CN103035479B - 一种半导体结构形成方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体结构形成方法包括：提供衬底，所述衬底正面形成有半导体结构；采用酸性溶液清洗所述衬底背面的含金属离子或原子的残留；清洗后，对所述衬底的背面进行氧化处理，修复酸洗造成的缺陷。本发明在采用酸性溶液清洗所述衬底背面之后，对所述衬底背面进行氧化处理，所述氧化处理可以修复衬底背面的缺陷，比如将衬底背面的硅-硅断键氧化，形成硅-氧键。因为衬底背面的缺陷被修复，所以衬底背面不容易吸附环境中的颗粒物质，从而避免了在后续工艺中，将所述衬底背面的颗粒物质吹拂到衬底正面的半导体结构表面。

Description

一种半导体结构形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种半导体结构形成方法。

背景技术

金属-氧化物-半导体晶体管(MOS晶体管)是构成集成电路尤其是超大规模集成电路的主要器件之一。自MOS晶体管发明以来，其几何尺寸按照摩尔定律一直在不断缩小，目前其特征尺寸已发展进入深亚微米以下。在此尺度下，器件的几何尺寸按比例缩小变得越来越困难。另外，在MOS晶体管器件及其电路制造领域，最具挑战性的是传统CMOS工艺在器件按比例缩小过程中，由于多晶硅或者二氧化硅栅介质层高度减小所带来的从栅极向衬底的漏电流问题。

为解决上述漏电问题，目前MOS晶体管工艺中，采用高K栅介质材料代替传统的二氧化硅栅介质，并使用金属作为栅电极，两者配合使用以避免栅极损耗以及硼渗透所导致的漏电流问题。

另外，在公开号为CN101438389A的中国专利申请提供一种具有金属栅极的半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底正面形成有替代栅结构、以及与所述替代栅结构齐平的层间介质层；除去所述替代栅结构后形成开口；并在所述开口内的衬底表面依次形成高k介质层和填充满所述开口的金属层。所述高k介质层和金属层构成金属栅。但是在形成高k介质层和金属层的时候，会同时在衬底的背面的边缘处形成高k介质层和金属层。为了去除位于衬底背面的高k介质层和金属层，需要在形成高k介质层和金属层之后，先采用酸性溶液清洗衬底背面；再进行后续工艺。对于在晶片背部的清洗方法，在公开号为US2010/0313915A1的专利中有所披露。

但是在实际工艺中发现，在采用酸性溶液清洗衬底背面之后，在后续工艺中容易在位于衬底上的半导体结构表面形成大量颗粒，从而影响所形成的半导体结构的性质。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体结构形成方法，以解决现有技术在采用酸性溶液清洗衬底背面之后，容易在后续工艺中在位于衬底正面的半导体结构的表面形成大量颗粒，从而影响所形成的半导体结构的性质的问题。

为解决上述问题，本发明的实施例提供一种半导体结构形成方法，包括：提供衬底，所述衬底正面形成有半导体结构；采用酸性溶液清洗所述衬底背面的含金属离子或原子的残留；清洗后，对所述衬底的背面进行氧化处理，修复酸洗造成的缺陷。

可选地，所述氧化处理的氧化剂为双氧水或者臭氧的水溶液。

可选地，所述氧化处理在室温下进行。

可选地，所述半导体结构包括位于衬底表面的高k介质层和/或金属层。

可选地，所述酸性溶液为氢氟酸和硝酸的混合溶液。

可选地，清洗所述衬底的背面与氧化处理所述衬底的背面在同一机台内进行。

可选地，清洗所述衬底的背面与氧化处理所述衬底的背面不同机台内进行。

可选地，在氧化处理之前，先在进行氧化处理的机台里，采用氢氟酸对所述衬底的背面进行清洗。

可选地，所述氢氟酸的质量浓度为40％-50％。

可选地，，所述硝酸的质量浓度是40％-50％。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

在采用酸性溶液清洗所述衬底的背面之后，对所述衬底的背面进行氧化处理，所述氧化处理可以修复酸性溶液清洗过程中在衬底背面造成的腐蚀性缺陷，比如将衬底背面的硅-硅断键氧化，形成硅-氧键。因为衬底背面的缺陷被修复，所以衬底背面不容易吸附环境中的颗粒物质，从而避免了在后续工艺中，将所述衬底背面的颗粒物质吹拂到衬底正面的半导体结构表面；

