制作超高伸张应力膜以及应变硅晶体管的方法技术

本发明专利技术披露一种制作超高伸张应力膜的方法，首先进行等离子体增强化学气相沉积工艺，于衬底的表面上沉积一过渡氮化硅膜，且该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度，接着对该过渡氮化硅膜进行ＵＶ照射工艺，将该过渡氮化硅膜的第一氢原子浓度降低至一第二氢原子浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体元件的制造方法，尤其涉及一种制作超高伸张应力膜以及应变硅(strained-silicon)晶体管的方法。
技术介绍
随着半导体工艺进入到深亚微米时代，例如65纳米(nm)以下的工艺，对于MOS晶体管元件的驱动电流(drive current)的提升已显得日益重要。为了改善元件的效能，目前业界已发展出所谓的“应变硅(strained-silicon)技术”，其原理主要是使栅极沟道部分的硅晶格产生应变，使电荷在通过此应变的栅极沟道时的移动力增加，进而达到使MOS晶体管运作更快的目的。基本上，硅晶格的应变可以藉由以下两种方式达到第一种方式是利用形成在晶体管周围的应力薄膜，例如沉积在多晶硅栅极上的应力膜(polystressor)或者在硅化金属层形成后才沉积的接触孔蚀刻停止层(contact etchstop layer，CESL)，此方式又被称作“工艺诱发应变(process-induced strain)”；另一种方式则是直接利用应变硅晶片进行元件的制作。后者的应变硅晶片的作法是在晶格常数比硅大的半导体基材上成长出应变硅层。目前，大部分晶片制造业者都是采用前者来进行元件效能的改善与提升，而且主要是利用具有伸张应力(tensile stress)的氮化硅膜来改善NMOS元件的效能。如本领域技术人员所知，伸张应力可以提升电子的移动力，相反的，压缩应力(compressive stress)则可以提升空穴的移动力。如本领域技术人员所知，若氮化硅膜的伸张应力值越高，则越能够提升NMOS晶体管的驱动电流，因此在晶体管元件的工艺上，业者无不希望能将氮化硅膜的伸张应力值制作的越高越好。更明确的说，根据业界对先进工艺所做的需求规划，目前65纳米工艺对于高伸张应力的氮化硅膜至少需要1.5GPa，而未来在进入下一代的45纳米工艺时，对于高伸张应力的氮化硅膜则至少需要到1.8GPa以上。然而，以目前的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术水准，最多也仅能做出1.2GPa的伸张应力氮化硅膜，明显不足。由此可知，该
中亟需要一种制作超高伸张应力膜的方法，藉以应用在下一代的应变硅(strained-silicon)晶体管的工艺中。
技术实现思路
本专利技术的主要目的即在提供一种制作超高伸张应力膜的方法，藉以应用在下一代的应变硅晶体管的工艺中。本专利技术的另一目的是提供一种应变硅晶体管，其中采用具有超高伸张应力膜作为工艺中的应力膜(poly stressor)或者接触孔蚀刻停止层(contactetch stop layer，CESL)。根据本专利技术的优选实施例，本专利技术提供一种制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，主要包括以下步骤(1)提供一衬底；(2)进行一等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，于该衬底上沉积一过渡氮化硅膜，其中该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度；及(3)进行一后处理步骤，将该过渡氮化硅膜内的该第一氢原子浓度降低至一第二氢原子浓度，藉此将该过渡氮化硅膜转变成该超高伸张应力氮化硅膜。根据本专利技术的另一优选实施例，本专利技术提供一种制作应变硅晶体管的方法，主要包括以下步骤(1)提供一半导体衬底；(2)于该半导体衬底上形成一栅极结构；(3)于该栅极结构两侧的该半导体衬底上形成一漏极/源极区域；(4)进行一等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，于该半导体衬底上沉积一过渡氮化硅膜，其中该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度，且该过渡氮化硅膜覆盖住该栅极结构以及该漏极/源极区域；及(5)进行一后处理步骤，将该过渡氮化硅膜内的该第一氢原子浓度降低至一第二氢原子浓度，藉此将该过渡氮化硅膜转变成该超高伸张应力氮化硅膜。根据本专利技术的另一优选实施例，本专利技术提供一种金属氧化物半导体(MOS)晶体管元件，包括一半导体衬底；一栅极结构，设于该半导体衬底上；一漏极/源极区域，设于该栅极结构两侧的该半导体衬底中；一超高伸张应力氮化硅膜，覆盖在该栅极结构以及该漏极/源极区域上方，其中该超高伸张应力氮化硅膜的伸张应力值大于或等于1.5GPa；以及一层间介电膜，设于该超高伸张应力氮化硅膜的上方。为了使本领域技术人员能更进一步了解本专利技术的特征及
技术实现思路
，请参阅以下有关本专利技术的详细说明与附图。然而附图仅供参考与辅助说明用，并非用来对本专利技术加以限制。附图说明图1至图8绘示的是本专利技术优选实施例制作应变硅NMOS晶体管的方法的剖面示意图；图9绘示的是经过后处理的氮化硅膜中的最终氢原子浓度与其伸张应力值之间的关系图；图10绘示的是氮化硅膜中被移除的氢原子数量(ΔH)与所测得的伸张应力值之间的关系图；图11绘示的是刚以PECVD沉积完成的氮化硅膜与经过UV后处理的氮化硅膜的傅立叶变换红外线光谱图(FTIR)；图12至15绘示的是本专利技术另一优选实施例采应力膜工艺以制作MOS晶体管的方法的剖面示意图。主要元件符号说明10半导体衬底 12栅极结构14栅极氧化层 16栅极电极层18间隙壁 20浅沟绝缘结构26轻掺杂源极/漏极区域30离子注入工艺38间隙壁 40离子注入工艺46重掺杂源极/漏极区域52硅化金属层60伸张应力氮化硅膜 62超高伸张应力氮化硅膜70后处理步骤 80层间介电层82接触孔开口 具体实施例方式请参阅图1至图8，其绘示的是本专利技术优选实施例制作应变硅NMOS晶体管的方法的剖面示意图。