半导体器件中的钨填充方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体器件中的钨填充方法。


背景技术：

2.化学气相沉积法（chemicalvapordeposition，cvd）制备金属钨（简称wcvd），在集成电路制造方法中广泛应用于填充金属层间的沟槽和垂直的通孔，以形成互连金属钨塞（w plug）连接不同金属层或者硅化物与金属。
3.随着半导体器件连接结构的深宽比（aspect ratio，ar）增大，上述连接结构为接触孔、沟槽或通孔，深宽比为连接结构的深度与连接结构的宽度之间的比例，当连接结构深宽比ar＞4时，由于传统wcvd方法的填充能力有限，导致填充钨层（w）在沟槽或通孔中无法实现无缝或无空洞填充。请参阅图1，由于沟槽或通孔的顶部侧壁在膜层填充过程中，容易产生悬垂效应（over hang）。因此，采用传统wcvd填充w，会导致在连接孔洞、沟槽完全填充前，连接结构的顶部区域被提前封闭，从而在钨塞中产生空洞。即使未产生空洞，但因填充钨从侧壁各向同性快速沉积过程中，使得在钨塞中心容易形成缝隙，这些空洞或者缝隙的存在，使得顶部已经封口的钨塞在后续的化学机械抛光(chemico-mechanicalpolishing，cmp)过程中，容易被再次打开，从而导致cmp浆液发生渗透，腐蚀钨塞，影响器件的电性能。


技术实现要素：

4.鉴于此，本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，以减小现有的钨塞填充于待填充区中容易出现缝隙或空洞的问题。
5.本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，包括：提供一具有待填充区的目标膜层，所述待填充区包括接触孔、通孔和沟槽中的至少一种；在化学气相沉积方法的第一站点内且在第一温度下，通入乙硼烷，所述乙硼烷在所述第一温度下在所述待填充区内形成硼膜层，所述第一温度为280-310℃；通入第一六氟化钨，所述第一六氟化钨与所述硼膜层进行反应，在所述待填充区内形成第一钨膜层；将所述沉积有第一钨膜层的所述目标膜层转移至在设置有第二温度的第二站点，通入第一氢气和第二六氟化钨，所述第一氢气与所述第二六氟化钨进行反应，在所述第一钨膜层上形成第二钨膜层，所述第二温度为300-350℃；将沉积有所述第一钨膜层以及所述第二钨膜层的所述目标膜层转移至设置有第三温度的第三站点中，在所述第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，所述第二氢气与所述第三六氟化钨进行反应，在所述第二钨膜层上形成第三钨膜层，所述第三温度为380-420℃；以及将沉积有所述第一钨膜层、所述第二钨膜层以及所述第三钨膜层的所述目标膜层转移至设置有所述第二温度的第四站点中，在所述第二温度下，通入第三氢气和第四六氟
化钨进行反应直至所述待填充区填充完全，以形成第四钨膜层。
6.其中，所述第一温度为300-310℃，所述第二温度为300-320℃，所述第三温度为400-420℃。
7.其中，所述第一温度为300℃，所述第二温度为300℃，所述第三温度为400℃。
8.其中，所述乙硼烷以第一氩气为载气通入所述第一站点的目标膜层中，所述第一氩气的流量为2500-4500sccm，所述乙硼烷的流量为300-500sccm。
9.其中，所述第一氩气的流量为3000-3500sccm，所述乙硼烷的流量为450sccm。
10.其中，所述第一六氟化钨以第二氩气为载气通入所述目标膜层上，所述第二氩气的流量为8000-15000sccm，所述第一六氟化钨的流量为200-350sccm。
11.其中，所述第一钨膜层的厚度为4-16nm。
12.其中，所述第一氢气以及所述第二氢气的流量为8000-17000sccm，所述第二六氟化钨以及所述第三六氟化钨的流量为200-350sccm。
13.其中，所述第一氢气以及所述第二氢气的流量为15000-16000sccm。
