TWI493058B - 鎢材料的原子層沈積法 - Google Patents

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Description

鎢材料的原子層沈積法
本發明的實施例係關於基材的處理，更具體地，係關於使用氣相沉積處理在基材上沉積鎢層。
半導體製程工業，以及其他應用基材處理技術的工業，不斷努力追求更大的產量同時增加在具有更大表面積之基材上沉積層的均勻性。這些相同因素搭配新材料亦提供基材的每單位面積電路的更高整合度。隨著電路整合度增加，對更大的均勻性和處理控制相關層厚度的需要也增加。因此，已經開發了各種技術以低成本高效率的方式在基材上沉積層，同時維持對該層特徵的控制。
化學氣相沉積(CVD)是一種用於在基材上沉積層的最常用沉積處理之一。CVD是流量相關沉積技術，其要求精確控制基材溫度和導入到處理室的前驅物以便形成均勻厚度的所需層。這些要求隨著基材尺寸的增加變得更加關鍵，致使需要更加複雜的腔室設計和氣體流動技術以維持充分的均勻性。
具有優異階梯覆蓋的CVD的一種變體是迴圈(cyclical)沉積或原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)。迴圈沉積是基於原子層磊晶法(atomic layer epitaxy,ALE)並應用化學吸附技術以在連續迴圈中將前驅物分子輸送到基材表面上。該迴圈將基材表面暴露於第一 前驅物、潔淨氣體、第二前驅物和潔淨氣體。第一和第二前驅物反應以在基材表面上形成產物化合物的薄膜。重復該迴圈以形成預期厚度的層。
在高沉積速率下形成薄膜層同時提供充分的階梯覆蓋是矛盾的特徵，通常需要犧牲一個特徵來獲得另一特徵。當互連由介電層分開的相鄰金屬層之接觸(contact)形成期間難熔金屬層沉積在間隙或通孔上時，這種矛盾尤其存在。歷史上來看，CVD技術已經被應用於沉積導電材料(例如，難熔金屬)以便經濟且快速形成接觸。由於半導體電路不斷增加整合度，基於優異的階梯覆蓋而使用鎢。因此，應用CVD技術沉積鎢由於該處理的高產量而在半導體處理中享有廣泛的應用。
然而，通過傳統的CVD方法沉積鎢，附帶有多個缺點。例如，ALD處理在含高深寬比(例如，20)的通孔中沉積鎢膜，然而傳統的CVD處理通常將造成相似的通孔「封口(pinch－off)」且不完全填充。另外，在半導體晶片上鎢層的覆蓋沉積在低於400℃下是耗時的。可通過將沉積溫度升高到例如約500℃到約550℃而增加鎢的沉積速率。然而，這種較高的溫度範圍可能危及即將形成之積體電路下覆部分的結構和操作整合性。在製造處理期間使用鎢亦不利於微影製程步驟，原因在於其導致相對粗糙的表面，其具有矽70%或更少的反射率(取決於厚度和波長)。另外，鎢還被證實難以均勻沉積。不良的表面均勻性通常增加膜電阻率。
因此，需要一種應用ALD處理沉積具有良好均勻性、沒有或最少污染物，以及高電導率或低電阻率的含鎢材料的改進方法。
本發明實施例提供一種用於沉積含鎢材料的改良處理。該處理使用浸泡(soak)處理和氣相沉積處理(例如，原子層沉積(ALD))以提供具有顯著改善的電導率、表面均勻性、以及產物產量的含鎢材料。在一個實施例中，提供一種用於在基材上形成含鎢材料的方法，該方法包括在處理室內放置基材，其中該基材包含配置在其上的下覆層(underlayer)，在原子層沉積處理期間將基材依序暴露於鎢前驅物和還原氣體以在下覆層上沉積鎢成核層，其中還原氣體包括約40：1或更高的氫氣/氫化物流速比，以及在鎢成核層上沉積鎢塊層(bulk layer)。還原氣體包括氫化物，諸如矽烷、二矽烷、二硼烷、磷化氫及其衍生物或組合物。
在一些實施例中，還原氣體的氫氣/氫化物流速比係約100：1或更高，例如約500：1或更高，諸如約800：1、約1000：1、約1200：1或更高。氫化物的流速可在從約1 sccm到約40 sccm的範圍，優選地，從約3 sccm到約30 sccm，以及更優選地，從約5 sccm到約15 sccm。還原氣體包含具有流速從約1 slm到約20 slm之範圍的氫氣，優選地，從3 slm到約15 slm，更優選地，從約5 slm到約 10 slm。
在一些實施例中，該方法進一步包括在沉積鎢成核層之前，在預浸泡處理期間將下覆層暴露於包含還原試劑的預浸泡氣體。在其他實施例中，該方法可包括在後浸泡處理期間將鎢成核層暴露於包含還原試劑的後浸泡氣體。該還原試劑可包括矽烷、二矽烷、二硼烷、磷化氫及其衍生物或組合。基材可暴露於還原試劑的時間長度從約5秒到約60秒的範圍內，優選地，從約10秒到約30秒，更優選地，從約15秒到約20秒。在一些實施例中，預浸泡氣體或後浸泡氣體可獨立包含約40：1或更高的氫氣/氫化物流速比，諸如約100：1、約500：1、約800：1、約1000：1、約1200：1或更高。
在一些實施例中，在ALD處理期間、預浸泡期間或後浸泡期間，可將基材加熱到溫度從約200℃到約600℃的範圍內，優選地，從約300℃到約500℃，更優選地，從約350℃到約420℃，以及更優選地，從約375℃到約400℃。在ALD處理期間、預浸泡期間和/或後浸泡期間，處理室的內部體積壓力可在從約1托(Torr)到約300托的範圍內，優選地，從約1托到約100托，更優選地，從約10托到約50托，以及更優選地，從約20托到約40托。
可通過傳統的化學氣相沉積(CVD)處理沉積鎢塊層，例如藉由將六氟化鎢和氫氣共同流入處理室中。在整個基材上測得的鎢塊層的電阻率可為約20 Ωμ－cm或更低，優選地，約16 Ωμ－cm或更低，諸如約10 Ωμ－cm或更低，優 選地，約9 Ωμ－cm或更低，更優選地，約8 Ωμ－cm或更低，以及更優選地，約7 Ωμ－cm或更低。鎢成核層的厚度可以在從約2到約200的範圍內，諸如小於約50。
在一個實施例中，下覆層是阻擋層，其可包括金屬鈦、鈦氮化物、金屬鉭、鉭氮化物，及其矽化物、其衍生物、其合金或組合物。可通過ALD處理、CVD處理或物理氣相沉積(PVD)處理沉積阻擋層。在另一實施例中，下覆層是成核層/阻擋層，其可包括釕、鎳、鈷、金屬鎢或鎢氮化物、其矽化物、其衍生物、其合金或組合物。成核層/阻擋層可通過ALD處理或PVD處理沉積。
在一個實施例中，提供一種用於在基材上形成含鎢材料的方法，該方法包括在處理室內放置基材，其中該基材包括其上沉積的下覆層，在ALD處理期間將基材依序暴露於鎢前驅物和還原氣體以在下覆層上沉積鎢成核層，其中還原氣體具有約40：1或更高的氫氣/二硼烷流速比以及在鎢成核層上沉積鎢塊層。
該方法可進一步包括在沉積鎢成核層之前，在預浸泡處理期間將下覆層暴露於包含還原試劑(例如，二硼烷或矽烷)的預浸泡氣體。該方法還可包括在後浸泡處理期間將鎢成核層暴露於包含還原試劑(例如，二硼烷或矽烷)的後浸泡氣體。在一些實施例中，還原氣體的氫氣/二硼烷流速比是約100：1或更高，諸如約500：1、約800：1、約1000：1或更高。二硼烷的流速比可在從約1 sccm到約40 sccm的範圍內，優選地，從約3 sccm到約30 sccm， 以及更優選地，從約5 sccm到約15 sccm。還原氣體包括氫氣，該氫氣流速比在從約1 sccm到約20 slm的範圍內，優選地，從約3 slm到約15 slm，以及更優選地，從約5 slm到約10 slm。
本發明的實施例提供一種用於沉積含鎢材料的改進處理。該處理在預浸泡和後浸泡處理期間應用氫氣與還原試劑的高比率以提供具有顯著改善電導率、表面均勻性和產量的含鎢材料。在一個實施例中，提供一種用於在基材上形成含鎢材料的方法，該方法包括在ALD處理期間將基材依序暴露於鎢前驅物和還原氣體以在下覆層(例如，阻擋層)上沉積鎢成核層，其中還原氣體具有約40：1或更高流速比的氫氣/氫化物。在一些實施例中，還原氣體的氫氣/氫化物流速比是約100：1、約500：1、約800：1、約1000：1、約1200：1或更高。還原氣體包括氫化物，諸如矽烷、二矽烷、二硼烷、磷化氫及其衍生物或組合。接著，鎢塊層可沉積在鎢成核層上。
