一種形成高k金屬柵極的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種形成高k金屬柵極的方法，涉及半導體【技術領域】。本發(fā)明的形成高k金屬柵極的方法包括：步驟S101：在反應室內提供形成有高k介電層的半導體襯底；步驟S102：利用ALD工藝在所述高k介電層上形成金屬薄膜；步驟S103：對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理。本發(fā)明的形成高k金屬柵極的方法，通過對形成的用于制作金屬柵極的金屬薄膜進行碳摻雜處理，降低了金屬柵極的晶粒尺寸，減小了閾值電壓變化，提高了半導體器件的性能。
【專利說明】—種形成高k金屬柵極的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體【技術領域】，具體而言涉及一種形成高k金屬柵極的方法。
【背景技術】
[0002]高K金屬柵極(HKMG)技術是半導體領域的重要技術。在現有技術中，高K金屬柵極一般包括高k介電層和金屬柵極形成的疊層結構。在高k介電層和金屬柵極形成的疊層結構中，除了隨機摻雜波動(random dopant fluctuations, RDF)引起閾值電壓變化(thresholdvoltage variability, TVV)之外,金屬柵極的晶體結構和晶粒大小(晶粒尺寸)也是引起閾值電壓變化的重要原因之一。
[0003]在高k金屬柵極工藝中，氮化鈦(TiN)和氮化鉭(TaN)被廣泛地作為金屬柵極。由于形成的金屬柵極具有良好的均一'I"生和對高k介電層帶來的損傷較小,ALD (atomic layerdeposition,原子層沉積)被廣泛地應用于金屬柵極的制造工藝。然而，傳統(tǒng)的ALD工藝方法，幾乎不具備改善形成的金屬柵極的晶粒大小和晶體結構的調節(jié)節(jié)點，形成的金屬柵極的晶粒尺寸往往非常大并且無法進行調整。
[0004]在現有技術中，應用ALD工藝形成金屬柵極的方法(以金屬柵極為TiN為例)，一般主要包括如下步驟:
[0005]步驟El:在反應室內提供一形成有高k介電層的半導體襯底。
[0006]步驟E2:利用TiC14脈沖對該半導體襯底進行處理，在高k介電層上形成一層單層TiC14薄膜。
[0007]步驟E3:利用氮氣清除反應室內多余的TiC14。
[0008]步驟E4:利用NH3脈沖對該半導體襯底進行處理。在該過程中，NH3會與TiC14進行反應，生成TiN和HCl，生成的TiN即作為金屬柵極的一部分。
[0009]步驟E5:利用氮氣清除反應室內的多余的NH3和反應副產物(比如HC1)。
[0010]步驟E6:重復步驟E2至E5多次，以形成滿足要求(主要指厚度方面)的金屬柵極。[0011 ] 在現有技術中，一般通過前述步驟El至E6來形成金屬柵極。然而，利用這一現有的ALD工藝形成的金屬柵極，其晶粒尺寸往往非常大，并且無法進行調整。金屬柵極的這一特點，將很容易引起最終制造的半導體器件的閾值電壓的變化。
[0012]因此，需要提出一種新的形成高k金屬柵極的方法，以形成晶粒大小滿足要求的金屬柵極，減小閾值電壓變化，提高半導體器件的性能。

【發(fā)明內容】

[0013]針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種形成高k金屬柵極的方法，該方法包括如下步驟:
[0014]步驟SlOl:在反應室內提供形成有高k介電層的半導體襯底；
[0015]步驟S102:利用ALD工藝在所述高k介電層上形成金屬薄膜；
[0016]步驟S103:對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理。[0017]其中，所述步驟S102包括:
[0018]步驟S1021:利用TiC14脈沖或TaC14脈沖對所述半導體襯底進行處理；
[0019]步驟S1022:清除所述反應室內多余的所述TiC14或TaC14 ；
[0020]步驟S1023:利用NH3脈沖對所述半導體襯底進行處理，使所述NH3與所述TiC14或TaC14反應’以在所述高k介電層上形成金屬薄膜；
[0021]步驟S1024:清除所述反應室內多余的所述NH3及反應副產物。
[0022]其中，在所述步驟S102中，所述TiC14脈沖或TaC14脈沖以及所述NH3脈沖的持續(xù)時間為0.01~10秒。
[0023]其中，在所述步驟S102中，所述TiC14脈沖或TaC14脈沖以及所述NH3脈沖的氣體流速為I~300sccm。
[0024]其中，在所述步驟S1022中清除所述反應室內多余的所述TiC14或TaC14的方法以及在所述步驟S1024中清除所述反應室內多余的所述NH3及反應副產物的方法為:在所述反應室內通入氮氣或氬氣。
[0025]其中，所述氮氣或氬氣的氣體流速為f300sccm。
[0026]其中，通入所述氮氣或氬氣的持續(xù)時間為0.1-10秒。
[0027]其中，在所述步驟S102中，在所述步驟S1024之后還包括步驟S1025:重復執(zhí)行所述步驟S1021至所述步驟S1024至少一次。
[0028]其中，在所述步驟S102中，重復執(zhí)行所述步驟S1021至所述步驟S1024的次數為1-100次，優(yōu)選為1-30次。
[0029]其中，在所述步驟S103中，對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理的方法為:利用C2H4脈沖處理所述金屬薄膜。
