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技術 プラズマ損傷保護のための多層誘電体スタック

出願人 アプライドマテリアルズインコーポレイテッド
発明者 シエ,ボーイム,カンサブパン,チョンンゴ,シュアーキム,テワンデモス,アレクサンドロスティー.
出願日 2015年9月8日 (5年10ヶ月経過) 出願番号 2017-520346
公開日 2017年11月16日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-534173
状態 特許登録済
技術分野 絶縁膜の形成 CVD 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード 空気ボイド 導電性特徴 誘電体バリア層 インターコネクト構造 低誘電率誘電体層 マルチレイヤー 低誘電率誘電体 プラズマ処理ステップ
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図面 (5)

課題・解決手段

本開示の実施形態は、一般に、プラズマ損傷耐性のある多層誘電体スタック構成を提供する。薄い保護低誘電率層バルク低誘電率層に堆積させて層スタックを形成する方法が開示されている。その結果、多層スタック誘電率は、プラズマ処理中およびプラズマ処理後に変化しない。

概要

背景

一般に、半導体デバイスは、半導体基板上に製造された集積回路(IC)を形成する複数の回路を含む。信号経路の複雑なネットワークが、通常、基板上に分布した回路素子を接続するように配線される。これらの信号をデバイスにわたって効率的に配線するには、例えば、シングルまたはデュアルダマシン配線構造などのマルチレベルまたはマルチレイヤースキームの形成が必要となる。Cuベースインターコネクトは、アルミニウム(Al)ベースのインターコネクトと比較して、複雑な半導体チップ上の多数のトランジスタ間のより高速信号伝送を提供するので、配線構造は一般に銅(Cu)を含む。

一般的なインターコネクト構造内では、金属ビアは半導体基板に垂直に走り、金属線は半導体基板に平行に走る。信号速度の更なる向上及び隣接する金属線における干渉信号(「クロストーク」として知られている)の低減は、現在のIC製品チップにおいて、金属線及び金属ビア(例えば、導電性特徴部)を、誘電率(k)が3.0未満(low−k)である誘電体材料に埋め込むことによって達成される。より最近では、k値が約3.0未満、さらには約2.5未満の、有機ケイ素層を含む低誘電率誘電体が開発された。

低誘電率有機ケイ素層を開発するために使用された1つの方法は、1種以上の有機ケイ素化合物と1種以上の有機ポロジェン化合物とを含む混合ガスから層を堆積させることであった。ここでは、ポロジェン分子閉じ込められる有機ケイ素マトリックスが生成される。ポロジェン分子は熱的に不安定であり、揮発性化学基を含むことができる。続いて、熱および/または紫外線(UV)放射を使用して、堆積した層からポロジェンおよび/または揮発性の基を除去して、層にナノメートルサイズポアまたはボイドを形成することができる。ポアまたはボイドの存在は、空気が約1の誘電率を有するので、層の誘電率を低下させる。

しかしながら、上記の多孔性低誘電率層は、エネルギーの高いプラズマを伴うその後の半導体処理テップの間に損傷を受けやすい可能性がある。プラズマ損傷の1つの結果は、誘電体層の誘電率の増加であり、これは、隣接する銅線間の寄生容量およびクロストークを増加させる可能性がある。損傷を与えるプラズマ処理ステップの一例は、隣接する銅線からの銅のエレクトロマイグレーションEM)を防止するために使用され得る、銅線の上方または銅線上のコバルト金属キャップまたは誘電体層などのバリア層の堆積を含む。エレクトロマイグレーションは、線間短絡、及び開回路をもたらし得る線内部または界面におけるボイド形成を引き起こし得る。

エレクトロマイグレーションは、超大規模集積VLSI)回路および製造にとっての主な信頼性の懸念の1つであり、バリア層のプラズマ堆積が、今日、ほとんどのデバイスにおいて銅線におけるEMを防止するのに役立つように一般に用いられる。したがって、1つ以上の低誘電率層を形成し、次いで、形成された低誘電率層をバリア層堆積プロセス中のプラズマ損傷から保護し、それによって多層誘電体スタックまたは構造の全体的な誘電率を維持する方法が必要とされている。

概要

本開示の実施形態は、一般に、プラズマ損傷に耐性のある多層誘電体スタック構成を提供する。薄い保護低誘電率層をバルク低誘電率層に堆積させて層スタックを形成する方法が開示されている。その結果、多層スタックの誘電率は、プラズマ処理中およびプラズマ処理後に変化しない。A

目的

Cuベースのインターコネクトは、アルミニウム(Al)ベースのインターコネクトと比較して、複雑な半導体チップ上の多数のトランジスタ間のより高速な信号伝送を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

