TWI324805B - Uv curing of low-k porous dielectrics - Google Patents

Description

1324805 • 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種半導體元件的製造方法，且特 別有關於一種多孔性（porous)之低介電常數（low-k)介電 層的製造方法。 【先前技術】 隨著半導體元件的密度增加，電阻/電容時間延遲 • (RC time delay)現象對積體電路的影響更甚。習知技術使 用低介電常數的介電材料以減少電阻/電容延遲時間。低 介電常數介電材料經常用於金屬層間介電層（IMD)及層 ' 間介電層（ILD)。然而，這些低介電常數介電材料卻帶來 ' 製程上的問題，特別是在金屬内連線（interconnects)製程 中 〇 在製作金屬内連線時，金屬的圖案化及蝕刻過程通 常使用高能量電漿。並且對低介電常數介電材料實施微 • 影蝕刻製程中，先以光阻為為罩幕對介電材料進行蝕 刻，再以高能量電漿移除光阻層。低介電常數介電材料 由於較軟以及化學穩定性不良等因素，很容易在電漿處 ^ 理中受到損害。電漿對其造成的損害往往導致漏電流增 - 加、崩潰電壓降低以及介電材料的介電常數提高。 習知技術常使用的一種低介電常數介電材料係多孔 性介電材料(porous dielectric)。多孔性介電材料是由可熱 固化（thermally cured)的基材（matrix)材料以及可熱裂解 0503-A31657TWF/claire 5 1324805 (thermally degradable)的生孑匕劑（Por〇gen)所組成。此多孑L 性介電材料的製作步驟通常先以旋塗式（sPin on)沉積法 形成低介電常數前驅（precursor)材料’再經過熱固化步驟 以形成多孔性介電材料。在固化製程中介電材料的基材 (matrix)發生交聯反應（cross link)，並且生孔劑因裂解而 形成細孔（pore)。生孔劑於固化時產生的揮發性副產品自 介電材料向外擴散而留下奈米細孔（nanoPore)。

Waldfried et.al.於美國專利第6,756,085號揭示一種 • 紫外光（UV)固化法，其可降低固化時間並增加介電材料 之彈性係數及硬度。Waldfried et.al.於美國早期公開第 2004/0058090號揭示一種固化多孔性介電材料的方法。 然而，使用習知技術製造具多孔結構的低介電常數 ' 介電材料仍存在諸多問題。一些反應性的氣體或化學物 質經由介電層中的細孔渗入（penetrate)介電層内而導致 整體材料的損害。特別是在光阻移除及金屬沉積的過程 容易對介電層造成損害。並且，奈米細孔的形成使介電 ® 層的機械性質降低而導致copper-ELK(extreme low-k dielectric)的化學機械研磨（CMP)效果不良。 基於上述的原因，目前需要一種能克服習知缺點之 多孔性低介電常數介電層的製造方法。 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供一種低介電常數介電層的形 成方法’包括：形成一材料層於一基底上，材料層包括 0503-A31657TWF/C 丨 aire 6 1324805 一生孔劑散佈於一未固化的基材中；以具有一第一波長 之放射線照射材料層使未固化的基材内形成細孔；以及 以一具有第二波長之放射線照射材料層。 本發明另提供一種修補含碳之低介電常數介電層之 才貝w的方法包括.形成一材料於一基底，其中材料層 包括一生孔劑散佈於一基材材料中；以具有一第一波長 之放射線照射材料層使基材材料内形成細孔；以具有一 第一波長之放射線照射材料層，其中該第二波長小於第 一波長；以及於一含碳的環境中對材料實施退火。 、本發明更提供-種於低介電常數介電層中形成鎮嵌 内連線的方法’包括：形成一低介電常數介電層，其中 該低介電常數介電層包括一生孔劑；製作—鑲嵌内連線 結構於低介電常數介電層中；在鑲^連線結㈣成 後’以具有一第一波長之紫外光照射低介電常數介電層 並形成複數個細孔於其中；在該些細孔形成後，以呈有 -第二波長之料光照射低介數介電層並使其發生 交聯反應，其中第二波長小於該第一波長。 