专利名称：用于制造介电叠层的方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及用于在集束型设备(cluster tool)中在衬底上沉积材料的方法，尤其是涉及用于在集成的集束型设备中在形成介电层叠时沉积介电材料的方法。
背景技术：
集成电路可包括超过一百万个的微电子场效应晶体管(例如，互补型金属氧化物半导体(CMOS)晶体管)，其形成在衬底上并在电路中相互配合以执行多种功能。CMOS晶体管包括设置在形成于衬底上的源区和漏区之间的栅结构。栅结构一般包括栅极和栅介质。栅极设置在栅介质上以控制沟道区中的载流子的流动，该沟道区形成在栅介质下的漏区和源区之间。为了提高晶体管的速度，可由具有介电常数大于4.0的材料形成栅介质。这里这种介电材料被称为高介电常数材料。
制造具有高介电常数栅介质的场效应晶体管的栅结构包括一系列工艺步骤(例如沉积多层)，其通过不同的衬底处理反应器实施。在栅层叠结构的形成过程中，不但要求保形薄膜，而且每层之间的界面层必须具有高质量。
在传统的CMOS制造方案中，衬底需要在具有不同反应器耦合在其上的设备之间传送。在设备间传送衬底的过程必需使衬底在环境压力下从用于传送的一个设备的真空环境移至第二设备的真空环境中，在周围环境中，衬底暴露于诸如微粒、湿气等机械和化学的污染物中，这些污染物将损坏正在制造的栅结构并可能形成非预期的界面层。由于为了提高器件的速度栅结构变得更小和/或更变窄，对形成界面层的不利影响或污染物更受关注。另外，在集束型设备之间传送衬底所需的时间降低场效应晶体管的制造产率。
因此，工艺集成和一种用于制造场效应晶体管的栅结构的改进的集束型设备是必需的。
发明内容
本发明提供用于在单个集束型设备中在衬底上形成介电材料的方法。在一实施方式中，一种方法包括提供一种具有多个沉积处理室的集束型设备，在所述集束型设备的第一处理室中在衬底上沉积含金属氧化层，在所述集束型设备的第二处理室中利用惰性等离子体工艺处理所述含金属氧化层，在所述集束型设备的第三处理室中退火处理所述含金属氧化层，以及在所述集束型设备的第四处理室中在所述退火处理的含金属氧化层上沉积栅极层。
在另一实施方式中，该方法包括提供一种具有多个沉积处理室的集束型设备，在所述集束型设备中预清洗衬底，在所述集束型设备的第一处理室中在衬底上沉积含金属氧化层，在所述集束型设备的第二处理室中利用惰性等离子体工艺处理所述含金属氧化层，在所述集束型设备的第三处理室中退火处理所述含金属氧化层，以及在所述集束型设备的第四处理室中在所述退火处理的含金属氧化层上沉积栅极层。
在再一实施方式中，该方法包括提供一种具有多个沉积处理室的集束型设备，在所述集束型设备中预清洗衬底，在所述集束型设备中在衬底上沉积含金属氧化层，在所述集束型设备中采用沉积后退火工艺退火含金属氧化层，在所述集束型设备中利用惰性等离子体工艺处理所述含金属氧化层，在所述集束型设备中退火处理所述含金属氧化层，以及在所述集束型设备中在所述退火处理的含金属氧化层上沉积栅极层。
结合附图通过如下的详细说明可以使本发明更易于理解，在附图中图1为用于本发明的一实施方式中的一种示例性集成半导体衬底处理系统的示意图(例如集束型设备)；图2为用于在图1中的集束型设备中在衬底上沉积介电层的示例性工艺的流程图；以及图3A到图3E为图2中所提到的工序的不同阶段期间的衬底的示意图；为了便于理解，尽可能用相同的附图标记表示附图中相同的元件。应该考虑到一实施方式的元件和特征可在不进一步描述的情况下下有利地结合在其他实施方式中。
然而，应当注意附图中仅示出了本发明的示例性实施方式，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可允许其他等效实施方式。
具体实施例方式
本发明的实施方式主要提供用于制备用在不同应用中的介电材料的方法和一种系统，诸如用在场效应晶体管制造中的栅叠层。在一实施方式中，在集成的集束型设备中沉积介电材料或介电叠层。在另一实施方式中，通过沉积含有金属氧化物的介电层制备介电材料或者介电叠层，例如利用原子层沉积(ALD)工艺在衬底上沉积高介电常数材料，利用将衬底暴露于惰性气体等离子体工艺中，接着将衬底暴露于热退火工艺中以及在不中断真空情况下在集成的集束型设备中沉积多晶硅栅层和/或金属栅层(例如，所有工艺在同样情况的设备中执行)。可选地，在同一设备中在衬底上沉积第一介电层之前，可预清洗衬底。
