具有钨栅电极的半导体器件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种可独立地控制NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压的半导体器件及其制造方法。所述方法包括以下步骤：在半导体衬底的NMOS区域和PMOS区域之上形成栅绝缘膜；在形成于NMOS区域和PMOS区域中的一个之上的栅绝缘膜之上形成含碳钨；在形成于PMOS区域或NMOS区域中的另一个之上的栅绝缘膜之上形成含碳氮化钨；在含碳钨和含碳氮化钨之上形成钨膜；将含碳钨和含碳氮化钨后退火；以及刻蚀钨膜、含碳钨和含碳氮化钨，以在NMOS区域和PMOS区域中形成栅电极。
【专利说明】具有钨栅电极的半导体器件及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年8月31日提交的韩国专利申请N0.10-2012-0096508的优先权,其全部内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明的示例性实施例涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种具有钨栅电极的半导体器件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]下一代CMOS电路的要求包括低电压、低功率、高性能、高密度和高可靠性，这些通过CMOS电路的微缩来实现。栅绝缘膜厚度的微缩导致各种问题，包括直接隧穿、栅电极杂质扩散、栅极的操作特性、可靠性和寿命下降等等。为了实现高电容，应减小栅绝缘膜的厚度，但是在此情况下，泄漏电流增加，从而造成与栅极的操作特性和可靠性相关的问题。
[0005]栅绝缘膜厚度的物理极限需要引入具有高介电(高k)特性的新材料。可物理地应用大厚度的高k栅绝缘膜能够取代氧化硅膜并且能够显著地减小泄漏电流，从而改善栅极的操作特性和可靠性。高k栅绝缘膜应具有比氧化硅膜更高的介电常数值、在高温热工艺中的热力稳定性，以及非晶相。
[0006]在引入高k栅绝缘膜时，难以使用N型多晶硅膜和P型多晶硅膜作为栅电极。这是因为掺杂多晶硅膜与沟道之间的杂质隧穿导致耗尽，因此电流减小并且界面电荷层中捕获的电荷增加，导致阈值电压不稳定增加。
[0007]因此，当使用金属膜作为栅电极时，可免除额外的掺杂以减少工艺的次数、可解决栅耗尽问题，并且通过引入具有极低电阻的金属膜而使高速操作变得可能。
[0008]然而，当将具有中间能隙功函数的金属应用于PMOS和NMOS时，应施加很高的阈值电压以导通每个晶体管，因此无法满足对低电压、高效率器件的要求。因此，为了将晶体管的阈值电压保持在低电平以使其高速操作成为可能，必须需要双金属栅电极结构。
【发明内容】
[0009]本发明的示例性实施例针对一种可独立地控制NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压的半导体器件及其制造方法。
[0010]根据一个示例性实施例，一种半导体器件可以包括:衬底，所述衬底包括NMOS区域和PMOS区域；第一栅电极，所述第一栅电极形成在NMOS区域或PMOS区域中的一个中，并且包括含有第一功函数控制材料的第一含钨膜；以及第二栅电极，所述第二栅电极形成在NMOS区域或PMOS区域中的另一个中，并且包括含有不同于第一功函数控制材料的第二含
鹤月旲。
[0011]根据一个示例性实施例，一种半导体器件可以包括:衬底，所述衬底包括NMOS区域和PMOS区域；第一栅电极，所述第一栅电极形成在NMOS区域或PMOS区域中的一个中，第一栅电极包括含碳钨膜和钨膜的层叠；以及第二栅电极，所述第二栅电极形成在NMOS区域或PMOS区域中的另一个中，所述第二栅电极包括含碳氮化钨膜和钨膜的层叠。
