专利名称：形成、处理高k栅介质层的方法及形成晶体管的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及形成、处理高K栅介质层的方法及形成晶 体管的方法。
背景技术：
20世纪80年代以来，CMOS集成电路的快速发展促进了硅基微电子工业的发展，而 CMOS集成电路的快速发展又是得益于其电路基本单元——场效应管尺寸的縮小。场效应管 尺寸縮小的关键因素就是作为栅介质层的二氧化硅(Si02)膜厚的减小。二氧化硅的作用 是隔离栅极和半导体衬底硅通道，作为栅介质层，二氧化硅热和电学稳定性好、电隔离性能 好等。但是随着器件尺寸的不断縮小，二氧化硅的厚度被要求减到2nm以下，随之产生了很 多问题，如(l)漏电流的增加；(2)杂质扩散，栅极、二氧化硅和半导体衬底之间存在杂质 的浓度梯度，所以杂质会从栅极中扩散到半导体衬底中或者固定在二氧化硅中，影响器件 的阈值电压，从而影响器件的性能。 因此，业界不断寻求一种新的栅介质层来替代二氧化硅。为了保持栅介质层的电 容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅大，而且栅介质层的介电常数越大，膜层 厚度就可以越大，从而可以更好地减小漏电流和杂质扩散。经过实验研究发现用高介电常 数(高K)材料作为栅介质层，具有非常好的热稳定性和机械强度，能获得更小的漏电流。
形成包含高K栅介质层的晶体管具体工艺如图l至图4所示。参考图l，提供半 导体衬底100，所述半导体衬底100中形成有隔离结构101，隔离结构101之间的区域为有 源区102 ;在有源区102的半导体衬底100中掺杂离子，形成掺杂阱103 ;在有源区102的 半导体衬底100上依次形成缓冲层107和高K栅介质层104，其中，缓冲层107的材料为二 氧化硅，其作用为使高K栅介质层104与半导体衬底100更好的粘附结合，所述高K栅介质 层104的材料包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化 钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等；然后，对半导体衬底100进行快速热处理 (RTA)，以修复高K栅介质层104中的缺陷，所述快速热处理时间为几十秒。
如图2所示，在高K栅介质层104上形成阻挡层109，所述阻挡层109的材料为氮 化钛，用于防止高K材料扩散至后续形成的栅极中；在阻挡层109上形成金属层；刻蚀金属 层、阻挡层109、高K栅介质层104和缓冲层107至露出半导体衬底IOO，形成栅极105，所述 刻蚀后的缓冲层107、高K栅介质层104、阻挡层109与栅极105构成栅极结构106。
如图3所示，继续以栅极结构106为掩模，进行离子注入，在半导体衬底100内形 成源/漏极延伸区110。 如图4所示，在栅极结构106两侧形成侧墙112 ;以侧墙112及栅极结构106为掩 模，在栅极结构106两侧的半导体衬底100中进行离子注入，形成源/漏极114。最后，对半 导体衬底100进行退火，使注入的各种离子扩散均匀。 在中国专利申请200510029146还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。
现有形成高K栅介质层后，需要对其进行热处理，以修复其中的缺陷，由于快速热
4处理的时间较长，使半导体器件的热预算提高，并且会使高K栅介质层内产生局部晶化，导 致漏电流的产生。 另外，在形成缓冲层之前，由于半导体衬底暴露于空气中，表面很容易被氧化，形 成一层3埃 5埃的原生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧化的，因此其均匀性和致密 性不好，从而会影响后续形成的缓冲层及高K栅介质层的质量，进而影响半导体器件的性
发明内容
本发明解决的问题是提供一种形成、处理高K栅介质层的方法及形成晶体管的方 法，防止高热预算及漏电流。 为解决上述问题，本发明提供一种形成高K栅介质层的方法，包括提供半导体衬 底；对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓 冲层上形成高K栅介质层。 可选的，所述激光为脉冲激光。所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒 1毫秒。单 次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。激光射至半导体衬底上使半导体 衬底的温度达到1000°C 1400°C。所述激光功率为lX104W/cm2 lX107W/cm2。
可选的，所述缓冲层材料为二氧化硅或氮氧化硅。所述缓冲层的厚度为5埃 10埃。 可选的，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。所述高K 栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化 钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。 本发明提供一种处理高K栅介质层的方法，包括提供半导体衬底；对半导体衬底 进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅 介质层后，对高K栅介质层进行激光热处理。 可选的，所述激光为脉冲激光。所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒 1毫秒。单 次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。激光射至半导体衬底上使半导体 衬底的温度达到1000°C 1400°C。所述激光功率为lX104W/cm2 lX107W/cm2。
