CN1405845A - 氧化钛层的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种氮化钛层的制造方法，是在温度不同的反应室中分别进行MOCVD氮化钛层的沉积以及对氮化钛层的含氮等离子体的处理，由于氮气等离子体处理的温度较低，将可减少半导体组件的热预算以及组件结构的热应力，避免下层金属导线熔融挤出与氮化钛层的剥裂。再者，MOCVD氮化钛层分成两次或多次沉积，每次形成的氮化钛层较薄，当以含氮等离子体进行处理时，则氮化钛层中的杂质可被完全去除，故得以改善氮化钛层的品质，而不会有氮化钛里层中的杂质无法去除的问题。

Description

氮化钛层的制造方法
技术领域
本发明是有关于一种半导体组件的制造方法，特别是有关于一种接触窗或介层窗中氮化钛层的制造方法。
背景技术
在半导体的金属化工艺中，由于集成度不断提高，故需形成多重金属内联机结构，其中各金属层间是通过绝缘层加以隔离，之后再通过导电插塞连接不同的金属层。
导电插塞的材料以金属钨最为常见，普通钨插塞是由化学气相沉积将金属钨选择性填入接触窗(contact)或介层窗(via)开口中，其所使用的反应气体为WF6与H2。为了增强沉积的金属钨与开口两侧的绝缘层和底下金属层间的附着能力，通常会在沉积之前，先制作一层由氮化钛(TiN)所构成的黏着层(adhesion layer)，接着再把金属钨沉积上去。氮化钛黏着层除了让金属钨能更容易地附着外，还能保护底下的组件区域，以免其电性及可靠度因WF6的化学攻击而破坏。
由于氮化钛的接触电阻(contact resistance)相当高，因此一般会先在接触窗或介层窗的表面沉积一层金属钛(Ti)薄膜，之后再镀上氮化钛层。
目前形成氮化钛层的方法之一是有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)。由于以MOCVD制作的TiN层，因其中含有许多C及H的杂质，因此目前改善的方法是将MOCVD的TiN层利用含氮等离子体加以处理，以去除其中的C及H，增强氮化钛层的结构。
然而以含氮等离子体处理MOCVD氮化钛层仍有许多问题。一般氮化钛层沉积的厚度约为10nm，在以含氮等离子体处理氮化钛层时，仅能对氮化钛层表层作有效的强化，其里层中的C及H仍未能被完全消除，因此整个氮化钛层的结构还是不稳定。
此外，普通MOCVD氮化钛层的沉积与后续含氮等离子体的处理，都是在同一个反应室(chamber)中进行，但由于反应室的温度需保持固定，为配合氮化钛的沉积温度(～450℃)，因此在氮化钛层沉积与含氮等离子体处理的工艺中，反应室的温度都保持在450℃左右。当以含氮等离子体处理氮化钛层时，因等离子体粒子的轰击，将使晶片的温度上升，这除会增加组件的热预算外，也将使组件结构中的热应力增加。因为温度上升，将可能导致下层铝金属导线熔融挤出(extrusion)，再加上MOCVD TiN层中因含有许多C及H杂质而结构并不稳定，因此在含氮等离子体处理的工艺中，氮化钛层将可能因热应力增加而剥裂(cracking)，并暴露出底下的钛金属层。
如钛金属层因氮化钛层剥裂而露出，则当后续进行钨插塞沉积时，沉积气体WF6将会与钛发生反应，生成挥发性的TiF3及TiF4而从氮化钛层剥裂处喷发出来，称之为火山(volcano)现象，如此将导致钛金属层的劣化与钨插塞的毒化(poisoning)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化钛层的制造方法，以减少半导体组件的热预算以及组件结构的热应力，避免因氮化钛层剥裂而导致火山现象的发生与钨插塞的毒化。而本发明所提供方法，可使MOCVD氮化钛层中的C与H可以完全被去除，而改善氮化钛层的结构，避免氮化钛层因热应力过大而剥裂。
为达到本发明的目的，本发明提供一种氮化钛层的制造方法，包括提供一基底，基底上形成一具有一开口的绝缘层，此开口暴露出一导电区。接着在第一温度下，形成一氮化钛层覆盖于绝缘层上及开口之中，并与开口的表面具有相同形状，此步骤是在一第一反应室中进行。而后在第二温度下，以一含氮等离子体处理氮化钛层，其中第二温度低于该第一温度，此步骤是在一第二反应室中进行。再者，至少重复一次前述沉积与含氮等离子体处理的步骤，直到氮化硅层的总厚度达到预定的厚度。
