TW463242B - Method of depositing a stack including titanium and titanium nitride films on a wafer surface in a single chamber - Google Patents

Method of depositing a stack including titanium and titanium nitride films on a wafer surface in a single chamber Download PDF

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Description

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經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 五、發明說明（1 ) 本申請案爲美國專利申請案序列號第〇9/294,487號之部 分延續’（歸檔於丨999年4月2〇曰），其内容明確以參考之 方式併於本文。 發明範圍 本發明係關於以化學氣相沉積法（CVD)將薄膜塗層覆至 基材，更明確關於以CVD方法將阻擋疊層（例如鈦及氮化 鈦）覆至半導體晶片基材。 發明背景 在形成積體電路（IC’s)時’經常使含金屬元素之薄膜沉積 到基片表面上，如沉積於半導體晶片上。沉積薄膜用於在 電路和各種IC器件間提供導電接觸及歐姆（電阻）接觸。例 如’可使所需薄膜覆到半導體晶圓上觸點或通路孔之暴露 表面’該薄膜通過晶圓之絕緣層提供導電材料插塞，以跨 越絕緣層製造内部互連。 沉積金屬薄膜的一種熟悉方法爲化學氣相沉積法 (CVD) ’在各種沉積中，薄膜係用化學反應或反應劑氣體 於基片表面上沉積。在CVD方法中，反應氣體係以泵送入 反應室内基片之近處’該氣體隨後於基片表面反應，產生 一種或多種反應副產物’在基片表面上形成薄膜入沉積後 將保留的任何副產物自該室移除。雖然CVD方法爲沉積薄 膜的一種有用技術，但很多傳統CVD方法基本上爲熱方 法’爲獲得必要反應，需要超過5〇〇或10CKTC之高溫。由於 南溫對電器件組成1C的各種其它方面和層具有一定影響， 所以沉積溫度時常太高，以致於不能實用於I C製造。因 -4- 本紙張尺度適計國國家梯準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀背面之注^項再填寫本頁) -裝· I — I，I 訂 **ιιιι·ι—Λ 463242 A7 B7
五、發明說明（2 ) 經濟部智慧財產局負工消費合作社印製 此，一種用於降低反應溫度之CVD方法爲使一種或多種反 應氣體離子化。此類技術一般稱爲電漿增強化學氣相沉積 (PECVD)。一種有效PECVD方法在普通轉讓美國專利第 5,975,9 12號中闡述，其標題爲"低溫電漿增強形成積體電 路"(Low Temperature Plasma-Enhanced Formation of Integrated Circuits)，其内容完全以參考之方式併於本文。 第912號專利揭示一種低溫（<500°(：)?£(：乂0-丁丨和1'丨>4薄膜之 單室方法。美國專利第5,567,243及第5,716,870號描述沉積 PECVD-Ti薄膜之硬體設計及方法。 在諸多應用中，需要在沉積某種金屬導體（如鋁或鶴）前 沉積氮化鈦阻擋層。可由化學氣相沉積法沉積氮化鈦。化 學氣相沉積之反應劑和副產物-尤其爲四氣化鈦-作用蝕刻 鈦接觸層。因此，必須在氮化鈦氣相沉積前將鈦氮化。因 而產生出疊層’其包括欽薄膜、鈥薄膜之氮化層及上部氮 ，所有各層均介於下面基片或導體和上層金屬之 間。 、 施加及使鈦氮化之習用方法爲PECVD法。沉積氮化鈦習 用熱CVD方法。此等PECVD及熱CVD反應包括不同製程參 數’且需要不同處理設備。因此，代表性欽、經氮化鈇及 氮化鈦疊層製造製程序列係於兩個單獨模塊中進行，二者 通常與丰導體晶圓製造群集設備的公共眞空轉移模塊相 連。其製程序列包括，首先以相當架空時間將各晶圓轉移 至PECVD模塊’在用於Ti-PECVD之模塊中建立穩定製造 條件’在鈦沉積及氮化經沉積鈦層後，抽吸該模塊，使晶 -5- 冬紙诋尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I 1 n ϋ Lw ϋ n *1 n 1 — * i f I ϋ i n ϋ I I # Γ清先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 463242 A7 ------- B7 __ 五、發明說明（3 ) 圓通過轉移模塊送至熱CVD模塊，以沉積氮化鈦層，其包 括在熱CVD-TiN沉積模塊中建立穩定製造條件，然後自熱 C VD-TiN模塊移出該晶圓。 