TW200529373A - A method of integrating the formation of a shallow junction n channel device with the formation of p channel, ESD and input/output devices - Google Patents

Description

200529373 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體元件的製造方法’且特別疋有 關於一種將淺接合N型通道金氧半場效電晶體（N channel Metal Oxide Semiconductor, NM0S)元件與其他種類元 件，在不破壞N型金氧半場效電晶體的淺源極/汲極區 (shallow source/drain region)的情況之下加以整合製 造的方法。 【先前技術】 將數個不同種類的元件一起製於同一片半導體晶片上 可以增強效能並降低製造成本，如同包含著N型金氧半場 效電晶體及P型金氧半場效電晶體（p channel Metal Oxide Semiconductor，PM0S)的互補式金氧半場效電晶體 (Complimentary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)元 件的製作，便可經由一整合程序步驟來加以完成，而靜電 放電（Electro-Static Discharge, ESD)元件的結構也可 依此方式來加以實現。這種將全部的元件置於同一半導體 晶片上的做法，其各元件間的連線一樣是被設計在同一半 導體晶片内，故可以有著更少的外加連線以降低電阻並增 加效能。比較起來，各元件皆非置於同一半導體晶片上的 組態，其各元件之間勢必要加入多條會增加電阻的外部連 線。另外，在元件的製造過程中，藉由共用某些特定程序 步驟還可以降低製造成本。 為了對特疋元件獲得需求之元件特性，如被應用於邏

第8頁 200529373 五、發明說明（2) 輯或記憶體電路用途的N型金氧半場效電晶體，會受所選 擇製造此些元件的製程步驟所影響。例如一個被應用在記 憶體用途的N型金氧半場效電晶體元件，其可以藉由淺源 極/没極區的設計使通道寬度變窄，而淺源極/汲極區可以 經由低能量的離子植入程序將N型摻雜物摻入半導體基材 裡接近表面的地方來加以形成。但若在_金氧半場效電 晶體的源極/汲極區植入程序之後還進行了其他用以得到 他種元件的製程步驟，則部分存在於半導體基材表面附近 的換雜物就會被破壞或是移除。因此本發明將會指導一種 在同一片半導體晶片上製作多種元件的製程步驟，用以先 執行其中一些特定製程步驟將他種元件製作完成後，再行

產生2型金氧半場效電晶體元件的源極/汲極區。另外在N 型f氧半場效電晶體源極/汲極區形成之後所執行的一些 序的運作條件會有所改變，以降低已形成之N型金 ^半效電晶體源極/汲極區被破壞或移除的風險。在先 ，技術如Alvis等人於美國專利第6, 455, 38 5 B1號及Doris 吴國專利第6, 509，221 B1號中，有著產生互補式金 ^ %效電晶體元件以及將源極/汲極離子植入條件最佳 化的方法，作細、、/y 士 ^ χτ , 1一部/又有像本發明一樣敘述能夠將淺源極/汲 極Ν型金氧本摄μ + 琢效電晶體與其他元件種類，如Ρ型金氧半場 效電晶體、Ρ刑&山 〜丄& ^輸出入及靜電放電元件’加以整合製造的 新式製程步驟^法的t前技術。 【發明内容】

200529373_ 五、發明說明（3) ~' 因此本發明的目的就早 金氧半場效電晶體元能夠將淺源極/汲極· 晶體元件、p型輸出入开杜種兀件，如嗖金氧半場效電 製造的方法。 牛以及靜電放電元件，加以整合 本發明的另一目的是A担糾 土 序完成之後，#進行製作他種元件的製作程 電晶體源極/汲極區的方法私序以產生Ν型金氧半場效 本發明的又一目的是太姐 _ . χ 源極㈣區被植入之一二巧金氧半場效^體 除：ί險的方，Λ電晶體部分源極7…被破壞或移 氧主π在X· ^東述付5本發明的一種將淺源極/汲極之Ν型金 %效電晶冑元件肖他種元件一起整合製造的方法，在 =—糸列的步驟當中降低了 N型金氧半場效電晶體的部分 二虽/汲極區被破壞或移除的風險。首先先在一半導體基 的第一，分上製作一靜電放電元件，接著再於同一半導 基材的第二部分上製作一 p型輸出入元件。待長出閘絕 暮層（gate insulator layer)之後再形成一具傳導性之傳 居閑極結才冓（con due t i ve gat e s true ture )覆蓋於閘絕緣 曰之上。當P型源極/汲極區於半導體基材的第三部分中在 未X傳導閘極結構保護的情形下成形時，半導體基材的第 4分正受著光阻模（ph〇t〇resist shape)的保護。而在 保護非N形金氧半場效電晶體區域的光阻模成形之後，會 於半導體基材的第四部分裡頭未受傳導閘極結構所覆蓋的

