CN113299738B - 半导体装置及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体装置及其形成方法，半导体装置包括衬底、有源结构，以及浅沟渠隔离。有源结构设置于所述衬底内，并包括多个第一有源片段以及多个第二有源片段，第一有源片段以及第二有源片段相互平行、相互分隔地朝着第一方向延伸，第二有源片段设置在所有的所述第一有源片段外侧，其中，第一有源片段在第一方向上具有相同的第一长度，第二有源片段在第一方向上具有第二长度，第二长度大于第一长度。
Description
技术领域
本申请涉及一种半导体装置及其形成方法，尤其是涉及一种包括有源结构以及浅沟渠隔离的半导体装置及其形成方法。
背景技术
随着半导体装置微小化以及集成电路的复杂化，组件的尺寸不断地减小，结构亦不断地变化，因此，维持小尺寸半导体组件的效能为目前业界的主要目标。在半导体制作工艺中，多半是在衬底上定义出多个有源区域作为基础，再于所述有源区域上形成所需组件。一般来说，有源区域为利用光刻及蚀刻等制作工艺在衬底上所形成多个图案，但在尺寸微缩的要求下，有源区域的宽度逐渐缩减，而各个有源区域之间的间距也渐缩小，使得其制作工艺也面临许多限制与挑战，以至于无法满足产品需求。
发明内容
本申请之一目的在于提供一种半导体装置，其有源结构具有长度不一的多个有源片段，其中，长度相对较长的有源片段系围绕着长度相对较短的有源片段设置，并直接连接外围有源区。藉此，可改善所述半导体装置周围的应力，避免所述半导体结构的倒塌或毁损，使得所述半导体装置可达到较为优化的元件效能。
为达上述目的，本申请之一实施例提供一种半导体装置，包括衬底、有源结构、以及浅沟槽隔离。所述有源结构设置于所述衬底内并包括多个第一有源片段以及多个第二有源片段，所述第一有源片段以及所述第二有源片段相互平行、相互分隔地朝着第一方向延伸，所述第二有源片段围绕所述第一有源片段设置。其中，所述第一有源片段在所述第一方向上具有相同的第一长度，所述第二有源片段在所述第一方向上具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度。所述浅沟渠隔离则环绕所述有源结构。
为达上述目的，本申请之一实施例提供一种半导体装置的形成方法，包括以下步骤。首先，提供一衬底，并于所述衬底内形成有源结构。所述有源结构包括多个第一有源片段以及多个第二有源片段，并且所述第一有源片段以及所述第二有源片段相互平行、相互分隔地朝着第一方向延伸。所述第二有源片段围绕所述第一有源片段设置，其中，各所述第一有源片段在所述第一方向上具有相同的一第一长度，所述第二有源片段在所述第一方向上具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度。然后，于所述衬底内形成浅沟渠隔离，环绕所述有源结构。
附图说明
图1至图2为本申请第一优选实施例中半导体装置的示意图；其中
图1为本申请的半导体装置之有源结构的俯视示意图；以及
图2为图1沿切线A-A’的剖面示意图。
图3至图5为本申请优选实施例中半导体装置的形成方法的示意图；其中
图3为一半导体结构形成浅沟渠以及有源区单元后的俯视示意图；
图4为图3沿切线A-A’的剖面示意图；以及
图5为一半导体结构形成第一开口以及第二开口后的俯视示意图。
图6为本申请第二优选实施例中半导体装置的示意图。
图7为本申请第三优选实施例中半导体装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、300、500 半导体装置
110 衬底
120 浅沟渠隔离
121 浅沟渠
122 第一隔离部分
124 第二隔离部分
130 第一有源区
130a 有源区单元
131 第一有源片段
132 第一开口
133 第二有源片段
133a 端面
134 第二开口
135 第三有源片段
135a 端面
140、340、540 第二有源区
141、341、541 第一侧边
143、343、543 第二侧边
150 有源结构
341a、343a 片段
342、344 开口
541a、543a 片段
542、544 开口
D1 第一方向
D2 第二方向
D3 第三方向
L1、L2 最大孔径、宽度
S1、S2、S3、S4、S5 长度
具体实施方式
为使熟悉本申请所属技术领域的一般技术者能更进一步了解本申请，下文特列举本申请的数个优选实施例，并配合所附的附图，详细说明本申请的构成内容及所欲达成的功效。熟习本申请所属领域的技术人员能在不脱离本申请的精神下，参考以下所举实施例，而将数个不同实施例中的特征进行替换、重组、混合以完成其他实施例。
