半导体结构及其形成方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的不断发展，半导体技术已经渗透至生活中的各个领域，例如航天、医疗器械、手机通讯等都离不开半导体芯片。以前很多芯片都是采用二氧化硅作为栅极介电质，但是随着半导体工艺尺寸的缩小，由于技术节点已经很小，无法让栅极介电质继续缩短变薄，同时随着晶体管尺寸的不断缩小，源极和漏极之间的距离也越来越小，进而容易造成短沟道效应。因此，hkmg(high-k metal gate，高介电金属栅)工艺被开发出来。其采用一种具有高介电常数(或称高k)的栅极介电层，并采用金属材料来作为栅极，采用hkmg工艺制备的器件相比较传统器件而言，极大的减小了漏电流，同时有效提升了驱动电流，因此hkmg成了目前高性能晶体管所采用的主流技术。
3.然而，现在的hkmg工艺中仍然存在漏电流大、热稳定性差、击穿电压低等问题，需要提供更有效或更可靠的技术方案。


技术实现要素：

4.针对现在的hkmg工艺中的盖帽层仍然存在漏电流大、热稳定性差、击穿电压低的问题，本技术提供一种半导体结构及其形成方法，可以降低漏电，提高热稳定性和击穿电压。
5.本技术的一方面提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成栅介电层；在所述栅介电层上形成盖帽层，所述盖帽层包括位于所述栅介电层表面的钛金属层和位于所述钛金属层表面的富氮氮化钛层；在所述盖帽层上形成栅极。
6.在本技术的一些实施例中，所述在所述栅介电层上形成盖帽层的方法包括：在所述栅介电层表面形成所述钛金属层；在所述钛金属层表面形成所述富氮氮化钛层。
7.在本技术的一些实施例中，所述在所述栅介电层上形成盖帽层的方法包括：将所述形成有栅介电层的半导体衬底设置于反应腔中，所述反应腔中设置有金属钛靶材；轰击所述金属钛靶材在所述栅介电层表面形成所述钛金属层；继续轰击所述金属钛靶材的同时向所述反应腔中通入含氮气体，所述含氮气体与溅射出来的钛原子反应沉积在所述钛金属层表面形成所述富氮氮化钛层。
8.在本技术的一些实施例中，轰击所述金属钛靶材后2-3秒内开始通入含氮气体。
9.在本技术的一些实施例中，所述含氮气体为氮气，所述氮气流量为50-70sccm，通气时间为35-60秒，反应温度为18-30摄氏度。
10.在本技术的一些实施例中，所述钛金属层的厚度为4-6埃。
11.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层的厚度为18-22埃。
12.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层中钛原子和氮原子的原子个数比例
为0.9-0.95。
13.在本技术的一些实施例中，所述栅极包括位于所述盖帽层上的铝膜和位于所述铝膜表面的氧化铝阻挡层。
14.本技术的另一个方面提供一种半导体结构，包括：半导体衬底；栅介电层，位于所述半导体衬底上；盖帽层，位于所述栅介电层上，所述盖帽层包括位于所述栅介电层表面的钛金属层和位于所述钛金属层表面的富氮氮化钛层；栅极，位于所述盖帽层上。
15.在本技术的一些实施例中，所述钛金属层的厚度为4-6埃。
16.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层的厚度为18-22埃。
17.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层中钛原子和氮原子的原子个数比例为0.9-0.95。
18.在本技术的一些实施例中，所述栅极包括位于所述盖帽层上的铝膜和位于所述铝膜表面的氧化铝阻挡层。
19.本技术所述的半导体结构及其形成方法，使用钛金属层和富氮氮化钛层的双层结构来作为盖帽层，在不影响等效氧化层厚度的情况下，不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
附图说明
20.以下附图详细描述了本技术中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本技术的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本技术中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
21.图1至图7为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。
具体实施方式
22.以下描述提供了本技术的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本技术中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本技术不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
23.下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
