CN115004335A - 用于降低钨电阻率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在基板上形成低电阻率钨膜的方法及设备。在一些实施方式中，一种降低钨的电阻率的方法包括：以氪的处理气体且使用具有大约60MHz的频率的RF功率及磁控管，在物理气相沉积(PVD)腔室的处理空间中产生等离子体；将处于大约13.56MHz的频率的偏压功率施加至基板；和溅射钨靶材以在基板上沉积钨薄膜。所沉积的钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于基板的顶部表面的1‑1‑0晶体取向平面。

Description

用于降低钨电阻率的方法和设备
技术领域
本原理的实施方式一般涉及半导体基板的半导体处理。
背景技术
选择用于半导体结构的材料经常是基于这些结构所要求的按尺寸加工或者规模来选择的。随着对更小关键尺寸的需求缩小了这些结构的尺寸，所选材料的限制可能造成阻止进一步小型化的障碍。在500埃的厚度具有低电阻率的材料可在250埃变成高电阻性的材料，这限制了这种材料在更小尺寸的结构中的使用。发明人已注意到，随着钨的厚度减小，钨在电阻率方面有显著的提高。对更薄的钨层的要求可能驱使制造商放弃钨而寻找昂贵的替代物，增加了半导体结构的成本。
因此，发明人提出了用于降低钨的电阻率的改进方法和设备。
发明内容
本文提供用于降低钨的电阻率的方法及设备。
在一些实施方式中，一种降低钨的电阻率的方法包括：以氪的处理气体且使用具有大约60MHz的频率的RF功率及磁控管，在物理气相沉积(PVD)腔室的处理空间中产生等离子体；将处于大约13.56MHz的频率的偏压功率施加至基板；和溅射钨靶材(target)以在该基板上沉积钨薄膜，其中该钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于该基板的顶部表面的1-1-0晶体取向平面(crystal orientation plane)。
在一些实施方式中，该方法可进一步包括：当该基板由硅组成时，以第一温度在该基板上沉积该钨薄膜，或者当该基板由氮化硅组成时，以第二温度在该基板上沉积该钨薄膜，其中该第一温度不同于该第二温度；使用磁场来影响在该PVD腔室中的等离子体密度及分布和在该基板上沉积的均匀性；其中该钨薄膜在大约200埃的厚度具有大约9.5μohm-cm或更小的电阻率值；和/或其中该RF功率为大约4千瓦或更多且其中该偏压功率为大于零至小于大约500千瓦。
在一些实施方式中，一种非暂时性计算机可读介质具有存储在该介质上的指令，当执行这些指令时，使得一种用于降低钨的电阻率的方法得以执行，该方法包括：以氪的处理气体且使用处于大约40MHz至大约75MHz的频率的RF功率和磁控管，在物理气相沉积(PVD)腔室的处理空间中产生等离子体；将偏压功率施加至基板；将电流施加至在该基板附近的高度水平围绕该处理空间的电磁铁；和溅射钨靶材以在该基板上沉积钨薄膜。
在一些实施方式中，这种非暂时性计算机可读介质的方法可进一步包括：其中该偏压功率具有13.56MHz的频率；其中该RF功率为大于零至大约10千瓦；其中该RF功率为大约4千瓦；其中该偏压功率为大于零至大约500瓦；当该基板由硅组成时，以第一温度在该基板上沉积该钨薄膜，或着当该基板由氮化硅组成时，以第二温度在该基板上沉积该钨薄膜，其中该第一温度不同于该第二温度；其中该RF功率具有大约60MHz的频率；其中该钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于该基板的顶部表面的1-1-0晶体取向平面；使用磁场来影响在该PVD腔室中的等离子体密度及分布和在该基板上沉积的均匀性；和/或其中该钨薄膜在200埃的厚度具有大约9.5μohm-cm或更小的电阻率值。
