專利名稱：用于制造介電疊層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及用于在集束型設(shè)備(cluster tool)中在襯底上沉積材料的方法，尤其是涉及用于在集成的集束型設(shè)備中在形成介電層疊時沉積介電材料的方法。
背景技術(shù)：
集成電路可包括超過一百萬個的微電子場效應(yīng)晶體管(例如，互補型金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管)，其形成在襯底上并在電路中相互配合以執(zhí)行多種功能。CMOS晶體管包括設(shè)置在形成于襯底上的源區(qū)和漏區(qū)之間的柵結(jié)構(gòu)。柵結(jié)構(gòu)一般包括柵極和柵介質(zhì)。柵極設(shè)置在柵介質(zhì)上以控制溝道區(qū)中的載流子的流動，該溝道區(qū)形成在柵介質(zhì)下的漏區(qū)和源區(qū)之間。為了提高晶體管的速度，可由具有介電常數(shù)大于4.0的材料形成柵介質(zhì)。這里這種介電材料被稱為高介電常數(shù)材料。
制造具有高介電常數(shù)柵介質(zhì)的場效應(yīng)晶體管的柵結(jié)構(gòu)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(yīng)器實施。在柵層疊結(jié)構(gòu)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(zhì)量。
在傳統(tǒng)的CMOS制造方案中，襯底需要在具有不同反應(yīng)器耦合在其上的設(shè)備之間傳送。在設(shè)備間傳送襯底的過程必需使襯底在環(huán)境壓力下從用于傳送的一個設(shè)備的真空環(huán)境移至第二設(shè)備的真空環(huán)境中，在周圍環(huán)境中，襯底暴露于諸如微粒、濕氣等機械和化學的污染物中，這些污染物將損壞正在制造的柵結(jié)構(gòu)并可能形成非預期的界面層。由于為了提高器件的速度柵結(jié)構(gòu)變得更小和/或更變窄，對形成界面層的不利影響或污染物更受關(guān)注。另外，在集束型設(shè)備之間傳送襯底所需的時間降低場效應(yīng)晶體管的制造產(chǎn)率。
因此，工藝集成和一種用于制造場效應(yīng)晶體管的柵結(jié)構(gòu)的改進的集束型設(shè)備是必需的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于在單個集束型設(shè)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(shè)備，在所述集束型設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備，在所述集束型設(shè)備中預清洗襯底，在所述集束型設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備，在所述集束型設(shè)備中預清洗襯底，在所述集束型設(shè)備中在襯底上沉積含金屬氧化層，在所述集束型設(shè)備中采用沉積后退火工藝退火含金屬氧化層，在所述集束型設(shè)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(shè)備中退火處理所述含金屬氧化層，以及在所述集束型設(shè)備中在所述退火處理的含金屬氧化層上沉積柵極層。


結(jié)合附圖通過如下的詳細說明可以使本發(fā)明更易于理解，在附圖中圖1為用于本發(fā)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(tǒng)的示意圖(例如集束型設(shè)備)；圖2為用于在圖1中的集束型設(shè)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；為了便于理解，盡可能用相同的附圖標記表示附圖中相同的元件。應(yīng)該考慮到一實施方式的元件和特征可在不進一步描述的情況下下有利地結(jié)合在其他實施方式中。
然而，應(yīng)當注意附圖中僅示出了本發(fā)明的示例性實施方式，因此不能認為是對本發(fā)明范圍的限定，本發(fā)明可允許其他等效實施方式。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方式主要提供用于制備用在不同應(yīng)用中的介電材料的方法和一種系統(tǒng)，諸如用在場效應(yīng)晶體管制造中的柵疊層。在一實施方式中，在集成的集束型設(shè)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制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(shù)材料，利用將襯底暴露于惰性氣體等離子體工藝中，接著將襯底暴露于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(shè)備中沉積多晶硅柵層和/或金屬柵層(例如，所有工藝在同樣情況的設(shè)備中執(zhí)行)?？蛇x地，在同一設(shè)備中在襯底上沉積第一介電層之前，可預清洗襯底。
圖1為用于本發(fā)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(tǒng)的示意圖(例如集束型設(shè)備100)。應(yīng)該考慮本文所述的方法可應(yīng)用于具有耦合至其上的必要的工藝處理室的其他設(shè)備中。
設(shè)備100包括真空密閉的處理平臺101、生產(chǎn)界面(factory interface)102和系統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(shè)計襯底傳送機械手138使其將襯底從生產(chǎn)界面102傳送至加載互鎖預清洗處理室124，在這里執(zhí)行預清洗處理。設(shè)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(chǎn)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(chǎn)界面102耦合的第一端口和與第一傳送處理室104耦合的第二端口。加載互鎖處理室120耦合至氣壓控制系統(tǒng)(未示出)，當需要在傳送處理室104的真空環(huán)境和生產(chǎn)界面102的基本周圍(例如大氣)環(huán)境之間輔助襯底傳送時，該氣壓系統(tǒng)對處理室120抽氣并排氣。
第一傳送處理室104和第二傳送處理室103分別具有設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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工藝處理室可從位于美國加利福尼亞州的Santa Clara的應(yīng)用材料公司(Applied Materials，Inc)購買得到。
