專利名稱：IC制造業(yè)中的PECVD－Ti和CVD－Ti薄膜的單一腔室加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是1999年4月20日提交的、序列號為No.09/294,487的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，在此特將其作為參考而結(jié)合到本發(fā)明中。
一種用于淀積薄金屬膜的公知技術(shù)是化學(xué)氣相淀積工藝(CVD)，其中利用不同的淀積物或反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)而將薄膜淀積在基體表面上。在CVD工藝中，反應(yīng)氣體被泵送到一位于一反應(yīng)室中的基體附近，接著使氣體在基體表面上發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的一種或多種反應(yīng)副產(chǎn)品在基體表面上形成一薄膜。淀積后所遺留下來的所有副產(chǎn)品均被從所述腔室中去除。雖然CVD工藝對于淀積薄膜來說是一種非常實(shí)用的技術(shù)，但是許多傳統(tǒng)的CVD工藝基本上是熱處理工藝，并且需要超過500℃或1000℃的溫度以獲得所需的反應(yīng)。由于高溫會對制成IC的電子設(shè)備多個(gè)方面以及各層造成影響，所以這樣的淀積溫度常常因?yàn)樘叨鵁o法在IC生產(chǎn)中得以實(shí)際應(yīng)用。由于這個(gè)原因，一種已經(jīng)用在CVD工藝中用于降低反應(yīng)溫度的方法是對反應(yīng)氣體中的一種或多種進(jìn)行電離。這種技術(shù)通常被稱作等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝(PECVD)。一種高效的PECVD工藝已經(jīng)在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利第5,975,912中進(jìn)行了描述，其發(fā)明名稱為“集成電路的低溫等離子體增強(qiáng)制造工藝”，特作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。該’912號專利公開了一種用于進(jìn)行低溫(500℃)涂敷的PECVD-Ti和TiN薄膜單一腔室加工方法。美國專利No.5,567,243和5,716,870分別描述了用于淀積PECVD-Ti薄膜的硬件結(jié)構(gòu)和方法，在此作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。
在許多應(yīng)用中，在對某種金屬導(dǎo)體，比如鋁或鎢進(jìn)行淀積之前，需要一氮化鈦?zhàn)韪魧?。氮化鈦可以通過化學(xué)氣相淀積工藝進(jìn)行淀積。化學(xué)氣相淀積法中的反應(yīng)物質(zhì)和副產(chǎn)品——尤其是四鹵化鈦——會對鈦接觸層進(jìn)行蝕刻。因此，在氮化鈦化學(xué)氣相淀積之前必須對鈦進(jìn)行氮化。從而形成一堆疊層，包括鈦薄膜，一鈦薄膜的氮化層和一覆蓋用氮化鈦層，它們均處于底部基體或?qū)w與覆蓋層的金屬之間。
對鈦進(jìn)行涂敷和氮化的常規(guī)方法是利用PECVD工藝。氮化鈦的淀積通常是通過熱CVD工藝。這些PECVD和熱CVD反應(yīng)涉及不同的工藝參數(shù)，相應(yīng)地需要不同的工藝設(shè)備。因而，一般鈦(Ti)，氮化的鈦和氮化鈦(TiN)堆疊生產(chǎn)工藝順序是在兩個(gè)獨(dú)立的模具中完成的，通常這兩個(gè)模具與半導(dǎo)體晶片集成工具中的同一個(gè)真空傳輸模具相連。后續(xù)工藝包括有相當(dāng)長的輔助時(shí)間，用于將各個(gè)晶片首先傳送到一PECVD加工模具中，并且在該模具中建立其用于Ti-PECVD加工的穩(wěn)定工況。然后在鈦淀積及對淀積的鈦層進(jìn)行氮化后，對該模具進(jìn)行泵送并將晶片經(jīng)傳輸模具傳送到熱CVD加工模具中，進(jìn)行氮化鈦的淀積，包括在用于熱CVD-TiN淀積的模具中建立起穩(wěn)定的工況，并隨后將晶片從熱CVD-TiN加工模具中取出。
不同的工藝參數(shù)已經(jīng)影響了在同一模具中進(jìn)行PECVD-TiN和熱CVD-TiN工藝的整體化。通常，用于PECVD-TiN工藝的蓮蓬式噴頭的溫度至少為425℃，因?yàn)檫^低的溫度將形成一TiClxHy薄膜，該薄膜將會輕易地從蓮蓬式噴頭上剝離。但是又不超過500℃，因?yàn)?，過高的溫度將會造成蓮蓬式噴頭中的金屬發(fā)生氯化腐蝕，就在PECVD反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體，對溫度進(jìn)行控制以及其他原因來說這個(gè)溫度是最優(yōu)選的。另一方面，在用于淀積氮化鈦的熱CVD反應(yīng)器中，蓮蓬式噴頭的溫度通常至少為150℃，因?yàn)檫^低的溫度將導(dǎo)致NH4Cl凝結(jié)，并且又不會超過250℃，因?yàn)檫^高的溫度又將導(dǎo)致氮化鈦淀積在蓮蓬式噴頭上。晶片溫度和腔室壓力對于PECVD-Ti和熱CVD反應(yīng)來說通常是不同的。溫度和壓力的周期變化會導(dǎo)致淀積物從反應(yīng)組件上過度剝離，因此需要頻繁地當(dāng)場或者在停機(jī)后進(jìn)行清掃，所有這些都將降低生產(chǎn)效率并且增加輔助時(shí)間，尤其是從工藝參數(shù)的變化恢復(fù)回來的穩(wěn)定時(shí)間。
