專利名稱：一種半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，具體來說，涉及一種抑制氧沿水平方向擴散進入高介電常數(高k)柵介質層的半導體器件及其制造方法。
背景技術：
隨著半導體器件尺寸的持續等比例縮小，特別是當半導體制造工藝進入90nm技術節點以下，柵氧層的厚度變得越來越薄。而當柵氧層的厚度小于IOnm以后，過薄的柵氧層所導致的柵極漏電流的增大會對半導體器件的性能產生越來越壞的影響。為了在半導體器件尺寸等比例縮小的趨勢下，增加半導體器件柵氧層的厚度，抑制柵極漏電流的產生，越來越多的高k材料(例如HfO2, HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO, Hf7r0、Al203、Lii203、&02、LaAW等)開始用作半導體器件的柵介質層。然而，在半導體器件的制造過程中，工藝腔室中無處不在的氧會擴散進入高k柵介質層界面，這會導致所述高k 柵介質層再生長(regrowth)，并且會導致高k柵介質層界面氧化層的厚度變化，而這些都會造成器件的整體幾何形狀和一致性變差，進而降低半導體器件的電學性能。為此，現有技術中包括兩種途徑來減少氧在半導體器件的高k柵介質層中的擴散。對于氧沿垂直方向擴散進入高k柵介質層的情形，公開號為US2009/0108366A1的美國專利申請中公開了一種利用位于高k/金屬柵堆棧沈、38上部的非晶硅層M、36來基本抑制氧沿著垂直于柵極的方向擴散進入高k柵介質層20、32的方法(如圖1所示)。上述方法只能抑制從垂直方向擴散進入所述高k柵介質層的氧，但是沒有抑制從水平方向擴散進入所述高k柵介質層的氧。對于氧沿水平方向擴散進入高k柵介質層的情形，公開號為 US2009/0079014A1的美國專利申請中公開了一種利用覆蓋半導體器件有源區域并包圍整個柵極的高k襯墊層106來抑制氧沿著水平方向擴散進入高k柵介質層102的方法(如圖 2所示)。然而，上述方法能夠抑制氧水平擴散進入高k柵介質層的效果有限，不能完全滿足實際的半導體器件制造工藝的要求，因為所述高k襯墊層106其本身也只是一種普通的高k材料。另外，公開號為CN1875463A的中國發明專利申請中公開了一種于晶體管工藝中整合高k柵極電介質的方法，其對整個晶體管柵極堆疊進行了氮化。通過將氮元素引入所述柵極堆疊的高k電介質片段的側面，在所述高k電介質片段的側面形成阻擋層，避免后續的工藝步驟中氧從水平方向擴散進入所述高k電介質片段。然而，上述方法直接將氮元素引入柵極下方的作為柵介質層的高k電介質片段的側面，這會降低晶體管溝道區域內的載流子遷移率，進而對整個晶體管的工作性能造成不利的影響。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種抑制氧沿水平方向擴散進入高k柵介質層的半導體器件及其制造方法，避免高k柵介質層的再生長或者其界面氧化層的厚度增加，從而提高半導體器件的工作性能。
為解決上述問題，本發明提供一種半導體器件的制造方法，包括提供半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極；將所述半導體襯底上未被所述柵極覆蓋的高k介質層氮化；在所述柵極周圍形成側墻。其中，形成側墻的步驟與對高k介質層進行氮化的步驟的先后次序可以互換。可選地，所述半導體器件中氮化的高k介質層中的氮元素含量為氮原子百分比大于 10%。可選地，被所述柵極覆蓋的高k介質層外圍被氮化的水平深度不超過3nm。本發明還提供一種半導體器件的制造方法，包括提供半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極；在所述柵極周圍形成側墻；將所述半導體襯底上未被所述柵極和側墻覆蓋的高k介質層氮化。
