專(zhuān)利名稱(chēng)：處理半導(dǎo)體晶片的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理如半導(dǎo)體晶片等的工件的方法和裝置，特別是但不絕對(duì)是，涉及提供工件的表面上有凹槽的層的方法和裝置。
在我們?cè)缙诠餐礇Q的歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)No.92304633.8和英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.9619461.8(在這里做為參考引入其內(nèi)容)中，我們介紹了借助應(yīng)用溫度和壓力來(lái)至少部分填充表面上凹槽的方法的改進(jìn)。其它方法包括將熔化的金屬漂移進(jìn)入凹槽，例如通過(guò)表面擴(kuò)散。
這種技術(shù)的主要應(yīng)用之一是用于淀積互連層，該互連層一般包括幾部分，主要部分是(i)阻擋層。通常為鈦或鈦合金，目的一般是提供與表面層良好的粘附力，并避免連接層和表面層之間的非有意或不希望的合金化，特別是避免接觸結(jié)的鋁合金“鳥(niǎo)嘴”。(ii)主要的導(dǎo)電層，一般是鋁合金。就是該層形成了組合結(jié)構(gòu)體，并進(jìn)行了以上提到的申請(qǐng)中介紹的通過(guò)應(yīng)用熱和壓力進(jìn)入晶片表面上凹槽，從而基本上填充凹槽的工藝。(iii)抗反射涂層頂層，以助于隨后的平板印刷工序。
應(yīng)當(dāng)理解這些部分中的任何或全部可以淀積在設(shè)備的單獨(dú)的工件內(nèi)，當(dāng)移到下一晶片時(shí)該晶片暴露在環(huán)境中。然而，暴露在環(huán)境中可使晶片的暴露表面(例如阻擋層)例如通過(guò)形成氧化物發(fā)生變化。這在TiN的情況下可認(rèn)為是需要的，似乎可增強(qiáng)層的‘阻擋’性。
然而，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)除非避免或取消將TiN阻擋層暴露在環(huán)境中，否則在共同未決申請(qǐng)中公開(kāi)的凹槽填充工藝的可靠性很差。
本發(fā)明在于一種用導(dǎo)電材料填充工件(例如半導(dǎo)體晶片)的表層內(nèi)的凹槽的方法，包括以下步驟在表面上形成阻擋層；將導(dǎo)電材料淀積到阻擋層上；將導(dǎo)電層壓進(jìn)和/或流入凹槽內(nèi)，特征在于在淀積導(dǎo)電層之前，阻擋層含氧或被氧化，氮化表層內(nèi)的氧化材料。
為方便起見(jiàn)，在本說(shuō)明書(shū)中，在以上特征從句中陳述的步驟有時(shí)稱(chēng)做“再活化”。
阻擋層和導(dǎo)電層可以任何合適的方式淀積或形成，甚至可沉積為箔板。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，阻擋層在第一裝置中形成，導(dǎo)電層在第二裝置中淀積。第一裝置可以為化學(xué)汽相淀積(CVD)裝置，而第二裝置可以為物理汽相淀積(PVD)裝置或電鍍裝置。應(yīng)付由于任何真空破壞造成的氧化的能力是指使用最優(yōu)選的裝置形成或淀積任何層。導(dǎo)電層最好由鋁、鋁合金、銅或銀形成。
氮化步驟可使用含等離子的氮進(jìn)行。此外另一個(gè)辦法是，在氮?dú)獯嬖诘臈l件下，阻擋層可暴露給等離子產(chǎn)生的原子氫，以氮化阻擋層中的氧化材料?；蛘呖呻S后進(jìn)行通過(guò)原子氫的脫氧(Oxygen stripping)步驟和氮化步驟。使用目前的裝置，至少很難獲得純氮?dú)鈿夥罩械牡?。氫氣∶氮?dú)獾谋壤稍?∶10和3∶1之間。氫氣可以NH3形式提供，此時(shí)NH3至少提供一些氮化的氮?dú)狻?br> 應(yīng)該相信是氧的存在影響了凹槽填充能力，可能合適的雜質(zhì)化學(xué)熱力學(xué)給出了可能的機(jī)理，并提出已發(fā)現(xiàn)的有效的解決方法。
阻擋層基本上含有鈦和氮的原子，然而氮化鈦形成圓柱形晶粒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)含有由頂部到底部的晶粒邊界。由于氮化鈦?zhàn)鳛槲锢碜钃鯇?，這是固有缺陷，但眾所周知可以在形成氮化鈦期間通過(guò)增加氧氣，或?qū)⒌伇┞对谘鯕庵?例如通過(guò)暴露在空氣中)減輕。據(jù)說(shuō)氧氣“填充”晶粒邊界。
