專利名稱：用于下一代鑲嵌阻擋應(yīng)用的具有良好抗氧化性的雙層膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的制備，更具體地涉及在襯底上沉積介電層的方法，以及由該介電層所形成的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及在襯底上沉積阻擋層的方法，以及由該阻擋層所形成的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
自從幾十年前半導(dǎo)體器件首次引入市場(chǎng)，這種器件的幾何尺寸已經(jīng)大幅減小了。自那時(shí)起，集成電路一般已經(jīng)遵循“兩年/一半大小”的規(guī)律(經(jīng)常被稱為Moore法則)，這意味著固定在芯片上的器件數(shù)量每?jī)赡昙颖?。?dāng)今的制造廠家通常生產(chǎn)0.35μm、甚至0.18μm特征大小的器件，很快將來(lái)的制造廠家將能生產(chǎn)幾何尺寸更小的器件。
為了進(jìn)一步減小集成電路上的器件大小，有必要使用低電阻率的導(dǎo)電材料和使用低介電常數(shù)(介電常數(shù)小于4.0)的絕緣體，以減小相鄰金屬線之間的電容耦合。這種低k值材料包括由化學(xué)氣相沉積工藝所沉積的碳氧化硅和碳化硅，二者都可用作制備波紋鑲嵌(damascene)特征的介電材料。
一種低電阻率的導(dǎo)電材料是銅及其合金，由于銅比鋁具有更低的電阻率(銅為1.7μΩ-cm，鋁為3.1μΩ-cm)、更高的電流和更高的承載能力，所以它們已經(jīng)成為亞四分之一微米互連技術(shù)中的首選材料。這些性質(zhì)對(duì)于支持更高的電流密度而言較重要，這種高電流密度在高度集成以及器件速度增加的情況下會(huì)遇到。而且，銅具有良好的導(dǎo)熱率，并且能以高純態(tài)使用。
在半導(dǎo)體器件中使用銅的一大困難是銅較難蝕刻并難于獲得精確的圖案。利用形成互連的傳統(tǒng)沉積/蝕刻工藝蝕刻銅不能令人滿意。因此，生產(chǎn)具有含銅材料和低k值介電材料的互連的新方法正在發(fā)展中。
一種形成垂直和水平互連的方法是通過鑲嵌(damascene)或雙鑲嵌(dual damascene)方法。在鑲嵌方法中，例如低k值介電材料的一種或多種介電材料被沉積，并被蝕刻圖案以形成例如通孔的垂直互連和例如線的水平互連。導(dǎo)電材料(例如含銅材料)和其他材料(例如用來(lái)防止含銅材料擴(kuò)散進(jìn)周圍低k值介電材料內(nèi)的阻擋層材料)接著被充填到蝕刻出的圖案內(nèi)。接著，去除任何在蝕刻圖案外(例如在襯底區(qū)域上)的多余的含銅材料和多余的阻擋層材料。
但是，低k值介電材料經(jīng)常是多孔的，容易造成例如銅的導(dǎo)電材料發(fā)生層間擴(kuò)散，這樣可能導(dǎo)致形成短路和器件故障。而且，低k值介電材料經(jīng)常容易氧化。介電阻擋層材料經(jīng)常被設(shè)置在銅材料和周圍的低k值材料之間來(lái)防止層間擴(kuò)散。但是，例如氮化硅的傳統(tǒng)介電阻擋層材料的介電常數(shù)經(jīng)常高達(dá)7或更大。這種高k值介電材料和周圍低k值介電材料的組合導(dǎo)致介電疊層的介電常數(shù)高于所期望的值。
因此，一直需要一種改進(jìn)的方法來(lái)沉積用于鑲嵌應(yīng)用的且其介電常數(shù)較低并且能較好地抗氧化的介電阻擋層材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般地提供了用于沉積低介電常數(shù)的阻擋層和鄰近該阻擋層的帽層的方法。一方面，本發(fā)明提供了一種處理襯底的方法，包括通過將包括有機(jī)硅化合物的處理氣體導(dǎo)入處理室中，并將該處理氣體進(jìn)行反應(yīng)以沉積阻擋層，從而在襯底上沉積出碳化硅阻擋層，其中有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c，a為0-3，b為0-3，c為1-4，阻擋層的介電常數(shù)小于4，并包含與硅原子連接的苯基基團(tuán)；以及通過將包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物的第二處理氣體混合物導(dǎo)入所述處理室中，并將第二處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)以沉積碳化硅帽層，從而在阻擋層上沉積出碳化硅帽層，其中碳化硅帽層基本沒有與硅原子連接的苯基基團(tuán)。
另一方面，本發(fā)明提供了一種處理襯底的方法，包括通過將包括第一有機(jī)硅化合物的第一處理氣體混合物導(dǎo)入處理室中，并將該處理氣體進(jìn)行反應(yīng)以沉積阻擋層，從而在襯底上沉積出碳化硅阻擋層，其中所述第一有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c，a為0-3，b為0-3，c為1-4，阻擋層的介電常數(shù)小于4；以及通過將包括第二有機(jī)硅化合物的第二處理氣體混合物導(dǎo)入處理室中，并將第二處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)以沉積碳化硅帽層，從而在阻擋層上沉積出碳化硅帽層，其中第二有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHx(CH3)y(C6H5)z，x為1-3，y為0-3，z為0-3。


為使實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述方面的方式能夠被詳細(xì)理解，通過參照附圖中所說(shuō)明的其實(shí)施例，給出了本發(fā)明的更具體描述。
但是，應(yīng)該注意到附圖僅圖示了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)認(rèn)為是限制其范圍，本發(fā)明承認(rèn)其他等同有效的實(shí)施例。
