本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种高k介质层的形成方法、半导体器件及其形成方法。
背景技术：
随着半导体技术的发展，半导体器件的尺寸也逐渐缩小，大大提高了单位面积内的器件密集度，使相应元件的功能性增强。同时，由于半导体器件尺寸的不断缩减，使作为栅介质层的氧化硅层的厚度也相应的缩减，当所述氧化硅层的厚度缩减到一定程度时，将引发可靠性问题，尤其是与时间相关的击穿、热载流子效应以及较高的隧穿电流等问题，这将进一步严重影响器件的稳定性和可靠性。高k介质层由于在保证具有与氧化硅层相同电性能的基础上其物理厚度较大，从而可消除由隧穿引起的漏电流的问题，因此，高k介质层已被大规模采用以代替传统的氧化硅作为栅介质层。
然而，在制备高k介质层的过程中，常常会使衬底的表面发生氧化而形成一界面氧化层，所述界面氧化层的存在一方面不利于栅介质层的等效氧化层厚度(equivalentoxidethickness，eot)的缩减；另一方面，所述界面氧化层的品质较低，其介质常数较低，从而会对所形成的器件的性能造成影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高k介质层的形成方法、半导体器件及其形成方法，以解决根据现有的形成方法，在其制备过程中衬底容易被氧化，进而对所形成的半导体器件的性能造成影响的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高k介质层的形成方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成一遮蔽层；
在所述遮蔽层上形成一高k介质层和一氧吸收层；
对所述高k介质层执行热退火工艺。
可选的，所述氧吸收层为非晶硅层。
可选的，所述遮蔽层为氧化层。
可选的，所述遮蔽层的形成方法包括：
供应硅源气体，以形成硅原子并吸附于所述衬底的表面上；
执行热氧化工艺，形成所述氧化层。
可选的，所述热氧化工艺为快速热退火工艺或原位水汽氧化工艺。
可选的，在形成有所述硅原子并吸附于所述衬底的表面上之后，以及在执行热氧化工艺之前，还包括：
对吸附有所述硅原子的衬底执行湿法化学氧化工艺，形成一氧化薄膜。
可选的，所述湿法化学氧化工艺中，所述采用的化学试剂包括臭氧。
可选的，执行热退火工艺之后，还包括：
去除所述氧吸收层。
可选的，所述衬底为硅衬底或含锗衬底。
本发明的另一目的在于提供一种半导体器件的形成方法，包括采用如上所述的高k介质层的形成方法。
可选的，在所述衬底上定义有用于形成nmos晶体管的nmos区域和用于形成pmos晶体管的pmos区域。
可选的，所述nmos区域的衬底为锗衬底；所述pmos区域的衬底为铟砷化镓衬底。
可选的，所形成的半导体器件为finfet器件。
本发明的又一目的在于提供一种半导体器件，所述半导体器件采用如上所述的形成方法形成，包括：
一衬底；
一遮蔽层，所述遮蔽层形成于所述衬底上；
一高k介质层，所述高k介质层至少形成在所述遮蔽层上。
可选的，所述衬底上具有一用于构成导电沟道的沟道区域，所述遮蔽层至少覆盖所述沟道区域。
可选的，所述半导体器件包括至少一个nmos晶体管和至少一个pmos晶体管。
可选的，所述nmos晶体管的导电沟道为锗沟道；所述pmos晶体管的导电沟道为铟砷化镓沟道。
可选的，所述半导体器件为finfet器件。
在本发明提供的高k介质层的形成方法中，在形成高k介质层之前，优先在衬底上形成遮蔽层，以避免衬底被氧化而形成一低k界面氧化层；并且，在本发明的形成方法中，还包括形成一氧吸收层，利用所述氧吸收层对氧具有较强的吸引力的特性，使高k介质层中向衬底扩散的氧空穴的数量大大降低，进一步缓解了衬底被氧化的问题，有利于缩减栅介质层的等效氧化层的厚度。进一步的，利用湿法化学氧化工艺和热氧化工艺形成所述遮蔽层，不仅可形成具有较高品质的遮蔽层，还能够有效控制所述遮蔽层的厚度。
因此，在利用本发明提供的高k介质层形成方法所形成的半导体器件中，同样可在提高高k介质层品质的同时，避免沟道区域的衬底被氧化，如此一来，不仅可改善所形成的半导体器件的偏压温度不稳定性，还有利于栅介质层的等效氧化层厚度的缩减。
附图说明
