專(zhuān)利名稱：一種形成阻障薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域，尤其是關(guān)于一種鉭/氮化鉭薄膜沉積方法。
背景技術(shù)：
在制造硅半導(dǎo)體組件的過(guò)程中，經(jīng)常需要沉積阻障材料以防止內(nèi)聯(lián)機(jī)金屬層的擴(kuò)散。如熟習(xí)該項(xiàng)技術(shù)人員所知，例如氮化鈦等過(guò)渡金屬材料通常被用來(lái)作為集成電路中的阻障材料，其設(shè)置的位置一般是在銅或鋁金屬導(dǎo)線與硅之間。
氮化鈦基本上是受到業(yè)界公認(rèn)最合適，同時(shí)也是目前生產(chǎn)在線仍在使用的標(biāo)準(zhǔn)阻障材料。然而，即使如此，使用氮化鈦?zhàn)鳛樽枵喜牧?，仍然在集成電路工藝中顯現(xiàn)許多的限制。而且，氮化鈦本身的材料特性亦明顯不能滿足下一世代工藝與產(chǎn)品的嚴(yán)格規(guī)格要求。
相較于氮化鈦，具有較優(yōu)越的物理特性的氮化鉭(tantalum nitride)就非?？赡苋《蔀樾碌臉?biāo)準(zhǔn)阻障材料。在物理特性上，氮化鉭具有較高的熔點(diǎn)，硬度高，導(dǎo)電性極佳，且具有良好的熱穩(wěn)定性。此外，氮化鈦?zhàn)鳛樽枵喜牧?，可能?huì)和與其接觸的銅導(dǎo)線形成銅-鈦或銅-氮等鍵結(jié)的化合物，而氮化鉭作為阻障材料則不會(huì)有這種現(xiàn)象。此外，相較于氮化鈦，氮化鉭的晶界(grain boundaries)呈現(xiàn)較無(wú)秩序的現(xiàn)象，而以化學(xué)氣相沉積技術(shù)所沉積的氮化鈦則呈現(xiàn)柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。由于晶界呈現(xiàn)較無(wú)秩序，使得氮化鉭更能夠有效地阻擋銅的擴(kuò)散。
基本上，用以沉積氮化鉭阻障薄膜的包括有物理氣相沉積(physicalvapor deposition)、化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition)以及原子層沉積(atomic layer deposition)技術(shù)等等?；钚詾R射(reactive sputtering)使用最久的方式，其所形成的氮化鉭薄膜通常具有較少的雜質(zhì)，因此具有低導(dǎo)電率，但是缺點(diǎn)是階梯覆蓋(step coverage)能力較差。
其中，化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)該是目前用來(lái)沉積氮化鉭薄膜的最主要方式。以化學(xué)氣相沉積技術(shù)形成的薄膜具有較以物理氣相沉積技術(shù)所形成的薄膜較佳的膜厚均勻度(conformity)。早期的化學(xué)氣相沉積技術(shù)形成氮化鉭薄膜使用金屬鹵化物(metal halides)例如五氯化鉭(TaCl5)為主反應(yīng)物，而需要在高溫下例如900℃下進(jìn)行沉積反應(yīng)。目前，這種需要在高溫下才能進(jìn)行氮化鉭薄膜沉積的問(wèn)題，已經(jīng)由于有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)以及低溫等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(low temperature plasma enhanced chemicalvapor deposition)的發(fā)展而獲得解決。其它經(jīng)改良的沉積方法，如改良的原子層沉積技術(shù)更使得氮化鉭薄膜沉積的膜厚度可以獲得良好的控制，并提供不錯(cuò)的階梯覆蓋能力，且能在較低溫環(huán)境中進(jìn)行沉積。
然而，目前的氮化鉭薄膜沉積技術(shù)盡管已有改善，仍然有產(chǎn)出速率慢以及成本過(guò)高的缺點(diǎn)。由此可知，在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，的確需要一種具有較低成本以及高產(chǎn)出速率的氮化鉭薄膜沉積技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種相對(duì)較便宜的沉積阻障薄膜的方法，應(yīng)用于集成電路的制造領(lǐng)域里，而能夠具有較高的產(chǎn)出速率。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種于基材上形成鉭/氮化鉭阻障層的方法，包括有原位(in-situ)進(jìn)行氮化鉭的等離子體處理。
為達(dá)成本發(fā)明的目的，本發(fā)明的較佳實(shí)施例一種形成阻障薄膜的方法，包含有提供化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器，其中包括有進(jìn)氣蓮蓬頭，其與氣體源連結(jié)，以及支撐座，其與加熱器連接，其中所述的進(jìn)氣蓮蓬頭更與無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器相連結(jié)；將基材放入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器的支撐座上；藉由所述的加熱器加熱基材；將含鉭的有機(jī)金屬前體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，此時(shí)，無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器為關(guān)閉狀態(tài)，并開(kāi)始在基材表面上沉積阻障薄膜；接著，開(kāi)啟無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器，產(chǎn)生預(yù)定的無(wú)線電頻率功率；將惰性氣體導(dǎo)入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，并藉由無(wú)線電頻率功率形成等離子體；進(jìn)行阻障薄膜的原位等離子體處理；以及將基材移出化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器。
