专利名称：超低介电常数薄膜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路器件中，要在其中形成导电接触栓的超低介电常数薄膜及其制造方法。
背景技术：
半导体集成电路器件具有多层结构，通过通孔中形成的导电接触栓实现层与层之间的连接(参见中国专利公开号，CN1185026A)。导电接触栓形成在低介电常数介质膜中，目前最新的组件结构均采用低介电常数材料(低电容)及铜导线技术(低阻值)来降低多层金属连接中的时间延迟效应。因此，低介电常数介质膜是减少互连线断开的关键，而且用低介电常数介质膜可以减小杂散容量。但是，为了达到低介电性质，低介电常数材料一般组织松散，机械强度不理想。也就是说，低介电常数的介质膜太软，在随后进行的化学机械研磨(CMP)中容易出现叠层膜分开和通孔损坏等问题。
图1显示出低介电常数介质膜的损坏模式。在低介电常数介质膜中形成通孔所进行的光刻腐蚀工艺中，高分辨率光刻胶对胺造成的损坏更敏感。造成高分辨率光刻胶损坏的胺来自例如用SiN或SiCN构成的阻挡层，SiON层，或进行铜等离子体处理中用的NH3。由于光刻胶损坏而形成的损坏区中不能形成连接互连线的导电栓，造成互连断开。
本发明采用的超低介电常数介质膜具有如下特点密度比一般的低介电常数介质膜(介电常数一般为2.8～3.5)低很多；超低介电常数介质膜更软，硬度＜1Gpa，而一般的低介电常数介质膜硬度在1.5～2.0Gpa；杨氏模数(Young’s Modulus)的比较，本发明的超低介电常数介质膜小于8Gpa，而一般的低介电常数介质膜大于8.5Gpa；本发明的超低介电常数介质膜中有微孔(pore)，而一般的低介电常数介质膜中没有。
发明内容
为了克服上述的由于超低介电常数材料硬度低，在CMP的时候容易过度磨损的缺点提出本发明本发明的一个目的是，提出一种超低介电常数介质膜。用按本发明的超低介电常数介质膜可以防止在随后进行的CMP处理中造成的叠层膜层分开和通孔损坏，而且，超低介电常数的介质膜的介电常数不增大。
按本发明的另一个目的是提出一种超低介电常数介质膜的形成方法。用按本发明方法制造的超低介电常数介质膜可以防止在随后进行的CMP处理中造成的叠层膜层分开和通孔损坏，而且，超低介电常数的介质膜的介电常数不增大。
按本发明的超低介电常数膜是多层膜构成的叠层膜，在已形成有铜互连线的膜层上顺序形成SiN或SiC铜扩散阻挡层(1)、加氟的硅酸盐玻璃(FSG)或纯硅酸盐玻璃(USG)层(2)、含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜(3)、和加氟的硅酸盐玻璃层(4)。位于含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜(3)下面的加氟的硅酸盐玻璃(2)可以阻挡来自下面的SiN或SiC铜扩散阻挡层(1)中的胺(NHx)。位于含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜(3)上面的加氟的硅酸盐玻璃层(4)可以阻挡来自上面SiON中的胺(NHx)和来自铜等离子体处理中的胺(NHx)，防止含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜(3)灰化损坏，和增大超低介电常数含碳的氧化硅(SiOC)介质膜(3)的硬度，以利于后续的CMP处理。在这样构成的超低介电常数介质膜中能形成连接上层和下层互连线的高质量的导电接触栓，例如铜栓。
本申请书中包括的附图显示出本发明的实施例，本申请中包括的附图是说明书的一个构成部分，附图与说明书和权利要求书一起用于说明本发明的实质内容，用于更好地理解本发明。附图中相同或相似的构成部分用相同的参考数字指示。附图中图1是现有的其中形成有导电栓的超低介电常数介质膜电子显微镜照片；图2是显示按本发明的其中形成有导电栓的叠层超低介电常数介质膜的结构剖视图；图3是显示形成按本发明的叠层超低介电常数介质膜结构的流程图。
附图中参考数字指示的内容说明1-氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层2-加氟的硅酸盐玻璃层；3-例如是含碳的氧化硅(SiOC)的超低介电常数介质膜；4-加氟的硅酸盐玻璃层；5-在有叠层结构的超低介电常数介质膜中形成的铜栓。
具体实施例方式
以下参见
按本发明的超低介电常数介质膜的结构和形成方法。
按本发明的超低介电常数介质膜是叠置的多层膜，包括铜扩散阻挡层(1)、加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)或纯硅酸盐玻璃(USG)层(2)、CVD方法淀积的超低介电常数膜(以下简称ultra Low k)是介电常数范围例如是1～2.5的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)、加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)(4)。
按本发明的超低介电常数介质膜的形成方法包括在已形成有铜互连线的膜层上顺序进行以下步骤步骤1，进行铜等离子体处理；步骤2，用物理气相淀积(例如，溅射)方法用氮化硅(SIN)或碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层(1)，淀积的条件是用氮化硅(SiN)构成的铜扩散阻挡层(1)时的淀积条件是温度300-400℃，压力2-10Torr，射频(RF)功率50-700W气体SiH4，NH3，N2或SiH4，He，N2用碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层(1)时的淀积条件是温度300-400℃压力2-10Torr，射频(RF)功率50-700W
