TWI550716B - 半導體元件的製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體元件的製造方法，且特別是有關於一種可修復晶格缺陷的半導體元件的製造方法。
一般而言，在半導體元件的製作中，常會在基底中產生由製程所導致的缺陷，如由淺溝渠隔離結構側壁的損壞或由離子植入所導致的晶格錯位(lattice dislocation)或堆積缺陷(stacking fault)等晶格缺陷，這些缺陷是導致半導體元件產生漏電流的原因之一。
以互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor, CIS)為例，若是在互補式金氧半導體影像感測器的基底中存在如晶格錯位或堆積缺陷等晶格缺陷，則會產生暗電流(dark current)，進而導致讀出的雜訊增加以及影響影像品質，而降低互補式金氧半導體影像感測器元件的效能。
本發明提供一種半導體元件的製造方法，其可有效地修復晶格缺陷。
本發明提出一種半導體元件的製造方法，包括下列步驟。提供基底，基底包括隔離區和元件區。對基底進行全面性非晶化處理以形成非晶化區，其中非晶化區的深度全面性地深於隔離區及元件區的至少一者的深度，且非晶化區涵蓋隔離區及元件區的至少一者。對非晶化區進行熱處理。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，全面性非晶化處理的方法例如是預非晶化植入(pre-amorphization implant，PAI)法。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，預非晶化植入法的植入材料例如是鍺、矽、氬、碳、銻、銦、氟或其組合或其分子團。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，預非晶化植入法例如是低溫植入法(cold implant)。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，非晶化區的深度例如是介於0.1微米至10微米之間。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，熱處理例如是單獨進行的熱製程或進行後續製程時所伴隨的熱製程。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，後續製程例如是熱氧化製程、熱沉積製程或熱回火製程。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，熱處理的溫度例如是高於攝氏500度。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，熱處理的時間例如是0.0001秒至10小時。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，更包括在隔離區中形成隔離結構。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，全面性非晶化處理可在隔離結構形成之前或之後進行，且隔離結構例如是淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構或深溝渠隔離(deep trench isolation, DTI)。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，全面性非晶化處理可在隔離結構形成之前或之後進行，且隔離結構例如是接面隔離結構(junction isolation）。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，更包括在元件區中形成半導體元件。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，半導體元件可在進行全面性非晶化處理之前或之後形成。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，半導體元件例如是光二極體(photodiode)。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，光二極體例如是第一導電型摻雜區以及鄰接於第一導電型摻雜區的第二導電型摻雜區。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，光二極體的形成方法例如是離子植入法。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，更包括在光二極體一側的基底上形成轉移閘極結構(transfer gate)。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，在進行熱處理之後更包括移除非晶化區的末端缺陷(end of range defects，EOR defects)區，其中末端缺陷區位於非晶化區的底端。