[0030]其中，其特征在于，在所述步驟S103之后還包括步驟S104:重復執(zhí)行所述步驟S102和步驟S103至少一次。
[0031]其中，所述反應室的溫度為30(T70(TC。
[0032]本發(fā)明實施例的形成高k金屬柵極的方法，通過對形成的用于制作金屬柵極的金屬薄膜(比如TiN薄膜或TaN薄膜)進行碳摻雜處理，降低了金屬柵極的晶粒尺寸，減小了閾值電壓變化，提高了半導體器件的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。
[0034]附圖中:
[0035]圖1為本發(fā)明實施例提出的一種形成高k金屬柵極的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。[0037]應當理解的是，本發(fā)明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限于這里提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區(qū)的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。
[0038]應當明白，當元件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，盡管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區(qū)、層和/或部分，這些元件、部件、區(qū)、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區(qū)分一個元件、部件、區(qū)、層或部分與另一個元件、部件、區(qū)、層或部分。因此，在不脫離本發(fā)明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區(qū)、層或部分可表示為第二元件、部件、區(qū)、層或部分。
[0039]空間關系術語例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之
上”、“上面的”等，在這里可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特征與其它元件或特征的關系。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關系術語意圖還包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然后，描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征將取向為在其它元件或特征“上”。因此，示例性術語“在...下面”和“在...下”可包括上和下兩個取向。器件可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
[0040]在此使用的術語的目的僅在于描述具體實施例并且不作為本發(fā)明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括復數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該規(guī)格書中使用時，確定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列項目的任何及所有組合。
[0041]這里參考作為本發(fā)明的理想實施例(和中間結構)的示意圖的橫截面圖來描述發(fā)明的實施例。這樣，可以預期由于例如制造技術和/或容差導致的從所示形狀的變化。因此，本發(fā)明的實施例不應當局限于在此所示的區(qū)的特定形狀，而是包括由于例如制造導致的形狀偏差。例如，顯示為矩形的注入區(qū)在其邊緣通常具有圓的或彎曲特征和/或注入濃度梯度，而不是從注入區(qū)到非注入區(qū)的二元改變。同樣，通過注入形成的埋藏區(qū)可導致該埋藏區(qū)和注入進行時所經過的表面之間的區(qū)中的一些注入。因此，圖中顯示的區(qū)實質上是示意性的，它們的形狀并不意圖顯示器件的區(qū)的實際形狀且并不意圖限定本發(fā)明的范圍。
[0042]除非另外定義，在此使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發(fā)明領域的普通技術人員所通常理解的相同的含義。還將理解，諸如普通使用的字典中所定義的術語應當理解為具有與它們在相關領域和/或本規(guī)格書的環(huán)境中的含義一致的含義，而不能在理想的或過度正式的意義上解釋，除非這里明示地這樣定義。
[0043]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發(fā)明提出的形成高k金屬柵極的方法。本發(fā)明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。[0044]下面，參照圖1來描述本發(fā)明提出的形成高k金屬柵極的方法的一個示例性方法的詳細步驟。其中，圖1為本發(fā)明實施例提出的一種形成高k金屬柵極的方法的流程圖。
