改善低k叠层之间粘附性的界面工程的制作方法

专利名称：改善低k叠层之间粘附性的界面工程的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式一般性地涉及集成电路的制造。更具体地，本发明 的实施方式涉及在衬底上沉积有机硅酸盐层的方法。
背景技术：
在集成电路的制造中，等离子体工艺被越来越多地用来取代热工艺。 与热处理相比，等离子体处理具有若干个优点。例如，等离子体增强化学
气相沉积(PECVD)可使沉积工艺在大大低于类似的热工艺所需温度的温 度下进行。对于热预算要求严格的工艺，例如在特大规模或超大规模集成 电路(VLSI或ULSI)器件制造中，这是有利的。
然而，集成电路制造中的等离子体处理所遇到的一个问题是，由于器 件暴露于非均匀的等离子体条件，例如通过改变工艺条件所引起的电场梯 度，会发生器件损坏。尽管器件损坏的易发性或程度通常至少部分地依赖 于器件制造的阶段和器件类型，但是器件的很多种类型和许多个阶段均会 遭受等离子体致损坏(PID)。例如，由于表面电荷的积累以及在处理过 程中形成电势梯度，其上沉积有阻挡层或电介质层的衬底更容易受到 PID。此外，随着器件尺寸变得越来越小并且电介质层变得越来越薄，器 件越来越容易受到PID。
为了进一步减小集成电路上的器件尺寸，需要使用低电阻率的导电材 料和低介电常数(低k)的绝缘体，以减少相邻金属线之间的电容耦合。 形成低k电介质层的方法包括将有机硅酸盐前驱体气体进行PECVD以形 成有机硅酸盐电介质层，例如掺杂碳的氧化硅膜。本领域的一个挑战是开 发具有低k值而且对下方的衬底或相邻的电介质扩散阻挡层材料呈现出期 望的粘附性质的掺杂碳的氧化硅电介质膜，其中电介质扩散阻挡层材料包 括硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、掺杂氧的碳化硅、钛、氮化钛、钽、
氮化钽、钨、铝、铜及其组合。粘附性不够可能导致低k电介质层从下方 衬底层离以及器件的潜在失效。 一种提高掺杂碳的氧化硅膜的方法是在掺 杂碳的氧化硅层与下方的阻挡层之间插入氧化硅薄膜。然而，该氧化硅薄 层必须是组合的电介质膜的一小部分，以保持介电常数的明显下降。此 外，在沉积掺杂碳的氧化硅层之前沉积氧化硅薄层较大地增加了处理时 间，除非这些层在相同的室内顺序沉积。当沉积条件变化时，顺序沉积导 致等离子体电弧放电。等离子体电弧放电损坏了衬底表面并有效地抵消了 在相同的室中沉积氧化硅薄膜和掺杂碳的氧化硅层的优点。
因此，需要一种沉积对下方衬底具有高粘附强度的有机硅酸盐电介质 层而不存在等离子体电弧放电的工艺。

发明内容
本发明一般性地提供了沉积有机硅酸盐电介质层的方法，该方法包 括在不存在等离子体电弧放电的条件下，在相同的处理室中顺序沉积具 有低碳含量的氧化硅层和具有低介电常数的掺杂碳的氧化硅层。在一种实 施方式中，沉积有机硅酸盐电介质层的方法包括在第一沉积条件(其
中，对通电电极(例如喷淋头)施加高频RF (HFRF)偏压)下，使包含
一种或更多种有机硅化合物和一种或更多种氧化气体的界面气体混合物通
过气体分布板(例如喷淋头)，流至衬底表面，以沉积碳含量小于约3原 子％的氧化硅界面层；然后在将过渡层沉积在所述界面层上的同时，提高 所述一种或更多种有机硅化合物的流率；然后流入最终气体混合物，以沉 积碳含量为至少10原子％的掺杂碳的氧化硅层。本文所述的改变工艺条件 实质上是在处理过程中将所述通电电极的DC偏压的变化减小到小于60伏 特。
在另一种实施方式中，沉积有机硅酸盐电介质层的方法包括在提高 所述一种或更多种有机硅化合物(例如OMCTS、 TMCTS)的流率的同 时，增大低频RF (LFRF)功率，以在其间沉积所述过渡层。在一个方 面，LFRF功率以约15-45 W/sec的递增速率增大。在另一个方面，有机硅 化合物是八甲基环四硅氧烷(OMCTS)，并且OMCTS的流率是以约
