CN1133900A - 改善含碳和氧的氮化钛层质量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备氮化钛(TiN)层的方法，包括的步骤为：用原材料形成TiN层；将TiN层置于氢气和氮气的等离子体中。本发明通过消除TiN层中的杂质和减少TiN层中的气孔率，降低了TiN层的电阻率，从而提高了TiN层的电学稳定性。

Description

改善含碳和氧的氮化 钛层质量的方法
本发明涉及一种改善氮化钛(TiN)层质量的方法，TiN层通常用作钨的粘结层和敷铝过程中的扩散阻挡层，特别是涉及一种去除存在于TiN层中的碳和氧原子的方法。
通常，在半导体制造工艺中，TiN层广泛地用作扩散阻挡层和粘结层。制备TiN层的方法一般有两种，一种是物理气相沉积技术(以下简称PVD法)，另一种是化学气相沉积技术(以下简称CVD法)。然而，人们通常采用CVD法来形成TiN层，因为该方法具有优良的台阶覆盖效果。
TiN层是通过热解诸如四二甲胺基钛(TDMAT)和四二乙胺基钛(TDEAT)等原材料得到的，所沉积的TiN层为多孔结构。
但是，由于采用热解方法得到的TiN层含有碳化物和氧化物，因此TiN层具有104μohm-cm或者更大的电阻率。同时，由于其多孔性，当TiN层暴露于空气中时，TiN层会吸收水份和氧气。在暴露约24小时的条件下，TiN层的电阻率是未经暴露的TiN层电阻率的3.5倍。TiN层的质量因此而恶化。
本发明的目的是提供一种采用等离子气体消除暴露于空气中的TiN层中的杂质，从而降低其电阻率的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种制备TiN层的方法，其包括的步骤为：以原材料形成TiN层；将TiN层暴露于氢和氮等离子气体中。
根据本发明的另一个方面，提供一种制备TiN层的方法，其包括的步骤为：以原材料形成TiN层；将TiN层暴露于氢等离子气体中。
下文将描述本发明的一个实施例。
首先，采用CVD方法，通过热解TDMAT和TDEAT沉积TiN层。然后，利用氮气和氢气对TiN层进行初次等离子处理。也就是说，TiN层暴露于氮气和氢气中。
在优选实施例中，初次等离子处理的条件如下：
1)氮气量：100-500标准立方厘米
2)氢气量：100-500标准立方厘米
3)温度：200-500℃
4)压力：0.5-5乇
5)射频(RF)功率：200-700瓦
6)处理时间：10-60秒
对于TiN层的初次等离子处理是在合成TiN层的工作室中或者紧随TiN层暴露于空气中而放入另一工作室中完成的，没有时间上的延迟。
对TiN层进行初次处理后，采用氮气进行第二次等离子处理。
在优选实施例中，第二次等离子处理的条件如下：
1)氮气量：100-500标准立方厘米
3)温度：200-500℃
4)压力：0.5-5乇
5)射频(RF)功率：200-700瓦
6)处理时间：10-60秒
在初次等离子处理中，激活的氢离子渗透进入TiN层，使TiN层中的-C≡N，＝C＝N-和＝C＝O根的键断裂，从而与分裂出来的碳和氧原子发生化合。另一方面，由化合形成的副产物包括CH4和H2O，这些副产物将逸出TiN层。
此外，被激发的氮离子阻止了TiN层对存在于工作室中的氧离子的吸收，并占据逸出的CH4和H2O所形成的空位。
在进行了初次等离子处理的TiN层上再进行第二次等离子处理，使氮原子最大限度地占据TiN层。
等离子处理的结果使钛和氮相结合。因此，经过等离子处理的TiN层的密度要高于未经过等离处理的TiN层，并且能够获得具有较低的电阻率的TiN层。
表1描述了TiN层的电阻率随其形成后暴露于空气的时间的变化。
表(1)TiN层的电阻率
暴露于空气的时间            电阻率(μohm-cm)
   未经等离子处理 经过等离子处理
   0小时     19706     2714
   22小时     70044     3922
   47小时     93376     4249
   73小时     112009     4444
初次等离子处理：           第二次等离子处理：
1)温度：450℃               1)温度：450℃
2)压力：2乇                 2)压力：2乇
3)射频功率：350瓦           3)射频功率：350瓦
4)氢气：200标准立方厘米     4)氮气：300标准立方厘米
5)氮气：300标准立方厘米     5)时间：30秒
6)时间：30秒
在表1中，第二次等离子处理除了只采用300标准立方厘米的氮气等离子体外，与初次等离子处理的条件相同。
从表1中可以看出TiN层的电阻率有相当显著的下降。
此外，表2列出了TiN层的应力变化，表3列出了TiN层中氧原子和碳原子的减少情况。
表(2)TiN层的应力情况
    未经等离子处理     经过等离子处理
延迟时间   0小时         24小时   0小时            24小时
应力(达因/平方厘米) -9.00E+08     -1.30E+09 -6.70E+09        -7.70E+09
应力变化比率(％)           44％             15％
表(3)TiN层的成份
 未经等离子处理(原子百分数)   经过等离子处理(原子百分数)
 Ti       37       45
 C       29       18
 N       21       27
 O       13       10
下文将描述本发明的另一实施例。
对通过热解TDMAT和TDEAT沉积而成的TiN层进行只包含氮气和氢气中的一种等离子气体的等离子处理。在此，所有处理条件与上文所述实施例相同。
当然，根据TiN层的特点，可以只采用两步等离子处理中的一步。
如上所述，本发明通过消除TiN层中的杂质和减少TiN层中的孔隙，获得了降低TiN层的电阻率的效果。因此，本发明可以提高TiN层的电学稳定性。
虽然为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，但是，本专业技术领域的人员应当理解，在不偏离本发明权利要求书的范围和精神的前提下，可以作出各种改进、添加和替代。

