CN101005023A - 低介电常数介电层的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低介电常数介电层的形成方法，包括：于一衬底上形成一材料层，材料层包括一生孔剂散布于一未固化的基材中；以具有一第一波长的放射线照射材料层使未固化的基材内形成细孔；以及以一具有第二波长的放射线照射材料层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件的制造方法，且特别涉及一种多孔性(porous)的低介电常数(low-k)介电层的制造方法。
背景技术
随着半导体元件的密度增加，电阻/电容时间延迟(RC time delay)现象对集成电路的影响更大。常见技术使用低介电常数的介电材料以减少电阻/电容延迟时间。低介电常数介电材料经常用于金属层间介电层(IMD)及层间介电层(ILD)。然而，这些低介电常数介电材料却带来制程上的问题，特别是在金属内连线(interconnects)工艺中。
在制作金属内连线时，金属的图案化及蚀刻过程通常使用高能量等离子体。并且对低介电常数介电材料实施光刻蚀刻工艺中，先以光致抗蚀剂作为掩模对介电材料进行蚀刻，再以高能量等离子体移除光致抗蚀剂层。低介电常数介电材料由于较软以及化学稳定性不良等因素，很容易在等离子体处理中受到损害。等离子体对其造成的损害往往导致漏电流增加、击穿电压降低以及介电材料的介电常数提高。
常见技术常使用的一种低介电常数介电材料是多孔性介电材料(porousdielectric)。多孔性介电材料是由可热固化(thermally cured)的基材(matrix)材料以及可热裂解(thermally degradable)的生孔剂(porogen)所组成。此多孔性介电材料的制作步骤通常先以旋涂式(spin on)沉积法形成低介电常数前体(precursor)材料，再经过热固化步骤以形成多孔性介电材料。在固化工艺中介电材料的基材(matrix)发生交联反应(cross link)，并且生孔剂因裂解而形成细孔(pore)。生孔剂于固化时产生的挥发性副产品自介电材料向外扩散而留下纳米细孔(nanopore)。
Waldfried et.al.于美国专利第6,756,085号揭示一种紫外光(UV)固化法，其可降低固化时间并增加介电材料的弹性系数及硬度。Waldfried et.al.于美国早期公开第2004/0058090号揭示一种固化多孔性介电材料的方法。
然而，使用常见技术制造具有多孔结构的低介电常数介电材料仍存在诸多问题。一些反应性的气体或化学物质经由介电层中的细孔渗入(penetrate)介电层内而导致整体材料的损害。特别是在光致抗蚀剂移除及金属沉积的过程容易对介电层造成损害。并且，纳米细孔的形成使介电层的机械性质降低而导致铜极低k电介质(copper-ELK，extreme low-k dielectric)的化学机械研磨(CMP)效果不良。
基于上述的原因，目前需要一种能克服常见缺点的多孔性低介电常数介电层的制造方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低介电常数介电层的形成方法，包括：于一衬底上形成一材料层，材料层包括一生孔剂散布于一未固化的基材中；以具有一第一波长的放射线照射材料层使未固化的基材内形成细孔；以及以一具有第二波长的放射线照射材料层。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述第二波长小于所述第一波长。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述第一波长约280nm，所述第二波长约小于250nm。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述材料层的形成方法包括等离子体增强化学气相沉积法。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中至少有一步骤还包括在一含气体的环境中实施以在所述材料层内形成一Si-C键。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述含气体的环境包括以一般式CXHY表示的气体。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述含气体的环境包括乙烯、丙烯、六甲基二硅氮烷、超临界二氧化碳或其组合。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中形成所述Si-C键包括使Si-OH键转变为Si-C键结。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述未固化的矩阵包括甲基硅酸盐类、旋涂式玻璃、含氢硅酸盐类或其组合。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中所述生孔剂包括丙烯酸、聚降冰片烯及其组合。