第10頁 200529373 五、發明說明（4) —------ 地方，開始執行低能量的離子括 源極/汲極區。接下來，會在以。以製作淺接合Ν形 效電晶體源極/汲極區被破壞邀:^植入之Ν形金氧半場 執行如光阻模移除、建立側壁、移除的風險為條件之下， 序。 ^離物以及濕式清潔等程 :實施方式】 在此將會詳細敘述將淺源極/汲 件與他種元件整合製造的製程步驟=電晶體元 源極/汲極N型金氧半場效電晶於义二，/、中用以與淺 製作的他種元件有一靜電放電步驟中-同被 及一 P型金氧半場效電晶體元件。牛、―一阳輸出入元件以 外加入可一同參與製作的他種^右還想在這些元件以 將這些他種元件製作完成後，無論如何都還是要 晶體的淺源極/汲極區《第—圄再*仃製作_金氧半場效電 具有晶體方向特徵< 1 〇 〇 >的單二J 1 =描繪出了一 P型並且 材5的部分丨用來容納靜電放9夕半導體基材5,半導體基 出入元件，同時部分3會用來容7^牛〇’部f 2用來容納P型輸 件。而在這些他種元件的製、，型金氧半場效電晶體元 金氧半場效電晶體的製作會在:成之後，淺源極/汲極N型 行。 半導體基材5的部分4當中進 當於部分1進行靜電放電 光阻模6來保護半導體晶圓= 件二程序製作時’會形成 一開：，烛rdw 的部分2、3、4。光阻模6上有 使珅（arsenic)或壤（ph〇sph〇r〇us)離子可以由此

200529373 五、發明說明（5) 開孔對邛刀1所暴露出的部分植入形成n型區域7，以在p型 半，體基材5上製作出-包含N區域的靜電放電元件，這可 由第二圖，略地看出。在前面的步驟完成後，光阻模6會 為以四氟化奴（CI?4)為反應物的氧氣電漿灰化（plasma oxygen ashing)程序所移除。 接下來’要在半導體晶圓5的部分2上製作一高摻雜p型（p 輸出入疋件，這個輸出入元件可以是一個具有一閘絕緣層 與一覆蓋於閘絕緣層上的傳導閘極結構之p型金氧半場效 電μ體元件’但在此僅以一個如金氧半場效電晶體p型源 極/汲極區的高摻雜Ρ型區域丨8為例來解說。於半導體晶圓 5的部分2上製作高摻雜ρ型輸出入元件之前，會先在部分 2 3的上方邛分形成Ν井區域8。這是先利用光阻遮蔽部分 1、4，然後再將濃度約為丨〇 η至丨〇 ls原子數/平方公八 (atonis/cm2)的砷或磷）離子以約5〇至1〇〇〇仟電子^ 的能量來植入形成。在N井的植入程序完成之後，、e 分1、4的光阻模會被移除，並形成另一光阻模9，用濩邛 硼（boron)或二氟化硼（Βί?2)離子植入半導體基材以將 所暴露出的部分，此ρ型植入程序會以約i 〇 12£ ^ 分2 平方公分的濃度及約50至1 〇〇〇仟電子伏特的能量原子數/ 以於Ν井區域8的上方部分形成重摻雜ρ型區域i 8 ,、進行， 生所需求之重掺雜ρ型輸出入元件，這可由第三進而產 看出。在前面的步驟完成後，光阻模9會為一以四，略， (BF 4)為反應物的氧氣電漿灰化程序所移除。 氣化石反 在下面所要製作P型及淺源極/汲極N型金氧丰 千場效電

