CN106711034A - 半导体结构的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成界面层；在所述界面层表面形成高k介质层；进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层内掺杂优化离子，所述优化离子用于填补所述高k介质层内的缺陷。所形成的半导体结构性能改善。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构的形成方法。
背景技术
随着集成电路制造技术的快速发展，促使集成电路中的半导体器件，尤其是MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属-氧化物-半导体)器件的尺寸不断地缩小，以此满足集成电路发展的微型化和集成化的要求，而晶体管器件是MOS器件中的重要组成部分之一。
对于半导体器件来说，随着半导体器件的尺寸持续缩小，现有技术以氧化硅或氮氧化硅材料形成的栅介质层时，已无法满足半导体器件对于性能的要求。尤其是以氧化硅或氮氧化硅作为栅介质层所形成的晶体管容易产漏电流以及杂质扩散等一系列问题，从而影响晶体管的阈值电压，造成晶体管的可靠性和稳定性下降。
为解决以上问题，一种以高K栅介质层和金属栅构成的晶体管被提出，即高k金属栅(HKMG，High K Metal Gate)晶体管。所述高k金属栅晶体管采用高k(介电常数)介质材料代替常用的氧化硅或氮氧化硅作为栅介质材料，以金属材料或金属化合物材料替代传统的多晶硅栅极材料，形成金属栅。所述高k金属栅晶体管能够在缩小尺寸的情况下，能够减小漏电流，降低工作电压和功耗，以此提高晶体管的性能。
除此之外，所述高k介质材料还能够作为存储器件(例如DRAM器件)的栅极结构与衬底之间的栅介质层，或者作为电容器两极之间的介质层。
然而，随着高k介质材料的应用广泛，高k介质材料的缺点对半导体器件造成的不良影响也越发严重。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，所形成的半导体结构性能改善。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成界面层；在所述界面层表面形成高k介质层；进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层内掺杂优化离子，所述优化离子用于填补所述高k介质层内的缺陷。
可选的，所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。
可选的，所述高k介质层的材料为Hf基介质材料。
可选的，所述Hf基介质材料为HfO2。
可选的，所述界面层的材料为氧化硅；所述界面层的形成工艺为热氧化工艺。
可选的，在形成所述界面层之后，形成所述高k介质层之前，进行所述第一退火工艺。
可选的，在形成所述高k介质层之后，进行所述第一退火工艺。
可选的，所述第一退火工艺的气体包括NH2F。
可选的，所述第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM。
可选的，所述第一退火工艺的气体还包括H2。
可选的，所述第一退火工艺所述NH2F与H2的体积比为1:100～100:1。
可选的，还包括：在形成高k介质层之后，进行第二退火工艺；所述第二退火工艺的气体包括N2。
可选的，还包括：在形成所述界面层之前，在所述衬底表面形成伪栅极结构，所述伪栅极结构包括伪栅极层、以及位于伪栅极层侧壁表面的侧墙；在所述伪栅极结构两侧的衬底内形成源区和漏区；在形成所述源区和漏区之后，在所述衬底表面形成介质层，所述介质层暴露出所述伪栅极结构的顶部表面；去除所述伪栅极层，在所述介质层内形成暴露出衬底表面的开口；在所述开口暴露出的衬底表面形成界面层；在所述开口的侧壁表面和底部的界面层表面形成高k介质层。
可选的，还包括：在所述高k介质层表面形成伪栅极膜；刻蚀所述伪栅极膜、高k介质层和界面层，并暴露出部分衬底表面，在高k介质层表面形成伪栅极层；在所述伪栅极层、高k介质层和界面层的侧壁表面形成侧墙；在所述伪栅极层、高k介质层、界面层和侧墙两侧的衬底内形成源区和漏区；在形成所述源区和漏区之后，在所述衬底表面形成介质层，所述介质层暴露出所述伪栅极结构的顶部表面；去除所述伪栅极层，在所述介质层内形成暴露出高k介质层的开口。
可选的，在所述开口内的高k介质层表面形成填充满开口的栅极层。
可选的，所述栅极层的材料为金属和金属化合物中的一种或多种；所述金属包括铜、钨、铝、银、钛和钽；所述金属化合物包括氮化钛和氮化钽。
可选的，所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，所述隔离层覆盖所述鳍部的部分侧壁表面，且所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面。
