CN101460660A - 使用原子层沉积工艺形成材料层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种使用原子层沉积(ALD)工艺在处理工具的处理腔室中形成材料层的方法。在一个说明性实施例中，所述方法包括：识别所述材料层的目标特性；确定用于在所述ALD工艺期间将前驱气体引入到所述处理腔室中以在所述材料层中产生所述目标特性的前驱脉冲时间；以及执行包含多个步骤的所述ALD工艺，其中将所述前驱气体引入到所述腔室中持续所述所确定的前驱脉冲时间以进而形成所述材料层。
Description
技术领域
本发明大体上涉及材料层的形成，且更明确地说，涉及一种使用原子层沉积工艺形成材料层的方法。
背景技术
制造集成电路装置涉及执行许多步骤和工艺，直到完成集成电路装置为止。举例来说，此类工艺通常包括多种沉积工艺、蚀刻工艺、光刻工艺和离子植入工艺。随着集成电路装置的尺寸持续收缩，此类操作的性能在给定所涉及的非常小的特征尺寸和完整装置所需的性能特性的情况下变得更为复杂。
可使用多种不同沉积工艺来沉积材料层。一种此类工艺称为原子层沉积(ALD)。可通过产生等离子体来增强所述ALD工艺。一般来说，在需要形成非常薄的高质量材料层的情况下采用ALD工艺。基本上，ALD工艺是以一次一个原子层的方式沉积数个层或膜的技术。在ALD工艺中，以一次一种反应物的方式引入数种反应物，在其之间具有数个泵抽/清除循环。ALD反应涉及自饱和表面反应。归因于ALD工艺的性质，其固有地慢于其它已知沉积技术，例如化学气相沉积(CVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)等。然而，与上文所提及的其它说明性沉积工艺相比，ALD工艺倾向于产生具有较高质量特性的材料层。
通过ALD工艺形成的材料层的各种性质在制造现代集成电路装置中是重要的。此外，对此类层的厚度的精确控制也是通过ALD工艺形成材料层的重要方面。遗憾的是，现有的ALD处理技术不能充分解决一些或所有这些问题。
本发明针对于可解决或至少减少一些或所有前述问题的方法。
发明内容
为了提供对本发明的某些方面的基本了解，下文呈现对本发明的简化概要。此概要并不是对本发明的详尽概述。其并不希望识别本发明的关键或决定性元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现某些概念作为对稍后论述的更详细描述的序言。
本发明大体上针对于一种使用原子层沉积(ALD)工艺在处理工具的处理腔室中形成材料层的方法。在一个说明性实施例中，所述方法包含：识别所述材料层的目标特性；确定用于在所述ALD工艺期间将前驱气体引入到所述处理腔室中以在所述材料层中产生所述目标特性的前驱脉冲时间；以及执行包含多个步骤的ALD工艺，其中将所述前驱气体引入到腔室中持续所确定的前驱脉冲时间以进而形成所述材料层。
在另一说明性实施例中，所述方法包含：识别所述材料层的目标特性；确定用于在ALD工艺期间将前驱气体引入到处理腔室中以在所述材料层中产生所述目标特性的前驱脉冲时间；以及执行包含多个脉冲图案的ALD工艺以形成所述材料层，所述脉冲图案中的每一者包含在第一时段期间抽空腔室、在对应于所确定的前驱脉冲时间的第二时段期间将前驱气体引入到腔室中以及在第三时段期间抽空腔室。
在又一说明性实施例中，所述方法包含：将衬底定位于处理腔室内；在腔室中建立配位体移除环境；以及执行包含多个第一脉冲图案和多个第二脉冲图案的ALD工艺以在所述衬底上方形成材料层，所述第一和第二脉冲图案中的每一者包含在第一时段期间抽空腔室、在第二时段期间将前驱气体引入到腔室中以及在第三时段期间抽空腔室，其中第一多个脉冲图案期间的第二时段不同于第二多个脉冲图案期间的第二时段。
在再一说明性实施例中，所述方法包含：识别所述材料层的特性的目标变化；确定用于在ALD工艺期间将前驱气体引入到处理腔室中以在材料层中产生所述特性的目标变化的第一前驱脉冲时间和第二前驱脉冲时间，所述第一和第二前驱脉冲时间彼此不同；以及执行包含多个第一脉冲图案和多个第二脉冲图案的ALD工艺以形成所述材料层，其中所述第一和第二脉冲图案中的每一者包含分别根据所确定的第一和第二前驱脉冲时间将前驱气体引入到腔室中以进而形成所述材料层。
