CN117821940A - 薄膜沉积方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜沉积方法和装置，方法包括：S1：在腔室内放置衬底；向腔室通入氢气，控制等离子发生器解离氢气生成氢原子，以使氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物；S2：向腔室通入第一反应源，以使第一反应源附着在衬底表面；轰击第一反应源，以使第一反应源中的有机化合物基团断裂离开衬底表面，使第一反应源中的金属原子留在衬底表面；S3：向腔室通入第二反应源；控制等离子发生器解离第二反应源，生成含氮等离子体，以使含氮等离子体与金属原子反应形成金属氮化物薄膜；S4：交替重复S2‑S3直到金属氮化物薄膜达到预设厚度。该方法用于在衬底的表面沉积薄膜，从而提升半导体器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种薄膜沉积方法和装置。
背景技术
对于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺，在前道晶体管部分以及晶体管到金属导线的接触工艺完成之后，就会进入后道金属层互连制程。金属互连制程目前主要采用铝和铜作为互连材料，同时主要采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)来完成工艺。接着就是在金属互连层表面采用双大马士革镶嵌工艺形成通孔和沟槽结构，随后在通孔和沟槽结构内部形成扩散阻挡层。扩散阻挡层通常采用金属氮化物。因为整体器件具有通孔和沟槽的原因，扩散阻挡层的制备需要非常高的一致性和覆盖率，因此选用具有自限制特性的原子层沉积(Atomic layerdeposition，ALD)来完成。
目前，在PVD和ALD这两道工艺实施过程中，互联层和扩散阻挡层都极其容易与氧发生反应，被氧化的互联层和扩散阻挡层电阻率普遍增大，漏电流也随之增大，导致器件的可靠性降低。因此，亟需一种薄膜沉积方法和装置以改善上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜沉积方法和装置，该方法用于在衬底的表面沉积薄膜，从而提升半导体器件的可靠性。
第一方面，本发明提供一种薄膜沉积方法，包括：S1：在腔室内放置衬底；向所述腔室通入氢气，控制等离子发生器解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物；S2：向所述腔室通入第一反应源，以使所述第一反应源附着在所述衬底表面；轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面；S3：向所述腔室通入第二反应源；控制所述等离子发生器解离所述第二反应源，生成含氮等离子体，以使所述含氮等离子体与所述金属原子反应形成金属氮化物薄膜；S4：交替重复S2-S3直到所述金属氮化物薄膜达到预设厚度。
本发明提供的方法的有益效果为：本发明完全兼容ALD设备；通过向所述腔室通入氢气，控制等离子发生器解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物可以充分还原腔室环境，使腔室内的杂质含量降低，能够还原互连层的金属表面，保证后续CMOS器件的可靠性；同时减少金属氮化物的杂质含量，增大金属氮化物的电导率。本发明通过轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面，有利于获得高纯度的金属氮化物薄膜，从而能够增大金属氮化物薄膜的电导率；通过增大电导率减小漏电流，有利于提升CMOS器件的可靠性。
可选的，所述S1、S2和S3执行完之后均还向所述腔室通入惰性气体，所述惰性气体用于排出所述腔室内的副产物和过剩的反应物。
可选的，向所述腔室通入第一反应源前，还包括：获取腔室内氧气的含量值；若所述氧气的含量值高于预设氧含量值，继续向所述腔室通入惰性气体；若所述氧气的含量值不高于预设氧含量值，执行S2。
可选的，执行所述S1前，在所述衬底的表面形成互连层或扩散阻挡层。
可选的，所述第一反应源和所述第二反应源均呈流体状；所述第一反应源包括含钛或者钽的金属有机化合物；所述第二反应源包括氨气。
可选的，所述惰性气体包括氩气。
