CN103390577B

CN103390577B - 低k介质阻挡层及其形成方法

Info

Publication number: CN103390577B
Application number: CN201210142983.3A
Authority: CN
Inventors: 周鸣
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN103390577A

Abstract

本发明提供了一种低K介质阻挡层及其形成方法，在形成低K介质阻挡层之前，先利用预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体，由此，可在衬底(即在低K介质层)表面形成一层含碳(C)保护膜，以避免后续形成低K介质阻挡层时对低K介质层的损伤。此外，由于利用了预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，在形成低K介质阻挡层时，器件将处于充满预处理气体的氛围中，此时，即使产生氧离子，也将在一定程度上对氧离子进行稀释，即避免了氧离子对于低K介质层的损伤。最终，提高了半导体工艺的可靠性及所形成的器件的质量。

Description

低K介质阻挡层及其形成方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺技术领域，特别涉及一种低K介质阻挡层及其形成方法。

背景技术

目前，半导体电路已经发展为具有多层互连的集成电路(integratedcircuit，IC)。在多层互连的IC中，互连层上的导电材料需要通过介质层与另一个互连层上的导电材料进行电气绝缘。

但在单层或多层互连的IC中，带有介质层分离的导电材料之间都会形成电容，这种互连形成的电容不是设计过程中所需要的。由于IC的速度反比于IC的互连电阻(R)与互连的电容(C)的乘积，所述RC的乘积，即RC常数必须尽可能小，以便促进适当的信号传输和开关速度，并尽可能降低信号串扰。随着对IC更高集成度和元件小型化的日益增长的要求，对系统速度的一个主要限制因素是IC中的RC常数限制。因此，减小IC互连的电阻和电容对IC的性能提高有重要作用。

一种减小互连层之间电容的方法是使用低K介质层，即使用低K材料作为互连层之间实现电气绝缘的膜层。所述低K材料例如：有机聚合物、无定形氯化碳、超小型泡沫塑料、包含有机聚合物的硅基绝缘体、掺杂了碳的硅氧化物和掺杂了氯的硅氧化物。其中，K表示介电系数，高和低是相对于二氧化硅的介电系数而言的，所述二氧化硅的介电系数通常为3.9。

由于低K介质层是非常疏松的一层介质膜层，因此，为了所形成的器件结构的可靠性，通常在所述低K介质层上形成一层低K介质阻挡层。现有技术中，所述低K介质阻挡层通常包括BD(BlackDiamond，黑钻石，主要包含SiCOH)层及位于所述BD层上的TEOS(正硅酸乙酯)层。在所述BD层及TEOS层的形成过程中，都将用到氧气，而氧气的使用将破坏低K介质层的性能。特别是在BD层的形成过程中，由于相较于TEOS层，BD层更靠近低K介质层，由此，在BD层的形成过程中，对于低K介质层性能的损伤更大。其中，现有技术中通常利用如下反应式形成所述BD层：

其中，所述“Plasma”通常是指利用氧气执行的等离子体工艺。

在此工艺中，对于低K介质层性能的损伤主要表现是低K介质层的K值发生偏移(具体为偏大)，由此将导致互连层之间的电容增大，降低了半导体电路的性能。请参考图1，其为形成BD层前后的低K介质层的电容值对比示意图。如图1所示，K值为2.59的低K介质层在形成BD层之后，其K值偏移至2.91，相应的，电容值也由约0.17PF/um上升至约0.25PF/um，即使得电容值出现了很大程度的增大。当然，其它工艺条件均不变。由此可见，现有工艺中BD层的形成(即氧气的使用)对于低K介质层的K值的巨大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低K介质阻挡层及其形成方法，以解决现有工艺在形成低K介质阻挡层的过程中对于低K介质层的损伤的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低K介质阻挡层的形成方法，包括：