图1为本发明实施例一中的高k介质层的形成方法的流程示意图；
图2a-图2c为本发明实施例一中的高k介质层在其制备过程中的结构示意图；
图3为本发明一实施例中的半导体器件的形成方法的流程示意图；
图4a-图4e为本发明一实施例中的半导体器件的形成方法在其制备过程中的结构示意图。
图5为本发明一实施例中的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所述，根据现有的形成方法形成高k介质层的过程中，极易导致衬底被氧化而形成一界面氧化层，界面氧化层的存在会进一步影响所形成的半导体器件的性能。
具体的，高k介质层通常是利用淀积工艺形成，而在淀积所述高k介质层之前，衬底通常是暴露在空气中的，进而导致衬底被氧化的问题。此外，由于经过淀积工艺初步形成的高k介质层中仍然存在有缺陷，因此需通过热退火工艺以进一步提供高k介质层的品质，例如提高其致密性以及减少高k介质层中的氧空穴，进而改善晶体管的温度偏压稳定性。然而，在热退火的过程中，高k介质层中的部分氧空穴将扩散至衬底的表面上，导致衬底被进一步氧化而形成具有低介质常数的界面氧化层。
为此，本发明提供了一种高k介质层的形成方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成一遮蔽层；
在所述遮蔽层上形成一高k介质层和一氧吸收层；
执行退火工艺。
本发明提供的高k介质层的形成方法中，在形成高k介质层之前，优先在衬底上形成一遮蔽层，由于所述遮蔽层覆盖所述衬底，从而可对衬底进行保护，避免衬底暴露在空气中而被氧化。并且，还形成一氧吸收层，所述非晶硅可吸引高k介质层中的氧空穴，从而可减少高k介质层中的氧空穴扩散至衬底表面。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的高k介质层、半导体器件及其形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本发明实施例一中的高k介质层的形成方法的流程示意图，图2a-图2c为本发明实施例一中的高k介质层在其制备过程中的结构示意图，以下结合图1和图2a-2c所示，对本实施例中的形成方法进行详细说明。
首先，执行步骤s110，具体参考图2a所示，提供一衬底100，所述衬底100的材质为易被氧化的材质，例如，所述衬底100可以为硅衬底、锗衬底或者含锗衬底。
接着，执行步骤s120，具体参考图2a和图2b所示，在所述衬底100上形成一遮蔽层110，所述遮蔽层110覆盖所述衬底100，从而在形成高k介质层之前，可避免衬底100暴露在空气中而被氧化的问题，从而可钝化器件沟道的界面状态。进一步的，所述遮蔽层110可以为氧化层或者氮氧化层，例如为氧化硅层(sio)或氮氧化硅层(sion)。
其中，所述遮蔽层110可通过热氧化工艺形成，使所形成的氧化层或氮氧化层具有更高的致密性，提高其介质常数。此外，在热氧化过程中，通过氧化部分衬底以形成氧化层或氮氧化层，因此，所形成的遮蔽层110与衬底100之间的键合稳定性更高，避免由于晶格不匹配而可出现遮蔽层110和衬底100之间形成界面态的问题。具体的，所述热氧化工艺可以为快速热氧化工艺(rapidthermaloxidation，rto)或者为原位水汽氧化工艺(in-situsteamgeneration，issg)。
进一步的，当所述衬底为锗衬底，并需在所述锗衬底上形成氧化层作为遮蔽层时，其具体的形成方法参考如下步骤。
第一步骤，具体参考图2a所示，供应硅源气体，以形成硅原子111并吸附于所述衬底100的表面上。其中，所述硅源气体可以为硅烷(sih4)气体；具体的，可将所述硅烷气体通入一放置有所述衬底的高温炉中，使硅烷在高温条件下分解产生硅原子111，所述硅原子111吸附于衬底100的表面上。在该过程中，所述高温炉中的温度优选为500℃～700℃，其反应时间例如为15min～25min。优选的，在通入硅烷的同时，还可同时通入锗烷(geh4)，所述锗烷可作为催化剂加快硅烷分解，以缩减该制程所花费的时间。
第二步骤，具体参考图2b所示，执行热氧化工艺，使衬底100表面上的硅原子111发生氧化反应形成氧化层110，具体所述氧化层110例如为锗氧化硅(gesio2)层。
