半导体结构的形成方法及半导体结构

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的形成方法及半导体结构。

背景技术

电子工业已经历对更小和更快的电子器件需求的不断增长，更小和更快的电子器件能够同时支持更多数量的越来越复杂和尖端的功能。因此，半导体工业的持续趋势是制造低成本、高性能和低功率的集成电路(IC)。到目前为止，已经通过按比例缩小半导体IC尺寸(例如，最小特征尺寸)并且从而提高生产效率以及降低相关成本，在很大程度上实现了这些目标。然而，这种按比例缩小也使半导体制造工艺的复杂度增加。因此，半导体IC和器件的持续进步的实现需要半导体制造工艺和技术中的类似进步。

栅极作为器件的一部分，其材料极大地影响了器件的性能。传统的多晶硅栅极工艺由于存在“多晶硅耗尽”效应，影响器件导通，所以引入了金属栅极。为了获得更好的外延应力，需要在金属栅极超过5nm节点时将伪栅极(dummy gate)进行切断，这一个过程不但能够获得良好的外形轮廓，而且能够收缩超过20nm的特征尺寸，然而在金属栅极切除之后，形成在沟槽底部的残留物是非常难以清理的。

如何保证半导体结构在金属栅极切割之后对其残留物进行有效的清理，从而提高最终成品的良率，这是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法及半导体结构，可以对金属栅极切割形成的残留物进行有效清除，从而提高最终成品的良率。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成栅极结构，所述栅极结构沿第一方向延伸；去除部分栅极结构，在所述栅极结构内形成沟槽，所述沟槽沿第二方向贯穿所述栅极结构，所述第二方向与所述第一方向不同；对所述沟槽进行第一次清洗处理，所述第一次清洗处理用于去除非金属残留物；对所述沟槽进行第二次清洗处理，所述第二次清洗处理用于去除金属残留物。

可选的，还包括：在所述衬底上形成介质层，所述介质层覆盖所述栅极结构侧壁且暴露出所述栅极结构的顶部表面。

可选的，所述栅极结构包括栅极层以及位于栅极层侧壁表面的侧墙。

可选的，所述栅极结构还包括位于所述衬底上的栅介质层，所述栅极层位于所述栅介质层上；所述栅介质层的材料包括高K介质材料。

可选的，所述栅极层的材料包括金属；所述侧墙的材料包括氮化硅、氧化硅和氮氧化硅中的一种或多种组合。

可选的，所述介质层和栅极结构的形成方法包括：在所述衬底上形成伪栅层；在所述伪栅层的侧壁表面形成所述侧墙；在所述衬底上形成初始介质层，所述初始介质层覆盖所述伪栅层与所述侧墙；平坦化所述初始介质层直至暴露出所述伪栅层为止，形成所述介质层；在形成所述介质层之后，去除所述伪栅层形成第一开口；在所述第一开口的底部表面形成所述栅介质层；在所述栅介质层上形成所述栅极层。

可选的，所述沟槽的形成方法包括：在所述介质层上和栅极结构上形成掩膜结构，所述掩膜结构暴露出部分所述栅极结构；以所述掩膜结构为掩膜刻蚀所述栅极层与所述侧墙，形成所述沟槽。

可选的，所述掩膜结构包括第一掩膜层以及位于第一掩膜层上的第二掩膜层；所述第一掩膜层的材料与第二掩膜层的材料不同。

可选的，所述第一掩膜层的材料为掺氮的碳氧化硅；所述第二掩膜层的材料为氮化钛、碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、氮氧化硅、氮化硼或碳氮化硼。

可选的，所述栅极结构的数量为多个，且多个栅极结构均平行于所述第一方向；所述沟槽贯穿多个所述栅极结构。

可选的，所述第一次清洗处理的方法包括：对所述沟槽进行等离子体处理；在所述等离子体处理之后，对所述沟槽进行清洗工艺。

可选的，刻蚀所述侧墙形成非金属残留物，所述非金属残留物包括氮化物或氧化物；刻蚀所述栅极层形成金属残留物。

可选的，所述等离子体处理的工艺包括：所述等离子体处理的工艺包括：气体为氢气、氦气或氩气，气体流量为10sccm～1000sccm，功率为50W～2000W；偏压为0V～5000V，温度为30℃～150℃。

