TW202231914A - 鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法 - Google Patents

鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202231914A
TW202231914A TW110135978A TW110135978A TW202231914A TW 202231914 A TW202231914 A TW 202231914A TW 110135978 A TW110135978 A TW 110135978A TW 110135978 A TW110135978 A TW 110135978A TW 202231914 A TW202231914 A TW 202231914A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
tungsten
precursor
layer
ald
nucleation layer
Prior art date
Application number
TW110135978A
Other languages
English (en)
Inventor
吳柯締
沈辰飛
林齊周
伊拉尼特 菲舍爾
陳世忠
曼德亞 史利倫
史林尼維斯 干德可塔
Original Assignee
美商應用材料股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商應用材料股份有限公司 filed Critical 美商應用材料股份有限公司
Publication of TW202231914A publication Critical patent/TW202231914A/zh

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45527Atomic layer deposition [ALD] characterized by the ALD cycle, e.g. different flows or temperatures during half-reactions, unusual pulsing sequence, use of precursor mixtures or auxiliary reactants or activations
    • C23C16/45529Atomic layer deposition [ALD] characterized by the ALD cycle, e.g. different flows or temperatures during half-reactions, unusual pulsing sequence, use of precursor mixtures or auxiliary reactants or activations specially adapted for making a layer stack of alternating different compositions or gradient compositions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/06Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/06Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
    • C23C16/08Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material from metal halides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45527Atomic layer deposition [ALD] characterized by the ALD cycle, e.g. different flows or temperatures during half-reactions, unusual pulsing sequence, use of precursor mixtures or auxiliary reactants or activations
    • C23C16/45534Use of auxiliary reactants other than used for contributing to the composition of the main film, e.g. catalysts, activators or scavengers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45553Atomic layer deposition [ALD] characterized by the use of precursors specially adapted for ALD

