专利名称：一种改善有机低介电常数层附着力的表面处理方法
技术领域：
本发明提供一种改善有机低介电常数层附着力的表面处理方法，特别是一种可以改善金属连线间的介电层中，保护层-粘附促进剂涂层界面与粘附促进剂涂层-有机低介电常数层界面的方法。
背景技术：
随着半导体元件的尺寸不断缩小以及集成电路密度不断提高，各金属导线间的时间弛豫(RC delay)问题对集成电路的运行效能的影响日渐显著，尤其当工艺线宽(line width)降到0.25微米以下，甚至0.15微米以下的半导体工艺时，时间弛豫所造成的影响更为明显。由于金属内连线间的时间弛豫是金属导线的电阻值(R)与金属导线间的介电层的伴生电容(C)的乘积，因此减少半导体芯片的金属内连线的时间弛豫的方向有二一是使用电阻值较低的金属做为金属导线；二是降低金属导线间的介电层的伴生电容。
目前使用铝铜合金(AlCu(0.5％))为主要材料的多重金属化工艺(multilevel metallization process)已逐渐无法满足超大型集成电路(ultra largescale integrated circuits，ULSI circuits)的设计标准(design rule)，取而代之的是以纯铜作为导线材料的铜连结线技术(copper interconnect technology)。由于铜本身具有较低的电阻率(1.67μΩ·cm)，并且可承受较高的电流密度而不会产生铝铜合金的电致迁移(electro migration)现象，因此铜是目前及未来超大型集成电路内的金属导线的最佳选择。
此外，欲降低各金属导线间的介电层的伴生电容，目前的趋势是采用低介电常数材料(low k dielectric)，而现今的低介电常数材料中，尤以Dow公司所生产的SiLKTM最引人注意，这是因为SiLKTM具有2.65的低介电常数(低于传统二氧化硅约40个百分比)，以及SiLKTM组成中不含有氟(fluorine)的成分而不会造成对金属阻挡层的污染。此外，SiLKTM对温度的稳定性更高达450℃，提供了一个相当宽的工艺范围(process window)。因此，综合上述，SiLKTM与铜工艺的整合是相当重要的一个课题，尤其是SiLKTM与其它薄膜层如覆盖层(cap layer)的附着力更是影响金属内连线品质的一重要因素。
参考图1，图1为现有涂覆有机低介电常数层的方法示意图，如图1所示，半导体晶片10包含有一位于绝缘层12内的底层导电区域11，一覆盖于该底层导电区域11及该绝缘层12表面的保护层13，该保护层13由氮化硅或碳化硅(SiC)所构成，其目的是为了防止底层导电区域中的导电原子(如铜原子)向外扩散至介电层，另一目的则是用来作为蚀刻终止层。一粘附促进剂层14设于该保护层13的表面，一SiLKTM层15覆盖于该粘附促进剂层14之上。而粘附促进剂层14的功能为加强SiLKTM层15与底层材料(如硅、二氧化硅、氮化硅、铝、钽、氮化钽、氮化钛等)之间的附着力。
此粘附促进剂层(adhesion promoter coating，以下简称为APC)14特别指由Dow公司所生产的AP4000型粘附促进剂。AP4000型粘附促进剂(adhesion promoter，AP)分子一般溶于溶剂1-甲醛-乙酸丙酯内，形成浓度低于3％的溶液(以下简称为AP溶液)。一般在半导体晶片上形成SiLKTM层之前，先将AP溶液涂覆于整个晶片表面，并通过旋转晶片使AP溶液中的溶剂挥发，最后再经过一道烘烤步骤完成该粘附促进剂层14的制备。
由于AP分子是一至少具有一亲水基(hydrophilic group)以及一憎水基(hydrophobic group)的分子，而SiLKTM基本上为一芳香族碳氢高分子(aromatic hydrocarbon polymer)的憎水性材料。在理想情况下，当APC14涂覆于保护层13之上时，AP分子的亲水基与保护层13结合而将憎水基裸露于上，提供SiLKTM层15一良好的附着表面。然而，如图2所示，图2为现有APC与保护层及SiLKTM的结构放大示意图(其中AAP分子内的亲水基；BAP分子内的憎水基；CAP分子内其它元素)，由于保护层13表面并不是一个完好的亲水性表面(hydrophilic surface)，因此造成AP分子的亲水基与憎水基呈现不规则的排列，因此APC14的功效大大地减低，进而影响了SiLKTM的附着力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种表面处理的方法，以改善保护层与粘附促进剂层及有机低介电常数层与粘附促进剂层的附着力。
