用于半导体应用的含正电性金属的层的制作方法
【专利摘要】本发明实施方案提供了用于通过ALD(原子层沉积)和/或CVD(化学气相沉积)工艺形成包含正电性金属的层、包含一种或多种正电性金属的层、以及包括含有一种或多种正电性金属的层的半导体器件的方法。在本发明实施方案中，所述层是薄或超薄的(小于厚的膜)和/或是共形膜。另外提供了包括金属层的晶体管器件、金属互连件和计算装置，所述金属层包含一种或多种正电性金属。
【专利说明】用于半导体应用的含正电性金属的层
【技术领域】
[0001]本发明的实施方案一般涉及集成电路装置、半导体器件、金属互连件、晶体管、共形膜(conformal film)、原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺和化学沉积工艺。
【背景技术】
[0002]对越来越小、集成度更高的集成电路(IC)和其它半导体器件的推动产生了对用于构造所述装置/器件的技术和材料的巨大需求。通常，集成电路管芯又称为微芯片、硅片或芯片。IC芯片常见于各种常用装置，例如计算机中的微处理器、汽车、电视、CD播放机和蜂窝式电话。多个IC芯片典型地构建在硅晶片(一种薄的硅圆片，具有例如300mm的直径)上，加工之后将晶片切开，产生单独的芯片。特征尺寸是约90nm的Icm2的IC芯片可以包括上亿个组件。现有技术推动特征尺寸甚至小于45nm。IC芯片的组件例如包括诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)器件的晶体管、电容结构、电阻结构、以及在组件和外部设备之间提供电联接的金属线。其它的半导体器件包括例如各种二极管、激光器、光探测器和磁场传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]图1A-B示出了可用于在基底表面上形成包含正电性金属的薄共形膜的方法。
[0004]图2A-F示出了可用于本发明实施方案的一些前体分子。
[0005]图3A-1示出了可用于本发明实施方案的其它示例性前体分子。
[0006]图4是示出三栅极晶体管器件的示意图。
[0007]图5A-C是示出堆叠的纳米线晶体管器件的示意图。
[0008]图6示出了金属互连结构。
[0009]图7是根据本发明实施方案构建的计算装置。
【具体实施方式】
[0010]正电性金属和高度正电性金属的沉积归因于不利因素的组合对包含这些金属元素的半导体器件的制造提出了挑战。所述不利因素包括为还原正电性金属所需要的非常高的能量、以及大多数正电性金属对碳、氮和氧的高亲合性。使用CVD(化学气相沉积)或ALD(原子层沉积)工艺的正电性金属沉积可导致不理想的非化学计量的二元相和三元相，例如金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或这些物类的组合的沉积。碳、氮和/或氧往往是不理想的组分，其可降低理想的由一种或多种正电性金属构成的膜的性能。
[0011]本发明的实施方案提供了使用ALD和/或CVD工艺用于形成包含正电性金属的层的方法，所述层包含一种或多种正电性金属，以及用于形成包含一种或多种正电性金属的层的半导体器件的方法。在本发明实施方案中，该膜是薄或超薄的(小于丨OOA厚的膜)和/或是共形膜。有利地是，根据本发明实施方案的膜不包含大量的碳、氮和氧。在本发明的一个实施方案中，包含正电性金属的膜具有总量小于15原子％的碳、氮和氧的杂质。[0012]通常原子层沉积(ALD)是半导体加工工业中典型地用于沉积超薄共形膜的技术。在典型的ALD工艺中，待涂布的膜的基底表面连续暴露于气相反应物(前体)中。表面重复暴露于反应物而在表面上连续产生薄的共形产物层。在表面暴露于各气相反应物之后，将反应气体和反应副产物从反应腔室吹扫出。
[0013]通常，化学气相沉积(CVD)是用以在基底表面上产生膜层的工艺。在CVD工艺中，基底表面暴露于挥发性反应物前体中，反应物前体在基底表面上进行反应，形成理想的膜材料。ALD和CVD可用于以各种形式沉积材料，包括例如单晶的、多晶的、无定形的和外延的膜。CVD和ALD工艺典型地在真空室中实施，真空室是专业设备的一部分。
