CN101736307A

CN101736307A - 等离子体气相沉积方法

Info

Publication number: CN101736307A
Application number: CN200810227177A
Authority: CN
Inventors: 聂佳相; 康芸; 杨瑞鹏
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-11-24
Also published as: CN101736307B

Abstract

一种等离子体气相沉积方法，包括：确定沉积层的厚度，所述沉积层包含至少两层沉积分层，各所述沉积分层的厚度之和等于所述沉积层的厚度；提供基底、缓冲区和至少一个反应腔室，所述基底经由所述缓冲区进入任一所述反应腔室，以在所述基底上形成各所述沉积分层，各所述反应腔室内承载所述基底的承载台分别具有标准温度；形成每一所述沉积分层后，所述基底置于所述缓冲区内，所述缓冲区内的温度低于所述标准温度。可在控制温度恒定以提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，提高生产效率。

Description

等离子体气相沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种等离子体气相沉积方法。

背景技术

在半导体制程中，等离子体气相沉积包括物理气相沉积(PVD)和等离子体气相沉积，其中，PVD方法被广泛用来形成金属层，如用来形成焊盘的铝层、填充通孔的钨层和铜电镀的晶种层。

实践中，通常需要利用PVD工艺形成较厚的所述金属层，以形成铝层为例，在器件临界尺寸缩减至65纳米时，所述铝层的厚度可为1.55微米。

但是，实际生产发现，采用PVD工艺形成所述金属层时，所述金属层的温度有逐渐升高的趋势，具体地，若工艺要求形成的所述金属层的标准温度为270摄氏度时，在完成所述PVD操作后，所述金属层实际温度通常超过270摄氏度。

所述金属层实际温度升高将导致承载所述金属层的基底及承载所述基底的承载台的实际温度升高。此温度升高现象引发的直接后果，包括：1)对于后续基底，会在误认为所述承载台的温度为270摄氏度时，执行所述PVD操作，但其实际温度却高出270摄氏度(如280摄氏度或更高)，使获得的所述金属层的实际温度高于270摄氏度，并且，随着反应累计时间的增加，实际温度和标准温度之间的温差进一步增加，而形成的所述金属层的性能(如接触电阻)与反应温度密切相关，实际温度的逐渐增加，将导致所述金属层的晶粒间间隙增大，导致接触电阻增加，进而导致形成于不同基底上的所述金属层的接触电阻不同；以及，2)形成的所述金属层内部不同厚度区域的接触电阻也将不同，如何提高形成的所述金属层的接触电阻的均匀性(包括形成于不同基底上的所述金属层之间的接触电阻的均匀性，以及，形成于同一基底上的所述金属层内部的接触电阻的均匀性)，成为本领域技术人员致力解决的主要问题。

传统技术中，通常在不同基底上形成所述金属层的过程间隙中增加单独的冷却步骤，以使在各所述金属层之前，所述承载台的温度是基本相同的。如图1所示，作为示例，形成铝层的步骤包括：确定铝层的厚度，所述铝层包含至少两层分铝层，各所述分铝层的厚度之和等于所述铝层的厚度；顺序沉积各所述分铝层后，形成所述铝层；在沉积各所述分铝层之前，对反应腔室执行冷却操作。

具体地，沉积厚度为1.55微米的铝层，所述铝层由两个分铝层(第一分铝层和第二分铝层，本文件内，所述第一和第二表顺序)构成时，在形成厚度为0.8微米的所述第一分铝层之前，需预先执行100秒的气体冷却步骤；在形成厚度为0.75微米的所述第二分铝层之前，需预先执行30秒的气体冷却步骤。

此时，若形成所述第一分铝层和第二分铝层的时间分别为50秒和45秒，则反应总时间需要100+50+30+45＝225秒，耗时较多，由此，如何在控制温度恒定以提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，提高生产效率成为本领域技术人员亟待解决的问题。

2006年11月22日公布的公开号为“CN1865497A”的中国专利申请中公开了一种连续化学气相淀积方法与装置，通过使经过预处理的衬底依次通过多个衔接在一起但系统参数各自独立控制的CVD反应室，在每个反应室中分别实现一个薄膜材料层的生长或进行一种热处理工艺过程，从而连续完成多层薄膜材料的淀积制备。各层薄膜的淀积参数独立控制，在不同淀积层淀积过程中不需要改变体系的反应参数，以节省升降温过程中的操作时间，同时防止设备在多次的热循环过程中影响其使用寿命。但是，应用此方法和装置淀积膜层时，意欲通过对各反应室设定不同的温度，控制所述膜层温度恒定，但对各反应室而言，通过调节各反应室的设定条件以控制其内温度恒定，则其降温的原理与传统工艺中并无不同，换言之，应用上述申请文件中提供的技术方案仍无法实现在控制温度恒定以提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，生产效率的提高。

