CN111254411A - 金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构 - Google Patents

金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构。该金属薄膜的制备方法包括：在晶片上形成粘附层，晶片位于腔室内；以及向腔室中通入第一前驱体和第二前驱体，以在粘附层的表面上形成金属薄膜，其中，在通入第一前驱体和第二前驱体之前，对粘附层的表面进行预处理，以提高表面的组分均一性，从而调整金属薄膜的反射率。该金属薄膜的制备方法通过对粘附层表面进行预处理，使得金属薄膜的反射率可控，有利于改善金属薄膜反射率的均匀性和一致性，从而有利于金属薄膜的工业化批量生产。

Description

金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种金属薄膜的制备方法及金属薄膜。
背景技术
随着半导体制造技术的发展，金属被广泛应用于半导体器件中，以金属钨为例，其具有低电阻、硬度高、熔点高等优良特性，且钨在高深宽比的沟槽填充时具有良好的保形性，并且可以充分填充窄沟槽。
在金属薄膜的制备方法中，通常采用氮化钛薄膜(TiN film)作为粘附层，并采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)沉积工艺形成位于粘附层上的金属薄膜。在化学气相沉积工艺过程中，需要对工艺中的多个参数进行实时监控，以保证最终形成的金属薄膜的品质。其中，金属薄膜的反射率(reflectivity)是十分重要的参数，其表征金属薄膜的表面平整度，当反射率低时，表征金属薄膜的表面平整度低，当反射率高时，表征金属薄膜的表面平整度高，反射率随金属薄膜的表面平整度增高而增大。
然而，对于传统的金属薄膜的制备方法，其制备出的金属薄膜的反射率往往存在很大的不稳定性，如图1所示，当形成厚度为480nm的金属薄膜样品时，十个样品中出现了一个非正常样品，与正常样品相比，其反射率高，且表面平整度高。此外，在另外一些未示出的金属薄膜样品中，还可能出现一些非正常样品，其反射率低于正常样品的反射率。对于上述两种情况的一些非正常样品，其表面平整度优于/劣于正常样品，与正常样品的表面平整度差异过大，而对于半导体批量制造的工艺来讲，其要求每一个产品的品质相近似，因此，传统的金属薄膜的制备方法存在不稳定性。
为此，期望提出一种进一步改进的金属薄膜的制备方法，以对金属薄膜的反射率进行调控，从而改善金属薄膜反射率的均匀性。·
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构，从而可以对金属薄膜的反射率进行调控。
根据本发明的第一方面，提供一种金属薄膜的制备方法，包括：在晶片上形成粘附层，所述晶片位于腔室内；以及向所述腔室中通入第一前驱体和第二前驱体，以在所述粘附层的表面上形成金属薄膜，其中，在通入所述第一前驱体和所述第二前驱体之前，对所述粘附层的所述表面进行预处理，以提高所述表面的组分均一性，从而调整所述金属薄膜的反射率。
优选地，所述第二前驱体为还原气体，对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中通入所述第二前驱体，并使所述粘附层的所述表面充分吸收所述第二前驱体，以提高所述表面的所述第二前驱体的所述组分均一性。
优选地，所述第一前驱体为腐蚀性气体，对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中通入所述第一前驱体，以使所述粘附层的所述表面的氧化物被所述第一前驱体腐蚀，以提高所述表面的所述粘附层的所述组分均一性。
优选地，对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中提供所述粘附层之后，将所述粘附层在晶片盒内放置等待时间(Q time)，以在所述粘附层的所述表面均匀形成氧化物，从而提高所述表面的所述氧化物的所述组分均一性。
优选地，所述粘附层的材料为氮化钛。
优选地，提供所述粘附层的方法包括：采用原子层沉积工艺在所述晶片上形成所述粘附层。
根据本发明的第二方面，提供一种金属薄膜结构，包括：位于晶片上的粘附层；以及形成于所述粘附层之上的金属薄膜，其中，所述粘附层与所述金属薄膜接触的表面经过预处理，以提高所述表面的组分均一性，从而调整所述金属薄膜的反射率。