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

提供形成包括鎢膜堆疊的電子元件的多種方法。多種方法包括:使用包括不含氟的鎢前驅物的原子層沉積(ALD)製程在阻擋層上形成鎢成核層。形成該成核層包括:控制製程參數及/或形成WSi預成核層。

Description

鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法
本案揭示內容的實施例屬於電子元件製造領域,尤其屬於積體電路(IC)的製造。尤其,本案揭示內容的實施例涉及低電阻率鎢膜和製造低電阻率鎢膜的方法。
行動裝置、物聯網、和機器學習的快速增長需要更優越的電晶體效能和更低的功率消耗,這需要電晶體的不斷發展,以依循摩爾定律縮小元件尺寸並且倍增晶片上的密度。藉由在基板表面上產生錯綜複雜的圖案化材料層的製程,而能夠製作積體電路。在基板上產生圖案化材料需要受控方法以沉積期望材料。在圖案化及其他應用方面,實用的是在一個表面上相對於不同表面選擇性地沉積膜。
基於WF 6的鎢沉積已用在積體電路的製造中,且此方法要求具有高電阻率的氟阻擋層和鎢成核層。然而,這兩層佔據了相當大的體積並且傾向造成高電阻率,這影響了整體元件效能。在使用鎢沉積製程的習知填充製程中,氮化鈦(TiN)層沉積在介電基板上作為阻擋層和襯墊層,之後是塊體(bulk)鎢(W)膜的成核層或種晶層的沉積。
化學氣相沉積(CVD)是一種用於在基板上沉積層(包括鎢層)的沉積製程。原子層沉積(ALD)也稱作循環沉積,該原子層沉積運用化學吸附技術在多個依序的循環中將前驅物之分子遞送至基板表面上。每一循環都將基板表面暴露於第一前驅物、沖洗氣體(purge gas)、第二前驅物、和沖洗氣體。第一前驅物和第二前驅物反應而在基板表面上形成作為膜的產物化合物。重複該循環以將層形成達到期望厚度。鎢膜的沉積包括在基板和鎢膜之間形成氮化鈦或其他金屬阻擋層,並且此阻擋層被蝕刻作為鎢成核層沉積製程的一部分。已發現,用於沉積無氟鎢成核層的製程、阻擋層的蝕刻能夠造成電壓調諧(Vt)偏移的問題。因此,需要用於形成鎢成核層的改善方法,且該方法要減少諸如TiN的阻擋材料之蝕刻。
描述用於沉積金屬膜的多種方法。在一個實施例中,一種在基板上形成鎢堆疊的方法包括:在該基板之表面上形成阻擋層;使用包括不含氟的鎢前驅物的原子層沉積(ALD)製程在該阻擋層上形成鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括製程壓力、ALD前驅物脈衝時間長度、基板處理溫度、及在將前驅物遞送到ALD處理腔室之前的鎢前驅物溫度;在形成該鎢成核層的ALD製程期間,控制該ALD製程壓力、該ALD前驅物脈衝時間長度、該基板處理溫度、和該鎢前驅物溫度,以減少該阻擋層的蝕刻;以及,直接在該鎢成核層上形成鎢膜。
在另一實施例中,一種在基板上形成鎢堆疊的方法包括:在該基板之表面上形成TiN阻擋層;透過流動無氟鎢前驅物和矽烷(silane)的多個交替脈衝,在該TiN阻擋層上形成WSi預成核層;使用包括不含氟的鎢前驅物的原子層沉積(ALD)製程在該阻擋層上形成鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括製程壓力、前驅物脈衝時間長度、基板處理溫度、及在將前驅物遞送到ALD處理腔室之前的鎢前驅物溫度;以及,直接在該鎢成核層上形成鎢膜。
在另一實施例中,一種在基板上形成鎢堆疊的方法包括:在該基板之表面上形成TiN阻擋層;使用包括不含氟的鎢前驅物的原子層沉積(ALD)製程在該TiN阻擋層上形成鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括製程壓力、ALD前驅物脈衝時間長度、基板處理溫度、及在將前驅物遞送到ALD處理腔室之前的鎢前驅物溫度;在該鎢成核層形成期間流動TiCl 4;以及,直接在該鎢成核層上形成鎢膜。
在描述本案揭示內容的若干示範性實施例之前,應理解本案揭示內容不限於下文描述中所提出的構造或製程步驟的細節。本案揭示內容能夠有其他實施例,並且能夠以各種方式實行或執行。
