CN105448812A

CN105448812A - 半导体器件制造方法

Info

Publication number: CN105448812A
Application number: CN201410351208.8A
Authority: CN
Inventors: 项金娟; 赵超
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-03-30

Abstract

本发明公开了一种半导体器件制造方法，包括：在下层结构上形成介质层；在介质层中形成暴露下层结构一部分的沟槽和/或孔；在沟槽和/或孔中生长界面层；在界面层上沉积绝缘介质层；在绝缘介质层上沉积栅电极层；采用原子层沉积法，在栅电极层上形成难熔金属的铝合金层，其中前驱物至少包括作为第一还原剂的含铝的第一前驱物、以及含难熔金属的第二前驱物；在难熔金属的铝合金层上形成金属材质的上层结构。依照本发明的半导体器件制造方法，采用铝基还原剂与金属前驱物反应形成功函数层，避免了悬挂效应造成的孔洞形成，提高了金属填充率，同时避免下层结构受损，提高了器件可靠性。

Description

半导体器件制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种具有共形台阶覆盖率的功函数层沉积方法。

背景技术

随着CMOS器件特征尺寸缩小到22纳米技术节点及以下，高k栅介质/金属栅(HK/MG)MOS器件的金属栅叠层结构的材料选择、制备以及等效功函数调节都是技术难点。

通常的后栅(gate-last)工艺中，如图1A所示，首先在衬底1中形成基本结构：在衬底上沉积并刻蚀形成假栅极堆叠(未示出)，以假栅极堆叠为掩模轻掺杂注入衬底1形成LDD结构的源漏延伸区1L；在假栅极堆叠两侧衬底1上形成栅极侧墙2(可以包括未示出的多重侧墙，氮化硅的第一侧墙层、氧化硅层或空气隙的第二侧墙层，以及氮化硅或类金刚石无定形碳的第三侧墙层)；以栅极侧墙2为掩模重掺杂注入形成源漏区1H，优选地在源漏区1H上形成硅化物1S；在源漏区1H表面上形成氮化硅的接触刻蚀停止层(CESL)3；在衬底1上旋涂层间介质层(ILD)4；随后刻蚀去除假栅极堆叠，在ILD4中留下栅极沟槽4G。

随后如图1B所示，依次沉积填充氧化硅材质的界面层5、高介电常数绝缘材料(HK)的栅极介质层6、金属/金属氮化物材质的盖层或功函数(WF)层7、以及栅极填充层8，构成最终的栅极。对于NMOS和PMOS而言，功函数层7的材质通常是不同的，以便通过不同金属配比实现所需的功函数。具体地，对于PMOS而言，金属堆叠的有效功函数应该在5.12～4.92eV左右，而对于NMOS而言，金属堆叠的有效功函数应该4.05～4.25eV左右。从材料选择的方面看，有一系列金属可以既满足PMOS有效功函数需求而同时又满足NMOS需求。但是当器件尺寸缩减至22nm技术节点乃至以下时，采用传统的PVD技术在窄线宽沟槽或开孔中沉积共形的良好台阶覆盖率的薄膜变得越来越困难。

此外，在如图1C的多层金属互连工艺中，在多层ILD层3(例如包括第一ILD3A、第二ILD3B)中刻蚀形成连接衬底1中下层焊垫或源漏接触2的孔3H(可以具有上宽下窄的T型结构)，在孔3H中沉积Ti、Ta、TiN、TaN、TiAl等金属阻挡层或种晶层4，在此之上再沉积Cu、W、Al等金属填充层5形成连线或接触塞。其中，阻挡层也可以采用TiAl材质。然而，随着器件尺寸减小，金属阻挡层或种晶层4的尺寸也一并减小，低至22nm技术节点以下。

由于PVD(蒸发、溅射等)能够适用于各种金属沉积，因此被广泛使用。然而，当面对具有小尺寸的沟槽或接触孔时，PVD存在悬挂现象，也即沟槽或孔顶部先于底部闭合，导致在金属栅极或多层互连中存在空气隙，导致严重的可靠性问题。而包括MOCVD、HDPCVD等工艺的CVD方法也无法得到完全100％的台阶覆盖率，同样会在沟槽或孔中部形成孔洞。

例如TaAl、TiAl等含难熔金属的铝合金是用于NMOS器件的良好低功函数金属，其通常采用(磁控)溅射或电子束蒸发等PVD工艺方法来沉积，CVD工艺难以制备该合金。但是由于PVD方法带来的悬挂问题，难以适用于22nm技术节点及其以下的小尺寸器件。