发明内容

本发明提供了一种等离子体气相沉积方法，可在控制温度恒定以提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，提高生产效率。

本发明提供的一种等离子体气相沉积方法，包括：

确定沉积层的厚度，所述沉积层包含至少两层沉积分层，各所述沉积分层的厚度之和等于所述沉积层的厚度；

提供基底、缓冲区和至少一个反应腔室，所述基底经由所述缓冲区进入任一所述反应腔室，以在所述基底上形成各所述沉积分层，各所述反应腔室内承载所述基底的承载台分别具有标准温度；

形成每一所述沉积分层后，所述基底置于所述缓冲区内，所述缓冲区内的温度低于所述标准温度。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的等离子体气相沉积方法，首先，通过对承载所述基底的承载台设置标准温度，并在所述标准温度下形成厚度小于所述沉积层的厚度的沉积分层，减小连续形成的沉积层的厚度(即任一沉积分层)，以使在反应腔室内连续形成所述沉积分层后，所述沉积分层的实际温度小于连续形成厚度为各沉积分层厚度和的所述沉积层后所述沉积层的实际温度，此时，形成所述沉积分层后所述承载台的实际温度也小于形成厚度为各沉积分层厚度和的所述沉积层后所述承载台的实际温度；随后，在形成每一所述沉积分层后，将所述基底置于所述缓冲区内，可使所述沉积分层的实际温度进一步降低，进而，在形成后续沉积分层或形成于后续基底上的沉积分层时，可通过控制所述沉积分层的实际温度被降低的程度，使其小于形成所述沉积分层后所述承载台的实际温度，即，利用已降温的基底(其上形成有所述沉积分层)与未降温的承载台之间的热交换的途径，降低所述承载台的实际温度，由于形成所述沉积分层后所述承载台的实际温度也小于形成厚度为各沉积分层厚度和的所述沉积层后所述承载台的实际温度，使得利用所述热交换更易获得接近所述标准温度的承载台实际温度；换言之，无需单独的降温操作即可控制温度恒定，即可在提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，提高生产效率。

附图说明

图1为说明现有技术中等离子体气相沉积操作的流程示意图；

图2为说明本发明实施例中等离子体气相沉积操作的流程示意图；

图3为应用本发明优选实施例与应用现有技术形成沉积层后的电性对比效果示意图。

具体实施方式

尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

作为本发明的第一实施例，执行等离子体气相沉积操作的步骤包括：确定沉积层的厚度，所述沉积层包含至少两层沉积分层，各所述沉积分层的厚度之和等于所述沉积层的厚度；提供基底、缓冲区和反应腔室，所述基底经由所述缓冲区进入所述反应腔室，以在所述基底上形成各所述沉积分层，所述反应腔室内承载所述基底的承载台具有标准温度；形成每一所述沉积分层后，所述基底置于所述缓冲区内，所述缓冲区内的温度低于所述标准温度。实际操作流程如图2所示。

在本文件中，所述沉积层厚度意指为获得满足产品设计要求的沉积层厚度a而在实际生产中预先形成的沉积层厚度b(b大于a)。具体地，若按照设计要求，产品中的某一沉积层的厚度应为2微米，那么，实际制程中，为获得此厚度为2微米的沉积层，需预先形成厚度大于2微米(如3微米)的沉积层，再通过研磨等后续步骤去除多余的沉积层，以获得满足产品设计要求的沉积层。此时，所述沉积层厚度指的是上述大于2微米(如3微米)的沉积层。

具体地，在衬底上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及源区和漏区后，顺序沉积第N-1层间介质层，并在所述第N-1层间介质层内形成金属互连(如单镶嵌或双镶嵌)，继续形成图形化的第N层间介质层后，可形成基底100。显然，所述层间介质层的数目N可为任意自然数，如1、3、5、7或9等，所述层间介质层的具体数目根据产品要求确定。所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化层。所述栅极结构还可包含覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。所述衬底包含但不限于包括元素的硅材料，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)。

