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TW201435139A - 增強低介電常數阻障膜之ｕｖ相容性 - Google Patents

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TW201435139A
TW201435139A TW103105680A TW103105680A TW201435139A TW 201435139 A TW201435139 A TW 201435139A TW 103105680 A TW103105680 A TW 103105680A TW 103105680 A TW103105680 A TW 103105680A TW 201435139 A TW201435139 A TW 201435139A
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processing chamber
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TW103105680A
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葉偉峰
石美儀
巴賽諾米海拉
張曉軍
巴曉蘭
金鈺
夏立群
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應用材料股份有限公司
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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本發明的實施例大體係關於形成介電阻障層的方法。利用電漿增強沉積製程，沉積介電阻障層至基板上。在一實施例中，將氣體混合物引入處理腔室內。氣體混合物包括含矽氣體、含氮氣體、含硼氣體和氬(Ar)氣。

Description

增強低介電常數阻障膜之UV相容性
本發明的實施例大體係關於形成介電阻障層的方法。
自數十年前引用至今，半導體裝置幾何形狀尺寸已大幅縮小。現代半導體製造裝備例行生產特徵結構尺寸為90奈米(nm)、65nm和45nm的裝置，並正開發新裝備用於製作幾何形狀更小的裝置。然小尺寸意味著裝置元件需更密切合作，導致增加電子干擾的機會，包括串音和寄生電容。
為降低電子干擾的程度，介電絕緣材料(亦稱作層間介電質(ILD))用於填充間隙、溝槽和裝置元件、金屬線與其他裝置特徵結構間的其他空間。介電材料因易形成於裝置特徵結構間的空間和低介電常數(即「k值」)而選用。具低k值的介電質更能最小化串音和電阻-電容(RC)延遲，及減少裝置的整體功率消耗。
在一些應用中，介電材料經紫外線(UV)輻射曝照。UV輻射會影響介電材料的化學結構，以致改變材料的物性和 電性。例如，UV常用於降低ILD層的介電常數。然UV處理會對相鄰介電層造成不良影響，例如介電阻障層。介電阻障層通常會遭UV處理削弱，且UV處理期間，應力可能從壓縮變成拉伸而引發剝離。此外，間接UV處理會降低介電阻障層的介電崩潰性，致使介電質具高漏電流和低電壓崩潰(VBD)。
因此，需要改良方法來形成UV相容且具低介電常數的介電阻障層。
本發明的實施例大體係關於形成介電阻障層的方法。利用電漿增強沉積製程，沉積介電阻障層至基板上。在一實施例中，將氣體混合物引入處理腔室內。氣體混合物包括含矽氣體、含氮氣體、含硼氣體和氬(Ar)氣。
在一實施例中，揭示形成阻障層至基板上的方法。方法包括輸送氣體混合物至處理腔室，氣體混合物包含含矽氣體、含氮氣體和Ar氣。方法進一步包括在處理腔室內產生電漿，及沉積阻障層至基板上。阻障層經UV處理後具有約200兆帕(MPa)或以下的應力變化。
在另一實施例中，揭示形成阻障層至基板上的方法。方法包括輸送氣體混合物至處理腔室，氣體混合物包含含矽氣體、含氮氣體、含硼氣體和Ar氣。方法進一步包括在處理腔室內產生電漿，及沉積阻障層至基板上。
在又一實施例中，揭示形成阻障層至基板上的方法。方法包括輸送氣體混合物至處理腔室，氣體混合物包括三甲基矽烷(TMS)、氨氣(NH3)、二硼烷(B2H6)和Ar。 方法進一步包括在處理腔室內產生電漿，及沉積阻障層至基板上。阻障層的介電常數為約5.0或以下，且經UV處理後具有約300MPa或以下的應力變化。
100‧‧‧基板
102‧‧‧底層
104、110‧‧‧ILD層
106‧‧‧導電觸點
108‧‧‧介電阻障層
112‧‧‧凹部
200‧‧‧方法
210、220、230、240‧‧‧製程
300‧‧‧方法
