以鉭前驅物taimata進行含鉭材料的原子層沉積的製作方法

2023-10-05 00:19:24

專利名稱：以鉭前驅物taimata進行含鉭材料的原子層沉積的製作方法
技術領域：
本發明的實施方式涉及電子器件的製造，更具體地，本發明的實施方式涉及對通過連續沉積技術在襯底上沉積含鉭金屬層的沉積工藝的改進。
背景技術：
電子器件工業和半導體工業，在不斷努力增大產量的同時，也致力於研究大面積襯底上的沉積層均勻性，這些因素連同新材料，可提高襯底上每一單位面積的集成電路數量，當集成電路數量增加後，對沉積層特性相關的均勻性和工藝控制的要求也相對堤高。在多層集成電路中，形成諸如鉭、氮化鉭和氮化鉭矽的含鉭金屬層，對工藝控制而言，特別是接觸反應形成技術而言，是一大挑戰。
通過在絕緣材料的表面開口(如，通孔)上沉積導電互連材料可形成接觸點，該絕緣材料位於兩個間隔一段距離的導電層之間。銅是最常用的導電互連材料，但是銅會擴散進入鄰近層，如介電層中。使得介電層可以導電，最終導致器件功能失效，因此，需要使用阻擋材料以控制銅擴散。
使用濺鍍鉭和反應性濺鍍氮化鉭而生成的阻擋層，其表現出可以控制銅擴散的性能，示例性的性能包括高導電性、高熱穩定性並且可以阻擋外來原子的擴散進入。物理氣相沉積法(PVD)和原子層沉積法(ALD)兩種工藝，被用來製造具有小尺寸特徵(如約90nm寬)和約5∶1的高深寬比(aspect ratio)的鉭或氮化鉭沉積層。然而，一般認為PVD工藝可達沉積層的尺寸和深寬比的該極限，而ALD工藝，則被預期為下一代的技術，用以制出特徵尺寸45nm寬和約10∶1的高深寬比的沉積層。而且，ALD工藝比PVD工藝更容易在內含有底切的特徵上沉積含鉭薄膜。
在現有的化學氣相沉積法(CVD)或ALD工藝中，有人試圖使用傳統鉭的前驅物，沉積含鉭薄膜。傳統的鉭前驅物，包括氯化鉭(TaCl5)和各種金屬有機物，諸如五(二乙胺基)鉭(PDEAT)、五(二甲胺基)鉭(PDMAT)、第三丁亞胺三(二乙胺基)鉭(TBTDEAT)和第三丁亞胺三(二甲胺基)鉭(TBTDMAT)，然而，傳統的鉭前驅物可能在沉積過程中存在不足。使用前驅物TaCl5，至少需要三次循環工藝，並且要用到各種自由基化學品(如原子氫或原子氮)，才能製得鉭或氮化鉭薄膜。使用TaCl5，也會使含鉭薄膜被氯汙染。使用含鉭有機物為鉭源，雖然不受氯汙染，但沉積層中可能含有高量的碳的不希望出現的性質。
因此，需要發展一種具有表面高度平整性、低度汙染和具有高深寬比等特徵的含鉭沉積膜工藝。

發明內容
在這裡描述的許多工藝，都使用鉭的前驅物，第三戊亞胺-三(二甲胺基)鉭(TAIMATA，(tAmylN)Ta(NMe2)3)，其中tAmyl是第三戊基(C5II11-或CII3CIH2C(CH3)2-)。在一實施例方式，提供一種通過在工藝腔室中將含鉭材料沉積在襯底上以製造器件的方法，其包括依序將一襯底暴露在一含鉭氣體脈衝及一工藝氣體脈衝下，以在該襯底上沉積一含鉭薄膜，其中該含鉭氣體脈衝包含TAIMATA，且該工藝氣體脈衝包含至少一種第二前驅物；及沉積一含釘材料在該含鉭薄膜上及沉積一含銅材料在該含釕薄膜上。所沉積的含鉭材料可包括鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、矽化鉭及其衍生物或其組合。在一示例裡，該含釕材料使用ALD工藝來沉積，但是該含銅材料則是使用PVD工藝進行沉積。在另一示例中，首先是將該襯底暴露在第一ALD工藝中以將含釕材料沉積在襯底上，接著再將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝中，再接著將該襯底暴露在一第二ALD工藝中，以沉積附加的含釕材料到襯底上。
在另一實施方式中，提供一種通過在工藝腔室中在襯底上沉積一含鉭材料以製造出器件的方法，該方法包括將一襯底暴露在一ALD工藝下，其含有一包含TAIMATA的含鉭氣體，及一包含至少一種第二前驅物(secondaryprccursor)的工藝氣體，以在該襯底上沉積出一含鉭薄膜。該工藝還包含將該襯底暴露至一等離子體蝕刻工藝下，在該含鉭薄膜上沉積一內含金屬的材料，以及在該內含金屬的材料上沉積含銅材料。該含金屬的材料可包括銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕、和以上金屬的合金或其組合。示例包括使用PVD工藝在襯底上沉積含銅材料和使用ALD工藝或PVD工藝沉積含金屬的材料。
在一實施例中，提供一種在一工藝腔室的一襯底上生成一鉭阻擋層的方法，該方法包括將包含TAIMATA的鉭前驅物加熱到一預定溫度，以生成一含鉭氣體，並將該含鉭氣體通入至工藝腔室中。該含鉭氣體被吸附在襯底上並形成一含鉭層。該方法還包括以一清除氣體來清潔工藝腔室，將一內含至少一第二種元素的氣體通入該工藝腔室中，並使該內含至少一第二種元素的氣體與該含鉭層反應，以形成該鉭阻擋層，再繼續以該清除氣體清潔該工藝腔室。TAIMATA可以加熱到一介於約50℃到約80℃間的預定溫度。
在另一實施例中，提供一種通過在一工藝腔室中的一襯底上生成一含鉭材料而形成一器件的方法，其包含在一蒸發器中與一載氣一起將一TAIMATA前驅物液體加熱到一預定溫度下而生成一含鉭氣體的步驟。該方法還包括將該襯底暴露至一原子層沉積(ALD)工藝下，該ALD工藝包含一含鉭氣體脈衝、一含氮氣體脈衝和一含矽氣體脈衝。重複該ALD工藝，直到將該含鉭材料沉積到一預定厚度為止。
在另一實施例中，提供一種在一工藝腔室中的一襯底上沉積一含鉭材料的方法，其包含將基板依序暴露在一含有TAIMATA的含鉭氣體脈衝及一含有至少一種第二前驅物的工藝氣體脈衝下，以在該襯底上沉積一含鉭層。重複該將襯底暴露於反應氣體脈衝的步驟，直到含鉭膜層達到一預定的厚度，然後，在該含鉭膜層上沉積一金屬層。
在另一實施例中，提供一種位於一工藝腔室中的襯底上沉積一含鉭柵材料的方法，其包括將襯底暴露在一ALD循環工藝下，該ALD循環工藝包括一含有TAIMATA的含鉭氣體脈衝、一氮前驅物脈衝和一第三前驅物脈衝，以生成一含鉭材料。該第三前驅物可包括一矽前驅物、一硼前驅物、一磷前驅物或其組合。重複該ALD循環工藝直到該含鉭材料層達到一預定的厚度。


因此通過以上的描述方式，可詳細理解本發明的特徵。對以上扼要說明的本發明更加具體的描述，可參考在附圖中描述的實施例。然而，請注意附圖只描述本發明代表性的實施方式，並因此不能認為對本發明範圍的限定，本發明可包括其它同樣有效的實施方式。
圖1為依據本發明所述一實施例在沉積一阻擋層之前的一襯底的詳細橫截面圖；圖2為依據本發明所述一實施例在沉積一阻擋層和一金屬接觸窗之後上述圖1所示襯底的詳細橫截面圖；圖3為依據本發明所述一實施例沉積一含鉭層的方法的流程圖；圖4為依據所述本發明另一實施例沉積一含鉭層的方法的流程圖；以及圖5為含有依據本發明所述一實施例的含鉭柵極的襯底的詳細橫截面圖。
具體實施例方式
本發明實施例包括用以在一襯底表面上沉積一含鉭材料的原子層沉積(ALD)工藝。該(ALD)工藝，包括依序將襯底表面暴露於一含鉭前驅物和至少一第二化合物(如，氮前驅物和/或矽前驅物)下。該工藝通常使用三丁戊亞胺-三(二甲胺基)鉭(TAIMATA)作為鉭前驅物。所沉積的含鉭材料可包括鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷或氧氮化鉭。
參照圖1，襯底10為一示例性結構，其上沉積有一含鉭層。襯底10包含一晶圓12，其上可沉積有一層或多層薄膜，如層14所示。晶圓12由適合於半導體工藝的諸如矽的材料所形成。該層14是可由合適的介電材料或導電材料製成，優選地，層14由一諸如含矽材料的介電材料形成。層14還可包括一通孔16其可暴露出晶圓12的一區域18。
