修复半导体器件中损伤层的方法
专利汇可以提供修复半导体器件中损伤层的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且受损伤的多孔OSG层和其它的损伤可以被 化学修复 。在亚90nmILD内的多孔OSG中，化学修复是特别有利的。例如，可以借助于使损伤与粘合促进剂发生反应来进行化学修复，此粘合促进剂的“k”值与损伤材料中所希望的“k”值可比拟。可以对损伤的多孔OSG层(亲 水 性的)进行控制，以便防止它们允许潮气到达 铜 线。在具有多孔OSG几何形状的ILD中，不希望有的铜外扩散能够得到控制。，下面是修复半导体器件中损伤层的方法专利的具体信息内容。
1.一种修复半导体器件中损伤层的方法，它包含：
使具有悬挂O-键(可选地以-OH的形式出现)的损伤层与化学 修复剂接触；以及
使损伤层与化学修复剂发生反应，直至形成化学修复层。
2.权利要求1的方法，其中，化学修复层的厚度约为10-100埃。
3.权利要求1的方法，包括共形地旋涂粘合促进剂。
4.权利要求1的方法，其中，化学修复剂是一种在存在悬挂O- 键或OH原子团的情况下反应形成低聚物的预聚物溶液。
5.权利要求1的方法，包括在存在化学修复剂的情况下对损伤 层进行加热。
6.权利要求1的方法，包括至少下列(A)和(B)之一：(A) 在存在化学修复剂的情况下对损伤层进行炉子固化，其中形成交联聚 合物；(B)在存在化学修复剂的情况下对损伤层进行电炉烘焙，其 中形成低聚物。
7.权利要求1的方法，其中，化学修复剂包括Si-O-R原子团， 且损伤层包括未被反应的O-Si原子团和OH-Si原子团。
8.权利要求1的方法，其中，损伤层是碳耗尽的。
9.权利要求1的方法，其中，损伤层包括Si-O-和Si-OH，且未 被反应的O-或OH与化学修复剂发生反应。
10.权利要求1的方法，其中，化学修复剂是苯基-乙烯基-氢化 倍半硅氧烷。
11.权利要求1的方法，其中，化学修复剂包含Si-O-R’原子团， 其中，R，可以相同或不同并选自苯基(C6H5)原子团、乙烯基(CH＝CH) 原子团、以及氢化物(-H)。
12.权利要求1的方法，其中，化学修复剂包含Si-O-R，其中， “R”是氢或脂类物质(CxHy，其中，x和y可以相同或不同，x为正， y可以为0或正)。
13.权利要求1的方法，其中，损伤层是有机掺杂的倍半硅氧烷 或氧化硅玻璃(OSG)层。
14.权利要求1的方法，其中，损伤层是多孔OSG。
15.权利要求1的方法，其中，化学修复剂的介电常数k等于或 大致等于损伤层的介电常数k。
16.权利要求1的方法，其中，化学修复剂和损伤层的介电常数 约为2.4-2.7。
17.权利要求1的方法，其中，在大气压力下于大约250-450℃ 的温度下，在大约2-10分钟的时间内，从损伤层形成化学修复层。
18.权利要求1的方法，包括粘合促进剂与损伤层的化学反应。
19.权利要求1的方法，其中，接触角和/或k值的测量确立了悬 挂O-键和OH原子团已经被转换。
20.权利要求1的方法，其中，透射电子显微镜(TEM)/电子 能量损耗谱(EELS)分析或电容测量证实了损伤层已经被转换成了修 复层。
21.权利要求1的方法，其中，损伤层被包括在层间器件(ILD) 膜中，其中，悬挂O-键出现在ILD膜的整个厚度内，或出现在ILD 膜的部分厚度内。
22.一种制作包括至少一个导电金属区的器件的方法，它至少包 含下列步骤：
(a)对损伤的OSG层进行化学修复，以便提供修复了的OSG 层；
