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TW201403711A - 利用氣相化學暴露之低ｋ介電質損傷修復 - Google Patents

利用氣相化學暴露之低ｋ介電質損傷修復 Download PDF

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TW201403711A
TW201403711A TW102118273A TW102118273A TW201403711A TW 201403711 A TW201403711 A TW 201403711A TW 102118273 A TW102118273 A TW 102118273A TW 102118273 A TW102118273 A TW 102118273A TW 201403711 A TW201403711 A TW 201403711A
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vinyl
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TW102118273A
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Inventor
陳勁文
狄摩斯亞歷山卓Ｔ
Original Assignee
應用材料股份有限公司
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

提供了一種用於修復及降低半導體製造中所使用之低k介電層的介電常數的方法。在一個實施例中，一種修復損傷低k介電層的方法係包括使多孔的低k介電層暴露於含乙烯基矽烷之化合物；及視情況而使該多孔的低k介電層暴露於紫外線(UV)固化製程。

Description

利用氣相化學暴露之低K介電質損傷修復
本發明的實施係一般關於半導體製造中所使用之低k介電薄膜的介電常數之修復與降低。
半導體製造中之介電薄膜的介電常數(k)係隨著元件尺寸持續減小而持續降低。為能繼續降低特徵尺寸，使低介電常數(低k)之薄膜上的整合損傷(integration damage)達到最小化是重要的。然而，當特徵尺寸縮減時，電阻電容的增進與介電薄膜的可靠度即變成一項嚴格的挑戰。
多孔的低k介電薄膜(包括如碳摻雜之氧化物(CDO))在暴露於整合步驟(包含、但不限於化學機械研磨(CMP)或平坦化、蝕刻、電漿清洗及清潔)時會受到對多孔的低k介電薄膜鍵結結構之損傷。特別是，在一或多次的這些整合步驟之後，Si-H與Si-OH鍵結在濃度上會增加，這種Si-H與Si-OH的增加會導致k值增加。現有的修復技術包含液相矽烷化或超臨界二氧化碳的使用。然而，這類技術並未被證實能有效於修復薄膜中凹陷特徵結構的側壁損傷。
因此，需要一種用於修復介電薄膜以降低k值的 方法，以增進效率並允許更小的元件尺寸。
本發明的實施例一般係關於用於半導體製造之低k介電層的介電常數之修復與降低。在一個實施例中，一種修復損傷低k介電層的方法係包括使多孔的低k介電層暴露於含乙烯基矽烷之化合物以及視情況而使該多孔的低k介電層暴露於紫外線(UV)固化製程。
在另一實施例中，一種修復一損傷低k介電層的方法包括使多孔的低k介電層暴露於氧化化合物，使該多孔的低k介電層暴露於矽烷化作用劑，及視情況而使該多孔的低k介電層暴露於紫外線(UV)固化製程。
100‧‧‧介電薄膜
101‧‧‧結構
102‧‧‧孔洞
103‧‧‧受損孔洞
104‧‧‧特徵結構
105‧‧‧修復之孔洞
106‧‧‧擴散阻障
107‧‧‧金屬材料
200‧‧‧方法
210~240‧‧‧方塊
300‧‧‧方法
310~350‧‧‧方塊
400‧‧‧方法
410~440‧‧‧方塊
500‧‧‧方法
510~540‧‧‧方塊
600‧‧‧方法
610~660‧‧‧方塊
700‧‧‧方法
710~760‧‧‧方塊
800‧‧‧方法
810~840‧‧‧方塊
900‧‧‧處理腔室
901‧‧‧本體
902‧‧‧燈泡
903‧‧‧蓋體
905‧‧‧外殼
906‧‧‧加熱座
908‧‧‧基板
910‧‧‧桿柄
912‧‧‧驅動系統
913‧‧‧功率來源
914‧‧‧窗部
915‧‧‧孔徑
916‧‧‧進流通道
917‧‧‧處理或清潔氣體
918‧‧‧共同出流口
920‧‧‧處理區
為能使本發明的上述特徵能夠被詳細了解，現將參照實施方式來說明上文中簡述之本發明的更具體描述，其中部分實施方式係說明於如附圖式中。然而，應注意如附圖式僅說明了本發明的典型實施例，而不應被視為限制之用，因為本發明亦允許其他的等效實施方式。
第1A-1F圖說明在根據本文所述之實施例之處理的各個階段中的介電層；第2圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的一種修復損傷薄膜的方法；第3圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的另一種修復損傷薄膜的方法；第4圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實 施例的另一種修復損傷薄膜的方法；第5圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的另一種修復損傷薄膜的方法；第6圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的另一種修復損傷薄膜的方法；第7圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的另一種修復損傷薄膜的方法；第8圖是流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的另一種修復損傷薄膜的方法；及第9圖是例示處理腔室的截面圖，該處理腔室可用以實施本文所述之實施例。
