包括無氟鎢阻擋層的半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種形成具有降低的電阻率的無氟鎢擴散阻擋層的方法、一種利用無氟鎢擴散阻擋層的半導(dǎo)體器件，以及一種用于形成這樣的半導(dǎo)體器件的方法。
【專利說明】包括無氟鎢阻擋層的半導(dǎo)體器件及其制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年8月31日提交的韓國專利申請N0.10-2012-0096679的優(yōu)先權(quán),其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的示例性實施例涉及半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及一種包括無氟鎢阻擋層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]如果利用氮化鈦(TiN)作為金屬柵電極，即使逐步地減小半導(dǎo)體器件的線寬，也存在電阻率高的問題。為了準確地控制流經(jīng)形成在柵電極的源極與漏極之間的溝道上的電流量，需要平穩(wěn)地控制施加給柵電極的操作電壓。此外，高速操作可以經(jīng)由快電流速度來實現(xiàn)，所述快電流速度是通過利用低電阻率材料形成位線而獲得的。如果不解決電阻率高的問題，則可能產(chǎn)生過多熱量，因而降低半導(dǎo)體器件的可靠性。為了解決此問題，必須改變現(xiàn)有材料的物理特性以使得現(xiàn)有材料具有低電阻率和高熱導(dǎo)率，或必須引入新的金屬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例提供一種形成具有低電阻率的鎢層的方法，以及一種利用所述方法來制造半導(dǎo)體器件的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種形成鎢層的方法可以包括以下步驟:利用無氟鎢源(FFWS)在襯底之上形成無氟鎢層；在無氟鎢層之上形成體鎢層；以及將所述無氟鎢層和所述體鎢層退火。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種制造半導(dǎo)體器件的方法可以包括以下步驟:利用含有碳的無氟鎢源(FFWS)在襯底之上形成無氟鎢層；在無氟鎢層之上形成鎢成核層；在鎢成核層之上形成體鎢層；以及將無氟鎢層、鎢成核層和體鎢層退火。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的又另一個實施例，一種半導(dǎo)體器件可以包括:襯底；柵絕緣層，所述柵絕緣層形成在襯底之上；無氟鎢(FFW)層，所述無氟鎢層形成在柵絕緣層之上；以及體鎢層，所述體鎢層形成在無氟鎢層之上。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種形成鎢層的方法可以包括以下步驟:在襯底上吸附無氟鎢化合物，所述無氟鎢化合物至少包含鎢成分和碳成分；去除任何未吸附的鎢化合物；對提供的含氫材料執(zhí)行等離子體處理，使得通過含氫材料與無氟鎢化合物的反應(yīng)來形成包括鎢的薄膜；以及去除未反應(yīng)的含氫材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是示出根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖。
[0011]圖2A是示出根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖。[0012]圖2B是示出根據(jù)圖2A的鎢層的結(jié)構(gòu)的圖。
[0013]圖3A是示出根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖。
[0014]圖3B是示出根據(jù)圖3A的鎢層的結(jié)構(gòu)的圖。
[0015]圖4是示出用作柵電極材料的材料的電阻率之間的比較的圖。
[0016]圖5是示出無氟鎢(FFW)層的氟擴散阻擋層的功能的圖。
[0017]圖6是示出后退火(post-ANL)步驟后的晶粒尺寸的圖。
[0018]圖7是示出后退火步驟后的相變的圖。
[0019]圖8是示出后退火步驟后的碳濃度降低的圖。
[0020]圖9A和圖9B是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法來形成平面柵結(jié)構(gòu)的方法的圖。
[0021]圖10是示出根據(jù)利用FFW層作為柵電極的C-V特性的圖。
[0022]圖11是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的掩埋柵結(jié)構(gòu)的圖。
