钨填充凹槽结构的方法与流程

本发明涉及一种半导体集成电路的制造方法，特别是涉及一种钨填充凹槽结构的方法。

背景技术

业界在28nm及以下逻辑电路中采用金属栅极(mg)技术，且金属栅极的栅介质层通常采用高介电常数(hk)材料，具有高介电常数材料的栅介质层以及金属栅组成的栅极结构在本领域中通常缩写为hkmg。

hkmg的形成工艺中，包括栅极先形成(gatefirst)和栅极后形成(gatelast)两种工艺，本申请涉及到gatelast工艺，gatelast工艺中会先形成伪栅极结构，利用伪栅极结构形成器件如nmos或pmos的源区和漏区以及接触刻蚀停止层(cesl)和层间膜，之后去除伪栅极结构；之后再在伪栅极结构去除区域形成hkmg。其中伪栅极结构去除之后，会形成一个凹槽结构，hkmg需要对凹槽结构进行填充(gapfill)形成。

随着工艺节点的缩小，gatelast工艺会遇到gapfill问题，在工艺节点为28nm的平面型(planar)器件工艺中，业界用al回流(reflow)填充；到了具有三维立体结构的鳍式场效应晶体管(finfet)器件工艺中，需要采用化学气相淀积(cvd)钨(w)来增加gapfill能力，但cvdw会遇到缝隙(seam)的问题，一般需要对工艺进行改进，采用淀积-刻蚀-淀积(dep-etch-dep的循环步骤或淀积-氟去除处理-淀积(dep-treat-dep)的循环步骤来增加gapfill的工艺窗口。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种钨填充凹槽结构的方法，能实现钨无缝隙填充凹槽。

为解决上述技术问题，本发明提供的钨填充凹槽结构的方法包括如下步骤：

步骤一、形成凹槽结构。

步骤二、形成钨成核层，所述钨成核层形成于所述凹槽结构的底部表面和侧面并延伸到所述凹槽结构外的表面。

步骤三、在所述凹槽结构的侧面的所述钨成核层的侧面形成金属侧墙，所述凹槽结构底部表面和所述凹槽结构外的所述钨成核层的表面露出；所述金属侧墙的材料保证后续的化学气相淀积工艺生长钨的过程中不会在所述金属侧墙的侧面形成钨，使钨从所述钨成核层的表面开始从底部到顶部生长。

步骤四、采用化学气相淀积工艺生长钨主体层并将所述凹槽结构完全填充，在所述钨主体层生长过程中，在所述凹槽结构中钨从所述钨成核层的底部表面开始从底部向顶部方向生长并将所述凹槽结构无缝填充。

步骤五、进行钨的化学机械性研磨工艺将所述凹槽结构外的所述钨主体层和所述钨成核层都去除，形成组成包括填充于所述凹槽结构中的所述钨成核层和所述钨主体层的钨金属结构。

进一步的改进是，步骤二中形成所述钨成核层之前还包括形成第一tin层的步骤，所述钨成核层形成于所述第一tin层的表面。

进一步的改进是，步骤二中采用原子层淀积工艺形成所述钨成核层。

进一步的改进是，所述钨成核层对应的原子层淀积工艺所采用的工艺气体为wf6加sih4或b2h6。

进一步的改进是，所述钨成核层的厚度大于

进一步的改进是，所述金属侧墙的材料为tin或wn。

进一步的改进是，所述金属侧墙的厚度小于

进一步的改进是，所述金属侧墙的材料为tin时，采用原子层淀积工艺形成所述金属侧墙的tin材料；所述金属侧墙的材料为wn时，采用化学气相淀积、物理气相淀积或对所述钨成核层进行氮化处理形成所述金属侧墙的wn材料。

进一步的改进是，所述金属侧墙的材料层形成之后位于所述凹槽结构的底部表面和侧面并延伸到所述凹槽结构外的表面，在所述金属侧墙的材料层形成之后采用ar溅射工艺方法去除所述凹槽结构的底部表面和所述凹槽结构外的表面的所述金属侧墙的材料层，使保留于所述凹槽结构的侧面的材料层组成所述金属侧墙。

进一步的改进是，在所述金属侧墙的材料层的ar溅射工艺中还通入有氢气。

进一步的改进是，在所述金属侧墙的材料层的ar溅射工艺之后还包括进行氮化处理工艺将所述凹槽结构外的所述钨成核层氮化。

进一步的改进是，所述凹槽结构的深宽比小于4：1。

进一步的改进是，步骤一中所述凹槽结构形成于第一介质层中并穿过所述第一介质层，所述第一介质层位于半导体衬底表面且所述凹槽结构将所述第一介质层底部的所述半导体衬底表面露出。

