專利名稱：等離子體處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法。具體來說，本發(fā)明涉及氟碳化合物(CFx) 形成工藝，所述氟碳化合物形成工藝用于提高Ci^x層與其他金屬或絕緣層的的粘合性并同時(shí)保持氟碳(CFx)層的介電常數(shù)是低值。
背景技術(shù)：
近年來，多層布線結(jié)構(gòu)已被用于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體裝置的高速運(yùn)行和小型化。但是，由于全體布線電阻的增大和布線層的寄生電容的增大，這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了連線延遲問題。使用低電阻布線材料(例如，銅(Cu))作為互連主體會(huì)減少布線電阻。另一方面， 低介電常數(shù)或低k材料可以用于減小寄生電容。具體地，加氟碳(氟碳化合物CFx)可以用作絕緣層，以減小寄生電容，然后提高半導(dǎo)體裝置的運(yùn)行速度。通常的等離子體反應(yīng)工藝用于形成具有低介電常數(shù)的氟碳(CFx)層。使用微波等離子體處理裝置來執(zhí)行等離子體反應(yīng)工藝，在所述微波等離子體處理裝置中通過使用來自外部微波源的微波來激發(fā)等離子氣體(例如，氬氣(Ar)或氪氣(Kr))以產(chǎn)生等離子體。當(dāng)將CF系處理氣體(例如，C5F8或C6F6氣體)引入維持在至少約50mTorr的壓力下的等離子體區(qū)域中時(shí)，使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)方法來進(jìn)行沉積過程。這提供了相對(duì)于蝕刻速度的更高的膜形成速度，以用于形成氟碳(CFx)層。但是，在上述形成條件(僅使用一個(gè)能量源(例如，微波等離子體)作為等離子體激發(fā)源)下所形成的氟碳(CFx)層會(huì)產(chǎn)生對(duì)于CFx層的絕緣特性和解吸氣體特性的不利結(jié)果。結(jié)果，在沉積時(shí)，Ch層與氣體層(例如，金屬或絕緣層)的表面的粘合性會(huì)變差。鑒于上述問題，提出了本發(fā)明。本發(fā)明提供了用于形成氟碳(CFx)層的工藝，所述氟碳層具有優(yōu)良的絕緣特性和解吸氣體特性、并同時(shí)保持介電常數(shù)為低值。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于形成氟碳(CFx)絕緣層的方法。該方法包括如下步驟在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的壓力下，施加微波功率和RF偏壓。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于形成氟碳(CFx)絕緣層的方法。該方法包括如下步驟在壓力下施加微波功率和RF偏壓，在所述壓力下、在沒有施加所述RF偏壓的情況下所述氟碳層并不沉積，其中，所述壓力不小于20mTorr。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了用于制造具有氟碳層的半導(dǎo)體裝置的方法，所述氟碳層作為絕緣層。該方法包括如下步驟使用等離子體反應(yīng)處理在襯底上形成氟碳層。 當(dāng)在從20mTorr到60mTorr的壓力下施加微波功率和RF偏壓時(shí)，執(zhí)行所述形成步驟。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了用于使用等離子體反應(yīng)處理來形成氟碳層的方法。該方法包括如下步驟施加微波功率和RF偏壓；并且除了等離子激發(fā)氣體和CF系處理氣體之外，還將氧氣(0)引入處理室中。


圖1示意性示出了在等離子體反應(yīng)處理中沉積率作為壓力的函數(shù)的示例。圖2示意性示出了氟碳(CFx)層的介電常數(shù)曲線作為壓力的函數(shù)。圖3示出了絕緣層形成裝置的實(shí)施例的示意圖。圖4示出了目標(biāo)結(jié)構(gòu)、和實(shí)驗(yàn)試樣與其應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的俯視圖。圖5示出了用于測(cè)量CFx4試樣的厚度和折射率的等高線圖。圖6示出了用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)試樣表面形貌的CFx實(shí)驗(yàn)試樣的截面視圖。圖7示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的泄漏電流作為施加電池的函數(shù)。圖8示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的TDS強(qiáng)度。圖9示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的TDS強(qiáng)度。