TW202242179A - 用於先進技術節點之單一前驅物低k薄膜沉積及uv固化 - Google Patents

用於先進技術節點之單一前驅物低k薄膜沉積及uv固化 Download PDF

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Abstract

描述形成具有降低的介電常數、降低的CHx含量、及增加的硬度之低k薄膜的方法。使用包括O-Si-O鍵結的矽氧烷前驅物而使基板表面上有矽氧烷薄膜及使用紫外線光固化矽氧烷薄膜。

Description

用於先進技術節點之單一前驅物低K薄膜沉積及UV固化
本發明的實施例關於沉積矽氧化物薄膜的方法。更具體地，本發明的實施例提供在電子裝置的製造期間，且尤其是積體電路(IC)的製造期間之帶有沉積後紫外線(UV)固化之沉積單一前驅物的矽氧化物薄膜之方法。
積體電路已經進化成在單一晶片上可包括數百萬個電晶體、電容、及電阻的複雜裝置。晶片設計的進化持續地要求更快速的電路及更大的電路密度。對於具有更大的電路密度之更快速的電路之要求在用於製造此類積體電路的材料上施加相應的要求。尤其，由於積體電路部件的尺度被減少，必須使用低電阻導電材料及低介電常數絕緣材料以從這類部件獲得合適的電氣效能。
在包括半導體處理、半導體製造設備、擴散阻障塗層、及用於磁性讀/寫頭的各種產業中，在基板表面上的薄膜沉積是重要的處理。在半導體產業中，作為一實例，微型化要求薄膜沉積的原子層級控制，以在高深寬比結構上產生均勻塗層。
原子層沉積(ALD)與電漿增強ALD(PEALD)是提供薄膜厚度與均勻度的控制之沉積技術。大多數的ALD處理是基於二元反應順序，其中兩種表面反應的每一者相繼地發生。因為表面反應是相繼的，兩種氣相反應不接觸，及會形成與沉積顆粒的可能氣相反應被限制。由於在半導體產業中的持續減少裝置尺度，有著對於使用ALD/PEALD的應用的增加關注。
低k矽系介電薄膜對於微電子製造是重要的。歷史上，已經藉由在爐腔室中的ALD來沉積矽系低k薄膜。為了達成期望的膜性質，薄膜需要在高於500 °C的溫度下沉積。隨著在每個晶片節點持續減少的熱預算，有著對於在低於500 °C的溫度下沉積低k薄膜的需求。多種前驅物需求多個步驟以達成半導體製造所需的物理性質，但從而導入每個額外步驟之損害先進節點的風險。
因此，有著對於產生具有改良的機械性質之低k薄膜且在沉積與固化這些薄膜的期間不損害BEOL結構的單一前驅物PECVD處理的需求。
本發明的一或多個實施例關於形成低k薄膜的方法。一種矽氧烷薄膜藉由將基板表面暴露至包含O-Si-O鍵結的矽氧烷前驅物而在基板表面上沉積。此矽氧烷薄膜具有初始CHx含量及初始介電常數。此矽氧烷薄膜藉由將矽氧烷薄膜暴露紫外線光而固化以形成低k薄膜。低k薄膜具有固化CHx含量及固化矽籠部(silicon cage)對於矽網路(silicon network)比率，固化CHx含量低於初始CHx含量。
本發明的額外實施例關於形成低k薄膜的方法。一種矽氧烷薄膜藉由將基板表面暴露至帶有在200 °C至350 °C的範圍中的溫度下在50 W至1000 W的範圍中的功率之高頻RF電漿的包含O-Si-O鍵結的矽氧烷前驅物而沉積在基板表面上。此矽氧烷薄膜具有大於4.5%的初始CHx含量、小於2 GPa的硬度及大於3.5的初始介電常數。此矽氧烷薄膜藉由在150 °C至400 °C的範圍中的溫度下之3托至100托的範圍中的壓力的包含氦與氬的惰性環境中將矽氧烷薄膜暴露紫外線光持續1分鐘至10分鐘的範圍中的時間而被固化以形成低k薄膜，此低k薄膜具有固化CHx含量及固化矽籠部對於矽網路比率，固化CHx含量小於初始CHx含量。
在說明本發明的數個範例實施例之前，將理解到本發明不侷限於接下來的說明書中所述的架構或處理步驟的細節。本發明能夠是其他的實施例且以各種方式實行或執行。
本文所使用的「基板」指稱在製造處理期間，薄膜處理執行在其上方的任何基板或形成在基板上的材料表面。例如，上方可執行處理的基板表面包括材料，諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽(SOI)、碳摻雜氧化矽、非晶矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、氮化鎵、玻璃、藍寶石、及任何其他材料，諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金、及其他導電材料，取決於應用。基板不受限地包托半導體晶圓。基板可暴露至預處理製程以拋光、蝕刻、還原、氧化、羥基化、退火、及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上的薄膜處理，在本發明中所揭示的任何薄膜處理步驟也可執行在形成在基板上的下方層上，如之後更詳細說明的，及用語「基板表面」意於包括如上下文所指示的此下方層。作為一實例，其中薄膜/層或部分的薄膜/層已經沉積至基板表面上，新沉積的薄膜/層的暴露表面成為基板表面。
