專利名稱：用以降低超低k介電薄膜的黏著層厚度并提高抗破壞性的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例大體上涉及集成電路的制造。更具體地，這些實(shí)施例涉及用于沉積集成電路的低介電常數(shù)薄膜的工藝。
背景技術(shù)：
自從數(shù)十年前最初引進(jìn)半導(dǎo)體器件以來(lái)，此類器件的幾何結(jié)構(gòu)在尺寸上已顯著地縮小。之后，集成電路大體上遵循每?jī)赡瓿叽鐪p半的法則(通常稱為摩爾定律)，所述法則表示容納在芯片上的器件數(shù)量每?jī)赡陼?huì)加倍?，F(xiàn)今的制造工廠常規(guī)地生產(chǎn)具有65nm與甚至為45nm特征尺寸的器件，而未來(lái)的工廠將很快地生產(chǎn)具有更小幾何結(jié)構(gòu)的器件。在銅雙鑲嵌互連工藝技術(shù)中，由于必須縮小介于相鄰金屬線之間的電容性耦合以進(jìn)一步縮小集成電路上的器件尺寸，因此器件幾何結(jié)構(gòu)的持續(xù)縮減需要具有較低介電常數(shù)(k)值的薄膜。一種已用于獲得超低介電常數(shù)(k〈2.5)的方法為制造硅矩陣與有機(jī)致孔劑的混合薄膜，所述混合薄膜是由包含有機(jī)硅化合物的氣體混合物與包含熱不穩(wěn)定物質(zhì)或揮發(fā)性基團(tuán)(致孔劑)的化合物沉積而得，且接著將已沉積的薄膜以UV固化或熱處理進(jìn)行后處理，由所述已沉積的薄膜中移除致孔劑的熱不穩(wěn)定物質(zhì)或揮發(fā)性基團(tuán)，從而在這些薄膜中產(chǎn)生納米尺寸的孔隙，所述方法降低了這些薄膜的介電常數(shù)。已知納米孔(nanoporous)薄膜對(duì)于下面的阻擋/襯墊層的黏著性小于氧化娃。可藉由沉積氧化物黏著層來(lái)獲得黏著性的改善，所述氧化物黏著層可促進(jìn)界面處的黏著性。為了進(jìn)一步改善黏著性，建議可在黏著與主要低k薄膜沉積步驟之間使用具有逐漸增加碳含量的梯度層。然而，在此梯度層中硅與致孔劑流動(dòng)的非受控轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致非期望的氣相反應(yīng)(歸因于RF功率、壓力與流速等等的各種變化)，從而在薄膜上造成粒子群集和/或在薄膜中或在接口處形成碳凸塊。此外，已知如上述所開發(fā)的超低介電常數(shù)薄膜呈現(xiàn)比期望更差的機(jī)械性質(zhì)，例如，不良的機(jī)械強(qiáng)度(模數(shù)約等于4GPa)，所述不良的機(jī)械強(qiáng)度使得所述薄膜在后續(xù)半導(dǎo)體處理步驟期間容易遭受損壞。并且，由于目前用來(lái)使超低介電常數(shù)薄膜與下面的阻擋/襯墊層具有較佳黏著性的氧化物黏著層構(gòu)成所述介電薄膜堆棧的主要部分，且所述氧化物黏著層通常具有較高的介電常數(shù)(k約為3.5)與很高的厚度非均勻性，因此無(wú)法如預(yù)期般地降低所產(chǎn)生的介電薄膜堆棧的總介電常數(shù)與厚度非均勻性。因此，需要一種制造超低介電常數(shù)材料的工藝，所述超低介電常數(shù)材料具有改良的機(jī)械強(qiáng)度、降低的厚度非均勻性以及使來(lái)自沉積超低介電常數(shù)材料的最初階段的k(介電常數(shù))增加最小化，而對(duì)于較低應(yīng)用厚度的可控性不會(huì)造成危害
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例大體上提供一種方法，用于以嶄新的工藝參數(shù)來(lái)沉積超低介電常數(shù)薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包含:使氣體混合物流入處理腔室中，以藉由將射頻(RF)功率施加至所述處理腔室，而在基板上沉積起始層(氧化物層)，所述氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物的流速與一種或多種致孔劑化合物的流速；提高所述一種或多種有機(jī)硅化合物的流速，直到達(dá)到所述一種或多種有機(jī)硅化合物的最終流速，用以在所述起始層上沉積第一過(guò)渡層；且在所述一種或多種有機(jī)硅化合物以最終流速流動(dòng)的同時(shí)，提高所述一種或多種致孔劑化合物的流速，直到達(dá)到所述一種或多種致孔劑化合物的最終流速，用以在所述第一過(guò)渡層上沉積第二過(guò)渡層，其中在介于約350W至約500W的低RF功率下執(zhí)行所述沉積，且所述RF功率與總流速的比率為介于約0.lff/sccm至約0.3W/SCCm。在實(shí)施方式中將進(jìn)一步討論各種處理參數(shù)與前驅(qū)物。在另一實(shí)施例中，所述方法包含提供承載襯墊/阻擋層的基板；以介于約1000 A/min至約3500 A/min的沉積速率，在所述襯墊/阻擋層上沉積含碳氧化物黏著層，所述沉積包含:使氣體混合物流入處理腔室中，以藉由在13.56MHz下將約300W至約600W的射頻(RF)功率水平施加至所述處理腔室，而在基板上沉積起始層，所述氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物的流速與一種或多種致孔劑化合物的流速；提高所述一種或多種有機(jī)硅化合物的流速，直到達(dá)到所述一種或多種有機(jī)硅化合物的最終流速，用以在所述起始層上沉積第一過(guò)渡層；且提高所述一種或多種致孔劑化合物的流速，直到達(dá)到所述一種或多種致孔劑化合物的最終流速，同時(shí)所述一種或多種有機(jī)硅化合物以最終流速流動(dòng)，用以在所述第一過(guò)渡層上沉積第二過(guò)渡層；在所述黏著層上沉積低k薄膜；且固化已沉積的低k薄膜，用以在已沉積的低k薄膜中形成納米孔。在實(shí)施方式中將進(jìn)一步討論各種處理參數(shù)與前驅(qū)物。


