用於製造介電疊層的方法
2023-07-19 09:16:26
專利名稱：用於製造介電疊層的方法
技術領域：
本發明的實施方式涉及用於在集束型設備(cluster tool)中在襯底上沉積材料的方法，尤其是涉及用於在集成的集束型設備中在形成介電層疊時沉積介電材料的方法。
背景技術：
集成電路可包括超過一百萬個的微電子場效應電晶體(例如，互補型金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體)，其形成在襯底上並在電路中相互配合以執行多種功能。CMOS電晶體包括設置在形成於襯底上的源區和漏區之間的柵結構。柵結構一般包括柵極和柵介質。柵極設置在柵介質上以控制溝道區中的載流子的流動，該溝道區形成在柵介質下的漏區和源區之間。為了提高電晶體的速度，可由具有介電常數大於4.0的材料形成柵介質。這裡這種介電材料被稱為高介電常數材料。
製造具有高介電常數柵介質的場效應電晶體的柵結構包括一系列工藝步驟(例如沉積多層)，其通過不同的襯底處理反應器實施。在柵層疊結構的形成過程中，不但要求保形薄膜，而且每層之間的界面層必須具有高質量。
在傳統的CMOS製造方案中，襯底需要在具有不同反應器耦合在其上的設備之間傳送。在設備間傳送襯底的過程必需使襯底在環境壓力下從用於傳送的一個設備的真空環境移至第二設備的真空環境中，在周圍環境中，襯底暴露於諸如微粒、溼氣等機械和化學的汙染物中，這些汙染物將損壞正在製造的柵結構並可能形成非預期的界面層。由於為了提高器件的速度柵結構變得更小和/或更變窄，對形成界面層的不利影響或汙染物更受關注。另外，在集束型設備之間傳送襯底所需的時間降低場效應電晶體的製造產率。
因此，工藝集成和一種用於製造場效應電晶體的柵結構的改進的集束型設備是必需的。
發明內容
本發明提供用於在單個集束型設備中在襯底上形成介電材料的方法。在一實施方式中，一種方法包括提供一種具有多個沉積處理室的集束型設備，在所述集束型設備的第一處理室中在襯底上沉積含金屬氧化層，在所述集束型設備的第二處理室中利用惰性等離子體工藝處理所述含金屬氧化層，在所述集束型設備的第三處理室中退火處理所述含金屬氧化層，以及在所述集束型設備的第四處理室中在所述退火處理的含金屬氧化層上沉積柵極層。
在另一實施方式中，該方法包括提供一種具有多個沉積處理室的集束型設備，在所述集束型設備中預清洗襯底，在所述集束型設備的第一處理室中在襯底上沉積含金屬氧化層，在所述集束型設備的第二處理室中利用惰性等離子體工藝處理所述含金屬氧化層，在所述集束型設備的第三處理室中退火處理所述含金屬氧化層，以及在所述集束型設備的第四處理室中在所述退火處理的含金屬氧化層上沉積柵極層。
在再一實施方式中，該方法包括提供一種具有多個沉積處理室的集束型設備，在所述集束型設備中預清洗襯底，在所述集束型設備中在襯底上沉積含金屬氧化層，在所述集束型設備中採用沉積後退火工藝退火含金屬氧化層，在所述集束型設備中利用惰性等離子體工藝處理所述含金屬氧化層，在所述集束型設備中退火處理所述含金屬氧化層，以及在所述集束型設備中在所述退火處理的含金屬氧化層上沉積柵極層。
結合附圖通過如下的詳細說明可以使本發明更易於理解，在附圖中圖1為用於本發明的一實施方式中的一種示例性集成半導體襯底處理系統的示意圖(例如集束型設備)；圖2為用於在圖1中的集束型設備中在襯底上沉積介電層的示例性工藝的流程圖；以及圖3A到圖3E為圖2中所提到的工序的不同階段期間的襯底的示意圖；為了便於理解，儘可能用相同的附圖標記表示附圖中相同的元件。應該考慮到一實施方式的元件和特徵可在不進一步描述的情況下下有利地結合在其他實施方式中。
然而，應當注意附圖中僅示出了本發明的示例性實施方式，因此不能認為是對本發明範圍的限定，本發明可允許其他等效實施方式。
具體實施例方式
本發明的實施方式主要提供用於製備用在不同應用中的介電材料的方法和一種系統，諸如用在場效應電晶體製造中的柵疊層。在一實施方式中，在集成的集束型設備中沉積介電材料或介電疊層。在另一實施方式中，通過沉積含有金屬氧化物的介電層製備介電材料或者介電疊層，例如利用原子層沉積(ALD)工藝在襯底上沉積高介電常數材料，利用將襯底暴露於惰性氣體等離子體工藝中，接著將襯底暴露於熱退火工藝中以及在不中斷真空情況下在集成的集束型設備中沉積多晶矽柵層和/或金屬柵層(例如，所有工藝在同樣情況的設備中執行)。可選地，在同一設備中在襯底上沉積第一介電層之前，可預清洗襯底。
