專利名稱：在基片上成膜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基片上形成膜的方法和裝置，尤其但不唯一地涉及低k蝕刻阻擋膜的形成以及內(nèi)含這類膜的器件。為了說明起見，這里的低k專指等于或小于3.5的介電常數(shù)。
鑲嵌和雙鑲嵌工藝正日益在半導(dǎo)體晶片制造中流行，尤其是在把銅作為內(nèi)連金屬的工藝中。這是因為銅的等離子蝕刻相對比較困難，所以優(yōu)選為在介質(zhì)層上蝕刻出構(gòu)形，然后再把銅沉積在已蝕刻出的構(gòu)形上并把它填充。任何多余的銅能通過諸如化學(xué)機(jī)械拋光的方法從表面移走以便把鑲嵌的銅留在已蝕刻的器件中。
在作雙鑲嵌工藝時要把兩個分立且互連的特性蝕刻在各自介質(zhì)層中，一層排在另一層之上。于是在上層蝕刻出一條溝槽而在下層可形成通孔以便把溝槽和位于下層的許多觸點相連接。這種結(jié)構(gòu)的許多例子已由Peter Singer發(fā)表在1999.8的Semiconductor International的名稱為Damascene Challenges,Dielectric Etch的論文所討論。
通常形成雙鑲嵌特性的途徑是在兩介質(zhì)層之間沉積一層蝕刻阻擋層，當(dāng)自動蝕刻設(shè)備穿透第一層時該蝕刻阻擋層便會給它發(fā)出一個有效的“終點”信號。這種閉環(huán)控制是較佳的，因為它與開環(huán)定時蝕刻控制相比，可以對受蝕刻的特性作出更精確的控制。
所以，蝕刻阻擋層勢必需要對蝕刻過程相對于上層有較高選擇性以便蝕刻得非常慢，留下時間使控制過程發(fā)生。
最近，人們通常希望整個介質(zhì)結(jié)構(gòu)要有一個低的k值，從而導(dǎo)致人們希望蝕刻阻擋層也有一個低的k值。
另外，一種硅烷基的等離子成形氮化硅已經(jīng)用作與二氧化硅型層相聯(lián)系的蝕刻阻擋層，但是這種氮化硅比起標(biāo)準(zhǔn)二氧化硅的4.1的k值來和人們認(rèn)可的小于3.5的低k值要求來它的k值常常達(dá)到7.5。碳化硅也曾建議作為一個可供選擇的蝕刻阻擋材料但其k值是9-10，而且會使介質(zhì)堆疊層的k值明顯升高。氮化硅層也發(fā)現(xiàn)有問題，即它們會產(chǎn)生一種良好的防水層而許多低k處理還取決于在處理時迫使介質(zhì)層脫水的能力。
進(jìn)一步說，現(xiàn)在的氮化硅技術(shù)還未必能與用來形成低k層的化學(xué)機(jī)理相容。
這些問題已在WO-A-99/41423中討論過，但這份專利申請的結(jié)論是一種好的與此相適應(yīng)的蝕刻阻擋層應(yīng)具有明顯的氧化物含量。許多推薦方法也已提出但是它們看來似乎需要許多其k值明顯地各不相同的堆疊層。
從一個方面看本發(fā)明的特征在于它是一種在介質(zhì)堆疊層上形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，這個堆疊層包括內(nèi)含第一蝕刻構(gòu)形的上層，居中的蝕刻阻擋層和內(nèi)含第二蝕刻構(gòu)形的下層，第一、二構(gòu)形是相連的，每層有一個小于等于3.5的介電常數(shù)，k更好的是在3.0以下，相對于上層來說，蝕刻阻擋層至少有2.5∶1的選擇性。
較佳地該蝕刻阻擋層是和下層相集成的，尤其較佳地該蝕刻阻擋層是由摻氮的碳化硅形成的。
