专利名称：金属栅极结构及其形成方法
技术领域：
本发明的实施例大体关于基材处理。
背景技术：
在处理半导体、平板显示器或其它电子装置的领域中，由于电子装置的几何尺寸持续缩减，而装置密度持续增加，整体特征结构的尺寸被减小且纵横比被加大。在现有的装置制造中，例如，当在二或三维的装置中制造 金属栅极结构时，为了填充较小的特征结构，通过高温沉积处理在湿润层顶上沉积金属栅极材料。可能还需要额外的层，例如一或多个阻障层，以防止金属层扩散进入下方的层内；以及一或多个功函数层(work functionlayer)，以为装置提供合适的功函数。然而，包括额外的层来执行上述功能，增加了建立具有较小几何尺寸的装置的难度。因此，本案发明人提供了改良的金属栅极结构及其形成方法。
发明内容
本发明提供金属栅极结构及其形成方法。在某些实施例中，基材具有形成在高介电常数介电层中的特征结构，而在基材上形成金属栅极结构的方法可包括下列步骤在特征结构内，在介电层顶上沉积第一层；在特征结构内，在第一层顶上沉积第二层，第二层包含钴；以及在特征结构内，在第二层顶上沉积第三层以填充特征结构，第三层包含金属，其中第一层及第二层中的至少一层形成湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层，其中第一层、第二层及第三层中的一层形成功函数层，且其中第三层形成栅极电极。在某些实施例中，基材具有形成在高介电常数介电层中的特征结构，而在基材上形成金属栅极结构的方法可包括下列步骤在特征结构内，在介电层顶上沉积第一层，其中第一层为阻障层；在特征结构内，在第一层顶上沉积第二层，其中第二层作为功函数层及湿润层以形成供后续沉积层所用的成核层；以及在特征结构内，在第二层顶上沉积第三层以填充该特征结构，第三层包含铝(Al)，其中第三层形成金属栅极电极。在某些实施例中，金属栅极结构可包括第一层，设置在特征结构内，特征结构形成在基材的介电层中；第二层，包含钴，第二层设置在特征结构内的第一层上方；以及第三层，包含金属，第三层设置在特征结构内的第二层上方，其中第三层填充特征结构，且其中第一层及第二层中的至少一层形成湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层，其中第一层、第二层及第三层中的一层形成功函数层，且其中第三层形成栅极电极。在某些实施例中，金属栅极结构可包括第一层，设置在特征结构内，特征结构形成在基材的介电层中，其中第一层为阻障层；第二层，设置在特征结构内的第一层上方，其中第二层为功函数层及湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层；以及第三层，包含铝，第三层设置在特征结构内的第二层上方，其中第三层形成栅极电极。下文描述本发明的其它及进一步的实施例。
可藉由参照描绘在附图中的本发明的说明性实施例，而了解以上所简述且更详细在下文中讨论的本发明的实施例。然而，应注意的是，附图仅为说明本发明的典型实施例，而非用于限制本发明的范畴，因为本发明也允许其它等效实施例。图I为根据本发明的某些实施例的基材的说明性剖面视图，该基材具有在基材上形成的金属栅极结构。图2描绘根据本发明的某些实施例的形成金属栅极结构的方法。图3A至3E为根据本发明的某些实施例的处理步骤的不同阶段期间，基材的说明性剖面视图。图4为多腔室处理系统的一实例的概要顶视图，该多腔室处理系统适于执行本发明所公开的处理。图5为根据本发明的某些实施例的基材的说明性剖面视图，该基材具有在基材上形成的金属栅极结构。为方便理解，在可能情况下已使用相同组件符号以指出图中所共有的相同组件。附图并非按比例绘制，且可能为了清晰的缘故而加以简化。可考虑将一个实施例的组件及特征有利地应用于其它实施例中，而无需进一步描述。
具体实施例方式本发明的实施例大体关于基材处理。在某些实施例中，本发明的金属栅极结构及其制造方法可有利地提供金属栅极结构，该金属栅极结构包含湿润层以促进成核及金属栅极层沉积在湿润层上。在某些实施例中，湿润层可进一步有利地作为阻障层，以防止材料从金属栅极层扩散至下方层。本发明可进一步有利地提供共形且均匀的湿润层，从而促进复杂结构的形成，例如三维结构，如鳍片场效晶体管(鳍片FET)或多重栅极场效晶体管。参见图I，在某些实施例中，装置100可包括金属栅极结构114，金属栅极结构114通常可包含介电层103、湿润层110以及金属栅极层112。在某些实施例中，金属栅极结构114可设置在基材102内或基材102顶上。在这样的实施例中，金属栅极结构114可形成在特征结构118内，而特征结构118可形成在，例如，介电层103中，而介电层103设置在基材102顶上。此外，在某些实施例中，金属栅极结构114可进一步包含额外的层，例如阻障层106或功函数层108中的至少一层。基材102可为能使材料沉积在基材上的任何基材，如娃基材,例如结晶娃(如，S i〈 100>或S i〈 111 >)、氧化硅、应变硅、经掺杂或未经掺杂的多晶硅等等，III -V族化合物基材，娃锗(SiGe)基材,嘉晶基材,绝缘体上娃(silicon-on-insulator ；S0I)基材,显示器基材如液晶显示器(IXD)、等离子体显示器、电致发光(EL)灯显示器、太阳能阵列、太阳能面板、发光二极管(LED)基材、半导体晶片，等等。在某些实施例中，基材102可包括至少部份形成在基材102中的其它结构或特征结构118。举例而言，在某些实施例中，特征结构118(如，通孔、沟槽、双镶嵌特征结构、高纵横比特征结构等)可通过任何适当的处理(或多个处理)，形成在介电层103内，如通过蚀刻处理。在某些实施例中，基材102可包括界定在基材102中的P-型或η-型区域(未示出)。以交替或组合的方式，在某些实施例中，基材可包括形成在基材102中的多个场隔离区域(未示出)，以隔离具有相异传导性型态(例如，η-型或P-型)的阱，及/或以隔离相邻的晶体管(未示出)。场隔离区域可为浅沟槽隔离(shallow trench isolation ；STI)结构，例如，可藉由将沟槽蚀刻入基材102，并接着以合适的绝缘体填充沟槽，而形成浅沟槽隔离结构；合适的绝缘体可如氧化硅(氧化物)、氮化硅(氮化物)等。