[0014]图1A描述了用于在基底上形成包含一种或多种正电性金属的层的ALD方法。根据本发明实施方案的膜沉积工艺能够在基底上沉积微米级和纳米级特征的薄共形膜，并且微米级和纳米级特征具有高纵横比。在图1A中，将在其上沉积薄共形膜的基底表面任选地在膜沉积工艺过程中被加热。在本发明实施方案中，基底在沉积过程中被加热至至少高于室温。即使沉积只需要少量热能，加热可允许保持一致的沉积条件。膜沉积工艺可以发生在相对较低的温度下，例如沉积可发生在30-500°C的温度下。
[0015]所述基底表面暴露于包含正电性金属的第一前体分子。在本发明实施方案中，所述正电性金属是选自元素周期表第2-7族的金属和/或Al。在本发明的一个实施方案中，所述正电性金属是例如 Zr、Be、Mg、Ca、Sr、Al、Sc、Y、T1、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 和 Mn 的金属。所述第一前体分子包含直接的金属硅键和/或直接的金属锗键。在本发明实施方案中，所述第一前体分子包含I或2个金属原子，并且所述金属原子是全部相同的金属原子或两种不同的金属原子。包含直接的金属硅键和/或直接的金属锗键的第一前体分子的金属中心可以任选地具有通过N、P、O或S原子配位的配位路易斯碱。通过例如用惰性气体，例如氮气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气吹扫正发生沉积的真空室来去除任何不在表面上的前体分子(和可能存在的任何其它气态物类)。然后使基底表面暴露于第二前体分子(共反应物)。所述第二前体分子是挥发性MXn化合物，其中X是卤素或含氧配体，η是在2-6之间且包括2和6的数。使用包含直接的金属硅键和/或直接的金属锗键的正电性金属来沉积膜的反应图解如式(I)所示。
[0016]
【权利要求】
1.一种纳米线晶体管装置，其包括:形成所述晶体管装置沟道区的悬浮纳米线，布置在所述悬浮纳米线上的介电材料层，布置在所述介电材料层上的金属层，其中所述金属层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属或Al，以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge，其中所述纳米线悬浮在栅极电极中，并且所述金属层形成所述栅极电极的一部分。
2.权利要求1的装置，其中所述金属层包含总量小于15原子％的碳、氮和氧。
3.权利要求1的装置，其中所述介电材料层由二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、氮化硅(Si3N4)或高k介电材料构成。
4.权利要求1的装置，其中所述纳米线由硅、硅和锗的混合物或II1-V族化合物半导体构成。
5.权利要求1的装置，其中所述装置包括两个悬浮纳米线。
6.一种晶体管装置，其包括:具有上表面和一对侧向相对的侧壁的通道结构，布置在上表面和这对侧向相对的侧壁上的介电层，以及布置在所述上表面和这对侧向相对的侧壁上的介电层上的金属层，其中所述金属层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属或Al，以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge。
7.权利要求6的装置，其中所述金属层包含总量小于15原子％的碳、氮和氧。
8.权利要求6的装置，其中所述介电材料层由二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、氮化硅(Si3N4)或高k介电材料构成。
9.权利要求6的晶体管装置，其中所述通道结构由单晶硅、硅、硅和锗的混合物或II1-V族化合物半导体构成。
10.一种装置，其包括: 具有表面的基底， 布置在基底表面上的介电材料层， 形成在所述介电材料层中的沟槽或过孔，所述沟槽或过孔具有侧壁和底表面， 布置在所述侧壁和底表面上的势垒层，其中所述势垒层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge，以及 阱内的金属区，其 中所述势垒层在金属区与介电材料层之间。
11.权利要求10的装置，其中所述第2-7族金属是W、Hf、Ta或它们的组合。
12.权利要求10的装置，其中所述金属层包含总量小于15原子％的碳、氮和氧。
13.权利要求10的装置，其中所述金属区由银、铜或铝构成。