為幫助理解，係已盡可能使用相同的元件符號來代表圖式之間相同的元件。應知一個實施例中的元件及/或處理步驟也可有利地整合於其他實施例中，無需額外記載。
本發明的實施係一般關於半導體製造中所使用之低k介電薄膜的介電常數之修復與降低。多孔的低k介電薄膜(包括如碳摻雜之氧化物(CDO))在暴露於整合步驟(包含、但不限於化學機械研磨(CMP)或平坦化、蝕刻、電漿清洗及清潔)時會受到對多孔的低k介電薄膜鍵結結構之損傷。特別是，在一或多次的這些整合步驟之後，Si-H與Si-OH鍵結在濃度上會增加。本發明的實施包括藉由整合直接與間接的損傷後修復製程來降低Si-H與Si-OH鍵結的濃度。本發明的實施也包括用以修復Si-H與Si-OH兩者之複合製程。
第1A圖說明沉積在結構101上的介電薄膜100。該結構101係基板(舉例而言，例如為矽晶圓)或先前形成的層(舉例而言，例如為金屬化或互連層)。該低k介電薄膜100可為習知的多孔的、低k、矽基介電材料，該材料具有大約為3或更低的k值。例示的低k介電薄膜包括例如SiO2、SiOC、SiON、SiCOH、SiOCN以及其他相關薄膜。在一個實施例中，低k介電材料為有機矽玻璃(OSG，亦稱為SiCOH)，該有機矽玻璃為含有碳與氫原子之矽氧化物。SiCOH具有介於2與3之間的k值，且可為加州聖塔克萊應用材料公司之Black Diamond IITM。低k介電材料具有形成於其中的孔洞102。孔洞可為奈米孔洞。奈米孔洞具有介於約0.5奈米至約20奈米範圍內之直徑。低k介電層是藉由電漿增強之化學氣相沉積(PECVD)製程或任何其他適當的沉積技術沉積而成。該低k介電薄膜100可為多孔的碳摻雜之氧化物(CDO)薄膜。該低k介電薄膜在經薄膜處理之後所具有的k值比介電薄膜的k值更大。
第1B圖說明在經平坦化與蝕刻以於低k介電薄膜100中形成特徵結構104之後的低k介電薄膜100。低k介電薄膜100係藉由例如CMP製程而予以平坦化。該低k介電薄膜100可藉由遮蔽該低k介電薄膜100的一部分、使低k介電薄膜100的未遮蔽部分與自氫氟酸(HF)氣體形成的電漿接觸以及利用例如由氧氣(O2)與CO2氣體形成之電漿來進行電漿清洗(ashing)而進行蝕刻。利用本文所述之實施例，可修復在任何處理步驟之後的低k介電薄膜100的k值。
介電薄膜100的平坦化、電漿清洗與蝕刻係將氫及/或水導入介電薄膜100中，導致例如Si-H及/或Si-OH基團形成，該等基團可使介電薄膜100成為親水性。介電薄膜100的親水性性質會使孔洞102被水填滿而產生受損孔洞103。Si-OH基團與受損孔洞103增加了介電薄膜100的k值。Si-H基團會導致電氣特性的衰減(例如洩漏與時間相關之介電崩潰(TDDB))。平坦化與蝕刻所致之損傷通常都會侷限在介電薄膜100的上部部分以及特徵結構104的側壁處，如第1B圖所示。
第1C圖說明在以下文所述之一或多道製程進行修復之後的低k介電薄膜100。修復製程藉由去除受損孔洞103中的水分而產生修復之孔洞105，以及藉由例如將Si-H基團轉化為Si-CH2-CH2-Si(CH3)3與將低k介電薄膜100中的Si-OH基團轉化為疏水性的Si-O-Si(CH3)3來降低低k介電薄膜100的k值。疏水性基團可幫助將水分驅離出低k介電薄膜100的受損孔洞103。
在低k介電薄膜100已經被修復之後，執行後續的處理來繼續半導體的製造。舉例而言，可使擴散阻障106沉積至介電薄膜100的特徵結構104中，並使金屬材料107(例如銅或銅合金)沉積至特徵結構104中，如第1D圖所示。需要平坦化金屬材料107並自金屬材料107移除在平坦化期間所形成的任何氧化物。一般的金屬氧化物移除技術係涉及使用氫或氨電漿。平坦化及/或金屬氧化物移除製程會再次損傷低k介電薄膜100的表面，如第1E圖所示。可利用本文所 述的任何修復製程來修復低k介電薄膜100，如第1F圖所示。
第2圖為製程流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例的一種修復損傷薄膜的方法200。在方塊210，基板(該基板上係配置有多孔的低k介電層)係被置放於處理腔室中。該基板與低k介電薄膜係類似於第1A-1F圖中所述之低k介電薄膜100及結構101。處理腔室係類似於第9圖中所述之處理腔室900。在方塊220，排空該處理腔室。處理腔室係藉由使用真空泵而進行排空。
在方塊230，低k介電層係暴露於含乙烯基矽烷之化合物中。該乙烯基矽烷可具有液態或氣態形式。在氣相製程中，介電薄膜100係與含氣化乙烯基矽烷之化合物接觸。使含乙烯基矽烷之化合物氣化可使該含乙烯基矽烷之化合物深入地滲透至低k介電薄膜100中。例示之含乙烯基矽烷之化合物可具有下列化學式：
其中R1、R2及R3個別選自氫(H)、烷基(例如，甲基、乙基、丙基、丁基等)、烷氧基(例如，甲氧基、乙氧基、丙氧基等)、氯及乙烯基。其他經取代的乙烯基矽烷也落入本文所說明的實施內。其他已知可與Si-H反應的未飽和化合物(包括烯烴、乙醯丙酮、乙酸乙烯酯、苯乙烯)，也可與本文所說明的實施例一起使用。
例示的乙烯基矽烷類包括乙烯基矽烷、三甲基乙 烯基矽烷(TMVS)、乙烯基三氯矽烷、乙烯基三甲氧基矽烷、乙烯基三乙烷基矽烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)矽烷、乙烯基三異丙氧基矽烷、乙烯基三(第三丁基過氧基)矽烷、乙烯基二甲基氯矽烷、乙烯基二甲基乙氧基矽烷、乙烯基甲基二氯矽烷、乙烯基甲基二甲氧基矽烷、乙烯基甲基二乙氧基矽烷、甲基乙烯基二(正-甲基乙醯醯胺基)矽烷、甲基乙烯基二(5-己內醯胺)矽烷、雙(甲基二氯矽烷基)乙烷及所述者的組合。在一個實施中，含乙烯基矽烷之化合物是三甲基乙烯基矽烷(TMVS)。
