CN101231950A - 固化多孔低介电常数层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种固化多孔低介电常数层的方法，应用于已形成有一多孔低介电常数层的基底，此多孔低介电常数层中尚含有一成孔剂。首先对多孔低介电常数层进行处理条件较温和的第一紫外光固化处理，再对多孔低介电常数层进行处理条件较剧烈的第二紫外光固化处理，以完成其固化。
Description
技术领域
本发明是有关于一种集成电路工艺(IC process)，且特别是有关于一种固化(cure)多孔低介电常数层(porous low-k layer)的方法。
背景技术
随着IC工艺的线宽缩减到深次微米级，电阻电容延迟(RC delay)效应的影响也愈来愈大。降低电阻电容延迟效应的方法之一即是减少寄生电容，而减少寄生电容的方法之一是使用低介电常数材料(low-k material)作为内连线结构的介电层的材料。
常见的低介电常数材料包括有机低介电常数材料及多孔低介电常数材料。多孔低介电常数层通常使用多孔结构骨架(framework)的前驱物(precursor)以及成孔剂(porogen)来形成，且其形成之后尚须经过固化的步骤以除去其中的成孔剂，从而降低其介电常数值。
多孔低介电常数层可通过加热、紫外光照射及电子束照射等方式来固化，已知一种固化方法，即将基底加热至300℃或更高温，并同时向多孔低介电常数层照射紫外光或电子束，其处理时间依多孔低介电常数层的厚度而定。其中，紫外光或电子束可打断成孔剂分子的化学键，高温则可将成孔剂赶出多孔结构。
然而，紫外光或电子束的照射会使多孔低介电常数层的厚度产生相当幅度的缩减，并使其应力相当幅度地增加，使得IC工艺较难以控制。
发明内容
本发明的目的就是在提供新的固化多孔低介电常数层的方法，以减少多孔低介电常数层因固化而造成的厚度缩减幅度及应力增加幅度，而使IC工艺较容易控制。
本发明的固化多孔低介电常数层的方法是应用于已形成有多孔低介电常数层的基底，其中多孔低介电常数层中尚含有成孔剂，此方法是先对多孔低介电常数层进行处理条件较温合的第一固化处理，再对多孔低介电常数层进行处理条件较剧烈的第二固化处理，以完成其固化。
依照本发明的实施例，上述第一固化处理及第二固化处理各自是选自由热处理、电子束处理、紫外光处理及等离子体处理所组成的组。在某些实施例中，第一及第二固化处理为同一种处理，且第二固化处理中有至少一参数的数值大于第一固化处理的设定，此参数的数值愈高则表示能量愈高。
当第一和第二固化处理皆为热处理时，此参数为温度。当第一和第二固化处理皆为电子束处理时，第二固化处理的温度及电子束强度此二参数中至少有一者的数值高于第一固化处理的设定。当第一和第二固化处理皆为紫外光处理时，第二固化处理的温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值高于第一固化处理的设定。当第一和第二固化处理皆为等离子体处理时，第二固化处理的温度及等离子体功率此二参数中至少有一者的数值高于第一固化处理的设定。
另外，当第一和第二固化处理为同一种处理时，上述至少一参数的数值可在第一固化处理中随时间呈线性增加，但在该第二固化处理中保持固定；或是在第一固化处理中保持固定，但在第二固化处理中随时间呈线性增加；或是在第一和第二固化处理中皆保持固定，但在第一和第二固化处理之间的中间阶段中随时间呈线性增加。
依照本发明之实施例，上述多孔低介电常数层例如是以使用成孔剂的等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)或旋涂法(spin-coating)所形成的。此多孔低介电常数层在固化完成之后的介电常数ε的范围通常为1.0＜ε≤2.7。另外，在第一和第二固化处理之间，所使用的处理腔室可以不破真空，也可以破真空。各固化处理例如是在1～760Torr的压力下进行，较佳是在10～400Torr的压力下。
在本发明某些实施例中，上述第一和第二固化处理皆为紫外光处理，包括第一及第二紫外光固化处理。
第二紫外光固化处理与第一紫外光固化处理比较包含以下三者中的至少一者：较高的温度、较高的紫外光强度、以及较大的紫外光波数。在一实施例中，第一紫外光固化处理中温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加，第二紫外光固化处理的条件则保持固定。在另一实施例中，第一紫外光固化处理的条件保持固定，而第二紫外光固化处理中上述三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加。在又一实施例中，第一和第二紫外光固化处理的条件皆保持固定，但第一和第二紫外光固化处理之间有一中间阶段，其中上述三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加。
在一实施例中，与第一紫外光固化处理相较下，该第二紫外光固化处理所设定的温度较高。较佳情形是第一紫外光固化处理的温度T1低于300℃，且第二紫外光固化处理的之温度T2高于300℃；更佳情形则是150℃≤T1＜300℃且300℃＜T2≤450℃。在某些例子中，第一紫外光固化处理时的紫外光强度为20～300mW/cm2，第二紫外光固化处理时的紫外光强度为20～300mW/cm2，第一紫外光固化处理的时间为1～240分钟，且第二紫外光固化处理的时间为1～240分钟。在较佳的例子中，第一紫外光固化处理时的紫外光强度为100～270mW/cm2，第二紫外光固化处理的紫外光强度为100～300mW/cm2，第一紫外光固化处理的时间为1～120分钟，且第二紫外光固化处理的时间为2～60分钟。
