CN103311110B - 半导体结构的形成方法，晶体管的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件的形成方法，一种晶体管的形成方法，其中，半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；去除氧化层直至暴露出半导体衬底；在去除氧化层后，对所述半导体衬底进行热退火，且所述热退火的保护气体为惰性气体；经过热退火后，在所述半导体衬底表面形成绝缘层；在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；在所述高K栅介质层表面形成保护层。所形成的半导体结构能够抑制漏电流，提高后续形成的晶体管的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构的形成方法，一种晶体管的形成方法。
背景技术
随着集成电路制造技术的快速发展，促使集成电路中的半导体器件，尤其是MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属-氧化物-半导体)器件的尺寸不断地缩小，以此满足集成电路发展的小型化和集成化的要求。在MOS晶体管器件的尺寸持续缩小的过程中，现有工艺以氧化硅或氮氧化硅作为栅介质层的工艺受到了挑战。以氧化硅或氮氧化硅作为栅介质层所形成的晶体管出现了一些问题，包括漏电流增加以及杂质的扩散，从而影响晶体管的阈值电压，进而影响半导体器件的性能。
为解决以上问题，高K/金属栅极结构的晶体管被提出。采用高K(介电常数)材料代替常用的氧化硅或氮氧化硅栅介质材料，能够在半导体器件尺寸缩小的同时，减小漏电流的产生，并提高半导体器件的性能。
现有技术具有高K栅介质层的半导体结构的形成方法为：
提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；去除氧化层直至暴露出半导体衬底；在所述半导体衬底表面形成绝缘层；在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；在所述高K栅介质层表面形成保护层。
进一步的，在形成保护层后，在半导体衬底表面形成栅极结构；所述栅极结构包括：绝缘层、高K栅介质层、保护层、栅电极层以及侧墙；所述栅电极层位于所述保护层表面，且所述栅介质层的材料为金属；所述侧墙位于紧邻所述绝缘层、高K栅介质层、保护层和栅电极层的两侧。
在形成栅极结构之后，在紧邻所述栅极结构两侧的半导体衬底内形成源/漏区，从而形成高K/金属栅极结构的晶体管。
然而，现有技术所形成的高K/金属栅极结构的晶体管，会产生漏电流，且偏置温度(Bias Temperature Instability)不稳定。
更多高具有高K栅介质层的半导体结构的形成方法请参考公开号为US2006/0246698A1的美国专利文件。
发明内容
本发明解决的问题是提出一种半导体结构的形成方法，以及一种晶体管的形成方法，以减少晶体管的漏电流，稳定晶体管的偏置温度。
为解决上述问题，本发明提供了一种半导体结构的形成方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；
去除氧化层直至暴露出半导体衬底；
在去除氧化层后，对所述半导体衬底进行热退火，且所述热退火的保护气体为惰性气体；
经过热退火后，在所述半导体衬底表面形成绝缘层；
在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；
在所述高K栅介质层表面形成保护层。
可选的，所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
可选的，所述热退火的温度为650℃～1150℃，所述热退火的时间为5秒～5小时。
可选的，述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
可选的，所述绝缘层的形成工艺为化学气相沉积法或热氧化法。
可选的，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
可选的，所述高K栅介质层的形成工艺为化学气相沉积法或单原子层沉积法。
可选的，所述保护层的材料为氮化钛、氮化铊、氮化钨或氧化铝。
可选的，所述保护层的形成工艺为化学气相沉积法或单层原子沉积法。
