半导体结构及其形成方法与流程

1.本发明实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.硅基光电子芯片将被部署在高速信号传输系统中，替换现有的铜绞线传输。高性能计算系统的性能瓶颈已经从处理器转为通信基础设施，光互连可以提供高带宽、低延迟的解决方案，以解决未来计算系统带宽可扩展性的挑战。
3.然而，硅基光电子芯片多层膜结构厚度一旦大于就会导致晶圆产生弯曲，平整度下降，随着膜结构增厚，当晶圆弯曲度超过200nm以上时，会由于平整度下降，导致真空度不足，进而导致机台报警，无法过货。
4.有鉴于此，如何降低半导体结构的弯曲度，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法，降低半导体结构的弯曲度。
6.为解决上述问题，本发明实施例还提供一种半导体结构的形成方法，包括：
7.提供晶圆基底；
8.形成光传输层，所述光传输层覆盖所述晶圆基底的正面；
9.刻蚀所述光传输层的非光路传输区，形成第一凹槽，所述第一凹槽的深度至少等于所述光传输层的厚度。
10.相应的，本发明实施例提供一种半导体结构，包括：
11.晶圆基底；
12.光传输层，所述光传输层覆盖所述晶圆基底的正面；
13.所述光传输层的非光路传输区开设有第一凹槽，所述第一凹槽的深度至少等于所述光传输层的厚度。
14.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
15.本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法，首先提供晶圆基底，然后再在所述晶圆基底的正面形成光传输层，通过刻蚀所述光传输层的非光路传输区，形成第一凹槽，所述第一凹槽的深度至少等于所述光传输层的厚度，这样，在光传输层中的第一凹槽的设置，相当于将光传输层进行了分割，减小了连成一片的光传输层的面积，从而可以释放光传输层的应力，进而降低由于应力作用而造成的半导体结构的弯曲度，提高半导体结构的平整度，保证半导体结构加工过程中的真空度要求。
附图说明
16.图1至图8是本发明实施例半导体结构的形成方法一实施例中各步骤对应的结构
示意图；
17.图9是本发明实施例半导体结构一实施例的结构示意图。
具体实施方式
18.由背景技术可知，硅基光电子芯片多层膜结构厚度>会导致晶圆产生弯曲，平整度下降，随着膜结构增厚，当晶圆弯曲度超过200nm以上时，会由于平整度下降，导致真空度不足，进而导致机台报警，无法过货。
19.为了降低半导体结构的弯曲度，本发明实施例提供一种半导体结构的形成方法，首先提供晶圆基底，然后再在所述晶圆基底的正面形成光传输层，通过刻蚀所述光传输层的非光路传输区，形成第一凹槽，所述第一凹槽的深度至少等于所述光传输层的厚度，这样，在光传输层中的第一凹槽的设置，相当于将光传输层进行了分割，减小了连成一片的光传输层的面积，从而可以释放光传输层的应力，进而降低由于应力作用而造成的半导体结构的弯曲度，提高半导体结构的平整度，保证半导体结构加工过程中的真空度要求。
20.为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明实施例的具体实施例做详细的说明。
21.请参考图1-图8，图1至图8是本发明实施例半导体结构的形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。以下将结合附图对本发明实施例提供的半导体结构进行详细说明。
22.参考图1-图3，提供晶圆基底10(示于图3中)。所述晶圆基底10包括晶圆300、第一栅结构100以及第二栅结构200，所述第一栅结构100覆盖所述晶圆300的正面，所述第二栅结构200覆盖所述晶圆300的背面。本实施例中，晶圆300为硅衬底。在其他实施例中，所述晶圆300还可以为锗衬底、锗化硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底或镓化铟衬底等其他材料的衬底。
23.可以理解的是，本文所述的晶圆300的正面，指的是图1中晶圆300的上表面；同理，本文所述的晶圆的背面，指的是图1中晶圆300的下表面。
24.具体地，参考图1-图3，所述晶圆基底10的形成过程包括：
25.在晶圆300的正面形成第一栅结构100，在晶圆300的背面形成第二栅结构200。