根据所述的低介电常数介电层的形成方法，其中还包括实施一电子束处理，电子束能量约20～150mC/cm2。
本发明另外提供一种修补含碳的低介电常数介电层的损害的方法，包括：于一衬底形成一材料，其中材料层包括一生孔剂散布于一基材材料中；以具有一第一波长的放射线照射材料层使基材材料内形成细孔；以具有一第二波长的放射线照射材料层，其中该第二波长小于第一波长；以及于一含碳的环境中对材料实施退火。
本发明还提供一种于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，包括：形成一低介电常数介电层，其中该低介电常数介电层包括一生孔剂；于低介电常数介电层中制作一镶嵌内连线结构；在镶嵌内连线结构形成后，以具有一第一波长的紫外光照射低介电常数介电层并于其中形成多个细孔；在这些细孔形成后，以具有一第二波长的紫外光照射低介电常数介电层并使其发生交联反应，其中第二波长小于该第一波长。
根据所述的于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，其中所述第一波长约280nm，所述第二波长约小于250nm。
根据所述的于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，其中还包括于一含碳的环境中对所述低介电常数介电层实施一退火工艺，所述含碳的环境包括乙烯、丙烯、六甲基二硅氮烷、超临界二氧化碳或其组合。
附图说明
图1绘示根据本发明实施例的于衬底上形成低介电常数材料的方法；
图2a绘示根据本发明实施例的对低介电常数介电材料实施第一紫外光处理的方法；
图2b绘示根据本发明实施例的对低介电常数介电材料实施第二紫外光处理的方法；
图3绘示根据本发明实施例的制程流程图；
图4a-4c绘示根据本发明实施例的制作低介电常数层间介电层(low-kILD)及铜金属线的镶嵌(damascene)制程的剖面图。
其中，附图标记说明如下：
110衬底
120低介电常数介电材料层
120a低介电常数介电材料层
210紫外光源
220第一紫外光
220a第二紫外光
240细孔
310第一步骤
320第二步骤
330第三步骤
405衬底
410导电层
415阻挡层
420介电层
425开口
430通路部分
435沟槽部
445a、b第一、第二紫外光
具体实施方式
本实施例的操作方法及制造方法将在以下作详尽的说明。然而，以下实施例并非用本发明唯一的运用，本实施例仅是说明实施本发明的特定方法，其非用以限定本发明及专利范围。
本发明关于一种半导体元件的制造方法，且特别关于一种多孔性(porous)的低介电常数(low-k)介电层的制造方法。请参阅图1，其绘示于衬底上形成低介电常数材料的方法。首先提供适用于半导体元件制造的衬底110。其材料可选自块状(bulk)硅、掺杂或未掺杂的半导体、硅、锗、硅锗、硅覆盖绝缘层(SOI)、硅锗覆盖绝缘层(SGOI)或其组合。衬底110还可包括于半导体上形成的绝缘层，例如埋入氧化层(BOX)或氧化硅。另外，衬底110也可包含多层(multi-layered)衬底、梯度(gradient)衬底、混合晶向(hybrid orientation)衬底。在较佳实施例中，衬底110包含晶相<100>的单晶硅。
接着在一较佳实施例中，可于衬底110上形成低介电常数(low-k)材料120，其可通过化学气相沉积(CVD)或旋涂式沉积法(spin-on process)形成。在本例中低介电常数材料120可选择具有介电常数小于3左右的介电材料，其较佳值则大约为介于1.9至2.5。
一般而言，低介电常数材料120所包含商用的低介电常数材料，可选择如多孔性的SILK(Dow Chemical公司制造)、JSR 5109(JSR公司制造)或ZIRKONTM LK ILD(Shipley公司制造的低介电常数材料)。其中，ZIRKONTMLK ILD是一种甲基硅酸盐类(methylsilsequioxane，MSQ)为主的材料并以溶剂(PGMEA)混合含丙烯酸(acrylic)的纳米颗粒(nano-particle)生孔剂(porogen)。生孔剂移除后的介电材料，其介电常数约为2.5。另一实施例中，可利用聚降冰片烯(polynorbornene)作为生孔剂。
ZIRKONTMLK ILD的沉积方法可通过旋涂式沉积法。其生孔剂的裂解(degradation)温度约在275℃，而固化(curing)或是完整裂解的温度约在450℃。因此，在包含光刻、蚀刻、光致抗蚀剂移除、金属化(metallization)、化学机械研磨(CMP)及化学机械研磨后(post-CMP)盖层(cap layer)沉积的制程中，温度维持低于约275℃。
多孔性介电材料可选自有机、无机或其组合的介电质。较佳的选择是包括含氢硅酸盐类(hydrogen silsequioxane，HSQ)、甲基硅酸盐类(methylsilsequioxane，MSQ)及其组合。而较佳的沉积方法则可包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，条件为温度约225℃，压力约225托(torr)，能量约600瓦(W)。