依照本發明的一實施例所述，在上述之半導體元件的製造方法中，末端缺陷區的移除方法例如是化學機械研磨法、濕式浸漬蝕刻法或乾式蝕刻法。
基於上述，在本發明所提出的半導體元件的製造方法中，由於藉由全面性非晶化處理在基底中形成非晶化區，且非晶化區的深度全面性地深於隔離區及元件區的至少一者的深度，再藉由對非晶化區進行熱處理，可使得基底的非晶化區進行再結晶而形成固態磊晶成長區，以修復基底中的晶格缺陷，進而可降低半導體元件的漏電流。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A至圖1F為本發明一實施例的半導體元件製造流程剖面圖。
請參照圖1A，提供基底100。基底100可為矽基底。基底100可植入P型摻質或N型摻質而形成P型基底或N型基底。在本實施例中，基底100以P型基底為例來進行以下說明。
基底100包括隔離區200和元件區300，其中隔離區200中是預定用於形成隔離結構的區域，而元件區300是預定用於形成半導體元件的區域。
請參照圖1B，可在隔離區200中形成隔離結構210。隔離結構210例如是淺溝渠隔離結構、深溝渠隔離結構或接面隔離結構。在本實施例中，隔離區200中的隔離結構210是以淺溝渠隔離結構為例來進行說明。當隔離結構210為淺溝渠隔離結構時，其形成方法例如是先於基底100中形成開口，再於開口中填入介電材料而形成。淺溝渠隔離結構的材料例如是二氧化矽、氮化矽、碳化矽等隔離材料。但本發明不以此為限。隔離結構亦可為其他方法形成的淺溝渠隔離結構或深溝渠隔離結構。舉例來說，在一實施例中，當隔離結構210為淺溝渠隔離結構時，其形成方法例如是氧植入隔離法(separation by implantation of oxygen，SIMOX)，如先於基底100中植入氧離子（oxygen ion），接著再利用高溫形成氧化物（oxide）而形成。在另一實施例中，隔離結構210亦可為接面隔離結構。當隔離結構210為接面隔離結構時，其形成方法例如是先於基底100上形成圖案化光阻層(未繪示)，再藉由離子植入法將摻質植入圖案化光阻層所暴露的基底100中，而於基底100中形成接面隔離結構。
對基底100進行全面性非晶化處理以形成非晶化區110。非晶化區110例如是基底100在A-A’線以上的區域。非晶化區110的深度全面性地深於隔離區200及元件區300的至少一者的深度，且非晶化區110涵蓋隔離區200及元件區300的至少一者。在本實施例中，是以非晶化區110的深度全面性地深於隔離區200及元件區300的深度，且非晶化區110涵蓋隔離區200及元件區300為例來進行說明，但本發明並不以此為限。全面性非晶化處理的方法例如是預非晶化植入法。非晶化植入法的植入材料例如是鍺、矽、氬、碳、銻、銦、氟或其組合或其分子團。預非晶化植入法例如是低溫植入法。採用低溫植入法可降低末端缺陷區的缺陷濃度。非晶化區的深度例如是介於0.1微米至10微米之間，但本發明並不以此為限。
在本實施例中，當隔離結構210為淺溝渠隔離結構或深溝渠隔離結構時，全面性非晶化處理可在隔離結構210形成之前或之後進行。在另一實施例中，當隔離結構210為接面隔離結構時，全面性非晶化處理亦可在隔離結構210形成之前或之後進行。其中，全面性非晶化處理在接面隔離結構210形成之前進行，可避免接面隔離結構型態的隔離結構210在進行全面性非晶化處理時受到變形。
請參照圖1C，在進行全面性非晶化處理之後，可於基底100的元件區300中形成第一導電型摻雜區312。於基底100中形成第一導電型摻雜區312的方法例如是於基底100上形成圖案化光阻層314。圖案化光阻層314的形成方法例如是進行微影製程而形成。接著，可藉由離子植入法於圖案化光阻層314所暴露的基底100中植入第一導電型摻質，而形成第一導電型摻雜區312。在本實施例中，第一導電型摻質例如是P型摻質，如硼等，但本發明並不以此為限。第一導電型摻質的劑量例如是介於1E11/cm
2至1E17/cm
