[发明专利]钨填充凹槽结构中形成不含氟钨金属层的方法

说明书

本发明公开了一种钨填充凹槽结构中形成不含氟钨金属层的方法，包括：第一步，形成凹槽结构；第二步，形成氮化钛层；第三步，采用WF₆作为钨源在氮化钛层表面形成钨成核层；第四步，采用WF₆作为钨源进行CVD工艺淀积钨主体层；第五步，进行钨的第一次化学机械研磨工艺；第六步，对第一次化学机械研磨后钨表面中的氟残留进行氟去除处理，第七步，进行钨的第二次化学机械研磨工艺，将凹槽结构外的所述不含氟的钨金属层和所述氮化钛层去除，形成由填充于所述凹槽结构中的氮化钛层、钨成核层、钨主体层和不含氟的钨金属层组成的钨金属结构。本发明可以去除第一次CMP后钨表面层中残留的氟，阻挡钨内部的氟向介电层中扩散，有利于工艺稳定性的管控。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路的制造方法，具体涉及一种钨填充凹槽结构中顶部形成不含氟钨金属层的方法。

背景技术

在大多数先进半导体器件的制造过程中广泛采用金属钨的填充工艺，这是因为金属钨具有较低的电阻率，在进行大块高深宽比(high aspect ratio)的沟槽填充时具有较好的保形性以及能填充窄沟槽的特性。例如，金属钨已经应用于逻辑接触、局域金属互联(local interconnect，简称LIC)和金属栅(metal gate，简称MG)的填充工艺中。

现有技术中，钨填充沟槽通常采用如下步骤：

1)形成氮化钛层(TiN)，该氮化钛层的厚度为30埃～50埃，氮化钛层即作为粘附在介质层上的粘附层，又作为一个阻挡层阻挡金属钨的CVD淀积工艺中的氟扩散；

2)采用WF6作为钨源再加上硅烷(SiH4)或硼烷(B2H6)进行原子层淀积(ALD)工艺，形成钨成核层(W nucleation layer)；

3)进行采用WF6作为钨源的CVD工艺，在所述钨成核层的表面淀积钨主体层。

到现在为止，氮化钛是目前已知的最好的CVD淀积的钨的粘附层以及氟扩散的阻挡层，但是需要在CVD工艺淀积钨主体层之前先形成钨成核层。如果能够实现不含氟的钨(Fluorine-free W，简称FFW)的淀积，那么就可以降低TiN所需要的厚度，甚至可以完全不采用TiN。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钨填充凹槽结构中形成不含氟钨金属层的方法，可以降低凹槽中钨金属结构表面的残留氟含量，阻挡氟扩散。

为解决上述技术问题，本发明提供的钨填充凹槽结构中形成不含氟钨金属层的方法，包括如下步骤：

第一步，形成凹槽结构；

第二步，形成氮化钛层，其作为后续钨填充的粘附层和氟扩散阻挡层；

第三步，采用WF₆作为钨源在所述氮化钛层表面形成钨成核层；

第四步，采用WF₆作为钨源进行CVD工艺，在所述钨成核层表面淀积钨主体层，并将所述凹槽结构完全填充；

第五步，进行钨的第一次化学机械研磨工艺；

第六步，对第一次化学机械研磨后钨表面中的氟残留进行氟去除处理，

第七步，进行钨的第二次化学机械研磨工艺，将所述凹槽结构外的所述不含氟的钨金属层和所述氮化钛层去除，凹槽结构内的顶部保留一薄层的不含氟的钨金属层，形成由填充于所述凹槽结构中的所述氮化钛层、所述钨成核层、所述钨主体层和所述不含氟的钨金属层组成的钨金属结构。

进一步的，第一步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，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于沟道区。