專利名稱：氮化鎢層制造方法及使用同樣原理的金屬連線制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產半導體器件的方法，特別地，涉及一種生產氮化鎢(WNx)層的方法，該涂層可以有選擇地在一個接觸孔中形成，或者在未侵入到襯底的底層金屬連線層上形成，或在底層連線層上形成，并且在高溫下是穩(wěn)定的。本發(fā)明還涉及利用同樣方式生產金屬連線的方法。
隨著半導體集成電路(ICs)集成度的提高，金屬互連線路的寬度減小，而接觸孔的寬高比(aspectratio)持續(xù)上升。然而，現今用作金屬連線材料的鋁(Al)合金薄膜在接觸孔中顯示出不良的階躍式覆蓋層，或由于噴鍍而產生空白點。結果是，互連線路之間發(fā)生短路，降低了集成電路的可靠性。因此，選擇性化學氣相淀積-鎢(SCVD-W)一直吸引著人們努力嘗試通過化學氣相淀積(CVD)用鎢(W)作金屬連線的材料。


圖1A到1E顯示一種通過化學氣相淀積制成鎢層的方法。
在圖1A中，用來定義源/漏區(qū)的雜質區(qū)12是通過把離子注入一個硅襯底10制成的。然后，在包括雜質區(qū)12的襯底10的整個表面上制成作為絕緣層13的一個氧化硅層，其厚度達500-2000埃。如圖1B所示，其中用于制作金屬連線的溝槽19是通過對絕緣層13和硅襯底10蝕刻加工至一個預定的深度而制成的。
隨后，一個鈦(Ti)層在絕緣層13上和溝槽19中被淀積至厚度為200-1500埃，并進行熱處理。熱處理的結果是，硅襯底10與Ti層起反應，這樣形成一個硅化鈦(TiSix)層14，作為對襯底接觸表面上僅有的電阻層。然后，剩下的未與襯底進行反應的鈦通過濕蝕被去掉，得到了圖1C中所示的結果。
這之后，如圖1D所示，一個氮化鈦(TiN)層作為擴散阻擋層15被淀積至厚度為150-900埃，還有一個鎢層16在擴散阻擋層15上被淀積至厚度為1000?；?000埃以上。
然后，所得生成物通過化學機械拋光(CMP)被蝕刻還原，如圖1E所示，鎢層16只保留在溝槽19中，這就制成了金屬連線。
然而，如上面所述，當金屬連線通過選擇性化學氣相淀積-鎢(SCVD-W)來制作時，TiN層作為擴散阻擋層有些物理特性，比如張力，不同于那些作為金屬連線層的W層，并且兩層之間的接觸面受力很強。因此，W層會被提升，特別是TiN層/W層可能在化學機械拋光過程需要外加機械力時從絕緣層被提升。
另一方面，當由P+雜質硼(B)制成雜質區(qū)時，雜質在其后的加熱過程中與Ti起反應生成TiB2。結果是，電阻接觸特性降低，同時接觸電阻增加。
為了克服上述問題，提出了如圖2A所示的一個方法，其中鎢層24被制成一個電阻層，氮化鎢層25作為雜質域22上的擴散阻擋層制作在硅襯底20上，然后一個鎢層26被制成一個金屬連線層。
在上述方法中，鎢層24作為電阻層通過分別以6sccm流入氟化鎢(WF6)和以200sccm流入氫(H2)，在淀積溫度為600℃，0.1Torr大氣壓下制造為厚度達200-1500埃。然后，氮化鎢層25作為擴散阻擋層被淀積至厚度為150-900埃，鎢層26在氮化鎢層25上被淀積至厚度為1000埃或以上。所得生成物被蝕刻還原，這就制成了一根金屬連線。金屬連線的一個截面在圖2B的掃描電子顯微(SEM)照片中顯示。
被制成電阻層的鎢層顯示出與硅極好的粘合性，然而另一方面鎢與硅在形成硅化鎢時還原反應導致硅襯底的侵蝕，這就損壞了電特性，如圖2B所示。在結點深度降至0.1um或以下的超大規(guī)模集成電路時代，侵蝕變成了更加嚴重的問題。進一步地，因為鎢與硅在550℃或以上的溫度起反應，隨后的處理必須在高于550℃的溫度完成時，很難將上述金屬連線制造方法應用于半導體器件的制造過程。
為克服上述問題，本發(fā)明的目的是提供一個制造半導體器件的方法。
為達到上述目的，提供了一個制造半導體器件的方法，包括以下步驟<a>在帶有一個導電層的一個半導體襯底上制作一個絕緣層；<b>通過蝕刻絕緣層來制成一個接觸孔，用來暴露出導電層；和<c>有選擇地僅在接觸孔中，通過注入一種含氮氣體、鎢源氣體與還原劑氣體等的混合氣體，淀積氮化鎢層。
