在半导体基底上形成氮化钛层的方法

摘要

本发明公开了一种在半导体基底上形成氮化钛层的方法，包括以下步骤：提供一半导体基底；对所述半导体基底进行预加热；将所述半导体基底移入反应腔，在所述半导体基底上淀积氮化钛层。该方法在没有增加制造成本和制程难度的前提下，利用反应腔对半导体基底进行预加热，从而使淀积到半导体基底上的氮化钛层具有良好稳定的低电阻，并且适用于工业上的批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种在半导体基底上形成氮化钛层的方法。

背景技术

氮化钛(TiN)薄膜是目前工业研究和应用最为广泛的薄膜材料之一，它熔点高，热稳定和抗蚀性好，并以其较高的硬度和低的电阻率，受到人们日益广泛的关注。

早期的氮化钛薄膜研究工作主要集中在外观色泽、硬度和耐高温、耐腐蚀特性等方面。但最近，氮化钛膜作为金属层Cu或Al的扩散阻挡层在半导体器件中的应用受到重视。根据阻挡层的定义，阻挡层要求在一定高温下能有效阻止金属层金属的扩散，与金属层及介质有良好的结合，以及较小的接触电阻，且在保持与金属层金属的热稳定的同时，阻挡层要尽可能薄。根据2000年更新的半导体国际技术路线(ITRS)，从2005年起，阻挡层厚度达到10nm，到2014年将达到4nm；阻挡层要有良好的台阶覆盖性、低应力、无针孔；扩散阻挡层表面粗糙度越低越好。但由于在半导体制备工艺中薄膜厚度已和电子平均自由程相当或更小，TiN薄膜的电阻率的实际值与体电阻率有较大差距。

请参见图1，其所示为TiN薄膜层的方块电阻与半导体基底温度的关系图。可以看出，半导体基底温度从40℃上升到500℃的过程中，TiN薄膜的电阻率明显下降，曲线表明TiN薄膜电阻率随着半导体基底温度的升高而显著下降。

这是因为在较低的半导体基底温度下，TiN薄膜的结晶情况较差，缺陷密度较大，从而增加了载流子的散射，因此薄膜电阻率较高，导电性能差。随着半导体基底温度的升高，被溅射出来的靶材Ti原子在基底吸附后仍有较大的动能，原子表面扩散能力增加，薄膜容易有序结晶化和晶粒取向一致化，缺陷密度降低，这导致载流子浓度的增大和迁移率的提高，从而使薄膜的导电能力大大的增加。

并且，当半导体基底温度较低时，Ti原子与N原子反应不完全，因此薄膜中N/Ti原子比＜1，所以薄膜成分主要为Ti₂N，还有部分Ti原子与半导体基底Si反应生成TiSi₂，导致薄膜电阻较大。而当半导体基底温度的升高时，有助于溅射出来的Ti原子与N原子在半导体基底更好的反应，提高了TiN薄膜中的N/Ti原子比，从而提高了TiN薄膜的导电性，薄膜的电阻随着降低。

然而，在现有技术中，请参见图2，在半导体基底上淀积TiN层，是直接将半导体基底100放入到反应腔210溅射淀积TiN薄膜层，反应气体无法将热传导到半导体基底上，此时的半导体基底处于较低的温度，因此，在半导体基底上淀积形成的TiN薄膜层电阻较高，导电性能差。而要实现TiN薄膜层良好而稳定的低电阻，需要用新的机台进行制造，这就大大提高了制造成本，且增加了制程工艺的难度。此外，在量产的过程中，由于每个半导体基底的温度不同，因而所制造出来的TiN薄膜层的电阻也不同，大大影响了制造出的硅片的品质。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中，由于在半导体基底上淀积的氮化钛(TiN)层的电阻高，导电性能差，且生产出的各硅片的TiN层电阻不一致，因而不能满足产品的要求等技术问题。