可选的，所述清洗工艺为SiCoNi工艺；所述SiCoNi工艺的包括：气体为三氟化氮或氨气，气体的流量为100sccm～2000sccm，温度小于50℃。

可选的，所述第二次清洗处理的工艺包括干法清洗或湿法清洗。

可选的，所述干法清洗的工艺包括：气体为四氟化碳、六氟化硫或三氯化硼；气体流量为5sccm～500sccm，功率为50W～1500W，偏压为50V～2000V，温度小于150℃。

可选的，所述湿法清洗采用的溶液为浓硫酸与双氧水。

可选的，在进行所述第一次清洗处理之后，进行所述第二次清洗处理。

可选的，在进行第一次清洗处理和第二次清洗处理之后，还包括：在所述沟槽内形成隔离层；所述隔离层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低K介质材料和超低K介质材料中的一种或多种组合。

相应的，本发明还提供一种半导体结构，包括采用如上述的方法形成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在本发明的技术方案中，所述沟槽用于切断所述栅极结构，将原栅极结构的特征尺寸进行缩小，达到高度集成的效果；通过第一次清洗处理对所述沟槽中形成的非金属残留物进行去除；通过第二次清洗处理对所述沟槽中的金属残留物进行去除，减少了所述金属残留物在所述沟槽底部电连通相邻的栅极结构，进而减少相邻栅极结构之间发生漏电现象，提高了最终成品的性能与良率。

进一步，在进行所述第一次清洗处理之后，进行所述第二次清洗处理。通过所述第一次清洗处理先去除所述非金属残留物，这样能够使所述金属残留物尽可能的暴露出来，便于后续的所述第二次清洗处理对所述金属残留物尽可能的完全去除，减少由所述金属残留物导电连通相邻所述栅极结构而造成的漏电问题，从而提高最终成品的性能与良率。

进一步，在进行第一次清洗处理和第二次清洗处理之后，在所述沟槽内形成隔离层。形成所述隔离层的目的是填充所述沟槽中的凹槽，防止后续再有金属残留物填充所述凹槽，造成所述沟槽两侧的栅极层形成导电通路造成漏电的现象，进而会影响成品最终的性能与良率。

附图说明

图1至图2是一种半导体结构形成过程的结构示意图；

图3至图12是本发明半导体结构形成方法一实施例各步骤结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中半导体结构的最终成品性能与良率有待提高。

参考图1，提供衬底；在所述衬底上形成栅极结构100和介质层(未图示)，所述介质层暴露出所述栅极结构100顶部，所述栅极结构100沿第一方向延伸；所述栅极结构100包括栅极层101以及位于所述栅极层101侧壁表面的侧墙102；在所述栅极结构100内形成第一沟槽103，所述第一沟槽103沿第二方向贯穿所述栅极结构100，所述第二方向与所述第一方向不同；在所述第一沟槽103的底部表面残留有金属残留物104与氮化物残留物105。

参考图2，图2是图1中A部分放大示意图，当氮化物残留物105容易被部分氧化形成氧化层106，所述氧化层106是极易被冲洗去除的，在所述氧化层106被清洗去除之后会形成一条连通所述第一沟槽103两侧所述栅极结构100的第二沟槽，所述第二沟槽容易被所述金属残留物104进行填充，此时所述第一沟槽103两侧的栅极结构100容易形成导电通路造成漏电的现象，进而会影响成品最终的性能与良率。

在此基础上，本发明提供一种半导体结构形成的方法，对所述第一沟槽中进行第一次清洗处理去除非金属残留物，对所述第一沟槽中第二次清洗处理去除金属残留物，进而解决由所述金属残留物导通所述第一沟槽两侧的栅极结构造成漏电的问题，提高最终产品的性能与良率。

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地说明。

图3至图12是本发明实施例的一种半导体结构的形成过程的结构示意图。

请参考图3，提供衬底200。

在本实施例中，所述衬底200的材料为硅；在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟；在其他实施例中，所述衬底还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。

