本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件的制造方法及其形成的半導(dǎo)體元件,且特別是涉及一種填充半導(dǎo)體元件間隙的方法及形成的具絕緣間隙的半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù):
近年來半導(dǎo)體元件尺寸日益減小。對(duì)半導(dǎo)體科技來說,持續(xù)縮小半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)尺寸、改善速率、增進(jìn)效能、提高密度及降低每單位集成電路的成本,都是重要的發(fā)展目標(biāo)。隨著半導(dǎo)體元件尺寸的縮小,元件的電子特性也必須維持甚至是加以改善,以符合市場上對(duì)應(yīng)用電子產(chǎn)品的要求。
一般來說,縮小半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)增加圖案間隙(或溝槽)的寬深比,因而增加間隙填充的困難度。在間隙填充后,半導(dǎo)體元件的相關(guān)膜層和部件是否仍具有完整的構(gòu)型和未褪化的性質(zhì),例如在一鰭式場效晶體管(Fin Field-Effect Transistor,F(xiàn)inFET)元件中其鰭部是否有硅耗損(silicon consumption)和鰭部傾斜或彎曲等缺陷產(chǎn)生,都是制造半導(dǎo)體元件需注意的重要問題之一。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種填充半導(dǎo)體元件間隙的方法及形成的具絕緣間隙的半導(dǎo)體元件,可有效增進(jìn)元件的電子特性和延長使用壽命。
根據(jù)一實(shí)施例,提出一種填充半導(dǎo)體元件間隙的方法。首先,提供具有多個(gè)突出部的一硅基板,且突出部之間有具預(yù)定深度的間隙而彼此相隔。形成一含氮層于硅基板上方以覆蓋突出部和間隙的表面,以形成一氮化物襯墊。形成一非晶硅層于含氮層上。形成一絕緣層于非晶硅層上方,且絕緣層填滿間隙。
根據(jù)一實(shí)施例,提出一種具絕緣間隙的半導(dǎo)體元件,包括:具有多個(gè)突出部的一硅基板,且突出部之間有具預(yù)定深度的間隙而彼此相隔;一含氮層, 形成于硅基板上方以覆蓋突出部和間隙的表面而形成一氮化物襯墊;一非晶硅層形成于含氮層上;和一絕緣層形成于非晶硅層并填滿間隙。
為了對(duì)本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解,下文特舉實(shí)施例,并配合所附的附圖,作詳細(xì)說明如下。然而,本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
附圖說明
圖1A至圖1F為本發(fā)明第一實(shí)施例的填充半導(dǎo)體元件間隙的方法的示意圖;
圖2A至圖2D為本發(fā)明第二實(shí)施例的填充半導(dǎo)體元件間隙的方法的示意圖。
符號(hào)說明
10、20:硅基板
101、201:突出部
102、202:間隙
103:ISSG氧化物
104、204:圖案化硬質(zhì)掩模層
11:氧化物襯墊
13、23:含氮層
15、25:非晶硅層
17、27:絕緣層
17’:致密化絕緣層
具體實(shí)施方式
以下所揭露的實(shí)施例內(nèi)容中,配合附圖以詳細(xì)說明本發(fā)明所提出的一種填充半導(dǎo)體元件間隙的方法及形成的具絕緣間隙的半導(dǎo)體元件。實(shí)施例中,至少一含氮層(nitride-containing layer)形成于硅基板的突出部(例如鰭式場效晶體管的鰭部)上方,之后形成一非晶硅層(amorphous silicon layer)于含氮層上,由此可有效防止硅耗損(silicon consumption)和突出部彎曲或傾斜等缺陷的產(chǎn)生。實(shí)施例提出的方法精簡,適合量產(chǎn)程序,可應(yīng)用于任何具有間隙的半導(dǎo)體元件,特別是具有高寬深比間隙的半導(dǎo)體元件。實(shí)施例中,以具有多 個(gè)鰭部且鰭部之間以間隙相距的鰭式場效晶體管為例作說明。然而,技術(shù)領(lǐng)域者當(dāng)知本發(fā)明并不僅限于鰭式場效晶體管的間隙填充制作工藝,也可應(yīng)用于其他不同半導(dǎo)體元件態(tài)樣的間隙填充制作工藝。
