TWI427694B - 選擇性矽蝕刻方法 - Google Patents

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Description

選擇性矽蝕刻方法
本發明大體上關於金屬氧化物半導體場效電晶體及其他矽基裝置之製造。更特定言之，本發明係關於選擇性地蝕刻矽以用於此等及類似裝置中之方法。
矽濕蝕刻係一積體電路製造之重要方法。一選擇性矽濕蝕刻之具體應用係用於電晶體建造之前段製程(FEOL)中導入應變以形成閘極。可將閘極氧化物、氧化矽、氮化矽、多晶矽及其他膜沉積在矽上以經由逐步沉積、圖案化及蝕刻步驟形成該等電晶體閘極結構。在此製程期間，經由選擇性遮蔽，該矽表面係摻雜有硼、磷、砷或其他負或正矽偏壓元件。然後，加熱該矽表面以將摻雜劑驅導入該矽中。然後蝕刻該單晶矽以於該等閘極之間形成通道以供後續沉積應變誘導矽合金如矽-鍺(SiGe)用。曾發現某程度之應變係有利於改善於如MOS電晶體通道區中之載體遷移率。雖然已揭示多種此類應變導入之方法，但仍需改良以更有效且可控制地蝕刻將沉積矽合金之凹槽並更有效且可控制地於通道中產生所需應變量並將其施加於該等通道中。因沉積時差排會減輕應變及/或無法產生足夠應變，若該應變誘導矽合金在結晶性的結構中包含太多差排則可能不易獲得所需之應變量。
堆疊缺層係當晶體堆疊順序因成長期間局部環境改變，如因表面粗糙度，而遭中斷時可能發生在磊晶膜中之平面缺陷。該等缺陷的特徵在於下列事實：對討論中的材料，例如晶體根據緊密堆積之堆疊順序ABCABC沿(111)方向成長之材料而言，平面間該缺陷任一側上之位移不是完美的晶體平移向量，其中A、B及C係不同的堆疊位置，其間的晶體平移向量係(1/2)[110]。ABCAB//ABC之堆疊順序在以”//”指示之平面”B”與”A”之間有缺層並將其稱為本質堆疊缺層並可將其視為移除一晶體平面(在此情況下係”C”)。相反地，將ABCA/C/BCABC之堆疊順序稱為異質堆疊缺層並可將其視為一額外層插入該堆疊順序中(在此情況下係”C”)。
本發明者已發現藉施一種選擇性蝕刻矽之方法及組合物相較於未經處理之矽表面可使該等矽表面之粗糙度些微或無增加，而在後續沉積應變誘導矽合金時可控制及有效地獲得所需應變量。本發明者發現因為(111)表面之任何粗糙度皆包含某(110)表面特性並因應變誘導矽合金如SiGe在(110)表面上之成長相對於(111)表面係不成比例地快，該粗糙度使所沉積之應變誘導矽合金中形成不連續面(即堆疊缺層)，而在所沉積之應變誘導矽合金之晶體結構產生差排，及利用本文所揭示之方法及組合物可降低該粗糙度。差排及堆疊缺層導致應變降低並因此無法在所尋求之應變誘導沉積物中獲得所需應變量。本發明者發現藉由選擇如本文所述用於蝕刻矽之組合物可避免粗糙度之增加並可獲得較平滑之表面且藉由應變誘導矽合金所誘導之應變量可獲得較佳控制。
根據本發明一具體實施例係提供一種選擇性蝕刻矽之方法及組合物。在該蝕刻方法中，相較於(111)平面，選擇性地蝕刻(110)及(100)平面之矽並獲得極平滑之表面。根據本發明，以彼此近相等之速率蝕刻(110)及(100)平面，但相較於以明顯較低速率蝕刻的(111)平面優先蝕刻此等平面。該經提高但獲控制且無過度之選擇性提供後續應變誘導矽合金如矽鍺或矽碳磊晶式沉積時較佳之矽表面。根據本發明具體實施例之方法所獲得之較佳矽表面提供較高之應變導入及欲磊晶沉積應變生成矽合金之凹槽中更加平滑且規則之表面。如上所述，更不易將應變誘導矽合金有效地磊晶沉積於太粗糙的矽表面上。因此，本發明所獲得之平滑規律的表面提高後續步驟中磊晶式地沉積矽合金之能力，而此能力對獲得所需應變量係重要的。
在一具體實施例中，本發明方法使用一種含有四級鎓氫氧化物及不對稱四級鏻鹽之組合物。在一具體實施例中，該組合物另外包含乙二醇醚。
因此，在一具體實施例中，本發明提供一種蝕刻安置於基板上之矽層之方法，其包括：異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽。該濕蝕刻係選擇性地異向性蝕刻，其中雖然其相對於(111)平面以範圍從約1.4：1至約2.3：1之因子，或在一具體實施例中以約2：1之因子優先蝕刻該矽層之(110)及(100)平面，但其對(110)平面顯示略優於(100)平面之選擇性。此等選擇性比例係與典型四級銨氫氧化物蝕刻對(100)/(111)顯示如35：1之強定向偏好及簡單四甲基氫氧化銨蝕刻2：1或更大之(110)/(100)蝕刻速率呈顯著對比。因此，雖然本發明係一異向性濕蝕刻，但其不同於先前所用之鹼性異向性蝕刻，其中該鹼性異向性蝕刻係選擇性地異向性濕蝕刻。本發明異向性蝕刻之選擇性係可控制的並對個別矽平面之相對蝕刻速率提供無先例可循之控制程度並造成明顯較平滑之蝕刻表面。該較佳平滑度對後續沉積應變誘導矽合金係重要的。
在一具體實施例中，根據本發明方法提供非常平滑且無缺陷之蝕刻表面。因此，在一具體實施例中，藉由原子力顯微鏡(AFM)測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.340毫微米至約0.450毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由原子力顯微鏡(AFM)測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rrms 在約0.430毫微米至約0.550毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rmax 在約4.9毫微米至約6毫微米之範圍內之暴露矽表面。
該凹槽之凹腔型表面上之AFM測量係無法在完整凹槽上進行。在此所述之粗糙度測量代表對應於凹槽底部之以(100)為方向之表面之粗糙度。因為(111)表面上粗糙特徵之結晶性方向將具有不同於(111)之晶體平面方向並比下伏平面更容易被蝕刻，當以本發明蝕刻溶液製造時，以(111)平面定向側壁之粗糙度預期低於所量得(100)表面者。
在一具體實施例中，根據本發明所獲得之加大凹槽包含具有Rrms 粗糙度的暴露矽表面，其Rrms 粗糙度藉由AFM所量得相較於類似未經處理之矽表面無明顯增加。。因此，在一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約6%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約10%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約25%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約90%內之Rrms 粗糙度。