由于多孔性介电材料容易在制程中遭受损害，化学物质因此进入细孔(pore)中而造成介电常数提高。良好的低介电常数材料是具有高硬度(hardness)及韧度(toughness)的介电质。对多孔性介电材料实施等离子体处理或电子束(e-beam)处理可改善其硬度(hardness)及机械性质，或者较佳为实施紫外光(UV)处理。
请参照图2a，其绘示对低介电常数介电材料实施第一紫外光处理的方法。在一较佳实施例中，第一紫外光处理是以紫外光源210所提供的紫外光220照射低介电常数材料120。该紫外光源210包含宽束(broad beam，BB)紫外光源。第一紫外光处理另可包含分光仪(monochronomator)、绕射光栅或过滤特定波长的紫外光220的滤光器。
低介电常数材料120内的生孔剂在第一紫外光处理的过程中裂解而形成细孔240。第一紫外光处理使用的紫外光波长约为280nm。细孔形成的温度约为350℃，而大部分的生孔剂裂解及细孔形成的时间约为90秒。细孔产生后介电常数可小于2.5，但此时介电材料的硬度通常低于1.0GPa而不能达到要求。
请参照图2b，其绘示在另一较佳实施例中对低介电常数介电材料实施第二紫外光处理的方法，在本实施例中则可选择实施至少一次额外的紫外光处理(第二紫外光处理)，例如，低介电常数材料120可通过第二紫外光220a产生交联反应(cross-link)而形成低介电常数材料120a。而在低介电常数材料120受第二紫外光220a照射时，其内部的硅-氧-硅(Si-O-Si)键结由鸟笼状(cage-like)结构转变为网络(network)结构。一般而言，第二紫外光220a波长略小于第一紫外光220波长为佳，且以小于250nm较佳。交联反应则以发生于温度约350℃实施约60秒为佳。而交联作用可使介电质硬度增加，其硬度可达到约1.5GPa。
请参阅图3，其绘示根据本发明实施例的制程流程图。第一步骤310包含于衬底上形成具有生孔剂的介电层。第二步骤320是细孔形成步骤，其包含对介电层实施第一紫外光照射使生孔剂发生反应。第三步骤330是介电层发生交联反应步骤，其包含对介电层实施第二紫外光照射。第三步骤330实施于第二步骤320之后较佳。在第三步骤中，交联反应的发生除了可增加介电层机械性质的稳定性，并且还可修补Si-H键、Si-OH(silanol)键及硅悬浮键(dangling silicon bond)以提升机械性质。因此，第三步骤330是介电层稳定化步骤，反应性的Si-H键及Si-OH键在此步骤转变为稳定的Si-C键。
上述310、320及330步骤可发生在含气体的环境中。气体可选自惰性气体，例如氩(Ar)、氦(He)。或者，其它气体包含氢(H2)、氮(N2)、氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、氢化物(Hydride)及其组合。在较佳实施例中至少一紫外线处理步骤(例如步骤320及330)另外包括含碳修补(carbon repairing)气体。
含碳修补(carbon repairing)气体可增加低介电常数材料120的含碳量。通过提高介电层的含碳量，介电层对于等离子体蚀刻或灰化造成的损害较具有抵抗能力。因此，含碳修补气体的处理是介电层稳定化处理。含碳的修补气体包含以一般式CXHY表示的气体，例如乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)。或者，其它较佳的碳修补气体，例如六甲基二硅氮烷(hexamethyldisilazane，HMDS)或超临界二氧化碳(supercritical CO2)。经过含碳修补气体处理后，介电层的含碳量可由原本的14％增加至23％。
在上述310、320及330步骤中，至少一或多个紫外光照射步骤可以包含电子束处理(e-beam)或热辅助以控制温度及对介电层进行完全固化。热辅助包含提升一或多个制程的温度，例如为退火，较佳者至少到达约225℃以上。电子束处理的电子束能量较佳约为20～150mC/cm2。
图4a-4c绘示根据本发明实施例所制作的元件的剖面图。以下的实施例将详述于一镶嵌(damascene)工艺中低介电常数层间介电层(low-k ILD)及铜金属线的制作方法。本发明的较佳实施例可改善因介电层受损所导致的内连线镶嵌工艺的问题，并且亦有助于解决IC工艺中关于使用生孔剂而产生的问题。本实施例仅是说明实施本发明的特定方法，然其非用以限定本发明。
请参照图4a，其绘示于半导体工艺中间阶段的半导结构剖面图。此结构具有衬底405、于衬底405上的导电层410、于导电层410上的阻挡层415以及于阻挡层415上的含有生孔剂的介电层420。
衬底405可包含硅晶片，导电层410可包含铜。导电层410也包含铜内连线或其它镶嵌(damascene)结构。含有生孔剂的介电层420是层间介电质材料(ILD)，其包括含氢硅酸盐类(hydrogen silsequioxane，HSQ)或甲基硅酸盐类(methylsilsequioxane，MSQ)的介电材料。阻挡层415厚度约为10～30较佳，其使用材料可选自TaN、TiN、WN、TbN、VN、ZrN、CrN、WC、WN、WCN、NbN、AlN及其组合。阻挡层415的形成方法可通过原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或等离子体增强原子层沉积(PEALD)。
