CN101405660A - 在基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的水平的方法 - Google Patents

在基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的水平的方法 Download PDF

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Abstract

用于在基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮的水平的方法通常包括使用光发射监测所述等离子体。监测所存在的低水平的氧和/或氮物种对所述等离子体中通常富含的其它物种所产生的效应，并且使其与所述等离子体中存在的氧和氮的量关联。这种所谓“效应检测”方法监测由痕量氧和/或氮物种的存在所造成的与不同于氮和/或氧的物种特别相关的光谱干扰，并且用于以1ppm和大概1ppb的等级的灵敏度定量测定氧和/或氮的量。

Description

在基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的水平的方法
技术领域
本发明总体上涉及从衬底表面选择性去除光致抗蚀剂、有机覆盖层及聚合物残留物的等离子体灰化处理，具体而言，涉及用于监测在基本无氧和氮的等离子体中的氧和/或氮物种的方法。
背景技术
灰化是一种等离子体介导的剥除方法，根据该方法，通过暴露于等离子体中从衬底上剥除或去除光致抗蚀剂、有机覆盖层和/或聚合物残留物。灰化通常发生在蚀刻处理进行后，在所述蚀刻处理中使用光致抗蚀剂材料作为用于在衬底中蚀刻出图案的掩模。灰化处理也用于去除存在的其它有机层，如抗反射涂层(ARC)。另外，可以进行灰化处理以去除未对准的抗蚀剂图案(“返工晶片”)以及用于剥离处理。熟知的是，发生在灰化前的处理步骤可以改变光致抗蚀剂及ARC的表面，和/或形成聚合物/残留物。在灰化时非常适宜的是，在不损失任何材料，包括下层和/或形成衬底的材料的情况下，尽可能快地进行光致抗蚀剂及其它有机覆盖层、聚合物/残留物的完全去除。
重要的是注意到灰化处理明显不同于蚀刻处理。尽管两种处理都可以是等离子体介导的，但是蚀刻处理的显著不同之处在于：等离子体化学物质(chemistry)是有意选择的，以通过经由光致抗蚀剂掩模中的开口去除衬底表面的一部分，将图像永久地转印到衬底中。此类型的等离子体通常包括在低温下的高能离子轰击以去除衬底的所选择部分。此外，暴露于高能离子中的衬底的部分通常是以等于或大于光致抗蚀剂掩模的去除速率的速率去除的。
相反，灰化处理通常指在不去除下面的衬底的部分的情况下，选择性去除光致抗蚀剂掩模及在蚀刻过程中所形成的任何聚合物或残留物。灰化等离子体化学物质远不及蚀刻化学物质更具侵蚀性，且通常被选择成以远大于下面衬底的去除速率的速率去除光致抗蚀剂掩模层。此外，大部分灰化处理将衬底加热至大于200℃的温度以提高等离子体反应性。因此，蚀刻及灰化处理针对明显不同的材料的去除，由此需要完全不同的等离子体化学物质及方法。成功的灰化处理不是用来将图像永久地转印到衬底中。相反，成功的灰化处理被不影响和/或去除包括下面的衬底的层的光致抗蚀剂、聚合物及残留物去除速率限定。
灰化选择性被定义为相对于下面的层的光致抗蚀剂及其它有机覆盖层的相对去除速率。通常优选具有至少20∶1的灰化选择性，其中去除多达下面的衬底的至少20倍的光致抗蚀剂。更优选地，灰化选择性远大于100∶1。
在等离子体灰化处理过程中，重要的是将各种特征的临界尺寸(CD)保持在严格控制的规格以内，以及提升对在光致抗蚀剂和/或聚合物/残留物去除后进行的处理步骤中的成功金属填充适合的下层表面状态。在下层中形成的图案化轮廓中的小偏差可能不利地影响最终的集成电路的器件性能、产量和可靠性。常规上，灰化等离子体由基本上含氧和/或氮的气体产生。然而，已经发现这些含氧和/或氮的等离子体容易损害在高级集成电路制造中所用的某些材料。例如，已知含氧等离子体在等离子体处理过程中增加低k电介质下层的介电常数。介电常数的增加影响互连电容等，从而直接影响器件性能。此外，因为铜可以被氧化，因此采用铜金属层的高级器件制造通常不太优选使用含氧等离子体。
