專利名稱：等離子體增強化學汽相淀積裝置和進行所述淀積的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來在制備半導體器件的工藝中形成薄膜的等離子體增強化學汽相淀積裝置，具體涉及能均勻形成有高阻擋特性的金屬膜的等離子體增強化學汽相淀積裝置。
最近，隨著LSI制備的小型化和高集成化，半導體器件的設計規(guī)則從半微米提高到四分之一微米水平。另外，形成多層布線結構和平面化器件表面的技術使用來連接上下布線層的接觸孔的高寬比越來越大。為了形成包括這些大高寬比接觸孔的高可靠性多層布線結構，已采用了各種方法。例如，其中一個方法包括這些步驟形成起阻擋金屬作用的氮化鈦層，它和布線層圖形共形，以防止構成布線層的材料的擴散；形成鋁膜，然后將鋁薄膜熱處理成流體，使流體鋁流進接觸孔。另一方法包括用構成上布線層的材料填充接觸孔的步驟、或用選擇化學汽相淀積或用鎢遮蓋化學汽相淀積形成接觸塞的步驟。
通常用濺射或反應濺射來形成鈦層和氮化鈦層，其中鈦作為靶材料。對這些方法都作了改進，以滿足形成大高寬比接觸孔的需要。即，已提出了改進的濺射，如通過增強濺射得到的顆粒運動的垂直分量的準直濺射，及通過將靶和襯底隔開來得到顆粒運動的垂直分量的長程濺射。
但是，由于接觸孔的高寬比越來越大，即使用上面任何一種方法，也很難在接觸孔的底部形成足夠的薄膜。另外，按上述任何一種方法，膜淀積在凸肩形的接觸孔的開口處，這對以后的布線層形成步驟有害，降低了形成于這種接觸孔上的布線層的可靠性。而且，上述任何一種濺射方法有很低的膜淀積速率，降低了要形成于半導體襯底上薄膜的生產率。
為了解決上述濺射中臺階覆蓋的問題，例如J.T.Hillman等在1994年《VLSI多層互連會議文集》的365-367頁的“鈦化學汽相淀積”一文，已經建議用等離子體增強化學汽相淀積方法，在半導體襯底被加熱情況下，在半導體襯底上生長薄膜。按建議的等離子體增強化學汽相淀積，用四氯化鈦氣體作為處理氣體，在平行板型等離子體增強化學汽相淀積裝置中用氫氣還原來形成鈦層。用減壓化學汽相淀積形成和半導體襯底共形的氮化鈦薄膜。


圖1表示用于等離子體增強化學汽相淀積的典型常規(guī)裝置。示意的裝置包括反應室11，該室有一個將處理氣體引入反應室11的入口11a、和一對將排放氣體排出的出口11b；由金屬構成的基座12，用來將如硅襯底等半導體襯底13置于其上；面對基座12的電極14，它和基座12共同作用在其間產生等離子體，以在基座12上的半導體襯底13上形成薄膜；用來給電極14提供AC電壓以在基座12和電極14之間產生等離子體15的AC電壓源16。
但是，在圖1所示的常規(guī)等離子體增強化學汽相淀積裝置中，由于在等離子體15產生時出現氣體分布的膨脹，沒有被半導體襯底13覆蓋的部分基座12暴露于等離子體15中，所以很難或不可能控制基座12的溫度。因此，基座12的不同部分有不同的溫度，這導致了用等離子體增強化學汽相淀積在半導體襯底13上形成的薄膜金屬有很差的均勻性，也導致了所形成的薄膜有不同的電特性。
而且，由于氮化鈦有包含柱狀晶體的多晶結構，用圖1所示的常規(guī)等離子體增強化學汽相淀積裝置形成的作為阻擋金屬的氮化鈦薄膜中會包括很多晶粒，所以阻擋特性降低。
另一個例子是日本未審查特許公開59-92520公開的化學汽相淀積裝置，該裝置包括圓筒狀內鐘罩，其內部形狀與電極的外部形狀類似，電極置于反應室中。鐘罩設計為能夠相對電極軸向運動。
還一個例子是日本未審查特許公開7-226378公開的等離子體增強化學汽相淀積裝置，它包括由氮化硅構成且置于半導體襯底上的鐘罩。用TiCl4和H2的混合氣體及TiCl4、H2和N2的混合氣體在該裝置中先后形成鈦/氮化鈦薄膜。
