一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，通過先對沉積形成的低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行刻蝕，形成所需的圖形結(jié)構(gòu)(此時的介質(zhì)薄膜孔隙率較低，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度支撐硬掩膜引入的高應(yīng)力)，然后再進(jìn)行碳注入和紫外照射，以恢復(fù)介質(zhì)薄膜中的孔徑和孔隙率，進(jìn)一步形成超低介電常數(shù)薄膜，既能避免介質(zhì)薄膜倒線的現(xiàn)象，又能使介質(zhì)薄膜的有效介電常數(shù)(K值)保持最小，且可與現(xiàn)有業(yè)界工藝相兼容。
【專利說明】一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體集成電路工業(yè)中，高性能的集成電路芯片需要盡可能低的連線電容電阻信號延遲和信號串?dāng)_，為此，需要低電阻率的銅金屬線以及連線的層間，及線間填充低介電常數(shù)(Low-k)材料來達(dá)到降低寄生電容，從而達(dá)到提高器件的目的。低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)k值一般為2.7?2.9。近十年來，半導(dǎo)體工業(yè)界對超低介電常數(shù)(ULK)材料的研究日益增多，超低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)k值要求小于2.7。在集成電路工藝中，超低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件，例如:足夠的機(jī)械強(qiáng)度以支撐多層連線的架構(gòu)，高楊氏系數(shù)，高擊穿電壓，低漏電，高熱穩(wěn)定性，良好的粘合強(qiáng)度，低吸水性，低薄膜應(yīng)力，高平坦化能力，低熱張系數(shù)以及化學(xué)機(jī)械拋光工藝的兼容性等。
[0003]摻雜碳和微孔均是降低k值的有效手段，目前32nm以下技術(shù)，普遍采用的超低介電常數(shù)介質(zhì)材料是摻碳的多孔氧化硅薄膜，其通過形成S1-C鍵來增大原子間距或氧化硅的“自由空間”，從而降低氧化硅薄膜的密度。其中，摻雜碳的二氧化硅介電常數(shù)與密度呈線性關(guān)系，密度的降低有利于k值的降低；微孔材料的介電常數(shù)與材料密度和孔隙率都有關(guān)，孔隙率越高k值越小。
[0004]然而，伴著介質(zhì)材料介電常數(shù)不斷降低的要求，介質(zhì)材料的孔隙率和含碳量不斷增加，結(jié)構(gòu)變得越來越疏松。在后續(xù)干法刻蝕工藝過程中，當(dāng)刻蝕完成后，由于線寬太小，在介質(zhì)材料之上的硬掩膜(Hard mask, HM)例如TiN硬掩膜高應(yīng)力的作用下,極易出現(xiàn)介質(zhì)薄膜倒線(坍塌)的現(xiàn)象。
[0005]因此，鑒于以上原因，急需開發(fā)一種新的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，以解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，能夠在避免介質(zhì)薄膜倒線的同時，又使介質(zhì)薄膜具有較低的介電常數(shù)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，包括:
[0009]步驟一:提供一半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上沉積一低介電常數(shù)薄膜，所述低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)為2.7?2.9 ;
[0010]步驟二:在所述低介電常數(shù)薄膜上沉積硬掩膜，并刻蝕形成所需的圖形結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟三:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行碳的注入；
[0012]步驟四:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外照射處理，以形成介電常數(shù)小于2.7的超低介電常數(shù)薄膜。
[0013]優(yōu)選地，步驟一中，所述低介電常數(shù)薄膜通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積而成。
[0014]優(yōu)選地，所述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積時的反應(yīng)氣體為八甲基環(huán)四硅氧烷和氧氣。
[0015]優(yōu)選地，所述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積時的腔體溫度為360?470°C，反應(yīng)直流功率為360?590瓦。
[0016]優(yōu)選地，步驟三中，采用離子注入技術(shù)對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行碳的注入。
[0017]優(yōu)選地，所述碳的離子注入能量為5?20KeV，劑量為1E12?lE13/cm2。
[0018]優(yōu)選地，步驟四中，所述紫外照射處理時的照射溫度為390?490度，照射時間為12?22秒。
[0019]優(yōu)選地，所述紫外照射處理在氫氣氣氛中進(jìn)行。
