技术领域
本发明通常涉及集成电路加工及制造,且更具体地说,涉及在多孔低-k 介电膜上沉积不渗透膜的方法。
背景技术
对于日益增加的更小、更价廉、且更强大的
电子产品的需求产生了对于 更小的几何集成电路(ICs)、和更大的基底的需要。其还产生了对于在IC基 底上的电路的更密集封装的需求。对于更小的几何IC电路的期望要求组件 和介电层之间的互连尺寸尽可能小。因而,最近的研究继续集中在低
电阻材 料(例如,
铜)连同金属线之间的具有低
介电常数(k)的绝缘材料的应用上。
由于通孔(via)互连和
连接线的横截面面积的减少,需要应用低电阻材 料。随着互连的表面积减少,互连的电导率降低,且所得的互连
电阻率的提 高已成为IC设计的障碍。具有高电阻率的导体产生了具有高阻抗和大的传 播延迟的传导通路。这些问题导致IC中组件之间的不可靠的
信号定时、不 可靠的
电压电平、和长的信号延迟。传播不连续性还来自于连接差的相交传 导表面、或具有高度不同的电阻率特性的导体的联接。
需要具有低电阻率的互连和通孔、和抵抗挥发性处理环境的能
力。
铝和 钨金属经常用在集成电路的生产中用于在电有效面积(active area)之间制造 互连或通孔。由于可提供用于这些金属的处理技术,这些金属已长期用于生 产环境中。由于长期使用,在该方法中已经获得对于这些金属的经验和专业 知识。
在降低电路中线和通孔尺寸的努力中,铜是代替铝的自然选择。铜的电 导率约为铝的两倍且为钨的三倍以上。结果,相同的
电流可被传送通过具有 铝线的一半宽度的铜线。
然而,在IC加工中,存在与铜的使用有关的问题。铜抑制(poison)
硅器 件的有效面积,从而产生不能预见的反应。铜还易于扩散通过很多用于IC 加工的材料且,因此,必须注意防止铜迁移。
已提出各种方法以处理铜扩散进集成电路材料中的问题。已经提出将一 些材料(包括金属和金属
合金)用作防止铜扩散的阻挡物(barrier)。典型的 导电扩散阻挡材料为TiN、TaN和WN。向这些材料中加入硅以获得TiSiN、 TaSiN、和WSiN,可改善扩散阻挡特性。氮化硅已成为最好的非导电扩散阻 挡材料。
可通过
化学气相沉积(CVD)沉积扩散阻挡材料。例如,在TiN CVD沉积 的情况下,使用含有Ti和任选的氮的前体。该前体在
选定表面上分解,且 分解的元素共同反应,从而在这些选定的表面上形成TiN层。反应副产物(由 前体分解和随后反应生成的在选定的表面上不变为沉积的产物)经常为挥发 性的且必须被去除。
对于互连线中的低电阻材料的应用同等重要的是引入用于使互连线之 间绝缘的低介电常数材料(低-k
电介质)。低k电介质为绝缘介电材料,其表 现出低于常规IC介电材料的介电常数,其中常规IC介电材料例如
二氧化硅 (k值为约4)、氮化硅(k值为约7)、和氧氮化硅(k值为约4-7)。
已引入各种低-k电介质;其包括氟掺杂的
二氧化硅(k值为约3-3.6)、
碳 掺杂的二氧化硅(介电常数为约2.5-3.3)、氟化碳(k值为约2.5-3.6)、和有机材 料例如聚对二
甲苯(k值为约3.8-3.6)、聚酰亚胺(k值为约3-3.7)。这些材料中 的一些被成功地引入了IC
制造过程中,但由于涉及集成的各种困难,因而 其它材料还未引入。可通过CVD或旋压(spin-on)技术沉积低k电介质。