在一具體實施例中，根據本發明所獲得之加大凹槽包含側壁及其他具有一粗糙度之暴露矽表面，該粗糙度係使應變誘導矽合金沉積在凹槽中時，該沉積物包含一些堆疊缺層或差排，該等堆疊缺層或差排數目係在藉由相同應變誘導矽合金沉積於類似未經處理之結晶性的矽表面上所獲得之堆疊缺層或差排數目之約10倍內。換言之，例如，若應變誘導SiGe合金沉積在未經處理之結晶性的矽表面上，每平方厘米將造成約108 個差排(108 /平方厘米)，在一具體實施例中，在根據本發明蝕刻之表面上所沉積之應變誘導SiGe合金中差排的數目係每平方厘米不超過約107 個差排(107 /平方厘米)。公認實際差排數目/平方厘米可視許多因素而在寬廣範圍內變化，如Si之於合金元素之比例、沉積條件、任何後續退火及其他熟諳此技者已知因素。然而，此特徵可容易地藉於實質上相等之條件下沉積在兩種不同的基板上，即未經處理及根據本發明蝕刻之基板上的應變誘導矽合金之比較測得。
在另一具體實施例中，本發明提供一種蝕刻安置於基板上之矽層之方法，該矽層上沉積有複數個結構，如間隔物特徵或閘極結構以產生暴露出矽層之開口，該方法包括：經由該等開口，異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽。
在另一具體實施例中，本發明提供一種將應力導入矽層中之方法，其包括蝕刻第一凹槽及選擇性地異向性濕蝕刻以形成加大凹槽之上述步驟並另外包括將矽合金磊晶式地沉積於至少一部分加大凹槽中。
在一具體實施例中，本發明可於所選位置中形成含有所需應變特性之較佳矽層。本發明組合物可以此方式蝕刻矽層以提供平滑之平坦表面，藉此可確實磊晶式地沉積後續沉積之矽合金層或填料。換言之，由於藉由根據本發明方法所獲得之此平滑規則矽表面，該後續沉積之矽合金層可以一使該等原子排列以造成該矽合金之磊晶沉積物的方式沉積。在一具體實施例中，該矽合金可為矽-鍺且在另一具體實施例中，該矽合金可為矽-碳。
雖然曾使用其他以於蝕刻後之剩餘矽中獲得平滑表面為目的蝕刻矽之方法，但此等方法在主要蝕刻步驟後必須施用額外平滑步驟。本發明提供一種以選擇性異向性濕蝕刻步驟直接獲得所需平滑表面之方法並因此不須包括後續平滑步驟。因為希望及尋求任何需要較少步驟之方法以用於半導體製造方法中，此代表一明顯改良。因此，本發明提出並提供解決在電晶體建造之前段製程(FEOL)中形成閘極時獲得可控制應變量問題的解決方法。
應瞭解本文所述之方法步驟及結構無法形成一完整系統或方法流程以進行矽蝕刻或矽蝕刻及應變導入製程，如可用於製造半導體裝置或其他裝置者。本發明可與目前技術上所用之製造技術及設備結合實施，且僅包含為瞭解本發明所需般多之一般實施材料、設備及方法步驟。
在整個揭示內容及申請專利範圍中，可組合所揭示範圍及比例之數字極限且將所有介於其間之值視為該等範圍之揭示內容所揭示。在整個揭示內容及申請專利範圍中，可自一群中去除該群之任何成員。在整個揭示內容及申請專利範圍中，可組合各種所揭示元件之所有可能組合並將所有此等組合視為包含在本發明範疇內。除非另外具體指示，所有溫度係以℃量得，所有製程係在室溫或周遭溫度下進行，所有壓力為大氣壓。
在整個專利說明書及申請專利範圍中，可組合範圍及比例極限。應瞭解除非另外具體陳述，否則”一”及/或”該”可包含一個(種)或超過一個(種)且單數項亦可包括複數項。可以任何方式組合專利說明書及申請專利範圍中所列出之所有組合並可自一群元件中刪除或限制該群中任一或多個個別元件。
將上述概要中簡單描述之某些本發明具體實施例更詳細地描述於下面所寫之描述中以便使熟諳此技者可進行及使用本發明。
如本文所用，矽合金係藉由磊晶式地共沉積矽及另一種具有類似原子特性之原子，如鍺或碳或鍺與碳之組合所形成的合金。在該矽合金中，該合金原子，如鍺或碳或兩者置換矽沉積物中之數個矽原子。在根據本發明具體實施例中，矽合金沉積物係一藉將矽合金磊晶式地沉積於單晶矽基板或單晶矽基板表面上所獲得之結晶性沉積物。如將瞭解般，已在磊晶式沉積矽合金之前某個時點摻雜該矽基板。
如本文所用，芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物係含有一個芳族取代基，如苯基、萘基或苯甲基之四級銨或鏻氫氧化物，其中該個別苯基、萘基或苯甲基可另外經鹵素、硝基、低碳烷基、羥基、氰基、低碳烷氧基、醯基中之一或多者取代且其中三個低碳烷基或烷氧基獨立地為或包含C1 -C4 烷基。
如本文所用，不對稱四烷基四級鏻鹽係該等烷基中之三者為低碳烷基且第四個烷基為含有約8至約22個碳原子之經分支或未經分支烷基之四級鏻鹽，其中該等低碳烷基係獨立地為C1 -C4 烷基，且其中該鹽包含可為或包含鹵離子、硫酸根、磷酸根、磺酸根、甲酸根、乙酸根、硝酸根、碳酸根或碳酸氫根中一或多者之陰離子。
根據本發明一具體實施例提供一種蝕刻安置於基板上之矽層之方法。在一具體實施例中，該矽層上沉積有複數個結構，如間隔物特徵及/或閘極結構以產生暴露出矽層之開口，該方法至少包括下列步驟：異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽。
如本文所用，”約相等速率”係指(100)/(110)蝕刻速率之比例係從約0.8：1變化至約1.2：1，且在一具體實施例中從約0.8：1變化至約1：1，在另一具體實施例中從約0.9：1變化至約1.1：1，在另一具體實施例中從約0.9：1變化至約1：1。如上所述，根據本發明此(100)/(110)蝕刻比例之”約相等速率”係與藉由慣用蝕刻組合物及方法所獲得從約0.5：1下至0.1：1或更低之極不相等的(100)/(110)蝕刻比例。獲得約相等速率之(100)/(110)蝕刻並伴隨相較於(111)平面優先蝕刻此等平面時，本發明提供一種選擇性地可控制異向性地蝕刻，其可在(111)平面中形成具有側壁之凹槽，其中該等側壁相較於未經處理(100)之矽表面係十分平滑。
該表面包含結構及開口時，該等矽蝕刻步驟一般係藉由進出矽穿孔或經由開口進行。該等結構可簡單地為圖案化遮蔽層或新生或實際活性裝置元件，如閘極結構，其中該閘極結構之側壁間隔物或其所塗布之塗層構成周圍產生深至下伏矽層之開口之結構。或者，其可為此等活性結構與圖案化遮蔽層之組合，必要時在經適當選擇之位置提供一具有適合尺寸之開口。
在一具體實施例中，該矽層上沉積有複數個結構以產生暴露出矽層之開口，且該選擇性地異向性蝕刻係經由該等開口進行。
在一具體實施例中，該選擇性地異向性濕蝕刻部分下切複數個結構中之各者且該加大凹槽於(111)平面中包含兩個側壁。此係更詳細地顯示及描述於該等圖式之描述中。
