半导体结构及形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体地涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.在半导体制造工艺中，一般包括在被处理的半导体衬底的表面上形成金属类膜的工序。例如，在半导体衬底表面形成配线图形，或者在通孔内形成金属插塞等。
3.钨膜由于具有电阻率低的优点，在半导体工艺中得到了广泛的应用。
4.但是，现有的钨膜成膜方法所形成的钨膜的性能有待提高。


技术实现要素：

5.本发明提供一种半导体结构及其形成方法，以提高半导体结构的性能。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种半导体结构及其形成方法，所述方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底之上沉积形成种子层；形成所述种子层的方法包括：依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺；所述第一子沉积工艺用于形成第一子种子层，所述第二子沉积工艺用于形成第二子种子层，第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒。
7.可选的，所述第一子沉积工艺中采用的气体包括第一置换气体和第一种子源主气体；进行所述第一子沉积工艺的步骤包括：在腔室内通入第一置换气体之后，通入第一种子源主气体。
8.可选的，所述种子层为钨种子层；所述第一置换气体为含硅源气体，所述第一种子源主气体为含钨源气体。
9.可选的，所述含硅源气体包括硅烷。
10.可选的，在所述第一子沉积工艺中，在腔室内通入第一置换气体之后，且在通入第一种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第一置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第一置换气体。
11.可选的，所述第二子沉积工艺中采用的气体包括第二置换气体和第二种子源主气体；进行所述第二子沉积工艺的步骤包括：在腔室内通入第二置换气体之后，通入第二种子源主气体。
12.可选的，所述种子层为钨种子层；所述第二置换气体为含硼源气体，第二种子源主气体为含钨源气体。
13.可选的，所述含硼源气体包括乙硼烷。
14.可选的，在所述第二子沉积工艺中，在腔室内通入第二置换气体之后，且在通入第二种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第二置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第二置换气体。
15.可选的，所述含钨源气体包括六氟化钨。
16.可选的，每次第一子沉积工艺的时间为2s～4s；每次第二子沉积工艺的时间为2s
～4s。
17.可选的，在相邻的第一子沉积工艺和第二子沉积工艺之间，还包括：清洁步骤。
18.可选的，在形成所述种子层的过程中，第一子沉积工艺和第二子沉积工艺的总次数为奇数次；或者，在形成所述种子层的过程中，第一子沉积工艺和第二子沉积工艺的总次数为偶数次。
19.可选的，还包括：在所述种子层上生长形成金属层。
20.可选的，所述种子层和金属层的厚度之比值为8.5～9.5；所述种子层的厚度300埃～500埃，所述金属层的厚度为2500埃～3000埃；所述种子层和金属层的平均电阻率为10μω*cmb～35μω*cmb。
21.可选的，所述种子层和所述金属层的总应力为0.8mpa～2.0mpa，所述种子层和所述金属层的总反射率为1.1～1.5。
22.本发明还提供一种半导体结构，包括：半导体衬底；位于半导体衬底上的种子层，所述种子层包括依次交替排布的第一子种子层和第二子种子层，第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒。
23.可选的，在所述种子层中，第一子种子层和第二子种子层的总层数为奇数层；第一子种子层和第二子种子层的总层数为偶数层。
24.可选的，还包括：位于所述种子层上的金属层。
25.可选的，所述种子层的厚度为300埃～500埃，所述金属层的厚度为2500 埃～3000埃；所述种子层和金属层的平均电阻率为10μω*cmb～35μω*cmb；所述种子层和所述金属层的总应力为0.8mpa～2.0mpa，所述种子层和所述金属层的总反射率为1.1～1.5与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
