半导体结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体器件的特征尺寸进入到45nm技术节点以后，为了减小栅隧穿电流，降低器件的功耗，并彻底消除多晶硅耗尽效应，缓解费米能级钉扎效应，采用高介电常数(k)/金属栅材料代替传统的sio2/多晶硅(poly)结构已经成为了必然的选择。
3.其中，氮化钛(tin)材料由于具有好的热稳定性、合适的功函数(4.63-4.75ev)目前常被用作金属栅极用来储存电荷和传导电子。但是，因为氮化钛(tin)容易被氧化，即，在高温下氧元素进入氮化钛(tin)晶格代替n元素的位置，造成了氮化钛(tin)膜的不连续性和器件的漏电，如图1所示。
4.目前，38nm的闪存(38superflash)中需要采用氧化层 氮化钛(oxide tin)的叠层结构来制作栅极，而现有技术中tin沉积的膜很薄,约在具体的透射电子图(tem)如图1所示；从图1所示可知，利用现有技术最终形成的fg的tin连续性、均匀性不佳，且擦除效率偏低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种半导体结构及其制造方法，以解决现有技术中半导体衬底中氧元素跃迁到该作为金属栅极的氮化钛中，以保证氮化钛生长的连续性。
6.第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体结构的制备方法，包括：
7.提供一内部形成有凹槽的半导体衬底；
8.形成栅极氧化层、种子层和氮化钛层，所述栅极氧化层、种子层和氮化钛层沿远离所述半导体衬底的方向依次堆叠在所述凹槽的内部以及所述半导体衬底的表面上，以形成由所述种子层和氮化钛层组成的所述半导体结构的金属栅极。
9.进一步的，所述半导体衬底的材料可以包括硅或者二氧化硅中的至少一种。
10.进一步的，所述栅极氧化层的材料可以包括二氧化硅，所述种子层的材料可以包括非晶硅。
11.进一步的，形成所述种子层的工艺可以包括低压力化学气相沉积法。
12.进一步的，所述低压力化学气相沉积法的工艺条件可以包括温度范围为：300℃-550℃，反应气体可以为sih4或si2h6。
13.进一步的，所述种子层的厚度范围可以为：
14.进一步的，当所述半导体衬底为二氧化硅时，形成该半导体衬底的工艺可以为低压力化学气相沉积法，且形成该半导体衬底的反应气体可以包括：二氯二氢硅气体和二氧化氮气体。
15.进一步的，在形成所述栅极氧化层之后，且在形成所述种子层之前，所述方法还可以包括对形成有所述栅极氧化层的半导体衬底进行快速退火工艺。
16.进一步的，在形成所述氮化钛层之后，所述方法还可以包括利用原子层沉积工艺在所述氮化钛层的表面上形成二氧化硅层。
17.第二方面，基于与所述半导体结构的制备方法相同的发明构思，本发明还提供了一种可以采用所述的制备方法制备而成的半导体结构。
18.与现有技术相比，本发明技术方案至少具有如下有益效果之一：
19.本发明提出了一种半导体结构的制备方法，其提出在半导体衬底为二氧化硅的表面上先沉积一层材料为非晶硅的种子层，以利用该种子层在高温的情况下可以吸附衬底二氧化硅中跃迁的氧元素的原理，阻止了衬底中的氧元素从衬底二氧化硅中跃迁到作为金属栅极的部分膜层的氮化钛中，从而保证了氮化钛不被衬底氧化，并最终保证了氮化钛生长的连续性和其同时作为浮栅fg的擦除特性。
附图说明
20.图1为现有技术中金属栅极为氮化钛的半导体结构的存储器件的tem截面图；
21.图2为本发明一实施例中提供的半导体结构的制备方法的流程示意图；
22.图3为本发明一实施例中提供的氮化钛tin在基于不同衬底生长厚度不同的结构示意图；
23.图4为本发明一实施例中的提供的利用本发明最终形成的半导体结构的结构示意图。
具体实施方式
24.承如背景技术所述，目前，38nm的闪存(38 super flash)中需要采用氧化层 氮化钛(oxide tin)的叠层结构来制作栅极，而现有技术中tin沉积的膜很薄,约在具体的透射电子图(tem)如图1所示；从图1所示可知，利用现有技术最终形成的fg的tin连续性、均匀性不佳，且擦除效率偏低。
25.为此，本发明提供了一种半导体结构的制备方法，以解决现有技术中半导体衬底中氧元素跃迁到该作为金属栅极的氮化钛中，以保证氮化钛生长的连续性。例如参考图2所示，所述半导体结构的制备方法包括如下步骤：
26.步骤s100，提供一内部形成有凹槽的半导体衬底；
27.步骤s200，形成栅极氧化层、种子层和氮化钛层，所述栅极氧化层、种子层和氮化钛层沿远离所述半导体衬底的方向依次堆叠在所述凹槽的内部以及所述半导体衬底的表面上，以形成由所述种子层和氮化钛层组成的所述半导体结构的金属栅极。