进一步，当对衬底背面的清洗处理和对衬底的氧化处理不在同一机台内进行的时候；在把衬底从进行清洗处理所使用的机台转移到氧化处理所使用的机台的过程中，衬底背面可能会吸附颗粒物质。为此，本发明的实施例在对衬底背面进行氧化处理之前，先在同一机台采用氢氟酸对衬底背面进行清洗，去除吸附在衬底背面的颗粒物质。

附图说明

图1是炉管工艺前、后，衬底正面的颗粒分布情况示意图；

图2是本发明的实施例所提供的半导体结构形成方法的流程示意图；

图3和图4是本发明的实施例所提供的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，现有工艺在形成高k介质层和金属层之后，先采用酸性溶液清洗衬底背面，以去除位于衬底背面的金属层；再进行后续工艺形成半导体结构。但是后续工艺中，会在半导体结构表面形成大量颗粒物质，从而影响所形成的半导体结构的性质。

为此，发明人选取了编号为001、002、003的三个样品，所述三个样品正面形成有金属栅极，并在形成金属栅极后采用酸性溶液清洗了衬底背面；清洗之后，采用炉管工艺在形成有金属栅极的衬底正面形成一层薄膜。发明人比较了炉管工艺前、后衬底正面(此处，衬底包括形成在衬底正面的半导体结构)的颗粒分布情况。请参考图1，图1中001a、002a、003a分别指的是编号为001、002、003的三个样品在炉管工艺前，样品表面颗粒10分布情况；001b、002b、003b分别指的是编号为001、002、003的三个样品在炉管工艺后，所形成的样品表面颗粒10分布情况。由图1可以看出在炉管工艺后，样品表面的颗粒数发生大幅度增加。

发明人针对上述现象进行分析，认为炉管工艺后，样品表面颗粒数增加的原因是：在采用酸性溶液清洗衬底背面的时候，酸性溶液对衬底背面造成腐蚀，在衬底背面形成大量的缺陷，比如硅-硅断键；这些缺陷使得衬底背面很容易吸附一些环境中的颗粒物质，比如空气中的灰尘。在后续的炉管工艺中，炉管中会有工艺气体，工艺气体流动的过程中会将衬底背面所吸附的颗粒物质吹拂到衬底的正面。

发明人经过进一步的研究，在本发明的实施例中，提供一种半导体结构形成方法。

为了进一步阐明本发明的精神和实质，下文中结合附图和实施例对本发明进行详细阐述。

图2为本发明的实施例所提供的半导体结构形成方法的流程示意图，包括：

步骤S101，提供衬底，所述衬底正面形成有半导体结构；

步骤S102，采用酸性溶液清洗所述衬底背面的含金属离子或原子的残留；

步骤S103，清洗后，对所述衬底的背面进行氧化处理，修复酸洗造成的缺陷。

图3和图4是本发明的实施例所提供的半导体结构形成过程的剖面结构示意图。

参考图3，提供衬底100，所述衬底100正面形成有半导体结构，所述半导体结构包括金属栅110。

所述衬底100为硅衬底。

本实施例中，所述金属栅110的形成步骤包括：

在所述衬底100正面形成替代栅结构、以及与所述替代栅结构齐平的层间介质层120；

除去所述替代栅结构后形成开口，所述开口暴露衬底100的表面；

采用原子层沉积工艺(ALD工艺)在所述开口底部或底部与侧壁形成栅介质层110a，所述栅介质层110a的材料是高k材料；

采用ALD工艺在所述高k材料表面形成填充满所述开口的金属层110b，金属层110b和栅介质层110a构成金属栅。在形成所述高k介质层110a和金属层110b的工艺中，会有一部分原子沉积在衬底100背面的边缘处，即在背面边缘位置形成高k介质层130a和金属层130b，所述高k介质层130a的材料为金属氧化物，含有金属离子；所述金属层130b含有金属原子。

参考图4，采用酸性溶液清洗所述衬底100的背面，去除衬底100背面的含金属离子或原子的残留，即去除位于所述衬底100的背面的高k介质层和金属层(参考图3)。

所述清洗过程包括：将衬底正面朝下置于支撑台上，衬底背面朝向喷洒装置；在清洗过程中，喷洒装置向衬底背面喷洒酸性溶液和去离子水；所述酸性溶液可以溶解形成在衬底背面的高k介质层和金属层，形成溶液；去离子水将所形成的溶液从衬底背面冲洗掉。因为清洗衬底背部的装置和方法已为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

