JP2014516477A - 損傷を受けたlow−k膜の再生及び細孔封止のためのUV支援シリル化 - Google Patents
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Abstract
損傷を受けたlow−k膜を修復するための方法が提供される。エッチング中、アッシング中及び平坦化中などの膜の処理中にlow−k膜への損傷が生じる。low−k膜の処理によって、膜の細孔内に水が溜まり、さらには、low−k膜構造内に親水性化合物が形成される。紫外線(UV)放射及びシリル化化合物を組み込む修復プロセスが、細孔から水を除去し、さらに、low−k膜構造から親水性化合物を除去する。
Description
記述される方法は、一般に、半導体製造において用いられるlow−k膜を修復し、誘電率を下げることに関する。
半導体製造における誘電体膜の誘電率(k)は、デバイスが縮小し続けるにつれて、絶えず低下しつつある。フィーチャサイズの継続的な縮小化を可能にするためには、低誘電率(low−k)膜上の集積損傷を最小限に抑えることが重要である。しかしながら、フィーチャサイズが縮小するにつれて、誘電体膜の抵抗性キャパシタンス及び信頼性を改善することが深刻な課題になる。
誘電体膜のエッチング又はアッシングのための現在の技法は、副生成物として水(H2O)を生成するプロセス化学を伴う。水副生成物は、堆積後の誘電体膜内に導入され、それにより、誘電体膜のk値を高める可能性がある。また、酸化銅(CuO)及び化学機械研磨(CMP)残留物を除去するための現在の技法は、アンモニア(NH3)又は水素(H2)プラズマの使用を伴う。メタライゼーション構造のエレクトロマイグレーション及び層間誘電体(ILD)膜の絶縁膜経時破壊(TDDB)を改善するために、酸化銅及びCMP残留物を除去する必要がある。しかしながら、low−k膜をNH3及びH2プラズマに暴露すると、膜構造が変更され、k値が高められる。現在の修復技法は、液相シリル化又は超臨界CO2の使用を伴う。しかしながら、そのような技法は、膜内の凹形フィーチャの側壁損傷を修復するのに有効であることが証明されていない。
したがって、効率を改善し、デバイスサイズを更に小型化できるようにするために、誘電膜を修復してk値を下げるための方法が必要とされている。
本発明による実施形態は、概して、半導体製造のためのlow−k膜を修復し、その誘電率を下げるための方法に関する。
損傷を受けたlow−k誘電体膜を修復する1つの方法は、誘電体膜を紫外線(UV)放射及びシリル化化合物に少なくとも2回交互に暴露することを含む。
別の方法は、誘電体膜をシリル化化合物に暴露することと、誘電体膜上に酸化ケイ素の層を堆積することと、誘電体膜及び酸化ケイ素層を紫外線(UV)放射に暴露することとを含む。
先に記載された特徴を詳細に理解できるように、複数の実施形態を参照することによって、先に簡潔に要約された説明を更に詳細に行うことができ、そのうちの幾つかが添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は典型的な実施形態のみを示しており、それゆえ、その範囲を限定するものと見なされるべきではなく、その説明が他の同等に有効な実施形態を示唆する場合があることに留意されたい。
記述される実施形態は、概して、半導体製造において用いられるlow−k膜を修復し、その誘電率(k値)を下げるための方法に関する。
図1Aは、構造101上に堆積された誘電体膜100を示す。構造101は、例えば、シリコンウエハなどの基板、又は例えば、メタライゼーション若しくはインターコネクト層などの先行して形成された層とすることができる。誘電体膜100は、例えば、SiO2、SiOC、SiON、SiCOH、SiOCNなど、low−k膜を含む多孔性シリコン、又は他の関連する膜とすることができる。誘電体膜100は、その中に形成された細孔102を有する場合がある。
図1Bは、誘電体膜100の中にフィーチャ、例えば、104を形成するために平坦化され、エッチングされた後の誘電体膜100を示す。誘電体膜100は、例えば、化学機械研磨(CMP)プロセスによって平坦化されている場合がある。誘電体膜100は、誘電体膜100の一部をマスクし、誘電体膜100のマスクされていない部分をフッ化水素酸(HF)蒸気から形成されたプラズマと接触させ、例えば、酸素(O2)ガス又はCO2ガスから形成されたプラズマを用いてマスクをアッシングして除去することによってエッチングされている場合がある。
