專利名稱：低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體制程，特別是有關(guān)于一種具有改善損失電阻及化學(xué)完整性的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，在經(jīng)后續(xù)的半導(dǎo)體制程處理后，以保持低介電常數(shù)的介電薄膜的低介電常數(shù)。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路(very large scale integratedcircuit；VLSI)的技術(shù)縮小至0.13微米以下，也愈來愈需要更精密的內(nèi)連線技術(shù)?？s小元件尺寸使得愈來愈難提供能滿足低電阻電容(RC)金屬內(nèi)連線性質(zhì)所需的內(nèi)連線技術(shù)。
對(duì)于顯著的元件效能，在半導(dǎo)體制程技術(shù)里，信號(hào)傳送速度是一個(gè)非常重要因素。半導(dǎo)體電路的信號(hào)傳送速度(電阻電容時(shí)間常數(shù))隨著金屬內(nèi)連線的電阻電容呈反向地變化。隨著集成電路變的更加復(fù)雜及尺寸愈加縮小，在信號(hào)延遲上的電阻電容時(shí)間常數(shù)的影響也變得愈來愈大。
絕緣的金屬層間介電層(inter-metal dielectric；IMD)一般用于半導(dǎo)體制程的末端，以制作金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。然而，金屬層間介電層提供電容于金屬層內(nèi)連接結(jié)構(gòu)，將不必要地降低半導(dǎo)體電路的信號(hào)傳送速度。
為了增加半導(dǎo)體電路的信號(hào)傳送速度，設(shè)計(jì)一種降低金屬層間介電層的電容分布，以增加電阻電容時(shí)間常數(shù)的制作方法。一種可以降低金屬層間介電層的電容分布，且如此可加速半導(dǎo)體電路的信號(hào)傳送速度的制作方法，包括以低介電常數(shù)的介電質(zhì)材料形成金屬層間介電層。不幸地，低介電常數(shù)的介電質(zhì)材料具有減少化學(xué)鍵結(jié)的結(jié)構(gòu)(Si-CH3)、大的孔隙尺寸以及孔隙間較高的內(nèi)連接性。因此，之后進(jìn)行半導(dǎo)體圖案化制程，例如蝕刻、去灰、沉積以及濕式制程等，通常會(huì)損傷低介電常數(shù)的介電質(zhì)材料，隨著每次的步驟，會(huì)提高低介電常數(shù)的介電質(zhì)材料的介電常數(shù)。
圖1是為包含以已知方式形成低介電常數(shù)的介電薄膜于半導(dǎo)體圖案化制程中，進(jìn)行不同的蝕刻及清洗制程前后介電常數(shù)比較的多個(gè)長條圖。由此可見，已知中完成每一步驟，低介電常數(shù)的介電薄膜顯示一增加的介電常數(shù)(例如介電質(zhì)持續(xù)的衰退)。增加的介電常數(shù)是因低介電常數(shù)的介電薄膜在蝕刻或清洗的制程中，所造成的物理或化學(xué)持續(xù)性的損傷。
據(jù)此，急需一種輕易地進(jìn)行的方法，用以形成具有改善損失電阻及介電常數(shù)穩(wěn)定性的一低介電常數(shù)的介電薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是揭露一種低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法。
包括形成一多孔低介電常數(shù)的介電薄膜于一基底上、以及導(dǎo)入活性鍵結(jié)于該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜之中。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，導(dǎo)入活性鍵結(jié)的步驟包括導(dǎo)入至少一氫氧基團(tuán)或一氫基團(tuán)于形成在該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的孔隙內(nèi)。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，更包括處理該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，以修飾、改變或變化該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的特性。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其中形成該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，包括共同沉積一介電質(zhì)基材材料及一成孔劑形成材料于該基底上的步驟，以形成一含成孔劑薄膜。上述形成該該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，更包括從該含成孔劑薄膜移除成孔劑，以轉(zhuǎn)變含成孔劑薄膜成為該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜。上述移除成孔劑的步驟，更包括以固化該含成孔劑薄膜。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其中導(dǎo)入活性鍵結(jié)的步驟，包括導(dǎo)入至少一氫氧(OH)基團(tuán)或一氫(H)基團(tuán)于形成在該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的孔隙內(nèi)。上述導(dǎo)入至少一氫氧(OH)基團(tuán)或一氫(H)基團(tuán)于孔隙內(nèi)的步驟，包括化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)或一浸泡及洗滌(dipping and scrubbing)的制程。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，更包含移除活性鍵結(jié)從該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，上述活性鍵結(jié)(例如硅-氫氧(Si-OH)及/或硅-氫(Si-H))會(huì)改善低介電常數(shù)的介電薄膜的損失電阻。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，改善了損失電阻及介電常數(shù)穩(wěn)定性，增加了半導(dǎo)體電路的信號(hào)傳送速度。


