CN114334627A - 氧化层的形成方法及半导体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种氧化层的形成方法及半导体结构，氧化层的形成方法包含以下步骤：提供基底；形成氧化薄膜结构，向反应环境中通入氢气，并通入氧气，在基底表面形成氧化薄膜结构；退火处理，向反应环境中通入补偿气体，对氧化薄膜结构进行脉冲式退火处理，以形成氧化层薄膜；重复至少两个包含上述步骤的循环，在基底表面形成叠置的至少两层氧化层薄膜，以此形成氧化层。本发明采用补偿气体进行脉冲式的退火处理，能够减少二氧化硅中存在的不稳定的Si‑H键和Si‑OH键。本发明采用多个循环交替进行氧化薄膜结构的形成和退火处理，延长了采用补偿气体的退火处理阶段，以此为半导体结构基底的表面缺陷的自愈提供了更加充分的时间和热能。

Description

氧化层的形成方法及半导体结构
技术领域
本发明涉及半导体制备工艺技术领域，尤其涉及一种氧化层的形成方法及半导体结构。
背景技术
在原位水汽生成(In-Situ Steam Generation，ISSG)工艺中，低压高温处理环境下会产生大量的气相活化自由基，该气相活化自由基主要包含氧原子、氧自由基、氢氧基团、水分子等，这些活化自由基与半导体结构的基底的硅(Si)发生氧化反应时，会有少量的Si-H键、Si-OH键生成。由于Si-H键、Si-OH键的稳定性较差，会造成氧化层(例如栅氧化膜)中产生杂质缺陷。再者，由于活化自由基的氧原子在硅与二氧化硅的界面处反应快速，使得生成的二氧化硅的一部分尚未规则排列就已经发生反应，因此容易在上述界面处形成空隙，同样给氧化层带来了缺陷。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够改善氧化层产生杂质和空隙缺陷的氧化层的形成方法。
本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种半导体结构。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供一种氧化层的形成方法；其中，包含以下步骤：
提供基底；
形成氧化薄膜结构，向反应环境中通入氢气，并通入氧气，在所述基底表面形成氧化薄膜结构；
退火处理，向反应环境中通入补偿气体，对所述氧化薄膜结构进行脉冲式退火处理，以形成氧化层薄膜；
重复至少两个包含上述步骤的循环，在所述基底表面形成叠置的至少两层所述氧化层薄膜，以此形成氧化层。
根据本发明的其中一个实施方式，在所述退火阶段，向所述反应环境中通入氧气，且所述补偿气体的惰性高于氧气。
根据本发明的其中一个实施方式，形成氧化薄膜结构时的氧气的通入，与退火处理时的氧气的通入，为连续的通入氧气的过程。
根据本发明的其中一个实施方式，在至少一个循环中，还包含以下步骤：
形成所述氧化薄膜结构后，将反应环境抽真空。
根据本发明的其中一个实施方式，在形成氧化薄膜结构的步骤中，向反应环境中通入氢气和氧气时，包含以下步骤：
向反应环境中通入氢气；
在氢气通入的过程中，向反应环境中通入氧气。
根据本发明的其中一个实施方式，在退火处理的步骤中，通入的所述氧气与所述补偿气体的含量比例为2:100～15:100。
根据本发明的其中一个实施方式，退火处理的处理时间为2s～60s；和/或，退火处理的处理温度为600℃～1200℃。
根据本发明的其中一个实施方式，在同一循环中，形成氧化薄膜结构的步骤的处理温度，与退火处理的步骤的处理温度相同。
根据本发明的其中一个实施方式，所述补偿气体包含氦气或者氮气。
根据本发明的另一个方面，提供一种半导体结构；其中，所述半导体结构的基底表面通过本发明提出的并在上述实施方式中所述的氧化层的形成方法形成有氧化层。
由上述技术方案可知，本发明提出的氧化层的形成方法及半导体结构的优点和积极效果在于：
本发明提出的氧化层的形成方法，采用补偿气体进行脉冲式的退火处理，能够减少二氧化硅中存在的不稳定的Si-H键和Si-OH键。并且，本发明采用多个循环交替进行氧化薄膜结构的形成和退火处理，延长了采用补偿气体的退火处理阶段，以此为半导体结构基底的表面缺陷的自愈提供了更加充分的时间和热能，使基底的表面和界面的缺陷明显减少，使半导体结构的产品良率大幅提升。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的氧化层的形成方法的一个步骤中的工艺示意图；
图2是经由图1示出的工艺步骤处理后的半导体结构的结构示意图；
图3是根据一示例性实施方式示出的氧化层的形成方法的另一个步骤中的工艺示意图；
