低氢压力下的远程等离子预清洁的制作方法

专利名称：低氢压力下的远程等离子预清洁的制作方法
技术领域：
本发明大体上是有关于在制造集成电路的制程中的等离子清洁。特别 地，本发明是有关于被执行于图案化蚀刻介电层与沉积之间的等离子清洁。
背景技术：
先进集成电路(例如为了 45nm节点被构想出的先进集成电路)必须使 用超低k介电(电绝缘)材料，以用于连接两阶层的配线之间的阶层间 (interlevel)介电层。具有介电常数低于3.9(二氧化硅的介电常数值)的低k 材料已经进入商业量产。然而，未来将会需要更低的介电常数，例如低于 2.5。此材料的一范例为Black Diamond II (BDII)介电质，其可由美国加 州圣大克劳拉市Applied Materials公司所购得。Li在美国专利申请案号 2003/0194495中描述到，此介电材料的特征是其为碳掺杂的氧化硅(也被 称为碳氧化硅)，其具有高于10at。/o的碳百分比。改良物是包括有BDIIx介 电质(其是被UV硬化且具有30%的孔隙度)，以及DBIIebeam介电质(其是 以电子来硬化)。其他含碳的低k介电质是已知，包括有Sill^S)与 Cyclotene⑧(苯环丁烯)介电材料，其可由Dow Chemical公司获得。许多 这些材料的特征在于其是为有机或聚合介电质。用来形成阶层间内连线(interlevel interconnect)的一原型结构是被绘 示在图1的截面图中。 一下介电层10包括一形成于其表面的导电特征12。 用于先进阶层间连线的导电特征12是典型地由铜组成，但是类似的几何结 构应用于接触硅基材的主动半导体区域。 一超低k介电材料的上介电层14 被沉积在下介电层10与导电特征12上方。 一孔洞16是被光微影定义， 且被蚀刻穿过上介电层14至导电特征12。对于用在铜金属化的典型的双 镶嵌内连线，孔洞16是由一窄的下方介层洞(其形成了至导电特征12的垂 直内连线)与一宽的上方沟渠(其形成了集成电路不同部分之间的水平内连 线)所构成。对于双镶嵌结构，导电特征12可以为形成在下介电层10中的被填满铜的沟渠。在孔洞已经被蚀刻之后，一薄的共形阻障层(例如Ta/TaN) 是被镀覆(典型地是藉由^f兹控溅镀)至孔洞16的侧壁上，以及至上介电层14 的整个场区域表面上。接着， 一薄的共形铜晶种层被沉积在阻障层上，也 是典型地藉由磁控溅镀。之后，铜被电镀至孔洞16内与场区域上方。最后， 化学机械研磨(CMP)被利用来移除孔洞16外面的铜。光微影蚀刻步骤，甚至在光阻灰化之后，常常残余碳或氟碳聚合层18 于孔洞16的侧壁上，其是有利地能够达到高非等向性蚀刻，但是在蚀刻停 止后会残留。也会残余一蚀刻残余物20于沟渠底部，其是为蚀刻化学的碳、 硅与氟副产物的组合。再者，导电特征12中暴露的铜可能已经氧化成氧化 铜。又，灰化残余物22倾向于形成在孔洞16的唇部。若孔洞16底部的 蚀刻残余物20与氧化铜没有在金属化沉积之前阻障层沉积以先被移除，蚀 刻残余物20与氧化铜会增加接触电阻。聚合覆层18与灰化残余物22会 干扰阻障层至介电层14的键结，因此阻障层与铜介层洞结构在制造或操作 期间会分层(delaminate),造成了可靠度问题。是以，在阻障层沉积以先移 除残余物18、 20、 22与氧化铜是有需要的。就传统的氧化硅介电质而言，藉由在蚀刻与沉积步骤之间溅镀蚀刻经 图案化晶片以移除残余物来干式清洁晶片是普遍的。这样的溅镀蚀刻典型 地包括有高能量离子，高能量离子不会显著地影响相当硬的氧化硅介电质。 