[0023]圖12是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的位線結(jié)構(gòu)的實例的圖。
[0024]圖13是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的位線結(jié)構(gòu)的另一個實例的圖。
[0025]圖14是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的位線結(jié)構(gòu)的又另一個實例的圖。
[0026]圖15是示出利用根據(jù)一個示例性實施例的形成鎢層的方法的接觸插塞的圖?！揪唧w實施方式】
[0027]下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以用不同的方式實施，而不應(yīng)解釋為局限于本文所列的實施例。確切地說，提供這些實施例使得本說明書充分與完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達本發(fā)明的范圍。在說明書中，相似的附圖標記在本發(fā)明的不同附圖與實施例中表示相似的部分。
[0028]附圖并不一定按比例繪制，并且在某些情況下，為了清楚地示出實施例的特征可能對比例做夸大處理。當提及第一層在第二層“上”或在襯底“上”時，其不僅表示第一層直接形成在第二層上或襯底上的情況，還表示在第一層與第二層或襯底之間存在第三層的情況。
[0029]在示例性實施例中，應(yīng)用具有低電阻率的鎢層作為鎢圖案(諸如20nm或更小的存儲器件的柵電極、位線等)，以及利用含有很少量碳的無氟鎢(FFW)層作為擴散阻擋層。
[0030]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖。參見圖1，可以利用原子層沉積(ALD)法來形成鎢層。
[0031]用于鎢層的ALD法100包括作為單位循環(huán)的無氟鎢源(FFWS)注入步驟S11、凈化(purge)步驟S12、反應(yīng)物注入步驟S13和凈化步驟S14。可以通過在步驟S15多次地重復(fù)單位循環(huán)來沉積具有期望厚度的鎢層?？梢栽诩s150°C至約320°C的溫度利用約250W的功率來執(zhí)行ALD法。
[0032]在FFWS注入步驟SI I中，在襯底上吸附金屬有機系列FFWS。襯底可以由適用于半導(dǎo)體工藝的特定材料(諸如硅(Si))制成?？梢栽谝r底之上提供諸如電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的層。襯底的表面是指襯底的沉積了鎢層的特定表面，或指形成在襯底上的材料的表面。例如，根據(jù)使用，襯底的表面可以包括諸如硅、氧化硅、高介電物質(zhì)、氮化硅、摻雜的硅、金屬、金屬氮化物或其它導(dǎo)電材料的材料。在一個示例性實施例中，襯底的表面可以包括氧化硅(SiO2)0氧化硅(SiO2)可以包括用作晶體管的柵絕緣層的材料。
[0033]可以利用金屬有機鎢源作為FFWS。FFWS可以包括不含氟(F)的金屬有機鎢源。FFWS可以包括含有鎢(W)和碳(C)的化合物。另外，F(xiàn)FWS可以包括含有鎢(W)、碳(C)和氮(N)的化合物。例如，F(xiàn)FWS可以包括二羰基(η5-甲基-環(huán)戊二烯基)亞硝酰鎢(C8H7NO3W)或雙(t-丁基亞胺基)雙(二甲基胺基)鎢(C12H3tlN4W)15利用FFWS沉積的鎢層的電阻率可以通過碳含量來降低，并且可以起到阻擋層的作用?？梢钥刂艶FWS的流速，使得碳含量變成40at% (原子百分比)或更低。
[0034]接著，為了去除未吸附的FFWS，執(zhí)行凈化步驟S12?？梢酝ㄟ^供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟。
[0035]在反應(yīng)物注入步驟S13中，通過與吸附的FFWS反應(yīng)而以原子層單位沉積鎢層。這里，反應(yīng)物可以包括還原劑或還原氣體。反應(yīng)物可以包括含氫(H2)的材料。反應(yīng)物注入步驟S13可以包括氫(H2)等離子體處理。在一個示例性實施例中，反應(yīng)物注入步驟S13可以包括氫(H2)等離子體處理。如果如上述執(zhí)行氫(H2)等離子體處理，則通過FFWS與氫(H2)的反應(yīng)來沉積鎢層?？梢钥刂仆ㄟ^氫(H2)等離子體處理所沉積的鎢層的碳含量，使得它變成約40原子百分比(at%)或更低。為了控制碳含量，可以控制用于氫(H2)等離子體處理的條件(例如，250W的功率)?？梢酝ㄟ^氫(H2)等離子體處理來去除鎢層中的諸如氮或氧的雜質(zhì)。
[0036]接著，執(zhí)行凈化步驟S14，從而去除任何未反應(yīng)的反應(yīng)物或反應(yīng)副產(chǎn)物。可以通過供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟。
