專利名稱：基極制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種在半導(dǎo)體底材上形成基極的方法，特別是有關(guān)于一種降低基極介電常數(shù)的方法。
(2)背景技術(shù)傳統(tǒng)具有基極以及柵介電材料的半導(dǎo)體元件逐漸縮小尺寸范圍，造成半導(dǎo)體元件的尺寸漸漸成為主要的問題；其問題包括基極電阻的增加，柵介電層漏電流的增加以及多晶硅基極消耗的影響等等。為了克服以上的種種問題，是以可選擇性的材料取代傳統(tǒng)的柵介電材料以及基極材料。
耐火金屬或是耐火合金，該金屬的氮化物以及金屬鋁在目前而言是用來做為基極的可選擇性材料。這些材料提供了一些優(yōu)于多晶硅的優(yōu)點(diǎn)例如低電阻以及可以縮小尺寸以提高金屬氧化物半導(dǎo)體的制程技術(shù)。在目前來說耐火金屬包括了鈦(Ti，titanium)、鉭(Ta，tantalum)、鎢(W，tungsten)、鉬(Mo，molybdenum)、鋯(Zr，zirconium)以及其他相類似的金屬材料。
對(duì)于作為基極的可選擇性的金屬材料有很多因素是須要考慮的。耐火金屬材料的特性包括電性、化學(xué)特性以及物理特性。可選擇性制程更復(fù)雜是因?yàn)檫@些特性可隨著這些耐火金屬材料在不同的熱制程步驟中而改變。很不幸的補(bǔ)償這些加熱制程所引起的變化，會(huì)影響產(chǎn)率以及半導(dǎo)體元件的可靠度。
一般而言，在底材內(nèi)形成隔離結(jié)構(gòu)如淺溝渠(STI，shallow trench isolation)或者是區(qū)域性氧化(LOCOS，local oxidation)后，是將作為柵介電材料的二氧化硅或是氮化硅形成在半導(dǎo)體底材上。為了要增加發(fā)射極/集電極電流(S/D current，source/drain current)，柵介電層的厚度必須要減少。然而，二氧化硅或是氮化硅的有效氧化層厚度(EOT，effective oxide thickness)小于17埃(angstrom)，這會(huì)造成穿隧現(xiàn)象，且基極漏電流會(huì)快速的增加。
其他的缺點(diǎn)則是在互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，complementary metaloxide semiconductor)制程中，高介電常數(shù)的介電材料如，鉿(Hf，hafnium)及鋯(Zr，zirconium)沉積在半導(dǎo)體元件上。如鉿以及鋯此種介電材料的特性是為低電阻及不良的熱穩(wěn)定性以及不佳的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，其他的高介電常數(shù)的材料例如五氧化二鉭(Ta2O5，tantalum pentoxide)以及鉛鋯鈦酸鹽(PZT，Lead ZirconiumTitanate)僅能適用于尺寸為100奈米的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體制程。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一目的是在互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，complementarymetal oxide semiconductor)制程中，利用含氮的氣體快速加熱制程(nitrogen-containing RTP，nitrogen-containing rapid thermal process)以增加基極的耦合率(coupling ratio)。
本發(fā)明的第二目的是提供其介電常數(shù)大于10的可選擇性的介電材料形成在半導(dǎo)體底材上，以改善基極的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性。
本發(fā)明的第三目的是提供一種增加?xùn)沤殡妼右约盎鶚O品質(zhì)的處理方法。
本發(fā)明半導(dǎo)體元件制程中，漏電流以及可靠度是為最重要的考慮因素。本發(fā)明是提供一種方法以增加基極的耦合率(coupling ratio)。此方法包括利用含氮的氣體快速加熱制程(nitrogen-containing RTP，nitrogen-containing rapidthermal process)處理底材以在底材上形成一界面擴(kuò)散阻障層(interface diffusionbarrier layer)。此界面擴(kuò)散阻障層的作用是將具有高介電常數(shù)的高介電層與底材分開，這是為了要降低兩個(gè)材料之間相反的相互作用力，其中該介電層的介電常數(shù)大于10。接著，利用介電層沉積在界面擴(kuò)散阻障層上，以改善半導(dǎo)體元件的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性。然后，利用在氮?dú)庵械某练e后回火處理方法(post-deposition annealing)處理高介電材料，以釋放出介電材料的應(yīng)力以及降低介電材料的界面電荷。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以改善半導(dǎo)體元件的漏電流、可靠度以及品質(zhì)。