300-5000 mg/min/sec的递增速率提高。
在另一种实施方式中，沉积有机硅酸盐电介质层的方法包括在包括
对气体分布板施加的HFRF偏压的第一沉积条件下，使包含一定流率的八 甲基环四硅氧烷(OMCTS)和一定流率的氧气(OMCTS:02的摩尔流率比 小于约0.1)的界面气体混合物通过所述气体分布板流至衬底表面，以沉 积碳含量小于约1原子％的氧化硅界面层；然后在以约15-45 W/sec的递增 速率增大对所述气体分布板施加的LFRF功率的同时，以约300-5000 mg/min/sec的递增速率提高OMCTS的流率，以在所述界面层上沉积过渡 层，其中所述气体分布板的DC偏压变化小于60伏特；然后流入最终气体 混合物，以沉积碳含量为至少10原子％的掺杂碳的氧化硅层。


为了能够详细理解本发明的上述特点，以下通过参考附图所示的实施 方式对本发明进行更具体的描述。然而应当注意到，附图仅说明了本发明 的典型实施方式，因而不应看作是对其范围的限制，本发明可容许其他等 同有效的实施方式。
图1为示出了根据本发明的一种实施方式的第一种方法的工艺流程
图2为根据本发明的实施方式形成的有机硅酸盐电介质层的剖面图3为可用于实施本发明的实施方式的示例性处理室的剖面图4为示出了根据本发明的另一种实施方式的第二种方法的工艺流程
图5为示出了根据本发明的另一种实施方式的第三种方法的工艺流程
图6示出了粘附能(J/m2)作为OMCTS:02的摩尔流率比的函数的关
系；
图7示出了 OMCTS:02的摩尔流率比的提高增大了沉积层的碳含量； 图8为表明在本发明的一种实施方式中得到的DC偏压变化小于30伏 特的DC偏压曲线。
发明详述
本发明的实施方式提供了在不存在电弧放电的条件下沉积对下方的衬 底、含碳氧化硅层和碳化硅层具有高粘附强度的有机硅酸盐电介质层。通 常，在沉积有机硅电介质层的过程中改变一种或多种工艺条件，以使对衬 底的等离子体致损坏(PID)最小化。
在一种实施方式中，沉积具有高粘附强度的有机硅酸盐电介质层的方 法包括在将有机硅电介质层沉积在设置在处理室中的衬底上时，改变处 理室中的处理气体的组成，以使对衬底的PID最小化。在沉积过程中改变 处理气体的组成可以提供具有经组成改性的初始层(即，界面层或起始 层)的有机硅酸盐电介质层，从而提供对下方衬底的良好粘附性。
图1为示出了根据本发明的第一种实施方式沉积有机硅酸盐电介质层
的方法的工艺流程图。在步骤101中，将衬底定位在能够进行PECVD的 处理室中的衬底支座上。在步骤103中，将组成包括一种或更多种有机硅 化合物和一种或更多种氧化气体的界面气体混合物通过气体分布板(例如 喷淋头)引入处理室。在步骤105中，对电极(例如所述喷淋头)施加高 频射频(HFRF)功率，从而在处理室中提供等离子体处理条件。在HFRF 的存在下，界面气体混合物在处理室中反应，以沉积与下方衬底牢固粘附 的界面层，所述界面层包括碳含量小于3原子％、优选小于1原子％ (不 包括氢)的氧化硅层。在步骤107中，在HFRF功率的存在下，以约300-5000 mg/min/sec的递增速率提高所述一种或更多种有机硅化合物的流率， 以沉积过渡层，直至得到预定的最终气体混合物。为了避免PID，进行流 率递增速率条件，以使气体分布板的DC偏压变化小于60伏特，优选小于 30伏特。在得到预定的最终气体混合物之后，在HFRF功率的存在下，组 成包括所述一种或更多种有机硅化合物的最终气体混合物在处理室中反 应，以沉积包括碳含量为至少10原子％的掺杂碳的氧化硅层的最终层。在 步骤111中，终止HFRF功率。在HFRP功率终止过程中，例如通过不开 启室节流阀来保持室压力。
图2示意性地示出了根据本发明的实施方式形成的有机硅酸盐电介质
层的剖面图。有机硅酸盐电介质层210被沉积在下方层(例如阻挡层)
