栅介质层的形成方法和mos晶体管的形成方法
栅介质层的形成方法和mos晶体管的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种栅介质层的形成方法和M0S晶体管的 形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体工艺技术节点的减小，传统的二氧化娃栅介质层和多晶娃 栅电极层的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semicon化ctor Field-Effect-Transistor，MOS阳T，W下简称MOS晶体管)器件出现了漏电量增加和栅极层 损耗等问题。为解决该些问题，现有技术中提出了采用高K(hi曲K，HK)材料代替二氧化 娃制作栅介质层，即高K介质层，并采用金属材料代替多晶娃制作栅电极层（metalgate, MG),即金属栅极，此结构简称为HKMG。
[0003] 然而，使用高K介质层的缺点在于，高K介质层的界面品质较差，如果直接在半导 体衬底上形成高K介质层，较差品质的界面容易削弱最终形成的M0S晶体管的电学性能。
[0004] 为此，现有方法通常在半导体衬底与高K介质层之间设置界面层（interhcial layer,IL)，界面层不仅能在半导体衬底和界面层之间提供较佳品质的界面，还能在高K介 质层和界面层之间提供较佳品质的界面，从而改善了高K介质层与半导体衬底之间的界面 特性。
[0005] 该里将界面层和高K介质层等位于金属栅极与半导体衬底(沟道区)之间的叠层称 为栅介质层，下同。
[0006] 请参考图1和图2,示出了现有栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图。
[0007] 请参考图1，提供半导体衬底100,在半导体衬底100上形成界面层110。现有方 法中通常采用低温（lowtemperature)快速热氧化方法（lowtemperatureRapidThermal Oxidation,RTO)或者化学氧化法（QiemicalOxidation)直接形成界面层110。
[000引请参考图2,在界面层110上形成高K介质层120,界面层110和高K介质层120均为栅介质层的一部分。
[0009] 随着半导体器件尺寸减小，M0S晶体管器件存在着非常严重的短沟道效应，为防止 短沟道效应，并提高金属栅极对沟道的控制能力，M0S晶体管中栅介质层的等效氧化层厚度 (Equivalent Oxide化ickness, EOT)通常不得超过1皿。因此，界面层110作为栅介质层 的其中一部分，其厚度必须较小。
[0010] 但是直接形成厚度较小且质量较好的界面层110是十分困难的。现有方法形成的 界面层110质量通常很差，导致M0S晶体管的性能下降。此外，在栅介质层的形成工艺中， 通常还必须采用退火工艺，所述退火工艺会致使界面层110被氧化而导致其厚度增大，进 一步加剧了M0S晶体管性能的下降。
[0011] 因此，需要一种新的栅介质层的形成方法和M0S晶体管的形成方法，W提高界面 层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT,提高M0S晶体管的性能。
【发明内容】
[0012] 本发明解决的问题是提供一种栅介质层的形成方法和M0S晶体管的形成方法，W 提高界面层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT,提高M0S晶体管的性能。
[0013] 为解决上述问题，本发明提供一种栅介质层的形成方法，包括：
[0014] 提供第一半导体衬底；
[0015] 在所述第一半导体衬底上形成界面层；
[0016] 在所述界面层上形成金属层；
[0017] 在所述金属层上形成高K介质层；
[0018] 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过 程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。
[0019] 可选的，所述金属层的材料包括給、铜、铅、铅、铁、顿或纪中的至少一种。
[0020] 可选的，所述金属层厚度为2A~5A。
[0021] 可选的，所述退火处理采用的温度为50(TC~70(TC，所述退火处理进行的时间为 lOs~60s。
[0022] 可选的，所述退火处理采用的保护气体为氮气、氮气、氛气或者氮气，所述退火处 理采用的压强为500Torr~lOOOTorr。
[0023] 可选的，所述界面层初始厚度为5A~lOA，进行所述退火处理之后所述界面层的 剩余厚度为所述初始厚度的40%~60%。
[0024] 可选的，所述金属层采用物理气相沉积法形成。
[0025] 可选的，所述界面层采用热氧化生长法或者化学氧化法形成。
[0026] 可选的，所述高K介质层的材料包括氧化給、氧化铜、氧化铅、氧化铁、氧化粗或者 氧化纪中的至少一种。
[0027] 为解决上述问题，本发明还提供了一种M0S晶体管的形成方法，包括：
[0028] 提供第一半导体衬底；
[0029] 在所述第一半导体衬底上形成界面层；
[0030] 在所述界面层上形成金属层；
[0031] 在所述金属层上形成高K介质层；
[0032] 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理 过程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减 薄；
[0033] 在所述退火处理之后，在所述高K介质层上形成金属栅极。
[0034] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有W下优点：
[0035] 本发明的技术方案中，在界面层和高K介质层之间形成金属层，并且对所述界面 层、所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触 的部分在所述退火处理过程中被还原为娃，因此界面层的厚度减小，并且此部分娃与所述 第一半导体衬底一同构成第二半导体衬底，不影响器件结构。所述金属层被氧化形成金属 氧化物层，此金属氧化物层转化为高K介质层的一部分，因此高K介质层的厚度增大。虽然 从总体上看，所述界面层的厚度减小，所述高K介质层的厚度增大，并且界面层的厚度减小 值与高K介质层的厚度增大值大致相等，但是EOT通常等于界面层厚度加上五分之一的高K介质层厚度，因此，总体而言EOT减小，提高了M0S晶体管的性能。并且，所述形成方法形 成的所述界面层致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介 电常数更大，使相应的半导体结构性能再次提高。
[0036] 进一步，界面层的初始厚度为5A~lOA。界面层的初始厚度不能太大，否则会削 弱高K介质层作为栅介质层的优越性。另外，如果界面层太厚，会增加EOT,W致相应半导体 器件的驱动电流减小。因此氧化娃或氮氧化娃界面层的厚度选择小于lOA。但是，为了保证 所形成的界面层的质量较好，通常其厚度需要达到5AW上。
[0037] 进一步，金属层厚度为2A~5A。如果金属层厚度太小，则退火处理过程中，能够 还原的界面层厚度太小，因此，通过退火处理对界面层的厚度减薄有限，达不到将EOT减小 到所需值的要求。如果金属层太厚，在退火处理之后，可能仍然有金属层剩余，导致栅介质 层形成失败。