不同製程參數阻礙在相同模塊中結合pECVQ-Ti和熱 CVD-TiN之積成。傳統上’用於pECVD_Ti之喷^淋頭溫度至 少爲425 °C，因爲更低溫度形成易於自噴淋頭剝離的 TiClxHY，但不超過500T，因爲更高溫度將對金屬噴淋頭 產生氣腐蝕’該溫度對電漿產生、溫度控制以及PECVD反 應器中的其它因素較佳。另—方面，在TiN沉積所用之熱 CVD反應器中’噴淋頭溫度—般至少爲15〇°C，因爲更低 溫度將導致NHqCl凝聚，但不超過250Ό，因爲更高溫度將 在喷淋頭上產生TiN沉積。晶圓溫度及室壓一般亦因 PECVD-Ti及熱CVD反應而不同。溫度和壓力循環使過多薄 片自反應器組件中沉積’需要頻繁就地及外部清理，所有 這些均降低產量及增加架空時間，尤其增加恢復製程參數 變化之穩定時間。 現已經在同一反應器中用TiN沉積及Ti沉積之PECVD方 法沉積Ti及TiN，但用TiN之熱CVD產生之TiN薄膜性能及 沉積效率具有較佳優勢。 因此’需要沉積Ti ’經氮化Ti及TiN之疊層之更充分和有 效之方法，特別爲使用PECVD-Ti和熱CVD-TiN之方法。 發明概述 本發明提供於單一室中連續沉積鈦和氮化鈦之CVD方 法，特別藉由PEC VD法沉積鈦，隨後氮化，且由熱CVD法 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----II 訂--I ----—-! 463242 A7 五、發明說明（4 沉積TiN。爲此曰认、 將鈦薄膜藉由接基:=據本發明之方法’在反應室中 衆沉積到基片表面上接二成四“減體和氨氣之電 氣、氮氣或氨氣/氮氣旧入：、严内藉含11風體(如氨 jr ^ ^ ^ 气巩邮&物）亂化經沉積之鈦薄膜，隨後 在间—至内由埶C VD .，表你各V, 膜上。 …VD^使氮化鈦薄膜沉積到經氮化之鈦薄 根據本發明的—個M彳 们軚佳具體實施例，噴淋頭溫度、基片 ΰ®度及室内厚力力下；，”社_ 士麵,— 積、丁丨氮化及丁iN沉積製程中保持 隨·亙疋’如此減少剥落和顆粒產生，減少由製程參數變 化產生之架空。本發明之單室方法藉結合⑽沉積和下面 鈦沉積及氮化製程而增加生產率。 在：發明的某些具體實施例中’基片溫度較佳在整個製 程中高於鈥㈣在同-室反應之最低溫度，且低於四氣化 鈦蝕刻矽（最高溫度。例如，該基片溫度較佳在整個製程 中保持在至少㈣(TC^T、高於·。c之溫度。選擇基片溫 度提供至少約58(TC最佳界限更佳。喷淋頭溫度較佳保持 在至少約425°C溫度，以防止不穩定鈥化合物自噴淋頭剌 洛，但在整個製程中較佳不超過約7〇〇χ：之最大製程溫 度。對金屬噴淋頭而言，喷淋頭溫度保持在不大於5〇〇。〇 溫度更佳，以避晃腐蝕金屬。在整個製程中，内室壓力 佳保持在約1托（torr)至約1 〇托之壓力。如此提供在單個 應室内積合鈦及氮化鈦之沉積方法。 繪圖簡述 該圖爲用於本發明沉積室之部分截面側視圖。對該裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I I--- I - — I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 較 反 46324 2 A7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 _______B7_五、發明說明（5 ) 之改進揭示於美國專利第5,628,829號，其内容全部以參考 之方式併於本文。 發明詳述 有效PECVD方法頃於普通轉讓美國專利5,975,9 12號闡 明，其標題爲"低溫電漿增強形成積體電路"，其全部内容 以參考之方式併於本文。第912號專利揭示低溫（<5〇〇°C ) PECVD-Ti和TiN薄膜之單室製造方法。美國專利第 5,567,243及5,716,870號描述沉積1^(：乂〇-1^薄膜之硬體設計 及方法’二者分別以參考之方式併於本文。普通轉讓及同 在申請中美國專利申請案序列號第09/063,196號揭示在 PECVD-Ti模塊中產生有價値/穩定PECVD‘Ti製程之製程流 動參數，其標題爲M鈍化及改良Ti-PECVD製造室及操作之 方法 ”（Method of Passivating And Conditioning Ti-PECVD Process Chamber And Method of Processing Therewith)" > 其 全部内容併於本文以供參考。