PVD制備TiN的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PVD制備TiN的方法,包括:在充有氮氣和稀有氣體的真空條件下,使得稀有氣體輝光放電形成稀有氣體離子;利用氮氣將晶片表面以及Ti靶臺表面氮化;稀有氣體離子在電場加速下轟擊Ti靶臺表面,濺射出TiN以及Ti離子;TiN在磁場作用下沉積在晶片表面形成TiN層,而Ti離子入射在晶片表面而使得TiN層具有應(yīng)力;其特征在于:提高Ti離子入射到晶片表面的動能,從而提高TiN層的非晶化率,進而提高TiN層的應(yīng)力。依照本發(fā)明的PVD制備TiNx的方法,通過控制工藝參數(shù)而提高Ti離子入射到晶片上的動能,從而提高了TiNx非晶化率進而提高了TiNx薄膜的應(yīng)力。
【專利說明】PVD制備TiN的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法,特別是涉及一種PVD制備TiN薄膜的方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,電路的集成度不斷提高,MOSFET器件的特征尺寸已經(jīng)到了 22nm以下的技術(shù)結(jié)點。事實上,當(dāng)進入90nm的技術(shù)結(jié)點之后,單純的通過縮小柵長以滿足摩爾定律的要求已經(jīng)越來越困難了。因為隨著柵長的縮短,被用來抑制短溝道效應(yīng)的溝道重摻雜引入的溝道摻雜散射、強場效應(yīng)以及寄生電阻的增加,導(dǎo)致溝道載流子遷移率降低,影響了器件電學(xué)性能的提升。在這種背景下,應(yīng)變工程應(yīng)運而生,它是提高溝道載流子遷移率的重要方法之一。 [0003]這種技術(shù)通過在器件制造過程中引入各種應(yīng)力源,如應(yīng)變覆層(StrainedOverlayers)、應(yīng)力記憶(Stress Memorization)、以及嵌入式 SiGe (Embedded-SiGe,eSiGe),來對溝道施加應(yīng)力。而適當(dāng)?shù)膽?yīng)力能夠提高溝道載流子的遷移率,進而在不縮小溝道尺寸的前提下實現(xiàn)器件電學(xué)性能的提高。
[0004]從45nm開始金屬柵被引入CMOS器件中,并且得到了大規(guī)模應(yīng)用,而作為SMT技術(shù)思想的延伸,通過金屬柵向溝道引入應(yīng)力的方法也隨之誕生,這種應(yīng)力的引入主要針對nMOS器件,TiNx作為nMOS器件的金屬柵材料其應(yīng)力的研究成為必要課題。
[0005]現(xiàn)有的TiN薄膜制備方法,例如蒸發(fā)、(磁控)濺射、PECVD等等,通過控制工藝參數(shù)可以獲得I~2GPa應(yīng)力的TiNx薄膜。然而,隨著器件尺寸持續(xù)縮減,對于溝道區(qū)載流子遷移率提高的需求日益增強,上述傳統(tǒng)的TiNx薄膜制備方法以及工藝參數(shù)選擇難以滿足進一步提聞器件驅(qū)動能力的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]由上所述,本發(fā)明的目的在于通過合理優(yōu)化PVD制備TiN薄膜的工藝參數(shù)來提高應(yīng)力,從而可以有效增強溝道區(qū)載流子遷移率,進一步提高器件性能。
[0007]為此,本發(fā)明提供了一種PVD制備氮化鈦的方法,包括:在充有氮氣和稀有氣體的真空條件下,使得稀有氣體輝光放電形成稀有氣體離子;利用氮氣將晶片表面以及鈦靶臺表面氮化;稀有氣體離子在電場加速下轟擊鈦靶臺表面,濺射出鈦離子以及氮化鈦;氮化鈦在磁場作用下沉積在晶片表面形成氮化鈦層,而同時鈦離子入射在晶片表面而使得氮化欽層具有應(yīng)力;其特征在于:提聞欽尚子入射到晶片表面的動能,從而提聞氣化欽層的非晶化率,進而提聞氣化欽層的應(yīng)力。
[0008]其中,提高鈦離子入射到晶片表面的動能的步驟進一步包括:縮短晶片與鈦靶臺之間的距離。其中,晶片與鈦靶臺之間的距離為190mm~260mm。
