CN110867384B

CN110867384B - 一种半导体结构制造方法

Info

Publication number: CN110867384B
Application number: CN201810980356.4A
Authority: CN
Inventors: 张玉贵; 方建智; 彭康钧; 李建财
Original assignee: Nexchip Semiconductor Corp
Current assignee: Nexchip Semiconductor Corp
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: CN110867384A

Abstract

本发明提供一种半导体结构制造方法，涉及半导体技术领域。该方法提供一种半导体堆叠结构，所述半导体堆叠结构包括基底以及依次堆叠在所述基底上的过渡层、金属层和捕获层，在所述半导体堆叠结构在进行热处理并形成半导体结构时，过渡层能够在形成半导体结构的过程中提供硅补偿，避免出现金属层与基底反应速度过快以及形成的半导体结构空洞、表面不平整以及粗糙度较大等问题，降低了半导体结构的表面电阻，提高了制程工艺的稳定性以及良品率。

Description

一种半导体结构制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种半导体结构制造方法。

背景技术

在半导体元件制造过程中，接触窗(Contact window)或孔洞需要与局部线路连接，通常选用具有较低接触电阻的金属硅化物。

现有技术中，通过对薄膜半导体堆叠结构进行热处理形成金属硅化物。金属与基底反应形成金属硅化物的过程中，基底将被大量消耗，进而将会造成金属硅化物中出现大量的空洞(hole)，而且金属硅化物的表面不平整以及粗糙度较大，所述空洞及缺陷的数量及大小决定制成稳定性与产品的良品率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体结构制造方法，用于解决现有技术中金属硅化物工艺质量较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体结构制造方法，包括：

提供一基底，在所述基底上形成一过渡层；

形成一金属层于所述过渡层上；

形成一捕获层于所述金属层上，以形成一半导体堆叠结构；

对所述半导体堆叠结构进行第一退火；

在进行所述第一退火步骤后，对所述半导体堆叠结构进行清洗；以及

在进行所述清洗步骤后，对所述半导体堆叠结构进行第二退火，以形成半导体结构。

可选的，所述基底为硅。

可选的，在形成所述过渡层之前，提供第二清洗液，对所述基底表面的原生氧化层进行清洗。

可选的，堆叠二氧化硅于所述基底上并形成所述过渡层。

可选的，所述过渡层的厚度为

至

可选的，所述金属层为钴。

可选的，所述金属层的厚度为

至

可选的，所述金属层为钛和/或氮化钛。

可选的，所述捕获层的厚度为

至

可选的，第一退火的温度为380度至510度。

可选的，第二退火的温度为680度至890度。

可选的，在进行所述第一退火时，所述金属层与所述过渡层反应并形成硅化亚钴。

可选的，在进行所述第二退火时，所述硅化亚钴进一步形成硅化钴。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的半导体结构制造方法流程示意图。

图2显示为基底结构示意图。

图3显示为过渡层结构示意图。

图4显示为金属层结构示意图。

图5显示为半导体堆叠结构示意图。

图6显示为第一退火后半导体堆叠结构示意图。

图7显示为第一清洗液清洗后的半导体堆叠结构示意图。

图8显示为第二退火后形成的半导体结构示意图。

图9显示为金属硅化物空洞结构示意图。

图10显示为本发明实施例第一退火过程中离子运动示意图。

图11显示为本发明实施例第一退火过程中例子运动示意图。

图12显示为半导体结构的电镜示意图。

零件标号说明

1 基底

2 过渡层

3 金属层

4 捕获层

5 硅化亚钴层

6 杂质层

7 硅化钴层

8 空洞

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

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。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的实施例中，请参阅图1至图8，本发明提供了一种半导体结构制造方法，包括：