如本文所用,「基板」指在製造製程期間上面執行膜處理的任何基板或形成在基板上的材料表面。例如,上面能夠執行處理的基板表面包括諸如下述材料:矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽(SOI)、碳摻雜氧化矽、非晶矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石,以及任何其他材料,例如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導電材料,視應用而定。基板包括但不限於半導體晶圓。基板可暴露於預處理製程,以研磨、蝕刻、還原、氧化、羥基化、退火、UV固化、電子束固化和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上進行膜處理之外,在本案揭示內容中,所揭示的任何膜處理步驟也可以在如下文更詳細揭示的基板上所形成的下層(underlayer)上執行,且希望術語「基板表面」包括如上下文所指示的此類下層。因此,例如,當膜/層或部分膜/層已沉積於基板表面上時,新沉積的膜/層的暴露表面成為基板表面。
如本說明書和所附申請專利範圍中所用,術語「前驅物」、「反應物」、「反應氣體」等可互換使用,以指能夠與基板表面反應的任何氣態物質。
如本文所用,術語「襯墊(liner)」是指沿著開口的側壁及/或下表面的至少一部分可保形地(conformably)形成的層,使得在該層的沉積之前的開口的多數部分在該層的沉積之後維持未被填充。在一些實施例中,襯墊可沿著開口的側壁和下表面之整體形成。也可在平坦基板的平坦表面上形成襯墊。
有利的是,已發現無氟鎢(fluorine-free tungsten, FFW)成核層沉積製程,並且該製程提供塊體鎢生長的更佳成核並也阻止氟擴散。此外,在特定實施例中,產生具有低電阻率的膜。本文描述的製程包括CVD製程和ALD製程。在一或多個實施例中,FFW的生長是基於諸如TiN的下層金屬層的蝕刻機制。在特定實施例中,在W成核層的沉積製程期間發生的蝕刻期間,鎢(W)原子吸附在氮(N)原子上,且Cl原子吸附在鈦(Ti)原子上,而形成氮化鈦(TiN)蝕刻的的活性層。在ALD循環期間氫氣(H 2)的存在有助於藉由斷裂W-Cl鍵結而解離WCl x且進一步幫助鎢膜生長。
根據一或多個實施例,本文描述的方法提供一種在鎢沉積製程期間減少阻擋層蝕刻與損失(例如,TiN阻擋層蝕刻與損失)的有效方式。在特定實施例中,本文描述的方法提供一種減少阻擋層蝕刻和損失(例如在ALD FFW製程期間的TiN蝕刻和損失)的有效方式。根據一或多個實施例,透過製程條件控制和預沉積處理,減少阻擋層蝕刻損失。根據一或多個實施例,透過更低的製程壓力、更低的基板支撐件溫度、更低的前驅物容器(例如,安瓿)溫度、和更短的反應物脈衝時間,達成減少的TiN蝕刻。
根據本文描述的製程的一或多個實施例,利用WSi預成核沉積方法以在阻擋層(例如,TiN阻擋層)表面上形成保護性半層(protective quasi-layer)。在特定實施例中,預成核沉積方法利用ALD製程。根據在此描述的實施例達成一或多個優點。在一些實施例中,提供一種方法,該方法能夠在單一腔室中執行以達成阻擋層蝕刻的減少。在一些實施例中,製程的總產出時間(throughput time)保持不變或相較於既有製程有所改善。在本文所述方法的一或多個實施例中,該方法避免任何雜質引入鎢膜中。
根據一或多個實施例,透過利用範圍從15托耳到30托耳的基板處理腔室(例如,ALD腔室)的壓力,減少TiN蝕刻損失。在更特定的實施例中,在沉積鎢成核層期間,基板處理腔室(諸如ALD腔室)的壓力是在下述範圍內:從20托耳到30托耳、從21托耳到30托耳、從22托耳到29托耳、從23托耳到28托耳、從24托耳到26托耳、從25托耳到30托耳、從26托耳到29托耳、從27托耳到28托耳、從27托耳到30托耳、或從28托耳到30托耳。降低處理腔室壓力減少阻擋層蝕刻,特別是在形成鎢成核層的處理期間的TiN阻擋層蝕刻。
在一個或多個實施例中,在鎢成核層的沉積期間降低基板支撐件(也稱為基座)的溫度也減少了阻擋層蝕刻,特別是處理期間的TiN阻擋層蝕刻。在特定實施例中,基板支撐件保持在從400°C到475°C、從410°C到470°C、從420°C到465°C或從430°C到460°C的溫度範圍內,此舉降低阻擋層蝕刻,特別是在鎢成核層沉積期間的TiN阻擋層蝕刻。藉由在諸如CVD腔室或ALD腔室的基板處理腔室中加熱諸如基座的基板支撐件,能夠將基板溫度保持在本文提供的範圍內。能夠利用基板支撐件的電阻式加熱或其他加熱。在特定實施例中,以本文所述的壓力範圍操作基板處理腔室並在處理期間將基板支撐件保持在本文提供的溫度範圍內減少阻擋層蝕刻,尤其是在形成鎢成核層的處理期間的TiN阻擋層蝕刻。
