專利名稱：制作應變硅晶體管的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制作半導體晶體管的方法，尤其涉及一種利用選擇性外延成長制作半導體晶體管的方法。
背景技術：
選擇性外延成長(selective epitaxial growth，SEG)技術主要是于一單晶基板表面形成一晶格排列與基板相同的外延層，其是應用于許多半導體元件的制作，例如具有增高式源極/漏極的晶體管以及應變硅金屬氧化物半導體晶體管(strained-silicon MOS transistors)等。一般而言，選擇性外延成長技術是先利用一表面清洗工藝完全地清除基板表面的原生氧化物(native oxide)或其它不純物(impurity)，然后再于基板表面沉積外延層并使外延層沿著基板表面的晶格結構向上生長，而且由于基板表面的潔凈程度是決定外延層的品質(zhì)優(yōu)劣，因此表面清洗工藝乃是選擇性外延成長技術的關鍵。
請參考圖1至圖3，圖1至圖3為現(xiàn)有利用選擇性外延成長制作一應變硅MOS晶體管的方法示意圖。如圖1所示，首先提供一半導體襯底10，例如一硅襯底，且半導體襯底10上包括一柵極結構12。其中，柵極結構12包括一柵極氧化層(gate oxide)14、一位于柵極氧化層14上的柵極16、一位于柵極16頂表面的覆蓋層(cap layer)18以及一氧化物-氮化物-氧化物偏位間隙壁(ONO offset spacer)20。一般而言，柵極氧化層14是由二氧化硅(silicondioxide，SiO2)所構成，柵極16是由摻雜多晶硅(doped polysilicon)所構成，而覆蓋層18則是由一氮化硅層所組成，用以保護柵極16。此外，柵極結構12所在的有源區(qū)(active area)外圍的半導體襯底10內(nèi)還環(huán)繞有一淺溝隔離(STI)22。
如圖2所示，隨后利用柵極結構12當作掩模來進行一蝕刻工藝，例如一各向異性干蝕刻，以于未被柵極16與間隙壁20覆蓋的半導體襯底10中形成兩深度約為400埃的凹槽24。接著如圖3所示，待半導體襯底10完成濕式清洗步驟(wet cleaning step)之后，再進行一選擇性外延成長工藝，以于凹槽24中填入一由鍺化硅所構成的外延層26，分別形成該應變硅MOS晶體管的源極/漏極區(qū)域。
值得注意的是，一般在蝕刻凹槽24時，通常會于凹槽24表面殘留一些不純物，例如碳、氟以及氫等原子，而且這些不純物(尤其是碳原子)往往會造成凹槽24表面無法生成外延層26。因此現(xiàn)有技術是于凹槽24形成后會再進行一表面清洗工藝，利用一含有硫酸、過氧化氫與去離子水的SPM混合溶液(sulfuric acid-hydrogen peroxide mixture，SPM)來去除凹槽24表面的不純物質(zhì)。然而，現(xiàn)有利用SPM混合溶液并無法有效清除殘留于凹槽表面的原子，進而造成缺陷(defects)，甚至影響后續(xù)選擇性外延的成長工藝。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種制作應變硅晶體管的方法，以改善現(xiàn)有技術無法于蝕刻工藝后完全清除襯底表面的殘留物的問題。
根據(jù)本發(fā)明，揭露了一種制作應變硅晶體管的方法，該方法包括下列步驟首先提供一半導體襯底，且該半導體襯底上包括有至少一柵極結構。然后進行一蝕刻工藝，以于該柵極結構相對兩側的該半導體襯底中形成二凹槽，并對該半導體襯底進行一氧氣沖洗(O2flush)。接著對該半導體襯底進行一清洗工藝，然后進行一選擇性外延成長(selective epitaxial growth，SEG)工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作源極/漏極。
