專利名稱：以鉭前驅(qū)物taimata進行含鉭材料的原子層沉積的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及電子器件的制造，更具體地，本發(fā)明的實施方式涉及對通過連續(xù)沉積技術(shù)在襯底上沉積含鉭金屬層的沉積工藝的改進。
背景技術(shù)：
電子器件工業(yè)和半導體工業(yè)，在不斷努力增大產(chǎn)量的同時，也致力于研究大面積襯底上的沉積層均勻性，這些因素連同新材料，可提高襯底上每一單位面積的集成電路數(shù)量，當集成電路數(shù)量增加后，對沉積層特性相關(guān)的均勻性和工藝控制的要求也相對堤高。在多層集成電路中，形成諸如鉭、氮化鉭和氮化鉭硅的含鉭金屬層，對工藝控制而言，特別是接觸反應(yīng)形成技術(shù)而言，是一大挑戰(zhàn)。
通過在絕緣材料的表面開口(如，通孔)上沉積導電互連材料可形成接觸點，該絕緣材料位于兩個間隔一段距離的導電層之間。銅是最常用的導電互連材料，但是銅會擴散進入鄰近層，如介電層中。使得介電層可以導電，最終導致器件功能失效，因此，需要使用阻擋材料以控制銅擴散。
使用濺鍍鉭和反應(yīng)性濺鍍氮化鉭而生成的阻擋層，其表現(xiàn)出可以控制銅擴散的性能，示例性的性能包括高導電性、高熱穩(wěn)定性并且可以阻擋外來原子的擴散進入。物理氣相沉積法(PVD)和原子層沉積法(ALD)兩種工藝，被用來制造具有小尺寸特征(如約90nm寬)和約5∶1的高深寬比(aspect ratio)的鉭或氮化鉭沉積層。然而，一般認為PVD工藝可達沉積層的尺寸和深寬比的該極限，而ALD工藝，則被預(yù)期為下一代的技術(shù)，用以制出特征尺寸45nm寬和約10∶1的高深寬比的沉積層。而且，ALD工藝比PVD工藝更容易在內(nèi)含有底切的特征上沉積含鉭薄膜。
在現(xiàn)有的化學氣相沉積法(CVD)或ALD工藝中，有人試圖使用傳統(tǒng)鉭的前驅(qū)物，沉積含鉭薄膜。傳統(tǒng)的鉭前驅(qū)物，包括氯化鉭(TaCl5)和各種金屬有機物，諸如五(二乙胺基)鉭(PDEAT)、五(二甲胺基)鉭(PDMAT)、第三丁亞胺三(二乙胺基)鉭(TBTDEAT)和第三丁亞胺三(二甲胺基)鉭(TBTDMAT)，然而，傳統(tǒng)的鉭前驅(qū)物可能在沉積過程中存在不足。使用前驅(qū)物TaCl5，至少需要三次循環(huán)工藝，并且要用到各種自由基化學品(如原子氫或原子氮)，才能制得鉭或氮化鉭薄膜。使用TaCl5，也會使含鉭薄膜被氯污染。使用含鉭有機物為鉭源，雖然不受氯污染，但沉積層中可能含有高量的碳的不希望出現(xiàn)的性質(zhì)。
因此，需要發(fā)展一種具有表面高度平整性、低度污染和具有高深寬比等特征的含鉭沉積膜工藝。

發(fā)明內(nèi)容
在這里描述的許多工藝，都使用鉭的前驅(qū)物，第三戊亞胺-三(二甲胺基)鉭(TAIMATA，(tAmylN)Ta(NMe2)3)，其中tAmyl是第三戊基(C5II11-或CII3CIH2C(CH3)2-)。在一實施例方式，提供一種通過在工藝腔室中將含鉭材料沉積在襯底上以制造器件的方法，其包括依序?qū)⒁灰r底暴露在一含鉭氣體脈沖及一工藝氣體脈沖下，以在該襯底上沉積一含鉭薄膜，其中該含鉭氣體脈沖包含TAIMATA，且該工藝氣體脈沖包含至少一種第二前驅(qū)物；及沉積一含釘材料在該含鉭薄膜上及沉積一含銅材料在該含釕薄膜上。所沉積的含鉭材料可包括鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、硅化鉭及其衍生物或其組合。在一示例里，該含釕材料使用ALD工藝來沉積，但是該含銅材料則是使用PVD工藝進行沉積。在另一示例中，首先是將該襯底暴露在第一ALD工藝中以將含釕材料沉積在襯底上，接著再將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝中，再接著將該襯底暴露在一第二ALD工藝中，以沉積附加的含釕材料到襯底上。
在另一實施方式中，提供一種通過在工藝腔室中在襯底上沉積一含鉭材料以制造出器件的方法，該方法包括將一襯底暴露在一ALD工藝下，其含有一包含TAIMATA的含鉭氣體，及一包含至少一種第二前驅(qū)物(secondaryprccursor)的工藝氣體，以在該襯底上沉積出一含鉭薄膜。該工藝還包含將該襯底暴露至一等離子體蝕刻工藝下，在該含鉭薄膜上沉積一內(nèi)含金屬的材料，以及在該內(nèi)含金屬的材料上沉積含銅材料。該含金屬的材料可包括銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕、和以上金屬的合金或其組合。示例包括使用PVD工藝在襯底上沉積含銅材料和使用ALD工藝或PVD工藝沉積含金屬的材料。
在一實施例中，提供一種在一工藝腔室的一襯底上生成一鉭阻擋層的方法，該方法包括將包含TAIMATA的鉭前驅(qū)物加熱到一預(yù)定溫度，以生成一含鉭氣體，并將該含鉭氣體通入至工藝腔室中。該含鉭氣體被吸附在襯底上并形成一含鉭層。該方法還包括以一清除氣體來清潔工藝腔室，將一內(nèi)含至少一第二種元素的氣體通入該工藝腔室中，并使該內(nèi)含至少一第二種元素的氣體與該含鉭層反應(yīng)，以形成該鉭阻擋層，再繼續(xù)以該清除氣體清潔該工藝腔室。TAIMATA可以加熱到一介于約50℃到約80℃間的預(yù)定溫度。
在另一實施例中，提供一種通過在一工藝腔室中的一襯底上生成一含鉭材料而形成一器件的方法，其包含在一蒸發(fā)器中與一載氣一起將一TAIMATA前驅(qū)物液體加熱到一預(yù)定溫度下而生成一含鉭氣體的步驟。該方法還包括將該襯底暴露至一原子層沉積(ALD)工藝下，該ALD工藝包含一含鉭氣體脈沖、一含氮氣體脈沖和一含硅氣體脈沖。重復(fù)該ALD工藝，直到將該含鉭材料沉積到一預(yù)定厚度為止。
在另一實施例中，提供一種在一工藝腔室中的一襯底上沉積一含鉭材料的方法，其包含將基板依序暴露在一含有TAIMATA的含鉭氣體脈沖及一含有至少一種第二前驅(qū)物的工藝氣體脈沖下，以在該襯底上沉積一含鉭層。重復(fù)該將襯底暴露于反應(yīng)氣體脈沖的步驟，直到含鉭膜層達到一預(yù)定的厚度，然后，在該含鉭膜層上沉積一金屬層。
在另一實施例中，提供一種位于一工藝腔室中的襯底上沉積一含鉭柵材料的方法，其包括將襯底暴露在一ALD循環(huán)工藝下，該ALD循環(huán)工藝包括一含有TAIMATA的含鉭氣體脈沖、一氮前驅(qū)物脈沖和一第三前驅(qū)物脈沖，以生成一含鉭材料。該第三前驅(qū)物可包括一硅前驅(qū)物、一硼前驅(qū)物、一磷前驅(qū)物或其組合。重復(fù)該ALD循環(huán)工藝直到該含鉭材料層達到一預(yù)定的厚度。


因此通過以上的描述方式，可詳細理解本發(fā)明的特征。對以上扼要說明的本發(fā)明更加具體的描述，可參考在附圖中描述的實施例。然而，請注意附圖只描述本發(fā)明代表性的實施方式，并因此不能認為對本發(fā)明范圍的限定，本發(fā)明可包括其它同樣有效的實施方式。
圖1為依據(jù)本發(fā)明所述一實施例在沉積一阻擋層之前的一襯底的詳細橫截面圖；圖2為依據(jù)本發(fā)明所述一實施例在沉積一阻擋層和一金屬接觸窗之后上述圖1所示襯底的詳細橫截面圖；圖3為依據(jù)本發(fā)明所述一實施例沉積一含鉭層的方法的流程圖；圖4為依據(jù)所述本發(fā)明另一實施例沉積一含鉭層的方法的流程圖；以及圖5為含有依據(jù)本發(fā)明所述一實施例的含鉭柵極的襯底的詳細橫截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例包括用以在一襯底表面上沉積一含鉭材料的原子層沉積(ALD)工藝。該(ALD)工藝，包括依序?qū)⒁r底表面暴露于一含鉭前驅(qū)物和至少一第二化合物(如，氮前驅(qū)物和/或硅前驅(qū)物)下。該工藝通常使用三丁戊亞胺-三(二甲胺基)鉭(TAIMATA)作為鉭前驅(qū)物。所沉積的含鉭材料可包括鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷或氧氮化鉭。
參照圖1，襯底10為一示例性結(jié)構(gòu)，其上沉積有一含鉭層。襯底10包含一晶圓12，其上可沉積有一層或多層薄膜，如層14所示。晶圓12由適合于半導體工藝的諸如硅的材料所形成。該層14是可由合適的介電材料或?qū)щ姴牧现瞥?，?yōu)選地，層14由一諸如含硅材料的介電材料形成。層14還可包括一通孔16其可暴露出晶圓12的一區(qū)域18。