該含乙烯基矽烷之化合物氣化製程係藉由將該低k介電薄膜100放置於處理腔室中、氣化該含乙烯基矽烷之化合物以及使氣化之該含乙烯基矽烷之化合物流到該處理腔室中而進行。該含乙烯基矽烷之化合物也可替代地於該處理腔室中氣化。該含乙烯基矽烷之化合物可經由位於該處理腔室的上部部分處的噴淋頭而注入該處理腔室中。載氣(例如He、Ar、N2及所述者的組合)係用以輔助該含乙烯基矽烷之化合物流動至該處理腔室中。此外，在該含乙烯基矽烷之化合物氣相製程中係可添加觸媒(例如水)。
該含乙烯基矽烷之化合物氣相製程係於介於50毫托耳至500托耳之間的處理腔室壓力下進行，例如自約200毫托耳至約6托耳。在矽烷化製程期間，介電薄膜係被加熱至介於約100℃至約400℃之溫度，例如自約200℃至約390℃。該含乙烯基矽烷之化合物的流量係介於1sccm至10,000sccm之間，例如自約400sccm至約2,000sccm。非必 須之載氣的流量係介於約1sccm至約10,000sccm之間，例如自2,000sccm至約3,000sccm。處理時間係介於1分鐘與10分鐘之間，例如3分鐘。在處理腔室內的壓力係可於氣相製程期間改變。舉例而言，該壓力可於50托耳及500托耳之間變化。
在方塊240，該多孔的低k介電層係視需要而暴露於紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊240的UV固化製程係於方塊230的製程之前、與方塊230的製程同時或是在方塊230的製程之後執行，或是為前述順序之任意組合方式執行。UV固化製程包括使該低k介電薄膜100與UV輻射接觸，以自介電薄膜移除Si-H及/或自受損孔洞中移除水分，並於上述低k介電薄膜100中產生Si-CH2-CH2-Si(CH3)3及/或Si-O-Si(CH3)3基團。UV固化製程係介由將該低k介電薄膜100置放於處理腔室中並連接UV輻射源以使該低k介電薄膜100與UV輻射接觸而進行。該UV輻射源係例如UV燈。該UV輻射源係置於處理腔室外部，且該處理腔室具有可讓UV輻射通過之石英窗。該低k介電薄膜100係置放於惰性氣體環境中，舉例而言，例如是氦氣或氬氣。該處理腔室也包括微波來源，用以於該低k介電薄膜100與UV輻射接觸之前或同時加熱該低k介電薄膜100。該UV固化製程也利用模擬UV輻射波長之電漿來進行。電漿可藉由將RF功率耦合至處理氣體(例如氦氣、氬氣、氧氣與氮氣)而形成。電漿係藉由遠端電漿源(RPS)而形成，並被傳送至該處理腔室。
該UV固化製程係於處理腔室壓力為介於1托耳與100托耳之間(例如6托耳)、介電薄膜溫度為介於20℃與400℃之間(例如385℃)、環境氣體流量為介於8,000sccm與24,000sccm之間(例如16,000sccm)、處理氣體流量為介於2,000sccm與20,000sccm之間(例如12,000sccm)、RF功率為介於50W與1,000W之間(例如500W)、RF功率頻率為13.56MHz、處理時間為介於10秒與180秒之間(例如60秒)、UV放射功率為介於100W/m2與2,000W/m2之間(例如1,500W/m2)以及UV波長為介於100奈米與400奈米之間下進行。上述UV固化製程係有利地修復在特徵結構104的側壁中之受損孔洞103。
在一個實施例中，UV固化溫度是從100℃至約800℃，例如400℃。UV固化時間為約10秒至約600秒。UV固化氣體係經由UV穿透氣體分配噴淋頭而流至處理腔室中。在一個實施例中，惰性氣體(例如氦氣與氬氣)是以介於約1,000sccm至約27,000sccm之流量流至處理腔室中。
在另一實施例中，在方塊230中的暴露於含乙烯基矽烷之化合物以及在方塊240中的UV固化矽可同時執行。在此例中，UV單元係與含乙烯基矽烷之化合物的注入同時開啟/關閉。在另一實施例中，方塊240中的UV固化是在方塊230中的暴露於該含乙烯基矽烷之化合物之前進行。在另外一個實施例中，方塊230中的暴露於該含乙烯基矽烷之化合物以及方塊240中的UV固化係可交替進行。舉例而言，可進行UV固化以移除表面/側壁的部分水分。接著進行對該含乙烯 基矽烷之化合物之暴露，以恢復表面疏水性。接著進行UV固化以進一步恢復低k薄膜損傷。在此例中，對該含乙烯基矽烷之化合物之暴露以及UV固化係可分別執行約15秒至約30秒。可知該含乙烯基矽烷之化合物的流量、時間、UV功率、基板溫度、處理腔室的腔室壓力等係可根據應用而加以變化。如果需要的話，可在與用於對該含乙烯基矽烷之化合物之暴露之處理腔室不同的一個別處理腔室中進行UV固化。
第3圖是製程流程圖，該圖說明了根據本文所述之實施例之另一種修復損傷薄膜的方法300。在方塊310，基板(該基板上配置有多孔的低k介電層)係被置放於處理腔室中。基板與低k介電薄膜係類似於第1A-1F圖中所述之低k介電薄膜100與結構101。處理腔室係類似於第9圖所述之處理腔室900。在方塊320處，處理腔室係被排空。處理腔室可利用真空泵而進行排空。
在方塊330，該多孔的低k介電層係暴露於氧化化合物。該氧化化合物係呈液相或氣相形式。例示的氧化化合物包括氧(O2)、含氧之化合物(例如N2O、NO)、臭氧(O3)、含臭氧之化合物、過氧化氫(H2O2)、含過氧化氫之化合物以及所述者的組合。對氧化化合物之暴露可藉由將介電薄膜100置放於處理腔室中並使該氧化化合物的液體或氣體流至該處理腔室中而進行。氧化化合物也可替代地於該處理腔室中氣化。氧化化合物可經由位於該處理腔室的上部部分處之噴淋頭而被注入處理腔室中。可使用載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣、氫氣與所述者的組合)來幫助該氧化化合物流至該處 理腔室中。
