一种基于单原子层沉积的金属生长方法与流程

本发明涉及微电子器件制造技术领域，尤其涉及一种基于单原子层沉积的金属生长方法。

背景技术：

目前，晶体管的尺寸正在迅速缩小，性能不断提高，在相同面积的芯片上集成更多的器件能够使得集成电路的功能更强大并降低单位功能成本。但当传统多晶硅栅晶体管尺寸缩小到一定程度后，过高的栅电阻、多晶硅耗尽效应等将阻碍晶体管性能的提升。经过大量的研究，难熔金属栅被认为是最有希望的替代技术，用钛、钽等合金做栅电极，能够获得非常低的栅极薄层电阻，从根本上消除多晶硅栅耗尽效应，在不减少栅氧化层物理厚度的条件下获得更低的栅氧化层等效电学厚度，消除多晶硅栅潜在的pmos管b穿透薄栅氧化层进入硅衬底的问题，并且与下一代栅介质材料及高k栅介质兼容。

传统的栅电极主要采用pvd技术进行沉积，具有高真空系统，可以保证非常低的含氧量，以得到低电阻率。然而，cmos器件尺寸正在持续微缩到16/14纳米及其以下技术节点，对于金属栅提出更高的要求。面对高深宽比的后栅工艺结构，pvd已不能满足填充要求，必须使用单原子层沉积技术(ald)进行替代。然而，由于ald不是高真空反应过程，对于水氧的控制在技术上更加困难。当ald金属薄膜中存在过量的氧时，不仅会引起电阻率增加，而且会引起功函数的漂移，给器件带来巨大的不稳定性。

因此，亟需设计一种基于ald的金属生长方法，降低ald薄膜中的水氧含量，提高器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明提供的基于单原子层沉积的金属生长方法，能够针对现有ald技术的不足，降低金属栅极材料中的水氧含量。

第一方面，本发明提供一种基于单原子层沉积的金属生长方法，其中，包括：

步骤一：提供单原子层沉积设备；

步骤二：对所述单原子层沉积设备中的单原子层沉积反应腔进行除湿除氧处理；

步骤三：在所述反应腔中通入第一前驱体反应物，用于在基片表面进行反应；

步骤四：从所述反应腔中排出过剩所述第一前驱体反应物及反应副产物；

步骤五：在所述反应腔中通入第二前驱体反应物，用于与所述基片上的所述第一前驱体反应物进行反应；

步骤六：从所述反应腔中排出过剩所述第二前驱体反应物及反应副产物。

可选地，上述步骤二中的除湿除氧处理包括在所述反应腔中重复多次进行抽真空再放入惰性气体的步骤。

可选地，上述惰性气体包括ar或n2。

可选地，上述抽真空的压力范围为0.5torr-3torr，所述放入惰性气体后腔体的到达压力范围为10torr-700torr。

可选地，上述步骤二的温度范围为100℃-450℃。

可选地，上述步骤二中的除湿除氧处理包括在所述反应腔中预淀积金属薄膜。

可选地，上述预淀积金属薄膜与目标生长金属的位置和种类相同。

可选地，上述预淀积金属薄膜的材料为钛合金、钽合金或钨。

可选地，上述预淀积金属薄膜的厚度范围为5nm-100nm。

可选地，上述步骤二中的除湿除氧处理包括使用高真空载片腔进行抽真空处理。

可选地，上述使用高真空载片腔进行抽真空处理依次包括在所述高真空载片腔内装载基片、将所述高真空载片腔抽至本底真空、将所述基片传送到所述反应腔的步骤。

可选地，上述将基片传送到所述反应腔的步骤可以通过机械手、传动带或轮轴装置进行传送。

可选地，上述步骤二中的除湿除氧处理包括使用高真空反应腔进行抽真空处理。

可选地，上述使用高真空反应腔进行抽真空处理依次包括将所述反应腔抽至本底真空、再升至所述步骤三至步骤五的压力范围。

可选地，上述步骤三至步骤五的压力范围为中真空。

本发明实施例提供的基于单原子层沉积的金属生长方法，能够实现金属栅极材料中氧含量的控制，以降低电阻率，控制ald薄膜的有效功函数，提高器件可靠性。

附图说明

图1为现有技术的ald设备结构示意图；

图2为现有技术的ald沉积周期流程图；

图3为本发明的基于ald的金属生长方法流程图；

图4为本发明一实施例的ald设备结构示意图；

图5为本发明一实施例的ald设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现有技术中，单原子层沉积(ald)通过将气相前驱体交替通入反应腔并沉积在基片上进行化学吸附，反应形成单层沉积薄膜。ald的表面反应具有化学吸附自限制(cs)和顺次反应自限制(rs)，不断重复自限制反应，形成目标薄膜。

图1示出了本发明一实施例中的ald设备结构示意图。如图所示，ald设备包括温度控制池，至于温度控制池内的前驱体反应物，与温度控制池相连的高速阀，由高速阀控制的管道与温度控制池和ald反应腔连通，ald反应腔由加热器进行加热。在ald反应腔中放置有经过活性表面处理的基片，第一前驱体反应物和第二前驱体反应物交替通入ald，并在适宜温度下化学吸附在基片上。优选地，ald反应腔的温度可以控制在20-400℃。每次反应的剩余物质从与ald反应腔相连的真空泵出管排除ald反应腔。

