钨膜的沉积方法与流程

本发明涉及化学气相沉积领域，特别是涉及一种钨膜的沉积方法。

背景技术：

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)是通过气体的化学反应，在硅片表面沉积一层固体膜的工艺。钨化学气相沉积(WCVD)工艺因其优异的空隙填充能力成为铝工艺通孔和接触的主要金属化技术。

传统的WCVD沉积流程为：SiH₄浸泡(SiH₄Soak)→W成核(W Nucleation)→W大批沉积(W Bulk Deposition)。

1)SiH₄浸泡：SiH₄自分解为Si和H₂，Si吸附于晶圆表面；

2)钨成核：SiH₄与WF₆反应，形成单薄的钨核膜；

3)钨大批沉积：H₂与WF₆反应，生长到指定膜厚的钨膜。

WCVD前，一般在会硅片表面沉积一层粘着层(Ti层)和一层阻挡层(TiN层)。然而，硅片表面的粘着层和阻挡层层存在较薄弱的区域，经过快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)后，这种薄弱被放大。WCVD沉积时，WF₆沿着比较薄弱的地方扩散与Ti结合，发生化学反应，产生气态的TiF_x物向外逸出，导致钨薄膜沉积形成火山喷发状(Volcano)，无法正常成膜。

传统的WCVD，由于钨成核过程形成的钨核膜非常薄弱，不足以完全阻挡后续钨大批沉积过程中产生的大量WF₆向下扩散，从而钨膜沉积形成火山喷发状，导致W薄膜异常。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够减少钨膜沉积形成火山喷发状的钨膜的沉积方法。

一种钨膜的沉积方法，包括以下步骤：

提供基底；

以硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在所述基底上的第一硅原子层；

以钨的气态化合物和所述硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在所述基底上的钨核膜；

以所述硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在所述钨核膜上的第二硅原子层；

以所述钨的气态化合物和氢气作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在所述基底上的钨膜。

在一个实施例中，所述硅的气态化合物为硅甲烷。

在一个实施例中，所述钨的气态化合物为六氟化钨、六氯化钨或羰基钨。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的第一硅原子层的操作中，所述硅的气态化合物的流量为40sccm～100sccm，反应的温度为390℃～430℃，压强为30Torr～50Torr。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的第一硅原子层的操作中，反应的时间为10s～30s。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的钨核膜的操作中，所述钨的气态化合物的流量为1sccm～10sccm，所述硅的气态化合物的流量为40sccm～100sccm，反应的温度为390℃～430℃，压强为30Torr～50Torr。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的钨核膜的操作中，所述钨的气态化合物和所述硅的气态化合物的流量比为1：10～40。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述钨核膜上的第二硅原子层的操作中，所述硅的气态化合物的流量为40sccm～100sccm，反应的温度为390℃～430℃，压强为30Torr～50Torr。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的钨膜的操作中，所述钨的气态化合物的流量为1sccm～10sccm，所述氢气的流量为80sccm～250sccm，反应的温度为390℃～430℃，压强为30Torr～50Torr。

在一个实施例中，所述形成沉积在所述基底上的钨膜的操作中，所述钨的气 态化合物和所述氢气的流量比为1：25～60。

上述钨膜的沉积方法，以硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在所述钨核膜上的第二硅原子层，从而使钨的气态化合物到达基底表面时能够和第二硅原子层的硅发生置换反应生成钨，因此可以修复钨核膜薄弱的地区，从而阻挡钨的气态化合物向下扩散，减少钨的气态化合物与钛发生化学反应生成气态物质，和传统的钨化学气相沉积方法相比，上述钨膜的沉积方法减少了钨膜沉积形成火山喷发状。

附图说明

图1为一实施方式的钨膜的沉积方法的流程图；

图2A～图2E为如图1所示的钨膜的沉积方法处理晶圆后晶圆表面的结构变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参考图1和图2，一实施方式的钨膜的沉积方法，包括以下步骤：

S10、提供基底10。

在钨化学气相沉积系统内，基底10由背压吸附在电阻加热器表面均匀加热。

基底10可以为硅片。

结合2A，基底10包括本体110以及沉积在本体110表面的保护层120。保护层120可以为Ti层和TiN层的复合层，Ti层和本体110接触。

S20、以硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在基底10上的第一硅原子层20。

S20中，化学气相沉积的温度可以为390℃～430℃，压强可以为 30Torr～50Torr。化学气相沉积的时间可以为10s～30s。硅的气态化合物的流量可以为40sccm～100sccm。填充气压气体为氦气(He)，氦气的流量为5000sccm～10000sccm。

