半导体结构及其形成方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的进步，对更高的存储容量、更快的处理系统、更高的性能和更低的成本的需求不断增加。为了满足这些需求，半导体工业继续按比例缩小半导体器件的尺寸，鳍式场效应晶体管(finfet)等三维结构的设计成为半导体领域关注的热点。
3.然而现在的finfet中仍然存在鳍片有缺陷的问题，需要提供更有效、更可靠的技术方案。


技术实现要素：

4.本技术提供一种半导体结构及其形成方法，能够减少鳍片在工艺过程中受到的损伤，提高鳍片质量，从而提高器件可靠性。
5.本技术的一个方面提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干鳍片以及位于所述若干鳍片顶面的硬掩膜层；在所述半导体衬底表面和所述若干鳍片侧壁原位形成保护层；在所述保护层表面以及所述硬掩膜层侧壁和顶面形成缓冲层；对所述若干鳍片进行退火工艺，所述退火工艺的退火气体包括氮气和氧气。
6.在本技术的一些实施例中，在所述半导体衬底表面和所述若干鳍片侧壁原位形成保护层的方法包括原位蒸汽生成工艺。
7.在本技术的一些实施例中，在所述保护层表面以及所述硬掩膜层侧壁和顶面形成缓冲层的方法包括原子层沉积法。
8.在本技术的一些实施例中，所述退火工艺的温度为900摄氏度至1100摄氏度。
9.在本技术的一些实施例中，所述退火气体中氧气的含量占比为1％至5％。
10.在本技术的一些实施例中，所述保护层的厚度为10埃至15埃。
11.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层的厚度为48埃至55埃。
12.在本技术的一些实施例中，所述半导体结构的形成方法还包括：在所述半导体衬底上形成完全覆盖所述半导体衬底、所述若干鳍片和所述硬掩膜层的隔离材料层。
13.在本技术的一些实施例中，形成所述隔离材料层的方法包括可流动的化学气相沉积工艺，所述半导体结构的形成方法还包括：使用湿退火工艺固化所述隔离材料层。
14.在本技术的一些实施例中，所述半导体结构的形成方法还包括：去除部分所述隔离材料层使所述隔离材料层的顶面低于所述若干鳍片的顶面形成隔离层。
15.在本技术的一些实施例中，去除部分所述隔离材料层的方法包括化学机械研磨工艺和刻蚀工艺。
16.本技术的另一个方面还提供一种半导体结构，包括：半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干鳍片；保护层，位于所述半导体衬底表面和所述若干鳍片侧壁；缓冲层，位于所述保护层表面。
17.在本技术的一些实施例中，所述保护层的厚度为10埃至15埃。
18.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层的厚度为48埃至55埃。
19.在本技术的一些实施例中，所述半导体结构还包括：隔离层，位于所述缓冲层表面环绕所述若干鳍片，所述隔离层的顶面低于所述若干鳍片的顶面。
20.本技术所述的半导体结构及其形成方法，一方面使用所述保护层来保护鳍片，另一方面降低退火工艺中氮气的含量，能够减少鳍片在工艺过程中受到的损伤，提高鳍片质量，从而提高器件可靠性。
附图说明
21.以下附图详细描述了本技术中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本技术的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本技术中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
22.图1至图4为一种半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图；
23.图5为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法的流程示意图；
24.图6至图10为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。
具体实施方式
25.以下描述提供了本技术的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本技术中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本技术不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
26.下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
27.图1至图4为一种半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。
