化学汽相沉积装置和利用该装置制造半导体器件的方法与流程

本发明实施例总体涉及半导体领域，更具体地，涉及化学汽相沉积(cvd)装置以及使用该装置制造半导体器件的方法。

背景技术：

随着电路变得更小和更快，器件驱动电流的改善变得更加重要。器件电流与栅极长度、栅极电容和载流子迁移率密切相关。缩短多晶硅栅极长度、增大栅极电容和增加载流子迁移率能够改善器件电流性能。正在努力减少栅极长度，以缩小电路尺寸。增大栅极电容也通过诸如减小栅极介电层厚度、增大栅极介电常数等努力得以实现。为了进一步地改善器件电流，对提高载流子迁移率也进行了探索。

在提高载流子的迁移率的努力中，形成应变的硅沟道是已知的实践。应变能增强体电子(bulkelectron)和空穴迁移率。应变也能够通过在fet器件上方形成诱发应变的接触蚀刻停止层(cesl)而施加至沟道区域。当沉积这样的接触蚀刻停止层时，由于cesl与下面的层之间的晶格间距失配，发展平面内的应力以匹配晶格间距。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造半导体器件的方法，包括：在衬底上形成晶体管；提供来自化学汽相沉积(cvd)装置的喷头的前体气体以形成覆盖所述晶体管和所述衬底的接触蚀刻停止层(cesl)；以及将所述喷头的温度控制在约70℃至约100℃的范围内以控制所述前体气体的温度。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造半导体器件的方法，包括：在衬底上形成晶体管；以及将前体气体从喷头引入化学汽相沉积(cvd)室内以通过使用cvd工艺来形成覆盖所述晶体管和所述衬底的接触蚀刻停止层(cesl)，其中所述cvd室具有至少一个侧壁，并且所述侧壁限定容纳空间以容纳所述衬底；以及将所述侧壁的温度调控在约70℃至约100℃的范围内以加热所述前体气体。

根据本发明的又一方面，提供了一种化学汽相沉积(cvd)装置，包括：cvd室，具有至少一个侧壁，其中，所述侧壁限定容纳空间以容纳衬底；底座，设置在所述cvd室中以支撑所述衬底；喷头，设置在所述cvd室中和所述底座上面以将前体气体提供至所述cvd室内以在所述衬底上形成接触蚀刻停止层(cesl)；以及温度控制系统，连接至所述喷头以将所述喷头的温度控制在约70℃至约100℃的范围内。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。

图1a至图1d是根据本发明的一些实施例的用于制造半导体器件的方法在各个制造阶段的截面图。

图2是根据一些实施例的化学汽相沉积(cvd)装置的示意图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

除非另有规定，本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还应该理解，诸如常用字典定义的那些术语应该解释为具有与它们在相关领域和本发明的上下文中的含义一致的含义，而不应该解释为理想化的或过于正式的含义，除非本文明确地加以定义。

图1a至图1d是根据本发明的一些实施例的制造半导体器件的方法在各个制造阶段的截面图。参考图1a。提供衬底110。衬底110包括两个区域：用于形成n型场效应晶体管(nfet)器件的区域i和用于形成p型场效应晶体管(pfet)器件的区域ii。在一些实施例中，衬底110可以包括硅(si)。可选地，衬底110可以包括锗(ge)、硅锗、砷化镓(gaas)或其他合适的半导体材料。另外可选地，衬底110可以包括外延层。例如，衬底110可以具有覆盖块状半导体的外延层。此外，衬底110可以为改善性能而受到应变。例如，外延层可以包括与块状半导体的材料不同的半导体材料，诸如通过包括选择性外延生长(seg)的工艺而形成的覆盖块状硅的硅锗层或覆盖块状硅锗的硅层。此外，衬底110可以包括绝缘体上半导体(soi)结构，诸如掩埋介电层。另外可选地，衬底110可以包括掩埋介电层，诸如埋氧(box)层，诸如通过被称为注氧隔离(simox)技术、晶圆接合、seg方法或其他适当的方法形成的掩埋介电层。在不同实施例中，可以包括不同衬底结构和材料的任一个。