附图说明
可结合附图参看以下描述来了解本发明，在附图中相同参考标号始终识别相同元件，且在附图中：
图1为说明性原子层沉积(ALD)工具的简化示意图；
图2为描绘可在ALD工艺中用以形成材料层的根据本发明的一个方面的说明性脉冲序列的曲线图；
图3为描绘图2中所描绘的单个脉冲图案的放大图的曲线图；
图4为描绘可在ALD工艺中用以形成钌层的根据本发明的一个说明性实施例的说明性脉冲序列的曲线图；
图5为描绘根据本文所揭示的发明性方法所形成的钌膜的各种说明性性质的曲线图；
图6为描绘表示使用各种前驱脉冲时间所形成的材料层的结晶度的x射线衍射分析的曲线图；
图7为根据本发明的一个方面所形成的材料层的横截面图，其中所述层贯穿其厚度具有可变特性；以及
图8为描绘可在ALD工艺中用以形成图7中所描绘的层的根据本发明的一个方面的说明性脉冲序列的曲线图。
虽然本发明容许各种修改和替代形式，但其特定实施例已在图式中以实例方式展示且在本文中加以详细描述。然而，应了解，本文中对特定实施例的描述并不希望将本发明限于所揭示的特定形式，而是相反地，本发明将涵盖属于由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。
具体实施方式
下文中描述本发明的说明性实施例。为了清楚起见，在本说明书中并未描述实际实施方案的所有特征。当然将明白，在任何此类实际实施例的开发中，必须作出众多实施方案特定的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关限制，所述限制在不同实施方案间将有所不同。此外，将明白，此开发努力可能较为复杂且耗时，但对于受益于本发明的所属领域的技术人员来说，这不过是常规工作。
现将参看附图来描述本发明。在图式中描绘集成电路装置的各种区域和结构。出于清楚和解释的目的，与现实集成电路装置上的那些特征或结构的尺寸相比，可夸大或缩小图式中所描绘的各种特征的相对尺寸。然而，包括附图是为了描述和解释本发明的说明性实例。应将本文所使用的词语和短语理解和解释为具有与所属领域的技术人员对那些词语和短语的理解一致的意义。本文的术语或短语的一贯用法并不希望暗示所述术语或短语的特殊定义，即不同于所属领域的技术人员所理解的普通和惯例意义的定义。就术语或短语希望具有特殊意义(即，除技术人员所了解的意义以外的意义)的程度来说，将以直接且明确提供术语或短语的特殊定义的定义方式在说明书中清楚阐述此特殊定义。
本发明针对于一种通过执行ALD工艺来形成材料层的新颖方法，其中可控制所得材料层的某些性质。相信本发明可用于使用本文所描述的ALD工艺成形多种不同材料。此外，相信可使用多种不同ALD处理工具来执行本文所描述的工艺。在一个说明性实施例中，如下文中将更全面描述，通过使用本文所揭示的方法在ASM多边形绿宝石(ASM Polygon EmerALD)腔室工具中执行等离子体ALD工艺来形成钌层。
一般来说，本发明涉及执行包含前驱气体的独特脉冲序列(且在一些情况下，包含RF功率)的ALD工艺以形成材料层。图1为说明性ALD处理工具30的示意性描绘。所述说明性工具30包含处理腔室31、工作台32、喷淋头25、气体入口28(其可由阀门29控制)、前驱气体入口34(其可由阀门35控制)和出口36(其可由阀门37控制)。在一些情况下，工具30可包含RF线圈(未图示)，但并非所有ALD工具30均需要此类线圈。说明性衬底38被描绘为定位于工作台32上。所属领域的技术人员众所周知此ALD处理工具30的基本结构和操作。如所属领域的技术人员在完全阅读本申请案之后将认识到，本发明可与多种不同ALD处理工具一起使用。因此，不应认为本发明限于与类似于图1中示意性描绘的ALD工具的ALD工具一起使用。