所述缓冲区为所述基底在进入所述反应腔室之前的存放空间。所述缓冲区的数目至少为一个，各所述缓冲区独立放置。所述基底可经由任一所述缓冲区进入所述反应腔室，以在所述基底上利用等离子体气相沉积工艺形成所述沉积分层。所述缓冲区内的温度低于所述标准温度，通常可为室温。已经历形成所述沉积分层的操作的基底在所述缓冲区中将被降温。

所述标准温度为根据产品设计要求及工艺要求确定的对应为获得具有目标温度的沉积层所需的承载台温度。如，根据产品设计要求，需获得具有目标温度为T₁的沉积层，此时，根据工艺要求可知，为获得具有目标温度为T₁的沉积层，需使所述承载台温度为T₀，所述T₀即为标准温度。

传统工艺中，是在使所述基底经由所述缓冲区后，在所述反应腔室内连续形成所述沉积层，所述连续意指在形成具有上述沉积层厚度的沉积层之前，所述基底一直处于所述反应腔室内，即使形成所述沉积层的操作是分步进行的。

但是，实际生产发现，应用传统工艺形成所述沉积层时，易使形成于不同基底上的所述沉积层之间及/或形成于同一基底上的所述沉积层的不同厚度区域之间的形成温度不均匀，继而将导致所述沉积层的接触电阻发生变化(即，应用相同工艺，形成于不同基底上的所述沉积层的接触电阻却不同；或者，对于任一所述沉积层，其接触电阻偏离设计值)，而若利用额外的控温操作(如冷却步骤)改善温度的均匀性，生产效率过低。

由此，本发明的发明人提出，在改善温度的均匀性时，不采用额外的控温操作，而是通过调整步骤，利用在调整后的各步骤中所述基底的温度变化控制形成的沉积层的温度，成为提高生产效率的指导方向。

具体地，通常，在传统的工艺要求中，若所述承载台的标准温度为T₀时，利用包含所述承载台的反应腔室形成的沉积层的温度为T₁；但是，在实际生产中，形成所述沉积层后，所述承载台的实际温度为T₀’(T₀’大于T₀)，利用包含所述承载台的反应腔室形成的沉积层的温度为T₁’(T₁’大于T₁)。且温差T₀’-T₀和T₁’-T₁与形成的所述沉积层的厚度、形成的所述沉积层所需的反应时间相关；相同条件下，随着所述沉积层的厚度的增加、反应时间的延长，所述温差增大。

由此，本发明的发明人提供一种等离子体气相沉积方法；首先，减小连续形成的沉积层的厚度(即任一沉积分层)，以使在反应腔室内连续形成所述沉积分层后，所述沉积分层的实际温度T₂’小于连续形成厚度为各沉积分层厚度和的所述沉积层后所述沉积层的实际温度T₁’，此时，形成所述沉积分层后所述承载台的实际温度T₀”也小于形成厚度为各沉积分层厚度和的所述沉积层后所述承载台的实际温度T₀’；随后，在形成每一所述沉积分层后，将所述基底置于所述缓冲区内，可使所述沉积分层的实际温度进一步降低为T₂”(T₂”小于T₂’)，进而，在形成后续沉积分层或形成于后续基底上的沉积分层时，可通过控制T₂”，使其小于T₀”，即，利用已降温的基底与未降温的承载台之间的热交换的途径，降低所述承载台所具有的实际温度T₀”，由于T₀”小于T₀’，使得利用所述热交换更易获得接近所述标准温度T₀的承载台实际温度；换言之，无需单独的降温操作即可控制温度恒定，即可在提高所述金属层接触电阻的均匀性的前提下，提高生产效率。

作为示例，若产品要求形成厚度为1.55微米、温度为270摄氏度的沉积层，所需的承载台的标准温度为268摄氏度，采用传统工艺时，即使在形成过程中增加长达130秒的降温操作，获得厚度为1.55微米的沉积层后，其实际温度也将达到278摄氏度，所需的承载台的实际温度为275摄氏度也将高于268摄氏度；若要获得温度为270摄氏度的沉积层，还需要延长所述降温操作持续的时间，生产效率将被大大降低；但是，应用上述技术方案提供的方法，可以首先形成厚度为0.8微米的第一沉积分层，形成所述第一沉积分层后，所述第一沉积分层的实际温度将只达到272摄氏度，所需的承载台的实际温度为269摄氏度小于275摄氏度，随后，将形成有所述第一沉积分层的基底置于所述缓冲区中，由于可控制所述缓冲区的温度为低于269摄氏度的任何值，因此，所述基底在所述缓冲区中将被降温，可被降至低于269摄氏度的任何值，如265摄氏度，再将降温后的所述基底引入所述反应腔室中时，由于所述基底的温度低于269摄氏度，在所述基底与承载台之间将发生热交换，所述热交换将使所述承载台的温度由269摄氏度降至接近268摄氏度的数值，由于269摄氏度小于275摄氏度，可知，相比于由275摄氏度降至接近268摄氏度的降温操作，由269摄氏度降至接近268摄氏度的降温操作更易于实现。