根據(jù)本發(fā)明，還揭露一種制作應變硅晶體管的方法，包括下列步驟首先提供一半導體襯底，該半導體襯底上包括有至少一柵極結構。然后進行一蝕刻工藝，以于該柵極結構相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽，并利用一含有臭氧的清洗溶液來進行一清洗工藝，來去除該半導體襯底上的蝕刻殘留物。最后進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作源極/漏極。
根據(jù)本發(fā)明，還揭露一種制作應變硅互補式金屬氧化物半導體(strained-silicon CMOS)晶體管的方法，該方法包括下列步驟首先提供一半導體襯底，該半導體襯底具有一NMOS晶體管區(qū)以及一PMOS晶體管區(qū)，且于該NMOS晶體管區(qū)及該PMOS晶體管區(qū)上各形成有一NMOS柵極以及一PMOS柵極。然后于該半導體襯底表面形成一犧牲層并覆蓋該NMOS柵極及該PMOS柵極，接著進行一第一蝕刻工藝，蝕刻該PMOS晶體管區(qū)的部分該犧牲層，以于該PMOS柵極周圍形成一間隙壁。隨后利用該犧牲層、該PMOS柵極與該間隙壁當作掩模進行一第二蝕刻工藝，以于該PMOS柵極與該間隙壁相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽。然后對該半導體襯底進行一氧氣沖洗(O2flush)，并對該半導體襯底進行一清洗工藝。接著進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作該PMOS晶體管的源極/漏極。最后去除該犧牲層及該間隙壁，并形成該NMOS晶體管的源極/漏極。
根據(jù)本發(fā)明，還揭露一種制作應變硅互補式金屬氧化物半導體(strained-silicon CMOS)晶體管的方法，該方法包括下列步驟首先提供一半導體襯底，該半導體襯底具有一NMOS晶體管區(qū)以及一PMOS晶體管區(qū)，且于該NMOS晶體管區(qū)及該PMOS晶體管區(qū)上各形成有一NMOS柵極以及一PMOS柵極。然后于該半導體襯底表面形成一犧牲層并覆蓋該NMOS柵極及該PMOS柵極，接著進行一第一蝕刻工藝，蝕刻該PMOS晶體管區(qū)的部分該犧牲層，以于該PMOS柵極周圍形成一間隙壁。隨后利用該犧牲層、該PMOS柵極與該間隙壁當作掩模進行一第二蝕刻工藝，以于該PMOS柵極與該間隙壁相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽。然后利用一含有臭氧的清洗溶液來進行一清洗工藝，用以去除該半導體襯底上的蝕刻殘留物，并進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作該PMOS晶體管的源極/漏極。最后去除該犧牲層及該間隙壁，并形成該NMOS晶體管的源極/漏極。
由于本發(fā)明是于蝕刻完應變硅MOS晶體管的源極/漏極預定區(qū)域后進行一原位(in-situ)氧氣沖洗并配合一濕式清洗溶液，或直接利用含有臭氧的清洗溶液來進行非原位(ex-situ)的濕式清洗步驟(wet cleaning step)，因此能有效清除殘留于半導體襯底表面上的碳原子等雜質(zhì)，并同時平坦化經(jīng)過蝕刻工藝后的凹槽表面，進而確保后續(xù)選擇性外延成長工藝的良率。


圖1至圖3為現(xiàn)有利用選擇性外延成長制作一晶體管的方法示意圖；圖4至圖6為本發(fā)明制作一應變硅PMOS晶體管的方法示意圖；圖7至圖10為本發(fā)明制作一應變硅CMOS晶體管的方法示意圖。
