专利名称：等离子体处理方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及其制造方法。具体来说，本发明涉及氟碳化合物(CFx) 形成工艺，所述氟碳化合物形成工艺用于提高Ci^x层与其他金属或绝缘层的的粘合性并同时保持氟碳(CFx)层的介电常数是低值。
背景技术：
近年来，多层布线结构已被用于实现半导体装置的高速运行和小型化。但是，由于全体布线电阻的增大和布线层的寄生电容的增大，这些结构产生了连线延迟问题。使用低电阻布线材料(例如，铜(Cu))作为互连主体会减少布线电阻。另一方面， 低介电常数或低k材料可以用于减小寄生电容。具体地，加氟碳(氟碳化合物CFx)可以用作绝缘层，以减小寄生电容，然后提高半导体装置的运行速度。通常的等离子体反应工艺用于形成具有低介电常数的氟碳(CFx)层。使用微波等离子体处理装置来执行等离子体反应工艺，在所述微波等离子体处理装置中通过使用来自外部微波源的微波来激发等离子气体(例如，氩气(Ar)或氪气(Kr))以产生等离子体。当将CF系处理气体(例如，C5F8或C6F6气体)引入维持在至少约50mTorr的压力下的等离子体区域中时，使用等离子增强化学气相沉积(PE-CVD)方法来进行沉积过程。这提供了相对于蚀刻速度的更高的膜形成速度，以用于形成氟碳(CFx)层。但是，在上述形成条件(仅使用一个能量源(例如，微波等离子体)作为等离子体激发源)下所形成的氟碳(CFx)层会产生对于CFx层的绝缘特性和解吸气体特性的不利结果。结果，在沉积时，Ch层与气体层(例如，金属或绝缘层)的表面的粘合性会变差。鉴于上述问题，提出了本发明。本发明提供了用于形成氟碳(CFx)层的工艺，所述氟碳层具有优良的绝缘特性和解吸气体特性、并同时保持介电常数为低值。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于形成氟碳(CFx)绝缘层的方法。该方法包括如下步骤在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的压力下，施加微波功率和RF偏压。根据本发明的第二方面，提供了用于形成氟碳(CFx)绝缘层的方法。该方法包括如下步骤在压力下施加微波功率和RF偏压，在所述压力下、在没有施加所述RF偏压的情况下所述氟碳层并不沉积，其中，所述压力不小于20mTorr。根据本发明的第三方面，提供了用于制造具有氟碳层的半导体装置的方法，所述氟碳层作为绝缘层。该方法包括如下步骤使用等离子体反应处理在衬底上形成氟碳层。 当在从20mTorr到60mTorr的压力下施加微波功率和RF偏压时，执行所述形成步骤。根据本发明的第四方面，提供了用于使用等离子体反应处理来形成氟碳层的方法。该方法包括如下步骤施加微波功率和RF偏压；并且除了等离子激发气体和CF系处理气体之外，还将氧气(0)引入处理室中。


图1示意性示出了在等离子体反应处理中沉积率作为压力的函数的示例。图2示意性示出了氟碳(CFx)层的介电常数曲线作为压力的函数。图3示出了绝缘层形成装置的实施例的示意图。图4示出了目标结构、和实验试样与其应力测试结果的俯视图。图5示出了用于测量CFx4试样的厚度和折射率的等高线图。图6示出了用于评估实验试样表面形貌的CFx实验试样的截面视图。图7示出了各种实验试样的泄漏电流作为施加电池的函数。图8示出了各种实验试样的TDS强度。图9示出了各种实验试样的TDS强度。图10示出了各种实验试样的泄漏电流作为RF偏压的函数。图11示出了各种实验试样的泄漏电流作为氟碳层厚度的函数。图12示出了各种实验试样的相对介电常数作为压力的函数。图13示出了各种实验试样的平均相对介电常数作为压力的函数。图14示出了替换实施例的等高线图。图15示出了各种实验试样的相对介电常数作为折射率的函数。
