CN109037306A - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体结构及其形成方法，其中，形成方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成栅介质层；在所述栅介质层表面形成覆盖层，所述覆盖层为金属或金属化合物；在所述覆盖层上形成牺牲层，所述牺牲层为金属或金属化合物；形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行退火处理；所述退火处理之后，去除所述牺牲层；去除所述牺牲层之后，在所述覆盖层上形成功函数层；在所述功函数层上形成栅极。在所述退火处理过程中，所述阻挡层与所述覆盖层不容易在所述牺牲层与覆盖层的接触面上形成影响覆盖层功函数的副产物，从而不容易影响所形成半导体结构的阈值电压。因此，所述形成方法能够改善所形成半导体结构的性能。
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及其形成方法。
背景技术
随着半导体技术的不断进步，半导体器件的集成度不断提高，这就要求在一块芯片上能够形成更多的晶体管。
阈值电压是晶体管的重要参数，对晶体管的性能具有重要影响。不同功能的晶体管往往对阈值电压具有不同的要求，在形成不同晶体管的过程中，需要对不同晶体管的阈值电压进行调节。为了对不同晶体管的阈值电压进行调节，往往在晶体管的栅介质层上形成功函数层。通过对功函数层的厚度和材料的选择能够使晶体管具有不同的阈值电压。
然而，现有的半导体结构的形成方法不容易对半导体结构的阈值电压进行精确控制。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法，能够精确控制所形成的半导体结构的阈值电压。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成栅介质层；在所述栅介质层上形成覆盖层，所述覆盖层为金属或金属化合物；在所述覆盖层上形成牺牲层，所述牺牲层为金属或金属化合物；形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行退火处理；所述退火处理之后，去除所述牺牲层；去除所述牺牲层之后，在所述覆盖层上形成功函数层；在所述功函数层上形成栅极。
可选的，所述栅介质层的材料为高k介质材料。
可选的，所述覆盖层与所述牺牲层的材料不相同。
可选的，所述牺牲层的材料为钛铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
可选的，所述覆盖层的材料为钛铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
可选的，去除所述牺牲层的工艺包括湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺。
可选的，去除所述牺牲层的过程中，所述牺牲层与所述覆盖层的刻蚀选择比值大于200。
可选的，去除所述牺牲层的工艺为湿法刻蚀，去除所述牺牲层的工艺参数包括：刻蚀液体包括SC2。
可选的，形成所述牺牲层的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或有机金属化学气相沉积工艺。
可选的，所述牺牲层的厚度为8埃～20埃。
可选的，所述退火处理之前，还包括：在所述牺牲层上形成阻挡层；所述退火处理之后，去除所述牺牲层之前，还包括：去除所述阻挡层。
可选的，所述阻挡层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗。
可选的，所述阻挡层的厚度为40埃～60埃。
可选的，形成所述阻挡层的工艺包括化学气相沉积工艺。
可选的，通过湿法刻蚀工艺去除所述阻挡层，去除所述阻挡层的工艺参数包括：刻蚀液体包括氨水或四甲基氢氧化氨中的一种或两种组合。
可选的，所述功函数层的材料为：钛铝、氮化钛或氮化钽。
可选的，形成所述栅介质层之前，还包括：在所述衬底上形成介质层，所述介质层中具有开口，所述栅介质层位于所述开口底部的衬底上。
相应的，本发明还提供一种半导体结构，包括：衬底；位于所述衬底上的栅介质层；位于所述栅介质层上的覆盖层，所述覆盖层为金属或金属化合物；位于所述覆盖层上的牺牲层，所述牺牲层为金属或金属化合物。
可选的，还包括位于所述牺牲层上的阻挡层。
可选的，所述阻挡层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的半导体结构的形成方法中，所述退火处理之前，在所述覆盖层上形成牺牲层。由于所述覆盖层和牺牲层均为金属或金属化学物，则在所述退火处理过程中，所述牺牲层与所述覆盖层不容易在所述牺牲层与覆盖层之间的接触面上形成影响所述覆盖层功函数的副产物。在去除所述牺牲层之后，所述覆盖层上不会残留副产物，从而不容易影响所形成半导体结构的阈值电压。因此，所述形成方法能够较精确地控制所形成半导体结构的阈值电压，改善所形成半导体结构的性能。