參照圖2，形成在層14並在該區域18內的為一阻擋層20，其含有通過本文所述的工藝沉積的含鉭材料。在一示例中，阻擋層20通過將襯底10依序暴露於一鉭前驅物和至少一第二元素的前驅物如氮前驅物和/或矽前驅物下，由氮化鉭或氮化鉭矽所構成。雖然不必須，但阻擋層20可包含多種化合物的單沉積層，如氮化鉭或鉭金屬。氮化鉭阻擋層20和通孔16的輪廓一致，並覆蓋區域18和層14。一接點22通過在阻擋層20上沉積金屬層24及填滿通孔16的方式形成。金屬層24可由標準技術(如ALD、PVD、CVD、無電電鍍、電鍍或以上技術的組合運用)形成，該工藝包括種晶生成和/或孔洞填滿。金屬層24是一導電金屬，包括銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕、銀、或上述金屬的合金或以上金屬及合金的組合。優選地，金屬層24包含銅或一含銅合金。
在一示例中，阻擋層20可作為種晶層以促進利用電鍍或ALD技術來生成金屬層24。阻擋層20應具有好的覆蓋率(step coverage)、厚度均勻、高導電性和具阻擋銅擴散的能力。阻擋層20連續應用以下將詳細描述的原子層沉積法沉積而成。
連續應用許多沉積技術以形成阻擋層20的一示例，其包括將襯底10暴露在通過蒸發液態的鉭前驅物TAIMATA產生的含鉭氣體中。在此所用的「TAIMATA」，其化學名稱為第三丁戊亞胺-三(二甲胺基)鉭，tAmyl為第三丁基團(C5H11-或CH3CH2C(CH3)2-)，含鉭氣體是將放在蒸發室、發泡室(bubbler)或安瓶(ampoule)中的液態TAIMATA，加熱到30℃而形成，比較常用的溫度範圍是約50℃到約80℃，可將載氣流經或把氣泡通入已經預熱的TAIMATA液中，來產生含鉭氣體。
將襯底10放入工藝腔室中，並加熱至大約200℃到500℃之間，優選地在250℃到400℃之間，更優選地在330℃到360℃之間。工藝腔室中的環境經過控制，可加壓至約1毫託(mTorr)到100託(Torr)之間，優選地在1Torr到10Torr之間，更優選地為2Torr到5Torr之間。襯底10被暴露在包含有一含鉭氣體和一載氣的工藝氣體中。在此所用的載氣和/或清除氣體可以是Ar、IIc、N2、H2、含氫的混合氣體(forming gas)或以上氣體的組合。在襯底10上形成一含鉭沉積層，該含鉭層的表面，推測含有胺基(-NMe2)和亞胺基(＝NtAmyl)的配位基。
在一示例中，將含鉭層暴露在另外一種包括有一含氮氣體和一載氣的工藝氣體內，以在鉭沉積層上面形成一氮化鉭的阻擋層20。在此實例中，該含氮氣體可包含氨氣和載氣。一般認為該含鉭層表面的胺基和亞胺基配位基與氨氣作用並形成各種副產物，該副產物包括自由基(如，胺基(NH2)、甲胺基(NMe2)、戊胺基(NtAmyl)、氫戊胺基(HNtAmyl)、戊基(tAmyl))、戊烯、胺類(如，二甲胺(NMe2)或戊胺(H2NtAmyl))、聯(二甲胺)((Me2N2)2)、氫(H2)和其它的化學物質。使用這種方法，可在襯底10的表面上沉積氮化鉭層。
阻擋層20是一種含鉭化合物，在一優選的實施方式中，該含鉭化合物是氮化鉭或氮化矽鉭。一沉積工藝實例可生成具有化學式為TaNx的氮化鉭，其中x的範圍約在0.4到2.0之間。氮化鉭經常衍生自包括TaN、Ta3N5、Ta2N或Ta6N2.57在內的實驗式中。含鉭化合物是以非晶形或結晶材料方式被沉積。ALD原子層沉積法可在沉積含鉭化合物時，控制化合物中的原子數目配比(stoichiometry control)。在沉積工藝之後，不同的工藝可能會改變原子數目間的配比，如Ta3N5在退火過程中會生成TaN。在沉積過程中，改變各前驅物的比例，可用於控制含鉭化合物中原子數目間的配比。
在另一沉積工藝示例中，氮化鉭矽的化學式可為TaSiyNx，x的範圍約在0.4到2.0之間，y的範圍約在0.1到1.0之間。在其它示例中，由所述沉積工藝製造的含鉭化合物包括鉭、氮化鉭磷、氮化鉭硼、矽化鉭、氧化鉭、氧氮化鉭、矽酸鉭、硼化鉭、磷化鉭、或是其衍生物。
前驅物重要的特性在於具有合適的氣壓，沉積前驅物可在環境溫度和氣壓下為氣態、液態或固態。然而，在ALD工藝腔室中，前驅物先被汽化成氣體或等離子體。前驅物通常在預熱後，再被導入工藝腔室內。
雖然TAIMATA是優選的含鉭前驅物，但有許多鉭前驅物，在加熱後可以形成含鉭氣體，鉭前驅物可包括諸如以下的配位基，例如，烷胺基類、烷亞胺基類、環戊二烯基類、滷素基類、烷基類、烷氧基類和以上基團的組合。可作為鉭前驅物的烷胺基鉭化合物包括(RR』N)5Ta，R或R』各自代表氫、甲基、乙基、丙基或丁基。可作為鉭前驅物的烷胺基鉭化合物包括(RN)(R』R」N)3Ta，其中R、R』或R」各自代表氫、甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(Pr)、丁基(Bu)或戊基(amyl)。具體的鉭前驅物包括(tAmylN)Ta(NMe2)3、(tAmylN)Ta(NEt2)3、(tAmylN)Ta(NMeEt)3、(tBuN)Ta(NMe2)3、(tBuN)Ta(NEt2)3、(tBuN)Ta(NMeEt)3、(Et2N)5Ta、(Me2N)5Ta、(EtMeN)5Ta、(Me5C5)TaCl4、(acac)(EtO)4Ta、Br5Ta、Cl5Ta、I5Ta、F5Ta、(NO3)5Ta、(tBuO)5Ta、(iPrO)5Ta、(EtO)5Ta、(MeO)5Ta或它們的衍生物。優選地，該鉭前驅物為戊亞胺基化合物，如(tAmylN)Ta(NMe2)3、(tAmylN)Ta(NEt2)3或(tAmylN)Ta(NMeEt)3。
可用含氮化合物或氮前驅物來沉積含鉭層，如氮化鉭、氮化鉭硼、氮化鉭矽、氮化鉭磷或氧氮化鉭。氮前驅物包含但不限定下列化學物，如氨(NH3)、聯胺(N2H4)、甲基聯胺((CH3)HN2H2)、二甲基聯胺((CH3)2N2H2)、第三丁基聯胺(C4H9N2H3)、苯基聯胺(C6H5N2H3)、其它聯胺衍生物、胺類、氮等離子體源(如N2、N2/H2、NH3、或聯胺等離子體)；2，2』-偶氮第三丁基烷((CH3)6C2N2)、有機或烷基疊氮烷，如疊氮甲烷(CH3N3)、疊氮乙烷(C2H5N3)、疊氮矽三甲烷(Me3SiN3)、無機的疊氮化物(如NaN3、Cp2CoN3)或其它合適的氮源。可由熱、熱線和/或等離子體來產生含自由基的氮化合物，如N3、N2、N、NH或NH2產生。等離子體可在原位(如，在工藝腔室)或在遠程處(如，遠程等離子體源)生成。氨和聯胺是較常選用的氮前驅物。
可用含矽化合物或矽前驅物來沉積含鉭材料，如氮化鉭矽、矽酸鉭或矽化鉭。矽前驅物包括矽烷、滷化矽烷和有機矽烷。矽烷包括矽烷(SiH4)和實驗式為SixH(2x+2)的高階矽烷如乙矽烷(Si2H6)、丙矽烷(Si3H8)和四矽烷(Si4H10)和其它的矽烷。滷化矽烷包括實驗式為X』ySixH(2x+2-y)的化合物，X』代表F、Cl、Br、或I，如六氯二矽烷(Si2Cl6)、四氯矽烷(SiCl4)、二氯矽甲烷(Cl2SiH2)和三氯矽甲烷(Cl3SiH)。有機矽化物包括實驗式為RySixH(2x+2-y)，R為甲基、乙基、丙基、或丁基，如甲基矽烷((CH3)SiH3)、二甲基矽烷((CH3)2SiH2)、乙基矽烷((C2H5)SiH3)、甲基二矽烷((CH3)2Si2H5)、二甲基二矽烷((CH3)2Si2H5)和六甲基二矽烷((CH3)6Si2)。優選的矽源包括矽烷、乙矽烷和甲基矽烷。
