本發明涉及微電子器件制造技術領域，尤其涉及一種基于單原子層沉積的金屬生長方法。

背景技術：

目前，晶體管的尺寸正在迅速縮小，性能不斷提高，在相同面積的芯片上集成更多的器件能夠使得集成電路的功能更強大并降低單位功能成本。但當傳統多晶硅柵晶體管尺寸縮小到一定程度后，過高的柵電阻、多晶硅耗盡效應等將阻礙晶體管性能的提升。經過大量的研究，難熔金屬柵被認為是最有希望的替代技術，用鈦、鉭等合金做柵電極，能夠獲得非常低的柵極薄層電阻，從根本上消除多晶硅柵耗盡效應，在不減少柵氧化層物理厚度的條件下獲得更低的柵氧化層等效電學厚度，消除多晶硅柵潛在的pmos管b穿透薄柵氧化層進入硅襯底的問題，并且與下一代柵介質材料及高k柵介質兼容。

傳統的柵電極主要采用pvd技術進行沉積，具有高真空系統，可以保證非常低的含氧量，以得到低電阻率。然而，cmos器件尺寸正在持續微縮到16/14納米及其以下技術節點，對于金屬柵提出更高的要求。面對高深寬比的后柵工藝結構，pvd已不能滿足填充要求，必須使用單原子層沉積技術(ald)進行替代。然而，由于ald不是高真空反應過程，對于水氧的控制在技術上更加困難。當ald金屬薄膜中存在過量的氧時，不僅會引起電阻率增加，而且會引起功函數的漂移，給器件帶來巨大的不穩定性。

因此，亟需設計一種基于ald的金屬生長方法，降低ald薄膜中的水氧含量，提高器件的可靠性。

技術實現要素：

本發明提供的基于單原子層沉積的金屬生長方法，能夠針對現有ald技術的不足，降低金屬柵極材料中的水氧含量。

第一方面，本發明提供一種基于單原子層沉積的金屬生長方法，其中，包括：

步驟一：提供單原子層沉積設備；

步驟二：對所述單原子層沉積設備中的單原子層沉積反應腔進行除濕除氧處理；

步驟三：在所述反應腔中通入第一前驅體反應物，用于在基片表面進行反應；

步驟四：從所述反應腔中排出過剩所述第一前驅體反應物及反應副產物；

步驟五：在所述反應腔中通入第二前驅體反應物，用于與所述基片上的所述第一前驅體反應物進行反應；

步驟六：從所述反應腔中排出過剩所述第二前驅體反應物及反應副產物。

可選地，上述步驟二中的除濕除氧處理包括在所述反應腔中重復多次進行抽真空再放入惰性氣體的步驟。

可選地，上述惰性氣體包括ar或n2。

可選地，上述抽真空的壓力范圍為0.5torr-3torr，所述放入惰性氣體后腔體的到達壓力范圍為10torr-700torr。

可選地，上述步驟二的溫度范圍為100℃-450℃。

可選地，上述步驟二中的除濕除氧處理包括在所述反應腔中預淀積金屬薄膜。

可選地，上述預淀積金屬薄膜與目標生長金屬的位置和種類相同。

可選地，上述預淀積金屬薄膜的材料為鈦合金、鉭合金或鎢。

可選地，上述預淀積金屬薄膜的厚度范圍為5nm-100nm。

可選地，上述步驟二中的除濕除氧處理包括使用高真空載片腔進行抽真空處理。

可選地，上述使用高真空載片腔進行抽真空處理依次包括在所述高真空載片腔內裝載基片、將所述高真空載片腔抽至本底真空、將所述基片傳送到所述反應腔的步驟。

可選地，上述將基片傳送到所述反應腔的步驟可以通過機械手、傳動帶或輪軸裝置進行傳送。

可選地，上述步驟二中的除濕除氧處理包括使用高真空反應腔進行抽真空處理。

可選地，上述使用高真空反應腔進行抽真空處理依次包括將所述反應腔抽至本底真空、再升至所述步驟三至步驟五的壓力范圍。

可選地，上述步驟三至步驟五的壓力范圍為中真空。

本發明實施例提供的基于單原子層沉積的金屬生長方法，能夠實現金屬柵極材料中氧含量的控制，以降低電阻率，控制ald薄膜的有效功函數，提高器件可靠性。

附圖說明

圖1為現有技術的ald設備結構示意圖；

圖2為現有技術的ald沉積周期流程圖；

圖3為本發明的基于ald的金屬生長方法流程圖；

圖4為本發明一實施例的ald設備結構示意圖；

圖5為本發明一實施例的ald設備結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在現有技術中，單原子層沉積(ald)通過將氣相前驅體交替通入反應腔并沉積在基片上進行化學吸附，反應形成單層沉積薄膜。ald的表面反應具有化學吸附自限制(cs)和順次反應自限制(rs)，不斷重復自限制反應，形成目標薄膜。

圖1示出了本發明一實施例中的ald設備結構示意圖。如圖所示，ald設備包括溫度控制池，至于溫度控制池內的前驅體反應物，與溫度控制池相連的高速閥，由高速閥控制的管道與溫度控制池和ald反應腔連通，ald反應腔由加熱器進行加熱。在ald反應腔中放置有經過活性表面處理的基片，第一前驅體反應物和第二前驅體反應物交替通入ald，并在適宜溫度下化學吸附在基片上。優選地，ald反應腔的溫度可以控制在20-400℃。每次反應的剩余物質從與ald反應腔相連的真空泵出管排除ald反應腔。