220上，该下方层位于设置在能够进行PECVD的处理室中的衬底的表 面。形成包含一定流率的一种或更多种有机硅化合物的界面气体混合物的 等离子体，以沉积碳含量小于3原子％、优选小于1原子％并且与下方层 220牢固粘附的氧化硅界面层230，如以上关于图1的步骤103和105所 述。界面层230被沉积至约5-100 A、优选约20-60 A的厚度。在沉积界面 层230之后，将所述一种或更多种有机硅化合物的流率逐步增加至预定的 最终气体混合物，以使气体分布板的DC偏压的变化小于60伏特，从而避 免PID。在逐步增加所述一种或更多种有机硅化合物的流率的同时，将过 渡层240沉积在界面层230上，如以上关于图1的步骤107所述。随着沉 积进行，碳浓度增大，同时气体混合物的组成在沉积过渡层的过程中变化 直至得到最终气体混合物。过渡层240被沉积至约10-300 A、优选约100-200 A的厚度。在达到最终气体混合物组成之后，形成包含一定流率的一 种或更多种有机硅化合物的最终气体混合物的等离子体，以沉积碳含量为 至少约10原子％的掺杂碳的氧化硅层250，直至期望的厚度，如上关于图 1的步骤109所述。优选地，掺杂碳的氧化硅层250包含的碳浓度范围为 约10-40原子％，更优选约20-30原子％。掺杂碳的氧化硅层250被沉积至 约200-10000 A的厚度，直到HFRF功率在步骤111中终止。通过膜结构 的元素分析确定沉积层的碳含量。碳含量由沉积膜中的碳原子百分比表 示，所述百分比不考虑难以定量的氢原子。例如，对于具有平均一个硅原 子、 一个氧原子、 一个碳原子和两个氢原子的膜，其碳含量为20原子％ (一个碳原子/总共五个原子)，或者，碳含量为33原子％ (除氢原子之 外)(一个碳原子/总共三个原子)。
图3示出了用于沉积掺杂碳的氧化硅层的化学气相沉积(CVD)室 300的剖面示意图。此图是以应用材料公司目前制造的Prcduce,室的特征 为基础。Producer CVD室(200 mm或300 mm)具有两个独立的处理 区，可用于沉积掺杂碳的硅氧化物和其它材料。具有两个独立处理区的室 在美国专利No. 5855681 (通过引用结合在本文中)中有所描述。
室300具有限定独立处理区318、 320的室体302。每个处理区318、
320具有支座328，用于在室300中支撑衬底(未示出)。支座328通常包 括加热元件(未示出)。优选地，支座328通过柱杆326可移动地设置在 每个处理区318、 320中，柱杆326延伸通过室体302的底部，其与驱动系 统303相连接。支座328内部优选具有可移动的提升销(未示出)，从而 与衬底的下表面接合。提升销与提升机构(未示出)结合，以在处理前接 收衬底，或在沉积后提升衬底以转移至下一个工作台。
每个处理区318、 320还优选包括穿过室盖304设置的气体分布组件 308，以将气体输送至处理区318、 320中。每个处理区的气体分布组件 308通常包括穿过歧管348的进气通道340，以将来自气体分布歧管319的 气体输送通过阻挡板346然后通过喷淋头342。喷淋头342包括多个喷嘴 (未示出)，在处理过程中，气体混合物通过这些喷嘴喷射。RF (射频) 源325向喷淋头342提供偏压，以促进在喷淋头与支座328之间产生等离 子体。在等离子体增强化学气相沉积工艺中，支座328可以作为在室体 302内产生RF偏压的阴极。阴极与电极功率源电耦合，以在沉积室300中 产生电容性电场。通常，对阴极施加RF电压，而将室体302电接地。施 加至支座328的功率生成了以衬底上表面的负电压形式的衬底偏压。此负 电压用于将室300中形成的等离子体的离子吸引到衬底的上表面。电容性 电场形成了偏压，该偏压加速感应形成的等离子体物质朝向衬底，以使沉 积过程中的衬底成膜和清洁过程中的衬底蚀刻具有更垂直定向的各向异 性。
在处理过程中，处理气体在整个衬底表面沿径向均匀分布。通过对作 为通电电极的喷淋头342施加RF功率源325的RF能量，由一种或更多种 处理气体或气体混合物形成等离子体。当衬底暴露于等离子体并且在其中 提供反应性气体时，发生膜的沉积。室壁312通常接地。RP功率源325可 以向喷淋头346供给单频或混频RF信号，以促进被引入处理区318、 320
