[发明专利]高K栅介电层的形成方法及半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件及半导体工艺技术，尤其涉及一种高K栅介电层的形成方法及半导体器件。

背景技术

在高介电常数栅介电层金属栅极工艺(HKMG)初现之时，ZrO₂由于具有较高的介电常数(K)以及较低的无定型态至晶体态转换温度，而受到了广泛的关注。但是，采用ZrO₂具有如下缺点：在较高的处理温度下ZrO₂与硅之间并不稳定。

而HfO₂的介电常数约为20，并且在通常的硅处理工艺条件下足够耐火，并不会和硅衬底或者其上的多晶硅电极反应。因此，现有技术目前通常采用HfO₂来形成高K栅介电层。

图1和图2示出了现有技术中一种高K栅介电层的形成过程。

参考图1，提供半导体衬底10，该半导体衬底10上形成有介质层11，介质层11中形成有栅极开口12；沉积HfO₂层13，该HfO₂层13覆盖栅极开口12的底部、侧壁以及介质层13的表面。

其中，半导体衬底10中还可以形成有隔离结构101，栅极开口12两侧的半导体衬底10中可以形成有源区102和漏区103。此外，栅极开口12周围的介质层11中可以形成有侧墙(spacer)111。

参考图2，沉积帽层(caplayer)14，该帽层14覆盖HfO2层13。现有技术中，帽层14的材料通常为TiN。

但是，采用如上方法形成的高K栅介电层具有多种缺点，例如膜层质量较差，而且由于其K值不够高导致其等效氧化层厚度(EOT)较厚。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高K栅介电层的形成方法及半导体器件，有利于改善高K栅介电层的膜层质量，并且有助于形成具有更高的K值和更薄的等效氧化层厚度的高K栅介电层。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高K栅介电层的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层，所述介质层中形成有栅极开口；

沉积高K材料层，所述高K材料层覆盖所述栅极开口的底部和侧壁，所述高K材料层的材料为HfO₂和ZrO₂的混合物。

根据本发明的一个实施例，所述HfO₂和ZrO₂的混合物中，Hf：Zr>1:1。

根据本发明的一个实施例，沉积所述高K材料层之后，该方法还包括：沉积帽层，所述帽层覆盖所述高K材料层。

根据本发明的一个实施例，沉积所述高K材料层之后，沉积所述帽层之前，所述方法还包括：

进行第一步沉积后退火，以去除所述高K材料层内的污染物；

进行第二步沉积后退火，以减少所述高K材料层内以及所述高K材料层和半导体衬底接触界面上的电荷。

根据本发明的一个实施例，所述第一步沉积后退火是在含氧气的气氛中进行的。

根据本发明的一个实施例，所述第一步沉积后退火的温度为550～650℃，时间为20～30秒，气氛为O₂和N₂的混合气体，其中O₂的体积比为2％～4％。

根据本发明的一个实施例，所述第二步沉积后退火是在含氢气的气氛中进行的。

根据本发明的一个实施例，所述第二步沉积后退火的温度为350～400℃，压强为10～20Atm，时间为30～60分钟，气氛为H₂和N₂的混合气体，其中H₂的体积比为5％～10％。

根据本发明的一个实施例，所述帽层包括：依次堆叠的第一帽层、吸收层和第二帽层，所述第一帽层的材料为TiN，所述吸收层的材料为Ti，所述第二帽层的材料TiN。

根据本发明的一个实施例，所述帽层包括：依次堆叠的第一帽层和吸收层，所述第一帽层的材料为TiN，所述吸收层的材料为富钛TiN。根据本发明的一个实施例，沉积帽层之后，所述方法还包括：对所述半导体衬底进行高压退火。

根据本发明的一个实施例，所述高压退火的温度为400～450℃，压强为10～20Atm，时间为0.8～1.2分钟，气氛为O₂和Ar的混合气体，其中O₂的体积比为5％～10％。

根据本发明的一个实施例，采用原子层沉积法沉积所述高K材料层。

本发明还提供了一种半导体器件，包括：