[0045]本發(fā)明實施例提供的形成高k金屬柵極的方法，應用了不同于現有技術的改進的ALD工藝,具體包括如下步驟:
[0046]步驟1、在反應室內提供形成有高k介電層的半導體襯底。
[0047]其中，所使用的反應室，可以與現有技術中進行ALD處理時使用的反應室結構相同，也可以在現有的反應室上根據需要進行一定的改進，比如增加新的進氣管等。對于本領域的技術人員而言，可以很容易地根據具體需要選擇合適的反應室，故不再贅述反應室的具體結構。
[0048]優(yōu)選的，在整個工藝過程中，反應室的溫度控制在30(T700°C。
[0049]關于所述半導體襯底,可以為gate first工藝的半導體襯底,也可以為gate last工藝的半導體襯底，只需該半導體襯底上具有高k介電層且處于待形成金屬柵極的狀態(tài)即可。關于高k介電層，其可以根據現有技術中的任意方法選擇合適的材料實現，在此不做限定。
[0050]在本步驟提供的半導體襯底，還可以包括源極、漏極、柵極側壁等結構，在此不做限定。
[0051]作為示例，在本實施例中，所述半導體襯底選用單晶硅材料構成。在所述半導體襯底中形成有隔離結構，所述隔離結構為淺溝槽隔離(STI)結構或者局部氧化硅(LOCOS)隔離結構，所述隔離結構將半導體襯底分為NMOS區(qū)和PMOS區(qū)。所述半導體襯底中還形成有各種阱(well)結構，為了簡化，圖示中予以省略。上述形成阱(well)結構、隔離結構、柵極結構的工藝步驟已經為本領域技術人員所熟習，在此不再詳細加以描述。
[0052]步驟2、利用TiC14或TaC14脈沖對所述半導體襯底進行處理。經過TiC14或TaC14脈沖處理，在高k介電層上會吸附單層的TiC14薄膜或TaC14薄膜。
[0053]其中，在本發(fā)明實施例中，TiC14脈沖，是指在反應室內通入的TiC14氣體；當然，在反應室內通入TiC14氣體的同時，也可以使反應室中的脈沖發(fā)生器(比如RF發(fā)生器)同時產生脈沖。TaC14脈沖以及NH3脈沖的原理與此相同，后續(xù)不再贅述。
[0054]優(yōu)選的，TiC14或TaC14脈沖的持續(xù)時間為0.01-10秒(S)。
[0055]其中，TiC14或TaC14脈沖的氣體流速為300sccm。
[0056]步驟3:利用氣體清除反應室內多余的TiC14或TaC14。
[0057]具體地，在反應室內通入一定的氣體，通過氣流清除反應室內多余的TiC14或TaC14。所采用的氣體，優(yōu)選為氮氣(N2)、氬氣(Ar)或其他不與半導體襯底反應的氣體。
[0058]優(yōu)選的，通入氣體進行清除處理的時間為0.1-10秒(S)。
[0059]步驟4:利用ΝΗ3脈沖對該半導體襯底進行處理在半導體襯底的高k介電層上形成單層TiN或TaN金屬薄膜，具體地，為TiN薄膜或TaN薄膜。該金屬薄膜即用于制作金屬柵極。
[0060]優(yōu)選的，NH3脈沖的持續(xù)時間為0.01~10秒(S)。
[0061]其中，NH3脈沖的氣體流速為I~300sccm。
[0062]當在步驟2中選用TiC14脈沖時，在本步驟中，NH3會與TiC14進行反應，生成單層TiN薄膜和HCl副產物，該TiN薄膜即作為金屬柵極的一部分。[0063]當在步驟2中選用TaC14脈沖時，在本步驟中，NH3會與TaC14進行反應，生成單層TaN薄膜和HCl副產物，即前述的單層的TaC14薄膜變成TaN薄膜，該TaN薄膜即作為金屬柵極的一部分。
[0064]步驟5:利用氣體清除反應室內多余的NH3及副產物(如HC1)。
[0065]具體地，在反應室內通入一定的氣體，通過氣流清除反應室內多余的NH3及HCl等副產物。所采用的氣體，優(yōu)選為氮氣、氬氣或其他不與半導體襯底反應的氣體。
[0066]優(yōu)選的，通入氣體進行清除處理的時間為0.1-10秒(S)。
[0067]其中，上述步驟2至步驟5即為通過ALD工藝形成金屬薄膜的過程。在本實施例中，與現有技術的不同之處在于，對氣體流速、持續(xù)時間等反應條件進行了優(yōu)化
[0068]步驟6:重復執(zhí)行步驟2至步驟5 —定的次數，形成一定厚度的金屬薄膜，即TiN薄膜或TaN薄膜。
[0069]其中，在步驟6中重復執(zhí)行步驟2至步驟5的次數可以為O次，即在整個步驟2至步驟6中，執(zhí)行步驟2至步驟5共1次。
[0070]優(yōu)選的，在整個步驟2至步驟6中，重復執(zhí)行步驟2至步驟5的次數為f 30次。
[0071]步驟7:對所述半導體襯底，具體地，指所述一定厚度的TiN薄膜或TaN薄膜，進行碳摻雜處 理。
[0072]在本步驟中，進行碳摻雜處理的方法可以為:利用C2H4脈沖對所述半導體襯底上的金屬薄膜(具體指TiN薄膜或TaN薄膜)進行處理。由于C2H4可以分解形成C和H2，C吸附在前述步驟中形成的TiN薄膜或TaN薄膜的表面。因此可以完成對半導體襯底的金屬薄膜的碳摻雜。
[0073]優(yōu)選的，C2H4脈沖的持續(xù)時間為0.01~10秒(S)。
[0074]其中，C2H4脈沖的氣體流速為1~300sccm。
[0075]在本實施例中，進行碳摻雜后，可以降低金屬薄膜(TiN薄膜或TaN薄膜)的晶粒尺寸。因而可以通過適當調整工藝條件，形成晶粒大小滿足器件性能要求的金屬柵極，降低閾值電壓變化，進而提高器件性能。
[0076]步驟8:重復執(zhí)行步驟2至步驟7，直至形成滿足要求的金屬薄膜。
