CN1436876A - 钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法 - Google Patents

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Abstract

一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，包括下列步骤：(a)使用一第一反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一反应气体原子沉积层；(b)将该第一反应气体作用完的剩余气体抽除；(c)使用一第二含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一反应气体原子沉积层的第二含钨反应气体原子沉积层；(d)将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除；(e)重复上述(a)至(d)步骤至少一次，形成循环周期；(f)在上述循环周期中，选择于部分周期重复实施步骤(c)和(d)至少一次。

Description

钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法
技术领域
本发明是有关于一种钨金属化学气相沉积法，特别是有关于减少电阻率的一种钨金属化学气相沉积法的原子层沉积的方法。
背景技术
耐火金属及其硅化物已被广泛地应用在超大规模集成电路的制造上。特别地，由于其化学稳定性及容易以化学气相沉积(CVD)方法形成薄膜，钨(W)金属普遍被用来制作硅组件的电性接触窗。硅化钨(WSi2)则通常是选择性地形成在露出的硅材质表面上，其先沉积一钨层，并加热退火使钨和硅材质反应，然后去除未反应的钨层，即留下位于硅上方的硅化钨。
作为一导电材料，钨的地位并不及铝，后者在微电子芯片技术领域中已被用来作为主要的导体几乎达四十年之久。不过，钨金属及其化合物具有许多优良的特性，使其成为制造金属层至硅层的接触窗、接触窗插塞、复晶硅化物闸电极、和层内/层间内连导线时的重要材料。长久以来，钨的沉积技术便不断地发展以提供最佳的性质组合来符合特定的应用。在许多例子中，其结果是将氢气(H2)和硅甲烷(SiH4)还原制程与沉积程序在同一步骤中并用，借此平衡黏着性、晶粒构造、边缘覆盖性、片阻值、和应力等性质，以提供高品质的钨接触插塞和内连导线。其中以CVD方法形成的钨具有低应力(低于5×109dynes/cm2)、与硅材质相当的热膨胀系数、以及对于电致迁移的高阻抗性(电致迁移是使用铝金属及其合金材质常见的问题)。CVD钨层可在温度约450℃下使用氢气或硅甲烷(silane)还原六氟化钨(WF6)沉积而得，有良好的厚度均匀性。
其中以原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)的CVD方法，所形成的钨金属的沉积有极佳的阶梯覆盖能力(StepCoverage)，但其在原子置换过程中仍有杂质原子的产生，进而影响电阻率，使Rc值增加。如图1A至图1F所示，在图1A中，为在一真空室10中通入硅甲烷气体14以形成一硅甲烷原子层于基材12上，然后将作用剩余气体抽除(未示于图中)。在图1B中，加入六氟化钨气体11于该真空室10中，与该硅甲烷原子层反应，然后将作用剩余气体抽除(未示于图中)。在图1C中，为该硅甲烷原子层与该六氟化钨气体11作用，形成一含有杂质硅的钨原子层。重复实施上述步骤，如图1D所示，将形成一含有杂质硅的钨金属层，在钨原子层沉积(ALD)置换过程中，因为有杂质硅原子的产生，进而会影响钨金属层的电阻率，使其Rc值增加。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明主要目的在于提供一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，包括下列步骤：(a)使用一第一反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一反应气体原子沉积层；(b)将该第一反应气体作用完的剩余气体抽除；(c)使用一第二含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一反应气体原子沉积层的第二含钨反应气体原子沉积层；(d)将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除；(e)重复上述(a)至(d)步骤至少一次，形成循环周期；(f)在上述循环周期中，选择于部分周期重复实施步骤(c)和(d)至少一次。
附图说明
图1A为在真空室中，使用一第一反应气体进行化学气相沉积制程；
图1B为在真空室中，使用一第二含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一反应气体原子沉积层的第二含钨反应气体原子沉积层；
图1C为在真空室中，硅甲烷(SiH4)原子层与六氟化钨(WF6)气体作用；
图1D为重复实施原子置换沉积步骤后，形成一含有杂质硅的钨金属层；
图2为一层硅甲烷(SiH4)原子层堆栈一层六氟化钨(WF6)原子层，重复至少一次，以形成一循环周期；
图3为在本发明中于部分周期中，重复实施含钨反应气体的化学气相沉积制程步骤和将该含钨反应气体作用完的剩余气体抽除步骤至少一次；
图4为重复实施原子置换沉积步骤后，形成一不含有杂质的钨金属层。
图号说明：
10～真空室
11～六氟化钨气体
12～基材
14～硅甲烷气体
20～硅甲烷原子层
22～六氟化钨原子层
具体实施方式
本发明实验为一种改良钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，包括下列步骤：如图1A所示，在一真空室10中，使用一第一反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一反应气体原子沉积层，其中该第一反应气体为H2、SiH4、Si2H6、B2H6、PH3等其中之一，然后再将该第一反应气体作用完的剩余气体抽除(未示于图中)。如图1B所示，使用一第二含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一反应气体原子沉积层的第二含钨反应气体原子沉积层，其中该第二含钨反应气体为WF6、W(CO)6、WCl6等其中之一，然后再将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除(未示于图中)。
