TWI575609B - 半導體結構及其形成方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種半導體結構及其形成方法，特別是有關於一種鰭狀半導體結構及其形成方法。
半導體工業已發展進入奈米技術製程節點階段，以追求更高的裝置密度、更高的效能，及更低的成本。在積體電路(integrated circuit，IC)進化過程中，功能密度(亦即單位晶片面積中之互連裝置數目)已大體提高，同時幾何形狀尺寸(亦即可使用製程而產生之最小組件(或線路))已縮小。此種按比例縮小之製程一般藉由提高生產效率及降低相關成本而提供益處。此種按比例縮小亦已提高處理及製造IC之複雜性，及為了實現此等進步，IC製造需要類似的發展。
在一實施例中，包括化合物半導體之新式半導體材料正在經調查以補充或替換習用的矽基板。儘管替代性半導體材料往往具有優良的電特性，但半導體材料亦往往具有自身之一系列挑戰。相應地，這種更為精細的材料的轉變是新製程的驅動力之一。因此，儘管現有半導體製程一般足
夠了，但仍未證明其在各個方面都完全地令人滿意。
本揭露依據一些實施方式提供之方法。所述方法包括在半導體基板上方形成鰭狀結構，在鰭狀結構上方形成氧化物層，其中形成氧化物層包括利用溶劑混合物在鰭狀結構上執行濕式化學氧化製程，在氧化物層上方形成介電層，以及在半導體結構上方形成至少一個絕緣特徵。
本揭露依據一些實施方式提供之方法。所述方法包括將水溶性物質與非質子性溶劑混合以形成溶劑混合物，藉由利用溶劑混合物在半導體表面上執行濕式化學氧化操作，以形成圍繞於半導體表面之第一氧化物層，以及在第一氧化物層上方形成介電層。此外，半導體表面包括通道結構之表面及待耦接至淺溝槽絕緣(shallow trench isolation；STI)特徵之表面。
本揭露依據一些實施方式提供之半導體結構。所述半導體結構包括基板、氧化層，及經配置以提供絕緣特徵的介電層，基板包括由半導體材料形成之表面，氧化層係為部分地形成於基板表面上方之半導體材料氧化物(氧化層已藉由使水溶性物質與非質子性溶劑混合及利用溶劑混合物在表面上執行濕式化學氧化操作而形成)，以及介電層經配置以提供絕緣特徵，且所述介電層將形成於氧化物層上方。更特定而言，第一半導體材料包括一或多種的Ge、SiGe、第III族或第IV族化合物半導體材料。
100‧‧‧半導體結構
102‧‧‧基板、半導體基板
104‧‧‧半導體層
106‧‧‧鰭狀結構
108‧‧‧氧化物層
110‧‧‧第一介電層、第一介電材料層、第一層
112‧‧‧第二介電層、第二介電材料層、第二層
113‧‧‧第三介電層、研磨層
114‧‧‧淺溝槽絕緣(STI)特徵、STI、絕緣特徵
130‧‧‧高介電常數介電層
132‧‧‧閘極電極
134‧‧‧閘極堆疊
200‧‧‧方法
202‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
210‧‧‧步驟
302‧‧‧上面板
304‧‧‧下面板
402‧‧‧左面板
404‧‧‧右面板
本揭露之態樣最佳在閱讀附圖時根據下文之詳細說明來進行理解。需強調，依據工業中之標準實務，多個特徵並未按比例繪製。實際上，多個特徵之尺寸可任意增大或縮小，以便清楚論述。
第1A圖、第1B圖、第1C圖、第1D圖、第1E圖及第1F圖係根據一些實施方式顯示出在多個製造階段之半導體結構剖面圖。
第2圖係根據一些實施方式繪示出製造半導體結構的方法流程圖。
第3圖係根據多個實施方式顯示出使用基於溶劑之溶液與使用基於水之溶液之間的差異。
第4圖係根據多個實施方式顯示出水濃度之效應。
