用以降低超低k介电薄膜的黏着层厚度并提高抗破坏性的工艺的制作方法

文档序号:7028177阅读:321来源:国知局
专利名称:用以降低超低k介电薄膜的黏着层厚度并提高抗破坏性的工艺的制作方法
技术领域
本发明实施例大体上涉及集成电路的制造。更具体地,这些实施例涉及用于沉积集成电路的低介电常数薄膜的工艺。
背景技术
自从数十年前最初引进半导体器件以来,此类器件的几何结构在尺寸上已显著地缩小。之后,集成电路大体上遵循每两年尺寸减半的法则(通常称为摩尔定律),所述法则表示容纳在芯片上的器件数量每两年会加倍。现今的制造工厂常规地生产具有65nm与甚至为45nm特征尺寸的器件,而未来的工厂将很快地生产具有更小几何结构的器件。在铜双镶嵌互连工艺技术中,由于必须缩小介于相邻金属线之间的电容性耦合以进一步缩小集成电路上的器件尺寸,因此器件几何结构的持续缩减需要具有较低介电常数(k)值的薄膜。一种已用于获得超低介电常数(k〈2.5)的方法为制造硅矩阵与有机致孔剂的混合薄膜,所述混合薄膜是由包含有机硅化合物的气体混合物与包含热不稳定物质或挥发性基团(致孔剂)的化合物沉积而得,且接着将已沉积的薄膜以UV固化或热处理进行后处理,由所述已沉积的薄膜中移除致孔剂的热不稳定物质或挥发性基团,从而在这些薄膜中产生纳米尺寸的孔隙,所述方法降低了这些薄膜的介电常数。已知纳米孔(nanoporous)薄膜对于下面的阻挡/衬垫层的黏着性小于氧化娃。可藉由沉积氧化物黏着层来获得黏着性的改善,所述氧化物黏着层可促进界面处的黏着性。为了进一步改善黏着性,建议可在黏着与主要低k薄膜沉积步骤之间使用具有逐渐增加碳含量的梯度层。然而,在此梯度层中硅与致孔剂流动的非受控转移会导致非期望的气相反应(归因于RF功率、压力与流速等等的各种变化),从而在薄膜上造成粒子群集和/或在薄膜中或在接口处形成碳凸块。此外,已知如上述所开发的超低介电常数薄膜呈现比期望更差的机械性质,例如,不良的机械强度(模数约等于4GPa),所述不良的机械强度使得所述薄膜在后续半导体处理步骤期间容易遭受损坏。并且,由于目前用来使超低介电常数薄膜与下面的阻挡/衬垫层具有较佳黏着性的氧化物黏着层构成所述介电薄膜堆栈的主要部分,且所述氧化物黏着层通常具有较高的介电常数(k约为3.5)与很高的厚度非均匀性,因此无法如预期般地降低所产生的介电薄膜堆栈的总介电常数与厚度非均匀性。因此,需要一种制造超低介电常数材料的工艺,所述超低介电常数材料具有改良的机械强度、降低的厚度非均匀性以及使来自沉积超低介电常数材料的最初阶段的k(介电常数)增加最小化,而对于较低应用厚度的可控性不会造成危害
发明内容
本发明实施例大体上提供一种方法,用于以崭新的工艺参数来沉积超低介电常数薄膜。在一个实施例中,所述方法包含:使气体混合物流入处理腔室中,以藉由将射频(RF)功率施加至所述处理腔室,而在基板上沉积起始层(氧化物层),所述气体混合物包含一种或多种有机硅化合物的流速与一种或多种致孔剂化合物的流速;提高所述一种或多种有机硅化合物的流速,直到达到所述一种或多种有机硅化合物的最终流速,用以在所述起始层上沉积第一过渡层;且在所述一种或多种有机硅化合物以最终流速流动的同时,提高所述一种或多种致孔剂化合物的流速,直到达到所述一种或多种致孔剂化合物的最终流速,用以在所述第一过渡层上沉积第二过渡层,其中在介于约350W至约500W的低RF功率下执行所述沉积,且所述RF功率与总流速的比率为介于约0.lff/sccm至约0.3W/SCCm。在实施方式中将进一步讨论各种处理参数与前驱物。在另一实施例中,所述方法包含提供承载衬垫/阻挡层的基板;以介于约1000 A/min至约3500 A/min的沉积速率,在所述衬垫/阻挡层上沉积含碳氧化物黏着层,所述沉积包含:使气体混合物流入处理腔室中,以藉由在13.56MHz下将约300W至约600W的射频(RF)功率水平施加至所述处理腔室,而在基板上沉积起始层,所述气体混合物包含一种或多种有机硅化合物的流速与一种或多种致孔剂化合物的流速;提高所述一种或多种有机硅化合物的流速,直到达到所述一种或多种有机硅化合物的最终流速,用以在所述起始层上沉积第一过渡层;且提高所述一种或多种致孔剂化合物的流速,直到达到所述一种或多种致孔剂化合物的最终流速,同时所述一种或多种有机硅化合物以最终流速流动,用以在所述第一过渡层上沉积第二过渡层;在所述黏着层上沉积低k薄膜;且固化已沉积的低k薄膜,用以在已沉积的低k薄膜中形成纳米孔。在实施方式中将进一步讨论各种处理参数与前驱物。


