FinFet Process Flow—哑栅极的形成

本文主要介绍FinFet Process Flow—哑栅极的形成。  

鳍片（Fin）的形成及其重要性

鳍片是FinFET器件三维结构的关键组成部分，它类似于鱼鳍的形状，因此得名。鳍片的高度直接决定了FinFET的栅极宽度，这对于控制电流流动至关重要。在22nm及以下技术节点中，由于鳍片尺寸非常小，通常通过SADP（Self-Aligned Double Patterning）或SAQP（Self-Aligned Quadruple Patterning）等图案化技术来实现。

初步处理与ILD层沉积

ILD层沉积

随后，在清洁后的晶圆上沉积一层ILD（Inter Layer Dielectric）一般使用SiO2 Coat。ILD的主要作用是在鳍片之间提供电气隔离，并作为后续CMP（化学机械抛光）过程中的填充材料。选择适当的ILD材料对于确保良好的电学性能和平坦度非常重要。

ILD CMP

接下来进行的是ILD CMP，即使用氮化硅（SiN）作为终点检测材料来进行化学机械抛光。CMP的目标是使ILD层表面变得非常平坦，以便于后续的图案化和蚀刻操作。CMP过程中必须精确控制抛光量，以避免过度侵蚀下面的关键结构。

移除SiN和垫氧化层

CMP完成后，需要移除覆盖在鳍片上的氮化硅硬掩膜以及垫氧化层。这个步骤通常通过湿法蚀刻完成，它不仅清除了这些临时保护层，还暴露出鳍片顶部的硅表面，为后续的掺杂做准备。

牺牲氧化层生长与阱区掺杂

牺牲氧化层生长

紧接着，在鳍片表面生长一层薄的牺牲氧化层。该层用于后续的阱区掺杂过程中保护鳍片免受直接损伤。此外，牺牲氧化层还可以帮助定义掺杂区域的边界，提高掺杂精度。

阱区掺杂

应用一个阱区植入掩模，并执行离子注入以形成通道和基板之间的隔离阱。这个步骤是为了创建p型或n型阱区，从而为PMOS和NMOS器件分别提供适当的背景掺杂。之后，移除牺牲氧化层并清洗晶圆，确保没有残留物影响后续工艺。

哑栅极结构形成

哑栅极氧化层沉积

为了构建临时的栅极结构，先在晶圆上沉积一层哑栅极氧化层。这层氧化物将作为后续多晶硅沉积和平坦化的基础。

多晶硅沉积与CMP

然后，在整个晶圆表面沉积一层多晶硅，并通过CMP使其平坦化。多晶硅层将充当临时栅极材料，直到最终的高k金属栅极替换它为止。CMP过程中要保证多晶硅层厚度均匀，以支持后续的图案化步骤。

硬掩膜沉积

接着，在多晶硅层上沉积一层硬掩膜（HM），用于指导后续的栅极图案化。根据技术节点的不同，如果栅极间距大于80nm，则可以使用单次193nm浸没式光刻来形成线-空图案；而对于更小的栅极间距，则需要采用如SADP或SAQP等倍增技术。硬掩膜的选择和沉积条件对于后续图案化的精度至关重要。

栅极图案化

应用栅极掩模以在光刻胶中形成线-空图案。经过硬掩膜蚀刻、光刻胶剥离和清洁后，再施加切割掩模并通过蚀刻切断硬掩膜线条图案。最后，利用形成的硬掩膜图案蚀刻多晶硅，从而创建出设计好的哑栅极结构。

参考文献

[1] Bellingham, Washington, USA : SPIE, [2016] | Includes bibliographical references and index.

[2]Maurya, Ravindra Kumar, and Brinda Bhowmick. "Review of FinFET devices and perspective on circuit design challenges." Silicon 14.11 (2022): 5783-5791.