用無氟鎢填充高深寬比的特征的方法
【專利說明】用無氟鎢填充高深寬比的特征的方法 相關申請的交叉引用
[0001] 本申請根據35U.S.C§ 119(e)要求于提交2014年5月31日提交的名稱為 "METHODSOFFILLINGHIGHASPECTRATIOFEATURESWITHFLUORINEFREETUNGSTEN" 的 美國臨時專利申請No. 62/006, 117的權益，以及根據35U.S.C§ 119(e)要求于2014年11 月 4 日提交的名稱為"METHODSOFFILLINGHIGHASPECTRATIOFEATURESWITHFLUORINE FREETUNGSTEN"的美國臨時專利申請No. 62/075, 092的權益，兩者在此通過參考引入其全 部內容并用于所有目的。
技術領域
[0002] 本發明總體上涉及半導體制造工藝，具體涉及用無氟鎢填充高深寬比的特征的方 法。
【背景技術】
[0003] 使用化學氣相沉積（CVD)技術的鎢膜沉積是半導體制造工藝的組成部分。例如， 鎢膜可以相鄰金屬層之間的水平互連、通孔，以及第一金屬層和硅襯底上的器件之間的觸 頭的形式被用作為低電阻率的電氣連接。在一鎢沉積工藝的示例中，阻擋層被沉積在介電 襯底上，然后跟著鎢膜的薄成核層的沉積。之后，剩余的鎢膜被沉積在該成核層上作為體層 (bulklayer)。通常，鎢體層通過在化學氣相沉積工藝中用氫（?)還原六氟化鎢（WF6)來 形成。
【發明內容】
[0004] 本發明描述的主題的一個方面是在襯底上沉積鎢的方法。該方法包括在第一組條 件下將襯底暴露于氯化鎢和還原劑以通過化學氣相沉積（CVD)在襯底上的特征中沉積第 一鎢層并在第二組條件下將所述襯底暴露到氯化鎢和還原劑以蝕刻所述第一鎢層。
[0005] 根據各種實施方式，在沉積和蝕刻操作中使用的氯化鎢化合物可以是相同的或不 同的。氯化鎢（WC1X)可包括沉12、1(：14、1(：1 5、1(：16、以及它們的混合物。還原劑的實例包括 氫氣（?)。
[0006] 在一些實施方式中，蝕刻所述第一鎢層包括非保形蝕刻，使得在特征的開口附近 的所述第一鎢層的平均厚度的減小大于在特征內的第一鎢層的平均厚度的減小。在一些實 施方式中，從所述第一組條件到所述第二組條件的轉變包括降低溫度。在一些實施方式中， 從所述第一組條件到所述第二組條件的轉變包括增大WC1X通量。在一些實施方式中，從所 述第一組條件到所述第二組條件的轉變包括降低室的壓強。在一些實施方式中，從所述第 一組條件到所述第二組條件的轉變包括提高WC1X流率。在一些實施方式中，從所述第一組 條件到所述第二組條件的轉變包括提高WC1X濃度。
[0007] 所述主題的另一個方面涉及一種方法，所述方法包括將部分填充鎢的特征暴露于 WC1X以去除在部分填充的特征中的鎢的一部分。在一些實施方式中，也可將特征暴露于氫 氣（?)。在一些實施方式中，在特征的開口附近的鎢的平均厚度的減小大于在特征內的鎢 的平均厚度的減小。
[0008] 本發明公開的主題的另一個方面涉及用于處理襯底的裝置。該裝置可以包括：（a) 一個或多個工藝室，其包括被配置成容納襯底的基架；(b)至少一個出口；（c)偶聯到一個 或多個工藝氣體源的一個或多個工藝氣體入口；以及（d)控制器，其用于控制所述裝置中 的操作，包括機器可讀指令，所述指令用于：（i)將氯化鎢和還原劑引入一個或多個處理室 中的一個；以及（ii)在（i)之后，將氯化鎢和還原劑引入一個或多個處理室中的一個，其 中，從（i)到（ii)的轉變包括用于從沉積機制（regime)切換到蝕刻機制的指令。
[0009] 在一些實施方式中，其中所述控制器包括用于通過提高氯化鎢濃度以從（i)轉變 到（ii)的指令。在一些實施方式中，其中所述控制器包括用于通過降低襯底的溫度以從 (i)轉變到（ii)的指令。在一些實施方式中，所述控制器包括用于通過改變氯化鎢以從（i) 轉變到（ii)的指令。在一些實施方式中，所述控制器包括用于通過提高氯化鎢流率以從 (i)轉變到（ii)的指令。
[0010] 下面參照附圖進一步描述這些方面和其他方面。
【附圖說明】
[0011] 圖1示出了根據某些實施方式在半導體處理的不同階段期間包含高深寬比的特 征的半導體襯底的示例。
[0012] 圖2是描述根據所述實施方式執行的操作的工藝流程圖。
[0013] 圖3A示出了在填充工藝的不同階段的特征的橫截面的一個示例的示意性表示。
[0014] 圖3B示出了根據某些實施例的特征的自下而上的填充的示例。
[0015] 圖4是根據某些實施方式的適合于進行鎢薄膜沉積和蝕刻工藝的處理系統的示 例的示意圖。
[0016] 圖5是根據某些實施方式的沉積站的示例的示意圖。