介电层103可包含适用于期望应用的任何介电材料。举例而言，在某些实施例中，介电层103可包含高介电常数介电材料，例如，具有等于或大于约3. 9的介电常数。在某些实施例中，介电层103为硅酸金属膜，例如，硅酸铪(HfSiOx)、氮化硅铪(HfxSiyN)、氮氧化硅铝(AlSixOyNz)等。在某些实施例中，高介电常数介电材料可包含金属氧化物，例如，氧化铪(HfOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化镧(LaOx)、氧化铝(AlxOy)、它们的组合物、它们的层迭物、它们的混合物等。下标(X、I、z)意味着可通过循环沉积处理序列而有意地改变化学剂量或成分，以形成该化合物。可通过适于使介电层103具有期望厚度的任何处理来形成介电层103。举例而言，·在某些实施例中，可藉由沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积)，或循环沉积处理(如原子层沉积)等处理形成至少部份介电层103。以交替或组合的方式，在某些实施例中，可通过热或等离子体氧化处理等形成至少部份介电层103。在某些实施例中，可通过就图2描述在下文中的处理形成介电层103。在某些实施例中，阻障层106可沉积在介电层103上。当存在阻障层106时，阻障层106可防止金属栅极层112材料扩散进入介电层103。阻障层106可包含适于作为如上所述的阻障的任何材料。举例而言，在某些实施例中，阻障层106可包含，例如，钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、锰(Mn)、钨(W)、铪(Hf)等金属及它们的合金等，或在某些实施例中，阻障层106可包含金属氮化物，如，氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)等。阻障层106可包含适于防止金属栅极层112材料扩散进入介电层103的任何厚度。举例而言，在某些实施例中，阻障层106可具有约10至约50埃(A)的厚度。可由适于提供具有期望厚度的阻障层106的任何处理来形成阻障层106。举例而言，在某些实施例中，可通过沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积)，或循环沉积处理(如原子层沉积)等处理形成阻障层106。在某些实施例中，可通过就图2描述在下文中的处理形成阻障层106。在某些实施例中，功函数层108可设置在阻障层106上方。功函数层108可包含适于给特定的待处理装置提供恰当的功函数范围的任何材料。举例而言，在金属栅极结构114为η-型金属氧化物半导体(nMOS)的实施例中，功函数层108可包含钽(Ta)、铝化钛(TiAl)、锰(Mn)、铪(Hf)、铝化铪(HfAl)或铝化钽(TaAl)。或者，在金属栅极结构114为P-型金属氧化物半导体(PMOS)的实施例中，功函数层108可包含氮化钛(TiN)、钴(Co)、氮化钨(WN)、镍(Ni)或钌(Ru)。功函数层108可包含适于给特定的待处理装置提供恰功函数范围的任何厚度。举例而言，在某些实施例中，功函数层108可包含约20至约100埃(A)的厚度。可由适于提供具有期望厚度的功函数层108的任何处理来形成功函数层108。举例而言，在某些实施例中，可通过沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积)，或循环沉积处理(如原子层沉积)等处理形成功函数层108。在某些实施例中，可通过就图2描述在下文中的处理形成功函数层 108。在某些实施例中，湿润层110可设置在功函数层108上方。湿润层110在特征结构118内提供共形层，并作为成核层以促进后续形成的层(例如，金属栅极层112)的沉积或生长的均匀性。湿润层110可包含适于提供下方层充分均匀覆盖率的任何厚度。举例而言，在某些实施例中，湿润层110可包含约5至约50埃(A)的厚度。可由适于提供具有期望厚度的湿润层110的任何处理来形成湿润层110。举例而言，在某些实施例中，可通过沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积)，或循环沉积处理(如原子层沉积)等处理形成湿润层110。在某些实施例中，可通过就图2描述在下文中的处理形成湿润层110。
湿润层110可包含就特定的待处理装置而言能在特征结构118内形成共形层且适于作为成核层的任何材料。举例而言，在某些实施例中，对于金属栅极结构114为pMOS结构的实例而言，湿润层110可包含钴(Co)或钴的合金以及一或多种过渡金属(如，钽、铪、钛、钨等)。本案发明人已观察到，虽然钴(Co)为正型(P-型)金属，且因此适用于pMOS结构中，但也可将钴(Co)的薄层用作nMOS金属栅极结构114中的湿润层110。藉由提供钴(Co)的薄层，该层可作为湿润层，以容许后续沉积层的共形沉积，而不会影响金属栅极结构114的功函数。因此，在某些实施例中，如在金属栅极结构114为nMOS结构的实例中，湿润层110可包含具有约5至约30 A的厚度的钴(Co)层，或在某些实施例中，所述钴层的厚度少于约2 O A，或在某些实施例中，少于约I 5人，或在某些实施例中，少于约I O A。在某些实施例中，金属栅极层112设置在湿润层110顶上。金属栅极层112可包含适于供待制造的特定装置所用的任何导电材料。举例而言，在某些实施例中，金属栅极层112可包含金属，如铝(Al)、钨(W)、铜(Cu)、钴(Co)或镍(Ni)等。金属栅极层可包含需用来填充特征结构118的任何厚度，例如，在某些实施例中，金属栅极层112可包含约20至约3 O OA的厚度。可由适于提供具有期望厚度的金属栅极层112的任何处理来形成金属栅极层112。举例而言，在某些实施例中，可通过沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积、电镀等)，或循环沉积处理(如原子层沉积)等处理形成金属栅极层112。