FinFET工艺流程学习总结
1.FinFET简介
FinFET称为鳍式场效晶体管 (FinField-EffectTransistor；FinFET)是一种新的互补式金氧半导体(CMOS)晶体管。闸长已可小于25奈米。该项技术 的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授。Fin是鱼鳍的意思，FinFET 命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。
1.1 主要特点
沟道区域是一个被栅极包裹的鳍状半导体。沿着源漏方向的鳍的长度，为沟道长度。栅极包裹的结构增强了栅的控制能力，对沟道提供了更好的电学控制，从而降低了漏电流，抑制短沟道效应。
1.2 分类
胡正明教授等人分别设计了，体硅FinFET器件(Fin FieldEfect Transistor, FinFET)和SOI FinFET器件。
在体硅FinFET器件和SOI FinFET器件的基础上衍生出了多种性能更高,功耗更低的结构,如环型栅FinFET器件、Π型栅FinFET器件和Ω型栅FinFET器件等。基于SOI衬底,已经实现了不同结构的FinFET,如双栅、三栅、Pi栅、Omega栅、环栅等。
2.FinFET工艺流程
FinFET前段工艺制程采用了立体结构，FinFET 工艺的难点是形成Fin 的形状，下面就Fin的不同工艺流程进行简单的介绍。
2.1 Fin结构的制造步骤和工艺细节
2.1.1 SADP工艺方法制作Fin的流程图
第一步：在清洁的硅表面①淀积一层辅助层形成〖Si〗_3 N_4得到②。
第二步：通过光刻将辅助层刻蚀形成一个类似栅极的结构得到③，该结构的宽度为相邻Fin的间距。
第三步：再在表面淀积一层氧化硅SiO_2作为硬掩膜板得到④。
第四步：通过控制SiO_2的厚度可以控制Fin的宽度得到⑤。
第五步：利用干法刻蚀形成类似栅极侧墙的形状如⑥所示。
第六步：接着将⑥辅助层去除，剩下的形状就是形成超薄的Fin的硬掩膜版⑦。
第七步：⑦通过干法刻蚀后去除硬掩模版即可形成超薄的Fin如⑧所示。
2.1.2 侧墙转移光刻技术工艺制作Fin的流程图
第一步：在硅衬底上生长淀积4层堆栈层结构。
第二步：光刻掩膜，SiN刻蚀，多晶硅淀积形成侧墙，然后干法刻蚀。
第三步：用磷酸去除SiN，留下多晶硅侧墙。
第四步：干法刻蚀SiO_2，SiN和SiO_2膜层。
第五步：以ONO结构作为硬质掩膜干法刻蚀形成FIN结构。
第六步：用氧化层填充FIN结构之间的凹槽，然后让氧化层致密化。
第七步：化学机械抛光(CMP)。
第八步：湿法回蚀（etch-back），形成氧化物隔离区，使FIN结构露出来。
2.2 FinFET结构的制造步骤和工艺细节
胡正明教授等人分别设计了体硅FinFET器件和SOI FinFET器件，在此的基础上发展衍生出了不同的FinFET结构。
不同的结构的FinFET工艺流程可能存在着些许差异，下面简单介绍一下FinFET结构的工艺流程。
2.2.1 基于体硅衬底的栅全环绕 FinFET工艺流程步骤
第一步：通过调整淀积条件，PECVD方法可以实现50％左右的台阶覆盖率得到（b）。
第二步：各向同性回刻SiO_2，控制回刻时间，去除Fin侧壁上的SiO_2，而衬底上表面和Fin上表面的SiO_2被保留下来，如图（c）所示。
第三步：采用相似的方法，淀积非共形〖Si〗_3 N_4，各向同性回刻后，Fin侧壁上的〖Si〗_3 N_4被去除，而衬底上表面和Fin上表面的〖Si〗_3 N_4被保留下来得到（d）。