图1为用于本发明的一实施方式中的一种示例性集成半导体衬底处理系统的示意图(例如集束型设备100)。应该考虑本文所述的方法可应用于具有耦合至其上的必要的工艺处理室的其他设备中。
设备100包括真空密闭的处理平台101、生产界面(factory interface)102和系统控制器136。平台101包括多个处理模块110、108、114、112、118、116、124和至少一个加载互锁处理室(所示为加载互锁处理室120)，其耦接至真空衬底传送处理室103、104。生产界面102通过加载互锁处理室120耦接至传送处理室104。
在一实施方式中，生产界面102包括至少一个底座(docking staion)，至少一个衬底传输机械手138、至少一个衬底传输平台140以及至少一个预清洗处理室124和预清洗机械手122。设置该底座使其接收一个或多个前开式晶片盒(FOUP)。在图1的实施方式中所示为两个FOUP128A、128B。设计衬底传送机械手138使其将衬底从生产界面102传送至加载互锁预清洗处理室124，在这里执行预清洗处理。设计预清洗机械手122使其从将衬底从预清洗处理室124传输给加载互锁处理室120。替代地，衬底可绕过预清洗处理室124从生产界面102直接传送至装载闭锁处理室120中。
加载互锁处理室120具有与生产界面102耦合的第一端口和与第一传送处理室104耦合的第二端口。加载互锁处理室120耦合至气压控制系统(未示出)，当需要在传送处理室104的真空环境和生产界面102的基本周围(例如大气)环境之间辅助衬底传送时，该气压系统对处理室120抽气并排气。
第一传送处理室104和第二传送处理室103分别具有设置在其上的第一机械手107和第二机械手105。两个衬底传送平台106A、106B设置在传送处理室104中以促进衬底在机械手105、107之间传送。平台106A、106B既可以与传送处理室103、104相通又可以选择性地与传送处理室103、104隔离(即密封)以允许在每个传送处理室103、104中保持不同的工作气压。
设置在第一传送处理室104中的机械手(robot)107能在加载互锁处理室120、工艺处理室116、118和衬底传送平台106A、108B之间传送衬底。设置在第二传送处理室103中的机械手105能在衬底传送平台106A、106B和工艺处理室112、114、110、108之间传送衬底。
在一实施方式中，与第一传送处理室104耦合的工艺处理室可为金属有机化学气相沉积(MOCVD)处理室118和去耦等离子体氮化(DPN)处理室116。与第二传送处理室103耦合的工艺处理室可为快速热处理(RTP)处理室114、化学气相沉积(CVD)处理室110、第一原子层沉积(ALD)处理室108和第二原子层沉积(ALD)处理室112。适合的ALD、CVD、PVD、DPN、RTP和MOCVD工艺处理室可从位于美国加利福尼亚州的Santa Clara的应用材料公司(Applied Materials，Inc)购买得到。
系统控制器136与集成处理设备100耦合。系统控制器136利用直接控制设备100的工艺处理室或者替代地，通过控制与工艺处理室和设备100相关的计算机(或者控制器)控制设备100的操作。在操作中，系统控制器140激活来自每个处理室和系统的数据收集和反馈以优化系统100的性能。
系统控制器136一般包括中央处理单元(CPU)130、存储器134、和辅助电路132。CPU130可为可用于工业设置中的任意形式的通用计算机处理器之一。辅助电路132一般耦合至CPU130并可包括缓存器、时钟电路、输入/输出子系统、电源等。当利用CPU130执行诸如以下参照图2所述的介电沉积工艺200时，软件程序将CPU转换为专用计算机(控制器)136。还可利用远离设备100的第二控制器(未示出)存储和/或执行软件程序。