由于多孔低-k电介质潜在的更低的介电常数(2-3),进一步的研究集中于 多孔低-k电介质。多孔低介电材料的实例为多孔氢化硅倍半氧烷或多孔甲基 硅倍半氧烷、多孔硅石结构例如气凝胶、低温沉积的硅碳膜、低温沉积的 Si-O-C膜、和掺杂甲基的多孔硅石。
由于各种问题,例如低的机械强度、差的尺寸
稳定性、差的
温度稳定性、 高吸湿、渗透、差的粘合、大的
热膨胀系数、和不稳定的
应力级,多孔低-k 电介质的集成是困难的。
在IC加工中,与多孔低-k电介质有关的问题之一是在多孔低k电介质 中小分子的捕集。授权给Hu等的美国
专利6,417,118公开了一种在通过低温
退火去除所有捕集的湿气后,通过以
反应性溶液处理多孔膜,将多孔低-k电 介质表面由亲
水状态(吸引湿气)转化为疏水状态(排斥湿气),从而防止湿气 在多孔低-k介电膜中的进一步
吸附的方法。授权给Xia等的美国专利 6,486,061公开了一种提供具有增强的粘合及稳定性的介电膜的方法,该方法 使用在还原环境(例如NH3或H2)中使膜致密化的后沉积处理。据称该技 术可生产介电膜,该介电膜即使当暴露于环境中1星期时,也更加防潮并保 持低介电常数。
然而,多孔低-k电介质的集成仍存在问题。即使使用经处理的低-k介电 膜,随后的膜(例如用于铜互连的扩散阻挡膜)的粘合仍是有问题的。由于 随后的沉积膜对于捕集的分子(例如湿气、醇
蒸汽、HCl蒸汽、和HF蒸汽) 而言经常是不可渗透的,这些捕集的分子的释放可导致引起器件失效的分 层。
发明内容
因此,提供了一种改善沉积在器件(例如多孔低-k介电膜)上的不渗透 膜的粘合的方法。
该公开的方法根本上确保了,在基本上沉积了不渗透膜(例如导电扩散 膜(TiN、TiSiN、TaN、TaSiN、WNX、WSiN)或介电扩散膜(SiC、Si3N4))之 前,多孔低-k介电膜不暴露于含有可捕集的分子(例如湿气)的气氛中。
现有技术公开了各种处理多孔低-k介电膜以改善吸湿量的方法。但我们 的研究表明所有这些方法仅可降低吸湿量,但不能本质上地消除吸湿。Xia 等公开了在暴露于空气中1个星期之后,他们在还原环境中的退火处理有效 地提高了防潮性质并保持了介电常数值,但他们没有讨论是否该处理对随后 沉积的不渗透膜例如扩散阻挡物(diffusion barrier)的粘合性能具有任何影响。 我们的研究表明,即使在暴露于空气中几个小时之后,该处理对改善TiN在 多孔低-k介电膜上的粘合没有效果。在对各种处理进行广泛的评价后,发现 用以改善随后沉积的不渗透膜(例如扩散阻挡物)对多孔低-k介电膜的粘合 的唯一有效的处理是避免将多孔低-k介电膜暴露于含有湿气的环境中。当多 孔低-k介电膜暴露于空气中时,湿气将被捕集到孔隙中,而且不去除捕集的 湿气,由于该捕集的湿气的释放,随后沉积的不渗透膜对多孔低-k介电膜的 粘合逐渐降低。
在其中多孔低-k介电膜已含有湿气的情况下,该方法在原位沉积不渗透 膜之前,提供了额外的步骤,用以去除捕集在低-k介电膜孔隙内的湿气。
在第一优选实施方式中,该方法包括两个步骤:
a.使该多孔低k介电膜退火,以去除捕集在多孔低-k介电膜孔隙内的挥 发性分子;和
b.在不使该多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的分子的气氛下将不渗 透膜沉积到该多孔低-k介电膜上。
该第一实施方式是对于这样的情况,其中多孔低-k介电膜已暴露于空气 中且因而具有很多捕集在孔隙中的湿气。为了成功地将不渗透膜沉积到附着 于介电膜的多孔低-k介电膜上,需要去除湿气,然后在该多孔低-k介电膜不 暴露于含有可捕集的分子的气氛中的条件下沉积不渗透膜。
