專利名稱：在乏硅環(huán)境下使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制程的金屬柵極的氮氧間隔體的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置的制造方法，尤其關(guān)于半導(dǎo)體裝置的金屬柵極上的介電層的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體裝置變得越來(lái)越復(fù)雜，在裝置上也需要越來(lái)越多數(shù)量的晶體管。此外，在提高裝置速度的同時(shí)，必須降低其功耗。為解決這些問(wèn)題，每個(gè)晶體管所占據(jù)的區(qū)域已被大幅地縮小。然而，它可能會(huì)對(duì)一個(gè)以上的其它需求有不利的影響。舉例而言，當(dāng)晶體管尺寸被縮小時(shí)，柵極結(jié)構(gòu)也會(huì)被縮小，而引起柵極電阻的提高。因而，功率消耗量會(huì)增加，而裝置的速度可能會(huì)被降低。
過(guò)去已做了許多努力以降低柵極結(jié)構(gòu)的表面電阻率(sheetresistivity)。例如，在一段時(shí)期，曾對(duì)多晶硅摻雜更多的n型或p型摻雜物。在另一段時(shí)期，則通過(guò)多晶硅和鎢或鈦間的反應(yīng)，在柵極的上部形成硅化物。在后來(lái)，則使用硅化鈷以降低尺寸越來(lái)越小的結(jié)構(gòu)的電阻率。而目前，則引進(jìn)金屬柵極電極，并將它用在許多應(yīng)用上。
金屬柵極電極可提供實(shí)質(zhì)上和柵極寬度無(wú)關(guān)的較低的表面電阻率。然而，許多金屬柵極材料在能夠應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程流程中之前，需先克服一些問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是，許多金屬在鄰接硅時(shí)并不安定，而硅正是通常用以形成柵極介電層的物質(zhì)，亦即，如二氧化硅或氮氧化硅。相對(duì)于二氧化硅而言，氮氧化硅可形成防止金屬原子遷移的更好的阻障，因此可用作金屬柵極電極上形成的介電質(zhì)間隔體(spacer)或襯套(liner)。
由于許多金屬在其各自的金屬硅化物(由金屬和硅間的反應(yīng)所形成)的形式下，會(huì)具有較低的導(dǎo)電性，因此如果在形成氮氧化硅間隔體后導(dǎo)致金屬硅化物的形成，金屬作為柵極材料的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)消失或被抵銷。由于金屬柵極電極的尺寸越來(lái)越小，如果金屬柵極電極的任何部分轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電性較差的金屬硅化物，則金屬柵極電極作為導(dǎo)體的效果便會(huì)降低。
因而，需要一種方法，其可在金屬柵極電極上形成氮氧化硅介電層，同時(shí)在金屬柵極電極和氮氧化硅介電層之間，不會(huì)或?qū)嵸|(zhì)上不會(huì)形成硅化物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種包含金屬柵極電極的半導(dǎo)體裝置的制程，其包括提供一半導(dǎo)體基板；在該半導(dǎo)體基板上形成一金屬柵極電極；用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD，plasma-enhanced chemical vapordeposition)在金屬柵極電極的表面上，形成一氮氧化硅間隔體，其中該氮氧化硅間隔體在初始為乏硅條件下形成。在該乏硅條件中，供應(yīng)給PECVD設(shè)備的至少一種含硅材料的供應(yīng)量，根據(jù)至少一其它反應(yīng)物的供應(yīng)量而相應(yīng)減少，藉此，在金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體間的界面上，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有硅化物形成。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種包含金屬柵極電極的半導(dǎo)體裝置，其包括一半導(dǎo)體基板；一金屬柵極電極；形成于該金屬柵極電極表面上的一氮氧化硅間隔體，其中在第一層和金屬柵極電極的界面上實(shí)質(zhì)上無(wú)金屬硅化物。
因此，本發(fā)明能夠克服在金屬柵極電極上形成介電層時(shí)所產(chǎn)生的問(wèn)題，而不會(huì)形成金屬硅化物。


圖1為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的概略剖視圖，其中該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含本發(fā)明之一具體實(shí)施例的金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體；圖2為本發(fā)明之一具體實(shí)施例的其上形成有柵極介電層的半導(dǎo)體基板的概略剖視圖；圖3為本發(fā)明之一具體實(shí)施例的其上形成有金屬柵極成形層的半導(dǎo)體基板的概略剖視圖；圖4為本發(fā)明之一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體基板的概略剖視圖，其中在該半導(dǎo)體基板上，已移除金屬柵極成形層和柵極介電層的部分而形成金屬柵極電極；圖5為本發(fā)明之一具體實(shí)施例的其上形成有氮氧化硅層的半導(dǎo)體基板的概略剖視圖；以及圖6為制造本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的基本步驟的概略流程圖。
