用于金屬氧化物還原的預(yù)處理方法和所形成的器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括：在第一模塊中對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理，以通過還原反應(yīng)從晶圓中去除氧化物層。該方法還包括在真空下，將預(yù)處理后的晶圓從第一模塊傳送至第二模塊。該方法還包括在第二模塊中，在晶圓上方形成蝕刻停止層。本發(fā)明提供了一種金屬氧化物還原的預(yù)處理方法及其所形成的器件。
【專利說明】用于金屬氧化物還原的預(yù)處理方法和所形成的器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及金屬氧化物還原的預(yù)處理方法及其 形成的器件。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體器件中的多種有源器件之間提供電連接的互連結(jié)構(gòu)?；?連結(jié)構(gòu)包括由絕緣材料環(huán)繞的導(dǎo)線和通孔，以降低電信號無意地從一個(gè)導(dǎo)電線或通孔轉(zhuǎn)移 到另一個(gè)導(dǎo)電線或通孔的風(fēng)險(xiǎn)。不同金屬液面上的連接的導(dǎo)線或通孔之間的電阻是確定半 導(dǎo)體器件的功率消耗和速度的要素。當(dāng)連接的導(dǎo)線或通孔之間的電阻增加時(shí)，功率消耗增 力口，而半導(dǎo)體器件的速度減小。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括：在晶圓上形成 互連結(jié)構(gòu)，互連結(jié)構(gòu)包括位于其頂表面上的金屬氧化物層；對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理， 以通過還原反應(yīng)來還原互連結(jié)構(gòu)的金屬氧化物層；在晶圓上方形成介電層；以及使半導(dǎo)體 器件保存在真空條件下，其中，在遠(yuǎn)程等離子體處理之后，使半導(dǎo)體器件保存在真空條件 下，直至形成介電層為止。
[0004] 優(yōu)選地，該方法還包括：在實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理之前，預(yù)熱晶圓。
[0005] 優(yōu)選地，該方法還包括：在預(yù)熱晶圓之后，將半導(dǎo)體器件保存在真空條件下，直至 形成介電層為止。
[0006] 優(yōu)選地，對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理包括：在與容納晶圓的處理室分離的等離 子體生成室中，生成含氫反應(yīng)氣體；使用導(dǎo)管將反應(yīng)氣體傳送到處理室；以及使用含氫反 應(yīng)氣體還原晶圓上的氧化物層。
[0007] 優(yōu)選地，生成含氫反應(yīng)氣體包括：以第一流速率將處理氣體引入等離子體生成室 內(nèi)，處理氣體包括氨（NH 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH 4)中的至少一種；以 及激發(fā)處理氣體以生成反應(yīng)氣體。
[0008] 優(yōu)選地，激發(fā)處理氣體包括將微波引入等離子體生成室內(nèi)。
[0009] 優(yōu)選地，還原晶圓上的氧化物層包括：在約1. 5托至約2. 5托之間的壓力下，還原 氧化物層。
[0010] 優(yōu)選地，對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理提高圍繞氧化物層的介電材料的表面部分 的介電常數(shù)，并且表面部分提高后的介電常數(shù)小于3. 0。
[0011] 優(yōu)選地，對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理將圍繞氧化物層的介電材料的整個(gè)表面部 分中的碳濃度保持在等于或大于介電材料的碳芯濃度的濃度。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在集成系統(tǒng)中形成半導(dǎo)體器件的方法，包括： 在晶圓上形成導(dǎo)電層；預(yù)熱晶圓；在集成系統(tǒng)的第一模塊中，對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處 理，以通過還原反應(yīng)從導(dǎo)電層中去除金屬氧化物層；在真空條件下，將晶圓從集成系統(tǒng)的第 一模塊傳送到集成系統(tǒng)的第二模塊；以及在第二模塊中，在導(dǎo)電層上方形成介電層。
[0013] 優(yōu)選地，實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理包括：以第一流速率將處理氣體引入等離子體生 成室內(nèi)，處理氣體包括氨（NH 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH 4)中的至少 一種；以第二流速率將載氣引入等離子體生成室內(nèi)，載氣包括氮?dú)猓∟2)、氬氣（Ar)和氦氣 (He)中的至少一種；以及激發(fā)處理氣體以生成用于還原氧化物層的反應(yīng)氣體。
[0014] 優(yōu)選地，該方法還包括：在真空條件下將晶圓從集成系統(tǒng)的第三模塊傳送到第一 模塊，其中，在第三模塊中預(yù)熱晶圓。
[0015] 優(yōu)選地，實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理提高圍繞氧化物層的介電材料的表面部分的介電 常數(shù)，并且表面部分提高后的介電常數(shù)小于3. 0。