誘電体膜100の平坦化、アッシング及びエッチングのプロセスは、誘電体膜100の中に水素及び/又は水を導入し、それにより、例えば、Si−OH基が形成され、誘電体膜100を親水性にする。誘電体膜100が親水性であることによって、細孔102が水で満たされ、水は、後に、水を含んだ細孔が損傷を受けた細孔103と特定されるような、望ましくない結果を引き起こす。Si−OH基及び損傷を受けた細孔103の両方の存在によって、誘電体膜100のk値が望ましくないほど上昇し、Si−OH又は損傷を受けた細孔103が存在する場所が、損傷を受けたと見なされる。平坦化及びエッチングから損傷を受けた場所は通常、図1Bに示されるように、誘電体膜100の上部に、かつフィーチャ、例えば、104の側壁に位置する。
図1Cは、後に説明される1つ又は複数のプロセスによって修復された後の誘電体膜100を示す。修復プロセスは、損傷を受けた細孔103から水を除去し、それにより、修復された細孔105を生成し、誘電体膜100内のSi−OH基を、例えば、疎水性Si−O−Si(CH3)3基に変換することによって、誘電体膜100のk値を下げる。疎水性Si−O−Si(CH3)3基は、損傷を受けた細孔103から水を追い出すのを助ける。記述される処理プロセスを用いて修復された(それゆえ、修復された誘電体膜になる)損傷を受けた誘電体膜の誘電率(k値)は、修復されない損傷を受けた誘電体膜の誘電率(k値)及び損傷を受けていない誘電体膜の誘電率(k値)(それぞれ陽性対照及び陰性対照として)に比べるときに著しく下げられる。
さらに、結果として修復された誘電体膜は、本明細書において記述される処理及び修復プロセスを用いた後に、損傷を受けた誘電体膜(対照として用いられる)の水接触角に比べて水接触角が増加したことを示す。さらに、FTIR(フーリエ変換赤外線分光法)を用いて、修復された誘電体膜の結合特性を解析するとき、後に記述されるような修復プロセスのうちの1つ又は複数を用いて損傷を受けた誘電体膜を処理した後に(陰性対照としての修復されていない損傷を受けた誘電体膜のFTIR分光法に比べて)、損傷を受けた誘電体膜内に存在する水素結合シラノール基の数が著しく減少している。
一実施形態では、損傷を受けた誘電体膜100は、気相シリル化プロセスによって修復することができる。気相シリル化プロセスは、誘電体膜100を気化したシリル化化合物と接触させて、誘電体膜100内にSi−O−Si(CH3)3基を生成することを含む。シリル化化合物を気化させることによって、シリル化化合物が誘電体膜100の中に深く浸透できるようになる。シリル化化合物は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、テトラメチルジシラザン(TMDS)、トリメチルクロロシラン(TMCS)、ジメチルジクロロシラン(DMDCS)、メチルトリクロロシラン(MTCS)、トリメチルメトキシシラン(TMMS)(CH3−Si−(OCH3)3)、ジメチルジメトキシシラン(DMDMS)((CH3)2−Si−(OCH3)2)、メチルトリメトキシシラン(MTMS)((CH3)3−Si−OCH3)、フェニルトリメトキシシラン(PTMOS)(C6H5−Si−(OCH3)3)、フェニルジメチルクロロシラン(PDMCS)(C6H5−Si−(CH3)2−Cl)、ジメチルアミノトリメチルシラン(DMATMS)((CH3)2−N−Si−(CH3)3)、ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシラン(BDMADMS)又はSi、H及びCを含む他の化合物とすることができる。
気相シリル化プロセスは、誘電体膜100を処理チャンバ内に配置し、シリル化化合物を気化させ、気化したシリル化化合物を処理チャンバの中に流し込むことによって行うことができる。代替的には、シリル化化合物は、処理チャンバ内で気化させることができる。シリル化化合物は、処理チャンバの上側部分に位置決めされるシャワーヘッドを通して処理チャンバに導入することができる。Heなどのキャリアガスを用いて、シリル化化合物の処理チャンバへの導入を助けることができる。さらに、気相シリル化プロセス中に、水などの触媒を追加することができる。気相シリル化プロセスは、6Torrなどの約50mTorrから約500Torrの間の処理チャンバ圧、385℃などの約100℃から約400℃の間の誘電体膜温度、1g/分などの約0.5g/分から約5g/分の間のシリル化化合物流量、及び3分などの約1分から約10分の間の処理時間において行うことができる。処理チャンバ圧は、気相シリル化プロセス中に、例えば、約50Torrから約500Torrの間で変化する場合がある。
