TW200926300A - Krypton sputtering of thin tungsten layer for integrated circuits - Google Patents

Description

200926300 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係有關於形成半導體積體電路的蹲射 沉積。更明確地說，本發明有關於重金屬的濺射沉積。 【先前技術】 半導體積體電路的持續微型化迫使許多傳統結構進行 g 改變’並且伴隨而來的需求是要改善用來產生該等新镇社 構的製程。第1圖的剖面圖中示出用於較大特徵尺寸的習 知金屬氧化物半導體（MOS)電晶體閘極結構，其包含形成 在輕摻雜矽層14内重摻雜源極/汲極^/⑴區1()、12， 此結構可蟲晶形成在一矽晶圓上或是在一絕緣層上覆珍 (S〇I)結構内。可能在對S/D區10、12進行佈植和退火 步驟之前’在整個MOS區域上形成一薄閘極氧化層16。 閉極堆養1 8係形成在該閘極氧化層1 6上方。傳統上，係 藉由依序沉積多晶矽層2〇、矽化鎢層（WSix)22，以及氮化 φ 發（SiN)蓋層24來形成該等閘極堆疊Μ。在快閃記憶體 中’氧化物-氮化物-氧化物（〇N〇)結構可夾在該多晶矽層 20内。然後往下微影蝕刻出多個S/ D孔26至位在該S/ D區1〇、12上的該閘極氧化層I。以界定出該等堆疊ι8。 通常是由氧化矽組成的間隙壁2 8接著形成在該等堆疊18 的側壁上。在形成該等堆疊1 8後，利用該等堆疊1 8做為 佈植革幕來佈植該等S/D區1〇、12。若需要的話，隨後 的處理步驟打開位於該等S/D孔26底部處的閘極氧化層 200926300 16，以提供一歐姆接觸層，並且以多晶矽或金屬填充該等 S/D孔26，以電氣接觸S/D區1〇、12。除去該蓋層24, 以在形成該MOS閘極的S/D區1〇、12之間，提供至該 閘極氧化層16頂端的電氣接觸》 此結構成功地用於由閘極長度界定的110奈米結點。 但是’已證實難以將此種設計延用至90奈米結點。對於閘 極堆疊18之未圖案化金屬層（也就是第1圖結構中的wSix 層22)的薄層電阻Rs(sheet resistance，或稱為片電阻）之最 大值有所要求。如第2圖之虛線30所示者，90奈米時， 最大薄層電阻rs約為每單位面積6歐姆（Ω/口）。膜層的薄 層電阻隨著其厚度降低。閘極長度為9〇奈米的WSix層22 之薄層電阻隨著已圖案化之WSix層22的高寬比（A/ R)而 改變’如曲線32所示》高寬比是已圖案化之WSix層22 的南度對寬度的比例，wsix層22的寬度接近界定節點尺 寸的問極長度。該曲線顯示出該高寬比至少為1〇，換言 之’就是對於90奈米結點而言，wsix層22的高度Η至少 為1〇〇〇奈米。此種結構並不容易製造。 因此’發展出第3圖之剖面圖所示的另一種閘極結 構。其閘極堆疊40包含氮化鎢（WN)阻障層42以及鎢（W) 通孔層44。需要阻障層42來避免鎢通孔層被多晶矽層 20矽化。鎢金屬的導電性比矽化鎢要大上許多。因此，如 第2圖之曲線46所示，該W/簡的薄層電阻遠小於同等 於又的WSix ’因而，至少在9〇奈米時，高寬比必須不大 ' 也就是說，兩度H約為105奈米。1〇〇奈米節點之 6 200926300 另一範例包含在7.5奈米的氮化鎢（WN)上具有32.5奈米的 鎢（W)。 濺射是沉積WN阻障層42和W通孔層44的較佳方 法，因為其設備和消耗的靶材相對較不昂貴、可進行快速 處理、能夠在同一個濺射腔室内使用鎢靶材以及在沉積氮 化物層時選擇性地供應氮氣來濺射鎢及氮化鎢兩者。此 外，與化學氣相沉積（C V D)所沉積出的鎢相比之下，濺射 的鎢傾向於表現出較低電阻率和較平滑的表面。

