專利名稱：具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法
技術領域：
本發明是有關于半導體制造技術，且特別是有關于通過化學氣相沉積(chemical vapor deposition)形成鎢接觸物(tungstencontacts)的方法。
背景技術：
隨著多功能集成電路需求增加，為了滿足如此的裝置復雜度的需求便需要較多層的金屬內連物。由于鎢具有低接觸電阻值且可通過如濺鍍(sputtering)、物理氣相沉積(physical vapordeposition)與化學氣相沉積(chemical vapor deposition)等眾多不同方法沉積于半導體基底上，因此逐漸成為制造金屬內連物的眾多選擇之一。其中，化學氣相沉積是通過于腔體內氣相分子間的化學反應以形成金屬薄膜，而由于鎢金屬接觸物具有極佳的溝填特性故因而受到重視。隨著半導體裝置尺寸更為縮減而向次微米尺寸(sub-micron regime)挑戰，因而對于鎢金屬的溝填特性與完整階梯覆蓋的能力更形成挑戰。
美國第6,635,965號、6,593,233號、6,271,129號以及第5,371,041號等專利中揭露了于半導體晶圓的膜層內通過化學氣相沉積法形成鎢接觸物的現有技術。不幸地，此些現有技術往往于金屬接觸物內形成有孔洞，其將嚴重影響接觸物的整體表現。于許多情形中，此些現有技術將導致約25～30納米(nm)以上的孔洞形成，因而嚴重地影響整體的元件表現。因此，便需要一種于半導體膜層中形成金屬接觸物且不會遭遇上述現有技術缺點的金屬接觸物的形成方法。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的就是提供一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法。其中，于一內連開口中形成一阻障粘著層后，接著于一成核溫度下形成一鎢成核層以及于一主體沉積溫度下沉積一鎢主體層，其中上述成核溫度高于主體沉積溫度，以使成核溫度與主體沉積溫度間的溫度差異改善了鎢金屬的溝填能力。所形成的鎢接觸物接著經由化學機械研磨平坦化，并接著形成另一導電層于經過平坦化的鎢接觸物之上。
依據本發明的一目的，本發明提供一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一介電層于該基底上；形成一內連開口于該介電層內；沉積一阻障粘著層(barrier adhesion layer)于該介電層上與該內連開口內；于一成核溫度下形成一鎢成核(tungstennucleation)層，以于該阻障粘著層上以及于該內連開口內；以及于低于該成核溫度的一主體沉積溫度下形成一鎢主體層于該鎢成核層上，以填滿該內連開口并形成該鎢接觸物。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，該成核溫度介于415至460℃。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，該主體沉積溫度介于370至410℃。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，該鎢成核層具有介于100至500埃的厚度。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，該鎢主體沉積層具有介于1000至1500埃的厚度。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，更包括形成一第一導電層于該基底上以及形成一介電層于該第一導電層上的步驟，其中該內連開口是穿過該介電層直到該第一導電層。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，更包括平坦化該鎢接觸物至大體相同于該介電層的高度的步驟。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，更包括形成一第二導電層于該介電層上并接觸該鎢接觸物的步驟。
本發明所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，該成核溫度是通過一第一加熱源所提供，而該主體沉積溫度是通過一第二加熱源所提供。
本發明還提供一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，所述具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法包括下列步驟提供一基底；形成一介電層于該基底上；形成一內連開口于該介電層內；沉積一阻障粘著層于該介電層上與該內連開口內；于介于415至460℃的一成核溫度下形成一鎢成核層于該阻障粘著層上與于該內連開口內；以及于低于該成核溫度的介于350至410℃的一主體沉積溫度下形成一鎢主體沉積層于該鎢成核層上，以填滿該內連開口并形成一鎢接觸物。
本發明具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，改善了成核層與主體沉積層間的接觸情形，鎢主體層較佳地吸附于鎢成核層的結晶表面并可促進較小的晶粒成長而形成無孔洞的結構，且增加溝填能力，使元件具有較佳的速度與表現。
圖1A至圖1E為一系列剖面示意圖，用以說明本發明一較佳實施例中通過化學氣相沉積形成位于兩導電層間的鎢接觸物的制程步驟；圖2顯示了依據本發明的一實施例中的具有多重加熱源的一化學氣相沉積腔體。
