專利名稱：用于形成鈍化金屬層的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在半導體處理過程中鈍化經(jīng)沉積的錸金屬層，更具體地涉及在經(jīng)沉積的錸金屬層上形成鈍化層，從而抑制錸金屬表面上含錸結(jié)粒(nodule)的氧致生長(oxygen-induced growth)。
背景技術(shù)：
為了滿足對于速度更快、功率更低的微處理器和數(shù)字電路的需求，微電子器件的最小特征尺寸正在接近深亞微米級。將銅(Cu)金屬引入用于制造集成電路的多層金屬化方案中可能需要使用擴散阻擋層/襯里，以促進Cu層的粘附和生長，并防止Cu擴散進入電介質(zhì)材料。沉積到電介質(zhì)材料上的阻擋層/襯里可以包括難熔材料，例如，鎢(W)、錸(Re)、釕(Ru)、鉬(Mo)和鉭(Ta)，上述難熔材料與Cu不起反應(yīng)且不能混溶，并可以提供低的電阻率。當前集成Cu金屬化和電介質(zhì)材料的集成方案可能需要在低襯底溫度下進行阻擋層/襯里沉積工藝。難熔材料在新興的微電子器件中的其它應(yīng)用包括與高介電常數(shù)電介質(zhì)材料(也稱為“高k”材料)一起用于金屬柵電極。金屬柵極可望給柵極疊層的尺寸縮放(scaling)提供一系列優(yōu)點，例如消除多晶硅耗盡效應(yīng)。作為金屬柵極的金屬層與金屬阻擋層/襯里在半導體器件中的成功集成要求沉積速率足夠高(在低或中等襯底溫度下)、電阻率低、經(jīng)沉積的金屬層應(yīng)力小、金屬層與下方和上方材料粘附性好、厚度均勻性好、污染水平低以及層形貌良好(包括表面粗糙度低)。
Re金屬層可以通過低溫熱化學氣相沉積由Re-羰基前驅(qū)體沉積。但是，Re-羰基前驅(qū)體易于分解不完全，導致反應(yīng)副產(chǎn)物可被吸附到Re金屬層中或Re金屬層表面上。當Re金屬層隨后暴露于環(huán)境氣氛中時，Re氧化物結(jié)粒形成在Re金屬層表面上，而結(jié)粒的形成是由金屬層表面中存在的副產(chǎn)物與空氣中的氧促進的。這些結(jié)?？赡懿焕赜绊慠e金屬層的性質(zhì)和形貌。
因此，需要避免Re金屬層暴露于氧之后在其表面形成結(jié)粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種形成鈍化金屬層的方法，所述鈍化金屬層可以在隨后暴露于含氧環(huán)境時保持Re金屬層的性質(zhì)和形貌。所述方法包括在處理室中提供襯底；將所述襯底暴露于包含Re-羰基前驅(qū)體的處理氣體，以在化學氣相沉積工藝中將Re金屬層沉積在所述襯底上；在所述Re金屬層上形成鈍化層，以抑制所述金屬表面上含錸結(jié)粒的氧致生長。
本發(fā)明進一步提供了一種包含程序指令的計算機可讀介質(zhì)，所述程序指令在處理器上執(zhí)行，從而實施以下方法在化學氣相沉積工藝中由Re-羰基前驅(qū)體在襯底上沉積Re金屬層，并在所述Re金屬層表面形成鈍化層，從而抑制所述金屬表面上含錸結(jié)粒的氧致生長。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式形成鈍化金屬層的處理系統(tǒng)的簡化框圖；圖2示出了據(jù)本發(fā)明的一種實施方式形成鈍化金屬層的處理設(shè)備的簡化框圖；圖3A-3B示出了形成在襯底上的金屬層的示意性剖面圖；圖4A-4C示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式形成包含鈍化金屬層的柵極疊層的工藝工序的示意性剖面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的包含鈍化金屬層的圖案化柵電極的示意性剖面圖；圖6示出了可以用于執(zhí)行本發(fā)明的實施方式的通用計算機。
具體實施例方式
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式形成鈍化金屬層的處理系統(tǒng)的簡化框圖。該處理系統(tǒng)100包括具有上室部分1a、下室部分1b的處理室1和排出室23。環(huán)狀開口22形成在下室部分1b的中間，其中下室部分1b與排出室23相連接。
在處理室1的內(nèi)部提供用于水平支持待處理襯底(晶圓)50的襯底托架2。襯底托架2由圓柱狀支撐件3支撐，該支撐件從排出室23的下部中心向上延伸。在襯底托架2的邊緣提供用于將襯底50定位在襯底托架2上的導環(huán)4。而且，襯底托架2包括由電源6控制的用于加熱襯底50的加熱器5。加熱器5可以包括電阻加熱器?；蛘?，加熱器5可以是燈加熱器或任何其它類型的加熱器。
受熱襯底50可以熱分解金屬-羰基氣體，以在襯底50上沉積金屬層。襯底托架2被加熱到適于將期望金屬層沉積在襯底50上的預定溫度。加熱器(未示出)嵌在處理室1的壁中，以將室壁加熱到預定溫度。加熱器5可以將處理室1的壁溫保持在約40℃-約200℃。
噴淋頭10設(shè)置在處理室1的上室部分1a中。噴淋頭10底部的噴淋頭板10a包括多個氣體輸送孔10b，用于將包含金屬-羰基前驅(qū)體氣體的處理氣體輸送到位于襯底50上方的處理區(qū)60內(nèi)。
在上室部分1b中提供開口10c，用于將處理氣體從氣體管線12引入氣體分配室10d。提供同心的冷卻劑流道10e，用于控制噴淋頭10的溫度，從而防止金屬-羰基前驅(qū)體氣體在噴淋頭10內(nèi)分解。例如水的冷卻液可以從冷卻液源10f供應(yīng)到冷卻劑流道10e，用于將噴淋頭10的溫度控制在約20℃-約200℃。
氣體管線12將前驅(qū)體輸送系統(tǒng)120連接至處理室1。前驅(qū)體容器13包括金屬-羰基前驅(qū)體55，并提供用于加熱前驅(qū)體容器13的前驅(qū)體加熱器13a，以使金屬-羰基前驅(qū)體55保持在產(chǎn)生期望的金屬-羰基前驅(qū)體蒸汽壓的溫度下。
