CN111058090A - 金属氮化物硬掩膜的制备方法 - Google Patents

金属氮化物硬掩膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的应力可调的金属氮化物硬掩膜的制备方法，通过使用合金靶材进行溅射工艺，可以使沉积在晶圆上的所述金属氮化物硬掩膜达到预设厚度，且使得所述金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。与现有技术使用单一金属材料靶材溅射相比，上述制备方法在金属氮化物硬掩膜中引入了新的金属原子替代部分原有的金属原子，以在沉积金属氮化物硬掩膜时，引发晶格畸变，从而使金属氮化物硬掩膜的晶体在预设方向上生长，提高薄膜性能，尤其适用于14nn以下制程。

Description

金属氮化物硬掩膜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种金属氮化物硬掩膜的制备方法。
背景技术
目前，TiN(氮化钛)作为一种多功能材料广泛的应用在集成电路制程中，用于制备阻挡层、粘合层及金属氮化物硬掩膜等。常见的使用TiN制备硬掩膜的方法有PVD(PhysicalVapor Deposition，物理气相沉积)和CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)两种。其中，传统PVD方法多采用低温直流磁控溅射技术制备TiN 硬掩膜，该方法具有较高的沉积速率、良好的薄膜均匀性、低污染及高产能等的优势。但是，在28nm以下制程中，随着关键尺寸的变小，沟槽的深宽比越来越大，对TiN材料的刻蚀选择性和形貌控制提出了更高的要求。传统PVD制备的TiN硬掩膜的电阻率高且具有很大的压应力(应力<0，compressive)，从而导致薄膜中的狭窄图案发生扭曲变形。相比传统PVD方法，采用CVD方法制备的TiN硬掩膜的薄膜覆盖率高且具有拉应力(应力>0，tensile)，但是其薄膜杂质多且电阻率高，因此，限制了CVD方法在14nm以下制程中的应用。
由上可知，目前亟需一种能够应用在14nm以下制程中，且获得较高薄膜性能的金属氮化物硬掩膜的制备方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种应力可调的金属氮化物硬掩膜的沉积制备方法。
为实现本发明的目的而提供一种应力可调的金属氮化物硬掩膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将晶圆传送至反应腔室中的基座上，并保持所述基座的温度为预设温度；
步骤S2：向反应腔室内通入工艺气体，并在包含所述金属元素的合金靶材上加载第一直流功率；
步骤S3：继续向所述反应腔室内通入所述工艺气体，并在所述合金靶材上加载第二直流功率，同时，在所述基座上加载射频功率；
循环进行步骤S2以及S3，以使沉积在所述晶圆上的所述金属氮化物硬掩膜达到预设厚度，且使得所述金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。
优选的，所述第一直流功率不大于2000W。
优选的，所述第二直流功率的范围为1000W～5000W。
优选的，所述工艺气体包括氮气和氩气。优选的，所述氮气和所述氩气的流量比的范围为1.2～1.5。
优选的，所述步骤S1还包括：向所述反应腔室内通入清洗气体，以去除所述晶圆表面的杂质。
优选的，所述清洗气体包括氢气、氮气和氩气。
优选的，在进行所述制备方法过程中，所述反应腔室内的压力范围为5～20mT。
优选的，所述金属氮化物为TiAlN，所述合金靶材为TiAl材料靶材。
优选的，根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预设方向为(200)方向。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的应力可调的金属氮化物硬掩膜的制备方法，通过使用合金靶材进行溅射工艺，可以使沉积在晶圆上的所述金属氮化物硬掩膜达到预设厚度，且使得所述金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。与现有技术使用单一金属材料靶材溅射相比，上述制备方法在金属氮化物硬掩膜中引入了新的金属原子替代部分原有的金属原子，以在沉积金属氮化物硬掩膜时，引发晶格畸变，从而使金属氮化物硬掩膜的晶体在预设方向上生长，提高薄膜性能，尤其适用于14nn以下制程。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法流程图；
图2为射频功率对TiAlN薄膜应力的影响趋势图；
图3为现有TiN薄膜和本发明TiAlN薄膜的XRD图谱。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将晶圆传送至反应腔室中的基座上，并保持基座的温度为预设温度；
步骤S2：向反应腔室内通入工艺气体，并在包含金属元素的合金靶材上加载第一直流功率；
步骤S3：继续向反应腔室内通入工艺气体，并在合金靶材上加载第二直流功率，同时，在基座上加载射频功率；