另外，紫外光的波数可为2.5×104～106cm-1，其较佳的范围为2.5×104～5×104cm-1。在该第一和第二紫外光固化处理之间，所使用的处理腔室可以不破真空，也可以破真空。第一和第二紫外光固化处理可在1～760Torr的压力下进行，较佳在10～400Torr的压力下进行。
采用本发明的两段式固化处理来固化含成孔剂的多孔低介电常数层，即可减少多孔低介电常数层因固化而造成的厚度缩减幅度及应力增加幅度，使IC工艺较容易控制。
为让本发明之上述和其他目的、特征和优点更明显易懂，下文特举优选实施例并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的固化多孔低介电常数层的方法的流程图。
附图标记说明
100～120：步骤标号
具体实施方式
图1是本发明一实施例的固化多孔低介电常数层的方法的流程图。
请参照图1，首先提供已形成有一多孔低介电常数层的基底，其中多孔低介电常数层中尚含有一成孔剂(步骤100)。多孔低介电常数层例如是以使用成孔剂的等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)或旋涂法(spin-coating)所形成的，其中所使用的多孔结构骨架的前驱物通常为有机硅酸酯(organosilicate)，成孔剂通常为碳氢化合物(CxHy)。此多孔低介电常数层在固化完成之后的介电常数ε的范围通常为1.0＜ε≤2.7。接着对多孔低介电常数层进行处理条件较温和的第一紫外光固化处理(步骤110)，再对多孔低介电常数层进行处理条件较剧烈的第二紫外光固化处理(步骤120)，以完成其固化。在本发明中，处理条件较剧烈/温和例如是指成孔剂的移除速率较高/低。
此处所谓第二紫外光固化处理的处理条件较第一紫外光固化处理剧烈一事，例如是指第二紫外光固化处理与第一紫外光固化处理比较，包含以下三者中的至少一者：较高的温度、较高的紫外光强度、以及较大的紫外光波数。其中，温度愈高时则驱赶成孔剂的速率愈高；紫外光强度愈高或波数愈大则表示单位时间内提供的光能较大，而能在单位时间内打断愈多的化学键，亦即使愈多的成孔剂被分解成容易赶出多孔结构的小分子。
另外，第一和第二紫外光固化处理的处理条件更可以有以下数种变化。其一是第一紫外光固化处理中温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加，第二紫外光固化处理的条件则保持固定。在第二紫外光固化处理中，在第一紫外光固化处理时呈线性增加的参数的设定值可以等于或大于其在第一紫外光固化处理末尾时的数值。
另一种是第一紫外光固化处理的条件固定，而第二紫外光固化处理中温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少一者的数值随时间呈线性增加。在第一紫外光固化处理中，在第二紫外光固化处理时呈线性增加的参数的设定值可等于或小于其在第二紫外光固化开始时的数值。
再一种则是第一和第二紫外光固化处理的条件皆保持固定，但第一和第二紫外光固化处理之间有一中间阶段，其中温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加。在此中间阶段开始时，在此中间阶段中呈线性增加的参数的设定值可等于或大于其在第一紫外光固化处理中的数值；而在此中间阶段的末尾，在此中间阶段中呈线性增加的参数的设定值可小于或等于其在第二紫外光固化处理中的数值。
在一优选实施例中，第一紫外光固化处理相较下，第二紫外光固化处理所设定的温度较高。较佳情形是第一紫外光固化处理的温度T1低于300℃，且第二紫外光固化处理的温度T2高于300℃；更佳情形则是150℃≤T1＜300℃且300℃＜T2≤450℃。
在某些例子中，第一紫外光固化处理时的紫外光强度为20～300mW/cm2，第二紫外光固化处理时的紫外光强度为20～300mW/cm2，第一紫外光固化处理的时间为1～240分钟，且第二紫外光固化处理的时间为1～240分钟。在较佳的例子中，第一紫外光固化处理时的紫外光强度为100～270mW/cm2，第二紫外光固化处理的紫外光强度为100～300mW/cm2，第一紫外光固化处理的时间为1～120分钟，且第二紫外光固化处理的时间为2～60分钟。
另外，紫外光的波数可为2.5×104～106cm-1，其较佳之范围为2.5×104～5×104cm-1。在该第一和第二紫外光固化处理之间，所使用的处理腔室可以不破真空，也可以破真空。第一和第二紫外光固化处理可在1～760Torr的压力下进行，较佳在10～400Torr的压力下进行。此外，第一和第二紫外光固化处理时可使用O2、O3、CO2等含氧气体，或是氦、氩等惰性气体，或是N2、NH3等含氮气体作为处理气体。处理气体的流量常为100～100,000sccm，较佳20,000～90,000sccm。
在一些实验例中，厚度在1000～
范围内、孔径在1～10nm范围内、成孔剂为CxHy(3≤x＜20，4≤y＜30)的多孔低介电常数层下有厚度在300～