(b)在器件中形成至少一个导电金属区。
23.权利要求22的方法，其中的金属选自铜、铜合金、铝、铝 合金、钛、钽以及钨。
24.权利要求22的方法，其中，所述损伤的OSG是多孔的。
25.权利要求22的方法，其中，修复步骤在反应离子刻蚀(RIE) 之后被执行，且修复步骤包括涂敷介电常数约为2.4-2.7的粘合促进剂 (AP)。
26.权利要求25的方法，其中，涂敷的AP的厚度约为10-100 埃。
27.权利要求22的方法，其中，所述修复了的OSG层位于紧邻 金属区附近。
28.权利要求22的方法，还包括修复之后淀积衬里的步骤。
29.权利要求28的方法，包括衬里淀积之后的镀铜步骤。
30.权利要求22的方法，其中，修复步骤包括共形旋涂的粘合 促进剂，该粘合促进剂与损伤的有机硅化物玻璃(OSG)层发生化学 反应。
技术领域
本发明一般涉及到半导体器件制造，更确切地说是涉及到层间器 件(ILD)。
背景技术
在ILD的使用中，在大多数应用中通常优选采用介电常数k低 的介质材料。随着亚90nm技术的发展，具有超低k(ULK)的ILD 需要满足电阻-电容(RC)延迟和性能要求。但对于大多数ULK材料， 常常要求增加多孔性，以便达到2.6以下的k值。有机低k和ULK 材料常常有热膨胀系数(CTE)数值高的缺点，这能够由于与金属铜 的CTE失配而导致热循环失效。因此，作为一种有吸引力的工业变通， 已经开始采用多孔有机掺杂的倍半硅氧烷或氧化硅玻璃(OSG)材料 作为ULK层间介质。这些材料是Si-O-R基的，并能够用相似于致密 Si基材料的化学方法进行加工。“R”表示氢或脂类物质(CxHy)。
但上述OSG材料(特别是多孔OSG材料)的缺点是抗蚀剂剥离 过程中的等离子体损伤。典型的常规剥离化学方法已经在OSG膜中 导致了碳耗尽层。对于多孔OSG材料，由于这些材料不如非多孔OSG ILD致密，这一等离子体加工过程中的损伤问题更为严重。(图1示 出了损伤层10的一个例子)。随着密度的减小和多孔性的增大，损伤 基团能够更深地渗透到ILD膜的本体中。随着铜线之间的尺寸越来越 小，损伤层对集成结构可靠性的影响变得更大。从膜的亲水性增大、 线间电容增大、以及阻挡层粘合性变差，可以看出这种影响。
通常采用湿法清洁工艺来清除某些受到损伤的OSG层(例如图 1中的损伤层10)。但当损伤层位于多孔介质内时，看不出这种尝试 的解决方法能够令人满意。
发明内容
在本发明中，多孔OSG层的亲水性可以被有利地控制，例如控 制受损伤的各个多孔OSG层(这些层是亲水性的)，以便防止这些 受损伤的层使潮气达到铜线，从而防止加重不希望有的铜外扩散。本 发明从而有利地提供了改进了的铜/衬里可靠性。
本发明还在某些器件(例如ILD，特别是包含铜线的ILD)中根 本上避免了潮气到达铜线以及避免了铜的外扩散。
本发明在涉及到半导体器件的优选实施方案中提供了一种修复 损伤层的方法(例如，由RIE损伤和/或光抗蚀剂剥离损伤所形成的损 伤层；有机掺杂的倍半硅氧烷或氧化硅玻璃(OSG)层(例如优选为 多孔OSG)；包括未被反应的O-Si原子团和OH-Si原子团的层；碳 耗尽的层；介电常数k约为2.4-2.7的材料；以及其它多孔和非多孔的 损伤层)，此方法包含下列步骤：使具有悬挂O-键(可选地以-OH的 形式出现)的损伤层与化学修复剂接触(此化学修复剂是例如：在存 在悬挂O-键或OH原子团的情况下反应形成低聚物的预聚物溶液；包 