鳍式晶体管及形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种鳍式晶体管及形成方法。

背景技术

图像传感器已被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。随着制造技术的快速发展，市场对图像传感器的性能提出更高的要求。当尺寸缩减到亚微米级别时，受限于短沟道效应所带来的开关比下降，传统的平面型晶体管已难以匹配大像素阵列及小像素尺寸的需求。

相较于平面型晶体管，鳍式晶体管（Fin Field-effect Transistor，FinFET）具有功耗低、特征尺寸小、噪声低等优点，成为图像传感器性进一步发展的最佳选择。然而，基于更高速度以及集成密度的要求，先进节点中常规FinFET的制程复杂，需要用到多次的光刻以及外延步骤，导致成本较高。同时，FinFET对提升集成密度的贡献有限，但其低驱动能力问题在图像传感器的应用带来不良影响，因此，根据需求进一步优化其结构及形成工艺显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鳍式晶体管及形成方法，既增加所述鳍式晶体管的驱动能力并降低工艺难度。

基于以上考虑，本发明一方面提供一种鳍式晶体管，包括：栅极结构，包括设于沟道区一侧且部分顶面低于源区和/或漏区并具有上小下大形状的侧栅部。

优选地，所述侧栅部的部分顶面与所述源区和/或所述漏区的高度差在200埃至1500埃之间。

优选地，所述源区及所述漏区之间的顶面均平齐于所述沟道区。

优选地，所述侧栅部延伸至所述源区和/或所述漏区的一侧以电连接所述源区和/或所述漏区。

优选地，所述鳍式晶体管具有并联设置的多个所述沟道区。

优选地，所述沟道区及所述侧栅部交替设置。

优选地，所述侧栅部相对于所述沟道区对称或非对称设置。

优选地，所述栅极结构还包括相连所述侧栅部并设于沟道区上的顶栅部。

优选地，所述顶栅部沿长度方向延伸并至少覆盖所述沟道区。

优选地，还包括：浅沟槽隔离结构，沿所述侧栅部的一侧全部或者部分围绕所述沟道区、所述源区及所述漏区。

本发明另一方面提供一种鳍式晶体管的形成方法，包括：形成具有上小下大形状的侧栅部之后，于所述侧栅部的一侧形成沟道区、源区及漏区；其中，所述侧栅部的部分顶面低于所述源区和/或所述漏区

优选地，形成具有上小下大形状的侧栅部之前，还包括：形成内设于衬底的浅沟槽隔离结构，以沿所述侧栅部的另一侧全部或者部分围绕所述沟道区、所述源区及所述漏区。

优选地，形成所述浅沟槽隔离结构之前，还包括：于所述衬底内形成位于所述沟道区的至少一侧并填充有牺牲材料且用于形成所述侧栅部的凹槽。

优选地，所述浅沟槽隔离结构相邻所述凹槽。

优选地，形成所述浅沟槽隔离结构之前，所述牺牲材料填充于内设于衬底的初始凹槽，所述浅沟槽隔离结构与部分所述初始凹槽相交叠以形成所述凹槽。

优选地，形成所述浅沟槽隔离结构之前，还包括：于所述衬底内形成内设有侧向光电二极管并用于填充所述牺牲材料的所述凹槽。

优选地，形成所述浅沟槽隔离结构之后，去除所述牺牲材料并采用栅极材料填充所述凹槽以形成所述侧栅部。

优选地，所述栅极材料还形成于所述衬底上并图形化形成相连所述侧栅部并设于所述沟道区上的顶栅部，以形成栅极结构。

优选地，通过所述源区和/或所述漏区的离子注入实现与所述侧栅部的电性连接。

所述鳍式晶体管通过栅极结构的顶栅部以相连设于沟道区的至少一侧的侧栅部。源区、漏区及所述沟道区的顶面相平齐且宽度一致，所述栅极结构与所述源区和/或所述漏区之间不存在额外的寄生电容，并避免套刻偏差造成的性能下降。

进一步地，所述侧栅部的部分顶面低于源区和/或漏区并具有上小下大形状，所述侧栅部设于所述沟道区的两侧，使得所述源区及所述漏区夹设于两所述侧栅部之间，降低了工艺难度。

所述鳍式晶体管既增加导通电流的截面积，同时还提高沟道表面开启程度，因此具有明显更高的驱动能力。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1～图18示出本发明实施例的一种鳍式晶体管的形成方法的各步骤对应的结构示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

