[发明专利]一种半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体来说，涉及一种抑制氧沿水平方向扩散进入高介电常数(高k)栅介质层的半导体器件及其制造方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸的持续等比例缩小，特别是当半导体制造工艺进入90nm技术节点以下，栅氧层的厚度变得越来越薄。而当栅氧层的厚度小于10nm以后，过薄的栅氧层所导致的栅极漏电流的增大会对半导体器件的性能产生越来越坏的影响。

为了在半导体器件尺寸等比例缩小的趋势下，增加半导体器件栅氧层的厚度，抑制栅极漏电流的产生，越来越多的高k材料(例如HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al₂O₃、La₂O₃、ZrO₂、LaAlO等)开始用作半导体器件的栅介质层。然而，在半导体器件的制造过程中，工艺腔室中无处不在的氧会扩散进入高k栅介质层界面，这会导致所述高k栅介质层再生长(regrowth)，并且会导致高k栅介质层界面氧化层的厚度变化，而这些都会造成器件的整体几何形状和一致性变差，进而降低半导体器件的电学性能。

为此，现有技术中包括两种途径来减少氧在半导体器件的高k栅介质层中的扩散。对于氧沿垂直方向扩散进入高k栅介质层的情形，公开号为US2009/0108366A1的美国专利申请中公开了一种利用位于高k/金属栅堆栈26、38上部的非晶硅层24、36来基本抑制氧沿着垂直于栅极的方向扩散进入高k栅介质层20、32的方法(如图1所示)。上述方法只能抑制从垂直方向扩散进入所述高k栅介质层的氧，但是没有抑制从水平方向扩散进入所述高k栅介质层的氧。对于氧沿水平方向扩散进入高k栅介质层的情形，公开号为US2009/0079014A1的美国专利申请中公开了一种利用覆盖半导体器件有源区域并包围整个栅极的高k衬垫层106来抑制氧沿着水平方向扩散进入高k栅介质层102的方法(如图2所示)。然而，上述方法能够抑制氧水平扩散进入高k栅介质层的效果有限，不能完全满足实际的半导体器件制造工艺的要求，因为所述高k衬垫层106其本身也只是一种普通的高k材料。

另外，公开号为CN1875463A的中国发明专利申请中公开了一种于晶体管工艺中整合高k栅极电介质的方法，其对整个晶体管栅极堆叠进行了氮化。通过将氮元素引入所述栅极堆叠的高k电介质片段的侧面，在所述高k电介质片段的侧面形成阻挡层，避免后续的工艺步骤中氧从水平方向扩散进入所述高k电介质片段。然而，上述方法直接将氮元素引入栅极下方的作为栅介质层的高k电介质片段的侧面，这会降低晶体管沟道区域内的载流子迁移率，进而对整个晶体管的工作性能造成不利的影响。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种抑制氧沿水平方向扩散进入高k栅介质层的半导体器件及其制造方法，避免高k栅介质层的再生长或者其界面氧化层的厚度增加，从而提高半导体器件的工作性能。

为解决上述问题，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，其上依次形成有高k介质层和图形化的栅极；将所述半导体衬底上未被所述栅极覆盖的高k介质层氮化；在所述栅极周围形成侧墙。其中，形成侧墙的步骤与对高k介质层进行氮化的步骤的先后次序可以互换。

可选地，所述半导体器件中氮化的高k介质层中的氮元素含量为氮原子百分比大于10％。

可选地，被所述栅极覆盖的高k介质层外围被氮化的水平深度不超过3nm。

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，其上依次形成有高k介质层和图形化的栅极；在所述栅极周围形成侧墙；将所述半导体衬底上未被所述栅极和侧墙覆盖的高k介质层氮化。

可选地，所述半导体器件中氮化的高k介质层中的氮元素含量比未经氮化的高k介质层中的氮原子百分比大于10％。

本发明还提供一种半导体器件，包括：半导体衬底，其上依次形成有高k介质层和图形化的栅极；侧墙，其形成于所述栅极周围；氮化的高k介质层，其位于所述半导体衬底上且未被所述栅极覆盖的区域，其中所述氮化的高k介质层还存在于所述半导体衬底与所述侧墙之间。。

可选地，所述半导体器件中氮化的高k介质层中的氮元素含量为氮原子百分比大于10％。