半导体装置的制造方法及半导体装置的评价方法与流程

本发明涉及一种半导体装置的制造方法及评价方法，尤其涉及一种具有fin结构的半导体装置的制造方法、以及利用该半导体装置的制造方法制造的半导体装置的评价方法。

背景技术：

在以各种晶体管为代表的半导体部件的制造中，离子注入技术是非常重要的方法。但是，由于其是对作为掺杂剂的注入元素进行离子化而加速并注入进硅的方法，因此会发生因被加速的离子对硅造成损伤。为了避免该损伤而研究了各种方法，但基本上都是为了对受到损伤的硅的结合(例如无定形化的硅)进行重构使其单晶化而利用充分的高温进行热处理使其恢复的方法。

在用于硅基板上形成氧化膜并通过光刻工序及蚀刻工序进行开窗，并在此进行离子注入从而形成扩散层的工序中制作的以往的平面结构晶体管中，损伤的恢复，即离子注入层的再结晶化从埋入结构的底部和侧壁的两端开始发生。

另一方面，在尖端品(尖端设备)所采用的fin结构(柱状结构)中，离子注入后的再结晶化仅从fin结构的底部开始进行，因此会产生双晶等缺陷(非专利文献1)。在fin结构中，与以往的埋入结构相比，特征在于，离子注入的区域非常小、以及为了向fin结构均匀地进行离子注入，而不仅如以往的埋入结构那样从晶片垂直方向进行注入，也从倾斜方向进行注入等。而且，由于采用微细化结构，因此具有离子注入损伤的恢复退火(恢复热处理)时间非常短的倾向。如这些事项所启示的那样，有可能在fin结构中离子注入后的损伤及缺陷的恢复不充分。

另外，在非专利文献2中有关于硅面取向和fin的形成的记载。在此，着眼于面取向的理由是为了使电子及空穴的迁移率最佳化，具体的示例在非专利文献2中汇总。但是，关注面取向的理由为总是关系到影响设备性能的迁移率的缘故，并未提及由离子注入等工艺引起的缺陷的产生及控制。

现有技术文献

专利文献

非专利文献1：ext.abs.the13thinternationalworkshoponjunctiontechnology(第13届结合技术国际研讨会)2013，p22。

非专利文献2：editedbyj.-p.colinge，“finfetsandothermulti-gatetransistors(finfet和其他多栅晶体管)”，springer(2008)，p61。

非专利文献3：m.tamuraandm.horiuchi：“latticedefectsinhigh-doseasimplantationintolocalizedsiarea(高剂量注入局部硅区的晶格缺陷)”，jpn.j.appl.，phys.，27，2209-2217(1988)。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

能够期待电子及空穴的迁移率越高则作为元件的性能越提高。在非专利文献2中，对面取向与迁移率的关系有所提及，对通过改变fin形成角度(方向)而提高元件的性能的方法有所提及。在通过使晶片旋转(改变fin结构的延伸的方向的结晶方位)从而避免fin结构部内的缺陷的方法中，即使能够避免缺陷，但在考虑载体的迁移率的情况下，也有可能牺牲该迁移率。

而且在上述的使晶片旋转的方法中，如图6所示，即使使晶片旋转(即使使fin结构部的延伸的方向旋转)，在fin结构部的端部(四角)也存在{111}面，即使能够使缺陷存在率下降，原理上也很难完全消除。尤其是考虑到因微细化的进行而使fin结构部的端部的缺陷影响程度增大。此外，图6的(a1)～(a4)示出fin结构部的延伸方向相对于凹槽11的方向垂直的情况，图6的(b1)～(b3)示出fin结构部的延伸方向相对于凹槽11的方向旋转45°的情况。在此，图6的(a1)和(b1)是示出凹槽11的方向与fin结构部(在图中标记为l&s)的延伸方向的关系的图。另外，图6的(a2)、(a3)、(a4)、(b2)以及(b3)是示出能够在fin结构部出现的面取向的图。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种半导体装置的制造方法，其在向fin结构部进行离子注入并进行恢复热处理时，能够抑制向fin结构部引入缺陷。另外，本发明的目的在于，提供一种半导体装置的评价方法，能够准确地评价fin结构部内的离子注入缺陷的恢复过程。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种半导体装置的制造方法，其特征在于，在半导体硅基板上形成fin结构部，并向该fin结构部进行了离子注入后，在所述半导体硅基板进行恢复热处理，使所述fin结构部的硅再结晶化，

