在半導體襯底上化學汽相淀積鎢的方法

專利名稱：在半導體襯底上化學汽相淀積鎢的方法
技術領域：
本發明涉及在半導體襯底上化學汽相淀積鎢(W)層的方法。
在該襯底上通常已形成絕緣層(多數為氧化硅層)，且對該絕緣層預先構圖以提供位于集成電路結構之下的開孔和通路。
化學汽相淀積的鎢被用作填充接觸孔或通路孔的導電材料。用鎢層覆蓋整個襯底表面，然后蝕刻和拋光，留下孔。
由于不能用化學汽相淀積在氧化硅層上直接淀積鎢層，淀積一與絕緣層和鎢都有良好結合的中間層，如在鈦上淀積氮化鈦(TiN)層。
通常通過在兩步驟工藝中還原六氟化鎢(WF6)來淀積鎢。這些步驟的壓力設定值和所用的還原劑不同，第一步主要用硅烷(SiH4)，然后只用氫(H2)。膜的最大部分用H2還原來淀積。
美國加州圣克拉拉(santa clara)的Applied Materials公司的專利US-U-5,028,565公開了這樣的方法，其中在壓力保持在2.67～101.32kPa(約20～760乇)的真空室中，在加熱到約350℃到525℃的晶片上淀積鎢。采用WF6氣體和不活潑載氣如氬、氮和氫的組合。WF6的流量為每分鐘約20～200cm3(以下簡寫成“sccm”)。不活潑載氣Ar的流量為約100～5000sccm，氮的流量為約10～300sccm，氫的流量為約300～3000sccm。
已經發現混合氣體中的N2增加淀積層的反射率，有利于后續構圖步驟中的光刻，降低表面粗糙度。
但是，US-U-5,028,565還披露，尤其當中間層是氮化鈦時，先形成形核層是非常重要的，此時WF6的流量為約5～50sccm，硅烷(SiH4)的流量為約5～50sccm，Ar的流量為約500～3000sccm，N2的流量約為20～300sccm。
已經發現若沒有形核層，鎢層的厚度和電阻不均勻。
文獻一致認為如果沒有這兩步，就不可能獲得具有良好質量，尤其是良好的階梯覆蓋比、良好的層均勻性和低的通路電阻的鎢膜。階梯覆蓋比(step coverage)是指在溝道或接觸孔的一半深度處側壁上的鎢膜厚度和鎢膜名義厚度或上面的層厚度的比值。
例如，EUI SONG KIM等在他們的發表在《材料科學與工程》，B17(1993)，第137-142頁的文章“W在TiN襯底上的化學汽相淀積”中提到，由于不容易在TiN上用H2還原WF6以使W成核，現在都是首先用SiH4還原開始W的形核，然后用H2還原使W膜長到想要的厚度。
Carol M.McConica等在他們的發表于1988年6月13-14日的V-Mic大會論文集第268～276頁，“Session VIIVSSIMultilevel Interconnection Dielectric Systems”中的文章“Stepcoverage prediction during blanket LPCVD tungsten depositionfrom hydrogen，silane and tungsten hexafluoride”中也提到，與只用H2還原相比，用SiH4或SiH4和H2的混合物還原有許多優點，生長速度對溫度的依賴性小，膜厚更均勻，生長速度更快，但是與氫還原相比，SiH4的主要缺點是階梯覆蓋比受限制。
A.Hasper等人在其文章“W-LPCVD step coverage andmodeling in trenches and contact holes”(發表在Proceedings ofthe workshop on tungsten and other refractory metals forVLSI/USLI applications V，127(1990)，S.S.Wong和S.Furukawa編，Materials Research Society，Pitts burg，PA，USA)中已提到，用SiH4還原具有許多優點，如生長速度與溫度無關，生長速度快，晶粒尺寸小，與硅的反應少等，但向WF6/H2混合物加入SiH4時，階梯覆蓋比下降。
