CN106939411B - 氮化钛的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种氮化钛的形成方法，包括：第一步骤，将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积；第二步骤，将遮挡片置于所述物理气相沉积腔室中进行纯钛的物理气相沉积；第三步骤，对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理；第一过程，在进行m次所述第一步骤后，进行1次所述第二步骤；第二过程，在重复n次所述第一过程后，先进行k次所述第一步骤，再进行1次所述第三步骤；m，n和k为大于1的整数。所述形成方法能够使得在氮化钛的形成过程中，避免物理气相沉积腔室内表面和聚焦环表面的氮化钛容易掉落到相应晶圆表面，从而提高晶圆上芯片的良率。

Description

氮化钛的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种氮化钛的形成方法。
背景技术
氮化钛(TiN)薄膜是目前工业研究和应用最为广泛的薄膜材料之一，它具有熔点高、热稳定好、抗蚀性好和低电阻率等优点，日益受到人们广泛的关注。
在先进半导体制作工艺中，采用物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)所形成的氮化钛被广泛地运用在各种场合，例如运用在高K介质层表面上以作为帽盖层，运用在功函数金属层上以作为扩散阻挡层，运用在介质层上以作为硬掩膜层。
采用物理气相沉积法在晶圆上形成氮化钛时，不可避免地会同时在物理气相沉积腔室(真空腔)内表面形成氮化钛。此外，物理气相沉积腔室内通常还具有聚焦环(processkits，一种用于保护物理气相沉积腔室壁的圆环金属薄片，同时起到约束等离子形成区域的作用)作为辅助器件(可拆卸)。而在晶圆上形成氮化钛时，聚焦环表面也会形成相应的氮化钛。
然而，氮化钛的黏附性较差。因此，在进行一段时间的氮化钛物理气相沉积过程后，形成在物理气相沉积腔室内表面和聚焦环表面的氮化钛会加厚，当这些氮化钛较厚时，就会有氮化钛剥落的情况发生，剥落的氮化钛容易掉落到晶圆表面，造成晶圆表面残留有较多氮化钛杂质颗粒(particle)，造成晶圆上相应芯片的良率下降。
因此，业界亟需一种氮化钛的形成方法，以解决氮化钛杂质颗粒掉落在晶圆表面的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种氮化钛的形成方法，从而使得在氮化钛的形成过程中，避免物理气相沉积腔室内表面和聚焦环表面的氮化钛容易掉落到相应晶圆表面，从而提高晶圆上芯片的良率。
为解决上述问题，本发明提供一种氮化钛的形成方法，所述氮化钛的形成方法包括：
第一步骤，将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积；
第二步骤，将遮挡片置于所述物理气相沉积腔室中进行纯钛的物理气相沉积；
第三步骤，对所述物理气相沉积腔室进行冲净(purge)处理；
第一过程，在进行m次所述第一步骤后，进行1次所述第二步骤；
第二过程，在重复n次所述第一过程后，先进行k次所述第一步骤，再进行1次所述第三步骤；
m，n和k为大于1的整数。
可选的，重复进行所述第二过程。
可选的，所述第二步骤的持续时间为4min～6min。
可选的，所述第三步骤的持续时间为0.5h～1.0h。
可选的，对一盒晶舟中的全部所述待处理晶圆都进行所述第一步骤后，进行所述第三步骤。
可选的，m为4、5或者6。
可选的，m为5，n为5，k等于m。
可选的，所述第三步骤采用惰性气体对所述物理气相沉积腔室进行所述冲净处理。
可选的，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压强为5Torr～10Torr。