因此最好將氧附加到氮化鈦中(以改善阻擋層質(zhì)量)，然而如果上表面含有一些原子氧也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題。鈦和氮穩(wěn)定地鍵合形成TiN晶格。隨后的凹槽填充工藝使鋁原子與TiN表面接觸。在一般條件下，鋁不可能鍵合到鈦和氮的上表面，所以鋁自由地流進(jìn)凹槽。
TiN上的氧雜質(zhì)的效果是一般條件下將出現(xiàn)氧化的表面，該表面包括鍵合到鈦外層的氧原子，將與導(dǎo)電材料直接接觸，在一般工藝條件下，要求導(dǎo)電材料流到凹槽中，導(dǎo)電材料有可能與阻擋層形成化學(xué)鍵，因而阻止了材料的流動(dòng)。很顯然，導(dǎo)電材料越活化，越有可能形成鍵合。
正如申請(qǐng)人以上介紹的，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)含氧的阻擋層通過(guò)至少表面的氧原子用氮代替以適于隨后的工藝。
這可用許多方式得到，特別是使用含等離子的氮和氫。可能的機(jī)理解釋如下。
使用含等離子的氮可解釋為通過(guò)等離子的產(chǎn)生物，可能是有幫助的離子，有效地氮化氧化的阻擋層表面。
該反應(yīng)僅在625℃以上稍有幫助。
使用等離子或紫外線產(chǎn)生的原子氫化學(xué)上更有用，并且不要求離子幫助如果該反應(yīng)在氮?dú)獯嬖诘那闆r下進(jìn)行，最后的阻擋層表面將同時(shí)氮化。
發(fā)明可以不同的方式進(jìn)行，現(xiàn)在結(jié)合附圖
介紹特定的實(shí)施例，附圖為標(biāo)準(zhǔn)填充和本發(fā)明各自的空穴填充百分比與預(yù)熱溫度的曲線圖。
在以上的第1和2頁(yè)介紹的一般工藝中最好使用化學(xué)汽相淀積(CVD)，是因?yàn)榛瘜W(xué)汽相淀積的TiN的特性?xún)?yōu)于物理汽相淀積(PVD)的TiN的特性。然而，當(dāng)晶片由CVD設(shè)備傳輸?shù)接糜趪娡拷饘俟に嚨腜VD設(shè)備時(shí)，有可能出現(xiàn)真空破壞。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)鋁合金沒(méi)有很好地流進(jìn)該TiN材料上的凹槽內(nèi)，應(yīng)該相信是由于TiN的表面氧化。隨后的PVD TiN層后接沒(méi)有真空破壞的鋁合金淀積是有效的解決方法，但要避免，是由于這會(huì)導(dǎo)致隨后的阻擋層覆蓋凹槽的口，從而阻止了凹槽的填充?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)以下條件的等離子工藝通過(guò)鋁合金改變了TiN表面足以形成良好的凹槽填充。H2/N2比例 1∶2時(shí)間 2分鐘典型的壓力1100毫乇等離子功率300瓦工藝產(chǎn)量凹槽直徑 0.5μm當(dāng)用等離子工藝如上處理阻擋層時(shí)凹槽填充的百分比 100％不用等離子工藝0％該工藝很有效，但特別是對(duì)于小直徑的凹槽并不理想，僅作實(shí)例給出。應(yīng)該相信改變離子特性，H2/N2比例、氫源氣(例如，NH3)、壓力溫度和其它參數(shù)將在低到至少0.35μm的所有凹槽尺寸中獲得100％時(shí)凹槽填充。
使用以下條件也可以獲得成功的工藝原子氫/氮比例 3∶1壓力 ＞100毫乇(例如300-400毫乇)施加的等離子功率 ＞500w，13.56MHZ(例如1.2KW)襯底溫度 400-550攝氏度(例如550℃)用NH3代替H2/N2混合物，在隨后的填充步驟后，觀察到95％以上的0.35μm接觸完整地填充。在以上括號(hào)內(nèi)的工藝條件可獲得100％的0.35μm接觸。
表面的氧化鈦在原子氫和原子氮存在的條件下再氮化，所述原子氫和原子氮或是源自混合氣體或是源自含有氮和氫(可能還有其它元素)的單獨(dú)氣體。通過(guò)原子氫和氮混合氣體的再氮化主要代替了通過(guò)氫使氧化鈦的初始量減少，然后鈦與氮發(fā)生反應(yīng)。
增加溫度加快了反應(yīng)速度，可能是通過(guò)加快了減少工藝的水副產(chǎn)物離開(kāi)襯底表面的速度，并因此減少了重新氧化表面的可能性在這些溫度下，原子氫使鈦可與氮發(fā)生反應(yīng)從而促進(jìn)了反應(yīng)。因此在含環(huán)境氣氛的氮中，隨著原子氫濃度由零開(kāi)始增加，氧化鈦到氮化鈦的轉(zhuǎn)換速率的增加。
很自然得出減少的氧化鈦的氮化點(diǎn)限制了反應(yīng)速率，是由于在給定的體積中在恒定的溫度和壓力下氣體分子的數(shù)目是一定的。
