本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法。
背景技術(shù):
隨著集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展,促使集成電路中的半導(dǎo)體器件,尤其是MOS(Metal Oxide Semiconductor,金屬-氧化物-半導(dǎo)體)器件的尺寸不斷地縮小,以此滿足集成電路發(fā)展的微型化和集成化的要求,而晶體管器件是MOS器件中的重要組成部分之一。
對(duì)于半導(dǎo)體器件來(lái)說,隨著半導(dǎo)體器件的尺寸持續(xù)縮小,現(xiàn)有技術(shù)以氧化硅或氮氧化硅材料形成的柵介質(zhì)層時(shí),已無(wú)法滿足半導(dǎo)體器件對(duì)于性能的要求。尤其是以氧化硅或氮氧化硅作為柵介質(zhì)層所形成的晶體管容易產(chǎn)漏電流以及雜質(zhì)擴(kuò)散等一系列問題,從而影響晶體管的閾值電壓,造成晶體管的可靠性和穩(wěn)定性下降。
為解決以上問題,一種以高K柵介質(zhì)層和金屬柵構(gòu)成的晶體管被提出,即高k金屬柵(HKMG,High K Metal Gate)晶體管。所述高k金屬柵晶體管采用高k(介電常數(shù))介質(zhì)材料代替常用的氧化硅或氮氧化硅作為柵介質(zhì)材料,以金屬材料或金屬化合物材料替代傳統(tǒng)的多晶硅柵極材料,形成金屬柵。所述高k金屬柵晶體管能夠在縮小尺寸的情況下,能夠減小漏電流,降低工作電壓和功耗,以此提高晶體管的性能。
除此之外,所述高k介質(zhì)材料還能夠作為存儲(chǔ)器件(例如DRAM器件)的柵極結(jié)構(gòu)與襯底之間的柵介質(zhì)層,或者作為電容器兩極之間的介質(zhì)層。
然而,隨著高k介質(zhì)材料的應(yīng)用廣泛,高k介質(zhì)材料的缺點(diǎn)對(duì)半導(dǎo)體器件造成的不良影響也越發(fā)嚴(yán)重。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的問題是提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能改善。
為解決上述問題,本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,包括:提供襯底;在所述襯底表面形成界面層;在所述界面層表面形成高k介質(zhì)層;進(jìn)行第一退火工藝,所述第一退火工藝用于在所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜優(yōu)化離子,所述優(yōu)化離子用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷。
可選的,所述優(yōu)化離子包括氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種。
可選的,所述高k介質(zhì)層的材料為Hf基介質(zhì)材料。
可選的,所述Hf基介質(zhì)材料為HfO2。
可選的,所述界面層的材料為氧化硅;所述界面層的形成工藝為熱氧化工藝。
可選的,在形成所述界面層之后,形成所述高k介質(zhì)層之前,進(jìn)行所述第一退火工藝。
可選的,在形成所述高k介質(zhì)層之后,進(jìn)行所述第一退火工藝。
可選的,所述第一退火工藝的氣體包括NH2F。
可選的,所述第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM。
可選的,所述第一退火工藝的氣體還包括H2。
可選的,所述第一退火工藝所述NH2F與H2的體積比為1:100~100:1。
可選的,還包括:在形成高k介質(zhì)層之后,進(jìn)行第二退火工藝;所述第二退火工藝的氣體包括N2。
可選的,還包括:在形成所述界面層之前,在所述襯底表面形成偽柵極結(jié)構(gòu),所述偽柵極結(jié)構(gòu)包括偽柵極層、以及位于偽柵極層側(cè)壁表面的側(cè)墻;在所述偽柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的襯底內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū);在形成所述源區(qū)和漏區(qū)之后,在所述襯底表面形成介質(zhì)層,所述介質(zhì)層暴露出所述偽柵極結(jié)構(gòu)的頂部表面;去除所述偽柵極層,在所述介質(zhì)層內(nèi)形成暴露出襯底表面的開口;在所述開口暴露出的襯底表面形成界面層;在所述開口的側(cè)壁表面和底部的界面層表面形成高k介質(zhì)層。
可選的,還包括:在所述高k介質(zhì)層表面形成偽柵極膜;刻蝕所述偽柵極膜、高k介質(zhì)層和界面層,并暴露出部分襯底表面,在高k介質(zhì)層表面形成偽柵極層;在所述偽柵極層、高k介質(zhì)層和界面層的側(cè)壁表面形成側(cè)墻;在所述偽柵極層、高k介質(zhì)層、界面層和側(cè)墻兩側(cè)的襯底內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū);在形成所述源區(qū)和漏區(qū)之后,在所述襯底表面形成介質(zhì)層,所述介質(zhì)層暴露出所述偽柵極結(jié)構(gòu)的頂部表面;去除所述偽柵極層,在所述介質(zhì)層內(nèi)形成暴露出高k介質(zhì)層的開口。
可選的,在所述開口內(nèi)的高k介質(zhì)層表面形成填充滿開口的柵極層。
可選的,所述柵極層的材料為金屬和金屬化合物中的一種或多種;所述金屬包括銅、鎢、鋁、銀、鈦和鉭;所述金屬化合物包括氮化鈦和氮化鉭。
可選的,所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,所述隔離層覆蓋所述鰭部的部分側(cè)壁表面,且所述隔離層的表面低于鰭部的頂部表面。