为了克服这些问题，已经研究出基本无氧以及基本无氮的灰化等离子体化学物质。基本无氧通常指等离子体化学物质具有在限定等离子体的气体混合物中少于约百万分之50(ppm)的氧，并且基本无氮通常指等离子体化学物质具有在限定等离子体的气体混合物中少于约10ppm的氮。尽管无氧的等离子体可以用于去除光致抗蚀剂，但是适宜的是使用基本无氧的等离子体以更有效地从包含低k电介质材料的衬底上去除光致抗蚀剂、有机覆盖层及聚合物/残留物，而不在物理上损害低k电介质层。基本无氧及基本无氮的等离子体可以由氢和氦的气体混合物产生，但是趋向于含有残留氮，原因是通常所用的气体的纯度水平以及在等离子体灰化器中通常所需的真空系统的整体泄漏性的标准不严格。通常不太优选具有以任何基本量存在的氮，原因是在某些情况下，已经发现含氮等离子体的使用可以改变和/或影响下面的衬底的化学、机械及电性能。例如，使含碳和/或氢的低k电介质材料暴露在由氢、氦的气体混合物(含有基本量的氧和/或氮)产生的等离子体中，可能对下面的衬底造成显著的损害。有时，在等离子体处理后的衬底的外观检查如计量检查过程中没有检测到损害。然而，在等离子体灰化后，通过通常可以在集成电路制造工艺中使用的后续湿法清洗处理，可能不宜地容易显示出损害，其中去除了含碳和/或氢的低k电介质材料的部分。所去除的电介质材料的部分是改变衬底特征的临界尺寸(CD)的起因，并且常常是不可接受的，因而影响总的器件性能/产量。此外，即使不包括湿法清洗处理，电介质材料的电和机械性能可能由于暴露在含有基本量的氧和/或氮的等离子体中而改变，从而影响工作性能。据认为在暴露于等离子体过程中碳从电介质材料中被耗尽，并且在其中所含的氧和/或氮物种以这样的方式损害电介质，以致在后续金属填充处理过程中导致问题，如在沟道结构的底部产生空隙。
由于发现了如上所述的在用于形成基本无氧及基本无氮的等离子体的气体混合物中发现的氮的非预期性存在，以及低k材料对氮自由基和/或氧自由基的存在的敏感性所引起的问题，因此在等离子体处理过程中精确地监测这些物种是重要的。
光发射光谱学是用于痕量元素检测的熟知方法。然而，使用目前工业上所用的较简单的光谱仪以经济地监测与这些物种的主要发射信号相关的特定波长，例如N2在335-337纳米(nm)以及O在777nm，难以精确地检测在等离子体中的氮和/或氧物种的水平。由于这些占地面积(footprint)小的类型的光谱仪所固有的差分辨率以及灵敏度的缺乏，因此本领域技术人员目前所用的低成本、简单的光发射光谱仪对检测较低水平的氮和/或氧通常是不可接受的。例如，使用这些光谱仪，非常难以区分并且量化浓度小于百万分之50(ppm)的氧物种的浓度。更复杂的光谱仪通常不实用，原因是给等离子体灰化设备增加成本、占地面积更大、操作复杂以及与这些类型的设备相关的维护、校准和集成问题。
图1说明了在不同水平的氧的存在下，氢-氦(He-H2)等离子体在750nm至800nm的范围内的光发射光谱。0.01ppm的氧水平是基于曲线拟合估算的，而10-100ppm的氧水平是使用“低流量”质量流量控制器，通过气体混合制定的。如从图中可以看出，在大于20ppm的量，可以容易地区分在777nm的氧发射信号。然而，在小于20ppm的量，不同量之间的分辨率及鉴别性差。
图2以图说明了另一个实例，其中范围从300nm至350nm的氢-氦(He-H2)等离子体的光发射光谱是在不同水平的氮的存在下监测的。如从该图可以看出，在小于10-20ppm的氮水平下，不同量之间的分辨率及鉴别性差且不可靠。
因此，在提供一种用于去除光致抗蚀剂及任何聚合物或残留物的稳健方法的同时，需要有一种通过商业可行方法，如使用可商购的低成本、简单的光发射光谱仪，监测基本无氧和/或氮的等离子体中的氮和/或氧的量的精确方法，使得可以监测等离子体灰化处理以防止对下面的低k结构的损害。适宜地，该方法应能够精确地检测小于50ppm的氧水平及小于10ppm的氮水平。