图2为用于在诸如如上所述的设备100的集成集束型设备中在衬底上沉积介电层的工艺200的一实施方式的流程图。图3A到图3E为对于工艺200的不同步骤的截面示意图。
方法200开始于步骤202，在该步骤将衬底300设置在设备100中。如图3A所示，衬底300指在其上执行薄膜处理的任意衬底或材料。例如，衬底300可为诸如晶体硅(例如Si<100>或Si<111>)、氧化硅、应力硅、硅锗、掺杂或非掺杂多晶硅、掺杂或非掺杂晶圆和构图的或未构图的绝缘体上硅(SOI)晶圆、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石。衬底300可包括设置在其上的层301。在没有出现层301的实施方式中，可选地可以在衬底300上执行如在层301上所述执行的工艺。
层301可为任意材料，诸如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电材料、阻挡层、钛、氮化钛、氮化钨、钽和氮化钽、介电材料或硅。衬底300可具有不同的尺寸，诸如200mm或300mm直径的晶圆，以及矩形或正方形平面。除非特别说明，本文所述的实施方式和示例在直径为200mm或300mm的衬底上进行。具有或不具有层301的衬底300可暴露于预处理工艺中以研磨、刻蚀、还原、氧化、羟基化、退火和/或烘焙上表面。
在可选步骤203中，对设置在衬底300上的层301执行预清洗。设置预清洗步骤203使暴露在层301的表面上的化合物与官能团端接。粘附和/或形成在层301的表面上的官能团包括羟基(OH)、烷氧基(OR，其中R＝Me、Et、Pr或Bu)、卤氧物(haloxyl)(OX，其中X＝F、Cl、Br或I)、卤化物(F、Cl、Br或碘)、氧自由基和氨基(NR或NR2，其中R＝H、Me、Et、Pr或Bu)。预清洗工艺可将层301暴露于诸如NH3、B2H6、SiH4、SiH6、H2O、HF、HCl、O2、O3、H2O、H2O2、H2、H原子、N原子、O原子、酒精、胺、等离子体及其衍生物或组合物的反应物中。官能团可为进入的化学前驱物提供基本元素以使其粘附于层301的表面上。在一实施方式中，预清洗气体可将层301的表面暴露于反应物中约1秒到2分钟的时间。在另一实施方式中，暴露的时间可为从约5秒到约60秒。预清洗工艺还可包括将层301的表面暴露于RCA溶液(SC1/SC2)、HF-last溶液、来自WVG或ISSG系统的水蒸气、过氧化氢溶液、酸性溶液、碱性溶液、等离子体及其衍生物或组合物中。
在预清洗的一示例中，在将衬底300暴露于湿清洗工艺以形成具有厚度约为或小于10，诸如约5到7的化学氧化层之前，除去自然氧化层。自然氧化层可通过HF-last溶液去除。可在TEMPESTTM湿清洗系统中执行湿清洗工艺，该系统可从应用材料公司购买得到。在另一示例中，将衬底300暴露于来自WVG系统的水蒸气约15秒。
在步骤204中，如图3B所示，在工艺处理室中介电层302沉积在层301上。介电层302可为金属氧化物并可利用ALD工艺、MOCVD工艺、传统的CVD工艺或PVD工艺进行沉积。另外，介电层302可为具有介电常数大于4.0的介电层。可在如上所述的处理室的其中之一中执行这些工艺。
在一实施方式中，在沉积工艺处理室中沉积介电层302，该处理室包括所提供的氧化气体和诸如铪前驱物、锆前驱物、硅前驱物、铝前驱物、钽前驱物、钛前驱物、镧前驱物及其组合物中的至少一种前驱物。可在沉积工艺期间形成的介电材料的示例包括氧化铪、氧化锆、氧化镧物、氧化钽、氧化钛、氧化铝及其衍生物或组合物。
在一实施方式中，ALD工艺可沉积金属氧化物材料以形成层302。在一实施方式中，在从约1Torr到约100Torr，或从约1Torr到约20Torr，或从约1Torr到约10Torr的处理室气压下执行ALD工艺。衬底300的温度可维持在从约70摄氏度到约1000摄氏度，或从约100摄氏度到约650摄氏度，或从约250摄氏度到约500摄氏度。
