专利名称：形成具有低电阻的钨多金属栅极的方法
技术领域：
本发明涉及在半导体装置中形成栅极的方法，更具体地涉及形成具有低电阻的鹤多金属(polymetal)栅极的方法。
背景技术：
在CMOS装置中，n+多晶硅栅极可以同时形成于NMOS装置和PMOS 装置中，藉此，由此相反的掺杂，该NMOS装置具有表面沟道而PMOS装 置具有掩埋沟道。然而掩埋沟道促进了短沟道效应增大。人们提出双栅极形成方法，通过在NMOS装置中形成n+多晶硅栅极且 在PMOS装置中形成p+多晶硅栅极以解决这个问题。由于掩埋沟道引起的 短沟道效应则不复存在，因为表面沟道同时形成于NMOS装置和PMOS装 置内。然而，双栅极结构也存在问题。首先是由于硼泄漏到沟道区域内而引起 的阈值电压偏移现象。其次为由于例如硼的p型杂质/人PMOS装置的p+多 晶硅层向外扩散而引起的栅极耗尽现象，导致多晶硅层内掺杂浓度不足。针对由于硼泄漏到沟道区域内引起的阈值电压偏移现象，提出了对栅极 绝缘层表面进行氮化处理的技术，但是尚未提出有关防止由于硼向外扩散引 起的栅极耗尽现象的技术。另一方面，当MOSFET设计规则缩小到亚100nm水平时，字线内与电 阻电容延迟(RC延迟)有关的问题成为严重的问题。作为解决字线RC延 迟问题的一个方法，人们尝试采用低比电阻材料作为栅极材料。具体而言，栅极材料/结构的选择从具有多晶硅(Si)层和金属硅化物层 的叠层的多硅化物(polycide )栅极结构转变到具有多晶硅层和金属层的叠 层的多金属栅极结构。对于这种多金属栅极结构，人们研究了将钨(W)作 为多金属栅极(即，鴒多金属栅极)的金属层的材料的方法。在钨多金属栅极中，多晶硅层和鴒层设为直接接触。这于是导致在退火 工艺中在多晶硅层和钨层之间形成硅化钨层，这致使体积膨胀且由此产生应
力。为了防止这种不期望的效果，在多晶硅层和钨层之间形成扩散阻挡祐:认 为是必须的。因此，氮化鴒(wn)作为扩散阻挡形成于鵠多金属栅极的多晶硅层上，且鴒层随后沉积在该WN层上。这种情况下，在温度高于600。C时WN层和多晶硅层之间的界面反应导 致形成SiNx绝缘层，在鴒多金属栅极的结构内引入不稳定性。此外，由于 界面反应导致界面电阻增大，因此鴒多金属栅极的电阻增大。更具体而言，WN与Si反应，形成W和SigN4。 W随后与Si反应形成 WSi2。这些界面反应导致形成SiNx绝缘层，增大了鵠多金属4册极的电阻。为了防止界面反应，人们提议在氮化鴒层和多晶硅层之间形成WSix层 或Ti层或Ti/TiN层。然而，通过在氮化鹤层和多晶硅层之间形成WSix层，可以获得低电阻 的鴒多金属栅极，但是由于PMOS栅极内多晶硅和氮化鴒之间高的界面接触 电阻而出现其他问题，其导致环形振荡延迟现象。对于在氮化钨层和多晶硅层之间形成Ti层或Ti/TiN层的情形，与PMOS 或NMOS栅极中多晶硅和氮化鴒之间高的界面接触电阻相关的问题可能不 会发生；然而，由于沉积在Ti层或Ti/TiN层上的氮化鴒层的晶化引起沉积 在氮化钨层上的鴒层的晶粒尺寸减小(如图1所示)，因此鴒多金属栅极无 法获得低电阻。发明内容本发明的实施例涉及形成具有低电阻的钨多金属栅极的方法。 根据本发明的实施例，形成鵠多金属栅极的方法包括步骤依次在半导 体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子 层沉积(ALD)工艺在阻挡层上沉积鴒成核层；通过化学气相沉积(CVD) 工艺在鴒成核层上沉积鴒层；在鴒层上沉积硬掩模层；以及蚀刻该硬掩模层、 鴒层、鴒成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。该阻挡层包括Ti层和WN层的叠层，或者Ti层、TiN层和WN层的叠层。Ti层、WN层和TiN层每个的厚度均为20至150A。 在沉积阻挡层的步骤之后且在阻挡层上沉积鵠成核层的步骤之前，该方
