一种形成高k金属栅极的方法
【专利摘要】本发明提供一种形成高k金属栅极的方法，涉及半导体【技术领域】。本发明的形成高k金属栅极的方法包括：步骤S101：在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；步骤S102：利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；步骤S103：对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。本发明的形成高k金属栅极的方法，通过对形成的用于制作金属栅极的金属薄膜进行碳掺杂处理，降低了金属栅极的晶粒尺寸，减小了阈值电压变化，提高了半导体器件的性能。
【专利说明】—种形成高k金属栅极的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，具体而言涉及一种形成高k金属栅极的方法。
【背景技术】
[0002]高K金属栅极(HKMG)技术是半导体领域的重要技术。在现有技术中，高K金属栅极一般包括高k介电层和金属栅极形成的叠层结构。在高k介电层和金属栅极形成的叠层结构中，除了随机掺杂波动(random dopant fluctuations, RDF)引起阈值电压变化(thresholdvoltage variability, TVV)之外,金属栅极的晶体结构和晶粒大小(晶粒尺寸)也是引起阈值电压变化的重要原因之一。
[0003]在高k金属栅极工艺中，氮化钛(TiN)和氮化钽(TaN)被广泛地作为金属栅极。由于形成的金属栅极具有良好的均一'I"生和对高k介电层带来的损伤较小,ALD (atomic layerdeposition,原子层沉积)被广泛地应用于金属栅极的制造工艺。然而，传统的ALD工艺方法，几乎不具备改善形成的金属栅极的晶粒大小和晶体结构的调节节点，形成的金属栅极的晶粒尺寸往往非常大并且无法进行调整。
[0004]在现有技术中，应用ALD工艺形成金属栅极的方法(以金属栅极为TiN为例)，一般主要包括如下步骤:
[0005]步骤El:在反应室内提供一形成有高k介电层的半导体衬底。
[0006]步骤E2:利用TiC14脉冲对该半导体衬底进行处理，在高k介电层上形成一层单层TiC14薄膜。
[0007]步骤E3:利用氮气清除反应室内多余的TiC14。
[0008]步骤E4:利用NH3脉冲对该半导体衬底进行处理。在该过程中，NH3会与TiC14进行反应，生成TiN和HCl，生成的TiN即作为金属栅极的一部分。
[0009]步骤E5:利用氮气清除反应室内的多余的NH3和反应副产物(比如HC1)。
[0010]步骤E6:重复步骤E2至E5多次，以形成满足要求(主要指厚度方面)的金属栅极。[0011 ] 在现有技术中，一般通过前述步骤El至E6来形成金属栅极。然而，利用这一现有的ALD工艺形成的金属栅极，其晶粒尺寸往往非常大，并且无法进行调整。金属栅极的这一特点，将很容易引起最终制造的半导体器件的阈值电压的变化。
[0012]因此，需要提出一种新的形成高k金属栅极的方法，以形成晶粒大小满足要求的金属栅极，减小阈值电压变化，提高半导体器件的性能。
【发明内容】
[0013]针对现有技术的不足，本发明提供了一种形成高k金属栅极的方法，该方法包括如下步骤:
[0014]步骤SlOl:在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；
[0015]步骤S102:利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；
[0016]步骤S103:对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。[0017]其中，所述步骤S102包括:
[0018]步骤S1021:利用TiC14脉冲或TaC14脉冲对所述半导体衬底进行处理；
[0019]步骤S1022:清除所述反应室内多余的所述TiC14或TaC14 ；
[0020]步骤S1023:利用NH3脉冲对所述半导体衬底进行处理，使所述NH3与所述TiC14或TaC14反应’以在所述高k介电层上形成金属薄膜；
[0021]步骤S1024:清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物。
[0022]其中，在所述步骤S102中，所述TiC14脉冲或TaC14脉冲以及所述NH3脉冲的持续时间为0.01~10秒。
[0023]其中，在所述步骤S102中，所述TiC14脉冲或TaC14脉冲以及所述NH3脉冲的气体流速为I~300sccm。
[0024]其中，在所述步骤S1022中清除所述反应室内多余的所述TiC14或TaC14的方法以及在所述步骤S1024中清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物的方法为:在所述反应室内通入氮气或氩气。
[0025]其中，所述氮气或氩气的气体流速为f300sccm。
[0026]其中，通入所述氮气或氩气的持续时间为0.1-10秒。
[0027]其中，在所述步骤S102中，在所述步骤S1024之后还包括步骤S1025:重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024至少一次。
[0028]其中，在所述步骤S102中，重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024的次数为1-100次，优选为1-30次。
[0029]其中，在所述步骤S103中，对所述金属薄膜进行碳掺杂处理的方法为:利用C2H4脉冲处理所述金属薄膜。
[0030]其中，其特征在于，在所述步骤S103之后还包括步骤S104:重复执行所述步骤S102和步骤S103至少一次。
[0031]其中，所述反应室的温度为30(T70(TC。
[0032]本发明实施例的形成高k金属栅极的方法，通过对形成的用于制作金属栅极的金属薄膜(比如TiN薄膜或TaN薄膜)进行碳掺杂处理，降低了金属栅极的晶粒尺寸，减小了阈值电压变化，提高了半导体器件的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
[0034]附图中:
