本發(fā)明涉及半導體制作領域，特別涉及一種半導體結(jié)構(gòu)的形成方法。

背景技術(shù)：

金屬-氧化物-半導體晶體管(MOS晶體管)是構(gòu)成集成電路尤其是超大規(guī)模集成電路的主要器件之一。自MOS晶體管發(fā)明以來，其幾何尺寸按照摩爾定律一直在不斷縮小，目前其特征尺寸已發(fā)展進入深亞微米以下。在此尺度下，器件的幾何尺寸按比例縮小變得越來越困難。另外，在MOS晶體管器件及其電路制造領域，最具挑戰(zhàn)性的是傳統(tǒng)CMOS工藝在器件按比例縮小過程中，由于二氧化硅柵介質(zhì)層高度減小所帶來的從柵極向襯底的漏電流問題。

為解決上述漏電問題，目前MOS晶體管工藝中，采用高K柵介質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)，并使用金屬作為柵電極，兩者配合使用以避免柵極損耗以及硼滲透所導致的漏電流問題。

目前制備金屬柵極的工藝主要有兩種方法，分別是“先柵極”和“后柵極”?！昂髺艠O”又稱為偽柵，使用該工藝時高介電常數(shù)柵介質(zhì)層無需經(jīng)過高溫步驟，所以閾值電壓VT偏移很小，芯片的可靠性更高。因此，后柵極工藝得到更廣泛的應用。

現(xiàn)有技術(shù)提供了一種形成金屬柵極的方法，包括：提供半導體襯底；形成覆蓋所述半導體襯底表面的高K柵介質(zhì)材料層；高K柵介質(zhì)材料層上形成偽柵；以所述偽柵為掩膜刻蝕所述高K柵介質(zhì)材料層，在所述偽柵底部形成高K柵介質(zhì)層；形成覆蓋所述半導體襯底和偽柵側(cè)壁的層間介質(zhì)層，層間介質(zhì)層的表面與偽柵的頂部表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽；形成填充滿凹槽的金屬柵極。

但是現(xiàn)有技術(shù)形成的金屬柵極的工藝穩(wěn)定性仍有待提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是怎樣提高形成金屬柵極的工藝穩(wěn)定性。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種半導體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：

提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有高K介質(zhì)材料層以及位于高K介質(zhì)材料層上的偽柵材料層；

在刻蝕腔內(nèi)側(cè)壁表面形成第一硅氧氯層；

在形成第一硅氧氯層后，將半導體襯底置于刻蝕腔中；

在將半導體襯底置于刻蝕腔中后，刻蝕去除部分所述偽柵材料層，形成偽柵；

在形成偽柵后，在所述刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁表面以及偽柵的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層；

在形成第二硅氧氯層后，以所述偽柵為掩膜，刻蝕所述高K介質(zhì)材料層，在偽柵底部形成高K柵介質(zhì)層。

可選的，所述第一硅氧氯層的厚度為2nm～20nm，第一硅氧氯層的材料為SixOyClz，其中x＝1，y＝1～3，z＝1～3。

可選的，形成第一硅氧氯層采用的源氣體為SiCl₄和O₂，SiCl₄的流量為10～100SCCM，O₂的流量為20～200SCCM，刻蝕腔中源功率為100～1000W，刻蝕腔中偏置電壓0～50V，刻蝕腔壓力為2～50mtorr。

可選的，所述第二硅氧氯層的厚度為1～3nm，第二硅氧氯層材料為SixOyClz，其中x＝1，y＝1～3，z＝1～3。

可選的，形成第二硅氧氯層采用的源氣體為SiCl₄和O₂，SiCl₄的流量為10～100SCCM，O₂的流量為20～200SCCM，刻蝕腔中源功率為100～1000W，刻蝕腔中偏置電壓0～50V，刻蝕腔壓力為2～50mtorr。

可選的，所述高K柵介質(zhì)層的材料為HfO₂、TiO₂、HfZrO、HfSiNO、Ta₂O₅、ZrO₂、ZrSiO₂、Al₂O₃、SrTiO₃或BaSrTiO。

可選的，刻蝕所述高K柵介質(zhì)層采用各向異性的干法刻蝕工藝。

可選的，所述各向異性的干法刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝，所述等離子體刻蝕工藝采用的刻蝕氣體為Cl₂和BCl₃，Cl₂的流量為10～100sccm，BCl₃ 的流量為10～100sccm，源功率為100～1000W，偏置電壓為50～200V,腔室壓力為2～30mtorr。