【實施方式】 本實施例之操作方法及製造方法將在以下 說明。然而，以下實施例並非用本發明唯一 ：： 實施例僅是說明實施本發明的特定方法，1 本發明及專利範圍。 八 >用以限定 本發明係有關於一種半導體元件的製造方法，且特 0503-A31657TWF/claire 1324805 別有關於一種多孔性（p0r0us)之低介電常數（1〇w_k)介電 層的製造方法《請參閱第1圖，其係繪示於基底上形成 低介電常數材料的方法。首先提供適用於半導體元件製 造之基底110。其材料可選自塊狀(bulk)秒、摻雜或未掺 雜的半導體、矽、鍺、矽鍺、矽覆蓋絕緣層（SC)I)、矽鍺 覆蓋絕緣層（SGOI)或其組合。基底no還可包括形成於 半導體上之絕緣層，例如埋入氧化層（B〇x)或氧化矽。另 外，基底110亦可包含多層（multi-layered)基底、梯度 # (gradlent)基底、混合晶向（hybrid orientation)基底。在較 佳貫施例中’基底110係包含晶相<1〇〇〉之單晶矽。 接著在一較佳實施例中，可於基底η〇上形成低介 電常數(low-k)材料120 ’其可藉由化學氣相沉積（CVD)或 旋塗式沉積法(spm-on process)形成。在本例中低介電常 數材料120可選擇具有介電常數小於3左右之介電材 料’其較佳值則大約為介於1 9至2 5。 -般而言，低介電常數材料12〇所包含商用之低介 電常數材料，可選擇如多孔性的SILK(D〇w Chemical公 司製造）、JSR 5109(JSR公司製造）或zirk〇nTM LK ILD(Shipley公司製造的低介電常數材料）。1中， ZIRK〇NTM LK ILD是—種曱基石夕酸鹽類 (methylsilsequioxane，MSQ)為主的材料並以溶劑 (PGMEA)混合含丙烯酸（acrylic)的奈米顆粒 (nano-particle)生孔劑（P〇r〇gen)。生孔劑移除後之介電材 料，其介電常數約為2.5。另—實施例中，可利用聚降冰 0503-A31657TWF/claire 8 1324805 片豨（polynorbornene)作為生孔劑。 ZIRKONTM LK ILD的沉積方法可藉由旋塗式沉積 法。其生孔劑的裂解（degradation)溫度約在275°C，而固 化（curing)或是完整裂解的溫度約在450°C。因此，在包 含微影、蝕刻、光阻移除、金屬化（metallization)、化學 機械研磨（CMP)及化學機械研磨後（p0St-CMP)蓋層（cap layer)沉積的製程中，溫度維持低於約275°C。 多孔性介電材料可選自有機、無機或其組合之介電 鲁 質。較佳的選擇是包括含氫石夕酸鹽類（hydrogen silsequioxane ， HSQ) 、 曱 基石夕 酸鹽類 (methylsilsequioxane，MSQ)及其組合。而較佳的沉積方 法則可包括電漿增強化學氣相沉積（PECVD)，條件為溫 度約225°C，壓力約225托（torr)，能量約600瓦（W)。 由於多孔性介電材料容易在製程中遭受損害，化學 物質因此進入細孔（pore)中而造成介電常數提高》良好的 低介電常數材料是具有高硬度（hardness)及勤度 • (toughness)的介電質。對多孔性介電材料實施電漿處理或 電子束（e-beam)處理可改善其硬度（hardness)及機械性 質，或者較佳為實施紫外光(UV)處理。 請參照第2a圖，其係繪示對低介電常數介電材料實 施第一紫外光處理的方法。在一較佳實施例中，第一紫 外光處理是以紫外光源210所提供的紫外光220照射低 介電常數材料120。該紫外光源210包含寬束（broad beam ’ BB)紫外光源。第一紫外光處理另可包含分光儀 0503-A31657丁 WF/claire 9 (m〇n〇chron〇mator)、繞射光柵或過濾特定波長之紫外 2 2 0的遽光器。 '、 低"電常數材料120内的生孔劑在第一紫外光處理 的過程中裂解而形成細孔謂。