在操作期间，执行ALD工艺以在衬底38上形成材料层40。可与等离子体增强型ALD工艺或热ALD工艺一起使用本发明。可经由入口36将前驱气体引入到腔室31中。可使用载体气体来将前驱气体载运到腔室31。在一个说明性实施例中，载体气体为惰性气体，例如氩气、氦气等。在一个特定应用中，载体气体可穿过具有液体前驱物的容器而起泡，借此载体气体拾取并保持所述前驱物的被引入到腔室31中的部分。
可经由入口28将各种气体引入到腔室31中以建立适当环境。一般来说，腔室31内的环境应当促进或实现ALD工艺期间的配位体移除。所使用的特定气体将依据特定应用而有所不同。举例来说，可使用例如氨气(NH3)、氢气(H2)、氮气(N2)和氧气(O2)等气体或其组合。此外，在一些实施例中，可将RF功率供应到喷淋头25以在腔室31内产生等离子体。可在ALD工艺期间在喷淋头25上建立电压。依据特定应用和特定处理工具而定，可偏置或不偏置工作台32。
本发明可用以形成多种不同材料的层。举例来说，相信本发明可用于成形例如钌、钽、二氧化硅、氮化钽、氧化钌、铂等材料。因此，不应认为最广泛形式的本发明局限于任何特定类型的材料。当然，依据正被成形的特定材料而定，特定处理气体和操作参数将有所不同。
如图2所示，本文所揭示的方法涉及执行可重复成百上千次的一连串独特的脉冲图案10以形成所需的材料层40。时段12(t0→ti)组成腔室初始化周期且可在或可不在执行本文所揭示的方法之前执行。每一脉冲图案10从时段t1延伸到时段t5。还描绘每一脉冲图案10内出现的多个时间(t2、t3和t4)。在一个说明性实施例中，可施加RF功率以在腔室31内产生等离子体39。在图2中，由线14指示施加到喷淋头25的RF功率。由线16指示前驱气体的引入。前驱气体的引入的持续时间将在本文中称为前驱脉冲时间(“PPT”)。
图3为示范性单个脉冲图案10的放大视图。在此特定实施例中，每一脉冲图案10包含第一时段20(t1→t2)、第二时段22(t2→t3)、第三时段24(t3→t4)和第四时段26(t4→t5)。在一个说明性实施例中，通过经由管线28引入所需气体而在腔室31内建立适当环境。此后，在第一时段20期间，经由管线36抽空腔室31。在第二时段22期间，经由管线34将前驱气体引入到腔室31中。可通过打开和关闭阀门35持续短暂时段将前驱气体引入到腔室31中。在第三时段24期间，再次经由管线36抽空腔室31。在第二抽空过程期间，移除前驱气体的未吸附于衬底38的表面上的部分。此后，在第四时段26期间，将功率施加到喷淋头25以进而在腔室31内产生等离子体39。在其中存在RF线圈的一些工具(例如，感应耦合等离子体工具)中，可由此类线圈供应RF功率。
腔室31内的等离子体环境的化学性质经选择使得其促进或实现配位体移除。更具体地说，所述环境应与吸附的前驱气体起反应且留下那些吸附的气体的一部分以进而形成材料层40。还选择等离子体环境以便确保所沉积材料的表面准备好接纳将成形的额外材料。当然，在一些应用中，例如在热ALD工艺中，脉冲图案10中可能不存在第四时段26。在热ALD工艺中，不产生等离子体39。因此，不需要将RF功率施加到喷淋头25。
依据特定应用而定，第一、第二、第三和第四时段的持续时间可有所不同。一般来说，依据特定应用而定，相信第一、第二和第三时段中的每一者可在1到4秒的范围内且第四时段可在3到12秒的范围内。当然，如所属领域的技术人员所众所周知，尤其依据上面正沉积所述层的结构的性质而定，这些代表性数字可显著不同，例如在所有其它条件均相等的情况下，与较深沟槽相比，较浅沟槽需要较短脉冲时间来实现全阶覆盖。可独立地调整上文所识别的各种时段中的每一者。请注意，在图2中所描绘的说明性实施例中，在第一、第二和第三时段期间关闭RF功率。然而，在本发明的所有实施例中可以不是这样的情况。
图4描绘用于本发明的特定应用(其中沉积钌层)的一序列脉冲图案10。在此说明性实例中，钌前驱气体为(双)乙基环戊二烯基钌，在腔室31内建立氨气(NH3)环境，且在处理期间产生等离子体39。在此特定实例中，第一时段20、第二时段22和第三时段24的持续时间各为近似两秒。第四时段26为近似四秒。在此特定实施例中，将近似400瓦的AC功率施加到喷淋头25且不偏置工作台32。