优选的方案中，在执行所述热氧化工艺之前，还包括对吸附有硅原子111的衬底100执行湿法化学氧化工艺。具体的，所述湿法化学氧化工艺中利用含臭氧的溶液对所述衬底100进行表面处理，以使衬底100表面上的至少部分硅原子111发生氧化而形成一较薄的氧化硅薄膜，所述氧化硅薄膜覆盖在衬底100的表面形成一界面层，从而在后续执行热氧化工艺时，可有效控制所形成的氧化层110的厚度，避免形成厚度较厚的氧化硅层110而使氧化硅等效厚度(eto)的缩小变得困难。
接着，执行步骤s130，具体参考图2c所示，在所述遮蔽层110上形成一高k介质层120和一氧吸收层130。其中，所述高k介质层代表其介电常数大于3.5的介质层，例如为氧化铬(hfo)、氧化铝(al2o3)或tio等。具体可通过化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺形成所述高k介质层。所述氧吸收层130可以为非晶硅层(a-si)，由于非晶硅的性质不稳定极易吸附氧，因此可用于吸附高k介质层120中的氧空穴，避免高k介质层120中的氧空穴扩散至衬底100表面而导致衬底被氧化。
进一步的，所述氧吸收层130可以形成在所述高k介质层120的下方，即，在形成所述遮蔽层110之后，在所述遮蔽层110上形成氧吸收层130，接着再形成所述高k介质层120。当然，所述氧吸收层130也可以形成在所述高k介质层120的上方，即，在形成所述遮蔽层110之后，在所述遮蔽层110上形成高k介质层120，接着再形成所述氧吸收层130。本实施例中，所述氧吸收层130形成于所述高k介质层120的上方，从而可在后续的工艺步骤中去除所述氧吸收层130，避免位于栅极结构中的栅介质层的厚度过厚，而不利于提高器件的性能。
接着，执行步骤s140，执行热退火工艺，以提高所述高k介质层120的品质。所述退火工艺例如为峰值退火工艺(spikeanneal)或激光退火(laseranneal)等。具体的，当采用峰值退火工艺时，其温度范围优选为800℃～1000℃；当采用激光退火(laseranneal)或者快速热退火工艺时，其温度范围优选为950℃～1150℃。
由于高k介质层大多是金属离子氧化物，且没有固定的原子配位，导致其与下方的膜层之间的产生大量的界面缺陷，所述界面缺陷会与氧相结合产生间隙氧原子和带正电的氧空穴，带正电的氧空穴会与氢相结合形成不稳定的氢键，进而使pmos晶体管产生严重的负偏压温度不稳定性(negativebiastemperatureinstability，nbti)，即，在高温条件在，于栅极上施加负偏压时所述pmos晶体管的电学性能发生漂移，以及使nmos晶体管产生严重的正偏压温度不稳定性(positivebiastemperatureinstability，pbti)。因此，通过热退火工艺，使高k介质层120中的氧空穴扩散出，以有效降低高k介质层120中的氧空穴，同时还可提高高k介质层120的致密性，改善晶体管的温度偏压稳定性。同时，如上所述，由于在所述高k介质层120的上方还形成有氧吸收层130，所述氧吸收层130可吸引高k介质层120中的氧，进而在高温的热退火过程中，可减少高k介质层120中向衬底方向扩散的氧空穴，进一步避免衬底100被氧化的问题。
进一步的，在后续的工艺制程中，还包括去除所述氧吸收层130，并在高k介质层120上形成栅极电极层。其中，可利用湿法刻蚀工艺去除所述氧吸收层130，例如，当所述氧吸收层130为非晶硅层时，则可采用含有氨水的化学溶液去除所述非晶硅层。所述栅极电极层可包括一功函数层和一金属栅极，具体的，所述功函数层可用于对栅极电极层的功函数进行调整，所述功函数层例如可以为氮化钽层或氮化钛层。
在本发明提供的高k介质层的形成方法中，在形成高k介质层之前，优先在衬底上形成一遮蔽层，所述遮蔽层可保护衬底，避免衬底暴露出而被氧化；以及，还形成有一氧吸收层，利用氧吸收层极易吸引氧的特性，大大降低高k介质层中的氧空穴向衬底扩散的概率，进一步防止衬底被氧化。
基于以上所述的高k介质层的形成方法，本发明还提供一种半导体器件的形成方法，所述半导体器件中形成有至少一个晶体管，所述高k介质层作为所述晶体管的栅介质层，即，利用高k介质层替代氧化硅层作为栅介质层，可以在保持等效氧化层厚度不变的情况下大大增加其物理厚度，从而减小栅极漏电流。本发明提供的半导体器件的形成方法，适用于需形成高k介质层的晶体管器件中，包括平面型晶体管或者鳍式场效应晶体管(finfield-effecttransistor，finfet)。