结合图2B，将基底10经过S20处理后，硅的气态化合物分解生成Si。Si吸附在基底10表面，形成第一硅原子层20。

硅的气态化合物可以为硅甲烷(SiH₄)。

硅的气态化合物为SiH₄时，化学气相沉积的反应方程式如下：

SiH₄→Si+2H₂。

SiH₄自分解为Si和H₂。Si吸附在基底10表面，形成第一硅原子层20。

S30、以钨的气态化合物和硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在基底10上的钨核膜30。

S30中，化学气相沉积的温度可以为390℃～430℃，压强可以为30Torr～50Torr。化学气相沉积的时间可以为10s～30s。钨的气态化合物和硅的气态化合物的流量比可以为1：10～40。钨的气态化合物的流量为1sccm～10sccm，硅的气态化合物的流量为40sccm～100sccm。

钨的气态化合物可以为六氟化钨(WF₆)、六氯化钨(WCl₆)或羰基钨(W(CO)₆)等。

硅的气态化合物可以为硅甲烷(SiH₄)。

钨的气态化合物和第一硅原子层的硅发生置换反应生成钨。同时，钨的气态化合物和硅的气态化合物反应也生成钨。

钨的气态化合物和第一硅原子层的硅发生置换反应生成的钨以及钨的气态化合物和硅的气态化合物反应生成的钨一起形成沉积在基底上的钨核膜。

下面以钨的气态化合物为WF₆，硅的气态化合物为SiH₄为例进行说明。WF₆和SiH₄进行化学气相沉积的反应方程式如下：

2WF₆+3SiH₄→2W+3SiF₄+6H₂；

WF₆+Si→W+SiF₄。

WF₆和第一硅原子层20的Si发生置换反应生成W。WF₆和SiH₄发生反应生成W。上述两个反应生成的W形成沉积在基底10上的W核膜30。

结合图2C，将如图2B所示的晶圆进行S30处理后，保护层120上沉积有一层W核膜30。

S40、以硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在钨核膜30上的第二硅原子层40。

S40中，化学气相沉积的温度可以为390℃～430℃，压强可以为30Torr～50Torr。化学气相沉积的时间可以为10s～30s。硅的气态化合物的流量可以为40sccm～100sccm。填充气压气体为氦气(He)，氦气的流量为5000sccm～10000sccm。

硅的气态化合物可以为硅甲烷(SiH₄)。

硅的气态化合物分解生成Si。Si吸附在W核膜30表面，形成第二硅原子层40，能够有效阻挡钨的气态化合物向基底10内部扩散。

硅的气态化合物为SiH₄时，化学气相沉积的反应方程式如下：

SiH₄→Si+2H₂。

SiH₄自分解为Si和H₂。Si吸附在W核膜30表面，形成第二硅原子层40，能够有效阻挡WF₆向基底10内部扩散。

结合图2D，将如图2C所示的晶圆进行S40处理后，W核膜30上形成有一层第二硅原子层40。

S50、以钨的气态化合物和氢气作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在基底10上的钨膜50。

S50中，化学气相沉积的温度可以为390℃～430℃，压强可以为30Torr～50Torr。化学气相沉积的时间可以为10s～30s。钨的气态化合物的流量为1sccm～10sccm。氢气的流量为80sccm～250sccm。钨的气态化合物和氢气的流量比可以为1：25～60。

钨的气态化合物与第二硅原子层的硅发生置换反应生成钨。钨的气态化合物和氢气反应生成钨。

钨的气态化合物与第二硅原子层的硅发生置换反应生成的钨、钨的气态化合物和氢气反应生成的钨以及钨核膜中的钨一起形成沉积在基底上的钨膜。

钨的气态化合物与第二硅原子层的硅反应生成的W能够阻挡后续钨的气态 化合物沿W核膜30的薄弱区域向下扩散，减少W膜50沉积形成火山喷发状。

由于第二硅原子层40的Si原子的还原性比H₂强，钨的气态化合物到达基底10表面还未与H₂发生反应时，钨的气态化合物先与第二硅原子层的硅反应生成W。

钨的气态化合物以WF₆为例，WF₆和H₂进行化学气相沉积的化学反应方程式如下：

WF₆+3H₂→W+6HF。

由于第二硅原子层40的Si原子的还原性比H₂强，所以WF₆到达基底10表面还未与H₂发生反应时，WF₆优先与W核膜30表面的第二硅原子层40的Si发生置换反应生成硅，并阻挡后续WF₆沿W核膜30的薄弱区域向下扩散，减少W膜50沉积形成火山喷发状。之后，WF₆和H₂反应生成W。上述两个反应生成的W和W核膜30中的W形成W膜50。