圖10示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的泄漏電流作為RF偏壓的函數(shù)。圖11示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的泄漏電流作為氟碳層厚度的函數(shù)。圖12示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的相對(duì)介電常數(shù)作為壓力的函數(shù)。圖13示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的平均相對(duì)介電常數(shù)作為壓力的函數(shù)。圖14示出了替換實(shí)施例的等高線圖。圖15示出了各種實(shí)驗(yàn)試樣的相對(duì)介電常數(shù)作為折射率的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式將在下文中參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例。下面的描述并非表示限制本發(fā)明的范圍、可應(yīng)用性或構(gòu)造。相反，下面對(duì)優(yōu)選示例性實(shí)施例的描述將向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例的描述。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由權(quán)利要求書所闡明的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以以不同的形式來實(shí)施本發(fā)明。本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及新的氟碳化合物(CFx)形成工藝，所述氟碳化合物形成工藝用于提高CFx層與其他金屬或絕緣層的的粘合性并同時(shí)保持CFx層的介電常數(shù)是低值。本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于形成氟碳(CFx)絕緣層的方法，所述氟碳絕緣層具有增強(qiáng)的絕緣特性和解吸氣體特性以提高Ci^x層的粘合性、同時(shí)保持介電常數(shù)為低值(k 小于約2. 3)。通過預(yù)定處理?xiàng)l件來實(shí)現(xiàn)上述方法，在所述預(yù)定處理?xiàng)l件下，在使用微波等離子體功率而沒有應(yīng)用RF偏壓的情況下，氟碳(CFx)層并不會(huì)沉積。以此方式，氟碳沉積處理的形成速度增大，同時(shí)氟碳沉積處理的蝕刻速度減小。通過選擇預(yù)定處理?xiàng)l件，可以使反應(yīng)副產(chǎn)物(通過微波等離子體功率所產(chǎn)生的通常的氟碳化合物(CFx))的組成比率最小化。此外，預(yù)定處理?xiàng)l件使得大部分微波等離子體能夠激發(fā)等離子氣體(例如，氬(Ar)氣)并且還能夠保持等離子體條件。另一方面，如果在幾百瓦特范圍內(nèi)施加RF偏壓，則氟碳(CFx)絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)不會(huì)不利地受到存在 RF偏壓的影響。
此外，當(dāng)施加高頻(RF)偏壓以用于形成氟碳(CFx)絕緣層時(shí)，碳與氟的組成比率 (C/F)為約0.9到1.0。這與通常的結(jié)果不同，在通常的結(jié)果中在沒有應(yīng)用高頻RF偏壓的情況下形成氟碳(CFx)層，在通常的結(jié)果中碳與氟的組成比率(C/F)為約1. 1到1. 2。在考慮氟碳(CFx)絕緣層與阻擋層的粘合性時(shí)，所述阻擋層主要由金屬元素(例如，鈦(Ti))組成，更有選的是使用本發(fā)明的氟碳(CFx)形成方法。首先參考圖1，示意性的示出了在等離子體反應(yīng)工藝中沉積率作為壓力的函數(shù)的示例。如圖1所示，對(duì)于兩種能量源1)等離子體激發(fā)源(例如，微波功率源)和2)高頻率(RF)功率源，沉積率表示為壓力的函數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)源(微波功率源) 用作唯一的能量源時(shí)，在等離子氣體的壓力保持在等于或高于約30mTorr時(shí)沉積發(fā)生。但是，如上所述，在上述條件下形成的氟碳(CFx)層對(duì)于CFx層的絕緣特性和解吸氣體特性沒有表現(xiàn)出有利結(jié)果，盡管具有低介電常數(shù)(k < 2. 3)。除了微波功率源之外，通過應(yīng)用高頻(RF)功率源，當(dāng)?shù)入x子氣體的壓力維持在從約20mTorr到60mTorr的壓力范圍時(shí)沉積可以發(fā)生。如圖1所示，上述壓力范圍大致分成兩個(gè)子范圍1)具有從20mTorr到30mToor的壓力的第一子范圍；和2)具有從30mTorr到 60mToor的壓力的第二子范圍。