CN100341121C - 介电层的改质方法与其在镶嵌式金属制程的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介电层的改质方法，包括下列步骤：提供一基底，形成一含氧-硅-碳基键的介电层于该基底上，其中各氧-硅键之间未相互交连；对该介电层进行一包含氦气与氢气的等离子程序，以将该介电层中的硅-碳基键取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构。本发明亦可应用于镶嵌式金属的制造。

Description

介电层的改质方法与其在镶嵌式金属制程的应用

技术领域

本发明是有关于一种制造半导体导电组件的方法，特别是有关于一种介电层的改质方法。

背景技术

随着半导体组件的线幅持续微型化，具高速、高组件集积度、低功率消耗及低成本的超大规模集成电路(ULSI)得以大量生产制造。相对于组件的微型化及集积度的增加，电路中导体联机数目亦会不断的增加，而使得导体联机架构中的电阻(R)及电容(C)产生了所谓的寄生效应，造成传输上严重的延迟现象即RC delay，此也成为电路中信号传输速度受阻的主要因素。

因此，在深次微米领域的多层导体联机制程中，必须引入具有低电阻率的导线及低寄生电容值的导线间介电膜，才能有效提升芯片的操作速度，在降低导线电阻方面，由于金属铜具有高熔点、低电阻系数(ρ-1.7μΩ-cm)及高抗电子迁移的能力，已被广泛应用于联机架构中，取代金属铝(ρ-2.7μΩ-cm)作为导体联机的材料。

另在降低寄生电容方面，由于制程上和导线电阻的限制，使得我们不考虑藉由几何上的改变(例如：改变导线面积或导线间距)来降低寄生的电容值，而是朝选择、改良低介电常数(low K)的材质，作为研究发展的方向。综合上述，如何利用金属铜导线以及低介电常数介电层来架构多层联机系统，遂成为现今高效能电路制作的指针。然而，应用此低介电常数材料于铜整合制程时，不可避免的，亦产生了若干在制程上亟待解决克服的问题。

由于对介电层材料和沉积制程条件、方式的选择，使介电层在形成的同时，已具有为数不少的孔洞分布，然而，若未对此沉积后的介电层加以适当化的修饰处理，这些存在于介电层结构中的孔洞，将因暴露于环境中，而吸附大量的水气，且水的介电常数值高达7-9，结果将导致介电层的介电常数值被大幅提高，不利寄生电容的降低。

另介电层结构中的氧-硅-碳基键，在介电层形成之初，是呈现鸟笼状(cage)的键结架构，且散乱分布于介电层结构中，彼此的鸟笼状结构并无相互交连，如此，势必造成介电层结构的机械强度严重不足，而难以应付后续制程中各种不同的应力来源。

因此，若能对介电层的结构加以适当改质，包括将原本散乱的各个鸟笼状结构予以交连化处理，则应可有效防止介电层本身的吸水，促介电常数值下降，并能坚固化此介电材料，以抵抗外界施加的各种应力。

如美国专利第6,486,061号所揭露的改善方法，在完成介电层沉积的步骤后，进行一等离子处理程序，此等离子程序所使用的反应气体包括氨气(NH3)和氢气(H2)，工作条件如下：温度大体介于摄氏300-500度，压力大体介于200-700托，时间大体介于1-5分钟。

经上述等离子气体的处理，介电层结构中原本的硅-碳基键，将被取代为硅-氢键，而由于氢原子的亲脂性质较碳原子为明显，因此，取代完成后的硅-氢键，加上充满于介电层表面的氢气环境，将使介电层更具抗吸水的能力，增加其在后续制程中的热稳定性(thermal stability)。

然而，这些取代反应，因涉及化学键结的断裂，如硅-碳基键或碳-氢键，在主体架构(交连结构)尚未建立前，将使介电层的鸟笼式结构更形散乱，硬度变得更差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用两阶段等离子处理程序的介电层改质方法，其中藉由一氦气等离子程序与一氢气等离子程序的相互配合，除可增加介电层的机械强度外，透过介电层分子结构的改质，亦可有效杜绝该介电层对水气的吸收。