第二方面，本发明提供一种薄膜沉积装置，用于执行所述第一方面中任一项所述的方法，包括腔室、等离子发生器、喷淋器、氢气阀、第一反应源阀、第二反应源阀；所述腔室内设有样品座，用于装载衬底；所述氢气阀与所述腔室连通，所述氢气阀开启时用于向所述腔室通入氢气；所述等离子发生器位于所述腔室外侧，用于解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物；所述第一反应源阀与所述腔室连通，所述第一反应源阀开启时用于向所述腔室通入第一反应源；所述喷淋器位于所述腔室内侧；用于轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面；所述第二反应源阀与所述腔室连通，所述第二反应源阀开启时用于向所述腔室通入第二反应源；所述等离子发生器，还用于解离所述第二反应源，生成含氮等离子体，以使所述含氮等离子体与所述金属原子反应形成金属氮化物薄膜。
可选的，所述第一反应源阀连通有第一惰性气体阀；所述第二反应源阀连通有第二惰性气体阀；所述氢气阀连通有第三惰性气体阀；所述第一惰性气体阀、所述第二惰性气体阀和所述第三惰性气体阀开启时均用于向所述腔室通入惰性气体，以排出所述腔室内的副产物和过剩的反应物。
可选的，所述腔室的一侧设有气体分析模块；所述气体分析模块用于获取腔室内氧气的含量值。
可选的，所述腔室连接有传样室；所述传样室设有传样模块，用于装载或卸载所述衬底。
可选的，腔室连接有真空模块；所述真空模块用于排出所述腔室内的气体；所述样品座连接有加热模块，用于将所述腔室加热至预设温度区间。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于保护衬底的沉积薄膜的方法的流程示意图；
图2为本发明提供的生成氢氧化合物的结构示意图；
图3为本发明提供的氢氧化合物已脱离衬底表面的结构示意图；
图4为本发明提供的第一反应源附着在衬底表面的结构示意图；
图5为本发明提供的金属原子留在衬底表面的结构示意图；
图6为本发明提供的含氮等离子体与衬底表面的金属原子反应的结构示意图；
图7为本发明提供的单层金属氮化物薄膜的结构示意图；
图8为本发明提供的双层金属氮化物薄膜的结构示意图；
图9为本发明提供的一种用于保护衬底的沉积薄膜的装置的结构示意图；
图10为本发明提供的一种具有传样室的用于保护衬底的沉积薄膜的装置的结构示意图。
图中标号：
200、等离子发生器；201、第一反应源阀；202、加热模块；203、第二反应源阀；204、第一惰性气体阀；205、气体分析模块；206、氢气阀；207、传样室；208、腔室；209、真空模块；210、样品座；211、第二惰性气体阀；212、第三惰性气体阀；213、喷淋器；214、第四惰性气体阀；
2001、衬底表面；2002、金属有机化合物；2003、氢原子；2004、氧原子；2005、金属原子；2006、含氮等离子体；2007、金属氮化物薄膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
图1为本发明提供的一种用于保护衬底的沉积薄膜的方法的流程示意图。
为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种薄膜沉积方法，包括如下步骤：
S1：在腔室内放置衬底。向所述腔室通入氢气，控制等离子发生器解离所述氢气生成氢原子2003，以使所述氢原子2003与衬底表面2001的氧原子2004反应生成氢氧化合物。
S2：向所述腔室通入第一反应源，以使所述第一反应源附着在所述衬底表面2001。轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面2001，使所述第一反应源中的金属原子2005留在所述衬底表面2001。
S3：向所述腔室通入第二反应源。控制所述等离子发生器解离所述第二反应源，生成含氮等离子体2006，以使所述含氮等离子体2006与所述金属原子2005反应形成金属氮化物薄膜2007。
S4：交替重复S2-S3直到所述金属氮化物薄膜2007达到预设厚度。
在一些实施例中，执行所述S1前，在所述衬底的表面形成互连层或扩散阻挡层。
一些具体实施例中，在所述衬底的表面形成互连层。所述互连层的材质为铝或者铜。
另一些具体实施例中，在所述衬底的表面形成扩散阻挡层。
在一些实施例中，在腔室内放置衬底前，将所述腔室加热至预设温度区间。
