TWI879472B

TWI879472B - 形成半導體結構的方法

Info

Publication number: TWI879472B
Application number: TW113107793A
Authority: TW
Inventors: 江霈柔; 林智清
Original assignee: 南亞科技股份有限公司
Priority date: 2023-12-06
Filing date: 2024-03-04
Publication date: 2025-04-01
Also published as: US20250194204A1; TW202525013A; TW202527669A; CN120129264A

Abstract

一種形成半導體結構的方法包括依序形成半導體層與金屬層於在半導體基板上的第一介電層上：形成第二介電層於金屬層的一部分上；形成硼磷矽玻璃層於第二介電層上；蝕刻金屬層與半導體層；形成第一間隔層於半導體層的側壁、金屬層的側壁、第二介電層的側壁及硼磷矽玻璃層的頂面上；蝕刻第一間隔層以露出硼磷矽玻璃層；移除硼磷矽玻璃層以露出第二介電層的一頂面；形成第二間隔層於第一間隔層的側壁與第二介電層的頂面上；以及蝕刻第二間隔層以露出第二介電層的頂面。

Description

形成半導體結構的方法

本揭露是有關一種形成半導體結構的方法。

金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）通常用於記憶體裝置，包括動態隨機存取記憶體（DRAM）裝置。金屬氧化物半導體場效電晶體典型上是透過在半導體基板上提供閘極結構以定義通道區，並透過在通道區的相對側上形成源極區和汲極區來形成。

一般來說，典型的閘極結構的形成可包括形成具有多晶矽層、金屬層、氮化物層和頂部氧化物層的堆疊；使用頂部氧化層為遮罩，刻蝕多晶矽層和金屬層以形成閘極堆疊；在閘極堆疊的側壁上形成氮化物間隔物；以及形成氧化物間隔層以覆蓋氮化物間隔物和頂部氧化物層。接著，蝕刻氧化物間隔層以形成氧化物間隔物直到露出氮化物層。然而，在氮化物層上剩餘的頂部氧化物層與氧化物間隔層具有相同的材料(即氧化物)，因此剩餘的頂部氧化物層的厚度將影響用於控制蝕刻製程時間的終點偵測(End point detection，EPD)。如此一來，氧化物間隔物的厚度因剩餘的頂部氧化層而難以控制，進而造成用於源極/汲極區的植入位置不穩定，導致電性不佳。

根據本揭露之一些實施方式，一種形成半導體結構的方法包括依序形成半導體層與金屬層於在半導體基板上的第一介電層上；形成第二介電層於金屬層的一部分上；形成硼磷矽玻璃層於第二介電層上；以硼磷矽玻璃層為遮罩蝕刻金屬層與半導體層；形成第一間隔層於半導體層的側壁、金屬層的側壁、第二介電層的側壁及硼磷矽玻璃層的頂面上；蝕刻第一間隔層以露出硼磷矽玻璃層；移除硼磷矽玻璃層以露出第二介電層的一頂面；形成第二間隔層於第一間隔層的側壁與第二介電層的頂面上；以及蝕刻第二間隔層以露出第二介電層的頂面。

