改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法
【专利摘要】本发明提供了一种改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法，包括：将带有鳍结构和隔离结构的半导体衬底置于反应腔室内；减小反应腔室的压强；通入氧气和氢气的混合气体；恒温加热半导体衬底，利用所产生的原子氧来氧化鳍结构表面，从而形成氧化层。采用本发明的方法，能够在鳍结构表面快速生成厚度一致且拐角光滑的氧化层，且所生成的氧化层的厚度超薄，有效改善了鳍结构表面氧化层的形貌，提高了finFET工艺的质量。
【专利说明】改善f i nFET鳍结构表面氧化层形貌的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】,特别涉及一种改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体工艺不断发展，CMOS电路特征尺寸不断缩小，到22nm及以下，传统的体硅工艺已经很难再满足器件和电路的性能和功耗要求。一种新型器件结构:鳍式场效应晶体管(Fin-type field-effect transistors, finFETs)越来越受到人们的关注。现在流行的 finFET 又分为两种结构:独立栅极 finFET (independent-gate finFET, G-finFET)(又名 shorted-gate (SG) finFETs)和非独立栅极(tied-gate finFET, TG_finFET)。其中IG-finFET因其多变的工作方式在静态随机存储器(SRAM)电路中受到青睐。利用IG-finFET多变的工作方式，基于IG-finFET的SRAM六管单元，能够减少静态和动态功耗，降低延迟，同时提高数据存储稳定性和集成度。
[0003]在finFET的制造工艺流程中，首先形成鳍结构，然后形成隔离结构，请参阅图1，图1为形成鳍结构和隔离结构后的半导体衬底的截面结构示意图，其中，I表示半导体衬底，2表示隔离结构，3表示鳍结构。形成隔离结构后且在沉积多晶硅栅极之前，还需先在鳍结构(fin)上生长一层超薄的氧化层，该层氧化层用来作为隔离鳍结构和上层材料的绝缘材料。该制造工艺流程中，要求该氧化层的厚度一致，并且不能够出现尖角，否则会影响器件的可靠性及漏电。
[0004]通常生长该超薄氧化层的方法是采用干氧快速热退火工艺或炉管式热氧化工艺，在反应腔室中，采用O2作为反应气体，利用O2和硅衬底中的Si直接在高温下反应生成SiO2来生长氧化层。
[0005]然而，在制备鳍结构的工艺过程中，鳍结构的顶部和侧壁拐角处都不可避免会受到损伤，并且鳍结构的顶部、拐角处和侧壁的晶向不一致，会混合出现{100}、{110}或{111}晶面，由于晶向不同且存在损伤、鳍结构的上下宽度不一致，这都会导致鳍结构的表面出现原子密度差异，这种情况下，如果采用传统的干氧快速热退火工艺或炉管式热氧化工艺，在鳍结构表面生长一层氧化层，将导致该氧化层的厚度不一致，且存在尖角形貌，这样，氧化层的绝缘效应完全失去，将导致器件的可靠性降低和出现漏电现象。因此，氧化层的形貌包括厚度的均匀性和拐角的光滑程度将影响到finFET工艺的质量，成为制备高质量的finFET的关键因素之一。
【发明内容】
[0006]为了克服上述问题，本发明旨在提供一种改善鳍结构表面氧化层形貌的方法，从而在鳍结构表面形成厚度均匀且拐角光滑的氧化层，以提高finFET制备工艺的质量。
[0007]本发明提供了一种改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法，其包括:
[0008]步骤SOl:将带有鳍结构和隔离结构的半导体衬底置于反应腔室内；[0009]步骤S02:减小所述反应腔室的压强；
[0010]步骤S03:通入氧气和氢气的混合气体；
[0011]步骤S04:恒温加热所述半导体衬底，利用所产生的原子氧来氧化所述鳍结构表面，从而形成所述的氧化层。
[0012]优选地，所述步骤S02中，减小所述压强后，所述反应腔室内的压强小于lOtorr。
[0013]优选地，所述反应腔室内的压强为7-10torr。
[0014]优选地，所述步骤S03中，所述混合气体的总流量为10_30slm。
[0015]优选地，所述混合气体的总流量为15_25slm。
[0016]优选地，所述步骤S04中，所述恒温温度大于900°C。
[0017]优选地，所述恒温温度为950-1100°C。
[0018]优选地，所述步骤S04中，对所述半导体衬底恒温加热的时间为15-50秒。
[0019]优选地，所述氧化层的厚度为15-100A。
[0020]优选地，所述半导体衬底为单晶硅衬底。
[0021]本发明的改善鳍结构表面氧化层形貌的方法，通过改进传统的生长鳍结构表面氧化层的工艺方法，在反应腔室中，采用低压环境，利用氧气和氢气的混合气体作为反应气体，在加热的半导体衬底表面该反应气体会生成大量气相活性自由基，其主要为原子氧，利用原子氧来氧化鳍结构表面的Si，从而在鳍结构表面形成一层厚度均匀且拐角光滑的氧化层。
[0022]生成原子氧的反应式如下:
[0023]H2+02 — 2 OH
[0024]Η2+0Η — Η20+Η
[0025]02+H — OH+O (原子氧)
[0026]之所以利用原子氧能够在鳍结构表面生成厚度均匀且拐角光滑的氧化层，是因为:原子氧具有强氧化性，在此条件下，对于晶向不一致导致的原子密度不一致的因素可以忽略，所以，原子氧在鳍结构表面包括顶部、拐角和侧壁的氧化速率一致，所生成的氧化层的厚度也会一致，并且不会出现尖角问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为形成鳍结构和隔离结构后的半导体衬底的截面结构示意图
[0028]图2为本发明的一个较佳实施例的改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法的流程示意图