进一步，所述退火处理之前，在所述牺牲层上形成阻挡层。所述阻挡层能够阻挡牺牲层与具有氧化性的气体接触，从而能够在所述退火过程中抑制牺牲层被具有氧化性的气体氧化，进而不容易影响牺牲层的去除速率。所述阻挡层还能够阻挡具有氧化性的气体穿过所述牺牲层与所述覆盖层接触，抑制所述覆盖层被氧化，从而不容易影响所述覆盖层的功函数。因此，所述形成方法能够精确控制所形成半导体结构的阈值电压，改善所形成半导体结构的性能。此外，所述阻挡层与所述覆盖层不容易发生化学反应而在所述阻挡层与覆盖层的接触面上形成影响覆盖层功函数的副产物。所述牺牲层与阻挡层在退火过程中可以形成副产物，但是在去除牺牲层过程中，所述副产物会被去除，从而不容易影响所形成半导体结构的性能。
进一步，所述阻挡层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗。由于非晶体不存在明显的晶界，对氧化性气体到达所述牺牲层的阻挡作用较强。因此，所述形成方法能够改善所形成半导体结构的性能。
附图说明
图1至图3是一种半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图；
图4至图10是本发明的半导体结构的形成方法一实施例各步骤的结构示意图。
具体实施方式
半导体结构的形成方法存在诸多问题，例如：所述形成方法不容易对半导体结构的阈值电压进行精确控制。
现结合一种半导体结构的形成方法，分析所述形成方法不容易对半导体结构的阈值电压进行精确控制的原因：
图1至图3是一种半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图。
请参考图1，提供衬底100，所述衬底100上具有介质层102，所述介质层102中具有开口110，所述开口110两侧的衬底100中具有源漏掺杂区101。
继续参考图1，在所述开口110底部和侧壁表面形成栅介质层111；在所述栅介质层111表面形成覆盖层112。
请参考图2，在所述覆盖层112上形成阻挡层120；形成所述阻挡层120之后，进行退火处理。
请参考图3，所述退火处理之后，去除所述阻挡层120。
去除所述阻挡层120之后，在所述覆盖层112上形成功函数层。
其中，所述覆盖层112用于隔离所述功函数层和栅介质层111，抑制所述功函数层中的原子扩散进入所述栅介质层111中。所述退火处理用于降低所述栅介质层111与所述覆盖层112之间界面的态密度，增加栅介质层111与覆盖层112之间的结合力。所述覆盖层112的材料为金属，所述阻挡层120的材料为非晶硅，所述阻挡层120能够在所述退火处理过程保护所述覆盖层112，防止所述覆盖层112被氧化。然而，在所述退火处理过程中所述覆盖层112容易与所述阻挡层120反应，在覆盖层112与阻挡层120接触面上形成金属硅物。在去除所述阻挡层120的过程中，所述阻挡层120与金属硅化物的刻蚀选择比较大，所述金属硅化物不容易被去除，从而容易影响所形成半导体结构的功函数。
为解决所述技术问题，本发明提供了一种半导体结构的形成方法，包括：在所述栅介质层表面形成覆盖层；在所述覆盖层上形成牺牲层；对所述覆盖层进行退火处理，所述覆盖层和牺牲层均为金属或金属化学物。在所述退火过程中，所述牺牲层与所述覆盖层不容易在所述牺牲层与覆盖层的接触面上形成影响所述覆盖层功函数的副产物。因此，所述形成方法能够较精确地控制所形成半导体结构的阈值电压。
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。
图4至图10是本发明半导体结构的形成方法一实施例各步骤的结构示意图。
请参考图4，提供衬底200。
所述衬底200包括基底和位于所述基底上的鳍部。或者所述衬底为平面衬底。
本实施例中，所述衬底200的材料为硅。在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为锗、硅锗、绝缘体上硅、绝缘体上锗或绝缘体上硅锗等半导体衬底。
本实施中，形成所述半导体结构的工艺为后栅工艺，则所述衬底200上还具有介质层202，所述介质层202中具有开口210，所述开口210两侧的衬底200中具有源漏掺杂区201。
形成所述介质层202、所述开口210和所述源漏掺杂区201的步骤包括：在所述衬底200上形成伪栅极；在所述伪栅极两侧的衬底中形成源漏掺杂区201；在所述源漏掺杂区201上形成介质层202，所述介质层202覆盖所述伪栅极侧壁；去除所述伪栅极，在所述介质层202中形成开口210。
本实施例中，所述介质层202的材料为氧化硅。在其他实施例中，所述介质层的材料为氮氧化硅。