在本發(fā)明的一種實施方式中，可以使用載氣(例如氬(Ar)或氦(He))，以加強金屬-羰基前驅(qū)體到處理室1中的輸送。或者，可將金屬-羰基前驅(qū)體輸送至處理室1，而不使用載氣。氣體管線14可以將來自氣源15的載氣提供給前驅(qū)體容器13，質(zhì)量流量控制器(MFC)16和閥17可以用來控制載氣流率。當使用載氣時，可將其引入前驅(qū)體容器13的下部，以使其流過金屬-羰基前驅(qū)體55?；蛘?，可以將載氣引入前驅(qū)體容器13，并分布在金屬-羰基前驅(qū)體55的頂部。
提供傳感器45用于測量來自前驅(qū)體容器13的總氣體流率。傳感器45例如可以包括MFC，并且利用傳感器45和MFC16可以測定和控制輸送到處理室1的金屬-羰基前驅(qū)體的量?；蛘?，傳感器45可以包括光吸收傳感器，以測量金屬-羰基前驅(qū)體在到處理室1的氣流中的濃度。在本發(fā)明的另一種實施方式中，可使用液體輸送系統(tǒng)來將金屬-羰基前驅(qū)體氣體輸送至處理室1。
旁路管線41位于傳感器45的下游，并將氣體管線12連接到排出管線24。提供旁路管線41用于抽空氣體管線12并穩(wěn)定金屬-羰基前驅(qū)體至處理室1的供應(yīng)。此外，在旁路管線41上提供位于氣體管線12分支下游的閥42。
提供加熱器(未示出)來獨立地加熱氣體管線12、14和41，這樣可以控制這些氣體管線的溫度，以避免金屬-羰基前驅(qū)體在這些氣體管線中冷凝。這些氣體管線的溫度可以控制在約20℃-約200℃，或者約25℃-約150℃。
利用氣體管線18，稀釋氣體(例如Ar或He)可以從氣源19供應(yīng)到氣體管線12。稀釋氣體可以用來稀釋處理氣體，或調(diào)節(jié)處理氣體的分壓。氣體管線18包括MFC 20和閥21。MFC 16和20以及閥17、21和42受控制器40的控制，該控制器40控制著電源、開關(guān)以及載氣、金屬-羰基前驅(qū)體氣體和稀釋氣體的流量。傳感器45也連接到控制器40，并且基于傳感器45的輸出，控制器40可以通過質(zhì)量流量控制器16控制載氣流率，以獲得期望的到處理室1的金屬-羰基前驅(qū)體流率。
此外，還原氣體(例如，氫(H2))可從氣源61供應(yīng)到氣體管線64，用于在經(jīng)沉積的金屬層上形成鈍化層的反應(yīng)氣體可從氣源65供應(yīng)到氣體管線64。MFC 63和67以及閥66和62受控制器40的控制，該控制器40控制著電源、開關(guān)以及來自氣源61和65的氣體的流量。
排出管道24將排出室23連接到真空抽氣系統(tǒng)130。真空泵25用來將處理室1抽空到期望的真空度，并在處理期間從處理室1中移除氣態(tài)物質(zhì)。自動壓力控制器(APC)59和捕集器57可以與真空泵25串聯(lián)使用。真空泵25可以包括渦輪分子泵?；蛘撸婵毡?5可以包括干泵。在處理期間，可以將處理氣體引入處理室1，并且通過APC 59調(diào)節(jié)室壓力。APC59可以包括蝶型閥或閘式閥。捕集器57可以從處理室1收集未反應(yīng)的前驅(qū)體原料和副產(chǎn)物。
在處理室1中，提供3個襯底頂桿(substrate lift pin)26(僅示出了2個)，用于支持、抬高和降低襯底50。襯底頂桿26固定在板27上，并可以降低到襯底托架2上表面以下的位置。提供采用例如氣缸的驅(qū)動機構(gòu)28，以抬高和降低板27。襯底50可以經(jīng)自動轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(未示出)通過閘式閥30和室進入-穿出通道29轉(zhuǎn)移入和轉(zhuǎn)移出處理室1，并由襯底頂桿26接收。一旦從轉(zhuǎn)移系統(tǒng)接收了襯底50，通過降低襯底頂桿26可以將襯底降低到襯底托架2的上表面。
處理系統(tǒng)控制器140包括微處理器、存儲器和數(shù)字I/O端口，該控制器能夠產(chǎn)生足以通信并啟動處理系統(tǒng)100的輸入以及監(jiān)測處理系統(tǒng)100的輸出的控制電壓。而且，處理系統(tǒng)控制器140與處理室1、包括控制器40和前驅(qū)體加熱器13a的氣體輸送系統(tǒng)120、真空抽氣系統(tǒng)130、電源6和冷卻液源10f相耦合，并與它們交換信息。在真空抽氣系統(tǒng)130中，處理系統(tǒng)控制器140與用于控制處理室1壓力的自動壓力控制器59相耦合，并與其交換信息。存儲在存儲器中的程序用來根據(jù)所存儲的制程配方控制處理系統(tǒng)100的前述組件。一個處理系統(tǒng)控制器140的例子是可從得克薩斯州達拉斯的Dell Corporation得到的DELL PRECISION WORKSTATION610TM。
圖2示出了據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的處理設(shè)備的簡化框圖。處理設(shè)備200包括處理系統(tǒng)220和230、被設(shè)置用于在處理設(shè)備200內(nèi)轉(zhuǎn)移襯底的(自動)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)210以及被設(shè)置以控制處理設(shè)備200的組件的控制器240。在本發(fā)明的一種實施方式中，處理設(shè)備200可包括單個處理系統(tǒng)，例如示于圖1的示例性處理系統(tǒng)100；或者，處理設(shè)備200可包括多于兩個的處理系統(tǒng)。在圖2中，處理系統(tǒng)220和230可以例如進行至少一種下列過程在化學氣相沉積工藝中，在襯底上由金屬-羰基前驅(qū)體氣體沉積金屬層；在所述金屬層上形成鈍化層。鈍化層可以例如在熱化學氣相沉積工藝、原子層沉積工藝、等離子體增強化學氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝中進行。如同圖1中的控制器140，控制器240可以為DELLPRECISION WORKSTATION 610TM。此外，圖1或2中的控制器可為通用計算機系統(tǒng)，例如圖6中描述的通用計算機系統(tǒng)。