為達到上述目的，還提供了一種為半導體器件制造金屬連線的方法，包括的步驟為<a>在帶有一個導電層的一個半導體襯底上制作一個絕緣層；<b>通過蝕刻絕緣層制成一個接觸孔，用來暴露出導電層；<c>通過把鎢化合物淀積在由接觸孔暴露出的導電層上，來制成一個電阻層；<d>緊跟著在原位置把氮化鎢層淀積在電阻層上，并注入一種含氮氣體、鎢源氣體與還原劑氣體的混合氣體，來制成一個擴散阻擋層；和<e>在擴散阻擋層上淀積一個金屬層。
在本發(fā)明中，最好使用WF6和WCl6其中之一作為鎢源氣體；N2，NH3和甲基聯氨(methyl hydrazine)其中之一作為含氮氣體；還有H2，SiH4，SiH1Cl3和PH3其中之一作為還原劑氣體。
含氮氣體與鎢源氣體的流量比可以是0.5-100，最好是2-7。還原劑氣體與鎢源氣體的流量比可以是0-500，最好是20-50。
最好在制成電阻層的步驟中包括幾個步驟在由接觸孔暴露出來的導電層上淀積一個氮化鎢層；通過對所得的帶有氮化鎢層的生成物進行熱處理，來制成一個薄硅化鎢層的電阻層，使得氮化鎢層上面的鎢與硅襯底起反應。
根據本發(fā)明，氮化鎢層有選擇地被制成在暴露出硅襯底或底層金屬連線層的接觸孔中，這樣制成了高可靠的金屬連線。
本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點通過對最佳實施例的詳細描述及參考所附圖表將會變得更明確圖1A到1E是截面圖，解釋了一種傳統(tǒng)的制造Ti/TiN/W結構的金屬連線的方法；圖2A是截面圖，解釋了一種傳統(tǒng)的制造W/WNx/W結構的金屬連線的方法；圖2B是圖2A所示金屬連線截面的一個掃描電子顯微(SEM)照片；圖3是依照本發(fā)明的淀積一個WNx層的處理室的截面圖；圖4A到4D是掃描電子顯微照片，顯示了根據NH3氣體流量而有選擇地生長的TiN層的截面；圖5是一張圖，顯示了依照本發(fā)明制成的WN層的X射線衍射結果；
圖6A到6D是截面圖，解釋了依照本發(fā)明第一實施例的用于制造半導體器件的金屬連線的方法；圖7A和7B是截面圖，解釋了依照本發(fā)明第二實施例的用于制造半導體器件的金屬連線的方法；圖8A至圖8E是依照本發(fā)明第三實施例，用于制造半導體器件的金屬連線的方法的截面圖。
WNx層生長設備圖3是依照本發(fā)明的，用于淀積一個WNx層的化學氣相淀積處理室的截面圖。
參考圖3，一個用于在其上裝載晶片的基座30被安裝在處理室40的下部，一個紅外(IR)燈39被安裝在上部用于把晶片32的溫度加熱至一個適合起反應的溫度。鎢源氣體和含氮氣體從第一氣體入口34被注入，水平流到裝載于基座30上的晶片32上。還原劑氣體從第二氣體入口36被注入，通過一個網狀噴嘴38垂直流到晶片32上，并與由第一氣體入口34導入的氣體發(fā)生反應，這樣在晶片32上生成了WNx層。反應過后，氣體通過與第一和第二氣體入口34和36相對的出口42排空。
WN層的制造在處理室40中可能產生的污染源通過把處理室置為10-6Torr或以下的近似真空而降至最小。然后，基座30被加載上一個上面制有雜質區(qū)的硅襯底；或加載上一個硅襯底，該硅襯底包括一個由例如鋁(Al)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈷(Co)，鈦(Ti)，銅(Cu)和鉑(Pt)其中之一的純金屬，或由它們的硅化合物之一，或它們的合金之一制成的底層金屬連線層。處理室40由IR燈39加熱至200-700℃，然后反應氣體由第一和第二氣體入口34和36導入，最好在0.01-1Torr氣壓下。這里，最好用WF6或WCl6作為鎢源氣體，用甲基聯氨，N2或NH3作為含氮氣體，它們從第一氣體入口34被注入。最好用H2，SiH4，SiH1Cl3，SiH2Cl2和PH3中的一種作為還原劑氣體，它從第二氣體入口36被注入。含氮氣體與鎢源氣體的流量比在0.5-100較好，最好是2-7。還原劑氣體與鎢源氣體的流量比在0-500較好，最好是20-50。
圖4A到4D是掃描電子顯微照片，顯示了根據NH3氣體與鎢源氣體流量比的WNx層的生長。
一個里面帶有一個接觸孔的硅襯底被加載到圖3的化學氣相淀積處理室40之后，WNx層是通過把NH3氣體的流量改變至0，10，20和40sccm，在固定的淀積溫度600℃，0.1Torr氣壓下，WF6流量為6sccm，H2流量為200sccm制成的。所得結果在圖4A到4D的掃描電子顯微照片中顯示。