在一些实施方式中，一种用于沉积具有低电阻率的钨膜的设备可包括：物理气相沉积(PVD)腔室，具有设置于靶材与基板支撑件之间的处理空间，其中该PVD腔室具有大约75mm至大约150mm的靶材至基板间隔(target-to-substrate spacing)，且其中该靶材由钨制成且被构造用于由在该处理空间中产生的等离子体来溅射；磁控管，被构造成用以在该靶材的溅射期间产生磁场；处理气体供应源，被构造成用以将氪气提供到该处理空间中；RF功率源，被构造成用以在大约40MHz至大约75MHz的频率在该处理空间内从该氪气产生等离子体；偏压功率源，被构造成用以将偏压供给至放置于该基板支撑件上的基板；和磁场源，在该基板支撑件的顶部表面附近的高度水平围绕该处理空间，其中该磁场源被构造成用以影响在该PVD腔室中的等离子体密度及分布和在该基板上沉积的均匀性。
在一些实施方式中，这种设备可进一步包括：其中该RF功率源被构造成用以在大约60MHz的频率以大约4千瓦的功率在该处理空间内产生等离子体；其中该偏压功率源被构造成用以在13.56MHz的频率以大于零至小于大约500瓦的功率工作；其中该磁场源是电磁铁，具有双线圈(dual coil)和可调(adjustable)磁场；和/或其中该磁场源是多个永久磁铁，放置于该PVD腔室的外部且间隔开。
以下公开了其他和进一步的实施方式。
附图说明
以上简要概述且以下更详细讨论的本原理的实施方式可通过参考附图中描绘的本原理的图示实施方式而得以理解。然而，附图仅图示本原理的典型实施方式，因此不应视为对范围的限制，因为本原理可认可其他等效的实施方式。
图1描绘了根据本原理的一些实施方式的处理腔室。
图2描绘了根据本原理的一些实施方式的由磁铁围绕的处理空间的俯视图。
图3是一种根据本原理的一些实施方式的降低在钨沉积中电阻率的方法。
为了便于理解，已尽可能地使用相同的参考标记指代各图共有的相同元件。这些图并非按照比例绘制，且为了清楚可被简化。一个实施方式的元件及特征可有益地并入其他实施方式中而无须进一步说明。
具体实施方式
这些方法和设备提供了降低的钨(W)薄膜的电阻率。沉积钨薄膜，使得在钨的主要晶体结构中建立较小的平均自由路径(mean free path)(钨晶体取向1-1-0)。在一些实施方式中，所沉积的钨薄膜可具有在平行于基板的顶部表面的平面中的95％或更大的1-1-0晶体取向。这些方法和设备例如利用物理气相沉积(PVD)腔室与极高频(VHF)等离子体产生功率源连同磁控管一起，溅射钨靶材，从而在被偏压的基板上沉积钨薄膜。示例的组合增进了1-1-0晶体取向的生长，导致产生用于薄膜应用的低电阻率的钨。
通过DC功率源所沉积的PVD钨已用在动态随机存取存储器(DRAM)位线(bit line)中多年，为DRAM位线提供了较低电阻率的金属膜。然而，随着器件历经各技术节点而缩小，钨的关键尺寸(CD)变得更小，导致薄膜钨(大约15nm或更小)的更高电阻率。用于薄膜钨电阻率降低的早先方法已达到功能极限(functional limit)。本原理的这些方法及设备使得能够对薄膜钨降低电阻率，以有利地将钨的使用延伸到未来的技术节点中。举例而言，在100至300埃的钨膜上，相较于DC等离子体溅射处理，能够实现在氧化物基板上大约5％至15％或更多的钨膜电阻率降低。1-1-0晶体取向从对于DC等离子体溅射处理而言的60％上下增加，达到使用本原理在VHF RF等离子体溅射处理中的超过90％。钨1-1-0生长的增强已在不同的基板上观察到，诸如(例如)氮化硅(SiN)亦然。本原理的益处在DRAM位线基板上甚至更加显著，举例而言，相较于DC等离子体溅射处理，以VHF RF PVD W在WSiN基板上实现了超过20％的电阻率降低。
所沉积的材料的晶粒大小、相结构(phase structure)、杂质、表面粗糙度和密度影响(factor into)所沉积的膜的电阻率。发明人已发现，膜的形态(morphology)对低电阻率而言比表面粗糙度和密度更加关键。不同的膜的形态显示不同的晶体取向。低电阻率膜将具有在平行于基板的表面平面的平面中更多的1-1-0晶体取向。在沉积层中的高级别的1-1-0晶体取向将具有柱状形态，具有如在AMF(原子力显微)扫描或顶部TEM(透射电子显微镜)扫描中可见的羽毛状拓朴(topography)。RF功率的频率、磁控管的工作、偏压功率、温度和低压都对1-1-0晶体取向的形成有影响。
