CN110211879A - 半导体结构的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体结构的热处理方法，包括：离子注入步骤，对半导体结构进行离子注入，形成离子注入结构；微波退火步骤，对半导体结构进行微波退火，其中，离子注入结构由比半导体结构其他部分具有更高微波吸收性能的极性材料制得。通过以上方式，该热处理方法在加热过程中，热量几乎完全作用于半导体结构本身，热预算较低；此外，该热处理方法无需生长和去除高吸收层，解决了现有的吸收层难以去除的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工工艺领域，更详细地说，本发明涉及一种半导体结构的热处理方法。
背景技术
随着半导体器件尺寸越来越小，不仅对退火工艺中释放应力和激活元素等要求越来越高，对低热预算的要求也逐渐提高。
微波退火工艺利用了待退火材料或附加材料吸收微波并将电磁能转变为热能的机理，通过偶极子在微波电场的作用下发生振荡，通过相互摩擦产生热量进行加热，能够满足逐渐提高的低热预算需求。
现有技术中的微波退火工艺需要首先在半导体器件表面形成高吸收层，通过高吸收层对微波强吸收的特性，产生的热量对半导体器件进行退火。然而，这种晶圆表面形成高吸收层在微波加热后可能会对前道工艺层产生损伤，且高吸收层不易去除。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本发明提供了一种半导体结构的热处理方法，能够避免微波退火工艺对前道工艺层产生影响，同时无需额外生长和去除高吸收层，简化了退火工艺。
该半导体结构的热处理方法包括：离子注入步骤，对半导体结构进行离子注入，形成离子注入结构；微波退火步骤，对半导体结构进行微波退火，其中，离子注入结构由比半导体结构其他部分具有更高微波吸收性能的极性材料制得。
本发明提供的热处理方法首先通过离子注入方法，形成对微波具有较高吸收性能的离子注入结构，再以该离子注入结构为主要热源，对半导体结构整体进行热退火。通过以上方式，该热处理方法在加热过程中，热量几乎完全作用于半导体结构本身，热预算较低；此外，该热处理方法无需生长和去除高吸收层，解决了现有的吸收层难以去除的问题。
在本发明的较优技术方案中，在离子注入步骤之后，微波退火步骤之前，热处理方法还包括：器件形成步骤，在半导体结构上形成器件层。该热处理方法通过先形成离子注入结构，再形成器件结构的方式，可以有效防止离子注入步骤以及后续的微波退火步骤对器件结构造成损伤，提高所形成的器件结构的稳定性。
在本发明的较优技术方案中，在离子注入步骤中，半导体结构为硅、锗、砷化镓、绝缘体上硅、绝缘体上锗的衬底。
在本发明的较优技术方案中，热处理方法包括：提供衬底；在衬底上形成图案化的掩膜层；以掩膜层为掩膜，对衬底进行刻蚀，形成沟槽；在沟槽内形成浅沟槽隔离结构；去除掩膜层；之后，执行离子注入步骤，在离子注入步骤中，至少对位于浅沟槽隔离结构之间的衬底进行离子注入。
在本发明的较优技术方案中，热处理方法包括：提供衬底；在衬底上形成图案化的掩膜层；之后，以掩膜层为掩膜，执行离子注入步骤；在离子注入步骤之后，还包括以下步骤：去除掩膜层；采用对衬底具有选择性的刻蚀方法，去除离子注入结构之间的衬底，形成沟槽；在沟槽内形成浅沟槽隔离结构。通过离子注入配合选择性刻蚀的方法，该浅沟槽隔离结构和离子注入结构相间排列的结构仅需通过一道光刻工序即可完成，简化了生产工艺。
在本发明的较优技术方案中，浅沟槽隔离结构的材料为氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。
在本发明的较优技术方案中，在离子注入步骤中，对衬底的正面、背面或者双面进行离子注入。较为优选的，对衬底的双面进行离子注入，可以使微波退火过程中半导体结构的受热更加均匀。
在本发明的较优技术方案中，离子注入结构由碳化硅材料制得。碳化硅材料具有较高的导电性能，进而能够通过电导损耗机制，获得更高的对微波的吸收性能，提高微波退火的加热效率。
在本发明的较优技术方案中，在离子注入步骤中，离子注入的能量为2KeV-5000KeV，离子注入的深度为
离子注入步骤中的注入温度为1000℃-1200℃。在高温离子注入过程中，注入离子及衬底受热进行晶格重组，在高温活化条件下，注入离子和衬底材料元素被激活，可以在指定区域形成一层或多层极性材料。通过以上方式，可以在离子注入步骤中直接完成注入离子的激活，简化工艺。
附图说明
图1-4是本发明实施例一中热处理方法各步骤中半导体结构的结构示意图；
