專利名稱：半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法
公開(kāi)方法的領(lǐng)域公開(kāi)的方法一般涉及一種半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法。公開(kāi)的方法尤其涉及一種可阻止柵絕緣膜中柵氧化物完整性(GOI)性能降級(jí)的半導(dǎo)體器件中的金屬柵的形成方法。
公開(kāi)的方法和現(xiàn)有技術(shù)的背景氧化硅膜(SiO2)主要一直被用作MOSFET中的柵絕緣膜的材料，多晶硅膜一直被用作柵的材料是本領(lǐng)域熟知的。但是，隨著半導(dǎo)體器件的集成度的提高，需要減小柵的線寬和柵絕緣膜的厚度。當(dāng)氧化硅膜用作柵絕緣膜的材料時(shí)，如果柵絕緣膜的厚度太薄，由于直接穿通柵絕緣膜的隧道效應(yīng)的增強(qiáng)而產(chǎn)生的漏電，使絕緣性能不穩(wěn)定。
例如，當(dāng)氧化硅膜被用作目前大量生產(chǎn)的DRAM和邏輯器件的柵絕緣膜時(shí)，其用于70nm厚的器件時(shí)，希望其厚度在DRAM中為30-35，在邏輯器件中為13-15。由于多晶硅柵損耗效應(yīng)(PDE)所增加的電容器元件增至3-8，但是減少厚度范圍在15-30之間的柵氧化物膜占有的電測(cè)厚度(Teff)是困難的。
因此，作為一種克服上述問(wèn)題的方法，人們一直努力用一種介電常數(shù)高的、比氧化硅膜的介電常數(shù)高的材料作為柵絕緣膜的材料。為了使多晶硅柵損耗效應(yīng)降至最低，也努力用金屬柵代替多晶硅柵。
當(dāng)為金屬柵時(shí)，作為金屬阻擋膜的TiN或WN膜介于柵的金屬膜和柵絕緣膜之間，用作蝕刻掩膜的堅(jiān)固的掩膜置于柵金屬膜上。
但是，根據(jù)常規(guī)技術(shù)在氧化硅柵絕緣膜上形成金屬柵時(shí)，存在柵絕緣膜下述列各項(xiàng)性能降低的問(wèn)題。
柵金屬膜的沉積通常通過(guò)噴濺或化學(xué)氣相沉積(CVD)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在硅柵絕緣膜上直接通過(guò)噴濺或CVD沉積柵的金屬膜時(shí)，降低了柵絕緣膜的接口性能和絕緣性能。
圖1A和1B給出了MOS電容器的電容(C)-電壓(V)的曲線，該電容器是在根據(jù)常規(guī)技術(shù)用噴濺法形成的氧化硅柵絕緣膜上直接沉積TiN或WN膜作阻擋膜后，繼續(xù)沉積鎢(W)膜作為柵的金屬膜而形成的。
如圖所示，包括陸續(xù)在氧化硅柵絕緣膜上沉積金屬阻擋膜(TiN或WN)和沉積鎢膜柵的步驟的實(shí)施方式中，未進(jìn)行隨后的退火工藝，不重點(diǎn)考慮與電容-電壓性能有關(guān)的沉積金屬阻擋膜材料(TiN或WN)和噴濺方法(常規(guī)的IMP校準(zhǔn))，由于過(guò)多的峰值約為1E12/eV-cm2的接口陷阱密度和滯后約為1E12/cm2的氧化物陷阱電荷，從而形成了高數(shù)量級(jí)的氧化物缺陷電荷。基于此，導(dǎo)致了柵本身絕緣性能的損失和與基體的接口的嚴(yán)重?fù)p壞。
同時(shí)，該損壞可通過(guò)高溫退火工藝，如800℃下恢復(fù)至一定的程度，但是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)損壞的柵絕緣膜的完全恢復(fù)。另外，高溫退火工藝有缺點(diǎn)而且成本高，并且必須增加?xùn)沤^緣膜的電測(cè)厚度(Teff)以恢復(fù)一些損失的性能。
圖2A至2C表明了TiCl4+NH3在650℃下以熱沉積方法沉積的TiN金屬柵中的電容(C)-電壓(V)曲線圖。
如圖所示，沉積后MOS晶體管的性能相對(duì)好于用噴濺法沉積得到的晶體管的性能。但是，由于在隨后的退火工藝后，柵絕緣膜中電測(cè)厚度(Teff)和氧化物陷阱電荷的增加，從而產(chǎn)生了柵氧化物完整性(GOI)性能的降級(jí)，即增加了滯后現(xiàn)象。尤其是，當(dāng)制造MOS電容器/晶體管時(shí)，可產(chǎn)生嚴(yán)重的柵氧化物完整性(GOI)性能的降級(jí)。
