专利名称：金属化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属化工艺，且特别涉及一种可减少金属硅化物的结块 现象的金属化工艺。
背景技术：
随着集成电^各(Integrated Circuit, IC )的元件尺寸缩小，内连线或浅结 的对应阻抗也随之增加，而使IC运作速度无法有效提高。如最常被用来形 成栅极与局部连线的多晶硅(polysilicon)，即使重度掺杂后仍带有相当高的 电阻率，这会造成元件功耗及信号延迟(RC delay)的问题。 一般所使用的 改善方式为进行金属化工艺，以自动对准(self-alignment)形成金属硅化物 (salicide)于如晶体管结构中的导电区域。然而，例如以钴金属与多晶硅栅 极在高温下反应形成如CoSi2的金属硅化物时，由于CoSi2/Si界面并不平整 且有热凹槽(thermal grooving), 3夸导致所谓的结块现象(agglomeration), 而大幅影响金属硅化物的热稳定性及元件的运作性能。
发明内容
本发明涉及一种金属化工艺，其是于沉积金属层之前，先将半导体基材 进行热处理，可得到较佳的沉积条件，并且可减緩后方热处理步骤中金属硅 化物的结块现象。
根据本发明，提出一种金属化工艺。首先，提供半导体基材，此半导体 基材具有至少一含硅导电区域。其次，提供改善结块现象的离子注入于含硅 导电区域。接着，对此半导体基材进行第一热处理。而后，形成金属层于此 半导体基材表面，金属层覆盖含硅导电区域。再来，对覆盖有金属层的此半 导体基材进行第二热处理，以形成金属硅化物层于含硅导电区域上。
根据本发明，另提出一种金属化工艺。首先，提供半导体基材，半导体 基材具有至少一导电区域。其次，注入氮离子至导电区域内。接着，对半导 体基材进行第一热处理，以修复半导体基材表面。而后，形成金属层于半导
体基材表面，金属层覆盖导电区域。再来，形成扩散障碍层于金属层上。然 后，对覆盖有金属层的半导体基材进行第二热处理，以于导电区域上形成金 属硅化合层。修复后的半导体金属层表面减緩进行第二热处理时金属化合层 的结块现象。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实 施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为依照本发明的金属化工艺的流程图。
图2 A ~ 2E分别为依照本发明优选实施例的金属化工艺应用于晶体管元 件时的工艺剖面图。
图3为未经过预先处理的半导体基材形成金属硅化物层后的电子显微镜 照片。
图4为经过预先处理的半导体基材形成金属硅化物层后的电子显微镜照片。
附图标记说明
200:半导体基材 210:基材
220:晶体管元件 221:栅极氧化层
222:间隙壁 310:金属层
320:吸收层 330:扩散障碍层
311(1)、 311(2)、 311(3)、 312(1)、 312(2)、 312(3):金属硅化物层
G:栅极 S:源极
D:漏极
具体实施例方式
请参照图1，为依照本发明的金属化工艺的流程图。首先，于步骤110 中，提供半导体基材，此半导体基材具有至少一导电区域。然后，于步骤120 中，对此半导体基材进行第一热处理。接着，于步骤130中，于此半导体基 材表面形成金属层，金属层覆盖导电区域。最后，于步骤140中，对覆盖有 金属层的此半导体基材进行第二热处理，以形成金属化合层于导电区域上。
以下将以应用于一般场效晶体管为例进一步具体说明本发明的金属化工艺，其中半导体基材的导电区域是以含硅导电区域为例做说明，且半导体 基材进行第二热处理后对应地形成金属硅化物层于含硅导电区域上。然于本 发明所属技术领域的技术人员当可理解，本发明可应用于任何集成电路中来 改善内连线或元件特性，以提升集成电路整体效能，也使得IC工艺设计更 具有弹性。
请依序参照图2A 2E，分别为依照本发明优选实施例的金属化工艺应 用于晶体管元件时的工艺剖面图。如图2A所示，为步骤110中提供的半导 体基材200。半导体基材200包括基材210及承载于基材210上的晶体管元 件220。于本实施例中，基材210使用P型或N型的硅基材，但在其他实施 例中，基材210可为绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator， SOI)基材。晶体管 元件220例如为一般的金属氧化物半导体(MOS)晶体管元件，并包括栅极 G、漏极D与源极S等含硅导电区域。形成于栅极氧化层221上的栅极G为 经沉积及图案化的多晶硅层。漏极D及源极S为与基材210电性相反的砷或 硼等物质的掺杂区，间隙壁222则可作为后续形成金属硅化物时的掩模。
然而，此时半导体基材200上可能留有一些无机或有机污染物，如工艺 环境中的杂质粒子或光致抗蚀剂、蚀刻及图案化过程中的残余物或副产品 (如polymer)，甚或基材210的原生氧化物等等。此外，半导体基材200的 表面结构亦可能留有前段工艺中造成的不平整现象。而金属化工艺的品质即 相当取决于含硅导电区域的表面干净平滑与否。
