CN110400746A - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents
半导体结构及其形成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110400746A CN110400746A CN201810374158.3A CN201810374158A CN110400746A CN 110400746 A CN110400746 A CN 110400746A CN 201810374158 A CN201810374158 A CN 201810374158A CN 110400746 A CN110400746 A CN 110400746A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gate dielectric
- dielectric layer
- semiconductor structure
- forming method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 60
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 30
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims abstract description 17
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims abstract description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 208
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 59
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 47
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 42
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 40
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 27
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 20
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 18
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 18
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 9
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims description 5
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000167 hafnon Inorganic materials 0.000 description 1
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- KTUFCUMIWABKDW-UHFFFAOYSA-N oxo(oxolanthaniooxy)lanthanum Chemical compound O=[La]O[La]=O KTUFCUMIWABKDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/401—Multistep manufacturing processes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
- H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
- H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
- H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
- H01L29/42364—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
一种半导体结构及其形成方法，其中，所述形成方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成栅介质层；对所述栅介质层进行通气处理，形成改性栅介质层；在所述改性栅介质层上形成功函数层；在所述功函数层上形成栅极层。通气处理能够使氮原子填充所述栅介质层中的空位和间隙中，从而能够阻挡功函数层中的金属原子扩散进入所述栅介质层中，进而能够减小栅介质层的功函数的改变，进而能够减小所形成半导体结构阈值电压的漂移，减小所形成半导体结构的偏压温度不稳定性。
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
随着半导体集成电路的集成度越来越高，对晶体管可靠性的要求也越来越高。在CMOS工艺中，在对于PMOS晶体管的可靠性进行评价时，偏压温度不稳定性(BTI)是一个重要指标。
偏压温度不稳定性是指器件的阈值电压在高温应力或高电压应力下，随着时间的增加，向更正或更负的方向漂移、亚阈值斜率减小、跨导和漏电流变小等，引起电路中晶体管间的失配。
偏压温度不稳定性包括正偏压温度不稳定性和负偏压温度不稳定性。特别是在高k介质层加金属栅极晶体管中，由于高k介质层中存在较多的电荷陷阱，导致NMOS晶体管的正偏压温度不稳定性和PMOS晶体管的负偏压温度不稳定性变得较严重。
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，能够降低半导体结构的偏压温度不稳定性。