主要元件符號說明
10半導體襯底12 柵極結構14柵極氧化層16 柵極18覆蓋層20 間隙壁22淺溝隔離 24 凹槽26外延層60 半導體襯底62淺溝隔離 63 柵極結構64柵極氧化層66 柵極68覆蓋層70 間隙壁72凹槽 74 外延層80半導體襯底82 NMOS晶體管區(qū)84PMOS晶體管區(qū) 86 淺溝隔離88NMOS柵極 90 PMOS柵極92覆蓋層94 柵極介電層100 犧牲層102光致抗蝕劑層104 間隙壁106凹槽108 外延層110源極/漏極具體實施方式
請參照圖4至圖6，圖4至圖6為本發(fā)明制作一應變硅PMOS晶體管的方法示意圖。如圖4所示，首先提供一半導體襯底60，例如一硅晶片(wafer)或一硅覆絕緣(SOI)襯底，且半導體襯底60上包括一柵極結構63。其中，柵極結構63包括一柵極介電層64、一位于柵極介電層64上的柵極66、一位于柵極66頂表面的覆蓋層68以及一氧化物-氮化物-氧化物偏位間隙壁(ONO offset spacer)70。一般而言，柵極介電層64可為一利用熱氧化或沉積等工藝所形成的氧化硅層所構成，而覆蓋層68則可由一用以保護柵極66的氮化硅層或多晶金屬硅化物(polycide)所組成。此外，柵極結構63所在的有源區(qū)(AA)外圍的半導體襯底60內(nèi)還環(huán)繞一淺溝隔離(STI)62。
接著如圖5所示，利用柵極結構63當作掩模來進行一蝕刻工藝，例如一各向異性干蝕刻，以于柵極結構63相對兩側的半導體襯底60中形成二深度約為400埃的凹槽72，隨后再于此蝕刻工藝的工藝室(process chamber)中，利用一氧氣沖洗(flush)來對半導體襯底60進行一原位(in-situ)清洗工藝。最后，將半導體襯底60移出此工藝室，并利用一含有硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)與去離子水的SPM混合溶液(sulfuric acid-hydrogen peroxide mixture，SPM)以及一含有氫氧化銨(NH4OH)、過氧化氫(H2O2)的RCA標準清洗溶液SC1的清洗溶液來去除半導體襯底60表面的蝕刻殘留物。
除此之外，本發(fā)明又可于凹槽72形成后，直接利用一含有臭氧的清洗溶液來進行一非原位(ex-situ)清洗工藝。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該可包括臭氧的清洗溶液包括有RCA標準清洗溶液SC1、SPM混合溶液以及溶有臭氧的去離子水(deionized water+O3，DI-O3)。
值得注意的是，由于一般在進行先前所述形成間隙壁70的回蝕刻工藝以及蝕刻凹槽72的各向異性蝕刻工藝時，往往會于半導體襯底60表面附著一些蝕刻殘留物、高分子雜質(zhì)等不純物質(zhì)或碳、氟、氫等原子，進而影響后續(xù)外延層的形成。因此本發(fā)明是利用上述的原位(in-situ)氧氣沖洗并配合一濕式清洗溶液，或直接利用含有臭氧的清洗溶液來進行非原位(ex-situ)的濕式清洗步驟(wet cleaning step)，以有效清除殘留于半導體襯底60表面上的碳原子等雜質(zhì)，并同時平坦化經(jīng)過蝕刻工藝后的凹槽表面，進而確保后續(xù)選擇性外延成長工藝的良率。
如圖6所示，在完成清洗工藝之后，隨即進行一選擇性外延成長(SEG)工藝，以于凹槽72中填入一由鍺化硅(SixGe1-x，其中0＜x＜1)所構成的外延層74，分別用來當作本發(fā)明的應變硅PMOS晶體管的源極/漏極區(qū)域。一般而言，在進行選擇性外延成長工藝時，填入源極/漏極預定區(qū)域的鍺化硅雖能增進應變硅PMOS的空穴遷移率，但也會同時折損NMOS的電子遷移率，進而影響晶體管的效能。因此在本實施中，應變硅MOS晶體管為一PMOS晶體管。
