本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法。

背景技術(shù)：

集成電路尤其超大規(guī)模集成電路的主要半導(dǎo)體器件是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS晶體管)。隨著集成電路制作技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷減小，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的幾何尺寸遵循摩爾定律不斷縮小。當(dāng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尺寸減小到一定程度時(shí)，各種因?yàn)榘雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)的物理極限所帶來(lái)的二級(jí)效應(yīng)相繼出現(xiàn)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特征尺寸按比例縮小變得越來(lái)越困難。其中，在半導(dǎo)體制作領(lǐng)域，最具挑戰(zhàn)性的是如何解決半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)漏電流大的問(wèn)題。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的漏電流大，主要是由傳統(tǒng)柵介質(zhì)層厚度不斷減小所引起的。

當(dāng)前提出的解決方法是，采用高k柵介質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)材料，并使用金屬作為柵電極，以避免高k材料與傳統(tǒng)柵電極材料發(fā)生費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)以及硼滲透效應(yīng)。高k金屬柵的引入，減小了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的漏電流。

盡管高k金屬柵極的引入能夠在一定程度上改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，但是現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能仍有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題是提高一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成界面層；對(duì)所述界面層進(jìn)行第一退火處理，所述第一退火處理在含氮氛圍下進(jìn)行，使界面層表面形成含氮層；在所述含氮層表面形成高k柵介質(zhì)層；對(duì)所述高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理，使含氮層中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)；在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層。

可選的，所述第二退火處理適于減少高k柵介質(zhì)層中的氧空位含量。

可選的，所述界面層的材料為氧化硅或氮氧化硅；所述高k柵介質(zhì)層的 材料為HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、ZrO₂或Al₂O₃。

可選的，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃。

可選的，所述第一退火處理還在含氟或氫中的一種或兩種氛圍下進(jìn)行。

可選的，所述第一退火處理采用的氣體還包括NF₃或H₂。

可選的，所述第一退火處理的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1100攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，處理時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。

可選的，在進(jìn)行所述第一退火處理之前，所述界面層內(nèi)含有未成鍵的硅離子和未成鍵的氧離子，所述第一退火處理還適于鈍化所述未成鍵的硅離子和未成鍵的氧離子。

可選的，所述第二退火處理的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1100攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，處理時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。

可選的，在形成所述界面層之前，還包括步驟：在所述基底表面形成偽柵；在所述偽柵兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述偽柵兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層覆蓋偽柵側(cè)壁；刻蝕去除所述偽柵，暴露出基底表面。

可選的，所述界面層位于基底整個(gè)表面，還包括步驟：圖形化所述柵電極層以及高k柵介質(zhì)層，形成柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層覆蓋柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁。

本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成界面層；在所述界面層表面形成高k柵介質(zhì)層；對(duì)所述高k柵介質(zhì)層和界面層進(jìn)行第一退火處理，所述第一退火處理在含氮氛圍下進(jìn)行，使氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)；在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層。

可選的，所述第一退火處理適于減少高k柵介質(zhì)層內(nèi)的氧空位含量。

可選的，所述界面層的材料為氧化硅或氮氧化硅；所述高k柵介質(zhì)層的 材料為HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、ZrO₂或Al₂O₃。

可選的，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃。

可選的，所述第一退火處理還在含氟或氫中的一種或兩種氛圍下進(jìn)行。

可選的，所述第一退火處理采用的氣體包括NF₃或H₂。

可選的，所述第一退火處理的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1000攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，退火時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。

可選的，所述界面層內(nèi)含有未成鍵的氧離子，在所述第一退火處理過(guò)程中，所述未成鍵的氧離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)。