发明内容
在此公开的是用于在衬底的基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的方法。在一个实施方案中，所述方法包括：通过使等离子体气体组合物暴露于能量源中形成反应性物种，以形成基本没有氮物种和氧物种的等离子体；监测与所述等离子体气体组合物的一或多种一种或多种主要组分特别相关的光发射信号；和将所监测的光发射信号的干扰与所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的特定量关联，所述干扰是受到所述等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的。
在另一个实施方案中，用于在衬底的基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的方法包括：在固定量的氧的存在下，以及在没有固定量的氧的情况下，监测与等离子体气体组合物的主要组分的比例特别相关的光发射信号的比值；和计算所述基本无氧和氮的等离子体灰化处理过程中的所述比例的比值，并且由采用所述比例的所述比值的模型曲线关联出所述等离子体中的氧和氮物种的量。
在又一个实施方案中，用于监测在基本无氧和氮的等离子体中水平小于100ppm的氮和/或氧物种的方法包括：对限定所述等离子体的主要组分的其它物种测量光谱干扰，所述光谱干扰是由所述基本无氧和/或氮的等离子体中以小于100ppm的水平存在的所述氧和/或氮物种产生的；和将受到等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的所述光谱干扰与所述等离子体中的氧和氮的特定量关联。
在又一个实施方案中，用于检测包含氦和氢的气体混合物中的氮和氧的污染水平的方法包括：使用所述气体混合物产生等离子体；监测与所述等离子体中的氢和氦物种特别相关的光发射信号；和将所监测的光发射信号的干扰与所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的特定量关联，所述干扰是受到等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的。
从结合附图描述的本公开的详细描述中，本公开的这些和其它目的、优点和特征将得到更好的理解。
附图说明
图1以图说明了在不同的氧水平下的氢-氦等离子体从750nm至800nm的发射光谱，该光谱包括在约777nm与氧特别相关的发射信号。
图2以图说明了在不同的氮水平下的氢-氦等离子体从300nm至350nm的发射光谱，该光谱包括在约335-337nm与氮特别相关的发射信号。
图3以图说明了在不同的氧水平下的氢-氦等离子体从400nm至450nm的发射光谱，该光谱包括在约410nm与氢特别相关的发射信号。
图4以图说明了所测得的加入氢/氦等离子体中的压缩干燥空气(CDA)的浓度与以下比例的函数关系：在410nm的氢与在403nm的氦的发射信号的比例；以及H2(463nm)与He(403nm)的发射信号的比例；
图5以图说明了所述比例的比值(ratio of ratios)与CDA浓度的函数关系图能够通过由曲线拟合得到的方程预测杂质(泄漏或CDA)的水平；
图6以图说明了在不同的氧水平下的氢-氦等离子体从325nm至375nm的发射光谱；及
图7示意性说明了包括根据本公开适合监测发射信号的光发射光谱仪的等离子体灰化设备。
具体实施方式
用于监测在基本无氧和/或氮的等离子体中水平小于100ppm的氮和/或氧物种的方法通常包括：对等离子体中通常富含的其它物种监测存在于等离子体中的低水平氧和/或氮物种所产生的效应。这种所谓”效应检测”方法监测与不同于氮和/或氧的物种特别相关的光谱干扰，所述光谱干扰是由痕量氧和/或氮物种的存在造成的。
