一种制备金属氮化物阻挡层的装置及其使用方法

专利名称：一种制备金属氮化物阻挡层的装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件中阻挡层的技术领域，具体涉及一种制备金属氮化物阻挡层的装置及其使用方法。
背景技术：
在半导体技术领域，最早的互连金属是Al，然而随着器件的集成度的不断提高，特别是超大规模集成电路的发展，器件的特征尺寸不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距持续下降，这导致了互连线电阻R和寄生电容C不断增大，并使互连线的延迟时间常数RC大幅度地提高。由于RC在集成电路系统延迟中所占的比例越来越大，使其成为限制互连速度的主要因素。为了保证集成电路的高速度、高集成度、高稳定性以及低功率，需要进一步减小互连线电阻R和寄生电容C。前者的解决方法是采用电阻率更低的Cu金属来代替传统的互连材料Al，即开发Cu互连技术，后者则需要开发低介电常数k的材料作为绝缘介质材料。目前，Cu互连已经替代Al互连成为主流工艺，然而在其应用过程中也带来了一些新的挑战l)Cu在Si及其氧化物及大部分介质层中扩散很快，且Cu —旦进入器件中就会形成深能级杂质，对器件中的载流子有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效；2) Cu在200°C以下极易与Si、Si02&生反应，形成铜硅化合物造成组件失效；3) Cu与介质材料的粘附性较差，导致集成电路中薄膜的机械强度不够高；4) Cu不像Al可形成一层致密的氧化物保护层，因此易被氧化和腐蚀，从而影响金属连线的导电稳定性。为了解决这些问题，需要在Cu与介质之间添加一层超薄的阻挡层来抑制铜与介质的反应。由于集成电路工艺要进行较高温度的热处理，作为具有扩散阻挡作用的阻挡层应具有良好的热稳定性、导电性，与其上的Cu及其下的介质都有好的粘附性，较小的热应力及机械应力。金属氮化物(例如HfN、TaN, TiN, MoN等)因具有优良的热稳定性和电学特性而被研究用来作为阻挡层材料。其中TaN因其优异的阻挡性能成为广泛使用的Cu互连阻挡层材料。同时为了提高与Cu的粘附性，通常采用Ta/TaN双层结构。TaN阻挡层通常用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)的方法制备，工业生产线上的主流设备是磁控溅射设备，该设备与CVD、ALD等薄膜沉积设备相比具有高效、低成本、易操作，制备的薄膜纯度高等优点。然而，随着器件的特征尺寸的不断缩小，阻挡层将变得愈来愈薄，对薄膜致密度的要求愈来愈高。单纯使用磁控溅射设备制备的阻挡层将难以满足要求。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备金属氮化物阻挡层的装置及其使用方法，提高所制备阻挡层的致密性为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种制备金属氮化物阻挡层的装置，包括预真空室、PVD腔室、等离子注入腔室和传输腔室，所述预真空室、所述PVD腔室和所述等离子注入腔室分别与所述传输腔室连通；所述传输腔室内设有机械手。上述方案中，所述预真空室、所述PVD腔室和所述等离子注入腔室与所述传输腔室之间分别设有第一阀门、第二阀门和第三阀门。一种使用上述装置制备金属氮化物阻挡层的方法，包括如下步骤(I)将试片放入预真空室，抽真空；(2)待预真空室的真空度达到预定值时，打开预真空室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将试片拿入传输腔室后，关闭预真空室与传输腔室之间的阀门；(3)打开PVD腔室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将试片放入PVD腔室中，米用PVD方法在试片上沉积金属层；(4)传输腔室内的机械手将沉积金属层的试片从PVD腔室取出，并关闭PVD腔室与传输腔室之间的阀门；(5)打开等离子注入腔室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将沉积金属层的试片送入等离子注入腔室中，向金属层注入N，使金属层氮化。上述方案中，所述步骤(3)中沉积金属层的金属为Ta、Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr、Nb 等。上述方案中，所述步骤(3)中PVD方法为直流磁控溅射方法。上述方案中，所述步骤(5)中等离子注入腔室使用的等离子注入方法为全方位等离子浸没注入方法。与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下使用本发明提供的装置制备出的金属氮化物阻挡层更加致密，同时也保证其为非晶结构，因为非晶结构不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。


图I为本发明实施例提供的制备金属氮化物阻挡层的装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。如图I所示，本发明实施例提供了一种制备金属氮化物阻挡层的装置，包括预真空室11、PVD腔室55、等离子注入腔室88和传输腔室44，预真空室11、PVD腔室55和等离子注入腔室88分别与传输腔室44连通；传输腔室44内设有机械手33。预真空室11、PVD腔室55和等离子注入腔室88与传输腔室之间分别设有第一阀门22、第二阀门66和第三阀门77。以制备TaN为例，首先将试片放入预真空室11，然后抽真空。等到预真空室的真空度达到10-10_3Pa后，打开预真空室11与传输腔室44之间的阀门22，机械手33将试片拿进传输腔室44。关上第一阀门22，待传输腔室44与PVD腔室55的真空度达到KT4-KT6Pa,打开第二阀门66，机械手33将试片放入PVD腔室55。采用直流磁控溅射的方法在试片上制备Ta层，溅射时通入氩气在O. I-IPa下溅射，溅射速度控制在O. l_lnm/s，溅射薄膜的厚度在5-50nm之间。