在本說明書與申請專利範圍中使用時，用語「前驅物」、「反應物」、「反應氣體」、及類似物可互換地使用以指稱可與基板表面反應的任何氣態物種。
本發明的實施例提供對於形成低k薄膜的現行產業標準之替代方法。已經出乎意料地發現到矽氧烷薄膜的單一前驅物沉積達成與那些兩種前驅物沉積薄膜類似的k值，但卻具有相較於那些以兩種前驅物形成的膜更高的機械強度。
本發明一或多個實施例有利地提供有機矽氧烷前驅物，用於在先進技術節點之後段製程(BEOL)的小裝置尺寸/特徵上沉積薄膜。一些實施例有利地提供在UV固化之後具有小於3.5的k及改良機械強度的薄膜。
一些實施例能夠更安全、更有效、及更具成本效益地沉積SiCO薄膜及UV固化薄膜，以降低CHx含量和解離有機物種。CHx含量與有機物種的減少導入孔隙度與改善薄膜的機械性質，同時維持薄膜的低K且不損害BEOL結構。
參照第1圖與第2圖，本發明的一或多個實施例提供用於在基板200上形成低k薄膜的方法100。具有基板表面205的基板200定位在處理腔室250中且與噴淋頭260間隔開距離D。
在操作110，藉由將基板表面205暴露至矽氧烷前驅物，矽氧烷薄膜210沉積在基板表面205上。矽氧烷前驅物包含O‑Si‑O鍵結及能夠在所利用的沉積狀態下沉積至基板表面205上。在一些實施例中，矽氧烷前驅物能夠在帶有共反應物或沒有共反應物的化學氣相沉積(CVD)狀態下沉積薄膜。在一些實施例中，矽氧烷前驅物在基板表面205上熱分解。在一些實施例中，矽氧烷前驅物包含一個O-Si-O部分(moiety)。在一些實施例中，矽氧烷前驅物包含兩個或更多個一O-Si-O部分。
合適CVD沉積前驅物包括但不限於通式為Si (x)O (x-1)R 1R 2R 3之矽氧烷，其中每一個R獨立地選自氫、烷基酯基團、與烷基團、芳基酯基團、芳基團、乙烯基、醯基酯基團、醯基團、或組合及/或前述物的組合。合適前驅物的實例包括但不限於甲基二乙氧基矽烷(methyldiethoxysilane)(I)、二甲基四甲氧基二矽氧烷(dimethyltetramethoxydisiloxane)(II)、二甲基二甲氧基矽烷(dimethyldimethoxysilane)(III)、八甲基環四矽氧烷(octamethylcyclotetrasiloxane)(IV)、及乙烯基甲基二甲氧基矽烷(vinylmethyldimethoxysilane)(V)。
Figure 02_image001
(I)
Figure 02_image003
(II)
Figure 02_image005
(III)
Figure 02_image007
(IV)
Figure 02_image009
(V)
在一些實施例中，矽氧烷薄膜210在100 °C至450 °C的範圍中的溫度下沉積。在一些實施例中，矽氧烷薄膜210在150 °C至400 °C、或200 °C至350 °C、或250 °C至300 °C的溫度下沉積。
在一些實施例中，矽氧烷薄膜在0.5托至500托的範圍、或在1托至400托的範圍、或在10托至300托的範圍、或在50托至200托的範圍中的壓力下沉積。
在一些實施例中，使用高頻RF(HFRF)電漿沉積矽氧烷薄膜210。以此方式使用時，用語「高頻」意指大於或等於13.56 MHz。在一些實施例中，HFRF電漿具有在50 W至1000 W的範圍、或在100 W至750 W的範圍、或在200 W至500 W的範圍中的功率。
在矽氧烷薄膜210的沉積期間，基板表面205在處理腔室250中定位成離噴淋頭260一距離。在一些實施例中，基板表面205與噴淋頭260間隔開200密耳至1000密耳的一數量。
矽氧烷薄膜210具有初始CHx含量、初始介電常數(k)、初始矽籠部對於矽網路比率、及初始硬度。基於FTIR峰值，一些實施例的初始CHx含量大於4.5%。在一些實施例中，初始CHx含量大於或等於5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%、8%、8.5%、9%、9.5%或10%。矽氧烷薄膜的初始介電常數大於3.5。在一些實施例中，矽氧烷薄膜210的初始介電常數大於或等於3.55、3.6、3.65、3.7、3.75、3.8、3.85或3.9。矽氧烷薄膜210的初始硬度小於或等於2 GPa、1.9 GPa、1.8 GPa、1.7 GPa、1.6 GPa或1.5 GPa。
在一些實施例中，矽氧烷前驅物在載氣中流動。載氣可為不與矽氧烷前驅物反應的任何合適氣體。在一些實施例中，氧(O 2)在矽氧烷薄膜210的沉積期間與載氣共伴流。一些實施例的載氣以50 sccm至5000 sccm的範圍中的速率流動。一些實施例中的氧氣以＞0 sccm至500 sccm的範圍中的速率流動。在一些實施例中，沒有與載氣共伴流的氧氣。