圖1為用於本發明的一實施方式中的一種示例性集成半導體襯底處理系統的示意圖(例如集束型設備100)。應該考慮本文所述的方法可應用於具有耦合至其上的必要的工藝處理室的其他設備中。
設備100包括真空密閉的處理平臺101、生產界面(factory interface)102和系統控制器136。平臺101包括多個處理模塊110、108、114、112、118、116、124和至少一個加載互鎖處理室(所示為加載互鎖處理室120)，其耦接至真空襯底傳送處理室103、104。生產界面102通過加載互鎖處理室120耦接至傳送處理室104。
在一實施方式中，生產界面102包括至少一個底座(docking staion)，至少一個襯底傳輸機械手138、至少一個襯底傳輸平臺140以及至少一個預清洗處理室124和預清洗機械手122。設置該底座使其接收一個或多個前開式晶片盒(FOUP)。在圖1的實施方式中所示為兩個FOUP128A、128B。設計襯底傳送機械手138使其將襯底從生產界面102傳送至加載互鎖預清洗處理室124，在這裡執行預清洗處理。設計預清洗機械手122使其從將襯底從預清洗處理室124傳輸給加載互鎖處理室120。替代地，襯底可繞過預清洗處理室124從生產界面102直接傳送至裝載閉鎖處理室120中。
加載互鎖處理室120具有與生產界面102耦合的第一埠和與第一傳送處理室104耦合的第二埠。加載互鎖處理室120耦合至氣壓控制系統(未示出)，當需要在傳送處理室104的真空環境和生產界面102的基本周圍(例如大氣)環境之間輔助襯底傳送時，該氣壓系統對處理室120抽氣並排氣。
第一傳送處理室104和第二傳送處理室103分別具有設置在其上的第一機械手107和第二機械手105。兩個襯底傳送平臺106A、106B設置在傳送處理室104中以促進襯底在機械手105、107之間傳送。平臺106A、106B既可以與傳送處理室103、104相通又可以選擇性地與傳送處理室103、104隔離(即密封)以允許在每個傳送處理室103、104中保持不同的工作氣壓。
設置在第一傳送處理室104中的機械手(robot)107能在加載互鎖處理室120、工藝處理室116、118和襯底傳送平臺106A、108B之間傳送襯底。設置在第二傳送處理室103中的機械手105能在襯底傳送平臺106A、106B和工藝處理室112、114、110、108之間傳送襯底。
在一實施方式中，與第一傳送處理室104耦合的工藝處理室可為金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)處理室118和去耦等離子體氮化(DPN)處理室116。與第二傳送處理室103耦合的工藝處理室可為快速熱處理(RTP)處理室114、化學氣相沉積(CVD)處理室110、第一原子層沉積(ALD)處理室108和第二原子層沉積(ALD)處理室112。適合的ALD、CVD、PVD、DPN、RTP和MOCVD工藝處理室可從位於美國加利福尼亞州的Santa Clara的應用材料公司(Applied Materials，Inc)購買得到。
系統控制器136與集成處理設備100耦合。系統控制器136利用直接控制設備100的工藝處理室或者替代地，通過控制與工藝處理室和設備100相關的計算機(或者控制器)控制設備100的操作。在操作中，系統控制器140激活來自每個處理室和系統的數據收集和反饋以優化系統100的性能。
系統控制器136一般包括中央處理單元(CPU)130、存儲器134、和輔助電路132。CPU130可為可用於工業設置中的任意形式的通用計算機處理器之一。輔助電路132一般耦合至CPU130並可包括緩存器、時鐘電路、輸入/輸出子系統、電源等。當利用CPU130執行諸如以下參照圖2所述的介電沉積工藝200時，軟體程序將CPU轉換為專用計算機(控制器)136。還可利用遠離設備100的第二控制器(未示出)存儲和/或執行軟體程序。
