TW449864B - Process of forming a semiconductor device - Google Patents

Description

A7 B7 i 49864 五、發明說明（1 ) 扭關專利中_辛 本案已申請美國專利，中請日1999/〇3/25， 09/276,269 - ° 發明範_ 本發明大致有關㈣成半導體裝置的程序，且尤其有關 於形成具有間隔層的半導體裝置的程序。 先前技藝銳昍 間隔層因爲多種不同理由而用於半導體裝置，由於尺寸 變小而且程序整合變的更複雜’所以形成能順利通過程序 的間隔層變的更難，圖！包括—半導體裝置的圖形以説明 習用的一些問題，在半導體基材1〇〇上形成閘介電層Η]， 閘極層114,及介電封蓋層116，圖】中最右邊電晶體上的 介電封蓋層116已去除，執行後續程序以決定閘極lu與介 電封蓋層116的圖案，在基材及閘堆疊上形成薄氧化層ιΐ8 及氮化層（圖1 )。 蝕刻氮化層以形成間隔層12〇，在同向異性蝕刻中，氮 化層的露出角會蝕刻的更快，氮化層角落的快速蝕刻率產 生各間隔層120的一般三角形的形狀。間隔層12〇底部與中 央及最左電晶體的寬度是W1，而間隔層120底部與中央及 最左電晶體的寬度是W2，改良該形狀（更像矩形及寬度— 致）的嘗試並沒有完全成功。 間隔層120之後形成摻雜區域102，因爲W 2小於w 1，所 以換雜劑在閘極層114下方更深入向最右電晶體擴散，此 差異在電晶體之間產生不同的電性特徵，中央及最左電晶 -4- 本紙張尺度適用1ί7國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

^ ------ -- 訂·— — — — — —I- I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 A7 ^364 9 86 d____B7_一 五、發明說明（2 ) 體的通道長度（即摻雜區域102 (接近閘極層114的相對邊） 之間的距離）大於最右電晶體。較長通道長度的電晶體通 常比具有較短通道長度的電晶體操作的慢，若減少中央及 最左電晶體的通道長度，則最右電晶體的通道長度也可能 會減少。最右電晶體的通道長度的減少會產生無法接受的 低通道穿透電壓，高漏電流，無法接受的低門檻電壓，或 是其他類似問題。 在圖2的基材上形成中間層介電（ILD )層1 3，其包括：薄 氧化膜130，薄氮化膜132，及厚氧化膜134。摻雜區域 102的最左與中央電晶體之間的ILD層1 3上形成接觸開孔 142 ’形成開孔142時，開孔中會有更多間隔層120因蝕刻 而消失，在一些例子中，會露出部分的閘極層丨14，虛線 120表示接觸蚀刻之前的間隔層形狀，而實線121表示接觸 蚀刻之後的間隔層形狀，在開孔142中形成傳導柱146，雖 然傳導柱146未與閘極層1 14電的連接，間隔層12 1的腐蝕 仍允許傳導柱146與閘極層114接觸，閘極與摻雜區域！ 的電氣短路會使裝置失效。 圖示簡單説明 以下僅説明本發明的範例，本發明並不受附圖的能改 良，其中相同數字表示類似元件，而其中：

圖1，2分別是形成摻雜區域及傳導柱之後部分半導體基 材的剖視圖； A 圖3到8包括形成丰導體裝置期間部分半導體裝置基材的 剖視圖。 -5- 本紙張尺度適用中國园家標準（CNS)A4‘規格（210 X 297公餐)" --- (請先閉讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 ,I5Jίί — ΙΙΙΙΙ — — — — — — — — — — — — — — —--- - 經濟部智慧財產局員Η消費合作杜印製 4 4 9 86 4 A7 B7 五、發明說明（3 ) 熟於此技術者可瞭解圖中的元件並未按照比例目的在簡 化及明晰，例如圖中部分元件的尺寸相對於其他元件已作 放大，以有助於瞭解本發明的實施例。 詳細説明_ 一種形成半導體裝置之程序包括：在基材之中或之上形 成一實質垂直邊：在基材上及沿著垂直邊形成一層；及蚀 刻該層以形成一間隔層。