專利名稱：金屬化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬化工藝，且特別涉及一種可減少金屬硅化物的結(jié)塊 現(xiàn)象的金屬化工藝。
背景技術(shù)：
隨著集成電^各(Integrated Circuit, IC )的元件尺寸縮小，內(nèi)連線或淺結(jié) 的對(duì)應(yīng)阻抗也隨之增加，而使IC運(yùn)作速度無(wú)法有效提高。如最常被用來(lái)形 成柵極與局部連線的多晶硅(polysilicon)，即使重度摻雜后仍帶有相當(dāng)高的 電阻率，這會(huì)造成元件功耗及信號(hào)延遲(RC delay)的問(wèn)題。 一般所使用的 改善方式為進(jìn)行金屬化工藝，以自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)(self-alignment)形成金屬硅化物 (salicide)于如晶體管結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電區(qū)域。然而，例如以鈷金屬與多晶硅柵 極在高溫下反應(yīng)形成如CoSi2的金屬硅化物時(shí)，由于CoSi2/Si界面并不平整 且有熱凹槽(thermal grooving), 3夸導(dǎo)致所謂的結(jié)塊現(xiàn)象(agglomeration), 而大幅影響金屬硅化物的熱穩(wěn)定性及元件的運(yùn)作性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種金屬化工藝，其是于沉積金屬層之前，先將半導(dǎo)體基材 進(jìn)行熱處理，可得到較佳的沉積條件，并且可減緩后方熱處理步驟中金屬硅 化物的結(jié)塊現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明，提出一種金屬化工藝。首先，提供半導(dǎo)體基材，此半導(dǎo)體 基材具有至少一含硅導(dǎo)電區(qū)域。其次，提供改善結(jié)塊現(xiàn)象的離子注入于含硅 導(dǎo)電區(qū)域。接著，對(duì)此半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理。而后，形成金屬層于此 半導(dǎo)體基材表面，金屬層覆蓋含硅導(dǎo)電區(qū)域。再來(lái)，對(duì)覆蓋有金屬層的此半 導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以形成金屬硅化物層于含硅導(dǎo)電區(qū)域上。
根據(jù)本發(fā)明，另提出一種金屬化工藝。首先，提供半導(dǎo)體基材，半導(dǎo)體 基材具有至少一導(dǎo)電區(qū)域。其次，注入氮離子至導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)。接著，對(duì)半導(dǎo) 體基材進(jìn)行第一熱處理，以修復(fù)半導(dǎo)體基材表面。而后，形成金屬層于半導(dǎo)
體基材表面，金屬層覆蓋導(dǎo)電區(qū)域。再來(lái)，形成擴(kuò)散障礙層于金屬層上。然 后，對(duì)覆蓋有金屬層的半導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以于導(dǎo)電區(qū)域上形成金 屬硅化合層。修復(fù)后的半導(dǎo)體金屬層表面減緩進(jìn)行第二熱處理時(shí)金屬化合層 的結(jié)塊現(xiàn)象。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí) 施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1為依照本發(fā)明的金屬化工藝的流程圖。
圖2 A ~ 2E分別為依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬化工藝應(yīng)用于晶體管元 件時(shí)的工藝剖面圖。
圖3為未經(jīng)過(guò)預(yù)先處理的半導(dǎo)體基材形成金屬硅化物層后的電子顯微鏡 照片。
圖4為經(jīng)過(guò)預(yù)先處理的半導(dǎo)體基材形成金屬硅化物層后的電子顯微鏡照片。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
200:半導(dǎo)體基材 210:基材
220:晶體管元件 221:柵極氧化層
222:間隙壁 310:金屬層
320:吸收層 330:擴(kuò)散障礙層
311(1)、 311(2)、 311(3)、 312(1)、 312(2)、 312(3):金屬硅化物層
G:柵極 S:源極
D:漏極
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參照?qǐng)D1，為依照本發(fā)明的金屬化工藝的流程圖。首先，于步驟110 中，提供半導(dǎo)體基材，此半導(dǎo)體基材具有至少一導(dǎo)電區(qū)域。然后，于步驟120 中，對(duì)此半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理。接著，于步驟130中，于此半導(dǎo)體基 材表面形成金屬層，金屬層覆蓋導(dǎo)電區(qū)域。最后，于步驟140中，對(duì)覆蓋有 金屬層的此半導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以形成金屬化合層于導(dǎo)電區(qū)域上。