一种晶体管的形成方法，包括如上所述任一项所述的高K栅介质层的形成方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的半导体结构的形成方法中，在形成绝缘层之前，引入了热退火工艺，能够减少后续工艺所形成的晶体管的漏电流，并稳定晶体管的偏置温度。所述热退火工艺能够减少晶体管的漏电流的原因是：所述热退火工艺能够使半导体衬底表面的原子发生迁移并填充至半导体衬底表面的载流子俘获中心内。所述载流子俘获中心由具有较高自由能的缺陷形成的；使所述缺陷形成的原因是：在半导体衬底表面形成绝缘层之前，需要去除半导体衬底表面的氧化层，而去除氧化层的工艺会对半导体衬底表面造成损伤，并在半导体衬底表面形成具有较高自由能的缺陷，而且使后续形成的绝缘层和高K介质层内也具有缺陷。
当经过热退火后，半导体衬底表面的原子迁移至缺陷中并填补了所述具有较高自由能的缺陷，使半导体衬底表面光滑，半导体衬底表面的自由能降低，减少半导体衬底表面的载流子俘获中心，进而减小了后续工艺所形成的晶体管的漏电流。
另一方面，所述热退火的保护气体为惰性气体，使热退火的效果更好；以惰性气体作为保护气体时，热退火效果更好的原因是：所述惰性气体为单原子气体，因此在高温环境下，惰性气体不会因发生分解而吸热；当以惰性气体作为热退火的保护气体时，惰性气体不会因吸热而影响热退火的效果；而且，惰性气体不会与后续工艺形成的绝缘层和高K栅介质层发生反应，使所形成的绝缘层和高K栅介质层质量较好；而且惰性气体还具有安全性，不易发生燃烧或爆炸。
本发明实施例的晶体管的形成方法中，在形成绝缘层和高K栅介质层之前进行热退火工艺，能够消除晶体管中的载流子俘获中心，从而减小了晶体管的漏电流，并使偏置温度稳定，提高晶体管的性能；采用惰性气体作为热退火的保护气体气体，惰性气体不易与绝缘层和高K栅介质层发生反应，而且惰性气体在退火过程中不吸热，具有安全性，使所形成的晶体管的性能良好。
附图说明
图1是本发明第一实施例的半导体结构的形成方法的流程示意图；
图2至图6为本发明第一实施例半导体结构的形成方法的剖面结构示意图。
图7是本发明第二实施例的晶体管的形成方法的流程示意图；
图8至图10是本发明第二实施例的晶体管的形成方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所述，以现有技术形成具有高K栅介质层的半导体结构，并进一步形成晶体管时，所形成的晶体管会产生漏电流，且偏置温度不稳定。
经过研究，发明人发现半导体衬底表面的粗糙程度会使所形成的晶体管产生漏电流，且偏置温度不稳定。
发明人经过进一步研究发现，所述半导体衬底表面粗糙的原因是：在形成绝缘层之前，去除半导体衬底表面的氧化层时所造成的；其中，所述氧化层的形成原因是：半导体制造工艺中的前道工艺所形成了氧化层，或由于半导体衬底暴露与空气中自然形成氧化层。
去所述除氧化层的工艺会使半导体衬底表面粗糙，并在半导体衬底表面形成具有较高自由能的缺陷，而且半导体衬底表面粗糙会使后续工艺形成的绝缘层和高K栅介质层内也形成缺陷；所述具有较高自由能的缺陷会形成载流子俘获中心，所述载流子俘获中心会使晶体管产生漏电流；所述载流子俘获中心使晶体管产生漏电流的原因是：当晶体管在工作时，载流子容易进入所述载流子俘获中心，从而产生漏电流，使晶体管的偏置温度不稳定，晶体管的性能下降。
为了解决上述问题，本发明的发明人提供一种半导体结构的形成方法，请参考图1，为本发明第一实施例的半导体结构的形成方法的流程示意图，包括：
步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；
步骤S102，去除氧化层直至暴露出半导体衬底；
步骤S103，在去除氧化层后，对所述半导体衬底进行热退火，且所述热退火的保护气体为惰性气体；
步骤S104，经过热退火后，在所述半导体衬底表面形成绝缘层；
步骤S105，在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；
步骤S106，在所述高K栅介质层表面形成保护层。
本发明实施例的半导体结构的形成方法中，在形成绝缘层之前，引入了热退火工艺，能够减少后续工艺所形成的晶体管的漏电流，并稳定晶体管的偏置温度。所述热退火工艺能够减少晶体管的漏电流的原因是：所述热退火工艺能够使半导体衬底表面的原子发生迁移，并填充至半导体衬底表面的载流子俘获中心内。所述载流子俘获中心由具有较高自由能的缺陷形成的；使所述缺陷形成的原因是：在半导体衬底表面形成绝缘层之前，需要去除半导体衬底表面的氧化层，而去除氧化层的工艺会对半导体衬底表面造成损伤，并在半导体衬底表面形成具有较高自由能的缺陷，而且使后续形成的绝缘层和高K介质层内也具有缺陷。
当经过热退火后，半导体衬底表面的原子迁移至缺陷中并填补了所述具有较高自由能的缺陷，使半导体衬底表面光滑，半导体衬底表面的自由能降低，减少半导体衬底表面的载流子俘获中心，进而减小了后续工艺所形成的晶体管的漏电流。