图4是经由图3示出的工艺步骤处理后的半导体结构的结构示意图；
图5是根据一示例性实施方式示出的氧化层的形成方法中关于各气体通入状态的工艺时序图；
图6是根据另一示例性实施方式示出的氧化层的形成方法中关于各气体通入状态的工艺时序图；
图7是根据另一示例性实施方式示出的氧化层的形成方法中关于各气体通入状态的工艺时序图。
附图标记说明如下：
100.基底；
200.氧化薄膜结构；
201.氧化层薄膜；
210.空隙；
220.Si-H键和Si-OH键；
300.氧化层。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。
在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。
参阅图1，其代表性地示出了本发明提出的氧化层的形成方法的一个步骤中的工艺示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的氧化层的形成方法是以应用于半导体存储器件，特别是应用于内存组件装置的构造工艺为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本发明的相关设计应用于其他类型的半导体结构中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的氧化层的形成方法的原理的范围内。
配合参阅图2至图7，图2中代表性地示出了经由图1示出的工艺步骤处理后的半导体结构的结构示意图；图3中代表性地示出了另一个步骤中的工艺示意图；图4中代表性地示出了经由图3示出的工艺步骤处理后的半导体结构的结构示意图；图5至图7分别代表性地示出了在多个实施方式中，关于各气体通入状态的工艺时序图。以下将结合上述附图，对本发明提出的氧化层的形成方法的各主要步骤的工艺方法、参数、顺序进行详细说明。
如图1至图4所示，在本实施方式中，本发明提出的氧化层的形成方法，能够用以在半导体结构的基底100上形成氧化层300。其中，半导体结构的基底100可以为硅基底100，氧化层300的材质可以包含二氧化硅(SiO2)，例如半导体储存器组件的栅氧化膜。具体而言，本发明提出的氧化层的形成方法主要包含以下步骤：
提供基底100；
形成氧化薄膜结构200，向反应环境中通入氢气(H2)，并通入氧气(O2)，在基底100表面形成氧化薄膜结构200；
退火处理，向反应环境中通入补偿气体，对氧化薄膜结构200进行脉冲式退火处理，以形成氧化层薄膜201；
重复至少两个包含上述步骤的循环，在基底100表面形成叠置的至少两层氧化层薄膜201，以此形成氧化层300。
承上所述，本发明提出的氧化层的形成方法，采用补偿气体进行脉冲式的退火处理，能够减少二氧化硅中存在的不稳定的Si-H键和Si-OH键220。并且，本发明在采用多个循环交替进行氧化薄膜结构200的形成和退火处理，延长了采用补偿气体的退火处理阶段，以此为半导体结构基底100的表面缺陷的自愈提供了更加充分的时间和热能，使基底100的表面和界面的缺陷明显减少，使半导体结构的产品良率大幅提升。
需说明的是，在本实施方式中，是以氧化层的形成方法包含两个上述工艺循环为例进行说明。在其他实施方式中，氧化层的形成方法亦可包含三个或者三个以上的上述工艺循环。并且，本说明书中提及的反应环境可以理解为半导体结构放置和形成氧化层300的工艺环境，例如炉管等反应腔室。在本实施方式中，反应环境的环境条件可以例如为低压高温环境。
参阅图1所示，在本实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，是向反应环境中通入氧气和氢气，使得半导体结构的基底100表面形成少量的氧化物，从而形成一层氧化薄膜结构200。其中，上述所谓“少量”的描述，可以理解为，相较于“通入氧气和氢气一次性生成所需氧化层300”的现有工艺，本发明的上述步骤中形成的氧化物较少，即氧化薄膜结构200的厚度较薄。据此，本发明可以通过对每一个工艺循环中形成的氧化薄膜结构200的厚度进行控制，实现经多次工艺循环叠置形成所需氧化膜。
可选地，在本实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气和氢气的通入是采用同时打开的方式(如图5和图7所示)。在其他实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气和氢气的通入可以不同时打开，例如先打开氧气，间隔一预设时间后再打开氢气，又如先打开氢气，间隔一预设时间后再打开氧气(如图6所示)，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气和氢气的通入是采用同时关闭的方式(如图5和图7所示)。在其他实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气和氢气的通入可以不同时关闭，例如先关闭氧气，间隔一预设时间后再关闭氢气，又如先关闭氢气，间隔一预设时间后再关闭氧气(如图7所示)，并不以本实施方式为限。