在上述本发明形成第一层氮化钛层之前，基底上还可形成有一钛金属层，此钛金属层覆盖于绝缘层上及开口之中，并与开口的表面具有相同形状。
为达到本发明的目的，本发明更提供一种导电插塞的制造方法，包括提供一半导体基底，基底上形成有一晶体管的导体层，导体层上形成有一绝缘层。之后在绝缘层中形成一开口，以暴露出导体层。接下来形成一金属钛层，此金属钛层覆盖于绝缘层上及开口之中，并与开口的表面具有相同形状。接着在一第一温度下，以有机金属化学气相沉积法形成一氮化钛层覆盖于绝缘层上及开口之中，并与开口的表面具有相同形状，此步骤是在一第一反应室中进行。之后在一第二温度下，以一含氮等离子体处理氮化钛层，其中第二温度低于第一温度，此步骤是在一第二反应室中进行。重复沉积与含氮等离子体处理步骤，直到氮化硅层的总厚度达到预定的厚度。之后在形成有氮化钛层的开口中沉积一金属插塞。
本发明是在不同温度下，进行MOCVD氮化钛层的沉积以及对氮化钛层的含氮等离子体的处理，由于氮气等离子体处理的温度较低，将可减少半导体组件的热预算以及组件结构的热应力，避面下层金属导线熔融挤出与氮化钛层的剥裂。
再者，本发明是将MOCVD氮化钛层分成两次或多次沉积，每次形成的氮化钛层较薄，当以含氮等离子体进行处理时，则氮化钛层中的杂质可被完全去除，改善氮化钛层的品质，而不会有普通氮化钛里层中的杂质无法去除的问题。
附图说明
图1至图3为依据本发明较佳实施例的一种氮化钛层的制造方法的剖面流程图。
100：半导体基底
102：导电区、导体层
104：绝缘层
106：光阻层
108：接触窗或介层窗开口
110：钛金属层
112：第一氮化钛层
114：第一次含氮等离子体处理
116：第二氮化钛层
118：第二次含氮等离子体处理
具体实施方式
请参阅图1至图3，其为示本发明较佳实施例的氮化钛层制造方法的剖面流程图。
请参阅图1，首先，提供一半导体硅基底100，基底100上形成有一晶体管(未图标)，晶体管具有一导电区或导体层102，其材质是掺杂硅基底、掺杂多晶硅、铝硅铜合金或铝铜合金。接着形成一绝缘104层覆盖于基底100上，绝缘层104的材质是氧化硅，且形成的方法例如是化学气相沉积法。接着在绝缘层104上形成一光阻层106，利用微影蚀刻的方式，在绝缘层104中形成一开口108，开口108暴露出导电区102。
请参阅图2，将光阻层106去除，形成一第一氮化钛层112覆盖于绝缘层104上及开口108之中，并与开口108的表面具有相同形状，形成的方法是有机金属化学气相沉积法，反应气体是TDMAT(tetrakis(dimethyl-amino)titanium，Ti(N(CH3)2)4)，其中反应室的温度为400～450℃。第一氮化钛层112形成的厚度约为55～70埃，这是因为当普通厚度为100埃的氮化钛层分成两次进行沉积时，后续的含氮等离子体处理工艺会去除掉部分氮化钛层，因此以MOCVD沉积的第一氮化钛层112将比想要的厚度来的大一些。为降低第一氮化钛层112与导体层102间的接触阻值，一般会在沉积第一氮化钛层112之前，先形成一层钛金属层110，形成的方法为化学气相沉积法。
接着利用机器手臂将形成有第一氮化钛层112的基底100，由原先的反应室中转移至另一个温度较低的反应室中，进行含氮等离子体处理114工艺，以改善第一氮化钛层112的品质。其中等离子体气体为N2与H2，流量分别为100～400sccm与100～400sccm，功率600～800W，处理的时间30～40秒。等离子体反应室的温度约为350～450℃，因为含氮等离子体处理114的工艺温度被限定低于MOCVD沉积的工艺温度，因此即便等离子体离子轰击使基底100的温度上升，组件的热预算与热应力也不会增加。另外，沉积反应室与等离子体反应室两者可位于同一真空环境中，当机械手臂相对于基底100移动时，使外界的环境不会对组件造成影响。