图5为描绘使用本发明的技术在具有近似
的厚度的钛层上所形成的钌层的各种参数的曲线图。在图5所展示的曲线图上绘制各种参数——电阻率40(微欧姆/厘米)、复合膜厚度
钌层的厚度
和氮化钛(TiN)下伏层的厚度
横轴反映不断增加的前驱脉冲时间(以秒为单位)。从图5显而易见，随着前驱脉冲时间增加，复合层堆叠(钛加钌)的电阻率增加，而钌膜的厚度(44)展示厚度轻微减小。举例来说，在近似1秒的前驱脉冲时间处，形成具有约
的厚度的钌层(44)。在近似4秒的前驱脉冲时间处，钌层的厚度为约
然而，这两个钌层的电阻率变化非常显著，且对于约1秒和4秒的前驱脉冲时间，分别出乎意料地从约70变化到185。
本发明还可用以控制使用本文所描述的ALD工艺所形成的材料层的结晶度。图6为通过对形成在
的下伏氮化钛层上方的钌层进行x射线衍射分析所获得的数据的三维曲线。曲线101A、101B、101C、101D、101E和101F分别表示使用4、2、1、0.5、0.34和0.17秒的前驱脉冲时间(“PPT”)所形成的层。横轴是在x射线衍射过程期间所使用的扫描角度。纵轴是反映钌层的结晶度的强度。一般来说，前驱脉冲时间越短，层的结晶度就越大。
本发明可用以形成贯穿材料层40的厚度具有大致均一性质的材料层40。本发明还可用以产生贯穿材料层40的厚度具有不同特性的材料层40。可通过在形成层时改变前驱脉冲时间(PPT)来实现此些变化的特性。图7描绘根据本发明的此方面所形成的材料层40的说明性实施例，其中材料层的特性贯穿材料层40的厚度44而有所变化。出于解释的目的，大大夸大了材料层40的厚度44。在图7中，将材料层40描绘为形成于说明性衬底或结构38上方。在一些情况下，结构38可为形成于半导体衬底的表面上方的另一处理层。
如图7中所指示，层40包含分别使用2、3和4秒的前驱脉冲时间(PPT)所形成的第一部分42A、第二部分42B和第三部分42C。如图7中所指示，归因于增加的前驱脉冲时间，与其它两个部分42B、42A相比，第三部分42C具有较高电阻率。相反，第一部分42A具有低于第二部分42B或第三部分42C的电阻率。在与位于层40与结构38的表面45之间的界面处相比在层40的上表面43处需要或可容许高度电阻率(和低结晶度)的情况下，可能需要此层40。
图8描绘可用以形成图7中所描绘的多层结构的说明性脉冲序列。图8展示三个说明性脉冲图案10A、10B和10C，其中前驱脉冲时间分别为2、3和4秒。当然，在经执行以形成图7所示的层40的ALD工艺期间所述脉冲中的每一者将存在成百上千次。还应理解，借助本申请案的教示，可以几乎任何方式排列脉冲序列来尝试提供具有所需特性或质量的层40。
如所属领域的技术人员将在完全阅读本申请案之后认识到，本文所揭示的方法使得由ALD工艺所形成的材料层能够具有可经设计以满足特定应用的某些所需特性。
根据本发明的此方面，可在最初确定材料层40的所需或目标特性(例如，电阻率、结晶度)。此后，可确定将产生此所需特性的前驱脉冲时间。举例来说，如果需要具有相对高电阻率的材料层40，那么确定或识别将产生具有此电阻率水平的材料层40的前驱脉冲时间。此后，使用所确定的前驱脉冲时间执行ALD工艺以进而形成具有所需特性的层40。这可应用于产生贯穿其厚度具有大致均一特性的材料层40或特性在其厚度内有所变化的材料层40(例如，图7中所描绘的实例)。
所揭示的新颖方法在其涉及先前所论述的钌层的形成时产生非常出乎意料的结果。如所属领域的技术人员将理解，传统ALD工艺通常达到饱和点。也就是说，在传统ALD工艺中，随着前驱脉冲时间增加，所述工艺的沉积速率倾向于变平，即其为自限制过程。此外，传统ALD工艺并不涉及改变前驱脉冲时间来实现所需膜特性，例如电阻率、结晶度等。依照本文所揭示的新颖方法，可控制前驱脉冲时间以便控制所得材料层的特性。另外，在本发明中，钌层的厚度随着前驱脉冲时间增加而出乎意料地减小。