特別的，本發明的一個實施例中，使用了兩個溫度控制池和對應的兩種前驅體反應物，在其他實施例中，可以根據淀積需要使用適當數量的溫度控制池和對應的多種前驅體反應物。

圖2示出了現有技術中的一個ald沉積周期流程圖。在現有技術中，步驟s21提供ald設備，典型地，包括但不限于反應腔、溫度控制池、真空泵等ald設備；在步驟s22中，從第一溫度控制池與ald反應腔相連的管道中通入第一反應前驅體，與基片表面發生化學吸附或者反應；優選地，為了達到對基片的充分覆蓋，需要使得基片表面達到飽和。在步驟s23中，典型地，包括但不限于利用惰性氣體、泵抽或其他手段將過剩的前驅體反應物和副產物從反應腔體中清除；在步驟s24中，從第二溫度控制池與ald反應腔相連的管道中通入第二反應前驅體，與基片表面被吸附的物質發生反應；優選地，為了達到充分反應的目的，需要引入過剩的第二反應前驅體；在步驟s25中，當反應前驅體反應完全后，再次利用惰性氣體或泵抽等其他適宜方法將多余的前驅體以及副產物從反應腔體中清除。特別地，ald的前驅體反應物具有良好的揮發性，易液化，具有良好化學穩定性，無毒、無腐蝕性，優選地，前驅體反應物為氣/液相。

本發明提供一種基于單原子層沉積的金屬生長方法，圖3示出了本發明一個實施例的基于ald的金屬生長方法流程圖，包括：步驟s31提供ald設備，典型地，包括但不限于反應腔、溫度控制池、真空泵等ald設備；在步驟s32中，對上述ald設備進行除濕除氧處理，除濕除氧處理步驟可以包括使用惰性氣體進行除濕除氧、進行金屬膜的預淀積、采用高真空載片腔傳送、使用高真空反應腔等可以實現除濕除氧效果的步驟。在步驟s33中，從第一溫度控制池與ald反應腔相連的管道中通入第一反應前驅體，與基片表面發生化學吸附或者反應；優選地，為了達到對基片的充分覆蓋，需要使得基片表面達到飽和。在步驟s34中，典型地，包括但不限于利用惰性氣體、泵抽或其他手段將過剩的前驅體反應物和副產物從反應腔體中清除；在步驟s35中，從第二溫度控制池與ald反應腔相連的管道中通入第二反應前驅體，與基片表面被吸附的物質發生反應；優選地，為了達到充分反應的目的，需要引入過剩的第二反應前驅體；在步驟s36中，當反應前驅體反應完全后，再次利用惰性氣體或泵抽等其他適宜方法將多余的前驅體以及副產物從反應腔體中清除。特別的，在ald工藝中，其他前驅體反應物通入反應腔的步驟可以按照步驟s33至步驟s36重復進行，即通入前驅體反應物，再排出剩余前驅體以及副產物，直至在所述基片上形成金屬膜。

根據本發明的一個實施例，如圖4所示，在執行步驟s32時，通過惰性氣體池及放氣閥門向反應腔內通入惰性氣體，進行除濕除氧處理。優選在進行ald工藝之前對ald反應腔體進行除濕除氧處理，具體地，本發明的一個實施例升溫ald反應腔體，并使用惰性氣體對ald腔體實施“抽真空-放氣-抽真空-放氣”的多次循環過程，抽真空可以使用真空泵出管或其他適合的方法進行；特別的，所使用的惰性氣體可以是但不限于ar或n2。上述ald反應腔體在進行除濕除氧處理的過程中，溫度可以保持在100℃-450℃。抽真空時所達到的壓力范圍可以在0.5torr-3torr，放氣時到達的壓力范圍可以在10torr-700torr。

根據本發明的另一實施例，在執行步驟s32時，使用金屬膜預淀積進行除濕除氧處理過程。優選在進行ald金屬工藝之前對ald反應腔體內對金屬膜進行預淀積。具體地，在上述ald反應腔內原位生長與目標金屬薄膜相同種類的金屬膜，目標金屬薄膜材料可以是但不限于鈦合金和鉭合金，例如tin、

tialn、tan、tial、taaln、tialc、tac、w等金屬材料。特別的，上述金屬薄膜的厚度范圍可以在5nm-100nm的范圍內并根據金屬薄膜的具體性質而確定。金屬膜預淀積過程會消耗反應腔體中殘留的水氧，從而保證在正式片的淀積過程中存在極少的氧含量。

根據本發明的再一實施例，如圖5所示，高真空載片腔通過傳送裝置與ald反應腔相連，在執行步驟s32時，使用高真空載片腔進行裝片，首先在高真空載片腔內進行抽真空處理，完成除濕除氧處理過程，再將目標基片傳送到ald反應腔。優選在進行ald金屬工藝之前進行高真空載片腔抽真空處理。具體的，在高真空載片腔內進行裝片，并將高真空載片腔抽至本底真空，隨后傳送到反應腔。優選的，從高真空載片腔到ald反應腔可以通過機械手、傳動帶、輪軸等方式連通，對目標基片進行移動。

根據本發明的又一實施例，在執行步驟s32時，使用高真空反應腔進行除濕除氧處理。具體地，將ald反應腔抽至本底真空后，去除水氧成分，再升至ald反應壓力范圍內進行ald工藝。特別的，ald反應壓力可以控制在中等真空的范圍內。

本發明所提供的基于單原子層沉積的金屬生長方法，通過在提供ald設備后對反應設備進行除濕除氧處理，可以降低ald設備中的水氧含量，保證正式目標基片上生長的樣品中具有較低的氧含量。本發明可以降低電阻率，控制薄膜的有效功函數，不僅適用于集成電路中金屬柵極材料的氧含量控制，還可以應用于任何成膜領域。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。