请先参照图1至图2，为本申请第一优选实施例中半导体装置100的示意图，其中，图1为半导体装置100的俯视示意图，图2则为半导体装置100的剖面示意图。半导体装置100包括一衬底110，例如是一硅基底、含硅基底(如SiC、SiGe)或硅覆绝缘(silicon-on-insulator,SOI)基底等，衬底110内设置至少一浅沟渠隔离(shallow trench isolation,STI)120，以在衬底110定义出一有源结构(active structure)150，意即，浅沟渠隔离120系环绕有源结构150设置。有源结构150进一步包括第一有源区130以及第二有源区140，其中，第二有源区140较佳系围绕在第一有源区130的外侧，以作为一外围有源区。在一实施例中，第一有源区130例如是设置于半导体装置100中组件积集度相对较高的区域，如主动区域、存储区域等，而第二有源区140则是设置于半导体装置100中组件积集度相对较低的区域，例如是一周边区域，但不以此为限。
如图1以及图2所示，第一有源区130细部包括多个第一有源片段131、多个第二有源片段133以及多个第三有源片段135，系相互平行地沿着一相同方向(例如是第一方向D1)延伸，其中，第一方向D1例如是不垂直于x方向(例如是第二方向D2)或y方向(例如是第三方向D3)。详细来说，第一有源片段131、第二有源片段133以及第三有源片段135相互分隔地位在衬底110内，并且，第二有源片段133系围绕着所有的第三有源片段135以及所有的第一有源片段131设置。如图1所示，第一有源片段131、第二有源片段133以及第三有源片段135沿着第一方向D1依序排列成复数个纵列，而可整体呈现一特定排列，例如是一阵列排列(array arrangement)等，但并不限于此。
需注意的是，相邻的两个第一有源片段131之间系被第一开口132隔开，且各个第一有源片段131在第一方向D1具有一相同长度S1；而相邻的第一有源片段131以及第二有源片段133之间同样系被第一开口132隔开，且各个第二有源片段133在第一方向D1上可具有不同的长度(例如是长度S2、S3等)，且皆大于第一有源片段131的长度S1。而第三有源片段135在第二方向D2上系设置于第二有源片段133以及第一有源片段131之间，并且，相邻的第三有源片段135、或是相邻的第二有源片段133以及第三有源片段135在第三方向D3上系被第二开口134隔开，使得在第二方向D2上相邻的两个第三有源片段135可具有相互切齐的端面135a、133a、在第二方向D2上相邻的两个第二有源片段133可具有相互切齐的端面133a、或是在第二方向D2上相邻的第二有源片段133以及第三有源片段135可具有相互切齐的端面135a、133a，如图1所示。需注意的是，部分的第三有源片段135在第三方向D3上的两相对端面135a系分别与相邻的第二有源片段133的端面133a以及相邻的第三有源片段135的端面135a切齐。另外，相邻的两个第三有源片段135在第一方向D1上可具有不同的长度(例如是长度S4、S5等)，且皆小于第一有源片段131的长度S1。
从另一方面来看，第二开口134在第二方向D2上系设置于所有的第一开口132的两相对侧，并且，第二开口134以及第一开口132分别沿着第三方向D3依序排列成复数个纵列，各个所述纵列中的第二开口134或第一开口132相互对位，相邻的所述纵列中的第二开口134或第一开口132则在第二方向D2上相互错位，使得第二开口134以及第一开口132可整体呈现一阵列排列，但并不限于此。其中，第二开口134在第二方向D2上具有相对较大的最大孔径L2，系大于第一开口132在第二方向D2上的最大孔径L1。如此，浅沟渠隔离120填入第一开口132、第二开口134的部分则可分别形成多个第一隔离部分122以及多个第二隔离部分124，并相应地具有宽度L1、L2，如图2所示。其中，第一隔离部分122系位于任两相邻的第一有源片段131之间、或相邻的第一有源片段131以及第二有源片段133之间，而第二隔离部分124系位于任两相邻的第二有源片段133之间、或相邻的第二有源片段133以及第三有源片段135之间，以进一步隔离各个第一有源片段131、第二有源片段133以及第三有源片段135。
第二有源区140细部包括沿着第二方向D2延伸的至少一第一侧边141，以及沿着第三方向D3延伸的至少一第二侧边143，使得第二有源区140可整体呈现一矩框状(rectangular frame)并直接接触第二有源片段133。也就是说，所有的第二有源片段133皆可进一步连接至第二有源区140的第一侧边141、第二侧边143、或是同时连接第一侧边141以及第二侧边143，而第一有源片段131、第三有源片段135则不连接至第二有源区140，并透过第一隔离部分122以及第二隔离部分124与第二有源区140完全隔离，如图1所示。在此设置下，第二有源区140可较为均匀地承受来自于第一有源区130以及浅沟渠隔离120的应力影响，以获得较稳定的结构。本领域者应可理解，所述第一侧边或所述第二侧边的具体设置数量皆可依据实际需求而调整，或是还可另包含其他侧边，而使得所述第二有源区可整体呈现其他形状，不以前述矩框状为限。