從圖4A中顯示出，只有純鎢層才在接觸孔中形成，表明鎢層嚴重侵蝕襯底，這是以前的工藝上的一個問題。另一方面，隨著NH3的流量為10sccm，如圖4B所示侵蝕被抑制，而薄膜幾乎不生長并且一個中心核只在接觸孔底部表面生成。隨著NH3的流量為20sccm，如圖4C所示，一個WNx層有選擇地只在襯底部分和接觸孔側壁上生成，不在氧化硅層上生成。然而，如圖4D所示，隨著NH3的流量為40sccm，WNx層的選擇淀積特性消失，它在整個襯底表面生成。
因此，結論是，通過調整含氮氣體與鎢源氣體的流量比，WNx層可以有選擇地僅在接觸孔中生長。這在圖5顯示的圖4C的WNx的X射線衍射結果中更加明顯。圖5中，顯示了β-W2N相位的三個峰和不同的晶體取向，這表明WNx層在硅襯底上有選擇地生成。
制造金屬連線的方法參考圖6A至8E，將描述一個利用上述WNx層制造方法來制造半導體器件的金屬連線的方法。
第一實施例參考圖6A，一個絕緣層103，例如氧化硅層，在一個其中帶有雜質區(qū)102的硅襯底100上被制成至厚度為500-2000埃。這里，作為絕緣層103的氧化硅層可以由氮化硅層所代替，或由將雜質注入一個氧化硅層或氮化硅層后得到的涂層代替。然后，通過光刻法干蝕絕緣層103，來制成一個接觸孔110，它用來暴露出雜質區(qū)102。
參考圖6B，在絕緣層103上和接觸孔110中淀積一個Ti層至厚度為200-1500埃。然后所得生成物被熱處理，這樣Ti層與由接觸孔110暴露出的硅襯底100進行反應，這樣僅在接觸孔110與硅襯底100的接觸表面上形成一個TiSix層104。剩下的未與襯底進行反應的Ti通過濕蝕被去掉。TiSix層104作為電阻層。
參考圖6C，硅襯底100被加熱至200-700℃，通過流入含氮氣體、鎢源氣體和還原劑氣體到硅襯底100上，在由接觸孔110暴露出的襯底100上和絕緣層103的側壁上有選擇地淀積WNx層。這里，氮族氣體與鎢源氣體的流量比是0.5-100，還原劑氣體與鎢源氣體的流量比為0-500。
參考圖6D，WN層105被制成后，僅在接觸孔100中通過原位置方式淀積一個金屬薄層108，就制成了一根金屬連線。這里，金屬層最好由例如Al，W，Mo，Co，Ti，Cu和Pt其中之一的純金屬，或由它們的硅化合物之一，或它們的合金之一來制成。
第二實施例第二實施例與第一實施例的差別在于，通過蝕刻絕緣層103和襯底100來制成一個溝槽109，然后如圖7A所示制成了一個金屬連線層，而不是圖6A的僅由蝕刻一個絕緣層制成的接觸孔110中生成一根金屬連線。圖7B中，在溝槽109形成后，作為電阻層的TiSix層104，作為擴散阻擋層的WNx層105和作為金屬層的鎢層108相繼被制成，這就如第一實施例的方式一樣完成了一根金屬連線。制造溝槽109的原因是為了克服接觸孔的寬高比增加的問題。
第三實施例第三實施例與第一和第二實施例有很大不同，不同在于不是由TiSix層作為電阻層，而是通過化學氣相淀積，淀積鎢或鎢化合物例如硅化鎢來降低接觸電阻，并且通過化學氣相淀積，一個作為擴散阻擋層的WN層在原位置被淀積。
參考圖8A，在硅襯底100上制成一個按照普通器件隔離方法，用來把活動區(qū)各自隔開的器件隔離區(qū)101，這之后一個雜質區(qū)，例如一個N+或P+結102在一個活動區(qū)中通過離子注入來制成。緊跟著，絕緣層103，例如BPSG被鍍在所得生成物上，使得執(zhí)行步驟平面化了。
參考圖8B，絕緣層103通過光刻法被蝕刻，并且接觸孔110被制成用來暴露出硅襯底100的雜質區(qū)102。
參考圖8C，在包括接觸孔110的所得生成物上，通過化學氣相淀積制成一個含鎢電阻層124。這里，電阻層124可用下述4種方式制成<1>在足夠短時間流入鎢源氣體而不致于在硅上造成侵蝕，這樣來淀積鎢電阻層124；<2>在初始化淀積中，氮化鎢電阻層124被制成很薄，通過把含氮氣體和鎢源氣體的流量比設置到2或以下，大量的鎢只在接觸孔底部，這就防止了硅上的侵蝕。然后，通過增加含氮氣體的流量，使氮族氣體與鎢源氣體的流量比達到2-100，最好是2-7，WNx層125在接觸孔中被制成。這樣，可以防止硅上的侵蝕并且WN層可以有選擇地僅在接觸孔中生成；<3>SiH4或SiH2Cl2與鎢源氣體混合起來制成電阻層124，把混合氣體在500℃或以上淀積，這就制成了硅化鎢；或者<4>WNx層的阻擋金屬被直接淀積在硅襯底上并經過煅燒，這樣WN層上的鎢與底層硅進行反應，就制成了作為電阻層124的硅化鎢。
