專利名稱：介質(zhì)層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，特別是一種介質(zhì)層的形成方法。
背景技術(shù)：
目前在半導(dǎo)體制造的后段工藝中，為了連接各個部件構(gòu)成集成電路，通常使用具有相對高導(dǎo)電率的金屬材料例如銅進(jìn)行布線，也就是金屬布線。而用于金屬布線之間連接的通常為導(dǎo)電插塞。用于將半導(dǎo)體器件的有源區(qū)與其它集成電路連接起來的結(jié)構(gòu)一般為導(dǎo)電插塞?，F(xiàn)有導(dǎo)電插塞通過通孔工藝或雙鑲嵌工藝形成。在現(xiàn)有形成銅布線或?qū)щ姴迦倪^程中，通過刻蝕介質(zhì)層形成溝槽或通孔，然后于溝槽或通孔中填充導(dǎo)電物質(zhì)。然而，當(dāng)特征尺寸達(dá)到深亞微米以下工藝的時候，在制作銅·布線或?qū)щ姴迦麜r，為防止RC效應(yīng)，須使用超低介電常數(shù)(Ultra low k)的介電材料作為介質(zhì)層(所述超低k為介電常數(shù)小于等于2. 6)。在美國專利申請US11/556306中公開了一種采用超低k介電材料作為介質(zhì)層的技術(shù)方案。在半導(dǎo)體器件的后段制作過程中，在制作銅金屬布線過程中采用超低k介質(zhì)層的工藝如圖I至圖4所示，參考圖1，提供半導(dǎo)體襯底10，所述半導(dǎo)體襯底10上形成有如晶體管、電容器、導(dǎo)電插塞等結(jié)構(gòu)；在半導(dǎo)體襯底10上形成超低k介質(zhì)層20 ;在超低k介質(zhì)層20上形成抗反射層(BARC) 30，用于光刻工藝中防止光進(jìn)行下一膜層而影響膜層的性質(zhì)；在抗反射層30上涂覆光刻膠層40 ;經(jīng)過曝光顯影工藝，在光刻膠層40上定義出開口的圖案。如圖2所示，以光刻膠層40為掩膜，沿開口的圖案刻蝕超低k介質(zhì)層20至露出半導(dǎo)體襯底10，形成溝槽50。如圖3所示，去除光刻膠層和抗反射層；用濺鍍工藝在超低k介質(zhì)層20上形成銅金屬層60，且所述銅金屬層60填充滿溝槽內(nèi)。如圖4所示，采用化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)平坦化金屬層至露出超低k介質(zhì)層20，形成金屬布線層60a?，F(xiàn)有技術(shù)在超低k介質(zhì)層中形成金屬布線或?qū)щ姴迦麜r,超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)k值會發(fā)生漂移(k值變大)，從而導(dǎo)致超低k介質(zhì)層電容值發(fā)生變化，使半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種介質(zhì)層的形成方法，防止在制作金屬布線層或?qū)щ姴迦麜r，超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)k值發(fā)生漂移，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性問題。為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種介質(zhì)層的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層至少分兩次沉積形成，每次沉積預(yù)定厚度；在每次沉積后均進(jìn)行碳處理?？蛇x的，所述碳處理為含碳等離子體處理?？蛇x的，所述含碳等離子體處理采用包含CxHy的氣體，含量為400 SOOsccm。
可選的，所述含碳等離子體處理的氣體還包含氦氣，含量為2000 3000SCCm。可選的，所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。可選的，所述預(yù)定厚度為800埃 1000埃?？蛇x的，所述介質(zhì)層為超低k介質(zhì)層，介電常數(shù)為小于等于2. 6?？蛇x的，所述超低k介質(zhì)層的材料為SiCOH?？蛇x的，形成介質(zhì)層的方法為化學(xué)氣相沉積法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層至少分兩次沉積形成，每次沉積預(yù)定厚度；在每次沉積后均進(jìn)行碳處理。在后續(xù)光刻膠層剝離和刻蝕介質(zhì)層過程中對碳含量會有消耗，由于增加了介質(zhì)層中的碳含 量，使介質(zhì)層中的碳含量保持穩(wěn)定，避免了碳含量的缺少對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)的影響，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。進(jìn)一步，分多次沉積，每次沉積800埃 1000埃后進(jìn)行碳處理，使碳離子均勻分布于介質(zhì)層的多孔材料中；防止只在介質(zhì)層表面進(jìn)行碳處理，使介質(zhì)層表面與介質(zhì)層內(nèi)部的碳離子分布不均勻而導(dǎo)致的后續(xù)光刻膠層剝離和刻蝕介質(zhì)層過程中對介質(zhì)層內(nèi)部的碳含量消耗過多，避免了碳含量的缺少對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)的影響，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。


圖I至圖4為現(xiàn)有技術(shù)形成包含超低k介質(zhì)層的金屬布線的示意圖；圖5為本發(fā)明形成介質(zhì)層的具體實(shí)施方式
