使用具有金属类前驱物的cvd与ald工艺的nmos金属栅极材料、制造方法以及设备的制造方法
【专利说明】使用具有金属类前驱物的CVD与ALD工艺的NMOS金属栅极 材料、制造方法从及设备
[0001] 本申请为申请号201180026521. 9、进入国家阶段日2012年11月28日、发明名称 为"使用具有金属类前驱物的CVD与ALD工艺的NMOS金属栅极材料、制造方法W及设备"的 发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明的实施例大体关于电子器件工艺，且更特别地，有关用于含金属材料和含 金属材料组成物的气相沉积工艺。
【背景技术】
[0003] 电子器件产业和半导体产业不断致力于获得更高生产良率，同时提高大面积基板 上的沉积层均匀性。运些要素加上新材料还提供基板每单位面积有更多电路集成。随着电 路集成性提升，对良好均匀性和层特性相关的工艺控制的要求也随之增加。
[0004] 几个持续改善的制造领域包括金属栅极电极形成及接触阻障层沉积。栅极电极通 常由娃基材料组成，但更常W如鹤或钻等金属材料制作。然而用于栅极电极的材料电性仍 不尽理想。粗材料已用于半导体结构，例如阻障层，然尽管粗材料有多样电性，却鲜少用于 形成金属栅极电极。
[0005] 由瓣射粗与反应瓣射氮化粗形成的栅极材料层已证实有适合的电性。示例性质包 括高传导率、高热稳定性及对外来原子扩散的抗性。物理气相沉积（PVD)工艺用来沉积粗 材料做为栅极电极、或沉积至小尺寸（如约90纳米（nm)宽）与约5 :1的高深宽比的特征 结构中。
[0006] 相较于只沉积底部的传统方式，形成半导体结构的技术发展现需在底部与侧壁上 共形沉积功函数材料到高介电常数化）介电材料上和共形沉积栅极电极到功函数材料上， 是W PVD和许多化学气相沉积（CVD)工艺无法产生预期结果。另外，公认PVD工艺在尺寸 与深宽比方面已达极限。又，使用PVD工艺时，粗材料组成物的变化非常有限。
[0007] 已尝试使用化学气相沉积（CVD)或原子层沉积（ALD)工艺的传统粗前驱物来沉积 粗材料。多种CVD和ALD工艺预计将用于下一代技术W制造深宽比约10 :1或W上的45皿 宽特征结构。又，ALD工艺比PVD工艺更易将粗材料沉积至含底切的特征结构上。W使用 五氯化粗（TaCls)做为前驱物的CVD或ALD工艺形成含粗膜需要多达S次使用各种自由基 类化学品（如原子氨或原子氮）的处理循环来形成粗材料。使用化Cle的工艺也受粗材料 的氯污染物所苦。虽然粗金属有机前驱物可用于形成不含氯污染物的粗材料，但沉积材料 仍有高碳含量的不良特性。其它沉积做为金属栅极电极的金属材料也遭遇到类似粗沉积的 困难。
[0008] 因此，需要沉积含金属材料至基板上做为例如金属栅极电极和阻障层的工艺。
【发明内容】
[0009] 本发明的实施例大致提供沉积含金属材料至基板上的方法。含金属材料包括含 粗、给、铁和铜的材料，所述金属材料可进一步渗杂氮、碳、娃及/或侣。沉积工艺包括热分 解工艺、化学气相沉积（CVD)工艺、脉冲式CVD工艺、原子层沉积（ALD)工艺、和诸如阳CVD 与阳-ALD的等离子增强（P巧工艺。
[0010] 在一实施例中，处理基板的方法包括沉积介电常数大于10的介电材料、于介电材 料内形成特征结构定界、共形沉积功函数材料至特征结构定界的侧壁和底部上、W及沉积 金属栅极填充材料至功函数材料上，W填充特征结构定界，其中功函数材料通过使化学式 为MXy的至少一金属面化物前驱物反应而沉积，其中M为粗、给、铁和铜，X为选自由氣、氯、 漠或舰所组成的组的面化物，y为3至5。
【附图说明】
[0011] 为让本发明的上述概要特征更明显易懂，可配合参考实施例说明上文简要概述的 本发明的具体描述，部分实施例图示在附图。然须注意，附图仅说明本发明典型实施例，故 并非用W限定本发明的精神与范围，因为本发明可接纳其它等效实施例。
