CN102237304A

CN102237304A - 一种抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法

Info

Publication number: CN102237304A
Application number: CN2011101861502A
Authority: CN
Inventors: 鲁海生; 屈新萍
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2011-11-09

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法。本发明利用具有一定甲烷(CH₄)和氩气(Ar)比例的混合气体等离子体在多孔低K介质表面和侧墙上面沉积一层碳氢层，利用这层碳氢层抑制多孔低K介质在化学机械抛光过程中对水汽的吸入。本发明方法具有简单、方便、实用性强的特点。

Description

一种抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法。

背景技术

随着集成电路器件尺寸逐步缩小，集成电路互连延时变得越来越显著。为减小后端互连延时，传统的铝（Al）互连已被铜（Cu）互连所取代。为进一步减小互连延时，人们提出利用低K介质取代SiO₂充当互连金属层间介质。按照国际半导体技术蓝图（ITRS）要求，将在22nm和以下技术节点中使用多孔低K介质。相比于SiO₂,低K介质的机械强度很弱，容易在化学机械抛光（Chemical mechanical polishing, CMP）和其他工艺流程中发生剥离和划伤。而且低K介质也很容易在CMP铜和阻挡层的过程中发生表面水化反应，使其表面由疏水性变为亲水性，导致水汽的吸入。研究发现，水汽吸入低K介质后会使低K介质的介电常数和漏电流密度增加。已经有人提出在低K介质表面先淀积一层保SiN_x或者SiO₂充当低K介质的CMP保护层，然后进行抛光，但是SiN或者SiO₂材料的介电常数都很高，SiN的介电常数在7左右，SiO₂介电常数在4左右。引入CMP保护层会增加互连结构中介质的有效介电常数，使得互连延时增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效抑制多孔低K介质在CMP抛光过程中水汽吸入的方法。

本发明提供的抑制多孔低K介质在CMP抛光过程中水汽吸入的方法，是利用在低K表面或者侧墙上淀积一层疏水性的碳氢层达到抑制水汽吸入的目的。具体步骤为：

（1）在反应离子刻蚀腔体中利用碳氟化合物等离子体刻蚀低K介质，在低K介质上刻蚀出沟槽和通孔的互连结构。此步为图形化。

（2）在PECVD腔体中，利用CH₄/Ar（甲烷和氩气，）等离子体，在已经图形化的多孔低K介质表面和侧墙上沉积一层碳氢化合物层。

上述方法中，所述沉积碳氢化合物层沉积条件是：功率在100w-300w之间，CH₄ 流量控制在30SCCM左右，处理的时间为10s-60s之间，腔体压强控制在0.1t-0.5t之间。

上述方法中，所沉积的碳氢化合物层厚度一般可为1nm到5nm。

本发明中，由于这层碳氢层介电常数很低，而且元素成分主要为碳，使得表面呈现疏水性，因而起到保护多孔低K介质的作用。即这层碳氢化合物层起到抑制低K介质吸入水汽的作用。

附图说明

图1.制备过程流程示意图。(a)原始低K介质;(b)在低K介质上刻蚀出沟槽和通孔结构；(c)CH₄/Ar等离子体在低K表面和沟槽以及通孔侧壁沉积一层碳氢层；(d)PVD/ALD沉积阻挡层和铜籽晶层，然后电镀铜。

图2. 原始低K样品与甲烷处理过后的低K样品表面自由能图谱。各样品名称分别代表(A1)原始低K;(A2)原始低K浸入1#酸性抛光液之后;(A3)原始低K浸入2#碱性抛光液之后；(B1)经过CH₄等离子体处理后的低K样品；(B2) CH₄等离子体处理后的低K样品浸入1#抛光液之后；(B3) CH₄等离子体处理后的低K样品浸入2#抛光液之后。

图3. 原始低K样品与甲烷处理过后的低K样品傅里叶变换红外光谱(FTIR)图。(a)浸入到1#酸性抛光液之后的原始低K样品和经过CH₄等离子处理过后的低K样品FTIR图谱；(b) 浸入到2#碱性抛光液之后的原始低K样品和经过CH₄等离子处理过后的低K样品FTIR图谱。

图4. 原始低K样品与氨气处理过后的低K样品表面自由能图谱。各样品名称分别代表(A1)原始低K；(A2)原始低K浸入1#酸性抛光液之后;(A3)原始低K浸入2#碱性抛光液之后；(C1)经过NH₃等离子体处理后的低K样品；(C2) NH₃等离子体处理后的低K样品浸入1#抛光液之后；(C3) NH₃等离子体处理后的低K样品浸入2#抛光液之后。

