沉积低K介电膜的系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请主张于2020年6月29日提交的标题为“用于沉积低K介电膜的系统及方法”(SYSTEMS AND METHODS FOR DEPOSITING LOW-KDIELECTRIC FILMS)的美国专利申请第16/914,960号的优先权，此申请以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本申请涉及沉积工艺及腔室。更具体而言，本申请涉及产生可以不使用UV处理的低K膜的方法。

背景技术

集成电路可通过在基板表面上产生复杂图案化材料层的工艺来制造。在基板上产生图案化材料需要用于形成及去除材料的控制方法。材料特性可能影响器件操作方式，并且也可能影响膜相对于彼此去除的方式。等离子体增强沉积可产生具有某些特征的膜。形成的许多膜需要额外处理来调整及增强膜的材料特性，以提供适当性质。

因而，需要可用于产生高质量器件及结构的改善系统及方法。本技术可解决这些及其他需求。

发明内容

形成含硅氧碳材料的示例性方法可包括以下步骤：使含硅氧碳前驱物流进半导体处理腔室的处理区中。基板可安放在半导体处理腔室的处理区内。方法可包括以下步骤：在含硅氧碳前驱物的处理区内形成等离子体。等离子体可以在小于15MHz(例如，13.56MHz)的频率下形成。方法可包括以下步骤：在基板上沉积含硅氧碳材料。所沉积的含硅氧碳材料可由范围为3.0至3.3的介电常数及范围为3.5GPa至6.0GPa的硬度表征。

在一些实施例中，含硅氧碳前驱物可包括氧。含硅碳前驱物可由大于1的碳与硅比例来表征。等离子体可以在低于15MHz的频率下形成。所沉积的含硅氧碳材料可由低于3.5(例如，3.0至3.3)的介电常数来表征。所沉积的含硅碳材料可由大于或约为3.5Gpa的硬度来表征。所沉积的含硅碳材料可由大于或约为5Gpa的杨氏模量来表征。所沉积的含硅碳材料可由小于或约3％(例如，1.5％至2.25％)的甲基掺入来表征。所沉积的含硅碳材料可由在0.15％至0.3％的范围中的Si-C-Si键相对于总硅键的百分比来表征。

本申请的一些实施例可包含形成含硅碳材料的方法。方法包括以下步骤：将沉积前驱物提供进半导体处理腔室的处理区中，其中将基板安放在半导体处理腔室的处理区内，以及其中沉积前驱物以式1表征：

/>

其中在式1中，

R

R

R

R

方法可包括以下步骤：在沉积前驱物的处理区内形成等离子体。等离子体可以在低于15MHz的频率下形成。方法可包括以下步骤：在基板上沉积含硅碳材料。所沉积的含硅碳材料可由低于3.5的介电常数及范围为3.5GPa至6.0GPa的硬度来表征。

在一些实施例中，沉积前驱物可由大于或约为3的碳与硅的比例来表征。沉积前驱物可由大于或约为1.5的氧与硅的比例来表征。所沉积的含硅碳材料可由低于或约为3.5的介电常数来表征。所沉积的含硅碳材料可由大于或约为3Gpa的硬度来表征。所沉积的含硅碳材料可由大于或约5Gpa的杨氏模量来表征。所沉积的含硅碳材料可由低于或约3％的甲基掺入来表征。所沉积的含硅碳材料可由在0.15％至0.3％的范围中的Si-C-Si键相对于总硅键的百分比来表征。

本申请的一些实施例可包含形成含硅碳材料的方法。方法可以包括以下步骤：使含硅氧碳前驱物流进半导体处理腔室的处理区中。基板可安放在半导体处理腔室的处理区内。方法可包含以下步骤：在含硅碳氧前驱物的处理区内形成等离子体。等离子体可以在低于15MHz的频率下形成。方法可包括以下步骤：在基板上沉积含硅碳材料。所沉积的含硅碳材料可由低于3.5的介电常数来表征。

在一些实施例中，所沉积的含硅碳材料可由大于或约为3Gpa的硬度来表征。所沉积的含硅碳材料可由大于或约为5Gpa的杨氏模量来表征。所沉积的含硅碳材料可由低于或约为3％的甲基掺入来表征。所沉积的含硅碳材料可由在0.15％至0.3％的范围中的Si-C-Si键相对于总硅键的百分比来表征。

此种技术可提供优于常规系统及技术的众多益处。例如，利用高频功率可改良沉积特征。另外，将低K形成减少至单腔室工艺可降低生产成本、所有权成本及生产队列时间。结合以下描述及附图更详细地描述这些及其他实施例，以及其许多优势及特征。

