半导体装置及其形成方法与流程

本发明涉及一种集成电路装置及其制造方法，且特别涉及一种具有气氛调节层的半导体装置及其制造方法。

背景技术：

在半导体晶圆上执行各种热处理以达成与介面及半导体晶圆的有效反应，同时形成半导体装置。随着半导体装置尺寸按比例缩小，处理及制造半导体装置的复杂性已由于受限的热预算要求而增大，该热预算要求与热处理的处理时间及温度有关。根据半导体装置的可靠性的观点来看，使用高温的热处理为有利的。然而，由于受限的热预算，此种热处理必须在短时间之内执行，从而可导致不良的半导体装置效能。因此，必须不断改良半导体装置形成方法以便获得更加令人满意的半导体装置。

技术实现要素：

根据本发明揭示内容的一些实施例，一种半导体装置形成方法包括：接收包括通道的半导体基板。气氛调节层形成于通道之上。执行退火工艺以形成位于通道与气氛调节层之间的介面层。

根据本发明揭示内容的其他实施例，一种半导体装置包括：半导体基板，其包括通道；介面层；以及气氛调节层。介面层位于通道之上。气氛调节层位于介面层之上。

根据本揭示内容的另一实施例，一种半导体装置包括半导体基板、鳍片结构、介面层及含氮层。鳍片结构位于半导体基板之上。介面层位于鳍片结构之上。含氮层位于介面层之上。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

当结合随附图式阅读时，根据以下详细描述来最佳地理解本揭示案的态样。应注意，根据行业的标准实践，各种特征并非按比例绘制。实际上，为了论述清楚，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1A至1C为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图2A至2C为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图3A至3D为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图4A至4D为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图5A至5D为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图6A至6D为根据一些实施例的形成半导体装置的各种阶段的横剖面图；

图7A至7D为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图；

图8A至8D为根据一些实施例的半导体装置的各种形成阶段的横剖面图。

其中，附图标记

100 半导体装置

110 半导体基板

112 通道

120 隔离结构

130 气氛调节层

140 介面层

150 栅极介电层

160 栅极电极

200 半导体装置

210 半导体基板

212 通道

220 隔离结构

230 初始层

240 气氛调节层

250 介面层

260 栅极介电层

270 栅极电极

300 半导体装置

310 半导体基板

312 通道

320 隔离结构

330 气氛调节层

340 栅极介电层

350 介面层

360 栅极电极

400 半导体装置

410 半导体基板

412 通道

420 隔离结构

430 初始层

440 气氛调节层

450 栅极介电层

460 介面层

470 栅极电极

500 半导体装置

510 半导体基板

512 通道

520 隔离结构

530 气氛调节层

542 第一栅极介电层

544 第二栅极介电层

550 介面层

560 栅极电极

600 半导体装置

610 半导体基板

612 通道

620 隔离结构

630 初始层

640 气氛调节层

652 第一栅极介电层

654 第二栅极介电层

660 介面层

670 栅极电极

700 半导体装置

710 半导体装置

712 通道

720 隔离结构

730 气氛调节层

742 第一栅极介电层

744 第二栅极介电层

750 介面层

760 栅极电极

800 半导体装置

810 半导体基板

812 通道

820 隔离结构

830 初始层

840 初始层

852 第一栅极介电层

854 第二栅极介电层

860 介面层

870 栅极电极

具体实施方式

以下揭示内容提供用于实行所提供的主题的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述部件及布置的特定实例来简化本揭示内容。当然，此等特定实例仅仅为实例且不旨在进行限制。例如，如下所述第一特征形成于第二特征上方或之上可包括其中第一特征及第二特征形成为直接接触的实施例，并亦可包括其中额外的特征可形成于第一特征与第二特征之间以使得第一特征及第二特征可能不为直接接触的实施例。此外，本揭示内容可在各种实例中重复参考数字及/或字母。此重复出于简单及清晰性的目的，且自身不规定所论述各种实施例及/或组态之间的关系。