第—紫外光處理使用之紫 外光波長約為280nm。細孔形成的溫度約為35〇t：，而大 部分的生孔劑裂解及細孔形成的時間約9 〇秒。於細孔產 生後介電常數可小於2.5,但此時介電材料的硬度通常低 於1 .OGPa而不能達到要求。 请參照第2b圖，其係繪示在另一較佳實施例中對低 η電#數介電材料實施第二紫外光處理的方法，在本實 施例中則可選擇實施至少—次額外的紫外域理（第二紫 外光處理）’例如’低介電f數材料⑽可藉由第二紫外 光220a產生父聯反應（cr〇ss_link)*形成低介電常數材料 12〇a。而在低介電常數材料12〇受第二紫外光22〇&昭射 時，其内部的石夕-氧-石夕（Sl_〇_Sl)鍵結由鳥籠狀㈣㈣ 結構轉變為網絡（neiw〇rk)結構。一般而言，第二紫外光 220a波長約小於第一紫外光22〇波長為佳，且以小於 250nm較佳。交聯反應則以發生於溫度約3刈。c實施約 6〇秒為佳。而交聯作用可使介電質硬度增加，1硬可 達到約1.5GPa。 八 又 叫多閱第3圖，其係繪示根據本發明實施例之口 ^程圖。f 一步驟31G包含形成具有生孔劑之介電層^ 土底上。第二步驟320係細孔形成步驟，其包含對 層實施第-紫外光照射使生孔劑發生反應。第三步驟⑽ 〇503-A31657TWF/claire 10 1324805 ‘ 係介電層發生交聯反應步驟，其包含對介電層^ $二 紫外光照射。第三步驟330實施於第二步驟32〇之後較 佳。在第三步驟中’交聯反應的發生除了可增加介電層 機械性質之穩定性，並且還可修補Si-H鍵、Si_〇H(silan^ 鍵及矽懸浮鍵(dangling silicon bond)以提升機械性質。因 此，第三步驟330係介電層穩定化步驟，反鹿性的'si_H 鍵及Si-OH鍵在此步驟轉變為穩定的Si-c #。 上述31〇、320及330步驟可發生於含氣體的環境 # t。氣體可選自惰性氣體，例如氬(Ar)、氦（取）。成者， 其他氣體包含氫(H2)、氮(N2)、氨(nh3)、二氧化碳(c〇2)、 氫化物（Hydride)及其組合。在較佳實施例中至少一紫外 ' 線處理步驟（例如步驟320及330)另包括含竣修補（carb〇n repairing)氣體。 含碳修補（carbon repairing)氣體可增加低介電常數 材料120的含碳量。藉由提高介電層的含竣量，介電層 對於電漿蝕刻或灰化造成的損害較具有抵抗能力。因 籲 此，含碳修補氣體的處理係介電層穩定化處理。含碳的 修補氣體包含以一般式CXHY表示之氣體，例如乙稀 (QH4)、丙烯（C3H6)。或者，其他較佳之碳修補氣體，例 如六曱基二石夕氮烧（hexamethyldisilazane，HMDS)或超臨 ' 界二氧化碳（supercritical C02)。經過含碳修補氣體處理 後，介電層之含碳量可由原本的14%增加至23%。 在上述310、320及330步驟中，至少一或數個紫外 光照射步驟可以包含電子束處理（e-beam)或熱輔助以控 0503-A31657TWF/claire 11 1324805 制溫度及對介電層進行完全固化。熱輔助包含提f| —或 多個製程的溫度，例如為退火，較佳者至少到達約225 °C以上。電子束處理之電子束能量較佳約為20〜150 mCoulomb/cm2 〇 第4a-4c圖係繪示根據本發明實施例所製作之元件 之剖面圖。以下的實施例將詳述於一鑲礙（damascene)製 程中低介電常數層間介電層（l〇w-k ILD)及銅金屬線之製 作方法。本發明的較佳實施例可改善因介電層受損所導 • 致的内連線鑲嵌製程的問題，並且亦有助於解決1C製程 中關於使用生孔劑產生的問題。本實施例僅是說明實施 本發明的特定方法，然其非用以限定本發明。 ' 請參照第4a圖，其係繪示於半導體製程中間階段的 半導結構剖面圖。此結構具有基底405、於基底405上之 導電層410、於導電層410上之阻障層415以及於阻障層 415上之含有生孔劑的介電層420。 基底405可包含矽晶圓，導電層410可包含銅。導 ® 電層410亦包含銅内連線或其他鑲嵌（damascene)結構。 