2之間。
請參照圖1D，移除圖案化光阻層314。圖案化光阻層314的移除方法例如是乾式去光阻法或濕式去光阻法。
接著，可於基底100的元件區300中形成第二導電型摻雜區316，第二導電型摻雜區316鄰接於第一導電型摻雜區312。在本實施例中，第二導電型摻雜區316例如是設置於第一導電型摻雜區312下方。此外，第二導電型摻雜區316可鄰接於後續所形成的轉移閘極結構下方的通道區。於基底100中形成第二導電型摻雜區316的方法例如是於基底100上形成圖案化光阻層318。接著，可藉由離子植入法於圖案化光阻層318所暴露的基底100中植入第二導電型摻質，而形成第二導電型摻雜區316。在本實施例中，第二導電型摻質例如是N型摻質，如磷(P)或砷(As)等，但本發明並不以此為限。第二導電型摻質的劑量例如是介於1E11/cm
2至1E17/cm
2之間。
在本實施例中，由於基底100為P型基底，因此第一導電型摻雜區312是以P摻雜區為例來進行說明，而第二導電型摻雜區316是以N型摻雜區為例來進行說明。在另一實施例中，當基底100為N型基底時，第一導電型摻雜區312亦可為N摻雜區，而第二導電型摻雜區316亦可為P型摻雜區。
此時，可藉由第一導電型摻雜區312與第二導電型摻雜區316在元件區300中形成光二極體320(半導體元件)，且可在第一導電型摻雜區312和第二導電型摻雜區316交界處形成P/N接面。此外，光二極體320的P/N接面尚包括第二導電型摻雜區316與其周圍不同極性的摻雜區(如P型基材)間所形成的P/N接面。值得一提的是，在此實施例中，光二極體320(半導體元件)是在進行全面性非晶化處理之後形成。但本發明不以此為限。在另一實施例中，光二極體320(半導體元件)亦可以在進行全面性非晶化處理之前形成。
請參照圖1E，移除圖案化光阻層318。圖案化光阻層318的移除方法例如是乾式去光阻法或濕式去光阻法。
對非晶化區110進行熱處理，而可藉由熱處理使非晶化區110進行再結晶而形成固態磊晶成長(solid phase epitaxial growth)區120，藉此可修補基底100中的晶格缺陷。舉例來說，可修復在形成上述隔離結構210或光二極體320(半導體元件)等半導體製程時於基底100中所產生的晶格缺陷。熱處理例如是單獨進行的熱製程或進行後續製程時所伴隨的熱製程。亦即，若後續製程中的製程溫度高於使非晶化區110產生再結晶的溫度時，則可不需另外單獨進行額外的熱製程。單獨進行的熱製程例如是回火製程。後續製程例如是熱氧化製程、熱沉積製程或熱回火製程。熱處理的溫度例是高於攝氏500度。熱處理的時間例如是0.0001秒至10小時。
值得注意的是，在進行熱處理之後，於非晶化區100的底端(A-A’線)可能仍存在晶格缺陷，而形成末端缺陷區130(位於鄰近A-A’線的基底100附近)。然而，從末端缺陷區至距離隔離區200和元件區300的距離甚遠，所以對元件區300中的光二極體320(半導體元件)影響不大。此外，由於熱處理可使非晶化區110進行再結晶而形成晶格重新排列的固態磊晶成長區120，故可解決晶格缺陷的問題。換言之，可修復隔離區200和元件區300的晶格缺陷，因此可避免因晶格缺陷而導致在互補式金氧半導體影像感測器中產生暗電流，且可藉此改善訊雜比(signal to noise ratio，S/N ratio)，進而提升互補式金氧半導體影像感測器的效能。
可於光二極體320一側的基底100上形成轉移閘極結構322。轉移閘極結構322包括閘介電層324與設置於閘介電層324上的轉移閘極326。閘介電層324與轉移閘極326的形成方法例如是先在基底100上依序形成閘介電材料層(未繪示)與轉移閘極材料層(未繪示)後，再對轉移閘極材料層與閘介電材料層進行圖案化製程而形成。閘介電材料層的材料例如是氧化矽。閘介電材料層的形成方法例如是熱氧化法或化學氣相沉積法。轉移閘極材料層的材料例如是摻雜多晶矽。轉移閘極材料層的形成方法例如是化學氣相沉積法。在其他實施例中，更可選擇性地於轉移閘極326上形成金屬矽化物層。
可於轉移閘極結構322兩側形成間隙壁328。間隙壁328的材料例如是氮化矽。間隙壁328的形成方法例如是先在基底100上形成覆蓋轉移閘極結構322的間隙壁材料層(未繪示)，再以乾式蝕刻法對間隙壁材料層進行回蝕刻製程而形成。
請參照圖1F，可於轉移閘極結構322遠離光二極體320的一側的基底100中形成浮置擴散區330。浮置擴散區330的形成方法例如是離子植入法。浮置擴散區330的導電型態例如是與第二導電型摻雜區316的導電型態相同。在本實施例中，浮置擴散區300例如是N型摻雜區，但本發明並不以此為限。
