構成半導體器件柵極的方法

2024-01-24 00:13:15

專利名稱：構成半導體器件柵極的方法
技術領域：
本發明涉及一種構成半導體器件柵極的方法，特別是涉及通過形成氮化鈦(TiN)柵極來改善柵極隔離層擊穿特性的半導體器件柵極的構成方法。
金屬-氧化物半導體(MOS)電晶體包括通過注入相反導電性的雜質離子到半導體基片上而形成在半導體基片上的一個源極區和一個漏極區，一個形成在源極區和漏極區之間的溝道槽區，以及一個形成在溝道槽區上的柵極。
一般，MOS電晶體的柵極由摻雜的多晶矽製成。當柵極由摻雜的多晶矽構成時，柵極的形成過程被穩定地完成。然而，由摻雜多晶矽形成的柵極的表面電阻比其他金屬材料構成的柵極相比要高。即構成柵極的多晶矽具有較高的電阻率大約為1mΩcm。因此，對於MOS電晶體電信號傳導被延時並且功耗增加。
此外，由於半導體器件越來越多地被集成，隨後圖模面積的縮小大大的增加了摻雜多晶矽柵極的電阻率，器件的退化作用和可靠性。
同時，當具有低於多晶矽電阻率的金屬材料被用作構成柵極的材料時，柵極金屬材料與柵極隔離層發生反應，或者擴散進入柵極自身，因此降低了柵極隔離層的擊穿電壓。
近來，作為具有低電阻率的金屬材料的例子，氮化鈦(TiN)被大量地用作高集成度半導體器件生產過程中的阻擋金屬層，這是由於其較高的熔點(大約3,000℃)以及優越的擴散阻擋特性。另外，TiN具有4.63-4.75eV範圍的功函數，它大約處在其他材料的功函數的中間。由此，TiN具有這樣的優點它使N-溝道及P-溝道MOS電晶體能夠作為表面溝道型器件使用。一般，儘管TiN被用來構成柵極時它被在室溫由反應濺射方法沉積，並且與具有大約18μΩcm電阻率的常規鬆散TiN層相比，這樣構成的TiN層具有範圍在0.2-1mΩ cm的較高電阻率。該電阻率將根據TiN層的組成、表面狀態、微構造和雜質含量而變化。
本發明的目的是提供一種構成半導體器件氮化鈦(TiN)柵極的方法，它可以得到可靠的柵極隔離層擊穿特性以及降低的電阻率。
為了達到上述目的，提供的構成半導體器件氮化鈦柵極的方法包括以下步驟(a)在半導體基片上形成一個柵極隔離層；(b)在柵極隔離層表面上以濺射方法在不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度下形成TiN層。
步驟(b)進一步包括在柵極隔離層上以濺射方法在不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度和第一生成率下形成第一TiN層，在第一TiN層上以濺射方法在不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度和高於第一生產率的第二生成率下形成第二TiN層。
TiN層可以在氬氣(Ar)和氮氣(N2)混合氣氛中生成，也可以選擇第一TiN層在氮氣氣氛中生成，第二TiN層在混合氣氛中生成。
沉積第二TiN層之後，具有較低電阻率的金屬材料進一步構成在第二TiN層上，由此形成一個包括第一和第二TiN層及金屬材料的柵極。最好是具有較低電阻率的金屬材料是選自鎢(W)、矽化鎢(WSix)、矽化鈦(TiSix)和銅(Cu)中的一種。
根據本發明，可以獲得具有低電阻率以及優越的柵極隔離層擊穿特性的柵極。
本發明的上述目的和優點根據附圖通過結合最佳實施例的詳細描述會更加清楚。


圖1是根據本發明實施例的方法構成的TiN柵極的剖視圖。
圖2是TiN柵極相對於沉積溫度的電阻率特性曲線。
圖3是根據常規方法和本發明方法製成的相應TiN柵極的柵極氧化層擊穿電壓特性曲線。
圖4是根據常規方法和本發明方法製成的相應TiN柵極的柵極氧化層恆定電流的TDDB特性曲線。
圖5是相應於沉積溫度的TiN柵級的晶面間隔的變化曲線。
為了更詳細描述本發明，本發明實施例的TiN柵極的特性將與在室溫下由傳統方法構成的TiN柵極進行比較。