系統(tǒng)控制器136與集成處理設(shè)備100耦合。系統(tǒng)控制器136利用直接控制設(shè)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(shè)備100相關(guān)的計算機(或者控制器)控制設(shè)備100的操作。在操作中，系統(tǒng)控制器140激活來自每個處理室和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和反饋以優(yōu)化系統(tǒng)100的性能。
系統(tǒng)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可為可用于工業(yè)設(shè)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并可包括緩存器、時鐘電路、輸入/輸出子系統(tǒng)、電源等。當利用CPU130執(zhí)行諸如以下參照圖2所述的介電沉積工藝200時，軟件程序?qū)PU轉(zhuǎn)換為專用計算機(控制器)136。還可利用遠離設(shè)備100的第二控制器(未示出)存儲和/或執(zhí)行軟件程序。
圖2為用于在諸如如上所述的設(shè)備100的集成集束型設(shè)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為對于工藝200的不同步驟的截面示意圖。
方法200開始于步驟202，在該步驟將襯底300設(shè)置在設(shè)備100中。如圖3A所示，襯底300指在其上執(zhí)行薄膜處理的任意襯底或材料。例如，襯底300可為諸如晶體硅(例如Si<100>或Si<111>)、氧化硅、應(yīng)力硅、硅鍺、摻雜或非摻雜多晶硅、摻雜或非摻雜晶圓和構(gòu)圖的或未構(gòu)圖的絕緣體上硅(SOI)晶圓、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石。襯底300可包括設(shè)置在其上的層301。在沒有出現(xiàn)層301的實施方式中，可選地可以在襯底300上執(zhí)行如在層301上所述執(zhí)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、介電材料或硅。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可暴露于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(shè)置在襯底300上的層301執(zhí)行預清洗。設(shè)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)、鹵氧物(haloxyl)(OX，其中X＝F、Cl、Br或I)、鹵化物(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暴露于諸如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(yīng)物中。官能團可為進入的化學前驅(qū)物提供基本元素以使其粘附于層301的表面上。在一實施方式中，預清洗氣體可將層301的表面暴露于反應(yīng)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的表面暴露于RCA溶液(SC1/SC2)、HF-last溶液、來自WVG或ISSG系統(tǒng)的水蒸氣、過氧化氫溶液、酸性溶液、堿性溶液、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暴露于濕清洗工藝以形成具有厚度約為或小于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?？稍赥EMPESTTM濕清洗系統(tǒng)中執(zhí)行濕清洗工藝，該系統(tǒng)可從應(yīng)用材料公司購買得到。在另一示例中，將襯底300暴露于來自WVG系統(tǒng)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可為金屬氧化物并可利用ALD工藝、MOCVD工藝、傳統(tǒng)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(shù)大于4.0的介電層?？稍谌缟纤龅奶幚硎业钠渲兄恢袌?zhí)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(qū)物、鋯前驅(qū)物、硅前驅(qū)物、鋁前驅(qū)物、鉭前驅(qū)物、鈦前驅(qū)物、鑭前驅(qū)物及其組合物中的至少一種前驅(qū)物?？稍诔练e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(zhí)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。
在適合用于沉積層302的ALD工藝的一示例中，以從約5sccm到約200sccm的速率將鉿前驅(qū)物通入到工藝處理室中。鉿前驅(qū)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(jù)具體的工藝條件、鉿前驅(qū)物或沉積的氧化鉿材料的預期的組成，鉿前驅(qū)物可以從約每秒0.1脈沖到約每秒10脈沖的速率脈沖通入至工藝處理室中。在一實施方式中，鉿前驅(qū)物以從約每秒1脈沖到約每秒5脈沖，例如約每秒3脈沖的速率脈沖通入工藝處理室中。在另一實施方式中，鉿前驅(qū)物以從約每秒0.1脈沖到約每秒1脈沖，例如約每秒0.5脈沖的速率脈沖通入工藝處理室中。在一示例中，鉿前驅(qū)物可為四氯化鉿(HFCl4)。在另一示例中，鉿前驅(qū)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(qū)物的安瓿(ampoule)將鉿前驅(qū)物分散在工藝處理室中。安瓿可包括安瓿、氣囊、盒或其他用于包含或分散化學前驅(qū)物的容器。適合的安瓿諸如PROE-VAPTM，可從位于美國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(qū)物(例如TDEAH，TDMAH，TDMAS或Tris-DMA)并是液體輸送系統(tǒng)的一部分，該液體輸送系統(tǒng)包括用于利用加熱的載氣蒸發(fā)液體前驅(qū)物的噴射閥系統(tǒng)。一般地，安瓿可從約138kPa(約20psi)加壓至約414kPa(約60psi)并加熱至或低于約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脈沖到約每秒10脈沖的速率脈沖輸入至工藝處理室，例如從約每秒0.08脈沖到約每秒3脈沖，并且在另一實施方式中，從約每秒0.1脈沖到約每秒2脈沖。在一實施方式中，氧化氣體以從約每秒1脈沖到約每秒5脈沖，例如約每秒1.7脈沖至工藝處理室中。在一實施方式中，氧化氣體以從約每秒1脈沖到約每秒5脈沖，例如約每秒1.7脈沖的速率脈沖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脈沖到約每秒3脈沖，例如約每秒0.5脈沖的速率脈沖輸入至工藝處理室中。
多種前驅(qū)物為本發(fā)明實施方式范圍內(nèi)用于沉積介電層302的材料。重要的前驅(qū)物特征為具有合適的蒸汽氣壓。在環(huán)境溫度和氣壓的前驅(qū)物可為氣體、液體或固體。然而，在ALD處理室內(nèi)采用揮發(fā)性的前驅(qū)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(qū)物可包括有機金屬的、無機的或鹵化物的化合物。