圖1是為包含以已知方式形成低介電常數(shù)的介電薄膜于半導(dǎo)體圖案化制程中，進(jìn)行不同的蝕刻及清洗制程前后介電常數(shù)的長條圖；圖2是為一種形成具有改善損失電阻及化學(xué)完整性的一低介電常數(shù)的介電薄膜的方法的一具體實(shí)施例制程步驟的流程圖；圖3A至圖3E是在本形成方法的不同步驟的部分半導(dǎo)結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是為兩低介電常數(shù)的介電薄膜的介電常數(shù)的繪制曲線圖，例如一個(gè)是未含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜及另一個(gè)是含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜，經(jīng)沉積兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后、經(jīng)圖案化兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后、經(jīng)高溫的釋放氣體處理兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后。
具體實(shí)施例方式
在此揭露具有改善損失電阻及化學(xué)完整性的低介電常數(shù)(low-k)的介電層或薄膜，在某些實(shí)施例中，可以是在半導(dǎo)體制程的末段，例如金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的制程的金屬層間介電層(IMD)。然而，可以被了解的是，上述低介電常數(shù)的介電層或薄膜也可以是用于其它目的或結(jié)構(gòu)上。
圖2是為一流程圖，其顯示本形成方法的一具體實(shí)施例的制程步驟。此形成方法開始于步驟10，形成具有多孔低介電常數(shù)的介電薄膜(low-k dielectric film)300于一半導(dǎo)體基底100上的結(jié)構(gòu)，如圖3B。在一些具體實(shí)施例中，半導(dǎo)體基底100上方，可以形成有主動(dòng)及被動(dòng)元件。在一較佳實(shí)施例中，半導(dǎo)體基底100可以是由硅組成。
在一較佳實(shí)施例中，多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300具一低介電常數(shù)約低于3.0，其中較佳的介電常數(shù)約為低于或等于2.5。多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的厚度可以是800埃至6000埃，然而，也可以是其它厚度的多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300。在一具體實(shí)施例中，多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300可以是包含以硅為基質(zhì)的化合物，例如硅-氧-碳-氫(Si-O-C-H)，具有包含孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)散布遍及硬質(zhì)的介電質(zhì)基材(matrix)。多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300可是具有一孔隙尺寸范圍約5埃(于薄膜內(nèi)約9％體積百分比)至20埃(于薄膜內(nèi)約91％體積百分比)。
在一些具體實(shí)施例中，形成多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的方法，可以是共同沉積一介電質(zhì)基材形成材料及一犧牲或不穩(wěn)定的孔隙形成材料(成孔劑；porogen)于半導(dǎo)體基底100上，以形成一含成孔劑薄膜200，如圖3A所示。使用一固化制程，轉(zhuǎn)變含成孔劑薄膜200成為多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300，如圖3B所示。其中進(jìn)行固化制程時(shí)，同時(shí)從含成孔劑薄膜200移除成孔劑。
進(jìn)行介電基材材料及成孔劑的共同沉積的制程，可以是使用例如一等離子增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemicalvapor deposition；PECVD)方法、旋轉(zhuǎn)式涂布沉積(spin-on-deposition；SOD)或其它合適而能夠進(jìn)行共同沉積介電質(zhì)基材材料及成孔劑的沉積方法，以形成含成孔劑薄膜200。在等離子增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積制程中，導(dǎo)入介電基材及成孔劑的前驅(qū)物成為一等離子，以化學(xué)氣相沉積含成孔劑薄膜200于半導(dǎo)體基底100上，如圖3A所示。在一較佳實(shí)施例中，進(jìn)行等離子增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積制程可以是一溫度范圍約150℃至300℃，壓力范圍約3毫托耳至10毫托耳(mtorr)，一原子轉(zhuǎn)移基團(tuán)聚合/二乙氧基硅烷(ATRP/mDEOS)流量范圍介于約500至5000sccm/700至3000sccm，以及一射頻(RF)功率約200瓦至650瓦(watts)。
在一旋轉(zhuǎn)式涂布沉積制程，加入成孔劑前驅(qū)物于介電質(zhì)基材前驅(qū)物的液體溶液中。旋轉(zhuǎn)涂布沉積成孔劑前驅(qū)物與介電質(zhì)基材前驅(qū)物液體溶液的混合物于半導(dǎo)體基底100，以形成含成孔劑薄膜200，如圖3A所示。
使用一固化制程，轉(zhuǎn)變含成孔劑薄膜200成為多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300，如圖3B所示。其中固化制程移除成孔劑，以在多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300中形成孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)行上述固化制程的溫度可以是250℃至450℃。進(jìn)行固化制程的方式可以是使用例如熱固化制程(thermal curing process)、紫外光固化制程(UV curing process)、電子束固化制程(E-beam curingprocess)、超臨界二氧化碳固化制程(supercritical CO2curingprocess)、上述的組合或其它可從含成孔劑薄膜200移除成孔劑以形成多孔低介電常數(shù)的介電質(zhì)薄膜300的適當(dāng)?shù)墓袒瞥獭?br> 上述多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的孔隙尺寸及多孔性一般是由沉積制程的參數(shù)、含成孔劑薄膜200吸收的成孔劑數(shù)量及固化制程的參數(shù)控制。選擇介電質(zhì)前驅(qū)物主要因素包括，例如制程相容性、用于基材成形的射頻功率，其中上述射頻功率大約等于成孔劑沉積所需射頻功率(僅合適使用PECVD的具體實(shí)施例)以及所需要的多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的機(jī)械性質(zhì)。