图1是一种设备，在这种设备中可实践用于降低钨的电阻率的方法。该设备包括PVD腔室100，具有源组件118、靶材124和基板支撑件130。磁控管组件134用以在处理期间限制靶材附近的电子。磁控管组件134可开启、关闭、部分关闭等等。PVD腔室100具有设置于靶材124与基板支撑件130之间的处理空间122。处理空间122可由屏蔽件(shield)126围绕。在一些实施方式中，靶材至基板的距离104是大约75mm至大约150mm。在一些实施方式中，靶材至基板的距离104是大约90mm至大约150mm。在一些实施方式中，靶材至基板的距离104是大约95mm。RF功率源102通过RF匹配网络140提供RF功率以在处理空间122中产生等离子体120。在一些实施方式中，RF功率源102提供处于大约40MHz至大约75MHz的频率的RF功率。在一些实施方式中，RF功率源102提供处于大约50MHz至大约70MHz的频率的RF功率。在一些实施方式中，RF功率源102提供处于大约60MHz的频率的RF功率。在一些实施方式中，RF功率源102提供处于大约65MHz或更大的频率的RF功率。RF功率的频率的增加改变了离子能量分布。频率越高，所沉积的钨薄膜中实现的1-1-0钨晶体取向的形成越多。频率上限主要归因于腔室设计限制。在一些实施方式中，RF功率源工作于大于零至大约10千瓦或更多的功率。在一些实施方式中，RF功率源工作于大于大约3千瓦至大约10千瓦的功率。在一些实施方式中，RF功率源工作于大约4千瓦的功率。在一些实施方式中，RF功率源工作于大约6千瓦至大约10千瓦的功率。功率越高，所沉积的钨薄膜中产生的1-1-0钨晶体取向越多。功率上限主要归因于因应力缘故的PVD腔室的限制。极高频RF也在基板128上提供增加的离子密度。
偏压功率源116通过偏压匹配网络114将偏压功率提供给基板128。在一些实施方式中，偏压功率源116提供处于大约13.56MHz的频率的偏压功率。在一些实施方式中，偏压功率源工作于大于零至大约500瓦的功率。在一些实施方式中，偏压功率源工作于大约200瓦至大约400瓦的功率。该偏压功率用以控制基板电位且增加基板表面的离子能量。在一些实施方式中，RF功率、偏压功率和磁控管的组合在PVD沉积期间使得能够增进在1-1-0平面中的钨晶体生长。钨的1-1-0取向具有较小的平均自由路径及较低的电阻率，尤其是对薄膜沉积而言。PVD腔室100也可包括处理气体源106，用以在等离子体产生期间将处理气体提供给处理空间122。在一些实施方式中，处理气体可包含氪。氪在处理期间可用以降低并入沉积材料中的处理气体材料的量，增加沉积材料的纯度。真空源132也可被包括在PVD腔室100中，以允许调整处理空间122内部的压力。在更低的压力下，实现更多的1-1-0晶体取向的生长。在一些实施方式中，压力可以从大约1mTorr至大约15mTorr。
PVD腔室100也可包括加热系统136，加热系统136包括至少一个加热元件138以允许在处理期间控制基板128温度。在一些实施方式中，加热系统136可将基板维持在大约150摄氏度至大约450摄氏度的温度。在一些实施方式中，加热系统136可将基板维持在大约200摄氏度至大约400摄氏度的温度。更高的基板温度增进了沉积材料中更大晶粒尺寸的形成。发明人已发现，对不同类型的基板材料而言，基板温度对1-1-0晶体取向的形成的影响是不同的(见以下讨论)。
