一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，包括：形成第一層金屬層；在第一層金屬層上生長刻蝕阻擋層；在刻蝕阻擋層上生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層，其中在生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層時引入兩步以上的液源穩(wěn)定過程；對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化；在低介電常數(shù)薄膜上沉積光刻掩模并進(jìn)行光刻刻蝕。
【專利說明】一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在40納米以下銅互連工藝中，為了降低線間延時，兩層互連金屬間的介質(zhì)層要求有較低的介電常數(shù)，介電常數(shù)越低，延時越小，器件速度也就越快。40納米常用的超低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)已經(jīng)在2.6以下。除了較低的介電常數(shù)，還要保證薄膜有較高的機(jī)械性能，包括楊氏模量、硬度等。目前最常用的方法是使用致孔劑采用PECVD的方法沉積一層摻碳的薄膜，然后通過紫外線處理將有機(jī)致孔劑趕出薄膜，得到有孔的摻碳薄膜。紫外線照射能夠?qū)⒂袡C(jī)物分解，然后以氣體的形式脫離薄膜，形成孔洞，孔洞的引入能夠降低介電常數(shù)，通?？锥吹拿芏仍酱?，直徑越大，得到的介電常數(shù)越小，同時紫外線還會將薄膜中的硅碳鍵重新鏈接，形成更致密的骨架結(jié)構(gòu)，這樣來支撐孔洞。有機(jī)物致孔劑在沉積過程中的含量直接決定介電常數(shù)的大小和薄膜的硬度，薄膜致孔劑含量較高時，經(jīng)過紫外線的照射，薄膜孔洞的密度較高，孔徑較大，得到的介電常數(shù)較底，但是硬度也會隨之降低，相反，致孔劑含量較底時，薄膜的孔洞的密度較小，孔徑較小，得到的介電常數(shù)較高，但是硬度會大大增力口。為了獲得較低的延時，必須要保證較低的介電常數(shù)，但是這樣就犧牲了薄膜的機(jī)械性能，因此找到一種能夠保證較低薄膜介電常數(shù)的同時又較高機(jī)械性能的成膜方法就尤為重要。
[0003]目前業(yè)界常用的低介電常數(shù)薄膜在生在過程中主要包括三個步驟:I，引入液源反應(yīng)物并使得流量穩(wěn)定在一個較低的流量值；2沉積一層碳硅氧化物作為緩沖層(反應(yīng)物流量很低)；3沉積含有致孔劑的低介電常數(shù)薄膜(反應(yīng)物流量很高)。這種傳統(tǒng)的生長方式從第二步到第三步過程中有液源流量由低到高最后穩(wěn)定在高流量的過程，由于液源流量控制器的特性，這個過程一般要持續(xù)IOS左右的時間，占整個薄膜沉積的時間比在五分之一到二分之一之間，而且受到液源流量控制器穩(wěn)定性的影響，流量上升的過程會產(chǎn)生很大的不穩(wěn)定性，對薄膜性質(zhì)造成很大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠使得工藝更加穩(wěn)定可靠的低介電常數(shù)薄膜的成膜方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，包括依次執(zhí)行:第一步驟，用于形成第一層金屬層；第二步驟，用于在第一層金屬層上生長刻蝕阻擋層；第三步驟，用于在刻蝕阻擋層上生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層，其中低介電常數(shù)薄膜布置在緩沖層上方，并且其中在生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層時引入兩步以上的液源穩(wěn)定過程；第四步驟，用于對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化；第五步驟，在低介電常數(shù)薄膜上沉積光刻掩模并進(jìn)行光刻刻蝕。[0006]優(yōu)選地，低介電常數(shù)薄膜是含有致孔劑的摻碳薄膜。
[0007]優(yōu)選地，所述第三步驟包括:第一步，進(jìn)行第一次液源反應(yīng)物穩(wěn)定過程，其中在不開啟射頻的情況下使得液源前驅(qū)物以第一流量流入反應(yīng)腔；第二步，在致孔劑不流入反應(yīng)腔體并開啟射頻的情況下，使得含有甲基鍵的硅源前驅(qū)體和氧氣氦氣參與反應(yīng)，從而生長一層不含致孔劑的碳硅氧化物作為緩沖層；第三步，在不開啟射頻的情況下使得液源前驅(qū)物以流入與反應(yīng)腔管道并列的轉(zhuǎn)移管道，待流量穩(wěn)定在設(shè)定的第二流量以后再從轉(zhuǎn)移管道流入反應(yīng)腔，其中第二流量大于第一流量；第四步，開啟反應(yīng)腔體中的射頻，從而沉積含有致孔劑的低介電常數(shù)薄膜。