可选的，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。所述高K 栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化 钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。 可选的，在对高K栅介质层进行激光热处理之前或之后，还包括，在高K栅介质层 上形成阻挡层。所述阻挡层的材料为氮化钛。形成阻挡层的方法为单原子层沉积法或化学 气相沉积法。 本发明提供一种形成晶体管的方法，包括提供半导体衬底；对半导体衬底进行 激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅介质 层后，对高K栅介质层进行激光热处理；在高K栅介质层上形成金属层；刻蚀金属层、高K栅 介质层和缓冲层，形成栅极结构；在栅极结构两侧的半导体衬底内形成源极和漏极。
可选的，所述激光为脉冲激光。所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒 1毫秒。单 次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000°C 1400°C。所述激光功率为lX104W/cm2 lX107W/cm2。 可选的，所述缓冲层材料为二氧化硅或氮氧化硅。所述缓冲层的厚度为5埃 10埃。 可选的，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。所述高K 栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化 钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。 可选的，在对高K栅介质层进行激光热处理之前或之后，还包括，在高K栅介质层 上形成阻挡层。所述阻挡层的材料为氮化钛。形成阻挡层的方法为单原子层沉积法或化学 气相沉积法。 与现有技术相比，本发明具有以下优点用激光对半导体衬底进行热处理，由于激 光照射时间短及强度高的特性，能使半导体衬底上自然氧化的原生氧化层晶格结构调整， 致密性及均匀性提高，进而提高了后续缓冲层及栅介质层的质量，使半导体器件的性能提高。 用激光热处理高K栅介质层，不但能修复高K栅介质层的缺陷，而且由于激光热处 理所需时间短，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质层中局部晶化的情况，进而 减小了漏电流的产生。
图1至图4是现有形成包含高K栅介质层晶体管的示意图； 图5是本发明形成高K介质层的具体实施方式
流程图； 图6至图7是本发明形成高K介质层的实施例示意图； 图8是本发明处理高K介质层的具体实施方式
流程图； 图9至图IO是本发明处理高K介质层的第一实施例示意图； 图11至图12是本发明处理高K介质层的第二实施例示意图； 图13是本发明形成晶体管的具体实施方式
流程图； 图14至图18是本发明形成晶体管的第一实施例示意图； 图19至图22是本发明形成晶体管的第二实施例示意图； 图23是本发明所使用的脉冲激光示意图。
具体实施例方式
本发明用激光对半导体衬底进行热处理，由于激光照射时间短及强度高的特性，
能使半导体衬底上自然氧化的原生氧化层晶格结构调整，致密性及均匀性提高，进而提高
了后续缓冲层及栅介质层的质量，提高了半导体器件的性能。另外，用激光热处理高K栅介
质层，不但能修复高K栅介质层的缺陷，而且由于激光热处理所需时间短，降低了半导体器
件的热预算，改善了高K栅介质层中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明
的具体实施方式
做详细的说明。 图5是本发明形成高K介质层的具体实施方式
流程图。如图5所示，执行步骤 S201，提供半导体衬底；执行步骤S202，对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气
6和氮气混合气体，形成缓冲层；执行步骤S203，在缓冲层上形成高K栅介质层。
图6至图7是本发明形成高K介质层的实施例示意图。如图6所示，提供半导体 衬底200，所述半导体衬底200较好的是半导体硅，还可能是绝缘体上硅、硅锗等半导体材 料。此半导体衬底200上包含隔离结构201，以隔离出有源区202 ;接着，于半导体衬底200 内注入掺杂离子，形成掺杂区203。 通常情况下，半导体衬底200的表面会吸附有油脂或金属等杂质，因此，在半导体 衬底200上形成膜层之前，需要对半导体衬底200进行清洗。清洗工艺可以采用现有技术 的任何常规工艺，本实施例给出一种可供选择的清洗半导体衬底的实施工艺先用碱性溶 液，例如NH4OH、H202和H20混合溶液清洗半导体衬底200的时间300秒，去除有机物和微粒 等杂质；然后，再用酸性溶液，如HC1、 H202和H20混合溶液清洗半导体衬底200的时间300 秒，以去除金属和氢氧化物等杂质。 由于半导体衬底200暴露于空气中，表面很容易被氧化，形成一层3埃 5埃的原