有鉴于此，本发明提供一种在半导体基底上形成氮化钛层的方法，包括以下步骤：

提供一半导体基底；

对所述半导体基底进行预加热；

将所述半导体基底移入反应腔，在所述半导体基底上淀积氮化钛层。

进一步的，对所述半导体基底进行预加热是将所述半导体基底放入另一反应腔内进行预加热；

进一步的，所述预加热的温度为100℃至500℃。

进一步的，在所述半导体基底上淀积氮化钛层的具体步骤：

将所述反应腔抽真空；

向所述反应腔内通入氩气和氮气；

通过溅射在所述半导体基底上形成氮化钛层。

进一步的，所述反应腔抽真空，其压强为2.0×10^-4Pa至5.0×10^-4Pa。

进一步的，所述氩气的流量为15sccm至60sccm。

进一步的，所述氮气的流量为50sccm至150sccm。

综上所述，本发明提供的在半导体基底上形成氮化钛层的方法，在没有增加制造成本和制程难度的前提下，利用反应腔对半导体基底进行预加热，从而使淀积到半导体基底上的氮化钛层具有良好稳定的低电阻，并且适用于工业上的批量生产。

附图说明

图1所示为TiN薄膜层的方块电阻与半导体基底温度的关系图；

图2所示为现有技术中在半导体基底上形成TiN薄膜层的制程示意图；

图3A所示为本发明一实施例所提供的在半导体基底上形成TiN薄膜层的方法流程图；

图3B所示为本发明一实施例所提供的在半导体基底上形成TiN薄膜层的制程示意图；

图4所示为利用现有技术和本发明实施例提供的方法生产的硅片上TiN薄膜层的方块电阻的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，给出较佳实施例并结合附图，对本发明作进一步说明。

请参见图3A，其所示为为本发明一实施例所提供的在半导体基底上形成TiN薄膜层的方法流程图。

请结合参见图3B，该方法包括以下步骤：

S310提供一半导体基底100，在本实施例中半导体基底100为一硅片。

S320对所述半导体基底100进行预加热。

在本实施例中，将所述半导体基底100放入与溅射淀积TiN层反应腔210相邻的另一反应腔220内进行预加热，预加热的温度为100℃至500℃。

随着半导体基底100温度的升高，在后续的溅射淀积TiN层的工艺中，被溅射出来的靶材原子在基底吸附后仍有较大的动能，原子表面扩散能力增加，薄膜容易有序结晶化和晶粒取向一致化，缺陷密度降低，这导致载流子浓度的增大和迁移率的提高，从而使薄膜的导电能力大大的增加。

并且当半导体基底温度的升高时，有助于溅射出来的Ti原子与N原子在半导体基底更好的反应，提高了TiN薄膜中的N/Ti原子比，从而提高了TiN薄膜的导电性，薄膜的电阻随之降低。

S330将所述半导体基底100移入反应腔210，在所述半导体基底200上淀积氮化钛层。

在本实施例中，将已经预加热到一定温度的半导体基底100，转移到反应腔210中，需精确设定转移的时间，防止半导体基底100在转移过程中，因转移时间过长热量散失，而导致半导体基底100不能保持在精确的预热温度。

当半导体基底100移入反应腔210时，将所述反应腔210抽真空，其压强为2.0×10^-4Pa至5.0×10^-4Pa左右；向所述反应腔内通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量分别为15至60sccm和50至150sccm；通过钛(Ti)原子溅射在所述半导体基底上形成氮化钛层。

由于此时，进行溅射的半导体基底100是经过预热的，因此，在所述半导体基底200上淀积氮化钛层具有良好而稳定的低电阻。其原理请参见上文。

请参见图4，其所示为利用现有技术和本发明实施例提供的方法生产的硅片上TiN薄膜层的方块电阻的对比图。

可以从图中看出，利用现有技术在多片硅片上淀积的TiN层，由于没有给硅片进行预加热，导致TiN的方块电阻会因不同的硅片而差别很大，而利用本发明实施例提供的在半导体基底上形成氮化钛层的方法，由于对多个硅片都进行了预加热具有相同的温度，所生产出来的硅片的TiN的方块电阻较小且相对稳定，一直保持在12Ohms/sq，其电阻不会随不同的硅片而有很大差别，从而保证了产品品质的一致性，提高了产品的良率。

综上所述，本发明实施例所提供的在半导体基底上形成氮化钛层的方法，在没有增加制造成本和制程难度的前提下，利用反应腔对半导体基底进行预加热，从而使淀积到半导体基底上的氮化钛层具有良好稳定的低电阻，并且适用于工业上的批量生产。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。