其它可用以沉積含鉭材料的反應性的氣體，包括各種氧源和還原劑，可在ALD工藝中加入氧源而形成含鉭材料，如矽酸鉭、氧化鉭或氧化鉭。氧源或氧前驅物，包括原子態O、O2、O3、H2O、H2O2、有機過氧化物、上述化合物的衍生物或混合物。在ALD工藝中，可加入還原劑以形成含鉭材料，如金屬鉭、氮化鉭硼或氮化鉭磷。還原劑則有甲硼烷(BH3)、二硼烷(B2H6)、烷基硼類(如Et3B)、膦(PH3)、氫氣(H2)、上述化合物的衍生物或混合物。
「原子層沉積法(atomic layer deposition，ALD)」或「循環沉積法」，在此是指循序引入兩個或更多的反應化合物，以將材料沉積在襯底上。這兩個、三個或更多的反應化合物，可以交替地導入工藝腔室的反應區裡。通常，每一個反應化合物在間隔一段時間後，分別被導入反應區，以使各反應化合物可以附著於襯底表面，和/或在襯底表面產生反應。在一方面中，將一第一前驅物或化合物A(如鉭前驅物)，脈衝式地導入反應區中，接著間隔以一第一時間間隔。接著，將一第二前驅物或化合物B(如氮前驅物)，也以脈衝式地導入反應區，並接續一第二時間間隔。在每一次時間間隔中，導入一種清除氣體，譬如氮氣，以清潔反應區，並除去反應區中殘留的反應物或副產物。或者，在整個沉積工藝中，不停的導入清除氣體，從而在添加兩種反應化合物之間的空檔，只有清除氣體流經反應區。反應物交替地以脈衝方式導入反應區，直到在襯底上形成成獲得預期的薄膜或者預期的薄膜厚度。另一種ALD工藝，是把化合物A、清潔氣體、化合物B、清潔氣體，以循環的脈衝方式導入反應區，該循環可以由化合物A或化合物B開始，並繼續該循環的各個順序，直到獲得預期的薄膜厚度為止。在另一實施例中，是將含有化合物A的第一前驅物、含有化合物B的第二前驅物和含有化合物C的第三前驅物(如矽前驅物)，各分別以脈衝方式導入工藝腔室中。一方面，該ALD循環工藝包括將襯底連續暴露到該含有化合物A的第一前驅物、該含有化合物B的第二前驅物、該含有化合物C的第三前驅物及該含有化合物B的第二前驅物中以形成薄膜。或者，在脈衝式地導入該第一前驅物時，在時間上，和脈衝式地導入該第二前驅物的時間重疊，而脈衝式地導入第三前驅物的時間則和導入該第一前驅物的時間彼此不重疊，也不和導入該第二前驅物的時間重疊。
「脈衝(pulse)」一詞，在此是指某一數量的特定化合物以間歇和非連續的方式被導入工藝腔室的反應區，每一脈衝中一特定化合物的導入量，依該脈衝在反應區中停留的時間長短而定。許多因素決定脈衝在反應區的停留時間，如使用的工藝腔室體積大小、相連的真空系統、襯底大小、襯底表面的圖案密度(如，深寬比值)和特定化合物本身的揮發性質/反應性質。「半反應(half-reaction)」一詞在此是指一前驅物的脈衝式導入步驟和一相繼的清除氣體的脈衝式地導入步驟。
在此所描述的工藝的實施例可在各種襯底表面和襯底上沉積含鉭材料，例如，氮化鉭或氮化鉭矽。「襯底表面(substrate surface)」，是指任何襯底和通過薄膜工藝所完成而形成於一襯底上的材料層表面。舉例來說，可在其上進行薄膜工藝的襯底表面材料包括矽、氧化矽、應變矽(strained silicon)、絕緣層上覆矽材(SOI)、摻雜碳的氧化矽、氮化矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石和其它依實際應用而決定的材料。摻雜碳的氧化矽如SiOxGy，可使用旋塗工藝或氣相沉積工藝進行沉積，例如以位於加州聖塔克拉市的應用材料公司所出品的BLACKDIAMONDTM低-k介電材料，來進行沉積。可使用各種尺寸的襯底，如直徑200mm或300mm的圓形晶圓和長方形或四方形平板。在此描述的工藝實施例，是把含鉭化合物沉積到襯底和其它材料的表面上，特別是矽和含矽材料的表面。本發明的實施例所指的襯底，包括晶體矽(如Si＜100或Si111)、玻璃、氧化矽、具拉應變矽(strained silicon)、矽鎵、摻雜或未摻雜的多晶矽、摻雜或未摻雜的矽片氮化矽。襯底表面可能須作研磨、蝕刻、還原、氧化、羥化、退火和/或烘烤等預處理。
圖3和圖4說明使用ALD工藝或類似的循環沉積技術，形成氮化鉭的製作過程。該TAIMATA前驅物在通入一ALD工藝腔室中，可先在一蒸發室、發泡室或安瓶中進行加熱。TAIMATA可被加熱到至少30℃，較常用的溫度範圍大約為45℃到90℃之間，更合適的溫度範圍大約為50℃到80℃之間，如70℃左右。預熱的TAIMATA前驅物比常溫的TAIMATA前驅物，在載氣中可更為完整的保存下來。在沉積工藝中，襯底被加熱到約200℃到500℃之間，較常用的溫度範圍大約為250℃到400℃之間，更合適的溫度範圍大約為330℃到360℃之間。工藝腔室的溫度，不同區域會有不同的溫度，但和襯底的溫度大致相同。對工藝腔室裡的環境條件可加以控制，其壓力調整到約1m Torr到100Torr之間，較常用的壓力範圍大約為1Torr到10Torr之間，更合適的壓力範圍大約為2Torr到5Torr之間。在其它例子中，需使可使用不同的溫度和不同的壓力於沉積工藝中。
為清楚和容易描述起見，進一步說明使用循環沉積相關技術，沉積氮化鉭阻擋層的方法。將含鉭化合物，如TAIMATA，以脈衝方式導入工藝腔室。鉭前驅物可通過一載氣和清除氣體的幫助，而導入至工藝腔室，這些載氣和清除氣體可包括，但不限於氦、氬、氮、氫、合成氣體或以上氣體的組合。含氮化合物的脈衝，如氨氣，也以脈衝方式被導入至工藝腔室。也可使用一載氣來傳送該含氮化合物。一方面，可由一氣源(如鋼瓶或內部裝置)在含鉭化合物脈衝和含氮化合物(作為一載氣)脈衝之間，連續供應可作為清除氣體的氣體至工藝腔室中。另一方面，在含鉭化合物和含氮化合物各以脈衝方式被導入工藝腔室之後，將清除氣體以脈衝方式導入工藝腔室。此外，在每一個沉積步驟或半工藝中，可通入一恆定量的清除氣體和載氣到工藝腔室中。
在圖3的工藝300中，將一恆定量的載氣導入工藝腔室中，在步驟302中，將工藝腔室中的溫度和壓力等條件加以調整。在沉積過程裡，可將襯底溫度維持在略低於一選用的含鉭前驅物(如，TAIMATA)的熱分解溫度。在步驟304中，當載氣流開始進入工藝腔室並橫掃過襯底面時，氮化鉭層開始形成。在步驟306中，將鉭前驅物以脈衝方式導入工藝腔室，鉭前驅物以脈衝方式流入載氣中，一單層的含鉭化合物被吸附在襯底表面上，剩餘的鉭前驅物由清除氣體和/或以抽真空的方式除去。在步驟308中，繼續將載氣通到襯底上，一含氮化合物以脈衝方式導入載氣中。氮前驅物(如氨)與被吸附的含鉭化合物起反應，在襯底表面形成氮化鉭薄膜。多餘的氮前驅物和副產物(如有機化合物)由清除氣體和/或以抽真空的方式除去。在步驟310中，如果氮化鉭層達到期望的厚度，沉積工藝停止在步驟312。步驟304-310將一直循環進行，直到氮化鉭層的厚度，達到期望值。在一實施例中，TAIMATA和氨連續以脈衝方式被導入至工藝腔室，在40個循環後，氮化鉭沉積層的厚度才達到約20。
形成氮化鉭層的工藝300還可有另一方法，其開始是在襯底上先吸收一單層的含氮化合物，接著沉積一單層的含鉭化合物。此外，在其它例子中，在脈衝式導入兩個反應氣體之間，單獨使用泵抽真空或使用清除氣體，或兩者同時使用，以防止反應氣體混合在一起。