本发明的更特定描述、以上简单概述,可藉由参考附图中所叙述的一些实施例来了解,因此可更详细了解本发明的上述特征。然而,应当注意附图仅说明本发明的典型实施例,并且因此不应被视为对本发明范围的限制,因为本发明可容许其它等效实施例。图1A为根据本发明实施例所形成的介电薄膜堆栈的横截面视图。图1B为图1A所示的薄膜堆栈的一部分的放大横截面图。图2为工艺流程图,所述工艺流程图说明根据本发明实施例的沉积超低k纳米孔薄膜堆栈的方法。图3为示例性处理腔室的横截面图,所述处理腔室可用于实施本发明实施例。图4藉由SMS分析说明在有机硅酸盐介电薄膜堆栈中元素浓度的深度分布。
具体实施例方式本发明提供一种沉积低介电常数薄膜的方法。所述低介电常数薄膜包含娃、氧、氢与碳。已证明本发明实施例能够藉由减少黏着层的厚度而显著地降低黏着层对于超低介电常数薄膜堆栈的k(介电常数)影响。藉由将黏着层厚度降低至约或少于200 还可将超
低介电薄膜堆栈(小于2 kA)的厚度非均匀性降低至小于2%。如以下将讨论的,以较低的沉积速率与较低的等离子体密度、以及较高的总流速来沉积改良的氧化物黏着层,从而在薄膜沉积期间,产生共沉积物质的较佳封装/排序,此导致较高的机械强度与较低的孔隙率。改良的黏着层提供高附着能,使超低介电常数薄膜与下面的阻挡/衬垫层具有较佳的黏着性。所产生的低介电薄膜具有纳米尺寸的孔洞以及较紧密的孔洞尺寸分布。所述低介电常数薄膜具有约3.0或更低的介电常数,较佳的为约2.5或更低。所述低介电常数薄膜可具有至少约6.5GPa或更高的弹性模数。图1A示意性地说明根据本发明实施例所形成的介电薄膜堆栈100的横截面视图。尽管未在此表示,但可考虑到本发明的介电薄膜堆栈100可作为双镶嵌结构中的金属间介电层,所述双镶嵌结构通常包含以交替或所需顺序所沉积的一个或多个纳米孔的金属间介电层(未图示)以及一个或多个蚀刻终止层(未图示),所述蚀刻终止层为氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、或非晶型的氢化碳化硅。接着,将抗反射涂层(未图示)与包含光阻层的沟槽光掩模(未图示)分别沉积在已沉积的薄膜层上,并以惯用的光刻技术以显影金属化结构的方式将抗反射涂层与沟槽光掩模图案化,所述金属化结构以所需金属(例如,铜)来填充。可重复所述双镶嵌形成工艺,用以沉积所需数量的互连层级。可受益于本发明的示例性双镶嵌结构进一步在2009年6月16日授权给Francimar Schmitt等的共同转让的美国专利号7,547,643中描述,全文以引用的方式并入本发明中。大体上,如图1A所示的介电薄膜堆栈100包含承载衬垫/阻挡层104的基板102,所述衬垫/阻挡层104作为后续黏着层106与下面的基板表面103以及形成在基板表面103上的金属线108之间的隔离层。将低k层110沉积在黏着层106上,所述低k层110被封顶层112所封顶。将参照图2以及图1B来简短说明根据本发明的各种实施例的沉积此类介电薄膜堆栈100的方法。用于沉积有机硅酸盐.层的示例性工艺图2为工艺流程图200,所述工艺流程图200说明根据本发明的一个实施例的沉积介电薄膜堆栈100的方法。大体上,典型的多孔介电薄膜需要同时沉积一种或多种有机硅化合物以及一种或多种不饱和非硅化合物,所述有机硅化合物成为硅主链,所述一种或多种不饱和非硅化合物具有热不稳定基团,所述不饱和非硅化合物作为牺牲的致孔剂。在步骤202中,将承载衬垫/阻挡层104的基板102放置在处理腔室中的基板支撑件上,所述处理腔室能够执行等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。可藉由PECVD工艺,由等离子体沉积所述衬垫/阻挡层104,所述等离子体包含有机硅烷化合物、氨、氧、以及惰性物质。根据在本领域中已知的方法,所述沉积工艺在处理腔室中可包含电容耦合等离子体、或者电感与电容耦合等离子体。可使用惰性气体(例如,氦气、氩气与氮气)来产生等离子体。通常在PECVD沉积中使用诸如氦气的惰性气体来协助等离子体产生。在步骤204中,将气体混合物通过气体分配板(例如,喷淋头)引入处理腔室中,所述气体混合物具有包含一种或多种有机硅化合物、一种或多种致孔剂化合物、以及一种或多种氧化气体的组分。在启动RF功率之前,可将氧气和/或氦气的起始气体组分引入处理腔室中,以稳定后续沉积的环境。在一个实施例中,以介于约200毫克/分钟至约5000毫克/分钟(例如,介于约350毫克/分钟至约2500毫克/分钟)的流速,将一种或多种有机硅化合物引入腔室中;以介于约IOOsccm至约IOOOsccm (例如,介于约125sccm至约550sccm)的流速,将一种或多种氧化气体引入腔室中;以及以介于约50毫克/分钟至约5000毫克/分钟(例如,介于约150克/分钟至约1500克/分钟)的流速,将一种或多种致孔剂化合物引入腔室中。