金屬柵工藝中金屬的填充方法及其設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了金屬柵工藝中金屬的填充方法及其設備，包括：提供一具有柵極溝槽的晶圓；在柵極溝槽的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層和柵極材料層；在柵極溝槽中進行金屬的填充；采用等離子體轟擊位于柵極溝槽的頂部拐角的位置所填充的金屬，以擴大柵極溝槽的頂部開口；多次重復金屬的填充和等離子體轟擊過程，直至金屬填充滿柵極溝槽；本發(fā)明可以提高金屬填充的工藝窗口，減少柵極溝槽中填充的金屬的空洞或縫隙缺陷，更加接近無空洞和無縫隙填充效果，提高了整個器件的電性能。并且，在此基礎上所設計的用于金屬填充的設備，與現(xiàn)有的薄膜沉積設備相兼容，降低了設備升級的成本。
【專利說明】金屬柵工藝中金屬的填充方法及其設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體【技術領域】，具體涉及一種金屬柵工藝中金屬的填充方法，以及用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備。
【背景技術】
[0002]隨著芯片制造技術向尺寸更小的新工藝技術節(jié)點邁進，芯片制造商在提供更高性能芯片的同時需要解決日益突出的處理器能耗問題。相比傳統(tǒng)多晶硅氮氧化硅工藝(PolyS1N)，在28納米技術節(jié)點被廣泛采用的高介電常數(shù)金屬柵極工藝有效地解決了晶體管的柵極漏電流密度(Jg)過大導致的高能耗問題，同時在重要器件參數(shù)如閾值電壓(Vt)和等效氧化物厚度(EOT, Equivalent Oxide Thickness)控制方面有顯著的改善。
[0003]高介電常數(shù)金屬柵極工藝分為柵前置(Gate-first)和柵后置(Gate-last)兩種工藝，柵前置工藝與傳統(tǒng)多晶硅氮氧化硅工藝較類似，制程上的改動較少，產(chǎn)品在器件密度方面較有優(yōu)勢，但由于沉積的金屬層受源漏極高溫退火工藝影響，導致PMOS管閾值電壓(Vt)上升，影響器件性能。而柵后置工藝柵極金屬層沉積是在源漏極高溫退火處理之后，可以自由調(diào)節(jié)柵電極材料的功函數(shù)值，充分控制閾值電壓(Vt)，逐漸成為28納米及以下技術節(jié)點高性能低功耗芯片制造的主流技術。
[0004]柵后置工藝采用替換性金屬柵極工藝(Replacement Metal Gate):先采用傳統(tǒng)工藝制造完冗余多晶娃柵極(Du_y Poly Gate),再用濕法刻蝕工藝去除冗余多晶娃形成中空的柵極溝槽。然后就是金屬鋁的填充工藝，其包括:
[0005]首先:在柵極溝槽的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層和柵極材料層；高K介質(zhì)層一般采用原子層沉積法(ALD)，從而保證沉積的高K介質(zhì)層在柵極溝槽的側(cè)壁上具有優(yōu)良的覆蓋性(conformality);柵極材料層包括功函數(shù)金屬層、其它刻蝕或擴散阻擋層，t匕如刻蝕停止層、擴散阻擋層；可以采用射頻物理氣相沉積法(RFPVD)來沉積功函數(shù)金屬層(work funct1n layer。氮化鈦TiN常用作P型金屬氧化物半導體(PMOS)的柵極材料層，鈦鋁TiAl常用作N型金屬氧化物半導體(NMOS)的柵極材料層。
[0006]其次:在柵極溝槽中進行金屬的填充；通常用低阻值的金屬鋁或鎢來填充柵極溝槽；還采用機械化學研磨法去除平坦化所填充的金屬頂部，控制所填充的金屬頂部的高度，使所填充的金屬頂部與柵極溝槽頂部齊平。
[0007]然而，上述柵后置工藝中，最大的技術難點在于在柵極材料填充后，柵極溝槽內(nèi)的深寬比(Aspect Rat1)加大，這給后續(xù)的金屬鋁或鎢填充帶來了極大的困難。比如，請參閱圖1和2a-2d，圖1為現(xiàn)有的鋁填充的方法的流程示意圖，圖2a-2d為現(xiàn)有的鋁填充的各個步驟的示意圖，包括:
[0008]步驟LOl:如圖2a所示，提供一具有柵極溝槽2的半導體襯底I ;
[0009]步驟L02:如圖2b所示，在柵極溝槽2的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層3和柵極材料層4 ;這里，柵極材料層4包括金屬功函數(shù)層、刻蝕阻擋層、擴散阻擋層等；采用物理氣相沉積法沉積柵極材料層4 ；