具體實(shí)施例方式
此處使用的名詞“金屬柵極”或“金屬柵極電極”，是指在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET，metal-oxide-semiconductorfield effect transistor)或其它半導(dǎo)體裝置中的柵極或任何其它金屬結(jié)構(gòu)，由例如為鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鈷(Co)、銅(Cu)、鋏(Re)、鈦(Ti)或鎢(W)或其中二種以上金屬的混合物或合金的金屬所形成。該金屬也可包含一種以上的氮化鉭(TaN)、氮硅化鉭(TaSiN)、氮化鎢(WN)、氮硅化鎢(WSiN)、以及前述金屬的類似導(dǎo)電氮化物。正如此處所述，該金屬柵極電極是采用制造此類結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域的任何已知方法來(lái)形成。需認(rèn)清的是，雖然在此處以金屬柵極電極來(lái)描述本發(fā)明，但本發(fā)明并非限定于此，而可將本發(fā)明的范圍延伸至在其上形成可減少或避免硅化物形成的氮氧化硅層的任何金屬結(jié)構(gòu)。
此處所用的名詞“氮氧化硅”指包含硅、氧、氮、以及也許也包含氫的介電質(zhì)材料。氫的存在與否依據(jù)形成條件而定。氮氧化硅的分子式可依據(jù)它形成過(guò)程中的若干因素而有所變化，將在以下做更詳細(xì)的討論。
半導(dǎo)體裝置在下文中，將就一常見(jiàn)的半導(dǎo)體裝置，具體而言為在基板上形成的MOSFET，來(lái)描述本發(fā)明。本發(fā)明在MOSFET的一具體實(shí)施例如第1圖所示。然而，本發(fā)明并非僅限于該例示的具體實(shí)施例，也可適用于任何其中使用到金屬柵極電極的半導(dǎo)體裝置。例如，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)中、在金屬浮閘電極EEPROM中、或在SONOS式閃存裝置(例如，Mirror-BitTM SONOS式閃存裝置，由先進(jìn)微裝置公司(AMD，AdvancedMicro Devices，Sunnyvale，California)提供)中的金屬柵極電極。因此，需了解，本發(fā)明并非限定于下述例示的具體實(shí)施例。
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置以及一種制造該半導(dǎo)體裝置的制程，其中，該半導(dǎo)體裝置包含一半導(dǎo)體基板、一金屬柵極電極、和形成于該金屬柵極電極表面上的一氮氧化硅間隔體。其中，在金屬柵極電極和氮氧化硅之間所形成的界面上，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有由形成氮氧化硅間隔體的硅與形成金屬柵極電極的金屬間的反應(yīng)所形成的硅化物。
因此，在第一具體實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，它具有在其上形成有氮氧化硅間隔體的金屬柵極電極。該半導(dǎo)體裝置包含一半導(dǎo)體基板，一金屬柵極電極，和一氮氧化硅間隔物。
在一具體實(shí)施例中，金屬柵極電極的表面上實(shí)質(zhì)上沒(méi)有金屬硅化物。在另一具體實(shí)施例中，金屬柵極電極實(shí)質(zhì)上沒(méi)有由形成氮氧化硅間隔體的硅與形成金屬柵極電極的金屬間的反應(yīng)所形成的金屬硅化物。在另一具體實(shí)施例中，在金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體間的界面上，沒(méi)有含有任何由形成金屬柵極電極的金屬與形成氮氧化硅間隔體的硅間的反應(yīng)所形成的硅化物。
圖1為MOSFET 100的示意性剖視圖。MOSFET 100包含，例如，p摻雜的硅基板102、n摻雜的源極區(qū)104、n摻雜的漏極區(qū)106、柵極介電質(zhì)108、金屬柵極電極110、信道區(qū)112、和形成于該金屬柵極電極110之上的氮氧化硅間隔體114。
在圖1中并未顯示一可操作的半導(dǎo)體裝置中的其它部分，例如電導(dǎo)體、保護(hù)層、以及其它會(huì)包含于一完整、可操作的半導(dǎo)體裝置中的其它部分。這些其余的部分不是本發(fā)明所必須的，因此為了簡(jiǎn)化，將不會(huì)顯示或者描述這些部分。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)會(huì)了解，本發(fā)明能夠輕易地加入這些其余的部分。