[0038] 进一步，退火处理采用的温度为50(TC~70(TC。通常高K介质层的材料为非晶 态，如果温度高于70(TC，高K介质层会转化为晶体， 导致高K介质层的性质发生变化，而如 果温度低于50(TC，则达不到金属层与界面层发生氧化还原所需的温度。
【附图说明】
[0039] 图1至图2是现有栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图；
[0040] 图3至图6是本发明实施例栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 现有方法通常采用化学氧化工艺或者低温快速热氧化方法形成界面层。化学氧化 工艺形成的界面层质量往往不高，主要体现为界面层致密度差，在栅介质层介电常数固定 的情况下，很难将界面层做的更薄，而致密性差且厚度较厚的栅介质层必然会导致M0S晶 体管器件的沟道区域中的载流子迁移率下降，栅极漏电流提高，使器件电性能变差。同样 的，低温快速热氧化方法形成的界面层厚度通常较大，过厚的界面层必然会降低栅介质层 总的介电常数。
[0042] 为此，本发明提供一种栅介质层的形成方法，所述形成方法先在第一半导体衬底 上形成界面层，然后在所述界面层上形成金属层，再在所述金属层上形成高K介质层，之后 对所述界面层、所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，使所述界面层与所述金属层 之间发生氧化还原反应，所述氧化还原反应使所述金属层被氧化形成金属氧化物层，此金 属氧化物层转化为高K介质层的一部分，而界面层在所述氧化还原反应过程中被部分还 原。并且界面层被还原的部分位于与第一半导体衬底接触的位置，并融合为所述第一半导 体衬底的一部分，使第一半导体衬底转化为第二半导体衬底。该样，所述界面层的厚度减 小，所述高K介质层的厚度增大，并且界面层的厚度减小值与高K介质层的厚度增大值大致 相等。由于EOT通常等于界面层厚度加上五分之一的高K介质层厚度，因此总体而言EOT 减小，提高了半导体结构性能。并且，所述形成方法形成的所述界面层致密度和均匀度更 好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性 能再次提局。
[0043] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0044] 本发明实施例提供一种栅介质层的形成方法，请结合参考图3至图6。
[0045] 请参考图3,提供第一半导体衬底200。
[0046] 本实施例中，第一半导体衬底200的材料可W为单晶、多晶或非晶结构的娃或娃 错（SiGe)，也可W包括混合的半导体结构，例如碳化娃（SiC)、键化钢、蹄化铅、神化钢、磯 化钢、神化嫁、键化嫁或其它合金半导体组合；也可W是绝缘体上娃（SOI)。此外，第一半导 体衬底200还可W包括其它材料层结构，例如外延层或埋氧层的多层结构。
[0047] 本实施例中，第一半导体衬底200可W为平面型衬底，也可W为非平面型衬底。对 于非平面型衬底，其表面可包括錯式晶体管结构或纳米线晶体管结构等。
[0048]具体的，本实施例W平面型娃衬底为例进行说明。平面型娃衬底内可W形成有隔 离区及位于隔离区之间的有源区。其中隔离区可W是浅沟槽隔离区（STI)，也可W是LOCOS 隔离区。
[0049]当第一半导体衬底200暴露在空气中时，第一半导体衬底200表面将被氧化形成 天然氧化物（nativeoxide)。天然氧化物通常不是半导体器件的理想构成。通常会有杂质 嵌入天然氧化物中，并且该些杂质会破坏氧化物的介电特性。例如，金属杂质会使天然氧化 物导电，削弱半导体器件的性能。因此，需将第一半导体衬底200表面的天然氧化物去除， 并重新在第一半导体衬底200表面形成没有惨入杂质的氧化物，W作为高K介质层与衬底 之间的界面层。
[0050] 本实施例中，可利用氨氣酸溶液去除天然氧化物，然后再用去离子水清洗衬底，接 着烘干。再进行退火，W修复第一半导体衬底200表面的晶格缺陷，为后续界面层的形成过 程奠定良好的基础，保证后续形成的界面层更加均匀且致密。
[0051] 请继续参考图3,在第一半导体衬底200上形成界面层210。
[0052] 本实施例中，界面层210的材料可W为氧化娃或氮氧化娃，其中氧化娃的形成工 艺更加成熟，并且氧化娃与更多半导体结构有更好的相容性。因此，本实施例中界面层210 的材料W氧化娃作具体说明。
[0053] 可W采用热氧化生长法或者化学氧化法在第一半导体衬底200上形成界面层 210。由于利用热氧化生长法形成的界面层210质量更佳，本实施例选择利用热氧化生长法 形成界面层210。
[0054] 利用热氧化生长法形成氧化娃材质的界面层210工艺可W包括；利用烙炉或者赔 烤站等快速热处理装置，在化气体，或者&0和的混合气体中，对第一半导体衬底200进 行加热，W在第一半导体衬底200表面生长一层厚度较小氧化娃。
[00巧]本实施例中，界面层210初始厚度为5A~lOA。初始形成的界面层210不能太厚， 否则会削弱高K介质层作为栅介质层的优越性。另外，如果界面层210太厚，会增加EOT,W致相应半导体器件的驱动电流减小。因此氧化娃或氮氧化娃界面层210的厚度选择小于 lOA。但是，为了保证所形成的界面层210的质量较好，在利用热氧化生长法要形成界面层210时，通常需要保证所形成的界面层210厚度达到5A W上。
[0056] 请参考图4,在界面层210上形成金属层220。
[0057] 本实施例中，金属层220的材料的选择考虑两个因素；第一，金属层220的材料在 反应；Si+2/yM,0y- 2x/yM+Si化中（其中M代表金属层220的具体金属材料)，吉布斯自由能 变化为正；第二，金属层220的材料不与后续的高K介质层发生氧化还原反应。综合考虑W 上两个因素，本实施例中，金属层220的材料可W为給、铜、铅、铅、铁、粗、顿、银、纪或铅中 的至少一种。
[0058] 本实施例中，可W通过物理气相沉积法（PhysicalVaporDeposition,PVD)形成 金属层220,具体过程为本领域技术人员所熟知，在此不再费述。
[0059] 本实施例中，金属层220厚度为2A~5A。如果金属层220厚度太小，则退火处理 过程中，能够还原的界面层210厚度太小，因此，后续通过退火处理对界面层210的厚度减 薄有限，达不到将EOT减小到所需值的要求。如果金属层220太厚，在后续退火处理之后， 可能仍然有金属层220剩余，导致栅介质层形成失败。
[0060] 请继续参考图4,在金属层220上形成高K介质层230。
[0061] 本实施例中，高K介质层230的材料可W为氧化給、氧化铜、氧化铅、氧化铁、氧化 粗、氧化纪或者氧化招中的至少一种。高K介质层230的材料选择中，主要考虑保证高K介 质层230在后续退火处理过程中不与金属层220反应。
[0062] 本实施例中，高K介质层230的形成方法包括原子层沉积法（AtomicLayer D巧osition，ALD)、金属有机气相沉积法（Metal-OrganicQiemicalVaporD巧osition, MOCVD)、化学气相沉积法（QiemicalVaporDeposition,CVD)或物理气相沉积法（Physical VaporDeposition,PVD)。当然，高K介质层230还可利用本领域普通技术人员所熟知的其 它沉积技术形成。
[0063] 具体的，在本实施例中，采 用原子层沉积法形成高K介质层230。采用原子层沉积 法形成高K介质层230具有W下优势；可采用较低的温度，形成的膜层均匀性好，能形成非 晶态的高K介质层230,并且原子层沉积法具有超好的填洞能力，能够保证高K介质层230 较好地形成在相应位置(例如在后栅工艺中，高K介质层230需要形成在伪栅结构去除后形 成的沟槽中）。