圖2為用於在諸如如上所述的設備100的集成集束型設備中在襯底上沉積介電層的工藝200的一實施方式的流程圖。圖3A到圖3E為對於工藝200的不同步驟的截面示意圖。
方法200開始於步驟202，在該步驟將襯底300設置在設備100中。如圖3A所示，襯底300指在其上執行薄膜處理的任意襯底或材料。例如，襯底300可為諸如晶體矽(例如Si100或Si111)、氧化矽、應力矽、矽鍺、摻雜或非摻雜多晶矽、摻雜或非摻雜晶圓和構圖的或未構圖的絕緣體上矽(SOI)晶圓、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石。襯底300可包括設置在其上的層301。在沒有出現層301的實施方式中，可選地可以在襯底300上執行如在層301上所述執行的工藝。
層301可為任意材料，諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導電材料、阻擋層、鈦、氮化鈦、氮化鎢、鉭和氮化鉭、介電材料或矽。襯底300可具有不同的尺寸，諸如200mm或300mm直徑的晶圓，以及矩形或正方形平面。除非特別說明，本文所述的實施方式和示例在直徑為200mm或300mm的襯底上進行。具有或不具有層301的襯底300可暴露於預處理工藝中以研磨、刻蝕、還原、氧化、羥基化、退火和/或烘焙上表面。
在可選步驟203中，對設置在襯底300上的層301執行預清洗。設置預清洗步驟203使暴露在層301的表面上的化合物與官能團端接。粘附和/或形成在層301的表面上的官能團包括羥基(OH)、烷氧基(OR，其中R＝Me、Et、Pr或Bu)、滷氧物(haloxyl)(OX，其中X＝F、Cl、Br或I)、滷化物(F、Cl、Br或碘)、氧自由基和氨基(NR或NR2，其中R＝H、Me、Et、Pr或Bu)。預清洗工藝可將層301暴露於諸如NH3、B2H6、SiH4、SiH6、H2O、HF、HCl、O2、O3、H2O、H2O2、H2、H原子、N原子、O原子、酒精、胺、等離子體及其衍生物或組合物的反應物中。官能團可為進入的化學前驅物提供基本元素以使其粘附於層301的表面上。在一實施方式中，預清洗氣體可將層301的表面暴露於反應物中約1秒到2分鐘的時間。在另一實施方式中，暴露的時間可為從約5秒到約60秒。預清洗工藝還可包括將層301的表面暴露於RCA溶液(SC1/SC2)、HF-last溶液、來自WVG或ISSG系統的水蒸氣、過氧化氫溶液、酸性溶液、鹼性溶液、等離子體及其衍生物或組合物中。
在預清洗的一示例中，在將襯底300暴露於溼清洗工藝以形成具有厚度約為或小於10，諸如約5到7的化學氧化層之前，除去自然氧化層。自然氧化層可通過HF-last溶液去除。可在TEMPESTTM溼清洗系統中執行溼清洗工藝，該系統可從應用材料公司購買得到。在另一示例中，將襯底300暴露於來自WVG系統的水蒸氣約15秒。
在步驟204中，如圖3B所示，在工藝處理室中介電層302沉積在層301上。介電層302可為金屬氧化物並可利用ALD工藝、MOCVD工藝、傳統的CVD工藝或PVD工藝進行沉積。另外，介電層302可為具有介電常數大於4.0的介電層。可在如上所述的處理室的其中之一中執行這些工藝。
在一實施方式中，在沉積工藝處理室中沉積介電層302，該處理室包括所提供的氧化氣體和諸如鉿前驅物、鋯前驅物、矽前驅物、鋁前驅物、鉭前驅物、鈦前驅物、鑭前驅物及其組合物中的至少一種前驅物。可在沉積工藝期間形成的介電材料的示例包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鑭物、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋁及其衍生物或組合物。
在一實施方式中，ALD工藝可沉積金屬氧化物材料以形成層302。在一實施方式中，在從約1Torr到約100Torr，或從約1Torr到約20Torr，或從約1Torr到約10Torr的處理室氣壓下執行ALD工藝。襯底300的溫度可維持在從約70攝氏度到約1000攝氏度，或從約100攝氏度到約650攝氏度，或從約250攝氏度到約500攝氏度。