在适合用于沉积层302的ALD工艺的一示例中，以从约5sccm到约200sccm的速率将铪前驱物通入到工艺处理室中。铪前驱物可与诸如氮气的载气一起以总流速从约50sccm到约1000sccm通入处理室。根据具体的工艺条件、铪前驱物或沉积的氧化铪材料的预期的组成，铪前驱物可以从约每秒0.1脉冲到约每秒10脉冲的速率脉冲通入至工艺处理室中。在一实施方式中，铪前驱物以从约每秒1脉冲到约每秒5脉冲，例如约每秒3脉冲的速率脉冲通入工艺处理室中。在另一实施方式中，铪前驱物以从约每秒0.1脉冲到约每秒1脉冲，例如约每秒0.5脉冲的速率脉冲通入工艺处理室中。在一示例中，铪前驱物可为四氯化铪(HFCl4)。在另一示例中，铪前驱物可为四(二羟氨基)铪化合物。诸如四(二乙氨基)铪((Et2N)4Hf或TDEAH)。
一般地，利用引入载气通过含有铪前驱物的安瓿(ampoule)将铪前驱物分散在工艺处理室中。安瓿可包括安瓿、气囊、盒或其他用于包含或分散化学前驱物的容器。适合的安瓿诸如PROE-VAPTM，可从位于美国Connecticut州的Danbury的Advanced Technology Materials公司购买得到。在一示例中，安瓿含有在温度从约150摄氏度到约200摄氏度的HfCl4。在另一示例中，安瓿可包含液体前驱物(例如TDEAH，TDMAH，TDMAS或Tris-DMA)并是液体输送系统的一部分，该液体输送系统包括用于利用加热的载气蒸发液体前驱物的喷射阀系统。一般地，安瓿可从约138kPa(约20psi)加压至约414kPa(约60psi)并加热至或低于约100摄氏度，例如从约20摄氏度到约60摄氏度。
氧化气体可以以从约0.05sccm到约1000sccm的流速，例如从约0.5sccm到约100sccm通入工艺处理室。氧化气体以从约每秒0.05脉冲到约每秒10脉冲的速率脉冲输入至工艺处理室，例如从约每秒0.08脉冲到约每秒3脉冲，并且在另一实施方式中，从约每秒0.1脉冲到约每秒2脉冲。在一实施方式中，氧化气体以从约每秒1脉冲到约每秒5脉冲，例如约每秒1.7脉冲至工艺处理室中。在一实施方式中，氧化气体以从约每秒1脉冲到约每秒5脉冲，例如约每秒1.7脉冲的速率脉冲输入至工艺处理室中。在另一实施方式中，氧化气体以从约每秒0.1脉冲到约每秒3脉冲，例如约每秒0.5脉冲的速率脉冲输入至工艺处理室中。
多种前驱物为本发明实施方式范围内用于沉积介电层302的材料。重要的前驱物特征为具有合适的蒸汽气压。在环境温度和气压的前驱物可为气体、液体或固体。然而，在ALD处理室内采用挥发性的前驱物。有机金属化合物包含至少一种金属原子和至少一种诸如氨基、烷基、烷氧基、烷基氨基或苯胺的含有机物的官能团。前驱物可包括有机金属的、无机的或卤化物的化合物。
示例性铪前驱物包括铪化合物，其包括诸如卤化物、烷基氨基、茂基、烷基、醇盐及其衍生物或者其组合物。用作铪前驱物的铪卤化物化合物可包括HfCl4、Hfl4、和HfBr4。用作铪前驱物的铪烷基氨基化合物包括(RR’N)4Hf，其中R或R’独立地为氢、甲基、乙基、丙基或丁基。用于沉积含铪材料的铪前驱物包括(Et2N)4Hf、(Me2N)4Hf、(MeEtN)4Hf、(tBuC5H4)2HfCl2、(C5H5)2HfCl2、(EtC5H4)2HfCl2、(Me5C5)2HfCl2、(Me5C5)HfCl3、(iPrC5H4)2HfCl2、(iPrC5H4)HfCl3、(tBuC5H4)2HfMe2、(acac)4Hf、(hfac)4Hf、(tfac)4Hf、(thd)4Hf、(NO3)4Hf、(tBuO)4Hf、(iPrO)4Hf、(EtO)4Hf、(MeO)4Hf或其衍生物。另外，这里用于沉积工艺期间的铪前驱物包括HfCl4、(Et2N)4Hf或(Me2N)4Hf。
沉积工艺之后，在步骤205衬底300可以可选地暴露于后沉积退火(PDA)工艺。将在其上设置有介电层302的衬底300转移至退火处理室114，诸如RADIANCETMRTP处理室中。由于退火处理室114位于作为沉积处理室的同一集束型设备上，因此衬底300在不暴露于周围环境下进行退火。衬底300温度可加热至从约600摄氏度到约1,200摄氏度，或者从约600摄氏度到约1,150摄氏度，或者从约600摄氏度到约1,000摄氏度。PDA工艺可维持的时长从约1秒到约5分钟，例如，从约1分钟到约4分钟，以及在另一实施方式中，从约2分钟到约4分钟。一般地，处理室气体包括至少一种退火气体，诸如氧气(O2)、臭氧(O3)、氧原子(O)、水(H2O)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)、二氧化氮(NO2)、五氧化二氮(N2O5)、氮气(N2)、氨气(NH3)、联氨(N2H4)及其衍生物或组合物。常用的退火气体包括氮气和至少一种诸如氧气的含氧气体。处理室的气压为从约5Torr到约100Torr，例如，约10Torr。在PDA工艺的一示例中，在氧气环境中将包含氧化物层202的衬底200加热至约600℃的温度约4分钟。