[0012] 图1显示根据本文所述实施例的沉积金属碳化物材料的方法流程图；
[0013] 图2A至2B绘示根据本文所述实施例的基板的截面图，该基板含有金属碳化物材 料做为栅极电极；
[0014] 图3A绘示根据本文所述其它实施例的另一基板的截面图，该基板含有金属碳化 物做为阻障层；
[0015] 图3B绘示根据本文所述实施例的基板的截面图，该基板含有金属碳化物材料做 为共形栅极电极；W及
[0016] 图4为根据本发明一实施例的CMOS结构的示意图，该CMOS结构具有NMOS和PMOS 部分。
【具体实施方式】
[0017] 本发明的实施例提供沉积含金属材料至基板上，所述含金属材料例如是金属、金 属碳化物（M。)、金属娃化物（MSiJ、金属碳娃化物（MCySiy)、金属碳氮化物（MCyNy)或金属 棚化物（MBJ。含金属材料可做为栅极电极结构的功函数金属和选择性的金属栅极填充材 料。特别地，金属、金属碳化物、金属碳娃化物和金属棚化物材料可做为金属栅极电极结构 的NMOS材料。金属碳氮化物材料可做为栅极电极结构的PMOS材料。通常，诸如金属碳氮 化物的含氮材料为PMOS结构、而非NMOS结构所需。
[0018] 在一实施例中，所述含金属材料可用于金属栅极结构。例如，图3B绘示具有含金 属栅极电极350的半导体结构，含金属栅极电极350含有W本文所述方法沉积的金属、金属 碳化物或金属碳娃化物材料，图3B的半导体结构可用于逻辑应用。
[0019] 初始特征结构定界355形成在已先沉积于基板上的高k介电材料360 (即介电常 数大于10)中。适合的高k介电材料包括介电常数大于25或W上的介电材料。可用的高 k介电材料360包括一或多种氧化物材料。适合的氧化物材料实例包括氧化给、娃酸给、氮 氧化娃给、上述的侣酸盐、或上述的衍生物、或上述的组合物。其它氧化物材料包括氧化铜、 娃酸铜、氧化错、娃酸错或上述的组合物。一或多种氧化物材料各自还可渗杂选自由错、铜、 姉、铁或上述的组合物所组成的组的材料。
[0020] 功函数材料层370接着共形沉积于高k介电材料360内的特征结构定界中。金属 栅极填充材料380接着形成在功函数材料层370上，并填充特征结构定界355。
[0021] 功函数是测量单位为电子伏特（eV)的材料性质，代表电子从固体迁移到固体表 面外某一点所需的能量、或电子从费米能级迁移到真空所需的能量。实际上，功函数值是将 金属电子从金属移到高k材料所需的能量。公认该值近似理想功函数，且有时可能因沉积 于介电材料上的金属结构而有所不同。就金属而言，功函数为常数；就半导体材料而言，添 加如棚或憐等其它材料（通常视为渗杂材料）可改变功函数。不同预定功函数的材料用于 金属栅极电极结构时，可改变晶体管的阔值电压。 阳022] 本文所述功函数材料为具功函数材料性质并构成晶体管结构中栅极电极的预定 性质（如电性）的材料。功函数材料可沉积在高k介电材料上或附近，W提供功函数材料性 质对晶体管的金属栅极电极结构造成最大影响。所需功函数取决于高k材料、和源极、漏极 与栅极的渗杂类型与渗杂量。故功函数金属组成可加W改变而达预期量。N型金属平面栅 极结构的功函数通常应等于或小于4. 3eV，非平面栅极结构（如罐状场效晶体管（FinFET) 栅极结构）则可接受较多渗杂，是W功函数为等于或小于4. 4eV。特定电路设计的功函数取 决于容许渗杂量。功函数材料层370可包含本文所述的含金属层，且可W本文所述的工艺 沉积。
[0023] 功函数材料可为本文所述的金属、金属碳化物、金属娃化物、金属碳娃化物、金属 碳氮化物或金属棚化物材料，并可W本文所述的工艺沉积。此外，金属、金属碳化物、金属娃 化物、金属碳娃化物、金属碳氮化物或金属棚化物材料可含有其它导电材料，例如侣。适合 的功函数材料包括选自由粗、给、铁、铜、碳化粗、碳化给、碳化铁、碳化铜、娃化给、娃化粗、 娃化铁、娃化铜、碳娃化粗、碳娃化给、碳娃化铁、碳娃化铜、碳化侣给、碳化侣粗、碳化侣铜、 碳氮化粗、氮化侣粗、棚化铜、棚化给或上述的组合物所组成的组的材料。此外，功函数材料 的沉积厚度例如可为约20埃（A )或W上，例如约20埃至约80埃，例如约30埃。