14.其中，在所述将沉积有所述第一钨膜层以及所述第二钨膜层的所述目标膜层转移至设置有第三温度的第三站点中，在所述第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，所述第二氢气与所述第三六氟化钨进行反应，在所述第二钨膜层上形成第三钨膜层之后，以及将沉积有所述第一钨膜层、所述第二钨膜层以及所述第三钨膜层的所述目标膜层转移至设置有所述第二温度的第四站点中，在所述第二温度下，通入第三氢气和第四六氟化钨进行反应直至所述待填充区填充完全，以形成第四钨膜层之前，还包括：将设置有所述第一钨膜层、所述第二钨膜层以及所述第三钨膜层的所述目标膜层转移至设置有所述第二温度的第四站点中；对所述目标膜层的表面通入第三氩气，对所述目标膜层的背面通入第四氩气，所述第三氩气的流量为5000-8000sccm，所述第四氩气的流量为1000-4500sccm。
15.本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，包括：提供一具有待填充区的目标膜层，待填充区包括接触孔、通孔或沟槽中的至少一种；在cvd的第一站点且第一温度下通入乙硼烷，乙硼烷在第一温度下在待填充区内形成硼膜层；通入第一六氟化钨，第一六氟化钨与硼膜层进行反应，在待填充区内形成第一钨膜层；将第一钨膜层以及目标膜层转移至在设置有第二温度的第二站点，通入第一氢气和第二六氟化钨，第一氢气与第二六氟化钨进行反应，在第一钨膜层上形成第二钨膜层；将沉积有第一钨膜层以及第二钨膜层的目标膜层转移至设置有第三温度的第三站点中，在第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，第二氢气与第三六氟化钨进行反应，在第二钨膜层上形成第三钨膜层；将设置有第一钨膜层、第二钨膜层以及第三钨膜层的目标膜层转移至设置有第二温度的第四站点中，在第二温度下，通入第三氢气和第四六氟化钨进行反应直至所述待填充区填充完全，以形成第四钨膜层，其中，第一温度为280-310℃，第二温度为300-350℃，第三温度为380-420℃，以减小钨塞内空洞或缝隙的产生，从而保证了半导体器件的性能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于
本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是根据现有的钨填充方法的制备半导体器件的扫描电镜示意图；图2是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的流程示意图；图3-图6是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的结构流程示意图；图7是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的平面结构扫描电镜示意图；图8是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的截面结构扫描电镜示意图。
18.附图标记：100、目标膜层：101、待填充区；200、粘合层；300、第一钨膜层；400、第二钨膜层。
具体实施方式
19.下面结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
20.本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，包括：提供一具有待填充区的目标膜层，待填充区包括接触孔、通孔和沟槽中的至少一种；在cvd的第一温度下通入乙硼烷，乙硼烷在第一温度下在待填充区内形成硼膜层；通入第一六氟化钨，第一六氟化钨与硼膜层进行反应，在待填充区内形成第一钨膜层；将沉积有第一钨膜层的目标膜层转移至在设置有第二温度的第二站点，通入第一氢气和第二六氟化钨，第一氢气与第二六氟化钨进行反应，在第一钨膜层上形成第二钨膜层；将沉积有第一钨膜层以及第二钨膜层的目标膜层转移至设置有第三温度的第三站点中，在第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，第二氢气与第三六氟化钨进行反应，在第二钨膜层上形成第三钨膜层；将沉积有第一钨膜层、第二钨膜层以及第三钨膜层的目标膜层转移至设置有第二温度的第四站点中，在第二温度下，通入第三氢气和第四六氟化钨进行反应，在第三钨膜层上形成第四钨膜层，其中，第一温度为280-310℃，第二温度为300-350℃，第三温度为380-420℃。