可選的，還包括：去除所述偽柵側(cè)壁表面的第二硅氧氯層。

可選的，去除所述第二硅氧氯層采用的工藝為濕法刻蝕。

可選的，濕法刻蝕采用的刻蝕溶液為稀釋氫氟酸。

可選的，稀釋氫氟酸中水和氫氟酸的體積比為100:1～500:1。

可選的，形成覆蓋所述半導體襯底表面以及偽柵側(cè)壁表面的介質(zhì)層；去除所述偽柵結(jié)構(gòu)，形成凹槽；在所述凹槽中填充金屬，形成金屬柵極。

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：

本發(fā)明的半導體結(jié)構(gòu)的形成方法，在對偽柵材料層進行刻蝕之前，在刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁形成第一硅氧氯層，所述第一硅氧氯層防止刻蝕偽柵材料層時等離子體對刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁造成刻蝕損傷；在形成偽柵后，在所述刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁表面以及偽柵的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層，形成第二硅氧氯層的目的：一方面，前述刻蝕偽柵材料層時，刻蝕腔內(nèi)側(cè)壁表面的第一硅氧氯層可能會損傷，如果直接進行后續(xù)高K介質(zhì)材料層的刻蝕步驟，在刻蝕K介質(zhì)材料層時，損傷的第一硅氧氯層碎片容易從刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁上脫落，碎片掉落在半導體襯底上會形成顆粒缺陷，影響工藝的穩(wěn)定性，并且第一硅氧氯層的損傷，在刻蝕高K介質(zhì)材料層時，對刻蝕腔內(nèi)側(cè)壁的保護性能會變?nèi)?；另一方面，在偽柵的?cè)壁表面形成第二硅氧氯層，在后續(xù)刻蝕高K介質(zhì)材料層時，使得偽柵被第二硅氧氯層保護，偽柵的尺寸不會減小，保證了工藝的穩(wěn)定性。另外，形成第一硅氧氯層和第二硅氧氯層的步驟以及刻蝕偽柵材料層和高K介質(zhì)材料層的步驟均是在同一刻蝕腔中進行，工藝步驟簡單，節(jié)省了整個工藝制程的時間，提高了工藝效率。

附圖說明

圖1～圖8為本發(fā)明實施例半導體結(jié)構(gòu)的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如背景技術(shù)所言，現(xiàn)有形成金屬柵極工藝的穩(wěn)定性仍有待提升。

研究發(fā)現(xiàn)，在形成偽柵后，采用偽柵為掩膜刻蝕高K柵介質(zhì)材料層時，偽柵的側(cè)壁也會被刻蝕，使得偽柵的尺寸會發(fā)生變化，后續(xù)去除偽柵形成凹槽時，使得凹槽的尺寸和凹槽中形成的金屬柵極的尺寸也會發(fā)生變化，不利于工藝穩(wěn)定性的提升，另外，在刻蝕高K柵介質(zhì)層時，刻蝕氣體對刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁容易產(chǎn)生腐蝕，影響刻蝕設備的使用壽命。

本發(fā)明實施例提供了一種半導體結(jié)構(gòu)的形成方法，在對偽柵材料層進行刻蝕之前，在刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁形成第一硅氧氯層，所述第一硅氧氯層防止刻蝕偽柵材料層時等離子體對刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁造成刻蝕損傷；在形成偽柵后，在所述刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁表面以及偽柵的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層，形成第二硅氧氯層的目的：一方面，前述刻蝕偽柵材料層時，刻蝕腔內(nèi)側(cè)壁表面的第一硅氧氯層可能會損傷，如果直接進行后續(xù)高K介質(zhì)材料層的刻蝕步驟，在刻蝕K介質(zhì)材料層時，損傷的第一硅氧氯層碎片容易從刻蝕腔的內(nèi)側(cè)壁上脫落，碎片掉落在半導體襯底上會形成顆粒缺陷，影響工藝的穩(wěn)定性，并且第一硅氧氯層的損傷，在刻蝕高K介質(zhì)材料層時，對刻蝕腔內(nèi)側(cè)壁的保護性能會變?nèi)?；另一方面，在偽柵的?cè)壁表面形成第二硅氧氯層，在后續(xù)刻蝕高K介質(zhì)材料層時，使得偽柵被第二硅氧氯層保護，偽柵的尺寸不會減小，保證了工藝的穩(wěn)定性。另外，形成第一硅氧氯層和第二硅氧氯層的步驟以及刻蝕偽柵材料層和高K介質(zhì)材料層的步驟均是在同一刻蝕腔中進行，工藝步驟簡單，節(jié)省了整個工藝制程的時間，提高了工藝效率。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明的保護范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

