[发明专利]一种半导体器件及其制造方法、电子装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种半导体器件及其制造方法、电子装置。

背景技术

在下一代集成电路的制造工艺中，对于场效应晶体管的栅极的制作，通常采用高k-金属栅极工艺。对于具有较小数值工艺节点的场效应晶体管而言，所述高k-金属栅极工艺通常为后栅极工艺，其实施过程为先高k介电层后金属栅极和后高k介电层后金属栅极两种。

先高k介电层后金属栅极工艺的实施过程包括：在半导体衬底上形成伪栅极结构，所述伪栅极结构由自下而上层叠的界面层、高k介电层、覆盖层(capping layer)和牺牲栅极材料层构成；在伪栅极结构的两侧形成侧壁结构，之后去除伪栅极结构中的牺牲栅极材料层，在侧壁结构之间留下的沟槽内依次沉积阻挡层(barrier layer)、功函数金属层(workfunction metal layer)和浸润层(wetting layer)；进行金属栅极材料(通常为铝)的填充。

后高k介电层后金属栅极工艺的实施过程包括：在半导体衬底上形成伪栅极结构，所述伪栅极结构由自下而上层叠的牺牲栅极介电层和牺牲栅极材料层构成；在伪栅极结构的两侧形成侧壁结构，之后去除伪栅极结构中的牺牲栅极介电层和牺牲栅极材料层，在侧壁结构之间留下的沟槽内依次沉积界面层、高k介电层、覆盖层、阻挡层、功函数金属层、和浸润层；进行金属栅极材料的填充。

随着半导体器件特征尺寸的不断缩减，实施后高k介电层后金属栅极工艺时，在去除牺牲栅极介电层和牺牲栅极材料层之后进行金属栅极材料的填充之前，需要依次沉积界面层、高k介电层、覆盖层、阻挡层、功函数金属层和浸润层，为了降低热预算，形成的界面层的质量难以保证且厚度难以进一步降低，进而造成器件可靠性(诸如经 时介电击穿、负偏压温度不稳定性、正偏压温度不稳定性等)的下降。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成伪栅极结构，所述伪栅极结构包括自下而上层叠的牺牲栅介电层和牺牲栅电极层；在所述半导体衬底上形成层间介电层，以填充所述伪栅极结构之间的间隙；去除所述伪栅极结构，形成沟槽；在所述沟槽的底部形成界面层；在所述沟槽的侧壁和所述界面层的顶部形成掺杂杂质的高k介电层；在所述高k介电层上形成覆盖层，并实施退火处理，使所述高k介电层中的掺杂杂质扩散到所述高k介电层与所述界面层的界面；形成金属栅极结构，以完全填充所述沟槽。

在一个示例中，所述掺杂杂质为氟。

在一个示例中，采用等离子增强原子层沉积工艺形成所述掺杂杂质的高k介电层。

在一个示例中，所述掺杂杂质的高k介电层为多层层叠结构，所述层叠结构包括多层依次层叠的第一高k介电层和第一掺杂杂质高k介电层。

在一个示例中，所述第一高k介电层为HfO₂层，所述第一掺杂杂质高k介电层为掺杂氟的HfO₂层。

在一个示例中，所述退火处理的温度为600℃-1100℃。

在一个示例中，所述金属栅极结构包括自下而上层叠的阻挡层、功函数设定金属层、浸润层和金属栅极材料层。

本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有伪栅极结构，所述伪栅极结构包括自下而上层叠的牺牲栅介电层和牺牲栅电极层；在所述半导体衬底上形成层间介电层，以填充所述伪栅极结构之间的间隙；去除所述伪栅极结构，形成沟槽；在所述沟槽的侧壁和底部形成掺杂氧的高k介电层；在所述高k介电层上形成覆盖层，并实施退火处理，使所述高k介电层中的掺杂氧扩散到所述高k介电层与所述半导体衬底之间的界面， 形成界面层；形成金属栅极结构，以完全填充所述沟槽。

在一个示例中，采用等离子增强原子层沉积工艺形成所述掺杂氧的高k介电层。

在一个示例中，所述掺杂氧的高k介电层为多层层叠结构，所述层叠结构包括多层依次层叠的第一高k介电层和第一掺杂氧的高k介电层。

在一个示例中，所述第一高k介电层为HfO₂层，所述第一掺杂氧的高k介电层为掺杂氧的HfO₂层。

在一个示例中，所述退火处理的温度为600℃-1100℃。

在一个示例中，所述金属栅极结构包括自下而上层叠的阻挡层、功函数设定金属层、浸润层和金属栅极材料层。

在一个实施例中，本发明还提供一种采用上述方法制造的半导体器件。