衬底110还包括不同的掺杂区域，诸如通过适当技术(诸如离子注入)形成的n阱和p阱。衬底110还包括各个隔离部件，诸如形成在衬底110中以将各个器件分离(即，分离区域i和ii)的浅沟槽隔离(sti)120。sti120的形成可以包括在衬底110中蚀刻沟槽并且通过诸如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的绝缘材料填充沟槽。填充的沟槽可以具有多层结构，诸如热氧化物衬层以及填充沟槽的氮化硅。在一些实施例中，可以使用以下工艺顺序来形成sti120，诸如：生长垫氧化物；形成低压化学汽相沉积(lpcvd)氮化物层；使用光刻胶和掩蔽来图案化sti开口；在衬底110中蚀刻沟槽；可选地生长热氧化物沟槽衬层以改善沟槽界面；用cvd氧化物填充沟槽以及使用化学机械平坦化(cmp)以去除多余的介电层。

在图1a中，在区域i中形成包括栅介质132n和栅电极134n的栅叠件130n。类似地，在区域ii中形成包括栅介质132p和栅电极134p的栅叠件130p。在一些实施例中，为了形成栅叠件130n和130p，在衬底110上形成栅极介电层，随后形成栅电极层。然后，图案化栅极介电层和栅电极层，从而分别在区域i和ii中形成栅介质132n和132p以及栅电极134n和134p。如本领域已知，出于工艺原因，可以栅叠件130n和130p上形成硬掩模(未示出)，其中硬掩模可以包括氮化硅。

栅介质132n和132p可以包括各种已知的材料，诸如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。可选地，栅介质132n和132p可以具有高介电常数(hk)值。在一些实施例中，栅极介电质132n和132p包括hfo2。可选地，栅介质132n和132p可以包括hfsio、hfsion、hftao、hftio、hfzro、氧化锆、氧化铝、二氧化铪-氧化铝(hfo2-al2o3)合金、其他合适的hk介电材料或它们的组合。能够通过诸如原子层沉积的合适的工艺来形成栅介质132n和132p。形成栅介质132n和132p的其他方法包括金属有机化学汽相沉积(mocvd)、物理汽相沉积(pvd)、紫外臭氧氧化或分子束外延(mbe)。栅电极134n和134p能够由多晶硅或其他合适的材料制成。

在栅叠件130n和130p的侧壁上分别形成多个栅极间隔件140。栅极间隔件可以包括密封(seal)间隔件142和主间隔件144。栅极间隔件140包括一种或多种介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或它们的组合。密封间隔件142形成在栅叠件130n和130p的侧壁上并且主间隔件144形成在密封间隔件142上。在一些实施例中，栅极间隔件140包括额外的层。例如，介电层(未示出)形成在密封间隔件142上然后主间隔件144形成在介电层上。在一些实施例中，密封间隔件142包括氮化硅，介电层包括氧化硅，以及主间隔件144包括氮化硅。以已知的方式，通过沉积、光刻和蚀刻工艺来形成密封间隔件142、主间隔件144和介电层。

通过合适的技术，诸如一次或多次离子注入来形成多个源极和漏极(s/d)区域150。在区域i中的两个s/d区域150限定了栅叠件130n下面的沟道区域112a，并且在区域ii中的两个s/d区域150限定了在栅叠件130p下面的沟道区域112p。在一些实施例中，还可在s/d区域150上形成硅化物部件160以减小接触电阻。可以通过被称为自对准硅化物的技术来形成硅化物部件160，该技术包括：在衬底110上沉积金属(诸如沉积镍)；进行热退火，以使金属与硅发生反应而形成硅化物(nisi)；去除未反应金属的蚀刻。在一些实施例中，s/d区域150还可包括与密封间隔件142基本上对准的轻掺杂(ldd)区域和与主间隔件144基本上对准的重掺杂区域。