上述公開的化學汽相淀積裝置都有與上述相同的問題。即基座不同部分有不同溫度，導致薄金屬均勻性很差，使薄膜有不同的電特性。而且，用上述化學汽相淀積裝置形成的氮化鈦薄膜有很多晶粒，造成阻擋特性降低。
因此本發(fā)明的目的是提供一種等離子體增強化學汽相淀積裝置，它能提高形成在半導體襯底上薄膜的均勻性，改進要用作阻擋薄膜的薄膜的電特性。
本發(fā)明的再一目的是提供一種實現上述等離子體增強化學汽相淀積的方法，同樣能實現上述效果。
按本發(fā)明的一個方面，提供的等離子體增強化學汽相淀積裝置包括(a)反應室，處理氣體引入其中，且排放氣體從其中排出；(b)基座，具有放置半導體襯底于其上的第一區(qū)域以及和第一區(qū)域以外的第二區(qū)域；(c)電極，它面對基座，與基座共同作用以在它們之間產生等離子體，從而在置于基座第一區(qū)域的半導體襯底上形成薄膜，其特征是在基座的第二區(qū)域與等離子體之間放置陶瓷絕緣體。
例如，陶瓷絕緣體可以形成在基座的第二區(qū)域上，以覆蓋基座。該等離子體增強化學汽相淀積裝置最好還包括由陶瓷絕緣材料構成的隔離部件，以將反應室內壁和等離子體隔開，此時該隔離部件最好和陶瓷絕緣體形成一體。
該隔離部件最好還在電極的端部和反應室的內壁之間延伸，以將它們彼此隔開，此時該隔離部件最好和陶瓷絕緣體形成一體。最好是基座罩和隔離部件由相同材料構成。
本發(fā)明還提供等離子體增強化學汽相淀積裝置，包括(a)反應室，處理氣體引入其中，排放氣體從其中排出；(b)基座，具有放置半導體襯底于其上的第一區(qū)域以及第一區(qū)域以外的第二區(qū)域；(c)電極，它面對基座，與基座共同作用以在它們之間產生等離子體，從而在置于基座第一區(qū)域之上的半導體襯底上形成薄膜，其特征是鐘罩形基座罩由陶瓷絕緣材料構成，其底端朝電極開口，并在反應室的內壁和等離子體之間延伸，以將它們彼此隔開，其頂端覆蓋基座的第二區(qū)域并有一開口，該開口和基座第一區(qū)域共同延伸。
鐘罩形基座罩的底端最好在電極的端部和反應室的內壁延伸。鐘罩形基座罩最好有和電極類似的剖面。
陶瓷絕緣體、隔離部件、陶瓷絕緣材料最好由氮化硅、石英、或含氧材料構成。
按本發(fā)明的另一個方面，提供實現等離子體增強化學汽相淀積的方法，包括下面步驟(a)將處理氣體引入反應室，(b)在基座和電極之間產生等離子體，基座有其上放置半導體襯底的第一區(qū)域和第一區(qū)域以外的第二區(qū)域，電極面對基座，(c)從反應室中放出排放氣體，其特征是按下面方式在步驟(b)產生等離子體即基座的第二區(qū)域與等離子體隔開。
最好按這樣的方式在步驟(b)產生等離子體，即反應室的內壁也與等離子體隔開。還最好按這樣的方式在步驟(b)產生等離子體，即電極的端部與反應室的內壁隔開。
在步驟(b)形成于半導體襯底上的薄膜最好包含金屬，其中金屬最好是鈦或氮化鈦。
根據本發(fā)明，基座的第二區(qū)域用陶瓷絕緣材料覆蓋。這樣，可以避免基座的第二區(qū)域直接暴露于等離子體，以便能穩(wěn)定控制基座的溫度。因此基座的溫度不發(fā)生分散，即基座上各部分有相同的溫度。由此形成在半導體襯底上的薄膜有足夠的均勻性，增強了器件性能，提高了生產成品率。
通過使用與基座罩形成一體的內鐘罩，在等離子體產生時可以防止氣體的擴散，這增加了形成在半導體襯底上薄膜的均勻性。