應(yīng)當理解，圖1中的處理系統(tǒng)和圖2中的處理設(shè)備僅用于示例性目的，因此可以使用具體硬件和軟件的許多變種來執(zhí)行實現(xiàn)本發(fā)明方法的系統(tǒng)，而且這些變種對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。
通常，可由相應(yīng)的金屬-羰基前驅(qū)體沉積各種金屬層。這包括分別由W(CO)6、Ru3(CO)12、Ni(CO)4、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Re2(CO)10、Os3(CO)12和Cr(CO)6前驅(qū)體沉積W、Ru、Ni、Mo、Co、Rh、Re、Os和Cr金屬層。由金屬-羰基前驅(qū)體低溫沉積低電阻率金屬層，這使得將金屬層集成到需要低襯底溫度的后段(BEOL)處理方案中成為可能。
金屬-羰基前驅(qū)體的熱分解和隨后的金屬沉積被認為主要通過從襯底上消除CO和解吸CO副產(chǎn)物而進行。CO副產(chǎn)物結(jié)合到金屬層內(nèi)可能是由金屬-羰基前驅(qū)體分解不完全、CO副產(chǎn)物沒有完全從金屬層移除以及處理區(qū)中的CO副產(chǎn)物再吸附到金屬層上而引起的。降低處理室壓力使氣態(tài)物質(zhì)(例如，金屬-羰基前驅(qū)體、反應(yīng)副產(chǎn)物、載體和稀釋氣體)在襯底上方的處理區(qū)中的停留縮短，從而，這可以使在襯底上沉積的金屬層中的CO雜質(zhì)水平降低。此外，降低處理區(qū)中金屬-羰基前驅(qū)體的分壓可導致金屬層沉積速率降低。較低的沉積速率可減少金屬層中結(jié)合(捕集)的反應(yīng)副產(chǎn)物的量，因為副產(chǎn)物有更長的時間從金屬層上解吸。但是，如果是Re，未反應(yīng)的前驅(qū)體被捕集在Re金屬層的表面，并且未反應(yīng)的前驅(qū)體和Re金屬層隨后可與空氣中的氧反應(yīng)，從而在所述表面上形成Re氧化物結(jié)粒。而且Re金屬易于被氧化，因此可以認為Re金屬層表面中未反應(yīng)前驅(qū)體的存在促進了所述表面上Re氧化物結(jié)粒的形成。
圖3A示出了形成在襯底上的金屬層的示意性剖面圖。由Re-羰基前驅(qū)體沉積Re金屬層304。在一個實施例中，通過在CVD工藝中熱分解Re2(CO)10前驅(qū)體，將Re金屬層304沉積在圖1示意性示出的處理系統(tǒng)中的襯底302上。沉積條件包括襯底溫度為500℃，處理室壓力為50mTorr，前驅(qū)體容器溫度為50℃，Ar載氣流量為200標準立方厘米/分鐘(sccm)，Ar稀釋氣體流量為20sccm。經(jīng)沉積的Re金屬層厚度約為150埃()，Re沉積速率約為22/min。經(jīng)沉積的Re金屬層呈現(xiàn)出具有低表面粗糙度的良好形貌以及約61μΩ-cm的電阻率。
在另一實施例中，在以下條件下沉積Re金屬層304襯底溫度為420℃，處理室壓力為50mTorr，前驅(qū)體容器溫度為60℃，Ar載氣流量為200sccm，Ar稀釋氣體流量為20sccm。經(jīng)沉積的Re金屬層304呈現(xiàn)出具有低表面粗糙度的良好形貌。Re金屬層厚度約為150埃()，Re沉積速率約為53/min。
觀測到圖3A中的Re金屬層的形貌在將所述層304在環(huán)境空氣中暴露于氧的過程中劣化。圖3B示出了襯底302的示意性剖面圖，所述襯底302包含Re金屬層304以及在Re金屬層304表面上的含Re結(jié)粒306。在進一步將層304暴露于環(huán)境空氣之后，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測結(jié)粒306。在一個實施例中，結(jié)粒306的直徑為數(shù)百納米，厚度為數(shù)十納米。元素分析表明，結(jié)粒包含Re和O?；谠胤治鼋Y(jié)果，可以認為結(jié)粒的形成是由部分分解的Re2(CO)12與環(huán)境空氣中的氧在Re金屬表面上反應(yīng)所促進的。
本發(fā)明的實施方式提供了一種形成鈍化金屬層的方法，以抑制經(jīng)沉積的Re金屬層上含金屬結(jié)粒的生長。所述方法包括在處理室中提供襯底；將所述襯底暴露于包含金屬-羰基前驅(qū)體的處理氣體，以在化學氣相沉積工藝中將Re金屬層沉積在所述襯底上；在所述金屬層上形成鈍化層，以抑制所述Re金屬表面上含金屬結(jié)粒的氧致生長。鈍化層的原位(不暴露于空氣)形成可以確保隨后將金屬層暴露于含氧環(huán)境不會不利地影響下方Re金屬層的性質(zhì)和形貌。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下，可以以各種組合使用各種Re-羰基前驅(qū)體來沉積Re金屬層。