成孔劑前驅(qū)物的選擇主要有某些因素包括，制程相容性、成孔劑前驅(qū)物的分子量/蒸汽壓力以及成孔劑前驅(qū)物的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在此列舉一些。在一具體實(shí)施例中，介電質(zhì)基材前驅(qū)物的材料可以包含草酸二乙酯(diethyl oxalate；DEO)或二乙氧基甲基硅烷(Diethoxymethylsilane；DEOS)，而成孔劑前驅(qū)物的材料可包含α-萜品烯(α-Terpinene；1-甲基-4-(1-甲基乙基)-1，3環(huán)己二烯)。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2，在形成多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300之后，進(jìn)行步驟20，導(dǎo)入活性鍵結(jié)(active bonding)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300。在一具體實(shí)施例中，上述步驟可以是通過在多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的孔隙內(nèi)，導(dǎo)入氫氧(OH)及/或氫(H)基團(tuán)以完成導(dǎo)入活性鍵結(jié)，如圖3C所示。在上述多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300包含以上述硅為主的化合物的實(shí)施例中，活性鍵結(jié)可包含硅-氫氧(Si-OH)及/或硅-氫(Si-H)的鍵結(jié)。在一些實(shí)施例中，通過使多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300置于水性的介質(zhì)中，而導(dǎo)入氫氧(OH)及/或氫(H)基團(tuán)于孔隙中。在一具體實(shí)施例中，導(dǎo)入氫氧(OH)及/或氫(H)基團(tuán)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的孔隙內(nèi)，可以是使用一化學(xué)機(jī)械研磨(chemical mechanicalpolishing；CMP)制程結(jié)合已知濕式清洗制程。在另一較佳實(shí)施例中，也可以是使用檸檬酸(citric acid；C6H8O7)或氟化胺(fluoride amine)為主的溶液的浸泡及洗滌制程，而導(dǎo)入氫氧(OH)及/或氫(H)基團(tuán)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的孔隙內(nèi)。
在多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300包含以硅為主的化合物的實(shí)施例中，導(dǎo)入活性鍵結(jié)之前的硅-氫氧(Si-OH)化學(xué)鍵及硅-氫(Si-H)化學(xué)鍵在一氧化硅(SiO)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的百分比大約分別為0％及低于2％。在進(jìn)行活性鍵結(jié)的導(dǎo)入制程后，多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的一氧化硅(SiO)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中，硅-氫氧(Si-OH)化學(xué)鍵及硅-氫(Si-H)化學(xué)鍵的百分比分別大約為大于3％及大于2％。
活性化學(xué)鍵(例如硅-氫氧及/或硅-氫)及原本氫氧為主的活性化學(xué)鍵，會(huì)強(qiáng)化多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的物理強(qiáng)度及化學(xué)完整性。在移除多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的活性化學(xué)鍵之后，每次制程中，使得一低介電常數(shù)的介電薄膜受到損傷條件(例如半導(dǎo)體圖案化)時(shí)，仍可以大體上保持多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的低介電常數(shù)。
一般認(rèn)為，通過導(dǎo)入活性化學(xué)鍵于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300以達(dá)到增強(qiáng)物理強(qiáng)度及化學(xué)完整性，是因?yàn)橐瞥煽讋┲?，在多孔低介電常?shù)的介電薄膜300內(nèi)，存在許多的懸浮化學(xué)鍵或未鍵結(jié)化學(xué)鍵。也就是說，在進(jìn)行半導(dǎo)體制作流程時(shí)，例如圖案化制程(如蝕刻及清洗)，形成一些不想要的化學(xué)鍵結(jié)(例如硅-氟、硅-氮……)及/或一些不想要的化學(xué)物質(zhì)滲透進(jìn)入整個(gè)多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300是十分容易的。在進(jìn)行半導(dǎo)體制作流程之前，導(dǎo)入氫氧及氫活性化學(xué)鍵，可以預(yù)防在半導(dǎo)體制作流程使用的化學(xué)物質(zhì)與低介電常數(shù)的介電薄膜中的懸浮化學(xué)鍵(danglingbonds)或未鍵結(jié)化學(xué)鍵(unbonded bonds)進(jìn)行鍵結(jié)，于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300內(nèi)，因此，可改善多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的損失電阻及化學(xué)完整性。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2，接著進(jìn)行步驟30處理含有活性鍵結(jié)的多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300。在一較佳實(shí)施例中，上述處理的制程可以包含半導(dǎo)體圖案化制程，例如蝕刻、半導(dǎo)體基底100的清洗及其類似制程。圖3D是顯示在上述圖案化制程之后的半導(dǎo)體基底100及多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300。