[0016] 優(yōu)選地，實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理將圍繞氧化物層的介電材料的整個(gè)表面部分中的 碳濃度保持在等于或大于介電材料的碳芯濃度的濃度。
[0017] 優(yōu)選地，在第一模塊中預(yù)熱晶圓。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底；金屬間介電（IMD) 層，形成在襯底上，頂D層是連續(xù)層；導(dǎo)電層，形成在MD層中；以及蝕刻停止層，位于MD層 和導(dǎo)電層上方，蝕刻停止層具有等于或大于4的介電常數(shù)，其中，頂D層的表面部分比MD層 中遠(yuǎn)離蝕刻停止層的部分具有更高的介電常數(shù)，并且MD層的表面部分具有小于3. 0的介 電常數(shù)。
[0019] 優(yōu)選地，頂D層包括含碳材料，并且整個(gè)表面部分中的碳濃度等于或大于MD層的 碳芯濃度。
[0020] 優(yōu)選地，表面部分具有約為1〇〇埃（A)的深度。
[0021] 優(yōu)選地，該器件還包括位于MD層和導(dǎo)電層之間的襯里層。
[0022] 優(yōu)選地，表面部分的介電常數(shù)和IMD層中遠(yuǎn)離蝕刻停止層的部分的介電常數(shù)之間 的差小于約15%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 以實(shí)例的方式示出了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，并且其目的不在于限制，在附圖的圖中， 其中，在整個(gè)說明書中具有相同參考數(shù)字標(biāo)號的元件表示類似元件。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工 業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種部件不必按比例繪制，并且僅用于說明目的。事實(shí)上，為了論述的清 楚起見，圖中的多種特征的尺寸可以被任意地增加或減小。
[0024] 圖1A至圖1D是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的處于不同生產(chǎn)階段的晶圓的橫截面圖；
[0025] 圖2是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于還原晶圓上的金屬氧化物層的遠(yuǎn)程等離子 體處理裝置的示意圖；
[0026] 圖3是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的金屬間介電（MD)層的介電常數(shù)的圖表；
[0027] 圖4是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的MD層和蝕亥lj停止層之間的粘附力的圖表；
[0028] 圖5是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的晶圓的碳濃度深度分布的圖表；
[0029] 圖6是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的還原晶圓上的金屬氧化物層的方法的流程圖；以 及
[0030] 圖7是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于實(shí)施圖6的方法的裝置的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下披露提供用于實(shí)施本發(fā)明的不同部件的多個(gè)不同實(shí)施例或?qū)嵗?。以下描述?組件和布置的具體實(shí)例，以簡化本發(fā)明。這些是實(shí)例并且不用于限制。
[0032] 絕緣材料的介電常數(shù)還影響半導(dǎo)體器件的RC延遲。半導(dǎo)體器件的各層之間的粘 附強(qiáng)度還影響器件的可靠性和壽命。
[0033] 在金屬用于形成導(dǎo)電線或通孔的情況下，由于金屬和周圍環(huán)境中的氧之間的化學(xué) 氧化反應(yīng)，導(dǎo)致在暴露于空氣或水的金屬線或通孔的表面上形成氧化物層。金屬氧化物在 連接的金屬線或通孔之間比元素金屬或金屬合金提供更高的電阻。
[0034] 圖1A是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的處于第一生產(chǎn)階段的晶圓100的截面圖。晶圓 100包括襯底110和位于襯底上方的第一蝕刻停止層112。金屬間介電aMD)層114位于第 一蝕刻停止層112上方。兩個(gè)開口 120位于每一個(gè)MD層114和第一蝕刻停止層112中。 每一個(gè)開口 120均包括上部116和下部118。在一些實(shí)施例中，上部116用于形成導(dǎo)線，而 下部118用于形成導(dǎo)電通孔。
[0035] 襯底110用于形成半導(dǎo)體器件。在一些實(shí)施例中，在襯底110中或上形成有源器 件。在一些實(shí)施例中，襯底110是半導(dǎo)體襯底，例如，具有或不具有外延層的硅襯底；絕緣體 上硅（SOI)襯底；合金襯底，諸如，硅鍺（SiGe);或者另一種合適的襯底。半導(dǎo)體器件包括包 含例如晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器或其他有源或無源電路的器件。在一些實(shí)施 例中，在襯底110中形成導(dǎo)電區(qū)域。