圖1是表示包括這里所述的低k值阻擋層和低k值介電層的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；和圖2A-2H是表示本發(fā)明的雙鑲嵌沉積順序的橫截面視圖。
為進(jìn)一步理解本發(fā)明的方面，應(yīng)該參照隨后的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
這里所述的本發(fā)明的一方面涉及用于沉積低介電常數(shù)的碳化硅阻擋層的方法和前驅(qū)體(precursor)。碳化硅阻擋層也可含有氫，并且可摻雜氧、氮、硼、磷及其組合，從而改善膜的性能。經(jīng)摻雜的碳化硅一般包括少于約15原子百分比(atomic％)或更少的摻雜劑，例如氧、氮、硼、磷及其組合。
碳化硅阻擋層是這樣沉積的通過將包括結(jié)構(gòu)式為SiHa(CH3)b(C6H5)c有機(jī)硅化合物的處理氣在等離子體中進(jìn)行反應(yīng)，以形成包括碳-硅鍵并且介電常數(shù)小于4、優(yōu)選小于約3.5的介電層，其中結(jié)構(gòu)式中a為0-3，b為0-3，c為1-4。該沉積工藝過程中也可以存在含摻雜劑材料，例如用于摻雜氧的氧氣(O2)或硅氧烷化合物，或用于摻雜硼的硼烷(BH3)。
意外并令人驚訝地發(fā)現(xiàn)在這里所述的處理參數(shù)下，用結(jié)構(gòu)式為SiHa(CH3)b(C6H5)c(其中a為0-3，b為0-3，c為1-4)有機(jī)硅化合物沉積碳化硅材料，生成介電常數(shù)小于4且阻擋層性能得以改善的碳化硅膜，例如其層間擴(kuò)散阻力要比通過商用烷基硅烷前驅(qū)體(例如三甲基硅烷(TMS))生成的碳化硅膜約大100％。這一點(diǎn)是未預(yù)料到的，因?yàn)橐延^察到苯基增加了所沉積的介電材料的孔隙率，從而減小了所沉積的介電材料的層間擴(kuò)散阻力。在阻擋層鄰近介電層沉積的實(shí)施例中，阻擋層優(yōu)選地鄰近這樣的介電層而沉積，該介電層包括硅、氧、碳和氫，其介電常數(shù)小于約4，例如小于約3。
用于阻擋層材料的有機(jī)硅化合物一般包括如下結(jié)構(gòu) 其中R是苯基，R1、R2和R3是含H、C和/或Si的基團(tuán)。該有機(jī)硅化合物包括結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c，其中a為0-3，b為0-3，c為1-4，并且a+b+c等于4。由這種結(jié)構(gòu)式所衍生的合適前驅(qū)體實(shí)例包括二苯基硅烷、二甲基苯基硅烷、二苯基甲基硅烷、苯基甲基硅烷及其組合。優(yōu)選地，b為1-3，且c為1-3。用于作為阻擋層材料沉積的最優(yōu)選有機(jī)硅化合物包括結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c的有機(jī)硅化合物，其中a為1或2，b為1或2，c為1或2。優(yōu)選的前驅(qū)體實(shí)例包括二甲基苯基硅烷和二苯基甲基硅烷。處理氣也可以包括惰性氣體，例如氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)、氙氣(Xe)、氮?dú)?N2)及其組合。
處理氣還可以包括具有Si-O-Si鍵基團(tuán)的化合物(例如有機(jī)硅氧烷化合物)，具有Si-N-Si鍵基團(tuán)的化合物(例如硅氮烷化合物)，以及它們的組合，從而分別用氧和氮來(lái)?yè)诫s所沉積的碳化硅材料。例如三甲基硅烷(TMS)的烷基硅烷前驅(qū)體也可以與這里所述的有機(jī)硅前驅(qū)體一塊使用，以改進(jìn)或改變所期望的膜性能。
具有硅氧烷鍵的前驅(qū)體為碳化硅膜提供了鍵合的氧，這樣可以減小膜的介電常數(shù)，并減小膜的漏電流。合適的硅氧烷前驅(qū)體實(shí)例包括例如1，3，5，7-四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)或八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)的環(huán)狀化合物和例如1，1，3，3-四甲基二硅氧烷(TMDSO)的脂肪族化合物。
具有成鍵的氮的化合物可以提高膜的硬度，并減小膜的漏電流，例如在硅氮烷化合物中。合適的硅氮烷前驅(qū)體實(shí)例包括例如六甲基二硅氮烷和二乙烯基四甲基二硅氮烷的脂肪族化合物以及例如六甲基環(huán)三硅氮烷的環(huán)狀化合物。
阻擋層還可以摻雜氧、硼或磷來(lái)減小所沉積材料的介電常數(shù)。處理氣中摻雜劑與有機(jī)硅化合物的原子比約為1∶5或更大，例如在約1∶5與約1∶100之間。將磷和/或硼摻雜到低k值碳化硅層可以這樣進(jìn)行即在沉積工藝過程中，將膦(PH3)或硼烷(BH3)，或例如二硼烷(B2H6)的其硼烷衍生物引入室內(nèi)。
氧摻雜可以通過任選地包括含氧氣體來(lái)進(jìn)行，例如氧氣(O2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)或它們的組合。硅氧烷化合物也可以與處理氣一起使用以對(duì)所沉積材料進(jìn)行氧摻雜。氮摻雜可以通過任選地包括含氮?dú)怏w來(lái)進(jìn)行，例如氨氣(NH3)、氮?dú)?N2)、硅氮烷化合物或它們的組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，碳化硅阻擋層可以是這樣沉積的即以約10mg/min(mgm)-約1500mgm之間的流速向等離子處理室中提供例如二苯基硅烷的有機(jī)硅化合物，任選地以約10sccm-約2000sccm之間的流速提供摻雜劑，以約1sccm-約10000sccm之間的流速提供惰性氣體，保持襯底溫度在約0℃-約500℃之間，保持室壓力在約500Torr以下，RF(射頻)功率在約0.03W/cm2-約1500W/cm2之間。