參考圖1，具有10Ωcm電阻率的P-型矽基片10受到矽局部氧化(LOCOS)處理，以形成一個確定激活區的器件隔離區12。然後，具有厚度大約為80的熱氧化層在激活區上生成以構成一個柵極氧化層14。在維持半層體基片處於不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度以及100％的氮氣氣氛中的同時，用濺射方法以第一生成率稀薄地在柵極氧化層14上形成第一TiN層。此後，用濺射方法在氬氣和氮氣構成的混合氣氛中，以不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度以及高於第一生成率的第二生成率在第一TiN層上厚厚地形成第二TiN層，以形成TiN柵極16。隔離材料如不摻雜矽化玻璃(USG)具有大約2,000的厚度，它被沉積在生成TiN柵極16的生成構造的全部表面上，並且TiN柵極16在450℃以及氮氣氣氛中熱處理約30分鐘。隨後，利用面積為0.12cm2的16M位網形掩膜(圖中未示出)形成圖模，然後形成厚度約3,500A的硼磷矽酸玻璃(BPSG)層。該生成的構造在約830℃氮氣氣氛中回流約30分鐘，以構成BPSG/USG層18，然後它被有選擇地蝕刻構成一個接觸孔20以便暴露柵極16。在填充接觸孔的同時， 金屬材料如鋁沉積在BPSG/USG層18的全部表面上，然後利用網狀掩模製膜。結果，通過接觸孔20連接到TiN柵極16的金屬膜22被構成。
根據本發明的另外一實施例，首先，構成柵極氧化層14。然後在不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度下氬氣和氮氣混合氣氛中，利用直流磁控管濺射在柵極氧化層14的表面構成厚度約為900的TiN層，以構成TiN柵極16。
然後，為了比較由上述本發明實施例構成的TiN柵極和在室溫下由常規方法構成的柵極，研究柵極氧化層的電阻率、擊穿電壓和電介質擊穿時間(TDDB)特性以及晶面間隔空間。
圖2表示的是TiN柵極相對於沉積溫度的電阻率特性曲線。在圖2中，2a表示在60％氮氣氣氛濺射的情況，2b表示80％氮氣氣氛濺射的情況，2c表示100％氮氣氣氛濺射的情況。
參考圖2，TiN柵極的電阻隨基片溫度的增加而降低，尤其在600℃附近明顯地降低。在室溫下由常規方法構成的TiN柵極具有大約200～250μΩcm的高電阻率，由本發明兩步濺射方法構成的TiN柵極具有較低的電阻率約為36～60μΩcm。另外，由本發明氮氣和氬氣混合氣氛形成的TiN柵極具有約33～53μΩcm的較低電阻率。形成TiN柵極的氣氛中的氮氣含量越高，TiN柵極的電阻率越低。因此，根據本發明形成的TiN柵極電阻率低於常規方法形成的柵極電阻率。
圖3表示的是根據常規方法和本發明方法製成的相應TiN柵極的柵極氧化層擊穿電壓特性曲線。圖3中，3a表示室溫下常規方法形成的TiN柵極的擊穿電壓，3b和3c分別表示根據本發明實施例形成的TiN柵極的擊穿電壓。即3b表示兩步濺射形成的TiN柵極的擊穿電壓，3c表示氮氣和氬氣混合氣氛形成的TiN柵極的擊穿電壓。一般，擊穿電壓的分布被劃分為三種類型。被叫做三次峰值的A型是由於氧化層中管腳的短路。被叫做二次峰值的B型是由於氧化層小的疵點。被叫做初次峰值的C型是由於氧化層的內部擊穿。
參照圖3，對於室溫下形成的常規TiN柵極(參照3a)的柵極氧化層，A型的次品率約27％，B型的不低於60％，這兩個值表示很高的次品率。相反，對於根據本發明兩步濺射方法形成的TiN柵極(參照3b)的柵極氧化層，A型的次品率降低到不高於10％，B型次品也顯著降低。此外，對於由氮氣和氬氣混合氣氛形成的TiN柵極(參照3c)的柵極氧化層，A型次品降低到大約13％，B型次品率大大地降低。從這些結果看出，根據本發明的TiN柵極的柵極氧化層比常規柵極氧化層的擊穿電壓特性具有很大改善。