附图说明

通过参考说明书的其余部分及附图，可以实现对所揭示技术的性质及优点的进一步理解。

图1根据本技术的一些实施例示出示例性处理系统的顶部平面图。

图2根据本技术的一些实施例示出示例性等离子体系统的示意剖视图。

图3根据本技术的一些实施例示出半导体处理的示例性方法的操作。

附图中的一些附图作为示意图包含在内。应理解，附图仅用于说明目的，除非特别说明为按尺度或成比例，否则不应视为按尺度或成比例。另外，作为示意图，提供这些附图有助于理解，并且与现实的表示相比可不包含所有方面或信息，并且为了说明目的可包含夸大的材料。

在附图中，类似的部件和/或特征可具有相同附图标记。此外，可通过在附图标记后面加上一个区分类似部件的字母来区分相同类型的各种部件。若在说明书中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任一者，而不论字母如何。

具体实施方式

在后段半导体处理期间，可产生促进金属化的结构，诸如双重镶嵌结构。这些结构可通过使用掩模及低K膜的若干处理步骤而产生，这些膜可被处理及去除。利用化学机械工艺来执行去除步骤，此化学机械工艺包括一定量的要去除材料的物理磨损。低K膜可由相对较低硬度及拉伸模数来表征，此较低硬度及拉伸模数在研磨期间可限制膜的有效性，因为研磨期间的高剪切应力可使低K膜产生裂纹并导致器件失效。为了提高硬度并保持较低K值，许多常规技术不得不包括如UV固化的额外处理步骤来提高膜硬度。这些额外工艺可显著降低产量并且经常需要工具上的额外处理腔室。

本技术可提供所沉积的低K膜来克服这些问题，所沉积的低K膜可由较高硬度来表征。通过利用由特定氧与碳比例表征的特定前驱物来在较高温度下执行沉积，可在膜内增大硅和氧化物键合，同时保持所需的碳部分比率以保持降低的介电常数。这可克服介电常数随模量及硬度增长的自然趋势，同时也减少处理期间所需的操作数。特定而言，本技术在沉积之后可不利用后续处理，包括UV暴露、等离子体处理、或其他处理操作来后处理膜以提高硬度。

尽管剩余揭示内容将例行地确定利用本揭示技术的特定沉积工艺，但是将容易理解的是，系统及方法同样适用于其他沉积及清洁腔室，以及可能发生在此些腔室中的工艺。因此，本技术不应被认为仅限制于与这些特定沉积工艺或腔室一起使用。在描述根据本揭示的实施例的额外细节之前，本揭示将论述一个可能的系统及腔室，其可用于根据本技术的实施例执行沉积工艺。

图1根据实施例示出具有沉积、蚀刻、烘烤、及固化腔室的处理系统100的一个实施例的顶部平面图。在附图中，一对前开式标准舱102供应各种尺寸的基板，基板由机械臂104接收并且放入低压保持区106中，随后再放入位于串联部分109a-c中的基板处理腔室108a-f中的一者中。第二机械臂110可用于将基板晶片从保持区106传送至基板处理腔室108a-f并返回。每个基板处理腔室108a-f，可经装配以执行若干基板处理操作，包括形成本文描述的半导体材料堆叠，以及等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、蚀刻、预清洁、脱气、定向、及其他基板工艺，包括退火、灰化等。

基板处理腔室108a-f可包括一个或多个系统部件，用于在基板上沉积、退火、固化和/或蚀刻介电膜及其他膜。在一个配置中，两对处理腔室，例如108c-d及108e-f，可用于在基板上沉积介电材料，并且第三对处理腔室，例如108a-b，可用于蚀刻所沉积电介质。在另一配置中，所有三对腔室，例如108a-f，可经配置以在基板上沉积交替介电膜堆叠。所描述工艺的任一个或多个可在与不同实施例中示出的制造系统分隔开的腔室中进行。应理解，系统100考虑具有用于介电膜的沉积、蚀刻、退火及固化腔室的另外的配置。

图2根据本技术的一些实施例示出示例性等离子体系统200的示意剖视图。等离子体系统200可示出可与上述串联部分109的一个或多个中适配的一对处理腔室108，并且其可包括根据本技术的实施例的盖堆叠部件，并且下文将进一步解释。等离子体系统200大体可包括腔室主体202，其具有侧壁212、底壁216、及定义一对处理区220A及220B的内侧壁201。处理区220A-220B中的每一者可类似地配置，并且可包括相同部件。