在一示例中，將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到360℃之間，並且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。一氮載氣流經襯底上，其流速約在1000sccm(每分鐘標準狀況下氣體立方釐米數)到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm。以約200sccm到2000sccm間之流速，較佳是500sccm。將TAIMATA加熱到70℃。將含有TAIMATA的工藝氣體引導至襯底表面，接觸時間為約0.1秒到3.0之間，優選地為約0.25秒到1.5秒，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入的TAIMATA和襯底接觸後，繼續通入載氣，以清潔工藝腔室，其清除時間為約0.2秒到5.0之間，較優選地為約0.25秒到1.5秒，更優選地為1.0秒。在執行清除步驟時，一真空系統用來除去殘留的TAIMATA，接下來，一含有氨的含氮工藝氣體，以脈衝方式被導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅物，也可以只是含氮前驅物。在一示例中，工藝氣體中含有氨和氮氣，含氨的工藝氣體以約在1000sccm到3000sccm之間，優選地流速為1500sccm的流速被導入至襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較優選地為約0.25秒到1.0秒，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，繼續通入載氣，其通入的時間為約0.2秒到5.0之間，較優選地為約0.25秒到1.5秒，更優選地為1.0秒。一真空系統用來除去任何殘留的氮前驅物和/或在反應期間所產生的副產物。重複執行ALD循環工藝，直至獲得預定厚度的諸如氮化鉭的含鉭層為止，該厚度約5到200之間，優選地為約10到30，如阻擋層的厚度約為20。
在圖4中，工藝400，說明沉積工藝的另一實施方式，該工藝依序以脈衝式地導入清除氣體、含鉭前驅物、清除氣體和氮前驅物。在步驟402中，可調整工藝腔室中的溫度和壓力等條件。在沉積過程裡，襯底的溫度略低於選用的含鉭化合物諸如TAIMATA的熱分解溫度。在步驟404中，清除氣體的第一脈衝，進入工藝腔室並橫掃過襯底面。在步驟404和408中，使用真空系統去除工藝腔室中的氣體。在步驟406中，襯底和含鉭化合物的脈衝流接觸，TAIMATA吸附到襯底上，並形成一單沉積層，在步驟408中，清除氣體的第二脈衝流可去除剩餘的TAIMATA和汙染物。在步驟410中，含氮化合物的脈衝流進入工藝腔室並橫掃過襯底，含氮化合物與吸附的TAIMATA反應生成含鉭材料，如氮化鉭。在步驟412，如果氮化鉭層達到期望的厚度，沉積工藝在步驟414終止。步驟404-412，將一直循環進行，直到氮化鉭層的厚度達到期望值。TAIMATA和氨依序以脈衝方式導入工藝腔室20個循環後，氮化鉭沉積層的厚度才到達約10。
在一示例中，將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到360℃之間，並且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。將氮載氣以約200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，通入一已放置預熱TAIMATA的安瓶中，以形成含鉭工藝氣體。將在安瓶中的TAIMATA預熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較優選地為約0.25秒到1.5秒，更喜優選地為0.5秒。在以脈衝方式導入TAIMATA後，將一清除氣體的脈衝通入工藝腔室，同時使用真空系統移除氣體，導入清除氣體的一段時間約0.2秒到5.0之間，較優選地約0.25秒到1.5秒，更優選地為1.0秒。接下來，將一含氨的含氮工藝氣體，以脈衝方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅物，也可以只是含氮前驅物。含氨的工藝氣體被導入至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較常用者為約0.25秒到1.0秒，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，一清除氣體的脈衝通入工藝腔室，同時使用真空系統移除氣體，導入清除氣體的清除時長約0.2秒到5.0之間，優選地為約0.25秒到1.5秒，更優選地為1.0秒。重複執行ALD循環工藝，直至獲得預定厚度的諸如氮化鉭的含鉭層為止，該厚度約5到200之間，優選地為約在10到30之間，如約為20。
每個含鉭氣體的脈衝流、含氮氣體的脈衝流和在導入反應氣體的脈衝流之間，通入工藝腔室的清除氣體的脈衝流，這些氣體通入工藝腔室的時間，會有所不同並視工藝腔室的體積容量和與其相聯的真空系統而定。舉例來說，(1)工藝腔室壓力較低時，需要較長的氣體脈衝導入時間，(2)氣體流量較低時，工藝腔室需較長的時間來提升到穩定狀態，因此需要較長的氣體脈衝導入時間，(3)工藝腔室的容量較大時，需要較長的時間來填注，也需要較長的時間使使氣壓到達穩定狀態，因此需要較長的氣體脈衝導入時間。同樣的，兩個氣體脈衝填注之間的時間，也有所不同，並視工藝腔室的體積容量和與其相聯的真空系統而定。一般來說，含鉭氣體或含氮氣體的脈衝填注時間，必須夠長，使化合物在襯底上的單層吸收或反應能夠完成。有一種情形，當脈衝導入含氮氣體時，之前脈衝導入的含鉭氣體可一直停留在工藝腔室中。一般來說，清除氣體在工藝腔室的時間和/或泵抽取真空的時間應該夠長，以避免含鉭氣體的脈衝和含氮氣體的脈衝在反應區混合在一起。
在另一實施方式中，TAIMATA可作為含鉭化合物，並用以形成含三種元素的鉭材料，如氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭或矽酸鉭。有關形成含三種或四種元素的鉭材料工藝的詳細記述，公開在2002年7月18日提交的發明名稱為「耐高溫金屬氮化矽的循環沉積工藝」的美國專利申請號10/199,419、專利公開號US 2003-0108674中，在此全部引用作為參考。對工藝300和400已進行修正，從而獲得含三種元素的鉭材料，舉例來說，在包括脈衝式導入TAIMATA和氮前驅物的ALD循環工藝中，增加一脈衝式導入矽前驅物並和襯底產生接觸沉積的步驟，即可形成氮化鉭矽材料。類似的，在包括脈衝式導入TAIMATA和氮前驅物的ALD循環工藝中，增加一脈衝式導入氧前驅物並和襯底產生接觸沉積的步驟，即可製得氧氮化鉭材料。另一示例中，在ALD循環工藝中，讓襯底暴露於脈衝式導入的TAIMATA、脈衝式導入的矽前驅物和脈衝式導入的氧前驅物中，並和襯底產生接觸沉積，即可製得矽酸鉭。另一示例中，在ALD循環工藝中，讓襯底暴露於脈衝式導入的TAIMATA、脈衝式導入的氮前驅物和脈衝式導入磷前驅物(如膦)中，並和襯底產生接觸沉積，即可製得氮化鉭磷。另一示例中，在ALD循環工藝中，讓襯底暴露於脈衝式導入的TAIMATA、脈衝式導入的氮前驅物和脈衝式導入硼前驅物(如二硼烷)中，並和襯底產生接觸沉積，即可製得氮化鉭硼。