[0036] 第一蝕刻停止層112用于控制形成開口 120的工藝的終點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，第 一蝕刻停止層112包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或其他合適的蝕刻停止材料。在 一些實(shí)施例中，介電常數(shù)（k)大于4.0。在一些實(shí)施例中，第一蝕刻停止層112的厚度范圍 在約10埃（A )至約1000A之間。在一些實(shí)施例中，第一蝕刻停止層112是多層蝕刻停止 層。在一些實(shí)施例中，多層蝕刻停止層的層中的至少一層包括正硅酸乙酯（TE0S)。在一些 實(shí)施例中，通過低壓化學(xué)汽相沉積（LPCVD)、常壓CVD (APCVD)、等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)、 物理汽相沉積（PVD)、濺射或另一種合適的形成技術(shù)來形成第一蝕刻停止層112。
[0037] MD層114是低k介電材料。低k是指MD層114具有3.0以下的介電常數(shù)（k)。 在一些實(shí)施例中，頂D層114具有小于2. 5的介電常數(shù)，并且被稱為極低k (ELK)材料。在 一些實(shí)施例中，頂D層114具有小于2.0的介電常數(shù)，并且被稱為多孔低k材料。在一些實(shí) 施例中，頂D層114具有小于1. 5的介電常數(shù)。在一些實(shí)施例中，頂D層114包括摻碳二氧 化娃。在一些實(shí)施例中，IMD層114包括有機(jī)電介質(zhì)、無機(jī)電介質(zhì)、多孔介電材料、有機(jī)聚合 物、有機(jī)硅玻璃、氟硅酸鹽玻璃（FSG)、氫硅倍半氧烷（HSQ)材料、甲基硅倍半氧烷(MSQ)材 料、多孔有機(jī)材料或另一種合適的低k材料。
[0038] 在一些實(shí)施例中，頂D層114是單層結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，頂D層114是多層結(jié) 構(gòu)。在MD層114包括摻碳二氧化硅的一些實(shí)施例中，碳與硅的重量比在約0. 3至約0. 8 之間。
[0039] 在一些實(shí)施例中，通過CVD、等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)、旋涂或另一種合適的形成 技術(shù)來形成頂D層114。
[0040] 開口 120被示作為雙鑲嵌開口的實(shí)例。在一些實(shí)施例中，開口 120僅包括溝槽開 口、通孔開口或另一種合適類型的開口。在一些實(shí)施例中，使用"先溝槽"圖案化工藝或"先 通孔"圖案化工藝來形成開口 120。在一些實(shí)施例中，通過圖案化位于MD層114上方光刻 膠層并且蝕刻MD層以生成開口，從而形成開口 120。第一蝕刻停止層112用于提供蝕刻工 藝的終點(diǎn)。在與在頂D層114上使用的蝕刻工藝分離的蝕刻工藝中，形成開口 120中穿過 第一蝕刻停止層112的部分。
[0041] 圖1B是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的處于第二生產(chǎn)階段的晶圓100的截面圖。在開 口 120的側(cè)壁和底部邊緣上形成阻擋層122。在阻擋層122的側(cè)壁上并且沿著開口 120的 底部邊緣形成晶種層124。在開口 120中形成導(dǎo)電層126,以基本上填充由晶種層124限定 的開口的剩余部分。
[0042] 設(shè)置阻擋層122,以防止導(dǎo)電層126擴(kuò)散至MD層114內(nèi)。在一些實(shí)施例中，阻擋 層122僅設(shè)置在開口 120的側(cè)壁上。在一些實(shí)施例中，阻擋層122是多層組合。在一些實(shí) 施例中，阻擋層122具有約1()A至300Λ之間的厚度。在一些實(shí)施例中，阻擋層122包括鉭 (Ta)、鈦（Ti)、Ta或Ti的氮化物或其他合適的材料。
[0043] 在一些實(shí)施例中，通過物理汽相沉積（PVD)、原子層沉積（ALD)或其他合適的形成 工藝來形成阻擋層122。在一些實(shí)施例中，沿著開口 120的底部邊緣以及在開口的側(cè)壁上形 成阻擋層122。在形成晶種層124之前，從開口 120的底部邊緣去除襯里層122。在一些實(shí) 施例中，在形成阻擋層122期間，在開口 120的拐角處形成突出物（overhangs)。在形成晶 種層124之前，去除突出物。在一些實(shí)施例中，使用諸如等離子體蝕刻工藝的蝕刻工藝來去 除突出物。
[0044] 晶種層124用于提供在其上形成導(dǎo)電層126的基底（base)。在一些實(shí)施例中，晶 種層124具有約50A至約1000A之間的厚度。在一些實(shí)施例中，晶種層124是包括主要成 分和添加物的合金層。在一些實(shí)施例中，主要成分是銅（Cu)或另一種合適的主要成分材料。 在一些實(shí)施例中，添加物包括鎂（Μη)、鋁（Al)、Ti、鈮（Nb)、鉻（Cr)、釩（V)、釔（Y)、锝（Tc)、 錸（Re)、鈷（Co)或其他合適的添加物材料。在一些實(shí)施例中，使用PVD、CVD、PECVD、LPCVD 或其他合適的形成技術(shù)來形成晶種層124。
[0045] 導(dǎo)電層126用于提供晶圓100上的半導(dǎo)體器件的多種元件之間的電連接。導(dǎo)電層 126包括與晶種層124的主要成分相同的主要成分。在一些實(shí)施例中，晶種層126的主要 成分是銅。在晶種層124包括添加物的一些實(shí)施例中，導(dǎo)電層126包括與晶種層中的添加 物不同的添加物。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電層126的添加物包括Ta、銦（In)、錫（Sn)、鋅（Zn)、 皿11、0、11、66、鍶（51〇、鉬（？丨）、鎂（1%)、41、鋯（21〇、鈷（&))或其他合適的添加物材料。