28.参考图1所示，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有若干鳍片110。所述若干鳍片110通常由干法刻蚀工艺形成，所述干法刻蚀工艺可能会导致所述若干鳍片110上的硅晶格有缺陷，因此，在后续工艺中需要进行高温退火工艺来修复硅晶格。
29.参考图2所示，在所述半导体衬底100表面和所述若干鳍片110侧和顶面形成缓冲层120。在后续工艺中，会使用可流动的化学气相沉积工艺(fcvd)在所述半导体衬底100上形成完全覆盖所述半导体衬底100和所述若干鳍片110的隔离结构材料层，所述隔离材料结构层不能与所述半导体衬底100表面和所述若干鳍片110表面直接接触，因此需要所述缓冲层120隔开所述半导体衬底100表面、所述若干鳍片110表面和所述隔离结构材料层。
30.继续参考图2所示，对所述若干鳍片110进行高温退火工艺，以修复所述若干鳍片100上的硅晶格。然而，虽然所述高温退火工艺可以修复硅晶格，但所述高温退火工艺中使用的氮气中的氮原子可能会穿过所述缓冲层120扩散到所述若干鳍片110表面。
31.参考图3所示，使用fcvd工艺在所述半导体衬底100上形成完全覆盖所述半导体衬底100、所述若干鳍片110和所述缓冲层120的隔离结构材料层130a。
32.继续参考图3所示，使用湿退火工艺固化所述隔离结构材料层130a。其中，所述湿退火工艺中使用的蒸汽会与扩散到所述若干鳍片110表面的氮原子结合形成氮氢键结构(n-h、n-h2、n-h3等)。所述氮氢键结构会破坏损伤所述若干鳍片110表面的硅。
33.参考图4所示，去除部分所述隔离结构材料层130a使所述隔离结构材料层130a的顶面低于所述若干鳍片110的顶面形成隔离结构层130。然而，由于所述若干鳍片110的表面的硅已经被所述氮氢键结构破坏，所述若干鳍片110的表面会形成不规则的缺陷，影响所述若干鳍片110的功能，降低器件可靠性。
34.基于上述问题，本技术提供一种半导体结构及其形成方法，一方面使用保护层来保护鳍片，避免氮原子扩散到鳍片中，另一方面降低退火工艺中氮气的含量，能够减少鳍片在工艺过程中受到的损伤，提高鳍片质量，从而提高器件可靠性。
35.图5为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法的流程示意图。参考图5所示，本技术的实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：
36.步骤s210：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干鳍片以及位于所述若干鳍片顶面的硬掩膜层；
37.步骤s220：在所述半导体衬底表面和所述若干鳍片侧壁原位形成保护层；
38.步骤s230：在所述保护层表面以及所述硬掩膜层侧壁和顶面形成缓冲层；
39.步骤s240：对所述若干鳍片进行退火工艺，所述退火工艺的退火气体包括氮气和氧气。
40.图6至图10为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。下面结合附图对本技术实施例所述的半导体结构的形成方法进行详细说明。
41.参考图6，步骤s210，提供半导体衬底300，所述半导体衬底300上形成有若干鳍片310以及位于所述若干鳍片310顶面的硬掩膜层320。
42.在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底300的材料包括(i)元素半导体，例如硅或锗等；(ii)化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、磷化镓或磷化铟等；(iii)合金半导体，例如硅锗碳化物、硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟等；或(iv)上述的组合。此外，所述半导体衬底300可以被掺杂(例如，p型衬底或n型衬底)。在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底300可以掺杂有p型掺杂剂(例如，硼、铟、铝或镓)或n型掺杂剂(例如，磷或砷)。
43.在本技术的一些实施例中，形成所述若干鳍片310的方法可以包括：在所述半导体衬底300上生长外延层；在所述外延层上形成图案化的硬掩模层320；以所述图案化的硬掩模层320作为掩膜来刻蚀所述外延层和半导体衬底300形成所述若干鳍片310。例如，可以使用干法蚀刻工艺、湿法蚀刻工艺或上述的组合来实施蚀刻。在本技术的一些实施例中，所述硬掩模层320可以是使用热氧化工艺形成的包括氧化硅的薄膜。在本技术的另一些实施例中，所述硬掩模层320可以是使用低压化学气相沉积工艺(lpcvd)或等离子体增强cvd(pecvd)来形成的包括氮化硅的薄膜。