可用來濺射鎢和氮化鎢之濺射腔室 5 0的範例示意性 地顯示在第4圖之剖面圖中。此種腔室可從加州聖克拉拉 市的應用材料公司取得，如CleanW濺射腔室。濺射腔室 50包含設置在一中央軸54周圍的真空腔室52，且透過一 隔離器58將鎢靶材56支撐在中央軸54上，隔離器58將 該靶材56真空密閉在該真空腔室52上，並且將靶材56 與該電氣接地的真空腔室52電氣隔離開來。一未示出的真 空幫浦系統泵吸該真空腔室5 2内部空間，使其處於低至毫 托耳範圍内的壓力。至少鎢無材56的前表面（front surface) 是平坦的。鎢靶材56包含面向該真空腔室52内部空間的 一鎢層，並且該鎢層除了鎢之外通常含有不多於5原子百 分比（at%)的其他元素，以提供濺射鎢之來源。 DC功率源60相對於接地的真空腔室52或接地側壁 檔板（未示出）而對該靶材至約 600至 1 000 VDC的負偏 壓，以將濺射工作氣體激發成電漿。傳統上，氬氣是濺射 工作氣體，並且從氬氣源62透過質流控制器64供應至該 7 200926300

真空腔室 52内。該靶材功率將該濺射工作氣體激發成電 漿，並且電漿内的帶正電離子朝向靶材54加速並將鎢原子 從靶材54上濺射出來。藉由在該靶材56背面設置一磁控 管66，該磁控管66具有一種磁性的内部磁極68，且一相 反磁性的外部磁極70圍繞著内部磁極68，以增加電漿密 度。該等磁極68、70投射出與該靶材56之表面平行的磁 場至該真空腔室52内以捕捉電子，因而增加電漿密度及所 產生的濺射速率。為了改善濺射均勻性和靶材利用率，該 等磁極68、70參考中央軸54而言是不對稱的，但磁極68、 70支撐在與沿著該中央軸54延伸的支桿74相連接的手臂 72上。馬達76沿中央轴54旋轉該支桿74，因而旋轉磁控 管66 ，以至少提供方位角均勻性（azimuthal uniformity)。 真空腔室52内的台座80於靶材56的對面處支撐一欲 以靶材56濺射出的鎢來進形塗覆的晶圓82或其他基板。 除了校準指標之外，晶圓通常是平坦且為圓形。選用性地， 一 RF功率源84透過一電容耦合電路86偏壓該台座80。 該台座80可導電，因此可做為一電極。在該真空腔室52 内有電漿存在下，RF偏壓會造成在該台座80上形成一自 生性負直流（DC)偏壓，因此濺射出的鎢離子朝向晶圓 82 加速，並且其軌跡深入晶圓8 2内任何高高寬比的孔洞中。 可用同一個濺射腔室 5 0以反應性濺射製程來濺射沉 積氮化鎢（WN)。從氮氣源90透過質流控制器92選擇性地 使氮氣通入真空腔室52。氮氣與濺射出的鎢反應，而在晶 圓82表面上形成一層氮化鶴。 8 200926300 但是，隨著閘極長度近一步降低而朝向3 5奈米節點邁 進，濺射鎢的電阻率仍舊是一個問題。 ， 【發明内容】

本發明之一態樣包含覆蓋於一矽層上的導電阻障層， 其包含一氮化鎢阻障層以及覆於其上的鎢層，其中該鎢層 係利用電漿濺射使用氪氣做為濺射工作氣體所沉積而得。 本發明在該鎢層厚度低於50奈米時特別有用，並且在低於 35奈米時更有用。該氮化鎢阻障層可在相同的濺射腔室内 利用氬氣做為濺射工作氣體進行反應性濺射而得。 本發明之另一態樣包含一種形成MOS電晶體之閘極 堆疊結構的方法，其中一多晶矽層覆於一閘極氧化層上， 而該閘極氧化層覆於一矽閘極區上。該閘極結構更包含一 鎢系結構（tungsten-based structure)，其包含一鎢通孔層及 位於該鎢通孔層和該多晶矽層中間的氮化鎢阻障層，其中 係利用電漿濺射且使用氪氣做為該濺射工作氣體來沉積該 鎢通孔層。 本發明更包含一電漿濺射腔室，其包含一鎢靶材及計 量的氬氣、氪氣和氮氣來源。 【實施方式】 吾等觀察到所濺射的鎢層在厚度低於約5 0奈米時，其 電阻率有增加的傾向。且相信此電阻率的增加是因該薄膜 表面處的電子散射所引起。當利用氬氣做為濺射氣體來濺 9 200926300 射鎢時，如第5圖曲線圖内使用兩種不同氬氣流量時的曲 線100、102所示，在厚度小於約100奈米時，鎢的電阻率 從10微歐姆-公分的塊材值（bulk values)提高到接近厚度 約12奈米時的13微歐姆-公分。電阻率隨著所供應的氬氣 量而有些許改變，但是該改變是相對較小的。