由此，本申请第一优选实施例的半导体装置100系在长度相对较短的第一有源片段131(例如是长度S1)以及第三有源片段135(例如是长度S4、S5等)周围设置长度相对较长的第二有源片段133(例如是长度S2、S3等)，并使得第二有源片段133进一步连接至第二有源区140的至少一侧边(包括第一侧边141、第二侧边143、或是第一侧边141以及第二侧边143)。如此，可透过第二有源片段133提供不同的延伸长度来稳定并强化设置在第一有源片段131周围的外围有源区(即第二有源区140)的结构，以改善半导体装置100周围的应力，避免发生周围结构倒塌或崩裂等问题。并且，第二有源片段133的长度(例如是长度S2、S3等)相对较长，可进一步分散浅沟渠隔离120的应力影响，以获得较稳定的结构。后续，半导体装置100可继续用于形成其他半导体主动组件，如存储器组件或晶体管组件等，以进一步提升后续形成组件的效能。
为了使本领域普通技术人员能够实现本申请，下面进一步描述本申请的半导体装置100的形成方法。请参考图3至图5，分别绘出根据本申请优选实施例的半导体装置100的图案化制作工艺，其中，有源结构150的形成可借助但并不限定于以下所述的图案化制作工艺。首先，在衬底110上形成一掩膜层(未示出)，所述掩膜层包括可用以定义多个有源区单元130a的图案并暴露出部分的衬底110，利用所述掩膜层进行一蚀刻工艺，移除所述部分的衬底110形成至少一浅沟渠(shallow trench)121，同时于衬底110定义出相互平行、间隔且沿着第一方向D1延伸的有源区单元130a，如图3以及图4所示。然后，请参照图5所示，再于衬底110上形成另一掩膜层(未示出)，所述另一掩膜层包括可用以定义第一开口132以及第二开口134的图案并暴露出部分的有源区单元130a，利用所述另一掩膜层进行另一蚀刻工艺，移除所述部分的有源区单元130a形成第一开口132以及第二开口134(于图5中以虚线矩框呈现)，同时将有源区单元130a截断而形成第一有源片段131、第二有源片段133以及第三有源片段135。接着，再于浅沟渠121、第一开口132以及第二开口134内填入绝缘材料(未示出)，如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等，即可形成顶面切齐衬底110表面的浅沟渠隔离120其中，填入第一开口132的所述绝缘材料形成第一隔离部分122，位于任两相邻的第一有源片段131之间、或相邻的第一有源片段131以及第二有源片段133之间，填入第二开口134的所述绝缘材料则形成第二隔离部分124，位于任两相邻的第二有源片段133之间、或相邻的第二有源片段133以及第三有源片段135之间，如图5所示。
在形成第一有源区130之后，可继续于衬底110形成第二有源区140。在本实施例中，第二有源区140的形成同样可借助衬底110的图案化制作工艺，并且，可选择与第一有源区130的图案化制作工艺一并进行。也就是说，如图3所示，可利用相同或不同的掩膜层(未示出)同时定义或分别定义第一有源区130以及第二有源区140的图案，再一并蚀刻衬底110并填入所述绝缘材料。于此，第一有源区130以及第二有源区140可包括相同的材质(即衬底110的材质)，并且，第二有源区140的第一侧边141、第二侧边143以及与之连接的第二有源片段133即可一体成形，如图5所示。在此情况下，第二有源区140可具有较为稳定、强化的结构，可有效地保护设置于其内侧的第一有源片段131，避免发生结构倒塌或毁损。然而，本领域技术人员应可理解，所述第二有源区的形成并不以前述方法为限，还可借助其他方式形成，例如可与所述第一有源区的制作工艺分开进行。例如，在另一实施例中，所述第二有源区的制作工艺亦可选择在所述第一有源区的制作工艺之前进行，先利用所述衬底的图案化制作工艺形成所述第二有源区，再借助一外延生长制作工艺(epitaxial growth process,未示出)形成所述第一有源区，于此，所述第二有源区与所述第一有源区的顶面即可能不共平面(未示出)；或者，在另一实施例中，所述第二有源区的制作工艺亦可选择在所述第一有源区的制作工艺之后进行，先利用所述衬底的图案化制作工艺形成所述第一有源区，再借助一沉积制程形成所述第二有源区(例如包含多晶硅、介电材质等不同于所述衬底的材质)，于此，所述第二有源区与所述第一有源区即可包含不同的材质。