请参照图4b，于图4a的半导体结构内以非等向性蚀刻形成双镶嵌结构的开口425。开口425具有通路部分430(vias portion)及上方的沟槽部(overlying trench portion)435。可包含一或多个通路部分430的双镶嵌结构可以以各种方法制作，例如先以至少两道光刻及非等向性蚀刻工艺形成通路部分430，接着再以类似的制程形成沟槽部435。
请接续图4b，全面性的沉积铜440并实施平坦化工艺，使双镶嵌结构的通路部分430及沟槽部435被填入铜440。铜440的沉积方法可选用物理气相沉积或化学气相沉积法，或者较佳为使用具有良好填沟能力(gap filing)及阶梯覆盖性(step coverage)的电镀法(electroplating)。
请参照图4c，通过实施第3图及前述的步骤310、320及330固化介电层420。在本例中，第一及第二紫外光445a及445b是依序照射含生孔剂的介电层420以完成固化工艺。根据本发明实施例，第一紫外光波长约为280nm，第二紫外光波长约小于250nm。并且，至少一紫外光照射步骤包含以含碳修补气体(例如HMDS)修补介电层420。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当以后附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种低介电常数介电层的形成方法，包括：
于一衬底上形成一材料层，所述材料层包括一生孔剂散布于一未固化的矩阵中；
以具有一第一波长的放射线照射所述材料层使所述未固化的矩阵内形成细孔；以及
以一具有第二波长的放射线照射所述材料层。
2.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述第二波长小于所述第一波长。
3.如权利要求2所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述第一波长约280nm，所述第二波长约小于250nm。
4.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述材料层的形成方法包括等离子体增强化学气相沉积法。
5.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，至少有一步骤还包括在一含气体的环境中实施以在所述材料层内形成一Si-C键。
6.如权利要求5所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述含气体的环境包括以一般式CXHY表示的气体。
7.如权利要求5所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述含气体的环境包括乙烯、丙烯、六甲基二硅氮烷、超临界二氧化碳或其组合。
8.如权利要求5所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，形成所述Si-C键包括使Si-OH键转变为Si-C键结。
9.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述未固化的矩阵包括甲基硅酸盐类、旋涂式玻璃、含氢硅酸盐类或其组合。
10.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，所述生孔剂包括丙烯酸、聚降冰片烯及其组合。
11.如权利要求1所述的低介电常数介电层的形成方法，其特征在于，还包括实施一电子束处理，电子束能量约20～150mC/cm2。
12.一种于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，包括：
形成一低介电常数介电层，其中所述低介电常数介电层包括一生孔剂；
于所述低介电常数介电层中制作一镶嵌内连线结构；
在所述镶嵌内连线结构形成后，以具有一第一波长的紫外光照射所述低介电常数介电层并于其中形成多个细孔；
在所述细孔形成后，以具有一第二波长的紫外光照射所述低介电常数介电层并使其发生交联反应，其中所述第二波长小于所述第一波长。
13.如权利要求12所述的于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，其特征在于，所述第一波长约280nm，所述第二波长约小于250nm。
14.如权利要求12所述的于低介电常数介电层中形成镶嵌内连线的方法，其特征在于，还包括于一含碳的环境中对所述低介电常数介电层实施一退火工艺，所述含碳的环境包括乙烯、丙烯、六甲基二硅氮烷、超临界二氧化碳或其组合。
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