可选的，所述界面层位于所述鳍部的侧壁和顶部表面。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的形成方法中，所述优化离子能够填补所述高k介质层内的缺陷，而所述缺陷容易在弛豫过程中产生更大的弛豫电流。一方面，所述高k介质层内的缺陷所构成的电子陷阱能够被优化离子所填补，从而能够使高k介质层中的缺陷能极自禁带中移出，使得电子在所述高k介质层中迁移时不易被电子陷阱俘获，从而能够使所述高k介质层在弛豫过程中所产生的弛豫电流减小。另一方面，所述高k介质层内的氧空位能够被所述优化离子所填补，从而避免了界面层内的氧离子因受氧空位的吸引而向所述高k介质层内迁移；所述高k介质层内的极化原子在弛豫过程中不易受到氧离子的干扰，能够有效地减小高k介质层内的弛豫电流。而且，所述优化离子不会降低高k介质层的介电常数。因此，所形成的半导体结构性能改善，由所述半导体结构形成的晶体管的正偏压温度不稳定、以及负偏压温度不稳定均得到抑制。
进一步，所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。在所述高k介质层内掺杂所述氮离子、氢离子和氟离子，不仅能够填补所述高k介质层内的缺陷，以减小高k介质层内的弛豫电流，还能够提高所述高k介质层的介电常数，有利于提高所形成的半导体结构的性能。
进一步，所述高k介质层的材料为Hf基介质材料。以所述Hf基介质材料构成的半导体结构内所产生的漏电流较小，则所形成的半导体结构的性能较佳。而且，通过在所述高k介质层内掺杂优化离子能够减小高k介质层内的弛豫电流。因此，所形成的半导体结构的性能改善。
附图说明
图1至图7是本发明一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图；
图8至图10是本发明另一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图；
图11至图12是本发明又一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所述，随着高k介质材料的应用广泛，高k介质材料的缺点对半导体器件造成的不良影响也越发严重。
经过研究发现，高k介质材料中的原子在交变电场作用下会发生极化，并通过弛豫过程恢复为电平衡状态，即弛豫(Dielectric Relaxation，简称DR)现象。在弛豫过程中，高k介质材料中的被极化的原子需要一定的弛豫时间以恢复为电平衡状态，而且在弛豫过程中，所述高k介质材料中会产生弛豫电流，从而造成能量损耗。具体的，高k介质材料内的极化强度具有一落后于交变电场的相位角，而弛豫现象造成的能量损耗与所述相位角的正切值呈正比，所述相位角的正切值即损耗因子。
在以高k介质材料构成的半导体器件中，电容器件由于其工作频率的变化范围较小，所述弛豫现象引起的能量损耗在交变电场所提供的能量中所占的比例较小，因此所述能量损耗的变化较小，则所述能量损耗在可控范围内。然而，对于DRAM存储器或MOS晶体管来说，其工作频率的变化范围较大，以DRAM存储器为例，其工作频率的范围在1GHz至1Hz之间；而工作频率的变化范围大，使得所述弛豫现象引起的能量损耗变化较大，则所述能量损耗难以进行调控，则所述弛豫现象的影响更为显著。
另一方面，除了弛豫现象引起的能量损耗，高k介质材料中的漏电流也容易引起半导体器件的能量损耗。在高k介质材料中，Hf基介质材料相较于其他高k介质材料具有较低的漏电流；然而，Hf基介质材料同时会产生较高的弛豫电流。因此，降低，Hf基介质材料中的弛豫电流能够极大的改善半导体器件中的能量损耗问题，提高以高k介质材料制造的半导体器件性能。
为了减小Hf基介质材料中的弛豫电流，能够在Hf基介质材料中掺杂镧(La)离子和氮离子，以此抑制Hf基介质材料的弛豫现象。然而，在Hf基介质材料中掺杂镧离子会使得Hf基介质材料的介电系数降低，容易使得所形成的半导体器件的性能变差。
为了解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成界面层；在所述界面层表面形成高k介质层；进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层内掺杂优化离子，所述优化离子用于填补所述高k介质层内的缺陷。
其中，所述优化离子能够填补所述高k介质层内的缺陷，而所述缺陷容易在弛豫过程中产生更大的弛豫电流。一方面，所述高k介质层内的缺陷所构成的电子陷阱能够被优化离子所填补，从而能够使高k介质层中的缺陷能极自禁带中移出，使得电子在所述高k介质层中迁移时不易被电子陷阱俘获，从而能够使所述高k介质层在弛豫过程中所产生的弛豫电流减小。另一方面，所述高k介质层内的氧空位能够被所述优化离子所填补，从而避免了界面层内的氧离子因受氧空位的吸引而向所述高k介质层内迁移；所述高k介质层内的极化原子在弛豫过程中不易受到氧离子的干扰，能够有效地减小高k介质层内的弛豫电流。而且，所述优化离子不会降低高k介质层的介电常数。因此，所形成的半导体结构性能改善，由所述半导体结构形成的晶体管的正偏压温度不稳定、以及负偏压温度不稳定均得到抑制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1至图7是本发明一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图1，提供衬底100；在所述衬底100表面形成伪栅极结构110，所述伪栅极结构110包括伪栅极层111、以及位于伪栅极层111侧壁表面的侧墙112。