含有生孔劑之介電層420係層間介電質材料（ILD)，其包 括含氫石夕酸鹽類（hydrogen silsequioxane，HSQ)或曱基石夕 酸鹽類（methylsilsequioxane，MSQ)之介電材料。阻障層 415厚度約為10〜30A較佳，其使用材料可選自TaN、 TiN、WN、TbN、VN、ZrN、CrN、WC、WN、WCN、 NbN、AIN及其組合。阻障層415的形成方法可藉由原子 層沉積（ALD)、物理氣相沉積（PVD)、化學氣相沉積 0503^A31657TWF/claire 12 1324805 (CVD)、電漿增強化學氣相沉積（pECVD)或電漿增強原子 層沉積（PEALD)。 3月參第4b圖’於第4a圖之半導體結構内以非等 向性姓刻形成雙鑲嵌結構的開口 425。開口 425具有介層 洞430(vias portion)及上方之溝槽部（〇verlying打⑶吐 portion)435。可包含一或數個介層洞43〇的雙鑲嵌結構可 以各種方法製作，例如先以至少兩道微影及非等向性蝕 刻製程形成介層洞430 ’接著再以類似的製程形成溝槽部 • 435。 請接續第4b圖，全面性的沉積銅440並實施平坦化 製程，使雙鑲嵌結構的介層洞430及溝槽部435被填入 銅440。銅440的沉積方法可選用物理氣相沉積或化學氣 相沉積法’或者較佳為使用具有良好填溝能力（gap filing) 及階梯覆蓋性(step coverage)的電鐘法（electroplating)。 請參照第4c圖，藉由實施第3圖及前述之步驟310、 320及330固化介電層420。在本例中，第一及第二紫外 籲 光445a及445b係依序照射含生孔劑的介電層420以完 成固化製程。根據本發明實施例，第一紫外光波長約為 280nm，第二紫外光波長約小於250nm。並且，至少一紫 外光照射步驟包含以含碳修補氣體（例如HMDS)修補介 -電層420。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護 0503-A31657TWF/claire 13 1324805 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0503-A31657TWF/claire 14 【圖式簡單說明】 介電據本㈣實施例之於基底上形成低 電欧嶋電常數介 電材:====例之對低介電常數介 =3圖係身示根據本發明實施例之製程流程圖； 常數vr: ΐ=示根據本發明實施例之㈣^ (Λ , 9 (ow-k ILD)及銅金屬線之鑲嵌 (damascene)製程的剖面圖。 【主要元件符號說明】 110〜基底； 120〜低介電常數介電材料層； 210〜紫外光源 220a〜第二紫外光； 310〜第一步驟； 3 30〜第三步驟； 410〜導電層； 420〜第電常數介電層； 430〜介層洞； 120a〜低介電常數介電材料層； 220〜第一紫外光； 240〜細孔； 320〜第二步驟； 405〜基底； 415〜阻障層； 420〜開口； 445a、b〜第一 '第二紫外光。 43 5〜溝槽部； 0503-A31657TWF/cIaire 15

Claims (1)

1. 第96100901號申請專利範圍修正本[?7年工—月夕日修{更)正替換貢 十、申請專利範® : L-j正日期：购〇 *種低介電常數介電層的形成方法，包括·· 形成一材料層於一基底上，兮从 斗法从 低上該材科層包括一生孔劑 散佈於一未固化的基材中； * “ ：、有第一波長之放射線照射該材料層使該未固 的基材内形成細孔；以及 以具有第二波長之放射線照射該材料層，其中該 弟二波長小於該第一波長。 如申印專利範圍第1項所述之低介電常數介電層 的开/成方法’其中該第一波長約280nm，該第二波長約 小於25〇nm。 ,3.如申請專利範圍第丨項所述之低介電常數介電層 的形成方法，其中該材料層的形成方法包括電漿增強化 學沉積法（PECVD)。 4. 如申請專利範圍第1項所述之低介電常數介電層 2形成方法，其中至少有一步驟更包括在一含氣體的環 境中實施以在該材料層内形成一 Si_c鍵。 5. 