本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化鈦的形成方法。

背景技術(shù)：

氮化鈦(tin)薄膜是目前工業(yè)研究和應(yīng)用最為廣泛的薄膜材料之一，它具有熔點高、熱穩(wěn)定好、抗蝕性好和低電阻率等優(yōu)點，日益受到人們廣泛的關(guān)注。

在先進半導(dǎo)體制作工藝中，采用物理氣相沉積法(physicalvapordeposition，pvd)所形成的氮化鈦被廣泛地運用在各種場合，例如運用在高k介質(zhì)層表面上以作為帽蓋層，運用在功函數(shù)金屬層上以作為擴散阻擋層，運用在介質(zhì)層上以作為硬掩膜層。

采用物理氣相沉積法在晶圓上形成氮化鈦時，不可避免地會同時在物理氣相沉積腔室(真空腔)內(nèi)表面形成氮化鈦。此外，物理氣相沉積腔室內(nèi)通常還具有聚焦環(huán)(processkits，一種用于保護物理氣相沉積腔室壁的圓環(huán)金屬薄片，同時起到約束等離子形成區(qū)域的作用)作為輔助器件(可拆卸)。而在晶圓上形成氮化鈦時，聚焦環(huán)表面也會形成相應(yīng)的氮化鈦。

然而，氮化鈦的黏附性較差。因此，在進行一段時間的氮化鈦物理氣相沉積過程后，形成在物理氣相沉積腔室內(nèi)表面和聚焦環(huán)表面的氮化鈦會加厚，當(dāng)這些氮化鈦較厚時，就會有氮化鈦剝落的情況發(fā)生，剝落的氮化鈦容易掉落到晶圓表面，造成晶圓表面殘留有較多氮化鈦雜質(zhì)顆粒(particle)，造成晶圓上相應(yīng)芯片的良率下降。

因此，業(yè)界亟需一種氮化鈦的形成方法，以解決氮化鈦雜質(zhì)顆粒掉落在晶圓表面的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是提供一種氮化鈦的形成方法，從而使得在氮化鈦的形成過程中，避免物理氣相沉積腔室內(nèi)表面和聚焦環(huán)表面的氮化鈦容易掉落 到相應(yīng)晶圓表面，從而提高晶圓上芯片的良率。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種氮化鈦的形成方法，所述氮化鈦的形成方法包括：