別の実施形態では、誘電体膜100は、紫外線(UV)硬化プロセスを用いることによって修復することができる。UV硬化プロセスは、誘電体膜100をUV放射に暴露して、損傷を受けた細孔から水を除去し、誘電体膜100内に上記のSi−O−Si(CH3)3基を生成することを含む。UV硬化プロセスは、誘電体膜100を処理チャンバ内に配置し、誘電体膜100を、そのプロセスを開始し、推進するだけの十分なエネルギーを有するUV放射源に暴露することによって行うことができる。UV放射源は、例えば、UVランプとすることができる。UV放射源は、He又はArなどの不活性ガス環境を有し、UV放射が通り抜けることができる石英窓を有する処理チャンバの外部に位置決めすることができる。また、処理チャンバは、誘電体膜100をUV放射に暴露する前に、又はそれと同時に誘電体膜100を加熱するマイクロ波源も含む場合がある。UV硬化プロセスは、UV放射波長をシミュレートするプラズマを用いて行うこともできる。プラズマは、RFパワーをHe、Ar、O2及びN2などの処理ガスに結合することによって形成することができる。UV硬化プロセスは、6Torrなどの約1Torrから約100Torrの間の処理チャンバ圧、385℃などの約20℃から約400℃の間の誘電体膜温度、16slmなどの約8slmから約24slmの間のプロセスチャンバ環境(非処理)ガス流量、12slmなどの約2slmから約20slmの間の処理ガス流量、500Wなどの約50Wから約1000Wの間のRFパワー、13.56MHzのRFパワー周波数、60秒などの約10秒から約180秒の間の処理時間、1500W/m2などの約100W/m2から約2000W/m2の間のUV放射照度において、約100nmから約400nmの間のUV波長を用いて行うことができる。上記のUV硬化プロセスは、フィーチャ、例えば、104の側壁にある損傷を受けた細孔103を修復するように作用する。
別の実施形態では、誘電体膜100は、上記の気相シリル化プロセスと、その後に、同じく上記のUV硬化プロセスとを用いて修復することができ、その逆も同様である。2つのプロセスはインシトゥで、同じチャンバにおいて行うこともできる。例えば、処理チャンバは、シャワーヘッド及び石英窓を含むことができ、それらの構成要素は一体化して単一の構成要素にすることもできる。
別の実施形態では、誘電体膜100は、UV硬化と、その後の、気相シリル化プロセスと、その後の更なるUV硬化とを含むプロセスを用いて修復することができる。3段階プロセスは、シリル化化合物が損傷を受けた細孔103内に浸透し、修復できるように、損傷を受けた細孔103から水を除去するように機能する。初期UV硬化は、誘電体膜100の表面から、かつフィーチャ、例えば、104の側壁から水を除去し、気相シリル化は膜の疎水性を再生し、更なるUV硬化は誘電体膜100の修復を完了する。そのプロセスは、単一の処理チャンバ内で、又は複数の処理チャンバにおいて行うことができる。
別の実施形態では、誘電体膜100は、インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスによって修復することができる。インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスは、誘電体膜100を処理チャンバ内に配置し、交互に、誘電体膜100をUV放射に暴露し、その後、シリル化化合物と接触させることによって行うことができる。例えば、インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスの一部分では、誘電体膜100に約5秒から約10秒の間にわたってUV放射源を暴露し、その後、暴露を遮断することができる。インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスの別の部分では、先に言及されたシリル化化合物のうちの1つなどの液体又は気化したシリル化化合物を、約5秒から約10秒の間にわたって処理チャンバに流れ込み、誘電体膜100と接触するように制御することができ、その後、その流れを停止することができる。2ステップのインシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスを必要に応じて繰り返して、誘電体膜100の所望の修復を達成することができる。例えば、2ステップのインシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスは、2回、3回、10回など繰り返すことができる。いずれかのステップが修復手順を開始することができ、その後に他方のステップを行うことができることは理解されたい。