因此，當(dāng)在原子氮存在的條件下，在溫度小于使氧化鈦與氮化鈦直接反應(yīng)的溫度時(shí)，為該工藝的原子氫和原子氮的最佳混合物。使用含有氫和氮的氣體分子最好將兩種單獨(dú)的氣體混合，是因?yàn)樵谝欢ǖ臍怏w體積中，更多的氫和氮原子可存在于反應(yīng)的襯底表面。
在相同的體積中，通過(guò)例子，當(dāng)完全分解時(shí)，此外眾所周知在等離子體中，含如氨的氣體的氮為比分子氮更可用的原子氮源。也應(yīng)該相信作為氣體的NH3將比氫或氮更容易“粘”到襯底上，自由的原子氮和氫高能撞擊并因此提高了所需的表面反應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是將氮?dú)馀c氫氣分子濃度比提高到10∶1增加了氮化作用的速率，然而該速率仍然低于使用氮與氫原子含量比為1∶3的氨氣。這可能是由于由氮分子產(chǎn)生的原子氮是限制速率的因素。
也可以觀察到由于氫氣中分子氮的濃度增加仍然超出某個(gè)點(diǎn)，氮化作用的速率減小仍然不能與例如氨的氮和氫的化合物的速率相同?？赡艿慕忉屖茄趸伒臏p少是現(xiàn)在的限制因素?？赡芊肿託湓诜肿拥斜幌♂?zhuān)捎谛纬稍託?，它物理地阻止與襯底表面發(fā)生反應(yīng)，由于大量的(未反應(yīng)的)氮分子存在，所以它不能足夠緊密地接觸。
除了以上介紹的方法中氮化的特定目的，應(yīng)該相信例如以上介紹的氮化如TiN的以前氧化的阻擋層，將改善層的阻擋特性。
處理阻擋層的又一個(gè)驚人的優(yōu)點(diǎn)是晶片不需以熱的方式預(yù)熱。
將以前在一種氣體環(huán)境(例如大氣環(huán)境)中的工件放置到真空或其它氣體環(huán)境中，使工件“除氣”，氣體和水蒸氣離開(kāi)表面并進(jìn)入真空或新氣體環(huán)境中。
這種除氣在等離子工藝中特別不希望，是由于除氣在部分真空中進(jìn)行，所述部分真空包括選為以專(zhuān)門(mén)的方式反應(yīng)或不反應(yīng)的減小壓力的氣體環(huán)境。
工藝壓力越低，除氣對(duì)工藝潛在的害處越大，是因?yàn)槌サ臍怏w將組成整個(gè)存在氣體的一大部分，或不能得到低壓力且不能增加抽真空的速度，或?qū)⒁筇岣叱檎婵盏乃俣炔⒁虼顺杀驹黾印?br> 在特定的濺射中，使用惰性的低壓氣體環(huán)境進(jìn)行工藝，一般為氬。一般通過(guò)對(duì)電極施加適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓在輝光放電中將氬氣離子化，提供受負(fù)電勢(shì)影響的離子“進(jìn)料”撞擊其上放置靶材料的電極表面。在氬等離子環(huán)境中通過(guò)離子撞擊將靶材料濺射到通常放置在附近的工件上。
選擇氬是因?yàn)闅鍤馐亲罱?jīng)濟(jì)的有吸引力的惰性氣體且離子較大。
然而，如果在氬環(huán)境中存在潛在的任何反應(yīng)氣體或水蒸氣也會(huì)通過(guò)輝光放電離子化，變?yōu)榭煞磻?yīng)并在氣體環(huán)境中飛行期間與濺射材料在靶表面或其它表面反應(yīng)。
當(dāng)有意選擇時(shí)該工藝稱(chēng)做“反應(yīng)濺射”，可以用于濺射如氮化鈦的材料，其中將氮加到惰性濺射原料中。然而，當(dāng)以未控制方式，存在水蒸氣、氮、氧和其它成分的大氣環(huán)境中使用該工藝時(shí)，通過(guò)與靶材料反應(yīng)不需要的氧化物、氮化物和其它材料將淀積或形成在工件上。
對(duì)于鋁和它的合金特別不希望，因?yàn)檫@樣會(huì)增加電阻率，并且在施加壓力期間，任何包含在鋁膜中的氧，將降低鋁到孔中的流動(dòng)性。
因此對(duì)于濺射工藝，除氣是不希望的。
除氣的主要來(lái)源使工件自身，由于工件連續(xù)地放置在以前曾為大氣環(huán)境的工藝操作室或其它氣體環(huán)境中(例如干氮)。除氣是耗時(shí)工藝，加快該工藝是很必要的。加快該工藝的公知方法是加熱和UV，實(shí)際中通常使用加熱。熱量越多除氣越快。
然而，晶片有熱預(yù)算(thermal budget)，使用預(yù)熱可有效地避免。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的是按以上處理的晶片要求較低的預(yù)熱溫度以得到相同的孔填充結(jié)果。在迄今為止的實(shí)驗(yàn)中，該工藝使用氨等離子體。