然而，低k介电层倾向于相当软。所以，溅镀蚀刻倾向于有害地蚀刻且劣 化低k介电层。一较软的的化学蚀刻可以利用一被产生在清洁腔室内且邻 近于晶片的氧等离子(即原位等离子)而被执行。对于早期型式的具有约3.7 介电常数k且非多孔性的低k介电质，此清洁制程已经被证明令人满意。 然而，对于大部分近期的具有约2.5介电常数k与大于10%孔隙度的超低 k膜，原位氧等离子已经被证明无法令人满意。所被相信的是，氧等离子 包括高比例的氧原子，该些氧原子被吸引至负自我偏压，其中该负自我偏 压形成在一暴露于等离子的漂浮体上。接着，氧离子撞击超低k膜，且具 有足够能量来破坏超低k膜。是以，此技术已经被发展出以一从远程等离 子源(remote plasma source, RPS)产生的氧等离子来清洁经图案化晶片， 如同Wood等人于美国专利公开案号2004/0219789中所揭示者。远程产生的等离子是强调电中性自由基；而原位等离子是强调带电荷离子。远程产生的氧等离子会发射许多中性且低能量氧自由基至晶片，其会氧化且与 不同的残余物发生化学反应以将其移除。然而，对于超低k介电材料，激化的氧已经被证明无法令人满意。介 电常数的降低常常是藉由介电材料中高孔隙度来获得。BDII介电层可以具 有超过10%(甚至高于30%)的孔隙度。因此，该些介电层不仅非常柔软， 该些介电层对于一氧化干式清洁也是极易反应的。此外，被并入介电质中 的氧倾向于产生比硅与碳键更极性的键，而增加了介电常数。是故，基于 还氧化学的干式清洁已经被发展出，其是使用例如远程产生的NH3 (参阅 授予Kropewnicki等人的美国专利US6,440，864)或相当高H2压力的等离 子。氢方式已经普及，但是结果依然无法完全令人满意。甚至氢等离子中 非常少量的水蒸气会显著地降低多孔性低k膜的厌水性质，且因而倾向于 增加了介电常数。甚至一纯氢等离子会倾向于增加介电常数。再者，合理 的蚀刻速率已经藉由增加腔室压力被达到，但是电源能力必须依循所增加 的压力。又，在更高的氢压力，来自远程等离子源而被离子化且泄漏入清 洁腔室的氢的比例会增加。氢离子倾向于被吸引至晶片，且我们相信该些 氢离子会破坏多孔性低k材料。发明内容本发明的 一态样是包括利用被远程等离子源产生的一氢自由基等离子 来等离子干式清洁一基材，特别是一包含大量碳的低k介电质且具有高孔 隙度。不需要包括有氧或水蒸气。较佳地，氢压力被维持在适度地低，例 如介于10与150 milliTorr之间，30 milliTorr为特别较佳的压力。替代性地，等离子可以包含氢与一惰性气体(较佳为氦)的组合物，氢 分压小于200 milliTorr且大于40 m川iTorr,总压力介于200与600 milliTorr 之间。远程等离子源与腔室之间的供应管是有利地包括一 陶瓷材料(例如氧 化铝)的介电质衬里。也有利地， 一离子过滤件被设置在远程等离子源与处 理腔室之间，以从等离子移除氢与其他离子。离子过滤件可以是一磁性过滤件，其产生一磁场横越供应管的轴。


图1为一阶层间内连线结构或介层洞的截面图。图2为可用于本发明的一远程等离子清洁腔室的截面图。图3为一图表，其绘示预清洁一低k介电质时的蚀刻速率与其均匀性，其为来自远程等离子源的氢压力的函数。图4为一磁性过滤件的轴向截面图，其被用在图2的远程等离子清洁 腔室内。图5为离子偏斜的图表，其中该离子偏斜是在磁性过滤件中荻得。 图6为使用与不使用离子过滤件的离子耗尽的图表，其中该离子耗尽 为深度的函数。图7为一长条图，其显示等离子预清洁时水接触角对于氢压力的依赖性。