具體實施例方式
為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖示，作詳細說明如下本發明的通過化學氣相沉積以于兩導電層間形成鎢接觸物的實施例將配合圖1A至圖1E的剖面示意圖作一詳細敘述如下。鎢接觸物是依據以下的較佳實施例所揭露原理所形成，因而可得到較為可靠的半導體裝置。
首先如圖1A所示，采用現有方法與技術于形成于導電層104與半導體基底106上的介電層102內定義形成一內連開口100，例如為一溝槽(trench)或一介層開口(via)。在此，介電層102例如包括氮化硅或氧化硅，而導電層104可能包括不同類型的集成電路結構，例如層間金屬介電層(interlevel metal dielectric)、柵極電極(gate electrode)、絕緣區(isolation regions)、電容器(capacitors)以及其他用于半導體裝置的構件或裝置。
另外，介電層102亦可直接形成于半導體基底106上而其間并不存在有導電層104，而介層開口100則定義形成于介電層102內。再者，雖然鎢接觸物通常形成于半導體基底106上的較高內連層中，但是介層開口100亦可定義形成于半導體基底106內。介層開口100具有由介層開口100的深度110比上介層開口100的寬度108的比例所定義出的一深寬比(aspect ratio)。舉例來說，當介層開口100具有為1微米(micron)的深度110以及為0.1微米的寬度108時，此時介層開口110具有10∶1的深寬比。
如圖1B所示，接著于圖1A內的結構上形成一阻障粘著層(barrier adhesion layer)112。阻障粘著層112可通過坦覆性沉積技術所形成，亦可采用其他應用技術所形成。阻障粘著層112是作為擴散阻障之用，以避免后續沉積的鎢金屬突起(spiking)或擴散(diffusing)至導電層104或半導體基底106內。阻障粘著層112通常為由濺鍍或化學氣相沉積等技術所形成的氮化鈦(titaniumnitride)、氮化鉭(tantalum nitride)或氮化鈦鎢(nitridedtitanium-tungsten)薄膜。當然，亦可采用其他形成阻障粘著層112的成份與方法。在此，阻障粘著層112亦有助于改善依下列方式所形成的鎢接觸物的粘著情形。
如圖1C至圖1D所示，接著通過化學氣相沉積制程以形成鎢接觸物或其他鎢金屬化結構于圖1B中所繪示結構上。一般而言，鎢的化學氣相沉積包括兩主要步驟(1)初始成核步驟，以及(2)主體沉積步驟。于如圖1C所示的初始成核步驟中，于一成核溫度下依據方程式(1)而反應六氟化鎢(WF6)與硅甲烷(SiH4)，以沉積形成一鎢成核層114。
(1)成核溫度為鎢成核層114的成核速率或成長速率為最快時的溫度。于一較佳實施例中，此成核溫度約介于415至460℃。于一較佳實施例中，此成核溫度較精確地介于約430至450℃。此外，于較佳實施例中，所形成的鎢成核層114具有介于100至500埃的厚度。然而，亦可依實際需要而采用其他厚度。
如圖1D所顯示后續形成的主體沉積步驟中，六氟化鎢(WF6)更與氫氣(H2)進行化學反應于一主體沉積溫度下依據方程式(2)以形成一鎢主體層116。
(2)主體沉積溫度是為鎢主體層116成長并完成鎢接觸物的溝填程序的溫度。于一較佳的實施例中，此主體沉積溫度約介于350至410℃。而于一較佳實施例中，此主體沉積溫度較精確地約介于370至400℃。此外，于較佳的實施例中，所形成的鎢主體層116具有介于1000至5000埃的厚度。然而，亦可依實際需要而采用其他厚度。
于前述成核步驟以及主體沉積步驟結束后，接著施行一化學機械研磨以平坦化或平滑化上述半導體基底上的突出部。如圖1E所示，于完成化學機械研磨后，便形成了具有相似于介電層102高度的鎢接觸物116。如圖1E所示，于鎢接觸物116形成后，可接著沉積另一導電層118于鎢接觸物116上。當鎢接觸物116作為半導體裝置內的最終電性金屬內連物時，導電層118可為非必須的。
由于前述技術中的化學氣相沉積制程的成核溫度與主體沉積溫度不同，所形成的鎢接觸物具有較小的晶粒尺寸(grain size)且于所形成金屬接觸物中不存在有顯著孔洞。晶粒尺寸是通過形成接觸物的個別金屬粒子的平均直徑所定義而成，而于由越小晶粒尺寸所形成的金屬接觸物內的出現孔洞的可能性便越小。一般而言，形成利用前述技術形成的鎢接觸物可表現出較傳統晶粒尺寸為小的晶粒尺寸，且于最終鎢接觸物內大體無孔洞存在。此外，通常鎢接觸物具有約3.5∶1的一深寬比，其深度約為0.45微米而寬度約為0.13微米。
依據前述原則的成核溫度與主體沉積溫度可通過如圖2所示的一現有化學氣相沉積腔體126所達成，其具有多個加熱源128。此些加熱源128可彈性控制制程溫度，且較重要地允許了精確控制如此鎢材料所需的較高溫度的成核溫度，以及較低溫度的主體沉積溫度。通過對成核與主體沉積溫度使用不同加熱源，通過多個加熱源的使用，亦可顯著地降低制備整批晶圓的制程時間。舉例來說，其中的兩加熱源128可維持于最佳化的成核溫度，而其中的另外兩個加熱源128則維持于最佳化的主體沉積溫度。一但晶圓于特定加熱源128內完成了鎢成核層114的沉積時，其可接著通過一機械手臂130經由路徑132傳輸至其他特定加熱源128以形成鎢主體層116。由于加熱源128是于常壓下設置于腔體126，且由于單一加熱源的溫度于制程當中并不會改變，因此，上述方式有助于加速相關晶圓制程。此外，本發明的制程并不限定如圖2中繪示于腔體126內的四個加熱源128所完成，本發明的制程亦可通過具有一單一加熱源128的腔體126于制程時通過改變溫度所達成，雖然如此的產出率較低。或者，本發明的制程亦可通過具有兩個、三個、五個或更多個加熱源128的腔體126所完成。
