專利名稱：具有低電阻的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，具體地，涉及一種具有低電阻金屬-多晶硅柵極電極的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
在集成半導(dǎo)體器件中具有并且繼續(xù)朝向增加封裝密度、更高的工作頻率和更低工作電壓的趨勢。隨著這些趨勢的繼續(xù)，形成在芯片上的圖案的部件尺寸以及形成的圖案之間的間隔變得更小了。在過去，多晶硅是用于形成和互連獨(dú)立元件的非常有用的材料，例如用于形成柵極電極。然而，隨著圖案尺寸的減小，互連的電阻變得日益重要了。因?yàn)槎嗑Ч杈哂休^高的電阻，隨著圖案尺寸繼續(xù)下降，相比在具有較大圖案尺寸的較早電路中，多晶硅互連具有相對更高的RC(電阻-電容)時間延遲和IR(電流-電阻)壓降。
因此，具有與多晶硅特性相似的特性而又具有比多晶硅電阻低的電阻的多晶化物(polycide)結(jié)構(gòu)變得日益普遍。使用多晶化物結(jié)構(gòu)的一種方法是具有由難熔金屬硅化物例如在摻雜多晶硅層上的硅化鈦或硅化鎢組成的多層結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于互連和形成元件，例如VLSI電路的柵極電極。然而，硅化鎢的電阻率大約是100μΩ-cm，還是相當(dāng)高的，并且需要進(jìn)一步降低柵極電極的電阻率，以形成令人滿意的四分之一微米以下的超大規(guī)模集成(ULSI)電路。
因此近來工業(yè)轉(zhuǎn)向鎢-多晶硅(下文，簡稱為“W-poly”)柵極結(jié)構(gòu)，因?yàn)閃-poly柵極結(jié)構(gòu)具有大約10μΩcm的電阻率，比現(xiàn)有的多晶硅或多晶化物柵極電極低。
圖1是具有W-poly柵極結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的截面圖。在硅襯底10上形成柵極介質(zhì)層12。在柵極介質(zhì)層12上形成柵極疊層20，其包括摻雜多晶硅層14、阻擋層16以及鎢(W)層18。在柵極疊層20上形成氮化硅(SiN)的柵極蓋層22。因?yàn)樵诠墓杌に囍性?00℃的低溫下鎢與硅(Si)反應(yīng)，所以有必要在W層18和多晶硅層14之間形成高性能的擴(kuò)散阻擋層16以防止這樣的硅化。氮化鈦(TiNX)和氮化鎢(WNX)都是用于擴(kuò)散阻擋層16的后選材料以避免W層18的硅化。
在現(xiàn)有的后-柵極蝕刻工藝中，干或濕氧化(即，選擇性氧化)用于消除蝕刻損傷和提高柵極介質(zhì)強(qiáng)度。從而，包括金屬材料(W和阻擋材料)的所有柵極材料要經(jīng)受這種氧化。在選擇性氧化條件下，W基材料將不被氧化。然而，如果阻擋層16是TiNX，TiNX層能被氧化，從而能導(dǎo)致W層18的脫離(lift-off)。因此，從低電阻率和工藝集成度的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選沒有TiNX的W-poly柵極電極。
使用WNX作為阻擋層16時也存在問題。當(dāng)由WNX形成阻擋層16時，在WNX阻擋層16的淀積期間氮(N2)流向多晶硅層14。這引起氮與多晶硅層14反應(yīng)，以在WNX阻擋層16和多晶硅層14之間形成高電阻SiN基絕緣層。此外，在選擇性氧化工藝期間，氧化劑擴(kuò)散到WNX阻擋層16和多晶硅層14之間的界面中，從而形成絕緣層，例如氧氮化硅層。這引起甚至更大的電阻，這依次增加在W層18和多晶硅層14之間的接觸電阻(Rc)。
如上所述的，要避免電阻增加，因?yàn)樵黾拥碾娮枰疠^高的RC延遲，這依次引起存儲器件中的tRCD(Ras至CAS的延遲時間)失效，從而使最終元件的合格率和工作速度惡化。
本發(fā)明的實(shí)施例致力于解決現(xiàn)有技術(shù)中的這種或其它的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有低電阻金屬-多晶硅柵極電極的半導(dǎo)體器件，可以增加半導(dǎo)體器件的集成度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，通過防止形成在現(xiàn)有方法產(chǎn)生柵極疊層時出現(xiàn)的高電阻材料來獲得低電阻，從而解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題。
為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的電介質(zhì)層、形成在電介質(zhì)層上的多晶硅層、形成在多晶硅層上的界面反應(yīng)阻擋層、形成在界面反應(yīng)阻擋層上的阻擋層、以及形成在阻擋層上的金屬層，其中界面反應(yīng)阻擋層被構(gòu)造用于阻止多晶硅層與阻擋層之間的反應(yīng)。