此外，在本文中可使用空间相对用词，诸如「下方」、「下面」、「下部」、「上方」、「上部」、「顶部」、「底部」及类似用词，用于使描述如在图示中所例示的一个元件或特征与其他一或多个元件或一或多个特征的关系的描述容易。除在图示中描绘的取向以外，空间相对用词旨在涵盖在使用或操作中的装置的不同取向。该设备可另外取向(旋转90度或位于其他取向)，且本文中使用的空间相对描述符可同样地相应地加以解释。

如上所述，因为半导体装置尺寸进一步按比例缩小，所以形成半导体装置变得更加具有挑战性。例如，后高k值(high-k；HK)退火的优化对栅极堆叠效能而言必不可少，该栅极堆叠效能诸如栅极渗漏、等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness；EOT)或电容等效厚度(capacitance equivalent thickness；CET)、移动率及驱动电流。此外，可靠性亦受后-HK退火的强烈影响。一般而言，虑及可靠性，退火工艺通常需要高温。然而，退火持续时间必须控制在短周期内以防止厚CET。这将导致半导体装置的不良均匀性及/或应变松驰。因此，需要不断对半导体装置形成方法进行改良。

为了解决上述问题，本发明揭示内容提供半导体装置及其形成方法，该方法应用对使用低热预算的高压退火有益处的气氛调节层。因此，半导体装置中的介面的均匀性可得以改良，且来自工艺引起的应激物的应变可得以保留。

图1A至1C为根据一些实施例的半导体装置100的各种形成阶段的横剖面图。

参考图1A，接收半导体基板110，其包含通道112。气氛调节层130形成于通道112之上。

在一些实施例中，半导体基板110为主体基板或绝缘体上半导体(semiconductor-on-insulator；SOI)基板。半导体基板110的材料的实例包括但不限于纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合。第IV族化合物可为碳化硅(SiC)、硅锗(SiGe)，或其组合。第III族-第V族化合物可为GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、AlAs、AlSb、InN、InP、InAs、InSb、GaNP、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、AlNP、AlNAs、AlNSb、AlPAs、AlPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlNSb、GaAlPAs、GaAlPSb、GaInNP、GaInNAs、GaInNSb、GaInPAs、GaInPSb、InAlNP、InAlNAs、InAlNSb、InAlPAs、InAlPSb，或其组合。

通道112安置于源极电极(未标示)与漏极电极(未标示)之间以用于自漏极电极至源极电极或自源极电极至漏极电极的电流流动。在一些实施例中，通道112自半导体基板110突出，如图1A所示。即是说，通道112可称为鳍片结构，且所形成的半导体装置100可为鳍片式场效应晶体管(fin-like field-effect transistor；FinFET)。通道(或鳍片结构)112可藉由诸如光刻法及蚀刻的任何合适的工艺而形成。光刻法可包括：在半导体基板110之上形成光阻剂层(未标示)；使光阻剂层曝光以形成图案；执行后曝光烘烤工艺；以及生成图案以形成光阻剂掩模。上述光阻剂掩模用来保护半导体基板110的部分，同时藉由蚀刻工艺在半导体基板110中形成沟槽，以形成通道112。

半导体基板110及通道112可由相同或不同材料制成。在一些实施例中，半导体基板110及通道112形成为一体，其中半导体基板110与通道112之间无边界。

如图1A所示，隔离结构120可形成于半导体基板110中，且介于两个相邻通道112之间。在一些实施例中，隔离结构120为浅沟槽隔离(shallow trench isolation；STI)结构。隔离结构120经配置来使两个通道112分开。隔离结构120可由介电材料制成。介电材料的实例包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟化物掺杂的硅玻璃、低k值介电材料，及其组合。可藉由任何合适的技术形成隔离结构120。例如，隔离结构120的材料沉积于半导体基板110之上。然后，移除隔离结构材料的上部，进而于通道112之间形成隔离结构120。可藉由化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)、低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition；LPCVD)、高压化学气相沉积(high-pressure chemical vapor deposition；HPCVD)或类似方法使隔离结构材料沉积。可藉由化学机械研磨(chemical-mechanical polishing；CMP)及/或蚀刻来移除隔离结构材料的上部。

在一些实施例中，气氛调节层130所具有的厚度位于自约5埃()至约20的范围内。气氛调节层130可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成，并可称为含氮层。在一些实施例中，藉由诸如等离子体氮化或原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)的氮化或沉积工艺形成气氛调节层130。