循环进行步骤S2以及步骤S3，以使沉积在晶圆上的金属氮化物硬掩膜达到预设厚度，且使得金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。
其中，步骤S2的主要目的是在晶圆上进行缓冲层的沉积。优选的，步骤S1的第一直流功率不大于2000W，沉积速率的范围为
Figure BDA0002355296970000031
合适的第一直流功率能够增加原子在高密度等离子体中的离化和碰撞，合适的沉积速率有利于金属氮化物硬掩膜在晶圆表面生长时，原子的横向迁移。从而可以使金属氮化物硬掩膜的晶体在晶圆的表面上，沿预设的晶向(200)的方向择优生长。
步骤S3的主要目的是通过调节加载在基座上的射频功率的大小来调节金属氮化物硬掩膜的应力。优选的，步骤S2的第二直流功率的范围为1000W～5000W，射频功率不大于500W，沉积速率的范围为
Figure BDA0002355296970000041
其中，加载在基座上的射频功率可以吸引从合金靶材中溅射出的金属原子对晶圆的表面进行一定的轰击。通常，射频功率越大，轰击力也就越大，通过对薄膜表面进行轰击，可以增加薄膜表面原子的迁移，从而使薄膜的应力从拉应力向压应力的方向转变。同时，还可以抑制柱状晶体生长，减少金属氮化物硬掩膜内部的缺陷。
本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法，通过使用合金靶材进行溅射工艺，可以使沉积在晶圆上的所述金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。传统PVD方法制备的金属氮化物硬掩膜，使用单一金属材料靶材，其晶体的生长晶向为(111)，容易形成柱状晶体和空洞，并且具有很大的压应力(应力<0，compressive)。本发明提供的制备方法通过使用合金靶材在金属氮化物硬掩膜中引入了新的金属原子替代部分原有的金属原子，以在沉积金属氮化物硬掩膜时，引发晶格畸变，从而使金属氮化物硬掩膜的晶体在晶圆的表面上，沿预设的晶向(200)的方向择优生长，避免在薄膜中形成柱状晶体和空洞，给薄膜的应力调控提供更大的窗口，提高薄膜性能，尤其适用于14nn以下制程。
优选的，工艺气体包括氮气和氩气，其中,氮气和氩气的流量比的范围为1.2～1.5，N2的占比不易过高，因为过高的N2占比不利于金属氮化物硬掩膜的应力的控制。
优选的，本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法的步骤S1 还包括：向反应腔室内通入清洗气体，以去除所述晶圆表面的杂质。该步骤的目的是在将晶圆传送至反应腔室中的基座上，并保持基座的温度为预设温度之后，通过对晶圆表面进行原位处理，去除前道工艺在晶圆表面残留的碳元素等杂质。
优选的，清洗气体包括氢气、氮气和氩气。通过引入氢气可以形成氢氧键，阻止氧原子扩散进入金属氮化物硬掩膜形成金属氧化键。而且无需产生等离子体，从而可以减轻由于等离子处理对金属氮化物硬掩膜造成的损伤。
优选的，本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法在金属氮化物硬掩膜达到预设厚度之后，还包括步骤S4：向反应腔室内通入吹扫气体，并停止在合金靶材上加载第二直流功率；同时，停止在基座上加载射频功率。该步骤的目的是通过钝化处理，减少金属氮化物硬掩膜表面的空位及悬挂键使金属氮化物硬掩膜更加致密平滑。而且无需产生等离子体，从而可以减轻由于等离子处理对金属氮化物硬掩膜造成的损伤。其中，吹扫气体包括氢气和氮气，该吹扫气体可以在金属氮化物硬掩膜表面形成化学键，以对其进行钝化处理。
优选的，在进行上述制备方法时反应腔室内的压力范围为 5～20mT。
上述制备方法可以用于TiAlN、TiCrN，TiSiN，AlSiN，CrAlN， CrSiN，TiMnN，TiWN等金属氮化物薄膜的制备。通过引入新的金属原子(如Al、Cr、Si、Mn、W等)，并使其与母材料(如TiN、 AlN、CrN等)形成合金，以进一步提高薄膜的性能。
下面对使用TiAl合金靶材并在晶圆上沉积TiAlN薄膜的实施例进行具体阐述：
步骤S1：将反应腔室抽至高真空(一般＜5×10-6Torr)，将晶圆传送至反应腔室内，并放置在高温(400℃)的基座上；和/或，向反应腔室内通入Ar、N2及H2的混合气体作为清洗气体，Ar流量范围为0～500sccm，优选为100～150sccm；N2流量范围为0～500sccm，优选为100～150sccm；H2流量范围为0～200sccm，优选为50～100sccm。反应腔室的工艺压力维持5～20mTorr。通过引入H2，可以形成O-H 键，从而阻止高温中氧原子扩散进入TiAlN薄膜形成Ti-O键。
步骤S2：向反应腔室内通入Ar及N2的混合气体作为工艺气体， Ar流量范围为0～500sccm，优选为100～150sccm；N2流量范围为 0～500sccm，优选为100～150sccm；混合气体中N2和Ar的流量比控制为1.2～1.5。反应腔室的工艺压力维持在5～20mTorr。在TiAl合金靶材上加载较小的第一直流功率，范围为0～2000W，优选500～1000W；沉积速率控制在
