[发明专利]具有迁移率优化取向的半导体纳米线及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件，尤其涉及具有迁移率优化取向的半导体纳米线及其制造方法。

背景技术

半导体纳米线是指横向侧面尺寸和垂直尺寸在纳米级(10^-9米)或数十纳米级的半导体线。横向侧面尺寸和垂直尺寸一般小于20nm。

侧面尺寸限制适用于横向侧面尺寸(宽)和垂向侧面尺寸(高)。半导体纳米线的纵侧尺寸(长)不受限制，例如可以从1nm到1mm。当半导体纳米线的侧面尺寸小于几十纳米时，量子力学效应变得显著。因此，半导体纳米线也被称为半导体量子线。

半导体纳米线的横向侧面尺寸目前是亚光刻的(sublithographic)，即，不能通过从单次曝光图案化的光致抗蚀剂进行直接图像转印而被印刷。到2008年为止，可通过光刻法印刷的最小可印刷尺寸(即临界尺寸)约小于35nm。小于临界尺寸的尺寸被称为亚光刻尺寸。任何时候，临界尺寸和亚光刻尺寸的范围都是由半导体行业可用的最佳光刻工具来决定的。通常，临界尺寸和亚光刻尺寸的范围在每个相继的技术节点上减小，并且依据整个半导体行业采纳的制造标准来确立。

通过栅介质和栅电极完整包围半导体纳米线的横截面，半导体纳米线使得沿长度方向对电荷载流子的控制增强。因为半导体纳米线被完整包围，所以在半导体纳米线器件中比在鳍式场效应晶体管(finFET)中可更好地控制栅电极沿半导体纳米线的电荷传输。

对于高性能的互补金属半导体(CMOS)电路而言，需要导通电流高且截止电流低的高性能的p型半导体纳米线器件和n型半导体纳米线器件。

发明内容

通过对电介质材料层上的半导体层进行光刻图案化来形成分别包含一个半导体链路部分和两个毗连的垫片部分的原型半导体结构。半导体链路部分的侧壁被取向为对于第一类型的半导体结构使空穴迁移率最大并且对于第二类型的半导体结构使电子迁移率最大。通过氧化对半导体结构进行细化，这样对于不同晶向以不同速率减小了半导体链路部分的宽度。半导体链路部分的宽度被预先确定，使得对半导体链路部分的侧壁的不同细化量导致细化后得到的半导体纳米线具有目标亚光刻尺寸。通过补偿对于不同晶面的不同细化速率(thinningrate)，对于不同晶向可以形成具有最优亚光刻宽度的半导体纳米线，而不会出现细化不足或过量。

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体结构的形成方法，该方法包括：对包括第一半导体链路部分的第一半导体结构进行图案化，其中第一半导体结构具有相隔第一宽度w1的第一对侧壁并且具有在氧化环境中有第一氧化速率的第一表面取向；对包括第二半导体链路部分的第二半导体结构进行图案化，其中第二半导体链路部分具有相隔第二宽度w2的第二对侧壁并且具有在所述氧化环境中有第二氧化速率的第二表面取向；通过细化第一半导体链路部分来形成具有第三宽度w3的第一半导体纳米线；以及通过细化第二半导体链路部分来形成具有第四宽度w4的第二半导体纳米线，其中第三宽度w3和第四宽度w4是亚光刻尺寸。

在一个实施例中，第一宽度w1和第三宽度w3之差与第二宽度w2和第四宽度w4之差的比值R等于第一氧化速率与第二氧化速率之比，即通过公式(w1-w3)/(w2-w4)＝R来确定第一宽度w1和第二宽度w2，这里R表示第一和第二氧化速率的有效比。R的值是氧化温度、半导体链路部分的尺寸以及第一和第二表面取向的晶向的函数。R通常取值在0.1至10之间。可以通过本领域技术人员已知的方法，例如有限元素氧化模拟来得到R的准确值。举例来说，如果第一表面取向为[110]，第二表面取向为[100]，并且两个半导体链路部分具有约70nm的横截面尺寸，那么对于800℃下的蒸气氧化，R值为1.06。