[0012]根据一个示例性实施例，一种制造半导体器件的方法可以包括以下步骤:在半导体衬底的NMOS区域和PMOS区域之上形成栅绝缘膜；在形成于NMOS区域或PMOS区域中的一个之上的栅绝缘膜之上形成第一含钨膜，所述第一含钨膜含有第一功函数控制材料；在形成于PMOS区域或NMOS区域中的另一个之上的栅绝缘膜之上形成第二含钨膜，所述第二含钨膜含有不同于第一功函数控制材料的第二功函数控制材料；将第一含钨膜和第二含钨膜后退火；以及刻蚀第一含钨膜和第二含钨膜，以在NMOS区域和PMOS区域中形成栅电极。
[0013]根据一个示例性实施例，一种制造半导体器件的方法可以包括以下步骤:在半导体衬底的NMOS区域和PMOS区域之上形成栅绝缘膜；在形成于NMOS区域或PMOS区域中的一个之上的栅绝缘膜之上形成含碳钨；在形成于PMOS区域或NMOS区域中的另一个之上的棚绝缘I吴之上形成含碳氣化鹤；在含碳鹤和含碳氣化鹤之上形成鹤I吴；将含碳鹤和含碳氣化鹤后退火；以及刻蚀鹤I吴、含碳鹤和含碳氣化鹤，以在NMOS区域和PMOS区域中形成棚电极。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是示出根据一个示例性实施例的栅结构的剖面图。
[0015]图2是示出根据一个示例性实施例的用于形成第一含钨栅电极的方法。
[0016]图3是示出根据一个示例性实施例的用于形成第二含钨栅电极的方法。
[0017]图4说明后退火之后的含钨膜(W/FFWC)的相变。
[0018]图5说明后退火之后的含碳无氟氮化钨(FFWNC)的相变。
[0019]图6说明W/FFWC在后加热处理之后的晶粒尺寸。
[0020]图7说明W/FFWC在示例性后退火之后的晶粒尺寸。
[0021]图8说明示例性含碳无氟钨(FFWC)的氟扩散阻挡层功能。
[0022]图9说明用于栅电极的各种材料的C-V特性。
[0023]图10示出用于栅电极的材料的电阻率之间的比较。
[0024]图1lA至图1lF示出根据一个示例性实施例的用于形成栅结构的方法的实例。
[0025]具体执行方式
[0026]下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用不同的方式执行，而不应解释为局限于本文所列的实施例。确切地说，提供这些实施例使得本说明书充分与完整，并向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在说明书中，相似的附图标记在本发明的不同附图和实施例中表示相似的部分。
[0027]附图并不一定按比例绘制，并且在某些情况下，为了清楚地示出实施例的特征可能对比例做夸大处理。当提及第一层在第二层“上”或在衬底“上”时，其不仅表示第一层直接形成在第二层上或衬底上的情况，还表示在第一层与第二层或衬底之间存在第三层的情况。
[0028]图1是示出根据一个示例性实施例的栅结构的剖面图。
[0029]参见图1，半导体衬底21具有第一区域NM0S、第二区域PM0S、以及用于第一区域NMOS与第二区域PMOS之间的隔离的器件隔离区域22。器件隔离区域22具有沟槽结构，并可通过浅沟槽隔离(STI)工艺来形成。在半导体衬底21上，由介电常数比一般氧化硅更高的高介电材料形成栅绝缘膜23。
[0030]在第一区域NMOS的栅绝缘膜23上，形成有第一含钨栅电极201。第一含钨栅电极201包括第一含钨膜图案24N和第三含钨膜图案27N。第一含钨膜图案24N含有功函数控制材料。功函数控制材料可以包括碳。第一含钨膜图案24N可以包括含碳钨(WhCx)。第一含钨膜图案24N可以形成为约20-30人的厚度。含碳钨具有约4.5eV或更小的低功函数。例如，约4.2eV至约-4.5eV。此低功函数是通过含碳钨的碳含量(x)获得的。为了控制碳含量(X)，可以使用含碳无氟钨源和氢等离子体处理。碳含量(X)可以是约10-15at% (原子百分比)。如以下所述的，碳含量(X)是执行退火之后的含量。