[0064] 本实施例中，金属层220的材料可W和高K介质层230的材料对应匹配，即；金属 层220中的金属与高K介质层230中金属氧化物的金属为同一种。具体的，当金属层220 的材料为給时，高K介质层230的材料为氧化給。换言之，如果先考虑高K介质层230的材 料为氧化給，则一开始时，金属层220的材料选择为給。该样，当金属层220与界面层210 在退火处理过程后，金属层220就对形成对应的金属氧化物，从而使金属层220转变成高K 介质层230的一部分，并且两者完全相容，不会出现配合问题。
[0065] 需要说明的是，金属层220的材料也可W不与高K介质层230的材料对应匹配。此 时金属层220仍然是被氧化形成高K介质层230的一部分，但此时，只需要保证后续退火处 理过程中，金属层220形成的金属氧化物能够与高K介质层230相容即可，而本实施例所举 例的各材料均能满足相应要求。
[0066] 本实施例中，高K介质层230的厚度可W为lOA~20乂。高K介质层230作为栅介 质层的一部分，其厚度太大同样导致EOT太大，而如果其厚度太小，无法起到相应的绝缘作 用。
[0067] 请结合参考图5和图6,对图5所示的界面层210、金属层220和高K介质层230进 行退火处理，从而使得在退火处理过程中，界面层210与金属层220发生氧化还原反应，直 至金属层220被完全氧化成金属氧化物层而构成高K介质层230'的一部分，如图6所示。 而图5中的界面层210被部分还原，形成图6所示厚度减小的界面层210'。
[0068] 本实施例中，所述退火处理采用的温度为50(TC~70(TC，通常高K介质层230的 材料为非晶态，如果温度高于700°C，则高K介质层230会转化为晶体，导致高K介质层230 的性质发生变化，而如果温度低于50(TC，达不到金属层220与界面层210发生氧化还原所 需的温度。
[0069] 本实施例中，所述退火处理采用的进行的时间为10s~60s。通常，退火处理温度 较高时，进行的时间可W较短，反之，当退火处理的温度较低时，可适当延长退火处理时间。
[0070] 本实施例中，所述退火处理采用的保护气体可W为氮气或者惰性气体，所述惰 性气体具体可W为氮气、氮气或者氛气等。所述退火处理采用的压强可W为SOOTorr~ lOOOTorr。
[0071] 本实施例中，在退火处理时，界面层210中的氧原子211 (氧原子211原来与界面 层210中的娃结合）进入到金属层220中，并与金属层220中的金属离子形成离子键，氧原 子211的迁移路径如图5中的各箭头所示。
[0072] 当金属层220的材料为給且高K介质层230的材料为氧化給时，在退火处理过程 中，由于給的生成吉布斯自由能变远大于娃，因此，在退火处理时，給会夺取界面层210中 的氧而形成更加稳定的氧化給，即在整个退火处理过程中，界面层210中的氧原子211被驱 动向金属层220移动，并与金属层220中的金属发生氧化还原反应，从而使界面层210被部 分还原成娃，因此界面层210的厚度变小，形成了界面层210'。而与此同时，金属层220被 全部氧化形成氧化給层，此氧化給层与高K介质层230 (材料也是氧化給）直接层接，因此， 此氧化給层增加了高K介质层230的厚度，使高K介质层230转变为高K介质层230'。
[0073] 本实施例中，高K介质层230'的厚度约为金属层220的厚度与原来高K介质 层230的厚度之和。由于金属层220的厚度为5A~]OA，高K介质层230的厚度可W为 lOA~20A，因此高K介质层230'的厚度可W为15A~30A
[0074] 需要特别说明的是，虽然氧化还原反应开始时，界面层210中，是离金属层220较 近的氧原子211与金属层220发生氧化还原反应。但是，从整个反应看来，界面层210中 的氧原子不断移动，最终的结果是全部氧原子整体向金属层220方向进行了移动，并且一 部分进入到金属层220中，将金属层220氧化成金属氧化物(从而形成高K介质层230'的 一部分)。该样，最终的结果是；界面层210被还原生成娃的部分出现在与第一半导体衬底 200直接接触的位置，并且该部分被还原的界面层210形成了娃，此部分娃融合到第一半导 体衬底200中，使第一半导体衬底200转化为第二半导体衬底200'。
[0075] 本实施例中，界面层210'的厚度（即界面层210的剩余厚度）较小，具体为界面层 210初始形成厚度的40%~60%，即如图5中的界面层210转化为图6所示界面层210'所 /J、-〇
[0076] 本实施例中，界面层210'减小的厚度与高K介质层230'增大的厚度大致相等。例 女口，当界面层210'（相对于界面层210而言）减小的厚度为4A时，高K介质层230'（相对 于高K介质层230而言）增大的厚度也为4A。
[0077] 本实施例中，本实施例中，在所述退火处理之后，实际上得到的的栅介质层仍然由 界面层210'和高K介质层230'构成，而界面层210'的存在不仅能在第二半导体衬底200' 和界面层210'之间提供较佳品质的界面，还能在高K介质层230'和界面层210'之间提供 较佳品质的界面，从而改善了高K介质层230'与半导体衬底200'之间的界面特性。
[0078] -种计算栅介质层EOT的经验公式为：界面层的厚度加上五分之一的高K介质层 厚度。由W上分析可知，当界面层210'的厚度约为4A，高K介质层230'厚度最大约为 30A,通过上述经验公式可知，本实施例最终栅介质层EOT的大小约为4+30-5=10I(A)，即 约为Inm，满足相应的要求，并且，通过本实施例形成方法形成的栅介质层中，界面层210' 致密度和均匀度更好。
[0079] 本实施例中，金属层220与界面层210直接接触，因此，在退火处理过程中，两层之 间的氧化还原反应能够迅速发生，减小热预算，降低工艺成本。并且通过金属层220的厚度 和界面层210的厚度控制，保证金属层220被完全氧化，使反应更加完全。
[0080] 本实施例中，在形成高K介质层230之后即进行退火处理。如果等到在高K介质 层230上形成金属栅极后再进行退火处理，则金属栅极中的金属在退火过程中会扩散到高 K介质层230和界面层210,影响介质层的介电常数和沟道中载流子迁移率等性能。而本实 施例由于在未形成金属栅极前即进行退火处理，能够防止上述情况的发生。
[0081] 本实施例所提供的栅介质层的形成方法中，先在第一半导体衬底200上形成界面 层210,然后在界面层210上形成金属层220,再在金属层220上形成高K介质层230,之后 对所形成的界面层210、金属层220和高K介质层230进行退火处理，使界面层210与金属 层220之间发生氧化还原反应，一方面使金属层220被氧化形成金属氧化物层，此金属氧化 物层转化为高K介质层230'的一部分，而界面层210在反应过程中，部分被还原生成娃，并 且被还原 的娃与第一半导体衬底200融为一体，形成第一半导体衬底200的一部分，从而使 第一半导体衬底200转化为第二半导体衬底200'。该样，界面层210的厚度减小形成界面 层210'，而高K介质层230的厚度增大形成高K介质层230'，但是总体而方，EOT减小，并 且所形成的界面层210'的致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，本发 明实施例中的栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性能提高。
[0082] 本发明实施例还提供了一种M0S晶体管的形成方法(未图示)，所述晶体管的形成 方法采用与上述实施例所述的形成方法形成栅介质层。