图5-9是本发明实施例二中热处理方法各步骤中半导体结构的结构示意图；
图10-13是本发明实施例三中热处理方法各步骤中半导体结构的结构示意图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边大致说明本发明的优选实施例。另外，本发明的实施例并不限定于下述实施例，能够采用在本发明的技术构思范围内的各种各样的实施例。
术语和注释
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在本说明书通篇中对“实施例”的提及表示结合该实施例说明的特定的特征、结构、功能或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因而，说明书中多处出现的短语“在实施例中”不一定全都指代本发明同一实施例。而且，特定的特征、结构、功能或特性可以以任意适合的方式组合到一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要两个实施例不相互排斥。
实施例一
本实施例提供了一种半导体结构1的热处理方法，该热处理方法通过在衬底100中注入离子，形成离子注入结构102，以利用该离子注入结构102对微波的高吸收特性，在后续微波退火过程中作为主要热源，对半导体结构1整体进行退火。
具体地，该半导体结构1的热处理方法包括以下步骤：
参考图1，提供衬底100。
衬底100可以是体硅或者绝缘体上硅(SOI)，也可以是锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗，本实施例中所述衬底的材料为体硅。采用体硅衬底作为衬底可以降低成本，并且与现有的平面晶体管的制作工艺兼容。衬底100具有正面100a和背面100b。
参考图2，离子注入步骤，在衬底100的正面100a和背面100b分别通过离子注入工艺，形成离子注入结构102。
本实施例中，采用高温离子注入工艺进行离子注入，在高温过程中，注入离子与衬底100受热后发生晶格重组，注入离子被激活，在离子注入结构102中与衬底材料共同形成具有高微波吸收特性的极性材料。具体地，注入离子可以是能够与衬底材料形成极性分子的任何离子，如碳离子、氮离子等，本实施例中，注入离子为碳离子，离子注入能量为2KeV-5000KeV，注入深度为注入温度为1000℃-1200℃。碳离子与衬底体硅材料共同形成的碳化硅材料具有较高的导电性能，进而能够通过电导损耗机制，获得更高的对微波的吸收性能，提高微波退火的加热效率。
在本发明的其他实施例中，离子注入步骤中，也可以采用高温离子注入工艺，仅在衬底100的正面100a或者反面100b进行离子注入，注入的深度和离子类型也可以根据实际需要进行选取，只要其能够形成具有高微波频段吸收效率的极性材料即可。
参考图3，器件形成步骤，在衬底100的正面100a形成覆盖衬底100的器件层104。
本实施例中，首先在衬底100中进行离子注入，而在完成离子注入步骤之后再形成相应的器件层104，该方式可以有效防止离子注入步骤以及微波退火步骤对器件层104造成损伤，提高器件性能。
参考图4，微波退火步骤，将半导体结构1置于微波环境中，以离子注入结构102作为热源，对半导体结构1进行退火。
由于离子注入结构102采用碳化硅材料制得，其具有比半导体结构1其他部分(包括衬底100的体硅部分，器件结构104)更高的微波吸收性能，在微波退火过程中，离子注入结构102能够较高效率地对微波进行吸收并提升温度，由于离子注入结构102嵌入地设置在半导体结构1中，能够作为热源对与其接触的半导体结构1的其他部分进行热传递，加热整体的半导体结构1。
该微波退火过程中，由于离子注入结构102为嵌入半导体结构1的一部分，加热过程中产生的热量几乎完全作用于半导体结构1本身，热预算较低；此外，该加热过程省去了现有技术中需要额外沉积的高吸收层，也就更无需在后道工序中对其进行去除，简化了生产流程。
此外，本实施例中，在离子注入步骤中，通过离子注入工艺在衬底100的正反两面均形成离子注入结构102，该具有复数块离子注入结构102的半导体结构能够在微波退火过程中受热更加均匀，提高所形成的器件的稳定性。
实施例二
本实施例提供了一种半导体结构2的热处理方法，该热处理方法通过在衬底的浅沟槽隔离结构110之间形成离子注入结构102，以利用该离子注入结构102对微波的高吸收特性，在后续微波退火过程中作为主要热源，对半导体结构2整体进行退火。
具体地，该半导体结构2的热处理方法包括以下步骤：
参考图5，提供衬底100。