在s/d区域150的形成之后，可以执行一次或多次退火工艺以激活s/d区域150。退火工艺包括快速热退火(rta)、激光退火工艺或其他合适的退火工艺。作为一些实例，高温热退火步骤可以施加在900℃至1100℃范围内的温度，虽然一些其他的实施例可以使用在不同范围内的温度。作为一些其他的实例，高温退火包括具有很短持续时间的“尖峰”退火工艺。

在其他一些实施例中，s/d区域150可以包括外延生长的半导体材料以用于适当的应力效应，从而增强沟道112n和112p中的载流子迁移率。在一些实施例中，碳化硅外延地生长在用于nfet的区域i的s/d区域150中，而硅锗外延地生长在用于pfet的区域ii的s/d区域150中。形成应变的结构的方法包括：蚀刻以在衬底110中形成凹槽；外延生长以在凹槽中形成晶体半导体材料。

在图1a中，栅叠件130n、栅极间隔件140和区域i中的s/d区域150形成n型场效应晶体管(nfet)t1，而栅叠件130p、栅极间隔件140和区域ii中的s/d区域150形成p型场效应晶体管(pfet)t2。

参考图1b。在一些实施例中，在nfetti和pfett2形成在衬底110上之后，诸如nfett1、pfett2和衬底110上的移动粒子的缺陷，将作为反应前体物质的成核位点因此在后续的化学汽相沉积(参见图1c和图1d)期间导致形成比这些缺陷大得多的缺陷。后来形成的缺陷对于形成在衬底上的器件可能会变为致命缺陷。在一些实施例中，图1a的结构能够设置在cvd装置200中以在cvd沉积之前执行等离子体处理。参考图2，图2是根据一些实施例的化学汽相沉积(cvd)装置200的示意图。cvd装置200包括cvd室210、底座220、喷头230和温度控制系统240。cvd室210具有至少一个侧壁212。侧壁212在cvd室210中限定容纳空间214以容纳图1b的衬底110，在衬底110上已经形成nfett1和pfett2。底座220设置在cvd室210中以支撑衬底110。喷头230设置在cvd室210中和底座220上方以将反应气体提供至cvd室210内。温度控制系统240连接至喷头230以将喷头230的温度控制在约70℃至约100℃的范围内。

在一些实施例中，cvd装置200还包括等离子体生成器260。等离子体生成器260包括rf源262和偏置元件264。rf源262连接至喷头230，并且偏置元件264连接至底座220。由rf源262提供的rf信号能够施加至喷头230，喷头230因此作为电极。偏置元件264与rf源262关联使得rf功率在喷头230和底座220之间分割。期望的电压和电源由rf源262施加以使喷头230与底座220之间的反应气体放电并且形成等离子体305(参见图1b)。

在一些实施例中，可以使用氧化亚氮(n2o)等离子体来实施等离子体处理。其他的气体，诸如例如氩、氮、氧和氦，也可以在等离子体处理工艺中使用。工艺结果已经示出对正处于处理中的衬底110的等离子体处理减少随后沉积的膜中的缺陷的数量。缺陷的数量的减少是因为等离子体处理减少了衬底110上的产生缺陷的成核位点。

在一些实施例中，等离子体是n2o。n2o可以在约2.5托至约3.5托的压力，约400瓦至至约600瓦的功率和约7000sccm至约15000sccm的流速下输送。n2o能够将随后形成的cesl170(参见图1d)的缺陷数量从约3至约4(这是当使用其他类型的等离子体时的结果)减小至约0.1至约0.5。

在一些实施例中，等离子体处理之后可以是抽吸操作(pumpingoperation)以在cvd沉积操作之前除掉等离子体处理中使用的等离子体。在其他的一些实施例中，用于等离子体操作的等离子体305之后可以直接是用于沉积操作的等离子体。