S1：提供一基底1；

S2：在所述基底上形成一过渡层2；

S3：形成一金属层3于所述过渡层2上；

S4：形成一捕获层4于所述金属层3上，形成半导体堆叠结构；

S5～S7：对半导体堆叠结构进行热处理，以形成半导体结构。

作为示例，所述半导体结构为形成金属硅化物，所述金属硅化物可包括硅化钛(TiSi₂)、硅化钴(CoSi₂)、硅化镍(NiSi)、硅化钽(TaSi₂)、硅化钨(WSi₂)等金属硅化物，相应地，所述金属层3包括钛(Ti)、钴(Co)、镍(Ni)、钽(Ta)、钨(W)等金属。作为示例，在本实施例中，金属层3的构成材料例如选用钴。

基底1可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、蓝宝石、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)或绝缘体上锗(GeOI)等。作为示例，在本实施例中，基底1的构成材料选用硅，示例性地，基底1的构成材料选用例如单晶硅。

请参阅图9，由于薄膜堆叠结构在热处理形成金属硅化物的过程中，基底1中的材料大量地消耗，即金属层3中的金属离子与基底1中硅离子进行反应形成金属硅化物的过程中，金属层3与基底1消耗数量比约为1：3至1：4，详细地，例如约为1：3.6。因此基底1的消耗速度较快，从而金属硅化物的表面的金属离子与硅离子反应速率不均衡，产生大量的空洞8(hole)，而且导致金属硅化物表面不平整、粗糙度较大且表面电阻较高，出现制程工艺不稳定性增高且良品率下降的问题。而且在制程过程中，硅基底1表面对有氧偏压的环境非常敏感，常温常压下就会在基底1表面生长一层薄的氧化层(SiO₂)，所述氧化层以及基底1的表面清洁度无法保证，对后续的制程工序造成不利影响。为此需要在基底1上形成一过渡层2，过渡层2不仅可以在半导体堆叠结构的热处理过程中分解出硅离子，分解出的硅离子可以对基底1的硅离子反应损失提供硅补偿，防止基底1与金属层3反应形成的半导体结构产生空洞以及金属硅化物表面不平整、粗糙度较大；而且过渡层2堆叠在基底1上有效地保障基底1的表面清洁度。

示例性地，在形成过渡层2的过程中，首先对提供的基底1进行清洗，达到保持基底1表面清洁度的目的，具体的，采用湿式清洗并提供第二清洗液对基底1进行清洗，第二清洗液至少包括BOE/BHF(氢氟酸及氟化铵的水溶液/NH₄F、HF及H₂O)和DHF(氢氟酸的水溶液/HF及H₂O)中的一种，通过控制第二清洗液的使用剂量以及清洗时间，将基底1表面的原生氧化层厚度控制在例如

至

例如

或

为了防止进行清洗后的基底1发生再次氧化，造成的氧化层厚度不便控制以及基底1的表面清洁度较低，可完成基底1清洗并形成过渡层2后的8小时内，进行金属层3的堆叠，并将金属层3堆叠在过渡层2上。堆叠金属层3的方法可采用物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)或者溅射形成金属层3，示例性地，本实施例通过PVD沉积一层厚度为

至

的钴，例如

具体地，钴很容易与氧发生反应并形成氧化亚钴(CoO)，由于氧化亚钴在清洗过程中很难被清洗掉，进而会在金属硅化物的制程中形成缺陷(defect)，而且如果氧化亚钴形成在金属硅化物的表面，将会形成核点或者阻障层，将会较大程度地影响硅化钴(CoSi₂)形成，例如会造成CoSi₂/Si界面晶面优取方向杂乱，例如CoSi₂(111)，CoSi₂(100)，CoSi₂(222)等多晶面混合生长，从而界面不够平整、漏电流异常增高以及元件性能不良。为此，在金属层3上堆叠一用于捕获氧的捕获层4，捕获层4包括钛和/或氮化钛。本实施例中，捕获层4选用钛。捕获层4可以防止环境中的氧对金属层3造成的氧化，又可以捕获过渡层2中二氧化硅受热分解出的氧，而且捕获层4对金属层3具有良好的附着力，在半导体堆叠结构进行热处理过程中，防止金属钴扩散过快导致硅化钴不均匀成核及界面不平整的现象。堆叠捕获层4的方法可采用物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)或者溅射形成捕获层4，示例性地，本实施例通过PVD沉积一层厚度例如为