圖4A-4C示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式形成包含鈍化金屬層的柵極疊層的工藝工序的示意性剖面圖。在圖4A中，柵極疊層400包括襯底403、界面層404和高k層406。襯底403例如可以是諸如Si襯底、含Ge的Si襯底、Ge襯底和復合半導體襯底之類的半導體襯底，并且可以包括多個有源器件和/或絕緣區(qū)(未示出)。取決于所形成器件的類型，襯底403可以是n型或p型。界面層404可以例如是氧化物層(例如SiOx)、氮化物層(SiNx)或氧氮化物層(例如SiOxNy)，其厚度為約10-約30。高k層406可以例如是金屬氧化物層或金屬硅酸鹽層，例如Ta2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、HfSiOx、HfO2、ZrSiOx、TaSiOx、SrOx、SrSiOx、LaOx、LaSiOx、YOx和YSiOx。高k層的厚度可例如為約30。形成圖4中的柵極疊層400的方法是半導體處理領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下，可以以各種組合使用其它材料。
圖4B示出了包含高k層406上的金屬柵電極層408的柵極疊層401。金屬柵電極層408可包含Re。層408可在化學氣相沉積工藝中由Re-羰基前驅(qū)體沉積。
在熱化學氣相沉積工藝中沉積金屬層408的工藝參數(shù)空間可以例如采用小于約300mTorr的室壓力?；蛘撸搲毫梢孕∮诩s100mTorr。Re-羰基前驅(qū)體流率可為約0.1sccm-約200sccm，載氣流率可為小于約500sccm，稀釋氣體流率可為小于約2000sccm。載氣和稀釋氣體可包含至少一種惰性氣體或H2氣體。惰性氣體可包含Ar、He、Ne、Kr、Xe或N2，或其中兩種或多種的組合。金屬層可以例如在約300℃-約600℃或更低的襯底溫度下沉積。
圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的包含金屬柵電極層408上的鈍化層414(即，鈍化的金屬柵電極層)的柵極疊層402。鈍化層414的厚度可為數(shù)埃至數(shù)十埃。在本發(fā)明的一種實施方式中，鈍化層414可以是金屬鈍化層，所述金屬鈍化層包含通過等離子體增強化學氣相沉積工藝、原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝沉積的W、Ru、Ti、Ta、Ni、Mo、Co、Rh、Re或Cr或其中兩種或多種的組合。在另一種實施方式中，鈍化層414可以例如包含沉積在金屬層408上的含W的金屬鈍化層，所述金屬鈍化層是在熱化學氣相沉積工藝中通過將金屬層408暴露于相應(yīng)的金屬-羰基前驅(qū)體氣體(例如W(CO)6)而沉積的。如上所述，通過熱化學氣相沉積由Re-羰基前驅(qū)體形成的Re金屬層會在周圍環(huán)境中形成結(jié)粒，而由其它金屬-羰基前驅(qū)體形成的相應(yīng)金屬層不會形成結(jié)粒。鎢即是一個可以通過熱化學氣相沉積由其金屬-羰基前驅(qū)體沉積而不形成結(jié)粒的金屬層的例子。因此可以理解，還可以使用由熱化學氣相沉積沉積的其它過渡金屬作為鈍化層，這些金屬的金屬-羰基前驅(qū)體在熱工藝過程中基本或完全分解，從而避免隨后形成結(jié)粒。
在本發(fā)明的另一種實施方式中，鈍化層414可以是形成在金屬層408上的含硅層或含碳層。通過將金屬層408暴露于包含SiH4、Si2H6、SiCl2H2或Si2Cl6或其中兩種或多種的組合的含硅氣體中，可以形成所述含硅層。通過將金屬層408暴露于包含CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C2H5OH、CH3CH2CH2OH、CH3COCH3或C4H8O或其中兩種或多種的組合的含碳氣體中，可以形成所述含碳層。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以使用其它含硅氣體和含碳氣體。還應(yīng)當理解，術(shù)語“含硅層”包括純硅層，以及摻雜有工藝雜質(zhì)或金屬的硅，其中金屬是從下方金屬層擴散或遷移到硅中的。類似地，還應(yīng)當理解，術(shù)語“含碳層”包括純碳層，以及摻雜有工藝雜質(zhì)或金屬的碳，其中金屬是從下方金屬層擴散或遷移到碳中的。
在本發(fā)明的另一種實施方式中，如果在金屬層408上沉積鈍化層414，則鈍化層414可以是含金屬層，包括金屬硅化物層、金屬碳化物層、金屬氮化物層、金屬氧化物層或金屬硼化物層，或其中兩種或多種的組合。含金屬的層可以是W、Ru、Ti、Ta、Ni、Mo、Co、Rh、Re、Os或Cr或其中兩種或多種的組合的硅化物、碳化物、氮化物、氧化物或硼化物。通過將金屬層408暴露于含硅氣體、含碳氣體、含硼氣體、含氮氣體或含氧氣體或其中兩種或多種的組合與含金屬氣體(例如金屬-羰基前驅(qū)體)的混合氣體，可以形成鈍化層414。含硅氣體可以包含SiH4、Si2H6、SiCl2H2或Si2Cl6或其中兩種或多種的組合。含碳氣體可以包含CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C2H5OH、CH3CH2CH2OH、CH3COCH3或C4H8O(四氫呋喃)或其中兩種或多種的組合。含氮氣體可以包含N2、NH3、NO、NO2或N2O或其中兩種或多種的組合。含氧氣體可包含O2，含硼氣體可包含BH4或B2H6或兩者的組合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以使用其它含硅氣體、含碳氣體、含氮氣體、含氧氣體和含硼氣體。