在一些實施方式中，上述硼磷矽玻璃層具有與第一介電層不同的蝕刻選擇比。

在一些實施方式中，上述第一介電層的材料包括二氧化矽，且第一介電層由臨場蒸氣產生形成。

在一些實施方式中，在蝕刻上述金屬層與半導體層後，硼磷矽玻璃層的頂面為外凸的。

在一些實施方式中，上述形成第二間隔層於第一間隔層的側壁與第二介電層的頂面上使得第二間隔層直接接觸第二介電層的頂面。

在一些實施方式中，上述第二介電層的材料不同於第一介電層的材料。

在一些實施方式中，上述第一間隔層的材料不同於第二間隔層的材料。

在一些實施方式中，上述第一間隔層的材料與第二介電層的材料相同。

在一些實施方式中，上述形成半導體結構的方法更包括在蝕刻第二間隔層期間，偵測第二介電層的頂面是否露出；以及當偵測到第二介電層的頂面露出時，停止蝕刻第二間隔層。

在一些實施方式中，上述形成半導體結構的方法更包括根據第二間隔層的厚度，形成源極/汲極區於半導體基板的一位置中。

在一些實施方式中，上述半導體層的材料包括多晶矽。

根據本揭露之一些實施方式，一種形成半導體結構的方法包括使用硼磷矽玻璃層為遮罩蝕刻金屬層與在金屬層下方的半導體層，其中半導體層位於金屬層與第一介電層之間，且第二介電層位於硼磷矽玻璃層與金屬層之間；形成第一間隔層於半導體層的側壁、金屬層的側壁、第二介電層的側壁及硼磷矽玻璃層的頂面上；蝕刻第一間隔層以露出硼磷矽玻璃層；移除硼磷矽玻璃層以露出第二介電層的頂面，其中硼磷矽玻璃層具有與第一介電層不同的蝕刻選擇比；形成第二間隔層於第一間隔層的側壁與第二介電層的頂面上；以及蝕刻第二間隔層以露出第二介電層的頂面。

在一些實施方式中，上述形成半導體結構的方法，更包括在蝕刻第二間隔層期間，偵測第二介電層的頂面是否露出；以及當偵測到第二介電層的頂面露出時，停止蝕刻第二間隔層。

在本揭露上述實施方式中，由於硼磷矽玻璃層(BPSG)是形成在第二介電層上而取代傳統氧化物層，因此硼磷矽玻璃層可在蝕刻第一間隔層後移除，以露出第二介電層的頂面。如此一來，第二間隔層可直接形成於第二介電層的頂面與第一間隔層的側壁上。在蝕刻第二間隔層前，無位在第二間隔層正下方且具有同第二間隔層材料的額外氧化物層，且用於控制蝕刻製程時間的終點偵測(End point detection，EPD)能根據第二間隔層的厚度而穩定。據此，留下的第二間隔層的厚度是易於控制的，進而對用於源極/汲極區的植入定義出穩定的位置，而有優良的電性，例如飽和電流(Idsat)。

以下揭示之實施方式內容提供了用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施方式，或實例。下文描述了元件和佈置之特定實例以簡化本案。當然，該等實例僅為實例且並不意欲作為限制。此外，本案可在各個實例中重複元件符號及/或字母。此重複係用於簡便和清晰的目的，且其本身不指定所論述的各個實施方式及/或配置之間的關係。

諸如「在……下方」、「在……之下」、「下部」、「在……之上」、「上部」等等空間相對術語可在本文中為了便於描述之目的而使用，以描述如附圖中所示之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了附圖中所示的定向之外的在使用或操作中的裝置的不同定向。裝置可經其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)並且本文所使用的空間相對描述詞可同樣相應地解釋。

第1圖繪示根據本揭露一實施方式之形成半導體結構的方法的流程圖。形成半導體結構的方法包括下列步驟。在步驟S1中，依序形成半導體層與金屬層於在半導體基板上的第一介電層上。接著，在步驟S2中，形成第二介電層於金屬層的一部分上。接著，在步驟S3中，形成硼磷矽玻璃(Boro-phospho-silicate-glass，BPSG)層於第二介電層上。之後在步驟S4中，以硼磷矽玻璃層為遮罩蝕刻金屬層與半導體層。後續在步驟S5中，形成第一間隔層於半導體層的側壁、金屬層的側壁、第二介電層的側壁及硼磷矽玻璃層的頂面上。接著，在步驟S6中，蝕刻第一間隔層以露出硼磷矽玻璃層。接著，在步驟S7中，移除硼磷矽玻璃層以露出第二介電層的頂面。之後在步驟S8中，形成第二間隔層於第一間隔層的側壁與第二介電層的頂面上。後續在步驟S9中，蝕刻第二間隔層以露出第二介電層的頂面。

此外，步驟S1至步驟S9每一者可包括複數個詳細步驟，此半導體結構的方法方法可包括在步驟S1與步驟S9之間的其他步驟，及在步驟S1之前與步驟S9之後的其他步驟。在以下敘述中，將詳細說明上述步驟S1至步驟S9。

第2圖至第9圖繪示根據本揭露一些實施方式之形成半導體結構的方法在中間階段的剖面圖。如第2圖所示，第一介電層110形成於半導體基板120上。第一介電層110的材料可包括二氧化矽(SiO ₂)，且第一介電層110可採臨場蒸氣產生(In-situ steam generation，ISSG)技術形成。半導體層130與金屬層140依序形成於第一介電層110上。半導體層130的材料可包括多晶矽(polysilicon)，金屬層140的材料可包括鎢(W)。半導體基板120可為矽基板。半導體層130在金屬層140下方，半導體層130位於金屬層140與第一介電層110之間。