在一實(shí)施例中，該半導(dǎo)體器件的金屬層包括鎢，阻擋層包括氮化鎢，界面反應(yīng)阻擋層包括金屬硅化物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種MOS晶體管，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的柵極介質(zhì)層、以及形成在柵極介質(zhì)層上的柵極疊層，其中該柵極疊層具有淀積在柵極介質(zhì)層上的多晶硅層、淀積在多晶硅層上的界面反應(yīng)阻擋層、淀積在界面反應(yīng)阻擋層上的氮化鎢阻擋層以及淀積在阻擋層上的鎢層。
在一實(shí)施例中，該MOS晶體管的界面反應(yīng)阻擋層包括硅化鎢。該MOS晶體管還包括淀積在金屬層上的柵極蓋層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層；在電介質(zhì)層上形成多晶硅層；在多晶硅層上形成界面反應(yīng)阻擋層；在界面反應(yīng)阻擋層上形成金屬氮化物阻擋層；以及在金屬氮化物阻擋層上形成金屬層。
在一實(shí)施例中，形成金屬層包括形成鎢層，形成金屬氮化物阻擋層包括形成氮化鎢阻擋層。
在一實(shí)施例中，形成界面反應(yīng)阻擋層包括形成金屬硅化物層。形成金屬硅化物層的方法包括通過濺射、化學(xué)氣相淀積(CVD)、原子層淀積(ALD)工藝在多晶硅層上淀積第一金屬層；以及在氮?dú)鈿夥罩性诖蠹s850℃的溫度加熱處理第一金屬層以引起第一金屬層與多晶硅層反應(yīng)以形成金屬硅化物層。替代地，形成金屬硅化物層的方法包括通過濺射、CVD、ALD工藝在多晶硅層上淀積金屬硅化物層。
在一實(shí)施例中，形成界面反應(yīng)阻擋層、形成阻擋層以及形成金屬層都是原位(in-situ)或離位(ex-situ)執(zhí)行的。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種MOS晶體管的制造方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成柵極介質(zhì)層；在介質(zhì)層上形成多晶硅層；在多晶硅層上形成界面反應(yīng)阻擋層；在界面反應(yīng)阻擋層上形成氮化鎢阻擋層；以及在阻擋層上形成鎢層。
在一實(shí)施例中，形成界面反應(yīng)阻擋層包括形成硅化鎢層。替代地，形成界面反應(yīng)阻擋層包括通過濺射、CVD、ALD工藝在多晶硅層上淀積第一鎢層，以及在超過600℃的溫度加熱處理第一鎢層以便引起第一鎢層與多晶硅層反應(yīng)以形成硅化鎢層。替代地，形成界面反應(yīng)阻擋層包括通過濺射、CVD、ALD工藝淀積硅化鎢層，在ALD工藝中，交替地化學(xué)吸附(chemisorb)鎢層和硅層以形成硅化鎢層。
在一實(shí)施例中，形成界面反應(yīng)阻擋層、形成阻擋層以及形成鎢層都是原位或離位執(zhí)行的。
在一實(shí)施例中，該方法還包括對鎢層、阻擋層、界面反應(yīng)阻擋層和多晶硅層構(gòu)圖以形成柵極電極；以及選擇性地氧化柵極電極和襯底。該方法還包括在構(gòu)圖步驟之前在鎢層上形成柵極蓋層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括具有形成在其上的電介質(zhì)層的襯底、淀積在電介質(zhì)層上的多晶硅層、形成在多晶硅層上方的金屬層、形成在多晶硅層和金屬層之間的阻擋層、以及形成在多晶硅層和金屬層之間的附加層，其中附加層不同于阻擋層并且被構(gòu)造用于阻止形成阻擋層時的化學(xué)反應(yīng)。
在一實(shí)施例中，該化學(xué)反應(yīng)的一種是形成較高電阻層。附加層也被構(gòu)造成用于阻止氧化劑擴(kuò)散到阻擋層和多晶硅層之間的界面處。附加層是形成在多晶硅層和阻擋層之間的硅化鎢層。阻擋層是形成在硅化鎢層上的氮化鎢層。金屬層是鎢層。
在一實(shí)施例中，該器件還包括形成在鎢層上方的氮化硅層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種半導(dǎo)體器件的形成方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層；形成淀積在電介質(zhì)層上的多晶硅層；在多晶硅層上形成硅化鎢層；在硅化鎢層上淀積氮化鎢層；以及在氮化鎢層上淀積鎢層。
在一實(shí)施例中，形成硅化鎢層包括淀積硅化鎢層。替代地，形成硅化鎢層包括在多晶硅層上形成鎢層；以及通過在氮?dú)鈿夥罩谢蛟诳諝庵谢蛟谡婵罩屑訜崽幚碓诙嗑Ч鑼由系逆u層使鎢層轉(zhuǎn)化成硅化鎢層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括多晶硅層、淀積在多晶硅層上的電介質(zhì)層、形成在電介質(zhì)層中的接觸孔、淀積在電介質(zhì)層上方和接觸孔中的界面反應(yīng)阻擋層、淀積在界面反應(yīng)阻擋層上的第二阻擋層、以及形成在第二阻擋層上方的第二金屬互連層，其中界面反應(yīng)阻擋層鄰近在接觸孔中的多晶硅層。
在一實(shí)施例中，界面反應(yīng)阻擋層主要包括硅化鎢。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種在半導(dǎo)體襯底上形成接觸結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層，該接觸孔露出形成在襯底上的多晶硅層；在層間介質(zhì)層上和接觸孔中形成界面阻擋層，該界面阻擋層鄰近在接觸孔中的多晶硅層；在界面阻擋層上形成第二阻擋層；以及在第二阻擋層上形成互連層。