发明人已发现，当以偏压功率使得PVD腔室工作时，由于磁控管设计和靶材至磁控管间隔(target-to-magnetron spacing)的缘故，偏压功率造成基板的边缘相较于中心的更高的再溅射(resputter)。发明人已发现,磁场源可用以降低基板边缘处的高的再溅射比例，提高膜均匀性。磁场源影响腔室中的等离子体产生和分布，这影响基板上的沉积轮廓。在一些实施方式中，PVD腔室100可包括磁场源108，磁场源108在基板128附近的高度水平围绕处理空间122。在一些实施方式中，磁场源108可以是电磁铁(示于图1中)，具有例如双线圈110、112。通过调整流过这些线圈的电流的水平和/或流过这些线圈的电流的方向，可以在处理期间调整电磁铁的磁场。在一些实施方式中，电流可以从大于零至大约25安培。在一些实施方式中，电流可以是大约6安培。在如图2的俯视图200中所示的一些实施方式中，磁场源108可以包括多个永久磁铁202，多个永久磁铁202在处理空间122周围间隔开。发明人已发现，多个永久磁铁202影响处理空间122中的磁分布，并且最终影响基板上所沉积的材料的均匀性。在一些实施方式中，这些永久磁铁202可用以调整基板上的边缘沉积。永久磁铁202的取向(例如，北极向上或南极向上的取向)的边缘沉积效应(例如，在边缘上沉积的增加或减少)取决于腔室和/或磁控管设计。
控制器198控制PVD腔室100的工作，包括例如磁控管工作、基板温度和电磁场。在工作中，控制器198使得能够从各自的系统收集和反馈数据，以优化PVD腔室100的性能。控制器198一般包括中央处理单元(CPU)160、存储器158和支持电路162。CPU 160可以是能够在工业环境中使用的任何形式的通用计算机处理器。支持电路162依传统耦接至CPU 160，并且可包括高速缓冲存储器、时钟电路、输入/输出子系统、电源和类似物。软件例程(诸如以上所述的方法)可被储存于存储器158中，并且当由CPU 160执行这些软件例程时，这些软件例程将CPU 160转变成专用计算机(控制器198)。这些软件例程也可被距PVD腔室100远程设置的第二控制器(未示出)储存和/或执行。
存储器158的形式是计算机可读存储介质，这种介质含有指令，当由CPU160执行这些指令时，便于半导体处理和装备的操作。存储器158中的这些指令的形式是一种程序产品，诸如实施本原理的方法的程序。程序代码可依照许多不同的编程语言中的任何一种语言。在一个范例中，本公开内容可实施为一种程序产品，该程序产品储存于用于与计算机系统一起使用的计算机可读存储介质上。该程序产品的(多个)程序定义各方面的的功能(包括本文所述的方法)。示例性的计算机可读存储介质包括但不限于：不可写的存储介质(例如，在计算机内的只读存储器件，诸如由CD-ROM驱动器可读的CD-ROM盘、闪存、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)，在该介质上永久储存信息；和可写存储介质(例如，在软盘驱动器或硬盘驱动器内的软盘或任何类型的固态随机存取半导体存储器)，在该介质上储存可替换信息。当承载针对本文所述的方法的功能的计算机可读指令时，这样的计算机可读存储介质就是本原理的多个方面。
图3是根据一些实施方式的降低在钨沉积中电阻率的方法300。在方块302中，使用氪作为处理气体和使用处于大约40MHz至大约75MHz的频率的RF功率，在PVD腔室的处理空间中产生等离子体，从而与磁控管一起溅射钨靶材。磁控管便于限制靶材附近的等离子体产生的电子，以增加基板上的离子密度。在处理期间，氪可用以降低并入沉积材料中的处理气体材料的量，提高沉积材料的纯度且降低沉积材料的电阻率。在一些实施方式中，RF功率具有大约40MHz至大约70MHz的频率。在一些实施方式中，RF功率具有大约50MHz至大约70MHz的频率。在一些实施方式中，RF功率具有大约60MHz的频率。在一些实施方式中，RF功率具有大约65MHz或更大的频率。RF功率的频率的增加改变离子能量分布。频率越高，所沉积的钨薄膜中实现的1-1-0钨晶体取向的形成越多。频率上限主要归因于腔室设计限制。在一些实施方式中，RF功率为大于零至大约10千瓦。在一些实施方式中，RF功率为大约4千瓦。在一些实施方式中，RF功率为大约6千瓦至大约10千瓦。功率越高，所沉积的钨薄膜中产生的1-1-0钨晶体取向越多。功率上限主要归因于因应力缘故的PVD腔室的限制。极高频RF也在基板表面上提供增加的离子密度。