[0037]可以通過在步驟S15多次地重復(fù)包括FFWS注入步驟S11、凈化步驟S12、反應(yīng)物注入步驟S13和凈化步驟S14的單位循環(huán)來將鎢層沉積至期望的厚度。根據(jù)一個示例性實施例的鎢層可以形成至約20 A至約30 A的厚度。因為利用了 ALD法，所以臺階覆蓋良好。根據(jù)一個示例性實施例的鎢層可以包括無氟鎢(FFW)層或含有很少量碳的無氟碳化鎢(FFffC)層。FFWC層中所含的碳含量可以是約25at%至約35at%。此碳含量通過氫(H2)等離子體處理來獲得。
[0038]在一個示例性實施例中，利用不含氟(F)的金屬有機鎢源來形成FFW層或FFWC層。因為層中不含氟(F)，所以不會使在下面的襯底的表面惡化。另外，層中的碳含量可以通過氫(H2)等離子體處理來控制。特別地，通過將碳含量控制到約40at%或更低，鎢層的電阻率降低，并且鎢層可以起到擴散阻擋層的作用。
[0039]在沉積鎢層之后，可以執(zhí)行退火101。退火101是后退火(post-ANL)步驟S16。后退火步驟S16是降低鎢層的電阻率的工藝。后退火步驟S16可以包括快速熱處理(RTP)?？梢詧?zhí)行后退火步驟S16約I小時?？梢栽诘?N2)氣氛中執(zhí)行后退火步驟S16，以防止鎢層氧化?？梢栽诩s800°C的溫度執(zhí)行后退火步驟S16。后退火步驟S16的結(jié)果是，鎢層的晶粒尺寸增大、鎢層的相改變從而使鎢層具有低配位數(shù)，并且鎢層的碳濃度減小。后退火步驟S16的結(jié)果是，呈W2C相和呈β -W相的小晶粒變成呈a -W相的超大晶粒。
[0040]例如，可以通過后退火步驟S16將鎢層的碳濃度減小到約at20%或更低(例如，約10at%至約15at%)。鎢層的晶粒尺寸增大約10倍或更多。結(jié)果，執(zhí)行了后退火步驟S16的鎢層具有減小的碳濃度和大晶粒，結(jié)果，相比于沉積后的鎢層，鎢層的電阻率降低了約80%或更多。
[0041]可以利用根據(jù)一個示例性實施例的鎢層作為用于防止金屬擴散的擴散阻擋層。另夕卜，可以利用根據(jù)一個示例性實施例的鎢層作為成核層。成核層提供用于體鎢層的生長位置。
[0042]根據(jù)一個示例性實施例的包括擴散阻擋層和成核層的鎢層可以用在鎢圖案中。鎢圖案可以包括柵電極、金屬線、位線和接觸插塞。因為根據(jù)一個示例性實施例的鎢層可以起到成核層的作用，所以可以簡化鎢圖案工藝的過程。即，一個鎢層可以起到擴散阻擋層和成核層二者的作用。
[0043]圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖，圖2B是示出根據(jù)圖2A的鎢層的結(jié)構(gòu)的圖。
[0044]參見圖2B，在襯底21之上形成鎢層24。襯底21可以由適用于半導(dǎo)體工藝的特定材料(諸如硅(Si ))制成?？梢栽谝r底之上提供諸如電介質(zhì)層或?qū)щ妼拥膶?。襯底21的表面是指襯底的沉積了鎢層24的特定表面，或指形成在襯底上的材料的表面。例如，根據(jù)使用，襯底21的表面可以包括諸如娃、氧化娃、高介電物質(zhì)、氮化娃、摻雜的娃、金屬、金屬氮化物或其它導(dǎo)電材料的材料。在一個示例性實施例中，襯底21的表面可以包括氧化硅(Si02)。氧化硅(SiO2)可以包括用作晶體管的柵絕緣層的材料。
[0045]根據(jù)一個實施例的鎢層24可以通過沉積第一鎢層22和第二鎢層23來形成?？梢岳肁LD法來形成第一鎢層22?？梢岳肁LD法或CVD法來形成第二鎢層23。如果利用ALD法，則可以在同一反應(yīng)室中沉積第一鎢層22和第二鎢層23。第一鎢層22可以是擴散阻擋層，第二鎢層23可以是體層(bulk layer)。因此，根據(jù)一個實施例的鎢層24可以包括鎢擴散阻擋層和體鎢層的層疊。
[0046]下面結(jié)合圖2A來描述形成鎢層24的方法。
[0047]參見圖2A，形成根據(jù)一個示例性實施例的鎢層24的方法包括在步驟201形成第一鎢層22、在步驟202形成第二鎢層23、以及在步驟203執(zhí)行退火。
[0048]步驟201形成第一鎢層
[0049]可以利用FFWS來形成第一鎢層22。例如，可以通過ALD法來形成第一鎢層22。在用于形成第一鎢層22的ALD法中，F(xiàn)FffS注入步驟S21、凈化步驟S22、反應(yīng)物注入步驟S23和凈化步驟S24形成單位循環(huán)?？梢酝ㄟ^在步驟S25多次地重復(fù)單位循環(huán)來形成具有期望厚度的第一鎢層22。可以在約150°C至約320°C的溫度利用約250W的功率來執(zhí)行ALD法。