RF功率可以以例如在13MHz-14MHz之間的高頻和/或例如在100KHz-1000KHz之間的低頻提供。RF功率可以被連續(xù)提供或者以短的持續(xù)周期提供，其中對(duì)于小于約200Hz的周期，所提供的功率都處在規(guī)定水平(stated level)，并且提供功率的周期總和占總的工作周期的約10％-約30％。處理氣可以通過氣體分配器而被引入室內(nèi)，該氣體分配器可以放置在距離襯底表面約200mil-約1200mil處。在沉積工藝過程中，該氣體分配器可以放置在約300mil-約800mil處。
用于進(jìn)行這里所述工藝的合適反應(yīng)器是來(lái)自Applied Materials，Inc.，Santa Clara，California的商用DxZTM化學(xué)氣相沉積室?？蓱?yīng)用這里所述工藝的CVD反應(yīng)器實(shí)例在授權(quán)給Wang等并被轉(zhuǎn)讓給Applied Materials，Inc.的、題為“A Thermal CVD/PECVD Reator and Use for Thermal ChemicalVapor Deposition of Silicon Dioxide and In-situ Multi-step PlanarizedProcess”的美國(guó)專利No.5,000,113中描述了。
當(dāng)在Applied Materials，Inc.，Santa Clara，California的沉積室中200mm(毫米)襯底上實(shí)現(xiàn)時(shí)，以上工藝參數(shù)提供了在約50/min-約20,000/min范圍內(nèi)的碳化硅層沉積速率，例如在約100/min-約3,000/min范圍內(nèi)。
優(yōu)選的碳化硅阻擋層沉積工藝實(shí)例包括以約500mg/min的流速將二甲基苯基硅烷引入處理室內(nèi)，以約1000sccm的流速將氦氣引入處理室內(nèi)，通過施加200W的RF功率在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度約為350℃，保持室壓力約為6Torr，從而沉積碳化硅阻擋層。氣體分配器與襯底表面之間的間距為450mil。通過這種工藝，可以以約1500/min的速率沉積碳化硅阻擋層。所沉積的碳化硅阻擋層的介電常數(shù)約為3.4。
優(yōu)選的碳化硅阻擋層沉積工藝的其他實(shí)例包括以約100mg/min的流速將二甲基苯基硅烷引入處理室內(nèi)，以約2000sccm的流速將氦氣引入處理室內(nèi)，通過施加100W、200W或300W的RF功率在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度約為350℃，保持室壓力約為6Torr，從而沉積碳化硅阻擋層。氣體分配器與襯底表面之間的間距為650mil。所沉積的碳化硅阻擋層的介電常數(shù)約為3.42-約3.96。
沉積之后，所沉積的介電材料，即所沉積的碳化硅阻擋層可以在約100℃-約450℃之間的溫度下被退火約1分鐘-約60分鐘，優(yōu)選退火約30分鐘，以減少水分含量并增加介電材料的堅(jiān)固性和硬度(如果希望的話)。退火優(yōu)選在沉積下一層之前進(jìn)行，這是防止介電層發(fā)生收縮和變形的。例如氬氣和氦氣的惰性氣體可以被加入退火環(huán)境中。
所沉積的碳化硅阻擋層可以經(jīng)等離子處理以去除污染物，或者在后續(xù)的在其上沉積材料步驟之前，清洗碳化硅層的暴露表面。等離子處理可以在用來(lái)沉積含硅和碳材料的相同室中進(jìn)行。等離子處理被認(rèn)為通過形成比未經(jīng)處理的碳化硅材料更高密度的材料保護(hù)層而提高了膜的穩(wěn)定性。等離子處理還被認(rèn)為提高了膜對(duì)相鄰層的粘附。這種更高密度的碳化硅材料被認(rèn)為比未經(jīng)處理的碳化硅材料更能防止化學(xué)反應(yīng)(例如當(dāng)在氧氣中暴露時(shí)，形成氧化物)的發(fā)生。
等離子處理一般包括將惰性氣體和/或還原氣體引入處理室中，其中惰性氣體包括氦氣、氬氣、氖氣、氙氣、氪氣及其組合，其中氦氣是優(yōu)選的，還原氣體包括氫氣、氨氣及其組合。惰性氣體或還原氣體被以約500sccm-約3000sccm的流速引入處理室中，并在處理室中生成等離子體。
利用在約0.03W/cm2-約3.2W/cm2之間的功率密度，可以生成該等離子體，這個(gè)功率密度是對(duì)于200mm襯底，在約10W-約1000W之間的RF功率水平。優(yōu)選地，對(duì)于200mm襯底上的碳化硅材料，功率水平約為100W。RF功率可以以例如在13MHz-14MHz之間的高頻和/或例如在100KHz-1000KHz之間的低頻提供。RF功率可以被連續(xù)提供或者以短的持續(xù)周期提供，其中對(duì)于小于約200Hz的周期，所提供的功率都處在規(guī)定水平，并且提供功率的周期總和占總的工作周期的約10％-約30％。
優(yōu)選地，處理室保持在約1Torr-約12Torr的室壓力下，例如約3Torr。優(yōu)選地，在等離子處理過程中，襯底保持在約200℃-450℃的溫度下。在等離子處理過程中，可以使用與碳化硅沉積過程大致相同的襯底溫度，例如約290℃。等離子處理可以進(jìn)行約2秒-約100秒，并且等離子處理優(yōu)選進(jìn)行約15秒-約60秒。處理氣可以通過氣體分配器而被引入室內(nèi)，該氣體分配器可以放置在距離襯底表面約200mil-約1200mil處。在等離子處理過程中，該氣體分配器可以放置在約300mil-約800mil處。
但是，應(yīng)該注意到，各個(gè)參數(shù)都可以變化，以在各種室中、對(duì)不同大小的襯底進(jìn)行等離子處理，例如300mm的襯底。用于含硅和碳的膜的等離子處理實(shí)例在1999年6月18日提交的、題為“Plasma treatment toEnhance adhesion and to Minimize Oxidation of Carbon-Containing Layers”的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/336,525中進(jìn)一步公開了，以與這里所述的公開內(nèi)容和所要求的方面相一致的程度，通過引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