本發(fā)明的更特定描述、以上簡(jiǎn)單概述，可藉由參考附圖中所敘述的一些實(shí)施例來(lái)了解，因此可更詳細(xì)了解本發(fā)明的上述特征。然而，應(yīng)當(dāng)注意附圖僅說(shuō)明本發(fā)明的典型實(shí)施例，并且因此不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可容許其它等效實(shí)施例。圖1A為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所形成的介電薄膜堆棧的橫截面視圖。圖1B為圖1A所示的薄膜堆棧的一部分的放大橫截面圖。圖2為工藝流程圖，所述工藝流程圖說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積超低k納米孔薄膜堆棧的方法。圖3為示例性處理腔室的橫截面圖，所述處理腔室可用于實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例。圖4藉由SMS分析說(shuō)明在有機(jī)硅酸鹽介電薄膜堆棧中元素濃度的深度分布。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種沉積低介電常數(shù)薄膜的方法。所述低介電常數(shù)薄膜包含娃、氧、氫與碳。已證明本發(fā)明實(shí)施例能夠藉由減少黏著層的厚度而顯著地降低黏著層對(duì)于超低介電常數(shù)薄膜堆棧的k(介電常數(shù))影響。藉由將黏著層厚度降低至約或少于200 還可將超
低介電薄膜堆棧(小于2 kA)的厚度非均勻性降低至小于2%。如以下將討論的，以較低的沉積速率與較低的等離子體密度、以及較高的總流速來(lái)沉積改良的氧化物黏著層，從而在薄膜沉積期間，產(chǎn)生共沉積物質(zhì)的較佳封裝/排序，此導(dǎo)致較高的機(jī)械強(qiáng)度與較低的孔隙率。改良的黏著層提供高附著能，使超低介電常數(shù)薄膜與下面的阻擋/襯墊層具有較佳的黏著性。所產(chǎn)生的低介電薄膜具有納米尺寸的孔洞以及較緊密的孔洞尺寸分布。所述低介電常數(shù)薄膜具有約3.0或更低的介電常數(shù)，較佳的為約2.5或更低。所述低介電常數(shù)薄膜可具有至少約6.5GPa或更高的彈性模數(shù)。圖1A示意性地說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所形成的介電薄膜堆棧100的橫截面視圖。盡管未在此表示，但可考慮到本發(fā)明的介電薄膜堆棧100可作為雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中的金屬間介電層，所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)通常包含以交替或所需順序所沉積的一個(gè)或多個(gè)納米孔的金屬間介電層(未圖示)以及一個(gè)或多個(gè)蝕刻終止層(未圖示)，所述蝕刻終止層為氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、或非晶型的氫化碳化硅。接著，將抗反射涂層(未圖示)與包含光阻層的溝槽光掩模(未圖示)分別沉積在已沉積的薄膜層上，并以慣用的光刻技術(shù)以顯影金屬化結(jié)構(gòu)的方式將抗反射涂層與溝槽光掩模圖案化，所述金屬化結(jié)構(gòu)以所需金屬(例如，銅)來(lái)填充?？芍貜?fù)所述雙鑲嵌形成工藝，用以沉積所需數(shù)量的互連層級(jí)。可受益于本發(fā)明的示例性雙鑲嵌結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在2009年6月16日授權(quán)給Francimar Schmitt等的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利號(hào)7，547，643中描述，全文以引用的方式并入本發(fā)明中。大體上，如圖1A所示的介電薄膜堆棧100包含承載襯墊/阻擋層104的基板102，所述襯墊/阻擋層104作為后續(xù)黏著層106與下面的基板表面103以及形成在基板表面103上的金屬線108之間的隔離層。將低k層110沉積在黏著層106上，所述低k層110被封頂層112所封頂。將參照?qǐng)D2以及圖1B來(lái)簡(jiǎn)短說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的沉積此類介電薄膜堆棧100的方法。用于沉積有機(jī)硅酸鹽.層的示例性工藝圖2為工藝流程圖200，所述工藝流程圖200說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的沉積介電薄膜堆棧100的方法。大體上，典型的多孔介電薄膜需要同時(shí)沉積一種或多種有機(jī)硅化合物以及一種或多種不飽和非硅化合物，所述有機(jī)硅化合物成為硅主鏈，所述一種或多種不飽和非硅化合物具有熱不穩(wěn)定基團(tuán)，所述不飽和非硅化合物作為犧牲的致孔劑。在步驟202中，將承載襯墊/阻擋層104的基板102放置在處理腔室中的基板支撐件上，所述處理腔室能夠執(zhí)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝?？山逵蒔ECVD工藝，由等離子體沉積所述襯墊/阻擋層104，所述等離子體包含有機(jī)硅烷化合物、氨、氧、以及惰性物質(zhì)。根據(jù)在本領(lǐng)域中已知的方法，所述沉積工藝在處理腔室中可包含電容耦合等離子體、或者電感與電容耦合等離子體。可使用惰性氣體(例如，氦氣、氬氣與氮?dú)?來(lái)產(chǎn)生等離子體。通常在PECVD沉積中使用諸如氦氣的惰性氣體來(lái)協(xié)助等離子體產(chǎn)生。在步驟204中，將氣體混合物通過(guò)氣體分配板(例如，噴淋頭)引入處理腔室中，所述氣體混合物具有包含一種或多種有機(jī)硅化合物、一種或多種致孔劑化合物、以及一種或多種氧化氣體的組分。