[0050]在FFWS注入步驟S21中，在襯底21上吸附FFWS?？梢岳媒饘儆袡C鎢源作為FFffS0 FFWS可以包括不含氟(F)的金屬有機鎢源。FFWS可以包括含有鎢(W)和碳(C)的化合物。另外，F(xiàn)FWS可以包括含有鎢(W)、碳(C)和氮(N)的化合物。例如，F(xiàn)FWS可以包括C8H7NO3W或C12H3tlN4W15利用FFWS沉積的第一鎢層22的電阻率通過碳含量來降低，并且可以起到阻擋層的作用。相應(yīng)地，可以控制FFWS的流速，使得碳含量變成約40at%*更低。
[0051]接著，為了去除任何未吸附的FFWS，執(zhí)行凈化步驟S22?？梢酝ㄟ^供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟S22。
[0052]在反應(yīng)物注入步驟S23，通過與吸附的FFWS的反應(yīng)而以原子層單位來沉積鎢層。這里，反應(yīng)物可以包括還原劑或還原氣體。反應(yīng)物可以包括含氫(H2)的材料。反應(yīng)物注入步驟S23可以包括氫(H2)等離子體處理。在一個示例性實施例中，反應(yīng)物注入步驟S23可以包括氫(H2)等離子體處理。如果如上述執(zhí)行氫(H2)等離子體處理，則通過FFWS與氫(H2)的反應(yīng)來沉積第一鎢層22?？梢钥刂仆ㄟ^氫(H2)等離子體處理所沉積的第一鎢層22的碳含量，使得它變成約40at%*更低。為了控制碳含量，可以控制用于氫(H2)等離子體處理的條件(例如，約250W的功率)。可以通過氫(H2)等離子體處理來去除鎢層中的諸如氮或氧的雜質(zhì)。
[0053]接著，執(zhí)行凈化步驟S24，以去除任何未反應(yīng)的反應(yīng)物或反應(yīng)副產(chǎn)物?？梢酝ㄟ^供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟S24。
[0054]可以通過在步驟S25多次地重復(fù)包括FFWS注入步驟S21、凈化步驟S22、反應(yīng)物注入步驟S23和凈化步驟S24的單位循環(huán)來將第一鎢層22沉積至期望的厚度。根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層22可以形成至約20 A至約30 A的厚度。因為利用了 ALD法，所以臺階覆蓋良好。根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層22可以包括無氟鎢(FFW)層或含有很少量碳的無氟碳化鎢(FFWC)層。FFWC層中所含的碳含量可以變成約40%或更低。例如，如果FFWC層的厚度為約20A,則碳含量可以是約25at%至約30at%。如果FFWC層的厚度為約30A，則碳含量可以是約30at%至約35at%。此碳含量可以通過氫(H2)等離子體處理來獲得。
[0055]在一個示例性實施例中，利用不含氟(F)的金屬有機鎢源來形成被沉積為第一鎢層22的FFW層或FFWC層。因為層中不含氟(F)，所以不會使在下面的襯底21的表面惡化。另外，層中的碳含量降低。相應(yīng)地，第一鎢層22的電阻率改善，并且第一鎢層22具有擴散阻擋層的功能。
[0056]步驟202-形成第二鎢層(體W)
[0057]可以利用六氟化鎢(WF6)和氫(H2)來形成第二鎢層23，第二鎢層23是體層?？梢岳肅VD法或ALD法來形成第二鎢層23。第二鎢層23可以形成至約40 A的厚度。可以在約400°C或更高的工藝溫度沉積第二鎢層23，使得第二鎢層23具有a -W相，所述a -W相具有低電阻率的體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)?？梢岳玫谝绘u層22作為生長位置來形成第二鎢層23。即，第一鎢層22起到成核層的作用。
[0058]如上所述，第一鎢層22包括不含氟(F)的FFW層，第二鎢層23可以含有很少量的氟(F)。雖然第二鎢層23含有氟(F)，也可以防止氟(F)擴散到第一鎢層22之下的襯底21中，因為第一鎢層22起到擴散阻擋層的作用。
[0059]同時，當形成第二鎢層23時，可以利用由C8H7NO3W或C12H3tlN4W制成的FFWS作為鎢源。然而，如果利用FFWS來形成第二鎢層23，在電阻率方面是不利的，因為層中含有碳。結(jié)果，因為在一個示例性實施例中利用了 FFWS，所以可以通過形成起到擴散阻擋層和成核層作用的第一鎢層22并且利用六氟化鎢(WF6)形成第二鎢層23來降低電阻率。
[0060]可以利用一系列工藝形成第一鎢層22和第二鎢層23來形成包括FFW層和體鎢層的鎢層24?？梢岳弥T如“W/FFW”的鎢層疊作為鎢層24。
[0061]退火步驟203
[0062]在形成鎢層24之后，可以執(zhí)行退火步驟203以降低電阻率。退火203是后退火步驟S27。執(zhí)行后退火步驟S27以降低鎢層24的電阻率。后退火步驟S27可以包括RTP。可以執(zhí)行后退火步驟S27約I小時。可以在氮(N2)氣氛中執(zhí)行后退火步驟S27，以防止鎢層24氧化?？梢栽诩s800°C的溫度執(zhí)行后退火步驟S27。