为了在腔室中提供等离子体处理环境,将射频(RF)功率施加至电极,例如,喷淋头。适合的RF功率在约13.56MHz的频率下可为约IOW至约2000W范围中(例如,约300W至约600W)的功率。在RF功率存在的情况下,所述气体混合物在腔室中反应,用以沉积包含氧化物层的起始层106a,所述氧化物层牢固地黏附至下面的衬垫/阻挡层104。所述气体混合物可选择性包含一种或多种载气。通常,将一种或多种载气与一种或多种有机硅化合物以及一种或多种致孔剂化合物一起引入处理腔室中。可使用的载气实例包含氦气、氩气、二氧化碳、以及前述气体的组合。在使用氦气作为载气的一个实施例中,以介于约1500sccm至约8000sccm (例如,介于约3500sccm至约5500sccm)的流速,将気气与一种或多种有机娃化合物一起引入腔室中。以介于约300sccm至约1800sccm (例如,介于约700sccm至约1250sccm)的流速,将氦气与一种或多种致孔剂化合物引入腔室中。起始层106a大体包含氧化娃层。如下所述,起始层106a与第一过渡层106b以及第二过渡层106c (图1B)构成黏着层106,所述黏着层106促进下面的衬垫/阻挡层104与后续低k层110之间的附着性。在一个实施例中,起始层沉积可进行介于约0.5秒至约10秒的时间范围,只要所述沉积周期是长到足以确保整个薄膜的黏着力。在一个实例中,起始层沉积可持续约I秒。可将起始层106a沉积至约5 A至约I OO A范围内的厚度,较佳为约10 A至约50 A。应考虑到,可根据特定实施例的需求来调整描述在本发明中的各种周期。例如,当在一些实施例中描述时间范围为约0.5秒至约10秒时,所述起始周期可持续0秒。0秒的起始周期表示,在将气流引入腔室后,马上开始改变气流的流速。因此,应考虑到不具有起始周期的实施例。在沉积低k层110之前,执行单独的转移步骤以避免任何不需要的粒子群集形成在薄膜中,所述粒子群集是归因于在气体分配板处发生的硅与致孔剂流动的非期望气相反应。还观察到进入腔室中平稳的液体转移可显著地降低碳凸块的产生。可藉由在所需的提高速率下,将两个液体前驱物(即,有机硅化合物与致孔剂化合物)的转移分开来解决这些问题。在单独的转移步骤的第一时间段206,或简单表示为步骤206,以介于约100毫克/秒至约5000毫克/秒(例如,介于约800毫克/秒至约1200毫克/秒)的提高速率(例如,约1000毫克/秒),逐渐提高一种或多种有机硅化合物的流速,用以在RF功率存在的情况下,在起始层106a上沉积第一过渡层106b,直到达到预定的有机硅化合物气体混合物(请参阅图1B,图1B为图1A所示的薄膜堆栈的部分放大横截面图)。在使用氦气载气的实施例中,可将一种或多种有机娃化合物与氦气的流速降低至介于约2500sccm至约4000sccm的范围中。在一个实施例中,第一过渡层沉积可进行约0.5秒至约10秒的时间范围。在一个实例中,第一过渡层沉积时间可以是约I秒。可将第一过渡层106b沉积至约10 A至约300 A (例如,约5 0 A至约200 A )的范围内的一厚度。在所述转移步骤的第二时间段208,或简单表示为步骤208,在维持预定的有机硅化合物气体混合物恒定的同时,以介于约100毫克/秒至约5000毫克/秒(例如,介于约200毫克/秒至约350毫克/秒)的提高速率(例如,约300毫克/秒),逐渐提高一种或多种致孔剂化合物的流速用以在第一过渡层106b上沉积第二过渡层106c (图1B),直到达到预定的最终气体混合物。在使用氦气载气的实施例中,可将一种或多种致孔剂化合物与氦气的流速增加至介于约800sccm至约2000sccm的范围。在一个实施例中,第二过渡层沉积可进行介于约I秒至约180秒的时间范围。在一个实例中,第二过渡层沉积时间可以是约3秒。可将第二过渡层106c沉积至约10 A至约600 A的厚度,较佳的是约I 00 A至约4 0 U A 0在起始层106a与第一过渡层106b以及第二过渡层106c的沉积期间,较佳地产生薄膜堆栈(106a、106b与106c)的薄部分106沉积,如图所示。薄膜堆栈的所述薄部分106作为黏着层,提供超低介电常数薄膜与下面的阻挡/衬垫层之间较佳的附着性。在大多数的实施例中,所述部分的厚度可降低约一半,例如,少于约200埃。可通过相对较短的持续时间段和/或低沉积速率来实现薄膜堆栈(106a、106b与106c)的薄部分106的沉积。在一个实施例中,薄膜堆栈的薄部分的沉积速率介于约1000埃/分钟至约3500埃/分钟,例如,约2500埃/分钟。