典型的基本无氧和氮的等离子体灰化处理包括：由等离子体气体混合物产生基本无氧和/或氮物种的反应性物种；以及使衬底暴露于反应性物种中。在美国专利6,951,823中描述了示例性的基本无氧和氮的等离子体灰化处理，该美国专利的全部内容通过引用结合在此。在共同未决的美国专利申请10/249,962中描述了用于进行基本无氧和氮的等离子体灰化处理的示例性设备，该美国专利申请的全部内容通过引用结合在此。基本无氧和氮的等离子体灰化处理的有利之处在于：提高了光致抗蚀剂和/或其它有机覆盖层的灰化速率、提供了提高的稳定性并提高了选择性，同时有效地防止和/或最小化对下面的铜金属层和/或低k电介质层的损害。衬底的基本无氧和氮的等离子体灰化处理提供了一种比完全没有任何氧和氮物种的等离子体灰化处理更经济的解决方案。例如，等离子体室可以容许较低的泄漏速率的规格，并且所用气体可以具有对氧和氮杂质而言较低的纯度规格，从而给最终用户提供用于降低成本的手段。
在基本无氧和氮的等离子体灰化处理中，对于典型的灰化温度，例如大于约200℃的灰化温度，通常优选保持氧水平小于15ppm，更具体在约5ppm和15ppm之间。对于典型的灰化温度，氮量被保持小于1ppm。如本领域技术人员应当理解，更低的灰化温度(如小于约200℃)容许(是更少损害性的)更大的氧和氮水平。由于背景部分中所述的理由，以前的监测与氧(如777nm)和/或氮(如335nm)特别相关的主要发射信号的方法不适用于监测小于20ppm的氧水平和/或小于10ppm的氮水平。
现在参考图3，提供了说明在不同水平的氧的存在下，氢-氦(He-H2)等离子体在400nm至450nm的范围内的光发射光谱(与图1的750nm至800nm的光发射光谱相反)的图。与氢特别相关的主要发射信号中的一个出现在约410nm，而氦的主要发射信号中的一个出现在约403nm。与对图1描述的监测与氧特别相关的发射信号的方法相反，我们已经发现：低水平的氧和/或氮显著影响与等离子体中通常富含的物种(即主要组分)特别相关的主要发射信号，并可以用于提供一种用于监测等离子体中的氧和/或氮的精确方法。由于这个原因，光谱的变化可以与等离子体中的氧和/或氮的特定量关联。
如图3所说明，通过简单地监测在410nm的氢发射信号，容易分辨出在10ppm和20ppm的氧浓度之间的差别，这在以前通过监测与例如特别低水平的氧特别相关的主要发射信号是不可能的。如所预期的，在410nm的氢发射信号的峰最大值/面积随氧水平的增加而增加，且处在ppm级的灵敏度。同样，在约403nm与氦特别相关的峰最大值/面积随氧水平的增加而降低，且也处在ppm级的灵敏度。因此，监测与等离子体中富含的物种相关的信号中的任何一种可以用于更好地监测等离子体中的氧水平及在现有技术光发射光谱学方法中不能分辨的水平。
在图3中还观察到在0.01ppm(基于曲线拟合的浓度)下扣除背景的氢峰的量级是约510计数。我们发现低得多的计数水平足以提供有效的分辨率。例如，仅为50计数的扣除背景的信号通常足以区分线形峰，从而表明至少对于氧，可以获得至少一个数量级的检测极限的扩大。换言之，使用这种用于检测氢/氦等离子体中的氧物种的方法的实际检测极限是在混合物中的氧的约1ppb。因此，所述监测方法允许本领域技术人员仔细地调节并控制等离子体中的氧量。例如，可以在等离子体灰化过程中将可控量(以添加剂的形式)加入纯气体混合物(没有任何氧)中。以此方式，可以将等离子体灰化处理最佳化，以去除光致抗蚀剂和/或残留物，而没有有害地影响所暴露的低k结构，即没有超过损害阈值。
尽管不希望受理论限制，但是据认为痕量氧(在ppb级)和/或氮(在ppm级)的引入和/或存在，可以通过改变混合物的等离子体温度而显著地干扰最初的气体混合物的发射光谱，从而改变能量转移模式、解离、离子化或激发混合物中的其它物种，因此改变等离子体的最初热平衡并且根本上改变等离子体化学物质。