[0063]后退火步驟S27的結(jié)果是，第一鎢層22和第二鎢層23的晶粒尺寸增大、第一鎢層22和第二鎢層23的相改變從而使第一鎢層22和第二鎢層23具有低配位數(shù)、并且第一鎢層22和第二鎢層23的碳濃度降低。后退火步驟S27的結(jié)果是，第一鎢層22和第二鎢層23的碳濃度進一步降低，并且呈W2C相和呈β-W相的小晶粒變成呈a-W相的超大晶粒。
[0064]例如，第一鎢層22和第二鎢層23的碳濃度可以通過后退火步驟S27而減小至約20at%或更低(例如，約10at%至約15at%)。第一鎢層22和第二鎢層23的晶粒尺寸增大約10倍或更大。結(jié)果，執(zhí)行了后退火步驟S27的鎢層24具有減小的碳濃度和大晶粒，結(jié)果，相比于沉積后的鎢層，鎢層24的電阻率降低了約80%或更多。
[0065]另外，可以通過后退火步驟27來去除層內(nèi)的氟(F)。
[0066]可以利用根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層22作為用于防止金屬擴散的擴散阻擋層。另外，可以利用根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層22作為成核層。成核層提供用于第二鎢層23的生長位置，第二鎢層23是體鎢層。
[0067]根據(jù)一個示例性實施例的包括擴散阻擋層和成核層的鎢層24可以用在鎢圖案中。鎢圖案可以包括柵電極、金屬線、位線和接觸插塞。因為根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層22可以起到成核層的作用，所以可以簡化鎢圖案工藝中的過程。S卩，第一鎢層22可以起到擴散阻擋層和成核層二者的作用。
[0068]圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的形成鎢層的方法的圖。圖3B是示出根據(jù)圖3A的鎢層的結(jié)構(gòu)的圖。
[0069]參見圖3B，在襯底211之上形成鎢層215。襯底211可以由適用于半導(dǎo)體工藝的特定材料(諸如硅(Si))制成?？梢栽谝r底之上提供諸如電介質(zhì)層或?qū)щ妼拥膶印Ｒr底211的表面是指襯底的沉積了鎢層215的特定表面，或指形成在襯底上的材料的表面。例如，根據(jù)使用，襯底211的表面可以包括諸如娃、氧化娃、高介電物質(zhì)、氮化娃、摻雜的娃、金屬、金屬氮化物或其它導(dǎo)電材料的材料。在一個示例性實施例中，襯底211的表面可以包括氧化硅(Si02)。氧化硅(SiO2)可以包括用作晶體管的柵絕緣層的材料。
[0070]可以通過層疊第一鎢層212、第二鎢層213和第三鎢層214來形成鎢層215?？梢岳肁LD法來形成第一鎢層212?？梢岳肁LD法或CVD法來形成第二鎢層213和第三鎢層214。如果利用ALD法，則可以在同一反應(yīng)室中沉積第一鎢層212、第二鎢層213和第三鎢層214。第一鎢層212可以起到阻擋層的作用，第二鎢層213可以起到成核層的作用，第三鎢層214可以起到體層的作用。相應(yīng)地，根據(jù)一個示例性實施例的鎢層215可以包括鎢阻擋層、成核層和體鎢層的層疊結(jié)構(gòu)。
[0071]下面結(jié)合圖3A來描述形成鎢層215的方法。
[0072]參見圖3A，形成根據(jù)一個示例性實施例的鎢層215的方法包括在步驟301形成第一鎢層212、在步驟302形成第二鎢層213、在步驟303形成第三鎢層214以及在步驟304執(zhí)行退火。
[0073]步驟301-形成第一鎢層
[0074]可以利用FFWS來形成第一鎢層212。例如，可以利用FFWS通過ALD法來形成第一鎢層212。在用于形成第一鎢層212的ALD法中，F(xiàn)FWS注入步驟S31、凈化步驟S32、反應(yīng)物注入步驟S33和凈化步驟S34形成單位循環(huán)，可以通過在步驟S35多次地重復(fù)單位循環(huán)來沉積具有期望厚度的第一鎢層212?？梢栽?50°C至320°C的溫度利用約250W的功率來執(zhí)行ALD法。
[0075]在FFWS注入步驟S31中，在襯底211上吸附FFWS?？梢岳媒饘儆袡C鎢源作為FFffS0 FFWS可以包括不含氟(F)的金屬有機鎢源。FFWS可以包括含有鎢(W)和碳(C)的化合物。另外，F(xiàn)FffS可以包括含有鎢(W)、碳(C)和氮(N)的化合物。例如，F(xiàn)FffS可以包括C8H7NO3W或C12H3tlN4W15第一鎢層212的電阻率通過碳含量來降低，并且可以起到阻擋層的作用?？梢钥刂艶FWS的流速，使得碳含量變成約40at% (原子百分比)或更低。
[0076]接著，為了去除未吸附的FFWS，執(zhí)行凈化步驟S32?？梢酝ㄟ^供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟S32。
