專利名稱：低k介電薄膜的后處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及集成電路的制造。更明確而言，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于沉積及后處理低介電常數(shù)薄膜的工序。
背景技術(shù)：
從數(shù)十年前半導(dǎo)體組件首次提出以來，半導(dǎo)體組件幾何結(jié)構(gòu)在尺寸上已顯著地降低。從當(dāng)時(shí)起，集成電路大致依循著兩年/尺寸減半的準(zhǔn)則(常稱為摩爾定律)，其表示每過兩年芯片上的組件數(shù)目便會(huì)倍數(shù)增加?，F(xiàn)今制造設(shè)備可固定地生產(chǎn)具0.13μm甚至0.1μm特征尺寸的組件，而未來設(shè)備很快將可生產(chǎn)出幾何結(jié)構(gòu)更小的組件。
為進(jìn)一步縮小集成電路上的組件尺寸，現(xiàn)已需要使用低電阻的導(dǎo)電材料以及低介電常數(shù)(k)的絕緣體以降低鄰近金屬線間的電容耦合。近來在低介電常數(shù)絕緣薄膜的發(fā)展已將重心放在將硅(Si)、碳(C)及氧(O)原子混入薄膜中。此領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是開發(fā)出含Si、C及O原子的薄膜，從而使該膜薄膜具有低k值并展現(xiàn)所需的熱及機(jī)械特性。通常含Si、C及O原子且具有所需介電常數(shù)的薄膜的機(jī)械強(qiáng)度較差，且于隨后工序期間容易受到蝕刻化學(xué)物及等離子暴露的的損傷，使集成電路失效。
熱及等離子退火工序已開發(fā)出可改善低介電常數(shù)薄膜的特性。熱及等離子退火工序通常在約低于400℃的溫度下實(shí)施，以避免損傷沉積有低介電常數(shù)薄膜的襯底或器件件上的其它元件?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)熱及等離子退火工序可密化(densify)含Si、C及O原子的低介電常數(shù)薄膜。然而，前述退火工序通常實(shí)施約30分鐘至2小時(shí)，且因此會(huì)明顯增加襯底處理時(shí)間。同樣的，業(yè)界仍持續(xù)需要對(duì)低介電常數(shù)薄膜的機(jī)械及介電特性的改善。
因此，需要低介電常數(shù)薄膜的后處理方法，以期能改善低介電常數(shù)薄膜的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種處理襯底的方法，包括在RF電源下在襯底上沉積包含硅及碳的低介電常數(shù)薄膜，并通過下述工序后處理該經(jīng)沉積的低介電常數(shù)薄膜，所述工序包括以至少約10℃/秒的速率將該低介電常數(shù)薄膜加熱到至少約600℃的所需溫度，其中該低介電常數(shù)薄膜維持在該所需溫度約5秒或更少，以及以至少約10℃/秒的速率冷卻該低介電常數(shù)薄膜。在一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜在約0.5分鐘至約5分鐘之時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行加熱及冷卻。
在一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜從在約25℃至約250℃之間的溫度加熱至在約600℃至約1000℃之間的所需溫度，其中該低介電常數(shù)薄膜在該所需溫度下加熱約5秒或更少，并然后從該所需溫度進(jìn)行冷卻，其中該低介電常數(shù)薄膜在約0.5分鐘至約5分鐘的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行加熱及冷卻。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括通過以至少約10℃/秒的速率將該低介電常數(shù)薄膜加熱至所需溫度以后處理低介電常數(shù)薄膜，其中該低介電常數(shù)薄膜維持在該所需溫度約5秒或更少，并以至少約10℃/秒的速率冷卻該低介電常數(shù)薄膜，并以選自電子束處理及UV輻射處理的一個(gè)或多個(gè)工序處理該低介電常數(shù)薄膜。


通過本發(fā)明上述簡述的詳細(xì)、明確的敘述并參照實(shí)施方式及附圖所示可以理解本發(fā)明前述的特征。然而應(yīng)注意的是，附圖所示僅為本發(fā)明的一般實(shí)施方式，因此不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明范圍不包括其它等效實(shí)施方式。
圖1所示示例性CVD反應(yīng)器的截面圖，其配置為根據(jù)本文所述實(shí)施方式使用；圖2所示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的快速熱處理(RTP)腔室的一部份的示意性垂直截面圖；以及圖3所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的電子束腔室。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一或多個(gè)實(shí)施方式提供一種方法，其包含在襯底上沉積低介電常數(shù)薄膜以及通過至少包含快速加熱該低介電常數(shù)薄膜至所需高溫(例如從約600℃至約1000℃)并接著快速冷卻該低介電常數(shù)薄膜使之暴露在該所需高溫約5秒或更少的工序?qū)υ摰徒殡姵?shù)薄膜進(jìn)行后處理。優(yōu)選的，該低介電常數(shù)薄膜暴露在該所需高溫約1秒或更少。在一實(shí)施例中，該快速加熱及快速冷卻該低介電常數(shù)薄膜的工序是一瞬間(spike)退火工序。
