CN102097318A - 半导体器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件的制作方法，包括：提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层；执行多行程的激光热退火工艺，且相邻两行程的激光热退火工艺中的扫掠路径之间具有交叉角。相对于现有技术，本发明能够使得半导体器件中各膜层的应力在不同扫掠路径的激光热退火工艺中达到力的相对平衡，相应降低应力，使得半导体晶片获得低翘曲度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件的制作方法，特别涉及一种具有锗硅层的PMOS晶体管的制作方法
背景技术
在半导体器件、尤其MOS晶体管中，提高场效应晶体管的开关频率的一种主要方法是提高驱动电流，而提高驱动电流的主要途径是提高载流子迁移率。现有一种提高场效应晶体管载流子迁移率的技术是应力记忆技术(StressMemorization Technique，简称SMT)，通过在场效应晶体管的沟道区域形成稳定应力，提高沟道中的载流子迁移率。通常拉张应力可以使得沟道区域中的分子排列更加疏松，从而提高电子的迁移率，适用于N型MOS(以下以NMOS表示)晶体管；而压应力使得沟道区域内的分子排布更加紧密，有助于提高空穴的迁移率，适用于PMOS(以下以PMOS表示)晶体管。例如，可以通过在PMOS晶体管的源/漏区嵌入锗硅(SiGe)来引入压应力，以提高空穴迁移率。
在现有技术中，对于PMOS晶体管，在注入掺杂离子之后，会执行快速热退火(RTA)或激光热退火(LSA)的工艺，以松弛所述锗硅层，降低PMOS晶体管的缺陷密度和结泄漏电流。
在激光热退火工艺中，从激光器射出的激光脉冲形成截面细长的矩形光束，通过在左、右方向和上、下方向移动依序扫掠完生成有半导体器件的半导体晶片的所有区域。具体来讲，采用弧形扫掠方式或线形扫掠方式，将产生的矩形光束自所述半导体晶片的这一边扫掠至其那一边，然后再自所述半导体晶片的那一边扫掠回至其这一边；如此，循环往复地扫掠，从而将所述半导体晶片的所有区域都覆盖，完成一个行程的激光热退火工艺。当所述半导体晶片需执行多行程激光热退火工艺时，则多个行程的激光热退火工艺间的处扫掠方式和扫掠顺序都相同。由于在上述激光热扫掠过程中，包括锗硅层在内的各膜层在受热状态下会加剧应力形变，最终导致所述半导体晶片产生翘曲，影响半导体器件的性能，降低产品的良率。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种半导体器件的制作方法，解决现有技术中采用单行程激光热退火工艺增加半导体晶片翘曲度而影响产品良率的问题。
本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层；执行多行程的激光热退火工艺，且相邻两行程的激光热退火工艺中的扫掠路径之间具有交叉角。
可选地，所述提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层具体包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极介电层和位于栅极介电层上的栅极；在所述半导体衬底外延生成锗硅层，所述锗硅层位于所述栅极的两侧；以栅极为掩膜，在半导体衬底内进行轻掺杂离子注入，形成轻掺杂源/漏区；在栅极介电层和栅极的相对二侧形成隔离侧壁；以栅极和隔离侧壁为掩膜，在半导体衬底内进行重掺杂离子注入，形成重掺杂源/漏区。
可选地，所述锗硅层的厚度为500埃至2000埃。
可选地，所述锗硅层中锗的含量为15％至40％。
可选地，所述执行多行程的激光热退火包括：在完成上一行程激光热退火工艺之后且开始执行下一行程激光热退火工艺之前，调整所述下一行程激光热退火工艺的扫掠方向或者所述半导体晶片的位置，使得所述下一行程激光热退火工艺的扫掠路径与相邻的上一行程激光热退火工艺的扫掠路径之间具有交叉角。
可选地，所述交叉角的角度为45度、90度、135度或180度。
可选地，所述每一行程激光热退火工艺的温度为1050摄氏度至1300摄氏度，扫掠时间为100微秒至1毫秒。
可选地，所述多行程的激光热退火工艺具体为两行程、四行程或八行程的激光热退火工艺。
可选地，所述激光热退火采用弧形扫掠方式或线形扫掠方式。
可选地，所述执行多行程的激光热退火的激光器为二氧化碳激光器。
与现有技术相比，本发明所提供的半导体器件的制作方法具有如下优点：对半导体器件中嵌入的锗硅层采用多行程的激光热退火，松弛所述锗硅层，增加其延展性，相应降低应力，使得半导体晶片获得低翘曲度的效果。
附图说明
图1为本发明半导体器件的制作方法在第一实施例中的流程示意图；
图2为根据所述图1中步骤S1所形成的PMOS晶体管的结构示意图；
图3为在第一实施例中根据步骤S2至步骤S4对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图；
图4为在第二实施例中对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图；
图5为在第三实施例中对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图。
具体实施方式