根據本發明兩步濺射方法形成的TiN柵極的優越擊穿電壓特性是由於，以前述具有化學計量成分的形成TiN層的步驟，用濺射方法在100％氮氣氣氛、低生成率在柵極氧化層上形成TiN層，或者含少量氮的富氮(N-rich)TiN層的形成，使得金屬鈦擴散到柵極氧化層的可能性減少到最小。
圖4表示的是根據常規方法和本發明方法製成的相應TiN柵極的柵極氧化層恆定電流的TDDB特性曲線。圖4中，4a表示常規TiN柵極，4b和4c分別表示本發明實施例的TiN柵極。即4b表示兩步濺射形成的TiN柵極的情形，4c表示在氮氣和氬氣混合氣氛中形成TiN柵極的情形。
參照圖4，對於根據本發明第一和第二實施例形成的TiN柵極(分別為4c和4b)，柵極氧化層的恆定電流TDDB特性與室溫下形成的常規TiN柵極(4c)的相比大大改善。這是由於生成柵極的材料通過熱處理與柵極氧化層發生反應，或者減少擴散到其中以致使本發明形成的TiN層具有穩定的構造。
圖5表示的是相應於沉積溫度的TiN柵極的晶面間隔的變化曲線。圖5中，5a表示鬆散TiN層的美國標準測試方法(ASTM)的標準值。
參考圖5，相應形成TiN柵極的各溫度的晶面間隔大於標準值。由上述結果可知TiN晶格被擴張。此外，隨著形成柵極溫度的增加晶面間隔降低，最終TiN層晶面間隔接近於鬆散TiN層的水平。即在不低於200℃不大於800℃，較優選600℃的溫度下形成的TiN層趨向於具有類似於鬆散TiN層的結晶結構並且具有比室溫下形成的TiN層更加穩定的內部結構。
如上所述，在根據本發明兩步濺射生成的TiN柵極中可以獲得具有低電阻率並且比常規柵極明顯改善柵極氧化層擊穿電壓的柵極。因此，根據本發明形成的金屬柵極可以適用於進一步生成半導體器件。
上述實施例不是對本發明的限制，對本領域的技術人員可以有許多其他變化。
權利要求
1.一種製造半導體器件氮化鈦(TiN)柵極的方法，包括以下步驟(a)在半導體基片上形成一個柵極隔離層；(b)在不低於200℃不大於800℃的溫度下以濺射方法在所述柵極隔離層表面上形成TiN層。
2.如權利要求1的所述一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中所述的步驟(b)進一步包括以下步驟以濺射方法在不低於200℃不大於800℃的溫度下以第一生成率在所述柵極隔離層上形成第一TiN層；以及以濺射方法在不低於200℃不大於800℃的溫度下以第二生成率在第一TiN層上形成第二TiN層。
3.如權利要求2所述的一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中所述的第二生成率高於第一生成率。
4.如權利要求2所述的一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中所述的第一TiN層在氮氣氣氛中沉積，所述第二TiN層在氬氣和氮氣混合氣氛中沉積。
5.如權利要求2所述的一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中，沉積所述第二TiN層以後，具有較低電阻率的金屬材料進一步地形成在其上，由此形成一個包括所述第一和第二TiN層以及所述金屬材料的柵極。
6.如權利要求5所述的一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中所述金屬材料是選自鎢(W)、矽化鎢(WSiX)和銅(Cu)中的一種。
7.如權利要求1-6中任一權利要求所述的一種製造半導體器件TiN柵極的方法，其中所述的濺射是優選在溫度為600℃下進行的。
全文摘要
一種製造半導體器件氮化鈦(TiN)柵極的方法，其步驟包括在半導體基片上形成柵極隔離層；在不低於200℃不高於800℃，較優選600℃的溫度下以濺射方法在柵極隔離層表面上形成TiN層。本發明的柵極具有比常規柵極低的電阻率。
文檔編號H01L21/28GK1123465SQ9511589
公開日1996年5月29日 申請日期1995年8月18日 優先權日1994年8月18日
發明者白忠烈 申請人:三星電子株式會社