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；对所述栅介质层进行通气处理，向所述栅介质层中通入填充气体，形成改性栅介质层；在所述改性栅介质层上形成功函数层；在所述功函数层上形成栅极层。
可选的，还包括：所述通气处理之前，在所述栅介质层上形成保护结构；所述通气处理之后，去除所述保护结构。
可选的，所述保护结构包括位于所述改性栅介质层上的第一保护层。
可选的，所述保护结构还包括：位于所述第一保护层上的第二保护层。
可选的，所述第一保护层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽；所述第二保护层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
可选的，所述第一保护层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；所述第二保护层的材料为氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽；所述第一保护层的厚度为5埃～10埃；所述第二保护层的厚度为5埃～50埃。
可选的，去除所述保护结构的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺中的一种或两种组合。
可选的，所述填充气体为含氮等离子体、含氟等离子体或含氧等离子体中的一种或多种组合。
可选的，所述通气处理的工艺包括氮化处理，所述氮化处理的工艺参数包括：反应气体包括含氮等离子体；反应温度为800℃～1000℃；所述改性栅介质层中氮原子的原子百分含量为8％～12％。
可选的，形成功函数层之前，所述通气处理之后，还包括：对所述改性栅介质层进行第一退火处理。
可选的，所述第一退火处理的工艺参数包括：退火温度为850℃～1050℃；退火时间为2.7s～3.3s。
可选的，所述通气处理之后，所述第一退火处理之前，还包括：在所述改性栅介质层上形成覆盖层；在所述覆盖层上形成牺牲层；或者，所述第一退火处理之后，形成功函数层之前，还包括：在所述改性栅介质层上形成覆盖层；在所述覆盖层上形成牺牲层；形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行第二退火处理。
可选的，所述牺牲层的材料为非晶硅、非晶锗或非晶碳；所述覆盖层的材料为氮化钛或氮化钽。
可选的，还包括：所述通气处理之前，在所述栅介质层上形成保护结构；所述通气处理之后，去除所述保护结构；去除所述保护层之后，对所述改性栅介质层进行所述第一退火处理。
可选的，所述栅介质层的材料为高k介质材料；所述功函数层的材料包括钛铝。
可选的，还包括：对所述栅极层和功函数层进行图形化，形成栅极结构；在所述栅极结构两侧的衬底中形成源漏掺杂层；对所述源漏掺杂层进行第三退火处理。
相应的，本发明技术方案提供一种半导体结构，包括：衬底；位于所述衬底上的改性栅介质层，所述改性栅介质层中含有填充气体材料原子；位于所述改性栅介质层上的功函数层；位于所述功函数层上的栅极层。
可选的，所述填充气体为含氮等离子体、含氟等离子体或含氧等离子体中的一种或多种组合。
可选的，所述填充气体为含氮等离子体，所述改性栅介质层中氮原子的百分含量为8％～12％。
可选的，所述改性栅介质层为高k介质材料。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的半导体结构的形成方法中，形成功函数层之前，对所述栅介质层进行通气处理，形成改性栅介质层。通气处理能够使填充气体材料原子填充所述栅介质层中的空位和间隙中，从而能够阻挡功函数层中的金属原子扩散进入所述栅介质层中，进而能够减小栅介质层的功函数的改变，进而能够减小所形成半导体结构阈值电压的漂移，减小所形成半导体结构的偏压温度不稳定性。
进一步，所述通气处理之前，形成保护结构。所述保护结构能够在所述通气处理过程中保护所述栅介质层，减小通气处理对栅介质层的等离子体损伤，从而改善所形成半导体结构的性能。
进一步，所述通气处理之后，对所述改性栅介质层进行第一退火处理。所述第一退火处理能够使改性栅介质层中的氮原子与栅介质层材料原子成键，从而能够进一步减少改性栅介质层中的空位和间隙，改善所形成半导体结构的性能。
进一步，当所述保护结构的材料包括金属时，所述第一退火处理之前，去除所述保护结构，能够防止所述保护结构中的金属原子扩散至衬底上的其他器件表面，从而能够改善半导体结构的性能。
进一步，所述填充气体为含氮等离子体，含氮等离子体对栅介质层的介电常数的影响较小，且不容易穿过栅介质层与衬底反应，从而能够改善所述形成半导体结构的性能。
附图说明
图1至图2是一种半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图；
图3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。
具体实施方式
半导体结构的形成方法存在诸多问题，例如：所形成的半导体结构的偏压温度不稳定性较严重。
现结合一种半导体结构的形成方法，分析所形成半导体结构的偏压温度不稳定性较严重的原因：
图1至图2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；在所述衬底100上形成栅极结构，所述栅极结构包括：位于所述衬底100上的高k介质层111；位于所述高k介质层111上的功函数层131；位于所述功函数层131上的金属栅极121。
请参考图2，在所述栅极结构两侧的衬底100中形成源漏掺杂层140；对所述源漏掺杂层140进行退火处理，激活所述源漏掺杂层140中的掺杂离子。
其中，为了简化工艺流程，并提高半导体结构的集成度，所述半导体结构采用HKfirst工艺形成。然而，由于高k介质层中具有较多的氧空位和间隙，且所述退火处理的温度较高，在退火过程中所述功函数层中的金属原子容易进入所述高k介质层中，从而导致所形成半导体结构的阈值电压发生偏移，进而影响所形成半导体结构的性能。
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：对所述栅介质层进行通气处理，形成改性栅介质层；在所述改性栅介质层上形成功函数层。通气处理能够使填充气体材料原子填充所述栅介质层中的空位和间隙中，从而能够阻挡功函数层中的金属原子扩散进入所述栅介质层中，进而能够减小所形成半导体结构的偏压温度不稳定性。