普通轉讓及同在申請中之美 國專利申請案序列號第08/9 14,673號標題爲"TiCl4蝕刻方法 在積合C —VD-Ti/TiN晶片製程中之用途"(Use of TiCl4 Etch Back Process During Integrated CVD-Ti/TiN Wafer Processing)" > 其揭示在CVD-TiN沉積前使鈦薄膜蝕離氧化表面之方法， 其内容明確以參考之方式併於本文。該方法消除在隨後 CVD-TiN製程中由高分壓TiCl4侵蝕鈦薄膜產生之問題。美 國專利第5,279,857及5,308,655號揭示藉助安卡爾氨 (ammonia anneal)減小CVD-TiN薄膜電阻率之方法，二者全 部以參考之方式併於本文。普通轉讓及同在申請中美國專 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 46324 2 A7 經濟部智慧財產局貝工消t合作社印製 B7_____五、發明說明（6 ) 利案序列號第08/940,779號標題爲11在CVD及PECVD反應中 防止反應氣體之過早混合物之方法及裝置（Apparatus and Method for Preventing the Premature Mixture of Reactant Gases in CVD and PECVD Reactions)，所揭示噴淋頭設計 使兩種反應氣體非經混合引入C VD室，該案内容全部以參 考之方式併於本文。普通轉讓及同在申請中美國專利申請 案序列號第09/153,128號標題爲”在PECVD操作室電隔離電 極之裝置（Apparatus for Electrically Isolating an Electrode in a PECVD Process Chamber)，其内容以參考之方式併於 本文，其設計揭示防止在RF(射頻）供電表面及接地表面 間之絕緣體上形成導電通路。美國專利第5,593,51 1號揭示 鈦層之低溫氮化，其全部内容以參考之方式併於本文。 繪圖顯示本發明所用CVD反應器的一個具體實施例。類 似結構揭示於美國專利第5,647,9i 1號，其揭示内容全部以 參考之力式併於本文。反應器20包括沉積室外殼22，沉 積室外殼22界定反應或沉積空間24。可選擇性將反應器 20(具體爲外殼22内之反應空間24)排空至各種不同内部 壓力。對Ti和TiNCVD反應而言’此等壓力一般於〇.2至20 托（T〇rr)範圍内。支持基片2δ之基座26與軸承30結合。爲 使基座26能夠加熱其上承載之基片28，亦可由加熱元件 (未顯示）加熱基座2 6，以達到實施製程所需之控制溫度。 該溫度通常至少爲約500°C，而對本文所述方法而言，該 溫度較佳自約580°C至約700°C。 自外殼22之上壁32向下延伸爲圓柱形裝配34，該装配 -9 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 463242 A7 _______B7 五、發明說明（7 ) 連接至氣體分散噴淋頭36。嘴淋頭36藉裝配㈣浮於基 片28上。圓柱部件34與上殼壁32中形成之開口u奸入， 於外殼蓋46和噴淋頭36間延伸形成—般垂直液動通道 44。喷淋頭3 6較佳爲後混合類型噴琳頭，其類型描述於 1997年9月30日歸檔的美國專利案序列號第⑽削〇，川 號’其内容以參考之方式併於本文，其標題爲"在⑽及 PECVD反應中防止反應氣體之過早混合物之方法及裝置 ，·。噴淋頭36經延伸通過蓋46適合RF進料管線裝配“連 接至RF(射頻）電源38。封閉結構49封閉進料管線裝配4〇 周圍之開口。進料管線40可包括傳熱管（未顯示），以驅散 不需要之熱量。因此，可將噴淋頭用作電漿增強⑽(例 如，用於沉積鈦及使鈦氮化）之電極及氣體引入元件，或 者用作沉積氮化欽之氣體分布喷淋頭。 貪淋頭3 6用.R F (射頻）電源施加偏壓，以用作π。Vd技 術之RF.i；極。RF電極之近間距以及所得濃電漿極有用於 ^ECVD，特別用於含鈦薄膜之PECVD。RF電源以通過 管線裝配4 0對噴淋頭3 6施加偏壓，以將該噴淋頭作用作 RF電極。因此，接地基座26可形成另一個平行電極。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印ΙΪ %車又佳產生於喷淋頭3 6及基座2 6之間。經施加偏壓喷淋 ·=*負3 6產生之r p·场激發通過孔洞6 4分配之電槳氣體，使電 水儿即在嘴淋頭36下方產生’而不產生在高於喷淋頭/電 極的流動空間4 4範圍内。可在RF進料管線裝配4 〇内用絕 緣套筒使R F管線與外殼2 2和圓柱裝配3 4之金屬絕緣。可 用石英絕緣環62將噴淋頭36與圓柱裝配34分隔。可用基