[0010]步驟L03:如圖2c所示，在柵極材料層4表面依次沉積潤濕層5和鋁種子層6 ;采用物理氣相沉積法沉積潤濕層5，采用化學氣相沉積法沉積鋁種子層6 ；
[0011]步驟L04:如圖2d所示，在柵極溝槽中填充鋁7 ;這里，采用物理氣相沉積法沉積大塊招(bulk Al)并用熱回流(Hot Reflow)技術改善招沉積的形貌,避免產(chǎn)生空洞(void)或縫隙(seam)等缺陷。
[0012]但是在28納米以下新工藝技術節(jié)點，柵極尺寸逐漸縮小，所填充的金屬在柵極溝槽的頂部開口處產(chǎn)生的突懸(overhang)問題,更加容易產(chǎn)生空洞或縫隙等缺陷,如圖2d所示，很難做到無空洞和無縫隙的填充效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供金屬柵工藝中金屬的填充方法，以及用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備，從而提高柵極溝槽的金屬填充能力，減少填充的金屬中空洞、縫隙等缺陷的產(chǎn)生。
[0014]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，包括:
[0015]步驟01:提供一具有棚極溝槽的晶圓；
[0016]步驟02:在所述柵極溝槽的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層和柵極材料層；
[0017]步驟03:在所述柵極溝槽中進行金屬的填充；
[0018]步驟04:采用等離子體轟擊位于所述柵極溝槽的頂部拐角的位置所填充的金屬，以擴大所述柵極溝槽的頂部開口；
[0019]步驟05:多次重復步驟03-步驟04，直至所述金屬填充滿所述柵極溝槽。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟05之后，還包括對所填充的所述金屬的頂部進行平坦化處理。
[0021]優(yōu)選地，所填充的金屬為鋁，所述步驟03包括:
[0022]在所述柵極材料層表面沉積潤濕層和鋁種子層；
[0023]采用熱回流物理氣相沉積法在所述柵極溝槽中進行大塊鋁的填充。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟04中，采用現(xiàn)場等離子體或遠程等離子體進行所述轟擊。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟04中，采用小原子氣體來產(chǎn)生所述等離子體。
[0026]優(yōu)選地，所述步驟04中，所述小原子氣體為氫氣或氦氣。
[0027]優(yōu)選地，所述步驟04中，所采用的射頻功率為100-1000W，溫度為25_400°C。
[0028]本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述金屬柵工藝中金屬的填充方法所采用的設備，其包括:第一傳輸腔、第二傳輸腔，以及多個腔體；其中，
[0029]所述第一傳輸腔的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于沉積所述高K介質(zhì)層的腔體和用于沉積所述柵極材料層的腔體；所述第一傳輸腔用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸；
[0030]所述第二傳輸腔的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于進行所述金屬的填充的腔體和用于對所填充的金屬進行等離子體轟擊的腔體；所述第二傳輸腔用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸；
[0031]所述第一傳輸腔與所述第二傳輸腔相連通，從而使晶圓可以從所述第一傳輸腔中傳輸?shù)剿龅诙鬏斍恢小?br>
[0032]優(yōu)選地，所述第一傳輸腔掛載的若干腔體中還包括用于沉積所述潤濕層的腔體和用于沉積所述鋁種子層的腔體。
[0033]優(yōu)選地，還包括:第一傳輸腔控制器和第二傳輸腔控制器，分別用于控制晶圓在所述第一傳輸腔和/或所述第二傳輸腔中的傳輸。
[0034]本發(fā)明的金屬柵工藝中金屬的填充方法，以及用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備，通過采用金屬填充與等離子體轟擊相結(jié)合的方法，不斷循環(huán)該兩個步驟，可以提高金屬填充的工藝窗口，減少柵極溝槽中填充的金屬的空洞或縫隙缺陷，更加接近無空洞和無縫隙填充效果，提高了整個器件的電性能。并且，在此基礎上所設計的用于金屬填充的設備，與現(xiàn)有的薄膜沉積設備相兼容，降低了設備升級的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為現(xiàn)有的鋁填充的方法的流程示意圖