生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧化的，因此其均匀性和致密性不好。 因此，在清洗以后，为使半导体衬底200表面形成的原生氧化层的厚度尽可能小，
应将半导体衬底200放入真空反应室中，然后，向半导体衬底照射激光205，并且在照射的
过程中，同时通入氧气，在半导体衬底200表面形成厚度为5埃 10埃的缓冲层204，所述
缓冲层204的材料为二氧化硅。 本实施例中，通入氧气时反应室的压力为0. 5托 5托(1托=133. 32帕斯卡)。 其它实施例中，同时通入氮气和氧气的混合气体，形成缓冲层204，所述缓冲层204的材料 为氮氧化硅。 本实施例中，如图23所示，所述激光205是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2 为1微秒 1毫秒。所述激光205功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光205 处理半导体衬底200所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光205射至半导体衬底200上使 半导体衬底200的温度达到1000°C 1400°C。激光205处理半导体衬底200的总时间T3 为1毫秒 100毫秒。 由于激光照射时间短及强度高，能使半导体衬底200上自然氧化的原生氧化层晶 格结构调整，致密性及均匀性提高，进而提高了后续缓冲层及栅介质层的质量，提高了半导 体器件的质量。 单次脉冲激光热处理半导体衬底200所需时间小于等于1微秒，并在热处理半导 体衬底200的同时通入氧气氧化半导体衬底200，那么氧化半导体衬底200的时间也小于 等于1微秒。由于氧化时间短，激光功率高，温度接近硅的融点，晶格结构快速调整位置，避 免缺陷成长；因此，形成高密度与高质量的缓冲层204，降低了形成缓冲层204的氧化速率。 使缓冲层204的形成速率比较容易控制，从而使缓冲层204的厚度比较容易控制，以形成厚 度在20埃以下的高品质缓冲层204。 —种具体的实施工艺当激光205的脉冲周期T2为100微秒 400微秒，采用激光 强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/ 112、单次脉冲激光照射半导体衬底200的时间为10纳秒 100纳秒时，脉冲激光205处理半导体衬底200的总时间T3为1毫秒 10毫秒，此时半导 体衬底200的温度可达到1200°C 1300°C ;这时将反应室压力设定为2托 4托时，形成 的缓冲层204的厚度为5埃 8埃。
而另一具体的实施工艺当激光205的脉冲周期T2为200微秒 500微秒，采用 激光强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/0112、照射半导体衬底200的时间为6纳秒 50纳秒时， 脉冲激光205处理半导体衬底200的总时间T3为10毫秒 100毫秒，此时半导体衬底200 的温度可达到1100°C 120(TC;这时将反应室压力设定为l托 3托时，形成的缓冲层204 的厚度为7埃 10埃。 如图7所示，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在缓冲层204上形成厚度为10 埃 30埃的高K栅介质层206，所述高K栅介质层206的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化 铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化 铝等。高K栅介质层206具有非常好的热稳定性和机械强度，能获得更小的漏电流以及减 小杂质扩散。 图8是本发明处理高K介质层的具体实施方式
流程图。如图8所示，执行步骤 S301，提供半导体衬底；执行步骤S302，对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气 和氮气混合气体，形成缓冲层；执行步骤S303，在缓冲层上形成高K栅介质层后，对高K栅 介质层进行激光热处理。 图9至图IO是本发明处理高K介质层的第一实施例示意图。如图9所示，提供半 导体衬底300，此半导体衬底300上包含隔离结构301，以隔离出有源区302 ;接着，于半导 体衬底300内注入掺杂离子，形成掺杂区303。 先用碱性溶液，例如NH4OH、 H202和H20混合溶液清洗半导体衬底300的时间300 秒，去除有机物和微粒等杂质；然后，再用酸性溶液，如HC1、H202和H20混合溶液清洗半导体 衬底300的时间300秒，以去除金属和氢氧化物等杂质。 由于半导体衬底300暴露于空气中，表面很容易被氧化，形成一层3埃 5埃的原 生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧化的，因此其均匀性和致密性不好。为改善原生氧 化层的质量，将半导体衬底300放入真空反应室中，然后，向半导体衬底300照射激光305， 并且在照射的过程中，同时通入氧气，在半导体衬底300表面形成厚度为5埃 10埃的缓 冲层304，所述缓冲层304的材料为二氧化硅。由于原生氧化层的致密性和均匀性得到了改 善，使缓冲层304的均匀性和致密性也得到了提高。 本实施例中，通入氧气时反应室的压力为0. 5托 5托(1托=133. 32帕斯卡)。 其它实施例中，同时通入氮气和氧气混合气体，形成缓冲层304，所述缓冲层304的材料为 氮氧化硅。 