26.上述的方案，依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺，第一子沉积工艺用于形成第一子种子层，第二子沉积工艺用于形成第二子种子层，从而在半导体衬底之上形成种子层。由于第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒，因此第二种子层的电阻率小于第一种子层的电阻率，因此第二种子层的导电性能优于第一种子层的导电性能，这样使得种子层的导电性能得到提高。其次，由于依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺，因此第一子种子层和第二种子层依次交替排布。而第一子种子层的晶粒较小，因此第一子种子层和半导体衬底之间，以及相邻的第一子种子层和第二子种子层之间的结合粘附力较强，使得种子层内部的结构稳定，种子层和半导体衬底之间的结合力较强。综上，提高了半导体结构的性能。
27.其次，由于第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒，还能够降低种子层的应力。
28.进一步，进行所述第一子沉积工艺的步骤包括：在腔室内通入第一置换气体之后，通入第一种子源主气体。由于第一置换气体和第一种子源气体是先后通入腔室的，因此避免反应速度过快，使得形成的第一子种子层薄膜质量较好，电阻率降低，应力降低。
29.进一步，进行所述第二子沉积工艺的步骤包括：在腔室内通入第二置换气体之后，通入第二种子源主气体。由于第二置换气体和第二种子源气体是先后通入腔室的，因此避免反应速度过快，使得形成的第二子种子层薄膜质量较好，电阻率降低，应力降低。
附图说明
30.图1是一种半导体结构的形成方法的示意图；
31.图2是本发明实施例的一种半导体结构的形成方法的流程示意图；
32.图3至图5是本发明实施例中的半导体结构的形成方法对应的中间结构示意图；
33.图6是本发明示例中的种子层的结构示意图；
34.图7是本发明示例中的种子层的结构示意图；
35.图8是图1所述的方法所形成的钨种子层与本发明实施例中所形成的钨种子层的晶粒的比较图。
具体实施方式
36.参见图1，一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底100，并通过反复地执行种子层沉积工艺，在所述半导体衬底100上形成种子层110。其中，在执行种子层沉积工艺时，通过交替地往放置有半导体衬底100的反应腔室内供给作为置换气体的sih4气体和作为种子源气体的wf6，从而在半导体衬底100上形成种子层110。
37.但是，采用上述方式形成的种子层的晶粒尺寸较小，使得所形成的所述种子层和位于所述种子层之上的金属层的电阻率和应力均较高，降低了半导体结构的性能。
38.本发明实施例中的技术方案通过依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺，第一子沉积工艺用于形成第一子种子层，第二子沉积工艺用于形成第二子种子层，从而在半导体衬底之上形成种子层。由于第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒，因而第二种子层的电阻率小于第一种子层的电阻率，从而使得第二种子层的导电性能优于第一种子层的导电性能，这样使得种子层的导电性能得到提高。其次，由于依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺，因此第一子种子层和第二种子层依次交替排布。而第一种子层的晶粒较小，因此第一子种子层和半导体衬底之间，以及相邻的第一种子层和第二种子层之间的结合粘附力较强，使得种子层内部的结构稳定，种子层和半导体衬底之间的结合力较强。综上，提高了半导体结构的性能。
39.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
40.图2是本发明实施例的一种半导体结构的形成方法的流程示意图。参考图2，本发明实施例中的一种半导体结构的形成方法，具体可以包括：
41.步骤s201：提供半导体衬底；
42.步骤s202：在所述半导体衬底之上沉积形成种子层；形成所述种子层的方法包括：依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺；所述第一子沉积工艺用于形成第一子种子层，所述第二子沉积工艺用于形成第二子种子层，第二子种子层的晶粒大于第一子种子层的晶粒。
43.下面将结合图3至图6，对本发明实施例中的半导体结构的形成方法进行进一步详细的描述。
44.参见图3，提供半导体衬底100。
45.在具体实施中，所述半导体衬底为后续形成半导体结构提供工艺平台。