参考图1B，执行退火工艺，进而于通道112与气氛调节层130之间形成介面层140。

在一些实施例中，退火工艺为高气压退火工艺并在含氧气体中执行。由此，气氛调节层130用来控制进入通道112的氧量，以便减慢进入通道112的氧的速度，且可称为氧调节层。含氧气体可包括氧(O2)、臭氧(O3)、水蒸汽(H2O或D2O)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)及二氧化氮(NO2)中的至少一者。高气压氘或氢退火展示对介面状态密度的益处以及可靠性，诸如热载子效应(hot carrier effect；HCE)。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10个大气压(atm)至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下对结构进行加热。在一些实施例中，将退火工艺执行约3分钟至约60分钟，该持续时间为在高压下对结构进行加热的持续时间。

值得注意的是，根据本揭示内容的一些实施例的方法的退火温度低于一般方法的退火温度，一般方法的退火温度通常为900℃以上。用于一般方法的高温退火将不可用于基于Ge或III-V的材料，因为这些材料具有低熔点。即使对于基于Si的半导体装置而言，亦存在因退火温度升高的应变松驰的潜在危险。因此，本揭示内容的使用较低退火温度的方法适于形成半导体装置，尤其适于形成具有诸如含锗及基于第III族-第V族的材料的高电子迁移性通道的半导体装置。此外，本揭示内容的方法使用低热预算，从而有效地保留来自工艺引起的应变物的应变。

此外，根据本揭示内容的一些实施例的方法具有长于一般方法的退火持续时间，一般方法的退火持续时间通常为少许秒。利用此种短时间藉由一般方法处理的半导体装置将导致介面层的不良均匀性。虽然可藉由较长退火持续时间来改良均匀性，但此举将导致不合半导体装置需要的过厚的CET。相比之下，本揭示内容的方法包括气氛调节层。气氛调节层130用来控制用于退火工艺的进入通道112的气氛量。即是说，进入通道112的气氛的速度可减慢。气氛在气氛调节层130中遭阻挡，且通道112的邻近于气氛调节层130的部分退火以形成介面层140。由此，退火工艺的反应时间可增加，进而改良CET以及介面层140的均匀性及后高k值退火。

介面层140由通道112形成。在一些实施例中，当在含氧气体中执行退火工艺时，藉由通道112的氧化形成介面层140。即是说，介面层140的材料为通道112的材料的氧化物。在高气压退火工艺之后形成的介面层140可为几埃厚，其可藉由退火条件、气氛调节层130的性质及半导体基板110的材料来调整。在一些实施例中，介面层140所具有的厚度位于自约5至约50的范围内。

参考第1C图，栅极介电层150及栅极电极160形成于气氛调节层130之上以形成半导体装置100。

在一些实施例中，栅极介电层150为高k值介电层。如本文所使用的用词「高k值介电质」是指所具有的介电质常数k大于约3.9的材料，该介电质常数k为SiO2的K值。高k值介电层的材料可为任何合适的材料。高k值介电层的材料的实例包括但不限于Al2O3、HfO2、ZrO2、La2O3、TiO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、Al2OxNy、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、SiON、SiNx、其硅酸盐、及其合金。x的每一值为独立地自0.5至3，且y的每一值为独立地自0至2。

在一些实施例中，栅极电极160是由诸如金属、金属合金及金属硅化物的材料制成。金属栅极电极的材料的实例包括但不限于钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、镍(Ni)、钌(Ru)、钯(Pd)、铂(Pt)、氮化钨(WNx)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化铝(AlN)、硅化钨(WSix)、硅化镍(Ni2Si)、硅化钛(TiSi2)、铝化钛(TiAl)、其合金、及其组合。

在一些实施例中，栅极介电层150及栅极电极160藉由诸如以下沉积的沉积形成：化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、大气压力CVD(atmospheric pressure CVD；APCVD)、低压CVD(low pressure CVD；LPCVD)、等离子体增强CVD(plasma enhanced CVD；PECVD)、金属有机CVD(metal-organic CVD；MOCVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)、化学溶液沉积、溅镀、及其组合。在一些实施例中，栅极介电层150藉由ALD沉积至气氛调节层130上，且栅极电极160随后得以沉积。