的任何气体的分解。
系统控制器334控制各个部件(例如RP功率源325、驱动系统303、 提升机构、气体分布歧管319)的功能以及其它相关的室功能和/或处理功 能。系统控制器334执行存储在存储器338 (在优选实施方式中为硬盘驱
动器)的系统控制软件，并可包括模拟和数字输入/输出板、界面板和步进 电动机控制器板。通常使用光传感器和/或磁传感器来移动和确定可移动机 械组件的位置。
上述对CVD系统的描述主要用于说明性目的，也可以采用其它等离 子体处理室来实施本发明。
图4为示出了可使用如图3所示的处理室来进行的本发明的第二种实 施方式的工艺流程图。在图4所示的实施方式中，引入了在沉积期间提供 LFRF功率的附加步骤，从而调节有机硅酸盐电介质层的应力。本工艺开 始于步骤401，将衬底定位在能够进行PECVD的处理室中的衬底支座 上。在步骤403中，通过喷淋头将组成包括一定流率的一种或更多种有机 硅化合物和一定流率的一种或更多种氧化气体的界面气体混合物引入室 中。在步骤405中，对喷淋头施加HFRF功率，以在室中提供等离子体处 理条件。在施加于喷淋头的HFRF的存在下，界面气体混合物在室中反 应，以沉积与下方衬底牢固粘附的界面层，所述界面层包括碳含量小于3 原子％、优选小于1原子％的氧化硅层。在步骤407中，以约300-5000 mg/min/sec的递增速率提高所述一种或更多种有机硅化合物的流率，直至 得到预定的最终气体混合物。在HFRF的存在下提高所述一种或更多种有 机硅化合物的流率，而同时在步骤409将LFRF功率从约0 W的初始设定 值提高到在步骤411中沉积最终层时使用的最终设定值。
改变工艺的沉积条件(例如，气体混合物组成、RF频率和功率)， 以确保喷淋头的DC偏压的变化小于60伏特，从而避免PID。 LFRF功率 的递增速率优选为约15-45 W/sec。在步骤411得到预定的最终气体混合物 之后，在HFRF和LFRF功率的存在下，最终气体混合物在室中反应，以 沉积包括碳含量为至少10原子％的掺杂碳的氧化硅层的最终层。在此步骤 中，LFRF功率的最终设定值可为约80-200 W，优选小于约160 W，更优 选约125 W。在步骤413中，在将有机硅酸盐电介质层沉积至期望厚度之 后，终止HFRF禾n LFRP功率。在HFRF禾n LFRF功率终止时保持室压 力。
可选地，步骤105-111和步骤403-411包括在沉积过程中，在处理
室中，改变衬底与气体歧管(例如喷淋头或气体分布板)之间的距离。在 RF功率的存在下改变气体歧管与衬底之间的体积更全面地描述在2003年
8月20日提交的美国专利申请No. 10/645675 (通过引用结合在本文中) 中。
沉积有机硅酸盐层的前驱体和处理条件
在本文描述的任何实施方式中，有机硅酸盐电介质层是由包含有机硅 化合物的处理气体混合物沉积的。有机硅酸盐层可用作电介质层。电介质 层可在器件内的不同层使用。例如，电介质层可用作前金属电介质层、金 属间电介质层和栅极电介质层。有机硅酸盐层优选为低k电介质层，即其 介电常数小于约3.0。
各种处理气体混合物可用于沉积有机硅酸盐电介质层，下面提供了这 样的气体混合物的非限制性实例。通常，气体混合物包含一种或更多种有 机硅化合物(例如，第一和第二有机硅化合物)、载气和氧化气体。不应 对这些组分进行限制性解释，因为气体混合物还可以包含其它组分，例如 烃(如脂族烃)。
