專利名稱：低k金屬前電介質半導體結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體工藝，尤其涉及形成毯覆式電介質層以填充器件單元之間間隙的工藝。
背景技術：
在半導體器件的制造中，由于尺度減小，提供一種用于在互連裝置和器件部件之間提供足夠電絕緣以最小化RC延遲和串擾的電介質膜層成為挑戰(zhàn)。這么做的一種方法是使用具有比常規(guī)電介質材料例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅低的介電常數(shù)(低k電介質)材料來制備電介質層。低k電介質一般具有大約低于4的介電常數(shù)，而空氣的介電常數(shù)為1。
特別是，在制造包含互連金屬級的流線后端(back end of line，BEOL)模式的開始處，通常在襯底上的器件或裝置例如柵導體疊層或流線前端(front end of line，F(xiàn)EOL)與互連級或BEOL中的第一金屬層之間提供電介質層。公知在器件級和互連級之間的該電介質層為金屬前電介質(pre-metaldielectric，PMD)。與用于形成隔離金屬層的金屬間電介質(intermetaldielectric，IMD)的BEOL工藝相對，形成該PMD的工藝在下文稱之為流線工藝的中間過程，或MOL(middle of line)工藝。
淀積低k介電覆蓋層的方法包括旋涂、化學氣相淀積(chemical vapordeposition，CVD)和等離子體增強化學氣相淀積(plasma-enhanced chemicalvapor deposition，PECVD)，最近優(yōu)選PECVD。PECVD工藝包括使用有機硅化合物前體，例如甲基硅烷(1MS)、三甲基硅烷(3MS)和四甲基硅烷(4MS)和各種氧化劑。但是，CVD工藝尤其是PECVD可能沒有充分填充現(xiàn)有金屬裝置之間的空間或間隙，并可能在電介質覆蓋層中留有空洞，這可能引起例如微裂紋、缺少結構支撐、俘獲氣體或濕氣的問題，或使得隨后金屬填充工藝連接鄰近空洞，其可能導致短路器件單元。盡管由旋涂淀積制備的膜可以充分地填充空間或間隙，但這些膜通常是多孔的，并由于易受例如上述那些問題的影響而不與其它MOL工藝步驟相配。如果高寬比(aspect ratio，AR)(間隙的高對寬的比率)大約為大于1.0，充分間隙填充的問題可能尤其困難。例如，參照圖1，在襯底110的摻雜區(qū)120上形成器件結構130。器件結構130例如柵導體疊層分隔開W寬度，每個具有H高度。因此分離器件結構130的間隙160具有H/W的高寬比(AR)。如果H大于W，那么AR大于1，由常規(guī)PECVD工藝形成的覆蓋電介質層140將不能完全填充間隙160，留有空洞150，這可能引起例如上述的結構和電缺陷的問題。
已經提出了淀積用于BEOL級的低k電介質層的PECVD方法，其使用含碳前體，例如，諸如四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)的環(huán)硅氧烷或甲基硅烷和氧。在MOL級也需要低k電介質。PECVD可以提供對BEOL應用是足夠快的淀積速率(從100′s到1000′s/分鐘的范圍)，由于金屬裝置的存在，其必須在大約低于400℃的溫度下工作，且低至300℃。但是，因為PECVD工藝在高高寬比間隙(其間隙AR大約超過1.0)中可能留有空洞，在MOL級的PECVD方案不易于應用。此外，等離子體處理不是用于MOL的優(yōu)選填充方法，因為它可能對柵氧化物造成電荷損傷。
熱CVD工藝不需要使用等離子體來淀積電介質層。準常壓加熱CVD(sub-atomospheric thermal CVD，SACVD)和低壓加熱CVD已被用于提供電介質的保形淀積，其中O3和O2分別用作氧化劑。SACVD中的壓力范圍大約從50到800托，通常在大約200到760托之間。低壓CVD一般涉及大約10托之下的壓力。對于化學反應例如氧加上有機金屬或者例如TMCTS之類的有機硅化合物前體，低壓CVD不能提供良好的間隙填充效果。在大約大于200托的壓力下，尤為可能地是在大約大于600托的壓力下，使用SACVD通常產生良好的間隙填充。但是，對于將低k材料用于AR大于1的情況，根據(jù)將被填充的間隙的形狀，SACVD還可能留有空洞。
