TW200830401A - System and method for providing a nanoscale, highly selective, and thermally resilient carbon etch-stop - Google Patents

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Description

200830401 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於積體電路（IC)之製造方法。更特 定而言，本發明為IC中高選擇性碳蝕刻終止之製造方法，、 其中該蝕刻終止即使在經受高溫時亦幾乎不擴散至周圍 導體層内。 ° 【先前技術】 6出現若干種材料系統作為將莫耳定律(M〇ore，s㈣廣 泛推進未來十年的關鍵推動者。該等關鍵推動者包括⑴: 緣體上石夕（S〇I); (2)石夕鍺（SiGe);及（3)應變石夕。就s〇i及相 關技術而言，存在很多與絕緣基板相關的優點。該等優點 包括寄生電容減少、電隔離改良及短通道效應減少。可將 SOI之優點與由SihGej應變石夕元件所達成之能帶隙及載 流子遷移率改良組合。 SOI基板-般包括位於絕緣體上之矽薄層。積體電路組 ·#形成於該矽薄層之中及之上。絕緣體可包含諸如二氧化 矽（Si〇2)、藍寶石或其他各種絕緣材料之絕緣體。 目前，可採用幾種技術來製造s〇I基板。其中一種用於 - 製以S01基板之技術為植入氧加以分離（SIM〇x)技術。在 . 遞ox製程巾，氧係植人在⑪晶®表面下h隨後之退火 步驟產生為石夕上覆層包埋之二氧化石夕層。然而，由於 SIM0X製程中植入所f之時間很長，因此成本極高。此 外，藉由smox形成之801基板彳能易遭受表面損傷及污 染0 125596.doc 200830401 另一種技術為黏結及回蝕S0I(BES0I)技術，其中首先將 經氧化之晶圓與未氧化晶圓擴散性黏結。參考圖i A，矽元 件晶圓loo及矽處理晶圓150構成用於形成BES〇i晶圓之主 要組件。矽元件晶圓100包括：一將充當一元件層之第一 矽層ιοί ; —蝕刻終止層103 ;及一第二矽層1〇5。蝕刻終 止層103通常包含碳。矽處理晶圓15〇包括一下端二氧化矽 層107A、一矽基板層1〇9及一上端二氧化矽層。下端 二氧化矽層107A及上端二氧化矽層1〇7B通常係由熱生長 氧化物同時形成。 在圖1B中，使矽元件晶圓1〇〇與矽處理晶圓15〇達成實體 接觸且彼此黏結。初始黏結製程之後為熱退火，從而加強 黏結。黏結對中之⑦元件晶圓刚變薄。起初，藉由機械 研磨及拋光將第二矽層105之大部分移除，直至僅剩餘數 十微米（亦即"mien)ns"或㈣為止。高選擇率濕式或乾式化 學蝕刻移除第二矽層105之剩餘部分而終止於蝕刻終止層 103。（選擇率詳述於下文中）。第二矽層1〇5 後結果描繪於圖⑴中。 敢 在钱刻製程巾’石夕處理晶圓15〇係由所塗覆之遮罩層（未 圖示）保護。在圖1D中，蝕刻終止層1〇3已使用另一種高選 擇率蝕刻劑加以移⑨。作冑料製程之結果，《冑一元件 層之第一矽層1〇1轉移至矽處理晶圓15〇。矽基板層1〇9之 背面經研磨、拋光且蝕刻以達成所要總厚度。 為確保BESOI基板對於後續製造步驟而言足夠薄且滿足 當今對不斷減小之實體尺寸及重量限制的要求，在層轉移 I25596.doc -6- 200830401 過程中’ BESOI需要钕刻終止層1〇3。目前，存在兩種主 要層轉移技術：1)選擇性化學蝕刻及2)將植入氫之層自元 件層剝離（氫植入及分離製程）。兩種技術均已證明能夠滿 足高級半導體加工之要求。 - 在氫植入及分離製程中，將氫（H2)植入具有熱生長二氧 • 化矽層的矽中。所植入之H2使伏於二氧化矽層下方之矽基 板脆化。植入&之晶圓可與具有二氧化矽上覆層之第二矽 φ 晶圓黏結。所黏結之晶圓可藉由適當退火在氫植入之頂點 位置與該晶圓接合。 相對而言，所述BESOI製程無SIMOX製程中所固有之離 子植入損害。然而，；6別01製程需要一系列費時的研磨、 抛光及化學韻刻。 當今的蝕刻終止 如上所述，BESOI製程為在絕緣體基板上建置矽的面向 I造之技術且部分依賴於化學钱刻。 • 蝕刻終止效能係由平均蝕刻選擇率S描述’平均蝕刻選 擇率S定義矽與蝕刻終止層之蝕刻速率比： 、 S = ^sl - Res • 其中Rsi為石夕之蝕刻速率且Res為餘刻終止之蝕刻速率。因 此，s=i之選擇率值係關於無蝕刻選擇率之情形。 -種評價蝕刻終止效率的方法為量測橫越蝕刻終止與非 蝕刻終止界面的最大蝕刻步階高度。在圖2八中，蝕刻終止 舰係藉由將離子植人梦基板2G1A之一部分内而形成。 125596.doc 200830401 蝕刻終止203 A在t=0時刻（亦即在塗用任何蝕刻劑之前）具 有厚度dl。在t=tl時刻（圖2B)，經部分蝕刻之矽基板2〇1b 的蝕刻深度為h。蝕刻終止203 A現為經部分蝕刻之蝕刻終 止203B。經部分蝕刻之蝕刻終止2〇犯經蝕刻至厚度d2。在 時刻（圖2C)，經部分蝕刻之蝕刻終止2〇3B已經完全蝕 刻，且經το全蝕刻之矽基板2〇 1 c達成h之最大蝕刻步階高 度。蝕刻終止203A之蝕刻速率（圖2A)部分依賴於所植入之 摻雜材料與所使用之摻雜劑之植入分布。就實施觀點而 δ，最大蝕刻步階高度為關鍵量，因為在bes〇i製程中， 在回蝕之前研磨及拋光之後，最大蝕刻步階高度決定元件 晶圓之可接受之厚度變化。 舉例而言，若最大蝕刻步階為3個單位，則普通機械減 薄程序之後，可容許之元件晶圓之厚度非均一性應小於 1.5個單位。平均蝕刻選擇率s可得自有效蝕刻終止層厚度 di及最大蝕刻步階h2，如 di +h2 di S = l + 其中t為達成最大蝕刻步階高度一所需之蝕刻時間。在先前 實例中，h為達成最大蝕刻步階高度匕所需之蝕刻時間。 驗性水溶液為常用的各向異性矽蝕刻劑。 、 用之兩類鹼 性水溶液為：（1)純無機鹼性水溶液， & 洧如虱氧化鉀 125596.doc 200830401 (KOH)、氫氧化鈉（NaOH)、氫氧化鉋（CsOH)及氫氧化銨 (NH4OH);及（2)有機驗性水溶液，諸如乙二胺-鄰苯二紛一 水（水性EDP)、氫氧化四甲基銨（TMAH或（CH3)4NOH))及肼 (H4N2) 〇 圖3圖示非水性EDP與45% KOH蝕刻劑對矽（100)基板之 钱刻選擇率（與植入碳之矽層相比）與碳濃度之關係之間的 差異。兩種蝕刻劑均在85°C下使用。EDP蝕刻曲線指示摻 碳矽之蝕刻速率明顯降低。在le5xl02i cm·3之碳峰值濃度 時，EDP之蝕刻選擇率為約1000。在所示碳濃度下，未形 成連續的S i C層。相反，播碳砍層之餘刻終止效應似乎歸 因於由主體矽原子之結晶結構内所含之隨機分布之植入碳 原子所形成的非化學計量SixCk合金之化學特性。藉由化 學氣相沈積（CVD)或植入碳所沈積之SiC層在EDP、KOH或 其他任何鹼性溶液中展示蝕刻速率幾乎為零。 參考圖4，在850°C退火之前，在50(TC下藉由分子束蠢 晶（MBE)所生長之SiuGeo.3層相對於矽（1〇〇)產生17之蝕刻 選擇率。該層中之鍺濃度為1·5χ1〇22 cm-3。所植入（或生 長）之初始碳分布401明顯擴展為退火後分布403。退火 後’選擇率降至10至12之範圍内。咸信蝕刻終止效應與由 相對較大之鍺原子所誘發之應有關。 