图8为根据本发明的两实施例的一图表，其绘示蚀刻速率与其非均匀 性对于氦浓度的依赖性图9为根据习知技术与本发明的数个实施例的等离子清洁一低k介电 质时介电常数增加的长条图。主要元件符号说明10下介电层12导电特征14上介电层16孔洞18碳或氟碳聚合层20蚀刻残余物22灰化残余物30远程等离子清洁腔室32真空腔室34真空唧筒系统36基座38晶片40气体喷洒头42穿孔44氢气源46质流控制器48氦气源50质流控制器52 远程等离子源56 气体岐管 62 磁铁54 供应管 58 岐管衬里 64 磁铁66 介电质村里具体实施方式
已经被观察到的是，来自远程等离子源(其基本上不存在有氧与水)的 非常低的压力或甚至氢分压是在干式清洁期间提供了可接受的且甚至良好 的蚀刻速率，并且显著地减少了介电常数增加。图2绘示的一远程等离子清洁腔室30是包括一真空腔室32,真空腔 室32是由一真空唧筒系统34来唧筒抽吸。 一位在真空腔室32内的基座 36是支撑一欲被清洁的晶片38,晶片38相对于一气体喷洒头40，气体 喷洒头40供应一制程气体通过许多穿孔42。基座36包括一加热器46， 以升高晶片38温度至所希望的蚀刻温度。根据本发明的一态样，制程气体 为纯氢气(H2)，或氢与氦(He)的组合物，其中该純氢气是从一氢气源44经 由一质流控制器46被供应，该组合物是从一氦气源48经由另一质流控制 器50被供应。 一远程等离子源52是接收气体，且将其激化成等离子。远 程等离子源52可以是一对电极，其被设置在一用于制程气体的输送管的相 对侧上，且被RF电源或输送管周围的RF诱导线圏或其他型式天线 (antenna)所驱动，虽然其他型式的等离子产生器是可行的。被激化的气体 是被输送经由一供应管54至位在喷洒头42后方的一气体岐管56。被激化 的气体因此可以经由喷洒头40被均匀地输送至正被清洁的晶片38。对于被形成在基材上的BDII介电质上方且于约300 。C在各种腔室压力 下被暴露至纯氢激化气体(其被激化于一远程等离子源中且被磁性地过滤 以形成一 中性激化气体)的光阻，光阻的蚀刻速率与蚀刻非均匀性被测量。 结果被绘制在图3。 250与400 milliTorr之间的结果是显示为何400 milliTorr先前是被建议为最佳的实施条件，这是因为光阻蚀刻速率是与在 该范围内氢压力成比例地改善了 (如同所被预期者)，并且非均匀性相当恒 定。甚至更高的压力可能提供更佳的结果，但是需要极大的电源供应。再者，更高的压力有可能会增加氬离子泄漏与其他带电荷微粒进入制程区域。 令人惊讶地，蚀刻速率依赖氢压力时，测试是显示出一双尖峰结构。在250milliTorr以下，蚀刻速率开始随着减低的压力而增加，且在其下降之前抵 达一在非常低压力(very low-pressure, VLP)范围中的约40 milliTorr的尖 峰。此外，在低于约250 milliTorr,非均匀性持续地减小。根据制程与腔 室条件的细节而定，有利的氢压力是被相信位在10至150 milliTorr的范围 内，较佳为介于20至120 milliTorr之间。然而，本发明不被限制在这些范 围。所被相信的是，较低的尖峰形成自自由基H^产生与hr再结合成中性H2之间的竟争。在较低的尖峰以下，对应至用于再结合的平均自由径，再结合是可忽略的，并且hr产生细随着增加的压力而增加。在高于较低尖峰 以上的增加的压力，hr再结合成H2的增加是超过任何在HP产生的增加。先进介电膜(例如Black Diamond)的低介电常数是至少部分地藉由增 加的碳比例来产生。