CN1198480A - 等离子体增强化学汽相淀积装置和进行所述淀积的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供等离子体增强化学汽相淀积装置,包括反应室,处理气体引入其中,排放气体从其中排出;基座,具有放置半导体衬底于其上的第一区域、和第一区域以外的第二区域;电极,它面对基座,与其共同作用以在它们之间产生等离子体,从而在置于第一区域的半导体衬底上形成薄膜,其特征是在基座的第二区域与等离子体之间设置陶瓷绝缘体。
Description
本发明涉及用来在制备半导体器件的工艺中形成薄膜的等离子体增强化学汽相淀积装置，具体涉及能均匀形成有高阻挡特性的金属膜的等离子体增强化学汽相淀积装置。
最近，随着LSI制备的小型化和高集成化，半导体器件的设计规则从半微米提高到四分之一微米水平。另外，形成多层布线结构和平面化器件表面的技术使用来连接上下布线层的接触孔的高宽比越来越大。为了形成包括这些大高宽比接触孔的高可靠性多层布线结构，已采用了各种方法。例如，其中一个方法包括这些步骤：形成起阻挡金属作用的氮化钛层，它和布线层图形共形，以防止构成布线层的材料的扩散；形成铝膜，然后将铝薄膜热处理成流体，使流体铝流进接触孔。另一方法包括用构成上布线层的材料填充接触孔的步骤、或用选择化学汽相淀积或用钨遮盖化学汽相淀积形成接触塞的步骤。
通常用溅射或反应溅射来形成钛层和氮化钛层，其中钛作为靶材料。对这些方法都作了改进，以满足形成大高宽比接触孔的需要。即，已提出了改进的溅射，如通过增强溅射得到的颗粒运动的垂直分量的准直溅射，及通过将靶和衬底隔开来得到颗粒运动的垂直分量的长程溅射。
但是，由于接触孔的高宽比越来越大，即使用上面任何一种方法，也很难在接触孔的底部形成足够的薄膜。另外，按上述任何一种方法，膜淀积在凸肩形的接触孔的开口处，这对以后的布线层形成步骤有害，降低了形成于这种接触孔上的布线层的可靠性。而且，上述任何一种溅射方法有很低的膜淀积速率，降低了要形成于半导体衬底上薄膜的生产率。
为了解决上述溅射中台阶覆盖的问题，例如J.T.Hillman等在1994年《VLSI多层互连会议文集》的365-367页的“钛化学汽相淀积”一文，已经建议用等离子体增强化学汽相淀积方法，在半导体衬底被加热情况下，在半导体衬底上生长薄膜。按建议的等离子体增强化学汽相淀积，用四氯化钛气体作为处理气体，在平行板型等离子体增强化学汽相淀积装置中用氢气还原来形成钛层。用减压化学汽相淀积形成和半导体衬底共形的氮化钛薄膜。
图1表示用于等离子体增强化学汽相淀积的典型常规装置。示意的装置包括：反应室11，该室有一个将处理气体引入反应室11的入口11a、和一对将排放气体排出的出口11b；由金属构成的基座12，用来将如硅衬底等半导体衬底13置于其上；面对基座12的电极14，它和基座12共同作用在其间产生等离子体，以在基座12上的半导体衬底13上形成薄膜；用来给电极14提供AC电压以在基座12和电极14之间产生等离子体15的AC电压源16。
但是，在图1所示的常规等离子体增强化学汽相淀积装置中，由于在等离子体15产生时出现气体分布的膨胀，没有被半导体衬底13覆盖的部分基座12暴露于等离子体15中，所以很难或不可能控制基座12的温度。因此，基座12的不同部分有不同的温度，这导致了用等离子体增强化学汽相淀积在半导体衬底13上形成的薄膜金属有很差的均匀性，也导致了所形成的薄膜有不同的电特性。
而且，由于氮化钛有包含柱状晶体的多晶结构，用图1所示的常规等离子体增强化学汽相淀积装置形成的作为阻挡金属的氮化钛薄膜中会包括很多晶粒，所以阻挡特性降低。
另一个例子是日本未审查特许公开59-92520公开的化学汽相淀积装置，该装置包括圆筒状内钟罩，其内部形状与电极的外部形状类似，电极置于反应室中。钟罩设计为能够相对电极轴向运动。
还一个例子是日本未审查特许公开7-226378公开的等离子体增强化学汽相淀积装置，它包括由氮化硅构成且置于半导体衬底上的钟罩。用TiCl4和H2的混合气体及TiCl4、H2和N2的混合气体在该装置中先后形成钛/氮化钛薄膜。
