TWI543370B - Ｍｏｓ電晶體製程 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種MOS電晶體製程，且特別係關於一種在形成源/汲極之後以及形成磊晶結構之前，形成凹槽或者/且進行清洗製程的MOS電晶體製程。
隨著半導體製程進入到深次微米時代，例如65奈米(nm)以下之製程，對於MOS電晶體元件的驅動電流(drive current)的提昇已顯得日益重要。為了改善元件的效能，目前業界已發展出所謂的「應變矽(strained-silicon)技術」，其原理主要是使閘極通道部分的矽晶格產生應變，使電荷在通過此應變之閘極通道時的移動力增加，進而達到使MOS電晶體運作更快的目的。
在目前已知的技術中，已有使用應變矽(strained silicon)作為基底的MOS電晶體，其利用矽鍺(SiGe)或矽碳(SiC)等的磊晶結構的晶格常數與單晶矽(single crystal Si)不同的特性，使磊晶結構產生結構上應變而形成應變矽。由於矽鍺或矽碳(SiC)的晶格常數(lattice constant)比矽小或比矽大，這使得矽的帶結構(band structure)發生改變，而造成載子移動性增加，因此可增加MOS電晶體的速度。
然而，一般磊晶結構會因高溫或離子佈植等影響，導致此磊晶結
構中的組成成分，例如鍺或碳等向外擴散，進而降低磊晶結構之組成成分之濃度，而劣化磊晶結構的效能。再者，在形成磊晶結構時之基底的表面品質亦會影響後續形成於其上之磊晶結構之形狀或剖面結構等，此些因素都會影響後續所形成之半導體元件的品質。
本發明提出一種MOS電晶體製程，其在形成源/汲極之後才形成磊晶結構，且在源/汲極之後以及形成磊晶結構之前，再形成凹槽或者進行清洗製程，俾使後續形成之磊晶結構具有更佳之品質。
本發明提供一種MOS電晶體製程包含有下述步驟。首先，形成一閘極結構於一基底上。接著，形成一源/汲極於閘極結構側邊的基底中。接續，在形成源/汲極之後，形成至少一凹槽於閘極結構側邊的基底中。然後，形成一磊晶結構於凹槽中。
本發明提供一種MOS電晶體製程包含有下述步驟。首先，形成一閘極結構於一基底上。接著，形成一源/汲極於閘極結構側邊的基底中。接續，在形成源/汲極之後，進行一清洗製程，清洗閘極結構側邊的基底的表面。然後，形成一磊晶結構於閘極結構側邊的基底中。
基於上述，本發明提出一種MOS電晶體製程，其先形成源/汲極，然後再形成凹槽或/且進行清洗製程，最後才形成磊晶結構。如此一來，本發明可避免形成源/汲極之源/汲極離子佈植製程以及源/
汲極退火製程所造成之磊晶結構中之成分向外擴散，其會降低磊晶結構施加於閘極通道之應力，並會導致閘極通道中之漏電流。再者，在形成源/汲極之後，形成凹槽或者進行清洗製程，可移除在形成源/汲極等製程中受損之基底或者於基底上之雜質，進而改善形成於其上之磊晶結構之品質。
本發明所提供之MOS電晶體製程，可適用於前閘極(Gate-First)製程、前置高介電常數後閘極(Gate-Last for High-K First)製程、後置高介電常數後閘極(Gate-Last for High-K Last)製程等。再者，本發明係以平面MOS電晶體為例，但本發明亦可應用於非平面MOS電晶體，諸如鰭狀場效電晶體(Fin-shaped field effect transistor,FinFET)以及三閘極場效電晶體(tri-gate MOSFET)等其他多閘極場效電晶體(Multi-gate MOSFET)。以下提出一實施例，其係以一平面MOS電晶體以及採用前置高介電常數後閘極(Gate-Last for High-K First)製程為例，但本發明不以此為限。
第1-8圖係繪示本發明一實施例之MOS電晶體製程之剖面示意圖。如第1圖所示，首先，提供一基底110。基底110例如是一矽基底、一含矽基底、一三五族覆矽基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆矽基底(graphene-on-silicon)或一矽覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底等半導體基底。接著，可在基底110中形成一絕緣結構10，以電性絕緣各區之電晶體。絕緣結構10例