可選的,所述界面層位于所述鰭部的側(cè)壁和頂部表面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明的形成方法中,所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,而所述缺陷容易在弛豫過程中產(chǎn)生更大的弛豫電流。一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷所構(gòu)成的電子陷阱能夠被優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而能夠使高k介質(zhì)層中的缺陷能極自禁帶中移出,使得電子在所述高k介質(zhì)層中遷移時(shí)不易被電子陷阱俘獲,從而能夠使所述高k介質(zhì)層在弛豫過程中所產(chǎn)生的弛豫電流減小。另一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的氧空位能夠被所述優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而避免了界面層內(nèi)的氧離子因受氧空位的吸引而向所述高k介質(zhì)層內(nèi)遷移;所述高k介質(zhì)層內(nèi)的極化原子在弛豫過程中不易受到氧離子的干擾,能夠有效地減小高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流。而且,所述優(yōu)化離子不會(huì)降低高k介質(zhì)層的介電常數(shù)。因此,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能改善,由所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成的晶體管的正偏壓溫度不穩(wěn)定、以及負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定均得到抑制。
進(jìn)一步,所述優(yōu)化離子包括氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種。在所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜所述氮離子、氫離子和氟離子,不僅能夠填補(bǔ)所述 高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,以減小高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流,還能夠提高所述高k介質(zhì)層的介電常數(shù),有利于提高所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。
進(jìn)一步,所述高k介質(zhì)層的材料為Hf基介質(zhì)材料。以所述Hf基介質(zhì)材料構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)所產(chǎn)生的漏電流較小,則所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能較佳。而且,通過在所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜優(yōu)化離子能夠減小高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流。因此,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能改善。
附圖說明
圖1至圖7是本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8至圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11至圖12是本發(fā)明又一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如背景技術(shù)所述,隨著高k介質(zhì)材料的應(yīng)用廣泛,高k介質(zhì)材料的缺點(diǎn)對(duì)半導(dǎo)體器件造成的不良影響也越發(fā)嚴(yán)重。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),高k介質(zhì)材料中的原子在交變電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生極化,并通過弛豫過程恢復(fù)為電平衡狀態(tài),即弛豫(Dielectric Relaxation,簡(jiǎn)稱DR)現(xiàn)象。在弛豫過程中,高k介質(zhì)材料中的被極化的原子需要一定的弛豫時(shí)間以恢復(fù)為電平衡狀態(tài),而且在弛豫過程中,所述高k介質(zhì)材料中會(huì)產(chǎn)生弛豫電流,從而造成能量損耗。具體的,高k介質(zhì)材料內(nèi)的極化強(qiáng)度具有一落后于交變電場(chǎng)的相位角,而弛豫現(xiàn)象造成的能量損耗與所述相位角的正切值呈正比,所述相位角的正切值即損耗因子。
在以高k介質(zhì)材料構(gòu)成的半導(dǎo)體器件中,電容器件由于其工作頻率的變化范圍較小,所述弛豫現(xiàn)象引起的能量損耗在交變電場(chǎng)所提供的能量中所占的比例較小,因此所述能量損耗的變化較小,則所述能量損耗在可控范圍內(nèi)。然而,對(duì)于DRAM存儲(chǔ)器或MOS晶體管來(lái)說,其工作頻率的變化范圍較大, 以DRAM存儲(chǔ)器為例,其工作頻率的范圍在1GHz至1Hz之間;而工作頻率的變化范圍大,使得所述弛豫現(xiàn)象引起的能量損耗變化較大,則所述能量損耗難以進(jìn)行調(diào)控,則所述弛豫現(xiàn)象的影響更為顯著。
另一方面,除了弛豫現(xiàn)象引起的能量損耗,高k介質(zhì)材料中的漏電流也容易引起半導(dǎo)體器件的能量損耗。在高k介質(zhì)材料中,Hf基介質(zhì)材料相較于其他高k介質(zhì)材料具有較低的漏電流;然而,Hf基介質(zhì)材料同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的弛豫電流。因此,降低,Hf基介質(zhì)材料中的弛豫電流能夠極大的改善半導(dǎo)體器件中的能量損耗問題,提高以高k介質(zhì)材料制造的半導(dǎo)體器件性能。
為了減小Hf基介質(zhì)材料中的弛豫電流,能夠在Hf基介質(zhì)材料中摻雜鑭(La)離子和氮離子,以此抑制Hf基介質(zhì)材料的弛豫現(xiàn)象。然而,在Hf基介質(zhì)材料中摻雜鑭離子會(huì)使得Hf基介質(zhì)材料的介電系數(shù)降低,容易使得所形成的半導(dǎo)體器件的性能變差。