另一方面，虽然原子层沉积(ALD)工艺具有良好的台阶覆盖率，由此可以减少孔洞的形成、提高填充率。但是，ALD纯金属沉积具有难度，因为受到前驱物的限制。氢等离子处理通常用于得到纯净金属，但是这会同时刻蚀损伤衬底等下层结构，增大了栅极泄漏或者互连损耗。

发明内容

由上所述，本发明的目的在于克服上述技术困难，提出一种创新性半导体器件制造方法。

为此，本发明提供了一种半导体器件制造方法，包括：在下层结构上形成介质层；在介质层中形成暴露下层结构一部分的沟槽和/或孔；在沟槽和/或孔中生长界面层；在界面层上沉积绝缘介质层；在绝缘介质层上沉积栅电极层；采用原子层沉积法，在栅电极层上形成含难熔金属的铝合金层，其中前驱物至少包括作为第一还原剂的含铝的第一前驱物、以及含难熔金属的第二前驱物；在含难熔金属的铝合金层上形成金属材质的上层结构。

其中，所述界面层材质为SiO₂，并且其厚度为0.3nm～1nm。

其中，所述绝缘介质层包含一层或多层绝缘介质。

其中，所述栅电极层包含一层栅电极结构或多层栅电极结构。

其中，所述绝缘介质层包含以下材料中的至少一种：HfO₂、HfSiO_x、HfON、HfSiON、HfAlO_x、Al₂O₃、ZrO₂、ZrSiO_x、Ta₂O₅、La₂O₃、HfLaO_x、LaAlO_x、LaSiO_x、Y₂O₃、AlN、以上所述任一种材料的氮化物、以上所述任一种材料的氮氧化物、SiN_x或SiON。

其中，所述栅电极层包含以下材料中的至少一种：TiN、TaN、MoN、HfN、TaAlN、TiAlN、MoAlN、HfAlN、TaYbN、TaErN、TaTbN、TaC、HfC、TaSiC、HfSiC、Pt、Ru、Ir、W、Mo、Re、RuOx、RuTax、HfRux、多晶硅或金属硅化物。

其中，所述含难熔金属的铝合金层采用原子层法沉积。

其中，第一前驱物包括含铝的碳氢化合物。

其中，所述含铝的碳氢化合物选自以下之一及其组合：三烷基铝、烷基铝烷、或氨配位铝烷。

其中，第二前驱物包括含难熔金属的卤代物或含难熔金属的有机化合物。

其中，所含的难熔金属的卤代物选自以下之一及其组合：TiCl₄、TiBr₄、TiI₄、TaCl₅、TaBr₅、TaI₅、HfCl₄、MoCl₅；所述含难熔金属的有机化合物选自以下之一及其组合：钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、二氯二茂钛、二烯基二茂钛、四氢茚基钛、含吡咯基团配体的钛、钽酸五酯、钽酸五丁酯、钽酸五异丙酯、茂基氯化钽、烯基茂基钽、四氢茚基钽、含吡咯基团配体的钽、铪的环戊二烯基衍生物、四(二乙基酰胺)铪、醋酸钼。

其中，前驱物还包括第二还原剂。

其中，第二还原剂包括H₂、NH₃之一及其组合。

其中，含难熔金属的铝合金层用作后栅工艺的金属功函数层、或者多层互连工艺的金属阻挡层。

其中，通过调整工艺参数而调整含难熔金属的铝合金的配比或电阻率。

其中，所述工艺参数包括以下之一及其组合：前驱物脉冲序列、不同前驱物脉冲周期的比例、前驱物脉冲时间。

依照本发明的半导体器件制造方法，采用铝基还原剂与金属前驱物反应形成功函数层，避免了悬挂效应造成的孔洞形成，提高了金属填充率，同时避免下层结构受损，提高了器件可靠性。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1A、图1B、图1C为现有技术的制造方法的剖面示意图；以及

图2为依照本发明的方法的示意性流程图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了有效提高器件可靠性的半导体器件制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。

首先，在下层结构上形成介质层(ILD)，并在ILD中形成暴露下层结构一部分的沟槽或孔。

如图1A、图1B所示，下层结构可以包括衬底1中的源漏区1L/1H、栅极侧墙2、CESL层3，ILD层为层4。去除假栅极堆叠之后，在ILD层4中留下暴露了下层结构一部分(具体为衬底1中沟道区)的沟槽4G。

