專利名稱：鎢硅閘極選擇性側(cè)壁氧化期間最小化氧化鎢蒸氣沉積之方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般條件下系關(guān)于制造金屬化結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，特別是閘極結(jié)構(gòu)，其包含至少一層的多晶硅以及至少一鎢層。本發(fā)明特別是關(guān)于一種此類型的金屬化結(jié)構(gòu)之選擇性氧化方法，依照權(quán)利要求1所述。
背景技術(shù)：
與目前進(jìn)行的降低尺寸之MOS晶體管一致，鎢系越來(lái)越多地被使用來(lái)作閘極堆棧的組成。作為一閘極材料而言相較于鎢硅化物，鎢具有可想到的好處，其亦已經(jīng)被廣泛的使用。相較于鎢硅化物，鎢之較低電阻率使其可能降低閘極的電阻且因此達(dá)到晶體管之改善的電特性。由于較低電阻率，其亦可能明顯地降低層的閘極堆棧之高度，因此多樣的填充以及蝕刻步驟可想而知的被簡(jiǎn)化，因?yàn)樯顚挶?閘極高度對(duì)相鄰閘極之間的距離比)被降低。
在制造多層閘極堆棧期間，首先對(duì)于一閘極氧化層、一多晶硅層、一氮化鎢層、一鎢層以及一氮化硅層而言，經(jīng)常被用再一硅基板上。接著，個(gè)別的閘極區(qū)間，其被打算置放在一MOS晶體管之一電路上，被光微影以及垂直蝕刻所限定。為了電絕緣被蝕刻的閘極堆棧側(cè)壁且退火蝕刻損害，適合的絕緣層必須被應(yīng)用于該側(cè)壁。一二氧化硅層，其藉由熱氧化法所制造，系對(duì)于多晶硅層而言最適合的材料。然而，在同時(shí)，預(yù)防鎢層的氧化是必須的，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)已經(jīng)顯示此氧化并不局限于表面，而且也會(huì)繼續(xù)在該層之側(cè)面方向發(fā)生且因此制造高阻抗氧化鎢，因此閘極之電功能被阻礙。
多樣的制造閘極側(cè)壁的方法包含一鎢層已經(jīng)變成已知。
US-A-6,165,883描述一種方法，其以選擇性氧化閘極堆棧為基礎(chǔ)。此方法系于下文中更詳細(xì)的解釋并參考圖1A至1C。
閘極氧化層1系藉由熱氧化法被形成于一硅基板10上，以及接著一多晶硅層2、一氮化鎢或氮化鈦?zhàn)杞^層3、一鎢層4以及一氮化硅層5被沉積于閘極氧化層上。然后，氮化硅層5被配線處理為了限定閘極區(qū)間，因此如圖1A所示之閘極區(qū)間結(jié)構(gòu)被獲得。氮化硅層之平面蝕刻結(jié)構(gòu)5隨后當(dāng)作一蝕刻屏蔽。接著，在一垂直蝕刻步驟，層1至4在介于閘極結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中被移除，因此只有個(gè)別的，被限定的層堆棧之閘極區(qū)域殘留在適當(dāng)?shù)奈恢?。下一步，在包含水及氫的大氣中選擇性的氧化于800℃下被實(shí)行，伴隨著氧化硅層6只在硅基板10上以及在多晶硅層2的側(cè)壁上被形成。相反的，鎢層4不被氧化。因此被獲得之結(jié)構(gòu)在圖1B中說(shuō)明。最后，一氮化硅層7被用于氮化硅層5、鎢層4、氮化鎢層3以及氧化硅層6之一側(cè)壁絕緣層。因此，閘極結(jié)構(gòu)之所有側(cè)壁現(xiàn)在被電絕緣的側(cè)壁所環(huán)繞。為了簡(jiǎn)單的目的，接著的處理步驟，其在上述文件中所解釋的，將不在目前的文件中被更詳細(xì)的考慮。