所形成的半导体装置100包括半导体基板110，半导体基板110包括通道(或鳍片结构)112、介面层140、气氛调节层(或含氮层)130、栅极介电层150及栅极电极160。介面层140位于通道112之上。气氛调节层130位于介面层140之上。栅极介电层150位于气氛调节层130之上。栅极电极160位于栅极介电层150之上。

根据本揭示内容的一些实施例的半导体装置100形成方法应用气氛调节层130及高压退火，该高压退火为高整合及低热预算栅极堆叠工艺，来改良介面层的均匀性及应变松驰。此外，藉由使用如图1A至1C所示方法，体栅极介电层/介面层以及介面层/半导体基板介面皆可以一个步骤的工艺而钝化，从而减小热预算及工艺成本。

值得注意的是，图1A至1C所示形成方法及所形成的结构为实例，并可应用于所有种类的结构及其形成方法。结构的实例包括但不限于平坦MOSFET、SOI MOSFET、FinFET及奈米线FET。

图2A至2C为根据一些实施例的半导体装置200的各种形成阶段的横剖面图。

参考图2A，半导体基板210得以接收，且半导体基板210包括通道212。隔离结构220可形成于半导体基板210中，且位于两个相邻通道212之间。初始层230是形成于通道212之上，且气氛调节层240形成于初始层230之上。

半导体基板210及通道212可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

初始层230是用作起始材料以在后续退火工艺中形成介面层。在一些实施例中，初始层230由选自由氧化物、硅，及其组合组成的群组的材料制成。特别地，初始层230的材料可为天然氧化物、藉由工艺(包括沉积、化学反应或热生长)有意形成的氧化物、硅，或其组合。值得注意的是，初始层230在通道212不由纯硅制成时用作硅覆盖层。可藉由诸如沉积的任何合适的工艺形成初始层230。

气氛调节层240所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层240可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。

诸如半导体基板210、通道212、隔离结构220及气氛调节层240的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。

参考图2B，执行退火工艺，进而自初始层230形成介面层250。所形成的介面层250位于通道212与初始层230之间。在一些实施例中，当在含氧气体中执行退火工艺时，藉由初始层230的氧化形成介面层250。即是说，介面层250的材料为初始层230的材料的氧化物。

气氛调节层240是用来控制用于退火工艺的进入初始层230的气氛量。即是说，进入初始层230的气氛的速度可减慢。气氛在气氛调节层240中遭阻挡，且初始层230的邻近于气氛调节层240的部分经退火以形成介面层250。

在一些实施例中，退火工艺为高气压退火工艺并在含氧气体中执行。含氧气体可包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者。高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

介面层250是由初始层230形成。在一些实施例中，当在含氧气体中执行退火工艺时，藉由初始层230的氧化形成介面层250。即是说，介面层250的材料为初始层230的材料的氧化物。在一些实施例中，介面层250所具有的厚度位于约5至约50的范围内，且可藉由退火条件、气氛调节层240的性质及半导体基板210的材料而得以调整。

参考图2C，栅极介电层260及栅极电极270形成于气氛调节层240之上以形成半导体装置200。诸如栅极介电层260及栅极电极270的材料及形成方式的特征可参考图1C的对应部分。

图2A至2C与图1A至1C所示形成方法之间的差异在于，图2A至2C所示形成方法应用初始层230来形成介面层250，而图1A至1C所示形成方法使用通道112来形成介面层140。此差异不影响实施例中的其他部件的功能以及步骤。因此，半导体装置200及其形成方法具有与图1A至1C所示实施例相同的功能及优点。

图3A至3D为根据一些实施例的半导体装置300的各种形成阶段的横剖面图。

参考图3A，半导体基板310得以接收，且半导体基板310包括通道312。隔离结构320可形成于半导体基板310中，且位于两个相邻通道312之间。气氛调节层330形成于通道312之上。

半导体基板310及通道312可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

气氛调节层330所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层330可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层330。

诸如半导体基板310、通道312、隔离结构320及气氛调节层330的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。

参考图3B，栅极介电层340形成于气氛调节层330之上。在一些实施例中，栅极介电层340藉由沉积至气氛调节层330上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。栅极介电层340的材料可参考图1C的对应部分。

