CN109935518A - 半导体器件及其金属栅极的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件及其金属栅极的形成方法，所述方法包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；在所述功函数层的表面形成无定形硅；对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。本发明方案可以在高温退火的过程中，提高无定形硅对功函数层的保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体器件及其金属栅极的形成方法。
背景技术
在传统的MOS晶体管工艺中，通常采用重掺杂的多晶硅作为栅极材料。随着半导体器件的集成化和微型化的发展，容易出现漏电量增加和栅极损耗等问题。为解决上述的问题，金属栅极(Metal Gate)工艺得到广泛关注。
在现有的金属栅极的形成方法中，首先在半导体衬底上采用多晶硅形成伪栅结构，去除所述伪栅极结构以形成位于栅极侧墙之间的凹槽，在所述凹槽内形成高K介质层以及功函数层，在对功函数层进行退火处理之后，在凹槽内的功函数层的表面填充金属，以形成所述金属栅极。在具体实施中，通常预先在功函数层的表面形成一层无定形硅，从而在进行退火处理时对功函数层进行保护，然后在退火处理之后去除该无定形硅。
然而在现有技术中，当进行高温退火处理时，无定形硅容易发生凝聚及结晶现象，进而由于凝聚成团而露出部分功函数层，导致无定形硅对功函数层的保护作用降低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种半导体器件及其金属栅极的形成方法，可以在高温退火的过程中，提高无定形硅对功函数层的保护作用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种半导体器件的金属栅极的形成方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；在所述功函数层的表面形成无定形硅；对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。
可选的，在所述凹槽内填充金属栅极之前，所述半导体器件的金属栅极的形成方法还包括：去除所述无定形硅以及所述氧化层。
可选的，对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层包括：采用O2对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层。
可选的，所述采用O2对所述无定形硅进行氧化处理包括：在形成所述无定形硅的炉管内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
可选的，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：气体流速为1sccm至100sccm；氧化时间为1ms至100ms；氧化温度为0度至200度。
可选的，所述采用O2对所述无定形硅进行氧化处理包括：在对所述功函数层进行退火处理之前，在退火处理的反应腔内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
可选的，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：气体流速为1sccm至100sccm；氧化时间为10s至20s；氧化温度为0度至200度。
可选的，对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层包括：采用O3对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层。
可选的，采用O3对所述无定形硅进行氧化处理包括：将所述半导体衬底浸入含有O3的化学溶液，以对所述无定形硅进行氧化处理。
可选的，采用O3对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：氧化时间为1s至2s；氧化温度为0度至200度。
可选的，所述半导体器件包括鳍式场效应晶体管。
可选的，所述功函数层的材料包括氮氧化钛。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种半导体器件，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；无定形硅，位于所述功函数层的表面；氧化层，位于所述无定形硅的表面，所述氧化层是在所述无定形硅的表面经氧化处理生成的。
可选的，所述功函数层的材料包括氮氧化钛。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；在所述功函数层的表面形成无定形硅；对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。采用上述方案，通过对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层，可以采用氧化层对无定形硅进行保护，使无定形硅不容易在高温退火处理的过程中发生凝聚及结晶现象，从而完整覆盖功函数层，有助于提高无定形硅对功函数层的保护作用。
进一步，在本发明实施例中，可以采用多种方法对所述无定形硅进行氧化处理，有利于用户根据具体实施情况进行选择。
附图说明
图1至图4是现有技术中一种半导体器件的金属栅极的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；
图5是本发明实施例中一种半导体器件的金属栅极的形成方法的流程图；
图6至图9是本发明实施例中一种半导体器件的金属栅极的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有的金属栅极的形成方法中，首先在半导体衬底上采用多晶硅形成伪栅结构，去除所述伪栅极结构以形成位于栅极侧墙之间的凹槽，在所述凹槽内形成高K介质层以及功函数层，在对功函数层进行退火处理之后，在凹槽内的功函数层的表面填充金属，以形成所述金属栅极。在具体实施中，通常预先在功函数层的表面形成一层无定形硅，从而在进行退火处理时对功函数层进行保护，然后在退火处理之后去除该无定形硅。
图1至图4示出的是一种半导体器件的金属栅极的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K(介电常数)介质层110。
其中，所述凹槽可以是位于栅极侧墙之间，通过在半导体衬底100上采用多晶硅形成伪栅结构，然后去除所述伪栅极结构以形成的。图1示出的可以是沿凹槽方向切割后的剖面图。
在具体实施中，所述半导体衬底100可以为硅衬底。在其他实施例中，所述半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底100还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。