[0046] 在一些實(shí)施例中，通過電化學(xué)鍍（ECP)形成導(dǎo)電層126。在一些實(shí)施例中，通過 PVD、CVD或其他合適的形成技術(shù)來形成導(dǎo)電層126。在一些實(shí)施例中，在形成導(dǎo)電層126之 后執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)工藝，以使IMD層114的頂面與導(dǎo)電層的頂面平齊。
[0047] 圖1C是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的處于第三生產(chǎn)階段的晶圓100的截面圖。由于 導(dǎo)電層與晶圓100所處環(huán)境中的氧氣之間發(fā)生的化學(xué)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致在導(dǎo)電層126內(nèi)部形 成氧化物層127。以下提供了以銅（Cu)作為導(dǎo)電層126的主要成分的非限制性實(shí)例。本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員將會理解，當(dāng)前申請可應(yīng)用于除了銅之外的材料。
[0048] 當(dāng)導(dǎo)電層126的銅暴露于空氣或水中的氧時(shí)，在氧化反應(yīng)中氧與銅反應(yīng)，以形成 氧化銅（CuO或Cu 20)。當(dāng)形成Cu20時(shí)，化合物在潮濕空氣中降解為CuO。氧化銅（CuO)具 有約100 Ω cm (歐姆厘米）至1000 Ω cm的電阻率；而氧化銅（Cu20)具有約為4. 5Χ105Ω cm 的電阻率。與此相反，金屬銅具有為1.67Xl(T6Qcm的電阻率。與導(dǎo)電層126相比，氧化物 層127的電阻的增大增大了晶圓100內(nèi)的功率消耗，并且降低了晶圓中的電路速度。為了 保持低電阻，去除氧化物層127。
[0049] 在其他方法中，使用原位等離子體處理來去除氧化物層127。原位等離子體涉及將 氣體引入容納晶圓100的腔室中。激發(fā)所引入的氣體，以在容納晶圓100的同一腔室中形 成等離子體。等離子體被導(dǎo)向晶圓1〇〇,并且從導(dǎo)電層126中去除氧化物層127。然而，原 位等離子體處理還包括與圍繞導(dǎo)電層126的MD層114接觸的等離子體離子。原位等離子 體處理中的等離子體的高能量和溫度損傷了頂D層114。受損的MD層114在MD層的受 損表面部分處出現(xiàn)介電常數(shù)的增大。介電常數(shù)的增大導(dǎo)致提供電絕緣的能力的降低。如圖 1D中所示，受損的MD層114還具有與隨后形成的第二蝕刻停止層128的較低的粘附性。 較低的粘附性增大了金屬層之間的剝落或脫離的風(fēng)險(xiǎn)，從而具有阻止電信號在金屬層之間 傳輸?shù)目赡堋?br> [0050] 在本申請的一些實(shí)施例中，使用遠(yuǎn)程等離子體處理來還原氧化物層127。圖2是根 據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于還原晶圓上的金屬氧化物層的遠(yuǎn)程等離子體處理裝置200的 示意圖。遠(yuǎn)程等離子體處理裝置200包括與容納晶圓100的處理腔室220分離的等離子體 生成腔室210。處理氣體和載氣被引入等離子體生成腔室210內(nèi)。在一些實(shí)施例中，處理氣 體包括氨（順 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)、磷烷（PH 4)或其他合適的處理氣體。載 氣是惰性氣體。在一些實(shí)施例中，載氣包括氮?dú)猓∟2)、氬氣（Ar )、氦氣（He )或其他合適的載 氣。
[0051] 將處理氣體和載氣引入等離子體生成室210內(nèi)，并且激發(fā)處理氣體以產(chǎn)生含有等 離子體的反應(yīng)氣體。在一些實(shí)施例中，使用微波來激發(fā)處理氣體，以產(chǎn)生含有等離子體的反 應(yīng)氣體。使用微波振蕩器生成微波，并且使用光波導(dǎo)將其引入等離子體生成室210內(nèi)。在 一些實(shí)施例中，微波具有約13兆赫茲（MHz)至約14MHz的頻率。在一些實(shí)施例中，等離子 體生成室210中的射頻（RF)功率介于約1800瓦特（W)和約2600瓦特之間。
[0052] 然后，通過導(dǎo)管230將反應(yīng)氣體注入至容納晶圓100的處理室220中。在一些實(shí) 施例中，處理室220的溫度介于約400°C和約650°C之間。在一些實(shí)施例中，處理室220的 溫度小于或等于450°C。在一些實(shí)施例中，處理室220中的壓力介于約1. 5托和約2. 5托之 間。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)氣體和晶圓100之間發(fā)生反應(yīng)的工藝時(shí)間介于約5秒和約600 秒之間。
[0053] 反應(yīng)氣體是等離子體化氫（plasmarized hydrogen)中的活性粒子。在還原反應(yīng) 中，等離子體化氫與氧化物層127反應(yīng)。使用以上氧化銅的實(shí)例，還原反應(yīng)生成水和金屬 銅。還原反應(yīng)將使導(dǎo)電層126頂面的電阻降低到氧化前的水平。
