專利名稱：氟碳化合物膜的表面處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)要求下列優(yōu)先權(quán)，2009年1月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?No. 61/205，752，題為“氟碳化合物膜的表面處理”和2009年2月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)朜o. 61/207，971，題為“CFx膜的金屬成形的方法”，兩者的內(nèi)容在本文引入作為參考。本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及改善用氟碳化合物(CFx)構(gòu)成的層間絕緣層和用金屬構(gòu)成的阻擋層之間的附著力的表面處理方法和阻擋層形成方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，已采用多層布線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的高速運(yùn)行和小型化。不過(guò)，由于布線層的總布線電阻和寄生電容的增大，這些結(jié)構(gòu)已提出布線延遲的問題。使用低電阻布線材料，例如銅(Cu)作為互聯(lián)體可減小布線電阻。另一方面，可以使用低介電常數(shù)或者low-k材料來(lái)降低寄生電容。具體地，氟碳化合物(CFx)可用作絕緣層來(lái)降低寄生電容，從而提高半導(dǎo)體器件的運(yùn)行速度。為了防止銅(Cu)擴(kuò)散到絕緣層中，在互連體和絕緣層之間設(shè)置阻擋層。半導(dǎo)體器件的阻擋層用鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、釕(Ru)或者磷(P)構(gòu)成。當(dāng)氟碳化合物(CFx)被用作絕緣層材料時(shí)，包含在CFx層中的氟在CFx層和阻擋層之間的界面引起氟化反應(yīng)。結(jié)果，CFx層和阻擋層之間的附著力降低，從而絕緣層和互連 W (interconnection body) 白勺力m。另一方面，要求氟碳化合物(CFx)材料與主要由金屬元素形成的阻擋層具有足夠的附著力。由于在半導(dǎo)體器件的制造中使用多種后續(xù)工藝，比如化學(xué)和機(jī)械拋光(CMP)工藝或引線接合工藝，因此會(huì)對(duì)基板施加更大的應(yīng)力。于是，如果阻擋層和CFx絕緣層之間的附著力較差，那么阻擋層會(huì)從絕緣層剝離。鑒于上述問題，提出了本發(fā)明。本發(fā)明提供抑制在絕緣層和阻擋層之間的界面的氟化反應(yīng)的表面處理方法。此外，本發(fā)明提供在抑制絕緣層和阻擋層之間的氟化反應(yīng)的同時(shí)，增大絕緣層和阻擋層之間的附著力的阻擋層形成方法。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法。所述方法包括下述步驟對(duì)包括氟碳化合物(CFx)膜的絕緣層進(jìn)行退火；和在絕緣層上形成包括金屬元素的阻擋層，其中在所述退火步驟之后，用高溫濺射工藝形成所述阻擋層。按照本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法。所述方法包括對(duì)絕緣層進(jìn)行預(yù)處理工藝，以便形成碳氟組成比(C/F)大于1的富碳表面的步驟。在進(jìn)行預(yù)處理工藝之前，絕緣層包括具有任意碳氟組成比的氟碳化合物(CFx)。按照本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法。所述方法包括下述步驟在使絕緣層的表面暴露在惰性氣體氣氛之下的同時(shí)，在預(yù)定條件下對(duì)絕緣層進(jìn)行退火；和在所述退火步驟之后，進(jìn)行高溫濺射工藝，以便形成包括金屬元素的阻擋層，以致在絕緣層和阻擋層之間的界面形成金屬-C鍵，其中在所述高溫濺射工藝期間，基板溫度被保持在約70°c 200°C。退火步驟還包括從絕緣層的表面除去水分的步驟。


圖1描述利用氫等離子體的CFx預(yù)處理工藝的實(shí)施方式的示意圖。圖2描述利用氫等離子體的CFx預(yù)處理工藝的備選實(shí)施方式的示意圖。圖3描述濺射設(shè)備的實(shí)施方式的示意圖。圖4圖解說(shuō)明在把膠帶貼在實(shí)驗(yàn)樣本的表面之后的實(shí)驗(yàn)樣本的平面圖，及其鼓泡和膠帶測(cè)試結(jié)果。圖5圖解說(shuō)明圖4中所示的前一半實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和表面視圖。圖6圖解說(shuō)明圖4中所示的后一半實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和表面視圖。圖7圖解說(shuō)明制造雙嵌入式銅互連結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式的工藝的示意圖。圖8描述具有多層結(jié)構(gòu)的CFx絕緣層的橫截面視圖。圖9圖解說(shuō)明作為溫度的函數(shù)的氟化物的汽壓曲線。圖10圖解說(shuō)明各種實(shí)驗(yàn)樣本的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，及其用于測(cè)量阻擋層的厚度的XRF強(qiáng)度。圖11圖解說(shuō)明作為濺射時(shí)間的函數(shù)的實(shí)驗(yàn)樣本的XRF強(qiáng)度。圖12圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的例子的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程。圖13圖解說(shuō)明備選實(shí)驗(yàn)樣本的例子的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程，鼓泡測(cè)試結(jié)果，和膠帶測(cè)試結(jié)果。圖14圖解說(shuō)明備選實(shí)驗(yàn)樣本的例子的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程，鼓泡測(cè)試結(jié)果，和膠帶測(cè)試結(jié)果。圖15圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的另一個(gè)實(shí)施方式的目標(biāo)結(jié)構(gòu)和工藝流程，及其鼓泡測(cè)試結(jié)果和膠帶測(cè)試結(jié)果。圖16圖解說(shuō)明圖15中所示的實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和表面視圖。圖17圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的另一個(gè)實(shí)施方式的目標(biāo)結(jié)構(gòu)和工藝流程，及其在貼膠帶之后的平面圖，其鼓泡測(cè)試結(jié)果和膠帶測(cè)試結(jié)果。圖18圖解說(shuō)明圖17中所示的實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和表面視圖。圖19圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程。圖20圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的另一個(gè)實(shí)施方式的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程。圖21圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本的再一個(gè)實(shí)施方式的橫截面視圖和表面視圖，及其工藝流程。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中，表示了本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施方式。下面的說(shuō)明并不意圖限制本發(fā)明的范圍、適用性或結(jié)構(gòu)。相反，優(yōu)選的示例性實(shí)施方式的下述說(shuō)明將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施方式的說(shuō)明。應(yīng)注意可用不同的形式具體體現(xiàn)本發(fā)明，而不脫離在附加的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造工藝。