本实施例中，如图23所示，所述激光305是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2 为1微秒 1毫秒。所述激光305功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光305 处理半导体衬底300所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光305射至半导体衬底300上使 半导体衬底300的温度达到1000°C 1400°C。激光305处理半导体衬底300的总时间T3 为1毫秒 100毫秒。 —种具体的实施工艺当激光305的脉冲周期T2为100微秒 400微秒，采用激光 强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/ 112、单次脉冲激光照射半导体衬底300的时间为10纳秒 100纳秒时，脉冲激光305处理半导体衬底300的总时间T3为1毫秒 10毫秒，此时半导 体衬底300的温度可达到1200°C 1300°C ;这时将反应室压力设定为2托 4托时，形成 的缓冲层304的厚度为5埃 8埃。
而另一具体的实施工艺当激光305的脉冲周期T2为200微秒 500微秒，采用 激光强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/0112、照射半导体衬底300的时间为6纳秒 50纳秒时， 脉冲激光305处理半导体衬底300的总时间T3为10毫秒 100毫秒，此时半导体衬底300 的温度可达到1100°C 120(TC;这时将反应室压力设定为l托 3托时，形成的缓冲层304 的厚度为7埃 10埃。 如图10所示，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在缓冲层304上形成厚度为10 埃 30埃的高K栅介质层306，高K栅介质层306具有非常好的热稳定性和机械强度，能获 得更小的漏电流以及减小杂质扩散。 由于在形成高K栅介质层306时，其内部会产生各种缺陷，因此，将形成有高K栅 介质层306的半导体衬底300放入真空腔室内，对高K栅介质层306表面进行激光307照 射，以修复其中的缺陷。 在对高K栅介质层306激光热处理完以后，在高K栅介质层306上形成以氮化钛
作为材料的阻挡层，以防止高K栅介质层306扩散至后续形成的栅极中。 本实施例中，高K栅介质层306的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、
氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝等。 本实施例中，如图23所示，所述激光307是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2
为1微秒 1毫秒。所述激光307功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光307
处理高K栅介质层306所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光307射至高K栅介质层306
上使高K栅介质层306的温度达到1000°C 1400°C。激光307处理高K栅介质层306的
总时间T3为1毫秒 100毫秒。 —种具体的实施工艺当激光307的脉冲周期T2为100微秒 400微秒，采用激 光强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/0112、单次脉冲激光照射高K栅介质层306的时间为10纳 秒 100纳秒时，脉冲激光307处理高K栅介质层306的总时间T3为1毫秒 10毫秒，此 时高K栅介质层306的温度可达到1200°C 1300°C。 而另一具体的实施工艺当激光307的脉冲周期T2为200微秒 500微秒，采用 激光强度为1 X 105W/cm2 1 X 10,/0112、照射高K栅介质层306的时间为6纳秒 50纳秒 时，脉冲激光307处理高K栅介质层306的总时间T3为10毫秒 100毫秒，此时高K栅介 质层306的温度可达到1100°C 1200°C。 由于激光307热处理所需时间短，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质 层306中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。 图11至图12是本发明处理高K介质层的第二实施例示意图。如图ll所示，提供 半导体衬底300，此半导体衬底300上包含隔离结构301，以隔离出有源区302 ;接着，于半 导体衬底300内注入掺杂离子，形成掺杂区303。 然后，先用碱性溶液去除半导体衬底300表面的有机物和微粒等杂质；再用酸性 溶液去除半导体衬底300表面的金属和氢氧化物等杂质。 由于半导体衬底300表面形成有一层原生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧 化的，因此其均匀性和致密性不好。为改善原生氧化层的质量，将半导体衬底300放入真空 反应室中，然后，向半导体衬底300照射激光305，并且在照射的过程中，同时通入氧气，在 半导体衬底300表面形成厚度为5埃20埃的缓冲层304，所述缓冲层304的材料为二氧化