可選的，在形成所述界面層之前，還包括步驟：在所述基底部分表面形成偽柵；在所述偽柵兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述偽柵兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層；刻蝕去除所述偽柵，暴露出基底表面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的技術(shù)方案中，在形成界面層之后對(duì)界面層進(jìn)行第一退火處理，所述第一退火處理在含氮氛圍下進(jìn)行，從而使得界面層表面形成含氮層，所述第一退火處理還能夠鈍化界面層內(nèi)未成鍵的硅離子和氧離子，改善界面層的性能；接著，在含氮層表面形成高k柵介質(zhì)層，對(duì)所述高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理，使得含氮層中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層，擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)的氮離子能夠鈍化高k柵介質(zhì)層內(nèi)的氧空位，從而減少高k柵介質(zhì)層內(nèi)氧空位含量，改善高k柵介質(zhì)層的介電弛豫問(wèn)題，進(jìn)而改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，如正偏壓-溫度不穩(wěn)定特性和負(fù)偏壓-溫度不穩(wěn)定特性得到改善。

進(jìn)一步，所述第一退火處理還在含氟或氫中的一種或兩種氛圍下進(jìn)行，從而使得含氮層中還含有氟離子或氫離子，在后續(xù)第二退火處理過(guò)程中所述氟離子或氫離子擴(kuò)散進(jìn)入高k柵介質(zhì)層內(nèi)，能夠進(jìn)一步起到鈍化高k柵介質(zhì)層內(nèi)氧空位的作用。

本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的技術(shù)方案，在形成界面層之 后，在所述界面層表面形成高k柵介質(zhì)層；接著，對(duì)所述高k柵介質(zhì)層和界面層進(jìn)行第一退火處理，所述第一退火處理在含氮氛圍下進(jìn)行，使氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)。其中，在第一退火處理過(guò)程中，界面層內(nèi)未成鍵的氧離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)，起到減少高k柵介質(zhì)層內(nèi)氧空位的作用，并且，所述第一退火處理過(guò)程中，氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)，所述氮離子起到鈍化高k柵介質(zhì)層內(nèi)氧空位的作用，從而進(jìn)一步減小高k柵介質(zhì)層內(nèi)氧空位，改善高k柵介質(zhì)層的介電弛豫問(wèn)題，進(jìn)而提高形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

圖1至圖8是本發(fā)明一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9至圖11為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如背景技術(shù)所述，現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能有待提高。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，盡管采用高k柵介質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層的材料，在一定程度上能夠改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的漏電流(leakage current)減小，然而，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的弛豫電流(DR Current，Dielectric Relaxation Current)仍然較大，造成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能差，例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的正偏壓-溫度不穩(wěn)定特性(PBTI，Positive Biase Temperature Instability)和負(fù)偏壓-溫度不穩(wěn)定特性(NBTI，Negative Biase Temperature Instability)顯著。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中弛豫電流大的原因包括：高k柵介質(zhì)材料中具有缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致在高k柵介質(zhì)材料中產(chǎn)生電子陷阱(electron traps)，導(dǎo)致高k柵介質(zhì)材料的介電弛豫效應(yīng)顯著，造成高k柵介質(zhì)材料具有較大損耗角。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高k柵介質(zhì)材料中的缺陷主要包括氧空位(Oxygen Vacancy)，若能夠減少高k柵介質(zhì)材料中氧空位含量，則能顯著改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：提供 基底；在所述基底表面形成界面層；對(duì)所述界面層進(jìn)行第一退火處理，所述第一退火處理在含氮氛圍下進(jìn)行，使界面層表面形成含氮層；在所述含氮層表面形成高k柵介質(zhì)層；對(duì)所述高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理，使含氮層中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)；在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層。本發(fā)明中由于含氮層中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)，所述氮離子能夠鈍化高k柵介質(zhì)層內(nèi)的氧空位，從而改善高k柵介質(zhì)層的介電弛豫特性，減小半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的弛豫電流，改善形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1至圖8為本發(fā)明一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體形成過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖1，提供基底101；在所述基底101表面形成偽柵102。