44.参考图7，步骤s220，在所述半导体衬底300表面和所述若干鳍片310侧壁原位形成保护层330。在一些半导体结构的形成方法中，后续的高温退火工艺会导致氮原子扩散到所述若干鳍片310表面，进而在后续工艺中破坏所述若干鳍片310表面的硅。因此，本技术的实施例中，可以提前在所述若干鳍片310侧壁原位形成所述保护层330来阻挡氮原子的扩散，保护所述若干鳍片310。
45.在本技术的一些实施例中，在所述半导体衬底300表面和所述若干鳍片310侧壁原位形成保护层330的方法包括原位蒸汽生成工艺(in-situ steam generation，issg)。所述原位蒸汽生成工艺形成的保护层330密度较高，大于后续形成的缓冲层和密度，可以更好地阻挡氮原子的扩散。
46.在本技术的一些实施例中，所述保护层330的材料包括氧化硅。
47.在本技术的一些实施例中，所述保护层330的厚度为10埃至15埃，例如为11埃、12埃、13埃或14埃等。所述保护层330的厚度不能太薄，否则阻挡氮原子扩散的效果会较差；所述保护层330的厚度也不需要太厚，只要能实现最大程度上阻挡氮原子扩散即可，否则会减薄太多所述若干鳍片310的厚度。
48.参考图8，步骤s230，在所述保护层330表面以及所述硬掩膜层320侧壁和顶面形成缓冲层340。在后续工艺中，会使用可流动的化学气相沉积工艺(fcvd)在所述半导体衬底300上形成完全覆盖所述半导体衬底300和所述若干鳍片310的隔离材料层，所述隔离材料层不能与所述半导体衬底300表面和所述若干鳍片310表面直接接触，因此需要所述缓冲层340隔开所述半导体衬底300表面、所述若干鳍片310表面和所述隔离材料层。
49.在本技术的一些实施例中，在所述保护层330表面以及所述硬掩膜层320侧壁和顶面形成缓冲层340的方法包括原子层沉积法。
50.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层340的材料包括氧化硅。
51.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层340的厚度为48埃至55埃，例如为50埃、51埃、52埃或53埃等。所述缓冲层340的厚度不能太厚，否则浪费材料，也会增加器件整体尺寸；所述缓冲层340的厚度不能太薄，否则分隔隔离材料层和半导体衬底的效果会较差。
52.继续参考图8，步骤s240，对所述若干鳍片310进行退火工艺，所述退火工艺的退火气体包括氮气和氧气。在本技术的一些实施例中，所述退火工艺的温度为900摄氏度至1100摄氏度。在本技术一些实施例中，所述若干鳍片310通常由干法刻蚀工艺形成，所述干法刻蚀工艺可能会导致所述若干鳍片310上的硅晶格有缺陷，因此，需要对所述若干鳍片310进行所述退火工艺来修复硅晶格。
53.在本技术的一些实施例中，所述退火气体中氧气的含量占比为1％至5％，例如为2％、3％或4％等。
54.在一些半导体结构的形成方法中，由于没有所述保护层330，因此所述退火工艺中的退火气体氮气中的氮原子会扩散到所述若干鳍片310的表面，进而在后续工艺中损伤所述若干鳍片310的结构，降低器件可靠性。然而，在本技术的实施例所述的半导体结构的形成方法中，一方面，所述退火工艺的退火气体包括氮气和氧气(即在氮气中加入了氧气)，从而在根本上降低了氮气的含量；另一方面，所述原位形成的保护层330可以起到阻挡氮原子扩散的作用，进而进一步的减少甚至完全避免氮原子的扩散。通过上述两个方面，所述若干鳍片310表面的氮原子得到降低，甚至没有氮原子扩散，这样也就不会在后续工艺中损伤所述若干鳍片310，从而提高了器件可靠性。
55.参考图9，所述半导体结构的形成方法还包括：在所述半导体衬底300上形成完全覆盖所述半导体衬底300、所述若干鳍片310和所述硬掩膜层320以及所述缓冲层340的隔离材料层350a。
56.在本技术的一些实施例中，形成所述隔离材料层350a的方法包括可流动的化学气
相沉积工艺(fcvd)。
57.继续参考图9，所述半导体结构的形成方法还包括：使用湿退火工艺固化所述隔离材料层350a。
58.在一些半导体结构的形成方法中，由于没有所述保护层330，因此所述若干鳍片310的表面扩散有大量氮原子，所述湿退火工艺中使用的蒸汽会与扩散到所述若干鳍片110表面的氮原子结合形成氮氢键结构(n-h、n-h2、n-h3等)进而破坏损伤所述若干鳍片110表面的硅，降低器件可靠性。然而，在本技术的实施例所述的半导体结构的形成方法中，由于在退火工艺中降低了氮气的含量以及使用所述原位形成的保护层330来阻挡氮原子扩散，所述若干鳍片310表面的氮原子得到降低，甚至没有氮原子扩散，这样所述湿退火工艺中的蒸汽就不会形成氮氢键结构，此外，增加的氧气反而会和氮气形成氮氧键结构，消耗氮原子，进一步减少氮氢键的形成，因此也就不会损伤所述若干鳍片310，从而提高了器件可靠性。
59.参考图10所示，所述半导体结构的形成方法还包括：去除部分所述隔离材料层350a以及所述硬掩膜层320使所述隔离材料层350a的顶面低于所述若干鳍片310的顶面形成隔离层350。