以下將以應(yīng)用于一般場(chǎng)效晶體管為例進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明的金屬化工藝，其中半導(dǎo)體基材的導(dǎo)電區(qū)域是以含硅導(dǎo)電區(qū)域?yàn)槔稣f(shuō)明，且半導(dǎo)體 基材進(jìn)行第二熱處理后對(duì)應(yīng)地形成金屬硅化物層于含硅導(dǎo)電區(qū)域上。然于本 發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可理解，本發(fā)明可應(yīng)用于任何集成電路中來(lái) 改善內(nèi)連線或元件特性，以提升集成電路整體效能，也使得IC工藝設(shè)計(jì)更 具有彈性。
請(qǐng)依序參照?qǐng)D2A 2E，分別為依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬化工藝應(yīng) 用于晶體管元件時(shí)的工藝剖面圖。如圖2A所示，為步驟110中提供的半導(dǎo) 體基材200。半導(dǎo)體基材200包括基材210及承載于基材210上的晶體管元 件220。于本實(shí)施例中，基材210使用P型或N型的硅基材，但在其他實(shí)施 例中，基材210可為絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator， SOI)基材。晶體管 元件220例如為一般的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管元件，并包括柵極 G、漏極D與源極S等含硅導(dǎo)電區(qū)域。形成于柵極氧化層221上的柵極G為 經(jīng)沉積及圖案化的多晶硅層。漏極D及源極S為與基材210電性相反的砷或 硼等物質(zhì)的摻雜區(qū)，間隙壁222則可作為后續(xù)形成金屬硅化物時(shí)的掩模。
然而，此時(shí)半導(dǎo)體基材200上可能留有一些無(wú)機(jī)或有機(jī)污染物，如工藝 環(huán)境中的雜質(zhì)粒子或光致抗蝕劑、蝕刻及圖案化過(guò)程中的殘余物或副產(chǎn)品 (如polymer)，甚或基材210的原生氧化物等等。此外，半導(dǎo)體基材200的 表面結(jié)構(gòu)亦可能留有前段工藝中造成的不平整現(xiàn)象。而金屬化工藝的品質(zhì)即 相當(dāng)取決于含硅導(dǎo)電區(qū)域的表面干凈平滑與否。
如圖2B所示，于步驟120中，對(duì)半導(dǎo)體基材200進(jìn)行第一熱處理。于 本實(shí)施例中，第一熱處理為一般使用高溫爐火的退火處理(annealing),使 半導(dǎo)體基材200在溫度450至700。C之間的氮?dú)猸h(huán)境(流量約1至10 slm, 壓力約latm)中進(jìn)行約20分鐘至3小時(shí)左右的退火處理。于其他實(shí)施例中， 第 一熱處理也能使用溫度設(shè)定較高的快速退火處理(Rapid Thermal Processing, RTP )。通過(guò)執(zhí)行第一熱處理，即能有效除去前述半導(dǎo)體基材200 上對(duì)后續(xù)金屬化工藝不利的物質(zhì)，同時(shí)修復(fù)半導(dǎo)體基材200的表面結(jié)構(gòu)，使 晶體管元件220的含硅導(dǎo)電區(qū)域更干凈平滑。
傳統(tǒng)金屬化工藝在進(jìn)行金屬沉積步驟前，僅以如使用氟化氫等的預(yù)洗 (pre-clean)步驟來(lái)使半導(dǎo)體基材表面盡可能達(dá)到適當(dāng)?shù)某练e環(huán)境條件。然 而，預(yù)洗步驟對(duì)于前述的不利物質(zhì)的清除作用相當(dāng)有限，且無(wú)法對(duì)半導(dǎo)體基 材200的表面結(jié)構(gòu)有所改善。因此，本發(fā)明是以一道熱處理步驟來(lái)達(dá)到更佳
的沉積環(huán)境條件。當(dāng)然，在進(jìn)行步驟130之前，也可再進(jìn)行次預(yù)洗步驟。
如圖2C所示，于步驟130中，由步驟120獲得適當(dāng)?shù)某练e環(huán)境條件后， 能以賊射沉積方式形成所需的金屬層310。于本實(shí)施例中，金屬層310是以 包含鈷(cobalt，Co)為例作說(shuō)明。于其他實(shí)施例中，金屬層310也可使用如 鈥(titanium, Ti )、鎳(nickel, Ni)及鉬(molybd 6num, Mo )等等。 一般來(lái)說(shuō), 可在金屬層310上再形成吸收層320及擴(kuò)散障礙層330 ( diffusion barrier), 如圖2C所示。吸收層320例如使用鈦來(lái)幫助反應(yīng)掉基材210的原生氧化物， 以減少后續(xù)形成金屬硅化物的過(guò)程中的氧污染。擴(kuò)散障礙層330例如使用氮 化鈦來(lái)減少金屬層310在后續(xù)熱處理中的擴(kuò)散逸失。另外，值得一提的是， 形成金屬層310之前，也可以提供離子注入于所需的含硅導(dǎo)電區(qū)域，例如氮 離子(N2+ )注入，由此改變后續(xù)熱處理中的金屬硅化物的管芯大小(grain size ) 而改善結(jié)塊現(xiàn)象。
如圖2D所示，于步驟140中，對(duì)覆蓋有金屬層310、吸收層320及擴(kuò) 散障礙層330的半導(dǎo)體基材200進(jìn)行第二熱處理，如溫度400至550。C的退 火處理。由此，使包含鈷的金屬層310與柵極G、漏極D及源極S反應(yīng)而形 成為鈷單硅化物的金屬硅化物層311(1), 3U(2)及311(3)。