(4)


圖1是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，表示在底材上具有一場氧區(qū)以及一柵氧化層的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，表示利用第一含氮的氣體快速加熱制程(nitrogen-containing RTP，nitrogen-containing rapid thermal process)處理圖1的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，在第一含氮的氣體快速加熱制程的后在圖2的結(jié)構(gòu)上形成一界面擴(kuò)散阻障層以及一介電層沉積于界面擴(kuò)散阻障層上；圖4是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，表示利用在氮?dú)庵谐练e后回火處理步驟處理介電層的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，表示一阻障層以及一金屬基極層依序形成在圖4的結(jié)構(gòu)中的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，表示在基極結(jié)構(gòu)形成在底材后，利用一第二含氮的氣體快速加熱制程處理基極結(jié)構(gòu)的示意圖；及圖7是根據(jù)本發(fā)明所揭示的技術(shù)，是表示一表面抑制層(surface inhibitionlayer)形成在基極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上的示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一些實(shí)施例予以詳細(xì)描述如下。然而，除了詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實(shí)施例施行，且本發(fā)明的范圍不受其限定，而應(yīng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
參考圖1，利用熱氧化法將二氧化硅層(未在圖中表示)形成在底材10上。接著，一氮化硅層(SiN，silicon nitride)(未在圖中表示)利用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法例如低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD，low pressure chemical vapordeposition method)沉積在二氧化硅層上。接下來，利用一光學(xué)微影步驟在底材10上形成主動(dòng)區(qū)域(active area)。接著光阻層保護(hù)所有已經(jīng)形成的主動(dòng)區(qū)域，利用干蝕刻蝕刻氮化硅層，而利用干式或是濕式蝕刻步驟蝕刻二氧化硅層。在二氧化硅層蝕刻之后，并不將光阻層移除，而是將光阻層用來作為雙井(two wells)(未在圖中表示)以及通道阻絕離子植入步驟(channel-stopimplant step)的遮罩層。通道阻絕層(未在圖中表示)是利用傳統(tǒng)的離子植入步驟在底材10內(nèi)形成。
接著，在去除光阻層之后，利用濕式氧化法在底材10上形成場氧化區(qū)(field oxide)12。氧化層的成長是在沒有氮化層存在的時(shí)候，但是在氧化層的邊緣一些氧化物會(huì)橫向地?cái)U(kuò)散。此種擴(kuò)散現(xiàn)象會(huì)造成氧化層在下方成長且會(huì)使氧化層的邊緣隆起。因?yàn)檠趸瘜釉谘趸瘜舆吘壍男螤钍羌饧?xì)的楔形狀且會(huì)與后續(xù)形成的柵氧化層(gate oxide)14合并，而被稱為鳥嘴(bird’s beak)。鳥嘴是場氧化區(qū)12的側(cè)邊延伸至元件的主動(dòng)區(qū)域的一種結(jié)構(gòu)。
接著，參考圖2，為了要改善柵介電層以及基極的品質(zhì)，在本發(fā)明的方法中提供利用含氮的氣體快速加熱制程(nitrogen-containing RTP，nitrogen-containing rapid thermal process)16以處理底材10，在本發(fā)明的實(shí)施例中，含氮的氣體可以是氮?dú)?N2，nitrogen gas)或是氨氣(NH3，ammonia gas)。接著，在底材10上形成一界面擴(kuò)散阻障層(interface diffusion barrierlayer)18，如圖3所示。界面擴(kuò)散阻障層18是將后續(xù)形成的介電層與底材10分開，這是為了要降低兩個(gè)材料之間相反的相互作用力，第一含氮的氣體快速加熱制程中，第一含氮的氣體是與柵氧化層14，底材10反應(yīng)，界面擴(kuò)散阻障層18的材質(zhì)可包括SiONy或SiONx。第一含氮的氣體快速加熱制程處理的溫度在600℃至750℃之間，處理的時(shí)間在10至20分鐘之間。接著，參考圖3及圖4，利用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積的方法將介電常數(shù)大于10的高介電層20沉積在界面擴(kuò)散阻障層18上。高介電層20的材料可以是二氧化鋯(ZrO2，zirconium dioxide)、二氧化鉿 (HfO2，hafnium dioxide)、鋯硅酸鹽((ZrO2)x(SiO2)1-x、zirconium-silicates)以及鉿硅酸鹽((HfO2)x(SiO2)1-x，hafnium-silicate)。這些介電材料具有高介電常數(shù)、低電阻、良好的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性。在化學(xué)式中下標(biāo)x其最佳的范圍在二十五百分比至三十五百分比之間。
