CN108565219A - 半导体结构形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成栅氧化层；在所述栅氧化层内注入掺杂元素，所述掺杂元素适于提高所述栅氧化层的介电系数；注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理。本发明可修复所述栅氧化层内的悬空键，有助于提高所述掺杂元素的稳定性；另外本发明不仅可以在栅氧化层表面形成非晶化层以有效减少栅氧化层内靠近表面的掺杂元素的挥发，同时还可以显著减少栅氧化层内的掺杂元素朝栅氧化层与基底间的界面扩散，有利于提高半导体结构的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构形成方法。
背景技术
栅氧化层用于做栅极和沟道间的介质，随着半导体结构的尺寸的不断缩小，栅氧化层的厚度变得越来越薄，栅氧化层厚度变薄的趋势也给半导体结构制造带来一系列技术挑战。例如，过薄的栅氧化层会导致半导体结构的漏电流增加，造成半导体结构功耗大；另外，过薄的栅氧化层还会使得杂质容易从栅极扩散到衬底中。
为了减小漏电流和降低杂质扩散几率，最直接的方法为增加栅氧化层的厚度，同时为了保持栅氧化层的电容不变，相应的，需要提高栅氧化层的介电常数。
但是，尽管栅氧化层的介电常数得到提高，现有技术中半导体结构的性能仍有待改善。
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，可修复所述栅氧化层内的悬空键，提高所述掺杂元素的稳定性；另外能够有效减少栅氧化层内的掺杂元素的挥发，并可以阻止栅氧化层内的掺杂元素朝栅氧化层与基底间的界面扩散，有助于提高半导体结构的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成栅氧化层；在所述栅氧化层内注入掺杂元素，所述掺杂元素适于提高所述栅氧化层的介电系数；注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理。
可选的，所述激光表面处理工艺的退火温度为1405℃～1500℃。
可选的，所述激光表面处理工艺的退火时间为10μs～190μs。
可选的，所述掺杂元素为氮离子、氢离子或碳原子。
可选的，进行激光表面处理工艺后所述掺杂元素的浓度与进行激光表面处理工艺前所述掺杂元素浓度的比值为98％～99.5％。
可选的，采用去耦等离子体工艺注入所述掺杂元素。
可选的，所述激光表面处理工艺与所述注入掺杂元素工艺的时间间隔为1s～30s。
可选的，所述栅氧化层的材料为氧化硅或氧化锗。
可选的，在进行所述激光表面处理工艺过程中，在所述栅氧化层表面形成非晶阻挡层。
可选的，所述栅氧化层的材料为氧化硅或者氧化锗时，所述非晶阻挡层的材料为非晶态的氮氧化硅或氮氧化锗。
可选的，所述非晶阻挡层的厚度为
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明提供的半导体结构形成方法的技术方案中，注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理，一方面，所述激光表面处理工艺可修复所述栅氧化层内的悬空键，有助于提高所述掺杂元素的稳定性；另一方面，所述激光表面处理工艺的退火温度高且退火时间短，能够有效减少栅氧化层内的掺杂元素的挥发，有助于保证掺杂元素对栅氧化层材料的介电常数的提升效果；且还可以阻止栅氧化层内的掺杂元素朝栅氧化层与基底间的界面扩散，有利于提高载流子迁移率；前述几个方面均有利于改善半导体结构的性能。
可选方案中，所述激光表面处理工艺的退火温度为1405℃～1500℃，所述退火温度适当，一方面，能够防止栅氧化层内的掺杂元素朝栅氧化层与基底间的界面扩散，以避免掺杂元素在栅氧化层与基底间的界面上聚集，有利于提高载流子迁移率；另一方面，保证在所述栅氧化层表面形成的非晶阻挡层的质量，有助于避免所述栅氧化层内的掺杂元素挥发。
可选方案中，所述激光表面处理工艺的退火时间为10μs～190μs，所述退火时间适当，既能够保证所述激光表面处理工艺对所述栅氧化层内的悬空键的修复效果，从而提高所述掺杂元素的稳定性，又可以避免掺杂元素朝栅氧化层和基底间的界面扩散，从而改善栅氧化层与基底间的界面特性，提高载流子迁移率。