多層誘電体スタック堆積させる方法であって、第1の厚さを有する第1の層を基板上に堆積させることであって、前記第1の層は、RF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物及び1種以上のポロジェンを供給することによって形成され、且つプラズマチャンバの処理領域で形成される、堆積させることと、前記第1の層の上に、前記第1の厚さよりも薄い第2の厚さを有する第2の層を堆積させることであって、前記第2の層は、前記処理領域でRF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物及び1種以上のポロジェンを供給することによって形成される、堆積させることと、前記第2の層を紫外線照射曝露することであって、多孔性架橋多層誘電体スタックが生成され、前記ポロジェンが前記第1の層及び前記第2の層から除去される、曝露することとを含む方法。

請求項2

前記第2の厚さに対する前記第1の厚さの比が、4:1又はそれより大きい、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記第2の層の多孔度が、前記第1の層の多孔度よりも小さい、請求項1に記載の方法。

請求項4

プラズマプロセスを使用して前記多層誘電体スタック上に金属層を堆積させることであって、前記第2の層が前記プラズマプロセス中に前記第1の層を損傷から保護する、堆積させること、を更に含む、請求項1に記載の方法。

請求項5

多層誘電体スタックを堆積させる方法であって、約550Å〜約3000Åの第1の厚さを有する第1の層を基板上に堆積させることであって、前記第1の層は、RF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物及び1種以上のポロジェンを供給することによって形成され、且つプラズマチャンバの処理領域で形成される、堆積させることと、前記第1の層の上に、約50Å〜約500Åの厚さを有する第2の層を堆積させることであって、前記第2の層は、前記処理領域でRF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物及び1種以上のポロジェンを供給することによって形成される、堆積させることと、前記第2の層を紫外線照射に曝露することであって、多孔性架橋多層誘電体スタックが生成され、前記ポロジェンが前記第1の層及び前記第2の層から除去される、曝露することとを含む方法。

請求項6

前記第2の層の多孔度が、前記紫外線照射への曝露後に約8%〜約15%である、請求項5に記載の方法。

請求項7

前記第2の層の誘電率が、前記紫外線照射への曝露後に約2.6〜約3である、請求項6に記載の方法。

請求項8

前記第1の層の多孔度が、前記紫外線照射への曝露後に約20%〜約35%である、請求項5に記載の方法。

請求項9

前記第1の層の誘電率が、前記紫外線照射への曝露後に約2.0〜約2.6である、請求項8に記載の方法。

請求項10

プラズマプロセスを使用して前記多層誘電体スタック上に金属層を堆積させることであって、前記第2の層が前記プラズマプロセス中に前記第1の層を損傷から保護する、堆積させること、を更に含む、請求項5に記載の方法。

請求項11

基板上に配置された第1の層であって、約550Å〜約3000Åの第1の厚さ、多孔度、及び誘電率を有する多孔性架橋有機ケイ素ネットワーク層を含む第1の層と、前記第1の層の上に配置された第2の層であって、約50Å〜約500Åの厚さを有する多孔性架橋有機ケイ素ネットワーク層を含み、多孔度が前記第1の層の多孔度よりも小さい、第2の層とを含む多層誘電体スタック。

請求項12

前記第1の層の多孔度が、約20%〜約35%である、請求項11に記載の多層誘電体スタック。

請求項13

前記第1の層の誘電率が、約2.6〜約2.0である、請求項11に記載の多層誘電体スタック。

請求項14

前記第2の層の多孔度が、約8%〜約15%である、請求項11に記載の多層誘電体スタック。

請求項15

前記第2の層の誘電率が、約3〜約2.5である、請求項11に記載の多層誘電体スタック。

技術分野

0001

本開示は、一般に、1つ以上の低誘電率誘電体層を含む多層誘電体スタックを含む集積回路の製造に関する。

背景技術

0002

一般に、半導体デバイスは、半導体基板上に製造された集積回路(IC)を形成する複数の回路を含む。信号経路の複雑なネットワークが、通常、基板上に分布した回路素子を接続するように配線される。これらの信号をデバイスにわたって効率的に配線するには、例えば、シングルまたはデュアルダマシン配線構造などのマルチレベルまたはマルチレイヤースキームの形成が必要となる。Cuベースインターコネクトは、アルミニウム(Al)ベースのインターコネクトと比較して、複雑な半導体チップ上の多数のトランジスタ間のより高速信号伝送を提供するので、配線構造は一般に銅(Cu)を含む。