[0008]優(yōu)選地，致孔劑為包含碳和氫的有機(jī)物，并且在紫外線照射后會解離并揮發(fā)形成空洞。
[0009]優(yōu)選地，第一層金屬層包括鎢金屬層、銅金屬層和鋁金屬層中的一種。
[0010]優(yōu)選地，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化包括對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射。
[0011]優(yōu)選地，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射的時間為20S-500S，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射的溫度在300度到480度之間。
[0012]本發(fā)明尤其可以有利地應(yīng)用在40納米及以下銅互連工藝中。先進(jìn)銅互連工藝中，形成第一層金屬銅以后，生長含有致孔劑的摻碳薄膜，然后通過紫外線處理將致孔劑趕出，形成多孔的薄膜，從而降低了薄膜的介電常數(shù)的同時增加了薄膜的硬度等其他機(jī)械性能，接著形成第二層互連銅，這樣就降低了兩層互連金屬間的RC延時，同時又保證了介質(zhì)層的機(jī)械性能，增加了器件的可靠性。本發(fā)明通過引入兩步以上的液源前驅(qū)物流量穩(wěn)定過程，來生長低介電常數(shù)薄；通過此方法，既能保證薄膜緩沖層的生長質(zhì)量，又能夠過濾掉薄膜中液源前驅(qū)物由低到高造成的影響，使得后續(xù)沉積過程更加穩(wěn)定，生成的薄膜致孔劑含量較高，得到的薄膜介電常數(shù)更低。同時，由于過濾掉了液源流量上升過程，不受到液源流量控制器穩(wěn)定性的影響，使得工藝更加穩(wěn)定可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中:
[0014]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法的流程圖。
[0015]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法中低介電常數(shù)薄膜沉積完成后的示意圖。
[0016]圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法中兩層金屬層形成后的示意圖。
[0017]需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0019]本發(fā)明主要應(yīng)用在40納米及以下銅互連工藝:先進(jìn)銅互連工藝中，形成第一層金屬銅以后，生長一層含有致孔劑的薄膜，然后通過紫外線處理將致孔劑趕出，形成多孔的薄膜，從而降低了薄膜的介電常數(shù)的同時增加了薄膜的硬度等其他機(jī)械性能，接著形成第二層互連銅，這樣就降低了兩層互連金屬間的RC延時，同時又保證了介質(zhì)層的機(jī)械性能，增加了器件的可靠性。致孔劑的含量直接關(guān)系到介電薄膜的電學(xué)性質(zhì)和硬度等，介電薄膜致孔劑含量較高時，經(jīng)過紫外線的照射，薄膜孔洞的密度較高，孔徑較大，得到的介電常數(shù)較底。傳統(tǒng)的低介電常數(shù)薄膜在生長初始階段液源致孔劑流量為0，這樣生長出來的其實(shí)為一層碳硅氧化物，作為緩沖層。然后致孔劑開始流入腔體直到到達(dá)設(shè)定值，這整個階段致孔劑在薄膜中的含量是由低到高的，本發(fā)明通過在傳統(tǒng)的緩沖層生長完之后增加一步液源前驅(qū)物流量穩(wěn)定的過程，使得液源致孔劑流量穩(wěn)定之后再開始后續(xù)薄膜的沉積，這樣得到的薄膜更均勻，介電常數(shù)更低，并且不受到液源流量控制器穩(wěn)定性的影響，提高了器件穩(wěn)定性。
[0020]具體地，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法的流程圖。
[0021]如圖1所示，以40納米銅互連工藝的第一層和第二層互連金屬的形成為例，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法包括:
[0022]第一步驟S1:形成第一層金屬層I ;
[0023]第一層金屬層I包括但不限于鎢、銅、鋁等集成電路常用的互連線金屬。