具体实施例方式将在下文中参考附图来描述本发明的实施例，所述附图中示出了本发明的优选示例性实施例。下面的描述并非表示限制本发明的范围、可应用性或构造。相反，下面对优选示例性实施例的描述将向本领域技术人员提供能够实现本发明的优选示例性实施例的描述。应当理解，在不脱离由权利要求书所阐明的本发明的精神和范围的情况下，可以以不同的形式来实施本发明。本发明一般地涉及半导体装置及其制造方法。更具体地，本发明涉及新的氟碳化合物(CFx)形成工艺，所述氟碳化合物形成工艺用于提高CFx层与其他金属或绝缘层的的粘合性并同时保持CFx层的介电常数是低值。本发明的实施例涉及用于形成氟碳(CFx)绝缘层的方法，所述氟碳绝缘层具有增强的绝缘特性和解吸气体特性以提高Ci^x层的粘合性、同时保持介电常数为低值(k 小于约2. 3)。通过预定处理条件来实现上述方法，在所述预定处理条件下，在使用微波等离子体功率而没有应用RF偏压的情况下，氟碳(CFx)层并不会沉积。以此方式，氟碳沉积处理的形成速度增大，同时氟碳沉积处理的蚀刻速度减小。通过选择预定处理条件，可以使反应副产物(通过微波等离子体功率所产生的通常的氟碳化合物(CFx))的组成比率最小化。此外，预定处理条件使得大部分微波等离子体能够激发等离子气体(例如，氩(Ar)气)并且还能够保持等离子体条件。另一方面，如果在几百瓦特范围内施加RF偏压，则氟碳(CFx)绝缘层的相对介电常数不会不利地受到存在 RF偏压的影响。
此外，当施加高频(RF)偏压以用于形成氟碳(CFx)绝缘层时，碳与氟的组成比率 (C/F)为约0.9到1.0。这与通常的结果不同，在通常的结果中在没有应用高频RF偏压的情况下形成氟碳(CFx)层，在通常的结果中碳与氟的组成比率(C/F)为约1. 1到1. 2。在考虑氟碳(CFx)绝缘层与阻挡层的粘合性时，所述阻挡层主要由金属元素(例如，钛(Ti))组成，更有选的是使用本发明的氟碳(CFx)形成方法。首先参考图1，示意性的示出了在等离子体反应工艺中沉积率作为压力的函数的示例。如图1所示，对于两种能量源1)等离子体激发源(例如，微波功率源)和2)高频率(RF)功率源，沉积率表示为压力的函数。应当理解，当等离子体激发源(微波功率源) 用作唯一的能量源时，在等离子气体的压力保持在等于或高于约30mTorr时沉积发生。但是，如上所述，在上述条件下形成的氟碳(CFx)层对于CFx层的绝缘特性和解吸气体特性没有表现出有利结果，尽管具有低介电常数(k < 2. 3)。除了微波功率源之外，通过应用高频(RF)功率源，当等离子气体的压力维持在从约20mTorr到60mTorr的压力范围时沉积可以发生。如图1所示，上述压力范围大致分成两个子范围1)具有从20mTorr到30mToor的压力的第一子范围；和2)具有从30mTorr到 60mToor的压力的第二子范围。第一子范围也称作“蚀刻等离子体范围”，所述第一子范围是在不结合微波功率源来应用高频(RF)功率的情况下沉积不会发生的范围。第二子范围是在通过将微波功率源用作唯一的能量源而不应用高频(RF)功率的情况下沉积可以发生的范围。但是，高频(RF)功率的加入使得能够形成具有优良的绝缘特性和解吸气体特性、 并同时保持介电常数为低值的氟碳(CFx)层。当在蚀刻等离子范围(20mTorr到30mTorr 的压力)形成氟碳(CFx)层时也可以提供这些有利结果。当在上述压力范围内形成氟碳(CFx)层时，除了增加氟碳形成速度之外，氟碳 (CFx)蚀刻速度可以减小。因为等离子体反应工艺中的形成速度和蚀刻速度与微波功率源直接相关，所以将微波功率源设置成产生2. 45GHz频率下的、从约IkW到3. 5kff的微波功率。此外，如上所述，在上述压力范围内形成的氟碳(CFx)层提供有利的绝缘特性和解吸气体特性。为了实现这些有利结果，在约400kHz的频率和从约20W到120W的RF功率下应用RF功率源。根据本发明的一个方面，氟碳(CFx)层的相对介电常数没有不利地受到存在RF偏压源的影响。但是，如下将描述的，当压力范围限制在预定范围时可以实现具有小于约2. 3 的相对介电常数的氟碳(CFx)层。然后参考图2，示意性的示出了氟碳(CFx)层的介电常数曲线作为压力的函数。当等离子气体的压力维持在等于或低于eOmTorr时，通过在微波功率源之外再施加RF功率源，可以沉积根据本发明的实施例的氟碳(CFx)绝缘层。但是，如图2所示，当压力变得太低时，Ch层的相对介电常数倾向于增大。这主要是由于当等离子气体的压力和微波功率低时，处理气体(例如，CF系气体)的与产生的等离子体反应的量相对增多。结果，当等离子气体的压力变得太低时，氟碳(CFx)层的相对介电常数增大。为了避免根据本发明的方法形成的CFx绝缘层的相对介电常数增大，优选等离子气体的压力维持在预定范围内。在优选实施例中，压力的优选范围设置成在20mTorr到 BOmTorr内，上述压力范围与用于获得具有优良的绝缘特性和解吸气体特性的氟碳(CFx)层的压力范围相同。使用绝缘层形成装置来形成根据本发明的优选实施例的氟碳(CFx)绝缘层。