雖然提出利用氮化鈦淀積和鈦淀積的PECVD工藝在同一反應(yīng)器中對鈦和氮化鈦進(jìn)行淀積，但利用TiN的熱CVD制造出的氮化鈦的性能和淀積的效率則具有更優(yōu)選的優(yōu)點(diǎn)。
因此，這就需要一種用于對由鈦，氮化的鈦及氮化鈦組成的堆疊層進(jìn)行淀積的更高效和更實(shí)用的方法，尤其是利用PECVD-Ti和熱CVD-TiN工藝。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，基體的溫度，蓮蓬式噴頭的溫度以及腔室內(nèi)的壓力在整個(gè)鈦的淀積，鈦的氮化以及氮化鈦的淀積過程中基本保持恒定，這就降低了產(chǎn)生剝離和微粒的可能，并且降低了由于工藝參數(shù)的變化所造成的輔助時(shí)間增加。本發(fā)明中的單腔室工藝通過使得氮化鈦的淀積與底層鈦的淀積以及氮化工藝整體化，提高了生產(chǎn)率。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，基體溫度最好在整個(gè)工藝過程中高于使得鈦與硅在同一腔室中發(fā)生反應(yīng)的最低溫度，但是低于四氯化鈦對硅造成蝕刻的最高溫度。例如，基體溫度最好在整個(gè)工藝過程中保持至少500℃左右，不高于700℃左右。更優(yōu)選地，為了達(dá)到最優(yōu)的范圍，所選定的基體溫度至少為580℃左右。蓮蓬式噴頭的溫度最好保持在至少425℃左右，以防止不穩(wěn)定的鈦組分從該蓮蓬式噴頭上剝離，并且在整個(gè)工藝過程中不超過約為700℃的最高工藝溫度。更優(yōu)選地，對于金屬蓮蓬式噴頭來說，蓮蓬式噴頭的溫度保持不高于500℃左右，以避免金屬發(fā)生腐蝕。腔室的內(nèi)部壓力最好在整個(gè)工藝過程中大約保持在1乇至10乇之間。從而提供一種能夠在一單一反應(yīng)室中一體進(jìn)行鈦和氮化鈦淀積的工藝。
發(fā)明的詳細(xì)描述一種高效的PECVD方法已經(jīng)在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.5,975,912中進(jìn)行了描述，其發(fā)明名稱為“集成電路的低溫等離子體增強(qiáng)制造工藝”，在此作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。該’912號專利公開了一種用于進(jìn)行低溫(＜500℃)涂敷的PECVD-Ti和TiN薄膜單一腔室加工方法。美國專利No.5,567,243和5,716,870分別描述了用于淀積PECVD-Ti薄膜的硬件結(jié)構(gòu)和方法，它們均在此作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。共同轉(zhuǎn)讓但懸而未決的、申請?zhí)枮?9/063,196、發(fā)明名稱為“對Ti-PECVD反應(yīng)室進(jìn)行鈍化并修整的方法及其加工方法”的美國專利申請，在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中，在該專利申請中公開了用于在一PECVD-Ti模具中進(jìn)行匹配/穩(wěn)定PECVD-Ti工藝的流程參數(shù)。共同轉(zhuǎn)讓但也懸而未決的、申請?zhí)枮镹o.08/914,673、發(fā)明名稱為“TiCl4蝕刻背部的工藝在CVD-Ti/TiN晶片集成工藝中的應(yīng)用”的美國專利申請，在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中，該專利申請中公開了一種在CVD-TiN淀積之前將鈦薄膜從氧化表面蝕刻掉的方法。該方法避免了諸如在后續(xù)CVD-TiN工藝中由于TiCl4的局部壓力過高而對鈦薄膜造成腐蝕的問題。美國專利No.5,279,857和5,308,655均公開了用于借助一種氨型退火劑降低CVD-TiN薄膜的穩(wěn)定性的方法，在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。在共同轉(zhuǎn)讓但懸而未決的、申請?zhí)枮镹o.08/940,779號、發(fā)明名稱為“用于防止CVD和PECVD反應(yīng)中反應(yīng)氣體過早混合的設(shè)備與方法”的美國專利申請中，公開了一種能夠使得兩種氣體在未經(jīng)混合條件下導(dǎo)入一CVD腔室的蓮蓬式噴頭結(jié)構(gòu)，在此也作為參考而將其結(jié)合到本發(fā)明中。在共同轉(zhuǎn)讓但懸而未決的、申請?zhí)枮镹o.09/153,128號、發(fā)明名稱為“用于對一PECVD加工腔室中的電極進(jìn)行絕緣的設(shè)備”的美國專利申請中，公開了一種防止在位于RF供電表面與接地表面之間的絕緣層上形成導(dǎo)電通道的結(jié)構(gòu)，在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。美國專利No.5,593,511號公開了對鈦層進(jìn)行低溫氮化的工藝，在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。