需要说明的是，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

随着像素阵列的尺寸提升，对图像信号处理器（Image Signal Processor，ISP）的性能需求也日益增长。同时，更为复杂的电路、更小的像素尺寸，也对图像传感器中晶体管集成密度提出需求。当晶体管尺寸进入亚微米范畴，栅长下降导致的阈值电压快速下降过程被称作短沟道效应。

为抑制源/漏端的耗尽区对沟道长度的影响，于沟道区一侧设置侧栅部，以增加栅极结构对晶体管沟道的控制力；同时，所述侧栅部具有上小下大的纵截面并部分顶面低于源区及漏区。离子注入工艺利用所述栅极结构以自对准形成所述源区及漏区，保证沟道区的有效长度且降低工艺难度。

本发明实施例的一种鳍式晶体管的形成方法包括如下步骤：

S1：形成具有上小下大的纵截面的侧栅部；

S2：于所述侧栅部的一侧形成沟道区、源区及漏区；其中，所述侧栅部的部分顶面低于所述源区和/或所述漏区。

所述鳍式晶体管可以应用于图像传感器的源跟随器，相比于现有技术FinFET的形成方法，本发明无需增加光罩，并且所有层的设计都非常简单，不造成额外的工艺难度，且在光刻套刻误差影响下仍能完全保持应有的器件尺寸。

以下通过具体实施方式并结合附图，对所述鳍式晶体管的形成方法进行详细说明。

图1～图18示出本发明实施例的一种鳍式晶体管的形成方法的各步骤对应的结构示意图。

本实施例中，使用AA光罩定义所述鳍式晶体管的有源区的位置及尺寸，并于所述有源区外围形成内设于衬底的浅沟槽隔离结构，以沿所述侧栅部的另一侧全部或者部分围绕沟道区、源区及漏区。形成所述浅沟槽隔离结构的步骤如下：

首先，于所述衬底内形成位于所述沟道区的至少一侧并填充有牺牲材料且用于形成所述侧栅部的凹槽。

一实施例中，于所述衬底内形成内设有侧向光电二极管的所述凹槽。

具体地说，刻蚀第一导电类型衬底以形成若干所述凹槽，并于各所述凹槽的侧壁外延形成第二导电类型层以与所述第一导电类型衬底形成侧向光电二极管，之后，于所述凹槽内填充所述牺牲材料。

图1示出本发明实施例的一种鳍式晶体管的填充有牺牲材料的初始凹槽的平面结构示意图；图2示出图1中分别沿A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

请结合参考图1及图2，提供衬底100，所述衬底100内设有至少一初始凹槽（未图示）。

本实施例中，采用第一掩膜版刻蚀所述衬底100以形成所述初始凹槽101，有源区后续形成于所述初始凹槽101的一侧。形成浅沟槽隔离结构之前，所述牺牲材料填充于所述初始凹槽101，所述浅沟槽隔离结构与部分所述初始凹槽101相交叠以形成所述凹槽。

所述衬底100可以为硅衬底，或者所述衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当地应用于图像传感器的材料，所述衬底100还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层（Epitaxy layer，Epi layer）的衬底。

一实施例中，所述鳍式晶体管具有并联设置的多个所述沟道区，也就是说，通过所述第一掩模版形成若干所述初始凹槽101，以用于形成若干平行并相对于所述沟道区对称设置的所述侧栅部，从而形成交替设置的所述沟道区及所述侧栅部。

又一实施例中，所述侧栅部延伸至所述源区和/或所述漏区的一侧以电连接所述源区和/或所述漏区，各所述初始凹槽101之间的尺寸不一，比如，长度不同，以对应形成相对于所述沟道区非对称设置的若干侧栅部。其中，部分所述侧栅部可以沿沟道区延伸至源区，和/或，部分所述侧栅部可以沿沟道区延伸至漏区，并通过位于所述衬底上并覆盖所述沟道区的顶栅部以相连各所述侧栅部，从而形成彼此相互并联的若干侧栅部。

本实施例中，两所述初始凹槽101相对设置，所述有源区形成于平行设置的两初始凹槽101之间。牺牲层101填充于所述初始凹槽101内。所述牺牲层101的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅等介质材料中的一种或多种组合。

其次，于所述衬底100内形成围绕所述鳍式晶体管的浅沟槽隔离结构，同时，还定义所述鳍式晶体管的有源区的位置及尺寸。

所述浅沟槽隔离结构可以相邻于所述初始凹槽101，即沿所述初始凹槽101的外侧刻蚀所述衬底以形成所述浅沟槽隔离结构；或，所述浅沟槽隔离结构可以相隔所述初始凹槽101的外侧设置。