本文所用术语"有机硅化合物"意指包含有机基团的碳原子的含硅化 合物。有机硅化合物可以包括一种或更多种环状有机硅化合物、 一种或更 多种脂族有机硅化合物，或其组合。某些示例性的有机硅化合物包括四甲 基环四硅氧垸(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、五甲基环五 硅氧垸、六甲基环三硅氧垸、二乙氧基甲基硅烷(DEMS) 、 二甲基二硅 氧烷、四硅烷-2，6-二氧-4，8-二亚甲基、四甲基二硅氧垸、六甲基二硅氧烷 (HMDS) 、 1，3-二(硅烷亚甲基)二硅氧烷、二(l-甲基二硅氧烷基)甲烷、 二(l-甲基二硅氧烷基)丙烷、六甲氧基二硅氧垸(HMDOS) 、 二甲基二甲 氧基硅垸(DMDMOS)和二甲氧基甲基乙烯基硅垸(DMMVS)，或其衍 生物。可以以约100-3500 sccm、优选约500-3000 sccm的流率将所述一种 或更多种有机硅化合物弓I入处理室。
气体混合物可选地包含一种或更多种载气。通常， 一种或更多种载气 与所述一种或更多种有机硅混合物一起被引入处理室。可以使用的载气的
实例包括氦、氩、二氧化碳及其组合。部分地依赖于室内部尺寸，可以以
小于约20000 sccm的流率将所述一种或更多种载气引入处理室。优选地， 载气流率为约500-1500 sccm，更优选约1000 sccm。在某些工艺中，在引 入反应性处理气体之前，使例如氦或氩的惰性气体进入处理室，以稳定室 中的压力。
气体混合物还包含一种或更多种氧化气体。合适的氧化气体包括氧 (02)、臭氧(03)、氧化亚氮(N20)、 一氧化碳(CO) 、 二氧化碳 (C02)及其组合。部分地依赖于室内部尺寸，氧化气体的流率可为约 100-3000 sccm。通常，氧化气体的流率为约100-1000 sccm。氧或含氧混 合物可在进入沉积室之前在微波室中发生解离，和/或在处理室内通过对处 理气体施加的RF功率发生解离。
通常，在沉积期间，通过如图3所示使用RF功率源325对喷淋头施 加的RF能量，在室中邻近衬底处形成受控等离子体。或者，可对衬底支 座提供RF功率。可以使用高频RP (HFRF)功率及低频RF (LFRF)功 率(例如，双频RF)、恒定RF、脉冲RF或者任何其它已知的或待发现 的等离子体产生技术来生成等离子体。RF功率源325可以供给约5-300 MHz的单频HFRP。此外，RF功率源还可供给约300 Hz-1000 kHz的单频 LFRF，从而供给混频(HFRF和LFRF)，以促进被引入处理室的反应性 物质分解。RF功率可以是周期性的或脉冲的，以减少对衬底的加热并使 沉积膜的孔隙率更大。合适的HFRF功率可为约10-5000 W，优选约200-800 W。合适的LFRF功率可为约0-5000 W，优选约0-200 W。
在沉积期间，衬底被保持在约-20-50(TC的温度，优选约100-450°C。 沉积压力通常为约1-20 Torr，优选约4-7 Torr。沉积速率通常为约2000-20000 A/min。
图5为可使用如图3所示的处理室来进行的本发明的第三种实施方式 的工艺流程图。在图5所示的实施方式中，按照图4所述的方法沉积有机 硅酸盐电介质层，只是将OMCTS用作有机硅化合物，氧用作氧化气体并 且氦用作载气。该工艺开始于步骤501，将衬底定位在能够进行PECVD 的处理室中的衬底支座上。在步骤503中，通过气体分布歧管将
0MCTS:02摩尔流率比为约0.05-0.1的界面气体混合物以及氦引入处理 室。在步骤505中，启动HFRF功率并对气体分布歧管施加，以在处理室 中提供等离子体处理条件。在HFRF的存在下，界面气体混合物在室中反 应，以沉积包括碳含量小于1原子％的氧化硅层的界面层。该界面层与下 方衬底牢固粘附。在步骤507中，以约300-5000 mg/min/sec的递增速率提 高OMCTS的流率，直至达到预定的最终设定的OMCTS流率值。在 HFRF的存在下提高OMCTS的流率，而同时在步骤509将LFRF功率从约 0 W的初始设定值提高到在步骤511中沉积最终层时使用的最终设定值。