参考图3C，执行退火工艺，进而自通道312形成介面层350。所形成的介面层350位于通道312与气氛调节层330之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

值得注意的是，退火工艺执行于沉积栅极介电层340之后。在一些实施例中，当栅极介电层340由含有氧的高k值介电材料制成时，含氧及不含氧气体皆可引入退火工艺的周围。即是说，可在含氧气体或不含氧气体中执行退火工艺。可使用不含氧气体的原因在于，退火工艺的周围将推动栅极介电层340中的氧穿透气氛调节层330来与通道312反应，进而形成介面层350。由此，用于形成介面层350的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或栅极介电层340的材料。在一些实施例中，含氧气体包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。

当用于退火工艺的气氛含有氧时，气氛调节层330用来控制气氛中的进入通道312的氧量。当用于退火工艺的气氛为不含氧气体时，气氛调节层330用来控制穿透气氛调节层330的气氛的速度，进而控制栅极介电层340中的进入通道312的氧量，其中该氧受气氛推动。因此，进入通道312的氧的速度可藉由气氛调节层330而减慢。该氧在气氛调节层330中遭阻挡，且通道312的邻近于气氛调节层330的部分经退火以形成介面层350。

在一些实施例中，介面层350藉由通道312的氧化而形成。即是说，介面层350的材料为通道312的材料的氧化物。在高压退火之后形成的介面层350可为几埃厚(例如，约5至约50)，其可藉由退火条件、气氛调节层330及栅极介电层340的性质，以及半导体基板310的材料而得以调整。

参考第3D图，栅极电极360形成于栅极介电层340之上以形成半导体装置300。诸如栅极电极360的材料及形成方式的特征可参考图1C的对应部分。

图3A至3D与图1A至1C所示形成方法之间的差异在于，退火工艺在图3A至3D所示形成方法中执行于栅极介电层340沉积之后。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置300及其形成方法具有与图1A至1C所示实施例相同的功能及优点。

图4A至4D为根据一些实施例的半导体装置400的各种形成阶段的横剖面图。

参考图4A，半导体基板410得以接收，且半导体基板410包括通道412。隔离结构420可形成于半导体基板410中，且位于两个相邻通道412之间。初始层430形成于通道412之上，且气氛调节层440形成于初始层430之上。

半导体基板410及通道412可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

在一些实施例中，初始层430的材料可为天然氧化物、藉由工艺(包括沉积、化学反应或热生长)有意形成的氧化物、硅，或其组合。

气氛调节层440所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层440可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层440。

诸如半导体基板410、通道412、隔离结构420及气氛调节层440的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的相对应部分。此外，初始层430的其他特征可参考图2A的对应部分。

参考图4B，栅极介电层450形成于气氛调节层440之上。在一些实施例中，栅极介电层450藉由沉积至气氛调节层440上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。栅极介电层450的材料可参考图1C的对应部分。

参考图4C，执行退火工艺，进而自初始层430形成介面层460。所形成的介面层460位于初始层430与气氛调节层430之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。值得注意的是，退火工艺执行于沉积栅极介电层450之后。在一些实施例中，栅极介电层450由含有氧的高k值介电材料制成，且退火工艺可在含氧气体或不含氧气体中执行。退火工艺的周围将推动栅极介电层450中的氧来穿透气氛调节层440。初始层430的部分将经退火，进而形成介面层460。由此，用于形成介面层460的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或栅极介电层450的材料。在一些实施例中，含氧气体包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

气氛调节层440用来控制用于退火工艺的气氛量及/或栅极介电层450中的进入初始层430的氧量。即是说，进入初始层430的氧的速度可减慢。该氧在气氛调节层440中遭阻挡，且初始层430的邻近于气氛调节层440的部分经退火以形成介面层460。

在一些实施例中，介面层460藉由初始层430的氧化而形成。即是说，介面层460的材料为初始层430的材料的氧化物。介面层460所具有的厚度位于约5至约50的范围内，且可藉由退火条件、气氛调节层440的性质及半导体基板410的材料而得以调整。