公開(kāi)的方法概述因此，公開(kāi)的方法是解決上述問(wèn)題的發(fā)明，公開(kāi)的方法的一個(gè)目的是提供一種形成金屬柵的方法，該金屬柵可防止柵絕緣膜的GOI性能的降級(jí)。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)公開(kāi)的方法，形成金屬柵的方法包括一個(gè)提供硅基體的步驟，該基體具有溝狀的器件隔離膜以確定有效的區(qū)域；用熱氧化工藝在硅基體表面上形成柵絕緣膜；繼續(xù)在柵絕緣膜上形成金屬阻擋膜和柵的金屬膜；為柵的金屬膜、金屬阻擋膜和柵絕緣膜構(gòu)圖，其中金屬阻擋膜和柵的金屬膜的沉積通過(guò)原子層沉積(ALD)工藝和/或遙控等離子體化學(xué)汽相沉積工藝來(lái)實(shí)施。
根據(jù)公開(kāi)的方法，金屬阻擋膜和柵的金屬膜通過(guò)原子層沉積(ALD)工藝或遙控等離子體CVD工藝沉積。從而將在沉積膜的工藝過(guò)程中產(chǎn)生的柵絕緣膜的損壞降至最小。


結(jié)合下面的描述和附圖，將對(duì)公開(kāi)的方法的上述內(nèi)容和其它的特征作更充分的解釋，其中圖1A和1B是表明根據(jù)常規(guī)技術(shù)，用噴濺法在氧化硅膜上直接沉積TiN或WN膜和鎢(W)膜的電容(C)-電壓(V)曲線圖；圖2A至2C表明根據(jù)常規(guī)技術(shù)，TiCl4+NH3在650℃下以熱沉積方法沉積的TiN金屬柵中電容(C)-電壓(V)的曲線圖；和圖3A至3C是包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式形成的金屬柵的半導(dǎo)體器件的截面圖。
優(yōu)選實(shí)施方式詳述將通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施方式參考附圖對(duì)公開(kāi)的方法進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中用同樣的參考數(shù)字表示相同或相似的部件。
圖3A至3C是包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式形成的金屬柵的半導(dǎo)體器件的截面圖。
圖3A中，提供了硅基體1。在硅基體1的特定區(qū)域上形成了溝狀的器件隔離膜2以確定有效的區(qū)域。此時(shí)，器件隔離膜2可用常規(guī)的LOCOS工藝形成。通過(guò)熱氧化工藝在硅基體1表面上形成的柵絕緣膜3是由氧化硅制成的厚度為10-40的膜。此時(shí)，優(yōu)選熱氧化工藝在650℃-900℃的爐中用濕法(H2/O2)或干法(O2)來(lái)實(shí)施。
同時(shí)，可形成除熱氧化工藝形成的氧化硅膜外的Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZrO2、HfO2、Zr-硅酸鹽、Hf-硅酸鹽、La2O3中的任何一種或多種高介電常數(shù)絕緣膜和三維混合的絕緣膜(ZrAlO，HfAlO、ZrSiO4和HfSiO4)。在沉積高介電常數(shù)絕緣膜之前，也可形成超薄(例如3-30)的氧化硅膜。另外，用高介電常數(shù)絕緣膜作柵絕緣膜時(shí)，高介電常數(shù)絕緣膜可在氧氣、氮?dú)饣蚨栊詺夥障虏捎?0-300秒的快速熱工藝，或10-100分鐘的熔爐工藝而經(jīng)受退火工藝，并且可經(jīng)過(guò)一個(gè)UV-臭氧工藝。
另外，盡管圖中未示出，但是在柵絕緣膜3形成之前，可形成溝狀的電容器。此時(shí)，介電膜可以包括ON膜、Ta2O5膜、Al2O3膜、BST膜或SBT膜中的一種。
圖3B中，在柵絕緣膜3上陸續(xù)沉積金屬阻擋膜4和金屬膜5。優(yōu)選金屬阻擋膜4和柵的金屬膜5通過(guò)非高溫?zé)岢练e的工藝來(lái)沉積，例如，原子層沉積(ALD)工藝或遙控等離子體化學(xué)汽相沉積(CVD)工藝沉積，因?yàn)樵摴に嚥皇芙饘贊B透或摻雜的影響。
上述方法中，由于ALD工藝允許在150℃-350℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)的配料和清洗，阻止了柵絕緣膜3和基體1之間的接口性能和柵絕緣膜3本身性能的降級(jí)。優(yōu)選在50℃-550℃的溫度范圍內(nèi)、在0.05托-3托的壓力下用N2、NH3、ND3或其混合物作清洗前體的材料來(lái)實(shí)施ALD工藝。