為了解決上述問題,本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,包括:提供襯底;在所述襯底表面形成界面層;在所述界面層表面形成高k介質(zhì)層;進(jìn)行第一退火工藝,所述第一退火工藝用于在所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜優(yōu)化離子,所述優(yōu)化離子用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷。
其中,所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,而所述缺陷容易在弛豫過程中產(chǎn)生更大的弛豫電流。一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷所構(gòu)成的電子陷阱能夠被優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而能夠使高k介質(zhì)層中的缺陷能極自禁帶中移出,使得電子在所述高k介質(zhì)層中遷移時(shí)不易被電子陷阱俘獲,從而能夠使所述高k介質(zhì)層在弛豫過程中所產(chǎn)生的弛豫電流減小。另一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的氧空位能夠被所述優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而避免了界面層內(nèi)的氧離子因受氧空位的吸引而向所述高k介質(zhì)層內(nèi)遷移;所述高k介質(zhì)層內(nèi)的極化原子在弛豫過程中不易受到氧離子的干擾,能夠有效地減小高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流。而且,所述優(yōu)化離子不會(huì)降低高k介質(zhì)層的介電常數(shù)。因此,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能改善,由所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成的晶體管的正偏壓溫度不穩(wěn)定、以及負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定均得到抑制。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂,下面結(jié)合附圖 對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。
圖1至圖7是本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
請(qǐng)參考圖1,提供襯底100;在所述襯底100表面形成偽柵極結(jié)構(gòu)110,所述偽柵極結(jié)構(gòu)110包括偽柵極層111、以及位于偽柵極層111側(cè)壁表面的側(cè)墻112。
在本實(shí)施例中,所述襯底100為平面基底。所述襯底100包括硅襯底、硅鍺襯底、碳化硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底、絕緣體上鍺(GOI)襯底、玻璃襯底或III-V族化合物襯底(例如氮化硅或砷化鎵等)。本實(shí)施例中,所述襯底100為硅襯底。
所述襯底100內(nèi)具有隔離結(jié)構(gòu);所述隔離結(jié)構(gòu)的材料為絕緣材料,例如氧化硅;所述隔離結(jié)構(gòu)的表面高于或低于所述襯底100表面。
在另一實(shí)施例中,所述襯底用于形成鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,所述隔離層覆蓋所述鰭部的部分側(cè)壁表面,且所述隔離層的表面低于鰭部的頂部表面。所述偽柵極結(jié)構(gòu)橫跨所述鰭部,且所述偽柵極結(jié)構(gòu)位于所述鰭部的部分側(cè)壁和頂部表面。
所述基底和鰭部通過刻蝕平面半導(dǎo)體基底形成;或者,所述鰭部通過選擇性外延沉積工藝形成于基底表面。所述隔離層的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介質(zhì)材料(介電系數(shù)大于或等于2.5,小于3.9)或超低k介質(zhì)材料(介電系數(shù)小于2.5,小于3.9)。
在本實(shí)施例中,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用于構(gòu)成高k金屬柵(High k Metal Gate,簡(jiǎn)稱HKMG)晶體管,而所述高k金屬柵晶體管采用后柵(Gate Last)工藝形成。因此,所述襯底100表面首先需要形成偽柵極結(jié)構(gòu)110,所述偽柵極結(jié)構(gòu)110用于為后續(xù)形成的高k介質(zhì)層和柵極層占據(jù)空間位置。
所述偽柵極層111的材料為多晶硅。所述側(cè)墻112用于定義后續(xù)形成的源區(qū)和漏區(qū)與偽柵極層111之間的距離;所述側(cè)墻112的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一種或多種組合。
在本實(shí)施例中,所述偽柵極結(jié)構(gòu)110還能夠包括位于襯底100表面的偽柵介質(zhì)層;所述偽柵極層111位于所述偽柵介質(zhì)層表面。所述偽柵介質(zhì)層的材料為氧化硅;所述柵氧層用于在后續(xù)去除偽柵極層111的過程中,保護(hù)襯底100表面。
請(qǐng)參考圖2,在所述偽柵極結(jié)構(gòu)110兩側(cè)的襯底100內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū)113;在形成所述源區(qū)和漏區(qū)113之后,在所述襯底100表面形成介質(zhì)層120,所述介質(zhì)層120暴露出所述偽柵極結(jié)構(gòu)110的頂部表面。
在本實(shí)施例中,所述源區(qū)和漏區(qū)113的形成步驟包括:在所述偽柵極結(jié)構(gòu)110兩側(cè)的襯底100內(nèi)形成應(yīng)力層;在所述應(yīng)力層內(nèi)摻雜P型離子或N型離子,形成源區(qū)和漏區(qū)113。