图5. 原始低K样品与氨气处理过后的低K样品浸入到1#抛光液后的表面自由能图谱。

图6. 原始低K样品与氦气等离子体处理过后的低K样品表面自由能图谱。各样品名称分别代表(A1)原始低K;(A2)原始低K浸入1#酸性抛光液之后;(A3)原始低K浸入2#碱性抛光液之后；(D1)经过He等离子体处理后的低K样品；(D2) He等离子体处理后的低K样品浸入1#抛光液之后；(D3) He等离子体处理后的低K样品浸入2#抛光液之后。

图7. 原始低K样品与氦气处理过后的低K样品浸入到1#抛光液后的表面自由能图谱。

图8. k值随处理工艺后的变化。各样品名称分别代表(A1)原始低K;(A2)原始低K浸入1#酸性抛光液之后; (B1)经过CH₄等离子体处理后的低K样品；(B2) CH₄等离子体处理后的低K样品浸入1#抛光液之后。

图9. 漏电流密度岁处理工艺后的变化。各样品名称分别代表(A1)原始低K;(A2)原始低K浸入1#酸性抛光液之后; (B1)经过CH₄等离子体处理后的低K样品；(B2) CH₄等离子体处理后的低K样品浸入1#抛光液之后。

具体实施方式

实施例1

在多孔低K介质刻蚀形成图形之后，在CVD腔体充入一定比例的甲烷和氩气，本例中CH4/Ar气流比例为30sccm/100sccm,形成等离子体后，在一定条件下对多孔低K介质进行处理。本例中各个条件参数分别是：气压为0.3托,功率为160瓦特, 处理时间为30秒。经过处理后，多孔低K介质的表面和侧墙会覆盖一层碳氢层。结合图2的表面自由能图谱和图3的傅里叶变换红外光谱(FTIR)，可以看到经过在两种抛光液中浸泡5分钟后，甲烷等离子体处理后的多孔低k介质样品体内水汽明显少于没有经过处理的多孔低k介质样品。从图8中可以看到经过甲烷等离子体处理后，多孔低K介质的介电常数几乎和没有经过任何处理的原始多孔低K介质的介电常数一样。在抛光液中浸泡后，介电常数同样没有增大。从图9中可以看，经过抛光液浸泡后，原始的多孔低K介质样品的漏电流密度增大了8.7倍。但是经过甲烷/氩气等离子处理后的样品，漏电流并没有增大。大量研究成果显示，水汽的吸入会导致多孔低K介质的介电常数以及漏电流增大。这说明，该方法中淀积的碳氢层有阻止水汽吸入的作用，这提高了多孔低K介质应用的可靠性。

实施例2

在多孔低K介质刻蚀形成图形之后，在CVD腔体充入一定比例的甲烷和氦气，利用甲烷和氦气等离子体处理多孔低k介质。经过处理后，多孔低K介质的表面和侧墙会覆盖一层碳层，该碳层既有阻止后续工艺中水汽的吸入，提高了多孔低K介质应用的可靠性。

比较例1

在多孔低K介质刻蚀形成图形之后，在CVD腔体充入一定比例的氨气，利用氨气等离子体处理多孔低k介质。从图4和5中可以看到经过氨气处理后，样品表面自由能明显增大，浸泡入抛光液后表面自由能会进一步增加。而且FTIR图显示经过氨气处理后的体内水汽明显高于原始低K样品的体内水汽。

比较例2

在多孔低K介质刻蚀形成图形之后，在CVD腔体充入一定比例的氦气，利用氦气等离子体处理多孔低k介质。从图6和图7中可以看到经过氦气处理后，样品表面自由能明显增大，浸泡入抛光液后表面自由能会进一步增加。而且FTIR图显示经过氦气处理后的体内水汽明显高于原始低K样品的体内水汽。

Claims

1.一种抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）图形化，在反应离子刻蚀腔体中利用碳氟化合物等离子体刻蚀低K介质，在低K介质上刻蚀出沟槽和通孔的互连结构；

（2）在PECVD腔体中，利用CH₄/Ar等离子体，在已经图形化的多孔低K介质表面和侧墙上沉积一层碳氢化合物层。

2.根据权利要求1所述的抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法，其特征在于所述沉积碳氢化合物层的条件为：功率在100w-300w之间，CH₄ 流量控制在30SCCM左右，处理的时间为10s-60s之间，腔体压强控制在0.1t-0.5t之间。

3.根据权利要求2所述的抑制多孔低介电常数介质吸入水汽的方法，其特征在于沉积的碳氢化合物层厚度为1nm到5nm。