隔断沟槽内填满氧化硅、氮化硅等绝缘介质，以形成隔断结构106。
43.上述方法被用于鳍式场效应管的鳍部隔离结构中。所述隔断结构106在形成鳍部后，形成伪栅极结构前形成。根据隔断位置不同，分双扩散隔断(ddb，double diffusion break)和单扩散隔断(sdb，single diffusion break)技术，双扩散隔断的沟槽位于两个伪栅极(dummy gate)之间，而双扩散隔断位置位于伪栅极中间。随着器件尺寸的不断缩小，对光刻工艺的精度要求越来越高。受刻蚀工艺精度的影响，光刻胶层104图案在转移到所述鳍部102上时，图案的尺寸会发生变化，从而影响所述隔断沟槽的尺寸，影响所述隔离结构106的性能，最终会影响鳍式场效应管的器件性能。
44.本发明提供一种半导体结构形成方法，在形成栅极结构后，以所述栅极结构为掩膜，在部分相邻栅极结构之间的所述鳍部内形成第一沟槽，在所述第一沟槽内填充隔离材料层，形成第一隔离结构，所述第一沟槽以所述栅极结构为掩膜形成，故形成所述第一沟槽时的图形化层的尺寸较大，以此增大图形化工艺的工艺窗口，可以实现自对准形成双扩散隔断结构，降低了对光刻工艺的要求。
45.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
46.图3至图9是本发明一实施例半导体结构形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
47.请参考图3，提供衬底200，所述衬底200包括基底201、以及所述基底表面的鳍部
202。
48.本实施例中，所述基底201表面还具有覆盖所述鳍部202部分侧壁的第三隔离结构203，所述第三隔离结构203的顶部表面低于所述鳍部202的顶部表面；后续横跨所述鳍部202形成栅极结构，所述栅极结构位于所述第三隔离结构203上。所述第三隔离结构203用于实现半导体不同器件之间的电绝缘。
49.所述基底201和所述鳍部202的材料为硅。
50.请参考图4，形成横跨所述鳍部202并覆盖所述鳍部202的部分顶部表面和侧壁的栅极结构204，所述栅极结构204包括栅极层205。
51.本实施例中，所述栅极结构204还包括：位于所述栅极层205侧壁表面的侧墙206。所述侧墙206用来定位后续器件制造中第一隔离结构和源漏区的位置。
52.所述侧墙206的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。本实施例中，所述侧墙206的材料为氮化硅。
53.所述侧墙206的形成方法包括：在所述衬底200表面、所述栅极层205的表面和侧壁形成第一侧墙材料层，刻蚀所述第一侧墙材料层，直至暴露出所述衬底200表面为止。
54.所述栅极层205的材料包括硅。本实施例中，所述栅极层205的材料为多晶硅。
55.在一实施例中，所述栅极结构直接用于形成晶体管。
56.又一实施例中，所述栅极结构用于作为伪栅，所述栅极层后续以金属材料的栅极替代。
57.后续以所述栅极结构为掩膜，在部分相邻栅极结构之间的所述鳍部内形成第一沟槽。本实施例中，所述第一沟槽的形成过程如图5至图7所示。
58.请参考图5，在所述栅极结构204两侧的所述鳍部202内形成源漏区207。
59.所述源漏区207的形成工艺包括外延生长工艺。
60.所述源漏区207内具有掺杂离子，所述掺杂离子的类型和源漏区的材料与晶体管类型有关。在本实施例中，所述源漏区207的材料包括碳化硅，所述掺杂离子为n型离子。在其他实施例中，所述源漏区的材料包括硅锗，所述源漏区内具有掺杂离子，所述掺杂离子为p型离子。
61.在所述源漏区207内引入掺杂离子的工艺包括原位掺杂和离子注入中的一种或两种。本实施例中，所述源漏区207内的掺杂离子通过离子注入工艺引入。
62.请参考图6，在形成所述栅极层之后，在所述衬底200表面形成层间介质层208，所述层间介质层208还位于所述栅极结构204侧壁，并暴露出所述栅极结构204顶部表面。
63.本实施例中，所述层间介质层208还位于所述源漏区207和所述第三隔离结构203表面上。
64.所述层间介质层208用于后续器件制造工艺中隔离金属互连线与器件，降低金属与衬底之间的寄生电容，改善金属横跨不同的区域而形成寄生的场效应晶体管。
65.所述层间介质层208的材料包括氧化硅。
66.本实施例中，所述层间介质层208的形成方法包括：采用化学气相沉积工艺在所述衬底200表面、所述源漏区207表面、所述第三隔离结构203表面和所述栅极结构204表面形成介质材料层；采用化学机械抛光工艺平坦化所述介质材料层，直至暴露出所述栅极结构204的顶部表面。