本紙張尺度適財S 8家標準（CNSM4規格（210 X 297公釐） 463242 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 A7 B7____ 五、發明說明（8 ) 座26旋轉保證均句流動氣體生成用於均勻沉積之電漿氣 體。 反應氣體（如TiCU)係通過環5 0和5 2引入。來自環5 〇及 5 2之氣泥在流動空間4 4段内推進，使氣體運行至噴淋頭 3 ό。反應氣體之氣態微粒係藉噴淋頭3 6及基座2 6產生之 RF電場激發。因此，受激反應氣體微粒之氣態混合物以 及電漿氣體之原子團和離子集中在基片28上方以及該基 片附近。圓柱裝配34之尺寸使噴淋頭36和基片28之間距 較佳低於2 5毫米，約2 〇毫米更佳。 用於PECVD噴淋頭3 6之RF能量頻率介於（例如）45〇千赫 ^t(KHz)和13.56千千赫茲較為適宜，儘管pecvd-Ή反應及 氮化反應對頻率不特別敏感。在接近基片2 8使用噴淋頭 36使具高密度之有用氣體原子團和離子之濃電漿接近該 基片表面29。 廢氣通過出口 53自反應空間24排出。可提供擋板27穩 定基座2 6周圍之氣流。 該反應器20用於電漿增強化學氣相沉積鈦、氮化鈦、矽 化鈦、亦用於前沉積鈦薄膜退火生成氮化鈦。用上述反應 器20及下述製程條件，使鈦沉積、氮化和氮化鈦沉積全 部在單室反應器2 0内連續進行。 基片28可為任何類型IC基片，包括矽或氧化矽以及具 金屬導體、觸點、絕緣層及類似之經塗覆或部分塗覆基 質。本發明的某些方面特別用於沉積到矽上。 為沉積鈦薄膜，需將氫氣加至南化鈦氣體（如四氣化鈦） -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ------------Ϊ --------訂---------r (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁} 4 哚濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6324 2 A7 _____B7______五、發明說明（9 ) 中。在該反應中，四氣化鈦之流速為約2至约〖〇〇 sccm( — 般為約5 seem) ’且伴有有意義過量之氫氣流。通常，氫氣 流速為四氣化鈦流速約i 〇至約500倍，例如約3〇〇倍，亦可 使用氬’從而部分排除氫氣。用於混合此等氣體之氣體入 口溫度或噴淋頭溫度確定於約425χ；至約500°C，而基片被 加熱為至少約500°C和約700t：之間，約580X：最佳。反應室 之壓力可自約0.2托至約20托，一般约1.0托至約10托。在 高於20托壓力時，可能將不會形成電漿。 RF電極係於約100瓦至約5千瓦最大功率（在此功率時， 设備可能損壞）操作。但出於實施需要，約350瓦足夠。 R F電極之頻率設置於約3 3千千赫茲至約5 5千赫茲，約 450千赫兹可以接受。該頻率為聯邦通訊委員會（Federal Communication Commission)確定之頻率，大多數設備為該 頻率建立。然而’該頻率當然不決定本發明之最佳頻率β 因而’經混合南化鈦和氫氣氣體注入圓柱裝配3 4，且通 過RF電極/噴淋頭。電漿經產生，使鈦生成及沉積到基片 28上。氫與南反應而被耗盡，如與氯反應生成氣化氫。 繼續反應，沉積鈥薄膜，直到覆上所需厚度之薄膜。該厚 度根據特殊及所需應用，可自約2〇埃至約2,〇〇〇埃（人）變 化。 ’ 可視需要使矽化鈦沉積至基片表面2 9上，如在接觸孔或 通路内沉積。為生成矽化鈦，使齒化鈦氣體（較佳用四氣 化致）與碎烷反應生成矽化鈦及氯化氫。如必要，可引入 惰性氣體（如氬或氦）保持壓力B 然後在同一反應器2 0内將上述所沉積鈦薄膜氮化。在該 -------------------訂---------^.5; 〈請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 本纸張尺度刺_國國家標(CNS>A4規格（210 X 297公爱） 46324 2 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 五、發明說明（1〇 ) 反應中，基片28足表面29上所沉積鈦薄膜係暴露於含氮 電漿下，如氨及/或氮電漿。較佳使用氨，因爲其反應性 良好。該電漿係藉由使氮化氣體簡單以高溫及減壓經過 Rr %極產生。