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3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3，提供衬底200；在所述衬底200上形成栅介质层210。
所述栅介质层210用于后续形成改性栅介质层。
所述衬底200为硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、绝缘体上锗、绝缘体上硅或绝缘体上硅锗等半导体衬底。
本实施例中，所述栅介质层210的材料为高k(k大于3.9)介质材料，例如：HfO2、La2O3、HfSiON、HfAlO2、ZrO2、Al2O3或HfSiO4。
需要说明的是，由于高k介质材料的介电常数较大，因此在保证电容值不变的情况下，可以增加栅介质层210的厚度，从而能够减少栅极漏电。高k介质材料中具有较多氧空位和间隙，本发明通过后续的通气处理能够减少氧空位和间隙。
形成所述栅介质层210之后，所述形成方法还包括：对所述栅介质层210进行第四退火处理。
所述第四退火处理用于释放栅介质层210中的应力，并减少所述栅介质层210中的氧空位和间隙。
本实施例中，所述第四退火处理的工艺包括尖峰退火。所述第四退火处理的退火温度为800℃～950℃。
请参考图4，后续通气处理之前，在所述栅介质层210上形成保护结构。
所述通气处理之前，形成保护结构。所述保护结构能够在所述通气处理过程中保护所述栅介质层210，减小通气处理对栅介质层210的等离子体损伤，从而改善所形成半导体结构的性能。
本实施例中，所述保护结构包括位于所述栅介质层210上的第一保护层220；位于所述第一保护层220上的第二保护层230。在其他实施例中，所述保护结构可以不包括所述第二保护层。
所述第一保护层220的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽；所述第二保护层230的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
具体的，本实施例中，所述第一保护层220的材料为氧化硅。所述第二保护层230的材料为氮化钛。
本实施例中，形成所述第一保护层220的工艺包括原子层沉积工艺。原子层沉积工艺形成的第一保护层220的厚度容易控制，因此在后续通气处理过程中，第一保护层220不容易阻挡氮原子进入所述栅介质层210中。在其他实施例中，形成所述第一保护层的工艺包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺。
如果所述第一保护层220的厚度过小，不利于在后续通气处理过程中保护栅介质层210，从而不利于减小栅介质层210的损伤；如果所述第一保护层220的厚度过大，容易阻挡氮原子进入栅介质层210中，从而不利于栅介质层210的氮化。具体的，本实施例中，所述第一保护层220的厚度为5埃～10埃。
形成所述第二保护层230的工艺包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺。
如果所述第二保护层230的厚度过小，不利于在后续通气处理过程中保护栅介质层210，从而不利于减小栅介质层210的损伤；如果所述第二保护层230的厚度过大，容易阻挡氮原子进入栅介质层210中，从而不利于栅介质层210的氮化。所述第二保护层230的厚度为5埃～50埃。
请参考图5，对所述栅介质层210进行通气处理，向所述栅介质层210中通入填充气体，形成改性栅介质层211。
形成后续的功函数层之前，对所述栅介质层210进行通气处理，形成改性栅介质层211。通气处理能够使填充气体材料的原子填充所述栅介质层210中的空位和间隙中，从而能够阻挡后续功函数层中的金属原子扩散进入所述栅介质层210中，进而能够减小栅介质层210的功函数的改变，进而能够减小所形成半导体结构阈值电压的漂移，减小所形成半导体结构的偏压温度不稳定性。
具体的，所述通气处理能够使填充气体材料原子穿过所述保护结构进入所述栅介质层210的氧空位和间隙中，从而能够减少所述栅介质层210中的氧空位和间隙。部分氮原子能够与栅介质层210原子成键。
所述填充气体为含氮等离子体、含氟等离子体和含氧等离子体中的一种或多种组合。
本实施例中，所述通气处理的工艺包括氮化处理。
所述氮化处理的步骤包括：在氮化温度下，向所述栅介质层210表面通入含氮等离子体。即本实施例中，所述填充气体为含氮等离子体。
所述填充气体为含氮等离子体，含氮等离子体对栅介质层的介电常数的影响较小，且不容易穿过栅介质层与衬底反应，从而能够改善所形成半导体结构的性能。
如果所述通气处理的温度过低，不利于使氮原子与栅介质层210原子成键，从而不利于减少氧空位；如果所述通气处理的温度过高，容易增加对设备的要求。具体的，本实施例中，所述通气处理的温度为800℃～1000℃。
如果所述改性栅介质层中氮原子的含量过低，不利于减少栅介质层210中的氧空位和间隙；如果所述改性栅介质层中氮原子的含量过高，容易影响高k介质层的介电常数。具体的，本实施例中，所述改性栅介质层中氮原子的百分含量为9％～11％。
请参考图6，所述通气处理之后，去除所述保护结构。
本实施例中，去除所述保护结构的步骤包括：去除所述第二保护层230；去除所述第二保护层230之后，去除所述第一保护层220。
本实施例中，去除所述保护结构的工艺包括湿法刻蚀或干法刻蚀中的一种或多种组合。
请参考图7，去除所述保护结构之后，在所述改性栅介质层211上形成覆盖层240；在所述覆盖层240上形成牺牲层250。
所述覆盖层240用于隔离所述栅介质层210与后续形成的功函数层，阻挡功函数层中的金属原子向所述栅介质层210中扩散。
所述覆盖层240的材料为氮化钛或氮化钽。
形成所述覆盖层240的工艺包括化学气相沉积工艺。
本实施例中，所述氮化钛的厚度为10埃～40埃。
所述牺牲层250用于在后续第一退火过程中，阻挡所述覆盖层240中的原子扩散进入空气并落在衬底200上其他半导体器件表面，从而能够减少对半导体结构的影响。
另外，本实施例中，所述牺牲层250和覆盖层240还能够在后续第一退火处理过程中，阻挡所述改性栅介质层211中的氮原子向空气中挥发。
本实施例中，所述牺牲层250的材料为非晶硅、非晶锗或非晶碳。