第1圖示出根據本發明的一個實施例用於形成改善之含鎢膜的示例性處理順序。待處理的基材首先裝載並定位在能執行迴圈沉積的處理室內以及調整處理條件(步驟110)。然後基材暴露於浸泡處理持續約1秒到約90秒的範圍內(步驟120)。含鎢前驅物脈衝伴隨適宜的載氣導入處理室(步驟130)。然後，脈衝氣體被脈衝進入處理室(步 驟140)以清潔或去除任何殘餘的含鎢前驅物或副產物。接著，還原劑或還原化合物脈衝伴隨適宜的載氣導入處理室(步驟150)。還原氣體可包含與浸泡處理使用的氣體相同的還原化合物(步驟120)或者，還原氣體可包含不同還原化合物，取決於產物產量要求和元件應用。然後，潔淨氣體脈衝導入處理室(步驟160)以清潔或去除任何殘餘的還原化合物。
適宜的載氣或潔淨氣體包括氦、氬、氮氣、氫氣、合成氣體或其組合。一般而言，包括硼烷或矽烷化合物的還原氣體亦包括氫氣，以及可進一步包括氬或氮氣。
參照步驟170，在每個沉積迴圈後(步驟130到步驟160)，具有特定厚度的鎢成核層將沉積在基材表面上。通常，每個沉積迴圈可形成厚度從約0.1到約5或更低範圍的層。取決於特定的元件要求，可能需要隨後之沉積迴圈以沉積具有預期厚度的鎢成核層。因此，可重復沉積迴圈(步驟130到160)直到獲得預期厚度的鎢膜。成核層通常沉積的厚度在從約2到約200的範圍內。其後，當獲得預期厚度時，停止處理，如步驟180所示。
適宜的含鎢前驅物或化合物包括六氟化鎢(WF6 )、六氯化鎢(WCl6 )、六羰鎢(tungsten carbonyl,W(CO)6 )、雙(環戊二烯)二氯化鎢(bis(cyclopentadienyl)tungsten dichloride,Cp2 WCl2 )、三甲苯三羰基鎢(mesitylene tungsten tricarbonyl,C9 H12 W(CO)3 )或其衍生物。適宜的還原化合物和浸泡化合物包括矽烷化合物、硼烷化合 物、磷化氫化合物、氨、胺化合物、氫及其衍生物、混合物或組合。矽烷化合物包括矽烷、二矽烷、三矽烷、四矽烷、氯矽烷、二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷、甲基矽烷或其衍生物。硼烷化合物包括硼烷、二硼烷、三硼烷、四硼烷、五硼烷、烷基硼烷(例如，三乙基硼烷)或其衍生物。多個實施例提供用於浸泡處理的還原氣體，包括矽烷、二矽烷、二硼烷、氫氣及其衍生物、混合物或組合。
基材表面通常包括配置在其上的阻擋層。鎢成核層可沉積在阻擋層上。在一個實施例中，在加熱基材同時，基材表面可暴露於預浸泡氣體。在處理100的步驟110或120以及步驟130到170期間可將基材加熱到處理溫度。在預浸泡處理之前或期間，基材可加熱到處理溫度從約100℃到約600℃的範圍內，例如，優選地，從約200℃到約600℃，更優選地，從約300℃到約500℃，更優選地，從約350℃到約420℃，以及更優選地，從約375℃到約500℃。在一個實施例中，維持浸泡處理的溫度用於後續氣相沉積處理。通常在處理室的內部體積壓力從約1托到約150托的範圍，優選地，從約1托到約100托，更優選地，從約10托到約50托，以及更優選地，從約20托到約40托的範圍下執行浸泡處理(步驟120)。在一些實施例中，壓力是從約5托到約20托的範圍內。在另一實施例中，壓力是約40托。通常對基材表面執行浸泡處理從約1秒到約90秒時間長度。在一個實施例中，浸泡處理將持續約60秒或更短。在另一實施例中，浸泡處理將持續約30秒 或更短。在另一實施例中，浸泡處理將持續約10秒。
將基材暴露於浸泡氣體(例如，預浸泡氣體)或還原氣體，其包括氫氣和氫化物化合物，諸如矽烷、二矽烷、二硼烷、磷化氫及其衍生物或組合。還原氣體可在處理室/沉積腔室內或外部混合並可來自多個源。在一個實施例中，基材暴露於還原氣體，該還原氣體通過在腔室中將還原化合物或氫化物化合物和氫氣混合物(例如，H2 中含5%的B2 H6 )的氣流連同氫氣的氣流一起混合形成。在另一實施例中，還原化合物或氫化物和氫氣混合物(例如，H2 中含5%的B2 H6 )的氣流連同氫氣的氣流一起在進入腔室前混合。
在一個實施例中，還原氣體包括約40：1或更高的氫氣/氫化物流速比，優選地，約100：1或更高，優選地，約500：1或更高，更優選地，約800：1或更高，以及更優選地，約1000：1或更高。氫化物(例如，二硼烷)的流速可在從約1 sccm到約40 sccm的範圍內，優選地，從約3 sccm到約30scmm的，以及更優選地，從約5 sccm到約15 sccm範圍內。氫化物可以在載氣(例如，H2 )內，使得混合物的流速可以在從約50 sccm到約500scmm的範圍內，優選地，從約75 sccm到約400 sccm，以及更優選地，從約100 sccm到約300 sccm範圍內。氫氣的流速可以在從約1 slm到約20 slm範圍內，優選地，從約3 slm到約15 slm，以及更優選地，從約5 slm到約10 slm範圍內。氫氣/氫化物流速比可以通過將總氫氣流速與總氫化物 流速相除計算而得。總氫氣流速包括所有氫氣源的總和，其包括任何氫氣載氣的流速和任何獨立氫氣的流速。
沉積在基材上的阻擋層被還原和/或吸附還原劑以形成用於後續成核層的條件層(conditioned layer)。該條件阻擋層提供用於成核層的更快且更光滑沉積。在一個實施例中，步驟120中，浸泡處理中使用的還原劑或還原化合物是二硼烷或矽烷。在一個實施例中，還原氣體包括流速在從約1 sccm到約40 sccm範圍內的氫化物(例如，B2 H6 或SiH4 )，和流速在從約1 slm到約20 slm範圍內的氫氣。在另一實施例中，還原氣體包括流速在從約3 sccm到約30 sccm範圍內的氫化物和流速在從約3 slm到約15 slm的範圍內的氫氣。在另一實施例中，還原氣體包括流速在從約5 sccm到約15 sccm範圍內的氫化物和流速在從約5 slm到約10 slm的範圍內的氫氣。
在步驟130，含鎢前驅物優選地是六氟化鎢並以從約5 sccm到約200scmm範圍內的速率導入。含鎢前驅物可與載氣，諸如流速在從約50scmm到約1000scmm範圍內的氬導入到處理室中。
在步驟150，還原氣體包括二硼烷或矽烷並導入處理室。還原氣體包括流速在從約1 sccm到約40 sccm範圍內的氫化物(例如，B2 H6 或SiH4 )，和流速在從約1 slm到約20 slm範圍內的氫氣。在另一實施例中，還原氣體包括流速在從約3 sccm到約30 sccm範圍內的氫化物和流速在從約3 slm到約15 slm的範圍內的氫氣。在另一實施例 中，還原氣體包括流速在從約5 sccm到約15 sccm範圍內的氫化物和流速在從約5 slm到約10 slm的範圍內的氫氣。
在步驟140和160，潔淨氣體脈衝，優選地氬或氮氣，通常以從約50 sccm到約2000 sccm的速率導入。步驟140和160可包括連續的潔淨氣體流，然而含鎢化合物和還原氣體脈衝進入穩態的載氣流。每個處理步驟(步驟130到步驟160)持續從約0.01秒到10秒的範圍內，優選地，從約0.1秒到約1秒。更長的處理步驟，諸如約30秒或約60秒，實現鎢沉積。然而，產量降低。通過實驗獲得特定的壓力和時間。在一個實施例中，300 mm直徑基材或晶片需要與200 mm直徑基材或晶片相比約兩倍的流速以維持同樣的產量。
在此描述的實施例期間使用的ALD處理室可從Santa Clara，California(加利福尼亞的聖克拉拉)的Applied Materials,Inc.購買得到。ALD處理室的更詳細描述可以共同轉讓的美國專利No.6,878,206和No.6,916,398以及共同轉讓的美國專利申請序列號No.10/281,079，在2002年10月25日提交並公開為US2003－0121608中找到，在此引用其全部內容作為參考。執行軟體程式以開始處理功能表或處理順序。當軟體程式執行時，將通用電腦轉換為特定處理電腦，其控制腔室操作從而執行腔室處理。例如，軟體程式可用於精確控制電子控制閥的啟動，用於執行根據本發明的技術方案的處理順序。或者，軟體程式可在硬體中 執行，作為特定應用的積體電路或其他類型的硬體實施或軟體或硬體的組合。
第2圖示出根據在此描述的一個實施例用於形成含鎢材料的處理200。在步驟210期間，基材裝載到處理室中。基材通常包括配置在其上的阻擋層並在步驟220期間暴露於預浸泡處理或第一浸泡處理。浸泡處理包括將預浸泡氣體或包括還原劑的還原氣體輸送到處理室中。基材表面形成已處理的層，諸如已還原的阻擋層。在步驟230期間，成核層(例如，鎢)沉積在基材上。一般地，成核層通過包括ALD、CVD或脈衝CVD的氣相沉積處理沉積。在步驟240，成核層暴露於具有在步驟220中使用的相同或不同還原劑的第二浸泡處理。其後，在步驟250期間塊層(例如，鎢)沉積在成核層上。可通過CVD處理沉積塊層。