0003

一般的なインターコネクト構造内では、金属ビアは半導体基板に垂直に走り、金属線は半導体基板に平行に走る。信号速度の更なる向上及び隣接する金属線における干渉信号(「クロストーク」として知られている)の低減は、現在のIC製品チップにおいて、金属線及び金属ビア(例えば、導電性特徴部)を、誘電率(k)が3.0未満(low−k)である誘電体材料に埋め込むことによって達成される。より最近では、k値が約3.0未満、さらには約2.5未満の、有機ケイ素層を含む低誘電率誘電体が開発された。

0004

低誘電率有機ケイ素層を開発するために使用された1つの方法は、1種以上の有機ケイ素化合物と1種以上の有機ポロジェン化合物とを含む混合ガスから層を堆積させることであった。ここでは、ポロジェン分子閉じ込められる有機ケイ素マトリックスが生成される。ポロジェン分子は熱的に不安定であり、揮発性化学基を含むことができる。続いて、熱および/または紫外線(UV)放射を使用して、堆積した層からポロジェンおよび/または揮発性の基を除去して、層にナノメートルサイズポアまたはボイドを形成することができる。ポアまたはボイドの存在は、空気が約1の誘電率を有するので、層の誘電率を低下させる。

0005

しかしながら、上記の多孔性低誘電率層は、エネルギーの高いプラズマを伴うその後の半導体処理テップの間に損傷を受けやすい可能性がある。プラズマ損傷の1つの結果は、誘電体層の誘電率の増加であり、これは、隣接する銅線間の寄生容量およびクロストークを増加させる可能性がある。損傷を与えるプラズマ処理ステップの一例は、隣接する銅線からの銅のエレクトロマイグレーションEM)を防止するために使用され得る、銅線の上方または銅線上のコバルト金属キャップまたは誘電体層などのバリア層の堆積を含む。エレクトロマイグレーションは、線間短絡、及び開回路をもたらし得る線内部または界面におけるボイド形成を引き起こし得る。

0006

エレクトロマイグレーションは、超大規模集積VLSI)回路および製造にとっての主な信頼性の懸念の1つであり、バリア層のプラズマ堆積が、今日、ほとんどのデバイスにおいて銅線におけるEMを防止するのに役立つように一般に用いられる。したがって、1つ以上の低誘電率層を形成し、次いで、形成された低誘電率層をバリア層堆積プロセス中のプラズマ損傷から保護し、それによって多層誘電体スタックまたは構造の全体的な誘電率を維持する方法が必要とされている。

0007

本開示の実施形態は、一般に、バルク低誘電率層の上および上方に薄い保護低誘電率層を含む多層スタックを堆積する方法に関し、保護層は、その後のプラズマ処理ステップでのバルク低誘電率層へのプラズマ損傷を防止する。その結果、多層スタックの誘電率は、プラズマ曝露後に変化しない。さらなる実施形態は、プラズマ損傷耐性の多層誘電体スタック構成を開示する。

0008

本開示の実施形態は、第1の厚さを有する第1の層であって、プラズマチャンバの処理領域にRF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンを供給することによって形成される第1の層を、基板上に堆積させ、第1の厚さより薄い第2の厚さを有する第2の層を、第1の層の上に堆積させる方法を更に提供する。第2の層は、処理領域にRF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンを供給し、次いで第2の層をUV照射曝露することによって形成することができ、多孔性架橋多層誘電体スタックが生成され、ポロジェンが第1の層および第2の層から除去される。

0009

本開示の実施形態は、約550Å〜約3000Åの第1の厚さを有する第1の層であって、1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンをRF電力の存在下で供給することによって形成され、プラズマチャンバの処理領域内に形成される第1の層を、基板上に堆積させ、約50Å〜約500Åであり得る厚さを有する第2の層を第1の層の上に堆積させる方法を、さらに提供し得る。第2の層は、処理領域にRF電力の存在下で1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンを供給し、第2の層を紫外線照射に曝露することによって形成することができ、多孔性架橋多層誘電体スタックが生成され、ポロジェンが第1の層および第2の層から除去される。

0010

本開示の実施形態は、基板上に配置された第1の層であって、約550Å〜約3000Åの第1の厚さ、多孔度、及び誘電率を有する多孔性架橋有機ケイ素ネットワーク層を含む第1の層、並びに、第1の層の上に配置された第2の層であって、約50Å〜約500Åの厚さを有する多孔性架橋有機ケイ素ネットワーク層を含み、第2の層の多孔度は第1の層の多孔度より小さい、第2の層、を含む多層誘電体スタックをさらに提供し得る。

0011

本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、実施形態の幾つかは添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は、本開示の代表的な実施形態のみを示しており、従って、その範囲を限定すると見なされるべきではなく、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容しうることに、留意されたい。