所述牺牲层250的厚度为30埃～120埃。
请参考图8，形成所述改性栅介质层211之后，进行第一退火处理。
具体的，本实施例中，形成所述牺牲层250之后，进行所述第一退火处理。
所述第一退火处理能够使所述改性栅介质层211中的氮原子与栅介质层210材料原子成键，从而能够减少所述改性栅介质层211中的氧空位和间隙。另外，所述第一退火处理能够改善改性栅介质层211与覆盖层240之间的界面态，从而改善所形成半导体结构的性能。
本实施例中，在形成所述牺牲层250之后，进行所述第一退火处理。形成所述牺牲层250之后，进行所述第一退火处理，则所述第一退火工艺能够在减少改性栅介质层211中氧空位和间隙的同时，改善改性栅介质层211与覆盖层240之间的界面态，从而能够简化工艺流程。
在其他实施例中，还可以在通气处理之后，形成覆盖层之前，对栅介质层进行第一退火处理；形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行第二退火处理。当形成覆盖层之前，对栅介质层进行第一退火处理时，可以在去除所述第二保护层之后，去除第一保护层之前，进行所述第一退火处理；或者，在去除第一保护层之后，进行所述第一退火处理；或者去除所述第二保护层之前，进行所述第一退火处理。
去除所述第二保护层之后，进行第一退火处理，能够减小所述第二保护层中的金属原子扩散至衬底上其他半导体器件表面，从而能够改善所形成半导体结构的性能。
所述第一退火处理的工艺包括尖峰退火。所述第一退火处理的工艺参数包括：退火温度为850℃～1050℃；退火时间为2.7s～3.3s。
第一退火处理选取以上退火温度的意义在于：如果退火温度过低，不利于减小改性栅介质层211中的氧空位和间隙；如果退火温度过高，容易增加对退火设备的要求。
第一退火处理选取以上退火时间的意义在于：如果退火时间过短，不利于减小改性栅介质层211中的氧空位和间隙；如果退火时间过长，容易增加能量消耗。
请参考图9，第一退火处理之后，去除所述牺牲层250(如图8所示)。
去除所述牺牲层250的工艺包括：干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺中的一种或两种组合。
继续参考图9，在所述改性栅介质层211上形成功函数层260；在所述功函数层260上形成栅极层261。
去除所述牺牲层250之后，在所述覆盖层220上形成功函数层260。
本实施例中，所形成半导体结构为NMOS晶体管。所述功函数层260的材料包括钛铝。在其他实施例中，所述形成半导体结构可以为PMOS晶体管，所述功函数层的材料包括钛铝和氮化钛。
本实施例中，所述栅极层261的材料为多晶硅或Al、Cu、Ag、Au、Ni、Ti、W、WN或WSi。
请参考图10，对所述栅极层261、功函数层260、覆盖层220进行图形化，形成栅极结构271。
所述图形化的步骤包括：在所述栅极层261上形成图形化的掩膜层；以所述掩膜层为掩膜，对所述栅极层261、功函数层260、覆盖层220和改性栅介质层211进行刻蚀至暴露出所述衬底200，形成栅极结构271。
形成所述栅极结构271之后，在所述栅极结构271两侧形成侧墙。
继续参考图10，在所述栅极结构271两侧的衬底200中形成源漏掺杂层270；对所述源漏掺杂层270进行第三退火处理。
所述第三退火处理用于激活所述源漏掺杂层270中的掺杂离子。
所述第三退火处理过程中，所述功函数层260中的铝原子容易发生扩散。由于所述改性栅介质层211中的空位和间隙较少，铝原子不容易进入所述改性栅介质层211中，从而不容易影响所述改性栅介质层211的功函数，进而不容易使所形成半导体结构的阈值电压发生漂移，进而能够降低所形成半导体结构的偏压温度不稳定性。
需要说明的是，当所述栅极层的材料为多晶硅时，所述形成方法还包括：在所述衬底200和源漏掺杂层270上形成介质层，所述介质层覆盖所述栅极结构侧壁；去除所述栅极层在所述介质层中形成栅极开口；在所述栅极开口中形成金属栅极。
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；
对所述栅介质层进行通气处理，向所述栅介质层中通入填充气体，形成改性栅介质层；
在所述改性栅介质层上形成功函数层；
在所述功函数层上形成栅极层。
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，还包括：所述通气处理之前，在所述栅介质层上形成保护结构；所述通气处理之后，去除所述保护结构。
3.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述保护结构包括位于所述改性栅介质层上的第一保护层。
4.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述保护结构还包括：位于所述第一保护层上的第二保护层。
5.如权利要求4所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一保护层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽；所述第二保护层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽。
6.如权利要求5所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一保护层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；所述第二保护层的材料为氮化钛、氮化钽、氧化钛或氧化钽；所述第一保护层的厚度为5埃～10埃；所述第二保护层的厚度为5埃～50埃。
7.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除所述保护结构的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺中的一种或两种组合。
8.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述填充气体为含氮等离子体、含氟等离子体或含氧等离子体中的一种或多种组合。