[0031 ] 在第二区域PMOS的栅绝缘膜23上，形成有第二含钨栅电极202。第二含钨栅电极202包括第二含钨膜图案26P和第三含钨膜图案27P。第二含钨膜图案26P可以含有功函数控制材料。功函数控制材料可以包括碳和氮。例如，第二含钨膜图案26P可以包括含碳和氮的钨(W \Cy)。含碳和氮的钨(W1^NxCy)可以是含碳氮化钨。第二含钨膜图案26P可形成为约20 30 A的厚度。含碳氮化钨具有约5.2eV或更小的低功函数。例如，约4.9eV至约5.2eV。此低功函数是通过含碳钨的碳含量(y)和氮含量(X)获得的。为了控制含碳氮化钨的碳含量(y)和氮含量(X)，可以使用含碳无氟钨源和NH3等离子体处理。碳含量(y)可以是约5-10at%。氮含量(X)可以是约20-30at%。如以下所述的，碳含量(y)和氮含量(X)是执行退火之后的含量。
[0032]第三含钨膜27N和27P含有钨(W)。第三含钨膜可以包括体钨膜，或钨成核膜与体钨膜的层叠。钨成核膜可形成为约10-20 A的厚度。为获得低电阻率，体钨膜可以具有α -钨(a -W)相。体钨膜具有具备体心立方结构(BCC)的α -钨(a -W)相。
[0033]在图1中，第一含钨膜图案24Ν和第二含钨膜图案26Ρ可作为扩散阻挡层。第一含钨膜图案24Ν可以包括含碳钨，第二含钨膜图案26Ρ可以包括含碳氮化钨。含碳钨可以包括含碳无氟钨(FFWC)。含碳氮化钨可以包括含碳无氟氮化钨(FFWNC)。
[0034]因此，第二含钨栅电极202可以由含碳无氟氮化钨(FFWNC)、钨成核膜和体钨膜的层叠(W/FFWNC)构成。此外，第二含钨栅电极202可以由含碳无氟氮化钨(FFWNC)和体钨膜构成。第一含钨栅电极201可以由含碳无氟钨(FFWC)、钨成核膜和体钨膜的层叠(W/FFWC)构成。此外，第一含钨栅电极201可以由含碳无氟钨(FFWC)和体钨膜构成。
[0035]如图1所示，NMOS区域包括第一含钨栅电极201，PMOS区域包括第二含钨栅电极202。第一含钨栅电极201包括具有适用于NMOS区域的功函数的第一含钨膜图案24Ν。第二含钨栅电极202包括具有适用于PMOS区域的功函数的第二含钨膜图案26Ρ。
[0036]因此，根据一个示例性实施例，可独立地控制NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压。
[0037]此外，根据一个示例性实施例，含钨栅电极由含碳无氟钨(FFWC)和含碳无氟氮化钨(FFWNC)形成，因此，它们与栅绝缘膜23的界面具有良好的特性。并且，因为没有使用多晶娃或氮化钛，所以可改善栅电极的多晶娃耗尽率(PDR)、费米能级钉扎(Ferm1-levelpinning)和电阻特性。因此,可形成能在高速下操作的晶体管。
[0038]图2示出根据本发明的一个实施例的用于形成第一含钨栅电极的方法。以下，第一含钨栅电极将称为含碳无氟钨(FFWC)、钨成核膜和体钨膜的层叠(W/FFWC)。[0039]参见图2，用于形成含钨膜(W/FFWC)的方法包括:在步骤SlOl中形成含碳无氟钨(FFffC);在步骤S102中形成钨成核膜；在步骤S103中形成体钨膜；以及在步骤S104中后退火。
[0040]在步骤SlOl中，形成含碳无氟钨(FFWC)。
[0041]可通过原子层沉积(ALD)形成含碳无氟钨(FFWC)。可使用金属有机钨源执行原子层沉积(ALD)。在原子层沉积(ALD)中，可通过执行包括在步骤Sll中引入无氟钨源、在步骤S12中执行净化操作(purging operation)、在步骤S13中引入反应物和在步骤S14中执行净化操作的单位循环，以及在步骤S15中数次地重复所述单位循环，来将含碳无氟钨(FFWC)沉积至期望厚度。可以在150至320° C的温度和250W的功率执行原子层沉积。