以下提出多個(gè)實(shí)施例,配合附圖以詳細(xì)說明本發(fā)明的相關(guān)制作工藝和結(jié)構(gòu)。然而本發(fā)明并不僅限于此,本發(fā)明并非顯示出所有可能的實(shí)施例。相同和/或相似元件沿用相同和/或相似元件符號(hào)。注意,未于本發(fā)明提出的其他實(shí)施態(tài)樣也可能可以應(yīng)用??蓪?shí)施的細(xì)部結(jié)構(gòu)和步驟可能有些不同,可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而加以變化與修飾。再者,附圖上的尺寸比例并非按照實(shí)物等比例繪制。因此,說明書和附圖內(nèi)容僅作敘述實(shí)施例之用,而非作為限縮本發(fā)明保護(hù)范圍之用。
<第一實(shí)施例>
圖1A至圖1F繪示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的填充半導(dǎo)體元件間隙的方法。如圖1A所示,提供具有多個(gè)突出部(protruding portions)101的一硅基板(silicon substrate)10,且突出部101之間以具有預(yù)定深度的間隙102而彼此相距。通過硅基板10上方的一圖案化硬質(zhì)掩模層104對(duì)硅基板10進(jìn)行蝕刻可以定義和形成間隙102。圖案化硬質(zhì)掩模層104可以是單層例如一墊氧化層(pad oxide),或是多層堆疊例如氧化層/氮化層/氧化層的堆疊。可選擇性地(非限制性地)應(yīng)用一臨場蒸氣產(chǎn)生技術(shù)(in-situ steam generation,以下簡稱ISSG)進(jìn)行氧化,以于硅基板10上形成一ISSG氧化物103。這些間隙102可以是溝槽(trenches)填充絕緣物后形成淺溝槽隔離(Shallow trench isolation,STI)。再者,由間隙102所定義的突出部101可以是鰭式場效晶體管(Fin Field-Effect Transistor,F(xiàn)inFET)的鰭部。
第一實(shí)施例中,一氧化物襯墊(liner oxide)11形成于硅基板10上以覆蓋突出部101和間隙102的表面,如圖1B所示。一實(shí)施例中,可利用一高寬深比制作工藝技術(shù)(high aspect ratio process,HARP)形成氧化物襯墊11于硅基板10上。
之后,如圖1C所示,一含氮層(nitride-containing layer)13形成于氧化物襯墊11上以形成一氮化物襯墊(liner nitride)。含氮層13例如是氮氧化硅(silicon oxynitride,SiON),可經(jīng)由一氮化處理(nitridation process)而形成于氧化物襯墊11上。氮化處理可以是在一退火爐管(annealing furnace)中或是以一快速熱處理制作工藝(rapid thermal process,RTP)進(jìn)行,以形成氮化物襯墊, 其中可使用(N2O)、一氧化氮(NO)或氨(NH3)做為氮化處理中的氣體來源,且氮化處理進(jìn)行的溫度在650℃到900℃范圍之間。一實(shí)施例中,氮化處理是使用氨做為氣體來源,并在650℃到900℃之間進(jìn)行。值得注意的是,實(shí)施例中所提出的溫度數(shù)值和相關(guān)材料是做為說明之用,并非用以限制本發(fā)明的范圍。
氮化處理后,形成一非晶硅層(amorphous silicon layer)15于含氮層13上,如圖1D所示。以一應(yīng)力緩沖膜(stress buffer film,以下簡稱SBF)制作工藝沿著含氮層13形成非晶硅層15。SBF制作工藝可在溫度約350℃到約550℃范圍之間進(jìn)行以形成非晶硅層15。一實(shí)施例中,SBF制作工藝可以在一爐管中以約380℃溫度進(jìn)行以形成非晶硅層15。再者,一實(shí)施例中,非晶硅層15的厚度約為