參考圖8D，一個擴散阻擋層125，也就是WN層，在與第一實施例中相同的方式淀積了電阻層124的同一室中，WN層被淀積至厚度為500?；蛞陨?。
參考圖8E，在上面制成有擴散阻擋層125的所得生成物上淀積一個金屬連線層128。金屬層128最好通過淀積連線金屬如Al或Cu來制成。
因此，如上所述，依照本發(fā)明，一個WNx層可以被有選擇地只生成在接觸孔的側壁上和由接觸孔暴露出的硅襯底或底層金屬連線層上，而不在絕緣層上。這樣，由于在作為擴散阻擋層的WNx層制成后，制成了作為金屬連線層的W層，氮化鎢和鎢層有相似的物理特性，傳統(tǒng)金屬連線層產生的提升可以被防止。當依照本發(fā)明第三實施例制成電阻層時，克服了襯底的侵蝕并且后續(xù)的高溫處理可以制成穩(wěn)定的半導體器件。另外，可以防止由于使用Ti層制成電阻層而加大接觸電阻。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，很容易明白，任何一個本領域專家都可以在本發(fā)明的精神和范圍內得到多種改變形式。
權利要求
1.一個制造半導體器件的方法，包括的步驟有<a>在一個上面制成了一個導電層的半導體層襯底上制成一個絕緣層；<b>通過蝕刻所述的絕緣層來制成接觸孔，用來把所述的導電層暴露出來；并且<c>通過注入一種由含氮氣體、鎢源氣體和還原劑氣體的混合氣體，有選擇地只在所述接觸孔中淀積一個氮化鎢層。
2.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的導電層是由鋁(Al)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈷(Co)，鈦(Ti)，銅(Cu)，鉑(Pt)，所述金屬的一種硅化合物和所述金屬的一種合金，以上其中之一制成的。
3.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法。其特征在于所述的絕緣層是由一個氧化硅層，一個氮化硅層，和一個通過把雜質注入所述的氧化硅層和所述的氮化硅層之一所得到的涂層這三者其中之一制成的。
4.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的鎢源氣體是WF6和WCl6之一。
5.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的含氮氣體是N2，NH3和甲基聯氨(methyl hydrazine)之一。
6.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的還原劑氣體是H2，SiH4，SiH1Cl3，SiH2Cl2和PH3之一。
7.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的含氮氣體與所述的鎢源氣體的流量比是0.5-100。
8.一個如權利要求7中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的含氮氣體與所述的鎢源氣體的流量比是2-7。
9.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的還原劑氣體與所述的鎢源氣體的流量比是0-500。
10.一個如權利要求9中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的還原劑氣體與所述的鎢源氣體的流量比是20-50。
11.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，在所述的步驟<b>之后，還包括一個步驟，通過蝕刻所述的暴露的導電層制成一個溝槽，達到一預定深度。
12.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，在所述的步驟<c>之前，還包括一個步驟，通過制成一個硅化鈦層來制成一個電阻層。
13.一個如權利要求1中所述的制造半導體器件的方法，在所述的步驟<c>之后，還包括一個步驟，在原位置制成一個金屬層。