在习知技术中等离子清洁产生的有害的增加介电常数， 是被相信由碳耗尽所造成(尤其是在介电质的表面)。在过去，氢离子H+对于粗糙氧化硅介电质是令人满意的等离子清洁试 剂。然而，甚至发展在一漂浮基座16上的自我偏压是足以加速氢离子至足 够能量，以破坏低k介电质。在本发明的一态样中， 一磁性离子过滤件(其 额外地被绘示在图4的截面图中)是被设置在远程等离子源52与喷洒头40 之间。离子过滤件包括两个水平相对的永久磁铁62、 64,该两磁铁62、 64被置放在供应管54的相对侧上，以产生一水平磁场B,磁场B在该两 此铁之间延伸而垂直于供应管54的轴。较佳地，磁铁62、 64(或是构成一 有效组合磁铁的多个磁铁)具有足够的横向宽度，使得其磁场在越过垂直于 场方向的供应管54尺寸时是基本上恒定。磁场是在沿着供应管54而流经 供应管54的氢离子上建立一洛伦兹力(Lorentz force),藉此将该些氢离子 偏斜至供应管54的壁，其为氢离子被吸收或至少被中性化的处。在一些情 况下，离子被捕获在磁场线上，且在此处中性化或飘移至壁。图5是说明 了转向力，其对于5与10 eV动能的氢与氧被测量为回旋半径R，其中回 旋半径R为所施加^f兹场B的函数。一 3 x 2 ^f兹铁阵列被估计在供应管54的边缘可以建立一 500高斯的》兹场，且在供应管54的中心可以建立一 650 高斯的,兹场。磁性过滤件已经被发现到对于移除约99%的从远程等离子源 52所泄漏的带电荷微粒是有效的。另一方面，中性氢自由基HT不受磁场 影响，且持续随着气体飘移至岐管56且接着排出喷洒头40的穿孔42。氢 自由基形成了一激化的但是中性的气体，且不会技术上地构成一包含离子 与电子的等离子。可以使用其他离子过滤件，例如静电偏斜器(electrostatic deflector)。然而，自由基倾向于短寿命，这是因为自由基具有大的截面且倾向于 再结合。自由基寿命可以藉由在供应管54内设置一管状介电质衬里66而 被显著地增加，如图2所示，其中该供应管54是由远程等离子源52延伸 至岐管56。自由站立的介电质衬里66可以由例如石英(Si02)或氧化铝 (Al203)来构成。有利地，当腔室盖子被开启以进行维护时，介电质衬里66 可以从底部被移除，而不肖拆解远程等离子源52或离子过滤件或盖子的剩 下部件。同样的理由，喷洒头40与岐管衬里58可以由介电质来构成，例如氧 化铝或更佳者为石英。X射线光谱学是被用来测量碳含量，其为在200 nm厚度Black Diamondll (BDII)介电膜的深度的函数。在第一测试中，BDII介电膜是在 沉积后且在等离子清洁前被探测。图6绘示的线70是显示出，未被处理的 膜具有在其主体上约20 at。/。的碳含量，而上升至在其表面处约30 at%。 在第二测试中， 一远程等离子源被用来清洁BDII膜，但是不使用磁性过滤 件。线72是显示出主体几乎没有耗尽，但是碳在表面处是显著地被耗尽。 在第三测试中，磁性过滤件被启动。线74是显示出，磁性过滤件基本上减 少了碳的表面耗尽。减少的碳耗尽是有助于解释碳为主低k介电质中减少 的介电常数增加，当其根据本发明的 一态样被预清洁时。相关的测试涉及了以富立叶转换红外线(Fourier-transform infrared, FTIR)光镨学来探测BDII介电膜。碳含量是由对应至Si-C键共振的1276 cm-1波数处的讯号来监测。不使用磁性过滤件时，光谱在1276 crr^于讯 号中显示一下跌，指出了碳耗尽。