需要指出的是，在图1示出的半导体衬底100上具有鳍部101，也即以所述半导体器件为鳍式场效应晶体管作为示例，然而本发明实施例的方案并不限于此，所述半导体器件还可以为其他的半导体器件。
在具体实施中，在所述半导体衬底100上可以具有覆盖鳍部101部分侧壁的隔离层103，隔离层103的顶部表面低于鳍部101的顶部表面。其中，所述隔离层103的材料可以包括氧化硅。
需要说明的是，在形成所述高K介质层110之前，还可以包括在所述凹槽内形成界面层(Interface Layer，IL)(图未示)的步骤。在形成所述高K介质层110之后，形成功函数层之前，还可以包括高温退火的步骤。
参照图2，在所述高K介质层110的表面形成功函数层112。
具体地，所述功函数层112的材料可以包括氮氧化钛。
在具体实施中，所述功函数层112可以用于调节金属栅极的电学性质，进而影响器件的性能，例如晶体管的阈值电压(Vt)和饱和漏电流(Idsat)等电学参数。
参照图3，在所述功函数层112的表面形成无定形硅120。
具体地，所述无定形硅120可以用于在高温退火时对功函数层112进行保护。由于在形成功函数层112之后，可以设置有高温退火的步骤，如果未对所述功函数层112进行任何保护，则功函数层112容易发生损伤，则会导致晶体管的电学参数失配，也即晶体管的匹配特性下降。
参照图4，对覆盖有无定形硅120的功函数层112进行高温退火处理。
在高温退火处理的过程中，容易发现无定形硅120发生凝聚及结晶现象，进而由于凝聚成团而露出部分功函数层112。
本发明的发明人经过研究发现，无定形硅120具有能级低、易迁移的特性，在高温退火处理的过程中容易发生凝聚及结晶现象，从而形成团聚块，进而由于凝聚成团而露出部分功函数层112，导致无定形硅120的保护作用降低。
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；在所述功函数层的表面形成无定形硅；对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。采用上述方案，通过对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层，可以采用氧化层对无定形硅进行保护，使无定形硅不容易在高温退火处理的过程中发生凝聚及结晶现象，从而完整覆盖功函数层，有助于提高无定形硅对功函数层的保护作用。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图5，图5是本发明实施例中一种半导体器件的金属栅极的形成方法的流程图。所述半导体器件的金属栅极的形成方法可以包括步骤S21至步骤S25：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；
步骤S22：在所述功函数层的表面形成无定形硅；
步骤S23：对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；
步骤S24：在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；
步骤S25：在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。
下面结合图6至图9对上述各个步骤进行说明。
图6至图9是本发明实施例中一种半导体器件的金属栅极的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图6，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层210以及位于所述高K介质层210表面的功函数层212，在所述功函数层212的表面形成无定形硅220。
其中，所述凹槽可以是位于栅极侧墙之间，通过在半导体衬底200上采用多晶硅形成伪栅结构，然后去除所述伪栅极结构以形成的。
具体地，所述半导体衬底200上可以具有鳍部201，在所述半导体衬底200上可以具有覆盖鳍部201部分侧壁的隔离层203，隔离层203的顶部表面低于鳍部201的顶部表面，在形成高K介质层210之前，还可以包括在所述凹槽内形成界面层(图未示)的步骤。
在本发明实施例中，可以采用常规的材料和工艺步骤形成界面层、高K介质层210、功函数层212以及无定形硅220，此处不再赘述。
在具体实施中，图6对应的步骤的更多详细内容请参照图1至图3对应的步骤的描述进行执行，此处不再赘述。
参照图7，对所述无定形硅220进行氧化处理，以在所述无定形硅220的表面生成氧化层221。
在具体实施中，所述氧化层221对无定形硅220具有保护作用，使其不容易在高温退火处理的过程中发生凝聚及结晶现象，从而更好地实现对功函数层212的保护。
具体地，可以采用O2对所述无定形硅220进行氧化处理，以在所述无定形硅220的表面生成氧化层221。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以在形成所述无定形硅220的炉管内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
在本发明实施例中，可以在形成所述无定形硅220之后，无需离开所述炉管，而直接在炉管内对无定形硅220进行氧化处理，相比于采用额外的氧化设备进行氧化，可以减少工艺操作时间，有效地提高处理效率。
作为一个非限制性的例子，采用O2对所述无定形硅220进行氧化处理的工艺参数可以包括：
气体流速为1sccm至100sccm，优选地，可以采用10sccm至60sccm；
氧化时间为1ms至100ms，优选地，可以采用10ms至60ms；
氧化温度为0度至200度，优选地，可以采用室温温度至100度。
在具体实施中，氧化气体可以以氮气(N2)作为载气承载O2，通过预设的N2与O2的比值，控制O2的含量，以避免采用高剂量的O2导致工艺控制难度过高。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，可以在对所述功函数层进行退火处理之前，在退火处理的反应腔内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
在本发明实施例中，可以在晶圆进入退火处理的反应腔内之后，尚未进行高温退火之前，直接在反应腔内对无定形硅220进行氧化处理，相比于采用额外的氧化设备进行氧化，然后再送入退火处理的反应腔，可以减少工艺操作时间，有效地提高处理效率。
作为一个非限制性的例子，采用O2对所述无定形硅220进行氧化处理的工艺参数可以包括：
气体流速为1sccm至100sccm，优选地，可以采用10sccm至60sccm；
氧化时间为10s至20s，优选地，可以采用12s至15s；
氧化温度为0度至200度，优选地，可以采用室温温度至100度。
在具体实施中，氧化气体可以以氮气(N2)作为载气承载O2，通过预设的N2与O2的比值，控制O2的含量，以避免采用高剂量的O2导致工艺控制难度过高。