[0009]其中,提聞欽尚子入射到晶片表面的動能的步驟進一步包括:提聞灘射功率。其中,濺射功率為IOOw~2000w。
[0010]進一步包括提高氮氣的流量。其中,氮氣的流量為1.5~10.0SCCM。[0011]進一步包括減小氮化鈦層厚度。其中,TiN層厚度為6~lOOnm。
[0012]其中,氮化鈦層的應(yīng)力為O~-6.5GPa。
[0013]依照本發(fā)明的PVD制備TiN的方法,通過控制工藝參數(shù)而提高Ti離子入射到晶片上的動能,從而提聞了 TiN非晶化率進而提聞了 TiN薄I旲的應(yīng)力 。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案,其中:
[0015]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的TiN薄膜濺射方法的示意圖;以及
[0016]圖2~5分別示意性示出了不同靶臺-晶片距離、功率、流量、厚度下得到的TiNx薄膜應(yīng)力。
【具體實施方式】
[0017]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果,公開了一種PVD制備TiNx的方法。需要指出的是,類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu),本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系O
[0018]本發(fā)明可以采用通用的(磁控)濺射設(shè)備來完成TiNx的制備。值得注意的是,在本申請下文中,為了簡便起見,有時將鈦的氮化物(氮化鈦)簡稱為TiN而省略了 N含量X的標(biāo)記,但是并非意在將X限定為具體的整數(shù)1,實質(zhì)上X可以是從O~4的任意數(shù)并且不限于整數(shù)。
[0019]如圖1所示,在充有反應(yīng)氣體一氮氣和濺射氣體一稀有氣體(He、Ne、Ar、Kr、Xe等,優(yōu)選Ar以及更大質(zhì)量的原子以增強轟擊濺射效果)的真空條件(例如濺射時氣壓恒定為Smtorr)下,使得濺射氣體輝光放電而電離出稀有氣體的離子,此時氮氣使得Ti靶材表面以及晶片(例如單晶Si晶片)表面氮化;稀有氣體離子在電場作用下加速轟擊靶材Ti的表面,濺射出TiN原子;在電磁場的作用下,TiN原子落在晶片上,沉積為TiN薄膜。在此過程中,除了 TiN原子會落在晶片上之外,Ar等稀有氣體轟擊Ti靶材表面也會濺射出Ti離子,該Ti離子除了與氮氣反應(yīng)之外,還持續(xù)轟擊晶片上已有的TiN薄膜,從而使得晶片表面的TiN薄膜局部非晶化而具有一定應(yīng)力。
[0020]本發(fā)明人根據(jù)理論分析以及多次實驗數(shù)據(jù)驗證,得到了本發(fā)明的核心技術(shù)方案,也即通過提高Ti離子入射到晶片上的動能來提高TiN的非晶化率,從而可以提高TiN薄膜的應(yīng)力。
[0021]具體地,提高Ti離子入射到晶片上的動能至少可以包括以下兩種途徑:
[0022]I)縮短圖1中晶片與靶臺之間的間距D?,F(xiàn)有的濺射腔室中該距離D—般是260mm,依照本發(fā)明實施例的方法中,該距離縮減為190mm。由于距離縮減,在相同的電壓下,電場大大增強,因此Ti離子在電場中獲得更高的加速,從而晶片表面上沉積的TiN薄膜的非晶化率大大提聞,可以有效提聞TiN薄I旲應(yīng)力。如圖2所不,可見在190mm~260mm的范圍內(nèi),隨著距離D減小,TiN薄膜的應(yīng)力顯著增大,因此應(yīng)該盡可能的縮短間距D。