24.在hkmg工艺中，通常使用氧化硅和氧化铪作为栅介电层，使用氮化钛作为覆盖在所述栅介电层表面的盖帽层。但是在后续工艺中，由于栅介电层中的氧离子可以扩散到盖帽层中，导致栅介电层中的氧离子含量减少，使栅介电层的功能效果减小，本技术定义栅介电层中氧离子扩散后的功能效果对应的没有发生氧离子扩散的栅介电层的厚度为等效氧化层厚度。不同性质的氮化钛会影响栅介电层中氧离子扩散的效果，进而影响等效氧化层厚度减薄的效果。常见的氮化钛包括富氮氮化钛和富钛氮化钛，富氮氮化钛中钛原子和氮原子的原子个数比为0.9至0.95；富钛氮化钛中钛原子和氮原子的原子个数比为1.1-1.2。其中，使用富钛氮化钛作为盖帽层的等效氧化层厚度减薄效果最好，但是富钛氮化钛会导致器件漏电流大、热稳定性差、击穿电压低等问题。所述等效氧化层厚度指的是栅介电层中
的氧离子扩散到盖帽层中导致栅介电层中的氧离子含量减少后还能够有效发挥作用的氧化层厚度。
25.在另一些hkmg工艺中，使用钛原子和氮原子原子个数比处于富氮氮化钛和富钛氮化钛之间的一种氮化钛作为所述盖帽层，能够兼顾等效氧化层厚度减薄效果和漏电、热稳定性和击穿电压等性能。但是，这种氮化钛的形成工艺需要使用物理气相沉积法在中毒模式(沉积时氮气流量大于50sccm)和金属化模式(沉积时氮气流量小于30sccm)之间来回切换，但这种工艺稳定性不好，导致器件的电性参数也不稳定。
26.为了解决上述问题，本技术提供了一种半导体结构及其形成方法，使用钛金属层和富氮氮化钛层的双层结构作为盖帽层，在不影响等效氧化层厚度的情况下，不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
27.图1至图7为本技术实施例所述的半导体结构的形成方法中各步骤的结构示意图。
28.本技术的实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：参考图1，提供半导体衬底100；参考图2，在所述半导体衬底100上形成栅介电层110；参考图3，在所述栅介电层110上形成盖帽层120，所述盖帽层120包括位于所述栅介电层110表面的钛金属层121和位于所述钛金属层121表面的富氮氮化钛层122；参考图4，在所述盖帽层120上形成栅极130。
29.参考图1所示，提供半导体衬底100。所述半导体衬底100的材料可以为硅(si)、锗(ge)、绝缘体上硅(soi)或绝缘体上锗(goi)等。所述半导体衬底100还可以是生长有外延层的结构。
30.参考图2所示，在所述半导体衬底100上形成栅介电层110。在本技术的一些实施例中，形成所述栅介电层110的方法包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等。
31.在本技术的一些实施例中，所述栅介电层110的材料可以包括氧化硅、氧化铪、氧化镧、氧化钽、氧化钛以及氧化铝等。
32.在本技术的一些实施例中，所述栅介电层110可以为多层介电层形成的复合结构，例如包括依次位于所述半导体衬底100上的第一介电层和第二介电层。其中，所述第一介电层的材料例如为氧化硅；所述第二介电层的材料例如为氧化铪。
33.参考图3所示，在所述栅介电层110上形成盖帽层120，所述盖帽层120包括位于所述栅介电层110表面的钛金属层121和位于所述钛金属层121表面的富氮氮化钛层122。所述盖帽层120一方面可以使所述栅介电层110中的氧离子扩散到所述盖帽层120中，从而减薄等效氧化层厚度；另一方面可以阻挡金属栅极中的金属原子扩散到所述栅介电层110中。
34.其中，所述钛金属层121可以吸引所述栅介电层110中的氧离子扩散到所述钛金属层121中，起到减薄等效氧化层厚度的效果；而所述富氮氮化钛层122可以阻挡金属栅极中的金属原子扩散到所述栅介电层110中，并且不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
35.在本技术的一些实施例中，在所述栅介电层110上形成盖帽层120的方法包括：在所述栅介电层110表面形成所述钛金属层121；在所述钛金属层121表面形成所述富氮氮化钛层122。这种方法分两步工艺分别形成所述钛金属层121和所述富氮氮化钛层122，工艺可控制性更高。
36.在本技术的一些实施例中，所述在所述栅介电层110表面形成所述钛金属层121的方法包括物理气相沉积法。
37.在本技术的一些实施例中，所述在所述钛金属层121表面形成所述富氮氮化钛层122的方法包括物理气相沉积法。
38.在本技术的另一些实施例中，在所述栅介电层110上形成盖帽层120的方法包括：将所述形成有栅介电层110的半导体衬底100设置于反应腔中，所述反应腔中设置有金属钛靶材；轰击所述金属钛靶材在所述栅介电层110表面形成所述钛金属层121；继续轰击所述金属钛靶材的同时向所述反应腔中通入含氮气体，所述含氮气体与溅射出来的钛原子反应沉积在所述钛金属层121表面形成所述富氮氮化钛层122。这种方法在同一反应腔中一次性形成所述钛金属层121和所述富氮氮化钛层122，节约了工艺步骤。需要说明的是，所述在所述栅介电层110上形成盖帽层120的方法包括物理气相沉积法，但与常规物理气相沉积法中同时通入反应气体并轰击金属靶材的方式不同的是，本技术实施例中先开始轰击金属靶材，形成所需厚度的钛金属层121后，再通入含氮气体。