如图2B所示，于步骤120中，对半导体基材200进行第一热处理。于 本实施例中，第一热处理为一般使用高温炉火的退火处理(annealing),使 半导体基材200在温度450至700。C之间的氮气环境(流量约1至10 slm, 压力约latm)中进行约20分钟至3小时左右的退火处理。于其他实施例中， 第 一热处理也能使用温度设定较高的快速退火处理(Rapid Thermal Processing, RTP )。通过执行第一热处理，即能有效除去前述半导体基材200 上对后续金属化工艺不利的物质，同时修复半导体基材200的表面结构，使 晶体管元件220的含硅导电区域更干净平滑。
传统金属化工艺在进行金属沉积步骤前，仅以如使用氟化氢等的预洗 (pre-clean)步骤来使半导体基材表面尽可能达到适当的沉积环境条件。然 而，预洗步骤对于前述的不利物质的清除作用相当有限，且无法对半导体基 材200的表面结构有所改善。因此，本发明是以一道热处理步骤来达到更佳
的沉积环境条件。当然，在进行步骤130之前，也可再进行次预洗步骤。
如图2C所示，于步骤130中，由步骤120获得适当的沉积环境条件后， 能以賊射沉积方式形成所需的金属层310。于本实施例中，金属层310是以 包含钴(cobalt，Co)为例作说明。于其他实施例中，金属层310也可使用如 钬(titanium, Ti )、镍(nickel, Ni)及钼(molybd 6num, Mo )等等。 一般来说, 可在金属层310上再形成吸收层320及扩散障碍层330 ( diffusion barrier), 如图2C所示。吸收层320例如使用钛来帮助反应掉基材210的原生氧化物， 以减少后续形成金属硅化物的过程中的氧污染。扩散障碍层330例如使用氮 化钛来减少金属层310在后续热处理中的扩散逸失。另外，值得一提的是， 形成金属层310之前，也可以提供离子注入于所需的含硅导电区域，例如氮 离子(N2+ )注入，由此改变后续热处理中的金属硅化物的管芯大小(grain size ) 而改善结块现象。
如图2D所示，于步骤140中，对覆盖有金属层310、吸收层320及扩 散障碍层330的半导体基材200进行第二热处理，如温度400至550。C的退 火处理。由此，使包含钴的金属层310与栅极G、漏极D及源极S反应而形 成为钴单硅化物的金属硅化物层311(1), 3U(2)及311(3)。
请参照图3及图4，图3为未经过预先处理的半导体基材形成金属硅化 物层后的电子显微镜照片；图4为经过预先处理的半导体基材形成金属硅化 物层后的电子显微镜照片。未经过包括第一热处理及氮离子注入的预先处理 的半导体基材，进行第二热处理的退火步骤之后，于含硅导电区域(图3中 浅色梯形区域)上形成不规则且不连续的金属硅化物层，即图3中浅色梯形 区域上端的深色不规则区域。经过第一次热处理及氮离子注入的预先处理的 半导体基材，进行第二热处理的退火步骤之后，于含硅导电区域(图4中浅 色梯形区域)上形成连续且完整的金属硅化物层，即图4中浅色梯形区域上 端的深色区域。由图3及图4可知，对于半导体基材进行第一热处理及氮离 子注入之后，可以有效改善金属硅化物层的结块现象。
请继续参照图2D,因为金属硅化物层311(1)、 311(2)及311(3)的阻值仍 相当高，因此以一般蚀刻方式选择性地移除图2D中除金属硅化物层311(1)、 311(2)及311 (3)外的物质后， 一般会再进行一次温度约700至900°C的退火处 理而得到如图2E所示的为二硅化钴的金属硅化物层312(1)、 312(2)及312(3) (阻值约降至3 8欧姆)。如此一来，即完成本发明优选实施例的金属化工
艺。当然，于其他实施例中，步骤140的第二热处理亦可使用快速退火处理 来直接一次形成为二硅化钴的金属硅化物层。
如此一来，通过步骤120中的第一热处理而得到较佳的沉积环境条件后， 可有效降低后续一次或两次的热处理中金属硅化物的结块现象而获得均匀 度较高的金属硅化物层。由此，无须为了因应可能的结块现象而增加金属层 的沉积厚度，同时也避免漏电流的情形，而大幅提高金属硅化物的热稳定性 及晶体管元件的运作性能及产品成品率。
本发明上述实施例所披露的金属化工艺，于沉积金属层之前，对半导体 基材进行一次热处理以获得较佳的沉积环境条件，从而减少后续热处理中金 属硅化物的结块现象。当然，如前述，本发明的金属化工艺可应用于任何集 成电路中来改善内连线或元件特性，以提升集成电路整体效能，也使得工艺 范围(process window)更有弹性
综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本 发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内， 当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所 界定的为准。
权利要求
1. 一种金属化工艺，包括(a)提供半导体基材，该半导体基材具有至少一含硅导电区域；(b)提供改善结块现象的离子注入于该含硅导电区域；(c)对该半导体基材进行第一热处理，以修复该半导体基材表面；(d)形成金属层于该半导体基材表面，该金属层覆盖该含硅导电区域；以及(e)对覆盖有该金属层的该半导体基材进行第二热处理，以于该含硅导电区域上形成金属硅化物层。
2. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(b)中，提供氮离子 注入于该含硅导电区域。
3. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(a)及该步骤(d)之间 还包括对该半导体基材进行预洗步骤。
4. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(c)中，该第一热处 理为退火处理或快速退火处理。
5. 如权利要求4所述的金属化工艺，其中于该步骤(c)中，该半导体基 材是于压力为实质上1 atm、温度为实质上450至700。C以及流速为实质上1 至10 slm的氮气环境中进行实质上20至80分钟的退火处理。
6. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(e)之后还包括(f) 对该半导体基材进行第三热处理，以形成电阻值低于该金属硅化物的 另一金属硅化物。
7. 如权利要求6所述的金属化工艺，其中该第三热处理为实质上700 至90(TC的退火处理。
8. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(e)之后还包括 至少移除未与该含硅导电区域反应的部分的该金属层。
9. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(d)及该步骤(e)之间 还包括形成扩散障碍层于该金属层上。
10. 如权利要求9所述的金属化工艺，其中该扩散障碍层包含氮化钛。
11. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(d)及该步骤(e)之间 还包括形成吸收层，以吸收该半导体基材表面的原生氧化物。
12. 如权利要求11所述的金属化工艺，其中该吸收层包含钛。
13. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(d)中，该金属层选 自由钴、钛、镍及钼所组成的族群。
14. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(a)中，该半导体基 材更具有绝缘体上硅基材。
15. 如权利要求1所述的金属化工艺，其中于该步骤(e)中，该第二热处
16. —种金属化工艺，包括(a) 提供半导体基材，该半导体基材具有至少一导电区域；(b) 注入氮离子至该导电区域内；(c) 对该半导体基材进行第一热处理，以修复该半导体基材表面；(d) 形成金属层于该半导体基材表面，该金属层覆盖该导电区域；(e) 形成扩散障碍层于该金属层上；以及(f) 对覆盖有该金属层的该半导体基材进行第二热处理，以于该导电区域 上形成金属化合层，修复后的该半导体金属层表面是用以减緩进行该第二热 处理时该金属化合层的结块现象。
17. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(a)中，该导电区 域包括含硅导电区域。
18. 如权利要求17所述的金属化工艺，其中于该步骤(f)中，该金属化合 层包括金属硅化物层。
19. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(a)及该步骤(d)之 间还包括对该半导体基材进行预洗步骤。
20. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(c)中，该第一热 处理为退火处理或快速退火处理。
21. 如权利要求20所述的金属化工艺，其中于该步骤(c)中，该半导体 层是于压力为实质上1 atm、温度为实质上450至700。C以及流速为实质上1 至10 slm的氮气环境中进行约20至80分钟的退火。
22. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(f)之后还包括 (g)对该半导体基材进行第三热处理，以形成电阻值低于该金属硅化物的另一金属硅化物。
23. 如权利要求22所述的金属化工艺，其中该第三热处理为实质上700 至90(TC的退火处理。
24. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(f)之后还包括 至少移除未与该含硅导电区域反应的部分的该金属层。
25. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(d)及该步骤(e)之 间还包括形成吸收层，以吸收该半导体基材表面的原生氧化物。
26. 如权利要求16所述的金属化工艺，其中于该步骤(f)中，该第二热处 理为实质上400至550°C的退火处理。
全文摘要
一种金属化工艺，首先提供半导体基材，此半导体基材具有至少一含硅导电区域。接着，提供改善结块现象(agglomeration phenomenon)的离子注入于含硅导电区域。再来，对此半导体基材进行第一热处理，以修复半导体基材表面。其次，形成金属层于此半导体基材表面，金属层覆盖含硅导电区域。然后，对覆盖有金属层的此半导体基材进行第二热处理，以于含硅导电区域上形成金属硅化物层。
文档编号H01L21/768GK101393855SQ20081010880
公开日2009年3月25日 申请日期2008年5月26日 优先权日2007年9月20日
发明者杨令武, 杨大弘, 苏金达, 陈光钊, 统 骆 申请人:旺宏电子股份有限公司