在本实施例中，所述衬底100为平面基底。所述衬底100包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底(例如氮化硅或砷化镓等)。本实施例中，所述衬底100为硅衬底。
所述衬底100内具有隔离结构；所述隔离结构的材料为绝缘材料，例如氧化硅；所述隔离结构的表面高于或低于所述衬底100表面。
在另一实施例中，所述衬底用于形成鳍式场效应晶体管。所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，所述隔离层覆盖所述鳍部的部分侧壁表面，且所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面。所述伪栅极结构横跨所述鳍部，且所述伪栅极结构位于所述鳍部的部分侧壁和顶部表面。
所述基底和鳍部通过刻蚀平面半导体基底形成；或者，所述鳍部通过选择性外延沉积工艺形成于基底表面。所述隔离层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介质材料(介电系数大于或等于2.5，小于3.9)或超低k介质材料(介电系数小于2.5，小于3.9)。
在本实施例中，所形成的半导体结构用于构成高k金属栅(High k MetalGate，简称HKMG)晶体管，而所述高k金属栅晶体管采用后栅(Gate Last)工艺形成。因此，所述衬底100表面首先需要形成伪栅极结构110，所述伪栅极结构110用于为后续形成的高k介质层和栅极层占据空间位置。
所述伪栅极层111的材料为多晶硅。所述侧墙112用于定义后续形成的源区和漏区与伪栅极层111之间的距离；所述侧墙112的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
在本实施例中，所述伪栅极结构110还能够包括位于衬底100表面的伪栅介质层；所述伪栅极层111位于所述伪栅介质层表面。所述伪栅介质层的材料为氧化硅；所述栅氧层用于在后续去除伪栅极层111的过程中，保护衬底100表面。
请参考图2，在所述伪栅极结构110两侧的衬底100内形成源区和漏区113；在形成所述源区和漏区113之后，在所述衬底100表面形成介质层120，所述介质层120暴露出所述伪栅极结构110的顶部表面。
在本实施例中，所述源区和漏区113的形成步骤包括：在所述伪栅极结构110两侧的衬底100内形成应力层；在所述应力层内掺杂P型离子或N型离子，形成源区和漏区113。
当所形成的晶体管为PMOS晶体管时，所述应力层材料为SiGe，且所述应力层侧壁与衬底100表面呈“Σ”形，所述应力层侧壁具有顶角，而所述顶角向伪栅极结构110底部延伸。当所形成的晶体管为NMOS晶体管时，所述应力层材料为SiC，且所述第一区域201的应力层底部低于所述衬底100表面。
在应力层内掺杂P型离子或N型离子的工艺为原位掺杂工艺、离子注入工艺中的一种或两种组合。
在另一实施例中，所述源区和漏区通过离子注入工艺形成于伪栅极结构110两侧的衬底100内。
所述介质层120的形成步骤包括：在所述衬底100和伪栅极结构110表面形成介质膜；对所述介质膜进行平坦化，直至暴露出所述伪栅极结构110的顶部表面，形成所述介质层120。
所述介质层120的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介质材料或超低k介质材料。所述介质膜的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。在本实施例中，所述介质膜的形成工艺为流体化学气相沉积(Flowable Chemical Vapor Deposition，简称FCVD)工艺。所述平坦化工艺为化学机械抛光工艺。
请参考图3，去除所述伪栅极层111(如图2所示)，在所述介质层120内形成暴露出衬底100表面的开口121。
所述开口121用于形成高k介质层和栅极层。去除所述伪栅极层111的工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺；所述干法刻蚀工艺为各向同性的干法刻蚀工艺、各向异性的干法刻蚀工艺中的一种或两种组合进行。
在本实施例中，所述伪栅极层111和衬底100之间还具有伪栅介质层，在去除所述伪栅极层111之后，还包括去除所述伪栅介质层并暴露出开口121底部的衬底100表面。
