CN104143524A - 一种半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，包括：在半导体衬底上沉积形成多孔低K材料层的步骤；选用三烷基羟基硅烷对所述多孔低K材料层进行固化处理的步骤。本发明中在沉积形成多孔的低K、超低K介电材料后或者执行完干法蚀刻、湿法清洗之后，通入三甲基羟基硅烷在紫外线（UV）光能照射下对所述超低K介电材料进行处理，其中所述超低K介电材料中的Si-O键和所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）中的羟基发生键合，填充了部分所述低K或者超低K介电材料中的空隙，使低K或者超低K介电材料的空隙减小，进而提高了所述低K或者超低K介电材料中的硬度以及机械加工强度，所述低K或者超低K介电材料的K值偏移（K-shift）性能提高了5-10%，具有非常显著的效果。

Description

一种半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，本发明涉及一种半导体器件的制造方法。
背景技术
半导体集成电路技术的飞速发展推动了新材料、新技术的不断进步，也使得半导体工业成长为工业界不可忽视的力量。自20世纪90年代以来，超大规模集成电路(ULSI)的特征尺寸按照摩尔定律在不断缩小。由于器件密度和连线密度的增加、线宽减小，将导致阻容(RC)耦合增大，从而使信号传输延时、干扰噪声增强和功率耗散增大，这给超大规模集成电路的应用带来了挑战。
随着集成电路向高速、高集成度发展，为了降低信号传输延迟和串扰以及由于介电损失而导致的功耗增加，采用低介电常数材料做层间介质成为必然的选择。未来的超大规模集成电路制造技术必须采用低介电常数（k）材料取代二氧化硅做层间介质来降低寄生电容，因此低K介电常数材料（k<4）和超低K介电材料（k<2）在今后的超大规模集成电路制造方面将占有重要的地位。
虽然低k介电常数材料（k<4）和超低k介电材料电介质具有上述多个优点，但其也并非是完美的，由于low-k材料的抗热性、化学性、机械延展性以及材料稳定性等问题都还没有得到完全解决，给芯片的制造和质量控制带来很多困难。例如现有技术中所述超低k介电材料在器件制备过程中在进行干法蚀刻或者湿法清洗之后也会发生K值转移的现象，在蚀刻过程中所述K值有2.59漂移为2.91；此外，在形成金属互连结构时，在选用NH3等离子体对所述超低k介电材料处理时，容易造成等离子体损伤（PID），所述问题均由低k介电常数材料（k<4）和超低k介电材料的上述性质和结构有关。
目前现有技术中所述低k介电常数材料（k<4）和超低k介电材料电介质的制备方法大都为：在所述半导体衬底上形成等离子体（PLASMA），在所述反应腔室中通入两种前驱体，分别为低K材料前驱体以及致孔剂前驱体，在加热的条件下进行反应，形成包含致孔剂的复合体，然后在隔离室中通过紫外线（Ultra-violet，UV）进行后处理，将所述复合体中的致孔剂去除，形成孔隙，进而形成多孔的低k介电常数材料和超低k介电材料，通常通过所述方法形成的孔隙的大于或者等于15埃，由于孔隙尺寸过大，导致其性能降低，进一步加剧了K值的漂移（shift）以及等离子体损伤（PID），同时由于孔隙过大还造成所述材料硬度、机械加工性能变差，使得工艺过程更加困难。因此，虽然低k介电常数材料和超低k介电材料被广泛应用，但是其自身仍存在K值的漂移（shift）以及等离子体损伤（PID）、以及硬度低、机械加工性能差等问题，所述问题制约了多孔低k介电常数材料和超低k介电材料的进一步发展和应用。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明为了克服目前存在问题，提供了一种半导体器件的制备方法，包括：
在半导体衬底上沉积形成多孔低K材料层的步骤；
选用三烷基羟基硅烷对所述多孔低K材料层进行固化处理的步骤。
作为优选，所述三烷基羟基硅烷的化学式为：
作为优选，其中R为C1-C5的烷基。
作为优选，所述三烷基羟基硅烷为三甲基羟基硅烷。
作为优选，所述固化处理是在紫外光的照射下进行的。
作为优选，在沉积形成所述多孔低K材料后，还包括对所述多孔低K材料层执行干法蚀刻、湿法清洗的步骤。
作为优选，所述三甲基羟基硅烷的流量为50-1000mg/min。
作为优选，所述三甲基羟基硅烷的压力为0.1-10torr。
作为优选，所述三甲基羟基硅烷的温度为100-400℃。
作为优选，选用氩气作为载气，将所述三甲基羟基硅烷通入反应腔室中对所述多孔低K材料进行所述固化处理。
作为优选，所述氩气的流量为100-5000sccm。
作为优选，所述氩气的温度为100-400℃。
作为优选，所述氩气的压力为0.1-10torr。
作为优选，所述紫外光的波长为380-420nm。
本发明中在沉积形成多孔的低K、超低K介电材料后或者执行完干法蚀刻、湿法清洗之后，为了修复所述工艺过程对多孔的低K、超低K介电材料造成的损坏，通入三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）在紫外线（UV）光能照射下对所述低K或者超低K介电材料进行处理，其中所述低K或者超低K介电材料中的Si-O键和所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）中的羟基发生键合，填充了部分所述低K或者超低K介电材料中的空隙，使低K或者超低K介电材料的空隙减小，进而提高了所述低K或者超低K介电材料中的硬度以及机械加工强度，所述低K或者超低K介电材料的K值偏移（K-shift）性能提高了5-10%，具有非常显著的效果。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
