用於降低鎢粗糙度並改進反射率的方法

2023-05-03 01:50:51

專利名稱：用於降低鎢粗糙度並改進反射率的方法
技術領域：
本發明涉及製備鎢膜的方法。本發明的實施例可用於需要具有低電阻率、低粗糙 度和高反射率的鎢薄膜的集成電路應用。
背景技術：
使用化學氣相沉積(CVD)技術沉積鎢膜是許多半導體製作工藝的必不可少的部 分。鎢膜可作為低電阻率電連接以水平互連件、相鄰金屬層間的導通孔、和第一金屬層與矽 襯底上的裝置之間的觸點的形式使用。在常規鎢沉積工藝中，在真空室中將晶片加熱至工 藝溫度，且然後沉積極薄的一部分鎢膜，其用作晶種或成核層。然後，在成核層上沉積鎢膜 的剩餘部分(體層)。常規上，鎢體層是通過利用氫(H2)還原六氟化鎢(WF6)在正形成的 鎢層上來形成。

發明內容
本發明提供產生具有較低粗糙度和較高反射率的低電阻率鎢體層的方法。平滑且 高反射性的鎢層比常規低電阻率鎢膜更易於光圖案化。所述方法涉及在存在交替氮氣脈衝 的情況下的鎢的CVD沉積，以便在不存在氮的情況下和在存在氮的情況下通過CVD沉積所 述膜的交替部分。根據各種實施例，在氮存在下通過CVD沉積20%至90%之間的總膜厚度。


當結合以下圖式考慮時，可更全面的了解本發明的以下詳細說明，其中圖1是顯示根據本發明各種實施例的方法的相關操作的工藝流程圖。圖2是顯示沉積鎢成核層的方法的相關操作的工藝流程圖。圖3A是比較多個堆疊和單個堆疊鎢體層的示意性圖解說明。圖;3B顯示根據本發明的各種實施例的定時序列的實例。圖4是顯示鎢體層的反射率和電阻率隨在氮存在下所沉積膜的百分數變化的曲 線圖。圖5是顯示在氮存在下和在無氮工藝中通過CVD所沉積1000A鎢膜的電阻率的溫 度相關性的曲線圖。圖6是顯示在氮存在下和在無氮工藝中通過CVD所沉積1000A鎢膜的反射率的溫 度相關性的曲線圖。圖7是根據本發明實施例適用於實施鎢沉積工藝的處理系統的框圖。
具體實施例方式介紹在下列說明中，闡釋許多特定細節以提供對屬於形成鎢薄膜領域的本發明的透徹 了解。本文所顯示和討論的特定方法和結構的修改、適應或變化形式對所屬領域的技術人 員將顯而易見且在本發明的範圍內。本文所闡述的方法涉及形成鎢膜。用於在表面上形成鎢膜的常規工藝涉及在表面 上形成鎢成核層，且然後執行CVD操作。本發明的實施例涉及沉積具有低電阻率、低粗糙度和高反射率的鎢層。在先前工 藝中，已通過生長大的鎢晶粒來實現低電阻率鎢膜。然而，此使得膜的粗糙度增加。因此， 500A或更厚膜的低電阻率鎢膜的均方根(RMS)粗糙度與膜厚度的百分比可超過10%。降 低膜的粗糙度可使得隨後的操作(圖案化等)更容易。所闡述方法還提供高反射膜。用於沉積鎢體層的常規工藝涉及在化學氣相沉積 (CVD)工藝中含鎢前驅物的氫還原。與矽表面相比，通過常規氫還原CVD所生長的1000A膜 的反射率為110%或更低。然而，在某些應用中，需要具有更高反射率的鎢膜。舉例來說，具 有低反射率和高粗糙度的鎢膜可使得光圖案化鎢(例如以形成位線或其它結構)更困難。本文所闡述的方法涉及在交替氮氣脈衝的存在下通過H2CVD還原來沉積鎢。盡 管已知在氮氣的存在下的鎢沉積降低鎢粗糙度，但本發明者已發現，使在氮的存在下的CVD 沉積與在不存在氮的情況下的CVD沉積交替可改進反射率和粗糙度。圖1顯示根據本發明 某些實施例的工藝。所述工藝由在襯底上沉積鎢成核層開始。通常，成核層是薄的保形層， 其用於促使隨在其上形成體材料。在某些實施例中，使用脈衝成核層(PNL)技術沉積成核 層。在PNL技術中，還原劑、吹掃氣體和含鎢前驅物的脈衝按順序注入反應室並從所述室中 吹掃出。以循環方式重複所述工藝，直到實現所要厚度為止。