当薄膜堆栈(106a、106b与106c)的薄部分106构成具有厚度小于2000埃的超低k纳米孔薄膜堆栈(106a、106b、106c与110)的大部分时,可藉由减少所述薄膜堆栈的薄部分的厚度,而将介电薄膜堆栈100的厚度非均匀性降低至小于2%。最重要的是,薄膜堆栈(106a、106b与106c)的薄部分106的厚度减少可使得对整个纳米孔薄膜堆栈的k影响最小化。在步骤210中,在达到最终气体混合物组分之后,形成最终气体混合物的等离子体,以沉积含致孔剂的有机硅酸盐介电层(即,低k层110),所述最终气体混合物包含一种或多种有机硅化合物的流速与一种或多种致孔剂化合物的流速。在一个实施例中,低k层沉积可进行介于约15秒至约180秒的时间范围。在一个实例中,最终层沉积时间可为约130秒。可将低k层110沉积至约200 A至约10,000人的范围内的厚度,直到RF功率终止为止。不希望被理论所限制,相信藉由分离有机硅化合物与致孔剂化合物的提高速率,可获得更稳定以及可制造的工艺,从而产生具有明显较少缺陷问题(例如,碳凸块)的有机硅酸盐介电层。或者,可将沉积第二过渡层106c的步骤208与沉积最终致孔剂氧化硅层的步骤210合并。在此类实施例中,可连续提高致孔剂化合物的流速,同时在致孔剂氧化硅沉积期间使预定的有机硅化合物气体混合物流动。步骤208与步骤210的合并可进行介于约I秒至约180秒的时间范围。以所述方式,最终致孔剂氧化硅层可具有致孔剂的梯度浓度,在所述氧化硅层中的致孔剂浓度随着致孔剂氧化硅层的沉积而增加。可将所述梯度层沉积至约50 A至约10,000 A的厚度,较佳的是,约I 00 A至约5 000 A,直到RF功率终止为止。在上述工艺期间,通常将基板维持在介于约100°C至约400°C (例如,介于约200°C至约350°C )的温度下。腔室压力可介于约I托(Torr)至约20Torr之间,例如,介于约7Torr至约9Torr之间,且基板支撑件与腔室喷淋头之间的间距可介于约200mil至约1500mil之间,例如,介于约280mil至约450mil之间。对于300mm的基板,可使用介于约100W至约600W之间的RF功率水平。在介于约0.0lMHz至约300MHz的频率(例如,约13.56MHz)下提供所述RF功率。可在混合频率(例如,在约13.56MHz的高频率与约350kHz的低频率)下提供RF功率。可循环或脉冲RF功率,以降低基板的加热,并促进在已沉积薄膜中的较大孔隙率。根据应用,所述RF功率还可为连续或不连续的。在某些实施例中,使用较低等离子体密度与较高总流速。为了获得较低等离子体密度,可使用介于约300W至约600W (例如,介于约350W至约500W)的RF功率水平。在使用介于约350W至约500W的RF功率水平的情况中,优选约0.lff/sccm至约0.3ff/sccm的RF功率/总流速。或者,优选约0.2ff/cm3至约0.5ff/cm3的RF功率/总体积流。如在此所使用的术语“总流速”或“总体积流”旨在代表在如先前所述的在沉积期间,引入处理腔室的气体混合物与可选择的载气的流动/体积。本案发明人已发现使用较低等离子体密度与较高总流速,在薄膜沉积期间,可允许共沉积物质的较紧密封装,从而产生较高的机械强度、
较小的孔洞尺寸(小于!0 A)以及较紧密的孔度尺寸分布。藉由提高薄膜对后续器件制
造工艺的抗损害性,显著改善薄膜的机械整体性。在本文所述的任何一个实施例中,由包含有机硅化合物与致孔剂的处理气体混合物来沉积含致孔剂的有机硅酸盐介电层。所述有机硅酸盐层可作为介电层。可在双镶嵌结构或适当器件中的不同层级处使用所述介电层。例如,所述介电层可作为前金属介电层、金属间介电层或栅极介电层。已证明根据本发明的各种实施例所沉积的有机硅酸盐层可提供低于3.0的低介电常数,例如,约2.5。可使用各种处理气体混合物来沉积有机硅酸盐介电层,以下将提供此类气体混合物的非限制性实例。大体上,气体混合物包含一种或多种有机硅化合物(例如,第一与第二有机硅化合物)、一种或多种致孔剂化合物、载气、以及氧化气体。因为考虑到包含诸如碳氢化合物(例如,脂肪族碳氢化合物)的额外组分的许多其它气体混合物,所以不应将上述组分视为限制。如本文所使用的术语“有机硅化合物”旨在代表在有机基团中包含碳原子的含硅化合物。所述有机硅化合物可包含一种或多种环状有机硅化合物、一种或多种脂肪族有机硅化合物、或前述化合物的 组合。