第一步驟，將待處理晶圓置于物理氣相沉積腔室中進行氮化鈦的物理氣相沉積；

第二步驟，將遮擋片置于所述物理氣相沉積腔室中進行純鈦的物理氣相沉積；

第三步驟，對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈(purge)處理；

第一過程，在進行m次所述第一步驟后，進行1次所述第二步驟；

第二過程，在重復(fù)n次所述第一過程后，先進行k次所述第一步驟，再進行1次所述第三步驟；

m，n和k為大于1的整數(shù)。

可選的，重復(fù)進行所述第二過程。

可選的，所述第二步驟的持續(xù)時間為4min～6min。

可選的，所述第三步驟的持續(xù)時間為0.5h～1.0h。

可選的，對一盒晶舟中的全部所述待處理晶圓都進行所述第一步驟后，進行所述第三步驟。

可選的，m為4、5或者6。

可選的，m為5，n為5，k等于m。

可選的，所述第三步驟采用惰性氣體對所述物理氣相沉積腔室進行所述沖凈處理。

可選的，所述惰性氣體為氬氣，所述氬氣的壓強為5torr～10torr。

可選的，所述待處理晶圓具有前層，所述第一步驟沉積的氮化鈦沉積在所述前層表面，所述前層為高k介質(zhì)層、功函數(shù)金屬層、氧化硅層或者帽蓋層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的技術(shù)方案中，在進行m(m為大于1的整數(shù))次第一步驟后，進行1次所述第二步驟。所述第一步驟將待處理晶圓置于物理氣相沉積腔室中進行氮化鈦的物理氣相沉積，所述第二步驟進行純鈦的物理氣相沉積。所述純鈦的物理氣相沉積所形成的純鈦層，能夠覆蓋所述第一步驟中形成的氮化鈦。純鈦層的黏附性很強，因此當(dāng)純鈦層覆蓋在氮化鈦上后，能夠使氮化鈦與物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面的黏附作用增強，相當(dāng)于增加了氮化鈦的黏附性，從而防止氮化鈦掉落在晶圓表面造成晶圓上的芯片良率降低。并且，在重復(fù)進行n(n為大于1的整數(shù))次上述過程后，繼續(xù)進行k(k為大于1的整數(shù))次所述第一步驟，此時，物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面上的氮化鈦已經(jīng)經(jīng)歷過n次純鈦層的覆蓋，如果繼續(xù)進行純鈦層沉積，防止氮化鈦掉落的效果不好。因此，本發(fā)明的技術(shù)方案進行第三步驟，通過對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈處理，以沖凈去除此時位于物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面上的氮化鈦，從而保證在連續(xù)生產(chǎn)過程中，始終保證晶圓表面不存在氮化鈦顆粒殘留的問題，提高了相應(yīng)晶圓上芯片的良率。

進一步，所述第二步驟的持續(xù)時間為4min～6min。如果所述第二步驟小于4min，則物理氣相沉積腔室和聚焦環(huán)上的氮化鈦未被純鈦層覆蓋，起不到增加物理氣相沉積腔室和聚焦環(huán)黏附性的作用(即無法將氮化鈦包覆在腔室和環(huán)的表面)。如果所述第二步驟大于6min，則會影響到機臺利的用率和生產(chǎn)出貨量，降低產(chǎn)率。

進一步，所述第三步驟的持續(xù)時間為0.5h～1.0h。所述第三步驟的時間如果小于0.5h，則相應(yīng)的氮化鈦顆粒無法被沖凈處理所清除干凈。所述第三步驟的時間超過1.0h時，同樣影響機臺利用率和生產(chǎn)出貨量。

進一步，所述第三步驟采用惰性氣體對所述物理氣相沉積腔室進行所述沖凈處理。所述惰性氣體可以為氬氣，所述氬氣的壓強可以為5torr～10torr。所述氬氣的壓強低于5torr時，起不到凈化氮化鈦顆粒的作用。所述氬氣的壓強如果高于10torr會影響物理氣相沉積腔室的真空度以及真空泵的壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例所提供的形成方法流程示意圖；

圖2是圖1所示形成方法所處理的其中一個晶圓上的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明另一實施例所提供的形成方法流程示意圖；

圖4是圖3所示形成方法所處理的其中一個晶圓上的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是現(xiàn)有形成方法，在形成氮化鈦前后晶圓表面的雜質(zhì)顆粒分布情況示意圖；

圖6是采用本發(fā)明實施例所提供的形成方法，在形成氮化鈦前后晶圓表面的雜質(zhì)顆粒分布情況示意圖。

具體實施方式

正如背景技術(shù)所述，現(xiàn)有物理氣相沉積方法在形成氮化鈦的過程中，容易造成相應(yīng)晶圓表面殘留氮化鈦雜質(zhì)顆粒，從而降低了相應(yīng)晶圓上芯片的良率。

為此，本發(fā)明提供一種氮化鈦的形成方法，所述形成方法包括由三個步驟組成的兩個過程。所述三個步驟如下：

第一步驟，將待處理晶圓置于物理氣相沉積腔室中進行氮化鈦的物理氣相沉積；

第二步驟，將遮擋片置于所述物理氣相沉積腔室中進行純鈦的物理氣相沉積；

第三步驟，對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈處理。

所述兩個過程如下：

第一過程，在進行m次所述第一步驟后，進行1次所述第二步驟；

第二過程，在重復(fù)n次所述第一過程后，先進行k次所述第一步驟，再進行1次所述第三步驟。

由上述描述可知，第一過程其實是第二過程的其中一部分，其中，m、n和k為大于1的整數(shù)。

需要說明的是，所述形成方法可以重復(fù)所述第二過程，即在進行第一次 所述第三步驟之后，又開始進入另一個第二過程，此時開始進行的是第一過程中的第一步驟。如此不斷重復(fù)整個第二過程，從而連續(xù)不斷地在相應(yīng)的各個待處理晶圓表面沉積相應(yīng)的氮化鈦，從而形成相應(yīng)的氮化鈦層。通過重復(fù)所述第二過程，保證能夠在批量晶圓上沉積氮化鈦時，都避免晶圓上存在氮化鈦顆粒問題。

