CN105244254A - 半导体结构的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成无定形碳层，且所述无定形碳表面具有结晶源；对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。本发明氧化去除位于无定形碳层表面的结晶源，防止所述结晶源在与外界环境接触后体积增加，从而避免无定形碳层表面的结晶现象，进而提高无定形碳层表面平坦度，提高形成的无定形碳层的质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制作领域技术，特别涉及一种半导体结构的形成方法。
背景技术
半导体集成电路制作利用光刻、刻蚀、注入和沉积等一系列工艺衬底上形成各种类型的器件，并将所述器件互相电连接以形成完整的电路功能。随着超大规模集成电路的迅速发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸越来越小，因此器件的高密度、小尺寸引发的各种效应对半导体工艺的影响也日益突出。
以硬掩膜技术为例，当半导体工艺节点越来越小时，光刻尺寸也随之减小，为了获得精细图案，通常需要在衬底表面形成硬掩膜层配合光刻胶层形成掩膜图形。在刻蚀工艺中，无定形碳相对于氧化硅、氮化硅和硅而言，具有高刻蚀选择比，为了获得较高分辨率以及精确的图案，通常使用无定形碳膜作为硬掩膜层。
含氢无定形碳(HydrogenatedAmorphousCarbon，a-C：H)又称为类金刚石(Damond-LikeCarbon)，其具有高硬度、高强度、高导热、高电阻率、高抗辐射、高化学稳定性、低摩擦系数以及红光光学波段良好的透光率等优良性能而备受关注。
然而，现有技术形成的无定形碳层质量较差，对半导体工艺造成不良影响。
发明内容
本发明解决的问题是如何避免无定形碳层表面出现结晶现象，提高形成的无定形碳层的质量。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成无定形碳层，且所述无定形碳表面具有结晶源；对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。
可选的，形成所述无定形碳层的方法为：向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物，所述碳氢化合物在加热条件下热分解形成无定形碳层。
可选的，所述碳氢化合物为乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烯、丁烷或丁二烯。
可选的，所述碳氢化合物溶解在有机溶剂中，向溶解有碳氢化合物的有机溶剂施加压强作用，向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物，且有机溶剂以气体状态进入反应腔室内。
可选的，所述有机溶剂为丙酮、乙醇或苯。
可选的，采用化学气相沉积工艺、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述无定形碳层。
可选的，采用化学气相沉积工艺形成所述无定形碳层的工艺参数为：反应气体包括碳氢化合物，其中，碳氢化合物为C2H2、C2H4或C3H6，还向反应腔室内通过惰性气体，其中，惰性气体为He或Ar，碳氢化合物流量为50sccm至500sccm，惰性气体流量为20sccm至200sccm，反应腔室温度为400度至600度，反应腔室压强为1托至50托。
可选的，采用双氧水溶液对所述无定形碳层进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。
可选的，所述双氧水溶液中，溶液温度为25度至40度，溶液中过氧化氢的质量百分比为15％至30％。
可选的，将所述无定形碳层浸泡在双氧水溶液中，以进行氧化处理。
可选的，在所述无定形碳层表面喷洒双氧水溶液，以进行氧化处理。
可选的，在所述氧化处理后，还包括步骤：采用去离子水对无定形碳层表面进行清洗处理。
可选的，还包括步骤：在所述无定形碳层表面形成钝化层。
可选的，采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面，在无定形碳层表面形成钝化层。
可选的，采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面的工艺参数为：含硅气体为SiH4，SiH4气体流量为10sccm至200sccm，射频低频功率为100瓦至1500瓦，射频高频功率为100瓦至1500瓦，反应腔室压强为10毫托至50毫托，反应腔室温度为450度至600度。
可选的，所述钝化层的材料为碳化硅。