[0042]在步骤Sll中，将基于金属有机化合物的无氟钨源(FFWS)吸附至衬底上。衬底可以由任何适用于半导体工艺的材料(例如，硅)形成，并且在其上可以包括由介电材料或导电材料形成的层。如在此所使用的，术语“衬底表面”是指任何沉积有无氟钨源(FFWS)的衬底的表面，或形成在衬底上的材料的表面。例如，衬底表面可以包括硅、氧化硅、高介电材料、氮化硅、掺杂硅、金属、金属氮化物或其它导电材料。
[0043]在本发明的本实施例中使用的无氟钨源(FFWS)可以是金属有机钨源。无氟钨源(FFWS)可以包括不含氟的金属有机钨源。无氟钨源(FFWS)可以包括含钨和碳的化合物。此外，无氟钨源(FFWS)可以包括含钨、碳和氮的化合物。无氟钨源(FFWS)的实例可以包括例如C8H7NO3W (二羰基(η 5-甲基-环戊二烯基)亚硝酰钨)或C12H3tlN4W (双(t- 丁基亚胺基)双(二甲基胺基)钨)。使用无氟钨源(FFWS)沉积的含碳无氟钨(FFWC)可以借助于其碳含量而具有减小的电阻率，并且可起到阻挡层的作用。因此，可控制无氟钨源(FFWS)的流速，使得含碳无氟钨(FFWC)的碳含量为约40at% (原子百分比)或更少。
[0044]在步骤S12中，执行净化操作，以便去除未吸附的无氟钨源。净化操作可在存在诸如氩的惰性气体的情况下执行。
[0045]通过使反应物与吸附的无氟钨源(FFWS)反应来执行引入反应物的步骤S13，从而以原子层单位沉积含碳无氟钨(FFWC)。在此，反应物可以包括还原剂或还原气体。反应物可以包括含氢材料。引入反应物的步骤S13可以包括利用等离子体来处理含氢材料。引入反应物的步骤(S13)可以包括氢(H2)等离子体处理。当执行此氢等离子体处理时，通过无氟钨源与氢的反应来沉积含碳无氟钨(FFWC)。可将通过氢等离子体处理沉积的含碳无氟钨(FFffC)的碳含量控制为约40at%或更少。为了控制碳含量，可控制氢等离子体处理的条件(例如，约250W的功率)。在执行氢等离子体处理时，还可去除含碳无氟钨(FFWC)中包含的杂质。
[0046]在步骤S14中，执行净化操作以去除任何未反应的反应物或反应副产物。净化的步骤可以在存在诸如氩的惰性气体的情况下执行。
[0047]可以通过在步骤S15中重复包括在步骤Sll中引入无氟钨源、在步骤S12中执行净化操作、在步骤S13中引入反应物和在步骤S14中执行净化操作的单位循环，并且根据实现期望厚度所需的次数来重复所述单元循环，而将含碳无氟钨(FFWC)形成至期望厚度。
[0048]含碳无氟钨(FFWC)可以形成为约20-30 A的厚度。因为使用了原子层沉积，所以膜具有良好的台阶覆盖。含碳无氟钨(FFWC)的碳含量可以是约25-35at%。基于无氟钨源的流速和氢等离子体处理来获得此碳含量。[0049]含碳无氟钨(FFWC)是使用不含氟的金属有机钨源形成的。因此，FFWC膜不含氟，因此不使下层衬底的表面恶化。并且，FFWC膜中的碳含量可通过氢等离子体处理来控制。特别地，因为FFWC膜的碳含量控制为约40at%或更少，所以FFWC膜具有减小的电阻率并且可以起到扩散阻挡层的作用。
[0050]在步骤S102中，在含碳无氟钨(FFWC)上形成钨成核膜。可通过原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)来形成钨成核膜。当使用原子层沉积时，可在与形成含碳无氟钨(FFWC)相同的反应室中执行原子层沉积。可使用六氟化钨(WF6)作为钨源以及乙硼烷(B2H6)作为吸收气体(soaking gas)来形成钨成核膜。在净化之后，可以通过引入六氟化钨(WF6)和乙硼烷(B2H6)中的每个例如约5-6次来形成钨成核膜。因为使用乙硼烷(B2H6)作为吸收气休，所以钨成核膜具有非晶相。因此，钨成核膜具有大晶粒和低电阻率。钨成核膜形成为约20 A或更小的小厚度。乙硼烷(B2H6)的流速为约300SCCm或更大，工艺温度为约350° C或更小。因为钨成核膜具有非晶相，所以体钨膜(在后续工艺中形成)可具有大的晶粒尺寸。钨成核膜是作为用于体钨膜的生长的场所的薄钨层。