在步驟210期間，基材可裝載到並定位在處理室中。基材表面或下覆層可包括阻擋層、粘合劑或配置在其上的活化層。阻擋層通常包括金屬材料或金屬氮化物材料。在一個實施例中，下覆層是阻擋層，其包括金屬鈦、鈦氮化物、金屬鉭、鉭氮化物、其矽化物、衍生物、合金或組合。阻擋層可通過ALD處理、CVD處理或物理氣相沉積(PVD)處理沉積。在另一個實施例中，下覆層是成核層/阻擋層，其可包括釕、鎳、鈷、金屬鎢、鎢氮化物、其矽化物、衍生物、合金或組合。成核層/阻擋層可以通過ALD處理、CVD處理、PVD處理或組合加以沉積。
阻擋層通常沉積的厚度至少約30，諸如從約30到 約100的範圍內。在一個實施例中，阻擋層利用四二甲基胺鈦(tetrakis(dimethylamino)titamium,TDMAT)和氨通過CVD處理沉積在基材上。在另一實施例中，阻擋層通過接連脈衝四氯化鈦(TiCl4 )和氨通過ALD處理沉積在基材表面上。在另一實施例中，阻擋層通過在氮氣環境中濺射鈦源通過PVD處理沉積在基材表面上。在執行後繼的製造處理之前，阻擋層可以電漿緻密化。在另一實施例中，下覆層是通過PVD處理沉積的鎢和/或氮化鎢層。
在一個實施例中，下覆層是阻擋層，其包括金屬鈦、鈦氮化物、金屬鉭、鉭氮化物、其矽化物、衍生物、合金或組合，並可通過ALD處理、CVD處理或物理氣相沉積(PVD)處理沉積。在另一實施例中，下覆層是成核層/阻擋層，其可包括釕、鎳、鈷、金屬鎢、鎢氮化物、其矽化物、衍生物、合金或組合，而成核層/阻擋層可以通過ALD處理或PVD處理沉積。
在步驟220期間可使用在步驟210期間設定的處理條件，諸如溫度和壓力。在一個實施例中，在處理200中的步驟210、220、230和/或240期間調節處理室以在從約100℃到約600℃，優選地，從約200℃到約600℃，更優選地，從約300℃到約500℃，更優選地，從約350℃到約420℃，以及更優選地，從約375℃到約500℃的溫度範圍加熱基材。處理室的內部體積壓力可在從約1托到約150托，優選地，從約1托到約100托，更優選地，從約10托到約50托，以及更優選地，從約20托到約40托的 範圍內。在一個實施例中，在浸泡處理期間使用的處理室可以是用於沉積阻擋層的相同處理室。在另一實施例中，在浸泡處理期間使用的處理室用於在步驟230期間沉積後續的成核層。
在步驟220期間，基材表面暴露於包括還原劑和選擇性載氣的浸泡處理。還原劑吸附到基材表面，即，阻擋層，和/或與之反應，以形成已處理表面。已處理表面為整體光滑的和更均勻的鎢層提供更快沉積處理。還原劑可包括矽烷化合物、硼烷化合物、磷化氫化合物、氨、胺化合物、氫氣、其衍生物、混合物或組合。矽烷化合物包括矽烷、二矽烷、三矽烷、四矽烷、氯矽烷、二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷、甲基矽烷或其衍生物，同時硼烷化合物包括硼烷、二硼烷、三硼烷、四硼烷、五硼烷、烷基硼烷(例如，三乙基硼烷)或其衍生物。優選的還原劑包括矽烷、二矽烷、二硼烷和氫氣。載氣可以與還原劑共同流動。載氣包括氫氣、氮氣、氬、氦及其衍生物、混合物、或組合。
在步驟220的預浸泡處理期間基材可暴露於預浸泡氣體或還原氣體持續約1秒到約90秒範圍的時間長度，優選地，從約5秒到60秒，更優選地，從約10秒到30秒，以及更優選地，從約15秒到約20秒。沉積在基材上的阻擋層被還原和/或吸附還原劑以形成用於後續成核層的條件層。在一個實施例中，執行ALD成核處理之前，基材在約15托和約350℃下暴露於約300 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷約30秒。在另一實施例中，在執行ALD成核處理 之前，基材在約10托和約300℃下暴露於約300 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷和2 slm的氫氣中約20秒。在一個實施例中，執行脈衝的CVD成核處理之前，基材在約90托和約400℃下暴露於約200 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷約20秒。
在步驟230期間，成核層沉積在基材表面上，即在已處理的阻擋層上。成核層可通過包括ALD、CVD和/或脈衝的CVD的氣相沉積處理加以沉積。用於沉積成核層的處理室可以是在步驟220和240中描述的浸泡處理中使用的相同處理室。成核層可包括鎢、鎢合金、含鎢材料(例如，鎢硼化物或鎢矽化物)及其組合。成核層通常沉積的厚度為從約2到約200的範圍內。在一個實施例中，使用WF6 和B2 H6 的ALD處理沉積成核層的厚度為從約2到約20的範圍內，諸如約12。在另一實施例中，使用WF6 和B2 H6 的ALD處理沉積成核層的厚度為從約2到約50的範圍內，諸如約30。在另一實施例中，使用WF6 和SiH4 或WF6 和B2 H6 的脈衝的CVD(例如，協流)處理沉積成核層的厚度為從約2到約200，諸如約50。優選地，在處理100期間如在此所述的ALD處理可用於沉積成核層。
在步驟240期間，基材表面暴露於後浸泡處理或包括還原劑和選擇性載氣的第二浸泡處理。還原劑吸附到基材表面，即成核層和/或與其反應，以形成已處理表面。還原劑或還原化合物，如以上描述，還可包括矽烷化合物、硼 烷化合物、磷化氫化合物、氨、胺化合物、氫氣及其衍生物、混合物或組合。載氣可以與還原劑或還原化合物共同流動以及可包括氫氣、氮氣、氬或其組合。
在步驟240的後浸泡處理期間基材可暴露於後浸泡氣體或還原氣體持續約1秒到約90秒的時間長度，優選地，從約5秒到約60秒，更優選地，從約10秒到約30秒，以及更優選地，從約15秒到約20秒。在一個實施例中，在後浸泡處理期間基材表面可暴露於後浸泡氣體，同時將基材加熱到從約100℃到約600℃的溫度範圍，優選地，從約200℃到約600℃，更優選地，從約300℃到約500℃，更優選地，從約350℃到約420℃，以及更優選地從約375℃到約500℃。處理室維持內部體積壓力在從約1托到約150托範圍內，優選地，從約1托到約100托，更優選地，從約10托到約50托，以及更優選地，從約20托到約40托。沉積在基材上的阻擋層係被還原和/或吸附還原劑以形成用於後續塊層的條件層。
基材暴露於浸泡氣體(例如，後浸泡氣體)或還原氣體，其包括氫氣和氫化物，諸如矽烷、二矽烷、硼烷、二硼烷、磷化氫及衍生物或組合物。在一個實施例中，還原氣體包括約40：1或更高的氫氣/氫化物流速比，優選地，約100：1或更高，更優選地，約500：1或更高，以及更優選地，約800：1或更高。氫化物(例如，二硼烷)的流速可以在從約1 sccm到約40 sccm的範圍內，優選地，從約3 sccm到約30scmm的，以及更優選地，從約5 sccm 到約15 sccm範圍內。還原氣體包括流速在從約1 slm到約約20 slm的氫氣，優選地，從約3 slm到約15 slm，以及更優選地，從約5 slm到約10 slm。
在一個實施例中，在執行ALD成核處理後，基材在約30托和約300℃下可暴露於約300 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷約30秒。在另一實施例中，在執行脈衝ALD成核處理之後，基材在約15托和約400℃下暴露於約200 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷和3 slm的氫氣中約30秒。在脈衝的CVD成核處理之後執行的實施例中，基材在約90托和約400℃下暴露於約200 sccm的為氫氣5%體積的二硼烷約20秒。
在步驟250期間，塊層沉積於基材表面上，即在已處理的成核層上。塊層可通過包括CVD或脈衝－CVD的氣相沉積處理沉積。用於沉積塊層的處理室可以為在步驟240中所述的後浸泡處理中使用的相同處理室。塊層包含鎢、鎢合金、含鎢材料(例如，硼化鎢、矽化鎢或磷化鎢)及其組合。塊層通常沉積至大約100至大約10,000範圍內的厚度，優選地為大約1,000到大約5,000的範圍內。在一個實施例中，利用WF6 和B2 H6 的CVD處理用於在已處理的成核層上沉積塊層。在另一實施例中，利用WF6 和SiH4 的CVD處理用於在已處理的成核層上沉積塊層。在另一實施例中，利用鎢源的PVD處理用於在已處理的成核層上沉積塊層。在共同轉讓的美國專利No.6,156,382中進一步描述了用於浸泡鎢成核層並在其上沉積鎢塊層的處 理，在此引入該專利作為參考。