26.在一种具体实施方式中，可以通过以下步骤形成所述第一栅结构100，具体包括：
27.如图1所示，首先，形成第一氧化层101，且所述第一氧化层101覆盖所述晶圆300的正面。
28.第一氧化层101的材料为氧化硅。在一种实施例中，第一氧化层101的形成工艺可以为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第一氧化层。
29.然后，形成第一栅极层111，所述第一栅极层111覆盖所述第一氧化层101，第一栅极层111的材料为多晶硅，在一种实施例中，第一栅极层111的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第一栅极层。
30.再形成第二氧化层102，所述第二氧化层102覆盖所述第一栅极层111；第二氧化层102的材料为氧化硅，在一种实施例中，第二氧化层102的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第二氧化层。
31.然后形成第二栅极层112，所述第二栅极层112覆盖所述第二氧化层102。第二栅极
层112的材料可以为多晶硅。在一种实施例中，第二栅极层112的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第二栅极层。
32.第二栅极层112、第二氧化层102以及第一栅极层111为后续光反射提供基础。本实施例中，第一栅结构100中包含第一栅极层111和第二栅极层112共两层栅极层，能够提高光反射的效果，进而有利于提高光传输效果。
33.当然，在其他实施例中，第一栅结构100也可以是仅包含一层栅极层或者包含更多层的栅极层。
34.进一步地，如图2所示，当形成第二栅极层112后，再图形化所述第二栅极层112、所述第二氧化层102以及所述第一栅极层111，形成开口113，所述开口113露出所述第一氧化层101；
35.最后，如图3所示，形成第三氧化层103，所述第三氧化层103填充所述开口113且覆盖所述第二栅极层112。本实施例中，第三氧化层103可以采用化学气相沉积工艺形成。第三氧化层103的材料可以是二氧化硅。在其他实施例中，第三氧化层103还可以是其他绝缘材料。
36.可以看出，经过上述步骤，即可以得到晶圆正面的第一栅结构100，采用上述步骤，可以方便简单地获取满足性能要求的第一栅结构100。
37.当然，在其他实施方式中，也可以通过其他方式获得第一栅结构100。
38.结合图1和图2，在一种具体实施方式中，为了获取第二栅结构200，可以执行以下步骤，具体包括：
39.首先形成第四氧化层204，所述第四氧化层204覆盖所述晶圆300的背面；
40.第四氧化层204的材料为氧化硅。在一种实施例中，第四氧化层的形成工艺可以为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第四氧化层。
41.然后，形成第三栅极层213，所述第三栅极层213覆盖所述第四氧化层204；
42.第三栅极层213的材料为多晶硅，在一种实施例中，第三栅极层213的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第三栅极层。
43.再形成第五氧化层205，所述第五氧化层205覆盖所述第三栅极层213；
44.第五氧化层205的材料为氧化硅，在一种实施例中，第五氧化层的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第五氧化层。
45.形成第四栅极层214，所述第四栅极层214覆盖所述第五氧化层205；
46.第四栅极层214的材料可以为多晶硅。在一种实施例中，第四栅极层214的形成工艺为炉管生长工艺，在其他实施例中，也可以采用化学沉积的方式形成第四栅极层。
47.去除所述第四栅极层214；本实施例中，可以采用湿法刻蚀工艺去除所述第四栅极层214。
48.平坦化所述第五氧化层205。
49.这样，即可以得到晶圆背面的第二栅结构200，利用湿法刻蚀工艺，刻蚀选择比高，工艺操作方便。
50.本实施例中，第一氧化层101和第四氧化层204可以同时形成，即利用炉管生长工艺在晶圆300的两侧(正面和背面)同时生长第一氧化层101和第四氧化层204；同时，第一栅极层111和所述第三栅极层213也可以利用炉管生长工艺同时形成，分别覆盖第一氧化层