理想地，在低回流溫度下使用淀積后玻璃回流(post-deposition glassreflow)步驟，以填充淀積低k膜后留下的空洞，用最少程度的熱處理來避免熱損傷。例如，在控制介電常數(shù)不是設計要求的常規(guī)(高k)電介質膜的情況，公知添加摻雜劑可以降低回流膜所需的溫度。但是，因為用于淀積也需要提供良好間隙填充效果的低k膜的工藝條件對于反應氣體的組分和待填充間隙的結構非常敏感，所以添加用于降低回流溫度的摻雜劑將不一定保持膜的所需低k和間隙填充性質，并可能需要大量的實驗來獲得所需的結果。
由此需要一種非等離子體低k氧化CVD工藝，對于AR大于1的情況，它能夠提供良好的間隙填充效果，避免電荷損傷，能夠吸附堿性元素，用最小限度的熱處理來回流以避免對下面的器件單元造成熱損傷，并提供了具有所需低k性質的膜。
Sukharev(美國專利5710079，以下稱之為Sukharev專利)公開了一種通過CVD淀積二氧化硅膜的方法，以防止在間隙中形成空洞，采用了有機金屬化合物例如原硅酸四乙酯(TEOS)、BPTEOS、TEB、TMOP、OMCTS、HMDS、TMCTS或TRIES，引入臭氧并使用紫外線輻射(UV)，以通過增加羥基原子團的濃度來增加淀積速率，以防止空洞的形成和改善間隙填充。但是，增加羥基原子團的濃度將產生與MOL工藝不相配的多孔膜，而且增加羥基原子團的濃度將導致膜內碳含量的降低。因為需要一定碳含量以獲得低k氧化物，所以Sukarev專利沒有提供一種用于淀積提供良好間隙填充效果的低k電介質膜的解決方案。而且，使用UV輻射來增加淀積速率可能需要改造標準反應室，可能增加工藝的成本。
Yuan(美國專利5855957，以下稱之為Yuan專利)公開了一種使用包括臭氧(O3)的常壓加熱CVD(atomospheric pressure thermal CVD，APCVD)工藝淀積氧化物薄膜的方法，其提供了均勻的臺階覆蓋。Yuan專利公開了使用例如原硅酸四乙酯(TEOS)、六甲基二硅氮烷(HMDSO)、八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、2，4，6，8-四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)的前體，通式為SiHx(OR)4-x的物質(其中“R”是烷基族或它的低聚物，且x＝0、1、2、或3)，和例如含硼、磷、氟的源及其組合的其它化學物質。Yuan專利的方法公開了對于AR高達大約3的情況可提供均勻臺階覆蓋或間隙填充。此外，Yuan專利的優(yōu)選實施例需要通過反應室移動晶片，這增加了反應室設計的復雜性。晶片的移動還引起元件成分隨著穿過襯底的深度而變化，因此蝕刻速率將隨著深度而變化，這與MOL工藝步驟例如濕HF蝕刻不相匹配。此外，Yuan專利沒有直接涉及低k電介質膜的淀積，其需要嚴格的成分和濃度控制，超出了Yuan專利的能力范圍。
Saito(美國專利5545436，以下稱之為Saito專利)公開了使用例如TEOS、OMCTS、四丙氧基硅烷(TPOS)或TMCTS的前體淀積非摻雜氧化硅膜的、包括O3的常壓CVD方法。Saito專利還要求相對于氣體注入器移動晶片，增加了反應室設計的復雜性，存在與Yuan專利相似的構成缺陷。因此，Saito專利不適合淀積對于AR大約大于3的情況提供良好間隙填充的低k電介質。
Rose等(美國專利6068884，以下稱之為Rose專利)公開了一種使用PECVD工藝淀積低k電介質膜的方法。Rose專利公開了使用有機硅化合物例如硅氧烷的前體來形成具有低k(小于4.0，優(yōu)選在3.0到1.5的范圍)和在425-450℃溫度范圍具有良好熱穩(wěn)定性的無機/有機混合電介質材料。在Rose專利中公開的前體包括有機硅氧烷、氟硅氧烷、環(huán)硅氧烷、含氟環(huán)硅氧烷、有機硅氮烷、氟硅氮烷、環(huán)硅氮烷、硅酸鹽、TEOS和TMS及其混合物。雖然Rose專利提出了可以使用常壓、準常壓或低壓加熱CVD工藝，但Rose專利的優(yōu)選實施例需要使用等離子體CVD工藝和有機硅化合物前體例如六甲基二硅氧烷(HMDSO)、1，1，3，3-四甲基二硅氧烷(TMDSO)、TEOS和OMCTS。由此，Rose專利的方法沒有認識到由于使用等離子體CVD工藝引起的潛在電荷損傷的缺陷。Rose專利也沒有解決AR大于1時的間隙填充問題。