附

圖1示出了一種用于本發(fā)明的CVD反應(yīng)器實(shí)施例。一近似結(jié)構(gòu)在美國專利No.5,647,911號中公開，其中所公開的內(nèi)容在此也作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。反應(yīng)器20包括一個(gè)限定了一反應(yīng)或淀積空間24的淀積室殼體22。反應(yīng)器20，尤其是殼體22內(nèi)部的反應(yīng)空間24，可以選擇性地被抽取到多種不同的內(nèi)部壓力。對于鈦和氮化鈦CVD反應(yīng)來說，這些壓力一般在0.2至20乇范圍內(nèi)。用于夾持基體28的基座26與一軸30聯(lián)接。基座26也被一加熱元件(未示出)加熱，以使基座26能夠?qū)⒅卧谄渖系幕w28加熱到進(jìn)行所述工藝所需的受控溫度。通常該溫度至少為500℃左右，并且對于此處所描述的工藝來說，該溫度最好位于580℃左右至700℃左右的范圍內(nèi)。
從殼體22的頂壁32向下延伸的是一圓柱形組件34，該圓柱形組件34附著一分配氣體的蓮蓬式噴頭36。蓮蓬式噴頭36通過組件34懸掛在基體28的正上方。該圓柱形組件34與形成在頂部殼體壁32中的開口42一起，形成一在殼體蓋46與蓮蓬式噴頭36之間延伸的大致垂直的流體通道44。該蓮蓬式噴頭36最好是1997年9月30日提交、申請?zhí)枮镹o.08/940,779、發(fā)明名稱為“用于防止在CVD和PECVD反應(yīng)中反應(yīng)氣體過早混合的設(shè)備與方法”的美國專利申請中所描述的后混合(post-mix)型蓮蓬式噴頭，在此作為參考而將其全部結(jié)合到本發(fā)明中。蓮蓬式噴頭36通過一適當(dāng)?shù)难由齑┻^蓋46的RF輸送管裝置40與一RF能量源38耦合。一封閉結(jié)構(gòu)49環(huán)繞輸送管裝置40封閉所述開口。輸送管40可以包括一個(gè)熱管(未示出)用于散失所不希望的熱量。從而該蓮蓬式噴頭可以用作一用于等離子體增強(qiáng)CVD工藝，例如用于鈦的淀積和鈦的氮化中的電極和氣體導(dǎo)入元件，或者用作一個(gè)用于淀積氮化鈦的氣體分送蓮蓬式噴頭。
所述蓮蓬式噴頭36由RF能量進(jìn)行偏置，以用作PECVD工藝中的一個(gè)RF電極。RF電極與所產(chǎn)生的濃縮等離子體之間的間隔對于PECVD工藝，尤其是對于含鈦薄膜的PECVD工藝來說非常有用。RF能量源38，經(jīng)RF輸送管裝置40對蓮蓬式噴頭36進(jìn)行偏置，以便該蓮蓬式噴頭可以被用作RF電極。從而接地基座26可以形成另外一個(gè)平行電極。最好在蓮蓬式噴頭36與基座26之間形成一RF場。通過偏置蓮蓬式噴頭36而形成的該RF場對經(jīng)孔64分配的等離子氣體進(jìn)行激勵(lì)，從而緊靠蓮蓬式噴頭36的下方生成等離子體，而不是在該蓮蓬式噴頭/電極正上方的流體空間44中生成。在RF輸送管裝置40中可以應(yīng)用絕緣套來在RF管道與圓柱形組件34和殼體22中的金屬之間進(jìn)行絕緣，而石英絕緣環(huán)62可用于對蓮蓬式噴頭36與圓柱形裝置34進(jìn)行絕緣?？衫没?6的旋轉(zhuǎn)來保證氣體均勻地流動(dòng)到等離子體，用于進(jìn)行均勻淀積。
反應(yīng)氣體，比如TiCl4經(jīng)圓環(huán)50和52導(dǎo)入。隨著氣體流向蓮蓬式噴頭36，從圓環(huán)50和52流出的氣體在流體空間44的長度方向膨脹。反應(yīng)氣體中的氣體微粒被蓮蓬式噴頭36和基座26產(chǎn)生的RF場激勵(lì)。所以，受激勵(lì)的反應(yīng)氣體微粒和等離子氣體中的原子團(tuán)和離子所形成的混合氣體集中在基體28的正上方，并接近于所述基體。圓柱形組件34的尺寸被確定為使得蓮蓬式噴頭36與基體28之間的間隔最好小于25毫米，并且優(yōu)選為20毫米左右。
雖然PECVD-Ti反應(yīng)和氮化反應(yīng)對頻率并不十分敏感，但是發(fā)現(xiàn)施加在用于PECVD的蓮蓬式噴頭36上的RF能量頻率范圍例如在450KHz與13.56MHz之間時(shí)，是最合適的?？拷w28利用蓮蓬式噴頭36在基體表面29附近產(chǎn)生具有高密度有用氣體原子團(tuán)和離子的濃縮等離子體。
廢氣經(jīng)出口53從反應(yīng)空間24中排出。還可以設(shè)置節(jié)流閥27用于均衡環(huán)繞基座26流動(dòng)的氣體流。