图3示出本发明实施例的图形化层102的平面结构示意图；图4中3（a）、3（b）及3（c）示出分别沿图3中A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

如图3所示，通过第二掩模版（未图示），于所述衬底100上形成图形化层102，所述图形化层102的水平投影面积大于所述鳍式晶体管的鳍部的水平投影面积。

如图4中3（a）所示，本实施例中，所述图形化层102横跨于两所述初始凹槽上，并横向尺寸大于或等于两所述初始凹槽的间距，形成的所述鳍部的宽度等于所述间距，即通过两所述初始凹槽定义所述鳍部的位置及宽度，并通过所述图形化层102定义所述鳍部的长度。

如图4中3（b）及3（c）所示，所述图形化层102的长度小于所述初始凹槽的长度，即两所述初始凹槽之间的所述衬底100之中，部分被所述图形化层102所覆盖以形成所述鳍式晶体管的沟道区（未图示），剩余部分为位于所述图形化层102两侧的所述衬底100，并经暴露用于形成源区（未图示）及漏区（未图示）。

图5示出本发明实施例的环形凹槽的平面结构示意图；图6中5（a）、5（b）及5（c）示出分别沿图5中A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

结合图6并参考图5，以所述图形化层102为掩膜，采用刻蚀工艺刻蚀所述衬底100，于所述衬底100内形成所述鳍式晶体管的鳍部及围绕所述鳍部的环形凹槽（未图示）。

本实施例中，所述图形化层102覆盖部分所述初始凹槽内的所述牺牲材料，采用刻蚀工艺刻蚀所述衬底100时，还去除所述初始凹槽内的部分所述牺牲材料，也就是说，所述环形凹槽与所述初始凹槽相部分交叠以形成被所述环形凹槽所围绕的所述鳍部以及位于所述鳍部两侧的凹槽，所述图形化层102下的所述衬底100位于所述凹槽内，并对应形成所述鳍部。

如图6中5（a）所示，本实施例中，所述环形凹槽的深度可以大于所述初始凹槽的深度以形成位于鳍部下的凸台。

如图6中5（a）及5（b）所示，所述凸台的长度可以等于所述鳍部的长度，宽度大于所述鳍部的宽度。所述凹槽填充有剩余的所述牺牲材料，并用于形成所述鳍式晶体管的侧栅部。

所述刻蚀工艺包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺中的一种或者两种组合。所述图形化层102覆盖于所述衬底100上，控制所述环形凹槽的刻蚀深度以调整所述鳍部的高度，并避免等离子体和/或刻蚀药液对所述鳍部造成损伤，从而有效保护沟道区的界面质量。

所述图形化层102之外的部分所述牺牲层101经所述刻蚀工艺所去除，剩余的所述牺牲层101位于所述图形化层102下并填充所述凹槽，即所述鳍部两侧的侧壁覆盖有剩余的所述牺牲层101。

图7示出本发明实施例的浅沟槽隔离结构的平面结构示意图；图8中7（a）、7（b）及7（c）示出分别沿图7中A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

如图7所示，采用隔离材料填充所述环形凹槽，以形成浅沟槽隔离结构103。所述鳍式晶体管设于所述浅沟槽隔离结构103的环内，从而防止与相邻的其它电学结构之间发生的电学串扰和光学串扰。

所述隔离材料包括：氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛及氧化铝中的一种或多种组合。

如图8中7（a）及7（b）所示，剩余的所述牺牲层101设于所述鳍部及所述浅沟槽隔离结构103之间。所述浅沟槽隔离结构103围绕所述鳍部，并顶面平齐于所述鳍部及所述衬底的顶面。

形成所述浅沟槽隔离结构之后，去除所述牺牲材料并采用栅极材料填充所述凹槽以形成所述侧栅部。

图9示出本发明实施例的凹槽的平面结构示意图；图10中9（a）、9（b）及9（c）示出分别沿图9中A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

采用刻蚀工艺，至少去除位于所述鳍部侧壁的所述牺牲材料（未图示），以于所述浅沟槽隔离结构103内形成所述凹槽104。

一实施例中，所述牺牲材料为氮化硅，采用湿法刻蚀工艺，刻蚀溶液为磷酸溶液以去除所述牺牲层101。所述湿法刻蚀工艺对于所述牺牲层101具有较高的刻蚀选择性，可以避免对其他材料造成损伤。