在一個特別優(yōu)選的方案中蝕刻阻擋層的k值大體上是可以使之與堆疊層中其他各層的k值相等的。意想不到的是還發(fā)現(xiàn)摻氮碳化硅的k值竟可隨著摻氮發(fā)生時氮的含量來調(diào)整的。所以，這一蝕刻阻擋層的k值至少在某種程度上是可以隨著其他介質(zhì)層的k值而予以匹配的。
如上所述，蝕刻阻擋層是可以和下層集成的，這是因為摻氮碳化硅的k值是足夠低的以至于它自身可被視為是一種低k值的介質(zhì)材料。
從第二方面看本發(fā)明的特征在于它含有一種用摻氮碳化硅形成的低k值介質(zhì)層。
再進(jìn)一步看，本發(fā)明的特征還在于它含有一種在基片上形成一層低k值膜的方法，包括以下步驟(a)把基片放置在反應(yīng)室內(nèi)的支撐物上；(b)往室里加入氣態(tài)或汽化物形式的含硅有機(jī)化合物和氮以等離子形式存在以在基片上沉積一層摻氮的碳化硅膜。
含有硅的有機(jī)物可以是烷基硅烷，其中尤其是四烷基甲硅烷。特別優(yōu)選為含硅有機(jī)物是四甲基硅烷。
這種膜可以在等于或低于室溫下沉淀在已定位的一片基片上，在沉積這種膜時可提供RF能源。
雖然本發(fā)明已定義如上，但可以理解的是它還包含了以上已提出或在下面所描述的涉及本發(fā)明特征的任何其他發(fā)明組合。
本發(fā)明可用各種方法實現(xiàn)，將通過帶有下述附圖的具體實施例予以描述

圖1是一個使用本發(fā)明的裝置的剖視圖；圖2～圖4是用于說明按照本發(fā)明形成且配置在介質(zhì)堆疊層內(nèi)時蝕刻阻擋層的可檢測性的附圖；圖5(a)～(e)是說明布線溝道及其連接通道的形成的剖視圖。
參閱圖1，如圖所示總體用1表示裝置，它含有一個帶簇射頭3和晶片支撐物或臺板4的真空室2。簇射頭3與一個射頻源(未示)RF相連構(gòu)成一個電極而支撐物4接地形成另一個電極。或者，射頻源RF也可與支撐物4相連而簇射頭3接地。簇射頭3經(jīng)管狀物(未示)與相應(yīng)的四甲基硅烷和一種或多種氣體的氣源相連。這種裝置一般結(jié)構(gòu)已包含在參考文獻(xiàn)EP-A-0731982，在此作為參考。但是，一個標(biāo)準(zhǔn)(非二重)的簇射頭則是常用的。
在使用時，實際上該裝置設(shè)置成根據(jù)所供應(yīng)的其他氣體的性質(zhì)去沉積許多層。如果其他氣體是氧或含氧氣體，則可以形成一層低k值的摻碳的二氧化硅層。反之如其他氣體是氮氣，則根據(jù)氮氣流速的不同，從純碳化硅層(實際上不存在氮)到摻碳的氮化硅層(高速氮氣流)的任何膜都能形成。申請人發(fā)現(xiàn)對氮氣流速進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可形成其k值近似于或等于上述摻碳二氧化硅層的摻氮碳化硅膜。這樣就能在單一的室內(nèi)形成一個同時含有摻碳二氧化硅層，摻氮碳化硅層和摻碳二氧化硅層的介質(zhì)堆疊層。這個堆疊層不僅從低k的角度來看是所特別希望的而且也是一種既簡單又生產(chǎn)率高的形成方法。
因而，根據(jù)實驗，開發(fā)出一種特別有效的介質(zhì)阻擋層，它是通過引入一種可視為摻甲基的碳化硅/氮化物來形成的，其k值接近2.6。實驗發(fā)現(xiàn)，如果碳對氮的比率下降至更多形成的是摻碳的氮化硅，則k值就會升高至4.6左右。在兩種材料之間是沒有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換點的。把更多的氮加到工作氣體中去便會提高氮對碳的比值以至于一個極限材料(無氮)可以認(rèn)為是碳化硅，還有另外一種極限情況是含碳氮化硅。所有的膜都含氫。