在方块304中，将偏压功率施加至基板。在一些实施方式中，偏压功率具有大约13.56MHz的频率。在一些实施方式中，偏压功率为大于零至大约500瓦。在一些实施方式中，偏压功率源工作于大约200瓦至大约400瓦的功率。偏压功率用以控制基板电位且增加基板表面处的离子能量。在一些实施方式中，在可选方块306中，施加电流流过围绕处理空间的电磁铁，以影响PVD腔室中的等离子体密度和分布，并且影响基板上沉积的均匀性。电磁铁在基板支撑件的顶部表面附近或有基板时在基板的顶部表面附近的高度水平围绕处理空间。在一些实施方式中，可使用永久磁铁替代电磁铁。
在方块308中，将钨溅射至基板上，以形成钨薄膜。在一些实施方式中，RF功率、偏压功率和磁控管的组合使得能够增进PVD沉积期间在1-1-0平面中的钨晶体生长。钨的1-1-0取向具有较小的平均自由路径及较低的电阻率，尤其是对于薄膜沉积而言。在一些实施方式中，钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于基板的顶部表面的1-1-0晶体取向平面，实质上降低了钨薄膜的电阻率。发明人还发现，当在不同材料的基板上进行沉积时，温度影响钨的1-1-0晶体取向。举例而言，WSi基板、WSiN基板和SiN基板可具有不同的基板温度，用于1-1-0晶体取向的最优形成。本原理的方法使得钨薄膜能被沉积得在200埃的厚度具有大约9.5μohm-cm或更小的电阻率值。在一些实施方式中，钨薄膜可被沉积得在200埃的厚度具有大约9.0μohm-cm或更小的电阻率值。
根据本原理的实施方式可在硬件、固件、软件或它们的任意结合中实施。实施方式也可实施为使用一个或多个计算机可读介质储存的指令，这些指令可由一个或多个处理器读取和执行。计算机可读介质可包括用于以由机器(例如，计算平台或在一个或多个计算平台上运行的“虚拟机”)可读取的形式储存或传送信息的任何机制。举例而言，计算机可读介质可包括任何适当形式的易失性或非易失性存储器。在一些实施方式中，计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质。
尽管以上内容是针对本原理的实施方式，但在不背离本原理的基本范围的情况下，可衍生本原理的其他和进一步的实施方式。

Claims (20)

1.一种降低钨的电阻率的方法，包括以下步骤：
以氪的处理气体并且使用具有大约60MHz的频率的RF功率及磁控管，在物理气相沉积(PVD)腔室的处理空间中产生等离子体；
将处于大约13.56MHz的频率的偏压功率施加至基板；和
溅射钨靶材以在所述基板上沉积钨薄膜，其中所述钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于所述基板的顶部表面的1-1-0晶体取向平面。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
当所述基板由硅组成时，以第一温度在所述基板上沉积所述钨薄膜；或
当所述基板由氮化硅组成时，以第二温度在所述基板上沉积所述钨薄膜，其中所述第一温度不同于所述第二温度。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
使用磁场来影响所述PVD腔室中的等离子体密度及分布和在所述基板上沉积的均匀性。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述钨薄膜在大约200埃的厚度具有大约9.5μohm-cm或更小的电阻率值。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述RF功率为大约4千瓦或更多，且其中所述偏压功率为大于零至小于大约500千瓦。