101和第四氧化层204；第二氧化层102和第五氧化层205也采用炉管生长工艺同时形成，分别覆盖第一栅极层111和所述第三栅极层213进行生长；第二栅极层112和第四栅极层214也采用炉管生长工艺同时形成，分别覆盖第一栅极层111和所述第三栅极层213进行生长。由于炉管生长工艺是同时在晶圆300的正面和背面进行薄膜生长，能够保证晶圆300的正面的压应力与背面的拉应力相抵消，从而可以保证晶圆300的平整度。
51.当然，在其他实施例中，也可以独立地分别在晶圆300的正面和背面进行薄膜沉积，形成上述各层结构。
52.本实施例中，第一氧化层101或第二氧化层102的材料为二氧化硅。在其他实施例中，第一氧化层101或者第二氧化层102还可以是其他绝缘材料。
53.参考图4，得到晶圆基底10后，接着形成光传输层400，所述光传输层400覆盖所述晶圆基底10的正面。本实施例中，采用化学沉积的方式形成光传输层。
54.光传输层400用于进行光信号传输。光传输层400包括光路传输区和非光路传输区，光信号在光传输层400的光路传输区进行传输。
55.本实施例中，光传输层400的材料为氮化硅。
56.参考图5，刻蚀所述光传输层400的非光路传输区，形成第一凹槽401，所述第一凹槽401的深度至少等于所述光传输层400的厚度。
57.所述第一凹槽401的深度至少等于所述光传输层400的厚度，以保证第一凹槽401在沿光传输层400的厚度方向上能够贯穿光传输层400，以达到释放应力的效果，而刻蚀所述光传输层400的非光路传输区，使得第一凹槽401的形成不会影响光传输，同时实现应力的释放。
58.在半导体结构加工过程中，为了保证第一凹槽401在沿光传输层400的厚度方向上能够彻底贯穿光传输层400，在一种具体实施例中，所述第一凹槽401的深度可以超过所述光传输层400的厚度，考虑到若超过所述光传输层400的厚度的具体值小于时，第一凹槽不好控制加工，因此，在一种具体实施例中，具体超过的厚度范围可以为大于等于从而能够保证第一凹槽401彻底贯穿光传输层的基础上，降低第一凹槽401的加工精度。如图5所示，即h的尺寸大于等于
59.具体地，第一凹槽401的形状不做限定，在一种实施例中，第一凹槽401在垂直于深度方向上的截面形状可以是倒梯形，第一凹槽401的侧壁与竖直面呈锐角，在其他实施例中，第一凹槽401还可以是矩形、v型等其它形状，只要保证第一凹槽401在沿光传输层400的厚度方向上能够彻底贯穿光传输层400即可。
60.为了进一步起到释放应力的作用，所述第一凹槽401可以从所述光传输层400的第一端延伸至与所述第一端相对的另一端，这样，第一凹槽401将光传输层400分为多块，从而可以减小连成一片的光传输层的面积，进一步释放光传输层的应力，进而进一步降低由于应力作用而造成的半导体结构的弯曲度。
61.具体地，请参考图6，图6是图5的俯视图。可以看出，第一凹槽401在延伸方向上是贯通第一端和第一端相对的另一端的。第一凹槽401可以是如图6所示笔直的延伸，在其他实施例中，第一凹槽401还可以是弯曲的延伸，只要保证第一凹槽401在延伸方向上是贯通第一端和第一端相对的另一端的即可。
62.在一种实施例中，为了提高释放应力的效果，所述第一凹槽401的开口尺寸大于等
于500nm，比如，开口尺寸可以为550nm，600nm或者大于等于650nm，随着开口尺寸的增加，光传输层的应力释放的作用越明显，从而更能够提高晶圆的平整度。图6的w表示开口尺寸。
63.需要说明的是，第一凹槽401可以开设于光传输层400的非光路传输区的任意区域，因此，所述第一凹槽401的数量可以为至少2个，例如3个，4个或5个。当开设多个第一凹槽401时，可以进一步释放光传输层400的应力，降低半导体结构的弯曲度。
64.接着参考图7，形成第一凹槽401后，为了保证后续的半导体结构的加工，还包括：
65.在所述光传输层400上形成绝缘层500，所述绝缘层500填充所述第一凹槽401，并覆盖所述光传输层400。
66.绝缘层500可以隔离保护所述光传输层400。根据工艺需要，绝缘层500的厚度较厚，若光传输层400未开设第一凹槽401，待该绝缘层500沉积到光传输层400后，会进一步导致压应力的增大，从而造成晶圆300的弯曲度过大。