接著，第二介電層150形成於金屬層140的一部分上，然後，硼磷矽玻璃層160形成於第二介電層150上。第二介電層150與硼磷矽玻璃層160可經由光微影技術(Photolithography)的圖案化製程形成。第二介電層150位於硼磷矽玻璃層160與金屬層140之間。此外，第二介電層150的材料不同於第一介電層110的材料。在一些實施方式中，第二介電層150的材料可為氮化物，例如氮化碳(Carbon nitride)。

參閱第3圖，在硼磷矽玻璃層160形成後，能以硼磷矽玻璃層160為遮罩蝕刻金屬層140與半導體層130。在此蝕刻製程後，因在蝕刻期間會消耗部分硼磷矽玻璃層160，硼磷矽玻璃層160的頂面162為外凸的。此外，金屬層140為閘極電極，而在第3圖半導體基板120上的結構可視為閘極堆疊。

參閱第4圖，接著，第一間隔層170形成於半導體層130的側壁、金屬層140的側壁、第二介電層150的側壁及硼磷矽玻璃層160的頂面162上。在一些實施方式中，第一間隔層170的材料與第二介電層150的材料相同，例如氮化物。

參閱第5圖，在第一間隔層170形成後，蝕刻第一間隔層170以露出硼磷矽玻璃層160。也就是說，在硼磷矽玻璃層160的頂面162上無第一間隔層170。

參閱第6圖，接著，移除硼磷矽玻璃層160以露出第二介電層150的頂面152。硼磷矽玻璃層160的移除可採濕蝕刻法。在一些實施方式中，硼磷矽玻璃層160具有與第一介電層110不同的蝕刻選擇比(Etch selectivity)，因此第一介電層110在蝕刻硼磷矽玻璃層160後仍留下。

參閱第7圖，在硼磷矽玻璃層160從第二介電層150的頂面152移除後，第二間隔層180形成於第一間隔層170的側壁與第二介電層150的頂面152上。第二間隔層180的材料不同於第一間隔層170的材料。舉例來說，第二間隔層180可為氧化物。在此步驟中，第二間隔層180直接接觸第二介電層150的頂面152。

參閱第8圖，接著，蝕刻第二間隔層180以露出第二介電層150的頂面152，因此可得到第8圖所示的閘極結構。在蝕刻第二間隔層180期間，可偵測第二介電層150的頂面152是否露出。此外，當偵測到第二介電層150的頂面152露出時，停止蝕刻第二間隔層180。蝕刻製程時間是根據對第二介電層150的終點偵測(End point detection，EPD)。此外，因在蝕刻期間，會消耗部分第二介電層150，因此第二介電層150的頂面152為外凸的。

具體而言，由於硼磷矽玻璃層160(見第5圖)是形成在第二介電層150上而取代傳統氧化物層，因此硼磷矽玻璃層160可在蝕刻第一間隔層170(見第5圖)後移除，以露出第二介電層150的頂面152。如此一來，第二間隔層180可直接形成於第二介電層150的頂面152與第一間隔層170的側壁上。在蝕刻第二間隔層180前，無位在第二間隔層180正下方且具有同第二間隔層180材料的額外氧化物層，此外，用於控制蝕刻製程時間的終點偵測能根據第二間隔層180的厚度而穩定。因此，留下的第二間隔層180的厚度是易於控制的。

參閱第9圖，在蝕刻第二間隔層180而露出第二介電層150的頂面152後，第二間隔層180具有厚度D。第二間隔層180的厚度D為決定源極/汲極區190形成位置的關鍵尺寸(Critical dimension，CD)。根據第二間隔層180的厚度D，源極/汲極區190可形成於半導體基板120的一位置中。換句話說，留下的第二間隔層180的厚度D是易於控制的，因此對用於源極/汲極區190的植入定義出穩定的位置，而有優良的電性，例如飽和電流(Idsat)。在一些實施方式中，源極/汲極區190位於半導體基板120的通道區與淺溝槽隔離112(Shallow trench isolation，STI)之間，其中通道區位於閘極結構下方。

前述概述了幾個實施方式的特徵，使得本領域技術人員可以更好地理解本揭露的態樣。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地將本揭露用作設計或修改其他過程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施方式相同的目的和/或實現相同的優點。本領域技術人員還應該認識到，這樣的等效構造不脫離本揭露的精神和範圍，並且在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下，它們可以在這裡進行各種改變，替換和變更。