在適合用於沉積層302的ALD工藝的一示例中，以從約5sccm到約200sccm的速率將鉿前驅物通入到工藝處理室中。鉿前驅物可與諸如氮氣的載氣一起以總流速從約50sccm到約1000sccm通入處理室。根據具體的工藝條件、鉿前驅物或沉積的氧化鉿材料的預期的組成，鉿前驅物可以從約每秒0.1脈衝到約每秒10脈衝的速率脈衝通入至工藝處理室中。在一實施方式中，鉿前驅物以從約每秒1脈衝到約每秒5脈衝，例如約每秒3脈衝的速率脈衝通入工藝處理室中。在另一實施方式中，鉿前驅物以從約每秒0.1脈衝到約每秒1脈衝，例如約每秒0.5脈衝的速率脈衝通入工藝處理室中。在一示例中，鉿前驅物可為四氯化鉿(HFCl4)。在另一示例中，鉿前驅物可為四(二羥氨基)鉿化合物。諸如四(二乙氨基)鉿((Et2N)4Hf或TDEAH)。
一般地，利用引入載氣通過含有鉿前驅物的安瓿(ampoule)將鉿前驅物分散在工藝處理室中。安瓿可包括安瓿、氣囊、盒或其他用於包含或分散化學前驅物的容器。適合的安瓿諸如PROE-VAPTM，可從位於美國Connecticut州的Danbury的Advanced Technology Materials公司購買得到。在一示例中，安瓿含有在溫度從約150攝氏度到約200攝氏度的HfCl4。在另一示例中，安瓿可包含液體前驅物(例如TDEAH，TDMAH，TDMAS或Tris-DMA)並是液體輸送系統的一部分，該液體輸送系統包括用於利用加熱的載氣蒸發液體前驅物的噴射閥系統。一般地，安瓿可從約138kPa(約20psi)加壓至約414kPa(約60psi)並加熱至或低於約100攝氏度，例如從約20攝氏度到約60攝氏度。
氧化氣體可以以從約0.05sccm到約1000sccm的流速，例如從約0.5sccm到約100sccm通入工藝處理室。氧化氣體以從約每秒0.05脈衝到約每秒10脈衝的速率脈衝輸入至工藝處理室，例如從約每秒0.08脈衝到約每秒3脈衝，並且在另一實施方式中，從約每秒0.1脈衝到約每秒2脈衝。在一實施方式中，氧化氣體以從約每秒1脈衝到約每秒5脈衝，例如約每秒1.7脈衝至工藝處理室中。在一實施方式中，氧化氣體以從約每秒1脈衝到約每秒5脈衝，例如約每秒1.7脈衝的速率脈衝輸入至工藝處理室中。在另一實施方式中，氧化氣體以從約每秒0.1脈衝到約每秒3脈衝，例如約每秒0.5脈衝的速率脈衝輸入至工藝處理室中。
多種前驅物為本發明實施方式範圍內用於沉積介電層302的材料。重要的前驅物特徵為具有合適的蒸汽氣壓。在環境溫度和氣壓的前驅物可為氣體、液體或固體。然而，在ALD處理室內採用揮發性的前驅物。有機金屬化合物包含至少一種金屬原子和至少一種諸如氨基、烷基、烷氧基、烷基氨基或苯胺的含有機物的官能團。前驅物可包括有機金屬的、無機的或滷化物的化合物。
示例性鉿前驅物包括鉿化合物，其包括諸如滷化物、烷基氨基、茂基、烷基、醇鹽及其衍生物或者其組合物。用作鉿前驅物的鉿滷化物化合物可包括HfCl4、Hfl4、和HfBr4。用作鉿前驅物的鉿烷基氨基化合物包括(RR』N)4Hf，其中R或R』獨立地為氫、甲基、乙基、丙基或丁基。用於沉積含鉿材料的鉿前驅物包括(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，這裡用於沉積工藝期間的鉿前驅物包括HfCl4、(Et2N)4Hf或(Me2N)4Hf。
沉積工藝之後，在步驟205襯底300可以可選地暴露於後沉積退火(PDA)工藝。將在其上設置有介電層302的襯底300轉移至退火處理室114，諸如RADIANCETMRTP處理室中。由於退火處理室114位於作為沉積處理室的同一集束型設備上，因此襯底300在不暴露於周圍環境下進行退火。襯底300溫度可加熱至從約600攝氏度到約1,200攝氏度，或者從約600攝氏度到約1,150攝氏度，或者從約600攝氏度到約1,000攝氏度。PDA工藝可維持的時長從約1秒到約5分鐘，例如，從約1分鐘到約4分鐘，以及在另一實施方式中，從約2分鐘到約4分鐘。一般地，處理室氣體包括至少一種退火氣體，諸如氧氣(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)、氮氣(N2)、氨氣(NH3)、聯氨(N2H4)及其衍生物或組合物。常用的退火氣體包括氮氣和至少一種諸如氧氣的含氧氣體。處理室的氣壓為從約5Torr到約100Torr，例如，約10Torr。在PDA工藝的一示例中，在氧氣環境中將包含氧化物層202的襯底200加熱至約600℃的溫度約4分鐘。