示例性鉿前驅(qū)物包括鉿化合物，其包括諸如鹵化物、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(qū)物的鉿鹵化物化合物可包括HfCl4、Hfl4、和HfBr4。用作鉿前驅(qū)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。用于沉積含鉿材料的鉿前驅(qū)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，這里用于沉積工藝期間的鉿前驅(qū)物包括HfCl4、(Et2N)4Hf或(Me2N)4Hf。
沉積工藝之后，在步驟205襯底300可以可選地暴露于后沉積退火(PDA)工藝。將在其上設(shè)置有介電層302的襯底300轉(zhuǎn)移至退火處理室114，諸如RADIANCETMRTP處理室中。由于退火處理室114位于作為沉積處理室的同一集束型設(shè)備上，因此襯底300在不暴露于周圍環(huán)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(lián)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(huán)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暴露于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(zhí)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(tǒng)的工藝處理室中執(zhí)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，由于DPN處理室為位于作為用于沉積介電層302的ALD處理室的同一集束型設(shè)備上，并且該處理室可選地用于沉積后退火處理，因此襯底300在集束型設(shè)備之間傳送時不暴露于周圍環(huán)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，與采用通過將氬氣通入DPN處理室中形成的氬離子轟擊介電層302。可用于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(zhuǎn)化為金屬氮氧化物。用于氮化工藝的并可能存在于DPN處理室中的痕量氮氣可能非有意地與惰性氣體結(jié)合同時一起執(zhí)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，由于惰性氣體中的殘余氮氣，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并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(wěn)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(zhí)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(shè)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瓦范圍執(zhí)行惰性等離子體工藝。一般地，在占空比約50％到100％，并且脈沖頻率在約10kHz下執(zhí)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標準立方厘米(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(chǎn)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，還采用用于沉積介電層302的工藝處理室以形成等離子體處理層304。例如，在用于沉積介電層302的配置有遠程等離子體設(shè)備的工藝處理室，諸如ALD處理室或CVD處理室中，介電層302暴露于遠程氬氣等離子體中以直接形成等離子體處理層304?？衫闷渌栊怨に囈孕纬傻入x子體處理層304的等效層，諸如采用激光處理層302。
在步驟208，設(shè)置于襯底300上的等離子體處理層304暴露于熱退火工藝中，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(yīng)用材料公司(Applied Materials，Inc)購買得到的CENTURATMRADIANCETMRTP處理室，并將該襯底300暴露于熱退火工藝中，由于退火處理室114與沉積處理室和氮化處理室一樣為位于集束型設(shè)備100上，因此可在不暴露于與集束型設(shè)備之間傳送襯底相關(guān)的周圍環(huán)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(lián)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(huán)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?yōu)榻殡姴牧匣蚝笸嘶饘?06。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并減少了后退火層306的固定電荷(fixed charge)。介電材料保持為無定形的并可具有不同范圍的氮濃度。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。后退火層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，后退火層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(shè)備需求所旋轉(zhuǎn)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)沉積的多晶硅、非晶硅或其他適合的材料。一種適合的處理室為可從應(yīng)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由氮化鉭硅(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)、氮化鉭硅(TaSiN)、氮化鈦硅(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硅或非晶硅。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硅或非晶硅。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)、氮化鉭硅(TaSiN)、氮化鈦硅(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硅層或非晶硅層?？梢栽贏LD、CVD或PVD處理室中執(zhí)行所有這些金屬，含金屬柵層、或硅層，所述ALD、CVD或PVD處理室從應(yīng)用材料公司購買得到。由于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(shè)備100中沉積柵極層308，因此襯底300不暴露于與在集束型設(shè)備之間傳送襯底相關(guān)的周圍環(huán)境中。