67.请参考图7，以所述栅极结构204为掩膜，在部分相邻栅极结构204之间的所述鳍部202内形成第一沟槽209。
68.本实施例还包括：在所述层间介质层208内形成与所述第一沟槽209连通的第二沟槽210。
69.所述第一沟槽的深度为1000埃至4000埃。
70.所述第一沟槽209和所述第二沟槽210的形成方法包括：在所述层间介质层208上形成图形化层(未标出)，所述图形化层暴露出至少两个相邻栅极结构204之间的层间介质层；以所述图形化层和栅极结构204为掩膜，刻蚀所述层间介质层208、所述源漏区207和所述鳍部202，形成所述第一沟槽209和所述第二沟槽210。
71.本实施例中，还包括：刻蚀所述鳍部202下方的所述基底201，所述第一沟槽209部分还位于所述基地201内。
72.形成第一沟槽209和所述第二沟槽210的工艺包括干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺的参数包括：采用的气体包括cf4、hbr、o2、cl2，其中，cf4的流量为30标准毫升/分钟至80标准毫升/分钟，hbr的流量为10标准毫升/分钟至300标准毫升/分钟，o2的流量为30标准毫升/分钟至80标准毫升/分钟，cl2的流量为50标准毫升/分钟至3000标准毫升/分钟。
73.以所述栅极结构204为掩膜，在部分相邻栅极结构204之间的所述鳍部内形成所述第一沟槽，形成所述第一沟槽时的图形化层的尺寸较大，以此增大图形化工艺的工艺窗口，可以实现自对准形成所述第一沟槽，降低了对光刻工艺的要求。
74.本实施例中，后续在所述第一沟槽209内填充隔离材料层，形成第一隔离结构，在形成第一隔离结构之后，去除所述栅极层205，在所述层间介质层208内形成栅极开口，在所述栅极开口内填充栅极材料，形成栅极。
75.在另一实施例中，在所述栅极结构形成后，在所述源漏区形成前，形成所述第一沟槽；或者所述第一沟槽在所述源漏区形成后，所述层间介质层形成前形成。所述第一沟槽形成的方法包括：在所述衬底和所述栅极结构侧壁和表面形成图形化层，所述图形化层暴露出部分相邻栅极结构之间的鳍部；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述鳍部和所述源漏区，在所述鳍部内形成所述第一沟槽。
76.在其它实施例中，所述第一沟槽在所述层间介质层形成后，所述栅极形成前形成。所述第一沟槽的形成的方法包括：在所述层间介质层上形成图形化层，所述图形化层暴露出至少两个相邻栅极结构之间的层间介质层；以所述图形化层和栅极结构为掩膜，刻蚀所述层间介质层、所述源漏区和所述鳍部，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。
77.或者在所述栅极形成后形成所述第一沟槽。所述第一沟槽的形成方法还包括：去除被刻蚀位置的所述源漏区，所述第一沟槽的形成方法还包括：在所述层间介质层上形成图形化层，所述图形化层暴露出至少两个相邻栅极之间的层间介质层；以所述图形化层和栅极为掩膜，刻蚀所述层间介质层、所述源漏区和所述鳍部，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。
78.请参考图8，在所述第一沟槽209内填充隔离材料层，形成第一隔离结构211。
79.本实施例中，所述第一隔离结构211还位于所述第二沟槽210内。所述第一隔离结构211的形成方法，还包括：在所述第二沟槽210内继续填充所述隔离材料层，形成所述第一隔离结构211。
80.所述第一隔离结构211的材料包括氧化硅。
81.填充隔离材料层的工艺包括化学气相沉积工艺。
82.所述第一隔离结构211位于相邻的所述栅极结构204之间，为双扩散隔离结构，可以实现不同器件之间的电隔离，具有较好的绝缘隔离性能。
83.请参考图9，在形成第一隔离结构211之后，去除所述栅极层205，在所述层间介质层208内形成栅极开口(图中未标出)；在所述栅极开口内填充栅极材料，形成栅极212。
84.所述栅极材料包括金属。
85.本实施例中，所述栅极212的形成方法还包括：平坦化所述层间介质层208，使所述栅极层205表面暴露。所述平坦化的工艺为机械化学研磨工艺。
86.去除所述栅极层205的工艺为干法刻蚀和湿法刻蚀中的一者或两者组合。
87.本实施例中，去除所述栅极层205的工艺为湿法刻蚀工艺。去除所述栅极层205的方法包括：采用的溶液包括四甲基氢氧化铵或氢氧化钾溶液，从而，在去除所述栅极层205的刻蚀过程中，能够使栅极层205相对于所述层间介质208、所述第一隔离结构211和所述衬底200具有较大的刻蚀选择比。