在本实施例中，所述伪栅极层111的材料为多晶硅，去除所述伪栅极层111的工艺为湿法刻蚀工艺；所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液包括氢氟酸和双氧水的混合溶液、或者包括硫酸和双氧水的混合溶液。在另一实施例中，去除所述伪栅极层111的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀的刻蚀液包括Cl2、HBr中的一种或两种混合。
在本实施例中，所述伪栅介质层的材料为氧化硅，去除所述伪栅介质层的工艺为湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液为氢氟酸。
请参考图4，在所述开口121暴露出的衬底100表面形成界面层130。
所述界面层130用于增强后续形成的高k介质层与衬底100之间的结合强度，避免所述高k介质层与衬底100之间因发生晶格失配而产生漏电流。
在本实施例中，所述界面层130的材料为氧化硅；所述界面层130的形成工艺为氧化工艺；所述氧化工艺包括热氧化工艺或湿法氧化工艺。
在另一实施例中，所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，而所述开口暴露出部分鳍部的侧壁和顶部表面，则所述界面层位于所述开口暴露出的鳍部侧壁和顶部表面。
请参考图5，进行第一退火工艺。
在本实施例中，所述第一退火工艺在形成界面层130之后、形成后续的高k介质层之前进行。所述第一退火工艺能够向所述界面层130内掺杂优化离子；在后续形成高k介质层之后，通过第二退火工艺的驱动，能够使所述优化离子能够向所述高k介质层内扩散。所述优化离子扩散入所述高k介质层之后，能够填补所述高k介质层内的缺陷，例如电子陷阱或氧空位等；从而消除了影响极化原子弛豫的因素，由此减少弛豫电流，提高所形成的高k金属栅晶体管的性能和稳定性。
所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。所述氮离子、氢离子和氟离子不仅能够用于填补后续的高k介质层内的缺陷，以此减少高k介质层内的弛豫电流，还能够提高所述高k介质层的介电系数，进一步提高了所形成的高k金属栅晶体管的性能。
在本实施例中，所述第一退火工艺的气体包括NH2F；所述第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM。其中，所述NH2F气体包括同时氮离子、氢离子和氟离子，能够向所述界面层130内同时掺杂氮离子、氢离子和氟离子。
所述第一退火工艺除了在所述界面层130内掺杂氮离子、氢离子和氟离子之外，还能够用于激活所述源区和漏区113内的P型离子或N型离子。
在另一实施例中，所述第一退火工艺的气体还包括NH2F和H2的混合气体；是第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM，所述NH2F与H2的体积比为1:100～100:1。
请参考图6，在所述开口121的侧壁表面和底部的界面层130表面形成高k介质层131。
在本实施例中，所述高k介质层131用于形成高k金属栅晶体管的栅介质层。
所述高k介质层131的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。在本实施例中，所述高k介质层131的形成工艺为原子层沉积工艺，采用所述原子层沉积工艺形成的高k介质层131具有良好的阶梯覆盖能力，能够紧密覆盖于开口121的侧壁和底部表面，有利于减少所形成的晶体管内的漏电流。
所述高k介质层131的材料为Hf基介质材料；在本实施例中，所述高k介质层131的材料为HfO2。所述Hf基介质材料内的漏电流较低，因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层时，有利于提高所形成的晶体管的性能。然而，所述Hf基介质材料的弛豫电流较高，因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层对于改善晶体管性能的能力有限。
在本实施例中，所述界面层130内所掺杂的氮离子、氢离子或氟离子能够向所述高k介质层131内扩散，并能够填补所述高k介质层131内的缺陷，例如电子陷阱或氧空位，从而消除所述高k介质层131内妨碍极化原子弛豫的缺陷，减小弛豫时间，并以此减小弛豫电流。因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层时，即能够减小漏电流，又能够减小弛豫电流，使得所形成的晶体管性能提高。
请参考图7，在形成高k介质层131之后，进行第二退火工艺。
所述第二退火工艺用于驱动所述界面层130内掺杂的优化离子向所述高k介质层131内扩散，使得所述优化离子能够填补所述高k介质层131内的缺陷，以此抑制所述高k介质层131内的弛豫电流。
在本实施例中，所述第二退火工艺的气体包括N2。所述第二退火工艺除了驱动优化离子扩散入高k介质层131之外，还能够进一步激活所述源区和漏区113内的P型离子或N型离子；此外，所述第二退火工艺还能够进一步排出所述高k介质层131内的缺陷，以减小弛豫电流。
一方面，所述优化离子能够填补所述高k介质层131内的电子陷阱，使得高k介质层131的缺陷能级从禁带中移除，从而减少了极化原子在弛豫过程，电子不会被电子陷阱俘获，则所述极化原子在弛豫过程中受到的干扰减小，能够减小弛豫时间，并减小弛豫电流。
另一方面，所述优化离子能够消除所述高k介质层131内氧空位，则所述高k介质层131不会自所述界面层拉取氧离子。而所述高k介质层131内的氧离子含量越高，弛豫电流越大。因此，在所述高k介质层131内掺杂中所述优化离子能够减小弛豫电流减小。并且，所述优化离子还能够优化所述界面层130和所述高k介质层131之间的接触界面，减少所述接触界面处的缺陷，从而能够减少所述界面层130和高k介质层131的漏电流。
在本实施例中，所述优化离子为氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种，在所述高k介质层131内掺杂所述优化离子还能够提高所述高k介质层131的介电系数(k)，从而提高所形成的半导体结构的漏电流减少、工作性能提高。
在本实施例中，在所述第二退火工艺之后，还包括：后续在所述开口内的高k介质层131表面形成填充满开口121的栅极层；采用化学机械抛光工艺对所述栅极层和高k介质层131进行平坦化，直至暴露出所述介质层120表面为止，在所述开口121内形成栅介质层和栅极层。
其中，所述栅极层的材料为金属和金属化合物中的一种或多种；所述金属包括铜、钨、铝、银、钛和钽；所述金属化合物包括氮化钛和氮化钽；所述栅极层的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺、电镀工艺和化学镀工艺中的一种或多种。
在本实施例中，所形成的半导体结构为高k金属栅晶体管，所述高k介质层131作为所形成的晶体管的栅介质层，而所形成的晶体管内漏电流和弛豫电流减小，而且，所述晶体管的正偏压纬度不稳定性(PBTI)或负偏压温度不稳定性(NBTI)得到改善。因此，所形成的晶体管性能改善、可靠性提高。
在其它实施例中，所形成的半导体结构还能够用于形成随机存储器(RAM)、电容器或闪存存储器；所述随机存储器能够为动态随机存储器(DRAM)；所述高k介质层能够作为随机存储器或闪存存储器的栅介质层，或者作为电容器的电极间介质层。由于所述高k介质层内掺杂由优化离子，使得所述高k介质层内的弛豫电流减小，因此，也能够使所形成的随机存储器、电容器或闪存存储器的性能改善。
综上，本实施例中，所述第一退火工艺在形成界面层之后、形成高k介质层之前进行。所述优化离子能够填补所述高k介质层内的缺陷，而所述缺陷容易在弛豫过程中产生更大的弛豫电流。一方面，所述高k介质层内的缺陷所构成的电子陷阱能够被优化离子所填补，从而能够使高k介质层中的缺陷能极自禁带中移出，使得电子在所述高k介质层中迁移时不易被电子陷阱俘获，从而能够使所述高k介质层在弛豫过程中所产生的弛豫电流减小。另一方面，所述高k介质层内的氧空位能够被所述优化离子所填补，从而避免了界面层内的氧离子因受氧空位的吸引而向所述高k介质层内迁移；所述高k介质层内的极化原子在弛豫过程中不易受到氧离子的干扰，能够有效地减小高k介质层内的弛豫电流。而且，所述优化离子不会降低高k介质层的介电常数。因此，所形成的半导体结构性能改善，由所述半导体结构形成的晶体管的正偏压温度不稳定、以及负偏压温度不稳定均得到抑制。
图8至图10是本发明另一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
在图4的基础上，请继续参考图8，在所述开口121暴露出的衬底100表面形成界面层230。
所述界面层230的材料为氧化硅；所述界面层230的形成工艺为氧化工艺；所述氧化工艺包括热氧化工艺或湿法氧化工艺。本实施例中，采用热氧化工艺形成所述界面层230。
在另一实施例中，所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，而所述开口暴露出部分鳍部的侧壁和顶部表面，则所述界面层位于所述开口暴露出的鳍部侧壁和顶部表面。
请参考图9，在所述开口121的侧壁表面和底部的界面层230表面形成高k介质层231。
在本实施例中，所述高k介质层231用于形成高k金属栅晶体管的栅介质层。
所述高k介质层231的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。在本实施例中，所述高k介质层231的形成工艺为原子层沉积工艺。
所述高k介质层231的材料为Hf基介质材料；在本实施例中，所述高k介质层231的材料为HfO2。所述Hf基介质材料内的漏电流较低，因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层时，有利于提高所形成的晶体管的性能。
然而，所述Hf基介质材料的弛豫电流较高，因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层对于改善晶体管性能的能力有限。为了减少高k介质层231内的弛豫电流，后续需要通过第一退火工艺在所述高k介质层231内掺杂优化离子，用于填补所述高k介质层231内的缺陷，以此减小弛豫电流。
在本实施例中，在形成所述高k介质层231之后，直接进行第一退火工艺。
在一实施例中，在形成所述高k介质层之后，进行后续的第一退火工艺之前，还包括进行第二退火工艺。所述第二退火工艺的气体包括N2，所述第二退火工艺用于激活源区和漏区内的P型离子或N型离子，还能够减少所述高k介质层内的缺陷，减少漏电流和弛豫电流。
请参考图10，进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层231内掺杂优化离子，所述优化离子用于填补所述高k介质层231内的缺陷。
所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。所述氮离子、氢离子和氟离子不仅能够用于填补所述高k介质层231内的缺陷，以此减少高k介质层231内的弛豫电流，还能够提高所述高k介质层231的介电系数，进一步提高了所形成的高k金属栅晶体管的性能。
在本实施例中，所述第一退火工艺的气体包括NH2F；所述第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM。其中，所述NH2F气体包括同时氮离子、氢离子和氟离子，能够向所述高k介质层231内同时掺杂氮离子、氢离子和氟离子。
所述第一退火工艺除了在所述高k介质层231内掺杂氮离子、氢离子和氟离子之外，还能够用于激活所述源区和漏区113内的P型离子或N型离子。
一方面，所述优化离子能够填补所述高k介质层231内的电子陷阱，使得高k介质层231的缺陷能级从禁带中移除，从而减少了极化原子在弛豫过程，电子不会被电子陷阱俘获，则所述极化原子在弛豫过程中受到的干扰减小，能够减小弛豫时间，并减小弛豫电流。
另一方面，所述优化离子能够消除所述高k介质层231内氧空位，则所述高k介质层231不会自所述界面层230拉取氧离子。而所述高k介质层231内的氧离子含量越高，弛豫电流越大。因此，在所述高k介质层231内掺杂中所述优化离子能够减小弛豫电流减小。
在另一实施例中，所述第一退火工艺的气体还包括NH2F和H2的混合气体；是第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM，所述NH2F与H2的体积比为1:100～100:1。
在本实施例中，在所述第一退火工艺之后，还包括：后续在所述开口121内的高k介质层231表面形成填充满开口121的栅极层；采用化学机械抛光工艺对所述栅极层和高k介质层231进行平坦化，直至暴露出所述介质层120表面为止，在所述开口121内形成栅介质层和栅极层。其中，所述栅极层的材料为金属和金属化合物中的一种或多种；所述金属包括铜、钨、铝、银、钛和钽。
在其它实施例中，所形成的半导体结构还能够用于形成随机存储器(RAM)、电容器或闪存存储器；所述高k介质层能够作为随机存储器或闪存存储器的栅介质层，或者作为电容器的电极间介质层；所述随机存储器能够为动态随机存储器(DRAM)。
综上，本实施例中，在界面层表面形成高k介质层之后，再进行第一退火工艺，用于向所述高k介质层内掺杂优化离子。所述优化离子用于填补所述高k介质层内的缺陷，以减小所述高k介质层内的弛豫电流。由于所述第一退火工艺直接对所述高k介质层进行掺杂，使得所述优化离子能够充分填补所述高k介质层内的缺陷，能够更有效地减小弛豫电流。
图11至图12是本发明又一实施例的半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图11，提供衬底300；在所述衬底300表面形成界面层301；在所述界面层301表面形成高k介质层302。
在本实施例中，所述衬底300为平面基底。所述衬底300包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底(例如氮化硅或砷化镓等)。本实施例中，所述衬底300为硅衬底。所述衬底300内具有隔离结构；所述隔离结构的材料为绝缘材料，例如氧化硅；所述隔离结构的表面高于或低于所述衬底300表面。
在另一实施例中，所述衬底用于形成鳍式场效应晶体管。所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，所述隔离层覆盖所述鳍部的部分侧壁表面，且所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面。所述伪栅极结构横跨所述鳍部，且所述伪栅极结构位于所述鳍部的部分侧壁和顶部表面。
所述基底和鳍部通过刻蚀平面半导体基底形成；或者，所述鳍部通过选择性外延沉积工艺形成于基底表面。所述隔离层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k介质材料(介电系数大于或等于2.5，小于3.9)或超低k介质材料(介电系数小于2.5，小于3.9)。
在本实施例中，所形成的半导体结构用于构成高k金属栅(High k MetalGate，简称HKMG)晶体管，而所述高k金属栅晶体管采用后栅(Gate Last)工艺形成。因此，所述衬底300表面首先需要形成伪栅极层，所述伪栅极层用于为后续形成的金属材料的栅极层占据空间位置。
在本实施例的高k金属栅晶体管的形成工艺为高k在前工艺(high-kfirst)，在形成所述伪栅极层之前，在衬底300表面形成界面层301和高k介质层302，而所述高k介质层302用于作为所形成的晶体管的栅介质层，后续去除伪栅极层之后，在所述高k介质层302表面形成栅极层。
在其它实施例中，所述半导体结构还能够用于形成随机存储器(RAM)、电容器或闪存存储器；所述随机存储器能够为动态随机存储器(DRAM)；所述高k介质层能够作为随机存储器或闪存存储器的栅介质层，或者作为电容器的电极间介质层。
所述界面层301用于增强所述高k介质层302与衬底300之间的结合强度，避免所述高k介质层302与衬底300之间因发生晶格失配而产生漏电流。
在本实施例中，所述界面层301的材料为氧化硅；所述界面层301的形成工艺为氧化工艺；所述氧化工艺包括热氧化工艺或湿法氧化工艺。
在另一实施例中，所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，而所述开口暴露出部分鳍部的侧壁和顶部表面，则所述界面层位于所述开口暴露出的鳍部侧壁和顶部表面。
在本实施例中，所述高k介质层302用于形成高k金属栅晶体管的栅介质层。
所述高k介质层302的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。在本实施例中，所述高k介质层302的形成工艺为原子层沉积工艺。
所述高k介质层302的材料为Hf基介质材料；在本实施例中，所述高k介质层302的材料为HfO2。所述Hf基介质材料内的漏电流较低，因此，以所述Hf基介质材料作为栅介质层时，有利于提高所形成的晶体管的性能。然而，所述Hf基介质材料的弛豫电流较高，因此，后续在所述高k介质层302内所掺杂优化离子，用于填补所述高k介质层302内的缺陷，以此减小弛豫电流。
在本实施例中，在形成所述高k介质层302之后，直接进行第一退火工艺。
在另一实施例中，在形成所述高k介质层之后，进行后续的第一退火工艺之前，还包括进行第二退火工艺。所述第二退火工艺的气体包括N2，所述第二退火工艺用于激活源区和漏区内的P型离子或N型离子，还能够减少所述高k介质层内的缺陷，减少漏电流和弛豫电流。
请参考图12，进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层302内掺杂优化离子。所述优化离子用于填补所述高k介质层302内的缺陷。
所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。所述氮离子、氢离子和氟离子不仅能够用于填补所述高k介质层302内的缺陷，以此减少高k介质层302内的弛豫电流，还能够提高所述高k介质层302的介电系数，进一步提高了所形成的高k金属栅晶体管的性能。
在本实施例中，所述第一退火工艺的气体包括NH2F；所述第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM。其中，所述NH2F气体包括同时氮离子、氢离子和氟离子，能够向所述高k介质层302内同时掺杂氮离子、氢离子和氟离子。
所述第一退火工艺除了在所述高k介质层302内掺杂氮离子、氢离子和氟离子之外，还能够用于激活所述源区和漏区113内的P型离子或N型离子。
一方面，所述优化离子能够填补所述高k介质层302内的电子陷阱，使得高k介质层302的缺陷能级从禁带中移除，从而减少了极化原子在弛豫过程，电子不会被电子陷阱俘获，则所述极化原子在弛豫过程中受到的干扰减小，能够减小弛豫时间，并减小弛豫电流。
另一方面，所述优化离子能够消除所述高k介质层302内氧空位，则所述高k介质层302不会自所述界面层301拉取氧离子。而所述高k介质层302内的氧离子含量越高，弛豫电流越大。因此，在所述高k介质层302内掺杂中所述优化离子能够减小弛豫电流减小。
在另一实施例中，所述第一退火工艺的气体还包括NH2F和H2的混合气体；是第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM，所述NH2F与H2的体积比为1:100～100:1。
在本实施例中，在所述第一退火工艺之后，还包括：在所述高k介质层302表面形成伪栅极膜；刻蚀所述伪栅极膜、高k介质层302和界面层301，并暴露出部分衬底300表面，在高k介质层302表面形成伪栅极层；在所述伪栅极层、高k介质层302和界面层301的侧壁表面形成侧墙；在所述伪栅极层、高k介质层302、界面层301和侧墙两侧的衬底300内形成源区和漏区；在形成所述源区和漏区之后，在所述衬底300表面形成介质层，所述介质层暴露出所述伪栅极结构的顶部表面；去除所述伪栅极层，在所述介质层内形成暴露出高k介质层302的开口；在所述开口内的高k介质层302表面形成填充满开口的栅极层。其中，所述栅极层的材料为金属和金属化合物中的一种或多种；所述金属包括铜、钨、铝、银、钛和钽。