由于遙控等離子體CVD工藝實(shí)施方式在遠(yuǎn)處形成等離子體來(lái)沉積薄膜，也可得到與ALD工藝相同的效果。在遙控等離子體CVD工藝的實(shí)施過(guò)程中，優(yōu)選在2.0GHz-9GHz的頻率下，用電子回旋共振(ECR)作等離子源，He、Ar、Kr、Xe或其混合物作等離子體激發(fā)氣。另外，在遙控等離子體CVD工藝中，將金屬源如鈦引入室內(nèi)在晶片周圍噴濺，并且在等離子體周圍激發(fā)N源，從而Ti和N可被引入涂覆于晶片表面。
同時(shí)，金屬阻擋膜4可由選自由TiN、TiAlN、TaN、MoN、WN和它們的混合物組成的組中的一種化合物組形成。優(yōu)選金屬阻擋膜4的厚度在50-500的范圍內(nèi)。柵的金屬膜5也可以是由W、Ta、Al、TiSix、CoSix和NiSix組成的組中的一種形成，其中X是0.1-2.9之間的整數(shù)，它也可形成多晶硅、氮化鎢膜和鎢膜的棧結(jié)構(gòu)。優(yōu)選柵的金屬膜5的厚度是300-1500。堅(jiān)固的掩膜6可由二氧化硅膜(SiO2)、氮化硅膜(Si3N4)或氮氧化硅膜(SiON)形成。堅(jiān)固的掩膜6的厚度是300-2000。
上述內(nèi)容中，當(dāng)金屬阻擋膜4例如TiN通過(guò)ALD工藝和/或遙控等離子體CVD工藝沉積時(shí)，Ti的來(lái)源可以包括TiCl4、TDEAT(四(二乙基氨基)鈦)或TDMAT(四(二甲基氨基)鈦)，N的來(lái)源可以包括N2、NH3或ND3。該實(shí)施方式也包括沉積TiAlN作金屬阻擋膜的步驟，Ti的來(lái)源可以包括TiCl4、TDEAT(四(二乙基氨基)鈦)或TDMAT(四(二甲基氨基)鈦)，N的來(lái)源可以包括N2、NH3或ND3，Al的來(lái)源可以包括AlCl3或TMA[Al(CH3)3]。另外，該實(shí)施方式包括沉積TaN作金屬阻擋膜的步驟，Ta的來(lái)源可以包括TaCl4或叔丁醇鉭，N的來(lái)源可以包括N2、NH3或ND3。該實(shí)施方式也可包括沉積MoN作金屬阻擋膜的步驟，Mo的來(lái)源可以包括MoCl4、MoF6或叔丁醇鉬，N的來(lái)源可以包括N2、NH3或ND3。另外，該實(shí)施方式包括沉積WN作金屬阻擋膜的步驟，W的來(lái)源可以包括WF6或WCl4，N的來(lái)源可以包括N2、NH3或ND3。
圖3C中，堅(jiān)固的掩膜6的構(gòu)圖可以用例如通常的光刻法工藝。然后，利用堅(jiān)固的掩膜6作蝕刻膜，用蝕刻工藝陸續(xù)將柵的金屬膜5、阻擋膜4和柵絕緣膜3蝕刻，從而形成了金屬柵10。
由于柵的金屬膜5包括阻擋金屬膜4是通過(guò)ALD工藝或遙控等離子體CVD工藝沉積的，因此用公開(kāi)的方法形成的金屬柵10可以阻止氧化硅柵絕緣膜3的GOI性能的降級(jí)。
同時(shí)，上述的實(shí)施方式也解釋了用常規(guī)的柵形成工藝形成柵的方法，即柵絕緣膜和柵導(dǎo)電膜先沉積后構(gòu)圖的工藝。但是，公開(kāi)的方法也適用于金銀鑲花工藝，其中通過(guò)形成并且去除犧牲柵確定柵形成區(qū)域后，在柵形成區(qū)域形成了金屬柵。尤其是，如果公開(kāi)的方法適用于金銀鑲花工藝的柵形成工藝，可得到更改善的效果。
正如從上述內(nèi)容可理解的，公開(kāi)的方法形成金屬柵，其中阻擋金屬膜和柵的金屬膜是通過(guò)ALD工藝或遙控等離子體CVD工藝沉積的。從而公開(kāi)的方法形成可以阻止柵絕緣膜性能的降級(jí)。因此，公開(kāi)的方法不僅可以改善金屬柵的性能，而且可以改善器件的性能。另外，由于ALD工藝和遙控等離子體CVD工藝沉積有好的步驟有效范圍(STEP COVERAGE)，工藝本身有優(yōu)勢(shì)，并且可以很有利的應(yīng)用于高速/高密度器件的制造中。
參考特定的實(shí)施方式，對(duì)與特定的應(yīng)用有關(guān)的公開(kāi)的方法進(jìn)行了描述。那些具有本領(lǐng)域的普通技術(shù)和可得到公開(kāi)的方法的教導(dǎo)的人員將意識(shí)到在其范圍內(nèi)的其它的修正和應(yīng)用。