6.一种非暂时性计算机可读介质，具有储存于所述非暂时性计算机可读介质上的指令，当执行所述指令时，使得一种用于降低钨的电阻率的方法得以执行，所述方法包括以下步骤：
以氪的处理气体且使用处于大约40MHz至大约75MHz的频率的RF功率和磁控管，在物理气相沉积(PVD)腔室的处理空间中产生等离子体；
将偏压功率施加至基板；
将电流施加至在所述基板附近的高度水平围绕所述处理空间的电磁铁；和
溅射钨靶材以在所述基板上沉积钨薄膜。
7.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述偏压功率具有13.56MHz的频率。
8.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述RF功率为大于零至大约10千瓦。
9.如权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述RF功率为大约4千瓦。
10.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述偏压功率为大于零至大约500瓦。
11.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，所述方法进一步包括以下步骤：
当所述基板由硅组成时，以第一温度在所述基板上沉积所述钨薄膜；或
当所述基板由氮化硅组成时，以第二温度在所述基板上沉积所述钨薄膜，其中所述第一温度不同于所述第二温度。
12.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述RF功率具有大约60MHz的频率。
13.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述钨薄膜的至少大约90％具有大约平行于所述基板的顶部表面的1-1-0晶体取向平面。
14.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，所述方法进一步包括以下步骤：
使用磁场来影响所述PVD腔室中的等离子体密度及分布和在所述基板上沉积的均匀性。
15.如权利要求6所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述钨薄膜在200埃的厚度具有大约9.5μohm-cm或更小的电阻率值。
16.一种用于沉积具有低电阻率的钨膜的设备，包括：
物理气相沉积(PVD)腔室，具有设置在靶材与基板支撑件之间的处理空间，其中所述PVD腔室具有大约75mm至大约150mm的靶材至基板间隔，且其中所述靶材由钨制成并且被构造用于由在所述处理空间中产生的等离子体来溅射；
磁控管，被构造成用以在所述靶材的溅射期间产生磁场；
处理气体供应源，被构造成用以将氪气提供到所述处理空间中；
RF功率源，被构造成用以在大约40MHz至大约75MHz的频率在所述处理空间内从所述氪气产生等离子体；
偏压功率源，被构造成用以将偏压供给至放置于所述基板支撑件上的基板；和
磁场源，在所述基板支撑件的顶部表面附近的高度水平围绕所述处理空间，其中所述磁场源被构造成用以影响所述PVD腔室中的等离子体密度及分布和在所述基板上沉积的均匀性。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述RF功率源被构造成用以在大约60MHz的频率以大约4千瓦的功率在所述处理空间内产生等离子体。
18.如权利要求16所述的设备，其中所述偏压功率源被构造成用以在13.56MHz的频率以大于零至小于大约500瓦的功率工作。
19.如权利要求16所述的设备，其中所述磁场源是电磁铁，具有双线圈和可调磁场。
20.如权利要求16所述的设备，其中所述磁场源是多个永久磁铁，所述多个永久磁铁放置于所述PVD腔室的外部且间隔开。
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