在步驟206中，如圖3C所示，介電層302暴露於惰性等離子體工藝中以硬化介電材料同時形成等離子體處理層304。惰性等離子體工藝可包括去耦合惰性氣體等離子體工藝或者遠程惰性氣體等離子體工藝，通過將惰性氣體通入去耦合等離子體氮化(DPN)處理室中(即DPN處理室116)執行去耦合惰性氣體等離子體工藝，通過將惰性氣體通入裝配在遠程等離子體系統的工藝處理室中執行遠程惰性氣體等離子體工藝。
在惰性等離子體工藝的一實施方式中，襯底300傳送至DPN處理室114中，由於DPN處理室為位於作為用於沉積介電層302的ALD處理室的同一集束型設備上，並且該處理室可選地用於沉積後退火處理，因此襯底300在集束型設備之間傳送時不暴露於周圍環境中。在傳送襯底期間，可在傳送處理室104、103中通入氮氣以避免在二者之間形成界面層。在惰性等離子體工藝中，與採用通過將氬氣通入DPN處理室中形成的氬離子轟擊介電層302。可用於惰性等離子體工藝中的氣體包括含氮氣體、氬氣、氦氣、氙氣或其組合物。
如果將氮氣通入或者將氮氣與惰性氣體一起通入，氮氣將氮化介電材料，諸如使金屬氧化物轉化為金屬氮氧化物。用於氮化工藝的並可能存在於DPN處理室中的痕量氮氣可能非有意地與惰性氣體結合同時一起執行等離子體工藝。惰性等離子體氣體利用包含至少一種惰性氣體或僅一痕量氮氣的氣體。在一實施方式中，由於惰性氣體中的殘餘氮氣，氮氣濃度為約1％體積或更小，例如，約0.1％或更小體積，以及在一實施方式中，約100ppm或更小，諸如約50ppm。在一示例中，惰性等離子體工藝包括氬氣並且不含氮氣或基本不含氮氣。因此，惰性等離子體工藝提高了介電材料的穩定性和密度，同時降低了等效氧化厚度(EOT)值。
惰性等離子體工藝執行的時長從約10秒到約5分鐘，例如，從約30秒到約4分鐘，以及在一實施方式中，從約1分鐘到約3分鐘。另外，在設置等離子體功率為約500瓦到約3,000瓦下，例如，約700瓦到約2,500瓦，例如從約900瓦到約1,800瓦範圍執行惰性等離子體工藝。一般地，在佔空比約50％到100％，並且脈衝頻率在約10kHz下執行等離子體工藝。DPN處理室可具有的氣壓為約10mTorr到約80mTorr。惰性氣體的流速從約每分鐘10標準立方釐米(sccm)到約每分鐘5標準升(slm)，或者從約50sccm到約750sccm，或者從約100sccm到約500sccm。在一實施方式中，惰性等離子體為DPN中產生的不含氮的氬氣等離子體。
在另一實施方式中，在步驟206的惰性等離子體工藝期間，不在工藝處理室之間傳送襯底300的情況下，還採用用於沉積介電層302的工藝處理室以形成等離子體處理層304。例如，在用於沉積介電層302的配置有遠程等離子體設備的工藝處理室，諸如ALD處理室或CVD處理室中，介電層302暴露於遠程氬氣等離子體中以直接形成等離子體處理層304。可利用其他惰性工藝以形成等離子體處理層304的等效層，諸如採用雷射處理層302。
在步驟208，設置於襯底300上的等離子體處理層304暴露於熱退火工藝中，在一實施方式中，襯底300傳送至諸如RTP處理室114的退火處理室中，適合的RTP處理室的示例為可從應用材料公司(Applied Materials，Inc)購買得到的CENTURATMRADIANCETMRTP處理室，並將該襯底300暴露於熱退火工藝中，由於退火處理室114與沉積處理室和氮化處理室一樣為位於集束型設備100上，因此可在不暴露於與集束型設備之間傳送襯底相關的周圍環境的情況下對等離子體處理層304進行退火。
