PMOS高K金属栅极的制作方法

pmos高k金属栅极
技术领域
1.本公开内容的实施方式总体涉及高κ金属栅极(high-κmetal gate；hkmg)堆叠结构(stack)。


背景技术：

2.集成电路已经发展成为复杂的装置，其可以在单个芯片上包括数百万个晶体管、电容器和电阻器。在集成电路发展的过程中，功能密度(即，每芯片面积的互连装置的数量)普遍地增加了，而几何尺寸(即，能够使用制造工艺创建的最小部件(或线))减小了。
3.随着装置尺寸的缩减，装置的几何结构和材料在保持切换速度而不引起故障方面遭遇困难。已经出现允许芯片设计者继续缩减装置尺寸的若干新技术。装置结构尺寸的控制是当前和未来技术世代的关键挑战。
4.自1970年以来，每芯片的部件数量每两年增加一倍。由于此趋势，通过缩小晶体管来实现电路的小型化已成为半导体技术路线图的主要驱动力。因为基本性质的改变，所以目前用作n-mos和p-mos的材料的缩减已成为挑战。
5.目前的pmos高κ金属栅极堆叠结构包括tin作为高κ覆盖层(capping layer)，随后是tin作为pmos功函数材料。一些新的pmos功函数材料有利地表现出更高的pmos带边缘v
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性能，但也展现等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness；eot)减损(penalty)。
6.因此，需要具有比tin更高的带边缘v
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性能的材料。进一步地，需要这些装置具有最小的eot减损。


技术实现要素：

7.本公开内容的一个或多个实施方式涉及金属栅极堆叠结构，所述金属栅极堆叠结构包含在高κ覆盖层上的pmos功函数材料。pmos功函数材料包含mon。所述金属栅极堆叠结构相对于包含含有tin的pmos功函数材料的金属栅极堆叠结构而言具有增进的v
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。
8.本公开内容另外的实施方式涉及金属栅极堆叠结构，所述金属栅极堆叠结构包含在高κ金属氧化物层上的高κ覆盖层。高κ覆盖层包含tisin。pmos功函数材料在高κ覆盖层上。pmos功函数材料包含mon。所述金属栅极堆叠结构相对于包含含有tin的高κ覆盖层和含有mon的pmos功函数材料的金属栅极堆叠结构而言具有减小的eot增加量。
9.本公开内容进一步的实施方式涉及制造金属栅极堆叠结构的方法。所述方法包含以下步骤：将包含高κ金属氧化物层的基板定位于第一处理腔室内。通过原子层沉积将包含tisin的高κ覆盖层沉积于高κ金属氧化物层上。将基板传送至第二处理腔室。通过原子层沉积将包含mon的pmos功函数材料沉积于高κ覆盖层上。
附图说明
10.为了可详细理解本公开内容的上述特征的方式，可参照实施方式获得上文简要概述的本公开内容的更详细描述，其中一些实施方式图示于附图中。然而，请注意，附图仅图
示此公开内容的典型实施方式，因此不应视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可以允许其他等效实施方式。
11.图1为根据本公开内容的一个或多个实施方式的金属栅极堆叠结构的横截面视图；
12.图2为根据本公开内容的一个或多个实施方式的用于形成金属栅极堆叠结构的方法的流程图；并且
13.图3为根据本公开内容的一个或多个实施方式的群集(cluster)工具。
具体实施方式
14.在描述本公开内容的若干示例性实施方式之前，应理解本公开内容不受限于下面说明书中所阐述的结构或工艺步骤的细节。本公开内容能够具有其他实施方式，并能够被以各种方式实践或执行。
15.如在此说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“基板(substrate)”指的是表面或表面的部分，其中工艺在所述表面或表面的部分上作用。本领域技术人员还将理解的是，除非上下文另有明确指示，否则对基板的提及可仅指基板的一部分。另外，对沉积在基板上的提及可意味着裸基板和具有沉积或形成在基板上的一个或多个膜或特征的基板二者。