另一方面，所述热退火的保护气体为惰性气体；所述惰性气体为单原子气体，因此在高温环境下，惰性气体不会因发生分解而吸热；当以惰性气体作为热退火的保护气体时，惰性气体不会因吸热而影响热退火的效果；而且，惰性气体不会与后续工艺形成的绝缘层和高K栅介质层发生反应，使所形成的绝缘层和高K栅介质层质量较好；而且惰性气体还具有安全性，不易发生燃烧或爆炸。
以下将结合具体实施例进行详细说明，图2至图6为本发明具体实施例的半导体结构的形成方法的剖面结构示意图。
请参考图2，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100表面具有氧化层101。
所述半导体衬底100的材料为硅或绝缘体上硅，所述半导体衬底100用于为后续工艺提供工作平台。
所述氧化层101为氧化硅，所述氧化层101的形成的原因是：由于之前的半导体制造工艺在半导体衬底100表面所形成，或由于半导体衬底100暴露于空气中自然形成；为了使后续工艺所形成的绝缘层和高K栅介质层的质量良好，需要去除该氧化层101。
请参考图3，去除氧化层101(请参考图2)直至暴露出半导体衬底100。
所述去除氧化层101的工艺为湿法刻蚀法，或化学机械抛光法；所述湿法刻蚀的刻蚀液为氢氟酸溶液。
由于去除氧化层101的工艺会造成半导体衬底100表面粗糙，使半导体衬底100表面形成具有较高自由能的缺陷；所述具有较高自由能的缺陷会形成载流子俘获中心，使后续工艺形成的晶体管产生漏电流。而且，半导体衬底100表面粗糙还会影响后续工艺形成的绝缘层和高K介质层的质量，使所形成的绝缘层和高K栅介质层中产生缺陷。
请参考图4，在去除氧化层101(请参考图2)后，对所述半导体衬底100进行热退火，且所述热退火的保护气体为惰性气体；经过热退火后，在所述半导体衬底100表面形成绝缘层102。
所述热退火的退火温度为650℃～1150℃，所述的热退火时间为5秒至5小时，所述热退火的保护气体为惰性气体，且所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
在一实施例中，将去除氧化层101后的半导体衬底100置于退火炉中，并将所述退火炉中充满作为保护气体的惰性气体，所述惰性气体为氩气、氦气或氖气中的一种，并将退火温度控制在650℃以上，较佳的是650℃～1150℃，退火时间至少为5秒，较佳的是5秒至5小时的范围内。
热退火能够使半导体衬底100的硅原子发生迁移，填补到之前工艺所形成的缺陷内，使半导体衬底100表面光滑，且具有较低的自由能，因此在半导体衬底表面不会产生载流子俘获中心，使后续工艺形成的绝缘层和高K介质层内不存在缺陷，从而抑制了后续工艺所形成的晶体管的漏电流问题。
当采用惰性气体作为热退火的保护气体时，惰性气体不易与半导体衬底100，以及后续工艺形成的绝缘层和高K栅介质层发生反应；而且惰性气体是单原子气体，作为热退火的保护气体时不会因受热分解而吸热，因此不影响热退火的效果；且相对于现有技术常用的氢气来说，惰性气体不易燃烧或爆炸，安全性更高。
所述绝缘层102的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；形成工艺为化学气相沉积法或热氧化法，所述热氧化法为：将所述半导体衬底100置于高温环境下，在反应腔内通入氧气、氮气或氮氧混合气体，能够形成以氧化硅、氮化硅或氮氧化硅为材料的绝缘层102。
所述绝缘层102用于键合后续工艺形成的高K栅介质层和半导体衬底100，由于半导体衬底100的表面与高K栅介质层相互异相，高K栅介质层难以直接形成于半导体衬底100表面，因此需要绝缘层102使高K栅介质层和半导体衬底100键合。
请参考图5，在所述绝缘层102表面形成高K栅介质层103。
所述高K栅介质层103的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝，所述高K栅介质层103的形成工艺为化学气相沉积法或单原子层沉积法。
所述高K栅介质层103具有良好的热稳定性以及机械强度，同时能够减少载流子的扩散，进一步减小所形成的晶体管的漏电流。
在本实施例中，在形成绝缘层102与高K栅介质层103之前，对半导体衬底100进行热退火，使半导体衬底100表面光滑，因此所形成高K栅介质层103的质量较好，所述高K栅介质层103内缺陷较少，因此载流子俘获中心减少，使后续工艺形成的晶体管的漏电流减少。
请参考图6，在所述高K栅介质层103表面形成保护层104。
所述保护层104的材料为氮化钛、氮化铊、氮化钨或氧化铝，且所述保护层104的材料与高K栅介质层103的材料不同；所述保护层104的形成工艺为化学气相沉积法或单层原子沉积法。
所述保护层104的作用是保护高K栅介质层103的表面，使所述高K栅介质层103的表面在后续形成栅电极层的过程中不受损伤，同时使后续工艺所形成的晶体管在工作时，载流子不会扩散入高K介质层103中，抑制了漏电流的产生。