當要在半導體襯底上形成氮化鈦薄膜時，使用石英作為陶瓷絕緣材料。由于氮化鈦薄膜生長時輕微吸收石英中的氧，所以可以防止晶粒的生成，確保晶粒顯著減少。因此形成的氮化鈦薄膜作為阻擋層有顯著改善的特性。
圖1是說明常規(guī)等離子體增強化學汽相淀積裝置的剖面圖。
圖2是本發(fā)明第一實施例的等離子體增強化學汽相淀積裝置的剖面圖。
圖3A到3H是半導體器件的剖面圖，分別表示用本發(fā)明的等離子體增強化學汽相淀積裝置制備半導體器件的方法的各步驟。
圖4是本發(fā)明第二實施例的等離子體增強化學汽相淀積裝置的剖面圖。
(第一實施例)圖2表示本發(fā)明第一實施例的等離子體增強化學汽相淀積裝置。所示的等離子體增強化學汽相淀積裝置包括反應室21，該室有一個將處理氣體引入反應室21的入口21a，和一對將排放氣體排出的出口21b；由金屬構成的圓形基座22，用來放置如硅襯底等半導體襯底23；面對基座22的金屬制電極24，它和基座22共同作用以在其間產生等離子體25，從而在基座22上的半導體襯底23上形成薄膜；用來給電極24提供射頻電壓以在基座22和電極24之間產生等離子體25的射頻電壓源26。
電極24形成有多個穿過其厚度的細通孔。通過入口21a引入的處理氣體送到基座22和電極24之間的空間。
基座22設計為具有其上放置半導體襯底23的第一區(qū)域22a和除第一區(qū)域22a以外的第二區(qū)域22b?；?2裝備有加熱器27，能將半導體襯底23加熱到約700℃。
另外，基座22的第二區(qū)域22b用基座罩28覆蓋，該罩由陶瓷絕緣材料構成并為環(huán)形。
在該實施例中，基座罩28由氮化硅構成。這是因為氮化硅中不含氧，這樣當產生等離子體25時沒有氧吸收到鈦薄膜中。但是應該注意到，如果基座罩28不含氧，則其可以由任何材料構成。例如，基座罩28可以由石英構成。
在該實施例中，提供基座罩28使它覆蓋基座22的第二區(qū)域22b。但是應該注意到，可以用陶瓷絕緣體來代替基座罩28，它可以置于基座22的第二區(qū)域22b和等離子體25之間的任何位置，以將第二區(qū)域22b與等離子體25隔開，由此防止第二區(qū)域22b暴露于等離子體25。
下面參照圖3A到3H說明使用上述等離子體增強化學汽相淀積裝置在半導體襯底上形成鈦薄膜的方法。
首先如圖3A所示，用光刻和選擇氧化在半導體襯底上形成LOCOS氧化膜2。
然后用70KeV的能量和5×1015cm-2的劑量對硅襯底1進行二氟化硼(BF2)的離子注入，接著在900℃退火，由此在硅襯底1中形成導電區(qū)域3，如圖3B所示。然后形成1.5μm厚的硼磷硅玻璃(BPSG)構成的層間絕緣層4。接著如圖3B所示，用光刻和腐蝕形成穿過層間絕緣層4到達導電區(qū)域3的接觸孔4a。
然后如圖3C所示，在形成接觸孔4a同時形成氧化薄膜10，或者，其后如圖3所示，用1％的氫氟酸腐蝕以去掉約5nm厚，即熱氧化薄膜的厚度。
將上述步驟所得的產品然后送入圖2所示的等離子體增強化學汽相淀積裝置中，以在其上形成鈦薄膜7，如圖3D所示。由于基座罩28由不含氧的氮化硅構成，所以即使基座罩28暴露于等離子體25，基座罩28也不放出氧氣。由此可以避免鈦薄膜吸收氧。另外，由于不被半導體襯底23覆蓋的基座22的第二區(qū)域22b用基座罩28來覆蓋，所以即使產生等離子體25，也不會產生基座22的溫度分布也不會發(fā)生分散。這樣可以保持基座22有均勻的溫度，并有一個固定的溫度。
通過形成鈦薄膜7，如圖3D所示，還在導電區(qū)域3中形成硅化鈦層9。
按下面條件形成厚度為3nm到20nm的鈦薄膜7硅襯底23的溫度600℃形成鈦薄膜7的壓力10乇四氯化鈦5sccm氫氣2000sccm氬氣500sccmRF200W使用圖2所示的等離子體增強化學汽相淀積裝置，顯著改善了硅襯底23上形成的鈦薄膜7的均勻性。