改变工艺的沉积条件(例如，气体混合物组成、RP频率和功率)， 以确保气体分布歧管的DC偏压的变化小于60伏特，从而避免PID。 LFRF功率的递增速率优选为约15-45 W/sec。在步骤511达到预定的最终 设定的OMCTS流率值之后，在HFRF和LFRF功率的存在下，组成包括 以最终设定流率值的OMCTS的最终气体混合物在室中反应，以沉积包括 碳含量为至少10原子％的掺杂碳的氧化硅层的最终层。在此步骤中， LFRF功率的最终设定值可为约80-200 W，优选小于约160 W，更优选约 125 W。载气(例如氦)的流率优选不变以减小DC偏压的变化，但如果 DC偏压的变化小于60 V，则载气流率可以改变。在步骤513中，在将有 机硅酸盐电介质层沉积至期望厚度之后，终止HFRF和LFRF功率。在 HFRP和LFRF功率终止时保持室压力。
低k有机硅酸盐电介质层对下方的衬底或阻挡层的粘附性取决于界面 层对下方层的粘附强度。为了得到具有高粘附强度的界面层，界面层应当 富含氧化物，并具有极少量或不存在C-H或-CH3端键。换言之，界面层包 含的Si-CH3或C-H键与Si-O键的比例应当小于0.001。 -CEb端键的抑制 依赖于界面层沉积时的气体混合物组成。特别地，可以将有机硅前驱体与 氧化气体的摩尔流率之比改变为预先确定足够的比例，从而沉积具有最少-CH3端键和高粘附能的界面层。
图6示出了粘附能(J/m2)作为OMCTS:02的摩尔流率比的函数的关 系。使用四点弯曲技术测定粘附能。因此，为了沉积具有良好粘附强度的 低k有机硅酸盐电介质层，第一气体混合物的第一组成包括OMCTS和
氧，OMCTS与02的摩尔流率比应当小于约0.15，优选小于约0.10，相对 应的OMCTS与O2的流率比小于约2.0OMCTS (mg/min) / 02 (sccm)， 优选小于约1.3 OMCTS (mg/min) / 02 (sccm)。图7示出了 Si-CII3与 Si-O键的比例以及OMCTS与02的摩尔流率比之间的关系。如图5的方法 的步骤503和505所述，保持OMCTS:02摩尔流率比小于0.1，可以提供 碳含量小于1原子％的有机硅酸盐电介质层的界面层。
在其它实施方式中，除了在沉积有机硅酸盐电介质层的过程中改变气 体混合物的组成和LFRF以外，在沉积界面层之前(即，在图1的步骤 103之前)，优选将HFRF功率从0 W受控递增至用于沉积界面层的初始 设定值(例如，约500 W)。递增速率可为小于约300 W/sec，优选小于 约200 W/sec，更优选小于约100 W/sec。在另一种实施方式中，RF功率 还可以在开始沉积初始层之后递减，从而降低初始层的沉积速率，即初始 层的厚度。
在其它实施方式中，在沉积界面层之前，优选将惰性气体和氧化气体 的流率稳定在初始设定值(例如，He为1000 sccm， 02为700 sccm)，从 而避免处理气体流率不稳定。在另一种实施方式中，可以以约100-200 mg/min的流率将所述一种或更多种有机硅酸盐的前驱体气体引入处理室， 从而准备好液体输送线以及避免流率不稳定。在沉积期间，有机硅酸盐前 驱体气体流率可以以约200-5000 mg/min/sec、优选约300-600 mg/min/scc 的递增速率提高，直至达到用于随后沉积有机硅酸盐电介质层的最终层的 最终设定值，从而进一步避免流率不稳定和对衬底的潜在PID损坏。
按上述方法，将处理气体逐步引入处理室，并以特定递增或递减速率 的可控方式改变其值，以及可选地改变RF功率，不仅提供了对下方衬底 具有增强的粘附强度的电介质层，而且改善了用于使对衬底的潜在PID损 坏最小化的等离子体的稳定性和均匀性。
在膜沉积之后，可将有机硅酸盐电介质层后处理，例如，用热、电子 束和UV曝光固化。层的后处理为膜网络供给能量，以挥发和去除膜网络 中的至少一部分有机基团(例如有机环基)，从而得到具有低介电常数的 孔隙率更大的膜网络。 实施例
按照以上图5所述的实施方式将有机硅酸盐电介质层沉积在衬底上。
