[发明专利]氧化层、HKMG结构中界面层、MOS晶体管形成方法及MOS晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氧化层、HKMG结构中界面层、MOS晶体管形成方法及MOS晶体管。

背景技术

随着半导体工艺技术节点的降低，传统的二氧化硅栅介质层和多晶硅栅电极层的MOS器件出现了漏电量增加和栅电极层损耗等问题，为解决该问题，现有技术中提出了采用高K材料代替二氧化硅制作栅介质层，采用金属材料代替多晶硅制作栅电极层（简称高K金属栅，HKMG）。

下面以美国专利US6664195中提供的“后栅极”工艺形成金属栅极的方法为例，说明HKMG的形成过程，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有替代栅结构、及位于所述半导体衬底上覆盖所述替代栅结构的层间介质层；以所述替代栅结构作为停止层，对所述层间介质层进行化学机械研磨工艺（CMP）；除去所述替代栅结构后形成沟槽；在沟槽底部形成界面层，在界面层表面上形成高K介质层，这里将所述界面层和高K介质层的叠层称为栅介质层（下同）；再通过PVD方法在所述沟槽内的高K介质层上形成金属层，且将金属层填充满沟槽，以形成栅金属层；用化学机械研磨法研磨栅金属层至露出层间介质层，形成金属栅极。

其中，位于高K介质层和下层衬底之间的界面层的存在有助于保持界面态特性并形成良好电气性质的界面，且由于界面层与晶体管的沟道密切相连，因此，界面层的质量会影响器件的性能。

现有技术中形成界面层的方式多为两种，一种是采用热氧化的方式形成界面层，这种方式与形成常规氧化层的方式类似；一种是采用化学氧化的方式形成界面层，如可在含有去离子水和臭氧的水浴中形成界面层，具体如美国专利US2010/028597中所述。

但是，在实际生产过程中发现，采用上述两种方法制作出的晶体管的良率往往不符合要求，尤其是栅介质层的总介电常数达不到理论要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种氧化层、HKMG结构中界面层及MOS晶体管形成方法，以及采用上述方法形成的MOS晶体管，该MOS晶体管中的界面层较现有技术方法形成的界面层更致密，均匀度更好，满足了晶体管的良率和性能要求。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种HKMG结构中界面层形成方法，所述界面层位于半导体衬底和高K介质层之间，包括：a）提供半导体衬底；b）采用包含羟基的反应气体与所述衬底表面接触，所述反应气体中的羟基与衬底表面的原子通过化学键结合形成中间物质；c）清除所述反应气体；d）对所述衬底进行退火，去除所述中间物质中的氢元素，在所述衬底表面形成原子层；e）重复步骤b）-步骤d），直至所述原子层的堆积厚度达到所述界面层的目标厚度，得到所述界面层。

优选的，所述衬底中包括非饱和硅原子，所述中间物质为所述反应气体中的羟基与衬底表面的非饱和硅原子结合形成的-Si-OH悬空键。

优选的，所述反应气体为H₂O气体、D₂O气体、H₂O₂气体、CH₃OH气体和HCOOH气体中的至少一种。

本发明实施例还公开了一种MOS晶体管形成方法，采用了以上所述的界面层形成方法，该MOS晶体管形成方法包括：a）提供半导体衬底，在所述衬底表面形成替代栅极结构；b）以替代栅极结构为掩膜，在衬底内形成源/漏极；c）在所述衬底表面上形成层间介质层，且所述层间介质层表面与替代栅极结构顶部齐平；d）以所述层间介质层为掩膜，去除所述替代栅极结构，形成沟槽；e）采用包含羟基的反应气体与所述衬底表面接触，所述反应气体中的羟基与衬底表面的原子通过化学键结合形成中间物质；f）清除所述反应气体；g）对所述衬底进行退火，去除所述中间物质中的氢元素，在所述衬底表面形成原子层；h）重复步骤e）-步骤g），直至所述原子层的堆积厚度达到所述界面层的目标厚度，得到所述界面层；i）在所述界面层表面上形成高K介质层；j）在所述高K介质层表面上形成填充满所述沟槽的金属栅极。