所述源漏掺杂区201中具有源漏离子。所述源漏离子可以为P型离子或N型离子。当所形成的半导体结构为PMOS晶体管时，所述源漏离子为P型离子，例如硼离子或BF2-离子；当所形成的半导体结构为NMOS晶体管时，所述源漏离子为N型离子，例如磷离子或砷离子。
本实施例中，形成所述源漏掺杂区201的步骤包括：对所述衬底进行凹陷刻蚀，在伪栅极两侧的衬底中形成源漏凹槽；通过外延生长在所述源漏凹槽中形成外延层，并在所述外延生长过程中对所述外延层进行原位掺杂形成源漏掺杂区201。
本实施例中，所述外延层的材料为硅锗。在其他实施例中，所述半导体结构为NMOS晶体管，所述外延层的材料还可以为碳化硅。
所述伪栅极的材料为多晶硅、多晶锗或多晶硅锗。
形成所述伪栅极之前，还包括：在所述衬底200上形成栅氧化层(图中未示出)。
所述栅氧化层的材料为氧化硅。
继续参考图4，在所述衬底200上形成栅介质层211。
所述栅介质层211用于实现后续形成的栅极与衬底200之间的绝缘。
本实施例中，所述栅介质层211位于所述开口210底部和侧壁表面。
本实施例中，所述栅介质层211的材料为高k介质材料。例如：HfO2、La2O3、HfSiON、HfAlO2、ZrO2、Al2O3或HfSiO4。
本实施例中，形成所述栅介质层211的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或化学气相沉积工艺。
请参考图5，在所述栅介质层211表面形成覆盖层212，所述覆盖层212为金属或金属化合物。
所述覆盖层212用于实现栅介质层211与后续形成的功函数层之间的隔离，改善栅介质层211与后续形成的功函数层之间的结合力。
本实施例中，所述覆盖层212的材料为氮化钽。在其他实施例中，所述覆盖层的材料还可以为氮化钛、氮氧化钽、氮氧钛或氧化钛。
本实施例中，形成所述覆盖层212的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或有机金属化学气相沉积工艺。
如果所述覆盖层212的厚度过小，不利于改善栅介质层211与后续形成的功函数层之间的结合力；如果所述覆盖层212的厚度过大，容易增加工艺成本。具体的，本实施例中，所述覆盖层212的厚度为0.8纳米～3纳米。
请参考图6，在所述覆盖层212上形成牺牲层213，所述牺牲层213为金属或金属化合物。
所述牺牲层213用于隔离后续形成的阻挡层与所述栅介质层211，防止在后续的退火过程中阻挡层220与栅介质层211发生反应。
所述牺牲层213与所述覆盖层212的材料不相同，从而在后续去除所述牺牲层213的过程中不容易损伤所述覆盖层212，进而不容易影响所形成半导体结构的阈值电压。
本实施例中，所述牺牲层213的材料为氮化钛。在其他实施例中，所述牺牲层的材料还可以为氮化钽。
本实施例中，形成所述牺牲层213的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或有机金属化学气相沉积工艺。
如果所述牺牲层213的厚度过小，不利于对后续形成的阻挡层与所述覆盖层212进行隔离；如果所述牺牲层213的厚度过大，容易增加工艺成本。具体的，本实施例中，所述牺牲层213的厚度为9埃～15埃。
请参考图7，在所述牺牲层213上形成阻挡层220。
所述阻挡层220用于保护所述覆盖层112和牺牲层213，防止所述覆盖层112和牺牲层213在后续的退火处理过程中被氧化。
本实施例中，所述阻挡层220的材料为非晶硅。非晶体没有晶界，对空气的隔离效果好，能够充分保护所述覆盖层112和牺牲层213不被氧化。在其他实施例中，所述阻挡层的材料还可以为非晶锗或非晶硅锗。
本实施例中，形成所述阻挡层220的工艺包括化学气相沉积工艺。
如果所述阻挡层220的厚度过小，不利于充分保护所述覆盖层211和牺牲层213；如果所述阻挡层220的厚度过大，容易增加工艺成本。具体的，所述阻挡层220的厚度为50埃～60埃。
请参考图8，对所述覆盖层212进行退火处理。
所述退火处理用于降低所述栅介质层211与所述覆盖层212之间的界面态密度，增加所述栅介质层211与所述覆盖层212之间的结合力。
需要说明的是，由于所述覆盖层212和牺牲层213均为金属或金属化学物，则在所述退火处理过程中，所述牺牲层213与所述覆盖层212不容易发生化学反应而在所述牺牲层213与覆盖层212的接触面上形成影响所述覆盖层212功函数的副产物。在去除所述牺牲层213之后，所述覆盖层212上不会残留副产物，从而不容易影响所形成半导体结构的阈值电压。因此，所述形成方法能够较精确地控制所形成半导体结构的阈值电压，改善所形成半导体结构的性能。
在所述退火过程中，所述阻挡层220能够阻挡牺牲层213与具有氧化性的气体接触，从而能够抑制牺牲层213被氧化，进而不容易影响牺牲层213的去除速率。此外，所述阻挡层220还能够阻挡具有氧化性的气体穿过所述牺牲层213与所述覆盖层212接触，抑制所述覆盖层212被氧化，从而不容易影响所述覆盖层212的功函数。因此，所述形成方法能够精确控制所形成半导体结构的阈值电压，改善所形成半导体结构的性能。