或者，可以通過以下方法形成鈍化層414首先在金屬層408上沉積第二金屬薄層，然后將所述第二金屬薄層暴露于含硅氣體、含碳氣體、含硼氣體、含氮氣體或含氧氣體或其中兩種或多種的組合。暴露于氣體之后可進行高溫處理(例如退火)，通過使硅、碳、氮、氧或硼原子擴散進入形成在金屬層408上的所述第二金屬薄層，以將所述第二金屬薄層轉(zhuǎn)化為含金屬的鈍化層414(包括金屬硅化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氮化物和/或金屬氧化物)，由此形成鈍化層414。在一種示例性實施方式中，對所述第二金屬薄層進行退火以將其轉(zhuǎn)化，而不首先將其暴露于環(huán)境。
在本發(fā)明的一種實施方式中，鈍化層414可通過如下方法形成通過將金屬層408暴露于含硅氣體、含碳氣體、含氮氣體、含氧氣體或含硼氣體或其中兩種或多種的組合，將硅、碳、氮、氧或硼或其中兩種或多種的組合結(jié)合到金屬層408中，例如結(jié)合到金屬層408的表面部分中?；蛘?，通過將金屬層408暴露于含硅氣體或含碳氣體，可將Si層或C層沉積在金屬層408上。在這之后，可進行高溫處理(例如退火)，以將Si或C原子結(jié)合到金屬層408中，從而形成金屬硅化物或金屬碳化物鈍化層414。
根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，經(jīng)沉積的金屬層408和鈍化層414均可以在相同的處理系統(tǒng)中形成。這可以提高處理設(shè)備的處理量。在本發(fā)明的另一種實施方式中，金屬層和鈍化層可在處理設(shè)備的不同處理系統(tǒng)中形成。因此，參見圖2，在一個實施例中，金屬層可在處理系統(tǒng)220中沉積，而鈍化層可在處理系統(tǒng)230中沉積。
在本發(fā)明的一個實施例中，在熱化學氣相沉積工藝中，使用Re2(CO)10前驅(qū)體氣體，在第一處理系統(tǒng)中將Re金屬層沉積在襯底上。然后，將所述襯底原位(不暴露于環(huán)境空氣)轉(zhuǎn)移到第二處理系統(tǒng)中，所述第二處理系統(tǒng)被設(shè)置用于在Re金屬層上由W(CO)6前驅(qū)體氣體沉積W鈍化層。W鈍化層的沉積在如下條件下進行襯底(晶圓)溫度為500℃，處理室壓力為150mTorr，W(CO)6前驅(qū)體容器溫度為35℃，Ar載氣流量為200sccm，Ar稀釋氣體流量為700sccm。觀測到，形成在Re金屬層上的W鈍化層本身并未形成結(jié)粒，并且在隨后將柵極疊層暴露于環(huán)境空氣時防止了在Re金屬層上形成結(jié)粒。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在熱化學氣相沉積工藝中，使用Re2(CO)10前驅(qū)體氣體，在第一處理系統(tǒng)中將Re金屬層沉積在襯底上。然后，將所述襯底轉(zhuǎn)移到第二處理系統(tǒng)中，所述第二處理系統(tǒng)被設(shè)置用于在Re金屬層上用SiH4氣體沉積含硅鈍化層。觀測到，在將柵極疊層暴露于環(huán)境空氣時，形成在Re金屬層上的含硅鈍化層防止了在Re金屬層上形成結(jié)粒。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在處理系統(tǒng)中，由Re2(CO)10前驅(qū)體氣體在襯底上形成Re金屬層。然后，通過將Re金屬層暴露于Re2(CO)10前驅(qū)體氣體與NH3氣體的混合物中，在Re金屬層上形成Re氮化物鈍化層。然后，通過將Re氮化物鈍化層暴露于SiH4氣體與H2氣體的混合物中，在Re氮化物鈍化層上沉積含硅鈍化層。所有的暴露于氣體的操作均在不將襯底暴露于環(huán)境空氣的條件下進行。觀測到，在將柵極疊層暴露于環(huán)境空氣時，形成在Re氮化物層上的包含含硅層的鈍化層防止了在Re金屬層上形成結(jié)粒。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的包含鈍化金屬層的圖案化柵電極的示意性剖面圖。柵電極結(jié)構(gòu)500包括襯底510、源區(qū)520和漏區(qū)530、介電隔離物540和570、界面層550、高k層560、金屬柵極層580和鈍化層590。鈍化層590可以在沉積金屬柵極層580之后形成，從而在制造包含柵電極結(jié)構(gòu)500的半導體器件而進行的后續(xù)處理步驟中保護金屬柵極層580。
圖6示出了可以用于執(zhí)行本發(fā)明的實施方式的計算機系統(tǒng)1201。計算機系統(tǒng)1201可用作圖1和2的控制器140和240，以實現(xiàn)上述的任意或全部功能。計算機系統(tǒng)1201包括總線1202或其它用于交換信息的交換機構(gòu)，以及與總線1202耦合的用于處理信息的處理器1203。計算機系統(tǒng)1201還包括與總線1202耦合的用于存儲處理器1203執(zhí)行的信息和指令的主存儲器1204，例如隨機存儲器(RAM)和其它動態(tài)存儲設(shè)備(例如動態(tài)RAM(DRAM)、靜態(tài)RAM(SRAM)和同步DRAM(SDRAM))。此外，在處理器1203執(zhí)行指令過程中，主存儲器1204可用于存儲臨時變量或其它中間信息。計算機系統(tǒng)1201還包括與總線1202耦合的用于為處理器1203存儲靜態(tài)信息和指令的只讀存儲器(ROM)1205或其它靜態(tài)存儲設(shè)備(例如可編程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)和可電擦除PROM(EEPROM))。
