专利名称：使用活化氮形成氮化层的热回火方法
广义来说，本发明是关于一种在集成电路中形成氮化层的热回火方法，更仔细地说，本发明是关于一种利用活化氮在集成电路中形成氮化层的热回火方法。
在集成电路的制造技术中，氮化层的使用是广为人知的，特别是氮化钛层。当制造集成电路时，氮化钛层是最常被用作集成电路中的附着促进层或障蔽层。当作为附着促进层时，氮化钛层通常垫地整层的钨底下，然后再借助集成电路中已经制定好介电层作为导电接触和互连的栓柱。当作为障蔽层时，氮化钛层一般会夹在含铝的导体金属层和掺杂后的硅层或硅基板之间。氮化钛在这两者之间，可以形成一层的障蔽，避免含铝的导体金属层和掺杂后的硅层或硅基板之间，因为材料不同而发生相互扩散或穿入(spikig)。
随着集成电路技术的发展，集成电路元件逐渐的缩小化，如何在先进的集成电路内形成均匀、致密的氮化层(如氮化钛)，以便在促进附着与形成障蔽等特性上得到最好的效果，就愈来愈重要了。传统上，形成氮化钛之类的氮化层有几个方法，其中快速热回火(RTA)特别普遍而直接。在这种方法中，首先在半导体基板上形成一层用来形成金属氮化层的金属，并加以回火，最后形成一层金属氮化层。如果这层用来形成金属氮化层的金属也可以形成金属的硅化层，例如钛金属，而且这层金属直接形成在半导体基板的表面上，在某种工业条件下，经过快速热回火后，不但形成一层金属氮化层，同时也会形成一层金属硅化物层，而使金属氮化层与半导体基板隔开。这样的金属硅化物/金属氮化物的复合层是很理想的，因为除了具有金属氮化层原有促进附着性与形成障蔽等功能外，也得到金属硅化层低接触电阻的特性。举例来说，Nulmam在第5,043,300号美国专利中提出了数段温度单一步骤的快速热回火方法，在氮气中利用一层钛金属，在半导体基板上的氮化钛底下形成一层硅化钛。
虽然Nulman所提出的快速热回火法可以用来在集成电路的半导体基板上形成一层氮化钛层，但Nulman也提出，氮化钛并不容易形成。特别，Nulman提出当利用钛层形成氮化钛时，任何时候都不能有氧气出现(参见第6栏7至28行，以及第7栏4至16行)，所以Nulman的发明中就需要提出一个更复杂的方法和装置，以便将含氧的周围气体从氮层内排除出去。为此，Filipiak在第5,188,979号美国专利中提出一个快速热回火的方法，毋需完全排除氧气，也不使用氮气，而是利用预热好的氨气作为氮的来源材料，就可形成包括氮化钛在内的高密度氮化层。
虽然Filipiak在快速热回火的方法中利用预热的氨气，可以很有效地形成氮化钛的障蔽层，但如果能提出另一种快速热回火的方法，不需用到像氨气这种危险的气体，而一样能在集成电路中形成像氮化钛一类的金属氮化层，是更理想的。这正是本发明的一个目标。
此外，也曾有人提出以化学气相沉积(CVD)法，在集成电路中形成氮化钛层。举例来说，Sandhu等人在第5,254,499号美国专利中提出一种化学气相沉积法，利用tetrakis-二烷基酰胺钛作为起始材料，在集成电路中形成了氮化钛层。此外，Kauffman等人在第5,416,045号美国专利中提出一种类似的化学气相沉积法，利用四氯化钛作为起始材料，在集成电路中形成了氮化钛层。虽然在集成电路中利用化学气相沉积法所形成的氮化钛层一般都具有所需的特性，但不论Sandhu等人或Kauffman等人都没有像本发明一样，提及氧气排除的问题。
此外，Moslehi在第5,446,824号美国专利中提出一种利用灯加热的夹具，可以使半导体基板基片的处理非常均匀一致。但同样地，Moslehi所提出的装置中也没有像本发明一样，解决排除氧气的问题。
本发明第一个目的是，提出一种毋需随时排除氧气，而利用形成氮化物的材料，在集成电路中形成氮化钛等类的氮化层的热回火法。
本发明第二个目的是，提出一种毋需使用氨气，而利用形成氮化物的材料，在集成电路中形成氮化钛等类的氮化层的热回火法。
本发明第三个目的是，根据上述第一个和第二个目的，提出一种可以付诸制造的方法。
根据本发明以上的目的，本发明提出一种利用形成氮化物的材料，在集成电路中形成氮化层的热回火法。当实施本发明的方法时，首先要预备一面基板。然后在基板上形成一层形成氮化物所需的材料。这层形成氮化物所需的材料随即暴露于活化氮的氛围中。最后，这层形成氮化物所需的材料再于活化氮的氛围中利用热回火法加以回火，而形成氮化层。
本发明所提出的热回火法，当利用形成氮化物的材料在集成电路中形成氮化钛等类的氮化层时，毋需使用氨气，也毋需随时排除氧气。本发明的方法中，使用了高度活化的氮气作为起始材料，而不使用氨气，因此能达到上述的目的。活化氮的活性与预热过的氨气一样，都足以从形成氮化物的材料形成氮化钛等类的氮化层，而且当形成氮化层时，也不需要随时排除氧气。