提供具有低K介质层的衬底；

利用预处理气体对所述衬底进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体；

在经过等离子体工艺预处理的衬底上形成低K介质阻挡层。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述低K介质阻挡层包括SiCOH层。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，形成所述SiCOH层的气体包括SiH₄、DEMS及载流气体。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，形成所述SiCOH层时，SiH₄的流量为500sccm～2000sccm，DEMS的流量为500sccm～2000sccm，载流气体的流量为500sccm～2000sccm。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，形成所述SiCOH层时，工艺时间为5s～50s，压强为2torr～7torr，功率为500w～1000w。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述载流气体包括氦气及氩气中的一种或多种。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述SiCOH层的厚度为50埃～300埃。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述碳氢气体包括C₂H₂及C₂H₄中的一种或多种。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述低K介质阻挡层包括碳硼化合物层。

可选的，在所述的低K介质阻挡层的形成方法中，所述低K介质阻挡层包括TEOS层。

相应的，本发明还提供一种上述低K介质阻挡层的形成方法所形成的低K介质阻挡层。

在本发明提供的低K介质阻挡层及其形成方法中，在形成低K介质阻挡层之前，先利用预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体，由此，可在衬底(即在低K介质层)表面形成一层含碳(C)保护膜，以避免后续形成低K介质阻挡层时对低K介质层的损伤。此外，由于利用了预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，在形成低K介质阻挡层时，器件将处于充满预处理气体的氛围中，此时，即使产生氧离子，也将在一定程度上对氧离子进行稀释，即避免了氧离子对于低K介质层的损伤。最终，提高了半导体工艺的可靠性及所形成的器件的质量。

附图说明

图1是形成BD层前后的低K介质层的电容值对比示意图；

图2是本发明实施例的低K介质阻挡层的形成方法的流程示意图；

图3a～3c是本发明实施例的低K介质阻挡层的形成方法中器件的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的低K介质阻挡层及其形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图2，其为本发明实施例的低K介质阻挡层的形成方法的流程示意图。如图2所示，在本实施例中，所述低K介质阻挡层的形成方法包括如下步骤：

S20：提供具有低K介质层的衬底；

S21：利用预处理气体对所述衬底进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体；

S22：在经过等离子体工艺预处理的衬底上形成低K介质阻挡层。

在此，通过在形成低K介质阻挡层之前，先利用预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体，由此，可在衬底(即在低K介质层)上形成一层含碳(C)保护膜，以避免后续形成低K介质阻挡层时对低K介质层的损伤。此外，由于利用了预处理气体对衬底进行等离子体工艺预处理，在形成低K介质阻挡层时，将处于充满预处理气体的氛围中，此时，即使产生氧离子，也将在一定程度上对氧离子进行稀释，即避免了氧离子对于低K介质层的损伤。最终，提高了半导体工艺的可靠性及所形成的器件的质量。

具体的，请参考图3a～3c，其为本发明实施例的低K介质阻挡层的形成方法中器件的剖面示意图。

如图3a所示，提供衬底30，所述衬底30包括低K介质层32。进一步的，所述衬底30还可包括隔离层31，所述低K介质层32位于所述隔离层31上。其中，所述低K介质层32可以为有机聚合物、无定形氯化碳、超小型泡沫塑料、包含有机聚合物的硅基绝缘体、掺杂了碳的硅氧化物和掺杂了氯的硅氧化物中的一种或多种。所述隔离层31可用于防止金属互连层中的金属扩散，以提高半导体工艺的可靠性以及所形成的器件的质量。当然，还可进一步包括金属互连层，所述隔离层31位于所述金属互连层上，以及其他半导体器件或者半导体膜层，本申请对此不作限定。

接着，如图3b所示，利用预处理气体对所述衬底30(即所述低K介质层32)进行等离子体工艺预处理，所述预处理气体包括：碳氢气体及惰性气体。在此，可利用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺腔室进行该等离子体工艺预处理。优选的，所述碳氢气体包括：C₂H₂及C₂H₄中的一种或多种。进一步的，所述碳氢气体还可包括C₃H₄、C₃H₆、C₄H₈及C₄H₁₀中的一种或多种。优选的，所述惰性气体包括氦气及氩气中的一种或多种。