可选的，所述待处理晶圆具有前层，所述第一步骤沉积的氮化钛沉积在所述前层表面，所述前层为高K介质层、功函数金属层、氧化硅层或者帽盖层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案中，在进行m(m为大于1的整数)次第一步骤后，进行1次所述第二步骤。所述第一步骤将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积，所述第二步骤进行纯钛的物理气相沉积。所述纯钛的物理气相沉积所形成的纯钛层，能够覆盖所述第一步骤中形成的氮化钛。纯钛层的黏附性很强，因此当纯钛层覆盖在氮化钛上后，能够使氮化钛与物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面的黏附作用增强，相当于增加了氮化钛的黏附性，从而防止氮化钛掉落在晶圆表面造成晶圆上的芯片良率降低。并且，在重复进行n(n为大于1的整数)次上述过程后，继续进行k(k为大于1的整数)次所述第一步骤，此时，物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面上的氮化钛已经经历过n次纯钛层的覆盖，如果继续进行纯钛层沉积，防止氮化钛掉落的效果不好。因此，本发明的技术方案进行第三步骤，通过对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理，以冲净去除此时位于物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面上的氮化钛，从而保证在连续生产过程中，始终保证晶圆表面不存在氮化钛颗粒残留的问题，提高了相应晶圆上芯片的良率。
进一步，所述第二步骤的持续时间为4min～6min。如果所述第二步骤小于4min，则物理气相沉积腔室和聚焦环上的氮化钛未被纯钛层覆盖，起不到增加物理气相沉积腔室和聚焦环黏附性的作用(即无法将氮化钛包覆在腔室和环的表面)。如果所述第二步骤大于6min，则会影响到机台利的用率和生产出货量，降低产率。
进一步，所述第三步骤的持续时间为0.5h～1.0h。所述第三步骤的时间如果小于0.5h，则相应的氮化钛颗粒无法被冲净处理所清除干净。所述第三步骤的时间超过1.0h时，同样影响机台利用率和生产出货量。
进一步，所述第三步骤采用惰性气体对所述物理气相沉积腔室进行所述冲净处理。所述惰性气体可以为氩气，所述氩气的压强可以为5Torr～10Torr。所述氩气的压强低于5Torr时，起不到净化氮化钛颗粒的作用。所述氩气的压强如果高于10Torr会影响物理气相沉积腔室的真空度以及真空泵的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的形成方法流程示意图；
图2是图1所示形成方法所处理的其中一个晶圆上的部分结构示意图；
图3是本发明另一实施例所提供的形成方法流程示意图；
图4是图3所示形成方法所处理的其中一个晶圆上的部分结构示意图；
图5是现有形成方法，在形成氮化钛前后晶圆表面的杂质颗粒分布情况示意图；
图6是采用本发明实施例所提供的形成方法，在形成氮化钛前后晶圆表面的杂质颗粒分布情况示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有物理气相沉积方法在形成氮化钛的过程中，容易造成相应晶圆表面残留氮化钛杂质颗粒，从而降低了相应晶圆上芯片的良率。
为此，本发明提供一种氮化钛的形成方法，所述形成方法包括由三个步骤组成的两个过程。所述三个步骤如下：
第一步骤，将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积；
第二步骤，将遮挡片置于所述物理气相沉积腔室中进行纯钛的物理气相沉积；
第三步骤，对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理。
所述两个过程如下：
第一过程，在进行m次所述第一步骤后，进行1次所述第二步骤；
第二过程，在重复n次所述第一过程后，先进行k次所述第一步骤，再进行1次所述第三步骤。
由上述描述可知，第一过程其实是第二过程的其中一部分，其中，m、n和k为大于1的整数。
需要说明的是，所述形成方法可以重复所述第二过程，即在进行第一次所述第三步骤之后，又开始进入另一个第二过程，此时开始进行的是第一过程中的第一步骤。如此不断重复整个第二过程，从而连续不断地在相应的各个待处理晶圆表面沉积相应的氮化钛，从而形成相应的氮化钛层。通过重复所述第二过程，保证能够在批量晶圆上沉积氮化钛时，都避免晶圆上存在氮化钛颗粒问题。
本发明中，在进行m次所述第一步骤后，进行1次所述第二步骤，所述第二步骤进行纯钛的物理气相沉积，所述纯钛的物理气相沉积形成的纯钛层能够覆盖所述第一步骤中形成的氮化钛。纯钛层的黏附性很强，因此当纯钛层覆盖在氮化钛(层)上后，能够使氮化钛与物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面的黏附作用增强，相当于增加了氮化钛的黏附性，从而防止氮化钛掉落在晶圆表面造成晶圆上的芯片良率降低。并且，在重复进行n次上述过程后，继续进行k次所述第一步骤，此时，物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面上的氮化钛已经经历过n次纯钛层的覆盖，如果继续进行纯钛层沉积，防止氮化钛掉落的效果不好。因此，本发明进行所述第三步骤，通过对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理，以冲净去除此时位于物理气相沉积腔室表面和聚焦环表面上的氮化钛，从而保证在连续生产过程中，始终保证晶圆表面不存在氮化钛颗粒残留的问题，提高了相应晶圆上芯片的良率。