14.一种装置，其包括: 具有表面的基底， 布置在基底表面上的介电材料层， 形成在介电材料层中的沟槽或过孔， 所述沟槽或过孔内的金属区，其中所述金属区具有表面，以及 布置在金属区表面上的帽层，其中帽层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge。
15.权利要求14的装置，其中所述第2-7族金属是W。
16.权利要求14的装置，其中所述金属层包含总量小于15原子％的碳、氮和氧。
17.权利要求14的装置，其中所述金属区由银、铜或铝构成。
18.一种方法，其包括: 提供具有表面的基底， 将基底表面暴露于气相第一前体分子，其中所述第一前体分子包含金属M1，其中金属M1是第2-7族金属或Al，并且金属M1与至少两个硅、锗、或硅和锗原子直接键合， 去除任何剩余的气态第一前体分子， 将基底表面暴露于第二气相前体分子M2Xn，其中X是卤素，η是在2-6之间且包括2和6的数，M2是第2-7族金属或Al，并且M1和M2是相同的金属或不同的金属， 去除任何剩余的气态第二前体分子，以及 重复以下要素至少一次，以便在基底表面上产生包含M1和M2的层:将基底表面暴露于第一前体分子，去除任何气态第一前体分子，将基底暴露于第二前体分子，以及去除任何剩余的气态第二前体分子。
19.权利要求18 的方法，其中 M1 和 M2 选自:Zr、Be、Mg、Ca、Sr、Al、Sc、Y、T1、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 和 Mn。
20.权利要求18的方法，其中所述第一前体分子包含两个第2-7族金属原子或Al。
21.权利要求18的方法，其中所述第一前体分子选自=((CH3)3Si)3Al-N(CH3)2(CH2CH3) >((CH3)2ArSD3Al.N (CH3)2 (CH2CH3)、((CH3)3SD3Al (奎宁环)、((CH3) 3Ge) 3A1 (奎宁环)、((C4H9) 3Si)2Mn、((C4H9)3SD2Mn.N(CH3)3' ((CH3) 3Ge) 2Mn (四甲基乙二胺)和((C4H9)3SD2Ti.N (CH3) 3。
22.权利要求18的方法，其中M1与至少两个官能团键合，所述官能团是-SiR1R2R^ -GeR1R2R3或它们的组合，其中R1、R2和R3是相同或不同的烷基，并选自以下:含杂原子和不含杂原子的烷基、芳基、环烷基、烯基、炔基、环状基团和多环基团，其中杂原子选自:卤素、O、N、S、P、Si和Ge。
23.权利要求18的方法，其中M1是Al、T1、Sc、Y、Zr或Hf，并且M1与至少三个官能团键合，所述官能团是-SiR1R2R^-GeR1R2R3或它们的组合，其中R1、!?2和R3是相同或不同的烷基，并选自:烷基、芳基、环烷基、烯基、炔基、环状基团和多环基团，其中杂原子选自:卤素、O、N、S、P、Si 和 Ge。
24.一种方法，其包括: 提供具有表面的基底， 将基底表面暴露于气相第一前体分子，其中第一前体分子包含金属M1，其中金属M1是第2-7族金属或Al，并且金属M1与至少两个硅、锗、或硅和锗原子直接键合， 去除任何剩余的气态第一前体分子， 将基底表面暴露于第二气相前体分子M2Xn，其中X是醇盐基团，η是在2-6之间且包括2和6的数，M2是第2-7族金属或Al，并且M1和M2是相同的金属或不同的金属， 去除任何剩余的气态第二前体分子，以及 重复以下要素至少一次，以便在基底表面上产生包含M1和M2的层:将基底表面暴露于第一前体分子，去除任何气态第一前体分子，将基底暴露于第二前体分子，以及去除任何剩余的气态第二前体分子。
25.权利要求24 的方法，其中 M1 和 M2 选自:Zr、Be、Mg、Ca、Sr、Al、Sc、Y、T1、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 和 Mn。
26.权利要求24的方法，其中所述第一前体分子包含两个第2-7族金属原子或Al。
27.权利要求24的方法，其中所述第一前体分子选自=((CH3)3Si)3Al-N(CH3)2(CH2CH3) >((CH3)2ArSD3Al.N (CH3)2 (CH2CH3)、((CH3)3SD3Al (奎宁环)、((CH3) 3Ge) 3A1 (奎宁环)、((C4H9) 3Si)2Mn、((C4H9)3SD2Mn.N(CH3)3' ((CH3) 3Ge) 2Mn (四甲基乙二胺)和((C4H9)3SD2Ti.N (CH3) 3。