除選擇率降低所產生之問題之外，使用碳或鍺作為蝕刻 終止亦出現其他問題。熟習此項技術者已知碳在純矽中易 擴散且因此蝕刻終止層易於增加厚度。隨後之退火步驟之 後’鍺亦生長。先前技術之碳及鍺钱刻終止層的寬度（半 125596.doc 200830401 兩 有 王寬(FWHM))通常為數百奈米。因a，需要與矽相比具 尚蝕刻劑選擇率的極薄且穩固之蝕刻終止層。 【發明内容】 在-例示性實施例中，本發明為一種蝕刻終止層，其包 s石夕錄比為約50:1或小於5〇:1的石夕錯層及形成於該石夕錯 層内的硼層及碳層。及碳層各自具有小㈣奈米之半
向全寬（FWHM)厚度值。钱刻終止層具有狀5至15範圍内 之硼碳比。 在另-例示性實施例中，本發明為—種包切錯層㈣ 刻終止層。1層及—碳層各自鍺層内。該硼 層及該碳層各自具有小㈣奈米之fwhm厚度值。 在另-例示性實施射，本發明為—種製造㈣終止之 方法。該方法包括：在一沈積腔室中使'載氣流過一基 反’在該沈積腔室中使—碎前驅氣體流過該基板；及使一 鍺前驅氣體流過該基板。形切錯層以使㈣鍺比係在 二至:1之範圍内。在沈積腔室中使碳前驅氣體及棚前驅 :各自流過基板。碳前驅氣體及爛前驅氣體分別形成碳 層’各層之剛Μ厚度小於5Q奈米且各自 終止之一部分。 勺^另一例示性實施例中’本發明為一種餘刻終止層，立 匕“夕鍺比在4:1至50:1範圍内的石夕鍺層。 夂白拟少+人& 竭增及一石反層 夺平^ ΗΓ錯層心該㈣及該碳層各自具有小㈣ 圍：之FWHM厚度值。該餘刻終止層具有在 圍内之硼碳比。 125596.doc 200830401 【實施方式】
本文中揭示奈米尺度之摻碳蝕刻終止之製造方法及根據 該方法製得之結構。將碳摻入應變掺硼siGe半導體基板戋 膜中，從而製成具有小於50 nmi FWHM厚度的蝕刻終 止。在本文中所提供之多個實施例中，FWHM厚度小於約 20 nm。在以下曲線圖中展示Sii_x y zGexCyBz應變層中b、 C及Ge擴散之次級離子質譜（SIMS^#料以及製造本發明之 蝕刻終止之元素比之特定實施例。本文中所述之碳奈米尺 度餘刻終止可特定應用於刪〇1加工中。然而，所揭示之 碳蝕刻終止並不僅限KBES〇I應用。 根據本發明之一例示性實施例製造2BES〇I基板可特定 應用於低功率及輻射硬化型CM0S元件中。將本發明併入 各種電子元件簡化某些製造過程，？文良元件之可縮放性， 改良次臨界斜率且減少寄生電容。 參考圖5’其為呈現來自摻有碳及⑸之矽中 硼之擴散分布之資料的分布曲線圖5⑽。Ge摻雜劑之位置 藉由分別位於50 nm及85 nmS度處之下垂線5〇ι及上垂線
SiGe:C:B 之特定合金為 Si〇 975Ge。_B_ 與Ge之比率為約5(hlaB與C之比率為約。 503說明。硼在高達100(rc之溫度下仍相對固定，接著在 更高溫度下快速擴散(各溫度下之退火時間為1〇秒）。缺 而’如本發明之實施例中所提出，碳與Ge之存在減少獨向' 外擴散1所涉及之濃度及溫度而定，碳與以之存在使爛 總擴散減少倍或10倍以上。在一特定例示性實施例中， 因此，Si 125596.doc -11· 200830401 圖6指示，在另一實施例中，SIMS分布中之Si與Ge之比 率明顯降低。指示生長時及在隨後900°C至1200°C之退火 溫度下的應變SiGe:C:B中之碳擴散程度。資料展示碳擴散 主要來自未摻雜之間隔區（未圖示），其中間隔區無B摻 入。然而，SIMS分布之中心區域（亦即在約60 nm至80 nm 之深度處）指示碳擴散因B存在於SiGe膜中而明顯減緩。在 該例示性實施例中，在熱退火之前，SiGe:C:B膜為79.5%