在啟動(dòng)RF功率之前，可將氧氣和/或氦氣的起始?xì)怏w組分引入處理腔室中，以穩(wěn)定后續(xù)沉積的環(huán)境。在一個(gè)實(shí)施例中，以介于約200毫克/分鐘至約5000毫克/分鐘(例如，介于約350毫克/分鐘至約2500毫克/分鐘)的流速，將一種或多種有機(jī)硅化合物引入腔室中；以介于約IOOsccm至約IOOOsccm (例如，介于約125sccm至約550sccm)的流速，將一種或多種氧化氣體引入腔室中；以及以介于約50毫克/分鐘至約5000毫克/分鐘(例如，介于約150克/分鐘至約1500克/分鐘)的流速，將一種或多種致孔劑化合物引入腔室中。為了在腔室中提供等離子體處理環(huán)境，將射頻(RF)功率施加至電極，例如，噴淋頭。適合的RF功率在約13.56MHz的頻率下可為約IOW至約2000W范圍中(例如，約300W至約600W)的功率。在RF功率存在的情況下，所述氣體混合物在腔室中反應(yīng)，用以沉積包含氧化物層的起始層106a，所述氧化物層牢固地黏附至下面的襯墊/阻擋層104。所述氣體混合物可選擇性包含一種或多種載氣。通常，將一種或多種載氣與一種或多種有機(jī)硅化合物以及一種或多種致孔劑化合物一起引入處理腔室中?？墒褂玫妮d氣實(shí)例包含氦氣、氬氣、二氧化碳、以及前述氣體的組合。在使用氦氣作為載氣的一個(gè)實(shí)施例中，以介于約1500sccm至約8000sccm (例如，介于約3500sccm至約5500sccm)的流速,將気氣與一種或多種有機(jī)娃化合物一起引入腔室中。以介于約300sccm至約1800sccm (例如,介于約700sccm至約1250sccm)的流速,將氦氣與一種或多種致孔劑化合物引入腔室中。起始層106a大體包含氧化娃層。如下所述,起始層106a與第一過(guò)渡層106b以及第二過(guò)渡層106c (圖1B)構(gòu)成黏著層106，所述黏著層106促進(jìn)下面的襯墊/阻擋層104與后續(xù)低k層110之間的附著性。在一個(gè)實(shí)施例中，起始層沉積可進(jìn)行介于約0.5秒至約10秒的時(shí)間范圍，只要所述沉積周期是長(zhǎng)到足以確保整個(gè)薄膜的黏著力。在一個(gè)實(shí)例中，起始層沉積可持續(xù)約I秒。可將起始層106a沉積至約5 A至約I OO A范圍內(nèi)的厚度，較佳為約10 A至約50 A。應(yīng)考慮到,可根據(jù)特定實(shí)施例的需求來(lái)調(diào)整描述在本發(fā)明中的各種周期。例如，當(dāng)在一些實(shí)施例中描述時(shí)間范圍為約0.5秒至約10秒時(shí)，所述起始周期可持續(xù)0秒。0秒的起始周期表示，在將氣流引入腔室后，馬上開始改變氣流的流速。因此，應(yīng)考慮到不具有起始周期的實(shí)施例。在沉積低k層110之前，執(zhí)行單獨(dú)的轉(zhuǎn)移步驟以避免任何不需要的粒子群集形成在薄膜中，所述粒子群集是歸因于在氣體分配板處發(fā)生的硅與致孔劑流動(dòng)的非期望氣相反應(yīng)。還觀察到進(jìn)入腔室中平穩(wěn)的液體轉(zhuǎn)移可顯著地降低碳凸塊的產(chǎn)生。可藉由在所需的提高速率下，將兩個(gè)液體前驅(qū)物(即，有機(jī)硅化合物與致孔劑化合物)的轉(zhuǎn)移分開來(lái)解決這些問(wèn)題。在單獨(dú)的轉(zhuǎn)移步驟的第一時(shí)間段206，或簡(jiǎn)單表示為步驟206，以介于約100毫克/秒至約5000毫克/秒(例如，介于約800毫克/秒至約1200毫克/秒)的提高速率(例如，約1000毫克/秒)，逐漸提高一種或多種有機(jī)硅化合物的流速，用以在RF功率存在的情況下，在起始層106a上沉積第一過(guò)渡層106b，直到達(dá)到預(yù)定的有機(jī)硅化合物氣體混合物(請(qǐng)參閱圖1B，圖1B為圖1A所示的薄膜堆棧的部分放大橫截面圖)。在使用氦氣載氣的實(shí)施例中，可將一種或多種有機(jī)娃化合物與氦氣的流速降低至介于約2500sccm至約4000sccm的范圍中。在一個(gè)實(shí)施例中，第一過(guò)渡層沉積可進(jìn)行約0.5秒至約10秒的時(shí)間范圍。在一個(gè)實(shí)例中，第一過(guò)渡層沉積時(shí)間可以是約I秒?？蓪⒌谝贿^(guò)渡層106b沉積至約10 A至約300 A (例如，約5 0 A至約200 A )的范圍內(nèi)的一厚度。在所述轉(zhuǎn)移步驟的第二時(shí)間段208，或簡(jiǎn)單表示為步驟208，在維持預(yù)定的有機(jī)硅化合物氣體混合物恒定的同時(shí)，以介于約100毫克/秒至約5000毫克/秒(例如，介于約200毫克/秒至約350毫克/秒)的提高速率(例如，約300毫克/秒)，逐漸提高一種或多種致孔劑化合物的流速用以在第一過(guò)渡層106b上沉積第二過(guò)渡層106c (圖1B)，直到達(dá)到預(yù)定的最終氣體混合物。在使用氦氣載氣的實(shí)施例中，可將一種或多種致孔劑化合物與氦氣的流速增加至介于約800sccm至約2000sccm的范圍。在一個(gè)實(shí)施例中,第二過(guò)渡層沉積可進(jìn)行介于約I秒至約180秒的時(shí)間范圍。在一個(gè)實(shí)例中，第二過(guò)渡層沉積時(shí)間可以是約3秒。可將第二過(guò)渡層106c沉積至約10 A至約600 A的厚度，較佳的是約I 00 A至約4 0 U A 0在起始層106a與第一過(guò)渡層106b以及第二過(guò)渡層106c的沉積期間，較佳地產(chǎn)生薄膜堆棧(106a、106b與106c)的薄部分106沉積，如圖所示。薄膜堆棧的所述薄部分106作為黏著層，提供超低介電常數(shù)薄膜與下面的阻擋/襯墊層之間較佳的附著性。在大多數(shù)的實(shí)施例中，所述部分的厚度可降低約一半，例如，少于約200埃。