200529373 五、發明說明（6) ^^'-〆 晶體皆需要的閘絕緣層及傳導閘極結構，复可+ ^ ^ /、』由第4圖中 概略看出。閘絕緣層1 0為一利用如氧化矽材料 t尸/f裝成的、，’έ» 緣層，於一氧流（ο X y g e η - s t e a m)環境中經由埶士、 印热成長的過私 將厚度長至約在5至60埃（Angstroms)之間。接著，製作/ 利用如摻雜多晶矽（doped polysilicon)層為材料的導通 層覆蓋於閘絕緣層1 0之上，其厚度約在5 〇 〇至4 〇 〇 〇埃之i 間，其中，摻雜多晶矽層可以在進行低壓化學氣相沉積法 (Low Pressure Chemical Vapor Dep〇siti〇n， LpcvD)& 同時’於充滿矽烧（si lane)或非矽烷（di si lane)的環境中 加入砷化三氫（arsine )或磷化氫（ph〇sphine)在沉積處兄加 以摻雜而成，也可以先植入砷或磷離子然後再沉積一1的 多晶碎層來獲得。若有需要的話，導通層裡也可以包=一 如以矽化鎢（tungsten si 1 icide)為材料的石夕化金屬層或 是一如鎢（tungsten)為材料的金屬層。下一步要形成一光 阻模19做為非等向反應性離子蝕刻（anis〇tr〇pi/ reactive ion etch)程‘序的蚀刻罩幕，以製作傳導閘極社 構11。在此非等向反應性離子触刻程序中利用氣氣（C1 做為多晶矽的蝕刻液，選擇性地蝕刻至閘絕緣層1 〇的上2表 面即停止。在這些步驟完成後’光阻模19會經由一以四氟 化碳為電襞移除程序反應物的氧氣電漿灰化程序所移除。 f移除光阻模19之後，需利用含有緩衝劑或稀釋過後的氫 氣酸（hydrofluoric)來進行後段清潔（p〇st_clean)程序，

以溶解閘絕緣層1 0未受傳導閘極結構丨丨保護的部分，這可 由第四圖概略地看出。 Q

200529373 五、發明說明（7) 接著要製作的是傳導閘極結構側壁絕緣間隙壁2 〇，這 可在形成金氧半場效電晶體源極/沒極區之前，先行在傳 導閘極結構的側邊完成。一個厚度約在5 0 0至4 0 〇 〇埃之 間，以如氧化石夕（s i H c 〇 η 〇 X i d e )或氮化石夕（s i 1 i c ο η n i t r i de )為材料經低壓化學氣相沉積或電漿加強化學氣相 沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, P E C V D )程序沉積而成的絕緣層，會在下一步經過以三氣甲 炫（CHF 0或四氟化碳為钱刻液的非等向反應性離子蝕刻程 序之後，因其選擇特性於傳導閘極結構丨丨的侧邊產生側壁 絕緣間隙壁2 0。如有需要的話，可在側壁絕緣間隙壁2 〇產 生之前’先行在半導體基材5當中未被傳導閘極結構丨1覆 蓋的地方形成一輕摻雜源極/汲極區。在本例的圖示中未 將輕摻雜源極/沒極區繪製出來，但其能夠使通道長度變 得較窄，也能降低熱電子注入閘絕緣層的風險。侧壁絕緣 間隙壁20位於傳導閘極結構丨丨的側邊，這可由第五圖概略 地看出。 在下一步=要在半導體晶圓5上的部分3形成p型金氧 半場效電晶體的源極/汲極區，這可由第五圖概略地看 出。首先要形成：能夠在離子植入程序中保護部分（(靜電 放電元件）、重摻雜p型輸出入元件）以及部分4電 源極/没極效電晶體元件）的光阻模12，在此 執行的離子植=J疋為要將硼或氟 至，電：及約在…至二原子數V 方公分之間的濃度’植入部分3(p型金氧半場效電晶體：里