本發(fā)明中，在進行m次所述第一步驟后，進行1次所述第二步驟，所述第二步驟進行純鈦的物理氣相沉積，所述純鈦的物理氣相沉積形成的純鈦層能夠覆蓋所述第一步驟中形成的氮化鈦。純鈦層的黏附性很強，因此當(dāng)純鈦層覆蓋在氮化鈦(層)上后，能夠使氮化鈦與物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面的黏附作用增強，相當(dāng)于增加了氮化鈦的黏附性，從而防止氮化鈦掉落在晶圓表面造成晶圓上的芯片良率降低。并且，在重復(fù)進行n次上述過程后，繼續(xù)進行k次所述第一步驟，此時，物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面上的氮化鈦已經(jīng)經(jīng)歷過n次純鈦層的覆蓋，如果繼續(xù)進行純鈦層沉積，防止氮化鈦掉落的效果不好。因此，本發(fā)明進行所述第三步驟，通過對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈處理，以沖凈去除此時位于物理氣相沉積腔室表面和聚焦環(huán)表面上的氮化鈦，從而保證在連續(xù)生產(chǎn)過程中，始終保證晶圓表面不存在氮化鈦顆粒殘留的問題，提高了相應(yīng)晶圓上芯片的良率。

本發(fā)明中，所述第二步驟的持續(xù)時間為4min～6min。如果所述第二步驟小于4min，則物理氣相沉積腔室和聚焦環(huán)上的氮化鈦未被純鈦層覆蓋，起不到增加物理氣相沉積腔室和聚焦環(huán)黏附性的作用(即無法將氮化鈦包覆在腔室和環(huán)的表面)。如果所述第二步驟大于6min，則會影響到機臺利的用率和生產(chǎn)出貨量，降低產(chǎn)率。

本發(fā)明中，所述第三步驟的持續(xù)時間為0.5h～1.0h。所述第三步驟的時間如果小于0.5h，則相應(yīng)的氮化鈦顆粒無法被沖凈處理所清除干凈。所述第三步驟的時間超過1.0h時，同樣影響機臺利用率和生產(chǎn)出貨量。

本發(fā)明中，所述第三步驟采用惰性氣體對所述物理氣相沉積腔室進行所述沖凈處理。此時，所述沖凈處理為一種高壓氬氣噴沖處理(highpressurearpurge)。所述惰性氣體可以為氬氣，所述氬氣的壓強可以為5torr～10torr。所述氬氣的壓強低于5torr時，起不到凈化氮化鈦顆粒的作用。所述氬氣的壓強 如果高于10torr會影響物理氣相沉積腔室的真空度以及真空泵的壽命。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。

本發(fā)明實施例提供一種氮化鈦的形成方法，所述形成方法的步驟流程可以參考圖1。

請參考圖1，所述形成方法先進行第一過程s11，第一過程s11包括先進行5次(即本實施例中m為5)的第一步驟，然后進行1次的第二步驟。所述形成方法重復(fù)4次(即本實施例中n為4)第一過程s11后，進再行5次(即本實施例中k為5)的第一步驟，之后進行1次第三步驟。

請參考圖1，所述第一步驟為將待處理晶圓置于物理氣相沉積腔室中進行氮化鈦的物理氣相沉積。

本實施例中，所述待處理晶圓包括兩層前層，即本實施例經(jīng)歷兩次的所述氮化鈦的形成方法。所述兩層前層中的第一層為圖2所示的高k介質(zhì)層110，即本實施例在高k介質(zhì)層110上進行氮化鈦的物理氣相沉積，從而形成氮化鈦層120，氮化鈦層120形成在高k介質(zhì)層110表面上，以起到帽蓋層的作用。