参考图1c和图1d。通过使用化学汽相沉积(cvd)工艺将接触蚀刻停止层(cesl)170形成在nfett1、pfett2和衬底110上。在一些实施例中，cesl170是拉伸接触(tensile-contact)cesl，但是保护的范围不限于这方面中。拉伸接触cesl在栅叠件130n和130p下面的沟道区域112n和112p中提供拉伸应力。可以使用cvd装置200形成cesl170。喷头230还可用于提供前体气体310至cvd室，使得前体气体310能够沉积在衬底110上并且在衬底110上形成接触蚀刻停止层(cesl)170。在一些实施例中，喷头230能够非常靠近底座220。例如，喷头230能够位于距底座220的12毫米处。

在图1c、图1d和图2中，从喷头230提供前体气体310以形成接触蚀刻停止层(cesl)170以覆盖nfett1、pfett2和衬底110。喷头230的温度被控制(或增大)，使得前体气体310的温度被相应地控制(或增大)。由于喷头230被加热，流过其中的前体气体310被相应地加热。加热的前体气体310沉积在衬底110上，从而覆盖nfett1、pfett2和衬底110以形成cesl170。由于喷头230具有高温，即，在约70℃至约100℃的范围内，加热的前体气体310也具有高温。由高温前体气体310制成的cesl170能够提高对nfett1、pfett2和衬底110的粘附。因此，cesl170不容易从衬底110剥离，并且半导体器件的器件性能能够提高。在一些实施例中，cesl170可以由氮化硅制成，但是可选择使用诸如氮化物、氮氧化物、氮化硼或它们的组合等其他材料。

cvd装置200能够以两个模式中的任一模式工作，热模式和等离子体增强模式。在热模式中，前体气体310与衬底110的加热的表面反应。例如，电功率源将功率提供至连接至底座220的加热元件250以加热底座220，因此，将衬底110加热至足以热激活cvd反应的温度。在等离子体增强模式中，前体气体310经受电磁能量以便将前体气体310转化为反应等离子体。其他的cvd工艺包括apcvd(常压化学汽相沉积)和lpcvd(低压化学汽相沉积)。虽然apcvd具有高设备产量、良好的均匀性和处理大直径晶圆的能力，apcvd系统消耗大量的工艺气体并且经常呈现出不良的阶梯覆盖(stepcoverage)。lpcvd通常用于在前端制程(feol)工艺的晶圆表面沉积氮化物、teos氧化物和多晶硅膜。

在图2中，喷头230被配置为将来自供应装置(未示出)的前体气体310喷射至其中安装了衬底110的cvd室210内。前体气体310的各元素沉积在衬底110的表面上，从而形成cesl170，并且一些不期望的副产品以气体形式被抽离。例如，未反应的前体气体和不期望的副产品径向向外流至抽气通道216。相应地，前体气体310和它的反应副产品从喷头230的中心流过衬底110的整个表面并且流向底座220的外围，直至流至抽气通道216以被抽出。

喷头230包括至少一个入口路径232并且具有连接至入口路径232的多个孔234，使得由源容器(未示出)提供的前体气体能够沿着入口路径232流动并且从孔234流出。在一些实施例中，喷涂230能够喷射单一类型的前体气体310，并且入口路径232能够连接至所有的孔234。因此，前体气体310从所有的孔234流出。在其他的一些实施例中，喷头230能够喷射多种类型的前体气体310，并且两个或多个入口路径(未示出)能够形成在喷头230中。入口路径彼此隔离。入口路径的一个连接至孔234的一些，并且另一个入口路径连接至余下的孔234。一种类型的前体气体310能够沿着一个入口路径流动并且从一些孔234流出，而另一种类型的前体气体310能够沿着另一个入口路径流动并且从余下的孔234流出。因此，两种前体气体310未混合在一起并且没有发生反应，直至它们进入cvd室210。