可选的，所述钝化层的厚度为10埃至50埃。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明实施例中，在形成无定形碳层后，所述无定形碳层表面具有结晶源；对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源；防止所述结晶源与外界环境相接触而造成所述结晶源体积增加的现象，即避免无定形碳层表面的结晶现象，提高形成的无定形碳层表面平坦度，提高无定形碳层的质量。
进一步，本发明实施例中，采用双氧水溶液对所述无定形碳层进行氧化处理，氧化去除所述结晶源，所述双氧水溶液的氧化性较弱，防止对无定形碳层表面造成过度氧化。并且，若双氧水溶液温度过低，双氧水溶液的氧化性过差，若双氧水溶液温度过高，则双氧水溶液中的过氧化氢会从溶液中逸出；若双氧水溶液中过氧化氢质量百分比过高，则双氧水溶液的氧化性过强，若双氧水溶液中过氧化氢质量百分比过低，则双氧水溶液的氧化性过弱。为此，本发明实施例中双氧水溶液温度为25度至40度，溶液中过氧化氢质量百分比15％至30％。
进一步，本发明实施例中在无定形碳层表面喷洒双氧水溶液，以进行氧化处理氧化去除结晶源，避免双氧水溶液与无定形碳层侧壁表面接触，防止无定形碳层侧壁被氧化。
进一步，本发明实施例中碳氢化合物溶解在有机溶剂，向溶解有碳氢化合物的有机溶剂施加压强作用，向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物。由于碳氢化合物溶剂在有机溶剂中，大大的降低了碳氢化合物发生爆炸的危险，降低了半导体工艺操作难度。
更进一步，本发明实施例在无定形碳层表面形成钝化层，所述钝化层起到保护无定形碳层的作用，避免无定形碳层表面与外界环境相接触。
更进一步，本发明采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面以形成钝化层，使得无定形碳层与钝化层之间紧密接触，进一步提高钝化层保护无定形碳层的作用。
附图说明
图1为一实施例半导体结构的剖面结构示意图；
图2至图5为本发明另一实施例半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术形成的无定形碳层质量较差，对半导体工艺造成不良影响。
经研究发现，请参考图1，在衬底100表面形成无定形碳层101，将所述无定形碳层101放置两天后，无定形碳层101表面出现大量的结晶102(condensationphenomena)，造成无定形碳层101表面变得粗糙。当以所述具有大量结晶102的无定形碳层101为掩膜刻蚀衬底100时，在所述衬底100内形成的图案会有较大的偏差，加大后续工艺的难度，并且难以保证形成的半导体器件的质量。
进一步研究发现，导致无定形碳层101表面具有结晶102的原因在于：当无定形碳层101形成后，所述无定形碳层101表面具有较多的结晶源(condensesource)，所述结晶源与空气中的氧气或水蒸气接触后，所述结晶源与氧气或水蒸气发生反应而长大，进而在无定形碳层101表面产生了结晶102。
无定形碳层101表面具有结晶源的原因为，作为一种解释：形成无定形碳层101的工艺过程中，会向反应腔室内通入碳氢化合物；碳氢化合物在气态状态下贮存容易发生爆炸且不易操作，因此所述碳氢化合物通常是溶解在有机溶剂中的；当向反应腔室内通入碳氢化合物时，也会将一定量的有机溶剂带入反应腔室内，当无定形碳层101形成后导致其表面具有化学残留物(chemicalresidues)，所述化学残留物与空气中的氧气或水蒸气发生化学反应体积增加，进而导致在无定形碳层101表面出现结晶102。
为此，本发明提供一种半导体结构的形成方法，在衬底表面形成无定形碳层，所述无定形碳层表面具有结晶源；对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。本发明通过氧化处理去除所述结晶源，避免所述结晶源与O2或水蒸气发生化学反应，提高无定形碳层表面的平坦度，进而提高形成的无定形碳层的质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图5为本发明另一实施例提供的半导体结构形成过程的剖面结构示意图。
请参考图2，提供衬底200。
所述衬底200的材料为单晶硅、单晶锗、锗化硅、碳化硅或砷化镓；所述衬底200还可以为绝缘体上的硅或绝缘体上的锗。
所述衬底200内还可以形成有半导体器件，其中，所述半导体器件为MOS晶体管、鳍式场效应管、电阻或电容。
所述衬底200表面还可以形成有层间介质层、多晶硅层或其他待刻蚀层，其中，所述层间介质层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
本实施例中，所述衬底200为硅衬底。
请参考图3，在所述衬底200表面形成无定形碳层201。
采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述无定形碳层201。