沉積低介電常數(shù)薄膜該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)約小于4，且包含硅及碳，較佳則包含氧。該低介電常數(shù)薄膜是在RF電源下由至少包含一種或多種有機(jī)硅化物的混合物所沉積。該一種或多種用于沉積低介電層的有機(jī)硅化物為有機(jī)硅烷(organosilane)、有機(jī)硅氧化物(organosiloxanes)或其結(jié)合物。此處所用的術(shù)語“有機(jī)硅化物(organosilicon compound)”意指為有機(jī)基團(tuán)中含有碳原子的化合物，且其可為環(huán)狀或鏈狀。有機(jī)基團(tuán)可包括烷基、烯基、環(huán)己烯基、以及除其功能性衍生物外的芳基。優(yōu)選地，該有機(jī)硅化物包括一個(gè)或多個(gè)接于硅原子的碳原子，以使碳原子不會(huì)在適當(dāng)工序條件下通過氧化而快速移除。該有機(jī)硅化物優(yōu)選地也包括一個(gè)或多個(gè)氧原子。
合適的環(huán)狀有機(jī)硅化物包括具有三個(gè)或更多硅原子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，及選擇性地包括一個(gè)或多個(gè)氧原子。商業(yè)可得的可用環(huán)狀有機(jī)硅化物包括具有數(shù)個(gè)硅及氧原子交替的環(huán)，其中該硅原子與一或兩個(gè)烷基相鍵結(jié)。一些示例性的環(huán)狀有機(jī)硅化物包括2，4，6-硅代環(huán)己烷-(-SiH2CH2-)3- (環(huán)狀)1，3，5，7-四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)-(-SiHCH3-O-)4- (環(huán)狀)八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS) -(-Si(CH3)2-O-)4-(環(huán)狀)1，3，5，7，9-五甲基環(huán)五硅氧烷-(-SiHCH3-O-)5- (環(huán)狀)1，3，5，7-硅代-2，6-氧代環(huán)辛烷 -(-SiH2CH2-SiH2-O-)2-(環(huán)狀)六甲基環(huán)三硅氧烷 -(-Si(CH3)2-O-)3- (環(huán)狀)合適的直鏈有機(jī)硅化物包括具有直鏈或分支結(jié)構(gòu)(具一或多個(gè)硅原子及一或多個(gè)碳原子)的脂肪族有機(jī)硅化物。該有機(jī)硅化物還可包含一個(gè)或多個(gè)氧原子。一些示例性的直鏈有機(jī)硅化物包括
甲基硅烷CH3-SiH3二甲基硅烷 (CH3)2-SiH2三甲基硅烷 (CH3)3-SiH乙基硅烷CH3-CH2-SiH3二硅烷基甲烷SiH3-CH2-SiH3雙(甲基硅烷基)甲烷 CH3-SiH2-CH2-SiH2-CH31，2-二硅烷基乙烷 SiH3-CH2-CH2-SiH31，2-雙(甲基硅烷基)乙烷 CH3-SiH2-CH2-CH2-SiH2-CH32，2-二硅烷基丙烷 SiH3-C(CH3)2-SiH3二乙基硅烷 (C2H5)2-SiH2丙基硅烷C3H7-SiH3乙烯基甲基硅烷 (CH2＝CH)-SiH2-CH31，1，2，2-四甲基二硅烷 (CH3)2-SiH-SiH-(CH3)2六甲基二硅烷CH3)3Si-Si-(CH3)31，1，2，2，3，3-六甲基三硅烷 (CH3)2-SiH-Si(CH3)2-SiH-(CH3)21，1，2，3，3-五甲基三硅烷 (CH3)2-SiH-SiH(CH3)-SiH-(CH3)21，3-雙(甲基硅烷基)丙烷 CH3-SiH2-(CH2)3-SiH2-CH31，2-雙(二甲基硅烷基)乙烷 (CH3)2-SiH-(CH2)2-SiH-(CH3)21，3-雙(二甲基硅烷基)丙烷 (CH3)2-SiH-(CH2)3-SiH-(CH3)2二乙氧甲基硅烷基(DEMS) CH3-SiH-(O-CH2-CH3)21，3-二甲基二硅氧烷 CH3-SiH2-O-SiH2-CH31，1，3，3-四甲基二硅氧烷 (CH3)2-SiH-O-SiH-(CH3)2六甲基二硅氧烷(HMDS)(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)31，3-雙(硅烷基甲撐)二硅氧烷 (SiH3-CH2-SiH2-)2-O雙(1-甲基二硅氧烷基)甲烷(CH3-SiH2-O-SiH2-)2-CH22，2-雙(1-甲基二硅氧烷基)丙烷 (CH3-SiH2-O-SiH2-)2-C(CH3)2二甲基二甲氧基硅烷(DMDMOS) (CH3O)2-Si-(CH3)2苯基二甲氧基硅烷C6H5-SiH-(O-CH3)2二苯基甲基硅烷 (C6H5)2-SiH-CH3
二甲基苯硅烷(CH3)2-SiH-C6H5二甲氧基甲基乙烯基硅烷(DMMVS) (CH3O)2-Si(CH3)-CH2＝CH3在一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜是在RF電源下由包含一種或多種有機(jī)硅化物及一種或多種氧化氣體的混合物中所沉積。可使用的氧化氣體包括氧氣(O2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)、二甲基代乙二醛(2，3-butane dione)或其結(jié)合物。當(dāng)使用臭氧作為氧化氣體時(shí)，臭氧產(chǎn)生器可將氣體源中重量6％至20％(一般約15％)的氧氣轉(zhuǎn)換為臭氧，而剩余仍為氧氣。然而，臭氧濃度可依據(jù)所需臭氧的量、以及所用臭氧產(chǎn)生設(shè)備的類型增加或減少。氧氣或含氧化合物的解離可在進(jìn)入沉積室之前在微波腔室內(nèi)進(jìn)行，以降低含硅化合物的過量解離。優(yōu)選地，可施加射頻(RF)電源至反應(yīng)區(qū)以增加解離量。
亦可選擇的是，除該一種或多種有機(jī)硅化物及該選擇性的一種或多種氧化氣體外，混合物中也可包括一種或多種碳?xì)浠衔镆猿练e低介電常數(shù)薄膜?？墒褂玫奶?xì)浠衔锇ň哂袕募s1至20個(gè)鄰接碳原子的脂肪族碳?xì)浠衔铩Ｔ撎細(xì)浠衔锟砂〝?shù)個(gè)通過單鍵、雙鍵及三鍵的任一結(jié)合而鍵結(jié)的鄰接碳原子。例如，有機(jī)化合物可包括具有兩個(gè)至約20個(gè)碳原子的烯烴基及亞烴基，例如乙烯、丙烯、乙炔及丁二烯。