上述公开的化学汽相淀积装置都有与上述相同的问题。即基座不同部分有不同温度，导致薄金属均匀性很差，使薄膜有不同的电特性。而且，用上述化学汽相淀积装置形成的氮化钛薄膜有很多晶粒，造成阻挡特性降低。
因此本发明的目的是提供一种等离子体增强化学汽相淀积装置，它能提高形成在半导体衬底上薄膜的均匀性，改进要用作阻挡薄膜的薄膜的电特性。
本发明的再一目的是提供一种实现上述等离子体增强化学汽相淀积的方法，同样能实现上述效果。
按本发明的一个方面，提供的等离子体增强化学汽相淀积装置包括：(a)反应室，处理气体引入其中，且排放气体从其中排出；(b)基座，具有放置半导体衬底于其上的第一区域以及和第一区域以外的第二区域；(c)电极，它面对基座，与基座共同作用以在它们之间产生等离子体，从而在置于基座第一区域的半导体衬底上形成薄膜，其特征是在基座的第二区域与等离子体之间放置陶瓷绝缘体。
例如，陶瓷绝缘体可以形成在基座的第二区域上，以覆盖基座。该等离子体增强化学汽相淀积装置最好还包括由陶瓷绝缘材料构成的隔离部件，以将反应室内壁和等离子体隔开，此时该隔离部件最好和陶瓷绝缘体形成一体。
该隔离部件最好还在电极的端部和反应室的内壁之间延伸，以将它们彼此隔开，此时该隔离部件最好和陶瓷绝缘体形成一体。最好是基座罩和隔离部件由相同材料构成。
本发明还提供等离子体增强化学汽相淀积装置，包括：(a)反应室，处理气体引入其中，排放气体从其中排出；(b)基座，具有放置半导体衬底于其上的第一区域以及第一区域以外的第二区域；(c)电极，它面对基座，与基座共同作用以在它们之间产生等离子体，从而在置于基座第一区域之上的半导体衬底上形成薄膜，其特征是钟罩形基座罩由陶瓷绝缘材料构成，其底端朝电极开口，并在反应室的内壁和等离子体之间延伸，以将它们彼此隔开，其顶端覆盖基座的第二区域并有一开口，该开口和基座第一区域共同延伸。
钟罩形基座罩的底端最好在电极的端部和反应室的内壁延伸。钟罩形基座罩最好有和电极类似的剖面。
陶瓷绝缘体、隔离部件、陶瓷绝缘材料最好由氮化硅、石英、或含氧材料构成。
按本发明的另一个方面，提供实现等离子体增强化学汽相淀积的方法，包括下面步骤：(a)将处理气体引入反应室，(b)在基座和电极之间产生等离子体，基座有其上放置半导体衬底的第一区域和第一区域以外的第二区域，电极面对基座，(c)从反应室中放出排放气体，其特征是按下面方式在步骤(b)产生等离子体：即基座的第二区域与等离子体隔开。
最好按这样的方式在步骤(b)产生等离子体，即反应室的内壁也与等离子体隔开。还最好按这样的方式在步骤(b)产生等离子体，即电极的端部与反应室的内壁隔开。
在步骤(b)形成于半导体衬底上的薄膜最好包含金属，其中金属最好是钛或氮化钛。
根据本发明，基座的第二区域用陶瓷绝缘材料覆盖。这样，可以避免基座的第二区域直接暴露于等离子体，以便能稳定控制基座的温度。因此基座的温度不发生分散，即基座上各部分有相同的温度。由此形成在半导体衬底上的薄膜有足够的均匀性，增强了器件性能，提高了生产成品率。
通过使用与基座罩形成一体的内钟罩，在等离子体产生时可以防止气体的扩散，这增加了形成在半导体衬底上薄膜的均匀性。
当要在半导体衬底上形成氮化钛薄膜时，使用石英作为陶瓷绝缘材料。由于氮化钛薄膜生长时轻微吸收石英中的氧，所以可以防止晶粒的生成，确保晶粒显著减少。因此形成的氮化钛薄膜作为阻挡层有显著改善的特性。
图1是说明常规等离子体增强化学汽相淀积装置的剖面图。
图2是本发明第一实施例的等离子体增强化学汽相淀积装置的剖面图。
图3A到3H是半导体器件的剖面图，分别表示用本发明的等离子体增强化学汽相淀积装置制备半导体器件的方法的各步骤。
图4是本发明第二实施例的等离子体增强化学汽相淀积装置的剖面图。
(第一实施例)
图2表示本发明第一实施例的等离子体增强化学汽相淀积装置。所示的等离子体增强化学汽相淀积装置包括：反应室21，该室有一个将处理气体引入反应室21的入口21a，和一对将排放气体排出的出口21b；由金属构成的圆形基座22，用来放置如硅衬底等半导体衬底23；面对基座22的金属制电极24，它和基座22共同作用以在其间产生等离子体25，从而在基座22上的半导体衬底23上形成薄膜；用来给电极24提供射频电压以在基座22和电极24之间产生等离子体25的射频电压源26。