如為一淺溝隔離(shallow trench isolation,STI)結構，其例如以淺溝隔離製程形成，詳細形成方法為本領域所熟知故不再贅述，但本發明不以此為限。在本實施例中，係在一區域A中形成共源極(common source)或共汲極(common drain)的二電晶體M1及M2，但本發明不以此為限。在其他實施例中，亦可形成單一電晶體或其他數量但不共源極(common source)或不共汲極(common drain)之電晶體於區域A中。
接續，形成一緩衝層(未繪示)、一介電層(未繪示)、一阻障層(未繪示)、一電極層(未繪示)以及一蓋層(未繪示)於基底110上，再將五者圖案化以形成包含一緩衝層122、一介電層124、一阻障層126、一電極層128以及一蓋層129的二閘極結構G1及G2。然後，覆蓋一主間隙壁材料(未繪示)再將其回蝕刻，以於各閘極結構G1及G2側邊的基底110上形成一主間隙壁130。此主間隙壁130的寬度w1可決定後續形成於基底110中之源/汲極距閘極通道C1及C2的距離。
在前述實施例中，緩衝層122可為一氧化層，其例如以熱氧化製程或化學氧化製程形成，但本發明不以此為限。緩衝層122位於介電層124與基底110之間，以作為介電層124與基底110緩衝之用。此緩衝層122可為選擇性形成，視介電層124與基底110之材質以及所欲形成之半導體元件之電性品質而定。例如，本實施例為一前置高介電常數後閘極(Gate-Last for High-K First)製程，因此本實
施例之介電層124為一高介電常數介電層，其可選自氧化鉿(hafnium oxide，HfO2)、矽酸鉿氧化合物(hafnium silicon oxide，HfSiO4)、矽酸鉿氮氧化合物(hafnium silicon oxynitride，HfSiON)、氧化鋁(aluminum oxide，Al2O3)、氧化鑭(lanthanum oxide，La2O3)、氧化鉭(tantalum oxide，Ta2O5)、氧化釔(yttrium oxide，Y2O3)、氧化鋯(zirconium oxide，ZrO2)、鈦酸鍶(strontium titanate oxide，SrTiO3)、矽酸鋯氧化合物(zirconium silicon oxide，ZrSiO4)、鋯酸鉿(hafnium zirconium oxide，HfZrO4)、鍶鉍鉭氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi2Ta2O9,SBT)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PbZrxTi1-xO3,PZT)與鈦酸鋇鍶(barium strontium titanate,BaxSr1-xTiO3,BST)所組成之群組，但本發明不以此為限。因此，本實施例之介電層124與基底110之材質差異可由形成於二者之間的緩衝層122緩衝。但在其他實施例中，如以後置高介電常數後閘極(Gate-Last for High-K Last)製程為例，可直接先形成介電層124於基底110上，介電層124可為一氧化層，其係於後續製程中會被移除，然後再於後續進行金屬閘極取代(metal gate replacement)製程時，移除介電層124後，再形成緩衝層122於基底110上。或者，亦可先形成緩衝層122於基底110上，再形成介電層124於緩衝層122上，而後在進行金屬閘極取代(metal gate replacement)製程時，移除介電層124即可，而不需再移除緩衝層122。另外，如僅欲形成一多晶矽電晶體，介電層124即可為一氧化層，故可不需再另外形成緩衝層122與阻障層126。
阻障層126位於介電層124上，用以於移除電極層128時當作蝕