第四步：淀积和各向异性回刻形成SiO_2侧墙，以保护Fin的侧壁，结果如图（e）所示。
第五步：光刻定义沟道位置，源漏部分〖Si〗_3 N_4被光刻胶保护，未被光刻胶保护的〖Si〗_3 N_4通过选择性刻蚀去除。这样，沟道区下面的硅表面暴露出来，如图（f）表示。
第六步：进一步采用各向同性刻蚀工艺，暴露出的硅被刻蚀，最后形成沟道区下方悬空的结构，如图（g）所示。
第七步：腐蚀掉SiO_2和〖Si〗_3 N_4后，SiO_2被重新淀积，通过平坦化和回刻工艺，仅在体硅衬底保留一层SiO_2，用于栅极与衬底之间的隔离。
第八步：通过控制SiO_2层的厚度，保证悬空的Fin与SiO_2之间留有空隙，结果如图（i）所示。
注：后续的工艺，如沟道注入、栅介质层形成、多晶栅定义、侧墙形成、源漏注入及硅化物接触，均与常规 FinFET工艺相同。
2.2.2 硅锗沟道PMOS FINFET结构工艺
下面分别表示了硅锗沟道PMOS FINFET的制作流程框图与流程图。
硅锗沟道PMOS FINFET的制作流程框图
硅锗沟道PMOS FINFET的制作流程图
第一步：微米级厚度的外延硅晶片的制备。
第二步：淀积氧化物、氮化物作为硬质掩膜（Hard mask）。
第三步：光刻刻蚀硬质掩膜、硅衬底（直角刻蚀），淀积厚氧化层至指定坐标作为STI区，刻蚀氧化层将硅FIN漏出来。
第四步：淀积薄层氧化物帽层，作为后续注入的保护层。
第五步：阱区注入、阈值电压调整注入。
第六步：阱区快速热退火（RTA）。
第七步：用稀释的氢氟酸（HF）去除残余的牺牲氧化层。
第八步：在裸露的硅FIN结构上选择性外延生长硅锗沟道结构（包括底层的硅缓冲层，中间的硅锗层，以及上面的硅帽层）。
第九步：栅极氧化层的生长。
第十步：淀积形成未掺杂的多晶硅栅极，通过对多晶硅曝光与腐蚀形成栅极。
第十一步：淀积氧化物、氮化物作为补偿侧墙，淀积氧化物是将多晶硅二次氧化，消除多晶硅表面的应力。
第十二步：晕环（HALO）注入：通过一定角度注入B离子形成HALO结构。
第十三步：S/D Extension注入：低能量的离子注入形成源漏扩展区(SDE)结构。
第十四步：淀积生长氮化物作为第二道侧墙。
第十五步：源漏区（S/D）注入。
第十六步：注入后激光快速退火。
第十七步：淀积NiSi合金作为接触硅化物（Contact silicidation）。
第十八步：形成源栅漏极及硅衬底接触，接触孔(Contact)制作和Metal。
第十九步：后道金属层与过孔(Metal and Via)以及钝化层工艺。
2.2.3 SOI FinFET工艺加工流程图
第一步：（a）先在体硅上表面覆盖硬掩模层的衬底。
第二步：（b）获得硅鳍。
第三步：（c）氧化物沉积。
第四步：（d）栅氧化物沉积。
第五步：（e）多晶硅沉积后的体硅FinFET器件。
第六步：（f）FinFET最终得到器件。
2.2.4 Fin FET的主要工艺步骤
第一步：（a）先在体硅上氧化一层SiO2薄膜用以释放工艺过程中多余的应力，然后淀积SiN层。
第二步：（b）用一种特殊设计的硅孤岛掩膜版，进行深紫外曝光，经数次刻蚀获得硅鳍。
第三步：（c）在硅鳍两侧氧化生成SiO2牺牲层。
第四步：（d）刻蚀去除并完全剥离SiO2牺牲层以去除刻蚀带来的损坏。
第五步：（e）在硅鳍两侧生长很薄的栅氧层。
第六步：（f）淀积多晶硅，经过曝光、刻蚀等工艺后形成多晶硅栅。
注：后续工艺步骤同平面硅MOS工艺类似。
3 总结FinFET过程
FinFET工艺最主要流程包括鳍刻蚀、氧化物沉积、氧化物化学机械抛光、氧化物刻蚀、栅氧化层沉积、多晶硅沉积等步骤。