9硅。由于原生氧化层的致密性和均匀性得到了改善，使缓冲层304的均匀性和致密性也得 到了提高。 本实施例中，如图23所示，所述激光305是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2 为1微秒 1毫秒。所述激光305功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光305 处理半导体衬底300所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光305射至半导体衬底300上使 半导体衬底300的温度达到1000°C 1400°C。激光305处理半导体衬底300的总时间T3 为1毫秒 100毫秒。 本实施例中，通入氧气时反应室的压力为O. 5托 5托(1托=133. 32帕斯卡)。 其它实施例中，同时通入氮气和氧气混合气体，形成缓冲层304，所述缓冲层304的材料为 氮氧化硅。 如图12所示，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在缓冲层304上形成厚度为10 埃 30埃的高K栅介质层306，高K栅介质层306具有非常好的热稳定性和机械强度，能获 得更小的漏电流以及减小杂质扩散。然后，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在高K栅 介质层306上形成厚度为10埃 20埃的阻挡层308，所述阻挡层308的材料为氮化钛等。
由于在形成高K栅介质层306时，其内部会产生各种缺陷。因此，在形成阻挡层 308后，将半导体衬底300放入真空腔室内，用激光309通过阻挡层308照射至高K栅介质 层306，以修复其中的缺陷。 本实施例中，高K栅介质层306的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、 氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝等。
本实施例中，所述激光309是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒 1毫秒。所述激光309功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光309处理高K栅 介质层306所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光309射至高K栅介质层306上使高K栅 介质层306的温度达到1000°C 1400°C 。激光309处理高K栅介质层306的总时间T3为 1毫秒 100毫秒。 由于激光309热处理所需时间短，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质 层306中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。 图13是本发明形成晶体管的具体实施方式
流程图。如图13所示，执行步骤S401， 提供半导体衬底；执行步骤S402，对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气 混合气体，形成缓冲层；执行步骤S403，在缓冲层上形成高K栅介质层后，对高K栅介质层 进行激光热处理；执行步骤S404，在高K栅介质层上形成金属层；执行步骤S405，刻蚀金属 层、高K栅介质层和缓冲层，形成栅极结构；执行步骤S406，在栅极结构两侧的半导体衬底 内形成源极和漏极。 图14至图18是本发明形成晶体管的第一实施例示意图。如图14所示，提供半导 体衬底400，所述半导体衬底400较好的是半导体硅，还可能是绝缘体上硅、硅锗等半导体 材料。此半导体衬底400上包含隔离结构401，以隔离出有源区402 ;接着，于半导体衬底 400内注入掺杂离子，形成掺杂区403。 通常情况下，半导体衬底400的表面会吸附有油脂或金属等杂质，因此，在半导体 衬底400上形成膜层之前，需要对半导体衬底400进行清洗。清洗工艺可以采用现有技术 的任何常规工艺，本实施例给出一种可供选择的清洗半导体衬底的实施工艺先用碱性溶液，例如NH40H、H202和H20混合溶液清洗半导体衬底400的时间300秒，去除有机物和微粒等杂质；然后，再用酸性溶液，如HCl、 H202和H20混合溶液清洗半导体衬底400的时间300秒，以去除金属和氢氧化物等杂质。 由于半导体衬底400暴露于空气中，表面很容易被氧化，形成一层3埃 5埃的原生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧化的，因此其均匀性和致密性不好。为改善原生氧化层的质量，将半导体衬底400放入真空反应室中，然后，向半导体衬底400照射激光405，并且在照射的过程中，同时通入氧气，在半导体衬底400表面形成厚度为5埃 20埃的缓冲层404，所述缓冲层404的材料为二氧化硅。由于原生氧化层的致密性和均匀性得到了改善，使缓冲层404的均匀性和致密性也得到了提高。 本实施例中，通入氧气时反应室的压力为O. 5托 5托(1托=133. 32帕斯卡)。其它实施例中，还可同时通入氮气和氧气混合气体，形成材料为氮氧化硅的缓冲层404。