形成所述无定形碳层201的方法为：向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物，所述碳氢化合物在加热条件下热分解形成无定形碳层201。其中，所述碳氢化合物为乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烯(C4H8)、丁烷(C4H10)或丁二烯(C4H6)中的一种或几种；向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物时，还向反应腔室内通入惰性气体，所述惰性气体为He或Ar。
作为一个具体实施例，采用化学气相沉积工艺形成所述无定形碳层201的工艺参数为：反应气体包括碳氢化合物，其中，碳氢化合物为C2H2、C2H4或C3H6，还向反应腔室内通过惰性气体，其中，惰性气体为He或Ar，碳氢化合物流量为50sccm至500sccm，惰性气体流量为20sccm至200sccm，反应腔室温度为400度至600度，反应腔室压强为1托至50托。
通常情况下，上述碳氢化合物在液态、固态、气态的状态时在一定压力下有猛烈爆炸的危险，且上述碳氢化合物在液态、固态或气态的状态时，受热、震动、电火花等因素也很容易引发爆炸，因此上述碳氢化合物难以通过加压液化的方法贮存或运输。
当碳氢化合物溶解在有机溶剂中时，碳氢化合物不仅具有较高的溶解度，并且，溶解在有机溶剂中的碳氢化合物的爆炸危险性要小的多，因此上述碳氢化合物溶解通常溶解在有机溶剂中以进行贮存或运输。
因此本实施例中所述碳氢化合物溶解在有机溶剂中，向溶解有碳氢化合物的有机溶剂施加压强作用，以向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物。
作为一个具体实施例，所述有机溶剂为丙酮(CH3COCH3)。当需要向反应腔室内通入碳氢化合物时，对所述溶解有碳氢化合物的丙酮施加压强，碳氢化合物从有机溶剂中逸出成为气体状态进入反应腔室内，所述气体状态的碳氢化合物在加热条件下进行热分解，以形成无定形碳层201。
然而，当向溶解有碳氢化合物的丙酮施加压强，使碳氢化合物呈气体状态通入反应腔室内时，微量的有机溶剂以气体状态进入反应腔室内，即一定含量的丙酮以气体状态进入反应腔室内，导致在无定形碳层201形成后，在无定形碳层201表面存在化学残留物，所述化学残留物为丙酮或丙酮在较热条件下形成的产物。并且，由于所述化学残留物的存在，所述化学残留物会具有一定的腐蚀特性，导致对所述化学残留物附近的无定形碳层201区域造成一定的腐蚀损伤，进而使得无定形碳层201表面平坦度有待提高。
所述化学残留物易与外界环境中O2或水蒸气发生化学反应以增加体积，且具有一定腐蚀损伤的无定形碳材料也易于外界环境中的O2或水蒸气发生化学反应以增加体积，因此所述化学残留物以及受到腐蚀损伤的无定形碳材料即为无定形碳层201表面的结晶源202。若将所述具有结晶源202的无定形碳层201放置在外界环境中，在外界环境中O2或水蒸气作用下，所述结晶源202会体积增加，造成无定形碳层201表面出现结晶现象。
在其他实施例中，所述有机溶剂为乙醇(C2H5OH)或苯(C4H6)，则在向反应腔室内通入碳氢化合物的同时，一定含量的乙醇或苯以气体状态进入反应腔室内，碳氢化合物在加热条件下热分解以形成无定形碳层；而乙醇或苯在较热条件下也会进行热分解，导致在无定形碳层形成后，无定形碳层表面具有化学残留物(即结晶源)，所述化学残留物为乙醇、乙醇热分解后形成的物质、苯或苯热分解后形成的物质。
请参考图4，对所述无定形碳层201表面进行氧化处理203，氧化去除所述结晶源202(请参考图3)。
由前述分析可知，由于在将碳氢化合物通入反应腔室时，一定含量的有机溶剂也被带入反应腔室内，造成在无定形碳层201表面形成有结晶源202。若直接将所述具有结晶源202的无定形碳层201用于半导体工艺制造中，所述结晶源202在与O2或水蒸气接触发生化学反应会造成体积增加，无定形碳层201表面会出现结晶现象，进而造成无定形碳层201表面粗糙，对半导体制作工艺造成不利影响，甚至造成后续的半导体制作工艺失效。
因此本实施例对所述无定形碳层201表面进行氧化处理203，氧化去除所述结晶源202，从而避免无定形碳层201表面出现结晶现象，提高无定形碳层201表面的平坦度；同时，对无定形碳层201表面进行氧化处理203，氧化去除被有机残留腐蚀损伤的无定形碳层201材料，从而进一步提高无定形碳层201表面平坦度，进一步优化形成的无定形碳层201的质量。
由于无定形碳层201的材料为非晶态材料，无定形碳层201表面具有弱C-C键，所述弱C-C键在外界环境下容易发生化学键断裂，使得无定形碳层201表面具有较多的悬挂键(即未饱和的键)，所述悬挂键的化学活性较高，因此无定形碳层201表面具有较强的化学活性。若氧化处理203工艺的氧化性过强，容易造成对无定形碳层201过度氧化，使得无定形碳层201的厚度严重减小，因此本实施例采用具有弱氧化性的氧化处理203工艺，对无定形碳层201表面进行氧化处理203，从而氧化去除化学残留物(即，结晶源202)以及被所述化学残留物腐蚀损伤的无定形碳层201材料。
