CN103646914A - 一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，增加了紫外线对低介电常数薄膜下半部分处理的效果，使得致孔剂更有效地赶出，使低介电常数薄膜达到理想的介电常数，降低了两层金属之间的互连延时，提高了半导体器件的速度。

Description

一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，主要应用在40纳米及以下铜互连工艺，尤其涉及一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法。
背景技术
在40纳米以下铜互连工艺中，为了降低线间延时，两层互连金属间的介质层要求有较低的介电常数，介电常数越低，延时越小，器件速度也就越快。40纳米常用的超低介电常数薄膜的介电常数已经在2.6以下。除了较低的介电常数，还要保证薄膜有较高的机械性能，包括杨氏模量、硬度等。目前最常用的方法是使用致孔剂采用PECVD的方法沉积一层掺碳的薄膜，然后通过紫外线处理将有机致孔剂赶出薄膜，得到有孔的掺碳薄膜。孔洞的引入能够降低介电常数，通常孔洞的密度越大，直径越大，得到的介电常数越小，但是如果有机致孔剂不能有效的赶出，就得不到理想的低介电常数。紫外线照射能够将有机物分解，然后以气体的形式脱离薄膜，形成孔洞，同时紫外线还会将薄膜中的硅碳键重新链接，形成更致密的骨架结构，这样来支撑孔洞。当薄膜较厚时，薄膜底部的有机物还没有完全分解，薄膜的上半部分就已经完成了骨架的形成，导致有机物不能被完全赶出，从而导致了薄膜不能达到理想的低介电常数。
中国专利（公开号：CN103187363A）公开了一种铜互连的制作方法，包括以下步骤：在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和低介电常数薄膜；形成贯穿低介电常数薄膜和第一刻蚀停止层的多个通孔或沟槽；在通孔或沟槽内填充形成第一铜层；采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口；稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜，使各个第一开口横向扩大后形成第二开口；在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连；采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜；在铜互连上沉积第二刻蚀停止层，在相邻铜互连之间形成空腔。本发明在铜互连之间形成空腔，从而降低介电常数，进而降低互连延迟，改善芯片性能。
中国专利（公开号：CN102867780A）公开了一种铜互连工艺，通过在制备沟槽之后，铜互连形成之前，采用碳氢等离子体对沟槽侧壁在刻蚀和灰化工艺中受损的超低介电常数薄膜进行修复，以使得最终制备的铜互连结构的有效介电常数满足工艺需求，进而提升产品的良率。
从现有发明来看，它们未能解决当介电薄膜生长的较厚时，考虑到大马士革工艺中上半部分介电薄膜在刻蚀工艺中被移除，薄膜底部的致孔剂还没被有效的赶出，降低了紫外线处理的效率的问题。
发明内容
本发明提出了一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，增加了紫外线对低介电常数薄膜下半部分处理的效果，使得致孔剂更有效地赶出，使低介电常数薄膜达到理想的介电常数，降低了两层金属互间的延时，提高了半导体器件的速度。
一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，应用于铜互连工艺中，其特征在于，该方法包括：
提供一衬底，在所述衬底上表面由下至上依次形成第一金属阻挡层、第一金属层、第一刻蚀阻挡层和低介电常数薄膜；
对所述低介电常数薄膜进行第一次紫外线处理；
在第一次紫外线处理后的低介电常数薄膜上表面形成硬掩膜；
光刻并刻蚀所述硬掩膜，所述低介电常数薄膜层和所述第一刻蚀阻挡层，形成大马士革结构；
对所述低介电常数薄膜进行第二次紫外线处理；
去除剩余的所述硬掩膜，削薄所述低介电常数薄膜；
在所述大马士革结构中通孔的侧壁和底部及所述低介电常数薄膜的上表面沉积第二金属阻挡层；
