CN102437069A - 一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法及装置 - Google Patents

一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法以及监控装置，该方法包括：检测进行了不同时间的预处理后的硅衬底的多个薄膜参数；根据所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；设定预设有阈值的控制线；如果所述统计过程控制曲线的范围在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线的范围超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。本发明可有效预防预处理工艺的失效，从而提高产品的可靠性与稳定性。

Description

一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种低介电常数阻挡层(low-Kblock)工艺中的预处理(treatment)的监控方法及装置。
背景技术
当半导体工艺进入铜互连技术的阶段时，铜连线与低介电常数介质层之间需要使用低介电常数阻挡层作为对该介质层进行大马士革刻蚀工艺的阻挡层。在半导体制造业中，主流的低介电常数阻挡层工艺为氮掺杂碳(NDC，Nitrogen-doped carbon)和N-阻挡层工艺。因为铜暴露在空气之中容易在表面生成氧化铜(CuO2)，所以在低介电常数阻挡层工艺中，在低介电常数阻挡层淀积之前需要预处理的步骤，用于去除铜表面的氧化层，从而保证低介电常数阻挡层与铜连线之间的良好的黏附性，进而保证介质层与铜连线之间的黏附性。
在传统的低介电常数阻挡层的监控中，仅仅监控低介电常数阻挡层的薄膜性质，而由于有无预处理几乎不影响低介电常数阻挡层的薄膜性质，从而只通过监控低介电常数阻挡层的薄膜性质无法获知预处理的效果。如果预处理步骤发生工艺问题(例如预处理步骤发生失效)，只能在产品上发现(例如在低介电常数阻挡层与铜连线之间发生剥落现象)，而不能去除被氧化了的铜表面，反映在产品上会影响器件的可靠性和稳定性，从而会对半导体的制造过程产生潜在的产品失效的隐患与损失。
例如，图1为低介电常数阻挡层工艺中的铜互连结构的示意图。参见图1，在对衬底中的铜连线进行化学机械抛光(CMP)之后，进行预处理工艺接着进行低介电常数阻挡层淀积以在衬底上形成低介电常数阻挡层。所以低介电常数阻挡层工艺中的预处理若发生失效，则直接影响介质层与铜连线之间的黏附，从而影响产品的可靠性与稳定性。
发明内容
本发明针对铜互连技术中使用的低介电常数阻挡层，增加了一个低介电常数阻挡层的预处理工艺的日常监控项目，在控制低介电常数阻挡层性质的同时，又控制了预处理工艺。这样不仅有效的防止预处理的失效，弥补之前的监控无法监测预处理工艺的缺陷，也能有效防止铜连线与低介电常数介质层之间的黏附性的问题，从而提高了产品的可靠性与稳定性。
本发明提供了一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法，包括：检测进行了不同时间的预处理后的硅衬底的多个薄膜参数；根据所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；设定预设有阈值的控制线；如果所述统计过程控制曲线的范围在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线的范围超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。
本发明提供了一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控装置，包括：检测单元，分别检测在进行了不同时间的预处理后的硅衬底的多个薄膜参数；建模单元，根据所述检测单元检测得到的所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；设定单元，设定预设有阈值的控制线；判定单元，如果所述统计过程控制曲线在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。
本发明可有效防止预处理的失效，从而提高产品的可靠性与稳定性。
附图说明
图1为低介电常数阻挡层工艺中的铜互连结构的示意图。
图2为对包括预处理和低介电常数阻挡层淀积的实验1和仅包括低介电常数阻挡层淀积的实验2的膜厚进行对比的示意图；