46.本实施例中，所述半导体衬底100为硅衬底。在其他具体实施中，所述半导体衬底
100可以为硅衬底、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓、镓化铟，所述半导体衬底100还可以为绝缘底上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。所述半导体衬底100的材料可以是适宜于工艺需要或者集成的材料。
47.参见图4，在所述半导体衬底100上沉积形成种子层110。
48.具体参见图5，所述种子层110为由多个顺序堆叠的第一子种子层111和第二子种子层112构成的叠层结构。
49.形成所述种子层110的步骤包括：依次交替进行第一子沉积工艺和第二子沉积工艺；所述第一子沉积工艺用于形成第一子种子层111，所述第二子沉积工艺用于形成第二子种子层112；第二子种子层112的晶粒大于第一子种子层111的晶粒。由于第二子种子层112的晶粒大于第一子种子层111的晶粒，因此第二子种子层112的电阻率小于第一子种子层111的电阻率，因此第二种子层112的导电性能优于第一种子层111的导电性能，这样使得种子层110 的导电性能得到提高。本实施例中，所述第一子沉积工艺和第二子沉积工艺分别为化学气相沉积工艺。在其他实施例中，所述第一子沉积工艺和第二子沉积工艺还可以原子层沉积工艺。
50.本实施例中，以第一子沉积工艺和第二子沉积工艺为化学气相沉积工艺为示例进行说明。
51.进行所述第一子沉积工艺的步骤包括：向放置有半导体衬底110的腔室内通入第一置换气体；向腔室内通入第一置换气体之后，向所述腔室内通入第一种子源主气体。
52.执行所述第一子沉积工艺时，附着于半导体衬底之上的第一置换气体将通入腔室内的第一种子源气体进行还原，形成第一子种子层。在执行所述第一子沉积工艺时，第一置换气体和第一种子源气体先后通入腔室，与同时第一置换气体和第一种子源气体相比，可以降低第一置换气体和第一种子源气体之间的反应速度，从而使得形成的第一子种子层薄膜质量较好，电阻率降低，应力降低。
53.当第一子沉积工艺为化学气相沉积工艺时，在所述第一子沉积工艺中，在腔室内通入第一置换气体之后，且在通入第一种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第一置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第一置换气体。这样的好处包括：将腔室中顶部的部分第一置换气体抽出，保留腔室底部区域靠近半导体衬底的第一置换气体，在此基础上，当通入第一种子源主气体时，第一种子源主气体与腔室底部区域的第一置换气体化学反应，形成的第一子种子层在半导体衬底上的附着力较好。
54.当第一子沉积工艺为原子层沉积工艺时，在所述第一子沉积工艺中，在腔室内通入第一置换气体之后，且在通入第一种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第一置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第一置换气体。需要说明的是，当第一子沉积工艺为原子层沉积工艺时，保留在半导体衬底附近的第一置换气体指的是保留半导体衬底表面的被吸附的第一置换气体。
55.进行所述第二子沉积工艺的步骤包括：向所述腔室内通入第二置换气体；向所述腔室内通入第二置换气体之后，向所述反应腔室内通入第二种子源主气体。
56.执行所述第二子沉积工艺时，附着于半导体衬底之上的第二置换气体将通入腔室内的第二种子源气体进行还原，形成第二子种子层。在执行第二子沉积工艺时，第二置换气体和第二种子源气体是先后通入腔室的，与同时第二置换气体和第二种子源气体相比，可
以降低第二置换气体和第二种子源气体之间的反应速度，使得形成的第二子种子层薄膜质量较好，电阻率降低，应力降低。
57.当第二子沉积工艺为化学气相沉积工艺时，在所述第二子沉积工艺中，在腔室内通入第二置换气体之后，且在通入第二种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第二置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第二置换气体。这样的好处包括：将腔室中顶部的部分第二置换气体抽出，保留腔室底部区域靠近半导体衬底的第二置换气体，在此基础上，当通入第二种子源主气体时，第二种子源主气体与腔室底部区域的第二置换气体化学反应，形成的第二子种子层在半导体衬底上的附着力较好。
