TW202412080A - 積體pvd鎢襯墊及無縫cvd鎢填充 - Google Patents

Abstract

提供了一種用於在半導體元件中形成鎢特徵的方法及設備。方法包括將在基板中形成的特徵的頂部開口暴露於物理氣相沉積(PVD)製程以在特徵內沉積鎢襯墊層。PVD製程在第一處理腔室的第一處理區域中執行並且鎢襯墊層形成部分阻礙特徵的頂部開口的懸垂部分。將基板從第一處理腔室的第一處理區域傳遞到第二處理腔室的第二處理區域而不破壞真空。將懸垂部分暴露於第二處理區域中的含氮自由基以抑制鎢沿著懸垂部分的後續生長。將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在特徵內的鎢襯墊層上方形成鎢填充層。

Description

積體PVD鎢襯墊及無縫CVD鎢填充

本揭示大體係關於一種用於形成薄膜的方法及設備。更特定地，本揭示係關於一種用於在半導體元件中形成鎢特徵的方法及設備。

鎢(W)廣泛地用於積體電路(integrated circuit; IC)元件製造中以形成導電特徵，其中期望相對低的電阻及相對高的抗電遷移性。鎢可用作金屬填充材料以在介電材料層的表面中形成水平特徵，例如，源極觸點、汲極觸點、金屬閘極填充、閘極觸點、及互連。鎢亦可用於形成穿過介電材料層的垂直特徵以連接在其上方及其下方設置的其他互連特徵，例如，通孔。

隨著IC元件上的關鍵尺寸縮小，過去的製造技術遇到新的障礙。例如，在用鎢填充特徵期間，歸因於變化的特徵寬度及用於沉積鎢填充層的前驅物氣體的較高濃度，鎢填充層可以與下部相比更快地在特徵的上部中沉積。此可以導致特徵的部分內的空隙形成，特別地針對高深寬比特徵如此。

由此，需要用於用鎢填充特徵的製程，該等特徵不具有或實質上不具有空隙及縫隙並且針對各種膜厚度具有低電阻率。

本揭示係關於一種用於形成薄膜的方法及設備。更特定地，本揭示係關於一種用於在半導體元件中形成鎢特徵的方法及設備。

在一個態樣中，提供了一種用於處理半導體元件結構的方法。方法包括將在基板中形成的至少一個特徵暴露於物理氣相沉積(physical vapor deposition; PVD)製程以在至少一個特徵上方沉積鎢襯墊層。PVD製程在第一處理腔室的第一處理區域中執行並且至少一個特徵藉由側壁表面及在側壁表面之間延伸的底表面界定。方法進一步包括將基板從第一處理腔室的第一處理區域傳遞到第二處理腔室的第二處理區域而不破壞真空。方法進一步包括將鎢襯墊層暴露於第二處理區域中的含氮自由基以鈍化鎢襯墊層的暴露部分。沿著底表面形成的鎢襯墊層保持實質上未鈍化。方法進一步包括將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在第二處理區域中的至少一個特徵內的鎢襯墊層上方形成鎢填充層。形成鎢填充層包括優先地使鎢填充層從沿著底表面形成的鎢襯墊層生長。

實施例可包括下列中的一或多個。將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層包括化學氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)製程。將鎢襯墊層暴露於第二處理區域中的含氮自由基包括在遠端電漿源(remote plasma source; RPS)中產生包含含氮自由基的電漿，其中電漿由包含氮的處理氣體及惰性氣體形成，並且使含氮自由基流動到其中設置基板的第二處理腔室的第二處理區域中。方法進一步包括在使含氮自由基流動到第二處理區域中之前使包含含氮自由基的電漿穿過離子過濾器流動以從電漿移除實質上所有離子。處理氣體包括從約5%至約20%的氮及氬。方法進一步包括交替將鎢襯墊層暴露於第二處理區域中的含氮自由基以鈍化鎢襯墊層的暴露部分並且將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層。

在另一態樣中，提供了一種用於處理半導體元件結構的方法。方法包括將在基板中形成的至少一個特徵暴露於物理氣相沉積(PVD)製程以在至少一個特徵上方沉積鎢襯墊層。PVD製程在第一處理腔室的第一處理區域中執行並且至少一個特徵藉由側壁表面及在側壁表面之間延伸的底表面界定。方法進一步包括將基板從第一處理腔室的第一處理區域傳遞到第二處理腔室的第二處理區域而不破壞真空。方法進一步包括將鎢襯墊層暴露於第一含鎢前驅物及還原劑以在第二處理區域中的鎢襯墊層上方形成硼-鎢成核層。方法進一步包括將硼-鎢成核層暴露於第二處理區域中的含氮自由基以鈍化硼-鎢成核層的暴露部分。方法進一步包括將特徵暴露於第二含鎢前驅物氣體以在第二處理區域中的至少一個特徵內的硼-鎢成核層上方形成鎢填充層。

實施例可包括下列中的一或多個。將特徵暴露於第二含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層包括化學氣沉積(CVD)製程。將硼-鎢成核層暴露於第二處理區域中的含氮自由基包括在遠端電漿源(RPS)中產生包含含氮自由基的電漿。電漿由包含氮的處理氣體及惰性氣體形成。方法進一步包括使含氮自由基流動到其中設置基板的第二處理腔室的第二處理區域中。方法進一步包括在使含氮自由基流動到第二處理區域中之前使包含含氮自由基的電漿穿過離子過濾器流動以從電漿移除實質上所有離子。處理氣體包括從約5%至約20%的氮並且剩餘部分為惰性氣體，惰性氣體係氬。方法進一步包括交替將硼-鎢成核層暴露於第二處理區域中的含氮自由基以鈍化鎢襯墊層的暴露部分並且將特徵暴露於第二含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層。將鎢襯墊層暴露於第一含鎢前驅物及還原劑包含交替將鎢襯墊層暴露於第一含鎢前驅物及還原劑的重複循環。第一含鎢前驅物係WF ₆並且含還原劑係B ₂H ₆。

在又一態樣中，提供了一種用於處理半導體元件結構的方法。方法包括將在基板中形成的特徵的頂部開口暴露於物理氣相沉積(PVD)製程以在特徵內沉積鎢襯墊層。PVD製程在第一處理腔室的第一處理區域中執行並且鎢襯墊層形成部分阻礙特徵的頂部開口的懸垂部分。方法進一步包括將基板從第一處理腔室的第一處理區域傳遞到第二處理腔室的第二處理區域而不破壞真空。方法進一步包括將懸垂部分暴露於第二處理區域中的含氮自由基以抑制鎢沿著懸垂部分的後續生長。方法進一步包括將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在第二處理區域中的特徵內的鎢襯墊層上方形成鎢填充層。

實施例可包括下列中的一或多個。將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層包含化學氣相沉積(CVD)製程。將鎢襯墊層暴露於第二處理區域中的含氮自由基包括在遠端電漿源(RPS)中產生包含含氮自由基的電漿，其中電漿由包含氮的處理氣體及惰性氣體形成，並且使含氮自由基流動到其中設置基板的第二處理腔室的第二處理區域中。方法進一步包括在使含氮自由基流動到第二處理區域中之前使包含含氮自由基的電漿穿過離子過濾器流動以從電漿移除實質上所有離子。處理氣體包括從約5%至約20%的氮並且剩餘部分為惰性氣體，惰性氣體係氬。方法進一步包括交替將鎢襯墊層暴露於第二處理區域中的含氮自由基以鈍化鎢襯墊層的暴露部分並且將特徵暴露於含鎢前驅物氣體以在鎢襯墊層上方形成鎢填充層。