在可从加利福尼亚，Santa Clara的应用材料公司获得的PRODUCER系统 上使用PECVD室(即，CVD室)沉积这些膜。在沉积过程中，室压力保 持在约4.5 Torr，衬底温度保持在约350°C 。
将衬底定位在设置在处理室中的衬底支座上。将用于界面层的含有组 成为1000 seem的氦和700 seem的氧的惰性气体的气体混合物引入处理 室，并在启动HFRF功率前稳定流率。然后，对喷淋头施加约500 W的 HFRF功率，以形成组成包括流率为约700 mg/min的OMCTS的界面处理 气体混合物的等离子体，并沉积碳含量小于约1原子％的氧化硅层。在启 动HFRF功率约2秒之后，以约600 mg/min/sec的递增速率提高OMCTS 的流率，同时以约30 W/sec的递增速率提高LFRF功率。此外，以约5000 sccm/sec的递减速率降低02的流率。
由于处理参数改变，包含浓度升高的碳的过渡层被沉积在界面层上。 在达到最终设定值后，对气体分布歧管施加约500 W的HFRF功率和约 125 W的LFRF功率，以形成组成包括流率约为2700 mg/min的OMCTS 的最终气体混合物的等离子体，从而开始将掺杂碳的氧化硅层沉积在过渡 层上，掺杂碳的氧化硅层的碳含量为约20原子％ (除氢原子以外)。最终 气体混合物的组成还包括900 seem的氦和160 seem的氧。最终HFRF功 率为500 W，最终LFRF功率为125 W。在有机硅酸盐电介质层达到期望 厚度之后，终止RF功率(HFRF和LFRF)以停止进一步沉积。在RF功 率终止之后，开启室节流阀，以使处理气体混合物被泵出处理室。
可以对上述实施例进行许多变化。例如，可以使用其它有机硅前驱 体、氧化气体和惰性气体。此外，可以使用不同的流率和/或递增速率。在 一个实施例中，可以使用TMCTS代替OMCTS作为有机硅前驱体，并且 可在以150 sccm/min的速率提高TMCTS流率的同时沉积过渡层。在另一 个实施例中，有机硅前驱体可以包括一定流率的三甲基硅烷以及一定流率 的OMCTS。在另一个实施例中，可以使用HFRF和LFRP (即LFRF值非
零)来沉积界面层。沉积电介质层的时间可为0.5-5秒。
图8示出了实施例的工艺的喷淋头的数条DC偏压曲线802与其中工 艺参数不渐变的相同工艺的喷淋头的DC偏压曲线801的比较。图8表 明，当工艺条件突然改变时，与145伏特的DC偏压变化相比，本发明的 工艺的喷淋头的DC偏压变化令人惊讶地明显减小，仅为小于30伏特。
尽管不与理论结合，但可以认为，气体分布歧管的DC偏压的变化如 上述小于60伏特，可使等离子体更稳定，并且明显和实质性地减少衬底 损坏。
虽然上述针对本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的 前提下，可以设计本发明的其它和进一步的实施方式，而且本发明的范围 由权利要求确定。
权利要求
1.一种沉积有机硅酸盐电介质层的方法，包括将衬底定位在具有通电电极的处理室中；将界面气体混合物流入所述处理室，所述界面气体混合物包含一种或更多种有机硅化合物和一种或更多种氧化气体；通过对所述通电电极施加高频射频功率，将氧化硅层沉积在所述衬底上，所述氧化硅层的碳浓度小于3原子％；在将过渡层沉积在所述氧化硅层上的同时，递增所述一种或更多种有机硅化合物的流率，直至得到最终气体混合物，其中所述通电电极的DC偏压的变化小于60伏特；流入所述最终气体混合物，以在所述过渡层上沉积掺杂碳的氧化硅层，所述掺杂碳的氧化硅层的碳浓度为至少10原子％；以及终止所述高频射频功率。
2. 如权利要求1的方法，其中所述氧化硅层的碳浓度小于1原子％。
3. 如权利要求1的方法，其中所述掺杂碳的氧化硅层的碳浓度大于20 原子％。
4. 如权利要求1的方法，其中所述递增所述一种或更多种有机硅化合 物的流率包括以小于约1000 mg/min/sec的递增速率逐步提高所述一种或更 多种有机硅化合物的流率。