一些示例性的有机硅化合物包含:甲基二乙氧基硅烷(mDEOS)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、三甲基硅烷(TMS)、五甲基环五硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、二甲基二硅氧烷、2,6- 二氧基-4,8- 二亚甲基四硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷(HMDS)、1,3-双(硅烷基二亚甲基)二硅氧烷、双(1-甲基甲硅醚基)甲烷、双(1-甲基甲硅醚基)丙烷、六甲氧基二硅氧烷(HMDOS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMOS)以及二甲氧基甲基乙烯基硅烷(DMMVS)、或者前述化合物的衍生物。以约200毫克/分钟至约5000毫克/分钟(例如,介于约350毫克/分钟至约2500毫克/分钟)的范围内的流速,可将所述一种或多种有机硅化合物引入处理腔室中。如本文所使用的用语“致孔剂化合物”旨在代表包含热不稳定基团的化合物。所述热不稳定基团可为环状基团,例如,不饱和环状有机基团。如本文所使用的用语“环状基团”旨在代表环状结构。所述环状结构可包含少至三个原子。例如,这些原子可包含碳、氮、氧、氟与前述原子的组合。所述环状基团可包含一个或多个单键、双键、三键与前述的任何组合。例如,环状基团可包含一种或多种芳香族、芳香基、苯基、环己烷、环己二烯、环庚二烯与前述基团的组合。所述环状基团还可为双环或三环。在一个实施例中,所述环状基团与直链或支链的功能基团键合。所述直链或支链的官能基团较佳地包含烷基或乙烯基烷基基团,且具有介于I至20之间的碳原子。所述直链或支链的官能基团还可包含例如酮、醚与酯中的氧原子。致孔剂可包含环状碳氢化合物。一些可使用的示例性致孔剂包含:二环庚二烯(BCHD,二环(2.2.1)庚-2,5-二烯)、1-甲基-4(1-甲基乙基)_1,3-环己二烯(ATP或a-松油烯)、乙烯环己烷(VCH)、苯乙酸酯、丁二烯、异戊二烯、环己二烯、双环庚二烯、1-甲基-4-(1-甲基乙基)苯(异丙基苯)、3_眦烯、葑酮、柠檬烯、环戊烯氧化物、乙烯基-1,4- 二氧芑基醚、乙烯基呋喃基醚、乙烯基-1,4- 二氧杂环己烷、乙烯基呋喃、糠酸甲酯、甲酸呋喃酯、乙酸呋喃酯、糠醛、二呋喃基酮、二呋喃基醚、二糠基醚、呋喃与1,4- 二氧杂环己烷、以及前述化合物的氟化碳衍生物。以约50毫克/分钟至约5000毫克/分钟(例如,介于约150毫克/分钟至约1500毫克/分钟)的范围内的流速,将所述一种或多种致孔剂化合物引入处理腔室中。如前所述,所述气体混合物可选择性包含一种或多种载气。通常,将一种或多种载气与一种或多种有机硅化合物以及一种或多种致孔剂化合物一起引入所述处理腔室中。可使用的载气实例包含:氦气、氩气、二氧化碳与前述气体的组合。部分地根据腔室内部的尺寸,可以小于约20,OOOsccm的流速将一种或多种载气引入处理腔室中。载气流速较佳地是在约500sccm至约5000sccm的范围中。在一些工艺中,在引入反应性处理气体之前,将诸如氦气或氩气的惰性气体置入处理腔室中,以稳定腔室内的压力。气体混合物还包含一种或多种氧化气体。适合的氧化气体包含:氧气(O2)、臭氧
(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)与前述气体的组合。部分地根据腔室内部的尺寸,所述氧化气体的流速可为约IOOsccm至约3,OOOsccm的范围中。通常,氧化气体的流速为约IOOsccm至约1,OOOsccm的范围中,例如,约450sccm。在进入沉积腔室之前和/或如在腔室中将RF功率施加至处理气体时,在微波腔室中可产生氧气或含氧化合物的解离。后处理工艺在沉积低介电常数薄膜之后,将所述薄膜进行后处理。可单独使用热退火或以紫外线(UV)辐射辅助对薄膜进行后处理,以移除有机不稳定物质,并在最终材料中产生孔洞崁入物。在一个实施例中,以UV固化工艺对低介电常数薄膜进行后处理。可在相同处理腔室或系统中原位执行UV后处理,例如,由一个腔室转移至另一个腔室,而不破坏真空状态。可使用的示例性UV后处理条件包含:介于约ITorr至约IOTorr之间的腔室压力以及介于约350°C至约500°C之间的基板支撑件温度。紫外线辐射源可远离基板表面约IOOmil至约1400mil之间。可选择地,在紫外线固化工艺期间,可引入处理气体。适合的处理气体包含:氧气(O2)、氮气(N2)、氢气(H2)、氦气(He)、気气(Ar)、水蒸气(H2O)、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物气体、氟碳气体与氟化碳氢化合物气体、或前述气体的组合。可藉由任何UV源提供UV辐射,例如,汞微波弧灯、脉冲式氙气闪灯或高效率UV发光二极管阵列。