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，所述通气处理的工艺包括氮化处理，所述氮化处理的工艺参数包括：反应气体包括含氮等离子体；反应温度为800℃～1000℃；所述改性栅介质层中氮原子的原子百分含量为8％～12％。
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，形成功函数层之前，所述通气处理之后，还包括：对所述改性栅介质层进行第一退火处理。
11.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一退火处理的工艺参数包括：退火温度为850℃～1050℃；退火时间为2.7s～3.3s。
12.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述通气处理之后，所述第一退火处理之前，还包括：在所述改性栅介质层上形成覆盖层；在所述覆盖层上形成牺牲层；
或者，所述第一退火处理之后，形成功函数层之前，还包括：在所述改性栅介质层上形成覆盖层；在所述覆盖层上形成牺牲层；形成牺牲层之后，对所述覆盖层进行第二退火处理。
13.如权利要求12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非晶硅、非晶锗或非晶碳；所述覆盖层的材料为氮化钛或氮化钽。
14.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：所述通气处理之前，在所述栅介质层上形成保护结构；所述通气处理之后，去除所述保护结构；
去除所述保护层之后，对所述改性栅介质层进行所述第一退火处理。
15.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；所述功函数层的材料包括钛铝。
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，还包括：对所述栅极层和功函数层进行图形化，形成栅极结构；在所述栅极结构两侧的衬底中形成源漏掺杂层；对所述源漏掺杂层进行第三退火处理。
17.一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的改性栅介质层，所述改性栅介质层中含有填充气体材料原子；
位于所述改性栅介质层上的功函数层；
位于所述功函数层上的栅极层。
18.如权利要求17所述的半导体结构，其特征在于，所述填充气体为含氮等离子体、含氟等离子体或含氧等离子体中的一种或多种组合。
19.如权利要求17所述的半导体结构，其特征在于，所述填充气体为含氮等离子体，所述改性栅介质层中氮原子的百分含量为8％～12％。
20.如权利要求17所述的半导体结构，其特征在于，所述改性栅介质层为高k介质材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810374158.3A CN110400746B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 半导体结构及其形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810374158.3A CN110400746B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 半导体结构及其形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110400746A true CN110400746A (zh) | 2019-11-01 |
| CN110400746B CN110400746B (zh) | 2022-01-11 |
Family
ID=68321983
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810374158.3A Active CN110400746B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 半导体结构及其形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110400746B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024091844A1 (en) * | 2022-10-24 | 2024-05-02 | Lam Research Corporation | Fluorine reduction is silicon-containing films |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030176049A1 (en) * | 2002-03-15 | 2003-09-18 | Hegde Rama I. | Gate dielectric and method therefor |
| CN103681276A (zh) * | 2012-09-18 | 2014-03-26 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 金属栅极、mos晶体管及cmos结构分别的形成方法 |
| CN104681440A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制备方法 |
| CN106653605A (zh) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体结构的形成方法 |
| CN107305842A (zh) * | 2016-04-25 | 2017-10-31 | 联华电子股份有限公司 | 栅介电层的制造方法 |
| CN107527803A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | SiC器件栅介质层及SiC器件结构的制备方法 |
| CN107591437A (zh) * | 2016-07-07 | 2018-01-16 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体器件的形成方法 |