執行蝕刻俾：（丨）一蝕刻化學中 各含氟蝕刻類在每一其他原子具有至少5個氟原子之比 率：（2 )在低於約500毫托之壓力下執行蝕刻；或者在低於 约0.75瓦/cm2之功率密度下執行蝕刻。當形成與圖案層堆 疊相鄰之間隔層時’其中堆疊具有不同高度，或是當形成 與間隔層相鄰之傳導結構時，此程序特別有用。本發明由 申請專利範圍界定，因此閱讀以下説明後將可更加險解。 圉3是半導體裝置基材30的部分圖形，本發明中的半導 趙裝置基材30包括：單晶半導體晶圓，絕緣層上半導體， 或是半導體裝置中使用的任何它種基材，在圖3的2個部分 中，基材3 0的左邊部分在記憶體陣列中，此實施例中的記 憶體陣列是形成中的靜態隨機存取記憶體（SRam)陣列， 明確而言’左邊部分是2個相鄰記憶格之間會形成的位元 線接觸位置，在其他實施例中，可以用浮閘記憶體陣列或 是它種記憶體陣列取代SRAM，基材3 0的右邊部分在周邊 區域，即記憶體陣列的外部。 在基材30上依序形成閘介電層32 ’閘極層34，及氮化 封蓋層3 6 ’閘介電層3 2具有約1到1 5毫微的厚度，間極層 -6- 衣紙張反度適用中0國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱〉 . -衣--------訂.---！_線— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 449864 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（4 ) 3 4具有約1〇〇到300毫微的厚度，而氮化封蓋層3 6具有約 50到150毫微的厚度，各層可包括至少一個別膜。 氮化封蓋層3 6從丰導體裝置的周邊區域（圖3的右邊部分） 的電晶體中去除，氮化封蓋層3 ό仍在記憶體陣列（圖3左 邊部分）的記憶格之上，剩下的氮化封蓋層3 6及閘極層3 4 分別打上圖案以形成閘堆疊31，33，35。因此在此步驟 後，閘堆疊31，33具有一層（氮化封蓋層36)它不是閘堆 疊35的一部分，間堆疊31，33及閘堆疊35的高度大致不 相同，閘堆疊31，33约是閘堆疊35高度的2倍，在另一實 施例中’閘堆疊3 1，3 3的高度至少約是閘堆疊3 5高度的 1.25倍，在任一情況下閘堆疊31，33的高度都大致大於 閘堆疊35的高度，閘堆疊31，33，35大致具有垂直邊。 在閘堆疊3 1 ’ 3 3，3 5上形成保護層3 8，且具有约5到 2 0毫微的厚度用以在後續程序中保護閘極層3 4的側壁， 在基材上形成相稱的絕緣層3 9，絕緣層的厚度約爲5 〇到 80毫微，用於保護層38及絕緣層39的材料必須不同，而 材料的選擇是依下面層及基材30而定，在一非限定實施例 中，保護層38是氧化層而絕緣層39是氮化層。 絕緣層3 9是同向異性#刻以便沿著閘堆叠3 1，3 3，3 5 的相對邊而形成侧壁間隔層4 2，間隔層4 2約是方形（剖視） 間隔層4 2的底部（最接近基材）具有大致相同的寬度，即約 疋堆叠高度的一半。通常各間隔層42，從中點到相鄰堆昼 的間隔層42宽度至少是底部寬度的〇.9倍，而且間隔層42 的底部寬度大致在2種閘堆疊中是相同的（圖4 )，通常閘堆 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I ：----— — — ——--^-------—訂---------線 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 49864 A7 ...... ................. B7______ 五、發明說明（5 ) 疊35旁邊間隔層42的底部寬度是閘堆疊31，33旁邊間隔 層42的底部寬度的至少〇.9倍。 間隔層4 2的外形對於蝕刻條件很靈敏，蝕刻化學一般包 括含氟類及至少一選擇性增強或聚合物抑制類。蚀刻化學 中所有的含氟類應該在含氟類令的每個其他原子具有至少 5個氟原子。例如，五氟化磷（ρρ5)，六氟化硫π。），六氟 化硒（SeFe)，六氟化碲（TeF6)等。