[0077]在反應(yīng)物注入步驟S33中，通過與吸附的FFWS反應(yīng)而以原子層單位沉積鎢層。這里，反應(yīng)物可以包括還原劑或還原氣體。反應(yīng)物可以包括含氫(H2)的材料。反應(yīng)物注入步驟S33可以包括氫(H2)等離子體處理。在一個示例性實施例中，反應(yīng)物注入步驟S33可以包括氫(H2)等離子體處理。如果如上述執(zhí)行氫(H2)等離子體處理，則通過FFWS與氫(H2)的反應(yīng)來沉積第一鎢層212?？梢钥刂仆ㄟ^氫(H2)等離子體處理所沉積的第一鎢層212的碳含量，使得它變成40at%*更低。為了控制碳含量，可以控制用于氫(H2)等離子體處理的條件(例如，約250W的功率)?？梢酝ㄟ^氫(H2)等離子體處理來去除鎢層中所包含的諸如氮或氧的雜質(zhì)。
[0078]接著，執(zhí)行凈化步驟S34，以去除任何未反應(yīng)的反應(yīng)物或反應(yīng)副產(chǎn)物?？梢酝ㄟ^供應(yīng)諸如氬(Ar)的惰性氣體來執(zhí)行凈化步驟S34。
[0079]可以通過在步驟S35多次地重復(fù)包括FFWS注入步驟S31、凈化步驟S32、反應(yīng)物注入步驟S33和凈化步驟S34的單位循環(huán)而將第一鎢層212沉積至期望厚度。根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層212可以形成至約20 A至約30 A的厚度。因為利用了 ALD法，所以臺階覆蓋良好。根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層212可以包括無氟鎢(FFW)層或含有很少量碳的無氟碳化鎢(FFWC)層。FFWC層中所包含的碳含量可以是約25at%至約35at%。此碳含量通過氫(H2)等離子體處理來獲得。
[0080]在一個示例性實施例中，利用不含氟(F)的金屬有機鎢源來形成被沉積為第一鎢層212的FFW層或FFWC層。因為層中不含氟(F)，所以不會使在下面的襯底211的表面惡化。另外，因為層中的碳含量通過氫(H2)等離子體處理而被控制到約40at%或更低，所以可以改善第一鎢層212的電阻率，并且第一鎢層212可以起到擴散阻擋層的作用。
[0081]步驟302-形成第二鎢(成核)層
[0082]在第一鎢層212上沉積第二鎢層213。第二鎢層213起到成核層的作用。可以利用ALD法或CVD法來形成第二鎢層213。如果利用ALD法，則可以在同一反應(yīng)室中形成第一鎢層212和第二鎢層213。
[0083]第二鎢層213可以利用六氟化鎢(WF6)作為鎢源，并且可以利用乙硼烷(B2H6)作為吸附氣體(socking gas)?？梢酝ㄟ^將六氟化鎢(WF6)和乙硼烷(B2H6)中的每個注入并凈化約5至6次來形成第二鎢層213。因為利用乙硼烷(B2H6)作為吸附氣體，所以第二鎢層213具有非晶相。結(jié)果，第二鎢層213具有降低的電阻率，因為它具有大的晶粒尺寸。第二鎢層213具有約20 A或更小的薄厚度。乙硼烷(B2H6)的流速約為300SCCm或更高，工藝溫度約為350°C或更低。由于第二鎢層213具有非晶相，第三鎢層214的晶粒尺寸可以增大。第二鎢層213可以起到成核層的作用。此外，第二鎢層213是起到用于第三鎢層214的生長位置作用的薄鎢層，第三鎢層214是體鎢層。
[0084]如果形成第二鎢層213作為成核層，則薄層電阻Rs可以具有約5%或更低的均勻性。
[0085]步驟303-形成第三鎢層(體W)層
[0086]可以利用六氟化鎢(WF6)和氫(H2)來形成作為體層的第三鎢層214。這里，為了獲得低電阻率，優(yōu)選的是，盡可能薄地形成可以作為成核層的第二鎢層213，因為第二鎢層213具有比作為體層的第三鎢層214高得多的電阻率。然而，當在形成第二鎢層213之后緊接著直接在第二鎢層213上形成體層時，可以盡可能薄地形成第二鎢層213?？梢栽诩s400°C或更高的工藝溫度沉積第三鎢層214，使得它具有a-W相，所述a-W相具有低電阻率的體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)?？梢岳没瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法或ALD法來形成第三鎢層214。
[0087]如上所述，根據(jù)一個示例性實施例的鎢層215可以具有包括第一鎢層212、第二鎢層213和第三鎢層214的層疊結(jié)構(gòu)。假設(shè)第一鎢層212是阻擋層并且第二鎢層213和第三鎢層214是電極，則鎢層215可以具有“W/FFW”的層疊結(jié)構(gòu)。第一鎢層212包括不含氟(F)的FFW層，第二鎢層213和第三鎢層214可以不含氟(F)或可以包含很少量的氟(F)。即使第二鎢層213和第三鎢層214中包含很少量的氟(F)，也可以防止氟(F)擴散到第一鎢層212之下的襯底211中，因為第一鎢層212起到擴散阻擋層的作用。