優(yōu)選地，阻擋層鄰近帽層(cap layer)而沉積，并任選地，鄰近其介電常數(shù)小于約4(例如小于約3)的、包括硅、氧和碳的介電層而沉積。與這里所述的阻擋層材料一起使用的鄰近或附近的介電層含有約1原子百分比(不包括氫原子)的碳，優(yōu)選含有在約5-約30原子百分比(不包括氫原子)之間的碳。如這里所用的，“附近”介電層指通過介于其間的帽層而與阻擋層隔開的介電層。這種鄰近或附近的介電層可以通過在等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)中氧化有機(jī)硅烷化合物而被沉積。例如，合適的鄰近或附近的介電層可以是這樣沉積的在等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)中，利用在包括約0.16W/cm2-約0.48W/cm2的高頻RF功率密度的條件下形成的等離子體，使三甲基硅烷和氧氣進(jìn)行反應(yīng)。
在2000年5月25日授權(quán)的美國(guó)專利No.6,054,379、2001年9月11日授權(quán)的美國(guó)專利No.6,287,990和2001年10月16日授權(quán)的美國(guó)專利No.6,303,523中都更進(jìn)一步地描述了這種其介電常數(shù)約小于3的、包括硅、氧和碳的鄰近或附近介電層的方法和應(yīng)用實(shí)例，并以與這里所述的公開內(nèi)容和權(quán)利要求相一致的程度，通過引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
通過使包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物的處理氣在等離子體中進(jìn)行反應(yīng)以形成碳化硅帽層，從而鄰接這里所述的阻擋層而沉積出鄰近帽層。在一個(gè)實(shí)施例中，該無(wú)氧有機(jī)硅化合物的結(jié)構(gòu)式為SiHx(CH3)y(C6H5)z，其中x為1-3，v為0-3，z為0-3，并且x+y+z等于4。這種無(wú)氧有機(jī)硅化合物可以是烷基硅烷，例如甲基硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷或四甲基硅烷。優(yōu)選地，這種無(wú)氧有機(jī)硅化合物是三甲基硅烷。這種碳化硅帽層也可以包括氮。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該無(wú)氧有機(jī)硅化合物可以是含苯基的有機(jī)硅化合物。這種含苯基的有機(jī)硅化合物可以是用于沉積碳化硅阻擋層(該帽層沉積在其上)的有機(jī)硅化合物。但是，阻擋層是利用這樣的處理?xiàng)l件沉積的，即在所沉積的阻擋層中允許苯基保持連接到硅原子上。碳化硅帽層是利用這樣的處理?xiàng)l件沉積的，即在所沉積的帽層中基本沒有苯基連接到硅原子上。
在一個(gè)實(shí)施例中，碳化硅帽層可以是這樣沉積的即以約50sccm-約800sccm之間的流速向等離子處理室中提供例如三甲基硅烷的無(wú)氧有機(jī)硅化合物，以約50sccm-約2000sccm之間的流速提供無(wú)氧載氣，例如氦氣、氬氣、氮?dú)饣虬睔?，保持襯底溫度在約250℃-約450℃之間，保持室壓力在約3Torr-約15Torr之間，RF功率在約0.02W/cm2-約5W/cm2之間，或者在約200W-約800W之間。
RF功率可以以例如在13MHz-14MHz之間的高頻和/或例如在100KHz-1000KHz之間的低頻提供。RF功率可以被連續(xù)提供或者以短的持續(xù)周期提供，其中對(duì)于小于約200Hz的周期，所提供的功率都處在規(guī)定水平，并且提供功率的周期總和占總工作周期的約10％-約30％。處理氣可以通過氣體分配器而被引入室內(nèi)，該氣體分配器可以放置在距離襯底表面約200mil-約1200mil處。在沉積工藝過程中，該氣體分配器可以放置在約300mil-約800mil處。
該帽層可以在沉積阻擋層的相同室中被沉積。在一個(gè)實(shí)施例中，該帽層在Applied Materials，Inc.，Santa Clara，California的Producer室中被沉積。Producer室的實(shí)例在美國(guó)專利No.5,855,681中描述了，這里通過引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
當(dāng)在沉積室中200mm襯底上實(shí)現(xiàn)時(shí)，以上工藝參數(shù)提供了在約100/min-約1000/min范圍內(nèi)的帽層沉積速率。
優(yōu)選的碳化硅帽層沉積工藝實(shí)例包括以約320sccm的流速將三甲基硅烷引入處理室中，以約800sccm的流速將氦氣引入處理室中，通過施加約400W的RF功率而在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度約為350℃，保持室壓力約為12Torr，從而沉積碳化硅帽層。氣體分配器與襯底表面之間的間距約為400mil。通過這種工藝，可以以約370/min的速率沉積碳化硅帽層，并且所沉積的碳化硅帽層的介電常數(shù)約為4.2。
如對(duì)所沉積的碳化硅阻擋層所述的，所沉積的碳化硅帽層可以被等離子處理。
這里所述的鄰近低k值介電層而沉積碳化硅層的實(shí)施例被提供來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，所示的具體實(shí)施例不應(yīng)被用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的阻擋層的沉積圖1示出了利用這里所述的碳化硅材料作為阻擋層而形成的鑲嵌結(jié)構(gòu)50的實(shí)例。碳化硅阻擋層10一般是根據(jù)這里所述的工藝、利用前驅(qū)體而沉積在襯底表面上的，從而去除襯底與隨后沉積的材料之間的層間擴(kuò)散。襯底表面可以包括形成在介電層5中的金屬特征7。