Si、20% Ge、0·2〇/〇 C 及 0.3% 硼（Si0.795Ge0.2C0.002B0.003)。因 此，Si與Ge之比率為約4:1且b與C之比率為約1.5:1。 圖7為指示在多個退火溫度下具有碳之siGe中之蝴擴散 深度的SIMS分布700。該實施例中所使用之SiGe膜亦為 Si〇_795Ge0.2C0.002B0.003，類似於產生圖6之曲線圖中所使用 的膜。注意SIMS分布700指示，在1200°C退火1〇秒之後， 鍺已自2〇%之峰值濃度（亦即約1·〇χ 1〇22個原子/立方公分） 擴散為7.7%之峰值濃度（亦即約3.85χ1〇2ι個原子/立方公 分）。棚已自1.5 xl 02G個原子/立方公分之峰值濃度擴散為 l.OxlO19個原子/立方公分之峰值濃度。此外，碳雖已擴 散，但所涉及之擴散機制主要歸因於SiGe間隔物（在初始 生長期間僅含有Ge及C的外部邊緣）。碳峰值濃度已自 1.0x10個原子/立方公分擴散降至7QXi〇!9個原子/立方公 分（指示約30%之峰值濃度下降）。碳之最終擴散分布比生 長時之分布窄。因此，碳之最終擴散分布（即使在12〇(rc 退火之後）小於20 nm FWHM寬度。 熟習此項技術者將由圖5-7瞭解到碳保留在中心摻硼區 125596.doc -12· 200830401 域中。此外，碳在高達很高的溫度（例如大於約12〇〇。〇下 具有熱穩定性。 石反Μ刻終止層之製造過程 總體而言’製程條件可廣泛不―，此視所製造之特定元 件所用特疋設備類型及起始材料之各種組合而定。缺 而n㈣示性實施财’料製耗件通常需減 作為载乳的氫氣（η2)在化學氣相沈積（cvd)系統中以介於 U)個標準公升/分鐘（slpm)與5〇 sipm之間的流動速率流 動。或者’諸如氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氙氣 (Xe)及氟（F2)之惰性氣體亦皆為適當的載氣。 可使用流動速率介於10個標準立方公分/分鐘(叫與 1〇〇 seem之間的矽烷（SiH4)作為矽前驅氣體。或者，可使 用-石夕烧（Si2H6)或另-種_前驅氣體替代㊉燒。與梦烧相 比，二矽烷以更快速率及更低溫度來沈積矽。 可使用流動速率介於50 %()111與5〇〇 secm2間的甲基矽烷 (CHsSiH3)或另一種碳前驅氣體作為碳前驅物氣體。可使 用流動速率介於50 seem與300 seem之間的二硼烷（b2H6)作 為硼前驅氣體。此外，可使用三氯化硼（Bet)或其他任何 硼前驅氣體替代二硼烷。使硼前驅氣體及碳前驅氣體流動 以使得硼與碳之比率在約〇·5至1.5之範圍内，儘管在適♦ 表徵下亦可使用此範圍之外的比率。 可使用㈣速率介於5 seem與1000 _之間的四氮化錯 (GeH4)或另一種鍺前驅氣體作為鍺前驅氣體。 所有氣體流動速率可視方法、設備及/或元件而—因 125596.doc 13- 200830401 此，可完全接受給定例示性範圍之外的氣體流動速率。舉 例而言，若使用低壓CVD(LPCVD)反應器，則SiGe之生長 溫度可在約550。〇至700。(：之範圍内且矽之生長溫度可在約 550°C至950°C之範圍内。此外，通常在加工期間同時使氣 . 體流動用以形成SiGe層。 碳亦可以遠隔式碳注入法併入。在遠隔式注入法中，碳 僅存在於間隔物（未圖示）中，間隔物在待形成碳之區域處 馨 上形成。熟習此項技術者已知間隔物之形成。在一特定例 示性實施例中，間隔物包含SiGe。