PVD制备TiN的方法技术

本发明专利技术公开了一种PVD制备TiN的方法，包括：在充有氮气和稀有气体的真空条件下，使得稀有气体辉光放电形成稀有气体离子；利用氮气将晶片表面以及Ti靶台表面氮化；稀有气体离子在电场加速下轰击Ti靶台表面，溅射出TiN以及Ti离子；TiN在磁场作用下沉积在晶片表面形成TiN层，而Ti离子入射在晶片表面而使得TiN层具有应力；其特征在于：提高Ti离子入射到晶片表面的动能，从而提高TiN层的非晶化率，进而提高TiN层的应力。依照本发明专利技术的PVD制备TiNx的方法，通过控制工艺参数而提高Ti离子入射到晶片上的动能，从而提高了TiNx非晶化率进而提高了TiNx薄膜的应力。

Method for preparing TiN by PVD

The invention discloses a method for preparing TiN PVD, including: vacuum nitrogen and rare gas in charge, the rare gas glow discharge formation of rare gas ions; nitrogen is the surface of the wafer and Ti target surface nitriding; rare gas ion bombardment Ti target surface in the electric field acceleration, sputtering and TiN Ti ion; TiN deposition in the magnetic field TiN layer is formed on the surface of the wafer, and Ti ion incident on the wafer surface and the TiN layer with stress; which is characterized in that: improve the kinetic energy of Ti ions incident on the wafer surface, so as to improve the TiN layer amorphization rate, and improve the stress of the TiN layer. In accordance with the PVD process for preparing the TiNx by the present invention, the kinetic energy of the Ti ion incident onto the wafer is increased by controlling the process parameters, thereby improving the amorphization rate of the TiNx and increasing the stress of the TiNx film.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种PVD制备TiN薄膜的方法。
技术介绍
随着大规模集成电路技术的不断发展，电路的集成度不断提高，MOSFET器件的特征尺寸已经到了 22nm以下的技术结点。事实上，当进入90nm的技术结点之后，单纯的通过缩小栅长以满足摩尔定律的要求已经越来越困难了。因为随着栅长的缩短，被用来抑制短沟道效应的沟道重掺杂引入的沟道掺杂散射、强场效应以及寄生电阻的增加，导致沟道载流子迁移率降低，影响了器件电学性能的提升。在这种背景下，应变工程应运而生，它是提高沟道载流子迁移率的重要方法之一。 这种技术通过在器件制造过程中引入各种应力源，如应变覆层(StrainedOverlayers)、应力记忆(Stress Memorization)、以及嵌入式 SiGe (Embedded-SiGe,eSiGe)，来对沟道施加应力。而适当的应力能够提高沟道载流子的迁移率，进而在不缩小沟道尺寸的前提下实现器件电学性能的提高。从45nm开始金属栅被引入CMOS器件中，并且得到了大规模应用，而作为SMT技术思想的延伸，通过金属栅向沟道引入应力的方法也随之诞生，这种应力的引入主要针对nMOS器件，TiNx作为nMOS器件的金属栅材料其应力的研究成为必要课题。现有的TiN薄膜制备方法，例如蒸发、(磁控)溅射、PECVD等等，通过控制工艺参数可以获得I~2GPa应力的TiNx薄膜。然而，随着器件尺寸持续缩减,对于沟道区载流子迁移率提高的需求日益增强，上述传统的TiNx薄膜制备方法以及工艺参数选择难以满足进一步提闻器件驱动能力的需求。【专利技术内容】由上所述，本专利技术的目的在于通过合理优化PVD制备TiN薄膜的工艺参数来提高应力，从而可以有效增强沟道区载流子迁移率，进一步提高器件性能。为此，本专利技术提供了一种PVD制备氮化钛的方法，包括:在充有氮气和稀有气体的真空条件下，使得稀有气体辉光放电形成稀有气体离子；利用氮气将晶片表面以及钛靶台表面氮化；稀有气体离子在电场加速下轰击钛靶台表面，溅射出钛离子以及氮化钛；氮化钛在磁场作用下沉积在晶片表面形成氮化钛层，而同时钛离子入射在晶片表面而使得氮化钦层具有应力；其特征在于:提闻钦尚子入射到晶片表面的动能，从而提闻氣化钦层的非晶化率，进而提闻氣化钦层的应力。其中，提高钛离子入射到晶片表面的动能的步骤进一步包括:缩短晶片与钛靶台之间的距离。其中，晶片与钛靶台之间的距离为190mm~260mm。其中，提闻钦尚子入射到晶片表面的动能的步骤进一步包括:提闻灘射功率。其中，溅射功率为IOOw~2000w。进一步包括提高氮气的流量。其中，氮气的流量为1.5~10.0SCCM。进一步包括减小氮化钛层厚度。