在所述第二金属阻挡层上表面和所述通孔中形成第二金属层，在所述第一金属层和第二金属层之间形成金属互连线。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理是对所述低介电常数薄膜进行紫外线照射。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理的时间为20s-500s之间，处理温度为300度-480度之间。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，在所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理时，所述低介电常数薄膜在进入紫外线设备工艺腔进行处理的步骤包含预加热、气体引入、紫外线处理、剩余气体净化。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层采用钨、铜或者铝。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，生长所述低介电常数薄膜采用等离子体化学气相沉积或者旋涂-凝胶法。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过物理气相沉积形成所述第一金属阻挡层和第二金属阻挡层和所述硬掩膜。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过等离子体化学气相沉积形成所述第一刻蚀阻挡层。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过旋涂光刻胶进行光刻并刻蚀形成所述大马士革结构。
所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一金属阻挡层和所述第二金属阻挡层的材料为金属钽及氮化钽，通过物理气象沉积的方法在所述第一金属阻挡层和所述第二金属阻挡层的表面形成铜的籽晶层，电镀所述籽晶层，形成所述第一金属层和所述第二金属层。
本发明具有如下技术优势：
1.在刻蚀大马士革结构后引入第二次紫外线处理，增加了紫外线对低介电常数薄膜层下半部分处理的效果，使得有机物更有效地赶出，达到理想的介电常数。
2.引入第二次紫外线处理对于铜互连工艺，流程简单，易于实现，可是低介电常数薄膜层的处理效果更加显著。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明形成低介电常数薄膜的平面结构侧视图；
图3为本发明形成硬掩膜的平面结构侧视图；
图4为本发明形成大马士革结构的平面结构侧视图；
图5为沉积第二金属阻挡层的平面结构侧视图；
图6为形成第二金属层的平面结构侧视图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例一：
本实施例一主要应用在40纳米铜互连工艺的第一层和第二层互连金属的形成。
图1为本发明方法的流程图；图2为本发明形成低介电常数薄膜的平面结构侧视图；如图1和2所示，提供一衬底10，在衬底10上表面用物理气相沉积法（PVD）沉积第一金属阻挡层11（一般为Ta和TaN），用物理气相沉积法沉积铜的籽晶层（图中未显示），厚度为50-150埃米，然后通过电镀籽晶层形成第一金属层1，厚度为5000-7000埃米，然后通过化学机械研磨将第一金属层1研磨平整，此时第-金属层的厚度为1200-2000埃米。
在第一金属层1的上表面通过等离子体增强化学气相沉积法沉积第一刻蚀阻挡层2（一般材料为氮化硅或者碳化硅或者碳氮化硅），第一刻蚀阻挡层厚度为200-700埃米，在第一刻蚀阻挡层2上表面生长一低介电常数薄膜3（该薄膜使用的是AMAT公司的BDII），其厚度为2500-5000埃米；可采用等离子体化学气相沉积或者旋涂-凝胶法，沉积的过程包括致孔剂（图中未显示）的引入，致孔剂为有机物，紫外线照射后会解离并挥发。
在第一次紫外线处理之前，将硅片（图中未标注）在进入紫外线设备工艺腔（图中未显示）进行处理,包含预加热、气体引入、紫外线处理、剩余气体净化多个步骤，对低介电常数薄膜3进行第一次紫外线处理，即紫外线光对低介电常数薄膜3，通过紫外线照射低介电常数薄膜3中的致孔剂被赶出低介电常数薄膜3，形成多孔的低介电常数薄膜3（图中未显示），从而降低了低介电常数薄膜3的介电常数；第一次紫外线处理的时间和强度根据沉积的膜厚的厚度变化，一般的处理厚度为2500-5000埃米的低介电常数薄膜3，照射时间在150s-400s之间，（优选的，厚度为2500埃米，照射时间为150s；厚度为3750埃米，照射时间为325s；厚度为5000埃米，照射时间为400s；）
图3为本发明形成硬掩膜的平面结构侧视图；图4为本发明形成大马士革结构的平面结构侧视图；如图3所示，在第一次紫外线处理完的低介电常数薄膜3上用等离子体增强化学气相沉积法生长一层硬掩模4（本实施例中采用的是二氧化硅和氮化钛），如图4所示，通过旋涂光刻胶（图中未显示）进行光刻并刻蚀从硬掩膜4上表面开始刻蚀，形成两个通孔21，两个通孔21一直连通到第一金属层1的上表面，并在两个通孔21之间形成凸台22，从而完成大马士革结构5。