Ravi等(美國專利5976993，以下稱之為Ravi專利)公開了一種使用高密度等離子體化學氣相淀積(high density plasma chemical Vapor deposition，HDP-CVD)工藝來淀積具有減小內應力的氧化硅膜的方法，其也可以提供良好的間隙填充效果。由于Ravi專利教導了使用PECVD工藝但沒有建議使用含碳環(huán)硅氧烷前體例如TMCTS或OMCTS，因此Ravi專利不適合淀積對于AR大約大于1時具有良好間隙填充特性的低k電介質膜。而且，由于等離子體處理，Ravi專利方法存在潛在的電荷損傷。
Laboda等(EP0960958A2，以下稱之為Laboda文獻)公開了一種使用等離子體增強CVD(PECVD)或臭氧增強CVD工藝淀積低k電介質膜的方法，采用了含甲基硅烷(例如甲基硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷和四甲基硅烷)和提供氧氣的氣體。Laboda文獻還提出可以使用例如磷化氫或乙硼烷、例如氟的鹵素的摻雜劑，但沒有提出這些摻雜劑可以提供的優(yōu)點。Laboda文獻還沒有認識到因等離子體工藝引起的潛在電荷損傷問題。此外，Laboda文獻的方法沒有提供對于AR大約大于1的良好間隙填充特性。
基于上述討論，需要提供一種淀積低k電介質PMD層的方法，其可以填充高的高寬比(AR大約大于3)間隙，而不會出現(xiàn)空洞，不會對半導體器件造成電荷或熱損傷，并且提供堿性元素的吸附。
發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述需要提供了一種淀積金屬前低k電介質的方法，其提供了良好的間隙填充，最小化空洞的形成，并吸附了例如鈉和鉀的堿性元素。
本發(fā)明的另一目的是提供一種形成金屬前低k電介質的方法，采用了通過把處理溫度維持在器件熱預算的范圍內而不會對半導體器件造成熱損傷的工藝。
本發(fā)明的另一目的是通過不會對半導體器件造成電荷損傷的工藝來形成金屬前低k電介質。
按照本發(fā)明的一個方案，提供了一種通過包括含碳前體、臭氧和摻雜劑源的加熱準常壓化學氣相淀積工藝來形成金屬前低k電介質層(PMD)的方法。
被認為是本發(fā)明特性的新穎特征闡述在所附權利要求中。但是參照下面結合附圖示例說明的優(yōu)選實施例的詳細介紹，將會更好地理解發(fā)明自身和其它目的和優(yōu)點。
圖1說明現(xiàn)有技術具有空洞的覆蓋電介質層；圖2說明按照本發(fā)明可用于執(zhí)行金屬前電介質層的淀積工藝的單晶片CVD反應室；圖3是示出按照本發(fā)明用于淀積金屬前電介質層的優(yōu)選實施例的步驟的流程圖；圖4說明按照本發(fā)明形成的、具有良好間隙填充特性的金屬前電介質層。
具體實施例方式
在以下本發(fā)明優(yōu)選實施例的介紹中，將詳述在流線中間(middle of line)淀積金屬前電介質層(pre-metal dielectric layer)的方法。將認識到這僅是作為例子，在各種條件下和使用各種前體的情況下可以實現(xiàn)本發(fā)明。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，形成金屬前低k電介質層(PMD)的方法使用了包括含碳有機金屬或有機硅化合物前體、臭氧和摻雜劑源的加熱準常壓化學氣相淀積工藝。含碳的有機金屬或有機硅化合物前體可以包括環(huán)硅氧烷例如四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)或八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)或其它環(huán)狀硅氧烷。由于由前體提供的碳含量和由此提供的膜的微觀結構，期望介電常數(shù)大約小于3.0。添加磷摻雜劑以吸附例如鈉和鉀的堿金屬。除了磷之外，添加使膜在不會引起熱損傷的溫度和處理時間下相對容易回流的摻雜劑。隨著AR的增加，更容易形成空洞，一定程度的回流就成為必要。對于0.1μ代器件，優(yōu)選地在大約小于725℃的溫度范圍熱回流循環(huán)大約20分鐘，將不會引起PMD級的熱損傷。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，添加了例如磷和硼的摻雜劑，其將降低填充給定AR間隙所需的回流溫度而不會造成熱損傷。為了吸附堿性元素需要磷，磷還用于一定程度上降低回流溫度，但一般不能充分避免熱損傷。用于進一步降低回流溫度的其它摻雜劑包括但不限于硼、鍺、砷、氟或其組合。