對氧化化合物的暴露係於介於50毫托耳至500托耳之間(例如從約200毫托耳至約6托耳)的處理腔室壓力下進行。在氧化製程期間，介電薄膜可被加熱至介於約100℃至約400℃之溫度，例如約200℃至約390℃。氧化化合物的流量係介於1sccm至10,000sccm之間，例如介於約400sccm至約2,000sccm。視情況之載氣的流量係介於1sccm至10,000sccm之間，例如介於約2,000sccm至約3,000sccm。處理時間係介於1分鐘與10分鐘之間，例如3分鐘。處理腔室內的壓力係可於氣相製程期間加以變化。舉例而言，壓力係可變化於50托耳與500托耳之間。
在方塊340，該多孔的低k介電層係視情況而暴露於紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊340的UV固化製程可在方塊330的製程之前執行、可與方塊330的製程同時執行、可在方塊330的製程之後執行，或是可以前述順序的任意組合來執行。方塊340的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程相同或相似。
在方塊350，該多孔的低k介電層係暴露於矽烷化作用劑。該多孔的低k介電層100對矽烷化作用劑之暴露可使介電薄膜100中的Si-OH基團轉化為例如疏水性的Si-O-Si(CH3)3基團。疏水性的Si-O-Si(CH3)3基團有助於將水分驅離出該低k介電薄膜100的受損孔洞103。
低k介電層100對矽烷化作用劑的暴露係可於氣相或液相中發生。氣相矽烷化製程包括使介電薄膜100與氣 化矽烷化作用劑接觸，以於上述低k介電薄膜100中產生Si-O-Si(CH3)3基團。氣化該矽烷化作用劑可使矽烷化作用劑深入地滲透至介電薄膜100中。例示的矽烷化作用劑包括六甲基二矽氮烷(HMDS)、四甲基二矽氮烷(TMDS)、三甲基氯矽烷(TMCS)、二甲基二氯矽烷(DMDCS)、甲基三氯矽烷(MTCS)、三甲基甲氧基矽烷(TMMS)(CH3-O-Si-(CH3)3)、二甲基二甲氧基矽烷(DMDMS)((CH3)2-Si-(OCH3)2)、甲基三甲氧基矽烷(MTMS)((CH3-O-)3-Si-CH3)、苯基三甲氧基矽烷(PTMOS)(C6H5-Si-(OCH3)3)、苯基二甲基氯矽烷(PDMCS)(C6H5-Si(Cl)-(CH3)2)、二甲基胺基三甲基矽烷(DMATMS)((CH3)2-N-Si-(CH3)3)、雙(二甲基胺基)二甲基矽烷(BDMADMS)或其他含Si、H及C的化合物。
氣相矽烷化製程係藉由將該低k介電薄膜100放入處理腔室中、氣化該矽烷化作用劑以及使該氣化之矽烷化作用劑流入該處理腔室中而進行。該矽烷化作用劑也可替代地於該處理腔室中氣化。該矽烷化作用劑係經由位於該處理腔室的上部部分處之噴淋頭而被注入至該處理腔室中。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以輔助矽烷化作用劑流入處理腔室中。此外，在氣相矽烷化製程期間矽可添加觸媒(例如水)。
氣相矽烷化製程是在介於50毫托耳至500托耳之間的處理腔室壓力下進行，例如自約200毫托耳至約6托耳。在氧化製程期間，介電薄膜係被加熱至介於約100℃至約 400℃之溫度，例如自約200℃至約390℃。矽烷化作用劑的流量係介於1sccm至10,000sccm之間，例如自約400sccm至約2,000sccm。非必須之載氣的流量係介於1sccm至10,000sccm之間，例如自約2,000sccm至約3,000sccm。處理時間係介於1分鐘與10分鐘之間，例如3分鐘。在處理腔室內的壓力係可於氣相製程期間改變。舉例而言，該壓力可於50托耳及500托耳之間變化。
該多孔的低k介電層係視情況而暴露於紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊的UV固化製程可在方塊350的製程之前進行、可與方塊350的製程同時進行、在方塊350的製程之後進行或以前述次序的任意組合方式進行。UV固化製程之製程條件可與方塊240的UV固化製程的製程條件相同或類似。
在方法300中可進行各種除氣與排空製程。舉例而言，在使該多孔的低k介電層暴露至氧化化合物之後或是在將該多孔的低k介電層暴露至矽烷化作用劑之前，使除氣氣體流至腔室中及/或排空腔室會是有利的。在某些實施例中，當在方塊230中使用載氣時，藉由在該氧化化合物的流動已經中止之後繼續使載氣流動，載氣即可作為除氣氣體。該處理腔室可藉由真空泵的使用而進行排空。
第4圖為製程流程圖，該圖說明了根據本文所述實施例之修復損傷薄膜的另一方法400。該方法400係類似於方法300，除了使該多孔的低k介電層暴露於氧化化合物與矽烷化作用劑係同時進行而非個別步驟以外。在方塊410，基板 (該基板上方配置有多孔的低k介電層)係置於處理腔室中。在方塊420，該處理腔室係經排空。在方塊430，該多孔的低k介電層係同時暴露於氧化化合物與矽烷化作用劑。該氧化化合物與矽烷化作用劑具有液態或氣態形式。該氧化化合物與矽烷化作用劑係於被供應至腔室之前先行混合，或可分別進入處理腔室並於該處理腔室內部混合。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以幫助矽烷化作用劑流到該處理腔室中。製程條件可與先前所述之方法200、300的製程條件相同或類似。
在方塊440，該多孔的低k介電層係視需要而暴露於紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊440的UV固化製程可於方塊430的製程之前進行、可與方塊430的製程同時進行、在方塊430的製程之後進行或以前述次序的任何組合方式進行。方塊440的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程的製程條件相同或類似。