在一實(shí)施例中，形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層包括在半導(dǎo)體襯底上形成層間介質(zhì)層；在層間介質(zhì)層中產(chǎn)生接觸孔；以及在層間介質(zhì)層的接觸孔中形成多晶硅層。替代地，形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層包括在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅層；對多晶硅層構(gòu)圖以形成多晶硅線；在襯底和多晶硅線的上方形成層間介質(zhì)層；以及在多晶硅線處的層間介質(zhì)層中產(chǎn)生接觸孔。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的金屬-多晶硅疊層，在多晶硅層和金屬-氮化物阻擋層之間形成的界面反應(yīng)阻擋層抑制了在淀積金屬-氮化物層期間形成高電阻非晶(或絕緣)層，并且阻止了在用于消除蝕刻損傷的后續(xù)選擇性氧化工藝期間氧化劑的界面反應(yīng)。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，減少了接觸電阻，能夠形成滿足目前和未來tRCD要求的存儲器件。


從下面給出的詳細(xì)描述和從本發(fā)明實(shí)施例的附圖將更充分地理解本發(fā)明，然而，附圖將不把本發(fā)明限制在具體的實(shí)施例中，而是為了更容易解釋和理解本發(fā)明。
圖1是具有W-poly柵極結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有MOS晶體管的截面示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有金屬-多晶硅柵極結(jié)構(gòu)的MOS晶體管的截面圖；圖3A、3B、3C和3D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖2所示的MOS晶體管的制造方法的截面示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的W-poly金屬接觸結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖5是現(xiàn)有W-poly接觸結(jié)構(gòu)的接觸電阻與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的W-poly接觸結(jié)構(gòu)的接觸電阻的比較圖。
具體實(shí)施例方式
在接下來的詳細(xì)描述中，闡述許多具體的細(xì)節(jié)以便提供本發(fā)明詳盡的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解本發(fā)明可以不用這些具體細(xì)節(jié)來實(shí)行。在其它例子中，將不詳細(xì)地描述已公知的方法、過程、元件和工藝，而不至于使本發(fā)明的闡述不清楚。
本發(fā)明的實(shí)施例針對具有低電阻的柵極疊層的MOS晶體管以及形成這種晶體管的方法。通過防止形成高電阻材料來獲得這種低電阻，當(dāng)用現(xiàn)有方法產(chǎn)生柵極疊層時典型地出現(xiàn)該高電阻材料。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有金屬-多晶硅柵極結(jié)構(gòu)的MOS晶體管的截面圖。參考圖2，晶體管120形成在半導(dǎo)體襯底100上并且通過場區(qū)域(未示出)與其它電子元件(未示出)隔離。晶體管120具有有源源極/漏極區(qū)116和柵極疊層112。
柵極介質(zhì)層102使柵極疊層112和襯底100分開。在圖2中所示的柵極疊層112包括形成在柵極介質(zhì)層102上的摻雜多晶硅層104、形成在多晶硅層104上的界面反應(yīng)阻擋層106、形成在界面反應(yīng)阻擋層106上的阻擋層108以及形成在阻擋層108上的金屬層110。由例如氮化硅(SiN)形成的柵極蓋層114可以形成在柵極疊層112的頂部。柵極蓋層114不僅防止在任何后續(xù)高溫退火處理期間金屬層110的氧化，還能起用于構(gòu)圖柵極疊層112的硬掩模的作用。
阻擋層108是由例如氮化鎢(WNX)的金屬氮化物形成的，并且用于阻止多晶硅層104和金屬層110之間的反應(yīng)。多晶硅層104和金屬層110之間的反應(yīng)不可接受地增加了柵極結(jié)構(gòu)112的方阻。優(yōu)選地，在阻擋層108的金屬氮化物中使用的金屬與金屬層110中的材料相同。一種這樣合適的金屬是鎢(W)；然而可以選擇地使用其它金屬。