参考图4D，栅极电极470形成于栅极介电层450之上以形成半导体装置400。诸如栅极电极470的材料及形成方式的特征可参考图1C的相对应部分。

图4A至4D与图3A至3D所示形成方法之间的差异在于，图4A至4D所示形成方法应用初始层430来形成介面层460，而图3A至3D所示形成方法使用通道312来形成介面层350。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置400及其形成方法具有与图3A至3D所示实施例相同的功能及优点。

图5A至5D为根据一些实施例的半导体装置500的各种形成阶段的横剖面图。

参考图5A，半导体基板510得以接收，且半导体基板510包括通道512。隔离结构520可形成于半导体基板510中，且位于两个相邻通道512之间。气氛调节层530形成于通道512之上。

半导体基板510及通道512可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

气氛调节层530所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层530可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层530。

诸如半导体基板510、通道512、隔离结构520及气氛调节层530的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。

参考图5B，第一栅极介电层542形成于气氛调节层530之上。在一些实施例中，第一栅极介电层542藉由沉积至气氛调节层530上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。第一栅极介电层542的材料可参考图1C的对应部分。

参考图5C，执行退火工艺，进而自通道512形成介面层550。所形成的介面层550位于通道512与气氛调节层530之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺执行于沉积第一栅极介电层542之后。在一些实施例中，当第一栅极介电层542由含有氧的高k值介电材料制成时，含氧及不含氧气体皆可引入退火工艺的周围。即是说，可在含氧气体或不含氧气体中执行退火工艺。用于形成介面层550的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或第一栅极介电层542的材料。含氧气体可包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体可为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

在高压退火之后形成的介面层550可为几埃厚(例如，约5至约50)，其可藉由退火条件、气氛调节层530及第一栅极介电层542的性质，以及半导体基板510的材料而得以调整。

参考图5D，第二栅极介电层544及栅极电极560形成于第一栅极介电层542之上以形成半导体装置500。在一些实施例中，第二栅极介电层544藉由沉积至第一栅极介电层542上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。栅极电极560可随后沉积于第二栅极介电层544之上。诸如第二栅极介电层544及栅极电极560的材料及形成方式的其他特征可参考图1C的对应部分。

图5A至5D与图3A至3D所示形成方法之间的差异在于，图5A至5D所示形成方法进一步包括以下步骤：在形成栅极电极560之前形成第二栅极介电层544。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置500及其形成方法具有与图3A至3D所示实施例相同的功能及优点。

图6A至6D为根据一些实施例的半导体装置600的各种形成阶段的横剖面图。

参考图6A，半导体基板610得以接收，且半导体基板610包括通道612。隔离结构620可形成于半导体基板610中，且介于两个相邻通道612之间。初始层630形成于通道612之上，且气氛调节层640形成于初始层630之上。

半导体基板610及通道612可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

在一些实施例中，初始层630的材料可为天然氧化物、藉由工艺(包括沉积、化学反应或热生长)有意形成的氧化物、硅，或其组合。

气氛调节层640所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层640可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层640。

诸如半导体基板610、通道612、隔离结构620及气氛调节层640的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。此外，初始层630的其他特征可参考图2A的对应部分例证。

参考图6B，第一栅极介电层652形成于气氛调节层640之上。在一些实施例中，第一栅极介电层652藉由沉积至气氛调节层640上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。第一栅极介电层652的材料可参考图1C的对应部分。

参考图6C，执行退火工艺，进而自初始层630形成介面层660。所形成的介面层660位于初始层630与气氛调节层640之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺执行于沉积第一栅极介电层652之后。在一些实施例中，当第一栅极介电层652由含有氧的高k值介电材料制成时，含氧及不含氧气体皆可引入退火工艺的周围。即是说，可在含氧气体或不含氧气体中执行退火工艺。由此，用于形成介面层660的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或第一栅极介电层652的材料。含氧气体可包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体可为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

在高压退火之后形成的介面层660可为几埃厚(例如，约5至约50)，其可藉由退火条件、气氛调节层630及第一栅极介电层652的性质，以及半导体基板610的材料而得以调整。

参考图6D，第二栅极介电层654及栅极电极670形成于第一栅极介电层652之上以形成半导体装置600。在一些实施例中，第二栅极介电层654藉由沉积至第一栅极介电层652上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。栅极电极670可随后沉积于第二栅极介电层654之上。诸如第二栅极介电层654及栅极电极670的材料及形成方式的其他特征可参考图1C的对应部分。