[0054] 返回到圖1A至圖1D，在還原氧化物層127之后，在MD層114和導(dǎo)電層126上方 形成第二蝕刻停止層128。圖1D是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的處于第四生產(chǎn)階段的晶圓100 的截面圖。第二蝕刻停止層128在還原氧化物層127之后形成，并且在導(dǎo)電層126和周圍 環(huán)境之間產(chǎn)生阻擋，以防止導(dǎo)電層的再次氧化。用于產(chǎn)生第二蝕刻停止層128的材料和技 術(shù)類似于對于第一蝕刻停止層112所論述的那些材料和技術(shù)。在一些實(shí)施例中，第二蝕刻 停止層128包括與第一蝕刻停止層112相同的材料。在一些實(shí)施例中，第二蝕刻停止層128 包括與第一蝕刻停止層112不同的材料。
[0055] 圖3是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的金屬間介電（MD)層的介電常數(shù)的圖表300。圖表 300包括，例如MD層114 (圖1A至圖1D)的MD層的受損部分的介電常數(shù)（k)。在一些實(shí) 施例中，IMD層的受損部分的深度約為100A。條形310表示對氧化物層(例如氧化物層127 (圖1C))進(jìn)行預(yù)處理之前的MD層受損部分的介電常數(shù)。條形310示出預(yù)處理之前MD層 的介電常數(shù)約為2. 62。條形320表示在用于去除氧化物層的原位等離子體處理之后的MD 層受損部分的介電常數(shù)。條形320示出IMD層受損部分的介電常數(shù)的增加量多于預(yù)處理前 的介電常數(shù)值的50%，其值增加至約4. 04。條形330表示在用于還原氧化物層的遠(yuǎn)程等離 子體處理之后的MD層受損部分的介電常數(shù)。條形330示出MD層受損部分的介電常數(shù)的 增加量少于預(yù)處理前的介電常數(shù)值的15%，其值增加至約2. 99。相比于原位等離子體處理 后的介電常數(shù)，遠(yuǎn)程等離子體處理后的介電常數(shù)減少了 40%。
[0056] 與具有受到原位等離子體處理的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相比，由遠(yuǎn)程等離子體處理得到的較 低介電常數(shù)值意味著ηω層的rc延遲減小。
[0057] 圖4是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的MD層和蝕刻停止層之間的粘附力的圖表400。 圖表400示出在對氧化物層(例如，氧化物層127)進(jìn)行的兩種不同的還原處理之后，形成 蝕刻停止層之后，頂D層（例如，頂D層114)和蝕刻停止層(例如，第二蝕刻停止層128 (圖 1D))之間的粘附力。條形410表示原位等離子體處理之后的MD層和蝕刻停止層之間的粘 附強(qiáng)度。條形410示出11毫牛頓（mN)的粘附強(qiáng)度。條形420表示遠(yuǎn)程等離子體處理之后 的MD層和蝕刻停止層之間的粘附強(qiáng)度。條形420示出13mN的粘附強(qiáng)度，相對于原位等離 子體處理之后的粘附強(qiáng)度增加了 18%以上。遠(yuǎn)程等離子體處理之后的較高的粘附強(qiáng)度有助 于防止MD層與蝕刻停止層分離。由于通過互連結(jié)構(gòu)的電連接不容易發(fā)生故障，因此分離 的風(fēng)險(xiǎn)降低增大了產(chǎn)品得率的增加，并且潛在地延長了半導(dǎo)體器件的壽命。
[0058] 此外，與使用原位等離子體處理形成的半導(dǎo)體器件相比，使用遠(yuǎn)程等離子體處理 以還原導(dǎo)電層上的氧化物層而形成的半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出較低的泄漏電流。較低的泄漏電流 是由遠(yuǎn)程等離子體處理期間對MD層的破壞減小而引起的。
[0059] 使用遠(yuǎn)程等離子體處理來還原導(dǎo)電層上的氧化物層而形成的半導(dǎo)體器件的時(shí)間 相關(guān)介質(zhì)擊穿（TDDB)約高于使用原位等離子體處理形成的半導(dǎo)體器件兩個(gè)數(shù)量級。TDDB 類似于MD層的擊穿電壓。擊穿電壓是在此電壓下，MD層的一部分變得導(dǎo)電的電壓，從而 不能與相鄰的導(dǎo)電層形成電絕緣。
[0060] 圖5是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的晶圓的碳濃度深度分布的圖表500。圖表500包 括對應(yīng)于受到原位等離子體處理的晶圓中的碳濃度分布的曲線510。圖表500還包括對應(yīng) 于受到遠(yuǎn)程等離子體處理的晶圓中的碳濃度分布的曲線520。圖表500中的陰影部分是蝕 刻停止層，例如，第二蝕刻停止層128。在圖5的非限制性實(shí)例中，蝕刻停止層包括SiC。圖 表500中的非陰影部分是MD層，例如MD層114。在圖5的非限制性實(shí)例中，MD層包括 SiOC〇
[0061] MD層中的碳濃度有助于增大MD層114和第二蝕刻停止層128之間的粘附性，并 且有助于增加電遷移耐力。電遷移是由電流流經(jīng)導(dǎo)電層導(dǎo)致導(dǎo)電層(例如，導(dǎo)電層126)的 材料轉(zhuǎn)移到周圍材料(例如，IMD層114)中。當(dāng)較多的導(dǎo)電材料分散到IMD層中時(shí)，IMD層 的使鄰近導(dǎo)電層之間絕緣的能力減弱。另外，碳濃度有助于增加 MD層114的多孔性，這又 減小MD層的介電常數(shù)k以幫助保持低RC延遲。