电极24形成有多个穿过其厚度的细通孔。通过入口21a引入的处理气体送到基座22和电极24之间的空间。
基座22设计为具有其上放置半导体衬底23的第一区域22a和除第一区域22a以外的第二区域22b。基座22装备有加热器27，能将半导体衬底23加热到约700℃。
另外，基座22的第二区域22b用基座罩28覆盖，该罩由陶瓷绝缘材料构成并为环形。
在该实施例中，基座罩28由氮化硅构成。这是因为氮化硅中不含氧，这样当产生等离子体25时没有氧吸收到钛薄膜中。但是应该注意到，如果基座罩28不含氧，则其可以由任何材料构成。例如，基座罩28可以由石英构成。
在该实施例中，提供基座罩28使它覆盖基座22的第二区域22b。但是应该注意到，可以用陶瓷绝缘体来代替基座罩28，它可以置于基座22的第二区域22b和等离子体25之间的任何位置，以将第二区域22b与等离子体25隔开，由此防止第二区域22b暴露于等离子体25。
下面参照图3A到3H说明使用上述等离子体增强化学汽相淀积装置在半导体衬底上形成钛薄膜的方法。
首先如图3A所示，用光刻和选择氧化在半导体衬底上形成LOCOS氧化膜2。
然后用70KeV的能量和5×1015cm-2的剂量对硅衬底1进行二氟化硼(BF2)的离子注入，接着在900℃退火，由此在硅衬底1中形成导电区域3，如图3B所示。然后形成1.5μm厚的硼磷硅玻璃(BPSG)构成的层间绝缘层4。接着如图3B所示，用光刻和腐蚀形成穿过层间绝缘层4到达导电区域3的接触孔4a。
然后如图3C所示，在形成接触孔4a同时形成氧化薄膜10，或者，其后如图3所示，用1％的氢氟酸腐蚀以去掉约5nm厚，即热氧化薄膜的厚度。
将上述步骤所得的产品然后送入图2所示的等离子体增强化学汽相淀积装置中，以在其上形成钛薄膜7，如图3D所示。由于基座罩28由不含氧的氮化硅构成，所以即使基座罩28暴露于等离子体25，基座罩28也不放出氧气。由此可以避免钛薄膜吸收氧。另外，由于不被半导体衬底23覆盖的基座22的第二区域22b用基座罩28来覆盖，所以即使产生等离子体25，也不会产生基座22的温度分布也不会发生分散。这样可以保持基座22有均匀的温度，并有一个固定的温度。
通过形成钛薄膜7，如图3D所示，还在导电区域3中形成硅化钛层9。
按下面条件形成厚度为3nm到20nm的钛薄膜7：
硅衬底23的温度：600℃
形成钛薄膜7的压力：10乇
四氯化钛：5sccm
氢气：2000sccm
氩气：500sccm
RF：200W
使用图2所示的等离子体增强化学汽相淀积装置，显著改善了硅衬底23上形成的钛薄膜7的均匀性。
然后，如图3E所示，在整个钛薄膜7上形成氮化钛薄膜8。然后如图3F所示，用化学汽相淀积在氮化钛薄膜8上形成钨膜5。再后，用SF6和O2的干法腐蚀法深腐蚀钨膜5，仅在接触孔4a中保留钨，如图3G所示。
用溅射在层间绝缘薄膜4上形成铝合金薄膜6以后，用光刻和干法腐蚀将氮化钛薄膜8和钛薄膜7构图为所需图形，由此形成铝布线层，使它通过钨接触塞5与导电区域3电接触。
由此完成如图3H所示的半导体器件。
用上述本发明第一实施例的等离子体增强化学汽相淀积装置，基座22不直接暴露于等离子体25。这样就可以控制基座22的温度，确保不发生温度分散。因此用等离子体增强化学汽相淀积装置在硅衬底23上形成的薄膜有足够的均匀性，并提高了器件的性能和成品率。由于基座罩28由不含氧的陶瓷构成，没有氧吸收到钛薄膜7，确保了接触电阻不增加。(实施例2)
图4表示本发明第二实施例的等离子体化学汽相淀积装置。
本发明第二实施例的等离子体增强化学汽相淀积装置与第一实施例的不同点仅在于，它包括代替基座罩28的内钟罩38。内钟罩38有覆盖基座32的第二区域32b的基座覆盖部分38a、和在反应室31内壁31a与等离子体25之间延伸以将它们隔开的隔离部分38b。即内钟罩38倒置于基座32上。这样，内钟罩38的底端朝向电极34、顶端安在基座32上。
形成的内钟罩38在基座覆盖部分38a有开口38c，它与基座32的第一区域32a共同延伸，其中配置硅衬底33。
内钟罩38的隔离部分38b按以下方式延伸，即它将电极34的圆周端与反应室31的内壁31a隔开。