在替代實施例中，含鎢薄膜通過沉積多層成核層而沉積並且可包括氣相沉積處理的多個迴圈。在一個實施例中，在通過脈衝－CVD處理形成第一成核層之前，阻擋層可暴露於浸泡處理。將處理室加熱至大約400℃到大約450℃範圍內的溫度，例如，大約425℃並且保持在大約10托到大約20托範圍內的壓力下，諸如大約15托。脈衝－CVD處理可包括將基材暴露於含鎢化合物和還原劑的共同流動大約1秒到大約3秒的時間周期，例如大約1.5秒。反應物流包括含鎢化合物，其具有大約30 sccm到大約90 sccm的流速，諸如大約60 sccm，而還原劑在大約10 sccm到大約50 sccm的流速下，諸如大約30 sccm。停止共同流動並且清潔處理室。隨後，將還原劑脈衝入腔室中持續大約1秒到大約3秒的時間周期，例如大約1秒。還原劑可具有大約10 sccm到大約50 sccm的流速，諸如大約30 sccm。停止還原劑的流動並且對腔室清潔大約0.5秒。重復迴圈直到形成第一成核層的預定厚度。例如，重復3次該處理以形成具有大約30厚度的層。優選的含鎢化合物為六氟化鎢以及優選的還原劑為矽烷和/或二硼烷。在第一成核層沉積之前或之後，在浸泡處理期間可選擇性使用還原劑。
第二成核層可形成於第一成核層上。處理室可保持在相同溫度下，但是通常會提高處理室的壓力。處理室保持在大約400℃到大約450℃範圍內的溫度下，例如，大約425℃並且保持壓力在大約20托到大約50托範圍內，諸如 大約30托。CVD處理可包括將基材暴露於含鎢化合物和還原劑的共同流動大約4秒到大約8秒的時間周期，例如大約6秒。反應物流包括含鎢化合物，其具有大約30 sccm到大約70 sccm範圍內的流速，諸如大約50 sccm，而還原劑具有大約10 sccm到大約50 sccm範圍內的流速，諸如大約25 sccm。第二成核層沉積於第一成核層上並且具有大約50到大約1,000範圍內的厚度，優選地為大約150到大約300的範圍內。優選的含鎢化合物為六氟化鎢以及優選的還原劑為矽烷和/或二硼烷。在第二成核層沉積之前或之後，在浸泡處理期間可選擇性地使用還原劑。
最後，塊層可沉積於第二成核層上。塊層可通過傳統的CVD處理沉積。在一個實施例中，處理室保持在大約400℃到大約450℃範圍內的溫度下，例如，大約425℃並且保持在大約100托到大約350托範圍內的壓力下，諸如大約200托。反應物流包括含鎢化合物，其具有大約200 sccm到大約800 sccm範圍內的流速，諸如大約400 sccm，而還原劑具有大約2,000 sccm到大約8,000 sccm範圍內的流速，諸如大約4,000 sccm。優選的含鎢化合物為六氟化鎢以及優選的還原劑為氫。
處理整合
當與傳統的塊填充技術整合以形成具有優良薄膜屬性的特徵時，以上所述的鎢成核層具有已示出的特定效用。整合方案可包括ALD或脈衝－CVD處理以沉積成核層而塊 層可通過CVD或PVD處理沉積。能執行該整合方案的整合處理系統包括ENDURA、ENDURA SL、CENTURA和PRODUCER處理系統，每個都能從California的Santa Clara的Applied Materials Inc.購得。這些系統的任一個都配置成包括：用於沉積成核層的至少一個ALD或脈衝－CVD腔室、用於沉積塊填充(bulk fill)的至少一個CVD腔室和/或用於其他材料的至少一個PVD腔室。
第3A圖是示例性多腔室處理系統300的示意性頂視圖。在共同轉讓的美國專利No.5,186,718中公開了類似的多腔室處理系統，在此結合該專利作為參考。系統300一般包括負載鎖定室302、304，用於傳送基材進出系統300。通常，由於系統300在真空下，所以負載鎖定室302、304可「抽真空」引入系統300的基材。第一機械臂310可在負載鎖定室302、304與第一組一個或多個基材處理室312、314、316、318(在圖中示出四個)之間傳送基材。處理室312、314、316、318的每一個都可配備成執行多個基材處理操作，諸如迴圈的層沉積、CVD、PVD、蝕刻、預清洗、去氣(de－gas)、定向(orientation)和其他基材處理。第一機械臂310還傳送基材進/出一個或多個傳送腔室322、324。
傳送腔室322、324用於保持超高真空條件同時允許基材在系統300內傳送。第二機械臂330可在傳送腔室322、324與第二組一個或多個處理室332、334、336、338之間傳送基材。與處理室312、314、316、318類似，處理室 332、334、336、338可配備成執行多種基材處理操作，諸如迴圈沉積、CVD、PVD、蝕刻、預清洗、去氣、以及定向，例如。如果對於將被系統300執行的特定處理來說是不必要的，則可從系統300去除任何基材處理室312、314、316、318、332、334、336、338。
在一個配置中，每個處理室332和338可以為適於沉積成核層的迴圈沉積腔室；每個處理室334和336可以為適於形成塊層的迴圈沉積腔室、化學氣相沉積腔室或物理氣相沉積腔室；每個處理室312和314可以為適於沉積介電層的物理氣相沉積腔室、化學氣相沉積腔室或迴圈沉積腔室；並且每個處理室316和318可以為蝕刻腔室，其配備成蝕刻用於互連特徵的孔或開口。提供系統300的這一個特定配置以示出本發明並且其並不用於限定本發明的範圍。
另一整合系統可包括在單一腔室中的成核沉積以及塊填充沉積。可使用配置成以迴圈沉積模式和傳統的CVD模式兩者操作的腔室。在共同轉讓的美國專利No.6,878,206中描述了該腔室的一個實施例，在此結合該專利作為參考。
在另一整合方案中，一個或多個迴圈沉積成核腔室被整合到第一處理系統上，同時一個或多個塊層沉積腔室被整合到第二處理系統上。在該配置中，首先在其中成核層沉積於基材上的第一系統中處理基材。之後，將基材移到塊沉積發生的第二處理系統。
第3B圖是示例性多腔室處理系統350的示意性頂視 圖。系統350一般包括負載鎖定室352、354，用於傳送基材進出系統350。通常，由於系統350在真空下，所以負載鎖定室352、354可對引入系統350的基材「抽真空」。機械臂360可在負載鎖定室352、354與基材處理腔室362、364、366、368、370和372之間傳送基材。處理室362、364、366、368、370和372的每一個都可配備成執行多個基材處理操作，諸如迴圈層沉積、CVD、PVD、蝕刻、預清洗、去氣、定向和其他基材處理。機械臂360還傳送基材進/出傳送腔室356。如果對於將被系統350執行的特定處理來說是不必要的，則可去除任何基材處理室362、364、366、368、370和372。
在一個配置中，每個處理室364和370可以為適於沉積成核層的迴圈沉積腔室；每個處理室366和368可以為適於形成塊填充沉積層的迴圈沉積腔室、化學氣相沉積腔室或物理氣相沉積腔室。提供系統350的這一個特定配置以示出本發明並且其並不用於限定本發明的範圍。
或者，在單一腔室中具有多個操作臺(station)的轉盤式批次處理系統可適於將成核和塊層沉積結合於單一處理系統。在該處理系統中，潔淨氣體幕(curtain)，諸如氬氣幕，可以設於在每個操作臺處，以在每個操作臺處產生微型或小型環境。隨後將基材載入系統中並且接著旋轉通過每個操作臺以及至少部分地在每個操作臺處進行處理。例如，基材可在第一操作臺處暴露於迴圈沉積成核步驟以及隨後在每個後續操作臺處暴露於局部塊填充CVD步 驟。或者，成核可在多個操作臺處發生並且塊填充可在一個或多個操作臺處發生。再者，可在分離的轉盤式系統中沉積成核層和塊層。在另一方案中，浸泡和成核步驟在一個轉盤中完成，而塊填充步驟在另一轉盤上進行，其中兩個轉盤是同一處理系統的一部分。可以溫控每個壓板(platen)以提供在每個操作臺處的至少部分處理控制。然而，通常在操作臺之間保持相同的處理壓力，原因在於操作臺被容納在單一腔室中。由於惰性氣體幕，每個台處的微型或小型環境可能具有部分壓力控制。