为达成上述目的，本发明提供一种介电层的改质方法，包括下列步骤：提供一基底，形成一含氧-硅-碳基键的介电层于该基底上，其中各氧-硅键之间未相互交连。对该介电层进行一包含氦气与氢气的等离子程序，以将该介电层中的硅-碳基键取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构。

该介电层的改质方法，是氦气与氢气的两阶段等离子处理程序，首先，透过氦气等离子的处理，可使原本介电层中散乱的鸟笼状结构，彼此键结，形成一较为坚固的网状(network)交连结构，接着，以氢气等离子进行的介电层改质处理，将结构中的硅-碳基键取代为硅-氢键，此也增加了介电层本身的抗吸水性，使其能达到在后续制程中的热稳定效能。上述中氦气与氢气等离子的先后顺序亦可互换，亦即先施予氢气等离子，再进行氦气等离子的处理。另亦可同时进行的。

本发明另提供一种介电层的改质方法，并将其应用在双镶嵌金属的制造，包括下列步骤：提供一基底，形成一含氧-硅-碳基键的介电层于该基底上，其中各氧-硅键之间未相互交连。对该介电层进行一包含氦气与氢气的等离子程序，以将该介电层中的硅-碳基键取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构。续定义该介电层，以形成一镶嵌开口，该镶嵌开口包括一内联机沟槽与一介层窗，之后，于该镶嵌开口中填入一金属层，以形成双镶嵌金属。此外，本发明亦可应用于单镶嵌金属的制造。

附图说明

图1a至图1c是根据本发明的一实施例，双镶嵌制程的剖面示意图。

图2是根据本发明的一实施例，双镶嵌制程的流程图。

图3与图4是根据本发明的一实施例，介电层的分子结构示意图。

图5是根据本发明的一实施例，经氦气等离子处理后，介电层结构中各元素的吸收强度示意图。

符号说明：

100-基底；

102、118-金属层；

104-蚀刻终止层；

106-介电层；

108-阻障层；

110-介层窗；

114-内联机沟槽；

116-双镶嵌开口；

120-双镶嵌结构；

S200-化学气相沉积；

S202-改质程序；

S204-氦气等离子程序；

S206-氢气等离子程序；

S208-蚀刻；

S210-填入金属层；

S212-形成双镶嵌结构；

502、504-吸收强度曲线；

C-碳元素的吸收信号。

具体实施方式

实施例1

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

请参阅图1a，以及图2的制程流程。根据本发明的一实施例，介电层的改质方法，包括下列步骤：如图1a所示，提供一基底100，于基底100上依序形成一下层金属层102、一蚀刻终止层104、一介电层106。

在下层金属层102以下的部分，可能包含数层金属内联机与数个电性上相互连接的半导体组件，如MOS晶体管、电阻、逻辑组件等，为简化图式，下层金属层102以下的集成电路组件，此处未予绘出。基底100的材质可为硅，蚀刻终止层104的材质可为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。

介电层106例如为一低介电常数的多孔性材质，孔隙度大体介于20％-30％，介电常数值大体介于2.0-2.9。如图2所示，介电层106可以化学气相沉积法S200如高密度等离子化学气相沉积法或加强式等离子化学气相沉积法沉积形成。

介电层106的材质可为掺杂氧化层、有机类低介电常数材料、高氟化类低介电常数材料、以及多孔性低介电常数材料等。掺杂氧化层例如包括：氟掺杂氧化层(FSG)、氢掺杂氧化层(HSQ)、碳掺杂氧层(MSQ)。有机类低介电常数材料例如包括：苯并环丁烯(BCB)、芳香族碳氢化合物(SiLK)、掺氟聚对二甲苯醚(FLARE)、聚芳烯醚(PAE)。高氟化类低介电常数材料例如包括：含氟聚对二甲苯(Parylene AF4)、聚四氟乙烯(PTFE)。多孔性低介电常数材料例如包括：气胶(Aerogel)、干凝胶(Xerogel)、超微孔玻璃(Nanoglass)。