流程示意圖；圖6至圖11為本發(fā)明形成包含超低k介質(zhì)層的半導(dǎo)體器件的第一實(shí)施例示意圖；圖12至圖19為在本發(fā)明形成包含超低k介質(zhì)層的半導(dǎo)體器件的第二實(shí)施例示意圖；圖20為現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明工藝形成的介質(zhì)層經(jīng)過刻蝕工藝后k值的變化比較圖。
具體實(shí)施例方式在深亞微米以下的工藝，在后段工藝中制作金屬布線層或?qū)щ姴鍟r，采用超低k介電材料作為介質(zhì)層過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)由于超低k介質(zhì)層是多孔材料(圖I至圖4所示)，因此在刻蝕形成通孔或溝槽，以及去除光刻膠層過程中，介質(zhì)層內(nèi)的碳離子會被刻蝕氣體或灰化氣體帶走，導(dǎo)致超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)k值發(fā)生偏移進(jìn)而會導(dǎo)致超低k介質(zhì)層電容發(fā)生變化，從而導(dǎo)致超低k介質(zhì)層的絕緣效果變差，后續(xù)形成的半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性問題。發(fā)明人針對上述技術(shù)問題，經(jīng)過對原因的分析，不斷研究發(fā)現(xiàn)在碳離子缺失會造成介質(zhì)層介電常數(shù)k值發(fā)生偏移，那么在介質(zhì)層中均勻地增加碳離子的含量可以避免了后續(xù)刻蝕工藝及光刻膠剝除工藝對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)的影響，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。圖5為本發(fā)明形成介質(zhì)層的具體實(shí)施方式
流程示意圖，如圖5所示，執(zhí)行步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底；執(zhí)行步驟S12，在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層至少分兩次沉積形成，每次沉積預(yù)定厚度；執(zhí)行步驟S13，在每次沉積后均進(jìn)行碳處理。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。第一實(shí)施例圖6至圖11為本發(fā)明形成包含超低k介電層的半導(dǎo)體器件的第一實(shí)施例示意圖(以形成金屬布線層為例)。如圖6所示，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100上通常經(jīng)過前段工藝已形成有如晶體管、電容器、金屬布線層等結(jié)構(gòu)。由于在本實(shí)施例的制作金屬布線工藝中，需要形成的介質(zhì)層厚度為2400埃 3000埃。因此，采用本實(shí)施例的方法，先在半導(dǎo)體襯底100上用化學(xué)氣相沉積法形成第一層介質(zhì)材料200a,所述第一層介質(zhì)材料200a的厚度為800埃 1000埃。然后,對第一層介質(zhì)材料200a進(jìn)行第一次碳處理300a，使碳離子滲透入第一層介質(zhì)材料200a中。 當(dāng)沉積800埃 1000埃的介質(zhì)材料后進(jìn)行碳處理，在此厚度下碳離子可以完全滲入整層第一層介質(zhì)材料200a中。本實(shí)施例中，所述第一次碳處理300a為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。如圖7所示，于經(jīng)過碳處理的第一層介質(zhì)材料200a上形成厚度為800埃 1000埃的第二層介質(zhì)材料層200b，形成所述第二層介質(zhì)材料層200b的方法為化學(xué)氣相沉積法；然后，對第二層介質(zhì)材料200b進(jìn)行第二次碳處理300b，使碳離子滲透入第二層介質(zhì)材料200b中。本實(shí)施例中，所述第二次碳處理300b為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。如圖8所示，于經(jīng)過碳處理的第二層介質(zhì)材料200b上形成厚度為800埃 1000埃的第三層介質(zhì)材料層200c，形成所述第三層介質(zhì)材料層200c的方法為化學(xué)氣相沉積法；然后，對第三層介質(zhì)材料200c進(jìn)行第三次碳處理300c，使碳離子滲透入第三層介質(zhì)材料200c中。本實(shí)施例中，所述第三次碳處理300c為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。本實(shí)施例中，經(jīng)過沉積，第一層介質(zhì)材料200a、第二層介質(zhì)材料200b和第三層介質(zhì)材料層200c構(gòu)成介質(zhì)層200 ;經(jīng)過碳處理，整個介質(zhì)層200的碳離子含量均勻增加。所述介質(zhì)層200為超低k介質(zhì)層，介電常數(shù)為小于等于2. 6，超低k介質(zhì)層為多孔材料；所述超低k介質(zhì)層的材料為SiCOH，所述SiCOH的原子間間隔較為稀疏。如圖9所示，在所述介質(zhì)層200表面旋涂光刻膠層400 ;接著，對光刻膠層400進(jìn)行曝光及顯影處理，形成開口圖形。