第5圖為製程流程圖，該圖說明根據本文所述實施例之修復損傷薄膜的另一方法500。方法500係類似於方法200，除了該多孔的低k介電層係暴露於含乙烯基矽烷之化合物與矽烷化作用劑兩者以外。對該含乙烯基矽烷之化合物與該矽烷化作用劑的暴露矽可同時進行。在方塊510，基板(該基板上配置有多孔的低k介電層)係置於處理腔室中。在方塊520，該處理腔室係經排空。在方塊530，該多孔的低k介電層係同時暴露於含乙烯基矽烷之化合物與矽烷化作用劑。該含乙烯基矽烷之化合物與矽烷化作用劑可為液態或氣態形 式。該含乙烯基矽烷之化合物與矽烷化作用劑係於被供應至腔室之前先行混合，或可分別進入處理腔室並於該處理腔室內部混合。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以幫助該矽烷化作用劑流到該處理腔室中。製程條件可與先前所述之用於注入含乙烯基矽烷與矽烷化作用劑的製程條件相同或類似。在方塊540，該多孔的低k介電層係視需要而暴露於紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊540的UV固化製程可於方塊530的製程之前進行、可與方塊530的製程同時進行、在方塊530的製程之後進行或以前述次序的任何組合方式進行。方塊540的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程的製程條件相同或類似。
第6圖為製程流程圖，該圖說明根據本文實施例之修復損傷薄膜的另一方法600。該方法600係類似於方法500，除了該多孔的低k介電層係依序暴露於該含乙烯基矽烷之化合物與該矽烷化作用劑以外。在方塊610，基板(該基板上配置有多孔的低k介電層)係置於處理腔室中。在方塊620，該處理腔室係經排空。
在方塊630，該多孔的低k介電層係暴露於含乙烯基矽烷之化合物。該含乙烯基矽烷之化合物可具有液態或氣態形式。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以幫助該含乙烯基矽烷之化合物流到該處理腔室中。製程條件可與先前所述之用於將含乙烯基矽烷之化合物注入至處理腔室中的製程條件相同或類似。
在方塊640，該多孔的低k介電層係視需要而暴露 至紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊640的UV固化製程可在方塊630的製程之前進行、可與方塊630的製程同時進行、可在方塊630的製程之後進行，或是以前述次序的任意組合方式進行。方塊640的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程之製程條件相同或類似。
在方塊650，該多孔的低k介電層係暴露於矽烷化作用劑。該矽烷化作用劑可具有液態或氣態形式。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以輔助矽烷化作用劑流入處理腔室中。製程條件係與先前所述之用於將矽烷化作用劑注入至處理腔室中之製程條件相同或類似。
在方塊660，該多孔的低k介電層係視需要而暴露至紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊660的UV固化製程可在方塊650的製程之前進行、可與方塊650的製程同時進行、可在方塊650的製程之後進行，或是以前述次序的任意組合方式進行。方塊660的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程之製程條件相同或類似。
在方法600中可進行上述各種除氣及排空製程。舉例而言，在使該多孔的低k介電層暴露至該含乙烯基矽烷之化合物之後或是在將該多孔的低k介電層暴露至矽烷化作用劑之前，使除氣氣體流至腔室中及/或排空腔室會是有利的。
第七圖為製程流程圖，該圖說明根據本文實施例之修復損傷薄膜的另一方法700。該方法700係類似於方法 500與600，除了該多孔的低k介電層是依序暴露至該矽烷化作用劑與該含乙烯基矽烷之化合物以外。在方塊710，基板(該基板上配置有多孔的低k介電層)係置於處理腔室中。在方塊720，該處理腔室係經排空。
在方塊730，該多孔的低k介電層係暴露於矽烷化作用劑。該矽烷化作用劑可具有液態或氣態形式。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以幫助該矽烷化作用劑流到該處理腔室中。製程條件可與先前所述之用於將矽烷化作用劑注入至處理腔室中的製程條件相同或類似。
在方塊740，該多孔的低k介電層係視需要而暴露至紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊740的UV固化製程可在方塊730的製程之前進行、可與方塊730的製程同時進行、可在方塊730的製程之後進行，或是以前述次序的任意組合方式進行。方塊740的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程之製程條件相同或類似。
在方塊750，該多孔的低k介電層係暴露於含乙烯基矽烷之化合物。該含乙烯基矽烷之化合物可具有液態或氣態形式。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以輔助該含有乙烯基矽烷之化合物流入處理腔室中。製程條件係與先前所述之用於將含乙烯基矽烷之化合物注入至處理腔室中之製程條件相同或類似。
在方塊760，該多孔的低k介電層係視需要而暴露至紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方 塊760的UV固化製程可在方塊750的製程之前進行、可與方塊750的製程同時進行、可在方塊750的製程之後進行，或是以前述次序的任意組合方式進行。方塊760的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程之製程條件相同或類似。
在方法700中可進行上述各種除氣及排空製程。舉例而言，在使該多孔的低k介電層暴露至矽烷化作用劑之後，或是在將該多孔的低k介電層暴露至該含乙烯基矽烷之化合物之前，使除氣氣體流至腔室中及/或排空腔室會是有利的。