[0036]圖2a_2d為現(xiàn)有的鋁填充的各個步驟的示意圖
[0037]圖3為本發(fā)明的實施例一的金屬的填充方法的流程示意圖
[0038]圖4-10為本發(fā)明的實施例一的金屬的填充方法的各個制備步驟所對應的示意圖
[0039]圖11為本發(fā)明的實施例二的用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備的結(jié)構示意圖
【具體實施方式】
[0040]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域內(nèi)的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0041]如前所述，現(xiàn)有的用于金屬柵工藝中金屬的填充工藝，由于柵極材料層的堆疊，使得所填充的金屬容易在柵極溝槽頂部拐角處形成突懸，造成填充的金屬內(nèi)部出現(xiàn)空洞、縫隙等缺陷；為此，本發(fā)明提出了金屬柵工藝中金屬的填充方法及其設備，通過在柵極溝槽中填充金屬、對填充的金屬頂部拐角處進行等離子體轟擊，并多次循環(huán)這兩個過程，直至金屬填充滿整個柵極溝槽，從而減少最終填充的金屬內(nèi)部的空洞、縫隙等缺陷。
[0042]實施例一
[0043]以下將結(jié)合附圖3-10和具體實施例對本發(fā)明的用于金屬柵工藝中金屬的填充方法作進一步詳細說明。其中，圖4-10為實施例一的金屬的填充方法的各個制備步驟所對應的示意圖。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。
[0044]請參閱圖3，為本發(fā)明的實施例一的金屬的填充方法的流程示意圖；本實施例的金屬的填充方法，具體包括:
[0045]步驟01:請參閱圖4，提供一具有柵極溝槽102的晶圓101 ；
[0046]具體的，柵極溝槽102的形成可以采用現(xiàn)有的去除偽柵極的工藝，由于本領域的技術人員可以指導去除偽柵極的工藝過程，本發(fā)明對此不再贅述。晶圓101可以但不限于為硅片，在柵極溝槽兩側(cè)具有柵極側(cè)墻、源/漏區(qū)等半導體器件具有的任何功能結(jié)構，本發(fā)明對此不作限制。
[0047]步驟02:請參閱圖5，在柵極溝槽102的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層103和柵極材料層104 ；
[0048]具體的，高K介質(zhì)層103的沉積工藝可以但不限于采用原子層沉積法(ALD)，使所沉積的高K介質(zhì)層在柵極溝槽的側(cè)壁表面優(yōu)良的覆蓋性；柵極材料層104可以包括功函數(shù)金屬層、刻蝕阻擋層、擴散阻擋層、或其它覆蓋層等，功函數(shù)金屬層可以但不限于采用射頻物理氣相沉積法來沉積；刻蝕阻擋層的材料可以但不限于為氮化鉭，擴散阻擋層的材料可以但不限于為氮化鈦。
[0049]步驟03:請參閱圖7，在柵極溝槽102中進行金屬107的填充；
[0050]具體的，所填充的金屬應為低阻值金屬，可以為鋁或鎢等。金屬的填充工藝根據(jù)不同的金屬而不同。
[0051]例如，鋁的填充工藝中，首先，請參閱圖6，在金屬鋁填充之前，需要采用物理氣相沉積法在上述的柵極材料104表面沉積一層潤濕層105，比如，鈦金屬；然后，采用化學氣相沉積法在潤濕層105表面沉積一層鋁種子層106 ;最后，采用物理氣相沉積法在柵極溝槽102中沉積大塊鋁，并采用熱回流工藝改善填充的鋁的形貌，稱之為‘熱回流物理氣相沉積法’，使所填充的鋁內(nèi)部的空洞或縫隙等缺陷減少。
[0052]步驟04:請參閱圖8，采用等離子體轟擊位于柵極溝槽102的頂部拐角的位置所填充的金屬107，以擴大柵極溝槽102的頂部開口 ；
[0053]具體的，由于柵極溝槽102頂部開口較小，在柵極溝槽102內(nèi)填充了金屬107之后，不可避免的會造成在柵極溝槽102頂部拐角處的填充金屬107形成突懸缺陷，可以采用現(xiàn)場等離子體或遠程等離子體對拐角處的填充金屬107進行轟擊，去除突懸的金屬107，則進一步擴大了柵極溝槽102頂部開口 ；根據(jù)器件的不同而采用不同的等離子體和射頻功率；由于柵極溝槽102頂部開口較小，為了控制鋁在小尺寸柵極溝槽102頂部開口處的去除速度，可以采用小原子氣體來產(chǎn)生等離子體，比如采用氫氣或氦氣；具體的工藝參數(shù)可以根據(jù)實際工藝要求來設定，本實施例中，可以采用如下工藝參數(shù):所采用的射頻功率為100-1000W，溫度為 25-400°C。