不管整合方案，成核層可具有在大約2到大約200範圍內的厚度，例如，大約5到大約100，並且塊層可具有大約100到大約10,000範圍內的厚度，例如大約1,000到大約5,000。然而，這些薄膜的厚度根據指定應用的特徵尺寸和深寬比(aspect ratio)而有所變化。因此，適當地設計這些薄膜的尺寸以符合指定應用的幾何結構。以下是一些示例性的幾何結構和應用，可受益於根據在此所述的實施例而沉積的成核層。以下的描述僅意欲示意性目的，並且不意欲限定本發明的使用。
第4A－4C圖示出了半導體特徵的橫截面視圖，其該處理的一個實施例用於填充通孔(via)460。在第4A圖中，基材450包括至少一個通孔460。阻擋層451可通過ALD、CVD或PVD技術沉積到具有通孔460的基材450。阻擋層451可包含鈦、鈦氮化物、鉭、鉭氮化物、鎢、鎢氮化物、其硼化物、其矽化鎢、其合金及其組合。在鎢層452成核 之前，如第4B圖所示，可對阻擋層451執行浸泡處理。浸泡處理塗抹(render)通孔460內阻擋層451的側壁，從而粘附並以與通孔460外部的阻擋層451大約相同的速度生長鎢層452。當省略浸泡處理時，在側壁上的鎢層452的生長與在通孔460外部的鎢層452的生長不一致。一旦已經沉積鎢層452的晶核，則執行二次浸泡或後浸泡處理以處理鎢層452。後浸泡處理使鎢層452在填充通孔460時更平滑地繼續生長，如在第4C圖中示出。在一個實施例中，在沉積鎢成核層之後，繼續ALD處理以沉積鎢塊層。在另一實施例中，ALD處理用於沉積鎢成核層而CVD處理用於沉積鎢塊層。在另一實施例中，ALD處理用於沉積鎢成核層而PVD處理用於沉積鎢塊層。在另一實施例中，脈衝－CVD處理用於沉積鎢成核層而傳統的CVD處理用於沉積鎢塊層。在另一實施例中，脈衝－CVD處理用於沉積鎢成核層而PVD處理用於沉積鎢塊層。
鎢金屬柵極
第5圖示出了利用根據在此所述的實施例沉積的成核層的示例性金屬氧化物柵極元件400的橫截面視圖。元件400一般包括由間隔墊(spacer)416圍繞的暴露的柵極410和在基材表面412內形成的矽源極/汲極區域420。間隔墊416通常包括諸如二氧化矽的氧化物，或諸如氮化矽的氮化物。
金屬柵極410包括氧化物層411、多晶矽層414、鈦氮 化物阻擋層415和鎢層422。氧化物層411將基材412與多晶矽層414分離。氧化物層411和多晶矽層414利用傳統的沉積技術進行沉積。
鈦氮化物阻擋層415沉積於多晶矽層414上。鈦氮化物阻擋層415可以為通過沉積PVD鈦層以及隨後通過CVD鈦氮化物層形成的雙層疊層。鈦氮化物阻擋層415還可使用迴圈沉積技術進行沉積，諸如在2001年12月21日提交並公開為US 2003－0116087的共同轉讓的美國專利序列號No.10/032，293中示出並描述的處理，在此結合該專利作為參考。
對於基材表面執行浸泡處理。浸泡包括矽烷化合物或硼烷化合物以及至少一種載氣。優選的矽烷化合物為矽烷，優選的硼烷化合物為二硼烷以及優選的載氣為任一氫氣、氮氣和/或氬氣。在一個態樣中，矽烷具有在大約25 sccm到大約500 sccm範圍內的流速，以及氫氣具有在大約200 sccm到大約700 sccm範圍內的流速。浸泡處理在以下條件下執行：大約100℃到大約500℃範圍內的溫度下，優選地在大約300的溫度下；大約1托到大約150托範圍內的壓力下，優選地大約30托到大約120托，以及持續大約1秒到大約90秒的時間周期。在另一態樣中，二硼烷具有大約25 sccm到大約500 sccm範圍內的流速，而氫氣和/或氬氣具有大約200 sccm到大約700 sccm範圍內的流速。浸泡處理在以下條件下執行：在大約100℃到大約500℃範圍內的溫度下，優選地在大約300℃下；大約1托 到大約120托範圍內的壓力下，優選地為大約5托到大約50托；以及大約1秒到大約90秒的時間周期，優選為小於大約60秒。
在一個實施例中，利用浸泡處理處理基材表面之後，成核層417隨後迴圈沉積於阻擋層415之上。在一個態樣中，利用六氟化鎢和二硼烷的交替脈衝迴圈沉積成核層417。六氟化鎢被脈衝入腔室中，並且基材暴露在大約1 sccm到大約100 sccm範圍內的流速下，優選地為大約5 sccm到大約50 sccm，持續大約0.3秒。載氣，諸如氬氣，與六氟化鎢一起以大約100 sccm到大約1,000 sccm，優選為大約100 sccm到大約500 sccm範圍內的流速提供。二硼烷(例如，在H2 中的5%)可被脈衝入腔室中並且基材暴露在大約50 sccm到大約1,000 sccm範圍內的流速下，優選地為大約100 sccm到大約400 sccm，持續大約0.3秒。氫氣可被脈衝入腔室內並且基材暴露在大約1 slm到大約20 slm範圍內的流速下，優選地為大約3 slm到大約15 slm，以及更優選地為大約5 slm到大約10 slm。基材可保持在：大約100℃和大約400℃之間的溫度下，優選地為在大約300℃；大約1托和大約120托之間，優選地為在大約5托和大約50托之間的腔室壓力下。在六氟化鎢和二硼烷的脈衝之間，將氫氣脈衝入並持續0.5秒，以潔淨或否則從處理室去除任何活性化合物。
在另一實施例中，成核層417利用六氟化鎢和矽烷的交替脈衝迴圈沉積。六氟化鎢如上所述與氬氣一起脈衝大 約0.5秒。矽烷以大約1 sccm到大約100 sccm，諸如在大約5 sccm到大約50 sccm之間的流速脈衝大約0.5秒。載氣，諸如氫氣，與矽烷一起以大約100 sccm和大約1,000 sccm，諸如在大約100 sccm和大約500 sccm之間的流速提供。氫氣可脈衝入腔室並且基材暴露於在大約1 slm到大約20 slm的範圍內，優選地大約3 slm到大約15 slm以及更優選地大約5 slm到大約10 slm範圍內的流速下。基材保持在大約100℃和大約400℃之間優選地在大約300℃的溫度下，並保持在大約1托和大約30托之間的腔室壓力下。
在另一實施例中，利用浸泡處理處理基材表面之後，成核層417通過脈衝－CVD處理沉積於阻擋層415上。脈衝－CVD處理包括在大約300℃到大約500℃，優選地大約400℃到大約450℃範圍內的一溫度下共同流入WF6 和B2 H6 或WF6 和SiH4 。脈衝－CVD處理在大約0.5秒到大約3秒，優選地為大約1.5秒的時間周期下脈衝共同流入的前驅物。
對於基材表面執行第二浸泡處理或後浸泡處理。浸泡處理包括還原劑，諸如矽烷化合物或硼烷化合物以及至少一種載氣。優選地，還原劑為二硼烷以及優選地載氣為氫氣、氮氣和/或氬氣。在一個實施例中，在氫氣中包括5%體積比二硼烷的還原氣體具有大約100 sccm到大約500 sccm範圍內的流速，優選為大約300 sccm。在一些實施例中，基材可暴露於氫氣以及還原氣體，該氫氣具有大約1 slm到大約20 slm範圍內的流度，優選地，大約3 slm到大約15 slm，以及更優選地大約5 slm到大約10 slm。浸泡處理在以下條件下執行：大約100℃到大約500℃範圍內的溫度下，優選地在大約300℃下；在約1托到大約120托範圍內的壓力下，優選地大約10托到大約50托的範圍內；以及持續大約1秒到大約90秒的時間周期，優選地為小於大約30秒。
利用浸泡處理形成的成核層相對於不用浸泡處理形成的成核層具有優點。鎢薄膜展示出對於整合薄膜較小的應力，以及在成核層介面處較少的氟含量。同樣，在浸泡之後沉積的成核層具有較高的均勻覆蓋率並且由於減短孕育期而較快沉積。
鎢塊填充422隨後沉積於已處理的鎢成核層417之上。儘管可使用任何金屬沉積處理，諸如傳統的化學氣相沉積或物理氣相沉積，但是可通過交替地吸收以上所述的含鎢化合物和還原化合物而沉積鎢塊填充422。可在公共轉讓的美國專利No.6，878，206和在2002年2月20日提交並公開為US 2003－0157760的共同轉讓的美國專利序列號No.10/082,048中發現利用迴圈沉積技術的鎢沉積的更詳細描述，在此結合以上兩個專利的全部內容作為參考。與不使用浸泡處理、後鎢塊填充而沉積的鎢薄膜相比，幾乎沒有易爆發區(volcano)出現於利用浸泡處理沉積的鎢薄膜表面上。
在沉積之後，可平坦化所產生結構400的頂部分。可 使用化學機械研磨(CMP)設備，諸如可從位於California 的Santa Clara的Applied Materials Inc.購得的MIRRA系統。從結構頂部去除將部分鎢塊填充422，留下完全平坦的表面。可選擇性地，可在以上所述的後續層的沉積之間平坦化結構的中間表面。