200529373 五、發明說明（8) N井區域8未受傳導閘極結構1 1或侧壁絕緣間隙壁2 〇所覆蓋 的部分。在這些步驟完成後，光阻模1 2會再一次經由—以 四氟化碳為灰化反應物的氧氣電漿灰化程序所移除。 步驟至此開始要在半導體基材5上的部分4中製作Nl} 金氧半場效電晶體元件的淺源極/沒極區。首先在半導體 基材5上除了部分4的地方形成光阻模2 5，使淺源及a及極 區1 4能夠在部分4中未受傳導閘極結構1 1或側壁絕緣間隙 壁2 0所覆蓋的部分成形。如第6圖所示，淺源及/汲極區\ 4 是經由砷離子以約在5至5 0仟電子氟之間的能量以及約在 1 0 12至1 0 16原子數/平方公分之間的濃度植入而成。當植入 程序於上述的條件下執行時，可製作出一淺N型源極/汲極 區，但由於植入後的離子接近半導體基材5的表面，所以 在接下來的程序中便顯得脆弱易損。在將砷離子植入淺源 極/汲極區1 4後，光阻模25會經由氧氣電漿灰化程序來加'、 以移除。之前都是利用四氟化碳來做為氧氣電漿灰化程序 中重要的反應物來達成光阻的完全移除，但四氟化碳在此 會對暴露出來的半導體材料造成些微的蝕刻效果。然而， 移除N型金氧半場效電晶體元件上的淺源極/汲極區的源極 /沒極材料所產生的影響會遠大於一般深層擴散或源極^及 極區發生同樣情況時所產生的影響，因此為要降低在 極/汲極區1 4上部所造成的蝕刻或移除風險，必須在氧氣’、 電漿灰化程序執行時將電漿灰化設備中流動的四氟化碳由 約50至7 0立方公分/分鐘（sccm)之間的速率降低到約至 5 0立方公分/分鐘之間的速率。另外，在移除光阻後利用

第15頁 200529373 五、發明說明（9) 氫氧化銨-過氧化氫合成水（amm〇niuin hydroxide-hydrogen peroxide-water)所進行的濕式清潔 程序中，也必須將時程由約4至6分鐘之間減少到約〇 · 5至 1 · 5分鐘之間。如此縮短濕式清潔程序的時程可再一次地 限制住了淺源極/汲極區丨4的暴露時間，以降低淺源極/汲 和已上在濕式清潔程序當中被姓刻或移除的風險。 由上述結果可知，淺源極/沒極N型金氧半場效電晶體 的製作可視為本製程步驟中的一部份，與如靜電放電、輸 出入及P型金氧半％效電晶體元件等他種元件整合，這種 特疋的製私步驟以及淺源極/汲極_金氧半場效電晶體形 Ϊ =後的程序可以用來防止製程的混亂以及淺源極/汲極 二的部分移除。所以具有淺源極/沒極區特徵的氧半 電=是在形成他種元件之後，才加以製作完成的。 極，及二V:需要將其執行條件予以降低，以避免淺源 //及極區發生部分移除的狀況。 定：i 明已以：較佳實施例揭露如i，然其並非用以限 範圍；，二t:熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 圍當視德：ί各種之更動與潤飾，®此本發明之保護範 田後附之申請專利範圍所界定者為準。

200529373 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下： 第 1圖至第6圖為以概略的截面圖方式所表達的淺源及/ 汲及N形金氧半場效電晶體元件與他種元件之整合製程步 驟的各主要階段。

【元件代表符號簡單說明】 1 半導體基材部分 2 半導體基材部分 3 半導體基材部分 4 半導體基材部分 5 半導體基材 6 光阻模 7 N型區域 8 N井區域 9 光阻模 10 閘絕緣層 11 傳導閘極結構 12 光阻模 13 源極/ >及極區 14 淺源極/汲極區 18 重摻雜P型區域 19 光阻模 20 側壁隔離物 25 光阻模

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Claims (1)

1. 200529373 六、申請專利範圍 1· 一種利用整合製造步驟於一半導體基材上同時製作金 氧半場效電晶體元件以及他種元件之方法，其步驟至少包 含： 形成該他種元件於該半導體基材之第一部分中； 形成該金氧半場效電晶體之一閘絕緣層於該半導體基 材之第二部分中； 形成一傳導閘極結構於該閘絕緣層之上； 形成至少一絕緣間隙壁於該傳導閘極結構之側邊； 形成一光阻模於該半導體基材之該第一部份上之該他 種元件之上，該光阻模暴露出該半導體基材之該第二部 分； 執行一離子植入程序，用以於未為該傳導閘極結構或 該絕緣間隙壁所覆蓋之該半導體基材之該第二部分之部分 形成一源極/汲極區； 執行一電漿程序，用以移除該光阻模；以及 執行一濕式清潔程序。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該他種元件係 選擇自一由一靜電放電元件、一輸出入元件及一互補式金 氧半場效電晶體所組成之集合。 3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該閘絕緣 層為一經熱成長長出，厚度在5至5 0埃之間之二氧化矽

