用于低电阻率及应力的钨间隙填充部的方法与装置与流程

1.本原理的实施方式一般涉及半导体基板的处理。


背景技术：

2.钨在半导体工业中作为具有最小电迁移的低电阻率导体使用。钨可用以填充孔，作为用于晶体管的触点及形成集成器件的层之间的过孔。由于钨的稳定性及低电阻率，钨也可在逻辑及存储器件中用于互连。随着技术发展，产生了对甚至更低电阻率及更低应力金属填充方案的需求。目前的技术使用钨的化学气相沉积，这种沉积需要使用氮化钛衬垫及钨原子层沉积成核，随后是钨的整体填充(bulk fill)。然而，目前的方法受到技术的限制，并且无法提供合理间隙填充的具有更低电阻率及低应力两者的金属填充方案。
3.因此，发明人提供了改进的处理，该处理生产具有低应力且具有甚至比目前技术更低电阻率的钨填充部。


技术实现要素：

4.在此提供用于减少钨的内部应力同时降低钨的电阻率的方法及装置。
5.在一些实施方式中，一种用于在结构上形成钨间隙填充部的方法可包含：使用物理气相沉积(pvd)处理在该结构中沉积钨衬垫；使用原子层沉积(ald)处理沉积成核层；以氮化处理处置该结构；及使用化学气相沉积(cvd)处理沉积整体填充钨至该结构中，该化学气相沉积(cvd)处理配置成形成接缝抑制的(seam suppressed)钨填充部。
6.在一些实施方式中，该方法可进一步包括：其中该成核层的厚度是大约10埃至大约60埃；其中该pvd处理是具有氩或氪的环境气体的高离子化处理；其中该pvd处理在大约20摄氏度至大约300摄氏度的温度下执行；其中该cvd处理在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下执行；其中该cvd处理在大约5托(torr)至大约300托的压力下执行；其中该结构是大约8：1至大约15：1的高深宽比结构；其中该氮化处理包括以大约1sccm至大约20sccm的速率使氮流动；其中该氮化处理具有大约2秒至大约20秒的持续时间；和/或其中该钨衬垫的厚度是大约40埃至大约60埃。
7.在一些实施方式中，一种用于在结构上形成钨间隙填充部的方法可包含：使用具有氩或氪的环境气体和高离子化的物理气相沉积(pvd)处理在该结构中沉积钨衬垫，其中该pvd处理在大约20摄氏度至大约300摄氏度的温度下执行；以氮化处理处置该结构；及使用化学气相沉积(cvd)处理沉积整体填充钨至该结构中以形成接缝抑制的钨填充部，其中该cvd处理在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下和大约5托至大约300托的压力下执行。
8.在一些实施方式中，该方法可进一步包括：在该结构上执行快速热处理(rapid thermal process，rtp)，其中该rtp配置成减少该整体填充钨的内部应力且降低该整体填充钨的电阻率；其中该rtp在大约700摄氏度至大约900摄氏度的温度下执行；其中该rtp执行大约60秒或更长的时段；其中该rtp通过以大约每秒30摄氏度至大约每秒100摄氏度的斜
率增加温度而执行；其中该整体填充钨不含硼；和/或其中该结构是大约8：1至大约15：1的高深宽比结构。
9.在一些实施方式中，一种非暂时性计算机可读介质具有储存在该介质上的指令，当执行这些指令时，使得一种用于在结构上形成钨间隙填充部的方法得以执行，该方法可包含：使用具有氩或氪的环境气体和高离子化的物理气相沉积(pvd)处理在该结构中沉积钨衬垫，其中该pvd处理在大约20摄氏度至大约300摄氏度的温度下执行；以氮化处理处置该结构；及使用化学气相沉积(cvd)处理沉积整体填充钨至该结构中以形成接缝抑制的钨填充部，其中该cvd处理在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下及大约5托至大约300托的压力下执行。