但是，根據本發明之一態樣，該濺射工作氣體是氪氣， 而非氬氣。如第4圖所示，從一氪氣源110透過一質流控 制器112供應氪氣至該真空腔室52内。如第5圖之曲線 1 1 4所示，使用氪氣時所沉積鎢層的電阻率通常低於使用 氬氣時所沉積鎢層的電阻率，並且當厚度降至低於100奈 米時，電阻率以緩慢許多的速率增加。明確地說，約 10 微歐姆-公分的塊材電阻值保持不變，但1 2奈米時的電阻 率僅增加成約1 1微歐姆-公分。此不同電阻率的可能解釋 是氪離子比氬離子重許多，並且在濺射製程中傳送更多能 量給鎢原子。咸信更具能量的濺射鎢原子可在薄膜成長時 促生較大的晶粒尺寸。在這兩種範例中，該嫣層係沉積在 100奈米厚的氧化層上。 就系統效能而言，鎢閘極堆疊的一重要參數是濺射沉 積在氮化鎢上之鎢的薄層電阻。執行一對照實驗，其中利 用習知的氬氣濺射工作氣體來反應性濺射不同厚度的鎢至 氮化鎢上。第5圖中之曲線1 1 6顯示出所測得利用氬氣做 為濺射工作氣體而濺射沉積出之WN/ W雙層式平坦層的 薄層電阻。如預期般，該薄層電阻隨著厚度的降低而增加。 但是，從100奈米厚度至25奈米厚度造成的增加量與幾何 10 200926300 結構的4倍因子相差許多。 但是，若利用氪氣而非氬氣做為藏射工作氣體來濺射 沉積鎢層，該薄層電阻則會如曲線1 1 8所示般比濺射工作 氣體是氬氣時要來得小。在厚度較小時，薄層電阻的降低 更為顯著。

在得到氪氣濺射數據曲線1 1 8的實驗中，在反應性濺 射氮化鎢時仍然使用氬氣做為濺射工作氣體。且預期氪氣 在濺射沉積氮化鎢時也會有同等的效果。但是，氪氣比傳 統使用的氬氣貴很多，此外，該氮化物阻障層的電阻率似 乎並非重要議題。因此，在本發明之此態樣中，是通入氬 氣及氮氣至該濺射腔室内來沉積氮化鎢。氬氣及氮氣的相 對流量決定氮化鎢層的組成WNX。一典型組成可以是包含 小量氬的W64N35。一旦達到期望的氮化物厚度，即終止氮 氣氣流，並以氪氣取代氬氣做為濺射工作氣體。可了解到， 不需驟然且徹底地切換氪氣和氬氣氣流。例如，在金屬沉 積期間，可以使通入該腔室内的氬氣量比氪氣量要少。在 沉積氮化物時使用一些氪氣也是可行的，但此程序就經濟 的觀點而言較不利。 就一閘極堆疊而言，目前較佳的鎢膜厚度介於20至 5 0奈米之間，而本發明的效果在厚度低於3 5奈米時最為 顯著。可以4仟瓦（kW)的把材功率、45至90 seem的錢射 氣體流速，以及 200 °C的台座加熱器溫度來執行鎢濺射。 20秒的沉積時間可產生約50奈米厚的鎢膜。 當在一記憶體内實施時，也可使用濺射鎢來形成第 2 11 200926300 圖之MOS結構内的仿；减 从-从 町位7C線。但是，位70線可能比 要厚上許多，iil蚩从___ ^ 孔 v 1扎A深。但是， 要厚上許多’通常約100奈米左右及更大，第 數據顯示出在刚奈米時，氪氣_無明顯優勢，的 在50不米和50奈米以下氪氣濺射提供明顯優勢 奈米節點’可能計劃佶田 ^ , L 在35 J使用3 5奈米和更小的閘極堆 度。在此領域中，通孔厚 鼠氣濺射提供明顯優勢。 因此，本發明兔„ , 乃為閘極堆疊及其他積體電路結 強的性能，且僅對現右制& 再故供增