本发明实施例，在形成绝缘层102之前进行热退火工艺，使半导体衬底100表面光滑，减少了半导体衬底100表面的缺陷，导致所形成的绝缘层102和高K栅介质层103内的缺陷减少，从而减少了载流子俘获中心，抑制了后续工艺所形成的晶体管的漏电流的产生。
需要说明的是，热退火采用惰性气体作为保护气体是由于，惰性气体不会与绝缘层102以及高K栅介质层103发生反应，因此不会影响后续工艺所形成的晶体管的性能；而且惰性气体为单原子气体，不会分解吸热，因此不会影响热退火的效果；同时惰性气体不易燃烧或爆炸，安全性高。
本发明的发明人还提供一种晶体管的形成方法，请参考图7，为本发明第二实施例的晶体管的形成方法的示意图，包括：
步骤S201，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；
步骤S202，去除氧化层直至暴露出半导体衬底；
步骤S203，在去除氧化层后，对所述半导体衬底进行热退火，且所述热退火的气体为惰性气体；
步骤S204，经过热退火后，在所述半导体衬底表面形成绝缘层；
步骤S205，在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；
步骤S206，在所述高K栅介质层表面形成保护层；
步骤S207，在形成保护层后，在所述半导体衬底表面形成栅极结构；
步骤S208，在紧邻所述栅极结构两侧的半导体衬底内形成源/漏区。
本发明实施例的晶体管的形成方法中，在形成绝缘层和高K栅介质层之前进行热退火工艺，能够消除了所形成的晶体管中的载流子俘获中心，从而减小了晶体管的漏电流，并使偏置温度稳定，使所形成的晶体管的性能提高；采用惰性气体作为热退火的保护气体气体，惰性气体不易与绝缘层和高K栅介质层发生反应，而且惰性气体在退火过程中不吸热，具有安全性，使所形成的晶体管的性能良好。
以下将结合具体实施例进行详细说明，图8至图10为本发明具体实施例的晶体管的形成方法的剖面结构示意图。
请参考图8，提供半导体衬底200，所述半导体衬底表面具有氧化层(未示出)；去除氧化层直至暴露出半导体衬底200；在去除氧化层后，对所述半导体衬底200进行热退火，且所述热退火的气体为惰性气体；经过热退火后，在所述半导体衬底200表面形成绝缘层202；在所述绝缘层202表面形成高K栅介质层203；在所述高K栅介质层203表面形成保护层204。
所述热退火工艺，绝缘层和高K栅介质层的形成工艺，如第一实施例所述，请参考图2至图6，在此不作赘述。
请参考图9，在形成保护层后，在所述半导体衬底表面形成栅极结构205。
所述栅极结构205包括：半导体衬底200表面的绝缘层202、高K栅介质层203、保护层204和所述保护层204表面的栅电极层(未示出)，在紧邻所述绝缘层202、高K栅介质层203、保护层204和栅电极层的两侧，以及半导体衬底200表面具有侧墙(未示出)。
在一实施例中，所述栅极结构的形成方法为：在所述保护层204表面形成栅电极层(未示出)，所述栅电极层的材料为金属；在形成栅电极层后，刻蚀去除后续工艺所形成的栅极对应位置以外的栅电极层、保护层204、高K栅介质层203和绝缘层202直至暴露出半导体衬底200为止；在刻蚀后的所述栅电极层、保护层204、高K栅介质层202、绝缘层203以及半导体衬底200表面沉积形成侧墙层，并通过回刻蚀工艺，在所述金属栅层、保护层204、高K栅介质层202和绝缘层203两侧，以及半导体衬底200表面形成侧墙(未标示)。
请参考图10，在紧邻所述栅极结构205两侧的半导体衬底200内形成源/漏区206。
在一实施例中，所述源/漏区的形成工艺为在刻蚀栅电极层、保护层204、高K栅介质层202和绝缘层203之后，以及形成侧墙之前，以刻蚀后的栅电极层为掩膜，对半导体衬底200进行轻掺杂离子注入；在形成侧墙之后，以栅极结构为掩膜，对半导体衬底200进行重掺杂离子注入。
本发明实施例中，通过在形成绝缘层202之前对半导体衬底200进行热退火，使半导体衬底200表面光滑，导体衬底200表面、绝缘层202和高K介质层203内的缺陷减少，抑制了晶体管的漏电流；而且，采用惰性气体作为热退火的保护气体时，惰性气体不会与绝缘层202和高K介质层203发生反应；另外，惰性气体不会因受热分解而吸热，不会影响退火工艺的效果；而且惰性气体不易燃烧或爆炸，具有安全性。
综上所述，本发明实施例的半导体结构的形成方法中，在形成绝缘层之前，引入了热退火工艺，能够减少后续工艺所形成的晶体管的漏电流，并稳定晶体管的偏置温度。所述热退火工艺能够减少晶体管的漏电流的原因是：所述热退火工艺能够使半导体衬底表面的原子发生迁移并填充至半导体衬底表面的载流子俘获中心内。所述载流子俘获中心由具有较高自由能的缺陷形成的；使所述缺陷形成的原因是：在半导体衬底表面形成绝缘层之前，需要去除半导体衬底表面的氧化层，而去除氧化层的工艺会对半导体衬底表面造成损伤，并在半导体衬底表面形成具有较高自由能的缺陷，而且使后续形成的绝缘层和高K介质层内也具有缺陷。