请继续参考图3，在所述衬底200上形成栅极结构201，所述栅极结构201沿第一方向延伸。

请继续参考图3，在所述衬底200上形成介质层202，所述介质层202覆盖所述栅极结构201的侧壁且暴露出所述栅极结构201的顶部表面。

所述介质层202的材料包括二氧化硅、低k介质材料(低k介质材料指相对介电常数低于3.9的介质材料)或超低k介质材料(超低k介质材料指相对介电常数低于2.5的介质材料)。

所述介质层202的材料为低k介质材料或超低k介质材料时，所述介质层202的材料为碳硅氧氢化物(SiCOH)、掺氟的二氧化硅(FSG)、掺硼的二氧化硅(BSG)、掺磷的二氧化硅(PSG)、掺硼磷的二氧化硅(BPSG)、氢化硅倍半氧烷或甲基硅倍半氧烷。

在本实施例中，所述介质层202的材料为超低k介质材料(介电常数小于2.5)，所述超低k介质材料为碳硅氧氢化物(SiCOH)。

在本实施例中，所述栅极结构201包括栅极层203以及位于所述栅极层203侧壁表面的侧墙204。

所述栅极层203的材料包括金属，所述金属包括铜、钨、镍、铬、钛、钽和铝中的一种或多种组合；在本实施例中，所述栅极层203的材料为铝。

所述侧墙204的材料包括氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或多种；在本实施例中，所述侧墙204的材料采用氮化硅。

在本实施例中，所述侧墙204的形成工艺采用化学气相沉积工艺；在其他实施例中，所述侧墙的形成工艺还可以为原子层沉积工艺、物理气相沉积工艺。

在本实施例中，所述栅极结构201还包括位于所述衬底200上的栅介质层205，所述栅极层203位于所述栅介质层205上。

在本实施例中，所述栅介质层205的材料为高K介质材料。在其他实施例中，所述栅介质层还可以为氧化硅。

在本实施例中，所述栅介质层205的形成工艺为热氧化工艺；在其他实施例中，所述栅介质层的形成工艺还可以为原位水汽生成工艺。

在本实施例中，所述介质层202和栅极结构201的形成方法包括：在所述衬底200上形成伪栅层(未图示)；在所述伪栅层的侧壁表面形成所述侧墙204；在所述衬底200上形成初始介质层(未图示)，所述初始介质层覆盖所述伪栅层与所述侧墙204；平坦化所述初始介质层直至暴露出所述伪栅层顶部表面为止，形成所述介质层202；在形成所述介质层202之后，去除所述伪栅层形成第一开口；在所述第一开口的底部表面形成所述栅介质层205；在所述栅介质层205上形成所述栅极层203。

在其他实施例中，所述介质层和栅极结构的形成方法还可以包括：在所述衬底上形成栅介质层；在所述栅介质层上形成伪栅层；在所述栅介质层与所述伪栅层的侧壁表面形成所述侧墙；在所述衬底上形成初始介质层，所述初始介质层覆盖所述栅介质层、伪栅层以及所述侧墙；平坦化所述初始介质层直至暴露出所述伪栅层顶部表面为止，形成所述介质层；在形成所述介质层之后，去除所述伪栅层形成第一开口；在所述第一开口内形成栅极层；所述栅极层内位于所述栅介质层上。

在本实施例中，所述伪栅层的材料为多晶硅。

所述初始介质层的形成工艺包括化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或旋转涂覆工艺；在本实施例中，所述初始介质层的形成工艺采用化学气相沉积工艺。

在本实施例中，平坦化所述初始介质层的工艺采用化学机械抛光工艺；在其他实施例中，所述平坦化工艺还能够为刻蚀工艺。

在本实施例中，去除所述伪栅层的工艺为干法刻蚀；在其他实施例中，去除所述伪栅层的工艺还可以为依次进行的等离子体刻蚀与湿法刻蚀。

请参考图4与图5，图5是图4沿A-A线的截面示意图，需要说明的是，图5与图3的视图方向一致。去除部分栅极结构201，在所述栅极结构201内形成沟槽206，所述沟槽206沿第二方向贯穿所述栅极结构201，所述第二方向与所述第一方向不同。