參照圖2，形成在層14并在該區(qū)域18內(nèi)的為一阻擋層20，其含有通過本文所述的工藝沉積的含鉭材料。在一示例中，阻擋層20通過將襯底10依序暴露于一鉭前驅(qū)物和至少一第二元素的前驅(qū)物如氮前驅(qū)物和/或硅前驅(qū)物下，由氮化鉭或氮化鉭硅所構(gòu)成。雖然不必須，但阻擋層20可包含多種化合物的單沉積層，如氮化鉭或鉭金屬。氮化鉭阻擋層20和通孔16的輪廓一致，并覆蓋區(qū)域18和層14。一接點22通過在阻擋層20上沉積金屬層24及填滿通孔16的方式形成。金屬層24可由標準技術(shù)(如ALD、PVD、CVD、無電電鍍、電鍍或以上技術(shù)的組合運用)形成，該工藝包括種晶生成和/或孔洞填滿。金屬層24是一導電金屬，包括銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕、銀、或上述金屬的合金或以上金屬及合金的組合。優(yōu)選地，金屬層24包含銅或一含銅合金。
在一示例中，阻擋層20可作為種晶層以促進利用電鍍或ALD技術(shù)來生成金屬層24。阻擋層20應(yīng)具有好的覆蓋率(step coverage)、厚度均勻、高導電性和具阻擋銅擴散的能力。阻擋層20連續(xù)應(yīng)用以下將詳細描述的原子層沉積法沉積而成。
連續(xù)應(yīng)用許多沉積技術(shù)以形成阻擋層20的一示例，其包括將襯底10暴露在通過蒸發(fā)液態(tài)的鉭前驅(qū)物TAIMATA產(chǎn)生的含鉭氣體中。在此所用的“TAIMATA”，其化學名稱為第三丁戊亞胺-三(二甲胺基)鉭，tAmyl為第三丁基團(C5H11-或CH3CH2C(CH3)2-)，含鉭氣體是將放在蒸發(fā)室、發(fā)泡室(bubbler)或安瓶(ampoule)中的液態(tài)TAIMATA，加熱到30℃而形成，比較常用的溫度范圍是約50℃到約80℃，可將載氣流經(jīng)或把氣泡通入已經(jīng)預(yù)熱的TAIMATA液中，來產(chǎn)生含鉭氣體。
將襯底10放入工藝腔室中，并加熱至大約200℃到500℃之間，優(yōu)選地在250℃到400℃之間，更優(yōu)選地在330℃到360℃之間。工藝腔室中的環(huán)境經(jīng)過控制，可加壓至約1毫托(mTorr)到100托(Torr)之間，優(yōu)選地在1Torr到10Torr之間，更優(yōu)選地為2Torr到5Torr之間。襯底10被暴露在包含有一含鉭氣體和一載氣的工藝氣體中。在此所用的載氣和/或清除氣體可以是Ar、IIc、N2、H2、含氫的混合氣體(forming gas)或以上氣體的組合。在襯底10上形成一含鉭沉積層，該含鉭層的表面，推測含有胺基(-NMe2)和亞胺基(＝NtAmyl)的配位基。
在一示例中，將含鉭層暴露在另外一種包括有一含氮氣體和一載氣的工藝氣體內(nèi)，以在鉭沉積層上面形成一氮化鉭的阻擋層20。在此實例中，該含氮氣體可包含氨氣和載氣。一般認為該含鉭層表面的胺基和亞胺基配位基與氨氣作用并形成各種副產(chǎn)物，該副產(chǎn)物包括自由基(如，胺基(NH2)、甲胺基(NMe2)、戊胺基(NtAmyl)、氫戊胺基(HNtAmyl)、戊基(tAmyl))、戊烯、胺類(如，二甲胺(NMe2)或戊胺(H2NtAmyl))、聯(lián)(二甲胺)((Me2N2)2)、氫(H2)和其它的化學物質(zhì)。使用這種方法，可在襯底10的表面上沉積氮化鉭層。
阻擋層20是一種含鉭化合物，在一優(yōu)選的實施方式中，該含鉭化合物是氮化鉭或氮化硅鉭。一沉積工藝實例可生成具有化學式為TaNx的氮化鉭，其中x的范圍約在0.4到2.0之間。氮化鉭經(jīng)常衍生自包括TaN、Ta3N5、Ta2N或Ta6N2.57在內(nèi)的實驗式中。含鉭化合物是以非晶形或結(jié)晶材料方式被沉積。ALD原子層沉積法可在沉積含鉭化合物時，控制化合物中的原子數(shù)目配比(stoichiometry control)。在沉積工藝之后，不同的工藝可能會改變原子數(shù)目間的配比，如Ta3N5在退火過程中會生成TaN。在沉積過程中，改變各前驅(qū)物的比例，可用于控制含鉭化合物中原子數(shù)目間的配比。
在另一沉積工藝示例中，氮化鉭硅的化學式可為TaSiyNx，x的范圍約在0.4到2.0之間，y的范圍約在0.1到1.0之間。在其它示例中，由所述沉積工藝制造的含鉭化合物包括鉭、氮化鉭磷、氮化鉭硼、硅化鉭、氧化鉭、氧氮化鉭、硅酸鉭、硼化鉭、磷化鉭、或是其衍生物。
前驅(qū)物重要的特性在于具有合適的氣壓，沉積前驅(qū)物可在環(huán)境溫度和氣壓下為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。然而，在ALD工藝腔室中，前驅(qū)物先被汽化成氣體或等離子體。前驅(qū)物通常在預(yù)熱后，再被導入工藝腔室內(nèi)。
雖然TAIMATA是優(yōu)選的含鉭前驅(qū)物，但有許多鉭前驅(qū)物，在加熱后可以形成含鉭氣體，鉭前驅(qū)物可包括諸如以下的配位基，例如，烷胺基類、烷亞胺基類、環(huán)戊二烯基類、鹵素基類、烷基類、烷氧基類和以上基團的組合?？勺鳛殂g前驅(qū)物的烷胺基鉭化合物包括(RR’N)5Ta，R或R’各自代表氫、甲基、乙基、丙基或丁基?？勺鳛殂g前驅(qū)物的烷胺基鉭化合物包括(RN)(R’R”N)3Ta，其中R、R’或R”各自代表氫、甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(Pr)、丁基(Bu)或戊基(amyl)。具體的鉭前驅(qū)物包括(tAmylN)Ta(NMe2)3、(tAmylN)Ta(NEt2)3、(tAmylN)Ta(NMeEt)3、(tBuN)Ta(NMe2)3、(tBuN)Ta(NEt2)3、(tBuN)Ta(NMeEt)3、(Et2N)5Ta、(Me2N)5Ta、(EtMeN)5Ta、(Me5C5)TaCl4、(acac)(EtO)4Ta、Br5Ta、Cl5Ta、I5Ta、F5Ta、(NO3)5Ta、(tBuO)5Ta、(iPrO)5Ta、(EtO)5Ta、(MeO)5Ta或它們的衍生物。優(yōu)選地，該鉭前驅(qū)物為戊亞胺基化合物，如(tAmylN)Ta(NMe2)3、(tAmylN)Ta(NEt2)3或(tAmylN)Ta(NMeEt)3。
可用含氮化合物或氮前驅(qū)物來沉積含鉭層，如氮化鉭、氮化鉭硼、氮化鉭硅、氮化鉭磷或氧氮化鉭。氮前驅(qū)物包含但不限定下列化學物，如氨(NH3)、聯(lián)胺(N2H4)、甲基聯(lián)胺((CH3)HN2H2)、二甲基聯(lián)胺((CH3)2N2H2)、第三丁基聯(lián)胺(C4H9N2H3)、苯基聯(lián)胺(C6H5N2H3)、其它聯(lián)胺衍生物、胺類、氮等離子體源(如N2、N2/H2、NH3、或聯(lián)胺等離子體)；2，2’-偶氮第三丁基烷((CH3)6C2N2)、有機或烷基疊氮烷，如疊氮甲烷(CH3N3)、疊氮乙烷(C2H5N3)、疊氮硅三甲烷(Me3SiN3)、無機的疊氮化物(如NaN3、Cp2CoN3)或其它合適的氮源?？捎蔁?、熱線和/或等離子體來產(chǎn)生含自由基的氮化合物，如N3、N2、N、NH或NH2產(chǎn)生。等離子體可在原位(如，在工藝腔室)或在遠程處(如，遠程等離子體源)生成。氨和聯(lián)胺是較常選用的氮前驅(qū)物。
可用含硅化合物或硅前驅(qū)物來沉積含鉭材料，如氮化鉭硅、硅酸鉭或硅化鉭。硅前驅(qū)物包括硅烷、鹵化硅烷和有機硅烷。硅烷包括硅烷(SiH4)和實驗式為SixH(2x+2)的高階硅烷如乙硅烷(Si2H6)、丙硅烷(Si3H8)和四硅烷(Si4H10)和其它的硅烷。鹵化硅烷包括實驗式為X’ySixH(2x+2-y)的化合物，X’代表F、Cl、Br、或I，如六氯二硅烷(Si2Cl6)、四氯硅烷(SiCl4)、二氯硅甲烷(Cl2SiH2)和三氯硅甲烷(Cl3SiH)。有機硅化物包括實驗式為RySixH(2x+2-y)，R為甲基、乙基、丙基、或丁基，如甲基硅烷((CH3)SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、乙基硅烷((C2H5)SiH3)、甲基二硅烷((CH3)2Si2H5)、二甲基二硅烷((CH3)2Si2H5)和六甲基二硅烷((CH3)6Si2)。優(yōu)選的硅源包括硅烷、乙硅烷和甲基硅烷。