在该实施例中，内钟罩38由石英构成。本实施例的内钟罩38用于确保等离子体35不受由金属构成的反应室31的内壁31a的影响。钟罩38设计为圆筒形，它提供所需的气体分布。内钟罩38的剖面设计成与电极34有类似的剖面。
内钟罩38的隔离部分38b可以设计成其高度不到达电极34。即使隔离部分38b有这样的高度，钟罩38也具有上述优点，即等离子体35不受金属构成的反应室31的内壁31a的影响。但是该实施例中内钟罩38的隔离部分38b设计成其高度超过电极34，如图4所示。内钟罩38的延伸隔离部分38b有以下好处，可以防止电极34与反应室31的内壁31a之间的异常放电。
在该实施例中，基座覆盖部分38a和隔离部分38b形成一体，由此构成内钟罩38。但是应该注意到，基座覆盖部分38a和隔离部分38b可以单独形成，然后连接在一起。但是38a和38b最好形成一体，这样反应室31更容易清洗，其维护也更容易进行。
下面参照图3A到3H说明用上述图4所示等离子体增强化学汽相淀积装置在半导体衬底上形成氮化钛薄膜的方法。
先进行参照图3A到3C说明的步骤，然后用化学汽相淀积在经目前为止步骤所得到的产品上淀积钛薄膜7，如图3D所示。形成钛薄膜7的同时，也在硅衬底1的导电区域3中形成硅化钛层9。
然后用图4所示的等离子体增强化学汽相淀积装置，在整个钛薄膜7上形成氮化钛薄膜8，如图3E所示。
按下面条件形成厚度为5nm到50nm的氮化钛薄膜8：
硅衬底23的温度：500℃
形成氮化钛薄膜8的压力：20乇
四氯化钛：20sccm
氨气：50sccm
氮气：5000sccm
RF：200W
然后进行参照图3F到3H说明过的步骤。这样完成了图3H所示的半导体器件。
等离子体35辐射到基座覆盖部分38a。由于氮化钛薄膜8吸收从构成基座覆盖部分38a的石英放出的氧，所以可以抑制晶体生长或晶粒生长，确保晶粒减少。因此氮化钛薄膜8可以显著改善作为阻挡层的特性。如果等离子体增强化学汽相淀积没有内钟罩38，即基座32直接暴露于等离子体35，氮化钛薄膜8吸收浓度1％或以下的氧。当等离子体增强化学汽相淀积装备有内钟罩38以防止基座32直接暴露于等离子体35时，氮化钛薄膜8最好吸收浓度5％或以上的氧以抑制晶粒的产生。
根据本实施例形成的氮化钛薄膜8不仅在形成钨塞5时而且对趋于扩散晶粒的材料如铜(Cu)能有效地作为阻挡薄膜。
另外，高阻挡特性可以使阻挡薄膜形成得较薄，这对制备较小尺寸半导体器件有益。而且，高阻挡特性缩短了形成氮化钛薄膜所需的时间，可以增加半导体器件的产量和成品度。
在上述第一和第二实施例中，分别使用了图2和4所示的等离子体增强化学汽相淀积装置来形成钛薄膜和氮化钛薄膜。但是应该注意到，这些装置可以用来形成由其它难熔金属，其化合物，或其它金属氮化物构成的薄膜。
Claims (20)
1.一种等离子体增强化学汽相淀积装置，包括：
(a)反应室(21，31)，处理气体引入其中，排放气体从其中排出；
(b)基座(22，32)，具有置半导体衬底(23，33)于其上的第一区域(22a，32a)以及第一区域(22a，32a)以外的第二区域(22b，32b)；
(c)电极(24，34)，它面对基座(22，32)，与基座(22，32)共同作用以在它们之间产生等离子体(25，35)，从而在置于基座(22，32)第一区域(22a，32a)之上的半导体衬底(23，33)上形成薄膜；
其特征是，在基座(22，32)的第二区域(22b，32b)与等离子体(25，35)之间设置陶瓷绝缘体(28，38a)。
2.如权利要求1的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘体(28，38a)形成在基座(22，32)的第二区域(22b，32b)之上以将它覆盖。
3.如权利要求1的等离子体增强化学汽相淀积装置，还包括由陶瓷绝缘材料构成的隔离部件(38b)以将反应室(21，31)的内壁(31a)和等离子体(25，35)隔开。
4.如权利要求3的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，隔离部件(38b)和陶瓷绝缘体(28，38a)形成一体。