可在基底100上形成覆蓋轉移閘極結構322與間隙壁328的介電層400。介電層400的材料例如是氧化矽。介電層400的形成方法例如是化學氣相沉積法。
可於介電層400中分別形成連接於轉移閘極326與浮置擴散區330的插塞332與插塞334，其中插塞332與插塞334可與後續形成的導線或其他元件電性連接。插塞332與插塞334的材料例如是鎢或銅等金屬。插塞332與插塞334的形成方法例如是金屬鑲嵌法。
在本實施例中，互補式金氧半導體影像感測器是使用前照式影像感測器(front side illuminated image sensor，FSI image sensor)為例來進行說明。亦即，光源從基底100的正面照射，無須從基底100的背面進行底部薄化製程。換言之，非晶化區110的末端缺陷區130仍存在。如前所述，由於從末端缺陷區130至元件區300或隔離區200的距離甚遠，所以末端缺陷區130對元件區300中的半導體元件影響不大。此外，末端缺陷區130具有吸附金屬雜質或污染物的功效。
在本實施例中，半導體元件是以互補式金氧半導體影像感測器中的光二極體為例來進行說明，但本發明並不以此為限。所屬技術領域具有通常知識者在參酌上述實施例所揭示的修補晶格缺陷的方式，可將上述實施例的半導體元件的製造方法應用於具有待修復的晶格缺陷的其他半導體元件中。
基於上述實施例可知，由於藉由全面性非晶化處理在基底100中形成非晶化區110，且非晶化區110的深度全面性地深於隔離區200及元件區300的至少一者的深度，再藉由對非晶化區110進行熱處理，可使得基底100的非晶化區110進行再結晶而形成固態磊晶成長區120，以修復基底100中的晶格缺陷，進而可降低半導體元件的漏電流。
圖2為本發明另一實施例的半導體元件的結構剖面圖。
請同時參照圖1F與圖2，圖1F的實施例與圖2的實施例的差別在於：圖2的互補式金氧半導體影像感測器為背照式影像感測器(backside illuminated image sensor，BSI image sensor)。亦即，即光源從基底100的背面照射。因此，圖2的半導體元件的製造方法更包括從基底100的背面進行底部薄化製程，以縮短光源從基底100的背面至光二極體320的距離。此外，藉此底部薄化製程，亦可同時移除末端缺陷區130。末端缺陷區130的移除方法例如是化學機械研磨法、濕式浸漬蝕刻法或乾式蝕刻法等。此外，圖2中的其他構件的配置方式、材料、形成方法與功效均與圖1F中的構件相似，故於此不再重複贅述。
綜上所述，上述實施例所提出的半導體元件的製造方法至少具有以下特點。上述實施例藉由全面性非晶化處理在基底中形成非晶化區，且非晶化區的深度全面性地深於隔離區及元件區的至少一者的深度，再藉由對非晶化區進行熱處理，可使得基底的非晶化區進行再結晶而形成固態磊晶成長區，以修復基底中的晶格缺陷，進而可降低半導體元件的漏電流。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧基底
110‧‧‧非晶化區
120‧‧‧固態磊晶成長區
130‧‧‧末端缺陷區
200‧‧‧隔離區
210‧‧‧隔離結構
300‧‧‧元件區
312‧‧‧第一導電型摻雜區
314、318‧‧‧圖案化光阻層
316‧‧‧第二導電型摻雜區
320‧‧‧光二極體
322‧‧‧轉移閘極結構
324‧‧‧閘介電層
326‧‧‧轉移閘極
328‧‧‧間隙壁
330‧‧‧浮置擴散區
332、334‧‧‧插塞
400‧‧‧介電層
110‧‧‧非晶化區
120‧‧‧固態磊晶成長區
130‧‧‧末端缺陷區
200‧‧‧隔離區
210‧‧‧隔離結構
300‧‧‧元件區
312‧‧‧第一導電型摻雜區
314、318‧‧‧圖案化光阻層
316‧‧‧第二導電型摻雜區
320‧‧‧光二極體
322‧‧‧轉移閘極結構
324‧‧‧閘介電層
326‧‧‧轉移閘極
328‧‧‧間隙壁
330‧‧‧浮置擴散區
332、334‧‧‧插塞
400‧‧‧介電層
圖1A至圖1F為本發明一實施例的半導體元件製造流程剖面圖。 圖2為本發明另一實施例的半導體元件的結構剖面圖。
100‧‧‧基底
120‧‧‧固態磊晶成長區
130‧‧‧末端缺陷區
200‧‧‧隔離區
210‧‧‧隔離結構
300‧‧‧元件區
312‧‧‧第一導電型摻雜區
316‧‧‧第二導電型摻雜區
320‧‧‧光二極體
322‧‧‧轉移閘極結構
324‧‧‧閘介電層
326‧‧‧轉移閘極
328‧‧‧間隙壁
330‧‧‧浮置擴散區
332、334‧‧‧插塞
400‧‧‧介電層