在某些实施例中，可通过就图2描述在下文中的处理形成金属栅极层112。尽管功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112被描述为单独的层，但在某些实施例中，功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112中的一或多层可作为功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112中的至少一层，从而消除对各功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112为单独层的需求。举例而言，在某些实施例中，功函数层108可作为阻障层，从而消除对单独的阻障层106的需求。在某些实施例中，例如，在金属栅极结构114为pMOS结构的实施例中，金属栅极结构114可包含阻障层106，该阻障层106包含氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN);湿润层110，该湿润层110包含钴；以及金属栅极层112，金属栅极层112包含钨或钴。在这样的实施例中，TiN或TaN阻障层106可作为阻障层106，或作为阻障层106及功函数层108。因此，在这样的实施例中，包含钴的湿润层110可作为湿润层110，或作为湿润层110及功函数层108。在某些实施例中，如在金属栅极结构114为nMOS结构的实例中，阻障层106可包含TiN或TaN ;湿润层110可包含钴的单层；且功函数层108及金属栅极层112可包含铝的单层。在这样的实施例中，TiN层可包含约8至I O A的厚度，且钴层包含约10至〗5 A的厚度。在另一实例中，在某些实施例中，阻障层106、功函数层108及湿润层110可包含钽的单层。在这样的实施例中，钽层可包含约30至50 A的厚度。在另一实例中，在某些实施例中，阻障层106及功函数层108可包含钽，且湿润层110可包含钴的单层。在这样的实施例中，钽层可包含约30至50 A的厚度，且钴层可包含约I O A的厚度。在另一实例中，在某些实施例中，阻障层106可包含TiN，且可以TiAl的单层作为nMOS结构的功函数层108及湿润层110 二者。此外，尽管上文描述的层处在特定顺序(S卩，阻障层106、功函数层108、湿润层110、金属栅极层112)，但也可以任何顺序提供这些层，且各层可作为功函数层、阻障层、湿润层或金属栅极层中的至少一层，从而消除以单独层提供各上述功能的需求。举例而言，在某些实施例中，如图5所不,金属栅极结构114可包含第一层506,第一层506形成在特征结构118内的介电层103顶上；第二层508,包含钴；以及第三层 512，在特征结构118内的第二层508顶上，以填充特征结构118，其中第一层506及第二层508中的至少一层形成湿润层，且其中第一层506、第二层508及第三层512中的一层形成功函数层。图2描绘根据本发明的某些实施例在基材上形成金属栅极结构的方法。可在适于根据本发明的实施例处理基材的任何设备中执行本发明的方法，如化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室等。这样的设备可包括独立的处理腔室、或耦接至丛集工具的处理腔室。下文就图4描述合适的丛集工具的一实例。方法200从方块202开始，其中提供了基材102，基材102具有形成在基材102上的介电层103，如图3A所示。基材102可为能使材料沉积在其上的任何基材，例如，上文所述的任何基材。如本文所使用，“基材表面(substratesurface) ”指的是上面可形成层的任何基材表面。基材表面可具有一或多个特征结构形成在基材表面中、一或多个层形成在基材表面上，及特征结构与层的组合。在介电层103沉积之前，可藉由如抛光、蚀刻、还原、氧化、卤化、羟化、退火、烘烤等预处理基材(或基材表面)。在某些实施例中，特征结构118可形成在设置在基材102顶上的介电层103中。介电层103可包含任何介电材料，例如，上文所述的任何介电材料。可通过任何方法形成介电层103，例如通过化学气相沉积，或循环沉积处理(例如，原子层沉积)等。在某些实施例中，可形成厚度约5至约(川A的介电层103。在某些实施例中，所沉积的介电层103的厚度可为介电层103的介电常数的函数。举例而言，在某些实施例中，介电层103的厚度可直接与介电常数成正比。在某些实施例中，介电层103的厚度可基于介电层103的等效氧化物厚度(equivalent oxidethickness)。在这样的实施例中，等效氧化物厚度可定义为(介电层103的实际厚度)/(介电层103的材料的介电常数)*3/9。在某些实施例中，等效氧化物厚度可少于约10 A。接着，在方块204，在某些实施例中，阻障层106可形成在介电层103顶上。可通过适于在介电层103顶上提供材料的均匀共形层的任何方法来形成阻障层106。举例而言，可通过沉积处理(如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))，或循环沉积处理(如原子层沉积(ALD))等处理形成阻障层106。藉由将诸如CVD或ALD等沉积处理用于形成阻障层106 (及如下所述的后续层)，可在介电层103顶上沉积阻障层106成为实质上均匀的共形层，允许材料平均地沉积在整个特征结构118内，从而促进三维结构的形成，例如，多重栅极场效晶体管(MuGFET)，如鳍片FET (FinFET)、三栅极(trigate)等。可在处理腔室中进行阻障层106沉积，例如就图4描述在下文中的处理腔室。阻障层106可包含适于防止材料自后续沉积层(如，功函数层108、湿润层110或金属栅极层112)扩散进入介电层103的任何材料。