可選地，所述半導體器件中氮化的高k介質層中的氮元素含量比未經氮化的高k 介質層中的氮原子百分比大于10%。本發明還提供一種半導體器件，包括半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極；側墻，其形成于所述柵極周圍；氮化的高k介質層，其位于所述半導體襯底上且未被所述柵極覆蓋的區域，其中所述氮化的高k介質層還存在于所述半導體襯底與所述側墻之間。。可選地，所述半導體器件中氮化的高k介質層中的氮元素含量為氮原子百分比大于 10%。與現有技術相比，本發明具有以下優點通過將半導體襯底上未被其上的柵極或者側墻覆蓋的高k介質層氮化，使得氮進入上述區域的高k介質層并在其表面形成氧擴散阻擋層，抑制了后續的制造工藝步驟中氧從水平方向擴散進入柵極下方的作為柵介質層的高k介質層中，使得所述作為柵介質層的高k介質層不受從外界擴散進入的氧的侵蝕，避免了高k柵介質層的再生長。另外，由于不直接對半導體器件的柵介質層進行氮化，故而所述氮化過程不會導致晶體管溝道區域內的載流子遷移率的降低，優化了半導體器件的工作性能。結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述后，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚
圖1為現有技術中抑制氧沿著垂直于柵極的方向擴散進入高k柵介質層的半導體器件結構示意圖；圖2為現有技術中抑制氧沿著水平方向擴散進入高k柵介質層的半導體器件結構示意圖；圖3為本發明的第一實施例的制造抑制氧水平擴散的半導體器件的方法流程示意圖；圖4為本發明的第二實施例的制造抑制氧水平擴散的半導體器件的方法流程示意圖；圖5至圖8為本發明第一實施例按照圖3所示流程制造抑制氧水平擴散的半導體器件的各個階段的剖面結構示意圖9至圖10為本發明第二實施例按照圖4所示流程制造抑制氧水平擴散的半導體器件的各個階段的剖面結構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。圖3為本發明第一實施例的制造抑制氧水平擴散的半導體器件的方法流程示意圖。圖5至圖8為本發明第一實施例按照圖3所示流程制造抑制氧水平擴散的半導體器件的各個階段的剖面結構示意圖。下面結合圖3、5-8描述本發明的第一實施例。如圖3、5_8所示，本發明第一實施例的半導體器件制造方法包括步驟S201，提供半導體襯底301，其上依次形成有高k介質層305和圖形化的柵極堆疊303。圖5示出在形成圖形化的柵極堆疊303之前的半導體器件的剖面結構。該結構包括半導體襯底301以及其上依次形成的高k介質層305、金屬層304和電極層302。半導體襯底301通常為硅襯底。高k介質層305可以為Hf02、HfSiO、HfSiON、HfTaO, HfTiO, Hf7r0、A1203、La203、&02、LaA10或其組合。應當注意，上述以及本申請中其它部分所提及的高k介質材料只是特定的示例，其也可使用其它的高k介質材料，本發明并非限于使用在此所提到的高k電介質。在本實施例的一個變形中，高k介質層305的厚度范圍在0.7nm 至3nm之間。金屬層304用于功函數控制，其構成材料例如可以是TiN、TiAlN、TaN、TaAlN、 TaC或其組合，其厚度例如為6-20nm。電極層302的材料例如為硅、金屬或金屬硅化物等。圖6示出對電極層302和金屬層304進行刻蝕形成圖形化的柵極堆疊303之后的半導體器件的剖面結構。如圖所示，依次刻蝕電極層302和金屬層304至高k介質層305 停止，所述電極層302和金屬層304的剩余部分形成圖形化的柵極堆疊303。接著，執行步驟S202，將所述半導體襯底上暴露的高k介質層氮化。如圖7所示， 將所述半導體襯底301上未被所述柵極堆疊303覆蓋的高k介質層305氮化，形成氮化的高k介質層306。所述氮化的過程可以采用本領域技術人員公知的現有技術，比如采用含氮等離子體對高k介質層305的暴露表面進行氮化。由于氮化的高k介質層306圍繞在柵極堆疊303覆蓋的未氮化的高k介質層305周圍形成阻擋層，能夠有效地避免在后續的工藝步驟中產生有害的氧水平擴散。在本實施例中，氮化的高k介質層306中的氮元素含量為氮原子百分比大于10 %， 即，在氮化后的高k介質層306中氮原子的數目占總原子數的10%以上。一般來說，高k介質層的氮化程度越高對氧水平擴散的阻擋能力越強。