110:第一介電層 112:淺溝槽隔離 120:半導體基板 130:半導體層 140:金屬層 150:第二介電層 152:頂面 160:硼磷矽玻璃層 162:頂面 170:第一間隔層 180:第二間隔層 190:源極/汲極區 S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9:步驟 D:厚度

當與隨附圖示一起閱讀時，可由後文實施方式最佳地理解本揭露內容的態樣。注意到根據此行業中之標準實務，各種特徵並未按比例繪製。實際上，為論述的清楚性，可任意增加或減少各種特徵的尺寸。第1圖繪示根據本揭露一實施方式之形成半導體結構的方法的流程圖。第2圖至第9圖繪示根據本揭露一些實施方式之形成半導體結構的方法在中間階段的剖面圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9:步驟

Claims

一種形成半導體結構的方法，包括：依序形成一半導體層與一金屬層於在一半導體基板上的一第一介電層上；形成一第二介電層於該金屬層的一部分上；形成一硼磷矽玻璃層於該第二介電層上；以該硼磷矽玻璃層為一遮罩蝕刻該金屬層與該半導體層；形成一第一間隔層於該半導體層的一側壁、該金屬層的一側壁、該第二介電層的一側壁及該硼磷矽玻璃層的一頂面上；蝕刻該第一間隔層以露出該硼磷矽玻璃層；移除該硼磷矽玻璃層以露出該第二介電層的一頂面；形成一第二間隔層於該第一間隔層的一側壁與該第二介電層的該頂面上；以及蝕刻該第二間隔層以露出該第二介電層的該頂面。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該硼磷矽玻璃層具有與該第一介電層不同的蝕刻選擇比。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該第一介電層的材料包括二氧化矽，且該第一介電層由臨場蒸氣產生形成。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中在蝕刻該金屬層與該半導體層後，該硼磷矽玻璃層的該頂面為外凸的。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中形成該第二間隔層於該第一間隔層的該側壁與該第二介電層的該頂面上使得該第二間隔層直接接觸該第二介電層的該頂面。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該第二介電層的材料不同於該第一介電層的材料。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該第一間隔層的材料不同於該第二間隔層的材料。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該第一間隔層的材料與該第二介電層的材料相同。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，更包括：在蝕刻該第二間隔層期間，偵測該第二介電層的該頂面是否露出；以及當偵測到該第二介電層的該頂面露出時，停止蝕刻該第二間隔層。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，更包括：根據該第二間隔層的厚度，形成一源極/汲極區於該半導體基板的一位置中。
如請求項1所述之形成半導體結構的方法，其中該半導體層的材料包括多晶矽。
一種形成半導體結構的方法，包括：使用一硼磷矽玻璃層為一遮罩蝕刻一金屬層與在該金屬層下方的一半導體層，其中該半導體層位於該金屬層與一第一介電層之間，且一第二介電層位於該硼磷矽玻璃層與該金屬層之間；形成一第一間隔層於該半導體層的一側壁、該金屬層的一側壁、該第二介電層的一側壁及該硼磷矽玻璃層的一頂面上；蝕刻該第一間隔層以露出該硼磷矽玻璃層；移除該硼磷矽玻璃層以露出該第二介電層的一頂面，其中該硼磷矽玻璃層具有與該第一介電層不同的蝕刻選擇比；形成一第二間隔層於該第一間隔層的一側壁與該第二介電層的該頂面上；以及蝕刻該第二間隔層以露出該第二介電層的該頂面。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中該第一介電層的材料包括二氧化矽，且該第一介電層由臨場蒸氣產生形成。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中在蝕刻該金屬層與該半導體層後，該硼磷矽玻璃層的該頂面為外凸的。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中形成該第二間隔層於該第一間隔層的該側壁與該第二介電層的該頂面上使得該第二間隔層直接接觸該第二介電層的該頂面。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中該第二介電層的材料不同於該第一介電層的材料。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中該第一間隔層的材料不同於該第二間隔層的材料。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，其中該第一間隔層的材料與該第二介電層的材料相同。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，更包括：在蝕刻該第二間隔層期間，偵測該第二介電層的該頂面是否露出；以及當偵測到該第二介電層的該頂面露出時，停止蝕刻該第二間隔層。
如請求項12所述之形成半導體結構的方法，更包括：根據該第二間隔層的厚度，形成一源極/汲極區於一半導體基板的一位置中。