シリル化化合物は、処理チャンバの上側部分に位置決めされるシャワーヘッドを通して処理チャンバに導入される場合があり、UV放射源は処理チャンバの外部に位置決めされるUVランプとすることができ、処理チャンバは、UV放射が通り抜けることができる石英窓を有することができる。インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスは、6Torrなどの約1Torrから約500Torrの間の処理チャンバ圧、385℃などの約100℃から約400℃の間の誘電体膜温度、1g/分などの約0.5g/分から約5g/分の間のシリル化化合物流量、180秒などの約10秒から約600秒の間の処理時間、1500W/m2などの約100W/m2から約2000W/m2の間のUV放射照度において、約100nmから約400nmの間のUV波長を用いて行うことができる。
別の実施形態では、誘電体膜100は、インシトゥシリル化及びUV硬化プロセスによって修復することができる。インシトゥシリル化及びUV硬化プロセスは、誘電体膜100を処理チャンバ内に配置し、先に言及されたシリル化化合物のうちの1つなどの液体又は気化したシリル化化合物が処理チャンバ内に連続して流れ、誘電体膜100と接触するようにし、誘電体膜100をパルスUV放射に同時に暴露することによって行うことができる。シリル化化合物は、処理チャンバの上側部分に位置決めされるシャワーヘッドを通して処理チャンバに導入される場合があり、UV放射源は処理チャンバの外部に位置決めされるUVランプとすることができ、処理チャンバは、UV放射が通り抜けることができる石英窓を有することができる。インシトゥシリル化及びUV硬化プロセスは、6Torrなどの約1Torrから約500Torrの間の処理チャンバ圧、385℃などの約100℃から約400℃の間の誘電体膜温度、1g/分などの約0.5g/分から約5g/分の間のシリル化化合物流量、180秒などの約10秒から約600秒の間の処理時間、1500W/m2などの約100W/m2から約2000W/m2の間のUV放射照度において、約100nmから約400nmの間のUV波長を用いて行うことができる。
別の実施形態では、誘電体膜100は、シリル化プロセス、低温共形酸化ケイ素堆積プロセス、及びUV硬化プロセスを含む、3段階手順によって修復することができる。シリル化プロセス及びUV硬化プロセスは最初に説明されたシリル化プロセス及びUV硬化プロセスと同様とすることができる。低温共形酸化ケイ素堆積プロセスは、非常に薄い層を堆積するための原子層堆積(ALD)タイプのプロセスである。低温共形酸化ケイ素堆積プロセスでは、誘電体膜100を処理チャンバ内に位置決めし、誘電体膜100をシリコン含有前駆体から形成されるプラズマに暴露することによって、誘電体膜100上に共形シード層が堆積される。その後、共形シードは酸素含有前駆体から形成されるプラズマを用いて処理され、それにより、誘電体膜100上に酸化ケイ素層が形成される。このプロセスは、所望の厚みのシリコン酸化物が形成されるまで繰り返すことができる。
適切なシリコン含有前駆体は、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、メチルジエトキシシラン(MDEOS)、ビス(ターシャルブチルアミノ)シラン(BTBAS)、トリジメチルアミノシラン(TriDMAS)、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、ジブロモシラン、四塩化ケイ素、四臭化ケイ素、又はそれらの組合せを含むことができる。シリコン含有プラズマは、13.56MHz及び/又は350kHzの周波数において約50Wから約3000Wの間のRFパワーにおいて与えられる。RFパワーは、シャワーヘッド、すなわち、ガス分配アセンブリ、及び/又はチャンバ内の基板支持体に与えることができる。シャワーヘッドと基板支持体との間の間隔は、約350ミルから約800ミルの間など、約230ミルよりも大きくすることができる。
シリコン含有前駆体は、オプションで、ヘリウム、窒素、酸素、亜酸化窒素及びアルゴンなどのキャリアガスを含むことができる。シリコン含有前駆体は、約5sccmから約1000sccmの間の流量において導入することができる。オプションのキャリアガス、例えば、ヘリウムは、約100sccmから約20000sccmの間の流量において導入することができる。シリコン含有前駆体、例えば、オクタメチルシクロテトラシロキサンの流量と、キャリアガス、例えば、ヘリウムの流量との比は、約1:1から約1:100の間など、約1:1以上である。処理チャンバ圧は、約1.8Torrから約10Torrの間など、約5mTorr以上とすることができ、誘電体膜100の温度は、約125℃から約580℃の間とすることができ、より詳細には、その温度は約200℃から約400℃の間であり、その間に、シリコン含有前駆体が処理チャンバに流れ込んでおり、共形シード層を堆積する。