捕集在多孔低-k介电膜孔隙内的最普通的挥发性分子为水汽。其它挥发 性分子为(1)小的有机分子,例如醇,(2)HCl,和(3)HF。小的有机分子典型 地为包括醚和
酮的C2-C5分子。该挥发性分子为在室温或更高温度下为气态 的分子。该挥发性分子为有机或无机材料。
退火温度为50℃-500℃。更高的温度可在更短的时间内驱除湿气,但更 高的温度也可损坏多孔低-k介电膜。取决于退火温度和多孔低-k介电膜的状 态,退火时间优选为10秒-2小时。电阻或
辐射加热器可用于退火处理。退 火处理可在惰性气体环境中完成,该惰性气体环境例如含有非-反应性氦、 氩、或氮的环境。退火处理还可在反应性环境(例如NH3或氢)中完成。退 火处理还可在
负压(典型地为几托或几毫托的压力)环境中完成。
退火步骤和沉积步骤可在相同的室或不同的室中进行。在后一情况下, 该方法提供将含有多孔低-k介电膜的
工件从退火室传送到沉积室的额外的 步骤。该传送是在不含有任何可捕集的分子的环境下(例如惰性气体环境 (氦、氩、或氮))、或反应性环境下(NH3或氢)、或负压环境下(典型地为几 托或几毫托的压力)完成。可存在传送室,以暂时存放工件。退火室或沉积 室可为单工件
处理室,或多工件处理室。退火室和沉积室可均为单工件处理 室,或可均为多工件处理室,或可为任何组合。室的选择可部分取决于期望 的生产能力。如果退火步骤比沉积步骤长得多,有利的是使用多工件退火室 与单工件沉积室。
多孔低-k介电膜可为,例如,多孔氢化硅倍半氧烷(多孔HSQ)或多孔甲 基硅倍半氧烷(多孔MSQ)、多孔硅石结构例如气凝胶、低温沉积的硅碳膜、 低温沉积的Si-O-C膜、或掺杂甲基的多孔硅石。多孔低-k介电膜可在其顶 面上具有
钝化层。不渗透膜可为TiN、TaN、WNx、TiSiN、TaSiN、WSiN、 SiO2、Si3N4、碳化硅,金属膜例如铜、钨、铝,Si膜例如
多晶硅、和非晶硅。 可通过CVD(化学气相沉积)技术、NLD(纳米层沉积)技术、ALD(
原子层沉积) 技术、或溅射技术沉积不渗透膜。
在第二优选实施方式中,该方法包括两个步骤:
a.沉积多孔低-k介电膜;和
b.在不使多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的分子的气氛下将不渗透膜 沉积到多孔低-k介电膜上。
该第二实施方式是对于这样的情况,其中多孔低-k介电膜未暴露于空气 中且因而不具有捕集在多孔低-k介电膜内部的湿气。为了成功地将不渗透膜 沉积到附着于介电膜的多孔低-k介电膜上,在其中多孔低-k介电膜不暴露于 含有可捕集的分子的气氛中的条件下沉积不渗透膜。
可通过旋压技术或CVD技术沉积多孔低-k介电膜。该沉积技术可包括 实际的沉积步骤以及任何其它必要的步骤(例如膜
固化步骤),以确保可用 的多孔低-k介电膜。在沉积多孔低-k介电膜后,该方法可包括进一步的在多 孔低-k介电膜顶部沉积
钝化层的步骤。
在第三优选实施方式中,该方法包括两个步骤:
a.去除一部分多孔低-k介电膜;和
b.在不使多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的分子的气氛下将不渗透膜 沉积到多孔低k介电膜上。
