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提高使用反射性材料的伸展應力襯墊的紫外線固化.pdf

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提高 使用 反射 材料 伸展 應力 襯墊 紫外線 固化
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摘要
申請專利號:

CN201110421372.8

申請日:

2011.12.13

公開號:

CN102569197B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 21/8238申請日:20111213|||公開
IPC分類號: H01L21/8238; H01L27/092 主分類號: H01L21/8238
申請人: 格羅方德半導體公司
發明人: R·里克特; T·胡伊辛加
地址: 英國開曼群島
優先權: 2010.12.22 US 12/975,515
專利代理機構: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314 代理人: 程偉;王錦陽
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110421372.8

授權公告號:

102569197B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及提高使用反射性材料的伸展應力襯墊的紫外線固化,提供一種制造半導體裝置的方法,其開始于在半導體晶圓上制作n-型金氧半導體(NMOS)晶體管結構。該方法繼續在該NMOS晶體管結構上方形成光學反射層、在該光學反射層上方形成伸展應力誘發材料層、以及通過施加紫外線照射以固化該伸展應力誘發材料層。一些該紫外線照射直接地照射該伸展應力誘發材料層,而一些該紫外線照射則通過從該光學反射層反射以照射該伸展應力誘發材料層。

權利要求書

1.一種制造半導體裝置的方法,該方法包含:
在半導體晶圓上制作n-型金氧半導體NMOS晶體管結構;
在該NMOS晶體管結構上方形成光學反射層;
在該光學反射層上方形成伸展應力誘發材料層;以及
固化該伸展應力誘發材料層,其是通過施加紫外線照射,使得一
些該紫外線照射直接地照射該伸展應力誘發材料層,并使得一些該紫
外線照射則通過從該光學反射層反射以照射該伸展應力誘發材料層。
2.根據權利要求1所述的方法,其中,該光學反射層的形成包含
沉積具有反射系數低于該伸展應力誘發材料層的材料。
3.根據權利要求1所述的方法,其中,形成該光學反射層包含沉
積硅氧化物材料。
4.根據權利要求3所述的方法,其中,該硅氧材料的沉積包含沉
積該硅氧化物材料至小于10奈米的厚度。
5.根據權利要求1所述的方法,其中,該伸展應力誘發材料層的
形成包含沉積伸展電漿提高氮化物TPEN材料。
6.根據權利要求1所述的方法,還包含在該半導體晶圓上制作p-
型金氧半導體PMOS晶體管結構,該光學反射層是形成在該NMOS晶體
管結構和該PMOS晶體管結構上方。
7.根據權利要求1所述的方法,還包含:
在固化該伸展應力誘發材料層以獲得固化的伸展應力誘發材料層
后,在該固化的伸展應力誘發材料層上方形成第二伸展應力誘發材料
層;以及
通過施加紫外線照射至該第二伸展應力誘發材料層,以固化該第
二伸展應力誘發材料層。
8.一種半導體裝置,包含:
至少一個n-型金氧半導體NMOS晶體管結構,在半導體晶圓上;
至少一個p-型金氧半導體PMOS晶體管結構,在該半導體晶圓上;
光學反射材料層,在該至少一個NMOS晶體管結構和該至少一個
PMOS晶體管結構上方;以及
伸展應力誘發材料層,在該光學反射材料層上方,該伸展應力誘
發材料層是由從該光學反射材料層所反射的紫外線照射所固化。
9.根據權利要求8所述的半導體裝置,其中,該光學反射材料具
有的反射系數低于該伸展應力誘發材料。
10.根據權利要求9所述的半導體裝置,其中,該光學反射材料包
含硅氧化物材料。
11.根據權利要求10所述的半導體裝置,其中,該硅氧化物材料
的厚度小于10奈米。
12.根據權利要求8所述的半導體裝置,其中,該伸展應力誘發材
料包含伸展電漿提高氮化物TPEN材料。
13.一種制造半導體裝置的方法,該方法包含:
在半導體晶圓上制作n-型金氧半導體NMOS晶體管結構,該NMOS
晶體管結構包含曝露的終端接點區域;
修飾該曝露的終端接點區域的光學反射性質,以創造該NMOS晶體
管結構的光學反射區域;
在該光學反射區域上方形成伸展應力誘發材料層;以及
固化該伸展應力誘發材料層,其是通過施加紫外線照射,使得一
些該紫外線照射直接地照射該伸展應力誘發材料層,并使得一些該紫
外線照射則通過從該光學反射層反射以照射該伸展應力誘發材料層。
14.根據權利要求13所述的方法,其中,該光學反射層的修飾包
含氧化該曝露的終端接點區域。
15.根據權利要求14所述的方法,其中,該曝露的終端接點區域
的氧化包含將含氧電漿引進該曝露的終端接點區域。
16.根據權利要求13所述的方法,其中,該光學反射性質的修飾
包含改變該曝露的終端接點區域的反射系數,以使該反射系數低于該
伸展應力誘發材料層的反射系數。
17.根據權利要求13所述的方法,其中,該伸展應力誘發材料層
的形成包含沉積伸展電漿提高氮化物TPEN材料。
18.根據權利要求13所述的方法,還包含:
在固化該伸展應力誘發材料層以獲得固化的伸展應力誘發材料層
后,在該固化的伸展應力誘發材料層上方形成第二伸展應力誘發材料
層;以及
通過施加紫外線照射至該第二伸展應力誘發材料層,以固化該第
二伸展應力誘發材料層。