310、320、330、340‧‧‧製程
400‧‧‧曲線圖
500‧‧‧腔室
502‧‧‧腔室主體
503‧‧‧驅動系統
508‧‧‧氣體分配組件
512‧‧‧腔壁
518、520‧‧‧處理區
519‧‧‧氣流控制器
525‧‧‧RF電源
526‧‧‧杵桿
528‧‧‧基座
534‧‧‧系統控制器
538‧‧‧記憶體
540‧‧‧通道
542‧‧‧氣體分配歧管
544‧‧‧擋板
546‧‧‧面板
548‧‧‧底板
為讓本發明的上述概要特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，部分實施例乃圖示在附圖。然應注意所附圖式僅說明本發明典型實施例，故不宜視為限定本發明範圍，因為本發明可接納其他等效實施例。
第1圖係基板的截面圖。
第2圖圖示根據所述一實施例的方法流程圖。
第3圖圖示根據所述一實施例的方法流程圖。
第4圖係在不同製程條件下，k值與應力變化的曲線圖。
第5圖係可用於進行所述方法的化學氣相沉積(CVD)腔室的截面示意圖。
為助於理解，盡可能以相同的元件符號代表各圖中共同的相仿元件。應理解某一實施例的元件和特徵結構當可有利地併入其他實施例，在此不再贅述。
本發明的實施例大體係關於形成介電阻障層的方法。利用電漿增強沉積製程，沉積介電阻障層至基板上。在一實施例中，將氣體混合物引入處理腔室內。氣體混合物包括含矽氣體、含氮氣體、含硼氣體和氬(Ar)氣。
第1圖係基板100的截面圖。基板100具有ILD層 104置於底層102上。導電觸點106設在ILD層104內，且由阻障層(未圖示)隔開ILD層104。導電觸點106可為金屬，例如銅(Cu)。ILD層104含有介電材料，例如低k介電材料。在一實例中，ILD層104含有低k介電材料，例如氧化矽碳材料或碳摻雜的氧化矽材料，例如取自位於美國加州聖克拉拉的應用材料公司的BLACK DIAMOND® II低k介電材料。為降低k值，ILD層104可選擇性含有成孔劑，然後經UV處理而形成奈米孔。
在ILD層104與導電觸點106上沉積介電阻障層108前，可選擇性沉積選擇性覆蓋層(未圖示)至導電觸點106上。介電阻障層108可為介電材料，例如氮化矽碳(SiCN)或氮化矽硼碳(SiBCN)。
如第1圖所示，導電觸點106沉積至ILD層的開口內及經化學機械研磨(CMP)處理後，可於導電觸點106的角落形成凹部112。依所述方法形成的介電阻障層108可共形填充凹部112。
第二ILD層110可沉積在介電阻障層108上供下一金屬層用。當ILD層110經UV處理以降低k值時，介電阻障層108亦間接遭UV處理而受到影響。為最小化應力變化及降低介電阻障層108的k值，將採用以下沉積介電阻障層108的方法。
第2圖係根據本發明一實施例，方法200的流程圖。方法200始於製程210：把基板放入處理腔室。處理腔室可為任何適合的處理腔室，例如化學氣相沉積(CVD)腔室、電 漿增強化學氣相沉積(PECVD)腔室或原子層沉積(ALD)腔室。基板可為矽基板、III-IV化合物基板、矽/鍺(Si/Ge)基板、絕緣層覆矽(SOI)基板、顯示基板(例如液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器、電激光(EL)燈顯示器)、發光二極體(LED)基板或有機發光二極體(OLED)基板。在一些實施例中，基板為半導體晶圓，例如200毫米(mm)、300mm、450mm等矽晶圓。一或更多特徵結構可預先形成在基板上。特徵結構例如為電晶體、電晶體閘極、填充溝槽或開口或導線。
如上所述，基板具有底層102和具導電觸點106的ILD層104。可在沉積介電阻障層108至ILD層104與導電觸點106上前，進行化學機械研磨(CMP)製程，以平坦化表面。
在製程220中，將氣體混合物輸送到處理腔室內。氣體混合物可包括含矽氣體、含氮氣體和Ar氣。含矽氣體可為雙(二乙胺基)矽烷(BDEAS)、六甲基環三矽氮烷(HMCTZ)、二矽烷基甲烷(Bono-2)或三甲基矽烷(TMS)。含氮氣體可為氮氣(N2)、氨氣(NH3)或聯氨(H2N2)。
Ar氣可用作載氣。茲發現將氬氣引入電漿及在低壓(例如低於約3托耳)下使溫度從約350℃上升到約400℃時，介電阻障層遭間接UV處理後有較小的應力變化。升溫會減少各種形式(SiH、NH和CHx)的氫含量及最小化層變化。添加氬氣會增加離子轟擊及提高層密度和硬度。在一實施例中，氣體混合物包括TMS、NH3、Ar和N2。TMS的流率為約 50sccm(標準立方公分每分鐘)至約300sccm。NH3的流率為約500sccm至約2000sccm。Ar氣的流率為約1000sccm至約5000sccm。N2的流率為約500sccm至約4000sccm。噴淋頭與晶圓的間距為250密耳至500密耳。
