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领域，特别涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的不断进步，影响电路传输速度的电阻电容延迟现象(rc delay)逐渐凸显。当前可以通过调整导体连线材料的方式降低寄生电阻r，而由于工艺上的限制，无法通过改变导体连线几何结构来降低寄生电容c。
3.由于寄生电容c正比于电路中绝缘介质的介电常数k，若使用低k材料作为绝缘介质层，会大大降低电路中的寄生效应，从而提高信号的传送速度。空气的介电常数接近1，若将空气引入介电层，则能够大大降低介电层的介电常数k。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种半导体结构及其形成方法，能够将空气间隙引入介电层，降低介电层的介电常数k。
5.为解决上述问题，本发明实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底，所述基底内具有凹槽，所述凹槽侧壁包括自所述凹槽底部向上延伸的第一子侧壁以及第二子侧壁，所述第一子侧壁位于所述第二子侧壁与所述凹槽底部之间；以低于预设值的流量向所述基底表面吹送第一前驱物，以使所述第一前驱物附着在所述基底顶部表面以及所述第二子侧壁；向所述基底表面吹送第二前驱物，以使所述第二前驱物与所述第一前驱物反应生成介质层；向所述基底表面交替吹送所述第一前驱物和所述第二前驱物，以形成多层所述介质层，直至封堵所述凹槽顶部开口，所述第一子侧壁与所述介质层以及所述凹槽底部围成的区域构成空隙。
6.另外，在形成多层所述介质层的过程中，以逐层递增的流量吹送所述第一前驱物。由于在逐层形成介质层的过程中，介质层顶面面积不断增大，因此，需要逐层增加第一前驱物的流量，才能保证介质层在第二子侧壁包围的区域内不断堆叠，进而封堵凹槽顶部开口。
7.另外，所述基底表面具有极性基团；在吹送所述第一前驱物的工艺步骤中，所述极性基团与所述第一前驱物发生反应，固定所述第一前驱物的功能基团。由于基底表面具有可与第一前驱物反应的极性基团，在第一前驱物在吹送方向上，第一前驱物会附着在先接触到的基底顶部表面以及第二子侧壁，从而避免第一前驱物在第一子侧壁或者凹槽底部附着，保证第一子侧壁所包围的区域具有较低的介电常数。
8.另外，所述介质层表面具有极性基团；在吹送所述第一前驱物的工艺步骤中，所述极性基团与所述第一前驱物发生反应，固定所述第一前驱物的功能基团。由于介质层表面具有可固定第一前驱物的极性基团，在交替吹送第一前驱物时，第一前驱物会优先附着在具有极性基团的介质层表面，从而避免第一前驱物在第一子侧壁或者凹槽底部沉积。
9.另外，所述极性基团包括羟基。
10.另外，所述介质层的材料包括二氧化硅，所述第一前驱物或所述第二前驱物中的
至少一者包括含硅烷醇基的有机物。
11.另外，所述含硅烷醇基的有机物包括3-叔丁基硅烷醇基。
12.另外，所述第一前驱物包括具有催化作用的金属有机物。由于3-叔丁基硅烷醇基可选择性结合金属有机物，因此，采用金属有机物作为第一前驱物，能够保证作为第二前驱物的3-叔丁基硅烷醇基仅与第一前驱物有效结合，即仅在第一前驱物的附着位置形成介质层，避免第二前驱物沉积在第一子侧壁包围的区域，使得第一子侧壁包围的空隙区域具有低k介电常数；此外，金属有机物具有催化作用，能够加速介质层的形成，缩短工艺周期。
13.另外，所述金属有机物中的金属材料包括铝、镧、锆或铪中的至少一者。
14.另外，所述第一前驱物和所述第二前驱物反应形成所述介质层的反应温度为225℃～250℃。
15.另外，在垂直于所述基底表面的方向上，所述第一子侧壁的高度与第二子侧壁的高度比为1至9。通过控制第一前驱物的流量，控制第一子侧壁和第二子侧壁的厚度比，进而控制凹槽作为介电层时的介电常数。
16.本发明实施例还提供一种半导体结构，包括：基底和位于所述基底内的凹槽，所述凹槽侧壁包括自所述凹槽底部向上延伸的第一子侧壁以及第二子侧壁，所述第一子侧壁位于所述第二子侧壁和所述凹槽底部之间；多层介质层，所述多层介质层封堵所述凹槽顶部开口，且在所述凹槽侧壁朝向所述凹槽中心轴线的方向上依次层叠；空隙，所述空隙由所述第一子侧壁与所述凹槽底部以及所述多层介质层围成的区域构成。