由于暴露的高k介質層不處于溝道區中，因此對該暴露的高k介質層進行強氮化處理不會降低溝道區域內的載流子遷移率。在本實施例的氮化過程中，所述氮化的高k介質層306在靠近柵極堆疊303的周圍部分308可能會延伸至所述柵極堆疊303的下方，但是由于是對高k介質層305的暴露表面進行氮化，而被柵極堆疊303覆蓋的高k介質層305的周圍部分308的側面并沒有暴露而被直接氮化，因此該周圍308處被氮化部分向柵極區水平延伸的深度一般不超過3nm， 不會導致晶體管溝道區域內的載流子遷移率的降低，對半導體器件的整體工作性能不會產生明顯的影響。而且被氮化部分向柵極區的局部延伸也可以有效地避免氧從柵極堆疊303 和高k介質層305之間的交界處向內部的非氮化的高k介質層305擴散。
接著，執行步驟S203，在所述柵極周圍形成側墻。如圖8所示，在所述柵極堆疊303 周圍形成側墻307，以便進行后續的半導體制造工藝。側墻307的材料可以為Si02、Si3N4, SiON或其組合，優選為氮化硅材料，其厚度例如在7-40nm的范圍內。至此，所述側墻307與所述氮化的高k介質層306的結合區域即成為抑制氧沿著水平方向擴散進入柵極堆疊303下方的作為柵介質層的高k介質層的關鍵區域。 圖4為本發明的第二實施例的制造抑制氧水平擴散的半導體器件的方法流程示意圖。圖9至圖10為本發明的第二實施例的制造抑制氧水平擴散的半導體器件的剖面結構示意圖。下面結合圖4、9和10描述本發明的第二實施例。如圖4、9和10所示，本發明第二實施例的半導體器件制造方法包括與第一實施例相同，首先執行步驟S301，提供半導體襯底301，其上依次形成有高 k介質層305和圖形化的柵極堆疊303。該步驟S301完成后所獲得的結構如圖6中所示。 具體實現方式參見上述第一實施例的步驟S201，相同的部分不再重述。接著，執行步驟S302，在所述柵極堆疊303周圍形成側墻307。側墻307的材料可以為Si02、Si3N4、Si0N或其組合，其厚度例如在IO-IOOnm的范圍內，如圖9所示。然后，執行步驟S303，將所述半導體襯底上未被所述柵極堆疊303和側墻307覆蓋的高k介質層氮化，如圖10所示。所述氮化的過程可以采用本領域技術人員公知的現有技術，比如采用含氮等離子體對高k介質層305的暴露表面進行氮化。在本實施例中，氮化的高k介質層306中的氮元素含量的氮原子百分比大于10 %， 艮口，在氮化后的高k介質層306中氮原子的數目占總原子數的10%以上。如圖10所示，在本實施例的氮化過程中，所述氮化的高k介質層306在靠近側墻 307的周圍部分308可能會延伸至所述側墻307的下方，但是由于是對高k介質層305的暴露表面進行氮化，而被側墻307覆蓋的高k介質層305的周圍部分308的側面并沒有暴露而被直接氮化，因此該周圍308處被氮化部分向側墻307下方水平延伸的深度一般不超過3nm，不會到達柵極堆疊303的下方的高k柵介質層，因此不會導致晶體管溝道區域內的載流子遷移率的降低。而且被氮化部分向側墻307下方的延伸也可以有效地避免氧從側墻 307和高k介質層305之間的交界處向內部的非氮化的高k介質層305擴散。不會造成高 k介質層305的再生長。至此，所述側墻307與所述氮化的高k介質層306的結合區域即成為抑制氧沿著水平方向擴散進入柵極下方的作為柵介質層的高k介質層的關鍵區域。本發明第二實施例與第一實施例的區別主要在于形成側墻307的步驟與氮化步驟的先后次序互換，這兩個實施例都可以實現本發明的目的，防止氧水平擴散到柵極堆疊 303下方的高k介質層305。本發明通過將半導體襯底上未被其上的柵極或者側墻覆蓋的高k介質層氮化，使得氮進入上述區域的高k介質層并在其表面形成氧擴散阻擋層，抑制了后續的制造工藝步驟中氧從水平方向擴散進入柵極下方的作為柵介質層的高k介質層中，使得所述作為柵介質層的高k介質層不受從外界擴散進入的氧的侵蝕，避免了高k柵介質層的再生長。另外， 由于不直接對半導體器件的柵介質層進行氮化，因此氮化區域不會深入到高k柵介質層中，故而所述氮化過程不會導致晶體管溝道區域內的載流子遷移率的降低，優化了半導體器件的工作性能。