其它可用以沉積含鉭材料的反應(yīng)性的氣體，包括各種氧源和還原劑，可在ALD工藝中加入氧源而形成含鉭材料，如硅酸鉭、氧化鉭或氧化鉭。氧源或氧前驅(qū)物，包括原子態(tài)O、O2、O3、H2O、H2O2、有機過氧化物、上述化合物的衍生物或混合物。在ALD工藝中，可加入還原劑以形成含鉭材料，如金屬鉭、氮化鉭硼或氮化鉭磷。還原劑則有甲硼烷(BH3)、二硼烷(B2H6)、烷基硼類(如Et3B)、膦(PH3)、氫氣(H2)、上述化合物的衍生物或混合物。
“原子層沉積法(atomic layer deposition，ALD)”或“循環(huán)沉積法”，在此是指循序引入兩個或更多的反應(yīng)化合物，以將材料沉積在襯底上。這兩個、三個或更多的反應(yīng)化合物，可以交替地導入工藝腔室的反應(yīng)區(qū)里。通常，每一個反應(yīng)化合物在間隔一段時間后，分別被導入反應(yīng)區(qū)，以使各反應(yīng)化合物可以附著于襯底表面，和/或在襯底表面產(chǎn)生反應(yīng)。在一方面中，將一第一前驅(qū)物或化合物A(如鉭前驅(qū)物)，脈沖式地導入反應(yīng)區(qū)中，接著間隔以一第一時間間隔。接著，將一第二前驅(qū)物或化合物B(如氮前驅(qū)物)，也以脈沖式地導入反應(yīng)區(qū)，并接續(xù)一第二時間間隔。在每一次時間間隔中，導入一種清除氣體，譬如氮氣，以清潔反應(yīng)區(qū)，并除去反應(yīng)區(qū)中殘留的反應(yīng)物或副產(chǎn)物?；蛘?，在整個沉積工藝中，不停的導入清除氣體，從而在添加兩種反應(yīng)化合物之間的空檔，只有清除氣體流經(jīng)反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)物交替地以脈沖方式導入反應(yīng)區(qū)，直到在襯底上形成成獲得預(yù)期的薄膜或者預(yù)期的薄膜厚度。另一種ALD工藝，是把化合物A、清潔氣體、化合物B、清潔氣體，以循環(huán)的脈沖方式導入反應(yīng)區(qū)，該循環(huán)可以由化合物A或化合物B開始，并繼續(xù)該循環(huán)的各個順序，直到獲得預(yù)期的薄膜厚度為止。在另一實施例中，是將含有化合物A的第一前驅(qū)物、含有化合物B的第二前驅(qū)物和含有化合物C的第三前驅(qū)物(如硅前驅(qū)物)，各分別以脈沖方式導入工藝腔室中。一方面，該ALD循環(huán)工藝包括將襯底連續(xù)暴露到該含有化合物A的第一前驅(qū)物、該含有化合物B的第二前驅(qū)物、該含有化合物C的第三前驅(qū)物及該含有化合物B的第二前驅(qū)物中以形成薄膜?；蛘?，在脈沖式地導入該第一前驅(qū)物時，在時間上，和脈沖式地導入該第二前驅(qū)物的時間重疊，而脈沖式地導入第三前驅(qū)物的時間則和導入該第一前驅(qū)物的時間彼此不重疊，也不和導入該第二前驅(qū)物的時間重疊。
“脈沖(pulse)”一詞，在此是指某一數(shù)量的特定化合物以間歇和非連續(xù)的方式被導入工藝腔室的反應(yīng)區(qū)，每一脈沖中一特定化合物的導入量，依該脈沖在反應(yīng)區(qū)中停留的時間長短而定。許多因素決定脈沖在反應(yīng)區(qū)的停留時間，如使用的工藝腔室體積大小、相連的真空系統(tǒng)、襯底大小、襯底表面的圖案密度(如，深寬比值)和特定化合物本身的揮發(fā)性質(zhì)/反應(yīng)性質(zhì)?！鞍敕磻?yīng)(half-reaction)”一詞在此是指一前驅(qū)物的脈沖式導入步驟和一相繼的清除氣體的脈沖式地導入步驟。
在此所描述的工藝的實施例可在各種襯底表面和襯底上沉積含鉭材料，例如，氮化鉭或氮化鉭硅?！耙r底表面(substrate surface)”，是指任何襯底和通過薄膜工藝所完成而形成于一襯底上的材料層表面。舉例來說，可在其上進行薄膜工藝的襯底表面材料包括硅、氧化硅、應(yīng)變硅(strained silicon)、絕緣層上覆硅材(SOI)、摻雜碳的氧化硅、氮化硅、摻雜硅、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石和其它依實際應(yīng)用而決定的材料。摻雜碳的氧化硅如SiOxGy，可使用旋涂工藝或氣相沉積工藝進行沉積，例如以位于加州圣塔克拉市的應(yīng)用材料公司所出品的BLACKDIAMONDTM低-k介電材料，來進行沉積?？墒褂酶鞣N尺寸的襯底，如直徑200mm或300mm的圓形晶圓和長方形或四方形平板。在此描述的工藝實施例，是把含鉭化合物沉積到襯底和其它材料的表面上，特別是硅和含硅材料的表面。本發(fā)明的實施例所指的襯底，包括晶體硅(如Si＜100>或Si<111>)、玻璃、氧化硅、具拉應(yīng)變硅(strained silicon)、硅鎵、摻雜或未摻雜的多晶硅、摻雜或未摻雜的硅片氮化硅。襯底表面可能須作研磨、蝕刻、還原、氧化、羥化、退火和/或烘烤等預(yù)處理。
圖3和圖4說明使用ALD工藝或類似的循環(huán)沉積技術(shù)，形成氮化鉭的制作過程。該TAIMATA前驅(qū)物在通入一ALD工藝腔室中，可先在一蒸發(fā)室、發(fā)泡室或安瓶中進行加熱。TAIMATA可被加熱到至少30℃，較常用的溫度范圍大約為45℃到90℃之間，更合適的溫度范圍大約為50℃到80℃之間，如70℃左右。預(yù)熱的TAIMATA前驅(qū)物比常溫的TAIMATA前驅(qū)物，在載氣中可更為完整的保存下來。在沉積工藝中，襯底被加熱到約200℃到500℃之間，較常用的溫度范圍大約為250℃到400℃之間，更合適的溫度范圍大約為330℃到360℃之間。工藝腔室的溫度，不同區(qū)域會有不同的溫度，但和襯底的溫度大致相同。對工藝腔室里的環(huán)境條件可加以控制，其壓力調(diào)整到約1m Torr到100Torr之間，較常用的壓力范圍大約為1Torr到10Torr之間，更合適的壓力范圍大約為2Torr到5Torr之間。在其它例子中，需使可使用不同的溫度和不同的壓力于沉積工藝中。
為清楚和容易描述起見，進一步說明使用循環(huán)沉積相關(guān)技術(shù)，沉積氮化鉭阻擋層的方法。將含鉭化合物，如TAIMATA，以脈沖方式導入工藝腔室。鉭前驅(qū)物可通過一載氣和清除氣體的幫助，而導入至工藝腔室，這些載氣和清除氣體可包括，但不限于氦、氬、氮、氫、合成氣體或以上氣體的組合。含氮化合物的脈沖，如氨氣，也以脈沖方式被導入至工藝腔室。也可使用一載氣來傳送該含氮化合物。一方面，可由一氣源(如鋼瓶或內(nèi)部裝置)在含鉭化合物脈沖和含氮化合物(作為一載氣)脈沖之間，連續(xù)供應(yīng)可作為清除氣體的氣體至工藝腔室中。另一方面，在含鉭化合物和含氮化合物各以脈沖方式被導入工藝腔室之后，將清除氣體以脈沖方式導入工藝腔室。此外，在每一個沉積步驟或半工藝中，可通入一恒定量的清除氣體和載氣到工藝腔室中。
在圖3的工藝300中，將一恒定量的載氣導入工藝腔室中，在步驟302中，將工藝腔室中的溫度和壓力等條件加以調(diào)整。在沉積過程里，可將襯底溫度維持在略低于一選用的含鉭前驅(qū)物(如，TAIMATA)的熱分解溫度。在步驟304中，當載氣流開始進入工藝腔室并橫掃過襯底面時，氮化鉭層開始形成。在步驟306中，將鉭前驅(qū)物以脈沖方式導入工藝腔室，鉭前驅(qū)物以脈沖方式流入載氣中，一單層的含鉭化合物被吸附在襯底表面上，剩余的鉭前驅(qū)物由清除氣體和/或以抽真空的方式除去。在步驟308中，繼續(xù)將載氣通到襯底上，一含氮化合物以脈沖方式導入載氣中。氮前驅(qū)物(如氨)與被吸附的含鉭化合物起反應(yīng)，在襯底表面形成氮化鉭薄膜。多余的氮前驅(qū)物和副產(chǎn)物(如有機化合物)由清除氣體和/或以抽真空的方式除去。在步驟310中，如果氮化鉭層達到期望的厚度，沉積工藝停止在步驟312。步驟304-310將一直循環(huán)進行，直到氮化鉭層的厚度，達到期望值。在一實施例中，TAIMATA和氨連續(xù)以脈沖方式被導入至工藝腔室，在40個循環(huán)后，氮化鉭沉積層的厚度才達到約20。