通过监测与富含的物种相关的主要发射信号，例如对于氦和氢气体混合物，与氢和氦相关的峰的比例，注意到方法灵敏度的进一步提高。这些峰比例允许清楚地检测由等离子体中的氧和/或氮的存在所造成的量级的变化，而与收集和传递光学装置(optics)或窗口“雾化(fogging)”效应的差别无关。优选地，被选择用于计算所述比例的发射峰是接近的。用氢与氦的气体混合物作为实例，可以监测到在410nm与氢(H)相关以及在403nm与氦(He)相关的发射峰；差值是约7nm。作为选择，所述比例可以通过监测在434nm的氢峰及在447nm的氦峰确定；峰差值是约13nm。463nm的氢(H2)的发射信号以与氦峰类似的方式表现，因此可以与氢(H)一起用于该比例。由于这个原因，可利用H/H2的比例精确地检测氧水平。还应注意，此技术完全不同于光能测定法，其利用对应于有意引入的已知痕量的非反应性、非干扰性气体的波长以将所关注的物种的量归一化。在我们的情况下，所关注的物种已是痕量，并且存在于混合物中的此物种的量不是演绎知道的。在添加痕量氮的情况下，观察到类似的趋势，但是“效应”响应不比用氧观察到的响应更灵敏。
如之前所述，在大于约200℃的标准等离子体灰化温度下，在不损害低k材料的情况下有效地剥除光致抗蚀剂和/或蚀刻后残留物的基本无氧和氮的等离子体灰化处理使用约5至约15ppm的氧和小于1ppm的氮。氮/氧疏忽地被引入等离子体混合物中通常在牺牲整体泄漏性时或由于被污染的供气而发生。为校准对H/He比例的“效应检测”，例如可以使用低流量-低质量流量控制器将已知量的压缩干燥空气(CDA)加入系统中以模拟泄漏或被污染的供气。
图4显示了在0-20ppm范围中H/He，即对于提高CDA浓度的″效应检测″参数的快速增加。在H/He气体混合物中的氧的唯一来源是CDA。类似地，对H2/He比例的效应也被绘制在图中，显示出相反的关系。尽管该比例是判断系统中的氮/氧的存在的合理途径，但是难于以大的精度这样进行，原因是该大的灵敏度在低于10ppm的范围内，以及其它因素，如不同光谱仪的光谱响应的差别(特别是在使用低成本类型时)、等离子体管上的表面复合效应、及在初始校准和装配过程中将这么少量的CDA引入混合物中的不精确性。
判断污染物存在的改进是在将已知量的氧添加剂加入混合物中时和在没有氧添加剂的情况下，测定例如H/H2比例的变化。然后，通过获得在存在和没有固定量的氧的情况下的H/He，可以计算出这个所谓的“比例的比值”，例如，在混合物中的氧的10ppm和0ppm下的比例的比值。通过得到在不同的CDA浓度下的比例的比值，进一步放大了在低浓度下的“效应”，同时使其对表面效应、检测器的光谱响应差别等的敏感性更小，并且仅取决于残留杂质的水平。图5说明了“比例的比值”的技术，其中比例的比值与CDA浓度的函数关系的图允许通过由曲线拟合产生的方程预测杂质/污染物(泄漏或CDA)的水平。以此方式，可以对由例如泄漏所造成的氧和氮杂质的水平进行预测。
“效应检测”的另一个选择是监测电荷耦合装置(CCD)检测器的高积分时间的宽波段连续谱。如图6所示，监测相同等离子体的宽波段连续谱的相对无特征部分(小峰)。观察到取决于氧浓度的基线的显著变化。再次，据认为(而不受限制)：此变化的原因是受等离子体温度及能量转移通道(channel)的变化影响的等离子体中的自由电子碰撞的变化。通过将光谱的仔细选择的无特征部分平均(和/或取不同平均值的比例)，可以定量检测基本无氧和氮的等离子体中的氧和/或氮的量。此技术也特别适合区分浓度小于50ppm的杂质水平。
如上所述，本公开的监测方法适用于精确地监测基本无氮和氧的等离子体中的低水平氮和/或氧。基本无氧和氮的等离子体气体混合物的具体组分通常是根据它们在等离子体形成条件下形成气体及等离子体的能力选择的。所选的气体混合物基本上没有在等离子体形成条件下产生反应性氧物种及反应性氮物种的组分。更优选地，气体混合物基本上没有含氧化合物及含氮化合物。所述气体混合物可以包含反应性气体，如含氟气体、含氢气体、惰性气体以及它们的混合物。然而，对于某些低k材料，氟的存在可能对低k材料的物理和化学性能有害。适合的惰性气体包括氩、氦、氖等。在这些之中，优选氦。由气体混合物产生的基本无氧和氮的等离子体主要与光致抗蚀剂、聚合物/残留物中的碳及其它原子反应，以形成挥发性化合物和/或可漂洗去除的化合物。