[0088]同時，在形成第三鎢層214時，可以利用(:8!17勵31和C12H30N4W的FFWS作為鎢源。然而，如果利用FFWS來形成第三鎢層214，在電阻率方面是不利的，因為層中包含碳。結(jié)果，因為在一個示例性實施例中利用了 FFWS，所以可以通過形成起到阻擋層作用的第一鎢層212并且利用六氟化鎢(WF6)形成成核層和體層來降低電阻率。
[0089]步驟304-退火
[0090]在形成包括第一鎢層212、第二鎢層213和第三鎢層214的鎢層215之后，執(zhí)行退火步驟304以降低電阻率。退火步驟304是后退火步驟S38。后退火步驟S38可以包括RTP0可以執(zhí)行后退火步驟S38約I小時。可以在氮(N2)氣氛中執(zhí)行后退火步驟S38，以防止鎢層215氧化?？梢栽诩s800°C的溫度執(zhí)行后退火步驟S38。
[0091] 由于后退火步驟S38，第一至第三鎢層212、213和214的晶粒尺寸增大、第一至第三鎢層212、213和214的相改變從而使第一至第三鎢層212、213和214具有低配位數(shù)，并且第一至第三鎢層212、213和214的碳濃度減小。通過后退火步驟S38，第一至第三鎢層212、213和214的碳濃度進一步減小，并且呈W2C相和呈β -W相的小晶粒變成呈a -W相的超大晶粒。
[0092]例如，鎢層215內(nèi)的碳濃度通過后退火步驟S38降低至約20at%或更低(例如，約10at%至約15at%)。鎢層215的晶粒尺寸增大約10倍或更多。結(jié)果，執(zhí)行了后退火步驟S38的鎢層215具有降低的碳濃度和大晶粒，結(jié)果，相比于沉積后的鎢層，鎢層215的電阻率降低了約80%或更多。
[0093]另外，可以通過后退火步驟S38來去除層內(nèi)的氟(F)。
[0094]可以利用根據(jù)一個示例性實施例的第一鎢層212作為用于防止金屬擴散的擴散阻擋層。
[0095]根據(jù)一個示例性實施例的包括擴散阻擋層和成核層的鎢層215可以用在鎢圖案中。鎢圖案可以包括柵電極、金屬線、位線或接觸插塞。
[0096]圖4是示出用作柵電極材料的材料的電阻率之間的比較的圖。圖4是示出第一樣本(W/TiN，其中層疊了氮化鈦層和鎢層)的電阻、第二樣本(W/WN，其中層疊了氮化鎢層和鎢層)的電阻和第三樣本(W/FFW，其中層疊了 FFW層和鎢層)的電阻之間的比較的圖。第二樣本W(wǎng)/WN在形成鎢層之前經(jīng)歷RTP，第三樣本在形成FFW層和鎢層之后經(jīng)歷退火ANL。在第一樣本至第三樣本中利用鎢層作為柵電極，并且在第一樣本至第三樣本中分別利用氮化鈦(TiN)層、氮化鎢(WN)層和FFW層作為鎢層的擴散阻擋層。在第一樣本和第二樣本中，鎢層是利用六氟化鎢(WF6)和氫(H2)形成的體鎢層，如在一個示例性實施例中所述。在第三樣本中，鎢層可以是根據(jù)一個示例性實施例的體鎢層，或者鎢層可以包括根據(jù)一個示例性實施例的成核層和體鎢層。
[0097]從圖4可以看到，利用FFW層作為擴散阻擋層的第三樣本W(wǎng)/FFW具有比第一樣本W(wǎng)/TiN和第二樣本W(wǎng)/WN更低的電阻率。
[0098]例如，假設(shè)第二樣本和第三樣本中的每個具有；j 60 A的厚度，則第二樣本具有約100 μ ohm-cm的電阻率,而第三樣本具有約40 μ ohm_cm的超低電阻率。第一樣本具有約240 μ ohm-cm的超高電阻率。
[0099]如上所述，可以利用根據(jù)一個示例性實施例的FFW層作為擴散阻擋層來形成具有低電阻率的鎢柵電極。
[0100]結(jié)果，當利用根據(jù)示例性實施例的FFW層或FFWC層作為擴散阻擋層時，相比于利用氮化鎢和氮化鈦作為擴散阻擋層的鎢柵電極而言，可以顯著地降低電阻率。
[0101]下表1是示出第三樣本的沉積后的電阻率與后退火后的電阻率之間的比較的表。表1的結(jié)果對應(yīng)于FFW層和鎢層中的每個具有30 A的厚度的實例。
[0102][表1]
[0103]
【權(quán)利要求】
1.一種形成鎢層的方法，所述方法包括以下步驟: 利用無氟鎢源在襯底之上形成無氟鎢層； 在所述無氟鎢層之上形成體鎢層；以及 將所述無氟鎢層和所述體鎢層退火。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述無氟鎢源包括含有鎢和碳的化合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述無氟鎢源包括含有鎢、碳和氮的化合物。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述無氟鎢源包括二羰基(Π5-甲基-環(huán)戊二烯基)亞硝酰鎢C8H7NO3W或雙(t- 丁基亞胺基)雙(二甲基胺基)鎢C12H3QN4W。