可选方案中，所述非晶阻挡层的厚度为合适厚度的所述非晶阻挡层能够有效阻挡所述栅氧化层内的掺杂元素挥发，并且可以防止形成所述非晶阻挡层的时间过长导致所述掺杂元素朝栅氧化层和基底间的界面扩散。
附图说明
图1至图4是本发明半导体结构形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有半导体结构的性能仍有待提高。
为了提高栅氧化层的介电常数，在栅氧化层内注入掺杂元素。现以栅氧化层材料为氧化硅为例予以说明，通常的，在硅表面生长氧化硅之后，在氧化硅内注入掺杂元素，掺杂元素主要分布在靠近氧化硅顶部的区域内，并远离氧化硅与硅之间的界面。掺杂元素的掺入使氧化硅内产生悬空键，为修复所述悬空键，以达到增强掺杂元素稳定性的目的，在掺杂元素注入结束后，对含有掺杂元素的氧化硅进行快速热处理。但是快速热处理的退火时间长达几十秒，一方面容易造成氧化硅顶部的掺杂元素挥发；另一方面掺杂元素获得能量后容易朝氧化硅与硅之间的界面扩散，造成部分掺杂元素聚集在氧化硅与硅之间的界面上，影响沟道中载流子的迁移率，致使半导体结构的性能差。
为了解决上述问题，本发明提供一种半导体结构形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成栅氧化层；在所述栅氧化层内注入掺杂元素，所述掺杂元素适于提高所述栅氧化层的介电系数；注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理。
注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理，所述激光表面处理工艺可修复所述栅氧化层内的悬空键，有助于提高所述掺杂元素的稳定性；另外，所述激光表面处理工艺的退火温度高且退火时间短，能够有效减少栅氧化层内的掺杂元素的挥发，并可以阻止栅氧化层内的掺杂元素朝栅氧化层与基底间的界面扩散。
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1至图4为本发明一实施例提供的半导体结构形成过程的结构示意图。
参考图1，提供基底100。
本实施例中，所述基底100的材料为硅。在其他实施例中，所述基底的材料还可以为锗、锗化硅或碳化硅；另外，所述基底还可以为III-V族化合物基底，例如氮化镓基底或砷化镓基底。
参考图2，在所述基底100表面形成栅氧化层200。
所述栅氧化层200的材料为氧化硅或氧化锗。本实施例中，所述栅氧化层200的材料为氧化硅。
本实施例中，采用化学气相沉积工艺在基底100上形成所述栅氧化层200；在其他实施例中，还可以采用热氧化方法、化学氧化方法或原子层沉积工艺形成所述栅氧化层。
若所述栅氧化层200厚度过薄，后续在所述栅氧化层200内注入掺杂元素，掺杂元素容易扩散进入所述栅氧化层200与基底100间的界面，导致栅氧化层200与基底100间的界面特性差，从而造成后续形成的半导体结构的载流子迁移率低；若所述栅氧化层200厚度过厚，后续采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层200进行处理，所述激光表面处理工艺难以处理到栅氧化层200内部靠近基底100表面的部分。本实施例中，所述栅氧化层200厚度为
参考图3，在所述栅氧化层200内注入掺杂元素210，所述掺杂元素210适于提高所述栅氧化层200的介电系数。
本实施例中，所述掺杂元素210为氮离子。在其他实施例中，所述掺杂元素还可以为氢离子或碳原子。
本实施例中，采用去耦等离子体工艺注入所述掺杂元素210。所述去耦等离子体工艺可实现高浓度掺杂元素210掺入，且掺入的掺杂元素210主要分布在靠近所述栅氧化层200顶部的区域内，有助于避免掺杂元素210扩散进入所述栅氧化层200与基底100间的界面，从而有利于提高栅氧化层200与基底100间的界面特性。
若所述掺杂元素210的注入剂量过高，所述掺杂元素210容易从靠近所述栅氧化层200顶部的区域朝栅氧化层200和基底100间的界面底部扩散，导致所述掺杂元素210在栅氧化层200和基底100间的界面上聚集，造成所述栅氧化层200和基底100间的界面特性差，影响后续形成的半导体结构的载流子迁移率。若所述掺杂元素210的注入剂量过低，所述掺杂元素210对所述栅氧化层200材料的介电常数的提升效果有限。本实施例中，所述掺杂元素210的注入剂量为1E11atoms/cm2～9E16atoms/cm2。