在本实施例中，去除所述栅极结构201在所述沟槽206底部形成了金属残留物212与非金属残留物210；所述非金属残留物210为刻蚀所述侧墙204时形成；所述金属残留物212为刻蚀所述栅极层203时形成。

在本实施例中，所述沟槽206的形成方法包括：在所述介质层202上和所述栅极结构201上形成掩膜结构207，所述掩膜结构207暴露出部分所述栅极结构201；以所述掩膜结构207为掩膜刻蚀所述栅极层203与所述侧墙204，形成所述沟槽206。在本实施例中，所述掩膜结构207包括第一掩膜层208以及位于所述第一掩膜层208上的第二掩膜层209，所述第一掩膜层208与所述第二掩膜层209的材料不同。

在本实施例中，所述第一掩膜层208的材料为掺氮的碳氧化硅；通过掺氮的碳氧化硅所形成的第一掩膜层208与介质层202的结合能力好，在后续以刻蚀后的第一掩膜层208为掩膜刻蚀栅极结构201时，所述第一掩膜层208不易发生剥离或曲翘，因此所述第一掩膜层208保持刻蚀图形的能力好，有利于使形成于栅极结构201内的开口形貌良好，有效提升了刻蚀后图形的精准性。

在本实施例中，所述第二掩膜层209的材料为氮化钛；所述第二掩膜层209与第一掩膜层208之间的结合能力好，所述第二掩膜层209能够在后续刻蚀待刻蚀层时保护第一掩膜层208表面，使所述第一掩膜层208不会被减薄；而且，所述第二掩膜层208的物理强度较大，在后续刻蚀栅极结构201时，所述第二掩膜层209和第一掩膜层208的图形能够保持稳定，有利于形成形貌良好的开口。

在其他实施例中，所述第二掩膜层的材料可以为碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、氮氧化硅、氮化硼或碳氮化硼。

在其他实施例中，所述掩膜结构也可以采用单层结构；单层的掩膜结构的材料可以为氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、氮氧化硅、氮化硼或碳氮化硼。

在本实施例中，所述掩膜结构207以及所述掩膜结构207暴露出部分所述栅极结构201的形成方法包括：在所述介质层202上形成第一初始掩膜层；在所述第一初始掩膜层上形成第二初始掩膜层；在所述第二初始掩膜层上形成图形化层(未图示)，所述图形化层内具有暴露出部分所述第二初始掩膜层表面的图形化开口，所述图形化开口沿所述第二方向延伸；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀部分所述第一初始掩膜层与所述第二初始掩膜层，直至暴露出所述介质层202的顶部表面为止，形成所述第一掩膜层208、第二掩膜层209以及暴露出所述部分所述栅极结构201的第二开口；在形成所述第一掩膜层208、第二掩膜层209以及暴露出所述部分所述栅极结构201的第二开口之后，去除所述图形化层。

所述图形化层的材料包括光刻胶，所述图形化层的形成工艺包括光刻图形化工艺；去除所述图形化层的工艺包括湿法去胶工艺或灰化工艺，所述灰化工艺的气体为含氧气体，例如氧气或臭氧。

在本实施例中，所述第一初始掩膜层的材料为掺氮的碳氧化硅，所述第一初始掩膜层形成的工艺采用化学气相沉积工艺，所述化学气相沉积工艺为：气体包括SiH

在本实施例中，所述第二初始掩膜层的形成工艺为原子层沉积工艺；在其他实施例中，所述第二初始掩膜层的形成工艺还可以为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺以及旋转涂覆工艺。

在本实施例中，所述栅极结构201的数量为多个，且多个所述栅极结构201均平行于所述第一方向。

所述沟槽206贯穿一个或多个栅极结构201，在本实施例中，所述沟槽206贯穿多个所述栅极结构201。

在本实施例中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；在其他实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可以呈锐角或是钝角。

请参阅图6与图7，图7是图6沿A-A线的截面示意图，在形成所述沟槽206之后，去除所述第一掩膜层208与所述第二掩膜层209。

去除所述第一掩膜层与所述第二掩膜层的工艺包括：干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺，在本实施例中，去除所述第一掩膜层与所述第二掩膜层的工艺为干法刻蚀工艺。