本申请所属技术领域的一般技术者应可轻易了解，为能满足实际产品需求的前提下，本申请的半导体装置及其形成方法亦可能有其它态样或可以其他手段达成，并不限于前述。举例来说，在一实施例中，亦可能在进行第一有源区130及/或第二有源区140的图案化制作工艺时，透过调整蚀刻条件，而使得所形成的边角部分圆角化，但不以此为限。下文将进一步针对半导体装置的其他实施例或变化型进行说明。且为简化说明，以下说明主要针对各实施例不同之处进行详述，而不再对相同之处作重复赘述。此外，本申请之各实施例中相同之组件系以相同之标号进行标示，以利于各实施例间互相对照。
请参照图6所示，为本发明第二优选实施例中半导体装置300的示意图。本实施例的半导体装置300大体上与前述第一优选实施例中的半导体装置100相同，同样包括衬底110；有源结构150(例如包含第一有源区130以及第二有源区340)；开口132、134；以及浅沟渠隔离120，相同之处容不再赘述。而本实施例与前述实施例的主要差异在于衬底110上额外设置多个开口342、344，将第二有源区340的第一侧边341以及第二侧边343分别截断为多个片段341a、343a。
细部来说，第一侧边341的片段341a相互分隔并直接接触在第二方向D2上两相邻的第二有源片段133，同样地，第二侧边343的片段343a亦相互分隔并直接接触在第三方向D3上两相邻的第二有源片段133。如此，两相邻的第二有源片段133即可透过片段341a彼此相连、俩俩分隔，并且，连结于同一个片段341a的第二有源片段133在第一方向D1上的长度(例如是长度S2、S3)互不相同，如图6所示。
由此，本申请第二优选实施例的半导体装置300同样可透过第二有源片段133提供不同的延伸长度来稳定并强化外围有源区(即第二有源区340)的结构，以改善半导体装置300周围的应力，避免发生周围结构倒塌或崩裂等问题。并且，本实施例中的半导体装置300还在第二有源区340上额外设置开口342、344，可进一步分散第二有源区340的各侧边(包含第一侧边341以及第二侧边343)所承受的应力，以便能进一步提升后续形成于半导体装置300上的组件的效能。
请参照图7所示，为本发明第三优选实施例中半导体装置500的示意图。本实施例的半导体装置500大体上与前述第一优选实施例中的半导体装置100相同，同样包括衬底110；有源结构150(例如包含第一有源区130以及第二有源区540)；开口132、134；以及浅沟渠隔离120，相同之处容不再赘述。而本实施例与前述实施例的主要差异在于衬底110上额外设置多个开口542、544，将第二有源区340的第一侧边541以及第二侧边543分别截断为多个片段541a、543a。
细部来说，第一侧边541的片段541a在第二方向D2上相互分隔并分别接触第二有源片段133，同样地，第二侧边543的片段543a在第三方向D3上亦相互分隔并分别接触第二有源片段133，如图7所示。如此，各个第二有源片段133可彼此相互分隔设置，并且个别地连结于片段541a或片段543a。由此，本申请第三优选实施例的半导体装置500同样可透过第二有源片段133提供不同的延伸长度来稳定并强化外围有源区(即第二有源区540)的结构，以改善半导体装置500周围的应力，避免发生周围结构倒塌或崩裂等问题。并且，本实施例中的半导体装置500还在第二有源区540上额外设置开口542、544，可进一步分散第二有源区540的各侧边(包含第一侧边541以及第二侧边543)所承受的应力，以便能进一步提升后续形成于半导体装置500上的组件的效能。
整体来说，本申请的半导体装置系在主动区域的有源片段的周围设置长度不同且长度较长的有源片段，并使得所述长度不同且较长的有源片段进一步连接至周边区域的外围有源区的至少一侧边、或所述至少一侧边的片段。如此，可透过所述长度不同且较长的有源片段提供不同的延伸长度来稳定并强化所述外围有源区的结构，以改善所述半导体装置周围的应力，避免发生周围结构倒塌或崩裂等问题。在此前提下，本申请的半导体装置可继续用于形成其他半导体主动组件，如存储器组件或晶体管组件等，以进一步提升后续形成组件的元件效能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种半导体装置，其特征在于包括：
衬底；
有源结构，设置于所述衬底内，所述有源结构包括多个第一有源片段以及多个第二有源片段，所述第一有源片段以及所述第二有源片段相互平行、相互分隔地朝着第一方向延伸，所述第二有源片段设置在所有的所述第一有源片段外侧，其中，所述第一有源片段在所述第一方向上具有相同的第一长度，所述第二有源片段在所述第一方向上具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度；以及
浅沟渠隔离，设置于所述衬底内，以环绕所述有源结构；