-
2018
- 2018-04-24 CN CN201810374158.3A patent/CN110400746B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030176049A1 (en) * | 2002-03-15 | 2003-09-18 | Hegde Rama I. | Gate dielectric and method therefor |
| CN103681276A (zh) * | 2012-09-18 | 2014-03-26 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 金属栅极、mos晶体管及cmos结构分别的形成方法 |
| CN104681440A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制备方法 |
| CN106653605A (zh) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体结构的形成方法 |
| CN107305842A (zh) * | 2016-04-25 | 2017-10-31 | 联华电子股份有限公司 | 栅介电层的制造方法 |
| CN107591437A (zh) * | 2016-07-07 | 2018-01-16 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体器件的形成方法 |
| CN107527803A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | SiC器件栅介质层及SiC器件结构的制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024091844A1 (en) * | 2022-10-24 | 2024-05-02 | Lam Research Corporation | Fluorine reduction is silicon-containing films |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110400746B (zh) | 2022-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1670965B (zh) | 源极及漏极中具含掺质金属的晶体管 | |
| JP5931312B2 (ja) | Ｃｍｏｓ半導体素子及びその製造方法 | |
| JP4713518B2 (ja) | 半導体装置 | |
| KR101286309B1 (ko) | 게이트 산화물 누설 전류가 감소된 대체 금속 게이트 트랜지스터 | |
| US7432216B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| CN107958872A (zh) | 半导体器件及其形成方法 | |
| JP4919586B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| CN103854983B (zh) | P型mosfet的制造方法 | |
| US9831084B2 (en) | Hydroxyl group termination for nucleation of a dielectric metallic oxide | |
| JP5456150B2 (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| JP2005079223A (ja) | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 | |
| JP2005317647A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| CN103094214B (zh) | 制作半导体器件的方法 | |
| CN103855014B (zh) | P型mosfet及其制造方法 | |
| CN108735671A (zh) | 半导体器件的制造方法 | |
| US8658490B2 (en) | Passivating point defects in high-K gate dielectric layers during gate stack formation | |
| JP5197986B2 (ja) | 半導体装置の製造装置 | |
| CN110400746A (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| US20130280873A1 (en) | Enhanced device reliability of a semiconductor device by providing superior process conditions in high-k film growth | |
| US6991989B2 (en) | Process of forming high-k gate dielectric layer for metal oxide semiconductor transistor | |
| CN107437562A (zh) | 半导体器件的形成方法 | |
| CN110391285A (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| JP5305989B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| CN109841525B (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| JP4997809B2 (ja) | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |