專利名稱：半導體結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路制造技術領域，特別涉及一種半導體結構及其制造方法。
背景技術：
在現有的CMOS工藝中，為了提高器件的性能，通常使用高k(介電常數)柵介質材料替代氧化硅材料作為CMOS器件柵介質。高k柵介質材料具有比氧化硅更高的介電常數， 可以在不減小物理厚度的情況下提高柵電容的大小，從而在不增加漏電的情況下，減小等效氧化層厚度(Equivalent Oxide Thickness，EOT)，提高器件性能。器件尺寸的進一步縮小，要求EOT隨之減薄，2009年的ITRS要求2016年，EOT減小到0. 5nm。但是，高k材料與硅襯底之間在后續(xù)熱退火工藝過程中會產生厚度為Inm的硅氧化物界面層，因其介電常數較低，從而阻止了 EOT的進一步減小，妨礙了器件性能的進一步提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。為達到上述目的，本發(fā)明一方面提出一種半導體結構，包括襯底；位于所述襯底之上的柵介質層，且在所述襯底和所述柵介質層之間形成有界面層；位于所述柵介質層之上的金屬柵電極層；以及至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的疊層材料中原子與氧的結合能力。在本發(fā)明的一個實施例中，其中，所述吸氧層位于所述柵介質層和所述金屬柵電極層之間，或者，所述吸氧層位于所述柵介質層和所述界面層之間，或者，所述柵介質層包括第一柵介質層和第二柵介質層，所述吸氧層位于所述第一柵介質層和所述第二柵介質層之間。在本發(fā)明的一個實施例中，所述吸氧層的厚度為使得所述界面層中的氧被完全地或部分地吸附。在本發(fā)明的一個實施例中，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種。在本發(fā)明的一個實施例中，所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。本發(fā)明實施例另一方面還提出了一種半導體結構的制造方法，包括以下步驟設置襯底；在所述襯底上形成柵介質層，且在所述襯底和所述柵介質層之間形成有界面層； 在所述柵介質層上形成至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述柵介質層和界面層中原子與氧的結合能力；以及在所述吸氧層上形成金屬柵電極層。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種， 且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。本發(fā)明實施例再一方面還提出了一種半導體結構的制造方法，包括以下步驟設置襯底；在所述襯底上形成至少一層吸氧層，且在所述至少一層吸氧層與所述襯底之間形成有界面層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述界面層中原子與氧的結合能力；在所述吸氧層上形成柵介質層；以及在所述柵介質層上形成金屬柵電極層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種， 且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。本發(fā)明實施例再一方面還提出了一種半導體結構的制造方法，包括以下步驟設置襯底；在所述襯底上形成第一柵介質層，且在所述第一柵介質層和所述襯底之間形成有界面層；在所述第一柵介質層上形成至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述界面層和所述第一柵介質層中原子與氧的結合能力； 在所述吸氧層上形成第二柵介質層；以及在所述第二柵介質層上形成金屬柵電極層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種， 且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。本發(fā)明通過增加至少一層吸氧層，使得界面層中的氧被吸附，具有較低k值的界面層厚度減小，從而降低EOT(等效氧化物厚度)，提高器件的性能。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1為本發(fā)明一個實施例的半導體結構的示意圖；圖2為本發(fā)明另一個實施例的半導體結構的示意圖；圖3為本發(fā)明又一個實施例的半導體結構的示意圖；圖4為吸氧層在半導體結構橫向方向上靠近源端或漏端的部位的示意圖；圖5為吸氧層在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位的示意圖；以及圖6為吸氧層在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位的示意圖；圖7為吸氧層在半導體結構橫向方向上的中間部位的示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。實施例1如圖1所示為本發(fā)明一個實施例的半導體結構的示意圖，該半導體結構從襯底1 起向上依次包括界面層10、柵介質層20、吸氧層31和金屬柵電極層40。其中，吸氧層31 中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層31下方的柵介質層20和界面層10中原子與氧的結合能力。在本實施例中，吸氧層31的厚度設置為使得能夠將界面層10中的氧部分地吸附， 或者將界面層10中的氧完全地吸附，具體吸附量的多少需要根據工藝條件進行設定和調離
iF. ο吸氧層31的材料包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種。其中，金屬和/或金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于界面層10的介電常數。例如，Al、Er、Y或者AlN等。應理解，不同材料的吸氧能力不同，功函數不同，制成的器件的性能也不同。為實現上述實施例1，本發(fā)明還提出一種制造半導體結構的方法，包括以下步驟 首先設置襯底，然后在襯底上形成柵介質層，其中，在柵介質層和襯底之間形成有界面層。 之后，在柵介質層上形成吸氧層，最后在吸氧層上形成金屬柵電極層。其中，吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層下方的柵介質層和界面層中原子與氧的結合能力。其中， 作為本發(fā)明的一個實施例，柵介質層或金屬柵電極層的實現可以是原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等常規(guī)的技術，吸氧層的實現可以采用與柵介質層或金屬柵電極層類似的技術實現，也可以采用離子注入的方法。通過設置離子注入掩蔽層、斜角注入、光刻等方式，可以實現吸氧層的橫向位置和厚度的精確控制，從而可以根據器件結構需要對吸氧層的厚度或位置進行調整。此處為了簡單起見，不再贅述。需要注意的是，吸氧層的厚度需設置為使得金屬柵電極層能夠將界面層中的氧部分地吸附，或者將界面層中的氧完全地吸附完。此外，吸氧層包含的金屬和/或金屬氮化物吸氧后形成的對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數應大于界面層的介電常數。實施例2
如圖2所示為本發(fā)明另一個實施例的半導體結構的示意圖，該半導體結構從襯底 1起向上依次包括界面層10、吸氧層32、柵介質層20和金屬柵電極層40。本實施例中吸氧層32的設置與實施例1類似，此處為了簡單起見，不再贅述，不同的是，在本實施例中，吸氧層32形成在界面層10之上，且吸氧層32中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層32下方的界面層10中原子與氧的結合能力。為實現實施例2，本發(fā)明還提出另一種制造半導體結構的方法，包括以下步驟首先設置襯底，然后在襯底上形成至少一層吸氧層，且在至少一層吸氧層與襯底之間形成有界面層，其中吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層下方的界面層中原子與氧的結合能力。接著，在吸氧層上形成柵介質層，并在柵介質層上形成金屬柵電極層。需要注意的是，吸氧層包含的金屬和/或金屬氮化物吸氧后形成的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數應大于界面層10的介電常數。其中，作為本發(fā)明的一個實施例，柵介質層或金屬柵電極層的實現可以是原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等常規(guī)的技術，吸氧層的實現可以采用與柵介質層或金屬柵電極層類似的技術實現，也可以采用離子注入的方法。通過設置離子注入掩蔽層、斜角注入、光刻等方式，可以實現吸氧層的橫向位置和厚度的精確控制，從而可以根據器件結構需要對吸氧層的厚度或位置進行調整。此處為了簡單起見，不再贅述。實施例3如圖3所示為本發(fā)明又一個實施例的半導體結構的示意圖，該半導體結構從襯底 1起向上依次包括界面層10、第一柵介質層21、吸氧層33、第二柵介質層22和金屬柵電極
層40。本實施例中吸氧層30的設置與實施例1和實施例2類似，此處為了簡單起見，不再贅述，不同的是，在本實施例中，吸氧層33形成在第一柵介質層21和第二柵介質層22之間，且吸氧層33中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層33下方的界面層10和第一柵介質層21中原子與氧的結合能力，即吸氧層33需要具有比第一柵介質層21和界面層10更強的與氧結合能力。為實現實施例3，本發(fā)明還提供又一種制造半導體結構的方法，包括以下步驟首先設置襯底，然后在襯底上形成第一柵介質層，且在第一柵介質層和襯底之間形成有界面層。接著，在第一柵介質層上形成至少一層吸氧層，其中吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于吸氧層下方的所述界面層和所述第一柵介質層中原子與氧的結合能力。之后，在吸氧層上形成第二柵介質層，并在第二柵介質層上形成金屬柵電極層。需要注意的是，吸氧層包含的金屬和/或金屬氮化物吸氧后形成的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數應大于界面層10的介電常數。其中，作為本發(fā)明的一個實施例，柵介質層或金屬柵電極層的實現可以是原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等常規(guī)的技術，吸氧層的實現可以采用與柵介質層或金屬柵電極層類似的技術實現，也可以采用離子注入的方法。通過設置離子注入掩蔽層、斜角注入、光刻等方式，可以實現吸氧層的橫向位置和厚度的精確控制，從而可以根據器件結構需要對吸氧層的厚度或位置進行調整。此處為了簡單起見，不再贅述。上面描述了吸氧層在半導體結構縱向方向上的位置不同的各個示例，在本發(fā)明的其他實施例中，吸氧層在半導體結構橫向方向上的位置也可不同。
下面以吸氧層位于第一柵介質層21和第二柵介質層22之間的實施例3為例，說明吸氧層在半導體結構橫向方向上的位置變化。應理解，對于實施例1和實施例2，情況類似，此處不再贅述。如圖4所示為吸氧層33在半導體結構的橫向方向上靠近源端或漏端部位的示意圖，如圖4所示，在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位設置有吸氧層。當然在本發(fā)明的其他實施例中，也可僅在橫向方向上靠近漏端的部位設置吸氧層，或者也可在源端和中間部位設置吸氧層，而在漏端不設置吸氧層，如圖5所示。如圖6所示，在半導體結構的橫向方向上靠近源端和漏端的部位均設置有吸氧層。如圖7所示為吸氧層在半導體結構橫向方向上的中間部位的示意圖，在半導體結構的源端和漏端的部位不存在吸氧層33，僅在中間部位設置。上述實施例僅為示意性的實施例，應理解，可在半導體結構中設置一層或多層吸氧層，從而保證界面層中的氧被更充分地吸附。本發(fā)明通過增加至少一層吸氧層，使得界面層中的氧被吸附，從而達到減小等效氧化層厚度(EOT)，提高器件性能的目的。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種半導體結構，其特征在于，包括 襯底；位于所述襯底之上的柵介質層，且在所述襯底和所述柵介質層之間形成有界面層； 位于所述柵介質層之上的金屬柵電極層；以及至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的疊層材料中原子與氧的結合能力。
