[发明专利]半导体结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造及设计技术领域，特别涉及一种半导体结构及其形成方法。

背景技术

在微电子技术发展的数十年历程中，逻辑芯片制造商制造MOS器件时，一直采用SiO₂作为栅介质、重掺杂的多晶硅作为栅电极材料。但是，随着特征尺寸的不断缩小，MOS晶体管中的SiO₂栅电介质已临近了极限。例如，在65纳米工艺中，SiO₂栅的厚度已降至1.2纳米，约为5个硅原子层厚度，如果再继续缩小，漏电流和功耗将急剧增加。同时，由多晶硅栅电极引起的掺杂硼原子扩散、多晶硅耗尽效应以及过高的栅电阻等问题也将变得越来越严重。因此，对于32纳米及以下各技术代，急剧增加的漏电流和功耗等问题将亟待新材料、新工艺及新器件结构的开发来解决。

为降低漏电流和功耗，目前有一种改进技术是采用“高k/金属栅”结构。目前，国际上各主要半导体公司都已开始着手面向32纳米及以下技术代的“高k/金属栅”技术的开发。Intel披露出在采用高k栅介质材料后，器件的漏电流降为原来的十分之一。但是，在高k/金属栅工艺中，由于必须采用的高温退火工艺，因此致使SiO₂界面层在退火工艺中变厚。另一方面，45nm及以下节点的CMOS器件需要EOT(等效氧化层厚度)不超过1nm的栅介质来提高栅极对沟道的控制能力，因此较厚的SiO₂界面层难以实现，尤其在32纳米及22纳米工艺技术中，栅介质的EOT甚至需要达到0.7nm甚至0.5nm以下，而普通高k/金属栅工艺中的SiO₂界面层的厚度就达到了0.5-0.7纳米。因此，缩小EOT，特别是缩小SiO₂界面层所贡献的EOT成为了新一代高k/金属栅技术中的一个关键挑战。

研究过程中我们发现，在高温退火过程中，当外界氛围中的氧不能进入到栅介质结构里时，一些金属薄膜或其他不饱和氧化介质薄膜对高k栅介质和半导体衬底间的界面层(如SiO₂)中的氧具有“吸除”作用，原因是这些金属或不饱和氧化介质材料的吉布斯自由能变远大于半导体衬底(如Si)，这意味着这些金属的氧化物或不饱和氧化介质的饱和氧化物比半导体衬底的氧化物更加稳定和容易形成。因此，在高温热处理过程中，界面层中的氧被驱动与这些“氧吸除金属或不饱和氧化介质”形成金属氧化物，从而导致界面层厚度变小，甚至消失。

一种典型的氧吸除工艺方法是在高k栅介质中间插入一氧吸除金属层，通过高温退火来吸除界面层中的氧。但这种高k栅介质里引入“氧吸除金属”的“直接氧吸除工艺”仍有一些不足，比如这种“氧吸除金属”会直接导致高k栅介质的改变，以至于对MOS器件的性能产生其他不利的影响。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一，尤其是通过引入“间接氧吸除工艺”，达到既减小器件的EOT，又不对高k介质层产生负面影响的效果。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种MOS半导体器件的栅极结构，包括：衬底；形成在所述衬底之上的界面层薄膜；形成在所述界面层薄膜之上的高k栅介质层；和形成在所述高k栅介质层之上的金属栅极，所述金属栅极从下至上依次包括金属栅功函数层、氧吸除元素阻挡层、金属栅氧吸除层、金属栅阻挡层和多晶硅层。

本发明另一方面提出一种MOS半导体器件，包括如上所述的栅极结构。

本发明再一方面提出一种形成上述MOS半导体器件的栅极结构的方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成界面层薄膜；在所述界面层薄膜之上形成高k栅介质层；在所述高k栅介质层之上形成金属栅功函数层；在所述金属栅功函数层之上形成氧吸除元素阻挡层；在所述氧吸除元素阻挡层之上形成金属栅氧吸除层；在所述金属栅氧吸除层之上形成金属栅阻挡层；在所述金属栅阻挡层之上形成多晶硅层；快速热退火处理形成最终栅极结构。

本发明通过在金属栅中引入金属栅氧吸除层来达到在退火工艺中隔绝外界氧气进入界面层和吸除界面层中的氧的目的，从而减薄界面层，有效地减小MOS器件的EOT，并且通过增加氧吸除元素阻挡层，从而避免“氧吸除元素”扩散进入高k栅介质层而对其产生不利影响，使得高k/金属栅系统的集成更为容易，器件性能得到进一步提高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明