在氮化鉭矽的製作示例中，將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到360℃之間，並且工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。將載氣流以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，流入已放置預熱TAIMATA的安瓶中，以製得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預熱到70℃。一含有TAIMATA的工藝氣體，被引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，優選地為約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為0.5秒。在TAEMATA的脈衝式導入之後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，優選地約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。接下來，將一含有氨的含氮工藝氣體，以脈衝方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅物，也可以只是含氮前驅物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，一清除氣體的脈衝流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。接下來，一有矽烷的含矽工藝氣體，以脈衝方式被導至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含矽前驅物，也可以只是含矽前驅物。含矽烷的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在100sccm到1500sccm之間，較常用的流速為400sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入含矽烷的工藝氣體後，一清除氣體的脈衝流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。重複執行ALD循環工藝，直至獲得預定厚度的含鉭層如氮化鉭矽為止，該厚度約在5到約200之間，較常用者為約在10到50之間，如阻擋層的厚度約為30。另一實施方式中，諸如柵極層，預定的沉積層厚度約在40到約200之間，如厚度約120。
在形成一氧氮化鉭的示例中，將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到約360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到約4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較常用的流速為500sccm，將載氣流入已放置預熱TAIMATA的安瓶中，以製得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預熱到70℃。一含有TAIMATA的工藝氣體，被引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約0.5秒。在TAIMATA的脈衝式導入之後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約1.0秒。接下來，一有氨的含氮工藝氣體，以脈衝方式被導至襯底表面，此工藝氣體，可以是載氣中載有含氮前驅物，也可以只是含氮前驅物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為約1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為約0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，一清除氣體的脈衝流，被導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約1.0秒。接下來，一有水的含氧工藝氣體，以脈衝方式被導入至襯底表面，此工藝氣體，可以是載氣中載有含氧前驅物，也可以只是含氧前驅物。含水的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為約1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為約0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約1.0秒。重複執行ALD循環工藝，直到獲得預定厚度的含鉭層如氧氮化鉭為止，該厚度約在5到200之間，較常用者約在20到120之間，如約80。
另一示例中，通過使用還原劑例如氫氣與TAIMATA起還原反應以製得鉭金屬沉積層。將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較佳為500sccm的流速，將載氣流入一已放置預熱TAIMATA的安瓶中，以製得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為0.5秒。在TAIMATA的脈衝式導入之後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。接下來，將一氫氣流，以脈衝方式導入至襯底表面，其流速約在200sccm到2000sccm之間，較常用的流速為500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為0.5秒。在脈衝式導入氫氣後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。重複執行ALD循環工藝，直至獲得預定厚度的含鉭層如鉭為止，該厚度約在5到200之間，較常用者為約在10到30之間，如約20。
在形成一氮化鉭硼的示例中，將襯底加熱到固定的溫度範圍，約在330℃到360℃之間，工藝腔室的壓力，約在2Torr到4Torr之間。以約在200sccm到2000sccm之間的流速，較佳為500sccm的流速，將載氣流入一已放置預熱TAIMATA的安瓶中，以製得含鉭工藝氣體。TAIMATA則被預熱到70℃。將一含有TAIMATA的工藝氣體引導到襯底表面，其接觸時間為約0.1秒到3.0之間，較常用者為約0.25秒到1.5秒之間，更優選地為0.5秒。在TAIMATA的脈衝式導入之後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為1.0秒。接下來，將一含有氨的含氮工藝氣體以脈衝方式導至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含氮前驅物，也可以只是含氮前驅物。含氨的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在1000sccm到3000sccm之間，較常用的流速為1500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為約0.5秒。在脈衝式導入含氨的工藝氣體後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約1.0秒。接下來，將一有乙硼烷的含硼工藝氣體，以脈衝方式導入至襯底表面，該工藝氣體，可以是載氣中含硼前驅物，也可以只是含硼前驅物。含乙硼烷的工藝氣體被導至襯底表面，其流速約在50sccm到1200sccm之間，較常用的流速為500sccm，其接觸時間為約在0.1秒到3.0之間，較常用者為約在0.25秒到1.0秒之間，更優選地為約0.5秒。在脈衝式導入含二硼烷的工藝氣體後，將一清除氣體的脈衝流導入工藝腔室，其導入清除時間約在0.2秒到5.0之間，較常用者約在0.25秒到1.5秒之間，更優選地為約1.0秒。重複執行ALD循環工藝，直至獲得預定厚度的含鉭層如氮化鉭硼的為止，該厚度約在5到200之間，較常用者為約在40到150之間，如約100。