在另一態樣中，一種非暫時性電腦可讀取媒體具有其上儲存的指令，當藉由處理器執行時，該等指令導致製程執行上文設備的操作及/或方法。

本揭示係關於一種用於形成薄膜的方法及設備。更特定地，本揭示係關於一種用於在半導體元件中形成鎢特徵的方法及設備。

在具有超高深寬比的特徵中沉積間隙填充金屬薄膜（例如，含鎢薄膜）係具有挑戰性的。在較早節點，較大尺寸使得使用成核接著保形化學氣相沉積(CVD)來實現金屬間隙填充成為可能。然而，隨著特徵的關鍵尺寸持續縮小，超小特徵的頂部容易懸垂，因此膜在場區域或表面上均等生長的保形製程會在填充完成之前關閉或夾斷開口，從而在鎢間隙填充中留下空隙。甚至在缺乏空隙時，由於鎢間隙填充從側壁生長，中心縫隙係保形沉積的常見結果。此不完全填充可在所形成元件中導致高電阻。鎢間隙填充亦可能受雜質存在的不利影響。例如，在一些製程中，在PVD製程與CVD製程之間存在真空破壞。此真空破壞將已經沉積的鎢暴露於氧化物，此可以導致氧化鎢(WO _x)的形成。此氧化鎢可以增加電阻率並且不利地影響元件效能。另外，在特徵內存在氧化鎢可以影響特徵中的鎢的後續間隙填充的培養，此有助於在間隙填充內形成大的縫隙及空隙。此外，氧化鎢可能在CMP拋光溶液中溶解得更快，此可以劣化鎢的附著力，從而導致CMP之後的缺陷增加。

各個實施例提供了具有減小的關鍵尺寸的改進的特徵中的鎢間隙填充。各個實施例消除了在鎢襯墊與鎢填充之間的真空破壞，此消除在鎢襯墊與鎢填充之間的氧化鎢的形成，從而導致改進的鎢間隙填充及較低的CMP缺陷。藉由消除對高電阻率層（例如，通常在習知的鎢間隙填充方案中使用的TiN阻障層及成核層）的需要，各個實施例實現使用僅低電阻率材料（例如，PVD鎢及CVD鎢）的無縫鎢間隙填充。高電阻率層的消除亦允許場抑制處理製程，例如，本文描述的直接在鎢襯墊上執行的氮電漿抑制處理製程，此亦有助於無縫鎢間隙填充。

可根據本文提供的教示適宜地修改的處理系統的實例包括積體處理系統或從位於加利福尼亞州聖克拉拉市的應用材料公司商業獲得的其他適宜處理系統。將預期，其他處理系統（包括來自其他製造商的彼等）可適用於從本文描述的態樣獲益。

第1圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的可以用於沉積鎢襯墊接著鎢的無縫間隙填充而不破壞真空的示例多腔室處理系統100或群集工具的示意性頂部視圖。處理系統100可以包括用於將基板傳遞進出處理系統100的一或多個裝載閘腔室102、104。通常，由於處理系統100係在真空下，裝載閘腔室102、104可「抽氣」引入處理系統100中的基板。如第1圖所示，第一組一或多個基板處理腔室112、114、116、118（圖示了四個）與第一傳遞腔室111耦合。在第一傳遞腔室111中定位的第一傳遞機器人110在裝載閘腔室102、104與第一組一或多個基板處理腔室112、114、116、118之間傳遞基板。每個基板處理腔室112、114、116、118可以經配備以執行數個基板處理操作，除了循環層沉積(cyclical layer deposition; CLD)、原子層沉積(atomic layer deposition; ALD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻、預清洗、除氣、定向、及其他基板製程之外，還包括本文描述的鎢沉積製程及氮處理製程。

第一傳遞機器人110亦可以將基板傳遞到一或多個貫穿腔室122、124/從一或多個貫穿腔室122、124傳遞基板。一或多個貫穿腔室122、124可以用於維持超高真空條件，同時允許在處理系統100內傳遞基板。亦如第1圖所示，第二組一或多個基板處理腔室132、134、135、136、及138與第二傳遞腔室131耦合。在第二傳遞腔室131中定位的第二傳遞機器人130可以在一或多個貫穿腔室122、124與第二組一或多個處理腔室132、134、135、136、及138之間傳遞基板。與基板處理腔室112、114、116、118類似，基板處理腔室132、134、135、136、及138可以經配備以執行各種基板處理操作，例如，除了循環層沉積(CLD)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻、預清洗、除氣、及定向之外，還包括本文描述的鎢沉積製程及氮處理製程。若對處理系統100執行的特定製程並非必要，則可從處理系統100移除基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的任一者。

系統控制器180耦合到處理腔室100，用於控制處理系統100或其部件。例如，系統控制器180可使用對處理系統100的基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138的直接控制或藉由控制與基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138相關聯的控制器來控制處理系統100的操作。在操作中，系統控制器180實現資料收集及來自相應腔室的反饋以協調處理系統100的效能。

系統控制器180大體包括中央處理單元(central processing unit; CPU) 182、記憶體184、及支援電路186。CPU 182可以係任何形式的通用處理器的一者，該通用處理器可以在工業設置中使用。記憶體184、非暫時性電腦可讀取媒體、或機器可讀取儲存裝置係可藉由CPU 182存取的並且可係一或多種記憶體，諸如隨機存取記憶體(random access memory; RAM)、唯讀記憶體(read only memory; ROM)、或任何其他形式的數位儲存器（本端或遠端）。支援電路186耦合到CPU 182並且可包含快取記憶體、時鐘電路、輸入/輸出子系統、電源供應器、及類似者。在本揭示中揭示的各個實施例可大致在CPU 182的控制下藉由執行在記憶體184中（或在特定處理腔室的記憶體中）例如作為電腦程式產品或軟體常式儲存的電腦指令代碼來實施。亦即，電腦程式產品有形地體現在記憶體184（或非暫時性電腦可讀取媒體或機器可讀取儲存裝置）上。當電腦指令代碼藉由CPU 182執行時，CPU 182控制腔室以根據各個實施例執行操作。

記憶體184中的指令呈程式產品的形式，諸如實施本揭示的方法的程式。在一個實例中，本揭示可實施為在電腦可讀儲存媒體上儲存的程式產品以與電腦系統一起使用。程式產品的程式定義實施例的功能（包括本文描述的方法）。因此，當攜帶導引本文描述的方法的功能的電腦可讀取指令時，電腦可讀取儲存媒體係本揭示的實施例。系統控制器180經配置為執行方法，諸如在記憶體184中儲存的方法300A~C。

在特定實施例中，基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的至少一者係經配置為執行方法300A~C的操作320的PVD鎢沉積製程的PVD腔室，並且基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的另一者係CVD腔室，例如，經配置為執行方法300A~C的操作340~380的處理系統200，而不在操作320~380的任一者之間破壞真空。

在操作中，其中形成有特徵的基板可傳遞到第一處理腔室，該第一處理腔室係其中PVD鎢襯墊在特徵上方沉積的基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的一者。基板可隨後傳遞到第二處理腔室，該第二處理腔室係不破壞真空的基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的一者，PVD鎢襯墊暴露於氮電漿抑制處理製程，視情況接著在第二處理腔室中執行成核層沉積製程，接著在第二處理腔室中執行鎢間隙填充。

第2A圖至第2B圖示意性示出了可用於執行本文描述的自底向上鎢間隙填充基板處理方法的處理系統200。此處，處理系統200經配置為提供成核製程（例如，操作340）、氮電漿抑制處理製程（例如，操作350）、及選擇性間隙填充製程（例如，在單個處理腔室202內的操作360~380）中的每一者所期望的不同處理條件，而不在複數個處理腔室之間傳遞基板。

如第2A圖所示，處理系統200包括處理腔室202、流體地耦合到處理腔室202的氣體遞送系統204、及系統控制器180。處理腔室202（在第2A圖中以橫截面圖示）包括腔室蓋組件210、一或多個側壁212、及腔室基底214，其等共同地界定處理體積215。處理體積215流體地耦合到排氣裝置217，諸如一或多個真空泵，該排氣裝置用於將處理體積215維持在亞大氣條件下並且從其抽出處理氣體及處理副產物。

腔室蓋組件210包括蓋板216及耦合到蓋板216的噴淋頭218以與其界定氣體分配體積219。此處，使用與其熱耦合的一或多個加熱器229將蓋板216維持在期望溫度下。噴淋頭218面向在處理體積215中設置的基板支撐組件220。如下文論述，基板支撐組件220經配置為在提升的基板處理位置（如圖所示）與降低的基板傳遞位置（未圖示）之間移動基板支撐件222，並且因此移動基板支撐件222上設置的基板230。當基板支撐組件220處於提升的基板處理位置時，噴淋頭218及基板支撐件222界定處理區域221。