為了實(shí)施選擇性氧化，對(duì)于氫/水混合物之一限定的混合比例被建立于區(qū)域管腔中是重要的。水/氫壓力比被設(shè)定在反應(yīng)腔之流量控制器，即符合的濃度比例被設(shè)定在反應(yīng)腔中，在圖2中對(duì)處理溫度作圖。該圖顯示反應(yīng)平衡曲線，在其上限定的氧化反應(yīng)與其相關(guān)的還原反應(yīng)達(dá)成平衡。鎢之氧化或還原系藉由較上方的平衡曲線來(lái)說(shuō)明，然而硅之氧化或還原系以較低平衡曲線來(lái)描述其特性。在兩個(gè)案例中，從各自的平衡曲線開(kāi)始，水蒸氣含量的上升以及/或處理溫度的下降導(dǎo)致平衡被破壞有利于符合的氧化反應(yīng)。這對(duì)處理?xiàng)l件晶圓溫度以及混合比例被設(shè)定以使在圖2中所示之圖表之座落于平衡曲線間之中心區(qū)間之操作點(diǎn)是很重要的。
然而，對(duì)于選擇性氧化，其根據(jù)圖1B具有形成二氧化硅層6之觀念藉由濕式氧化法于一氫氣充足的大氣中被實(shí)施，迄今，仍然具有可想到的氧化鎢之形成在環(huán)繞閘極區(qū)域之大氣中。
此氧化鎢在處理溫度下是可揮發(fā)的且被沉積在處理管腔的側(cè)壁上，在該處其被還原至金屬鎢藉由氫氣。因?yàn)檫@些鎢沉積物，在燈具加熱RTP(快速熱處理法)裝置中，其系較佳地使用來(lái)作選擇性氧化，因此被定位于石英部分介于燈具燈以及晶圓之間，且由于他們的光學(xué)特性部分的吸收燈之輻射，他們具有一非常大量的影響于晶圓的溫度同構(gòu)型與大大地削減此同構(gòu)型。此外，鎢沉積可能也會(huì)形成于高溫計(jì)之前的石英部分且可能因此具有一有害的效果于晶圓溫度之光學(xué)測(cè)量。在制造條件之下的處理期間，即反復(fù)以相同步驟來(lái)處理大量的制造晶圓，漸漸增加的鎢沉積導(dǎo)致如此迅速的晶圓之上層厚度同構(gòu)型衰減且從晶圓到晶圓該處理步驟對(duì)于制造應(yīng)用目前系不足夠穩(wěn)定。
再者，由于氧化鎢之蒸氣沉積造成之鎢的損失可能造成交互連接之電功能性的損害。此外，二氧化鎢的再沉積，在以還原形成鎢之后，可能導(dǎo)致不欲產(chǎn)生的傳導(dǎo)性化合物的形成且因此造成晶圓組件之電路短路。這些問(wèn)題并不限于燈具加熱RTP裝置，而且更可能發(fā)生在所以控制條件的裝置，其可以被使用來(lái)作選擇性氧化，例如包含傳統(tǒng)的镕爐。然而在后者中，管腔側(cè)壁之氧化鎢沉積以及這些氧化鎢隨后的還原而形成鎢都不會(huì)構(gòu)成如此嚴(yán)重的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明的目的系提供一種金屬化結(jié)構(gòu)的選擇性氧化的方法，特別是一閘極結(jié)構(gòu)，其包含至少一硅層，其被氧化，以及至少一鎢層，其不被氧化，在該方法中從環(huán)繞金屬化結(jié)構(gòu)之大氣中之氧化鎢蒸氣沉積并不發(fā)生或只發(fā)生在大大地減少的范圍。
此目的系藉由權(quán)利要求1所述之特征而達(dá)成。較有利的實(shí)施例以及根據(jù)本發(fā)明的方法之精細(xì)的區(qū)別系描述于附屬的權(quán)利要求中。
本發(fā)明描述一改良的程序用來(lái)作一金屬化結(jié)構(gòu)的選擇性氧化其包含有至少一多晶硅層以及至少一鎢層，該金屬化結(jié)構(gòu)藉由一氫及水的混合物來(lái)起作用，以此方法就其本身而言在一處理步驟中為已知，其中熱被提供且，在此步驟期間，被選擇性地氧化。根據(jù)本發(fā)明的程序中一明顯的方面系該金屬化結(jié)構(gòu)藉由一非水溶液的含氫基質(zhì)來(lái)起作用，特別是純氫或一氫/惰性氣體混合物，在此處理步驟之前，如果恰當(dāng)，在此步驟之后。如同已經(jīng)顯示的測(cè)試，此測(cè)量使相當(dāng)程度的降低該氧化鎢之蒸氣沉積為可能，且在一些實(shí)例中甚至完全消滅它。在此文中，雖然并不完全必要，對(duì)于氫或氫/惰性氣體混合物亦被應(yīng)用在處理步驟之后是有利的。經(jīng)由范例，氫/惰性氣體混合物可能是一氫/氮?dú)饣旌衔铩?br> 普遍位于被處理的金屬化結(jié)構(gòu)最接近的鄰近區(qū)域之溫度系被參考在本文中之晶圓溫度。在以氫/水混合物處理期間，熱的供應(yīng)系使用以設(shè)定一晶圓溫度，其被參考為處理溫度。