因此，欲用所附的權(quán)利要求來(lái)覆蓋在公開(kāi)的方法的范圍內(nèi)的任何的和所有的這種應(yīng)用、修正和實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，它包括的步驟為提供一個(gè)硅基體，該基體具有一個(gè)或多個(gè)用于確定有效區(qū)域的溝狀的器件隔離膜；用熱氧化工藝在所述的硅基體表面上形成柵絕緣膜；繼續(xù)在所述的柵絕緣膜上形成金屬阻擋膜和柵的金屬膜；和為所述的柵的金屬膜、所述的金屬阻擋膜和所述的柵絕緣膜構(gòu)圖，其中所述的金屬阻擋膜和所述的柵的金屬膜的沉積通過(guò)選自由原子層沉積(ALD)工藝、遙控等離子體化學(xué)汽相沉積工藝和它們的組合組成的組中的工藝來(lái)實(shí)施。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中所述的熱氧化工藝在溫度范圍為650℃-900℃下用濕法(H2/O2)或干法(O2)實(shí)施。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中所述的金屬阻擋膜選自由TiN、TiAlN、TaN、MoN和WN組成的組中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中所述的ALD工藝在50℃-550℃的溫度范圍內(nèi)、在0.05托-3托的壓力下、用選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中的一種化合物作清洗前體的材料來(lái)實(shí)施。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中遙控等離子體CVD工藝是在2.0GHz-9GHz的頻率范圍下，用電子回旋共振(ECR)作等離子源，選自由He、Ar、Kr、Xe和其混合物組成的組中的等離子體激發(fā)氣來(lái)實(shí)施。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中金屬阻擋膜是TiN，其中Ti來(lái)源的提供選自由TiCl4、四(二乙基氨基)鈦、四(二甲基氨基)鈦和其混合物組成的組中，N來(lái)源的提供選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中金屬阻擋膜是TiAlN，其中Ti來(lái)源的提供選自由TiCl4、四(二乙基氨基)鈦、四(二甲基氨基)鈦和其混合物組成的組中；Al來(lái)源的提供選自由AlCl3、Al(CH3)3和其混合物組成的組中；N來(lái)源的提供選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中金屬阻擋膜是TaN，其中Ta來(lái)源的提供選自由TaCl4、叔丁醇鉭和其混合物組成的組中；N來(lái)源的提供選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中金屬阻擋膜是MoN，其中Mo來(lái)源的提供選自由MoCl4、MoF6、叔丁醇鉬和其混合物組成的組中；N來(lái)源的提供選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中金屬阻擋膜是WN，其中W來(lái)源的提供由WF6、WCl4和其混合物組成的組中；N來(lái)源的提供選自由N2、NH3、ND3和其混合物組成的組中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中所述的柵的金屬膜選自由W、Ta、Al、TiSix、CoSix、NiSix和其混合物組成的組中，其中X是0.1-2.9之間的整數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件中形成金屬柵的方法，其中所述的柵的金屬膜有多晶硅膜、氮化鎢膜和鎢膜的棧結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種形成金屬柵的方法,它可阻止形成于該金屬柵上的柵絕緣膜性能的降級(jí)。形成金屬柵的方法包括提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)用于確定有效區(qū)域的溝狀的器件隔離膜的硅基體;用熱氧化工藝在硅基體表面上形成柵絕緣膜;繼續(xù)在柵絕緣膜上形成金屬阻擋膜和柵的金屬膜;為柵的金屬膜、金屬阻擋膜和柵絕緣膜構(gòu)圖,其中金屬阻擋膜和柵的金屬膜的沉積通過(guò)原子層沉積(ALD)工藝或遙控等離子體化學(xué)汽相沉積(CVD)工藝來(lái)實(shí)施。
文檔編號(hào)H01L27/108GK1363949SQ0114478
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者樸大奎, 趙興在, 林寬容 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體香港有限公司