金屬柵極電極的金屬可為該領(lǐng)域中已知可使用為半導(dǎo)體裝置的金屬柵極電極的任何金屬。在一具體實(shí)施例中，金屬柵極電極包括鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鈷(Co)、銅(Cu)、鋏(Re)、鈦(Ti)或鎢(W)或其中二種以上金屬的混合物或合金。此外，也可使用其它金屬，例如金(Au)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)或銀(Ag)，但由于這些金屬較貴，因此用于半導(dǎo)體裝置中也許較不經(jīng)濟(jì)。在另一具體實(shí)施例中，該金屬包含鉬(Mo)、鎳(Ni)或鉭(Ta)其中之一。在另一具體實(shí)施例中，該金屬為鉬(Mo)、鎳(Ni)或鉭(Ta)其中之一者。在一具體實(shí)施例中，該金屬可為導(dǎo)電的金屬氮化物，例如包括氮化鉭(TaN)、氮硅化鉭(TaSiN)、氮化鎢(WN)、氮硅化鎢(WSiN)、或其它已知的導(dǎo)電金屬氮化物中至少一種者。
氮氧化硅間隔體由氮氧化硅形成，其中，在大部分的情況中，已知氮氧化硅多少具有不確定的化學(xué)分子式。在超過(guò)約1350℃的溫度中所形成或所退火的具理想配比的純氮氧化硅的化學(xué)分子式系為Si2N20。然而，在例如包括低溫、或出現(xiàn)有不純物、共反應(yīng)物和非理想配比量的反應(yīng)物的條件下所形成的氮氧化硅，通?？煽紤]其化學(xué)分子式為SiwOxNyHz其中，w、x、y和z代表在整體分子式中的原子百分比。氧和氮在式中的數(shù)量依據(jù)上述因素而變化。而氫的數(shù)量則依據(jù)例如，是否有使用一種以上的含氫反應(yīng)物、使用多少相對(duì)量的一種以上含氫反應(yīng)物、以及是否有其它氫原子源(例如水)會(huì)出現(xiàn)在反應(yīng)混合物中等因素而變化。
此處專利說(shuō)明書(shū)和申請(qǐng)專利范圍中的所有數(shù)值，可結(jié)合范圍和比率的限制。
在本發(fā)明之一具體實(shí)施例中，氮氧化硅具有化學(xué)分子式SiwOxNyHz其中w為約20％到約56％的原子硅的范圍內(nèi)，x為約5％到約40％的原子氧的范圍內(nèi)，y為約10％到約40％的原子氮的范圍內(nèi)，z為約0％到約10％的原子氫的范圍內(nèi)，以及其中，w+x+y+z＝100％的原子。
在半導(dǎo)體裝置中，通常都想要降低諸如氮氧化硅的介電材料中所出現(xiàn)的氫原子的量。因?yàn)闅湓幽軌蜃饔脼闊彷d流子(hot carrier)，而會(huì)干擾在半導(dǎo)體裝置中的電子的移動(dòng)。因此，在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，將氮氧化硅間隔體中的氫的量降低到最小。在一具體實(shí)施例中，在上述的氮氧化硅的化學(xué)分子式中，z為約0.5％到約7％的原子的范圍內(nèi)。在一具體實(shí)施例中，z為約1％到約5％的原子的范圍內(nèi)。在另一具體實(shí)施例中，z為約2％到約4％的原子的范圍內(nèi)。
如下述的形成氮氧化硅間隔體114的制程的結(jié)果，在乏硅(starving silicon)條件下所沉積的氮氧化硅，與在非乏硅或在理想配比的硅條件下所沉積的氮氧化硅，會(huì)具有不同的理想配比組成(stoichiometry)。因此，參考上述分子式，在一具體實(shí)施例中，在乏硅條件下所沉積的氮氧化硅所具有的硅含量在其范圍的下端處，也就是約20％到約30％的原子；而氧和氮的含量則在其范圍的上端處，也就是約25％到約40％的原子氧，以及約30％到40％的原子氮；而氫含量則在其范圍的下端處，也就是約0％到約3％的原子。
在一具體實(shí)施例中，參考上述分子式，在非乏硅條件下所沉積的氮氧化硅所具有的硅含量在其范圍的中間到上端，也就是約40％到約56％的原子；氧和氮的含量則在其范圍的下端到中間，也就是約5％到約25％的原子氧，以及約10％到25％的原子氮；而氫含量則依據(jù)所選擇的條件和反應(yīng)物，可能在其范圍內(nèi)的任意處。
由于氮氧化硅的可變的理想配比組成，以及氮氧化硅間隔體114具有極小厚度，因此可能難以區(qū)別氮氧化硅在層中不同深度的正確理想配比組成。若對(duì)前述的理想配比組成進(jìn)行估算，則可能會(huì)有很大的變異。若通過(guò)X射線光電子分光法(X-ray photoelectronspectroscopy)，則能以某種程度的正確性判定出氮氧化硅間隔體114的組成。X射線光電子分光法能夠判定在厚度為幾百埃(angstrom)的層中的組成差異。
氮氧化硅的折射指數(shù)會(huì)依據(jù)理想配比組成而變化是本領(lǐng)域的常識(shí)。因此，在一具體實(shí)施例中，在乏硅條件下所沉積的氮氧化硅間隔體114的部分的折射率在約1.6到約1.9的范圍內(nèi)。在另一具體實(shí)施例中，在乏硅條件下所沉積的氮氧化硅間隔體114的部分的折射率約為1.7。在另一具體實(shí)施例中，在非乏硅或理想配比的硅條件下所沉積的氮氧化硅間隔體114的部分的折射率在約1.95到約2.3的范圍內(nèi)。在另一具體實(shí)施例中，在非乏硅或在理想配比的硅條件下所沉積的氮氧化硅間隔體114的部分的折射率約為2.1。
