[发明专利]一种金属含量可调的金属氮化物薄膜的制备方法及反应器

说明书

本发明公开了一种金属含量可调的金属氮化物薄膜的制备方法及反应器，该方法包含若干次第一半反应过程及若干次第二半反应过程，通过控制第一半反应过程的循环次数与第二半反应过程循环次数的比例，制备金属含量可调的金属氮化物薄膜；该第一半反应过程是指利用光辐照使吸附在衬底表面的金属有机前驱体发生离解，而在衬底表面留下金属原子层；该二半反应过程是指利用NH₃等离子体与衬底表面的金属原子层反应，形成金属氮化物薄膜。本发明的方法可调控薄膜中金属与氮元素之间的比值，实现薄膜电阻率的调制；且制备的金属氮化物薄膜具有理想的台阶覆盖率和精确的薄膜厚度控制能力，尤其适合高深宽比的沟槽的填充，能够满足先进CMOS集成电路工艺的需求。

技术领域

本发明属于集成电路制造领域，涉及一种金属含量可调的金属氮化物薄膜的制备方法，针对铜互连技术中扩散阻挡层以及场效应晶体管中金属栅的制备，提出了一种基于脉冲光辅助的原子层淀积技术，可以实现金属含量可调的金属氮化物的制备生长，如氮化钽(Ta_xN_y)、氮化钛(Ti_xN_y)、氮化铪(Hf_xN_y)、氮化钨(W_xN_y)等薄膜。

背景技术

在现代CMOS集成电路中，铜(Cu)互连技术是最关键的技术之一。然而，由于金属Cu在硅基材料和其它介质材料中具有很强的扩散能力，如果不采用有效的隔离措施，容易导致集成电路失效。据报道，金属氮化物(如氮化钽、氮化钛、氮化钨等)不仅具有良好的抗铜扩散性能，还具有较好的导电性，以及与SiOC等低介电常数互连材料之间很好的黏附性，现已成为Cu互连工艺中首选的扩散阻挡层材料。此外，这些金属氮化物也被用于金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极材料，作为高介电常数介质和金属栅集成的优选方案，以及用于射频集成电路中金属-绝缘体-金属电容中的电极材料。

传统的制备金属氮化物薄膜的方法主要包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。然而，随着集成电路特征尺寸不断减小，集成密度不断提高，元器件之间的间距不断减小，三维器件结构已成为主流，后道互连通孔的深宽比不断增大。所有这些变化使得传统的PVD和CVD薄膜制备技术无法满足集成电路发展的需求，即满足超薄金属氮化物薄膜的生长、高深宽比沟槽的填充、高共形覆盖的形成，以及良好的大面积均匀性。譬如，CVD方法只有在沟槽深宽比不超过10:1的情况下可实现100％的台阶覆盖率，而PVD在同等条件下只能达到50％的台阶覆盖率[3]。此外，CVD方法也很难保证超薄金属氮化物薄膜的生长以及大面积的均匀性。虽然，采用通常的原子层淀积(ALD)技术可以实现上述要求。譬如，以金属有机前驱体和NH3等离子体反应，可以实现ALD金属氮化物薄膜。然而，根据ALD的生长机理可知，金属原子和氮原子是交替生长的，即所形成的薄膜中金属原子与氮原子的比例是相对稳定的，无法实现金属原子和氮原子之间相对浓度的调制，尤其是无法增加金属原子的相对百分含量，因此制约了电阻率更低的金属氮化物薄膜的获得。

因此，亟需研发一种金属原子含量可调控的金属氮化物薄膜的制备工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属原子含量可调控的金属氮化物薄膜的制备方法，采用光脉冲辅助的原子层淀积反应，依靠光辐照致金属有机前驱体中配体的离解来实现金属原子层的叠加生长，利用通常的原子层淀积反应来实现氮原子层的生长以及与金属原子的键合。通过控制光脉冲辅助生长的周期数，来制备金属组份可调的金属氮化物薄膜，从而可以实现薄膜的电阻率可控。