如申請專利範圍第4項所述之低介電常數介電層 的形成方法’其中該含氣體的環境包括乙烯（c2H4)、丙烯 (C3%)、六曱基二石夕氮烧(hexamethyldisilazane，HMDS)、 超臨界二氧化碳（supercritical C02)或其組合。 6·如申請專利範圍第4項所述之低介電常數介電層 的形成方法’其中形成該Si_C鍵包括使Si-OH(silanol) 鍵轉變為Si-C鍵結。 〇503-A31657TWFl/jefF 16 ϋ5 第 961〇〇%ι 遗申請專利範圍修正本 修正日期：99.2.10 7·如申請專利範圍第1項所述之低介電常數介電層 的开> 成方法’其中該未固化的基材包括曱基石夕酸鹽類 (MSQ)、旋塗式玻璃（s〇G)、含氫矽酸鹽類（HSQ)或豆组 8.如申請專利範圍第1項所述之低介電常數介電層 的I成方法’其中該生孔劑包括丙稀酸(acryHc)、聚降冰 片烯(polynorbornene)及其組合。 9·如申請專利範圍第1項所述之低介電常數介電層 的形成方法，另包括實施一電子束處理，電子束能量約 φ 20〜150 mCoulomb/cm2。 10· —種修補含碳之低介電常數介電層之損害的方 法，包括： 形成一材料於一基底，其中該材料層包括一生孔劑 散佈於一基材材料中； 以具有一第一波長之放射線照射該材料層使該基材 材料内形成細孔； 以具有-第二波長之放射線照射該材料層，其中該· 第二波長小於該第一波長；以及 於一含碳的環境中對該材料實施退火。 如申請專利範圍第10項所述之修補含碳之低介 電常數介電層之損害的方法，其中該第一波長約·⑽， 該第二波長約小於250nm。 12.如申請專利範圍第1〇項所述之修補含碳之低介 電常數介電層之損害的方法，其中該含碳的環境包括以 0503-A3 丨 657TWFl/jeff 1324805 t 1 修正日期：99.2.10 第96100901號申請專利範圍修正本 一般式CXHY表示之氣體。 13. 如申請專利範圍第10項所述之修補含碳之低介 電常數介電層之損害的方法，其中該含碳的環境包括乙 烯（CsH4)、丙烯、六曱基二矽氮烷 (hexamethyldisilazane，HMDS)、超臨界二氧化碳 (supercritical C02)或其組合。 14. 如申請專利範圍第1〇項所述之修補含碳之低介 電常數介電層之損害的方法，其中於一含碳的環境中對 該材料層實施退火包括使Si_OH(silan〇1)鍵轉變為Si_c鍵 結。 15.如申請專利範圍第1〇項所述之修補含碳之低介 電常數介電層之損害的方法，其中該基材材料包括甲基 矽酸鹽類（MSQ)、旋塗式玻璃（s〇G)、含氫矽酸鹽類（HSQ) 或其組合。 16·如申請專利範圍第1〇項所述之修補含碳之低介 電吊數介電層之損害的方法，其中該生孔劑包括丙烯酸 (acrylic) t 降冰片烯（polynorbornene)及其組合。 17. —種於低介電常數介電層中形成鑲嵌内連線的 方法，包括： 形成一低介電常數介電層，其中該低介電常數介電 層包括一生孔劑； 衣作一鑲嵌内連線結構於該低介電常數介電層中； 在該鑲嵌内連線結構形錢，以具有-第-波長之 紫外光照射該低介電常數介電層並形成複數個細孔於其 〇503-A31657TWFl/jeff 1324805 第96100901號申請專利範圍修正本 修正日期：99.2.10 中；以及 在該些細孔形成後，以具有一第二波長之紫外光照 射該低介電常數介電層並使其發生交聯反應，其中該第 二波長小於該第一波長。 18. 如申請專利範圍第17項所述之於低介電常數介 電層中形成鑲嵌内連線的方法，其中該第一波長約 280nm，該第二波長約小於250nm。 19. 如申請專利範圍第17項所述之於低介電常數介 電層中形成鑲被·内連線的方法，更包括於一含碳的環境 中對該低介電常數介電層實施一退火製程，該含碳的環 境包括乙烯（c2h4)、丙稀（c3h6)、六曱基二石夕氮院 (hexamethyldisilazane 5 HMDS)、超臨界二氧化碳 (supercritical C〇2)或其組合。 0503-A31657丁 WFl/jeff 19