氮化氣體較佳爲氨或氣氣，其流速可自约 10 sccmi約5000 seem。該RF頻率較佳爲58〇千赫茲。反 應溫度（即基片溫度）至少爲约500χ，至少約58crc更佳。 用於氮化之較佳基片溫度與沉積鈦薄膜所用溫度相同，使 得在製程間大體上沒有基片溫度變化。在氮化鈦沉積期 間，噴淋頭較佳保持在於約425。(：至約5〇(rc，較佳與沉積 鈦薄膜所用噴淋頭溫度相同。 氮化期間，反應室之内壓必須保持低於大氣壓，—般可 自約0.2托至約2 0托，較佳約i至約丨〇托。反應室於鈦氮 化期間之内壓與沉積鈦薄膜所用壓力相同，使得製程間没 有壓力變化。在氮化反應中，反應時間可自约i秒至約i⑼ 秒，較佳約30-50秒。 氮化飲係藉由熱CVD法沉積於經氮化之經沉積鈦薄膜 上，如藉四氣化鈦或其它由化鈦與氮源（如氨氣或氮氣和 氫氣之混合物）反應，產生氮化鈦及氣化氫副產物。齒化 鈦之流速較佳自約0.5至約5〇 sccm ^氮源氣體之流速應自 约5 0至约5〇〇〇 sccm。反應溫度或基片溫度至少爲約5⑽ °C，較佳與沉積鈦薄膜及鈦薄膜氮化所用基片溫度相同， 使得在製程間没有基片溫度變化。氮化鈦沉積期間，嘴淋 頭較佳保持於約425°C至約500。(：，較佳與沉積鈦薄膜及欽 薄膜氮化所用噴淋頭溫度相同。與習用熱CVD_TiN沉積製 -13- 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（210 * 297公爱） -!裝--------訂. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 46324 2 __B7__ 五、發明說明（11 ) 程中以較低溫度防止TiN沉積於噴淋頭上不同，較高溫度 使TiN沉積於噴淋頭上，用TiN沉積集合Ti、氮化及ήν沉 積之製程條件，使反應器更加穩定。使用恆定溫度避免在 溫度循環下產生顆粒。亦可使用580°C或590°C之噴淋頭溫 度，用噴淋頭之陶磁性或其它抗腐蝕塗層防止熱反應氣體 與喷淋頭發生腐蝕反應時，亦可使噴淋頭溫度達到650 °C，或甚至700Ό。 在TiN之熱CVD期間，該反應室之内部壓力可保持於約 0.2托至約2 0托，較佳約1至1 〇托。該反應室之内部壓力 較佳保持恆定’較佳與沉積鈦薄膜及鈦薄膜氮化所用壓力 相同，使得在製程間實質上沒有壓力變化。 因此，多重分層係根據本發明在單個反應室内沉積於基 片上。首先使鈦層沉積於基片上，隨後由氨或氮電漿退火 將鈦氮化。然後根據前述步驟沉積氮化鈦層。基片溫度、 噴淋頭溫度及内I一直保持在大體恆定値較爲有利。在製 程間避免溫度及壓力變化，能夠減少剝落及顆粒產生。避 免參數變化更利單室使用，因爲能消除抽吸和清潔時間， 特別可消除或減少由製程參數變化導致之穩定化時間，因 而大大增加產量。而且，以一室代替二室時，可用兩個單 室結合Ti/TiN處理模塊雙倍處理以不同室中同時處理兩塊 晶圓之多個基片。這更進一增加產量，而且亦由消除架空 (與在兩個室中連續實施製程有關）而增加產率。本發明之 單至方法更允s午限制單套參數，然後在整個製程中使用。 在本發明的另-個具體實施例中，積合接觸金屬敷錢製 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 - ----I — 訂--I I--I--始.” 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14· 463242 A7 B7 12 五、發明說明（ 程係首先以PECVD法使鈥沉積到砂上，且在製程中於砂表 面和鈸薄膜之間形成-層石夕化鈇。欽沉積後，用氣或氮氣 退火提供經氮化珍化鈥之上層。最後，再次於同一反應室 中藉熱CVD法沉積氮化鈦層。 在將氮化鈦沉積到經氮化鈦薄膜或經氮化矽化鈦薄膜 後，沉積低電阻率金屬填充層，如銅、銘或鶴。然而，該 最後沉積-般需要使用賤射沉積技術之單獨室。可將㈣