17.另外，所述基底内具有位于所述凹槽相对两侧的导电结构。
18.另外，所述多层介质层内包含金属材料，所述金属材料包括铝、镧、锆或铪中的至少一者。
19.与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：
20.上述技术方案中，采用低于预设值的流量吹送第一前驱物，使得第一前驱物仅附着在基底顶部表面以及第二子侧壁，如此，在形成封堵凹槽顶部开口的多层介质层时，第一子侧壁、凹槽底部以及多层介质层围成的区域能够构成空隙。
附图说明
21.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
22.图1、图2、图4以及图11至图13为本发明实施例提供的半导体结构的形成方法各步骤对应的结构示意图；
23.图3以及图5至图10为本发明实施例提供的半导体结构的形成方法对应的化学反应示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
25.图1、图2、图4以及图10至图12为本发明实施例提供的半导体结构的形成方法各步骤对应的结构示意图；图3以及图5至图9为本发明实施例提供的半导体结构的形成方法对应的化学反应示意图。
26.参考图1，提供基底11，基底11内具有凹槽111，凹槽111侧壁包括自凹槽111底部向上延伸的第一子侧壁a1和第二子侧壁a2，第一子侧壁a1位于第二子侧壁a2和凹槽111底部之间。
27.本实施例中，基底11内具有位于凹槽111相对两侧的导电结构112，导电结构112可以是导线、导电插塞等部件。当导电结构112通电运行时，相邻导电结构112之间就会产生寄生电容，寄生电容的大小取决于相邻导电结构112之间的介电材料的介电常数k，介电常数k越低，寄生电容越小。
28.本实施例中，基底11还包括位于导电结构112侧壁的保护层113和位于导电结构112顶部表面的隔离层114，保护层113通常是在刻蚀形成凹槽11时留下的余量，以避免刻蚀剂对导电结构112造成损伤，保护层113包围的区域构成凹槽111；隔离层114主要起到刻蚀停止层的作用，避免刻蚀剂贯穿隔离层114而损伤导电结构112。保护层113的材料和隔离层114的材料可以相同也可以不同。
29.需要说明的是，本文并不对保护层113以及隔离层114的形成方法、材料以及位置等特征进行限定。实际上，在其他实施例中，也可以没有保护层和隔离层，即导电结构的顶面和至少部分侧壁表面是暴露出来的。
30.本实施例中，第二子侧壁a2包围的区域用于填充后续形成的介质层，从而起到封堵凹槽111顶部开口的目的，第一子侧壁a1包围的区域用于构成空隙，从而起到降低相邻导电结构112之间的介电层的介电常数k的目的。
31.本实施例中，在垂直于基底11表面的方向上，第一子侧壁a1的高度与第二子侧壁a2的高度比为1～9，例如3、5或7。该厚度比是工作人员在吹送第一前驱物之前确定的，厚度比的设置既要保证相邻导电结构112之间的介电层介电常数k较低，又要考虑工艺可行性以及结构稳定性。
32.工艺可行性指的是在吹送第一前驱物的过程中，无法保证第一前驱物仅涂覆在基底11顶部表面，即第一前驱物会附着在凹槽111部分侧壁，因此，在设定厚度比时，需要考虑第一前驱物的最小附着深度，从而设定合理有效的厚度比；此外，结构稳定性指的是介质层的承载能力，由于后续可能会在基底11上形成其他膜层或结构，为避免介质层因无法承受压力而坍塌，进而影响相邻导电结构112之间的介电层介电常数k，介质层在凹槽111底部向上延伸的方向上需要具有一定的厚度，从而满足预设的承载能力要求。
33.需要说明的是，本文提供的技术方案通常应用于深宽比大于1的凹槽111中，当凹槽111的深宽比小于1时，吹送的前驱物容易与凹槽111底部接触，从而导致无法形成理想的空隙。
34.参考图2，以低于预设值的流量向基底11表面吹送第一前驱物12，以使第一前驱物12附着在基底11顶部表面以及第二子侧壁a2。