21.在本技术中，通过采用化学气相沉积方法分步形成钨塞的各个分层，并按先后顺序用第一温度形成第一钨膜层、用第二温度形成第二钨膜层、用第三温度形成第三钨膜层以及用第二温度形成第四钨膜层，其中，第一温度为280-310℃，第二温度为300-350℃，第三温度为380-420℃，即通过精确的控制用于形成钨塞中各分层的温度，从而减小填充过程中的钨塞内部空洞或缝隙的产生，甚至实现无空洞或无缝隙的填充，以形成高密度、高阶梯覆盖率、高保形的连接钨塞，从而实现可靠性互连，保证半导体器件的性能。
22.请参考图2-图6，图2是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的流程示意图，图3-图6是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的结构流程示意图。
23.本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，包括：b11、提供一具有待填充区的目标膜层，目标膜层包括接触孔、通孔和沟槽中的至少一种。
24.具体的，目标膜层100可以为衬底、绝缘层或栅极介质层等这些膜层，此处不限定。在本实施例中，以目标膜层100为衬底为例进行说明。
25.在一实施例中，在步骤b11之后，还包括：在目标膜层100的表面形成粘合层200，也即待填充区101的表面设置有粘合层200，粘合层200的材料包括钛、钽等及其氮化物。
26.b12、在化学气相沉积方法的第一站点内且在第一温度下，通入乙硼烷，乙硼烷在第一温度下在待填充区内形成硼膜层，第一温度为280-310℃。
27.请参阅图3，将目标膜层置于第一站点内，并将第一站点的第一温度设置为280-310℃，并以第一氩气为载气将乙硼烷（b2h6）通入设置有目标膜层100的第一站点中，在第一温度下，乙硼烷在粘合层200上分解生成一层硼膜层（b2h6→
2b(s)+3h2(g)），也即在待填充区101中生成一层硼膜层（b）；然后，将第一站点内的氢气等副产物抽除干净，以避免第一站点内的气体影响后续步骤的进行。
28.需要说明的是，本技术中的化学反应式中的s表示的是固态，g表示的气态。
29.第一温度可以为280℃、285℃、296℃、300℃、307℃或310℃等。优选的，第一温度为300-310℃。
30.在本技术中，将第一温度设置为280-310℃以形成硼膜层（b），以提高硼膜层（b）在待填充区101内的阶梯覆盖率，尤其是在待填充区101的内壁的硼膜层（b），且使得第一站点内的乙硼烷（b2h6）可以快速均匀地分解，避免硼膜层成膜的不均匀，而导致后续形成的钨膜层的成膜不均匀，使得钨膜层填充于待填充区101时，可以减小钨塞中空洞或缝隙的产生，甚至可以实现无缝隙或无空洞填充。
31.在一些实施例中，第一氩气的流量为2500-4500sccm。具体的，第一氩气的流量可以为2500sccm、2800sccm、3200sccm、3900sccm、4300sccm或4500sccm等。将第一氩气的流量设置在此范围内，使得形成的第一钨膜层300的膜厚均匀、阶梯覆盖率高。若第一氩气的流量太低，会使得第一站点内的乙硼烷的浓度太高，致使乙硼烷分布不均，从而导致第一钨膜层300的膜层生长不均匀，优选的，第一氩气的流量为3000-3500sccm。
32.在一些实施例中，乙硼烷的流量为300-500sccm。具体的，乙硼烷的流量可以为300sccm、330sccm、3700sccm、480sccm或500sccm等。将乙硼烷的流量设置在此范围内，使得形成的第一钨膜层300成膜均匀。优选的，乙硼烷的流量为450sccm。
33.b13、通入第一六氟化钨，第一六氟化钨与硼膜层进行反应，在待填充区内形成第一钨膜层。