シリコン含有前駆体は、約5オングストロームから約2000オングストロームの間の厚みを有する層を堆積するのに十分なプロセス時間にわたってチャンバ内に流れ込むように制御することができる。例えば、シリコン含有前駆体は、約0.1秒から約120秒の間にわたってチャンバに流れ込むように制御することができる。
適切な酸素含有前駆体は、酸素(O2)ガス又は亜酸化窒素(N2O)を含むことができる。酸素含有前駆体は、約100sccmから約20000sccmの間の流量においてチャンバ内に導入することができる。酸素含有前駆体は、約0.1秒から約120秒の間などのプロセス時間にわたってチャンバに流れ込むように制御することができる。酸素プラズマは、13.56MHz及び/又は350kHzの周波数においてチャンバ内に約50Wから約3000Wの間のRFパワーを加えることによって与えることができる。チャンバ圧は、約5mTorrから約10Torrの間とすることができ、誘電体膜100の温度は、約125℃から約580℃の間とすることができ、その間に、酸素含有前駆体がチャンバ内に流れ込んでいる。炭素含有プラズマプロセスのために適した処理チャンバは、Santa Clara,CAにあるApplied Materials,Inc.から市販されるPRODUCER(登録商標)SNOW PECVDチャンバである。上記の3段階手順は、先に論じられたエッチング、アッシング又は平坦化プロセス中に亀裂が生じる恐れがある損傷を受けた細孔を封止するのに有利である。
別の実施形態では、誘電体膜100は、炭素含有プラズマプロセスによって修復することができる。炭素含有プラズマプロセスは、誘電体膜100を処理チャンバ内に配置し、炭化水素前駆体ガスなどの炭素含有前駆体ガスが処理チャンバ内に流れ込むようにし、炭素含有前駆体ガスにRFパワーを結合して、プラズマを形成し、誘電体膜100を炭素含有プラズマと接触させることによって行うことができる。炭化含有前駆体ガスは、エチレン、アセチレン、ブタジエン、α−テルピネン(A−TRP)、メタン、ビシクロヘプタジエン(BCHD)又は他の関連する化合物を含むことができる。炭素含有プラズマは、処理チャンバの上側部分に位置決めされるシャワーヘッドを通して処理チャンバに導入することができる。炭素含有プラズマプロセスのために適した処理チャンバは、Santa Clara,CAにあるApplied Materials,Inc.から市販されるPRODUCER(登録商標)PECVDチャンバである。炭素含有プラズマプロセスは、10Torrなどの1Torrから50Torrの間の処理チャンバ圧、300℃などの約20℃から約400℃の間の誘電体膜温度、1000sccmなどの約10sccmから約5000sccmの間の炭素含有前駆体ガス流量、300Wなどの約10Wから約1000Wの間のRFパワー、13.56MHzなどの0.01MHzから300MHzの間のRF周波数、及び60秒などの約5秒から約600秒の間の処理時間において行うことができる。
図2A〜図2Cは、上記の修復プロセスを用いる利点を示す。図2Aには、種々の誘電体膜の水接触角が示される。損傷を受けていない誘電体膜は、概して高い水接触角、例えば、図2Aのデータ列7に示されるように102.5度を示し、相対的に疎水性である。損傷を受けた誘電体膜は、概して、損傷を受けていない誘電体膜に比べて、低い水接触角を示す。例えば、図2Aのデータ列1及び3に示されるような2つの例示的な損傷を受けた誘電体膜の水接触角は7.5度及び13度であり、それゆえ、損傷を受けた誘電体膜は相対的に親水性である。
図2Aのデータ列2は、その修復前の条件がデータ列1に示される、損傷を受けた誘電体膜上で上記の気相シリル化プロセスを使用した後に、少なくとも約82.6度まで復元された損傷を受けた誘電体膜の水接触角の一例を示す。図2Aのデータ列4は、その修復前の条件がデータ列3に示される、損傷を受けた誘電体膜上で上記の別の気相シリル化プロセスを使用した後に、少なくとも約76.2度まで復元された損傷を受けた誘電体膜の水接触角の別の例を示す。図2Aのデータ列5は、その修復前の条件がデータ列3に示される、損傷を受けた誘電体膜上で上記のUV硬化プロセスを使用した後に、少なくとも約28.92度まで復元された損傷を受けた誘電体膜の水接触角の別の例を示す。
