CN101604664A - 金属栅极电极和制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了通过沉积原位硅(Si)盖来改进金属栅极器件性能的结构和方法。通过脱气工艺加热包括衬底和电介质层的晶片，然后将晶片冷却到近似室温。然后沉积金属层，然后在其上沉积原位Si盖。无真空破坏地(即在加热、冷却和金属沉积工艺的相同主结构中或者相同室中)沉积Si盖。这样，减少了在后续加工期间可用于层间氧化物再生长的氧含量以及金属栅极中俘获的氧含量。
Description
技术领域
本公开主要地涉及金属栅极电极的制造并且具体地涉及形成用于金属栅极电极的原位硅(Si)盖。
背景技术
在集成电路(IC)制造业中，出于多种原因而越来越多地使用金属栅极电极取代掺杂多晶硅(poly-Si)栅极电极。通过物理气相沉积(PVD)来沉积例如钛氮化物(TiNx)的金属以形成金属栅极电极。然后在金属层之上沉积Si层。然而在沉积时没有很紧密地聚集金属，即TiNx，并且环境中吸收的氧和水可能从沉积室引出。在后续工艺期间，包含俘获氧的物质可能造成界面氧化物在Si层上的再生长从而导致形成额外氧化硅(SiO)层。结果，金属栅极电极变得比设计的更厚。额外俘获的氧和污染物也可能影响如此形成的金属栅极的性质。
发明内容
公开了通过沉积原位Si盖来改进金属栅极器件性能的结构和方法。
本发明的第一方面提供一种方法，该方法包括：提供衬底；在衬底上沉积电介质层；加热衬底和电介质层；冷却衬底和电介质层；在电介质层上沉积金属层；并且在金属层上沉积硅(Si)盖；其中沉积Si盖而无来自加热、冷却或者金属沉积工艺的真空破坏。
本发明的第二方面提供一种金属栅极电极，该金属栅极电极包括：包括衬底的第一层；包括电介质层的第二层；包括金属层的第三层；以及包括硅(Si)盖的第四层；其中沉积Si盖而无来自金属层沉积的真空破坏。
本发明的示例性方面被设计成解决这里描述的问题和/或没有讨论的其它问题。
附图说明
根据与描绘本发明各种实施例的以下附图相结合而进行的对本发明各种方面的如下具体描述，本发明的这些和其它方面将更易于理解：
图1-2示出了本发明中所公开的金属栅极电极；
图3示出了本发明中所公开的方法的流程图；
图4-5示出了与传统金属栅极电极相比，在利用本发明中所公开的金属栅极电极时针对碳和氧的存在的测试结果。
将注意本发明的附图未按比例绘制。附图旨在于仅仅描绘本发明的典型方面、因此其不应被视为限制本发明的范围。在附图中，相似标号代表附图之间的相似元件。
具体实施方式
参照附图，在图1-图3中示出了根据本发明的结构和方法的实施例。图1示出了提供衬底100。接着，使用常规沉积技术如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或者物理气相沉积(PVD)来沉积电介质层101。电介质层可以是氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)或者高电介质常数(高K)，比如氧化铪(HfO)、硅酸铪(HfSixOy)、氧化铝(Al2O3)或者钛酸锶钡(BSTO)。
在沉积层101之后，对晶片执行脱气工艺。脱气工艺驱逐包含吸收氧的物质，即空气中的水和其它杂质。在约2T到50T的气压下、当存在惰性气体如氩(Ar)、氦(He)、氙(Xe)或者氪(Kr)时、在约150℃-350℃的温度执行脱气工艺约1-5分钟。在这一脱气工艺(即加热工艺)之后，然后在惰性气体环境中将晶片冷却至近似室温。将晶片冷却至室温约50℃内对于这一工艺的目的而言就足够了。分别在脱气室和冷却室中进行这一加热和后续冷却。脱气室和冷却室驻留于与金属沉积室相同的主结构中，从而晶片没有面临这三个工艺之间的真空破坏。加热和冷却工艺降低了在后续加工期间可用于层间氧化物再生长的氧含量以及如下文讨论的金属栅极中俘获的氧含量。
如图2中所示，在加热、然后冷却晶片之后，在电介质层101上沉积金属层102。金属层可以是能够用于金属栅极电极的任何金属，包括但不限于氮化钛(TiNx)、氮化钽(TaNx)、氮硅化钽(TaSixNy)、碳化钽(TaCx)、氮化钨(WNx)、氮化钼(MoNx)、氮硅化钼(MoSiNx)、铝化钛(TiAlx)、氮铝化钛(TiAlxNy)、钌(Ru)或者前述金属的组合。可以使用包括PVD、CVD或者ALD的常规技术来沉积金属。