利用這里所述的用于沉積碳化硅帽層的前驅(qū)體，一般在碳化硅阻擋層10上沉積第一碳化硅帽層11。如這里所述的包括硅、氧和碳的第一介電層12沉積在碳化硅帽層11上。接著，碳化硅材料的蝕刻終止層(或第二阻擋層)14或被氧化的有機(jī)硅烷層被沉積在第一介電層12上。蝕刻終止層14可以包括由這里所述的有機(jī)硅前驅(qū)體沉積的碳化硅材料或被氧化的有機(jī)硅烷層?；蛘撸g刻終止層14可以是含氮的碳化硅材料。接著，蝕刻終止層14被圖案化蝕刻，以限定出互連或接頭/通孔16的開口。
接著，第二介電層18被沉積在經(jīng)圖案化的蝕刻終止層上。接著，通過本領(lǐng)域已知的常規(guī)方法來(lái)沉積光刻膠，并將其圖案化，以定義接頭/通孔16。接著，進(jìn)行單獨(dú)的蝕刻工藝來(lái)將接頭/通孔16向下定義到蝕刻終止層，并蝕刻被經(jīng)圖案化的蝕刻終止層所暴露的未被保護(hù)的電介質(zhì)來(lái)定義接頭/通孔16。接著，例如銅的一種或多種導(dǎo)電材料被沉積填充所形成的接頭/通孔16。
根據(jù)本發(fā)明所制得的優(yōu)選雙鑲嵌結(jié)構(gòu)包括通過這里所述的工藝而沉積的碳化硅阻擋層和碳化硅帽層，該結(jié)構(gòu)在圖2A-2H中被依次示意性地描繪，這些圖是其上進(jìn)行本發(fā)明步驟的襯底的橫截面視圖。
如圖2A所示，碳化硅阻擋層110由這里所述的、用于沉積碳化硅阻擋層的有機(jī)硅前驅(qū)體而被沉積在襯底表面上。碳化硅阻擋層110可以摻雜氧、硼、磷及其組合。碳化硅阻擋層110可以是這樣沉積的即以約500mg/min的流速將二苯基硅烷引入處理室中，以約500sccm的流速將氦氣引入處理室中，通過施加100W的RF能量而在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度在約290℃，保持室壓力在約3Torr，從而沉積出碳化硅阻擋層。通過這種工藝，可以以約1500/min的速率沉積碳化硅材料。所沉積的碳化硅層的介電常數(shù)約為3.4。
碳化硅帽層111被沉積在阻擋層110上。利用在沉積工藝過程中被最小化或被消除的氮?dú)庠?、通過氮摻雜碳化硅工藝，可以原位沉積該碳化硅帽層。優(yōu)選地，通過這里所描述的由包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物、并被反應(yīng)形成等離子體的氣體混合物沉積碳化硅帽層的工藝來(lái)沉積帽層111。
用包括氦氣(He)、氬氣(Ar)、氖氣(Ne)及其組合的惰性氣體和/或包括氫氣、氨氣及其組合的還原氣體，可以等離子處理碳化硅阻擋層110和帽層111。該等離子處理可以與阻擋層和帽層的沉積原位地進(jìn)行。這種等離子處理被認(rèn)為清除了碳化硅材料暴露表面的污染物，并可用來(lái)穩(wěn)定這些層，這樣使得它們?cè)诖髿鈼l件下變得不易與水分和/或氧氣進(jìn)行反應(yīng)，以及形成在其上的層的粘附。
等離子體工藝包括在對(duì)200mm襯底施加約5秒-約60秒的約200W-約800W之間的功率水平條件下的氦氣處理氣或例如氫氣的還原氣。在反應(yīng)清洗工藝過程中，處理室保持在約8.7Torr或更低的壓力下，在大約是該層沉積溫度的襯底溫度下，例如對(duì)二甲基苯基硅烷而言約是350℃。
通過氧化有機(jī)硅烷或有機(jī)硅氧烷，例如三甲基硅烷，而在帽層111上沉積層間介電材料的第一介電層112，其厚度為約5,000-約15,000，這取決于要制備的結(jié)構(gòu)大小。可用作層間介電材料的低介電常數(shù)材料實(shí)例有Applied Materials，Inc.，Santa Clara，California的商用Black DiamondTM膜?；蛘?，第一介電層也可以包括其他低k值介電材料，例如包括聚對(duì)二甲苯基的低k值聚合物材料或例如未摻雜硅玻璃(USG)和摻氟硅玻璃(FSG)的低k值旋涂(spin-on)玻璃。
接著，第一介電層112可以被等離子體工藝處理，該工藝包括在對(duì)200mm襯底施加約5秒-約60秒的約200W-約800W之間的功率水平下的氦氣或還原氣(例如氫氣)。在反應(yīng)清洗工藝過程中；處理室保持在大約是第一介電層112的沉積壓力和沉積溫度的壓力和襯底溫度下。
如圖2B所示，可以是碳化硅材料的低k值蝕刻終止層114接著被沉積到第一介電層上，沉積厚度約為200-1000。低k值蝕刻終止層114可以由與碳化硅阻擋層110相同的前驅(qū)體和相同的工藝來(lái)沉積。如這里對(duì)碳化硅阻擋層110所述的，可以對(duì)低k值蝕刻終止層114進(jìn)行等離子處理。接著，低k值蝕刻終止層114被圖案化蝕刻，以定義出接頭/通孔116，并在要形成接頭/通孔的區(qū)域中暴露第一介電層112，如圖2C所示。優(yōu)選地，利用常規(guī)光刻法和使用氟離子、碳離子和氧離子的蝕刻工藝，圖案化蝕刻低k值蝕刻終止層114。在沉積其他材料之前，可以在蝕刻終止層114上沉積厚度約在100-500之間的無(wú)氮碳化硅或氧化硅帽層115，例如厚約30-100。通過由這里所述的由包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物的氣體混合物沉積帽層的工藝，可以沉積無(wú)氮碳化硅帽層115。
在低k值蝕刻終止層114和帽層115(如果存在)已經(jīng)被蝕刻以圖案化接頭/通孔，并且光刻膠已經(jīng)被去除之后，沉積厚約為5,000-15,000的碳氧化硅第二介電層118，如圖2D所示。在對(duì)200mm襯底施加約15秒-約60秒的約600W-約800W之間的功率水平下，用氦氣或例如氫氣的還原氣等離子處理第二介電層118。在反應(yīng)清洗工藝過程中，處理室保持在約20Torr或更低的壓力和約450℃或更低的襯底溫度下。該等離子處理被認(rèn)為降低了層118的表面與隨后沉積材料之間的反應(yīng)性。