也可使用一種或多種具有環(huán)狀團(tuán)的碳?xì)浠衔?。此處所用的術(shù)語“環(huán)狀團(tuán)(cyclic group)”意指為環(huán)形結(jié)構(gòu)。該環(huán)形結(jié)構(gòu)可包含僅三個(gè)原子。該原子可包括，例如碳、硅、氮、氧、氟及其結(jié)合物。該環(huán)狀團(tuán)可包括一個(gè)或多個(gè)單鍵、雙鍵、三鍵及其任一結(jié)合。例如，環(huán)狀團(tuán)可包括一個(gè)或多個(gè)芳香烴、芳基、苯基、環(huán)己烷基、環(huán)己二烯基、環(huán)庚二烯基、及其組合。該環(huán)狀團(tuán)可為雙環(huán)或三環(huán)。此外，該環(huán)狀團(tuán)優(yōu)選地為鍵結(jié)至直鏈或分支官能基團(tuán)。該直鏈或分支官能基團(tuán)優(yōu)選地包含烷基或烷基乙烯基團(tuán)，且具有約1個(gè)至20個(gè)碳原子。該直鏈或分支官能基團(tuán)也可包括氧原子，例如酮、醚及酯類。一些具有至少一個(gè)環(huán)狀團(tuán)的示例性碳?xì)浠衔锇ㄋ捎拖?alpha-terpinene，ATP)、乙烯基環(huán)己胺(vinylcyclohexane，VCH)及乙酸苯酯(phenylacetate)。
亦可選擇的是，該混合物中也可包括一種或多種用于沉積低介電常數(shù)薄膜的運(yùn)載氣體。可使用的運(yùn)載氣體包括氬、氦、二氧化碳及其組合。
該薄膜也可利用任何化學(xué)氣相沉積腔室進(jìn)行沉積。圖1所示為可使用的平行板式CVD工序腔室10的截面圖。該腔室10包括高真空區(qū)15及氣體散流歧管11，該氣體散流歧管11具有數(shù)個(gè)穿孔用以散布工藝氣體至襯底(未示出)。該襯底置于襯底支撐板或基座12上。該基座12安裝在支撐桿13上，而該支撐桿13將該基座12連接至提升電機(jī)14。該提升電機(jī)14可將該基座12升舉及降低于處理位置及較低的襯底裝載位置，以使基座12(及該支撐在基座12上表面上的襯底)在較低的裝載/卸載位置及較高的處理位置(相當(dāng)接近該歧管11)之間控制地移動(dòng)。當(dāng)該基座12及該襯底位于較高處理位置時(shí)，絕緣體17環(huán)繞該基座12及該襯底。
引入歧管11的氣體均勻地徑向分布在襯底表面。具有節(jié)流閥的真空泵32可經(jīng)由歧管24控制來自該腔室10的氣體的排氣速率。若需要時(shí)，沉積物及運(yùn)載氣體可流經(jīng)氣體線18進(jìn)入混合系統(tǒng)19并接著至該歧管11。一般而言，各工藝氣體供應(yīng)線18包括(i)安全關(guān)閉閥(未示出)，可用以自動(dòng)或手動(dòng)地關(guān)閉流進(jìn)腔室的工藝氣體，以及(ii)質(zhì)量流量控制器(亦未示出)，用以測量流經(jīng)氣體供應(yīng)線18的氣體。當(dāng)工序中使用有毒氣體時(shí)，通常配置中各氣體供應(yīng)線18上設(shè)置數(shù)個(gè)安全關(guān)閉閥。
在一實(shí)施例中，有機(jī)硅化物以用于200或300mm襯底的流率(約100sccm至約10000sccm)引入該混合系統(tǒng)19。該選擇性碳?xì)浠衔镆约s100sccm至約1000sccm的流率引入該混合系統(tǒng)19。該選擇性使用的氧化氣體流率約為100sccm至約6000sccm。該運(yùn)載氣體流率約為100sccm至約5000sccm。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，該有機(jī)硅化物為八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)，而該碳?xì)浠衔餅橐蚁?br> 該沉積工序優(yōu)選地為等離子增強(qiáng)型工序。在等離子增強(qiáng)型工序中，受控的等離子一般通過施加(利用RF電源25)至氣體散流歧管11的RF能量形成在該襯底鄰近處?；蛘撸琑F電源可提供至基座12。至該沉積腔室的RF電源可為周期式或脈沖式，以降低襯底受熱并促進(jìn)沉積薄膜的多孔性。用于200mm或300mm襯底的等離子的功率密度在約0.03W/cm2至約3.2W/cm2之間，該值與用于200mm襯底時(shí)約10瓦至約1000瓦的RF功率水平相對(duì)應(yīng)，并與用于300mm襯底時(shí)約20瓦至約2250瓦的RF功率水平相對(duì)應(yīng)。優(yōu)選地，用于300mm襯底的RF功率水平約為200瓦至約1700瓦。
RF電源25可提供在約0.01MHz至300MHz之間的單頻率RF電源。優(yōu)選地，該RF電源可利用混合、同步頻率作傳送以增加引入高真空區(qū)域15的反應(yīng)物的分解。在一方面，該混合頻率為約12kHz的低頻及約13.56mHz的高頻的混合頻率。于另一方面中，該低頻范圍在約300Hz至約1000kHz之間，而該高頻范圍在約5mHz及約50mHz之間。優(yōu)選地，該低頻功率水平為150瓦。優(yōu)選地，該高頻功率水平在約200瓦至約750瓦之間，且更優(yōu)選地在約200瓦至約400瓦。
在沉積期間，該襯底保持在從約-20℃至約500℃之間的溫度，并優(yōu)選地在從約100℃至約450℃之間。該沉積壓力一般在約1Torr至約20Torr之間，并優(yōu)選地在約4Torr至約7Torr之間。下文將詳述依據(jù)此處所述實(shí)施方式中可用于沉積低介電常數(shù)層的示例性腔室。
當(dāng)需要遠(yuǎn)程分解氧化氣體時(shí)，可選擇使用的微波腔室28在氣體進(jìn)入處理腔室10之前先將在約50瓦至約6000瓦間的電源輸入至該氧化氣體。該附加的微波電源可避免有機(jī)硅化物在與氧化氣體反應(yīng)之前發(fā)生過量分解。在微波電源加至氧化氣體時(shí)，具有分別用于有機(jī)硅化物及氧化氣體的通道的氣體散流板(未示出)為優(yōu)選的。