氧化鎢的蒸氣沉積可被減低的范圍系有賴于進(jìn)一步測(cè)量的實(shí)施，例如限定的晶圓溫度設(shè)定，晶圓溫度之升高以及降低的時(shí)間(斜面時(shí)間)以及氫/水濃度比例。
例如，如果在以氫/水混合物理之前以含氫基質(zhì)處理的一第一區(qū)間期間，熱的提供被設(shè)定為晶圓溫度從一第一溫度T1被增加到一第二溫度T2是有利的，該第一溫度較佳地位于室溫及200℃的范圍內(nèi)，且該第二溫度較佳地亦位于700℃到900℃的范圍中。在本案中，對(duì)于晶圓溫度而言可能在一開(kāi)始被維持固定溫度于第一溫度然后被持續(xù)地增加或者與第二溫度一致。
一更有利的測(cè)量方法包括，在以氫/水混合物處理之步驟期間，設(shè)定熱的提供以該晶圓溫度從一限定的溫度被增加到一處理溫度。在本案中，對(duì)于晶圓溫度而言，一開(kāi)始在該限定的溫度被維持恒定接著被持續(xù)地增加或是與處理溫度一致。該限定溫度可能藉由上述第二溫度所形成，其位于700℃到900℃的范圍中，且該處理溫度可能由一第三溫度所形成，其位于900℃到1000℃的范圍中。
與先前章節(jié)中所敘述的測(cè)量方法無(wú)關(guān)，其已經(jīng)證明在以氫/水混合物處理之處理步驟期間，晶圓溫度被設(shè)定為一處理溫度在900℃到1100℃的范圍中是有利的。
再者，在氫/水混合物處理步驟之后以含氫基質(zhì)處理之第二處理階段期間，熱的提供可能被設(shè)定于晶圓溫度被持續(xù)降低或與從一處理溫度降到一較低溫度一致。處理溫度在本案中可能藉由上述第三溫度T3所形成，其位于900℃到1100℃的范圍之間，且該較低溫度可能為一低于上述第二溫度T2的溫度以及因此位于300℃-600℃的范圍之間。
在含氫基質(zhì)的應(yīng)用之前，如果恰當(dāng)，在其之后，亦可能實(shí)施以一惰性氣體之處理，特別是純氮?dú)狻?br> 必須要確定的是，在以氫/水混合物處理期間，至少一狀態(tài)在一反應(yīng)平衡之鄰近區(qū)域而在一氧化反應(yīng)以及一還原反應(yīng)之間被采用。然而，較佳的，在所供應(yīng)之氫/水混合物中之水含量以及處理溫度以成對(duì)反應(yīng)方程式的方法來(lái)選擇該反應(yīng)方程式具有較大，特別是非常大的反應(yīng)速率。
再者，其已經(jīng)證明如果水含量于處理階段期間在氫/水混合物中低于20％，且同時(shí)，一處理溫度以此方式被選擇則上列與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的條件會(huì)持續(xù)。
原則上，根據(jù)本發(fā)明的方法可以在任何條件控制之裝置中進(jìn)行，其包含一反應(yīng)腔具有一入口開(kāi)口以及一出口開(kāi)口，對(duì)于包含金屬化結(jié)構(gòu)的基板而言，以此方法放置于反應(yīng)腔中是可能的，處理氣體可以從入口開(kāi)口到出口開(kāi)口而流經(jīng)該基板。
例如，本方法可以在一燈具加熱RTP(快速熱處理)裝置中進(jìn)行。此裝置具有一反應(yīng)腔附有一入口開(kāi)口，在其中處理氣體可被以一控制方法供應(yīng)至反應(yīng)腔，例如以質(zhì)量流量控制器的方式。處理氣體流經(jīng)硅晶圓而到一出口開(kāi)口，經(jīng)由出口他們可被吸引到反應(yīng)腔之外藉由一真空或一幫浦的方式。該晶圓以一高功率的燈具燈被輻射加熱。
然而，本方法亦可以在一傳統(tǒng)熱镕爐中進(jìn)行，例如一垂直或平行的管狀熱镕爐。