這種反應(yīng)器20適用于對鈦，氮化鈦，硅化鈦進(jìn)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，并且適用于對預(yù)先淀積的鈦薄膜進(jìn)行低溫退火來形成氮化鈦。利用上述的反應(yīng)器20和下述的工藝條件，鈦的淀積，氮化以及氮化鈦的淀積均可以在反應(yīng)器20的單一腔室中連續(xù)進(jìn)行。
基體28可以是含有硅或氧化硅的任何類型IC基體，以及包覆或部分包覆金屬導(dǎo)體，觸點(diǎn)，絕緣層及類似物的這種基體。本發(fā)明的某些方面尤其適用于在硅體上進(jìn)行淀積。
為了淀積一鈦薄膜，某種鹵化鈦氣體，比如四氯化鈦氣體，被添加到氧氣中。在此反應(yīng)中，四氯化鈦的流速必須大約為2至100sccm(通常大約為5sccm)，并且氧氣的流速遠(yuǎn)大于此。通常，氧氣的流速約為四氯化鈦流速的10至500倍，例如，300倍左右。也可以使用氬氣并且氧氣可以相應(yīng)地被部分省去。用于這些混合氣體的氣體入口溫度或者蓮蓬式噴頭溫度被設(shè)定在425℃左右至500℃左右，同時(shí)基體被加熱到至少約為500℃到700℃之間的某一溫度，并且最好為580℃左右。反應(yīng)室中的壓力可以是從0.2乇至20乇左右，通常為1.0乇至10乇左右。當(dāng)壓力高于20乇時(shí)，將不可能形成等離子體。
所述RF電極可以在100瓦至5千瓦左右之間工作，其中5千瓦為最大功率，當(dāng)達(dá)到此功率時(shí)設(shè)備會被損壞。但是，為了實(shí)用目的，350瓦左右已足夠了。RF電極的頻率被設(shè)置在從33MHz至55KHz左右，450KHz左右是比較受歡迎的。該頻率是由聯(lián)邦通信委員會規(guī)定的頻率，并且因而大多數(shù)設(shè)備均設(shè)置在此頻率。但是，當(dāng)然不能確定其為本反應(yīng)中的最佳值。
因而，混合有鹵化鈦與氧氣的氣體被噴射到圓柱形組件34中并且流經(jīng)RF電極/蓮蓬式噴頭36。產(chǎn)生一等離子體，形成鈦并且淀積在基體28上。氫氣與鹵化物發(fā)生反應(yīng)，即與氯氣發(fā)生反應(yīng)，以形成氯化氫并被排出。反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行并且鈦薄膜繼續(xù)淀積直到所敷薄膜達(dá)到所需厚度。根據(jù)特定的用途，通常該厚度可以從20埃左右至2000埃左右變化，其取決于所需的用途。
硅化鈦層可以選擇性地成形在基體表面29上，比如在接觸孔中或通路中。為了制取硅化鈦，將一種鹵化鈦氣體，最好是四氯化鈦，與硅進(jìn)行反應(yīng)以制得硅化鈦和氯化氫。由于需要保持壓力，所以可以導(dǎo)入一種惰性氣體，比如氬氣或氦氣。
接著對如前所述所淀積的鈦薄膜在同一反應(yīng)器20中進(jìn)行氮化。在此反應(yīng)中，基體28表面29上淀積的鈦薄膜被暴露在含氮等離子體中，比如一種氨氣和/或氮?dú)獾入x子體中。由于氨氣具有較好的活性所以優(yōu)選為氨氣。所述等離子體是通過簡單地使氮化氣體在升高的溫度和降低的壓力下經(jīng)受一RF電極激勵(lì)而形成。氮化氣體的流速，最好是氨氣或氮?dú)獾牧魉?，可以是?0sccm左右至5000sccm左右。最好，RF的頻率為580KHz。反應(yīng)的溫度，即基體溫度，至少約為500℃，并且最好至少為580℃左右。用于氮化工藝的基體溫度最好與用于淀積鈦薄膜的基體溫度相同，以使得在兩工藝之間基體溫度基本上沒有變化。蓮蓬式噴頭最好在氮化鈦淀積過程中保持在425℃左右至500℃左右之間的某一溫度，并且最好與用于淀積鈦薄膜的蓮蓬式噴頭的溫度相同。
反應(yīng)室中的內(nèi)部壓力在氮化過程中必須保持低于大氣壓，并且通?？梢栽?.2乇左右到20乇左右之間變化，而優(yōu)選為1至10乇。最好，在對鈦進(jìn)行氮化的過程中反應(yīng)室中的內(nèi)部壓力與用于淀積鈦薄膜的壓力相同，以使得在工藝之間壓力不會發(fā)生變化。在氮化反應(yīng)中，反應(yīng)時(shí)間可以從1秒左右變化到100秒左右，而優(yōu)選為30至50秒左右。
氮化鈦通過熱CVD工藝而淀積在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上，比如通過將四氯化鈦或其他鹵化鈦與一氮?dú)怆x子源，比如氨氣或一種氮?dú)馀c氫氣的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)，以制取氮化鈦和作為副產(chǎn)品的氯化氫。鹵化鈦的流速最好應(yīng)該從0.5sccm左右至50sccm左右。氮?dú)庠礆怏w的流速必須從50sccm左右至5000sccm左右。反應(yīng)溫度，或者說是基體溫度，至少為580℃左右，并且最好與用于淀積鈦薄膜及氮化鈦薄膜工藝中的基體溫度相同，以使得在工藝之間基體溫度不會發(fā)生變化。蓮蓬式噴頭最好在氮化鈦淀積過程中保持在425℃左右至500℃左右之間的某一溫度，并且最好與用于淀積鈦薄膜和氮化鈦薄膜工藝中的蓮蓬式噴頭溫度相同。與低溫在常規(guī)熱CVD-Ti淀積工藝中的用途不同，其中的低溫是用來防止氮化鈦淀積在蓮蓬式噴頭上的，較高的溫度會使得氮化鈦淀積在蓮蓬式噴頭上，并且利用氮化鈦的淀積來將鈦的淀積，氮化作用以及氮化鈦的淀積工況匯集在一起，并使該反應(yīng)器更穩(wěn)定。利用恒定的溫度避免了由于溫度周期變化而產(chǎn)生微粒。580℃或590℃的蓮蓬式噴頭溫度也可以使用，高達(dá)650℃或者甚至是700℃的蓮蓬式噴頭溫度同樣可以使用，但蓮蓬式噴頭必須利用陶瓷或其他抗腐蝕涂層來防止熱反應(yīng)氣體與蓮蓬式噴頭之間發(fā)生腐蝕反應(yīng)。