濺射沉積室用於該方面。濺射沉積方法為熟讀此藝者所熟 悉D —在本發明的某些具體實㈣中’當將氮化鈇薄膜沉積到 經氮化之鈥薄膜或經氮化之硬化鈥薄膜 兩步驟沉積。在姆驟令，欽係在四氣化欽貧化條 沉積’例如，四氣化欽流速約為8咖，氨流速約為8〇 seem，作為稀釋劑之氮氣約為丨升/分鐘，壓力約！托。經 沉積（例如）約5〇至5〇〇A氮化鈦薄層後，將四氣化鈦之= 速加太到飽和狀態，例如約3〇 sccm ’而氨和氮氣流速較 佳保持接近恆定。使氮化鈦沉積至所需厚度。 在鈦沉積、氮化及氮化鈦沉積期間，TiN(clx)薄膜沉積 到熱内室表面，如噴淋頭、絕緣體以及晶圓外側之基座表 面上。頃發現，在單室中用恆定製程參數進行積合製程， 能夠在無需清潔該反應器下處理數百塊晶圓。在處理數百 或T千左右晶圓後，可周期性就地清潔該反應器，而很少 經常濕洗。濕洗或就地清潔該處理室後，必須在繼續處理 製造晶圓前預塗該内室表面。在先前方法中使用兩個室， 15· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（2〗〇 X 297公釐 *--! M.---------訂--------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 463242 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（13 ) 應用兩種不同預塗處理方法。對於鈦沉積室，預塗方法方 包括PECVD鈦，隨後經氨退火用約3800人Ti(N)塗覆該内室 表面。對於TiN沉積室，該預塗方法包括CVD TiN，以約 5000A TiN塗覆該内室表面。由於兩種預塗方法在内室表 面得到基本相同的薄膜，所以可用其中任何一種預塗方法 預塗本發明單室處理所用之内室表面。可以相信，室之預 塗及條件最佳闡述於申請中美國專利案序列號第 09/063;196號，該申請案歸檔於1998年4月20日，其標題 為”鈍化及穩定Ti-PECVD製造室之方法，以及結合Ti-PECVD/TiN-CVD之處理方法及裝置（Method of Passivating and Stabilizing a Ti-PECVD Process Chamber and Combined Ti-PECVD/TiN-CVD Processing Method and Apparatus)，其 内容以參考之方式併於本文，隨後進行熱CVD氮化鈦預塗 處理。 雖然為最佳處理積體及減少清潔頻率，本發明之較佳具 體實施例在整個單室Ti/ TiN沉積中包括保持恆定基片溫 度、喷淋頭溫度及壓力，但本發明之特徵為用PECVD Ti、電漿氮化及隨後熱CVD TiN完成單室積合Ti/ TiN製 程。在此等方法中，熱CVD TiN期間可用約150°C至約250 °C級別之較低喷淋頭溫度，儘管由於PECVD-Ti沉積之薄膜 在低噴淋頭溫度時附著不良，必須經常清潔内室表面。因 此，使用與PECVD Ti相同之較高噴淋溫度較為有利，以 避免經常清潔。 雖然本發明藉其具體實施例說明，雖然對該具體實施例 -16- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公爱） ------------:裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) VSJ·. 4 6 3 2^2 A7 _______B7 五、發明說明（14 ) 描述相當詳盡，但未打算以此類細節約束或以任何方式限 制申請專利之範圍。其它優勢及改良對熟諳此藝者極爲明 顯。因此，本發明在其較寬方面不受具體細節、代表性裝 置和方法以及所示及描述之圖解實例限制。所以，可在不 離開申請者一般發明概念之範圍或主旨内離開此類細節。 ---------:裝--------訂· {靖先閲讚背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用乍國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46324 2 as ___s_ 六、申請專利範圍 ι· 一種在單室中使包括鈦和氮化鈦薄膜之疊層沉積至晶圓 表面之方法，其包括以下步驟： 將具晶圓表面之基片以相隔於喷淋頭關係置入反廡 室； 在室中藉由在室内形成氣體混合物之第一電漿使欽薄 膜沉積至晶圓表面上，且該氣體混合物包括齒化鈦和氨 氣； 在室内藉由產生氣體之第二電漿將經沉積之鈦薄膜氣 化’該氣體選自氨'氮氣及其混合物组成者；及 在室内藉由熱CVD製程及使用包含鹵化鈦及氮源氣體 之氣體混合物，使氮化鈦薄膜沉積到經氮化之沉積鈦薄 膜上。 2.根據申請專利範圍第丄項之方法，其中該沉積鈦薄膜之 步驟係在至少約500°C溫度之晶圓表面進行。 3_根據申請專利範圍第2項之方法，其中該沉積鈦薄膜之 步驟係在約550°C至約700Ό溫度之晶圓表母進行。 4. 根據申請專利範圍第2項之方法’其中該沉積鈦薄膜之 步驟係在至少約580°C溫度之晶圓表面進行。 5. 根據申請專利範園第！項之方法，其中該氮化經沉積鈦 薄膜之步驟係在至少約500χ：溫度之晶固表面進行。 6. 根據中請專利範圍第2項之方法，其中該氮化經沉積欽 薄膜之步驟係在與沉積該鈦薄膜步驟相同之溫度之曰圓 表面進行。 