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及改善絕緣層和金屬阻擋層之間的附著力的新的表面處理工藝和阻擋層形成工藝。本發(fā)明的實(shí)施方式目 的在于一種防止阻擋層從絕緣層剝離，還防止銅(Cu)從互連體滲入絕緣層中的工藝。這是通過(guò)兩種獨(dú)立的方法實(shí)現(xiàn)的1)在形成阻擋層之前，對(duì)絕緣層的表面應(yīng)用的預(yù)處理工藝，和2)利用高溫濺射工藝形成阻擋層。通過(guò)對(duì)氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面應(yīng)用預(yù)處理工藝，在絕緣層的表面，氟濃度被降低。結(jié)果，在CFx絕緣層的表面形成富碳表面，當(dāng)在絕緣層的表面形成阻擋層時(shí)，這有助于產(chǎn)生金屬-C鍵合。在形成主要由金屬元素組成的阻擋層時(shí)使用的高溫會(huì)在CFx層和阻擋層的界面產(chǎn)生氟化反應(yīng)。從而，具有高汽壓的氟化物從CFx絕緣層的表面蒸發(fā)，導(dǎo)致碳(C)濃度增大。 結(jié)果，絕緣層的富碳表面有助于在阻擋層和絕緣層的界面形成金屬-C鍵合(C-bond)。按照本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法包括下述步驟(1)形成CFx絕緣層；(2)進(jìn)行預(yù)處理工藝，以降低CFx層表面的氟濃度，(3)對(duì)基板進(jìn)行預(yù)退火；(4)利用高溫濺射方法，形成包含金屬元素的阻擋層；(5)對(duì)基板進(jìn)行后退火；(6)形成銅(Cu)種子層；和(7)利用電鍍方法，形成銅(Cu)互連。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)在使絕緣層的表面暴露在諸如氬氣(Ar)之類的惰性氣氛的同時(shí)，在預(yù)定條件下使絕緣層退火，進(jìn)行降低CFx層表面的氟濃度的步驟。按照另一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)在使絕緣層的表面暴露在諸如氫氣(H2)之類的活性氣氛中的同時(shí)，在預(yù)定條件下使絕緣層退火，進(jìn)行降低CFx層表面的氟濃度的步驟。按照又一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)對(duì)絕緣層應(yīng)用等離子體處理，進(jìn)行降低CFx層表面的氟濃度的步驟。在這個(gè)實(shí)施方式中，絕緣層暴露于等離子體之中，所述等離子體是通過(guò)在預(yù)定條件下，激發(fā)包含氫(H2)原子或碳(C)原子的氣體產(chǎn)生的。按照又一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)把絕緣體層浸入包含金屬元素的氫氧化物的溶液中， 隨后用純水沖洗絕緣層，最后干燥絕緣層，進(jìn)行降低CFx層的表面的氟濃度的步驟。按照又一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)利用常規(guī)的干燥器，進(jìn)行干燥絕緣層的步驟，或者通過(guò)在室溫下風(fēng)干絕緣層，實(shí)現(xiàn)干燥絕緣層的步驟。按照又一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)在整個(gè)濺射工藝期間，把基板溫度保持在約70°C 約 200°C的溫度，進(jìn)行利用高溫濺射方法，形成包含金屬元素的阻擋層的步驟。下面，利用分別描述形成氟碳化合物絕緣層；降低CFx層的表面的氟濃度的絕緣層的表面處理；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)退火；形成阻擋層；對(duì)基板進(jìn)行后退火；形成銅(Cu)種子層； 和形成銅(Cu)互連層的各節(jié)，詳細(xì)說(shuō)明按照本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的工藝。首先，說(shuō)明形成氟碳化合物(CFx)絕緣層的工藝。(形成氟碳化合物(CFx)絕緣層的工藝)用具有任意比例的碳和氟的氟碳化合物(CFx:k 2. 2)形成與本發(fā)明有關(guān)的絕緣層。氟碳化合物(CFx)絕緣層設(shè)置在上面形成有諸如晶體管之類的微觀結(jié)構(gòu)的基板的表面上。與其它low-k材料絕緣層，比如多孔材料相比，氟碳化合物(CFx)絕緣層更密實(shí)。因此，氟碳化合物(CFx)層的特征在于機(jī)械強(qiáng)度更高。為了提供足夠的互連，絕緣層的理想厚度可約為，例如100 120nm。在本實(shí)施方式中，為了形成氟碳化合物(CFx)絕緣層，以約 115nm的厚度為目標(biāo)。CFx絕緣層是以預(yù)定的設(shè)定條件，利用徑向線縫隙天線(RLSA)微波等離子體處理設(shè)備形成的。例如，為了形成厚度約115nm的氟碳化合物(CFx)絕緣層，使用流量約lOOsccm的氬氣(Ar)作為等離子體激發(fā)氣體。至于形成氣體，使用流量約200sCCm 的C5F8氣體。在RLSA微波等離子體處理設(shè)備內(nèi)，利用約1500W的輸入功率調(diào)節(jié)并保持約 25mTorr的壓力。由于在較低溫度下形成的CFx層易于損壞，因此，晶片溫度優(yōu)選保持在 300 400°C的溫度。在本實(shí)施方式中，晶片狀態(tài)溫度被設(shè)定成約350°C。此外，處理時(shí)間被設(shè)定為150秒，不對(duì)RLSA微波等離子體處理設(shè)備施加偏壓。(降低CFx層的氟濃度的預(yù)處理工藝)在用于制造半導(dǎo)體器件的常規(guī)工藝中，在不進(jìn)行任何預(yù)處理工藝的情況下，在CFx 絕緣層上形成阻擋層。于是，包含在CFx絕緣層中的氟擴(kuò)散到阻擋層中，從而由于在阻擋層和絕緣層的界面的氟化反應(yīng)，導(dǎo)致阻擋層的腐蝕。因此，來(lái)自互連體的銅(Cu)擴(kuò)散到絕緣層中，導(dǎo)致阻擋層從絕緣層(CFx)剝離。通過(guò)降低CFx絕緣層表面的氟濃度，可抑制來(lái)自絕緣層的氟與來(lái)自阻擋層的金屬元素的反應(yīng)(氟化反應(yīng))。這種反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致CFx絕緣層表面的碳(C)濃度的增大，這又會(huì)在阻擋層和絕緣層的界面，導(dǎo)致金屬元素和碳原子間的鍵合 (金屬元素的碳化物)的比例的增大。于是，在防止由腐蝕引起的阻擋層的剝離的時(shí)候，提高CFx層和阻擋層之間的附著力。此外，通過(guò)在阻擋層和絕緣層的界面形成金屬元素的碳化物，能夠阻止銅(Cu)擴(kuò)散到CFx絕緣層中。按照本發(fā)明，存在幾種利用上述機(jī)理來(lái)降低氟碳化合物(CFx)絕緣層表面的氟濃度的方法。這些方法如下1)氫氣(H2)退火；2)氫氣(H2)等離子體處理；3)在浸入金屬元素的氫氧化物中之后，用水沖洗；和4) 一氧化碳(CO)等離子體處理。下面，將一個(gè)一個(gè)地詳細(xì)說(shuō)明上述每種工藝。1)氫氣(H2)退火:在本實(shí)施方式中，通過(guò)在使絕緣層的表面暴露在諸如氫氣(H2)之類的活性氣氛中的同時(shí)，在預(yù)定條件下使絕緣層退火，進(jìn)行降低在CFx層表面的氟濃度的步驟。在本實(shí)施方式中，通過(guò)把氫氣(H2)引入處理設(shè)備中，在約100°C或以上的溫度下進(jìn)行使絕緣層退火的步驟。氫氣(H2)與CFx層表面的氟(F)反應(yīng)，變成氟化氫(HF)。之后，氟化氫(HF)從CFx層表面釋放出，導(dǎo)致生成富碳表面。2)氫氣(H2)等離子體處理 氫氣(H2)等離子體處理工藝是降低CFx絕緣層表面的氟濃度的另一種方法。首先參見圖1，圖中表示了利用氫等離子體的CFx預(yù)處理工藝的一個(gè)實(shí)施方式。從在基板10上形成CFx絕緣層20開始該工藝的第一部分。可利用RLSA微波等離子體處理設(shè)備，用在段落 0026中解釋的相同工藝，形成CFx層20。在下一步驟中，氫氣(H2)被引入處理設(shè)備中，通過(guò)利用常規(guī)方法和設(shè)備激發(fā)氫(H2)原子，產(chǎn)生氫等離子體。這樣，通過(guò)使在基板10上形成的氟碳化合物(CFx)絕緣層20暴露在氫等離子體之下，進(jìn)行CFx預(yù)處理工藝。如圖1(b)中所示，通過(guò)與氫等離子體反應(yīng)，包含在CFx表面層中的氟(F)脫離所述表面。除了氫氣(H2) 之外，一些實(shí)施方式可以利用包含氫原子的其它氣體。