一般而言，該腔室內(nèi)襯、散流歧管11、基座12及各種其它反應(yīng)器硬件中任一或全部由諸如鋁或電鍍鋁的材料制成。上述CVD反應(yīng)器的實(shí)施例描述于授予Wang等人并轉(zhuǎn)讓給應(yīng)用材料公司(本發(fā)明的受讓人)的美國專利案第5,000,113號(hào)，標(biāo)題為“AThemal CVD/PECVD Reactor and Use for Thermal Chemical VaporDeposition of Silicon Dioxide and In-situ Multi-step Planarized Process”中，在將其全文與本發(fā)明范圍相符部分結(jié)合進(jìn)來以供參考。
系統(tǒng)控制器34可控制電機(jī)14、氣體混合系統(tǒng)19及高頻電源25，其等系藉控制線36相連接。系統(tǒng)控制器34可控制該CVD反應(yīng)器的動(dòng)作，并且一般包括硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤驅(qū)動(dòng)器及插件架(card rack)。該插件架包含單板式計(jì)算機(jī)(single board computer，SBC)、模擬及數(shù)字輸入/輸出板、接口板以及步進(jìn)電機(jī)控制板。系統(tǒng)控制器34符合總線模塊歐式卡(Versa Modular Europeans，VME)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了主板、插件架(card cage)以及連接器尺寸及類型。該VME標(biāo)準(zhǔn)還定義了具有16位數(shù)據(jù)總線及24位地址總線的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制器34在存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器38上的計(jì)算機(jī)程序的控制下運(yùn)行。
此處所述的該低介電常數(shù)薄膜可利用存儲(chǔ)有軟件例程的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行沉積，其中當(dāng)執(zhí)行該軟件例程時(shí)可使通用計(jì)算機(jī)控制沉積腔室。該軟件例程包含用于根據(jù)這里所述的任意實(shí)施方式沉積任何薄膜的數(shù)個(gè)指令。
后處理低介電常數(shù)薄膜在該低介電常數(shù)薄膜沉積后，該通過下述工序?qū)Φ徒殡姵?shù)薄膜進(jìn)行后處理，該工序包括將該低介電常數(shù)薄膜快速加熱致所需高溫，并接著將其快速冷卻。該所需高溫在約600℃至約1000℃，例如約800℃。優(yōu)選地，該低介電常數(shù)薄膜由從約25℃至約250℃的溫度，以至少約10℃/秒的速率加熱至該所需高溫。例如，該低介電常數(shù)薄膜可以約10℃/秒至約300℃/秒的速率加熱。優(yōu)選地，該低介電常數(shù)薄膜以從約100℃/秒至約300℃/秒的速率(例如約250℃/秒)作加熱。在該低介電常數(shù)薄膜達(dá)該所需高溫后，關(guān)閉該用于加熱該低介電常數(shù)薄膜的熱源(群)，并以至少約10℃/秒(例如從約10℃/秒至約100℃/秒有速率)冷卻該低介電常數(shù)薄膜。該低介電常數(shù)薄膜的冷卻可以通過在該后處理工序室中設(shè)反射板的方式增強(qiáng)。優(yōu)選地，該冷卻速率可以通過該后處理工序室中的反射板、以及通過將該襯底(其上沉積有該低介電常數(shù)薄膜)背側(cè)暴露在惰性氣體(如氦氣)流等兩種方式來增強(qiáng)。例如，該襯底背側(cè)可暴露在流率在約10sccm至約500sccm的氦氣。由于對(duì)該低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行快速加熱及快速冷卻，該加熱低介電常數(shù)薄膜的起始至冷卻該低介電常數(shù)薄膜的終了的時(shí)間長度一般在約0.5分至約5分鐘。
通常，該低介電常數(shù)薄膜在腔室氛圍下進(jìn)行加熱及冷卻，該氛圍可能包括氬氣(Ar)、氮?dú)?N2)、氦氣(He)、氧氣(O2)、氫氣(H2)、水蒸氣(H2O)、一氧化二氮(N2O)或其組合。該腔室壓力可在約100Torr至約760Torr之間。該腔室壓力可經(jīng)調(diào)整以改變?cè)摰徒殡姵?shù)薄膜的冷卻速率。
在一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜在氬氣環(huán)境下進(jìn)行加熱及冷卻。在一實(shí)施方式中，氬氣是以在約10sccm至約100sccm的速率引入該腔室中。
任何能夠以約5秒或更少的時(shí)間(較佳為1秒或更少)將低介電常數(shù)薄膜快速加熱至所需高溫、并接著將其快速冷卻的腔室均可用于后處理該低介電常數(shù)薄膜。下面將詳細(xì)說明這里所述的可用于后處理低介電常數(shù)薄膜的示例性腔室。
一種可使用的腔室為RadianceTMRTP腔室，其可從加州圣塔克拉拉應(yīng)用材料公司購得。圖2所示為腔室200，其為該RadianceTMRTP腔室的一實(shí)施方式。圖2所示的腔室200包括由側(cè)壁214及底壁215圍住的處理區(qū)213。該腔室200的側(cè)壁214上部通過O形環(huán)216密封至窗口248。
襯底或晶片261通過支撐環(huán)262(一般由碳化硅制成)支撐在其邊緣內(nèi)側(cè)區(qū)213。支撐環(huán)262安裝在一可轉(zhuǎn)式石英柱263上。通過可轉(zhuǎn)式石英柱263，支撐環(huán)262及晶片261可因而旋轉(zhuǎn)。也可使用額外的碳化硅轉(zhuǎn)接環(huán)以可以處理不同尺寸的晶片(例如150mm、200mm及300mm)。支撐環(huán)262外緣優(yōu)選地由晶片261外徑延伸不超過2英寸。對(duì)300mm系統(tǒng)而言，腔室200容積大約為9公升。