例如，处理区220B(其部件也被包括入处理区220A中)可包括通过形成于等离子体系统200中底壁216中的通道222而设置在处理区中的基座228。基座228可提供一加热器，其适于在基座的暴露表面(诸如主体部分)上支撑基板229。基座228可包括加热元件232，例如电阻式加热元件，其可按期望工艺温度加热及控制基板温度。基座228也可通过远程加热元件，诸如灯组件、或任何其他加热装置来加热。

基座228的主体可通过凸缘233耦接至主干226。主干226可将基座228与电源插座或电源箱203电耦接在一起。电源箱203可包括一驱动系统，此驱动系统控制基座228在处理区220B内的提升及移动。主干226也可包括用于将电功率提供至基座228的电源接口。电源箱203也可包括用于电功率及温度指示器的接口，诸如热电偶接口。主干226可包括适于与电源箱203可拆卸式耦接的基底组件238。在电源箱203上方示出圆周环235。在一些实施例中，圆周环235可以是适于作为机械止动件或台阶的肩部，其经配置以在基底组件238与电源箱203的上表面之间提供机械接口。

杆230可被包括而穿过形成于处理区220B的底壁216中的通道224，并且可用于将基板升举销261设置穿过基座228的主体。基板升举销261可选择性地将基板229与基座分隔开以促进基板229与机器人交换，此机器人用于经由基板传送口260将基板229传送进出处理区220B。

腔室盖204可与腔室主体202的顶部耦接。盖204可容纳与其耦接的一个或多个前驱物分配系统208。前驱物分配系统208可包括前驱物入口通道240，其可经由双通道喷淋头218将反应物及清洁前驱物传送进处理区220B中。双通道喷淋头218可包括环形底板248，其具有设置在面板246中间的阻挡板244。射频(RF)源265可与双通道喷淋头218耦接，其可以是双通道喷淋头218供电以在双通道喷淋头218的面板246与基座228之间产生等离子体区。双通道喷淋头218和/或面板246可包括一个或多个开口，从而允许前驱物从前驱物分配系统208流至处理区220A和/或220B。在一些实施例中，开口可包括直型开口与圆锥形开口中的至少一个。在一些实施例中，RF源可与腔室主体202的其他部分(诸如基座228)耦接，以促进等离子体生成。介电绝缘体258可设置在盖204与双通道喷淋头218之间，以防止将RF源传导至盖204。遮蔽环206可设置在基座228外围，与基座228接合。

可选的冷却通道247可在前驱物分配系统208的环形底板248中形成，以在运行期间冷却环形底板248。热传送流体，诸如水、乙二醇、气体等，可经由冷却通道247循环，使得底板248可保持在预定温度下。衬垫组件227可设置在与腔室主体202的侧壁201、212紧邻的处理区220B内，以防止侧壁201、212暴露于处理区220B内的处理环境。衬垫组件227可包括圆周泵送腔225，其可耦接至泵送系统264，泵送系统264经配置以从处理区220B排出气体及副产物，并控制处理区220B内的压力。在衬垫组件227上可形成多个排气口231。排气口231可经配置以允许气体从处理区220B流至圆周泵送腔225，以促进气体在系统200内的处理。

图3根据本技术的一些实施例示出半导体处理的示例性方法300的操作。此方法可在多种处理腔室中执行，包括上述处理系统200，以及其中可执行等离子体沉积的任何其他腔室。方法300可包括许多可选操作，其可或不可与根据本技术的方法的一些实施例特定相关联。

方法300可包括PECVD处理操作，以形成低K、高硬度、含硅氧碳材料，沉积在基板上而无需后沉积处理(例如，UV固化)，以实现材料的低K及高硬度性质。方法可包括在方法300开始之前的任意操作，或此方法可包括在沉积低K、高硬度材料之后的额外操作。如图3所示，方法300可包括以下步骤，在操作305处使一或多种前驱物流进处理腔室中，其可将前驱物传送进腔室的处理区中，其中可容纳基板，诸如区220。

在一些实施例中，前驱物可以是或包括含硅氧碳前驱物，用于产生低K、高硬度含硅氧碳材料。前驱物可或不可包括额外前驱物的输送，诸如载气和/或一个或氧气。在一些实施例中，沉积前驱物可利用单种含硅氧碳沉积前驱物。尽管诸如惰性前驱物的载气可与沉积前驱物一起输送，但可以不使用意在与沉积前驱物反应并产生沉积产物的额外前驱物。示例性载气可包括氦及氮气(N