包含氫原子的其它氣體的例子可包括硅烷氣體(SiH4)或甲烷氣體(CH4)。從而，在CFx層的表面上形成富碳表面(圖1(c))。圖1 (d)描述在利用氫等離子體進(jìn)行CFx預(yù)處理工藝之后，制造半導(dǎo)體器件的工藝的最后步驟。在所述最后步驟中，在絕緣層20的富碳表面上形成阻擋層30。阻擋層30主要由諸如鈦(Ti)之類的金屬元素形成。通過(guò)產(chǎn)生金屬元素的碳化物300，富碳表面有助于增強(qiáng)阻擋層30和絕緣層20之間的鍵合。在本實(shí)施方式中，金屬元素的碳化物300由鈦的碳化物(TiC)形成。另外，阻擋層30是利用常規(guī)方法，比如濺射方法或化學(xué)氣相沉積(CVD) 方法形成的。一些實(shí)施方式可以使用其它金屬元素來(lái)形成阻擋層30。其它金屬元素的例子可包括鉭(Ta)、釕(Ru)或鎢(W)。 下面參考圖2，圖中表示了利用氫等離子體的CFx預(yù)處理工藝的備選實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中，使用單嵌入式互連結(jié)構(gòu)。在基板10上形成CFx絕緣層20之后，利用蝕刻工藝，在CFx絕緣層20中形成開孔21。在下一步驟中，通過(guò)把氫氣(H2)引入處理設(shè)備中，并利用激發(fā)的氫等離子體進(jìn)行CFx預(yù)處理工藝，使絕緣層20暴露于氫等離子體之中。在本實(shí)施方式中，除了氫氣之外，還把諸如氬氣(Ar)之類的惰性氣體加入處理設(shè)備中。在最后一步中，在開孔21的內(nèi)側(cè)，和在CFx層20的表面上形成阻擋層30。阻擋層30具有多層結(jié)構(gòu)， 所述多層結(jié)構(gòu)具有在CFx層上形成的第一層30a和在第一層上形成的第二層30b。多層結(jié)構(gòu)30中使用的金屬元素的例子可包括鈦/氮化鈦(Ti/TiN)、鈦/氮化鉭(Ti/TaN)和鉭/ 氮化鉭(Ta/TaN)。和利用氫等離子體處理的第一實(shí)施方式的情況一樣，由于在利用氫等離子體進(jìn)行CFx預(yù)處理之后產(chǎn)生的富碳表面的存在，在CFx絕緣層20和阻擋層30之間的界面形成金屬元素的碳化物300。3)在浸入金屬元素的氫氧化物中之后用水沖洗在本實(shí)施方式中，簡(jiǎn)單地把CFx絕緣層浸入包含金屬元素的氫氧化物的溶液中。 金屬元素的例子可包括鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鈉(Na)、鉀(K)或鎂(Mg)。在把絕緣層浸入金屬元素的氫氧化物，例如氫氧化鈣(Ca(OH)2)中之后，用純水沖洗并用常規(guī)方法干燥 CFx絕緣層。在一個(gè)實(shí)施方式中，可利用常規(guī)干燥器進(jìn)行干燥步驟。在另一個(gè)實(shí)施方式中， 可通過(guò)在室溫下風(fēng)干絕緣層，進(jìn)行干燥步驟。4) 一氧化碳(CO)等離子體處理在這種方法中，利用一氧化碳(CO)等離子體進(jìn)行CFx預(yù)處理工藝。包含在一氧化碳(CO)等離子體中的碳(C)與包含在CFx表面層中的氟(F)形成C-F鍵。C-F鍵的形成使氟(F)從CFx表面層中釋放出。于是，除了一氧化碳(CO)氣體之外，包含碳原子的其它氣體，比如甲烷氣體(CH4)等也可用于該等離子體處理。按照基于等離子體處理的方法(#2和#4)，通過(guò)使CFx表面層暴露在通過(guò)激發(fā)包含氫(H2)原子或碳(C)原子的氣體而產(chǎn)生的等離子體之中，可以使包含在CFx表面層中的氟 (F)從所述表面中釋放出。于是，除了氫氣(H2)或一氧化碳(CO)氣體之外，可把包含氫原子或碳原子的任何氣體加入等離子體處理設(shè)備中。這些氣體的例子包括硅烷氣體(SiH4)、 甲烷氣體(CH4)等。RLSA微波等離子體處理設(shè)備被用于在預(yù)定條件下，產(chǎn)生氫(H2)等離子體或一氧化碳(CO)等離子體。例如，最好把RLSA微波等離子體處理設(shè)備內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)到100 200mTorr之間的壓力。在本實(shí)施方式中，下述條件被用作產(chǎn)生氫(H2)等離子體和一氧化碳(CO)等離子體的預(yù)定條件首先，RLSA微波等離子體處理設(shè)備內(nèi)的壓力被設(shè)定成約 1200mTorr,其次，對(duì)RLSA微波等離子體處理設(shè)備施加至少約500W的微波功率，第三，處理時(shí)間被設(shè)定成約5秒。
如上所述，在所有上述方法 中使用的機(jī)理是通過(guò)降低氟濃度，抑制來(lái)自CFx絕緣層的氟(F)和來(lái)自阻擋層的金屬元素之間的氟化反應(yīng)。通過(guò)抑制氟化反應(yīng)，CFx層表面的氟濃度被降低，從而在CFx層表面上形成富碳表面。從而，當(dāng)在富碳表面上形成阻擋層時(shí)， 在阻擋層和絕緣層的界面，金屬元素和碳原子之間的鍵合(金屬元素的碳化物)的比例被增大。5)氬氣(Ar)退火處理在一個(gè)備選實(shí)施方式中，可以使用不同的機(jī)理來(lái)降低CFx絕緣層表面的氟濃度。 在本備選實(shí)施方式中，利用氬氣(Ar)退火處理，除去氟碳化合物(CFx)絕緣層表面的水分。 CFx層表面的水分會(huì)造成帶弱鍵的氟。帶弱鍵的氟原子在阻擋層和CFx絕緣層之間的界面， 形成金屬元素的四氟化物，比如四氟化鈦(TiF4)。四氟化鈦(TiF4)的特征在于汽壓較高， 導(dǎo)致惡化CFx絕緣層和金屬元素之間的附著力。于是，利用氬氣(Ar)退火處理除去水分有助于從氟碳化合物(CFx)絕緣層減少帶弱鍵的氟，從而在上面形成富碳表面。在本備選實(shí)施方式中，理想的是在惰性氣氛中，在預(yù)定條件下進(jìn)行退火步驟。惰性氣氛的例子可包括氦 (He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等等。在本實(shí)施方式中，從經(jīng)濟(jì)效率的觀點(diǎn)來(lái)看，氬氣(Ar)被用作對(duì)CFx絕緣層退火的退火氣體。濺射設(shè)備被用于進(jìn)行本發(fā)明的氬氣(Ar)退火處理。不過(guò)，可以提供與濺射設(shè)備分離的退火設(shè)備。如上所述，利用預(yù)定條件進(jìn)行氬氣(Ar)退火處理。例如，優(yōu)選把濺射設(shè)備內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)到IOOmTon ITorr之間的壓力范圍。在本實(shí)施方式中，濺射設(shè)備內(nèi)的壓力被設(shè)定成約lOmTorr，而狀態(tài)溫度被設(shè)定成約200°C。另外，處理時(shí)間被設(shè)定成約5分鐘(300 秒)。參見圖3，圖中表示了濺射設(shè)備100的實(shí)施方式的示意圖。如圖3中所示，在濺射設(shè)備的中心，設(shè)置有真空傳遞室102。在周圍區(qū)域中，圍繞真空傳遞室102配置退火室104， 阻擋層濺射室106，和銅濺射室108。在濺射設(shè)備100的下側(cè)，使至少一個(gè)負(fù)載鎖定室(load lock chamber) 110與真空傳遞室102連接，傳遞室112與負(fù)載鎖定室110連接，以便把晶片從晶片盒傳遞到負(fù)載鎖定室110。實(shí)驗(yàn)樣本為了評(píng)估阻隔性能，以及阻擋層在預(yù)處理的氟碳化合物(CFx)絕緣層上的附著力，制造了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本。隨后，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。圖4圖解說(shuō)明用于每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中的CFx絕緣層的表面處理的結(jié)構(gòu)和工藝。另外，圖4中還表示了在把透明膠帶粘附到實(shí)驗(yàn)樣本的表面之后，實(shí)驗(yàn)樣本的平面圖，以及鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試的結(jié)果。 用于該評(píng)估的結(jié)構(gòu)包括在體硅(Si)基板(bulk silicon substrate)上形成的氟碳化合物 (CFx)絕緣層。氟碳化合物(CFx)絕緣層具有約115nm的厚度，是在RLSA微波等離子體處理設(shè)備中，利用在段落0026中說(shuō)明的工藝形成的。在對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中的CFx絕緣層的表面進(jìn)行CFx預(yù)處理工藝之后，利用其中使用鈦(Ti)作為濺射靶的濺射設(shè)備100，在CFx絕緣層上形成主要由厚度約3nm的鈦(Ti)組成的阻擋層。在最后一步中，利用濺射設(shè)備100，在阻擋層上形成厚度約150nm的銅(Cu)互連層。實(shí)驗(yàn)樣本的阻擋層可利用常規(guī)濺射方法，或化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，或電鍍方法形成。在形成阻擋層之前，如果需要，可以進(jìn)行退火步驟，以除去水分或者有機(jī)物。在約100°C 約200°C的溫度下，在濺射或CVD設(shè)備的阻擋層形成室中進(jìn)行所述退火。