需说明的是，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气和氢气的通入需存在重合的阶段，即，有氧气和氢气同时通入的阶段，以供氧化薄膜结构200的形成。另外，本实施方式中每一个工艺循环中各步骤的时序状态，可以配合参阅图5示出单个工艺循环中各步骤的时序状态。
可选地，在本实施方式中，对于“形成氧化薄膜结构200”的步骤而言，氧气通入时的通入流量可以大于氢气通入时的通入流量。
参阅图2所示，其代表性地示出了经过上述“形成氧化薄膜结构200”的步骤后，半导体结构的基底100的示例性结构。具体而言，在该步骤下的基底100上形成有一层氧化薄膜结构200，该氧化薄膜结构200中具有空隙210及Si-H键和Si-OH键220。
在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，在向反应环境中通入补偿气体的基础上，可以进一步通入氧气，以此能够优化对氧化薄膜结构200的退火效果，使空隙210溢出量及Si-H键和Si-OH键220的断裂几率提高，使退火形成的氧化层薄膜201的缺陷进一步减少，且在此基础上还可以减少退火处理的时间。
参阅图3所示，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，是向反应环境中通入补偿气体，并再次通入氧气，据此对形成的氧化薄膜结构200进行脉冲式退火，使得氧化薄膜结构200中的至少一部分空隙210溢出，并使得至少一部分Si-H键和Si-OH键220断裂，从而形成氧化层薄膜201。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，氧气和补偿气体的通入是采用同时打开方式(如图5和图6所示)。在其他实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，氧气和补偿气体的通入可以不同时打开，例如先打开氧气，间隔一预设时间后再打开补偿气体，又如先打开补偿气体，间隔一预设时间后再打开氧气，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，氧气和补偿气体的通入是采用同时关闭的方式(如图5和图6所示)。在其他实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，氧气和补偿气体的通入可以不同时关闭，例如先关闭氧气，间隔一预设时间后再关闭补偿气体，又如先关闭补偿气体，间隔一预设时间后再关闭氧气(如图7所示)，并不以本实施方式为限。
需说明的是，对于“退火处理”的步骤而言，氧气和补偿气体的通入需存在重合的阶段，即，有氧气和补偿气体同时通入的阶段，以供脉冲式退火的实现。另外，本实施方式中每一个工艺循环中各步骤的时序状态，可以配合参阅图5示出单个工艺循环中各步骤的时序状态。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，该步骤中通入的氧气与补偿气体的含量比例可以为2:100～15:100，例如2:100、5:100、10:100、15:100等。在其他实施方式中，退火处理的步骤中通入的氧气与补偿气体的含量比例亦可小于2:100，或可大于15:100，例如1.5:100、16:100等，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，该步骤的处理时间可以为2s～60s，例如2s、10s、25s、60s等。其中，所谓的“处理时间”可以理解为该步骤中的同时通入氧气和补偿气体的阶段。在其他实施方式中，退火处理的处理时间亦可少于2s，或可大于60s，例如1.9s、65s等，可以根据单次工艺循环所需形成的氧化层薄膜201的厚度灵活调整，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，该步骤的处理温度可以为600℃～1200℃，例如600℃、800℃、950℃、1200℃等。