在如圖5所描述的示例中，以此處所描述的方法在襯底500上沉積含鉭柵極510。襯底500包含一源極層504a，和通過離子注入襯底表面502而形成的一漏極504b。源/漏極層504的區段通過形成在柵極絕緣層506(如氧化鉿或矽酸鉿)上的含鉭柵極510相接。一偏置層(an off-set layer)或襯墊料508(spacer508)(如，氮化矽)沉積在含鉭柵極510的兩邊。一金屬接觸層512(如鉭或鎢)沉積在含鉭柵極510上。一般來說，含鉭柵極510的沉積的厚度在約40到約200之間。優選地，該含鉭柵極510是使用TAIMATA化合物及本文所描述的ALD工藝沉積在襯底表面502上由源極層504a和漏極層504b所組成的源/漏極區域裡，以形成一柵極電極。利用TAIMATA化合物、氮前驅物和第三種前驅物的ALD沉積工藝，可控制含鉭柵極510的元素含量的比值。
含鉭柵極510的組成可以改變，以便更有效地控制源極層504a和漏極504b之間的功函數。含鉭柵極510可含有鉭、氮、和自由添加的矽、硼、磷、碳、及以上元素的組合。含鉭柵極510的功函數可通過增加氮和/或磷的濃度(相對於鉭的濃度而言)進行調整，以減少阻抗。在一示例中，含有氮化鉭的含鉭柵極510，具有氮濃度的範圍，約在40原子數百分比(at％)和70(at％)之間，較常使用者，約在50原子數百分比(at％)和63(at％)之間。在另一示例中，含鉭柵極510含有氮化鉭磷，其具有磷濃度的範圍，約在10原子數百分比(at％)和50(at％)之間，較常使用者，約在20原子數百分比(at％)和30(at％)之間。
或者，含鉭柵極510的功函數可以通過提高碳、矽和/或硼的濃度(相對於鉭的濃度而言)來進行調整，以增加阻抗。在一例子中，含有氮化鉭矽的含鉭柵極510，其具有矽濃度的範圍，約在10原子數百分比(at％)和20(at％)之間，較常使用者，約在50原子數百分比(at％)和63(at％)之間。在另一示例中，含鉭柵極510含有氮化鉭硼，其具有硼濃度的範圍，約在20原子數百分比(at％)和60(at％)之間，較常使用者，約在30原子數百分比(at％)和50(at％)之間。
有關工藝腔室的描述，如ALD工藝腔室，公開在2001年12月21日提交的發明名稱為「原子層沉積法氣體輸送裝置和方法」的美國專利申請號10/032,284、專利公開號US 2003-0079686，以及在2002年10月25日提交的發明名稱為「原子層沉積法氣體輸送裝置」美國專利申請號10/281,079、專利公開號US 2003-0121608中。兩篇專利內對ALD工藝有一般性的描述，在此引用全部作為參考。在一實施方式中，以一等離子體增強的原子層沉積工藝(PE-ALD)來沉積含鉭材料(如TAIMATA)。在2002年7月16日提交的發明名稱為「等離子體提升沉積工藝的設備與方法」的美國專利申請序號10/197,940、專利公開號US 2003-0143328中，對PE-ALD使用的工藝腔室和工藝有一般性的描述，在此全部引用作為參考。在2002年7月17日提交的美國專利申請序號10/198,727、專利公開號US 2004-0013577，和在2002年7月29日提交的美國專利申請序號10/208,305專利公開號US 2004-0025370，兩篇專利的發明名稱都是「供應氣體到工藝腔室的方法和設備」中，對使用蒸發器或安瓶預熱前驅物，如TAIMATA的詳細過程，有一般性的描述，在此全部引用作為參考。在2002年7月17日提交的美國專利申請序號10/197,683、專利公開號US 2004-0011504，發明名稱為「半導體工藝系統氣體控制的方法和裝置」和2003年11月3日提交的美國專利申請序號10/700,328、專利公告號US 2005-0095859，發明名稱都為「前驅物輸送系統的速率控制」的兩篇專利中，對系統輸送前驅物如TAIMATA到工藝腔室的詳細過程，有一般性的描述，在此全部引用作為參考。
實施例以下設計的實施例1-6說明使用沉積工藝製成含鉭材料薄膜(如，在此描述的氮化鉭、或氮化鉭矽)沉積層在某些內部互連的應用。
實施例1-以TAIMATA為前驅物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)。其沉積厚度約在5到30之間，較佳約為20。使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度約在200到1500之間，優選地約為500。接下來，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例2-以TAIMATA為前驅物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)，其沉積厚度約在5到50之間，較佳約為20。使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度約在5到75之間，較佳約為25。對襯底進行等離子體蝕刻工藝以從通孔的底部移走部分材料，其移走部分的深度範圍，約在5到100之間，較常移去約為50。下一步，使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較佳約為25。接下來，使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度範圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例3-以TAIMATA為前驅物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)。此沉積層的厚度範圍，約在5到50之間，較佳約為20。對襯底進行等離子體蝕刻工藝以從通孔的底部移走部分材料，其移走部分的深度範圍，約在5到75之間，較佳約為20。下一步，使用PVD或ALD工藝，以TAIMATA為前驅物，在含鉭材料層上沉積一鉭金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較佳約25。接下來，使用PVD等工藝，在含鉭材料層上沉積一銅金屬層，其厚度範圍，約在200到1500之間，較佳約500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例4-以TAIMATA為前驅物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)。此沉積層的厚度範圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較佳約為25。對襯底進行等離子體蝕刻工藝，並從通孔的底部移走部分材料，使移走部分的深度範圍，約在5到100之間，較佳約為50。下一步，使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較佳約為25。