寬泛地說，PNL體現按順序添 加用於半導體襯底上的反應的反應物的任何循環工藝。隨著特徵變得越來越小，鎢(W)觸點或線電阻由於較薄W膜中的散射效應而增加。 儘管有效的鎢沉積工藝需要鎢成核層，但這些層通常具有比鎢體層高的電阻率。低電阻率 鎢膜最小化集成電路設計中的功率損失和過熱。由於pnu。lMti。n> Pbulk,因此成核層的厚 度應最小化以保持儘可能低的總電阻。另一方面，鎢成核層應足夠厚以完全覆蓋下伏襯底， 來支援高質量體沉積。用於沉積具有低電阻率且支援低電阻率鎢體層沉積的鎢成核層的PNL技術闡述 於美國專利申請案第12/030, 645號、第11/951，236號和第61/061，078號中，其以引用的 方式併入本文中。關於PNL型工藝的額外討論可在美國專利第6，635，965號、第6，844，258 號、第7，005, 372號和第7，141，494號以及美國專利申請案第11/265, 531中找到，這些也 以引用的方式併入本文中。圖2展示顯示操作的概述的工藝流程圖，所述操作根據某些實施例可用於通過 PNL沉積低電阻率鎢成核層。圖2中所顯示的工藝涉及於低溫下使用脈衝成核層工藝形成 鎢成核層且接著在充足地沉積體鎢之前處理所沉積成核層。在某些實施例中，襯底含有具 有高縱橫比和/或窄寬度的特徵。在其它實施例中，所述方法用於在平面表面和具有較低 縱橫比特徵和較寬特徵的表面上沉積低電阻率鎢膜。
如由工藝流程框203所示，執行低溫脈衝成核層(PNL)工藝以沉積鎢成核層。使 用PNL工藝沉積鎢成核層涉及將襯底暴露於還原劑和含鎢前驅物(例如WF6)的交替脈衝。 用以沉積保形成核層的低溫鎢成核層工藝闡述於2005年11月1日提出申請的美國專利申 請案第11Λ65，531號中，所述美國專利申請案的以全文形式且出於所有目的而以引用的 方式併入本文中。在圖2中所繪示的實施例中，襯底溫度低，低於約350°C，例如在約250°C 與350°C之間或250°C與325°C之間。在某些實施例中，溫度為約300°C。以上所參考的申 請案第11Λ65，531號闡述了可用於沉積低電阻率膜的還原劑/含鎢前驅物脈衝的序列。 根據各種實施例，使用含硼(例如乙硼烷)和不含硼(例如，矽烷)的還原劑來沉積成核 層。而且，在某些實施例中，成核層沉積包括在低溫循環之後的一個或一個以上高溫(例 如，395°C)PNL循環。在某些實施例中，使用如2008年2月13日提出申請的美國專利申請 案第12/030，645號(所述美國專利申請案以全文形式且出於所有目的而以引用的方式並 入本文中)中所闡述的在極小/高縱橫比特徵中沉積鎢成核層的方法來沉積成核層。這些 方法涉及在不具有氫的背景下使用含硼還原劑和含鎢前驅物的PNL循環，以在這些特徵中 沉積具有良好階梯覆蓋的極薄鎢成核層(例如，約12埃)。在以下這些方法的某些實施例 中，乙硼烷或(另一種硼烷或含硼還原劑)是成核層沉積期間所用的唯一還原劑。再次參見圖2，可選操作205涉及較高溫度處理工藝以降低電阻率。所述處理工藝 的實例闡述於例如美國專利申請案第11/951，236號和第61/061，078號(所述美國專利申 請案以全文形式且出於所有目的而以引用的方式併入本文)中。其中所闡述的處理工藝涉 及將所沉積成核層暴露於還原劑的多個脈衝(沒有另一反應性化合物的中間脈衝)。根據 各種實施例，將成核層沉積於其上的襯底暴露於多個還原劑脈衝循環，或在一些實施例中， 暴露於交替的還原劑和含鎢前驅物脈衝。還原劑與含鎢前驅物的交替脈衝也用於沉積鎢成 核層。如圖2中所示，所述處理工藝在比成核層沉積高的溫度下執行。溫度在375°C至 415°C的範圍內，例如約395°C。