沉积前驱物可包括具有Si-O键及Si-C键的前驱物，并且可包括线性分支前驱物、环状前驱物、或任意数目的额外前驱物。在一些实施例中，前驱物可由碳和/或氧与硅的某些比例来表征。例如，在一些实施例中，碳或氧与硅的比例可大于或约为1，及可大于或约1.5，大于或约2，大于或约2.5，大于或约3，大于或约3.5，大于或约4，或更大。通过增大碳或氧相对于硅的数量，可提高残余部分或分子在膜内的额外掺入。此举可改善材料性质，以及降低介电常数，如下文将进一步描述。

在上文特定实施例的描述中，将含硅氧碳沉积前驱物指定为具有中心硅原子及键合至中心硅的至少一个甲基及至少一个甲氧基。这些甲基甲氧基硅氧烷前驱物的特定示例包括DMDMOS、TMMOS、及MTMOS。本技术考虑使用额外沉积前驱物，其可替换或补偿上文列出的特定前驱物示例。这些额外前驱物可包括至少一个硅原子、至少一个硅及烷基键、及至少一个硅及烷氧基键。在诸如存在单个硅原子的一些示例中，烷基及烷氧基均键合至同一硅原子。在附加示例中，至少一个硅原子具有至少一个硅及烷基键，以及至少一个其他硅原子具有至少一个硅及烷氧基键。上文描述的DMDMOS、TMMOS、及MTMOS前驱物具有甲基作为烷基，及甲氧基作为烷氧基。额外前驱物可具有烷基，诸如乙基、丙基、丁基、戊基、和/或己基，还有一个或多个甲基，或代替一个或多个甲基。类似地，除一个或多个甲氧基的外或代替一个或多个甲氧基，另外之前驱物可具有烷氧基，诸如乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基和/或己氧基。示例性沉积前驱物的附加实施例可包括具有式1的那些前驱物：

其中在式1中，

R

R

R

R

本方法的实施例包括由一等离子体流出物形成一材料，此等离子体流出物由式1描述的一或多种沉积前驱物制成。所形成的材料可以是含硅氧碳材料，诸如碳掺杂氧化硅。下文提供可用以形成等离子体流出物，并将含硅氧碳材料沉积在基板上的含硅氧碳材料的附加示例。这些示例性前驱物可提供作为单种前驱物，或可组合作为两个或更多种前驱物，以制成形成等离子体流出物的沉积前驱物：

1,3-二甲基-1,1,3,3-四甲氧基二硅氧烷

/>

异丁基甲基二甲氧基硅烷

四甲基-1,3-二甲氧基二硅氧烷

异丁基三甲氧基硅烷

双(甲基二甲氧基甲硅烷基)甲烷

乙烯基三甲氧基硅烷

丙基甲基二甲氧基硅烷

1,3,5,7-四甲基-1,3,5,7-四甲氧基环四硅氧烷

1,2-双(甲基二甲氧基甲硅烷基)乙烷

尽管可利用所述前驱物的任一种，但在一些实施例中，前驱物可由小于或约为4:1的碳与氧比例来表征，以获得更高硬度值。例如，在一些实施例中，前驱物可由小于或约3:1、小于或约2:1、小于或约4:3、或更低的碳与氧比例来表征。视情况，附加量的氧可与硅前驱物一起流动，以在正形成的膜内进一步调整或保持氧与碳比例。在操作310中，等离子体可由处理区内之前驱物生成，诸如通过将RF源提供至面板以在处理区220内生成等离子体，尽管可类似地使用能够产生等离子体的任何其他处理腔室。等离子体可以上述频率中的任一者生成，并可以在小于15MHz(例如，13.56MHz)的频率下生成。尽管可使用更高频率，但在一些实施例中，不同于更高等离子体频率操作，较低频率等离子体生成可促进在处理期间去除碳。

如上述，可将等离子体流出物引入加热基板，以有助于所沉积材料具有低K及高硬度。沉积可以在大于或约300℃的基板温度下执行，其可改良碳从膜的释放，以及在材料网络内交联硅及氧链。正如下文将进一步解释的，尽管一些碳方面可能对膜有益，但其他方面可能对所生产材料不太有益。因此，通过升高沉积温度，可改善膜性质。因此，在一些实施例中，沉积可发生在大于或约350℃、大于或约375℃、大于或约400℃、大于或约425℃、大于或约450℃、大于或约475℃、大于或约500℃、或更高的基板温度下。特别地，对于由相对于氧掺入的减少碳掺入表征的前驱物，较高温度可促进相对于硅氧键合断开较弱的Si-C-Si键，其可减少膜内的碳掺入，并提供优于常规膜的增大硬度。如下文解释，可控制此操作以保持一定量的碳掺入，以保持膜的更低介电常数。