將理解，以下揭露內容提供眾多不同的實施方式或實施例以用於實施多個實施方式之不同特徵。下文中描述組件及排列之特定實施例以簡化本揭露。組件及排列當然僅為實施例，及不意欲進行限制。此外，本揭露在多個實施例中可重複元件符號及/或字母。此重複用於實現簡化與明晰之目的，及其自身並不規定所論述之多個實施方式及/或配置之間的關係。此外，在下文之描述中，第一特徵在第二特徵上方或之上的形成可包括其中第一特徵與第二特徵以
直接接觸方式形成的實施方式，及亦可包括其中在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵以使得第一特徵與第二特徵無法直接接觸之實施方式。
在半導體前端製程中，絕緣特徵(例如淺溝槽絕緣(shallow trench isolation，STI))在半導體基板上的電裝置之間提供充足絕緣。典型STI製程涉及圍繞於晶圓上之「主動島(active island)」的淺溝槽成型，主動島被稱作主動區域(active region)。隨後，氧化物層或襯裡藉由熱氧化製程而形成於溝槽內表面上，隨後利用絕緣材料填滿溝槽以達到電絕緣效應。通常，在半導體基板(如矽基板)上形成所述淺溝槽絕緣特徵(亦即絕緣特徵)之前，超薄氧化物層形成於基板上以在基板之矽表面上提供大量羥基及/或氧基。此種超薄氧化物層藉由使用濕式氧化製程而形成於矽表面上。更具體而言，濕式氧化製程可使用基於水之溶液，如NH4OH/H2O2/H2O、O3/H2O。
然而，由於引入新穎半導體材料(如Ge、SiGe，及/或第III-V族半導體化合物材料)之使用，當使用上文相對於矽半導體基板論述之相同的基於水之溶液時，在此種新穎半導體材料上方形成STI特徵可導致不良的產品可靠性。在一實施例中，使用基於水之溶液(如上所述)以在Ge表面上形成氧化物層導致所形成之氧化物層厚度不足。此不充足之厚度是由Ge之固有特性而導致，因為每當形成氧化物層(例如GeO2)時，Ge都溶於基於水之溶液中。由此，形成於厚度不足的此種氧化物層上之任何後續絕緣特徵
(例如STI)將遭受滲漏問題。在另一實施例中，直接在包括Ge之材料層上形成STI特徵可導致Ge原子擴散進入所形成之STI特徵內。接著，Ge原子之擴散可從STI特徵與Ge層之間的結晶層開始發生。此種結晶層降低STI特徵在主動區域之間提供絕緣特徵時之有效性。
由此，本發明具有半導體結構，所述半導體結構包括提供更佳絕緣特徵之STI特徵，及在Ge、SiGe及/或第III-V族半導體化合物材料上方形成STI特徵時用以製造所述半導體結構之方法。所揭露之方法用以改良諸如STI特徵之絕緣特徵，方法用於刨床(planer)場效應電晶體(field-effect transistors，FETs)、鰭狀FET、垂直FET、環繞閘極(gate all around，GAA)FET、奈米線FET及/或其他半導體裝置。一般而言，本揭露可應用至新穎的半導體材料，包括但非限定於Ge、SiGe，及/或第III-V族半導體化合物材料。
第1A圖、第1B圖、第1C圖、第1D圖、第1E圖，及第1F圖是係根據一些實施方式顯示出在多個製造階段之半導體結構100的剖面圖。依據一些實施方式共同描述半導體結構100及製造半導體結構100之方法。在一個實施方式中，半導體結構100包括一或更多個場效應電晶體(field effect transistors；FETs)之一部分。此外，儘管半導體結構100構件成為鰭狀FET結構之一部分，但在一些實施方式中，所揭露之方法可用以製造刨床FET結構、垂直FET結構、環繞閘極FET結構，及/或其他半導體裝置。
請參看第1A圖，半導體結構100包括半導體基板102。半導體基板102包括矽。或者，基板包括鍺、矽鍺或其他適當半導體材料，如第III/V族材料。在另一實施方式中，半導體基板102可包括用於絕緣之內埋介電材料層，此層由恰當技術形成，如被稱作注氧隔離(separation by implanted oxygen，SIMOX)之技術。在一些實施方式中，基板102可為絕緣體上之半導體(semiconductor on insulator)，如絕緣體上矽(silicon on insulator，SOI)。