參照圖2和3，在圖2所示的常規(guī)單晶片CVD反應室200中，可以執(zhí)行按照本發(fā)明的方法，如在圖3的工藝步驟320中提供的。在工藝步驟330中，提供晶片210，在它的上面可以具有半導體器件裝置，并把晶片放置在反應室200內部的、其中包括有加熱元件(未示出)的平臺220上，由用于控制反應室200內溫度的熱感受器230來控制平臺220。如圖3的工藝步驟340所示，所有反應室部件都維持在預定溫度。按照本發(fā)明，在工藝步驟350中提供反應氣體流，至少包括含碳有機金屬前體260(工藝步驟352)、氧氣和臭氧的混合物270(工藝步驟356)、和摻雜源280(工藝步驟354)，將反應氣體引入到預混合室250，且將氣體混合物施加到晶片210上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過在用作開始反應并獲得所需膜性質的預混合室250內預混合氣體，獲得了改善的間隙填充效果。作為替換，可以將氣體單獨地釋放到反應室容積內而不預混合，但是要距離晶片表面預定距離，例如大約50-500mil(大約0.05-0.5英寸)。但是，這種后混合選擇方式將導致膜的性質次于最佳性質。泵240用于控制并維持反應室200內的壓力到預定壓力(工藝步驟360)。氣體混合物施加到晶片上持續(xù)預定時間(工藝步驟370)，以形成如圖4所示的具有良好間隙填充特性的覆蓋低k電介質層170。最后，在工藝步驟380中，從室中除去任何多余氣體。
含碳前體優(yōu)選是TMCTS，但可以是任何含碳的前體例如OMCTS等。摻雜劑源可以包括作為磷源的磷酸三乙酯(TEPO)和作為硼源的硼酸三乙酯(TEB)。摻雜劑磷的存在具有吸附例如鈉的堿性元素的優(yōu)點。磷摻雜劑還趨于降低回流溫度，但一般其自身不能充分降低回流溫度以避免熱損傷。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，為了避免熱損傷，添加了其它摻雜劑硼，以降低可能產生回流時的溫度。按照本發(fā)明，為了降低回流溫度而添加的摻雜劑包括但不限于硼、鍺、砷、氟或其組合?？捎衫缢募谆N烷等的前體提供鍺?？捎衫缢募谆橥榈鹊那绑w提供砷?？捎蒚MCTS等的氟化類物質提供氟。
本實施例的工藝條件包括大約100-700℃范圍的溫度，優(yōu)選為大約500-600℃。按照本發(fā)明的壓力在50-800托的范圍內，優(yōu)選為大約200-700托。使用大約600-700托的壓力預期獲得最好的效果。但是，可以使用低至200托的壓力。工藝包括在1000-10000sccm范圍內的、包括氧氣(O2)和臭氧(O3)的混合物的氣體流，優(yōu)選為大約5000sccm，且其中在O2氣流中的臭氧(O3)濃度在大約5-20wt％之間，優(yōu)選為大約15wt％。TMCTS流速在大約100-10000mgm的范圍內，優(yōu)選為大約100-500mgm。硼酸三乙酯(TEB)流速在大約100-500sccm的范圍內，且磷酸三乙酯(TEPO)流速在大約10-100sccm的范圍內。優(yōu)選產生的PMD低k電介質層應具有大約0-6％的硼濃度，優(yōu)選為大約4％，并具有大約2-5％的磷濃度，優(yōu)選為大約4％。
參照特定實施例介紹了發(fā)明，本領域普通技術人員能夠理解，基于上述介紹的各種替換、改進和變型是明顯的。因此，本發(fā)明包括落入本發(fā)明和所附權利要求的范圍和精神內的所有這些替換、改進和變型。
工業(yè)應用本發(fā)明的金屬前電介質半導體結構用在半導體組件中，尤其用于在器件級和互連級之間形成的電介質層，特別是器件間的間隙具有高的高寬比的情況和需要低k介電常數(shù)的情況。