10.在一些实施方式中，该方法可进一步包括：在以该氮化处理处置该结构之前，使用原子层沉积(ald)处理沉积成核层；和/或在该结构上执行快速热处理(rtp)，其中该rtp配置成减少该整体填充钨的内部应力且降低该整体填充钨的电阻率。
11.以下公开了其他及进一步的实施方式。
附图说明
12.以上简要概述并且在以下更详细讨论的本原理的实施方式可通过参考在附图中描绘的本原理的图示实施方式而理解。然而，附图仅示出本原理的典型实施方式，且因此不应被视为范围的限制，因为本原理认可其他等效的实施方式。
13.图1描绘根据本原理的一些实施方式在基板上结构中的钨间隙填充的截面图。
14.图2是根据本原理的一些实施方式在基板上填充间隙的方法。
15.图3描绘根据本原理的一些实施方式经间隙填充的高深宽比结构的截面图。
16.图4是根据本原理的一些实施方式使用氮化处理在基板上填充间隙的方法。
17.图5描绘根据本原理的一些实施方式经间隙填充不具有空隙(void)的高深宽比结构的截面图。
18.图6是根据本原理的一些实施方式使用ald成核层处理在基板上填充间隙的方法。
19.图7描绘根据本原理的一些实施方式经使用ald成核层进行间隙填充的高深宽比结构的截面示意图。
20.为了促进理解，已尽可能地使用相同的参考标记代表各图共有的相同的元素。附图并未按比例绘制，且为了清楚可简化。一个实施方式的元素和特征可有益地并入其他实施方式中而无须进一步说明。
具体实施方式
21.本方法及装置提供低电阻率及低应力的钨间隙填充部。本原理可用以填充例如过孔或沟道及类似结构的结构。沟道或过孔的关键尺寸(critical dimension，cd)可在大约5nm至大约65nm的范围内，具有大约1：1至大约15：1的深宽比(ar)(高度相对宽度的比例)。在一些实施方式中，处理流程包括：物理气相沉积(pvd)钨衬垫沉积，接缝抑制的(ss)钨的化学气相沉积(cvd)，随后是快速热(rtp)退火。
22.由于钨的独特的稳定度及低电阻率，钨被广泛地用作逻辑及存储器件中的金属互连。然而，伴随着技术的进步，对具有合理间隙填充的甚至更低电阻率和更低应力的金属填
充方案的需要增加，这样的方案能够满足例如用于nand闪存结构及类似结构的要求。传统cvd钨方式(tin cvd钨)具有高的张应力(tensile stress)。发明人已发现，cvd钨的应力可通过改变沉积条件(温度、压力、和氟化钨(wf6)相对氢气(h2)的比例，等等)而降低，但在产量及间隙填充效能上有大的影响。发明人还发现，cvd钨的电阻率可通过改变沉积条件(温度、钨原子层沉积(ald)成核化学技术，等等)而降低，但是电阻率响应有限且效能降低(主要为产量)。发明人后续发现了一种整合的方式，这种方式大幅降低钨膜的应力及电阻率并有高产量。此外，钨填充是不含硼的，在这种整合的方式中允许快速热处理的使用而没有粘附问题。
23.图1描绘了根据一些实施方式在基板102中的结构108中的钨间隙填充的截面图100。在传统钨间隙填充处理中，首先在基板的表面上沉积氮化钨层，随后是ald钨成核层和cvd钨间隙填充部。利用本原理的方法及装置，首先在结构108中沉积pvd钨衬垫104，然后通过cvd钨/ss钨处理来沉积钨整体填充部106。在一些实施方式中，可以后续使用rtp处理以降低钨整体填充部106的电阻率及应力。pvd钨衬垫104在结构108中将具有合理的阶梯覆盖(step coverage)。pvd沉积以有例如氩或氪及类似物的环境稀有气体(noble gas)的高离子化处理来进行。在pvd沉积处理期间的温度可从大约室温(～20摄氏度)至大约300摄氏度。