优选地，所述预处理包括：所述粘附层的所述表面预先暴露于乙硼烷气体或六氟化钨气体中，或所述粘附层在晶片盒内放置等待时间。
优选地，所述粘附层的所述表面吸附有乙硼烷气体或六氟化钨气体，或所述粘附层的所述表面形成有均匀分布的氧化物。
优选地，所述粘附层为采用原子层沉积工艺形成的氮化钛粘附层。
本发明提供的金属薄膜的制备方法及金属薄膜结构，通过对粘附层表面进行预处理，以提高粘附层表面的组分均一性，例如控制等待时间的长短和粘附层表面氧含量的高低，从而使得金属薄膜的反射率可控且具有更高的稳定性，有利于改善金属薄膜反射率的均匀性和一致性，从而有利于金属薄膜的工业化批量生产。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了厚度为480nm的金属薄膜样品的反射率曲线图；
图2示出了等待时间与反射率的关系曲线图；
图3示出了等待时间分别与粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量的关系曲线图；
图4示出了等待时间与粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量的比值的关系示意图；
图5a和5b分别示出了金属薄膜样品的制备过程的示意图；
图6a示出了在不同等待时间下金属薄膜样品的照片；
图6b示出了在不同等待时间下金属薄膜样品中的晶粒尺寸的分布图；
图7示出了根据本发明实施例的金属薄膜的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图2示出了等待时间与反射率的关系曲线图。在图2中，横坐标表征样品从形成粘附层到金属薄膜生长完成的等待时间，单位为小时，纵坐标表征反射率(ratio)，其中，当样品反射率低，则表征其表面平整度低，当样品反射率高，则表征其表面平整度高。
由图2中曲线的变化趋势可知，样品的反射率与其等待时间相关，具体的，反射率随等待时间的延长而降低。例如，若设定表征样品是否合格的反射率阈值范围，则当等待时间不超过36小时时，样品均为非正常样品，当等待时间不小于38小时时，样品均为正常样品。以下图形和具体数据都仅为其中一个或多个实验组的示例性给出，并不作为对本申请的范围限制。
本申请的发明人发现了上述变化规律，并对该规律的具体机理进行了多组样品试验，进一步发现了粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量与等待时间有关，并且金属薄膜样品中的晶粒尺寸与等待时间有关。
图3示出了等待时间分别与粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量的关系曲线图；图4示出了等待时间与粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量的比值的关系示意图；图5a和5b分别示出了金属薄膜样品的制备过程的示意图。
在图3和图4中，为了使曲线的变化趋势更加明显，增大了等待时间的范围，并选取了6组具有代表性的实验数据，其中，选取了等待时间分别为4.36h、17.83h、18.83h、42.83h、214.83h和340.76h时制备的样品，来研究等待时间分别与氧元素含量和氮元素含量的关系。
由图3中曲线的变化趋势可知，粘附层表面的氧元素含量随等待时间的延长而增加，氮元素含量随等待时间的延长而减少。由图4中曲线的变化趋势可知，粘附层表面的氧元素含量和氮元素含量的比值随等待时间的延长而增大。
通过图3和图4所示的变化规律，本申请的发明人进一步发现TiN(氮化钛)粘附层表面易吸附空气中的水气从而形成TiONx(氮氧化钛)，且当等待时间不小于40小时时，形成的TiONx会在粘附层表面均匀分布。
对于采用化学气相沉积工艺的金属薄膜样品的制备过程，以形成钨薄膜(W Film)的化学气相沉积工艺为例，采用的前驱源例如是WF6(六氟化钨)，采用的还原气体例如是SiH4(硅烷)或B2H6(乙硼烷)。而对于采用B2H6的还原气体，TiONx对B2H6的分解产物有较强的吸附作用。因此，如图5a所示，当粘附层101表面的氧元素含量较低时，TiONx吸附B2H6的分解产物较少，钨薄膜均匀生长，表面平整度高，导致反射率偏高；如图5b所示，当粘附层101表面的氧元素含量较高时，B2H6的分解产物大量被吸附，使得钨薄膜在TiN粘附层表面不均匀生长，钨薄膜表面平整度低，导致反射率偏低。