形成非晶硅層15后,形成一絕緣層(insulating layer)17于非晶硅層15上,且絕緣層17填滿間隙102,如圖1E所示。實(shí)施例中若間隙102具有高寬深比,則可利用一可流動(dòng)式化學(xué)氣相沉積(flowable chemical vapor deposition,以下簡稱FCVD)制作工藝以形成絕緣層17(例如包括絕緣材料SiO2)于非晶硅層15上并填充間隙102并且進(jìn)行一致密化制作工藝(densification process)以固化和強(qiáng)化絕緣層17,形成如圖1F所示的一致密化絕緣層17’。致密化制作工藝可以是,但不限制是,以一蒸氣退火(steam annealing)方式執(zhí)行(圖1E)。例如,在一含氧環(huán)境下進(jìn)行高溫退火處理,以致密化絕緣層17。
在FCVD和致密化制作工藝后,可進(jìn)行其他后續(xù)制作工藝以符合實(shí)際應(yīng)用所需,例如可進(jìn)行平坦化制作工藝(planarization process),以使致密化絕緣層17’平坦化。后續(xù)制作工藝的細(xì)節(jié)為此領(lǐng)域的技術(shù)者所熟知,在此不再贅述。本發(fā)明對(duì)于后續(xù)制作工藝也不多作限制。
<第二實(shí)施例>
圖2A至圖2D繪示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的填充半導(dǎo)體元件間隙的方法。第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的主要區(qū)別在于氧化物襯墊11的存在與否。第二實(shí)施例中,省略了氧化物襯墊。
如圖2A所示,提供具有多個(gè)突出部201的一硅基板20,且突出部201之間以具有預(yù)定深度的間隙202而彼此相距。類似的,通過硅基板20上方的一圖案化硬質(zhì)掩模層204對(duì)硅基板20進(jìn)行蝕刻可以定義和形成間隙202。第二實(shí)施例中,具間隙202的硅基板20經(jīng)由一氮化處理(nitridation process) 而形成含氮層23例如是氮化硅(silicon nitrite,SiN),如圖2B所示。類似第一實(shí)施例的步驟,氮化處理后,以一SBF制作工藝形成一非晶硅層25于含氮層23(ex:SiN)上,如圖2C所示。形成非晶硅層25后,例如是利用可流動(dòng)式化學(xué)氣相沉積(FCVD)制作工藝形成一絕緣層27于非晶硅層25上和進(jìn)行致密化制作工藝(固化和強(qiáng)化絕緣層27),其中絕緣層27填滿間隙202,如圖2D所示。請(qǐng)參照第一實(shí)施例中相關(guān)制作工藝的細(xì)節(jié)說明,相同內(nèi)容在此不再贅述。
根據(jù)上述,含氮層包括例如是第一實(shí)施例中敘述的至少沿著氧化物襯墊11形成的氮氧化硅(SiON),或是如第二實(shí)施例中敘述的至少沿著間隙202形成的氮化硅(SiN),視受到氮化處理的材料而定。實(shí)施例的含氮層13/23至少具有可有效阻止氧氣滲入硅基板10/20,以及對(duì)于硅基板10/20的突出部101/201如同形成“限制框”(“restraining frame”)的作用等優(yōu)點(diǎn)。
在半導(dǎo)體元件的制造過程中,例如對(duì)絕緣層17/27進(jìn)行致密化(densification)制作工藝,氧氣可能會(huì)滲入絕緣層,甚至進(jìn)入絕緣層底下的膜層。根據(jù)實(shí)施例,含氮層13/23可以是,但不限制是,如第一實(shí)施例中所述的氮氧化硅(SiON)或是如第二實(shí)施例中所述的氮化硅(SiN);含氮層13/23如同阻擋層的作用,可以阻止氧氣滲入,因而得以有效防止氧氣對(duì)硅基板10/20造成硅耗損缺陷的產(chǎn)生。