刻停止層來保護介電層124，並可防止後續位於其上之金屬成分向下擴散污染介電層124。阻障層126例如為氮化鉭(tantalum nitride，TaN)、氮化鈦(titanium nitride，TiN)等之單層結構或複合層結構。電極層128可例如由多晶矽所形成之犧牲電極層，其可能於後續製程中由金屬閘極取代，但本發明不以此為限。蓋層129可例如為一氮化層或一氧化層等所組成之單層或雙層之堆疊結構。蓋層129可避免其下方之電極層128等結構在後續蝕刻製程進行時受損，因此蓋層129所組成之材料可視蝕刻製程之蝕刻液等各蝕刻參數而定。主間隙壁130可例如由氮化層、氧化層或二者之組合等所形成之單層或多層結構，但本發明不以此為限。
接著，如第2-3圖所示，形成一源/汲極140於各閘極結構G1及G2側邊的基底110中。詳細而言，如第2圖所示，首先進行一源/汲極離子佈植製程P1，藉由主間隙壁130自動對準地於閘極結構G1及G2側邊的基底110中分別形成一佈植區140’。然後，如第3圖所示，進行一源/汲極退火製程P2以活化佈植區140’，而於各主間隙壁130側邊的基底110中形成源/汲極140。當然，如通常知識者所熟知，在形成主間隙壁130之前，可先選擇性地形成一襯側壁子(未繪示)於各閘極結構G1及G2側邊的基底110上，再自動對準地形成一輕摻雜源/汲極(未繪示)。
接續，移除主間隙壁130，即可如第4圖所示，露出各閘極結構G1及G2的側壁。由於源/汲極140係由主間隙壁130自動對準地形
成，因此源/汲極140與各閘極結構G1及G2之一距離d1即為前幾圖繪示之主間隙壁130之寬度w1，因此距離d1可由調整主間隙壁130的寬度w1控制。在本實施例中係全部移除主間隙壁130，但在其他實施例中，可僅移除部分主間隙壁130，或者不移除主間隙壁130。然後，在後續製程中於剩下的主間隙壁130側邊的基底110上形成磊晶間隙壁。
如第5-6圖所示，形成一磊晶間隙壁150於各閘極結構G1及G2側邊的基底110上。詳細言之，如第5圖所示，先覆蓋一磊晶間隙壁材料150’於閘極結構G1及G2以及基底110上。再如第6圖所示，進行一蝕刻製程P3，蝕刻磊晶間隙壁材料150’以形成一磊晶間隙壁150於各閘極結構G1及G2的基底110上。在本實施例中，蝕刻製程P3不僅會蝕刻磊晶間隙壁材料150’形成磊晶間隙壁150，蝕刻製程P3更一併在磊晶間隙壁150側邊的基底110中形成凹槽R。如此，形成凹槽R之目的係可移除在前述製程中，特別是源/汲極離子佈植製程P1中，晶格受損之基底110。例如，進行源/汲極離子佈植製程P1所形成之佈植區140’之深度為50埃(Å,angstrom)，則凹槽R較佳可控制為具有約50~65埃(Å,angstrom)之深度，如此可移除受損部分之基底110，俾使後續形成於凹槽R中之磊晶結構可藉由晶格未受損之基底110長晶而具有較佳之剖面結構及形狀。在其他實施例中，形成凹槽R與形成磊晶間隙壁150之蝕刻製程亦可為不同之蝕刻製程且分段形成，所形成之凹槽R之深度可視實際需要，例如後續所形成之磊晶結構之材質或特性，而定。例如，當
磊晶結構為一矽碳磷(SiCP)磊晶結構，則凹槽R之深度較佳為約400~500埃(Å,angstrom)。再者，磊晶間隙壁150之一寬度w2係會決定後續形成於其側邊基底110中之磊晶結構距閘極結構G1及G2之距離。在本實施例中，磊晶間隙壁150之寬度w2小於前幾圖之主間隙壁130之寬度w1。是以，凹槽R係較源/汲極140更接近閘極通道C1及C2，俾使後續形成於凹槽R中之磊晶結構可更接近閘極通道C1及C2。如此，可增加磊晶結構施加於閘極通道C1及C2的應力，但又可避免源/汲極140太接近閘極通道C1及C2，造成電子穿遂效應而產生漏電流。
在其他實施例中，磊晶結構相對於閘極通道C1及C2之距離以及源/汲極140相對於閘極通道C1及C2之距離可視實際需要調整。其調整的方法，可例如先由主間隙壁130之寬度w1決定源/汲極140相對於閘極通道C1及C2之距離。然後，全部或部分移除主間隙壁130，或者不移除主間隙壁130，以在原主間隙壁130的位置上或者/且主間隙壁130側邊的基底110上，形成磊晶間隙壁150。此時，剩下的主間隙壁130加上磊晶間隙壁150的寬度W2則可控制磊晶結構相對於閘極通道C1及C2之距離。