所述基底101的材料為硅、鍺、鍺化硅、碳化硅、砷化鎵或鎵化銦，所述基底101還能夠?yàn)榻^緣體上的硅襯底或者絕緣體上的鍺襯底。本實(shí)施例中，所述基底101的材料為硅。

所述基底101內(nèi)還形成有隔離結(jié)構(gòu)(未圖示)，所述隔離結(jié)構(gòu)用于電隔離相鄰有源區(qū)(AA，Active Area)。

所述偽柵102替后續(xù)形成的柵極結(jié)構(gòu)占據(jù)空間位置。所述偽柵102的材料為氧化硅、多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅或非晶碳。本實(shí)施例中，所述偽柵102的材料為多晶硅，為了避免后續(xù)刻蝕去除偽柵102的工藝對(duì)基底101造成過(guò)刻蝕，所述偽柵102與基底101之間還能夠形成氧化層。

在一個(gè)實(shí)施例中，形成所述偽柵102的工藝步驟包括：在所述基底101表面形成偽柵膜；圖形化所述偽柵膜，去除位于部分基底101表面的偽柵膜，形成所述偽柵102。本實(shí)施例中，所述偽柵102側(cè)壁表面還形成有側(cè)墻(未標(biāo)示)，所述側(cè)墻的材料為氮化硅。

在形成所述偽柵102之后，還包括步驟：在所述偽柵102兩側(cè)的基底101內(nèi)形成源漏區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為PMOS器件，所述源漏區(qū)的摻雜離子為P型離子，例如為B、Ga或In。在另一實(shí)施例中，形成的 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為NMOS器件，所述源漏區(qū)的摻雜離子為N型離子，例如為P、As或Sb。

在其他實(shí)施例中，形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為鰭式場(chǎng)效應(yīng)管，所述基底包括：襯底、以及位于襯底表面的若干分立的鰭部、位于襯底表面的隔離層，其中，所述隔離層覆蓋鰭部的部分側(cè)壁表面，且所述隔離層頂部低于鰭部頂部。相應(yīng)的，所述偽柵位于部分隔離層表面，且所述偽柵橫跨所述鰭部，覆蓋鰭部的部分頂部表面和側(cè)壁表面，所述源漏區(qū)位于偽柵兩側(cè)的鰭部?jī)?nèi)。

參考圖2，在所述偽柵102兩側(cè)的基底101表面形成層間介質(zhì)層103，所述層間介質(zhì)層103覆蓋偽柵102側(cè)壁。

所述層間介質(zhì)層103頂部與偽柵102頂部齊平。形成所述層間介質(zhì)層103的工藝步驟包括：在所述偽柵102兩側(cè)的基底101表面形成層間介質(zhì)膜，所述層間介質(zhì)膜覆蓋偽柵102的頂部表面和側(cè)壁表面，且所述層間介質(zhì)膜頂部高于偽柵102頂部；去除高于偽柵102頂部的層間介質(zhì)膜，形成所述層間介質(zhì)層103。

所述層間介質(zhì)層103的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳氮氧化硅。本實(shí)施例中，所述層間介質(zhì)層103的材料與偽柵102的材料不同，層間介質(zhì)層103的材料為氧化硅。

參考圖3，刻蝕去除所述偽柵102(參考圖2)，暴露出基底101表面。

本實(shí)施例中，采用干法刻蝕工藝，刻蝕去除所述偽柵102，所述干法刻蝕工藝對(duì)偽柵102的刻蝕速率大于對(duì)層間介質(zhì)層103的刻蝕速率。

參考圖4，在所述基底101表面形成界面層104。

本實(shí)施例中，所述界面層104位于基底101部分表面，在所述暴露出的基底101表面形成界面層104。一方面，所述界面層104作為柵極結(jié)構(gòu)的一部分，與后續(xù)形成的高k柵介質(zhì)層構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)作為柵介質(zhì)層；另一方面，所述界面層104為后續(xù)形成高k柵介質(zhì)層提供良好的界面基礎(chǔ)，從而提高形成的高k柵介質(zhì)層的質(zhì)量，且避免高k柵介質(zhì)層與基底101直接接觸造成的不良影響。