图1为本发明一具体实施方式中选用三甲基羟基硅烷对多孔低K材料层进行处理的结构示意图；
图2本发明一具体实施方式中制备所述半导体器件的工艺流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述多孔低K材料的处理方法。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。
下面对本发明的一具体实施方式中的处理方法做进一步的说明：
首先，提供半导体衬底，所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅（SOI）、绝缘体上层叠硅（SSOI）、绝缘体上层叠锗化硅（S-SiGeOI）、绝缘体上锗化硅（SiGeOI）以及绝缘体上锗（GeOI）等。
然后在所述半导体衬底上形成多孔的低K或超低K介电材料层，所述多孔的低K或超低K介电材料层的形成方法可以为化学气相沉积法（CVD）或者旋转涂敷法（Spin-On Deposition，SOD），作为优选，本发明的实施例中优选等离子体化学气相沉积法（plasma chemical vapor deposition，PCVD）形成所述多孔薄膜，但是并不局限于所述方法，所述示例仅仅为示意性的。
具体地，在所述反应腔室中形成等离子体，例如在所述反应腔室中通入能够产生原子H和可选的产生CH3或者其他原子团的物质源，借助于气体将所述物质源引入所述反应腔室中，转化为等离子体，至少在所述衬底上形成等离子体的气氛。
作为优选，在该步骤中加热所述半导体衬底至100-500℃，优选为250-350℃。
在一具体实施方式中，选择CH3气体作为等离子体源，所述CH3气体的流量为100-600sccm，压力为0.5-10torr，功率为100w以上。作为优选，在该步骤中可以选用高的射频功率，高频功率密度为为每平方厘米0.5-1.5w。
在所述半导体衬底上形成等离子体气氛后通入低K介电材料的前驱体，所述前驱体并不局限于某一种，可以包含下述物质中的一种或多种：1,3,5,7四甲基环四硅氧烷（TMCTS）、八甲基环四硅氧烷（OMCTS）、二乙氧基甲基硅烷（DEMS）、二甲基二甲氧基硅烷（DMDMOS）、二乙基甲氧基硅烷（DEDMOS）以及有关的环状和非环状硅烷、硅氧烷等。
同时通入致孔剂前驱体，所述致孔剂前驱体为碳氢化合物分子，可以选择使用任何一种碳氢化合物，作为优选，该前躯体为具有环状结构的碳氢化合物分子，分子中最好存在一个以上的环或具有附着到环的支链，更优选为包含稠环的物质，其中至少一个稠环包含异质原子，优选为氧原子，例如环戊烯氧化物（CPO）之类的所谓氧杂二环。但并不局限于所述物质，还可以选择包含附着到碳氢化合物环的支链叔丁基和异丙氧基组成的分子；此外碳氢化合物环可以为饱和或者不饱和的物质。
在一具体实施方式中，优选二乙氧基甲基硅烷（DEMS）作为低K介电材料的前驱体，优选2,5-降冰片二烯、4-异丙基-1-甲基-1,4-环己二烯以及氧气分子作为致孔剂前驱体通入到所述反应腔室中，在100-500℃，优选为250-350℃，在高频RF功率为0.8-160MHZ的功率下进行沉积，其中，所述低K介电材料的前驱体的流量为每分钟100-5000毫克，所述2,5-降冰片二烯、4-异丙基-1-甲基-1,4-环己二烯以及氧气的流量为50-10000毫克，反应压力为2-5torr，在所述条件下进行反应得到内部包含致孔剂的低K或者超低K介电复合材料。需要说明的是，该实施例仅仅为示意性的，本发明所述方法并不局限于该示例，本领域技术人员可以根据实际工艺条件进行有目的的选择。
接着，对所述复合材料进行处理，以去除所述复合材料中的致孔剂，得到性质较为稳定的低K或者超低K介电材料，所述处理为选用热能、化学能、紫外线（UV）光能、电子束光能、微波能、以及等离子体能中的一种或者多种，在去除所述致孔剂的同时，可以通过所述处理提高低K或者超低K介电材料的弹性模量以及更高的硬度等。
作为优选，在本发明的一具体实施方式中，选用紫外线（UV）光能对所述复合材料进行处理，选用波长为150-500nm紫外线（UV）光能进行处理，以便使晶片温度保持为100-500℃。
作为进一步的优选，在形成所述多孔低K材料后，还可以进一步对所述多孔低K材料进行适当的等离子体处理，所述等离子体处理不仅可以起到清洗的作用，而且可以在所述材料的表面产生许多悬挂键而提高其化学活性，而且等离子体表面处理可以使制备的低k薄膜表面的开口孔闭合，降低吸水性。例如可以选择惰性气体的等离子体对所述低K或者超低K介电材料进行处理。