或者如图1C所示，下层结构包括衬底1中的接触垫2，ILD3中留下了暴露下层结构一部分(具体为接触焊垫2)的孔3H。

其次，在沟槽或孔中采用ALD法形成TiAl，TaAl等合金层。

对于图1B所示的后栅工艺而言，优选地在ALD法形成金属或金属合金材质的功函数层7之前，还采用CVD工艺在沟槽4G中形成界面层5、绝缘介质层6。对于图1C所示的多层互连工艺，则无需形成中间层。对于图1B而言，界面层5材质为二氧化硅材质，厚度优选0.3～1nm。绝缘介质层6可以以是单层或者多层结构其材质可以包括：HfO₂、HfSiO_x、HfON、HfSiON、HfAlO_x、Al₂O₃、ZrO₂、ZrSiO_x、Ta₂O₅、La₂O₃、HfLaO_x、LaAlO_x、LaSiO_x、Y₂O₃、AlN、以上所述任一种材料的氮化物、以上所述任一种材料的氮氧化物、SiN_x或SiON。

采用原子层沉积(ALD)法，参与反应的原料至少包括：作为第一还原剂的含Al的第一前驱物，例如包括三烷基铝(trialkylaluminum)、烷基铝烷(alkylaluminumhydride)、或氨配位铝烷(aluminiumhydride-trialkylamine)等含Al碳氢化合物；以及作为氧化剂的含难熔金属的的第二前驱物，例如包括难熔金属的卤代物或难熔金属的有机化合物。其中，所含的难熔金属的卤代物通式为M_aH_bX_c，其中M选自Ti、Ta、Hf、Mo、W、Co、Ni、Cr等难熔金属，X为包括F、Cl、Br、I的卤族元素，H为氢，a、c为大于等于1的正整数，b为大于等于0的整数；并且所含的难熔金属的卤代物优选地选自以下之一及其组合：TiCl₄、TiBr₄、TiI₄、TaCl₅、TaBr₅、TaI₅、HfCl₄、MoCl₅；所述含难熔金属的有机化合物选自以下之一及其组合：钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、二氯二茂钛、二烯基二茂钛、四氢茚基钛、含吡咯基团配体的钛、钽酸五酯、钽酸五丁酯、钽酸五异丙酯、茂基氯化钽、烯基茂基钽、四氢茚基钽、含吡咯基团配体的钽、铪的环戊二烯基衍生物、四(二乙基酰胺)铪、醋酸钼。

将上述第一前驱物与第二前驱物置于相应的源瓶中，采用对源瓶加热或者向源瓶中通入载气的方式，使前驱物交替通入反应腔室，到达包含衬底1的晶片表面，在40--450摄氏度的反应腔室内反应并形成金属薄膜，从而最终在待沉积的后栅结构或ILD沟槽或孔中留下含难熔金属的铝合金层，在图1B中构成了功函数层7，在图1C中则构成了阻挡层4。在此过程中，由于两种前驱物仅通过加热即可反应，无需采用等离子体轰击去除残留物(反应腔室无需额外添加射频等离子体源，由此降低了制造设备成本并且同时节省了时间(开启、关停等离子体源均耗时较多)，因此避免了下层结构受损。同时，由于ALD法制备薄膜的致密性以及良好台阶覆盖率，使得功函数层7填充性能良好，不会在沟槽4G中上部形成悬臂而阻挡后续层的沉积。

值得注意的是，如本申请背景技术部分所述，常规的PVD、CVD工艺难以形成台阶覆盖率良好、沟槽填充率良好的共形的含难熔金属铝合金层，因此只有采用本发明所述的ALD法沉积才能实现本申请的技术效果。

在上述ALD过程中，可以通过调整工艺参数来调整含难熔金属的铝合金中难熔金属(如Ti、Ta、Hf、Mo等)与Al的比值(也即合金配比，通常以原子数计算)、或合金电阻率，工艺参数诸如前驱物脉冲序列(也即第一、第二前驱物依次/循环通入的顺序)、不同前驱物脉冲周期的比例(例如第一与第二前驱物脉冲式通入次数的比值)、前驱物脉冲时间(例如第一、第二前驱物脉冲式通入单次或者总的时间，与最终通入的量成正比)等。

此外，由于反应室内通气流量控制精度问题或者反应室腔内分布不均匀等问题，可能在某些地方难熔金属有机物反应不完全而具有残留物，这些残留物难以在后续工艺中完全去除，将大大影响栅极功函数调整精确度或者引起互连结构中金属迁移导致电连接失效或者下方沟道区迁移率变化，大大降低了器件的可靠性。为此，除了含Al的第一前驱物之外，还可以添加第二还原剂，包括H₂、NH₃等，以增强金属还原反应，从而使得难熔金属的前驱物反应完全，不会在栅极沟槽或者互连通孔中留下未反应的难熔金属。

