CN1222014C - 化学汽相淀积生成TiN阻挡层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种CVD淀积TiN薄膜的集成电路制造工艺，是用化学汽相淀积(CVD)方法，利用含Ti的化学物质TDMA，淀积一层TiN薄膜。并在原位进行H2-N2射频等离子处理。第一步淀积工艺的目的是制备出均匀的、具有较高的台阶覆盖率的TiN薄膜，而第二步H2-N2射频等离子处理则是为了减小CVD淀积的TiN薄膜中碳、氧、和氢等杂质的含量，降低电阻率，使TiN晶粒均匀生长，并使TiN薄膜增密。用这种方法淀积的TiN，具有良好的台阶覆盖，均匀的电阻分和膜厚均匀性，能显著改善Al金属导线的电迁移性能。TiN还是Cu的阻挡层，可用于Cu金属化工艺，实现Cu金属大马士革互联技术。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种采用TAMAT化学汽相淀积TiN薄膜的方法。
背景技术
随着先进的动态随机存储器(DRAM)，逻辑电路，和系统级芯片集成(SOC)制造技术的不断进步，加工特征尺寸不断减小，器件封装密度不断加大，尤其是多层金属互联线的加长带来的RC延迟，对器件性能已经产生严重的影响，是今后集成电路按比例缩小的主要限制因素。因此，减少RC互连延迟成是近几年来半导体行业的主攻方向。一方面，在半导体生产线后道工艺中引入Cu工艺，采用电阻率小的Cu布线来代替电阻率大的Al布线，从而大大减小互连电阻对集成电路的性能影响。另一方面，引入低介电材料来取代传统的积对于深而且小的接触孔和通孔，物理淀积的局限性日益突出，特别是侧壁和底部的台阶覆盖率非常低，即使采用IMP(离子金属等离子淀积)，其侧壁的台阶覆盖率也不超过20％，造成后续工艺的制造上的困难。由于浅结工艺特点，无论是Al布线还是Cu金属布线工艺中，通常采用W互联柱与有源区接触，阻止Al向硅片中的扩散，使浅结失效。
同时W与大多数常用的绝缘介质层的粘附性很差，必须要有增强粘附性的过渡层，加之W互联柱和绝缘介质之间要加上扩散阻挡层材料，以避免W CVD淀积时，WF6对底层介质的腐蚀。在Cu互联工艺中，Cu离子在高温和加电场的情况下，可以在半导体硅片和二氧化硅介质中快速扩散，引起器件可靠性方面的问题。所以，在Cu和绝缘介质之间，必须加上防止Cu扩散的阻挡层材料，例如TiN、TaN等。阻挡层的目的主要有两个，第一是阻止金属向介质中的扩散，第二是提高金属和与介质的粘附性。
通常，要求阻挡层要有良好的台阶覆盖性，特别是对于高宽比(A/R)大于6微细结构中，侧壁和底部的台阶覆盖是关键。此外，阻挡层本身的体电阻要求很低，以尽可能减小接触电阻；与绝缘介质层粘附性好，不易分离和脱落；是良好金属阻挡层，以防止金属向硅片或者绝缘介质中扩散，造成互联线之间漏电；能经受Cu后道加工工艺高温的考验，通常Cu大马士革加工流程温度在300C到420C；与低介电常数材料的兼容性好，不改变低介电常数材料的化学性能；物理特性满足后续的化学机械抛光工艺要求。
TiN是一种很有吸引力的阻挡层材料，TiN具有较高的熔点(2930C)，而且电阻率低(21.7微欧姆.厘米)，与金属W和Cu的粘附性都很好，并且和W以及Cu都不互融。
一般TiN采用物理淀积方法制备。由于物理淀积受到溅射金属离子的方向性的限制，台阶覆盖性和底部覆盖性都很差，特别是对于深亚微米器件，情况尤其严峻。在0.18微米以下技术中，由于物理淀积时金属溅射离子方向性等限制，造成细线条中的阻挡层侧壁覆盖性很差，导致以后的W化学淀积和Cu电镀时出现空洞，影响集成电路的成品率和可靠性。
为了适应深亚微米工艺的细线条、大的高宽比(＞6)的特点，采用化学汽相淀积(CVD)方法淀积TiN阻挡层，消除淀积阻挡层是填孔性对高宽比的依赖性，是集成电路工艺发展的必然趋势。
CVD淀积TiN时，膜厚的均匀性和电阻率的均匀性很低。为此，人们对CVD淀积TiN的工艺和材料举行了深入的研究。TiN CVD淀积分有氨气和无氨气两种，常用的含Ti的物质有TAMAT，TDEAT和TiCl4等。TiCl4淀积TiN虽然也得到了良好的薄膜均匀性，但是，它含有Cl，使器件的长时间可靠性发生问题。而且，Cl和氨反应生成固体沉淀物，对硅片表面和真空系统造成污染。因此，半导体工艺界普遍采用TAMAT或TDEAT生成TiN。淀积温度一般为350C，低压3Torr-5Torr。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的化学汽相淀积(CVD)生成TiN阻挡层的方法，使之具有良好的台阶覆盖，均匀的电阻分和膜厚均匀性，显著改善金属导线的电迁移性能。