在步骤206中，如图3C所示，介电层302暴露于惰性等离子体工艺中以硬化介电材料同时形成等离子体处理层304。惰性等离子体工艺可包括去耦合惰性气体等离子体工艺或者远程惰性气体等离子体工艺，通过将惰性气体通入去耦合等离子体氮化(DPN)处理室中(即DPN处理室116)执行去耦合惰性气体等离子体工艺，通过将惰性气体通入装配在远程等离子体系统的工艺处理室中执行远程惰性气体等离子体工艺。
在惰性等离子体工艺的一实施方式中，衬底300传送至DPN处理室114中，由于DPN处理室为位于作为用于沉积介电层302的ALD处理室的同一集束型设备上，并且该处理室可选地用于沉积后退火处理，因此衬底300在集束型设备之间传送时不暴露于周围环境中。在传送衬底期间，可在传送处理室104、103中通入氮气以避免在二者之间形成界面层。在惰性等离子体工艺中，与采用通过将氩气通入DPN处理室中形成的氩离子轰击介电层302。可用于惰性等离子体工艺中的气体包括含氮气体、氩气、氦气、氙气或其组合物。
如果将氮气通入或者将氮气与惰性气体一起通入，氮气将氮化介电材料，诸如使金属氧化物转化为金属氮氧化物。用于氮化工艺的并可能存在于DPN处理室中的痕量氮气可能非有意地与惰性气体结合同时一起执行等离子体工艺。惰性等离子体气体利用包含至少一种惰性气体或仅一痕量氮气的气体。在一实施方式中，由于惰性气体中的残余氮气，氮气浓度为约1％体积或更小，例如，约0.1％或更小体积，以及在一实施方式中，约100ppm或更小，诸如约50ppm。在一示例中，惰性等离子体工艺包括氩气并且不含氮气或基本不含氮气。因此，惰性等离子体工艺提高了介电材料的稳定性和密度，同时降低了等效氧化厚度(EOT)值。
惰性等离子体工艺执行的时长从约10秒到约5分钟，例如，从约30秒到约4分钟，以及在一实施方式中，从约1分钟到约3分钟。另外，在设置等离子体功率为约500瓦到约3,000瓦下，例如，约700瓦到约2,500瓦，例如从约900瓦到约1,800瓦范围执行惰性等离子体工艺。一般地，在占空比约50％到100％，并且脉冲频率在约10kHz下执行等离子体工艺。DPN处理室可具有的气压为约10mTorr到约80mTorr。惰性气体的流速从约每分钟10标准立方厘米(sccm)到约每分钟5标准升(slm)，或者从约50sccm到约750sccm，或者从约100sccm到约500sccm。在一实施方式中，惰性等离子体为DPN中产生的不含氮的氩气等离子体。
在另一实施方式中，在步骤206的惰性等离子体工艺期间，不在工艺处理室之间传送衬底300的情况下，还采用用于沉积介电层302的工艺处理室以形成等离子体处理层304。例如，在用于沉积介电层302的配置有远程等离子体设备的工艺处理室，诸如ALD处理室或CVD处理室中，介电层302暴露于远程氩气等离子体中以直接形成等离子体处理层304。可利用其他惰性工艺以形成等离子体处理层304的等效层，诸如采用激光处理层302。
在步骤208，设置于衬底300上的等离子体处理层304暴露于热退火工艺中，在一实施方式中，衬底300传送至诸如RTP处理室114的退火处理室中，适合的RTP处理室的示例为可从应用材料公司(Applied Materials，Inc)购买得到的CENTURATMRADIANCETMRTP处理室，并将该衬底300暴露于热退火工艺中，由于退火处理室114与沉积处理室和氮化处理室一样为位于集束型设备100上，因此可在不暴露于与集束型设备之间传送衬底相关的周围环境的情况下对等离子体处理层304进行退火。