說明書

提高使用反射性材料的伸展應力襯墊的紫外線固化

技術領域

本文所揭露的標的的實施例大體上關于半導體裝置和相關制作技
術。更特別的是,該標的的實施例是關于針對半導體晶體管裝置使用
紫外線固化的伸展應力襯墊。

背景技術

大多數今日的集成電路(IC)均使用多個互連的場效晶體管(FET)
來加以實作,該場效晶體管可具體為金氧半場效晶體管(MOSFET或MOS
晶體管)。MOS晶體管可具體為p-型裝置(也就是,PMOS晶體管)或n-
型裝置(也就是,NMOS晶體管)。此外,半導體裝置可包含PMOS和NMOS
晶體管兩者,并且,這種裝置通常稱為互補式MOS或CMOS裝置。MOS
晶體管包含柵極電極(其是形成在半導體襯底之上,以作為控制電極)、
以及形成在該半導體襯底內間隔開的源極和漏極區域,電流在該源極
和漏極區域之間流動。該源極和漏極區域通常可經由形成在該源極和
漏極區域上的導電接點來加以存取。施加在該柵極電極、該源極接點、
和該漏極接點的偏壓,控制該半導體襯底中、經過該柵極電極下方的
該源極和漏極區域之間的溝道的電流的流動。形成在絕緣層中的導電
金屬互連(插塞)通常是用來將偏壓傳送至該柵極、源極、和漏極接點。

應力襯墊(stress?liners)通常是用來提高MOS晶體管裝置的效
能。舉例來說,伸展應力(tensile?stress)襯墊材料可形成在NMOS晶
體管裝置上方,而壓縮應力(compressive?stress)襯墊材料則可形成
在PMOS晶體管裝置上方。伸展電漿增強型(plasma?enhanced)氮化物
(TPEN)通常是用來作為伸展應力襯墊材料。一些制作工藝以紫外線(UV)
照射來固化該TPEN襯墊,以提高該TPEN襯墊材料的伸展性質。該UV
照射的穿透深度可能因為該晶體管裝置的拓撲(topology),而不足以
均勻地固化該TPEN襯墊。

針對UV固化的TPEN襯墊的非均勻性而提出的現有技術和工藝是
沒有效率的、復雜的、耗時的、及/或所費不貲的。因此,希望具有有
效并具成本效益的方案,來解決非均勻的UV固化的TPEN襯墊材料。