在這實驗中其工藝條件如下壓力TMS流 氧氣流氮氣流RF功率 溫度低k值摻碳的二氧化硅 k=2.6SiO2(C)摻甲基二氧化硅3000mT～80sccm 100sccm500sccm 100W 0～25℃低k值摻氮的碳化硅 k=2.6SiC(N)摻甲基碳化硅/氮化物1500mT～80sccm 無 50sccm 200w0～25℃低k值摻碳氮化硅 k=4.6SiN(C)摻甲基氮化硅500mT ～20sccm 無 500sccm 1000W 0～25℃由此可見，在特別選定的氮氣流下，低k值摻氮碳化硅其k值精確地等于如上所述形成的低k值的摻碳二氧化硅。
射頻功率經(jīng)380kHz的信號發(fā)生器加到簇射頭電極上，臺板則維持在等于或低于室溫狀況。零下的溫度對工藝是有用的，但在一般情況下，這種工藝是在室溫或室溫和0℃之間運行的。
進(jìn)一步的實驗是在13.56mHz RF功率時進(jìn)行的。實驗發(fā)現(xiàn)SiO2(C)和SiC(N)兩者的結(jié)果是顯著不同的。在SiO2(C)的情況下，沉淀速度提高了而且厚度均勻性也得到了改進(jìn)，而對SiC(N)材料而言，速度下降而且均勻性變壞。由此可進(jìn)一步設(shè)定本發(fā)明所述的低k值蝕刻阻擋層可以由在高頻下(在4mHz以上)沉積的SiO2(C)和在低頻(4mHz以下)下沉積的SiC(N)形成。
晶片與簇射頭和電極的間距將影響成膜的均勻度，應(yīng)通過實驗來使膜的均勻性達(dá)到極大。四甲基硅烷(TMS)的流速是估計的，因為根據(jù)共同未決的申請?zhí)枮镹o.9922691.2的英國專利申請文件中給出的理由它是難以確定的。
實驗最初是在沒有涂抗蝕劑的硅晶片上進(jìn)行的，在蝕刻工藝相同時，其蝕刻速度如下
從這些蝕刻速度可以計算出蝕刻選擇率是2.9∶1(SiO2∶SiC)，它比起k值更高的標(biāo)準(zhǔn)蝕刻阻擋層來還是要好得多。
因而出乎意外的是摻氮SiC(N)相對于摻碳的氮化硅而言它更適于作低k值的蝕刻阻擋材料。
于是，堆疊式結(jié)構(gòu)基本上采用上述的沉積工藝而構(gòu)成，但還包含一項氫等離子處理工藝，用已經(jīng)在作為參考文獻(xiàn)的申請?zhí)枮?922801.7的我們共同未決英國專利申請中公開的方法。這項氫等離子氣處理工藝改進(jìn)了低k值膜的性能即把BOE濕處理蝕刻速度從10,000/min以上降到和熱氧化處理同一等級的水平(約550/min)，降低了氫和碳的含量，明顯地提高了密度并降低了膜的吸水性從而減少了裂化的可能性。
這種組合的堆疊層含有中間被一層厚度為500的SiC(N)隔開的兩層厚度為7000的SiO2(C)層。其中每層二氧化硅層都用氫等離子體處理過。
蝕刻實驗是在不同時間下進(jìn)行的且終點檢測器的輸出被記錄。用終點檢測器來監(jiān)控440nm發(fā)射譜線上的光強(qiáng)度。終點檢測器的輸出已示于圖2和圖3中。(圖3至4的縱軸表示在任選單位下增加的信號強(qiáng)度)。
進(jìn)一步的實驗是對SiC(N)層在SiO2(C)層上進(jìn)行的，該實驗的終點信號輸出見圖4。
接著，再在已構(gòu)圖的晶片上進(jìn)一步作實驗。使用兩種不同的圖形，相應(yīng)地，一個其敞口區(qū)是小的(常用的接點/通孔)，另一個其敞口區(qū)是大的(可與內(nèi)連的相比較的)。使用按以上描述的SiO2(C),SiC(N)和SiN(C)。
其結(jié)果可概述如下