39.在本技术的一些实施例中，形成所述盖帽层120的溅射工艺的工艺参数包括：氩气流量20-100sccm，直流功率400-1000w，射频功率500-1000w，压强1-10mtorr。其中，通过控制工艺参数使钛金属层的沉积速率小于0.7埃每秒，由于所述钛金属层的厚度较薄，因此沉积速率不能太快，否则钛金属层的厚度容易超出设定厚度。
40.在本技术的一些实施例中，所述轰击所述金属钛靶材在所述栅介电层110表面形成所述钛金属层121的轰击材料为氩离子。
41.在本技术的一些实施例中，轰击所述金属钛靶材后2-3秒内开始通入含氮气体。所述时间与所述钛金属层121的厚度有关，延迟越久则所述钛金属层121的厚度越厚。
42.在本技术的一些实施例中，所述含氮气体为氮气，所述氮气流量为50-70sccm，通气时间为35-60秒，反应温度为18-30摄氏度。所述氮气的流量要较高才能使反应生成的氮化钛中氮原子和钛原子的原子个数比达到要求，形成富氮氮化钛层122。所述通气时间与所述富氮氮化钛层122的厚度有关，所述通气时间越长，反应时间越长，则所述富氮氮化钛122的厚度越厚。
43.在本技术的一些实施例中，所述钛金属层121的厚度为4-6埃，例如为4埃、5埃或6埃等。所述钛金属层121主要起到减薄所述等效氧化层厚度的作用。所述钛金属层121越厚，则减薄所述等效氧化层厚度的效果越好；所述钛金属层121越薄，则减薄所述等效氧化层厚度的效果越差。实际工艺中可以根据具体需要来确定所述钛金属层121的厚度。
44.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层122的厚度为18-22埃，例如为18埃、20埃或22埃等。
45.所述钛金属层121和所述富氮氮化钛层122的总厚度与常规半导体结构中的盖帽层厚度相差不大，不会影响半导体结构的整体厚度。
46.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层122中钛原子和氮原子的原子个数比例为0.9-0.95。
47.参考图4所示，在所述盖帽层120上形成栅极130。所述栅极130例如为多晶硅栅极或金属栅极等。
48.在本技术的一些实施例中，所述在所述盖帽层120上形成栅极130的方法包括化学气相沉积法或物理气相沉积法等。
49.参考图5所示，刻蚀所述栅极130、所述盖帽层120和所述栅介电层110形成栅极结
构。
50.在本技术的一些实施例中，所述刻蚀所述栅极130、所述盖帽层120和所述栅介电层110形成栅极结构的方法包括湿法刻蚀。
51.在本技术的一些实施例中，所述栅极130包括位于所述盖帽层120上的铝膜和位于所述铝膜表面的氧化铝阻挡层。所述铝膜可以调节栅极阈值电压，所述氧化铝阻挡层可以减少栅极中金属原子向栅介质层中扩散。
52.参考图6所示，在所述栅介电层110、所述盖帽层120和所述栅极130两侧形成侧墙140。所述侧墙140可以保护所述栅介电层110和所述栅极130。
53.在本技术的一些实施例中，所述侧墙140的材料包括氮化硅或氧化硅。
54.在本技术的一些实施例中，所述侧墙140可以是单层结构。在本技术的另一些实施例中，所述侧墙140也可以是多层复合结构，例如氧化硅-氮化硅-氧化硅-氮化硅结构等。
55.在本技术的一些实施例中，所述在所述栅介电层110、所述盖帽层120和所述栅极130两侧形成侧墙140的方法包括：在所述半导体衬底100以及所述栅极130上形成侧墙材料层；刻蚀所述侧墙材料层形成所述侧墙140。
56.在本技术的一些实施例中，所述在所述半导体衬底100以及所述栅极130上形成侧墙材料层的方法包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等。
57.在本技术的一些实施例中，所述刻蚀所述侧墙材料层形成所述侧墙140的方法包括湿法刻蚀。
58.参考图7所示，在所述半导体衬底100、所述侧墙140和所述栅极130上形成层间介电层150，在所述层间介电层150中形成贯穿所述层间介电层150并且电连接所述栅极130的接触结构160。
59.在本技术的一些实施例中，所述层间介电层150的材料包括氧化硅。
60.在本技术的一些实施例中，所述接触结构160的材料为金属，例如钨或铜或铝等。
61.在本技术的一些实施例中，形成所述层间介电层150的方法包括化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等。
62.本技术所述的半导体结构的形成方法，使用钛金属层和富氮氮化钛层的双层结构来作为盖帽层，在不影响等效氧化层厚度的情况下，不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
63.本技术的实施例还提供一种半导体结构，参考图7所示，所述半导体结构包括：半导体衬底100；栅介电层110，位于所述半导体衬底100上；盖帽层120，位于所述栅介电层110上，所述盖帽层120包括位于所述栅介电层110表面的钛金属层121和位于所述钛金属层121表面的富氮氮化钛层122；栅极130，位于所述盖帽层120上。