如第7圖所示，進行一清洗製程P4，清洗凹槽R的表面S，以移除其上的蝕刻殘餘物與原生氧化物等，俾使後續形成於凹槽R中之磊晶結構具有更佳之形狀及剖面結構，進而使其所形成之半導體元件具有更佳之電性品質。清洗製程P4可包含一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程或/且一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)
的清洗製程。在一實施例中，可先進行一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程，先氧化部分之凹槽R的表面S，然後再進行一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程，一起以去除表面S之氧化物及其他雜質，並修補凹槽R的表面S，但本發明不以此為限。在本實施例中，係依序進行一第一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程、一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程以及一第二標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程。具體而言，可先以一次清洗多片晶圓的方式，初步先進行一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程，其製程溫度較佳為70℃且製程時間60秒；接著，以一次清洗單一晶圓的方式，進行一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗，其製程製程時間較佳為15秒，以及再以一次清洗單一晶圓的方式進行第二標準清洗製程，其製程溫度較佳為60℃且製程時間90秒。
如第8圖所示，進行一磊晶製程P5，以形成一磊晶結構160於凹槽R中。磊晶結構160可例如為一矽磷(SiP)磊晶結構、一矽鍺(SiGe)磊晶結構或一矽碳磷(SiCP)磊晶結構，但本發明不以此為限，端視電晶體的種類而定。在本實施例中，磊晶結構160為一NMOS電晶體的矽磷(SiP)磊晶結構。磊晶結構160中之成分，尤其是磷成分，在高溫製程或是離子佈植製程中會向外擴散，其對於離子佈植或高溫具有高度敏感之特性。本發明之磊晶結構160係在源/汲極140之後形成，故不會經歷形成源/汲極140之源/汲極離子佈植製程P1以及源/汲極退火製程P2，因而可避免磊晶結構160中之成分向外擴
散，其會降低磊晶結構160施加於閘極通道C1及C2之應力，並可能導致閘極通道C1及C2中之漏電流。更進一步而言，磊晶結構160會另有摻質於其中，俾使磊晶結構160可導電，其中摻質可例如為硼或磷等，視所欲形成之電性而定。此摻質可在磊晶製程P5時以原位(in-situ)摻雜的方式至磊晶結構160中，或者是源/汲極140中的摻質以擴散等方法進入磊晶結構160中，亦或者是在形成磊晶結構160後再另外以例如離子佈植等方式至磊晶結構160中。
承上，本發明係在形成源/汲極140之後，先形成凹槽R於閘極結構G1及G2側邊的基底110中，然後再進行清洗製程P4清洗凹槽R之表面S，最後才形成磊晶結構160。如此一來，磊晶結構160可避免形成源/汲極140之離子佈植製程以及退火製程之高溫。再者，在形成源/汲極140之後才形成凹槽R，可移除在形成源/汲極140等製程中受損部分之基底110，進而改善形成於其上之磊晶結構160之品質。另外，在形成凹槽R後才進行清洗製程P4，則可清洗凹槽R之表面S，亦可改善形成於其上之磊晶結構160之品質。
然而，在形成源/汲極140之後，先形成凹槽R再進行清洗製程P4，最後形成磊晶結構160的步驟僅為本發明之一實施例態樣。由於形成凹槽R以及進行清洗製程P4皆可改善基底110之表面，進而改善磊晶結構160之品質。因此，本發明可在形成源/汲極140之後，僅形成凹槽R或僅進行清洗製程P4，然後形成磊晶結構160。如此亦可達到本發明之目的。當然，採用先進行凹槽R再進行清洗