适用于基本无氧和氮的等离子体灰化处理的含氢气体包括含氢的那些化合物。含氢气体包括烃、氢氟烷、氢气或它们的混合物。优选的含氢气体在等离子体形成条件下以气态存在，并在等离子体形成条件下释放氢以形成反应性氢，如原子氢物种。烃或氢氟烷通常是未取代的，或可以被卤素，如溴、氯或氟部分地取代。含氢的烃气体的实例包括甲烷、乙烷及丙烷。
优选的含氢气体是氢气与稀有气体的混合物。适用于所述方法的稀有气体的实例包括氦。可以的是，周期表第VIII族中的其它气体如氩、氖、氦等也可用于该目的。尽管现有技术的无氧等离子体通常使用包含氢与氮的气体混合物的形成气体组合物，但是在所述方法中使用基本量的氮气被明确地排除在外。因此，由于在下文中将形成气体限定为含有氢气和氮气的混合物的气体(在形成气体混合物中，氮通常多于约70体积％或更多)，因此在所述方法中的该形成气体的使用被明确地排除在外。特别适用于本公开的是包含氢气和氦气的气体混合物。氦原子是轻原子并容易扩散至衬底，从而导致对于等离子体产生的反应性氢物种而言优异的载体特性。
由于安全原因，在气体混合物中的氢气的百分比通常不超过所述气体混合物的约5体积％。然而，较高量的氢是可接受的，有时是优选的，以提高光致抗蚀剂和有机覆盖层的去除速率和选择性。优选地，在气体混合物中的氢量为总体积的约1至约99％。更优选地，在气体混合物中的氢量为总体积的约3至约30％。
如果存在的话，在等离子体中的含氟化合物少于等离子体气体混合物的总体积的约10％以将选择性最大化。已经发现，当氟化合物多于约10体积％时，光致抗蚀剂副产物的聚合可能发生，使得聚合的光致抗蚀剂更难以去除。优选的氟化合物包括在被等离子体激发时产生氟反应性物种的那些化合物。优选地，氟化合物是在等离子体形成条件下的气体，并且选自：通式为CxHyFz的化合物，其中x在1至4的范围内，y在0至9的范围内，并且z在1至10的范围内；HF；F2；以及SF6。不产生反应性氮或氧物种的其它含氟化合物对于本领域技术人员是显而易见的。更优选地，含氟化合物为CF4、C2F6或它们的混合物。
如之前所述，使用基本无氧和氮的等离子体去除光致抗蚀剂、蚀刻后残留物等，同时不去除和/或有害地影响下面的材料的性能。光致抗蚀剂通常是用于将图像转印至下面的衬底上的有机光敏膜。本公开通常可用于监测适合去除用于g-线、i-线、DUV、193nm和157nm的应用等的那些光致抗蚀剂的等离子体灰化处理。这包括但不限于：酚醛清漆、聚乙烯基酚类、丙烯酸酯类、缩醛类、聚酰亚胺类、缩酮类、环状烯烃等。鉴于本公开，在本公开中适用于监测的其它光致抗蚀剂配方对于本领域技术人员是显而易见的。根据所选择的光致抗蚀剂化学物质和显影剂，光致抗蚀剂可以是正性的或负性的。有机覆盖层的实例包括但不限于：ARC、底部抗反射涂层(BARC)以及通常为掩模整体的一部分的其它专属牺牲材料。
高级集成电路中所用的绝缘层通常包括使用介电常数小于约3.0的低k材料。可以将低k电介质材料以溶液形式旋涂(spin)于衬底上，或通过化学气相沉积方法沉积。重要的低k膜性能包括厚度及均匀性、介电常数、折射率、粘附性、耐化学性、热稳定性、孔径及分布、热膨胀系数、玻璃化转变温度、膜应力和铜扩散系数。低k电介质通常可分为致密的和多孔的。多孔性低k电介质材料的实例包括(可获自Honeywell Electronic Materials)及气凝胶、多孔性MSQ及其它SiCOH基的多孔性材料。致密的低k材料的实例包括CORAL、AURORA、FlowFill及Black Diamond。鉴于本公开，其它适合的低k电介质材料对于本领域技术人员是显而易见的。有利地，通过仔细监测等离子体使得在典型的灰化温度下，氧浓度在约5-15ppm之间间并且氮水平低于1ppm，保持上述低k材料的有利性能。
所述方法可以在常规的等离子体灰化器中实施。本公开不意在限于任何特定的等离子体灰化器。例如，可以使用采用电感耦合等离子体反应器的等离子体灰化器，或使用下游等离子体灰化器。优选地，等离子体灰化器为下游等离子体灰化器，例如以商品名RadiantStrip
Figure A20078001021600181
商购自马里兰州Rockville的Axcelis Technologies Inc.的微波等离子体灰化器。更优选地，等离子体灰化器适合将衬底选择性暴露于反应性原子物种中。