16.如本文所使用的，“基板”指的是任何基板或形成于基板上的材料表面，在制造工艺期间，在所述基板或形成于基板上的材料表面上执行膜处理。举例而言，取决于应用，于上面可执行处理的基板表面包括诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(soi)、经碳掺杂的氧化硅、非晶硅、经掺杂的硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石之类的材料，和诸如金属、金属氮化物、金属合金和其它导电材料之类的任何其他材料。基板包括但不限于半导体晶片。可将基板暴露于预处理工艺，以研磨、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、uv固化、电子束固化和/或烘烤基板表面。除了在基板本身的表面上直接进行膜处理之外，在本公开内容中，也可在形成于基板上的下方层(underlayer)上执行所公开的任何膜处理步骤(如下文更详细地公开的)，且术语“基板表面”欲包括上下文所指的这样的下方层。因此，举例而言，在膜/层或部分膜/层已被沉积至基板表面上的情况下，新沉积的膜/层的暴露表面成为基板表面。
17.本公开内容的实施方式涉及具有增进的带边缘(v
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)性能和/或减小的eot的金属栅极堆叠结构。此公开内容的一些实施方式提供的金属栅极堆叠结构相对于使用tin作为pmos功函数材料的金属栅极堆叠结构而言具有增进的v
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。在一些实施方式中，pmos功函数材料包含mon。
18.相对于使用tin作为高κ覆盖层的金属栅极堆叠结构，此公开内容的一些实施方式有利地提供具有减小的eot的金属栅极堆叠结构。在一些实施方式中，高κ覆盖层包含tisin，且pmos功函数材料包含mon。
19.本公开内容的一个或多个实施方式提供在形成正金属氧化物半导体(positive metal oxide semiconductor；pmos)集成电路装置中特别有用的装置和形成方法，所述装置和形成方法将在下文中描述。其他装置和应用也在本发明的范围内。
20.图1图示pmos金属栅极堆叠结构装置100的横截面视图。装置100包含基板110。在一些实施方式中，基板110包含硅。在一些实施方式中，基板110的表面经氧化以于基板110
上形成氧化物层115。在一些实施方式中，基板包含额外的电子元件和材料，包括但不限于：源极区域、漏极区域、导电通道和其他电连接器。
21.根据一个或多个实施方式，pmos金属栅极堆叠结构装置100包含栅介质120、高κ覆盖层130和金属栅极功函数层140。如本文所使用的，金属栅极功函数层140也可称为“pmos功函数材料”。
22.栅介质120使高κ覆盖层130和金属栅极功函数层140从基板110电性绝缘。在本文中，栅介质120、高κ介电覆盖层130和金属栅极功函数层140一起可被称为金属栅极堆叠结构。在一些实施方式中，金属栅极堆叠结构进一步包含在金属栅极功函数层140上的栅电极150。
23.在一些实施方式中，栅介质120包含金属氧化物。在一些实施方式中，栅介质120被称为高κ金属氧化物层。在一些实施方式中，栅介质120包含hfo2。
24.在一些实施方式中，高κ覆盖层130包含tin或基本上由tin组成。在一些实施方式中，高κ覆盖层包含tisin或基本上由tisin组成。如在这方面使用的，“基本上由
……
组成(consists essentially of)”意味着以原子计，所指称的元素构成所指称的材料的大于95％、大于98％、大于99％或大于99.5％。为避免疑问，本文公开的材料的标识并不暗示化学剂量比例。举例而言，tin材料含有钛和氮。这些元素可以1:1的比例存在或可不以1:1的比例存在。
