阻挡层的形成方法技术

本发明专利技术涉及形成阻挡层的方法，包括淀积氮化钛层，随后使该层表面氮化。在某些实施例中在氮化步骤之前使氮化钛层暴露于氧。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。制造半导体器件时经常需要淀积阻挡层。通常是钛或钛合金，其目的一般是提供与表面层良好的粘附性，避免连接层与表面层之间产生不期望的合金化，特别是避免铝合金形成穿过接触结的“钉”(spiking)。众所周知，使阻挡层暴露于氧气可以改善该层的机械性能，但是本专利技术人已经证实，当在这种层上淀积铝或铝合金时氧对铝或铝合金的晶粒结构有害。美国专利5552341公开了另一种对阻挡层的处理工艺，改善后续的铝层，通过采用氢化硅的等离子体处理，在阻挡层表面形成硅烷化层。通过已知的氧处理填充晶界改善了阻挡层。根据一个方案，本专利技术构成在半导体表面上形成阻挡层的方法，包括，淀积氮化钛层，使该层暴露于氧气，和至少使被氧化的层表面氮化。为了方便，对于本说明书的目的，对阻挡层的这些处理无论是否涉及氧均将被认为是激活。氮化步骤可通过含氮等离子体来进行。另外，也可以在存在氮的情况下使阻挡层暴露于产生的等离子体或者紫外线原子氢，使阻挡层中的所有氧化材料氮化。另外，可以顺序地进行利用原子氢和氮化步骤来去除氧。采用目前的设备至少难以实现在纯氮气氛中氮化。氢∶氮比例可以在1∶10和3∶1之间。可以NH3的形式提供氢，此时NH3至少可以提供某种氮化氮。阻挡层基本上包含钛和氮原子，但是氮化钛形成柱状晶结构，它从上到下存在于晶界。由于氮化钛起物理阻挡层作用，这是一种固有缺陷，但是众所周知，通过在形成氮化钛的过程中添加氧、或者使氮化钛暴露于氧(例如通过暴露于空气)，可以减轻此缺陷。也就是说用氧“填充”晶界。于是，最好向氮化钛添加氧(改善阻挡层质量)，但是如果顶表面含有某些原子氧则存在问题。在TiN上的氧杂质的影响是在典型条件下会存在氧化表面，由与钛外层键合的氧原子组成，其将与铝紧密接触并容易与其形成化学键，因此妨碍在一定处理中的材料的流动或转移。使用氧是为了利用通称为“氧填充”的工艺，通过阻塞晶界或缺陷处的扩散通道，从而改善阻挡层。作为工艺步骤的一部分，例如众所周知存在少量氧的氮气退火、氧等离子体工艺等或者作为暴露于空气的二次作用，氧可到达阻挡层。氮在退火处理中基本起对氧的稀释作用，在此处理中通常不与该层反应。为了改善阻挡层的机械性能仅需要极少量的氧。由于氧化钛是不良导体，不一定增强电性能。而且如果在含氧阻挡层的表面淀积铝，则铝的晶粒结构变差。根据另一方案，本专利技术构成在工件例如半导体晶片的表面形成阻挡层的方法，包括，淀积氮化钛层，随后使该层表面暴露于激活的氮气，从而使该层中的所有自由表面钛被氮化，形成氮化钛。最好该表面暴露于高能NH3，特别是暴露于NH3等离子体。在氮化步骤之前TiN层可暴露于氧，而且可以进行额外或另外的氧退火。在氮化钛层的淀积和氮化步骤之间可以有真空间断。特别是，进一步的实验证实，通过氨等离子体处理进行氮化，即使不暴露于氧也能改善阻挡层的机械性能。而且由于不形成氧，所以该工艺对电性能无害。此结果与预料的和已有技术的指教相反。以上说明了用氨等离子体处理的其他改善。本专利技术人仅就涉及的精确机理做一假设。已经观察到TiN阻挡层强于在顶部淀积Ti的TiN阻挡层。可能的解释是由于存在自由的Ti使得TiN阻挡层变弱。暴露于氧约束了自由Ti，形成钛的氧化物。使阻挡层暴露于氮气热处理或者例如通过含氮等离子体暴露于激活的氮气，似乎如氧处理一样有效，这是因为自由的Ti已经被键合为氧化钛或氮化物或TiN，而不是象先前提到的氧‘填充晶界’(见美国专利5552341，例如第4栏第25～31行和第63～64行对该专利技术的已有技术的说明，第8栏第26～31行表明在阻挡层中使用氧以便“可以保持填充效果”对于该专利技术仍旧需要)。本专利技术还包括如下方法，在包括初始淀积了氮化钛阻挡层的工件上，淀积导电层例如铝、铝合金或铜膜，激活阻挡层和淀积导电层。可以采用物理汽相淀积来淀积阻挡层，其本身可位于纯钛层上。正如上述一个方案所述，已经发现通过至少用氮置换表面氧原子，可以制造适合后续工艺的含氧的阻挡层。这已经通过多种方式得以实现，特别是使用含氮和氢的等离子体。对其机理的可能解释如下。对使用含氮等离子体的适当解释是产生等离子体的形式、例如离子辅助型、有利于使氧化的阻挡层表面氮化。此反应仅在625℃以上才稍有利。