64.参考图7所示，所述半导体衬底100的材料可以为硅(si)、锗(ge)、绝缘体上硅(soi)或绝缘体上锗(goi)等。所述半导体衬底100还可以是生长有外延层的结构。
65.继续参考图7，所述栅介电层110的材料可以包括氧化硅、氧化铪、氧化镧、氧化钽、氧化钛以及氧化铝等。
66.在本技术的一些实施例中，所述栅介电层110可以为多层介电层形成的复合结构，例如包括依次位于所述半导体衬底100上的第一介电层和第二介电层。其中，所述第一介电层的材料例如为氧化硅；所述第二介电层的材料例如为氧化铪。
67.继续参考图7，所述盖帽层120包括位于所述栅介电层110表面的钛金属层121和位于所述钛金属层121表面的富氮氮化钛层122。所述盖帽层120一方面可以使所述栅介电层110中的氧离子扩散到所述盖帽层120中，从而减薄等效氧化层厚度；另一方面可以阻挡金属栅极中的金属原子扩散到所述栅介电层110中。
68.其中，所述钛金属层121可以吸引所述栅介电层110中的氧离子扩散到所述钛金属层121中，起到减薄等效氧化层厚度的效果；而所述富氮氮化钛层122可以阻挡金属栅极中的金属原子扩散到所述栅介电层110中，并且不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
69.在本技术的一些实施例中，所述钛金属层121的厚度为4-6埃，例如为4埃、5埃或6埃等。所述钛金属层121主要起到减薄所述等效氧化层厚度的作用。所述钛金属层121越厚，则减薄所述等效氧化层厚度的效果越好；所述钛金属层121越薄，则减薄所述等效氧化层厚度的效果越差。实际工艺中可以根据具体需要来确定所述钛金属层121的厚度。
70.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层122的厚度为18-22埃，例如为18埃、20埃或22埃等。
71.所述钛金属层121和所述富氮氮化钛层122的总厚度与常规半导体结构中的盖帽层厚度相差不大，不会影响半导体结构的整体厚度。
72.在本技术的一些实施例中，所述富氮氮化钛层122中钛原子和氮原子的原子个数比例为0.9-0.95。
73.继续参考图7，所述栅极130例如为多晶硅栅极或金属栅极等。
74.在本技术的一些实施例中，所述栅极130包括位于所述盖帽层120上的铝膜和位于所述铝膜表面的氧化铝阻挡层。所述铝膜可以调节栅极阈值电压，所述氧化铝阻挡层可以减少栅极中金属原子向栅介质层中扩散。
75.继续参考图7，在所述栅介电层110、所述盖帽层120和所述栅极130两侧形成有侧墙140。所述侧墙140可以保护所述栅介电层110和所述栅极130。
76.在本技术的一些实施例中，所述侧墙140的材料包括氮化硅或氧化硅。
77.在本技术的一些实施例中，所述侧墙140可以是单层结构。在本技术的另一些实施例中，所述侧墙140也可以是多层复合结构，例如氧化硅-氮化硅-氧化硅-氮化硅结构等。
78.继续参考图7，在所述半导体衬底100、所述侧墙140和所述栅极130上形成有层间介电层150，在所述层间介电层150中形成有贯穿所述层间介电层150并且电连接所述栅极130的接触结构160。
79.在本技术的一些实施例中，所述层间介电层150的材料包括氧化硅。
80.在本技术的一些实施例中，所述接触结构160的材料为金属，例如钨或铜或铝等。
81.本技术所述的半导体结构，使用钛金属层和富氮氮化钛层的双层结构来作为盖帽层，在不影响等效氧化层厚度的情况下，不会导致漏电高，热稳定性差和击穿电压低等问题。
82.综上所述，在阅读本技术内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本技术的示例性实施例的精神和范围内。
83.应当理解，本实施例使用的术语
″
和/或
″
包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作
″
连接
″
或
″
耦接
″
至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
84.类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件
″
上
″
时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语
″
直接地
″
表示没有中间元件。还应当理解，术语
″
包含
″
、
″
包含着
″
、
″
包括
″
或者
″
包括着
″
，在本技术文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
85.还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本技术的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
86.此外，本技术说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。