25.高κ覆盖层130可具有任何合适的厚度。在一些实施方式中，高κ覆盖层130的厚度在约至约的范围内。在一些实施方式中，高κ覆盖层的厚度为约
26.pmos功函数材料140包含mon。发明人已惊讶地发现到，使用mon作为pmos功函数材料提供了比tin更高的pmos带边缘性能。
27.pmos功函数材料140可具有任何合适的厚度。在一些实施方式中，pmos功函数材料140的厚度在约至约的范围内。在一些实施方式中，高κ覆盖层的厚度为约
28.平带电压(flat band voltage；v
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)提供具有金属栅极堆叠结构的给定材料的pmos功函数的度量。发明人已发现到，以mon取代包含tin的pmos功函数材料140提供增加的v
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。
29.在一些实施方式中，高κ覆盖层130包含tin。当高κ覆盖层130包含tin时，v
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增加大于或等于约 100mv、大于或等于约 125mv、大于或等于约 150mv、大于或等于约 200mv、大于或等于约 225mv、大于或等于约 250mv、大于或等于约 275mv、大于或等于约 300mv或者大于或等于约 325mv。在一些实施方式中，v
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增加约 125mv、约 175mv、约 275mv或约 300mv。
30.发明人还发现到，相对于包含tin作为pmos功函数材料的金属栅极堆叠结构而言，使用mon作为pmos功函数材料140提供了额外的eot减损。然而，发明人还惊讶地发现到，以tisin取代包含tin的高κ覆盖层130提供了减小的eot减损。
31.举例而言，包含含有tin的高κ覆盖层130和含有tin的pmos功函数层140的金属栅极堆叠结构具有近似的eot。在一些实施方式中，以包含mon的pmos功函数层140取代包含tin的pmos功函数层140。此取代产生eot增加。在一些实施方式中，eot的增加量大于或等于约大于或等于约大于或等于约或者大于或等于约
32.在一些实施方式中，以包含tisin的高κ覆盖层130取代包含tin的高κ覆盖层130。此取代造成eot增加量的减小。在一些实施方式中，eot增加量减小了大于或等于约大于或等于约大于或等于约大于或等于约大于或等于约或者大于或等于约换句话说，在一些实施方式中，eot增加量为小于或等于约小于或等于约小于或等于约小于或等于约小于或等于约或者小于或等于约
33.在一些实施方式中，金属栅极堆叠结构装置100进一步包含栅电极150。栅电极150可包含多个层。在一些实施方式中，栅电极150包含第一层和第二层，第一层包含tial且第二层包含tin。在一些实施方式中，第一层的厚度为约在一些实施方式中，第二层的厚度为约可由任何合适的方法沉积第一层和第二层。
34.请参见图2，本公开内容的另一实施方式涉及形成金属栅极堆叠结构装置100的方法200。方法200通过在第一处理腔室内提供包含高κ金属氧化物层的基板而始于210。于220，通过原子层沉积将包含tisin的高κ覆盖层沉积于高κ金属氧化物层上。
35.对于在220处提及的原子层沉积工艺，于下文提供用于沉积tisin的范例工艺。将基板暴露于包含ti的第一前驱物、包含氮源的第二前驱物和包含si源的第三前驱物，以提供tisin膜。在一些实施方式中，将基板重复暴露于前驱物以获得预定的膜厚度。在一些实施方式中，于沉积期间将基板维持在约200℃至约700℃的温度。
36.许多前驱物在本发明的范围内。前驱物在周围温度和压力下可为等离子体、气体、液体或固体。然而，在ald腔室内，前驱物被挥发。有机金属化合物或络合物(complexes)包括含有金属和至少一种有机基团的任何化学物质，所述有机基团诸如烷基、烷氧基、烷基酰胺基(alkylamido)和苯胺化物((anilide)。前驱物可由有机金属化合物和无机/卤化物化合物组成。