可通過(guò)相對(duì)較短的持續(xù)時(shí)間段和/或低沉積速率來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜堆棧(106a、106b與106c)的薄部分106的沉積。在一個(gè)實(shí)施例中，薄膜堆棧的薄部分的沉積速率介于約1000埃/分鐘至約3500埃/分鐘，例如，約2500埃/分鐘。當(dāng)薄膜堆棧(106a、106b與106c)的薄部分106構(gòu)成具有厚度小于2000埃的超低k納米孔薄膜堆棧(106a、106b、106c與110)的大部分時(shí)，可藉由減少所述薄膜堆棧的薄部分的厚度，而將介電薄膜堆棧100的厚度非均勻性降低至小于2%。最重要的是，薄膜堆棧(106a、106b與106c)的薄部分106的厚度減少可使得對(duì)整個(gè)納米孔薄膜堆棧的k影響最小化。在步驟210中，在達(dá)到最終氣體混合物組分之后，形成最終氣體混合物的等離子體，以沉積含致孔劑的有機(jī)硅酸鹽介電層(即，低k層110)，所述最終氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物的流速與一種或多種致孔劑化合物的流速。在一個(gè)實(shí)施例中，低k層沉積可進(jìn)行介于約15秒至約180秒的時(shí)間范圍。在一個(gè)實(shí)例中，最終層沉積時(shí)間可為約130秒?？蓪⒌蚹層110沉積至約200 A至約10,000人的范圍內(nèi)的厚度，直到RF功率終止為止。不希望被理論所限制，相信藉由分離有機(jī)硅化合物與致孔劑化合物的提高速率，可獲得更穩(wěn)定以及可制造的工藝，從而產(chǎn)生具有明顯較少缺陷問(wèn)題(例如，碳凸塊)的有機(jī)硅酸鹽介電層?；蛘?，可將沉積第二過(guò)渡層106c的步驟208與沉積最終致孔劑氧化硅層的步驟210合并。在此類實(shí)施例中，可連續(xù)提高致孔劑化合物的流速，同時(shí)在致孔劑氧化硅沉積期間使預(yù)定的有機(jī)硅化合物氣體混合物流動(dòng)。步驟208與步驟210的合并可進(jìn)行介于約I秒至約180秒的時(shí)間范圍。以所述方式，最終致孔劑氧化硅層可具有致孔劑的梯度濃度，在所述氧化硅層中的致孔劑濃度隨著致孔劑氧化硅層的沉積而增加。可將所述梯度層沉積至約50 A至約10，000 A的厚度，較佳的是，約I 00 A至約5 000 A,直到RF功率終止為止。在上述工藝期間，通常將基板維持在介于約100°C至約400°C (例如，介于約200°C至約350°C )的溫度下。腔室壓力可介于約I托(Torr)至約20Torr之間,例如,介于約7Torr至約9Torr之間，且基板支撐件與腔室噴淋頭之間的間距可介于約200mil至約1500mil之間，例如，介于約280mil至約450mil之間。對(duì)于300mm的基板，可使用介于約100W至約600W之間的RF功率水平。在介于約0.0lMHz至約300MHz的頻率(例如，約13.56MHz)下提供所述RF功率?？稍诨旌项l率(例如，在約13.56MHz的高頻率與約350kHz的低頻率)下提供RF功率?？裳h(huán)或脈沖RF功率，以降低基板的加熱，并促進(jìn)在已沉積薄膜中的較大孔隙率。根據(jù)應(yīng)用，所述RF功率還可為連續(xù)或不連續(xù)的。在某些實(shí)施例中，使用較低等離子體密度與較高總流速。為了獲得較低等離子體密度，可使用介于約300W至約600W (例如，介于約350W至約500W)的RF功率水平。在使用介于約350W至約500W的RF功率水平的情況中，優(yōu)選約0.lff/sccm至約0.3ff/sccm的RF功率/總流速?；蛘撸瑑?yōu)選約0.2ff/cm3至約0.5ff/cm3的RF功率/總體積流。如在此所使用的術(shù)語(yǔ)“總流速”或“總體積流”旨在代表在如先前所述的在沉積期間，引入處理腔室的氣體混合物與可選擇的載氣的流動(dòng)/體積。本案發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)使用較低等離子體密度與較高總流速，在薄膜沉積期間，可允許共沉積物質(zhì)的較緊密封裝，從而產(chǎn)生較高的機(jī)械強(qiáng)度、
較小的孔洞尺寸(小于!0 A)以及較緊密的孔度尺寸分布。藉由提高薄膜對(duì)后續(xù)器件制
造工藝的抗損害性，顯著改善薄膜的機(jī)械整體性。在本文所述的任何一個(gè)實(shí)施例中，由包含有機(jī)硅化合物與致孔劑的處理氣體混合物來(lái)沉積含致孔劑的有機(jī)硅酸鹽介電層。所述有機(jī)硅酸鹽層可作為介電層?？稍陔p鑲嵌結(jié)構(gòu)或適當(dāng)器件中的不同層級(jí)處使用所述介電層。例如，所述介電層可作為前金屬介電層、金屬間介電層或柵極介電層。已證明根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例所沉積的有機(jī)硅酸鹽層可提供低于3.0的低介電常數(shù)，例如，約2.5。可使用各種處理氣體混合物來(lái)沉積有機(jī)硅酸鹽介電層，以下將提供此類氣體混合物的非限制性實(shí)例。大體上，氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物(例如，第一與第二有機(jī)硅化合物)、一種或多種致孔劑化合物、載氣、以及氧化氣體。因?yàn)榭紤]到包含諸如碳?xì)浠衔?例如，脂肪族碳?xì)浠衔?的額外組分的許多其它氣體混合物，所以不應(yīng)將上述組分視為限制。如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“有機(jī)硅化合物”旨在代表在有機(jī)基團(tuán)中包含碳原子的含硅化合物。所述有機(jī)硅化合物可包含一種或多種環(huán)狀有機(jī)硅化合物、一種或多種脂肪族有機(jī)硅化合物、或前述化合物的 組合。