58.当第二子沉积工艺为原子层沉积工艺时，在所述第二子沉积工艺中，在腔室内通入第二置换气体之后，且在通入第二种子源主气体之前，还包括：去除腔室中的部分第二置换气体的步骤，保留在半导体衬底附近的第二置换气体。需要说明的是，当第二子沉积工艺为原子层沉积工艺时，保留在半导体衬底附近的第二置换气体指的是保留半导体衬底表面的被吸附的第二置换气体。
59.本实施例中，第二子沉积工艺和第一子沉积工艺在同一强室中进行。
60.本发明实施例中，在相邻的第一子沉积工艺和第二子沉积工艺之间，还包括清洁步骤。本实施例中，所述清洁步骤所采用的气体包括氮气(n2)和/ 或氩气(ar)等不活泼气体。通过所述清洁步骤，可以将腔室内残留的反应气体排出，防止腔室内残留气体再次附着于半导体衬底表面。
61.参见图6，第一子种子层沉积工艺和第二子种子层沉积工艺均为化学气相沉积工艺，以所述第一置换气体为sih4，第二置换气体为b2h6，所述第一种子源主气体和第二种子源主气体均为wf6为例，在所述半导体衬底之上形成钨种子层的过程包括：首先，执行第一子种子层沉积工艺：向放置有半导体衬底的腔室内通入sih4气体；通入sih4气体之后，去除腔室中的部分sih4气体，保留腔室底部区域靠近半导体衬底的sih4气体；之后，向所述腔室内通入wf6气体，wf6气体与腔室底部区域的sih4气体反应形成一层第一子种子层；之后，执行向所述腔室内通入清洁气体的清洁步骤。接着，执行第二子种子层沉积工艺：向所述腔室内通入b2h6气体；通入b2h6气体之后，去除腔室中的部分b2h6气体，保留腔室底部区域靠近半导体衬底的b2h6气体；之后，向所述腔室内通入wf6气体，wf6气体与腔室底部区域的b2h6气体反应形成一层第二子种子层；之后，执行向所述腔室内通入清洁气体的清洁步骤。
62.将上述的执行一次第一子种子层沉积工艺和紧接着执行的一次第二子种子层沉积工艺的操作持续时间作为一个工艺周期。重复上述的工艺周期数次或数十次，从而在半导体衬底上形成数个或者数十个顺序堆叠的第一子种子层和第二子种子层形成的种子层，也即通过控制工艺周期的长度和数量，可以控制最终所形成的种子层的厚度。本发明实施例中，执行一次第一子沉积工艺和一次第二子沉积工艺的时间长度总和为4s～8s。其中，执行一次第一子沉积工艺的时间为2s～4s，执行一次第二子沉积工艺的时间为2s～4s。在所述第一子沉积工艺和第二子沉积工艺中，向所述腔室内通入气体的时间与清洁步骤的时间之比均为1:3。
63.参见图7，在所述种子层110之上生长形成金属层120。
64.在形成种子层110之后，在种子层110之上形成金属层120。本实施例中，当种子层110为钨种子层时，金属层120为钨金属层。
65.本技术的发明人发现，通过对第二置换气体的参数进行调节，如流速、周期数、线电荷和供给时间等，可以对所形成的种子层的电阻率和应力等性能参数进行优化。具体地，提高第二置换气体的流速、周期数和供给时间，如提高一个工艺周期内第二置换气体与第一置换气体的供给量比率，可以增大种子层的晶粒尺寸，从而降低种子层的电阻率和应力。同时，当种子层的电阻率和应力降低时，形成于所述种子层之上的金属层的电阻率和应力也随之降低。
66.所述种子层和金属层的厚度之比值为8.5～9.5。
67.以所形成的种子层的厚度为300埃～500埃，金属层的厚度为2500埃～3000 埃为例，所形成的种子层和金属层的的电阻率从35uω*cmb～10uω*cmb，所述种子层和所述金属层的总应力为0.8mpa～2.0mpa，所述种子层和所述金属层的总反射率为1.1～1.5。
68.参见图8，与图8a中采用sih4气体作为置换气体对作为种子源气体的 wf6进行还原形成的种子层相比，图8b中本发明实施例的半导体结构的形成方法所形成的第二子种子层具有较大的晶粒。当晶粒尺寸增加时，所形成的种子层与形成于所述种子层之上的金属层的平均电阻率和总应力也随之降低。
69.本发明实施例还提供了一种半导体结构。
70.请继续参见图7，一种半导体结构包括：半导体衬底100；位于半导体衬底100上的种子层110；所述种子层110包括依次交替排布的第一子种子层111 和第二子种子层112，第二子种子层112的晶粒大于第一子种子层111的晶粒。
71.本实施例中，在所述种子层110中，第一子种子层111和第二子种子层 112的总层数为奇数层；第一子种子层111和第二子种子层112的总层数为偶数层。
72.本发明实施例中，半导体结构还包括：位于所述种子层110上的金属层 120。
73.本发明实施例中，所述种子层的厚度为300埃～500埃，所述金属层的厚度为2500埃～3000埃；所述种子层和金属层的平均电阻率为 10μω*cmb～35μω*cmb；所述种子层和所述金属层的总应力为0.8mpa～2.0mpa，所述种子层和所述金属层的总反射率为1.1～1.5。
74.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。