第一子范圍也稱作“蝕刻等離子體范圍”，所述第一子范圍是在不結(jié)合微波功率源來應(yīng)用高頻(RF)功率的情況下沉積不會(huì)發(fā)生的范圍。第二子范圍是在通過將微波功率源用作唯一的能量源而不應(yīng)用高頻(RF)功率的情況下沉積可以發(fā)生的范圍。但是，高頻(RF)功率的加入使得能夠形成具有優(yōu)良的絕緣特性和解吸氣體特性、 并同時(shí)保持介電常數(shù)為低值的氟碳(CFx)層。當(dāng)在蝕刻等離子范圍(20mTorr到30mTorr 的壓力)形成氟碳(CFx)層時(shí)也可以提供這些有利結(jié)果。當(dāng)在上述壓力范圍內(nèi)形成氟碳(CFx)層時(shí)，除了增加氟碳形成速度之外，氟碳 (CFx)蝕刻速度可以減小。因?yàn)榈入x子體反應(yīng)工藝中的形成速度和蝕刻速度與微波功率源直接相關(guān)，所以將微波功率源設(shè)置成產(chǎn)生2. 45GHz頻率下的、從約IkW到3. 5kff的微波功率。此外，如上所述，在上述壓力范圍內(nèi)形成的氟碳(CFx)層提供有利的絕緣特性和解吸氣體特性。為了實(shí)現(xiàn)這些有利結(jié)果，在約400kHz的頻率和從約20W到120W的RF功率下應(yīng)用RF功率源。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，氟碳(CFx)層的相對(duì)介電常數(shù)沒有不利地受到存在RF偏壓源的影響。但是，如下將描述的，當(dāng)壓力范圍限制在預(yù)定范圍時(shí)可以實(shí)現(xiàn)具有小于約2. 3 的相對(duì)介電常數(shù)的氟碳(CFx)層。然后參考圖2，示意性的示出了氟碳(CFx)層的介電常數(shù)曲線作為壓力的函數(shù)。當(dāng)?shù)入x子氣體的壓力維持在等于或低于eOmTorr時(shí)，通過在微波功率源之外再施加RF功率源，可以沉積根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氟碳(CFx)絕緣層。但是，如圖2所示，當(dāng)壓力變得太低時(shí)，Ch層的相對(duì)介電常數(shù)傾向于增大。這主要是由于當(dāng)?shù)入x子氣體的壓力和微波功率低時(shí)，處理氣體(例如，CF系氣體)的與產(chǎn)生的等離子體反應(yīng)的量相對(duì)增多。結(jié)果，當(dāng)?shù)入x子氣體的壓力變得太低時(shí)，氟碳(CFx)層的相對(duì)介電常數(shù)增大。為了避免根據(jù)本發(fā)明的方法形成的CFx絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)增大，優(yōu)選等離子氣體的壓力維持在預(yù)定范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，壓力的優(yōu)選范圍設(shè)置成在20mTorr到 BOmTorr內(nèi)，上述壓力范圍與用于獲得具有優(yōu)良的絕緣特性和解吸氣體特性的氟碳(CFx)層的壓力范圍相同。使用絕緣層形成裝置來形成根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的氟碳(CFx)絕緣層。圖3 示出了絕緣層形成裝置30的實(shí)施例的示意圖。如圖3所示，絕緣層形成裝置30包括處理容器50、徑向線縫隙天線62和安裝臺(tái)51。處理容器50的內(nèi)部劃分成處于徑向線縫隙天線62 —側(cè)的等離子體產(chǎn)生區(qū)域Rl 和處于安裝臺(tái)51—側(cè)的膜形成區(qū)域R2。外部微波源66將預(yù)定頻率(例如，2. 45GHz)的微波功率提供至徑向線縫隙天線62。來自微波源66的微波引起對(duì)等離子氣體(例如，氬(Ar) 氣)的激發(fā)，所述等離子氣體從氣體供應(yīng)口 70釋放進(jìn)入等離子體產(chǎn)生區(qū)域Rl。等離子氣體從等離子氣體供應(yīng)源71經(jīng)過氣體環(huán)路(gas ring) 72被供應(yīng)至氣體供應(yīng)口 70，然后等離子氣體被釋放進(jìn)入等離子體產(chǎn)生區(qū)域Rl中。絕緣層形成裝置30還包括處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80，處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80也稱作簇射板(shower plate) 80。圖3中還示出了處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80的俯視圖。處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80包括處理氣體供應(yīng)管81，所述處理氣體供應(yīng)管81設(shè)置在等離子體產(chǎn)生區(qū)域Rl和膜形成區(qū)域R2之間、作為與安裝臺(tái)51上所安裝的襯底W面對(duì)的柵極。處理氣體供應(yīng)管81 可以包括環(huán)形管81a和柵極管81b。環(huán)形管81a環(huán)狀地設(shè)置在處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80的外周