67.本实施例中，因在光传输层400开设了第一凹槽401，待沉积完绝缘层500后，绝缘层500的材料是二氧化硅，而光传输层400的材料为氮化硅，氮化硅的应力大于氧化硅的应力，从而光传输层400的应力大于绝缘层500的应力，通过将绝缘层500填充第一凹槽401，能够进一步降低晶圆300的应力。
68.为了进一步降低半导体结构的应力，接着参考图8，在另一种具体实施方式中，本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法还可以包括：
69.形成应力层600，所述应力层600覆盖所述晶圆基底10的背面。
70.应力层600覆盖所述晶圆基底10的背面，对晶圆300而言，所述应力层600的应力为拉应力，通过在晶圆基底10背面形成应力层600，能够抵消晶圆300正面的一部分压应力，从而进一步降低晶圆300的弯曲度。
71.本实施例中，应力层的材料为氮化硅。氮化硅具有较高的应力，既能够起到降低晶圆应力的作用，又能够保证整个半导体结构高度不会太高，从而减少半导体结构的尺寸。以压应力为正，拉应力为负，在一种实施例中，应力层的应力值小于-1500mpa，通过选择高应力的氮化硅作为应力层，能够降低应力层的厚度，进一步减小半导体结构的整体高度。
72.当然，在其他实施例中，应力层的材料也可以是氮氧化硅或者二氧化硅。
73.应力层和绝缘层的形成顺序不做限定。可以是先形成应力层，在形成绝缘层，也可以是沉积完绝缘层后再形成应力层。
74.本发明实施例还提供一种半导体结构，请参考图9，图9是本发明实施例半导体结构一实施例的结构示意图。
75.如图9所示，本发明实施例所提供的半导体结构包括：
76.晶圆基底(图中未以标号示出)；
77.光传输层40，所述光传输层40覆盖所述晶圆基底的正面；
78.所述光传输层40的非光路传输区开设有第一凹槽41，所述第一凹槽41的深度至少等于所述光传输层40的厚度。
79.本发明实施例所提供的半导体结构，光传输层中的第一凹槽的设置，相当于将光传输层进行了分割，减小了连成一片的光传输层的面积，从而可以释放光传输层的应力，进而降低由于应力作用而造成的半导体结构的弯曲度，提高半导体结构的平整度，保证半导体结构加工过程中的真空度要求。
80.所述第一凹槽41的深度至少等于所述光传输层40的厚度，以保证第一凹槽41在沿光传输层40的厚度方向上能够贯穿光传输层40，以达到释放应力的效果。通过将第一凹槽41设置于所述光传输层40的非光路传输区，使得第一凹槽41的形成不会影响光传输，同时实现应力的释放。
81.在一种具体实施例中，所述第一凹槽41的深度超过所述光传输层40的厚度至少以保证第一凹槽41在沿光传输层40的厚度方向上能够彻底贯穿光传输层40的基础上，降低第一凹槽41的加工精度。
82.第一凹槽41的形状不做限定，在一种实施例中，第一凹槽41在垂直于深度方向上的截面形状可以是倒梯形，第一凹槽41的侧壁与竖直面呈锐角，在其他实施例中，第一凹槽41还可以是矩形、v型等其它形状，只要保证第一凹槽41在沿光传输层40的厚度方向上能够彻底贯穿光传输层40即可。
83.为了进一步起到释放应力的作用，所述第一凹槽41从所述光传输层40的第一端延伸至与所述第一端相对的另一端。这样，第一凹槽41将光传输层40分为多块，从而可以减小连成一片的光传输层的面积，进一步释放光传输层的应力，进而进一步降低由于应力作用而造成的半导体结构的弯曲度。
84.第一凹槽41可以是笔直的延伸，还可以是弯曲的延伸，只要保证第一凹槽41在延伸方向上是贯通第一端和第一端相对的另一端的即可。
85.在一种实施例中，为了提高释放应力的效果，所述第一凹槽41的开口的尺寸大于等于500nm，比如，开口尺寸可以为550nm，600nm或者大于等于650nm，随着开口尺寸的增加，光传输层的应力释放的作用越明显，从而更能够提高晶圆的平整度。
86.需要说明的是，第一凹槽41可以开设于光传输层40的非光路传输区的任意区域，因此，所述第一凹槽41的数量可以为至少2个，例如3个，4个或5个。当开设多个第一凹槽41时，可以进一步释放光传输层400的应力，降低半导体结构的弯曲度。
87.所述晶圆基底10包括晶圆300、第一栅结构100以及第二栅结构200，所述第一栅结构100覆盖所述晶圆300的正面，所述第二栅结构200覆盖所述晶圆300的背面。本实施例中，晶圆300为硅衬底。在其他实施例中，所述晶圆300还可以为锗衬底、锗化硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底或镓化铟衬底等其他材料的衬底。