如第1圖所示，半導體結構100進一步包括半導體層104及鰭狀結構106。在一些實施方式中，半導體層104及鰭狀結構106可由相同半導體材料形成，而所述材料不同於基板102之材料。例如，基板102可由矽形成，而半導體層104及鰭狀結構106可由鍺、矽鍺化合物，及/或第III-V族化合物半導體材料(例如InAs、GaAs等)形成。根據第1A圖所示之本實施例，儘管半導體結構100僅包括一個鰭狀結構，但任何數目之鰭狀結構可形成於基板102上方。
依據多個實施方式，鰭狀結構106可藉由使用半導體製程而形成。所述製程可包括沉積、蝕刻、光微影術等。在第1A圖之實施例中，鰭狀結構106與單個閘極裝置關連。
請參看第1B圖，氧化物層108在半導體層104及鰭狀結構106上方形成。在一些實施方式中，氧化物層108藉由使用濕式化學氧化操作而形成。更具體而言，濕式化學氧化操作包括選擇非質子性溶劑(例如碳酸丙烯酯，亦被稱
作PC)及將PC與水溶性物質混合，由此形成溶劑混合物。溶劑混合物可結合半導體層104及鰭狀結構106使用以在半導體層104及鰭狀結構106上方形成氧化物層108。水溶性物質可包括H2O2、O3、NH4OH、HCl、HF、H2SO4，或其組合(例如NH4OH+H2O2)。除PC之外，其他溶劑(包括但不限定於二甲基亞碸、碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯)可用以執行此濕式氧化操作。根據多個說明性實施方式，藉由濕式氧化操作形成之氧化物層包括不大於1奈米(0.7奈米左右)之厚度。又依據多個實施方式，溶劑混合物包括濃度小於1%重量百分比之H2O。
在氧化物層108形成之後，在第1C圖中，第一及第二介電層110及112分別可形成於氧化物層108上方。依據多個實施方式，第一介電層110可包括SiO2，及第二介電層112可包括SiN。換言之，在本實施方式中，第一及第二介電層110及112分別由不同介電材料形成。然而，在其他實施方式中，第一及第二介電材料層110及112分別由相同介電材料形成。
第一層110可經由原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)，藉由使矽基前驅物(例如(C8H22N2Si))流動而形成。第二層112可藉由使用分子層沉積(molecular layer deposition；MLD)，藉由使矽基前驅物(二氯甲矽烷(H2SiCl2))流動而形成。依據多個實施方式，所形成之第一層110曝露於前驅物分子、二氯甲矽烷導致單層(例如SiN)之自限制生長。儘管生長受到自限制，但在每一MLD
循環期間沉積之厚度涉及多個「原子」層，及因此，每一循環可沉積之厚度大於在ALD製程期間常見的厚度。自基板處理區域(亦即第一層110)移除前驅物流出物，然後在所述層再次曝露於沉積前驅物之前，照射表面。又在一些實施方式中，藉由ALD形成第一層110可在範圍為約150℃與300℃之間的溫度水平下執行；藉由MLD形成第二層112可在範圍為約200℃與450℃之間的溫度水平下執行。根據本實施方式，儘管有兩個介電層形成於氧化物層108上方，但適合應用中可形成任何數目之(少於或多於兩個)介電層。
現請參看第1D圖，第三介電層113沉積在第二介電層112上方，以便還包覆鰭狀結構106。在一些實施例中，第三介電層之沉積可藉由使用CVD而實施。儘管第三介電層在本揭露中可僅限於SiN，但能夠提供絕緣特徵之諸如SiO2之其他介電材料亦可用以形成第三介電層。