若所述掺杂元素210的注入深度过大，造成所述掺杂元素210过于靠近栅氧化层200底部，使得所述掺杂元素210容易朝栅氧化层200和基底100间的界面扩散并在所述界面上聚集，导致所述栅氧化层200和基底100间的界面特性差；若所述掺杂元素210的注入深度过小，影响所述掺杂元素210对栅氧化层200材料的介电常数的提升效果。本实施例中，所述掺杂元素210的注入深度为
未注入所述掺杂元素210前，所述栅氧化层200材料内的原子呈周期性排列，所述掺杂元素210的掺入打乱了所述栅氧化层200材料内原子的周期性排列，使所述栅氧化层200材料内产生悬空键。由于存在所述悬空键，所述掺杂元素210的稳定性差，容易挥发或向所述栅氧化层200和基底100间的界面扩散。后续进行的激光表面处理工艺可修复所述悬空键，提高所述掺杂元素210的稳定性。
参考图4，采用激光表面处理工艺310对所述栅氧化层200进行处理。
前述去耦等离子体工艺掺入的掺杂元素210主要分布在靠近所述栅氧化层200顶部的区域内，采用激光表面处理工艺310对所述栅氧化层200顶部进行处理，能够修复由于所述掺杂元素210的掺入使所述栅氧化层200内产生的悬空键，从而提高所述掺杂元素210的稳定性，有利于防止所述掺杂元素210挥发或扩散。
在进行所述激光表面处理工艺310过程中，在所述栅氧化层200表面形成非晶阻挡层300。
所述非晶阻挡层300能够起到阻挡所述栅氧化层200内的掺杂元素210挥发的作用，有助于保证激光表面处理工艺310结束后，栅氧化层200内的掺杂元素210浓度高。若所述栅氧化层200表面未形成所述非晶阻挡层，则在进行所述激光表面处理工艺310过程中，所述栅氧化层200内的掺杂元素210容易挥发，导致所述栅氧化层200内的掺杂元素210浓度低。
本实施例中，所述非晶阻挡层300的材料为非晶态的氮氧化硅。在其他实施例中，所述非晶阻挡层的材料还可以为非晶态的氮氧化锗。
若所述非晶阻挡层300的厚度过大，则所述激光表面处理工艺310的退火时间过长，过长的退火时间容易造成所述栅氧化层200内的掺杂元素210向所述栅氧化层200与基底100间的界面扩散，导致所述栅氧化层200与基底100间的界面特性差；若所述非晶阻挡层300的厚度过小，所述非晶阻挡层300的阻挡效果差，难以有效降低所述掺杂元素210挥发的几率。本实施例中，所述非晶阻挡层300的厚度为
若所述激光表面处理工艺310与所述去耦等离子体工艺的时间间隔过长，则在所述时间间隔内，所述栅氧化层200内的掺杂元素210挥发量大，造成在进行所述激光表面处理工艺310前，所述栅氧化层200内的掺杂元素210浓度过低；即使所述激光表面处理工艺310具有阻挡所述掺杂元素210挥发的作用，所述激光表面处理工艺310结束后，所述栅氧化层200内的掺杂元素210浓度仍然低。本实施例中，所述激光表面处理工艺310与所述去耦等离子体工艺的时间间隔为1s～30s。
若所述激光表面处理工艺310的退火温度过高，所述掺杂元素210容易朝所述栅氧化层200与基底100间的界面扩散，并在栅氧化层200与基底100间的界面上聚集，导致栅氧化层200与基底100间的界面特性差，进而造成载流子迁移率低；另外，所述基底100的材料为硅，过高的退火温度容易导致所述基底100材料熔化。若所述激光表面处理工艺310的退火温度过低，影响所述激光表面处理工艺310对栅氧化层200内的悬空键的修复效果，导致所述掺杂元素210的稳定性差；此外，难以在所述栅氧化层200顶部表面形成非晶阻挡层300，或者，造成所述非晶阻挡层300的形成质量差，影响所述非晶阻挡层300对所述掺杂元素210挥发的阻挡效果，导致激光表面处理工艺310结束后，所述栅氧化层200内的掺杂元素210浓度过低。本实施例中，所述激光表面处理工艺310的退火温度为1405℃～1500℃，保证栅氧化层200内的悬空键得到有效修复，且能够有效减少栅氧化层200内的掺杂元素210的挥发，并可以阻止栅氧化层200内的掺杂元素210朝栅氧化层200与基底100间的界面扩散。
在所述激光表面处理工艺310进行过程中，所述栅氧化层200顶部表面以处理点为单位接受激光表面处理，其中，所述处理点为单次接受激光表面处理的所述栅氧化层200的面积。本实施例中，所述处理点的直径为7μm～12μm。