當(dāng)所形成的晶體管為PMOS晶體管時(shí),所述應(yīng)力層材料為SiGe,且所述應(yīng)力層側(cè)壁與襯底100表面呈“Σ”形,所述應(yīng)力層側(cè)壁具有頂角,而所述頂角向偽柵極結(jié)構(gòu)110底部延伸。當(dāng)所形成的晶體管為NMOS晶體管時(shí),所述應(yīng)力層材料為SiC,且所述第一區(qū)域201的應(yīng)力層底部低于所述襯底100表面。
在應(yīng)力層內(nèi)摻雜P型離子或N型離子的工藝為原位摻雜工藝、離子注入工藝中的一種或兩種組合。
在另一實(shí)施例中,所述源區(qū)和漏區(qū)通過離子注入工藝形成于偽柵極結(jié)構(gòu)110兩側(cè)的襯底100內(nèi)。
所述介質(zhì)層120的形成步驟包括:在所述襯底100和偽柵極結(jié)構(gòu)110表面形成介質(zhì)膜;對(duì)所述介質(zhì)膜進(jìn)行平坦化,直至暴露出所述偽柵極結(jié)構(gòu)110的頂部表面,形成所述介質(zhì)層120。
所述介質(zhì)層120的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介質(zhì)材料或超低k介質(zhì)材料。所述介質(zhì)膜的形成工藝為化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。在本實(shí)施例中,所述介質(zhì)膜的形成工藝為流體化學(xué)氣相沉積(Flowable Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱FCVD)工藝。所述平坦化工藝為化學(xué)機(jī)械拋光工藝。
請(qǐng)參考圖3,去除所述偽柵極層111(如圖2所示),在所述介質(zhì)層120 內(nèi)形成暴露出襯底100表面的開口121。
所述開口121用于形成高k介質(zhì)層和柵極層。去除所述偽柵極層111的工藝為干法刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝;所述干法刻蝕工藝為各向同性的干法刻蝕工藝、各向異性的干法刻蝕工藝中的一種或兩種組合進(jìn)行。
在本實(shí)施例中,所述偽柵極層111和襯底100之間還具有偽柵介質(zhì)層,在去除所述偽柵極層111之后,還包括去除所述偽柵介質(zhì)層并暴露出開口121底部的襯底100表面。
在本實(shí)施例中,所述偽柵極層111的材料為多晶硅,去除所述偽柵極層111的工藝為濕法刻蝕工藝;所述濕法刻蝕工藝的刻蝕液包括氫氟酸和雙氧水的混合溶液、或者包括硫酸和雙氧水的混合溶液。在另一實(shí)施例中,去除所述偽柵極層111的工藝為干法刻蝕工藝,所述干法刻蝕的刻蝕液包括Cl2、HBr中的一種或兩種混合。
在本實(shí)施例中,所述偽柵介質(zhì)層的材料為氧化硅,去除所述偽柵介質(zhì)層的工藝為濕法刻蝕工藝,所述濕法刻蝕工藝的刻蝕液為氫氟酸。
請(qǐng)參考圖4,在所述開口121暴露出的襯底100表面形成界面層130。
所述界面層130用于增強(qiáng)后續(xù)形成的高k介質(zhì)層與襯底100之間的結(jié)合強(qiáng)度,避免所述高k介質(zhì)層與襯底100之間因發(fā)生晶格失配而產(chǎn)生漏電流。
在本實(shí)施例中,所述界面層130的材料為氧化硅;所述界面層130的形成工藝為氧化工藝;所述氧化工藝包括熱氧化工藝或濕法氧化工藝。
在另一實(shí)施例中,所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,而所述開口暴露出部分鰭部的側(cè)壁和頂部表面,則所述界面層位于所述開口暴露出的鰭部側(cè)壁和頂部表面。
請(qǐng)參考圖5,進(jìn)行第一退火工藝。
在本實(shí)施例中,所述第一退火工藝在形成界面層130之后、形成后續(xù)的高k介質(zhì)層之前進(jìn)行。所述第一退火工藝能夠向所述界面層130內(nèi)摻雜優(yōu)化離子;在后續(xù)形成高k介質(zhì)層之后,通過第二退火工藝的驅(qū)動(dòng),能夠使所述優(yōu)化離子能夠向所述高k介質(zhì)層內(nèi)擴(kuò)散。所述優(yōu)化離子擴(kuò)散入所述高k介質(zhì) 層之后,能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,例如電子陷阱或氧空位等;從而消除了影響極化原子弛豫的因素,由此減少弛豫電流,提高所形成的高k金屬柵晶體管的性能和穩(wěn)定性。
所述優(yōu)化離子包括氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種。所述氮離子、氫離子和氟離子不僅能夠用于填補(bǔ)后續(xù)的高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,以此減少高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流,還能夠提高所述高k介質(zhì)層的介電系數(shù),進(jìn)一步提高了所形成的高k金屬柵晶體管的性能。
在本實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體包括NH2F;所述第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM。其中,所述NH2F氣體包括同時(shí)氮離子、氫離子和氟離子,能夠向所述界面層130內(nèi)同時(shí)摻雜氮離子、氫離子和氟離子。
所述第一退火工藝除了在所述界面層130內(nèi)摻雜氮離子、氫離子和氟離子之外,還能夠用于激活所述源區(qū)和漏區(qū)113內(nèi)的P型離子或N型離子。
在另一實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體還包括NH2F和H2的混合氣體;是第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM,所述NH2F與H2的體積比為1:100~100:1。
請(qǐng)參考圖6,在所述開口121的側(cè)壁表面和底部的界面層130表面形成高k介質(zhì)層131。
在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層131用于形成高k金屬柵晶體管的柵介質(zhì)層。