紫外线辐射可包含一紫外线波长范围,且包含一种或多种同步式波长。适当的紫外线波长包含介于约Inm至约400nm之间,且可进一步包含高达约600或780nm的可选波长。此外或者替换地,可在多种波长、可调整的波长放射和可调整的功率放射、或者介于多个期望波长之间的调制下施加所述紫外线辐射,且所述紫外线辐射可由单一 UV灯所放射或由紫外线灯阵列所施加。适合紫外线灯的实例包含:氙气填充的Zeridex 紫外线灯、Ushio Excimer紫外线灯、DSS紫外线灯、或汞弧灯。将已沉积的低介电常数薄膜曝露至所述紫外线幅射达介于约10秒至约600秒,例如,介于约60秒至约600秒之间。UV辐射的波长可介于例如,约170nm至约400nm。可使用的UV腔室与处理条件的进一步细节在2005年5月9日所提交且共同转让的美国专利申请序列号11/124,908中描述,所述申请以引用的方式并入本文中。来自应用材料公司的NanoCure 腔室为可用于UV后处理的市售腔室的一个实例。在另一实施例中,利用热或等离子体增强退火工艺来对低介电常数薄膜进行后处理。在介于约200°C至约400°C的温度下,可在腔室中将薄膜进行退火达约2秒至约I小时,较佳地为约30分钟。以约IOOsccm至约10,OOOsccm的速率引入非反应性气体,所述非反应性气体例如为,氦气、氢气、氮气、或前述气体的混合。将腔室压力维持在介于约ITorr至约IOTorr之间。退火期间的RF功率在约13.56MHz的频率下为约200W至约1,OOOff,且适合的基板间距介于约300mil至约SOOmil之间。在沉积所述低介电常数薄膜后在约200°C至约400°C的基板温度下使所述低介电常数薄膜退火挥发了薄膜中至少一些有机基团,从而在薄膜中形成孔隙。在又一实施例中,以电子束处理来对低介电常数薄膜进行后处理。可使用的示例性电子束条件包含:介于约200°C至约600°C之间的腔室温度,例如,约350°C至约400°C。电子束能量可为约0.5keV至约30keV。曝露剂量可介于约I μ C/cm2至约400 μ C/cm2。腔室压力可介于约ImTorr至约lOOmTorr。腔室中的气体环境可为以下气体的任何一种:氮气、氧气、氢气、気气、氢气与氮气的混合、氨气、氣气或前述气体的任何组合。电子束电流可介于约0.15mA至约50mA。电子束处理可执行达约I分钟至约15分钟。可使用的不例性电子束腔室为EBk 电子束腔室,所述EBk 电子束腔室可购自位于加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司,然而可使用任何电子束设备。电子束固化工艺改善已沉积薄膜网络的机械强度,且还降低k值。被激发的电子束改变已沉积薄膜的分子网络中的化学键合,且从所述薄膜移除至少一部分的分子基团,例如,来自一种或多种不含氧的碳氢化合物的环状有机组分,所述不含氧的碳氢化合物包含一个环以及在所述环中的一个或两个碳-碳双键。分子基团的移除可在所述薄膜中产生孔隙或孔洞,从而降低k值。示例件的硬件
`
图3显示化学气相沉积(CVD)腔室300的横截面图,所述腔室300用于沉积掺
杂碳的氧化硅层。所述图基于目前由应用材料公司所制造的P R O D U C E R §腔室的特
征。P R O D U C E R B C V D腔室(200mm或300mm)具有两个隔离的处理区域,所述处理
区域可用于沉积掺杂碳的氧化硅与其它材料。具有两个隔离处理区域的腔室在美国专利号5,855,681中描述,所述专利以引用的方式并入本文中。沉积腔室300具有腔室主体302,所述腔室主体302界定分离的处理区域318、320。每一个处理区域318、320具有基座328,所述基座328用于在腔室300中支撑基板(未图示)。基座328通常包含加热元件(未图标)。较佳地,藉由主干326将基座328可移动地设置在每一个处理区域318、320中,所述主干326延伸穿过腔室主体302的底部,所述主干326在腔室主体302的底部与驱动系统303连接。将内部可移动的举升销(未图示)较佳地提供在基座328中,用以啮合基板的较低表面。可藉由升降机构(未图示)来啮合所述举升销,用以在进行处理之前接收基板,或在沉积之后提升基板,以传输至下一站。每一个处理区域318、320还较佳地包含气体分配组件308,所述气体分配组件308设置穿过腔室盖304,用以将气体供给至处理区域318、320中。每一个处理区域的气体分配组件308通常包含穿过分歧管348的气体入口通道340,所述分歧管348由气体分配分歧管319穿过阻隔板346且接着穿过喷淋头342来供给气体。喷淋头342包含多个喷嘴(未图示),在处理期间,通过这些喷嘴注入气体混合物。