由于低介电常数薄膜3的厚度可能较厚，低介电常数薄膜3底部的致孔剂不能被第一次紫外线处理有效的赶出，降低了第一次紫外线处理的效率，考虑到在形成大马士革结构5中上半部分低介电常数薄膜3在刻蚀工艺中被移除，所以对低介电常数薄膜3进行第二次紫外线处理，增加紫外线对低介电常数薄膜3下半部分处理的效果，具体地，将硅片（图中未标注）在进入紫外线设备工艺腔（图中未显示）进行处理,包含预加热、气体引入、紫外线处理、剩余气体净化多个步骤，对低介电常数薄膜3进行第二次紫外线处理，即紫外线光对低介电常数薄膜3，第二次紫外线处理的时间和强度根据沉积的膜厚的厚度变化，一般的对厚度为2500-5000埃米的薄膜，照射时间在20s-100s之间，（优选的，厚度为2500埃米，照射时间为20s；厚度为3750埃米，照射时间为60s；厚度为5000埃米，照射时间为100s；）
图5为沉积第二金属阻挡层的平面结构侧视图；图6为形成第二金属层的平面结构侧视图；如图5所示，移除硬掩膜4，削薄高于凸台22低介电常数薄膜3，使低介电常数薄膜3的高度与凸台22的高度一致，在低介电常数薄膜3的上表面以及两个通孔21的侧壁和下表面沉积第二金属阻挡层7（一般采用Ta和TaN），如图6所示，在第二金属阻挡层的上表面以及侧壁上沉积铜的籽晶层（图中未显示），在籽晶层上电镀形成第二金属层，在通孔中形成金属互连线8，金属互连线8的上表所述第二金属层6连接，其下表面和第一金属层1连接，其侧壁被低介电常数薄膜3围绕，完成整个工艺。
本发明通过在大马士革刻蚀完成后引入第二次紫外线处理，增加了紫外线对低介电常数薄膜下半部分处理的效果，使得致孔剂更有效地赶出，使低介电常数薄膜达到理想的介电常数，降低了两层金属之间的互连延时，提高了半导体器件的速度。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，应用于铜互连工艺中，其特征在于，该方法包括：
提供一衬底，在所述衬底上表面由下至上依次形成第一金属阻挡层、第一金属层、第一刻蚀阻挡层和低介电常数薄膜；
对所述低介电常数薄膜进行第一次紫外线处理；
在第一次紫外线处理后的低介电常数薄膜上表面形成硬掩膜；
光刻并刻蚀所述硬掩膜，所述低介电常数薄膜层和所述第一刻蚀阻挡层，形成大马士革结构；
对所述低介电常数薄膜进行第二次紫外线处理；
去除剩余的所述硬掩膜，削薄所述低介电常数薄膜；
在所述大马士革结构中通孔的侧壁和底部及所述低介电常数薄膜的上表面沉积第二金属阻挡层；
在所述第二金属阻挡层上表面和所述通孔中形成第二金属层，在所述第一金属层和第二金属层之间形成金属互连线。
2.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理是对所述低介电常数薄膜进行紫外线照射。
3.如权利要求2所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理的时间为20s-500s之间，处理温度为300度-480度之间。
4.如权利要求2所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，在所述第一次紫外线处理和第二次紫外线处理时，所述低介电常数薄膜在进入紫外线设备工艺腔进行处理的步骤包含预加热、气体引入、紫外线处理、剩余气体净化。
5.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层采用钨、铜或者铝。
6.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，生长所述低介电常数薄膜采用等离子体化学气相沉积或者旋涂-凝胶法。
7.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过物理气相沉积形成所述第一金属阻挡层和第二金属阻挡层和所述硬掩膜。
8.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过等离子体化学气相沉积形成所述第一刻蚀阻挡层。
9.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，通过旋涂光刻胶进行光刻并刻蚀形成所述大马士革结构。
10.如权利要求1所述一种低介电常数薄膜的紫外线处理方法，其特征在于，所述第一金属阻挡层和所述第二金属阻挡层的材料为金属钽及氮化钽，通过物理气象沉积的方法在所述第一金属阻挡层和所述第二金属阻挡层的表面形成铜的籽晶层，电镀所述籽晶层，形成所述第一金属层和所述第二金属层。
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