含Si-O-R的化合物(其中“R”是氢或脂类物质CxHy，其中，x和y可 以相同或不同，x为正，y可以为0或正)；苯基-乙烯基-氢化倍半硅 氧烷；包含Si-O-R’原子团的化合物(其中R’可以相同或不同并选自 苯基(C6H5)原子团、乙烯基(CH＝CH)原子团、以及氢化物(hydrido) (-H))；介电常数k等于或大致等于损伤层介电常数k的材料；介 电常数k约为2.4-2.7的材料；以及其它化学修复剂)；使损伤层与化 学修复剂反应，直至形成化学修复层，例如直至形成厚度约为10-100 埃的化学修复层；等等。本发明不局限于此，本发明的某些实施例是 例如：包括共形旋涂粘合促进剂的方法；包括在存在化学修复剂的情 况下对损伤层进行加热的方法；包括在存在化学修复剂的情况下对损 伤层进行炉子固化，其中形成交联聚合物的方法；包括在存在化学修 复剂的情况下对损伤层进行电炉烘焙，其中形成低聚物的方法；其中 损伤层包括Si-O-和Si-OH，且损伤层未被反应的O-或OH与化学修 复剂发生反应的方法；其中在大气压力下于约为250-450℃温度范围 内，在大约2-10分钟内从损伤层形成化学修复层的方法；包括涂敷厚 度约为10-100埃的粘合促进剂(AP)材料的方法；包括粘合促进剂 与损伤层的化学反应的方法；包括共形旋涂粘合促进剂随之以氩溅射 的方法；等等。
在另一优选实施方案中，本发明提供了一种制作包括至少一个导 电金属(例如铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、钨等，最优选 是铜)区的器件(例如亚90nm器件和其它器件)的方法，此方法至 少包含下列步骤：(a)对损伤的OSG层(例如多孔或非多孔OSG 层，优选是多孔OSG层)进行化学修复，以便提供修复了的OSG层； (b)在器件中形成至少一个导电金属区；例如，其中在大约2-10分 钟内，从损伤的OSG层形成修复的OSG层的方法；其中在反应离子 刻蚀(RIE)之后执行修复步骤，且修复步骤包括涂敷介电常数约为 2.4-2.7的粘合促进剂(AP)的方法；其中在大气压力下于约为 250-450℃温度范围内，执行修复步骤的方法；其中修复了的OSG层 位于紧邻金属区附近的方法；其中金属区形成可以在修复步骤之前或 之后的方法；其中OSG是多孔OSG(p-OSG)的方法；还包括修复 之后淀积衬里的步骤的方法；包括衬里淀积之后的电镀步骤(例如镀 铜)的方法；其中修复步骤包括共形旋涂的粘合促进剂与损伤的有机 硅化物玻璃(OSG)层发生化学反应的方法；等等。
在再一优选实施方案中，本发明提供了一种防止铜从层间器件 (例如亚90nm器件和其它器件)中的铜线外扩散的工艺，此工艺包 含：使粘合促进剂(AP)与RIE/剥离损伤层发生化学反应，，其中 形成化学修复层，此化学修复层和铜线处于化学修复层防止铜外扩散 的状态，例如包括将AP涂敷到RIE损伤层上的工艺等。
本发明的另一优选实施方案提供了一种包含铜线的器件，它包 含：化学反应成介电常数k约为2.4-2.7的粘合促进剂材料(AP)以 及铜线，其中，器件中的铜不外扩散，例如包括多孔材料的器件；亚 90nm器件；层间器件(ILD)等。
附图说明
参照附图，从本发明优选实施方案的下列详细描述，可以更好地 理解上述和其它的目的、情况和优点，其中：
图1示出了后RIE等离子体损伤的剖面图。
图2A-C是剖面图，示出了根据本发明的工艺实施方案。在图2A 中，根据本发明的实施方案执行了化学修复，得到了图2B的化学修 复结构。在图2C中，示出了根据本发明的一种衬里/电镀/CMP产物。