在一具體實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板為批次硅組件(bulk silicon)基板。在另一具體實(shí)施例中，該半導(dǎo)體基板為絕緣硅(silicon oninsulator)半導(dǎo)體基板。在另一具體實(shí)施例中，該半導(dǎo)體基板為p摻雜硅基板。合適的半導(dǎo)體基板包含諸如批次硅組件半導(dǎo)體基板、絕緣硅(SOI)半導(dǎo)體基板、藍(lán)寶石基底硅組件(silicon on sapphire，SOS)半導(dǎo)體基板、以及由熟知的其它材料所形成半導(dǎo)體基板。本發(fā)明并不限于任何特別形式的半導(dǎo)體基板。
在乏硅條件下在半導(dǎo)體裝置上制作氮氧化硅介電層的方法本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種制作上述半導(dǎo)體裝置的方法。因此，本發(fā)明包含一種制作半導(dǎo)體裝置的方法，其中該半導(dǎo)體裝置具有金屬柵極電極和在金屬柵極電極上的氮氧化硅介電層，在上述金屬柵極電極和介電層的界面上，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有由金屬柵極電極的金屬與用以形成介電層的硅間的反應(yīng)所形成的金屬硅化物。
在本發(fā)明中，氮氧化硅由PECVD制程所制造出，其中，供應(yīng)給PECVD設(shè)備的硅的供應(yīng)量，一開(kāi)始為次理想配比量。次理想配比量的硅供應(yīng)，會(huì)”耗乏(starve)”掉硅的反應(yīng)，以致于不會(huì)有多余的”自由”硅可用。避免有多余的”自由”硅可避免金屬柵極電極的金屬與形成氮氧化硅的PECVD制程中的硅產(chǎn)生反應(yīng)，而形成硅化物。因此正如此處更詳盡的描述，一開(kāi)始形成的氮氧化硅可能含有次理想配比量的硅。由于供應(yīng)相對(duì)”乏硅”的硅供應(yīng)量給PECVD設(shè)備，氮氧化硅的初始層的形成可能會(huì)相對(duì)較慢。
當(dāng)在金屬柵極電極上形成一氮氧化硅的初始層后，可提高供應(yīng)給PECVD設(shè)備的硅的供應(yīng)量，以提高氮氧化硅的形成速率和提高所形成的氮氧化硅層中的硅含量。
在一具體實(shí)施例中，制造具有金屬柵極電極的半導(dǎo)體裝置的方法的步驟包括提供一半導(dǎo)體基板；在該半導(dǎo)體基板上形成一金屬柵極電極；以及以PECVD在該金屬柵極電極表面上形成一氮氧化硅間隔體，其中該氮氧化硅間隔體在初始為乏硅條件下形成。其中，將供應(yīng)給PECVD設(shè)備的至少一含硅材料的供應(yīng)量根據(jù)至少一其它反應(yīng)物的供應(yīng)量相應(yīng)減少，以使在金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體的界面上，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有硅化物形成。
在另一具體實(shí)施例中，乏硅條件包括，一開(kāi)始不供應(yīng)任何含硅材料，而將一含氧材料和一含氮材料供應(yīng)給PECVD設(shè)備，隨后，除了含氧材料和含氮材料外，再將第一供應(yīng)量的至少一含硅材料供應(yīng)給PECVD設(shè)備，其中，所供應(yīng)的該第一供應(yīng)量的至少一含硅材料，包含用于氮氧化硅的PECVD沉積中，相對(duì)于含氧材料和含氮材料的次理想配比量的硅。
本發(fā)明的方法的其它細(xì)節(jié)將在下面提出。此處提出的特定范例僅意在說(shuō)明本發(fā)明，而不是用來(lái)限制本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)由附加的權(quán)利要求來(lái)界定。
在本發(fā)明的方法的第一步驟中，如圖6中的步驟S601所示，提供一半導(dǎo)體基板102，如圖2所示。上述的半導(dǎo)體基板可為任何適當(dāng)選擇的熟知的半導(dǎo)體基板。
在本發(fā)明的方法的第二步驟中，如圖6中的步驟S602所示，系在該半導(dǎo)體基板102上生長(zhǎng)一柵極介電層108。該柵極介電層108能以熟知的方法長(zhǎng)成，且可包含任何適合在半導(dǎo)體裝置的金屬柵極電極上使用的材料。該柵極介電層108可包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、以及各種已知的高K介電材料中的任一種，例如氧化鉿(hafniumoxide)、氧化釔(yttrium oxide)、氧化鑭(lanthanum oxide)，以及此類介電材料的結(jié)合物，例如硅酸鉿(hafnium silicate)。合適的高K介電材料包含氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉭(Ta2O5)、鈦酸鋇(BaTiO3)、氧化鈦(TiO2)、氧化銫(CeO2)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢(WO3)、氧化釔(Y2O3)、氧化硅鉍(Bi4Si2O12)、氧化鍶鋇(BalxSrxO3)、釱酸鍶鋇(BST)(BalxSrxTiO3)、PZN(PbZnxNb1-xO3)，以及PST(PbScxTa1-xO3)。除了上述的高K介電質(zhì)，其它高K介電材料，舉例而言，例如鈦酸鋯鉛(lead zirconium titanate)、鈦酸鑭鉛(leadlanthanum titanate)、鉭酸鉍鍶(strontium bismuth tantalate)、鈦酸鉍(bismuth titanate)、鈦酸鍶(strontium titanate)、鈦鋯酸鉛(PZT(PbZrxTi1-xO3))、以及鈦酸鋯鋇(barium zirconium titanate)等鐵電(ferroelectric)高K介電材料，也可適用于本發(fā)明。此外，也可以使用熟知的其它高K介電材料。
