CN104952724B - 介电薄膜的后处理方法、互连层及半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种介电薄膜的后处理方法、互连层及半导体器件。其中，该后处理方法包括：氧化处理介电薄膜，以在介电薄膜中渗透形成氧离子；以及UV照射含有氧离子的介电薄膜。该方法中，采用氧化处理介电薄膜以在介电薄膜中渗透氧离子，然后采用UV照射含有氧离子的介电薄膜，以提供能量使得氧与介电薄膜中的悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键）发生反应，从而减少了介电薄膜中的缺陷。

Description

介电薄膜的后处理方法、互连层及半导体器件
技术领域
本申请涉及半导体集成电路制作技术领域，具体而言，涉及一种介电薄膜的后处理方法、互连层及半导体器件。
背景技术
在半导体集成电路的制作过程中，通常将介电薄膜（比如SiO2、SiON、SiOC）作为器件之间的隔离层。例如，在互连层的制作过程中将介电薄膜作为互连金属层之间的隔离层。又例如，在沟槽隔离结构的制作过程中将介电薄膜填充到浅沟槽中形成隔离层。上述介电薄膜的质量直接影响器件之间的隔离效果，进而影响器件的性能。
目前，形成介电薄膜的工艺包括高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）、次大气压化学气相沉积或高深宽比化学气相沉积（HARPCVD）。采用上述工艺形成介电薄膜时，由于反应物之间可能存在反应不完全的情况，这就导致介电薄膜中容易产生悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键）。这些缺陷能够降低介电薄膜中原子之间的结合强度，从而降低介电薄膜的致密度，进而降低器件的性能。在后续的工艺制程（例如化学机械抛光等）中，介电薄膜中的缺陷通常会扩大，从而进一步降低器件的性能。
为了解决上述问题，现有技术中通常对介电薄膜进行高温退火，以提供足够的能量使得介电薄膜中的晶粒发生重排，并去除电薄膜中的缺陷，从而获得性质稳定的介电薄膜。然而，上述高温退火会对器件造成损伤，进而导致器件的性能发生下降，甚至会造成器件的失效等。
发明内容
本申请旨在提供一种介电薄膜的后处理方法、互连层及半导体器件，以减少介电薄膜中的缺陷。
本申请提供了一种介电薄膜的后处理方法，该后处理方法包括：氧化处理介电薄膜，以在介电薄膜中渗透形成氧离子；以及UV照射含有氧离子的介电薄膜。
进一步地，在上述后处理方法中，氧化处理介电薄膜的步骤中，采用水或者双氧水对介电薄膜进行喷淋或浸泡处理，以在介电薄膜中渗透形成氧离子。
进一步地，在上述后处理方法中，氧化处理介电薄膜的步骤中，水为去离子水。
进一步地，在上述后处理方法中，氧化处理介电薄膜的步骤中，水或者双氧水的温度为30～90℃。
进一步地，在上述后处理方法中，氧化处理介电薄膜的步骤中，采用浸泡处理的方式，且浸泡处理的时间为30～180min。
进一步地，在上述后处理方法中，UV照射步骤中采用波长为100～300nm的紫外线进行照射。
进一步地，在上述后处理方法中，UV照射的温度为300～500℃，处理时间为2～10分钟，紫外线的光强度为100～2000mW/cm2。
进一步地，在上述后处理方法中，介电薄膜为低介电常数介质材料，优选为SiO2、SiON或SiOC。
本申请还提供了一种互连层，包括衬底以及设置于衬底上的介电薄膜，其中介电薄膜经本申请上述的后处理方法进行处理。
本申请还提供了一种半导体器件，包括衬底以及设置于衬底上的介电薄膜，其中介电薄膜经本申请上述的后处理方法进行处理。
应用本申请提供的技术方案，采用氧化处理介电薄膜在介电薄膜中渗透形成氧离子，然后采用UV照射含有氧离子的介电薄膜，以提供能量使得氧与介电薄膜中的悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键）发生反应，减少介电薄膜中的缺陷，进而提高包含该介电薄膜的器件的性能。