適於在本文中所述之多 個實施例中添加碳的遠隔式碳技術係揭示於美國專利申請 案第11/166,287號中，該申請案申請於2〇〇5年6月23日，標 題為"Method for Growth and Optimization 〇f Heterojimction Bipolar Film Stacks by Remote Injection”，且隨本申請案 一起共同讓渡於 Atmel Corporation, San Jose，CA。據此 11/166,287申請案以全文引用的方式併入。 • 簡而言之，遠隔式碳注入技術需要半導體製造過程中之 石反植入或擴散步驟，以將碳原子注入例如半導體元件層及 周圍區域中。碳係源自碳前驅物，諸如甲基矽烷。碳前驅 物注入可藉由諸如以下技術來達成：LpCvD(低壓化學氣 相沈積）、UHCVD(超高真空CVD)、MBE(分子束磊晶）或離 子植入。若使用遠隔式碳注入技術，則甲基矽烷僅需在間 隔物形成期間流動。 石反注入之後可為熱退火步驟。熱退火步驟使礙擴散至 (例如）電晶體之基極區内。注意，雖然碳前驅物可在基極 125596.doc -14 - 200830401 區外部注人，但退火後碳之位置因能量上有利的擴散機制 而位於基極區内n遠隔式注人為將半導體摻碳之方 式，且其提供上述優於習知製造方法之諸多優點（例如防 止硼向外擴散，從而達成更高的硼摻雜劑濃度）。因此， /主入位置而未必為熱循環之後碳之最終駐留位置決定遠隔 式碳注入之定義。 若（例如）在電晶體製造中採用併入介電間隔物之自對準 技術，則遠隔式注入可在基極_射極間隔物（BE)或基極-集 極間隔物（BC)之生長期間或之後進行。（注意：雖然BE間 隔物及BC間隔物之形成皆未展示，但該等技術已熟知於 此項技術中）。碳注入可在基極、BC、BE、集極及/或射極 區之製造期間的多個時點進行。接著執行熱退火循環以提 供碳自介電間隔物擴散至一或多個不同半導體區域内的活 化能。經由擴散機制，退火後碳最終位於半導體内。因此 运隔式％ /主入之優點包括硼向外擴散減少及電晶體基極電 阻明顯下降。 、原子層沈積 在以上說明中，本發明已參考其特定實施例加以描述。 然而，對於熟習此項技術者而言顯而易見的是，可在不背 離如隨附申請專利範圍所闡明之本發明之主要精神及範疇 下對其作出各種修改及改變。舉例而言，儘管製程步驟及 技術已加以展示並詳述，但熟習此項技術者將瞭解可利用 依然包括於隨附申請專利範圍之範疇内之其他技術及方 法。舉例而言，通常存在幾種用於沈積膜層之技術（例如 化學氣相沈積、電漿增強氣相沈積、磊晶 125596.doc -15- 200830401 所述之所有膜類 用於沈積指定層 等）。儘管並非所有技術皆適用於本文中 型，但熟習此項技術者將瞭解可使用多種用 及/或膜類型之方法。 之工業可利用本文中
式應認為具有說明性意義而非限制性意義。 此外，很多與半導體工業密切相關之工業 所揭示之碳蝕刻終止層。舉例而言，資料儲 膜磁頭（TFH)方法或平板顯示器工辈 【圖式簡單說明】 圖1A 1D為先刖技術之黏結及回餘絕緣體上石夕s〇i) 製造技術之橫截面圖。 圖2A-2C為一形成於一矽基板上之蝕刻終止之橫截面 圖’其指示餘刻終止效率之測定方法。 圖3為乙二胺-鄰苯二酚（EDp)及45%氫氧化鉀（尺〇11)濕式 化學蝕刻劑對矽（100)基板之蝕刻選擇率（與植入碳之矽層 相比）與碳濃度之關係的曲線圖。 圖4為指示植入或生長時碳濃度之分布與退火後碳分布 的曲線圖。 圖5為指示根據本發明產生且在熱退火步驟之後量測之 爛分布之半高全寬（FWHM)深度的曲線圖。 圖ό為指示在多個退火溫度下應變中之碳擴散 深度的曲線圖。 圖7為指示在多個退火溫度下具有碳之siGe中之硼擴散 125596.doc -16- 200830401 深度的曲線圖。 【主要元件符號說明】