製程P4的方法，可較僅進行其中之一更能改善磊晶結構160之品質。
綜上所述，本發明提出一種MOS電晶體製程，其先形成源/汲極，然後再形成凹槽或/且進行清洗製程，最後才形成磊晶結構。如此一來，本發明可避免形成源/汲極之源/汲極離子佈植製程以及源/汲極退火製程所造成之磊晶結構中之成分向外擴散，其會降低磊晶結構施加於閘極通道之應力，並會導致閘極通道中之漏電流。再者，在形成源/汲極之後，再形成凹槽，可移除在形成源/汲極等製程中受損部分之基底，進而改善形成於其上之磊晶結構之品質。或者，在形成源/汲極之後，進行清洗製程，亦可清洗位於基底表面之雜質，進而改善形成於其上之磊晶結構之品質。更甚者，較佳之實施態樣係為在形成源/汲極之後，先形成凹槽再進行清洗製程，最後才形成磊晶結構。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧絕緣結構
110‧‧‧基底
122‧‧‧緩衝層
124‧‧‧介電層
126‧‧‧阻障層
128‧‧‧電極層
129‧‧‧蓋層
130‧‧‧主間隙壁
140‧‧‧源/汲極
140’‧‧‧佈植區
150‧‧‧磊晶間隙壁
150’‧‧‧磊晶間隙壁材料
160‧‧‧磊晶結構
A‧‧‧區域
C1、C2‧‧‧閘極通道
d1‧‧‧距離
G1、G2‧‧‧閘極結構
M1、M2‧‧‧電晶體
P1‧‧‧源/汲極離子佈植製程
P2‧‧‧源/汲極退火製程
P3‧‧‧蝕刻製程
P4‧‧‧清洗製程
P5‧‧‧磊晶製程
R‧‧‧凹槽
S‧‧‧表面
w1、w2‧‧‧寬度
第1-8圖係繪示本發明一實施例之MOS電晶體製程之剖面示意圖。
10‧‧‧絕緣結構
110‧‧‧基底
122‧‧‧緩衝層
124‧‧‧介電層
126‧‧‧阻障層
128‧‧‧電極層
129‧‧‧蓋層
140‧‧‧源/汲極
150‧‧‧磊晶間隙壁
160‧‧‧磊晶結構
C1、C2‧‧‧閘極通道
G1、G2‧‧‧閘極結構
P5‧‧‧磊晶製程
R‧‧‧凹槽
S‧‧‧表面
Claims (20)
- 一種MOS電晶體製程，包含有：形成一閘極結構於一基底上；形成一源/汲極於該閘極結構側邊的該基底中；在形成該源/汲極之後，形成至少一凹槽於該閘極結構側邊的該基底中；以及形成一磊晶結構於該凹槽中。
- 如申請專利範圍第1項所述之MOS電晶體製程，其中形成該源/汲極的步驟，包含：進行一源/汲極離子佈植製程於該閘極結構側邊的該基底中以形成一佈植區；以及進行一源/汲極退火製程，以活化該佈植區形成該源/汲極。
- 如申請專利範圍第1項所述之MOS電晶體製程，其中在形成該凹槽之後以及形成該磊晶結構之前，更包含：進行一清洗製程，清洗該凹槽的表面。
- 如申請專利範圍第3項所述之MOS電晶體製程，其中該清洗製程包含一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程或/且一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程。
- 如申請專利範圍第4項所述之MOS電晶體製程，其中該清洗製 程包含依序進行一第一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程、一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程以及一第二標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程。
- 如申請專利範圍第5項所述之MOS電晶體製程，其中該第一標準清洗製程的製程溫度為70℃且製程時間60秒，該含稀釋氫氟酸的清洗製程的製程時間為15秒，以及該第二標準清洗製程的製程溫度60℃且製程時間90秒。
- 如申請專利範圍第5項所述之MOS電晶體製程，其中該第一標準清洗製程是為一次清洗多片晶圓製程，該含稀釋氫氟酸的清洗製程以及該第二標準清洗製程是為一次清洗單一晶圓製程。
- 如申請專利範圍第1項所述之MOS電晶體製程，其中在形成該閘極結構之後，更包含形成一主間隙壁於該閘極結構側邊的該基底上，而該源/汲極則形成於該主間隙壁側邊的該基底中。