腔室200包括貫穿側(cè)壁214形成的進(jìn)氣口269，用以將工藝氣體注入?yún)^(qū)域213內(nèi)以使不同處理步驟可在區(qū)域213內(nèi)實(shí)施。位于進(jìn)氣口269對(duì)側(cè)上(即側(cè)壁214處)的為排氣口268。排氣口268耦接至真空源286(例如泵)，以將工藝氣體排出腔室200并降低腔室200中的壓力。在工序期間該真空源286維持所需的壓力，同時(shí)將工藝氣體送入該腔室中。
輻射能組件218位于該窗口248上方。該輻射能組件218包括數(shù)個(gè)鹵鎢燈219(例如Sylvania EYT燈)，其各安裝至光導(dǎo)管221中且光導(dǎo)管可為不銹鋼、金、銅、鋁或其它金屬。燈組219包括纏繞成為線圈的燈絲，其軸平行于該燈套(lamp envelope)的軸。絕大多數(shù)的光線會(huì)垂直于該軸發(fā)散至周圍光導(dǎo)管221的壁。該光導(dǎo)管長度經(jīng)選擇以至少與相關(guān)的燈組等長。該光導(dǎo)管221可較長以使觸及襯底的能量不會(huì)因增加的反射而實(shí)質(zhì)減弱。該燈組219以六角形陣列或蜂巢形方式設(shè)置。燈組219設(shè)置為足以覆蓋襯底261及支撐環(huán)262的整個(gè)表面積。根據(jù)該工藝所需，燈組219(其可能在幾百的數(shù)量級(jí))聚集在一區(qū)中，以可獨(dú)立地控制從而提供相當(dāng)均勻或不均勻的晶片261加熱。
該輻射能源218至少包含數(shù)個(gè)光導(dǎo)管221及相關(guān)燈組219，以使薄石英窗248可提供光端口，用于加熱該排真空工序腔室內(nèi)的襯底。該窗口248的主要目的是將工藝環(huán)境與燈組219隔絕，避免燈組過熱而與工藝氣體反應(yīng)。光導(dǎo)管221通過在各種熱導(dǎo)管間流動(dòng)冷卻劑(例如水)的方式進(jìn)行冷卻。
雖然前述的輻射能源218包括數(shù)個(gè)鹵鎢燈219，然于另一實(shí)施方式中，該輻射能源218包括紫外光燈。
腔室200的底壁215包括上表面211，用于反射晶片261背側(cè)上的能量。此外，腔室200包括數(shù)個(gè)光學(xué)溫度探針270，貫穿腔室200底壁215設(shè)置以檢測晶片261表面數(shù)個(gè)位置的溫度。硅晶片261及反射表面211間的反射會(huì)形成黑體腔(blackbody cavity)，使溫度檢測不受晶片背側(cè)發(fā)散影響，并提供正確溫度測量能力。
在一實(shí)施方式中，該反射表面211呈吸收反射板形式，反射0.7至0.96nm的波長，并以反射該該輻射能組件218發(fā)散的另一波長。該反射板的吸收特性可提高低介電常數(shù)薄膜的冷卻速率。該低介電常數(shù)薄膜的冷卻速率通過將該襯底(其上沉積有該低介電薄膜)背側(cè)暴露在惰氣流的方式進(jìn)一步提高，例如通過將惰性氣體引至該反射板邊緣周圍或通過孔洞(設(shè)于反射板中)而至襯底背側(cè)。
腔室200的各方面由控制系統(tǒng)(未示出)所操作。該控制系統(tǒng)可包括任何數(shù)量的控制器、處理器及輸入/輸出裝置。在一實(shí)施例中，該控制系統(tǒng)為封閉回路反饋系統(tǒng)的組件，其可監(jiān)控該工序腔室200內(nèi)的各種參數(shù)，同時(shí)處理襯底，并接著送出一個(gè)或多個(gè)控制訊號(hào)以依據(jù)各種設(shè)定值作必要調(diào)整。一般而言，被監(jiān)控的參數(shù)包括溫度、壓力及氣流速率。
在又一實(shí)施方式中，后處理該低介電常數(shù)薄膜的步驟包括將該低介電常數(shù)薄膜快速加熱至一所需高溫，并將該低介電常數(shù)薄膜從該所需高溫快速冷卻，并用電子束處理對(duì)該低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行處理。該低介電常數(shù)薄膜可在該快速加熱及快速冷卻前或后用電子束處理進(jìn)行處理。
該電子束(e-beam)處理一般劑量在約1至20千伏(KeV)下，在從每平方公分50至約2000微庫倫(μc/cm2)之間。該電子束電流一般在約1mA至約40mA，且優(yōu)選為約1至約20微米。該電子束電流一般在約1mA至約40mA，而優(yōu)選在約1mA至約20mA。該電子束處理一般在約室溫至約450℃之間的溫度下實(shí)施約10秒至約15分鐘。在一實(shí)施方案中，該電子束處理?xiàng)l件包括6kV、10-18mA及50μc/cm2以350℃處理約15至約30秒，以處理厚度約1微米的薄膜。在另一實(shí)施方案中，該電子束處理?xiàng)l件包括4.5kV、10-18mA及50μc/cm2以350℃處理約15至約30秒，以處理厚度約5000的薄膜。在該電子束處理期間可使用氬氣及氫氣。雖然可使用任一種電子束裝置，但示例性裝置為EBK腔室，其可從應(yīng)用材料公司商業(yè)購得。在低介電常數(shù)薄膜沉積后，用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜會(huì)揮發(fā)該薄膜中至少一些有機(jī)基團(tuán)，并因此在薄膜中形成孔洞。
圖3所示為依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的電子束處理器300。該電子束處理器300包括真空腔室320、大面積陰極322、位于無場區(qū)(field free)338中的靶材面330以及網(wǎng)狀陽極326(設(shè)于該靶材面330及該大面積陰極322間)。該電子束腔室300還包括高壓絕緣體324及加速場區(qū)336(其可將該網(wǎng)狀陽極326由大面積陰極322隔絕出)、陰極覆蓋絕緣體328(位于該真空室320內(nèi))、可變簧片閥332(用以控制該真空室320內(nèi)的壓力)、可變高壓電源329(連接至該大面積陰極322)以及可變低壓電源331(連接至該網(wǎng)狀陽極326)。
