专利名称：在窄半导体结构中用于改善硅化物形成的帽盖层的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件及其制造工艺，更具体地涉及在FET器件的窄结构中阻抗的降低。
背景技术：
在具有多晶硅栅极的FET器件的制造中，栅极尺寸的不断减小导致栅极导体阻抗的增加。为了克服该问题，经常在多晶硅的顶部放置硅化物层(一般为CoSi2)。在窄多晶硅栅极导体上增加硅化物已经证明能够有效地降低阻抗。另外，已知在其它有源区(与栅极相邻的源极和漏极)上形成CoSi2层通过降低这些区域中的表面电阻(sheet resistance)具有有利的影响。以自对准方式形成硅化物的工艺在本领域中是已知的。
在栅极导体上形成硅化钴(cobalt silicide)一般首先在多晶硅层上淀积Co层。为了防止钴的氧化，通常使用帽盖层。氮化钛(TiN)是有效的帽盖层，作为氧阻挡层与钴有好的附着性，同时不与下面的硅发生反应。在图1A到1C示出了典型的硅化物形成工艺。在淀积Co之前进行标准的预清洗，以减小Si表面的自然氧化(native oxide)。如图1A所示，硅栅极结构1上淀积有钴层2；钴层2的厚度大约为80。
然后在钴上淀积TiN帽盖层3；这通常通过在氮气氛中使用Ar原子溅射Ti靶来实现。本领域的技术人员应当理解，随着N2气流的改变，靶电压(Ti靶和地之间的电压)可以作为独立变量来测量。在图2中示出了其关系。当然，靶电压与N2气流曲线的细节将随着工艺条件和溅射工具的变化而变化；在图2中所示的电压和流量仅仅是例子。在图2中的N2气流有三个不同的区域，用I、II和III表示。
I.“非氮化”靶在溅射室中的N2太少，以至于不能在Ti靶上形成氮化物。因此，从靶上溅射出纯Ti。在室中Ti可以与N反应形成TixNy(即，非化学计量(non-stoichiometric)的TiN)或Ti(N)(即，Ti和N的固溶形式)。由此，Co表面被纯Ti(随后反应形成TiN)、TixNy或Ti(N)。
II.过渡区本区的特征在于等离子体的不稳定性，并且由于控制溅射工艺的困难，在实际中要避免。
III.“氮化”靶存在足够的N2，以在靶上形成氮化物，TixNy。在靶上形成的氮化物的化学计量(stoichiometry)依赖于实际使用的N2气流。溅射该TiN导致在Si表面上形成TiN晶粒；通过在晶粒边界包含N原子可以进一步增加TiN的含氮量。在N2气流区域中通过溅射形成常规TiN层。
在区域III中用N2气流产生的TiN表现出“富N”的特点，在区域I中用N2气流产生的TiN表现出“贫N”的特点。
在常规TiN帽盖层工艺中，TiN层的厚度大约为200。然后Si/Co/TiN结构在温度大约为480℃到570℃的范围内，优选540℃在惰性气氛(一般为N2或Ar)中退火。该退火步骤使钴与硅反应产生硅化钴CoSi层4，代替Co层(图1B)。如果Co层2为80厚，则CoSi层的厚度一般为200到300厚。然后，剥掉TiN帽盖层(一般使用硫酸-过氧化氢混合物)。在温度大约为680℃到750℃的范围内的二次退火导致在Si栅极1上形成二硅化钴层5(图1C)。CoSi2是低阻抗导体，厚度稍稍大于CoSi层的厚度(在本例中为300到400)。
即使进行预清洁，在实际中硅1的表面也覆盖着厚度为5到10的自然氧化物。在图3A中的层11为该氧化物。当Co层2淀积在氧化物11的顶部时，Co和Si原子通过氧化物相互扩散，如图3B所示。第一退火之后，CoSi层12、13分别形成在氧化物的上面和下面(图3C；与图1B中理想化的图相比)。薄自然氧化物不影响形成硅化物的Co和Si之间的反应。