附图说明
附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本申请，附图示出了本申请的优选实施例，并与说明书一起用来说明本申请的原理。图中：
图1示出了本申请实施方式所提供的介电薄膜的后处理方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。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属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所介绍的，在形成介电薄膜时介电薄膜中产生悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键），这些缺陷能够降低介电薄膜中原子之间的结合强度，降低介电薄膜的致密度，进而降低器件的性能。针对上述问题，本申请的发明人进行了研究，提出了一种介电薄膜的后处理方法。如图1所示，该后处理方法包括：氧化处理介电薄膜，以在介电薄膜中渗透形成氧离子；以及UV照射含有氧离子的介电薄膜。该方法中，采用氧化处理介电薄膜以在介电薄膜中渗透氧离子，然后采用UV照射含有氧离子的介电薄膜，以提供能量使得氧与介电薄膜中的悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键）发生反应，减少介电薄膜中的缺陷，进而提高包含该介电薄膜的器件的性能。
上述氧化处理介电薄膜的步骤中，采用不与介电薄膜发生反应、含有氧原子、且氧原子易于电离的溶液与介电薄膜进行接触即可在介电薄膜中渗透形成氧离子。在本发明的一种优选实施方式中，采用水或者双氧水对介电薄膜进行喷淋或浸泡处理，以在介电薄膜中渗透形成氧离子。在该步骤中，水或者双氧水中的氧离子会渗透进入介电薄膜中，从而在介电薄膜中渗透形成氧离子。其中水可以采用普通的水，例如自来水，但更优选采用去离子水。上述去离子水中含有的杂质离子较少，有利于避免在介电薄膜中引入杂质离子。
上述氧化处理介电薄膜的步骤中，只要将水或者双氧水对介电薄膜进行喷淋或浸泡处理就能够在介电薄膜渗透形成氧离子。在一种优选实施方式中，采用温度为30～90℃的水或者双氧水。当水或双氧水的温度低于30℃时，水或双氧水中离子不易分解，氧离子的含量较低，在相同的时间内，在介电薄膜中渗透形成氧离子的量降低，进而不利于提高介电薄膜的质量；如果水或双氧水的温度高于90℃，水或双氧水中的杂质离子的活性会增加，从而使得渗透进入介电薄膜中的杂质离子的量增加，进而不利于提高介电薄膜的质量。
上述氧化处理介电薄膜的步骤中，喷淋或浸泡处理的时间可以根据实际工艺需求进行设定。当采用浸泡处理的方式时，一种优选实施方式中，浸泡处理的时间为30～180min；当采用喷淋处理的方式时，一种优选实施方式中，喷淋处理的时间为60～240min。采用上述时间对介电薄膜进行处理能够在介电薄膜中形成适量的氧离子，有利于减少介电薄膜中的缺陷。
上述氧化处理介电薄膜的步骤中，采用水或双氧水对介电薄膜进行浸泡处理时，一种可选的方式包括：将水或双氧水置于处理槽中，控制处理槽中水或双氧水的温度在30～90℃，然后将介电薄膜置于处理槽中，使得介电薄膜与水或双氧水进行接触处理，处理时间为30～180min。采用水或者双氧水对介电薄膜进行喷淋处理时，一种可选的方式包括：将水或双氧水喷淋到介电薄膜上，并通过低速旋转（300<500rpm）使水或双氧水均匀分布在介电薄膜上，在温度为30～90℃条件下，使得水或双氧水与介电薄膜充分接触，处理时间为60～240min。
完成上述氧化处理介电薄膜的步骤之后，采用UV照射含有氧离子的介电薄膜，以提供能量使得氧与介电薄膜中的缺陷发生反应，从而减少介电薄膜中的缺陷。在该步骤中，只要采用UV照射含有氧离子的介电薄膜，就能够氧化减少介电薄膜中的缺陷。在一种优选实施方式中，UV照射步骤中采用波长为100～300nm的紫外线进行照射。具有上述波长的UV能够更加充分地氧化介电薄膜中的缺陷，进而更加彻底地去除介电薄膜中的缺陷。