图3为对包括预处理和低介电常数阻挡层淀积的实验1和仅包括低介电常数阻挡层淀积的实验2的折射率进行对比的示意图；
图4为对进行了12秒的单独预处理工艺的实验3、进行了60秒的单独预处理工艺的实验4以及直接使用控片硅片(bare wafer)而未经预处理工艺的实验5的膜厚进行对比的示意图；
图5为本发明的低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法的流程图；
图6为根据本发明的低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
传统的监控方法参见如下表1：
Figure BDA0000114644150000031
表1
本发明的监控方法比传统的监控方法增加了一项单独的预处理的监控，参见如下表2：
Figure BDA0000114644150000032
表2
将本发明与传统的监控方法作对比，本发明提供了一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法。详细而言，本发明在用进行低介电常数阻挡层工艺的设备(例如为CVD设备)制造产品(例如为图1所示的产品)的过程中定时(例如以24小时为周期)用设备在工艺腔室中对控片硅片(硅衬底)执行单独的预处理工艺，然后测量进行了不同时间的预处理后的硅片的多个薄膜参数(如膜厚)，以判定设备是否正常，从而判定设备对产品的预处理工艺是否正常，其中使用控片裸片而不是产品作为监控可降低成本。本发明通过增加预处理工艺的监控项目，能够有效监测设备是否正常，进而监测对产品的预处理的工艺失效，从而达到防止产品中铜连线与低介电常数介质层之间的黏附稳定性的问题。
在实际的半导体器件(产品)制造过程中，低介电常数阻挡层工艺中的预处理是利用氨气(NH3)在等离子体(plasma)环境中与氧化铜反应，达到还原铜的效果，以去除铜表面的氧化层。而在对控片硅片进行定时监控时，氨气在等离子体环境中与硅产生反应，形成一层薄的氮化硅，通过监控进行了不同时间的预处理后的硅片的薄膜参数(如膜厚)，达到间接监控预处理工艺的效果。例如，当控片硅片增加的厚度(即氮化硅的厚度)达到一定厚度时，可判定产品中的氧化铜被完全还原成铜，从而判定对产品的预处理工艺正常。
例如，通过对控片裸片的多次预处理工艺的监控所产生的薄膜(例如，采样数为30个或以上，以保证准确率)的膜厚建立统计过程控制(StatisticalProcess Control，SPC)曲线，设定例如为±3西格玛(sigma)的控制线，并进行日常监控。如果日常监控结果在±3西格玛的控制之内，则判定预处理工艺正常；如果日常监控结果超出±3西格玛的控制，则判定预处理工艺可能有问题，需要停机以避免对产品的影响，并进一步检查工艺是否存在预处理失效或不稳定的问题。
其中，SPC为利用统计技术对生产过程进行监控，通过检测数据的收集和分析，从而对生产过程的异常及时告警，以便采取措施及时消除异常，恢复过程的稳定，从而达到改进产品质量的目的。此外，“西格玛”一词源于统计学中标准差σ的概念，而标准差σ表示数据相对于平均值的分散程度，通常用于在生产过程中降低产品及流程的缺陷次数。
此外，申请人经试验发现，预处理对氮化硅的膜厚的影响比较大，而对折射率的影响基本可以忽略。因此可以基于在实验3-5中测得的氮化硅的膜厚等建立SPC曲线。
为了证明本发明的技术效果，以NDC工艺作为低介电常数阻挡层工艺为例，使用控片硅片，对比了以下5种实验结果：
实验1：正常的低介电常数阻挡层工艺，即工艺步骤包含“预处理+低介电常数阻挡层淀积”；
实验2：去除预处理的低介电常数阻挡层工艺，即工艺步骤只有“低介电常数阻挡层淀积”；
实验3：单独的预处理工艺(12秒)，即工艺步骤只有预处理；
实验4：单独的预处理工艺(60秒)，即工艺步骤只有预处理；
实验5：仅采用控片硅片。
具体的实验结果参见图2-图4：
表3为图2、图3中的实验数据。
Figure BDA0000114644150000051
表3
实验1和2的结果表明：两者的薄膜膜厚相当，仅(1％)的区别；薄膜折射率也相当，仅0.005(0.17％)的区别。这表明存在或去除预处理步骤，对NDC的薄膜性质没有影响。这也就意味着：只监控NDC的薄膜性质，在正常的SPC波动范围内，无法判断预处理的工艺效果。所以低介电常数阻挡层工艺中的预处理若发生失效，不能反映在低介电常数阻挡层的监控中，从而潜在影响介质层与铜连线之间的黏附，从而影响产品的可靠性与稳定性。
表4为图4中的实验数据。
Figure BDA0000114644150000053
表4