再者,根據(jù)實(shí)施例,硅基板10/20與絕緣層17/27之間至少有含氮層13/23和非晶硅層15/25形成。形成于含氮層13/23上方的非晶硅層15/25也可以提供硅與滲透的氧進(jìn)行反應(yīng)。若致密化制作工藝時(shí)在高溫退火過程中(如高溫蒸汽以固化和強(qiáng)化絕緣層17/27)氧氣滲入了絕緣層17/27,則非晶硅層15/25如同防止硅耗損的第一阻擋層(first barrier)。即使非晶硅層15/25被較嚴(yán)重的破壞而氧氣繼續(xù)滲入下方的膜層,在非晶硅層15/25和硅基板10/20之間的含氮層13/23(ex:SiON或SiN)也可提供一個(gè)可以支撐的屏障足以阻止氧氣滲入,避免對(duì)硅基板10/20造成硅耗損。因此,含氮層13/23如同保護(hù)硅基板10/20的第二阻擋層(second barrier)。
再者,雖然以FCVD制作工藝形成的絕緣層17/27通過致密化制作工藝可達(dá)到絕緣材料的固化和強(qiáng)化的作用,但致密化制作工藝也同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力(stress)。在傳統(tǒng)制作工藝中,具有鰭部(以間隙相隔)的元件,特別是具有高寬深比的鰭部,容易產(chǎn)生鰭部彎曲的問題,特別是靠近鰭部區(qū)邊緣的鰭部更 容易受到應(yīng)力的拉引而彎曲。根據(jù)實(shí)施例,硅基板10/20的突出部101/201被多層膜覆蓋,這些多層膜至少包括含氮層13/23和非晶硅層15/25,且多層膜與硅基板10/20的突出部101/201和間隙102/202共形。實(shí)施例的含氮層13/23例如第一實(shí)施例的氮氧化硅(SiON)或是第二實(shí)施例的氮化硅(SiN)形成一氮化物襯墊(liner nitride),得以限制突出部101/201的構(gòu)型使其在制作工藝過程中避免出現(xiàn)側(cè)彎或傾斜等狀況,因而解決了傳統(tǒng)突出部彎曲缺陷(如鰭部彎曲/側(cè)傾)的問題。應(yīng)用時(shí),具有高寬深比鰭部的半導(dǎo)體元件尤其受益于本發(fā)明實(shí)施例提出的內(nèi)容。
根據(jù)上述,實(shí)施例的半導(dǎo)體元件制造方法及其形成結(jié)構(gòu)具有多項(xiàng)特點(diǎn),例如,非晶硅層和/或含氮層可以阻止氧氣滲入硅基板,有效防止硅耗損的產(chǎn)生。再者,含氮層形成的一氮化物襯墊對(duì)于硅基板的突出部(例如鰭式場效晶體管的鰭部)如同形成了“限制框”(“restraining frame”),因而有效避免突出部彎曲。因此,應(yīng)用實(shí)施例結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在電子特性和使用壽命上都有明顯增進(jìn),極具市場競爭力。再者,實(shí)施例提出的方法精簡且與現(xiàn)有制作工藝相容,十分適合量產(chǎn)。
其他不同構(gòu)型的實(shí)施例,例如不同圖案的ISSG氧化物103、氧化物襯墊11、含氮層13/23和非晶硅層15/25等,也可應(yīng)用,并可視應(yīng)用時(shí)半導(dǎo)體元件的實(shí)際狀況與需求而作適當(dāng)改變。因此,如圖中所示的結(jié)構(gòu)僅作說明之用,并非用以限制本發(fā)明欲保護(hù)的范圍。因此,相關(guān)技術(shù)者當(dāng)知,實(shí)施例中所提出的構(gòu)成元素的形狀和位置并不局限于附圖所繪,而是可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的需求和/或制造步驟作相應(yīng)調(diào)整。
雖然結(jié)合以上實(shí)施例公開了發(fā)明,然而其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),可作各種的更動(dòng)與潤飾。因此,本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。