第8圖為製程流程圖，該圖說明根據本文實施例之修復損傷薄膜的另一方法800。該方法800係類似於方法200、300、400與500，除了該多孔的低k介電層是暴露於含乙烯基矽烷之化合物、氧化化合物與該矽烷化作用劑的暴露係可同時進行。對該含乙烯基矽烷之化合物、該氧化化合物與該矽烷化作用劑係可依序發生。在暴露為依序的某些實施例中，可於每一暴露製程之間執行視情況之除氣製程。在方塊810，基板(該基板上配置有多孔的低k介電層)係置於處理腔室中。在方塊820，該處理腔室係經排空。在方塊830，該多孔的低k介電層係暴露於含乙烯基矽烷之化合物、氧化化合物與矽烷化作用劑。該含乙烯基矽烷之化合物、氧化化合物與矽烷化作用劑係各可具有液態或氣態形式。該含乙烯基矽烷之化合物、該氧化化合物與矽烷化作用劑可在被供應至該腔室之前進行混合或是分別進入腔室後於該處理腔室內 部進行混合。載氣(例如氦氣、氬氣、氮氣及所述者的組合)係用以幫助所述各種化合物流到該處理腔室中。製程條件可與先前所述之用於將含乙烯基矽烷之化合物、氧化化合物與矽烷化作用劑注入至處理腔室中的製程條件相同或類似。在方塊840，該多孔的低k介電層係視需要而暴露至紫外線(UV)固化製程，以修復該低k介電薄膜100。方塊840的UV固化製程可在方塊830的製程之前進行、可與方塊830的製程同時進行、可在方塊830的製程之後進行，或是以前述次序的任意組合方式進行。方塊840的UV固化製程之製程條件係與方塊240的UV固化製程之製程條件相同或類似。
在已經修復介電薄膜100之後，可進行後續製程以繼續半導體的製造。舉例而言，擴散阻障106係可沉積至介電薄膜100的特徵結構104中，且金屬材料107(舉例而言，例如銅或銅合金)亦可沉積至特徵結構104中，如第1D圖所示。可能需要平坦化該金屬材料107，並自金屬材料107移除在平坦化期間所形成的任何氧化物。一般的金屬氧化物移除技術包括了氫或氨電漿的使用。平坦化及/或金屬氧化物移除製程會再次損害介電薄膜100的表面，如第1E圖所示。可利用上述修復製程中任一者來修復介電薄膜100，如第1F圖所示。
所述修復製程可有效降低受損介電薄膜的k值，因而能夠持續減小半導體元件特徵結構。
下表提供了一般適用於修復與降低半導體製造中所使用之低k介電薄膜的介電常數之例示處理條件與流量。
第9圖為可用以實行本文所述實施例之例示處理腔室的截面圖。第9圖是基於目前由應用材料公司所製造之PRODUCER®腔室的特徵結構。PRODUCER CVD腔室(200mm或300mm)具有兩個隔離的處理區，該等處理區係用以沉積碳摻雜之矽氧化物與其他材料。
第9圖說明了一種前後並排的處理腔室900，該處理腔室900係配置以進行UV固化。該前後並排的處理腔室900包括本體901與鉸接至該本體901之蓋體903。耦接至該蓋體903的是兩個外殼905，外殼905係各耦接至進流口以及出流口，以使冷卻空氣流過外殼905的內部。冷卻空氣可為室溫或大致為攝氏22度。中央加壓空氣來源(未圖示)提供了充分流量的空氣至進流口，以保證與該前後並排的處理腔室900相關之任何UV燈燈泡及/或燈泡之功率來源913的適當運作。
第9圖繪示了具有蓋體903、外殼905與功率來源913之該前後並排的處理腔室900之部分截面圖，處理腔室 900係配置以進行UV固化。每一外殼905係覆蓋分別配置在本體901內所限定的兩個處理區920上方之兩個UV燈燈泡902中個別的一個。每一個處理區920包括加熱座906以於該處理區920內支撐基板908。加熱座906可由陶瓷或金屬(例如鋁)製成。較佳為，加熱座906係耦接至桿柄910，桿柄910係延伸通過本體901的底部並由驅動系統912予以操作以使加熱座906在處理區920中移向及移離該UV燈燈泡902。驅動系統912也可於固化期間旋轉及/或橫移加熱座906，以進一步增近基板照射的均勻性。除了根據光線傳送系統設計考量(例如焦距長度)而對基板908上的入射UV輻射等級進行可能的細微調整以外，加熱座906之可調整定位係可控制揮發性之固化副產物以及除氣與清潔氣體之流動樣式與殘留時間。
一般而言，本發明的實施例涵蓋任何UV來源，例如汞微波電弧燈、脈衝式氙氣閃光燈或高效率UV發光二極體陣列。UV燈燈泡902為密封式電漿燈泡，其填有一或多種氣體，例如氙(Xe)或汞(Hg)，以受功率來源913所激發。較佳為，功率來源913為微波產生器，功率來源913可包含一或多個磁電管(未圖示)以及一或多個變壓器(未圖示)以激化磁電管的燈絲。在具有千瓦(MW)微波功率來源的一個實施例中，每一個外殼905都包括與該功率來源913相鄰的孔徑915，以自功率來源913接收達約6,000瓦的微波功率，進而從每一個燈泡902產生達約100瓦的UV光。在另一實施例中，該等UV燈燈泡902中可包括電極或燈絲，因此該 功率來源913可代表對電極之電路及/或電流供應，例如直流(DC)或脈衝式DC。
某些實施例之功率來源913可包含射頻(RF)能量來源，其可激發UV燈燈泡902內的氣體。在燈泡中之RF激發可為電容性或電感性。電感耦合電漿(ICP)燈泡可用以藉由產生比電容耦合放電更緻密的電漿而有效增加燈泡輝度。此外，ICP燈消除了因電極衰減所致之UV輸出衰減，因而產生較長壽命燈泡而增進系統生產力。以RF能量來源作為功率來源913的優點包括可增加效率。
較佳為，燈泡902發出跨越170nm至400nm之寬帶波長的光。選擇於燈泡902內使用之氣體可決定發射波長。由於當氧存在時，較短的波長會傾向於產生臭氧，因此可調整燈泡902所發出的UV光以主要產生高於200nm之寬帶UV光，以避免於固化製程中的臭氧生成。