[0024]具體地，以金屬銅為例，可以首先通過物理氣相沉積工藝(PVD)沉積阻擋層(一般為Ta和TaN)，然后通過物理氣相沉積工藝沉積銅的籽晶層50-150A，然后通過電鍍形成第一層金屬銅5000-7000A，然后通過化學(xué)機(jī)械研磨將銅層磨平，厚度降為1200A-2000A ；
[0025]第二步驟S2:在第一層金屬層I上生長刻蝕阻擋層2 ；
[0026]具體地，在第一層金屬層上通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝(PECVD)生長刻蝕阻擋層(一般為氮化娃或者碳化娃或者碳氮化娃)，其厚度優(yōu)選為200-700A ；
[0027]第三步驟S3:在刻蝕阻擋層2上生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層3 (優(yōu)選地，含有致孔劑的摻碳薄膜，如圖2所示)，在沉積低介電常數(shù)薄膜時及其緩沖層引入兩步以上的液源穩(wěn)定過程；其中，低介電常數(shù)薄膜布置在緩沖層上方。
[0028]第三步驟S3可以包括如下過程:第一步為液源前驅(qū)物穩(wěn)定過程，液源前驅(qū)物以低流量流入反應(yīng)腔，但是不開啟射頻；第二步生長一層不含致孔劑的碳硅氧化物作為緩沖層，此步驟中只有含有甲基鍵的硅源前驅(qū)體和氧氣氦氣參與反應(yīng)，致孔劑此時不流入反應(yīng)腔體，開啟射頻，并且射頻的功率較小；第三步再次引入液源前驅(qū)物穩(wěn)定過程，該步的特征是流量顯著增大，但是不流入反應(yīng)腔，而是流入和反應(yīng)腔管道并列的轉(zhuǎn)移管道，不開啟射頻；并且待流量穩(wěn)定以后將前驅(qū)物引入反應(yīng)腔，時間為3-5s ;第四步，開啟射頻，沉積含有致孔劑的低介電常數(shù)薄膜。
[0029]更具體地，可以在刻蝕阻擋層上通過PECVD的方法生長含有致孔劑的摻碳薄膜(使用的設(shè)備可以是AMAT公司的ProducerGT型號的PECVD設(shè)備)，可以進(jìn)行下述步驟:
[0030]首先將硅片裝載進(jìn)反應(yīng)腔，然后開始流入200_700gm的甲基二乙基硅氧烷m-DEOS,以及這些主要?dú)怏w的載氣-氦氣1000-2000sccm，時間為10_30s ;該處理過程不開
啟射頻。[0031]緊接著生長第一層不含有致孔劑的摻碳薄膜作為緩沖層，主要過程可以是流入200-700gm的甲基二乙基硅氧烷m-DEOS，以及液源m_DE0S載氣-氦氣1000-2000sccm，400-600sccm的氧氣，開啟射頻，這里的射頻為高頻13.56MHZ，功率為400W到700W，時間為l-3s;此步驟中只有含有甲基鍵的硅源前驅(qū)體和氧氣氦氣參與反應(yīng)，致孔劑此時不流入反應(yīng)腔體。此后，優(yōu)選地可以在關(guān)閉流入腔體的液源反應(yīng)物后，繼續(xù)開啟射頻，時間在2-4s之間；從而實(shí)現(xiàn)殘留物的凈化。
[0032]緊接著關(guān)閉射頻，將2000gm到4000gm的甲基二乙基硅氧烷m_DE0S，800_2000gm的致孔劑C10H16通入與反應(yīng)腔體管道并列的轉(zhuǎn)移管道，以及這些主要液源反應(yīng)前驅(qū)物的載氣-氦氣1000-2000sccm，150-250sccm的氧氣，時間為12_20s，使得液源反應(yīng)物流量達(dá)到
設(shè)定值并穩(wěn)定。
[0033]緊接著開啟射頻，這里的射頻為高頻13.56MHZ，功率為650W到1000W，通入2000gm到4000gm的甲基二乙基硅氧烷m-DEOS，800-2000gm的致孔劑C10H16，以及這些主要液源反應(yīng)前驅(qū)物的載氣-氦氣1000-2000sccm，150-250sccm的氧氣，時間根據(jù)沉積的厚度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0034]沉積完成后加入腔體內(nèi)氣體抽凈等過程，將硅片載出反應(yīng)腔體，完成薄膜的沉積；
[0035]所有上述的生長過程的溫度為240度到300度之間，設(shè)備腔體的壓力為5托到10托之間；
[0036]第四步驟S4:對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化；
[0037]對薄膜進(jìn)行紫外線固化可以包括對薄膜進(jìn)行紫外線照射，紫外線照射的時間和強(qiáng)度取決于沉積的膜的厚度，紫外線照射的優(yōu)選地時間為20s-500s，根據(jù)膜厚的不同作相應(yīng)的調(diào)整，溫度優(yōu)選地在300度到480度之間。例如，一般的對2500-5000A的薄膜，照射時間在150s-400s之間，使得殘留前驅(qū)物完全反應(yīng)。