一些示例性的有機(jī)硅化合物包含:甲基二乙氧基硅烷(mDEOS)、四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)、八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、三甲基硅烷(TMS)、五甲基環(huán)五硅氧烷、六甲基環(huán)三硅氧烷、二甲基二硅氧烷、2，6- 二氧基-4，8- 二亞甲基四硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷(HMDS)、1，3-雙(硅烷基二亞甲基)二硅氧烷、雙(1-甲基甲硅醚基)甲烷、雙(1-甲基甲硅醚基)丙烷、六甲氧基二硅氧烷(HMDOS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMOS)以及二甲氧基甲基乙烯基硅烷(DMMVS)、或者前述化合物的衍生物。以約200毫克/分鐘至約5000毫克/分鐘(例如，介于約350毫克/分鐘至約2500毫克/分鐘)的范圍內(nèi)的流速，可將所述一種或多種有機(jī)硅化合物引入處理腔室中。如本文所使用的用語(yǔ)“致孔劑化合物”旨在代表包含熱不穩(wěn)定基團(tuán)的化合物。所述熱不穩(wěn)定基團(tuán)可為環(huán)狀基團(tuán)，例如，不飽和環(huán)狀有機(jī)基團(tuán)。如本文所使用的用語(yǔ)“環(huán)狀基團(tuán)”旨在代表環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)可包含少至三個(gè)原子。例如，這些原子可包含碳、氮、氧、氟與前述原子的組合。所述環(huán)狀基團(tuán)可包含一個(gè)或多個(gè)單鍵、雙鍵、三鍵與前述的任何組合。例如，環(huán)狀基團(tuán)可包含一種或多種芳香族、芳香基、苯基、環(huán)己烷、環(huán)己二烯、環(huán)庚二烯與前述基團(tuán)的組合。所述環(huán)狀基團(tuán)還可為雙環(huán)或三環(huán)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述環(huán)狀基團(tuán)與直鏈或支鏈的功能基團(tuán)鍵合。所述直鏈或支鏈的官能基團(tuán)較佳地包含烷基或乙烯基烷基基團(tuán)，且具有介于I至20之間的碳原子。所述直鏈或支鏈的官能基團(tuán)還可包含例如酮、醚與酯中的氧原子。致孔劑可包含環(huán)狀碳?xì)浠衔?。一些可使用的示例性致孔劑包?二環(huán)庚二烯(BCHD，二環(huán)(2.2.1)庚-2，5-二烯)、1-甲基-4(1-甲基乙基)_1，3-環(huán)己二烯(ATP或a-松油烯)、乙烯環(huán)己烷(VCH)、苯乙酸酯、丁二烯、異戊二烯、環(huán)己二烯、雙環(huán)庚二烯、1-甲基-4-(1-甲基乙基)苯(異丙基苯)、3_眥烯、葑酮、檸檬烯、環(huán)戊烯氧化物、乙烯基-1，4- 二氧芑基醚、乙烯基呋喃基醚、乙烯基-1，4- 二氧雜環(huán)己烷、乙烯基呋喃、糠酸甲酯、甲酸呋喃酯、乙酸呋喃酯、糠醛、二呋喃基酮、二呋喃基醚、二糠基醚、呋喃與1，4- 二氧雜環(huán)己烷、以及前述化合物的氟化碳衍生物。以約50毫克/分鐘至約5000毫克/分鐘(例如，介于約150毫克/分鐘至約1500毫克/分鐘)的范圍內(nèi)的流速，將所述一種或多種致孔劑化合物引入處理腔室中。如前所述，所述氣體混合物可選擇性包含一種或多種載氣。通常，將一種或多種載氣與一種或多種有機(jī)硅化合物以及一種或多種致孔劑化合物一起引入所述處理腔室中?？墒褂玫妮d氣實(shí)例包含:氦氣、氬氣、二氧化碳與前述氣體的組合。部分地根據(jù)腔室內(nèi)部的尺寸,可以小于約20，OOOsccm的流速將一種或多種載氣引入處理腔室中。載氣流速較佳地是在約500sccm至約5000sccm的范圍中。在一些工藝中，在引入反應(yīng)性處理氣體之前，將諸如氦氣或氬氣的惰性氣體置入處理腔室中，以穩(wěn)定腔室內(nèi)的壓力。氣體混合物還包含一種或多種氧化氣體。適合的氧化氣體包含:氧氣(O2)、臭氧
(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)與前述氣體的組合。部分地根據(jù)腔室內(nèi)部的尺寸，所述氧化氣體的流速可為約IOOsccm至約3，OOOsccm的范圍中。通常,氧化氣體的流速為約IOOsccm至約1，OOOsccm的范圍中,例如,約450sccm。在進(jìn)入沉積腔室之前和/或如在腔室中將RF功率施加至處理氣體時(shí)，在微波腔室中可產(chǎn)生氧氣或含氧化合物的解離。后處理工藝在沉積低介電常數(shù)薄膜之后，將所述薄膜進(jìn)行后處理?？蓡为?dú)使用熱退火或以紫外線(UV)輻射輔助對(duì)薄膜進(jìn)行后處理，以移除有機(jī)不穩(wěn)定物質(zhì)，并在最終材料中產(chǎn)生孔洞崁入物。在一個(gè)實(shí)施例中，以UV固化工藝對(duì)低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理?？稍谙嗤幚砬皇一蛳到y(tǒng)中原位執(zhí)行UV后處理，例如，由一個(gè)腔室轉(zhuǎn)移至另一個(gè)腔室，而不破壞真空狀態(tài)。可使用的示例性UV后處理?xiàng)l件包含:介于約ITorr至約IOTorr之間的腔室壓力以及介于約350°C至約500°C之間的基板支撐件溫度。紫外線輻射源可遠(yuǎn)離基板表面約IOOmil至約1400mil之間。可選擇地，在紫外線固化工藝期間，可引入處理氣體。適合的處理氣體包含:氧氣(O2)、氮?dú)?N2)、氫氣(H2)、氦氣(He)、気氣(Ar)、水蒸氣(H2O)、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔餁怏w、氟碳?xì)怏w與氟化碳?xì)浠衔餁怏w、或前述氣體的組合?？