图3 示出了绝缘层形成装置30的实施例的示意图。如图3所示，绝缘层形成装置30包括处理容器50、径向线缝隙天线62和安装台51。处理容器50的内部划分成处于径向线缝隙天线62 —侧的等离子体产生区域Rl 和处于安装台51—侧的膜形成区域R2。外部微波源66将预定频率(例如，2. 45GHz)的微波功率提供至径向线缝隙天线62。来自微波源66的微波引起对等离子气体(例如，氩(Ar) 气)的激发，所述等离子气体从气体供应口 70释放进入等离子体产生区域Rl。等离子气体从等离子气体供应源71经过气体环路(gas ring) 72被供应至气体供应口 70，然后等离子气体被释放进入等离子体产生区域Rl中。绝缘层形成装置30还包括处理气体供应结构80，处理气体供应结构80也称作簇射板(shower plate) 80。图3中还示出了处理气体供应结构80的俯视图。处理气体供应结构80包括处理气体供应管81，所述处理气体供应管81设置在等离子体产生区域Rl和膜形成区域R2之间、作为与安装台51上所安装的衬底W面对的栅极。处理气体供应管81 可以包括环形管81a和栅极管81b。环形管81a环状地设置在处理气体供应结构80的外周
部分上。栅极管81b设置成使得在环形管81a的内侧、多个基体管(matrix pipes)彼此正 交。在处理气体供应结构80的下表面侧，在衬底W上方统一的形成多个处理气体供应口 83。处理气体供应源84通过气体管85连接到处理气体供应管81。在本实施例中，处理气体供应源84将氩(Ar)气和CF系处理气体(例如，C5F8)的混合物作为稀气体经由气体管85提供至处理气体供应管81。然后，稀气体从分别的处理气体供应口 83向下排放到模型车区域R2。根据处理气体供应口 83在簇射板80上的位置，可以将气体(例如，CF系气体)的流率分成两种流率1) “sh-c”流率和幻“sh-e”流率。“sh-c”流率适用于位于簇射板80的中心的处理气体供应口 83。“sh-e”流率适用于位于簇射板80的边沿部分的处理气体供应口 83。实验试样为了评价氟碳(CFx)绝缘层的绝缘特性、粘合性以及可靠运行，根据本发明的方法制造多个实验试样。然后，实验试样将经过不同的测试以用于评价上述特性。在每个实验试样中，通过应用高频RF功率源和微波等离子体源来形成氟碳(CFx4)绝缘层。除非下文另有描述，否则下列设定条件用于形成下列氟碳层l)CFx4层；在2. 45GHz的频率下、约 Ikff到3. 5kff的微波功率，在400kHz频率下、约20W到约120W的高频RF功率；2)CFx2层； 在2. 45GHz的频率下、约1. 5kff的微波功率，没有应用任何高频RF偏压并且在小于30mTorr 的低压下形成；和3) CFx层；在2. 45GHz的频率下、约3kW的微波功率，没有应用任何高频 RF偏压并且在约50mTorr的压力下形成。具有不同氟碳(CFx、CFx2和CFx4)绝缘层的所有实验试样都是在约300°C到400°C的衬底温度下形成的。在下文中，将详细说明这些评价的结果。参考图4，示出了目标衬底，并且示出了用于执行应力测试、胶带测试(tape test) 和鼓泡测试(blister test)的实验试样的俯视图。用于这些评价的结构包括第一无定形碳层、氟碳(CFx4)层、第二无定形碳层和密封盖层。第一无定形碳层形成于块状硅(Si)沉积上，而第二无定形碳层形成于氟碳(CFx4)层上。两个无定形碳层都具有约IOnm的厚度， 并且都是在蚀刻等离子体范围中形成的，其中，在所述蚀刻等离子体范围中将来自外部RF 功率源53的高频(RF)偏压施加到衬底W上，所述衬底W安装在绝缘层形成装置30的安装台51上。RF偏压具有400kHz的频率和约120W的RF功率。在蚀刻等离子体范围中，氟碳 (CFx4)层也在相同的形成条件下形成。因此，将与用于形成无定形碳层相同的RF偏压源施加到衬底W。密封盖层形成为与从CFx4层产生的解吸气体反应。然后，在约350°C的温度下执行预评估退火达M小时。在执行预评估退火之后， 实验试样分别经过应力测试、鼓泡测试和胶带测试。在约400°C的温度下进行应力测试达2 小时。这个实验试样在所有的沉积层、无定形碳层和CFx4层上经过应力测试。图4中还示出了在将透明胶带粘贴到实验试样表面之后的实验试样的俯视图。与应力测试类似，用所应用的RF偏压在蚀刻等离子体范围中形成的所有层都经过鼓泡测试和胶带测试。这表示对于本试样没有观察到层的鼓泡和剥离。在下文中，研究根据本发明的方法形成的氟碳(CFx4)的折射率和厚度。为此，制造多个实验试样，但是只选择当前最佳的CFx4层来用于这种评估。图5示出了用于测量氟碳(CFx4)的折射率和厚度的当前最佳实验试样的等高线图。对于实验试样的厚度和折射率，表I总结了从等高线图获得的平均值、最小值、最大值和非均勻性值。表I :CFx4实验试样的厚度和折射率