所述第一步驟中，所述物理氣相沉積的過程可以包括：將具有前層(高k介質(zhì)層110)的晶圓放置于物理氣相沉積腔室內(nèi)；在直流電源通直流的條件下，通入惰性氣體和氮氣，本實施例中，所述惰性氣體可以采用氬氣，所述氬氣的流量可以為15sccm-25sccm；然后，利用所述惰性氣體電離的離子轟擊鈦靶材表面，從而使鈦靶材濺射出鈦，濺射出的鈦與氮氣反應(yīng)形成氮化鈦，所述氮化鈦沉積在所述前層表面成為氮化鈦層120。

所述第一步驟中，所述物理沉積過程具體可以為磁控濺射過程(磁控濺射方法為物理氣相沉積法的其中一種)，惰性氣體產(chǎn)生的正離子轟擊鈦靶材表面，所述鈦靶材濺射出并最終到襯底上形成氮化鈦薄膜，并最終得到相應(yīng)厚度的氮化鈦層。

本實施例中，所述直流電源的功率范圍可以為400w～700w，從而保證氬握在直流電源下，形成相應(yīng)的離子，并進而利用相應(yīng)的離子轟擊鈦靶，以產(chǎn) 生ti離子，同時，所通往的n2在直流電源作用下形成氮離子，相應(yīng)的鈦離子和氮離子反應(yīng)，生成氮化鈦，沉積在晶圓上的前層表面。

所述第一步驟中，通入的n2流量越大，則形成的氮化鈦越傾向于是富氮氮化鈦(nrichtin)，富氮氮化鈦通常指氮化鈦中氮元素的原子個數(shù)與鈦元素的原子個數(shù)比值大于1(即n:ti>1)的氮化鈦。采用物理氣相沉積法所形成的氮化鈦中，富氮氮化鈦具有更好的擴散阻擋作用，并且富氮氮化鈦與許多介質(zhì)材料具有更高的刻蝕選擇比，因此富氮氮化鈦性能更好，應(yīng)用范圍更廣。因此，本實施例中，可以控制通入的氮氣的流量范圍為40sccm～90sccm。

但是富氮氮化鈦的黏附性不僅遠不如純鈦的黏附性，而且也不如通常為晶態(tài)結(jié)構(gòu)的氮化鈦的黏附性(氮化鈦具有較高結(jié)晶取向，而富氮氮化鈦由于氮含量高，晶體結(jié)構(gòu)被破壞)。因此，現(xiàn)有方法在采用物理氣相沉積法形成富氮氮化鈦時，更加容易在相應(yīng)晶圓的表面殘留顆粒雜質(zhì)，造成在形成富氮氮化鈦后，相應(yīng)的晶圓存在更為嚴重的富氮氮化鈦雜質(zhì)顆粒殘留問題。而采用本實施例所提供的方法，仍然可以很好地避免富氮氮化鈦雜質(zhì)顆粒殘留問題，可見，本實施例所提供的方法特別適合于解決富氮氮化鈦雜質(zhì)顆粒殘留問題。

所述第一步驟中，所述物理氣相沉積可以同時使用射頻電源，所述射頻電源的功率為300w～1000w。

所述第一步驟中，所述物理氣相沉積腔室內(nèi)的壓強可以通過冷凝泵抽真空進行控制，相應(yīng)的冷凝泵可以將功率開到最大以對物理氣相沉積腔室進行抽真空，從而將物理氣相沉積腔室內(nèi)的壓強控制在幾個毫托(mtorr)的級別。

所述形成方法對于批量進行的待處理晶圓而言，在完成了1次第一步驟后(也就是說，對其中一個待處理晶圓進行第一步驟之后)，本實施例繼續(xù)重復(fù)4次第一步驟(也就是說，對另外四個待處理晶圓進行第一步驟)，即一共進行5次第一步驟后，進行1次第二步驟。