[0062] 曲線510示出了位于界面530以下的IMD層的表面部分處的碳濃度的驟降。在 IMD層表面處的碳濃度降至位于IMD層表面部分下方的IMD層的碳芯（core carbon)濃度 以下。表面碳濃度的下降是由原位等離子體處理期間對頂D層的損傷而引起的。在受到原 位等離子體處理的頂D層中的較低碳濃度將減小MD層和第二蝕刻停止層之間的粘附，并 且導(dǎo)致MD層的表面部分的電遷移增加，以及RC延遲增大。
[0063] 曲線520示出了碳濃度從SiC蝕刻停止層中的高碳濃度逐漸減小至MD層中的碳 芯濃度。相對于曲線510,曲線520的較高碳濃度是在遠(yuǎn)程等離子體處理期間對MD層的損 壞相比于在原位等離子體處理期間對MD層的損壞減小的結(jié)果。結(jié)果，與由曲線510表示 的在MD層中形成的導(dǎo)電層相比，由曲線520表示的在MD層中形成的導(dǎo)電層將對第二蝕 刻停止層具有較高的粘附性，并且MD層對電遷移將具有的較高的耐力。
[0064] 圖6是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的還原晶圓上的金屬氧化物層的方法600的流程 圖。方法600開始于可選的操作602,其中，預(yù)熱晶圓，例如，晶圓100。在一些實(shí)施例中，使 用被配置為使用惰性氣體來加熱晶圓的預(yù)加熱室來預(yù)先加熱晶圓。在一些實(shí)施例中，將晶 圓加熱至等于處理溫度的溫度。在一些實(shí)施例中，將晶圓加熱至低于處理溫度的溫度。處 理溫度是在此溫度下，晶圓受到預(yù)處理工藝以還原晶圓表面上的氧化物層（例如，氧化物層 127)的溫度。在一些實(shí)施例中，省略作為單獨(dú)操作的操作602,并且在預(yù)處理晶圓的同一操 作中加熱晶圓。在省略操作602的實(shí)施例中，方法600開始于操作606。
[0065] 方法600繼續(xù)可選的操作604,其中，在真空下將晶圓傳送到預(yù)處理室。預(yù)處理室 是在其中通過還原反應(yīng)來還原晶圓表面上的氧化物的腔室。在傳送工藝期間，在真空下傳 送晶圓，以防止導(dǎo)電層(例如，導(dǎo)電層126)進(jìn)一步氧化。真空防止導(dǎo)電層暴露于周圍環(huán)境中 的氧中。在一些實(shí)施例中，省略操作604。當(dāng)省略操作602時(shí)，省略操作604。在省略操作 604的實(shí)施例中，方法600開始于操作606。
[0066] 方法600繼續(xù)操作606,其中，在預(yù)處理室中還原晶圓表面上的氧化物層。通過還 原反應(yīng)來還原氧化物層，其中，氧化物層中的氧與還原劑反應(yīng)以去除氧化物層中的氧。在一 些實(shí)施例中，使用遠(yuǎn)程等離子體生成還原劑，并且預(yù)處理室是遠(yuǎn)程等離子體處理裝置。
[0067] 遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理包括將處理氣體引入等離子體生成室內(nèi)。在一些實(shí)施例中， 將處理氣體和載氣引入等離子體生成室210內(nèi)。處理氣體包括含氫氣體。在一些實(shí)施例 中，處理氣體包括氨（NH3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H 2)、磷烷（PH4)或其他合適的處 理氣體。在一些實(shí)施例中，處理氣體的流速介于約lOsccm (標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/每分鐘）和約 lOOOsccm之間。載氣是惰性氣體。在一些實(shí)施例中，載氣包括氮?dú)猓∟2)、氬氣（Ar)、氦氣 (He)或其他合適的載氣。在一些實(shí)施例中，載氣的流速介于約lOsccm和約30000sccm之 間。
[0068] 在等離子體生成室中激發(fā)處理氣體，以形成反應(yīng)氣體，將反應(yīng)氣體引入到容納晶 圓的處理室中。在還原反應(yīng)中，處理氣體與晶圓上的氧化物層反應(yīng)。
[0069] 在預(yù)處理之后，晶圓基本上不含氧化物層。方法600繼續(xù)至操作608,其中，在真空 下將晶圓傳送至沉積室。在真空下傳送晶圓，以防止由于導(dǎo)電層暴露于氧而導(dǎo)致在晶圓上 重新形成氧化物層。在一些實(shí)施例中，預(yù)處理室、傳動裝置和沉積室都是相對于外部環(huán)境的 密封的集成結(jié)構(gòu)的一部分。
[0070] 方法600繼續(xù)操作610,其中，在預(yù)處理后的晶圓上方形成蝕刻停止層。蝕刻停止 層(例如，第二蝕刻停止層128 )通過使導(dǎo)電層屏蔽于周圍環(huán)境并且防止氧接觸導(dǎo)電層，從而 有效地密封晶圓的導(dǎo)電層。
[0071] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解，在一些實(shí)施例中，方法600包括附加步驟。本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員還會理解，在一些實(shí)施例中，在形成半導(dǎo)體器件期間，重復(fù)方法600多次。
[0072] 圖7是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于實(shí)施圖6中的方法的裝置700的框圖。裝置 700包括被配置為接收晶圓的裝卸端口 710。裝置700還包括被配置為在裝置700內(nèi)的不 同模塊之間傳送晶圓的傳送模塊720。裝置700還包括被配置為預(yù)熱晶圓的預(yù)熱模塊730。 裝置700還包括被配置為還原晶圓上的氧化物層的預(yù)處理模塊740。裝置700還包括被配 置為在預(yù)處理后的晶圓上形成蝕刻停止層的沉積模塊750。裝置700還包括被配置為向裝 卸端口 710插入并且從裝卸端口 710卸除晶圓的裝卸模塊760。