接下來，為了改善沉積的金屬氧化物介電層的界面特性以及電性，利用一連續(xù)的沉積后處理回火步驟處理介電層。于圖4中，一氮?dú)庵谐练e后回火處理步驟(post-deposition annealing in nitrogen)22處理高介電層20，以釋放出高介電層20的剪應(yīng)力(stress)以及高介電層20的界面電荷(interface charge)，這使得柵介電材料的漏電流可以降低。上述氮?dú)庵谐练e后回火處理步驟22的溫度在700℃至900℃之間，處理的時(shí)間在20至45分鐘之間。
繼續(xù)參考圖5，為了要降低在高溫下氧原子對(duì)于鉭金屬層(Ta，tantalum)26的擴(kuò)散作用，在本發(fā)明的方法中，先將作為阻障層(barrier layer)24的氮化鈦(TiN，titanium nitride)沉積在高介電層20上，氮化鈦沉積的厚度為20至60埃，然后再將作為金屬基極層26的鉭金屬(Ta，tantalum)沉積在阻障層24上。由于鉭金屬本身的低電阻值、良好的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性，所以鉭金屬廣泛的用于金屬基極材料。接著參考圖6，在金屬基極層26上形成一光阻層(未在圖中表示)，并且利用一蝕刻步驟依序蝕刻一金屬基極層26、一阻障層24、一高介電層20以及一界面擴(kuò)散阻障層18，使得在底材10上形成一基極結(jié)構(gòu)。
接著，利用第二含氮的氣體快速加熱制程30處理圖6中的基極結(jié)構(gòu)，其處理的溫度大約為600℃，處理的時(shí)間大約為20分鐘，使得在基極結(jié)構(gòu)中的金屬基極層26表面形成一表面抑制層(surface inhibition layer)40(見圖7)，此表面抑制層40為氮化鈦化合物(TaNx)。由于表面抑制層40形成在金屬基極層26的表面，因此，作為金屬基極層26的鉭金屬具有低電阻值以及良好的熱穩(wěn)定，特別地是配合含氮的氣體快速加熱制程處理步驟。
根據(jù)以上的描述，由于高介電層20本身所具有的高介電常數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性，使得基極的品質(zhì)可以得到改善。此外，作為金屬基極層26的鉭金屬具有低電阻的特性、良好的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性，且在含氮的氣體快速加熱制程步驟的配合下，使得整個(gè)基極結(jié)構(gòu)的品質(zhì)以及可靠度得到改善。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或替換，均應(yīng)包括在下述的權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基極制作方法，其特征在于，包括提供一底材；形成一界面擴(kuò)散阻障層于該底材上；形成一具有一高介電常數(shù)的一介電層于該界面擴(kuò)散阻障層上；形成一金屬基極層于該介電層上；及除去部份該金屬基極層、該介電層及該界面擴(kuò)散阻障層以形成一基極于該底材上。
2.如權(quán)利要求1所述的基極制作方法，其特征在于，所述的界面擴(kuò)散阻障層的形成步驟包括一第一含氮的氣體快速加熱制程。
3.如權(quán)利要求2所述的基極制作方法，其特征在于，所述第一含氮的氣體快速加熱制程還包括一氨氣快速加熱制程。
4.如權(quán)利要求2所述的基極制作方法，其特征在于，所述第一含氮的氣體快速加熱制程處理的溫度在600℃至750℃之間。
5.如權(quán)利要求2所述的基極制作方法，其特征在于，所述第一含氮的氣體快速加熱制程處理的時(shí)間在10至20分鐘之間。
6.如權(quán)利要求1所述的基極制作方法，其特征在于，所述在該底材上形成該基極的步驟還包括執(zhí)行一沉積后回火步驟于該介電層；沉積一阻障層于該介電層上及該金屬基極層在該阻障層上；形成一光阻層在該金屬基極層上；及依序蝕刻該金屬基極層、該阻障層、該介電層以及該界面擴(kuò)散阻障層以形成該基極于該底材上。
7.如權(quán)利要求1所述的基極制作方法，其特征在于，所述介電層是由下列材料所選出二氧化鋯、二氧化鉿、鋯硅酸鹽以及鉿硅酸鹽。
8.如權(quán)利要求1所述的基極制作方法，其特征在于，所述介電層的該高介電常數(shù)至少為10。
9.如權(quán)利要求6所述的基極制作方法，還包括一第二含氮的氣體快速加熱制程處理該基極。
10.如權(quán)利要求9所述的基極制作方法，其特征在于，所述第二含氮的氣體快速加熱制程還包括一氨氣快速加熱制程。