在對氮化鈦進(jìn)行熱CVD工藝的過程中，反應(yīng)器腔室中的內(nèi)部壓力可以保持在0.2乇左右至20乇左右，最好為1至10乇左右。最好，反應(yīng)器腔室中的內(nèi)部壓力恒定保持與用于淀積鈦薄膜以及用于氮化鈦薄膜工藝中的壓力相同，以使得在工藝之間基本上不會發(fā)生壓力變化。
因此，根據(jù)本發(fā)明，復(fù)合層在一單一反應(yīng)室中淀積到一基體上。首先在基體上淀積一鈦層，接著利用氨氣或氮?dú)獾牡入x子體進(jìn)行低溫退火對鈦層進(jìn)行氮化。接著根據(jù)前述流程淀積出氮化鈦層?；w溫度，蓮蓬式噴頭的溫度以及內(nèi)部壓力最好在整個(gè)過程中基本保持固定。通過避免工藝之間溫度與壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生剝離和微粒的可能性將會減小。避免參數(shù)變化還因?yàn)槭∪チ吮盟秃蛢艋瘯r(shí)間以及其他參數(shù)發(fā)生變化所帶來的輔助時(shí)間而更有利于單一腔室的使用，尤其是通過省去或減少由于工藝參數(shù)變化所帶來進(jìn)行穩(wěn)定的時(shí)間，從而大大提高了生產(chǎn)率。另外，通過用一個(gè)腔室代替兩個(gè)腔室，兩個(gè)單腔室Ti/TiN一體化模具可以通過在不同腔室中同時(shí)加工兩個(gè)晶片而加工兩倍的晶片。除了通過省去在兩個(gè)腔室中連續(xù)進(jìn)行加工所伴隨的輔助時(shí)間之外，這也進(jìn)一步提高了生產(chǎn)率。本發(fā)明中的單一腔室加工工藝還允許制造商們限定一套參數(shù)，這些參數(shù)將在整個(gè)工藝中使用。
在本發(fā)明的另一可選擇實(shí)施例中，首先通過利用PECVD工藝將鈦淀積在一硅基表面上來進(jìn)行整體接觸金屬噴鍍工藝，在此過程中在硅基表面與鈦薄膜之間形成一硅化鈦層。當(dāng)鈦淀積后，進(jìn)行氨氣或氮?dú)獾牡入x子體低溫退火工藝，以形成一經(jīng)過氮化的硅化鈦上層。最后，再次在同一反應(yīng)室中利用CVD工藝淀積一氮化鈦層。
當(dāng)將氮化鈦淀積在一氮化的鈦薄膜或經(jīng)過氮化的硅化鈦薄膜上之后，再淀積一低穩(wěn)定性的金屬填充層，比如銅，鋁或鎢。但是，最后的這次淀積通常需要在一獨(dú)立腔室中利用濺射淀積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。任何通常使用的濺射淀積室均可用于這個(gè)方面。濺射淀積的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，當(dāng)將氮化鈦薄膜淀積在一經(jīng)過氮化的鈦薄膜或經(jīng)過氮化的硅化鈦薄膜上時(shí)，該氮化鈦分兩個(gè)步驟進(jìn)行淀積。在第一步驟中，在四氯化鈦不足的條件下，比如，在四鹵化鈦的流速為8sccm左右，氨氣流速為80sccm左右，作為稀釋劑的氮?dú)鉃槊糠昼?升并且壓力約為1乇的條件下，對鈦進(jìn)行淀積。當(dāng)?shù)佉呀?jīng)淀積成一薄層，比如其厚度約為50至500埃之后，將四氯化鈦的流速提高到飽和狀態(tài)，比如，達(dá)到30sccm，同時(shí)氨氣和氮?dú)獾乃俾首詈帽３执笾潞愣?。然后將氮化鈦淀積達(dá)到所需厚度。
在鈦的淀積、氮化以及氮化鈦的淀積過程中，TiN(Clx)薄膜會淀積在熱的腔室內(nèi)表面上，比如淀積在蓮蓬式噴頭，絕緣層，以及晶片區(qū)域外周的基座表面上。利用這種在單一腔室中利用恒定的工藝參數(shù)進(jìn)行一體加工，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以在無需對反應(yīng)器進(jìn)行清掃的條件下對數(shù)以百計(jì)的晶片進(jìn)行加工。周期性地，在加工完數(shù)百個(gè)或者近千個(gè)晶片之后，可以對反應(yīng)器進(jìn)行一次現(xiàn)場清掃，并且也可以以更低的頻率進(jìn)行一次濕法清洗。在對加工腔室進(jìn)行完濕法清洗或現(xiàn)場清掃后，需要在繼續(xù)制備晶片之前對腔室內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)涂敷。在采用雙腔室的現(xiàn)有方法中，需要分別進(jìn)行兩次預(yù)涂敷工藝。在進(jìn)行鈦淀積的腔室中，預(yù)涂敷工藝包括在對鈦進(jìn)行完P(guān)ECVD工藝后利用氨氣進(jìn)行低溫退火，以便在腔室內(nèi)表面上包敷約3800埃的氮化鈦層。在進(jìn)行氮化鈦淀積的腔室中，預(yù)涂敷工藝包括氮化鈦的CVD工藝，以便在腔室內(nèi)表面上包敷約5000埃的氮化鈦層。