發明內容

本發明提供一種制造半導體裝置的方法的范例實施例。該方法在
半導體晶圓上制作NMOS晶體管結構。該方法繼續在該NMOS晶體管結
構上方形成光學反射層、在該光學反射層上方形成伸展應力誘發材料
層、以及通過施加紫外線照射,以使一些該紫外線照射直接地照射該
伸展應力誘發材料層、而一些該紫外線照射則通過從該光學反射層反
射以照射該伸展應力誘發材料層,來固化該伸展應力誘發材料層。

本發明也提供半導體裝置的范例實施例。該半導體裝置包含:至
少一個n-型金氧半導體(NMOS)晶體管結構,在半導體晶圓上;至少一
個p-型金氧半導體(PMOS)晶體管結構,在該半導體晶圓上;以及光學
反射材料層,在該至少一個NMOS晶體管結構和該至少一個PMOS晶體
管結構上方。該半導體裝置也包含伸展應力誘發材料層,在該光學反
射材料層上方。該伸展應力誘發材料層是由從該光學反射材料層所反
射的紫外線照射所固化。

本發明也提供制造半導體裝置的另一范例實施例。該方法包含:
在半導體晶圓上制作n-型金氧半導體(NMOS)晶體管結構,該NMOS晶體
管結構包含曝露的終端接點區域;修飾該曝露的終端接點區域的光學
反射性質,以創造該NMOS晶體管結構的光學反射區域;在該光學反射
區域上方形成伸展應力誘發材料層;以及通過施加紫外線照射,以使
一些該紫外線照射直接地照射該伸展應力誘發材料層、而一些該紫外
線照射則通過從該光學反射層反射以照射該伸展應力誘發材料層,來
固化該伸展應力誘發材料層。

此發明內容的提供是將概念的選擇引進簡化的形式,其在下文中
將有詳細的描述。此發明內容并不意圖確認所請求的標的的關鍵或主
要特征,也不意圖使用作為決定所請求的標的的范圍。

附圖說明

該標的的更完整了解可參考詳細描述和申請權利范圍、當一并考
慮接下來的圖式時,來加以推導,其中,相同的參考編號從頭到尾是
指類似的組件。

圖1為進行傳統UV固化步驟的半導體晶體管裝置結構的剖視圖;

圖2至圖6為例示半導體裝置和相關制作工藝的范例實施例的剖
視圖;以及

圖7和8為例示另一半導體裝置和相關制作工藝的范例實施例的
剖視圖。

具體實施方式

接下來的詳細描述在本質上僅為例示之用,因此,并不意圖限制
該標的的實施例或這種實施例的應用或使用。如本文中所使用的,「范
例」二字是指「作為例子、舉例、或例示」。本文所描述為范例的任何
實作均不必要解讀為較佳于或較有利于其它實作。此外,并不意圖為
任何呈現在發明所屬的技術領域、背景技術、發明內容、或接下來的
詳細描述中明示或暗示的理論所限制。

為了簡潔起見,與半導體裝置制作相關的傳統技術,在本文中并
沒有詳細的描述。此外,本文所描述的各種任務和工藝步驟均可并入
至具有在本文中也并沒有詳細描述的額外步驟或功能的更復雜程序或
工藝。尤其是,制造基于半導體的晶體管中的各種步驟已眾所周知,
并且因此(為了簡潔起見)許多傳統步驟在本文中僅簡短提到、或完全
省略,而沒有提供已眾所周知的工藝細節。

本文所描述的技術和科技可用來制作具有一個或多個晶體管裝置
(通常為MOS晶體管裝置)的半導體裝置。雖然「MOS裝置」術語適當地
指具有金屬柵極電極和氧化物柵極絕緣體的裝置,但是那個術語將可
完全地用來指包含導體柵極電極(不管是金屬、抑或是其它導體材料)
的任何半導體裝置,該導體柵極電極是位在柵極絕緣體(不管是氧化
物、抑或是其它絕緣體)之上,而該柵極絕緣體則接著位于半導體襯底
之上。