34.请继续参阅图3，具体的，在第一站点内，以通入第二氩气为载气，将第一六氟化钨通入目标膜层100上，第一六氟化钨与目标膜层100上的硼膜层快速反应，生成第一钨膜层300（wf6+2b
→
w(s)+2bf3(g)）；然后，抽除第一站点内的bf3等气体，避免第一站点内的气体影响后续步骤的进行，此时，第一钨膜层300（w）的膜层厚度为8-10埃；然后，继续重复前述b12和b13步骤，以使得第一钨膜层300的厚度为4-16nm。
35.第一钨膜层300的厚度可以为4nm、6nm、8nm、9nm、12nm或16nm等。将第一钨膜层300的厚度设置在此范围内，使得第一钨膜层300分布均匀，并避免后续的第二钨核层400生长不均匀。
36.在一实施例中，第二氩气的流量为8000-15000sccm，第一六氟化钨的流量为200-350sccm。具体的，第二氩气的流量可以为8000sccm、9000sccm、11000sccm、13000sccm、14500sccm或15000sccm等，第一六氟化钨的流量可以为200sccm、220sccm、270sccm、
290sccm、300sccm、340sccm或350sccm等。六氟化钨产生的氟化物对目标膜层100有腐蚀性，将第二氩气的流量以及第一六氟化钨的流量设置在此范围内，使得第二氩气可以对第一六氟化钨起到稀释的作用，避免氟化物对目标膜层100造成损伤，从而保证了半导体器件的性能。
37.b14、将沉积有第一钨膜层的目标膜层转移至在设置有第二温度的第二站点，通入第一氢气和第二六氟化钨，第一氢气与第二六氟化钨进行反应，在第一钨膜层上形成第二钨膜层，第二温度为300-350℃。
38.请参阅图4，具体的，将沉积有第一钨膜层300的目标膜层100转移至第二站点，在第二温度下，第二温度为300-350℃，通入第一氢气和第二六氟化钨，第一氢气与第二六氟化钨在第二温度下进行反应，在第一钨膜层300上形成第二钨膜层400（wf6+3h2→
w(s)+6hf(g)）；然后，去除第二站点内的气体。
39.第二温度可以为300℃、305℃、315℃、324℃、336℃、347℃或350℃等。优选的，第二温度为300-320。
40.在本技术中，将形成第二钨膜层400的温度设置为300-350℃，在低温状态下，第一氢气与第二六氟化钨的反应速率大大降低，也即反应气体的黏附系数降低，降低反应物在基体表面（待填充区101顶部）碰撞过程中分子间的相互黏附反应，使得更多的反应物到达待填充区101的底部进行反应，使得第二钨核层400可以较好的填充于待填充区101中，即保持较好的填充效果。
41.在一实施例中，第一氢气的流量为8000sccm、9000sccm、10000sccm、12000sccm、13500sccm、15300sccm或17000sccm等，优选的，第一氢气的流量为15000-16000sccm，第二六氟化钨的流量为200sccm、223sccm、236sccm、247sccm或350sccm等。将第一氢气以及第二六氟化钨的流量设置在此范围内，使得生成的第二钨膜层400成膜均匀，便于后续的第三钨膜层以及第四钨膜层的形成，从而保证了钨塞的填充效果。
42.b15、将沉积有第一钨膜层以及第二钨膜层的目标膜层转移至设置有第三温度的第三站点中，在第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，第二氢气与第三六氟化钨进行反应，在第二钨膜层上形成第三钨膜层，第三温度为380-420℃。
43.请参阅图5，具体的，将设置有第一钨膜层300以及第二钨膜层400的目标膜层100转移至设置有第三温度的第三站点中，第三温度为380-420℃，在第三温度下通入第二氢气和第三六氟化钨，第二氢气与第三六氟化钨进行反应，在第二钨膜层400上形成第三钨膜层（wf6+3h2→
w(s)+6hf(g)）；然后，去除第三站点内的气体。
44.第三温度可以为380℃、395℃、400℃、404℃、416℃、418℃或420℃等。优选的，第三温度为400-420℃。