如上所述，在帽盖层3中的常规TiN通常不是真正的化学计量，而且包括额外的氮。由此，氮原子扩散出帽盖层3，进入并通过钴层2。另外，在淀积帽盖层期间，N原子可以引入到Co层或在Co/TiN界面上。虽然已知将氮引入到自对准的CoSi2中可能的有利作用(例如，改善团聚(agglomeration)的热稳定性)，但是在硅化钴形成工艺中包含氮存在不希望的作用。具体地，N原子从TiN帽盖层3向氧化层11的扩散(参看图4A)可能导致氧氮化物层21的形成，这会阻止Si原子向钴层2的扩散(图4B；与图3B比较)。厚的氧氮化物还可能抑制Co原子的传送。这将导致CoSi的不完全形成，和在第一次退火之后在氧氮化物层21上面的未反应的Co层22(图4C；与图3C比较)。该Co层22与TiN帽盖层3一起剥离，剩下CoSi薄层。由此，在第二次退火中形成CoSi2薄层25(图4D)。已经观察到在CoSi2层25中的不连续(即，Si栅极1的不完全覆盖)。
因此，在CoSi2形成之前需要用于钴金属的帽盖层，该帽盖层通常控制在钴中N的引入，并且特别要避免在钴和硅之间形成氧氮化物，从而能够形成完整的CoSi层。
发明内容
本发明通过为硅化物形成金属提供帽盖层，使得氮的扩散不足以导致从硅上的氧化层形成氧氮化物来满足上述需要。
根据本发明的第一方面，帽盖层是覆盖半导体结构并与硅化物形成金属接触的金属层；该金属层由钨、钼、钽或其它难熔金属构成。如果该层为钨，则其厚度大约在25到150的范围内。
根据本发明的另一个方面，帽盖层是氮化物层，例如氮化钛(TiN)，覆盖半导体结构并与硅化物形成金属接触，该层具有含氮量，从而防止氮从该层通过硅化物形成金属扩散。特别的，该氮化物层为含氮量不足的非化学计量TiN。因此，从氮化物层的氮扩散不足以在硅表面的氧化层上引起氧氮化物的形成。
根据本发明的另一方面，帽盖层具有与硅化物形成金属接触的第一层，和覆盖第一层并与其接触的第二层；第二层具有与第一层不同的成分。这些层中的每一个最好包括钛。具体地，第一层可以是包括第一数量氮的氮化钛(TiN)，而第二层是包括大于第一数量的第二数量氮的TiN。第一和第二层的厚度分别为大约100。不同的TiN层可以通过在存在N2气流的情况下分别在I和III区溅射Ti来产生，从而产生贫N和富N层。作为选择，第一层基本上由厚度不大于20的Ti构成，而第二层包括厚度大约为200的TiN。作为另一个选择，第二层基本上由厚度大约为200的Ti构成，而第一层包括TiN。
根据本发明的又一个方面，提供为半导体结构形成帽盖层的方法，其中半导体结构包括覆盖硅的硅化物形成金属。该方法包括形成覆盖半导体结构并与硅化物形成金属接触的氮化物层的步骤；该层的氮含量能够防止氮从该层通过硅化物形成金属扩散。氮化物层最好是氮化钛。形成步骤包括在特征为氮气流的环境中从钛靶上溅射，其中氮气流不足以引起在靶上形成氮化物；因此，该氮化物层包括含氮量不足的非化学计量TiN。
根据本发明的再一个方面，方法包括形成第一层和第二层的步骤，其中第一层和第二层具有不同的成分。形成第一层的步骤包括在特征为氮气流的环境中从钛靶上溅射，其中氮气流不足以引起在靶上形成氮化物；因此，第一层为含氮量不足的非化学计量TiN。作为选择，形成第一层的步骤包括从钛靶上溅射以产生基本上由钛构成的层，而形成第二层的步骤包括在特征为氮气流足以在靶上形成氮化物的氮气流的环境中从钛靶上溅射，以形成氮化钛层。作为另一个选择，可以执行该步骤，以形成氮化钛的第一层和基本由钛构成的第二层。