UV燈燈泡902所發出的UV光係藉由通過配置在蓋體903的孔徑中的窗部914而進入處理區920。窗部914較佳是由無OH之合成石英玻璃所致成，且可具有足夠的厚度以保持真空而不破裂。此外，窗部914較佳為熔化之二氧化矽，該窗部914可傳送低達約150nm之UV光。由於蓋體903對本體901密封且窗部914對蓋體913密封，因此處理區920提供了可維持約1托耳至約650托耳壓力的空間。處理或清潔氣體917係經由兩個進流通道916中之個別的一個而進入處理區920。處理或清潔氣體917接著經由共同出流口918而離開處理區920。除此之外，供應至外殼905的內部之冷卻 空氣係環繞通過燈泡902，但是藉由窗部914而與處理區920隔離。
實例
本文所說明的實施方式之目標及優點，將藉由以下假設的實施例而進一步說明。在這些實施例中引用的特定材料及量以及其他條件及細節，不應被用來限定本文所說明的實施。
實例1：
經由化學暴露的直接Si-H減少：將包含受損孔洞的CDO薄膜之基板先放置在腔室的內側。然後將腔室利用真空泵而排空。在排空之後，將三甲基乙烯基矽烷(TMVS，CH2=CH-SiMe3)導入至腔室。Si-H分子部分與TMVS反應以形成Si-CH2-CH2-SiMe3。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。基板溫度可以是在室溫或更高。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。基板最終是在暴露後從腔室中移除，具有比進入腔室前更少的Si-H鍵。烯烴、乙醯丙酮、乙烯基矽烷、苯乙烯及丙烯醯醯胺已知可與Si-H反應。在這些家族中的化學品及化學品衍生物可用以取代TMVS。
實例2：
經由氧化作用及矽烷化作用之間接Si-H減少：將包含受損孔洞的CDO薄膜之基板先放置在腔室的內側。然後將腔室利用真空泵而排空。在排空之後，將氧、一氧化二氮、臭氧或所述者的混合物導入至腔室，以產生Si-H的氧化以形 成Si-OH。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。基板溫度可以是在室溫或更高。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。在氧化後，基板具有比進入腔室前更少的Si-H鍵及更多的Si-OH鍵。第二步驟矽烷化作用是遵循氧化作用。在這個步驟中，將CTMS導入至腔室中以與Si-OH反應，以形成Si-O-SiMe3。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。基板最終是在暴露後從腔室中移除。整體的結果是經由氧化作用及矽烷化作用減少Si-H鍵結。除了CTMS以外的一種或多種矽烷化作用劑也可用以取代CTMS。
實例3：
同時的Si-H及Si-OH減少-技術I：Si-H及Si-OH可在同時間減少。將包含受損孔洞的CDO薄膜之基板先放置在腔室的內側。然後將腔室利用真空泵而排空。在排空之後，將TMVS及CTMS的混合物(一種可能的組合例子)導入至腔室內以同時減少Si-H及Si-OH。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。基板溫度可以是在室溫或更高。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。基板最終是在暴露後從腔室中移除，具有比進入腔室前更少的Si-H鍵及更少的Si-OH鍵。
實例4：
同時的Si-H及Si-OH減少-技術II：Si-H及Si-OH可在同時間減少。將包含受損孔洞的CDO薄膜之基板先放置 在腔室的內側。然後將腔室利用真空泵而排空。在排空之後，將一氧化二氮及CTMS的混合物(一種可能的組合例子)導入至腔室內，以將Si-H轉換成Si-OH並同時減少Si-OH。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。基板溫度可以是在室溫或更高。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。基板最終是在暴露後從腔室中移除，具有比進入腔室前更少的Si-H鍵及更少的Si-OH鍵。
實例5：
同時的Si-H及Si-OH減少-技術III：Si-H及Si-OH可在同時間減少。將包含受損孔洞的CDO薄膜之基板先放置在腔室的內側。然後將腔室利用真空泵而排空。在排空之後，將一氧化二氮、TMVS及CTMS的混合物(一種可能的組合例子)導入至腔室內，以將Si-H轉換成Si-OH、減少Si-H並同時減少Si-OH。可在同時間導入惰性氣體。製程壓力可以是在大氣壓力或低於大氣壓力。基板溫度可以是在室溫或更高。可使用紫外(UV)光暴露以協助/加速反應。基板最終是在暴露後從腔室中移除，具有比進入腔室前更少的Si-H鍵及更少的Si-OH鍵。
實例6：
多重步驟串接Si-H及Si-OH減少：A.如本文先前所述的直接Si-H減少(例如，實施例1)。B.如本文先前所述的間接Si-H減少(例如，實施例2)。C.經由矽烷化作用的Si-OH減少(伴隨或不伴隨UV照射)。D.如本文先前所述的同時Si-H及Si-OH減少(例如，實施例3)。E.如本文 先前所述的同時Si-H及Si-OH減少(例如，實施例4)。F.如本文先前所述的同時Si-H及Si-OH減少技術III(例如，實施例5)。G. UV照射僅伴隨或不伴隨惰性氣體(例如，氦、氮及氬)。這些步驟的順序可以是任何的順序，並且在基板進入腔室的時間及基板離開腔室的時間之間，每個步驟都可使用超過一次。在任何順序中，至少本發明先前所說明的步驟之一(A、B、D、E或F)是存在的。例如，一種順序可以是：基板入→C→G→A→G→基板出。另一個例子可以是基板入→C→A→G→基板出。
雖然上述是有關於本發明的實施，但本發明的其他及進一步實施可在不脫離本發明基本範疇外而設計，以及本發明範疇是藉由所附的申請專範圍而決定。
200‧‧‧方法
210‧‧‧方塊
220‧‧‧方塊
230‧‧‧方塊
240‧‧‧方塊

Claims (20)