在上述的UV照射步骤中，对UV照射的温度、时间并没有特殊的要求，只要能够氧化减少介电薄膜中的缺陷即可。在一种优选实施方式中，UV照射的温度为300～500℃，时间为2～10分钟，紫外线的强度为100～2000mW/cm2。满足上述工艺条件的UV处理能够充分实现氧化介电薄膜中的缺陷，从而减少介电薄膜中的缺陷的目的。
上述介电薄膜为本领域常见的介质材料，尤为适合低介电常数介质材料，特别适合SiO2、SiON或SiOC。形成上述介电薄膜的工艺为本领域常见的沉积工艺，优选为高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）、次大气压化学气相沉积或高深宽比化学气相沉积（HARPCVD）。当采用高深宽比化学气相沉积工艺形成SiO2薄膜时，一种可选实施方式中，以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，第一次沉积步骤采用较高的气体压力和较高的氧气浓度以及较低的硅烷的流量，以提高SiO2薄膜的填充能力，第二次沉积步骤采用中减少氧气浓度并增加硅烷的流量，以提高薄膜的沉积速率。优选地，上述第一次沉积步骤中，气体压力可为400～600Torr，氧气的浓度范围为10%～20%，硅烷的流量为100～1000毫克/分钟，沉积的速率范围为10～20nm/min；上述第二次沉积步骤中，气体压力可为100～200Torr，氧气的浓度范围为5%～15%，硅烷的流量为1000～4000毫克/分钟，沉积的速率范围为150～200nm/min。需要注意的是，在完成对上述介电薄膜进行后处理的步骤之后，还可以对介电薄膜进行后续工艺处理，例如化学机械研磨等，以获得合乎工艺需求的介电薄膜。
本申请还提供了一种互连层，包括衬底以及设置于衬底上的介电薄膜，其中介电薄膜采用上述后处理方法进行处理。该互连层中的介电薄膜的缺陷量很小，从而提高了介电薄膜的质量，进一步提高了互连层的性能。
在上述的互连层中，衬底上至少形成一种结构，例如晶体管、二极管、电容器或浅沟槽结构等，从而在衬底上形成了半导体器件区。上述介电薄膜形成于衬底的半导体器件区上，且对半导体器件起到隔离的作用。
本申请还提供了一种半导体器件，包括衬底以及设置于所述衬底上的介电薄膜，其中介电薄膜采用上述后处理方法进行处理。该半导体器件中的介电薄膜的缺陷量很小，从而提高了介电薄膜的质量，进一步提高了半导体器件的性能。
下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由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方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。下面将结合实施例进一步说明本申请提供的一种介电薄膜的后处理方法。
实施例1
本实施例提供了一种介电薄膜的后处理方法。
其中，介电薄膜为SiO2薄膜，形成SiO2薄膜的工艺步骤包括：
以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，其中第一次沉积步骤中，气体压力可为500Torr，氧气的浓度范围为20%，硅烷的流量为500毫克/分钟，沉积的速率范围为15nm/min；第二次沉积步骤中，气体压力可为200Torr，氧气的浓度范围为5%，硅烷的流量为2000毫克/分钟，沉积的速率范围为180nm/min。
该后处理方法包括以下步骤：
采用去离子水对SiO2薄膜进行浸泡处理，其工艺步骤为：将去离子水置于处理槽中，控制处理槽中去离子水的温度在30℃，然后将SiO2薄膜置于处理槽中，使得介电薄膜与去离子水进行接触处理，处理时间为180min；
