[發明專利]高K柵介電層的形成方法及半導體器件

在審

• 申請號: 201410365791.8
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN105304476A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 庫爾班·阿吾提
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/283;H01L29/51
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張振軍

技術領域

本發明涉及半導體器件及半導體工藝技術，尤其涉及一種高K柵介電層的形成方法及半導體器件。

背景技術

在高介電常數柵介電層金屬柵極工藝(HKMG)初現之時，ZrO₂由于具有較高的介電常數(K)以及較低的無定型態至晶體態轉換溫度，而受到了廣泛的關注。但是，采用ZrO₂具有如下缺點：在較高的處理溫度下ZrO₂與硅之間并不穩定。

而HfO₂的介電常數約為20，并且在通常的硅處理工藝條件下足夠耐火，并不會和硅襯底或者其上的多晶硅電極反應。因此，現有技術目前通常采用HfO₂來形成高K柵介電層。

圖1和圖2示出了現有技術中一種高K柵介電層的形成過程。

參考圖1，提供半導體襯底10，該半導體襯底10上形成有介質層11，介質層11中形成有柵極開口12；沉積HfO₂層13，該HfO₂層13覆蓋柵極開口12的底部、側壁以及介質層13的表面。

其中，半導體襯底10中還可以形成有隔離結構101，柵極開口12兩側的半導體襯底10中可以形成有源區102和漏區103。此外，柵極開口12周圍的介質層11中可以形成有側墻(spacer)111。

參考圖2，沉積帽層(caplayer)14，該帽層14覆蓋HfO2層13?，F有技術中，帽層14的材料通常為TiN。

但是，采用如上方法形成的高K柵介電層具有多種缺點，例如膜層質量較差，而且由于其K值不夠高導致其等效氧化層厚度(EOT)較厚。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種高K柵介電層的形成方法及半導體器件，有利于改善高K柵介電層的膜層質量，并且有助于形成具有更高的K值和更薄的等效氧化層厚度的高K柵介電層。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種高K柵介電層的形成方法，包括：

提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有介質層，所述介質層中形成有柵極開口；

沉積高K材料層，所述高K材料層覆蓋所述柵極開口的底部和側壁，所述高K材料層的材料為HfO₂和ZrO₂的混合物。

根據本發明的一個實施例，所述HfO₂和ZrO₂的混合物中，Hf：Zr>1:1。

根據本發明的一個實施例，沉積所述高K材料層之后，該方法還包括：沉積帽層，所述帽層覆蓋所述高K材料層。

根據本發明的一個實施例，沉積所述高K材料層之后，沉積所述帽層之前，所述方法還包括：

進行第一步沉積后退火，以去除所述高K材料層內的污染物；

進行第二步沉積后退火，以減少所述高K材料層內以及所述高K材料層和半導體襯底接觸界面上的電荷。

根據本發明的一個實施例，所述第一步沉積后退火是在含氧氣的氣氛中進行的。

根據本發明的一個實施例，所述第一步沉積后退火的溫度為550～650℃，時間為20～30秒，氣氛為O₂和N₂的混合氣體，其中O₂的體積比為2％～4％。

根據本發明的一個實施例，所述第二步沉積后退火是在含氫氣的氣氛中進行的。

根據本發明的一個實施例，所述第二步沉積后退火的溫度為350～400℃，壓強為10～20Atm，時間為30～60分鐘，氣氛為H₂和N₂的混合氣體，其中H₂的體積比為5％～10％。

根據本發明的一個實施例，所述帽層包括：依次堆疊的第一帽層、吸收層和第二帽層，所述第一帽層的材料為TiN，所述吸收層的材料為Ti，所述第二帽層的材料TiN。

根據本發明的一個實施例，所述帽層包括：依次堆疊的第一帽層和吸收層，所述第一帽層的材料為TiN，所述吸收層的材料為富鈦TiN。根據本發明的一個實施例，沉積帽層之后，所述方法還包括：對所述半導體襯底進行高壓退火。

根據本發明的一個實施例，所述高壓退火的溫度為400～450℃，壓強為10～20Atm，時間為0.8～1.2分鐘，氣氛為O₂和Ar的混合氣體，其中O₂的體積比為5％～10％。

根據本發明的一個實施例，采用原子層沉積法沉積所述高K材料層。

本發明還提供了一種半導體器件，包括：