法还包括向其上形成阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体1至10秒，以促 进成核反应。在沉积阻挡层的步骤之后且在阻挡层上沉积鴒成核层的步骤之前，该方 法还包括向其上形成阻挡层的结果的衬底供给B2H6气体和WF6气体，以促进成核反应。供给B2H6气体和WF6气体的步骤按照下述方式实施B2H6气体供给1 至10秒，随后赶气(purge ) 0.5至10秒，WF6气体供给1至10秒，随后赶 气0.5至10秒，如此依次纟丸4亍。沉积鴒成核层的步骤包括步骤在阻挡层上形成第一鴒成核层；以及在 第一鴒成核层上形成第二鵠成核层。第一和第二鴒成核层每个都形成为具有10至IOOA的厚度。第一和第二鴒成核层在250至400°C的温度下形成。第一钨成核层通过ALD工艺沉积，其中使用SiH4气体或Si2H6气体作 为反应气体和包含W的气体作为源气体。SiH4气体或Si2H6气体在其气体状态下或者通过形成等离子体而使用。包含W的气体为选自WF6气体、WCl6气体、WBr6气体、W(Co)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2H5)WH2气体、 [(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙晞基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l，5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。通过重复沉积周期而沉积该第 一钨成核层，该沉积周期包括供给反应气 体0.2至5秒，赶气0.5至10秒，供给源气体1至10秒，赶气0.5至10秒， 直至得到期望的厚度。第二鴒成核层通过ALD工艺沉积，该工艺使用选自B2H6气体、BH3气 体、B1CH14气体和B(CH3)3气体的气体作为反应气体和包含W的气体作为源 气体。B2H6气体、BH3气体、Bh)Hm气体和B(CH3)3气体在其气体状态下或者 通过形成等离子体而使用。包含W的气体为选自WF6气体、WCl6气体、WBi"6气体、W(Co)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2Hs)WH2气体、 [(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱
基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l，5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。
通过重复沉积周期而沉积该第二鵠成核层，该沉积周期包括供给反应气 体0.2至5秒，赶气0.5至10秒，供给源气体1至10秒，赶气0.5至10秒， 直至得到期望的厚度。
鴒层通过CVD工艺沉积，该工艺使用包含W的气体作为源气体且以
H2气体作为反应气体。
包含W的气体为选自，6气体、WCl6气体、WBr6气体、W(Co)6气体、 W(QH6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2Hs)WH2气体、2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱
基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l,5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。
鴒层沉积至厚度为100至500A。
鴒层在300至450。C的温度下沉积。
图1为示出了根据传统技术沉积的鴒层的晶粒尺寸的照片。
图2为示出了才艮据本发明实施例沉积的鴒层的晶粒尺寸的照片。
图3A至3G为示出根据本发明实施例的形成鴒多金属栅极的剖面视图。
图4为示出了根据本发明实施例所导致的有利的效果。
具体实施例方式
在本发明实施例中，Ti层和氮化钨层沉积在多晶硅层上，随后薄的钨成 核层通过ALD工艺沉积在氮化鴒层上，再随后鴒层通过CVD工艺沉积在该 鴒成核层上。
这减小了鹌多金属栅极的电阻，因为Ti层用做多晶硅和氮化鴒之间的 欧姆层，在多晶硅上形成非常薄的Ti硅化物，且氮化钨层将氮供给到Ti层 内，将Ti层上部分转变为能够抑制多晶硅和钨之间界面扩散的氮化钛(TiN) 或氮化钬硅(Ti-Si-N)。
此外，根据本发明实施例，由于在形成鴒层之前沉积鴒成核层，从图2 可以容易地看出，可以获得晶粒尺寸比传统技术大的钨层，因此可以进一步