在根據第一實施例或第二實施例完成側墻307形成步驟和氮化步驟之后繼續執行常規的半導體制造工藝，例如進行離子注入以形成延伸區和/或暈圈(halo)區；在柵極周圍形成第二側墻(厚度例如為7-40nm)，以防止在最終的半導體器件中，源極/漏極和/ 或源極/漏極區域的硅化物與溝道之間發生短路；和/或進行離子注入以形成源極/漏極。而且，在本發明的半導體器件的制造方法中，由于高k介質層305和/或306沒有被刻蝕掉，因此，在形成圖形化的柵極堆疊303時，以及在例如通過各向異性刻蝕來形成側墻307時，高k介質層可以用作刻蝕阻擋層，從而減少了掩膜數量，并且簡化了工藝。本發明雖然以優選實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員 在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護范圍應當以本發明權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種半導體器件的制造方法，其特征在于，包括提供半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極； 將所述半導體襯底上未被所述柵極覆蓋的高k介質層氮化； 在所述柵極周圍形成側墻。
2.根據權利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述半導體器件中，氮化的高k介質層中的氮元素含量為氮原子百分比大于10%。
3.根據權利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，其中被所述柵極覆蓋的高k介質層外圍被氮化的水平深度不超過3nm。
4.一種半導體器件的制造方法，其特征在于，包括提供半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極； 在所述柵極周圍形成側墻；將所述半導體襯底上未被所述柵極和側墻覆蓋的高k介質層氮化。
5.根據權利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述半導體器件中氮化的高k介質層中的氮元素含量為氮原子百分比大于10%。
6.根據權利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，其中被所述側墻覆蓋的高k介質層外圍被氮化的水平深度不超過3nm。
7.一種半導體器件，包括半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極； 側墻，其形成于所述柵極周圍，其中，所述高k介質層具有被氮化的部分，其位于所述半導體襯底上未被所述柵極覆蓋的區域。
8.根據權利要求7所述的半導體器件，其特征在于，其中所述氮化的高k介質層還存在于所述半導體襯底與所述側墻之間。
9.根據權利要求7或8所述的半導體器件，其特征在于，其中所述高k介質層的未氮化部分存在于所述半導體襯底與所述柵極之間。
10.根據權利要求7所述的半導體器件，其特征在于，所述半導體器件中氮化的高k介質層中的氮元素含量為氮原子百分比大于10%。
11.根據權利要求7或8所述的半導體器件，其特征在于，其中被所述柵極覆蓋的高k 介質層外圍被氮化的水平深度不超過3nm。
全文摘要
本發明提供一種半導體器件的制造方法，其特征在于，包括提供半導體襯底，其上依次形成有高k介質層和圖形化的柵極；將所述半導體襯底上未被所述柵極覆蓋的高k介質層氮化；在所述柵極周圍形成側墻。相應地，本發明還提供一種半導體器件。本發明將半導體襯底上未被其上的柵極或者側墻覆蓋的高k介質層氮化，在所述高k介質層表面形成氧擴散阻擋層，抑制了氧從水平方向擴散進入柵極下方的高k介質層中，使其不受擴散進入的氧的侵蝕，優化了半導體器件的工作性能。
文檔編號H01L29/78GK102347226SQ20101024055
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者尹海洲, 朱慧瓏, 駱志炯 申請人:中國科學院微電子研究所