UV照射含有氧离子的上述SiO2薄膜，其工艺条件为：紫外线的波长为100nm，光强度为2000mW/cm2，照射温度为300℃，照射时间为2分钟。
实施例2
本实施例提供了一种介电薄膜的后处理方法。
其中，介电薄膜为SiO2薄膜，形成SiO2薄膜的工艺步骤包括：
以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，其中第一次沉积步骤中，气体压力可为500Torr，氧气的浓度范围为20%，硅烷的流量为500毫克/分钟，沉积的速率范围为15nm/min；第二次沉积步骤中，气体压力可为200Torr，氧气的浓度范围为5%，硅烷的流量为2000毫克/分钟，沉积的速率范围为180nm/min。
该后处理方法包括以下步骤：
采用去离子水对SiO2薄膜进行浸泡处理，其工艺步骤为：将去离子水置于处理槽中，控制处理槽中去离子水的温度在90℃，然后将SiO2薄膜置于处理槽中，使得介电薄膜与去离子水进行接触处理，处理时间为30min；
UV照射含有氧离子的上述SiO2薄膜，其工艺条件为：紫外线的波长为100nm，光强度为2000mW/cm2，照射温度为300℃，照射时间为2分钟。
实施例3
本实施例提供了一种介电薄膜的后处理方法。
其中，介电薄膜为SiO2薄膜，形成SiO2薄膜的工艺步骤包括：
以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，其中第一次沉积步骤中，气体压力可为500Torr，氧气的浓度范围为20%，硅烷的流量为500毫克/分钟，沉积的速率范围为15nm/min；第二次沉积步骤中，气体压力可为200Torr，氧气的浓度范围为5%，硅烷的流量为2000毫克/分钟，沉积的速率范围为180nm/min。
该后处理方法包括以下步骤：
采用双氧水对SiO2薄膜进行喷淋处理，其工艺步骤为：将双氧水喷淋到SiO2薄膜上，并通过低速旋转（300rpm）使双氧水均匀分布在SiO2薄膜上，在温度为90℃条件下，使得双氧水与SiO2薄膜充分接触处理，处理时间为60min；
UV照射含有氧离子的上述SiO2薄膜，其工艺条件为：紫外线的波长为300nm，光强度为100mW/cm2，照射温度为500℃，照射时间为10分钟。
实施例4
本实施例提供了一种介电薄膜的后处理方法。
其中，介电薄膜为SiO2薄膜，形成SiO2薄膜的工艺步骤包括：
以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，其中第一次沉积步骤中，气体压力可为500Torr，氧气的浓度范围为20%，硅烷的流量为500毫克/分钟，沉积的速率范围为15nm/min；第二次沉积步骤中，气体压力可为200Torr，氧气的浓度范围为5%，硅烷的流量为2000毫克/分钟，沉积的速率范围为180nm/min。
该后处理方法包括以下步骤：
采用双氧水对SiO2薄膜进行喷淋处理，其工艺步骤为：将双氧水或喷淋到SiO2薄膜上，并通过低速旋转（300rpm）使双氧水均匀分布在SiO2薄膜上，在温度为30℃条件下，使得双氧水与SiO2薄膜充分接触处理，处理时间为240min；
UV照射含有氧离子的上述SiO2薄膜，其工艺条件为：紫外线的波长为200nm，光强度为1000mW/cm2，照射温度为400℃，照射时间为6分钟。
实施例5
本实施例提供了一种介电薄膜的后处理方法。
其中，介电薄膜为SiO2薄膜，形成SiO2薄膜的工艺步骤包括：
以硅烷和氧气作为反应气体，采用两次沉积步骤形成上述SiO2薄膜，其中第一次沉积步骤中，气体压力可为500Torr，氧气的浓度范围为20%，硅烷的流量为500毫克/分钟，沉积的速率范围为15nm/min；第二次沉积步骤中，气体压力可为200Torr，氧气的浓度范围为5%，硅烷的流量为2000毫克/分钟，沉积的速率范围为180nm/min。
该后处理方法包括以下步骤：
采用水对SiO2薄膜进行浸泡处理，其工艺步骤为：将水置于处理槽中，控制处理槽中水的温度在25℃，然后将SiO2薄膜置于处理槽中，使得SiO2薄膜与水进行接触处理，处理时间为200min；