計算機系統(tǒng)1201還包括與總線1202耦合以控制一個或多個存儲信息和指令的存儲設(shè)備的磁盤控制器1206，例如硬磁盤1207和可移動介質(zhì)驅(qū)動器1208(例如軟盤驅(qū)動器、只讀光盤驅(qū)動器、讀/寫光盤驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器和可移動磁光驅(qū)動器)。存儲設(shè)備可使用合適的設(shè)備接口(例如，小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)、集成電子設(shè)備(IDE)、增強的IDE(E-IDE)、直接存儲器存取(DMA)或超DMA)添加到計算機系統(tǒng)1201。
計算機系統(tǒng)1201還可包括特定用途的邏輯器件(例如專用集成電路(ASIC))或可配置邏輯器件(例如簡單可編程邏輯器件(SPLD)、復雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) (未示出))。計算機系統(tǒng)還可包括一個或多個數(shù)字信號處理器(DSP)(未示出)，例如Texas Instruments的TMS320系列芯片、Motorola的DSP56000、DSP56100、DSP56300、DSP56600和DSP96000系列芯片、Lucent Technologies的DSP1600和DSP3200系列或者Analog Devices的ADSP2100和ADSP21000系列。也可以使用其它特別為處理模擬信號設(shè)計但已經(jīng)轉(zhuǎn)而用于數(shù)字領(lǐng)域的處理器。
計算機系統(tǒng)還可包括與總線1202耦合以控制用于向計算機用戶顯示信息的顯示器1210的顯示控制器1209。計算機系統(tǒng)包括輸入設(shè)備，例如鍵盤1211和定位設(shè)備1212，用于與計算機用戶互動并向處理器1203提供信息。定位設(shè)備1212例如可以是鼠標、軌跡球或定位桿，用于將方向信息和命令選擇傳達至處理器1203并控制顯示器1210上的光標運動。此外，打印機(未示出)可以提供存儲在計算機系統(tǒng)1201中和/或由計算機系統(tǒng)1201生成的數(shù)據(jù)列表。
響應(yīng)于處理器1203執(zhí)行包含在存儲器(例如主存儲器1204)中的一個或多個指令的一個或多個序列，計算機系統(tǒng)1201運行本發(fā)明的部分或全部處理步驟。這樣的指令可以從另外的計算機可讀介質(zhì)(例如硬盤1207或可移動介質(zhì)驅(qū)動器1208)讀入主存儲器1204。還可以使用以多處理布置的一個或多個處理器來執(zhí)行包含在主存儲器1204中的指令序列。在其它實施方式中，可用硬連線電路取代軟件指令或與其組合使用。因此，本發(fā)明的實施方式并不限于硬件電路和軟件的具體組合。
如上所述，計算機系統(tǒng)1201包括至少一種計算機可讀介質(zhì)，用于保存根據(jù)本發(fā)明的教導編程的指令以及容納本文所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表格、記錄或其它數(shù)據(jù)。計算機可讀介質(zhì)的例子是高密度磁盤、硬盤、軟盤、磁帶、磁光盤、PROM(EPROM、EEPROM、快速EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其它磁性介質(zhì)、光盤(例如CD-ROM)、或任何其它光學介質(zhì)、穿孔卡、紙質(zhì)磁帶、或其它具有圖案化孔的物理介質(zhì)、載波(下面描述)、或任何其它計算機可以讀取的介質(zhì)。
本發(fā)明包括存儲在任意一種計算機可讀介質(zhì)上或計算機可讀介質(zhì)的組合上的軟件，用于控制計算機系統(tǒng)1201、驅(qū)動實施本發(fā)明的設(shè)備并使計算機系統(tǒng)1201能夠與用戶(例如處理系統(tǒng)人員)互動。這樣的軟件包括但不限于，設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具和應(yīng)用軟件。這樣的計算機可讀介質(zhì)還包括本發(fā)明的計算機程序產(chǎn)品，用于運行實施本發(fā)明時進行的處理的全部或部分(如果處理為分布式)。
本發(fā)明的計算機編碼設(shè)備可以是任何可編譯或可執(zhí)行的編碼機制，包括但不限于，腳本、可編譯程序、動態(tài)鏈接庫(DLL)、Java類和完全可執(zhí)行程序。而且，可以分布式進行本發(fā)明的處理，以獲得更好的性能、可靠性和/或成本。
本文所用術(shù)語“計算機可讀介質(zhì)”是指參與向處理器1203提供用于執(zhí)行的指令的任何介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)可以具有多種形式，包括但不限于，非易失性介質(zhì)、易失性介質(zhì)和傳輸介質(zhì)。非易失性介質(zhì)包括例如光盤、磁盤和磁光盤，例如硬盤1207或可移動介質(zhì)驅(qū)動器1208。易失性介質(zhì)包括動態(tài)存儲器，例如主存儲器1204。傳輸介質(zhì)包括同軸電纜、銅導線和光纖，包括構(gòu)成總線1202的導線。傳輸介質(zhì)還可以具有聲波或光波的形式，例如在射電波和紅外數(shù)據(jù)通信過程中產(chǎn)生的那些。
可使用各種形式的計算機可讀介質(zhì)來運行一個或多個到處理器1203的用于執(zhí)行的指令的一個或多個序列。例如，指令可以最初在遠程計算機的磁盤上運行。遠程計算機可以將用于實施全部或部分本發(fā)明的指令裝入動態(tài)存儲器，并利用調(diào)制解調(diào)器在電話線上傳送該指令。計算機系統(tǒng)1201本地的調(diào)制解調(diào)器可以接收電話線上的數(shù)據(jù)，并用紅外傳輸器將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為紅外信號。與總線1202耦合的紅外檢測器可以接收紅外信號中傳送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)置于總線1202上?？偩€1202將該數(shù)據(jù)傳送至主存儲器1204，處理器1203從主存儲器1204取得并執(zhí)行指令。在處理器1203執(zhí)行之前或之后，主存儲器1204接收的指令可以可選地存儲在存儲設(shè)備1207或1208上。