该第三实施方式是对于这样的情况,其中多孔低介电膜未暴露于空气 中,或已进行退火以去除基本上所有湿气,且因而不具有捕集在多孔低k介 电膜内部的湿气。然而,在沉积不渗透膜(例如扩散阻挡层)之前,需要对 多孔低-k介电膜进行图案形成(patterning)步骤。图样形成步骤将去除多孔低 -k介电膜的选定的部分。多孔低介电膜的选定部分的去除将暴露出多孔低介 电膜,即使其具有钝化层。为了成功地将不渗透膜沉积到附着于介电膜的多 孔低k介电膜上,在其中去除一部分多孔低-k介电膜后多孔低-k介电膜不暴 露于含有可捕集的分子的气氛中的条件下沉积不渗透膜。
在沉积不渗透膜后,该多孔低-k介电膜可具有钝化层,以保护顶面。该 去除步骤可为
湿蚀刻步骤或
等离子体增强的干蚀刻步骤。在这两个步骤之 间,该方法可进一步包括额外的步骤。该额外的步骤可为清洁步骤,以在沉 积不渗透膜之前,清洁多孔低-k介电膜并制备多孔低-k介电膜。在其中使多 孔低-k介电膜经历使用
光刻胶作为图案形成方法的图案形成光刻步骤的情 况下,该额外的步骤可为光刻胶剥离步骤。该额外的步骤可为退火步骤,以 在不渗透膜沉积步骤之前,驱除多孔低-k介电膜孔隙内的所有可能的湿气或 任何捕集的分子。
附图说明
图1为
流程图,显示了改善集成电路加工中不渗透膜在多孔低介电膜上 的粘合的方法的第一实施方式的步骤。
图2为流程图,显示了改善集成电路加工中不渗透膜在多孔低-k介电膜 上的粘合的方法的第二实施方式的步骤。
图3为流程图,显示了改善集成电路加工中不渗透膜在多孔低-k介电膜 上的粘合的方法的第三实施方式的步骤。
图4a-4f显示了典型的集成加工的示意图。
具体实施方式
图1为流程图,显示了改善在集成电路上不渗透膜在器件或基底(例如 多孔低介电膜)上的粘合的方法的第一实施方式的步骤。可应用本发明的其 它器件或基底为这样的器件或基底,其中对于不渗透层在其上的粘合来说, 捕集的分子是一个问题。这种器件包括,例如,集成电路、III-V族化合物
半导体、微
电机结构(MEMS)、表面
声波(SAW)器件等。步骤11提供了选定 的含有多孔低-k介电膜的集成电路。该多孔低-k介电膜已暴露于含有可捕集 的有机分子的气氛(例如含有湿气的空气环境)中。(在这里所用的术语″可 捕集的分子″是指包括(1)可结合进器件或基底例如多孔低-k介电膜中的分子 和(2)可吸附在器件或基底表面上的分子)。
步骤12显示了本发明的粘合改善方法,其包括两个步骤:步骤14和步 骤15。步骤14提供退火处理,以从多孔低-k介电膜去除所有可捕集的有机 分子。然后步骤15提供了在不使该多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的有 机分子的环境下在多孔低介电膜顶部上的不渗透膜的沉积。步骤13提供了 集成电路加工的其余内容,例如互连和钝化。为了避免将多孔低-k介电膜暴 露于含有可捕集的有机分子的环境中,可在相同的处理室或群集体系(cluster system)中进行退火步骤14和沉积步骤15。群集体系可具有4-6个连接到传 送室的处理室,其中传送室具有能够将晶片从一个处理室传送到另一个处理 室的
机器人系统。处理室和传送室典型地在具有毫托或微托压力的
真空下。 很好地保持群集体系中的各室,以确保最小量的湿气和其它有机分子。 DeOrnellas的美国专利No.5,672,239公开了一种适宜的加工体系,其引入作 为参考。