請參照圖7至圖10，圖7至圖10為本發(fā)明制作一應變硅CMOS晶體管的方法示意圖。如圖7所示，首先提供一個以淺溝隔離86分隔出NMOS晶體管區(qū)82以及PMOS晶體管區(qū)84的半導體襯底80，且該NMOS晶體管區(qū)82以及該PMOS晶體管區(qū)84上分別具有一NMOS柵極88以及一PMOS柵極90，以及一設置于各柵極88、90與半導體襯底80中的柵極介電層94。接著于NMOS柵極88與PMOS柵極90的頂部及側壁表面分別形成一由硅氧層與氮化硅層所構成的覆蓋層92。然后進行一化學氣相沉積工藝，以于半導體襯底80表面形成一由氧化硅所構成的犧牲層100并覆蓋在NMOS柵極88以及PMOS柵極90之上。隨后進行一光致抗蝕劑涂布、曝光、顯影工藝，用以形成一圖案化的光致抗蝕劑層102并覆蓋整個NMOS晶體管區(qū)82。
如同先前所述，由于后續(xù)在進行選擇性外延成長工藝時，填入于源極/漏極區(qū)域的鍺化硅將會折損NMOS的電子遷移率，進而影響NMOS晶體管的效能，因此本實施例是利用犧牲層100以及圖案化的光致抗蝕劑層102，來保護不需進行選擇性外延成長工藝的NMOS晶體管區(qū)82，以避免后續(xù)填入鍺化硅時對NMOS造成不良的影響。
如圖8所示，隨后進行一回蝕刻工藝來蝕刻部分的犧牲層100，以于PMOS柵極90周圍形成一間隙壁104。由于位于NMOS晶體管區(qū)82的犧牲層100是由先前沉積的光致抗蝕劑層102所保護，因此NMOS柵極88周圍于該回蝕刻工藝后并不會如同PMOS柵極90般形成間隙壁。
接著如圖9所示，在去除光致抗蝕劑層102之后，利用犧牲層100、覆蓋層92、PMOS柵極90與間隙壁104當作蝕刻掩模來進行一各向異性蝕刻工藝，以于PMOS柵極90與間隙壁104相對兩側的半導體襯底80內(nèi)形成二深度約為500埃的凹槽106。如同先前所述，由于在進行形成間隙壁104的回蝕刻工藝以及蝕刻凹槽106的各向異性蝕刻工藝后，往往會于半導體襯底80表面殘留一些蝕刻殘留物、高分子雜質(zhì)等不純物質(zhì)或碳、氟、氫等原子，尤其是蝕刻凹槽106的各向異性蝕刻工藝，更是進而影響后續(xù)外延層形成的重要關鍵。因此本發(fā)明可于進行上述的蝕刻工藝后，立即于該蝕刻工藝的工藝室中，利用一氧氣沖洗來對半導體襯底80進行一原位清洗工藝。最后再將半導體襯底80移出此工藝室，并利用一含有硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)與去離子水的SPM混合溶液(SPM)以及一含有氨水(NH4OH)、過氧化氫(H2O2)的RCA標準清洗溶液SC1的清洗溶液來去除半導體襯底80表面的蝕刻殘留物。
除此之外，本發(fā)明又可于凹槽106形成后，直接將半導體襯底80移出工藝室，再利用一含有臭氧的清洗溶液來對半導體襯底80表面進行一非原位清洗工藝。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該含有臭氧的清洗溶液包括有RCA標準清洗溶液SC1、SPM混合溶液以及溶有臭氧的去離子水(deionized water+O3，DI-O3)。
如圖10所示，接著進行一選擇性外延成長工藝，以于PMOS晶體管區(qū)84內(nèi)的二凹槽106中分別填入由鍺化硅所組成的外延層108，以形成PMOS晶體管的源極/漏極區(qū)域。最后再移除覆蓋于NMOS柵極88上的犧牲層100與PMOS柵極90側壁周圍的間隙壁104，并利用一掩模覆蓋PMOS晶體管區(qū)84來進行一離子注入工藝，以形成NMOS晶體管的源極/漏極110。