还需要说明的是，在所述退火处理的过程中，所述牺牲层213容易与所述阻挡层220反应，形成金属硅化物。然而所述金属硅化物能够在后续去除所述阻挡层220和牺牲层213的过程中被去除，从而能够防止金属硅化物对所形成的半导体结构阈值电压的影响。
如果所述退火处理的温度过低，不利于改善所述栅介质层211与所述覆盖层212之间的界面态；如果所述退火处理的温度过高，容易增加阻挡层220与所述牺牲层213反应形成的金属硅化物的厚度，从而增加后续去除的难度。具体的，本实施例中，所述退火处理的温度为850℃～1100℃。
请参考图9，所述退火处理之后，去除所述阻挡层220。
本实施例中，去除所述阻挡层220的工艺包括湿法刻蚀工艺。在其他实施例中，去除所述阻挡层的工艺可以包括干法刻蚀工艺。
本实施例中，去除所述阻挡层220的工艺参数包括：刻蚀液体包括氨水。在其他实施例中，去除所述阻挡层的刻蚀液体还可以为四甲基氢氧化氨或氨水与四甲基氢氧化氨的组合。
继续参考图9，所述退火处理之后，去除所述牺牲层213。
本实施例中，所述牺牲层213上具有阻挡层220，因此去除所述阻挡层220之后，去除所述牺牲层213。
本实施例中，去除所述牺牲层213的工艺包括湿法刻蚀工艺。在其他实施例中，还可以通过干法刻蚀工艺去除所述牺牲层。
本实施例中，去除所述牺牲层213的工艺参数包括：刻蚀液包括SC2，SC2对所述覆盖层212和所述牺牲层213的刻蚀选择比较大，在去除所述牺牲层213的过程中，对所述覆盖层212的损耗较小，从而对所形成半导体结构的阈值电压的影响较小，进而能够改善半导体结构性能。
在去除所述牺牲层213的过程中，如果所述牺牲层213与所述覆盖层212的刻蚀选择比过小，容易对所述覆盖层212产生较大的损耗，从而容易影响所形成半导体结构的阈值电压。因此，去除所述牺牲层213的过程中，所述牺牲层213与所述覆盖层212的刻蚀选择比不能过小。具体的，本实施例中，所述牺牲层213与所述覆盖层212的刻蚀选择比大于200。
请参考图10，去除所述牺牲层213之后，在所述覆盖层212上形成功函数层231。
所述功函数层231用于调节所形成半导体结构的阈值电压。
当所形成的半导体结构为PMOS晶体管时，则所述功函数层231的材料为氮化钛或氮化钽；当所形成的半导体结构为NMOS晶体管时，则所述功函数层231的材料为钛铝。
形成所述功函数层231的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或有机金属化学气相沉积工艺。
继续参考图10，在所述功函数层231上形成栅极230。
本实施例中，所述栅极230形成于所述开口210(如图9所示)中，且充分填充所述开口210。
所述栅极230的材料为金属，例如Al、Cu、Ag、Au、Ni、Ti、W、WN或WSi。
继续参考图7，本发明实施例还提供一种半导体结构，包括：衬底200；位于所述衬底200上的栅介质层211；位于所述栅介质层211上的覆盖层212，所述覆盖层212为金属或金属化合物；位于所述覆盖层212上的牺牲层213，所述牺牲层213为金属化金属化合物。
本实施例中，所述衬底200上还具有介质层202，所述介质层202中具有开口，所述开口两侧的衬底200中具有源漏掺杂区201。
本实施例中，所述栅介质层211位于所述开口210底部和侧壁表面。
本实施例中，所述栅介质层211的材料为高k介质材料。例如：HfO2、La2O3、HfSiON、HfAlO2、ZrO2、Al2O3或HfSiO4。
所述覆盖层212用于实现栅介质层211与后续形成的功函数层之间的隔离，改善栅介质层211与所述功函数层之间的结合力。
本实施例中，所述覆盖层212的材料为氮化钽。在其他实施例中，所述覆盖层的材料还可以为氮化钛、氮氧化钽、氮氧钛或氧化钛。
所述牺牲层213用于隔离阻挡层与所述栅介质层211，防止在退火过程中，阻挡层220与栅介质层211发生反应。
所述牺牲层213与所述覆盖层212的材料不相同，从而在后续去除所述牺牲层213的过程中不容易损伤所述覆盖层212，进而不容易影响所形成半导体结构的阈值电压。
本实施例中，所述牺牲层213的材料为氮化钛。在其他实施例中，所述牺牲层的材料还可以为氮化钽。
本实施例中，所述半导体结构还包括：位于所述牺牲层213上的阻挡层220。
所述阻挡层220用于保护所述覆盖层212和牺牲层213，防止所述覆盖层212和牺牲层213在后续的退火处理过程中被氧化。
本实施例中，所述阻挡层220的材料为非晶硅。非晶体没有晶界，对空气的隔离效果好，能够充分保护所述覆盖层212和牺牲层213不被氧化。在其他实施例中，所述阻挡层的材料还可以为非晶锗或非晶硅锗。
本实施例中所述半导体结构与图4至图7所示半导体结构形成方法形成的半导体结构相同，在此不多做赘述。