在操作中，該其上具有欲暴露在電子束的低介電常數(shù)薄膜的襯底(未示出)置于該靶材面330上。該真空室320從常壓抽真空至范圍約1mTorr至約200mTorr的壓力。該確切壓力由可變速率簧片閥332控制，其可將壓力控制至約0.1mTorr。該電子束一般是在足夠高壓下產(chǎn)生，并且通過高壓電源329施加至大面積陰極322。電壓范圍在約500伏特至約30000伏特或更高。該高壓電源329可為紐約州Bertan of Hickville公司所制造的Bertan Model#105-30R電源、或紐約州Spellman High Voltage Electronics Corp.，of Hauppauge公司所制造的Spellman Model#SL30N-1200X 258電源。該可變低壓電源331可施加電壓至該網(wǎng)狀陽極326，其相對(duì)于施加至該大面積陰極322的電壓為正值(positive)。此電壓用于控制自該大面積陰極322的電子發(fā)射。該可變低壓電源331可為Acopian of Easton，Pa公司所上市的Acopian Model#150PT12電源。
該電子束腔室300的其它細(xì)節(jié)則描述于授予William R.Livesay等人的美國專利案第5,003,178號(hào)，發(fā)明名稱為“Large-Area Uniform Electron Source”，其受讓給Electron Vision Corporation公司(目前由本發(fā)明的受讓人所擁有)且在此將其全文與本發(fā)明相符部分結(jié)合進(jìn)來以供參考。
在另一實(shí)施咬牙中，后處理該低介電常數(shù)薄膜的步驟包括將該低介電常數(shù)薄膜快速加熱至所需高溫、將該低介電常數(shù)薄膜從該所需高溫快速冷卻及以紫外線(UV)輻射處理該低介電常數(shù)薄膜。優(yōu)選地，該低介電常數(shù)薄膜以UV輻射處理，同時(shí)對(duì)該低介電常數(shù)薄膜施予至少一部份快速加熱和/或冷卻處理。然而，該低介電常數(shù)薄膜也可在快速加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜之前或之后以UV輻射作處理。優(yōu)選地，在快速加熱及冷卻低介電常數(shù)薄膜之前或之后以UV輻射處理低介電常數(shù)薄膜的實(shí)施方式中，在UV輻射期間該低介電常數(shù)薄膜是以在約200℃至約600℃間的溫度加熱。例如，該低介電常數(shù)薄膜可暴露于腔室中的UV輻射下，例如具有UV源的高溫爐中。在UV輻射處理期間，該腔室可為真空或常壓氛圍。
該低介電常數(shù)薄膜可暴露在一種或多種UV輻射波長中。腔室的實(shí)施例及可將該低介電常數(shù)薄膜暴露在UV輻射下的方法公開在美國專利第6,614,181號(hào)，共同轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)受讓人，并且在此引用全文以供參考。
在另一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜通過包括下述步驟的方法進(jìn)行后處理將該低介電常數(shù)薄膜快速加熱及冷卻、以UV輻射處理該低介電常數(shù)薄膜及用電子束處理該低介電常數(shù)。該后處理工序可以任何順序進(jìn)行。然而，優(yōu)選地根據(jù)這里所述本發(fā)明的實(shí)施方式通過對(duì)該低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行快速加熱及冷卻并且同時(shí)UV輻射該低介電常數(shù)薄膜然后以電子束處理該低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理。
包括快速加熱及快速冷卻低介電常數(shù)薄膜并UV輻射和/或用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜的后處理可提高低介電常數(shù)薄膜的特性。例如，包括快速加熱和冷卻以及UV輻射的后處理能夠降低沉積薄膜的介電常數(shù)。包括快速加熱及快速冷卻及任意的UV輻射的后處理能夠降低該沉積薄膜的介電常數(shù)，并增加薄膜硬度及模數(shù)(modulus)。
在前述任一實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜可在集成的處理系統(tǒng)(例如應(yīng)用材料公司出售的Centura或Producer機(jī)臺(tái))內(nèi)進(jìn)行沉積及后處理。因此，該低介電常數(shù)薄膜可在無需暴露至大氣下的方式進(jìn)行沉積及后處理。在實(shí)施超過一種后處理工序的實(shí)施方式中，該低介電常數(shù)薄膜在不同后處理工序間可受保護(hù)免受大氣影響。例如，在另一腔室中快速加熱及冷卻及選擇性實(shí)施的UV輻射后，該低介電常數(shù)薄膜可送至電子束腔室，而無需在快速加熱及快速冷卻與電子束處理之間暴露在大氣中。
下述的實(shí)施例將說明處理其上沉積有低介電常數(shù)薄膜沉積的襯底的方法。該薄膜利用應(yīng)用材料公司出售的ProducerCVD腔室沉積在300mm襯底上。
對(duì)照例1包含硅、碳及氧的低介電常數(shù)薄膜是由包含八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、三甲基硅烷以及乙烯的氣體混合物沉積在襯底上。該OMCTS以約520sccm的流率引入腔室中，該三甲基硅氧烷是以300sccm引入該腔室中，且該乙烯以約2200sccm的流率引入該腔室。氦氣以約1000sccm的流率引入腔室中，而氧氣系以約1000sccm的流率引入腔室。該薄膜利用頻率為13.56MHz、800瓦RF電源在400℃、5.7Torr的壓力下沉積約20秒。當(dāng)沉積時(shí)，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5043，介電常數(shù)(k)為2.77，且硬度為0.59gPa。