24.在氮化钛层上的传统cvd钨间隙填充由使用氟化钨及乙硼烷(b2h6)/硅烷(sih4)前驱物的钨ald成核和以wf6/h2作为前驱物的钨cvd整体填充沉积所组成。在本原理的方法及装置中，以大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度及大约5托至大约300托的压力，直接沉积钨cvd整体填充部，没有钨ald成核层。在该处理中消除使用硼，这使得rtp处理能被用以改善钨中的电阻率及应力水平，而不会对钨造成因硼而升级的粘附问题。退火温度可以是从大约700摄氏度至大约900摄氏度的范围。退火持续时间可以是大约60秒或更长。退火环境气体可以是氢或氩及类似物。在一些实施方式中，温度斜率可以是从大约每秒30摄氏度至大约每秒100摄氏度的范围或更大。
25.图2是根据一些实施方式在基板上填充间隙的方法200。图3描绘根据方法200经间隙填充的基板302中结构304的截面图300。在方块202中，使用pvd处理在结构304上沉积钨衬垫306。如先前所述，使用例如氩或氪及类似物的稀有气体以高离子化进行pvd处理。pvd处理温度可以是从大约室温(～20摄氏度)至大约300摄氏度。钨衬垫306的厚度取决于cd变化，且可以是从大约40埃至大约200埃的范围。在方块204中，以与氢气一起的wf6的前驱物使用cvd处理在结构304上沉积整体填充钨308，以不含硼的钨填充结构304。cvd处理可在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下执行，且有大约5托至大约300托的压力。
26.在可选方块206中，可以在结构304上执行rtp处理，以减少整体填充钨308的内部应力同时也减少整体填充钨308的电阻率。在不使用硼的条件下沉积整体填充钨308，避免了与注有硼的钨的rtp处理相关的问题。如上所述，退火温度可以是从大约700摄氏度至大约900摄氏度的范围。退火持续时间可以是大约60秒或更长。退火环境气体可以是氢或氩和类似物。在一些实施方式中，温度斜率可以是从大约每秒30摄氏度至大约每秒100摄氏度或更大的范围。方法200对具有小于8：1的深宽比的结构作用良好。发明人已发现，若高深宽比太大(例如，8：1至15：1)，则由于在pvd钨沉积期间悬垂部(overhang)312的形成和由于整体填充钨308的保形性，在整体填充钨308中可能出现空隙310。为了解决在结构304中空隙的
形成，发明人已发现如在图4和图6中所述的可用于更高深宽比的替代方法。
27.图4是根据一些实施方式使用氮化处理在基板302上填充间隙的方法400。图5描绘了根据方法400经间隙填充而没有空隙的结构304的截面图500。在方块402中，使用pvd处理在结构304上沉积钨衬垫306。钨衬垫306的厚度取决于cd变化，且可以是从大约40埃至大约200埃的范围。钨衬垫306作为用于后续整体填充的成核层。使用例如氩或氪及类似物的稀有气体以高离子化进行pvd处理。pvd处理温度可以是从大约室温(～20摄氏度)至大约300摄氏度。在方块404中，以氮化处理来处置结构304以形成氮化钨506。在氮化处理中，氮自由基仅在结构304的顶部表面510上或在结构304的顶部表面510附近形成氮化钨。氮化钨使得后续的cvd钨沉积在顶部表面510上有培养延迟(incubation delay)，但cvd钨沉积从结构304的底部512和内侧向上将具有正常的生长。氮化处理导致cvd钨沉积的自底向上或超保形(super-conformal)沉积行为，从而减少结构304内侧的空隙形成。在一些实施方式中，氮化处理包括以大约1sccm至大约20sccm的速率使氮流动，持续时间是大约2秒至大约20秒。可使用本地或远程等离子体源。