在製程230中，在處理腔室內，由上述氣體混合物產生電漿。可施加約0.01瓦/平方公分(W/cm2)至約6.4W/cm2的功率密度來產生電漿，此係約10W至約2000W的RF功率大小，例如在13兆赫(MHz)至14MHz的高頻(例如13.56MHz)下為約100W至約400W。
在製程240中，由電漿沉積介電阻障層至基板上。介電阻障層可為SiCN層。第二ILD層可沉積在介電阻障層上，ILD層可經UV處理，以降低ILD層的k值。介電阻障層可間接遭UV處理。由於間接UV處理期間的應力變化為約200MPa或以下，故SiCN層具有改善的UV穩定性應力控制。
第3圖係根據本發明另一實施例，方法300的流程圖。方法300始於製程310：和上述一樣，把基板放入處理腔室。在製程320中，將氣體混合物輸送到處理腔室內。氣體混合物可包括含矽氣體、含氮氣體、含硼氣體和Ar氣。含矽氣體可為BDEAS、HMCTZ、Bono-2或TMS。含氮氣體可為N2、NH3或H2N2。因硼的極化率比矽小，故含硼氣體亦可包括在氣體混合物內。添加硼可降低k值，且UV處理後仍可維持阻障性(例如氣密性與密度)和應力穩定性。然硼濃度需限制在約0.1%至約10%之間，因為硼-氮鍵結在後續處理介電阻障層時所遭遇的氧化環境中並不穩定。在一實施例中，含 硼氣體係二硼烷，且流率大於25sccm，例如40sccm。在一實施例中，氣體混合物包括TMS、NH3、Ar、二硼烷和N2。
在製程330中，在處理腔室內，由上述氣體混合物產生電漿。可施加約0.01W/cm2至約6.4W/cm2的功率密度來產生電漿，此係約10W至約2000W的RF功率大小，例如在13MHz至14MHz的高頻(例如13.56MHz)下為約100W至約400W。
在製程340中，由電漿沉積介電阻障層至基板上。介電阻障層可為SiBCN層。第二ILD層可沉積在介電阻障層上，ILD層可經UV處理，以降低ILD層的k值。介電阻障層可間接遭UV處理。SiBCN層具有改善的UV穩定性應力控制，並具穩定VBD且無大量漏電流，同時經間接UV處理後仍可維持低k值。在一實施例中，介電阻障層間接遭UV處理後，介電阻障層具有5.0或以下的k值、大於6MV/cm的穩定VBD，且UV處理期間的應力變化為300MPa或以下。
第4圖係在不同製程條件下，k值與應力變化的曲線圖400。由於添加Ar氣及使溫度從350℃上升到400℃，將可使應力變化下降至約200MPa。添加含硼氣體可使k值降為小於5.8。一資料點顯示k值為約5.0。
第5圖係可用於實踐本發明實施例的CVD腔室500的截面示意圖。腔室一例為取自位於美國加州聖克拉拉的應用材料公司的PRODUCER®系統中的二或雙腔室。雙腔室具有隔離處理區(用於處理兩個基板，每一處理區處理一個基板)，如此各區的流率約為流入整個腔室的流率的一半。具 二隔離處理區的腔室進一步描述於美國專利案第5,855,681號，該專利案以引用方式併入本文中。另一可用腔室實例為CENTURA®系統中的DxZ®腔室，二者均取自應用材料公司。
CVD腔室500具有腔室主體502，腔室主體定義分離的處理區518、520。每一處理區518、520具有基座528，用以支撐CVD腔室500內的基板(未圖示)。各基座528通常包括加熱元件(未圖示)。在一實施例中，各基座528由杵桿526活動設在處理區518、520之一，杵桿延伸穿過腔室主體502的底部，由此連接至驅動系統503。
處理區518、520各自包括氣體分配組件508，氣體分配組件設置穿過室蓋，以將氣體輸送到處理區518、520內。各處理區的氣體分配組件508一般包括氣體入口通道540，氣體入口通道將氣體從氣流控制器519輸送到氣體分配歧管542，氣體分配歧管亦稱作噴淋頭組件。氣流控制器519通常用於控制及調節不同製程氣體進入腔室的流率。若使用液態前驅物，則其他流量控制部件可包括液流注入閥和液流控制器(未圖示)。氣體分配歧管542包含環形底板548、面板546和置於底板548與面板546間的擋板544。氣體分配歧管542包括複數個噴嘴(未圖示)，處理期間將由此注入氣態混合物。RF(射頻)源525提供偏壓電位至氣體分配歧管542，以助於在噴淋頭組件542與基座528間產生電漿。在電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程期間，基座528做為陰極，以於腔室主體502內產生RF偏壓。陰極電氣耦接至電極電源，以於腔室500內產生電容電場。通常，RF電壓施加至陰 極，腔室主體502則電氣接地。施加至基座528的功率會在基板的上表面產生負電壓形式的基板偏壓。此負電壓用於從腔室500內形成的電漿吸引離子到基板的上表面。