本实施例中，采用双氧水溶液对所述无定形碳层201进行氧化处理203，氧化去除所述结晶源202，其中，所述双氧水溶液为含有过氧化氢(H2O2)的去离子水溶液。
作为一种解释，氧化处理203去除结晶源202的作用机理为：双氧水溶液与结晶源202发生氧化反应，形成易溶于去离子水的氧化物，以去除所述结晶源202。
若双氧水溶液的温度过高，则双氧水溶液中的过氧化氢会从双氧水溶液中逸出，造成双氧水溶液的氧化性较差；若双氧水溶液的温度过低，则双氧水溶液的氧化性过弱，难以氧化去除所述结晶源202。若双氧水溶液中的过氧化氢含量过高，则双氧化溶液的氧化性过强，在氧化去除结晶源202的同时，容易对无定形碳层201造成不必要的氧化；若双氧水溶液中的过氧化氢含量过低，则双氧水溶液的氧化性过弱，难以氧化去除所述结晶源202。
综合上述因素考虑，本实施例双氧水溶液中，溶液温度为25度至40度，溶液中过氧化氢的质量百分比为15％至30％。
作为一个实施例，对所述无定形碳层201表面进行氧化处理203的方法为：将所述无定形碳层201浸泡在双氧水溶液中，以进行氧化处理203，氧化去除位于无定形碳层201表面的结晶源202。
作为另一实施例，对所所述无定形碳层201表面进行氧化处理203的方法为：在所述无定形碳层201表面喷洒双氧水溶液，以进行氧化处理203，氧化去除位于无定形碳层201表面的结晶源202。
在无定形碳层201表面喷洒双氧水溶液的方法，能避免无定形碳层201侧壁与双氧水溶液相接触，防止双氧水容易对无定形碳层201侧壁表面造成氧化，使无定形碳层201侧壁表面性能保持不变。
在对所述无定形碳层201表面进行氧化处理203后，还包括步骤：采用去离子水对无定形碳层201表面进行清洗处理，去除氧化处理203工艺过程中残留在无定形碳层201表面的双氧水溶液，防止残留在无定形碳层201表面的双氧水溶液对无定形碳层201造成不必要的氧化，进一步提高形成的无定形碳层201的质量。
在采用去离子水对无定形碳层201表面进行清洗处理后，还包括步骤：对所述无定形碳层201进行干燥处理，清洗处理中残留的去离子水。作为一个具体实施例，采用退火工艺进行所述干燥处理，所述退火工艺的工艺参数为：退火温度为300度至450度，退火时长为1秒至30秒，所述退火处理在He或Ar氛围下进行。
请参考图5，在所述无定形碳层201表面形成钝化层205。
所述钝化层205起到保护无定形碳层201表面的作用，防止无定形碳层201表面与外界环境直接接触，避免无定形碳层201表面受到损伤，从而使无定形碳层201保持较高的质量。
由于无定形碳层201表面具有较多的悬挂键，使得无定形碳层201表面化学活性较高，因此外界环境容易对无定形碳层201造成损伤，例如，外界环境中的氧气或水蒸气与无定形碳层201材料发生化学反应。
本实施例中，采用含硅气体轰击所述无定形碳层201表面，在无定形碳层201表面形成钝化层205，所述钝化层205的材料为碳化硅。由于钝化层205是采用含硅气体轰击无定形碳层201表面形成的，因此钝化层205与无定形碳层201间接触更紧密，进一步避免外界环境对无定形碳层201的影响，提高钝化层205保护无定形碳层201的作用。
作为一个具体实施例，采用含硅气体轰击所述无定形碳层201表面的工艺参数为：含硅气体为SiH4，SiH4气体流量为10sccm至200sccm，射频低频功率为100瓦至1500瓦，射频高频功率为100瓦至1500瓦，反应腔室压强为10毫托至50毫托，反应腔室温度为450度至600度。
本实施例中，所述钝化层205的厚度为10埃至50埃。
在其他实施例中，也可以采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述钝化层。
综上，本发明提供的半导体结构的形成方法的技术方案具有以下优点：
首先，在形成无定形碳层后，所述无定形碳层表面具有结晶源；对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源；防止所述结晶源与外界环境相接触而造成所述结晶源体积增加的现象，即避免无定形碳层表面的结晶现象，提高形成的无定形碳层表面平坦度，提高无定形碳层的质量。
其次，采用双氧水溶液对所述无定形碳层进行氧化处理，氧化去除所述结晶源，所述双氧水溶液的氧化性较弱，防止对无定形碳层表面造成过度氧化。并且，若双氧水溶液温度过低，双氧水溶液的氧化性过差，若双氧水溶液温度过高，则双氧水溶液中的过氧化氢会从溶液中逸出；若双氧水溶液中过氧化氢质量百分比过高，则双氧水溶液的氧化性过强，若双氧水溶液中过氧化氢质量百分比过低，则双氧水溶液的氧化性过弱。为此，本发明实施例中双氧水溶液温度为25度至40度，溶液中过氧化氢质量百分比为15％至30％。
再次，本发明实施例中碳氢化合物溶解在有机溶剂，向溶解有碳氢化合物的有机溶剂施加压强作用，向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物。由于碳氢化合物溶剂在有机溶剂中，大大的降低了碳氢化合物发生爆炸的危险，降低了半导体工艺操作难度。