一些具体实施例中，所述预设温度区间设为100摄氏度至200摄氏度。
图2为本发明提供的生成氢氧化合物的结构示意图。
在S1中，如图2所示，向所述腔室通入的氢气被等离子发生器解离生成氢原子2003，所述氢原子2003通过喷淋器输送到所述衬底的表面。氢原子2003与衬底表面2001的氧原子2004反应生成氢氧化合物。
在一些实施例中，向所述腔室通入第一反应源前，还包括：获取腔室内氧气的含量值。若所述氧气的含量值高于预设氧含量值，继续向所述腔室通入惰性气体。若所述氧气的含量值不高于预设氧含量值，执行S2。
在一些实施例中，所述惰性气体包括氩气。
在一些具体实施例中，所述惰性气体为氦气。
在一些具体实施例中，所述惰性气体为氩气和氦气的混合气。
图3为本发明提供的氢氧化合物已脱离衬底表面的结构示意图。
在一些实施例中，所述互连层表面的氧原子2004被完全反应为氢氧化合物。向所述腔室通入惰性气体的同时，通过抽真空排出所述腔室内的流体。如图3所示，所述互连层表面洁净无杂质。这种设置有利于排尽所述腔室中的气体，减少参与S2的气体杂质。
图4为本发明提供的第一反应源附着在衬底表面的结构示意图。图5为本发明提供的金属原子留在衬底表面的结构示意图。
在S2中，如图4所示，第一反应源附着在所述衬底表面2001。如图5所示，轰击所述第一反应源后，所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面2001，所述第一反应源中的金属原子2005留在所述衬底表面2001。
具体的，所述第一反应源在衬底表面2001吸附至饱和或与衬底表面2001的活性基团反应至饱和得到含钛的金属有机化合物2002，所得结构如图5所示。然后向腔室内持续通入氩气，通过等离子发生器解离出氩原子，并经由喷淋器轰击金属有机化合物2002，其中易挥发的有机化合物基团断裂离开衬底表面，金属钛原子2005留在衬底表面。
在一些实施例中，所述第一反应源呈流体状。所述第一反应源包括含钛或者钽的金属有机化合物2002。
具体的，所述第一反应源为四乙基氨基钽(Pentakis Di Ethyl Amido Tantalum，PDEAT)。所述金属原子2005为钽原子。
另一些具体实施例中，所述第一反应源为四乙基氨基钛。所述金属原子2005为钛原子。
又一些具体实施例中，所述第一反应源为四乙基氨基钛和四乙基氨基钽的混合物。所述金属原子2005为钽原子和钛原子。
在S3中，所述第二反应源呈流体状。所述第二反应源包括氨气。
具体的，所述第二反应源为氨气。所述氨气被离子发生器解离为氨等离子体。所述氨等离子体与所述金属原子2005反应形成金属氮化物薄膜2007和反应副产物。所述反应副产物为氢气或氢原子2003。
另一些具体实施例中，所述第二反应源为氨气和一氧化碳的混合气。
图6为本发明提供的含氮等离子体与衬底表面的金属原子反应的结构示意图。图7为本发明提供的单层金属氮化物薄膜的结构示意图。
值得说明的是，如图6和图7所示，所述氮等离子体与所述金属原子2005反应形成一层金属氮化物薄膜2007。
在一些实施例中，所述S1、S2和S3执行完之后均还向所述腔室通入惰性气体，所述惰性气体用于排出所述腔室内的副产物和过剩的反应物。
具体的，S1执行完之后还向所述腔室通入惰性气体。所述惰性气体用于排出所述腔室内的氢氧化合物和未参与反应的氢原子2003以及氢气。
具体的，S2执行完之后还向所述腔室通入惰性气体。所述惰性气体用于排出所述腔室内的机化合物基团和未参与反应的第一反应源。
具体的，S3执行完之后还向所述腔室通入惰性气体。所述惰性气体用于排出所述腔室内的含氮等离子体2006、反应副产物和未参与反应的第二反应源。
图8为本发明提供的双层金属氮化物薄膜的结构示意图。
在S4中，如图8所示，通过重复一次S2-S3，所述氮等离子体与所述金属原子2005反应形成两层金属氮化物薄膜2007。
值得说明的是，通过重复N次S2-S3，所述氮等离子体与所述金属原子2005反应形成N+1层金属氮化物薄膜2007。N为任意正整数。
在一些实施例中，S4还包括，测量所述金属氮化物薄膜2007的厚度。当所述金属氮化物薄膜2007的厚度小于预设厚度，继续交替重复S2-S3。当所述金属氮化物薄膜2007的厚度等于或等于预设厚度，结束S4，取出腔室内的衬底。