形成氮化鉭層的工藝300還可有另一方法，其開始是在襯底上先吸收一單層的含氮化合物，接著沉積一單層的含鉭化合物。此外，在其它例子中，在脈沖式導入兩個反應(yīng)氣體之間，單獨使用泵抽真空或使用清除氣體，或兩者同時使用，以防止反應(yīng)氣體混合在一起。
在一示例中，將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到360℃之間，并且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。一氮載氣流經(jīng)襯底上，其流速約在1000sccm(每分鐘標準狀況下氣體立方厘米數(shù))到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm。以約200sccm到2000sccm間之流速，較佳是500sccm。將TAIMATA加熱到70℃。將含有TAIMATA的工藝氣體引導至襯底表面，接觸時間為約0.1秒到3.0之間，優(yōu)選地為約0.25秒到1.5秒，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入的TAIMATA和襯底接觸后，繼續(xù)通入載氣，以清潔工藝腔室，其清除時間為約0.2秒到5.0之間，較優(yōu)選地為約0.25秒到1.5秒，更優(yōu)選地為1.0秒。在執(zhí)行清除步驟時，一真空系統(tǒng)用來除去殘留的TAIMATA，接下來，一含有氨的含氮工藝氣體，以脈沖方式被導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅(qū)物，也可以只是含氮前驅(qū)物。在一示例中，工藝氣體中含有氨和氮氣，含氨的工藝氣體以約在1000sccm到3000sccm之間，優(yōu)選地流速為1500sccm的流速被導入至襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較優(yōu)選地為約0.25秒到1.0秒，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，繼續(xù)通入載氣，其通入的時間為約0.2秒到5.0之間，較優(yōu)選地為約0.25秒到1.5秒，更優(yōu)選地為1.0秒。一真空系統(tǒng)用來除去任何殘留的氮前驅(qū)物和/或在反應(yīng)期間所產(chǎn)生的副產(chǎn)物。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直至獲得預(yù)定厚度的諸如氮化鉭的含鉭層為止，該厚度約5到200之間，優(yōu)選地為約10到30，如阻擋層的厚度約為20。
在圖4中，工藝400，說明沉積工藝的另一實施方式，該工藝依序以脈沖式地導入清除氣體、含鉭前驅(qū)物、清除氣體和氮前驅(qū)物。在步驟402中，可調(diào)整工藝腔室中的溫度和壓力等條件。在沉積過程里，襯底的溫度略低于選用的含鉭化合物諸如TAIMATA的熱分解溫度。在步驟404中，清除氣體的第一脈沖，進入工藝腔室并橫掃過襯底面。在步驟404和408中，使用真空系統(tǒng)去除工藝腔室中的氣體。在步驟406中，襯底和含鉭化合物的脈沖流接觸，TAIMATA吸附到襯底上，并形成一單沉積層，在步驟408中，清除氣體的第二脈沖流可去除剩余的TAIMATA和污染物。在步驟410中，含氮化合物的脈沖流進入工藝腔室并橫掃過襯底，含氮化合物與吸附的TAIMATA反應(yīng)生成含鉭材料，如氮化鉭。在步驟412，如果氮化鉭層達到期望的厚度，沉積工藝在步驟414終止。步驟404-412，將一直循環(huán)進行，直到氮化鉭層的厚度達到期望值。TAIMATA和氨依序以脈沖方式導入工藝腔室20個循環(huán)后，氮化鉭沉積層的厚度才到達約10。
在一示例中，將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到360℃之間，并且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。將氮載氣以約200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，通入一已放置預(yù)熱TAIMATA的安瓶中，以形成含鉭工藝氣體。將在安瓶中的TAIMATA預(yù)熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較優(yōu)選地為約0.25秒到1.5秒，更喜優(yōu)選地為0.5秒。在以脈沖方式導入TAIMATA后，將一清除氣體的脈沖通入工藝腔室，同時使用真空系統(tǒng)移除氣體，導入清除氣體的一段時間約0.2秒到5.0之間，較優(yōu)選地約0.25秒到1.5秒，更優(yōu)選地為1.0秒。接下來，將一含氨的含氮工藝氣體，以脈沖方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅(qū)物，也可以只是含氮前驅(qū)物。含氨的工藝氣體被導入至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較常用者為約0.25秒到1.0秒，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，一清除氣體的脈沖通入工藝腔室，同時使用真空系統(tǒng)移除氣體，導入清除氣體的清除時長約0.2秒到5.0之間，優(yōu)選地為約0.25秒到1.5秒，更優(yōu)選地為1.0秒。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直至獲得預(yù)定厚度的諸如氮化鉭的含鉭層為止，該厚度約5到200之間，優(yōu)選地為約在10到30之間，如約為20。
每個含鉭氣體的脈沖流、含氮氣體的脈沖流和在導入反應(yīng)氣體的脈沖流之間，通入工藝腔室的清除氣體的脈沖流，這些氣體通入工藝腔室的時間，會有所不同并視工藝腔室的體積容量和與其相聯(lián)的真空系統(tǒng)而定。舉例來說，(1)工藝腔室壓力較低時，需要較長的氣體脈沖導入時間，(2)氣體流量較低時，工藝腔室需較長的時間來提升到穩(wěn)定狀態(tài)，因此需要較長的氣體脈沖導入時間，(3)工藝腔室的容量較大時，需要較長的時間來填注，也需要較長的時間使使氣壓到達穩(wěn)定狀態(tài)，因此需要較長的氣體脈沖導入時間。同樣的，兩個氣體脈沖填注之間的時間，也有所不同，并視工藝腔室的體積容量和與其相聯(lián)的真空系統(tǒng)而定。一般來說，含鉭氣體或含氮氣體的脈沖填注時間，必須夠長，使化合物在襯底上的單層吸收或反應(yīng)能夠完成。有一種情形，當脈沖導入含氮氣體時，之前脈沖導入的含鉭氣體可一直停留在工藝腔室中。一般來說，清除氣體在工藝腔室的時間和/或泵抽取真空的時間應(yīng)該夠長，以避免含鉭氣體的脈沖和含氮氣體的脈沖在反應(yīng)區(qū)混合在一起。
在另一實施方式中，TAIMATA可作為含鉭化合物，并用以形成含三種元素的鉭材料，如氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭或硅酸鉭。有關(guān)形成含三種或四種元素的鉭材料工藝的詳細記述，公開在2002年7月18日提交的發(fā)明名稱為“耐高溫金屬氮化硅的循環(huán)沉積工藝”的美國專利申請?zhí)?0/199,419、專利公開號US 2003-0108674中，在此全部引用作為參考。對工藝300和400已進行修正，從而獲得含三種元素的鉭材料，舉例來說，在包括脈沖式導入TAIMATA和氮前驅(qū)物的ALD循環(huán)工藝中，增加一脈沖式導入硅前驅(qū)物并和襯底產(chǎn)生接觸沉積的步驟，即可形成氮化鉭硅材料。類似的，在包括脈沖式導入TAIMATA和氮前驅(qū)物的ALD循環(huán)工藝中，增加一脈沖式導入氧前驅(qū)物并和襯底產(chǎn)生接觸沉積的步驟，即可制得氧氮化鉭材料。另一示例中，在ALD循環(huán)工藝中，讓襯底暴露于脈沖式導入的TAIMATA、脈沖式導入的硅前驅(qū)物和脈沖式導入的氧前驅(qū)物中，并和襯底產(chǎn)生接觸沉積，即可制得硅酸鉭。另一示例中，在ALD循環(huán)工藝中，讓襯底暴露于脈沖式導入的TAIMATA、脈沖式導入的氮前驅(qū)物和脈沖式導入磷前驅(qū)物(如膦)中，并和襯底產(chǎn)生接觸沉積，即可制得氮化鉭磷。另一示例中，在ALD循環(huán)工藝中，讓襯底暴露于脈沖式導入的TAIMATA、脈沖式導入的氮前驅(qū)物和脈沖式導入硼前驅(qū)物(如二硼烷)中，并和襯底產(chǎn)生接觸沉積，即可制得氮化鉭硼。