举例而言，在某些实施例中，阻障层106可包含上文所讨论的任何材料，如金属，例如，钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)等，或在某些实施例中，金属氮化物，如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)等。在通过诸如CVD或ALD处理等沉积处理来沉积阻障层106的实施例中，可同步或依序将基材102暴露至两种或两种以上的处理气体。该两种或两种以上的处理气体与基材102表面反应及/或彼此反应，造成材料沉积在基材102上，从而形成阻障层106。在某些实施例中，两种或两种以上的处理气体可分别包含前驱物及处理气体。举例而言，在阻障层106包含TaN的实施例中，前驱物可包含钽前驱物，例如，五(二甲胺基)组(pentakis (dimethylamido) tantalum ；PDMAT)、第三丁基亚胺基三(乙基甲基胺)组(V)(tris (ethylmethylamido) tert-butylimido tantalum (V) ； TBTEMT)等。在某些实施例中，处理气体可包含有含氢处理气体，例如，氢、氨(NH3)等。此外，在某些实施例中，可增加处理腔室内的温度，以进一步促进一或多种处理气体的反应。举例而言，在某些实施例中，处理腔室维持在约150至约350摄氏度的温度下。或者，在阻障层106包含TiN的实施例中，可将基材102暴露至第一处理气体(其包含有含钛气体)以及第二处理气体(其包含有含氮气体)。在这样的实施例中，含钛气体可包含四氯化钦(TiCl4)、四(二甲胺基)钦(tetrakis dimethylaminotitanium ；TDMAT)或四(乙基甲胺基)钛(tetrakis-ethylmethy 1-amino titanium ;TEMAT)。此外，在这样的实施例中，含氮气体可包含氨(NH3)、联氨(N2H4)等。此外，在某些实施例中，可增加处理腔室内的温度，以进一步促进一或多种处理气体的反应。举例而言，在某些实施例中，处理腔室维持在约150至约500摄氏度的温度下。在某些实施例中，可通过等离子体辅助沉积处理形成阻障层106。举例而言，在这样的实施例中，可同步或依序将基材102暴露至前驱物及等离子体。可藉由自功率源提供等离子体功率(例如RF功率)，以激发处理气体，因而形成等离子体。等离子体可促进前驱物的分解，造成材料沉积在基材102上，从而形成阻障层106。在某些实施例中，如在阻障层106包含TaN的实例中，前驱物可包含Ta-卤素前驱物，例如，氟化钽(TaF5)、氯化钽(TaCl5)等。在某些实施例中，可自包含有含氢气体(例如，氢(H2)气)的处理气体形成等离子体。在这样的实施例中，藉由等离子体促进Ta-卤素前驱物分解，可形成Ta层。在沉积之后，Ta层可接着经氮化而形成包含TaN的阻障层106。举例而言，可将Ta层暴露至含氮处理气体，例如，N2, NH3> N2H4等，并加热达约100至约500摄氏度的温度，以帮助氮化Ta层，因而形成包含TaN的阻障层106。或者，在某些实施例中，可藉由将Ta层暴露至由含氮处理气体所形成的第二等离子体来氮化Ta层，从而氮化钽层，产生包含TaN的阻障层106。或者，在阻障层106包含TiN的实施例中，前驱物可包含钛前驱物，例如，四(二甲
胺基)钛(TDMAT)、四氯化钛(TiCl4)、四氟化钛(TiF4)等。在某些实施例中，可自包含有含氢气体(例如，氢(H2)气)的处理气体形成等离子体。在这样的实施例中，藉由等离子体促进钛前驱物分解，可形成钛层。在沉积之后，钛层可接着经氮化而形成包含氮化钛的阻障层106。举例而言，可将Ti层暴露至含氮处理气体，例如，N2, NH3> N2H4等，并加热达约100至约500摄氏度的温度，以帮助氮化Ti层，因而形成包含TiN的阻障层106。或者，在某些实施例中，可藉由将Ti层暴露至由含氮处理气体所形成的第二等离子体来氮化Ti层，从而氮化钛层，产生包含TiN的阻障层106。接着，在方块206，在某些实施例中，可视情况将功函数层108沉积在特征结构118内。在阻障层106存在的实施例中，可将功函数层108沉积在阻障层106顶上。功函数层108可包含适于对特定的待处理装置提供恰当的功函数范围的任何材料，如上述的任何材料。举例而言，在金属栅极结构114为η-型金属氧化物半导体(nMOS)的实施例中，功函数层108可包含钽(Ta)、钛(Ti)、锰(Mn)、铪(Hf)、 铝(Al)及它们的合金。或者，在金属栅极结构114为P-型金属氧化物半导体(pMOS)的实施例中，功函数层108可包含氮化钛(TiN)、钴(Co)、氮化钨(WN)、镍(Ni)、钌(Ru)等。可通过适于在特征结构118内提供材料的均匀共形层的任何方法形成功函数层108。举例而言，可通过沉积处理(如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))，或循环沉积处理(如原子层沉积(ALD))等处理形成功函数层108。藉由将诸如CVD或ALD等沉积处理用于形成功函数层108 (及如下所述的后续层)，可沉积功函数层108成为实质上均匀的共形层，允许材料平均地沉积在整个特征结构118内，从而促进三维结构的形成，三维结构如多重栅极场效晶体管(MuGFET)，如鳍片FET、三栅极等。可在处理腔室中进行功函数层108的沉积，例如，就图4描述在下文中的处理腔室432、434、436、438中的一或多个处理腔室。可在上述就阻障层106的沉积所利用的相同处理腔室(或在某些实施例中，不同处理腔室)中沉积功函数层108。在通过诸如CVD或ALD处理等沉积处理来沉积功函数层108的实施例中，可同步或依序将基材102暴露至两种或两种以上的处理气体。两种或两种以上的处理气体与基材102表面反应及/或彼此反应，造成材料沉积在基材102上，从而形成功函数层108。在某些实施例中，如在金属栅极结构114为nMOS结构的实例中，可藉由依序将基材102暴露至包含前驱物的处理气体及等离子体，来沉积功函数层108。举例而言，在功函数层108包含钽的实施例中，可首先将基材102暴露至Ta-卤素前驱物，例如，氟化钽(TaF5)、氯化钽(TaCl5)等。