以使在所述形成的fin结构部的侧壁不出现所述半导体硅的{111}面的端面的方式对所述fin结构部进行加工。

这样，通过以使在形成的fin结构部的侧壁不出现半导体硅的{111}面的端面的方式对fin结构部进行加工，从而能够降低在fin结构部内产生的因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。

此时，优选地，以所述形成的fin结构部的侧壁与该形成的fin结构部的底面所成的角度小于所述半导体硅的{111}面与所述形成的fin结构部的底面所成的角度的方式来形成所述fin结构部。

半导体硅的{111}面与形成的fin结构部的底面所成的角度理论上能够根据所使用的半导体硅基板的面取向而简单地求出。如果以比这样的角度更小的角度来设定fin结构部的侧壁与底面所成的角度，则能够更切实地降低在fin结构部内产生的因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。

另外，优选地，将所述半导体硅基板的主面的面取向设定为(100)，使所述形成的fin结构部的侧壁与该形成的fin结构部的底面所成的角度不足54.7°。

在一般使用的主面的面取向为(100)的半导体硅基板中，如果以这样的角度形成fin结构部的侧壁，则能够更切实地降低fin结构部内的因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。

另外，为了实现上述目的，本发明提供一种半导体装置的评价方法，其特征在于，是评价用上述半导体装置的制造方法制造的半导体装置的所述fin结构部的因离子注入造成的缺陷的方法，

在550℃以上且650℃以下的温度范围内改变时间进行所述恢复热处理，在该恢复热处理后通过用tem来观察所述fin结构部的剖面，从而进行所述再结晶化的进行过程中的因离子注入造成的缺陷的评价。

根据这样的半导体装置的评价方法，由于在fin结构部的结晶性恢复的过程中不产生因恢复速度的偏差所引起的缺陷，因此能够准确地评价离子注入缺陷的恢复过程。

(三)有益效果

根据本发明的半导体装置的制造方法，在尖端设备所采用的fin结构中，能够防止产生因离子注入后的残留损伤造成的缺陷，能够实现构筑微细半导体工艺。另外，根据本发明的半导体装置的评价方法，能够准确地评价离子注入缺陷的恢复过程。

附图说明

图1是表示本发明的半导体装置的制造方法及评价方法的流程的概要图。

图2是表示l&s与离子注入方向的关系的概要图。

图3是使侧壁角成为54°时的恢复热处理后的fin结构部的剖面tem照片(图3的(b)是图3的(a)的局部放大图像)(实施例)。

图4是离子注入后不久的fin结构部的剖面的tem照片。

图5是使侧壁角成为85°时的恢复热处理后的fin结构部的剖面tem照片(图5的(b)是图5的(a)的局部放大图像)(比较例)。

图6是表示fin结构中的{111}面状态的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明详细地进行说明，但本发明并不限定于此。

本发明的发明人等推定，残留于fin结构端部的离子注入缺陷(代表性的离子注入缺陷是，在半导体硅基板上形成fin结构部，并在向该fin结构部进行了离子注入后，在半导体硅基板进行恢复热处理，当使fin结构部的硅再结晶化时残留于fin结构部的端部的双晶)是在恢复热处理的过程中形成的，原因在于fin结构部中的结晶性的恢复速度不同。在此，fin结构部一般以形成有凹槽的(110)方向为基准，以沿平行方向或者垂直方向延伸的方式形成。

关于该面取向依赖性，与在主面形成mos结构时的界面能级密度有关系，(111)面存在界面能级变多且通道迁移率下降的问题，有采用了(100)晶片的原因(例如，非专利文献2等)。在这种情况下，恢复热处理中的fin结构部的再结晶化在＜111＞轴向上生长。

该＜111＞轴向的结晶性的恢复成为(111)面整体的结晶性恢复之后下个(111)面的结晶性恢复的面(日文：ファセット)生长机构。此时，在fin结构部的温度分布不均匀的热环境下，会在(111)面整体的结晶性的恢复未结束的状态下开始下个(111)面的结晶性的恢复，在结晶性未完全恢复的状态下进行结晶生长(结晶性的恢复)。本发明的发明人推定其结果为，在fin结构部中离子注入缺陷(离子注入后的残留损伤造成的缺陷)容易残留。而且发现如果在fin结构部中在＜111＞轴向上没有使结晶生长，则能够防止离子注入缺陷的残留，并完成本发明。尤其是，在使用了(100)晶片的情况下，通过使fin结构部的侧壁角(形成的fin结构部的侧壁与该形成的fin结构部的底面所成的角度)不足54.7°，从而能够避免在fin结构部内产生(111)面，能够防止离子注入缺陷的残留。