此處所描述的技術和科技是關于使用UV照射,來固化半導體晶體
管裝置的伸展應力襯墊材料。伸展應力襯墊可連同特定的CMOS工藝一
起使用。舉例來說,現有的CMOS工藝采用UV-固化的TPEN作為NMOS
晶體管裝置的應力襯墊。就這方面而言,圖1為進行傳統UV固化步驟
的晶體管裝置結構100的剖面圖。該晶體管裝置結構100包含柵極堆
棧102,其是形成在晶圓或襯底的半導體材料104之上。圖1繪示TPEN
層106,其為一致地(conformally)沉積在該柵極堆棧102之上。

在UV固化前,該TPEN?106的應力可大約為(例如)1.0GPa。圖2
繪示使用來固化該TPEN?106的UV照射108。在UV固化后,該TPEN?106
的應力增加。舉例來說,該UV固化的TPEN?106的應力可大約為1.7GPa。
實際上,該UV照射108的穿透深度是有所限制的。一般而言,該UV
照射108的穿透深度小于大約100奈米(nm),并且經常小于大約50奈
米。因此,如果該TPEN?106太厚,則該UV照射108無法均勻地固化
該TPEN層106的下區域。參照圖1,該TPEN?106的相對薄的區域110
可充分地固化,但該相對厚的區域112則無法充分地固化(尤其是該下
區域)。換言之,該UV固化和所導致的伸展應力增加可能會由于該晶
體管裝置結構100的拓撲而變得非均勻且不一致。

現有的制作方式解決非均勻固化TPEN的前述問題。此方案通過實
施多重TPEN沉積和UV固化步驟,而達成較好的UV固化均勻性。此方
式在該晶體管結構上方沉積初始且相對薄的TPEN層,并以UV照射來
固化該初始層。之后,第二相對薄的TPEN層沉積在該固化的初始TPEN
層上方。接下來,對該第二TPEN層施以第二UV固化步驟。如果需要
的話,則該沉積和固化步驟可重復三次或更多次。雖然此方式導致較
好的UV固化均勻性,但是該多重步驟需要額外的處理時間和因此所產
生的額外制作費用。

此處所提出的制作工藝可使用來創造采用單一應力襯墊科技的具
有UV固化的伸展應力誘發層的半導體裝置。單一應力襯墊科技是指
下述制作工藝:使用共同的應力襯墊(例如,伸展應力襯墊)用于半導
體晶圓上的NMOS和PMOS晶體管裝置兩者。實際上,如果單一伸展應
力襯墊使用于NMOS和PMOS晶體管裝置,則可加工或處理該應力襯墊
在該PMOS晶體管上方的部分,以減少可能由該伸展材料所引進的任何
不利效果。

圖2至6為例示依據范例實施例制作半導體裝置的剖面圖。圖2
繪示已經完成數個預先和傳統前端工藝步驟后的位于半導體晶圓
202(或其它襯底)上的半導體裝置結構200。該裝置結構200可使用硅
上絕緣體(SOI)襯底或晶圓來加以形成,該襯底或晶圓包含支持層、在
該支持層上方的絕緣層、及在該絕緣層上方的半導體材料層。在其它
的實施例中,該裝置結構200可形成在塊狀(bulk)半導體襯底上、而
非形成在SOI襯底上。雖然可采用任何適當的半導體材料,但是就此
實施例而言,該半導體材料為硅材料,其中,本文所使用的「硅材料」
術語涵蓋通常使用在半導體工業中的通常為單晶硅和相對純的硅材
料、以及與其它組件(例如,鍺、碳、及類似者)混合的硅。或者,該
半導體材料可為鍺、砷化鎵、或類似者。該半導體材料一開始可為n-
型或p-型硅,但通常是p-型,而該半導體材料接著以適當的方式摻雜,
以形成作用區域(active?region)。該作用區域可使用于該產生的晶體
管裝置的源極和漏極。