所述高k介質(zhì)層131的形成工藝為化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層131的形成工藝為原子層沉積工藝,采用所述原子層沉積工藝形成的高k介質(zhì)層131具有良好的階梯覆蓋能力,能夠緊密覆蓋于開口121的側(cè)壁和底部表面,有利于減少所形成的晶體管內(nèi)的漏電流。
所述高k介質(zhì)層131的材料為Hf基介質(zhì)材料;在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層131的材料為HfO2。所述Hf基介質(zhì)材料內(nèi)的漏電流較低,因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層時(shí),有利于提高所形成的晶體管的性能。然而, 所述Hf基介質(zhì)材料的弛豫電流較高,因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層對(duì)于改善晶體管性能的能力有限。
在本實(shí)施例中,所述界面層130內(nèi)所摻雜的氮離子、氫離子或氟離子能夠向所述高k介質(zhì)層131內(nèi)擴(kuò)散,并能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的缺陷,例如電子陷阱或氧空位,從而消除所述高k介質(zhì)層131內(nèi)妨礙極化原子弛豫的缺陷,減小弛豫時(shí)間,并以此減小弛豫電流。因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層時(shí),即能夠減小漏電流,又能夠減小弛豫電流,使得所形成的晶體管性能提高。
請(qǐng)參考圖7,在形成高k介質(zhì)層131之后,進(jìn)行第二退火工藝。
所述第二退火工藝用于驅(qū)動(dòng)所述界面層130內(nèi)摻雜的優(yōu)化離子向所述高k介質(zhì)層131內(nèi)擴(kuò)散,使得所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的缺陷,以此抑制所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的弛豫電流。
在本實(shí)施例中,所述第二退火工藝的氣體包括N2。所述第二退火工藝除了驅(qū)動(dòng)優(yōu)化離子擴(kuò)散入高k介質(zhì)層131之外,還能夠進(jìn)一步激活所述源區(qū)和漏區(qū)113內(nèi)的P型離子或N型離子;此外,所述第二退火工藝還能夠進(jìn)一步排出所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的缺陷,以減小弛豫電流。
一方面,所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的電子陷阱,使得高k介質(zhì)層131的缺陷能級(jí)從禁帶中移除,從而減少了極化原子在弛豫過程,電子不會(huì)被電子陷阱俘獲,則所述極化原子在弛豫過程中受到的干擾減小,能夠減小弛豫時(shí)間,并減小弛豫電流。
另一方面,所述優(yōu)化離子能夠消除所述高k介質(zhì)層131內(nèi)氧空位,則所述高k介質(zhì)層131不會(huì)自所述界面層拉取氧離子。而所述高k介質(zhì)層131內(nèi)的氧離子含量越高,弛豫電流越大。因此,在所述高k介質(zhì)層131內(nèi)摻雜中所述優(yōu)化離子能夠減小弛豫電流減小。并且,所述優(yōu)化離子還能夠優(yōu)化所述界面層130和所述高k介質(zhì)層131之間的接觸界面,減少所述接觸界面處的缺陷,從而能夠減少所述界面層130和高k介質(zhì)層131的漏電流。
在本實(shí)施例中,所述優(yōu)化離子為氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種,在所述高k介質(zhì)層131內(nèi)摻雜所述優(yōu)化離子還能夠提高所述高k介質(zhì)層 131的介電系數(shù)(k),從而提高所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的漏電流減少、工作性能提高。
在本實(shí)施例中,在所述第二退火工藝之后,還包括:后續(xù)在所述開口內(nèi)的高k介質(zhì)層131表面形成填充滿開口121的柵極層;采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)所述柵極層和高k介質(zhì)層131進(jìn)行平坦化,直至暴露出所述介質(zhì)層120表面為止,在所述開口121內(nèi)形成柵介質(zhì)層和柵極層。
其中,所述柵極層的材料為金屬和金屬化合物中的一種或多種;所述金屬包括銅、鎢、鋁、銀、鈦和鉭;所述金屬化合物包括氮化鈦和氮化鉭;所述柵極層的形成工藝為化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝、原子層沉積工藝、電鍍工藝和化學(xué)鍍工藝中的一種或多種。
在本實(shí)施例中,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為高k金屬柵晶體管,所述高k介質(zhì)層131作為所形成的晶體管的柵介質(zhì)層,而所形成的晶體管內(nèi)漏電流和弛豫電流減小,而且,所述晶體管的正偏壓緯度不穩(wěn)定性(PBTI)或負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)得到改善。因此,所形成的晶體管性能改善、可靠性提高。
在其它實(shí)施例中,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還能夠用于形成隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、電容器或閃存存儲(chǔ)器;所述隨機(jī)存儲(chǔ)器能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM);所述高k介質(zhì)層能夠作為隨機(jī)存儲(chǔ)器或閃存存儲(chǔ)器的柵介質(zhì)層,或者作為電容器的電極間介質(zhì)層。由于所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜由優(yōu)化離子,使得所述高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流減小,因此,也能夠使所形成的隨機(jī)存儲(chǔ)器、電容器或閃存存儲(chǔ)器的性能改善。