[0083] 具体的，本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法中，首先提供第一半导体衬底， 所述第一半导体衬底内形成有隔离区及位于隔离区之间的有源区。然后在有源区的第一半 导体衬底上依次形成替代栅介电层和替代栅电极层。
[0084] 接着，W替代栅电极层为掩膜，对所述第一半导体衬底进行浅惨杂区注入，形成轻 惨杂漏极。对于NM0S器件，注入的是n型离子；对于PM0S器件，注入的是P型离子。并对所 述第一半导体衬底进行热处理，使轻惨杂漏极中的注入离子发生纵向与横向的均匀扩散。
[0085] 然后，在第一半导体衬底上形成侧墙，所述侧墙位于替代栅极结构两侧。侧墙形成 工艺如下：用化学气相沉积法在第一半导体衬底上及替代栅极结构周围形成侧墙层；用回 刻蚀工艺刻蚀侧墙层至露出第一半导体衬底和替代栅极结构顶部。本实施例中，所述侧墙 的材料为氮化娃或氧化娃-氮化娃或氧化娃-氮化娃-氧化娃。
[0086] 再W替代栅极结构和替代栅极结构两侧的侧墙为掩膜，向所述第一半导体衬底进 行重惨杂区注入，形成源极和漏极，所述源极和漏极的深度深于轻惨杂漏极。在注入离子之 后，对所述第一半导体衬底进行热处理，使源极和漏极中的注入离子发生纵向与横向的均 匀扩散。本实施例中，在形成PM0S晶体管区域，向第一半导体衬底中注入的是P型离子，女口 测离子等。在形成NM0S晶体管区域，向第一半导体衬底中注入的是n型离子，如磯离子或 神离子等。
[0087] 此后，采用化学气相沉积法在第一半导体衬底上沉积层间介质层，所述层间介质 层覆盖替代栅极结构和侧墙。所述层间介质层的材料为氧化娃或氮氧化娃等。并采用化学 机械研磨（CMP)方法研磨层间介质层至露出替代栅极结构顶部，即所述层间介质层表面与 替代栅极结构顶部齐平。之后，去除替代栅介电层和替代栅电极层形成沟槽。
[0088] 在接下去的步骤中，本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法进行W下工艺：在 沟槽底部形成界面层，形成所述界面层的具体过程可参考前述实施例相应内容；在界面层 上形成金属层，形成所述金属层的具体过程可参考前述实施例相应内容；在金属层上形成 高K介质层，形成所述高K介质层的具体过程可参考前述实施例相应内容；对所述界面层、 所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部 分在所述退火处理过程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所 述界面层的厚度减薄，所述退火处理的具体过程可W参考前述实施例相应内容。
[0089] 最后，在所述高K介质层表面上形成填充满所述沟槽的金属栅极。所述金属栅极 的具体形成过程可W为，在所述层间介质层上沉积金属，所述金属同时填充满所述沟槽，用 化学机械研磨法平坦化至重新露出所述层间介质层，形成所述金属栅极。
[0090] 本实施例中的金属栅极可W为单一覆层或多层堆叠结构。所述金属栅极材料可W 为铅、铜、银、金、笛、媒、铁、钻、佗、粗、鹤、娃化鹤、鹤化铁、氮化铁、氮化佗、碳化佗、媒笛或 氮娃化佗。
[0091] 需要说明的是，本实施例M0S晶体管的形成方法中，采用的是后栅极（gatelast) 工艺。但是，在本发明的其它实施例中，也可W采用先栅极（gatefirst)工艺。
[0092] 本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法形成的M0S晶体管具有较小的EOT,因 此，M0S晶体管的性能得到提高，并且所述形成方法工艺简单，节约了工艺成本。
[0093] 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W权利要求所 限定的范围为准。
【主权项】
1. 一种栅介质层的形成方法，其特征在于，包括： 提供第一半导体衬底； 在所述第一半导体衬底上形成界面层； 在所述界面层上形成金属层； 在所述金属层上形成高K介质层； 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分被还原为硅，并与所述 第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。2. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料包括铪、 镧、铝、锆、钛、钡或钇中的至少一种。3. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层厚度为 H4. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述退火处理采用的温度 为500°C~700°C，所述退火处理进行的时间为IOs~60s。5. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述退火处理采用的保护 气体为氮气、氦气、氖气或者氩气，所述退火处理采用的压强为500Torr~1000 Torr。6. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述界面层初始厚度为 5人~10A,进行所述退火处理后所述界面层的剩余厚度为所述初始厚度的40%~60%。7. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层采用物理气相 沉积法形成。8. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述界面层采用热氧化生 长法或者化学氧化法形成。9. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述高K介质层的材料包括 氧化铪、氧化镧、氧化锆、氧化钛、氧化钽或者氧化钇中的至少一种。10. -种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括： 提供第一半导体衬底； 在所述第一半导体衬底上形成界面层； 在所述界面层上形成金属层； 在所述金属层上形成高K介质层； 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过程中 被还原为硅，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄； 在所述退火处理之后，在所述高K介质层上形成金属栅极。
【专利摘要】一种栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法。其中，所述栅介质层的形成方法包括：提供第一半导体衬底；在所述第一半导体衬底上形成界面层；在所述界面层上形成金属层；在所述金属层上形成高K介质层；进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过程中被还原为硅，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。所述方法能够减小EOT，并且，所述形成方法形成的所述界面层致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性能提高。
【IPC分类】H01L21/336, H01L21/28
【公开号】CN104900502
【申请号】CN201410077194
【发明人】刘海龙