在图2中，喷头230的温度由温度控制系统240控制。在一些实施例中，喷头230由不锈钢或其他合适的材料(诸如钢、铝、镁、玻璃、陶瓷)以及期望的这样的材料的组合制成。在一些实施例中，温度控制系统240是热交换器，它可以包括流体循环242和控制器244。控制器244被配置为感测喷头230的温度以及调节或控制进入喷头230的流体的流速以便控制其温度。流体可以是水或其他的合适的流体。防止流体进入cvd室210因为非常小量的流体，例如，十亿分之几就能够破坏cvd工艺。流体进入cvd室210内能够导致半导体器件的排斥，以及由诸如修理和完全清理cvd室的处理而造成的昂贵的停机时间。

在cvd工艺期间，喷头230的温度能够被控制为基本上低于底座220的温度，以便抑制对喷头230的损坏以及促进前体气体310的反应化学物质沉积在底座220而不是喷头230表面本身。因此，温度控制系统240能够用于将喷头230的内部表面保持在基本上低于底座220的温度。将喷头230保持在基本上低于底座220的温度减少空气泄漏至cvd室并且趋于增强整个喷头230的前体气体注入的均匀性。流体可以经由工厂设施连接输送，并且在最后冷却之后在环境压力和/或环境温度下沿着流体循环242用尽。能够通过调节流体的流速改变喷头230的温度。因此，喷头230的温度能够保持在约70℃至约100℃的范围内以提高cesl170的粘附。

在一些实施例中，喷头230和侧壁212是热连接的。即，侧壁212的温度能够通过控制喷头230的温度来控制。在一些实施例中，侧壁212的温度能够控制(或增加)至约70℃至约100℃的范围内以提高cesl170的粘附。在一些实施例中，侧壁212可以由不锈钢或其他合适的材料制成。

在一些实施例中，多种载气320输送至cvd室210内。在一些实施例中，载气320能够通过喷头230喷入室210。可以基于使用什么前体气体310来选择这些载气320。使用载气320的化学处理可以执行1秒至10分钟并且可以作为单次工艺或二至十次的多次工艺执行。在载气320首先喷入室210后的给定时间，喷射前体气体310以形成cesl170。

一些气体分布喷射器提供在cvd工艺期间帮助提供层流气流的覆盖(shroud)或载气320，调节和保持在cvd室210中的一致的流动条件，其中，载气320不参与cvd工艺。在一些实施例中，载气320能够从设置在喷头230中的入口232喷入cvd室210。在其他的一些实施例中，载气320能够从其他的入口喷入cvd室，但保护的范围不限于这方面。在一些实施例中，载气320可以是惰性气体，诸如he、ne、ar、kr、xe或rn，但保护的范围不限于这方面。

在图2中，底座220被配置为支撑衬底110。在cvd工艺期间，底座220还将衬底110升高至接近喷头230，使得从喷头230喷射的前体气体能够分散在衬底上。在一些实施例中，底座220能够由金属和合适的材料制成。

在图2中，cvd装置220还可包括连接至底座220的加热元件250。能够通过加热元件250来加热底座220，加热元件250可以由耐火金属(诸如但不限于例如钼、钨、铼等)或非金属(诸如石墨等)制成，加热元件250可以分成多个加热区域。可以基于要执行的反应和适用于特定反应器和cvd室250的加热特性来选择用于加热元件250的金属。隔热罩(未示出)可以设置在加热元件250和底座220下面。加热元件250可通过外部的自动或手动控制器来控制。在一些实施例中，底座220由加热元件250加热至约200℃的期望的温度，使得底座220的温度高于喷头230的温度和侧壁212的温度。换言之，喷头230和侧壁212的温度均低于底座220的温度。

参考图1c、图1d和图2。图1的结构设置在cvd装置200的底座220上。然后从喷头230提供前体气体310。在一些实施例中，前体气体310可以是sih4、n2o或o2,，并且一些载气可以引入cvd室210。喷头230的温度被控制(增加)在约70℃至约100℃的范围内以控制气体310的温度。因此，加热的前体气体310沉积在衬底110上并且覆盖nfett1、pfett2和衬底110以形成cesl170。