山逵扇魏蜺V源提供UV輻射，例如，汞微波弧燈、脈沖式氙氣閃燈或高效率UV發(fā)光二極管陣列。紫外線輻射可包含一紫外線波長(zhǎng)范圍，且包含一種或多種同步式波長(zhǎng)。適當(dāng)?shù)淖贤饩€波長(zhǎng)包含介于約Inm至約400nm之間，且可進(jìn)一步包含高達(dá)約600或780nm的可選波長(zhǎng)。此外或者替換地，可在多種波長(zhǎng)、可調(diào)整的波長(zhǎng)放射和可調(diào)整的功率放射、或者介于多個(gè)期望波長(zhǎng)之間的調(diào)制下施加所述紫外線輻射，且所述紫外線輻射可由單一 UV燈所放射或由紫外線燈陣列所施加。適合紫外線燈的實(shí)例包含:氙氣填充的Zeridex 紫外線燈、Ushio Excimer紫外線燈、DSS紫外線燈、或汞弧燈。將已沉積的低介電常數(shù)薄膜曝露至所述紫外線幅射達(dá)介于約10秒至約600秒，例如，介于約60秒至約600秒之間。UV輻射的波長(zhǎng)可介于例如，約170nm至約400nm?？墒褂玫腢V腔室與處理?xiàng)l件的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在2005年5月9日所提交且共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/124，908中描述，所述申請(qǐng)以引用的方式并入本文中。來(lái)自應(yīng)用材料公司的NanoCure 腔室為可用于UV后處理的市售腔室的一個(gè)實(shí)例。在另一實(shí)施例中，利用熱或等離子體增強(qiáng)退火工藝來(lái)對(duì)低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理。在介于約200°C至約400°C的溫度下，可在腔室中將薄膜進(jìn)行退火達(dá)約2秒至約I小時(shí)，較佳地為約30分鐘。以約IOOsccm至約10，OOOsccm的速率引入非反應(yīng)性氣體，所述非反應(yīng)性氣體例如為，氦氣、氫氣、氮?dú)狻⒒蚯笆鰵怏w的混合。將腔室壓力維持在介于約ITorr至約IOTorr之間。退火期間的RF功率在約13.56MHz的頻率下為約200W至約1，OOOff,且適合的基板間距介于約300mil至約SOOmil之間。在沉積所述低介電常數(shù)薄膜后在約200°C至約400°C的基板溫度下使所述低介電常數(shù)薄膜退火揮發(fā)了薄膜中至少一些有機(jī)基團(tuán)，從而在薄膜中形成孔隙。在又一實(shí)施例中，以電子束處理來(lái)對(duì)低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理?？墒褂玫氖纠噪娮邮鴹l件包含:介于約200°C至約600°C之間的腔室溫度，例如，約350°C至約400°C。電子束能量可為約0.5keV至約30keV。曝露劑量可介于約I μ C/cm2至約400 μ C/cm2。腔室壓力可介于約ImTorr至約lOOmTorr。腔室中的氣體環(huán)境可為以下氣體的任何一種:氮?dú)?、氧氣、氫氣、気氣、氫氣與氮?dú)獾幕旌?、氨氣、氣氣或前述氣體的任何組合。電子束電流可介于約0.15mA至約50mA。電子束處理可執(zhí)行達(dá)約I分鐘至約15分鐘?？墒褂玫牟焕噪娮邮皇覟镋Bk 電子束腔室，所述EBk 電子束腔室可購(gòu)自位于加利福尼亞州圣克拉拉市的應(yīng)用材料公司，然而可使用任何電子束設(shè)備。電子束固化工藝改善已沉積薄膜網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械強(qiáng)度，且還降低k值。被激發(fā)的電子束改變已沉積薄膜的分子網(wǎng)絡(luò)中的化學(xué)鍵合，且從所述薄膜移除至少一部分的分子基團(tuán)，例如，來(lái)自一種或多種不含氧的碳?xì)浠衔锏沫h(huán)狀有機(jī)組分，所述不含氧的碳?xì)浠衔锇粋€(gè)環(huán)以及在所述環(huán)中的一個(gè)或兩個(gè)碳-碳雙鍵。分子基團(tuán)的移除可在所述薄膜中產(chǎn)生孔隙或孔洞，從而降低k值。示例件的硬件
`
圖3顯示化學(xué)氣相沉積(CVD)腔室300的橫截面圖，所述腔室300用于沉積摻
雜碳的氧化硅層。所述圖基于目前由應(yīng)用材料公司所制造的P R O D U C E R §腔室的特
征。P R O D U C E R B C V D腔室(200mm或300mm)具有兩個(gè)隔離的處理區(qū)域，所述處理
區(qū)域可用于沉積摻雜碳的氧化硅與其它材料。具有兩個(gè)隔離處理區(qū)域的腔室在美國(guó)專利號(hào)5，855，681中描述，所述專利以引用的方式并入本文中。沉積腔室300具有腔室主體302，所述腔室主體302界定分離的處理區(qū)域318、320。每一個(gè)處理區(qū)域318、320具有基座328，所述基座328用于在腔室300中支撐基板(未圖示)?；?28通常包含加熱元件(未圖標(biāo))。較佳地，藉由主干326將基座328可移動(dòng)地設(shè)置在每一個(gè)處理區(qū)域318、320中，所述主干326延伸穿過(guò)腔室主體302的底部，所述主干326在腔室主體302的底部與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)303連接。將內(nèi)部可移動(dòng)的舉升銷(未圖示)較佳地提供在基座328中，用以嚙合基板的較低表面?？山逵缮禉C(jī)構(gòu)(未圖示)來(lái)嚙合所述舉升銷，用以在進(jìn)行處理之前接收基板，或在沉積之后提升基板，以傳輸至下一站。每一個(gè)處理區(qū)域318、320還較佳地包含氣體分配組件308，所述氣體分配組件308設(shè)置穿過(guò)腔室蓋304，用以將氣體供給至處理區(qū)域318、320中。