于制造接觸物過程中，對應于較低的主體沉積溫度的較高的成核溫度改善層與層間的介面表面，特別阻障粘著層112與鎢成核層114之間的介面表面。此外，相對較高的成核溫度亦有助于形成較小的成核結晶尺寸以及較為平滑的結晶，因而改善了成核層114與主體沉積層116間的接觸情形。同樣地，通過降低主體沉積溫度低于成核溫度，鎢主體層116較佳地吸附于鎢成核層114的結晶表面并可促進較小的晶粒成長而形成無孔洞的結構。此些形成接觸物的較小金屬晶粒顆粒較通過用于形成金屬接觸的現有化學氣相沉積技術所形成的金屬晶粒顆粒為小，意味著應用本發明的技術可增加溝填能力。再者。較小晶粒與較平滑表面介面亦有助于形成較低電阻值以及較低片電阻值的結構(于相同應力下)，因此較應用現有接觸物形成技術所形成的裝置可具有較佳的元件速度與表現。
以上所述僅為本發明較佳實施例，然其并非用以限定本發明的范圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明的保護范圍當以本申請的權利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下100介層開口102介電層104、118導電層106半導體基底
108介層開口的寬度110介層開口的深度112阻障粘著層114鎢成核層116鎢主體層126腔體128加熱源130機械手臂132機械手臂的路徑
權利要求
1.一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，所述具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法包括下列步驟提供一基底；形成一介電層于該基底上；形成一內連開口于該介電層內；沉積一阻障粘著層于該介電層上與該內連開口內；于一成核溫度下形成一鎢成核層，以于該阻障粘著層上以及于該內連開口內；以及于低于該成核溫度的一主體沉積溫度下形成一鎢主體層于該鎢成核層上，以填滿該內連開口并形成該鎢接觸物。
2.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于該成核溫度介于415至460℃。
3.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于該主體沉積溫度介于370至410℃。
4.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于該鎢成核層具有介于100至500埃的厚度。
5.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于該鎢主體沉積層具有介于1000至1500埃的厚度。
6.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于更包括形成一第一導電層于該基底上以及形成一介電層于該第一導電層上的步驟，其中該內連開口是穿過該介電層直到該第一導電層。
7.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于更包括平坦化該鎢接觸物至相同于該介電層的高度的步驟。
8.根據權利要求7所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于更包括形成一第二導電層于該介電層上并接觸該鎢接觸物的步驟。
9.根據權利要求1所述的具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，其特征在于該成核溫度是通過一第一加熱源所提供，而該主體沉積溫度是通過一第二加熱源所提供。
10.一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，所述具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法包括下列步驟提供一基底；形成一介電層于該基底上；形成一內連開口于該介電層內；沉積一阻障粘著層于該介電層上與該內連開口內；于介于415至460℃的一成核溫度下形成一鎢成核層于該阻障粘著層上與于該內連開口內；以及于低于該成核溫度的介于350至410℃的一主體沉積溫度下形成一鎢主體沉積層于該鎢成核層上，以填滿該內連開口并形成一鎢接觸物。
全文摘要
本發明是關于一種具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一介電層于該基底上；形成一內連開口于該介電層內；沉積一阻障粘著層于該介電層上與該內連開口內；于一成核溫度下形成一鎢成核層，以于該阻障粘著層上以及于該內連開口內；以及于低于該成核溫度的一主體沉積溫度下形成一鎢主體層于該鎢成核層上，以填滿該內連開口并形成該鎢接觸物。本發明具有鎢接觸物的半導體裝置的制造方法，改善了成核層與主體沉積層間的接觸情形，鎢主體層較佳地吸附于鎢成核層的結晶表面并可促進較小的晶粒成長而形成無孔洞的結構，且增加溝填能力，使元件具有較佳的速度與表現。
文檔編號H01L21/70GK1783454SQ20051009828
公開日2006年6月7日 申請日期2005年9月5日 優先權日2004年11月30日
發明者林思宏 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司