在另一實(shí)施例中，在沉積其他材料之前，例如光刻膠材料，可以在第二介電層118上沉積厚在約100-500之間的無(wú)氮碳化硅或氧化硅帽層(未示出)。在又一可替換的實(shí)施例中，在沉積其他材料之前，例如光刻膠材料，可以由與沉積碳化硅阻擋層110相同的前驅(qū)體和相同的工藝在第二介電層118上沉積無(wú)氮碳化硅或氧化硅帽層。
接著，在第二介電層118(或帽層)上沉積光刻膠材料122，并優(yōu)選利用常規(guī)光刻工藝將其圖案化以定義互連線120，如圖2E所示。光刻膠材料122包括本領(lǐng)域常規(guī)已知的材料，優(yōu)選是高活化能的光刻膠，例如來(lái)自Shipley Company Inc.of Marlborough，Massachusetts的商用UV-5。接著，利用反應(yīng)性離子蝕刻或其他各向異性蝕刻技術(shù)來(lái)蝕刻互連和接頭/通孔，以定義金屬化結(jié)構(gòu)(即，互連和接頭/通孔)，如圖2F所示。利用氧氣抽提或其他合適工藝，去除用于圖案化蝕刻終止層114、帽層115或第二介電層118的任意光刻膠或其他材料。
接著，用例如鋁、銅、鎢或其組合的導(dǎo)電材料形成金屬化結(jié)構(gòu)。目前，由于銅的電阻率較低(銅為1.7μΩ-cm，鋁為3.1μΩ-cm)，往往趨向于使用銅形成更小的特征結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，如圖2G所示的，例如氮化鉭的合適阻擋層124首先被共形地沉積在金屬化圖案中，以防止銅向周圍的硅和/或介電材料內(nèi)遷移。隨后，利用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍或其組合沉積銅126，以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。一旦該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被填充了銅或其他金屬，即利用化學(xué)機(jī)械拋光將表面平坦化，如圖2H所示。
實(shí)例這里所述的有機(jī)硅化合物被作為阻擋層沉積在襯底表面上，并被分析。在一個(gè)實(shí)例中，由二苯基硅烷化合物沉積碳化硅阻擋膜，并將其與由常規(guī)碳化硅前驅(qū)體三甲基硅烷沉積的碳化硅阻擋膜進(jìn)行比較。
二苯基硅烷和三甲基硅烷前驅(qū)體都是這樣被沉積的通過以約500mg/min的流速將二苯基硅烷或三甲基硅烷引入處理室中，以約500sccm的流速將氦氣引入處理室中，通過施加100W的RF能量而在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度在約290℃，保持室壓力在約3Torr，從而沉積出碳化硅阻擋層。加熱器與襯底表面的間距約為450mil。
所沉積的膜被檢查并分析其介電常數(shù)和阻擋層擴(kuò)散。所測(cè)得的二苯基硅烷碳化硅膜的介電常數(shù)約為3.4，三甲基硅烷碳化硅膜的介電常數(shù)約為4.3。
通過偏壓溫度測(cè)試法來(lái)測(cè)試阻擋層的性能，這種測(cè)試法是這樣進(jìn)行的利用上述碳化硅膜形成鑲嵌器件，并在使所沉積的膜經(jīng)歷約275℃的襯底溫度的同時(shí)，測(cè)量器件漏電流。漏電流隨阻擋層性能的降低而增加。當(dāng)漏電流達(dá)到約10-3A/cm2時(shí)，阻擋層被認(rèn)為已經(jīng)失效。當(dāng)在這些處理?xiàng)l件下，50％器件出現(xiàn)故障時(shí)，測(cè)量該時(shí)間來(lái)表示所沉積膜的阻擋效率。對(duì)膜的比較表明二苯基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為1e-09A/cm2，在2MV/cm下約為1e-8A/cm2，在約7.9h后達(dá)50％的故障率，而三甲基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為1e-09A/cm2，在2MV/cm下約為1e-6A/cm2，在約4.4h后達(dá)50％的故障率。
在另一實(shí)施例中，二苯基甲基硅烷被用來(lái)沉積碳化硅阻擋層通過以約500mg/min的流速將二苯基甲基硅烷引入處理室中，以約500sccm的流速將氦氣引入處理室中，通過施加100W的RF能量而在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度在約290℃(對(duì)二苯基硅烷沉積膜的)，保持室壓力在約3Torr，從而沉積出碳化硅層。加熱器與襯底表面的間距約為450mil。
所沉積的膜被檢查并分析其介電常數(shù)和阻擋層擴(kuò)散。相比較三甲基硅烷所沉積的碳化硅膜約為4.3的介電常數(shù)，所測(cè)得的二苯基甲基硅烷碳化硅膜的介電常數(shù)約為3.6。對(duì)膜的比較表明二苯基甲基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為3e-9A/cm2，在2MV/cm下約為4e-8A/cm2，在約10h后達(dá)50％的故障率，而三甲基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為1e-09A/cm2，在2MV/cm下約為1e-6A/cm2，在約4.4h后達(dá)50％的故障率。
在另一實(shí)施例中，二甲基苯基硅烷被用來(lái)沉積碳化硅阻擋層通過以約500mg/min的流速將二甲基苯基硅烷引入處理室中，以約1000sccm的流速將氦氣引入處理室中，通過施加200W的RF能量而在處理室中生成等離子體，保持襯底溫度在約350℃下(對(duì)二苯基硅烷沉積膜的)，保持室壓力在約6Torr，從而沉積出碳化硅層。加熱器與襯底表面的間距約為450mil。