- 如申請專利範圍第8項所述之MOS電晶體製程，形成該凹槽的步驟，包含：移除該主間隙壁；覆蓋一磊晶間隙壁材料於該閘極結構以及該基底上；以及進行一蝕刻製程，以形成一磊晶間隙壁於該閘極結構側邊的該基底上以及形成該凹槽於該磊晶間隙壁側邊的該基底中。
- 如申請專利範圍第1項所述之MOS電晶體製程，其中該磊晶結構包含一矽磷(SiP)磊晶結構、一矽鍺(SiGe)磊晶結構或一矽碳磷(SiCP)磊晶結構。
- 一種MOS電晶體製程，包含有：形成一閘極結構於一基底上；形成一源/汲極於該閘極結構側邊的該基底中；在形成該源/汲極之後，進行一清洗製程，清洗該閘極結構側邊的該基底的表面；以及形成一磊晶結構於該閘極結構側邊的該基底的一凹槽中。
- 如申請專利範圍第11項所述之MOS電晶體製程，其中形成該源/汲極的步驟，包含：進行一源/汲極離子佈植製程於該閘極結構側邊的該基底中，以形成一佈植區；以及進行一源/汲極退火製程，以活化該佈植區形成該源/汲極。
- 如申請專利範圍第11項所述之MOS電晶體製程，其中該清洗製程包含一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程或/且一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程。
- 如申請專利範圍第13項所述之MOS電晶體製程，其中該清洗 製程包含依序進行一第一標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程、一含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程以及一第二標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程。
- 如申請專利範圍第14項所述之MOS電晶體製程，其中該第一標準清洗製程的製程溫度為70℃且製程時間60秒，該含稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid)的清洗製程的製程時間15秒，以及該第二標準清洗(Standard Clean 1,SC1)製程的製程溫度60℃且製程時間90秒。
- 如申請專利範圍第14項所述之MOS電晶體製程，其中該第一標準清洗製程是為一次清洗多片晶圓製程，該含稀釋氫氟酸的清洗製程以及該第二標準清洗製程是為一次清洗單一晶圓製程。
- 如申請專利範圍第11項所述之MOS電晶體製程，其中在形成該源/汲極之後以及進行該清洗製程之前，更包含：形成該凹槽於該閘極結構側邊的該基底中。
- 如申請專利範圍第11項所述之MOS電晶體製程，其中在形成該閘極結構之後，更包含形成一主間隙壁於該閘極結構側邊的該基底上，而該源/汲極則形成於該主間隙壁側邊的該基底中。
- 如申請專利範圍第18項所述之MOS電晶體製程，在形成該源/ 汲極之後以及進行該清洗製程之前，更包含：移除該主間隙壁；覆蓋一磊晶間隙壁材料於該閘極結構以及該基底上；以及進行一蝕刻製程，以形成一磊晶間隙壁於該閘極結構側邊的該基底上以及形成該凹槽於該磊晶間隙壁側邊的該基底中。
- 如申請專利範圍第11項所述之MOS電晶體製程，其中該磊晶結構包含一矽磷(SiP)磊晶結構、一矽鍺(SiGe)磊晶結構或一矽碳磷(SiCP)磊晶結構。
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| TW (1) | TWI543370B (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2012-06-11 TW TW101120922A patent/TWI543370B/zh active
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| TW201351644A (zh) | 2013-12-16 |
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