首先，如图1所示，提供一半导体衬底10，其上形成有一栅极结构12，且半导体衬底10上另提供有浅沟绝缘结构20，用来隔离元件。栅极结构12包括一栅极氧化层14、一栅极电极层16以及一间隙壁18。其中，栅极氧化层14可以是由二氧化硅所构成，栅极电极层16可以是由掺杂多晶硅所构成，但不限于此。前述的半导体衬底10可以是硅衬底、硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基材或者包括有外延层(epitaxial layer)的半导体基材。前述的外延层可以是由单晶硅外延或者由硅锗应变的外延层。如图2所示，接着进行一离子注入工艺30，以于靠近间隙壁18的半导体衬底10中注入掺杂剂，形成轻掺杂源极/漏极区域26。如图3所示，接着于栅极结构12两侧壁上形成氮化硅间隙壁38，其形成方式是先在半导体衬底10表面上沉积一氮化硅薄膜，然后利用各向异性干蚀刻技术回蚀刻该氮化硅薄膜。接下来，如图4所示，完成间隙壁38之后，再进行一离子注入工艺40，于靠近间隙壁38的半导体衬底10中注入如砷或磷等掺杂剂，形成重掺杂源极/漏极区域46。随后，可继续进行一快速热处理(RTP)，将注入半导体衬底10内的掺杂剂加以活化，同时将离子注入工艺所产生在半导体衬底10表面上的损坏晶格加以修复。如图5所示，接着进行一自对准硅化金属(self-aligned silicide or salicide)工艺，于漏极/源极区域46上以及栅极电极层16上各形成一硅化金属层52。自对准硅化金属工艺是先在半导体衬底10上溅镀沉积一金属层，例如钴或镍，然后再使金属层与下方的硅发生反应，最后去除未反应的金属层。如图6所示，接下来进行一等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，在半导体衬底10上沉积一厚度约为500至1000埃左右的伸张应力氮化硅膜60。根据本专利技术的优选实施例，伸张应力氮化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，包括：提供一衬底；进行一等离子体增强化学气相沉积工艺，于该衬底上沉积一过渡氮化硅膜，其中该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度；以及进行一后处理步骤，将该过渡氮化硅膜内的该第一氢原子浓 度降低至一第二氢原子浓度，藉此将该过渡氮化硅膜转变成该超高伸张应力氮化硅膜。

【技术特征摘要】
US 2005-2-13 60/593,7811.一种制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，包括提供一衬底；进行一等离子体增强化学气相沉积工艺，于该衬底上沉积一过渡氮化硅膜，其中该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度；以及进行一后处理步骤，将该过渡氮化硅膜内的该第一氢原子浓度降低至一第二氢原子浓度，藉此将该过渡氮化硅膜转变成该超高伸张应力氮化硅膜。2.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该过渡氮化硅膜的沉积是利用硅烷以及氨气作为主要的反应气体。3.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该等离子体增强化学气相沉积工艺所使用的低频无线电频率功率在50至2700瓦特之间，高频无线电频率功率在100至200瓦特之间。4.如权利要求3所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该高频无线电频率功率小于150瓦特。5.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该后处理步骤包括一紫外线照射步骤。6.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该第一氢原子浓度与该第二氢原子浓度之间的差值大于1E22atoms/cm3。7.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该第一氢原子浓度是在1E22至1E24atoms/cm3之间。8.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该第二氢原子浓度是在1E18至5E22atoms/cm3之间。9.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该过渡氮化硅膜的硅-氢键/氮-氢键比例约为1.0。10.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该超高伸张应力氮化硅膜的硅-氢键/氮-氢键比例约为0.3。11.如权利要求1所述的制作超高伸张应力氮化硅膜的方法，其中该超高伸张应力氮化硅膜的伸张应力值大于或等于1.5GPa。12.一种制作应变硅晶体管的方法，包括提供一半导体衬底；于该半导体衬底上形成一栅极结构；于该栅极结构两侧的该半导体衬底上形成一漏极/源极区域；进行一等离子体增强化学气相沉积工艺，于该半导体衬底上沉积一过渡氮化硅膜，其中该过渡氮化硅膜具有一第一氢原子浓度，且该过渡氮化硅膜覆盖住该栅极结构以及该漏极/源极区域；以及进行一后处理步骤，将该过渡氮化硅膜内的该第一氢原子浓度降低至一第二氢原子浓度，藉此将该过渡氮化硅膜转变成一超高伸张应力氮化硅膜。13.如权利要求12所述的制作应变硅晶体管的方法，其中该过渡氮化硅膜的沉积是利用硅烷以及氨气作为主要的反应气体。14.如权利要求12所述的制作应变硅晶体管的方法，其中该等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈能国，蔡腾群，黄建中，陈再富，洪文瀚，
申请(专利权)人：联华电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]