5. 如权利要求1的方法，其中所述递增所述一种或更多种有机硅化合 物的流率包括以约300-900 mg/min/sec的递增速率逐步提高所述一种或更 多种有机硅化合物的流率。
6. 如权利要求1的方法，还包括在沉积所述掺杂碳的氧化硅层的同时 对所述气体分布歧管施加低频射频功率。
7. 如权利要求6的方法，还包括在沉积所述过渡层的同时以约15-45 W/sec的递增速率递增所述低频射频功率。
8. 如权利要求1的方法，其中所述一种或更多种有机硅化合物包含八 甲基环四硅氧垸。
9. 如权利要求8的方法，其中所述一种或更多种氧化气体为氧气，并 且其中所述界面气体混合物包含八甲基环四硅氧垸和氧气，八甲基环四硅氧垸:氧气摩尔流率比小于约0.1。
10. 如权利要求1的方法，其中所述氧化硅层的Si-CH3或C-H键与Si-O键之比小于0.001。
11. 如权利要求1的方法，其中所述氧化硅层是以约80-125 W的最终 低频射频功率沉积的。
12. 如权利要求1的方法，其中所述衬底与气体歧管之间的距离在施 加高频射频功率时是变化的。
13. —种沉积有机硅酸盐电介质层的方法，包括.-将衬底定位在具有气体分布歧管的处理室中；将界面气体混合物流入所述处理室，所述界面气体混合物包含氦、八 甲基环四硅氧烷和一种或更多种氧化气体；通过对所述气体分布歧管施加高频射频功率，将氧化硅层沉积在所述 衬底上，所述氧化硅层的碳浓度小于3原子％;在将过渡层沉积在所述界面层上的同时，以约300-900 mg/min/scc的 递增速率提高八甲基环四硅氧烷的流率，直至得到最终气体混合物；流入所述最终气体混合物，以在所述过渡层上沉积掺杂碳的氧化硅 层，所述掺杂碳的氧化硅层的碳浓度为至少10原子％;以及终止所述HFRF功率。
14. 如权利要求13的方法，其中所述气体分布歧管的DC偏压的变化 小于30伏特。
15. 如权利要求13的方法，其中所述氧化硅层的碳浓度小于1原子%。
16. 如权利要求15的方法，其中所述掺杂碳的氧化硅层的碳浓度大于 20原子％。
17. 如权利要求16的方法，其中所述递增所述一种或更多种有机硅化 合物的流率包括以600 mg/min/sec的递增速率提高八甲基环四硅氧烷的流
18. 如权利要求13的方法，还包括对所述气体分布歧管施加低频射频 功率。
19. 如权利要求18的方法，还包括在沉积所述过渡层的同时以约15-45 W/sec的递增速率递增所述低频射频功率。
20. 如权利要求19的方法，还包括在沉积所述掺杂碳的氧化硅层之后 终止所述低频射频功率。
21. 如权利要求13的方法，其中所述界面气体混合物包含1000 sccra 的氦、700 mg/min的八甲基环四硅氧烷和700 sccm的氧。
22. 如权利要求21的方法，其中所述最终气体混合物包含900 sccm的 氦、2700 mg/min的八甲基环四硅氧烷和160 sccm的氧。
23. 如权利要求22的方法，其中所述高频射频功率为约200-800 W。
24. 如权利要求13的方法，其中所述衬底与气体歧管之间的距离在施 加高频射频功率时是变化的。
全文摘要
本发明提供了一种在不存在等离子体电弧放电的条件下沉积有机硅电介质层的方法，所述有机硅电介质层对设置在单个处理室中的下方衬底具有高粘附强度。该方法包括将衬底定位在具有通电电极的处理室中；将界面气体混合物流入所述处理室，所述界面气体混合物包含一种或更多种有机硅化合物和一种或更多种氧化气体；通过改变工艺参数，将氧化硅层沉积在所述衬底上，其中所述通电电极的DC偏压的变化小于60伏特。
文档编号C23C16/02GK101107383SQ200680002599
公开日2008年1月16日 申请日期2006年1月19日 优先权日2005年1月19日
发明者史蒂文·雷特尔, 均·卡洛斯·若彻-阿勒圭瑞, 安纳马莱·拉克师马纳, 崔振江, 干纳施·巴拉苏布拉马尼恩, 海澈姆·穆萨德, 福兰斯马尔·斯楚弥特, 迪奈什·帕德海, 金博宏 申请人:应用材料公司