図2Aのデータ列6は、その修復前の条件がデータ列3に示される、損傷を受けた誘電体膜上で上記の別の気相シリル化プロセス及びインシトゥUV硬化プロセスを同時に使用した後に、少なくとも約96.3度まで復元された損傷を受けた誘電体膜の復元された水接触角の別の例を示す。データ列6の修復された誘電体膜の復元された水接触角は、驚くことに、データ列2、4及び5に示されるような例よりもはるかに良好であり、データ列7の損傷を受けていない誘電体膜の水接触角(102.5度)に相対的に近い。図2Aの結果は、損傷を受けた誘電体膜(対照として用いられる)の水接触角に比べて、本明細書において記述される処理プロセスを用いるときに誘電体膜の水接触角が高いことを示す。
図2Bには、種々の誘電体膜の誘電率(k値)が示される。損傷を受けていないlow−k誘電体膜は、概して低い誘電率を示す。一例では、損傷を受けていないlow−k誘電体膜は、データ列10に示されるような2.21のk値を有するが、損傷を受けていないlow−k誘電体膜は、その誘電体膜を、損傷を受けた誘電体膜に変更する(変換する)種々の異なる処理によって損傷を受ける場合があり、損傷を受けた誘電体膜の一例としてデータ列1では2.62のk値を有し、損傷を受けた誘電体膜の別の例としてデータ列5では2.52のk値を有する。したがって、幾つかの堆積後処理プロセスが、low−k誘電体膜を損傷する可能性があり、結果として損傷を受けた誘電体膜の誘電率(k値)は、損傷を受けていない誘電体膜の誘電率よりも10%から20%高い。
図2Bのデータ列2及び6は、その修復前の条件が列1及び5にそれぞれ示される(2.62及び2.52のk値)、損傷を受けた誘電体膜の例において上記の1つの気相シリル化プロセスを使用した後に、損傷を受けた誘電体膜の誘電率が少なくとも約2.54及び約2.43まで復元された例を示す。データ列2及び6における修復された誘電体膜の2.54及び2.43のk値は、データ列10における損傷を受けていない誘電体膜の2.21のk値に比べて依然として高すぎる。その結果は、気相シリル化プロセスが損傷を受けた誘電体膜の誘電率を修復し、損傷を受けた誘電体膜の誘電率値を約2%から約6%の間だけ下げることを示す。
図2Bのデータ列7は、その修復前の条件が列5に示される、損傷を受けた誘電体膜の例において上記のUV硬化プロセスを使用した後に、損傷を受けた誘電体膜の誘電率が少なくとも約2.45まで復元された一例を示す。その結果は、UV硬化プロセスが、損傷を受けた誘電体膜のk値を復元する際にシリル化プロセスに匹敵し、概して、損傷を受けた誘電体膜の誘電率値を約2%から約6%の間だけ下げることを示す。
図2Bのデータ列3及び8は、その修復前の条件が列1及び5にそれぞれ示される、損傷を受けた誘電体膜上で気相シリル化プロセス及びUV硬化プロセスを連続して使用する2つの例を示す。シリル化プロセス及びUV硬化プロセスを組み合わせた連続処理は、損傷を受けた誘電体膜を復元及び修復し、損傷を受けた誘電体膜のk値を下げる。さらに、シリル化プロセス及びUV硬化プロセスを組み合わせた連続処理を用いることによって、データ列3及び8に示されるような、修復された誘電体膜の2.4及び2.36の結果的なk値は、シリル化プロセス又はUV硬化プロセスのいずれかの単一の処理ステップのみを使用する、データ列2、6及び7の修復された誘電体膜の2.54、2.43及び3.45のk値よりも低い。
さらに、多段階方式を用いるとき、すなわち、その上に損傷を受けた誘電体膜を有する基板のインシトゥ処理が1つのプロセスチャンバ内で同時に実行されるとき、単一の処理ステッププロセスのみを使用する場合よりもはるかに良好に、損傷を受けた誘電体膜を復元及び修復することができる。基板の多段階インシトゥ処理は、例えば、プロセスチャンバから基板を取り出すことなく、所定の処理時間にわたって、気相シリル化プロセス及びインシトゥUV硬化プロセスに基板を同時に暴露することができる。別の例は、インシトゥパルスシリル化及びUV硬化プロセスに基板を同時に暴露し、例えば、所定の処理時間にわたって(例えば、連続的に、又は短い5秒から10秒のパルスで)気相シリル化化合物に、かつ別の処理時間(例えば、連続的に、又は短い5秒から10秒のパルスで)インシトゥUV硬化プロセスに基板を暴露する。