图1A-1C是栅极结构的示意图，示出了当使用TiN帽盖层时二硅化钴层的形成。
图2示出了当溅射Ti时靶电压和N2气流之间的关系图，具有非氮化靶和氮化靶明显不同的发生溅射的N2气流区。
图3A-3C示出了当出现自然二氧化硅层时硅化钴层形成的示意图。
图4A-4D说明了当出现N从TiN帽盖层扩散并在硅栅极的表面形成氧氮化物时形成的硅化钴层不完整的问题。
图5A-5D示出了根据本发明的第一实施例，当使用钨帽盖层时在栅极结构上硅化钴的形成。
图6A和6B示出了根据本发明的第二实施例贫氮TiN帽盖层的使用。
图7A和7B示出了根据本发明的第三实施例双层TiN帽盖层的使用。
图8A和8B示出了根据本发明的第四实施例TiN/Ti组合帽盖层的使用。
图9A和9B示出了根据本发明的第五实施例Ti/TiN组合帽盖层的使用。
具体实施例方式
根据本发明，用(1)不出现N扩散的金属层或(2)阻止N原子到达氧化层11的包括Ti和/或TiN的一层或多层代替常规的TiN帽盖层，从而避免氧氮化物层21的形成。
第一实施例钨帽盖层在本实施例中，在钴层2上淀积钨帽盖层40(图5A)。W层的厚度大约在25-150的范围内，优选大约75。应当注意，该厚度通常小于TiN帽盖层3的厚度，以避免在下面的Co层上过多的应力。W帽盖不允许氮引入到Co层2或自然氧化物11中，从而发生Co和Si的扩散以及在第一次退火之后在氧化物的上面和下面形成CoSi(图5B；与图3C比较)。去掉W帽盖层(图5C)并进行第二次退火之后，在Si表面剩下希望厚度的CoSi2层45(图5D)。由于避免了N从帽盖层扩散，所以同样也避免了在硅化物上面的未反应的Co。其它可以用作帽盖层的材料包括钼、钽和其它难熔金属。
第二实施例贫N TiN帽盖层如上面参考图2所述，TiN帽盖层的含氮量可以通过调节在Ti溅射室中的N2气流从而控制溅射到Co层2表面上的Ti周围的环境来控制。在本实施例中，形成贫N TiN帽盖层51；即，在图2的I区的N2气流下溅射Ti，从而在帽盖层中包括的氮的数量少于常规的TiN层(从III区的N2气流下从氮化的Ti靶溅射)。在图6A中用TiN(-)表示贫N TiN；层51的厚度最好为大约200。因此，与常规TiN的情况相比，能够扩散通过Co的N更少，从而减少了从层51通过Co层的扩散，并且不会形成氧氮化物(参看图6B)。结果，在第一次退火之后形成需要厚度的CoSi层(如图3C所示)。
第三实施例TiN双层在本实施例中，所形成的TiN帽盖层包括两层，如图7A所示。贫氮TiN层61淀积在Co层2上，并在其上淀积富氮TiN层62。在图7A中用TiN(+)表示富N TiN材料。通过分别在图2的I和III区中溅射Ti来得到层61和62。层61和62的厚度分别为大约100。该方案允许从层62扩散的氮原子被层61吸收，从而避免N扩散到氧化物11(并随后形成氧氮化物)(图7B)。然后，在层2中的钴与Si反应，形成CoSi，如上所述。
第四实施例TiN/Ti组合帽盖层在本实施例中，帽盖层是两个不同层的组合(1)淀积在钴上的纯Ti层71，优选厚度小于20；和(2)富N TiN层72，优选厚度大约为200(参看图8A)。必须限制层71的厚度，以便当在第一次退火之后形成CoSi时最小化Ti和CoSi之间的反应。该方案允许从层72扩散的氮原子被层71吸收，如图8B所示。由此，防止氮到达Co层2和Ti层71之间的界面。因此，不会在Si表面形成氧氮化物，并且不会出现未反应的Co的问题。