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0030]以下结合具体实施例和附图2对本发明的改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法作进一步详细说明。其中，图2为本发明的一个较佳实施例的改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法的流程示意图。[0031]如前所述，在传统的鳍结构表面生成氧化层的工艺中，由于鳍结构表面的损伤和晶向不一致问题，导致所形成的氧化层的厚度不均匀且存在尖角，从而导致氧化层的绝缘作用失效。因此，本发明改进了传统生成鳍结构表面氧化层的工艺，在原子氧的强氧化性条件下，晶向不一致所导致的原子密度不一致问题可以被忽略，在鳍结构表面各处的氧化速率一致，从而利用原子氧来氧化鳍结构表面的Si，在鳍结构表面生成厚度均匀且拐角光滑的氧化层。且原子氧为原子级别，所生成的氧化层的厚度可以很薄，从而达到实际工艺的要求。
[0032]请参阅图2，本发明的本实施例的改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法，包括:
[0033]步骤SOl:将带有鳍结构和隔离结构的半导体衬底置于反应腔室内；
[0034]具体的，由于本领域的普通技术人员可以得知鳍结构和隔离结构的具体形成方法，本发明在此不再详细描述该步骤的工艺过程。需要说明的是，这里的半导体衬底可以为硅衬底，比如单晶硅衬底。
[0035]步骤S02:减小反应腔室的压强；
[0036]具体的，本实施例中，可以采用但不限于真空泵来实现反应腔室内的低压环境，反应腔室内的压强可以小于IOtorr，较佳地，可以为7-lOtorr。本实施例中，选择的压强为9torr。
[0037]步骤S03:通入氧气和氢气的混合气体；
[0038]具体的，本实施例中，氧气和氢气的混合气体的总流量可以为10-30slm，较佳地，可以为15-25slm。较佳的,氧气与氢气的比例大于2: 1，在本实施例中，氧气的流量为19.9slm，氢气的流量为0.lslm，但这不用于限制本发明的范围。
[0039]步骤S04:恒温加热半导体衬底，利用所产生的原子氧来氧化鳍结构表面，从而形成氧化层。
[0040]具体的，本实施例中，在一定的温度下对半导体衬底持续加热一定的时间，该一定的温度可以大于900°C，较佳地，可以为950-1100°C，本实施例中，选择1100°C为恒温温度。对半导体衬底恒温加热时间可以根据实际工艺要求的氧化层的厚度来设定，对半导体衬底的恒温加热时间可以但不限于为15-50秒，本实施例选择恒温加热15秒，但这不用于限制本发明的范围。由于实际工艺要求所生成的氧化层具有的厚度极小，采用本发明的方法可以制备出氧化层的较佳的厚度为15-100A。
[0041]需要说明的是，在此恒温加热的过程中，氢气和氧气在半导体衬底表面受热分解，并发生一系列的反应，如前所述，生成大量的气相活性自由基，其中大部分为原子氧，利用原子氧的强氧化性且在鳍结构表面各处的氧化速率一致，在鳍结构表面与硅反应快速生成氧化层；又由于原子氧为原子级别，可以确保所生成的氧化层至少具有原子级别的厚度，非常巧妙地达到了制备厚度均匀且拐角光滑的超薄氧化层的目的。
[0042]还需要说明的是，半导体衬底的表面也同时暴露在气相活性自由基中，但是，由于半导体衬底表面存在隔离结构，可以起到保护半导体衬底表面不受到氧化的作用，因此，在此恒温加热过程中，不会影响到半导体衬底表面的材料及其性能。
[0043]综上所述，本发明的改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法，主要利用在原子氧的强氧化性条件下，在鳍结构表面各处的氧化速率相同，氧化层生长过程可以忽略掉鳍结构表面由于晶向不一致导致密度不一致的因素，从而快速生成厚度一致且拐角光滑的氧化层，并且氧化层的厚度超薄，有效改善了鳍结构表面氧化层的形貌，提高了 finFET工艺的质量。
[0044]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
【权利要求】
1.一种改善finFET鳍结构表面氧化层形貌的方法,其特征在于,包括: 步骤SOl:将带有鳍结构和隔离结构的半导体衬底置于反应腔室内； 步骤S02:减小所述反应腔室的压强； 步骤S03:通入氧气和氢气的混合气体； 步骤S04:恒温加热所述半导体衬底，利用所产生的原子氧来氧化所述鳍结构表面，从而形成所述的氧化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S02中，减小所述压强后，所述反应腔室内的压强小于IOtorr。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应腔室内的压强为7-lOtorr。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述混合气体的总流量为 10_30slm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合气体的总流量为15-25slm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述恒温的温度大于900。。。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述恒温的温度为950-1100°C。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S04中，对所述半导体衬底恒温加热的时间为15-50秒。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为15-100A。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底为单晶硅衬底。
【文档编号】H01L21/336GK103928347SQ201410172389
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】温振平 申请人:上海华力微电子有限公司