柵極介電層108可在SONOS式裝置中，包含復(fù)數(shù)層，例如二氧化硅和氮化硅，或二氧化硅、氮化硅、二氧化硅夾心狀結(jié)構(gòu)的”O(jiān)NO”層。其中，SONOS式裝置由例如AMD所制造，商標(biāo)名為MIRROR-BITTM者。其中，該柵極為金屬柵極電極，而此裝置可指MONOS式裝置。
圖2顯示在形成柵極介電層后，也就是在步驟S602完成后，形成中的半導(dǎo)體裝置100。雖然在圖2中僅顯示單一的介電層108，但應(yīng)了解，如上所述，在該柵極介電層108中可包含多數(shù)層。
在本發(fā)明的方法的第三步驟中，如圖6的步驟S603所示，形成一金屬柵極電極110。在圖3所示的具體實(shí)施例中，通過(guò)在基板表面鋪上合適金屬的一金屬層110來(lái)形成金屬柵極電極。金屬層110的部分區(qū)域隨后會(huì)被蝕刻掉，以形成如圖4所示的金屬柵極電極110。
在一具體實(shí)施例中，該金屬為上文所提出的金屬其中之一，或是兩種以上的這些金屬的混合物或合金，或是這些金屬、混合物或合金的氮化物。
在一具體實(shí)施例中，可通過(guò)例如在美國(guó)第6,066,533號(hào)專利中所述的方法，形成金屬柵極電極110。該專利中所述的方法是在場(chǎng)氧化層(field oxide)中形成柵極空洞(void)，隨后以金屬類柵極電極材料填充該空洞，以形成金屬柵極電極。該方法包括在基板上沉積高K柵極絕緣體，以及在柵極絕緣體上沉積場(chǎng)氧化層。該方法包括在該場(chǎng)氧化層中形成至少第一和第二柵極空洞。將第一金屬柵極電極沉積在該第一柵極空洞中，其中該第一柵極電極系包含一第一材料。同樣地，將第二金屬柵極電極沉積在該第二柵極空洞中，而第二柵極電極則包含一第二材料。依照本發(fā)明，該第二材料不同于該第一材料。在一具體實(shí)施例中，柵極絕緣體的特征在于，介電常數(shù)至少為25。在一具體實(shí)施例中，柵極絕緣體由TiO2或Ta2O5形成。在一具體實(shí)施例中，至少一金屬柵極電極由包括鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭、和鉬(Mo)的組群中所挑選出的材料所形成。
在一具體實(shí)施例中，可通過(guò)例如在美國(guó)第6,225,168號(hào)專利中所述的方法形成金屬柵極電極110。在該專利中所述的方法是在一基板上形成一柵極介電層；在該柵極介電層上形成一鈦或氮化鈦?zhàn)枵蠈?barrier layer)；以及在該鈦或氮化鈦?zhàn)枵蠈由闲纬梢唤饘贃艠O電極。該制程可進(jìn)一步包括，形成鄰接金屬柵極電極側(cè)壁(sidewall)的載氮(nitrogen bearing)間隔體，以使該間隔體和該阻障層將柵極介電層密封于基板外。在一具體實(shí)施例中，第6,225,168號(hào)專利中的制程包括在下方的金屬柵極介電層和阻障層上形成一金屬層。然后，以光刻法(photolithography)和蝕刻技術(shù)，將該金屬層和下方的金屬柵極介電層和阻障層的部分區(qū)域移除，以形成金屬柵極電極。
在另一具體實(shí)施例中，第6,225,168號(hào)專利中的制程包括，通過(guò)使用一犧牲拴塞(sacrificial plug)形成金屬柵極電極。如在該專利中所揭露，使用犧牲拴塞可容許利用對(duì)溫度敏感的金屬形成金屬柵極電極。該方法在美國(guó)第6,051,487號(hào)專利中有更詳盡的描述。第6,051,487號(hào)專利描述一種制程，在該制程之一具體實(shí)施例中，通過(guò)在一基板上形成一犧牲拴塞，以及在該基板上鄰接該犧牲拴塞處形成作用區(qū)域(active region)，而形成一半導(dǎo)體裝置。然后，在該基板上鄰接犧牲拴塞的部分上形成一薄膜。其中，該犧牲拴塞可被選擇移除而留下薄膜。隨后，將該犧牲拴塞選擇移除，而在薄膜上留下一開(kāi)口，并在該開(kāi)口中形成一柵極電極。該犧牲拴塞可由數(shù)種材料形成，其中包括，諸如多晶硅和例如氮化物的載氮類。此外可由例如金屬形成該柵極電極。
在另一具體實(shí)施例中，可通過(guò)例如在美國(guó)第6,162,694號(hào)專利中所述的方法，形成該金屬柵極電極。此專利的制程包括，形成一基板，以及在該基板上形成一多晶硅對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(polysilicon alignmentstructure)。其次，在該基板上形成源極和漏極區(qū)，并使其和該對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，并將該具有源極和漏極區(qū)的對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和基板施以第一快速熱對(duì)火。其次，在該基板上形成輕微摻雜漏極區(qū)(lightly doped drain，LDD)區(qū)，使其和該對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，并將該具有輕微摻雜漏極區(qū)的對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和基板施以第二快速熱退火。其次，將該多晶硅對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)替換為金屬柵極電極和柵極介電質(zhì)。前述的形成金屬柵極電極的制程僅為例示性，而并非意欲限制本發(fā)明的范疇。本發(fā)明的金屬柵極電極可由熟知的用以形成金屬柵極電極的任何適合的制程形成。