図2Bのデータ列4及び9は、インシトゥ気相シリル化プロセス及びUV硬化プロセスを用いる(例えば、その修復前の条件がデータ列1及び5に示される損傷を受けた誘電体膜を有する基板を気相シリル化化合物及びUV放射で同時に処理する)2つの例の結果を示す。修復された誘電体膜の誘電率(k値)は、データ列1及び5の開始時の損傷を受けた誘電体膜のそれぞれの誘電率2.62及び2.52に比べて、データ列4及び9に示されるように約2.38及び約2.32である。データ列4及び9の結果は、インシトゥシリル化及びUV硬化プロセスが、連続して組み合わせたシリル化及びUV硬化プロセスよりも良好であり、損傷を受けた誘電体膜の誘電率を約6%から約20%の間だけ下げることを示す。インシトゥ気相シリル化及びUV硬化プロセスは、損傷を受けた誘電体膜の誘電率を下げることができるだけでなく、誘電率値が損傷を受けていない誘電体膜の2.21の元のk値に匹敵する程度まで、損傷を受けた誘電体膜を修復及び復元することができる。
図2Cは、損傷を受けた誘電体膜(陰性対照として用いられる)のFTIR(フーリエ変換赤外線分光法)と比べて、本明細書において記述される1つ又は複数の処理/修復プロセスで処理された誘電体膜の水素結合シラノール基が減少したことを示すFTIR分光法の結果のプロットを示す。図2Cでは、破線が損傷を受けた誘電体膜(陰性対照レベルを設定する)のFTIR結果を示しており、約3000(cm−1)から約3500(cm−1)の波数における高い吸収を示し、Si−OH結合の数が多いことを示す。一点鎖線は、上記のシリル化プロセスを用いて修復された誘電体膜のFTIR結果を示しており、損傷を受けた陰性対照レベルと比べて、Si−OH結合が減少したことを示す。
図2Cにおいて、実線は上記のインシトゥシリル化及びUV硬化プロセスを用いて修復された誘電体膜のFTIR結果を示しており、単一のシリル化処理プロセス(一点鎖線)及び損傷を受けた陰性対照(破線)のFTIR結果と比べて、S−OH結合が減少したことを示す。約3000(cm−1)から約3500(cm−1)の波数における吸収の著しい減少は、Si−OH結合の数が減少したことを示しており、例えば、Si−OH結合は、Si−O−Si(CH3)3及び他の結合に変換される場合がある。
誘電体膜100が修復された後に、半導体基板の製造を続けるために、後続のプロセスが実行される場合がある。例えば、図1Dに示されるように、誘電体膜100のフィーチャ、例えば、104内に拡散障壁層106が堆積される場合があり、その後、フィーチャ、例えば、104内に、例えば、銅又は銅合金などの金属材料107が堆積される場合がある。金属材料107を平坦化し、金属材料107から、平坦化中に形成される場合がある任意の酸化物を除去することが必要とされる場合がある。一般的な金属酸化物除去技法は、水素又はアンモニアプラズマの使用を伴う。図1Eに示されるように、平坦化及び/又は金属酸化物除去プロセスが、誘電体膜100の表面に再び損傷を与える場合がある。図1Fに示されるように、誘電体膜100は、上記の修復プロセスのいずれかを用いて修復することができる。
上記の修復プロセスは、損傷を受けた誘電体膜のk値を実効的に下げ、半導体デバイスフィーチャの継続的な縮小化を可能にする。
上述の説明は、上記の実施形態を対象とするが、本発明による他の実施形態及び更なる実施形態も、その基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は添付の特許請求の範囲によって決定される。
Claims (15)
- 損傷を受けた誘電体膜を修復する方法であって、
前記損傷を受けた誘電体膜をその上に有する基板を処理チャンバ内に配置することと、
シリル化化合物を気化させて、気化されたシリル化化合物の流れにすることと、
前記処理チャンバから前記基板を取り出すことなく、前記基板をその中に有する同じ処理チャンバ内で、第1の処理時間にわたって前記処理チャンバ内で前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露し、第2の期間にわたって前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露することと
を含む方法。 - 1つ又は複数の不活性ガスを前記処理チャンバに流し込むことを更に含む、請求項1に記載の方法。
- He、Ar、O2又はN2ガスのうちの少なくとも1つから前記処理チャンバ内にプラズマを形成すること
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露する前に、又は暴露するのと同時に、前記損傷を受けた誘電体膜をその上に有する前記基板を約100℃から約400℃の間の基板温度まで加熱すること
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露する前に、又は暴露するのと同時に、前記基板は、前記気化されたシリル化化合物の前記流れに暴露される、請求項1に記載の方法。
- 前記シリル化化合物は、前記処理チャンバに流れ込む前に、又は流れ込んだ後に気化されて気相になる、請求項1に記載の方法。