在一個或多個實施例中,用於鎢前驅物的前驅物容器(例如安瓿)在鎢成核層沉積期間保持在溫度範圍內以減少阻擋層蝕刻。特別是,將前驅物容器保持在100°C至130°C、105°C至125°C或109°C至119°C的溫度範圍內,減少了鎢成核層之沉積期間的TiN阻擋層蝕刻。在特定實施例中,將前驅物容器溫度保持在本文所述的溫度範圍內,並在本文所述的壓力範圍內操作基板處理腔室,以及在處理期間將基板支撐件保持在本文提供的溫度範圍內,減少了阻擋層蝕刻,尤其是,在形成鎢成核層的處理期間的TiN阻擋層蝕刻。前驅物容器(例如安瓿)的溫度能夠藉由將前驅物容器放置於烘爐或電阻加熱套中而保持。在一或多個實施例中,在鎢層的ALD形成期間,在腔室中將鎢前驅物脈衝的時間長度保持在下述範圍內:從0.2秒到2.0秒、從0.3到1.8秒、從0.4到1.6秒或從0.5秒到1.5秒。將脈衝時間保持在這些範圍內減少了阻擋層蝕刻,尤其是形成鎢成核層的處理期間的TiN阻擋層蝕刻。在特定實施例中,將鎢前驅物脈衝的時間長度保持在本文所述的範圍內,且將前驅物容器溫度保持在本文所述的溫度範圍內,並且在本文所述的壓力範圍內操作基板處理腔室,並且在處理期間將基板支撐件保持在本文提供的溫度範圍內,減少了阻擋層蝕刻,尤其是在形成鎢成核層的處理期間的TiN阻擋層蝕刻。
除了上文討論的參數的製程調整之外,能夠透過在沉積鎢成核層之前在TiN阻擋層上形成WSi預成核層,而減少阻擋層蝕刻,特別是TiN阻擋層蝕刻。在一或多個實施例中,WSi層是透過使用諸如氯化鎢或溴化鎢之類的鎢前驅物以及甲矽烷(SiH 4)的交替脈衝的ALD製程來生長。實驗結果證實,WF 6和甲矽烷進行十(10)次ALD循環。鎢生長之後,TiN蝕刻能夠減少最多達30%。在此描述的實施例提供了在鎢成核層沉積期間使TiN損失最小化的技術的製程條件。在一些實施例中,在鎢成核層形成期間流動多達10體積%的TiCl 4,例如,範圍為0.5-1體積%、1-2體積%、1-3體積%、1-4體積%、1-5體積%、1-6體積%、1-7體積%、1-8體積%、1-9體積%或1-10體積%的TiCl 4減少了TiN阻擋層的蝕刻。
參考圖1至圖4,描述了用於沉積金屬膜的裝置和方法。在一個實施例中,參考圖1和圖4,方法200包括在基板12上形成鎢堆疊10。該方法包括:在202,在基板12的表面上形成阻擋層14,例如氮化鈦(TiN)阻擋層14。方法200進一步包括:在204,視情況任選地在阻擋層上形成預成核層15,以及,在206,於預成核層上(當存在時)或在阻擋層14(當預成核層15不存在時)上形成鎢成核層16。視情況任選,在206,根據一些實施例,在206,可以在如本文進一步描述的成核層16的形成期間流動TiCl 4。在一或多個實施例中,在208,調整ALD製程壓力、前驅物脈衝時間長度、前驅物溫度、及/或基板溫度。一或多個實施例的方法200包括:在210,使用化學氣相沉積製程或原子層沉積製程直接在鎢成核層107上形成鎢膜108。
在一些實施例中,基板表面包括特徵(feature)。在一些實施例中,特徵選自溝槽、介層窗(via)、或峰。在特定實施例中,該特徵包括如圖2所示的溝槽。
在一些實施例中,溝槽的寬度W大於或等於5nm且小於或等於65nm、大於或等於5nm且小於或等於55nm、大於或等於5nm且小於或等於45nm、大於或等於5nm且小於或等於35nm、大於或等於5nm且小於或等於32nm、大於或等於5nm且小於或等於25nm,或大於或等於5nm且小於或等於22nm。
為了說明,該等圖顯示具有單一特徵的基板,然而,熟悉此技術者會理解能夠有超過一個特徵。特徵的形能夠是任何合適的形狀,包括但不限於:峰、溝槽和圓柱形介層窗。在特定實施例中,該特徵是溝槽。在其他特定實施例中,該特徵是介層窗。在這方面使用,術語「特徵」是指任何有意形成的表面不規則性。特徵的合適範例包括但不限於:具有頂部、兩個側壁和底部的溝槽;具有頂部和從表面向上延伸的兩個側壁的峰;以及具有從表面向下延伸的側壁且有開放底部的介層窗。特徵能夠具有任何合適的深寬比(aspect ratio)(特徵之高度H之深度對特徵之寬度的比)。在一些實施例中,深寬比大於或等於約5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1 或 40:1。在一或多個實施例中,深寬比大於10:1。
參照圖2和圖3,一或多個實施例涉及形成半導體元件100的方法。基板102設有特徵104,圖中顯示為填充有鎢膜108。所顯示的特徵104是溝槽之形式,如上文所述,具有寬度W和深度或高度H。
在一或多個實施例中,鎢膜108是CVD沉積的鎢膜。在一個實施例中,鎢膜是填隙(gapfill)層。如圖2所示,在一個實施例中,鎢膜108沉積於鎢成核層107上,該鎢成核層107是位在特徵104的頂部部分114、特徵104的側壁116、和介電層110的頂部部分118上。鎢成核層107是形成在阻擋層106上的特徵上,在一些實施例中,阻擋層106是TiN阻擋層106。
在一或多個實施例中,鎢膜108是種晶填隙層。在一個實施例中,種晶填隙層是選擇性生長種晶膜。如圖2所示,在一個實施例中,鎢膜108沉積在鎢成核層107上,該鎢成核層107位在特徵104的頂部部分114、特徵104的側壁116、和介電層110的頂部部分118上。