現請參看第1E圖，諸如多種淺溝槽絕緣(shallow trench isolation，STI)特徵114之絕緣結構形成於第二介電層112上方，以便包覆鰭狀結構106之一部分。在一實施方式中，STI特徵114藉由以下步驟中至少一或更多者形成：在第三介電層113上執行化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程；在研磨層113上沉積硬質遮罩層；執行微影術製程以在硬質遮罩層上形成圖案化抗蝕層；藉由經圖案化抗蝕層用作蝕刻遮罩來蝕刻硬質遮罩層，以便曝露鰭狀結構106之上部，如第1E圖中所示。
一般而言，STI特徵114為介電材料，經配置以包覆鰭狀結構106，使其與基板102上其他鰭狀結構及/或與附近特徵絕緣。例如，STI 114可阻止流經鰭狀結構106之電流流向另一鰭狀結構。依據多個實施方式，STI 114在鰭狀結構106下部之周圍形成。鰭狀結構106之上部保持曝露。換言之，僅鰭狀結構之下部及半導體層104之表面由氧化物層108覆蓋。
在一實施方式中，閘極堆疊及/或源極/汲極可進一步形成於鰭狀結構106之上部上方，以便完成半導體結構100以作為鰭狀FET。例如，如第1F圖中所示，高介電常數介電層130形成於鰭狀結構106之曝露部分上方，及隨後，閘極電極132形成於高介電常數介電層130上方以便形成閘極堆疊134。
第2圖顯示製造半導體結構(例如半導體結構100)之方法流程圖，根據本揭露中一些實施方式之多種態樣，所述半導體結構具有圍繞半導體表面所形成之薄氧化物層。所提供之半導體結構100係用以作為實施例，並非意欲限制方法之範疇。
方法200始於提供半導體結構100之步驟202，其中如第1A圖中所述，半導體結構100進一步包括基板102、半導體層104及鰭狀結構106。半導體結構100可包括由與半導體層104之半導體材料相同或不同之半導體材料所形成之其他鰭狀結構。然而，依據說明性實施方式，鰭狀結構106及其他鰭狀結構由與半導體層104相同之半導體
材料形成，半導體材料如Ge、基於Ge及/或第III-V族化合物半導體材料。方法200繼續於步驟204中將水溶性物質與非質子性溶劑混合以形成溶劑混合物。
隨後，方法200繼續於步驟206中藉由利用溶劑混合物在表面上執行濕式化學氧化操作，而在半導體結構100表面周圍形成氧化物層108。依據一些實施方式，氧化物層108可完全地覆蓋半導體結構100之曝露表面，亦即鰭狀結構106之表面及半導體層104之頂表面。在替代性的實施方式中，氧化物層108可覆蓋根據任何適合之應用之半導體結構100的部分表面。又請參看第2圖，方法200繼續於步驟208中在氧化物層108上方形成至少一個介電層110及/或112，然後再形成絕緣特徵114，如步驟210中所述。
如上文提及，當使用典型的基於水之溶液時，在半導體表面上形成之氧化物層出現不充足的厚度。相較而言，本揭露將非質子性溶劑納入基於水之溶液以形成基於非質子性溶劑之溶液。基於非質子性溶劑之此溶液降低半導體基板之蝕刻速度，從而接著使溶液所形成之氧化物層產生充足的厚度。
第3圖顯示依據多個實施方式使用基於非質子性溶劑(例如PC)之溶液與使用基於水之(H2O2)溶液執行濕式氧化製程之間的差異。更特定而言，第3圖藉由將鍺表面分別曝露於PC混合物(例如HF/PC、H2SO4/PC、H2O2/PC、HCl/H2O2/PC、H2SO4/H2O2/PC，及NH4OH/H2O2/PC)與曝露於DI水混合物(例如HF/DI、
H2SO4/DI、H2O2/DI、HCl/H2O2/DI、H2SO4/H2O2/DI，及NH4OH/H2O2/DI)，來比較鍺之蝕刻速度。請返回參看第3圖，上面板302顯示每一PC混合物之蝕刻速度。下面板304顯示每一DI混合物之蝕刻速度。如圖可見，與基於水之溶液相比，基於非質子性溶劑之溶液降低半導體基板(在此例如基於鍺之基板)之蝕刻速度。在一些實施方式中，基於鍺之基板的所要蝕刻速度為約5Å/分鐘或更少，此意謂著移除(亦即蝕刻)不足一個單層氧化鍺。