為了進(jìn)一步了解本發(fā)明之特征及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以下有關(guān)本發(fā)明之詳細(xì)說(shuō)明與附圖。然而所附圖式僅供參考與輔助說(shuō)明用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例用來(lái)執(zhí)行氮化鉭薄膜沉積的晶片處理系統(tǒng)的示意圖。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明沉積阻障薄膜的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明關(guān)于在同一反應(yīng)容器中沉積同時(shí)處理形成于基材上的阻障薄膜的方法。根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，所述的阻障薄膜為氮化鉭薄膜，且是利用含有鉭的有機(jī)金屬前體與氮源反應(yīng)生成。在較佳的狀態(tài)下，本發(fā)明的氮化鉭薄膜的沉積是在表面控制的層對(duì)層(layer-by-layer)堆積方式下進(jìn)行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解以下本發(fā)明所指的化學(xué)氣相沉積氮化鉭薄膜可藉由熱分解所述的含有鉭的有機(jī)金屬前體而形成。此外，雖然以下的實(shí)施例中以氮化鉭薄膜為例，但本發(fā)明的方法亦可延伸應(yīng)用在鉭薄膜的沉積領(lǐng)域。
請(qǐng)參閱圖1，其表示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例用來(lái)執(zhí)行氮化鉭薄膜沉積的晶片處理系統(tǒng)10的示意圖。圖中所表示的晶片處理系統(tǒng)10包括化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100、氣體源102以及真空泵104。
化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100其中設(shè)置有支撐座112，用來(lái)支撐基材200，例如半導(dǎo)體晶片。基材200可藉由設(shè)于其下方的加熱組件114加熱至所要的溫度狀態(tài)。通常來(lái)說(shuō)，在支撐座112另外會(huì)設(shè)置有溫度感應(yīng)裝置，例如熱耦合(thermal couple)，方便監(jiān)測(cè)支撐座112以及基材200的溫度。
在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100相對(duì)位于支撐座112正上方的位置另外設(shè)置有進(jìn)氣蓮蓬頭116，經(jīng)由進(jìn)氣蓮蓬頭116使工藝氣體能導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中。進(jìn)氣蓮蓬頭116與氣體源102連結(jié)，并藉由計(jì)算機(jī)控制單元控制氣體流量大小(圖未示)。根據(jù)本發(fā)明，氣體源102可以供應(yīng)予化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100的反應(yīng)氣體包括有含鉭的有機(jī)金屬前體、氮?dú)?、載氣、例如氬氣等等的惰性氣體以及其它。
根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，進(jìn)氣蓮蓬頭116另外連接至無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生源118。此外，根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實(shí)施例，支撐座112另外連接至無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生源120。
請(qǐng)參閱圖2，并同時(shí)參酌圖1，其中圖2表示的是根據(jù)本發(fā)明沉積阻障薄膜的方法流程圖。在步驟601中，首先將基材200或者半導(dǎo)體晶片放置在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100內(nèi)的支撐座112上。本發(fā)明所指的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100可以是多反應(yīng)器化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的其中單一反應(yīng)容器。此外，在進(jìn)行步驟601之前，基材200可以在所述的多反應(yīng)器化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的其它反應(yīng)容器中預(yù)先經(jīng)過(guò)氣體排除(degas)處理或預(yù)先清洗。接著，在步驟602中，利用所述的加熱組件114，將基材200加熱至200℃至600℃的溫度范圍，較佳的溫度范圍在200℃至300℃之間。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，在接下來(lái)的步驟603中，先進(jìn)行第一個(gè)階段，將含氮的氣體，例如氨氣(ammonia)經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭116導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中，并將氣體流速控制在300至4000sccm，時(shí)間控制在1秒至5秒之間。流入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中的氨氣分子傳輸至基材200的表面，使氨氣分子被飽和地吸附在基材表面上。達(dá)成此表面飽和吸附狀態(tài)后，此氨氣隨即被關(guān)閉，不再繼續(xù)導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中。接著，利用惰性氣體或所謂的鈍氣，例如氬氣，對(duì)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100進(jìn)行清除(purge)的動(dòng)作，并維持此動(dòng)作約0.5秒左右。
等進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100的清除結(jié)束后，隨即進(jìn)入下一個(gè)階段，開(kāi)始將含鉭的有機(jī)金屬前體氣體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭116導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中，此時(shí)，所述連接至進(jìn)氣蓮蓬頭116的無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器仍處于關(guān)閉的狀態(tài)，并且開(kāi)始在基材200表面上進(jìn)行氮化鉭薄膜沉積。溫度同前。在這個(gè)反應(yīng)階段，含鉭的有機(jī)金屬前體氣體與先前吸附在基材表面的氨氣分子反應(yīng)。由于利用這種循環(huán)式的原子層沉積方法，因此所沉積的氮化鉭薄膜厚度可以藉由控制循環(huán)次數(shù)而精確地獲得控制，也可以形成極薄的氮化鉭薄膜。含鉭的有機(jī)金屬前體氣體在此階段同樣地被飽和地吸附在基材表面上，使得基材表面上的氮化鉭薄膜成分均勻度高，而且即使基材具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)，膜厚度的差異性仍然可以被減至最小。