圖3為在一具體實(shí)施例中，在柵極介電層108上鋪上一金屬柵極層110后，也就是在步驟S603完成后，形成中的半導(dǎo)體裝置100。其中，金屬柵極層110是以層狀形成。
圖4是在將金屬柵極層和下方的柵極介電層進(jìn)行深蝕刻(etchback)，以形成一金屬柵極電極110后，形成中的半導(dǎo)體裝置100?；蛘呤?，圖4是在形成柵極的結(jié)構(gòu)(例如二氧化硅層)被移除后，通過(guò)上述方法之一形成金屬柵極電極110后，形成中的半導(dǎo)體裝置100。
本發(fā)明的制程的下一步驟，如圖6的步驟S604，S605，S606所示，在PECVD設(shè)備中執(zhí)行。在一具體實(shí)施例中，在CVD設(shè)備中，以標(biāo)準(zhǔn)CVD制程執(zhí)行這些步驟。在形成中的半導(dǎo)體裝置100上形成金屬柵極電極110后(如圖4所示)，裝置100(或者，更廣泛而言，其上形成有裝置100的晶圓)會(huì)被放置于一適宜的PECVD設(shè)備中。在一具體實(shí)施例中，在形成氮氧化硅的相同PECVD設(shè)備中形成該金屬柵極層，所以并不需移動(dòng)該晶圓。在一具體實(shí)施例中，柵極介電層108、金屬柵極層110、和氮氧化硅層114，都在相同的PECVD設(shè)備中形成。
如圖6的步驟S604所示，在PECVD設(shè)備中具有形成中的半導(dǎo)體裝置100時(shí)，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢瑢⒑鯕怏w流和含氮?dú)怏w流供應(yīng)至該設(shè)備中。除了含硅氣體尚未出現(xiàn)之外，該步驟S604會(huì)建立PECVD的條件。由于在此時(shí)沒(méi)有任何可得的硅供應(yīng)源以供PECVD反應(yīng)，因此不會(huì)發(fā)生形成氮氧化硅的反應(yīng)。由于反應(yīng)很容易在這些條件下發(fā)生，也就是在一提高的溫度中的強(qiáng)氧化物氣體流，因此步驟S604的條件僅維持大約10到20秒，而在一具體實(shí)施例中約15秒。在一具體實(shí)施例中，在開(kāi)始供應(yīng)含氧及含氮?dú)怏w流前，先將PECVD設(shè)備抽氣至約2陶爾(Torr)的壓力。
在一具體實(shí)施例中，含氧氣體為氧化亞氮(N2O)。在另一具體實(shí)施例中，含氧氣體系為氧氣(O2)。
在一具體實(shí)施例中，含氮?dú)怏w為氮?dú)?N2)。由于氮?dú)庖部稍赑ECVD設(shè)備中作為載體氣體(carrier gas)，因而不需額外的載體氣體，故使用氮?dú)庀递^為有利。在另一具體實(shí)施例中，使用除了氮?dú)馔獾氖熘暮獨(dú)怏w。此類氣體可包含例如氧化氮(NO)等。
在一具體實(shí)施例中，含氮?dú)怏w不是氨氣。由于其氫成分，使用氨氣較為不利。其中，氫成分會(huì)對(duì)氮氧化硅的氫成分造成不利的影響。
如圖6所示，在下一個(gè)步驟S605中，開(kāi)始供應(yīng)第一供應(yīng)量的含硅氣體流給PECVD設(shè)備。在一具體實(shí)施例中，當(dāng)步驟S604完成時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行步驟S605。在另一具體實(shí)施例中，當(dāng)步驟S604完成時(shí)，沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的延遲而馬上開(kāi)始進(jìn)行步驟S605。如圖5所示，該含硅氣體流會(huì)促使氮氧化硅間隔層114開(kāi)始形成。
在步驟S605中供應(yīng)給PECVD設(shè)備的含硅氣體流，實(shí)質(zhì)上少于理想配比量，其中該理想配比量依照含氧氣體流或/及含氮?dú)怏w流而定。開(kāi)始限制含硅氣體流的目的是為了防止在PECVD反應(yīng)混合物中有多余的硅存在，因此可避免金屬硅化物的形成。如果一開(kāi)始便供應(yīng)接近或超過(guò)理想配比量的含硅氣體流，則不是在金屬柵極電極表面上，就是在金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體114間的界面上，會(huì)形成金屬硅化物。通過(guò)供應(yīng)相對(duì)于含氧及含氮?dú)怏w的次理想配比量的硅，則在金屬柵極電極表面上與金屬柵極電極和氮氧化硅間隔體114間的界面上實(shí)質(zhì)上不會(huì)有硅化物形成。如果初始供應(yīng)理想配比量，而有較多的自由硅，便會(huì)由金屬柵極電極110的金屬與供應(yīng)給PECVE設(shè)備的含硅氣體中的硅反應(yīng)形成此類硅化物。