在其他实施方式中，退火处理的处理温度亦可低于600℃、或可高于1200℃，例如595℃、1210℃等，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，对于“退火处理”的步骤而言，补偿气体可以包含氦气(He)，其中，氦气的惰性高于氧气。在其他实施方式中，亦可采用其他的惰性高于氧气的气体作为补偿气体，例如氮气(N2)，又如其他惰性气体，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，在一个包含上述“形成氧化薄膜结构200”和“退火处理”的工艺循环中，形成氧化薄膜结构200的处理温度与退火处理的处理温度可以相同，从而进一步保证较好的热预算和较佳的温度均匀性。在其他实施方式中，形成氧化薄膜结构200的处理温度与退火处理的处理温度亦可不同，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，在一个包含上述“形成氧化薄膜结构200”和“退火处理”的工艺循环中，可以在形成氧化薄膜结构200后，将反应环境抽真空。据此，当反应环境恢复真空状态或者接近真空状态时，再向反应环境中通入补偿气体和氧气，进行退火处理。其中，基于本实施方式中反应环境为低压高温环境，低压环境能够使前一个步骤中残留的气体(氧气和氢气)，在两个步骤之间的气体切换过程中排出。在其他实施方式中，亦可利用单独的抽真空设备和工艺，对反应环境抽真空，并不以本实施方式为限。
可选地，在本实施方式中，在两个包含上述“形成氧化薄膜结构200”和“退火处理”的工艺循环中，可以在第一个工艺循环完成后，将反应环境抽真空。据此，当反应环境恢复真空状态或者接近真空状态时，再向反应环境中通入氢气和氧气，进行下一个工艺循环(形成氧化薄膜结构200的步骤)。其中，基于本实施方式中反应环境为低压高温环境，低压环境能够使前一个步骤中残留的气体(氧气和补偿气体)，在两个步骤之间的气体切换过程中排出。在其他实施方式中，亦可利用单独的抽真空设备和工艺，对反应环境抽真空，并不以本实施方式为限。
基于上述对本发明提出的氧化层的形成方法的一示例性实施方式的详细说明，以下将结合图5至图7，基于工艺时序角度，对氧化层的形成方法的其他几个示例性实施方式进行说明。其中，以下的各实施方式与本实施方式的工艺设计大致相同，下述内容是针对各实施方式的主要区别进行详细说明。
如图5所示，在该实施方式中，本发明提出的氧化层的形成方法包含五个工艺循环，即上述的形成氧化薄膜结构的步骤与退火处理的步骤交替循环五次。在此基础上，根据最终所需形成的氧化层的厚度，可以得到每一个工艺循环中所需生成的氧化薄膜结构的厚度，例如氧化层的厚度的五分之一(已各次循环生成的氧化薄膜结构的厚度均相等为例)。
可选地，如图5所示，在该实施方式中，对于一个工艺循环而言，在形成氧化薄膜结构的步骤中，是同时打开氧气和氢气，并同时关闭氧气和氢气。然后，在退火处理的步骤中，是同时打开氧气和补偿气体，并同时关闭氧气和补偿气体。
可选地，如图5所示，在该实施方式中，各工艺循环的相同步骤中固定相同气体的通入时间和通入量均相同，即，每层氧化薄膜结构的厚度大致相同。在其他实施方式中，相同步骤的相同气体，在不同的工艺循环中，亦可采用不同的通入时间、通入量，从而得到厚度不同的氧化薄膜结构。
如图6所示，在该实施方式中，在形成氧化薄膜结构的步骤中，是先向反应环境中通入氢气，并在氢气通入的过程中，再向反应环境中通入氧气。在其他实施方式中，亦可先通入氧气，再在氧气通入的过程中通入氢气，并不以此为限。
可选地，如图6所示，在该实施方式中，在形成氧化薄膜结构的步骤中，氢气与氧气同时关闭。在其他实施方式中，亦可先关闭氢气，或可先关闭氧气，并不以此为限。
如图7所示，在该实施方式中，在一个工艺循环中，参与氧化薄膜结构形成的氧气，和参与退火处理的氧气，可以采用一个连续的通入过程。在此基础上，一个工艺循环的时序状态大致包含：开启氢气和氧气→关闭氢气→开启补偿气体→关闭氧气和补偿气体。
可选地，如图7所示，在该实施方式中，在形成氧化薄膜结构的步骤中，氢气与氧气同时开启。在其他实施方式中，氢气亦可先于氧气开启，氧气亦可先于氢气开启，并不以此为限。
可选地，如图7所示，在该实施方式中，在退火处理的步骤中，氧气可以与补偿气体同时关闭。在其他实施方式中，补偿气体可以先于氧气关闭，并不以此为限。