37.一般来说，可使用任何合适的钛前驱物。因此，钛前驱物可包括，但不限于：ticl4、tibr4、tii4、tif4、四(二甲氨基)钛。另外，可使用任何合适的氮源前驱物。实例包括，但不限于：氮气、氨气、n2h2或n2h4。
38.可使用各种硅前驱物。硅前驱物的实例可包括，但不限于：硅烷、乙硅烷、三甲基硅烷、二氯硅烷(dichlorosilane)和新戊硅烷(neopentasilane)。
39.可改变基板暴露于前驱物的顺序。举例而言，基板可依序暴露于ti/si/n或ti/n/si。可在沉积循环中重复暴露。此外，可在单一沉积循环内重复暴露于前驱物。举例而言，基板可依序暴露于ti/n/si/n。
40.在沉积高κ覆盖层之后，在230处将基板传送至第二处理腔室。在一些实施方式中，第一处理腔室和第二处理腔室整合成一体。在一些实施方式中，在不破坏真空或不暴露于周围空气的情况下执行方法200。于240处，通过原子层沉积将包含mon的pmos功函数材料沉积于高κ覆盖层上。
41.可在相同腔室中或在一个或多个单独的处理腔室中执行此公开内容的方法。在一些实施方式中，将基板从第一腔室移动至单独的第二腔室以进行进一步处理。可将基板直接从第一腔室移动至单独的处理腔室，或可将基板从第一腔室移动至一个或多个传送腔
室，并且接着移动至单独的处理腔室。相应地，合适的处理设备可包含与传送站连通的多个腔室。这种类型的设备可称为“群集工具(cluster tool)”或“群集式系统(clustered system)”和类似物。
42.一般而言，群集工具为包含多个腔室的模块化系统，所述腔室执行各种功能，包括基板中央寻找(center-finding)与定向、退火、沉积和/或蚀刻。根据一个或多个实施方式，群集工具包括至少第一腔室和中央移送腔室。中央移送腔室可容纳机器人，所述机器人可在处理腔室与装载锁定腔室之间往来运输基板。通常将传送腔室维持在真空条件下，并且传送腔室提供中间阶段(intermediate stage)，用于将基板从一个腔室往来运输至另一腔室，和/或往来运输至位于群集工具的前端处的装载锁定腔室。可适配用于本公开内容的两种已熟知的群集工具为两者均可获自美国加利福尼亚州圣塔克拉拉市的应用材料公司。然而，为了执行本文所描述的工艺的特定步骤，可改变腔室的实际布置与组合。可使用的其他处理腔室包括，但不限于，循环层沉积(cld)、原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、蚀刻、预清洁、化学清洁、热处理(诸如rtp之类)、等离子体氮化、退火、定向、羟基化和其他基板工艺。通过在群集工具上的腔室中施行工艺，可在沉积后续膜之前不氧化的情况下避免大气杂质对基板产生的表面污染。
43.在一些实施方式中，第一处理腔室和第二处理腔室为相同的群集化处理工具的部件。相应地，在一些实施方式中，所述方法为原位整合的方法。
44.在一些实施方式中，第一处理腔室和第二处理腔室是不同的处理工具。相应地，在一些实施方式中，所述方法为异地(ex-situ)整合的方法。
45.根据一个或多个实施方式，基板持续处于真空或“装载锁定(load lock)”条件下，且在从一个腔室移动至下一个腔室时不暴露至周围空气。传送腔室因此处于真空下，且在真空压力下被“抽气(pumped down)”。惰性气体可存在于处理腔室或传送腔室中。在一些实施方式中，使用惰性气体作为净化气体，以移除某些或全部反应物。根据一个或多个实施方式，在沉积腔室的出口处注入净化气体，以防止反应物从沉积腔室移动至传送腔室和/或另外的处理腔室。因此，惰性气体流在腔室出口处形成帘幕。
46.可在单一基板沉积腔室中处理基板，其中在处理另一基板前，装载、处理和卸载单一基板。也可以类似于传送带系统而以连续方式处理基板，其中多个基板个别地装载至腔室的第一部分中、移动通过腔室并且自腔室的第二部分卸载。腔室和相关联的传送带系统的形状可形成直线路径或弯曲路径。另外，处理腔室可为转盘(carousel)，其中多个基板绕着中心轴移动，并且在整个转盘路径暴露于沉积、蚀刻、退火和/或清洁工艺。