在其它实施例中，所述第一退火工艺还能够在形成界面层301之后、形成所述高k介质层302之前进行；在进行所述第一退火工艺、并形成所述高k介质层302之后，进行第二退火工艺，驱动所述界面层301内掺杂的优化离子向所述高k介质层302内扩散，以填补所述高k介质层302内的缺陷，减小弛豫电流。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面形成界面层；
在所述界面层表面形成高k介质层；
进行第一退火工艺，所述第一退火工艺用于在所述高k介质层内掺杂优化离子，所述优化离子用于填补所述高k介质层内的缺陷。
2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述优化离子包括氮离子、氢离子和氟离子中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述高k介质层的材料为Hf基介质材料。
4.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述Hf基介质材料为HfO2。
5.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述界面层的材料为氧化硅；所述界面层的形成工艺为热氧化工艺。
6.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成所述界面层之后，形成所述高k介质层之前，进行所述第一退火工艺。
7.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成所述高k介质层之后，进行所述第一退火工艺。
8.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一退火工艺的气体包括NH2F。
9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一退火工艺的参数包括：退火温度为850℃～1050℃，气压为1Torr～1ATM。
10.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一退火工艺的气体还包括H2。
11.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一退火工艺所述NH2F与H2的体积比为1:100～100:1。
12.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：在形成高k介质层之后，进行第二退火工艺；所述第二退火工艺的气体包括N2。
13.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：在形成所述界面层之前，在所述衬底表面形成伪栅极结构，所述伪栅极结构包括伪栅极层、以及位于伪栅极层侧壁表面的侧墙；在所述伪栅极结构两侧的衬底内形成源区和漏区；在形成所述源区和漏区之后，在所述衬底表面形成介质层，所述介质层暴露出所述伪栅极结构的顶部表面；去除所述伪栅极层，在所述介质层内形成暴露出衬底表面的开口；在所述开口暴露出的衬底表面形成界面层；在所述开口的侧壁表面和底部的界面层表面形成高k介质层。
14.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：在所述高k介质层表面形成伪栅极膜；刻蚀所述伪栅极膜、高k介质层和界面层，并暴露出部分衬底表面，在高k介质层表面形成伪栅极层；在所述伪栅极层、高k介质层和界面层的侧壁表面形成侧墙；在所述伪栅极层、高k介质层、界面层和侧墙两侧的衬底内形成源区和漏区；在形成所述源区和漏区之后，在所述衬底表面形成介质层，所述介质层暴露出所述伪栅极结构的顶部表面；去除所述伪栅极层，在所述介质层内形成暴露出高k介质层的开口。
15.如权利要求13或14所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述开口内的高k介质层表面形成填充满开口的栅极层。
16.如权利要求15所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述栅极层的材料为金属和金属化合物中的一种或多种；所述金属包括铜、钨、铝、银、钛和钽；所述金属化合物包括氮化钛和氮化钽。
17.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述衬底包括：基底、位于基底表面的鳍部、以及位于基底表面的隔离层，所述隔离层覆盖所述鳍部的部分侧壁表面，且所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面。
18.如权利要求17所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述界面层位于所述鳍部的侧壁和顶部表面。
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