在一具體實施例中，該芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物包含銨或鏻或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，在芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物中，該(低碳)烷基各獨立地包含1至約4個碳原子。在一具體實施例中，在芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物中，該芳族基為苯甲基或苯基且各低碳烷基獨立地為甲基或乙基。此等化合物係更詳細地描述於下列鎓化合物之描述中。
在一具體實施例中，該不對稱四烷基四級鏻鹽包含具有從約8至約18個碳原子之烷基並另外包含一或多個獨立地含有1至約4個碳原子之低碳烷基。此等化合物係更詳細地描述於下列鎓化合物之描述中。
在一具體實施例中，該水性組合物另外包含乙二醇醚。在一具體實施例中，該乙二醇醚係單烷基醚。在一具體實施例中，該乙二醇醚係二丙二醇單甲基醚。在一具體實施例中，該乙二醇醚係以高達約5重量%之濃度存在。
有機鎓化合物
對本發明為有用的有機鎓化合物包括有機鎓鹽及有機鎓氫氧化物如四級銨氫氧化物及四級鏻氫氧化物。
在一具體實施例中，該等鎓氫氧化物的特徵一般在於式(I)：
A(OH)x 　(I)
其中在(I)中，A係含芳族之鎓基且x係等於A價數之整數。A最常為具有單一正電荷之鎓離子，即+1價，但具有多個正電荷，如2至4個正電荷之鎓離子係在本發明A定義之範疇內。鎓基之實例包括銨基及鏻基。鎓基氫氧化物應充分溶於如水、醇或其他有機液體或其混合物之溶液中以得可用濕蝕刻速率。
在一具體實施例中，該四級鎓氫氧化物的特徵在於式(II)：
其中在式(II)中，A係氮或磷原子，R1 係含芳族基團且R2 、R3 及R4 係各獨立地為低碳烷基、烷氧基或羥基烷基。在一具體實施例中，該低碳烷基係獨立地包含1至約4個碳原子，該羥基烷基包含1至約4個碳原子且該烷氧基烷基包含2至約5個碳原子。
在式(II)中，該含芳族基團可為芳基或羥基芳基。適合的芳基及羥基芳基之實例包括苯基、苯甲基、1-萘基、2-萘基、菲基及經低碳烷基取代之類似物，如甲苯基或二甲苯基，其中該低碳烷基係從1變化至約4個碳原子，且該等芳族環包含經低碳烷基取代之類似物之對應羥基-芳基已經一或多個羥基取代。
在式(II)中，基團R2 至R4 可獨立地為線性或經分支且此等低碳烷基之具體實例包括甲基、乙基、丙基及丁基。基團R2 至R4 中之一或多者亦可獨立地為含有1至4個碳原子之羥基烷基如羥基乙基及羥基丙基、羥基丁基等之各種異構物。基團R2 至R4 中之一或多者亦可獨立地為含有2至5個碳原子之烷氧基烷基如甲氧基甲基、乙氧基乙基及烷氧基丙基、烷氧基丁基等之各種異構物。特別考慮可使用上述烷基、羥基烷基及烷氧基烷基之任何組合。
在一具體實施例中，根據本發明方法可使用之四級銨氫氧化物可包括(例如)苯基三甲基氫氧化銨、苯基三乙基氫氧化銨、苯甲基三甲基氫氧化銨及苯甲基三乙基氫氧化銨或任何此等物之混合物。
在一具體實施例中，根據本發明可使用之不對稱四級鏻鹽的特徵在於式(III)：
其中在式(III)中，R5 係包含約8至約22個碳原子之經分支或未經分支烷基且R2 、R3 及R4 係如式(II)所定義般，X- 係酸之陰離子且y為等於X價數之數字。酸之陰離子實例包括碳酸氫根、鹵離子、硝酸根、甲酸根、乙酸根、硫酸根、碳酸根、磷酸根等。在一具體實施例中，R5 為C10 -C22 烷基，且在一具體實施例中，R5 為C14 -C18 烷基。
根據本發明可使用之式(III)之四級鏻鹽代表實例包括十四基三丁基氯化鏻、十六基三甲基氯化鏻、十四基三乙基氯化鏻、十六基三乙基氯化鏻、十二基三丁基氯化鏻、十二基三甲基氯化鏻、十八基三丁基氯化鏻、十八基三甲基氯化鏻等及對應陰離子，包括如氟離子、溴離子、碘離子、硫酸根、碳酸根及磷酸根。在一具體實施例中，不使用氟離子，因為氟離子可能造成矽之非所需蝕刻。
在一具體實施例中，較大鎓陽離子，包括彼等具有較大有機基團者提供與光阻材料更高之相容性。在一具體實施例中，相較於缺乏長鏈烷基之鏻離子，較大鏻離子提供較平滑之蝕刻表面。
上述鎓氫氧化物及鏻鹽係(例如)獲自SACHEM,Inc.,Austin,Texas之市售物。此外，鎓氫氧化物可由對應鎓鹽如對應鎓鹵化物、碳酸鹽、甲酸鹽、硫酸鹽及類似物製得。各種製備方法係描述於美國專利第4,917,781號中(Sharifian等人)及第5,286,354號(Bard等人)，將其以引用方式併入本文中。對如何獲得或製備該鎓氫氧化物或鹽無任何特別限制。在一具體實施例中，鎓氫氧化物及鹽之金屬含量應儘可能地低並應在規格內且適合用於半導體裝置處理中。
該芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物在本發明組合物中之濃度可在該濕蝕刻組合物之0.1重量%至約20重量%之範圍內。適當稀釋可基於供應給該濕蝕刻組合物之濃度及其中希望使用之濃度由彼等熟諳此技者決定。在一具體實施例中，該芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物濃度係在約0.5重量%至約15重量%之範圍內，在另一具體實施例中，該芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物濃度係在約2重量%至約10重量%之範圍內且在另一具體實施例中，該芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物濃度係在約3重量%至約8重量%之範圍內，在一具體實施例中，該芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物濃度係約4重量%，所有濃度皆係以該濕蝕刻組合物之總重量計。
該不對稱鏻鹽在本發明組合物中之濃度可在該濕蝕刻組合物之0.1重量%至約20重量%之範圍內。適當稀釋可基於供應給該濕蝕刻組合物之濃度及其中希望使用之濃度由彼等熟諳此技者決定。在一具體實施例中，該不對稱鏻鹽濃度係在約0.5重量%至約15重量%之範圍內，在另一具體實施例中，該不對稱鏻鹽濃度係在約2重量%至約10重量%之範圍內且在另一具體實施例中，該不對稱鏻鹽濃度係在約3重量%至約8重量%之範圍內，在一具體實施例中，該不對稱鏻鹽濃度係約4重量%，所有濃度皆以該濕蝕刻組合物之總重量計。