14.一個如權利要求13中所述的制造半導體器件的方法，其特征在于所述的金屬層是由鋁(Al)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈷(Co)，鈦(Ti)，銅(Cu)，鉑(Pt)，所述金屬的一種硅化合物和所述金屬的一種合金，以上其中之一制成的。
15.一個為半導體器件制造金屬連線的方法，包括的步驟有<a>在一個上面制成了一個導電層的半導體層襯底上制成一個絕緣層；<b>在所述的絕緣層上通過蝕刻制成一個接觸孔，用來把所述的導電層暴露出來；<c>通過在所述的被所述接觸孔暴露出來的導電層上淀積鎢化合物制成一個電阻層；<d>通過隨后在所述電阻層原位置上淀積氮化鎢層，注入一種含氮氣體、鎢源氣體和還原劑氣體的混合氣體來制成一個擴散阻擋層；<e>在所述擴散阻擋層上淀積一個金屬層。
16.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的鎢化合物是鎢，硅化鎢和氮化鎢之一。
17.一個如權利要求1 5中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于制成所述的電阻層的所述步驟<c>包括步驟在所述的由所述接觸孔暴露出的導電層上淀積一個氮化鎢層；并且對上面制成有所述的氮化鎢層的所得生成物進行熱處理，這就使所述氮化鎢層中的鎢與硅襯底進行反應，制成一個薄硅化鎢層的電阻層。
18.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的導電層是摻雜有P+雜質的硅襯底和金屬連線層其中之一，金屬連線層是由鉛(Al)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈷(Co)，鈦(Ti)，銅(Cu)，鉑(Pt)，所述金屬的一種硅化物和所述金屬的一種合金，以上其中之一制成的。
19.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的絕緣層是由一個氧化硅層，一個氮化硅層，和一個通過把雜質注入所述的氧化硅層和所述的氮化硅層之一所得到的涂層，這三者其中之一制成的。
20.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的步驟<d>和<c>就在同一個室的原位置進行。
21.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的鎢源氣體是WF6和WCl6之一。
22.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的含氮氣體是N2，NH3和甲基聯氨之一。
23.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的還原劑氣體是H2，SiH4，SiH1Cl3，SiH2Cl2和PH3之一。
24.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的含氮氣體與所述的鎢源氣體的流量比是0.5-100。
25.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的還原劑氣體與所述的鎢源氣體的流量比是0-500。
26.一個如權利要求15中所述的為半導體器件制造金屬連線的方法，其特征在于所述的金屬層是由鋁(Al)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈷(Co)，鈦(Ti)，銅(Cu)，鉑(Pt)，所述金屬的一種硅化物和所述金屬的一種合金其中之一制成的。
全文摘要
提供了一個新的制造選擇性氮化鎢層的方法和一個利用相同方法制造金屬連線的方法。在這些方法中,通過調整所注入的含氮氣體和鎢源氣體的流量比,一個氮化鎢層被有選擇地僅在一個接觸孔中被淀積。因此,防止了硅襯底上的侵蝕并且制成了在高溫下穩(wěn)定的氮化鎢層。另外,金屬連線的接觸電阻可以被降低。
文檔編號H01L21/768GK1182958SQ9611448
公開日1998年5月27日 申請日期1996年11月15日 優(yōu)先權日1996年11月15日
發(fā)明者樸炳律, 河定旼, 高大弘, 李相忍 申請人:三星電子株式會社