图6A至6D与图4A至4D所示形成方法之间的差异在于，图6A至6D所示形成方法进一步包括以下步骤：在形成栅极电极670之前形成第二栅极介电层654。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置600及其形成方法具有与图4A至4D所示实施例相同的功能及优点。

图7A至7D为根据一些实施例的半导体装置700的各种形成阶段的横剖面图。

参考图7A，半导体基板710得以接收，且半导体基板710包括通道712。隔离结构720可形成于半导体基板710中，且位于两个相邻通道712之间。气氛调节层730形成于通道712之上。

半导体基板710及通道712可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

气氛调节层730所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层730可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层730。

诸如半导体基板710、通道712、隔离结构720及气氛调节层730的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。

参考图7B，第一栅极介电层742及第二栅极介电层744形成于气氛调节层730之上。在一些实施例中，第一栅极介电层742藉由沉积至气氛调节层730上而形成，且第二栅极介电层744藉由沉积至第一栅极介电层742上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。第一栅极介电层742及第二栅极介电层744的材料可参考图1C的对应部分。

参考图7C，执行退火工艺，进而自通道712形成介面层750。所形成的介面层750位于通道712与气氛调节层730之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺执行于沉积第一栅极介电层742及第二栅极介电层744之后。在一些实施例中，当第一栅极介电层742及/或第二栅极介电层744由含有氧的高k值介电材料制成时，含氧及不含氧气体皆可引入退火工艺的周围。即是说，可在含氧气体或不含氧气体中执行退火工艺。用于形成介面层750的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或第一栅极介电层742及第二栅极介电层744的材料中的至少一者。含氧气体可包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体可为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

在高压退火之后形成的介面层750可为几埃厚(例如，约5至约50)，其可藉由退火条件、气氛调节层730、第一栅极介电层742及第二栅极介电层744的性质，以及半导体基板710的材料而得以调整。

参考图7D，栅极电极760形成于第二栅极介电层744之上以形成半导体装置700。栅极电极760可藉由沉积而形成。诸如栅极电极760的材料及形成方式的其他特征可参考图1C的对应部分。

图7A至7D所示实施例描述双层栅极介电层结构(亦即，第一栅极介电层742及第二栅极介电层744)。在一些其他实施例中，该方法可扩展至多层栅极介电层结构。栅极电极可随后形成于最远的栅极介电层之上。

图7A至7D与图3A至3D所示形成方法之间的差异在于，图7A至7D所示形成方法应用双层栅极介电层结构，该形成方法进一步包括以下步骤：在执行退火工艺的前形成第二栅极介电层744。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置700及其形成方法具有与图3A至3D所示实施例相同的功能及优点。

图8A至8D为根据一些实施例的半导体装置800的各种形成阶段的横剖面图。

参考图8A，半导体基板810得以接收，且半导体基板810包括通道812。隔离结构820可形成于半导体基板810中，且位于两个相邻通道812之间。初始层830形成于通道812之上，且气氛调节层840形成于初始层830之上。

半导体基板810及通道812可由相同或不同材料制成，这些材料可独立地选自由纯硅、纯锗、第IV族化合物、第III族-第V族化合物，及其组合组成的群组。

在一些实施例中，初始层830的材料可为天然氧化物、藉由工艺(包括沉积、化学反应或热生长)有意形成的氧化物、硅，或其组合。

气氛调节层840所具有的厚度位于自约5至约20的范围内。气氛调节层840可由选自由金属氮化物(例如，AlNx)、氮氧化物(例如，SiOxNy)，及其组合组成的群组的材料制成。可藉由任何合适的氮化或沉积工艺(例如，等离子体氮化或ALD)来形成气氛调节层840。

诸如半导体基板810、通道812、隔离结构820及气氛调节层840的材料及形成方式的其他特征可参考图1A的对应部分。此外，初始层830的其他特征可参考图2A的对应部分。