88.所述栅极212的形成工艺为原子层沉积工艺。所述原子层沉积工艺具有很好的台阶覆盖率，使所述栅极开口得到很好的填充。
89.图10至图13是本发明另一实施例半导体结构形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
90.在图7的基础上，请参考图10，在所述第一沟槽209和所述第二沟槽210内填充保护层301。
91.所述保护层301的材料包括底部抗反射层材料。所述保护层301的形成工艺包括旋涂工艺。底部抗反射层材料在后续刻蚀形成第二沟槽和第三沟槽的时候，可以起到保护所述第一沟槽209和所述第二沟槽210的作用，在形成第三沟槽后去除所述保护层301的时候，第一沟槽209和所述第二沟槽210不会受到损伤，而且很容易被去除。
92.请参考图11，去除至少一个所述栅极层205，在所述层间介质层208内形成第三沟槽302，刻蚀所述第二沟槽302底部的所述鳍部202，在所述鳍部202内形成第四沟槽303。
93.本实施例中，还包括：平坦化所述层间介质层208，使所述栅极层205表面暴露，并使所述栅极层205侧壁保留部分侧墙206。所述平坦化的工艺为机械化学研磨工艺。
94.去除至少一个所述栅极层205的工艺为干法刻蚀和湿法刻蚀中的一者或两者组合。
95.本实施例中，去除至少一个所述栅极层205的工艺为湿法刻蚀工艺。去除所述栅极层205的方法包括：采用的溶液包括四甲基氢氧化铵或氢氧化钾溶液，从而，在去除所述栅极层205的刻蚀过程中，能够使栅极层205相对于所述层间介质208具有较大的刻蚀选择比。
96.形成所述第四沟槽303的工艺为干法刻蚀工艺。所述干法刻蚀工艺的参数包括：采用的气体包括cf4、hbr、o2、cl2，其中，cf4的流量为30标准毫升/分钟至80标准毫升/分钟，hbr的流量为10标准毫升/分钟至300标准毫升/分钟，o2的流量为30标准毫升/分钟至80标准毫升/分钟，cl2的流量为50标准毫升/分钟至3000标准毫升/分钟。
97.本实施例中，形成所述第四沟槽303的方法还包括，以所述栅极层205侧壁保留的部分侧墙206为掩膜进行刻蚀。
98.请参考图12，在形成第四沟槽303后，去除所述保护层301，在形成第一隔离结构304的同时，在所述第四沟槽303内填充隔离材料层，形成第二隔离结构305。
99.所述第二隔离结构305的形成方法为：在所述第一沟槽209和所述第三沟槽303内填充隔离材料层，分别形成所述第一隔离结构304和所述第二隔离结构305。
100.本实施例中，所述第一隔离结构304还位于所述第二沟槽210内，所述第二隔离结构305还位于所述第三沟槽302内。所述第二隔离结构305的形成方法还包括：在所述第二沟槽210和所述第四沟槽302内填充隔离材料层。
101.所述第二隔离结构305的材料包括氧化硅。
102.所述第二隔离结构305的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
103.去除所述保护层301的工艺包括湿法清洗工艺。本实施例中，采用水去除所述保护层301。
104.所述第一隔离结构304位于相邻的所述栅极层205之间，为双扩散隔离结构，可以实现不同器件之间的电隔离，具有较好的绝缘隔离性能。所述第二隔离结构305为单扩散隔离结构，可以降低芯片的单元尺寸。根据器件的设计要求可以选择两种隔离结构作为隔离器件，即提高了器件的电学性能，又可以得到合理尺寸的单元器件。
105.本实施例中，所述栅极层205为伪栅极，其他实施例中所述栅极结构直接用于形成晶体管。本实施例，还包括：请参考图13，去除所述栅极层205，在所述层间介质层208内形成栅极开口(图中未标出)；在所述栅极开口内填充栅极材料，形成栅极306。
106.所述栅极306的材料包括金属。
107.去除所述栅极层205的工艺为干法刻蚀和湿法刻蚀中的一者或两者组合。
108.本实施例中，去除所述栅极层205的工艺为湿法刻蚀工艺。去除所述栅极层205的方法包括：采用的溶液包括四甲基氢氧化铵或氢氧化钾溶液，从而，在去除所述栅极层205的刻蚀过程中，能够使栅极层205相对于所述层间介质208、所述第一隔离结构304、所述第二隔离结构305和所述衬底200具有较大的刻蚀选择比。
109.本实施例中，所述栅极306的形成工艺为原子层沉积工艺。所述原子层沉积工艺具有很好的台阶覆盖率，使所述栅极开口得到很好的填充。
110.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。