如果所有已經(jīng)于上面描述之與晶圓溫度以及溫度斜面有關(guān)的額外的測(cè)量被實(shí)行的話，特別好的結(jié)果將被達(dá)成。然而，亦可能免除這些測(cè)量中的其中一些，假若他們可以引起的改善不再能證明實(shí)施這些測(cè)量的損失。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化鎢之蒸氣沉積在此新發(fā)展的方法中被降低相當(dāng)多，特別是在燈具加熱RTP裝置中，沒(méi)有會(huì)造成儀器操作損害之沉積物產(chǎn)生，且因此處理穩(wěn)定性可被大大增加。當(dāng)選擇性氧化被實(shí)行于傳統(tǒng)熱镕爐裝置中，根據(jù)本發(fā)明的方法可避免有害的氧化鎢沉積于半導(dǎo)體晶圓本身以及形成其上的結(jié)構(gòu)上。


根據(jù)本發(fā)明的方法以及一較佳的實(shí)施例更詳細(xì)解釋如下參考圖之圖標(biāo)，其中圖1A-C顯示根據(jù)先前技藝一包含鎢層之閘極結(jié)構(gòu)之各別的方法步驟；圖2顯示一圖表說(shuō)明反應(yīng)機(jī)構(gòu)以及平衡；圖3顯示一根據(jù)本發(fā)明方法之較佳的處理程序。
具體實(shí)施例方式
圖3顯示一處理步驟的實(shí)例，其中純氫氣(H2)處理被立即實(shí)施于水/氫氣混合物被提供之前及之后。
晶圓的溫度在縱坐標(biāo)的定點(diǎn)上是非線性的。
首先，在一非常低的第一溫度(T1)，例如50℃(實(shí)際的溫度不能藉由傳統(tǒng)高溫計(jì)測(cè)量而被決定)，氮?dú)獗煌ㄈ敕磻?yīng)腔中，為了從反應(yīng)腔中移除氧氣。第一溫度T1可能位于室溫及200℃之間的范圍。
此在一純氫氣的處理之后。因此，氫氣被提供經(jīng)由反應(yīng)腔之入口開(kāi)口，一開(kāi)始在一固定第一溫度T1，且在目前進(jìn)行的氫氣處理期間，該溫度持續(xù)的增加越過(guò)一斜面到例如800℃之第二溫度T2。
接著，一氫/水混合物被注入反應(yīng)腔，對(duì)于流量控制器而言，被設(shè)定一具有水含量14％體積的大氣被建立于反應(yīng)腔中是可能的。處理溫度一開(kāi)始在800℃之第二溫度T2被維持恒定，但接著持續(xù)增加，越過(guò)一第二溫度斜面，到第三溫度T3，例如，1050℃。在此第三溫度T3(處理溫度)，使用氫/水混合物之處理被實(shí)施以上述方法，伴隨著一二氧化硅層被形成于多晶硅層2之側(cè)壁以及，如果恰當(dāng)，在硅基板10上(參見(jiàn)圖1B)。
一進(jìn)一步的純氫氣處理接著進(jìn)行，在處理期間，晶圓溫度系持續(xù)的從第三溫度T3減低至一比第二溫度T2更低的溫度。在此處理之后，氮?dú)庠僖淮瘟鹘?jīng)反應(yīng)腔，且在這個(gè)周期期間，晶圓溫度系降低至一放電溫度。一個(gè)不同的惰性氣體亦可能被使用來(lái)取代氮?dú)狻?br> 一氫/氮?dú)饣旌衔镆嗫赡鼙皇褂脕?lái)取代在氫/水混合物處理之前及之后純氫氣的實(shí)時(shí)處理。其它的惰性氣體混合物包含氫氣亦是可想到的。
如圖標(biāo)之連續(xù)溫度斜面，亦可能選擇不連續(xù)的改變溫度，在步驟中。
以氫/水混合物處理之處理時(shí)間系典型的在30-60秒，然而溫度斜面時(shí)間為，例如，在每秒10-50℃。其它時(shí)間可能被使用，基于其它處理參數(shù)的選擇，特別是溫度以及水含量。
權(quán)利要求
1.一種金屬化結(jié)構(gòu)之選擇性氧化的方法，特別系一閘極結(jié)構(gòu)，其包含至少一硅層且特別是以多晶形式被氧化，以及至少一鎢層，其不被氧化，在該方法中-該金屬化結(jié)構(gòu)系在一處理步驟中以一氫氣與水之混合物來(lái)起作用，其中熱被供給，其中-在處理步驟之前，如果恰當(dāng)，在處理步驟之后，該金屬化結(jié)構(gòu)系以一非水溶液的含氫基質(zhì)起作用，特別是純氫氣或一氫/惰性氣體混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中-在處理步驟之前，以含氫基質(zhì)處理之第一階段期間，熱的提供系被設(shè)定以使金屬化結(jié)構(gòu)(晶圓溫度)之溫度從一第一溫度(T1)上升到一第二溫度(T2)。