[0035]图1为本发明实施例提出的一种形成高k金属栅极的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0036]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。[0037]应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
[0038]应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
[0039]空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之
上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
[0040]在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该规格书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0041]这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
[0042]除非另外定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。还将理解，诸如普通使用的字典中所定义的术语应当理解为具有与它们在相关领域和/或本规格书的环境中的含义一致的含义，而不能在理想的或过度正式的意义上解释，除非这里明示地这样定义。
[0043]为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的形成高k金属栅极的方法。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。[0044]下面，参照图1来描述本发明提出的形成高k金属栅极的方法的一个示例性方法的详细步骤。其中，图1为本发明实施例提出的一种形成高k金属栅极的方法的流程图。
[0045]本发明实施例提供的形成高k金属栅极的方法，应用了不同于现有技术的改进的ALD工艺,具体包括如下步骤:
[0046]步骤1、在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底。
[0047]其中，所使用的反应室，可以与现有技术中进行ALD处理时使用的反应室结构相同，也可以在现有的反应室上根据需要进行一定的改进，比如增加新的进气管等。对于本领域的技术人员而言，可以很容易地根据具体需要选择合适的反应室，故不再赘述反应室的具体结构。
[0048]优选的，在整个工艺过程中，反应室的温度控制在30(T700°C。
[0049]关于所述半导体衬底,可以为gate first工艺的半导体衬底,也可以为gate last工艺的半导体衬底，只需该半导体衬底上具有高k介电层且处于待形成金属栅极的状态即可。关于高k介电层，其可以根据现有技术中的任意方法选择合适的材料实现，在此不做限定。
[0050]在本步骤提供的半导体衬底，还可以包括源极、漏极、栅极侧壁等结构，在此不做限定。
[0051]作为示例，在本实施例中，所述半导体衬底选用单晶硅材料构成。在所述半导体衬底中形成有隔离结构，所述隔离结构为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构，所述隔离结构将半导体衬底分为NMOS区和PMOS区。所述半导体衬底中还形成有各种阱(well)结构，为了简化，图示中予以省略。上述形成阱(well)结构、隔离结构、栅极结构的工艺步骤已经为本领域技术人员所熟习，在此不再详细加以描述。
[0052]步骤2、利用TiC14或TaC14脉冲对所述半导体衬底进行处理。经过TiC14或TaC14脉冲处理，在高k介电层上会吸附单层的TiC14薄膜或TaC14薄膜。
[0053]其中，在本发明实施例中，TiC14脉冲，是指在反应室内通入的TiC14气体；当然，在反应室内通入TiC14气体的同时，也可以使反应室中的脉冲发生器(比如RF发生器)同时产生脉冲。TaC14脉冲以及NH3脉冲的原理与此相同，后续不再赘述。
[0054]优选的，TiC14或TaC14脉冲的持续时间为0.01-10秒(S)。
[0055]其中，TiC14或TaC14脉冲的气体流速为300sccm。
[0056]步骤3:利用气体清除反应室内多余的TiC14或TaC14。
[0057]具体地，在反应室内通入一定的气体，通过气流清除反应室内多余的TiC14或TaC14。所采用的气体，优选为氮气(N2)、氩气(Ar)或其他不与半导体衬底反应的气体。
[0058]优选的，通入气体进行清除处理的时间为0.1-10秒(S)。
[0059]步骤4:利用ΝΗ3脉冲对该半导体衬底进行处理在半导体衬底的高k介电层上形成单层TiN或TaN金属薄膜，具体地，为TiN薄膜或TaN薄膜。该金属薄膜即用于制作金属栅极。
[0060]优选的，NH3脉冲的持续时间为0.01~10秒(S)。
[0061]其中，NH3脉冲的气体流速为I~300sccm。
[0062]当在步骤2中选用TiC14脉冲时，在本步骤中，NH3会与TiC14进行反应，生成单层TiN薄膜和HCl副产物，该TiN薄膜即作为金属栅极的一部分。[0063]当在步骤2中选用TaC14脉冲时，在本步骤中，NH3会与TaC14进行反应，生成单层TaN薄膜和HCl副产物，即前述的单层的TaC14薄膜变成TaN薄膜，该TaN薄膜即作为金属栅极的一部分。
[0064]步骤5:利用气体清除反应室内多余的NH3及副产物(如HC1)。
[0065]具体地，在反应室内通入一定的气体，通过气流清除反应室内多余的NH3及HCl等副产物。所采用的气体，优选为氮气、氩气或其他不与半导体衬底反应的气体。
[0066]优选的，通入气体进行清除处理的时间为0.1-10秒(S)。
[0067]其中，上述步骤2至步骤5即为通过ALD工艺形成金属薄膜的过程。在本实施例中，与现有技术的不同之处在于，对气体流速、持续时间等反应条件进行了优化
[0068]步骤6:重复执行步骤2至步骤5 —定的次数，形成一定厚度的金属薄膜，即TiN薄膜或TaN薄膜。
[0069]其中，在步骤6中重复执行步骤2至步骤5的次数可以为O次，即在整个步骤2至步骤6中，执行步骤2至步骤5共1次。
[0070]优选的，在整个步骤2至步骤6中，重复执行步骤2至步骤5的次数为f 30次。
[0071]步骤7:对所述半导体衬底，具体地，指所述一定厚度的TiN薄膜或TaN薄膜，进行碳掺杂处 理。