所沉積的膜被檢查并分析其介電常數(shù)和阻擋層擴(kuò)散。相比較三甲基硅烷所沉積的碳化硅膜約為4.3的介電常數(shù)，所測(cè)得的二甲基苯基硅烷碳化硅膜的介電常數(shù)約為3.5。對(duì)膜的比較表明二甲基苯基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為1e-9A/cm2，在2MV/cm下約為2e-8A/cm2，在約11h后達(dá)50％的故障率，而三甲基硅烷碳化硅的漏電流在1MV/cm下約為1e-09A/cm2，在2MV/cm下約為1e-6A/cm2，在約4.4h后達(dá)50％的故障率。
這些數(shù)據(jù)表明了與現(xiàn)有的阻擋層工藝相比較，二苯基硅烷或烷基取代的二苯基硅烷化合物的阻擋層性能和介電常數(shù)都得到了顯著的且出人意料的改善。
數(shù)據(jù)還被采集來(lái)將這里所述阻擋層的性能與這里所述阻擋層和帽層結(jié)合的性能進(jìn)行比較。在Producer室中，利用等離子體，由在約100mg/min和約300mg/min之間的二甲基苯基硅烷流，在約500sccm到約2000sccm之間的氦氣流，在約350mil和約600mil之間的間距，以及在約200W和約500W之間的RF能量來(lái)沉積阻擋層。該阻擋層的介電常數(shù)k為3.4，在1MV/cm下漏電流為2e-9A/cm2。利用Producer室，利用等離子體，由約320sccm的三甲基硅烷流，800sccm的氦氣流，400mil的間距，12Torr的壓力以及400W的RF能量來(lái)沉積碳化硅帽層。該碳化硅帽層的介電常數(shù)k為4.2，在1MV/cm下漏電流為3.5e-9A/cm2。阻擋層和帽層的疊層組合的介電常數(shù)k為3.43，在1MV/cm下漏電流為2e-9A/cm2。這樣，阻擋層和帽層的疊層并不具有明顯高于單個(gè)阻擋層的k值。
用氧氣(O2)等離子體來(lái)處理這里所述的阻擋層、帽層以及阻擋層和帽層的組合疊層以測(cè)量這些層的氧化。結(jié)果在表1中示出了。
表1

由于采集了Producer室兩個(gè)處理區(qū)域的其中每個(gè)中所沉積層的數(shù)據(jù)，所以對(duì)于每種類型的沉積層都示出了兩組值。在氧氣等離子體處理之后，無(wú)帽層的阻擋層的氧化層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶帽層的阻擋層的氧化層厚度，如表1中所示的。這樣，我們相信這里所述的帽層減少了這里所述阻擋層的氧化量，即氧化深度。
雖然前面涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但在不偏離本發(fā)明的基本范圍以及由下面權(quán)利要求所確定范圍的情況下，可以設(shè)計(jì)本發(fā)明的其他實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種處理襯底的方法，包括通過將包括有機(jī)硅化合物的第一處理氣體混合物導(dǎo)入處理室中，并將所述第一處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)以沉積阻擋層，從而沉積出碳化硅阻擋層，其中所述有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c，其中a為0-3，b為0-3，c為1-4，所述阻擋層的介電常數(shù)小于4，并包含與硅原子連接的苯基基團(tuán)；以及在沉積所述阻擋層之前或之后，通過將包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物的第二處理氣體混合物導(dǎo)入所述處理室中，并將所述第二處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)以沉積碳化硅帽層，從而沉積出鄰近所述阻擋層的碳化硅帽層，其中所述碳化硅帽層基本沒有與硅原子連接的苯基基團(tuán)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的無(wú)氧有機(jī)硅化合物是三甲基硅烷，并且所述第二處理氣體混合物還包括氦氣。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述碳化硅帽層是在包括約0.02W/cm2-約5W/cm2的高頻射頻功率密度的等離子條件下被沉積的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的無(wú)氧有機(jī)硅化合物以在約50sccm與約800sccm之間的流速流進(jìn)所述室內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物還包括選自氬氣、氦氣、氮?dú)饣虬睔獾臒o(wú)氧氣體。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的無(wú)氧氣體以在約50sccm與約2000sccm之間的流速流進(jìn)所述室內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物的有機(jī)硅化合物包括二苯基甲基硅烷、二甲基苯基硅烷、二苯基硅烷或它們的組合。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物還包括選自含氧化合物、含氮化合物、含硼化合物、含磷化合物或它們的組合的摻雜劑組分。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含氧化合物選自氧氣、臭氧、硅氧烷或它們的組合。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含氮化合物選自氮?dú)?、氨氣、硅氮烷或它們的組合。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物還包括選自氬氣、氦氣、氖氣、氙氣、氪氣或它們的組合的惰性氣體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述阻擋層包括小于約15原子百分比的氧。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中a為1或2，b為1或2，并且c為1或2。