在退火工艺的一实施方式中，等离子体处理层304可加热至从约600摄氏度到约1,200摄氏度的温度。在另一实施方式中，温度可从约700摄氏度到约1,150摄氏度。在再一实施方式中，等离子体处理层304可加热至从约800摄氏度到约1,000摄氏度的温度。热退火处理为不同的时长。在一实施方式中，热退火处理的时长可从约1秒到约120秒。在另一实施方式中，热退火处理的时长可为从约2秒到约60秒。在又一实施方式中，热退火处理的时长可为从约5秒到约30秒。一般地，处理室气体包含至少一种退火气体，诸如氧气(O2)、臭氧(O3)、氧原子(O)、水(H2O)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)、二氧化氮(NO2)、五氧化二氮(N2O5)、氮气(N2)、氨气(NH3)、联氨(N2H4)及其衍生物或组合物。退火气体可包括氮气和至少一种诸如氧气的含氧气体。处理室可具有从约5Torr到约100Torr的气压，例如，约10Torr。在热退火处理的一示例中，在氧气环境中，将衬底200的温度加热至约1,050摄氏度约15秒。在另一示例中，在退火工艺期间，在包含相同体积量的氮气和氧气的气体中，将衬底300温度加热至约1,100摄氏度约25秒。
如图3D所示，热退火处理将等离子体处理层304变为介电材料或后退火层306。热退火处理修复了在步骤206中由等离子体造成的任何损伤并减少了后退火层306的固定电荷(fixed charge)。介电材料保持为无定形的并可具有不同范围的氮浓度。在一实施方式中，氮浓度为从约5原子百分比到约25原子百分比。在另一实施方式中，氮浓度为从约10原子百分比到约20原子百分比，例如约15原子百分比。后退火层306可具有不同的薄膜厚度。在一实施方式中，该厚度可为从约5到约300。在另一实施方式中，该厚度可为从约10到约200。在再一实施方式中，该厚度可为从约20到约100。在另一示例中，后退火层306的厚度可为从约10到约60，诸如，从约30到约40。
在步骤210中，如图3E所示，在已退火的介电层306上部沉积栅极层308。栅极层308可由为了预定设备需求所旋转的材料形成。一般地，栅极层308可通过利用CVD工艺形成，该工艺诸如MOCVD、LPCVD、PECVD、气相外延(Vapor Phase Epitaxy(VPE))、ALD或者PVD。在一实施方式中，栅极层308可为通过利用LPCVD处理室(即沉积处理室110)沉积的多晶硅、非晶硅或其他适合的材料。一种适合的处理室为可从应用材料公司(AppliedMaterials，Inc)购买得到的POLYGen处理室。在另一实施方式中，栅极层308可包括在ALD或PVD处理室中沉积的金属和/或含金属化合物。在一示例性实施方式中，栅极层308由氮化钽硅(TaSiN)形成。在替代的实施方式中，栅极层308可包括诸如钛(Ti)、钽(Ta)、铷(Ru)、钼(Mo)等类似金属，和/或诸如氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化钽硅(TaSiN)、氮化钛硅(TiSiN)、碳化钽(TaC)、氮化钛铝(TiAlN)、铷钽(RuTa)、氮化钼(MoN)、氮化钨(WN)等类似的含金属化合物。在另一实施方式中，栅极层308可包括金属和/或含金属化合物，在其顶部上方覆盖有多晶硅或非晶硅。在一示例中，栅极层可为诸如钛(Ti)、钽(Ta)、铷(Ru)、钼(Mo)等类似金属，接着在其上覆盖有多晶硅或非晶硅。在另一示例中，栅层可为诸如可为诸如钛(Ti)、钽(Ta)、铷(Ru)、钼(Mo)等类似金属，和/或诸如氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化钽硅(TaSiN)、氮化钛硅(TiSiN)、碳化钽(TaC)、氮化钛铝(TiAlN)、铷钽(RuTa)、氮化钼(MoN)、氮化钨(WN)等类似的含金属化合物，接下来在其上方覆盖有多晶硅层或非晶硅层。可以在ALD、CVD或PVD处理室中执行所有这些金属，含金属栅层、或硅层，所述ALD、CVD或PVD处理室从应用材料公司购买得到。由于在具有与其连接的沉积处理室、氮化处理室以及热退火处理室的集束型设备100中沉积栅极层308，因此衬底300不暴露于与在集束型设备之间传送衬底相关的周围环境中。