在圖2所顯示的狀態中,該裝置結構200包含至少一個在該半導
體晶圓202上的NMOS晶體管結構204、及至少一個在該半導體晶圓202
上的PMOS晶體管結構206。在其它實施例中,該裝置結構200可只包
含NMOS晶體管結構、而沒有包含PMOS晶體管結構。該NMOS晶體管結
構204包含柵極結構208,其是形成在半導體材料層210上方。類似地,
該PMOS晶體管結構206包含柵極結構212,其是形成在該半導體材料
層210上方。該NMOS晶體管結構204包含三個曝露的終端接點區域:
柵極接點區域214和兩個源極/漏極接點區域216。同樣地,該PMOS
晶體管結構206包含三個曝露的終點接點區域:柵極接點區域218和
兩個源極/漏極接點區域220。將會充分了解到,該各種接點區域可形
成如硅化物材料。

在該晶體管結構204、206制作完成后,該工藝繼續在該NMOS晶
體管結構204和該PMOS晶體管結構206上方形成光學反射材料層224。
圖3繪示在形成該光學反射材料層224后的半導體裝置結構200。該光
學反射材料224為一種材料或化合物,其具有的反射系數低于伸展應
力誘發材料(是形成在后續的工藝步驟中),其導致理想的反射性質。
就這方面而言,該光學反射材料224具有的光學性質和特性,使其得
以反射用來固化該伸展應力誘發材料的UV照射。依據特定的實施例,
該光學反射材料224的化合物可為、但不限定于:硅氧化物材料(例如,
二氧化硅(SiO2))、硅烷氧化物、四乙氧基硅烷(TEOS)、氟化的TEOS、
或類似物。雖然不是一直需要,但是此處所描述的范例實施例使用SiO2
作為該光學反射材料224。

實際上,該光學反射材料224可一致地沉積在該晶體管結構204、
206上方、并在該半導體材料210的上曝露表面上方,如圖2所顯示的。
在特定實施例中,該光學反射材料224為使用任何傳統技術(例如、但
不限于化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、或電漿增強
化學氣相沉積(PECVD))所沉積的硅氧化物材料。尤其是,沉積非常薄
層的光學反射材料224,以確保該光學反射材料224不會減少由該伸展
應力誘發材料(其在后續的步驟中形成)所貢獻的應力計量。理想上,
所沉積的該光學反射材料224最好盡可能地薄、同時維持其反射性質。
在特定實施例中,舉例來說,該光學反射材料224沉積成厚度小于10
奈米,較佳小于5奈米。在其它實施例中,可忍受較大的厚度,而不
致于不利地影響由該上方的應力誘發材料所貢獻的伸展計量。

該制作工藝繼續在該光學反射材料224上方形成伸展應力誘發材
料層230(見圖4)。該伸展應力誘發材料230可包含或實現成,例如,
TPEN材料,該TPEN材料通常是整個半導體工業所使用的。當TPEN作
為該伸展應力誘發材料230時,其是使用PECVD而一致地沉積在該光
學反射材料224上方。在典型的實作中,所沉積的該伸展應力誘發材
料層230的厚度是在大約10奈米至大約100奈米的范圍內,盡管真正
的厚度在特定的實施例中可在此范圍外。

該范例的制作工藝繼續通過以高溫(例如,攝氏500度)施加UV照
射來固化該伸展應力誘發材料層230。圖5顯示在UV固化步驟期間,
UV照射234如何穿透該伸展應力誘發材料230。一些該UV照射234直
接地照射并因此固化該伸展應力誘發材料230,而一些該UV照射則通
過從該光學反射材料層224反射以照射該伸展應力誘發材料230。該反
射材料224的光學性質使該UV照射234得以反射并且散射回到該伸展
應力誘發材料230,其使該UV固化更有效、并且使該伸展應力誘發材
料230的厚度整體更均勻。此外,不同反射角的反散射(backscattering)
是由表面「粗糙度」(roughness)和該光學反射材料224中的不完美來
加以調變。就這方面而言,該UV照射234在除了該理論的入射角以外
的其它角反射,導致分布的UV照射反射回該伸展應力誘發材料230。
因此,不同的反射角可從平坦表面(圖5中的水平表面)、也可從該柵
極結構208、212的側壁表面來加以達成。