[0024] 如图3B所示，金属栅极填充材料用于完成栅极电极350。视栅极电极350所需的 各个传导率而定，功函数材料层370和金属栅极填充材料380可为相同或不同材料。若所 用金属栅极填充材料不同于功函数材料，则金属栅极填充材料可包括导电材料，例如金属 或金属合金。做为金属栅极填充材料的金属或金属合金实例包括由鹤、侣、铜、钻和上述的 组合物、W及鹤、侣、铜、钻和上述的组合物的合金所组成的组的材料。
[0025] 若所用金属栅极填充材料与功函数材料相同或实质相同，则金属栅极填充材料 380可包含本文所述的金属、金属碳化物、金属碳娃化物、金属娃化物、金属棚化物或金属碳 氮化物材料，且可W本文所述的工艺沉积。或者，功函数材料层370和金属栅极填充材料 380可为不同材料，两者皆选自本文所述的金属、金属碳化物、金属碳娃化物或金属碳氮化 物材料。例如，高介电常数材料可为氧化给，功函数材料层370可为碳化给，栅极填充材料 可为碳化粗。栅极填充材料的电阻率应等于或小于功函数材料层的电阻率。诸如金属碳氮 化物的含氮材料为PMOS结构、而非NMOS结构所需，或可用于栅极电极350。
[00%] 视情况而定，可在沉积金属栅极填充材料380前，沉积润湿层。润湿层可为选自由 钻、粗、铁和上述的组合物所组成的组的金属材料。或者，可在形成功函数材料层前或后，沉 积阻障层，阻障层可配合润湿层使用或当作润湿层。阻障层可包含任何适合填充材料的阻 障层，即鹤、铜和侣，且可为选自由氮化粗、氮化铁、氮化鹤和上述的组合物所组成的组的含 金属材料。功函数层370前沉积的阻障层365 W虚线表示。功函数层370后、金属栅极填 充材料380前沉积的阻障层及/或润湿层375 W虚线表示。阻障层及/或润湿层各自的沉 积厚度可为50埃或W下，例如约1埃至约20埃。
[0027] 上述工艺可用于形成互补式金氧半导体（CM0巧结构，且特别用于形成CMOS结构 的N型渗杂部分（NM0巧或CMOS结构的P型渗杂部分（PM0巧的栅极电极或金属栅极电极 层，所述NMOS和PMOS设及沉积高k层、覆盖层和金属栅极电极层，其中所有层可在同一处 理腔室内沉积。
[0028] 含金属材料可利用各种沉积技术沉积，例如热分解、化学气相沉积（CVD)、脉冲式 化学气相沉积（CVD)、等离子增强化学气相沉积（PE-CVD)、远端等离子增强化学气相沉积 (PE-CVD)、原子层沉积（ALD)、等离子增强原子层沉积（阳-ALD)或上述的组合方式。虽然 图1和对应说明是针对沉积工艺实施例的流程图，但此无意理解或解释成限制本发明所述 态样。
[0029] 图1绘示处理方法100的流程图，方法100可用于形成含金属层。含金属层例如为 金属、金属碳化物材料、金属娃化物材料、金属碳娃化物材料或金属碳氮化物材料。在工艺 102期间，于处理腔室中，加热基板达初始沉积溫度。基板可经加热达约100°C至约600°C， 较佳约l〇〇°C至约500°C，更佳约150°C至约500°C。适合使用本文所述的金属面化物前驱 物沉积的溫度可为l〇〇°C至约450°C，例如约150°C至约425°C。
[0030] 一重要的前驱物特性为具有适合的蒸汽压。沉积前驱物在周围溫度和压力下可呈 气态、液态或固态。然在处理腔室内，前驱物可挥发成气体。处理腔室具有受控环境，该环 境经加压成约1毫托耳至约100托耳，较佳约1托耳至约10托耳，更佳约2托耳至约5托 耳。前驱物在输送到处理腔室前通常会先加热，例如达约室溫至约200°C。
[0031] 在工艺104中，基板随后接触具初始流率的含金属面化物前驱物气体。含金属材 料可利用具化学式MXy的至少一（一或多种）金属面化物前驱物的反应