100 矽元件晶圓/矽 101 第一;δ夕層 103 蝕刻終止層 105 第二矽層 107A 下端二氧化矽層 107B 上端二氧化矽層 109 秒基板層 150 矽處理晶圓 201A 矽基板 201B 經部分蝕刻之矽基板 20 1C 經完全蝕刻之矽基板 203A 蝕刻終止 203B 經部分餘刻之餘刻終止 401 初始碳分布 403 退火後分布 500 分布曲線圖 501 下垂線 503 上垂線 700 SIMS分布 d] - d2 厚度 hi 蝕刻深度 h2 最大蝕刻步階高度 125596.doc -17-

Claims (1)

  1. 200830401 十、申請專利範圍： 1 · 一種蝕刻終止層，其包含： 一具有約50:1或小於50:1之矽鍺比的矽鍺層； 一形成於該矽鍺層内的硼層，該硼層具有小於5〇奈米 之半高全寬（FWHM)厚度值；及 T 一形成於該矽鍺層内的碳層，該碳層具有小於夺米 之FWHM厚度值；該餘刻終止層具有在約^至】二: 圍内之硼碳比。 & • 2.如請求項1之蝕刻終止層，其中該矽鍺層係包含於一矽 鍺基板内。 爻如明求項1之蝕刻終止層，其中該矽鍺層係包含於一矽 鍺膜層中。 4·如明求項1之蝕刻終止層，其中該矽鍺比係在50:1至4:1 之範圍内。 ·
    如明求項1之蝕刻終止層，其中當以FWHM值量測時，該 硼層厚度係小於約20奈米。 如明求項1之蝕刻終止層，其中當以FWHM值量測時，該 碳層厚度係小於約20奈米。 種餘刻終止層，其包含： 一矽鍺層； 一形成於該石夕鍺層内的硼層，該硼層具有小於50奈米 之半高全寬（FWHM)厚度值；及 化成於該矽鍺層内的碳層，該碳層具有小於50奈米 之FWH1V[厚度值。 125596.doc 200830401 8·如明求項7之蝕刻終止層，其中矽鍺比為5〇·丨或小於 50:1 〇 9·如請求項7之蝕刻終止層，其中矽鍺比係大於4:1。 月求項7之#刻終止層，其中石夕鍺比係在約*: 1至$ 〇: 1 - 之範圍内。 11 ·如咕求項7之蝕刻終止層，其中當以FWHM值量測時，該 爛層厚度係小於約20奈米。 φ I2·如明求項7之蝕刻終止層，其中當以FWHM值量測時，該 石反層厚度係小於約20奈米。 13. —種製造一蝕刻終止之方法，該方法包含： 在—沈積腔室中使一載氣流過一基板； 在D亥沈積腔室中使一矽前驅氣體流過該基板； 使一鍺前驅氣體流過該基板； 形成—矽鍺層以使得矽鍺比係在4:1至5〇:1之範圍内； 在該沈積腔室中使一碳前驅氣體流過該基板，該碳前 • 驅氣體形成-碳層以充當該蝕刻終止之-部分；當以半 回全寬（FWHM)值量測時，該碳層厚度係小於鱗米；及 在該沈積腔室中使一爛前驅氣體流過該基板’該硼前 氣體形成一硼層以充當該蝕刻終止之—部分；當以 - 削以值量測時，該侧層厚度係小於50奈米。田 14. 如，求項13之方法，其中該則係經形成為當以顺M 值$测時厚度小於約20奈米。 15. 2求項13之方法，其中該碳層係經形成為當以pi· 值1測時厚度小於約20奈米。 125596.doc 200830401 16·如請求項13之方法，其中該硼前驅氣體及該碳前驅氣體 係經流動以使得硼碳比係在約〇.5至1.5之範圍内。 17· —種#刻終止層，其包含： 一具有在4:1至5〇:1範圍内之矽鍺比的矽鍺層； - 一形成於該石夕鍺層内的硼層，該硼層具有小於20奈米 之半高全寬（FWHM)厚度值；及 一形成於該矽鍺層内的碳層，該碳層具有小於20奈米 _ 之FWH1V^度值；該餘刻終止層具有在約〇·5至1.5之範 圍内之硼碳比。
    125596.doc
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