氣體遞送系統204經由氣體入口223（第2B圖）流體地耦合到處理腔室202，該氣體入口穿過蓋板216設置。藉由使用氣體遞送系統204遞送的處理或清洗氣體穿過氣體入口223流動到氣體分配體積219中並且穿過噴淋頭218中的複數個開口232（第2B圖）分配到處理區域221中。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，腔室蓋組件210進一步包括在氣體入口223與噴淋頭218之間設置的穿孔阻擋板225。在彼等實施例中，流動到氣體分配體積219中的氣體首先藉由穿孔阻擋板225與噴淋頭218一起擴散以提供到處理區域221中的氣體流量的更均勻或期望分佈。

處理氣體及處理副產物穿過圍繞處理區域221的環形通道227從處理區域221向外徑向抽出。環形通道227可在從一或多個側壁212（如圖所示）向內徑向設置的第一環形襯墊226中形成或可在一或多個側壁212中形成。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理腔室202包括一或多個第二襯墊228，該等第二襯墊用於保護一或多個側壁212或腔室基底214的內表面不受腐蝕氣體及/或不期望的材料沉積的影響。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，與處理體積215流體連通的淨化氣體源237係用於使化學惰性的淨化氣體（諸如氬(Ar)）流動到在基板支撐件222下面設置的區域中，例如，穿過腔室基底214中圍繞可移動支撐軸件262的開口。淨化氣體可用於在基板處理期間在基板支撐件222之下建立正壓區域（當與處理區域221中的壓力相比時）。通常，穿過腔室基底214引入的淨化氣體從該腔室基底向上流動並且在基板支撐件222的邊緣周圍以穿過環形通道227從處理體積215抽出。淨化氣體藉由減少及/或防止材料前驅物氣體流動到其中來減少基板支撐件222下面的表面上的不期望材料沉積。

基板支撐組件220包括可移動支撐軸件262及基板支撐件222，該可移動支撐軸件穿過腔室基底214密封地延伸，諸如由腔室基底214之下的區域中的波紋管265圍繞，且該基板支撐件在可移動支撐軸件262上設置。為了促進將基板傳遞到基板支撐件222及從基板支撐件222傳遞基板，基板支撐組件220包括升舉銷組件266，該升舉銷組件包含耦合到升舉銷箍268或設置為與升舉銷箍268接合的複數個升舉銷267。複數個升舉銷267可移動地設置在穿過基板支撐件222形成的開口中。當基板支撐件222在降低的基板傳遞位置（未圖示）中設置時，複數個升舉銷267在基板支撐件222的基板接收表面之上延伸以從其升舉基板230並且藉由基板運輸器（未圖示）接取基板230的背側（非有效）表面。當基板支撐件222處於升高或處理位置（如所示）時，複數個升舉銷267退回到基板支撐件222的基板接收表面下面以允許基板230擱置在其上。

穿過門271（例如，在一或多個側壁212之一中設置的狹縫閥）將基板230傳遞到基板支撐件222及從基板支撐件222傳遞基板230。此處，在圍繞門271的區域中的一或多個開口（例如，在門外殼中的開口）流體地耦合到淨化氣體源237，例如，氬氣源。淨化氣體用於防止處理及清洗氣體接觸及/或劣化圍繞門的密封件，因此延長其可用壽命。

基板支撐件222經配置為用於真空夾持，其中藉由將真空施加到基板230與基板接收表面之間的界面來將基板230固定到基板支撐件222。使用流體耦合到在基板支撐件222的基板接收表面中形成一或多個通道或埠的真空源272來施加真空。在其他實施例中，例如，其中處理腔室202經配置為用於直接電漿處理，基板支撐件222可經配置為用於靜電夾持。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，基板支撐件222包括耦合到偏壓電源供應器（未圖示）的一或多個電極（未圖示），該偏壓電源供應器諸如向其供應偏壓的連續波(continuous wave; CW) RF電源供應器或脈衝RF電源供應器。

如圖所示，基板支撐組件220之特徵在於雙區溫度控制系統以提供在基板支撐件222的不同區域內的獨立溫度控制。基板支撐件222的不同溫度控制區域對應於其上設置的基板230的不同區域。此處，溫度控制系統包括第一加熱器263及第二加熱器264。第一加熱器263在基板支撐件222的中心區域中設置，並且第二加熱器264從中心區域徑向向外設置以圍繞第一加熱器263。在其他實施例中，基板支撐件222可具有單個加熱器或多於兩個加熱器。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，基板支撐組件220進一步包括環形遮蔽環235，該環形遮蔽環用於防止在基板230的圓周斜邊上的非所要材料沉積。在將基板傳遞到基板支撐件222及從基板支撐件222傳遞基板期間，例如，當基板支撐組件220在降低位置（未圖示）中設置時，遮蔽環235擱置在處理體積215內的環形凸緣上。當基板支撐組件220在升高或處理位置中設置時，基板支撐件222的徑向向外表面與環形遮蔽環235接合，使得遮蔽環235外接在基板支撐件222上設置的基板230。此處，遮蔽環235成形為使得當基板支撐組件220處於升高的基板處理位置時遮蔽環235的徑向面向內部分在基板230的斜邊之上設置。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，基板支撐組件220進一步包括在基板支撐件222上設置的環形淨化環236以外接基板230。在彼等實施例中，當基板支撐組件220處於升高的基板處理位置時，遮蔽環235可在淨化環236上設置。通常，淨化環236之特徵在於與淨化氣體源237流體連通的複數個徑向向內開口。在基板處理期間，淨化氣體流動到藉由遮蔽環235、淨化環236、基板支撐件222、及基板230的斜邊界定的環形區域中以防止處理氣體進入環形區域並且導致基板230的斜邊上的非所要材料沉積。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理腔室202經配置為用於直接電漿處理。在彼等實施例中，噴淋頭218可電氣耦合到第一電源供應器231，諸如RF電源供應器，該第一電源供應器供應電力以點燃並且維持經由與其電容耦合而流動到處理區域221中的處理氣體的電漿。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理腔室202包含感應電漿產生器（未圖示），並且經由將RF電力感應耦合到處理氣體來形成電漿。

處理系統200有利地經配置為執行無空隙及無縫隙鎢間隙填充製程方案的鎢成核、氮電漿抑制處理、及主體鎢沉積製程中的每一者，而不從處理腔室202移除基板230。使用與處理腔室202流體耦合的氣體遞送系統204將用於執行間隙填充製程方案的獨立製程、及從處理腔室202的內表面清洗殘留物的氣體遞送到處理腔室202。

大體上，氣體遞送系統204包括一或多個遠端電漿源，此處為第一及第二自由基產生器206A~B、沉積氣體源240、及將自由基產生器206A~B及沉積氣體源240流體耦合到腔室蓋組件210的管道系統294（例如，複數個管道294A~F）。氣體遞送系統204進一步包括複數個隔離閥，此處為分別在自由基產生器206A~B與蓋板216之間設置的第一及第二閥290A~B，該等隔離閥可用於使自由基產生器206A~B中的每一者與處理腔室202流體隔離並且彼此流體隔離。

自由基產生器206A~B的每一者之特徵在於腔室主體280，該腔室主體界定如第2B圖所示的相應第一及第二電漿腔室體積281A~B。自由基產生器206A~B的每一者耦合到相應電源供應器293A~B。電源供應器293A~B用於點燃及維持從與之流體耦合的對應第一或第二氣體源287A~B遞送到電漿腔室體積281A~B的氣體的電漿282A~B。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，第一自由基產生器206A產生在氮電漿抑制處理製程中使用的自由基。例如，第一自由基產生器206A可用於點燃及維持來自從第一氣體源287A遞送到第一電漿腔室體積281A的不含鹵素的氣體混合物的處理電漿282A。第二自由基產生器206B可用於藉由點燃及維持來自從第二氣體源287B遞送到第二電漿腔室體積281B的含鹵素氣體混合物的清洗電漿282B來產生在腔室清洗製程中使用的清洗自由基。