總而言之，氫還原的階梯覆蓋比比硅烷還原好，但氫還原法的淀積速度很低。因此，上面提到的Applied Materials公司推薦的實際方法中，在淀積鎢的第二步中沒有SiH4。
該方法包括用SiH4浸泡以使底層飽和并鈍化的步驟；在4.00kPa(30乇)的壓力下成核的步驟，其中用1000sccm的H2和SiH4以流量比為WF6/SiH4＝2還原30sccm的WF6，以及在第二壓力12.00kPa(90乇)下的大體積淀積步驟，其中只用700sccm的H2還原30sccm的WF6。在淀積鎢時晶片被加熱到475℃。由于在兩步之間有壓力差必須在它們之間有額外的加壓步驟。
在美國圣瓊斯的Novellus Systems公司的US-U-5,795,824中披露了類似的方法，但是兩步的壓力相同。提供15～75sccm SiH4和1000sccm Ar的開始步驟之后，在5.33～10.67kPa(40～80乇)的壓力下以連續的兩個淀積步驟淀積鎢、提供1000～15000sccmH2、50～800sccm WF6和15～75sccm SiH4的形核步驟；和提供WF6、H2和Ar氣的在不同位置的大體積淀積，可以以連續層形成直到最終的鎢厚度。
上述的所有用WF6兩步還原的已知方法都是相當復雜、且比較慢，同時需要比較復雜的淀積系統。
本發明的一個目的在于提供一種化學汽相淀積鎢的方法，與上述的現有技術的方法相比，更簡單，更廉價，淀積速度更快，同時使用更簡單的淀積系統，由此，鎢膜的特性如階梯覆蓋比、通孔電阻、反射率等至少等于或比現有技術的方法得到的膜更好。
令人驚喜的是，通過在指示的壓力窗內調整WF6/SiH4的流量，可以得到100％的階梯覆蓋比。
因此，可以在一步內進行鎢淀積。
由此，反應效率提高，導致淀積速度提高，氣體成本下降。與現有技術中的兩步驟相比，產生的有毒氣體少，而且鎢膜的整體質量提高。
在鎢淀積過程中，優選地，以500～2000sccm的流量供給氫。
襯底被加熱的溫度取決于反應室，但優選地設為400～495℃，也可以延伸到更低的溫度，但這樣會導致淀積速度降低。
載氣可以象在現有技術的方法中那樣，采用Ar和H2。
下面，結合實施例并參考附圖描述本發明。
實施發明的具體方式根據本發明的在襯底，更具體地，在已經覆蓋有絕緣的氧化硅層和TiN中間層的由半導體材料如硅構成的晶片1上淀積鎢(W)膜的工藝，在安裝在淀積系統中的市場上可買到的化學汽相淀積室2中進行。


圖1示意地展示了可用來使用本發明的典型的現有單室型化學汽相淀積系統。
在該系統中，淀積室2具有通過壓力控制器件5與真空泵相連的真空端口3。
該系統包含多個供應管線6-10，它們與特定的源(未示出)相連以分別供應六氟化鎢(WF6)、還原氣體氫氣(H2)、還原氣體硅烷(SiH4)、不活潑載氣氬氣(Ar)和載氣氮氣(N2)。用流量控制器11可控制流過這些供應管線6-10中的氣體流量。
為了避免WF6在室2外面被還原，分別用于WF6和載氣體N2的供應管線6和7與歧管12相連，而分別用于SiH4、H2和Ar的供應管線8、9、10與第二歧管13相連。歧管12和13通過公共氣管線15供應到室2內的分配頭14。在淀積室2內，安裝具有底面和直立邊緣的托板16。在底面和邊緣之間有多個溝道17橫切托板16，溝道17與用于所謂的邊緣氣體，更具體地，指被控制了流量的H2和Ar的混合物，的供應管線18相連，確保在晶片1的邊緣處形成與中心同樣厚度的鎢膜。在托板16中安裝加熱裝置19，如熱阻器，以用來加熱晶片1。