进一步的改进是，所述钨金属结构为金属栅，被所述钨金属结构所覆盖的所述半导体衬底中形成有沟道区。

所述凹槽结构通过去除伪栅结构后形成，在形成所述第一tin层之前还包括：

形成栅介质层，所述栅介质层包括界面层、高介电常数层和第二tin层；

形成第三阻障层和功函数层。

进一步的改进是，所述钨金属结构为接触孔，被所述钨金属结构所覆盖的所述半导体衬底中形成有需要被引出的掺杂区；或者，所述钨金属结构为通孔，所述凹槽结构穿过位于两层金属层之间的层间膜。

本发明在凹槽结构形成之后，先形成一层钨成核层，钨成核层需要形成于凹槽结构的底部表面和侧面，之后再形成有钨成核层的凹槽结构的侧面凹槽结构的侧面的钨成核层的侧面形成金属侧墙，这种金属侧墙的材料选择保证后续的化学气相淀积工艺生长钨的过程中不会在金属侧墙的侧面形成钨，这样在进行钨主体层对应的化学气相淀积过程中钨会从凹槽结构的底部表面开始向上生长即实现了bottomupgapfill，由于凹槽结构中钨是从底部表面向上生长，能避免侧面横向生长时两个侧面生长的钨合拢时会在凹槽结构中间形成缝隙的缺陷，最终实现钨无缝隙填充凹槽。

本发明中，金属侧墙采用全面形成金属侧墙的材料之后再进行溅射刻蚀即可自对准在凹槽结构的侧面形成，故本发明仅需增加一般金属侧墙的形成工艺即可实现，且金属侧墙的形成工艺采用自对准工艺即可实现，不需要额外的光刻工艺定义，故本发明具有工艺简单且成本低的优点。

本发明钨填充凹槽结构的方法能很好的应用到金属栅的gatelast工艺对应的gapfill的工艺中，能增加gatelast工艺中的gapfill的工艺窗口。

本发明钨填充凹槽结构的方法也能应用到任何采用了钨填充的凹槽结构中，如接触孔，通孔等，通过本发明消除钨填充凹槽的缝隙后能提高填充了钨的凹槽结构的质量并提高相应的性能。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例钨填充凹槽结构的方法的流程图；

图2a-图2f是本发明实施例方法各步骤中的器件结构图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例钨填充凹槽结构的方法的流程图；如图2a至图2f所示，是本发明实施例方法各步骤中的器件结构图，本发明实施例提供的钨填充凹槽结构的方法包括如下步骤：

步骤一、如图2a所示，形成凹槽结构。

所述凹槽结构形成于第一介质层3中并穿过所述第一介质层3，所述第一介质层3位于半导体衬底1表面且所述凹槽结构将所述第一介质层3底部的所述半导体衬底1表面露出。

本发明实施例以金属栅对应的gapfill为例进行说明，也即后续形成的金属结构为金属栅，被所述钨金属结构所覆盖的所述半导体衬底1中形成有沟道区。

所述凹槽结构通过去除伪栅结构后形成。在所述伪栅结构去除之前，在所述半导体衬底1中已经形成由器件的源区、漏区和沟道区，以及cesl层2和所述第一介质层3。其中，cesl层2通常为氮化硅层，第一介质层2为由氧化硅组成的层间膜。

所述伪栅结构去除之后，包括步骤

形成栅介质层4，所述栅介质层4包括界面层、高介电常数层和第二tin层。所述界面层的材料包括氧化硅。所述高介电常数层的材料包括二氧化硅，氮化硅，三氧化二铝，五氧化二钽，氧化钇，硅酸铪氧化合物，二氧化铪，氧化镧，二氧化锆，钛酸锶，硅酸锆氧化合物。

如图2b所示，形成第三阻障层和功函数层5。第三阻障层能采用tan。功函数层5根据器件类型进行设置，pmos器件对应的功函数层5的材料为tin；nmos器件对应的功函数层5的材料为tial。