本发明提出的CVD淀积TiN的工艺有两个主要步骤；第一步，采用TAMAT化学物质，用化学汽相方法(CVD)热淀积一层薄的TiN膜；第二步，在原位进行射频等离子处理。
在第一步淀积工艺过程中，采用He气携带含Ti的化学物质TAMAT，在低真空条件下，通过热分解淀积TiN薄膜。TAMAT热分解的化学反应式表示为： 。第二步是原位进行H2-N2射频等离子处理。反复循环上述二个工艺步骤，直到达到设定的TiN淀积厚度范围。
第一步淀积工艺的目的是制备出均匀的、具有较高的台阶覆盖率的TiN薄膜，而第二步H2-N2射频等离子处理则是为了减小CVD淀积的TiN薄膜中碳、氧、和氢等杂质的含量，降低电阻率，使TiN晶粒均匀生长，并使TiN薄膜增密。
本发明制造工艺的步骤可总结如下：
第一步，用化学汽相淀积(CVD)方法，采用He气携带化学物质TAMAT，利用含Ti的化学物质TAMAT，淀积一层TiN薄膜；第二步，在原位进行H2-N2射频等离子处理。
本发明中，通过热分解淀积TiN薄膜，淀积温度为400℃-450℃，真空度为1Torr-5Torr，每次淀积时间为10-15秒。化学物质TAMAT应保持在温度35-55℃±0.1℃的恒温瓶中，以保证足够并且稳定的TAMAT流量，TAMAT热分解淀积TiN的化学反应式表示为： 。
本发明中，在原位进行H2-N2射频等离子处理，低压为1Torr-2Torr，每次处理时间为30-40秒。
循环上述工艺步骤，直到达到设定的TiN淀积厚度范围，一般为30-50nm。
附图说明
图1表示采用CVD淀积TiN阻挡层在互联工艺中的应用示意图。
标号说明：其中1是TaN阻挡层；2是W金属互联柱；3是绝缘介质层。
用这种方法淀积的TiN，具有良好的台阶覆盖，均匀的电阻分和膜厚均匀性。TiN还是一种物理性能和化学性能都稳定的阻挡层。TiN与W金属和绝缘介质的粘附性能良好，可以用在W互联柱工艺中，有效地防止WF6对硅片和介质层的侵蚀。TiN还与Al金属以及绝缘介质的粘附性能良好，用于Al多层金属布线工艺，能显著改善Al金属导线的电迁移性能。TiN还是Cu的阻挡层，可用于Cu金属化工艺，实现Cu金属大马士革互联技术。
具体实施方式
下面就采用TAMAT化学汽相淀积TiN来进一步描述本发明：
1、采用多腔室CVD淀积设备，例如美国应用材料公司的Endura TxZ & HP TxZ设备
2、首先，在真空设定为5Torr条件下，将硅片升温到450℃。
3、接着，用He2携带化学物质TAMAT，在低真空1.5Torr条件下，通过热分解淀积TiN薄膜。淀积温度为450℃，淀积时间为15秒，TAMAT流量为225sccm，He2流量为275sccm，N2的流量为300sccm。TAMAT应保持在温度为50℃±0.1℃的恒温瓶中，以保证足够并且稳定的TAMAT流量。TAMAT热分解的化学反应式表示为： 。
4、原位H2-N2射频等离子处理，减小CVD淀积的TiN薄膜中碳，氧，和氢等杂质的含量，降低电阻率，使TiN晶粒均匀生长，并使TiN薄膜增密，提高膜厚均匀性。处理真空度为1.5Torr，时间为35秒。期间硅片温度会上升20℃；
5、硅片降温至TiN淀积设定温度，真空调节到1.5Torr；
6、重复第3步工艺，利用He2携带TAMAT，通过热分解淀积TiN，淀积时间为15秒。
7、重复4步，原位氢-氮射频等离子处理，时间35秒，以降低电阻率，增密TiN并提高膜厚均匀性；
8、循环CVD淀积TiN和原位H2-N2射频等离子处理，直到达到设定的TiN淀积厚度。每次循环淀积TiN厚度为110Å。
Claims (3)
1、一种CVD淀积TiN阻挡层的方法，其特征在于，第一步，用CVD方法，采用He气携带含Ti的化学物质TAMAT，在真空条件下，通过热分解淀积一层TiN薄膜；第二步，在原位进行H2-N2射频等离子处理，反复循环上述步骤直至达到设定的TiN沉积厚度；其中，所述通过热分解淀积TiN薄膜的淀积温度为400℃-450℃，真空度为1Torr-5Torr，每次淀积时间为10-15秒；化学物质TAMAT应保持在温度50℃±0.1℃的恒温瓶中，以保证足够并且稳定的TAMAT流量，TAMAT热分解淀积TiN的化学反应式表示为： 。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在原位进行H2-N2射频等离子处理，低压为1Torr-2Torr，每次处理时间为30-40秒。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于设定的TiN淀积厚度范围30-50nm。
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