通常，氮處理自由基具有相對較短的壽命（當與鹵素清洗自由基相比時）並且可呈現對由於與氣體遞送系統204中的表面及/或與處理電漿流出物的其他物質的碰撞而產生的重組的相對較高的敏感性。因此，在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，第一自由基產生器206A通常與第二自由基產生器206相比更靠近氣體入口223定位，例如，用於提供從第一電漿腔室體積281A到處理區域221的相對較短的行進距離。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，第一自由基產生器206A亦流體耦合到第二氣體源287B，該第二氣體源將含鹵素調節氣體遞送到第一電漿腔室體積281A以在電漿源調節製程中使用。在彼等實施例中，氣體遞送系統204可進一步包括複數個分流閥291，該等分流閥可操作以將來自第二氣體源287B的含鹵素氣體混合物導引至第一電漿腔室體積281A。

可用於自由基產生器206A~B中的一者或兩者的適宜遠端電漿源包括射頻(radio frequency; RF)或極高射頻(very high radio frequency; VHRF)電容耦合電漿(capacitively coupled plasma; CCP)源、感應耦合電漿(inductively coupled plasma; ICP)源、微波誘發(microwave-induced; MW)電漿源、電子迴旋加速器諧振(electron cyclotron resonance; ECR)腔室、或高密度電漿(high-density plasma; HDP)腔室。

如圖所示，第一自由基產生器206A藉由使用第一及第二管道294A~B流體耦合到處理腔室202，該等管道從氣體入口223向上延伸以與第一電漿腔室體積281A的出口連接。在第一及第二管道294A~B之間設置的第一閥290A用於使第一自由基產生器206A與處理腔室202及氣體遞送系統204的其他部分選擇性流體隔離。通常，第一閥290A在例如腔室清洗製程期間關閉以防止活化的清洗氣體（例如，鹵素自由基）流動到第一電漿腔室體積281A中並且破壞其表面。

藉由使用第三及第四管道294C~D，第二自由基產生器206B流體耦合到第二管道294B並且因此耦合到處理腔室202。藉由使用在第三及第四管道294C~D之間設置的第二閥290B，第二自由基產生器206B與處理腔室202及氣體遞送系統204的其他部分選擇性隔離。

使用第五管道294E將沉積氣體（例如，含鎢前驅物及還原劑）從沉積氣體源240遞送到處理腔室202。如圖所示，第五管道294E在靠近氣體入口223的位置處耦合到第二管道294B，使得第一及第二閥290A~B可用於相應地使第一及第二自由基產生器206A~B與引入處理腔室202中的沉積氣體隔離。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氣體遞送系統204進一步包括第六管道294F，該第六管道在靠近第二閥290B的位置處耦合到第四管道294D。第六管道294F流體耦合到旁通氣體源238，例如，氬(Ar)氣體源，該旁通氣體源可用於週期性淨化氣體遞送系統204諸多部分的非所要殘留清洗、抑制、及/或沉積氣體。

上文描述的處理系統200可用於執行操作340的成核、操作350的氮電漿抑制處理、及操作360~380的鎢間隙填充沉積操作中的每一者，因此提供單腔室無縫隙鎢間隙填充解決方案。

第3A圖至第3C圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的用於製造半導體元件的各種方法300A~C的流程圖。第4A圖至第4H圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的製造半導體元件的各個階段的視圖。儘管第4A圖至第4H圖關於方法300A-C描述，但將瞭解在第4A圖至第4H圖中揭示的結構不限於方法300A~C，而是替代地可單獨用作獨立於方法300A~C的結構。類似地，儘管方法300A~C關於第4A圖至第4H圖描述，將瞭解，方法300A~C不限於在第4A圖至第4H圖中揭示的結構，而是可獨立於在第4A圖至第4H圖中揭示的結構單獨成立。

參見方法300A，於操作310，提供了其中形成有特徵的基板。參見第4A圖，提供了基板，該基板可係半導體元件結構400，包括其上形成有一或多個層（例如，介電層420）的元件基板410。元件基板410可係或包括主體半導體基板、絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator; SOI)基板、或類似者，該主體半導體基板可係摻雜（例如，用p型摻雜劑或n型摻雜劑）或未摻雜的。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，元件基板410的半導體材料可包括元素半導體，例如，諸如矽(Si)或鍺(Ge)；化合物半導體，包括例如碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、及/或銻化銦；合金半導體，包括例如SiGe、GaAsP、AlInAs、GaInAs、GaInP、及/或GaInAsP；其組合、或類似者。元件基板410可包括額外材料，例如，矽化物層、金屬矽化物層、金屬層、介電層、蝕刻終止層、層間介電質、或其組合。

元件基板410可進一步包括積體電路元件（未圖示）。如熟習此項技術者將瞭解，各種各樣的積體電路元件（諸如電晶體、二極體、電容器、電阻器、類似者、或其組合）可在元件基板410中及/或上形成以產生所得半導體元件結構400的設計的結構及功能需求。

元件基板410具有前側410f（亦稱為前表面）及與前側410f相對的後側410b（亦稱為後表面）。介電層420在元件基板410的前側410f上方形成。介電層420可包括多個層。介電層420包括上表面420u或場區域。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，介電層420包括氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、其組合、或其多層。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，介電層420基本上由氧化矽組成。注意到，前述描述詞（例如，氧化矽）不應當解釋為揭示任何特定的化學計量比。由此，「氧化矽」及類似者將由熟習此項技術者理解為基本上由矽及氧組成的材料，而不揭示任何具體的化學計量比。

介電層420經圖案化以形成一或多個特徵422。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，可以從溝槽、通孔、孔洞、或其組合中選擇特徵422。在特定實施例中，特徵422係通孔。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，特徵422從介電層420的上表面420u延伸到元件基板410的前側410f。特徵422包括側壁表面422s及在側壁表面422s之間延伸的底表面422b。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，側壁表面422係漸縮的。側壁表面422s可藉由介電層420界定並且底表面可藉由元件基板410界定。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，側壁表面422s可藉由介電層420界定並且底表面亦可藉由介電層420界定。特徵422具有從上表面420u到底表面422b的第一深度「D1」、及在兩個側壁表面422s之間的寬度「W1」。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，深度D1係在2 nm至200 nm、3 nm至200 nm、5 nm至100 nm、2 nm至100 nm、或50 nm至100 nm的範圍中。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，寬度W1係在10 nm至100 nm、10 nm至20 nm、10 nm至50 nm、或50 nm至100 nm的範圍中。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，特徵422具有在1至20、5至20、10至20、或15至20的範圍中的深寬比(D/W)。

基板可傳遞到第一處理腔室（例如，在處理系統100上的基板處理腔室112、114、116、118、132、134、135、136、及138中的任一者）的處理區域中。第一處理腔室可係經配置為沉積鎢襯墊的PVD腔室。

於操作320，鎢層（例如，鎢襯墊430）經由第一處理腔室中的PVD製程在特徵的表面（例如，特徵422的表面）上方形成。鎢襯墊可用作黏著層、晶種層、及/或襯墊層中的一者。鎢襯墊430可係保形層或非保形層。

參見第4B圖，鎢襯墊430可在特徵422的側壁表面422s及底表面422b上方並且在介電層420的上表面420u或場區域上形成。鎢襯墊430可具有在從約1 Å至約100 Å的範圍中、或在從約20 Å至約80 Å的範圍中、或在從約50 Å至約60 Å的範圍中的初始厚度。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢襯墊430可係沿著例如側壁表面422s及/或底表面422b不連續的。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，如在第4B圖中描繪，鎢襯墊430可在特徵422的頂部開口423附近生長得較快，從而沿著介電層420的上表面420u及/或場區域產生懸垂部分434。懸垂部分434可部分阻礙或阻擋特徵422的頂部開口。懸垂部分434可將頂部開口的寬度從如第4A圖所示的W1減小到如第4B圖所示的W2。