接着，参照图1对本发明的半导体装置的制造方法及评价方法进行详细说明。本发明的半导体装置的制造方法为，在半导体硅基板上形成具有向上凸形状的fin结构部(图1的a)，在向该fin结构部进行了离子注入(图1的b)后，在半导体硅基板进行恢复热处理(图1的c)，使fin结构部的硅再结晶化。本发明在图1的a工序中对fin结构部进行加工以使得在形成的fin结构部的侧壁不出现半导体硅的{111}面的端面。这样，通过对fin结构部进行加工，从而能够降低在fin结构部内产生的因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。即，在通过离子注入而使注入区域无定形化，并在其后的恢复热处理中使无定形化的硅单晶化时，在侧壁部不产生面密度特别大的(111)面的端面，由此能够防止因再结晶化速度不同造成的缺陷形成。

另外，在工序a中，优选地，以形成的fin结构部的侧壁与该形成的fin结构部的底面所成的角度小于半导体硅的{111}面与形成的fin结构部的底面所成的角度的方式形成fin结构部。半导体硅的{111}面与形成的fin结构部的底面所成的角度理论上能够根据所使用的半导体硅基板的面取向而简单地求出。如果以比这样的角度更小的角度来设定fin结构部的侧壁与底面所成的角度，则能够切实地降低在fin结构部内产生的因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。另外，能够容易地形成这样的fin结构部。

另外，优选地，将所述半导体硅基板的主面的面取向设定为(100)，使所述形成的fin结构部的侧壁与该形成的fin结构部的底面所成的角度不足54.7°。在一般使用的主面的面取向为(100)的半导体硅基板中，如果以这样的角度形成fin结构部的侧壁，则能够更切实地降低fin结构部内的离子注入后的残留损伤造成的缺陷。

具体而言，能够通过以下的顺序进行上述的fin结构部的形成、离子注入、以及恢复热处理。首先，准备主面是(100)、在(110)方向上形成有凹槽的半导体硅基板，进行了光刻后，进行干法蚀刻，而在硅基板上形成fin结构部。此时，以使侧壁角不足54.7°的方式进行加工，以使得在fin结构部的侧壁不出现(111)面的端面。接着，在该fin结构中进行离子注入，但不仅从以往的正面(正上方)注入，也需要向fin结构的侧壁注入掺杂剂，因此也从铅直方向起倾斜了45°的角度向fin结构的左右的侧壁注入离子，并向fin结构整体注入掺杂剂。之后，进行兼顾缺陷恢复和活性化的退火(恢复热处理)。在通常的设备退火中，进行fla(闪光灯退火)这样的几毫秒的短时间退火、rta(快速加热/快速冷却热处理)这样的几秒的退火。即使实施这样的热处理，以fin结构的尖端部为代表，在fin结构内，只要侧壁角是54.7°以上，则残留在离子注入中所产生的缺陷，但如果使fin结构的侧壁角不足54.7°，则能够防止fin结构的尖端部的缺陷残留。

离子注入后，fin结构内的硅成为无定形，由离子注入后的退火引起其再结晶化，但在fin结构中，作为再结晶化的晶种的单晶部只存在于fin结构的下部，因恢复热处理进行的fin结构部的再结晶化从下部的单晶部分开始进行。此时，可以认为在fin结构部的内部，再结晶化的速度不同(非专利文献3)。因此，如果在＜111＞轴向上生长，则容易残留离子注入缺陷。

与此相对，如果使其不在＜111＞轴向上生长，则即使fin结构部的内部的再结晶化速度不同，也能够切实地再结晶化，因此能够防止残留离子注入缺陷。

另外，本发明的半导体装置的评价方法是评价用上述的半导体装置的制造方法制造的半导体装置的fin结构部的离子注入造成的缺陷的方法，是通过在550℃以上且650℃以下的温度范围改变时间来进行恢复热处理，并在恢复热处理后用tem(transmissionelectronmicroscope；透射型电子显微镜)观察fin结构部的剖面(图1的d)，从而对再结晶化的进行过程中的离子注入造成的缺陷进行评价的评价方法。根据这样的半导体装置的评价方法，由于在fin结构部的结晶性恢复的过程中不产生因恢复速度的偏差所引起的缺陷，因此能够准确地评价离子注入缺陷的恢复过程。