28.权利要求24的方法，其中M1与至少两个官能团键合，所述官能团是-SiR1R2R3CGeR1R2R3或它们的组合、其中R1、!?2和R3是相同或不同的烷基，并选自:烷基、芳基、环烷基、烯基、炔基、环状基团和多环基团。
29.权利要求24的方法，其中M1是Al、T1、Sc、Y、Zr或Hf，并且M1与至少三个官能团键合，所述官能团是SiR1R2R^GeR1R2R3或它们的组合，其中R1、!?2和R3是相同或不同的烷基，并选自:烷基、芳基、环烷基、烯基、炔基和多环基团。
30.一种方法，其包括: 提供具有表面的基底， 将基底表面暴露于前体分子，其中所述前体分子包含金属，其中所述金属是第2-7族金属或Al，并且所述金属与至少两个硅、锗、或硅和锗原子直接键合， 去除任何剩余的气态前体分子， 将基底表面暴露于氢， 去除任何剩余的氢和气态反应产物，以及 多次重复以下要素，以便在基底表面上产生包含M的层:将基底暴露于前体分子，去除任何气态前体分子，将基底暴露于氢，以及去除任何氢和气态反应产物。
31.权利要求30的方法，其中所述金属选自:Zr、Be、Mg、Ca、Sr、Al、Sc、Y、T1、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 和 Mn。
32.权利要求30的方法，其中所述前体分子包含两个第2-7族或Al金属原子。
33.权利要求30的方法，其中氢以分子氢或等离子体活化的氢的形式提供。
34.权利要求30的方法，其中所述前体分子选自=((CH3)3Si)3Al.N(CH3) 2 (CH2CH3)、((CH3)2ArSD3Al.N (CH3)2 (CH2CH3)、((CH3)3SD3Al (奎宁环)、((CH3) 3Ge) 3A1 (奎宁环)、((C4H9) 3Si)2Mn、((C4H9)3SD2Mn.N(CH3)3' ((CH3) 3Ge) 2Mn (四甲基乙二胺)和((C4H9)3SD2Ti.N (CH3) 3。
35.权利要求30的方法，其中所述金属是Al、T1、Sc、Y、Zr或Hf，并且所述金属与至少三个官能团键合，所述官能团是-SiR1R2R^-GeR1R2R3或它们的组合，其中R1、!?2和R3是相同或不同的烷基，并选自:含杂原子和不含杂原子的烷基、芳基、环烷基、烯基、炔基、环状基团和多环基团，其中杂原子选自:卤素、O、N、S、P、Si和Ge。
36.一种计算装置，其包括: 主板； 安装在主板上的通讯芯片；和 安装在主板上的处理器，所述处理器包括: 纳米线晶体管装置，其包括:形成所述晶体管装置的沟道区的悬浮纳米线，布置在所述悬浮纳米线上的介电材料层，布置在所述介电材料层上的金属层，其中所述金属层包含.99.5-75.0原子％的第2-7族金属或Al，以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge，其中所述纳米线悬浮在栅极电极中，并且所述金属层形成所述栅极电极的一部分。
37.一种计算装置，其包括: 主板； 安装在主板上的通讯芯片；和 安装在主板上的处理器，所述处理器包括: 晶体管装置，其包括:具有上表面和一对侧向相对的侧壁的通道结构，布置在所述上表面和这对侧向相对的侧壁上的介电层，以及布置在所述上表面和这对侧向相对的侧壁上的介电层上的金属层，其中所述金属层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属或Al,以及Si或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge。
38.一种计算装置，其包括: 主板； 安装在主板上的通讯芯片；和 安装在所述主板上的处理器，所述处理器包括: 具有表面的基底， 布置在所述基底表面上的介电材料层， 形成在所述介电材料层中的沟槽或过孔，所述沟槽或过孔具有侧壁和底表面， 布置在所述侧壁和底表面上的势垒层，其中所述势垒层包含99.5-75.0原子％的第2-7族金属，以及Si 或Ge，Si或Ge的存在量是0.5-10.0原子％的Si或Ge，以及阱内的金属区，其中所述势垒层在所述金属区与介电材料层之间。
【文档编号】H01L21/336GK103843144SQ201180073845
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2011年9月29日 优先权日:2011年9月29日
【发明者】P·E·罗梅罗, S·B·克伦德宁 申请人:英特尔公司