范围内、材料为碳氮化硅(SiCN)的介电阻障层(dielectric barrier)。第一和第二紫外光固化处理时所设定的紫外光强度在140～270mW/cm2范围内，波数在3.3×104～5×104cm-1范围内。第一紫外光固化处理的温度在200～300℃范围内，处理时间在1～5分钟范围内。第二紫外光固化的温度在350～400℃范围内，处理时间在1～5分钟范围内。结果发现，与已知单一紫外光固化处理的结果比较，多孔低介电常数层的应力增加幅度可降低约10％，厚度缩减幅度可减少约20％；介电阻障层的应力增加幅度可降低约10％，厚度缩减幅度可减少约22％。
虽然上述实施例的固化多孔低介电常数层的方法包括处理条件较温和的第一紫外光固化处理及处理条件较剧烈的第二紫外光固化处理，但本发明的范围并不仅限于此，而可包括其他种类的第一固化处理及第二固化处理。此第一固化处理及第二固化处理各自是选自由热处理、电子束处理、紫外光处理及等离子体处理所组成的组，其中第一和第二固化处理皆为紫外光处理即是上述实施例。
在某些实施例中，第一及第二固化处理为同一种处理，且第二固化处理中有至少一参数的数值高于第一固化处理，此参数的值愈高则表示能量愈高。不同种类的处理有不同的参数，如以下所述。
当第一和第二固化处理皆为热处理时，此参数为温度，温度愈高时则驱赶成孔剂的速率愈高。另外，热处理时的压力可如前所述，并可使用氧气以促使成孔剂分解。
当第一和第二固化处理皆电子束处理时，第二固化处理的温度及电子束强度此二参数中至少一者的数值高于第一固化处理的设定，电子束强度愈高则单位时间内打断的化学键愈多。另外，在照射电子束时亦可使用前述处理气体。
当第一和第二固化处理皆等离子体处理时，第二固化处理的温度及等离子体功率此二参数中至少有一者的数值高于第一固化处理的设定，等离子体功率愈高则成孔剂的分解速率愈高。等离子体处理时所使用的气体较佳含氧，以促使成孔剂分解。
另外，当第一和第二固化处理为同一种处理时，上述至少一参数的数值可在第一固化处理中随时间呈线性增加，但在该第二固化处理中保持固定值，此固定值等于或大于该参数在第一固化处理末尾时的最大值。此参数亦可在第一固化处理中保持固定值，但在第二固化处理中由等于或大于该固定值的数值开始，而随时间呈线性增加。此参数亦可在第一和第二固化处理中皆保持固定值，但在第一和第二固化处理之间的中间阶段中随时间呈线性增加，其中该参数在中间阶段开始时的数值可等于或大于其在第一固化处理中的固定值，而该参数在中间阶段末尾的数值可小于或等于其在第二固化处理中的固定值。
如上所述，采用本发明的两段式固化处理来固化含有成孔剂的多孔低介电常数层，即可减少多孔低介电常数层因固化而造成的厚度缩减幅度及应力增加幅度。
Claims (32)
1.一种固化多孔低介电常数层的方法，应用于已形成有一多孔低介电常数层的基底，其中该多孔低介电常数层中尚含有一成孔剂，该方法包括：
对该多孔低介电常数层进行处理条件较温和的第一紫外光固化处理；以及
对该多孔低介电常数层进行处理条件较剧烈的第二紫外光固化处理，以完成其固化。
2.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一紫外光固化处理相比较，该第二紫外光固化处理的处理条件包含以下三者中的至少一者：较高的温度、较高的紫外光强度、以及较大的紫外光波数。
3.如权利要求2所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中在该第一紫外光固化处理中，温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加，该第二紫外光固化处理的条件则保持固定。
4.如权利要求2所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一紫外光固化处理的条件保持固定，而在该第二紫外光固化处理中，温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加。
5.如权利要求2所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一和第二紫外光固化处理的条件皆保持固定，且该方法还包括介于该第一和第二紫外光固化处理之间的中间阶段，该中间阶段中温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值随时间呈线性增加。
6.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一紫外光固化处理相较下，该第二紫外光固化处理所设定的温度较高。
7.如权利要求6所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一紫外光固化处理的温度T1低于300℃，该第二紫外光固化处理的温度T2高于300℃。
8.如权利要求7所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中150℃≤T1＜300℃且300℃＜T2≤450℃。
9.如权利要求8所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一紫外光固化处理时的强度为20～300mW/cm2，该第二紫外光固化处理时的紫外光强度为20～300mW/cm2，该第一紫外光固化处理的时间为1～240分钟，且该第二紫外光固化处理的时间为1～240分钟。
10.如权利要求9所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一紫外光固化处理时的紫外光强度为100～270mW/cm2，该第二紫外光固化处理时的紫外光强度为100～300mW/cm2，该第一紫外光固化处理的时间为1～120分钟，且该第二紫外光固化处理的时间为2～60分钟。