界面反應(yīng)阻擋層106是由例如硅化鎢(WSiX)的金屬硅化物形成的，其抑制在金屬氮化物阻擋層108的淀積期間形成高電阻絕緣層例如氮化硅。此外，在用于消除在柵極介質(zhì)層102和襯底100上的蝕刻損傷的后續(xù)選擇性氧化工藝期間，界面反應(yīng)阻擋層106阻止氧化劑擴(kuò)散進(jìn)入金屬氮化物阻擋層108和多晶硅層104之間的界面。這樣阻止了形成例如SiON(氧氮化硅)的絕緣層，該絕緣層可通過阻擋層108中的氮、多晶硅層104中的硅原子與擴(kuò)散的氧化劑之間的反應(yīng)形成。
現(xiàn)在參考圖3A至3D描述金屬-多晶硅柵極疊層112的形成方法。參考圖3A，在半導(dǎo)體襯底100上形成大約10～100厚度的柵極介質(zhì)層102。一種用于形成柵極介質(zhì)層的方法是通過熱氧化。柵極介質(zhì)層102可包括氧化硅(SiOX)或氧氮化硅(SiOXNy)。
通過例如在柵極介質(zhì)層102上執(zhí)行CVD(化學(xué)氣相淀積)工藝，在柵極介質(zhì)層102上淀積大約100～2000厚度的雜質(zhì)摻雜的多晶硅層104。
參考圖3B，在多晶硅層104上形成大約10～50厚度的界面反應(yīng)阻擋層106。界面反應(yīng)阻擋層106可以是由金屬硅化物例如硅化鎢(WSiX)形成的。
具體地，一種用于形成界面反應(yīng)阻擋層106的方法包括首先在多晶硅層104上形成大約10～50厚度的第一金屬層例如鎢(W)?？梢酝ㄟ^例如濺射工藝、CVD工藝或ALD工藝形成第一金屬層。然后，在氮?dú)?N2)氣氛中在600℃以上的溫度加熱處理第一金屬層，以引起第一金屬層與多晶硅層反應(yīng)，從而形成用于阻擋層106的金屬硅化物層例如WSiX。
可選擇地，金屬硅化物層例如WSiX可在大約200mT的壓力下、在大約300～400℃(優(yōu)選360℃)的溫度，通過使用六氟化鎢(WF6)和甲硅烷(SiH4)氣體的CVD或ALD(原子層淀積)工藝直接地淀積，從而形成界面反應(yīng)阻擋層106。在使用ALD工藝的情況中，可選擇性地化學(xué)吸附(chemisorb)鎢(W)層和硅(Si)層以形成作為反應(yīng)阻擋層106的硅化鎢(WSiX)層。
參考圖3C，接著形成阻擋層108。阻擋層108可以是由金屬氮化物層形成的，例如通過在界面反應(yīng)阻擋層106上淀積大約10～100厚度的氮化鎢(WNX)形成。例如，可以利用濺射工藝、CVD工藝或ALD工藝淀積金屬氮化物層。在濺射工藝中，例如，在大約15mT的壓力下、大約750W的DC功率、33sccm的N2流速以及大約150℃的溫度下淀積WNX層。
當(dāng)形成阻擋層108時，界面反應(yīng)層106阻止高電阻SiN基絕緣層的形成，如果來自金屬氮化物阻擋層108的氮(N2)將與多晶硅層104中的硅反應(yīng)，那么可能產(chǎn)生該高電阻SiN基絕緣層。
參考圖3D，例如使用濺射工藝、CVD工藝或ALD工藝，通過在阻擋層108上淀積大約100～1000厚度的金屬層來形成金屬層110，例如鎢(W)。例如，可在大約4mT的壓力下、大約2kW的DC功率以及大約150℃的溫度下使用濺射工藝淀積鎢(W)層。
優(yōu)選地，可原位執(zhí)行形成界面反應(yīng)阻擋層106、阻擋層108以及金屬層110，也就是，在不破壞真空的單個反應(yīng)室內(nèi)執(zhí)行。
接下來，在金屬層110上淀積氮化硅以形成柵極蓋層或柵極硬掩模114。柵極蓋層114形成足夠的厚度以阻止在任何后續(xù)高溫退火處理中金屬層110的氧化。
在進(jìn)行上述工藝后，使用光刻工藝對柵極蓋層114、金屬層110、阻擋層108、界面反應(yīng)阻擋層106以及多晶硅層104構(gòu)圖以形成金屬-多晶硅柵極疊層(圖2中的112)。
然后，在H2O/H2氣氛中在大約600～1000℃的溫度執(zhí)行選擇性氧化，從而氧化多晶硅層104的垂直邊緣和襯底100。選擇性氧化用于消除在襯底100和柵極介質(zhì)層102中的蝕刻損傷，從而改善柵極氧化物完整性(GOI)。在選擇性氧化期間，界面反應(yīng)阻擋層106例如WSiX阻止氧化劑向多晶硅層104和金屬氮化物阻擋層108之間的界面擴(kuò)散，否則會形成高電阻絕緣層。
繼續(xù)后續(xù)工藝以形成源極/漏極區(qū)(圖2中的116)、互連(未示出)等。
圖4是根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的W-poly金屬接觸結(jié)構(gòu)的截面圖。參考圖4，在襯底200上形成多晶硅層圖案202。在一個例子中，使用CVD基工藝在襯底200上淀積大約1000厚度的磷摻雜多晶硅層作為第一金屬互連層。然后，使用光刻膠圖案作為蝕刻掩模對該層構(gòu)圖以形成多晶硅層圖案202。
接著，在多晶硅層圖案202和襯底200上淀積介質(zhì)層例如高密度等離子氧化物層，從而形成金屬間介質(zhì)層(IMD)204。通過光刻工藝，選擇性地蝕刻掉IMD層204以形成通孔206，其用于暴露多晶硅層圖案202的一部分。例如，通孔206能具有大約0.34μm的直徑。
然后，形成大約30～50厚度的硅化鎢(WSiX)的界面反應(yīng)阻擋層208。例如，界面反應(yīng)阻擋層208在通孔206外部的IMD層204上能具有大約50的厚度，而在通孔206的底部表面上具有僅大約30的厚度。