本发明中，所述第二步骤的持续时间为4min～6min。如果所述第二步骤小于4min，则物理气相沉积腔室和聚焦环上的氮化钛未被纯钛层覆盖，起不到增加物理气相沉积腔室和聚焦环黏附性的作用(即无法将氮化钛包覆在腔室和环的表面)。如果所述第二步骤大于6min，则会影响到机台利的用率和生产出货量，降低产率。
本发明中，所述第三步骤的持续时间为0.5h～1.0h。所述第三步骤的时间如果小于0.5h，则相应的氮化钛颗粒无法被冲净处理所清除干净。所述第三步骤的时间超过1.0h时，同样影响机台利用率和生产出货量。
本发明中，所述第三步骤采用惰性气体对所述物理气相沉积腔室进行所述冲净处理。此时，所述冲净处理为一种高压氩气喷冲处理(high pressure Ar purge)。所述惰性气体可以为氩气，所述氩气的压强可以为5Torr～10Torr。所述氩气的压强低于5Torr时，起不到净化氮化钛颗粒的作用。所述氩气的压强如果高于10Torr会影响物理气相沉积腔室的真空度以及真空泵的寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种氮化钛的形成方法，所述形成方法的步骤流程可以参考图1。
请参考图1，所述形成方法先进行第一过程S11，第一过程S11包括先进行5次(即本实施例中m为5)的第一步骤，然后进行1次的第二步骤。所述形成方法重复4次(即本实施例中n为4)第一过程S11后，进再行5次(即本实施例中k为5)的第一步骤，之后进行1次第三步骤。
请参考图1，所述第一步骤为将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积。
本实施例中，所述待处理晶圆包括两层前层，即本实施例经历两次的所述氮化钛的形成方法。所述两层前层中的第一层为图2所示的高K介质层110，即本实施例在高K介质层110上进行氮化钛的物理气相沉积，从而形成氮化钛层120，氮化钛层120形成在高K介质层110表面上，以起到帽盖层的作用。
所述第一步骤中，所述物理气相沉积的过程可以包括：将具有前层(高K介质层110)的晶圆放置于物理气相沉积腔室内；在直流电源通直流的条件下，通入惰性气体和氮气，本实施例中，所述惰性气体可以采用氩气，所述氩气的流量可以为15sccm-25sccm；然后，利用所述惰性气体电离的离子轰击钛靶材表面，从而使钛靶材溅射出钛，溅射出的钛与氮气反应形成氮化钛，所述氮化钛沉积在所述前层表面成为氮化钛层120。
所述第一步骤中，所述物理沉积过程具体可以为磁控溅射过程(磁控溅射方法为物理气相沉积法的其中一种)，惰性气体产生的正离子轰击钛靶材表面，所述钛靶材溅射出并最终到衬底上形成氮化钛薄膜，并最终得到相应厚度的氮化钛层。
本实施例中，所述直流电源的功率范围可以为400W～700W，从而保证氩握在直流电源下，形成相应的离子，并进而利用相应的离子轰击钛靶，以产生Ti离子，同时，所通往的N2在直流电源作用下形成氮离子，相应的钛离子和氮离子反应，生成氮化钛，沉积在晶圆上的前层表面。
所述第一步骤中，通入的N2流量越大，则形成的氮化钛越倾向于是富氮氮化钛(Nrich TiN)，富氮氮化钛通常指氮化钛中氮元素的原子个数与钛元素的原子个数比值大于1(即N:Ti>1)的氮化钛。采用物理气相沉积法所形成的氮化钛中，富氮氮化钛具有更好的扩散阻挡作用，并且富氮氮化钛与许多介质材料具有更高的刻蚀选择比，因此富氮氮化钛性能更好，应用范围更广。因此，本实施例中，可以控制通入的氮气的流量范围为40sccm～90sccm。
但是富氮氮化钛的黏附性不仅远不如纯钛的黏附性，而且也不如通常为晶态结构的氮化钛的黏附性(氮化钛具有较高结晶取向，而富氮氮化钛由于氮含量高，晶体结构被破坏)。因此，现有方法在采用物理气相沉积法形成富氮氮化钛时，更加容易在相应晶圆的表面残留颗粒杂质，造成在形成富氮氮化钛后，相应的晶圆存在更为严重的富氮氮化钛杂质颗粒残留问题。而采用本实施例所提供的方法，仍然可以很好地避免富氮氮化钛杂质颗粒残留问题，可见，本实施例所提供的方法特别适合于解决富氮氮化钛杂质颗粒残留问题。