在本发明实施例的又一种具体实施方式中，可以采用O3对所述无定形硅220进行氧化处理，以在所述无定形硅220的表面生成氧化层221。
具体地，可以将具有无定形硅220的半导体衬底200浸入含有O3的化学溶液，以对所述无定形硅220进行氧化处理。
作为一个非限制性的例子，采用O3对所述无定形硅220进行氧化处理的工艺参数可以包括：
氧化时间为1s至2s；
氧化温度为0度至200度，优选地，可以采用室温温度至100度。
在本发明实施例中，可以采用多种方法对所述无定形硅220进行氧化处理，有利于用户根据具体实施情况进行选择。
进一步地，在所述氧化层221的保护下，对所述功函数层212进行退火处理。
在本发明实施例中，通过对所述无定形硅220进行氧化处理，以在所述无定形硅220的表面生成氧化层221，可以采用氧化层221对无定形硅220进行保护，使无定形硅220不容易在高温退火处理的过程中发生凝聚及结晶现象，从而完整覆盖功函数层212，有助于提高无定形硅220对功函数层212的保护作用。
参照图8，去除所述无定形硅220以及所述氧化层221。
由于氧化层221形成在无定形硅220的表面，所以可以采用常规的材料和工艺步骤去除所述无定形硅220。在本发明实施例中，对于去除所述无定形硅220以及所述氧化层221的具体方法不作限制。
参照图9，在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极230。
具体地，所述金属的材料可以包括金属钨(W)。
需要指出的是，图9示出的可以是沿凹槽方向切割后的剖面图，其中，填充的金属的厚度与凹槽的高度有关。
接下来，可以实施常规的半导体器件后端制造工艺，包括：多个互连金属层的形成，通常采用双大马士革工艺来完成；金属焊盘的形成，用于实施器件封装时的引线键合。
在本发明实施例中，还提供了一种半导体器件，以下结合图7对所述半导体器件进行说明。
所述半导体器件可以包括半导体衬底200、高K介质层210、功函数层212、无定形硅220以及氧化层221。
其中，所述半导体衬底200具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层210以及位于所述高K介质层210表面的功函数层212；
所述无定形硅220可以位于所述功函数层212的表面；
所述氧化层221可以位于所述无定形硅220的表面，所述氧化层221是在所述无定形硅220的表面经氧化处理生成的。
关于该半导体器件的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图5至图9示出的关于半导体器件的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
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 (14)
1.一种半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；
在所述功函数层的表面形成无定形硅；
对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层；
在所述氧化层的保护下，对所述功函数层进行退火处理；
在所述凹槽内填充金属，以形成所述金属栅极。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，在所述凹槽内填充金属栅极之前，还包括：
去除所述无定形硅以及所述氧化层。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层包括：
采用O2对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层。
4.根据权利要求3所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，所述采用O2对所述无定形硅进行氧化处理包括：
在形成所述无定形硅的炉管内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
5.根据权利要求4所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：
气体流速为1sccm至100sccm；
氧化时间为1ms至100ms；
氧化温度为0度至200度。
6.根据权利要求3所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，所述采用O2对所述无定形硅进行氧化处理包括：
在对所述功函数层进行退火处理之前，在退火处理的反应腔内，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理。
7.根据权利要求6所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，采用O2对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：
气体流速为1sccm至100sccm；
氧化时间为10s至20s；
氧化温度为0度至200度。
8.根据权利要求1所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层包括：
采用O3对所述无定形硅进行氧化处理，以在所述无定形硅的表面生成氧化层。
9.根据权利要求8所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，采用O3对所述无定形硅进行氧化处理包括：
将所述半导体衬底浸入含有O3的化学溶液，以对所述无定形硅进行氧化处理。
10.根据权利要求8所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，采用O3对所述无定形硅进行氧化处理的工艺参数包括：
氧化时间为1s至2s；
氧化温度为0度至200度。
11.根据权利要求1所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，所述半导体器件包括鳍式场效应晶体管。
12.根据权利要求1所述的半导体器件的金属栅极的形成方法，其特征在于，所述功函数层的材料包括氮氧化钛。
13.一种半导体器件，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有凹槽，且在所述凹槽内形成有高K介质层以及位于所述高K介质层表面的功函数层；
无定形硅，位于所述功函数层的表面；
氧化层，位于所述无定形硅的表面，所述氧化层是在所述无定形硅的表面经氧化处理生成的。
14.根据权利要求13所述的半导体器件的金属栅极，其特征在于，所述功函数层的材料包括氮氧化钛。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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