图2为流程图,显示了改善集成电路中不渗透膜在多孔低-k介电膜上的 粘合的方法的第二实施方式的步骤。步骤21提供了选定的集成电路。步骤 22显示了本发明的粘合改善方法,其包括三个步骤:步骤24、任选的步骤 26和步骤25。步骤24提供了多孔低-k介电膜的沉积。然后步骤26提供了 在不使多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的有机分子的气氛下所有其它处 理或传送处理。最后,步骤25提供了在不使多孔低介电膜暴露于含有可捕 集的有机分子的气氛下在多孔低-k介电膜顶部的不渗透膜的沉积。步骤23 提供了集成电路加工的其余内容,例如互连和钝化。步骤26是任选的且可 在包括在沉积不渗透膜之前,在多孔低-k介电膜的顶部上沉积钝化层或保护 层(cap layer),或多孔低-k介电膜的蚀刻或图案形成的步骤。典型地,多孔 低介电膜的沉积和不渗透膜的沉积发生在连接到群集体系的两个分开的处 理室中。由于群集体系可具有4-6个处理室,在不使多孔低-k介电膜暴露于 不期望的环境下,其它处理室可用于任选的处理。
图3为流程图,显示了改善集成电路中不渗透膜在多孔低介电膜上的粘 合的方法的第三实施方式的步骤。步骤31提供了选定的包括多孔低-k介电 膜的集成电路。步骤32显示了本发明的粘合改善方法,其包括三个步骤: 步骤34、任选的步骤36和步骤35。步骤34提供了一部分多孔低-k介电膜 的去除,其典型地通过
等离子体蚀刻处理实现。然后步骤36提供了在不使 多孔低-k介电膜暴露于含有可捕集的有机分子的气氛下所有其它处理或传 送处理。最后,步骤35提供了在不使多孔低介电膜暴露于含有可捕集的有 机分子的气氛下在多孔低-k介电膜顶部的不渗透膜的沉积。步骤33提供了 集成电路加工的其余内容,例如互连和钝化。步骤36是任选的且可包括在 一部分多孔低-k介电膜的去除步骤34后的清洁或光刻胶剥离的步骤。去除 步骤34典型地要求使用用于图样传送的光刻胶沉积,因而步骤36提供了在 沉积不渗透膜之前的去除残余光刻胶、和清洁多孔低-k介电膜的中间步骤。 典型地,多孔低-k介电膜的蚀刻和不渗透膜的沉积发生在连接到群集体系的 两个分开的处理室中。由于群集体系可具有4-6个处理室,在不使多孔低介 电膜暴露于不期望的环境下其它处理室可用于任选的处理,例如抗蚀剂剥离 或清洁或甚至退火。
图4a-4f显示了结合了本发明的典型的集成加工。图4a显示了典型的互 连下层。该下层包括具有底部导电线42的底部介电层40和顶部介电层44。 以扩散阻挡层41
覆盖底部导电层42。层43是用于底部导电层42的顶部扩 散阻挡物且还用作蚀刻停止层。层45是任选的且用作用于介电层44的保护 层或钝化层。介电层40和44可为多孔低-k介电膜,以降低传播延迟。
图4b显示了多孔低-k介电膜44的图案形成步骤。光刻胶膜46涂覆在 保护层45上(或在多孔低介电膜44上,如果不存在保护层45的话)。然后以 图样掩模对光刻胶进行曝光,且然后对曝光的光刻胶进行显影和去除。此时 光刻胶具有来自该掩模的图样。
图4c显示了通过等离子体蚀刻处理,将光刻胶图样转移到多孔低-k介 电膜上。光刻胶保护下层且蚀刻处理仅蚀刻如图4c所示的暴露面积。
图4d显示了去除残余光刻胶和清洁多孔低-k介电膜44的下一步骤。
图4e显示了沉积不渗透膜47(例如扩散阻挡物)的步骤。最后,图4f 显示了沉积金属
导线48的步骤。典型的用于半导体互连的扩散阻挡物包括 TiN、TiSiN、TaN、TaSiN、WN、和WSiN,用于与铜互连和铝互连一起使 用。