如圖10所示，以光刻膠層400為掩膜，沿開口圖形用干法刻蝕法刻蝕介質(zhì)層200至露出半導(dǎo)體襯底100，形成溝槽500，所述溝槽500用以后續(xù)填充形成金屬布線層。如圖11所示，用灰化法去除光刻膠層；在所述介質(zhì)層200上用濺射法形成金屬層，且將所述金屬層填充滿溝槽；然后用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)平坦化金屬層至露出介質(zhì)層200，形成金屬布線層600。本實(shí)施例中，所述金屬布線層600的材料如為銅時，在形成金屬布線層600之前，在溝槽底部還應(yīng)用物理氣相沉積法形成一層銅籽晶層，使金屬布線層600圍繞其生長。本實(shí)施例中，分三次沉積形成介質(zhì)層200，每次沉積800埃 1000埃介質(zhì)材料后進(jìn)行碳處理，使碳離子均勻分布于介質(zhì)層200的多孔材料中；防止只在介質(zhì)層200表面進(jìn)行碳處理，使介質(zhì)層200表面與介質(zhì)層200內(nèi)部的碳離子分布不均勻而導(dǎo)致的后續(xù)光刻膠層剝離和刻蝕介質(zhì)層過程中對介質(zhì)層內(nèi)部的碳含量消耗過多，避免了碳含量的缺少對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)的影響，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。
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第二實(shí)施例圖12至圖19為在本發(fā)明形成包含超低k介電層的半導(dǎo)體器件第二實(shí)施例示意圖(以形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電插塞為例)。如圖12所示，提供半導(dǎo)體襯底1000，所述半導(dǎo)體襯底1000上通常經(jīng)過前段工藝已形成有如晶體管、電容器、金屬布線層等結(jié)構(gòu)；由于在本實(shí)施例的制作雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電插塞工藝中，需要形成的介質(zhì)層厚度為3200埃 4000埃。因此，采用本實(shí)施例的方法，先在半導(dǎo)體襯底1000上用化學(xué)氣相沉積法形成第一層介質(zhì)材料2000a,所述第一層介質(zhì)材料2000a的厚度為800埃 1000埃。然后，對第一層介質(zhì)材料2000a進(jìn)行第一次碳處理3000a，使碳離子滲透入第一層介質(zhì)材料2000a中。當(dāng)沉積800埃 1000埃的介質(zhì)材料后進(jìn)行碳處理，在此厚度下碳離子可以完全滲入整層第一層介質(zhì)材料2000a中。本實(shí)施例中，所述第一次碳處理3000a為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。如圖13所示，于經(jīng)過碳處理的第一層介質(zhì)材料2000a上形成厚度為800埃 1000埃的第二層介質(zhì)材料層2000b，形成所述第二層介質(zhì)材料層2000b的方法為化學(xué)氣相沉積法；然后，對第二層介質(zhì)材料2000b進(jìn)行第二次碳處理3000b，使碳離子滲透入第二層介質(zhì)材料2000b中。本實(shí)施例中，所述第二次碳處理3000b為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。如圖14所示，于經(jīng)過碳處理的第二層介質(zhì)材料2000b上形成厚度為800埃 1000埃的第三層介質(zhì)材料層2000c，形成所述第三層介質(zhì)材料層2000c的方法為化學(xué)氣相沉積法；然后，對第三層介質(zhì)材料2000c進(jìn)行第三次碳處理3000c，使碳離子滲透入第三層介質(zhì)材料2000c中。本實(shí)施例中，所述第三次碳處理3000c為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。如圖15所示，于經(jīng)過碳處理的第三層介質(zhì)材料2000c上形成厚度為800埃 1000埃的第四層介質(zhì)材料層2000d，形成所述第四層介質(zhì)材料層2000d的方法為化學(xué)氣相沉積法；然后，對第四層介質(zhì)材料2000d進(jìn)行第四次碳處理3000d，使碳離子滲透入第四層介質(zhì)材料2000d中。本實(shí)施例中，所述第四次碳處理3000d為含碳等離子體處理。所述含碳等離子體處理包含所體CxHy和氦氣，其中CxHy含量為400 800sccm，氦氣含量為2000 3000sccm。所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。本實(shí)施例中，經(jīng)過沉積,第一層介質(zhì)材料2000a、第二層介質(zhì)材料2000b、第三層介質(zhì)材料層2000c和第四層介質(zhì)材料2000d構(gòu)成介質(zhì)層2000 ;經(jīng)過碳處理，整個介質(zhì)層2000的碳離子含量均勻增加。所述介質(zhì)層2000為超低k介質(zhì)層，介電常數(shù)為小于等于2. 6，超低k介質(zhì)層為多孔材料；所述超低k介質(zhì)層的材料為SiCOH，所述SiCOH的原子間間隔較為稀疏。如圖16所示，在所述介質(zhì)層2000表面旋涂第一光刻膠層4000 ;接著，對第一光刻膠層4000進(jìn)行曝光及顯影處理，形成通孔圖形。如圖17所示，以第一光刻膠層4000為掩膜，沿通孔圖形用干法刻蝕法刻蝕介質(zhì)層2000至露出半導(dǎo)體襯底1000，形成通孔5000。如圖18所示，去除第一光刻膠層4000 ;在所述介質(zhì)層2000和半導(dǎo)體襯底1000上形成第二光刻膠層6000，對第二光刻膠層6000進(jìn)行圖形化，定義出溝槽圖形；然后，以第二光刻膠層6000為掩膜，沿溝槽圖形用干法刻蝕法刻蝕介質(zhì)層2000，形成溝槽7000，所述溝槽7000與通孔5000連通，構(gòu)成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。