再看圖2，鎢的淀積如下進行在步驟21中，通過真空端口3把室2抽到預定的底壓力，例如，低于0.003kPa(20毫乇)。在步驟22中，把晶片1置于室2內的托板16上，同時再次把室2抽到上述底壓力。
然后，在步驟23中，通過管線10和7提供Ar和N2，把室2加壓到由壓力控制器5確定的0.13～5.33kPa(1～40乇)。
抽到低壓和隨后的用不活潑氣體加壓可確保室2中沒有氣氛污染物。
一旦把晶片1置于托板16上，就通過把它與已被加熱裝置19加熱到400～495℃的托板16接觸而加熱到400～495℃。加熱表示在圖2的步驟24中，但是在步驟23中加熱已經開始，而且可能已經完成。事實上，從該方法一開始加熱裝置19就被啟動了，并一直延續到最終晶片1被鎢膜覆蓋。
在一個步驟25中，通過打開供應管線6和7中的質量流量控制器11使WF6在歧管12中與N2流混合，并打開供應管線8、9和10中的流量控制器11使SiH4和H2氣體在歧管13中與Ar流混合，淀積W層。
結果，Ar、N2、H2、WF6、SiH4的混合氣體通過公共供應管線15和分配頭14被送到室2。
質量流量控制器11確定不同氣體的流量。Ar和N2的流量不是至關重要的，例如，Ar的流量可以為800～3000sccm，N2的流量可以為10～400sccm。這些流量在加壓步驟23中可能比在淀積步驟25中高。WF6的流量為30～60sccm，而且WF6/SiH4的比為2.5～6。
這些限制是重要的，因為WF6的流量低于30sccm會導致階梯覆蓋比下降，而且流量大于60sccm會造成反應效率下降。
WF6/SiH4的流量比低于2.5會導致階梯覆蓋比下降，而流量比大于6會導致應力增加、反射率下降、和反應效率下降。SiH4太多會導致孔或溝中的WF6梯度，降低階梯覆蓋比。
H2的流量為500～2000sccm，它不是至關重要的。
如果象展示的那樣，在步驟25中在托板16中提供溝道17，通過這些溝道17提供0～500sccm的H2邊緣流和Ar流。
這些流量是持續的并保持到W膜具有所期望的厚度，在晶片1上不反應的氣體用端口3抽走。
壓力控制器5確保在淀積W的過程中在室2內有上述的0.13～5.33kPa的壓力。這些限制是很重要的，因為若壓力低于0.13kPa，在晶片1上方的空間會發生氣團(gas nucleation)。
得到所期望的厚度后，在步驟26用Ar和H2氣體清洗室2，其流量可能要高于淀積步驟25。之后在步驟27中室2被抽低壓。
最后，在步驟28，從室2中取出晶片1。
再次用Ar和N2清洗室2，然后準備抽低壓，可能在另一個晶片1上進行另一次W膜淀積，重復上述步驟。
通過采用優化的WF6/SiH4比、WF6氣體流量和壓力，階梯覆蓋比很好，即使是最深的溝道，淀積速度也幾乎是現有方法的兩倍，達到643nm/min。
用一步就完成了W的淀積。在淀積時只有一個壓力，所以沒有淀積之間的加壓步驟。只需要一套氣體設置。
WF6和SiH4的流量是很關鍵的，用比較昂貴的難以校準的質量流量控制器11調節。由于在鎢的淀積中不需要改變流量，每種氣體只需一個流量控制器就足夠了。而在現有的兩步驟法中，由于有低流和高流，WF6需要兩個控制器，更加昂貴。
下面，用下面的實際例子進一步詳述本發明。
在下面的步驟23中，用約2800sccm Ar和約300sccm N2把室2加壓到約4.00kPa(30乇)的壓力。
供給流量為約1000sccm的H2、約50sccm的WF6、約15sccm的SiH4，使WF6/SiH4的比為約3.3，同時保持流量為約800sccm的Ar和約300sccm的N2，進行淀積。
通過溝道17供給約50sccm的H2邊緣流，以得到更均勻的鎢膜。