在退火工藝的一實施方式中，等離子體處理層304可加熱至從約600攝氏度到約1,200攝氏度的溫度。在另一實施方式中，溫度可從約700攝氏度到約1,150攝氏度。在再一實施方式中，等離子體處理層304可加熱至從約800攝氏度到約1,000攝氏度的溫度。熱退火處理為不同的時長。在一實施方式中，熱退火處理的時長可從約1秒到約120秒。在另一實施方式中，熱退火處理的時長可為從約2秒到約60秒。在又一實施方式中，熱退火處理的時長可為從約5秒到約30秒。一般地，處理室氣體包含至少一種退火氣體，諸如氧氣(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)、氮氣(N2)、氨氣(NH3)、聯氨(N2H4)及其衍生物或組合物。退火氣體可包括氮氣和至少一種諸如氧氣的含氧氣體。處理室可具有從約5Torr到約100Torr的氣壓，例如，約10Torr。在熱退火處理的一示例中，在氧氣環境中，將襯底200的溫度加熱至約1,050攝氏度約15秒。在另一示例中，在退火工藝期間，在包含相同體積量的氮氣和氧氣的氣體中，將襯底300溫度加熱至約1,100攝氏度約25秒。
如圖3D所示，熱退火處理將等離子體處理層304變為介電材料或後退火層306。熱退火處理修復了在步驟206中由等離子體造成的任何損傷並減少了後退火層306的固定電荷(fixed charge)。介電材料保持為無定形的並可具有不同範圍的氮濃度。在一實施方式中，氮濃度為從約5原子百分比到約25原子百分比。在另一實施方式中，氮濃度為從約10原子百分比到約20原子百分比，例如約15原子百分比。後退火層306可具有不同的薄膜厚度。在一實施方式中，該厚度可為從約5到約300。在另一實施方式中，該厚度可為從約10到約200。在再一實施方式中，該厚度可為從約20到約100。在另一示例中，後退火層306的厚度可為從約10到約60，諸如，從約30到約40。
在步驟210中，如圖3E所示，在已退火的介電層306上部沉積柵極層308。柵極層308可由為了預定設備需求所旋轉的材料形成。一般地，柵極層308可通過利用CVD工藝形成，該工藝諸如MOCVD、LPCVD、PECVD、氣相外延(Vapor Phase Epitaxy(VPE))、ALD或者PVD。在一實施方式中，柵極層308可為通過利用LPCVD處理室(即沉積處理室110)沉積的多晶矽、非晶矽或其他適合的材料。一種適合的處理室為可從應用材料公司(AppliedMaterials，Inc)購買得到的POLYGen處理室。在另一實施方式中，柵極層308可包括在ALD或PVD處理室中沉積的金屬和/或含金屬化合物。在一示例性實施方式中，柵極層308由氮化鉭矽(TaSiN)形成。在替代的實施方式中，柵極層308可包括諸如鈦(Ti)、鉭(Ta)、銣(Ru)、鉬(Mo)等類似金屬，和/或諸如氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭矽(TaSiN)、氮化鈦矽(TiSiN)、碳化鉭(TaC)、氮化鈦鋁(TiAlN)、銣鉭(RuTa)、氮化鉬(MoN)、氮化鎢(WN)等類似的含金屬化合物。在另一實施方式中，柵極層308可包括金屬和/或含金屬化合物，在其頂部上方覆蓋有多晶矽或非晶矽。在一示例中，柵極層可為諸如鈦(Ti)、鉭(Ta)、銣(Ru)、鉬(Mo)等類似金屬，接著在其上覆蓋有多晶矽或非晶矽。在另一示例中，柵層可為諸如可為諸如鈦(Ti)、鉭(Ta)、銣(Ru)、鉬(Mo)等類似金屬，和/或諸如氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭矽(TaSiN)、氮化鈦矽(TiSiN)、碳化鉭(TaC)、氮化鈦鋁(TiAlN)、銣鉭(RuTa)、氮化鉬(MoN)、氮化鎢(WN)等類似的含金屬化合物，接下來在其上方覆蓋有多晶矽層或非晶矽層。可以在ALD、CVD或PVD處理室中執行所有這些金屬，含金屬柵層、或矽層，所述ALD、CVD或PVD處理室從應用材料公司購買得到。由於在具有與其連接的沉積處理室、氮化處理室以及熱退火處理室的集束型設備100中沉積柵極層308，因此襯底300不暴露於與在集束型設備之間傳送襯底相關的周圍環境中。
因此，本發明提供了用於製備介電材料的方法，該介電材料可用於場效應電晶體的柵極製造中。該方法允許在集成的集束型設備中製備並沉積介電材料或者電層疊，從而避免了由於暴露於由傳統的製造工藝相關的設備到設備間的傳送引起的汙染。