所述激光表面处理工艺310的退火时间是指单个处理点上退火温度的持续时间。若所述激光表面处理工艺310的退火时间过长，即单个处理点上退火温度的持续时间长，所述掺杂元素210容易获得能量朝所述栅氧化层200与基底100间的界面扩散，导致所述栅氧化层200与基底100间的界面上存在掺杂元素210，进而造成所述栅氧化层200与基底100间的界面特性差，使得沟道内的载流子迁移率低。若所述激光表面处理工艺310的退火时间过短，难以有效修复由于掺杂元素210的掺入在所述栅氧化层200内形成的悬空键，造成所述掺杂元素210稳定性差，导致所述掺杂元素210容易挥发或向所述栅氧化层200与基底100间的界面扩散。本实施例中，所述激光表面处理工艺310的退火时间为10μs～190μs，所述激光表面处理工艺310的毫秒级的退火时间能有效降低所述掺杂元素210向栅氧化层200与基底100间的界面扩散的机会。
本实施例中，进行激光表面处理工艺310后，所述掺杂元素210的浓度与进行激光表面处理工艺310前所述掺杂元素210浓度的比值为98％～99.5％，所述比值大，因而经激光表面处理工艺310处理后的栅氧化层200内的掺杂元素210浓度高，有利于保证所述掺杂元素210对所述栅氧化层200材料的介电常数的提升效果，从而有助于改善半导体结构的电学性能。
综上，注入掺杂元素210后，采用激光表面处理工艺310对所述栅氧化层200进行处理，所述激光表面处理工艺310可修复所述栅氧化层200内的悬空键，有助于提高所述掺杂元素210的稳定性；另外，所述激光表面处理工艺310的退火温度高且退火时间短，能够有效减少栅氧化层200内的掺杂元素210的挥发，有助于保证掺杂元素210对栅氧化层200介电常数的提升效果，此外还可以阻止栅氧化层200内的掺杂元素210朝栅氧化层200与基底100间的界面扩散，有利于提高载流子迁移率；前述几个方面均有助于改善半导体结构的性能。
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 (11)
1.一种半导体结构形成方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底表面形成栅氧化层；
在所述栅氧化层内注入掺杂元素，所述掺杂元素适于提高所述栅氧化层的介电系数；
注入掺杂元素后，采用激光表面处理工艺对所述栅氧化层进行处理。
2.如权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述激光表面处理工艺的退火温度为1405℃～1500℃。
3.如权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述激光表面处理工艺的退火时间为10μs～190μs。
4.如权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述掺杂元素为氮离子、氢离子或碳原子。
5.如权利要求4所述的半导体结构形成方法，其特征在于，进行激光表面处理工艺后所述掺杂元素的浓度与进行激光表面处理工艺前所述掺杂元素浓度的比值为98％～99.5％。
6.如权利要求4所述的半导体结构形成方法，其特征在于，采用去耦等离子体工艺注入所述掺杂元素。
7.如权利要求1或6所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述激光表面处理工艺与所述注入掺杂元素工艺的时间间隔为1s～30s。
8.如权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述栅氧化层的材料为氧化硅或氧化锗。
9.如权利要求1或8所述的半导体结构形成方法，其特征在于，在进行所述激光表面处理工艺过程中，在所述栅氧化层表面形成非晶阻挡层。
10.如权利要求9所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述栅氧化层的材料为氧化硅或者氧化锗时，所述非晶阻挡层的材料为非晶态的氮氧化硅或氮氧化锗。
11.如权利要求9所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述非晶阻挡层的厚度为
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