由于在步驟S605中，供應(yīng)給PECVD反應(yīng)的含硅氣體量極為有限，因此在該步驟中，氮氧化硅層114的形成速率較低。舉例而言，在步驟S605中，在形成該氮氧化硅層的初始時(shí)期，氮氧化硅的沉積速率可能在約每秒5埃到每秒50埃的范圍內(nèi)。而在一具體實(shí)施例中約為每秒25埃。然而，若要將SiON層形成至300到1000埃的厚度，則該速率并不具經(jīng)濟(jì)效益。
在一具體實(shí)施例中，該含硅氣體為硅烷(silane)(SiH4)。在另一具體實(shí)施例中，該含硅氣體為二氯硅烷(dichlorosilane)。雖然可使用例如TEOS的含硅材料，但當(dāng)意欲在由PECVD制程形成的氮氧化硅間隔體114中維持低含量的氫時(shí)，則該材料中高含量的氫較不適宜。
如圖6所示，在下一步驟S606中，將供應(yīng)給PECVD設(shè)備的含硅氣體流從步驟S605中的供應(yīng)量開(kāi)始逐漸增加。在一具體實(shí)施例中，當(dāng)步驟S605完成時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行步驟S606。在另一具體實(shí)施例中，當(dāng)步驟S605完成時(shí)，則實(shí)質(zhì)上沒(méi)有延遲而馬上開(kāi)始進(jìn)行步驟S606。如圖5所示，該含硅氣體流會(huì)導(dǎo)致氮氧化硅間隔層114的進(jìn)一步的形成。在一具體實(shí)施例中，在步驟S606中的含硅氣體流會(huì)持續(xù)約2秒到20秒的時(shí)間。在另一具體實(shí)施例中，這段時(shí)間則在約3秒到10秒的范圍內(nèi)。
由于含硅氣體流的增加，因此氮氧化硅的形成速率也會(huì)增加。在一具體實(shí)施例中，該速率會(huì)大幅度地增加。舉例而言，在步驟S606中，氮氧化硅的沉積速率會(huì)增加至約每秒100埃到每秒150埃。而在一具體實(shí)施例中，則會(huì)增加至約每秒125埃。若要將SiON層形成至300到1000埃的厚度，則該速率具有經(jīng)濟(jì)效益。
在一具體實(shí)施例中，含硅氣體流會(huì)持續(xù)地供應(yīng)，直到沉積成厚約200埃到約1000埃的氮氧化硅層為止。在另一具體實(shí)施例中，該厚度在約250埃到750埃的范圍內(nèi)。在另一具體實(shí)施例中，該厚度在約300埃到600埃的范圍內(nèi)。而在另一具體實(shí)施例中約為400埃。
在一具體實(shí)施例中，在約300℃到600℃范圍的溫度中，進(jìn)行該P(yáng)ECVD制程。
在一具體實(shí)施例中，氮氧化硅間隔體114的乏硅部分，包括約25％到40％的氮氧化硅間隔體114的總厚度。而在另一具體實(shí)施例中，則約為33％的總厚度。如上述，可依據(jù)X射線光電子分光判定法或/和氮氧化硅折射率判定法，將氮氧化硅間隔體114的乏硅部分與間隔體114的其余部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。
在一具體實(shí)施例中，在沉積氮氧化硅間隔層114之后，將氮氧化硅層114延伸超過(guò)金屬柵極電極110的部分予以移除，以形成如圖1所示的氮氧化硅間隔體114。在一具體實(shí)施例中，使用適宜的光刻、屏蔽和蝕刻步驟，將該部分的氮氧化硅層114移除。當(dāng)然也可使用其它熟知方法來(lái)移除氮氧化硅層114的這些部分。
在形成金屬柵極電極110和氮氧化硅間隔體114的過(guò)程中，在任何經(jīng)挑選及適宜的時(shí)機(jī)，可將該形成中的半導(dǎo)體裝置100施以適當(dāng)?shù)闹踩胫瞥?，以形成如圖1所示的源極和漏極104、106。在一具體實(shí)施例中，可在形成金屬柵極電極110之后，但在沉積氮氧化硅間隔體114之前，進(jìn)行該植入制程。在另一具體實(shí)施例中，可在形成金屬柵極電極110和沉積氮氧化硅間隔體114之后，進(jìn)行該植入制程。在另一具體實(shí)施例中，可在移除氮氧化硅層114的多余部分來(lái)形成圖1的氮氧化硅間隔體114之后，再進(jìn)行該植入制程。
當(dāng)金屬柵極電極110、氮氧化硅間隔體114、和源極及漏極104、106形成完畢后，即可得到如圖1所示的半導(dǎo)體裝置100。其后，可對(duì)該半導(dǎo)體裝置100施以制造流程中進(jìn)一步的加工，本發(fā)明的制程為該制造流程中的一部份。
雖然此處通過(guò)一些特定具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但顯然地，熟知本項(xiàng)技術(shù)者可利用前述的說(shuō)明輕易地完成各種改變、修改和變化。因此，在附加的權(quán)力要求的精神和范疇內(nèi)的所有改變和變型的各種變化，都仍應(yīng)包含于本發(fā)明中。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明提供一種方法，其可在金屬柵極電極上形成氮氧化硅介電層，而不會(huì)或?qū)嵸|(zhì)上不會(huì)在金屬柵極電極和氮氧化硅介電層間的界面上形成硅化物。因此，在熟知技術(shù)中，有關(guān)在金屬柵極電極上或在其它金屬結(jié)構(gòu)上形成含硅介電層時(shí)，必然形成不需要的金屬硅化物的問(wèn)題，可利用本發(fā)明將其克服。因而，可滿足尺寸越來(lái)越小的金屬柵極電極的需求并可保留金屬柵極電極上的金屬的效能。