於操作330，將基板從第一處理腔室傳遞到第二處理腔室而不破壞真空。第二處理腔室可用於執行本文描述的自底向上鎢間隙填充基板處理方法。第二處理腔室可係第2A圖至第2B圖所示的處理系統200。此處，處理系統200經配置為提供在單個處理腔室202內操作340的可選成核製程、操作350的氮電漿抑制處理製程、及操作360的選擇性間隙填充製程中的每一者所期望的不同處理條件，而不在複數個處理腔室之間傳遞基板。第二處理腔室可在第1圖所示的多腔室處理系統100上定位。第二處理腔室可係第一組一或多個基板處理腔室112、114、116、118中的一者及/或第二組一或多個處理腔室132、134、135、136、及138中的一者。

基板可在真空條件下從第一處理腔室傳遞到第二處理腔室而不破壞真空，例如經由第一傳遞腔室111中的第一傳遞機器人110及/或第二傳遞腔室131中的第二傳遞機器人130，取決於第一處理腔室及第二處理腔室的位置。

於操作340，視情況，成核層（例如，成核層440）在第二處理腔室中在特徵（例如，特徵422）上方形成。參見第4C圖，成核層440可在特徵422的表面上方（例如，在鎢襯墊430的表面上方）形成。成核層440可用作金屬填充材料的後續沉積的晶種層。此外，在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，其中先前沉積的鎢襯墊430係例如沿著側壁表面422s不連續的，成核層440可修復鎢襯墊430的不連續部分。成核層440可包括或係用於促進後續沉積的金屬填充材料的生長的任何適宜材料。成核層440可以包括或係金屬、金屬-硼化物（例如，硼化鎢(BW)）、或類似者。成核層440可藉由用於形成含鎢成核層的任何適宜製程形成。任何適宜成核層沉積製程（諸如ALD、CVD、循環化學氣相沉積(cyclic chemical vapor deposition; CCVD)製程、或混合ALD/CVD製程）可用於形成含鎢成核層。在一個實例中，ALD製程的一個循環包括硼脈衝/硼淨化/鎢脈衝/鎢淨化。ALD製程可重複達足以沉積目標厚度的成核層的任何數量的循環。在一個實例中，ALD循環重複達3至5個循環。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，成核層440可包括或係含鎢成核層，例如，硼-鎢(BW)成核層、硼-矽-鎢(BSW)成核層、或矽-鎢(SW)成核層。成核層440可係保形層。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢襯墊430具有形成於其上的成核層440，例如，其上形成有硼-鎢成核層的鎢襯墊層。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢襯墊430及成核層440可獨立或一起稱為含鎢層或底層446，如第4C圖中描繪。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，於操作340形成成核層440包括將半導體元件結構400暴露於以第一前驅物氣體流動速率的含鎢前驅物氣體，接著將半導體元件結構400暴露於還原劑。還原劑可包括硼並且以還原劑流動速率引入處理區域221。含鎢前驅物氣體及還原劑可以還原劑流動速率交替地循環來在特徵422內的半導體元件結構400上方形成成核層440。還原劑及含鎢前驅物氣體可循環地交替，開始於還原劑或含鎢前驅物氣體，並且結束於相同的開始氣體或結束於與開始氣體不同的氣體。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，還原劑或含鎢前驅物氣體循環地交替，開始於含鎢前驅物氣體並且結束於還原劑。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，成核層440使用ALD製程沉積。ALD製程包括交替地將特徵422暴露於含鎢前驅物及將特徵422暴露於還原劑的重複循環。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，在交替暴露之間淨化處理區域221。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，連續地淨化處理區域221。適宜的含鎢前驅物的實例包括鹵化鎢，諸如六氟化鎢(WF ₆)、六氯化鎢(WCl ₆)、或其組合。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，含鎢前驅物包括WF ₆，並且還原劑包括含硼試劑，諸如B ₂H ₆。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，半導體元件結構400可在操作340的成核沉積製程之前或期間加熱。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，基板可在從約攝氏250度至約攝氏550度的溫度、或在從約攝氏350度至約攝氏450度的範圍中的溫度下加熱。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，在操作340的成核層沉積製程期間，處理區域221維持在小於或約120托的壓力下，諸如在從約900毫托至約120托的範圍中、在從約1托至約100托的範圍中、或例如在從約1托至約50托的範圍中。將半導體元件結構400暴露於含鎢前驅物包括使含鎢前驅物以約100 sccm或更小，諸如在從約10 sccm至約60 sccm的範圍中、或在從約20 sccm至約80 sccm的範圍中的流動速率流動到處理區域221中。將半導體元件結構400暴露於還原劑包括使還原劑以在從約200 sccm至約1000 sccm的範圍中，諸如在從約300 sccm至約750 sccm的範圍中的流動速率流動到處理區域221中。應當注意，本文描述的各種沉積及處理製程的流動速率係用於經配置為處理300 mm直徑基板的處理系統。適當的縮放可用於經配置為處理不同大小的基板的處理系統。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，含鎢前驅物及還原劑各自流動到處理區域221中達在從約0.1秒至約10秒的範圍中，諸如在從約0.5秒至約5秒的範圍中的持續時間。處理區域221可藉由使淨化氣體（諸如氬(Ar)或氫氣）流動到處理區域221中達在從約0.1秒至約10秒的範圍中，諸如在從約0.5秒至約5秒的範圍中的持續時間來在交替暴露之間淨化。通常，成核製程的重複循環繼續，直到成核層440具有在從約10 Å至約200 Å的範圍中，諸如在從約10 Å至約150 Å的範圍中、或在從約20 Å至約150 Å的範圍中的厚度。成核層440沿著特徵422的側壁表面422s及或底表面422b設置，諸如在鎢襯墊430上方設置。成核層440亦可貢獻在操作320期間藉由鎢層形成的懸垂部分434的厚度。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，其中執行操作340，在進行到操作350之前淨化第二處理。

於操作350，將基板暴露於氮電漿抑制處理。參見第4D圖，藉由沿著上表面420u或場區域、懸垂部分434、並且在特徵422內部沿著側壁表面422s形成氮鈍化層454，同時使底表面422b實質上未經塗佈，操作350的氮電漿抑制處理製程利用基於離子及/或自由基的氮電漿以實現保形處理。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，如第4D圖所示，鈍化層454塗佈成核層440。氮鈍化層454抑制後續沉積的金屬填充材料沿著鈍化區域（例如，上表面420u、懸垂部分434、及/或側壁表面422s）的生長，同時實現從底表面422b上方形成的成核層440或鎢襯墊430（若成核層440不存在）的自底向上生長。鈍化層454可沿著側壁表面422s的長度（對應於深度「D1」）部分形成。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，操作350的氮電漿抑制處理製程可包括將底層的一部分（例如，鎢襯墊430及/或成核層440中的一者）暴露於氮電漿抑制處理製程。在操作350期間，將基板暴露於處理氣體的活化物質，例如，來自遠端電漿源的氮處理自由基。可用於氮電漿抑制製程的適宜處理氣體包括N ₂、H ₂、NH ₃、NH ₄、O ₂、CH ₄、NO、NO ₂、N ₂H ₄、NF ₃、或其組合。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理氣體包括氮，例如，N ₂、N ₂/H ₂、NH ₃、NH ₄、NO、NO ₂、N ₂H ₄、NF ₃、或其組合，並且活化物質包括氮自由基，例如，原子氮。處理氣體可進一步包括惰性氣體，例如，氬(Ar)、氦(He)、氪(Kr)、或其組合。在特定實施例中，處理氣體包括氬(Ar)及氮(N ₂)。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿抑制處理製程係感應耦合電漿製程。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿抑制處理製程係電容耦合電漿製程。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿在遠端電漿源(RPS)中形成。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿在處理區域221內產生（例如，直接電漿）。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿抑制處理製程包括將底層246暴露於由包括含氮氣體的處理氣體形成的電漿。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，電漿處理製程包括將成核層暴露於來自由處理氣體形成的ICP電漿的自由基，該處理氣體包括含氮氣體（例如，N ₂）及惰性氣體（例如，Ar）。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，電漿處理製程可以包括將底層暴露於在RPS中形成的電漿，形成包括N ₂及Ar中的一或多者的處理氣體。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，氮電漿抑制處理製程可以包括將成核層暴露於包括大量自由基（氮自由基）或大量離子（氮離子）的電漿。