特别的，本发明的一个实施例中，使用了两个温度控制池和对应的两种前驱体反应物，在其他实施例中，可以根据淀积需要使用适当数量的温度控制池和对应的多种前驱体反应物。

图2示出了现有技术中的一个ald沉积周期流程图。在现有技术中，步骤s21提供ald设备，典型地，包括但不限于反应腔、温度控制池、真空泵等ald设备；在步骤s22中，从第一温度控制池与ald反应腔相连的管道中通入第一反应前驱体，与基片表面发生化学吸附或者反应；优选地，为了达到对基片的充分覆盖，需要使得基片表面达到饱和。在步骤s23中，典型地，包括但不限于利用惰性气体、泵抽或其他手段将过剩的前驱体反应物和副产物从反应腔体中清除；在步骤s24中，从第二温度控制池与ald反应腔相连的管道中通入第二反应前驱体，与基片表面被吸附的物质发生反应；优选地，为了达到充分反应的目的，需要引入过剩的第二反应前驱体；在步骤s25中，当反应前驱体反应完全后，再次利用惰性气体或泵抽等其他适宜方法将多余的前驱体以及副产物从反应腔体中清除。特别地，ald的前驱体反应物具有良好的挥发性，易液化，具有良好化学稳定性，无毒、无腐蚀性，优选地，前驱体反应物为气/液相。

本发明提供一种基于单原子层沉积的金属生长方法，图3示出了本发明一个实施例的基于ald的金属生长方法流程图，包括：步骤s31提供ald设备，典型地，包括但不限于反应腔、温度控制池、真空泵等ald设备；在步骤s32中，对上述ald设备进行除湿除氧处理，除湿除氧处理步骤可以包括使用惰性气体进行除湿除氧、进行金属膜的预淀积、采用高真空载片腔传送、使用高真空反应腔等可以实现除湿除氧效果的步骤。在步骤s33中，从第一温度控制池与ald反应腔相连的管道中通入第一反应前驱体，与基片表面发生化学吸附或者反应；优选地，为了达到对基片的充分覆盖，需要使得基片表面达到饱和。在步骤s34中，典型地，包括但不限于利用惰性气体、泵抽或其他手段将过剩的前驱体反应物和副产物从反应腔体中清除；在步骤s35中，从第二温度控制池与ald反应腔相连的管道中通入第二反应前驱体，与基片表面被吸附的物质发生反应；优选地，为了达到充分反应的目的，需要引入过剩的第二反应前驱体；在步骤s36中，当反应前驱体反应完全后，再次利用惰性气体或泵抽等其他适宜方法将多余的前驱体以及副产物从反应腔体中清除。特别的，在ald工艺中，其他前驱体反应物通入反应腔的步骤可以按照步骤s33至步骤s36重复进行，即通入前驱体反应物，再排出剩余前驱体以及副产物，直至在所述基片上形成金属膜。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，在执行步骤s32时，通过惰性气体池及放气阀门向反应腔内通入惰性气体，进行除湿除氧处理。优选在进行ald工艺之前对ald反应腔体进行除湿除氧处理，具体地，本发明的一个实施例升温ald反应腔体，并使用惰性气体对ald腔体实施“抽真空-放气-抽真空-放气”的多次循环过程，抽真空可以使用真空泵出管或其他适合的方法进行；特别的，所使用的惰性气体可以是但不限于ar或n2。上述ald反应腔体在进行除湿除氧处理的过程中，温度可以保持在100℃-450℃。抽真空时所达到的压力范围可以在0.5torr-3torr，放气时到达的压力范围可以在10torr-700torr。

根据本发明的另一实施例，在执行步骤s32时，使用金属膜预淀积进行除湿除氧处理过程。优选在进行ald金属工艺之前对ald反应腔体内对金属膜进行预淀积。具体地，在上述ald反应腔内原位生长与目标金属薄膜相同种类的金属膜，目标金属薄膜材料可以是但不限于钛合金和钽合金，例如tin、

tialn、tan、tial、taaln、tialc、tac、w等金属材料。特别的，上述金属薄膜的厚度范围可以在5nm-100nm的范围内并根据金属薄膜的具体性质而确定。金属膜预淀积过程会消耗反应腔体中残留的水氧，从而保证在正式片的淀积过程中存在极少的氧含量。

根据本发明的再一实施例，如图5所示，高真空载片腔通过传送装置与ald反应腔相连，在执行步骤s32时，使用高真空载片腔进行装片，首先在高真空载片腔内进行抽真空处理，完成除湿除氧处理过程，再将目标基片传送到ald反应腔。优选在进行ald金属工艺之前进行高真空载片腔抽真空处理。具体的，在高真空载片腔内进行装片，并将高真空载片腔抽至本底真空，随后传送到反应腔。优选的，从高真空载片腔到ald反应腔可以通过机械手、传动带、轮轴等方式连通，对目标基片进行移动。

根据本发明的又一实施例，在执行步骤s32时，使用高真空反应腔进行除湿除氧处理。具体地，将ald反应腔抽至本底真空后，去除水氧成分，再升至ald反应压力范围内进行ald工艺。特别的，ald反应压力可以控制在中等真空的范围内。

本发明所提供的基于单原子层沉积的金属生长方法，通过在提供ald设备后对反应设备进行除湿除氧处理，可以降低ald设备中的水氧含量，保证正式目标基片上生长的样品中具有较低的氧含量。本发明可以降低电阻率，控制薄膜的有效功函数，不仅适用于集成电路中金属栅极材料的氧含量控制，还可以应用于任何成膜领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。