如上文之論述，基於非質子性溶劑之溶液包括一或更多個非質子性溶劑及一或更多個基於水之溶液。在一個實施例中，基於非質子性溶劑之溶液是由HF/PC、H2SO4/PC，或H2O2/PC組成之二元混合物。在二元混合物中，PC之稀釋濃度範圍可自1：1至1：10000。在混合物HF/PC之實施例中，HF與PC之比率範圍自1：1至1：10000。在另一實施例中，非質子性溶劑是由HCl/H2O2/PC、H2SO4/H2O2/PC，或NH4OH/H2O2/PC組成的三元混合物。在三元混合物中，PC之稀釋濃度範圍可自1：1：1至1：1：10000。在混合物HCl/H2O2/PC之實施例中，HCl與H2O2及PC之比率範圍自1：1：1至1：1：10000。如圖所示，藉由使用PC混合物，達到較低蝕刻速度，從而使得氧化鍺層(例如108)在鍺表面(例如104之表面)上方之形成更穩定。第4圖顯示依據多個實施方式，水(H2O)在溶劑混合物中之濃度產生何種影響。如左面板402及右面板404中所示，為了達到所需之(低)蝕刻速度，基於溶劑之
混合物(例如PC混合物)及低H2O濃度對達到此目標的作用至關重要。
本揭露提供方法及FET結構，方法及結構提供形成於基於鍺之半導體表面上方之氧化物層，以便實現所需之絕緣特徵。更具體而言，此氧化物層藉由使用非質子性溶劑(例如PC)混合物，利用濕式氧化製程而形成。藉由使用基於溶劑之混合物，可達到最低但穩定之蝕刻速度，從而使較薄及合乎化學計量之氧化物層得以形成。因此，執行指定功能(例如絕緣)對形成於半導體表面上方之絕緣特徵而言可為有利的。此外，所揭露之方法及結構一般可在第III-V族化合物半導體表面上實施。
半導體結構100可用於多種應用中，如邏輯電路、動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)、靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)單元、快閃記憶體，或成像感測器。半導體結構是鰭狀FET或替代性地為垂直FET或刨床FET。
本揭露依據一些實施方式提供之方法。所述方法包括在半導體基板上方形成鰭狀結構，在鰭狀結構上方形成氧化物層，其中形成氧化物層包括利用溶劑混合物在鰭狀結構上執行濕式化學氧化製程，在氧化物層上方形成介電層，以及在半導體結構上方形成至少一個絕緣特徵。
本揭露依據一些實施方式提供之方法。所述方法包括將水溶性物質與非質子性溶劑混合以形成溶劑混合
物，藉由利用溶劑混合物在半導體表面上執行濕式化學氧化操作，以形成圍繞於半導體表面之第一氧化物層，以及在第一氧化物層上方形成介電層。此外，半導體表面包括通道結構之表面及待耦接至淺溝槽絕緣(shallow trench isolation，STI)特徵之表面。
本揭露依據一些實施方式提供之半導體結構。所述半導體結構包括基板、氧化層，及經配置以提供絕緣特徵的介電層，基板包括由半導體材料形成之表面，氧化層係為部分地形成於基板表面上方之半導體材料氧化物(氧化層已藉由使水溶性物質與非質子性溶劑混合及利用溶劑混合物在表面上執行濕式化學氧化操作而形成)，以及介電層經配置以提供絕緣特徵，且所述介電層將形成於氧化物層上方。更特定而言，第一半導體材料包括一或多種的Ge、SiGe、第III族或第IV族化合物半導體材料。
前述內容已概括數個實施方式之特徵。彼等熟習此項技術者應瞭解，本揭露可易於用作設計或修正其他製程及結構之基礎，以實現與本發明介紹之實施方式相同的目的及/或達到與其相同的優勢。彼等熟習此項技術者亦應瞭解，同等構造不脫離本揭露之精神及範疇，及可在不脫離本揭露精神及範疇之情況下在本發明中進行多種變更、取代及更動。