本发明的发明人发现在半导体器件制作工艺中，晶体管(例如PMOS晶体管)的源/漏区嵌入有锗硅(SiGe)，在后续进行激光热退火过程中，包括锗硅层在内的各膜层在受热状态下会加剧应力形变，最终导致半导体晶片产生翘曲，影响半导体器件的性能，降低产品的良率。
因此，本发明的发明人设想在半导体器件制作过程中可以执行多行程的激光热退火工艺，且相邻两行程激光热退火工艺中的扫掠路径相互交叉呈一定的角度，使得半导体器件中各膜层的应力在不同扫掠路径的激光热退火工艺中达到一个相对的平衡，相应降低应力，使得半导体晶片获得低翘曲度的效果。
为使本发明的上述目的、特征与优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1为本发明半导体器件的制作方法在第一实施例中的流程示意图，包括：
步骤S1，提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层；
步骤S2，执行第一行程的激光热退火工艺；
步骤S3，调整所述半导体晶片的位置；
步骤S4，执行第二行程的激光热退火工艺，所述第二行程激光热退火工艺的扫掠路径与第一行程激光热退火工艺的扫掠路径成之间具有交叉角。
下面结合附图对上述步骤进行详细说明。
首先执行步骤S1，提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层。
在一实施例中，上述步骤S1具体可包括如下子步骤：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极介电层和位于栅极介电层上的栅极；在所述半导体衬底外延生成锗硅层，所述锗硅层位于所述栅极的两侧；以栅极为掩膜，在半导体衬底内进行轻掺杂离子注入，形成轻掺杂源/漏区；在栅极介电层和栅极的相对两侧形成隔离侧壁；以栅极和隔离侧壁为掩膜，在半导体衬底内进行重掺杂离子注入，形成重掺杂源/漏区。
图2为根据所述步骤S1所形成的PMOS晶体管的结构示意图。如图2所示，形成的PMOS晶体管包括：半导体衬底200，在半导体衬底200中形成有例如注有磷离子的N型阱；在半导体衬底200上外延生成的锗硅层202，其中所述锗硅层202具有约15％至40％的锗含量和约500埃至2000埃的厚度；形成在半导体衬底200内的源/漏区204；以及形成在半导体衬底200上的栅极介电层206、位于栅极介电层206上的栅极208以及位于栅极介电层206和栅极208两侧的隔离侧壁210。
另外，我们易知，对于PMOS晶体管，在晶体管的源/漏区中嵌入锗硅(SiGe)，引入压应力，使得沟道区域内的分子排布更加紧密，有助于提高空穴的迁移率。
步骤S2，执行第一行程的激光热退火工艺。在第一实施例中，所述激光热退火工艺采用的是弧形扫掠方式(即激光所形成的扫掠路径为弧形)，由激光器所产生的激光光束对所述半导体晶片扫掠是按照自下而上、左右来回的处理轨迹进行的。具体来讲：在第一行扫掠时，是由激光光束从所述半导体晶片的下端自左往右地扫掠，扫掠所形成的路径为弧形；接着，调整所述激光器上移一定距离，所述距离等于或略小于所述激光光束的长度；接着，在第二行扫掠时，是由激光光束从所述半导体晶片的下端自右往左地扫掠；重复上述各步骤，自左往右再自右往左地往复扫掠，直至由激光光束将所述半导体晶片整个地扫掠一遍，完成第一行程的激光热退火工艺。
所述执行多行程的激光热退火的激光光束可以由激光器产生，优选地，所述激光器为二氧化碳激光器。所述二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质，放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体(主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气)；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上施加高电压(一般是直流的或低频交流的)，放电管中产生辉光放电，用锗或砷化镓磨制的部分反射镜就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段。在一实施例中，所述形成的激光光束大致呈矩形，长度可以为8毫米至9毫米，宽度为0.1毫米至0.2毫米。
另外，在上述第一行程的激光热退火工艺中，所述激光器产生的激光光束的温度为1050摄氏度至1300摄氏度，脉宽在几十纳秒量级，扫掠时间为100微秒至1毫秒。在这里，所述扫掠时间具体指激光光束扫掠半导体晶片上的任一点所需耗费的时间。
需说明的是，在其他实施例中，步骤S2中的各子步骤仍可作其他的变更。例如，在进行一次扫掠后调整所述激光器上移一定距离也可以通过调整所述半导体晶片下移相应的距离来实现，具有类似的效果。
步骤S3，调整所述半导体晶片的位置。在本实施例中，所述调整所述半导体晶片的位置是将所述半导体晶片以顺时针方向或逆时针方向旋转90度。具体包括：找到所述半导体晶片的定位标记(即晶片缺口notch)；顺时针或逆时针旋转所述半导体晶片，直至使得旋转后的定位标记的新坐标相对于旋转前的原有坐标相差90度角。当然，在其他实施例中，所述旋转的角度可以根据实际情况而作适应性调整，例如所述旋转角度也可以为45度或135度。