圖1～圖8為本發(fā)明實施例半導體結(jié)構(gòu)的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖1，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200上形成有高K介質(zhì)材料層201以及位于高K介質(zhì)材料層201上的偽柵材料層202。

所述半導體襯底200的材料可以為硅(Si)、鍺(Ge)、或硅鍺(GeSi)、 碳化硅(SiC)；也可以是絕緣體上硅(SOI)，絕緣體上鍺(GOI)；或者還可以為其它的材料，例如砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物。所述半導體襯底200還可以根據(jù)設計需求注入一定的摻雜離子以改變電學參數(shù)。在所述半導體襯底200內(nèi)還形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)(圖中未示出)，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)用于隔離不同的晶體管，防止不同晶體管之間電學連接，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的材料可以為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅其中的一種或幾種。

所述高K介質(zhì)材料層201用于形成高K柵介質(zhì)層。所述高K介質(zhì)材料層201的材料為HfO₂、TiO₂、HfZrO、HfSiNO、Ta₂O₅、ZrO₂、ZrSiO₂、Al₂O₃、SrTiO₃或BaSrTiO。

所述偽柵材料層202用于形成偽柵。所述偽柵材料層202的材料為多晶硅、無定形硅或無定形碳。

所述偽柵材料層202表面上還形成有掩膜層203，所述掩膜層203覆蓋部分偽柵材料層202的表面。所述掩膜層203可以為單層或多層堆疊結(jié)構(gòu)。在一實施例中，所述掩膜層203的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或者可以為其他合適的掩膜材料。

參考圖2，在刻蝕腔21內(nèi)側(cè)壁表面形成第一硅氧氯層206。

所述刻蝕腔21為刻蝕設備中用于進行刻蝕的腔室，后續(xù)對偽柵材料層202、高K介質(zhì)材料層201的刻蝕均是在同一刻蝕腔21中進行。

所述刻蝕腔21為等離子體刻蝕腔，所述刻蝕腔21中具有載臺(圖中未示出)，所述載臺用于放置半導體襯底，即通入刻蝕腔21的刻蝕氣體可以在源射頻功率的作用下解離為等離子體，等離子體在加速電壓的作用下對載臺上的半導體襯底上的待刻蝕材料進行刻蝕。

形成第一硅氧氯層206的目的是在后續(xù)對偽柵材料層202、高K介質(zhì)材料層201的進行刻蝕時，防止等離子體對刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁造成刻蝕損傷。

所述第一硅氧氯層206中包括硅元素、氧元素和氯元素，第一硅氧氯層206的材料為SixOyClz，其中x＝1，y＝1～3，z＝1～3，該材料的第一硅氧氯層206容易附著在刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁上，并且形成工藝簡單。。

第一硅氧氯層206直接形成在刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁上，直接向刻蝕腔21中通過源氣體，源氣體在刻蝕腔21內(nèi)被解離為等離子體，等離子體沉積在刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁表面，形成工藝簡單，并且易于去除。在一實施例中，形成第一硅氧氯層206采用的源氣體為SiCl₄和O₂，SiCl₄的流量為10～100SCCM，O₂的流量為20～200SCCM，刻蝕腔中源功率為100～1000W，刻蝕腔中偏置電壓0～50V，刻蝕腔壓力為2～50mtorr偏置電壓。

在一實施例中，所述第一硅氧氯層206的厚度為2nm～20nm。

參考圖3，在形成第一硅氧氯層206后，將半導體襯底200置于刻蝕腔21中。

在刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁表面形成第一硅氧氯層206后，將形成有偽柵材料層202的半導體襯底200傳送至刻蝕設備的刻蝕腔21的載臺上，準備進行刻蝕工藝。

參考圖4，在將半導體襯底200置于刻蝕腔21中后，刻蝕去除部分所述偽柵材料層202(參考圖3)，形成偽柵204。

刻蝕所述偽柵材料層202時采用的刻蝕氣體為HBr和O₂，HBr流量為100sccm至500sccm，O₂流量為5sccm至50sccm，反應腔室壓強為5毫托至45毫托，刻蝕的源功率為100瓦至500瓦，偏置電壓為10瓦至150瓦。

在刻蝕偽柵材料層202的過程中，所述第一硅氧氯層206保護刻蝕腔的側(cè)壁不會受到損傷。

參考圖5，在形成偽柵204后，在所述刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁表面以及偽柵204的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層207。

