[发明专利]半导体结构及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明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，本发明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。