实验3、4、5为在硅衬底上做了不同预处理时间的实验，证明预处理时间和薄膜参数(例如在实验3、4、5中为所生长的氮化硅膜厚)有直接的关系，以此论证了本发明的监控方法是实际有效的。反过来说，如果不同的预处理时间得到的膜厚是一样的，那么这个监控结果也就不能说明预处理工艺是否正确了。在预处理监控过程中，氨气在等离子体环境中会与硅反应，在控片硅片(即硅衬底)上形成一层薄的氮化硅，并且这层氮化硅的厚度会随着氨气处理(即预处理)的时间增长而增厚。
在根据本发明的低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法中，参见图5，在步骤S101中，通过随着预处理的进行在不同时间多次检测氮化硅的薄膜参数，如这层氮化硅薄膜的膜厚(硅片增加的厚度)。在步骤S102中，根据检测得到的多个薄膜参数建立SPC曲线。在步骤S103中，设定预设有阈值(例如，通常为±3西格玛)的控制线。在步骤S104中，进行判断，如果SPC的范围在阈值之内，则所述预处理正常；如果SPC的范围超出阈值，则所述预处理不正常。由此，可以获知还原二氧化铜的成功与否和彻底与否，即预处理工艺是否正常，从而防止由于预处理工艺失效，影响低介电常数介质层与铜连线之间的黏附性，导致产品的可靠性与稳定性问题。
本发明还包括一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控装置，如图6所示，包括：检测单元，分别检测在多个硅衬底进行了预处理后的多个薄膜参数；建模单元，根据所述检测单元检查得到的所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；设定单元，设定预设有阈值的控制线；判定单元，如果所述统计过程控制曲线在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。
本发明的监控装置可由计算机的软件实现，也可由软件结合硬件实现。
上面以实施例对本发明进行了说明，但需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非是对本发明保护范围的限制。尽管参照以上优选实施例对本发明作了尽可能详尽的说明，但本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，仍然属于本发明技术方案的实质和范围。只要对本发明所做的任何改进或变型，均应属于本发明权利要求主张保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控方法，包括：
检测进行了不同时间的预处理后的硅衬底的多个薄膜参数；
根据所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；
设定预设有阈值的控制线；
如果所述统计过程控制曲线的范围在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线的范围超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。
2.根据权利要求1所述的监控方法，其中所述薄膜参数为进行了预处理后的硅衬底上生长的氮化硅层的厚度。
3.根据权利要求1所述的监控方法，其中所述硅衬底进行的预处理包括：利用氨气在等离子体环境中与所述的硅衬底进行反应，以在所述的硅衬底上形成氮化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的监控方法，其中所述低介电常数阻挡层工艺为氮掺杂碳工艺。
5.根据权利要求1所述的监控方法，其中以大于或等于30次采样的薄膜参数为基础建立统计过程控制曲线。
6.根据权利要求1所述的监控方法，其中所述阈值为±3西格玛。
7.一种低介电常数阻挡层工艺中的预处理的监控装置，包括：
检测单元，分别检测在进行了不同时间的预处理后的硅衬底的多个薄膜参数；
建模单元，根据所述检测单元检测得到的所述多个薄膜参数建立统计过程控制曲线；
设定单元，设定预设有阈值的控制线；
判定单元，如果所述统计过程控制曲线在所述阈值之内，则判定所述预处理正常；如果所述统计过程控制曲线超出所述阈值，则判定所述预处理不正常。
8.根据权利要求7所述的监控装置，其中所述薄膜参数为进行了预处理后的所述多个硅衬底上生长的氮化硅层的厚度。
9.根据权利要求7所述的监控装置，其中以大于等于30次采样的薄膜参数为基础建立统计过程控制曲线。
10.根据权利要求7所述的监控装置，其中所述阈值为±3西格玛。
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