Claims (20)
- 一種半導體元件的製造方法，包括： 提供基底，所述基底包括隔離區和元件區； 對所述基底進行全面性非晶化處理以形成非晶化區，其中所述非晶化區的深度全面性地深於所述隔離區及所述元件區的至少一者的深度，且所述非晶化區涵蓋所述隔離區及所述元件區的至少一者；以及 對所述非晶化區進行熱處理。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，其中所述全面性非晶化處理的方法包括預非晶化植入法。
- 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件的製造方法，其中所述預非晶化植入法的植入材料包括鍺、矽、氬、碳、銻、銦、氟或其組合或其分子團。
- 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件的製造方法，其中所述預非晶化植入法包括低溫植入法。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，其中所述非晶化區的深度介於0.1微米至10微米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，其中所述熱處理包括單獨進行的熱製程或進行後續製程時所伴隨的熱製程。
- 如申請專利範圍第6項所述的半導體元件的製造方法，其中所述後續製程包括熱氧化製程、熱沉積製程或熱回火製程。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，其中所述熱處理的溫度至少高於攝氏500度。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，其中所述熱處理的時間為0.0001秒至10小時。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，更包括在所述隔離區中形成隔離結構。
- 如申請專利範圍第10項所述的半導體元件的製造方法，其中所述全面性非晶化處理在所述隔離結構形成之前或之後進行，且所述隔離結構包括淺溝渠隔離結構或深溝渠隔離結構。
- 如申請專利範圍第10項所述的半導體元件的製造方法，其中所述全面性非晶化處理在所述隔離結構形成之前或之後進行，且所述隔離結構包括接面隔離結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，更包括在所述元件區中形成半導體元件。
- 如申請專利範圍第13項所述的半導體元件的製造方法，其中所述半導體元件在進行所述全面性非晶化處理之前或之後形成。
- 如申請專利範圍第13項所述的半導體元件的製造方法，其中所述半導體元件包括光二極體。
- 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件的製造方法，其中所述光二極體包括第一導電型摻雜區以及鄰接於所述第一導電型摻雜區的第二導電型摻雜區。
- 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件的製造方法，其中所述光二極體的形成方法包括離子植入法。
- 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件的製造方法，更包括在所述光二極體一側的所述基底上形成轉移閘極結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件的製造方法，在進行所述熱處理之後更包括移除所述非晶化區的末端缺陷區，其中所述末端缺陷區位於所述非晶化區的底端。
- 如申請專利範圍第19項所述的半導體元件的製造方法，其中所述末端缺陷區的移除方法包括化學機械研磨法、濕式浸漬蝕刻法或乾式蝕刻法。
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- 2015-07-08 TW TW104122109A patent/TWI550716B/zh active
- 2015-07-30 CN CN201510458017.6A patent/CN106340440A/zh active Pending
- 2015-09-16 US US14/855,395 patent/US20170012080A1/en not_active Abandoned
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