本实施例中，如图23所示，所述激光405是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒 1毫秒。所述激光405功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光405处理半导体衬底400所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光405射至半导体衬底400上使半导体衬底400的温度达到1000°C 1400°C。激光405处理半导体衬底400的总时间T3为1毫秒 100毫秒。 如图15所示，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在缓冲层404上形成厚度为10埃 30埃的高K栅介质层406，高K栅介质层406具有非常好的热稳定性和机械强度，能获得更小的漏电流以及减小杂质扩散。 由于在形成高K栅介质层406时，其内部会产生各种缺陷，因此，将形成有高K栅介质层406的半导体衬底400放入真空腔室内，对高K栅介质层406表面进行激光407照射，以修复其中的缺陷。 本实施例中，高K栅介质层406的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝等。
本实施例中，如图23所示，所述激光407是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒 1毫秒。所述激光407功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光407处理高K栅介质层406所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光407射至高K栅介质层406上使高K栅介质层406的温度达到1000°C 1400°C 。激光407处理高K栅介质层406的总时间T3为1毫秒 100毫秒。 由于激光407热处理所需时间短，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质层406中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。 如图16所示，对高K栅介质层406激光热处理完以后，在高K栅介质层406上形成厚度为10埃 20埃的阻挡层408，所述阻挡层408的材料为氮化钛，以防止高K栅介质层406扩散至后续形成的栅极中。 如图17所示，在阻挡层408上形成金属层，形成金属层的工艺例如采用化学气相沉积法。然后，在金属层上形成光刻胶层(未图示)，定义栅极图案；以光刻胶层为掩膜，刻蚀金属层、阻挡层408、高K栅介质层406及缓冲层404至露出半导体衬底400，形成栅极410，栅极410与刻蚀后的阻挡层408、高K栅介质层406及缓冲层404构成栅极结构412。
以栅极结构412为掩膜，在栅极结构412两侧的半导体衬底400内进行离子注入，形成源/漏极延伸区414 ;然后，对半导体衬底400进行退火，使注入的离子扩散均匀。
如图18所示，在栅极结构412两侧形成侧墙416，所述侧墙416的材料可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成。作为本实施例的一个优化实施方式，所述侧墙为氧化硅_氮化硅_氧化硅共同组成，具体工艺为在半导体衬底400上以及栅极结构412上用化学气相沉积法或物理气相沉积法依次形成第一氧化硅层、氮化硅层以及第二氧化硅层；然后，采用干法蚀刻的回蚀(etch-back)方法蚀刻第二氧化硅层、氮化硅层以及第一氧化硅层至露出半导体衬底400及栅极410表面，形成侧墙416。 以栅极结构412及侧墙416为掩模，在栅极结构412两侧的半导体衬底400中进行离子注入，形成源/漏极418。最后，对半导体衬底400进行退火处理，使注入的离子扩散均匀。 图19至图22是本发明形成晶体管的第二实施例示意图。如图19所示，提供半导体衬底400，此半导体衬底400上包含隔离结构401，以隔离出有源区402 ;接着，于半导体衬底400内注入掺杂离子，形成掺杂区403。 然后，先用酸性溶液去除半导体衬底400表面吸附的金属杂质；再用碱性溶液去除半导体衬底400表面的油脂等杂质。 由于半导体衬底400表面的有一层原生氧化层，这层原生氧化层由于是自然氧化的，因此其均匀性和致密性不好。为改善原生氧化层的质量，将半导体衬底400放入真空反应室中，然后，向半导体衬底400照射激光405，并且在照射的过程中，同时通入氧气，在半导体衬底400表面形成厚度为5埃 20埃的缓冲层404，所述缓冲层404的材料为二氧化硅。由于原生氧化层的致密性和均匀性得到了改善，使缓冲层404的均匀性和致密性也得到了提高。 本实施例中，如图23所示，所述激光405是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒 1毫秒。所述激光405功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光405处理半导体衬底400所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光405射至半导体衬底400上使半导体衬底400的温度达到1000°C 1400°C。激光405处理半导体衬底400的总时间T3为1毫秒 100毫秒。 本实施例中，通入氧气时反应室的压力为O. 5托 5托(1托=133. 32帕斯卡)。其它实施例中，还可同时通入氮气和氧气混合气体，形成材料为氮氧化硅的缓冲层404。