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降低钨多金属栅极的电阻。下文中将参照图3A至3G描述根据本发明一个实施例的形成钨多金属 栅极的方法。参照图3A,栅极绝缘层302和多晶硅层303依次形成在具有隔离结构 301的半导体衬底300上。栅极绝缘层302形成为氧化物层，多晶硅层303 形成为掺杂P型或n型杂质的多晶硅层。参照图3B， Ti层304通过等离子体气相沉积(PVD)工艺沉积在多晶 硅层303上。Ti层304用做多晶硅层303和氮化鴒之间的欧姆层，在多晶硅 层上形成非常薄的Ti硅化物，且随后沉积的氮化鴒层305将氮供给到Ti层 内，以将Ti层的上部分转变为可以抑制多晶硅和鴒之间界面扩散的薄氮化 钬(TiN)或氮化钬硅(Ti-Si-N)。 Ti层304沉积至20至150A的厚度。在 Ti层304沉积之后，TiN层可以另外形成在Ti层上。TiN层也可以沉积至 20至150A的厚度。氮化鴒层305沉积在Ti层304上，作为防止扩散的阻挡层。氮化鴒层 305是形成为防止在随后退火工艺中形成硅化鴒层并由此导致体积膨胀的阻 挡层。氮化鴒层305通过PVD工艺沉积至20至150A的厚度。参照图3C，第一鴒成核层306沉积在氮化鴒层305上。第一鴒成核层 306在250至400。C的温度下通过ALD工艺沉积至10至IOOA的厚度，该工艺采用SiH4气体或者Si2H6气体作为反应气体和含W的气体作为源气体。更详细地，第一鴒成核层306采用ALD工艺通过重复沉积周期而沉积， 该沉积周期包括供给反应气体0.2至5秒，赶气0.5至10秒，供给源气体 1至10秒，赶气0.5至10秒，直至获得期望的厚度。这里，包含W的气体使用选自由，6气体、WCl6气体、WB化气体、W(C0)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2H5)WH2 气体、[(CH3)(CsH4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (1,5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。通过供给气体状态的SiH4气体或Si2H6气体或者通过供给使用SiH4气体或Si2H6气体形成的等离子体，由此可以执行反应气体的供给。可以通过颠倒供给反应气体和源气体的顺序而沉积第一鴒成核层306。 也就是说，可以通过重复包括供给源气体、赶气、供给反应气体和赶气的沉 积周期而沉积第一鵠成核层306，直至获得期望的厚度。
在沉积第一鴒成核层306之前，B2H6气体可以附加地供给到其上形成有 氮化鴒层305的所得到的衬底，以促进成核反应。BzH6气体源供给1至10 秒。此外，B2H6气体和WF6气体可以附加地供给到其上形成有氮化钨层305 的所得到的衬底，以促进成核反应。此时，按照下述方式实施B2H6气体和 WF6气体的供给，B2H6气体供给1至10秒，赶气0.5至10秒，WF6气体供 给1至10秒，赶气0.5至10秒，如此依次执行。
参照图3D,第二钨成核层307沉积在第一钨成核层306上。第二钨成 核层307沉积至与第一鴒成核层306相同的厚度，工艺条件与沉积第一钩成 核层306时采用的工艺条件相同。此时，当沉积第二钨成核层307时，选自
B2H6气体、BH3气体、Bh)H,4气体和B(CH3)3气体之一的气体用作反，气体。
通过供给气体状态的B2H6气体、BH3气体、B1QH14气体或B(CH3)3气体或者 通过供给使用B^6气体、BH3气体、BH)Hw气体或B(CH3)3气体形成的等离 子体，由此可以执行反应气体的供给。
与第一鴒成核层306的情形相似，第二钨成核层307可以通过颠倒反应 气体和源气体的供给顺序而执行。
参照图3E,鴒层308通过CVD工艺沉积在第二鵠成核层307上。钨层 308在300至450°C的温度下通过CVD工艺沉积至100至500A的厚度，该 CVD工艺使用包含W的气体作为源气体且以H2气体作为反应气体。
包含W的气体使用选自由WF6气体、WCl6气体、WB化气体、W(Co)6
气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2Hs)WH2气体、2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱 基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l,5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。