具体实施方式
参照图1和2A-C，可以在优选实施方案中理解本发明。图1示 出了在执行反应离子刻蚀(RIE)和/或执行等离子体步骤之后，形成 层间器件(ILD)的一个工艺步骤，使部分介质1成为损伤区10。损 伤区10是碳耗尽的，并具有悬挂O-键(可选为以-OH的形式出现)。 亦即，损伤区10具有悬挂氧键，它们在R-Si-O-与R-Si-OH形式之间 被迅速水解。“R”原子团被理解为含碳的。当损伤区10被包括在层间 器件(ILD)膜中时，悬挂O-键可以出现在ILD膜的整个厚度内，或 悬挂O-键可以出现在ILD膜的部分厚度内。
对于ILD应用，不允许保留损伤区10，因为否则就得不到所希 望的ILD功能。损伤区10将具有来自于Si-O-连接的不配对的电子， 这些不配对的电子是由例如腐蚀或光抗蚀剂剥离的等离子体加工过程 中清除-R原子团所产生的。这些Si-O原子团非常亲水，若铜要被提 供在其紧邻，则这是不可取的。
在损伤区10被包括在非多孔的介质材料1中的情况下，通常采 用诸如通过湿法清洁工艺之类的清除损伤层10的方法。
但在介质材料1及其损伤区10多孔的情况下，这种清除损伤区 10的方法迄今仍不可行，因为仍然不知道有什么方法来避免过多地清 除损伤区10。而且也不知道如何来防止湿法清洁材料渗透ILD并被截 留在其中或产生不希望有的腐蚀。当图形化的多孔OSG膜被腐蚀时， 这些膜遭遇一定程度的等离子体损伤(使结构无法用来制作ILD)， 且当这些损伤层已经被清除时，就已经产生了大的偏离指标的临界尺 寸(CD)，使器件不满足给定技术的电容指标。
但本发明有利地提供了损伤区10(图1和2A)的修复，例如借 助于使损伤区10与化学修复剂2发生反应(图2A)。
化学修复剂2的一个例子是一种粘合促进剂材料，例如包含 R-Si-O-Rx的聚合物材料，其中R是H或脂类CyHz功能团(例如甲基 倍半硅氧烷、苯基倍半硅氧烷、MSQ、HOSPTM、EnsembleTM、或任 何其它的有机倍半硅氧烷等)等。用于本发明的粘合促进剂的例子是 具有相似于介质材料1(例如p-OSG材料等)的化学性质和k值的各 种粘合促进剂(AP)，其在集成方案中的加入不影响器件总体性能的 材料等。AP材料的一个优选例子是用于单镶嵌工艺或双重镶嵌工艺 的共形整平在确定的沟槽和通道上的AP材料。
关于将化学修复剂2涂敷到损伤区10的方式，优选以液体形式 来涂敷化学修复剂。以修复剂2尽可能与损伤区的表面几何形状共形， 可选地包括旋涂或浸入，优选以液体形式来涂敷修复剂2。
液体化学修复剂被涂敷的量的例子是例如厚度约为10-100埃， 优选约为80埃。修复剂优选共形地涂敷图形化的特征图形。化学修复 剂2可以按非化学比被涂敷。化学修复剂2的涂敷量可以使某些或全 部化学修复剂2与损伤区10发生反应，或化学修复剂2可以被过量涂 敷。当化学修复剂2被过量涂敷时，在执行进一步工艺步骤(例如衬 里淀积和镀铜等)时，在适当地方可能保持此过量。最优选的是，化 学修复剂2以足以执行损伤区10的最大限度修复的量被涂敷。
虽然已经提出了液体化学修复剂的例子，但修复剂2也可以是其 它的形式，例如气态修复剂。
回到图2A-2B，当如本发明提供的那样将化学修复剂2涂敷到损 伤区10时，化学修复剂2与损伤区10发生反应，从而将损伤区10 修复成修复区100(图2B)。例如，在损伤区10是被反应离子刻蚀 所损伤的多孔OSG(p-OSG)膜的区域的情况下，损伤区10可以被 用作旋涂工艺中涂敷的修复剂2的硅基粘合促进剂包封。