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用原子層沉積來形成所述無氟鎢層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述無氟鎢層包括以下步驟: 通過吸附將所述無氟鎢源注入到所述襯底中； 凈化未吸附的無氟鎢源； 利用氫等離子體處理通過反應(yīng)物注入來沉積所述無氟鎢層；以及 凈化任何未反應(yīng)的反應(yīng)物或反應(yīng)副產(chǎn)物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用六氟化鎢氣體來形成所述體鎢層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用原子層沉積或化學(xué)氣相沉積來形成所述體鎢層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在氮氣氛中執(zhí)行所述退火。
10.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟: 利用含有碳的無氟鎢源在襯底之上形成無氟鎢層； 在所述無氟鎢層之上形成鎢成核層； 在所述鎢成核層之上形成體鎢層；以及 將所述無氟鎢層、所述鎢成核層和所述體鎢層退火。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟: 通過將退火的體鎢層、退火的鎢成核層和退火的無氟鎢層圖案化來形成鎢圖案。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，形成所述鎢圖案還包括以下步驟: 形成柵極、接觸插塞、金屬線或位線。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述無氟鎢源包括含有鎢和碳的化合物或含有鎢、碳和氮的化合物。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述無氟鎢源包括二羰基(115-甲基-環(huán)戊二烯基)亞硝酰鎢C8H7NO3W或雙(t- 丁基亞胺基)雙(二甲基胺基)鎢C12H3QN4W。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，利用原子層沉積來形成所述無氟鎢層。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，形成所述無氟鎢層包括以下步驟: 通過吸附將所述無氟鎢源注入到所述襯底中； 凈化未吸附的無氟鎢源； 利用氫等離子體處理通過反應(yīng)物注入來沉積所述無氟鎢層；以及 凈化任何未反應(yīng)的反應(yīng)物或反應(yīng)副產(chǎn)物。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，利用六氟化鎢作為鎢源來形成所述鎢成核層和所述體鎢層。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，利用原子層沉積或化學(xué)氣相沉積來形成所述鎢成核層和所述體鎢層。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，在氮氣氛中執(zhí)行所述退火。
20.—種半導(dǎo)體器件，包括: 襯底； 柵絕緣層，所述柵絕緣層形成在所述襯底之上； 無氟鎢層，所述無氟鎢層形成在所述柵絕緣層之上；以及 體鎢層，所述體鎢層形成在所述無氟鎢層之上。
21.如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，還包括:形成在所述體鎢層與所述無氟鎢層之間的鎢成核層。
22.如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述無氟鎢層包含碳。
23.一種形成鎢層的方法，包括以下步驟: 在襯底上吸附無氟鎢化合物，所述無氟鎢化合物至少包含鎢成分和碳成分； 去除任何未吸附的鎢化合物； 對提供的含氫材料執(zhí)行等離子體處理，使得通過所述含氫材料與所述無氟鎢化合物的反應(yīng)來形成包括鶴的薄膜；以及去除未反應(yīng)的含氫材料。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述無氟鎢化合物包括二羰基(η5-甲基-環(huán)戊二烯基)亞硝酰鎢C8H7NO3W或雙(t- 丁基亞胺基)雙(二甲基胺基)鎢C12H3QN4W。
【文檔編號】H01L29/49GK103681285SQ201310102336
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月31日
【發(fā)明者】姜東均 申請人:愛思開海力士有限公司