對(duì)照例2低介電常數(shù)薄膜以對(duì)照例1中所述方式沉積在襯底上。該低介電常數(shù)薄膜在800℃的溫度下進(jìn)行熱退火處理1分鐘的方式進(jìn)行后處理。當(dāng)沉積時(shí)，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5,085。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜厚度為4,463(收縮了12.2％)。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)(k)為3.35，且硬度為1.82gPa。
對(duì)照例3低介電常數(shù)薄膜以對(duì)照例1所述沉積襯底上。該低介電常數(shù)薄膜通過3mA電流并且在溫度400℃、電壓4.5kV下且劑量為100μc/cm2的電子束處理進(jìn)行后處理。當(dāng)沉積時(shí)，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5074。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜厚度為4763(收縮了6.1％)。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)(k)為2.74，且硬度為1.14gPa。
實(shí)施例1低介電常數(shù)薄膜以對(duì)照例1所述方式沉積在襯底上。該低介電常數(shù)薄膜在RadianceTMRTP腔室中由室溫快速加熱至800℃并立即快速冷卻至120℃，從而以在30秒內(nèi)加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜的方式進(jìn)行后處理。當(dāng)沉積時(shí)，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5036。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5021(收縮了0.3％)。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)(k)為2.53，且硬度為0.62gPa。
實(shí)施例2低介電常數(shù)以對(duì)照例1所述方式沉積在襯底上。該低介電常數(shù)薄膜在RadianceTMRTP腔室中由室溫快速加熱至800℃并且立即快速冷卻至120℃，從而以在30秒內(nèi)加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜的方式進(jìn)行后處理。當(dāng)沉積時(shí)，該低介電常數(shù)薄膜厚度為5011。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜厚度為4996(收縮了0.3％)。在該后處理后，該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)(k)為2.44。
實(shí)施例1及實(shí)施例2均說明在依據(jù)此處所述實(shí)施方式以快速加熱及快速冷卻該低介電常數(shù)薄膜的方式后處理該低介電常數(shù)薄膜會(huì)使薄膜的介電常數(shù)較未作后處理的薄膜、或以電子束處理或傳統(tǒng)退火處理進(jìn)行后處理的薄膜者更低。以此處所述的后處理處置的薄膜通過對(duì)其進(jìn)行后處理，使致孔劑(porogens，例如有機(jī)基團(tuán))由低介電常數(shù)薄膜中釋出的方式達(dá)到低介電常數(shù)。
實(shí)施例1更證明依據(jù)此處所述實(shí)施方式快速加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜并不會(huì)對(duì)沉積薄膜的硬度造成影響。該實(shí)施例還表明依據(jù)此處所述實(shí)施方式所進(jìn)行的低介電常數(shù)薄膜后處理，其相較于其它后處理工序所導(dǎo)致的收縮更低。
因此，本發(fā)明的該實(shí)施方式提供一種低介電常數(shù)薄膜的后處理方法，以在不降低該薄膜硬度的情況下降低其介電常數(shù)，并使因后處理造成的收縮減至最小。本發(fā)明實(shí)施方式中快速加熱及冷卻后處理的其它優(yōu)點(diǎn)包括可因快速的后處理工序而使襯底產(chǎn)量較高，并降低依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式處理的襯底的熱平衡。
雖然前文所述是本發(fā)明的實(shí)施方式，然而在不脫離本發(fā)明基本范圍的情況下還可以設(shè)計(jì)本發(fā)明的其它及進(jìn)一步的實(shí)施方式，而本發(fā)明范圍所附權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種處理襯底的方法，包括在射頻電源下在襯底上沉積包含硅及碳的低介電常數(shù)薄膜；以及通過下述工序?qū)υ摮练e的低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理，該工序包括將該低介電常數(shù)薄膜以至少約10℃/秒的速率加熱到至少約600℃的所需溫度，其中該低介電常數(shù)薄膜維持在該所需溫度約5秒或更少；以及以至少約10℃/秒的速率冷卻該低介電常數(shù)薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述后處理在足以降低該低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)的條件下實(shí)施。