形成WSiX的界面反應(yīng)阻擋層208的優(yōu)選步驟是首先，通過執(zhí)行濺射工藝、CVD工藝或ALD工藝，在多晶硅層圖案202和襯底200上淀積鎢(W)層到合適的厚度。然后，在氮?dú)?N2)氣氛中在大約850℃的溫度用大約40分鐘執(zhí)行鎢層的加熱處理，以引起鎢層與下面的多晶硅圖案202中的硅反應(yīng)。該反應(yīng)形成硅化鎢層(WSiX)。
可選擇地，可在大約200mT的壓力下、在大約300～400℃(優(yōu)選360℃)的溫度，使用六氟化鎢(WF6)和甲硅烷(SiH4)氣體作為源氣體，通過執(zhí)行CVD或ALD工藝淀積硅化鎢(WSiX)層。
此后，在界面反應(yīng)阻擋層208上淀積大約50～100厚度的氮化鎢(WNX)層以形成阻擋層210。例如可通過濺射、CVD或ALD工藝完成WNX阻擋層210的淀積。優(yōu)選地，在大約15mT的壓力下、大約750W的DC功率、33sccm的N2流速以及大約150℃的溫度下通過執(zhí)行濺射工藝淀積WNX阻擋層210。優(yōu)選地，WNX阻擋層210具有大約40原子百分?jǐn)?shù)的氮的含量。
在淀積WNX阻擋層210期間，界面反應(yīng)阻擋層208阻止形成高電阻SiN基絕緣層，如果WNX阻擋層210的氮(N2)在界面處與多晶硅層圖案202中的暴露的硅反應(yīng)，那么會產(chǎn)生該高電阻SiN基的絕緣層。
回過來參考圖4，接著，通過進(jìn)行濺射、CVD或ALD工藝，在WNX阻擋層210上淀積大約300～500厚度的第二金屬互連層，例如鎢(W)層212，從而完成W-poly接觸結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在大約4mT的壓力下、大約2kW的DC功率以及大約150℃的溫度下，通過進(jìn)行濺射工藝淀積鎢(W)層212。還優(yōu)選地，原位執(zhí)行形成界面反應(yīng)阻擋層208、WNX阻擋層210以及鎢層212的工藝。
接觸電阻的測量為執(zhí)行接觸電阻的測量，制造和測量兩種W-poly接觸結(jié)構(gòu)。參考圖4所描述的形成第一結(jié)構(gòu)，以及除省略界面反應(yīng)阻擋層208以外，第二結(jié)構(gòu)形成與第一結(jié)構(gòu)相同。針對第一和第二結(jié)構(gòu)測量接觸電阻。
圖5是第一和第二W-poly接觸結(jié)構(gòu)的接觸電阻的示意圖。在圖中，水平軸表示所觀測到的接觸電阻Rc(以Ω/接觸表示)并且垂直軸表示Rc分布。編號為510、520、530、540、550和560的圖上的六條圖線顯示對于不同接觸的測量電阻。
在圖5的圖中，圖線540、550和560(對應(yīng)于標(biāo)記▲、■和●)顯示現(xiàn)有W/WNX/Poly接觸結(jié)構(gòu)。圖線550示出了在W層淀積后沒有執(zhí)行退火處理而形成的接觸的所測量的接觸電阻。圖線540示出了在W層淀積后在大約850℃的溫度用不超過大約40分鐘的時間進(jìn)行N2退火處理而形成的接觸的接觸電阻。圖線560示出了包括與普通W柵極工藝一樣在熔爐內(nèi)在850℃的溫度執(zhí)行選擇性氧化形成的接觸的接觸電阻。
圖線510、520和523(對應(yīng)于標(biāo)記、◆和)顯示符合本發(fā)明實(shí)施例的由W/WNX/WSiX/Poly接觸結(jié)構(gòu)構(gòu)成的測量，其中通過淀積和加熱處理鎢層形成WSiX層。圖線510示出了在W層淀積后在850℃的溫度不超過40分鐘的進(jìn)行N2退火處理而形成的接觸的測量的接觸電阻。圖線520示出了在N2退火處理后在熔爐內(nèi)在850℃的溫度通過快速熱處理(RTP)完成選擇性氧化而形成的接觸的接觸電阻。圖線530示出了在N2退火處理后在熔爐內(nèi)850℃的溫度下在熔爐內(nèi)完成選擇性氧化而形成的接觸的接觸電阻。
參考圖5，圖線550示出了對于沒有執(zhí)行退火工藝的現(xiàn)有W/WNX/Poly接觸結(jié)構(gòu)，測量的接觸電阻大約為500MΩ/接觸。當(dāng)執(zhí)行N2退火后，如在圖線540中所示例的，接觸電阻降低到大約100MΩ/接觸。這種電阻降低最可能發(fā)生的原因是，因?yàn)楸Ａ粼诙嗑Ч鑼?04(圖2)的表面上的原氧化層或在WNX/Poly層(圖2中的104、106)之間的界面上產(chǎn)生的非晶層可能通過N2退火工藝被部分除去。特別地，當(dāng)在熔爐中執(zhí)行選擇性氧化時，接觸電阻(如圖線560所示例的)增加到幾GΩ/接觸。這種發(fā)生的原因是從氧化產(chǎn)生的氧化劑擴(kuò)散進(jìn)WNX/Poly層(圖2中的104、106)之間的界面中并且形成絕緣層，例如SiOX。從而由于接觸的高電阻，在接觸結(jié)構(gòu)中可能有非常小的電流流動。