所述凹槽结构的深宽比小于4：1。

步骤二、如图2c所示，形成钨成核层7，所述钨成核层7形成于所述凹槽结构的底部表面和侧面并延伸到所述凹槽结构外的表面。

本发明实施例中，形成所述钨成核层7之前还包括形成第一tin层6的步骤，所述钨成核层7形成于所述第一tin层6的表面。

采用原子层淀积工艺形成所述钨成核层7。

所述钨成核层7对应的原子层淀积工艺所采用的工艺气体为wf6加sih4或b2h6。所述钨成核层7的厚度大于

步骤三、如图2d所示，在所述凹槽结构的侧面的所述钨成核层7的侧面形成金属侧墙8，所述凹槽结构底部表面和所述凹槽结构外的所述钨成核层7的表面露出；所述金属侧墙8的材料保证后续的化学气相淀积工艺生长钨的过程中不会在所述金属侧墙8的侧面形成钨，使钨从所述钨成核层7的表面开始从底部到顶部生长。

本发明实施例中，所述金属侧墙8的材料为tin。

所述金属侧墙8的厚度小于

所述金属侧墙8的材料为tin时，如图2c所示，采用原子层淀积工艺形成所述金属侧墙8的tin材料；所述金属侧墙8的材料层形成之后位于所述凹槽结构的底部表面和侧面并延伸到所述凹槽结构外的表面。如图2d所示，在所述金属侧墙8的材料层形成之后采用ar溅射工艺方法去除所述凹槽结构的底部表面和所述凹槽结构外的表面的所述金属侧墙8的材料层，使保留于所述凹槽结构的侧面的材料层组成所述金属侧墙8。由上可知，本发明实施例的所述金属侧墙8能自对准形成于所述凹槽结构的侧面上，不需要采用光刻工艺定义，故本发明实施例方法工艺简单且成本低。

在其它实施例中也能为：所述金属侧墙8的材料wn。所述金属侧墙8的材料为wn时，采用化学气相淀积、物理气相淀积或对所述钨成核层7进行氮化处理形成所述金属侧墙8的wn材料。

在所述金属侧墙8的材料层的ar溅射工艺中还通入有氢气。在所述金属侧墙8的材料层的ar溅射工艺之后还包括进行氮化处理工艺将所述凹槽结构外的所述钨成核层7氮化。

步骤四、如图2e所示，采用化学气相淀积工艺生长钨主体层9并将所述凹槽结构完全填充，在所述钨主体层9生长过程中，在所述凹槽结构中钨从所述钨成核层7的底部表面开始从底部向顶部方向生长并将所述凹槽结构无缝填充。

步骤五、如图2f所示，进行钨的化学机械性研磨工艺将所述凹槽结构外的所述钨主体层9和所述钨成核层7都去除，形成组成包括填充于所述凹槽结构中的所述钨成核层7和所述钨主体层9的钨金属结构。

本发明实施例方法以金属栅的gapfill为例进行说明。在其它实施例中也能为：所述钨金属结构为接触孔，被所述钨金属结构所覆盖的所述半导体衬底1中形成有需要被引出的掺杂区；或者，所述钨金属结构为通孔，所述凹槽结构穿过位于两层金属层之间的层间膜。

本发明实施例在凹槽结构形成之后，先形成一层钨成核层7，钨成核层7需要形成于凹槽结构的底部表面和侧面，之后再形成有钨成核层7的凹槽结构的侧面凹槽结构的侧面的钨成核层7的侧面形成金属侧墙8，这种金属侧墙8的材料选择保证后续的化学气相淀积工艺生长钨的过程中不会在金属侧墙8的侧面形成钨，这样在进行钨主体层9对应的化学气相淀积过程中钨会从凹槽结构的底部表面开始向上生长即实现了bottomupgapfill，由于凹槽结构中钨是从底部表面向上生长，能避免侧面横向生长时两个侧面生长的钨合拢时会在凹槽结构中间形成缝隙的缺陷，最终实现钨无缝隙填充凹槽。

本发明实施例中，金属侧墙8采用全面形成金属侧墙8的材料之后再进行溅射刻蚀即可自对准在凹槽结构的侧面形成，故本发明实施例仅需增加一般金属侧墙8的形成工艺即可实现，且金属侧墙8的形成工艺采用自对准工艺即可实现，不需要额外的光刻工艺定义，故本发明实施例具有工艺简单且成本低的优点。

本发明实施例钨填充凹槽结构的方法能很好的应用到金属栅的gatelast工艺对应的gapfill的工艺中，能增加gatelast工艺中的gapfill的工艺窗口。

本发明实施例钨填充凹槽结构的方法也能应用到任何采用了钨填充的凹槽结构中，如接触孔，通孔等，通过本发明实施例消除钨填充凹槽的缝隙后能提高填充了钨的凹槽结构的质量并提高相应的性能。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。