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度範圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例5-以TAIMATA為前驅物，利用ALD工藝，在襯底含有介電材料的表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)。此沉積層的厚度範圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較常使用者約為40。對襯底進行等離子體蝕刻工藝，並從通孔的底部移走部分材料，使移走部分的深度範圍，約在5到100之間，較佳約為50。下一步，使用PVD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較常使用者約為25。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度範圍，約在200到1500之間，較佳約500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
實施例6，以TMMATA為前驅物，利用ALD工藝，在含有介電材料的襯底表面上，沉積一含鉭材料層(如氮化鉭或氮化鉭矽)。該沉積層的厚度範圍，約在5到50之間，較佳約為20。使用ALD工藝，在含鉭材料層上沉積一釕金屬層，其厚度範圍，約在5到75之間，較佳約為40。接下來，使用PVD等工藝，在釕金屬層上沉積一銅金屬層，其厚度範圍，約在200到1500之間，較佳約為500。接著，可對銅金屬層進行電化學拋光(ECP)工藝。
在其它的實施例中，以所述ALD工藝來沉積含鉭材料為金屬柵極的應用。在ALD工藝中，較常以TMMATA為製造含鉭材料層的前驅物。柵極層可包含下列的柵極材料，如氧氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、或以上化合物的組合。使用在此描述的ALD工藝，將氮化鉭或氮化鉭矽沉積到金屬柵極上。一般來說，沉積在柵極層上的含鉭材料，其厚度約在20到200之間，較佳約為40。接下來，將一金屬層沉積在含鉭材料層上，該金屬包括鈦、氮化鈦、鎢、鉭、釕或以上金屬的組合，並通過CVD、ALD、PVD、電鍍或無電電鍍等進行沉積。在一實施例中，含金屬的沉積層材料，是由CVD工藝、ALD工藝或PVD工藝形成的氮化鈦。另一實施例，含金屬的沉積層材料，是由CVD工藝形成的鎢。在一實施例，含金屬的沉積層材料，是由PVD工藝或ALD工藝，以TAIMATA為前驅物形成的鉭。又一實施例，含金屬的沉積層材料，是由ALD工藝形成的釕。
雖然本發明，已以具體的實施例的方式進行說明。但本領域的技術人員，應體認識到反應條件的各種可能改變。反應條件，指的是諸如溫度、壓力、薄膜厚度和在此處包括並可替代的同類用語以及沉積工藝氣體的導入順序。舉例來說，連續沉積工藝中，氣體導入可以有不同的初始順序，在含鉭氣體導入工藝腔室之前，可先將含氮氣體導入和襯底接觸。此外，氮化鉭層，除了在接觸中作為擴散阻擋的功能外，也可用於電路的其他特徵。因此，本發明的範圍，不應限定在以上的描述。更合理的，本發明的範圍，應以包括等同物範圍之內說明的權利要求書為準。
雖然以上主要涉及對本發明的實施方式的描述，但在不偏離以下的權利要求書限定的精神範圍內可以設計本發明的其他和進一步的實施方式。
權利要求
1.一種用於在工藝腔室內的一襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，包括將一襯底依序暴露在一脈衝的包含有TAIMATA的含鉭氣體及一脈衝的含有至少一第二前驅物的工藝氣體下，以在該襯底上沉積一含鉭材料；在該含鉭膜層上沉積一含釕材料；以及在該含釕材料上沉積一含銅材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料是選自由鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、矽化鉭及其衍生物和其組合物所組成的材料中。
3.根據權利要求2所述方法，其特徵在於，該含釕材料通過一原子層工藝沉積。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，該含銅材料通過一物理氣相工藝沉積。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，該含釕材料通過包括以下步驟的一工藝沉積將該襯底暴露在一第一原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一第一含釕層；將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝下；及將該襯底暴露在一第二原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一第二含釕層。
6.一種通過在一工藝腔室的一襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，其特徵在於，包括將襯底暴露在一含有TAIMATA在內的含鉭氣體及一含有至少一種第二前驅物的原子層沉積工藝下，以在該襯底上沉積一含鉭材料；將該襯底暴露在一等離子體蝕刻工藝下；在該含鉭材料上沉積一含金屬材料層；以及在該含金屬材料上沉積一含銅材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料是選自由含有鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、矽化鉭及其衍生物和其組合物所組成材料中。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，含金屬材料選自由含有銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的金屬中。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，該含銅材料是由一物理氣相工藝沉積。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，該含金屬材料包含釕並通過一原子層工藝沉積。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，該含金屬材料包含鉭並通過一原子層工藝沉積。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，該含金屬材料包含鉭並通過一物理氣相工藝沉積。
13.一種在工藝腔室內在一襯底上形成一鉭阻擋層的方法，其特徵在於，包括將一包含TAIMATA的鉭前驅物加熱到一預定溫度以形成一含鉭氣體；將該含鉭氣體流入該工藝腔室中；該含鉭氣體被吸附在一襯底上以形成一含鉭層；使用一清除氣體清潔工藝腔室；將至少一含有第二種元素的氣體流入該工藝腔室中；使該至少一含有第二種元素的氣體和該含鉭層反應以形成一鉭材料；以及使用該清除氣體清潔該工藝腔室。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，該預定溫度是介於約50℃到約80℃之間。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，將該襯底加熱到一介於約250℃到約400℃之間的溫度。