11.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该紫外光的波数为2.5×104～106cm-1。
12.如权利要求11所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该紫外光的波数为2.5×104～5×104cm-1。
13.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该多孔低介电常数层是以使用该成孔剂的等离子体辅助化学气相沉积法或旋涂法所形成的。
14.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该多孔低介电常数层在固化完成之后的介电常数ε的范围为1.0＜ε≤2.7。
15.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一和第二紫外光固化处理是在处理腔室中进行，且在该第一和第二紫外光固化处理之间，该处理腔室不破真空或破真空。
16.如权利要求1所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一和第二紫外光固化处理是在1～760Torr的压力下进行。
17.如权利要求16所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一和第二紫外光固化处理是在10～400Torr的压力下进行。
18.一种固化多孔低介电常数层的方法，应用于已形成有一多孔低介电常数层的基底，其中该多孔低介电常数层中尚含有一成孔剂，该方法包括：
对该多孔低介电常数层进行处理条件较温和的第一固化处理；以及
对该多孔低介电常数层进行处理条件较剧烈的第二固化处理，以完成其固化。
19.如权利要求18所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一固化处理及该第二固化处理各自是选自由热处理、电子束处理、紫外光处理及等离子体处理所组成的组。
20.如权利要求19所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一固化处理及该第二固化处理为同一种处理，且该第二固化处理中有至少一参数的数值高于该第一固化处理，该参数的数值愈高则表示能量愈高。
21.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一和第二固化处理皆为热处理，且该参数为温度。
22.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一和第二固化处理皆为电子束处理，且在该第二固化处理中，温度及电子束强度此二参数中至少有一者的数值高于该第一固化处理的设定。
23.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一和第二固化处理皆为紫外光处理，且在该第二固化处理中，温度、紫外光强度及紫外光波数此三参数中至少有一者的数值高于该第一固化处理的设定。
24.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中与该第一和第二固化处理皆为等离子体处理，且在该第二固化处理中，温度及等离子体功率此二参数中至少有一者的数值高于该第一固化处理的设定。
25.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该参数的数值在该第一固化处理中随时间呈线性增加，但在该第二固化处理中保持固定。
26.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该参数的数值在该第一固化处理中保持固定，但在该第二固化处理中随时间呈线性增加。
27.如权利要求20所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该参数的数值在该第一和第二固化处理中皆保持固定，且其还包括介于该第一和第二固化处理之间的中间阶段，其中该参数的数值随时间呈线性增加。
28.如权利要求18所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该多孔低介电常数层是以使用该成孔剂的等离子体辅助化学气相沉积法或旋涂法所形成的。
29.如权利要求18所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该多孔低介电常数层在固化完成之后的介电常数ε的范围为1.0＜ε≤2.7。
30.如权利要求18所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中该第一和第二固化处理是在处理腔室中进行，且在该第一和第二固化处理之间，该处理腔室不破真空或破真空。
31.如权利要求18所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中这些固化处理时的压力为1～760Torr。
32.如权利要求31所述的固化多孔低介电常数层的方法，其中这些固化处理时的压力为10～400Torr。
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