為所述評(píng)估，制造了 9個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)樣本。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，對(duì)CFx絕緣層的表面進(jìn)行獨(dú)立的CFx預(yù)處理工藝，以降低所述表面的氟濃度，同時(shí)增大所述表面上的相對(duì)碳濃度。如圖4中所示，處理行概括了對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中的CFx絕緣層的表面應(yīng)用的表面處理工藝。(實(shí)驗(yàn)樣本1)不對(duì)CFx絕緣層的表面進(jìn)行預(yù)處理工藝。如圖4中所示，確定用 “wo”符號(hào)表示的該樣本通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在本實(shí)施方式中，碳氟氧的比值為 C F 0 = 47 53 0。(實(shí)驗(yàn)樣本2)用一氧化碳(CO)退火工藝，處理本實(shí)驗(yàn)樣本的氟碳化合物(CFx) 絕緣層。在本實(shí)施方式中，在處理設(shè)備中引入一氧化碳(CO)氣體，并在約200°C的溫度下進(jìn)行退火，時(shí)間約60秒。類似于前一情況，本樣本(#2)通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。(實(shí)驗(yàn)樣本3)對(duì)氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面應(yīng)用一氧化碳(CO)等離子體處理。使用RLSA微波等離子體處理設(shè)備進(jìn)行一氧化碳(CO)等離子體處理。在本實(shí)施方式中，對(duì)RLSA微波等離子體處理設(shè)備施加約3kW的微波功率，處理時(shí)間被設(shè)定為約10秒。如在段落0036中所述，RLSA微波等離子體處理設(shè)備內(nèi)的壓力被設(shè)定為約1200mTorr。類似于前面的情況，實(shí)驗(yàn)樣本#3通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在本實(shí)施方式中，碳氟氧的比值為C F 0 = 48 46 6。 (實(shí)驗(yàn)樣本4)在本實(shí)驗(yàn)樣本中，通過(guò)在使絕緣層的表面暴露于乙硅烷(Si2H6)氣體下的同時(shí)，對(duì)絕緣層進(jìn)行退火，進(jìn)行降低CFx層表面的氟濃度的步驟。在本實(shí)施方式中， 在處理設(shè)備中引入乙硅烷(Si2H6)氣體，并在約200°C的溫度下進(jìn)行退火，時(shí)間約60秒。本實(shí)驗(yàn)樣本通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。(實(shí)驗(yàn)樣本5)利用氬氣(Ar)退火處理，預(yù)處理CFx絕緣層的表面。如前所述， 在可在相同處理設(shè)備內(nèi)進(jìn)行退火步驟和濺射步驟的濺射設(shè)備100中，進(jìn)行氬氣(Ar)退火處理。不過(guò)，與濺射設(shè)備分離的退火設(shè)備也可用于本實(shí)施方式。濺射設(shè)備內(nèi)的壓力被設(shè)定成約lOmTorr，基板溫度被保持在約200°C的溫度。對(duì)本實(shí)驗(yàn)樣本的處理時(shí)間被設(shè)定成約60 秒。類似于前面的情況，實(shí)驗(yàn)樣本#5通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。(實(shí)驗(yàn)樣本6)利用氫氣(H2)退火工藝，預(yù)處理CFx絕緣層的表面。在約300°C的溫度下進(jìn)行對(duì)本實(shí)驗(yàn)樣本的退火步驟，時(shí)間約900秒。實(shí)驗(yàn)樣本#6通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在本實(shí)施方式中，碳氟氧的比值為C F 0 = 50 50 0。(實(shí)驗(yàn)樣本7):對(duì)氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面應(yīng)用氫氣(H2)等離子體處理。 與實(shí)驗(yàn)樣本#3的情況類似，使用RLSA微波等離子體處理設(shè)備進(jìn)行氫氣(H2)等離子體處理。 在本實(shí)施方式中，使用至少約500W的微波功率，處理時(shí)間被設(shè)定成約5秒。如前所述，RLSA 微波等離子體處理設(shè)備內(nèi)的壓力被設(shè)定成約1200mTorr。如圖4中所示，就本實(shí)驗(yàn)樣本(#7) 來(lái)說(shuō)，觀察到一些剝離。在這種情況下，進(jìn)一步的研究表明這些剝離起因于某些環(huán)境條件， 于是確定類似于前面的情況，本樣本通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在本實(shí)施方式中，碳氟 氧的比值為C F 0 = 55 45 0。(實(shí)驗(yàn)樣本8):首先把CFx絕緣層浸入氫氧化鈣(Ca(OH)2)溶液中。在浸入步驟之后，用純水沖洗CFx絕緣層，并在室溫下風(fēng)干。實(shí)驗(yàn)樣本#8通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在利用金屬元素的氫氧化物的清潔處理中，未獲得關(guān)于碳氟氧的比值的任何數(shù)據(jù)。(實(shí)驗(yàn)樣本9)用氟粘合劑處理，預(yù)處理CFx絕緣層。如圖4中所示，本實(shí)驗(yàn)樣本通過(guò)鼓泡測(cè)試，不過(guò)未通過(guò)膠帶測(cè)試，從而證明阻擋層和CFx絕緣層之間的粘結(jié)鍵合較低。按照?qǐng)D4中所示的上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除了利用氟粘合劑處理的樣本之外，所有實(shí)驗(yàn)樣本證明阻擋層和CFx絕緣層之間的高粘結(jié)鍵合。不過(guò)，由于粘結(jié)鍵合較低，因此在利用氟碳化物處理的實(shí)驗(yàn)樣本#9中，阻擋層可能剝離。 參見圖5-6，圖中利用掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，表示了每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本#1 #9 的橫截面視圖和頂面視圖。SEM圖像是使所有實(shí)驗(yàn)樣本在約360°C的溫度下，退火約1小時(shí)之后獲得的。如圖5和6中所示，未對(duì)CFx絕緣層應(yīng)用任何預(yù)處理工藝的實(shí)驗(yàn)樣本#1未顯示出阻擋層從CFx層的剝離。不過(guò)，樣本#1顯示出關(guān)于阻隔性質(zhì)的一些問題。如在橫截面視圖中所示，在CFx絕緣層和硅(Si)基板的界面的明亮顆粒的存在證明來(lái)自銅互連體的銅 (Cu)分別通過(guò)阻擋層和CFx絕緣層。于是，銅(Cu)與硅(Si)基板鍵合，從而產(chǎn)生SiCu。就實(shí)驗(yàn)樣本#1的頂面視圖來(lái)說(shuō)，更多的凹坑和隆起的存在證明更多的銅(Cu)滲入結(jié)構(gòu)的下層中。除其中對(duì)CFx絕緣層的表面應(yīng)用氫氣(H2)退火處理的實(shí)驗(yàn)樣本#6的情況之外，在幾乎所有實(shí)驗(yàn)樣本中都顯示出明亮的顆粒。此外，在銅(Cu)表面不存在凹坑。另外，就在硅(Si)基板和CFx絕緣層的界面的明亮顆粒的存在而言，以及就銅(Cu)表面的凹坑的存在而言，利用氟粘合劑處理的實(shí)驗(yàn)樣本#9的橫截面視圖和頂面視圖看起來(lái)也是良好的。不過(guò)，對(duì)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試中所示的實(shí)驗(yàn)樣本#9來(lái)說(shuō)，CFx/金屬界面的附著力較差。