CN1844003A - 一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法 - Google Patents

Abstract

一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，在完成大马士革金属导线结构制造后，对氟硅玻璃介质使用1～5次等离子体处理，降低氟硅玻璃低介电材料的表面氟浓度，随后淀积抑制氟扩散的保护层，最后刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构。

Description

一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺技术领域，特别涉及一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法。

背景技术

随集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积正变得越来越小，要将它们连接起来也更加困难。多层连线电容的计算公式：

$C=2(C_l+C_v)=2k{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{LTW}(\frac{1}{W^2}+\frac{1}{T^2})$ (公式1)

其中，(k为介电常数；L为金属导线长；T为金属导线深度；W为金属导线宽度；ε₀为真空介电常数)由公式1可见，介电常数越低，电容越小。

多层连线电阻-电容时间延迟计算公式：

$\mathrm{RCdelay}=2\mathrm{\ρk}{\mathrm{\ϵ}}_0{L}^2(\frac{1}{W^2}+\frac{1}{T^2})$ (公式2)

其中，(k为介电常数；L为金属导线长；T为金属导线深度；W为金属导线宽度；ε₀为真空介电常数；ρ为金属电阻率)由公式2可见，介电常数越低，电阻越小，多层连线电阻-电容时间延迟也越短。

在过去的30年中，半导体工业界都是以铝作为连接器件的材料，但随着芯片的缩小，工业界需要更细，更薄的连接，而且铝的高电阻特性也越来越难以符合需求。而且在高密度特大规模集成电路的情况下，高电阻容易造成电子发生“跳线”，导致附近的器件产生错误的开关状态。也就是说，以铝作为导线的芯片可能产生无法与预测的运作情况，同时稳定性也较差。在如此细微的电路上，铜的传输信号速度比铝更快、而且也更加稳定。

传统集成电路的金属连线是以金属层的刻蚀方式来制作金属导线，然后进行介电层的填充、介电层的化学机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。但当金属导线的材料由铝转换成电阻铝更低的铜的时候，由于铜的干刻较为困难，因此新的镶嵌技术对铜工艺的制造来说就极为必须。

镶嵌技术又称为大马士革工艺，字源来自以镶嵌技术闻名于世的叙利亚城市大马士革，早在2500年前在那里所铸造的刀剑，就已经使用这项技术来锻造。镶嵌技术是首先在介电层上刻蚀金属导线槽，然后再填充金属，再对金属进行金属机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。镶嵌技术的最主要特点是不需要进行金属层的刻蚀工艺，这对铜工艺的推广和应用极为重要。

集成电路制造技术已经跨入130nm的时代。对低介电材料和铜工艺的需求成为半导体工业界普遍的共识。目前的绝大多数铜布线处于180到130nm工艺阶段，约40％的逻辑电路生产线会用到铜布线工艺。到了90nm工艺阶段，则有90％的半导体生产线采用铜布线工艺。采用铜化学机械抛光(Cu-CMP)的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜图形化工艺。但低介电常数材料的结构疏松而且硬度较软，并且为了降低介电常数，往往介质材料中被加入了其他元素，比如氟、碳、氮等。由于这些元素易于扩散、渗透，从而导致一系列的不利因素。其中130nm工艺中已经被大量应用的低介电材料氟硅玻璃的负面影响尤为突出。氟元素有很强的侵蚀能力，它会腐蚀钽金属阻挡层，导致金属铜在绝缘材料中大量扩散，引起器件失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，在完成大马士革金属导线结构制造后，对氟硅玻璃介质使用1～5次等离子体处理，降低氟硅玻璃低介电材料的表面氟浓度，随后淀积抑制氟扩散的保护层，最后刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构。

所述方法包括如下步骤

(1)完成大马士革金属导线结构制造；

(2)进行等离子体处理氟硅玻璃低介电材料材料表面、清洗；

(3)测量氟硅玻璃低介电材料材料表面的氟浓度；

(4)重复步骤(2)、(3)直至氟浓度达到要求；

(5)淀积抑制氟扩散保护层；

(6)刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构。

其中，进行等离子体表面处理时，等离子体原料源是惰性气体如：氦、氖、氩、氪、氙或者反应气体如：一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮气。