所述第一步骤中，所述物理气相沉积可以同时使用射频电源，所述射频电源的功率为300W～1000W。
所述第一步骤中，所述物理气相沉积腔室内的压强可以通过冷凝泵抽真空进行控制，相应的冷凝泵可以将功率开到最大以对物理气相沉积腔室进行抽真空，从而将物理气相沉积腔室内的压强控制在几个毫托(mTorr)的级别。
所述形成方法对于批量进行的待处理晶圆而言，在完成了1次第一步骤后(也就是说，对其中一个待处理晶圆进行第一步骤之后)，本实施例继续重复4次第一步骤(也就是说，对另外四个待处理晶圆进行第一步骤)，即一共进行5次第一步骤后，进行1次第二步骤。
请参考图1，所述第二步骤中，将遮挡片置于所述物理气相沉积腔室中进行纯钛的物理气相沉积。遮挡片的作用是防止用于放置晶圆的底盘在纯钛的物理气相沉积过程中也被纯钛层沉积，因为一旦所述底盘被纯钛层沉积，就会影响后续待处理晶圆的物理气相沉积。所述第二步骤中，通过形成纯钛层，防止氮化钛掉落到后续处理的待处理晶圆上，其具体原理可以参考本说明书前述内容。
请参考图1，5次第一步骤和1次第二步骤为一个所述第一过程，本实施例在进行了4次第一过程后，继续进行了另外5次第一步骤，然后进行1次第三步骤。
请参考图1，所述第三步骤对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理。
所述冲净处理能够进一步保证氮化钛不掉落到后续处理的待处理晶圆上，其具体原理可以参考本说明书前述内容。
需要特别说明的是，对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理也包括对相应的聚焦环进行冲净处理。
需要说明的是，一盒晶舟中的晶圆个数通常为25个。本实施例中，通过上述过程可知，四个第一过程S11恰好处理20个晶圆，而在第三步骤与最后一个第二步骤之间也处理了5个晶圆，因此，此时恰好处理了25个晶圆，也就是说，本实施例对一盒晶舟中的全部所述待处理晶圆都进行所述第一步骤后，进行所述第三步骤。这种方式相当于在每两盒晶圆之间进行1次冲净处理，有利用简化工艺操作，提高工艺效率。
而对于每一个待处理晶圆而言，在完成上述氮化钛层120的沉积过程之后，本实施例可以继续在氮化钛层120上形成金属功函数层130，然后继续在金属功函数层130上沉积另一层氮化钛层140，氮化钛层140起到扩散阻挡层的作用，以防止金属功函数层130中的金属元素扩散到其它层结构中。本实施例中，形成氮化钛层140的过程可以和形成氮化钛层120的过程相同，因此，具体过程可以参考本实施例前述内容。在形成氮化钛层140后，本实施例还可以在氮化钛层140上形成栅电极150，如图2所示。
本实施例所提供的形成方法在经过上述第三步骤之后，可以重新进入另一个第二过程S12，如此循环进行各次。当然，在重复进行一定次数的第二过程S12之后，也会需要对物理气相沉积腔室(及相应的辅助装置，例如聚焦环)进行保养和维修等处理，以去除物理气相沉积腔室(及相应的辅助装置，例如聚焦环)表面的氮化钛(层)和纯钛(层)。但是本实施例所提供的形成方法不会影响相应的保养和维修。
需要说明的是，当尝试用另一种方法来减小相应晶圆上的氮化钛杂质颗粒问题时，效果并不理想，并且十分影响相应的生产效率。这种方法是：在每若干个第一步骤之间增加一个较长时间(20min以上)的纯钛物理沉积，同时这个方法中不存在第三步骤的任何操作。而本实施例所提供的方法能很好地解决氮化钛杂质颗粒残留在相应晶圆上的这个问题。
本发明另一实施例提供另一种氮化钛的形成方法，所述形成方法的步骤流程与前述实施例的步骤流程有较多相同之处，本实施例主要对所述形成方法与前述实施例所提供的形成方法的不同之处加以说明，而两个实施例中相同之处可以参考前述实施例相应内容。本实施例所提供的形成方法的步骤流程可以参考图3。
请参考图3，所述形成方法先进行第一过程S21，第一过程S21包括先进行6次(即本实施例中m为6)的第一步骤，然后进行1次的第二步骤。所述形成方法重复3次(即本实施例中n为3)第一过程S21后，进再行7次(即本实施例中k为7)的第一步骤，之后进行1次第三步骤。
正如前面所述，一盒晶舟中的晶圆个数通常为25个。本实施例中，通过上述过程可知，三个第一过程S21恰好处理18个晶圆，而在第三步骤与最后一个第二步骤之间处理了7个晶圆，因此，此时恰好处理了25个晶圆，也就是说，本实施例对一盒晶舟中的全部所述待处理晶圆都进行所述第一步骤后，进行所述第三步骤。这种方式相当于在每两盒晶圆之间进行1次冲净处理，有利用简化工艺操作，提高工艺效率。