由此可見，除了k值更高以外，SiN的蝕刻特性是在低k值SiC材料之下。不論制作布線圖案與否，在低k值SiO2(C)對SiC(N)的選擇性上沒有明顯的區(qū)別。在沒有光致抗蝕刻的情況下選擇性是2.9∶1，從這兩個實驗值3.01∶1和2.92∶1可大致得出3∶1的值。把蝕刻選擇性和十分令人滿意的均勻度結(jié)合在一起可以看出SiC(N)是一種實用的蝕刻阻擋材料，從圖可看出實用清晰的終點信號產(chǎn)生在440nm線處。
如上所述，SiC(N)材料作為低k值介質(zhì)自身具備了令人滿意的性能，同時有可能形成兩層堆疊層而不存在明確分離的“蝕刻阻擋”層。真正的堆疊層是由k值相似但蝕刻特性明顯相異的材料層構(gòu)成，其層間轉(zhuǎn)換可以檢測并實現(xiàn)自動化處理。
一個具體的應(yīng)用實例，受益于使用兩種低k值材料而不使用蝕刻阻擋層的，是一種可在雙鑲嵌應(yīng)用中形成低k值雙層構(gòu)造。在這里一層是用作形成通孔而另一層是用作形成上面的溝槽。作為一個例子，一種“溝槽優(yōu)先”方案可用于對上面覆蓋的SiO2(C)層作較快的蝕刻，而對形成通孔的那一層作較慢的蝕刻。溝槽圖案可用光刻技術(shù)在其表面形成并蝕刻溝槽圖案。一個終點信號會在蝕刻到下層材料時產(chǎn)生并實施定時過蝕刻。然后再把蝕刻掩膜(如光致抗蝕劑)去掉并對晶片構(gòu)圖下面的通孔。然后再在下面低k值層上蝕刻通孔。
一項可供選擇的程序展示在圖5中。可以看出圖5(a)～(e)說明了一種布線溝道和通孔組合的成形方法，該方法在利用上述材料良好的低k值特性的同時也利用了其所能達(dá)到的不同蝕刻速度。特別有利的是所述方法對于布線溝道底部的通孔而言，它不需要光刻和形成掩膜。當(dāng)布線越來越窄的時候，溝道底部的掩蔽就會越益困難。
在圖5(a)中，第一層是低k值絕緣材料層10，它是沉積在基片11上的，局部通孔蝕刻在該材料的表面上，標(biāo)以12。此時在蝕刻通孔構(gòu)形12時是相當(dāng)直接的，因為層10的整個表面是完全暴露在外的。圖5(b)中，在沉積第二共形層13時要填滿構(gòu)形12但其結(jié)構(gòu)造形如14所示能反映在層13的表面上。然后在層13的上表面掩蔽所希望的布線圖案并如圖5(c)所示局部蝕刻出布線溝道15。與此同步而且不可避免的是也要對構(gòu)造14的底部進(jìn)行蝕刻而且要如圖5(c)和(d)所示一直向下蝕刻到構(gòu)造12。在圖5(d)所示的點上，層13中留下距離X未蝕刻，而層11中留下距離Y未蝕刻。雖然在示意圖上并不清楚但Y常常比X大而且比率Y/X將決定層13和11的材料各自所選用的蝕刻速度。在如圖所示的布置下，事實上Y大約為X的二倍，相應(yīng)地材料11的蝕刻速度也約為材料13的兩倍。
材料11可按上述方式方便地提供蝕刻阻擋信號。因而看一下上述的蝕刻速度可以看出摻碳氮化硅和摻碳二氧化硅提供蝕刻速度比或選擇性大約為2∶1，而如前所述，二氧化硅對摻氮碳化硅的選擇性大約為3∶1。調(diào)整摻雜即可獲得其他一些選擇性。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件，含有在介質(zhì)堆疊層內(nèi)形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，該堆疊層包括內(nèi)含第一蝕刻構(gòu)造的上層，中間蝕刻阻擋層以及內(nèi)含第二蝕刻構(gòu)造的下層，第二構(gòu)造經(jīng)蝕刻阻擋層與第一構(gòu)造相連，每層具有介電常數(shù)k≤3.5，蝕刻阻擋層相對于上層的選擇性至少為2.5∶1。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述的蝕刻阻擋層是與下層相集成的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，所述的蝕刻阻擋層是由摻氮的碳化硅形成的。