[0051]在步骤S103中，在钨成核膜上形成体钨膜。可使用六氟化钨(WF6)和氢(H2)来形成体钨膜。当与体钨膜的电阻率比较时，钨成核膜的电阻率非常高。因此，为了获得低电阻率，如果可能，则优选的是省略钨成核膜。然而，如果直接在含碳无氟钨上沉积体钨膜，则将会减小其薄层电阻均匀性。出于此原因，尽可能薄地形成钨成核膜。可在约400° C或更高的工艺温度沉积体钨膜，以便具有具备低电阻率的体心立方结构的0-钨(0-胃)相。可通过化学气相沉积或原子层沉积来形成体钨膜。
[0052]因此，可形成具有包括含碳无氟钨(FFWC)、钨成核膜和体钨膜的层叠的含钨膜。因为含碳无氟钨(FFWC)是扩散阻挡层并且钨成核膜和体钨膜是电极，所以含钨膜可以被认为是“W/FFWC”的层叠。含碳无氟钨(FFWC)不含氟，钨成核膜和体钨膜不含氟或可含有非常少量的氟。即使钨成核膜和体钨膜含有非常少量的氟，也可防止氟扩散至衬底，因为含碳无氟钨(FFWC)起到扩散阻挡层的作用。
[0053]也可使用诸如C8H7NO3W或C12H3tlN4W的无氟钨源来形成钨成核膜和体钨膜。然而，就电阻率而言使用无氟钨源是不利的，因为所得膜含有碳。
[0054]在步骤S104，在形成了包括含碳无氟钨(FFWC)、钨成核膜和体钨膜的含钨膜之后，执行后退火以便减小膜的电阻率。后退火可以包括快速热处理(RTP)。可执行后退火约I小时。可在氮(N2)气氛中执行后退火，以便防止含钨膜(W/FFWC)的氧化。可在约800° C的温度执行后退火。
[0055]在执行后退火时，利用热能来增加含钨膜(W/FFWC)的晶粒尺寸。含钨膜经历相变，以便具有低配位数。并且，其碳浓度和电阻率减小。因此，通过后退火的步骤(S104)将含钨膜的W2C相和β -钨(β -W)相的极小晶粒改变成α -钨(a -W)相的极大晶粒。
[0056]例如，含钨膜(W/FFWC)的碳浓度减小至约20at%或更小。例如，通过后退火，减小至约10-15at%。膜的晶粒尺寸增加约10倍或更多。结果，经历了后退火的含钨膜(W/FFWC)具有减小的碳浓度和增加的晶粒尺寸，因此，相比于后退火之前，其电阻率减小约80%或更多。
[0057]图3示出根据一个示例性实施例的用于形成第二含钨栅电极的方法。以下，第二含钨栅电极将称为由含碳无氟氮化钨(FFWNC)、钨成核膜和体钨膜的层叠构成的含钨膜(W/FFWNC)。
[0058]参见图3，用于形成含钨膜(W/FFWNC)的方法包括:在步骤S201中形成含碳无氟氮化钨(FFWNC);在步骤S202中形成钨成核膜；在步骤S203中形成体钨膜；以及在步骤S204中执行后退火。
[0059]在步骤S201中，可通过原子层沉积(ALD)来形成含碳无氟氮化钨(FFWNC)。可使用金属有机钨源来执行原子层沉积(ALD)。在原子层沉积(ALD)中，可通过执行包括在步骤S21中引入无氟钨源、在步骤S22中执行净化操作、在步骤S23中引入反应物和在步骤S24中执行净化操作的单位循环，以及在步骤S25中数次地重复单位循环，来将含碳无氟氮化钨(FFWNC)沉积至期望厚度。可以在约150至320° C的温度和约250W的功率执行原子层沉积。
[0060]在步骤S21中，将基于金属有机化合物的无氟钨源(FFWS)吸附至衬底上。在此，衬底可以由任何适用于半导体工艺的材料(例如，硅)形成，并且在其上可以包括由介电材料或导电材料形成的层。如在此所使用的，术语“衬底表面”是指任何沉积有含碳无氟氮化钨(FFWNC)的衬底的表面，或形成在衬底上的材料的表面。例如，衬底表面可以包括硅、氧化硅、高介电材料、氮化硅、掺杂硅、金属、金属氮化物或其它导电材料。