在氮化鉭硅的制作示例中，將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到360℃之間，并且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。將載氣流以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，流入已放置預(yù)熱TAIMATA的安瓶中，以制得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預(yù)熱到70℃。一含有TAIMATA的工藝氣體，被引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，優(yōu)選地為約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在TAEMATA的脈沖式導入之后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，優(yōu)選地約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。接下來，將一含有氨的含氮工藝氣體，以脈沖方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅(qū)物，也可以只是含氮前驅(qū)物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，一清除氣體的脈沖流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。接下來，一有硅烷的含硅工藝氣體，以脈沖方式被導至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含硅前驅(qū)物，也可以只是含硅前驅(qū)物。含硅烷的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在100sccm到1500sccm之間，較常用的流速為400sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入含硅烷的工藝氣體后，一清除氣體的脈沖流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直至獲得預(yù)定厚度的含鉭層如氮化鉭硅為止，該厚度約在5到約200之間，較常用者為約在10到50之間，如阻擋層的厚度約為30。另一實施方式中，諸如柵極層，預(yù)定的沉積層厚度約在40到約200之間，如厚度約120。
在形成一氧氮化鉭的示例中，將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到約360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到約4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，將載氣流入已放置預(yù)熱TAIMATA的安瓶中，以制得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預(yù)熱到70℃。一含有TAIMATA的工藝氣體，被引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約0.5秒。在TAIMATA的脈沖式導入之后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約1.0秒。接下來，一有氨的含氮工藝氣體，以脈沖方式被導至襯底表面，此工藝氣體，可以是載氣中載有含氮前驅(qū)物，也可以只是含氮前驅(qū)物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為約1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為約0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，一清除氣體的脈沖流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約1.0秒。接下來，一有水的含氧工藝氣體，以脈沖方式被導入至襯底表面，此工藝氣體，可以是載氣中載有含氧前驅(qū)物，也可以只是含氧前驅(qū)物。含水的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為約1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為約0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約1.0秒。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直到獲得預(yù)定厚度的含鉭層如氧氮化鉭為止，該厚度約在5到200之間，較常用者約在20到120之間，如約80。
另一示例中，通過使用還原劑例如氫氣與TAIMATA起還原反應(yīng)以制得鉭金屬沉積層。將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較佳為500sccm的流速，將載氣流入一已放置預(yù)熱TAIMATA的安瓶中，以制得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預(yù)熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在TAIMATA的脈沖式導入之后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。接下來，將一氫氣流，以脈沖方式導入至襯底表面，其流速約在200sccm到2000sccm之間，較常用的流速為500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在脈沖式導入氫氣后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直至獲得預(yù)定厚度的含鉭層如鉭為止，該厚度約在5到200之間，較常用者為約在10到30之間，如約20。
在形成一氮化鉭硼的示例中，將襯底加熱到固定的溫度范圍，約在330℃到360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較佳為500sccm的流速，將載氣流入一已放置預(yù)熱TAIMATA的安瓶中，以制得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預(yù)熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較常用者為約0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為0.5秒。在TAIMATA的脈沖式導入之后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為1.0秒。接下來，將一含有氨的含氮工藝氣體以脈沖方式導至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅(qū)物，也可以只是含氮前驅(qū)物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為約0.5秒。在脈沖式導入含氨的工藝氣體后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約1.0秒。接下來，將一有乙硼烷的含硼工藝氣體，以脈沖方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含硼前驅(qū)物，也可以只是含硼前驅(qū)物。含乙硼烷的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在50sccm到1200sccm之間，較常用的流速為500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優(yōu)選地為約0.5秒。在脈沖式導入含二硼烷的工藝氣體后，將一清除氣體的脈沖流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優(yōu)選地為約1.0秒。重復(fù)執(zhí)行ALD循環(huán)工藝，直至獲得預(yù)定厚度的含鉭層如氮化鉭硼的為止，該厚度約在5到200之間，較常用者為約在40到150之間，如約100。