此外，可將本發(fā)明所揭露的方法輕易地并入目前存在的生產(chǎn)制程，因此可避免昂貴的再設(shè)計(jì)費(fèi)用和再制作工具的費(fèi)用。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體裝置的制程，其中該半導(dǎo)體裝置包含金屬柵極電極，該制程包括提供一半導(dǎo)體基板；在該半導(dǎo)體基板上形成一金屬柵極電極；以及以PECVD在該金屬柵極電極表面上形成一氮氧化硅間隔體；其中，在最初為乏硅條件下形成該氮氧化硅間隔體；其中，在該乏硅條件中，供應(yīng)具有第一供應(yīng)量的至少一含硅材料給該P(yáng)ECVD設(shè)備，而該第一供應(yīng)量是相對(duì)于至少一其它反應(yīng)物的供應(yīng)量而予以減少；其中藉此，在該金屬柵極電極和該氮氧化硅間隔體間的界面上，實(shí)質(zhì)上不會(huì)形成硅化物。
2.如權(quán)力要求1所述的制程，其中，該形成的步驟進(jìn)一步包括供應(yīng)經(jīng)增加的第二供應(yīng)量的所供應(yīng)的該至少一含硅材料。
3.如權(quán)力要求1所述的制程，其中，該乏硅條件包括一開(kāi)始不供應(yīng)任何含硅材料，而供應(yīng)一含氧材料和一含氮材料給一PECVD設(shè)備，隨后，除了該含氧材料和該含氮材料外，進(jìn)一步供應(yīng)上述第一供應(yīng)量的至少一含硅材料給該P(yáng)ECVD設(shè)備，其中，所供應(yīng)的上述第一供應(yīng)量的至少一含硅材料含有次理想配比量的硅，而該硅的次理想配比量是在氮氧化硅的PECVD沉積中相對(duì)于含氧材料和含氮材料而言。
4.如權(quán)力要求1所述的制程，其中，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有金屬硅化物形成于該金屬柵極電極的表面上。
5.如權(quán)力要求1所述的制程，其中，在范圍約300℃到600℃的溫度中，進(jìn)行該P(yáng)ECVD制程。
6.一種包含一金屬柵極電極(110)的半導(dǎo)體裝置(100)，其包括一半導(dǎo)體基板(102)；一金屬柵極電極(110)；以及一氮氧化硅間隔體(114)，其形成于該金屬柵極電極(110)的表面上，其中在該第一層和該金屬柵極電極間的界面上，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有金屬硅化物。
7.如權(quán)力要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中，該金屬柵極電極(110)的表面實(shí)質(zhì)上沒(méi)有金屬硅化物。
8.如權(quán)力要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中，該金屬柵極電極(110)包括鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鈷(Co)、銅(Cu)、鋏(Re)、鈦(Ti)或鎢(W)或其中二種以上金屬的混合物或合金，或者為包括氮化鉭(TaN)、氮硅化鉭(TaSiN)、氮化鎢(WN)、氮硅化鎢(WSiN)的其中二種以上導(dǎo)電金屬氮化物的混合物或合金。
9.如權(quán)力要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中，該氮氧化硅具有一分子式SiwOxNyHz其中w為約20％到56％的原子硅的范圍內(nèi)；x為約5％到40％的原子氧的范圍內(nèi)；y為約10％到40％的原子氮的范圍內(nèi)；z為約0％到10％的原子氫的范圍內(nèi)；以及其中，w+x+y+z＝100％的原子。
10.如權(quán)力要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中，該氮氧化硅間隔體(114)的第一部份具有約1.6到1.9的范圍內(nèi)的折射率，而其第二部分則具有在約1.95到2.3的范圍內(nèi)的折射率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包含一金屬柵極電極(110)的半導(dǎo)體裝置(100)，以及制造該半導(dǎo)體裝置(100)的方法，其中，該半導(dǎo)體裝置(100)包含一半導(dǎo)體基板(102)；一金屬柵極電極(110)；和形成于金屬柵極電極(110)表面上的一氮氧化硅間隔體(114)，其中，在氮氧化硅間隔體(114)和金屬柵極電極(110)間的界面上實(shí)質(zhì)上不會(huì)有金屬硅化物；該制程的步驟包含在半導(dǎo)體基板上形成金屬柵極電極；以PECVD在金屬柵極電極表面上形成氮氧化硅間隔體，其中，在初始為乏硅條件下，形成氮氧化硅間隔體，因此實(shí)質(zhì)上不會(huì)形成硅化物；其中在該乏硅條件中，提供第一供應(yīng)量的至少一含硅材料給PECVD設(shè)備，并將該第一供應(yīng)量根據(jù)至少一其它反應(yīng)物的量而相應(yīng)降低。
文檔編號(hào)H01L21/314GK1592959SQ02823443
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月26日
發(fā)明者M·V·恩戈, A·哈里亞 申請(qǐng)人:先進(jìn)微裝置公司