47.在处理期间，基板也可以是固定的或旋转的。旋转的基板可被持续旋转或分段逐步(in discreet steps)旋转。举例而言，可贯穿整个工艺而旋转基板，或可在暴露于不同的反应性气体或净化气体之间少量旋转基板。在处理期间旋转基板(无论连续或逐步)可通过使例如气体流几何形貌中的局部变异性的影响最小化，而有助于产生更均匀的沉积或蚀刻。
48.在原子层沉积型腔室中，可以空间或时间上分离的工艺使基板暴露于第一前驱物和第二前驱物。时间ald为传统工艺，其中第一前驱物流入腔室中而与表面反应。在使第二前驱物流动前，从腔室净化第一前驱物。在空间ald中，第一前驱物和第二前驱物同时流动到腔室、但是空间上分开，使得流之间存在区域，所述区域防止前驱物混合。在空间ald中，
相对于气体分配板移动基板，或相对于基板移动气体分配板。
49.在方法的一个或多个部分在一个腔室中发生的实施方式中，工艺可为空间ald工艺。尽管以上所述的一个或多个化学性质可能不相容(即，导致除了在基板表面上之外的反应和/或在腔室上的沉积)，但是空间分离确保反应剂不暴露于气相中的每一种。举例而言，时间ald涉及净化沉积腔室。然而，在实施中，有时不可能在使额外的反应剂在腔室中流动之前将过量反应剂从腔室净化出去。因此，腔室中的任何剩余反应剂可能反应。通过空间分离，不需要净化过量的反应剂，且交叉污染受到限制。此外，可能使用大量时间来净化腔室，且因此可通过消除净化步骤而增大产量。
50.请参照图3，本公开内容另外的实施方式涉及用于执行本文描述的方法的处理系统900。图3图示根据本公开内容的一个或多个实施方式的可用于处理基板的系统900。系统900可称为群集工具。系统900包括中央传送站910，中央传送站910具有在中央传送站910中的机器人912。机器人912被图示为单一叶片机器人；然而，本领域技术人员将认知到，其他机器人912配置在本公开内容的范围内。机器人912经配置以在连接至中央传送站910的腔室之间移动一个或多个基板。
51.至少一个预清洁/缓冲腔室920连接到中央传送站910。预清洁/缓冲腔室920可包括加热器、自由基源或等离子体源中的一者或多者。预清洁/缓冲腔室920可用作单独半导体基板的保持区域或用作用于处理的晶片的盒的保持区域。预清洁/缓冲腔室920可以执行预清洁工艺，或者可以预加热基板以用于处理，或者可简单地作为用于工艺序列的暂存区(staging area)。在一些实施方式中，有两个预清洁/缓冲腔室920连接至中央传送站910。
52.在图3中所示的实施方式中，预清洁腔室920可用作在工厂接口905与中央传送站910之间的穿过腔室(pass through chamber)。工厂接口905可包括一个或多个机器人906，以将基板从盒移动至预清洁/缓冲腔室920。机器人912可接着将基板从预清洁/缓冲腔室920移动至系统900内的其他腔室。
53.第一处理腔室930可连接至中央传送站910。第一处理腔室930可被配置为用于沉积高κ覆盖层的原子层沉积腔室，且可与一个或多个反应性气体源流体连通，以将一个或多个反应性气体流提供至第一处理腔室930。可通过机器人912穿过隔离阀914将基板移动到处理腔室930和从处理腔室930移动。
54.处理腔室940也可连接至中央传送站910。在一些实施方式中，处理腔室940包含用于沉积pmos功函数材料的原子层沉积腔室，且与一个或多个反应性气体源流体连通以将反应性气体流提供到处理腔室940。可通过机器人912穿过隔离阀914将基板移动到处理腔室940和从处理腔室940移动。
55.在一些实施方式中，处理腔室960连接至中央传送站910并且被配置为栅电极沉积腔室。处理腔室960可经配置以执行一个或多个不同的外延生长工艺。
56.在一些实施方式中，处理腔室930、940和960中的每一个处理腔室被配置为执行处理方法的不同部分。举例而言，处理腔室930可经配置以执行高κ覆盖层沉积工艺，处理腔室940可经配置以执行pmos功函数材料沉积工艺，且处理腔室960可经配置以执行栅电极沉积工艺。技术人员将认知到，可以改变工具上的个别处理腔室的数量和布置，且图3中所示的实施方式仅表示一种可能的配置。