因此，本發(fā)明提供了用于制備介電材料的方法，該介電材料可用于場效應(yīng)晶體管的柵極制造中。該方法允許在集成的集束型設(shè)備中制備并沉積介電材料或者電層疊，從而避免了由于暴露于由傳統(tǒng)的制造工藝相關(guān)的設(shè)備到設(shè)備間的傳送引起的污染。
雖然以上描述了本發(fā)明的實施方式，在不偏離本發(fā)明的基本范圍的情況下可以設(shè)計本發(fā)明的其他實施方式，并且由以下的權(quán)利要求書限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在單個集束型設(shè)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(shè)備；在位于所述集束型設(shè)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(shù)材料；在所述集束型設(shè)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(shè)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(shè)備的第四處理室中在的所述經(jīng)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在沉積所述含金屬的氧化層之前，在所述集束型設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在執(zhí)行惰性等離子體工藝之前，在集束型設(shè)備中將含金屬的氧化層暴露于沉積后退火工藝中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括在所述集束型設(shè)備內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述惰性等離于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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一含金屬柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭硅、氮化鈦硅、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(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二含金屬的柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭硅、氮化鈦硅、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(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述金屬層為鈦、鉭、銣或鉬的至少其中之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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硅層。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，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硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，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硅層。
19.一種用于在單個集束型設(shè)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(shè)備；在所述集束型設(shè)備中預清洗襯底；在所述集束型設(shè)備中的襯底上沉積含金屬的氧化層；在所述集束型設(shè)備中利用沉積后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(shè)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(shè)備中退火所述處理的含金屬的氧化層；在所述集束型設(shè)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(shè)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(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括在第一工藝處理室中執(zhí)行所述退火工藝并且在同一工藝處理室中沉積含金屬氧化層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括在第一工藝處理室中執(zhí)行退火工藝并且在所述集束型設(shè)備的第一工藝處理室中對所述處理后的含金屬氧化層進行退火。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一含金屬的柵極層為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭硅、氮化鈦硅、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(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二含金屬的柵極為氮化鉭、氮化鈦、氮化鉭硅、氮化鈦硅、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(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括在所述第二含金屬的柵極上沉積金屬層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述金屬層為鈦、鉭、銣或鉬的其中之一。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括在所述集束型設(shè)備中在所述第二含金屬的柵極的頂部上沉積多晶硅層。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括在所述集束型設(shè)備中在所述第二含金屬的柵極上的金屬層上沉積多晶硅層。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于在單個集束型設(shè)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(shè)備，在所述集束型設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者普拉文·K·納萬卡, 施雷亞斯·S·卡爾, 尚克爾·穆蘇克里斯南, 拉胡·沙拉普尼, 菲利普·克勞斯, 克里斯·奧爾森, 卡萊德·Z·埃哈邁德 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司