図面の簡単な説明

0012

本開示の一実施形態による、多層スタックの少なくとも一部を形成する方法に関連するステップを示すフローチャートである。
本開示の一実施形態による、図1Aに記載された堆積方法の一部を表す断面図を示す。
本開示の実施形態による、プラズマ処理前後の層および多層誘電体スタックの誘電率(k)値の変化をグラフで示す。
本明細書で提供される開示の1つ以上の実施形態を使用して形成された誘電体層の物理的特性の表である。

実施例

0013

本開示は、厚いバルク低誘電率層上の薄い保護低誘電率層を含む多層スタックを堆積させるための方法および実施形態を提供し、薄い層は、1つ以上のその後のプラズマ処理ステップ中におけるバルク層へのプラズマ損傷を防止する。薄い保護層は、バルク層よりも高密度高弾性率、高硬度および低多孔度を特徴とし得、したがってプラズマ損傷に対してより耐性である。このように構成された多層誘電体スタックの全体的な誘電率(k)値は、プラズマ処理中およびプラズマ処理後に有利に維持される。

0014

保護されていないバルク誘電体層を損傷する可能性があるプロセスの一例は、銅のエレクトロマイグレーション(EM)を防止するために、および/またはエッチストップとして使用することができる、銅の信号線の上および/または上方に配置された金属キャッピング層または誘電体層などのバリア層の堆積である。Applied MaterialのVolta(商標コバルトなどのコバルト金属キャップ、またはApplied MaterialのBLOk(商標)炭化ケイ素などの誘電体バリアを銅線上におよび/または銅線の上方に堆積することは、露出された誘電体材料を、前洗浄(例えば、酸化銅の洗浄および金属の還元)および/またはバリア層堆積プロセスのために使用されるプラズマに曝露することを含む。これらのプロセスは、一般に高エネルギーであり、露出された低誘電率誘電体層(複数可)の電気的および物理的特性がプラズマへの曝露によって劣化する可能性があるため、露出された低誘電率誘電体層(複数可)の保護を必要とする。バリア層堆積システムのそれぞれの例には、Applied Endura(登録商標)Volta(商標)CVD(化学気相堆積)コバルトシステムおよびApplied Producer(登録商標)BLOk(商標)PECVD(プラズマ化学気相堆積)システムが含まれ、両方ともカリフォルニアサンタクララに位置するApplied Materials,Inc.から入手可能である。更なる方法の詳細が、本開示において後で見出される。

0015

本開示の実施形態における低誘電率誘電体層は、1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上の有機ポロジェン化合物を含む混合ガスから堆積される。ここでは、ポロジェン分子が閉じ込められる有機ケイ素マトリックスが生成される。ポロジェン分子は熱的に不安定であるか、又は揮発性の化学基を含む。続いて、熱および/またはUV放射を使用して、堆積した層からポロジェンおよび/または揮発性の基を除去して、層にナノメートルサイズのポアまたはボイドを形成することができ、これは、空気が約1の誘電率を有するので、層の誘電率を低下させる。熱またはUV照射に曝露した後、本明細書で提供される開示の実施形態は、架橋ネットワークを一般に含み、空気ボイド並びにケイ素酸素、ケイ素−炭素、及び炭素−水素化学結合をさらに含む多孔性低誘電率層を提供し得る。

0016

図1Aは、本開示の実施形態による、1つ以上の低誘電率層を形成するために使用される堆積方法100に関連するステップを示すフローチャートである。図1B〜図1Dは、図1Aに示す堆積方法の1つ以上の部分を表す断面図を示し、方法100の様々な段階を図式的に示す。方法100の開始時に、ボックス101で、1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンが、第1のRF電力の存在下でプラズマチャンバに供給され、基板106が、温度制御された基板ホルダまたは静電チャック上にある。基板106は、処理中に約200℃と約350℃との間の温度に平衡化され、維持されてもよい。使用され得るプラズマチャンバの一例は、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から入手可能な、Black Diamond(登録商標)層を堆積させるApplied Producer(登録商標)チャンバである。しかし、低誘電率誘電体層を堆積させるために、他のチャンバを使用してもよい。さらなる方法およびハードウェアに関連する詳細について、以下に論ずる。

0017

次に、図1Aのボックス102において、対応する図1Bに示すように、第1の厚さを有する低誘電率有機ケイ素層107(バルク低誘電率層107)が、第1のRF電力並びに有機ケイ素およびポロジェン前駆体の第1の流量の存在下で、基板106上に堆積され、スタック108を形成する。次に図1Aのボックス103において、RF電力並びに有機ケイ素およびポロジェン化合物の流量が、ボックス104の前に下げられる。ボックス104の間に実行されるプロセスは、図1Cに示されるように、バルク低誘電率層107より薄くてもよい保護低誘電率層109の制御された堆積を含み、それにより多層スタック110をもたらす。

