半导体结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种半导体结构及其制备方法，该方法包括：于半导体衬底内形成沟槽；采用原位水汽生成工艺于沟槽的底部及侧壁上形成氧化硅层；于氧化硅层中掺杂氮原子，形成氮掺杂氧化硅层；重复执行上述氧化‑氮掺杂工艺，直至达到厚度目标要求；于氮掺杂氧化硅层的底部及侧壁围成的剩余部分的沟槽中填充栅极金属层，且栅极金属层的顶端低于半导体衬底的上表面。在形成氧化硅层的同时对氧化硅层进行氮掺杂，并经过多次氧化‑氮掺杂的反复循环，提高栅极绝缘层中的氮含量，使氮掺杂更均匀，从而在保证晶体管栅极结构性能的情况下，有效提高抗掺杂离子在栅极结构中的扩散问题，降低了栅极结构的漏电流，从而提高晶体管的性能。

Semiconductor structure and preparation method

【技术实现步骤摘要】
半导体结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种晶体管栅极结构及其制备方法。
技术介绍
很多年来，二氧化硅已经用作晶体管的栅极电介质层的选择。原因在于二氧化硅可以提供所需的性能组合，包括良好电子和空穴迁移率，保持电子(表面)状态在界面处较低的能力，较低的空穴和电子捕获率，以及与CMOS加工的优良兼容性。通常，希望薄的栅极电介质层，以便更好的连接和控制从栅电极到沟道的电位。随着集成电路技术的持续发展，器件尺寸不断减小，栅极电介质层的厚度也随之不断减小。传统通过远距离等离子体渗氮工艺(简称RPN)的方式在氧化硅表面形成一层氮氧化硅，随着氧化层厚度的降低，RPN形成的氮化层中氮原子的密度和深度已经不足以满足电性的要求。容易导致掺杂剂(例如，硼)从栅极渗入栅极电介质层中，降低栅极的击穿电压。因此制备具有低漏电流的栅极电介质层一直是集成电路技术备受关注的关键问题之一。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种晶体管栅极结构及其制备方法，用于解决现有技术中晶体管栅极电介质层容易漏电等的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种半导体结构的制备方法，所述制备方法至少包括步骤：1)提供半导体衬底，并于所述半导体衬底内形成沟槽；2)采用原位水汽生成工艺于所述沟槽的底部及侧壁上形成氧化硅层；3)于所述氧化硅层中掺杂氮原子，形成氮掺杂氧化硅层；4)重复执行步骤2)及步骤3)，以获得目标厚度的氮掺杂氧化硅层；5)于所述沟槽中形成栅极金属层，所述栅极金属层的顶端低于所述半导体衬底的上表面。可选地，在步骤5)形成所述栅极金属层之前还包括于所述氮掺杂氧化硅层的底部及侧壁上形成氮氧化硅层的步骤。进一步地，在步骤5)形成所述栅极金属层之前还包括于所述氮氧化硅层的底部及侧壁上形成功函数层的步骤。可选地，步骤2)中形成所述氧化硅层及步骤3)中形成所述氮掺杂氧化硅层的步骤包括：于工作腔室中通入含氢气体、含氮气体及含氧气体，采用原位水汽生成工艺在所述沟槽的底部及侧壁形成所述氧化硅层；停止向所述工作腔室中通入所述含氢气体并保持其他工艺参数不变，以于所述氧化硅层中掺杂氮原子，形成所述氮掺杂氧化硅层。进一步地，采用脉冲的方式实现所述含氢气体的通断，所述含氢气体的脉冲时间介于0.1s～5s，步骤2)中形成所述氧化硅层的时间介于1s～4s，步骤3)中于所述氧化硅层中掺杂氮原子的时间介于0.1s～5s。可选地，所述含氢气体包括氢气，所述含氮气体包括由一氧化二氮、一氧化氮、氮气及氮氧化物组成群组中的一种或多种的混合气体，所述含氧气体包括由一氧化二氮、一氧化氮、氧气及氮氧化物组成群组中的一种或多种的混合气体。可选地，步骤2)中形成所述氧化硅层的厚度介于步骤3)中掺杂氮原子浓度占所述氮掺杂氧化硅层中原子浓度的0.05％～0.15％。可选地，步骤4)中形成的所述氮掺杂氧化硅层的厚度介于2nm～6nm，形成的所述栅极金属层的厚度介于15nm～25nm，所述栅极金属层的顶端与所述半导体衬底的上表面之间的距离介于55nm～75nm。本专利技术还提供一种半导体结构，所述半导体结构可采用上述制备方法制得，所述半导体结构至少包括：半导体衬底，具有位于所述半导体衬底内的沟槽；氮掺杂氧化硅层，位于所述沟槽的底部及侧壁上；栅极金属层，填充于所述沟槽中，且所述栅极金属层的顶端低于所述半导体衬底的上表面。可选地，所述晶体管栅极结构还包括氮氧化硅层及功函数层，所述氮氧化硅层位于所述氮掺杂氧化硅层的底部及侧壁上，所述功函数层位于所述氮氧化硅层的底部及侧壁上。可选地，所述氮掺杂氧化硅层的厚度介于2nm～6nm，所述栅极金属层的厚度介于15nm～25nm，所述栅极金属层的顶端与所述半导体衬底的上表面之间的距离介于55nm～75nm，所述氮氧化硅层的厚度介于1.5nm～3nm。可选地，所述氮掺杂氧化硅层中掺杂氮原子浓度占所述氮掺杂氧化硅层中原子浓度的0.05％～0.15％。如上所述，本专利技术的半导体结构及其制备方法，在形成氧化硅层的同时对氧化硅层进行氮掺杂，并经过多次氧化-氮掺杂的反复循环，提高了栅极绝缘层中的氮含量，另外，由于采用氧化-氮掺杂的循环过程，使氮掺杂更均匀，从而在保证晶体管栅极结构性能的情况下，有效提高抗掺杂离子(例如P型的硼离子，N型的磷离子)在栅极结构中的扩散问题，降低了栅极结构的漏电流，从而提高晶体管的性能。附图说明图1至图5显示为常规技术中一种半导体结构的制备方法中各步骤对应的截面结构示意图。图6显示为本专利技术的半导体结构的制备方法的流程图。图7至图15显示为本专利技术的半导体结构的制备方法中各步骤对应的截面结构示意图，其中图9至图11显示为形成氮掺杂氧化硅层的原理图。图16显示为本专利技术的半导体结构一实施例的截面结构示意图。元件标号说明10半导体衬底11沟槽12氧化硅层13氮氧化硅层14氮化钛层15栅极金属层20半导体衬底21沟槽22氧化硅层23氮掺杂氧化硅层24栅极金属层25氮氧化硅层26功函数层D1氧化硅层的厚度D2氮掺杂氧化硅层的厚度D3栅极金属层的厚度D4氮氧化硅层的厚度W栅极金属层顶端与半导体衬底上表面之间的距离S1～S5步骤具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如图1至图5示出了现有技术中常规的晶体管栅极结构的制备方法，在此，以埋入式栅极结构为例进行说明。如图1所示，提供一半导体衬底10，并于所述半导体衬底10内形成沟槽11；如图2所示，于所述沟槽11的底部及侧壁形成氧化硅层12；如图3所示，于所述氧化硅层12的底部及侧壁形成氮氧化硅层13；如图4所示，于所述氮氧化硅层13的底部及侧壁形成氮化钛层14；如图5所示，于所述沟槽11中填充栅极金属层15。现有技术中，常用的是使用氧化硅作为晶体管栅极绝缘层，这也是由于氧化硅可以提供作为栅极绝缘层所需的性能，如良好的电子和空穴迁移率，以及与CMOS优良的工艺兼容性等。但是随着集成电路技术的持续发展，器件的尺寸不断减小，从而不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：/n1)提供半导体衬底，并于所述半导体衬底内形成沟槽；/n2)采用原位水汽生成工艺于所述沟槽的底部及侧壁上形成氧化硅层；/n3)于所述氧化硅层中掺杂氮原子，形成氮掺杂氧化硅层；/n4)重复执行步骤2)及步骤3)，以获得目标厚度的氮掺杂氧化硅层；/n5)于所述沟槽中形成栅极金属层，所述栅极金属层的顶端低于所述半导体衬底的上表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1)提供半导体衬底，并于所述半导体衬底内形成沟槽；
2)采用原位水汽生成工艺于所述沟槽的底部及侧壁上形成氧化硅层；
3)于所述氧化硅层中掺杂氮原子，形成氮掺杂氧化硅层；
4)重复执行步骤2)及步骤3)，以获得目标厚度的氮掺杂氧化硅层；
5)于所述沟槽中形成栅极金属层，所述栅极金属层的顶端低于所述半导体衬底的上表面。


