[发明专利]多沟道全包围栅极器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种多沟道全包围栅极器件及其制造方法。

背景技术

目前鳍式场效应管在小尺寸领域被广发使用，而具有全包围栅极(gate-all-around，GAA)结构的半导体器件由于在器件性能及能有效抑制短沟道效应(short channel effect)的特殊性能，正是半导体业界所追求的。由于器件沟道被栅极包围环绕，而且仅被栅极控制，所以器件漏场的影响也被消除，有效抑制了器件的漏电及穿通问题。由于全包围栅极悬空于底部衬底上方，因此全包围栅极器件的制造工艺较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多沟道全包围栅极器件及其制造方法，工艺简单，且能够形成全包围多个沟道的金属栅极结构，有效地提高了载流子迁移率，并抑制了短沟道效应、漏场和穿通等问题，提高了器件性能。

为解决上述问题，本发明提出一种多沟道全包围栅极器件的制造方法，包括以下步骤：

提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面上形成第一半导体外延层与第二半导体外延层交替堆叠的周期结构，所述第一半导体外延层与所述半导体衬底、所述第二半导体外延层的材质不同，且所述周期结构的最底层和最顶层均为所述第一半导体外延层；

刻蚀所述周期结构至所述半导体衬底表面，以在所述周期结构中形成沟槽，剩余的所述周期结构在所述半导体衬底上形成多个鳍片，相邻的所述鳍片之间通过所述沟槽隔离；

在所述沟槽中填充隔离材料以形成隔离结构，并对所述隔离结构进行回刻蚀，以暴露出一定高度的鳍片作为沟道区；

形成围绕在所述沟道区暴露出的侧面和顶面上的虚拟栅极结构；

在所述虚拟栅极结构、隔离结构以及鳍片表面上覆盖层间介质层，并平坦化所述层间介质层至暴露出所述虚拟栅极结构顶部；

以所述层间介质层为掩膜，去除所述虚拟栅极结构以暴露出部分所述沟道区的周期结构表面；

采用选择性刻蚀工艺去除所述沟道区的周期结构中暴露出的第二半导体外延层，形成悬空且相互间隔的多层第一半导体外延层沟道；以及

在所述多层第一半导体外延层沟道的上表面以及所述多层第一半导体外延层沟道的第一半导体外延层之间和侧壁上形成高K介质层；

在所述高K介质层的暴露表面上形成金属导电层，以形成全包围所述多层第一半导体外延层沟道的金属栅极结构。

进一步的，在所述半导体衬底表面上形成作为底层的第一半导体外延层之前，对所述半导体衬底表面进行清洗。

进一步的，采用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)、稀释的氢氟酸溶液(DHF)或者氩气等离子体(Ar sputter clean)对所述半导体衬底表面进行清洗。

进一步的，所述第一半导体外延层为硅(Si)、锗(Ge)、锗化硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化镓(GaP)、锑化镓(GaSb)、砷铟化铝(InAlAs)、铟砷化镓(InGaAs)、磷化锑镓(GaSbP)或磷化铟(InP)，所述第二半导体外延层的材质为硅(Si)、锗(Ge)、锗化硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化镓(GaP)、锑化镓(GaSb)、砷铟化铝(InAlAs)、铟砷化镓(InGaAs)、磷化锑镓(GaSbP)或磷化铟(InP)。

进一步的，所述周期结构的各层均采用原子层沉积(ALD)工艺形成。

进一步的，所述周期结构中的每层厚度均为1nm～4nm，所述周期结构的总体厚度为20nm～80nm。

进一步的，在形成所述周期结构之后，对所述周期结构进行热退火处理。

进一步的，采用自对准双图像化程序(SADP)技术刻蚀所述周期结构，以在所述半导体衬底上形成所述鳍片和沟槽。

进一步的，采用氯化氢(HCl)气体作为主刻蚀气体，等离子体刻蚀所述周期结构，刻蚀停止在所述半导体衬底表面，以在所述半导体衬底上形成所述鳍片和沟槽。

进一步的，所述虚拟栅极结构包括围绕在所述沟道区暴露出的侧面和顶面上的牺牲高K介质层以及覆盖在所述牺牲高K介质层表面的虚拟栅极层。