溅 射后，机械手33将试片从PVD腔室55中取出，关上第二阀门66，打开第三阀门77，将沉积有Ta层的试片送入浸没式等离子注入机的等离子注入腔室88中，向金属层注入N，使金属层氮化。注入腔室的本底压强范围可为10_7Pa lOOOPa，优选地可为KT5Pa 10Pa，更为优选地可为KT5Pa KT3Pa ;注入腔室的工作压强范围可为KT3Pa lOOOPa，优选为O. OlPa lOOPa，更为优选地可为O. IPa 50Pa ;工作气体为氮气，流量可为I IOOOsccm,优选为10 IOOsccm,更为优选地可为20 80sccm ;等离子体电源的输出功率为I 100000W，优选为10 50000W，更为优选地可为300 5000W ;所施加偏置电压为-100000 100000V，优选为-50000 50000V，更为优选地可为-10000 OV ;脉宽为Ius Is,优选为Ius 0. Is,更为优选地可为Ius Ims ；占空比为I % 99%,优选为10% 90%，更为优选地可为20% 80% ;等离子体电源的频率为IKHz IOGHz，优选为IMHz 5GHz，更为优选地可为13. 56MHz 5GHz。等离子注入时可对基片加温，使N原子向膜内扩散，注入深度可通过调节注入偏压加以控制，注入的剂量则由调节注入时间来控制。氮离子注入到Ta膜中，将自身的能量传递Ta，由此导致Ta原子位移和二次的级联碰撞，Ta的活性增加将有助于消除薄膜中的孔洞、提高其致密性。同时注入导致的晶格原子的位移会破坏薄膜的晶格结构，使之非晶化。从结构上讲，最理想的阻挡层应是单晶材料，不过单晶材料的生长困难，成本高，难以大规模使用。多晶材料由于存在晶界这样的快速扩散通道，不是理想的阻挡层结构。非晶材料由于没有晶界，其阻挡Cu扩散的效果显然优于多晶材料。本发明中采用离子注入的方法，对薄膜的非晶化起决定性的作用。等离子体浸没离子注入(PlasmaImmersion Ion Implantation,简称为 PIII),在半导体业界有时也称为等离子体注入、等离子体掺杂、等离子体浸没注入、等离子体源离子注入或等离子体基离子注入等。这几种称法表示相同的一种工艺技术，即待注入样品直接浸没在等离子体中，通过向样品加偏置电压(也可称为“注入电压”)，使得样品和等离子体之间形成注入鞘层电场；位于注入鞘层电场内和从等离子体进入注入鞘层电场的反应离子在电场的加速作用下直接注入到样品中。由于在样品的表面形成鞘层，所以曝露在等离子体中的样品表面各处将同时被注入。等离子体浸没注入的特点是全方位离子注入，可以实现大面积地均匀注入，由于束流强度高，注入速率是常规离子注入机的数十倍甚至数百倍，其注入剂量可达到102°/cm2,非常适合用来大规模制备TaN保护层。本发明实施例也可以用金属Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr或Nb来制备阻挡层，与上述制备TaN阻挡层的方法相同。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种制备金属氮化物阻挡层的装置，其特征在于包括预真空室、PVD腔室、等离子注入腔室和传输腔室，所述预真空室、所述PVD腔室和所述等离子注入腔室分别与所述传输腔室连通；所述传输腔室内设有机械手。
2.如权利要求I所述的制备金属氮化物阻挡层的装置，其特征在于所述预真空室、所述PVD腔室和所述等离子注入腔室与所述传输腔室之间分别设有第一阀门、第二阀门和第三阀门。
3.一种使用如权利要求I或2所述的装置制备金属氮化物阻挡层的方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)将试片放入预真空室，抽真空； (2)待预真空室的真空度达到预定值时，打开预真空室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将试片拿入传输腔室后，关闭预真空室与传输腔室之间的阀门； (3)打开PVD腔室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将试片放入PVD腔室中，米用PVD方法在试片上沉积金属层； (4)传输腔室内的机械手将沉积金属层的试片从PVD腔室取出，并关闭PVD腔室与传输腔室之间的阀门； (5)打开等离子注入腔室与传输腔室之间的阀门，传输腔室内的机械手将沉积金属层的试片送入等离子注入腔室中，向金属层注入N，使金属层氮化。
4.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于所述步骤(3)中沉积金属层的金属为Ta、Hf、Ti、W、Mo、Ru、Zr、Ni、Cr 或 Nb。
5.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于所述步骤(3)中PVD方法为直流磁控溅射方法。
6.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于所述步骤(5)中等离子注入腔室使用的等离子注入方法为全方位等离子浸没注入方法。
全文摘要
本发明涉及半导体器件中阻挡层的技术领域，具体涉及一种制备金属氮化物阻挡层的装置及其使用方法。该装置包括预真空室、PVD腔室、等离子注入腔室和传输腔室，所述预真空室、所述PVD腔室和所述等离子注入腔室分别与所述传输腔室连通；所述传输腔室内设有机械手。使用本发明提供的装置制备出的金属氮化物阻挡层更加致密，同时也保证其为非晶结构，不存在晶界这样的可供快速扩散的通道，是理想的阻挡层结构。
文档编号H01L21/265GK102623311SQ20111003368
公开日2012年8月1日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者刘训春, 刘邦武, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 王文东 申请人:中国科学院微电子研究所, 北京泰龙电子技术有限公司