在允许修复剂2与损伤区10发生反应的条件下，修复剂2被涂 敷。例如，当粘合促进剂被用作修复剂2并被旋涂在晶片上时，在AP 被旋涂在晶片上之后，可以在驱除溶剂和/或部分地交联AP材料的条 件下，对晶片进行烘焙(例如在约为100-400℃，优选为310℃的烘焙 温度下，对晶片进行30秒到5分钟，优选为1分钟的烘焙)，和/或 在使来自烘焙修复剂(例如AP)的热能够启动与损伤层(例如损伤 的OSG层)的反应的温度和时间下，对晶片进行烘焙，从而“修复” 损伤。
例如用测量方法，诸如用电子能量损耗谱(EELS)和透射电子 显微镜(TEM)等，可以确定损伤区10是否已经被修复。例如，损 伤层将具有更大的泄漏和电容。当修复发生时，可以减小实测的泄漏 和/或电容，将修复区100(图2B和2C)区分于损伤区10(图1和 2A)。为确定修复是否已经发生而可以测量的性质的例子是例如接触 角和k值等。例如，接触角和/或k值的测量可以被用来确立悬挂O- 键和OH原子团已经被转换。于是，TEM/EELS分析或电容测量可以 被用来证实损伤层已经被转换成了修复层。
不要求修复区100完全被恢复到介质1的原始状态，并在大多数 情况下不相信有可能完全修复。亦即通常可能有某个深度，超过此深 度则无法实现修复。发生修复的深度可能是孔尺寸和材料密度等的函 数。于是，修复区100可以(但不要求是)包括未被修复的仍然受损 伤的区域。
参照诸如图1中损伤区10之类的损伤区，损伤层10将具有在腐 蚀过程中清除-R原子团所产生的来自Si-O-交联的不配对电子。这些 Si-O原子团是非常亲水的。因此，若铜线被淀积在图1中各个损伤区 10之间的区域内，则来自损伤区10的潮气可能不希望有地到达铜线， 从而可能发生铜的不希望有的外扩散。潮气能够不希望有地增大线间 电容，因而希望防止潮气在ILD中具有这种影响。
在等离子体损伤不可避免的情况下，本发明提供了一种防止潮气 到达铜线的方法(例如利用上面有关图2A-2C所述的工艺)。
参照图2B-2C，导电金属线条3(例如铜、铜合金、铝、铝合金、 钛、钛合金、钨等，最优选是铜)被淀积或电镀在修复区100所确定 的窗口中，与若线条已经被淀积在损伤区10所确定的窗口中相比，线 条3(例如铜线)相对更多地防止了水到达线条3。在图2C中，可以 理解的是，用举例线条3的方式示出了铜，且线条3可以是另一种导 电金属。如在图2C中可见，在本发明中包含了与修复区100相关的 潮气(H2O)，并防止了此潮气影响线条3。
于是，本发明能够被用来防止线条3(例如铜线)受到来自p-OSG ILD的潮气的影响。
在图2B和2C中，示出了潮气(H2O)可能出现的处所，但可以 理解的是，不希望有潮气，不要求出现潮气，且不想引入潮气。图2B 和2C所示的潮气(H2O)如果有的话，也是不可避免的潮气。
可以理解的是(参照图2B-2C)，在构成线条3(例如铜线)之 前，可以执行淀积衬里的步骤。
将修复剂2(例如粘合促进剂)涂敷到损伤区10的一个额外优点 可能是为接受后续的衬里淀积和铜电镀提供表面比损伤区10更平滑 的修复区100，从而减轻不完全的衬里/铜空洞问题。
在图1和2A-2C中，已经对是为侧壁的损伤区10讨论了本发明。 对于修复是为侧壁的损伤区，本发明是特别优选的。但应该理解的是， 根据本发明的化学修复可以应用于各种几何形状，并不局限于损伤区 是侧壁的情况。
下面所述的各个实施例是说明性的，本发明不局限于这些实施 例。