使用寬帶UV源，當作用在沉積膜的Si-O-Si網路上時，有機物種可被有效地解離及導入孔隙度以改善機械性質，同時維持低k值。在操作120，矽氧烷薄膜210被固化以形成低k薄膜220。矽氧烷薄膜110的固化包含將矽氧烷薄膜110暴露至紫外(UV)光以形成低k薄膜120。固化的矽氧烷薄膜或低k薄膜220具有固化CHx含量、固化矽籠部對於矽網路含量、固化介電常數及固化硬度。
在一些實施例中，在75 °C至500 °C、或100 °C至450 °C、或150 °C至400 °C、或200 °C至350 °C的範圍中的溫度下藉由UV光固化矽氧烷薄膜210。在一些實施例中，矽氧烷薄膜210暴露至UV光持續1分鐘至10分鐘、或2分鐘至9分鐘的範圍中的時間。
在一些實施例中，矽氧烷薄膜210在惰性環境中固化。在一些實施例中，惰性環境在3托至100托的範圍中的壓力下、或5托至95托、或10托至90托、或15托至85托、或大於5托、10托、15托或20托。在一些實施例中，惰性環境包含氦(He)與氬(Ar)氣。一些實施例的氦氣以1000 sccm至20000 sccm的範圍中的速率流動。一些實施例的氬氣以1000 sccm至20000 sccm的範圍中的速率流動。
在固化之後，一些實施例的低k薄膜具有固化CHx含量在範圍為1.25%至4.5%、或1.5%至4.25%或1.75%至4.2%、或2%至3.9%或2.2%至3.8%。在一些實施例中，固化CHx含量小於4.5%、4%、3.5%、3%或2.5%。固化CHx含量比初始CHx含量小上大於或等於0.25%、0.5%、0.75%、或1%的絕對值。
在一些實施例中，低k薄膜220具有介電常數在範圍為2.3至3.5、或2.5至3.0、或3.0至3.2、或2.3至2.8、或在範圍為2.4至2.8、或2.5至2.7或2.5至2.65。在一些實施例中，低k薄膜220具有固化介電常數小於2.8、2.75、2.7、2.65、2.6、2.55或2.5。在一些實施例中，固化介電常數比初始介電常數小上大於或等於0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或0.8。
在一些實施例中，低k薄膜具有固化硬度在範圍為1.0 GPa至2.5 GPa、或1.5 GPa至2.0 GPa、或2.0 GPa至7.5 GPa、或2.5 GPa至7 GPa、或3 GPa至6.5 GPa、或大於2.0 GPa、2.5 GPa、3 GPa或3.5 GPa。在一些實施例中，固化硬度比初始硬度大上大於或等於0.5 GPa、1 GPa、1.5 GPa或2 GPa的一數量。
貫穿本說明書之參照「一實施例(one embodiment)」、「一些實施例」、「一或多個實施例」、或「一實施例(an embodiment)」意指關於此實施例所述的特定特徵、結構、材料、或特性被包括在本發明的至少一實施例中。因此，在貫穿本說明書的各種地方出現的諸如「在一或多個實施例中」、「在一些實施例中」、「在一實施例中(in one embodiment)」、或「在一實施例中(in an embodiment)」之片語並不必然指稱本說明書的同一個實施例。再者，特定特徵、結構、材料、或特性可以任何合適方式組合在一或多個實施例中。
雖然在此已經參照特定實施例來說明本發明，將理解到這些實施例僅為本發明的原理與應用的例示。在不背離本發明的精神與範疇下，可對本發明的方法與設備進行各種修改與變動，對於本領域的通常知識者會是顯而易見的。因此，意欲本發明包括落在申請專利範圍及其等效物的範疇內的修改與變化。
100:方法 110:操作 120:操作 200:基板 205:基板表面 210:矽氧烷薄膜 220:低k薄膜 250:處理腔室 260:噴淋頭 D:距離
藉由參照其中的一些繪示在隨附圖式中的實施例，可獲得簡短總結於上之本發明的更具體的說明，使得本發明的上述特徵可以此方式被詳細地理解。然而，將注意到隨附圖式僅繪示本發明的典型實施例且因而不被當作限制本發明的範疇，本發明可允許其他等效實施例。本文所述的實施例經繪示作為實例且不侷限於隨附圖式中的圖示，相同元件符號在隨附圖式中指示類似元件。
第1圖繪示根據本發明的一或多個實施例之形成低k薄膜的方法；及
第2圖繪示根據本發明的一或多個實施例之在低k薄膜的形成期間之基板的剖面圖解視圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
110:操作
120:操作
200:基板
205:基板表面
210:矽氧烷薄膜
220:低k薄膜
250:處理腔室
260:噴淋頭
D:距離