至

的钛，例如

或者

示例性地，本实施例形成的半导体堆叠结构包括基底1以及依次堆叠在基底1上的过渡层2、金属层3和捕获层4，所述基底1可以为硅，所述过渡层2可以为二氧化硅，所述金属层可以为钴，所述捕获层4可以为钛或者氮化钛。

在另一实施例中，示例性地，本实施例提供了一种形成过渡层2的方案，由于基底1表面自然生长一层原生氧化层，由于此氧化层为二氧化硅，可直接沉积二氧化硅作为过渡层2，沉积过渡层2的方法包括物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)、热氧化、溶胶凝胶或者液相沉积，本实施例通过PVD在所述基底1表面堆叠过渡层2，并控制所述过渡层中的二氧化硅以及基底中的二氧化硅总厚度例如为

至

又例如

至

或

形成的过渡层2不仅起到防止基底1污染的目的，而且能够在金属硅化物的形成过程中提供硅离子补偿，防止形成的半导体结构出现空洞、不平整及粗糙度较大等问题。

进一步地，在形成的过渡层2上依次堆叠金属层3及捕获层4，进而形成所述半导体堆叠结构。

请参阅图5至图8，本实施例提供一种半导体结构的制造方法，包括：

提供半导体堆叠结构，所述半导体堆叠结构包括基底以及依次堆叠在基底上的过渡层、金属层和捕获层；

对所述半导体堆叠结构进行第一退火；

提供第一清洗液，并对第一退火步骤后的所述半导体堆叠结构进行清洗；

对进行清洗后的所述半导体堆叠结构进行第二退火，以形成半导体结构。

在又一实施例中，请参阅图5至图8，作为示例，提供的半导体堆叠结构为进行热处理的薄膜堆叠结构，所述半导体堆叠结构包括基底1以及依次堆叠在基底1上的过渡层2、金属层3和捕获层4。在本实施例中，所述基底1为硅，所述过渡层2为二氧化硅，所述金属层3为钴，所述捕获层4为钛。

请参阅图5、图6和图10，对所述半导体堆叠结构进行第一退火，所述第一退火采用例如快速退火工艺(RTP/Rapid Thermal Processing)，第一退火的温度为380度至510度，例如490度至495度，处理时间为20秒至40秒，例如25秒至35秒。在第一退火过程中，基底1提供硅离子，过渡层2中的二氧化硅分解并提供硅离子和氧离子，金属层3提供钴离子，捕获层4提供钛离子，其中，氧离子朝向靠近捕获层4的方向扩散，钛离子朝向靠近过渡层2的方向扩散，钛离子以及捕获层4能够捕获氧离子并形成钛氧化合物，钴离子与硅离子结合形成硅化亚钴；

请参阅图6和图7，提供第一清洗液对半导体堆叠结构进行清洗，清洗附着在其表面的杂质层6(主要为钛氧化合物)以及未完全反应的捕获层、金属层以及过渡层，所述清洗液包括SC-1(氢氧化铵、过氧化氢及去离子水的混合溶液)和/或SC-2(盐酸、过氧化氢及去离子水的混合溶液)，例如SC-1和SC-2的混酸溶液，完成清洗后形成洁净的硅化亚钴层5。

请参阅图7和图8，对半导体堆叠结构进行第二退火，所述第二退火采用例如快速退火工艺(RTP/Rapid Thermal Processing)，第二退火的温度为680度至890度，处理时间为20秒至40秒，例如25秒至35秒。在第二退火过程中，硅化亚钴层5形成为硅化钴层7，硅化钴层7的厚度为