接着，如图2所示，进行一介电层106的改质程序S202，其中改质程序S202的实施方式是包括如依序进行一氦气等离子程序与一氢气等离子程序、依序进行一氢气等离子程序与一氦气等离子程序或一氦气等离子程序与一氢气等离子程序同时进行，而以依序进行一氦气等离子程序与一氢气等离子程序为较佳的选择。

首先，以氦气等离子进行改质程序S202的第一步骤S204，其中该氦气等离子程序所使用的反应气体的流量大体介于1000-10000sccm，工作时间大体介于10-360秒，工作温度大体介于摄氏100-500度，工作压力大体介于1毫托-20托，工作功率大体介于300-2500瓦特。

原本在介电层106中，呈现散乱分布的鸟笼状结构，如图3所示，在经氦气等离子处理后，各个鸟笼状结构中的氧-硅键，会彼此产生连接的效果，而形成一网状的交连结构，如图4所示。

若介电层106转变为交连式的结构，则其机械强度将大大被提高，吾人用来评估此薄膜材料是否达适当机械强度的指标，根据本发明所得的改质介电层其硬度(hardness)达不小于1GPa的范围，杨氏系数(Young′smodulus)达不小于1.5GPa的范围。

由于在后续制程中，晶圆本身会面临许多外加应力的问题，如遇化学机械研磨时，常出现的盘凹(dishing)和磨蚀(erosion)的现象，或是在进行溅镀(sputtering)制程时，必须长时间以机械外力夹带晶圆的情形等，若此时的介电层106结构无法提供一可适当抵抗应力的能力，则在上述等制程的进行过程中，势必严重破坏介电层106的结构、特性，影响组件的制作品质。

本发明藉氦气等离子制程，将原本硬度不佳的鸟笼状结构，改质为机械强度合乎要求的交连式结构，使得介电层106后续在面对各种外加应力时，更具有抵抗的效能。

此外，在形成交连结构的过程中，由于部分化学键会有重组或彼此连接的情形发生，许多新的孔洞即利用此结构重整的机会顺应而生，结果获得吾人所期望低的介电常数值。另使介电层106可维持高的崩溃电压(breakdown voltage)，如5伏特以上，亦是结构经坚固化后所得的优点。

以下以图5再次说明介电层106经氦气等离子处理后，虽有结构上的重整修饰，如键结重组或连接，但并不涉及重要键结如氧-硅键或硅-碳键的断裂。如图5所示，此为一傅立叶转换的质谱图(FTIR spectrum)，纵坐标为吸收强度，横坐标为波数(1/厘米)，吸收强度曲线502、504是以氦气等离子处理30秒和180秒后个别元素其吸收强度的分布态样，其中碳元素的吸收强度(C)，是分布在大体介于1250-1300的波数位置。

由图中可看出，碳元素的吸收强度(C)，在历经30秒和180秒的等离子处理后，仍然维持一相同的吸收强度如0.025，由此，可证实氦气等离子的处理，是不会造成键结的断裂而使碳元素脱离主体结构的，亦即经过氦气等离子处理后的结构，将更具有其坚固性。

续如图2所示，以氢气等离子进行改质程序S202的第二步骤S206，其中该氢气等离子程序所使用的反应气体的流量大体介于1000-10000sccm，工作时间大体介于10-360秒，工作温度大体介于摄氏100-500度，工作压力大体介于1毫托-20托，工作功率大体介于300-2500瓦特。

经氢气等离子处理后的介电层106，其结构中原本的硅-碳键结将转变为硅-氢键结。由于氢原子的亲脂性质较碳原子为佳，因此，取代完成后的硅-氢键，加上充满于介电层106表面的氢气环境，将使介电层106更具抗吸水的能力，增加其在后续制程中的热稳定性，并对降低介电常数值有显著的贡献。此外，减少水气的吸收，对下层金属层102的氧化效力亦会同时降低，而避免了产生介层窗110毒化(poison via)的可能。