气体3MS，NH3，N2(3MS＝三甲基硅烷)或3MS，NH3，He或4MS，NH3，N2(4MS＝四甲基硅烷)或4MS，NH3，He；铜扩散阻挡层(1)的厚度是20to 2000；步骤3，用化学气相淀积法(CVD)淀积超低介电常数膜(ultra Low k)，超低介电常数膜是介电常数范围例如是1～2.5的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)，膜层厚度为500to 10um；或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)(2)，形成加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)(2)的旋涂方法用的旋转速度是3000rpm(旋转次数/分钟)；或氧化膜(Oxide)，所形成的膜层厚度范围是200到500。
所形成的超低介电常数膜是介电常数范围例如是1～2.5以下的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)，也可以是超低介电常数膜(ultra Low k)，或者是加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)，或者是氧化膜(Oxide)；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Ultra Lowk/FSG)的组合膜；或者是超低介电常数膜/氧化膜(Ultra Low k/oxide)的组合膜；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(Ultra Low k/FSG/Oxide)或者是超低介电常数膜/氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Ultra Low k/Oxide/FSG)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜/氧化膜(FSG/UltraLow k/Oxide)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜/超低介电常数膜/(FSG/oxide/Ultra Low k)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜的组合膜(FSG/Ultra Low k)；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(FSG/oxide)的组合膜；或者是氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜(Oxide/FSG/Ultra Low k)的组合膜；或者是氧化膜/超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层的组合膜(Oxide/Ultra Lowk/FSG)；或各种组合膜。
超低介电常数的含碳氧化硅(SiOC)介质膜的形成条件是温度300-400℃，压力2-10Torr，低频射频(RF)功率50-700W，高频射频(RF)功率50-700W气体OMCAT(八甲基环四硅氧烷)/O2/He，或OMCAT/CO2/He，或OMCAT/NO2/He，或TOMCAT(四甲基环四硅氧烷)/CO2/He，或TOMCAT/O2/He或TOMCAT/N2O/He。
步骤4，已形成的氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层(1)、用化学气相淀积法(CVD)淀积超低介电常数膜、或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(以下简称FSG)(2)、或氧化膜构图，形成有凹槽的通孔；步骤5，除去部分用化学气相淀积法(CVD)淀积超低介电常数膜、或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(2)，除去的膜的厚度是通孔的高度，例如200到500。
步骤6，淀积超低介电常数介质膜，在超低介电常数介质膜上用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(4)，旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(4)的旋转次数是3000rpm(旋转次数/分钟)；形成的膜的厚度是3000到1000。
步骤7，淀积超低介电常数介质膜，或，加氟的硅酸盐玻璃层(4)，并进行CMP平整处理，形成的膜层厚度范围是500到1000。
加氟的硅酸盐玻璃层(4)形成条件是；温度300-400℃，压力2-10Torr，射频(RF)功率50-700W气体SiH4，SiF4，N2O，N2；或SiH4，SiF4，O2，He，N2。
通过以上步骤形成具有叠层结构的超低介电常数膜。然后在光刻腐蚀构图形成有凹槽的通孔中形成导电栓，例如铜栓，用所形成的铜栓连接上层和下层的铜互连线。