在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約0.1至約20重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約0.1至約20重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約0.5至約15重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約0.1至約20重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約2至約10重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約0.1至約20重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約3至約8重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約0.1至約20重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約0.1至約20重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約0.5至約15重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約0.1至約20重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約2至約10重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約0.1至約20重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約3至約8重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約3重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約1.5重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在一具體實施例中，該濕蝕刻組合物包含約9重量%之芳族三(低碳)烷基鎓氫氧化物及約1.5重量%之不對稱鏻鹽並視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。在上述各情況下，當乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合存在時，其可以高達該濕蝕刻組合物之約5重量%之量存在。
在所有上述情況下，在所揭示範圍內獨立地決定鎓化合物之濃度，其可為任何既定蝕刻組合物中所用之氫氧化物及/或鹽之任兩者或多者的混合物且該蝕刻組合物視情況進一步包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。
應力導入
在一具體實施例中，本發明係關於一種將應力導入矽層之方法。如於先前技術中所討論般，已將應變導入矽層用於提高電子及電洞在半導體材料中，特別係MOS電晶體之通道區中之遷移率。當將本發明組合物用於上述方法中時，其對為產生應力生成結構形成可沉積矽合金之模槽特別有用。根據此具體實施例，導入應力之方法至少包括下列步驟：提供一安置於基板上之矽層，該矽層上沉積有複數個間隔物特徵以於該矽層中產生開口；經由該等開口異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽。
將矽合金磊晶式地沉積於至少一部分加大凹槽中之矽表面上。
在一具體實施例中，該矽合金將應力導入該矽層中。
在一具體實施例中，該矽合金包含矽-鍺。
在一具體實施例中，該矽合金包含矽-碳。
該矽合金係磊晶式地形成於該加大凹槽之表面上。在一具體實施例中，該矽合金包含矽及鍺。在另一具體實施例中，該矽合金包含矽、鍺及硼，其中所加之硼係作為摻雜劑。可在如具有下列處理條件之200釐米化學氣相沉積腔中形成該等膜：在740℃之溫度下20sccm之二氯矽烷及50sccm之鍺烷。在一包含硼之具體實施例中，可在此等流及溫度中加入70sccm濃度為1%之二硼烷以提供作為摻雜劑之硼。
如將暸解，該矽及鍺形成一具有結構與該加大凹槽表面之矽晶格的結構相同之晶格之合金。然而，矽與鍺合金之晶格的間隔係比該加大凹槽之矽晶格的間隔大。因為該矽合金之晶格具有與該加大凹槽之矽相同之結構，該矽合金磊晶式地形成於該加大凹槽之矽表面上。然而，因為該矽合金晶格之間隔較大，該矽合金在鄰接該加大凹槽之通道中產生一壓應力。在一具體實施例中，該鍺係以約15原子%存在於該矽與鍺之組合中。已發現可以體積計利用高達矽與鍺之組合之20原子%的鍺濃度維持磊晶。此具體實施例提高電洞在通道中之遷移率。
在一有硼存在之具體實施例中，該硼濃度可為近0.5x1020 /立方厘米至約3x1020 /立方厘米。該所得矽-鍺沉積物因此摻雜有P+。
如將瞭解，當該矽合金係矽碳時，可使用類似條件磊晶式地沉積該矽合金，但該矽碳合金形成稍小之晶格以取代形成稍大之晶格並將張應力施加於該通道區中以取代將壓應力施加於該通道區中。此具體實施例提高電子在通道中之遷移率。此外，如將瞭解，該矽碳合金若適當亦可經摻雜。
例示性方法
下列係用於進行本發明具體實例之例示性方法並提供用於非限制目的地例示以評估(100)、(110)及(111)矽平面之蝕刻速率。
該等蝕刻實驗係利用(100)定向及p摻雜之4英吋矽晶圓完成。1.2-1.5微米之熱氧化物遮蔽層係在爐中生長並用於保護；利用基本光蝕刻法在該熱氧化物層中形成直徑為約1釐米至約3釐米之圓的簡單圖案。令該等矽晶圓分裂成碎片並浸入含有100：1HF之塑膠燒杯中達2分鐘以去除該等圓之矽的表面氧化物(但不去除保護氧化物)，以DI水清洗和乾燥之。然後在範圍從55℃至90℃之所示溫度下將該等晶片浸入蝕刻劑溶液中以處理之並攪拌該矽蝕刻組合物。該等晶圓碎片係經處理5分鐘至30分鐘之時間，之後以DI水清洗之並以氮氣吹乾之。然後，藉由輪廓量測儀、AFM或SEM檢測該等晶圓。
製程溫度
用於進行一種根據本發明具體實施例選擇性地異向性地濕蝕刻矽層之方法之浴或溶液溫度可基於彼等熟諳此技者已知因素，包括欲蝕刻矽層之特定矽組合物的身分、欲蝕刻矽層之厚度、銨及/或鏻氫氧化物及/或鹽之濃度、蝕刻所分配之時間及已知矽蝕刻方法中影響蝕刻速率之類似因素作適當選擇。在一具體實施例中，用於選擇性地異向性濕蝕刻矽層之濕蝕刻組合物之浴或溶液溫度係從約30℃變化至約90℃，且在另一具體實施例中，該浴或溶液溫度係從約50℃變化至約80℃，在另一具體實施例中，該浴或溶液溫度係從約60℃變化至約75℃，且另外在另一具體實施例中，該浴或溶液溫度係約70℃。
蝕刻選擇性
在一具體實施例中，如本文方法中所述利用根據本發明濕蝕刻組合物所獲得對(100)平面相對於(111)平面之選擇性係從約1.4變化至約2.5且對(110)平面相對於(111)平面之選擇性係從約1.5變化至約2.5。