当经过热退火后，半导体衬底表面的原子迁移至缺陷中并填补了所述具有较高自由能的缺陷，使半导体衬底表面光滑，半导体衬底表面的自由能降低，减少半导体衬底表面的载流子俘获中心，进而减小了后续工艺所形成的晶体管的漏电流。
另一方面，所述热退火的保护气体为惰性气体，使热退火的效果更好；以惰性气体作为保护气体时，热退火效果更好的原因是：所述惰性气体为单原子气体，因此在高温环境下，惰性气体不会因发生分解而吸热；当以惰性气体作为热退火的保护气体时，惰性气体不会因吸热而影响热退火的效果；而且，惰性气体不会与后续工艺形成的绝缘层和高K栅介质层发生反应，使所形成的绝缘层和高K栅介质层质量较好；而且惰性气体还具有安全性，不易发生燃烧或爆炸。
本发明实施例的晶体管的形成方法中，在形成绝缘层和高K栅介质层之前进行热退火工艺，能够消除了所形成的晶体管中的载流子俘获中心，从而减小了晶体管的漏电流，并使偏置温度稳定，提高晶体管的性能；采用惰性气体作为热退火的保护气体气体，惰性气体不易与绝缘层和高K栅介质层发生反应，而且惰性气体在退火过程中不吸热，具有安全性，使所形成的晶体管的性能良好。
虽然本发明实施例如上所述，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。
Claims (10)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有氧化层；
去除氧化层直至暴露出半导体衬底，使所述半导体衬底表面粗糙且在半导体衬底表面形成具有较高自由能的缺陷，所述缺陷构成载流子俘获中心；
在去除氧化层后，对所述半导体衬底进行热退火，且所述热退火的保护气体为惰性气体，所述热退火工艺使半导体衬底表面的原子发生迁移并填充至半导体衬底表面的载流子俘获中心内；
经过热退火后，在所述半导体衬底表面形成绝缘层；
在所述绝缘层表面形成高K栅介质层；
在所述高K栅介质层表面形成保护层。
2.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
3.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述热退火的温度为650℃～1150℃，所述热退火的时间为5秒～5小时。
4.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
5.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述绝缘层的形成工艺为化学气相沉积法或热氧化法。
6.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
7.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述高K栅介质层的形成工艺为化学气相沉积法或单原子层沉积法。
8.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料为氮化钛、氮化铊、氮化钨或氧化铝。
9.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述保护层的形成工艺为化学气相沉积法或单层原子沉积法。
10.一种晶体管的形成方法，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的半导体结构的形成方法。
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Citations (2)
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US6461939B1 (en) * | 1999-04-09 | 2002-10-08 | Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. | SOI wafers and methods for producing SOI wafer |
| CN102280375A (zh) * | 2010-06-08 | 2011-12-14 | 中国科学院微电子研究所 | 一种先栅工艺中叠层金属栅结构的制备方法 |
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