部分上。柵極管81b設(shè)置成使得在環(huán)形管81a的內(nèi)側(cè)、多個(gè)基體管(matrix pipes)彼此正 交。在處理氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)80的下表面?zhèn)?，在襯底W上方統(tǒng)一的形成多個(gè)處理氣體供應(yīng)口 83。處理氣體供應(yīng)源84通過氣體管85連接到處理氣體供應(yīng)管81。在本實(shí)施例中，處理氣體供應(yīng)源84將氬(Ar)氣和CF系處理氣體(例如，C5F8)的混合物作為稀氣體經(jīng)由氣體管85提供至處理氣體供應(yīng)管81。然后，稀氣體從分別的處理氣體供應(yīng)口 83向下排放到模型車區(qū)域R2。根據(jù)處理氣體供應(yīng)口 83在簇射板80上的位置，可以將氣體(例如，CF系氣體)的流率分成兩種流率1) “sh-c”流率和幻“sh-e”流率?！皊h-c”流率適用于位于簇射板80的中心的處理氣體供應(yīng)口 83。“sh-e”流率適用于位于簇射板80的邊沿部分的處理氣體供應(yīng)口 83。實(shí)驗(yàn)試樣為了評(píng)價(jià)氟碳(CFx)絕緣層的絕緣特性、粘合性以及可靠運(yùn)行，根據(jù)本發(fā)明的方法制造多個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣。然后，實(shí)驗(yàn)試樣將經(jīng)過不同的測(cè)試以用于評(píng)價(jià)上述特性。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣中，通過應(yīng)用高頻RF功率源和微波等離子體源來形成氟碳(CFx4)絕緣層。除非下文另有描述，否則下列設(shè)定條件用于形成下列氟碳層l)CFx4層；在2. 45GHz的頻率下、約 Ikff到3. 5kff的微波功率，在400kHz頻率下、約20W到約120W的高頻RF功率；2)CFx2層； 在2. 45GHz的頻率下、約1. 5kff的微波功率，沒有應(yīng)用任何高頻RF偏壓并且在小于30mTorr 的低壓下形成；和3) CFx層；在2. 45GHz的頻率下、約3kW的微波功率，沒有應(yīng)用任何高頻 RF偏壓并且在約50mTorr的壓力下形成。具有不同氟碳(CFx、CFx2和CFx4)絕緣層的所有實(shí)驗(yàn)試樣都是在約300°C到400°C的襯底溫度下形成的。在下文中，將詳細(xì)說明這些評(píng)價(jià)的結(jié)果。參考圖4，示出了目標(biāo)襯底，并且示出了用于執(zhí)行應(yīng)力測(cè)試、膠帶測(cè)試(tape test) 和鼓泡測(cè)試(blister test)的實(shí)驗(yàn)試樣的俯視圖。用于這些評(píng)價(jià)的結(jié)構(gòu)包括第一無定形碳層、氟碳(CFx4)層、第二無定形碳層和密封蓋層。第一無定形碳層形成于塊狀硅(Si)沉積上，而第二無定形碳層形成于氟碳(CFx4)層上。兩個(gè)無定形碳層都具有約IOnm的厚度， 并且都是在蝕刻等離子體范圍中形成的，其中，在所述蝕刻等離子體范圍中將來自外部RF 功率源53的高頻(RF)偏壓施加到襯底W上，所述襯底W安裝在絕緣層形成裝置30的安裝臺(tái)51上。RF偏壓具有400kHz的頻率和約120W的RF功率。在蝕刻等離子體范圍中，氟碳 (CFx4)層也在相同的形成條件下形成。因此，將與用于形成無定形碳層相同的RF偏壓源施加到襯底W。密封蓋層形成為與從CFx4層產(chǎn)生的解吸氣體反應(yīng)。然后，在約350°C的溫度下執(zhí)行預(yù)評(píng)估退火達(dá)M小時(shí)。在執(zhí)行預(yù)評(píng)估退火之后， 實(shí)驗(yàn)試樣分別經(jīng)過應(yīng)力測(cè)試、鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。在約400°C的溫度下進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試達(dá)2 小時(shí)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣在所有的沉積層、無定形碳層和CFx4層上經(jīng)過應(yīng)力測(cè)試。圖4中還示出了在將透明膠帶粘貼到實(shí)驗(yàn)試樣表面之后的實(shí)驗(yàn)試樣的俯視圖。