值得说明的是，本发明完全兼容ALD设备，利用ALD的自限制反应优点，不会损害器件本身。通过向所述腔室通入氢气，控制等离子发生器解离所述氢气生成氢原子2003，以使所述氢原子2003与衬底表面2001的氧原子2004反应生成氢氧化合物可以充分还原腔室环境，使腔室内的杂质含量降到最低，能够还原互连层的金属表面为纯金属，保证后续CMOS器件的可靠性。同时减少金属氮化物的杂质含量，增大金属氮化物的电导率。本发明通过轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面2001，使所述第一反应源中的金属原子2005留在所述衬底表面2001，有利于获得高纯度的金属氮化物薄膜2007，从而能够增大金属氮化物薄膜2007的电导率；通过增大电导率减小漏电流，有利于提升CMOS器件的可靠性。
本发明还提供一种薄膜沉积装置，用于所述上述实施例中任一项所述的方法，包括腔室208、等离子发生器200、喷淋器213、氢气阀206、第一反应源阀201、第二反应源阀203。所述腔室208内设有样品座210，用于装载衬底。所述氢气阀206与所述腔室208连通，所述氢气阀206开启时用于向所述腔室208通入氢气。所述等离子发生器200位于所述腔室208外侧，用于解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物。所述第一反应源阀201与所述腔室208连通，所述第一反应源阀201开启时用于向所述腔室208通入第一反应源。所述喷淋器213位于所述腔室208内侧。用于轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面。所述第二反应源阀203与所述腔室208连通，所述第二反应源阀203开启时用于向所述腔室208通入第二反应源。所述等离子发生器200，还用于解离所述第二反应源，生成含氮等离子体，以使所述含氮等离子体与所述金属原子反应形成金属氮化物薄膜。
图9为本发明提供的一种用于保护衬底的沉积薄膜的装置的结构示意图。具体的，如图9所示，所述等离子发生器200设于所述腔室208的外侧顶端。所述喷淋器213设于所述腔室208的内侧顶端。所述等离子发生器200用于将所述喷淋器213中的流体解离为等离子态。所述第一反应源阀201、所述第二反应源阀203和所述氢气阀206均与所述喷淋器213连通。所述样品座210位于所述喷淋器213的正下方。
值得说明的是，所述等离子发生器200和所述喷淋器213均可以设于所述腔室208的内侧。所述喷淋器213和所述样品座210可以设于所述腔室208内的任意位置。
在一些实施例中，所述第一反应源阀201连通有第一惰性气体阀204。所述第二反应源阀203连通有第二惰性气体阀211。所述氢气阀206连通有第三惰性气体阀212。所述第一惰性气体阀204、所述第二惰性气体阀211和所述第三惰性气体阀212开启时均用于向所述腔室208通入惰性气体，以排出所述腔室208内的副产物和过剩的反应物。
图10为本发明提供的一种具有传样室的用于保护衬底的沉积薄膜的装置的结构示意图。
具体的，如图10所示，所述第一反应源阀201的上游连通有第一惰性气体阀204。所述第二反应源阀203的上游连通有第二惰性气体阀211。所述氢气阀206的上游连通有第三惰性气体阀212。这种设置有利于利用惰性气体冲刷所述腔室208外管路中残存的第一反应源、第二反应源和氢气。所述腔室208连通有第四惰性气体阀214。
另一些实施例中，所述第一反应源阀201的下游连通有第一惰性气体阀204。所述第二反应源阀203的下游连通有第二惰性气体阀211。所述氢气阀206的下游连通有第三惰性气体阀212。
在一些实施例中，所述腔室208的一侧设有气体分析模块205。所述气体分析模块205用于获取腔室208内氧气的含量值。
具体的，所述气体分析模块205为残余气体分析仪(residual gas analyzer，RGA)。所述残余气体分析仪还可以用于获取腔室208内氢气、氩气、氨气的含量值。
在一些实施例中，所述腔室208连接有传样室207。所述传样室207设有传样模块，用于装载或卸载所述衬底。
具体的，所述传样模块为机械臂，所述机械臂用于将传样室207中的衬底传送到腔室208内的样品座210，或从样品座210将所述衬底传送回所述传样室207。
在一些实施例中，腔室208连接有真空模块209。所述真空模块209用于排出所述腔室208内的气体。所述样品座210连接有加热模块202，用于将所述腔室208加热至预设温度区间。