在操作315处，等离子体中形成的材料可沉积于基板上，其可产生含硅氧碳材料。在一些实施例中，沉积速率可超过

如上文解释，在较低等离子体频率下运行的常规技术，可产生一定量的离子轰击，其可另外从沉积材料释放含碳材料，从而可提高膜的介电常数。通过利用较高等离子体频率，以及根据本技术的前驱物，可产生低k介电材料，其由小于或约3.5的介电常数表征，介电常数可小于或约3.45，小于或约3.4、小于或约3.35、小于或约3.3、小于或约3.25、小于或约3.2、小于或约3.15、小于或约3.1、小于或约3.05、小于或约3.0、或更低。

介电常数可与材料的性质有关，其中介电常数(即，k值)越低，所沉积材料的杨氏模量和/或硬度越低。通过根据本技术的实施例产生含硅氧碳材料，所沉积的低k材料的硬度及模量可高于使用常规PECVD沉积方法的硬度及数量。例如，在一些实施例中，本技术可产生材料，该材料由大于或约5.0Gpa的杨氏模量来表征，并且可由大于或约5.5Gpa、大于或约6.0Gpa、大于或约6.5Gpa、大于或约7.0Gpa、大于或约7.5Gpa、大于或约8.0Gpa、大于或约8.5Gpa、大于或约9.0Gpa、大于或约9.5Gpa、大于或约10.0Gpa、或更高的杨氏模量来表征。类似地，本技术可产生材料，该材料由大于或约3Gpa的硬度来表征，并且可由大于或约3.5Gpa、大于或约4Gpa、大于或约4.5Gpa、大于或约5Gpa、大于或约5.5Gpa、大于或约6Gpa、大于或约6.5Gpa、大于或约7Gpa、大于或约7.5Gpa、大于或约8Gpa、大于或约10Gpa或更高的硬度来表征。因此，本技术可产生由低介电常数及高模数及硬度特性表征的含硅氧碳材料。

由本技术的实施例产生的材料特性可与掺入膜中的甲基量以及掺入膜内的非甲基碳量(诸如CH

另外，所沉积材料中的SiCSi的百分比可小于或约1％，并可小于或约0.9％、小于或约0.8％、小于或约0.7％、小于或约0.6％、小于或约0.5％、小于或约0.4％、小于或约0.3％、小于或约0.2％、小于或约0.1％、小于或约0.075％、小于或约0.05％、小于或约0.025％、或更小，其可有助于相对于硬度减小介电常数。然而，通过保持一定量的SiCSi键合，介电常数可减小而硬度提高，并且因此在一些实施例中，SiCSi百分比可保持大于或约0.1％及可保持大于或约0.15％，或更高。根据本技术的实施例，通过利用含硅氧碳前驱物及相对于碳掺入具有较高氧掺入的处理特性，可产生低k介电材料，低k介电材料可由增加的硬度和杨氏模量值以及其他材料性质来表征。

在前文描述中，为了解释的目的，已经阐述了许多细节以提供对本技术的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些细节中的一些细节或者具有另外的细节的情况下实践某些实施例。

已经揭示了几个实施例，本领域技术人员将认识到，可在不背离实施例的精神的情况下，使用各种修改、替代构造及等同物。此外，为了避免不必要地使本技术模糊，并未描述许多众所周知的工艺及元件。因此，以上描述不应被视为限制本技术的范围。

在提供值范围的情况下，应当理解，除非上下文另外清楚地指出，否则也具体揭示了在范围的上限与下限之间的每个中间值(精确至下限的单位的最小分数)。涵盖了所述范围中的任何所述值或未陈述中间值与所述范围中的任何其他所述或中间值之间的任何较窄范围。这些较小范围的上限及下限可独立地被包含在此范围中，或排除在范围之外，并且每个范围(其中任一、皆无或两者界限被包含在较小的范围内)也被涵盖在技术内，遵守所述范围中任何具体排除的界限。当所述范围包含界限的一或两者时，则也包含排除那些包含的界限中的任一或两者的范围。

除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”及“该”包含复数引用。因此，例如，对“一种材料”的引用包括多个此类材料，而对“该前驱物”的引用包括一或多种前驱物及本领域技术人员已知的等价物，等等。

此外，当在本说明书及所附权利要求书中使用时，用字“包括(comprise(s))”、“包括(comprising)”、“含有contain(s)”、“含有(containing)”、“包含(include(s))”及“包含(including)”意在指明所述的特征、整数、部件或操作的存在，但它们不排除一个或更多个其他特征、整数、部件、操作、动作或群组的存在或添加。