從成核層沉積過渡至此處理操作可涉及將襯底加熱至約 350°C與415°C之間，或在某些實施例中加熱至約375°C至415°C，並使其穩定，然後在所述 工藝中將成核層暴露於多個還原劑或還原劑/含鎢前驅物脈衝。如在某些實施例中所指 示，襯底溫度為約395°C。較低溫度將需要較長的脈衝時間以實現等效處理效應。層，但在 處理操作中，通常實質上不沉積鎢。儘管操作205中所闡述的處理工藝可用於改進粘附，但 本發明方法可在沒有所述處理工藝的情況下實施。返回至圖2，鎢成核層經處理之後，在工 藝操作207中將鎢體層沉積在特徵中。此闡述於圖1的操作103-109中，如下文所討論。儘管圖2展示根據某些實施例沉積低電阻率鎢成核層的方法中的操作，但本文 所闡述的方法並不限於鎢成核層沉積的具體方法，而是包括通過包括PNL、原子層沉積 (ALD)、CVD和任一其它方法的任一方法在所形成的鎢成核層上沉積體鎢膜。返回至圖1，在沉積鎢成核層且已執行任何所要的處理之後，沉積鎢體層。通過 CVD工藝開始沉積，其中含鎢前驅物被氫還原以沉積鎢。儘管經常使用六氟化鎢(WF6)，但所 述工藝可利用其它鎢前驅物(包括但不限於WCl6)來執行。此外，儘管一般使用氫作為鎢 體層的CVD沉積中的還原劑，但除氫以外或代替氫，可使用其它還原劑(包括矽烷)，此並不 背離本發明的範圍。在另一實施例中，在有或沒有還原劑的情況下可使用W(C0)6。由氮氣 (N2)暴露所產生的益處可也由暴露於含氮的其它載氣(包括NH3)產生。通過使用NH3或其它類型的含氮前驅物，本文所闡述的工藝可經修改以沉積具有類似優點的氮化鎢。不像以上所闡述的PNL工藝那樣，在CVD技術中，將WF6和H2同時引入到反應室 中。此產生混合反應物氣體的連續化學反應，從而在襯底表面上連續地形成鎢膜。在操作103中開始CVD沉積，其中在不存在任何氮的情況下將含鎢前驅物與氫引 入到反應室中。在某些實施例中，使用氬或另一載氣作為載氣。氣體可預先混合或不預先混 合。使氣體反應以沉積所要總厚度的一部分的鎢。如下文所討論，在此操作中所沉積鎢的量 部分地取決於所要總厚度。舉例來說，在某些實施例中，在此操作中沉積約100A。然後，在 操作105中，在氮存在下通過H2還原WF6或其它鎢前驅物沉積另一部分的鎢層。一般地，從 操作103 (H2-WF6還原/無N2)過渡至操作105 (H2-WF6還原/N2)涉及打開到室中的N2流，如 此N2W2和WF6所有都流入到所述室中。在所述工藝的此部分期間可減少或停止氬或其它氣 流以補償所引入的額外(N2)氣體，由此平衡所述流。在此操作中沉積另一部分的鎢層。在 某些實施例中，若已經沉積所要量的鎢，則所述工藝到此結束。為沉積厚膜(例如1000A)， 可執行更多個循環。此在操作107處指示，其中再次在不存在氮的情況下執行H2-WF6還原 CVD。從操作105過渡至操作107通常涉及關閉氮流，且視需要重新引入為了操作105而減 少或終止的氬或其它氣體的任一流。沉積另一部分的鎢層。然後在操作109中引入另一氮 脈衝，以再次在氮存在下沉積另一部分的鎢層。然後視需要執行一個或一個以上的無N2和 有N2的H2還原WF6的額外循環，以達到所要厚度。在某些實施例中，也可在僅H2還原之後 結束此工藝。在另一實施例中，將N2和含鎢前驅物的脈衝以一定延遲同時引入到室中(例如， 其中隊作為鎢前驅物的載氣)，以便在沒有任何中間僅吐還原操作的情況下執行存在脈衝 N2的還原操作。如圖3A的示意圖中所顯示，通過僅吐的CVD還原與存在隊的CVD (301)交 替所形成或通過僅使用存在隊的CVD(30;3)所形成的多個堆疊鎢體層都具有比存在隊的單 個堆疊(30 高的反射率，而存在隊的單個堆疊比僅吐的單個堆疊(307)更具反射性。