綜上,本實(shí)施例中,所述第一退火工藝在形成界面層之后、形成高k介質(zhì)層之前進(jìn)行。所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,而所述缺陷容易在弛豫過程中產(chǎn)生更大的弛豫電流。一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷所構(gòu)成的電子陷阱能夠被優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而能夠使高k介質(zhì)層中的缺陷能極自禁帶中移出,使得電子在所述高k介質(zhì)層中遷移時(shí)不易被電子陷阱俘獲,從而能夠使所述高k介質(zhì)層在弛豫過程中所產(chǎn)生的弛豫電流減小。另一方面,所述高k介質(zhì)層內(nèi)的氧空位能夠被所述優(yōu)化離子所填補(bǔ),從而避免 了界面層內(nèi)的氧離子因受氧空位的吸引而向所述高k介質(zhì)層內(nèi)遷移;所述高k介質(zhì)層內(nèi)的極化原子在弛豫過程中不易受到氧離子的干擾,能夠有效地減小高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流。而且,所述優(yōu)化離子不會(huì)降低高k介質(zhì)層的介電常數(shù)。因此,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能改善,由所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成的晶體管的正偏壓溫度不穩(wěn)定、以及負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定均得到抑制。
圖8至圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
在圖4的基礎(chǔ)上,請(qǐng)繼續(xù)參考圖8,在所述開口121暴露出的襯底100表面形成界面層230。
所述界面層230的材料為氧化硅;所述界面層230的形成工藝為氧化工藝;所述氧化工藝包括熱氧化工藝或濕法氧化工藝。本實(shí)施例中,采用熱氧化工藝形成所述界面層230。
在另一實(shí)施例中,所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,而所述開口暴露出部分鰭部的側(cè)壁和頂部表面,則所述界面層位于所述開口暴露出的鰭部側(cè)壁和頂部表面。
請(qǐng)參考圖9,在所述開口121的側(cè)壁表面和底部的界面層230表面形成高k介質(zhì)層231。
在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層231用于形成高k金屬柵晶體管的柵介質(zhì)層。
所述高k介質(zhì)層231的形成工藝為化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層231的形成工藝為原子層沉積工藝。
所述高k介質(zhì)層231的材料為Hf基介質(zhì)材料;在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層231的材料為HfO2。所述Hf基介質(zhì)材料內(nèi)的漏電流較低,因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層時(shí),有利于提高所形成的晶體管的性能。
然而,所述Hf基介質(zhì)材料的弛豫電流較高,因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層對(duì)于改善晶體管性能的能力有限。為了減少高k介質(zhì)層231 內(nèi)的弛豫電流,后續(xù)需要通過第一退火工藝在所述高k介質(zhì)層231內(nèi)摻雜優(yōu)化離子,用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層231內(nèi)的缺陷,以此減小弛豫電流。
在本實(shí)施例中,在形成所述高k介質(zhì)層231之后,直接進(jìn)行第一退火工藝。
在一實(shí)施例中,在形成所述高k介質(zhì)層之后,進(jìn)行后續(xù)的第一退火工藝之前,還包括進(jìn)行第二退火工藝。所述第二退火工藝的氣體包括N2,所述第二退火工藝用于激活源區(qū)和漏區(qū)內(nèi)的P型離子或N型離子,還能夠減少所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,減少漏電流和弛豫電流。
請(qǐng)參考圖10,進(jìn)行第一退火工藝,所述第一退火工藝用于在所述高k介質(zhì)層231內(nèi)摻雜優(yōu)化離子,所述優(yōu)化離子用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層231內(nèi)的缺陷。
所述優(yōu)化離子包括氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種。所述氮離子、氫離子和氟離子不僅能夠用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層231內(nèi)的缺陷,以此減少高k介質(zhì)層231內(nèi)的弛豫電流,還能夠提高所述高k介質(zhì)層231的介電系數(shù),進(jìn)一步提高了所形成的高k金屬柵晶體管的性能。
在本實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體包括NH2F;所述第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM。其中,所述NH2F氣體包括同時(shí)氮離子、氫離子和氟離子,能夠向所述高k介質(zhì)層231內(nèi)同時(shí)摻雜氮離子、氫離子和氟離子。