- 前記シリル化化合物は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、テトラメチルジシラザン(TMDS)、トリメチルクロロシラン(TMCS)、ジメチルジクロロシラン(DMDCS)、メチルトリクロロシラン(MTCS)、トリメチルメトキシシラン(TMMS)(CH3−Si−(OCH3)3)、ジメチルジメトキシシラン(DMDMS)((CH3)2−Si−(OCH3)2)、メチルトリメトキシシラン(MTMS)((CH3)3−Si−OCH3)、フェニルトリメトキシシラン(PTMOS)(C6H5−Si−(OCH3)3)、フェニルジメチルクロロシラン(PDMCS)(C6H5−Si−(CH3)2−Cl)、ジメチルアミノトリメチルシラン(DMATMS)((CH3)2−N−Si−(CH3)3)、ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシラン(BDMADMS)及びその組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の処理時間は、約10秒から約600秒の間である、請求項1に記載の方法。
- 前記UV放射は約100nmから約400nmの間のUV波長で、かつ約100W/m2から約2000W/m2の間のUV放射パワーでUV放射源から生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記処理チャンバ内で前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露し、前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露する前に、前記基板をUV硬化プロセスに暴露すること
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記処理チャンバ内で前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露し、前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露することは、
パルス単位で、連続的に、前記第1の処理時間にわたって前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露し、前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露することを含み、各パルスは約5秒から約10秒の間である、請求項1に記載の方法。 - 前記処理チャンバ内で前記気化されたシリル化化合物の前記流れに前記基板を暴露し、前記基板を紫外線(UV)放射にインシトゥで暴露することは、
前記基板を5秒から10秒の間のパルスにわたって前記気化されたシリル化化合物に、5秒から10秒の間のパルスにわたって前記紫外線(UV)放射に、交互に暴露することと、
前記基板を前記気化されたシリル化化合物の前記流れ、及び前記紫外線(UV)放射に、交互に暴露することを繰り返すことと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記損傷を受けた誘電体膜をその上に有する前記基板上に酸化ケイ素の層を堆積すること
を更に含み、前記酸化ケイ素の層を堆積することは、
シリコン含有前駆体からプラズマを形成して、前記基板上にシリコン含有化合物を堆積することと、
前記堆積されたシリコン含有化合物を有する前記基板を酸素含有プラズマに暴露することと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記シリコン含有前駆体は、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、メチルジエトキシシラン(MDEOS)、ビス(ターシャルブチルアミノ)シラン(BTBAS)、トリジメチルアミノシラン(TriDMAS)、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、ジブロモシラン、四塩化ケイ素、又は四臭化ケイ素を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記基板を前記酸素含有プラズマに暴露することは、
O2、N2O及びその組合せからなる群から選択される酸素含有前駆体からプラズマを形成すること
を含む、請求項13に記載の方法。
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