在一具體實施例中，(100)與(110)平面之相對蝕刻速率實質上為類似速率，如約相等速率(如上所定義般)且在一具體實施例中，(100)/(110)及(110)/(100)之蝕刻速率比皆在約0.8至約1.2之範圍內。
下表中之數據代表如利用兩種不同組合物(一者係在不同溫度條件下，另一者添加有乙二醇醚)所說明般可根據本發明具體實施例之方法獲得之結果。如該表中所說明般，該方法獲得(100)及(110)平面比(111)平面高之蝕刻速率。
BzTMAH=苯甲基三甲基氫氧化銨
TDTBPC1=十四基三丁基氯化鏻
DPGMBE=二丙二醇單丁基醚
本發明蝕刻劑之上述蝕刻速率係藉由輪廓量測儀或SEM測得。下列對照數據係對非根據本發明之簡單四級鎓氫氧化物者。
TBAH=四丁基氫氧化銨
TBPH=四丁基氫氧化鏻
先前技術蝕刻劑之上述蝕刻速率係由藉將該等蝕刻劑施用於(100)、(110)及(111)未經處理之矽表面之重量損失測得。
如由上述數據顯而易見，根據本發明具體實施例之組合物獲得實質上低於藉由慣用矽蝕刻劑所獲得之矽蝕刻速率，如對照數據中所示者之矽蝕刻速率。此較低之矽蝕刻速率不僅減輕且係一選擇性獲顯著改善之優勢，亦如上述數據所示般。至於對照數據，相較於選擇性為[(110)(100)]>(111)(其中指示實際上類似，如上所定義約相等之蝕刻速率)之本發明，矽蝕刻速率係遠較高，但選擇性係(110)>>(100)>(111)(其中>>指示遠較高之蝕刻速率且>指示較高蝕刻速率)。因此，根據本發明具體實施例，該矽蝕刻速率可以實質上彼此類似之速率確實用於蝕刻(110)及(100)平面且其中兩者之蝕刻速率係明顯大於(111)平面之蝕刻速率，因此偏好在(111)平面中留下較多矽。除了此優勢之外，降低之整體蝕刻速率在蝕刻後產生遠較平滑之矽表面，特別係在(111)平面中(極可能係因(111)平面之較低蝕刻速率之故)。
經蝕刻矽表面之粗糙度
如上述般，為提高該矽合金於此等表面上之磊晶式沉積，以本發明方法蝕刻之表面為儘可能平滑是重要的。
在一具體實施例中，藉由原子力顯微鏡(AFM)測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.34毫微米至約0.45毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.35毫微米至約0.43毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.35毫微米至約0.36毫微米之範圍內之暴露矽表面。
在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rrms 在約0.43毫微米至約0.55毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rrms 在約0.43毫微米至約0.455毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rrms 在約0.13毫微米至約0.5毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rrms 在約0.14毫微米至約0.25毫微米之範圍內之暴露矽表面。
在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包括粗糙度Rmax 在約1.4毫微米至約6毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rmax 在約4.9毫微米至約6毫微米之範圍內之暴露矽表面。在一具體實施例中，藉由AFM測量時，該加大凹槽包含粗糙度Rmax 在約1.5毫微米至約2.2毫微米之範圍內之暴露矽表面。
獲自本發明之表面的較佳平滑度可以其他方式表現。因此，在一具體實施例中，根據本發明所獲得之加大凹槽包括側壁及其他暴露矽表面，該其他暴露矽表面之Rrms 粗糙度藉由AFM所量得相較於類似未經處理之矽表面的粗糙度無顯著增加。因此，在一此具體實施例中，該蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約6%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約10%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約25%內之Rrms 粗糙度。在另一具體實施例中，蝕刻後之矽表面具有藉由AFM所量得比類似未經處理之結晶性的矽表面大約90%內之Rrms 粗糙度。
在一具體實施例中，根據本發明所獲得之加大凹槽包含側壁及其他具有一粗糙度之暴露矽表面，該粗糙度係使應變誘導矽合金沉積在凹槽中時，該沉積物包含許多堆疊缺層或差排，該堆疊缺層或差排的數目係在藉由相同應變誘導矽合金沉積於類似未經處理之結晶性的矽表面上所獲得之堆疊缺層或差排數目之約10倍內。換言之，例如，若應變誘導SiGe合金沉積在未經處理之結晶性的矽表面上，每平方厘米將造成約108 個差排(108 /平方厘米)，在一具體實施例中，在根據本發明蝕刻之表面上所沉積之應變誘導SiGe合金中差排的數目係每平方厘米不超過約107 個差排(107 /平方厘米)。公認實際差排數目/平方厘米可視許多因素而在寬廣範圍內變化，如Si相對於合金元素之比例、沉積條件、任何後續退火及其他熟諳此技者已知因素。然而，此特徵可容易地藉於實質上相等之條件下沉積在兩種不同的基板上，即未經處理及根據本發明蝕刻之基板上的應變誘導矽合金之比較測得。
如前文所述般，對藉由本發明方法蝕刻之表面而言重要地係儘可能平滑以提高該矽合金磊晶式地沉積於此等表面上。藉由本發明所達到之平滑度(或相反地，缺乏粗糙度)提供該技術重要進展。本發明以無需額外平滑化步驟達到所需相對平滑表面之能力對幫助控制半導體製造方法之步驟總數係重要的。
在一具體實施例中，該加大凹槽包含側壁，其具有如藉由AFM所量得實質上類似於(100)平面上未經處理之活性矽表面之粗糙度的粗糙度。欲”實質上類似”，基於如藉由AFM所量得之Rrms 粗糙度，該經蝕刻矽表面之粗糙度應不比(100)平面中未經處理之活性矽表面粗超過約100%。
下表說明未經處理之矽的對照AFM Rrms 粗糙度值及根據本發明兩個具體實施例處理矽表面後之矽表面的粗糙度測量值。在該表中，”1”是3%之苯甲基三甲基氫氧化銨及1.5%之十四基三丁基氯化鏻，”2”是0.2%之苯甲基三甲基氫氧化銨、0.5%之十六基三丁基氯化鏻及0.5%之二丙二醇單丁基醚。
如上表所示般，在樣品1之420秒施用中經蝕刻矽表面之Rrms 粗糙度係更粗(0.543-0.430)/0.430x100=26.3%。在樣品1之320秒施用中經蝕刻矽表面之Rrms 粗糙度係更粗(0.455-0.430)/0.430x100=5.8%。在樣品2之300秒施用中經蝕刻矽表面之Rrms 粗糙度係更粗(0.253-0.134)/0.134x100=88.8%。