如圖3所示,在另一實施例中,在特徵104的頂部部分114、特徵104的側壁116和基板102的頂面120上的鎢成核層107上沉積鎢膜108。鎢成核層107是形成在阻擋層106上,在一些實施例中,阻擋層106是TiN阻擋層106。在一或多個實施例中,鎢膜108是鎢層。在一或多個實施例中,鎢層是鎢填隙層。
在一或多個實施例中,介電層110形成在基板102上。介電層能夠是任何合適的介電材料,包括但不限於鈦或矽的氮化物、氧化物或碳化物。介電層110能夠在基板102上共形地或非共形地形成。
在一個實施例中,介電層110包括k值小於5的介電材料。在一個實施例中,介電層110包括k值小於2的介電材料。在至少一些實施例中,介電層110包括氧化物、碳摻雜氧化物、多孔二氧化矽、碳化物、碳氧化物、氮化物、氧氮化物、碳氮氧化物、聚合物、磷矽酸鹽玻璃、氟矽酸鹽(SiOF)玻璃、有機矽酸鹽玻璃(SiOCH)或上述各者之任何組合。在至少一些實施例中,介電層110可以包括聚亞醯胺、環氧樹脂(epoxy)、光可界定材料(諸如苯並環丁烯(BCB)和WPR系列材料)、或旋轉塗佈玻璃。
在一個實施例中,介電層110的厚度在約10奈米(nm)至約2微米(μm)的大約範圍內。在一實施例中,使用下述沉積技術之一者沉積介電層110,該沉積技術例如但不限於:化學氣相沉積(「CVD」)、物理氣相沉積(「PVD」)、分子束磊晶(「MBE」)、金屬有機化學氣相沉積(「MOCVD」)、原子層沉積(「ALD」)、旋轉塗佈、或其他微電子元件製造之領域中具普通技術者已知的絕緣沉積技術。
一或多個實施例使用無氟金屬前驅物增加選擇性及沉積速率以形成成核層。一些實施例在第一ALD步驟中併用還原劑,以增加相對於介電質的選擇性且增加沉積速率且還有相當的(comparable)膜效能(例如,階梯覆蓋率、隙縫填充)。一些實施例提供具有高產量ALD製程的高選擇性無氟鎢沉積。
本案揭示內容的一些實施例提供在第一ALD步驟中併用還原劑的原子層沉積方法。不受任何特定操作之理論的束縛,相信納入還原劑能夠使前驅物熱分解成前驅物的不同衍生物,且在主要還原ALD步驟中有顯著更大量的前驅物還原。
本案揭示內容的一或多個實施例將不同的氣體(例如,H 2、SiH 4、Si 2H 6、Si 4H 10、NH 3)併入金屬(例如,鎢(W))前驅物之投劑(dose)中。在一些實施例中,還原劑的併入會改善金屬沉積相對於介電質的選擇性,且加速金屬還原的速率。
在一些實施例中,ALD無氟鎢取代及/或減少傳統的高電阻率成核層(例如,SiH 4或B 2H 6ALD W 20-30埃)和厚的氟阻擋物(例如,TiN 30-50埃)。在一些實施例中,FFW具有低電阻率、優異的階梯覆蓋率、卓越的氟阻擋性質,且能夠與習知的基於WF 6的塊體W填充整合。一些實施例在維持可接受的膜效能或其他指標(例如,非均勻性、階梯覆蓋率、顆粒)的同時也改善了產量。
本案揭示內容的一或多個實施例涉及具有高沉積速率FFW膜的方法。將還原劑(如 H 2、SiH 4、Si 2H 6、Si 4H 12、NH 3)的少量共流添加至W前驅物ALD投劑步驟。在一些實施例中,透過 ALD 、具氫(H 2)之共流的FFW生長發生在合適的溫度下(例如,範圍從400°C至550°C,或從460°C至475°C)。
用於生長FFW的鎢前驅物包括但不限於氯化鎢和氫(作為還原劑)。在一個或多個實施例中,ALD製程包括:暴露於具有50-500sccm的H 2共流的W前驅物投劑、W前驅物沖洗、H 2投劑、H 2沖洗。在一些實施例中,氬氣(Ar)或其他合適的惰性氣體用於前驅物載體和沖洗。
在一個或多個實施例中,無氟鎢前驅物包含鹵化鎢或基本上由鹵化鎢組成。在一些實施例中,鹵化鎢包括五氯化鎢(WCl 5)或六氯化鎢(WCl 6)中的一或多者。在一些實施例中,無氟鎢前驅物包括鹵氧化鎢前驅物,例如WOCl 4或WO 2Cl 2。在其他實施例中,第一製程條件包括從無氟鹵化鎢前驅物或無氯鹵化鎢前驅物所組成的群組選出的鎢前驅物,例如五溴化鎢(WBr 5)或六溴化鎢(WBr 6)。
形成鎢成核層的方法可進一步包括:使對鎢前驅物有反應性的第一還原劑流動。第一還原劑(也稱為第一還原物)包括:反應氣體,諸如含氫氣體,例如氫氣(H 2)或氨氣(NH 3)或肼(N 2H 4);以及載氣,例如氬氣(Ar)、氦氣(He)或氮氣(N 2)。在一些實施例中,載氣是惰性氣體。在一些實施例中,第一氣體由金屬鎢前驅物氣體、反應氣體和載氣組成,或基本上由上述之氣體組成。在一些實施例中,第一氣體由無氯、無氟鹵化鎢前驅物、含氫氣體和惰性氣體組成,或基本上由上述之氣體組成。在一些實施例中,請求項1之方法,其中該第一還原劑包括下述之一或多者:氫(H 2)、甲矽烷(SiH 4)、乙矽烷(Si 2H 6)、丙矽烷(Si 3H 8)、丁矽烷(Si 4H 10)或氨(NH 3)。
