高k柵介電層的形成方法及半導(dǎo)體器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體工藝技術(shù)，尤其涉及一種高Κ柵介電層的形成方 法及半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高介電常數(shù)柵介電層金屬柵極工藝（HKMG)初現(xiàn)之時(shí)，Zr02由于具有較高的介電 常數(shù)（K)以及較低的無定型態(tài)至晶體態(tài)轉(zhuǎn)換溫度，而受到了廣泛的關(guān)注。但是，采用2噸具 有如下缺點(diǎn)：在較高的處理溫度下Zr02與硅之間并不穩(wěn)定。
[0003] 而Hf02的介電常數(shù)約為20,并且在通常的硅處理工藝條件下足夠耐火，并不會(huì)和 硅襯底或者其上的多晶硅電極反應(yīng)。因此，現(xiàn)有技術(shù)目前通常采用Hf〇2來形成高K柵介電 層。
[0004] 圖1和圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種高K柵介電層的形成過程。
[0005] 參考圖1，提供半導(dǎo)體襯底10,該半導(dǎo)體襯底10上形成有介質(zhì)層11，介質(zhì)層11中 形成有柵極開口 12;沉積Hf02層13,該Hf02層13覆蓋柵極開口 12的底部、側(cè)壁以及介質(zhì) 層13的表面。
[0006] 其中，半導(dǎo)體襯底10中還可以形成有隔離結(jié)構(gòu)101，柵極開口12兩側(cè)的半導(dǎo)體襯 底10中可以形成有源區(qū)102和漏區(qū)103。此外，柵極開口 12周圍的介質(zhì)層11中可以形成 有側(cè)墻（spacer) 111。
[0007] 參考圖2,沉積帽層（caplayer) 14,該帽層14覆蓋Hf02層13?，F(xiàn)有技術(shù)中，帽層 14的材料通常為TiN。
[0008] 但是，采用如上方法形成的高K柵介電層具有多種缺點(diǎn)，例如膜層質(zhì)量較差，而且 由于其K值不夠高導(dǎo)致其等效氧化層厚度（EOT)較厚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高K柵介電層的形成方法及半導(dǎo)體器件，有 利于改善高K柵介電層的膜層質(zhì)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。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高K柵介電層的形成方法，包括：
[0011] 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有柵極開 Π;
[0012] 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(cè)壁，所述高K材料 層的材料為Hf〇2和Zr02的混合物。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述11?)2和Zr02的混合物中，Hf:Zr>l:l。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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Κ材料層。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，沉積所述高Κ材料層之后，沉積所述帽層之前，所述方 法還包括：
[0016] 進(jìn)行第一步沉積后退火，以去除所述高K材料層內(nèi)的污染物；
[0017] 進(jìn)行第二步沉積后退火，以減少所述高K材料層內(nèi)以及所述高K材料層和半導(dǎo)體 襯底接觸界面上的電荷。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一步沉積后退火是在含氧氣的氣氛中進(jìn)行的。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一步沉積后退火的溫度為550~650°C，時(shí)間為 20~30秒，氣氛為02和N2的混合氣體，其中02的體積比為2%~4%。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第二步沉積后退火是在含氫氣的氣氛中進(jìn)行的。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第二步沉積后退火的溫度為350~400°C，壓強(qiáng)為 10~20Atm，時(shí)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%〇
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，沉積帽層 之后，所述方法還包括：對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行高壓退火。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓退火的溫度為400~450°C，壓強(qiáng)為10~ 20Atm，時(shí)間為0. 8~1. 2分鐘，氣氛為02和Ar的混合氣體，其中02的體積比為5%~10%。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，采用原子層沉積法沉積所述高K材料層。
[0026] 本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：
[0027] 半導(dǎo)體襯底；
[0028] 形成在所述半導(dǎo)體襯底上的介質(zhì)層，該介質(zhì)層中具有柵極開口；
[0029] 高K材料層，覆蓋所述柵極開口的底部和側(cè)壁，所述高K材料層的材料為Hf02和 Zr02的混合物。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述Hf〇2和Zr02的混合物中，Hf:Zr> 1:1。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該半導(dǎo)體器件還包括：帽層，覆蓋所述高K材料層。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例的高K柵介電層的形成方法中，高K柵介電層的材料為Hf02和Zr02 的混合物。在Hf02中引入Zr02能夠得到晶粒（grain)尺寸更小、一致性更好的膜層，能夠 得到更多的晶界（grainboundary)從而使得污染物在退火過程中更容易從中擴(kuò)散出來，而 且有利于沉積后退火采用的氣體更暢通地通過晶界到達(dá)缺陷處進(jìn)行退火處理，因此可以得 到更高的K值以及更薄的等效氧化層厚度。