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种栅介质层的形成方法和M0S晶体管的 形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体工艺技术节点的减小，传统的二氧化娃栅介质层和多晶娃 栅电极层的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semicon化ctor Field-Effect-Transistor，MOS阳T，W下简称MOS晶体管)器件出现了漏电量增加和栅极层 损耗等问题。为解决该些问题，现有技术中提出了采用高K(hi曲K，HK)材料代替二氧化 娃制作栅介质层，即高K介质层，并采用金属材料代替多晶娃制作栅电极层（metalgate, MG),即金属栅极，此结构简称为HKMG。
[0003] 然而，使用高K介质层的缺点在于，高K介质层的界面品质较差，如果直接在半导 体衬底上形成高K介质层，较差品质的界面容易削弱最终形成的M0S晶体管的电学性能。
[0004] 为此，现有方法通常在半导体衬底与高K介质层之间设置界面层（interhcial layer,IL)，界面层不仅能在半导体衬底和界面层之间提供较佳品质的界面，还能在高K介 质层和界面层之间提供较佳品质的界面，从而改善了高K介质层与半导体衬底之间的界面 特性。
[0005] 该里将界面层和高K介质层等位于金属栅极与半导体衬底(沟道区)之间的叠层称 为栅介质层，下同。
[0006] 请参考图1和图2,示出了现有栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图。
[0007] 请参考图1，提供半导体衬底100,在半导体衬底100上形成界面层110。现有方 法中通常采用低温（lowtemperature)快速热氧化方法（lowtemperatureRapidThermal Oxidation,RTO)或者化学氧化法（QiemicalOxidation)直接形成界面层110。
[000引请参考图2,在界面层110上形成高K介质层120,界面层110和高K介质层120均为栅介质层的一部分。
[0009] 随着半导体器件尺寸减小，M0S晶体管器件存在着非常严重的短沟道效应，为防止 短沟道效应，并提高金属栅极对沟道的控制能力，M0S晶体管中栅介质层的等效氧化层厚度 (Equivalent Oxide化ickness, EOT)通常不得超过1皿。因此，界面层110作为栅介质层 的其中一部分，其厚度必须较小。
[0010] 但是直接形成厚度较小且质量较好的界面层110是十分困难的。现有方法形成的 界面层110质量通常很差，导致M0S晶体管的性能下降。此外，在栅介质层的形成工艺中， 通常还必须采用退火工艺，所述退火工艺会致使界面层110被氧化而导致其厚度增大，进 一步加剧了M0S晶体管性能的下降。
[0011] 因此，需要一种新的栅介质层的形成方法和M0S晶体管的形成方法，W提高界面 层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT,提高M0S晶体管的性能。
【发明内容】
[0012] 本发明解决的问题是提供一种栅介质层的形成方法和M0S晶体管的形成方法，W 提高界面层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT,提高M0S晶体管的性能。
[0013] 为解决上述问题，本发明提供一种栅介质层的形成方法，包括：
[0014] 提供第一半导体衬底；
[0015] 在所述第一半导体衬底上形成界面层；
[0016] 在所述界面层上形成金属层；
[0017] 在所述金属层上形成高K介质层；
[0018] 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过 程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。
[0019] 可选的，所述金属层的材料包括給、铜、铅、铅、铁、顿或纪中的至少一种。
[0020] 可选的，所述金属层厚度为2A~5A。
[0021] 可选的，所述退火处理采用的温度为50(TC~70(TC，所述退火处理进行的时间为 lOs~60s。
[0022] 可选的，所述退火处理采用的保护气体为氮气、氮气、氛气或者氮气，所述退火处 理采用的压强为500Torr~lOOOTorr。
[0023] 可选的，所述界面层初始厚度为5A~lOA，进行所述退火处理之后所述界面层的 剩余厚度为所述初始厚度的40%~60%。
[0024] 可选的，所述金属层采用物理气相沉积法形成。
[0025] 可选的，所述界面层采用热氧化生长法或者化学氧化法形成。
[0026] 可选的，所述高K介质层的材料包括氧化給、氧化铜、氧化铅、氧化铁、氧化粗或者 氧化纪中的至少一种。
[0027] 为解决上述问题，本发明还提供了一种M0S晶体管的形成方法，包括：
[0028] 提供第一半导体衬底；
[0029] 在所述第一半导体衬底上形成界面层；
[0030] 在所述界面层上形成金属层；
[0031] 在所述金属层上形成高K介质层；
[0032] 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理 过程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减 薄；
[0033] 在所述退火处理之后，在所述高K介质层上形成金属栅极。
[0034] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有W下优点：
[0035] 本发明的技术方案中，在界面层和高K介质层之间形成金属层，并且对所述界面 层、所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触 的部分在所述退火处理过程中被还原为娃，因此界面层的厚度减小，并且此部分娃与所述 第一半导体衬底一同构成第二半导体衬底，不影响器件结构。所述金属层被氧化形成金属 氧化物层，此金属氧化物层转化为高K介质层的一部分，因此高K介质层的厚度增大。虽然 从总体上看，所述界面层的厚度减小，所述高K介质层的厚度增大，并且界面层的厚度减小 值与高K介质层的厚度增大值大致相等，但是EOT通常等于界面层厚度加上五分之一的高K介质层厚度，因此，总体而言EOT减小，提高了M0S晶体管的性能。并且，所述形成方法形 成的所述界面层致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介 电常数更大，使相应的半导体结构性能再次提高。
[0036] 进一步，界面层的初始厚度为5A~lOA。界面层的初始厚度不能太大，否则会削 弱高K介质层作为栅介质层的优越性。另外，如果界面层太厚，会增加EOT,W致相应半导体 器件的驱动电流减小。因此氧化娃或氮氧化娃界面层的厚度选择小于lOA。但是，为了保证 所形成的界面层的质量较好，通常其厚度需要达到5AW上。
[0037] 进一步，金属层厚度为2A~5A。如果金属层厚度太小，则退火处理过程中，能够 还原的界面层厚度太小，因此，通过退火处理对界面层的厚度减薄有限，达不到将EOT减小 到所需值的要求。如果金属层太厚，在退火处理之后，可能仍然有金属层剩余，导致栅介质 层形成失败。
[0038] 进一步，退火处理采用的温度为50(TC~70(TC。通常高K介质层的材料为非晶 态，如果温度高于70(TC，高K介质层会转化为晶体， 导致高K介质层的性质发生变化，而如 果温度低于50(TC，则达不到金属层与界面层发生氧化还原所需的温度。
