[发明专利]栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法。

背景技术

随着半导体工艺技术节点的减小，传统的二氧化硅栅介质层和多晶硅栅电极层的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor Field-Effect-Transistor，MOSFET，以下简称MOS晶体管）器件出现了漏电量增加和栅极层损耗等问题。为解决这些问题，现有技术中提出了采用高K（high K，HK）材料代替二氧化硅制作栅介质层，即高K介质层，并采用金属材料代替多晶硅制作栅电极层（metal gate，MG），即金属栅极，此结构简称为HKMG。

然而，使用高K介质层的缺点在于，高K介质层的界面品质较差，如果直接在半导体衬底上形成高K介质层，较差品质的界面容易削弱最终形成的MOS晶体管的电学性能。

为此，现有方法通常在半导体衬底与高K介质层之间设置界面层（interfacial layer，IL），界面层不仅能在半导体衬底和界面层之间提供较佳品质的界面，还能在高K介质层和界面层之间提供较佳品质的界面，从而改善了高K介质层与半导体衬底之间的界面特性。

这里将界面层和高K介质层等位于金属栅极与半导体衬底（沟道区）之间的叠层称为栅介质层，下同。

请参考图1和图2，示出了现有栅介质层的形成方法各步骤对应的结构示意图。

请参考图1，提供半导体衬底100，在半导体衬底100上形成界面层110。现有方法中通常采用低温（low temperature）快速热氧化方法（low temperature Rapid Thermal Oxidation，RTO）或者化学氧化法（Chemical Oxidation）直接形成界面层110。

请参考图2，在界面层110上形成高K介质层120，界面层110和高K介质层120均为栅介质层的一部分。

随着半导体器件尺寸减小，MOS晶体管器件存在着非常严重的短沟道效应，为防止短沟道效应，并提高金属栅极对沟道的控制能力，MOS晶体管中栅介质层的等效氧化层厚度（Equivalent Oxide Thickness，EOT）通常不得超过1nm。因此，界面层110作为栅介质层的其中一部分，其厚度必须较小。

但是直接形成厚度较小且质量较好的界面层110是十分困难的。现有方法形成的界面层110质量通常很差，导致MOS晶体管的性能下降。此外，在栅介质层的形成工艺中，通常还必须采用退火工艺，所述退火工艺会致使界面层110被氧化而导致其厚度增大，进一步加剧了MOS晶体管性能的下降。

因此，需要一种新的栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法，以提高界面层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT，提高MOS晶体管的性能。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种栅介质层的形成方法和MOS晶体管的形成方法，以提高界面层的质量，减小界面层的厚度，从而减小EOT，提高MOS晶体管的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种栅介质层的形成方法，包括：

提供第一半导体衬底；

在所述第一半导体衬底上形成界面层；

在所述界面层上形成金属层；

在所述金属层上形成高K介质层；

进行退火处理，所述界面层与所述第一半导体衬底接触的部分在所述退火处理过程中被还原为硅，并与所述第一半导体衬底构成第二半导体衬底，所述界面层的厚度减薄。

可选的，所述金属层的材料包括铪、镧、铝、锆、钛、钡或钇中的至少一种。

可选的，所述金属层厚度为

可选的，所述退火处理采用的温度为500℃～700℃，所述退火处理进行的时间为10s～60s。

可选的，所述退火处理采用的保护气体为氮气、氦气、氖气或者氩气，所述退火处理采用的压强为500Torr～1000Torr。

可选的，所述界面层初始厚度为进行所述退火处理之后所述界面层的剩余厚度为所述初始厚度的40%～60%。

可选的，所述金属层采用物理气相沉积法形成。

可选的，所述界面层采用热氧化生长法或者化学氧化法形成。

可选的，所述高K介质层的材料包括氧化铪、氧化镧、氧化锆、氧化钛、氧化钽或者氧化钇中的至少一种。

为解决上述问题，本发明还提供了一种MOS晶体管的形成方法，包括：

提供第一半导体衬底；

在所述第一半导体衬底上形成界面层；