Claims (20)

  1. 一種形成一低k薄膜的方法，該方法包含以下步驟： 藉由將一基板表面暴露至包含O-Si-O鍵結的一矽氧烷前驅物，在該基板表面上沉積一矽氧烷薄膜，該矽氧烷薄膜具有一初始CHx含量及一初始介電常數；及 藉由將該矽氧烷薄膜暴露至紫外線光來固化該矽氧烷薄膜，以形成一低k薄膜，該低k薄膜具有一固化CHx含量與固化矽籠部(silicon cage)對於矽網路(silicon network)比率，該固化CHx含量低於該初始CHx含量。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該矽氧烷薄膜在100 °C至450 °C的範圍中的一溫度下沉積。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該矽氧烷薄膜在0.5托至500托的範圍中的一壓力下沉積。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該基板表面藉由200密耳至1000密耳的範圍中的一數量與一噴淋頭間隔開。
  5. 如請求項1所述之方法，其中使用在50 W至1000W的範圍中的一功率的一高頻RF電漿沉積該矽氧烷薄膜。
  6. 如請求項1所述之方法，其中固化該矽氧烷薄膜發生在75 °C至500 °C的範圍中的一溫度下。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該矽氧烷薄膜暴露至該紫外線光持續在1分鐘至10分鐘的範圍中的一時間。
  8. 如請求項1所述之方法，其中在3托至100托的範圍中的一壓力下的一惰性環境中固化該矽氧烷薄膜。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該惰性環境包含氦與氬。
  10. 如請求項9所述之方法，其中氦以1000 sccm至20000 sccm的範圍中的一速率流動。
  11. 如請求項9所述之方法，其中氬以1000 sccm至20000 sccm的範圍中的一速率流動。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該初始CHx含量大於4.5%。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該固化CHx含量在1.25%至4.5%的範圍中。
  14. 如請求項1所述之方法，其中該初始介電常數大於3.5。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該低k薄膜具有在2.8至3.5的範圍中的一介電常數。
  16. 如請求項1所述之方法，其中該矽氧烷薄膜具有小於2 GPa的一硬度。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該低k薄膜具有在2.0 GPa至7.5 GPa的範圍中的一硬度。
  18. 如請求項1所述之方法，其中該矽氧烷前驅物包含以下的一者或多者：
    Figure 03_image001
    、
    Figure 03_image003
    、
    Figure 03_image005
    、
    Figure 03_image009
    、或
    Figure 03_image007
    。
  19. 一種形成一低k薄膜的方法，該方法包含以下步驟： 藉由將一基板表面暴露至帶有在200 °C至350 °C的範圍中的一溫度下具有50 W至1000 W的範圍中的一功率之一高頻RF電漿的包含O-Si-O鍵結的一矽氧烷前驅物，在該基板表面上沉積一矽氧烷薄膜，該矽氧烷薄膜具有大於4.5%的一初始CHx含量、小於2 GPa的一硬度、及大於3.5的一初始介電常數；及 藉由在3托至100托的範圍中的一壓力、150 °C至400 °C的範圍中的一溫度下之包含氦與氬的一惰性環境中將該矽氧烷薄膜暴露至紫外線光持續1分鐘至10分鐘的範圍中的一時間來固化該矽氧烷薄膜，以形成一低k薄膜，該低k薄膜具有一固化CHx含量與固化矽籠部對於矽網路比率，該固化CHx含量低於該初始CHx含量。
  20. 如請求項19所述之方法，其中該低k薄膜具有在1.25%至4.5%的範圍中的一固化CHx含量、2.8至3.5的範圍中的一介電常數、2.0 GPa至7.5 GPa的範圍中的一硬度。
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