相反，因?yàn)樵赪NX淀積期間，WSiX層阻止了在WNX/Poly層之間的界面處形成非晶層(或絕緣層)，當(dāng)通過執(zhí)行N2退火W/WNX/WSiX/Poly接觸結(jié)構(gòu)(圖2中的110、108、106、104)形成接觸時，可獲得大約200kΩ/接觸的較低的接觸電阻(如圖線510所示)。類似地，當(dāng)執(zhí)行RTP(快速熱處理)選擇性氧化時，接觸電阻的增加(如圖線520所示)是相對不顯著的。有趣地是，當(dāng)在熔爐中執(zhí)行選擇性氧化工藝而形成接觸時，接觸電阻(如圖線530所示)增加到具有圖線520所示電阻的接觸(RTP選擇性氧化)的大約10倍，但是當(dāng)與圖線560所示的接觸的電阻(用熔爐選擇性氧化的現(xiàn)有接觸結(jié)構(gòu))比較時，仍然減少大約500倍或更多。產(chǎn)生該結(jié)果是原因是，WSiX層(圖2中的106)阻止了氧化劑擴(kuò)散到WNX/Poly層(圖2中的108、104)之間的界面，從而阻止了形成絕緣層例如SiONX。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的金屬-多晶硅疊層，在多晶硅層和金屬-氮化物阻擋層之間形成的界面反應(yīng)阻擋層抑制了在淀積金屬-氮化物層期間形成高電阻非晶(或絕緣)層，并且阻止了在用于消除蝕刻損傷的后續(xù)選擇性氧化工藝期間氧化劑的界面反應(yīng)。因此，當(dāng)與現(xiàn)有接觸比較時，在金屬-氮化物層和多晶硅層之間的金屬硅化物層的加入減少了接觸電阻。減少的接觸電阻使得能夠形成具有金屬-多晶硅柵極結(jié)構(gòu)的存儲器件，以滿足目前和未來tRCD要求。
另外，盡管這里給出的例子示例了結(jié)構(gòu)和制造這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)例工藝，但例如其它工藝和結(jié)構(gòu)是可能的并保留在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在論述了上述公開的本發(fā)明的原理后，具有不同工藝和結(jié)構(gòu)的實(shí)施例和半導(dǎo)體器件中的其它通常變化在本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍內(nèi)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到在這里描述的不同半導(dǎo)體器件可以以許多不同的變化實(shí)行。因此，盡管這里具體示例和描述了各種實(shí)施例，可以意思到本發(fā)明的修改和各種變化被上述的構(gòu)思所覆蓋并在附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)，不脫離發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括電介質(zhì)層，形成在半導(dǎo)體襯底上；多晶硅層，形成在該電介質(zhì)層上；界面反應(yīng)阻擋層，形成在該多晶硅層上，該界面反應(yīng)阻擋層被構(gòu)造用于阻止該多晶硅層與后續(xù)形成在該界面反應(yīng)阻擋層上的材料層間的反應(yīng)；阻擋層，形成在該界面反應(yīng)阻擋層上；以及金屬層，形成在該阻擋層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該金屬層包括鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該阻擋層包括氮化鎢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該界面反應(yīng)阻擋層包括金屬硅化物。
5.一種金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括柵極介質(zhì)層，形成在半導(dǎo)體襯底上；以及柵極疊層，形成在該柵極介質(zhì)層上，該柵極疊層具有淀積在該柵極介質(zhì)層上的多晶硅層、淀積在該多晶硅層上的界面反應(yīng)阻擋層、淀積在該界面反應(yīng)阻擋層上的氮化鎢阻擋層以及淀積在該阻擋層上的鎢層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，其中該界面反應(yīng)阻擋層包括硅化鎢。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，還包括淀積在該金屬層上的柵極蓋層。
8.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層；在該電介質(zhì)層上形成多晶硅層；在該多晶硅層上形成界面反應(yīng)阻擋層；在該界面反應(yīng)阻擋層上形成金屬氮化物阻擋層；以及在該金屬氮化物阻擋層上形成金屬層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成金屬層包括形成鎢層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成金屬氮化物阻擋層包括形成氮化鎢阻擋層。