計算機系統(tǒng)1201還包括與總線1202耦合的通信接口1213。通信接口1213提供了耦合至網(wǎng)絡(luò)鏈路1214的雙向數(shù)據(jù)通信，所述網(wǎng)絡(luò)連接1214例如與局域網(wǎng)(LAN)1215相連或與另外的通信網(wǎng)絡(luò)1216(例如互聯(lián)網(wǎng))相連。例如，通信接口1213可以是與任何包交換LAN連接的網(wǎng)絡(luò)接口卡。作為另一個例子，通信接口1213可以是非對稱數(shù)字用戶線路(ADSL)卡、集成服務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(ISDN)卡或調(diào)制解調(diào)器，以向相應(yīng)類型的通信線路提供數(shù)據(jù)通信連接。也可以使用無線鏈路。在任何這樣的實施方式中，通信接口1213發(fā)送和接收傳送代表各種信息的數(shù)字數(shù)據(jù)流的電信號、電磁信號或光信號。
網(wǎng)絡(luò)鏈路1214通常通過一個或多個網(wǎng)絡(luò)向其它數(shù)據(jù)設(shè)備提供數(shù)據(jù)通信。例如，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214可以通過局部網(wǎng)絡(luò)1215(例如LAN)或通過由服務(wù)提供者(其通過通信網(wǎng)絡(luò)1216提供通信服務(wù))操作的裝置與其它計算機連接。局部網(wǎng)絡(luò)1214和通信網(wǎng)絡(luò)1216使用例如傳送數(shù)字數(shù)據(jù)流的電信號、電磁信號或光信號以及相關(guān)的物理膜(例如CAT 5電纜、同軸電纜、光纖等)。通過各種網(wǎng)絡(luò)的信號以及在網(wǎng)絡(luò)鏈路1214上且通過通信接口1213的信號可以是基帶信號或基于載波的信號，這些信號將數(shù)字數(shù)據(jù)傳入或傳出計算機系統(tǒng)1201。基帶信號作為描述數(shù)字數(shù)據(jù)比特流的未調(diào)制電信號傳送，其中術(shù)語“比特”應(yīng)被廣泛地理解為是指符號，其中每個符號傳送至少一個或多個信息比特。數(shù)字數(shù)據(jù)還可用于調(diào)制載波，例如用在導電介質(zhì)上傳播或作為電磁波通過傳播介質(zhì)傳輸?shù)姆啤⑾嘁坪?或頻移鍵控信號。因此，數(shù)字數(shù)據(jù)可作為未調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)通過“有線”通信通道發(fā)送，和/或通過調(diào)制載波在不同于基帶的預定頻帶內(nèi)發(fā)送。計算機系統(tǒng)1201可通過網(wǎng)絡(luò)1215和1216、網(wǎng)絡(luò)鏈路1214和通信接口1213傳輸和接收數(shù)據(jù)(包括程序代碼)。而且，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214可通過LAN 1215與移動設(shè)備1217(例如個人數(shù)字助理(PDA)便攜式計算機或蜂窩電話)相連。
可以設(shè)置計算機系統(tǒng)1201以進行本發(fā)明的方法，從而在處理設(shè)備中形成鈍化金屬層?？蛇M一步設(shè)置計算機系統(tǒng)1201，以在熱化學氣相沉積工藝中，通過將襯底暴露于包含金屬-羰基前驅(qū)體的處理氣體，在所述襯底上形成金屬層，然后在所述金屬層上形成鈍化層。
盡管上面詳細描述了本發(fā)明的特定實施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當容易理解，在不實質(zhì)性地脫離本發(fā)明的新穎教導和優(yōu)點的前提下，在示例性實施方式中可以存在很多改進。因此，所有這樣的改進均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成鈍化金屬層的方法，所述方法包括在處理系統(tǒng)的處理室中提供襯底；將所述襯底暴露于包含錸-羰基前驅(qū)體的處理氣體，以在熱化學氣相沉積工藝中將錸金屬層沉積在所述襯底上；在所述錸金屬層上形成鈍化層，其中所述鈍化層能夠有效地抑制所述錸金屬層表面上含Re結(jié)粒的氧致生長。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述錸-羰基前驅(qū)體包括Re2(CO)10。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述鈍化層包括通過等離子體增強化學氣相沉積、原子層沉積或物理氣相沉積形成的鈍化金屬層，所述鈍化金屬層包含W、Ru、Ti、Ta、Ni、Mo、Co、Rh、Re、Os或Cr，或其中兩種或多種的組合。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中所述鈍化層還包括形成在所述鈍化金屬層上的Si層。