为了在再结晶化的过程中评价向fin结构部引入的双晶等缺陷，在本发明的半导体装置的制造方法中，不是进行以往的向硅基板埋入扩散，而是向硅的fin结构进行离子注入，并对由此而无定形化的硅进行恢复热处理，并再结晶化，此时，适用本发明的半导体装置的制造方法。而且，如果在550℃到650℃的温度范围改变时间对所制造的半导体装置进行退火，之后，进行tem观察，则即使不使用微细化的最尖端工艺，也能够简便地对fin端部的缺陷变动进行评价及研究。

此时，恢复热处理的温度不足550℃，则不再结晶化，难以进行评价。另外，如果恢复热处理的温度超过650℃，则再结晶化的速度过快，难以详细地观察恢复过程。这样，为了研究缺陷变动，通过抑制无定形硅单晶化的速度，即，适当地进行低温下的退火，从而能够更详细地对缺陷变动进行调查研究。

实施例

以下，示出实施例和比较例对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限定于此。

(实施例)

准备主面的面取向为(100)、电阻率为10ω〃cm的掺杂硼的直径为200mm的硅基板。首先，在该硅基板上涂覆抗蚀剂，并进行了光刻。此时的凹槽位置是(110)方向，l&s(fin结构的线与间隙交替存在的图案)直接在(110)方向上形成。在光刻中选择负性抗蚀剂，并在硅基板的面内形成了l&s为1.2μm的图案。用干法蚀刻对该带抗蚀剂晶片进行蚀刻，并用硫酸过氧化氢混合液除去抗蚀剂后，实施了rca清洗。此时的干法蚀刻条件设定为，在cf4基上使用压力为3000mtorr(400pa)、300w的输出条件。

设定加速电压(加速能量)为450kev，剂量为1×10¹⁵atoms/cm²，从l&s的正上和左右的三个方向向该晶片中注入as。在图2中，示出形成于硅基板10的l&s与离子注入的方向的关系。但是，在图2中，省略正上方向的离子注入的表示。

在这样制作的模拟的fin结构中，fin结构部的侧壁角为54°，略小于(111)面暴露的角度。而且，使用rta装置对该硅基板在1200℃下退火气氛为n2的条件下进行10秒退火，并通过剖面tem来观察缺陷的恢复状况。在图3的(a)和(b)(图3中的(b)是(a)的局部放大图像)中示出其结果。从图3的(a)和(b)可知，在适用了本发明的半导体装置的制造方法的情况下，在fin结构部中不存在缺陷。此外，在本实施例中，进行了缺陷的评价的是模拟性的fin结构，虽不是finfet本身，但可以认为对该模拟性的fin结构所获得的结果在实际的finfet中也能够获得。

(比较例)

准备主面的面取向为(100)、电阻率为10ω〃cm的掺杂硼的直径为200mm的硅基板。首先，在该硅基板上涂覆抗蚀剂，并进行了光刻。此时的凹槽位置是(110)方向，l&s直接在(110)方向上形成。在光刻中选择负性抗蚀剂，并在硅基板的面内形成了l&s为1.2μm的图案。用干法蚀刻对该带抗蚀剂晶片进行蚀刻，并用硫酸过氧化氢混合液除去抗蚀剂后，实施了rca清洗。此时的干法蚀刻条件设定为，hbr与cl2为1：1，使用压力为1200mtorr(160pa)，300w的输出条件。设定加速电压(加速能量)为450kev，剂量为1×10¹⁵atoms/cm²，从l&s的正上和左右的三个方向向该晶片中注入as。在图4中示出该结构的剖面图。在图4中，带反差的深黑的部分是通过as注入而使硅无定形化的部分。

在这样制作的模拟的fin结构中，fin结构部的侧壁角为85°。而且，在使用rta装置对该硅基板在1200℃下退火气氛为n2的条件下进行10秒退火，并通过剖面tem来观察缺陷的恢复状况。在图5的(a)和(b)(图5中的(b)是(a)的局部放大图像)中示出其结果。在比较例中观察到在fin结构部的端部有缺陷残留的情形。

如以上那样，在适用了本发明的半导体装置的制造方法的实施例中，在进行了恢复热处理后在fin结构部的内部未观察到缺陷。与此相对，在比较例中明显观察到缺陷的残留。根据这些结果确认了，在本发明的半导体装置的制造方法中，能够防止在fin结构部中产生因离子注入后的残留损伤造成的缺陷。

此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式仅是例示，具有与记载于本发明的权利要求书的技术思想实质上相同的结构，并实现同样的作用效果的技术方案，均包含于本发明的技术范围内。