半导体结构及其形成方法技术

一种半导体结构及其形成方法，其中，半导体结构的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有栅介质薄膜，所述栅介质薄膜表面具有栅极薄膜，所述栅极薄膜表面具有掩膜层，所述掩膜层覆盖部分栅极薄膜表面；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅极薄膜，直至暴露出栅介质薄膜为止，形成栅极层；在所述栅极层的侧壁表面形成覆盖层；以所述覆盖层和掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅介质薄膜，直至暴露出半导体衬底为止，形成栅介质层，所述栅介质层的宽度大于栅极层的宽度。由所形成的半导体结构形成的器件性能改善。

【技术实现步骤摘要】
半导体结构及其形成方法
本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。
技术介绍
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（MetalOxideSemiconductor，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小型化和集成化的要求。在MOS晶体管器件的尺寸持续缩小的过程中，现有工艺以氧化硅或氮氧化硅作为栅介质层的工艺受到了挑战。以氧化硅或氮氧化硅作为栅介质层所形成的晶体管出现了一些问题，包括漏电流增加以及杂质的扩散，从而影响晶体管的阈值电压，进而影响半导体器件的性能。为解决以上问题，含有高K栅介质层和金属栅的晶体管被提出。在所述含有高K栅介质层和金属栅的晶体管中，采用高K（介电常数）材料代替常用的氧化硅或氮氧化硅栅介质材料，能够缩小晶体管尺寸缩小的，避免漏电流的产生，并提高晶体管的性能。现有技术的具有高K栅介质层和金属栅的晶体管的平面结构示意图如图1所示，包括：位于半导体衬底100表面的第一介质层105，所述第一介质层105内具有暴露出半导体衬底100表面的开口（未示出）；位于所述开口底部表面的高K栅介质层101；位于所述高K栅介质层101表面的金属栅极层103，位于高K栅介质层101和金属栅极层103两侧的半导体衬底100表面的侧墙104；位于高K栅介质层101、金属栅极层103和侧墙104两侧的半导体衬底100内的源区106a和漏区106b。然而，现有的晶体管，尤其是具有高K栅介质层和金属栅的晶体管性能依旧有待提高。更多关于具有高K栅介质层和金属栅的晶体管或其形成工艺的相关资料请参考公开号为US2011/0195549的美国专利文件。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法，改善晶体管的性能，尤其是改善具有高K栅介质层和金属栅的晶体管的性能。为解决上述问题，本专利技术提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有栅介质薄膜，所述栅介质薄膜表面具有栅极薄膜，所述栅极薄膜表面具有掩膜层，所述掩膜层覆盖部分栅极薄膜表面；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅极薄膜，直至暴露出栅介质薄膜为止，形成栅极层；在所述栅极层的侧壁表面形成覆盖层；以所述覆盖层和掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅介质薄膜，直至暴露出半导体衬底为止，形成栅介质层，所述栅介质层的宽度大于栅极层的宽度。可选的，所述覆盖层的材料为氮化硅，厚度为1埃～100埃。可选的，所述覆盖层的形成工艺为氮气处理，形成工艺为氮气处理，工艺参数为：压力2毫托～100毫托，等离子化功率100瓦～1500瓦，偏置电压0伏～50伏，气体包含氮气，气体总流量1标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，反应时间5秒～200秒可选的，还包括：在所述栅介质薄膜表面形成保护薄膜，所述保护薄膜表面形成栅极薄膜；在刻蚀所述栅介质薄膜之前，以所述覆盖层和掩膜层为掩膜刻蚀所述保护薄膜，形成保护层。可选的，还包括：在形成保护层和栅介质层之后，自所述保护层和栅介质层的侧壁表面向内部减薄部分厚度。可选的，所述自所述保护层和栅介质层的侧壁表面向内部减薄部分厚度的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺。可选的，还包括：在形成保护层和栅介质层之后，自所述保护层的侧壁表面向内部减薄部分厚度。可选的，所述自所述保护层的侧壁表面向内部减薄部分厚度的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺为：刻蚀气体包括溴化氢、氮气和氩气，其中，所述溴化氢与氮气的体积比为0.8:1～1.2:1，所述氮气与氩气的体积比为0.8:1～1.2:1，所述氩气与溴化氢的体积比为0.8:1～1.2:1，所述溴化氢、氮气和氩气的总流量为100标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，气压小于10毫托，等离子化功率为200瓦～600瓦，偏置电压为0伏～50伏。可选的，所述保护层的材料为金属氮化物。可选的，所述保护层的材料为氮化钽或氮化钛。可选的，所述栅介质层的材料为高K介质材料，所述高K介质材料为铪的化合物、金属氧化物、或铪的化合物和金属氧化物组合。可选的，所述掩膜层的形成工艺为：在所述栅极薄膜表面沉积掩膜薄膜；采用光刻工艺、纳米印刷工艺或分子自组装工艺在所述掩膜薄膜表面形成图形化层；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所述掩膜薄膜直至暴露出栅极薄膜为止。可选的，所述掩膜层为介质材料层和金属层的一层或多层组合，且当所述掩膜层为介质材料层和金属层的多层组合时，所述掩膜层内还包括多晶硅层。可选的，还包括：在所述半导体衬底表面形成氧化薄膜，所述氧化薄膜表面形成栅介质薄膜。可选的，所述栅极薄膜的材料为多晶硅。