5.如权利要求3的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，隔离部件(38b)还在电极(24，34)的端部和反应室(21，31)的内壁(31a)之间延伸以将它们互相隔开。
6.如权利要求5的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，隔离部件(38b)和陶瓷绝缘体(28，38a)形成一体。
7.如权利要求1到6的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘体(28，38a)和隔离部件(38b)由氮化硅构成。
8.如权利要求1到6的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘体(28，38a)和隔离部件(38b)由石英构成。
9.如权利要求1到6的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘体(28，38a)和隔离部件(38b)由含氧材料构成。
10.一种等离子体增强化学汽相淀积装置，包括：
(a)反应室(31)，处理气体引入其中，排放气体从其中排出；
(b)基座(32)，具有置半导体衬底(33)于其上的第一区域(32a)以及第一区域(32a)以外的第二区域(32b)；
(c)电极(34)，它面对基座(32)，与基座(32)共同作用以在它们之间产生等离子体(35)，从而在置于基座(32)第一区域(32a)之上的半导体衬底(33)上形成薄膜；
其特征是，钟罩形基座罩(38)由陶瓷绝缘材料构成，其底端朝电极(34)开口，并在反应室(31)的内壁(31a)和等离子体(35)之间延伸，以将它们彼此隔开，其顶端覆盖基座(32)的第二区域(32b)并形成有一开口(38c)，该开口和基座(32)第一区域(32a)共同延伸。
11.如权利要求10的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，钟罩形基座罩(38)的底端还在电极(34)的一端和反应室(31)的内壁(31a)之间延伸。
12.如权利要求10的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，钟罩形基座罩(38)有和电极(34)类似的剖面。
13.如权利要求10到12的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘材料由氮化硅构成。
14.如权利要求10到12的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘材料由石英构成。
15.如权利要求10到12的任一项的等离子体增强化学汽相淀积装置，其特征是，陶瓷绝缘材料由含氧材料构成。
16.一种进行等离子体增强化学汽相淀积的方法，包括下面步骤：
(a)将处理气体引入反应室(21，31)；
(b)在基座(22，32)和电极(24，34)之间产生等离子体(25，35)，基座(22，32)具有其上放置半导体衬底(23，33)的第一区域(22a，32a)和第一区域(22a，32a)以外的第二区域(22b，32b)，电极(24，34)面对基座(22，32)；
(c)从反应室(21，31)中放出排放气体，
其特征是，按下面方式在步骤(b)产生等离子体(25，35)，即基座(22，32)的第二区域(22b，32b)与等离子体(25，35)隔开。
17.如权利要求16的方法，其特征是，按下面方式在步骤(b)产生等离子体(25，35)，即反应室(21，31)的内壁(31a)也与等离子体(25，35)隔开。
18.如权利要求17的方法，其特征是，按下面方式在步骤(b)产生等离子体，即电极(24，34)的端部与反应室(21，31)的内壁(31a)隔开。
19.如权利要求16到18的任一项的方法，其特征是，步骤(b)在半导体衬底(23，33)上形成包含金属的薄膜。
20.如权利要求19的方法，其特征是，所说金属是钛或氮化钛。
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