所述有源结构还包括多个第三有源片段，所述第三有源片段在所述第二有源片段以及所述第一有源片段之间，其中所述第三有源片段在所述第一方向上具有第四长度，所述第四长度小于所述第一长度。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，两相邻的所述第二有源片段在所述第一方向上具有不相同的所述第二长度以及第三长度，所述第三长度亦大于所述第一长度。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，相邻的所述第二有源片段相互分隔设置。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，两相邻的所述第二有源片段彼此相连。
5.根据权利要求1项所述的半导体装置，其特征在于，所述有源结构还包括外围有源区，围绕着所述第一有源片段以及所述第二有源片段设置，所述第二有源片段直接接触所述外围有源区。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述外围有源区包括延伸于第二方向上的至少一第一侧边，以及延伸于第三方向上的至少一第二侧边，其中，所述第二方向以及所述第三方向不垂直于所述第一方向，所述第二方向垂直于所述第三方向。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述第二有源片段直接接触所述外围有源区的所述至少一第一侧边、所述至少一第二侧边、或至少一第一侧边以及所述至少一第二侧边。
8.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还包括：
多个第三有源片段，相互平行、相互分隔地朝着所述第一方向延伸，且所述第三有源片段与外围有源区完全隔离。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，相邻的所述第三有源片段以及所述第二有源片段具有相互切齐的端面。
10.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述浅沟渠隔离包括：
多个第一隔离部分，设置于两相邻的所述第一有源片段之间；多个第二隔离部分，设置于两相邻的所述第二有源片段之间，所述第二隔离部分于所述第二方向上具有第一宽度，所述第一隔离部分于所述第二方向上具有第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度。
11.一种半导体装置的形成方法，其特征在于包括：
提供一衬底；
于所述衬底内形成有源结构，所述有源结构包括多个第一有源片段以及多个第二有源片段，所述第一有源片段以及所述第二有源片段相互平行、相互分隔地朝着第一方向延伸，所述第二有源片段在所有的所述第一有源片段外侧，其中，各所述第一有源片段在所述第一方向上具有相同的一第一长度，所述第二有源片段在所述第一方向上具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度；以及
于所述衬底内形成浅沟渠隔离，环绕所述有源结构；
所述有源结构还包括：多个第三有源片段，所述第三有源片段在所述第二有源片段以及所述第一有源片段之间；所述第三有源片段在所述第一方向上具有第四长度，所述第四长度小于所述第一长度。
12.根据权利要求11所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，两相邻的所述第二有源片段在所述第一方向上具有不相同的所述第二长度以及第三长度，所述第三长度亦大于所述第一长度。
13.根据权利要求11所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，两相邻的所述第二有源片段相互分隔设置。
14.根据权利要求11所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，两相邻的所述第二有源片段彼此相连。
15.根据权利要求11所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，所述有源结构还包括：
多个第三有源片段，相互平行、相互分隔地朝着所述第一方向延伸。
16.根据权利要求15所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，所述浅沟渠隔离包括：
多个第一隔离部分，设置于两相邻的所述第一有源片段之间；
多个第二隔离部分，设置于所述第二有源片段与所述第三有源片段之间。
17.根据权利要求16所述的半导体装置的形成方法，其特征在于，所述第二隔离部分于第二方向上具有第一宽度，所述第一隔离部分于所述第二方向上具有第二宽度，所述第二方向不垂直于所述第一方向，所述第一宽度大于所述第二宽度。
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