有別于現(xiàn)有制作MOS晶體管的方法，本發(fā)明是于蝕刻完應變硅MOS晶體管的源極/漏極預定區(qū)域之后，隨即進行一原位(in-situ)氧氣沖洗并配合一濕式清洗溶液，或利用含有臭氧的清洗溶液來進行非原位(ex-situ)的濕式清洗步驟(wet cleaning step)，以有效清除殘留于半導體襯底80表面上的碳原子等雜質(zhì)，并同時平坦化經(jīng)過蝕刻工藝后的凹槽表面，進而確保后續(xù)選擇性外延成長工藝的良率。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種制作應變硅晶體管的方法，該方法包括下列步驟提供一半導體襯底，且該半導體襯底上包括至少一柵極結構；進行一蝕刻工藝，以于該柵極結構相對兩側的該半導體襯底中形成二凹槽；對該半導體襯底進行一氧氣沖洗；對該半導體襯底進行一清洗工藝；以及進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作源極/漏極。
2.如權利要求1所述的方法，其中該柵極結構還包括一柵極介電層；一柵極，位于該柵極介電層之上；一覆蓋層，位于該柵極之上；以及一氧化物-氮化物-氧化物偏位間隙壁。
3.如權利要求1所述的方法，其中該氧氣沖洗為一原位步驟，實施于該蝕刻工藝的工藝室中。
4.如權利要求1所述的方法，其中該清洗工藝的清洗溶液包括硫酸、過氧化氫、與去離子水的SPM混合溶液及RCA標準清洗溶液，用以去除該半導體襯底表面的蝕刻殘留物。
5.如權利要求1所述的方法，其中該外延層包括鍺化硅(SixGe1-x，其中0＜x＜1)。
6.如權利要求1所述的方法，其中該應變硅晶體管包括P型金屬氧化物半導體晶體管。
7.一種制作應變硅晶體管的方法，包括以下步驟提供一半導體襯底，該半導體襯底上包括至少一柵極結構；進行一蝕刻工藝，以于該柵極結構相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽；利用一含有臭氧的清洗溶液來進行一清洗工藝，用以去除該半導體襯底上的蝕刻殘留物；以及進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作源極/漏極。
8.如權利要求7所述的方法，其中該柵極結構還包括一柵極介電層；一柵極，位于該柵極介電層之上；一覆蓋層，位于該柵極之上；以及一氧化物-氮化物-氧化物偏位間隙壁。
9.如權利要求7所述的方法，其中該清洗工藝為一非原位清洗工藝。
10.如權利要求7所述的方法，其中該含有臭氧的清洗溶液包括RCA標準清洗溶液、SPM混合溶液以及溶有臭氧的去離子水。
11.如權利要求7所述的方法，其中該外延層包括鍺化硅(SixGe1-x，其中0＜x＜1)。
12.如權利要求7所述的方法，其中該應變硅晶體管包括PMOS晶體管。
13.一種制作應變硅互補式金屬氧化物半導體晶體管的方法，該方法包括下列步驟提供一半導體襯底，該半導體襯底具有一NMOS晶體管區(qū)以及一PMOS晶體管區(qū)，且于該NMOS晶體管區(qū)及該PMOS晶體管區(qū)上各形成有一NMOS柵極以及一PMOS柵極；于該半導體襯底表面形成一犧牲層并覆蓋該NMOS柵極及該PMOS柵極；進行一第一蝕刻工藝，蝕刻該PMOS晶體管區(qū)的部分該犧牲層，以于該PMOS柵極周圍形成一間隙壁；利用該犧牲層、該PMOS柵極與該間隙壁當作掩模進行一第二蝕刻工藝，以于該PMOS柵極與該間隙壁相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽；對該半導體襯底進行一氧氣沖洗；對該半導體襯底進行一清洗工藝；進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作該PMOS晶體管的源極/漏極；去除該犧牲層及該間隙壁；以及形成該NMOS晶體管的源極/漏極。