圖式
圖1-3說明根據本發明方法之施用的效果。
圖1係比較先前技術蝕刻方法與根據本發明具體實施例之蝕刻方法之一部分新生半導體裝置的截面示意圖。如圖1概要說明般，當施用一典型非選擇性異向性乾蝕刻時，所產生之蝕刻實質上平均地影響該矽晶體結構之(100)、(110)及(111)平面各者而產生一與該矽晶體結構之任何平面皆無對準之蝕刻表面。因此，若嘗試沉積一應力誘導材料，則結果係無法令人滿意的。
相反地，如圖1所描繪般，當將根據本發明選擇性地異向性濕蝕刻施用於該矽基板時，該選擇性蝕刻導致以約相等速率且優先於該(111)平面地蝕刻(100)及(110)平面。此選擇性地異向性濕蝕刻之受控制的選擇性產生一如圖1所描繪般留下該等(111)平面中之矽且該等(111)平面十分平滑之蝕刻表面。如將瞭解，該凹槽底部一般係在(100)平面中。
圖2係描繪根據本發明具體實施例之選擇性地異向性濕蝕刻之截面示意圖。如圖2概要說明般，當根據本發明蝕刻單晶矽基板，如Si(100)基板時，其中(100)及(110)平面係經類似約相等之速率且優先於該(111)平面地選擇性蝕刻，所得矽主要在該(111)平面中呈現磨蝕面。如圖2所示般，在此具體實施例中，該選擇性地異向性濕蝕刻部分下切複數個結構中之各者且該加大凹槽於(111)平面中包含兩個側壁。此亦顯示於圖1、3及5C中。如圖5C更詳細地指示及描述般，在此具體實施例中，在(111)平面中兩內部側壁皆具有磨蝕面。
圖3係說明本發明具體實施例之重要態樣之新生電晶體的截面示意圖。圖3說明可施用本發明具體實施例之電晶體結構之某些臨界尺寸。圖3之新生電晶體係顯示施用根據本發明方法後之階段。在該裝置中重要或臨界尺寸及/或特徵係與(a)、(b)、(c)及(d)等項相同。
圖3之(a)項指示頸部尺寸，其係穿過其間將成為該電晶體之源極及汲極之通道區的最小或最短通道。該頸部係根據本發明相對於(111)平面優先蝕刻(100)及(110)平面所造成且當矽合金接著沉積在源極及汲極區時，導致一較強壓應力或張應力施用於該通道區。由於較強應力可增加電洞或電子遷移率(視矽合金而定)以藉此改善該電晶體之電流驅動能力。
圖3之(b)項指示凹槽深度，其係在根據本發明具體實施力之蝕刻製程期間所希望控制者，因此在該蝕刻製程中可獲得受控制之理想深度。在根據本發明蝕刻方法中，相對於(111)平面係選擇性地蝕刻(100)及(110)平面。因此，當形成(a)之頸部時，凹槽深度(b)增加。
圖3之(c)項一般係指側壁及凹槽底部之粗糙度。根據本發明具體實施，進行選擇性地異向性濕蝕刻時可獲得特別平滑之表面。不完全確實知道促成所見平滑度之因素，但已發現根據本發明蝕刻之表面係明顯比相同一般用途所用之先前技術選擇性蝕刻劑所蝕刻之表面平滑且更平坦。因此，(c)項說明一根據本發明方法之重要且意想不到的特徵。
圖3之(d)項說明未以根據本發明所用之組合物蝕刻該閘極結構中之閘極氧化物、氮化物及/或其他材料。因此，在本發明具體實施中，該閘極結構，包括閘極氧化物、氮化物及/或其他材料係用作遮罩及/或以定義製程中將蝕刻之區域。
在一具體實施中，本發明另外關於一種製造較佳PMOS半導體電晶體之方法。將凹部蝕刻至磊晶矽層內。源極及汲極膜係沉積在該等凹部中。該等源極及汲極膜係由沉積期間所摻入之矽、鍺及硼的合金所製成。藉由沉積期間摻入硼，可獲得比以植入技術更高之活性摻雜劑濃度。該合金係磊晶式地沉積在矽層上。該合金因此具有一與該矽層晶格之晶體結構相同的晶體結構之晶格。然而，由於包含鍺以置換某些矽原子，該合金之晶格具有比該矽層晶格之間隔更大之間隔。該較大間隔在該電晶體之通道中源極與汲極膜之間產生應力。該應力與較低電阻率(由於較高活性摻雜劑濃度)一起增加該電晶體之IDSAT 及IDLIN 。NMOS電晶體可以類似方式藉由包含碳以取代鍺作為合金原子，藉此產生張應力的方式製成。本發明將就PMOS電晶體之形成進行描述。一熟諳此技者將瞭解除了顛倒摻雜導電率類型及晶格間隔之外，NMOS電晶體可以類似方式製成。
根據本發明具體實施例，因為可具有藉由選擇性摻雜該矽合金所獲得之預定導電率之矽合金層係磊晶地鄰接通道區地成長，在該通道區中誘導出應力且此大幅改善載體穿過通道區之遷移率。
例如，當該半導體裝置係p-通道MOS電晶體時，該矽合金層係由SiGe合金形成並由該通道區兩側上之SiGe合金層將壓應力沿電洞移動方向施加在通道區中。在SiGe合金層已以Σ-形(σ-形)(該SiGe合金層之延伸部分)形成之具體實施中，該SiGe混合結晶層之延伸部分在矽晶體中通道區裏產生一應力。因此，可有效地將該壓應力施用於該通道區中，其增加載體在該通道區中之遷移率。
另一方面，當半導體裝置係一n-通道MOS電晶體時，該矽合金層係由SiC合金形成且沿著電子之移動方向在通道區上誘導出拉伸應力，其增加電子在該通道區中之遷移率。
圖4A、4B及4C概要說明上述效果。圖4A、4B及4C係半導體裝置中一部分新生電晶體之截面示意圖。如圖4A所示般，該新生電晶體在藉由圖4A所示之閘極結構所定義之開口中經異向性蝕刻而形成一般具有平坦表面(即並非由選擇性蝕刻該矽基板上之任何特定平面所造成)之第一凹槽。圖4A所示之新生電晶體接著根據本發明具體實施例進行選擇性地異向性濕蝕刻該矽基板以形成圖4B之裝置。然後，令圖4B所示之新生電晶體經過矽合金磊晶式地沉積於藉由選擇性地異向性濕蝕刻所獲得之開口中以於圖4C所示之新生電晶體中形成如源極及汲極等結構。如上述般，矽合金之磊晶沉積在該通道區中源極與汲極之間產生應力(圖4C之通道區中以虛線概要說明)。
圖5A、5B、5C及5D概要說明一種根據本發明具體實施之方法。圖5A、5B、5C及5D係說明製造該半導體裝置10之方法的步驟之部分新生半導體裝置10的截面示意圖，該方法包括蝕刻一矽層及蝕刻矽層並將矽合金沉積於根據本發明具體實施例蝕刻所造成之凹槽中。
圖5A係概要描繪該裝置10中安置在單晶矽晶板14上之閘極結構12的元件。該單晶矽基板14具有作為主要平面之(100)晶體平面。該裝置10另外包含裝置區14A，其係以元件隔離區16定義且其可為(例如)STI-型隔離結構。該裝置10包括源極區14S及汲極區14D。該閘極結構12包含閘極絕緣膜18及閘電極20，其可藉由圖案化SiON膜及多矽膜所形成且其已藉由各種已知方法均勻形成於矽基板14上。該閘極結構12另外包括側壁絕緣膜22A及22B。該裝置10另外包含源極延伸區14SE及閘極延伸區14DE。源極延伸區14SE及閘極延伸區14DE係屬p型並分別與個別形成該裝置10之源極區14S及汲極區14D之p型擴散區14S及14D接觸。已(例如)利用閘電極20作為遮罩藉由植入硼或其他p型不純物形成源極延伸區14SE及閘極延伸區14DE。如技術中已知可將其他特徵加入該裝置10中。例如，該閘極結構12可包含第一及第二側壁絕緣結構(未顯示)兩者；該裝置10可包含如源極及汲極袋區、附加絕緣層等(未顯示出)之特徵。