[0073] 裝卸端口 710被配置為從裝卸模塊760接收晶圓。裝卸端口 710包括在與裝卸模 塊760的交界處設(shè)置的門。在裝載或卸載工藝期間門被打開。在一些實(shí)施例中，在裝載或 卸載工藝之后，對門進(jìn)行密封并且對裝置700的內(nèi)部抽真空。
[0074] 傳送模塊720被配置為將晶圓從裝置700中的一個(gè)模塊傳送至另一個(gè)模塊。在一 些實(shí)施例中，傳送模塊720包括位于裝卸端口 710和傳送模塊之間的密封件，以防止在裝載 或卸載工藝期間氧進(jìn)入傳送模塊。通過防止氧進(jìn)入傳送模塊720,降低了晶圓上的導(dǎo)電層進(jìn) 一步氧化的風(fēng)險(xiǎn)。
[0075] 預(yù)熱模塊730被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且預(yù)熱晶圓。預(yù)熱模塊730被 配置為通過使加熱后的惰性氣體在晶圓上方流動而對晶圓進(jìn)行預(yù)加熱。在一些實(shí)施例中， 惰性氣體包括氮?dú)猓∟2)、氬氣（Ar)、氦氣（He)或其他合適的惰性氣體。在一些實(shí)施例中，預(yù) 熱模塊730被配置為將晶圓預(yù)熱至預(yù)處理模塊740的處理溫度。在一些實(shí)施例中，預(yù)熱模 塊730被配置為將晶圓預(yù)加熱至低于預(yù)處理模塊740的處理溫度的溫度。在預(yù)熱模塊730 中進(jìn)行預(yù)熱之后，晶圓返回至傳送模塊720,并且保存在真空下，以防止晶圓上的導(dǎo)電層進(jìn) 一步氧化。
[0076] 預(yù)處理模塊740被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且通過還原反應(yīng)從晶圓中 去除氧化物層。在一些實(shí)施例中，預(yù)處理模塊740類似于遠(yuǎn)程等離子體處理裝置200(圖2)。 在省略預(yù)加熱模塊730或者預(yù)加熱模塊被配置為將晶圓預(yù)熱至溫度低于預(yù)處理模塊740的 處理溫度的一些實(shí)施例中，預(yù)處理模塊被配置為在去除氧化物層之前加熱晶圓。在去除氧 化物層之后，晶圓返回至傳送模塊720,并且保存在真空下，以防止晶圓上的導(dǎo)電層的再次 氧化。
[0077] 沉積模塊750被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且在晶圓上形成蝕刻停止層。 蝕刻停止層覆蓋晶圓上的導(dǎo)電層，并且防止導(dǎo)電層與氧接觸。在一些實(shí)施例中，沉積模塊是 CVD室、PECVD室或另一種合適的沉積室。在形成蝕刻停止層之后，晶圓在真空下返回到傳 送模塊720,并且返回到裝卸端口 710以進(jìn)行卸載。在一些實(shí)施例中，沉積模塊750具有單 獨(dú)的卸載端口，其被配置為從沉積模塊中移走晶圓而不會使晶圓返回至傳送模塊720。
[0078] 裝卸模塊760被配置為從裝卸端口 710裝載和卸載晶圓。裝卸模塊760包括移動 晶圓的裝置，其被配置為將晶圓插入裝卸端口 710以及從裝卸端口 710卸除晶圓。在一些 實(shí)施例中，移動晶圓的裝置包括機(jī)械臂或其他合適的裝置。裝卸模塊760還包括被配置為 接收晶圓傳送盒（F0UP)的載入口（docking locations)。F0UP用于在生產(chǎn)工藝期間在不同 設(shè)備之間傳送晶圓。
[0079] 在一些實(shí)施例中，使用遠(yuǎn)程等離子體處理來還原互連結(jié)構(gòu)上的金屬氧化物層，減 少了對互連結(jié)構(gòu)周圍的MD層的損傷。因此，頂D層的介電常數(shù)低于使用原位等離子體處 理的工藝中的介電常數(shù)。對MD層損傷的減少還有助于保持MD層的表面區(qū)域的較高碳濃 度，并且促進(jìn)頂D層和隨后形成的層之間更好的粘附。在一些實(shí)施例中，在處理期間將晶圓 保存在真空條件下防止氧接觸互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，從而防止了在遠(yuǎn)程等離子體處理之后 的額外氧化或再氧化。
[0080] 本說明的一方面涉及形成半導(dǎo)體器件的一種方法。該方法包括在晶圓上形成互連 結(jié)構(gòu)，其中，互連結(jié)構(gòu)包括位于其頂面上的金屬氧化物層。該方法還包括對晶圓上實(shí)施遠(yuǎn)程 等離子體處理，以通過還原反應(yīng)來還原互連結(jié)構(gòu)的金屬氧化物層。該方法還包括在晶圓上 方形成介電層，其中，在遠(yuǎn)程等離子體處理之后，將半導(dǎo)體器件保存在真空條件下，直到形 成介電層為止。
[0081] 本說明的另一方面涉及在集成系統(tǒng)中形成半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括在晶圓 上形成導(dǎo)電層，并且預(yù)熱晶圓。該方法還包括在集成系統(tǒng)的第一模塊中，對晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等 離子體處理，以通過還原反應(yīng)從導(dǎo)電層中去除金屬氧化物層。該方法還包括在真空條件下， 將晶圓從集成系統(tǒng)的第一模塊傳送到第二模塊，并且在第二模塊中在導(dǎo)電層上方形成介電 層。
[0082] 本說明的又一方面涉及半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括襯底和在襯底上形成的金屬 間介電（MD)層，其中，頂D層是連續(xù)層。半導(dǎo)體器件還包括在MD層中形成的導(dǎo)電層和位 于MD層和導(dǎo)電層上方的蝕刻停止層，蝕刻停止層具有等于或大于4的介電常數(shù)。MD層的 表面部分比遠(yuǎn)離蝕刻停止層的部分MD具有更高的介電常數(shù)，并且MD層的表面部分具有 小于3. 0的介電常數(shù)。