请接着参阅图3，在完成上述含氮等离子体处理114后，再以机械手臂将基底100转移至沉积反应室中，进行第二次的金属有机物化学气相沉积，以在第一氮化钛层112上形成第二氮化钛层116。沉积第二氮化钛层116的条件与第一氮化钛层相同，因此不再赘述。沉积的第二氮化钛层116覆盖在基底100上与开口108之中，并与开口108的表面具有相同形状。接着再将基底100转移至温度较低的等离子体反应室中，进行第二次的含氮等离子体处理118，其条件与第一次含氮等离子体处理相同。
在完成氮化钛层112与116的沉积后，接着便是在开口108中形成一金属插塞，例如是钨插塞(未图标)，形成的方法例如为化学气相沉积法。
此处必须特别指出的是，上述的实施例并非限定氮化钛层沉积与等离子体处理的次数只为两次，使用者可根据含氮等离子体可处理的氮化钛层的厚度，以及氮化钛层的总厚度来设定沉积与等离子体处理的次数，使氮化钛层可达到预期的品质。
根据本发明上述较佳实施例，本发明与普通技术相比有以下的优点，第一，本发明是在不同温度下，进行MOCVD氮化钛层的沉积以及对氮化钛层的含氮等离子体的处理，由于氮气等离子体处理的温度较低，将可减少半导体组件的热预算以及组件结构的热应力，避免下层金属导线熔融挤出与氮化钛层的剥裂。第二，本发明是将MOCVD氮化钛层分成两次或多次沉积，每次形成的氮化钛层较薄，当以含氮等离子体进行处理时，则氮化钛层中的杂质可被完全去除，改善氮化钛层的品质，而不会有在普通技术中，因沉积的氮化钛层太厚，致使其里层中的杂质无法去除的问题。

Claims (10)

1、一种氮化钛层的制造方法，其特征是，该方法包括下列步骤：
a.提供一基底，该基底上形成有一具有一开口的绝缘层，该开口暴露出一导电区；
b.在一第一温度下，形成一氮化钛层覆盖在该绝缘层上及该开口之中，并与该开口的表面具有相同形状；
c.在一第二温度下，以一含氮等离子体处理该氮化钛层，而该第二温度低于该第一温度；以及
d.至少重复一次b与c步骤，直到氮化钛层的总厚度达到一预定厚度。
2、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，b步骤之前该绝缘层上及该开口之中已形成有一钛金属层，该钛金属与开口的表面具有相同形状。
3、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，该绝缘层是一氧化硅层。
4、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，该导电区为一掺杂硅基底、一掺杂多晶硅层或者一铝合金层。
5、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，形成该氮化钛层的方法为有机金属化学气相沉积法。
6、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，该含氮等离子体所使用的气体为N2/H2。
7、如权利要求6所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，N2的流量为100～400sccm，H2的流量为100～400sccm。
8、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，b步骤的该第一温度为400～450℃，c步骤的该第二温度为350～450℃。
9、如权利要求1所述的氮化钛层的制造方法，其特征是，b步骤在一第一反应室中进行，c步骤在一第二反应室中进行。
10、一种导电插塞的形成方法，其特征是，该方法包括：
a.提供一半导体基底，该基底上形成有一晶体管并具有一导体层；
b.形成一绝缘层覆盖在该基底上；
c.在该绝缘层中形成一开口，以暴露出该导体层；
d.形成一钛金属层覆盖于该绝缘层上及该开口之中，并与该开口的表面具有相同形状
e.在一第一温度下，以有机金属化学气相沉积法形成一氮化钛层，覆盖在该绝缘层上及该开口之中，并与该开口的表面具有相同形状；
f.在一第二温度下，以一含氮等离子体处理该氮化钛层，其中该第二温度低于该第一温度；
g.重复e步骤与f步骤，直到氮化硅层的总厚度达到一预定厚度，以及
h.形成一金属层填满该开口。
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