一些實施例的鎢前驅物在載氣中流入處理腔室的處理區域。對於固體或液體前驅物而言,一些實施例的前驅物保持在安瓿中,並且載氣流穿過安瓿且攜帶前驅物。在一些實施例中,載氣包括惰性氣體。在一些實施例中,載氣包括下述氣體之一或多者或基本上由下述氣體之一或多者組成:氦氣、氖氣、氬氣、氮氣、氪氣或氙氣。如本文所用,金屬前驅物的流速是包括金屬前驅物的載氣的流速。
根據一些實施例,進入處理腔室的處理區域的總流量是金屬前驅物和第一還原劑的組合流速。在一些實施例中,補充(make-up)氣體流入處理區域,並且金屬前驅物和第一還原劑添加至補充氣流中。在一些實施例中,補充氣流的流速遠大於金屬前驅物或第一還原劑的流速。在一些實施例中,補充氣流的流速大於前驅物流或第一還原劑流中較高者的10倍。
在一些實施例中,鎢前驅物和第一還原劑的流速配置為提供實質上無鎢金屬的含鎢膜。在一些實施例中,第一還原劑具有在50至500sccm範圍內的流速。熟悉此技術者會理解,補充氣體的流速不會改變鎢前驅物對第一還原劑的比例。補充氣流能夠改變鎢前驅物及/或第一還原劑的總濃度。
在一些實施例中,第一還原劑的流速在無氟鎢前驅物的流速的5%至70%的範圍內。在一些實施例中,無氟鎢前驅物和第一還原劑的流速比在10:1至1:2.5的範圍內。鎢前驅物和第一還原劑的流動造成鎢成核層的第一鎢單層的形成。
在一些實施例中,用於形成鎢成核層的ALD製程包括作為ALD製程之一部分的沖洗製程。沖洗製程能夠是從處理腔室的處理區域移除未反應的金屬前驅物或第一還原劑的任何合適的沖洗製程。在一些實施例中,沖洗製程包括流動與用作金屬前驅物的載氣相同的惰性氣體。
在一些實施例中,ALD製程包括將鎢成核層的第一單層暴露於第二還原劑流。在一些實施例中,第二還原劑是與第一還原劑相同的物種。在一些實施例中,第二還原劑是與第一還原劑不同的物種。第二還原劑的濃度能夠與第一還原劑的濃度相同或不同。在一些實施例中,第二還原劑包括下述一或多者:氫(H 2)、甲矽烷(SiH 4)、乙矽烷(Si 2H 6)、丙矽烷(Si 3H 8)、丁矽烷(Si 4H 10)或氨(NH 3)。
能夠利用第二沖洗製程,且該第二沖洗製程能夠是從處理腔室的處理區域移除未反應的金屬前驅物或第一還原劑的任何合適的沖洗製程。在一些實施例中,沖洗製程包括流動與用作金屬前驅物的載氣相同的惰性氣體。在一些實施例中,沖洗製程包括流動與沖洗製程相同的惰性氣體。在一些實施例中,用作金屬前驅物之載氣的惰性氣體、用於還原劑的載氣/稀釋氣體(如果有的話)、補充氣體、和沖洗氣體包含相同的物種。
雖然已經參考特定實施例描述了本文揭示內容,但是應當理解,這些實施例僅是對本案揭示內容的原理和應用的說明。對熟悉此技術者而言顯而易見的是,在不脫離本案揭示內容的精神和範圍的情況下,可以對本案揭示內容的方法和設備進行各種修改和變化。因此,本案揭示內容旨在包括在所附申請專利範圍及其等效例的範圍內的修改和變化。
10:鎢堆疊 12:基板 14:阻擋層 15:預成核層 16:成核層 18:鎢膜 100:半導體元件 102:基板 104:特徵 106:阻擋層 107:鎢成核層 108:鎢膜 110:介電層 114:頂部部分 116:側壁 118:頂部部分 120:頂面 200:方法 202~210:操作
為了能夠詳細地理解本案揭示內容的上述特徵的方式,可藉由參考實施例(其中一些實施例於所附圖式中說明),而得到上文簡要總結的本案揭示內容之更特定的描述。然而,應注意所附圖式僅說明本案揭示內容的典型實施例,因此不應被視為是對其範圍的限制,因為本案揭示內容可容許其他等效實施例。本文描述的實施例是以示範方式而非限制方式於所附圖式的圖中說明,其中相同的元件符號指示相似元件。
圖1顯示根據本案揭示內容之一或多個實施例的半導體元件的剖面示意圖;
圖2顯示根據本案揭示內容之一或多個實施例的半導體元件的剖面示意圖;
圖3顯示根據本案揭示內容之一或多個實施例的半導體元件的剖面示意圖;及
圖4顯示根據一實施例的方法的流程圖。
在所附圖式中,相似的部件及/或特徵可以具有相同的元件符號。此外,可以透過在元件符號後面加上破折號和區分相似部件的第二符號,而區分相同類型的各種部件。若說明書中僅使用第一元件符號,則該描述可應用於具有相同第一元件符號的相似部件之任一者,而無關第二元件符號為何。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
200:方法
202~210:操作

Claims (20)

  1. 一種在基板上形成鎢堆疊的方法,該方法包括: 在該基板之一表面上形成一阻擋層; 使用包括不含氟的一鎢前驅物的一原子層沉積(ALD)製程在該阻擋層上形成一鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括一製程壓力、一ALD前驅物脈衝時間長度、一基板處理溫度、及在遞送該前驅物到一ALD處理腔室之前的一鎢前驅物溫度; 在形成該鎢成核層的一ALD製程期間,控制該ALD製程壓力、該ALD前驅物脈衝時間長度、該基板處理溫度、和該鎢前驅物溫度,以減少該阻擋層的蝕刻;以及 直接在該鎢成核層上形成一鎢膜。