在本发明的优选实施例中，首先在一基底上沉积一保护层，然后利用一低射频(radio frequency，RF)功率的含氧等离子体，对该保护层表面进行一快速表面处理，以在该保护层表面形成一亲水性表面(hydrophilic surface)。接着在该亲水性表面上形成一粘附促进剂涂层(adhesion promoter coating，APC)，最后旋涂一有机低介电常数层于该粘附促进剂层上。其中该亲水性表面的形成可以改变该粘附促进剂分子的排列，使该粘附促进剂分子的亲水基朝向该亲水性表面，而使该粘附促进剂分子的憎水基朝向该有机低介电常数层，从而同时改善该保护层-该粘附促进剂涂层界面以及该粘附促进剂涂层-该有机低介电常数层界面。
图1为现有涂覆有机低介电常数层的方法示意图；图2为现有APC、保护层以及SiLKTM层的结构放大示意图(其中AAP分子内的亲水基；BAP分子内的憎水基；CAP分子内其它元素)；以及图3与图4为本发明中涂覆有机低介电常数层的方法示意图(其中AAP分子内的亲水基；BAP分子内的憎水基；CAP分子内其它元素)。
附图中的符号分别为10半导体晶片 11底层导电区域12绝缘层 13保护层14粘附促进剂层 15 SiLKTM层20半导体晶片 21底层导电区域22绝缘层 23保护层24粘附促进剂层 25 SiLKTM层
具体实施例方式
请参考图3与图4，图3与图4为本发明中涂覆有机低介电常数层的方法示意图，如图3所示，半导体晶片20包含有一位于一绝缘层22内的底层导电区域21，一利用一等离子体强化化学气相沉积(plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)涂覆于底层导电区域21及绝缘层22表面上的保护层23。如前所述，保护层23的主要功能是为了防止底层导电区域(一般为铜导线)中的导电原子(如铜原子)迁移至介电层。在本发明的优选实施例中，保护层23是由氮化硅所组成，在一通入的反应气体为SiH4和NH3的Novellus Sequal Express PECVD设备中反应生成，形成的氮化硅厚度约为350。在本发明的其它实施例中，保护层23也可以由碳化硅(SiC)所组成。
接着，对保护层23进行一快速表面处理，使保护层23表面形成具有氢氧根(-OH)的亲水性表面，以利后续的粘附促进剂层与保护层23表面间的结合。在本发明的优选实施例中，表面快速处理是在一Novellus SequalExpress PECVD设备中进行，使用一低射频(radio frequency，RF)功率的含氧等离子体，优选使用氧(O2)或氧化亚氮(nitrous oxide，N2O)等离子体，RF功率范围介于100至1000瓦之间，优选在200瓦左右，氧化亚氮的气体流量介于2000到10000sccm之间，优选为5000sccm左右，而表面处理温度低于420℃，处理时间则小于15秒。在经过等离子体处理后，立即利用一高速接触角量测仪器(high speed contact angle measurement device)测量处理后氮化硅表面的水接触角(water contact angle)，测量所得到的结果约为5～10度，由此可证明等离子体处理工艺的确使氮化硅保护层23表面形成一亲水表面。
接着，如图4所示，在保护层23的表面沉积一粘附促进剂层24，沉积方式为先将AP溶液涂覆于整个晶片表面，并通过旋转晶片使AP溶液中的溶剂挥发，然后再经过一道烘烤步骤完成粘附促进剂层24的制备，烘烤的温度与时间视工艺而定，温度约为180℃到200℃之间，烘烤时间约60秒。最后，一SiLKTM层25涂覆于粘附促进剂层24之上。
请参考图3与图4，如图3所示，由于经过等离子体处理后的保护层23的表面形成具有氢氧根(-OH)的亲水性表面，当粘附促进剂层24涂覆于保护层23之上时，如图4所示，AP分子的亲水基与保护层23表面的氢氧根结合而使憎水基裸露在上，提供给憎水性的SiLKTM层25一良好的附着表面，进而增加了保护层23与粘附促进剂层24及粘附促进剂层24与SiLKTM层25之间的附着力。
与现有方法相比较，本发明在沉积粘附促进剂层24之前，先对保护层23进行一快速表面处理，使保护层23表面形成一亲水性表面，进而改变粘附促进剂分子的排列，使粘附促进剂分子的亲水基朝向亲水性表面(未显示于图3及图4中)，而使粘附促进剂分子的憎水基朝向有机低介电常数层，从而同时改善保护层-粘附促进剂层以及粘附促进剂层-有机低介电常数层界面，进而达到增强保护层23与粘附促进剂层24以及粘附促进剂层24与SiLKTM层25之间的附着力的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡是根据本发明权利要求所做的等效变化与修饰，均应属于本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种改善有机低介电常数层附着力的表面处理方法，该方法包含有下列步骤在一基底上沉积一由氮化硅或碳化硅(SiC)所构成的保护层；利用一低射频(radio