然后，如圖3E所示，在整個鈦薄膜7上形成氮化鈦薄膜8。然后如圖3F所示，用化學汽相淀積在氮化鈦薄膜8上形成鎢膜5。再后，用SF6和O2的干法腐蝕法深腐蝕鎢膜5，僅在接觸孔4a中保留鎢，如圖3G所示。
用濺射在層間絕緣薄膜4上形成鋁合金薄膜6以后，用光刻和干法腐蝕將氮化鈦薄膜8和鈦薄膜7構圖為所需圖形，由此形成鋁布線層，使它通過鎢接觸塞5與導電區(qū)域3電接觸。
由此完成如圖3H所示的半導體器件。
用上述本發(fā)明第一實施例的等離子體增強化學汽相淀積裝置，基座22不直接暴露于等離子體25。這樣就可以控制基座22的溫度，確保不發(fā)生溫度分散。因此用等離子體增強化學汽相淀積裝置在硅襯底23上形成的薄膜有足夠的均勻性，并提高了器件的性能和成品率。由于基座罩28由不含氧的陶瓷構成，沒有氧吸收到鈦薄膜7，確保了接觸電阻不增加。(實施例2)圖4表示本發(fā)明第二實施例的等離子體化學汽相淀積裝置。
本發(fā)明第二實施例的等離子體增強化學汽相淀積裝置與第一實施例的不同點僅在于，它包括代替基座罩28的內鐘罩38。內鐘罩38有覆蓋基座32的第二區(qū)域32b的基座覆蓋部分38a、和在反應室31內壁31a與等離子體25之間延伸以將它們隔開的隔離部分38b。即內鐘罩38倒置于基座32上。這樣，內鐘罩38的底端朝向電極34、頂端安在基座32上。
形成的內鐘罩38在基座覆蓋部分38a有開口38c，它與基座32的第一區(qū)域32a共同延伸，其中配置硅襯底33。
內鐘罩38的隔離部分38b按以下方式延伸，即它將電極34的圓周端與反應室31的內壁31a隔開。
在該實施例中，內鐘罩38由石英構成。本實施例的內鐘罩38用于確保等離子體35不受由金屬構成的反應室31的內壁31a的影響。鐘罩38設計為圓筒形，它提供所需的氣體分布。內鐘罩38的剖面設計成與電極34有類似的剖面。
內鐘罩38的隔離部分38b可以設計成其高度不到達電極34。即使隔離部分38b有這樣的高度，鐘罩38也具有上述優(yōu)點，即等離子體35不受金屬構成的反應室31的內壁31a的影響。但是該實施例中內鐘罩38的隔離部分38b設計成其高度超過電極34，如圖4所示。內鐘罩38的延伸隔離部分38b有以下好處，可以防止電極34與反應室31的內壁31a之間的異常放電。
在該實施例中，基座覆蓋部分38a和隔離部分38b形成一體，由此構成內鐘罩38。但是應該注意到，基座覆蓋部分38a和隔離部分38b可以單獨形成，然后連接在一起。但是38a和38b最好形成一體，這樣反應室31更容易清洗，其維護也更容易進行。
下面參照圖3A到3H說明用上述圖4所示等離子體增強化學汽相淀積裝置在半導體襯底上形成氮化鈦薄膜的方法。
先進行參照圖3A到3C說明的步驟，然后用化學汽相淀積在經目前為止步驟所得到的產品上淀積鈦薄膜7，如圖3D所示。形成鈦薄膜7的同時，也在硅襯底1的導電區(qū)域3中形成硅化鈦層9。
然后用圖4所示的等離子體增強化學汽相淀積裝置，在整個鈦薄膜7上形成氮化鈦薄膜8，如圖3E所示。
按下面條件形成厚度為5nm到50nm的氮化鈦薄膜8硅襯底23的溫度500℃形成氮化鈦薄膜8的壓力20乇四氯化鈦20sccm氨氣50sccm氮氣5000sccmRF200W然后進行參照圖3F到3H說明過的步驟。這樣完成了圖3H所示的半導體器件。