請參考圖1，所述第二步驟中，將遮擋片置于所述物理氣相沉積腔室中進行純鈦的物理氣相沉積。遮擋片的作用是防止用于放置晶圓的底盤在純鈦的物理氣相沉積過程中也被純鈦層沉積，因為一旦所述底盤被純鈦層沉積，就會影響后續(xù)待處理晶圓的物理氣相沉積。所述第二步驟中，通過形成純鈦層， 防止氮化鈦掉落到后續(xù)處理的待處理晶圓上，其具體原理可以參考本說明書前述內(nèi)容。

請參考圖1，5次第一步驟和1次第二步驟為一個所述第一過程，本實施例在進行了4次第一過程后，繼續(xù)進行了另外5次第一步驟，然后進行1次第三步驟。

請參考圖1，所述第三步驟對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈處理。

所述沖凈處理能夠進一步保證氮化鈦不掉落到后續(xù)處理的待處理晶圓上，其具體原理可以參考本說明書前述內(nèi)容。

需要特別說明的是，對所述物理氣相沉積腔室進行沖凈處理也包括對相應(yīng)的聚焦環(huán)進行沖凈處理。

需要說明的是，一盒晶舟中的晶圓個數(shù)通常為25個。本實施例中，通過上述過程可知，四個第一過程s11恰好處理20個晶圓，而在第三步驟與最后一個第二步驟之間也處理了5個晶圓，因此，此時恰好處理了25個晶圓，也就是說，本實施例對一盒晶舟中的全部所述待處理晶圓都進行所述第一步驟后，進行所述第三步驟。這種方式相當(dāng)于在每兩盒晶圓之間進行1次沖凈處理，有利用簡化工藝操作，提高工藝效率。

而對于每一個待處理晶圓而言，在完成上述氮化鈦層120的沉積過程之后，本實施例可以繼續(xù)在氮化鈦層120上形成金屬功函數(shù)層130，然后繼續(xù)在金屬功函數(shù)層130上沉積另一層氮化鈦層140，氮化鈦層140起到擴散阻擋層的作用，以防止金屬功函數(shù)層130中的金屬元素擴散到其它層結(jié)構(gòu)中。本實施例中，形成氮化鈦層140的過程可以和形成氮化鈦層120的過程相同，因此，具體過程可以參考本實施例前述內(nèi)容。在形成氮化鈦層140后，本實施例還可以在氮化鈦層140上形成柵電極150，如圖2所示。

本實施例所提供的形成方法在經(jīng)過上述第三步驟之后，可以重新進入另一個第二過程s12，如此循環(huán)進行各次。當(dāng)然，在重復(fù)進行一定次數(shù)的第二過程s12之后，也會需要對物理氣相沉積腔室(及相應(yīng)的輔助裝置，例如聚焦環(huán))進行保養(yǎng)和維修等處理，以去除物理氣相沉積腔室(及相應(yīng)的輔助裝置，例如聚焦環(huán))表面的氮化鈦(層)和純鈦(層)。但是本實施例所提供的形成 方法不會影響相應(yīng)的保養(yǎng)和維修。

需要說明的是，當(dāng)嘗試用另一種方法來減小相應(yīng)晶圓上的氮化鈦雜質(zhì)顆粒問題時，效果并不理想，并且十分影響相應(yīng)的生產(chǎn)效率。這種方法是：在每若干個第一步驟之間增加一個較長時間(20min以上)的純鈦物理沉積，同時這個方法中不存在第三步驟的任何操作。而本實施例所提供的方法能很好地解決氮化鈦雜質(zhì)顆粒殘留在相應(yīng)晶圓上的這個問題。

本發(fā)明另一實施例提供另一種氮化鈦的形成方法，所述形成方法的步驟流程與前述實施例的步驟流程有較多相同之處，本實施例主要對所述形成方法與前述實施例所提供的形成方法的不同之處加以說明，而兩個實施例中相同之處可以參考前述實施例相應(yīng)內(nèi)容。本實施例所提供的形成方法的步驟流程可以參考圖3。