60.在本技术的一些实施例中，去除部分所述隔离材料层350a以及所述硬掩膜层320的方法包括化学机械研磨工艺和刻蚀工艺。
61.本技术所述的半导体结构的形成方法，一方面使用所述保护层来保护鳍片，另一方面降低退火工艺中氮气的含量，能够减少鳍片在工艺过程中受到的损伤，提高鳍片质量，从而提高器件可靠性。
62.本技术的实施例还提供一种半导体结构，参考图10，所述半导体结构包括：半导体衬底300，所述半导体衬底300上形成有若干鳍片310；保护层330，位于所述半导体衬底300表面和所述若干鳍片310侧壁；缓冲层340，位于所述保护层330表面。
63.在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底300的材料包括(i)元素半导体，例如硅或锗等；(ii)化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、磷化镓或磷化铟等；(iii)合金半导体，例如硅锗碳化物、硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟等；或(iv)上述的组合。此外，所述半导体衬底300可以被掺杂(例如，p型衬底或n型衬底)。在本技术的一些实施例中，所述半导体衬底300可以掺杂有p型掺杂剂(例如，硼、铟、铝或镓)或n型掺杂剂(例如，磷或砷)。
64.继续参考图10，所述保护层330可以阻挡半导体工艺中氮原子向所述若干鳍片310的扩散，进而保护所述若干鳍片310不在后续工艺中被破坏。所述保护层330的形成方法例如为原位蒸汽生成工艺(in-situ steam generation，issg)。所述原位蒸汽生成工艺形成的保护层330密度较高，大于后续形成的缓冲层和密度，可以更好地阻挡氮原子的扩散。
65.在本技术的一些实施例中，所述保护层330的材料包括氧化硅。
66.在本技术的一些实施例中，所述保护层330的厚度为10埃至15埃，例如为11埃、12埃、13埃或14埃等。所述保护层330的厚度不能太薄，否则阻挡氮原子扩散的效果会较差；所述保护层330的厚度也不需要太厚，只要能实现最大程度上阻挡氮原子扩散即可，否则会减薄太多所述若干鳍片310的厚度。
67.继续参考图10，在所述保护层330表面形成有缓冲层340。所述隔离层350不能与所述半导体衬底300表面和所述若干鳍片310表面直接接触，因此需要所述缓冲层340隔开所述半导体衬底300表面、所述若干鳍片310表面和所述隔离层350。
68.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层340的材料包括氧化硅。
69.在本技术的一些实施例中，所述缓冲层340的厚度为48埃至55埃，例如为50埃、51埃、52埃或53埃等。所述缓冲层340的厚度不能太厚，否则浪费材料，也会增加器件整体尺寸；所述缓冲层340的厚度不能太薄，否则分隔隔离层和半导体衬底的效果会较差。
70.继续参考图10，所述半导体结构还包括：隔离层350，位于所述缓冲层340表面环绕所述若干鳍片310，所述隔离层350的顶面低于所述若干鳍片310的顶面。
71.本技术所述的半导体结构，使用所述保护层来保护鳍片，能够减少鳍片在工艺过程中受到的损伤，提高鳍片质量，从而提高器件可靠性。
72.综上所述，在阅读本技术内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本技术的示例性实施例的精神和范围内。
73.应当理解，本实施例使用的术语
″
和/或
″
包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作
″
连接
″
或
″
耦接
″
至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
74.类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件
″
上
″
时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语
″
直接地
″
表示没有中间元件。还应当理解，术语
″
包含
″
、
″
包含着
″
、
″
包括
″
或者
″
包括着
″
，在本技术文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
75.还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本技术的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
76.此外，本技术说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。