图3为本发明一实施例中的半导体器件的形成方法的流程示意图，图4a-图4e为本发明一实施例中的板导体器件的形成方法在其制备过程中的结构示意图，以下结合图3和图4a-4e所示，并以形成finfet器件为例，对本实施例中的半导体器件的形成方法进行详细说明。
首先，执行步骤s210，具体参考图4a所示，提供一衬底200，与上述实施例类似的，所述衬底200可以为硅衬底、锗衬底或者含锗衬底，其可根据实际需形成的晶体管的类型，采用相应的衬底材料，进而构成相应类似的沟道。
进一步的，所形成的半导体器件包括cmos晶体管，则所述衬底200定义有一用于形成nmos晶体管的nmos区域200n，和一用于形成pmos晶体管的pmos区域200p。此外，根据不同类型的晶体管可采用相应的衬底材料，以提高所形成的晶体管的载流子迁移率。例如，pmos区域200p的衬底可以为锗(ge)衬底，进而可构成ge沟道；nmos区域200n的衬底可以为铟砷化镓(ingaas)衬底，进而可构成ingaas沟道。
本实施例中，所述衬底200用于形成finfet器件，因此，在所述衬底200上还形成有多个鳍片211，在所述鳍片211的上方和两侧上形成有栅极沟槽214(附图中仅示出位于鳍片上方的栅极沟槽)。其中，所述栅极沟槽214下方的鳍片(此处“栅极沟槽下方的鳍片”与下方的“沟道区域下方的衬底”所指一致)即构成后续所形成的晶体管的沟道区域。具体的，所述栅极沟槽214的形成步骤如下：第一步骤，在衬底200上形成多个鳍片211；第二步骤，在所述鳍片211的上方和两侧上形成伪栅极结构(图中未示出)以及在所述伪栅极结构的两侧上形成侧墙212；第三步骤，在所述伪栅极结构两侧的鳍片211上形成源极和漏极；第四步骤，在衬底上覆盖一层间介质层213，所述层间介质层213填充相邻鳍片之间的空隙；第五步骤，去除所述伪栅极结构，进而可形成所述栅极沟槽214。
接着，执行步骤s220，具体参考图4a和图4b所示，至少在所述栅极沟槽214的衬底200上形成一遮蔽层220。与上述实施例类似的，所述遮蔽层220可以为氧化层或者氮氧化层，例如为氧化硅层(sio)或氮氧化硅层(sion)。以及，所述遮蔽层220也可通过热氧化工艺形成。所述遮蔽层220和后续所形成的高k介质层可共同构成晶体管的栅介质层，因此，控制所述遮蔽层220的厚度和品质至关重要。
本实施例中，所形成的finfet器件中，用于形成pmos晶体管的衬底为ge衬底，用于形成nmos晶体管的衬底为ingaas衬底，所述遮蔽层220为氧化层。因此，遮蔽层220的形成工艺可参考上述实施例所述，即：首先，提供一硅源气体，并使其分解产生硅原子221以吸附在衬底的表面上；接着，通过热氧化工艺，形成氧化层220。在此过程中，为避免形成厚度较大的氧化层，可在执行热氧化工艺之前，先对吸附有硅原子221的衬底200进行湿法化学氧化工艺，以形成一厚度较薄的氧化薄膜，在所述氧化薄膜的覆盖下，可有效降低在热氧化工艺中所生长的氧化层220的厚度。如此一来，不仅可使所生长的氧化层220具有较高的致密性，并且与衬底200的晶格可相互匹配，避免出现键合不稳定的问题；以及，可有效控制所生长的氧化层的厚度，形成厚度较薄且品质较高的遮蔽层220。本实施例中，位于pmos区域200p上的遮蔽层220为gesio2，位于nmos区域200n上的遮蔽层220为sio2。
接着，执行步骤s230，具体参考图4c所示，在所述衬底200上形成一高k介质层230和一氧吸收层240。所述高k介质层230和所述氧吸收层240至少覆盖所述遮蔽层220和侧墙212。所述氧吸收层240例如为非晶硅层(a-si)。
本实施例中，所述氧吸收层240形成于所述高k介质层230的上方，不仅可用于吸引高k介质层中的氧，而且在后续的工艺制程中，也便于将所述非晶硅240去除，避免氧吸收层240的存在导致栅介质层的厚度过大。