本发明的方法已经可以付诸制造。正如本发明具体实施例的说明，在集成电路的制造产业中，已有几种现成的方法可以产生活化氮的氛围。所以，本发明的方法已经可以付诸制造。
通过具体实施例的说明，应当可以更完全地了解本发明的内容、特征与优点。当阅读具体实施例的说明时，请参考附图，这是本说明书很重要的一部分，所附附图分别是
图1至图3的剖面图，说明实施本发明方法所需的装置的三种具体实施例。
图4至图7是一系列的剖面图，说明利用本发明方法的具体实施例，在集成电路中形成氮化钛障蔽层的连续步骤。
本发明所提出的热回火法，当利用形成氮化物的材料在集成电路中形成氮化钛等类的氮化层时，毋需使用氨气，也毋需随时排除氧气。为了达到上述的目标，我们将这层形成在基板上藉以形成氮化物的材料暴露于活化氮的氛围中。这层形成氮化物所需的材料在活化氮的氛围中进行回火后，就在基板上形成了包含氮化钛等类的氮化层。
本发明的方法可用在集成电路中形成氮化层，作为障蔽层或附着促进层，但并不限制于此。此外，本发明的方法可用在许多种集成电路中形成氮化层，包含动态随机存取存贮器(DRAM)集成电路、静态随机存取存贮器(SRAM)集成电路、特殊应用集成电路(ASIC)、或者包含场效晶体管(FET)、双极子晶体管和双极子互补式金属氧化物半晶体管(BiCMOS)在内的集成电路。
虽然本发明的具体实施例中，所形成的氮化钛层是作为集成电路中的障蔽层，但熟悉此技术的人士都了解，本发明的方法也可用来形成其它的氮化层，或者用在上述其它种类的集成电路中。特别，在本发明的方法中，可用来形成氮化层的材料包含有钛、铝、硅、铪、锆、钒、铌、钽和铬。当通过本发明的方法形成氮化层时，这些材料最好厚约10至2000埃。
现在请参考图1至图3，这些剖面图说明了实施本发明方法所需装置的三种具体实施例。在图1至图3各图中，反应室10中都有一个平台12，上面放置一面基板14。基板上形成了一层即将进行热回火处理、形成氮化物所需的材料。在反应室10中，还有一具加热灯16，当进行热回火时可用来加热基板14。对本发明的具体实施例而言，加热灯16，或者其他相等的热源，最好能使基板14的温度升高到100～1300℃，因为利用本发明的热回火法形成氮化层时，热回火的温度为100～1300℃。每一个反应室10中另外还有一个喷头18，它的大小经过设计，使流经反应室的氮气流可以很理想地达到每分钟约1000至50000立方厘米(sccm)。与反应室10中的喷头18相通的还有一个氮气活化室20，位于每一个反应室10的外面。
图1至图3中三个装置最主要的差异是氮气活化室20中形成活化氮的方法。图1中，是以射频等离子体与活化室20耦合，从而形成活化氮。正如图1的说明，射频发生器22经耦合后，在活化室20中形成了射频等离子体。图2中，则通过紫外光辐射源24，使流经氮气活化室20与喷头18的氮气形成活化氮。最后，图3是利用与氮气活化室20耦合的微波放电源26，使流经氮气活化室20与喷头18的氮气形成活化氮。虽然图1至图3中并没有说明，但射频等离子体或微波等离子体以外的等离子体一样可以与氮气活化室20耦合形成活化氮。这类的等离子体包含了电子回旋加速器共振(ECR)等离子体。
同样地，熟悉此技艺的人士也了解，还有许多其它的方法与装置都可用来形成活化氮，只要所用的方法或装置可以提供一定浓度的活化氮。其它可用的方法包含了镭射活化法与放电活化法。
活化氮活性极高的特性和其它的特性，在无机材料的领域中都可找到参考资料。举例来说，Cotton等人在Advanced Inorganic Chemistry:AComprehensive Text,Interscience Publishers(New York:1972)，第346页中就曾说明，在适当的条件下，可以通过放电的方式使气体分子状态下的氮形成非常活跃的氮(即活化氮)。Cotton也阐述，活化氮的活性来自氮原子存在着基态(4S)，当反应室加以适度地绝缘，限制活化氮的重新结合时，这些氮原子就可维持相当长的寿命。最后，Cotton指出含有活化氮的氮气流曾持续地发出黄色的光晕。当使用本发明的具体实施例时，这种黄色的光晕就可用来监测氮气活化室20或反应室10中活化氮的浓度。
图4至图7是一系列的剖面图，说明利用本发明方法的具体实施例，在集成电路中形成氮化钛障蔽层的连续步骤。图4的剖面图则说明一个制造初期的集成电路。