現(xiàn)在還不能確切地知道為什么得到該結(jié)果，但它不能僅作為等離子“調(diào)節(jié)”、加熱或高能撞擊晶片表面的結(jié)果，因?yàn)樵谒星闆r下，在預(yù)熱之后和濺射之前，氬(惰性)等離子體作為晶片“濺射腐蝕”工藝的部分。在濺射腐蝕工藝之前，加入氨等離子工藝。實(shí)驗(yàn)A使用大通孔鏈陣列(via chain array)建立工藝限制。通孔0.4μm寬且1μm深。不同的實(shí)驗(yàn)裂片(splits)在熱氧化載體晶片上處理的小晶片樣品上進(jìn)行。然后通過(guò)通孔陣列將樣品分區(qū)并在SEM上分析。每個(gè)工藝的填充能力通過(guò)數(shù)完整填充的孔和有空隙的孔的全部數(shù)目決定。觀察到每個(gè)樣品平均有80-100個(gè)通孔。計(jì)算了每個(gè)樣品的填充百分比。結(jié)果和結(jié)論如果在Ti/TiN淀積之后進(jìn)行氮化步驟，那么預(yù)熱溫度可以由550℃降到350℃。這些溫度分別是不帶和帶氮化步驟的要求獲得100％孔填充的最低溫度。附圖顯示了孔填充能力如何隨預(yù)熱溫度增加而增加，氮化工藝如何顯著降低要求完整填充的最低溫度。預(yù)熱溫度越低與以上介紹的通孔工藝越兼容。工藝時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)的4分鐘減少到2分鐘也有助于改善產(chǎn)量并減少晶片暴露在高溫中的時(shí)間長(zhǎng)度。
對(duì)比Ti通孔結(jié)構(gòu)要求的最小工藝要求。
權(quán)利要求
1.在工件表面層用導(dǎo)電材料填充凹槽的方法，包括以下步驟在表面形成阻擋層；在阻擋層上淀積一層導(dǎo)電材料；將導(dǎo)電材料壓進(jìn)、流入或漂移到凹槽內(nèi)，特征在于在淀積導(dǎo)電材料之前，阻擋層含氧或被氧化，氮化表層內(nèi)的氧化材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在第一裝置中形成阻擋層，在第二裝置中淀積導(dǎo)電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中第一裝置為化學(xué)汽相淀積(C.V.D)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其中第二裝置為物理汽相淀積(PVD)裝置或電鍍裝置。
5.根據(jù)以上任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中氮化的步驟用含等離子的氮進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項(xiàng)的方法，其中阻擋層在氮化步驟之前暴露到原子氫中或二者同時(shí)進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中在氮存在時(shí)，阻擋層暴露到等離子體或U.V.產(chǎn)生的原子氫中以氮化阻擋層中的任何氧化材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中氫∶氮的比例在1∶20和3∶1之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中氫以NH3形式提供。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中NH3至少提供一些氮化的氮?dú)狻?br> 11.根據(jù)以上任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中表面層預(yù)熱，隨后形成阻擋層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中晶片預(yù)熱到約350℃或以下。
13.根據(jù)以上任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中導(dǎo)電材料選自鋁、鋁合金、銅或銀構(gòu)成的組。
全文摘要
本發(fā)明在于一種用導(dǎo)電材料填充工件表層內(nèi)的凹槽的方法,包括以下步驟:在表面上形成阻擋層;將導(dǎo)電材料層淀積到阻擋層上;將導(dǎo)電材料壓進(jìn)、流入或漂移到凹槽內(nèi),特征在于在淀積導(dǎo)電材料之前,阻擋層含氧或被氧化,氮化表層內(nèi)的氧化材料。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1202000SQ9712318
公開(kāi)日1998年12月16日 申請(qǐng)日期1997年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月22日
發(fā)明者克里斯多弗·戴維·多布森 申請(qǐng)人:特利康設(shè)備有限公司