需说明的是，在上述关于图5至图7的详细说明中，各附图的横轴“t”表示时序状态中的时间，纵轴“O2”、“H2”、“He”分别表示氧气的通入量、氢气的通入量、氦气(补偿气体以氦气为例)的通入量，且纵轴为零即表示该气体关闭。其中，各气体的时序状态仅为示例性地，其时序图形在横轴上的长度和在纵轴上的高度，仅示例性地表达了该实施方式中，该种气体在某一步骤时的开启或者关闭、通入流量的相对大小，通入时间的相对长短。图5至图7旨在表示几种实施方式中不同的工艺顺序，并非对具体的步骤及气体的通入的时间和流量进行显示和限制，特此说明。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的氧化层的形成方法仅仅是能够采用本发明原理的许多种工艺中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的氧化层的形成方法的任何细节或任何步骤。
基于上述对本发明提出的氧化层的形成方法的几个示例性实施方式的详细说明，以下将对本发明提出的半导体结构的一示例性实施方式进行说明。
在本实施方式中，本发明提出的半导体结构包含基底，基底表面形成有氧化层。其中，该氧化层是通过本发明提出的并在上述实施方式中详细说明的氧化层的形成方法形成。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的半导体结构仅仅是能够采用本发明原理的许多种半导体结构中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的半导体结构的任何细节或任何结构。
综上所述，本发明提出的氧化层的形成方法，采用补偿气体进行脉冲式的退火处理，能够减少二氧化硅中存在的不稳定的Si-H键和Si-OH键。并且，本发明采用多个循环交替进行氧化薄膜结构的形成和退火处理，延长了采用补偿气体的退火处理阶段，以此为半导体结构基底的表面缺陷的自愈提供了更加充分的时间和热能，使基底的表面和界面的缺陷明显减少，使半导体结构的产品良率大幅提升。
以上详细地描述和/或图示了本发明提出的氧化层的形成方法及半导体结构的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的氧化层的形成方法及半导体结构进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种氧化层的形成方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供基底；
形成氧化薄膜结构，向反应环境中通入氢气，并通入氧气，在所述基底表面形成氧化薄膜结构；
退火处理，向反应环境中通入补偿气体，对所述氧化薄膜结构进行脉冲式退火处理，以形成氧化层薄膜；
重复至少两个包含上述步骤的循环，在所述基底表面形成叠置的至少两层所述氧化层薄膜，以此形成氧化层。
2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述退火阶段，向所述反应环境中通入氧气，且所述补偿气体的惰性高于氧气。
3.根据权利要求2所述的氧化层的形成方法，其特征在于，形成氧化薄膜结构时的氧气的通入，与退火处理时的氧气的通入，为连续的通入氧气的过程。
4.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，在至少一个循环中，还包含以下步骤：
形成所述氧化薄膜结构后，将反应环境抽真空。
5.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，在形成氧化薄膜结构的步骤中，向反应环境中通入氢气和氧气时，包含以下步骤：
向反应环境中通入氢气；
在氢气通入的过程中，向反应环境中通入氧气。
6.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，在退火处理的步骤中，通入的所述氧气与所述补偿气体的含量比例为2:100～15:100。
7.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，退火处理的处理时间为2s～60s；和/或，退火处理的处理温度为600℃～1200℃。
8.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，在同一循环中，形成氧化薄膜结构的步骤的处理温度，与退火处理的步骤的处理温度相同。
9.根据权利要求1所述的氧化层的形成方法，其特征在于，所述补偿气体包含氦气或者氮气。
10.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构的基底表面通过权利要求1～9任一项所述的氧化层的形成方法形成有氧化层。
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