[0020]優(yōu)選地,所述氫氣的流量為90?llOsccm。
[0021]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過先對沉積形成的低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行刻蝕，形成所需的圖形結(jié)構(gòu)(此時的介質(zhì)薄膜孔隙率較低，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度支撐硬掩膜引入的高應(yīng)力)，然后再進(jìn)行碳注入和紫外照射，以恢復(fù)介質(zhì)薄膜中的孔徑和孔隙率，進(jìn)一步形成超低介電常數(shù)薄膜，既能避免介質(zhì)薄膜倒線的現(xiàn)象，又能使介質(zhì)薄膜的有效介電常數(shù)(K值)保持最小，且可與現(xiàn)有業(yè)界工藝相兼容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法的流程圖；
[0023]圖2?圖5是應(yīng)用圖1的制作方法制作一種超低介電常數(shù)薄膜的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0026]在本實施例中，請參閱圖1，圖1是本發(fā)明一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法的流程圖；同時，請對照參閱圖2?圖5，圖2?圖5是應(yīng)用圖1的制作方法制作一種超低介電常數(shù)薄膜的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2?圖5中示意的器件結(jié)構(gòu)，可與圖1中的各制作步驟相對應(yīng)，以便于對本發(fā)明方法的理解。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，包括:
[0028]如框SOl所示，步驟一:提供一半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上沉積一低介電常數(shù)薄膜，所述低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)為2.7?2.9。
[0029]請參考圖2，通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，在作為半導(dǎo)體襯底的硅片100上沉積一層低介電常數(shù)介質(zhì)薄膜101。反應(yīng)氣體采用八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)和氧氣(O2);反應(yīng)時的腔體溫度優(yōu)選為360?470°C，反應(yīng)直流功率優(yōu)選為360?590瓦。此時的介質(zhì)薄膜101孔隙率較低，其介電常數(shù)為2.7?2.9，因此，還不能稱為“超低介電常數(shù)薄膜”(介電常數(shù)k值要求小于2.7)，只能算作低介電常數(shù)介質(zhì)薄膜。
[0030]八甲基環(huán)四硅氧烷為有機(jī)硅環(huán)結(jié)構(gòu)源氣體，在適當(dāng)?shù)腜ECVD條件下可形成立體鼠籠結(jié)構(gòu)，有利于介質(zhì)薄膜孔隙的形成，降低材料密度。采用氧氣作為氧化劑，可形成更高密度的S1-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以降低薄膜密度，是提高薄膜孔隙率的有效手段。當(dāng)然，增大薄膜中的孔隙尺寸、提高孔隙率還要配合后續(xù)的熱處理(紫外照射處理)來實現(xiàn)。
[0031]如框S02所示，步驟二:在所述低介電常數(shù)薄膜上沉積硬掩膜，并刻蝕形成所需的圖形結(jié)構(gòu)。
[0032]請參考圖3，用業(yè)界通用的刻蝕方法，例如干法刻蝕方法在所述低介電常數(shù)薄膜101上刻出所需的圖形結(jié)構(gòu)102，這其中包括在所述低介電常數(shù)薄膜101上沉積硬掩膜，以及之后的硬掩膜去除步驟。所使用的方法為業(yè)界通用的工藝，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，故本例不再針對刻蝕工藝展開說明。
[0033]按照現(xiàn)有技術(shù)，對圖形結(jié)構(gòu)的刻蝕是直接在已形成的超低介電常數(shù)薄膜上進(jìn)行的。超低介電常數(shù)薄膜具有多孔的疏松結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度相對較低。因此，當(dāng)刻蝕完成后，由于線寬太小，在介質(zhì)薄膜之上的硬掩膜例如TiN硬掩膜高應(yīng)力的作用下，極易出現(xiàn)介質(zhì)薄膜倒線(坍塌)的現(xiàn)象。
[0034]而在本發(fā)明的實施例中，在進(jìn)行碳的注入和紫外照射處理之前，先對介質(zhì)薄膜101進(jìn)行圖形結(jié)構(gòu)的刻蝕，此時的介質(zhì)薄膜還沒有經(jīng)過碳的注入和紫外照射處理，其薄膜結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸相對較小、孔隙率較低，因此具有相對較高的機(jī)械強(qiáng)度，可以有足夠的機(jī)械強(qiáng)度支撐硬掩膜引入的高應(yīng)力，因而不會發(fā)生介質(zhì)薄膜圖形倒線(坍塌)的現(xiàn)象。
[0035]如框S03所示，步驟三:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行碳的注入。