11.一種基極制作方法，其特征在于，包括提供一底材；利用一第一含氮的氣體快速加熱制程處理該底材以形成一界面擴(kuò)散阻障層于該底材上；沉積一具有高介電常數(shù)的一介電層于該界面擴(kuò)散阻障層上；執(zhí)行一沉積后回火步驟于該介電層上；形成一阻障層于該介電層上；形成一金屬基極層于該阻障層上；形成一光阻層于該金屬基極層上；依序蝕刻該金屬基極層、阻障層、該介電層及該界面擴(kuò)散阻障層以形成一基極于該底材上；及執(zhí)行一第二含氮的氣體快速加熱制程于該基極。
12.如權(quán)利要求11所述的制作基極方法，其特征在于，所述第一含氮的氣體快速加熱制程還包括一氨氣快速加熱制程。
13.如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述的介電層是由下列材料所選出二氧化鋯、二氧化鉿、鋯硅酸鹽以及鉿硅酸鹽。
14.如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述介電層的該高介電常數(shù)至少為10。
15. 如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述沉積后回火步驟包括在一氮?dú)庵谐练e后回火。
16.如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述阻障層的材料包括氮化鈦。
17.如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述金屬基極層的材料為鉭金屬。
18.如權(quán)利要求11所述的基極制作方法，其特征在于，所述第二含氮的氣體快速加熱制程包括一氨氣快速加熱制程。
19.一種基極制作方法，其特征在于，包括提供一底材；利用一第一氨氣快速加熱制程處理該底材以形成一界面擴(kuò)散阻障層于該底材上；化學(xué)氣相沉積一具有高介電常數(shù)的一介電層于該界面擴(kuò)散阻障層上，其中，該高介電常數(shù)至少為10；執(zhí)行一在氮?dú)庵谐练e后回火處理步驟于該介電層；化學(xué)氣相沉積一氮化鈦層于該介電層上；化學(xué)氣沉積一鉭金屬層于該氮化鈦層上；形成一光阻層于該鉭金屬層上；依序蝕刻該鉭金屬層、該氮化鈦層、該介電層及該界面擴(kuò)散阻障層以形成一基極于該底材上；及利用一第二氨氣快速加熱制程處理該基極以形成一表面抑制層于該基極的一側(cè)壁上。
20.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述的介電層是由下列材料所選出二氧化鋯、二氧化鉿、鋯硅酸鹽以及鉿硅酸鹽。
21.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述第一氨氣快速加熱制程的處理溫度在600℃至750℃之間。
22.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述第一氨氣快速加熱制程的處理時(shí)間在10至20分鐘之間。
23.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述在該氮?dú)庵谐练e后回火步驟的處理溫度在700℃至900℃之間。
24.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述在該氮?dú)庵谐练e后回火步驟的處理時(shí)間在20至45分鐘之間。
25.如權(quán)利要求19所述的基極制作方法，其特征在于，所述第二氨氣快速加熱制程的處理溫度大約為600℃。
26.如權(quán)利要求19所述的制作基極方法，其特征在于，所述第二氨氣快速加熱制程的處理時(shí)間大約為20分鐘。
27.如權(quán)利要求18所述的制作基極的方法，其特征在于，所述表面抑制層包括氮化鈦化合物。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種基極制作方法，包括提供一種利用一第一含氮的氣體快速加熱制程(nitrogen－containingRTP，ammonia rapid thermal processing)處理底材，在底材上形成一界面擴(kuò)散阻障層(interface diffusion barrier layer)；將具有高介電常數(shù)的介電層沉積在界面擴(kuò)散阻障層上以改善基極的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性；將一阻障層以及一金屬基極層依序沉積在介電層上；接著，在一光學(xué)微影制程之后，在半導(dǎo)體底材上形成一基極結(jié)構(gòu)；然后，在一基極結(jié)構(gòu)上執(zhí)行一第二含氮?dú)饪焖偌訜嶂瞥?，在基極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成一表面抑制層以改善金屬基極層的電阻值以及熱穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1457086SQ02156118
公開日2003年11月19日 申請日期2002年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者鄭志祥 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司