接著，在圖5B所示步驟中，如藉由乾蝕刻異向性地蝕刻該矽基板14中側壁絕緣膜22A及22B與元件隔離區16之間該裝置區14A之源極區14S與汲極區14D之一部分至10至60毫微米之深度以形成初始凹槽26A及26B。初始凹槽26A及26B係藉由實質上垂直於該矽基板14之主要(100)平面的側面14b及實質上平行於該矽基板14之主要(100)平面之側面14c。
接著，在圖5C所示步驟中，施用根據本發明具體實施例之方法以相對於(111)平面選擇性地異向性蝕刻(100)及(110)平面之矽以形成加大凹槽26AE及26BE。根據本發明，選擇性異向性蝕刻係以約相等速率且優先於該(111)平面地蝕刻(110)及(100)平面。根據本發明具體實施例，該矽層14上沉積有複數個閘極結構12以產生暴露出矽層之開口，經由開口該矽層中具有經異向性蝕刻之第一初始凹槽26A、26B，該製程之下一個主要步驟包括選擇性地異向性濕蝕刻第一初始凹槽26A、26B之矽表面。在此具體實施例中，該選擇性地異向性濕蝕刻包括令該等矽層如表面14a及14c暴露於一根據本發明含有芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽之水性組合物中。因此，該選擇性濕蝕刻係以約相等速率(高於(即優先於)(111)平面之蝕刻速率)蝕刻該矽層14之(110)及(100)平面以於(111)平面中形成具有側壁14d及14f之加大凹槽。
如圖5C所示般，在裝置10之p-通道MOS電晶體中，該矽基板14之加大凹槽26AE及26BE各包含實質上平行於該矽基板14之主要平面的底部表面14c，以相對於底部表面14c約56E之角度並向內延伸由Si(111)平面之磨蝕面所形成之側面14d及以相對於底部表面14c約124E之角度由Si(111)平面之磨蝕面所形成之側面14f。該側面14f係由矽基板14之表面向內延伸，其亦係該矽基板14與側壁絕緣膜22A及22B間之介面。側面14d與側面14f相交於一點14g，藉此形成一向內面朝通道區之楔形，如圖5C所描繪般。
根據本發明，藉由本文所揭示組合物所獲得之選擇性蝕刻提供快速及受控制地蝕刻矽，藉此可輕易形成圖5C所描繪之楔形。雖然過去曾完成類似蝕刻(雖然利用極不同之蝕刻化學)而獲得類似形狀，但已知方法的成功率較低且其較不易獲得所需輪廓，儘管同時獲得藉由本發明所提供之所需平面選擇性及極平滑之蝕刻表面。
在一具體實施例中，本發明另外包括將矽合金磊晶式地沉積於至少一部分加大凹槽26AE及26BE中。在一具體實施例中，該矽合金係矽-鍺(SiGe)合金，在另一具體實施例中，該矽合金係矽-碳(SiC)合金。如技術中已知般且本文中為了簡潔將不另外描述，該矽合金可藉由摻雜劑共沉積或後續植入摻雜劑經適當摻雜。填充時，該楔形凹槽提供一可稱為σ形之形狀的結構。
例如，在一具體實施例中，如圖5D所說明般，p-型SiGe混合結晶層28A及28B係磊晶式地成長於加大凹槽26AE及26BE中以填充加大凹槽26AE及26BE。如技術中已知且如上所述般簡潔，由於磊晶成長及SiGe結晶相較於純Si結晶之不同的較大晶格參數，壓縮力係施加於鄰接SiGe混合結晶層28A及28B之結構。類似圖2之描繪，在圖5D中造成通道區之應變在該通道區中係以虛線概要描繪。
在SiGe混合結晶層28A及28B中，該楔狀物之內點14g(為側面14d與側面14f之交叉線)係形成於相對於第二側壁絕緣膜24A或24B之外部表面的內部位置處且SiGe混合結晶層28A及28B係在該閘電極20正下方接近通道區處。因此，SiGe混合結晶層28A及28B間之通道區係小於先前技術所得者，而在該先前技術中源極與汲極具有較多與閘極結構12對準之直立壁。較小通道區與由磊晶式成長矽合金所造成之應力一起提高電荷由源極移至汲極之遷移率，不論通道區係N-型或P-型(具有適當矽合金)。
由於加大凹槽26A及26B之楔形及SiGe混合結晶層28A及28B之E-形，通道區可誘導出比彼等具有標準側壁輪廓之先前技術p-通道MOS電晶體所誘導者更強之壓縮應力。因此，可增加電洞遷移率並改善裝置10中p-通道MOS電晶體之電流驅動能力。
在一具有相反摻雜之具體實施例中且磊晶式地施用以填充楔形加大凹槽26A及26B之矽合金為SiC時，產生抗張應力。如技術中已知且如上述般簡潔，當SiC係矽合金時，由於磊晶成長及SiC結晶相較於純Si結晶之不同的較小晶格參數，於鄰接SiC混合結晶層28A及28B之結構施加張應力。該抗張應力導致較高之電子遷移率，其改善對應n-通道MOS電晶體之電流驅動能力。
依照上列有關圖5A-5D之製程步驟，可根據技術中已知慣用程序進一步處理該半導體裝置10。
在整個專利說明書及申請專利範圍中，應注意可組合所揭示範圍及比例之數字極限並將其視為包括所有介於其間之值。因此，例如，具體揭示1-100及10-50等範圍時，將1-10、1-50、10-100及50-100等範圍如介於其間之整數值般視為在該揭示內容之範疇內。此外，將所有數值視為前置有修飾語”約”，不論是否具體陳述此項。最後，因為無法列舉每一種可能之組合及/或成分置換，不論是否具體提及，所有所揭示元件及組件之可能組合皆被視為在該揭示內容之範疇內。因此，考慮且熟諳此技者將承認本發明各元件之所揭示成員的各種及每一種組合及置換皆在根據如EPC 123(2)之揭示內容的範疇內。
雖然本發明原理已就某些特定具體實施例進行解釋並提供該等原理以達說明目的，應瞭解彼等熟諳此技者在閱讀專利說明書之後將清楚瞭解其各種改良。因此，應瞭解本文所揭示之發明欲如落在所附申請專利範圍之範疇內般涵蓋此等改良。本發明範疇僅受申請專利範圍的範疇所限制。
10．．．半導體裝置
12．．．閘極結構
14．．．單晶矽基板
14A．．．裝置區
14D．．．汲極區
14DE．．．汲極延伸區
14S．．．源極區
14SE．．．源極延伸區
14a．．．表面
14c．．．表面
14d．．．側壁
14f．．．側壁
14g．．．點
16．．．元件隔離區
18．．．閘極絕緣膜
20．．．閘電極
22A．．．側壁絕緣膜
22B．．．側壁絕緣膜
26A．．．初始凹槽
26AE．．．加大凹槽
26B．．．初始凹槽
26BE．．．加大凹槽
28A．．．p型SiGe混合結晶層
28B．．．p型SiGe混合結晶層
(100)．．．平面
(110)．．．平面
(111)．．．平面
a．．．頸部尺寸
b．．．凹槽深度
c．．．側壁及凹槽底部粗糙度
d．．．閘極結構中之閘極氧化物、氮化物及/或其他材料
圖1係用於比較先前技術蝕刻方法與根據本發明具體實施例之蝕刻方法之一部分新生半導體裝置的截面示意圖。