100‧‧‧半導體結構
102‧‧‧基板、半導體基板
104‧‧‧半導體層
106‧‧‧鰭狀結構
108‧‧‧氧化物層
110‧‧‧第一介電層、第一介電材料層、第一層
112‧‧‧第二介電層、第二介電材料層、第二層
114‧‧‧淺溝槽絕緣(STI)特徵、STI、絕緣特徵
Claims (9)
- 一種形成半導體結構的方法，該方法包括：在一半導體基板上方形成一鰭狀結構；在該鰭狀結構上方形成一氧化物層，其中形成該氧化物層包括利用一溶劑混合物在該鰭狀結構上執行一濕式化學氧化製程，其中該溶劑混合物包括一水溶性物質及一非質子性溶劑；在該氧化物層上方形成一介電層；以及在該半導體結構上方形成至少一個絕緣特徵。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該非質子性溶劑包括一或多種的碳酸丙烯酯(propylene carbonate)、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate)或碳酸二乙酯(diethyl carbonate)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該水溶性物質包括一或多種的H2O2、O3、NH4OH、HCl、HF或H2SO4。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括：在該鰭狀結構上方形成一閘極介電層；以及在該閘極介電層上方形成一閘極電極。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，進一步包括：移除該氧化物層之一部分以曝露該鰭狀結構之一部分；以及其中在該鰭狀結構上方形成該閘極介電層之步驟包括在該鰭狀結構之該曝露部分之上直接形成該閘極介電層。
- 一種形成半導體結構的方法，該方法包括：將一水溶性物質與一非質子性溶劑混合以形成一溶劑混合物；藉由利用該溶劑混合物在一半導體表面上執行濕式化學氧化操作，以形成圍繞於該半導體表面之一第一氧化物層；以及在該第一氧化物層上方形成一介電層；其中該半導體表面包括一通道結構之一表面及待耦接至一淺溝槽絕緣(shallow trench isolation，STI)特徵之一表面。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該非質子性溶劑包括一或多種的碳酸丙烯酯、二甲基亞碸、碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯；而該水溶性物質包括一或多種的H2O2、O3、NH4OH、HCl、HF或H2SO4。
- 一種半導體結構，包括：一基板，包括一表面，該表面由一半導體材料形成；一氧化層，該氧化層係為該半導體材料之一氧化物部分地形成於該基板之該表面上方，該氧化層已藉由混合一水溶性物質與一非質子性溶劑以形成一溶劑混合物，及在該表面上利用該溶劑混合物執行濕式化學氧化操作而形成；以及一介電層，經配置以提供一絕緣特徵，該介電層待形成於該氧化層上方；其中該第一半導體材料包括一或多種的Ge、SiGe、第III族或第IV族化合物半導體材料。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體結構，其中該半導體結構進一步包括一鰭狀結構，該鰭狀結構由一第二半導體材料形成，該鰭狀結構從該基板之該表面中凸出，且該氧化層部分地覆蓋該鰭狀結構之一表面。
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