[0038]第五步驟S5:在低介電常數(shù)薄膜上沉積光刻掩模并進(jìn)行光刻刻蝕。
[0039]例如，可以在紫外線處理完的結(jié)構(gòu)上PECVD生長一層硬掩模(本方案采用的是二氧化硅和氮化鈦)然后旋涂光刻膠進(jìn)行光刻并刻蝕形成大馬士革結(jié)構(gòu)；沉積阻擋層(一般為Ta和TaN)，沉積銅的籽晶層，然后通過電鍍形成第二層金屬銅4(如圖3所示)。
[0040]實(shí)際上，致孔劑的含量直接關(guān)系到介電薄膜的電學(xué)性質(zhì)和硬度等，介電薄膜致孔劑含量較高時，經(jīng)過紫外線的照射，薄膜孔洞的密度較高，孔徑較大，得到的介電常數(shù)較底，相反，致孔劑含量較底時，薄膜的孔洞的密度較小，孔徑較小，得到的介電常數(shù)較高。本發(fā)明通過引入兩步以上的液源流量穩(wěn)定過程，既能保證薄膜緩沖層的生長質(zhì)量，又能夠過濾掉薄膜中液源前驅(qū)物由低到高造成的影響，使得后續(xù)沉積過程更加穩(wěn)定，生成的薄膜致孔劑含量較高，得到的薄膜介電常數(shù)更低。同時，由于過濾掉了液源流量上升過程，不受到液源流量控制器穩(wěn)定性的影響，使得工藝更加穩(wěn)定可靠。通過此改進(jìn)最顯而易見的是緩沖層和低介電常數(shù)薄膜間的過渡層厚度大大降低，對于3000A左右厚度的薄膜，介電常數(shù)能從
2.58 降為 2.52。
[0041]此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。[0042]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于包括依次執(zhí)行: 第一步驟，用于形成第一層金屬層； 第二步驟，用于在第一層金屬層上生長刻蝕阻擋層； 第三步驟，用于在刻蝕阻擋層上生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層，其中低介電常數(shù)薄膜布置在緩沖層上方，并且其中在生長低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層時引入兩步以上的液源穩(wěn)定過程； 第四步驟，用于對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化； 第五步驟，用于在低介電常數(shù)薄膜上沉積光刻掩模并進(jìn)行光刻刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，低介電常數(shù)薄膜是含有致孔劑的摻碳薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，所述第三步驟包括: 第一步，進(jìn)行第一次液源反應(yīng)物穩(wěn)定過程，其中在不開啟射頻的情況下使得液源前驅(qū)物以第一流量流入反應(yīng)腔； 第二步，在致孔劑不流入反應(yīng)腔體并開啟射頻的情況下，使得含有甲基鍵的硅源前驅(qū)體和氧氣氦氣參與反應(yīng)，從而生長一層不含致孔劑的碳硅氧化物作為緩沖層； 第三步，在不開啟射頻的情況下使得液源前驅(qū)物以流入與反應(yīng)腔管道并列的轉(zhuǎn)移管道，待流量穩(wěn)定在設(shè)定的第二流量以后再從轉(zhuǎn)移管道流入反應(yīng)腔，其中第二流量大于第一流量； 第四步，開啟反應(yīng)腔體中的射頻，從而沉積含有致孔劑的低介電常數(shù)薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，致孔劑為包含碳和氫的有機(jī)物，并且在紫外線照射后會解離并揮發(fā)形成空洞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，第一層金屬層包括鶴金屬層、銅金屬層和招金屬層中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線固化包括對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的形成低介電常數(shù)薄膜及其緩沖層的成膜方法，其特征在于，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射的時間為20s-500s，對低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外線照射的溫度在300度到480度之間。
【文檔編號】H01L21/31GK103943560SQ201410193143
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】桑寧波, 雷通, 方精訓(xùn) 申請人:上海華力微電子有限公司