第五实施例Ti/TiN组合帽盖层本实施例的帽盖层包括(1)富氮TiN层81和(2)淀积其上的纯Ti层82的组合(图9A)。层81的厚度最好小于大约50，而层82的厚度大约为200。选择TiN(+)膜81的厚度，以便为下面的Co层提供足够的附着力，而没有多余的应力，同时限制可用于在氧化层11中形成氧氮化物的氮的数量。从TiN(+)层81扩散出的氮原子将被Ti层82吸收(参看图9B)，从而能够扩散到并穿过钴层2的N更少。由此，避免了氧氮化物的形成。
虽然根据特定实施例介绍了本发明，但是通过上述介绍可以看到对于本领域的技术人员许多变化、修改和变型是显然的。因此，本发明试图覆盖所有这些落入本发明和权利要求书的范围和精神中的变化、修改和变型。
工业可用性本发明通常应用于具有多晶硅栅极的FET器件的制造。在硅化物层形成在栅极上以降低其阻抗的先进微电子器件的制造中特别有用。本发明的方法的实施能够更可靠的形成有效的硅化物层。
权利要求
1.一种为半导体结构形成帽盖层的方法，该半导体结构包括覆盖硅(1)的硅化物成金属(2)，该方法包括以下步骤形成覆盖半导体结构并与硅化物形成金属(2)接触的氮化物层(51)；其中所述形成步骤包括在特征为氮气流小于大约45sccm的环境中从靶上溅射。
2.根据权利要求1的方法，其中所述氮化物层(51)包括氮化钛。
3.根据权利要求1的方法，其中靶是没有形成氮化物的钛靶。
4.根据权利要求1-3中任一个的方法，其中所述形成步骤形成与硅化物形成金属(2)接触的第一层(61)，并且还包括以下步骤形成覆盖所述第一层(61)并与其接触的第二层(62)，所述第二层是具有与所述第一层不同成分的氮化物层。
5.根据权利要求4的方法，其中第一层(61)包括钛，以及在特征为氮气流小于大约45sccm的环境中从钛靶上溅射形成第一层。
6.根据权利要求4或5的方法，其中形成第二层(62)的所述步骤包括在特征为氮气流大于大约50sccm的环境中从钛靶上溅射。
7.根据权利要求4-6中任一个的方法，其中通过从形成有氮化物的钛靶上溅射形成第一层(61)，并且形成第二层(62)的所述步骤包括从形成有氮化物的钛靶上溅射。
8.根据权利要求1-3中任一个的方法，其中覆盖半导体结构并与硅化物形成金属(2)接触的层(51)的厚度大约为200。
9.根据权利要求4-7中任一个的方法，其中第一层(61)和第二层(62)各自的厚度大约为100。
全文摘要
提供一种为包括在硅(1)上的硅化物形成金属(2)的半导体结构形成帽盖层的方法。根据本发明，形成覆盖半导体结构并与硅化物形成金属(2)接触的氮化物层(51)。通过在特征为氮气流小于45sccm的环境中从靶上溅射形成该层。因此，该层缺乏氮，从而避免了在硅上的自然氧化层(11)上形成氧氮化物，并且没有抑制硅(1)和金属(2)之间的扩散。
文档编号H01L29/78GK1568538SQ01822412
公开日2005年1月19日 申请日期2001年12月30日 优先权日2001年1月9日
发明者肯尼思·J.·吉沃特, 斯蒂芬·B.·布洛德斯基, 小西里尔·卡布拉尔, 安瑟尼·G.·德莫尼库奇, 克雷格·M.·兰塞姆, 王允愈, 霍雷肖·S.·维尔德曼, 黄洸汉 申请人:国际商业机器公司