因此，本发明提供了用于制备介电材料的方法，该介电材料可用于场效应晶体管的栅极制造中。该方法允许在集成的集束型设备中制备并沉积介电材料或者电层叠，从而避免了由于暴露于由传统的制造工艺相关的设备到设备间的传送引起的污染。
虽然以上描述了本发明的实施方式，在不偏离本发明的基本范围的情况下可以设计本发明的其他实施方式，并且由以下的权利要求书限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于在单个集束型设备中在衬底上形成介电材料的方法，包括提供具有多个沉积处理室的集束型设备；在位于所述集束型设备的第一处理室中的衬底上沉积含金属的氧化层，其中所述含金属的氧化层的为高介电常数材料；在所述集束型设备的第二处理室中利用惰性等离子体工艺处理含金属的氧化层；在所述集束型设备的第三处理室中退火处理所述含金属氧化的层；以及在所述集束型设备的第四处理室中在的所述经过退火处理的含金属的氧化层上沉积含金属的栅极层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积所述含金属的氧化层之前，在所述集束型设备的预清洗处理室中预清洗衬底以从所述衬底去除氧化层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在执行惰性等离子体工艺之前，在集束型设备中将含金属的氧化层暴露于沉积后退火工艺中。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括在所述集束型设备内将衬底通过加载互锁处理室从所述预清洗处理室传送至所述第一处理室。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含金属的氧化层包括铪、钽、钛、铝、锆、镧及其组合物的至少其中之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述惰性等离于体工艺处理含金属氧化层的步骤包括由包括含氮气体、氩气、氦气或氙气的至少其中之一的惰性气体形成等离子体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用惰性气体等离子体工艺处理含金属的氧化层的步骤包括施加从约500瓦到约3,000瓦的功率以在所述第二处理室中维持等离子体；以及暴露所述含金属的氧化层约30秒到约5分钟的时间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火含金属的氧化层的步骤还包括使所述含金属的氧化层维持在从约600摄氏度到约1,200摄氏度约1秒到约120秒的时长。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述退火含金属的氧化层的步骤还包括将氧气通入所述第三处理室中。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积含金属的栅极层的步骤还包括沉积第一含金属的栅极层；以及在所述第一含金属的栅极层上沉积第二含金属栅极层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一含金属栅极层为氮化钽、氮化钛、氮化钽硅、氮化钛硅、碳化钽、氮化钛铝、铷钽、氮化钼或氮化钨的至少其中之一。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二含金属的栅极层为选自由钛、钽、铷和钼组成的组的金属层。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二含金属的栅极层为氮化钽、氮化钛、氮化钽硅、氮化钛硅、碳化钽、氮化钛铝、铷钽、氮化钼或氮化钨的至少其中之一。