本实施例中，所述待处理晶圆包括一层前层，所述前层为氧化硅层250，即本实施例在氧化硅层250上形成氮化钛层260，氮化钛层260作为硬掩膜层。氧化硅层250作为帽盖保护层(capping layer)形成在低K介质层240上。低K介质层240的材料可以为SiOCH。低K介质层240形成在扩散阻挡层230上方。扩散阻挡层230的材料可以为SiCN。扩散阻挡层230形成在介质层220上，介质层220中具有导电结构210。所述导电结构即可以是导电插塞，也可以是连接上下两层金属互连线层之间的互连结构。
对于每一个待处理晶圆而言，在完成上述氮化钛层260的沉积过程之后，本实施例可以继续在氮化钛层260上形成氧化硅层270，氧化硅层270同样作为帽盖保护层。
请结合参考图5和图6，图5和图6示出了使用现有形成方法处理的晶圆中，以及使用本发明上述两个实施例的形成方法处理的晶圆中，晶圆表面上的杂质颗粒分布情况，其中各晶圆上的黑点表示相应的杂质颗粒。
图5所示晶圆W10为现有形成方法所待处理的第一个晶圆，晶圆W10上形成的前层结构可以参考图2所示。晶圆W20为现有形成方法所待处理的第二个晶圆，晶圆W20上形成的前层结构可以参考图4所示。晶圆W11为晶圆10形成氮化钛层后的情况。晶圆W21为晶圆20形成氮化钛层后的情况。从图5中可知，采用现有方法在晶圆上形成氮化钛层之后，晶圆表面的杂质颗粒显著增多。因为，晶圆W11上的黑点相比于晶圆W10上的黑点而言，显著增加，晶圆W21上的黑点相比于晶圆W20上的黑点而言，显著增加。
图6所示晶圆W30为本发明第一实施例所处理的晶圆，晶圆W30上形成的前层结构可以参考图2所示。晶圆W40为本发明第二实施例所处理的晶圆，晶圆W40上形成的前层结构可以参考图4所示。从图6中可知，采用本发明实施例所提供的形成方法在晶圆上形成氮化钛层之后，晶圆表面的杂质颗粒不仅没有增加，还反而减少。因为，晶圆W31上的黑点相比于晶圆W30上的黑点而言，不增反减，晶圆W41上的黑点相比于晶圆W40上的黑点而言，不增反减。
对比图5和图6可知，本发明实施例所提供的形成方法能够避免在形成氮化钛层的过程中，在相应晶圆表面产生氮化钛杂质颗粒残留的问题，从而可以提高晶圆上芯片的良率。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种氮化钛的形成方法，其特征在于，包括：
第一步骤，将待处理晶圆置于物理气相沉积腔室中进行氮化钛的物理气相沉积；
第二步骤，将遮挡片置于所述物理气相沉积腔室中进行纯钛的物理气相沉积；
第三步骤，对所述物理气相沉积腔室进行冲净处理；
第一过程，在进行m次所述第一步骤后，进行1次所述第二步骤；
第二过程，在重复n次所述第一过程后，先进行k次所述第一步骤，再进行1次所述第三步骤；
m，n和k为大于1的整数。
2.如权利要求1所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，重复进行所述第二过程。
3.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，所述第二步骤的持续时间为4min～6min。
4.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，所述第三步骤的持续时间为0.5h～1.0h。
5.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，对一盒晶舟中的全部所述待处理晶圆都进行所述第一步骤后，进行所述第三步骤。
6.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，m为4、5或者6。
7.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，m为5，n为5，k等于m。
8.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，所述第三步骤采用惰性气体对所述物理气相沉积腔室进行所述冲净处理。
9.如权利要求8所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压强为5Torr～10Torr。
10.如权利要求1或2所述的氮化钛的形成方法，其特征在于，所述待处理晶圆具有前层，所述第一步骤沉积的氮化钛沉积在所述前层表面，所述前层为高K介质层、功函数金属层、氧化硅层或者帽盖层。
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