由于兩個(gè)預(yù)涂敷工藝均在腔室內(nèi)表面上產(chǎn)生基本相同的薄膜層，所以每一種預(yù)涂敷工藝均可用于對本發(fā)明中的單一腔室內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)涂敷。優(yōu)選的對腔室進(jìn)行預(yù)涂敷或修整的方法在申請?zhí)枮镹o.09/063,196的懸而未決美國專利申請中進(jìn)行了描述，其中該專利申請是1998年4月20日提出的，其發(fā)明名稱為“對Ti-PECVD工藝腔室進(jìn)行鈍化與穩(wěn)定的方法以及Ti-PECVD/TiN-CVD組合加工方法與設(shè)備”，在此也作為參考而結(jié)合到本發(fā)明中，接著進(jìn)行熱CVD氮化鈦預(yù)涂敷工藝。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中包括有在整個(gè)單一腔室Ti/TiN淀積過程中保持恒定的基體溫度、蓮蓬式噴頭溫度以及壓力，以達(dá)到最優(yōu)的工藝一體化并降低清掃頻率，本發(fā)明的一個(gè)特征在于通過利用鈦的PECVD工藝，接著進(jìn)行等離子體氮化工藝，隨后再進(jìn)行氮化鈦的熱CVD工藝從而實(shí)現(xiàn)單腔室Ti/TiN的一體化工藝。在此工藝中，雖然在較低的蓮蓬式噴頭溫度下會因?yàn)槔肞ECVD-Ti工藝進(jìn)行淀積的薄膜粘附性很低，從而必須對腔室內(nèi)表面進(jìn)行頻繁地清掃，但是較低的蓮蓬式噴頭溫度，即相當(dāng)于150℃左右至250℃左右的溫度，也可以在對氮化鈦進(jìn)行熱CVD工藝的過程中得以利用。因此使用與鈦的PECVD工藝中同樣高的蓮蓬式噴頭溫度有助于避免頻繁的清掃。
雖然已經(jīng)通過對其實(shí)施例的描述對本發(fā)明進(jìn)行了說明，并且已經(jīng)對該實(shí)施例的許多細(xì)節(jié)進(jìn)行了描述，但它們并非用于限定或者以任何方式將所附權(quán)利要求的范圍限制于這些細(xì)節(jié)。對于領(lǐng)域技術(shù)人員來說附加的優(yōu)點(diǎn)和改動(dòng)將是顯而易見的。因而本發(fā)明在廣度方面并不局限于所示出和所描述的特定細(xì)節(jié)，典型設(shè)備與方法，以及示意性的示例。因此，在不脫離申請人總的發(fā)明構(gòu)思的前提下可以對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行改動(dòng)。
權(quán)利要求
1．一種在一單一腔室中將一包含有鈦和氮化鈦薄膜的堆疊層淀積在一晶片表面上的方法，包括如下步驟將一具有一晶片表面的基體放置在反應(yīng)室中，并與一蓮蓬式噴頭保持間隔；通過在所述腔室中形成由鹵化鈦和氫氣組成的混合氣體的第一等離子體，將一鈦薄膜淀積在該腔室中的晶片表面上；通過形成從包含氨氣、氮?dú)饧八鼈兊幕旌蠚怏w的組中選擇出的氣體的第二等離子體，在所述腔室中對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化；以及通過利用包含有鹵化鈦和氮源氣體的混合氣體進(jìn)行熱CVD工藝，在所述腔室中在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上再淀積一層氮化鈦薄膜。
2．根據(jù)權(quán)利要求l中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜的步驟中晶片表面的溫度至少為約500℃。
3．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜的步驟中晶片表面的溫度為從約550℃至約700℃之間的某一溫度。
4．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜的步驟中晶片表面的溫度至少為約580℃。
5．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化的步驟中晶片表面的溫度至少為約500℃。
6．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，在對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化的步驟中晶片表面的溫度與淀積鈦薄膜步驟中的晶片表面溫度相同。
7．根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，其特征在于，在淀積一氮化鈦薄膜的步驟中晶片表面的溫度與淀積鈦薄膜及對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化步驟中的晶片表面溫度相同。
8．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積氮化鈦薄膜的步驟中晶片表面的溫度至少為約580℃。