所述第一退火工藝除了在所述高k介質(zhì)層231內(nèi)摻雜氮離子、氫離子和氟離子之外,還能夠用于激活所述源區(qū)和漏區(qū)113內(nèi)的P型離子或N型離子。
一方面,所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層231內(nèi)的電子陷阱,使得高k介質(zhì)層231的缺陷能級(jí)從禁帶中移除,從而減少了極化原子在弛豫過程,電子不會(huì)被電子陷阱俘獲,則所述極化原子在弛豫過程中受到的干擾減小,能夠減小弛豫時(shí)間,并減小弛豫電流。
另一方面,所述優(yōu)化離子能夠消除所述高k介質(zhì)層231內(nèi)氧空位,則所述高k介質(zhì)層231不會(huì)自所述界面層230拉取氧離子。而所述高k介質(zhì)層231內(nèi)的氧離子含量越高,弛豫電流越大。因此,在所述高k介質(zhì)層231內(nèi)摻雜 中所述優(yōu)化離子能夠減小弛豫電流減小。
在另一實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體還包括NH2F和H2的混合氣體;是第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM,所述NH2F與H2的體積比為1:100~100:1。
在本實(shí)施例中,在所述第一退火工藝之后,還包括:后續(xù)在所述開口121內(nèi)的高k介質(zhì)層231表面形成填充滿開口121的柵極層;采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)所述柵極層和高k介質(zhì)層231進(jìn)行平坦化,直至暴露出所述介質(zhì)層120表面為止,在所述開口121內(nèi)形成柵介質(zhì)層和柵極層。其中,所述柵極層的材料為金屬和金屬化合物中的一種或多種;所述金屬包括銅、鎢、鋁、銀、鈦和鉭。
在其它實(shí)施例中,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還能夠用于形成隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、電容器或閃存存儲(chǔ)器;所述高k介質(zhì)層能夠作為隨機(jī)存儲(chǔ)器或閃存存儲(chǔ)器的柵介質(zhì)層,或者作為電容器的電極間介質(zhì)層;所述隨機(jī)存儲(chǔ)器能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)。
綜上,本實(shí)施例中,在界面層表面形成高k介質(zhì)層之后,再進(jìn)行第一退火工藝,用于向所述高k介質(zhì)層內(nèi)摻雜優(yōu)化離子。所述優(yōu)化離子用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,以減小所述高k介質(zhì)層內(nèi)的弛豫電流。由于所述第一退火工藝直接對(duì)所述高k介質(zhì)層進(jìn)行摻雜,使得所述優(yōu)化離子能夠充分填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,能夠更有效地減小弛豫電流。
圖11至圖12是本發(fā)明又一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
請(qǐng)參考圖11,提供襯底300;在所述襯底300表面形成界面層301;在所述界面層301表面形成高k介質(zhì)層302。
在本實(shí)施例中,所述襯底300為平面基底。所述襯底300包括硅襯底、硅鍺襯底、碳化硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底、絕緣體上鍺(GOI)襯底、玻璃襯底或III-V族化合物襯底(例如氮化硅或砷化鎵等)。本實(shí)施例中,所述襯底300為硅襯底。所述襯底300內(nèi)具有隔離結(jié)構(gòu);所述隔離結(jié)構(gòu)的材料為絕緣材料,例如氧化硅;所述隔離結(jié)構(gòu)的表面高于或低于所述襯底300表 面。
在另一實(shí)施例中,所述襯底用于形成鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,所述隔離層覆蓋所述鰭部的部分側(cè)壁表面,且所述隔離層的表面低于鰭部的頂部表面。所述偽柵極結(jié)構(gòu)橫跨所述鰭部,且所述偽柵極結(jié)構(gòu)位于所述鰭部的部分側(cè)壁和頂部表面。
所述基底和鰭部通過刻蝕平面半導(dǎo)體基底形成;或者,所述鰭部通過選擇性外延沉積工藝形成于基底表面。所述隔離層的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介質(zhì)材料(介電系數(shù)大于或等于2.5,小于3.9)或超低k介質(zhì)材料(介電系數(shù)小于2.5,小于3.9)。
在本實(shí)施例中,所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用于構(gòu)成高k金屬柵(High k Metal Gate,簡(jiǎn)稱HKMG)晶體管,而所述高k金屬柵晶體管采用后柵(Gate Last)工藝形成。因此,所述襯底300表面首先需要形成偽柵極層,所述偽柵極層用于為后續(xù)形成的金屬材料的柵極層占據(jù)空間位置。
在本實(shí)施例的高k金屬柵晶體管的形成工藝為高k在前工藝(high-k first),在形成所述偽柵極層之前,在襯底300表面形成界面層301和高k介質(zhì)層302,而所述高k介質(zhì)層302用于作為所形成的晶體管的柵介質(zhì)層,后續(xù)去除偽柵極層之后,在所述高k介質(zhì)層302表面形成柵極層。
在其它實(shí)施例中,所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還能夠用于形成隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、電容器或閃存存儲(chǔ)器;所述隨機(jī)存儲(chǔ)器能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM);所述高k介質(zhì)層能夠作為隨機(jī)存儲(chǔ)器或閃存存儲(chǔ)器的柵介質(zhì)層,或者作為電容器的電極間介質(zhì)層。