14.一種處理襯底的方法，包括通過將包括第一有機(jī)硅化合物的第一處理氣體混合物導(dǎo)入處理室中，并將所述處理氣體進(jìn)行反應(yīng)以沉積阻擋層，從而在襯底上沉積出碳化硅阻擋層，其中所述第一有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHa(CH3)b(C6H5)c，其中a為0-3，b為0-3，c為1-4，所述阻擋層的介電常數(shù)小于4；以及通過將包括第二有機(jī)硅化合物的第二處理氣體混合物導(dǎo)入所述處理室中，并將所述第二處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)以沉積碳化硅帽層，從而在所述阻擋層上沉積出碳化硅帽層，其中所述第二有機(jī)硅化合物具有結(jié)構(gòu)式SiHx(CH3)y(C6H5)z，其中x為1-3，y為0-3，z為0-3。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的第二有機(jī)硅化合物是三甲基硅烷，并且所述第二處理氣體混合物還包括氦氣。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述碳化硅帽層是在包括約0.02W/cm2-約5W/cm2的高頻射頻功率密度的等離子條件下被沉積的。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的第二有機(jī)硅化合物以在約50sccm與約800sccm之間的流速流進(jìn)所述室內(nèi)。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物還包括選自氬氣、氦氣、氮?dú)饣虬睔獾臒o(wú)氧氣體。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第二處理氣體混合物的無(wú)氧氣體以在約50sccm與約2000sccm之間的流速流進(jìn)所述室內(nèi)。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物的第一有機(jī)硅化合物包括二苯基甲基硅烷、二甲基苯基硅烷、二苯基硅烷或它們的組合。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其中將所述第一處理氣體混合物進(jìn)行反應(yīng)包括將所述第一處理氣體混合物的第一有機(jī)硅化合物與選自氧氣、臭氧、硅氧烷或它們的組合的含氧化合物進(jìn)行反應(yīng)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述含氧化合物選自氧氣、臭氧、硅氧烷或它們的組合。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物還包括選自含氮化合物、含硼化合物、含磷化合物或它們的組合的摻雜劑組分。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含氮化合物選自氮?dú)?、氨氣、硅氮烷或它們的組合。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一處理氣體混合物還包括選自氬氣、氦氣、氖氣、氙氣、氪氣或它們的組合的惰性氣體。
26.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述阻擋層包括小于約15原子百分比的氧。
27.如權(quán)利要求14所述的方法，其中a為1或2，b為1或2，并且c為1或2。
28.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述帽層上沉積介電層，其中所述介電層的介電常數(shù)小于約4。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述介電層的碳含量在約5和約30原子百分比之間，該原子百分比的計(jì)算不包括氫原子。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述介電層是通過在等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)中氧化有機(jī)硅烷或有機(jī)硅氧烷化合物而被沉積的。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述介電層是通過在等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)中將三甲基硅烷與氧氣進(jìn)行反應(yīng)而被沉積的。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述介電層是在包括約0.16W/cm2-約0.48W/cm2的高頻射頻功率密度的等離子條件下被沉積的。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于處理襯底的方法，包括向處理室提供包括含有苯基的有機(jī)硅化合物的處理氣，并使處理氣進(jìn)行反應(yīng)以沉積低k值碳化硅阻擋層，該阻擋層可用作具有低k值介電材料的鑲嵌或雙鑲嵌應(yīng)用中的阻擋層。本發(fā)明還提供了用于由包括無(wú)氧有機(jī)硅化合物的處理氣在低k值碳化硅阻擋層上沉積基本沒有與硅原子連接的苯基的碳化硅帽層的方法。
文檔編號(hào)C23C16/02GK1714168SQ200380100469
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月7日
發(fā)明者鄭毅, 斯里尼瓦斯·D·內(nèi)馬尼, 夏立群 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司