PFs在每硫原子中具有5 個氟原子，而SF0，SeFe，丁6?6分別在每硫，硒，碲原子中 具有6個氟原子《注意幾乎所有的含竣及含矽氣體在分子 的所有其他原子中不具有至少5個功能原子，ρρ·5，SF6， SeF6，TeF6S 氣體。 可加入蝕刻化學的其他類例子是：溴化氫（HBr)，氣化氫 (HCi) ’三溴化硼（BBrJ，三氣化硼（BCl3)，溴（Βγ2)，氣 (C12)，氧（Ο:)，氮（NJ等。這些其他類有助於改良氮化層 與氧化層之間的蝕刻選擇性（若絕緣層3 9是氮化層而保護 層3 8是氧化層）。若這些其他類的濃度太高，則對於間隔 層4 2的外形有不良影響，通常這些其他類約是總蝕刻化學 禮積的11到20%。 氣壓及射頻功率密度對於間隔層42外形也有影響，通常 高壓及高射頻功率密度會導致更強烈的蝕刻情況因而不利 於間隔層4 2的外形。壓力一般是5 〇到2〇〇毫托，而功率密 度一般是0.15到0.75瓦/cm2，一般藉由反應離予蝕刻來蝕 刻’有無磁場增強之下都可執行蝕刻。 雖然關於蝕刻已提及數個參數，但是對於達成方形的側 -8, 本紙張尺t S @家標準規格（21〇 x 297公互 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) "i------ 訂-------一線 — 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 - » A7 ______B7 _ 五、發明說明（6 ) 壁間隔層42—定需要的參數或是其组合仍是未知的，程序 可限定於使用的独刻工具，換言之一姓刻工具所需的不_ 定是另一者需要的。 蝕刻程序形成的間隔層4 2可以用以下參數（所有的値都 是估計）在2 0 0毫托直徑晶圓中執行蚀刻程序： 設備：應用材料公司（AMAT)的P52 00MxPtm聚梦姑刻 室 蚀刻化學：8?6在60到l〇〇sccm HBr 在 7 到 20 seem 功率；50到200瓦 功率密度：0.20到0.40瓦/cm2(根據沿著基材主要表面 的表面積） 壓力：40到120毫托 場：0到100高 AMAT PWOOMXP^1聚矽蝕刻室是由加州聖塔市的應用材 料公司製造，在一特定非限定實施例中，使用的蝕刻參數 是 80 seem SF6，10 seem HBr，100 瓦及 1〇〇 毫托。 蝕刻部分的基材3 0即可持續半導體裝置的程序（圖5 )， 使用離子植入以執行蝕刻，如箭號5 4所示，虛線5 2是基 材3 0及間隔層4 2中穿入或摻雜位準，因爲侧壁間隔層4 2 約疋方形，各有近似垂直的外側表面，所以基材中的摻雜 會與間隔層的外緣對齊。 用回火步驟產生摻雜部分以形成摻雜區域62(圖6)，捧 雜區域62是圖1電晶體的源極/汲極（電流極），注意閘極 -9- 本紙張尺度iSffl巾國國家標準（CNS)A4祕（2W X 297公S ')" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

"-----I--訂----I ---I I I n 1 K I _ 4 4 9 864 A7 ___B7____ 五、發明說明（7 ) (控制極）層34蓋在摻雜區域62之上，其覆蓋量對於閘堆 要31 ’ 33及35的電晶體而言是相同的（如尺寸〇3)。因此 3個電晶體的通道長度約相同’可以在不使周邊電晶體的 電氣參數受到不利影響之下’將半導體裝置作的更小可作 出更快的s己憶格電晶趙。因此所有同型電晶體（如所有的〇 型或ρ型電晶體）應該大致有相同的通道長度，漏電流，門 撤電壓等，不必使用額外的測試結構以使閘堆疊的不同高 度特性化》 程序在圖7中持績’在閘堆疊31，33，35上形成ILD層 7 0 ’ ILD層70包括：第一蝕刻阻止膜72 ’第二蝕刻阻止 膜74，及厚絕緣膜76，第一蝕刻阻止膜72通常是氧化層 具有約15到40毫微的厚度’而第二餘刻阻止膜74通常是 層狀氮化膜具有约5 0到100毫微的厚度。層狀氮化膜可以 是分開或連續的層，以便在接近第一蝕刻阻止膜之處大致 是化學計量矽氮化層’以及在相對邊上是含許多矽或者幾 乎都是梦。