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成界面反應(yīng)阻擋層包括形成金屬硅化物層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中形成金屬硅化物層包括在該多晶硅層上淀積第一金屬層；以及加熱處理該第一金屬層以引起該第一金屬層與該多晶硅層反應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中淀積第一金屬層包括在該多晶硅層上濺射該第一金屬層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中淀積第一金屬層包括使用化學(xué)氣相淀積方法在該多晶硅層上淀積該第一金屬層。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中淀積第一金屬層包括使用原子層淀積方法在該多晶硅層上淀積該第一金屬層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中加熱處理金屬層包括在氮?dú)鈿夥罩性诖蠹s850℃的溫度加熱處理該金屬層。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中形成金屬硅化物層包括在該多晶硅層上淀積該金屬硅化物層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中淀積金屬硅化物層包括在該多晶硅層上濺射該金屬硅化物層。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中淀積金屬硅化物層包括使用化學(xué)氣相淀積方法在該多晶硅層上淀積該金屬硅化物層。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中淀積金屬硅化物層包括使用原子層淀積方法在該多晶硅層上淀積該金屬硅化物層。
21.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成界面反應(yīng)阻擋層、形成阻擋層以及形成金屬層都是原位或離位執(zhí)行的。
22.一種金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的制造方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成柵極介質(zhì)層；在該介質(zhì)層上形成多晶硅層；在該多晶硅層上形成界面反應(yīng)阻擋層；在該界面反應(yīng)阻擋層上形成氮化鎢阻擋層；以及在該阻擋層上形成鎢層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成界面反應(yīng)阻擋層包括形成硅化鎢層。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成界面反應(yīng)阻擋層包括在該多晶硅層上淀積第一鎢層；以及加熱處理該第一鎢層以便引起該第一鎢層與該多晶硅層反應(yīng)以形成硅化鎢層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中淀積第一鎢層包括濺射第一鎢層，用化學(xué)氣相淀積方法淀積第一鎢層，或者用原子層淀積方法淀積該第一鎢層。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中加熱處理該第一鎢層包括在超過600℃的溫度加熱處理該第一鎢層。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成該界面反應(yīng)阻擋層包括淀積硅化鎢層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中淀積硅化鎢層包括濺射硅化鎢層，用化學(xué)氣相淀積方法淀積硅化鎢層，或者使用原子層淀積方法淀積硅化鎢層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中在使用原子層淀積工藝中，交替地化學(xué)吸附鎢層和硅層以形成該硅化鎢層。
30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成該界面反應(yīng)阻擋層、形成該阻擋層以及形成該鎢層都是原位或離位執(zhí)行的。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括對該鎢層、該阻擋層、該界面反應(yīng)阻擋層和該多晶硅層構(gòu)圖以形成柵極電極；以及選擇性地氧化該柵極電極和該襯底。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，還包括在構(gòu)圖步驟之前在該鎢層上形成柵極蓋層。