如图20所示，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在缓冲层404上形成厚度为10埃 30埃的高K栅介质层406，高K栅介质层406具有非常好的热稳定性和机械强度，能获得更小的漏电流以及减小杂质扩散。然后，用单原子层沉积法或化学气相沉积法在高K栅介质层406上形成厚度为10埃 20埃的阻挡层408，所述阻挡层408的材料为氮化钛等。
由于在形成高K栅介质层406时，其内部会产生各种缺陷。因此，在形成阻挡层408后，将半导体衬底400放入真空腔室内，用激光409通过阻挡层408照射至高K栅介质层406，以修复其中的缺陷。本实施例中，高K栅介质层406的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝等。
本实施例中，所述激光409是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒 1毫秒。所述激光409功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。单次脉冲激光409处理高K栅
12介质层406所用时间Tl为1纳秒 1微秒。激光409射至高K栅介质层406上使高K栅介质层406的温度达到1000°C 1400°C 。激光409处理高K栅介质层406的总时间T3为1毫秒 100毫秒。 由于激光409热处理所需时间短，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质层406中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。 如图21所示，在阻挡层408上形成金属层，形成金属层的工艺例如采用化学气相沉积法。然后，在金属层上形成光刻胶层(未图示)，定义栅极图案；以光刻胶层为掩膜，刻蚀金属层、阻挡层408、高K栅介质层406及缓冲层404至露出半导体衬底400，形成栅极410，栅极410与刻蚀后的阻挡层408、高K栅介质层406及缓冲层404构成栅极结构412。
以栅极结构412为掩膜，在栅极结构412两侧的半导体衬底400内进行离子注入，形成源/漏极延伸区414 ;然后，对半导体衬底400进行退火，使注入的离子扩散均匀。
如图22所示，在栅极结构412两侧形成侧墙416，所述侧墙416的材料可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成。作为本实施例的一个优化实施方式，所述侧墙为氧化硅_氮化硅_氧化硅共同组成，具体工艺为在半导体衬底400上以及栅极结构412上用化学气相沉积法或物理气相沉积法依次形成第一氧化硅层、氮化硅层以及第二氧化硅层；然后，采用干法蚀刻的回蚀(etch-back)方法蚀刻第二氧化硅层、氮化硅层以及第一氧化硅层至露出半导体衬底400及栅极410表面，形成侧墙416。 以栅极结构412及侧墙416为掩模，在栅极结构412两侧的半导体衬底400中进行离子注入，形成源/漏极418。最后，对半导体衬底400进行退火处理，使注入的离子扩散均匀。 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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。
权利要求
一种形成高K栅介质层的方法，其特征在于，包括提供半导体衬底；对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅介质层。
2. 根据权利要求1所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。
3. 根据权利要求2所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒 1毫秒。
4. 根据权利要求3所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，单次激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。
5. 根据权利要求4所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000°C 1400°C。
6. 根据权利要求1至5任一项所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述激光功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。
7. 根据权利要求1所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述缓冲层材料为二氧化硅或氮氧化硅。
8. 根据权利要求7所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为5埃 10埃。
9. 根据权利要求1所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。
10. 根据权利要求9所述形成高K栅介质层的方法，其特征在于，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
11. 一种处理高K栅介质层的方法，其特征在于，包括提供半导体衬底；对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅介质层后，对高K栅介质层进行激光热处理。