在本发明中，由于钨层308沉积在第一和第二钨成核层306和307上， 因此可以防止沉积在Ti层304上的氮化鴒层305在鴒层308沉积时晶化； 因此，可以沉积鴒层308使得其具有大的晶粒尺寸。结果，在本发明中，由 于可以沉积具有大晶粒尺寸的鴒层308,鴒层308的比电阻降低，且鴒多金 属栅极的电阻有效地降低。此外，在本发明中，由于栅极的厚度可以减小同 时将电阻维持在恰当的水平，因此栅极中引起的寄生电容减小，且装置的工 作速度可以提高。
参照图3F,硬掩模层309沉积在鴒层308上。氮化物层或非晶碳层沉 积作为该硬掩模层309。
参照图3G，硬掩模层309例如通过光刻工艺蚀刻。随后，鴒层308、第 一和第二鴒成核层306和307、氮化鴒层305、 Ti层304、多晶硅层303、和 栅极绝缘层302通过使用被蚀刻的硬掩模层309作为蚀刻掩模而被蚀刻，鴒 多金属栅极310由此形成。
随后，尽管未在图中示出，执行一系列后续工艺，包括用于除去蚀刻损 伤的选择性氧化工艺以及清洗工艺，以形成根据本发明一个实施例的钨多金 属栅极310。
在本发明的实施例中，由于在形成钨多金属栅极时钨层沉积在薄钨成核 层上这一事实，钩层的比电阻降低，因此鴒多金属栅极的电阻有效地降低。
详言之，参照图4,当沉积厚度为500A的鴒层时，根据传统技术沉积 的鴒层的比电阻为28pQ-cm，而根据本发明实施例沉积的鵠层具有较低的 18pQ-cm的比电阻。因此，如本发明实施例所证实的，与传统技术相比， 比电阻可以降低46 % ,本发明有效地改善了多金属栅极的电阻。
从上述说明显而易见的是，由于在形成鴒多金属栅极时鴒层沉积在鵠成 核层上，根据本发明一个实施例，鴒层的比电阻降低。结果，根据本发明实 施例，鴒多金属栅极的电阻有效地降低。
尽管已经出于说明的目的描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术 人员应该理解，在不背离由权利要求所披露的本发明的范围和精神的情况 下，各种改进、添加和替换是可能的。
本申请要求2006年9月29日提交的韩国专利申请No. 10-2006-0096550 的优先权，其全部内容于此引入作为参考。
权利要求
1.一种形成钨多金属栅极的方法，包括步骤依次在半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在所述多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子层沉积工艺在所述阻挡层上沉积钨成核层；通过化学气相沉积工艺在所述钨成核层上沉积钨层；在所述钨层上沉积硬掩模层；以及蚀刻所述硬掩模层、钨层、钨成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。
2. 权利要求l的方法，其中所述阻挡层包括Ti层和WN层的叠层，或 者包括Ti层、TiN层和WN层的叠层。
3. 权利要求2的方法，其中所述Ti层、WN层和TiN层每个的厚度均 为20至150A。
4. 权利要求1的方法，还包括步骤在沉积所述阻挡层的步骤之后且在所述阻挡层上沉积所述鵠成核层的 步骤之前，向其上形成所述阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体1至10秒， 以促进成核反应。
5. 权利要求1的方法，还包括步骤在沉积所述阻挡层的步骤之后且在所述阻挡层上所述沉积鴒成核层的步骤之前，向其上形成所述阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体和WF6气体，以促进成核反应。
6. 权利要求5的方法，其中所述供给B2H6气体和WF6气体的步骤包括 步骤供给B2H6气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒；以及 供给WFe气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒。
7.权利要求l的方法，其中沉积所述钨成核层的步骤包括步骤 在所述阻挡层上形成第一鴒成核层；以及 在所述第一鴒成核层上形成第二鴒成核层。
8. 权利要求7的方法，其中所述第一钨成核层和第二钨成核层每个都 形成为具有10至IOOA的厚度。
9. 权利要求7的方法，其中所述第一鴒成核层和第二鴒成核层在250 至400。C的温度下形成。
10. 权利要求7的方法，其中所述第一鵠成核层通过原子层沉积工艺沉 积，其中所述工艺使用SiH4气体或Si2H6气体作为反应气体和包含W的气 体作为源气体。