或者，在功函数层108包含钛的实施例中，可先将基材102暴露至Ti前驱物，例如，四(二甲胺基)钛(TDMAT)、四氯化钛(TiCl4)、四氟化钛(TiF4)等。在将基材暴露至前驱物(即，Ta-卤素前驱物或Ti前驱物)之后，可接着将基材102暴露至自包含有含氢气体(例如，氢(H2)、娃烷(SiH4)等)的处理气体所形成的等离子体。在这样的实施例中，藉由等离子体促进前驱物的分解，可形成包含钛的功函数层108。在某些实施例中，可进行一或多个前驱物及等离子体依序暴露的循环，以沉积功函数层108至期望厚度，例如上文所述的厚度。或者，在功函数层108包含锰(Mn)的实施例中，可将功函数层108暴露至包含有含Mn前驱物的第一处理气体，以及包含有含氢气体的第二处理气体。举例而言，在这样的实施例中，含Mn前驱物可包含脒基锰(Mnamidinate)前驱物，例如，双(N，N’ -二异丙基戊脉基)猛(II) (bis (N, N,-diisopropylpentylamidinato)manganese (II))等。在某些实施例中，含氢气体可包含氢(H2)、娃烧(SiH4)、氨(NH3)等。在这样的实施例中,藉由含氢气体促进含Mn前驱物的分解，可形成包含Mn的功函数层108。此外，在某些实施例中，可增加处理腔室内的温度，以进一步促进一或多种处理气体的反应。举例而言，在某些实施例中，处理腔室可维持在约250至约550摄氏度的温度。或者，在功函数层108包含钴(Co)的实施例中，可藉由将基材102暴露至包含有含Co前驱物的第一处理气体，以及包含有含氢气体的第二处理气体，来沉积功函数层108。在某些实施例中，含Co前驱物可包含二钴六羰基丁基乙炔(dicobalt hexacarbonylt-butylacetylene ;CCTBA)、钴二擬基环戍二烯(cobalt dicarbonyl eyelopentadienyI)或钴二羰基丙烯(cobalt dicarbonyl allyl)。在某些实施例中，含氢气体可包含氢(H2)、氨(NH3)等。在这样的实施例中，藉由含氢气体促进含Co前驱物的分解，可形成包含Co的功函数层108。此外，在某些实施例中，可增加处理腔室内的温度，以进一步促进一或多种处理气体的反应。举例而言，在某些实施例中，处理腔室可维持在约100至约450摄氏度的温度。接着，在方块208，可将湿润层110沉积在特征结构118内。在视情况的功函数层108存在的实施例中，湿润层110可沉积在功函数层108顶上。可通过适于在特征结构118·内提供共形且均匀的层的任何处理形成湿润层110，例如通过沉积处理(如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))，或循环沉积处理(如原子层沉积(ALD))形成湿润层110。藉由将诸如CVD或ALD等沉积处理用于形成湿润层110，可沉积湿润层110成为实质上均匀的共形层，允许材料平均地沉积在整个特征结构118内，从而促进三维结构的形成，例如，多重栅极场效晶体管(MuGFET)，如鳍片FET、三栅极等。可在处理腔室中进行功函数层108的沉积，例如，就图4描述在下文中的处理腔室436、438、434、432中的一或多个处理腔室。湿润层110可有助于后续沉积层(例如，上文及下文所描述的金属栅极层112)的成核及均匀沉积。在某些实施例中，湿润层110也可作为阻障层，因而消除对上述的阻障层106的需求。湿润层110可包含有助于后续沉积在湿润层110上的层的成核及沉积的任何材料。举例而言，在某些实施例中，湿润层Iio可包含钴(Co)、钽(Ta)、钽-铝合金(Ta-Al)、锰(Mn)、铪(Hf)、铪铝合金(Hf-Al)Ji (Ti)、钛-铝合金(Ti-Al)等。湿润层110可包含适用于待制造结构的任何厚度。举例而言，湿润层110可包含就图I在上文讨论的任何厚度。在某些实施例中，如在湿润层110包含Co的实例中，可藉由将基材102暴露至包含有含Co前驱物的第一处理气体，以及包含有含氢气体的第二处理气体，以沉积湿润层110，含氢气体可如就功函数层108的形成在上文中描述的。在某些实施例中，例如在金属栅极结构114为pMOS结构的实例中，可沉积钴来形成具有大于约20 A的厚度的湿润层110。在这样的实施例中，钴可作为湿润层110及功函数层二者，从而消除沉积如上所述的单独功函数层108的需求。或者，在金属栅极结构114为nMOS结构的实施例中，可沉积钴来形成具有小于约20A的厚度的湿润层，或在某些实施例中，该厚度小于约10A。在某些实施例中，如在湿润层110包含Ta或Ta-Al合金的实例中，可通过等离子体辅助沉积处理形成湿润层110，例如，通过等离子体增进原子层沉积处理(PEALD)。举例而言，在这样的实施例中，可同步或依序将基材102暴露至一或多种前驱物或处理气体及等离子体。可藉由自功率源提供等离子体功率(例如RF功率)，以激发处理气体，因而形成等离子体。等离子体可促进前驱物的分解，造成材料沉积在特征结构118内，从而形成阻障层 106。在某些实施例中，如在湿润层110包含Ta的实例中，一或多种处理气体可包含有含Ta处理气体，例如，氟化钽(TaF5)、氯化钽(TaCl)等；或含Ta前驱物，如五(二甲胺基)钽(PDMAT)、第三丁基亚胺基三(乙基甲基胺)钽(V) (TBTEMT)等。此外又或者，在湿润层110包含Ta-Al合金的实施例中，一或多种处理气体或前驱物可额外包含有含Al前驱物，例如，三-第三丁基铝(TTBA)、三甲铝(TMA)、三乙铝(TEA)等。在某些实施例中，可自包含有含氢气体的处理气体形成等离子体，含氢气体可如氢(H2)、娃烧(SiH4)等。在这样的实施例中，藉由等离子体促进一或多种前驱物或处理气体的分解，可形成包含Ta或Ta-Al的湿润层110。在某些实施例中，在湿润层110包含Ti的实例中，一或多种处理气体可包含有含 Ti前驱物，例如，四(二甲胺基)钛(TDMAT)、四氯化钛(TiCl4)、四氟化钛(TiF4)等。