上文所揭示的特定实施例仅为说明性的，因为受益于本文教示的所属领域的技术人员将容易明白，可以不同但等效的方式修改和实践本发明。举例来说，上文所阐述的工艺步骤可以不同次序执行。此外，除如所附权利要求书中所描述以外，并不希望限制本文中所展示的构造或设计的细节。因此，显然可更改或修改上文所揭示的特定实施例，且认为所有此类变化均属于本发明的范围和精神内。因此，本文所寻求的保护在所附权利要求书中阐述。
Claims (16)
1.一种通过执行原子层沉积(ALD)工艺在处理工具的处理腔室中形成材料层的方法，所述方法包含：
识别所述材料层的目标特性；
确定用于在所述ALD工艺期间将前驱气体引入到所述处理腔室中以在所述材料层中产生所述目标特性的前驱脉冲时间；以及
执行包含多个步骤的所述ALD工艺，其中将所述前驱气体引入到所述腔室中持续所述所确定的前驱脉冲时间以进而形成所述材料层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料层包含钌、钽、氮化钽、氧化钌、钨、二氧化硅和铂中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标特性是所述材料层的电阻率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标特性是所述材料层的结晶度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标特性贯穿所述材料层的厚度是大致均一的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标特性在所述材料层的厚度内有所变化。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述腔室内建立配位体移除环境。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述腔室中建立配位体移除环境包含将氨气(NH3)、氢气(H2)、氮气(N2)和氧气(O2)中的至少一者引入到所述处理腔室中以建立所述配位体移除环境。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含通过将RF功率施加到所述腔室内的喷淋头而在所述腔室内产生等离子体。
10.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述ALD工艺包含执行包含多个脉冲图案的工艺以形成所述材料层，所述脉冲图案中的每一者包含：
在第一时段期间抽空所述腔室；
在对应于所述所确定的前驱脉冲时间的第二时段期间将所述前驱气体引入到所述腔室中；以及
在第三时段期间抽空所述腔室。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含在所述腔室内建立配位体移除环境。
12.根据权利要求10所述的方法，其中在所述第一、第二和第三时段期间不向所述处理腔室施加RF功率。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一和第三时段具有近似相同的持续时间。
14.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述ALD工艺包含执行包含多个第一脉冲图案和多个第二脉冲图案的工艺以在所述衬底上方形成所述材料层，所述第一和第二脉冲图案中的每一者包含：
在第一时段期间抽空所述腔室；
在第二时段期间将前驱气体引入到所述腔室中；以及
在第三时段期间抽空所述腔室；
其中所述第一多个脉冲图案期间的所述第二时段不同于所述第二多个脉冲图案期间的所述第二时段。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述第一、第二和第三时段期间不向所处理腔室施加RF功率。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第三时段具有近似相同的持续时间。
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