應(yīng)注意就銅(Cu)擴(kuò)散到硅(Si)基板層中而言，利用降氟處理的所有實(shí)驗(yàn)樣本都具有足夠的阻隔性。這與在Si/CFx界面的明亮顆粒的存在，以及在銅(Cu)表面的凹坑的存在無(wú)關(guān)。(對(duì)基板進(jìn)行預(yù)退火)下面，說(shuō)明按照本發(fā)明的用于制造半導(dǎo)體器件的工藝的第三步。在對(duì)氟碳化合物(CFx)絕緣層應(yīng)用預(yù)處理工藝之后，利用濺射設(shè)備100，對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱步驟?？稍诩s 50°C 約200°C的基板溫度下，在阻擋層沉積室106中進(jìn)行所述熱處理。處理時(shí)間可被設(shè)定為180秒以下。(形成主要由金屬元素組成的阻擋層的工藝)在常規(guī)的阻擋層形成工藝中，存在CFx絕緣層和主要由金屬元素，比如鈦(Ti)組成的阻擋層之間的附著力較差的問題。為了提高附著力，提出雙(多)阻擋層結(jié)構(gòu)，其中在絕緣層上形成用氮化鈦(TiN)構(gòu)成的第一層，在第一層上形成用鈦(Ti)構(gòu)成的面對(duì)銅互連的第二層。不過(guò)，由于氮化鈦(TiN)的電阻高，因此在阻擋層中使用氮化鈦(TiN)會(huì)增大信號(hào)延遲。利用高溫濺射方法，形成按照本發(fā)明的主要由金屬元素組成的阻擋層。在這種工藝中，在整個(gè)濺射工藝中，使基板溫度保持較高的溫度。在優(yōu)選實(shí)施方式中，加熱升高基板溫度，并保持在約70°C 200°C的溫度范圍。通過(guò)把基板加熱到上述溫度范圍，并在整個(gè)濺射工藝中，使基板溫度保持在相同的水平，由于高汽壓的緣故，氟原子以TiF4的形式，從氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面被清除。選擇優(yōu)選溫度范圍的下限為70°C的原因在于在該溫度時(shí)，氟碳化合物(CFx)絕緣層表面的水分開始在真空中蒸發(fā)。另一方面，溫度范圍的上限被設(shè)定為200°C，因?yàn)楫?dāng)基板溫度超過(guò)200°C時(shí)，在下面的導(dǎo)電層的銅(Cu)開始聚集。這主要?dú)w因于暴露在通孔底部的銅(Cu)直接受基板溫度影響的事實(shí)。于是，當(dāng)基板溫度超過(guò)溫度范圍的上限時(shí)，導(dǎo)電層的銅(Cu)開始聚集。聚集的銅在性質(zhì)方面不均勻，使得難以用在半導(dǎo)體器件中。下面參考圖7，圖中表示了制造雙嵌入式銅互連結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式的工藝的示意圖。 雙嵌入技術(shù)包括下述步驟1)形成絕緣層2)形成通孔(via)/互連圖案3)通孔/互連溝槽的蝕刻4)形成阻擋金屬/種子銅層5)用電鍍方法埋入銅(Cu)6) Cu/阻擋金屬層的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)注意為了簡(jiǎn)單起見，省略了預(yù)處理工藝，以及預(yù)退火和后退火步驟。圖8中描述了利用雙嵌入技術(shù)的制造工藝的前半部。圖8 (a)中表示了具有多層結(jié)構(gòu)80的CFx絕緣層的橫截面視圖。如該圖所示，所述多層結(jié)構(gòu)包括氟碳化合物絕緣層82， 保護(hù)層(cap layer) 84 (也稱為硬掩膜或蝕刻終止層)，阻擋層86，和銅(Cu)布線層88。在本實(shí)施方式中，保護(hù)層84可以包含無(wú)定形碳或碳氮化硅(SiCN)。另外，阻擋層86由鈦(Ti) 形成。應(yīng)注意當(dāng)形成CFx絕緣層82時(shí)，下面的多層結(jié)構(gòu)中的銅(Cu)布線層86未暴露。不過(guò)，當(dāng)形成阻擋金屬/種子銅層時(shí)，在蝕刻通孔/互連溝槽之后，銅(Cu)布線層86暴露于氣氛下，直接受基板溫度影響(參見圖8(b))。用于在高溫濺射工藝中，降低氟濃度的機(jī)理如下在濺射工藝的初始階段，在CFx 絕緣層表面形成金屬氟化物溶液，比如四氟化鈦(TiF4)。通過(guò)把基板溫度保持在相同的期望水平，由于其汽壓較高，因此四氟化鈦(TiF4)蒸發(fā)。結(jié)果，在CFx絕緣層表面，氟濃度降低，而碳濃度增大，以致在CFx層表面形成富碳表面。富碳表面實(shí)際上在氟碳化合物(CFx)絕緣層和鈦(Ti)阻擋層之間的界面，產(chǎn)生許多金屬-碳鍵，比如Ti-C鍵。由于鈦(Ti)阻擋層是在形成Ti-C鍵之后形成的，因此阻擋層穩(wěn)定；從而，確保CFx層和阻擋層之間的附著力。于是，不需要在鈦(Ti)阻擋層和CFx絕緣層之間插入電阻率高的氮化鈦(TiN)層來(lái)確保它們的附著力。從而，與常規(guī)的阻擋層形成工藝相比，本發(fā)明的高溫濺射工藝形成電阻率低，并且損耗小的阻擋層。在殘余氟(F)仍然存在于CFx絕緣層的表面上的情況下，由于與金屬-碳鍵相比， 金屬-氟鍵具有較低的共價(jià)能，因此不太可能形成金屬_碳鍵。于是，在氟碳化合物(CFx) 絕緣層和阻擋金屬層之間的界面，將形成金屬-氟鍵。主要由金屬元素組成的阻擋層是以預(yù)定設(shè)定條件，利用濺射設(shè)備100形成的。在約200°C的基 板溫度下，在阻擋層濺射室106中形成阻擋層。處理時(shí)間可被設(shè)定成50秒，以形成厚度18nm的鈦(Ti)阻擋層。在輸入功率約300W的阻擋層濺射室106內(nèi)，還使用流量約70sccm的氬氣(Ar)。在本實(shí)施方式中，主要由金屬元素組成的阻擋層由鈦(Ti)形成。這主要?dú)w因于下述事實(shí)首先，鈦(Ti)是當(dāng)與氟原子結(jié)合，以形成四氟化碳溶液時(shí)具有較高汽壓的材料，其次，鈦(Ti)對(duì)銅(Cu)具有良好的阻隔性。其它實(shí)施方式可以通過(guò)采用高溫濺射工藝，使用其它金屬元素形成阻擋層。具有相同的上述性能的其它金屬元素可包括鉭(Ta)、釕(Ru)、 錳(Mn)或鈷(Co)。圖9圖解說(shuō)明隨溫度而變的氟(F)的汽壓曲線。如圖9中所示，鉭(Ta)和釕(Ru)都代表具有高汽壓的材料。請(qǐng)參見圖9中的鉭的氟化物(TaF5)和釕的氟化物 (RuF5)的曲線。另一方面，鎢(W)是一種汽壓高的材料(圖9中的WF6的曲線)，不過(guò)它未被選為本發(fā)明的金屬阻擋層的候選材料。這是因?yàn)殒u(W)對(duì)銅(Cu)沒有良好的阻隔性。 在本實(shí)施方式中，主要由金屬元素組成的阻擋層具有單層結(jié)構(gòu)。于是，銅(Cu)互連體可被直接設(shè)置在阻擋層，例如鈦(Ti)之上。其它實(shí)施方式可以形成具有多層結(jié)構(gòu)的阻擋層。具有多層結(jié)構(gòu)的阻擋層可包括主要由第一金屬元素，例如鈦(Ti)組成的第一層， 和主要由除第一金屬元素外的金屬元素組成的第二層。除鈦(Ti)外的金屬元素的例子可包括鉭(Ta)、釕(Ru)、鈷(Co)、鎳(Ni)和錳(Mn)。在備選實(shí)施方式中，多層結(jié)構(gòu)的第二層可由第一金屬元素的氮化物，例如氮化鈦(TiN)，或者除第一金屬元素外的金屬元素的氮化物，例如，氮化鉭(TaN)等形成。如下進(jìn)一步所述，本發(fā)明提供在第一層的頂上形成多層結(jié)構(gòu)的第二層的機(jī)會(huì)，所述第二層直接置于銅互連體之下。這樣，通過(guò)形成具有多層結(jié)構(gòu)的阻擋層，增大了工藝選擇的自由度。這歸因于可在鈦(Ti)阻擋層之上形成任意層的事實(shí)，而不存在傳統(tǒng)工藝的限制，在傳統(tǒng)工藝中，由于鈦?zhàn)钃鯇雍虲Fx絕緣層的附著性較差，第二層被插入鈦?zhàn)钃鯇雍?CFx絕緣層之間。下面參見圖10，在各個(gè)濺射溫度和濺射時(shí)間下，表示了用于測(cè)量鈦(Ti)阻擋層的厚度的實(shí)驗(yàn)樣本的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。使用X射線熒光(XRF)分析來(lái)測(cè)量主要由鈦(Ti)組成的阻擋層的厚度。圖10中還表示了圖解說(shuō)明每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的阻擋層的厚度的XRF強(qiáng)度曲線。如圖10中所示，濺射時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)具有在相同濺射溫度下形成的相同結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣本來(lái)說(shuō)， 鈦(Ti)阻擋層的厚度超大。