所述等离子体工艺处理，每次的处理时间为50～500秒，气压为5～50托，功率为100～500瓦，温度为150～400度。

在淀积抑制氟扩散保护层时，保护层材料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅或者氮氧化硅。

所述淀积抑制氟扩散保护层的处理时间为50～500秒，气压为5～50托，功率为100～500瓦，温度为150～400度，保护层的厚度为1纳米～100纳米。

本发明一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，在完成大马士革金属导线结构制造后，对氟硅玻璃介质使用1～5次等离子体处理，降低氟硅玻璃低介电材料的表面氟浓度，随后淀积抑制氟扩散的保护层，最终达到防止氟扩散的目的。

附图说明

图1是完成大马士革金属导线结构制造后的示意图。

图2是进行等离子体表面处理，淀积抑制氟扩散保护层的示意图。

图3是刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构的示意图。

标号说明：

1、氟硅玻璃低介电材料  2、底部阻挡层  3、抑制氟扩散保护层

具体实施方式

本发明的实施步骤如下：

(1)按照常规工艺步骤，完成大马士革金属导线结构制造。如图1所示，在底部阻挡层2上构造氟硅玻璃低介电材料1。

(2)如图2所示，进行等离子体表面处理，处理时间为50秒，气压分别设定为5托、10托、30托或50托，功率分别选择为100瓦、150瓦或500瓦，温度分别选择为150度、250度或400度，气源为惰性气体氦、氖、氩、氪或氙，反应气源为一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、二氧化硫SO₂、氮气N₂随后进行清洗、退火。经过等离子体表面处理后，可有效降低氟硅玻璃低介电材料1表面的氟浓度。

(3)测量氟硅玻璃低介电材料1表面的氟浓度，若氟浓度未达到要求，则通过1～5次等离子体处理，降低氟硅玻璃低介电材料1表面的氟浓度，直至氟硅玻璃低介电材料1表面的氟浓度值达到规定范围。

(4)淀积抑制氟扩散保护层3，保护层材料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅或者氮氧化硅，淀积工艺的处理时间为50秒、100秒、150秒、200秒、500秒，气压设定为30托或50托、功率为100瓦、150瓦或500瓦，温度为150度、200度、300度或400度，淀积的保护层厚度为1纳米、2纳米、5纳米、10纳米、100纳米。

(5)最后刻蚀底部阻挡层2，完成大马士革结构，如图3所示。

上述工艺中，在各所选择的不同参数条件下，均获得良好的结果。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：在完成大马士革金属导线结构制造后，对氟硅玻璃介质使用1～5次等离子体处理，降低氟硅玻璃低介电材料的表面氟浓度，随后淀积抑制氟扩散的保护层，最后刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构。

2、如权利要求1所述的一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：包括如下步骤

(1)完成大马士革金属导线结构制造；

(2)进行等离子体处理氟硅玻璃低介电材料材料表面、清洗；

(3)测量氟硅玻璃低介电材料材料表面的氟浓度；

(4)重复步骤(2)、(3)直至氟浓度达到要求；

(5)淀积抑制氟扩散保护层；

(6)刻蚀底部阻挡层，完成大马士革结构。

3、如权利要求2所述的一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：进行等离子体表面处理时，等离子体原料源是惰性气体如：氦、氖、氩、氪、氙或者反应气体如：一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮气。

4、如权利要求1或2所述的一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：所述等离子体工艺处理，每次的处理时间为50～500秒，气压为5～50托，功率为100～500瓦，温度为150～400度。

5、如权利要求1或2所述的一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：在淀积抑制氟扩散保护层时，保护层材料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅或者氮氧化硅。

6、如权利要求1或2所述的一种在使用氟硅玻璃制造工艺中防止氟扩散的方法，其特征在于：所述淀积抑制氟扩散保护层的处理时间为50～500秒，气压为5～50托，功率为100～500瓦，温度为150～400度，保护层的厚度为1纳米～100纳米。