第6圖是傳統的DRAM元件的橫截面視圖，其具有在溝道電容器530頂部分鄰近設置的電晶體520。用於DRAM元件510的存取電晶體(access transistor)520鄰近溝道電晶體530的頂部分設置。優選地，存取電晶體520包含具有源極區522、柵極區524和汲極區526的n－p－n電晶體。柵極區524是設置在P＋基材上方的P－摻雜矽磊晶層。存取電晶體520的源極區522是設置在柵極區524第一側上的N＋摻雜材料，以及汲極區526是設置在與源極區522相對的柵極區524第二側上的N＋摻雜材料。
源極區522和漏極區524連接到鎢插栓560。每個鎢插栓560包括鈦襯墊562、鎢成核層564和塊鎢填充566。鈦襯墊562可以為包含PVD鈦以及隨後CVD鈦氮化物的雙層疊層。或者，鈦襯墊562可以為包含ALD沉積的鈦以及隨後ALD沉積的鈦氮化物的雙層疊層。鎢成核層564可通過使用如上所述的浸泡處理以及ALD處理或浸泡處理和脈衝－CVD處理形成。鎢塊填充566可利用後浸泡處理和任何傳統的沉積技術包括CVD進行沉積。
溝道電容器530一般包括第一電極532、第二電極534和設置在其之間的電介質材料536。P＋基材用作溝道電容 器530的第一電極532並且連接到接地連接541。溝道538形成於P＋基材中並且由用作溝道電容器530的第二電極534的重摻雜N＋多晶矽填充。電介質材料536設置在第一電極532(即，P＋基材)和第二電極534(即，N＋多晶矽)之間。
溝道電容器530還包括設置在電介質材料536和第一電極532之間的第一鎢氮化物阻擋層540。優選地，第二鎢氮化物阻擋層542設置在電介質材料536和第二電極534之間。可選地，阻擋層540、542是組合薄膜，諸如W/WN。
儘管以上所述的DRAM元件利用n－p－n電晶體、作為第一電極的P＋電極和作為電容器第二電極的N＋電極，但是可通過本發明預期其他電晶體設計和電極材料用於形成DRAM元件。另外，可通過在此所述的實施例預期其他元件，諸如例如冠形(crown)電容器。
在此使用的「基材表面」或「基材」指形成於基材之上並且在製造期間在其上執行薄膜處理的任何基材或材料表面。例如，在其上執行處理的基材表面包括諸如單晶矽、多晶矽或非晶矽、應變矽、矽上絕緣體(SOI)、摻雜的矽、矽鍺、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石、矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物和/或碳摻雜的矽氧化物，諸如SiOx Cy ，例如，可從位於California的Santa Clara的Applied Materials Inc.購得的BLACK DIAMOND低－k電介質。基材可具有各種幾何尺寸，諸如200mm或300mm直徑的晶圓以及矩形 或正方形塊。除非另有說明，在此所述的實施例和實施例較佳地執行於具有200mm直徑或300mm直徑的基材上，更佳地執行於300nm直徑的基材上。在此所述的處理的實施例在多個基材和表面，特別是在阻擋層、粘結層或傳導層上沉積金屬鎢、鎢氮化物、鎢硼化物、鎢矽化物、及其衍生物、其合金，以及其他含鎢材料。在其上可使用本發明的實施例的基材包括(但是不限於)半導體晶片，諸如單晶矽(例如，Si<100>或Si<111>)、矽氧化物、應變矽、矽鍺、摻雜或未摻雜的多晶矽、摻雜或未摻雜的矽晶圓和構圖或未構圖的晶圓。基材可暴露於預處理製程以研磨、蝕刻、還原、氧化、羥化、退火和/或烘焙基材表面。
在此使用的「原子層沉積」或「迴圈沉積」指連續引入兩種或多種活性化合物以在基材表面之上沉積材料的層。兩種、三種或多種反應化合物可交替地引入處理室的反應區。通常，每種反應化合物通過時間延遲分離以允許每種化合物在基材表面上粘結和/或反應。在一個態樣中，第一前驅物或化合物A被脈衝入反應區，之後為第一時間延遲。接下來，第二前驅物或化合物B被脈衝入反應區，之後為第二延遲。在每個時間延遲期間，潔淨氣體，諸如氮氣被引入處理室以潔淨反應區或者否則從反應區去除任何殘留活性化合物或副產物。或者，在整個沉積處理期間，潔淨氣體可連續流入，使得在活性化合物脈衝之間的時間延遲期間僅有潔淨氣體流入。在替代實施例中，潔淨氣體亦可以為還原試劑，諸如氫氣、二硼烷或矽烷。反應化合 物交替地脈衝直到在基材表面之上形成預期的薄膜或薄膜厚度。在任一情形中，脈衝化合物A、潔淨氣體、脈衝化合物B和潔淨氣體的ALD處理是一迴圈。迴圈可開始於任一化合物A或化合物B並且持續迴圈的各個次序直到完成具有預期厚度的薄膜。在另一實施例中，包含化合物A的第一前驅物、包含化合物B的第二前驅物和包含化合物C的第三前驅物每個都分離地並交替地脈衝入處理室。或者，包含化合物A的第一前驅物和包含化合物B的第二前驅物每個都分離地且交替地脈衝入處理室，而包含化合物C的第三前驅物連續地流入處理室。或者，第一前驅物的脈衝與第二前驅物的脈衝時間重疊，而第三前驅物的脈衝時間不與第一和第二前驅物的任一脈衝重疊。
在此使用的「脈衝」意欲指特定化合物的量，其間歇地或非連續地被引入處理室的反應區。在每個脈衝內特定化合物的量根據脈衝的持續時間可隨時間改變。根據多個因素，諸如例如所採用的處理室的容量、耦合到處理室的真空系統和特定化合物自身的揮發性/活性，每個脈衝的持續時間是可變的。在此使用的「半－反應」指前驅物的脈衝，之後為潔淨步驟。
實施例
以下的實施例對包含沉積於表面上的阻擋層的基材執行。阻擋層通過利用PVD處理首先在300 mm基材表面之上沉積鈦層至大約100的厚度而形成。隨後，鈦氮化物 層通過CVD處理利用TDMAT前驅物之後為H2 /N2 電漿處理沉積於鈦層。鈦氮化物層沉積至大約50的厚度。在大部分隨後的實施例中，二硼烷氣體通常包含作為載氣的氫氣(H2 )。然而，載氣可以為氮氣(N2 )或氬氣。
實施例
實施例1： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 ；壓力：大約15托；溫度：大約375℃；流速：H2 中5%的B2 H6 為大約200 sccm以及H2 為大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約10秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 、B2 H6 和H2 ；壓力：大約5托；溫度：大約375℃；流速：WF6 大約60 sccm，H2 中5%的B2 H6 大約100 sccm，以及H2 大約6,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約1,220：1；以及 持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理直到成核層具有大約25的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並在以下條件下暴露於第二浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約30托；溫度：大約375℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約30秒。
隨後，利用CVD處理在大約375℃下，使用WF6 －H2 在成核層上沉積塊鎢層至大約500的厚度。
實施例2： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：SiH4 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：SiH4 大約200 sccm；以及持續時間：大約24秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上： 反應物：WF6 、B2 H6 和H2 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm，H2 中5%的B2 H6 大約100 sccm，以及H2 大約6,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約1,220：1；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理直到成核層具有大約25的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並在以下條件下暴露於第二浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約30托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約20秒。