   第18頁 200529373 六、申請專利範圍 層。 4 ·如專利申請範圍第1項所述之方法，其中該傳導閘 極結構之厚度在5 0 0至4 0 0 0埃之間，並含有摻雜多晶矽。 5.如專利申請範圍第1項所述之方法，其中該傳導閘 極結構之厚度在5 0 0至2 0 0 0埃之間，並含有矽化鎢。 6 ·如專利申請範圍第1項所述之方法，其中該絕緣間 隙壁之厚度在5 0 0至4 0 0 0埃之間，並含有氧化矽。 7 ·如專利申請範圍第1項所述之方法，其中該絕緣間 隙壁之厚度在5 0 0至4 〇 〇 〇埃之間，並含有氮化矽。 8 ·如專利申請範圍第1項所述之方法，其中用以形成 該源極/沒極區之該離子植入程序係使用砷離子，執行能 量在5至5 0仟電子伏特之間，執行濃度在1 〇 至1 〇 le原子數/ 平方公分之間。 9·如專利申請範圍第1項所述之方法，其中用以移除 該光阻模之該電漿程序為一利用四氟化碳為反應物之氧氣 電漿灰化程序’四氟化碳流之執行速率在3 0至5 0立方公八 /分鐘之間。 n

   第19頁 200529373_ 六、申請專利範圍 1 0 .如專利申請範圍第1項所述之方法，其中該濕式 清潔程序係利用氫氧化銨-過氧化氫合成水來執行，執行 時程在0 . 5至1. 5分鐘之間。 11. 一種在至少一他種元件形成於一半導體基材之一 第一部分後，於該半導體基材之一第二部分形成一 N通道 金氧半場效電晶體元件之淺源極/汲極區之方法，其步驟 至少包含：

   形成一 N井區於該半導體基材之該第二部分及該第一 部分中之一第三區； 形成一靜電放電元件於該半導體基材之該第一部分中 之一第一區； 形成一輸出入元件於該半導體基材之該第一部分中之 一第二區； 形成一閘絕緣層於該半導體基材之該第一部分中之該 第三區及該半導體基材之該第二部分； 形成至少一傳導閘極結構於該閘絕緣層之上； 形成至少一絕緣間隙壁於該傳導閘極結構之側邊；

   執行一第一離子植入程序，用以於該半導體基材之該 第一部分之該第三區中，且未為該傳導閘極結構或該絕緣 間隙壁所覆蓋之部分形成至少一 P型源極/汲極區，使該半 導體基材之該第一部分之第三區中產生一 P通道金氧半場 效電晶體元件； 形成一光阻模於該半導體基材之該第一部分，該光阻

   第20頁 200529373 六、申請專利範圍 一 2 一開孔暴露出該半導體基讨之該第二部分； 苐二部H 第二離子植入程序，用以於該半導體基材之該 部分形I、’未為該傳導閘極結構戒該絕緣間隙壁所覆蓋之 執t _淺源極/沒極區； t〜電漿程序，用以移除該光阻模；以及 于 濕式清潔程序。 緣層為2二如申請專利範圍第1 1項所述之方法，其中該閘絕 層。·、、、〜缝熱成長長出，厚度在5裏5 0埃之間之二氧化矽 13 閘極鈐·如專利申請範圍第11項所述之方法’其中該傳導 矽。、"構之厚度在50 0至40 0 0埃之間，並含有摻雜多晶 14 κ 閘極鈐·如專利申請範圍第11項所述之方法’其中該傳導 、"構之厚度在5 0 0至2 0 0 0埃之間，並含有矽化鎢。 15

   間隙壁·如專利申請範圍第11項所述之方法，其中該絕緣 之厚度在5 0 0至4 0 0 0埃之間，並含有氧化矽。 16 間隱壁·如專利申請範圍第11項所述之方法，其中該絕緣 之厚度在5 0 0至4 0 0 0埃之間，並含有氮化矽。

   第21頁 200529373_ 六、申請專利範圍 1 7.如專利申請範圍第1 1項所述之方法，其中用以形 成該N型源極/汲極區之該第二離子植入程序係使用砷離 子，執行能量在5至5 0仟電子伏特之間，執行濃度在1 0 12至 10 16原子數/平方公分之間。 1 8 .如專利申請範圍第1 1項所述之方法，其中用以移 除該光阻模之該電漿程序為一利用四氟化碳為反應物之氧 氣電漿灰化程序，四氟化碳流之執行速率在3 0至5 0立方公 分/分鐘之間。

   1 9.如專利申請範圍第1 1項所述之方法，其中該濕式 清潔程序係利用氫氧化銨-過氧化氫合成水來執行，執行 時程在0 . 5至1. 5分鐘之間。

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