在此，进行所述等离子体工艺预处理的工艺条件可以与后续形成低K介质阻挡层的工艺条件相同，包括反应腔室内的功率、压强及温度等。由此，可避免后续形成低K介质阻挡层时对反应腔室工艺条件的调节，从而提高工艺效率、降低生产成本。

在本实施例中，通过进行所述等离子体工艺预处理，可在衬底30(即在低K介质层32)表面形成一层含C保护膜，以避免后续形成低K介质阻挡层时对低K介质层32的损伤。此外，由于利用了预处理气体对衬底30进行等离子体工艺预处理，在形成低K介质阻挡层时，器件将处于充满预处理气体的氛围中，此时，即使产生氧离子，也将在一定程度上对氧离子进行稀释，即避免了氧离子对于低K介质层32的损伤。最终，提高了半导体工艺的可靠性及所形成的器件的质量。

接着，请参考图3c，在经过等离子体工艺预处理的衬底30上形成低K介质阻挡层40。在本实施例中，所述低K介质阻挡层40包括SiCOH层。优选的，所述SiCOH层通过SiH₄及DEMS(C₅H₁₄O₂Si)反应而成。所述SiCOH层的厚度为50埃～300埃。形成所述SiCOH层的反应腔室可仍为前述的PECVD腔室。其中，反应气体SiH₄的流量为500sccm～2000sccm；反应气体DEMS的流量为500sccm～2000sccm。反应时可利用载流气体，优选的，所述载流气体包括：氦气及氩气中的一种或多种，所述氦气或者氩气的流量均为500sccm～2000sccm。在此，形成所述SiCOH层的工艺条件为：工艺时间5s～50s；压强2torr～7torr；功率500w～1000w。通过等离子体工艺，所述反应气体将发生如下反应，从而形成SiCOH层：

C₅H₁₄O₂Si+SiH₄→SiCOH

其中，在本实施例中，由于通过SiH₄及DEMS反应生成SiCOH层，相较于背景技术中所提到的SiCOH层的形成方式，因反应物中的Si离子含量较高，从而生成的SiCOH层中Si含量也将更高，由此，便可提高SiCOH层的形成质量，从而提高器件的可靠性。

在本发明的其他实施例中，所述低K介质阻挡层40可包括碳硼化合物层(例如，可通过B₂H₆和C₂H₂反应而成)或者TEOS层。优选的，在SiCOH层上形成所述碳硼化合物层和/或TEOS层。

通过上述工艺便可形成低K介质阻挡层40，在该低K介质阻挡层40的形成过程中，由于所述衬底30(即在低K介质层32)经过了等离子体工艺预处理，从而可避免对于低K介质层的损伤，提高半导体工艺的可靠性及所形成的器件的质量。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，包括：

提供具有低K介质层的衬底；

在经过等离子体工艺预处理的衬底上形成低K介质阻挡层；

其中，所述低K介质阻挡层包括SiCOH层，所述SiCOH层采用等离子体增强化学气相沉积形成。

2.如权利要求1所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，形成所述SiCOH层的气体包括SiH₄、DEMS及载流气体。

3.如权利要求2所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，形成所述SiCOH层时，SiH₄的流量为500sccm～2000sccm，DEMS的流量为500sccm～2000sccm，载流气体的流量为500sccm～2000sccm。

4.如权利要求3所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，形成所述SiCOH层时，工艺时间为5s～50s，压强为2torr～7torr，功率为500w～1000w。

5.如权利要求4所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，所述载流气体包括氦气及氩气中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，所述SiCOH层的厚度为50埃～300埃。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，所述碳氢气体包括C₂H₂及C₂H₄中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，所述低K介质阻挡层还包括碳硼化合物层。

9.如权利要求1所述的低K介质阻挡层的形成方法，其特征在于，所述低K介质阻挡层还包括TEOS层。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的低K介质阻挡层的形成方法所形成的低K介质阻挡层。