請參考圖3，所述形成方法先進行第一過程s21，第一過程s21包括先進行6次(即本實施例中m為6)的第一步驟，然后進行1次的第二步驟。所述形成方法重復(fù)3次(即本實施例中n為3)第一過程s21后，進再行7次(即本實施例中k為7)的第一步驟，之后進行1次第三步驟。

正如前面所述，一盒晶舟中的晶圓個數(shù)通常為25個。本實施例中，通過上述過程可知，三個第一過程s21恰好處理18個晶圓，而在第三步驟與最后一個第二步驟之間處理了7個晶圓，因此，此時恰好處理了25個晶圓，也就是說，本實施例對一盒晶舟中的全部所述待處理晶圓都進行所述第一步驟后，進行所述第三步驟。這種方式相當(dāng)于在每兩盒晶圓之間進行1次沖凈處理，有利用簡化工藝操作，提高工藝效率。

本實施例中，所述待處理晶圓包括一層前層，所述前層為氧化硅層250，即本實施例在氧化硅層250上形成氮化鈦層260，氮化鈦層260作為硬掩膜層。氧化硅層250作為帽蓋保護層(cappinglayer)形成在低k介質(zhì)層240上。低k介質(zhì)層240的材料可以為sioch。低k介質(zhì)層240形成在擴散阻擋層230上方。擴散阻擋層230的材料可以為sicn。擴散阻擋層230形成在介質(zhì)層220上，介質(zhì)層220中具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)210。所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)即可以是導(dǎo)電插塞，也可以是連接上下兩層金屬互連線層之間的互連結(jié)構(gòu)。

對于每一個待處理晶圓而言，在完成上述氮化鈦層260的沉積過程之后，本實施例可以繼續(xù)在氮化鈦層260上形成氧化硅層270，氧化硅層270同樣作為帽蓋保護層。

請結(jié)合參考圖5和圖6，圖5和圖6示出了使用現(xiàn)有形成方法處理的晶圓中，以及使用本發(fā)明上述兩個實施例的形成方法處理的晶圓中，晶圓表面上的雜質(zhì)顆粒分布情況，其中各晶圓上的黑點表示相應(yīng)的雜質(zhì)顆粒。

圖5所示晶圓w10為現(xiàn)有形成方法所待處理的第一個晶圓，晶圓w10上形成的前層結(jié)構(gòu)可以參考圖2所示。晶圓w20為現(xiàn)有形成方法所待處理的第二個晶圓，晶圓w20上形成的前層結(jié)構(gòu)可以參考圖4所示。晶圓w11為晶圓10形成氮化鈦層后的情況。晶圓w21為晶圓20形成氮化鈦層后的情況。從圖5中可知，采用現(xiàn)有方法在晶圓上形成氮化鈦層之后，晶圓表面的雜質(zhì)顆粒顯著增多。因為，晶圓w11上的黑點相比于晶圓w10上的黑點而言，顯著增加，晶圓w21上的黑點相比于晶圓w20上的黑點而言，顯著增加。

圖6所示晶圓w30為本發(fā)明第一實施例所處理的晶圓，晶圓w30上形成的前層結(jié)構(gòu)可以參考圖2所示。晶圓w40為本發(fā)明第二實施例所處理的晶圓，晶圓w40上形成的前層結(jié)構(gòu)可以參考圖4所示。從圖6中可知，采用本發(fā)明實施例所提供的形成方法在晶圓上形成氮化鈦層之后，晶圓表面的雜質(zhì)顆粒不僅沒有增加，還反而減少。因為，晶圓w31上的黑點相比于晶圓w30上的黑點而言，不增反減，晶圓w41上的黑點相比于晶圓w40上的黑點而言，不增反減。

對比圖5和圖6可知，本發(fā)明實施例所提供的形成方法能夠避免在形成氮化鈦層的過程中，在相應(yīng)晶圓表面產(chǎn)生氮化鈦雜質(zhì)顆粒殘留的問題，從而可以提高晶圓上芯片的良率。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準。