等離子體35輻射到基座覆蓋部分38a。由于氮化鈦薄膜8吸收從構成基座覆蓋部分38a的石英放出的氧，所以可以抑制晶體生長或晶粒生長，確保晶粒減少。因此氮化鈦薄膜8可以顯著改善作為阻擋層的特性。如果等離子體增強化學汽相淀積沒有內鐘罩38，即基座32直接暴露于等離子體35，氮化鈦薄膜8吸收濃度1％或以下的氧。當等離子體增強化學汽相淀積裝備有內鐘罩38以防止基座32直接暴露于等離子體35時，氮化鈦薄膜8最好吸收濃度5％或以上的氧以抑制晶粒的產生。
根據本實施例形成的氮化鈦薄膜8不僅在形成鎢塞5時而且對趨于擴散晶粒的材料如銅(Cu)能有效地作為阻擋薄膜。
另外，高阻擋特性可以使阻擋薄膜形成得較薄，這對制備較小尺寸半導體器件有益。而且，高阻擋特性縮短了形成氮化鈦薄膜所需的時間，可以增加半導體器件的產量和成品度。
在上述第一和第二實施例中，分別使用了圖2和4所示的等離子體增強化學汽相淀積裝置來形成鈦薄膜和氮化鈦薄膜。但是應該注意到，這些裝置可以用來形成由其它難熔金屬，其化合物，或其它金屬氮化物構成的薄膜。
權利要求
1.一種等離子體增強化學汽相淀積裝置，包括(a)反應室(21，31)，處理氣體引入其中，排放氣體從其中排出；(b)基座(22，32)，具有置半導體襯底(23，33)于其上的第一區(qū)域(22a，32a)以及第一區(qū)域(22a，32a)以外的第二區(qū)域(22b，32b)；(c)電極(24，34)，它面對基座(22，32)，與基座(22，32)共同作用以在它們之間產生等離子體(25，35)，從而在置于基座(22，32)第一區(qū)域(22a，32a)之上的半導體襯底(23，33)上形成薄膜；其特征是，在基座(22，32)的第二區(qū)域(22b，32b)與等離子體(25，35)之間設置陶瓷絕緣體(28，38a)。
2.如權利要求1的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣體(28，38a)形成在基座(22，32)的第二區(qū)域(22b，32b)之上以將它覆蓋。
3.如權利要求1的等離子體增強化學汽相淀積裝置，還包括由陶瓷絕緣材料構成的隔離部件(38b)以將反應室(21，31)的內壁(31a)和等離子體(25，35)隔開。
4.如權利要求3的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，隔離部件(38b)和陶瓷絕緣體(28，38a)形成一體。
5.如權利要求3的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，隔離部件(38b)還在電極(24，34)的端部和反應室(21，31)的內壁(31a)之間延伸以將它們互相隔開。
6.如權利要求5的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，隔離部件(38b)和陶瓷絕緣體(28，38a)形成一體。
7.如權利要求1到6的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣體(28，38a)和隔離部件(38b)由氮化硅構成。
8.如權利要求1到6的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣體(28，38a)和隔離部件(38b)由石英構成。
9.如權利要求1到6的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣體(28，38a)和隔離部件(38b)由含氧材料構成。