最后，在金属层之上形成金属材质的上层结构。

在图1B中上层结构包括栅电极层8，其材质选自Al、Co、Ni、Cu、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、Ti、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La等金属、这些金属的合金以及这些金属的氮化物，或者其组合。层8中还可掺杂有C、F、N、O、B、P、As等元素以进一步调节功函数。在本发明一个优选实施例中，图1B中的栅电极层8为单层或者多层结构，其材质可以包括：TiN、TaN、MoN、HfN、TaAlN、TiAlN、MoAlN、HfAlN、TaYbN、TaErN、TaTbN、TaC、HfC、TaSiC、HfSiC、Pt、Ru、Ir、W、Mo、Re、RuOx、RuTax、HfRux、多晶硅或金属硅化物。在图1C中上层结构包括互连线金属5，其材质通常包括Al、Cu、W、Mo等及其组合。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构或方法流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种半导体器件制造方法，包括：

在下层结构上形成介质层；

在介质层中形成暴露下层结构一部分的沟槽和/或孔；

在沟槽和/或孔中生长界面层；

在界面层上沉积绝缘介质层；

在绝缘介质层上沉积栅电极层；

采用原子层沉积法，在栅电极层上形成含难熔金属的铝合金层，其中前驱物至少包括作为第一还原剂的含铝的第一前驱物、以及含难熔金属的第二前驱物；

在含难熔金属的铝合金层上形成金属材质的上层结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述界面层材质为SiO₂，并且其厚度为0.3nm～1nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘介质层包含一层或多层绝缘介质。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅电极层包含一层栅电极结构或多层栅电极结构。

根据权利要求1所述的绝缘介质层，其中，所述绝缘介质层包含以下材料中的至少一种：HfO₂、HfSiO_x、HfON、HfSiON、HfAlO_x、Al₂O₃、ZrO₂、ZrSiO_x、Ta₂O₅、La₂O₃、HfLaO_x、LaAlO_x、LaSiO_x、Y₂O₃、AlN、以上所述任一种材料的氮化物、以上所述任一种材料的氮氧化物、SiN_x或SiON。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅电极层包含以下材料中的至少一种：TiN、TaN、MoN、HfN、TaAlN、TiAlN、MoAlN、HfAlN、TaYbN、TaErN、TaTbN、TaC、HfC、TaSiC、HfSiC、Pt、Ru、Ir、W、Mo、Re、RuOx、RuTax、HfRux、多晶硅或金属硅化物。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含难熔金属的铝合金层采用原子层法沉积。

7.如权利要求1的方法，其中，第一前驱物包括含铝的碳氢化合物。

8.如权利要求7的方法，其中，所述含铝的碳氢化合物选自以下之一及其组合：三烷基铝、烷基铝烷、或氨配位铝烷。

9.如权利要求1的方法，其中，第二前驱物包括难熔金属的卤代物或含难熔金属的有机化合物。

10.如权利要求9的方法，其中，所含的难熔金属的卤代物选自以下之一及其组合：TiCl₄、TiBr₄、TiI₄、TaCl₅、TaBr₅、TaI₅、HfCl₄、MoCl₅；所述含难熔金属的有机化合物选自以下之一及其组合：钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、二氯二茂钛、二烯基二茂钛、四氢茚基钛、含吡咯基团配体的钛、钽酸五酯、钽酸五丁酯、钽酸五异丙酯、茂基氯化钽、烯基茂基钽、四氢茚基钽、含吡咯基团配体的钽、铪的环戊二烯基衍生物、四(二乙基酰胺)铪、醋酸钼。

11.如权利要求1的方法，其中，前驱物还包括第二还原剂。

12.如权利要求11的方法，其中，第二还原剂包括H₂、NH₃之一及其组合。

13.如权利要求1的方法，其中，含难熔金属的铝合金层用作后栅工艺的金属功函数层、或者多层互连工艺的金属阻挡层。

14.如权利要求1的方法，其中，通过调整工艺参数而调整含难熔金属的铝合金的配比或电阻率。

15.如权利要求14的方法，其中，所述工艺参数包括以下之一及其组合：前驱物脉冲序列、不同前驱物脉冲周期的比例、前驱物脉冲时间。