[0054]步驟05:請參閱圖9，多次重復步驟03-步驟04，直至金屬填充滿柵極溝槽102。
[0055]具體的，多次填充金屬，并在每一次都用等離子體轟擊，去除柵極溝槽102頂部拐角處的突懸，從而使得最終填充的金屬107’內(nèi)部的空洞或縫隙等缺陷大為減少，接近無空洞或無縫隙填充效果。
[0056]在填充好之后，由于填充的金屬107’頂部不平坦，且會高出柵極溝槽102頂部，為了后續(xù)工藝的順利進行，可以對填充的金屬107’頂部進行平坦化處理，請參閱圖10，可以采用化學機械拋光法將填充的金屬107’頂部研磨至與柵極溝槽102頂部齊平，與此同時，對此前沉積的高K介質(zhì)層103、柵極材料層104也同時研磨至柵極溝槽102頂部齊平。
[0057]實施例二
[0058]以下將結(jié)合附圖11和具體實施例對本發(fā)明的用于金屬柵工藝中金屬填充的設備作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。
[0059]請參閱圖11，為本發(fā)明的實施例二的用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備的結(jié)構示意圖；本實施例的一種實現(xiàn)金屬柵工藝中金屬的填充方法所采用的設備，可以包括現(xiàn)有的金屬填充設備的結(jié)構，還包括:第一傳輸腔1、第二傳輸腔II，以及多個腔體；其中，
[0060]第一傳輸腔I的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于沉積高K介質(zhì)層的腔體A和用于沉積柵極材料層的腔體B ;第一傳輸腔I用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸；
[0061]具體的，由于不同的金屬具有不同的填充工藝，比如，鋁填充工藝，不僅要有用于沉積高K介質(zhì)層的腔體A和用于沉積柵極材料層的腔體B ;還需要在第一傳輸腔掛載的若干腔體中包括有用于沉積潤濕層的腔體C和用于沉積鋁種子層的腔體D。晶圓在某個腔體中完成所需的工藝，然后，從該某個腔體中退出到第一傳輸腔I，并經(jīng)第一傳輸腔I再進入到下一個腔體中進行下一步工藝。例如，鋁填充工藝，晶圓首先進入用于沉積高K介質(zhì)層的腔體A進行高K介質(zhì)層的沉積工藝，然后再經(jīng)第一傳輸腔I進入到用于沉積柵極材料層的腔體B進行柵極材料層的沉積；再經(jīng)第一傳輸腔I進入到用于沉積潤濕層的腔體C進行潤濕層的沉積工藝，在經(jīng)第一傳輸腔I進入到用于沉積鋁種子層的腔體D進行鋁種子層的沉積工藝。
[0062]第二傳輸腔II的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于進行金屬的填充的腔體F和用于對所填充的金屬進行等離子體轟擊的腔體G ;第二傳輸腔II用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸；
[0063]具體的，為了便于金屬的填充和等離子體轟擊步驟的交替循環(huán)進行，將進行此兩個步驟的腔體設置在同一個傳輸腔中，從而可以提高金屬填充的產(chǎn)能和效率。用于金屬填充的腔體F可以為鋁沉積腔體或鎢沉積腔體，比如，鋁沉積腔體，在此鋁沉積腔體中還可以進行物理氣相沉積工藝和熱回流工藝；用于等離子體轟擊的腔體G可以為不同的等離子體濺射腔體，比如，遠程等離子體或現(xiàn)場等離子體濺射腔體。晶圓在某個腔體中完成所需的工藝，然后，從該某個腔體中退出到第二傳輸腔II，并經(jīng)第二傳輸腔II再進入到下一個腔體中進行下一步工藝。具體的，晶圓在金屬填充的腔體F中完成金屬填充工藝后，經(jīng)第二傳輸腔II進入到用于等離子體轟擊的腔體G中進行等離子體轟擊工藝；然后再經(jīng)第二傳輸腔II回到金屬填充的腔體F中進行金屬填充工藝，再經(jīng)第二傳輸腔II回到用于等離子體轟擊的腔體G中進行等離子體轟擊工藝，如此循環(huán)反復即可，直至金屬填充滿柵極溝槽。
[0064]在此設備中，第一傳輸腔I與第二傳輸腔II相連通，從而使晶圓可以從第一傳輸腔I中傳輸?shù)降诙鬏斍籌I中。