權利要求
1.一種金屬前電介質(PMD)半導體結構，包括半導體晶片(210)，具有在所述晶片的表面上的裝置，其中所述裝置(130)被間隔開以在所述裝置之間形成至少一個間隙(160)，其中所述至少一個間隙具有大約大于3的高寬比；和覆蓋所述表面的低k膜(170)，其中所述低k膜無空洞地填充所述至少一個間隙，且所述低k膜包括摻雜劑。
2.如權利要求1的PMD結構，其中所述低k膜(170)具有大約小于3的介電常數(shù)。
3.如權利要求1的PMD結構，其中所述摻雜劑包括磷。
4.如權利要求3的PMD結構，其中所述摻雜劑還包括選自由硼、鍺、砷、氟及其組合構成的組中的第二摻雜劑。
5.如權利要求1的PMD結構，其中所述裝置(130)包括柵導體疊層。
6.如權利要求1的PMD結構，其中所述低k膜(170)具有大約小于725℃的回流溫度。
7.一種形成權利要求1的PMD結構的方法，該方法包括步驟提供(320)化學氣相淀積(CVD)反應室(200)；將半導體晶片(210)設置(330)在所述反應室內，所述晶片具有在所述晶片的表面上的裝置(170)，其中所述裝置被間隔開以在所述裝置之間形成至少一個間隙(160)；提供(352)含碳的有機金屬前體(260)；提供(356)含臭氧氣體(270)；提供(354)含摻雜劑氣體(280)；和使所述前體、所述含臭氧氣體和所述含摻雜劑氣體反應(370)，以在所述表面上淀積所述低k膜(170)，使得所述低k膜(170)基本上填充所述至少一個間隙(160)。
8.如權利要求7的方法，其中所述低k膜(170)具有大約小于3的介電常數(shù)。
9.如權利要求7的方法，其中所述CVD反應室(200)是單晶片反應器。
10.如權利要求7的方法，還包括在所述反應步驟(370)之前預混合所述含碳有機金屬前體(260)、所述含臭氧氣體(270)和所述含摻雜劑氣體(280)的步驟(350)。
11.如權利要求7的方法，其中所述反應步驟(370)包括加熱準常壓化學氣相淀積。
12.如權利要求7的方法，還包括回流所述低k膜(170)的步驟。
13.如權利要求12的方法，其中所述回流步驟在大約小于725℃的溫度下執(zhí)行大約20分鐘。
14.如權利要求7的方法，其中所述含碳前體(260)選自由TMCTS和OMCTS構成的組。
15.如權利要求7的方法，其中所述提供含摻雜劑氣體(280)的步驟(354)包括TEB氣流和TEPO氣流。
16.如權利要求7的方法，其中所述含摻雜劑氣體(280)包括選自由磷、硼、鍺、砷、氟及其組合構成的組中的摻雜劑。
17.如權利要求7的方法，其中所述含摻雜劑氣體(280)包括磷，且還包括選自由硼、鍺、砷、氟及其組合構成的組中的第二摻雜劑。
18.如權利要求7的方法，還包括在所述設置晶片(210)的步驟之后預加熱所述反應室(200)到預定溫度的步驟(340)。
19.如權利要求18的方法，其中所述預定溫度在大約100-700℃之間。
20.如權利要求7的方法，其中使所述前體反應的所述步驟(370)還包括達到(360)并維持(370)預定壓力。
21.如權利要求20的方法，其中所述預定壓力在大約50到大約800托之間。
全文摘要
介紹了在半導體晶片上的低k金屬前電介質(PMD)結構和該PMD結構的制造方法。該PMD結構包括低k電介質膜(170)，其具有良好間隙填充特性，尤其是當形成在裝置(130)例如柵疊層之間的間隙(160)具有大于大約3的高寬比時。形成PMD結構的方法使用加熱準常壓CVD工藝，其包括含碳有機金屬前體(260)例如TMCTS或OMCTS、含臭氧的氣體(270)和摻雜劑源(280)，以吸附堿性元素并降低電介質的回流溫度，同時獲得電介質膜(170)所需的低k和間隙填充性質。磷是用于吸附堿性元素例如鈉的優(yōu)選摻雜劑。用于降低回流溫度的附加摻雜劑包括但不限于硼、鍺、砷、氟或其組合。
文檔編號H01L21/316GK1541403SQ02815665
公開日2004年10月27日 申請日期2002年8月8日 優(yōu)先權日2001年8月10日
發(fā)明者理查德·A·康蒂, 丹尼爾·埃德爾斯坦, 吉爾·Y·李, 埃德爾斯坦, Y 李, 理查德 A 康蒂 申請人:國際商業(yè)機器公司, 因菲尼奧恩技術股份公司