隨後，利用CVD處理在大約400℃下，使用WF6 －H2 在第二成核層上沉積塊鎢層至大約500的厚度。
實施例3： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：SiH4 ；壓力：大約90托； 溫度：大約400℃；流速：SiH4 大約200 sccm；以及持續時間：大約24秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理直到成核層具有大約20的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並在以下條件下暴露於第二浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約20秒。
隨後，利用脈衝－CVD處理形成另一鎢成核層，直到成核層具有大約40的總厚度。使用以下條件： 反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
隨後，利用CVD處理在大約400℃下，使用WF6 －H2 在第二成核層上沉積塊鎢層至大約500的厚度。
實施例4： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約15秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃； 流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約50的厚度。
隨後，利用CVD處理在大約400℃下，在第二成核層上沉積塊鎢層至大約1,000的厚度。
實施例5： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：SiH4 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：SiH4 大約200 sccm；以及持續時間：大約24秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 、B2 H6 和SiH4 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm以及H2 中5%的B2 H6 大約100 sccm，和H2 大約6,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約1,200：1；以及 脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約25的厚度。
隨後，利用CVD處理在大約400℃下，在第二成核層上沉積塊鎢層至大約1,000的厚度。
實施例6： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約15秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於來自之前浸泡處理的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約5托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約50的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並且第二成核層沉積於第一成核層上。第二成核層通過傳統的CVD處理在以下條件下沉積至大約200的厚度：反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約30托；溫度：大約400℃；以及流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm。隨後，利用CVD處理在大約400℃下，在第二成核層上沉積塊鎢層至大約2,000的厚度。
實施例7： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約20秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於之前使用的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 、B2 H6 和H2 ；壓力：大約5托； 溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm，B2 H6 大約30 sccm以及H2 大約4,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約133：1；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約25的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並且第二成核層沉積於第一成核層上。第二成核層通過傳統的CVD處理在以下條件下沉積至大約150的厚度：反應物：WF6 、B2 H6 和H2 ；壓力：大約30托；溫度：大約400℃；以及流速：WF6 大約60 sccm，B2 H6 大約30 sccm以及H2 大約4,000 sccm；以及氫氣/氫化物流速比率：大約133：1。
實施例8： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及 持續時間：大約15秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於浸泡處理期間使用的相同沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 和SiH4 ；壓力：大約30托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm以及SiH4 大約30 sccm；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約150的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並且在以下條件下暴露於第二浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約15秒。
最後，基材保持在沉積腔室中，並且利用CVD處理在大約400℃下，塊鎢層在成核層上沉積至大約2,000的厚度。
實施例9： 基材被放置入沉積腔室中並且在以下條件下暴露於浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約90托；溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約8,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約820：1；以及持續時間：大約15秒。
接下來，在以下條件下通過利用脈衝－CVD處理，鎢成核層形成於先前浸泡處理期間使用的沉積腔室中的阻擋層上：反應物：WF6 、B2 H6 和H2 ；壓力：大約30托；溫度：大約400℃；流速：WF6 大約60 sccm，B2 H6 大約30 sccm以及H2 大約6,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約200：1；以及脈衝持續時間：大約1.5秒。