使用磁性过滤件时，下跌基本上被减少，其与减少的碳耗尽一致。另外一连串的测试是测量BDIIx膜形成之后、以高压氢(400 m川iTorr) 等离子清洁之后、以及以低压氢(30 milliTorr)等离子清洁之后无任何处理的 其水接触角。低的水接触角是显示出材料是较亲水性的，即吸引水。亲水 的膜被预期会呈现对于水分破坏的劣等阻抗性，其被相信是导因自水分子 的高极性。图7的长条图结果证明了，低压氢的等离子清洁具有小的接触 角降低，但是高压氢的等离子清洁具有大的接触角降低。换句话说，结果 意味着，在低氢压力时可以减小水分破坏。似乎氢分压为低压氢等离子预清洁的有效性的一测试方式。在BDIIx 介电膜上蚀刻速率与其非均匀性是在30与40 milliTorr腔室压力而具有纯 氢与三种氢及氦混合物(更详细地说为50%、 70%与95%的氦)下被测量。 图8的结果显示了， 70。/。He(即120 m川iTorr氢分压)的蚀刻速率在400 milliTorr时是基本上大于95。/。He,且在30 milliTorr时是基本上大于0%He, 且在400 m川iTorr时是基本上大于50%He。这些结果可以被外插到在200 至600 milliTorr的氦/氬总压力中所希望30至200 m川iTorr的氢分压的范 围(或者50至92%氦)。 一较窄的范围为300至500 m川iTorr的氦/氢总压 力中80至150 milliTorr的氬分压。然而，本发明不必被限制在这些范围。 所被推测的是，额外的氦吸收在腔室壁上且避免自由基被吸附在该处，或 者氦减少了自由基之间的碰撞与其再结合或与氩交互作用的氦介稳定状 态。所被了解的是，氬与氦的混合物是从一结合源被供应，尤其是因为纯 氢是被认为特别有害的。其他惰性气体(例如氖或氩)提供了氦的一些益处，但是氦被相信是相 关于等离子清洁低k介电质为最有效的气体。具有介电常数2.5且被各种方法预清洁的BDIIx膜的介电常数变化是 被测量。这些结果显示在图9的长条图中。原位(/7 s/ i/)结果为一比较性测 试，其使用95。/。He与5。/。H2的原位等离子且显示大于10%的劣化。对于 来自远程等离子源的400 milliTorr氢等离子，结果显示大于1%的劣化。 对于来自远程等离子源的30 milliTorr纯H2与400 milliTorr30% H2及 70%He,结果显示介电常数基本上没有变化。是以，不仅远程产生的氢等离子对于预清洁低k介电膜比原位等离子更佳，减少的氢压力或分压也基本上减少，若不忽略介电常数增加。虽然本发明已经藉由参照图2的预清洁腔室而被叙述，本发明可以被 实施在其他型式的腔室中，例如不需要包含喷洒头的腔室。再者，预清洁 腔室不需要是一专用的腔室，其可以结合于其他腔室(例如用在蚀刻如阶层 间介电质蚀刻、化学气相沉积或溅镀的腔室)，因而多个操作可以被执行在 同一腔室内。又，本发明不需要被限制在预清洁多孔性低k介电质上的光 阻残余物，本发明可以被用在其他型式的软还原蚀刻。因此，本发明藉由增加蚀刻速率与减少介电质劣化且小幅改变硬体而 改善了易碎低k介电质的等离子清洁。
权利要求
1.一种等离子处理包含一介电层的基材的方法，其至少包含下列步骤设置该基材于一真空腔室中，该真空腔室接附至一远程等离子源；将一还原处理气体流动通过该远程等离子源且因而进入该腔室内，气体混合物包含氢且基本上不包含氧或水；以及维持该腔室内一压力，使得该腔室内的氢分压小于150milliTorr且大于10milliTorr。