衬底100可以是体硅或者绝缘体上硅(SOI)，也可以是锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗，本实施例中所述衬底的材料为体硅。衬底100具有正面100a和背面100b。
参考图6，在衬底100的正面100a形成图案化的掩膜层106，以掩膜层106为掩膜，对衬底100进行刻蚀，形成沟槽108。
本实施例中，掩膜层106为光刻胶，对衬底100的刻蚀步骤采用各向异性的干法刻蚀方法，以形成侧壁轮廓形貌良好的沟槽108。
参考图7，在沟槽108内形成浅沟槽隔离结构110。
本实施方式中，浅沟槽隔离结构110的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘介质材料，以作为不同器件结构之间的隔离结构。
本实施例中，在形成浅沟槽隔离结构110之前，还可以在沟槽108的底部和侧壁表面形成衬垫氧化层(图中未示出)，在形成浅沟槽隔离结构110之后，去除暴露处的衬垫氧化层。衬垫氧化层的形成工艺为原位蒸汽生成(In-Situ Steam Generation，ISSG)工艺。原位蒸汽生成工艺的参数包括：温度为700℃～1200℃，气体包括氢气和氧气，氧气流量为1slm～50slm，氢气流量为1slm～10slm，时间为20秒钟～10分钟。原位蒸汽生成工艺形成的衬垫氧化层具有良好的阶梯覆盖能力，而且所形成的衬垫氧化层的厚度均匀。
参考图8，在去除掩膜层106以及超出沟槽108槽口的浅沟槽隔离结构110之后，执行离子注入步骤，对半导体结构2进行离子注入，形成位于浅沟槽隔离结构110之间的离子注入结构。
具体地，对于掩膜层106以及超出沟槽108槽口的浅沟槽隔离结构110的去除可以采用平坦化工艺或者刻蚀进行。
在离子注入步骤中，至少对位于浅沟槽隔离结构110之间的衬底100进行离子注入。类似地，注入离子可以是能够与衬底材料形成极性分子的任何离子，如碳离子、氮离子等，本实施例中，注入离子为碳离子，离子注入能量为2KeV-5000KeV，注入深度为注入温度为1000℃-1200℃。
参考图9，微波退火步骤，对半导体结构2进行微波退火。
与实施例一类似地，将半导体结构2置于微波环境中，由于离子注入结构102由极性材料碳化硅制得，具有比半导体结构2其他部分更高的微波吸收性能，可以在微波退火过程中充当热源的作用，因而能够对半导体结构2整体进行加热。在本发明的其他实施例中，也可以在形成器件结构之后，再对形成的半导体结构2整体进行微波退火。
通过以上方式，本实施例的热处理方法通过图案化工艺，在衬底100的部分区域形成离子注入结构102，该热处理方法可以根据实际需要，选择离子注入结构102的设置位置，从而变化微波退火步骤中热源的位置，以优化退火过程。
实施例三
本实施例提供了一种半导体结构3的热处理方法，该热处理方法通过在衬底的浅沟槽隔离结构110之间形成离子注入结构102，以利用该离子注入结构102对微波的高吸收特性，在后续微波退火过程中作为主要热源，对半导体结构3整体进行退火。
具体地，该半导体结构3的热处理方法包括以下步骤：
参考图10，提供衬底100。
衬底100可以是体硅或者绝缘体上硅(SOI)，也可以是锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗，本实施例中所述衬底的材料为体硅。衬底100具有正面100a和背面100b。
参考图11，在衬底100上形成图案化的掩膜层106，以掩膜层106为掩膜，执行离子注入步骤，形成离子注入结构102。类似地，注入离子可以是能够与衬底材料形成极性分子的任何离子，如碳离子、氮离子等，本实施例中，注入离子为碳离子，离子注入能量为2KeV-5000KeV，注入深度为注入温度为1000℃-1200℃。
参考图12，去除掩膜层106，采用对衬底100的硅材料具有选择性的刻蚀方法，去除离子注入结构102之间的衬底100，形成沟槽108。
本实施例中，对衬底100的选择性刻蚀工艺可以采用各向异性的干法刻蚀方法，也可以选择湿法刻蚀方法。在一些实施例中，采用氢氟酸与硝酸的混合溶液对体硅衬底100进行湿法刻蚀，形成的沟槽108的深度为用于填充介电材料形成浅沟槽隔离结构110。
通过离子注入配合选择性刻蚀的方法，本实施例中浅沟槽隔离结构110和离子注入结构102相间排列的结构仅需通过一道光刻工序即可完成，简化了生产工艺。
参考图13，在沟槽108内形成浅沟槽隔离结构110，之后，执行微波退火步骤，对形成的半导体结构3进行微波退火。