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜以在約10℃/秒至約300℃/秒之間的速率加熱，并在約10℃/秒至約100℃/秒之間的速率冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述后處理還包括用紫外光輻射處理該低介電常數(shù)薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述包含加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜的工序與用紫外光輻射處理該低介電常數(shù)薄膜同時(shí)進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該后處理還包括用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜是在一集成處理系統(tǒng)中進(jìn)行后處理，從而使該低介電常數(shù)薄膜在加熱該低介電常數(shù)薄膜及用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜之間不會(huì)暴露在大氣中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述包括加熱及冷卻該低介電常數(shù)薄膜的工序與用紫外光輻射處理該低介電常數(shù)薄膜相繼實(shí)施。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該后處理還包括用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜在一集成處理系統(tǒng)中進(jìn)行后處理，從而使該低介電常數(shù)薄膜在加熱該低介電常數(shù)薄膜及用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜之間不會(huì)暴露在大氣中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜還包含氧。
12.一種處理襯底的方法，包括在RF電源下在襯底上沉積包含硅及碳的低介電常數(shù)薄膜；以及通過下述工序?qū)υ摮练e的低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理，該工序包含將該低介電常數(shù)薄膜從在約25℃至約250℃的溫度加熱至在約600℃至約1000℃的溫度，其中該低介電常數(shù)薄膜在所述約600℃至約1000℃的溫度下加熱約5秒或更少；以及將該低介電常數(shù)薄膜從所述約600℃至約1000℃的溫度冷卻，其中該低介電常數(shù)薄膜在約0.5分鐘至約5分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行加熱及冷卻。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜以約10℃/秒至約300℃/秒的速率加熱，并以約10℃/秒至約100℃/秒的速率冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該后處理還包括以紫外光輻射處理該低介電常數(shù)薄膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該后處理還包括用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述冷卻該低介電常數(shù)薄膜的步驟包括將該襯底暴露在背側(cè)氣體。
17.一種處理襯底的方法，包括在RF電源下在襯底上沉積包含硅及碳的低介電常數(shù)薄膜；以及通過下述工序?qū)υ摮练e的低介電常數(shù)薄膜進(jìn)行后處理，該工序包含將該低介電常數(shù)薄膜以至少約10℃/秒的速率加熱至所需溫度，其中該低介電常數(shù)薄膜維持在該所需溫度約5秒或更少；以及將該低介電常數(shù)薄膜以至少約10℃/秒的速率冷卻，其中低介電常數(shù)薄膜在約0.5分鐘至約5分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行加熱及冷卻。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該低介電常數(shù)薄膜從約25℃至約250℃的溫度進(jìn)行加熱，而所述的所需溫度在約800℃至約900℃之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該后處理還包括用紫外光輻射處理該低介電常數(shù)薄膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該后處理還包括用電子束處理該低介電常數(shù)薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在襯底上沉積低介電常數(shù)薄膜并后處理該低介電常數(shù)薄膜的方法。該后處理包括將該低介電常數(shù)薄膜快速加熱至所需高溫并接著將該低介電常數(shù)薄膜快速冷卻，從而使該低介電常數(shù)薄膜暴露在該所需高溫約5秒或更少。在實(shí)施方案中，該后處理還包括將該低介電常數(shù)薄膜暴露在電子束處理和/或UV輻射中。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1947229SQ200580012778
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月21日
發(fā)明者崔振江, 約瑟芬·J·常, 亞歷山德羅斯·T·迪莫斯, 瑞澤·阿扎維尼, 德里克·R·威蒂, 海倫·R·阿默, 吉利士·A·迪克西特, 希琴曼·麥薩迪 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司