7. 根據中請專利範圍第6項之方法，其中該沉積氮化欽薄 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公爱） (請先閱璜背面之注意事項再填寫表頁) 裝------ 11111 — - ^63242 8 098 a^cd 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 六、申請專利範圍 膜^步騾係用在沉積鈦薄膜及氮化經沉積鈦薄膜步騾相 同之溫度之晶圓表面進行。 8.根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該沉積氮化鈦薄 膜之步騾係在至少約58〇t溫度之晶圓表面進行。 9·根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該沉積鈦薄膜、 氮化經沉積鈦薄膜及沉積氮化鈦薄膜之步騾係在至少約 580°C之大體恆定溫度之晶片表面進行。 10. 根據申請專利範園第t項之方法，其中該室於沉積鈦薄 膜之步騾期間具有約1托（torr)至約1〇托之内部壓力。 11. 根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該室於沉積氮化 欽薄膜之步騾期間具有約0.2托至約20托之内部壓力。 12. 根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該室於沉積鈦薄 膜、氮化經沉積鈦薄膜及沉積氮化鈦薄膜之步癀期間具 有約1托至約1 0托之大體恆定内部壓方。 13 ’根據申請專利範圍第1 2項之方法，其申該伍定内部壓 力約為5托》 14. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積鈦薄膜之 步驟係在约425°C至約70(TC溫度之噴淋頭進行。 15. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該氮化經沉積飲 薄膜之步騾係在約425°C至約700°C溫度之噴淋頭進行^ Μ.根據申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積氮化鈦薄 膜之步驟係在約425°C至約700°C溫度之喷淋頭進行。 17.根據申請專利範園第1項之方法，其中該沉積鈦薄膜、 氮化經沉積鈦薄膜及沉積氮化鈦薄膜之步驟係在約425 -1 9- 尺度朝巾國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公釐） ------ C請先閱讀背面之注意事項再填寫本 裝 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 3 2 4 2 A8 BS C8 D8 六、申請專利範圍 t：和約70CTC間之太體伍定溫度之噴琳頭進行。 18. 根據中請專利範園第Θ之方法，其中該喷淋頭為金 屬，該沉積鈇薄膜、氮化經沉積欽薄膜及沉積氮化致薄 膜之步驟係在約42rc和約500t間邊定溫度之喷淋 頭進行- 19. 根據中請專利範圍第Η之方法，丨進—步包括在整個 於室内沉積輯膜、氮化經沉積欽薄膜以及在經氮化之 經沉積飲薄膜上沉積氮化欽薄膜期間，該晶圓表面保持 在大體恆定溫度，該室内總氣體壓力保持在大體恆定壓 力，且該噴淋頭溫度保持大體恆定溫度。 20. 根據申請專利範圍第丨項之方法，其進一步包括在整個 於室内沉積鈥薄膜'氮化經沉積&薄膜以及在經氮化之 經沉積鈦薄膜上沉積氮化鈦薄膜期間，該晶圓表面保持 在至少約580。(：之大體怪定溫度，該室内總氣體壓力保 持在約1托和約10托間之大體恆定壓力，該噴淋頭溫度 保持在約425°C和約500°c間之大體恆定溫度。 21. 根據申請專利範圍第1項之方法，其進—步包括在清潔 該室表面後用T i N預塗至少一次内室表面之初始步騾/ 22. 根據申請專利範圍第！項之方法，其中該沉積氮化鈦薄 膜工步驟包括，在四氣化鈦貧化條件下第一熱CVD沉積 第一厚度氮化鈦’在四氯化鈦飽和條件下第二熱CvD沉 積最終厚度氮化鈦。 23. 根據申請專利範圍第i項之方法，其中該晶圓表面為 矽，且進一步包括在沉積鈦薄膜之步驟期間介於矽晶圓 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） - — — I1III — 1I- i , I I I —---訂· —丨 — ι!