持續脈衝－CVD處理，直到成核層具有大約100的厚度。之後，基材保持在沉積腔室中並且在以下條件下暴露於第二浸泡處理：反應物：B2 H6 和H2 ；壓力：大約15托； 溫度：大約400℃；流速：H2 中5%的B2 H6 大約200 sccm，以及H2 大約6,000 sccm；氫氣/氫化物流速比率：大約620：1；以及持續時間：大約10秒。
最後，基材保持在沉積腔室中，並且利用CVD處理在大約400℃下，在成核層上沉積塊鎢層至大約2,000的厚度。
雖然前述針對本發明的實施例，但是在不脫離本發明的基本範圍下，可承認本發明的其他和進一步的實施例，並且本發明的範圍由以下的申請專利範圍所確定。
300、350‧‧‧多腔室處理系統
302、304、352、354‧‧‧負載鎖定室
310‧‧‧第一機械臂
312、314、316、318、332、334、336、338、362、364、366、368、370、372‧‧‧處理室
322、324、356‧‧‧傳送腔室
330‧‧‧第二機械臂
360‧‧‧機械臂
400‧‧‧金屬氧化物柵極元件
410‧‧‧柵極
411‧‧‧氧化物層
412、450‧‧‧基材
414‧‧‧多晶矽層
415‧‧‧鈦氮化物阻擋層
416‧‧‧間隔墊
417‧‧‧成核層
420‧‧‧源極/汲極區域
422、566‧‧‧鎢塊填充
451‧‧‧阻擋層
452‧‧‧鎢層
460‧‧‧通孔
510‧‧‧DRAM元件
520‧‧‧存取電晶體
522‧‧‧源極區
524‧‧‧柵極區
526‧‧‧汲極區
530‧‧‧溝道電容器
532‧‧‧第一電極
534‧‧‧第二電極
536‧‧‧電介質材料
538‧‧‧溝道
540‧‧‧第一鎢氮化物阻擋層
541‧‧‧接地連接
542‧‧‧第二鎢氮化物阻擋層
560‧‧‧鎢插栓
562‧‧‧鈦襯墊
564‧‧‧鎢成核層
因此為了更詳細地理解本發明的以上所述特徵，將參照附圖中示出的實施例對以上簡要所述的本發明進行更具體描述。然而，應該注意，附圖中只示出了本發明典型的實施例，因此不能認為是對本發明範圍的限定，本發明可以允許其他等同的有效實施例。
第1圖示出根據在此描述的一個實施例使用迴圈沉積技術形成鎢層的處理順序；第2圖示出根據在此描述的一個實施例形成含鎢材料的處理順序；第3A圖示出示例性的整合處理平臺；第3B圖示出另一示例性整合處理平臺； 第4A－4C圖示出通孔、成核的通孔和填充的通孔的橫截面視圖；第5圖示出根據本發明的實施例形成的示例性金屬氧化物柵極元件的橫截面視圖；第6圖示出根據本發明的實施例形成的傳統DRAM元件的橫截面視圖。

Claims (25)

  1. 一種用於在一基材上形成一含鎢材料的方法，包括：在一處理室內放置一基材，其中該基材包括一配置於其上的下覆層(underlayer)；在一原子層沉積處理期間將該基材依序暴露於一鎢前驅物和一還原氣體以在該下覆層上沉積一鎢成核層，其中該還原氣體包括氫氣和一氫化物，並具有一約500：1或更高的氫氣/氫化物流速比；以及在該鎢成核層上沉積一鎢塊層(bulk layer)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氫化物係選自矽烷、二矽烷、二硼烷、磷化氫、其衍生物和其組合所構成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該還原氣體包括二硼烷。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該還原氣體包括矽烷或二矽烷。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/氫化物流速比係約800：1或更高。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/氫化物流速比係約1000：1或更高。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氫化物係以約1 sccm到約40 sccm之一範圍內的一流速提供給該處理室。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該氫氣係以約1 slm到約20 slm之一範圍內的一流速提供給該處理室。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該氫化物的流速係在約3 sccm到約30 sccm之一範圍內而該氫氣的流速係在約3 slm到約15 slm之一範圍內。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該氫化物的流速係在約5 sccm到約15 sccm之一範圍內而該氫氣包括之一流速係在約5 slm到約10 slm之一範圍內。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基材係加熱至約350℃到約420℃之一範圍內的一溫度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括在一預浸泡處理期間將該下覆層暴露於一包括該還原試劑的預浸 泡氣體，其中該下覆層暴露於該還原試劑持續約5秒到約60秒的一時間週期。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該時間週期係在約10秒到約30秒的一範圍內。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括在一後浸泡處理期間將該鎢成核層暴露於一包括該還原試劑的後浸泡氣體，其中該鎢成核層暴露於該還原試劑持續約5秒到約60秒的一時間週期。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該時間週期係在約10秒到約30秒的一範圍內。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該鎢塊層橫跨該基材所測得之一電阻率係約10 Ωμ－cm或更低。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該電阻率係約8 Ωμ－cm或更低。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該下覆層是一阻擋層並包括一選自金屬鈦、鈦氮化物、金屬鉭、鉭氮化物、釕、鎳、鈷、金屬鎢、鎢氮化物、其矽化物、衍生物、 合金和其組合所構成之群組的材料。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該鎢塊層係藉由一化學氣相沉積處理而沉積。
  20. 一種用於在一基材上形成一含鎢材料的方法，包括：在一處理室內放置一基材，其中該基材包括一配置於其上的下覆層；在一原子層沉積處理期間將該基材依序暴露於一鎢前驅物和一還原氣體以在該下覆層上沉積一鎢成核層，其中該還原氣體包括氫氣和二硼烷並具有約100：1或更高的氫氣/二硼烷流速比；以及在該鎢成核層上沉積一鎢塊層。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/二硼烷流速比係約800：1或更高。
  22. 一種用於在一基材上形成一含鎢材料的方法，包括：在一處理室內放置一基材，其中該基材包括一配置於其上的下覆層；在一預浸泡處理期間將該下覆層暴露於一包括二硼烷的預浸泡氣體；在一原子層沉積處理期間將該基材依序暴露於一鎢前 驅物和一還原氣體以在該下覆層上沉積一鎢成核層，其中該還原氣體包括氫氣和二硼烷並具有約40：1或更高的氫氣/二硼烷流速比；以及在一後浸泡處理期間將該基材暴露於一包括二硼烷的後浸泡氣體；以及在該鎢成核層上沉積一鎢塊層。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/二硼烷流速比係約100：1或更高。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/二硼烷流速比係約500：1或更高。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該還原氣體的氫氣/二硼烷流速比係約800：1或更高。
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