在如圖5所描述的示例中，以此處所描述的方法在襯底500上沉積含鉭柵極510。襯底500包含一源極層504a，和通過離子注入襯底表面502而形成的一漏極504b。源/漏極層504的區(qū)段通過形成在柵極絕緣層506(如氧化鉿或硅酸鉿)上的含鉭柵極510相接。一偏置層(an off-set layer)或襯墊料508(spacer508)(如，氮化硅)沉積在含鉭柵極510的兩邊。一金屬接觸層512(如鉭或鎢)沉積在含鉭柵極510上。一般來說，含鉭柵極510的沉積的厚度在約40到約200之間。優(yōu)選地，該含鉭柵極510是使用TAIMATA化合物及本文所描述的ALD工藝沉積在襯底表面502上由源極層504a和漏極層504b所組成的源/漏極區(qū)域里，以形成一柵極電極。利用TAIMATA化合物、氮前驅(qū)物和第三種前驅(qū)物的ALD沉積工藝，可控制含鉭柵極510的元素含量的比值。
含鉭柵極510的組成可以改變，以便更有效地控制源極層504a和漏極504b之間的功函數(shù)。含鉭柵極510可含有鉭、氮、和自由添加的硅、硼、磷、碳、及以上元素的組合。含鉭柵極510的功函數(shù)可通過增加氮和/或磷的濃度(相對于鉭的濃度而言)進行調(diào)整，以減少阻抗。在一示例中，含有氮化鉭的含鉭柵極510，具有氮濃度的范圍，約在40原子數(shù)百分比(at％)和70(at％)之間，較常使用者，約在50原子數(shù)百分比(at％)和63(at％)之間。在另一示例中，含鉭柵極510含有氮化鉭磷，其具有磷濃度的范圍，約在10原子數(shù)百分比(at％)和50(at％)之間，較常使用者，約在20原子數(shù)百分比(at％)和30(at％)之間。
或者，含鉭柵極510的功函數(shù)可以通過提高碳、硅和/或硼的濃度(相對于鉭的濃度而言)來進行調(diào)整，以增加阻抗。在一例子中，含有氮化鉭硅的含鉭柵極510，其具有硅濃度的范圍，約在10原子數(shù)百分比(at％)和20(at％)之間，較常使用者，約在50原子數(shù)百分比(at％)和63(at％)之間。在另一示例中，含鉭柵極510含有氮化鉭硼，其具有硼濃度的范圍，約在20原子數(shù)百分比(at％)和60(at％)之間，較常使用者，約在30原子數(shù)百分比(at％)和50(at％)之間。
有關(guān)工藝腔室的描述，如ALD工藝腔室，公開在2001年12月21日提交的發(fā)明名稱為“原子層沉積法氣體輸送裝置和方法”的美國專利申請?zhí)?0/032,284、專利公開號US 2003-0079686，以及在2002年10月25日提交的發(fā)明名稱為“原子層沉積法氣體輸送裝置”美國專利申請?zhí)?0/281,079、專利公開號US 2003-0121608中。兩篇專利內(nèi)對ALD工藝有一般性的描述，在此引用全部作為參考。在一實施方式中，以一等離子體增強的原子層沉積工藝(PE-ALD)來沉積含鉭材料(如TAIMATA)。在2002年7月16日提交的發(fā)明名稱為“等離子體提升沉積工藝的設(shè)備與方法”的美國專利申請序號10/197,940、專利公開號US 2003-0143328中，對PE-ALD使用的工藝腔室和工藝有一般性的描述，在此全部引用作為參考。在2002年7月17日提交的美國專利申請序號10/198,727、專利公開號US 2004-0013577，和在2002年7月29日提交的美國專利申請序號10/208,305專利公開號US 2004-0025370，兩篇專利的發(fā)明名稱都是“供應(yīng)氣體到工藝腔室的方法和設(shè)備”中，對使用蒸發(fā)器或安瓶預(yù)熱前驅(qū)物，如TAIMATA的詳細過程，有一般性的描述，在此全部引用作為參考。在2002年7月17日提交的美國專利申請序號10/197,683、專利公開號US 2004-0011504，發(fā)明名稱為“半導體工藝系統(tǒng)氣體控制的方法和裝置”和2003年11月3日提交的美國專利申請序號10/700,328、專利公告號US 2005-0095859，發(fā)明名稱都為“前驅(qū)物輸送系統(tǒng)的速率控制”的兩篇專利中，對系統(tǒng)輸送前驅(qū)物如TAIMATA到工藝腔室的詳細過程，有一般性的描述，在此全部引用作為參考。
實施例以下設(shè)計的實施例1-6說明使用沉積工藝制成含鉭材料薄膜(如，在此描述的氮化鉭、或氮化鉭硅)沉積層在某些內(nèi)部互連的應(yīng)用。
實施例1-以TAIMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)。其沉積厚度約在5到30之間，較佳約為20。使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度約在200到1500之間，優(yōu)選地約為500。接下來，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例2-以TAIMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)，其沉積厚度約在5到50之間，較佳約為20。使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅(qū)物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度約在5到75之間，較佳約為25。對襯底進行等離子體蝕刻工藝以從通孔的底部移走部分材料，其移走部分的深度范圍，約在5到100之間，較常移去約為50。下一步，使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅(qū)物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較佳約為25。接下來，使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度范圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例3-以TAIMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)。此沉積層的厚度范圍，約在5到50之間，較佳約為20。對襯底進行等離子體蝕刻工藝以從通孔的底部移走部分材料，其移走部分的深度范圍，約在5到75之間，較佳約為20。下一步，使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅(qū)物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較佳約25。接下來，使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度范圍，約在200到1500之間，較佳約500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例4-以TAIMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)。此沉積層的厚度范圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較佳約為25。