[0072]在本步骤中，进行碳掺杂处理的方法可以为:利用C2H4脉冲对所述半导体衬底上的金属薄膜(具体指TiN薄膜或TaN薄膜)进行处理。由于C2H4可以分解形成C和H2，C吸附在前述步骤中形成的TiN薄膜或TaN薄膜的表面。因此可以完成对半导体衬底的金属薄膜的碳掺杂。
[0073]优选的，C2H4脉冲的持续时间为0.01~10秒(S)。
[0074]其中，C2H4脉冲的气体流速为1~300sccm。
[0075]在本实施例中，进行碳掺杂后，可以降低金属薄膜(TiN薄膜或TaN薄膜)的晶粒尺寸。因而可以通过适当调整工艺条件，形成晶粒大小满足器件性能要求的金属栅极，降低阈值电压变化，进而提高器件性能。
[0076]步骤8:重复执行步骤2至步骤7，直至形成满足要求的金属薄膜。
[0077]由于经过步骤2至步骤7，形成的金属薄膜(TiN薄膜或TaN薄膜)的厚度往往还不能满足制作金属栅极的要求，因此，需要重复执行步骤2至步骤7，直至形成满足厚度要求的金属薄膜。
[0078]至此，完成了本发明实施例的示例性的形成高k金属栅极的方法的介绍。在本发明实施例中，在完成步骤8之后，还可能包括对金属薄膜进行CMP处理的步骤，以去除多余的金属形成金属栅极。
[0079]本发明实施例的形成高k金属栅极的方法，通过对形成的用于制作金属栅极的金属薄膜(比如TiN薄膜或TaN薄膜)进行碳掺杂处理，降低了金属栅极的晶粒尺寸，减小了阈值电压变化，提高了半导体器件的性能。
[0080]参照图1，其中示出了本发明提出的形成高k金属栅极的方法中的一种典型方法的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。该方法具体包括:
[0081]步骤SlOl:在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；
[0082]步骤S102:利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；[0083]步骤S103:对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。
[0084]本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
【权利要求】
1.一种形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤SlOl:在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底； 步骤S102:利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜； 步骤S103:对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。
2.如权利要求1所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述步骤S102包括: 步骤S1021:利用TiC14脉冲或TaC14脉冲对所述半导体衬底进行处理； 步骤S1022:清除所述反应室内多余的所述TiC14或TaC14 ； 步骤S1023:利用NH3脉冲对所述半导体衬底进行处理，使所述NH3与所述TiC14或TaC14反应，以在所述高k介电层上形成金属薄膜； 步骤S1024:清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物。
3.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述TiC14脉冲或TaC14脉冲以及所述NH3脉冲的持续时间为0.01~10秒。
4.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述TiC14脉冲或TaC14脉冲以及所述NH3脉冲的气体流速为1~300sccm。
5.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S1022中清除所述反应室内多余的所述TiC14或TaC14的方法以及在所述步骤S1024中清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物的方法为:在所述反应室内通入氮气或氩气。
6.如权利要求5所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述氮气或氩气的气体流速为1~300sccm。
7.如权利要求5所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，通入所述氮气或氩气的持续时间为0.1·10秒。
8.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，在所述步骤S1024之后还包括步骤S1025:重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024至少一次。
9.如权利要求8所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024的次数为f 100次。
10.如权利要求1所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S103中，对所述金属薄膜进行碳掺杂处理的方法为:利用C2H4脉冲处理所述金属薄膜。
11.如权利要求1~10任一项所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，在所述步骤S103之后还包括步骤S104:重复执行所述步骤S102和步骤S103至少一次。
12.如权利要求1~10任一项所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述反应室的温度为300~700°C。
【文档编号】H01L21/285GK103811319SQ201210445689
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2012年11月8日
【发明者】何有丰, 陈勇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司