[0061]在一个示例性实施例中使用的无氟钨源(FFWS)可以是金属有机钨源。无氟钨源(FFWS)可以包括不含氟的金属有机钨源。无氟钨源(FFWS)可以包括含钨和碳的化合物。此外，无氟钨源(FFWS)可以包括含钨、碳和氮的化合物。无氟钨源(FFWS)的实例可以包括例如C8H7NO3W或C12H3(iN4W。使用无氟钨源(FFWS)沉积的含碳无氟氮化钨(FFWNC)可借助于其碳含量而具有减小的电阻率，并可起到阻挡层的作用。因此，可以控制无氟钨源(FFWS)的流速，使得含碳无氟氮化钨(FFWNC)的碳含量为约40at% (原子百分比)或更少。
[0062]在步骤S22中，执行净化操作以便去除未吸附的无氟钨源。净化的步骤可在存在诸如氩的惰性气体的情况下执行。
[0063]通过使反应物与吸附的无氟钨源(FFWS)反应来执行引入反应物的步骤S23，从而以原子层单位沉积含碳无氟氮化钨(FFWNC)。在此，反应物可以包括还原剂或还原气体。反应物可以包括含氢材料。在步骤S23中，引入反应物可以包括利用等离子体来处理含氢材料。在步骤S23中，反应物的引入可以包括NH3等离子体处理。在执行此NH3等离子体处理时，沉积含碳无氟氮化钨(FFWNC)。可控制含碳无氟氮化钨(FFWNC)的碳含量和氮含量。为了控制碳含量和氮含量，可以控制NH3等离子体处理的条件(例如，约250W的功率)。在执行NH3等离子体处理时，还可去除含碳无氟氮化钨(FFWNC)中包含的任何杂质。结果，可通过控制NH3等离子体处理的条件来控制膜的功函数。
[0064]在步骤S24中，执行净化操作以去除任何未反应的反应物或反应副产物。净化的步骤可以在存在诸如氩的惰性气体的情况下执行。
[0065]可以通过在步骤(S25)中根据实现期望厚度所需的次数来重复包括弓I入无氟钨源的步骤(S21)、净化的步骤(S22 )、引入反应物的步骤(S23 )和净化的步骤(S24 )的单位循环，来将含碳无氟氮化钨(FFWNC)形成至期望厚度。含碳无氟氮化钨(FFWNC)可以形成为约20-30 A的厚度。因为使用了原子层沉积，所以膜具有良好的台阶覆盖。
[0066]使用不含氟的金属有机钨源来形成含碳无氟氮化钨(FFWNC)。因此，FFWNC膜不含氟，并且不会使下层衬底的表面恶化。此外，可以通过NH3等离子体处理来控制FFWNC膜中的碳含量。特别地，因为FFWNC膜的碳含量控制为约40at%或更少，所以FFWNC膜具有减小的电阻率，并且起到扩散阻挡层的作用。
[0067]在步骤S202中，在含碳无氟氮化钨(FFWNC)上形成钨成核膜。可通过原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)来形成钨成核膜。当使用原子层沉积时，可在与形成含碳无氟氮化钨(FFffNC)相同的反应室中执行原子层沉积。
[0068]可以使用六氟化钨(WF6)作为钨源以及乙硼烷(B2H6)作为吸收气体来形成钨成核膜。在净化之后，可通过引入六氟化钨(WF6)和乙硼烷(B2H6)中的每个例如约5-6次来形成钨成核膜。因为使用乙硼烷(B2H6)作为吸收气体，所以钨成核膜具有非晶相。因此，钨成核膜具有大晶粒和低电阻率。钨成核膜形成为约20 A或更小的小厚度。乙硼烷(B2H6)的流速为约300sCCm或更大，工艺温度为约350° C或更低。因为钨成核膜具有非晶相，所以在后续工艺中形成的体钨膜可具有大的晶粒尺寸。钨成核膜是作为用于体钨膜的生长的场所的薄鹤层。
[0069]在步骤S203中，在钨成核膜上形成体钨膜。可使用六氟化钨(WF6)和氢(H2)来形成体钨膜。当与体钨膜的电阻率比较时，钨成核膜的电阻率非常高。因此，为了获得低电阻率，如果可能，则优选的省略钨成核膜。然而，如果直接在含碳无氟氮化钨上沉积体钨膜，则将会减小其薄层电阻均匀性。出于此原因，尽可能薄地形成钨成核膜。可在约400° C或更高的工艺温度沉积体钨膜，以便具有具备低电阻率的体心立方结构的0-钨(0-胃)相。可以通过化学气相沉积或原子层沉积来形成体钨膜。