步骤S4，执行第二行程的激光热退火工艺。在第一实施例中与步骤S4相类似。具体来讲：在第一行扫掠时，是由激光光束从所述半导体晶片的下端自左往右地扫掠，扫掠所形成的路径为弧形；接着，调整所述激光器上移一定距离，所述距离等于或略小于所述激光光束的长度；接着，在第二行扫掠时，是由激光光束从所述半导体晶片的下端自右往左地扫掠；重复上述各步骤，自左往右再自右往左地往复扫掠，直至由激光光束将所述半导体晶片整个地扫掠一遍，完成第二行程的激光热退火工艺。
图3为在第一实施例中根据步骤S2至步骤S4对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图。如图3所示，第一行程激光热退火工艺中激光束所形成的扫掠路径与第二行程激光热退火工艺中激光束所形成的扫掠路径相互交叉(相邻二行程的激光热退火工艺中的扫掠路径之间交叉角的角度为90度)，使得第一行程激光热退火工艺中对半导体晶片W所产生的应力与第二行程激光热退火工艺中对半导体晶片W所产生的应力相互抵消，使得半导体晶片获得低翘曲度的效果。
图4为本发明半导体器件的制作方法在第二实施例中对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图。如图5所示，与第一实施例相比，在第二实施例中，第一行程激光热退火工艺中激光束所形成的扫掠路径与第二行程激光热退火工艺中激光束所形成的扫掠路径也是相互交叉的(相邻二行程的激光热退火工艺中的扫掠路径之间交叉角的角度为90度)；相对于上述第一实施例中的执行的激光热退火工艺采用的是弧形扫掠方式，在第二实施例中采用的则是线形扫掠方式。在第二实施例中，同样具有消除半导体晶片W中应力的效果。
图5为本发明半导体器件的制作方法在第三实施例中对半导体晶片执行激光热退火工艺的状态变化图。如图5所示，与图3所示的第一实施例作对比：在第一实施例中执行了两行程的激光热退火工艺，而在第二实施例中则执行了四行程的激光热退火工艺；在第一实施例中相邻两行程激光热退火工艺之间半导体晶片所旋转的角度(即交叉角)为90度，而在第三实施例中相邻两行程激光热退火工艺之间半导体晶片所旋转的角度(即交叉角)为45度。
综上所述，本发明提供了半导体器件的制作方法，主要在执行多行程的激光热退火工艺时，相邻两行程激光热退火工艺中的扫掠路径之间具有交叉角，使得半导体器件中各膜层的应力在不同扫掠路径的激光热退火工艺中达到一个相对的平衡，相应降低应力，使得半导体晶片获得低翘曲度的效果。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种半导体器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层；
执行多行程的激光热退火工艺，且相邻两行程的激光热退火工艺中的扫掠路径之间具有交叉角。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述提供形成有PMOS晶体管的半导体晶片，在所述PMOS晶体管的源/漏区中嵌入锗硅层具体包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极介电层和位于栅极介电层上的栅极；
在所述半导体衬底外延生成锗硅层，所述锗硅层位于所述栅极的两侧；
以栅极为掩膜，在半导体衬底内进行轻掺杂离子注入，形成轻掺杂源/漏区；
在栅极介电层和栅极的相对二侧形成隔离侧壁；
以栅极和隔离侧壁为掩膜，在半导体衬底内进行重掺杂离子注入，形成重掺杂源/漏区。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述锗硅层的厚度为500埃至2000埃。
4.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述锗硅层中锗的含量为15％至40％。
5.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述执行多行程的激光热退火包括：在完成上一行程激光热退火工艺之后且开始执行下一行程激光热退火工艺之前，调整所述下一行程激光热退火工艺的扫掠方向或者所述半导体晶片的位置，使得所述下一行程激光热退火工艺的扫掠路径与相邻的上一行程激光热退火工艺的扫掠路径之间具有交叉角。
6.根据权利要求5所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述交叉角的角度为45度、90度或135度。
7.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述每一行程激光热退火工艺的温度为1050摄氏度至1300摄氏度，扫掠时间为100微秒至1毫秒。
8.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述多行程的激光热退火工艺具体为两行程、四行程或八行程的激光热退火工艺。
9.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述激光热退火采用弧形扫掠方式或线形扫掠方式。
10.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述执行多行程的激光热退火的激光器为二氧化碳激光器。
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