88.第一栅结构70包括：
89.第一氧化层701，所述第一氧化层701覆盖所述晶圆30的正面；
90.第一栅极层711，所述第一栅极层711覆盖部分所述第一氧化层701；
91.第二氧化层702，所述第二氧化层702覆盖所述第一栅极层711和所述第一氧化层701；
92.第二栅极层712，所述第二栅极层712覆盖部分所述第二氧化层702；
93.第三氧化层703，所述第三氧化层703覆盖所述第二栅极层712和所述第二氧化层702。
94.第一栅结构70为后续生长光传输层提供基础。第二栅极层712、第二氧化层702以及第一栅极层711为后续光反射提供基础。本实施例中，第一栅结构70中包含第一栅极层711和地二栅极层共两层栅极层，能够提高光反射的效果，进而有利于提高光传输效果。当然，在其他实施例中，第一栅结构70也可以是仅包含一层栅极层或者包含更多层的栅极层。
95.本实施例中，第一氧化层701、第二氧化层702或第三氧化层703的材料为二氧化硅。在其他实施例中，第一氧化层701、第二氧化层702或者第三氧化层703还可以是其他绝缘材料。第一栅极层和第二栅极层的材料为多晶硅。
96.所述晶圆基底还包括：
97.第二栅结构80，所述第二栅结构80覆盖所述晶圆30的背面，所述应力层60覆盖所述第二栅结构80。
98.第二栅结构80包括：
99.第四氧化层804，所述第四氧化层804覆盖所述晶圆30的背面；
100.第三栅极层813，所述第三栅极层813覆盖所述第四氧化层804；
101.第五氧化层805，所述第五氧化层805覆盖所述第三栅极层813。
102.本实施例中，第四氧化层804或第五氧化层805的材料为二氧化硅。在其他实施例中，第四氧化层804或第五氧化层805的材料还可以为其他绝缘材料。第三栅极层813的材料为多晶硅。
103.本实施例中，第一栅结构70位于晶圆300的正面，第二栅结构80位于晶圆的背面，第一氧化层701与第四氧化层804厚度和材料相同，第一栅极层711和第三栅极层813的厚度和材料相同，能够保证晶圆300的正面的压应力与背面的拉应力部分抵消，从而可以保证晶圆300的平整度。
104.如图9所示，本发明实施例所提供的半导体结构，还包括绝缘层50，所述绝缘层50填充所述第一凹槽41且覆盖所述光传输层40。
105.绝缘层50用于隔离保护所述光传输层40。根据工艺需要，绝缘层50的厚度较厚，若光传输层40未开设第一凹槽41，待该绝缘层50沉积到光传输层40后，会进一步导致压应力的增大，从而造成晶圆30的弯曲度过大。本实施例中，因在光传输层40开设了第一凹槽41，待沉积完绝缘层50后，绝缘层50的材料是二氧化硅，而光传输层40的材料为氮化硅，氮化硅的应力大于氧化硅的应力，从而光传输层40的应力大于绝缘层50的应力，通过将绝缘层50填充第一凹槽41，能够进一步降低晶圆30的应力。
106.继续参考图9，所述半导体结构还包括：
107.应力层60，所述应力层60覆盖所述晶圆基底的背面。
108.应力层60覆盖所述晶圆基底的背面，对晶圆30而言，所述应力层60的应力为拉应力，通过在晶圆基底背面形成应力层60，能够抵消晶圆30正面的一部分压应力，从而进一步降低晶圆30的弯曲度。
109.本实施例中，应力层60的材料为氮化硅。氮化硅具有较高的应力，既能够起到降低晶圆30应力的作用，又能够保证整个半导体结构高度不会太高，从而减少半导体结构的尺寸。以压应力为正，拉应力为负，在一种实施例中，应力层60的应力值小于-1500mpa，通过选择高应力的氮化硅作为应力层，能够降低应力层的厚度，进一步减小半导体结构的整体高度。
110.当然，在其他实施例中，应力层的材料也可以是氮氧化硅或者二氧化硅。
111.虽然本发明实施例披露如上，但本发明实施例并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明实施例的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明实施例的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。