用按本发明的有叠层结构的超低介电常数膜可以在形成例如铜栓的导电栓的光刻腐蚀构图中，防止光刻胶损坏而不能形成通孔，和防止不能形成用于互连的例如铜栓的导电栓。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.超低介电常数膜，其特征是，超低介电常数膜是在已形成有铜互连线的膜层上顺序形成的多层膜构成的叠层膜，叠层膜包括SiN或SiC铜扩散阻挡层(1)；加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)或纯硅酸盐玻璃(USG)层(2)；含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜(3)；和加氟的硅酸盐玻璃层(4)；其中，位于含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜下面的加氟的硅酸盐玻璃可以阻挡来自下面的SiN或SiC铜扩散阻挡层中的胺(NHx)；位于含碳的氧化硅(SiOC)超低介电常数介质膜上面的加氟的硅酸盐玻璃可以阻挡来自上面SiON中的胺(NHx)和来自铜等离子体处理中的胺(NHx)，防止含碳的氧化硅(SiOC)低介电常数介质膜灰化损坏，和增大超低介电常数含碳的氧化硅(SiOC)介质膜的硬度，以利于后续的CMP处理。在这样构成的超低介电常数介质膜中能形成连接上层和下层互连线的高质量的例如铜栓的导电栓。
2.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，铜扩散阻挡层(1)的厚度是20 to 2000。
3.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，加氟的硅酸盐玻璃层(2)用旋涂法形成。
4.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，加氟的硅酸盐玻璃层(2)的厚度范围是200到500。
5.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，含碳氧化硅(SiOC)的超低介电常数膜(3)用化学气相淀积方法(CVD)淀积；
6.按权利要求5的超低介电常数膜，其特征是，含碳氧化硅(SiOC)的超低介电常数膜(3)的介电常数范围，例如，是1～2.5。
7.按权利要求5的超低介电常数膜，其特征是，含碳氧化硅(SiOC)的超低介电常数膜(3)的膜层厚度为500 to 10um。
8.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，用旋涂法形成加氟的硅酸盐玻璃层(4)。
9.按权利要求5的超低介电常数膜，其特征是，加氟的硅酸盐玻璃层(4)的厚度范围是500到1000。
10.按权利要求1的超低介电常数膜，其特征是，所形成的超低介电常数膜是介电常数范围例如是1～2.5的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)膜，也可以是超低介电常数膜(ultra Low k)，或者是加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)，或者是氧化膜(Oxide)；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Ultra Low k/FSG)的组合膜；或者是超低介电常数膜/氧化膜(UltraLow k/oxide)的组合膜；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(Ultra Low k/FSG/Oxide)或者是超低介电常数膜/氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Ultra Low k/Oxide/FSG)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜/氧化膜(FSG/Ultra Low k/Oxide)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜/超低介电常数膜/(FSG/oxide/Ultra Low k)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜的组合膜(FSG/Ultra Low k)；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(FSG/oxide)的组合膜；或者是氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜(Oxide/FSG/Ultra Low k)的组合膜；或者是氧化膜/超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层的组合膜(Oxide/Ultra Low k/FSG)；或各种组合膜。
11，超低介电常数膜的制造方法，其特征是，包括在已形成有铜互连线的膜层上顺序进行以下步骤步骤1，进行铜等离子体处理；步骤2，淀积用氮化硅(SIN)或碳化硅(SIC)构成的铜扩散阻挡层(1)，铜扩散阻挡层(1)的厚度是20 to 2000；步骤3，用化学气相淀积法(CVD)淀积超低介电常数膜，超低介电常数膜介电常数范围例如是1～2.5的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)，膜层厚度为500 to 10um；或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(2)，加氟的硅酸盐玻璃层(2)的旋涂方法的旋转速度是3000rpm(旋转次数/分钟)；或氧化膜；所形成的膜层厚度范围是200到500；步骤4，已形成的氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层(1)、用化学气相淀积法(CVD)淀积低介电常数膜、或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(2)、或氧化膜构图，形成有凹槽的通孔；步骤5，除去部分用化学气相淀积法(CVD)淀积超低介电常数膜、或用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(2)，除去的膜的厚度是通孔的高度，例如200到500；步骤6，淀积超低介电常数介质膜，在超低介电常数介质膜上用旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(4)，旋涂方法形成加氟的硅酸盐玻璃层(4)的旋转次数是3000rpm(旋转次数/分钟)；形成的膜的厚度是3000到1000；步骤7，淀积超低介电常数介质膜，或，加氟的硅酸盐玻璃层(4)，，并进行CMP，形成的膜层厚度范围是500到1000；