接着，执行步骤s240，执行热退火工艺，以提高所述高k介质层230的品质。如上述实施例所述，通过热退火工艺，可改善高k介质层230的致密性，提高其电学性能，同时可降低高k介质层240中氧空穴，避免高k介质层240与下方的膜层之间产生界面缺陷，进而改善晶体管的偏压温度不稳定性。即，对形成有氧吸收层240的高k介质层230执行热退火工艺，一方面可改善高k介质层230的品质，另一方面还可减少高k介质层230中扩散至衬底的表面的氧量，避免衬底200被氧化，改善沟道区域的衬底的品质。
在后续的工艺制程中，还包括步骤s250，具体参考图4d和图4e所示，去除所述氧吸收层240，并在高k介质层230上形成栅极电极层250。具体可通过湿法刻蚀的方式去除所述氧吸收层240。所述栅极电极层250进一步包括一功函数层251和一金属栅极252。
根据本发明提供的形成方法所形成的半导体器件中，在提高高k介质层的品质的同时，能够避免沟道区域的衬底被氧化的问题，从而可改善半导体器件的偏压温度不稳定性，提高半导体器件的性能。
本发明的又一目的在于提供一种半导体器件，所述半导体器件采用如上所述的形成方法形成，从而使所形成的半导体器件具有较高品质的高k介质层，同时所述半导体器件的导电沟道对应的衬底没有被氧化，有利于改善半导体器件的偏压温度不稳性和漏电流的现象。
图5为本发明一实施例中的半导体器件的结构示意图，如图5所示，所述半导体器件包括：
一衬底200，所述衬底200上具有一用于构成导电沟道的沟道区域200a；
一遮蔽层220，所述遮蔽层220至少形成在所述沟道区域200a的衬底200上；
一高k介质层230，所述高k介质层230至少形成在所述遮蔽层220上，所述高k介质层230和所述遮蔽层220可共同构成栅介质层。
即，以上所述的半导体器件中，在高k介质层230的下方还形成有遮蔽层220，所述遮蔽层220在高k介质层230形成之前，可对沟道区域200a的衬底进行保护避免被氧化。并且，由于遮蔽层220的存在，一方面可避免高k介质层230直接形成在衬底上而导致高k介质层230和衬底200之间出现界面缺陷的问题；另一方面，还可避免高k介质层230中的氧扩散到衬底的表面，防止沟道区域200a的衬底被氧化。
进一步的，所述半导体器件还包括一栅极电极层250，所述栅极电极层250形成在所述高k介质层230上，具体的，所述栅极电极层250包括一功函数层251和一金属栅极252。所述栅极电极层250、所述高k介质层230和遮蔽层220构成一栅极结构，优选的，在所述栅极结构的两侧上还形成有一侧墙212。
如上述实施例所述，本发明提供的形成方法可适用于形成有高k介质层的晶体管中，本实施例以形成finfet器件为例。具体参考图5所示，所述finfet器件包括多个形成在衬底200上的鳍片211，所述鳍片211用于构成finfet器件的源极、漏极和导电沟道。栅极结构形成于所述鳍片211的上方和两侧，覆盖有所述栅极结构的鳍片即构成导电沟道，位于所述栅极结构两侧的鳍片用于形成源极和漏极，从而所述栅极结构可从三个方向上同时控制所述导电沟道的导通和关断，有利于提高器件的响应速度。进一步的，在所述衬底200上还形成有一层间介质层213，所述层间介质层213填充相邻鳍片211之间的间隙，并与栅极结构齐平。
继续参考图5所示，所述半导体器件包括至少一个nmos晶体管和至少一个pmos晶体管，其中nmos晶体管形成于nmos区域200n，pmos晶体管形成于pmos区域200p。进一步的，所述nmos晶体管的导电沟道优选为锗沟道；所述pmos晶体管的导电沟道优先为铟砷化镓沟道，根据不同类似的晶体管分别采用相应材料的衬底，可有效提高对应晶体管的载流子迁移率。
综上所述，本发明提供的高k介质层的形成方法中，在形成高k介质层之前，优先在衬底上形成遮蔽层，以避免衬底被氧化而形成一低k界面氧化层；并且，在本发明的形成方法中，还包括形成一氧吸收层，利用所述氧吸收层对氧具有较强的吸引力的特性，使高k介质层中先衬底扩散的氧空穴的数量大大降低，进一步缓解了衬底被氧化的问题，有利于降低栅介质层等效氧化层厚度的缩减。因此，在执行热退火工艺时，可在提高高k介质层的品质的同时，还可避免沟道区域的衬底被高k介质层中的氧所氧化的问题，从而不仅可改善所形成的半导体器件的偏压温度不稳定性，还能够避免沟道区域的衬底被氧化的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。