每一個(gè)處理區(qū)域的氣體分配組件308通常包含穿過(guò)分歧管348的氣體入口通道340，所述分歧管348由氣體分配分歧管319穿過(guò)阻隔板346且接著穿過(guò)噴淋頭342來(lái)供給氣體。噴淋頭342包含多個(gè)噴嘴(未圖示)，在處理期間，通過(guò)這些噴嘴注入氣體混合物。RF(射頻)供應(yīng)器325將偏壓電位提供至噴淋頭342，用以幫助介于噴淋頭與基座328之間的等離子體生成。在沉積腔室300中所執(zhí)行的沉積工藝可為在冷卻的基板基座328上的非等離子體工藝或等離子體增強(qiáng)工藝。在等離子體工藝中，通常藉由從RF功率供應(yīng)器325 (與接地的基座328)施加至噴淋頭342的RF能量，在相鄰基板處形成經(jīng)控制的等離子體?；蛘?，在不同頻率下可將RF功率供應(yīng)器325提供至基座328、或提供至不同部件?？墒褂酶哳lRF (HFRF)功率以及低頻RF (LFRF)功率(例如，雙頻RF)、不變的RF、脈沖RF、或任何已知或尚未被發(fā)現(xiàn)的等離子體生成技術(shù)來(lái)產(chǎn)生等離子體。RF功率供應(yīng)器325可供應(yīng)介于約5MHz至約300MHz之間的單頻RF。此外，RF功率供應(yīng)器325還可供應(yīng)介于約300Hz至約1，OOOkHz之間的低頻RF，以供應(yīng)混合的頻率，而增強(qiáng)引入處理腔室中的處理氣體的反應(yīng)性物質(zhì)的分解。可循環(huán)或脈沖所述RF功率，以減少基板的加熱，并促進(jìn)已沉積薄膜中的較大孔隙率。適當(dāng)?shù)腞F功率可為約IOW至約5000W范圍中(例如，在約200W至約600W的范圍中)的功率。適當(dāng)?shù)腖FRF功率可為約OW至約5000W范圍中(例如，在約OW至約200W的范圍中)的功率。系統(tǒng)控制器334控制各種部件的功能，例如控制RF功率供應(yīng)器325、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)303、升降機(jī)構(gòu)、氣體分配分歧管319以及其它相關(guān)聯(lián)的腔室和/或處理功能。系統(tǒng)控制器334執(zhí)行儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器338中的系統(tǒng)控制軟件，在較佳實(shí)施例中，所述存儲(chǔ)器338為硬盤，且可包含模擬與數(shù)字輸入/輸出板、接口板、以及步進(jìn)馬達(dá)控制板。通常使用光學(xué)和/或磁性傳感器來(lái)移動(dòng)并確認(rèn)可移動(dòng)機(jī)械組件的位置。上述的CVD系統(tǒng)敘述主要是為達(dá)說(shuō)明的目的，還可采用其它等離子體處理腔室來(lái)實(shí)施本發(fā)明的這些實(shí)施例。實(shí)M本發(fā)明實(shí)施例展示超低k納米孔薄膜的沉積，所述超低k納米孔薄膜具有經(jīng)分散的細(xì)微氣孔。在前述的任何一個(gè)實(shí)施例中，以下的工藝參數(shù)與范圍通常有利于主要和/或黏著層沉積工藝:
權(quán)利要求
1.一種處理基板的方法，所述基板設(shè)置在處理腔室中，所述方法包含: 使氣體混合物流入所述處理腔室中，以藉由將射頻(RF)功率施加至所述處理腔室，而將起始層沉積在所述基板上，所述氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物的流速與一種或多種致孔劑化合物的流速； 提高所述一種或多種有機(jī)硅化合物的所述流速，直到達(dá)到所述一種或多種有機(jī)硅化合物的最終流速，用以在所述起始層上沉積第一過(guò)渡層；以及 提高所述一種或多種致孔劑化合物的所述流速，直到達(dá)到所述一種或多種致孔劑化合物的最終流速，同時(shí)所述一種或多種有機(jī)硅化合物以所述最終流速流動(dòng)，用以在所述第一過(guò)渡層上沉積第二過(guò)渡層，其中在所述RF功率與總流速的比例為介于約0.lff/sccm至約0.3W/Sccm，執(zhí)行所述起始層、所述第一過(guò)渡層與第二過(guò)渡層的所述沉積。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述起始層的所述沉積在介于約0.5秒至約5秒之間的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一過(guò)渡層與第二過(guò)渡層的所述沉積分別在介于約I秒至約5秒之間與介于約I秒至約10秒之間的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以介于約200毫克至約700毫克的流速將所述一種或多種有機(jī)硅化合物引入所述腔室中，且以介于約200毫克至約1600毫克的流速將所述一種或多種致孔劑化合物引入所述腔室中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以介于1000A/分鐘至約3500 A/分鐘之間的沉積速率以及介于約350W至約500W之間的低RF功率，執(zhí)行所述起始層、所述第一過(guò)渡層與所述第二過(guò)渡層的所述沉積。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以介于約600毫克/秒至約1500毫克/秒之間的提高速率，提高所述一種或多種有機(jī)硅化合物的所述流速，并且以介于約200毫克/秒至約600毫克/秒之間的提高速率，提高所述一種或多種致孔劑化合物的所述流速。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物進(jìn)一步包含一種或多種氧化氣體以及惰性氣體，所述一種或多種氧化氣體選自由下列所組成的群組:臭氧、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、水、一氧化二氮、2，3- 丁二酮以及前述氣體的組合所述惰性氣體選自由氦氣、氬氣、或氮?dú)馑M成的群組。