UV照射含有氧离子的上述SiO2薄膜，其工艺条件为：紫外线的波长为340nm，光强度为2100mW/cm2，照射温度为280℃，照射时间为13分钟。
测试：
通过SEM观察实施例1至5中对SiO2薄膜进行后处理前后SiO2薄膜表面的形貌，并采用统计的方法计算出SiO2薄膜中缺陷的去除率，其结果请见表1。
表1
SiO2薄膜中缺陷去除率
实施例1 94.5%
实施例2 94.3%
实施例3 93.6%
实施例4 94.1%
实施例5 90.2%
从表1可以看出，本申请实施例1至5中对SiO2薄膜后处理前后的缺陷去除率为90.2～94.5%。由上述数据分析可以看出，应用本申请提供的技术方案，使得SiO2薄膜中的缺陷得到了明显减少。
本申请还通过SEM观察对实施例1至5得到的SiO2薄膜，以及未经本申请提供的后处理方法处理得到的SiO2薄膜（对比例1）进行化学机械抛光前后SiO2薄膜表面的形貌，并计算SiO2薄膜中缺陷尺寸的增长率，其结果请见表2。
表2
从表2可以看出，对实施例1至5得到的SiO2薄膜进行化学机械抛光处理前后的缺陷尺寸的增长率为25.2～27.6%，对对比例1得到的SiO2薄膜进行化学机械抛光处理前后的缺陷尺寸的增长率为164.3%。由上述数据分析可以看出，本申请得到的SiO2薄膜在后续的工艺制程（例如化学机械抛光等）后，SiO2薄膜中的缺陷尺寸的增长率较小，从而有利于进一步提高器件的性能。
上述实施例以SiO2薄膜层为例解释本申请提供的介电薄膜的后处理方法。应当注意的是，本申请提供的介电薄膜的后处理方法同样可用于其他介电薄膜的后处理处理，比如SiON或SiOC，且经本申请所提供的后处理方法所得的介电薄膜中缺陷较少。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：采用氧化处理介电薄膜以在介电薄膜中渗透氧离子，然后采用UV照射含有氧离子氧的介电薄膜，以提供能量使得氧与介电薄膜中的悬挂键等缺陷（例如Si悬挂键）发生反应，从而减少了介电薄膜中的缺陷。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种介电薄膜的后处理方法，其特征在于，该后处理方法包括：
氧化处理所述介电薄膜，以在所述介电薄膜中渗透形成氧离子；以及
UV照射含有氧离子的所述介电薄膜；所述氧化处理介电薄膜的步骤中，采用水或者双氧水对所述介电薄膜进行喷淋或浸泡处理，以在所述介电薄膜中渗透形成氧离子；所述氧化处理介电薄膜的步骤中，所述水或者双氧水的温度为30～90℃。
2.根据权利要求1所述的后处理方法，其特征在于，所述氧化处理介电薄膜的步骤中，所述水为去离子水。
3.根据权利要求1所述的后处理方法，其特征在于，所述氧化处理介电薄膜的步骤中，采用浸泡处理的方式，且所述浸泡处理的时间为30～180min。
4.根据权利要求1所述的后处理方法，其特征在于，所述UV照射步骤中采用波长为100～300nm的紫外线进行照射。
5.根据权利要求4所述的后处理方法，其特征在于，所述UV照射的温度为300～500℃，处理时间为2～10分钟，所述紫外线的光强度为100～2000mW/cm2。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的后处理方法，其特征在于，所述介电薄膜为低介电常数介质材料。
7.根据权利要求6所述的后处理方法，其特征在于，所述介电薄膜为SiO2、SiON或SiOC。
8.一种互连层，包括衬底以及设置于所述衬底上的介电薄膜，其特征在于，所述介电薄膜经权利要求1至7中任一项所述的后处理方法进行处理。
9.一种半导体器件，包括衬底以及设置于所述衬底上的介电薄膜，其特征在于，所述介电薄膜经权利要求1至7中任一项所述的后处理方法进行处理。
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