在本实施例中，后续对所述沟槽206进行第一次清洗处理，所述第一次清洗处理用于去除非金属残留物210；所述第一次清洗处理的方法包括：对所述沟槽206进行等离子体处理；在所述等离子体处理之后，对所述沟槽206进行清洗工艺。具体请参考图8至图10。

请参考图8与图9，图9是图8沿A-A线的截面示意图，对所述沟槽206进行等离子体处理。

所述非金属残留物210包括氮化物或氧化物。在本实施例中，所述非金属残留210物为氮化物，通过先对所述沟槽206进行等离子体处理使其与非金属氧化210形成中间物211，所述等离子体处理的工艺包括：采用的气体为氢气(H

在其他实施例中，所述非金属残留物为氧化物，所述等离子体处理的工艺参数包括：采用的气体为氢气(H

请参考图10，需要说明的是，图10与图8的视图方向一致，在所述等离子体处理之后，对所述沟槽206进行清洗工艺。通过对所述沟槽206进行清洗工艺对所述中间物211进行去除，以此实现对所述非金属残留物210的去除。

在本实施例中，所述清洗工艺为SiCoNi工艺，所述SiCoNi工艺的参数包括：气体为三氟化氮(NF

在本实施例中，采用SiCoNi工艺对所述中间物211进行去除具有较好的各向同性。

请参阅图11，对所述沟槽206进行第二次清洗处理，所述第二次清洗处理用于去除金属残留物212。

所述第二次清洗处理的工艺包括干法清洗或湿法清洗；在本实施例中，所述第二清洗处理的工艺采用干法清洗，所述干法清洗的工艺包括：气体为四氟化碳、六氟化硫或三氯化硼；气体流量为5sccm～500sccm，功率为50W～1500W，偏压为50V～2000V，温度小于150℃。

在其他实施例中，所述第二清洗处理的工艺采用湿法清洗，所述湿法清洗采用的溶液为浓硫酸与双氧水。

在本实施例中，在进行所述第一次清洗处理之后，进行所述第二次清洗处理。通过所述第一次清洗处理先去除所述非金属残留物210，这样能够使所述金属残留物212尽可能的暴露出来，便于后续的所述第二次清洗处理对所述金属残留物212尽可能的完全去除。

若先进行所述第二次清洗处理去除所述金属残留物212，这样会有一部分所述金属残留物212掺杂在所述非金属残留物210中而无法清除，在进行过所述第一次清理处理去除所述非金属残留物210后，这些掺杂的剩余所述金属残留物212才能暴露处理，此时还需要再去进行所述金属残留物212的去除处理。该种处理过程会导致清洗工序的增加，不仅会增加处理成本，而且会降低处理效率。

请参阅图12，在进行第一次清洗处理和第二次清洗处理之后，在所述沟槽206内形成隔离层213。

形成所述隔离层213的目的是填充所述沟槽206中的凹槽，防止后续再有金属残留物212填充所述凹槽，造成所述沟槽206两侧的栅极层203形成导电通路造成漏电的现象，进而会影响成品最终的性能与良率。

所述隔离层213的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低K介质材料(低k介质材料指相对介电常数低于3.9的介质材料)和超低K介质材料(超低k介质材料指相对介电常数低于2.5的介质材料)中的一种或多种组合；在本实施例中，所述隔离层213的材料为氧化硅。

在本实施例中，所述隔离层213的形成方法包括：在所述沟槽206底部表面形成初始隔离层；平坦化所述初始隔离层，形成所述隔离层213。

形成所述初始隔离层的工艺包括：原子层采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积工艺形成或旋转涂覆工艺；在本实施例中，所述初始隔离层的形成工艺为原子层沉积工艺。

平坦化所述初始隔离层的工艺包括刻蚀工艺或化学机械研磨工艺；在本实施例中，平坦化所述初始隔离层的工艺为化学机械研磨工艺。

相应的，请继续参考图11，本发明实施例还提供了一种采用上述方法形成的半导体结构。

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。