請(qǐng)參照?qǐng)D3及圖4，圖3為未經(jīng)過(guò)預(yù)先處理的半導(dǎo)體基材形成金屬硅化 物層后的電子顯微鏡照片；圖4為經(jīng)過(guò)預(yù)先處理的半導(dǎo)體基材形成金屬硅化 物層后的電子顯微鏡照片。未經(jīng)過(guò)包括第一熱處理及氮離子注入的預(yù)先處理 的半導(dǎo)體基材，進(jìn)行第二熱處理的退火步驟之后，于含硅導(dǎo)電區(qū)域(圖3中 淺色梯形區(qū)域)上形成不規(guī)則且不連續(xù)的金屬硅化物層，即圖3中淺色梯形 區(qū)域上端的深色不規(guī)則區(qū)域。經(jīng)過(guò)第一次熱處理及氮離子注入的預(yù)先處理的 半導(dǎo)體基材，進(jìn)行第二熱處理的退火步驟之后，于含硅導(dǎo)電區(qū)域(圖4中淺 色梯形區(qū)域)上形成連續(xù)且完整的金屬硅化物層，即圖4中淺色梯形區(qū)域上 端的深色區(qū)域。由圖3及圖4可知，對(duì)于半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理及氮離 子注入之后，可以有效改善金屬硅化物層的結(jié)塊現(xiàn)象。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2D,因?yàn)榻饘俟杌飳?11(1)、 311(2)及311(3)的阻值仍 相當(dāng)高，因此以一般蝕刻方式選擇性地移除圖2D中除金屬硅化物層311(1)、 311(2)及311 (3)外的物質(zhì)后， 一般會(huì)再進(jìn)行一次溫度約700至900°C的退火處 理而得到如圖2E所示的為二硅化鈷的金屬硅化物層312(1)、 312(2)及312(3) (阻值約降至3 8歐姆)。如此一來(lái)，即完成本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬化工
藝。當(dāng)然，于其他實(shí)施例中，步驟140的第二熱處理亦可使用快速退火處理 來(lái)直接一次形成為二硅化鈷的金屬硅化物層。
如此一來(lái)，通過(guò)步驟120中的第一熱處理而得到較佳的沉積環(huán)境條件后， 可有效降低后續(xù)一次或兩次的熱處理中金屬硅化物的結(jié)塊現(xiàn)象而獲得均勻 度較高的金屬硅化物層。由此，無(wú)須為了因應(yīng)可能的結(jié)塊現(xiàn)象而增加金屬層 的沉積厚度，同時(shí)也避免漏電流的情形，而大幅提高金屬硅化物的熱穩(wěn)定性 及晶體管元件的運(yùn)作性能及產(chǎn)品成品率。
本發(fā)明上述實(shí)施例所披露的金屬化工藝，于沉積金屬層之前，對(duì)半導(dǎo)體 基材進(jìn)行一次熱處理以獲得較佳的沉積環(huán)境條件，從而減少后續(xù)熱處理中金 屬硅化物的結(jié)塊現(xiàn)象。當(dāng)然，如前述，本發(fā)明的金屬化工藝可應(yīng)用于任何集 成電路中來(lái)改善內(nèi)連線或元件特性，以提升集成電路整體效能，也使得工藝 范圍(process window)更有彈性
綜上所述，雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本 發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)， 當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所 界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種金屬化工藝，包括(a)提供半導(dǎo)體基材，該半導(dǎo)體基材具有至少一含硅導(dǎo)電區(qū)域；(b)提供改善結(jié)塊現(xiàn)象的離子注入于該含硅導(dǎo)電區(qū)域；(c)對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理，以修復(fù)該半導(dǎo)體基材表面；(d)形成金屬層于該半導(dǎo)體基材表面，該金屬層覆蓋該含硅導(dǎo)電區(qū)域；以及(e)對(duì)覆蓋有該金屬層的該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以于該含硅導(dǎo)電區(qū)域上形成金屬硅化物層。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(b)中，提供氮離子 注入于該含硅導(dǎo)電區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(a)及該步驟(d)之間 還包括對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行預(yù)洗步驟。
4. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(c)中，該第一熱處 理為退火處理或快速退火處理。
5. 如權(quán)利要求4所述的金屬化工藝，其中于該步驟(c)中，該半導(dǎo)體基 材是于壓力為實(shí)質(zhì)上1 atm、溫度為實(shí)質(zhì)上450至700。C以及流速為實(shí)質(zhì)上1 至10 slm的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行實(shí)質(zhì)上20至80分鐘的退火處理。
6. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(e)之后還包括(f) 對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第三熱處理，以形成電阻值低于該金屬硅化物的 另一金屬硅化物。
7. 如權(quán)利要求6所述的金屬化工藝，其中該第三熱處理為實(shí)質(zhì)上700 至90(TC的退火處理。
8. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(e)之后還包括 至少移除未與該含硅導(dǎo)電區(qū)域反應(yīng)的部分的該金屬層。
9. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(d)及該步驟(e)之間 還包括形成擴(kuò)散障礙層于該金屬層上。
10. 如權(quán)利要求9所述的金屬化工藝，其中該擴(kuò)散障礙層包含氮化鈦。
11. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(d)及該步驟(e)之間 還包括形成吸收層，以吸收該半導(dǎo)體基材表面的原生氧化物。
12. 如權(quán)利要求11所述的金屬化工藝，其中該吸收層包含鈦。
13. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(d)中，該金屬層選 自由鈷、鈦、鎳及鉬所組成的族群。
14. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(a)中，該半導(dǎo)體基 材更具有絕緣體上硅基材。
15. 如權(quán)利要求1所述的金屬化工藝，其中于該步驟(e)中，該第二熱處
16. —種金屬化工藝，包括(a) 提供半導(dǎo)體基材，該半導(dǎo)體基材具有至少一導(dǎo)電區(qū)域；(b) 注入氮離子至該導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)；(c) 對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理，以修復(fù)該半導(dǎo)體基材表面；(d) 形成金屬層于該半導(dǎo)體基材表面，該金屬層覆蓋該導(dǎo)電區(qū)域；(e) 形成擴(kuò)散障礙層于該金屬層上；以及(f) 對(duì)覆蓋有該金屬層的該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以于該導(dǎo)電區(qū)域 上形成金屬化合層，修復(fù)后的該半導(dǎo)體金屬層表面是用以減緩進(jìn)行該第二熱 處理時(shí)該金屬化合層的結(jié)塊現(xiàn)象。
17. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(a)中，該導(dǎo)電區(qū) 域包括含硅導(dǎo)電區(qū)域。
18. 如權(quán)利要求17所述的金屬化工藝，其中于該步驟(f)中，該金屬化合 層包括金屬硅化物層。
19. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(a)及該步驟(d)之 間還包括對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行預(yù)洗步驟。
20. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(c)中，該第一熱 處理為退火處理或快速退火處理。
21. 如權(quán)利要求20所述的金屬化工藝，其中于該步驟(c)中，該半導(dǎo)體 層是于壓力為實(shí)質(zhì)上1 atm、溫度為實(shí)質(zhì)上450至700。C以及流速為實(shí)質(zhì)上1 至10 slm的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行約20至80分鐘的退火。
22. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(f)之后還包括 (g)對(duì)該半導(dǎo)體基材進(jìn)行第三熱處理，以形成電阻值低于該金屬硅化物的另一金屬硅化物。
23. 如權(quán)利要求22所述的金屬化工藝，其中該第三熱處理為實(shí)質(zhì)上700 至90(TC的退火處理。
24. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(f)之后還包括 至少移除未與該含硅導(dǎo)電區(qū)域反應(yīng)的部分的該金屬層。
25. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(d)及該步驟(e)之 間還包括形成吸收層，以吸收該半導(dǎo)體基材表面的原生氧化物。
26. 如權(quán)利要求16所述的金屬化工藝，其中于該步驟(f)中，該第二熱處 理為實(shí)質(zhì)上400至550°C的退火處理。
全文摘要
一種金屬化工藝，首先提供半導(dǎo)體基材，此半導(dǎo)體基材具有至少一含硅導(dǎo)電區(qū)域。接著，提供改善結(jié)塊現(xiàn)象(agglomeration phenomenon)的離子注入于含硅導(dǎo)電區(qū)域。再來(lái)，對(duì)此半導(dǎo)體基材進(jìn)行第一熱處理，以修復(fù)半導(dǎo)體基材表面。其次，形成金屬層于此半導(dǎo)體基材表面，金屬層覆蓋含硅導(dǎo)電區(qū)域。然后，對(duì)覆蓋有金屬層的此半導(dǎo)體基材進(jìn)行第二熱處理，以于含硅導(dǎo)電區(qū)域上形成金屬硅化物層。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101393855SQ20081010880
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者楊令武, 楊大弘, 蘇金達(dá), 陳光釗, 統(tǒng) 駱 申請(qǐng)人:旺宏電子股份有限公司