12，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，加氟的硅酸盐玻璃层(2)的厚度范围是200到500。
13，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，含碳氧化硅(SiOC)的超低介电常数膜(3)的介电常数范围，例如，是1～2.5。
14，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，含碳氧化硅(SiOC)的超低介电常数膜(3)的膜层厚度范围是500 to 10um。
15，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，加氟的硅酸盐玻璃层(4)的厚度范围是500到1000。
16，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，步骤2中，用氮化硅(SiN)构成铜扩散阻挡层(1)的淀积条件是温度300-400℃，压力2-10Torr，RF功率50-700W气体SiH4，NH3，N2；或SiH4，He，N2。
17，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，步骤2中，用碳化硅(SiC)构成的铜扩散阻挡层(1)时的淀积条件是温度300-400℃，压力2-10Torr，射频(RF)功率50-700W气体3MS，NH3，N2(3MS＝三甲基硅烷；)或3MS，NH3，He或4MS，NH3，N2(4MS＝四甲基硅烷)，或4MS，NH3，He。
18，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，所形成的超低介电常数膜是介电常数范围，例如是1～2.5以下的含碳氧化硅(SiOC)膜(3)膜，也可以是超低介电常数膜(Ultra Low k)，或者是加氟的硅酸盐玻璃层(FSG)，或者是氧化膜(Oxide)；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Lowk/FSG)的组合膜；或者是超低介电常数膜/氧化膜(Ultra Low k/oxide)的组合膜；或者是超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(Ultra Low k/FSG/Oxide)或者是超低介电常数膜/氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层(Ultra Low k/Oxide/FSG)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜/氧化膜(FSG/Ultra Lowk/Oxide)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜/超低介电常数膜/(FSG/oxide/Ultra Low k)的组合膜；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜的组合膜(FSG/Ultra Low k)；或者是加氟的硅酸盐玻璃层/氧化膜(FSG/oxide)的组合膜；或者是氧化膜/加氟的硅酸盐玻璃层/超低介电常数膜(Oxide/FSG/Ultra Low k)的组合膜；或者是氧化膜/超低介电常数膜/加氟的硅酸盐玻璃层的组合膜(Oxide/Ultra Lowk/FSG)；或各种组合膜。
19，按权利要求11的超低介电常数膜制造方法，其特征是，超低介电常数的含碳氧化硅(SiOC)介质膜的形成条件是温度300-400℃，压力2-10Torr，低频射频(RF)功率50-700W，高频射频(RF)功率50-700W气体OMCAT(八甲基环四硅氧烷)/O2/He，或OMCAT/CO2/He，或OMCAT/NO2/He，或TOMCAT(四甲基环四硅氧烷)/CO2/He，或TOMCAT/O2/He或TOMCAT/N2O/He。
全文摘要
本发明公开了一种超低介电常数膜及其制造方法。超低介电常数膜是在已形成有铜互连线的膜层上顺序形成的多层膜构成的叠层膜，叠层膜包括SiN或SiC铜扩散阻挡层；加氟的硅酸盐玻璃(FSG)或纯硅酸盐玻璃(USG)。可以防止胺在随后进行的光刻腐蚀构图中损坏光刻胶，造成互连断开的缺陷，防止含碳的氧化硅(SiOC)低介电常数介质膜灰化损坏，和增大低介电常数含碳的氧化硅(SiOC)介质膜的硬度，以利于后续的CMP处理。
文档编号H01L21/283GK1716547SQ20041002564
公开日2006年1月4日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者汪钉崇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司