28.即，本发明提出了一种半导体结构的制备方法中，其提出在半导体衬底为二氧化硅的表面上先沉积一层材料为非晶硅的种子层，以利用该种子层在高温的情况下可以吸附衬底二氧化硅中跃迁的氧元素的原理，阻止了衬底中的氧元素从衬底二氧化硅中跃迁到作为金属栅极的部分膜层的氮化钛中，从而保证了氮化钛不被衬底氧化，并最终保证了氮化钛生长的连续性和其同时作为浮栅fg的擦除特性。
29.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体结构的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。在下面
的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
30.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
31.下面首先对本发明一实施例中的半导体结构的制备方法在其制备过程中进行详细描述，具体如下。
32.在步骤s100中，提供一内部形成有凹槽101的半导体衬底100，所述半导体衬底用于为后续工艺生成38nm的superflash闪存存储器件提供操作的平台。其中，所述半导体衬底100的材料材料还可以是本领域公知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(si)、锗(ge)、锗硅(sige)、碳硅(sic)、碳锗硅(sigec)、砷化铟(inas)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者还可以为双面抛光硅片(double side polished wafers，dsp)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。示例性的，本发明实施例中，所述半导体衬底为二氧化硅衬底。
33.在本实施例中，目前形成38nm闪存(38 super flash)的衬底(基地)多数为二氧化硅，其金属栅极为氮化钛，然后，由于tin容易被氧化，高温下氧元素进入tin晶格代替n元素的位置，造成了tin膜的不连续性和器件的漏电，以及最终形成的半导体结构的浮栅fg的tin连续性、均匀性不佳以及擦除效率偏低的问题。针对此问题，本发明研究人员发现a-si&tin复合材料的性能要由于tin，因此，提出了可以在衬底为二氧化硅的表面上形成氮化钛之前，先形成一层非晶硅(种子层)，然后，种子层在高温的情况下可以吸附衬底二氧化硅中跃迁的氧元素的原理，阻止了衬底中的氧元素从衬底二氧化硅中跃迁到作为金属栅极的部分膜层的氮化钛中，从而保证了氮化钛不被衬底氧化，并最终保证了氮化钛生长的连续性和其同时作为浮栅fg的擦除特性。
34.作为一种示例，当所述半导体衬底可以为二氧化硅时，具体形成该半导体衬底的工艺可以为低压力化学气相沉积法，且形成该半导体衬底的反应气体可以包括：二氯二氢硅气体和二氧化氮气体。
35.可以理解的是，本发明上述示例中是指列举了一种可以形成本发明提供的半导体衬底的形成工艺方法，其现有半导体工艺中其他任何可以实现形成衬底的方式都可以用于本技术，本技术对此不作具体限定。
36.在步骤s200中，形成栅极氧化层、种子层和氮化钛层，所述栅极氧化层、种子层和氮化钛层沿远离所述半导体衬底的方向依次堆叠在所述凹槽的内部以及所述半导体衬底的表面上，以形成由所述种子层和氮化钛层组成的所述半导体结构的金属栅极。
37.其中，所述栅极氧化层的材料可以包括二氧化硅，所述种子层的材料可以包括非晶硅，所述种子层的厚度范围可以为：
38.在本实施例中，在上述步骤s100形成有凹槽的半导体衬底之后，可以利用一种沉
积工艺或利用多种沉积工艺(每个膜层的沉积工艺均不同)的方式依次形成栅极氧化层、种子层和氮化钛层。具体的，可以先形成栅极氧化层，示例性的，所述栅极氧化层为二氧化硅，然后，利用低压力化学气相沉积法，其中，所述低压力化学气相沉积法的工艺条件包括温度范围为：300℃-550℃，例如可以为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃和550℃；其反应气体可以为sih4或si2h6，形成种子层，之后，在形成氮化钛层。由于在形成氮化钛层时，其的工艺高温会使材料为非晶硅的种子层被氧化形成二氧化硅，此方法阻止了氧元素从半导体衬底二氧化硅跃迁到氮化钛膜中。