最后，本发明实施例在无定形碳层表面形成钝化层，所述钝化层起到保护无定形碳层的作用，避免无定形碳层表面与外界环境相接触；且采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面以形成钝化层，使得无定形碳层与钝化层之间紧密接触，进一步提高钝化层保护无定形碳层的作用。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (17)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面形成无定形碳层，且所述无定形碳表面具有结晶源；
对所述无定形碳层表面进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。
2.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述无定形碳层的方法为：向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物，所述碳氢化合物在加热条件下热分解形成无定形碳层。
3.如权利要求2所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述碳氢化合物为乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烯、丁烷或丁二烯。
4.如权利要求2所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述碳氢化合物溶解在有机溶剂中，向溶解有碳氢化合物的有机溶剂施加压强作用，向反应腔室内通入气体状态的碳氢化合物，且有机溶剂以气体状态进入反应腔室内。
5.如权利要求4所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、乙醇或苯。
6.如权利要求3所述半导体结构的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述无定形碳层。
7.如权利要求6所述半导体结构的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺形成所述无定形碳层的工艺参数为：反应气体包括碳氢化合物，其中，碳氢化合物为C2H2、C2H4或C3H6，还向反应腔室内通过惰性气体，其中，惰性气体为He或Ar，碳氢化合物流量为50sccm至500sccm，惰性气体流量为20sccm至200sccm，反应腔室温度为400度至600度，反应腔室压强为1托至50托。
8.如权利要求4所述半导体结构的形成方法，其特征在于，采用双氧水溶液对所述无定形碳层进行氧化处理，氧化去除所述结晶源。
9.如权利要求8所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述双氧水溶液中，溶液温度为25度至40度，溶液中过氧化氢的质量百分比为15％至30％。
10.如权利要求8所述半导体结构的形成方法，其特征在于，将所述无定形碳层浸泡在双氧水溶液中，以进行氧化处理。
11.如权利要求8所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述无定形碳层表面喷洒双氧水溶液，以进行氧化处理。
12.如权利要求8所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述氧化处理后，还包括步骤：采用去离子水对无定形碳层表面进行清洗处理。
13.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括步骤：在所述无定形碳层表面形成钝化层。
14.如权利要求13所述半导体结构的形成方法，其特征在于，采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面，在无定形碳层表面形成钝化层。
15.如权利要求14所述半导体结构的形成方法，其特征在于，采用含硅气体轰击所述无定形碳层表面的工艺参数为：含硅气体为SiH4，SiH4气体流量为10sccm至200sccm，射频低频功率为100瓦至1500瓦，射频高频功率为100瓦至1500瓦，反应腔室压强为10毫托至50毫托，反应腔室温度为450度至600度。
16.如权利要求14所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述钝化层的材料为碳化硅。
17.如权利要求14所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为10埃至50埃。
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2014
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