RF(射频)供应器325将偏压电位提供至喷淋头342,用以帮助介于喷淋头与基座328之间的等离子体生成。在沉积腔室300中所执行的沉积工艺可为在冷却的基板基座328上的非等离子体工艺或等离子体增强工艺。在等离子体工艺中,通常藉由从RF功率供应器325 (与接地的基座328)施加至喷淋头342的RF能量,在相邻基板处形成经控制的等离子体。或者,在不同频率下可将RF功率供应器325提供至基座328、或提供至不同部件。可使用高频RF (HFRF)功率以及低频RF (LFRF)功率(例如,双频RF)、不变的RF、脉冲RF、或任何已知或尚未被发现的等离子体生成技术来产生等离子体。RF功率供应器325可供应介于约5MHz至约300MHz之间的单频RF。此外,RF功率供应器325还可供应介于约300Hz至约1,OOOkHz之间的低频RF,以供应混合的频率,而增强引入处理腔室中的处理气体的反应性物质的分解。可循环或脉冲所述RF功率,以减少基板的加热,并促进已沉积薄膜中的较大孔隙率。适当的RF功率可为约IOW至约5000W范围中(例如,在约200W至约600W的范围中)的功率。适当的LFRF功率可为约OW至约5000W范围中(例如,在约OW至约200W的范围中)的功率。系统控制器334控制各种部件的功能,例如控制RF功率供应器325、驱动系统303、升降机构、气体分配分歧管319以及其它相关联的腔室和/或处理功能。系统控制器334执行储存在存储器338中的系统控制软件,在较佳实施例中,所述存储器338为硬盘,且可包含模拟与数字输入/输出板、接口板、以及步进马达控制板。通常使用光学和/或磁性传感器来移动并确认可移动机械组件的位置。上述的CVD系统叙述主要是为达说明的目的,还可采用其它等离子体处理腔室来实施本发明的这些实施例。实M本发明实施例展示超低k纳米孔薄膜的沉积,所述超低k纳米孔薄膜具有经分散的细微气孔。在前述的任何一个实施例中,以下的工艺参数与范围通常有利于主要和/或黏着层沉积工艺:
权利要求
1.一种处理基板的方法,所述基板设置在处理腔室中,所述方法包含: 使气体混合物流入所述处理腔室中,以藉由将射频(RF)功率施加至所述处理腔室,而将起始层沉积在所述基板上,所述气体混合物包含一种或多种有机硅化合物的流速与一种或多种致孔剂化合物的流速; 提高所述一种或多种有机硅化合物的所述流速,直到达到所述一种或多种有机硅化合物的最终流速,用以在所述起始层上沉积第一过渡层;以及 提高所述一种或多种致孔剂化合物的所述流速,直到达到所述一种或多种致孔剂化合物的最终流速,同时所述一种或多种有机硅化合物以所述最终流速流动,用以在所述第一过渡层上沉积第二过渡层,其中在所述RF功率与总流速的比例为介于约0.lff/sccm至约0.3W/Sccm,执行所述起始层、所述第一过渡层与第二过渡层的所述沉积。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述起始层的所述沉积在介于约0.5秒至约5秒之间的时间周期内执行。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述第一过渡层与第二过渡层的所述沉积分别在介于约I秒至约5秒之间与介于约I秒至约10秒之间的时间周期内执行。
4.如权利要求1所述的方法,其中以介于约200毫克至约700毫克的流速将所述一种或多种有机硅化合物引入所述腔室中,且以介于约200毫克至约1600毫克的流速将所述一种或多种致孔剂化合物引入所述腔室中。
5.如权利要求1所述的方法,其中以介于1000A/分钟至约3500 A/分钟之间的沉积速率以及介于约350W至约500W之间的低RF功率,执行所述起始层、所述第一过渡层与所述第二过渡层的所述沉积。
6.如权利要求1所述的方法,其中以介于约600毫克/秒至约1500毫克/秒之间的提高速率,提高所述一种或多种有机硅化合物的所述流速,并且以介于约200毫克/秒至约600毫克/秒之间的提高速率,提高所述一种或多种致孔剂化合物的所述流速。