35.预设值为一理想数值，采用大于或等于预设值的流量向基底11表面吹送第一前驱物12时，第一前驱物12能够覆盖基底11顶部表面、第二子侧壁a2、第一子侧壁a1以及凹槽111底面。其中，第一前驱物12在吹送过程中依次接触基底11顶部表面、第二子侧壁a2、第一
子侧壁a1以及凹槽111底面。
36.在采用低于预设值的流量向基底11表面吹送第一前驱物12时，由于单位时间内的第一前驱物12的物质的量不足，第一前驱物12会优先附着在先接触到的基底11表面，即基底11顶部表面以及第二子侧壁a2。
37.参考图3，第一前驱物12(参考图2)在基底11(参考图2)表面发生第一反应a。
38.本实施例中，第一前驱物12包括具有催化作用的金属有机物，具体为三甲基铝(ch3)3al。第一前驱物12的催化作用主要用于加速第一前驱物12和后续吹送的第二前驱物反应生成介质层材料。
39.其中，金属有机物中的金属材料包括铝、镧、锆或铪中的至少一者。
40.本实施例中，基底11表面具有极性基团，在吹送第一前驱物12的过程中，极性基团与第一前驱物12发生反应，固定第一前驱物12的功能基团。具体地，基底11表面具有羟基-oh，在吹送三甲基铝的过程中，三甲基铝中的甲基-ch3会与羟基中的氢原子-h发生反应生成甲烷ch4，剩余的-ch3al作为功能基团与原羟基中的氧离子连接，为后续的介质层反应提供催化作用。
41.由于基底11表面具有可与第一前驱物12反应的极性基团，在第一前驱物12在吹送方向上，第一前驱物12会附着在先接触到的基底11顶部表面以及第二子侧壁a2，从而避免第一前驱物12在第一子侧壁a1或者凹槽111底部附着，保证第一子侧壁a1包围的区域具有较低的介电常数。
42.本实施例中，基底11表面的极性基团是由于基底11暴露在空气或水蒸气等环境下自然产生的；在其他实施例中，极性基团也可以是通过一定的工艺步骤形成的。此外，极性基团不限于羟基，也可以是任意一种可与第一前驱物12发生反应并固定其功能基团的极性基团；进一步地，基底表面附着的物质也可以不是极性基团，而是任一种可与第一前驱物12发生反应并保留其功能基团的化学物质。
43.本实施例中，第一前驱物12的状态为气态；在其他实施例中，第一前驱物的状态也可以是液态，液态相对于气态来说，由于分子间间距较小，流体运动的粘滞性更加明显，因此，液态的第一前驱物在接触到基底表面后更容易附着在基底表面，有利于保证第一前驱物仅附着在基底顶部表面和第二子侧壁上，使得第一子侧壁围成的区域具有较低的介电常数k。
44.参考图4，向基底11表面吹送第二前驱物13，以使第二前驱物13与第二前驱物12(参考图2)反应生成介质层14。
45.本实施例中，介质层14的材料为二氧化硅，二氧化硅的硅源包括硅烷醇基，即第一前驱物12或第二前驱物13中的至少一者包括含硅烷醇基的有机物。二氧化硅具有较低的介电常数k，选用二氧化硅作为介质层14的材料，有利于保证第二子侧壁a2围成的区域(介质层14填充该区域)具有较低的介电常数k。
46.本实施例中，第二前驱物13的材料包括3-叔丁基硅烷醇基。3-叔丁基硅烷醇基可选择性地结合金属有机物，采用金属有机物作为第一前驱物12，采用3-叔丁基硅烷醇基作为第二前驱物13，能够保证第二前驱物13仅与第一前驱物12有效结合，即仅在第一前驱物12的附着位置形成介质层14，避免第二前驱物13附着在第一子侧壁a1或者凹槽111底面，使得第一子侧壁a1包围的区域具有较低的介电常数k。
47.参考图5至图10，第一前驱物12(参考图2)与第二前驱物13(参考图4)反应生成介质层14(参考图4)，反应过程主要包括第二反应b、第三反应c、第四反应d、第五反应e、第六反应f以及第七反应g。
48.第二反应b和第三反应c为作为链状大分子的3-叔丁基硅烷醇基与基底11表面物质发生的反应，基底11表面物质随着反应进行会发生变化，第四反应d为聚合反应，第五反应e和第六反应f生成了并列的两种中间化合物，第七反应g生成了最终产物二氧化硅。
49.本技术通过链状大分子之间的反应形成二氧化硅膜层，极大地提高了二氧化硅的成膜效率，本技术中的二氧化硅成膜效率是普通原子层沉积工艺的二氧化硅成膜效率的50至100倍。