参考图8B，第一栅极介电层852及第二栅极介电层854形成于气氛调节层840之上。在一些实施例中，第一栅极介电层852藉由沉积至气氛调节层840上而形成，且第二栅极介电层854藉由沉积至第一栅极介电层852上而形成。可藉由但不限于ALD来执行沉积。第一栅极介电层852及第二栅极介电层854的材料可参考图1C的对应部分。

参考图8C，执行退火工艺，进而自初始层830形成介面层860。所形成的介面层860位于初始层830与气氛调节层840之间。

高气压退火工艺的工艺压力可介于约10atm至约70atm之间。可在约200℃至约700℃的温度下将结构加热约3分钟至约60分钟。退火工艺执行于沉积第一栅极介电层852及第二栅极介电层854之后。在一些实施例中，当第一栅极介电层852及/或第二栅极介电层854由含有氧的高k值介电材料制成时，含氧及不含氧气体皆可引入退火工艺的周围。即是说，可在含氧气体或不含氧气体中执行退火工艺。用于形成介面层860的氧可来源于用于退火工艺的气氛及/或第一栅极介电层852及第二栅极介电层854的材料中的至少一者。含氧气体可包括O2、O3、H2O、D2O、NO、N2O及NO2中的至少一者，且不含氧气体可为惰性气体，诸如氮(N2)、氩(Ar)，及其组合。退火工艺的其他条件可参考图1B的对应部分。

在高压退火之后形成的介面层860可为几埃厚(例如，约5至约50)，其可藉由退火条件、气氛调节层840、第一栅极介电层852及第二栅极介电层854的性质，以及半导体基板810的材料而得以调整。

参考图8D，栅极电极870形成于第二栅极介电层854之上以形成半导体装置800。栅极电极870可藉由沉积而形成。诸如栅极电极870的材料及形成方式的其他特征可参考图1C的对应部分。

图8A至8D所示实施例描述双层栅极介电层结构(亦即，第一栅极介电层852及第二栅极介电层854)。在一些其他实施例中，该方法可扩展至多层栅极介电层结构。栅极电极可随后形成于最远的栅极介电层之上。

图8A至8D与图4A至4D所示形成方法之间的差异在于，图8A至8D所示形成方法应用双层栅极介电层结构，该形成方法进一步包括以下步骤：在执行退火工艺之前形成第二栅极介电层854。此差异不影响实施例中的其他部件的功能及步骤。因此，半导体装置800及其形成方法具有与图4A至4D所示实施例相同的功能及优点。

上文论述的本发明揭示内容的实施例比现有方法及系统具有优点。半导体装置形成方法为高整合、低热预算栅极堆叠工艺，该方法应用气氛调节层，进而改良介面层的均匀性及应变松驰。此外，该方法提供用于栅极介电层/介面层及介面层/半导体基板介面的一个步骤的钝化策略。即是说，该方法将栅极介电层/介面层及介面层/半导体基板的钝化组合为一个步骤的工艺，从而节省成本。该方法保持工艺期间的低热预算及更小的应变松驰，并适于诸如含锗及基于第III族-第V族的材料的高电子迁移性通道。然而，应理解，其他实施例可具有不同的优点，以及无特定优点为所有实施例所需要。

根据本发明揭示内容的一些实施例，一种半导体装置形成方法包括：接收包括通道的半导体基板。气氛调节层形成于通道之上。执行退火工艺以形成位于通道与气氛调节层之间的介面层。

根据本发明揭示内容的其他实施例，一种半导体装置包括：半导体基板，其包括通道；介面层；以及气氛调节层。介面层位于通道之上。气氛调节层位于介面层之上。

根据本发明揭示内容的另一实施例，一种半导体装置包括半导体基板、鳍片结构、介面层及含氮层。鳍片结构位于半导体基板之上。介面层位于鳍片结构之上。含氮层位于介面层之上。

前述概述若干实施例的特征，从而使得熟习此项技术者可较佳理解本揭示内容的态样。熟习此项技术者应了解，可容易将本揭示内容用作设计或修改其他用于执行相同目的及/或达成本文所引入实施例的相同优点的工艺及结构的基础。熟习此项技术者亦应了解，此类相等构造不脱离本揭示内容的精神及范畴，且在不脱离本揭示内容的精神及范畴的情况下，做出各种改变、替换及修改。