  1. 一種修復一損傷低k介電層的方法，包括以下步驟：使一多孔的低k介電層暴露於一含乙烯基矽烷之化合物；及視情況而使該多孔的低k介電層暴露於一紫外線(UV)固化製程。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該使一多孔的低k介電層暴露於一含乙烯基矽烷之化合物與該使該多孔的低k介電層暴露於一UV固化製程為同時進行。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該含乙烯基矽烷之化合物具有下列化學式： 其中R1、R2及R3分別選自氫(H)、烷基、氯、乙烯基及烷氧基。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該含乙烯基矽烷之化合物為三甲基乙烯基矽烷(TMVS)。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該含乙烯基矽烷之化合物為呈氣相。
  6. 如請求項1所述之方法，更包括在使一多孔的低k介電層暴露於一含乙烯基矽烷之化合物之前，先將該多孔的低k介電層放置在一處理腔室中。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該處理腔室係處於介於50毫托耳與500托耳之間的一壓力，該介電層係處於介於100℃與400℃間的一溫度，該含乙烯基矽烷之化合物係以介於1sccm與10000sccm之間的一流量流至該處理腔室中，該介電層係以介於100W/m2與2000W/m2之間的一UV輻射功率及介於100nm與400nm之間的UV波長而與UV輻射接觸。
  8. 如請求項1所述之方法，更包括以下步驟：使該多孔的低k介電層暴露於一矽烷化作用劑。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該矽烷化作用劑是選自由六甲基二矽氮烷(HMDS)、四甲基二矽氮烷(TMDS)、三甲基氯矽烷(TMCS)、二甲基二氯矽烷(DMDCS)、甲基三氯矽烷(MTCS)、三甲基甲氧基矽烷(TMMS)(CH3-O-Si-(CH3)3)、二甲基二甲氧基矽烷(DMDMS)((CH3)2-Si-(OCH3)2)、甲基三甲氧基矽烷(MTMS)((CH3-O-)3-Si-CH3)、苯基三甲氧基矽烷(PTMOS)(C6H5-Si-(OCH3)3)、苯基二甲基氯矽烷(PDMCS)(C6H5-Si(Cl)-(CH3)2)、二甲基胺基三甲基矽烷(DMATMS) ((CH3)2-N-Si-(CH3)3)或雙(二甲基胺基)二甲基矽烷(BDMADMS)所組成之群組。
  10. 如請求項8所述之方法，更包括以下步驟：使該多孔的低k介電層暴露於一氧化化合物。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該氧化化合物是選自由氧(O2)、含氧之化合物、臭氧(O3)、含臭氧之化合物、過氧化氫(H2O2)、含過氧化氫之化合物及所述者的組合所組成之一群組。
  12. 如請求項10所述之方法，其中使該多孔的低k介電層暴露於一含乙烯基矽烷之化合物、使該多孔的低k介電層暴露於一含矽烷基之化合物以及使該多孔的低k介電層暴露於一氧化化合物係同時進行。
  13. 一種修復一損傷低k介電層的方法，包括以下步驟：使一多孔的低k介電層暴露於一氧化化合物；使該多孔的低k介電層暴露於一矽烷化作用劑；及視情況而使該多孔的低k介電層暴露於一紫外線(UV)固化製程。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該使該多孔的低k介電層暴露於一氧化化合物與該使該多孔的低k介電層暴露於一UV 固化製程為同時進行。
  15. 如請求項13所述之方法，其中該氧化化合物是選自由氧(O2)、含氧之化合物、臭氧(O3)、含臭氧之化合物、過氧化氫(H2O2)、含過氧化氫之化合物及所述者的組合所組成之一群組。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該矽烷化作用劑是選自由六甲基二矽氮烷(HMDS)、四甲基二矽氮烷(TMDS)、三甲基氯矽烷(TMCS)、二甲基二氯矽烷(DMDCS)、甲基三氯矽烷(MTCS)、三甲基甲氧基矽烷(TMMS)(CH3-O-Si-(CH3)3)、二甲基二甲氧基矽烷(DMDMS)((CH3)2-Si-(OCH3)2)、甲基三甲氧基矽烷(MTMS)((CH3-O-)3-Si-CH3)、苯基三甲氧基矽烷(PTMOS)(C6H5-Si-(OCH3)3)、苯基二甲基氯矽烷(PDMCS)(C6H5-Si(Cl)-(CH3)2)、二甲基胺基三甲基矽烷(DMATMS)((CH3)2-N-Si-(CH3)3)或雙(二甲基胺基)二甲基矽烷(BDMADMS)所組成之群組。
  17. 如請求項13所述之方法，更包括在使一多孔的低k介電層暴露於一氧化化合物之前，先將該多孔的低k介電層放置在一處理腔室中。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該處理腔室係處於介於50 毫托耳與500托耳之間的一壓力，該介電層係處於介於100℃與400℃間的一溫度，該矽烷化作用劑係以介於1sccm與10000sccm之間的一流量流至該處理腔室中，且該氧化化合物係以介於1sccm與10000sccm之間的一流量流至該處理腔室中。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該介電層係以介於100W/m2與2000W/m2之間的UV輻射功率及介於100nm與400nm之間的UV波長而與UV輻射接觸。
  20. 如請求項13所述之方法，其中該矽烷化作用劑為呈氣相。
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