请参照如下表1所示，以不同等离子程序的组合处理后，介电层106的介电常数值。其中选用氦气与氢气等离子程序结合的处理，该介电常数值均较其它类型的组合为低，且又以先进行氦气等离子程序，后进行氢气等离子程序为最佳的处理方式。

组合编号	等离子气体	介电常数值(K)
			123456	氢气氦气氢气/氢气氢气/氦气氦气/氢气氦气/氦气	2.762.782.7312.7272.7202.739

                   表一

实施例2

请参阅图1a至图1c，以及图2的制程流程。根据本发明的另一实施例，将介电层的改质方法，应用于双镶嵌金属的制造，包括下列步骤：如图1a所示，提供一基底100，于基底100上依序形成一下层金属层102、一蚀刻终止层104、一介电层106。

介电层106例如为一低介电常数的多孔性材质，孔隙度大体介于20％-30％，介电常数值大体介于2.0-2.9。如图2所示，介电层106可以化学气相沉积法S200如高密度等离子化学气相沉积法(HDPCVD)或加强式等离子化学气相沉积法(PECVD)沉积形成。

介电层106的材质可为掺杂氧化层、有机类低介电常数材料、高氟化类低介电常数材料、以及多孔性低介电常数材料等。掺杂氧化层例如包括：氟掺杂氧化层(FSG)、氢掺杂氧化层(HSQ)、碳掺杂氧层(MSQ)。有机类低介电常数材料例如包括：苯并环丁烯(BCB)、芳香族碳氢化合物(SiLK)、掺氟聚对二甲苯醚(FLARE)、聚芳烯醚(PAE)。高氟化类低介电常数材料例如包括：含氟聚对二甲苯(Parylene AF4)、聚四氟乙烯(PTFE)。多孔性低介电常数材料例如包括：气胶(Aerogel)、干凝胶(Xerogel)、超微孔玻璃(Nanoglass)。

接着，如图2所示，进行一介电层106的改质程序S202，其中改质程序S202的实施方式是包括如依序进行一氦气等离子程序与一氢气等离子程序、依序进行一氢气等离子程序与一氦气等离子程序或一氦气等离子程序与一氢气等离子程序同时进行，而以依序进行一氦气等离子程序与一氢气等离子程序为较佳的选择。

首先，以氦气等离子进行改质程序S202的第一步骤S204，其中该氦气等离子程序所使用的反应气体的流量大体介于1000-10000sccm，工作时间大体介于10-360秒，工作温度大体介于摄氏100-500度，工作压力大体介于1毫托-20托，工作功率大体介于300-2500瓦特。

接着，如图2所示，以氢气等离子进行改质程序S202的第二步骤S206，其中该氢气等离子程序所使用的反应气体的流量大体介于1000-10000sccm，工作时间大体介于10-360秒，工作温度大体介于摄氏100-500度，工作压力大体介于1毫托-20托，工作功率大体介于300-2500瓦特。

如图2所示，续进行介电层106的定义S208。如图1b所示，定义介电层106，以形成一双镶嵌开口116的结构，并露出蚀刻终止层104，该双镶嵌开口包括一介层窗110与一内联机沟槽114。

接着，如图1c所示，为增加介电层106与后续制作的内连导线之间的附着性，可在双镶嵌开口116中先形成一阻障层108，其例如是钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)或氮化钛(TiN)的金属阻障层或介电阻障层如氧化层。

再如图2所示的步骤S210，填入一金属层118，金属层118是由铜、铝铜合金、铝合金或金属钨所构成，其中又以铜为较佳的选择。最后，利用CMP技术将金属层118的高度切齐于双镶嵌开口116端，以形成双镶嵌结构120，如S212。本发明亦可应用于单镶嵌结构的制作。

Claims (40)