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以权利要求所限定的范围为准。
Claims (20)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成栅介质层；
在所述栅介质层上形成覆盖层，所述覆盖层为金属或金属化合物；
在所述覆盖层上形成牺牲层，所述牺牲层为金属或金属化合物；
形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行退火处理；
所述退火处理之后，去除所述牺牲层；
去除所述牺牲层之后，在所述覆盖层上形成功函数层；
在所述功函数层上形成栅极。
2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述栅介质层的材料为高k介质材料。
3.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述覆盖层与所述牺牲层的材料不相同。
4.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为钛铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
5.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述覆盖层的材料为钛铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
6.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的工艺包括湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺。
7.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的过程中，所述牺牲层与所述覆盖层的刻蚀选择比值大于200。
8.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的工艺为湿法刻蚀，去除所述牺牲层的工艺参数包括：刻蚀液体包括SC2。
9.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述牺牲层的工艺包括物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺或有机金属化学气相沉积工艺。
10.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为8埃～20埃。
11.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述退火处理之前，还包括：在所述牺牲层上形成阻挡层；
所述退火处理之后，去除所述牺牲层之前，还包括：去除所述阻挡层。
12.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗。
13.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为40埃～60埃。
14.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述阻挡层的工艺包括化学气相沉积工艺。
15.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，通过湿法刻蚀工艺去除所述阻挡层，去除所述阻挡层的工艺参数包括：刻蚀液体包括氨水或四甲基氢氧化氨中的一种或两种组合。
16.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述功函数层的材料为：钛铝、氮化钛或氮化钽。
17.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述栅介质层之前，还包括：在所述衬底上形成介质层，所述介质层中具有开口，所述栅介质层位于所述开口底部的衬底上。
18.一种由权利要求1至权利要求17任意一项权利要求所述的形成方法形成的半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的栅介质层；
位于所述栅介质层上的覆盖层，所述覆盖层为金属或金属化合物；
位于所述覆盖层上的牺牲层，所述牺牲层为金属或金属化合物。
19.如权利要求18所述的半导体结构，其特征在于，还包括位于所述牺牲层上的阻挡层。
20.如权利要求19所述的半导体结构，其特征在于，所述阻挡层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗。
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