[0036]請參考圖4，通過離子注入技術(shù)，對具有圖形結(jié)構(gòu)102的所述低介電常數(shù)薄膜101進(jìn)行碳的注入(如圖中指向下方的箭頭所示)，所述碳的離子注入能量優(yōu)選為5?20KeV，劑量優(yōu)選為1E12?lE13/cm2。通過碳的注入，可形成S1-C鍵來增大原子間距或氧化硅的“自由空間”，從而進(jìn)一步降低介質(zhì)薄膜的密度。
[0037]如框S04所示，步驟四:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外照射處理，以形成介電常數(shù)小于2.7的超低介電常數(shù)薄膜。
[0038]請參考圖5，對具有圖形結(jié)構(gòu)102的所述低介電常數(shù)薄膜101進(jìn)行紫外照射(UV-cure)處理(如圖中指向下方的箭頭所示)，照射溫度優(yōu)選為390?490度，照射時間優(yōu)選為12?22秒。所述紫外照射處理可進(jìn)一步在氫氣氣氛中進(jìn)行，氫氣的流量優(yōu)選為90?IlOsccm0紫外照射可使薄膜中的有機(jī)易揮發(fā)物質(zhì)在高溫作用下得到釋放排出而形成大量的孔隙。經(jīng)過這樣的處理，即可恢復(fù)低介電常數(shù)薄膜101中的孔徑和孔隙率，使介質(zhì)薄膜有效介電常數(shù)(K值)保持最小，成為介電常數(shù)k值小于2.7的超低介電常數(shù)薄膜。并且，介質(zhì)薄膜的圖形結(jié)構(gòu)經(jīng)過紫外照射后，其機(jī)械強(qiáng)度也得到進(jìn)一步的提高，可有效避免介質(zhì)薄月吳在后續(xù)工藝中的倒線現(xiàn)象。
[0039]綜上所述，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法的優(yōu)點在于:用本發(fā)明的方法避免了線寬變小時導(dǎo)致的介質(zhì)薄膜倒線的現(xiàn)象；同時，可恢復(fù)超低介電常數(shù)薄膜(ULK)中的孔徑和孔隙率，使有效介電常數(shù)(K值)保持最小，所用的離子注入技術(shù)選擇性強(qiáng)、實現(xiàn)成本低；所用UV-cure設(shè)備能和現(xiàn)有設(shè)備兼容。因此，本發(fā)明所提供的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其制作簡單，易于集成，且與CMOS工藝具有很好的兼容性，具有很大的應(yīng)用價值。
[0040] 以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，包括: 步驟一:提供一半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上沉積一低介電常數(shù)薄膜，所述低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)為2.7?2.9 ; 步驟二:在所述低介電常數(shù)薄膜上沉積硬掩膜，并刻蝕形成所需的圖形結(jié)構(gòu)； 步驟三:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行碳的注入； 步驟四:對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行紫外照射處理，以形成介電常數(shù)小于2.7的超低介電常數(shù)薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，步驟一中，所述低介電常數(shù)薄膜通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，所述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積時的反應(yīng)氣體為八甲基環(huán)四硅氧烷和氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，所述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積時的腔體溫度為360?470°C，反應(yīng)直流功率為360?590瓦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，步驟三中，采用離子注入技術(shù)對所述低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行碳的注入。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，所述碳的離子注入能量為5?20KeV，劑量為1E12?lE13/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，步驟四中，所述紫外照射處理時的照射溫度為390?490度，照射時間為12?22秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，所述紫外照射處理在氫氣氣氛中進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超低介電常數(shù)薄膜的制作方法，其特征在于，所述氫氣的流量為 90 ?llOsccm。
【文檔編號】H01L21/768GK104319259SQ201410593456
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】曾紹海, 李銘 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司