0018

次に、ボックス105において、図1Cおよび図1Dに示すように、多層スタック110は、UV照射に110を曝すなどの硬化プロセスの使用によって硬化される。熱およびUV照射の組み合わせは、有機ケイ素ネットワークを架橋し、バルク低誘電率層107および保護低誘電率層109の両方からポロジェンを除去する。特に、保護低誘電率層109は、所望の電気的および機械的特性、並びにその後のプラズマ処理ステップの間におけるプラズマ損傷に対する耐性を依然として維持しながら、ポロジェンが、下にあるバルク低誘電率層107からガス放出および除去されるのに十分に薄く多孔性である。したがって、UV曝露およびポロジェン材料喪失の結果として、層107および109は、バルク低誘電率層111および保護低誘電率層112にそれぞれ変換され、これらの層は各々、空気を含むボイド又はポアを含む材料層を含む。バルク低誘電率層111および保護低誘電率層112は、図1Dに示す多層誘電体スタック113の少なくとも一部を形成する。図3の表は、UV曝露後のバルク低誘電率層111と保護低誘電率層112の固有の特性を比較し、誘電率、多孔度、弾性率、および硬度を含む層間の差を強調する。低誘電率誘電体層に使用され得る市販のUVチャンバの例は、Applied Materials,Inc.のApplied Producer(登録商標)Nanocure(商標)チャンバである。さらなる方法の詳細が、本開示において後で見出される。

0019

ボックス105に示すプロセスを実行した後、多層スタック113は、電子デバイス内に形成される集積回路の少なくとも一部を形成するために、さらに処理される。これは、典型的には、デュアル及び/又はシングルダマシンプロセスを含み、一般に以下のステップを含む:低誘電率誘電体上で且つそれを覆うフォトレジストの堆積及びパターニングビア及びトレンチを形成するための誘電体エッチング銅マイグレーションを防止するための、形成されたトレンチおよびビアのトポグラフィを覆う薄いバリア層の堆積、銅のシードの堆積、その後の銅の電気メッキおよび化学機械平坦化。

0020

平坦化後、残存する銅酸化物還元プラズマ処理によって除去して、清浄金属銅表面を形成し、その上に、アモルファス炭化ケイ素バリア層などの、コバルトおよび誘電体バリア層が、銅エレクトロマイグレーションを防止するため及び/又はエッチストップとして働くために、堆積され得る。一例として、汚染された銅表面の洗浄は、RFプラズマの存在下での還元剤への銅の曝露を含むことができ、還元剤は、窒素アンモニア、水素、アンモニア/窒素混合物、又はそれらの組合せを含み得る。このようにして得られた金属銅表面は、約200℃〜約350℃でシクロペンタジエニルコバルトビスカルボニル)などのコバルト含有化学試薬に更に曝されて、銅表面または特徴上でのコバルト金属の選択的化学気相堆積をもたらし得る。さらなるステップは、コバルト堆積および還元プラズマ処理のサイクルを交互に2,3回またはそれ以上実行して、各サイクル中に約3Å〜約5Åの範囲内の複数の金属コバルトキャッピング層を堆積させることを含むことができる。別のステップは、コバルトで上を覆われた銅線上の且つそれを覆うアモルファス炭化ケイ素(例えば、Applied MaterialsBLOk(商標))などの誘電体バリア層の堆積を含むことができる。

0021

次に、ボックス102に戻って、より詳細に参照すると、バルク低誘電率層107の堆積パラメータは、第2の保護低誘電率層109の堆積パラメータとは対照的であり、一般に、より高いRF電力並びに1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンのより高い堆積速度を含む。例えば、バルク低誘電率層107は、約50Wと約900Wの間、約750Wと約900Wの間のRF電力の存在下で堆積させることができる。バルク低誘電率層107の堆積速度は、毎分約3000Åと約4500Åの間であり得、約550Åと約3000Åの間、約1000Åと約2500Åの間の層の厚さを生じ得る。