9．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積一鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化以及淀積氮化鈦薄膜的步驟中，晶片表面的溫度基本保持在至少約為580℃的一恒定溫度。
10．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜的步驟中，所述腔室中的內(nèi)部壓力為約1乇至約10乇。
11．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積氮化鈦薄膜的過程中，所述腔室中的內(nèi)部壓力為約0.2乇至20約乇。
12．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及淀積氮化鈦薄膜的步驟中，所述腔室中的內(nèi)部壓力基本保持在約1乇至約10乇的一恒定內(nèi)部壓力。
13．根據(jù)權(quán)利要求12中所述的方法，其特征在于，所述的恒定內(nèi)部壓力為約5乇。
14．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行淀積鈦薄膜的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度約為約425℃至約700℃。
15．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度為約425℃至約700℃。
16．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積氮化鈦薄膜的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度為約425℃至約700℃。
17．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及淀積氮化鈦薄膜的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度保持在約425℃至約700℃之間的某一基本恒定的溫度。
18．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述蓮蓬式噴頭是金屬的，并且在淀積鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及淀積氮化鈦薄膜的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度保持在約425℃至約500℃之間的某一基本恒定的溫度。
19．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，還包括在所述腔室中進(jìn)行淀積鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上淀積氮化鈦薄膜的全過程中，保持晶片表面為一基本恒定的溫度，保持腔室內(nèi)的總氣壓為一基本恒定的壓力，并且保持蓮蓬式噴頭的溫度為一基本恒定的溫度。
20．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，還包括在所述腔室中進(jìn)行鈦薄膜淀積，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上淀積氮化鈦薄膜的全過程中，保持晶片表面為至少約580℃的一基本恒定溫度，保持腔室內(nèi)的總氣壓為約1乇至約10乇之間的一基本恒定壓力，并且保持蓮蓬式噴頭的溫度為約425℃至約500℃之間的一基本恒定溫度。
21．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，還包括一初始步驟，即在對所述腔室表面進(jìn)行清掃后利用氮化鈦對至少一個(gè)腔室內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)涂敷。
22．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，淀積氮化鈦薄膜的步驟包括在四氯化鈦不足條件下使得氮化鈦淀積到第一厚度的第一熱CVD淀積步驟，和在飽和四氯化鈦條件下使得氮化鈦淀積到最終厚度的第二熱CVD淀積步驟。
23．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，晶片表面為硅，并且還包括在淀積鈦薄膜的過程中在所述硅晶片表面與所淀積的鈦薄膜之間形成一硅化鈦層。
24．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述第一和第二等離子體均產(chǎn)生在晶片表面的25毫米范圍內(nèi)。
25．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在淀積鈦薄膜，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及淀積氮化鈦薄膜的步驟中，蓮蓬式噴頭的溫度為約150℃至約250℃之間的某一溫度。
26．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的鹵化鈦為四氯化鈦。