2. 如权利要求1所述的方法，其中该氢分压不大于120 milliTorr且大 于20 milliTorr。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中该处理气体基本上由氩所构成。
4. 如权利要求1或2所述的方法，其中该处理气体基本上由氢与氦所 构成。
5. 如权利要求1或2所述的方法，更包含过滤掉从该远程等离子源被 输送至该真空腔室的离子。
6. 如权利要求1或2所述的方法，其中该介电层包含至少20at。/o碳， 且具有至少10%的孔隙度。
7. 如权利要求1或2所迷的方法，其中该介电层具有不大于2.5的介 电常数。
8. 如权利要求1或2所述的方法，更包含过滤掉来自该远程等离子源 的输出的离子。
9. 一种等离子处理一基材的方法，其至少包含下列步骤 设置该基材于一真空腔室中，该真空腔室接附至一远程等离子源；以及将一还原处理气体流动通过该远程等离子源且因而进入该真空腔室 内，该处理气体包含氢与一惰性气体且基本上不包含氧或水。
10. 如权利要求9所述的方法，其中该惰性气体为氦。
11. 如权利要求10所述的方法，其中该处理气体基本上由氢与氦所构成。
12. 如权利要求9至11项中任一所述的方法，更包含维持该真空腔室 中总压力介于200与600 milliTorr之间。
13. 如权利要求12所迷的方法，更包含维持该真空腔室中氢分压介于 40与200 m川iTorr之间。
14. 如权利要求12所迷的方法，其中总压力被维持在介于300与500 milliTorr之间。
15. 如权利要求14所述的方法，其中氢分压被维持在介于80与150 mi川Torr之间。
16. —种等离子清洁腔室，其至少包含 真空腔室，其包括一基座以支撑欲被清洁的基材； 介电质喷洒头，其位在该基座的对面； 远程等离子源；输送管，其连接该远程等离子源的输出至该喷洒头，且包括一可移除的介电质衬里；离子过滤件，其设置在该输送管上；以及 氢气源，其用于该远程等离子源。
17. 如权利要求16所述的腔室，其中该离子过滤件包含一磁铁组件， 该磁铁组件产生一磁场横越该输送管的一轴，该磁场足以将氢离子偏斜朝 向该输送管的一壁。
18. 如权利要求16所述的腔室，更包含一氦气源，其用于该远程等离 子源。
19. 如权利要求16所述的腔室，其中该介电质衬里包含氧化铝，且该 喷洒头包含石英。
20. 如权利要求16所述的腔室，更包含一第二介电质衬里，其内衬在 该喷洒头的一岐管。
全文摘要
本发明揭示一种等离子清洁方法，其对于在溅镀沉积之前从一具有高碳含量的多孔性低k介电质移除光阻与氧化物残余物是特别有用。一远程等离子源(52)产生一主要为氢自由基H^*的等离子。氢压力可以被维持非常低，例如30milliTorr。选择性地，氦可以被添加至处理气体，而使氢分压被保持在低于150milliTorr。在400milliTorr的氢与氦中，70％氦可以获得良好结果。较佳地，一离子过滤件例如磁性过滤件(62，64)从远程等离子源的输出移除氢与其他离子，并且一来自远程等离子源的供应管(54)是包括一可移除的介电质衬里(66)，供应管(54)与介电质喷洒头(40)及岐管衬里(58)形成组合。
文档编号B08B3/00GK101227984SQ200680027047
公开日2008年7月23日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年1月17日
发明者A·巴特纳格尔, J·于, J·福斯特, P·高普拉佳, X·福 申请人:应用材料股份有限公司