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉积第二含有金属的栅极层的步骤还包括在所述第二含金属的栅极层上沉积金属层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述金属层为钛、钽、铷或钼的至少其中之一。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积含有金属的栅极层的步骤还包括在所述含金属层上沉积多晶硅层。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉积第二含金属栅极层的步骤还包括在所述第二含金属栅极层上部沉积多晶硅。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述沉积金属层的步骤还包括在所述金属层的顶部上沉积多晶硅层。
19.一种用于在单个集束型设备中在衬底上形成介电材料的方法，包括提供具有多个沉积处理室的集束型设备；在所述集束型设备中预清洗衬底；在所述集束型设备中的衬底上沉积含金属的氧化层；在所述集束型设备中利用沉积后退火处理对所述含金属的氧化层进行退火；在所述集束型设备中利用惰性等离子体工艺处理所述含金属的氧化层；在所述集束型设备中退火所述处理的含金属的氧化层；在所述集束型设备中在所述退火的、处理的含金属的氧化层上沉积第一含金属栅极层；以及在所述集束型设备中在所述第一含金属的栅极层上沉积第二含金属栅极层。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在第一工艺处理室中执行所述退火工艺并且在同一工艺处理室中沉积含金属氧化层。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在第一工艺处理室中执行退火工艺并且在所述集束型设备的第一工艺处理室中对所述处理后的含金属氧化层进行退火。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一含金属的栅极层为氮化钽、氮化钛、氮化钽硅、氮化钛硅、碳化钽、氮化钛铝、铷钽、氮化钼或氮化钨的至少其中之一。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二含金属的栅极为选自由钛、钽、铷和钼组成的组的金属层。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二含金属的栅极为氮化钽、氮化钛、氮化钽硅、氮化钛硅、碳化钽、氮化钛铝、铷钽、氮化钼或氮化钨的至少其中之一。
25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述第二含金属的栅极上沉积金属层。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述金属层为钛、钽、铷或钼的其中之一。
27.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述集束型设备中在所述第二含金属的栅极的顶部上沉积多晶硅层。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括在所述集束型设备中在所述第二含金属的栅极上的金属层上沉积多晶硅层。
全文摘要
本发明公开了用于在单个集束型设备中在衬底上形成介电材料的方法。在一实施方式中，该方法包括提供具有多个沉积处理室的集束型设备，在所述集束型设备的第一处理室中在衬底上沉积含金属的氧化层，在所述集束型设备的第二处理室中利用惰性等离子体工艺处理所述含金属的氧化层，在所述集束型设备的第三处理室中退火处理所述含金属的氧化层，以及在所述集束型设备的第四处理室中在所述退火处理的衬底上沉积栅极层。
文档编号H01L21/3105GK1983522SQ200610160890
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月9日
发明者普拉文·K·纳万卡, 施雷亚斯·S·卡尔, 尚克尔·穆苏克里斯南, 拉胡·沙拉普尼, 菲利普·克劳斯, 克里斯·奥尔森, 卡莱德·Z·埃哈迈德 申请人:应用材料股份有限公司