活性鍵結(jié)會(huì)暫時(shí)地提高多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的介電常數(shù)。因此，在圖2的步驟40中，從多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300移除活性鍵結(jié)，使多孔低介電常數(shù)的介電薄膜300的介電常數(shù)回復(fù)至原本低的數(shù)值。圖3E是顯示從多孔低介電常數(shù)的介電薄膜移除活性鍵結(jié)。在此具體實(shí)施例中，完成活性鍵結(jié)的移除可以是使半導(dǎo)體基底100施以一熱脫氣制程(thermal degassing)。在一較佳實(shí)施例中，進(jìn)行高溫的釋放氣體制程，可以通過加熱半導(dǎo)體基底100至溫度約400℃，且加熱時(shí)間約40分鐘。
圖4是為兩低介電常數(shù)的介電薄膜的介電常數(shù)的繪制曲線圖，例如一個(gè)是未含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜及另一個(gè)是含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜，經(jīng)沉積兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后、經(jīng)圖案化兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后、經(jīng)高溫的釋放氣體處理兩低介電常數(shù)的介電薄膜之后。如圖4所示，經(jīng)圖案化及高溫的釋放氣體處理后，含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜的介電常數(shù)低于未含活性鍵結(jié)的低介電常數(shù)的介電薄膜的介電常數(shù)大約0.2。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)和變化，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以本申請(qǐng)的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號(hào)的簡單說明如下10、20、30、40本發(fā)明形成低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟100半導(dǎo)體基底
200含成孔劑薄膜300多孔的低介電常數(shù)的介電薄膜
權(quán)利要求
1.一種低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，該低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，包括形成一多孔低介電常數(shù)的介電薄膜于一基底上；以及導(dǎo)入活性鍵結(jié)于該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜之中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，導(dǎo)入活性鍵結(jié)的步驟包括導(dǎo)入至少一氫氧基團(tuán)或一氫基團(tuán)于形成在該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的孔隙內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，更包括處理該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，以修飾、改變或變化該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，形成該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，包括共同沉積一介電質(zhì)基材材料及一成孔劑形成材料于該基底上的步驟，以形成一含成孔劑薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，形成該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟，更包含轉(zhuǎn)變含成孔劑薄膜成為該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)變步驟進(jìn)行是通過移除成孔劑從該含成孔劑薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，移除成孔劑包含固化含成孔劑薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，進(jìn)行導(dǎo)入活性鍵結(jié)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟是通過化學(xué)機(jī)械研磨。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，進(jìn)行導(dǎo)入活性鍵結(jié)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的步驟是通過一浸泡及洗滌制程。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，其特征在于，更包含移除活性鍵結(jié)從該多孔低介電常數(shù)的介電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低介電常數(shù)的介電薄膜的形成方法，包括形成一多孔低介電常數(shù)的介電薄膜于半導(dǎo)體基底上的方法。導(dǎo)入活性鍵結(jié)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜之中，以改善低介電常數(shù)的介電薄膜的損失電阻及化學(xué)完整性，進(jìn)而在經(jīng)過后續(xù)的制程后，保持低介電常數(shù)的介電薄膜的低介電常數(shù)。進(jìn)行活性鍵結(jié)的導(dǎo)入方式可以是通過導(dǎo)入氫氧及/或氫基團(tuán)于多孔低介電常數(shù)的介電薄膜的孔隙內(nèi)，在以硅為主的低介電常數(shù)的介電薄膜的一實(shí)施例中，可產(chǎn)生硅－氫氧(Si－OH)及/或硅－氫(Si－H)活性鍵結(jié)。在更進(jìn)一步處理低介電常數(shù)的介電薄膜之后，從低介電常數(shù)的介電薄膜內(nèi)移除活性鍵結(jié)。本發(fā)明所述的方法改善了損失電阻及介電常數(shù)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101060079SQ200610127039
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者林耕竹, 周家政, 葉明靈 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司