使用等离子体—或者紫外线产生的原子氢在化学上更有利，不需要离子辅助如果在存在氮的情况下进行此反应，最终的阻挡层表面将同时被氮化。化学汽相淀积(CVD)TiN的性能优于物理汽相淀积(PVD)TiN的性能。但是，当晶片从CVD设备输送至PVD设备进行金属化处理时，可以存在真空间断。在存在来源于混合气体或者含有氮和氢(可能还有其他元素)的单一气体的原子氢和原子氮的情况下，对表面的氧化钛进行再氮化。利用原子氢和氮的混合物发生再氮化，主要是通过氢对氧化钛的初始还原，以及之后的氮与钛的反应。通过提高还原工艺的水副产物留在衬底表面的速度，升高温度适当地提高了反应速度，由此减少了表面再次氧化的可能性。在这些温度，由于原子氢可使钛与氮反应，因而使反应得以进行。因此，在含氮的环境气氛中，随着原子氢浓度从零增大，氧化钛向氮化物的转换速率也增大。由于在恒定温度和压力下的任何给定体积中，只存在固定的气体分子数，自然将到达这样的程度，即还原的氧化钛的氮化成为速率受限的反应。当温度低于存在原子氮的情况下可使氧化钛直接反应成为氮化钛时，进行此工艺，将存在原子氢和氮的最佳混合物。使用含氢和氮的气体分子，对于这两种分离气体的混合物来说是最佳的，这是因为在被反应的衬底表面上的固定体积气体中，可以存在更多的氢和氮原子。例如在相同体积中，完全分解时而且众所周知，在等离子态，含氮气体例如氨是比分子氮更为易得的原子氮的来源。还可确信NH3作为汽相将比氢或氮更为易于“粘附”于衬底，在高能轰击下释放原子氮和氢，促进所需的表面反应。实验结果是，把分子氮对氢气的浓度提高到10∶1，可提高氮化率，但此氮化率仍低于使用其氮与氢的原子比为1∶3的氨的情况。这是因为由分子氮产生的原子氮是氮化率的一个限制因素。还已观察到，氢中的分子氮浓度进一步提高超过某一点时，氮化率再降低，仍旧不是与氮和氢的化合物例如氨相同的比率。对此可能的解释是氧化钛还原目前是限制因素。可能分子氢在分子氮中被如此地稀释，因为存在大量的(未反应)氮分子，而不能与衬底表面足够地紧密接触，以致原子氢形成时，其与衬底表面的反应被物理地阻碍。可以各种方式实施本专利技术，以下将说明特定实施例附图说明图1是涉及实验1的结果的表。图2是根据一种工艺填充的通道的SEM。图3是根据另一种工艺填充的通道的SEM。实验1在氧化硅层上淀积阻挡层和铝合金层，氧化硅层是预先淀积在硅晶片上并含有孔。这些孔使硅晶片暴露于阻挡层。在结果图1所示的基体上进行各种处理。对每个阻挡层做过热应力破坏性测试。通过腐蚀掉氧化硅和淀积的阻挡层和铝合金层，考察硅表面，得到测试结果。如果铝已穿破阻挡层，则证据是其存在于硅晶片上氧化硅层原来有孔之处。在此实验中，除了不可期望改善的“对比”工艺之外，在使用氨(NH3)对阻挡层做等离子体处理之前，进行各种氧暴露技术。选择NH3作为适合的含氮气体，但是在适于使氮与阻挡层反应的条件下，也可使用含氮气体或纯氮。氧暴露技术包括使工件暴露于大气(真空间断)氧退火(热处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体表面形成阻挡层的方法，包括淀积氮化钛层，使该层暴露于氧，至少使氧化层表面氮化。

【技术特征摘要】
GB 1996-11-22 9624343.1;GB 1997-2-6 9702410.3;GB 11.一种在半导体表面形成阻挡层的方法，包括淀积氮化钛层，使该层暴露于氧，至少使氧化层表面氮化。2.根据权利要求1的方法，其中采用含氮等离子体进行氮化步骤。3.根据权利要求1或2的方法，其中在存在氮的情况下使阻挡层暴露于产生的等离子体或者紫外线原子氢，使阻挡层中的所有氧化材料氮化。4.根据权利要求1或2的方法，其中包括采用原子氢从阻挡层表面去除氧，随后使该层氮化。5.根据权利要求3的方法，其中氢∶氮比例在1∶10与3∶1之间。6.根据权利要求3-5中任一项的方法，其中以NH3的形式提供氢。7.根据权利要求6的方法，其中NH3提供至少某些氮化用的氮。8.一种在工件表面形成阻挡层的方法，包括淀积氮化钛层，随后使该层表面暴露于激活氮，以便使该层中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：CD多布森，MGM哈里斯，KE布查恩，
申请(专利权)人：特利康设备有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]