0022

ボックス103および104に戻って参照すると、バルク低誘電率層107を形成するために使用されたプロセスパラメータは、保護低誘電率層109を形成するために調整される。例えば、いくつかの実施形態では、バルク低誘電率層107を堆積させるために使用されるRF電力と比較して、保護低誘電率層109を堆積させるために、5分の1以下のRF電力が使用される。したがって、保護低誘電率層109は、約50Wと約200Wの間、約100Wと約175Wの間のRF電力の存在下で堆積させることができる。換言すれば、バルク低誘電率層107を形成するために使用される第1の堆積プロセス中に使用される平均RF電力と、保護低誘電率層109を形成するために使用される第2の堆積プロセス中に使用される平均RF電力の比は、約5:1であるか、それより大きい。保護層109の厚さは、バルク低誘電率層107の4分の1以下であり、約1:4又はそれより小さい厚さの比を含むので、保護低誘電率層109の堆積速度は、バルク低誘電率層107より低くてもよい。例えば、保護低誘電率層109の堆積速度は、約500Å/分〜約1300Å/分とすることができ、層の厚さは、約50Å〜約500Åとすることができる。一例では、保護低誘電率層109を形成するために使用される第2の堆積プロセスの堆積速度に対するバルク低誘電率層107を形成するために使用される第1の堆積プロセスの堆積速度の比は、約2.6:1であるか、又はそれより大きい。先に議論したように、堆積パラメータの差は、多層誘電体スタック113をもたらし、それは、基板106並びにUV曝露後の層111および112を含み、最も有利には、多層誘電体スタック113の全体的な誘電率は、その後のプラズマ処理の間および後に変化しないままである。

0023

図2に示すように、バルク低誘電率誘電体層の上または上方に配置された保護低誘電率誘電体層を使用することにより、大きな利点が実現される。図示されているように、保護低誘電率層112を有しないバルク低誘電率層111は、金属キャッピング層などのバリア層を形成するために使用されるプラズマ条件に曝されたときに、22%のk値の相対的増加を示す。対照的に、バルク低誘電率層111および保護低誘電率層112Aからなる多層誘電体スタック113の相対的なk値は、保護低誘電率層112Aが50Åの厚さである場合、14%しか増加しない。特に、図2に示されているように、保護低誘電率層112Aが100Åの厚さを含む場合、保護低誘電率層112Aをプラズマに曝した後に(例えば、バリア層形成ステップ)、全体的なk値の検出可能な増加は検出されない。また、図2には、保護低誘電率層112Bを含む多層誘電体スタック113のk値の相対的変化が示されており、112Bは50Åの厚さと100Åの厚さを含む。ここでは、同じ傾向が観察され、保護されていないバルク低誘電率層111の場合、22%であるのに対して、k値の相対的な増加がそれぞれ18%と7%である。上記のことから、保護低誘電率層112Aの堆積パラメータは、ポロジェン除去後の層の厚さおよび層の誘電率を制御及び維持するように、保護低誘電率層112Bとは、1.6分の1の堆積速度および2倍高いポロジェン流量で異なることが分かる。

0024

図3は、バルク多孔性低誘電率層111、並びに各々がバルク多孔性低誘電率層111の上方にまたは直接上に別個に形成することができる保護低誘電率層112Aおよび112Bについて、いくつかの例示的な特性を表形式で要約したものである。示されているように、バルク多孔性低誘電率層111とは対照的に、保護層は、より高い誘電率、より低い多孔度を含み、より高い弾性率およびより高い硬度値を有する材料を更に含む。

0025

形成された保護低誘電率層112Aまたは112Bのより高い弾性率および硬度の値は、後続の半導体処理ステップの間に、多孔性低誘電率層を含む従来の多層誘電体スタックで見られる共通の問題を解決することもできると考えられる。後で処理される従来の多孔性低誘電率層は、形成された層に多孔性およびボイドが導入されるため、弾性率、硬度、および破壊靱性などの機械的特性が低下または損なわれることがある。機械的特性が低下するため、化学機械平坦化などの後続の半導体プロセスステップ中に、形成された層に誘発される任意の著しい応力は、形成された低誘電率層のクラッキング層間剥離および/または構造不良を引き起こす可能性がある。しかしながら、本開示の実施形態では、より脆い、より多孔性のバルク低誘電率層111の上または上方に配置される、より剛性のある、より硬い保護低誘電率層112Aおよび112Bが、熱的および機械的損傷がバルクの多孔性低誘電率層111に生ずるのを防止し、したがって、多層誘電体スタック113の完全性をさらに保護する。

0026

いくつかの実施形態では、バルク低誘電率層111の上および上方に配置された保護低誘電率層112Aまたは112Bの厚さに関連して、別の利益が実現され得る。保護層は、多層誘電体スタックの全体的なk値を上げることなく、約50Å〜約500Åの厚さで堆積させることができる。例えば、保護低誘電率層112Aまたは112Bは、多層誘電体スタックの全体的なk値を上げることなく、少なくとも50Åの厚さである。別の例では、保護低誘電率層112Aまたは112Bは、多層誘電体スタックの全体的なk値を上げることなく、少なくとも100Åの厚さである。バルク低誘電率層よりも薄く、約1:4又はそれより小さい厚さの比を含む、より密度が高く、より多孔性が低く、より高い誘電率の保護低誘電率層は、比類なく、多層スタックの全体的な誘電率を上昇させないことがあり、したがって、隣接する銅線間の寄生容量およびクロストークを増加させないことがある。