注 意，N2脈衝之間存在1秒的延遲以形成多個存在隊的堆疊。圖:3B顯示根據本發明的某些實施例的定時序列的實例。在開始以上操作103-109 中所闡述的&CVD循環之前，可如所示存在預熱和第一 H2 (無隊)還原。預熱和第一沉積二 者都是可選的。在某些實施例中，將晶片預熱至(例如)395°C有助於降低電阻不均勻性。而 且，在某些實施例中，為實現良好響應和可重複性，可使鎢前驅物試劑轉向工藝真空泵。此 使得在將前驅物引入沉積室之前使流穩定。在圖3中所繪示的實施例中，在每一 CVD沉積 之前和之後使WF6流轉向，其中在沉積期間WF6流入室中。圖3中繪示隊-CVD沉積的兩個 循環，但隊-CVD循環的數量可在從1至任何所要數量的範圍內。已發現，多個隊-CVD循環 (例如2- 改進粗糙度而超過單循環。每一隊-CVD循環具有僅吐的還原，隨後延遲(延 遲1)。此延遲可在O-Imin的範圍內，例如2或3秒。注意，儘管WF6轉向和延遲是按順序 繪示，但其通常是同時發生，即，在還原之間的延遲期間使WF6轉向。在某些實施例中，不存 在轉向且在整個工藝周期鎢都流入室中。每一隊-CVD循環也具有在有隊情況下的吐還原， 而且隨後延遲(延遲幻。已顯示至少1-3秒的延遲改進粗糙度而超過在存在隊的吐還原 之後沒有延遲的工藝。相信這是由於室中剩餘的氮鈍化所沉積膜的表面，從而使得以較平 滑方式沉積隨後的僅H2的膜。鎢前驅物流指示於所述定時序列上。進入室中的氬或其它載氣、氫及氮流指示於所述序列的下面。如所顯示，除了在N2中的H2還原(在此期間考慮到額外的N2氣而減少 或停止氬)以外，氬流保持恆定。在整個工藝周期H2保持恆定，而僅在隊存在下的H2還原 期間有N2流。注意，此工藝與先前H2-WF6CVD還原工藝來沉積鎢體層有相當大的不同。先前工藝 使用一組CVD條件和氣體來沉積體層。美國專利第7，141，494號闡述在氮存在下吐還原 WF6來沉積鎢體層。如所述專利中所闡述，將包括(例如)WF6-H2、WF6-B2H6或W(CO)6的工藝 氣體引入到室中。在將工藝氣體引入到所述室中之前、期間或之後也將氮引入到沉積室中。 在某些情況中，在沉積工藝剛開始之後即引入氮以使得鎢成核。然而，引入氮之後，繼續進 行沉積而不額外脈衝輸送氮。然而，如下文所闡述，儘管'494專利中所闡述的工藝使得改 進粗糙度而超過在不存在氫的情況下所沉積的鎢，但在整個工藝周期脈衝輸送氮使得改進 粗糙度並改進反射率。表1顯示在有交替隊脈衝的情況下利用吐還原所產生鎢膜、在沒有任何隊的情 況下通過吐還原所產生的膜、及在整個沉積期間有隊流動的情況下通過吐還原所產生膜 之間的反射率的比較。表 權利要求
1.一種在半導體襯底上形成鎢膜的方法，所述方法包含在所述半導體襯底上沉積鎢成核層；通過CVD工藝在所述鎢成核層上沉積鎢體層，其中在所述鎢體層的沉積期間將所述半 導體襯底暴露於多個氮脈衝，其中所述氮脈衝之間有延遲。
2.根據權利要求1所述的方法，其中沉積鎢體層包含一個或一個以上循環，其中一循 環包含其中在不存在氮的情況下通過還原劑還原含鎢前驅物以沉積鎢的至少一個CVD操 作和其中在存在氮的情況下通過還原劑還原含鎢前驅物以沉積鎢的至少一個CVD操作。