11. 权利要求10的方法，其中在形成所述第一钨成核层过程中，所述 SiH4气体或Si2H6气体在气体状态或者等离子体状态下^皮供给。
12. 权利要求10的方法，其中所述包含W的气体选自WF6气体、WC16气体、WBf6气体、W(C0)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4 气体、(C2H5)WH2气体、[(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2H5)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、 (C7H8)W(CO)3气体和(l,5-COD)W(CO)4气体之一。
13. 权利要求10的方法，其中通过重复沉积周期直至得到预定厚度而 沉积所述第一鴒成核层，所述沉积周期包括供给反应气体0,2至5秒，随后赶气0.5至10秒；以及 供给源气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒。
14. 权利要求7的方法，其中所述第二钨成核层通过原子层沉积工艺沉 积，其中所述工艺使用选自BzH6气体、BH3气体、Bn)H,4气体和B(CH3)3气 体之一作为反应气体和包含W的气体作为源气体。
15. 权利要求14的方法，其中在形成所述第二鹌成核层过程中，所述 B必6气体、BH3气体、B,。Hw气体或B(CH3)3气体在气体状态或者等离子体 状态下被供给。
16. 权利要求14的方法，其中所述包含W的气体选自WF6气体、WC16气体、WBl"6气体、W(C0)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF。6气体、W(歸丙基)4 气体、(C2H5)WH2气体、[(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(甲基乙晞基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、 (C7H8)W(CO)3气体和(l，5-COD)W(CO)4气体之一。
17. 权利要求14的方法，其中通过重复沉积周期直至得到预定厚度而 沉积所述第二鹌成核层，所述沉积周期包括供给反应气体0.2至5秒，随后赶气0.5至10秒；以及 供给源气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒。
18. 权利要求l的方法，其中所述鴒层通过化学气相沉积工艺沉积，其 中所述工艺使用包含W的气体作为源气体且以H2气体作为反应气体。
19. 权利要求18的方法，其中所述包含W的气体选自WF6气体、WC16气体、WBl"6气体、W(Co)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF》6气体、W(烯丙基)4 气体、(C2H5)WH2气体、[(CH3)(CsH4)]2WH2气体、(C2H5)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、 (C7H8)W(CO)3气体和(l,5-COD)W(CO)4气体之一。
20. 权利要求l的方法，其中所述鴒层沉积至厚度为100至500A。
21. 权利要求1的方法，其中所述鵠层在300至450。C的温度下沉积。
全文摘要
本发明公开了一种形成钨多金属栅极的方法，包括步骤依次在半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在该多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子层沉积工艺在该阻挡层上沉积钨成核层；通过化学气相沉积工艺在该钨成核层上沉积钨层；在该钨层上沉积硬掩模层；以及蚀刻该硬掩模层、钨层、钨成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。
文档编号H01L21/28GK101154576SQ20071009675
公开日2008年4月2日 申请日期2007年4月6日 优先权日2006年9月29日
发明者李荣镇, 林宽容, 郭鲁正, 金栢满, 金秀贤, 黄善佑 申请人:海力士半导体有限公司