14.如權利要求13所述的方法，其中該NMOS柵極、該PMOS柵極與該半導體襯底之間均還包括有一柵極介電層，且該NMOS柵極及該PMOS柵極表面皆形成有一覆蓋層。
15.如權利要求14所述的方法，其中該覆蓋層包括一硅氧層與一氮化硅層，而該犧牲層包括一硅氧層。
16.如權利要求13所述的方法，其中該氧氣沖洗為一原位步驟，實施于該第二蝕刻工藝的工藝室中。
17.如權利要求13所述的方法，其中該清洗工藝的清洗溶液包括SPM混合溶液及RCA標準清洗溶液，用以去除該半導體襯底上的蝕刻殘留物。
18.如權利要求13所述的方法，其中該外延層包括鍺化硅。
19.如權利要求13所述的方法，其中在進行該第一蝕刻工藝之前，還包括一光致抗蝕劑層的形成步驟，用以覆蓋該NMOS晶體管區(qū)。
20.如權利要求13所述的方法，其中形成該NMOS晶體管的該源極/漏極的步驟是利用一離子注入工藝。
21.一種制作應變硅互補式金屬氧化物半導體晶體管的方法，該方法包括下列步驟提供一半導體襯底，該半導體襯底具有一NMOS晶體管區(qū)以及一PMOS晶體管區(qū)，且于該NMOS晶體管區(qū)及該PMOS晶體管區(qū)上各形成有一NMOS柵極以及一PMOS柵極；于該半導體襯底表面形成一犧牲層并覆蓋該NMOS柵極及該PMOS柵極；進行一第一蝕刻工藝，蝕刻該PMOS晶體管區(qū)的部分該犧牲層，以于該PMOS柵極周圍形成一間隙壁；利用該犧牲層、該PMOS柵極與該間隙壁當作掩模進行一第二蝕刻工藝，以于該PMOS柵極與該間隙壁相對兩側的該半導體襯底內(nèi)形成二凹槽；利用一含有臭氧的清洗溶液來進行一清洗工藝，用以去除該半導體襯底上的蝕刻殘留物；進行一選擇性外延成長工藝，以于該些凹槽內(nèi)分別形成一外延層，當作該PMOS晶體管的源極/漏極；去除該犧牲層及該間隙壁；以及形成該NMOS晶體管的源極/漏極。
22.如權利要求21所述的方法，其中該NMOS柵極、該PMOS柵極與該半導體襯底之間均還包括有一柵極介電層，且該NMOS柵極及該PMOS柵極表面皆形成有一覆蓋層。
23.如權利要求21所述的方法，其中該覆蓋層包括一硅氧層與一氮化硅層，而該犧牲層包括一硅氧層。
24.如權利要求21所述的方法，其中該含有臭氧的清洗溶液包括RCA標準清洗溶液、SPM混合溶液以及溶有臭氧的去離子水。
25.如權利要求21所述的方法，其中該外延層包括鍺化硅。
26.如權利要求21所述的方法，其中在進行該第一蝕刻工藝之前，還包括一光致抗蝕劑層的形成步驟，用以覆蓋該NMOS晶體管區(qū)。
27.如權利要求21所述的方法，其中形成該NMOS晶體管的該源極/漏極的步驟是利用一離子注入工藝。
全文摘要
本發(fā)明是揭露一種制作應變硅晶體管的方法，該方法包括下列步驟首先提供一半導體襯底，且該半導體襯底上包括至少一柵極結構。然后進行一蝕刻工藝，以于該柵極結構相對兩側的該半導體襯底中形成二凹槽，并對該半導體襯底進行一氧氣沖洗(O
文檔編號H01L21/02GK1941297SQ200510107198
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權日2005年9月28日
發(fā)明者吳至寧, 戴炘, 李忠儒, 蕭維滄 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司