图6a示出了在不同等待时间下金属薄膜样品的照片；图6b示出了在不同等待时间下金属薄膜样品中的晶粒尺寸的分布图。
在图6a中，制备金属薄膜样品1所经历的等待时间为2小时，制备金属薄膜样品2所经历的等待时间为100小时，从其显微照片中可以明显看出，随着等待时间的延长，金属薄膜样品的晶粒尺寸变大，且晶粒尺寸的均匀度降低。具体的，对相同面积的金属薄膜样品1和金属薄膜样品2中的晶粒尺寸进行统计，得到表1和图6b，表1示出了金属薄膜样品1和金属薄膜样品2中的晶粒尺寸参数。
表1
Figure BDA0002374865150000051
由表1可知，随等待时间的延长，相比于金属薄膜样品1，金属薄膜样品2的平均晶粒尺寸明显增大，且晶粒个数减少。由图6b可知，当等待时间为2小时时，金属薄膜样品1中的晶粒尺寸大于0且小于0.15μm，其中，绝大多数晶粒的晶粒尺寸分布在0.05μm以下；当等待时间为100小时时，金属薄膜样品2中的晶粒尺寸大于0且小于0.25μm，其中，晶粒的个数分布随晶粒尺寸的增大而在整体上呈现下降的趋势，但该下降趋势不显著，也就是说，在金属薄膜样品2中，晶粒尺寸趋于大小不一致。
根据图6a、图6b以及表1可以得出结论：随等待时间的延长，金属薄膜样品的晶粒尺寸的范围变大，且晶粒尺寸趋于不一致，因此造成了反射率随等待时间的延长而降低。
综上所述，造成金属薄膜反射率变化的因素至少包括等待时间的长短、粘附层表面氧含量的高低和晶粒尺寸的分布，其中，等待时间可以影响粘附层表面氧含量的高低和晶粒尺寸的分布，等待时间的长短和粘附层表面氧含量的高低为可控因素，粒尺寸的分布是前述可控因素导致的结果。
因此，本申请的发明人提供了一种金属薄膜的制备方法以及根据该金属薄膜制备方法所形成的金属薄膜，通过控制等待时间的长短和粘附层表面氧含量的高低，可以提高粘附层表面的组分均一性，其中，不同元素或材料的组分均一可以提高或降低金属薄膜的反射率，从而使得金属薄膜的反射率可控，有利于改善多个金属薄膜之间的反射率的均匀性和稳定性，从而有利于金属薄膜的工业化批量生产。
下面结合附图和实施例，对本发明的金属薄膜的制备方法作进一步详细描述。
图7示出了根据本发明实施例的金属薄膜的制备方法的流程图。
在步骤S101中，在晶片上形成粘附层。在本发明实施例中，晶片位于腔室中，腔室例如是常规的化学气相沉积工艺中所使用的反应腔室，其具有用于放置晶片的基底。在该步骤中，例如采用化学气相沉积工艺在晶片上形成粘附层。可选的，采用物理气相沉积工艺中在晶片上形成粘附层，有利于降低氧附着到粘附层形成氧化物的概率，从而有利于提高金属薄膜的反射率。
在步骤S102中，对粘附层的表面进行预处理。在该步骤中，进行预处理的目的是提高后续步骤中形成的金属薄膜的反射率的均匀性，为此，需要使粘附层表面的氧化物均匀分布、被腐蚀、或使粘附层表面吸附的还原气体及其分解产物均匀分布。
在一个示例中，若化学气相沉积工艺中采用的还原气体为乙硼烷气体，则在腔室中通入乙硼烷气体，并使粘附层的表面充分吸收乙硼烷气体。在该示例中，在粘附层的表面充分吸收乙硼烷气体有利于改善粘附层表面的乙硼烷分子的分布，可以提高乙硼烷分子在粘附层表面的组分均一性，从而改善金属薄膜的表面平整度和反射率。
在另一个示例中，若化学气相沉积工艺中采用的前驱源为六氟化钨气体，则在腔室中通入六氟化钨气体，以使粘附层的表面的氧化物被六氟化钨气体腐蚀。在该示例中，由于粘附层表面的氧化物被腐蚀，因此提高了粘附层的材料(例如氮化钛)在粘附层表面的组分均一性，可以改善金属薄膜的表面平整度和反射率。
在又一个示例中，对粘附层进行预处理的方法包括：在腔室中形成粘附层之后，将粘附层在晶片盒内放置等待时间，以在粘附层的表面均匀形成氧化物。可选的，等待时间不小于40小时。在该示例中，由于在粘附层的表面均匀形成了氧化物，可以提高氧化物在粘附层表面的组分均一性，因此可以降低金属薄膜的表面平整度和反射率。在本发明实施例中，晶片盒例如是前开式晶圆传送盒(Front Opening Unified Pod,FOUP)，以避免晶片和粘附层被空气污染。
在上述示例中，分别提供了改善和降低金属薄膜的表面平整度和反射率的方法。若在工艺过程中，检测到金属薄膜的反射率偏低或偏高，可以根据检测的结果适应性的采用不同的方法，以改善或降低金属薄膜的表面平整度和反射率，从而有利于提高制备出的多个金属薄膜的表面平整度和反射率的均匀性。
