[发明专利]硅化钨层的形成方法

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及硅化钨层的形成方法，且本发明更具体涉及使用钨源气体和含氯的硅源气体沉积硅化钨层(WSi_x)的方法。

2.相关技术描述

随着半导体装置变得高度集成化，在单个芯片上形成的图案变得更小，而且图案间的间隔变得更窄。这些超细图案因常规使用多晶硅作为栅极和位线的布线材料而产生问题。即，由于这些图案的尺寸更小，多晶硅的电阻率增加了，这能造成多晶硅的RC时间延迟和IR电压降低。因此，已经建议用特性与多晶硅相似但电阻率小很多(例如，小几倍到几十倍)的复晶矽化物(polycide)作为超大规模集成电路(VLSI)的栅极和位线布线材料。更具体地，已经将多晶硅和难熔金属硅化物的复合层用作布线电极的复晶矽化物。

已经采用难熔金属例如钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)和钽(Ta)的硅化物，作为适用于制造VLSI电路的低电阻布线材料。将硅化物粘合到以高密度杂质掺杂的多晶硅上，由此，形成具有复晶矽化物结构的栅极。优选地，用低压化学气相沉积(LPCVD)法进行难熔金属硅化物的沉积。当结合到多晶硅上时，硅化钨呈现优良的自钝化性、对含湿化学品的稳定性、表面粗糙度、粘附力、抗氧化和可再现性。

使用前体气体甲硅烷(SiH₄)和六氟化钨(WF₆)形成硅化钨(WSi_x)薄膜，并经(LPCVD)沉积在半导体基底上。然而，有某些伴随LPCVD加工的缺陷。这种缺陷之一是，不能将硅化钨共形地沉积到基底的梯状部分。另一缺陷是，可观量的氟残留在硅化钨薄膜中，这又会导致制造半导体装置时的操作缺陷。即，当半导体晶片后来暴露在退火期间超过850℃的高温时，残留的氟离子经多晶硅层移入较低氧化硅层。这样增加了氧化硅层的有效厚度。导致带氧化硅层的半导体装置电特性不一致。    

为此，已有用二氯甲硅烷(DCS；Si₂HCl₂)代替甲硅烷沉积硅化钨层的建议。和用甲硅烷沉积的硅化钨层(以下称为“MS硅化钨层”)相比，用二氯甲硅烷沉积的硅化钨层(以下称为“DCS硅化钨层”)呈现优良的梯状覆盖性及低氟含量。

鉴于这些优点，已经在MS硅化钨层之上优选DCS硅化钨层作为字线(及，栅极)和位线的布线材料。然而，DCS硅化钨层不是没有其缺陷。即，以下因素产生的各种问题，当二氯甲硅烷气体与六氟化钨(WF₆)气体反应时，氯原子团残留在薄膜的表面和内部。

图1是显示DCS硅化钨层常规沉积方法的流程图。

参考图1，将硅晶片，即在其最上区域具有多晶硅层的半导体基底，载入等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装置的加工室中(步骤S1)。然后，将六氟化钨(WF₆)气体和二氯甲硅烷(Si₂HCl₂)气体导入该加工室，以便在多晶硅层表面上形成硅化钨晶核(步骤3)。然后，在压力约1-1.5乇，沉积时间10-25秒以及温度450-700℃的反应条件下，按约13∶180的比率将六氟化钨(WF₆)气体和二氯甲硅烷(Si₂HCl₂)气体导入该加工室。结果，带硅化钨核的多晶硅层表面上沉积了硅化钨层(步骤5)。然后，进行约10秒的后冲洗加工，以便减少约300sccm流速将甲硅烷(SiH₄)气体导入该加工室所带来的应力(步骤7)。

图2A是显示DCS硅化钨层沉积后，硅化钨层和多晶硅层中氯曲线(profile)的曲线图，而图2B是显示进行退火加工后，硅化钨层和多晶硅层中氯曲线(profile)的曲线图。

通常，于620℃沉积DCS硅化钨层，这比MS硅化钨层的沉积温度高约200℃。而且，该DCS硅化钨层呈现柱状结构，其中共存着六方相和四面体配位位置。另外，DCS硅化钨层具有体心立方结构，其中一个钨原子与8个硅原子两两之间形成共价键。未包括在共价键中的额外硅起堆垛层错作用。起堆垛层错作用的硅与二氯甲硅烷气体分解出的氯结合，从而形成氯化硅晶体。氯断开了Si-H和Si-Si键，使得其与硅结合，并且额外硅重新与氯结合。因此，如图2A所示，作为连续解离和结晶结合的多米诺现象的结果，氯从硅化钨层扩散到下方的多晶硅层中，使得氯以SiCl_x晶体形式集中到硅化钨层和多晶硅层之间的界面上。