不意欲受理論束縛，咸信在用自由基處理期間形成的活化氮物質藉由吸附活化氮物質及/或藉由與成核層440或鎢襯墊430的金屬鎢反應以形成氮化鎢(WN)表面（稱為氮鈍化層454）而併入到成核層440（若存在）的部分中、或鎢襯墊430（若成核層440不存在）的部分中。鎢襯墊430或成核層440的吸附氮及/或氮化表面期望地延遲（抑制）進一步的鎢成核及因此其上的後續鎢沉積。

參見第2A圖至第2B圖，在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，將底層446暴露於處理自由基包括使用第一自由基產生器206A形成實質上無鹵素的處理氣體混合物的處理電漿282A、及使處理電漿282A的流出物流動到處理區域221中。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理氣體混合物到第一自由基產生器206A中的流動速率、及因此處理電漿流出物（諸如氮氣）到處理區域221中的流動速率係約1 sccm與約3000 sccm，諸如約1 sccm與約2500 sccm、諸如約1 sccm與約2000 sccm、諸如約1 sccm與約1000 sccm、諸如約1 sccm與約500 sccm、諸如約1 sccm與約300 sccm、諸如約1 sccm與約100 sccm、諸如約1 sccm與約75 sccm、諸如約1 sccm與約50 sccm。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，抑制處理製程包括將半導體元件結構400暴露於處理自由基達約2秒或更多，諸如約2秒至約30秒、諸如約5秒至約20秒、諸如約5秒至約10秒的週期。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，在處理氣體混合物中的實質上無鹵素的處理氣體的濃度係約0.1體積%至約50體積%，諸如約0.2體積%至約40體積%、約0.2體積%至約30體積%、約0.2體積%與約20體積%，或例如，諸如約0.2體積%與約10體積%，諸如約0.2體積%與約5體積%。處理氣體混合物的剩餘部分可係惰性氣體。惰性氣體可係例如氬(Ar)、氦(He)、氪(Kr)、或類似者。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理氣體包括氮(N ₂)及氬(Ar)。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理氣體僅由氮(N ₂)及氬(Ar)組成。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，處理氣體可主要由氮(N ₂)及氬(Ar)構成或可基本上由氮(N ₂)及氬(Ar)組成。

參見第2A圖至第2B圖，在其他實施例中，處理自由基可使用遠端電漿源（未圖示）形成，該遠端電漿源點燃並且藉由噴淋頭218維持與處理區域221分離，諸如在噴淋頭218與蓋板216之間。在彼等實施例中，活化的處理氣體可在處理自由基到達處理區域221及半導體元件結構400的表面之前穿過離子過濾器流動以從其移除實質上所有離子。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，噴淋頭218可用作離子過濾器。在其他實施例中，用於形成處理自由基的電漿係在噴淋頭218與半導體元件結構400之間的處理區域221中形成的原位電漿。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，例如，當使用原位處理電漿時，可偏置半導體元件結構400以控制方向性及/或朝向基板表面加速由處理氣體形成的離子，例如，帶電處理自由基。在其他實施例中，將半導體元件結構400暴露於活化物質，而不在無偏置製程中偏置半導體元件結構400。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，半導體元件結構400可在操作350的氮電漿抑制處理製程之前或期間加熱。例如，在至少約攝氏250度、或至少約攝氏350度的溫度下加熱半導體元件結構400可促進底層246的氮電漿抑制處理的功效。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，基板可在從約攝氏250度至約攝氏550度的溫度、或在從約攝氏350度至約攝氏450度的範圍中的溫度下加熱。實際最大基板溫度可基於硬體限制及/或所處理基板的熱預算來變化。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，抑制處理製程包括將處理區域221維持在小於約100托的壓力下，同時使活化處理氣體流動到其中。例如，在抑制處理製程期間，處理區域221可維持在約20托或更小、或在從約100毫托至約10托的範圍中、或在從約0.5托至約10托的範圍中、或在從約0.5托至約5托的範圍中、或在從約1托至約5托的範圍中的壓力下。

於操作360，鎢間隙填充材料464視情況經由自底向上金屬填充製程至少部分沉積到如第4E圖所示的特徵422中。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，自底向上鎢填充製程可完全填充特徵422，如第4G圖所示。

在其他實施例中，自底向上金屬填充製程可於操作370部分填充特徵422，接著如第4E圖所示於操作380的氮電漿抑制處理製程，如第4F圖所示。於操作380的氮電漿抑制處理製程可類似於操作350的氮電漿抑制處理製程執行。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，在操作350期間形成的氮鈍化層454可在一定時間量之後耗散。於操作380的氮電漿抑制處理製程在側壁表面422s、懸垂部分434、及上表面420u或場區域上方的暴露表面上重新形成氮鈍化層454，如第4E圖所示。於操作380重新形成氮鈍化層使得自底向上鎢填充能夠用鎢間隙填充材料464繼續。操作370及操作380可重複，直到將特徵422填充到目標位準，如第4G圖所示。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢間隙填充材料464使用CVD製程形成，包括並發地使含鎢前驅物氣體、及還原劑流動（共同流動）到處理區域中並且將半導體元件結構400暴露於該含鎢前驅物氣體、及還原劑。用於鎢間隙填充CVD製程的含鎢前驅物及還原劑可包括本文描述的含鎢前驅物及還原劑的任何組合。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，含鎢前驅物包括WF ₆，並且還原劑包括氫氣。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢間隙填充材料464部分填充特徵422。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，含鎢前驅物以在從約10 sccm至約1200 sccm的範圍中、或大於約50 sccm、或小於約1000 sccm、或在從約100 sccm至約900 sccm的範圍中的流動速率流動到處理區域221中。還原劑以大於約500 sccm，諸如大於約750 sccm、大於約1000 sccm、或在從約500 sccm與約10000 sccm的範圍中、諸如在從約1000 sccm至約9000 sccm的範圍中、或在從約1000 sccm與約8000 sccm的範圍中的速率流動到處理區域221中。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，當與習知鎢CVD製程相比時，鎢間隙填充CVD製程條件經選擇以提供具有相對低的殘留膜應力的鎢特徵。例如，在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，鎢間隙填充CVD製程包括在約250℃或更大，諸如約300℃或更大、或在從約250℃至約500℃的範圍中、或在從約攝氏350度至約攝氏450度的範圍中的溫度下加熱基板。在CVD製程期間，處理區域221可維持在小於約500托、小於約600托、小於約500托、小於約400 Tor、或在從約1托至約500托的範圍中、諸如在從約1托至約450托的範圍中、或在從約1托至約400托的範圍中、或例如在從約1托與約300托的範圍中的壓力下。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，操作350在從約0.1毫托至約5托的範圍中的低壓下執行並且操作360在從約10托至約300托的範圍中的較高壓力下執行。

在另一實施例中，鎢間隙填充材料464於操作360使用原子層沉積(ALD)製程沉積。鎢間隙填充ALD製程包括交替地將半導體元件結構400暴露於含鎢前驅物氣體及還原劑並且在交替暴露之間淨化處理區域221的重複循環。

含鎢前驅物及還原劑各自流動到處理區域221中達在約0.1秒與約10秒之間，諸如在約0.5秒與約5秒之間的持續時間。處理區域221可藉由使惰性淨化氣體（諸如氬(Ar)或氫）流動到處理區域221中達在從約0.1秒至約10秒的範圍中，諸如在從約0.5秒至約5秒的範圍中的持續時間來在交替暴露之間淨化。

在其他實施例中，鎢間隙填充材料464使用脈衝CVD方法沉積，該脈衝CVD方法包括交替地將半導體元件結構400暴露於含鎢前驅物氣體及還原劑而不淨化處理區域221的重複循環。用於鎢間隙填充的脈衝CVD製程的處理條件可係與上文針對鎢間隙填充ALD製程描述的彼等相同、實質上相同、或在相同的範圍內。