雖然以上描述了本發明的實施方式，在不偏離本發明的基本範圍的情況下可以設計本發明的其他實施方式，並且由以下的權利要求書限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於在單個集束型設備中在襯底上形成介電材料的方法，包括提供具有多個沉積處理室的集束型設備；在位於所述集束型設備的第一處理室中的襯底上沉積含金屬的氧化層，其中所述含金屬的氧化層的為高介電常數材料；在所述集束型設備的第二處理室中利用惰性等離子體工藝處理含金屬的氧化層；在所述集束型設備的第三處理室中退火處理所述含金屬氧化的層；以及在所述集束型設備的第四處理室中在的所述經過退火處理的含金屬的氧化層上沉積含金屬的柵極層。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在沉積所述含金屬的氧化層之前，在所述集束型設備的預清洗處理室中預清洗襯底以從所述襯底去除氧化層。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括在執行惰性等離子體工藝之前，在集束型設備中將含金屬的氧化層暴露於沉積後退火工藝中。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括在所述集束型設備內將襯底通過加載互鎖處理室從所述預清洗處理室傳送至所述第一處理室。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述含金屬的氧化層包括鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭及其組合物的至少其中之一。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用所述惰性等離於體工藝處理含金屬氧化層的步驟包括由包括含氮氣體、氬氣、氦氣或氙氣的至少其中之一的惰性氣體形成等離子體。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用惰性氣體等離子體工藝處理含金屬的氧化層的步驟包括施加從約500瓦到約3,000瓦的功率以在所述第二處理室中維持等離子體；以及暴露所述含金屬的氧化層約30秒到約5分鐘的時間。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述退火含金屬的氧化層的步驟還包括使所述含金屬的氧化層維持在從約600攝氏度到約1,200攝氏度約1秒到約120秒的時長。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述退火含金屬的氧化層的步驟還包括將氧氣通入所述第三處理室中。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積含金屬的柵極層的步驟還包括沉積第一含金屬的柵極層；以及在所述第一含金屬的柵極層上沉積第二含金屬柵極層。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述第一含金屬柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭矽、氮化鈦矽、碳化鉭、氮化鈦鋁、銣鉭、氮化鉬或氮化鎢的至少其中之一。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述第二含金屬的柵極層為選自由鈦、鉭、銣和鉬組成的組的金屬層。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述第二含金屬的柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭矽、氮化鈦矽、碳化鉭、氮化鈦鋁、銣鉭、氮化鉬或氮化鎢的至少其中之一。
14.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述沉積第二含有金屬的柵極層的步驟還包括在所述第二含金屬的柵極層上沉積金屬層。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述金屬層為鈦、鉭、銣或鉬的至少其中之一。