[0083] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地想到，所公開的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了以上闡述的一個(gè)或多 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在閱讀完以上說明書之后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠影響本文廣泛公開的等效物 和多種其他實(shí)施例的多種改變、替換。從而，本發(fā)明的目的在于所授予的保護(hù)范圍僅受包含 在所附權(quán)利要求中的限定及其等效物限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括： 在晶圓上形成互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)包括位于其頂表面上的金屬氧化物層； 對所述晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理，以通過還原反應(yīng)來還原所述互連結(jié)構(gòu)的所述金屬 氧化物層； 在所述晶圓上方形成介電層；以及 使所述半導(dǎo)體器件保存在真空條件下，其中，在所述遠(yuǎn)程等離子體處理之后，使所述半 導(dǎo)體器件保存在所述真空條件下，直至形成所述介電層為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 在實(shí)施所述遠(yuǎn)程等離子體處理之前，預(yù)熱所述晶圓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在預(yù)熱所述晶圓之后，將所述半導(dǎo)體器件保存在 所述真空條件下，直至形成所述介電層為止。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對所述晶圓實(shí)施所述遠(yuǎn)程等離子體處理包括： 在與容納所述晶圓的處理室分離的等離子體生成室中，生成含氫反應(yīng)氣體； 使用導(dǎo)管將所述反應(yīng)氣體傳送到所述處理室；以及 使用所述含氫反應(yīng)氣體還原所述晶圓上的所述氧化物層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，生成所述含氫反應(yīng)氣體包括： 以第一流速率將處理氣體引入所述等離子體生成室內(nèi)，所述處理氣體包括氨（NH3)、硅 烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH4)中的至少一種；以及 激發(fā)所述處理氣體以生成所述反應(yīng)氣體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，還原所述晶圓上的所述氧化物層包括：在約1.5 托至約2. 5托之間的壓力下，還原所述氧化物層。
7. -種在集成系統(tǒng)中形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括： 在晶圓上形成導(dǎo)電層； 預(yù)熱所述晶圓； 在所述集成系統(tǒng)的第一模塊中，對所述晶圓實(shí)施遠(yuǎn)程等離子體處理，以通過還原反應(yīng) 從所述導(dǎo)電層中去除金屬氧化物層； 在真空條件下，將所述晶圓從所述集成系統(tǒng)的第一模塊傳送到所述集成系統(tǒng)的第二模 塊；以及 在所述第二模塊中，在所述導(dǎo)電層上方形成介電層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，實(shí)施所述遠(yuǎn)程等離子體處理包括： 以第一流速率將處理氣體引入等離子體生成室內(nèi)，所述處理氣體包括氨（NH3)、硅烷 (SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH4)中的至少一種； 以第二流速率將載氣引入所述等離子體生成室內(nèi)，所述載氣包括氮?dú)猓∟2)、氬氣（Ar) 和氦氣（He)中的至少一種；以及 激發(fā)所述處理氣體以生成用于還原所述氧化物層的反應(yīng)氣體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括：在真空條件下將所述晶圓從所述集成系統(tǒng)的 第三模塊傳送到所述第一模塊，其中，在所述第三模塊中預(yù)熱所述晶圓。
10. -種半導(dǎo)體器件，包括： 襯底； 金屬間介電（MD)層，形成在所述襯底上，所述MD層是連續(xù)層； 導(dǎo)電層，形成在所述IMD層中；以及 蝕刻停止層，位于所述MD層和所述導(dǎo)電層上方，所述蝕刻停止層具有等于或大于4的 介電常數(shù)， 其中，所述MD層的表面部分比所述MD層中遠(yuǎn)離所述蝕刻停止層的部分具有更高的 介電常數(shù)，并且所述頂D層的表面部分具有小于3. 0的介電常數(shù)。
【文檔編號】H01L23/538GK104253086SQ201310398177
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】陳莉, 林志男, 孫錦峰, 呂伯雄, 劉定一 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司