不過(guò)，對(duì)具有在相同濺射時(shí)間內(nèi)，在不同的濺射溫度下形成的相同結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣本來(lái)說(shuō)，取決于目標(biāo)結(jié)構(gòu)，觀察到兩種不同的趨勢(shì)。在直接在硅(Si)基板上形成鈦(Ti)阻擋層的情況下，阻擋層的厚度并不隨濺射溫度而變化。XRF分析表明對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本#1和#3來(lái)說(shuō)，厚度值幾乎相同(3nm和2. 7nm)(參見表的XRF厚度行中的第一列和第三列)。在氟碳化合物(CFx)絕緣層上形成鈦(Ti)阻擋層的情況下，阻擋層的厚度確實(shí)隨濺射溫度而變化。例如，實(shí)驗(yàn)樣本#4和#6的XRF厚度分別為2. 8nm和1. lnm。確定1. 7nm 的厚度值差異歸因于在高溫濺射工藝期間，首先形成四氟化碳(TiF4)溶液，隨后四氟化碳 (TiF4)溶液蒸發(fā)的事實(shí)。在本實(shí)施方式中，濺射時(shí)間被設(shè)定為9秒。實(shí)驗(yàn)樣本#5和#7的 XRF厚度分別被測(cè)量為下述值6. Onm和4. 8nm。同樣地，1. 2nm的厚度值差異歸因于四氟化碳(TiF4)溶液的蒸發(fā)。在這個(gè)實(shí)施方式中，濺射時(shí)間被設(shè)定成18秒。實(shí)驗(yàn)樣本#8的XRF 厚度被測(cè)量為約17. 7nm。在這個(gè)實(shí)施方式中，濺射溫度被設(shè)定成200°C，而濺射時(shí)間被設(shè)定成50秒。應(yīng)注意在所有上述測(cè)量中，XRF分析都是在約350°C的溫度下，對(duì)基板退火12小時(shí)之后進(jìn)行的。按照這些結(jié)果，在諸如200°C的較高濺射溫度下形成的鈦(Ti)阻擋層的厚度比在室溫下形成的鈦(Ti)阻擋層的厚度小約1. 2 1. 7nm。圖11圖解說(shuō)明對(duì)于兩個(gè)濺射溫度 200°C和室溫(R. T.)，隨濺射時(shí)間而變的實(shí)驗(yàn)樣本#4 #8的XRF強(qiáng)度。由于在早期，鈦(Ti)被消耗，以便通過(guò)首先形成四氟化碳(TiF4)溶液，隨后蒸發(fā)四氟化碳(TiF4)溶液，從氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面除去氟(F)，因此可通過(guò)把阻擋層的厚度設(shè)定成比用常規(guī)工藝獲得的阻擋層的厚度值近似高約1. 2 1. 7nm的值，獲得阻擋層的厚度的目標(biāo)值。(對(duì)基板進(jìn)行后退火)在利用高溫濺射工藝形成阻擋層之后，利用相同的濺射設(shè)備100對(duì)基板進(jìn)行后退火步驟。可在從約50°C 約200°C的基板溫度下，在阻擋層沉積室106中進(jìn)行這種熱處理。 處理時(shí)間可被設(shè)定成180秒以下。(形成銅(Cu)種子層的工藝)下面，說(shuō)明按照本發(fā)明的用于制造半導(dǎo)體器件的工藝的第五步。在形成主要由金屬元素組成的阻擋層之后，利用相同的濺射設(shè)備100，在阻擋層上形成銅(Cu)種子層?？稍谑覝叵?，在不同于阻擋層沉積室106的銅濺射室108中形成銅(Cu)種子層。在本實(shí)施方式中，用物理氣相沉積(PVD)工藝形成銅(Cu)種子層。任意厚度的銅種子層都是可接受的， 只要存在足以把銅互連埋入通孔或互連溝槽內(nèi)的空間即可。銅(Cu)種子層的理想厚度約為 5nm。(形成銅互連的工藝)在制造工藝的最后一步中，在形成厚度約4 5nm的銅(Cu)種子層之后，利用常規(guī)的電鍍工藝，形成厚度約120 130nm的銅互連。實(shí)驗(yàn)樣本為了評(píng)估利用高溫濺射工藝，在預(yù)處理的氟碳化合物(CFx)絕緣層上形成的阻擋層的阻隔性以及附著力，利用上述制造工藝制造了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本。為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)樣本，利用下述設(shè)定條件，在銅濺射室108中，在阻擋層上形成厚度約150nm的銅層氬氣(Ar)流量 lOOsccm，輸入功率500W，處理時(shí)間100秒。下面，將詳細(xì)說(shuō)明這些評(píng)估的結(jié)果。(實(shí)驗(yàn)樣本10)實(shí)驗(yàn)樣本10是按照本發(fā)明的工藝制造的，以便評(píng)估阻擋層的阻隔性，以及阻擋層與CFx絕緣層的附著力。在實(shí)驗(yàn)樣本10中，對(duì)CFx絕緣層的表面應(yīng)用氬氣退火處理。氬氣(Ar)退火處理被用作按照本發(fā)明的工藝的半導(dǎo)體制造工藝中的步驟(2) 的預(yù)處理工藝。下面參見圖12，圖中表示了在應(yīng)用氬氣退火處理之后，制造實(shí)驗(yàn)樣本的工藝的示意圖。圖中還利用透射電子顯微鏡(TEM)圖像，表示了實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和平面圖。如圖10中所示，對(duì)CFx絕緣層的表面應(yīng)用在約200°C溫度下的預(yù)退火處理。隨后，利用高溫濺射工藝，形成厚度約3nm的鈦(Ti)阻擋層。在約200°C的基板溫度下，在濺射設(shè)備100的阻擋層濺射室106中形成鈦(Ti)阻擋層。隨后在200°C溫度下，對(duì)包括鈦(Ti)阻擋層的基板進(jìn)行后退火步驟。預(yù)退火步驟和后退火步驟也是在阻擋層沉積室106中進(jìn)行的。在最后一步中，在室溫下，利用常規(guī)的濺射工藝，在銅濺射室108中形成厚度150nm的銅(Cu)層。 在銅層上形成厚度20nm的附加鈦(Ti)層，以防止銅氧化。隨后在約350°C的溫度下，進(jìn)行 12小時(shí)的評(píng)估前退火之后，評(píng)估實(shí)驗(yàn)樣本。所述評(píng)估前退火是在濺射設(shè)備的退火室104中進(jìn)行的。如圖12中所示，進(jìn)行膠帶測(cè)試，以評(píng)估鈦?zhàn)钃鯇优cCFx絕緣層的附著力。結(jié)果，在該樣本中，未觀察到阻擋層的任何分層或剝離。此外，就鈦(Ti)層的阻隔性而論，本實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和平面圖都是非常良好的。如橫截面視圖的放大部分中所示，在Ci^x層和硅(Si)基板的界面，不存在任何明亮的顆粒。這意味互連體的銅未滲入氟碳化合物(CFx) 絕緣層中。實(shí)驗(yàn)樣本的平面圖證實(shí)了這一點(diǎn)，在所述平面圖中，在實(shí)驗(yàn)樣本的表面上，未觀察到任何凹坑和隆起。本實(shí)驗(yàn)樣本顯示出良好的阻隔性，和鈦(Ti)阻擋層與CFx絕緣層之間的強(qiáng)粘結(jié)鍵合。這與從只對(duì)氟碳化合物(CFx)絕緣層的表面應(yīng)用預(yù)處理工藝，同時(shí)在室溫下用常規(guī)濺射工藝形成阻擋層的實(shí)驗(yàn)樣本獲得的先前結(jié)果相反。請(qǐng)返回參見圖5-6，尤其是實(shí)驗(yàn)樣本#5。(實(shí)驗(yàn)樣本11-12)下面，評(píng)估其中以約18nm的較大厚度值，形成鈦(Ti)阻擋層的實(shí)驗(yàn)樣本的阻隔性。圖13圖解說(shuō)明用于制造實(shí)驗(yàn)樣本11的目標(biāo)結(jié)構(gòu)和工藝流程。如該圖所示，對(duì)CFx絕緣層表面進(jìn)行氫氣(H2)退火處理，以降低CFx絕緣層表面的氟濃度。隨后，進(jìn)行利用氫氣(H2)氣氛的預(yù)退火處理180秒。在預(yù)退火步驟之后，利用高溫濺射工藝， 在約200°C的基板溫度下，形成鈦(Ti)阻擋層。高溫濺射工藝的濺射時(shí)間被設(shè)定成50秒， 從而導(dǎo)致形成厚度18nm的鈦?zhàn)钃鯇?。?00°C溫度下，對(duì)基板進(jìn)行氫氣(H2)后退火處理 180秒，之后進(jìn)行銅(Cu)層形成步驟，在銅(Cu)層形成步驟中，在室溫下形成厚度150nm的銅(Cu)層。隨后對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本(# 11)進(jìn)行鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。圖13中還表示了在把透明膠帶粘到其表面之后，該結(jié)構(gòu)的平面圖。在評(píng)估整個(gè)晶片之后，確定在粘貼的膠帶周圍，未觀察到任何變色。另外，實(shí)驗(yàn)樣本#11通過(guò)鼓包測(cè)試和膠帶測(cè)試。此外，圖13圖解說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本11的橫截面視圖和頂面視圖。