對襯底進行等離子體蝕刻工藝，并從通孔的底部移走部分材料，使移走部分的深度范圍，約在5到100之間，較佳約為50。下一步，使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較佳約為25。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度范圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例5-以TAIMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在襯底含有介電材料的表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)。此沉積層的厚度范圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較常使用者約為40。對襯底進行等離子體蝕刻工藝，并從通孔的底部移走部分材料，使移走部分的深度范圍，約在5到100之間，較佳約為50。下一步，使用PVD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較常使用者約為25。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度范圍，約在200到1500之間，較佳約500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例6，以TMMATA為前驅(qū)物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭硅)。該沉積層的厚度范圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度范圍，約在5到75之間，較佳約為40。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度范圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
在其它的實施例中，以所述ALD工藝來沉積含鉭材料為金屬柵極的應(yīng)用。在ALD工藝中，較常以TMMATA為制造含鉭材料層的前驅(qū)物。柵極層可包含下列的柵極材料，如氧氮化硅、氧化鉿、氧化鋁、或以上化合物的組合。使用在此描述的ALD工藝，將氮化鉭或氮化鉭硅沉積到金屬柵極上。一般來說，沉積在柵極層上的含鉭材料，其厚度約在20到200之間，較佳約為40。接下來，將一金屬層沉積在含鉭材料層上，該金屬包括鈦、氮化鈦、鎢、鉭、釕或以上金屬的組合，并通過CVD、ALD、PVD、電鍍或無電電鍍等進行沉積。在一實施例中，含金屬的沉積層材料，是由CVD工藝、ALD工藝或PVD工藝形成的氮化鈦。另一實施例，含金屬的沉積層材料，是由CVD工藝形成的鎢。在一實施例，含金屬的沉積層材料，是由PVD工藝或ALD工藝，以TAIMATA為前驅(qū)物形成的鉭。又一實施例，含金屬的沉積層材料，是由ALD工藝形成的釕。
雖然本發(fā)明，已以具體的實施例的方式進行說明。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員，應(yīng)體認識到反應(yīng)條件的各種可能改變。反應(yīng)條件，指的是諸如溫度、壓力、薄膜厚度和在此處包括并可替代的同類用語以及沉積工藝氣體的導入順序。舉例來說，連續(xù)沉積工藝中，氣體導入可以有不同的初始順序，在含鉭氣體導入工藝腔室之前，可先將含氮氣體導入和襯底接觸。此外，氮化鉭層，除了在接觸中作為擴散阻擋的功能外，也可用于電路的其他特征。因此，本發(fā)明的范圍，不應(yīng)限定在以上的描述。更合理的，本發(fā)明的范圍，應(yīng)以包括等同物范圍之內(nèi)說明的權(quán)利要求書為準。
雖然以上主要涉及對本發(fā)明的實施方式的描述，但在不偏離以下的權(quán)利要求書限定的精神范圍內(nèi)可以設(shè)計本發(fā)明的其他和進一步的實施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于在工藝腔室內(nèi)的一襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，包括將一襯底依序暴露在一脈沖的包含有TAIMATA的含鉭氣體及一脈沖的含有至少一第二前驅(qū)物的工藝氣體下，以在該襯底上沉積一含鉭材料；在該含鉭膜層上沉積一含釕材料；以及在該含釕材料上沉積一含銅材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該含鉭材料是選自由鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、硅化鉭及其衍生物和其組合物所組成的材料中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，該含釕材料通過一原子層工藝沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該含銅材料通過一物理氣相工藝沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該含釕材料通過包括以下步驟的一工藝沉積將該襯底暴露在一第一原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一第一含釕層；將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝下；及將該襯底暴露在一第二原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一第二含釕層。
6.一種通過在一工藝腔室的一襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，其特征在于，包括將襯底暴露在一含有TAIMATA在內(nèi)的含鉭氣體及一含有至少一種第二前驅(qū)物的原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一含鉭材料；將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝下；在該含鉭材料上沉積一含金屬材料層；以及在該含金屬材料上沉積一含銅材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該含鉭材料是選自由含有鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、硅化鉭及其衍生物和其組合物所組成材料中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，含金屬材料選自由含有銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的金屬中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該含銅材料是由一物理氣相工藝沉積。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該含金屬材料包含釕并通過一原子層工藝沉積。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該含金屬材料包含鉭并通過一原子層工藝沉積。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該含金屬材料包含鉭并通過一物理氣相工藝沉積。