39.并且，ald沉积方法形成氮化钛层tin是沉积在所述种子层非晶硅的表面，相比直接形成在半导体衬底为二氧化硅的表面上，其提高了第一种反应前驱体与衬底表面的化学吸附自限制，进而缩短成膜延迟时间，如图3所示。从图3可知，tin在硅si衬底的沉积速率大于在二氧化硅sio2衬底的沉积速率，体现了本发明提供的半导体结构的制备方法可以提高tin生长的连续性。此外，a-si&tin复合材料优于纯tin材料，还可以提高fg擦除特性，如图4所示。
40.需要说明的是，本发明只是示例性的展示了形成所述种子层和氮化钛层的工艺方法，其在现有的半导体工艺中其他任何可以实现相同功能层膜层沉积方法均可以应用于本发明中，对此不再详细描述。
41.进一步的，在形成所述栅极氧化层之后，且在形成所述种子层之前，本发明提供的所述半导体结构的制备方法还可以包括：对形成有所述栅极氧化层的半导体衬底进行快速退火工艺；以及，在形成所述氮化钛层之后，利用原子层沉积工艺ald在所述氮化钛层的表面上形成二氧化硅层(未图示)。
42.在本实施例中，炉管制备出的tinfilm结构虽然是无定形的，但是也大量存在如下的columnar(extends from bottom to top)结构，tin比较容易被氧化，普通tinfilm形成后出炉管表面即会有一层氧化层(tinox/tio)，o扩散到晶界，同时伴随ti和n不断向表面迁移形成oxide或oxynitride。同时，由于本发明提出的制备方法其在半导体衬底为二氧化硅的表面上先沉积一层材料为非晶硅的种子层，以利用该种子层在高温的情况下可以吸附衬底二氧化硅中跃迁的氧元素的原理，阻止了衬底中的氧元素从衬底二氧化硅中跃迁到作为金属栅极的部分膜层的氮化钛中，从而保证了氮化钛不被衬底氧化，并最终保证了氮化钛生长的连续性和其同时作为浮栅fg的擦除特性。
43.基于如上所述的半导体结构的制备方法，本实施例中还提供了一种半导体器件，其具体制备方法参考如上所述的半导体结构的制备方法，这里不再累述。
44.综上所述，本发明提出了一种半导体结构的制备方法中，其提出在半导体衬底为二氧化硅的表面上先沉积一层材料为非晶硅的种子层，以利用该种子层在高温的情况下可以吸附衬底二氧化硅中跃迁的氧元素的原理，阻止了衬底中的氧元素从衬底二氧化硅中跃迁到作为金属栅极的部分膜层的氮化钛中，从而保证了氮化钛不被衬底氧化，并最终保证了氮化钛生长的连续性和其同时作为浮栅fg的擦除特性。
45.本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，
46.存储器，用于存放计算机程序；
47.处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现本发明实施例提供的一种半导
体结构的制备方法。
48.具体的，上述一种半导体结构的制备方法，包括：
49.提供一内部形成有凹槽的半导体衬底；
50.形成栅极氧化层、种子层和氮化钛层，所述栅极氧化层、种子层和氮化钛层沿远离所述半导体衬底的方向依次堆叠在所述凹槽的内部以及所述半导体衬底的表面上，以形成由所述种子层和氮化钛层组成的所述半导体结构的金属栅极。
51.另外，处理器执行存储器上所存放的程序而实现的产品版图的评估方法的其他实现方式，与前述方法实施例部分所提及的实现方式相同，这里也不再赘述。
52.上述控制终端提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
53.通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
54.存储器可以包括随机存取存储器(random access memory，ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
55.上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
56.在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的半导体结构的制备方法。
57.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
58.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备以及计算机可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
60.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。