7.如权利要求1所述的方法,其中所述气体混合物进一步包含一种或多种氧化气体以及惰性气体,所述一种或多种氧化气体选自由下列所组成的群组:臭氧、氧气、二氧化碳、一氧化碳、水、一氧化二氮、2,3- 丁二酮以及前述气体的组合所述惰性气体选自由氦气、氩气、或氮气所组成的群组。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述一种或多种有机硅化合物选自由下列所组成的群组:甲基二乙氧基硅烷(mDEOS)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、三甲基硅烷(TMS)、五甲基环五硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、二甲基二硅氧烷、2,6- 二氧基-4,8- 二亚甲基四硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷(HMDS)、1,3-双(硅烷基二亚甲基)二硅氧烷、双(1-甲基甲硅醚基)甲烷、双(1-甲基甲硅醚基)丙烷、六甲氧基二硅氧烷(HMDOS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMOS)、二甲氧基甲基乙烯基硅烷(DMMVS)、以及前述化合物的衍生物。
9.如权利要 求1所述的方法,其中所述一种或多种致孔剂化合物选自由下列所组成的群组:二环庚二烯(BCHD ;二环(2.2.1)庚-2,5- 二烯)、1-甲基_4 (1-甲基乙基)-1, 3-环己二烯(ATP或a-松油烯)、乙烯环己烷(VCH)、苯乙酸酯、丁二烯、异戊二烯、环己二烯、双环庚二烯、1-甲基-4-(1-甲基乙基)苯(异丙基苯)、3_眦烯、葑酮、柠檬烯、环戊烯氧化物、乙烯基-1,4- 二氧芑基醚、乙烯基呋喃基醚、乙烯基-1,4- 二氧杂环己烷、乙烯基呋喃、糠酸甲酯、甲酸呋喃酯、乙酸呋喃酯、糠醛、二呋喃基酮、二呋喃基醚、二糠基醚、呋喃、1,4-二氧杂环己烷、以及前述化合物的氟化碳衍生物。
10.一种处理基板的方法,所述基板设置在处理腔室中,所述方法包含: 提供承载衬塾/阻挡层的基板; 以介于约1000 A/分钟至约3500 A/分钟间的沉积速率,将含碳氧化物黏着层沉积在所述衬垫/阻挡层上方,所述沉积包含: 使气体混合物流入所述处理腔室中,以藉由在13.56MHz频率下将约300W至约600W的射频(RF)功率水平施加至所述处理腔室,而在所述基板上沉积起始层,所述气体混合物包含一种或多种有机硅化合物的流速与一种或多种致孔剂化合物的流速; 提高所述一种或多种有机硅化 合物的所述流速,直到达到所述一种或多种有机硅化合物的最终流速,用以在所述起始层上沉积第一过渡层;以及 提高所述一种或多种致孔剂化合物的所述流速,直到达到所述一种或多种致孔剂化合物的最终流速,同时所述一种或多种有机硅化合物以所述最终流速流动,用以在所述第一过渡层上沉积第二过渡层; 将低k薄膜沉积在所述黏着层上方;以及 固化所述已沉积的低k薄膜,用以在所述薄膜中形成纳米孔。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述起始层的所述沉积在介于约0.5秒至约5秒范围中的时间周期内执行所述第一过渡层的所述沉积在介于约I秒至约5秒范围中的时间周期内执行,且所述第二过渡层的所述沉积在介于约I秒至约10秒范围中的时间周期内执行。
12.如权利要求11所述的方法,其中以介于约200毫克至约700毫克的流速将所述一种或多种有机硅化合物引入所述腔室中,且以介于约200毫克至约1600毫克的流速将所述一种或多种致孔剂化合物引入所述腔室中。
13.如权利要求10所述的方法,其中沉积所述起始层、所述第一过渡层与所述第二过渡层,以提供约50 A至约300 A的范围内的总厚度。
14.如权利要求10所述的方法,其中以介于约600毫克/秒至约1500毫克/秒之间的提高速率,提高所述一种或多种有机硅化合物的所述流速,且以介于约200毫克/秒至约600毫克/秒之间的提高速率,提高所述一种或多种致孔剂化合物的所述流速。
15.如权利要求10所述的方法,其中在所述RF功率与总流速的比例为介于约0.1ff/sccm至约0.3W/Sccm之间,执行所述起始层、所述第一过渡层与第二过渡层的所述沉积。
全文摘要
提供了一种改良的方法用于沉积超低介电常数薄膜堆栈。本发明实施例藉由降低超低介电薄膜堆栈中的氧化物黏着层厚度而将来自沉积超低介电常数薄膜堆栈的最初阶段的k(介电常数)影响最小化,因而将薄膜堆栈的厚度非均匀性降低至小于2%。所述改良的工艺以较低的沉积速率与较低的等离子体密度以及较高的总流速,在超低介电薄膜堆栈中沉积氧化物黏着层与块层,从而在薄膜沉积期间产生共沉积物质的较佳封装/排序,所述较佳封装/排序导致较高机械强度与较低孔隙率。
文档编号H01L21/312GK103210479SQ201180053880
公开日2013年7月17日 申请日期2011年10月21日 优先权日2010年11月12日
发明者M·查布拉, K·S·伊姆, A·T·迪莫斯 申请人:应用材料公司
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