至

例如

请参阅图12，图12为在50纳米视窗下的半导体结构的电镜图，由图可知：硅化钴(CoSi₂)无空洞产生、表面平整且粗糙度较低。

上述的第一退火和第二退火可选取在不活泼气体环境下进行，例如惰性气体或者氮气。示例性地，本实施例第一退火和第二退火的环境条件可选取为氮气环境。

在又一实施例中，请参阅图5至图8，作为示例，提供的半导体堆叠结构为进行热处理的薄膜堆叠结构，所述半导体堆叠结构包括基底1以及依次堆叠在基底1上的过渡层2、金属层3和捕获层4。在本实施例中，所述基底1为硅，所述过渡层2为二氧化硅，所述金属层3为钴，捕获层4为掺杂氮化钛(TiN)的金属钛，氮原子占捕获层4中原子数量比例可以为0至10％，又例如0至5％。捕获层4可选取掺杂氮化钛的金属钛，一方面可避免金属钛在进行热处理时被氮化，影响捕获层4吸收氧，另一方面氮化钛对金属钴具有良好的附着性，而且少量掺杂氮化钛可避免氮原子扩散形成氮氧化物。

请参阅图5、图6和图11，对所述半导体堆叠结构进行第一退火，所述第一退火采用例如快速退火工艺(RTP/Rapid Thermal Processing)，第一退火的温度为380度至510度，例如490度至495度，处理时间例如20秒至40秒，又例如25秒至35秒。在第一退火过程中，基底1提供的硅离子，过渡层2中的二氧化硅分解并提供硅离子和氧离子，金属层3提供钴离子，捕获层4提供钛离子，其中，氧离子朝向靠近捕获层4的方向扩散，钛离子朝向靠近过渡层2的方向扩散，钛离子以及捕获层4能够捕获氧离子并形成钛氧化合物，钴离子与硅离子结合形成硅化亚钴；

请参阅图6和图7，提供第一清洗液对半导体结构进行清洗，清洗附着在其表面的杂质层6(主要为钛氧化合物)以及未完全反应的捕获层、金属层以及过渡层，所述清洗液包括SC-1(氢氧化铵、过氧化氢及去离子水的混合溶液)和/或SC-2(盐酸、过氧化氢及去离子水的混合溶液)，例如SC-1和SC-2的混酸溶液，完成清洗后形成洁净的氧化亚钴层5。

至

例如

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种半导体结构制造方法，其特征在于，包括：

提供一基底，在所述基底上形成一过渡层，所述过渡层的厚度为20Å至40Å；

形成一金属层于所述过渡层上，所述金属层的厚度为50Å至60Å；

形成一捕获层于所述金属层上，以形成一半导体堆叠结构，所述捕获层的厚度大于所述过渡层的厚度和所述金属层的厚度，所述捕获层包括掺杂氮原子的金属钛，所述氮原子占捕获层中原子数量比例为0至10％，所述捕获层的厚度为200Å至300Å；

对所述半导体堆叠结构进行第一退火；

在进行第一退火步骤后，提供第一清洗液对所述半导体堆叠结构进行清洗；以及

在进行清洗步骤后，对所述半导体堆叠结构进行第二退火，以形成半导体结构。

2.根据权利要求1所述的半导体结构制造方法，其特征在于：所述基底为硅。

3.根据权利要求2所述的半导体结构制造方法，其特征在于：在形成所述过渡层之前，提供第二清洗液，对所述基底表面的原生氧化层进行清洗。

4.根据权利要求2所述的半导体结构制造方法，其特征在于：堆叠二氧化硅于所述基底上并形成所述过渡层。

5.根据权利要求4所述的半导体结构制造方法，其特征在于：所述金属层为钴。

6.根据权利要求1所述的半导体结构制造方法，其特征在于：所述第一退火的温度为380度至510度。

7.根据权利要求1所述的半导体结构制造方法，其特征在于：所述第二退火的温度为680度至890度。

8.根据权利要求5所述的半导体结构制造方法，其特征在于：在所述第一退火的过程中，所述基底提供硅离子，所述过渡层中的所述二氧化硅分解并提供硅离子和氧离子，所述金属层提供钴离子，所述捕获层提供钛离子，其中，所述氧离子朝向靠近所述捕获层的方向扩散，所述钛离子朝向靠近所述过渡层的方向扩散，所述钛离子以及所述捕获层捕获所述氧离子并形成钛氧化合物，所述钴离子与所述硅离子结合形成硅化亚钴层。

9.根据权利要求8所述的半导体结构制造方法，其特征在于：在所述第二退火过程中，所述硅化亚钴层形成为硅化钴层。