0027

さらに、上述の層の厚さに関して、保護低誘電率層109の多孔度は、下層のバルク低誘電率層107からのポロジェンの噴出に十分であるべきであり、従って、UV照射及び熱に曝されたときに、下層のバルク低誘電率層107からのポロジェンの噴出またはガス放出を阻止してはならず、保護低誘電率層109の多孔度は、下層のバルク低誘電率層107からのポロジェンの噴出を可能にするために、約5%以上であり得る。一例では、保護低誘電率層109の多孔度は、下層のバルク低誘電率層107からのポロジェンの噴出を可能にするために、約1%〜約25%であり得る。別の例では、保護低誘電率層109の多孔度は、下層のバルク低誘電率層107からのポロジェンの噴出を可能にするために、約5%〜約12%であり得る。さらに別の例では、バルク低誘電率層107に対する保護低誘電率層109の多孔度の比は、約0.4〜約0.5である。バルク低誘電率層111の上方または上に配置される保護低誘電率層112(例えば、保護低誘電率層112Aまたは112B)の厚さおよび平均多孔度は、硬化前のバルク低誘電率層107内に配置されたポロジェンが、ステップ105で実行されるプロセスの間に保護低誘電率層109を通って拡散することができることを、保証するように一般に構成される。表3に示すような、保護低誘電率層112Aまたは112Bのいずれかと同様の特性を有する保護低誘電率層を形成することにより、望ましい誘電率、機械的特性、ポア密度及び厚さを有する多層誘電体スタックが得られると考えられる。

0028

図1Aのボックス101〜105に詳細に戻ると、1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンが導入されるチャンバは、プラズマ化学気相堆積(PECVD)チャンバであってもよい。堆積プロセスのためのプラズマは、一定の高周波(RF)電力パルスRF電力、高周波RF電力、二周波RF電力、またはそれらの組み合わせを用いて生成されてもよい。使用され得るPECVDチャンバの例は、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から入手可能なApplied Producer(登録商標)Black Diamond(登録商標)チャンバである。しかし、低誘電率層を堆積させるために、他のチャンバを使用してもよい。

0029

本開示のいくつかの実施形態において、1種以上の有機ケイ素化合物は、シロキサンシラノールシリルエーテルシランシリルヒドリド、シリリデン、シレンシリルハライドシロール、及びそれらの組合せを含む群から、一般に選択される。1種以上の有機ケイ素化合物は、メチルジエトキシシラン(MDEOS)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、トリメチルシランTMS)、ペンタメチルシクロペンタシロキサンヘキサメチルシクロトリシロキサンジメチルジシロキサンテトラメチルジシロキサンヘキサメチルジシロキサン(HMDS)、1,3−ビスシラノメチレン)ジシロキサン、ビス(1−メチルジシロキサニル)メタン、ビス(1−メチルジシロキサニル)プロパンヘキサメトキシジシロキサン(HMDOS)、ジメチルジメトキシシランDMDMOS)、またはジメトキシメチルビニルシランDMMVS)であってもよい。

0030

本開示の実施形態におけるポロジェンは、一般に、熱的に不安定な化合物であり、熱的に不安定な基を含み得る。ポロジェンおよび熱的に不安定な基は、不飽和環有機基などの環式基であってもよい。本明細書で使用される「環式基」という用語は、環構造を指すものとする。環構造は、わずか3個の原子を含んでもよい。原子は、例えば、炭素、窒素、酸素、フッ素、およびそれらの組み合わせを含むことができる。環式基は、1つ以上の単結合二重結合三重結合、およびそれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、環式基は、1種以上の芳香族化合物アリールフェニルシクロヘキサンシクロヘキサジエンシクロヘプタジエン、およびそれらの組み合わせを含み得る。環式基は、二環式または三環式であってもよい。一実施形態では、環式基は、直鎖状または分枝官能基に結合している。直鎖状または分枝状官能基は、好ましくは、アルキルまたはビニルアルキル基を含み、1〜20個の炭素原子を有する。直鎖状または分枝状官能基はまた、ケトンエーテルおよびエステルなどにおけるように、酸素原子を含むことができる。ポロジェンは、環式炭化水素化合物を含むことができる。用いられ得る幾つかの例示的なポロジェンは、ノルボルナジエン(BCHD、ビシクロ(2.2.1)ヘプタ−2,5−ジエン)、α−テルピネンATP)、ビニルシクロヘキサンVCH)、フェニルアセテートブタジエンイソプレン、シクロヘキサジエン、1−メチル−4−(1−メチルエチル)−ベンゼンシメン)、3−カレンフェンコンリモネンシクロペンテンオキシド、ビニル−1,4−ジオキシニルエーテル、ビニルフリルエーテル、ビニル−1,4−ジオキシン、ビニルフラン、メチルフロエート、フリルホルマート、フリルアセテートフルアルデヒドジフリルケトン、ジフリルエーテル、ジフルフリルエーテル、フラン、および1,4−ジオキシンを含む。