浅沟槽隔离结构110的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘介质材料，本实施例中为氧化硅。
在高温离子注入工艺中已被激活的离子注入结构102采用具有较高极性的碳化硅材料制得，具有相较于衬底100的硅材质，以及相较于浅沟槽隔离结构110的氧化硅材质更高的微波吸收性能。在微波退火过程中，该离子注入结构102能够更加有效地吸收微波辐射，作为热源，对半导体结构3整体进行微波退火。
此外，本实施例的热处理方法通过图案化工艺，在衬底100的部分区域形成离子注入结构102，该热处理方法可以根据实际需要，选择离子注入结构102的设置位置，从而变化微波退火步骤中热源的位置，以优化退火过程。
至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体结构的热处理方法，其特征在于，包括：
离子注入步骤，对所述半导体结构进行离子注入，形成离子注入结构；
微波退火步骤，对所述半导体结构进行微波退火，其中，所述离子注入结构由比所述半导体结构其他部分具有更高微波吸收性能的极性材料制得。
2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，在所述离子注入步骤之后，所述微波退火步骤之前，所述热处理方法还包括：
器件形成步骤，在所述半导体结构上形成器件层。
3.如权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，在所述离子注入步骤中，所述半导体结构为硅、锗、砷化镓、绝缘体上硅、绝缘体上锗的衬底。
4.如权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成图案化的掩膜层；
以所述掩膜层为掩膜，对所述衬底进行刻蚀，形成沟槽；
在所述沟槽内形成浅沟槽隔离结构；
去除所述掩膜层；
之后，执行离子注入步骤，在所述离子注入步骤中，至少对位于所述浅沟槽隔离结构之间的所述衬底进行离子注入。
5.如权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成图案化的掩膜层；
之后，以所述掩膜层为掩膜，执行离子注入步骤；
在所述离子注入步骤之后，还包括以下步骤：
去除所述掩膜层；
采用对所述衬底具有选择性的刻蚀方法，去除所述离子注入结构之间的所述衬底，形成沟槽；
在所述沟槽内形成浅沟槽隔离结构。
6.如权利要求4或5所述的热处理方法，其特征在于，所述浅沟槽隔离结构的材料为氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。
7.如权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，在所述离子注入步骤中，对所述衬底的正面、背面或者双面进行离子注入。
8.如权利要求1-7中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述离子注入结构由碳化硅材料制得。
9.如权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，在所述离子注入步骤中，所述离子注入的能量为2KeV-5000KeV，所述离子注入的深度为
10.如权利要求1-7中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述离子注入步骤中的注入温度为1000℃-1200℃。
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| US20150053983A1 (en) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for dopant activation using pre-amorphization implantation and microwave radiation |
| US20150104933A1 (en) * | 2013-10-16 | 2015-04-16 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for annealing semiconductor device structures using microwave radiation |
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