[0023]2)增大濺射功率。在現(xiàn)有的常規(guī)濺射腔室中,濺射功率一般是50~200w,然而依照本發(fā)明的方法提高了該濺射功率,例如是IOOw~2000?,并且優(yōu)選地為800w~2000?,更優(yōu)選地為1500w~2000w。如圖3所示,可見在IOOw~2000w的范圍內(nèi),隨著濺射功率增大,相同距離內(nèi)電磁場增強,Ti離子獲得更大的動能,從而提高了 TiN的非晶化率,進而提高了薄膜應(yīng)力,因此應(yīng)該盡可能地增大濺射功率。[0024]此外,依照本發(fā)明的方法中,可以通過增大氮氣流量來進一步增大薄膜應(yīng)力。如圖4所示,可見隨著氮氣流量的增加,薄膜應(yīng)力也有顯著增大。這是因為TiN中N含量增大使得薄膜本身晶格結(jié)構(gòu)變化,本征應(yīng)力增大。因此,本發(fā)明中氮氣的流量優(yōu)選1.5~10.0SCCM,更優(yōu)選地在3.0~10.0SCCM,最佳在5.0~10.0SCCM。
[0025]如圖5所示,可見隨著晶片上最后得到的TiN薄膜厚度減小,TiN應(yīng)力顯著增大,這是因為相同動能的Ti離子在厚度較小的TiN薄層中轟擊得到的微細晶格裂紋可以傳播穿越的深度占總TiN厚度的比例更大,也即Ti離子轟擊得到的非晶化區(qū)域的占比更加廣大,因此局部產(chǎn)生的應(yīng)力也更大。在本發(fā)明實施例中,TiN薄膜的厚度例如是6~lOOnm,并且優(yōu)選地為6~50nm,以及更優(yōu)選地為6~10nm。
[0026]綜合上述圖2~圖5可見,隨著優(yōu)化各種工藝參數(shù),可以使得制備到的TiN薄膜具有的應(yīng)力高達-6.5GPa,例如+1.0~-6.5GPa并優(yōu)選O~-6.5GPa,遠遠超過傳統(tǒng)PECVD、磁控濺射工藝得到的最多±2GPa的應(yīng)力。
[0027]依照本發(fā)明的PVD制備TiN的方法,通過控制工藝參數(shù)而提高Ti離子入射到晶片上的動能,從而提聞了 TiN非晶化率進而提聞了 TiN薄I旲的應(yīng)力。
[0028]盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外,由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此,本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例,而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種PVD制備氮化鈦的方法,包括: 在充有氮氣和稀有氣體的真空條件下,使得稀有氣體輝光放電形成稀有氣體離子; 利用氮氣將晶片表面以及鈦靶臺表面氮化; 稀有氣體離子在電場加速下轟擊鈦靶臺表面,濺射出鈦離子以及氮化鈦; 氮化鈦在磁場作用下沉積在晶片表面形成氮化鈦層,而同時鈦離子入射在晶片表面而使得氮化鈦層具有應(yīng)力; 其特征在于:提聞欽尚子入射到晶片表面的動能,從而提聞氣化欽層的非晶化率,進而提聞氣化欽層的應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1的方法,其中,提高鈦離子入射到晶片表面的動能的步驟進一步包括:縮短晶片與鈦靶臺之間的距離。
3.如權(quán)利要求2的方法,其中,晶片與鈦靶臺之間的距離為190mm~260mm。
4.如權(quán)利要求1的方法,其中,提高鈦離子入射到晶片表面的動能的步驟進一步包括:提高濺射功率。
5.如權(quán)利要求4的方法,其中,濺射功率為IOOw~2000w。
6.如權(quán)利要求1的方法,進一步包括提高氮氣的流量。
7.如權(quán)利要求6的方法,其中,氮氣的流量為1.5~10.0SCCM。
8.如權(quán)利要求1的方法,進一步包括減小氮化鈦層厚度?!?br>
9.如權(quán)利要求8的方法,其中,氮化鈦層厚度為6~lOOnm。
10.如權(quán)利要求1的方法,其中,氮化鈦層的應(yīng)力為O~-6.5GPa。
【文檔編號】C23C14/34GK103540893SQ201210245146
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】付作振, 殷華湘, 閆江 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所