0031

バルク低誘電率層107の堆積を含む本開示のいくつかの実施形態では、1種以上の有機ケイ素化合物の流量は、約100ミリグラム/分(mg/分)〜約5000mg/分、及び約100〜約5000mg/分であり得る。保護低誘電率層109の堆積のために、1種以上の有機ケイ素化合物の流量は、約100mg/分〜約5000mg/分、および約100〜約5000mg/分であり得る。1種以上のポロジェンの流量は、約100mg/分〜約5000mg/分、および約100〜約5000mg/分であり得る。1種以上の有機ケイ素化合物および1種以上のポロジェンの流量に応じて、層の堆積は、約15秒〜約500秒の時間を有し得る。

0032

いくつかの実施形態では、O2、N2O、CO2またはこれらの組み合わせなどの酸化性ガスを、約50sccm〜約500sccmの流量でチャンバに導入することができる。ヘリウムアルゴン、または窒素などの希釈またはキャリアガスを、約500sccm〜約3000sccmの流量でチャンバに導入することもできる。酸化性ガスは、酸化によって層中の炭素および水素含有量を低下させ、保護低誘電率層112およびバルク低誘電率層111の機械的および電気的特性に影響を及ぼすために使用されてもよい。

0033

図1Aのボックス101〜104に詳細に戻ると、基板は、典型的には、堆積中に約200℃と約350℃との間の温度に維持される。チャンバ圧力は、約1トール〜約20トール、約5トール〜約10トールであってもよい。基板支持体とチャンバシャワーヘッドとの間の間隔は、約200ミル〜約1500ミルであってもよい。RF電力は、約0.01MHz〜約300MHz、例えば約13.56MHzの周波数で供給される。RF電力は、約13.56MHzの高周波数および約350kHzの低周波数などの混合周波数で供給されてもよい。RF電力は、基板の加熱を低減し、堆積層のより大きな多孔性を促進するために、サイクル化またはパルス化されてもよい。

0034

図1Aのボックス105を参照すると、図1Cおよび図1Dに示すように、バルク低誘電率層107および保護低誘電率層109は、ポロジェン除去のためにUV照射および他の後処理に曝されてもよい。一般に、本開示の実施形態において、使用され得る後処理には、電子ビーム(e−beam)処理、UV処理熱アニール処理(電子ビームおよび/またはUV処理の非存在下で)、並びにそれらの組合せが含まれる。用いることができる例示的なUV後処理条件には、約1トール〜約10トールのチャンバ圧力と約250℃〜約400℃の基板支持体温度が含まれる。熱処理は、ポロジェン除去量およびポロジェン除去速度を増加させるために、使用され得る。

0035

UV照射は、水銀マイクロ波アークランプ、パルスキセノンフラッシュランプ、または高効率UV発光ダイオードアレイなどの任意のUV源によって、提供されてもよい。UV照射は、約170nm〜約400nmの波長を有することができる。一実施形態では、多層スタック110は、約60〜600秒などのUV照射に曝されて、両方の層を架橋し、両方の層からポロジェンを除去する。Applied Materials,Inc.のApplied Producer(登録商標)Nanocure(商標)チャンバーは、UV後処理に使用できる市販のチャンバーの一例である。しかし、低誘電率誘電体層のUV曝露および処理を行うために、他のチャンバを使用してもよい。

0036

いくつかの実施形態では、熱アニール後処理は、チャンバ内で、約200℃〜約500℃の基板温度で、約2秒〜約3時間、例えば約0.5〜約2時間の間、層をアニールすることを含む。ヘリウム、水素、窒素、またはそれらの混合物などの非反応性ガスが、約100〜約10,000sccmの流量でチャンバに導入されてもよい。チャンバ圧力は、約1ミリトール〜約10トールに維持される。好ましい基板間隔は、約300ミル〜約800ミルであってもよい。

0037

上記は本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態を、その基本的な範囲から逸脱することなく、考え出すことができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

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