與應(yīng)力測(cè)試類似，用所應(yīng)用的RF偏壓在蝕刻等離子體范圍中形成的所有層都經(jīng)過鼓泡測(cè)試和膠帶測(cè)試。這表示對(duì)于本試樣沒有觀察到層的鼓泡和剝離。在下文中，研究根據(jù)本發(fā)明的方法形成的氟碳(CFx4)的折射率和厚度。為此，制造多個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣，但是只選擇當(dāng)前最佳的CFx4層來用于這種評(píng)估。圖5示出了用于測(cè)量氟碳(CFx4)的折射率和厚度的當(dāng)前最佳實(shí)驗(yàn)試樣的等高線圖。對(duì)于實(shí)驗(yàn)試樣的厚度和折射率，表I總結(jié)了從等高線圖獲得的平均值、最小值、最大值和非均勻性值。表I :CFx4實(shí)驗(yàn)試樣的厚度和折射率
權(quán)利要求
1.一種用于使用等離子體反應(yīng)處理來形成氟碳層的方法，所述方法包括如下步驟 在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的壓力下，施加微波功率和RF偏壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述RF偏壓的功率不小于20W并且不大于120W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述微波功率不小于1.Okff并且不大于3. 5kW。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述微波的頻率是約2.45GHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述RF偏壓的頻率是約400kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氟碳層包括CFx4。
7.一種用于使用等離子體反應(yīng)處理來形成氟碳層的方法，所述方法包括如下步驟 在壓力下施加微波功率和RF偏壓，在所述壓力下、在沒有施加所述RF偏壓的情況下所述氟碳層并不沉積，其中，所述壓力不小于20mTorr。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述RF偏壓的功率不小于20W并且不大于120W。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述壓力不大于30mTorr。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述微波功率不小于1.Okff并且不大于3. 5kW。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述微波的頻率是約2.45GHz。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述RF偏壓的頻率是約400kHz。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述氟碳層包括CFx4。
14.一種用于制造具有氟碳層的半導(dǎo)體裝置的方法，所述氟碳層作為絕緣層，所述方法包括如下步驟使用等離子體反應(yīng)處理在襯底上形成所述氟碳層，其中，在所述形成步驟中，在從20mTorr到60mTorr的壓力下，施加微波功率和RF偏壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述RF偏壓的功率不小于20W并且不大于 120W。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述微波功率不小于LOkW并且不大于 3. 5kff,并且所述微波功率具有約2. 45GHz的頻率。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述RF偏壓的頻率是約400kHz。
18.一種用于使用等離子體反應(yīng)處理來形成氟碳層的方法，所述方法包括如下步驟 施加微波功率和RF偏壓；除了等離子激發(fā)氣體和CF系處理氣體之外，還將氧氣(0)引入處理室中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述RF偏壓的功率不小于20W并且不大于 120W。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的壓力下，施加所述微波功率和所述RF偏壓。
全文摘要
一種用于使用等離子體反應(yīng)處理來形成氟碳層的方法包括施加微波功率和RF偏壓的步驟。在從20mTorr到60mTorr的壓力下，施加微波功率和RF偏壓。
文檔編號(hào)G01L21/30GK102317752SQ201080008245
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者高羽博之 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社