【附图说明】
[0039] 图1至图2是现有栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图；
[0040] 图3至图6是本发明实施例栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 现有方法通常采用化学氧化工艺或者低温快速热氧化方法形成界面层。化学氧化 工艺形成的界面层质量往往不高，主要体现为界面层致密度差，在栅介质层介电常数固定 的情况下，很难将界面层做的更薄，而致密性差且厚度较厚的栅介质层必然会导致M0S晶 体管器件的沟道区域中的载流子迁移率下降，栅极漏电流提高，使器件电性能变差。同样 的，低温快速热氧化方法形成的界面层厚度通常较大，过厚的界面层必然会降低栅介质层 总的介电常数。
[0042] 为此，本发明提供一种栅介质层的形成方法，所述形成方法先在第一半导体衬底 上形成界面层，然后在所述界面层上形成金属层，再在所述金属层上形成高K介质层，之后 对所述界面层、所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，使所述界面层与所述金属层 之间发生氧化还原反应，所述氧化还原反应使所述金属层被氧化形成金属氧化物层，此金 属氧化物层转化为高K介质层的一部分，而界面层在所述氧化还原反应过程中被部分还 原。并且界面层被还原的部分位于与第一半导体衬底接触的位置，并融合为所述第一半导 体衬底的一部分，使第一半导体衬底转化为第二半导体衬底。该样，所述界面层的厚度减 小，所述高K介质层的厚度增大，并且界面层的厚度减小值与高K介质层的厚度增大值大致 相等。由于EOT通常等于界面层厚度加上五分之一的高K介质层厚度，因此总体而言EOT 减小，提高了半导体结构性能。并且，所述形成方法形成的所述界面层致密度和均匀度更 好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性 能再次提局。
[0043] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0044] 本发明实施例提供一种栅介质层的形成方法，请结合参考图3至图6。
[0045] 请参考图3,提供第一半导体衬底200。
[0046] 本实施例中，第一半导体衬底200的材料可W为单晶、多晶或非晶结构的娃或娃 错（SiGe)，也可W包括混合的半导体结构，例如碳化娃（SiC)、键化钢、蹄化铅、神化钢、磯 化钢、神化嫁、键化嫁或其它合金半导体组合；也可W是绝缘体上娃（SOI)。此外，第一半导 体衬底200还可W包括其它材料层结构，例如外延层或埋氧层的多层结构。
[0047] 本实施例中，第一半导体衬底200可W为平面型衬底，也可W为非平面型衬底。对 于非平面型衬底，其表面可包括錯式晶体管结构或纳米线晶体管结构等。
[0048]具体的，本实施例W平面型娃衬底为例进行说明。平面型娃衬底内可W形成有隔 离区及位于隔离区之间的有源区。其中隔离区可W是浅沟槽隔离区（STI)，也可W是LOCOS 隔离区。
[0049]当第一半导体衬底200暴露在空气中时，第一半导体衬底200表面将被氧化形成 天然氧化物（nativeoxide)。天然氧化物通常不是半导体器件的理想构成。通常会有杂质 嵌入天然氧化物中，并且该些杂质会破坏氧化物的介电特性。例如，金属杂质会使天然氧化 物导电，削弱半导体器件的性能。因此，需将第一半导体衬底200表面的天然氧化物去除， 并重新在第一半导体衬底200表面形成没有惨入杂质的氧化物，W作为高K介质层与衬底 之间的界面层。
[0050] 本实施例中，可利用氨氣酸溶液去除天然氧化物，然后再用去离子水清洗衬底，接 着烘干。再进行退火，W修复第一半导体衬底200表面的晶格缺陷，为后续界面层的形成过 程奠定良好的基础，保证后续形成的界面层更加均匀且致密。
[0051] 请继续参考图3,在第一半导体衬底200上形成界面层210。
[0052] 本实施例中，界面层210的材料可W为氧化娃或氮氧化娃，其中氧化娃的形成工 艺更加成熟，并且氧化娃与更多半导体结构有更好的相容性。因此，本实施例中界面层210 的材料W氧化娃作具体说明。
[0053] 可W采用热氧化生长法或者化学氧化法在第一半导体衬底200上形成界面层 210。由于利用热氧化生长法形成的界面层210质量更佳，本实施例选择利用热氧化生长法 形成界面层210。
[0054] 利用热氧化生长法形成氧化娃材质的界面层210工艺可W包括；利用烙炉或者赔 烤站等快速热处理装置，在化气体，或者&0和的混合气体中，对第一半导体衬底200进 行加热，W在第一半导体衬底200表面生长一层厚度较小氧化娃。
[00巧]本实施例中，界面层210初始厚度为5A~lOA。初始形成的界面层210不能太厚， 否则会削弱高K介质层作为栅介质层的优越性。另外，如果界面层210太厚，会增加EOT,W致相应半导体器件的驱动电流减小。因此氧化娃或氮氧化娃界面层210的厚度选择小于 lOA。但是，为了保证所形成的界面层210的质量较好，在利用热氧化生长法要形成界面层210时，通常需要保证所形成的界面层210厚度达到5A W上。
[0056] 请参考图4,在界面层210上形成金属层220。
[0057] 本实施例中，金属层220的材料的选择考虑两个因素；第一，金属层220的材料在 反应；Si+2/yM,0y- 2x/yM+Si化中（其中M代表金属层220的具体金属材料)，吉布斯自由能 变化为正；第二，金属层220的材料不与后续的高K介质层发生氧化还原反应。综合考虑W 上两个因素，本实施例中，金属层220的材料可W为給、铜、铅、铅、铁、粗、顿、银、纪或铅中 的至少一种。
[0058] 本实施例中，可W通过物理气相沉积法（PhysicalVaporDeposition,PVD)形成 金属层220,具体过程为本领域技术人员所熟知，在此不再费述。
[0059] 本实施例中，金属层220厚度为2A~5A。如果金属层220厚度太小，则退火处理 过程中，能够还原的界面层210厚度太小，因此，后续通过退火处理对界面层210的厚度减 薄有限，达不到将EOT减小到所需值的要求。如果金属层220太厚，在后续退火处理之后， 可能仍然有金属层220剩余，导致栅介质层形成失败。
[0060] 请继续参考图4,在金属层220上形成高K介质层230。
[0061] 本实施例中，高K介质层230的材料可W为氧化給、氧化铜、氧化铅、氧化铁、氧化 粗、氧化纪或者氧化招中的至少一种。高K介质层230的材料选择中，主要考虑保证高K介 质层230在后续退火处理过程中不与金属层220反应。
[0062] 本实施例中，高K介质层230的形成方法包括原子层沉积法（AtomicLayer D巧osition，ALD)、金属有机气相沉积法（Metal-OrganicQiemicalVaporD巧osition, MOCVD)、化学气相沉积法（QiemicalVaporDeposition,CVD)或物理气相沉积法（Physical VaporDeposition,PVD)。当然，高K介质层230还可利用本领域普通技术人员所熟知的其 它沉积技术形成。
[0063] 具体的，在本实施例中，采 用原子层沉积法形成高K介质层230。采用原子层沉积 法形成高K介质层230具有W下优势；可采用较低的温度，形成的膜层均匀性好，能形成非 晶态的高K介质层230,并且原子层沉积法具有超好的填洞能力，能够保证高K介质层230 较好地形成在相应位置(例如在后栅工艺中，高K介质层230需要形成在伪栅结构去除后形 成的沟槽中）。
