形成具有低电阻的钨多金属栅极的方法技术

本发明专利技术公开了一种形成钨多金属栅极的方法，包括步骤：依次在半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在该多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子层沉积工艺在该阻挡层上沉积钨成核层；通过化学气相沉积工艺在该钨成核层上沉积钨层；在该钨层上沉积硬掩模层；以及蚀刻该硬掩模层、钨层、钨成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在半导体装置中形成栅极的方法，更具体地涉及形成具有低电阻的鹤多金属(polymetal)栅极的方法。
技术介绍
在CMOS装置中，n+多晶硅栅极可以同时形成于NMOS装置和PMOS 装置中，藉此，由此相反的掺杂，该NMOS装置具有表面沟道而PMOS装 置具有掩埋沟道。然而掩埋沟道促进了短沟道效应增大。人们提出双栅极形成方法，通过在NMOS装置中形成n+多晶硅栅极且 在PMOS装置中形成p+多晶硅栅极以解决这个问题。由于掩埋沟道引起的 短沟道效应则不复存在，因为表面沟道同时形成于NMOS装置和PMOS装 置内。然而，双栅极结构也存在问题。首先是由于硼泄漏到沟道区域内而引起 的阈值电压偏移现象。其次为由于例如硼的p型杂质/人PMOS装置的p+多 晶硅层向外扩散而引起的栅极耗尽现象，导致多晶硅层内掺杂浓度不足。针对由于硼泄漏到沟道区域内引起的阈值电压偏移现象，提出了对栅极 绝缘层表面进行氮化处理的技术，但是尚未提出有关防止由于硼向外扩散引 起的栅极耗尽现象的技术。另一方面，当MOSFET设计规则缩小到亚100nm水平时，字线内与电 阻电容延迟(RC延迟)有关的问题成为严重的问题。作为解决字线RC延 迟问题的一个方法，人们尝试采用低比电阻材料作为栅极材料。具体而言，栅极材料/结构的选择从具有多晶硅(Si)层和金属硅化物层 的叠层的多硅化物(polycide )栅极结构转变到具有多晶硅层和金属层的叠 层的多金属栅极结构。对于这种多金属栅极结构，人们研究了将钨(W)作 为多金属栅极(即，鴒多金属栅极)的金属层的材料的方法。在钨多金属栅极中，多晶硅层和鴒层设为直接接触。这于是导致在退火 工艺中在多晶硅层和钨层之间形成硅化钨层，这致使体积膨胀且由此产生应力。为了防止这种不期望的效果，在多晶硅层和钨层之间形成扩散阻挡祐:认 为是必须的。因此，氮化鴒(wn)作为扩散阻挡形成于鵠多金属栅极的多晶硅层上，且鴒层随后沉积在该WN层上。这种情况下，在温度高于600。C时WN层和多晶硅层之间的界面反应导 致形成SiNx绝缘层，在鴒多金属栅极的结构内引入不稳定性。此外，由于 界面反应导致界面电阻增大，因此鴒多金属栅极的电阻增大。更具体而言，WN与Si反应，形成W和SigN4。 W随后与Si反应形成 WSi2。这些界面反应导致形成SiNx绝缘层，增大了鵠多金属4册极的电阻。为了防止界面反应，人们提议在氮化鴒层和多晶硅层之间形成WSix层 或Ti层或Ti/TiN层。然而，通过在氮化鹤层和多晶硅层之间形成WSix层，可以获得低电阻 的鴒多金属栅极，但是由于PMOS栅极内多晶硅和氮化鴒之间高的界面接触 电阻而出现其他问题，其导致环形振荡延迟现象。对于在氮化钨层和多晶硅层之间形成Ti层或Ti/TiN层的情形，与PMOS 或NMOS栅极中多晶硅和氮化鴒之间高的界面接触电阻相关的问题可能不 会发生；然而，由于沉积在Ti层或Ti/TiN层上的氮化鴒层的晶化引起沉积 在氮化钨层上的鴒层的晶粒尺寸减小(如图1所示)，因此鴒多金属栅极无 法获得低电阻。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及。 根据本专利技术的实施例，形成鵠多金属栅极的方法包括步骤依次在半导 体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子 层沉积(ALD)工艺在阻挡层上沉积鴒成核层；通过化学气相沉积(CVD) 工艺在鴒成核层上沉积鴒层；在鴒层上沉积硬掩模层；以及蚀刻该硬掩模层、 鴒层、鴒成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。该阻挡层包括Ti层和WN层的叠层，或者Ti层、TiN层和WN层的叠层。Ti层、WN层和TiN层每个的厚度均为20至150A。 在沉积阻挡层的步骤之后且在阻挡层上沉积鵠成核层的步骤之前，该方法还包括向其上形成阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体1至10秒，以促 进成核反应。在沉积阻挡层的步骤之后且在阻挡层上沉积鴒成核层的步骤之前，该方 法还包括向其上形成阻挡层的结果的衬底供给B2H6气体和WF6气体，以促进成核反应。供给B2H6气体和WF6气体的步骤按照下述方式实施B2H6气体供给1 至10秒，随后赶气(purge ) 0.5至10秒，WF6气体供给1至10秒，随后赶 气0.5至10秒，如此依次纟丸4亍。沉积鴒成核层的步骤包括步骤在阻挡层上形成第一鴒成核层；以及在 第一鴒成核层上形成第二鵠成核层。第一和第二鴒成核层每个都形成为具有10至IOOA的厚度。第一和第二鴒成核层在250至400°C的温度下形成。第一钨成核层通过ALD工艺沉积，其中使用SiH4气体或Si2H6气体作 为反应气体和包含W的气体作为源气体。SiH4气体或Si2H6气体在其气体状态下或者通过形成等离子体而使用。包含W的气体为选自WF6气体、WCl6气体、WBr6气体、W(Co)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2H5)WH2气体、 [(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙晞基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l，5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。通过重复沉积周期而沉积该第 一钨成核层，该沉积周期包括供给反应气 体0.2至5秒，赶气0.5至10秒，供给源气体1至10秒，赶气0.5至10秒， 直至得到期望的厚度。第二鴒成核层通过ALD工艺沉积，该工艺使用选自B2H6气体、BH3气 体、B1CH14气体和B(CH3)3气体的气体作为反应气体和包含W的气体作为源 气体。B2H6气体、BH3气体、Bh)Hm气体和B(CH3)3气体在其气体状态下或者 通过形成等离子体而使用。包含W的气体为选自WF6气体、WCl6气体、WBi6气体、W(Co)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2Hs)WH2气体、 [(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l，5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。通过重复沉积周期而沉积该第二鵠成核层，该沉积周期包括供给反应气 体0.2至5秒，赶气0.5至10秒，供给源气体1至10秒，赶气0.5至10秒， 直至得到期望的厚度。鴒层通过CVD工艺沉积，该工艺使用包含W的气体作为源气体且以H2气体作为反应气体。包含W的气体为选自，6气体、WCl6气体、WBr6气体、W(Co)6气体、 W(QH6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4气体、(C2Hs)WH2气体、2WH2气体、(C2Hs)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气体、W(曱基乙烯基-酮)3气体、(C5H5)HW(CO)3气体、(C7H8)W(CO)3气体和 (l,5-COD)W(CO)4气体组成的组之一。鴒层沉积至厚度为100至500A。鴒层在300至450。C的温度下沉积。附图说明图1为示出了根据传统技术沉积的鴒层的晶粒尺寸的照片。图2为示出了才艮据本专利技术实施例沉积的鴒层的晶粒尺寸的照片。图3A至3G为示出根据本专利技术实施例的形成鴒多金属栅极的剖面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成钨多金属栅极的方法，包括步骤：　　　　依次在半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；　　　　在所述多晶硅层上沉积阻挡层；　　　　通过原子层沉积工艺在所述阻挡层上沉积钨成核层；　　　　通过化学气相沉积工艺在所述钨成核层上沉积钨层；　　　　在所述钨层上沉积硬掩模层；以及　　　　蚀刻所述硬掩模层、钨层、钨成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。