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中所述鈍化層是通過熱化學氣相沉積由鎢-羰基前驅(qū)體形成的鎢金屬層。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述鈍化層包括含金屬層，所述含金屬層包含金屬硅化物、金屬碳化物、金屬氮化物、金屬氧化物或金屬硼化物，或其中兩種或多種的組合。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中所述含金屬層的金屬是W、Ru、Ti、Ta、Ni、Mo、Co、Rh、Re、Os或Cr，或其中兩種或多種的組合。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中形成所述鈍化層包括將所述金屬層暴露于含硅、碳、氮、氧或硼或其中兩種或多種的組合的氣體，然后將所述襯底退火，以使相應(yīng)的硅、碳、氮、氧或硼擴散進入所述金屬層。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述氣體包括SiH4、Si2H6、SiCl2H2、Si2Cl6、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C2H5OH、CH3CH2CH2OH、CH3COCH3或C4H8O、N2、NH3、NO、NO2、N2O、O2、BH4或B2H6，或其中兩種或多種的組合。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中形成所述鈍化層包括將所述襯底暴露于金屬-羰基前驅(qū)體氣體以及含硅氣體、含碳氣體、含氮氣體、含氧氣體或含硼氣體或其中兩種或多種的組合，以形成金屬硅化物層、金屬碳化物層、金屬氮化物層、金屬氧化物層或金屬硼化物層中的至少一種或其組合。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中所述金屬-羰基前驅(qū)體包括W(CO)6、Ru3(CO)12、Ni(CO)4、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Re2(CO)10、Os3(CO)12或Cr(CO)6或其中兩種或多種的組合，所述含硅氣體包括SiH4、Si2H6、SiCl2H2或Si2Cl6或其中兩種或多種的組合，所述含碳氣體包括CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H6、C2H5OH、CH3CH2CH2OH、CH3COCH3或C4H8O或其中兩種或多種的組合，所述含氮氣體包括N2、NH3、NO、NO2或N2O或其中兩種或多種的組合，所述含氧氣體包括O2，所述含硼氣體包括BH4或B2H6或兩者的組合。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中所述鈍化層包括形成在所述金屬層上的含硅層或含碳層。
13.如權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬層和所述鈍化層在同一處理系統(tǒng)中形成。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬層利所述鈍化層在不同的處理系統(tǒng)中形成。
15.一種形成鈍化Re層的方法，所述方法包括在處理系統(tǒng)的處理室中提供襯底；將所述襯底暴露于包含Re2(CO)10前驅(qū)體的處理氣體，以在化學氣相沉積工藝中將Re層沉積在所述襯底上；在所述Re層上形成鈍化層，其中所述鈍化層能夠有效地抑制所述Re層表面上含Re結(jié)粒的氧致生長。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中所述鈍化層包括在化學氣相沉積工藝中通過將所述Re層暴露于W(CO)6而形成的W層。
17.如權(quán)利要求15的方法，其中所述鈍化層包括在化學氣相沉積工藝中通過將所述Re層暴露于SiH4、Si2H6、SiCl2H2或Si2Cl6或其中兩種或多種的組合而形成的含硅層。
18.如權(quán)利要求15的方法，其中所述Re層和所述鈍化層在同一處理系統(tǒng)中形成。
19.如權(quán)利要求15的方法，其中所述Re層和所述鈍化層在不同的處理系統(tǒng)中形成。
20.一種計算機可讀介質(zhì)，其包含用于在處理器上執(zhí)行的程序指令，當所述處理器執(zhí)行所述程序指令時，可使處理設(shè)備進行權(quán)利要求1的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種形成鈍化金屬層的方法，所述鈍化金屬層可以在隨后暴露于含氧環(huán)境時保持下方金屬層的性質(zhì)和形貌。所述方法包括在處理室(1)中提供襯底(50、302、403、510)；將所述襯底(50、302、403、510)暴露于包含錸－羰基前驅(qū)體的處理氣體，以在化學氣相沉積工藝中將錸金屬層(304、408、508)沉積在所述襯底(50、302、403、510)上；在所述錸金屬層(304、408、508)上形成鈍化層(414、590)，從而抑制所述錸金屬表面上含錸結(jié)粒(306)的氧致生長。
文檔編號H01L21/768GK101032000SQ200580033351
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者山崎英亮, 中村和仁, 河野有美子, 格特·J·萊烏辛克, 芬頓·R·麥克非, 保羅·詹姆森 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社, 國際商業(yè)機器公司