所述界面層104的材料為氧化硅、氮化硅或碳氮氧化硅；采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積工藝形成所述界面層104，還能夠采用氧化工藝形成所述界面層104。

本實(shí)施例中，所述界面層104的材料為氧化硅。為了提高界面層104與基底101之間的界面性能，采用熱氧化(thermal oxidation)工藝，在所述基底101表面形成界面層104，其中，熱氧化工藝為干氧氧化或濕氧氧化。在采用熱氧化工藝形成所述界面層104的工藝過(guò)程中，向反應(yīng)腔室內(nèi)通入氧源，為了降低熱氧化工藝對(duì)基底101的氧化速率，還能夠向反應(yīng)腔室內(nèi)通入硅源。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，采用熱氧化工藝形成所述界面層104的工藝參數(shù)包括：提供氧化氣體，所述氧化氣體包括O₂、H₂O、NO或N₂O，氧化氣體流量為10sccm至100sccm，腔室溫度為500攝氏度至850攝氏度。

參考圖5，對(duì)所述界面層進(jìn)行第一退火處理105，所述第一退火處理105在含氮氛圍下進(jìn)行，使界面層104表面形成含氮層106。

在進(jìn)行第一退火處理105之前，所述界面層104中具有未成鍵的硅離子和未成鍵的氧離子，因此界面層104的性能較差，例如界面層104的電絕緣性能和致密性差。所述第一退火處理105有利于鈍化所述未成鍵的硅離子和未成鍵的氧離子，所述未成鍵的硅離子、未成鍵的氧離子進(jìn)行化學(xué)鍵重組，從而改善界面層104的性能，提高界面層104的絕緣性和致密性。

其次，由于第一退火處理105在含氮氛圍下進(jìn)行，所述含氮氛圍中的氮離子與界面層104表面的硅離子以及氧離子相結(jié)合，從而在界面層104表面形成含氮層106，在對(duì)后續(xù)形成的高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理時(shí)，所述含氮層106中的氮離子向高k柵介質(zhì)層內(nèi)擴(kuò)散，從而起到鈍化高k柵介質(zhì)層中氧空位的作用，減少高k柵介質(zhì)層內(nèi)的氧空位含量。

所述第一退火處理105采用的氣體包括NH₃。本實(shí)施例中，所述第一退火處理105的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1100攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，退火時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。采用本實(shí)施例提供的第一退火處理105工藝參數(shù)，能夠避免氮離子擴(kuò)散進(jìn)入基底101內(nèi)，且避免由于退火溫度過(guò)高造成的源漏區(qū)摻雜離子二次擴(kuò)散的問(wèn)題；同時(shí)，本實(shí) 施例中退火溫度以及腔室壓強(qiáng)適中，使得界面層104的性能得到明顯改善，并且保證含氮層106中具有較多的氮離子含量，進(jìn)而在后續(xù)起到減小高k柵介質(zhì)層中氧空位的作用。

在其他實(shí)施例中，所述第一退火處理除在含氮氛圍下進(jìn)行以外，所述第一退火處理還在含氟或氫中的一種或兩種氛圍下進(jìn)行，相應(yīng)的，所述含氮層中還含有氟離子或氫離子中的一種或兩種，所述第一退火處理采用的氣體還包括NF₃或H₂。具體的，在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一退火處理在含氮和氟氛圍下進(jìn)行，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃和NF₃；在另一實(shí)施例中，所述第一退火處理在含氮和氫氛圍下進(jìn)行，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃和H₂；在又一實(shí)施例中，所述第一退火處理在含氮、氫和氟氛圍下進(jìn)行，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃、NF₃和HF。