图4中，半导体基板30内部与其表面上已经形成一对隔绝区32a、32b，并且定义出半导体基板30上的主动区。在半导体技术中，可以选用不同的极性和各种杂质浓度或结晶方向，对本发明的具体实施例而言，半导体基板30最好是一面(100)的硅半导体基板，并且经N-或P-的掺杂。同样的，虽然在半导体已知的技术中，可用包含隔绝区成长法和隔绝区沉积/制定法在内许多不同的方法来制作半导体基板上的隔绝区，但本发明的具体实施例中，最好是利用隔绝区热成长法，在半导体基板30的内部与表面上形成氧化硅，以作为隔绝区32a与32b。
图4中半导体基板30的主动区内还有一些组件，共同组成一个场效晶体管(FET)。这些组件包含栅极介电层34、栅极36和一对源极/漏极38a、38b。这些组成场效晶体管(FET)的组件可以利用传统形成场效晶体管的方法与材料来制作。一般说来，形成栅极介电层34时，需先在半导体基板30的主动区上利用热氧化的方法，形成一层全面覆盖的栅极介电层，然后再以制定的方式形成栅极介电层。同样地，形成栅极36时，也是在全面覆盖的氧化层上先形成一整层的多晶硅或多晶硅化物栅极材料层，然后再以制定的方式形成栅极。最后，形成源极/漏极38a、38b时，一般说来最好是以栅极36与栅极介电层34作为光罩，而将适当极性的杂质植入半导体基板30的主动区内。
图4中另外还制定好一些平坦的金属前介电层(pre-metal dielectric；PMD)40a、40b和40c，就位于包含场效晶体管在内的半导体基板30的上方。这些制定好的金属前介电层40a、40b和40c也可以通过传统的方法与材料来制作，最好先利用等离子体加强式化学气相沉积法(PECVD)形成一层保型的氧化硅介电层，再以化学机械抛光法或反应离子蚀刻(RIE)的回蚀刻法加以平坦化，最后再利用传统的等离子体蚀刻法加以制定。如果制定好的金属前介电层40a、40b和40c所定义的孔径，宽度和长宽比都在集成电路传统的范围内，就可使用本发明的方法。一般说来，金属前介电层40a、40b和40c所定义的孔径，宽度约在4000至8000埃之间，长宽比约为1∶1至6∶1。
最后在图4中，金属前介电层40a、40b和40c的上方和它们所定义的孔径内，还有一层形成氮化物所需的材料42，也与源极/漏极38a、38b接触。对本发明的具体实施例来说，这层形成氮化物所需的材料最好是钛金属层，但可用的材料还包含了铝、硅、铪、锆、钒、铌、钽和铬。形成这层材料层的方法有许多，包含了加热蒸镀法、电子束蒸镀法、物理气相沉积(PVD)溅镀法和化学气相沉积(CVD)法等，但对本发明的具体实施例而言，最好是以最常用的物理气相沉积溅镀法来形成钛的金属层，以作为氮化物的形成材料层42。最好，这些钛金属作成的氮化物形成材料层42厚约200至2000埃。
图5的剖面图说明了制作图4中集成电路的接续步骤。在图5中，图4的集成电路的表面上充满了活化氮44。这个活化氮44的氛围最好是在氮气活化室中形成，并且充入类似图1至图3中的氮气活化22与反应室10，但其它的反应室和氮气活化室一样可以使用。
对本发明的具体实施例而言，虽然其它惰性气体一样可以用来作为载体气体，但环绕在氮化物形成材料层42周围的活化氮44氛围，最好以氮气作为载体气体。最好活化氮44氛围与载体氮气的总气压约在10至760托耳。一般说来，活化氮44的浓度最好小于载体氮气，但其浓度必须足以与氮化物形成材料层42进行有效的反应。值得注意的是，在本发明的具体实施例中，要使活化氮得以维持在氮气活化室或反应室中，所需的气压很显然地要大过一般传统等离子体氮化法所需的气压，因为这种传统的方法中，需要以相当低的气压来维持等离子体的放电，所以本发明的方法所需的装置，就远比传统等离子体氮化法所需的装置更为简单。
图6的剖面图说明了制作图5中集成电路的接续步骤。图6中的集成电路与图5集成电路一样，只是这个集成电路已经加热(以编号46表示)，使得图5中的氮化物形成材料层42与活化氮44的氛围发生了反应，并形成氮化层48，最好是氮化钛。对本发明的具体实施例而言，加热步骤46可以通过图1至图3中，反应室10中的加热灯46，但也可采用其它的加热方式，只要能使半导体基板30的温度能升到热回火所需的温度，100～1300℃。
对半导体基板30进行加热步骤46以后，就会形成氮化层48，最好是氮化钛，完全不需用到氨气，也不必随时排除氧气。