[0077]由于經過步驟2至步驟7，形成的金屬薄膜(TiN薄膜或TaN薄膜)的厚度往往還不能滿足制作金屬柵極的要求，因此，需要重復執(zhí)行步驟2至步驟7，直至形成滿足厚度要求的金屬薄膜。
[0078]至此，完成了本發(fā)明實施例的示例性的形成高k金屬柵極的方法的介紹。在本發(fā)明實施例中，在完成步驟8之后，還可能包括對金屬薄膜進行CMP處理的步驟，以去除多余的金屬形成金屬柵極。
[0079]本發(fā)明實施例的形成高k金屬柵極的方法，通過對形成的用于制作金屬柵極的金屬薄膜(比如TiN薄膜或TaN薄膜)進行碳摻雜處理，降低了金屬柵極的晶粒尺寸，減小了閾值電壓變化，提高了半導體器件的性能。
[0080]參照圖1，其中示出了本發(fā)明提出的形成高k金屬柵極的方法中的一種典型方法的流程圖，用于簡要示出整個制造工藝的流程。該方法具體包括:
[0081]步驟SlOl:在反應室內提供形成有高k介電層的半導體襯底；
[0082]步驟S102:利用ALD工藝在所述高k介電層上形成金屬薄膜；[0083]步驟S103:對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理。
[0084]本發(fā)明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據本發(fā)明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內。本發(fā)明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【權利要求】
1.一種形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟SlOl:在反應室內提供形成有高k介電層的半導體襯底； 步驟S102:利用ALD工藝在所述高k介電層上形成金屬薄膜； 步驟S103:對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理。
2.如權利要求1所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，所述步驟S102包括: 步驟S1021:利用TiC14脈沖或TaC14脈沖對所述半導體襯底進行處理； 步驟S1022:清除所述反應室內多余的所述TiC14或TaC14 ； 步驟S1023:利用NH3脈沖對所述半導體襯底進行處理，使所述NH3與所述TiC14或TaC14反應，以在所述高k介電層上形成金屬薄膜； 步驟S1024:清除所述反應室內多余的所述NH3及反應副產物。
3.如權利要求2所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S102中，所述TiC14脈沖或TaC14脈沖以及所述NH3脈沖的持續(xù)時間為0.01~10秒。
4.如權利要求2所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S102中，所述TiC14脈沖或TaC14脈沖以及所述NH3脈沖的氣體流速為1~300sccm。
5.如權利要求2所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S1022中清除所述反應室內多余的所述TiC14或TaC14的方法以及在所述步驟S1024中清除所述反應室內多余的所述NH3及反應副產物的方法為:在所述反應室內通入氮氣或氬氣。
6.如權利要求5所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，所述氮氣或氬氣的氣體流速為1~300sccm。
7.如權利要求5所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，通入所述氮氣或氬氣的持續(xù)時間為0.1·10秒。
8.如權利要求2所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S102中，在所述步驟S1024之后還包括步驟S1025:重復執(zhí)行所述步驟S1021至所述步驟S1024至少一次。
9.如權利要求8所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S102中，重復執(zhí)行所述步驟S1021至所述步驟S1024的次數為f 100次。
10.如權利要求1所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S103中，對所述金屬薄膜進行碳摻雜處理的方法為:利用C2H4脈沖處理所述金屬薄膜。
11.如權利要求1~10任一項所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，在所述步驟S103之后還包括步驟S104:重復執(zhí)行所述步驟S102和步驟S103至少一次。
12.如權利要求1~10任一項所述的形成高k金屬柵極的方法，其特征在于，所述反應室的溫度為300~700°C。
【文檔編號】H01L21/285GK103811319SQ201210445689
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權日:2012年11月8日
【發(fā)明者】何有豐, 陳勇 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司