  2. 如請求項1所述之方法,其中該阻擋層包括TiN。
  3. 如請求項2所述之方法,其中該ALD製程壓力保持在從20托耳至30托耳的範圍內。
  4. 如請求項2所述之方法,其中該ALD製程壓力保持在從23托耳至28托耳的範圍內。
  5. 如請求項3所述之方法,其中該ALD前驅物脈衝時間長度保持在從0.3秒與1.8秒的範圍內。
  6. 如請求項4所述之方法,其中該ALD前驅物脈衝時間長度保持在從0.5秒至1.5秒的範圍內。
  7. 如請求項5所述之方法,其中該基板處理溫度保持在從攝氏410度至攝氏470度的範圍內。
  8. 如請求項6所述之方法,其中該基板處理溫度保持在從攝氏430度至攝氏460度的範圍內。
  9. 如請求項7所述之方法,其中在遞送到該ALD處理腔室之前,該鎢前驅物溫度保持在從攝氏105度至攝氏125度的範圍內。
  10. 如請求項8所述之方法,其中在遞送到該ALD處理腔室之前,該鎢前驅物溫度保持在從攝氏109度至攝氏119度的範圍內。
  11. 如請求項2所述之方法,其中該鎢前驅物包括氯化鎢或溴化鎢。
  12. 如請求項2所述之方法,進一步包括:在該鎢成核層上形成一WSi預成核層。
  13. 如請求項12所述之方法,其中在該鎢成核層上形成一WSi預成核層包括:流動無氟鎢前驅物與一矽烷(silane)之多個交替脈衝。
  14. 如請求項2所述之方法,進一步包括:在形成該鎢成核層期間流動TiCl 4
  15. 如請求項13所述之方法,進一步包括:在形成該鎢成核層期間流動TiCl 4
  16. 如請求項15所述之方法,在形成該鎢成核層期間,TiCl 4是在0.5體積%至10體積%的範圍內流動。
  17. 如請求項2所述之方法,其中鎢原子吸附於氮原子上,且氯原子吸附於鈦原子上,而形成用於氮化鈦蝕刻的一活性層。
  18. 如請求項17所述之方法,進一步包括:在該ALD製程期間流動氫氣,而透過斷裂W-Cl鍵結而從該阻擋層解離WCl x
  19. 一種在基板上形成鎢堆疊的方法,該方法包括: 在該基板之一表面上形成一TiN阻擋層; 透過流動無氟鎢前驅物和一矽烷的多個交替脈衝,在該TiN阻擋層上形成一WSi預成核層; 使用包括不含氟的一鎢前驅物的一原子層沉積(ALD)製程在該阻擋層上形成一鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括一製程壓力、一前驅物脈衝時間長度、一基板處理溫度、及在將該前驅物遞送到一ALD處理腔室之前的一鎢前驅物溫度;以及 直接在該鎢成核層上形成一鎢膜。
  20. 一種在基板上形成鎢堆疊的方法,該方法包括: 在該基板之一表面上形成一TiN阻擋層; 使用包括不含氟的一鎢前驅物的一原子層沉積(ALD)製程在該TiN阻擋層上形成一鎢成核層,其中該原子層沉積製程包括一製程壓力、一前驅物脈衝時間長度、一基板處理溫度、及在將該前驅物遞送到一ALD處理腔室之前的一鎢前驅物溫度; 在該鎢成核層形成期間流動TiCl 4;以及 直接在該鎢成核層上形成一鎢膜。
TW110135978A 2020-09-29 2021-09-28 鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法 TW202231914A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/036,209 US20220098731A1 (en) 2020-09-29 2020-09-29 Method Of Reducing Titanium Nitride Etching During Tungsten Film Formation
US17/036,209 2020-09-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202231914A true TW202231914A (zh) 2022-08-16

Family

ID=80823351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110135978A TW202231914A (zh) 2020-09-29 2021-09-28 鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220098731A1 (zh)
TW (1) TW202231914A (zh)
WO (1) WO2022072307A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210126103A1 (en) * 2019-10-29 2021-04-29 Micron Technology, Inc. Apparatus comprising wordlines comprising multiple metal materials, and related methods and electronic systems