权利要求
1.一种用于使用等离子体反应处理来形成氟碳层的方法，所述方法包括如下步骤 在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的压力下，施加微波功率和RF偏压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF偏压的功率不小于20W并且不大于120W。
3.根据权利要求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.根据权利要求3所述的方法，其中，所述微波的频率是约2.45GHz。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF偏压的频率是约400kHz。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氟碳层包括CFx4。
7.一种用于使用等离子体反应处理来形成氟碳层的方法，所述方法包括如下步骤 在压力下施加微波功率和RF偏压，在所述压力下、在没有施加所述RF偏压的情况下所述氟碳层并不沉积，其中，所述压力不小于20mTorr。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述RF偏压的功率不小于20W并且不大于120W。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述压力不大于30mTorr。
10.根据权利要求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.根据权利要求10所述的方法，其中，所述微波的频率是约2.45GHz。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述RF偏压的频率是约400kHz。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述氟碳层包括CFx4。
14.一种用于制造具有氟碳层的半导体装置的方法，所述氟碳层作为绝缘层，所述方法包括如下步骤使用等离子体反应处理在衬底上形成所述氟碳层，其中，在所述形成步骤中，在从20mTorr到60mTorr的压力下，施加微波功率和RF偏压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述RF偏压的功率不小于20W并且不大于 120W。
16.根据权利要求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约2. 45GHz的频率。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述RF偏压的频率是约400kHz。
18.一种用于使用等离子体反应处理来形成氟碳层的方法，所述方法包括如下步骤 施加微波功率和RF偏压；除了等离子激发气体和CF系处理气体之外，还将氧气(0)引入处理室中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述RF偏压的功率不小于20W并且不大于 120W。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在不小于20mTorr并且不大于60mTorr的压力下，施加所述微波功率和所述RF偏压。
全文摘要
一种用于使用等离子体反应处理来形成氟碳层的方法包括施加微波功率和RF偏压的步骤。在从20mTorr到60mTorr的压力下，施加微波功率和RF偏压。
文档编号G01L21/30GK102317752SQ201080008245
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月17日 优先权日2009年2月17日
发明者高羽博之 申请人:东京毅力科创株式会社