[0064] 本实施例中，金属层220的材料可W和高K介质层230的材料对应匹配，即；金属 层220中的金属与高K介质层230中金属氧化物的金属为同一种。具体的，当金属层220 的材料为給时，高K介质层230的材料为氧化給。换言之，如果先考虑高K介质层230的材 料为氧化給，则一开始时，金属层220的材料选择为給。该样，当金属层220与界面层210 在退火处理过程后，金属层220就对形成对应的金属氧化物，从而使金属层220转变成高K 介质层230的一部分，并且两者完全相容，不会出现配合问题。
[0065] 需要说明的是，金属层220的材料也可W不与高K介质层230的材料对应匹配。此 时金属层220仍然是被氧化形成高K介质层230的一部分，但此时，只需要保证后续退火处 理过程中，金属层220形成的金属氧化物能够与高K介质层230相容即可，而本实施例所举 例的各材料均能满足相应要求。
[0066] 本实施例中，高K介质层230的厚度可W为lOA~20乂。高K介质层230作为栅介 质层的一部分，其厚度太大同样导致EOT太大，而如果其厚度太小，无法起到相应的绝缘作 用。
[0067] 请结合参考图5和图6,对图5所示的界面层210、金属层220和高K介质层230进 行退火处理，从而使得在退火处理过程中，界面层210与金属层220发生氧化还原反应，直 至金属层220被完全氧化成金属氧化物层而构成高K介质层230'的一部分，如图6所示。 而图5中的界面层210被部分还原，形成图6所示厚度减小的界面层210'。
[0068] 本实施例中，所述退火处理采用的温度为50(TC~70(TC，通常高K介质层230的 材料为非晶态，如果温度高于700°C，则高K介质层230会转化为晶体，导致高K介质层230 的性质发生变化，而如果温度低于50(TC，达不到金属层220与界面层210发生氧化还原所 需的温度。
[0069] 本实施例中，所述退火处理采用的进行的时间为10s~60s。通常，退火处理温度 较高时，进行的时间可W较短，反之，当退火处理的温度较低时，可适当延长退火处理时间。
[0070] 本实施例中，所述退火处理采用的保护气体可W为氮气或者惰性气体，所述惰 性气体具体可W为氮气、氮气或者氛气等。所述退火处理采用的压强可W为SOOTorr~ lOOOTorr。
[0071] 本实施例中，在退火处理时，界面层210中的氧原子211 (氧原子211原来与界面 层210中的娃结合）进入到金属层220中，并与金属层220中的金属离子形成离子键，氧原 子211的迁移路径如图5中的各箭头所示。
[0072] 当金属层220的材料为給且高K介质层230的材料为氧化給时，在退火处理过程 中，由于給的生成吉布斯自由能变远大于娃，因此，在退火处理时，給会夺取界面层210中 的氧而形成更加稳定的氧化給，即在整个退火处理过程中，界面层210中的氧原子211被驱 动向金属层220移动，并与金属层220中的金属发生氧化还原反应，从而使界面层210被部 分还原成娃，因此界面层210的厚度变小，形成了界面层210'。而与此同时，金属层220被 全部氧化形成氧化給层，此氧化給层与高K介质层230 (材料也是氧化給）直接层接，因此， 此氧化給层增加了高K介质层230的厚度，使高K介质层230转变为高K介质层230'。
[0073] 本实施例中，高K介质层230'的厚度约为金属层220的厚度与原来高K介质 层230的厚度之和。由于金属层220的厚度为5A~]OA，高K介质层230的厚度可W为 lOA~20A，因此高K介质层230'的厚度可W为15A~30A
[0074] 需要特别说明的是，虽然氧化还原反应开始时，界面层210中，是离金属层220较 近的氧原子211与金属层220发生氧化还原反应。但是，从整个反应看来，界面层210中 的氧原子不断移动，最终的结果是全部氧原子整体向金属层220方向进行了移动，并且一 部分进入到金属层220中，将金属层220氧化成金属氧化物(从而形成高K介质层230'的 一部分)。该样，最终的结果是；界面层210被还原生成娃的部分出现在与第一半导体衬底 200直接接触的位置，并且该部分被还原的界面层210形成了娃，此部分娃融合到第一半导 体衬底200中，使第一半导体衬底200转化为第二半导体衬底200'。
[0075] 本实施例中，界面层210'的厚度（即界面层210的剩余厚度）较小，具体为界面层 210初始形成厚度的40%~60%，即如图5中的界面层210转化为图6所示界面层210'所 /J、-〇
[0076] 本实施例中，界面层210'减小的厚度与高K介质层230'增大的厚度大致相等。例 女口，当界面层210'（相对于界面层210而言）减小的厚度为4A时，高K介质层230'（相对 于高K介质层230而言）增大的厚度也为4A。
[0077] 本实施例中，本实施例中，在所述退火处理之后，实际上得到的的栅介质层仍然由 界面层210'和高K介质层230'构成，而界面层210'的存在不仅能在第二半导体衬底200' 和界面层210'之间提供较佳品质的界面，还能在高K介质层230'和界面层210'之间提供 较佳品质的界面，从而改善了高K介质层230'与半导体衬底200'之间的界面特性。
[0078] -种计算栅介质层EOT的经验公式为：界面层的厚度加上五分之一的高K介质层 厚度。由W上分析可知，当界面层210'的厚度约为4A，高K介质层230'厚度最大约为 30A,通过上述经验公式可知，本实施例最终栅介质层EOT的大小约为4+30-5=10I(A)，即 约为Inm，满足相应的要求，并且，通过本实施例形成方法形成的栅介质层中，界面层210' 致密度和均匀度更好。
[0079] 本实施例中，金属层220与界面层210直接接触，因此，在退火处理过程中，两层之 间的氧化还原反应能够迅速发生，减小热预算，降低工艺成本。并且通过金属层220的厚度 和界面层210的厚度控制，保证金属层220被完全氧化，使反应更加完全。
[0080] 本实施例中，在形成高K介质层230之后即进行退火处理。如果等到在高K介质 层230上形成金属栅极后再进行退火处理，则金属栅极中的金属在退火过程中会扩散到高 K介质层230和界面层210,影响介质层的介电常数和沟道中载流子迁移率等性能。而本实 施例由于在未形成金属栅极前即进行退火处理，能够防止上述情况的发生。
[0081] 本实施例所提供的栅介质层的形成方法中，先在第一半导体衬底200上形成界面 层210,然后在界面层210上形成金属层220,再在金属层220上形成高K介质层230,之后 对所形成的界面层210、金属层220和高K介质层230进行退火处理，使界面层210与金属 层220之间发生氧化还原反应，一方面使金属层220被氧化形成金属氧化物层，此金属氧化 物层转化为高K介质层230'的一部分，而界面层210在反应过程中，部分被还原生成娃，并 且被还原 的娃与第一半导体衬底200融为一体，形成第一半导体衬底200的一部分，从而使 第一半导体衬底200转化为第二半导体衬底200'。该样，界面层210的厚度减小形成界面 层210'，而高K介质层230的厚度增大形成高K介质层230'，但是总体而方，EOT减小，并 且所形成的界面层210'的致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，本发 明实施例中的栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性能提高。
[0082] 本发明实施例还提供了一种M0S晶体管的形成方法(未图示)，所述晶体管的形成 方法采用与上述实施例所述的形成方法形成栅介质层。