实施例1
在本发明实施例中，OSG ILD膜被淀积在衬底上，并被固化以 产生多孔性。例如可以用旋涂或CVD方法来淀积这种ILD膜。这些 膜可以具有例如模板或孔源基化学物质(templated or porogen-based chemistry)。无论在哪种情况下，在膜固化时，都产生孔状自由体积 增大。可以用热方法或用大约2-10分钟，最佳约为3-5分钟的辐照(电 子束、紫外线等)，来固化这些膜。固化温度可以约为250-450℃， 最佳固化温度约为350-400℃。额外的膜被淀积在多孔OSG ILD膜上， 并通过光刻工艺进行图形化。然后用反应离子刻蚀(RIE)方法对暴 露的叠层膜进行图形化，并剥离剩余的光抗蚀剂。在暴露于这些等离 子体工艺的过程中，多孔OSG ILD膜遭受等离子体损伤。于是构成 了受损伤的p-OSG ILD膜。
实施例2
对于实施例1的受损伤的p-OSG ILD膜，在RIE/剥离之后，粘 合促进剂(AP)材料被旋涂在晶片上并填充图形化的特征图形。粘合 促进剂材料的例子是例如甲基倍半硅氧烷、苯基倍半硅氧烷、MSQ、 HOSPTM、EnsembleTM、或任何其它的有机倍半硅氧烷等。本实施例 中所述的粘合促进剂材料是具有R-Si-O-Rx的聚合物材料，其中R是 H或脂类CyHz功能团。
AP的厚度为10-100埃，优选为80埃，且AP共形地涂敷图形化 的特征图形。
在将AP旋涂在晶片上之后，对晶片进行烘焙以驱除溶剂并部分 地交联AP材料。烘焙温度为100-400℃，优选为310℃，烘焙时间为 30秒到5分钟，优选为1分钟。此时，来自烘焙AP的热启动了与受 损伤的OSG层的反应，从而“修复”损伤。
于是，在等离子体损伤不可避免的情况下，本发明提供了防止潮 气与后续金属化层相互反应的途径。
实施例3
在加热(电炉烘焙)时开始形成低聚物并在炉子固化时形成完全 交联聚合物的聚合物，可以被用作粘合促进剂。就腐蚀速率等而言， 电炉烘焙过的膜具有与完全交联膜相似的性质，这表明电炉烘焙确实 推动了AP的反应。
此聚合物是苯基-乙烯基-氢化倍半硅氧烷，这意味着它具有基本 的Si-O-R功能，R原子团由苯基(C6H5)原子团、乙烯基(CH＝CH) 原子团、以及氢化物(-H)原子团组成。
任何能够与受损伤的聚合物发生反应的功能团，都是亲水性的， 且包含未被反应的-O-Si原子团。
因此，基本反应如下：
聚合物-Si(OR)x-O-(H)+R1-O-(OR)x-Si-AP→聚合物 -Si(OR)x+R1-O-(OR)x-Si-AP
其中，聚合物-Si(OR)x-O-(H)是具有产生于等离子体损伤的悬挂 键的受损伤的ILD材料，而R1-O-(OR)x-Si-AP是示出了反应功能团的 AP。此时的AP具有笼式或网络结构。
实施例4
腐蚀之后，Si-O-R基粘合促进剂被旋涂，以便与受损伤的ILD 材料反应并密封受损伤的ILD材料。此粘合促进剂被共形地旋涂，在 线条底部或通道处观察到少量泥浆。可以用氩溅射来清除此泥浆。
实施例5
在具有铜线的亚90nm ILD中，对受损伤的多孔介质进行常规冲 洗是不可行的，因为大量介质材料可能被腐蚀掉。形成对照的是，根 据本发明，受损伤的多孔区可以被化学修复。
虽然就其优选实施方案而言已经描述了本发明，但本技术领域熟 练人员可以理解的是，利用所附权利要求构思与范围内的修正，能够 实施本发明。
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