可选的，还包括：在形成所述栅介质层之后，在所述栅介质层、栅极层和掩膜层两侧的半导体衬底表面形成侧墙；以所述侧墙和掩膜层为掩膜，对半导体衬底进行离子注入，在所述栅极层两侧的半导体衬底内形成源区和漏区；在形成源区和漏区之后，在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层的表面与掩膜层的表面齐平；在形成介质层之后，去除所述掩膜层和栅极层，并形成开口；在所述开口内形成金属栅。相应的，本专利技术还提供一种采用上述任一项方法所形成的半导体结构，包括：半导体衬底；位于半导体衬底表面的栅介质层；位于栅介质层表面的栅极层，所述栅介质层的宽度大于所述栅极层的宽度。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：在刻蚀栅极薄膜以形成栅极层之后，在所述栅极层侧壁表面形成覆盖层，再以所述覆盖层、和位于栅极层顶部的掩膜层为掩膜，刻蚀栅介质薄膜；由于所述覆盖层具有一定厚度，沿所述覆盖层表面刻蚀栅介质薄膜后，能够使形成的栅介质层的宽度大于栅极层的宽度。栅介质层的宽度大于栅极层的宽度有利于提高栅介质层在栅极层和半导体衬底的电隔离能力；而且，栅介质层的宽度大于栅极层的宽度有利于减少后续形成的源区或漏区与栅极层之间的重叠电容。因此，以所述栅介质层和栅极层形成晶体管后，所述晶体管的漏电流能够减少、工作电流提高、工作效率提高、性能得到改善。进一步的，所述栅极层的材料为多晶硅，所述覆盖层的材料为氮化硅，形成工艺为氮气处理，即以氮气与栅极层内的硅原子反应，在栅极层的侧壁表面生成氮化硅层；而且所述氮化硅层的厚度与氮气处理工艺的时间呈线性关系，氮气处理的时间越长，氮化硅层的厚度越厚；因此所述覆盖层的厚度能够通过工艺严格控制，以所述覆盖层为掩膜刻蚀形成的栅介质层的宽度也能够精确控制，使所形成的器件性能更可控精确。而且，形成所述较大宽度的栅介质层的方法简单易操作，无需对工艺进行精细操作既能够形成尺寸精确的栅介质层，有利于在生产中进一步推广。进一步的，在栅介质薄膜和栅极薄膜之间形成保护层，并以所述覆盖层和掩膜层为掩膜，刻蚀所述保护薄膜和栅介质薄膜，以形成保护层和栅介质层；所述保护层和栅介质层的宽度大于栅极层的宽度，使所述保护层隔离栅极层和半导体衬底的能力更佳。此外，在形成保护层和栅介质层之后，自所述保护层的侧壁表面向内部减薄部分厚度，以使栅介质层的宽度大于保护层的宽度，保护层的宽度大于栅极层的宽度，则所述栅介质层在半导体衬底和保护层之间的隔离能力增强，避免了在后续工艺中由于栅介质层被减薄而造成保护层内的原子向半导体衬底迁移，进而产生漏电流，所形成的器件的性能更为稳定。本实施例的半导体结构中，栅介质层的宽度大于栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有栅介质薄膜，所述栅介质薄膜表面具有栅极薄膜，所述栅极薄膜表面具有掩膜层，所述掩膜层覆盖部分栅极薄膜表面；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅极薄膜，直至暴露出栅介质薄膜为止，形成栅极层；在所述栅极层的侧壁表面形成覆盖层；以所述覆盖层和掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅介质薄膜，直至暴露出半导体衬底为止，形成栅介质层，所述栅介质层的宽度大于栅极层的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有栅介质薄膜，在所述栅介质薄膜表面形成保护薄膜，所述保护薄膜表面形成栅极薄膜，所述栅极薄膜表面具有掩膜层，所述掩膜层覆盖部分栅极薄膜表面；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅极薄膜，直至暴露出保护薄膜为止，形成栅极层；在所述栅极层的侧壁表面形成覆盖层；以所述覆盖层和掩膜层为掩膜，刻蚀所述保护薄膜和栅介质薄膜，直至暴露出半导体衬底为止，形成保护层和栅介质层，所述栅介质层的宽度大于栅极层的宽度；在形成保护层和栅介质层之后，自所述保护层的侧壁表面向内部减薄部分厚度；在减薄部分厚度的保护层之后，在所述栅介质层、保护层、栅极层和掩膜层两侧的半导体衬底表面形成侧墙。2.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述覆盖层的材料为氮化硅，厚度为1埃～100埃。3.如权利要求2所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述覆盖层的形成工艺为氮气处理，工艺参数为：压力2毫托～100毫托，等离子化功率100瓦～1500瓦，偏置电压0伏～50伏，气体包含氮气，气体总流量1标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，反应时间5秒～200秒。4.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：在形成保护层和栅介质层之后，自所述保护层和栅介质层的侧壁表面向内部减薄部分厚度。5.如权利要求4所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述自所述保护层和栅介质层的侧壁表面向内部减薄部分厚度的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺。6.如权利要求1所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述自所述保护层的侧壁表面向内部减薄部分厚度的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺为：刻蚀气体包括溴化氢、氮气和氩气，其中，所述溴化氢与氮气的体积比为0.8:1～1.2:1，所述氮气与氩气的体积比为0.8:1～1.2:1，所述氩气与溴化氢的体积比为0.8:1～1.2:1，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：何其旸，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31