10.一種等離子體增強化學汽相淀積裝置，包括(a)反應室(31)，處理氣體引入其中，排放氣體從其中排出；(b)基座(32)，具有置半導體襯底(33)于其上的第一區(qū)域(32a)以及第一區(qū)域(32a)以外的第二區(qū)域(32b)；(c)電極(34)，它面對基座(32)，與基座(32)共同作用以在它們之間產生等離子體(35)，從而在置于基座(32)第一區(qū)域(32a)之上的半導體襯底(33)上形成薄膜；其特征是，鐘罩形基座罩(38)由陶瓷絕緣材料構成，其底端朝電極(34)開口，并在反應室(31)的內壁(31a)和等離子體(35)之間延伸，以將它們彼此隔開，其頂端覆蓋基座(32)的第二區(qū)域(32b)并形成有一開口(38c)，該開口和基座(32)第一區(qū)域(32a)共同延伸。
11.如權利要求10的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，鐘罩形基座罩(38)的底端還在電極(34)的一端和反應室(31)的內壁(31a)之間延伸。
12.如權利要求10的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，鐘罩形基座罩(38)有和電極(34)類似的剖面。
13.如權利要求10到12的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣材料由氮化硅構成。
14.如權利要求10到12的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣材料由石英構成。
15.如權利要求10到12的任一項的等離子體增強化學汽相淀積裝置，其特征是，陶瓷絕緣材料由含氧材料構成。
16.一種進行等離子體增強化學汽相淀積的方法，包括下面步驟(a)將處理氣體引入反應室(21，31)；(b)在基座(22，32)和電極(24，34)之間產生等離子體(25，35)，基座(22，32)具有其上放置半導體襯底(23，33)的第一區(qū)域(22a，32a)和第一區(qū)域(22a，32a)以外的第二區(qū)域(22b，32b)，電極(24，34)面對基座(22，32)；(c)從反應室(21，31)中放出排放氣體，其特征是，按下面方式在步驟(b)產生等離子體(25，35)，即基座(22，32)的第二區(qū)域(22b，32b)與等離子體(25，35)隔開。
17.如權利要求16的方法，其特征是，按下面方式在步驟(b)產生等離子體(25，35)，即反應室(21，31)的內壁(31a)也與等離子體(25，35)隔開。
18.如權利要求17的方法，其特征是，按下面方式在步驟(b)產生等離子體，即電極(24，34)的端部與反應室(21，31)的內壁(31a)隔開。
19.如權利要求16到18的任一項的方法，其特征是，步驟(b)在半導體襯底(23，33)上形成包含金屬的薄膜。
20.如權利要求19的方法，其特征是，所說金屬是鈦或氮化鈦。
全文摘要
本發(fā)明提供等離子體增強化學汽相淀積裝置,包括反應室,處理氣體引入其中,排放氣體從其中排出;基座,具有放置半導體襯底于其上的第一區(qū)域、和第一區(qū)域以外的第二區(qū)域;電極,它面對基座,與其共同作用以在它們之間產生等離子體,從而在置于第一區(qū)域的半導體襯底上形成薄膜,其特征是在基座的第二區(qū)域與等離子體之間設置陶瓷絕緣體。
文檔編號C23C16/50GK1198480SQ9810114
公開日1998年11月11日 申請日期1998年4月2日 優(yōu)先權日1997年4月2日
發(fā)明者田桑哲也 申請人:日本電氣株式會社