參考圖6，在所述含氮層106表面形成高k柵介質(zhì)層107。

所述高k柵介質(zhì)層107的材料為高k柵介質(zhì)材料，其中，高k柵介質(zhì)材料指的是，相對(duì)介電常數(shù)大于氧化硅相對(duì)介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料，所述高k柵介質(zhì)層107的材料為HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、ZrO₂或Al₂O₃。

采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積工藝形成所述高k柵介質(zhì)層107。本實(shí)施例中，所述高k柵介質(zhì)層107的材料為HfO₂，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述高k柵介質(zhì)層107。

參考圖7，對(duì)所述高k柵介質(zhì)層107進(jìn)行第二退火處理108，使含氮層106中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層107內(nèi)。

所述第二退火處理108能夠提高高k柵介質(zhì)層107的致密度，提高高k柵介質(zhì)層107材料的相對(duì)介電常數(shù)。

所述第二退火處理108還適于減少高k柵介質(zhì)層107內(nèi)的氧空位含量。由于高k柵介質(zhì)材料大多為離子晶體，每一個(gè)金屬離子都與氧離子有較多的鍵存在，當(dāng)氧離子缺失時(shí)則易形成氧空位，所述氧空位在高k柵介質(zhì)材料的禁帶中央引入了帶隙態(tài)，成為導(dǎo)電機(jī)制中的缺陷能級(jí)；若直接以所述高k柵介質(zhì)層107作為柵極結(jié)構(gòu)中柵介質(zhì)層一部分，則形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中介電弛 豫問(wèn)題顯著。為此，本實(shí)施例對(duì)高k柵介質(zhì)層107進(jìn)行第二退火處理108，使得含氮層106中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層107內(nèi)，氮離子進(jìn)入氧空位取代了原來(lái)氧離子的作用，通過(guò)氮離子與高k柵介質(zhì)層107中的金屬離子之間軌道雜化。以高k柵介質(zhì)層107的材料為HfO₂為例，由于氮原子的電負(fù)性大于氧原子電負(fù)性，將原來(lái)Hf5d軌道上的帶隙態(tài)推至HfO₂的導(dǎo)帶以下，從而鈍化HfO₂中的氧空位，進(jìn)而改善高k柵介質(zhì)層107的介電弛豫問(wèn)題，改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的正偏壓-溫度不穩(wěn)定特性和負(fù)偏壓-溫度不穩(wěn)定特性。

本實(shí)施例中，所述第二退火處理的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1100攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，處理時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。在第二退火處理過(guò)程中，所述含氮層106中的氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層107內(nèi)，且避免所述氮離子擴(kuò)散至基底101內(nèi)，避免了溝道區(qū)造成不必要的摻雜。

在其他實(shí)施例中，所述含氮層中含有氟離子或氫離子時(shí)，在第二退火處理過(guò)程中，所述含氮層中的氟離子或氫離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)，能夠進(jìn)一步起到鈍化氧空位的作用。

在后續(xù)形成柵電極層之前，還能夠在高k柵介質(zhì)層107表面形成蓋層，所述蓋層能夠阻擋后續(xù)形成的柵電極層內(nèi)的金屬離子擴(kuò)散高k柵介質(zhì)層107內(nèi)。

參考圖8，在所述高k柵介質(zhì)層107表面形成柵電極層109。

本實(shí)施例中，所述柵電極層109頂部與層間介質(zhì)層103頂部齊平；在形成所述柵電極層109的過(guò)程中，還去除高于層間介質(zhì)層103頂部的高k柵介質(zhì)層107。在一個(gè)具體實(shí)施例中，形成所述柵電極層109的工藝步驟包括：在所述高k柵介質(zhì)層107表面形成柵電極膜，所述柵電極膜頂部高于層間介質(zhì)層103頂部；研磨去除高于層間介質(zhì)層103頂部的柵電極膜，形成所述柵電極層109；研磨去除所述高于層間介質(zhì)層103頂部的高k柵介質(zhì)層107。