在沉积金属层102之后，在金属层之上沉积原位Si盖103。可以使用传统方法来沉积Si盖，这些方法包括通过存在氩的、Si靶面积在约0.1W/cm2到10W/cm2的溅射功率范围中的物理气相沉积(PVD)溅射。这一Si盖103被称为“原位”是因为在沉积Si盖103之前没有从主结构移开晶片，即晶片对于上文讨论的沉积、加热和冷却工艺而言在相同主结构中。可以在相同主结构内的不同室中进行加热、冷却、金属沉积和Si盖沉积，或者可以在相同室中进行金属沉积和Si盖沉积，其中该室配备有多个靶沉积能力。可以使用如下的其它配置，这些配置确保沉积Si盖而无来自加热、冷却或者金属沉积工艺的真空破坏。以这一方式，在金属栅极电极的层之间不会俘获额外污染物。如上文讨论的那样，在该工艺中更早进行的加热和冷却工艺已经减少了主结构中存在的氧和其它污染物的含量。原位沉积Si盖103在可能引入更多污染物或者氧之前提供对金属层102进行保护的盖。Si盖103的厚度可以约为
然而，Si盖可以更薄或者与希望的一样厚。只要Si盖的厚度至少在约
的范围中以充分地密封或者覆盖金属层102。
在典型实践中，在一个步骤中(通常在单独CVD室中)沉积厚Si层(约
到
)。与此不同的是，在本发明中，如上文所讨论的那样沉积更薄原位Si盖103，然后一旦Si盖103密封金属层与Si层之间的界面，可以通过传统方法(例如PVD、CVD或者AVD)沉积第二可选附加Si层104(或者多层)以实现所需厚度。此两个Si分步的工艺允许用户实现所需厚度而又通过原位沉积第一Si层而无来自先前层沉积的真空破坏从而也降低了金属层与Si层之间界面中的污染物含量。然后可以进一步加工金属栅极电极以包括所需元件和层，例如栅极图案化、间隔物形成、源极/漏极注入和活化、硅化物、接触和/或BEOL互连形成。本发明的新颖工艺为金属栅极电极产生改进的电性结果，并且如下文参照图4和图5讨论的那样，测试结果表明这归因于金属与Si层之间的碳和氧含量的减少。
图3示出了本发明中所公开的方法的流程图。在工艺S1中提供其上沉积有电介质层的衬底。在工艺S2中，在约2T到50T的气压下、当存在惰性气体如氩(Ar)、氦(He)、氙(Xe)或者氪(Kr)时在约150℃-350℃的温度执行脱气或者加热工艺约1-5分钟。在工艺S3中，在惰性气体环境中将晶片冷却至室温约50℃内。在工艺S4中，沉积金属层，该金属层例如包括但不限于氮化钛(TiNx)、氮化钽(TaNx)、氮硅化钽(TaSixNy)、碳化钽(TaCx)、氮化钨(WNx)、氮化钼(MoNx)、氮硅化钼(MoSiNx)、铝化钛(TiAlx)、氮铝化钛(TiAlxNy)、钌(Ru)或者其组合。在工艺S5中，沉积原位Si盖103。无真空破坏地(例如在相同主结构中的室中)进行工艺S1至S5以降低暴露于金属栅极电极层的氧或者其它污染物的含量。在工艺S6和S7中可以随需进行进一步处理以增加Si层的厚度和/或添加所需元件。
图4是描绘了来自两个金属栅极电极样本的金属层与Si层之间界面中存在的碳水平的测试结果的曲线图。在图4中，上方的线(线1)所示的第一样本是传统上形成的金属栅极电极、即无本发明的原位Si盖。在图4中，下方的线(线2)所示的第二样本是具有本发明的原位Si盖的金属栅极电极。如图4所示，与第一样本相比，在第二样本中的金属层与Si盖之间的界面中存在最少的碳。
图5是来自金属栅极电极的两个样本的金属层与Si层之间的界面中存在的氧化Ti水平的Ti曲线图。图5中表示为线1的第一样本是传统上形成的金属栅极电极、即无本发明的原位Si盖。此线示出了在约464eV和458eV处有两个Ti-O峰值并且没有未氧化Ti峰值。换而言之，在金属层(Ti)与硅层之间的界面中存在与Ti进行键合的充足的氧。图5中表示为线2的第二样本是具有本发明的原位Si盖的金属栅极电极。此线示出了无Ti-O峰值、但是在约454.6eV和460.6eV处有两个强烈的未氧化Ti峰值。换而言之，在金属层(Ti)与硅层之间的界面中存在的可与Ti进行键合的氧可忽略不计。因此如图5所示，与第一样本相比，在第二样本中的金属层与Si盖之间的界面中存在少得多的氧。
已经出于图示和描述的目的而呈现了对本发明各种方面的前文描述。其本意并非穷举本发明或者将本发明限于所公开的准确形式，并且许多修改和变化显然是可能的。对于本领域技术人员而言为明显的此类修改和变化旨在于包含在如所附权利要求限定的本发明范围内。
Claims (20)
1.一种方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上沉积电介质层；
加热所述衬底和所述电介质层；
冷却所述衬底和所述电介质层；
在所述电介质层上沉积金属层；并且