所述界面層301用于增強(qiáng)所述高k介質(zhì)層302與襯底300之間的結(jié)合強(qiáng)度,避免所述高k介質(zhì)層302與襯底300之間因發(fā)生晶格失配而產(chǎn)生漏電流。
在本實(shí)施例中,所述界面層301的材料為氧化硅;所述界面層301的形成工藝為氧化工藝;所述氧化工藝包括熱氧化工藝或濕法氧化工藝。
在另一實(shí)施例中,所述襯底包括:基底、位于基底表面的鰭部、以及位于基底表面的隔離層,而所述開口暴露出部分鰭部的側(cè)壁和頂部表面,則所 述界面層位于所述開口暴露出的鰭部側(cè)壁和頂部表面。
在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層302用于形成高k金屬柵晶體管的柵介質(zhì)層。
所述高k介質(zhì)層302的形成工藝為化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層302的形成工藝為原子層沉積工藝。
所述高k介質(zhì)層302的材料為Hf基介質(zhì)材料;在本實(shí)施例中,所述高k介質(zhì)層302的材料為HfO2。所述Hf基介質(zhì)材料內(nèi)的漏電流較低,因此,以所述Hf基介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層時(shí),有利于提高所形成的晶體管的性能。然而,所述Hf基介質(zhì)材料的弛豫電流較高,因此,后續(xù)在所述高k介質(zhì)層302內(nèi)所摻雜優(yōu)化離子,用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的缺陷,以此減小弛豫電流。
在本實(shí)施例中,在形成所述高k介質(zhì)層302之后,直接進(jìn)行第一退火工藝。
在另一實(shí)施例中,在形成所述高k介質(zhì)層之后,進(jìn)行后續(xù)的第一退火工藝之前,還包括進(jìn)行第二退火工藝。所述第二退火工藝的氣體包括N2,所述第二退火工藝用于激活源區(qū)和漏區(qū)內(nèi)的P型離子或N型離子,還能夠減少所述高k介質(zhì)層內(nèi)的缺陷,減少漏電流和弛豫電流。
請(qǐng)參考圖12,進(jìn)行第一退火工藝,所述第一退火工藝用于在所述高k介質(zhì)層302內(nèi)摻雜優(yōu)化離子。所述優(yōu)化離子用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的缺陷。
所述優(yōu)化離子包括氮離子、氫離子和氟離子中的一種或多種。所述氮離子、氫離子和氟離子不僅能夠用于填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的缺陷,以此減少高k介質(zhì)層302內(nèi)的弛豫電流,還能夠提高所述高k介質(zhì)層302的介電系數(shù),進(jìn)一步提高了所形成的高k金屬柵晶體管的性能。
在本實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體包括NH2F;所述第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM。其中,所述NH2F氣體包括同時(shí)氮離子、氫離子和氟離子,能夠向所述高k介質(zhì)層302內(nèi)同時(shí)摻雜氮離子、氫離子和氟離子。
所述第一退火工藝除了在所述高k介質(zhì)層302內(nèi)摻雜氮離子、氫離子和氟離子之外,還能夠用于激活所述源區(qū)和漏區(qū)113內(nèi)的P型離子或N型離子。
一方面,所述優(yōu)化離子能夠填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的電子陷阱,使得高k介質(zhì)層302的缺陷能級(jí)從禁帶中移除,從而減少了極化原子在弛豫過程,電子不會(huì)被電子陷阱俘獲,則所述極化原子在弛豫過程中受到的干擾減小,能夠減小弛豫時(shí)間,并減小弛豫電流。
另一方面,所述優(yōu)化離子能夠消除所述高k介質(zhì)層302內(nèi)氧空位,則所述高k介質(zhì)層302不會(huì)自所述界面層301拉取氧離子。而所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的氧離子含量越高,弛豫電流越大。因此,在所述高k介質(zhì)層302內(nèi)摻雜中所述優(yōu)化離子能夠減小弛豫電流減小。
在另一實(shí)施例中,所述第一退火工藝的氣體還包括NH2F和H2的混合氣體;是第一退火工藝的參數(shù)包括:退火溫度為850℃~1050℃,氣壓為1Torr~1ATM,所述NH2F與H2的體積比為1:100~100:1。
在本實(shí)施例中,在所述第一退火工藝之后,還包括:在所述高k介質(zhì)層302表面形成偽柵極膜;刻蝕所述偽柵極膜、高k介質(zhì)層302和界面層301,并暴露出部分襯底300表面,在高k介質(zhì)層302表面形成偽柵極層;在所述偽柵極層、高k介質(zhì)層302和界面層301的側(cè)壁表面形成側(cè)墻;在所述偽柵極層、高k介質(zhì)層302、界面層301和側(cè)墻兩側(cè)的襯底300內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū);在形成所述源區(qū)和漏區(qū)之后,在所述襯底300表面形成介質(zhì)層,所述介質(zhì)層暴露出所述偽柵極結(jié)構(gòu)的頂部表面;去除所述偽柵極層,在所述介質(zhì)層內(nèi)形成暴露出高k介質(zhì)層302的開口;在所述開口內(nèi)的高k介質(zhì)層302表面形成填充滿開口的柵極層。其中,所述柵極層的材料為金屬和金屬化合物中的一種或多種;所述金屬包括銅、鎢、鋁、銀、鈦和鉭。
在其它實(shí)施例中,所述第一退火工藝還能夠在形成界面層301之后、形成所述高k介質(zhì)層302之前進(jìn)行;在進(jìn)行所述第一退火工藝、并形成所述高k介質(zhì)層302之后,進(jìn)行第二退火工藝,驅(qū)動(dòng)所述界面層301內(nèi)摻雜的優(yōu)化離子向所述高k介質(zhì)層302內(nèi)擴(kuò)散,以填補(bǔ)所述高k介質(zhì)層302內(nèi)的缺陷,減小弛豫電流。
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