所述柵電極層109為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，所述柵電極層109包括：位于高k柵介質(zhì)層107表面的功函數(shù)層以及位于功函數(shù)層表面的電極層，其中，所述電極層的材料包括Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti或W。

形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為NMOS器件時(shí)，所述功函數(shù)層的材料為N型功函數(shù)材料，包括TiAl、TaAlN、TiAlN、MoN、TaCN或AlN中的一種或幾種；形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為PMOS器件時(shí)，所述功函數(shù)層的材料為P型功函數(shù)材料，包括Ta、TiN、TaN、TaSiN或TiSiN中的一種或幾種。

在其他實(shí)施例中，所述柵電極層還能夠?yàn)閱螌咏Y(jié)構(gòu)，柵電極層的材料包括Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti或W。

由于本實(shí)施例減少了高k柵介質(zhì)層107中的氧空位含量，改善了高k柵介質(zhì)層107的介電弛豫問(wèn)題，從而減小了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的弛豫電流，因此本實(shí)施例能夠改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的正偏壓溫度不穩(wěn)定特性和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定特性，提高半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中，以后形成高k柵介質(zhì)層后形成金屬柵極(high k last metal gate last)的工藝為例。在其他實(shí)施例中，還能夠采用先形成高k柵介質(zhì)層后形成金屬柵極(high k first metal gate last)的工藝，具體的，所述界面層位于基底整個(gè)表面，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層之前，對(duì)高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理，接著，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成偽柵膜；圖形化所述偽柵膜以及高k柵介質(zhì)層，從而在圖形化后的高k柵介質(zhì)層表面形成偽柵；在所述偽柵兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述偽柵兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層覆蓋偽柵側(cè)壁；去除所述偽柵；在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層。

在另一實(shí)施例中，還能夠采用先形成高k柵介質(zhì)層先形成金屬柵極(high k first metal gate first)的工藝。具體的，所述界面層位于基底整個(gè)表面，在對(duì)高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第二退火處理之后，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層；圖形化所述柵電極層以及高k柵介質(zhì)層，形成柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層覆蓋柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁。

圖9至圖11為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖9，提供基底201；在所述基底201表面形成界面層204；在所述 界面層204表面形成高k柵介質(zhì)層207。

本實(shí)施例中，以后形成高k柵介質(zhì)層后形成金屬柵極為例，在形成所述界面層204之前，還包括步驟：在所述基底201部分表面形成偽柵；在所述偽柵兩側(cè)的基底201內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述基底201表面形成層間介質(zhì)層203，所述層間介質(zhì)層203覆蓋偽柵側(cè)壁表面；刻蝕去除所述偽柵，暴露出基底201表面；然后在所述暴露出的基底201表面形成界面層204。

本實(shí)施例中，所述高k柵介質(zhì)層207還位于層間介質(zhì)層203的頂部表面和側(cè)壁表面。

有關(guān)基底201、界面層204、高k柵介質(zhì)層207的材料和形成工藝可參考前述實(shí)施例的說(shuō)明，在此不再贅述。

參考圖10，對(duì)所述高k柵介質(zhì)層207和界面層204進(jìn)行第一退火處理205，所述第一退火處理205在含氮氛圍下進(jìn)行，使氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層207內(nèi)。