在該伸展應力誘發材料230以此方式加以固化后,可實施任何數
目的已知工藝步驟,以完成該半導體裝置結構200的制作。舉例來說,
可實施傳統的后端工藝,以創造導體接點插塞、互連層、及類似者。
然而,在特定實施例中,該制作工藝繼續在該固化的伸展應力誘發材
料層230上方形成另一伸展應力誘發材料層250(見圖6)。該第二伸展
應力誘發材料層250也可通過將其曝露于UV照射而施以UV固化,如
先前所述。該第二伸展應力誘發材料層250也可以此方式加以固化,
有或沒有任何由反射的UV照射所引起的提高。實際上,該二伸展應力
誘發材料230、250的結合厚度可在此固化步驟期間,限制反射的UV
照射的計量。如果希望的話,可使用類似的方式施加額外的固化、或
未固化的應力誘發材料層。之后,使用傳統的工藝步驟來完成該半導
體裝置結構200的制作。

上述的范例工藝形成反射材料層,其在該UV固化步驟期間,是作
為UV照射的反射件。不同的實施例不需形成額外的材料層本身。反而
是,可對該半導體裝置的一個或多個下方特征加工、修飾、或甚至轉
換,以改變他們的反射性質。就這方面而言,圖7繪示半導體裝置結
構300在該制作工藝的中間階段(其是接續于圖2所繪示的階段)的狀
態。顯示于圖7的裝置結構300的狀態,是通過修飾該NMOS和PMOS
晶體管結構304、306的曝露的終端接點區域314、316、318、320的
光學反射性質,來加以達成。這些接點區域是以下述方式加以修飾:
創造NMOS晶體管結構304的光學反射區域330和PMOS晶體管結構306
的光學反射區域332。就這方面而言,可對該接點區域加工或甚至處理,
以改變他們的表面性質和特性,以使他們的反射系數低于該伸展應力
誘發材料(其將作為該伸展應力層)的反射系數。

在特定實施例中,通過氧化曝露的材料,以形成反射表面的方式
來修飾該接點區域314、316、318、320的光學反射性質。舉例來說,
可通過將產生希望的氧化計量的含氧電漿引進該曝露的終端接點區域
314、316、318、320,以創造該光學反射區域330、332。之后,該半
導體裝置結構300的制作可以針對先前實施例的所描述的方式繼續。
因此,伸展應力誘發材料層340形成在該NMOS和PMOS晶體管結構304、
306上方(以及,尤其是在該光學反射區域330、332上方),并且該伸
展應力誘發材料層340通過施加UV照射344,來加以固化,如圖8所
繪示的。一些該UV照射344直接地照射并因此固化該伸展應力誘發材
料層340,而一些該UV照射344則通過從該光學反射區域330、332
反射來照射該伸展應力誘區材料層340。該UV照射344的反射提高該
UV固化步驟,并因此增加該固化的應力誘發材料340中的均勻性。

雖然在先前詳細的描述中已提出至少一個范例實施例,但應了解
的是,存在數量極為龐大的變化。也應體會到,本文所描述的一個范
例實施例或數個實施例并非意圖以任何方式,限制該請求的標的的范
圍、應用性、或組構。反而是,該先前的詳細描述將提供本領域中熟
習技術者方便的地圖,以實作該描述的一個實施例或數個實施例。應
了解到可對組件的功能和配置作各種的改變,而不致悖離權利要求所
定義的范圍,其包含此專利申請案提出當時所已知的等效物或可預見
的等效物。

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