在操作380之後，半導體元件結構400可暴露於額外處理。在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，額外處理包括平坦化製程，例如，可執行化學機械拋光(chemical mechanical polishing; CMP)製程或回蝕製程以移除在介電層420的上表面420u上的導電材料（若存在）的過量部分或額外負擔。在完成平坦化製程之後，鎢間隙填充材料464的頂表面484可與介電層的上表面420u以及成核層440及鎢襯墊430的頂表面共面或齊平，如第4H圖所示。

在可以與其他實施例相結合的一個實施例中，如第4H圖所示，一或多個鎢層430、成核層440、及鎢間隙填充材料464係整塊的並且其間不具有界面。鎢間隙填充材料464、鎢襯墊430、及/或成核層440一起形成鎢間隙填充層或含鎢層。

參見第3B圖，方法300B描繪了另一操作序列。方法300B類似於方法300A，不同之處在於方法300B省略在操作340期間形成的成核層。因此，在方法300B期間，操作350的氮電漿抑制處理製程直接在操作330期間形成的鎢襯墊層上執行。

參見第3C圖，方法300C描繪了另一操作序列。方法300C類似於方法300A，不同之處在於方法300C包括在操作330之後並且在操作340之前執行的操作350的額外氮電漿抑制處理製程。因此，在方法300C期間，操作350的氮電漿抑制處理製程直接在操作330期間形成的鎢襯墊層上執行並且亦直接在操作340期間形成的成核層上執行。

實施例可以包括以下潛在優點中的一或多個。本文描述的各種實施例闡明了用於PVD鎢襯墊、接著氮電漿抑制處理製程、接著CVD鎢填充的積體解決方案，此實現非常小結構中的無縫通孔填充，例如，通孔大小小於15奈米。各個實施例消除了高電阻率層，例如，TiN阻障層、成核層、及在真空破壞期間形成的氧化鎢。消除此等高電阻率層使元件電阻率改進約30%。另外，氧化鎢的減少有助於減少CMP缺陷。各個實施例使得氮電漿抑制處理能夠直接在PVD鎢襯墊上執行，此幫助實現無縫鎢間隙填充。

在發明內容及實施方式、以及申請專利範圍及附圖中，參考本揭示的特定特徵（包括方法操作）。將理解，本說明書中的揭示內容包括此種特定特徵的所有可能組合。例如，在本揭示的特定態樣或實施例或特定請求項的上下文中揭示了特定特徵的情況下，彼特徵亦可以在可能的程度上與本揭示的其他特定態樣及實施例的上下文結合使用及/或在該上下文中使用，並且通常在本揭示中使用。

在本說明書中，當範圍給出為「（第一數字）至（第二數字）」或「（第一數字）-（第二數字)」時，此意味著其下限為第一數字及其上限為第二數字的範圍。例如，25至100 mm意味著其下限為25 mm並且其上限為100 mm的範圍。

在本說明書中描述的實施例及所有功能操作可以在數位電子電路系統中實施，或在電腦軟體、韌體、或硬體中實施，包括在本說明書中揭示的結構構件及其結構等效物、或其等的組合。本文描述的實施例可以實施為一或多個非暫時性電腦程式產品，亦即，有形地體現在機器可讀取儲存裝置中的一或多個電腦程式，用於藉由資料處理設備執行、或控制資料處理設備的操作，該資料處理設備例如可程式設計處理器、電腦、或多個處理器或電腦。

本說明書中描述的製程及邏輯流程可以藉由一或多個可程式設計處理器執行，該等可程式設計處理器執行一或多個電腦程式以藉由對輸入資料進行操作並且產生輸出來執行功能。製程及邏輯流亦可以藉由專用邏輯電路執行，並且設備亦可以實施為專用邏輯電路系統，例如，FPGA（現場可程式設計閘陣列）或ASIC（特殊應用積體電路）。

術語「資料處理設備」涵蓋用於處理資料的所有設備、元件及機器，藉由實例的方式包括可程式設計處理器、電腦、或多個處理器或電腦。除了硬體之外，設備可以包括建立有問題的電腦程式的執行環境的代碼，例如，構成處理器韌體、協定堆疊、資料庫管理系統、作業系統、或其等的一或多個的組合的代碼。適用於執行電腦程式的處理器藉由實例的方式包括通用及專用微處理器、及任何種類的數位電腦的任何一或多個處理器。

適用於儲存電腦程式指令及資料的電腦可讀取媒體包括所有形式的非揮發性記憶體、媒體及記憶體元件，藉由實例的方式包括半導體記憶體元件，例如，EPROM、EEPROM、及快閃記憶體元件；磁碟，例如，內部硬碟或可移除碟；磁光碟；以及CD ROM及DVD-ROM碟。處理器及記憶體可以藉由專用邏輯電路系統補充或整合到專用邏輯電路系統中。

術語「包含」、「包括」及「具有」及其語法等同物在本文中用於意味著視情況存在其他部件、成分、操作等。例如，用詞「包含」（或「其包含」）組分A、B、及C可以由組分A、B、及C組成（亦即，僅含有組分A、B、及C），或可以不僅含有組分A、B、及C，亦含有一或多種其他組成。此外，每當組成物、元素或元素群組之前有過渡性片語「包含」或其語法等同物時，將理解，亦預期相同的組成物或元素群組之前可能有過渡性片語「基本上由…組成」、「由…組成」、「選自由…組成的群組」、或「係」在組成物、元素、或多種元素的敘述之前，並且反之亦然。

在本文中參考包含兩個或多個定義操作的方法的情況下，定義操作可以任何順序或同時進行（除了上下文排除彼可能性的情況之外），並且方法可以包括在任何定義操作之前、在所個定義操作之間、或在所有定義操作之後進行的一或多個其他操作（除了上下文排除彼可能性的情況之外）。

當引入本揭示或其示例性態樣或實施例的元素時，冠詞「一(a)」、「一(an)」、「該(the)」、及「該(said)」意欲意味著存在一或多個該等元素。

儘管上述內容涉及本揭示的實施例，本揭示的其他及進一步實施例可在不脫離其基本範疇的情況下設計，並且其範疇由以下申請專利範圍決定。

100:多腔室處理系統 102:裝載閘腔室 104:裝載閘腔室 110:第一傳遞機器人 111:第一傳遞腔室 112:基板處理腔室 114:基板處理腔室 116:基板處理腔室 118:基板處理腔室 122:貫穿腔室 124:貫穿腔室 130:第二傳遞機器人 131:第二傳遞腔室 132:基板處理腔室 134:基板處理腔室 135:基板處理腔室 136:基板處理腔室 138:基板處理腔室 180:系統控制器 182:中央處理單元(CPU) 184:記憶體 186:支援電路 200:處理系統 202:處理腔室 204:氣體遞送系統 206A:第一自由基產生器 206B:第二自由基產生器 210:腔室蓋組件 212:側壁 214:腔室基底 215:處理體積 216:蓋板 217:排氣裝置 218:噴淋頭 219:氣體分配體積 220:基板支撐組件 221:處理區域 222:基板支撐件 223:氣體入口 225:穿孔阻擋板 226:第一環形襯墊 227:環形通道 228:第二襯墊 229:加熱器 230:基板 231:第一電源供應器 232:開口 235:環形遮蔽環 236:環形淨化環 237:淨化氣體源 238:旁通氣體源 240:沉積氣體源 262:可移動支撐軸件 263:第一加熱器 264:第二加熱器 265:波紋管 266:升舉銷組件 267:升舉銷 268:升舉銷箍 271:門 272:真空源 280:腔室主體 281A:第一電漿腔室體積 281B:第二電漿腔室體積 282A:處理電漿 282B:清洗電漿 287A:第一氣體源 287B:第二氣體源 290A:第一閥 290B:第二閥 291:分流閥 293A:電源供應器 293B:電源供應器 294A:第一管道 294B:第二管道 294C:第三管道 294D:第四管道 294E:第五管道 294F:第六管道 300A:方法 300B:方法 300C:方法 310:操作 320:操作 330:操作 340:操作 350:操作 360:操作 370:操作 380:操作 400:半導體元件結構 410:元件基板 410b:後側 410f:前側 420:介電層 420u:上表面 422:特徵 422b:底表面 422s:側壁表面 430:鎢襯墊 434:懸垂部分 440:成核層 446:底層 454:氮鈍化層 464:鎢間隙填充材料 484:頂表面 D1:第一深度 W1:寬度 W2:寬度