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101205136B1 (ko) * 2010-12-17 2012-11-26 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 소자 및 그 형성 방법
US9230815B2 (en) * 2012-10-26 2016-01-05 Appled Materials, Inc. Methods for depositing fluorine/carbon-free conformal tungsten
US9275865B2 (en) * 2012-10-31 2016-03-01 Applied Materials, Inc. Plasma treatment of film for impurity removal
US11088033B2 (en) * 2016-09-08 2021-08-10 International Business Machines Corporation Low resistance source-drain contacts using high temperature silicides
US10269569B2 (en) * 2016-11-29 2019-04-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor device and methods of manufacture

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022072307A1 (en) 2022-04-07
US20220098731A1 (en) 2022-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11587829B2 (en) Doping control of metal nitride films
US6720027B2 (en) Cyclical deposition of a variable content titanium silicon nitride layer
US20080132050A1 (en) Deposition process for graded cobalt barrier layers
JP2003526218A (ja) 傾斜薄膜
EP1221177A1 (en) Conformal lining layers for damascene metallization
US20210384035A1 (en) Fluorine-Free Tungsten ALD And Tungsten Selective CVD For Dielectrics
US7709376B2 (en) Method for fabricating semiconductor device and semiconductor device
US7476615B2 (en) Deposition process for iodine-doped ruthenium barrier layers
US20080299765A1 (en) Method of Fabricating a Structure for a Semiconductor Device
US20090022958A1 (en) Amorphous metal-metalloid alloy barrier layer for ic devices
TW202129843A (zh) 以氮化鈦為主之保形薄膜及其形成方法
US10665542B2 (en) Cobalt manganese vapor phase deposition
TW202231914A (zh) 鎢膜形成期間減少氮化鈦蝕刻之方法
TW202312300A (zh) 形成用於互連結構的金屬襯墊之方法
JP2023516859A (ja) 低抵抗タングステン膜および製造方法
US12014956B2 (en) Tungsten gapfill using molybdenum co-flow
TW202413681A (zh) 正形鉬沉積
TW202413683A (zh) 電漿增進之鉬沉積
US20080182021A1 (en) Continuous ultra-thin copper film formed using a low thermal budget