【技术特征摘要】
KR 2006-9-29 96550/061.一种形成钨多金属栅极的方法，包括步骤依次在半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；在所述多晶硅层上沉积阻挡层；通过原子层沉积工艺在所述阻挡层上沉积钨成核层；通过化学气相沉积工艺在所述钨成核层上沉积钨层；在所述钨层上沉积硬掩模层；以及蚀刻所述硬掩模层、钨层、钨成核层、阻挡层、多晶硅层和栅极绝缘层。2. 权利要求l的方法，其中所述阻挡层包括Ti层和WN层的叠层，或 者包括Ti层、TiN层和WN层的叠层。3. 权利要求2的方法，其中所述Ti层、WN层和TiN层每个的厚度均 为20至150A。4. 权利要求1的方法，还包括步骤在沉积所述阻挡层的步骤之后且在所述阻挡层上沉积所述鵠成核层的 步骤之前，向其上形成所述阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体1至10秒， 以促进成核反应。5. 权利要求1的方法，还包括步骤在沉积所述阻挡层的步骤之后且在所述阻挡层上所述沉积鴒成核层的步骤之前，向其上形成所述阻挡层的所得到的衬底供给B2H6气体和WF6气体，以促进成核反应。6. 权利要求5的方法，其中所述供给B2H6气体和WF6气体的步骤包括 步骤供给B2H6气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒；以及 供给WFe气体1至10秒，随后赶气0.5至10秒。7.权利要求l的方法，其中沉积所述钨成核层的步骤包括步骤 在所述阻挡层上形成第一鴒成核层；以及 在所述第一鴒成核层上形成第二鴒成核层。8. 权利要求7的方法，其中所述第一钨成核层和第二钨成核层每个都 形成为具有10至IOOA的厚度。9. 权利要求7的方法，其中所述第一鴒成核层和第二鴒成核层在250 至400。C的温度下形成。10. 权利要求7的方法，其中所述第一鵠成核层通过原子层沉积工艺沉 积，其中所述工艺使用SiH4气体或Si2H6气体作为反应气体和包含W的气 体作为源气体。11. 权利要求10的方法，其中在形成所述第一钨成核层过程中，所述 SiH4气体或Si2H6气体在气体状态或者等离子体状态下^皮供给。12. 权利要求10的方法，其中所述包含W的气体选自WF6气体、WC16气体、WBf6气体、W(C0)6气体、W(C2H6)6气体、W(PF3)6气体、W(烯丙基)4 气体、(C2H5)WH2气体、[(CH3)(C5H4)]2WH2气体、(C2H5)W(CO)3(CH3)气体、W(丁二烯)3气...

【专利技术属性】
技术研发人员：金秀贤，郭鲁正，金栢满，李荣镇，黄善佑，林宽容，
申请(专利权)人：海力士半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]