為了能夠詳細理解本揭示的上述特徵所用方式，可參考實施例進行對上文簡要概述的態樣的更特定描述，一些實施例在附圖中示出。然而，將注意，附圖僅示出本揭示的常見實施例，並且由此不被認為限制其範疇，因為本揭示可允許其他等同有效的實施例。

第1圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的多腔室處理工具的一個實例的示意性俯視圖。

第2A圖係根據本揭示的一或多個實施例的可用於實施本文闡述的方法的處理系統的示意性側視圖。

第2B圖係根據本揭示的一或多個實施例的第2A圖所示的處理系統的一部分的特寫剖面圖。

第3A圖至第3C圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的用於製造半導體元件的方法的流程圖。

第4A圖至第4H圖示出了根據本揭示的一或多個實施例的製造半導體元件的各個階段的視圖。

為了促進理解，相同元件符號在可能的情況下已經用於標識圖中共有的相同元件。可以預期，一個實施例的元件及特徵可有利地併入其他實施例中，而無需進一步敘述。

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

370:操作

400:半導體元件結構

410:元件基板

410b:後側

410f:前側

420:介電層

420u:上表面

422:特徵

422b:底表面

422s:側壁表面

430:鎢襯墊

434:懸垂部分

440:成核層

446:底層

454:氮鈍化層

464:鎢間隙填充材料

Claims (20)

1. 一種用於處理一半導體元件結構的方法，包含以下步驟： 將在一基板中形成的至少一個特徵暴露於一物理氣相沉積(PVD)製程以在該至少一個特徵上方沉積一鎢襯墊層，其中該PVD製程在一第一處理腔室的一第一處理區域中執行並且該至少一個特徵藉由側壁表面及在該等側壁表面之間延伸的一底表面界定； 將該基板從該第一處理腔室的該第一處理區域傳遞到一第二處理腔室的一第二處理區域而不破壞真空； 將該鎢襯墊層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以鈍化該鎢襯墊層的暴露部分，其中沿著該底表面形成的該鎢襯墊層保持實質上未經鈍化；以及 將該特徵暴露於一含鎢前驅物氣體以在該第二處理區域中的該至少一個特徵內的該鎢襯墊層上方形成一鎢填充層，包含優先地使該鎢填充層從沿著該底表面形成的該鎢襯墊層生長。
2. 如請求項1所述的方法，其中將該特徵暴露於該含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層之步驟包含一化學氣相沉積(CVD)製程。
3. 如請求項1所述的方法，其中將該鎢襯墊層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基之步驟包含以下步驟： 在一遠端電漿源(RPS)中產生包含含氮自由基的一電漿，其中該電漿由包含氮的一處理氣體及一惰性氣體形成；以及 使該等含氮自由基流動到其中設置該基板的該第二處理腔室的該第二處理區域中。
4. 如請求項3所述的方法，進一步包含以下步驟：在使含氮自由基流動到該第二處理區域中之前使包含該等含氮自由基的該電漿穿過一離子過濾器流動以從該電漿移除實質上所有離子。
5. 如請求項4所述的方法，其中該處理氣體包含從約5%至約20%的氮及氬。
6. 如請求項1所述的方法，進一步包含以下步驟：交替將該鎢襯墊層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以鈍化該鎢襯墊層的暴露部分及將該特徵暴露於該含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層。
7. 一種用於處理一半導體元件結構的方法，包含以下步驟： 將在一基板中形成的至少一個特徵暴露於一物理氣相沉積(PVD)製程以在該至少一個特徵上方沉積一鎢襯墊層，其中該PVD製程在一第一處理腔室的一第一處理區域中執行並且該至少一個特徵藉由側壁表面及在該等側壁表面之間延伸的一底表面界定； 將該基板從該第一處理腔室的該第一處理區域傳遞到一第二處理腔室的一第二處理區域而不破壞真空； 將該鎢襯墊層暴露於一第一含鎢前驅物及一還原劑以在該第二處理區域中的該鎢襯墊層上方形成一硼-鎢成核層； 將該硼-鎢成核層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以鈍化該硼-鎢成核層的暴露部分；以及 將該特徵暴露於一第二含鎢前驅物氣體以在該第二處理區域中的該至少一個特徵內的該硼-鎢成核層上方形成一鎢填充層。
8. 如請求項7所述的方法，其中將該特徵暴露於該第二含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層之步驟包含一化學氣相沉積(CVD)製程。
9. 如請求項7所述的方法，其中將該硼-鎢成核層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基之步驟包含以下步驟： 在一遠端電漿源(RPS)中產生包含含氮自由基的一電漿，其中該電漿由包含氮的一處理氣體及一惰性氣體形成；以及 使該等含氮自由基流動到其中設置該基板的該第二處理腔室的該第二處理區域中。
10. 如請求項9所述的方法，進一步包含以下步驟：在使含氮自由基流動到該第二處理區域中之前使包含該等含氮自由基的該電漿穿過一離子過濾器流動以從該電漿移除實質上所有離子。
11. 如請求項10所述的方法，其中該處理氣體包含從約5%至約20%的氮並且該剩餘部分為該惰性氣體，該惰性氣體係氬。
12. 如請求項7所述的方法，進一步包含以下步驟：交替將該硼-鎢成核層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以鈍化該鎢襯墊層的暴露部分及將該特徵暴露於該第二含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層。
13. 如請求項7所述的方法，其中將該鎢襯墊層暴露於該第一含鎢前驅物及該還原劑之步驟包含以下步驟：交替將該鎢襯墊層暴露於該第一含鎢前驅物及該還原劑的重複循環。
14. 如請求項13所述的方法，其中該第一含鎢前驅物係WF ₆並且該含還原劑係B ₂H ₆。
15. 一種用於處理一半導體元件結構的方法，包含以下步驟： 將在一基板中形成的一特徵的一頂部開口暴露於一物理氣相沉積(PVD)製程以在該特徵內沉積一鎢襯墊層，其中該PVD製程在一第一處理腔室的一第一處理區域中執行並且該鎢襯墊層形成部分阻礙該特徵的該頂部開口的一懸垂部分； 將該基板從該第一處理腔室的該第一處理區域傳遞到一第二處理腔室的一第二處理區域而不破壞真空； 將該懸垂部分暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以抑制沿著該懸垂部分的鎢的後續生長；以及 將該特徵暴露於一含鎢前驅物氣體以在該第二處理區域中的該特徵內的該鎢襯墊層上方形成一鎢填充層。
16. 如請求項15所述的方法，其中將該特徵暴露於該含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層之步驟包含一化學氣相沉積(CVD)製程。
17. 如請求項15所述的方法，其中將該鎢襯墊層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基之步驟包含以下步驟： 在一遠端電漿源(RPS)中產生包含含氮自由基的一電漿，其中該電漿由包含氮的一處理氣體及一惰性氣體形成；以及 使該等含氮自由基流動到其中設置該基板的該第二處理腔室的該第二處理區域中。
18. 如請求項17所述的方法，進一步包含以下步驟：在使含氮自由基流動到該第二處理區域中之前使包含該等含氮自由基的該電漿穿過一離子過濾器流動以從該電漿移除實質上所有離子。
19. 如請求項18所述的方法，其中該處理氣體包含從約5%至約20%的氮並且該剩餘部分為該惰性氣體，該惰性氣體係氬。
20. 如請求項15所述的方法，進一步包含以下步驟：交替將該鎢襯墊層暴露於該第二處理區域中的含氮自由基以鈍化該鎢襯墊層的暴露部分及將該特徵暴露於該含鎢前驅物氣體以在該鎢襯墊層上方形成該鎢填充層。

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