经过所述方法处理后得到的低K或者超低K介电材料的空隙仍然过大，而且所述低K或者超低K介电材料的硬度、机械加工性能都比较差，或者在干法蚀刻或者湿法清洗中会对所述低K或者超低K介电材料造成损坏，进一步降低其性能，为了解决上述问题，仍然需要对所述低K或者超低K介电材料作进一步的处理，具体地，通入选用三烷基羟基硅烷对对所述低K或者超低K介电材料进行固化处理，所述固化处理在紫外线（UV）光能照射下进行，但是还可以选用其他方法，例如在热能、化学能、电子束光能、微波能等，但是优选为紫外线（UV）光能，其中所述低K或者超低K介电材料中的Si-O键和所述三烷基羟基硅烷中的羟基发生键合（如下反应式所示），填充了部分所述低K或者超低K介电材料中的空隙，使低K或者超低K介电材料的空隙减小，进而提高了所述低K或者超低K介电材料中的硬度以及机械加工强度，所述低K或者超低K介电材料的K值偏移（K-shift）性能提高了5-10%，具有非常显著的效果。
作为优选，所述三烷基羟基硅烷的化学式为：
其中，R为C1-C5的烷基，可以为直链烷基或者直链烷基，其中所述烷基的大小以及结构可以根据所要形成的空隙的大小进行选择，并不局限于某一种，作为优选在本发明中优选三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）对所述低K材料或者超低K材料进行处理。
作为优选，所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）的流量为50-1000mg/min，更优选为200-500mg/min，压力为0.1-10torr，更优选为0.2-2torr，所述处理温度为100-400℃，更优选为250-350℃。
其中，优选通过载气将所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）通入到反应腔室中，所述载体可以为各种惰性气体，例如氦气、氖气、氩气、氪气和氮气中的一种或者多种，在本发明的一具体实施方式中，选用氦气作为载气，其中所述载气的流量为100-5000sccm，温度为100-400℃，优选为250-350℃，压力为0.1-10torr，优选为0.2-2torr。
在该处理过程中选择紫外线（UV）光能提供能量，其中所述紫外线（UV）光能的波长为200-500nm，优选为380-420nm，更优选为400nm，本发明中在所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）的流量、压力、处理温度、所述载气的流量、紫外线（UV）光能的波长在所述优选范围内其对低K或者超低K介电材料的孔隙大小更为合理，其硬度加强，其K值偏移（K-shift）性能更好。
本发明中在沉积形成多孔的低K或者超低K介电材料后，通入三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）在紫外线（UV）光能照射下对所述低K或者超低K介电材料进行处理，其中所述低K或者超低K介电材料中的Si-O键和所述三甲基羟基硅烷（hydroxytrimethylsilane）中的羟基发生键合，填充了部分所述低K或者超低K介电材料中的空隙，使低K或者超低K介电材料的空隙减小，进而提高了所述低K或者超低K介电材料中的硬度以及机械加工强度，所述低K或者超低K介电材料的K值偏移（K-shift）性能提高了5-10%，具有非常显著的效果。
参照图2，其中示出了本发明所述半导体器件的制造方法，具体地包括以下步骤：
步骤201在半导体衬底上沉积形成多孔低K材料层的步骤；
步骤202选用三烷基羟基硅烷对所述多孔低K材料层进行固化处理的步骤。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种半导体器件的制造方法，包括：
在半导体衬底上沉积形成多孔低K材料层的步骤；
选用三烷基羟基硅烷对所述多孔低K材料层进行固化处理的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三烷基羟基硅烷的化学式为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中R为C1-C5的烷基。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述三烷基羟基硅烷为三甲基羟基硅烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化处理是在紫外光的照射下进行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积形成所述多孔低K材料后，还包括对所述多孔低K材料层执行干法蚀刻、湿法清洗的步骤。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三甲基羟基硅烷的流量为50-1000mg/min，所述三甲基羟基硅烷的压力为0.1-10torr，所述三甲基羟基硅烷的温度为100-400℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，选用氩气作为载气，将所述三甲基羟基硅烷通入反应腔室中对所述多孔低K材料进行所述固化处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述氩气的流量为100-5000sccm，所述氩气的温度为100-400℃，所述氩气的压力为0.1-10torr。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述紫外光的波长为380-420nm。
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