[0083] 具体的，本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法中，首先提供第一半导体衬底， 所述第一半导体衬底内形成有隔离区及位于隔离区之间的有源区。然后在有源区的第一半 导体衬底上依次形成替代栅介电层和替代栅电极层。
[0084] 接着，W替代栅电极层为掩膜，对所述第一半导体衬底进行浅惨杂区注入，形成轻 惨杂漏极。对于NM0S器件，注入的是n型离子；对于PM0S器件，注入的是P型离子。并对所 述第一半导体衬底进行热处理，使轻惨杂漏极中的注入离子发生纵向与横向的均匀扩散。
[0085] 然后，在第一半导体衬底上形成侧墙，所述侧墙位于替代栅极结构两侧。侧墙形成 工艺如下：用化学气相沉积法在第一半导体衬底上及替代栅极结构周围形成侧墙层；用回 刻蚀工艺刻蚀侧墙层至露出第一半导体衬底和替代栅极结构顶部。本实施例中，所述侧墙 的材料为氮化娃或氧化娃-氮化娃或氧化娃-氮化娃-氧化娃。
[0086] 再W替代栅极结构和替代栅极结构两侧的侧墙为掩膜，向所述第一半导体衬底进 行重惨杂区注入，形成源极和漏极，所述源极和漏极的深度深于轻惨杂漏极。在注入离子之 后，对所述第一半导体衬底进行热处理，使源极和漏极中的注入离子发生纵向与横向的均 匀扩散。本实施例中，在形成PM0S晶体管区域，向第一半导体衬底中注入的是P型离子，女口 测离子等。在形成NM0S晶体管区域，向第一半导体衬底中注入的是n型离子，如磯离子或 神离子等。
[0087] 此后，采用化学气相沉积法在第一半导体衬底上沉积层间介质层，所述层间介质 层覆盖替代栅极结构和侧墙。所述层间介质层的材料为氧化娃或氮氧化娃等。并采用化学 机械研磨（CMP)方法研磨层间介质层至露出替代栅极结构顶部，即所述层间介质层表面与 替代栅极结构顶部齐平。之后，去除替代栅介电层和替代栅电极层形成沟槽。
[0088] 在接下去的步骤中，本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法进行W下工艺：在 沟槽底部形成界面层，形成所述界面层的具体过程可参考前述实施例相应内容；在界面层 上形成金属层，形成所述金属层的具体过程可参考前述实施例相应内容；在金属层上形成 高K介质层，形成所述高K介质层的具体过程可参考前述实施例相应内容；对所述界面层、 所述金属层和所述高K介质层进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部 分在所述退火处理过程中被还原为娃，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所 述界面层的厚度减薄，所述退火处理的具体过程可W参考前述实施例相应内容。
[0089] 最后，在所述高K介质层表面上形成填充满所述沟槽的金属栅极。所述金属栅极 的具体形成过程可W为，在所述层间介质层上沉积金属，所述金属同时填充满所述沟槽，用 化学机械研磨法平坦化至重新露出所述层间介质层，形成所述金属栅极。
[0090] 本实施例中的金属栅极可W为单一覆层或多层堆叠结构。所述金属栅极材料可W 为铅、铜、银、金、笛、媒、铁、钻、佗、粗、鹤、娃化鹤、鹤化铁、氮化铁、氮化佗、碳化佗、媒笛或 氮娃化佗。
[0091] 需要说明的是，本实施例M0S晶体管的形成方法中，采用的是后栅极（gatelast) 工艺。但是，在本发明的其它实施例中，也可W采用先栅极（gatefirst)工艺。
[0092] 本实施例所提供的M0S晶体管的形成方法形成的M0S晶体管具有较小的EOT,因 此，M0S晶体管的性能得到提高，并且所述形成方法工艺简单，节约了工艺成本。
[0093] 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W权利要求所 限定的范围为准。
【主权项】
1. 一种栅介质层的形成方法，其特征在于，包括： 提供第一半导体衬底； 在所述第一半导体衬底上形成界面层； 在所述界面层上形成金属层； 在所述金属层上形成高K介质层； 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分被还原为硅，并与所述 第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。2. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料包括铪、 镧、铝、锆、钛、钡或钇中的至少一种。3. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层厚度为 H4. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述退火处理采用的温度 为500°C~700°C，所述退火处理进行的时间为IOs~60s。5. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述退火处理采用的保护 气体为氮气、氦气、氖气或者氩气，所述退火处理采用的压强为500Torr~1000 Torr。6. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述界面层初始厚度为 5人~10A,进行所述退火处理后所述界面层的剩余厚度为所述初始厚度的40%~60%。7. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述金属层采用物理气相 沉积法形成。8. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述界面层采用热氧化生 长法或者化学氧化法形成。9. 如权利要求1所述的栅介质层的形成方法，其特征在于，所述高K介质层的材料包括 氧化铪、氧化镧、氧化锆、氧化钛、氧化钽或者氧化钇中的至少一种。10. -种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括： 提供第一半导体衬底； 在所述第一半导体衬底上形成界面层； 在所述界面层上形成金属层； 在所述金属层上形成高K介质层； 进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过程中 被还原为硅，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄； 在所述退火处理之后，在所述高K介质层上形成金属栅极。
【专利摘要】一种栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法。其中，所述栅介质层的形成方法包括：提供第一半导体衬底；在所述第一半导体衬底上形成界面层；在所述界面层上形成金属层；在所述金属层上形成高K介质层；进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过程中被还原为硅，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。所述方法能够减小EOT，并且，所述形成方法形成的所述界面层致密度和均匀度更好，从而在相同的栅介质层厚度情况下，栅介质层的介电常数更大，使相应的半导体结构性能提高。
【IPC分类】H01L21/336, H01L21/28
【公开号】CN104900502
【申请号】CN201410077194
【发明人】刘海龙
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
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