57.在一些实施方式中，处理系统900包括一个或多个计量站。例如，计量站可以位于
预清洁/缓冲腔室920内、位于中央传送站910内或位于任何独立处理腔室内。计量站可以在系统900内的任何位置，该位置允许在不使基板暴露于氧化环境的情况下测量凹槽(recess)的距离。
58.至少一个控制器950耦接至中央传送站910、预清洁/缓冲腔室920、处理腔室930、940或960中的一者或多者。在一些实施方式中，有多于一个的控制器950连接至个别腔室或站，且主控制处理器耦接到单独的处理器中的每一个以控制系统900。控制器950可以是任何形式的通用计算机处理器、微控制器、微处理器等中的一者，其可用在工业设定中以控制各个腔室及子处理器。
59.至少一个控制器950可具有处理器952、耦接至处理器952的存储器954、耦接至处理器952的输入/输出装置956和支持电路958，以在不同电子部件之间进行通信。存储器954可以包括暂时性存储器(如，随机存取存储器)和非暂时性存储器(例如，储存装置)中的一者或多者。
60.处理器的存储器954或计算机可读介质可以是容易获得的存储器中的一者或多者，容易获得的存储器诸如是随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、软盘、硬盘或本地或远程的任何其他形式的数字储存装置。存储器954可保留指令集，能够由处理器952操作所述指令集，以控制系统900的参数和部件。支持电路958耦接至处理器952，用于以传统方式支持处理器。电路可包括例如高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路系统、子系统和类似物。
61.通常可将工艺储存在存储器中作为软件例程，当由处理器执行所述软件例程时，软件例程引起工艺腔室执行本公开内容的工艺。也可由在受处理器控制的硬件的远程定位的第二处理器(未示出)储存和/或执行所述软件例程。也可在硬件中执行本公开内容的一些或全部方法。照此，可将工艺实现为软件并且使用计算机系统来执行、实现为硬件(如，例如专用集成电路或其他类型的硬件实施)，或实现为软件和硬件的组合。当由处理器执行时，软件例程将通用计算机转换成控制腔室操作以执行工艺的专用计算机(控制器)。
62.在一些实施方式中，控制器950具有一种或多种配置以执行单独的工艺或子工艺，以执行所述方法。控制器950可连接到中间部件并且经配置以操作中间部件，以执行所述方法的功能。举例而言，控制器950可连接到并且经配置以控制气体阀、致动器、马达、狭缝阀、真空控制等中的一者或多者。
63.一些实施方式的控制器950具有选自以下者的一种或多种配置：在复数个处理腔室与计量站之间在机器人上移动基板的配置；装载基板和/或从系统卸载基板的配置；沉积包含tin或tisin的高κ覆盖层的配置；沉积包含mon的pmos功函数材料的配置；和/或沉积栅电极的配置。
64.在整个说明书中对“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一个或多个实施方式”或“一实施方式”的提及意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书多处出现的诸如“在一个或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”之类的短语不必然表示本公开内容的相同实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，特定特征、结构、材料或特性可以任何合适的方式组合。
65.尽管已参照特定实施方式描述本文的公开内容，但本领域技术人员将理解所述的
这些实施方式仅是对本公开内容的原理和应用的解说。对本领域技术人员而言显然的是，在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，可对本公开内容的方法和设备进行各种修饰和变化。因此，本公开内容欲包括在所附的权利要求和权利要求的等同物的范围内的修饰和变化。