現有製程和處理腔室做小幅修改。 【圖式簡單說明】 第 1 圖係使用 ^匕 BB ι,ττ λ. , . »yf /-ν 〇 吵化瑪閉極電極層之MOS閘極堆查的剖 面圖。 第2圖不出發化鎮和鎮之閘極電極層所需要的深寬比 曲線圖。 第3圖係使用具有氮化鎢阻障層之鎢閘極電極層的 MOS閘極堆疊剖面圖。 第4圖係可根據本發明用來濺射鎢之濺射腔室的概要 剖面圖。 第5·圖之曲線圊顯示出鎢的電阻率對於交替使用氬氣 及氣氣做為減射工作氣體進行鶴滅射沉積的依賴性。 第6圖之曲線圖顯示薄層電阻率對於交替使用氬氣及 乳氣做為溽射工作氣體在氮化鎢上濺射沉積鎢的依賴性。 【主要元件符號說明】 12 200926300

10 ' 12 源極/汲極區 16 閘極氧化層 20 多晶矽層 24 氮化矽 28 間隙壁 30 、 32 、 46 、 100、 102、 42 氮化鎢阻障層 50 濺射腔室 54 中央軸 58 隔離器 62 氬氣源 66 磁控管 70 外部磁極 74 支桿 80 台座 84 RF功率源 90 氮氣源 14 石夕層 18 ' 40 閘極堆疊 22 矽化鎢層 26 S/ D 孔 114 > 116 ' 118 曲線 44 鎢通孔層 52 真空腔室 56 鎢靶材 60 DC功率源 64、92、112 質流控制器 68 内部磁極 72 手臂 76 馬達 8 2 晶圓 86 電容耦合電路 110 氪氣源 13

Claims (1)

1. 200926300 十、申請專利範圍： 1. 一種濺射沉積在一積體電路中之鎢結構的方法，包含： 提供一電漿濺射腔室，其包含一鎢靶材及一台座，以 於該靶材相對處支撐欲濺射沉積的一基材；以及 一第一步驟，係通入氪氣至該腔室内，並且將激發該 氪氣成為一電漿，以沉積厚度低於50奈米的鎢層在該基材 上0 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該厚度低於 35奈米。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該厚度大於 20奈米。 4. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之方法，更包含 ^ 一居先的第二步驟，係通入氬氣至該腔室内並將其激發成 一電漿，同時也通入氮氣至該腔室内，以在該基材上沉積 一氮化鎢層，其中該鎢層係沉積在該氮化鎢層上。 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中在該第一步驟 中通入該腔室内的氬氣比在該第二步驟中通入該腔室内的 氩氣要少。 14 200926300 6. —種濺射沉積一鎢結構以形成一 Μ O S結構内之閘極堆 疊的方法，包含： 在具有一鎢靶材的一電漿濺射腔室内放置一基材，該 基材的表面上具有一多晶矽層，該多晶矽層覆於一閘極氧 化層上，且該閘極氧化層覆於一矽層上； 一第一步驟，係通入一濺射工作氣體及氮氣至該腔室 内，以在該多晶矽層上沉積一氮化鎢層；以及 g —第二步驟，係通入氪氣至該腔室内，以在該氮化鎢 層上沉積一鎢層。 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該鎢層的厚度 不大於5 0奈米。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該厚度不大於 35奈米。 φ 9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該厚度不大於 20奈米。 10. 如申請專利範圍第6至9項任一項所述之方法，其中 該氮化鎢層沉積期間的濺射工作氣體包含氬氣。 11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中在該第一步 15 200926300 # 驟中通入該腔室内的氬氣比在該第二步驟通入該腔室内的 氬氣要少。 12. —種鎢濺射腔室，包含： 一真空腔室，其設置在一中央軸周圍，適於安裝一平 面鎢靶材，並且該平面鎢靶材與該真空腔室電氣隔離，以 及可利用一電源供應器偏壓該平面鎢靶材； 一台座，用以於該靶材的相對處支承一欲濺射塗佈之 圓形晶圓， 一磁控管，可在與該台座相反的該靶材一側上繞著該 中央軸旋轉； 一氬氣源，選擇性連結至該真空腔室； 一氪氣源，選擇性連結至該真空腔室；以及 一氮氣源，選擇性連結至該真空腔室。

   13.如申請專利範圍第12項所述之濺射腔室，更包含一磁 控管，可在與該台座相反的該靶材一側上繞著該中央軸旋 轉。 16