[0070]因此，可形成具有包括含碳无氟氮化钨(FFWNC)、钨成核膜和体钨膜的层叠的含钨膜。因为含碳无氟氮化钨(FFWNC)是扩散阻挡层并且钨成核膜和体钨膜是电极，所以含钨膜可以被认为是“W/FFWNC”的层叠。含碳无氟氮化钨(FFWNC)不含氟，钨成核膜和体钨膜不含氟或可以含有非常少量的氟。即使钨成核膜和体钨膜含有非常少量的氟，也可防止氟扩散至衬底，因为含碳无氟氮化钨(FFWNC)起到扩散阻挡层的作用。
[0071]也可以使用诸如C8H7NO3W或C12H3tlN4W的无氟钨源来形成钨成核膜和体钨膜。然而，就电阻率而言使用无氟钨源是不利的，因为膜含有碳。
[0072]在步骤S204中，在形成了包括含碳无氟氮化钨(FFWNC)、钨成核膜和体钨膜的含钨膜(W/FFWNC)之后，执行后退火以便减小膜的电阻率。后退火可以包括快速热处理(RTP)0可执行后退火约I小时。可在氮(N2)气氛中执行后退火，以便防止含钨膜(W/FFWNC)的氧化。可在约800° C的温度下执行后退火。
[0073]在执行后退火时，利用热能来增加含钨膜(W/FFWNC)的晶粒尺寸。含钨膜经历相变，以便具有低配位数。并且，其碳浓度和电阻率减小。因此，通过后退火将含钨膜的晶粒改变成具有α -钨(a -W)相的极大晶粒。
[0074]例如，将含钨膜(W/FFWNC)的碳浓度减小至约10at%*更小。例如，通过后退火，减小至约5-10at%。含钨膜(W/FFWNC)的氮含量为约20_30at%。膜的晶粒尺寸增加约10倍或更多。结果，经历后退火的含钨膜(W/FFWNC)具有减小的碳浓度和增加的晶粒尺寸。因此，相比于后退火之前，其电阻率减小约80%或更多。
[0075]下面表I示出含钨膜(W/FFWC和W/FFWNC)的电阻率。在含钨膜(W/FFWC和W/FFffNC )中，FFWC和FFWNC中的每个具有20 A的厚度，W具有40 A的厚度。
[0076][表 I][0077]
【权利要求】
1.一种半导体器件，包括: 衬底，所述衬底包括NMOS区域和PMOS区域； 第一栅电极，所述第一栅电极形成在所述NMOS区域中，并且包括含有第一功函数控制材料的第一含钨膜；以及 第二栅电极，所述第二栅电极形成在所述PMOS区域中，并且包括含有第二功函数控制材料的第二含钨膜。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一功函数控制材料包括碳。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二功函数控制材料包括碳和氮。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一含钨膜包括含碳无氟钨。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二含钨膜包括含碳无氟氮化钨。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一栅电极具有原子百分比为约10-15%的碳含量。
7.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第二栅电极具有原子百分比为约5-10%的碳含量和原子百分比为约20-30%的氮含量。
8.如权利要求1所述的半导体器件 ，还包括: 体钨膜，所述体钨膜形成在所述第一含钨膜和所述第二含钨膜中的每个之上。
9.如权利要求1所述的半导体器件，还包括: 钨成核膜和体钨膜，所述钨成核膜和所述体钨膜形成在所述第一含钨膜和所述第二含钨膜中的每个之上。
10.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一栅电极和所述第二栅电极具有选自平面栅结构、凹陷栅结构和掩埋栅结构之中的任何一种结构。
11.一种半导体器件，包括: 衬底，所述衬底包括NMOS区域和PMOS区域； 第一栅电极，所述第一栅电极形成在所述NMOS区域中，其中所述第一栅电极包括含碳鹤月旲和鹤I旲的层置；以及 第二栅电极，所述第二栅电极形成在所述PMOS区域中，其中所述第二栅电极包括含碳氮化钨膜和钨膜的层叠。