用2500sccm的Ar和300sccm的N2清洗室2，并抽低壓到0.003kPa的壓力，取出晶片1。
淀積時間為60.2秒，而標準方法為78.0秒，該標準方法為在形核時，WF6為30sccm，SiH4為15sccm，H2為1000sccm，壓力為4.00kPa(30乇)，而在大體積淀積時，WF6為95sccm，H2為700sccm，無SiH4。與該標準方法相比，WF6的消耗量減少了30％。應力和反射率都很好。
盡管沒有發現如果使用SiH4浸泡步驟有什么額外的優點，但在步驟23和淀積步驟25之間可以用該步驟。
而且，可以在淀積步驟25之前增加一短的預形核步驟，在幾秒鐘例如1～7秒鐘內把WF6的流量降低，使WF6/SiH4流量比降到約2，其它參數不變。與現有方法中的約20秒的形核步驟相比，該預形核步驟十分短，例如為1～7秒。
還必須指出，預形核和淀積步驟中的壓力相同。這樣就避免了額外的步驟，導致簡單的淀積系統。
還進行了附加的試驗，以研究同時改變WF6/SiH4比時的WF6和SiH4的不同流量的影響。研究了階梯覆蓋比和生長速度。在這些試驗中，WF6的流量在20～60sccm之間變化，SiH4的流量在10～30sccm之間變化。壓力保持在4kPa(30乇)，淀積溫度為475℃，H2流量為1000sccm，淀積時間為100秒。
結果示于圖3～5。在圖3中對應于試驗結果連出細實線的層厚曲線D和細虛線的階梯覆蓋比曲線SC。結果用星號表示。WF6/SiH4比對階梯覆蓋比的影響清楚地畫在圖4上。從后圖可以清楚地看出，比值小于2導致階梯覆蓋比很差，小于50％。比值大于3.3階梯覆蓋比就變好了。
圖3中的層厚D用于計算如圖5所示的淀積速度。淀積速度用埃/分(6×10-9m/秒)表示。流量最大時淀積速度最快。這與文獻記載有偏差，原因可能在于試驗中使用的混合化學物質H2/SiH4/WF6，而在大多數情況下只使用分離的化學物質。
盡管在上面結合實施例描述了本發明的原理，但很顯然，這些描述僅是示例性的，并非對本發明的范圍的限制。
權利要求
1.一種在半導體襯底(1)上化學汽相淀積鎢的方法，包括下列步驟把上述襯底定位在淀積室(2)中；加熱上述襯底(1)，以及通把使襯底(1)與流經淀積室(2)的氣體混合物接觸，在低壓下把鎢淀積在襯底(1)上，上述氣體混合物包括六氟化鎢(WF6)、氫氣(H2)和至少一種載氣，其特征在于上述氣體混合物還包括硅烷(SiH4)，且WF6/SiH4的流量比為2.5～6，WF6的流量為30～60sccm，且淀積室內的壓力保持在0.13～5.33kPa(1～40乇)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于鎢的淀積完全在一步中進行。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于在淀積鎢時，氫氣的流量為500～2000sccm。
4.如權利要求1～3中任一項所述的方法，其特征在于襯底(2)被加熱到的溫度為400～495℃。
5.如權利要求1～4中任一項所述的方法，其特征在于載氣是Ar和N2。
全文摘要
一種在半導體襯底(1)上化學汽相淀積鎢的方法,包括下列步驟:把上述襯底定位在淀積室(2)中;加熱上述襯底(1),以及通把使襯底(1)與流經淀積室(2)的氣體混合物接觸,在低壓下把鎢淀積在襯底(1)上,上述氣體混合物包括六氟化鎢(WF
文檔編號H01L21/02GK1366334SQ01144080
公開日2002年8月28日 申請日期2001年12月28日 優先權日2000年12月28日
發明者漢斯·維爾卡門, 約里斯·巴伊勒 申請人:阿爾卡塔爾公司