3.如權(quán)利要求1或2所述之方法，其中-在該該處理步驟之一階段期間，該熱的提供系被設(shè)定以使該金屬化結(jié)構(gòu)的該溫度(晶圓溫度)系從一已限定的溫度，特別是該第二溫度，上升至一處理溫度，特別是一第三溫度(T3)。
4.如前述權(quán)利要求其中一項(xiàng)所述之方法，其中-在該處理步驟之后，以含氫基質(zhì)處理之該處理之第二階段期間，該熱的提供系被設(shè)定以使該金屬化結(jié)構(gòu)之該溫度持續(xù)地從一處理溫度，特別是該第三溫度(T3)，下降至一較低溫度，特別是該第一溫度(T1)。
5.如前述權(quán)利要求其中一項(xiàng)所述之方法，其中-在該混合物中之該水含量在該處理步驟期間系低于20％。
6.如權(quán)利要求2至5其中一項(xiàng)所述之方法，其中-該第一溫度(T1)系高于室溫且低于200℃。
7.如權(quán)利要求2至6其中一項(xiàng)所述之方法，其中-該第二溫度(T2)座落于700℃-900℃的范圍中。
8.如權(quán)利要求1至7其中一項(xiàng)所述之方法，其中-至少在該處理步驟之一階段期間，熱的提供系被設(shè)定以使該溫度位于或在金屬化結(jié)構(gòu)之直接鄰近區(qū)域之中，特別是該第三溫度(T3)，系在900℃-1100℃的范圍中。
9.如前述權(quán)利要求的一項(xiàng)所述之方法，其中-該金屬化結(jié)構(gòu)系在它已經(jīng)被該含氫基質(zhì)起作用之前，如果恰當(dāng)，在含氫基質(zhì)起作用之后以一惰性氣體處理。
10.如前述權(quán)利要求其中一項(xiàng)所述之方法，其中-在該處理步驟期間，該水含量以及該溫度系被選擇以在一成對(duì)反應(yīng)方程式中，該反應(yīng)方程式有較大的反應(yīng)速率。
11.如前述權(quán)利要求其中一項(xiàng)所述之方法，其中-其在一具有一入口開(kāi)口以及一出口開(kāi)口的反應(yīng)腔中實(shí)行，以及-包含該金屬化結(jié)構(gòu)之基質(zhì)系安排于該反應(yīng)腔中，如此處理氣體可從入口開(kāi)口至出口開(kāi)口流經(jīng)該基質(zhì)。
12.如前述權(quán)利要求其中一項(xiàng)所述之方法，其中-該方法系在一條件控制的裝置中實(shí)行，特別是在一燈具加熱快速熱處理或快速熱退火裝置(RTP或RTA)中。
13.一種制造一金屬化結(jié)構(gòu)的方法，特別是一MOS組件之一閘極結(jié)構(gòu)，具有至少一硅層，特別是一多晶硅層，以及至少一鎢層，如前述權(quán)利要求中之一或多項(xiàng)所述之一選擇性氧化的方法在制造過(guò)程中被實(shí)施。
全文摘要
在包含一多晶硅層以及一鎢層之閘極結(jié)構(gòu)之選擇性氧化期間，其本身已知，氧化鎢之蒸氣沉積系借著一特殊處理被預(yù)防或至少大大地減少。閘極結(jié)構(gòu)借著一含氫，非水溶液的惰性氣體在一氫/水混合物之處理步驟之前，如果恰當(dāng)，在之后來(lái)起作用。
文檔編號(hào)H01L29/40GK1503987SQ02808720
公開(kāi)日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者S·弗里格, W·科格爾, J·－U·薩奇塞, M·斯塔德特米勒, R·哈伊恩, G·羅特斯, E·肖爾, O·斯托貝克, S 弗里格, と 嬡, 廝, 斜純, 煉, 穸 , 綠孛桌 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司, 馬特森熱力產(chǎn)品有限責(zé)任公司