圖2係描繪根據本發明具體實施例之選擇性地異向性濕蝕刻之截面示意圖。
圖3係說明本發明具體實施例之重要態樣之新生電晶體的截面示意圖。
圖4A及4B係描繪矽合金之沉積及由於矽合金之存在使電晶體之通道中產生應變的截面示意圖。
圖5A-5D係描繪一種根據本發明另一具體實施例蝕刻矽晶板以形成開口，然後將矽合金沉積於該等開口中之方法的截面示意圖。
應瞭解為了簡化及清楚說明，該等圖式中所示元件不必依按比例大小描繪。例如，為了清楚，相對於彼此誇大部分元件之尺寸。此外，認為適當時，在該等圖式中重複使用參考數字以指示對應元件。
(100)．．．平面
(111)．．．平面

Claims (26)

  1. 一種蝕刻安置於基板上之矽層之方法，其包括：異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：含芳族四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該矽層上沉積有複數個結構以產生暴露出該矽層之開口且該異向性地蝕刻係經由該等開口進行。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該選擇性地異向性濕蝕刻部分下切複數個結構中之各者且該加大凹槽於(111)平面中包含兩個側壁。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該含芳族四級鎓氫氧化物包含銨或鏻或其任兩者或多者之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該含芳族四級鎓氫氧化物除了芳族基團之外還包含三個獨立地含有1至約4個碳原子之基團。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物中，該芳族基為苯甲基或苯基且各低碳烷基獨立地為甲基或乙基。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該不對稱四烷基四級鏻鹽包含一個具有從約8至約18個碳原子之烷基並另外包含一或多個獨立含有1至約4個碳原子之低碳烷基。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該四級鎓氫氧化物係以範圍從約0.1重量%至約20重量%之濃度存在且該四級鏻鹽係以範圍從約0.1重量%至約20重量%之濃度存在。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該水性組合物另外包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該乙二醇、醇及/或乙二醇醚係以高達約5重量%之濃度存在。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由原子力顯微鏡(AFM)測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.340毫微米至約0.450毫微米之範圍內之暴露矽表面。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該各異向性蝕刻係乾蝕刻。
  13. 一種將應力導入矽層之方法，其包括：提供一安置於基板上之矽層，該矽層上沉積有複數個間隔物特徵以便產生深至該矽層之開口；經由該等開口異向性地蝕刻該矽層之第一凹槽；選擇性地異向性濕蝕刻該第一凹槽之矽表面，該濕蝕刻包括令該等矽表面暴露於一含有下列各者之水性組成物中：芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物及不對稱四烷基四級鏻鹽；其中該濕蝕刻係以約相等速率且優先於(111)平面地蝕刻該矽層之(110)及(100)平面以於該(111)平面中形成一具有側壁之加大凹槽；並將矽合金磊晶式地沉積於至少一部分加大凹槽中之矽表面上。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該矽合金將應力導入至少一部分矽層中。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該矽合金包含矽-鍺或矽-碳。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該矽層上沉積有複數個結構以產生暴露出該矽層之開口且該異向性地蝕刻係經由該等開口進行。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該選擇性地異向性濕蝕刻部分下切複數個結構中之各者且該加大凹槽於(111)平面中包含兩個側壁。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該含芳族四級鎓氫氧化物包含銨或鏻或其任兩者或多者之組合。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該含芳族四級鎓氫氧化物除了芳族基團之外還包含獨立地含有三個1至約4個碳原子之基團。
  20. 如申請專利範圍第13項之方法，其中在芳族三(低碳)烷基四級鎓氫氧化物中，該芳族基為苯甲基或苯基且各低碳烷基獨立地為甲基或乙基。
  21. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該不對稱四烷基四級鏻鹽包含一個具有從約8至約18個碳原子之烷基並另外包含一或多個獨立含有1至約4個碳原子之低碳烷基。
  22. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該四級鎓氫氧化物係以範圍從約0.1重量%至約20重量%之濃度存在且該四級鏻鹽係以範圍從約0.1重量%至約20重量%之濃度存在。
  23. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該水性組合物另外包含乙二醇、醇、乙二醇醚或其任兩者或多者之組合。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該乙二醇、醇及/或乙二醇醚係以高達約5重量%之濃度存在。
  25. 如申請專利範圍第13項之方法，其中藉由原子力顯微鏡(AFM)測量時，該加大凹槽包含粗糙度Ra 在約0.340毫微米至約0.450毫微米之範圍內之暴露矽表面。
  26. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該異向性蝕刻係乾蝕刻。
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