具体的，所述真空模块209设置为真空机。所述加热模块202设置为加热片。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (11)
1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括：
S1：在腔室内放置衬底；向所述腔室通入氢气，控制等离子发生器解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物；
S2：向所述腔室通入第一反应源，以使所述第一反应源附着在所述衬底表面；轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面；
S3：向所述腔室通入第二反应源；控制所述等离子发生器解离所述第二反应源，生成含氮等离子体，以使所述含氮等离子体与所述金属原子反应形成金属氮化物薄膜；
S4：交替重复S2-S3直到所述金属氮化物薄膜达到预设厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1、S2和S3执行完之后均还向所述腔室通入惰性气体，所述惰性气体用于排出所述腔室内的副产物和过剩的反应物。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，向所述腔室通入第一反应源前，还包括：获取腔室内氧气的含量值；若所述氧气的含量值高于预设氧含量值，继续向所述腔室通入惰性气体；若所述氧气的含量值不高于预设氧含量值，执行S2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行所述S1前，在所述衬底的表面形成互连层或扩散阻挡层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一反应源和所述第二反应源均呈流体状；所述第一反应源包括含钛或者钽的金属有机化合物；所述第二反应源包括氨气。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气。
7.一种薄膜沉积装置，用于所述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，包括腔室、等离子发生器、喷淋器、氢气阀、第一反应源阀、第二反应源阀；
所述腔室内设有样品座，用于装载衬底；
所述氢气阀与所述腔室连通，所述氢气阀开启时用于向所述腔室通入氢气；
所述等离子发生器位于所述腔室外侧，用于解离所述氢气生成氢原子，以使所述氢原子与衬底表面的氧原子反应生成氢氧化合物；
所述第一反应源阀与所述腔室连通，所述第一反应源阀开启时用于向所述腔室通入第一反应源；
所述喷淋器位于所述腔室内侧；用于轰击所述第一反应源，以使所述第一反应源中的有机化合物基团断裂离开所述衬底表面，使所述第一反应源中的金属原子留在所述衬底表面；
所述第二反应源阀与所述腔室连通，所述第二反应源阀开启时用于向所述腔室通入第二反应源；
所述等离子发生器，还用于解离所述第二反应源，生成含氮等离子体，以使所述含氮等离子体与所述金属原子反应形成金属氮化物薄膜。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一反应源阀连通有第一惰性气体阀；
所述第二反应源阀连通有第二惰性气体阀；
所述氢气阀连通有第三惰性气体阀；
所述第一惰性气体阀、所述第二惰性气体阀和所述第三惰性气体阀开启时均用于向所述腔室通入惰性气体，以排出所述腔室内的副产物和过剩的反应物。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述腔室的一侧设有气体分析模块；所述气体分析模块用于获取腔室内氧气的含量值。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述腔室连接有传样室；所述传样室设有传样模块，用于装载或卸载所述衬底。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，腔室连接有真空模块；所述真空模块用于排出所述腔室内的气体；
所述样品座连接有加热模块，用于将所述腔室加热至预设温度区间。
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