第一及第二蝕刻阻止膜的合併厚度應該不大於 約100毫微·’在其他實施例中可用單一蝕刻阻止膜取代第 一及第二蝕刻阻止膜72，74，且具有與二氧化矽及氮化 碎不同的蝕刻特性，厚絕緣膜7 6具有約5〇〇到丨5〇〇毫微的 厚度，且一般是至少一個氧化膜。在此特別實施例中，厚 絕緣膜76是矽化磷硼玻璃，使用化學機械研磨法， 防蝕回程序等以使JLD層7 0平面化。 蚀刻ILD層7 0以界定開孔7 8，該蝕刻順序不必維持間隔 層4 2的方形’但是在此特定實施例中，蝕刻後剩下的間隔 -10- 本紙張尺度適用中國@家標率（CNS)A4規格（210 * 297公餐)" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 449864 __B7_____ 五、發明說明（8 ) 層必須使後績形成的傳導柱不與閘堆疊3 1，3 3的閘極層 3 4接觸。 使用八氟丁晞（C4F8) ’ 一氧化碳（c〇)，及四氟化碳（CF4) 其比率約爲1 : 7 : 〇,5(C4F8 : CO : CF4)以去除多數的膜 7 6，到達第二蝕刻阻止膜7 4之前或之後，即中止Cf4以改 良下方第二蝕刻阻止膜72的選擇性，使用氧（〇2)及氟甲皡 (CH3F)其比率約爲2 : 1至5 : 1( 〇 2 : CH3F)以姓刻第二蚀刻 阻止膜’使用比率約爲7 : 1(C0 : C4F8)的C0及C4F8以蝕刻 第一蝕刻阻止膜7 2。第一及第二蝕刻阻止膜的蝕刻期間的 RF功率，於用以蝕刻厚絕緣膜76時是約2〇到1〇〇„/(>的rf 功率’至於稀有氣體如氬，氦等在任何部分或所有蝕刻中 都可使用，所有的其他蝕刻參數都是習用的。 在圖7的蝕刻程序中已將間隔層79及氮化封蓋層36蝕 去，惟仍有夠多的氮化封蓋層3 6及間隔層7 9可防止在閘 極層34及後續形成的傳導柱之間形成漏極路徑或短路。 在圖7的開孔78之中形成傳導柱73，在ILD 70上及開孔 7 8之中形成傳導層’使用c MP，回蚀程序等將開孔7 8外 部的部分傳導層去除以形成傳導柱73，傳導層一般包括複 數個傳導膜，在—實施例中，鈦（Ti)，氮化鈦（TiN)，鎢 (w)是循序沈積，而且將τ i/TiN/w複合物研磨。在此特別 實施例中，傳導柱7 3是位元線接觸結構，在其他實施例中 則形成區域連接結構，用至少一個其他耐高溫金屬（鎢， 鉛’细等）或是其氮化物取代Ti及TiN，多數的傳導柱是识 而且可以用一材料（多數是銅或鋁或是其他傳導材料）來取 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣------訂---------線丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 4 9^864 A7 B7 五、發明說明（9 ) 代。 持續程序以形成一大致完成的半導體裝置8〇(圖8)，形 成互連82其與傳導柱73電的連接，而且在互連82上形成 被動層。在此特別實施例中’ SRAM陣列（圖8的左邊）中 的互連82疋位元線，互連多數是鋼或鋁且包括黏著或障礙 膜，半導體裝置中也可作其他電的連接（但是未示），若必 要也可增加額外的ILD層及互連層。 上述實施例的程序可產生更強力的間隔層程序，以改良 精密半導禮裝置中的程序複雜性，程序是可再製的（基材 之間的變化較少），以允許從電晶體到電晶體更強的定比 例及更平均的電氣特徵。而並產量增加又耐用。 上述程序適用於形成在間隔層相鄰處的其他傳導結構， 例如傳導柱7 3及互連8 2的合併可以用雙置入互連來取 代，而且可以在離開基材更遠之處形成該結構，例如互連 的上層可經由互連中間層中的開孔而與互連的下層接觸， 使用上述程序可形成間隔層及傳導結構，程序也可形成置 入閘極，在此實施例中，可形成絕緣層，而且用絕緣層中 沿著開孔壁面形成的側壁間隔層來定圖案，可沿著基材的 凹溝壁面形成間隔層。 在上述説明中，已用特定實施例說明根據本發明，惟一 般數所其可些可以在不違反後附申請專利範圍之下作各種 改良及變化，因此應將説明書及圖形視爲敘述性質而非一 種能改良，而且所有的這些改良都要包括在本發明的範圍 中。 -12· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線| 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 49864 A7 B7 五、發明說明（1〇 ) 已用特定實施例來説明本發明的利益，其他優點，及問 題的解決方法’惟可導致任何利益，優點，或解決方法的 這些利益，優點’問題的解決方法’及任何元件，都不該 將•&視爲最重要’必要’或基本特徵’或是任何或所有申 請專利^圍中的元件。説明書中的包括含，或任何其 他變化，其目的只是作非獨特性的含括 ， 、 如程序’方法， 物件或裝置等包括的元件表並不僅包鉍1 I抱境些元件，而且也 包括其他元件，其未在説明書中列出亦 44是這些程序，方 法，物件或裝置的本身即具有的。 I » 1 .^1 It t ^OJI ·»1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) !線- 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

Claims (1)

1. 00800 99 ABCD -49864 六、申請專利範圍 1. 一種形成半導體裝置之程序，包括： 在基材（30)之中或之上形成一實質垂直邊； 在基材（30)上及沿著該實質垂直邊形成_第一層 (39)； 蝕刻第一層（39 )以形成一間隔層（42 )，其中執行之蝕 刻具有以下特徵之至少二者： 一蝕刻化學中之各含氟蝕刻類在每一其他原子具有至 少5個氟原子之比率； 在低於約500毫托之恩力下執行蝕刻；及 在低於約0‘75瓦/cm 2之功率密度下執行蚀刻。 2. —種形成半導體裝置之程序，包括： 在一基材（3 0)上形成一第一堆疊（33)及一第二堆疊 (35)，其中： 第一及第二堆疊（33 , 35 )具有相對側；及 至少一第一層（36 )係第一堆疊（33 )之一部分，且非第 二堆疊（35)之一部分； 在第一.及第二堆疊（3 3, 35)上形成一第二層（39);及 蝕刻第二層（39)以沿著第一及第二堆疊（33，35)之相 對侧而形成間隔看（42)’其中執行之姓刻具有以下特徵 之至少一者： 一蝕刻化學中之各含氟蝕刻類在每一其他原子具有至 少5個氟原子之比率； 在低於約500毫托之壓力下執行蝕刻；及 在低於約0.75瓦/cm2之功率密度下執行蝕刻。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） {請先閱讚背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------線— . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 8 9 4 ABCW 夂、申請專利範圍 3.—種形成半導體裝置之程序，包括： 在一基材（30)上形成一第一閘堆疊（33 )及一第二閘堆 疊（35)，其中： 第一及第二閘堆疊（33，35 )具有相對側； 至少一第一層（36 )係第一閘堆疊（33 )之一部分，且非 第二閘堆疊（35)之一部分； 第一閘堆疊（33)具有一第一高度； 第二閘堆疊（35)具有一第二高度；及 第一高度實質高於第二高度； 在第一及第二閘堆疊（3 3, 35)上形成一氮化層（39); 及 蝕刻氮化層（39)以沿著第一及第二閘堆疊（33，35)之 相對側而形成間隔層（42 )，其中蝕刻之執行： 使.用一蝕刻化學，其中： SF6係一#刻化學中之唯一含氟類； 另一分子類選自由 HBr，HC1，BBr3，BC13，Br2，Cl2， 02及％组成之群中；及 另一分子類在蝕刻化學之約11至20體積百分比範圍 中； 在約4 0至200毫托之壓力範圍下執行蝕刻；及 在低於約0.2至0.4瓦/cm2之功率密度下執行蝕刻。 -15- 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁> ^-----!| 訂---— 11!·^ — . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製