图7说明了总体上以10表示的示例性等离子体灰化器设备。所说明的等离子体灰化设备是下游等离子体灰化器，并且通常包括等离子体产生部分12，所述等离子体产生部分12在一端流体连接到使用等离子体处理衬底的处理室14上，并且在另一端流体连接到质量流量控制器16上，所述质量流量控制器16用于提供产生等离子体用的气体混合物。等离子体产生部分还包括光学端口18，该光学端口18是以本领域技术人员熟知的常规方式连接到光发射光谱仪上的。光谱仪20本身可以是以所述方式收集光谱的电荷耦合装置。然后计算机22接收并且处理数据。在更简单的形式中，还可以通过使用两个检测器和适合的滤光器完成两种不同波长的检测。
鉴于本公开，特定的等离子体灰化器的设置和最佳化完全在本领域技术人员的技术之内。等离子体灰化器通常由等离子体产生室和等离子体反应室组成。仅仅为了示例性目的，在300mm Fusion ES3下游等离子体灰化器中，优选将晶片在反应室中加热至在室温和450℃之间的温度。更优选地，将晶片加热至约250℃至约350℃的范围内的温度。在处理过程中所用的温度可以是恒定的，或作为选择，在处理过程中是匀变的或阶梯式的。提高温度被本领域技术人员公认是一种提高灰化速率的方法。
在反应室内的处理压力优选为约1托以上。更优选地，在约0.5托至约4托的范围内操作所述压力。通过气体入口将可激发气体混合物供给到等离子体产生室中。将气体混合物暴露于等离子体产生室内的能量源，例如微波能量，优选在约500W和5,000W之间的能量中，以由气体混合物产生受激或高能的原子。所产生的等离子体由在等离子体气体混合物中所用的气体形成的电中性粒子和带电粒子组成。在等离子体到达晶片之前，选择性去除带电粒子。在一个实施方案中，用于形成等离子体的气体混合物包括氢与氦的气体混合物。在其它实施方案中，气体混合物包括氢、氦和氟的气体的混合物。用于形成基本无氧和氮的等离子体的气体可以包括根据气体纯度、处理室，或在氧的情况下有意加入的充足氧和/或氮。氧可以以与稀有气体的预混合物的形式加入。对于300mm下游等离子体灰化器，总气体流量优选为约500至12,000标准立方厘米/分钟(sccm)。通过与由等离子体产生的受激或高能原子的反应，从晶片上选择性去除光致抗蚀剂、有机覆盖层及聚合物/残留物。如本领域技术人员公认的，可以在光学上监测该反应以进行端点检测。
本公开的优选实施方案的上述描述是为了说明和描述的目的而提供的。不意在是穷举的，或者将本公开限制为所公开的准确形式。根据上述教导，显而易见的变型或变化是可以的。所述实施方案是为了提供本公开及其实际应用的原理的最佳说明而被选择和描述的，因此允许本领域普通技术人员以各种实施方案和适合所考虑的具体应用的各种变型的形式使用本公开。在根据公正、合法和合理地授权的范围解释时，所有这些变型和变化均在由后附权利要求所确定的本公开的范围以内。

Claims (19)

1.一种用于在衬底的基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的方法，所述方法包括：
通过使等离子体气体组合物暴露于能量源中形成反应性物种，以形成基本没有氮物种和氧物种的等离子体；
监测与所述等离子体气体组合物的一种或多种主要组分特别相关的光发射信号；和
将所监测的光发射信号的干扰与所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的特定量关联，所述干扰是受到所述等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体气体组合物的所述一种或多种主要组分基本上由含氢气体和稀有气体组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述稀有气体是氦。