4．一種在基片上形成低k值膜的方法，包括(a)把基片放置在室內(nèi)的一個支撐物上；(b)往室里加入氣態(tài)或蒸汽形式的含硅有機(jī)化合物和氮在有等離子體存在的條件下向基片上沉積一層摻氮碳化硅膜。
5．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，摻氮的碳化硅是在低于4MHz頻率驅(qū)動下由等離子體沉積的。
6．根據(jù)權(quán)利要求4或5中所述的方法，其中，所述的含硅有機(jī)化合物是烷基硅烷。
7．根據(jù)權(quán)利要求4～6中任一項的方法，其中，所述的含硅有機(jī)化合物是四烷基甲硅烷。
8．根據(jù)權(quán)利要求4～6中任一項的方法，其中，所述的含硅有機(jī)化合物是四甲基硅烷。
9．一種蝕刻阻擋層含有摻氮的碳化硅。
10．一種電介質(zhì)堆疊層，其中每層由不同的材料形成，各層材料可檢測到不同的蝕刻特性但具有基本相等的介電常數(shù)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的介質(zhì)堆疊層，其中，鄰接層之間的選擇性至少為2.5∶1。
12．一種形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法，包括把具有第一蝕刻速度的第一絕緣材料層沉積在半導(dǎo)體晶片上，在第一層中部分地蝕刻出一或多個通孔，接著把第二絕緣材料層沉積在第一層上，使得第二材料填滿部分地蝕刻出的通孔并在第二層的表面顯現(xiàn)出相應(yīng)的構(gòu)造，在第二層上蝕刻出容納布線線路的溝道使得該溝道包含相應(yīng)的構(gòu)造，各類材料相對蝕刻速度是這樣的當(dāng)把溝道蝕刻到第一層的表面時，通孔被充分地蝕刻通過第一層。
13．根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的堆疊層，其中，鄰接層的材料其介電常數(shù)的相異性在小于10％內(nèi)變化。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第一層的蝕刻速度大約為第二層的二倍。
15．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述的第一層是摻碳的SiO2而第二層是摻氮的SiC或摻碳的氮化硅。
16．一種形成低k值蝕刻阻擋層的方法，包括在大于4MHz頻率下通過基于等離子體的反應(yīng)沉積摻碳的SiO2以及在小于4MHz頻率下通過基于等離子體的反應(yīng)把摻氮的SiC沉積到SiO2材料上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在兩層介質(zhì)層中間含有一層居中的蝕刻阻擋層的半導(dǎo)體器件,其中每層的介質(zhì)常數(shù)k≤3.5而且蝕刻阻擋層相對于上層的選擇性至少是2.5∶1。還描述了可形成如作為蝕刻阻擋層用的摻氮碳化硅膜的方法和器件。
文檔編號C23C16/36GK1309418SQ01101669
公開日2001年8月22日 申請日期2001年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月19日
發(fā)明者約漢·邁克內(nèi)爾, 羅伯特·約漢·維爾比, 努特·比克曼 申請人:特利康控股有限公司