13.一種在工藝腔室內(nèi)在一襯底上形成一鉭阻擋層的方法，其特征在于，包括將一包含TAIMATA的鉭前驅(qū)物加熱到一預(yù)定溫度以形成一含鉭氣體；將該含鉭氣體流入該工藝腔室中；該含鉭氣體被吸附在一襯底上以形成一含鉭層；使用一清除氣體清潔工藝腔室；將至少一含有第二種元素的氣體流入該工藝腔室中；使該至少一含有第二種元素的氣體和該含鉭層反應(yīng)以形成一鉭材料；以及使用該清除氣體清潔該工藝腔室。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該預(yù)定溫度是介于約50℃到約80℃之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，將該襯底加熱到一介于約250℃到約400℃之間的溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該至少一含有第二種元素的氣體是選自一氮前驅(qū)物、一硅前驅(qū)物、一硼前驅(qū)物、一磷前驅(qū)物及其組合物所組成的組中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，該氮前驅(qū)物是選自由氨/氮原子、聯(lián)胺、甲基聯(lián)胺、二甲基聯(lián)胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，該硅前驅(qū)物是選自由硅烷、乙硅烷、甲基硅烷、六甲基二硅烷、四氯硅烷、六氯二硅烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，該鉭阻擋層的厚度介于約10到約30之間的范圍。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在該鉭阻擋層上沉積有一金屬層，該金屬層中包含一金屬，其系選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
21.一種在一工藝腔室內(nèi)的一襯底上形成一含鉭層的方法，其特征在于，包括通過將一蒸發(fā)器中的TAIMATA液態(tài)前驅(qū)物暴露在一已加熱的載氣流中，以形成一具有一預(yù)定溫度的含鉭氣體；將該襯底暴露在一原子層沉積工藝下，該原子層沉積工藝包含一脈沖的該含鉭氣體、一脈沖的一含氮氣體和一脈沖的一含硅氣體；以及通過重復(fù)該原子層沉積工藝以使一含鉭材料達到一預(yù)定厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該預(yù)定溫度是介于約50℃到約80℃之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，將該襯底加熱至一介于約250℃到約400℃之間的溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該含氮氣體包含一氮前驅(qū)物，其選自由氨、氮原子、聯(lián)胺、甲基聯(lián)胺、二甲基聯(lián)胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，該含硅氣體包含一硅前驅(qū)物，其選自由硅烷、乙硅烷、甲基硅烷、六甲基二硅烷、四氯硅烷、六氯二硅烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該預(yù)定厚度介于約10到約30之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，在該含鉭材料上沉積有一金屬層，該金屬層中包含一金屬，其選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
28.一種在一工藝腔室內(nèi)的襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，其特征在于，包括將一襯底循序暴露在一脈沖的含有TAIMATA的含鉭氣體及一脈沖的含有至少一第二前驅(qū)物的工藝氣體下；在該襯底上沉積一含鉭材料；重復(fù)該暴露步驟直到該含鉭材料達到一預(yù)定厚度為止；以及在該含鉭材料上沉積一金屬層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，將該含鉭氣體加熱到一介于約50℃到約80℃之間的預(yù)定溫度。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，將該襯底加熱至一介于約250℃到約400℃之間的溫度。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，該至少一第二前驅(qū)物選自由一氮前驅(qū)物、一硅前驅(qū)物、一硼前驅(qū)物、一磷前驅(qū)物及其組合所組成的組中。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，該氮前驅(qū)物選自由氨、氮原子、聯(lián)胺、甲基聯(lián)胺、二甲基聯(lián)胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，該硅前驅(qū)物選自由硅烷、乙硅烷、甲基硅烷、六甲基二硅烷、四氯硅烷、六氯二硅烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，該預(yù)定厚度介于約10到約30之間。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，該含鉭材料選自由鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、硅化鉭及其衍生物和其組合所組成的組中。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，該金屬層中的金屬選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
37.一種在一工藝腔室內(nèi)的一襯底上沉積一含鉭柵極層的方法，其特征在于，包括將襯底暴露在一原子層沉積循環(huán)工藝下，該原子層沉積循環(huán)工藝包括一含有TAIMATA的含鉭氣體脈沖、一氮前驅(qū)物脈沖和一第三前驅(qū)物脈沖，以生成一含鉭材料，其中該第三前驅(qū)物包括一硅前驅(qū)物、一硼前驅(qū)物、一磷前驅(qū)物及其組合；重復(fù)該原子層沉積循環(huán)工藝直到該含鉭材料層達到一預(yù)定厚度為止。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，一金屬接觸層沉積在該含鉭材料上。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，該預(yù)定厚度介于約40到約200之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，該含鉭材料選自由氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷及其衍生物和其組合所組成的組中。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，該含鉭材料是氮化鉭硅并且一硅前驅(qū)物選自由硅烷、乙硅烷及甲基硅烷所組成的組中。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，該含鉭材料是氮化鉭硼并且一硼前驅(qū)物包含乙硼烷。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，該含鉭材料是氮化鉭磷并且一磷前驅(qū)物包含磷化氫。
全文摘要
在本發(fā)明一實施方式中，提出一種在一工藝腔室內(nèi)的襯底表面上沉積含鉭膜層的方法，其包括在一原子層沉積工藝(ALD)中，將襯底表面依序暴露在一含鉭前驅(qū)物和至少一第二前驅(qū)物下以沉積一含鉭材料。該鉭前驅(qū)物一般為第三戊亞胺－三(二甲胺基)鉭(TAIMATA)。重復(fù)進行ALD工藝，直到襯底上該含鉭材料的厚度達到預(yù)定的厚度為止。通常，在以脈沖方式引導含鉭前驅(qū)物進入工藝腔室之前，先將TAIMATA預(yù)熱。該含鉭材料可以是鉭、氮化鉭、氮化鉭硅、氮化鉭硼、氮化鉭磷或氧氮化鉭。含鉭材料可沉積為阻擋層、或通孔內(nèi)的附著層、或作為源極/漏極器件的柵極。
文檔編號H01L21/285GK101015047SQ200580023292
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者克里斯托夫·馬卡德, 王榮鈞, 仲華, 尼瑪麗亞·梅蒂 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司