此外又或者，在湿润层110包含Ti-Al合金的实施例中，一或多种处理气体或前驱物可额外包含有含Al前驱物，例如，三-第三丁基招(tritertiarybutylaluminium ;TTBA)、三甲招(trimethylaluminum ;TMA)、三乙招(triethyl aluminum ;TEA)等。在某些实施例中，可自包含有含氢气体(例如，氢(H2)、硅烷(SiH4)等)的处理气体形成等离子体。在这样的实施例中，藉由等离子体促进一或多种前驱物或处理气体的分解，可形成包含Ti或Ti-Al的湿润层110。在某些实施例中，在湿润层110包含Hf的实例中，一或多种处理气体可包含有含Hf前驱物，例如，铪的卤化物，如氯化铪等。此外又或者，在湿润层110包含Hf-Al合金的实施例中，一或多种处理气体或前驱物可额外包含有含Al前驱物，例如，三-第三丁基铝(TTBA)、三甲铝(TMA)、三乙铝(TEA)等。在某些实施例中，可自包含有含氢气体的处理气体形成等离子体，含氢气体可例如，氢(H2)、硅烷(SiH4)等。在这样的实施例中，藉由等离子体促进一或多种前驱物或处理气体的分解，可形成包含Hf或Hf-Al的湿润层110。在某些实施例中，如在湿润层110包含Mn的实例中，可通过就功函数层108的形成在上文描述的处理，来沉积湿润层110。接着，在方块210，金属栅极层112可形成在湿润层110顶上。金属栅极层112可包含适用于特定的待制造装置的任何导电材料，例如，上文所讨论的材料。在某些实施例中，金属栅极层112可包含金属，如铝(Al)、钨(W)、铜(Cu)、钴(Co)等。可由适于提供具有期望厚度的金属栅极层112的任何处理来形成金属栅极层112。举例而言，在某些实施例中，可通过沉积处理(如化学气相沉积、物理气相沉积、电镀等)，或循环沉积处理(如原子层沉积)及它们的组合等处理形成金属栅极层112。可在处理腔室中进行金属栅极层112的沉积，例如，就图4描述在下文中的处理腔室432、434、436、438中的一或多个处理腔室。在某些实施例中，如在通过CVD处理形成金属栅极层112的实例中，可将基材102暴露至一或多种前驱物。举例而言，在金属栅极层112包含Al的实施例中，可将基材暴露至含Al前驱物，例如，三甲基胺招烧硼烧(trimethylaminealaneborane ;TMMAB)、甲基咯唳招烧(methylpyrroridine alane ;MPA)、二甲基氢化招(dimethylaluminumhydride ；DMAH)
坐寸ο在某些实施例中，在通过上文所述的CVD处理沉积金属栅极层112之后，可进行物理气相沉积处理以有助于进一步沉积金属栅极层112材料以及金属栅极层112材料的回流，从而提供均匀且一致的金属栅极层112。本发明的方法通常在方块210沉积金属栅极层112后结束。在某些实施例中，可进行额外的制造步骤以完成待形成的结构或装置的制造。举例而言，进一步的制造步骤可包括移除主体介电层103，例如，通过蚀刻处理移除主体介电层103以暴露金属栅极结构114。在某些实施例中，可自基材的上表面移除过量的材料，例如，通过化学金属抛光(chemicalmetal polishing ；CMP)处理移除。尽管上文描述的方法以特定顺序来沉积层(即，在方块204视情况沉积的阻障层106、在方块206视情况沉积的功函数层108、 在方块208沉积的湿润层110，以及在方块210沉积的金属栅极层112)，但可以任何次序来沉积各层，且各层可提供多重功能。举例而言，在某些实施例中，一单层可提供功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112中的一或多层的功能，从而消除对各功函数层108、阻障层106、湿润层110及金属栅极层112为单独层的需求。举例而言，在某些实施例中，如在金属栅极结构114为nMOS结构的实例中，首先可将第一层沉积在介电层103(即，高介电常数介电层，如氧化铪(HfO2))顶上，以形成阻障层106，第一层包含钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)及氮化钽(TaN)中的一种。在沉积第一层之后，可将包含钴(Co)的第二层沉积在阻障层106顶上，以形成湿润层110。在这样的应用中，本案发明人已发现到，尽管钴(Co)为正型(P-型)金属，且因而适用于pMOS结构中，但也可将钴(Co)的薄层用于nMOS金属栅极结构114中作为湿润层110。藉由提供钴(Co)的薄层，该层作为湿润层以容许后续沉积层的共形沉积，而不会影响金属栅极结构114的功函数。因此，在这样的实施例中，可沉积钴(Co)湿润层110至小于约20 A的厚度，或在某些实施例中，小于约15 A，或在某些实施例中，小于约I O A。在沉积钴(Co)湿润层110后，在某些实施例中，可在湿润层Iio顶上沉积包含铝(Al)的第三层，以填充特征结构118并作为金属栅极层112。藉由提供铝(Al)层作为金属栅极层112，使金属栅极结构114维持在低的整体电阻，从而增加金属栅极结构114的效能。在另一实例中，在某些实施例中，如在金属栅极结构114为nMOS结构时，可首先在介电层103 (即，诸如氧化铪(HfO2)的高介电常数介电层)顶上沉积第一层来形成阻障层106，第一层包含氮化钛(TiN)及氮化钽(TaN)中的一种。在第一层沉积之后，可在第一层顶上沉积第二层，第二层包含锰(Mn)、铪(Hf)、钛(Ti)、钽(Ta)及它们的铝合金中的一种，其中第二层可作为功函数层108及湿润层110。在第二层沉积之后，可在第二层顶上沉积第三层来填充特征结构118，第三层包含铝(Al)，其中第三层可作为金属栅极层112。在金属栅极结构114为pMOS结构的某些实施例中，可首先将第一层沉积在介电层103(即，诸如氧化铪(Hf02)的高介电常数介电层)顶上，以形成阻障层106及/或湿润层110，第一层包含氮化钛(TiN)及氮化钽(TaN)中的一者。在第一层沉积之后，可沉积第二层以形成功函数层108及/或湿润层110，第二层包含钴(Co)。在某些实施例中，包含钴(Co)的第二层可沉积达约5至约7 O A,或约5至约50 A的厚度。