在上述示例中，以形成钨薄膜为例提供了一些进行预处理的示例，应当理解，在另外一些示例中，当形成其他金属材料的金属薄膜时，同样可以采用类似的预处理方法对粘附层进行预处理。例如，在硅薄膜(Si Film)的沉积过程中，采用第一前驱体为氯化硅气体SiCl4，第二前驱体为氢气H2，那么可以采用氯化硅气体或氢气对粘附层表面进行预处理，或将粘附层在晶片盒内放置等待时间，以达到提高粘附层表面的组分均一性的目的。
在步骤S103中，向腔室中通入第一前驱体和第二前驱体，以在粘附层的表面上形成金属薄膜。以形成钨薄膜为例，在化学气相沉积中采用的第一前驱体(前驱源)例如是六氟化钨WF6，采用的第二前驱体(还原气体)例如是氢气H2、硅烷SiH4或乙硼烷B2H6。应当理解，本申请对金属薄膜的种类以及第一前驱体和第二前驱体的种类不做限制。
根据本发明实施例的另外一方面，还提供了一种金属薄膜结构，包括：位于晶片上的粘附层；以及形成于粘附层之上的金属薄膜，其中，粘附层与金属薄膜接触的表面经过预处理，以提高表面的组分均一性，从而调整金属薄膜的反射率。可选的，该金属薄膜结构采用步骤S101至S103所示的步骤形成，从而粘附层的表面吸附有乙硼烷气体或六氟化钨气体，或粘附层的表面形成有均匀分布的氧化物。可选的，粘附层为采用原子层沉积工艺形成的氮化钛粘附层。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种金属薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
在晶片上形成粘附层，所述晶片位于腔室内；以及
向所述腔室中通入第一前驱体和第二前驱体，以在所述粘附层的表面上形成金属薄膜，
其中，在通入所述第一前驱体和所述第二前驱体之前，对所述粘附层的所述表面进行预处理，以提高所述表面的组分均一性，从而调整所述金属薄膜的反射率。
2.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述第二前驱体为还原气体，对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中通入所述第二前驱体，并使所述粘附层的所述表面充分吸收所述第二前驱体，以提高所述表面的所述第二前驱体的所述组分均一性。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述第一前驱体为腐蚀性气体，对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中通入所述第一前驱体，以使所述粘附层的所述表面的氧化物被所述第一前驱体腐蚀，以提高所述表面的所述粘附层的所述组分均一性。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
对所述粘附层进行预处理的方法包括：在所述腔室中提供所述粘附层之后，将所述粘附层在晶片盒内放置等待时间，以在所述粘附层的所述表面均匀形成氧化物，从而提高所述表面的所述氧化物的所述组分均一性。
5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述粘附层的材料为氮化钛。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，提供所述粘附层的方法包括：采用原子层沉积工艺在所述晶片上形成所述粘附层。
7.一种金属薄膜结构，其特征在于，包括：
位于晶片上的粘附层；以及
形成于所述粘附层之上的金属薄膜，
其中，所述粘附层与所述金属薄膜接触的表面经过预处理，以提高所述表面的组分均一性，从而调整所述金属薄膜的反射率。
8.根据权利要求7所述的金属薄膜结构，其特征在于，所述预处理包括：所述粘附层的所述表面预先暴露于第一前驱体或第二前驱体中，或所述粘附层在晶片盒内放置等待时间。
9.根据权利要求7所述的金属薄膜结构，其特征在于，所述粘附层的所述表面吸附有乙硼烷气体或六氟化钨气体，或所述粘附层的所述表面形成有均匀分布的氧化物。
10.根据权利要求7所述的金属薄膜结构，其特征在于，所述粘附层为采用原子层沉积工艺形成的氮化钛粘附层。
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