33.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底，具有形成在其上的電介質(zhì)層；多晶硅層，淀積在該電介質(zhì)層上；金屬層，形成在該多晶硅層上方；阻擋層，形成在該多晶硅層和該金屬層之間；以及附加層，形成在該多晶硅層和該金屬層之間，該附加層不同于該阻擋層并且被構(gòu)造用于阻止形成該阻擋層時的化學(xué)反應(yīng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體器件，其中該附加層也被構(gòu)造成用于阻止氧化劑擴(kuò)散到該阻擋層和該多晶硅層之間的界面處。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體器件，其中該化學(xué)反應(yīng)之一是形成較高電阻層。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體器件，其中該附加層是形成在該多晶硅層和該阻擋層之間的硅化鎢層。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體器件，其中該阻擋層是形成在該硅化鎢層上的氮化鎢層。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體器件，其中金屬層是鎢層。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體器件，還包括形成在該鎢層上方的氮化硅層。
40.一種半導(dǎo)體器件的形成方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成電介質(zhì)層；形成淀積在該電介質(zhì)層上的多晶硅層；在該多晶硅層上形成硅化鎢層；在該硅化鎢層上淀積氮化鎢層；以及在該氮化鎢層上淀積鎢層。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中形成硅化鎢層包括淀積硅化鎢層。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中形成硅化鎢層包括在該多晶硅層上形成鎢層；以及把在該多晶硅層上的鎢層轉(zhuǎn)化成硅化鎢層。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中把在該多晶硅層上的鎢層轉(zhuǎn)化成硅化鎢層包括加熱處理在該多晶硅層上的鎢層以形成硅化鎢層。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中加熱處理該所得到的結(jié)構(gòu)包括在氮?dú)鈿夥罩谢蛟诳諝庵屑訜嵩撍玫降慕Y(jié)構(gòu)。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中加熱處理該所得到的結(jié)構(gòu)包括在真空中加熱該所得到的結(jié)構(gòu)。
46.一種半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)，包括多晶硅層；電介質(zhì)層，淀積在該多晶硅層上；接觸孔，形成在該電介質(zhì)層中；界面反應(yīng)阻擋層，淀積在該電介質(zhì)層上方和該接觸孔中，該界面反應(yīng)阻擋層鄰近在該接觸孔中的該多晶硅層；第二阻擋層，淀積在該界面反應(yīng)阻擋層上；以及第二金屬互連層，形成在該第二阻擋層上方。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)，其中該界面反應(yīng)阻擋層主要包括硅化鎢。
48.一種在半導(dǎo)體襯底上形成接觸結(jié)構(gòu)的方法，包括形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層，該接觸孔露出形成在該襯底上的多晶硅層；在該層間介質(zhì)層上和該接觸孔中形成界面阻擋層，該界面阻擋層鄰近在該接觸孔中的該多晶硅層；在該界面阻擋層上形成第二阻擋層；以及在該第二阻擋層上形成互連層。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層包括在該半導(dǎo)體襯底上形成層間介質(zhì)層；在該層間介質(zhì)層中產(chǎn)生接觸孔；以及在該層間介質(zhì)層的接觸孔中形成多晶硅層。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中形成其中具有接觸孔的層間介質(zhì)層包括在該半導(dǎo)體襯底上形成該多晶硅層；對該多晶硅層構(gòu)圖以形成多晶硅線；在該襯底和該多晶硅線的上方形成層間介質(zhì)層；以及在該多晶硅線處的該層間介質(zhì)層中產(chǎn)生接觸孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有低電阻的半導(dǎo)體器件及其制造方法，通過防止形成柵極疊層時出現(xiàn)高電阻材料來獲得低電阻。該器件包括形成在半導(dǎo)體襯底上的電介質(zhì)層，形成在電介質(zhì)層上的多晶硅層，形成在多晶硅層上的界面反應(yīng)阻擋層，形成在界面反應(yīng)阻擋層上的阻擋層，以及形成在阻擋層上的金屬層。其中界面反應(yīng)阻擋層被構(gòu)造用于阻止多晶硅層與阻擋層之間的反應(yīng)。
文檔編號H01L29/40GK1574398SQ0315505
公開日2005年2月2日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者尹宣弼, 許盛俊, 金星萬, 李彰原, 具滋欽, 崔時榮 申請人:三星電子株式會社