CN101996878A - 沉积低介电常数绝缘材料层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沉积低介电常数绝缘材料层的方法，应用于半导体器件的层间介质层的沉积工序中，包括以下步骤：向沉积反应腔内通入初始氧气；向沉积反应腔内通入初始八甲基环化四硅氧烷(OMCTS)；开启功率电源，进行黑金刚石(BD)层的沉积，降低所述OMCTS的流量，逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量。采用该方法能够使沉积的BD材料层具有较好的厚度均匀性。

Description

沉积低介电常数绝缘材料层的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种沉积低介电常数绝缘材料层的方法。
背景技术
目前，在半导体器件的后段(back-end-of-line，BEOL)工艺中，制作半导体集成电路时，半导体器件层形成之后，需要在半导体器件层之上形成金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和层间介质层(Inter-layerdielectric，ILD)，这就需要对上述层间介质层制造沟槽(trench)和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。层间介质层包括在半导体器件层上依次形成的刻蚀终止层，例如氮化硅层，以及低介电常数(Low-K)绝缘材料层，例如含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物(Oxide)的黑钻石(black diamond，BD)材料。图1为现有技术中使用BD作为ILD层的圆片局部剖视图。图中BD材料层下是半导体器件层，ILD层中的刻蚀终止层图中未显示。
在这种铜互连工艺中，刻蚀终止层氮化硅膜具有约7的相对介电常数，增加了整个ILD的相对介电常数，从而使铜互连线间的寄生电容增加，因此会导致信号延迟或功耗增加的缺陷。所以通常在刻蚀终止膜上淀积低K电介质材料来降低铜互连层的铜互连线间的寄生电容。一般采用BD材料，主要成分为八甲基环化四硅氧烷(OMCTS)和氧化物，而且BD的介电常数随着OMCTS成分的增多而减小。随着半导体技术的发展，器件的特征尺寸不断减小，要求BD介电常数值不断减小，也就是说沉积形成BD材料层时，OMCTS含量也要求更高，使得BD介电常数值从3变为2.6～2.8。
沉积形成BD材料层时，其质量控制是通过测试沉积在控片晶圆上的BD材料层实现的。控片晶圆是没有经过工艺加工的平整晶圆硅片，在测试时使用。将控片晶圆和产品晶圆共同置入沉积反应腔，在完成BD材料层的沉积之后，只将生长了BD材料层的控片晶圆输出反应腔，进行厚度等质量测量。其中，产品晶圆为其上已经分布了半导体器件的晶圆，最终可以经过多道工序成为成品。
经过测试发现，当BD介电常数值减小到2.6～2.8时，在控片晶圆上形成的BD材料层的厚度均匀性是比较差的。这是因为沉积介电常数值为2.6～2.8的BD材料层时，如果仍然采用现有技术中沉积介电常数值为3的工艺方法，在相同沉积条件下，随着OMCTS中碳含量的有机成分增加，而硅片是无机材料，这样就会影响硅衬底与BD之间的截面，相继地会影响BD厚度的均匀性。虽然在产品晶圆上与BD材料层接触的是刻蚀终止层，氮化硅层，但是氮化硅层仍然是无机物质，沉积的BD材料层同样具有较差的厚度均匀性。一般地，介电常数值为3的BD材料层厚度均匀性小于2％，而在相同工艺方法条件下得到的BD材料层厚度均匀性在2.5％～3.2％。厚度均匀性U％是指(厚度最大值-厚度最小值)/2倍平均值，显然，U％越低越好，而且要求U％小于2％才能够通过测试，所以提高沉积BD材料层时的厚度均匀性是一个比较关键的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是：沉积BD材料层时厚度均匀性较差。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开了一种沉积低介电常数绝缘材料层的方法，应用于半导体器件的层间介质层的沉积工序中，包括以下步骤：
向沉积反应腔内通入初始氧气；
向沉积反应腔内通入初始八甲基环化四硅氧烷OMCTS；
开启功率电源，进行黑金刚石BD层的沉积，降低所述OMCTS的流量，逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量。
形成黑金刚石层的介电常数值为2.6～2.8。
所述沉积黑金刚石层的厚度为2500～3000埃。
所述向沉积反应腔内通入初始氧气的同时通入氦气，所述氦气的流量为1900～2100标准立方厘米/分钟sccm。
所述沉积反应腔内的压力为6.58～7托Torr。
所述通入初始氧气的流量为850～950sccm；所述通入初始OMCTS的流量为2.85～3.15sccm。
所述功率电源的高频射频功率为300～550瓦；低频射频功率为85～100瓦。
所述向沉积反应腔内通入初始氧气的时间持续9～11秒；所述向沉积反应腔内通入初始OMCTS的时间持续9～11秒；所述开启功率电源，进行黑金刚石层的沉积的时间为34～38秒。
分为2～5次逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量。
分为3次逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量的具体方法为：
通入OMCTS的流量0.5～0.8sccm，沉积时间持续0.9～1.1秒；
通入OMCTS的流量1.8～2.1sccm，沉积时间持续0.9～1.1秒；
通入OMCTS的流量2.85～3.15sccm，沉积时间持续32～36秒。
由上述的技术方案可见，本发明沉积BD材料层时，将BD中OMCTS的流量逐渐增高，使得大部分由BD中氧气形成的氧化物首先与硅衬底构成较好的接触，因为氧化物与硅衬底一样都是无机物质。然后随着OMCTS的流量增大，OMCTS在BD材料层中的含量增大，得到介电常数值为2.6～2.8的BD材料层，从而完成厚度均匀性较好的BD材料层的沉积。
附图说明
图1为现有技术中使用BD作为ILD层的圆片局部剖视图。