形成第二硅氧氯層207的目的：一方面，前述刻蝕偽柵材料層202時，刻蝕腔21內(nèi)側(cè)壁表面的第一硅氧氯層206可能會損傷，如果直接進行后續(xù)高K介質(zhì)材料層201的刻蝕步驟，在刻蝕K介質(zhì)材料層201時，損傷的第一硅氧氯層206碎片容易從刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁上脫落，碎片掉落在半導體襯底上會形成顆粒缺陷，影響工藝的穩(wěn)定性，并且第一硅氧氯層206的損傷，在刻蝕高K介質(zhì)材料層201時，對刻蝕腔21內(nèi)側(cè)壁的保護性能會變?nèi)酰涣硪环矫?，在偽?04的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層207，在后續(xù)刻蝕高K介質(zhì)材料層 201時，使得偽柵204被第二硅氧氯層207保護，偽柵204的尺寸不會減小，保證了工藝的穩(wěn)定性。

所述刻蝕腔21內(nèi)側(cè)壁表面的第二硅氧氯層207覆蓋第一硅氧氯層206；所述偽柵204兩側(cè)的高K介質(zhì)材料層201表面也會形成第二硅氧氯層207。

形成第二硅氧氯層207與前述的刻蝕偽柵材料層202的步驟和后續(xù)的刻蝕的高K介質(zhì)材料層201的步驟均是在同一刻蝕腔21中，無需移動半導體襯底，因為工藝過程簡單，并且同時在刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁表面以及偽柵204的側(cè)壁表面形成第二硅氧氯層207，一舉兩得。

所述第二硅氧氯層207的厚度為1～3nm，既使得刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁和偽柵204的側(cè)壁得到保護，又不會對偽柵204的尺寸帶來較大影響，保持了工藝的穩(wěn)定性。在一實施例中，形成第二硅氧氯層207采用的源氣體為SiCl₄和O₂，SiCl₄的流量為10～100SCCM，O₂的流量為20～200SCCM，刻蝕腔中源功率為100～1000W，刻蝕腔中偏置電壓0～50V，刻蝕腔壓力為2～50mtorr，使刻蝕腔21的內(nèi)側(cè)壁和偽柵204的側(cè)壁表面上形成的第二硅氧氯層207厚度均勻性較高。

參考圖6，在形成第二硅氧氯層207后，以所述偽柵204為掩膜，刻蝕所述高K介質(zhì)材料層201(參考圖5)，在偽柵204底部形成高K柵介質(zhì)層208。

刻蝕所述高K柵介質(zhì)層201采用各向異性的干法刻蝕工藝。

在一實施例中，所述各向異性的干法刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝，在一實施例中，所述等離子體刻蝕工藝采用的刻蝕氣體Cl₂和BCl₃，Cl₂的流量為10～100sccm，BCl₃的流量為10～100sccm，源功率為100～1000W，偏置電壓為50～200V，腔室壓力為2～30mtorr。

參考圖7，去除所述偽柵204側(cè)壁表面的第二硅氧氯層207(參考圖6)。

去除所述第二硅氧氯層207采用的工藝為濕法刻蝕，濕法刻蝕采用的刻蝕溶液為稀釋氫氟酸，在一實施例中，所述稀釋氫氟酸中水和氫氟酸的體積比為100:1～500:1，在干凈的去除第二硅氧氯層207的同時，較小對偽柵側(cè)壁以及半導體襯底表面的刻蝕損傷。

在去除所述第二硅氧氯層207之前，還包括：以所述偽柵204和第二硅氧氯層207為掩膜，對偽柵204和第二硅氧氯層207兩側(cè)的半導體襯底進行離子注入，在偽柵204和第二硅氧氯層207兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成源區(qū)和漏區(qū)。

在其他實施例中，所述源區(qū)和漏區(qū)可以為應力源漏區(qū)。

去除所述第二硅氧氯層207后，所述高K柵介質(zhì)層208的寬度會大于偽柵204的寬度，后續(xù)去除偽柵204在偽柵204對應的位置形成金屬柵極時，形成的金屬柵極的寬度會小于高K柵介質(zhì)層208的寬度，使得源區(qū)和漏區(qū)與金屬柵極的距離增大，減小了寄生電容的大小。

參考圖8，形成覆蓋所述半導體襯底200表面以及偽柵204(參考圖7)側(cè)壁表面的介質(zhì)層209；去除所述偽柵結(jié)構(gòu)，形成凹槽；在所述凹槽中填充金屬，形成金屬柵極210。

所述金屬柵極210的材料為Cu、W或其他合適的金屬材料。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。