现在请参考图7，它的剖面图说明了制作图6中集成电路的接续步骤。图7中有一对导电的接触栓柱50a、50b，正位于制定好的金属前介电层(PMD)40a、40b与40c所定义的孔径内，在这些栓柱下就是制定好的氮化层48a与48b。在集成电路传统的制造技术中，这一对导电的接触栓柱50a、50b最好是以钨金属来制作，但其它可用的材料还包含了多晶硅。当形成导电的接触栓柱50a、50b时，就会以平坦的金属前介电层40a、40b与40c作为蚀刻中止层，将图6中的氮化层48制定成图7中的氮化层48a与48b。在本发明的具体实施例中，这些制定好的氮化层48a与48b可以作为导电接触栓柱50a、50b的附着促进层。如果导电的接触栓柱50a、50b是含铝的导电金属层，以氮化钛制定的氮化层48a与48b就作为障蔽层，可以限制导电接触栓柱50a、50b与半导体基板30的源极/漏极区38a、38b之间发生互相扩散与穿入的现象。
凡此技术中的人士都了解，虽然图4至图7中都没有说明，如果图7中的结构上再形成其它的导电层，或甚至有其它的导电互连栓柱，本发明的方法一样可以在这些导电层的上方或底下再形成一层金属氮化层，以作为障蔽或附着的促进层。对本发明的具体实施例而言，如果再形成额外的金属氮化层，一般来说仍以氮化钛最为理想。
凡此技术中的人士都了解，具体实施例是用来说明本发明的方法，而非限制本发明的方法。所以在本发明具体实施例中，在方法、材料、结构和尺寸大小上，仍有许多变化和修饰存在，且可算为本发明进一步改善的实施例，而不致于离开本发明的范围与精神。
权利要求
1．一种在集成电路中形成氮化层的热回火法，其步骤包含预备一面基板；在该基板上形成一层形成氮化物的材料；并且在活化氮的氛围中，对形成氮化物的材料层进行热回火，形成一层氮化层。
2．根据权利要求1的方法，其中形成氮化物的材料由以下的组合中所选择的一种材料或复合材料钛、铝、硅、铪、锆、钒、铌、钽和铬。
3．根据权利要求2的方法，其中形成氮化物的材料厚约10至2000埃。
4．根据权利要求1的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中形成的。
5．根据权利要求4的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通过放电形成的。
6．根据权利要求4的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通过等离子体激发形成的。
7．根据权利要求4的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通过紫外光照射形成的。
8．根据权利要求4的方法，其中以热回火加热基板的温度需大于约100～1300℃。
9．一种在集成电路中形成氮化钛层的热回火法，其步骤包含预备一面基板；在该基板上形成一层钛金属；并且在活化氮的氛围中，对钛金属层进行热回火，形成一层氮化钛。
10．根据权利要求9的方法，其中钛金属层厚约200至2000埃。
11．根据权利要求9的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中形成的。
12．根据权利要求11的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通过放电形成的。
13．根据权利要求11的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通过等离子体激发形成的。
14．根据权利要求11的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中，通紫外光照射形成的。
15．根据权利要求11的方法，其中以热回火加热基板的温度需大约100～1300℃。
16．一种在集成电路中形成氮化钛障蔽层的热回火法，其步骤包含预备一面已形成有半导体元件的半导体基板；在该半导体基板上形成一层钛金属；并且在活化氮的氛围中，对钛金属层进行热回火，形成一层氮化钛障蔽层。
17．根据权利要求16的方法，其中钛金属层厚约200至2000埃。
18．根据权利要求16的方法，其中活化氮的氛围是在氮气氛围中形成的。
19．根据权利要求18的方法，其中以热回火加热该半导体基板的温度需大于约100～1300℃。
全文摘要
本发明提出一种在集成电路中形成氮化层的热回火法。首先要预备一面基板。然后在基板上形成一层形成氮化物所需的材料。这层形成氮化物所需的材料,再于活化氮的氛围中利用热回火法加以回火,而形成氮化层。当在集成电路中形成氮化钛的障蔽层与氮化钛的附着促进层时,这种方法特别有效。
文档编号H01L21/02GK1214530SQ9712045
公开日1999年4月21日 申请日期1997年10月15日 优先权日1997年10月15日
发明者张良冬 申请人:世界先进积体电路股份有限公司