剩余的牺牲层101覆盖于所述鳍部的两侧侧壁，去除所述牺牲材料，形成分设于所述鳍部左右两侧的凹槽104。

本实施例中，如图10中9（a）所示，在去除填充所述凹槽104的剩余的牺牲层时，控制湿法刻蚀工艺的刻蚀时间以调整过刻量，所述湿法刻蚀工艺还去除相邻所述牺牲层的浅沟槽隔离结构。

所述凹槽104的长度不小于所述鳍部的长度，并深度不小于所述鳍部的高度。

如图11所示，于所述凹槽104暴露的所述衬底100，即所述鳍部及所述凸台的表面形成栅介质层105。所述栅介质层105的材料可以是高介电材料和/或氧化硅。比如，通过氧化所述衬底，形成覆盖所述鳍部表面的所述栅介质层105。

图13示出本发明实施例的栅极结构的平面结构示意图；图14中13（a）、13（b）及13（c）示出分别沿图13中A-A'、B-B'及C-C'的剖面结构示意图。

采用栅极材料填充所述凹槽104，并图形化以形成所述栅极结构106。所述栅极结构106包括位于所述鳍部顶面上的顶栅部，以及相连于所述顶栅部的两侧且填充所述凹槽的侧栅部。

所述栅极材料的材料可以是多晶硅，还可以是铝、钨或钛等金属。

所述栅极结构106作为图像传感器中的传输晶体管的栅极结构，在本发明的其他实施例中，在形成所述传输晶体管的同时，还可以在衬底100上的其他位置表面同时形成图像传感器中其他晶体管的栅极结构，例如复位晶体管、源跟随晶体管等的栅极结构。

如图14中13（a）及13（b）所示，所述顶栅部沿长度方向延伸并至少覆盖所述沟道区，所述侧栅部具有上小下大形状。

采用刻蚀工艺图形化所述栅极材料时，为避免所述衬底100上的多余栅极材料的残留，过刻量使得所述侧栅部的顶面低于所述衬底100的表面，比如，所述侧栅部的部分顶面与所述源区和/或所述漏区的高度差在200埃至1500埃之间，使得所述源区和/或所述漏区夹设于两所述侧栅部之间，所述侧栅部的部分顶面低于所述鳍部的顶面，从而降低形成所述源区和/或所述漏区的工艺难度。

所述浅沟槽隔离结构103沿所述侧栅部的一侧围绕所述鳍式晶体管，所述侧栅部的另一侧为所述鳍部，所述顶栅部位于所述栅介质层105上并覆盖部分所述鳍部以形成沟道区。

形成所述栅极结构106之后，于所述衬底100上的所述顶栅部的侧壁形成侧墙107。

所述侧墙107的材料为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅的堆叠结构。

最后，采用离子注入工艺，于两所述侧栅部之间并未被所述顶栅部所覆盖的所述鳍部内形成源区108及漏区。

所述侧栅部形成于所述鳍部的左右两侧并相连所述顶栅部。以所述顶栅部为掩膜，掺杂离子穿过所述栅介质层105，以于未被所述顶栅部所覆盖的所述鳍部内形成所述源区108及所述漏区。

所述浅沟槽隔离结构103沿所述侧栅部的另一侧全部或者部分围绕所述沟道区、所述源区及所述漏区。通过所述源区和/或所述漏区的离子注入实现与所述侧栅部的电性连接。

请结合图18并参考图17，所述鳍式晶体管通过栅极结构的顶栅部以相连设于沟道区的至少一侧的侧栅部。所述源区、所述漏区及所述沟道区的顶面相平齐且宽度一致，所述栅极结构与所述源区和/或所述漏区之间不存在额外的寄生电容，并避免套刻偏差造成的性能下降。

进一步地，所述侧栅部的部分顶面低于源区和/或漏区并具有上小下大形状，所述侧栅部设于所述沟道区的两侧，使得所述源区及所述漏区夹设于两所述侧栅部之间，降低了工艺难度。

所述鳍式晶体管开启时，整个有源区都参与电荷输运，所述沟道区两侧的侧栅部整体电势升高，所述源区和/或所述漏区具有非常大的有效宽度。从而大幅提升所述鳍式晶体管的驱动能力。所述侧栅部受电压控制，在所述鳍式晶体管关断时表现出较长的有效栅极长度，使关断电流控制在较低水平。

所述鳍式晶体管既增加导通电流的截面积，同时还提高沟道表面开启程度，因此具有明显更高的驱动能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。