處理期間，製程氣體均勻徑向分布遍及基板表面。藉由施加出自RF電源525的RF能量至氣體分配歧管542，可由一或更多製程氣體或氣體混合物形成電漿，氣體分配歧管做為供電電極。當基板接觸電漿與內含反應氣體時，將發生膜沉積作用。腔壁512通常係接地。RF電源525可供應單一或混合頻率的RF訊號至氣體分配歧管542，以增強任何引入處理區518、520的氣體分解。
系統控制器534控制各種部件功能，例如RF電源525、驅動系統503、升降機構、氣流控制器519和其他相關腔室及/或處理功能。系統控制器534執行儲存於記憶體538的系統控制軟體，在較佳實施例中，記憶體係硬碟機且包括類比與數位輸入/輸出板、介面板和步進馬達控制板。光學及/或磁性感測器通常用於移動及測定移動式機械組件的位置。
以上CVD系統敘述主要係做為說明之用，其他電漿處理腔室亦可用於實踐所述實施例。
總之為揭示形成UV相容介電阻障層的方法。介電阻障層摻雜硼，Ar用作載氣。如此，介電阻障層具有改善的UV穩定性應力控制，又可維持低k值。
雖然以上係針對本發明實施例說明，但在不脫離本發明基本範圍的情況下，當可策劃本發明的其他和進一步實施例，因此本發明範圍視後附申請專利範圍所界定者為準。
500‧‧‧腔室
502‧‧‧腔室主體
503‧‧‧驅動系統
508‧‧‧氣體分配組件
512‧‧‧腔壁
518、520‧‧‧處理區
519‧‧‧氣流控制器
525‧‧‧RF電源
526‧‧‧杵桿
528‧‧‧基座
534‧‧‧系統控制器
538‧‧‧記憶體
540‧‧‧通道
542‧‧‧氣體分配歧管
544‧‧‧擋板
546‧‧‧面板
548‧‧‧底板

Claims (16)

  1. 一種形成一阻障層至一基板上的方法，該方法包含以下步驟：輸送一氣體混合物至一處理腔室，其中該氣體混合物包含一含矽氣體、一含氮氣體和氬(Ar)氣；在該處理腔室內產生一電漿；及沉積該阻障層至該基板上，其中該阻障層經一UV處理後具有約200MPa或以下的一應力變化。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該含矽氣體係三甲基矽烷(TMS)。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該含矽氣體係六甲基環三矽氮烷(HMCTZ)。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該含矽氣體係雙(二乙胺基)矽烷(BDEAS)。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該含矽氣體係二矽烷基甲烷(Bono-2)。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該Ar氣具有約1000sccm至約5000sccm的一流率。
  7. 一種形成一阻障層至一基板上的方法，該方法包含以下步驟：輸送一氣體混合物至一處理腔室，其中該氣體混合物包含一含矽氣體、一含氮氣體、一含硼氣體和Ar氣；在該處理腔室內產生一電漿；及沉積該阻障層至該基板上。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該含矽氣體係TMS。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該含硼氣體係二硼烷。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該含硼氣體的一濃度為約0.1%至約10%。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該阻障層具有約5.0的一介電常數，且經一UV處理後具有約300MPa或以下的一應力變化。
  12. 如請求項7所述之方法，其中該含矽氣體係HMCTZ。
  13. 如請求項7所述之方法，其中該含矽氣體係BDEAS。
  14. 如請求項7所述之方法，其中該含矽氣體係Bono-2。
  15. 一種形成一阻障層至一基板上的方法，該方法包含以下步驟：輸送一氣體混合物至一處理腔室，其中該氣體混合物包含TMS、氨氣(NH3)、二硼烷和Ar；在該處理腔室內產生一電漿；及沉積一阻障層至該基板上，其中該阻障層具有約5.0的一介電常數，且經一UV處理後具有約300MPa或以下的一應力變化。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該二硼烷的一濃度為約0.1%至約10%。
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