其中，TiN层厚度为6~lOOnm。其中，氮化钛层的应力为O~-6.5GPa。依照本专利技术的，通过控制工艺参数而提高Ti离子入射到晶片上的动能，从而提闻了 TiN非晶化率进而提闻了 TiN薄I旲的应力 。【附图说明】以下参照附图来详细说明本专利技术的技术方案，其中:图1示意性示出了根据本专利技术实施例的TiN薄膜溅射方法的示意图；以及图2~5分别示意性示出了不同靶台-晶片距离、功率、流量、厚度下得到的TiNx薄膜应力。【具体实施方式】以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本专利技术技术方案的特征及其技术效果，公开了一种PVD制备TiNx的方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系O本专利技术可以采用通用的(磁控)溅射设备来完成TiNx的制备。值得注意的是，在本申请下文中，为了简便起见，有时将钛的氮化物(氮化钛)简称为TiN而省略了 N含量X的标记，但是并非意在将X限定为具体的整数1，实质上X可以是从O~4的任意数并且不限于整数。如图1所示，在充有反应气体一氮气和溅射气体一稀有气体(He、Ne、Ar、Kr、Xe等，优选Ar以及更大质量的原子以增强轰击溅射效果)的真空条件(例如溅射时气压恒定为Smtorr)下，使得溅射气体辉光放电而电离出稀有气体的离子，此时氮气使得Ti靶材表面以及晶片(例如单晶Si晶片)表面氮化；稀有气体离子在电场作用下加速轰击靶材Ti的表面，溅射出TiN原子；在电磁场的作用下，TiN原子落在晶片上，沉积为TiN薄膜。在此过程中，除了 TiN原子会落在晶片上之外，Ar等稀有气体轰击Ti靶材表面也会溅射出Ti离子，该Ti离子除了与氮气反应之外，还持续轰击晶片上已有的TiN薄膜，从而使得晶片表面的TiN薄膜局部非晶化而具有一定应力。本专利技术人根据理论分析以及多次实验数据验证，得到了本专利技术的核心技术方案，也即通过提高Ti离子入射到晶片上的动能来提高TiN的非晶化率，从而可以提高TiN薄膜的应力。具体地，提高Ti离子入射到晶片上的动能至少可以包括以下两种途径:I)缩短图1中晶片与靶台之间的间距D。现有的溅射腔室中该距离D—般是260mm，依照本专利技术实施例的方法中，该距离缩减为190mm。由于距离缩减，在相同的电压下，电场大大增强，因此Ti离子在电场中获得更高的加速，从而晶片表面上沉积的TiN薄膜的非晶化率大大提闻，可以有效提闻TiN薄I旲应力。如图2所不，可见在190mm~260mm的范围内，随着距离D减小，TiN薄膜的应力显著增大，因此应该尽可能的缩短间距D。2)增大溅射功率。在现有的常规溅射腔室中，溅射功率一般是50~200w，然而依照本专利技术的方法提高了该溅射功率，例如是IOOw~2000?，并且优选地为800w~2000?，更优选地为1500w~2000w。如图3所示，可见在IOOw~2000w的范围内，随着溅射功率增大，相同距离内电磁场增强，Ti离子获得更大的动能，从而提高了 TiN的非晶化率，进而提高了薄膜应力，因此应该尽可能地增大溅射功率。此外，依照本专利技术的方法中，可以通过增大氮气流量来进一步增大薄膜应力。如图4所示,可见随着氮气流量的增加,薄膜应力也有显著增大。这是因为TiN中N含量增大使得薄膜本身晶格结构变化，本征应力增大。因此，本专利技术中氮气的流量优选1.5~10.0SCCM,更优选地在3.0~10.0SCCM,最佳在5.0~10.0SCCM。如图5所示，可见随着晶片上最后得到的TiN薄膜厚度减小，TiN应力显著增大，这是因为相同动能的Ti离子在厚度较小的TiN薄层中轰击得到的微细晶格裂纹可以传播穿越的深度占总TiN厚度的比例更大，也即Ti离子轰击得到的非晶化区域的占比更加广大，因此局部产生的应力也更大。在本专利技术实施例中，TiN薄膜的厚度例如是6~lOOnm，并且优选地为6~50nm,以及更优选地为6~10nm。综合上述图2~图5可见，随着优化各种工艺参数，可以使得制备到的TiN薄膜具有的应力高达-6.5GPa，例如+1.0~-6.5GPa并优选O~-6.5GPa，远远超过传统PECVD、磁控溅射工艺得到的最多±2GPa的应力。依照本专利技术的，通过控制工艺参数而提高Ti离子入射到晶片上的动能，从而提闻了 TiN非晶化率进而提闻了 TiN薄I旲的应力。尽管已参照一个或多个示例性实施例说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PVD制备氮化钛的方法，包括：在充有氮气和稀有气体的真空条件下，使得稀有气体辉光放电形成稀有气体离子；利用氮气将晶片表面以及钛靶台表面氮化；稀有气体离子在电场加速下轰击钛靶台表面，溅射出钛离子以及氮化钛；氮化钛在磁场作用下沉积在晶片表面形成氮化钛层，而同时钛离子入射在晶片表面而使得氮化钛层具有应力；其特征在于：提高钛离子入射到晶片表面的动能，从而提高氮化钛层的非晶化率，进而提高氮化钛层的应力。

【技术特征摘要】
1.一种PVD制备氮化钛的方法，包括: 在充有氮气和稀有气体的真空条件下，使得稀有气体辉光放电形成稀有气体离子； 利用氮气将晶片表面以及钛靶台表面氮化； 稀有气体离子在电场加速下轰击钛靶台表面，溅射出钛离子以及氮化钛； 氮化钛在磁场作用下沉积在晶片表面形成氮化钛层，而同时钛离子入射在晶片表面而使得氮化钛层具有应力； 其特征在于:提闻钦尚子入射到晶片表面的动能，从而提闻氣化钦层的非晶化率，进而提闻氣化钦层的应力。2.如权利要求1的方法，其中，提高钛离子入射到晶片表面的动能的步骤进一步包括:缩短晶片与钛靶台之间的距离。...

【专利技术属性】
技术研发人员：付作振，殷华湘，闫江，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：