12. 根据权利要求11所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。
13. 根据权利要求12所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲周期为l微秒 1毫秒。
14. 根据权利要求13所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，单次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。
15. 根据权利要求14所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000°C 1400°C。
16. 根据权利要求11至15任一项所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，所述激光功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。
17. 根据权利要求11所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。
18. 根据权利要求17所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
19. 根据权利要求11所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，在对高K栅介质层进行激光热处理之前或之后，还包括，在高K栅介质层上形成阻挡层。
20. 根据权利要求19所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为 氮化钛。
21. 根据权利要求20所述处理高K栅介质层的方法，其特征在于，形成阻挡层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。
22. —种形成晶体管的方法，其特征在于，包括提供半导体衬底；对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅介质层后，对高K栅介质层进行激光热处理；在高K栅介质层上形成金属层；刻蚀金属层、高K栅介质层和缓冲层，形成栅极结构；在栅极结构两侧的半导体衬底内形成源极和漏极。
23. 根据权利要求22所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。
24. 根据权利要求23所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲周期为l微秒 l毫秒。
25. 根据权利要求24所述形成晶体管的方法，其特征在于，单次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒 1微秒。
26. 根据权利要求25所述形成晶体管的方法，其特征在于，激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000°C 1400°C。
27. 根据权利要求22至26任一项所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述激光功率为1 X 104W/cm2 1 X 107W/cm2。
28. 根据权利要求22所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述缓冲层材料为二氧化硅或氮氧化硅。
29. 根据权利要求28所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为5埃 10埃。
30. 根据权利要求22所述形成晶体管的方法，其特征在于，形成高K栅介质层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。
31. 根据权利要求30所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述高K栅介质层的材料为氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
32. 根据权利要求22所述形成晶体管的方法，其特征在于，在对高K栅介质层进行激光热处理之前或之后，还包括，在高K栅介质层上形成阻挡层。
33. 根据权利要求32所述形成晶体管的方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为氮化钛。
34. 根据权利要求33所述形成晶体管的方法，其特征在于，形成阻挡层的方法为单原子层沉积法或化学气相沉积法。
全文摘要
一种形成、处理高K栅介质层的方法及形成晶体管的方法，其中形成高K栅介质层的方法，包括提供半导体衬底；对半导体衬底进行激光热处理并通入氧气或氧气和氮气混合气体，形成缓冲层；在缓冲层上形成高K栅介质层。本发明提高了后续缓冲层及栅介质层的质量，使半导体器件的性能提高；同时，降低了半导体器件的热预算，改善了高K栅介质层中局部晶化的情况，进而减小了漏电流的产生。
文档编号H01L21/336GK101752235SQ20081020418
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者王津洲, 高大为 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司