[0065]例如，鋁填充工藝，晶圓完成在第一傳輸腔I的鋁種子層的沉積工藝后，從第一傳輸腔I進入到第二傳輸腔II，再依次進入到鋁沉積腔體F、等離子體濺射腔體G進行相應的工藝。
[0066]在此設備中,還具有第一傳輸腔控制器Kl和第二傳輸腔控制器K2,分別用于控制晶圓在第一傳輸腔I中的傳輸、在第二傳輸腔II中的傳輸、以及在第一傳輸腔I和第二傳輸腔II之間的傳輸。
[0067]綜上所述，本發(fā)明的金屬柵工藝中金屬的填充方法，以及用于金屬柵工藝中金屬的填充的設備，通過采用金屬填充與等離子體轟擊相結(jié)合的方法，不斷循環(huán)該兩個步驟，可以提高金屬填充的工藝窗口，減少柵極溝槽中填充的金屬的空洞或縫隙缺陷，更加接近無空洞和無縫隙填充效果，提高了整個器件的電性能。并且，在此基礎上所設計的用于金屬填充的設備，與現(xiàn)有的薄膜沉積設備相兼容，降低了設備升級的成本。
[0068]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【權利要求】
1.一種金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，包括： 步驟Ol :提供一具有柵極溝槽的晶圓； 步驟02 :在所述柵極溝槽的側(cè)壁和底部依次沉積高K介質(zhì)層和柵極材料層； 步驟03 :在所述柵極溝槽中進行金屬的填充； 步驟04 :采用等離子體轟擊位于所述柵極溝槽的頂部拐角的位置所填充的金屬，以擴大所述柵極溝槽的頂部開口； 步驟05 :多次重復步驟03-步驟04，直至所述金屬填充滿所述柵極溝槽。
2.根據(jù)權利要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所述步驟05之后，還包括對所填充的所述金屬的頂部進行平坦化處理。
3.根據(jù)權利要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所填充的金屬為鋁，所述步驟03包括： 在所述柵極材料層表面沉積潤濕層和鋁種子層； 采用熱回流物理氣相沉積法在所述柵極溝槽中進行大塊鋁的填充。
4.根據(jù)權利要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所述步驟04中，采用現(xiàn)場等離子體或遠程等離子體進行所述轟擊。
5.根據(jù)權利要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所述步驟04中，采用小原子氣體來產(chǎn)生所述等離子體。
6.根據(jù)權利要求5所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所述步驟04中，所述小原子氣體為氫氣或氦氣。
7.根據(jù)權利要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法，其特征在于，所述步驟04中，所采用的射頻功率為100-1000W，溫度為25-400°C。
8.一種實現(xiàn)權力要求I所述的金屬柵工藝中金屬的填充方法所采用的設備，其特征在于，包括：第一傳輸腔、第二傳輸腔，以及多個腔體；其中， 所述第一傳輸腔的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于沉積所述高K介質(zhì)層的腔體和用于沉積所述柵極材料層的腔體；所述第一傳輸腔用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸; 所述第二傳輸腔的側(cè)面掛載有若干腔體，包括用于進行所述金屬的填充的腔體和用于對所填充的金屬進行等離子體轟擊的腔體；所述第二傳輸腔用于在其所掛載的腔體之間進行晶圓的傳輸； 所述第一傳輸腔與所述第二傳輸腔相連通，從而使晶圓可以從所述第一傳輸腔中傳輸?shù)剿龅诙鬏斍恢小?br>
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其特征在于，所述第一傳輸腔掛載的若干腔體中還包括用于沉積所述潤濕層的腔體和用于沉積所述鋁種子層的腔體。
10.根據(jù)權利要求8所述的設備,其特征在于,還包括：第一傳輸腔控制器和第二傳輸腔控制器，分別用于控制晶圓在所述第一傳輸腔和/或所述第二傳輸腔中的傳輸。
【文檔編號】H01L21/28GK104167355SQ201410427378
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權日:2014年8月27日
【發(fā)明者】鐘斌 申請人:上海華力微電子有限公司