此外，在形成的沉积分层的厚度和小于所述沉积层厚度时，将对应的基底置于所述缓冲区中进行的自然冷却操作不会导致生产效率的降低，因为，实践中，均为批量生产，在对任一基底执行自然冷却操作时，均可利用所述反应腔室在另一基底上形成沉积分层；并且，对另一基底而言，由于在其进入所述反应腔室之前，也位于所述缓冲区中，也可控制其温度低于269摄氏度，在此基底与承载台之间也将发生热交换使所述承载台的温度降至接近269摄氏度的数值，且所述降温操作同样易于实现。

作为本发明的第二实施例，执行等离子体气相沉积操作的步骤包括：确定沉积层的厚度，所述沉积层包含至少两层沉积分层，各所述沉积分层的厚度之和等于所述沉积层的厚度；提供基底、缓冲区和至少两个反应腔室，所述基底经由所述缓冲区进入任一所述反应腔室，以在所述基底上形成各所述沉积分层，各所述反应腔室内承载所述基底的承载台分别具有标准温度；形成每一所述沉积分层后，所述基底置于所述缓冲区内。通过增加反应腔室的数目，可进一步提高生产效率。具体地，所述反应腔室的数目大于或等于2时，利用不同的所述反应腔室形成相邻的沉积分层。

本文件中，所述等离子体气相沉积包括物理气相沉积和/或等离子体化学气相沉积中的一种。所述沉积层可为铝或钨。尤其适用于厚度大于或等于1微米的所述沉积层。

需说明的是，优选地，各所述沉积分层厚度相等；可使形成的各所述沉积分层的性能趋于一致，继而，在形成所述沉积分层后，形成的各沉积分层的温度更接近，易于所述承载台实际温度的均衡变化。此时，各所述沉积分层材料相同。本文件内，术语“相等”、“相同”、“恒定”均表示被比较的两者之间的差别在比较条件下可被忽略，或者，由于所述差别所引起的工艺参数的变化被制程要求所允许。

作为示例，所述沉积层包含两个沉积分层时，两个所述沉积分层之间的厚度比可为2/3-3/2。这是因为，若两个所述沉积分层的厚度相差过大，对于较厚的沉积分层，按前述分析，形成较厚的沉积分层之后，所述承载台的实际温度较高，经过上述热交换过程被降温的程度将被减弱，不利于维持所述承载台温度恒定。

作为示例，若确定的所述沉积层厚度为1.55微米，则两个所述沉积分层的厚度可分别为0.8微米和0.75微米。

此外，本发明的发明人对应用上述优选方案与应用传统方案执行沉积操作时获得的(已检测合格)晶片进行了晶片可接受性测试(WAT)，具体测试了填充后的通孔的接触电阻(Rc)，如图3所示，结果表明，与应用传统方案执行沉积操作时相比，应用上述优选方案执行沉积操作后，填充后的通孔的接触电阻的稳定性更好(接触电阻的分布更均匀，即，各接触电阻的检测值之间变化更小)，即，应用上述技术方案提高生产效率时，不会对晶片的电学性能产生不良影响，且对其稳定性有改善。

需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。

尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims

1.一种等离子体气相沉积方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：所述反应腔室的数目大于或等于2时，利用不同的所述反应腔室形成相邻的沉积分层。

3.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：所述等离子体气相沉积包括物理气相沉积和/或等离子体化学气相沉积中的一种。

4.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：所述沉积层为铝或钨。

5.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：所述沉积层的厚度大于或等于1微米。

6.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：各所述沉积分层的厚度相等。

7.根据权利要求1所述的等离子体气相沉积方法，其特征在于：在形成任一所述沉积分层之前，所述基底的温度低于用以形成所述沉积分层的反应腔室内承载台的标准温度。