[发明专利]三元钨硼氮薄膜及其形成方法

说明书

相关案例的交叉引用

本申请在35USC§119(e)下要求以下申请的优先权：于2012年7月26日申请的美国临时专利申请No.61/676,123，和于2012年9月6日申请的美国临时专利申请No.61/676,775。这两个申请其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

电阻率是材料的固有特性，并且是对通过该材料的电荷运动的材料的电阻的衡量。高电阻率或低电阻率的材料用于不同的应用。例如，集成电路中的低电阻率的金属层最大限度地降低功率损耗。高电阻率的金属层可以用作相变存储器的加热器元件或其他应用。

在一个示例中，钨层可以水平互连、相邻的金属层之间的通孔以及在硅衬底上的第一金属层和器件之间的接触等形式用于低电阻率的电连接。氮化钨层可以用作钨互连、通孔和插塞（plug）的扩散阻挡，提供相对低的电阻率和对介电层良好的粘附性。然而，使用低电阻率的钨层与氮化钨层的问题防止了这些材料在半导体器件中被一起使用。

发明内容

本发明提供了三元钨硼氮（WBN）薄膜及其形成的相关的方法。该膜具有优良的热稳定性，可调谐的电阻率和对氧化物良好的粘附性。形成该膜的方法涉及热原子层沉积（ALD）工艺，在该工艺中含硼、含氮、含钨反应物循序地以脉冲形式进入反应室以沉积WBN膜。在一些实施方式中，所述工艺包括含硼、含氮、含钨反应物的脉冲的多个循环，每个循环包括多个含硼的脉冲。

附图说明

结合附图考虑可以更全面地理解下面的详细描述，在附图中：

图1-5是示出在沉积三元钨硼氮（WBN）膜的方法的示例中的操作的工艺流程图。

图6是三元WBN扩散阻挡/W通孔堆叠的示例的横截面示意图。

图7是示出沉积三元钨硼氮/钨（WBN/W）堆叠的方法的示例中的操作的工艺流程图。

图8是包括三元WBN加热器元件的相变存储器单元的示例的横截面示意图。

图9A和9B是示出适合用于执行本文所述的方法的装置的示意图。

图10是示出WN和WBN层的原子浓度的曲线图。

具体实施方式

简介

在下面的描述中，阐述了许多具体的细节，以提供对本发明的充分理解，所述细节涉及到钨硼氮膜及其形成方法。对在本技术领域的技术人员而言，本发明特定的方法和所示的结构的改变、修改或变化方式是显而易见的，并且是在本发明的范围之内。

电阻率是材料的固有特性，并且是对通过该材料的电荷的运动的材料的电阻的衡量。高电阻率或低电阻率的材料用于不同的应用。例如，集成电路中的低电阻率的金属层最大限度地降低功率损耗。高电阻率的金属层可以用作相变存储器的加热器元件或其他应用。

在一个示例中，钨层可以水平互连、相邻的金属层之间的通孔以及在硅衬底上的第一金属层和器件之间的接触等形式用于低电阻率的电连接。氮化钨层可以用作钨互连、通孔和插塞的扩散阻挡，提供相对低的电阻率和对介电层良好的粘附性。然而，使用低电阻率的钨层与氮化钨层的问题防止了这些材料在半导体器件中被一起使用。

本发明提供了三元钨硼氮（WBN）薄膜及其形成的相关的方法。该膜具有优良的热稳定性，可调谐的电阻率和对氧化物良好的粘附性。形成该膜的方法涉及热原子层沉积（ALD）工艺，在该工艺中含硼、含氮、含钨反应物循序地以脉冲形式进入反应室以沉积WBN膜。在一些实施方式中，所述工艺包括含硼、含氮、含钨反应物的脉冲的多个循环，每个循环包括多个含硼的脉冲。根据各种实施方式，WBN膜可以是钨互连和线的阻挡层，诸如相变存储器或喷墨打印机等应用的薄膜电阻加热器元件，以及栅极电极堆叠中的层。

在一些实施方式中，本文所述的方法涉及原子层沉积（ALD）工艺。该工艺以循环的方式重复，直到达到所需的厚度。在一般情况下，ALD沉积是通过循序地注入反应物进入室并从室去除反应物以在晶片表面上循序地沉积多个原子尺度的层的方法。反应物可以被物理吸附和/或化学吸附到室中的衬底的表面和/或与先前吸附的一个或多个反应物的层进行反应。在本文中所描述的实施方式中，反应物的脉冲依次注入到反应室中并从反应室清除，以形成WBN薄膜。如本文所用的，ALD广泛地体现了在衬底上反应的循序加入的反应物的任何循环过程。在一些实施方式中，本文所描述的ALD工艺是热ALD工艺。热ALD工艺是非等离子体工艺。在某些情况下，表面反应的活化能仅通过热能提供。在另一些示例中，也可使用一种或多种形式的额外的能量，例如，紫外线辐射。