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一種或多種有機(jī)硅化合物選自由下列所組成的群組:甲基二乙氧基硅烷(mDEOS)、四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)、八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、三甲基硅烷(TMS)、五甲基環(huán)五硅氧烷、六甲基環(huán)三硅氧烷、二甲基二硅氧烷、2，6- 二氧基-4，8- 二亞甲基四硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷(HMDS)、1，3-雙(硅烷基二亞甲基)二硅氧烷、雙(1-甲基甲硅醚基)甲烷、雙(1-甲基甲硅醚基)丙烷、六甲氧基二硅氧烷(HMDOS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMOS)、二甲氧基甲基乙烯基硅烷(DMMVS)、以及前述化合物的衍生物。
9.如權(quán)利要 求1所述的方法，其中所述一種或多種致孔劑化合物選自由下列所組成的群組:二環(huán)庚二烯(BCHD ;二環(huán)(2.2.1)庚-2，5- 二烯)、1-甲基_4 (1-甲基乙基)-1, 3-環(huán)己二烯(ATP或a-松油烯)、乙烯環(huán)己烷(VCH)、苯乙酸酯、丁二烯、異戊二烯、環(huán)己二烯、雙環(huán)庚二烯、1-甲基-4-(1-甲基乙基)苯(異丙基苯)、3_眥烯、葑酮、檸檬烯、環(huán)戊烯氧化物、乙烯基-1，4- 二氧芑基醚、乙烯基呋喃基醚、乙烯基-1，4- 二氧雜環(huán)己烷、乙烯基呋喃、糠酸甲酯、甲酸呋喃酯、乙酸呋喃酯、糠醛、二呋喃基酮、二呋喃基醚、二糠基醚、呋喃、1，4-二氧雜環(huán)己烷、以及前述化合物的氟化碳衍生物。
10.一種處理基板的方法，所述基板設(shè)置在處理腔室中，所述方法包含: 提供承載襯塾/阻擋層的基板； 以介于約1000 A/分鐘至約3500 A/分鐘間的沉積速率,將含碳氧化物黏著層沉積在所述襯墊/阻擋層上方，所述沉積包含: 使氣體混合物流入所述處理腔室中，以藉由在13.56MHz頻率下將約300W至約600W的射頻(RF)功率水平施加至所述處理腔室，而在所述基板上沉積起始層，所述氣體混合物包含一種或多種有機(jī)硅化合物的流速與一種或多種致孔劑化合物的流速； 提高所述一種或多種有機(jī)硅化 合物的所述流速，直到達(dá)到所述一種或多種有機(jī)硅化合物的最終流速，用以在所述起始層上沉積第一過(guò)渡層；以及 提高所述一種或多種致孔劑化合物的所述流速，直到達(dá)到所述一種或多種致孔劑化合物的最終流速，同時(shí)所述一種或多種有機(jī)硅化合物以所述最終流速流動(dòng)，用以在所述第一過(guò)渡層上沉積第二過(guò)渡層； 將低k薄膜沉積在所述黏著層上方；以及 固化所述已沉積的低k薄膜，用以在所述薄膜中形成納米孔。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述起始層的所述沉積在介于約0.5秒至約5秒范圍中的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行所述第一過(guò)渡層的所述沉積在介于約I秒至約5秒范圍中的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行，且所述第二過(guò)渡層的所述沉積在介于約I秒至約10秒范圍中的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中以介于約200毫克至約700毫克的流速將所述一種或多種有機(jī)硅化合物引入所述腔室中，且以介于約200毫克至約1600毫克的流速將所述一種或多種致孔劑化合物引入所述腔室中。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中沉積所述起始層、所述第一過(guò)渡層與所述第二過(guò)渡層，以提供約50 A至約300 A的范圍內(nèi)的總厚度。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中以介于約600毫克/秒至約1500毫克/秒之間的提高速率，提高所述一種或多種有機(jī)硅化合物的所述流速，且以介于約200毫克/秒至約600毫克/秒之間的提高速率，提高所述一種或多種致孔劑化合物的所述流速。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述RF功率與總流速的比例為介于約0.1ff/sccm至約0.3W/Sccm之間，執(zhí)行所述起始層、所述第一過(guò)渡層與第二過(guò)渡層的所述沉積。
全文摘要
提供了一種改良的方法用于沉積超低介電常數(shù)薄膜堆棧。本發(fā)明實(shí)施例藉由降低超低介電薄膜堆棧中的氧化物黏著層厚度而將來(lái)自沉積超低介電常數(shù)薄膜堆棧的最初階段的k(介電常數(shù))影響最小化，因而將薄膜堆棧的厚度非均勻性降低至小于2%。所述改良的工藝以較低的沉積速率與較低的等離子體密度以及較高的總流速，在超低介電薄膜堆棧中沉積氧化物黏著層與塊層，從而在薄膜沉積期間產(chǎn)生共沉積物質(zhì)的較佳封裝/排序，所述較佳封裝/排序?qū)е螺^高機(jī)械強(qiáng)度與較低孔隙率。
文檔編號(hào)H01L21/312GK103210479SQ201180053880
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者M·查布拉, K·S·伊姆, A·T·迪莫斯 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司