[0036] 進(jìn)一步而言，在沉積Hf02和Zr02的混合物之后，沉積帽層之前，對(duì)半導(dǎo)體襯底先后 進(jìn)行第一步沉積后退火（PDA,PostDepositionAnneal)和第二步沉積后退火，分別去除高 K材料層中的污染物以及電荷，以進(jìn)一步改善膜層質(zhì)量，提高K值。
[0037] 此外，本發(fā)明實(shí)施例的帽層優(yōu)選為TiN、Ti以及TiN的疊層結(jié)構(gòu)或者TiN和富鈦 TiN的疊層結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的TiN材料的帽層相比是一種更好的氧氣吸收體，能夠增強(qiáng)氧清除 效應(yīng)。
【附圖說明】
[0038] 圖1至圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)一種高K柵介電層的形成方法中各步驟對(duì)應(yīng)的剖面結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0039] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的高K柵介電層的形成方法的流程示意圖；
[0040] 圖4至圖13示出了本發(fā)明實(shí)施例的高K柵介電層的形成方法中各步驟對(duì)應(yīng)的剖 面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0042] 參考圖3,本實(shí)施例的高K柵介電層的形成方法包括如下步驟：
[0043] 步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成 有柵極開口；
[0044] 步驟S12,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(cè)壁，所述 高K材料層的材料為Hf02和Zr02的混合物；
[0045] 步驟S13,沉積帽層，所述帽層覆蓋所述高K材料層。
[0046] 下面結(jié)合圖4至圖13進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0047] 參考圖4,提供半導(dǎo)體襯底20,該半導(dǎo)體襯底20上形成有偽柵極（dummy gate) 204,偽柵極204周圍還可以形成有側(cè)墻（spacer) 211。
[0048] 其中，半導(dǎo)體襯底20的材料可以是各種常用的半導(dǎo)體材料，例如可以是硅襯底、 絕緣體上硅（SOI)襯底等，本實(shí)施例中以硅襯底為例進(jìn)行說明。偽柵極204的材料例如可 以是多晶硅，或者也可以是氧化硅和多晶硅的疊層結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)非限制性的例子，半導(dǎo)體 襯底20中可以形成有隔離結(jié)構(gòu)201，例如可以是淺溝槽隔離（STI)結(jié)構(gòu)。
[0049] 參考圖5,在偽柵極204的兩側(cè)形成源區(qū)202和漏區(qū)203,形成方法可以為離子注 入。注入的離子類型以器件類型為準(zhǔn)，對(duì)于PM0S晶體管，注入離子類型為P型離子，例如硼 離子；對(duì)于NM0S晶體管，注入離子類型為N型離子，例如磷離子。
[0050] 參考圖6,在偽柵極204周圍的半導(dǎo)體襯底20上形成介質(zhì)層21。介質(zhì)層21的材 料可以是各種常用的層間介質(zhì)層（ILD)材料，例如二氧化硅。
[0051] 參考圖7,移除偽柵極，在偽柵極的位置形成柵極開口 22。例如，在去除該偽柵 極包含的多晶硅層和氧化層之后形成了所述柵極開口 22。在去除上述多晶硅層和氧化層 之后，還可以在柵極開口 22底部的半導(dǎo)體襯底20表面形成界面氧化層（IL，Interfacial oxideLayer)，該界面氧化層覆蓋柵極開口 22底部的半導(dǎo)體襯底20。該界面氧化層的形成 方法可以是熱反應(yīng)方法或者化學(xué)反應(yīng)方法。
[0052] 參考圖8,之后，沉積高K材料層23,該高K材料層23的材料為Hf02和Zr02的混 合物。高K材料層23覆蓋柵極開口 22的底部和側(cè)壁，另外，沉積的高K材料層23還一并 覆蓋介質(zhì)層21的表面。更進(jìn)一步而言，高K材料層23位于柵極開口 22底部的部分覆蓋所 述界面氧化層。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，采用原子層沉積（ALD)方法形成該高Κ材料層23， 原子層沉積具有良好的臺(tái)階覆蓋（stepcoverage)能力以及厚度一致性。
[0053] 將Zr02引入Hf02可以得到更小的晶粒尺寸以及一致性更好的膜層。Zr02和Hf02 混合形成的膜層中具有更多的晶界，換言之，Zr02和Hf02形成的高K材料層23中具有更多 的"通路"，在后續(xù)的退火工藝中，各種污染物（contaminants)可以通過這些通路更容易地 擴(kuò)散出來，修復(fù)氣體也可以通過這些通路更容易、更快速地達(dá)到具有缺陷的位置以及氧空 位（oxygenvacancies)進(jìn)行退火，稍后將進(jìn)行詳細(xì)描述。其中，該污染物是各工藝步驟中 引入的污染成分，例如可以包括A1等。
[0054] 其中，Hf02和Zr02的混合物優(yōu)選的配比為Hf:Zr>l: 1，也就是Hf元素原子個(gè)數(shù)要 大于Zr元素原子個(gè)數(shù)，Hf:Zr例如可以是2 :1、3 :1等。因?yàn)閆r元素過多，雖然高K材料 層23的晶粒會(huì)更小，使得高K材料層23更均勻，但是同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生漏電、可靠性 等問題。
[0055] 作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，在沉積高K材料層23之后，可以先后進(jìn)行兩步沉積后退 火（PDA)