45.在本技术中，将形成第三钨膜层的温度设置为380-420℃，在高温状态下，第二氢气与第三六氟化钨具有足够的反应驱动能量，从而使得第二氢气与第三六氟化钨具有较高的反应速率，使得大量的反应物在步骤12-14填充后的膜层阶梯覆盖率较高的待填充区101内部进行快速生长形成第三钨膜层，保证了填充的高效率。
46.在一实施例中，第二氢气的流量为8000sccm、9000sccm、10000sccm、12000sccm、13500sccm、15300sccm或17000sccm等，优选的，第二氢气的流量为15000-16000sccm，第三六氟化钨的流量为200sccm、223sccm、236sccm、247sccm或350sccm等。将第二氢气以及第三
六氟化钨的流量设置在此范围内，使得生成的第三钨膜层成膜均匀，便于后续的第四钨膜层的形成，从而保证了半导体器件的性能。
47.在一实施例中，在步骤b15之后，还包括：将沉积有第一钨膜层300、第二钨膜层400以及第三钨膜层的目标膜层100转移至设置有第二温度的第四站点中；然后，对目标膜层100的表面通入第三氩气以及对目标膜层100的背面通入第四氩气，第三氩气的流量为5000-8000sccm，第四氩气的流量为1000-4500sccm。
48.在本技术中，在目标膜层100完成高温沉积之后，需要对目标膜层100的正面以及表面进行冷却处理，使得目标膜层100的温度可以快速降低，避免对后续的步骤造成影响，从而保证了钨塞的填充效果。
49.b16、将沉积有第一钨膜层、第二钨膜层以及第三钨膜层的目标膜层在设置有第二温度的第四站点中，在第二温度下，通入第三氢气和第四六氟化钨进行反应直至待填充区填充完全，以形成第四钨膜层。
50.请参阅图6，具体的，将设置有第一钨膜层300、第二钨膜层400以及第三钨膜层的目标膜层100在设置有第二温度的第四站点中，在第二温度下，通入第三氢气和第四六氟化钨进行反应直至待填充区填充完全，以形成第四钨膜层（wf6+3h2→
w(s)+6hf(g)），第一钨膜层300、第二钨膜层400、第三钨膜层以及第四钨膜层构成钨塞；然后，抽除第四站点内的气体，将填充完成的目标膜层100转移出cvd腔体，继续进行下一步制程w-cmp或者钨的回蚀刻（w-etch back），以获得完整的填充钨塞结构。
51.在本技术中，将形成第四钨核层的第二温度设置为300-350℃，在低温状态下，第三氢气和第四六氟化钨的反应速率再次降低，使得大量反应物充分进入待填充区101内反应，从而减小了填充核塞中空洞或缝隙的产生，甚至是实现无空洞或无缝隙填充。
52.在一实施例中，第一温度为300℃，第二温度为300℃，第三温度为400℃。
53.在一实施例中，第一钨膜层的厚度小于第二钨膜层、第三钨膜层以及第四钨膜层的厚度，以保证第一钨膜层填充效率的同时，进一步降低阻值。
54.请参阅图7和图8，图7是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的平面结构扫描电镜示意图；图8是本技术提供的半导体器件中的钨填充方法的截面结构扫描电镜示意图。
55.由图7和图8可知，采用本技术提供的方式制备的钨塞，在待填充区101内的钨塞内部空洞或中心缝隙显著减小。
56.因此，通过wcvd分步沉积方法，且精准控制分步沉积的温度、反应物流量等，使得在填充高深宽比的接触孔、通孔或沟槽时，可以减小钨塞填充过程中的空洞及中心缝隙的产生，甚至可以实现无空洞或无缝隙的填充。
57.在本技术提供一种半导体器件中的钨填充方法，通过采用化学气相沉积方法分步形成钨塞，并按先后顺序用第一温度形成第一钨膜层300、用第二温度形成第二钨膜层400、用第三温度形成第三钨膜层以及用第二温度形成第四钨膜层，其中，第一温度为280-310℃，第二温度为300-350℃，第三温度为380-420℃，即通过分步沉积工艺及控制钨塞各分层的沉积温度，从而减小填充过程中钨塞内部空洞或缝隙的产生，甚至实现无空洞或无缝隙的填充，以形成高密度、高阶梯覆盖率、高保形的连接钨塞，从而实现可靠性互连，从而保证
了半导体器件的性能。
58.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。