Figure BDA0002355296970000051
该步骤的目的是进行缓冲层的沉积，使金属氮化物硬掩膜的晶体在晶圆的表面上，沿预设的晶向(200)的方向择优生长。
步骤S3：继续向腔室内通入Ar及N2的混合气体，Ar流量范围为0～500sccm，优选为100～150sccm；N2流量范围为0～500sccm，优选为100～150sccm；混合气体中N2和Ar的体积比控制为1.2。腔室的工艺压力维持在5～20mTorr。在TiAl合金靶材上加载较大的第二直流功率，范围为1000～5000W，优选2000～3000W。同时，在基座上加载射频功率，范围为0～500W，优选0～100W；沉积速率控制在
Figure BDA0002355296970000061
该步骤的目的是通过调节加载在基座上的射频功率的大小来调节金属氮化物硬掩膜的应力。其中，射频功率对TiAlN薄膜应力的影响趋势如图2所示。
循环进行步骤S2和S3，使TiAlN薄膜的厚度达到工艺所需的预设值。其中，步骤S2的TiAlN薄膜生长的厚度控制在
Figure BDA0002355296970000062
(埃)，步骤S3的TiAlN薄膜生长的厚度控制在
Figure BDA0002355296970000063
(埃)。
步骤S4：向反应腔室内通入N2及H2的混合气体作为吹扫气体， N2流量范围为0～500sccm，优选为300～500sccm；H2流量范围为 0～200sccm，优选为50～100sccm；反应腔室的工艺压力维持在 150～200mTorr。该步骤的目的是通过减少金属氮化物硬掩膜表面的N空位及悬挂键使金属氮化物硬掩膜更加致密平滑。而且无需产生等离子体，从而可以减轻由于等离子处理对金属氮化物硬掩膜造成的损伤。
采用上述制备方法，获得的TiAlN薄膜的XRD(X-ray diffraction， X射线衍射图谱)如图3所示，TiAlN薄膜的在晶向(200)的方向上产生的衍射峰，比其在晶向(111)的方向上产生的衍射峰更强。可见，通过使用TiAl合金靶材，可以在TiN薄膜中引入新的金属原子Al取代部分Ti原子，从而在沉积金属氮化物硬掩膜时，引发晶格畸变，以使金属氮化物硬掩膜的晶体在晶圆的表面上，沿预设的晶向 200的方向择优生长。此外，新的金属原子Al易于氧化，可以在TiAlN 薄膜的表面形成一层致密的Al2O3保护层，阻止金属氮化物硬掩膜的进一步氧化。从而，本发明提供的金属氮化物硬掩膜的制备方法可以有效提高薄膜性能，尤其适用于14nn以下制程。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种应力可调的金属氮化物硬掩膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将晶圆传送至反应腔室中的基座上，并保持所述基座的温度为预设温度；
步骤S2：向反应腔室内通入工艺气体，并在包含所述金属元素的合金靶材上加载第一直流功率；
步骤S3：继续向所述反应腔室内通入所述工艺气体，并在所述合金靶材上加载第二直流功率，同时，在所述基座上加载射频功率；
循环进行步骤S2以及S3，以使沉积在所述晶圆上的所述金属氮化物硬掩膜达到预设厚度，且使得所述金属氮化物硬掩膜的晶体的生长晶向为预设方向。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一直流功率不大于2000W。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二直流功率的范围为1000W～5000W。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述射频功率不大于500W。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述工艺气体包括氮气和氩气。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氮气和所述氩气的流量比的范围为1.2～1.5。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
向所述反应腔室内通入清洗气体，以去除所述晶圆表面的杂质。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述清洗气体包括氢气、氮气和氩气。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行所述制备方法过程中，所述反应腔室内的压力范围为5～20mT。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氮化物为TiAlN，所述合金靶材为TiAl材料靶材。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预设方向为(200)方向。
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