27．一種在一單一腔室中將一包含有鈦和氮化鈦薄膜的堆疊層淀積在一基體上的方法，包括將一具有一表面的基體放置在反應(yīng)室中，并與一蓮蓬式噴頭保持間隔；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝在所述腔室中將一鈦薄膜淀積在所述表面上；接著通過形成從包含氨氣，氮?dú)饣虬钡旌蠚怏w的組中選擇的氣體的等離子體，在所述腔室中對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化；接著利用一熱CVD工藝在所述腔室中將一氮化鈦薄膜淀積在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上；并且在所述腔室中進(jìn)行鈦薄膜淀積，對淀積的鈦薄膜進(jìn)行氮化，以及在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上淀積氮化鈦薄膜的全過程中，保持所述表面為一至少約580℃的基本恒定溫度，保持所述腔室中的總氣壓為約1乇至約10乇之間的一基本恒定壓力，并且保持蓮蓬式噴頭的溫度為一至少約425℃的基本恒定溫度。
28．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，所述蓮蓬式噴頭為金屬的，并且其溫度保持在約425℃至約500℃之間的一基本恒定溫度。
29．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，蓮蓬式噴頭的溫度保持在約500℃至約700℃之間的一基本恒定溫度，并且其中該蓮蓬式噴頭上包括有能夠在約500℃以上溫度抵抗腐蝕的表面材料。
30．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，在所述腔室中將氮化鈦薄膜淀積到經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上的步驟包括在一初始步驟中在鹵化鈦以第一流速流動(dòng)的鹵化鈦不足的狀況下利用熱CVD工藝對氮化鈦進(jìn)行淀積，其中鹵化鈦被稀釋在包括含氮?dú)怏w的氣流中；并且在初始步驟中對氮化鈦進(jìn)行淀積之后，將鹵化鈦的流速增大到飽和狀態(tài)下的流速，從而在第二步驟中將氮化鈦淀積到初始步驟中淀積的氮化鈦上。
31．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，在所述腔室中將氮化鈦薄膜淀積在經(jīng)過氮化的淀積鈦薄膜上的步驟包括在一初始步驟中利用四鹵化鈦不足條件下的CVD工藝對氮化鈦薄膜進(jìn)行淀積，四鹵化鈦以約8sccm的流速流動(dòng)，氨氣以約80sccm的流速流動(dòng)，而作為稀釋劑的氮?dú)庖约s每分鐘1升的流速流動(dòng)，并且其壓力為約5乇，從而可以形成約100至500埃厚的氮化鈦層；并且接著將四鹵化鈦的流速增大到飽和狀態(tài)下約30sccm的流速，并且氨氣和氮?dú)獾牧魉俦３趾愣?，從而在所述薄層上形成另外一氮化鈦層?br> 32．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，鈦的PECVD工藝包括在所述腔室中形成包括鹵化鈦和氧氣的混合氣體的第一等離子體，其中該第一等離子體形成于基體表面25毫米的范圍內(nèi)。
33．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，在氮化過程中該等離子體形成于基體表面上25毫米的范圍內(nèi)。
34．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，基體表面的溫度不超過700℃。
35．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，還包括一初始步驟，即在對所述腔室進(jìn)行清掃后利用氮化鈦在至少一個(gè)腔室內(nèi)表面上進(jìn)行預(yù)涂敷。
36．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的方法，其特征在于，所述基體表面為硅，并且還包括在鈦薄膜淀積的過程中，在硅基體表面與所淀積的鈦薄膜之間形成一硅化鈦層。
全文摘要
一種用于將含有鈦和氮化鈦薄膜的堆疊層淀積到一晶片表面上的單腔室方法。利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝對鈦進(jìn)行淀積并且接著進(jìn)行等離子體氮化。然后利用熱化學(xué)氣相淀積工藝對氮化鈦進(jìn)行淀積。更可取地,基體和蓮蓬式噴頭的溫度以及腔室內(nèi)部壓力在整個(gè)堆疊層淀積的過程中保持在基本恒定的值。
文檔編號C23C16/06GK1304549SQ00800630
公開日2001年7月18日 申請日期2000年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月20日
發(fā)明者格里特·J·勒欣克, 邁克爾·G·沃德, 邁克爾·S·阿梅恩, 約瑟夫·T·希爾曼 申請人:東京電子株式會社