3.根據權利要求2所述的方法，其包含至少兩個循環。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述所沉積鎢體層的反射率比裸矽晶片的反射率 高 20%。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述所沉積鎢體層的電阻率小於約15微歐姆-釐米。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述所沉積鎢體層的所述電阻率小於約13微歐 姆-釐米。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述所沉積體層包含通過在存在氮的情況下還原 含鎢前驅物所沉積的第一厚度和通過在不存在氮的情況下還原含鎢前驅物所沉積的第二 厚度，其中總厚度是所述第一和第二厚度的總和且其中所述第一厚度與所述總厚度的比率 介於約0.2與0.9之間。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述第一厚度與所述總厚度的所述比率介於約 0. 4與0. 8之間。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述第一厚度與所述總厚度的所述比率介於約 0. 5與0. 8之間。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述第一厚度與所述總厚度的所述比率介於約 0.6與0.8之間。
11.根據權利要求1所述的方法，其中沉積所述鎢成核層包含使還原劑與含鎢前驅物 的脈衝在所述襯底上方交替以通過PNL工藝沉積所述成核層。
12.根據權利要求1所述的方法，其中沉積所述鎢體層包含其中在不存在氮的情況下 通過還原劑還原含鎢前驅物以沉積鎢的至少一個CVD操作和其中在存在氮的情況下通過 還原劑還原含鎢前驅物以沉積鎢的至少一個CVD操作，且在存在氮的情況下的所述CVD操 作期間的溫度高於在不存在氮的情況下的所述CVD操作期間的溫度。
13.根據權利要求1所述的方法，其中沉積鎢體層包含利用吐還原WF6。
14.根據權利要求2所述的方法，其中所述含鎢前驅物是WF6且所述還原劑是H2。
15.根據權利要求1所述的方法，其中沉積所述含鎢前驅物包含其中在存在氮的情況 下還原劑還原含鎢前驅物的多個順序CVD操作，其中所述多個順序CVD操作之間存在至少 1秒的延遲。
16.一種在半導體襯底上形成鎢膜的方法，所述方法包含在所述半導體襯底上沉積鎢成核層；及在CVD工藝中通過還原含鎢前驅物而在所述鎢成核層上沉積鎢體層，其中在所述鎢體 層沉積期間將所述半導體襯底暴露於多個氮脈衝，其中所述氮脈衝之間有延遲以使得α介於0.2與0.9之間，其中α是在存在氮的情況下所沉積的所述鎢體層的鎢的厚度除以所 述鎢體層的總厚度。
17.根據權利要求16所述的方法，其中α介於0.5與0.8之間。
18.根據權利要求16所述的方法，其中通過WF6的吐還原來沉積所述鎢體層。
19.一種用於在襯底上沉積鎢膜的設備，其包含a)沉積室，其包含襯底支撐件和經配置以將所述襯底暴露於氣體脈衝的一個或一個 以上氣體入口 ；及b)控制器，其用於控制所述沉積室中的操作，所述控制器包含用於使含鎢前驅物和還 原劑流入到所述室中的指令；和用於將氮脈衝輸送至所述室的指令，其中所述氮脈衝之間 有延遲。
全文摘要
本發明提供產生具有較低粗糙度和較高反射率的低電阻率鎢體層的方法。平滑且高反射性的鎢層比常規低電阻率鎢膜更易於光圖案化。所述方法涉及在存在交替氮氣脈衝的情況下的鎢的CVD沉積，以便在不存在氮的情況下和在存在氮的情況下通過CVD沉積所述膜的交替部分。根據各種實施例，在存在氮的情況下通過CVD沉積20％至90％之間的總膜厚度。
文檔編號H01L21/205GK102084462SQ200980133560
公開日2011年6月1日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者羅希那·胡馬雍, 阿比舍克·馬諾哈爾, 陳楓 申請人:諾發系統有限公司