所述的含鉭的有機(jī)金屬前體氣體可以包括有PDMAT(pentakis(dimethylamido)tantalum)與PDEAT(pentakis(diethylamido)tantalum)等等。載氣可以使用例如氬氣等惰性氣體。
在將氮化鉭薄膜以所述方式沉積到所要的厚度之后，所述的反應(yīng)氣體隨即被關(guān)閉，不再繼續(xù)導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中。然后，進(jìn)行步驟604，先將惰性氣體例如氬氣導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100中。同時(shí)將原先關(guān)閉的連接至進(jìn)氣蓮蓬頭116的無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器開(kāi)啟。進(jìn)行步驟605，由于連接至進(jìn)氣蓮蓬頭116的無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器118開(kāi)啟，表示無(wú)線電頻率功率已提供給化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100，配合導(dǎo)入的氬氣，產(chǎn)生氬氣等離子體，此時(shí)即可以對(duì)沉積在基材200上的氮化鉭薄膜原位(in-situ)進(jìn)行等離子體處理。根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器118可以提供給化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器100的無(wú)線電頻率功率介于50至1000瓦特之間。原位進(jìn)行氮化鉭薄膜的等離子體處理乃本發(fā)明的重點(diǎn)之一，它可以節(jié)省晶片處理時(shí)程，因此達(dá)到加快產(chǎn)出速率的目的。
根據(jù)不同工藝的特殊要求，當(dāng)進(jìn)行所述步驟605的原位(in-situ)等離子體處理時(shí)，可以開(kāi)啟另一無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器120，以提供產(chǎn)生的氬氣等離子體一個(gè)偏壓功率。這使得氬氣等離子體中的游離分子能夠以較高的能量撞擊氮化鉭薄膜表面。需注意的是，所述的無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器120系連接至支撐座112，可選擇開(kāi)啟或關(guān)閉，其功率范圍介于0至1000瓦特。
根據(jù)本發(fā)明的精神，在形成氮化鉭薄膜之后，基材200隨即被移出反應(yīng)容器100，基材200接著被移往物理氣相沉積反應(yīng)器中，并進(jìn)行鉭薄膜濺射工藝，藉此在氮化鉭薄膜上形成一層鉭金屬層，并與化學(xué)氣相沉積氮化鉭薄膜在基材上構(gòu)成鉭/氮化鉭復(fù)合阻障層。通常，鉭/氮化鉭復(fù)合阻障層可以應(yīng)用在銅工藝的鑲嵌溝渠或者介層洞結(jié)構(gòu)中，作為基材與銅金屬之間的接口。這里所謂的銅工藝另外包括有在形成鉭/氮化鉭復(fù)合阻障層之后，進(jìn)行導(dǎo)電金屬的沉積，然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
綜上所述，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠在單一化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中直接進(jìn)行氮化鉭的原子層沉積反應(yīng)，并且在沉積完成后，快速、有效地進(jìn)行氮化鉭薄膜的等離子體處理。由于不需要將基材或晶片移出化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器進(jìn)行等離子體處理，因此可以節(jié)省晶片處理時(shí)程，達(dá)到加快產(chǎn)出速率的目的。
權(quán)利要求
1.一種形成阻障薄膜的方法，包含有提供化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器，其中包括有進(jìn)氣蓮蓬頭，其進(jìn)一步與氣體源連結(jié)，以及支撐座，其與加熱器連接，其中所述的進(jìn)氣蓮蓬頭與無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器相連結(jié)；將基材放入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器的支撐座上；藉由所述的加熱器加熱基材；將含鉭的有機(jī)金屬前體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，此時(shí)，無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器為關(guān)閉狀態(tài)，并開(kāi)始在基材表面上沉積阻障薄膜；接著，開(kāi)啟無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器，產(chǎn)生預(yù)定的無(wú)線電頻率功率；將惰性氣體導(dǎo)入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，并藉由無(wú)線電頻率功率形成等離子體；進(jìn)行阻障薄膜的原位等離子體處理；以及將基材移出化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該基材被加熱到200℃至600℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該基材被加熱到200℃至300℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該含鉭的有機(jī)金屬前體包含有PDMAT與PDEAT。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該惰性氣體是氬氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該原位等離子體處理乃利用氬氣等離子體進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該無(wú)線電頻率功率介于50至1000瓦特。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器另連接真空泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于該阻障薄膜是氮化鉭薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該阻障薄膜包括鉭金屬薄膜。
11.一種形成阻障薄膜的方法，包含有提供化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器，其中包括有進(jìn)氣蓮蓬頭，其與氣體源連結(jié)，以及支撐座，其與加熱器連接，其中所述的進(jìn)氣蓮蓬頭進(jìn)一步與第一無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器相連結(jié)；將基材放入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器的支撐座上；藉由所述的加熱器加熱基材；將含鉭的有機(jī)金屬前體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，此時(shí)，無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器為關(guān)閉狀態(tài)，并開(kāi)始在基材表面上沉積氮化鉭阻障薄膜；接著，開(kāi)啟該第一無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器，產(chǎn)生預(yù)定的第一無(wú)線電頻率功率；將惰性氣體導(dǎo)入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，并藉由該第一無(wú)線電頻率功率使導(dǎo)入的惰性氣體形成等離子體；進(jìn)行氮化鉭阻障薄膜的原位等離子體處理；以及將基材移出化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于該基材被加熱到200℃至600℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該基材被加熱到200℃至300℃。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該含鉭的有機(jī)金屬前體包含有PDMAT與PDEAT。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該支撐座另外連接至第二無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該第二無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器輸出的無(wú)線電頻率功率范圍介于0至1000瓦特之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，在沉積該氮化鉭阻障薄膜的過(guò)程中，該第二無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器為關(guān)閉狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該惰性氣體是氬氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該原位等離子體處理乃利用氬氣等離子體進(jìn)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該第一無(wú)線電頻率功率介于50至1000瓦特。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器另連接真空泵。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，在將含鉭的有機(jī)金屬前體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器之前，該方法還包含有下列步驟將含氮?dú)怏w導(dǎo)入該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中；關(guān)閉該含氮?dú)怏w，使其不再繼續(xù)進(jìn)入該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中；以及利用惰性氣體清除該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的形成阻障薄膜的方法，其特征在于，該含氮?dú)怏w是氨氣。
全文摘要
本發(fā)明揭露一種形成阻障薄膜的方法。首先提供化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)容器，其內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣蓮蓬頭，其與氣體源連結(jié)，以及支撐座，其與加熱器連接，其中所述的進(jìn)氣蓮蓬頭更與無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器相連結(jié)；將基材放入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器的支撐座上；藉由所述的加熱器加熱基材；將含鉭的有機(jī)金屬前體經(jīng)由所述的進(jìn)氣蓮蓬頭導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，此時(shí)，無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器為關(guān)閉狀態(tài)，并開(kāi)始在基材表面上沉積阻障薄膜；接著，開(kāi)啟無(wú)線電頻率功率產(chǎn)生器，產(chǎn)生預(yù)定的無(wú)線電頻率功率；將惰性氣體導(dǎo)入所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器中，并藉由無(wú)線電頻率功率形成等離子體；進(jìn)行阻障薄膜的原位等離子體處理。最后，將基材移出化學(xué)氣相沉積反應(yīng)容器。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK1738006SQ20051000375
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者鄧憲哲, 林進(jìn)富 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司