12.如权利要求11所述的半导体器件，其中，所述钨膜包括钨成核膜和体钨膜的层叠。
13.如权利要求12所述的半导体器件，其中，所述体钨膜是α-钨相体钨膜。
14.如权利要求11所述的半导体器件，其中，所述第一栅电极具有原子百分比为约10-15%的碳含量，所述含碳钨包括含碳无氟钨。
15.如权利要求11所述的半导体器件，其中，所述第二栅电极具有原子百分比为约5-10%的碳含量和原子百分比为约20-30%的氮含量，所述含碳氮化钨包括含碳无氟氮化钨。
16.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括以下步骤: 在包括NMOS区域和PMOS区域的半导体衬底的整个表面之上形成栅绝缘膜； 在形成于所述NMOS区域之上的栅绝缘膜之上形成第一含钨膜，所述第一含钨膜含有第一功函数控制材料； 在形成于所述PMOS区域之上的栅绝缘膜之上形成第二含钨膜，所述第二含钨膜含有第二功函数控制材料； 将所述半导体衬底后退火，在所述半导体衬底上形成有所述第一含钨膜和所述第二含鹤月旲;以及 刻蚀所述第一含钨膜和所述第二含钨膜，以在所述NMOS区域和所述PMOS区域中形成栅电极。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一功函数控制材料包括碳。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述第二功函数控制材料包括碳和氮。
19.如权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一含钨膜和所述第二含钨膜的步骤包括以下步骤: 使用含碳无氟钨源来执行原子层沉积。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一含钨膜包括含碳无氟钨，并且其中，形成所述第一含钨膜还包括以下步骤: 利用含氢材料来等离子体处理所述第一含钨膜，以控制所述第一含钨膜的碳含量。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二含钨膜包括含碳无氟氮化钨，并且其中，形成所述第二含钨膜还包括以下步骤: 利用含氮材料来等离子体处理所述第二含钨膜，以控制所述第二含钨膜的碳含量和氮含量。
22.如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤: 在所述第一含钨膜和所述第二含钨膜之上形成第三含钨膜。
23.如权利要求22所述的方法，其中，形成所述第三含钨膜包括以下步骤: 在所述第一含钨膜和所述第二含钨膜之上形成钨成核膜；以及 在所述钨成核膜之上形成体钨膜。
24.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括以下步骤: 在半导体衬底的NMOS区域和PMOS区域之上形成栅绝缘膜； 在形成于所述NMOS区域之上的栅绝缘膜之上形成含碳钨； 在形成于所述PMOS区域之上的栅绝缘膜之上形成含碳氮化钨； 在所述含碳鹤和所述含碳氣化鹤之上形成鹤月吴; 将所述含碳钨和所述含碳氮化钨后退火；以及 刻蚀所述钨膜、所述含碳钨和所述含碳氮化钨，以在所述NMOS区域和所述PMOS区域中形成栅电极。
25.如权利要求24所述的方法，其中，控制所述含碳钨的碳含量，使得第一栅电极的碳含量具有约为10-15%的原子百分比。
26.如权利要求24所述的方法，还包括以下步骤: 控制所述含碳氮化钨的碳含量和氮含量，使得第二栅电极的碳含量和氮含量分别具有约为5-10%的原子百分比和约为20-30%的原子百分比。
【文档编号】H01L27/092GK103681671SQ201310124593
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】姜东均 申请人:爱思开海力士有限公司