2.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于：在步骤5)形成所述栅极金属层之前还包括于所述氮掺杂氧化硅层的底部及侧壁上形成氮氧化硅层的步骤。


3.根据权利要求2所述的半导体结构的制备方法，其特征在于：在步骤5)形成所述栅极金属层之前还包括于所述氮氧化硅层的底部及侧壁上形成功函数层的步骤。


4.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中形成所述氧化硅层及步骤3)中形成所述氮掺杂氧化硅层的步骤包括：
于工作腔室中通入含氢气体、含氮气体及含氧气体，采用原位水汽生成工艺在所述沟槽的底部及侧壁形成所述氧化硅层；
停止向所述工作腔室中通入所述含氢气体并保持其他工艺参数不变，以于所述氧化硅层中掺杂氮原子，形成所述氮掺杂氧化硅层。


5.根据权利要求4所述的半导体结构的制备方法，其特征在于：采用脉冲的方式实现所述含氢气体的通断，所述含氢气体的脉冲时间介于0.1s～5s，步骤2)中形成所述氧化硅层的时间介于1s～4s，步骤3)中于所述氧化硅层中掺杂氮原子的时间介于0.1s～5s。


6.根据权利要求4所述的半导体结构的制备方法，其特征在于：所述含氢气体包括氢气，所述含氮气体包括由一氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张黎，
申请(专利权)人：长鑫存储技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34