如圖所示，由于鈦(Ti)阻擋層的厚度值較大，未觀察到銅(Cu)擴(kuò)散。圖14中表示了用于制造實(shí)驗(yàn)樣本12的目標(biāo)結(jié)構(gòu)和工藝流程。利用圖14中所示的工藝流程，形成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本在第一個(gè)樣本中，對(duì)CFx絕緣層的表面進(jìn)行氫氣(H2)退火處理，以降低氟濃度，不過(guò)在第二個(gè)樣本中，未對(duì)CFx絕緣層進(jìn)行氫氣(H2)退火。另外，未對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)退火步驟。在約200°C的基板溫度下，形成厚度18nm的鈦(Ti)阻擋層之后，分別對(duì)基板進(jìn)行軟蝕刻處理和氬氣冷卻處理。軟蝕刻處理是通過(guò)對(duì)基板施加400kHz 的RF，以便吸收氬(Ar)離子，除去鈦(Ti)阻擋層表面上的氧化膜的工藝。軟蝕刻工藝是在氬氣氣氛中，在200°C溫度下進(jìn)行的，時(shí)間360秒。由于該工藝是在200°C溫度下進(jìn)行的，因此它可被看作后退火和氧化膜去除處理。此外，氬氣(Ar)冷卻處理是通過(guò)把基板放在保持 20°C 30°C的冷卻板上(時(shí)間600秒)，冷卻基板的工藝。進(jìn)行氬氣(Ar)冷卻處理，以便在室溫沉積銅(Cu)層。注意在未明確指示的實(shí)驗(yàn)樣本中，不進(jìn)行該工藝。在最后一步中， 在室溫下，在鈦(Ti)阻擋層上形成厚度150nm的銅(Cu)層。對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。圖14中還表示了在把透明膠帶粘貼到其表面上之后，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的平面圖。對(duì)利用氫氣(H2)退火處理的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，在粘貼的膠帶周圍，觀察到銅(Cu)表面的一些變色。如圖14中所示，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本12都通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。與實(shí)驗(yàn)樣本 #11的情況類似，圖14還圖解說(shuō)明這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的橫截面視圖和頂面視圖。與前一情況 (樣本#11)類似，由于鈦(Ti)阻擋層的厚度的緣故，未觀察到銅(Cu)擴(kuò)散。鼓泡測(cè)試、膠帶測(cè)試和SEM圖像都是在350°C溫度下，使基板退火12小時(shí)之后進(jìn)行和獲得的。制造實(shí)驗(yàn)樣本11-12是為了確認(rèn)在其厚度值較高，例如18nm的情況下，鈦?zhàn)钃鯇拥淖韪粜?。不過(guò)，為了防止互連寬度的縮短，要求金屬阻擋層的厚度較小。例如，為了通過(guò)寬度20nm的通孔形成期望的銅互連，要求以約3nm的厚度形成阻擋層。這樣，設(shè)置寬度14nm的期望的銅(Cu) 互連。(實(shí)驗(yàn)樣本13-15)圖15圖解說(shuō)明用于制造實(shí)驗(yàn)樣本13_15的目標(biāo)結(jié)構(gòu)和工藝流程。如圖15中所示，對(duì)CFx絕緣層表面進(jìn)行氫氣(H2)退火處理，以降低所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中的CFx絕緣層表面的氟濃度。在約300°C溫度下應(yīng)用所述氫氣(H2)退火處理，時(shí)間900秒。 隨后，在氫氣(H2)氣氛中，在約200°C溫度下，進(jìn)行預(yù)退火處理，時(shí)間180秒。在預(yù)退火步驟之后，利用高溫濺射工藝，在約200°C的基板溫度下，形成鈦(Ti)阻擋層。實(shí)驗(yàn)樣本13-15 的濺射時(shí)間分別被設(shè)定成9、17和25秒。上述濺射時(shí)間分別形成厚度lnm、4nm和7nm的鈦?zhàn)钃鯇?。?duì)基板進(jìn)行后退火處理(200°C溫度下，時(shí)間180秒的氫氣(H2)退火)，之后進(jìn)行在室溫下，以約150nm的厚度形成銅(Cu)層的銅(Cu)形成步驟。在約350°C溫度下，對(duì)基板退火12小時(shí)之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本13_15進(jìn)行鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。圖15中還表示了在把透明膠帶粘貼到其表面之后，這三種結(jié)構(gòu)的平面圖。如圖 15中所示，只有具有7nm厚的鈦(Ti)阻擋層的實(shí)驗(yàn)樣本#15通過(guò)鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。至于其它兩個(gè)樣本，具有4nm厚的鈦(Ti)阻擋層的實(shí)驗(yàn)樣本#14只通過(guò)鼓泡測(cè)試，而具有Inm 厚的鈦(Ti)阻擋層的實(shí)驗(yàn)樣本#13只通過(guò)膠帶測(cè)試。參考圖16，圖中利用SEM圖像，表示了實(shí)驗(yàn)樣本13_15的橫截面視圖和頂面視圖。 SEM圖像是在約350°C溫度下，對(duì)基板退火12小時(shí)之后獲得的。如圖16中所示，在所有三個(gè)樣本(#13 #15)中，在CFx絕緣層和硅(Si)基板的界面都存在明亮的顆粒。不過(guò)，阻擋層厚度較大的實(shí)驗(yàn)樣本顯示出較低的銅(Cu)滲透。另外在具有較大的阻擋層厚度(7nm) 的實(shí)驗(yàn)樣本#15的情況下，在銅表面上觀察到較少的凹坑。下面，研究就阻擋層的阻隔性和與阻擋層的附著力來(lái)說(shuō)的氟碳化合物(CFx)絕緣層的性質(zhì)。為此，制造了三組實(shí)驗(yàn)樣本。在每一組中，形成具有不同的氟碳化合物(CFx和 CFx2)絕緣層的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本。CFx和CFx2絕緣層都是以兩種不同的設(shè)定條件，利用RLSA 設(shè)備形成的。表1總結(jié)了對(duì)于每個(gè)CFx和CFx2層的設(shè)定條件表1 用于形成CFx和CFx2絕緣層的設(shè)定條件
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括下述步驟對(duì)絕緣層進(jìn)行退火，其中所述絕緣層包括氟碳化合物(CFx)膜；在所述絕緣層上形成包括金屬元素的阻擋層，其中所述阻擋層在所述退火步驟之后， 通過(guò)高溫濺射工藝形成。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在使所述絕緣層的表面暴露在惰性氣體中的同時(shí)，在預(yù)定條件下進(jìn)行所述退火步驟。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中所述退火步驟還包括從所述絕緣層的表面去除水分，以便消除具有弱鍵的氟濃度的步驟。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括溫度180°C 220°C，時(shí)間3 5分鐘。
5.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中所述惰性氣體包括氬氣(Ar)。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在使所述絕緣層的表面暴露在活性氣體中的同時(shí)，在預(yù)定條件下進(jìn)行所述退火步驟。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中所述退火步驟具有降低所述絕緣層的表面的氟濃度，同時(shí)增加所述絕緣層的表面上的碳濃度的效果。
8.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中所述活性氣體包括氫氣(H2)。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中通過(guò)形成從所述絕緣層的表面分離的氟化氫 (HF)，降低氟濃度。
10.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括溫度至少100°C，時(shí)間不小于 5分鐘。