在第二层沉积之后，可在第二层顶上沉积第三层来填充特征结构118，第三层包含铜(Cu)、钨(W)、钴(Co)及铝(Al)中的一种，其中第三层可作为金属栅极层112。在某些实施例中，当第三层包含钴(Co)时，第二层及第三层可沉积为一个连续层。或者，在某些实施例中，当第三层包含钴(Co)时，第二层及第三层可沉积为单独层。图4为示例的多腔室处理系统400的概要顶视图，处理系统400可适用于进行本发明所公开的处理。合适的多腔室处理系统的实例包括可购自Applied Materials, Inc的、CRNTURA 以及PRODUCER 处理系统。适于因本发明而得益的另一个类似的多腔室处理系统公开在1993年2月16日所授予的名称为“Stage Vacuum WaferProcessingSystem and Method”的美国专利第5，186, 718号中，该专利以参照方式并入本发明中。系统400大体包括负载锁定腔室402、404，用以转移基材(如上述基材102)进入或离开系统400。既然系统400在真空下操作，则可“抽空(pump down) ”负载锁定腔室402、404，以帮助基材进出系统。第一自动机410可在负载锁定腔室402、404、处理腔室412、414、转移腔室422、424及其它腔室416、418之间转移基材。第二自动机430可在处理腔室432、434、436、438及转移腔室422、424之间转移基材。进一步，各处理腔室412、414、416及418可经装配以进行多个基材处理操作，如包括原子层沉积(ALD)的循环层沉积、化学气相 沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、除气、定向及其它基材处理。腔室412、414、416、418、432、434、436、438中的至少部份腔室经配置以执行本发明所述的处理。第一自动机410可转移基材进出一或多个转移腔室422及424。转移腔室422及424用来维持超高真空状态，同时容许基材在系统400内转移。第二自动机430可在转移腔室422及424与第二组一或多个处理腔室432、434、436及438之间转移基材。类似于处理腔室412、414、416及418，处理腔室432、434、436及438可经装配以进行各种基材处理操作，如包括原子层沉积(ALD)的循环层沉积、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)Ji亥IJ、预清洁、除气及定向等。若系统400所执行的特定处理不需要，可自系统400移除任何基材处理腔室412、414、416、418、432、434、436及438。在某些实施例中，为了在系统400内进行本发明所公开的本发明的方法，基材处理腔室412、414、416、418、432、434、436及438中的至少部份腔室可依需求而配置来进行上文中所讨论的多种处理。举例而言，在某些实施例中，基材处理腔室412、414、416、418、432、434、436及438中的一或多个腔室可经配置以进行原子层沉积或化学气相沉积处理，例如，在上文中就阻障层106、功函数层108、湿润层110的沉积描述的处理。此外，在某些实施例中，基材处理腔室412、414、416、418、432、434、436及438中的一或多个腔室可经配置以进行物理气相沉积处理，例如，在上文中就金属栅极层112的沉积描述的处理。处理系统400可包括一或多个预清洁腔室，以预先清洁转移进入腔室的基材；一或多个PVD腔室，这些PVD腔室经配置以沉积阻障层、种晶层或导电金属层。为了增进系统的效率及产量，处理系统的一种配置包括两个预清洁腔室，如预清洁腔室412、414，这些腔室412、414经配置以预先清洁基材表面；四个ALD或PVD腔室，如处理腔室434、436、432、438，这些ALD或PVD腔室经配置以沉积阻障层或沉积种晶层，处理腔室434、436、432、438经设置以连接后端中央转移腔室。在某些实施例中，腔室412、414经配置作为预清洁腔室，同时处理腔室432、434、436、438经配置以藉由PVD处理来沉积至少TiN。可提供控制器450并将控制器450耦接至系统400，以控制系统的部件。控制器450可为任何适合的控制器，用以控制基材处理腔室或丛集工具的操作。控制器450大体包括中央处理单元(CPU)452、存储器454以及支持电路456。CPU452可为能用于工业设定的任何形式的通用计算机处理器。支持电路456耦接至CPU 452，且支持电路456可包含高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源供应器等。软件程序，如本发明所公开的用以处理基材的方法(例如就图2及3A至3E所描述的)，可储存在控制器450的存储器454中。当由CPU 452执行软件程序时，软件程序可使CPU 452转换为特定用途计算机(控制器)450。软件程序也可由第二控制器(未示出)储存及/或执行，第二控制器位于控制器450远程。以交替或组合的方式，系统400的各处理腔室可具有处理腔室本身的控制器，用以控制可在各该特定处理腔室中进行的本发明所公开的本发明的部分方法。在这样的实施例中，各自控制器可经配置而类似于控制器450，且可耦接至控制器450以同步系统100的操作。
因此，本文提供金属栅极结构及其形成方法。本发明的金属栅极结构及方法可有利地提供湿润层，以促进湿润层上的金属栅极层的成核及沉积。湿润层可进一步有利地提供阻障，以防止材料自金属栅极层扩散至下方层。本发明的方法可进一步有利地提供共形且均匀的湿润层，从而促进复杂结构的形成，例如三维结构，如鳍片场效晶体管或多重栅极场效晶体管。尽管上文涉及本发明的实施例，但可在不悖离本发明的基本范畴的情况下想出本发明的其它及进一步的实施例。
权利要求