·^β (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 463242 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 表面和經沉積鈦薄膜之間形成矽化鈦層。 24. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該第一及第二電 衆係於晶圓表面之25毫米範圍内產生。 25. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積鈦薄膜、 氮化經沉積之鈦薄膜及沉積氮化鈦之步騾係在約l50°c 至約2 5 0 eC間溫度之喷淋頭進行 26. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該南化鈦為四氯 化鈦。 27· —種在單室中使包括鈦及氮化鈦薄膜之疊層沉積到基片 表面上之方法，其包括： 將具表面之基片以相隔於喷淋頭關係置入反應室； 在該室中藉由電漿增強化學氣相沉積法使鈦薄膜沉積 至該表面上；隨後 在該室中藉由氣體之電漿氮化經沉積之鈦薄膜，該氣 體選自由氨和氮或氨和氮之混合物組成之群；隨後 在該室中藉由熱CVD方法使氮化鈦薄膜沉積於經氮化 之經沉積鈦薄膜上；及 在遠鱼 >儿積跃薄膜、氮化經沉積之鼓薄膜以及於經氮 化之經沉積鈦薄膜上沉積氮化鈦薄膜期間，該表面保持 在至少約580°C之大體恆定溫度’該室内總氣體壓力保 持在約1托和約1 0托間之大體怪定壓力，該喷淋頭保持 在至少約425°C之大體恆定溫度。 28.根據申請專利範圍第2 7項之方法，其中該喷淋頭為金 屬，且保持在約425°C和約500°C間之大體值定溫度。 -21- f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) *裝---- 訂---------綠- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 324 2 B8 _ D8 六、申請專利範圍 29.根據申請專利範圍第2 7項之方法，其中該噴淋頭溫度係 保持於約500Ό和約700°C間之大體恆定溫度，且其中該 喷淋頭包食在高於約500°C抗腐蝕之表面材料。 30-根據申請專利範圍第2 7項之方法，其中將氮化鈦薄膜於 該室沉積至經氮化之經沉積致薄膜上，其包括： 在初始步驟由熱CVD法於鹵化鈦貧化狀態沉積氮化 鈇’且該，卣化欽以第一流速流動’其中該自化妖係用含 氮氣體之氣流稀釋；及 經初始步驟沉積氮化鈦後，增加自化鈦流速至飽和狀 態流速’由之於第二步驟使氮化鈦沉積於經初始步驟沉 積之氮化飲上= 31··根據申諳專利範圍第2 7項之方法，其中將氮化鈦薄膜於 該室沉積至經氮化之經沉積鈦薄膜上，其包括： 在初始步驟以四氣化鈦貧化CVD方法沉積氮化鈦薄 膜，且四氣化鈦以約8 seem流速流動，氨以約80 seem流 速流動，氮氣作爲稀釋劑以1升/分鐘流速流動，壓力約 爲5托，由之形成約1〇〇至500埃厚度之TiN層；隨後 將四氣化鈦流速增加至約30 seem之飽和狀態流速，氨 和氮之流速保持恆定，由之在該薄層上形成另一層 TiN。 32.根據申請專利範圍第27項之方法，其中該Ti之PECVD包 括在該室内形成氣態混合物之第一電漿，且該氣態混合 物包括鹵化鈦及氫氣，其中該第一電漿係於該基片表面 之25毫米範圍内產生。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ — ----II 訂--------鱗 Γ清先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 Ό8 463242 六、申請專利範圍 3)·根據申蜻專利範圍第2 7項之方法，其中該氮化期間之 電漿係於經沉積鈦薄膜之25毫米範圍内產生。 34. 根據中請專利範園第27項之方法，其中該基片表面之 溫度不大於7〇〇°c。 35. 根據申請專利範圍第27項之方法，其進一步包括在清 潔該室表面後用™預塗至少一次内室表面之相始: 驟。 36. 根據申請專利範圍第27項之方法， .，且其進-步包括在沉積欽薄膜期間於該基砂 和该經沉積鈦薄膜間形成一層矽化鈦。 ---.---------贏--------訂i f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 結 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉
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