2.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，其中， 所述吸氧層位于所述柵介質層和所述金屬柵電極層之間， 或者，所述吸氧層位于所述柵介質層和所述界面層之間，或者，所述柵介質層包括第一柵介質層和第二柵介質層，所述吸氧層位于所述第一柵介質層和所述第二柵介質層之間。
3.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述吸氧層的厚度為使得所述界面層中的氧被完全地或部分地吸附。
4.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種。
5.根據權利要求4所述的半導體結構，其特征在于，所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。
6.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于，其中， 所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。
7.一種半導體結構的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 設置襯底；在所述襯底上形成柵介質層，且在所述襯底和所述柵介質層之間形成有界面層； 在所述柵介質層上形成至少一層吸氧層，其中，所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述柵介質層和界面層中原子與氧的結合能力；以及在所述吸氧層上形成金屬柵電極層。
8.根據權利要求7所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種，且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和 /或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。
9.根據權利要求7所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，其中， 所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。
10.一種半導體結構的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 設置襯底；在所述襯底上形成至少一層吸氧層，且在所述至少一層吸氧層與所述襯底之間形成有界面層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述界面層中原子與氧的結合能力；在所述吸氧層上形成柵介質層；以及在所述柵介質層上形成金屬柵電極層。
11.根據權利要求10所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種，且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。
12.根據權利要求10所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，其中， 所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。
13.一種半導體結構的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 設置襯底；在所述襯底上形成第一柵介質層，且在所述第一柵介質層和所述襯底之間形成有界面層；在所述第一柵介質層上形成至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的所述界面層和所述第一柵介質層中原子與氧的結合能力； 在所述吸氧層上形成第二柵介質層；以及在所述第二柵介質層上形成金屬柵電極層。
14.根據權利要求13所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，所述吸氧層包括金屬和金屬氮化物中的一種或幾種，且所述金屬和/或所述金屬氮化物相對應的金屬氧化物和/或金屬氮氧化物的介電常數大于所述界面層的介電常數。
15.根據權利要求13所述的半導體結構的制造方法，其特征在于，其中， 所述吸氧層形成在半導體結構的橫向方向上靠近源端的部位；或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端的部位和中間部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上靠近源端和漏端的部位； 或者，所述吸氧層形成在半導體結構橫向方向上的中間部位。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導體結構及其制造方法。其中，該半導體結構包括位于襯底之上的界面層；位于所述界面層之上的柵介質層；位于所述柵介質層之上的金屬柵電極層；以及至少一層吸氧層，其中所述吸氧層中金屬原子與氧的結合能力高于所述吸氧層下方的疊層材料中原子與氧的結合能力。本發(fā)明通過增加至少一層吸氧層，使得界面層中的氧被吸附，從而達到減小等效氧化層厚度(EOT)，提高器件性能的目的。
文檔編號H01L21/8238GK102201436SQ20111012655
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權日2011年5月16日
發(fā)明者梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙梅 申請人:清華大學