重复上述该第一反应气体原子沉积和该第二含钨反应气体原子沉积步骤以及在过程中两次反应气体作用完的剩余气体抽除步骤，重复至少一次，以形成循环周期，如图2所示，为一层硅甲烷原子层(SiH4)20堆栈一层六氟化钨原子层(WF6)22，重复至少一次，以形成一循环周期。
而我们知道，在钨原子层沉积(ALD)置换过程中，因为有杂质硅原子的产生于上述循环周期中，形成如图1D的结构，于是在本发明中选择于部分周期中，重复实施第二含钨反应气体的化学气相沉积制程步骤和将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除步骤至少一次，如图3所示，在原循环周期中，多沉积一层六氟化钨原子层(WF6)22。其原子置换结果如图4所示，为不含杂质硅原子的钨金属沉积层。
   钨原子层沉积(ALD)  钨原子层沉积(ALD)   钨原子层沉积(传统CVD)
    第一反应气体     SiH4    B2H6     SiH4
    晶圆温度     300℃    300℃     425℃
    压力     ＜3T    ＜3T   4.5T-30T
    杂质原子     10％Si    25％B     1％Si
    结晶构造    简单立方    非晶质    体心立方
  阶梯覆盖能力(0.2um，6∶1AR)     ＞95％    ＞95％     ＜60％
                           表1
由表1中可以知道，虽然用第一反应气体为SiH4和B2H6所作用形成的钨原子层沉积(ALD)的方法相较于以第一反应气体为SiH4的钨原子层沉积(传统CVD)，有优良的阶梯覆盖能力，较低的晶圆温度，以及较低的压力，但是由于其以第一反应气体为SiH4和B2H6所作用形成的钨原子层沉积(ALD)的结晶结构为松散的简单立方和非晶质，所以在钨原子层沉积时，会容易含有杂质原子(10％Si和25％B)，这结果会影响到钨金属层的电阻率，而导致Rc值增加。
利用本发明中选择于部分周期中，重复实施第二含钨反应气体的化学气相沉积制程步骤和将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除步骤至少一次，其结果就如图4所示，形成一几乎不含杂质原子的钨原子沉积层。
其中本发明的步骤也可相对的改变，且改善效果和上述相同，其包括下列步骤：在一真空室中，使用一第一含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一含钨反应气体原子沉积层，其中该第一含钨反应气体为WF6、W(CO)6、WCl6等其中之一，然后再将该第一含钨反应气体作用完的剩余气体抽除。使用一第二反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一含钨反应气体原子沉积层的第二反应气体原子沉积层，其中该第二反应气体为H2、SiH4、Si2H6、B2H6、PH3等其中之一，然后再将该第二反应气体作用完的剩余气体抽除。重复上述该第一含钨反应气体原子沉积和该第二反应气体原子沉积步骤以及在过程中两次反应气体作用完的剩余气体抽除步骤，重复至少一次，以形成循环周期，选择于部分周期中，重复实施第一含钨反应气体的化学气相沉积制程步骤和将该第一含钨反应气体作用完的剩余气体抽除步骤至少一次。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，包括下列步骤：
(a)使用一第一反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一反应气体原子沉积层；
(b)将该第一反应气体作用完的剩余气体抽除；
(c)使用一第二含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一反应气体原子沉积层的第二含钨反应气体原子沉积层；
(d)将该第二含钨反应气体作用完的剩余气体抽除；
(e)重复上述(a)至(d)步骤至少一次，形成循环周期；
(f)在上述循环周期中，选择于部分周期重复实施步骤(c)和(d)至少一次。
2.根据权利要求1所述的一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，其特征在于：该第一反应气体为H2、SiH4、Si2H6、B2H6、PH3等其中之一。
3.根据权利要求1所述的一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，其特征在于：该第二含钨反应气体为WF6、W(CO)6、WCl6等其中之一。
4.一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，包括下列步骤：
(a)使用一第一含钨反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一第一含钨反应气体原子沉积层；
(b)将该第一含钨反应气体作用完的剩余气体抽除；
(c)使用一第二反应气体进行化学气相沉积制程，以形成一相对于该第一含钨反应气体原子沉积层的第二反应气体原子沉积层；
(d)将该第二反应气体作用完的剩余气体抽除；
(e)重复上述(a)至(d)步骤至少一次，形成循环周期；
(f)在上述循环周期中，选择于部分周期重复实施步骤(a)和(b)至少一次。
5.根据权利要求4所述的一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，其特征在于：该第二反应气体为H2、SiH4、Si2H6、B2H6、PH3等其中之一。
6.根据权利要求4所述的一种钨金属化学气相沉积法中原子层沉积的方法，其特征在于：该第一含钨反应气体为WF6、W(CO)6、WCl6等其中之一。
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