[0017] 圖6是表示在450°C和550°C下鎢（W)和氮化鈦（TiN)的厚度作為用于WC16/H2暴 露的壓強的函數的壓強曲線圖。
[0018] 圖7是示出CVD沉積速率和蝕刻轉變作為WCljPWC16的前體濃度的函數的曲線 圖。
【具體實施方式】
[0019] 在接下來的描述中，許多具體細節被闡述以提供對所呈現的實施方式的透徹理 解。所公開的實施方式可在沒有這些具體細節中的一些或全部的情況下被實施。另一方面， 公知的工藝操作沒有被詳細描述以免不必要地模糊所公開的實施方式。雖然所公開的實施 方式將結合【具體實施方式】進行描述，但應當理解，這并非意圖限制所公開的實施方式。
[0020] 半導體器件制造往往涉及鎢膜的沉積，尤其是在溝槽或通孔中，以形成互連。在沉 積鎢膜的常規方法中，成核鎢層首先被沉積到通孔或觸頭中。通常，成核層是薄保形層，用 于促進體材料在其上面的后續形成。鎢成核層可被沉積為保形地涂覆特征的側壁和底部。 與底下特征的底部和側壁保形對支撐高品質的沉積而言可能是關鍵的。成核層往往利用原 子層沉積（ALD)方法或脈沖成核層（PNL)方法進行沉積。
[0021] 在PNL技術中，反應劑的脈沖按順序注入并典型地通過反應劑之間的吹掃氣體 (purgegas)的脈沖而從反應室清除。第一反應劑可被吸附到襯底上，可用于與下一反應 劑反應。該工藝以循環方式重復，直到達到希望的厚度。PNL類似于ALD技術。PNL通常與 ALD的區別在于它的較高的操作壓強范圍（大于1乇（Torr))和它的較高的每循環生長速 率（大于每循環1單層膜生長）。PNL沉積過程中的室壓可在從約1乇至約400乇的范圍。 在本文所提供的描述的上下文中，PNL廣泛地體現了順序添加用于半導體襯底上的反應的 反應劑的任何循環工藝。因此，該概念體現通常稱為ALD的技術。
[0022] 在鎢成核層被沉積之后，通常通過非順序的化學氣相沉積（CVD)工藝，通過使用 諸如氫（?)之類的還原劑還原六氟化鎢（WF6)來沉積體鎢。在公開的實施方式的上下文中， 非順序的CVD體現在其中反應物一起被引入到反應器中用于氣相反應的工藝。PNL和ALD 工藝不同于CVD工藝，反之亦然。
[0023] 鎢的常規沉積涉及了含氟鎢前體WF6的使用。然而，WF6的使用導致一些氟摻進所 沉積的鎢膜中。隨著器件縮小，特征變得越來越小且電迀移和離子擴散的有害影響變得越 來越突出，從而引起器件故障。氟的存在可引起電迀移和/或氟擴散到相鄰部件中以及損 害觸頭，從而降低器件的性能。含微量氟的鎢膜可由此產生集成和可靠性問題，以及與底下 的膜或器件結構（比如通孔和柵）相關的器件性能問題。
[0024] 無氟鎢（FFW)前體對防止這種可靠性和集成問題或器件性能問題是有用的。目前 的FFW前體包括金屬有機前體，但來自金屬有機前體的不希望有的微量元素也會被摻入媽 膜中，比如碳、氫、氮和氧。一些金屬有機無氟前體還不易在鎢沉積工藝中實施或集成。
[0025] 在此公開的方法涉及用無氟鎢（FFW)填充特征。在一些實施方式中，提供了使用 無氟氯化鎢（WC1X)前體的鎢膜的良好的臺階覆蓋。該工藝通過先執行局部沉積，蝕刻，然后 用第二沉積物完成填充，可實現FFW膜以及高深寬比的溝槽的填充。在一些實施方式中，這 可以使用WC1XK作為沉積前體又作為蝕刻劑，僅通過將工藝條件從沉積條件改變成蝕刻條 件，在單個室中原位實現。在一些實施方式中，可以執行多個沉積-蝕刻循環以填充特征。
[0026] 用含鎢材料填充特征可導致填充的特征內縫的形成。當被沉積在特征的側壁上的 層變厚到通過形成夾點而封閉的程度，會形成縫；在該點下方的任何空隙空間與處理室的 環境隔離。這種夾斷防止前體和/或其它反應物進入剩余的空隙空間，并且它們保持未填 充。空隙空間可以是沿特征的深度方向在整個填充特征的一部分上延伸的細長的縫。這個 空隙空間或縫由于其形狀有時也被稱為鎖孔。
[0027] 縫的形成存在多個潛在的原因。一個原因是在含鎢材料的沉積期間，或更典型地 在其他材料（如擴散阻擋層或成核層）的沉積期間，特征開口附近形成突出部分。圖1示 出了根據某些實施方式在不同階段的半導體處理期間包含高深寬比特征的半導體襯底的 示例。第一橫截面101示出了具有預形成的特征孔105的襯底103。襯底可以是硅晶片， 例如，200毫米的晶片，300毫米的晶片，或450毫米晶片。特征孔105可具有至少約2 : 1 的深寬比，或者在更具體的實施方式中，具有至少約4 : 1的深寬比。如下面進一步討論 的，本文公開的方法可以用于填充具有高得多的深寬比的特征，例如，至少12 : 1，或至少 30 : 1。特征孔105也可具有接近介于約10納米至500納米之間的開口（例如，開口直徑， 線寬等）的橫截面尺寸