在所述金属层上沉积硅(Si)盖；其中沉积所述Si盖而无来自所述加热、冷却或者金属沉积工艺的真空破坏。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当存在惰性气体时在约150℃-350℃的温度执行所述加热约1-5分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述惰性气体选自于包括气压约为2T-50T的氩(Ar)、氦(He)、氙(Xe)或者氪(Kr)的组。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却工艺将所述衬底和所述电介质层冷却至室温约50℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层选自于包括氮化钛(TiNx)、氮化钽(TaNx)、氮硅化钽(TaSixNy)、碳化钽(TaCx)、氮化钨(WNx)、氮化钼(MoNx)、氮硅化钼(MoSiNx)、铝化钛(TiAlx)、氮铝化钛(TiAlxNy)、钌(Ru)或者其组合的组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述Si盖具有约
的厚度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电介质层选自于包括氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化铪(HfO)、硅酸铪(HfSixOy)、氧化铝(Al2O3)或者钛酸锶钡(BSTO)的组。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过存在氩的、Si靶面积在约0.1W/cm2到10W/cm2的溅射功率范围中的物理气相沉积(PVD)溅射来沉积所述Si盖。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在相同主结构中的不同室中进行所述加热、冷却、金属沉积和Si盖沉积。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在相同室中进行所述金属沉积和Si盖沉积，其中所述室配备有多个靶沉积能力。
11.一种金属栅极电极，包括：
包括衬底的第一层；
包括电介质层的、直接在所述第一层的顶部上的第二层；
包括金属层的、直接在所述第二层的顶部上的第三层；以及
包括硅(Si)盖的、直接在所述第三层的顶部上的第四层；其中沉积所述Si盖而无来自所述金属层的沉积的真空破坏以使所述第三层与第四层之间存在的碳和氧含量最少。
12.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述第一层和第二层在存在惰性气体时在约150℃-350℃的温度加热约1-5分钟。
13.根据权利要求12所述的金属栅极电极，其中所述惰性气体选自于包括气压约为2T-50T的氩(Ar)、氦(He)、氙(Xe)或者氪(Kr)的组。
14.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述金属沉积和Si盖沉积在相同室中进行，其中所述室配备有多个靶沉积能力。
15.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述金属层选自于包括氮化钛(TiNx)、氮化钽(TaNx)、氮硅化钽(TaSixNy)、碳化钽(TaCx)、氮化钨(WNx)的组。
16.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述金属层选自于包括氮化钼(MoNx)、氮硅化钼(MoSiNx)、铝化钛(TiAlx)、氮铝化钛(TiAlxNy)、钌(Ru)或者其组合的组。
17.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述Si盖具有约
的厚度。
18.根据权利要求17所述的金属栅极电极，其中所述Si盖具有约的厚度。
19.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中所述电介质层选自于包括氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化铪(HfO)、硅酸铪(HfSixOy)、氧化铝(Al2O3)或者钛酸锶钡(BSTO)的组。
20.根据权利要求11所述的金属栅极电极，其中通过存在氩的、Si靶面积在约0.1W/cm2到10W/cm2的溅射功率范围中的物理气相沉积(PVD)溅射来沉积所述Si盖。
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