如圖19所示，去除第二光刻膠層；用化學(xué)氣相沉積法在所述介質(zhì)層2000上形成金屬層，且所述金屬層填充滿雙鑲嵌結(jié)構(gòu)；然后用化學(xué)機(jī)械拋光金屬層至露出介質(zhì)層2000，形成導(dǎo)電插塞8000。本實(shí)施例中，所述金屬層的材料為鋁或銅或鎢。在填充金屬層之前，在通孔與溝槽的側(cè)壁及底部形成擴(kuò)散阻擋層，防止雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中的金屬擴(kuò)散至介質(zhì)層2000中。本實(shí)施例中，分四次沉積形成介質(zhì)層2000，每次沉積800埃 1000埃介質(zhì)材料后進(jìn)行碳處理，使碳離子均勻分布于介質(zhì)層2000的多孔材料中；防止只在介質(zhì)層2000表面進(jìn)行碳處理，使介質(zhì)層2000表面與介質(zhì)層2000內(nèi)部的碳離子分布不均勻而導(dǎo)致的后續(xù)光刻膠層剝離和刻蝕介質(zhì)層過程中對介質(zhì)層內(nèi)部的碳含量消耗過多，避免了碳含量的缺少對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)的影響，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。除上述兩個實(shí)施例外，根據(jù)工藝及器件要求，沉積不同厚度的介質(zhì)層時，根據(jù)每次沉積800埃 1000埃為基準(zhǔn)，選擇不同的沉積次數(shù)形成介質(zhì)層。
圖20為現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明工藝形成的介質(zhì)層經(jīng)過刻蝕工藝后k值的變化比較圖。如圖20所示，現(xiàn)有工藝在刻蝕超低k介質(zhì)層形成通孔或溝槽、以及去除光刻膠層過程中，超低k介質(zhì)層內(nèi)的碳離子會被刻蝕氣體或灰化氣體帶走，導(dǎo)致超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)k值會偏移10% 15%。而本發(fā)明分至少兩次沉積形成介質(zhì)層，每次沉積后均進(jìn)行碳處理，使碳離子均勻分布于介質(zhì)層的多孔材料中；在后續(xù)光刻膠層剝離和刻蝕介質(zhì)層過程中對介質(zhì)層內(nèi)的碳含量雖然有消耗，但不能造成碳含量的過少而對超低k介質(zhì)層的介電常數(shù)產(chǎn)生影響，從圖20中可看出采用本發(fā)明的方法形成的介質(zhì)層，經(jīng)過刻蝕及光刻膠剝離后，介電常數(shù)k值會由偏移小于5%，有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)層的形成方法，其特征在于，包括步驟 提供半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層至少分兩次沉積形成，每次沉積預(yù)定厚度； 在每次沉積后均進(jìn)行碳處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成方法，其特征在于所述碳處理為含碳等離子體處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形成方法，其特征在于所述含碳等離子體處理采用包含CxHy的氣體，含量為400 800sccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的形成方法，其特征在于所述含碳等離子體處理的氣體還包含氦氣，含量為2000 3000sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的形成方法，其特征在于所述含碳等離子體處理采用的溫度為350°C 400°C，時間為I 2分鐘，射頻功率為800 1200W。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成方法，其特征在于所述預(yù)定厚度為800埃 1000埃。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成方法，其特征在于所述介質(zhì)層為超低k介質(zhì)層，介電常數(shù)為2. 2 2. 6。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于所述超低k介質(zhì)層的材料為SiCOH。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成方法，其特征在于形成介質(zhì)層的方法為化學(xué)氣相沉積法。
全文摘要
一種介質(zhì)層的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層至少分兩次沉積形成，每次沉積預(yù)定厚度；在每次沉積后均進(jìn)行碳處理。本發(fā)明有效防止了超低k介質(zhì)層的k值漂移及電容的大幅變化，保證半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號H01L21/3105GK102891080SQ20111020131
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者鄧浩, 張彬 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司