1.一种在基材上形成金属栅极结构的方法，该基材具有形成在高介电常数介电层中的特征结构，该方法包含下列步骤 在该特征结构内，在该介电层顶上沉积第一层； 在该特征结构内，在该第一层顶上沉积第二层，该第二层包含钴或镍；以及 在该特征结构内，在该第二层顶上沉积第三层以填充该特征结构，该第三层包含金属，其中该第一层及该第二层中的至少一层形成湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层，其中该第一层、该第二层及该第三层中的一层形成功函数层，且其中该第三层形成金属栅极电极。
2.如权利要求I的方法，其中该介电层包含氧化硅铪(HfSiO)、氮化硅铪(HfSiN)、氮氧化硅铝(AlSiON)、氧化铪(HfO)、氧化锆(ZrO)、氧化镧(LaO)或氧化铝(AlO)。
3.如权利要求I或2中任一项的方法，其中形成该金属栅极结构的步骤包含下列步骤形成pMOS金属栅极结构，且其中沉积该第一层的步骤包含下列步骤沉积包含钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)中的一种的一层；或 其中形成该金属栅极结构的步骤包含下列步骤形成nMOS结构，且其中沉积该第一层的步骤包含下列步骤沉积包含锰(Mn)、铪(Hf)、钛(Ti)、钽(Ta)、它们的铝合金，氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)中的一种的一层。
4.如权利要求3的方法，其中该第一层形成阻障层或功函数层中的至少一层。
5.如权利要求I或2中任一项的方法，其中形成该金属栅极结构的步骤包含下列步骤形成pMOS金属栅极结构，且其中沉积包含钴(Co)或镍(Ni)的该第二层的步骤包含下列步骤沉积该第二层达约5至约7 O A的厚度；或 形成该金属栅极结构的步骤包含下列步骤形成nMOS结构，且其中沉积包含钴(Co)或镍(Ni)的该第二层的厚度小于约ZUA。
6.如权利要求I或2中任一项的方法，其中沉积该第三层的步骤包含下列步骤沉积金属栅极层，该金属栅极层包含铝(Al)、钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)或镍(Ni)。
7.如权利要求I或2中任一项的方法，其中沉积该第三层的步骤包含下列步骤 通过化学气相沉积来沉积第一次层，该第一次层包含铝(Al);以及 通过物理气相沉积来沉积第二次层，该第二次层包含铝(Al)，其中沉积该第二次层的步骤导致该第一次层的回流，且其中该第一次层及该第二次层形成金属栅极层。
8.一种在基材上形成金属栅极结构的方法，该基材具有特征结构形成在高介电常数介电层中，该方法包含下列步骤 在该特征结构内，在该介电层顶上沉积第一层，其中该第一层是阻障层； 在该特征结构内，在该第一层顶上沉积第二层，其中该第二层作为功函数层及湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层；以及 在该特征结构内，在该第二层顶上沉积第三层以填充该特征结构，该第三层包含铝(Al)，其中该第三层形成金属栅极电极。
9.如权利要求8的方法，其中该第一层包含氮化钛或氮化钽。
10.如权利要求8或9中任一项的方法，其中该第二层包含钽、钛、铪及它们与铝的合金中的至少一种。
11.一种金属栅极结构，包含第一层，设置在特征结构内，该特征结构形成在基材的介电层中； 第二层，包含钴或镍，该第二层设置在该特征结构内的该第一层上方；以及第三层，包含金属，该第三 层设置在该特征结构内的该第二层上方，其中该第三层填充该特征结构，其中该第一层及该第二层中的至少一层形成湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层，其中该第一层、该第二层及该第三层中的一层形成功函数层，且其中该第三层形成一栅极电极。
12.如权利要求11的金属栅极结构，其中该第一层包含锰(Mn)、铪(Hf)、钛(Ti)、钽(Ta)、它们的铝合金、氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)中的一种；且其中该第三层包含铝(Al)、钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)或镍(Ni)。
13.如权利要求11或12中任一项的金属栅极结构,其中该金属栅极结构是pMOS金属栅极结构，且其中包含钴或镍的该第二层具有约5至约7 O A的厚度，或其中该金属栅极结构是nMOS金属栅极结构，且其中包含钴或镍的该第二层具有少于约2 O A的厚度。
14.一种金属栅极结构，包含 第一层，设置在特征结构内，该特征结构形成在基材的介电层中，其中该第一层是阻障层； 第二层，设置在该特征结构内的该第一层上方，其中该第二层是功函数层及湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层；以及 第三层，包含铝，该第三层设置在该特征结构中的该第二层上方，其中该第三层形成栅极电极。
15.如权利要求14的金属栅极结构，其中该介电层包含氧化铪、硅酸铪、氮化硅铪、氮氧化硅铝、氧化镧、氧化锆、氧化铝或它们的组合,且其中该第一层包含氮化钽或氮化钛，且其中该第二层包含钽、钛、铪及它们与铝的合金中的至少一种。
全文摘要
本发明提供金属栅极结构及其形成方法。在某些实施例中，基材具有形成在高介电常数介电层中的特征结构，而在基材上形成金属栅极结构的方法可包括下列步骤在特征结构内，在介电层顶上沉积第一层；在特征结构内，在第一层顶上沉积第二层，第二层包含钴或镍；以及在特征结构内，在第二层顶上沉积第三层以填充特征结构，第三层包含金属，其中第一层及第二层中的至少一层形成湿润层，以形成供后续沉积层所用的成核层，其中第一层、第二层及第三层中的一层形成功函数层，且其中第三层形成栅极电极。
文档编号H01L21/31GK102959710SQ201180029706
公开日2013年3月6日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年6月4日
发明者赛沙德利·甘古利, 柳尚澔, 李相协, 哈阳成, 李维迪, 金勋, 斯里尼瓦斯·甘迪科塔, 雷雨, 凯文·莫雷斯, 唐先民 申请人:应用材料公司