50.本实施例中，第一前驱物12和第二前驱物13反应形成介质层14的反应温度为225℃～250℃，例如230℃、237℃或245℃。在该反应温度下，第一前驱物12和第二前驱物13具有较高的反应速率，有利于缩短工艺周期。
51.本实施例中，在形成一层介质层14之后，采用清洁工艺去除多余的第一前驱物12、第二前驱物13以及反应生成的多种中间产物。避免多余的未进行反应的前驱物以及反应中间产物影响后续介质层14的形成，以及避免影响最终形成的多层介质层14的性能参数，性能参数包括介电常数k和承载能力。
52.本实施例中，从开始吹送第一前驱物12到反应形成介质层14，整个工艺流程中的反应温度都是225℃～250℃。如此，有利于提高工艺流程中化学反应的反应速率，以及有利于使得前驱物和中间产物挥发为气态或保持气态，避免液态的前驱物和中间产物沉积在基底11表面而影响化学反应的进行；另外，气态的前驱物和中间产物能够通过通入惰性气体有效清除。
53.工艺流程中的反应温度可以根据实际参与反应的材料和反应生成的中间产物进行调整，以实现预设目的。
54.参考图11和图12，向基底11表面交替吹送第一前驱物12和第二前驱物13，以形成多层介质层14，直至封堵凹槽111顶部开口，第一子侧壁a1(参考图4)与凹槽111底部以及多层介质层14围成的区域构成空隙。
55.本实施例中，介质层14表面具有极性基团，在吹送第一前驱物12的过程中，极性基团与第一前驱物12发生反应，固定第一前驱物12的功能基团。由于介质层14表面具有可固定第一前驱物12的极性基团，在交替吹送第一前驱物12时，第一前驱物12会附着在先接触到表面，即介质层14顶面和侧壁表面，从而避免第一前驱物12在第一子侧壁a1或者凹槽111底部附着。
56.相应地，介质层14表面的极性基团既可以是暴露在空气或水蒸气等环境下自然产生的，也可以是加工形成的；此外，介质层14表面也可以具有除极性基团以外的其他物质，以固定第一前驱物12的功能基团。
57.本实施例中，在形成多层介质层14的过程中，以逐渐递增的流量吹送第一前驱物12。由于在形成厚度相同的多层介质层14的过程中，介质层14的表面积逐渐增大，因此，需要以逐渐递增的流量吹送第一前驱物12，使得第一前驱物12能够附着在介质层14的侧壁，进而实现封堵凹槽111的顶部开口。
58.本实施例中，在后形成的介质层14覆盖在先形成的介质层14的整个侧壁表面，如
此，使得最终形成的多层介质层14填充满第二子侧壁a2围成的区域，这一结构具有较高的结构稳定性，在受到来自于导电结构朝向凹槽111的力时，多层介质层14不会因为应力集中问题发生破裂。
59.在其他实施例中，参考图13，在后形成的介质层24覆盖在先形成的介质层24的部分侧壁表面，如此，在逐层形成介质层24的过程中，可按照同一流量参数吹送第一前驱物，有利于降低工艺难度。
60.本实施例中，采用低于预设值的流量吹送第一前驱物，使得第一前驱物仅附着在基底顶部表面以及第二子侧壁，如此，在形成封堵凹槽顶部开口的多层介质层时，第一子侧壁与凹槽底部以及多层介质层围成的区域能够构成空隙。
61.相应地，本发明实施例还提供一种半导体结构，该半导体结构可采用上述半导体结构的形成方法制成。
62.参考图12，半导体结构包括：基底11和位于基底11内的凹槽111，凹槽111包括自凹槽111底部向上延伸的第一子侧壁和第二子侧壁，第一子侧壁位于第二子侧壁和凹槽111底部之间；多层介质层14，多层介质层14封堵凹槽111顶部开口，且在凹槽111侧壁朝向凹槽111中心轴线的方向依次层叠；空隙，空隙有第一子侧壁与凹槽111底部以及多层介质层14围成的区域构成。
63.本实施例中，基底11内具有位于凹槽111相对两侧的导电结构112。
64.本实施例中，多层介质层14内包含金属材料，金属材料包括铝、镧、锆或铪中的至少一者。金属材料不会影响介质层14的介电作用。
65.本实施例中，提供了一种新的半导体结构，该半导体结构具有封堵凹槽顶部开口的多层介质层以及由第一子侧壁、凹槽底部以及多层介质层围成的空隙，将空隙引入介电层时，介电层具有较低的介电常数k。
66.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。