所述第一退火處理205的作用包括：首先，所述第一退火處理205適于減少高k柵介質(zhì)層207內(nèi)的氧空位含量，所述第一退火處理205在含氮氛圍下進(jìn)行，使氮離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層內(nèi)，減少高k柵介質(zhì)層207內(nèi)的氧空位含量，從而改善高k柵介質(zhì)層207的介電弛豫問(wèn)題。其次，所述第一退火處理205還能夠提高高k柵介質(zhì)層207的致密度，提高高k柵介質(zhì)層207的相對(duì)介電常數(shù)。再次，所述第一退火處理205不僅能夠改善界面層204的致密度，還能夠使界面層204內(nèi)未成鍵的氧離子擴(kuò)散至高k柵介質(zhì)層207內(nèi)，所述未成鍵的氧離子占據(jù)氧空位位置，從而起到進(jìn)一步鈍化高k柵介質(zhì)層207內(nèi)氧空位的作用，進(jìn)一步減少高k柵介質(zhì)層207內(nèi)氧空位含量。

所述第一退火處理205采用的氣體包括NH₃，所述第一退火處理205采用的氣體還能夠包括N₂。本實(shí)施例中，所述第一退火處理205的工藝參數(shù)包括：退火溫度為400攝氏度至1000攝氏度，腔室壓強(qiáng)為1托至1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，退火時(shí)長(zhǎng)為10分鐘至120分鐘。所述第一退火處理的退火溫度適中，避免氮離子擴(kuò)散進(jìn)入基底201內(nèi)，并且由于退火溫度和腔室壓強(qiáng)適中，能夠有效的控制擴(kuò)散進(jìn)入高k柵介質(zhì)層207內(nèi)的氮離子含量，避免氮離子含量過(guò)大而導(dǎo) 致高k柵介質(zhì)層207的相對(duì)介電常數(shù)降低。

在其他實(shí)施例中，所述第一退火處理除在含氮氛圍下進(jìn)行外，所述第一退火處理還在含氟或氫中的一種或兩種氛圍下進(jìn)行，所述第一退火處理采用的氣體還包括NF₃或HF中的一種或兩種。在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一退火處理在含氮和氟氛圍下進(jìn)行，第一退火處理采用的氣體包括NH₃和NF₃，第一退火處理采用的氣體還能夠包括N₂。在另一實(shí)施例中，所述第一退火處理在含氮、氫和氟氛圍下進(jìn)行，所述第一退火處理采用的氣體包括NH₃、NF₃、N₂和H₂。

參考圖11，在所述高k柵介質(zhì)層207表面形成柵電極層209，且所述柵電極層209頂部與層間介質(zhì)層203頂部齊平。

本實(shí)施例中，還去除高于層間介質(zhì)層203頂部的高k柵介質(zhì)層207。

有關(guān)柵電極層209的材料以及形成步驟可參考前述實(shí)施例的說(shuō)明，在此不再贅述。

由于本實(shí)施例減少了高k柵介質(zhì)層207中的氧空位含量，改善了高k柵介質(zhì)層207的介電弛豫問(wèn)題，從而減小了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的弛豫電流，因此本實(shí)施例能夠改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的正偏壓溫度不穩(wěn)定特性和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定特性，提高半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中，以后形成高k柵介質(zhì)層后形成金屬柵極(high k last metal gate last)的工藝為例。在其他實(shí)施例中，還能夠采用先形成高k柵介質(zhì)層后形成金屬柵極(high k first metal gate last)的工藝，具體的，所述界面層位于基底整個(gè)表面，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層之前，對(duì)所述高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第一退火處理，接著，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成偽柵膜；圖形化所述偽柵膜以及高k柵介質(zhì)層，從而在圖形化后的高k柵介質(zhì)層表面形成偽柵；在所述偽柵兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述偽柵兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層；去除所述偽柵；在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層。

在另一實(shí)施例中，還能夠采用先形成高k柵介質(zhì)層先形成金屬柵極(high k first metal gate first)的工藝。具體的，所述界面層位于基底整個(gè)表面，在對(duì) 高k柵介質(zhì)層進(jìn)行第一退火處理之后，在所述高k柵介質(zhì)層表面形成柵電極層；圖形化所述柵電極層以及高k柵介質(zhì)層，形成柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底內(nèi)形成源漏區(qū)；在所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底表面形成層間介質(zhì)層。

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