28.在方块406中，使用cvd处理在结构304上沉积整体填充钨508，以形成接缝抑制的钨。cvd处理使用与氢气一起的wf6的前驱物，以形成不含硼的钨。cvd处理可在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下执行，且有大约5托至大约300托的压力。在可选方块408中，可在结构304上执行rtp处理，以减少整体填充钨508的内部应力，同时也减少整体填充钨508的电阻率。在不使用硼的条件下沉积整体填充钨508，避免了与注有硼的钨的rtp处理相关的问题。退火温度可以是从大约700摄氏度至大约900摄氏的范围。退火持续时间可以是大约60秒或更长。退火环境气体可以是氢或氩和类似物。在一些实施方式中，温度斜率可以是从大约每秒30摄氏度至大约每秒100摄氏度或更大的范围。
29.图6是根据一些实施方式使用ald成核层处理在基板302上填充间隙的方法。图7描绘根据方法600使用ald成核层的经间隙填充的结构304的截面图700。在方块602中，使用pvd处理在结构304上沉积钨衬垫306。钨衬垫306的厚度取决于cd变化，且可以是从大约40埃至大约200埃的范围。使用例如氩或氪和类似物的稀有气体以高离子化来进行pvd处理。pvd处理温度可以是从大约室温(～20摄氏度)至大约300摄氏度。在方块604中，使用ald处理在结构304上形成薄的钨成核层702。薄的钨成核层702的厚度可以是从大约10埃至大约60埃。在氮化处置之前施加钨成核层，以提高在顶部表面710上的培养延迟。后续沉积的整体填充钨的内部应力水平将保持不变，但后续沉积的整体填充钨的电阻率相较于不具ald处理的处理可增加大约10％。
30.在方块606中，以氮化处理来处置结构304以形成氮化钨层706。在氮化处理中，氮自由基仅在结构304的顶部表面710上或在结构304的顶部表面710附近形成氮化钨。氮化钨层706使得后续cvd钨沉积在顶部表面710上有培养延迟，但cvd钨沉积从结构304的底部712和内侧向上将具有正常生长。氮化处理导致cvd钨沉积的自底向上或超保形沉积行为，从而减少结构304内侧的空隙形成。在一些实施方式中，氮化处理包括以大约1sccm至大约20sccm的速率使氮流动，持续时间是大约2秒至大约20秒。可使用本地或远程等离子体源。在方块608中，使用cvd处理在结构304上沉积整体填充钨708，以形成接缝抑制的钨。cvd处理使用与氢气一起的wf6的前驱物。cvd处理可在大约300摄氏度至大约500摄氏度的温度下执行，且有大约5托至大约300托的压力。
31.在以上所述的方法的一些实施方式中，即使不并入rtp处理，钨整体填充部的内部应力(以mpa计量)也将比传统处理减少大约10％(2000埃以上的膜厚度)至大约50％(500埃或更少的膜厚度)或更多，对更薄的膜有最大的减少。同时，钨整体填充部的电阻率比传统处理减少大约30％至大约40％或更多。在以上所述的方法的一些实施方式中，额外的rtp处理比具有热处置的传统处理进一步减少内部应力且进一步降低钨整体填充部的电阻率。rtp处理比传统处理的所有厚度减少从大约45％至大约55％或更多的钨整体填充部的内部应力。rtp处理比传统处理减少从大约35％至大约45％或更多的钨整体填充部的电阻率。此外，本原理的方法没有像使用硼衍生物的传统处理中发现的那些在退火处理之后的降低品质的粘附问题。
32.根据本原理的实施方式可在硬件、固件、软件或它们的任何结合中实施。实施方式也可作为使用一个或多个计算机可读存储介质存储的指令而实施，这些指令可由一个或多个处理器读取和执行。计算机可读介质可包括用于以机器(例如，计算平台或在一个或多个计算平台上运行的“虚拟机器”)可读取的形式储存或传送信息的任何机制。举例而言，计算机可读介质可包括任何适当形式的易失性和非易失性存储器。在一些实施方式中，计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质。
33.尽管以上针对的是本原理的实施方式，但在不悖离本原理的基本范围的情况下，可衍生本原理的其他及进一步的实施方式。