根据实施例，从喷头提供前体气体以形成覆盖半导体器件的晶体管和衬底的接触蚀刻停止层(cesl)。喷头和cvd室的侧壁的温度受到控制(或增加)以控制(或增加)前体气体的温度。由于喷头加热至约70℃至约100℃的范围，流过喷头的前体气体相应地加热。加热的前体气体沉积在衬底上，从而覆盖晶体管和衬底以形成cesl。由于喷头具有高温，即，在约70℃至约100℃的范围内，加热的前体气体也具有高温。由高温前体气体制成的cesl能够提高至半导体器件的晶体管和衬底的粘附。因此，cesl不容易从衬底剥离，并且半导体器件的器件性能能够提高。

根据一些实施例，用于制造半导体器件的方法包括在衬底上形成晶体管。前体气体从化学汽相沉积(cvd)装置的喷头提供以形成覆盖晶体管和衬底的接触蚀刻停止层(cesl)。喷头的温度控制在约70℃制约100℃的范围内以控制前体气体的温度。

在一些实施例中，所述cvd装置包括具有至少一个侧壁的cvd室，所述侧壁限定容纳空间以在形成所述cesl时容纳所述衬底，并且所述方法还包括：控制所述cvd室的所述侧壁的温度至约70℃至约100℃。

在一些实施例中，控制所述喷头的温度包括：提供至所述喷头内的流体。

在一些实施例中，该方法还包括：加热底座以加热所述衬底。

在一些实施例中，当形成所述cesl时，所述底座的温度高于所述喷头的温度。

在一些实施例中，该方法还包括：对所述晶体管和所述衬底执行等离子体处理以减少所述晶体管和所述衬底上的缺陷。

在一些实施例中，所述等离子体处理的等离子体气体是n2o。

在一些实施例中，形成所述cesl包括：将载气引入所述cvd装置的所述cvd室，其中，所述载气被配置为调节在所述cvd室中的流动条件。根据一些实施例，用于制造半导体器件的方法包括形成在衬底上的晶体管。来自喷头的前体气体引入至cvd室内以通过使用化学汽相沉积(cesl)工艺来形成覆盖晶体管和衬底的接触蚀刻停止层(cesl)。cvd室具有至少一个侧壁，并且侧壁限定容纳空间以容纳衬底。侧壁的温度调控在约70℃至约100℃的范围内以加热前体气体。

在一些实施例中，该方法还包括：在所述cvd工艺期间，控制底座的温度，所述衬底安装在所述底座上。

在一些实施例中，所述侧壁的温度低于所述底座的温度。

在一些实施例中，该方法还包括：将所述喷头的温度增大至约70℃至约100℃的范围内。

在一些实施例中，该方法还包括：在形成所述cesl之前提供n2o等离子体。

根据一些实施例，化学汽相沉积(cvd)装置包括cvd室、底座、喷头和温度控制系统。cvd室具有至少一个侧壁。侧壁限定容纳空间以容纳衬底。底座设置在cvd室内以支撑衬底。喷头设置在cvd室内和底座上面以提供至cvd室内的前体气体以在衬底上形成接触蚀刻停止层(cesl)。温度控制系统连接至喷头以将喷头的温度控制在约70℃至约100℃的范围内。

在一些实施例中，所述温度控制系统是热交换器。

在一些实施例中，所述温度控制系统包括：流体循环；以及控制器，用于控制所述流体循环的流体的流速。

在一些实施例中，所述喷头和所述侧壁热连接。

在一些实施例中，该cvd装置还包括；等离子体生成器，用于生成所述cvd室中的等离子体。

在一些实施例中，所述等离子体由n2o制成。

在一些实施例中，该cvd装置还包括：加热元件，连接至所述底座以加热所述底座。

以上论述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍的实施例相同的目的和/或实现相同优点的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。