frequency，RF)功率的含氧等离子体，对该保护层表面进行一快速表面处理，以在该保护层表面形成一亲水性表面(hydrophilicsurface)；在该亲水性表面上形成一粘附促进剂涂层(adhesion promoter coating，APC)，其中该粘附促进剂涂层是由一至少具有一亲水基以及一憎水基的粘附促进剂分子所构成；以及在该粘附促进剂层上旋涂一有机低介电常数层；其中该亲水性表面的形成可以改变该粘附促进剂分子的排列，使该粘附促进剂分子的亲水基朝向该亲水性表面，而使该粘附促进剂分子的憎水基朝向该有机低介电常数层，从而同时改善该保护层-该粘附促进剂涂层界面以及该粘附促进剂涂层-该有机低介电常数层界面。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该保护层由等离子体强化化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)技术所形成。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该表面处理所使用的含氧等离子体为一氧化亚氮(nitrous oxide，N2O)等离子体。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该N2O气体流量为2000至10000sccm(标准立方厘米每分钟(standard cubic centimeter per minute))。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该含氧等离子体所使用的RF功率范围介于100至1000瓦(Watts)之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该RF功率约为200瓦。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该表面处理的时间小于15秒。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该表面处理的温度低于420℃。
9.如权利要求1所述的方法，其中，该粘附促进剂涂层为Dow Chemical公司所提供的AP4000粘附促进剂。
10.如权利要求1所述的方法，其中，该有机低介电常数层为DowChemical公司所提供的SiLK。
11.一种用于半导体工艺的表面处理方法，该方法包括在一基底上沉积一无机含硅层；对该保护层表面进行一快速表面处理，利用一含氧等离子体，在该保护层表面形成一亲水性表面；在该亲水性表面上形成一粘附促进剂涂层；以及在该粘附促进剂层上旋涂一有机低介电常数层。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该无机含硅层由氮化硅或碳化硅(SiC)所构成。
13.如权利要求11所述的方法，其中，该无机含硅层由等离子体强化化学气相沉积(PECVD)技术所形成。
14.如权利要求11所述的方法，其中，该表面处理所使用的含氧等离子体为氧化亚氮(N2O)等离子体。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该N2O气体流量约为5000sccm。
16.如权利要求11所述的方法，其中，该表面处理的时间小于15秒。
17.如权利要求11所述的方法，其中，该粘附促进剂涂层为DowChemical公司所提供的AP4000粘附促进剂。
18.如权利要求11所述的方法，其中，该有机低介电常数层为DowChemical公司所提供的SiLK。
全文摘要
本发明是提供一种改善有机低介电常数层附着力的表面处理方法，首先在一基板上沉积一保护层，然后利用一低射频功率的含氧等离子体，对该保护层表面进行一快速表面处理，以在该保护层表面形成一亲水性表面。接着在该亲水性表面上形成一粘附促进剂涂层，最后旋涂一有机低介电常数层于该粘附促进剂层上。其中该亲水性表面的形成可以改变该粘附促进剂分子的排列，使该粘附促进剂分子的亲水基朝向该亲水性表面，而使该粘附促进剂分子的憎水基朝向该有机低介电常数层，从而同时改善该保护层－该粘附促进剂涂层的界面以及该粘附促进剂涂层－该有机低介电常数层的界面。
文档编号H05K3/38GK1406107SQ0113318
公开日2003年3月26日 申请日期2001年9月20日 优先权日2001年9月20日
发明者谢宗棠, 蔡正原, 吴欣昌, 黄稚铵 申请人:联华电子股份有限公司