1.一种介电层的改质方法，包含下列步骤：

提供一基底；

形成一含氧-硅-碳基键的介电层于该基底上；以及

对该介电层进行一包含氦气与氢气的等离子程序，以将该介电层中的硅-碳基键取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构。

2.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该基底是一硅基底。

3.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该介电层是由掺杂氟或碳原子的硅化物所构成。

4.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该介电层是多孔性材质，且孔隙度介于20％-30％。

5.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该介电层的介电常数介于2.0-2.9。

6.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该介电层是由化学气相沉积法沉积形成。

7.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该等离子程序依序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序。

8.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该等离子程序依序是一氢气等离子程序与一氦气等离子程序。

9.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该等离子程序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序同时进行。

10.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该等离子程序所使用的反应气体的流量介于1000-10000sccm。

11.根据权利要求1所述的介电层的改质方法，其中该等离子程序的工作时间介于10-360秒，工作温度介于摄氏100-500度，工作压力介于1毫托-20托，工作功率介于300-2500瓦特。

12.一种镶嵌式金属制程，包含下列步骤：

提供一基底；

形成一含氧-硅-碳基键的介电层于该基底上；

对该介电层进行一包含氦气与氢气的等离子程序，以将该介电层中的硅-碳基键取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构；

定义该介电层，以形成一镶嵌开口；以及

于该镶嵌开口中，填入一金属层，以形成镶嵌式金属。

13.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该基底是一硅基底。

14.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该介电层是由掺杂氟或碳原子的硅化物所构成。

15.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该介电层是多孔性材质，且孔隙度介于20％-30％。

16.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该介电层的介电常数介于2.0-2.9。

17.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该介电层是由化学气相沉积法沉积形成。

18.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该等离子程序依序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序。

19.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该等离子程序依序是一氢气等离子程序与一氦气等离子程序。

20.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该等离子程序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序同时进行。

21.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该等离子程序所使用的反应气体的流量介于1000-10000sccm。

22.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该等离子程序的工作时间介于10-360秒，工作温度介于摄氏100-500度，工作压力介于1毫托-20托，工作功率介于300-2500瓦特。

23.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该镶嵌开口是包括一内联机沟槽。

24.根据权利要求23所述的镶嵌式金属制程，其中该镶嵌开口更包括一介层窗。

25.根据权利要求12所述的镶嵌式金属制程，其中该金属层是由铜、铝铜合金或金属钨所构成。

26.一种经改质后的介电层，包含：

一介电层，该介电层中的硅-碳基键经由一包含氦气与氢气的等离子程序取代为硅-氢键，且形成各氧-硅键之间相互交连的结构，其中该介电层的硬度不小于1GPa，杨氏系数不小于1.5GPa。

27.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该介电层是由掺杂氟或碳原子的硅化物所构成。

28.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该介电层是多孔性材质，且孔隙度介于20％-30％。

29.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该介电层的介电常数介于2.0-2.9。

30.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该介电层是由化学气相沉积法沉积形成。

31.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序依序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序。

32.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序依序是一氢气等离子程序与一氦气等离子程序。

33.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序是一氦气等离子程序与一氢气等离子程序同时进行。

34.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序所使用的反应气体的流量介于1000-10000sccm。

35.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序的工作时间介于10-360秒，工作温度介于摄氏100-500度，工作压力介于1毫托-20托，工作功率介于300-2500瓦特。

36.根据权利要求26所述的经改质后的介电层，其中该等离子程序之后更包括定义该介电层，以形成一镶嵌开口。

37.根据权利要求36所述的经改质后的介电层，其中该镶嵌开口是包括一内联机沟槽。

38.根据权利要求37所述的经改质后的介电层，其中该镶嵌开口更包括一介层窗。

39.根据权利要求36所述的经改质后的介电层，其中形成该镶嵌开口之后更包括于该镶嵌开口中填入一金属层，以形成镶嵌式金属。

40.根据权利要求39所述的经改质后的介电层，其中该金属层是由铜、铝铜合金或金属钨所构成。

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