本实施例中，清洗所采用的溶液是氢氟酸和硝酸的混合溶液。其中氢氟酸的质量浓度是40％-50％，硝酸的质量浓度是40％-50％。

为了保证形成在衬底100的背面的高k介质层和金属层被完全去除，清洗的时间会稍微长一点，从而所采用的清洗溶液会对衬底100的背面形成一定程度的腐蚀，在衬底100的背面形成缺陷，比如形成硅-硅断键。因为硅-硅断键是吸水键，容易吸附颗粒物质，所以在将衬底100从清洗机台转移到后续工艺所使用的机台的过程中，以及转移到后续工艺所使用的机台之后，衬底100背面的缺陷会吸附环境中的一些颗粒，例如一些灰尘。这些灰尘会在后续工艺中被工艺气体吹拂到衬底正面，对后续所形成的半导体器件的性质产生不利的影响。为了解决这一问题，必须修复所述衬底100背面的缺陷。

所以，在所述清洗后，对所述衬底进行氧化处理，修复衬底背面的缺陷。比如通过氧化反应使衬底背面的硅-硅断键转变为硅-氧饱和键，硅-氧饱和键是斥水键，不容易吸附其他物质。

所述氧化处理在室温下进行。

所述氧化处理的氧化剂可以采用双氧水，或者臭氧的水溶液。为了提高氧化处理的效率，可以采用臭氧饱和水溶液或饱和双氧水。

在一个实施例中，所述氧化处理与前述清洗处理在同一机台中进行。在此种情况下，衬底的背面在清洗过程中所产生的硅-硅断键在随后的氧化处理中，直接被双氧水或者臭氧水溶液氧化，不会吸附颗粒物质，氧化处理后衬底的背面是洁净的可以直接进行后续工艺。

在另外一个实施例中，所述氧化处理与前述清洗处理在不同机台中进行。在此种情况下，衬底的背面在清洗过程中会产生缺陷。在后续衬底从清洗所使用的机台转移到氧化处理所使用的机台的过程中，所述缺陷会吸附一些颗粒，所以在转移到氧化处理所使用的机台之后，先采用氢氟酸清洗所述衬底的背面，去除背面所吸附的颗粒；然后采用双氧水或者臭氧的水溶液对衬底的背面进行氧化处理。

在所述氧化处理之后，衬底背面的缺陷被修复，不容易吸附颗粒，可以进行后续工艺。

在本发明的其他实施例中，还可以在形成高k介质层和金属层之后，分别对衬底的背面进行清洗处理和氧化处理。

综上，本发明的实施例在采用酸性溶液清洗所述衬底的背面之后，对所述衬底的背面进行氧化处理，所述氧化处理可以修复酸性清洗过程中在衬底背面造成的腐蚀性缺陷，比如将衬底背面的硅-硅断键氧化，形成硅-氧键。因为衬底背面的缺陷被修复，所以衬底背面不容易吸附环境中的颗粒物质，从而避免了在后续工艺中，将所述衬底背面的颗粒物质吹拂到衬底正面的半导体结构表面；

进一步，当对衬底背面的清洗处理和对衬底背面的氧化处理不在同一机台内进行的时候，在把衬底从进行清洗处理所使用的机台转移到氧化处理所使用的机台的过程中，衬底背面可能会吸附颗粒物质。为此，本发明的实施例在对衬底背面进行氧化处理之前，先在同一机台采用氢氟酸对衬底背面进行清洗，去除吸附在衬底背面的颗粒物质。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体结构形成方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底正面形成有半导体结构；采用酸性溶液清洗所述衬底背面的含金属离子或原子的残留，在衬底的背面形成易吸附颗粒物质的吸水键硅-硅断键；清洗后，对所述衬底的背面进行氧化处理，使衬底背面的吸水键硅-硅断键转变为斥水键硅-氧饱和键，修复酸洗造成的缺陷。

2.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述氧化处理的氧化剂为双氧水或者臭氧的水溶液。

3.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述氧化处理在室温下进行。

4.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述半导体结构包括位于衬底表面的高k介质层和/或金属层。

5.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述酸性溶液为氢氟酸和硝酸的混合溶液。

6.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，清洗所述衬底的背面与氧化处理所述衬底的背面在同一机台内进行。

7.依据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，清洗所述衬底的背面与氧化处理所述衬底的背面在不同机台内进行。

8.依据权利要求7所述的半导体结构形成方法，其特征在于，在氧化处理之前，先在进行氧化处理的机台里，采用氢氟酸对所述衬底的背面进行清洗。

9.依据权利要求5所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述氢氟酸的质量浓度为40％-50％。

10.依据权利要求5所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述硝酸的质量浓度是40％-50％。