4.根据权利要求1所述的方法，其中关联所述发射信号的所述干扰包括：监测氢(H或H2)发射信号与氦发射信号的比例的变化，所述变化是受到所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的不同量影响的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中关联所述发射信号的所述干扰包括：监测氢自由基(H)发射信号与分子氢(H2)发射信号或氦(He)发射信号的比例的变化，所述变化是受到所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的不同量影响的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括介电常数小于3.0的含碳绝缘层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中关联所述发射信号的所述干扰包括：监测作为所述等离子体中的氧和/或氮的函数的无任何主要发射信号峰的宽波段光谱的变化。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：除在切断所述氧物种的来源时以外，将在所述基本无氧和氮的等离子体灰化处理中的所述氧物种的量保持在约5ppm至约15ppm，并且保持所述氮物种的量小于约1ppm。
9.一种用于在衬底的基本无氧和氮的等离子体灰化处理中监测氧和/或氮物种的方法，所述方法包括：
在固定量的氧的存在下，以及在没有固定量的氧的情况下，监测与等离子体气体组合物的主要组分的比例特别相关的光发射信号的比值；和
计算所述基本无氧和氮的等离子体灰化处理过程中的所述比例的比值，并且由采用所述比例的所述比值的模型曲线关联出所述等离子体中的氧和氮物种的量。
10.权利要求9所述的方法，其中所述等离子体气体组合物的所述主要组分是氦和氢。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述等离子体中的主要组分的比例是H/He。
12.根据权利要求9所述的方法，其中在所述等离子体中的主要组分的比例是H2/He。
13.根据权利要求9所述的方法，其中在所述等离子体中的主要组分的比例是H/H2。
14.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：除在切断所述氧物种的来源时以外，将在所述基本无氧和氮的等离子体灰化处理中的所述氧物种的量保持在约5ppm至约15ppm，并且保持所述氮物种的量小于约1ppm。
15.一种用于监测在基本无氧和氮的等离子体中水平小于100ppm的氮和/或氧物种的方法，所述方法包括：
对限定所述等离子体的主要组分的其它物种测量光谱干扰，所述光谱干扰是由所述基本无氧和/或氮的等离子体中以小于100ppm的水平存在的所述氧和/或氮物种产生的；和
将受到等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的所述光谱干扰与所述等离子体中的氧和氮的特定量关联。
16.权利要求15所述的方法，其中所述基本无氧和氮的等离子体由包含氢和氦的气体混合物形成。
17.权利要求15所述的方法，所述方法还包括：除在切断所述氧物种的来源时以外，将在所述基本无氧和氮的等离子体灰化处理中的所述氧的量保持在约5ppm至约15ppm，并且保持所述氮的量小于约1ppm。
18.一种用于检测包含氦和氢的气体混合物中的氮和氧的污染水平的方法，所述方法包括：
使用所述气体混合物产生等离子体；
监测与所述等离子体中的氢和氦物种特别相关的光发射信号；和
将所监测的光发射信号的干扰与所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的特定量关联，所述干扰是受到等离子体气体组合物中的所述氧和/或氮物种的存在影响的。
19.权利要求18所述的方法，其中关联所述光发射信号的所述干扰包括：监测氢(H或H2)发射信号与氦发射信号的比例的变化，所述变化是受到所述等离子体中的所述氧和/或氮物种的不同量影响的。
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