图2为本发明沉积具有较好厚度均匀性的BD材料层的方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明在沉积BD材料层时，使较大比例的氧化物成分先接触硅衬底，提高BD材料层与硅衬底的结合能力，从而提高BD材料层的厚度均匀性。
本发明沉积具有较好厚度均匀性的BD材料层的方法流程示意图如图2所示，其包括以下步骤：
该BD材料层一般在半导体器件层上的刻蚀终止层上沉积，由于铜互连工艺中包括多层ILD，所以BD材料层要进行多次沉积。
步骤21，首先，控制沉积反应腔内的压力为6.58～7托(Torr)，向反应腔内通入氧气的流量为850～950标准立方厘米/分钟(sccm)；氦气的流量为1900～2100sccm，通入上述气体时间持续9～11秒；
步骤22，然后，保持沉积反应腔内的压力6.58～7Torr，继续向沉积反应腔内通入气体OMCTS，流量为2.85～3.15sccm，持续时间9～11秒；
上述为开启功率，进行沉积前向沉积反应腔内通入气体的步骤，与现有技术的工艺相同。通入的主要气体为OMCTS和氧气，氦气作为稀释气体。
步骤23，接下来，开启功率电源进行BD材料层的沉积。沉积反应腔内的压力始终保持6.58～7Torr。为了达到使较大比例的氧化物成分先接触硅衬底，即先沉积在硅衬底上的氧化物相对于OMCTS更多一些，则调整降低OMCTS的流量，同时保持氧气和氦气流量不变，然后使OMCTS的流量逐步增高，最终恢复达到初始流量。本发明优选实施例中将OMCTS流量逐步增高，最终达到初始流量，分为三步实现，显然，还可以有其他的实施方式，例如分为两步、四步、五步甚至更多步实现。但是实施分为更多步之后实现起来比较复杂，而且效果不是很明显，一般分为2～5实现即可。下面具体介绍分为三步逐步提高OMCTS流量的实施方法：
开启沉积反应腔的射频电源，高频射频功率为300～550瓦；低频射频功率为85～100瓦，调整OMCTS的流量，使得此时通入沉积反应腔内的OMCTS流量从初始的2.85～3.15sccm降低至0.5～0.8sccm，其他气体流量保持不变，沉积时间持续0.9～1.1秒；
调整OMCTS的流量，使得此时通入沉积反应腔内的OMCTS流量为1.8～2.1sccm，保持射频功率及其他气体流量保持不变，沉积时间持续0.9～1.1秒；
继续调整OMCTS的流量，使得此时通入沉积反应腔内的OMCTS流量为2.85～3.15sccm，达到初始通入流量。保持射频功率及其他气体流量保持不变，沉积持续32～36秒，完成BD材料层的沉积。
如果像现有技术中那样，开启功率电源进行沉积的整个过程中，OMCTS流量始终保持2.85～3.15sccm，氧气流量保持850～950sccm，则与硅衬底接触的部分，会由于OMCTS的较大比例，导致与无机硅衬底较差的结合能力，使得BD材料层的厚度均匀性较差。而本发明沉积时，将OMCTS的流量逐渐增高，使得大部分由氧气形成的氧化物首先与硅衬底构成较好的接触，因为氧化物与硅衬底一样都是无机物质。然后增大OMCTS的流量，即增大OMCTS在BD材料层中的含量，得到介电常数值为2.6～2.8的BD材料层，从而完成厚度均匀性较好的BD材料层的沉积。
通过对控片晶圆的测试，沉积在硅衬底上BD材料层的厚度均匀性U％达到2％以下，这样晶圆就可以顺利通过测试。需要说明的是，本发明是以沉积厚度为2500～3000埃的BD材料层为例，对于其他根据具体制程不同而需要不同厚度的BD材料层来说，同样适用本发明的方法，开启功率电源进行沉积时，逐步增高OMCTS的流量，从而达到BD材料层的较好厚度均匀性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沉积低介电常数绝缘材料层的方法，应用于半导体器件的层间介质层的沉积工序中，包括以下步骤：
向沉积反应腔内通入初始氧气；
向沉积反应腔内通入初始八甲基环化四硅氧烷OMCTS；
开启功率电源，进行黑金刚石BD层的沉积，降低所述OMCTS的流量，逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成黑金刚石层的介电常数值为2.6～2.8。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉积黑金刚石层的厚度为2500～3000埃。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述向沉积反应腔内通入初始氧气的同时通入氦气，所述氦气的流量为1900～2100标准立方厘米/分钟sccm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述沉积反应腔内的压力为6.58～7托Torr。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通入初始氧气的流量为850～950sccm；所述通入初始OMCTS的流量为2.85～3.15sccm。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率电源的高频射频功率为300～550瓦；低频射频功率为85～100瓦。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述向沉积反应腔内通入初始氧气的时间持续9～11秒；所述向沉积反应腔内通入初始OMCTS的时间持续9～11秒；所述开启功率电源，进行黑金刚石层的沉积的时间为34～38秒。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，分为2～5次逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量。
10.如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，分为3次逐步提高OMCTS的流量，达到初始通入的OMCTS流量的具体方法为：
通入OMCTS的流量0.5～0.8sccm，沉积时间持续0.9～1.1秒；
通入OMCTS的流量1.8～2.1sccm，沉积时间持续0.9～1.1秒；
通入OMCTS的流量2.85～3.15sccm，沉积时间持续32～36秒。
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