结合图2E，将如图2D所示的晶圆进行S50处理后，保护层120上形成有一层W膜50。

上述钨膜的沉积方法，以硅的气态化合物作为气源进行化学气相沉积，形成沉积在钨核膜上的第二硅原子层，从而使钨的气态化合物到达基底表面时能够和第二硅原子层的硅发生置换反应生成钨，因此可以修复钨核膜薄弱的地区，从而阻挡钨的气态化合物向下扩散，减少钨的气态化合物与钛发生化学反应生成气态物质，和传统的钨化学气相沉积方法相比，上述钨膜的沉积方法减少了钨膜沉积形成火山喷发状。

下面为具体实施例部分。

实施例1

在钨化学气相沉积系统内，硅片由背压吸附在电阻加热器表面均匀加热。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为40sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为30Torr。化学气相沉积的温度为390℃。化学气相沉积的时间为15s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为5000sccm。在硅片表面形成第 一硅原子层。

设定温度为390℃，工艺腔腔体的内部压强为30Torr，往工艺腔体内通入WF₆和SiH₄进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节WF₆的流量为10sccm，SiH₄的流量为100sccm。WF₆和SiH₄的流量比为1：10。化学气相沉积的时间为10s。第一硅原子层的Si和WF₆发生置换反应生成W，WF₆和SiH₄反应生成W，两个反应生成的W形成W核膜。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为70sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为30Torr。化学气相沉积的温度为390℃。化学气相沉积的时间为30s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为10000sccm。在W核膜表面形成第二硅原子层。

设定温度为390℃，工艺腔腔体的内部压强为30Torr，往工艺腔体内通入WF₆和H₂进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节WF₆的流量为10sccm，H₂的流量为250sccm。WF₆和H₂的流量比为1：25。化学气相沉积的时间为10s。第二硅原子层的Si和WF₆发生置换反应生成W，WF₆和H₂反应生成W，上述两个反应生成的W和W核膜中的W一起形成W膜。得到沉积有W膜的晶圆。

实施例2

在钨化学气相沉积系统内，硅片由背压吸附在电阻加热器表面均匀加热。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为100sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为40Torr。化学气相沉积的温度可以为430℃。化学气相沉积的时间为10s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为7000sccm。在硅片表面形成第一硅原子层。

设定温度为430℃，工艺腔腔体的内部压强为40Torr，往工艺腔体内通入WCl₆和SiH₄进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节WCl₆的流量为1sccm，SiH₄的流量为40sccm。WCl₆和SiH₄的流量比为1：40。化学气相沉积的时间为30s。第一硅原子层的Si和WCl₆发生置换反应生成W，WCl₆和SiH₄ 反应生成W，两个反应生成的W形成W核膜。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为100sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为40Torr。化学气相沉积的温度可以为430℃。化学气相沉积的时间为20s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为5000sccm。在W核膜表面形成第二硅原子层。

设定温度为430℃，工艺腔腔体的内部压强为40Torr，往工艺腔体内通入WCl₆和H₂进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节WCl₆的流量为1sccm，，H₂的流量为60sccm。WCl₆和H₂的流量比为1：60。化学气相沉积的时间为30s。第二硅原子层的Si和WCl₆发生置换反应生成W，WCl₆和H₂反应生成W，上述两个反应生成的W和W核膜中的W一起形成W膜。得到沉积有W膜的晶圆。

实施例3

在钨化学气相沉积系统内，硅片由背压吸附在电阻加热器表面均匀加热。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为80sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为50Torr。化学气相沉积的温度可以为400℃。化学气相沉积的时间为30s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为10000sccm。在硅片表面形成第一硅原子层。

设定温度为400℃，工艺腔腔体的内部压强为50Torr，往工艺腔体内通入W(CO)₆和SiH₄进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节W(CO)₆的流量为5sccm，SiH₄的流量为80sccm。W(CO)₆和SiH₄的流量比为1：16。化学气相沉积的时间为20s。第一硅原子层的Si和W(CO)₆发生置换反应生成W，W(CO)₆和SiH₄反应生成W，两个反应生成的W形成W核膜。

往工艺腔体内通入SiH₄进行化学气相沉积，用流量控制器调节SiH₄的流量为40sccm，SiH₄在工艺腔体均匀分布并发生自分解反应，通过节流阀调节工艺腔腔体的内部压强为50Torr。化学气相沉积的温度可以为390℃。化学气相沉积 的时间为10s。填充气压气体为氦气，氦气的流量为7000sccm。在W核膜表面形成第二硅原子层。

设定温度为400℃，工艺腔腔体的内部压强为50Torr，往工艺腔体内通入W(CO)₆和H₂进行化学气相沉积。通过流量控制器分别调节W(CO)₆的流量为8sccm，H₂的流量为400sccm。W(CO)₆和H₂的流量比为1：50。化学气相沉积的时间为15s。第二硅原子层的Si和W(CO)₆发生置换反应生成W，W(CO)₆和H₂反应生成W，上述两个反应生成的W和W核膜中的W一起形成W膜。得到沉积有W膜的晶圆。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。