16.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，該至少一含有第二種元素的氣體是選自一氮前驅物、一矽前驅物、一硼前驅物、一磷前驅物及其組合物所組成的組中。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，該氮前驅物是選自由氨/氮原子、聯胺、甲基聯胺、二甲基聯胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
18.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，該矽前驅物是選自由矽烷、乙矽烷、甲基矽烷、六甲基二矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
19.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，該鉭阻擋層的厚度介於約10到約30之間的範圍。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，在該鉭阻擋層上沉積有一金屬層，該金屬層中包含一金屬，其系選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
21.一種在一工藝腔室內的一襯底上形成一含鉭層的方法，其特徵在於，包括通過將一蒸發器中的TAIMATA液態前驅物暴露在一已加熱的載氣流中，以形成一具有一預定溫度的含鉭氣體；將該襯底暴露在一原子層沉積工藝下，該原子層沉積工藝包含一脈衝的該含鉭氣體、一脈衝的一含氮氣體和一脈衝的一含矽氣體；以及通過重複該原子層沉積工藝以使一含鉭材料達到一預定厚度。
22.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，該預定溫度是介於約50℃到約80℃之間。
23.根據權利要求22所述的方法，其特徵在於，將該襯底加熱至一介於約250℃到約400℃之間的溫度。
24.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，該含氮氣體包含一氮前驅物，其選自由氨、氮原子、聯胺、甲基聯胺、二甲基聯胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
25.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，該含矽氣體包含一矽前驅物，其選自由矽烷、乙矽烷、甲基矽烷、六甲基二矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
26.根據權利要求25所述的方法，其特徵在於，該預定厚度介於約10到約30之間。
27.根據權利要求26所述的方法，其特徵在於，在該含鉭材料上沉積有一金屬層，該金屬層中包含一金屬，其選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
28.一種在一工藝腔室內的襯底上沉積一含鉭膜層以形成一器件的方法，其特徵在於，包括將一襯底循序暴露在一脈衝的含有TAIMATA的含鉭氣體及一脈衝的含有至少一第二前驅物的工藝氣體下；在該襯底上沉積一含鉭材料；重複該暴露步驟直到該含鉭材料達到一預定厚度為止；以及在該含鉭材料上沉積一金屬層。
29.根據權利要求28所述的方法，其特徵在於，將該含鉭氣體加熱到一介於約50℃到約80℃之間的預定溫度。
30.根據權利要求29所述的方法，其特徵在於，將該襯底加熱至一介於約250℃到約400℃之間的溫度。
31.根據權利要求29所述的方法，其特徵在於，該至少一第二前驅物選自由一氮前驅物、一矽前驅物、一硼前驅物、一磷前驅物及其組合所組成的組中。
32.根據權利要求31所述的方法，其特徵在於，該氮前驅物選自由氨、氮原子、聯胺、甲基聯胺、二甲基聯胺及其衍生物和其組合所組成的組中。
33.根據權利要求31所述的方法，其特徵在於，該矽前驅物選自由矽烷、乙矽烷、甲基矽烷、六甲基二矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷及其衍生物和其組合所組成的組中。
34.根據權利要求31所述的方法，其特徵在於，該預定厚度介於約10到約30之間。
35.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料選自由鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷、氧氮化鉭、矽化鉭及其衍生物和其組合所組成的組中。
36.根據權利要求35所述的方法，其特徵在於，該金屬層中的金屬選自由銅、鎢、鋁、鉭、鈦、釕及其合金和其組合所組成的組中。
37.一種在一工藝腔室內的一襯底上沉積一含鉭柵極層的方法，其特徵在於，包括將襯底暴露在一原子層沉積循環工藝下，該原子層沉積循環工藝包括一含有TAIMATA的含鉭氣體脈衝、一氮前驅物脈衝和一第三前驅物脈衝，以生成一含鉭材料，其中該第三前驅物包括一矽前驅物、一硼前驅物、一磷前驅物及其組合；重複該原子層沉積循環工藝直到該含鉭材料層達到一預定厚度為止。
38.根據權利要求37所述的方法，其特徵在於，一金屬接觸層沉積在該含鉭材料上。
39.根據權利要求37所述的方法，其特徵在於，該預定厚度介於約40到約200之間。
40.根據權利要求39所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料選自由氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷及其衍生物和其組合所組成的組中。
41.根據權利要求40所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料是氮化鉭矽並且一矽前驅物選自由矽烷、乙矽烷及甲基矽烷所組成的組中。
42.根據權利要求40所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料是氮化鉭硼並且一硼前驅物包含乙硼烷。
43.根據權利要求40所述的方法，其特徵在於，該含鉭材料是氮化鉭磷並且一磷前驅物包含磷化氫。
全文摘要
在本發明一實施方式中，提出一種在一工藝腔室內的襯底表面上沉積含鉭膜層的方法，其包括在一原子層沉積工藝(ALD)中，將襯底表面依序暴露在一含鉭前驅物和至少一第二前驅物下以沉積一含鉭材料。該鉭前驅物一般為第三戊亞胺－三(二甲胺基)鉭(TAIMATA)。重複進行ALD工藝，直到襯底上該含鉭材料的厚度達到預定的厚度為止。通常，在以脈衝方式引導含鉭前驅物進入工藝腔室之前，先將TAIMATA預熱。該含鉭材料可以是鉭、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉭硼、氮化鉭磷或氧氮化鉭。含鉭材料可沉積為阻擋層、或通孔內的附著層、或作為源極/漏極器件的柵極。
文檔編號H01L21/285GK101015047SQ200580023292
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月19日 優先權日2004年7月20日
發明者克裡斯託夫·馬卡德, 王榮鈞, 仲華, 尼瑪麗亞·梅蒂 申請人:應用材料股份有限公司