Claims (16)

1、一种制备氮化钛(TiN)层的方法，包括以下步骤：
用原材料形成TiN层；
将该TiN层暴露于氢气和氮气的等离子体中。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，TiN层的暴露步骤是在温度为200～500℃，压力为0.5～5乇，射频功率为200～700瓦的工作室中进行的。
3、根据权利要求2所述的方法，其中，氢和氮等离子气体的量分别为100-500标准立方厘米。
4、根据权利要求2所述的方法，其中，TiN层的暴露步骤持续10～60秒。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，TiN层的暴露步骤还包括将其再暴露于氮等离子气体中的步骤。
6、根据权利要求5所述的方法，其中，将TiN层再暴露于氮等离子气体中的步骤是在温度为200～500℃，压力为0.5～5乇，射频功率为200～700瓦的工作室中进行的。
7、根据权利要求5所述的方法，其中，再暴露步骤中的氮等离子气体的量为100-500标准立方厘米。
8、根据权利要求5所述的方法，其中，再暴露TiN层的步骤持续10～60秒。
9、一种制备TiN层的方法，包括以下步骤：
用原材料形成TiN层；
将TiN层暴露于氢气等离子体中。
10、根据权利要求9所述的方法，其中，将TiN层暴露的步骤是在温度为200～500℃，压力为0.5～5乇，射频功率为200～700瓦的工作室中进行的。
11、根据权利要求10所述的方法，其中，氢气等离子体的量为100-500标准立方厘米。
12、根据权利要求10所述的方法，其中，暴露TiN层的步骤持续10～60秒。
13、根据权利要求9所述的方法，其中，暴露TiN层的步骤还包括将该TiN层再暴露于氮气等离子体中的步骤。
14、根据权利要求13所述的方法，其中，将TiN层再暴露于氮气等离子体中的步骤是在温度为200～500℃，压力为0.5～5乇，射频功率为200～700瓦的工作室中进行的。
15、根据权利要求13所述的方法，其中，再暴露步骤中的氮气等离子体的量为100-500标准立方厘米。
16、根据权利要求13所述的方法，其中，再暴露TiN层的步骤持续10～60秒。
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