11.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述高溫濺射工藝期間，基板溫度被保持在約 70°C 200"C。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其中所述高溫濺射工藝具有從所述絕緣層的表面去除氟，同時(shí)在所述絕緣層的表面形成富碳表面的效果。
13.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中去除步驟還包括下述步驟形成金屬氟化物溶液，和從所述絕緣層的表面蒸發(fā)所述金屬氟化物溶液。
14.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬元素包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、釕(Ru)、錳 (Mn)或鈷(Co)。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其中在流量約70sCCm，基板溫度約200°C，功率級(jí)約 300W，處理時(shí)間約50秒的條件下，在氬氣(Ar)氣氛中形成所述阻擋層。
16.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中所述阻擋層具有多層結(jié)構(gòu)。
17.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述形成步驟之后，進(jìn)行后退火處理的步驟，其中在約50°C 200°C的溫度下，進(jìn)行時(shí)間不超過(guò)180秒的所述后退火處理。
18.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中按預(yù)定設(shè)定條件，利用徑向線縫隙天線(RLSA)微波等離子體處理設(shè)備形成所述絕緣層。
19.按照權(quán)利要求18所述的方法，其中所述預(yù)定設(shè)定條件包括25mTorr 30mTorr的壓力，和1500W 2000W的微波功率。
20.一種制造半導(dǎo)體器件的方法。所述方法包括下述步驟對(duì)絕緣層進(jìn)行預(yù)處理工藝，以便形成碳氟組成比(C/F)大于1的富碳表面的步驟， 其中在進(jìn)行所述預(yù)處理工藝之前，所述絕緣層包括具有任意碳氟組成比的氟碳化合物 (CFx)。
21.按照權(quán)利要求20所述的方法，其中進(jìn)行所述預(yù)處理工藝的步驟包括在使所述絕緣層的表面暴露在惰性氣體氣氛中的同時(shí)，在預(yù)定條件下對(duì)所述絕緣層進(jìn)行退火的步驟。
22.按照權(quán)利要求21所述的方法，其中所述退火步驟具有從所述絕緣層的表面蒸發(fā)水分，以便消除具有弱鍵的氟濃度的效果。
23.按照權(quán)利要求21所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括溫度180°C 220°C，時(shí)間 3 5分鐘。
24.按照權(quán)利要求21所述的方法，其中所述惰性氣體氣氛包括氬氣(Ar)。
25.按照權(quán)利要求20所述的方法，其中進(jìn)行所述預(yù)處理工藝的步驟包括在使所述絕緣層的表面暴露在活性氣體氣氛中的同時(shí)，在預(yù)定條件下對(duì)所述絕緣層進(jìn)行退火的步驟。
26.按照權(quán)利要求25所述的方法，其中所述退火步驟具有降低所述絕緣層的表面的氟濃度，同時(shí)增加所述絕緣層的表面上的碳濃度的效果。
27.按照權(quán)利要求25所述的方法，其中所述活性氣體氣氛包括氫氣(H2)。
28.按照權(quán)利要求27所述的方法，其中通過(guò)形成從所述絕緣層的表面分離的氟化氫 (HF)，降低氟濃度。
29.按照權(quán)利要求27所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括溫度至少100°C，時(shí)間不小于 5分鐘。
30.按照權(quán)利要求20所述的方法，其中進(jìn)行所述預(yù)處理工藝的步驟包括通過(guò)使所述絕緣層的表面暴露在等離子體中，對(duì)所述絕緣層應(yīng)用等離子體處理的步驟，所述等離子體是通過(guò)在預(yù)定條件下，激發(fā)包括氫原子或碳原子的氣體所產(chǎn)生的。
31.按照權(quán)利要求30所述的方法，其中所述等離子體處理步驟具有降低所述絕緣層的表面的氟濃度，同時(shí)增加所述絕緣層的表面上的碳濃度的效果。
32.按照權(quán)利要求30所述的方法，其中包含氫原子的氣體包括氫氣(H2)、甲烷氣體 (CH4)或硅烷氣體(SiH4),并且其中通過(guò)形成從所述絕緣層的表面釋放的氟化氫(HF)，降低氟濃度。
33.按照權(quán)利要求30所述的方法，其中包含碳原子的氣體包括一氧化碳?xì)怏w(CO)或甲烷氣體(CH4),并且其中通過(guò)形成從所述絕緣層的表面釋放氟(F)的C-F鍵，降低氟濃度。
34.按照權(quán)利要求30所述的方法，其中利用徑向線縫隙天線(RLSA)微波等離子體處理設(shè)備產(chǎn)生所述等離子體。
35.按照權(quán)利要求30所述的方法，其中進(jìn)行所述預(yù)處理工藝的步驟包括下述步驟把所述絕緣層浸入包含金屬元素的氫氧化物的溶液中；在浸入步驟之后，用純水沖洗所述絕緣層；和在沖洗步驟之后，干燥所述絕緣層。
36.按照權(quán)利要求35所述的方法，其中所述金屬元素選自鈣(Ca)、鍶(Sr)JI(Ba)、 鈉(Na)、鉀(K)和鎂(Mg)。
37.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括下述步驟在使絕緣層的表面暴露在惰性氣體氣氛中的同時(shí)，在預(yù)定條件下對(duì)所述絕緣層進(jìn)行退火；在所述退火步驟之后，進(jìn)行高溫濺射工藝，以便形成包括金屬元素的阻擋層，使得在所述絕緣層和所述阻擋層之間的界面形成金屬-C鍵，其中在所述高溫濺射工藝期間，基板溫度被保持在約70°c 200°C，并且其中所述退火步驟還包括從所述絕緣層的表面去除水分的步驟，和所述絕緣層包括氟碳化合物(CFx)膜。
38.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括溫度180°C 220°C，時(shí)間 3 5分鐘。
39.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中所述惰性氣體氣氛包括氬氣(Ar)。
40.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中在流量約70sCCm，基板溫度約200°C，功率級(jí)約 300W，處理時(shí)間約50秒的條件下，在氬氣(Ar)氣氛中形成所述阻擋層。
41.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中所述金屬元素包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、釕(Ru)、錳 (Mn)或鈷(Co)。
42.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中所述高溫濺射工藝具有從所述絕緣層的表面去除氟，同時(shí)在所述絕緣層的表面形成富碳表面的效果。
43.按照權(quán)利要求42所述的方法，其中所述去除步驟還包括下述步驟在所述高溫濺射工藝的初期，形成金屬氟化物溶液，和在所述初期之后，從所述絕緣層的表面蒸發(fā)所述金屬氟化物溶液。
44.按照權(quán)利要求37所述的方法，還包括在形成步驟之后，進(jìn)行后退火處理的步驟，其中在約50°C 200°C的溫度下，進(jìn)行時(shí)間不超過(guò)180秒的所述后退火處理。
45.按照權(quán)利要求37所述的方法，其中按預(yù)定設(shè)定條件，利用徑向線縫隙天線(RLSA) 微波等離子體處理設(shè)備形成所述絕緣層。
46.按照權(quán)利要求45所述的方法，其中所述預(yù)定設(shè)定條件包括25mTorr 30mTorr的壓力，和1500W 2000W的微波功率。
全文摘要
一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下述步驟對(duì)絕緣層進(jìn)行退火，和在絕緣層上形成包括金屬元素的阻擋層。絕緣層包括氟碳化合物(CFx)膜。在退火步驟之后，用高溫濺射工藝形成阻擋層。
文檔編號(hào)H01L21/285GK102292798SQ20108000529
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者堀込正弘, 小林保男, 松岡孝明, 野澤俊久, 黑鳥讬也 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社