16.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積含有金屬的柵極層的步驟還包括在所述含金屬層上沉積多晶矽層。
17.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述沉積第二含金屬柵極層的步驟還包括在所述第二含金屬柵極層上部沉積多晶矽。
18.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述沉積金屬層的步驟還包括在所述金屬層的頂部上沉積多晶矽層。
19.一種用於在單個集束型設備中在襯底上形成介電材料的方法，包括提供具有多個沉積處理室的集束型設備；在所述集束型設備中預清洗襯底；在所述集束型設備中的襯底上沉積含金屬的氧化層；在所述集束型設備中利用沉積後退火處理對所述含金屬的氧化層進行退火；在所述集束型設備中利用惰性等離子體工藝處理所述含金屬的氧化層；在所述集束型設備中退火所述處理的含金屬的氧化層；在所述集束型設備中在所述退火的、處理的含金屬的氧化層上沉積第一含金屬柵極層；以及在所述集束型設備中在所述第一含金屬的柵極層上沉積第二含金屬柵極層。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括在第一工藝處理室中執行所述退火工藝並且在同一工藝處理室中沉積含金屬氧化層。
21.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括在第一工藝處理室中執行退火工藝並且在所述集束型設備的第一工藝處理室中對所述處理後的含金屬氧化層進行退火。
22.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述第一含金屬的柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭矽、氮化鈦矽、碳化鉭、氮化鈦鋁、銣鉭、氮化鉬或氮化鎢的至少其中之一。
23.根據權利要求22所述的方法，其特徵在於，所述第二含金屬的柵極為選自由鈦、鉭、銣和鉬組成的組的金屬層。
24.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述第二含金屬的柵極為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭矽、氮化鈦矽、碳化鉭、氮化鈦鋁、銣鉭、氮化鉬或氮化鎢的至少其中之一。
25.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括在所述第二含金屬的柵極上沉積金屬層。
26.根據權利要求25所述的方法，其特徵在於，所述金屬層為鈦、鉭、銣或鉬的其中之一。
27.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括在所述集束型設備中在所述第二含金屬的柵極的頂部上沉積多晶矽層。
28.根據權利要求25所述的方法，其特徵在於，還包括在所述集束型設備中在所述第二含金屬的柵極上的金屬層上沉積多晶矽層。
全文摘要
本發明公開了用於在單個集束型設備中在襯底上形成介電材料的方法。在一實施方式中，該方法包括提供具有多個沉積處理室的集束型設備，在所述集束型設備的第一處理室中在襯底上沉積含金屬的氧化層，在所述集束型設備的第二處理室中利用惰性等離子體工藝處理所述含金屬的氧化層，在所述集束型設備的第三處理室中退火處理所述含金屬的氧化層，以及在所述集束型設備的第四處理室中在所述退火處理的襯底上沉積柵極層。
文檔編號H01L21/3105GK1983522SQ200610160890
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月8日 優先權日2005年12月9日
發明者普拉文·K·納萬卡, 施雷亞斯·S·卡爾, 尚克爾·穆蘇克裡斯南, 拉胡·沙拉普尼, 菲利普·克勞斯, 克裡斯·奧爾森, 卡萊德·Z·埃哈邁德 申請人:應用材料股份有限公司