一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法

2023-10-05 14:16:04 1

專利名稱：一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法
技術領域：
本發明提供一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法，尤指一種利用含氫等離子體處理(hydrogen-containing plasma treatment)強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法。
背景說明隨著半導體元件尺寸的日益縮小以及積體電路密度的不斷提高，伴隨而來的金屬導線間所產生的RC延遲效應(RC delay effect)已嚴重地影響到積體電路的運作效能，大大降低了積體電路的工作速度。尤其當製程線寬(line width)降到0.25微米，甚至0.13微米以下時，RC延遲效應所造成影響將更為明顯。
由於在金屬內連線間所產生的RC延遲效應所造成的影響程度，與金屬導線的電阻值(R)及金屬導線間之介電層的寄生電容(C)的相乘積成正比，故可利用電阻值較低的金屬作為金屬導線，或者是降低金屬導線間介電層的寄生電容，以降低RC延遲效應。在降低電阻方面，使用純銅作為導線材料的銅連結線技術(copper interconnect technology)以取代傳統的以鋁銅合金(AlCu(0.5％))為主要材料的多重金屬化的製造方法(multilevel metallizationprocess)，已成為勢在必行的趨勢。由於銅本身具有較低的電阻率(1.67μΩ-cm)，並且可承載較高的電流密度而不致於產生鋁銅合金的電致遷移(electromigration)問題，因此，可以減少金屬導線間的寄生電容以及金屬導線的連結層數。但是，只憑銅連結線技術，仍然無法大幅度地降低金屬導線間所產生的RC延遲效應，而且銅連結線技術還存在一些製備方法上的問題尚待解決，所以利用降低金屬導線間介電層的寄生電容來減少RC延遲效應的方法便目趨重要。
由於介電層的寄生電容與介電層的介電常數(dielectric constant，k)相關，因此介電層的介電常數越低，則形成於介電層中的寄生電容也就相對地越低。而傳統的二氧化矽其介電常數為3.9，已漸漸無法滿足目前0.13微米以下的半導體製造過程的需求，所以一些新的低介電常數材料，例如聚醯亞胺(polyimide，PI)、PLARETM、FPI、PAE-2、PAE-3或LOSP等材料，在近年來已被陸續提出。然而這些低介電常數材料雖具有介於2.6～3.2之間的低介電常數值，但是這些一般主成分為碳氫氧的低介電材料，無論在與其他材料的附著力、蝕刻效果還是其本身的各項性質等方面，都與傳統的二氧化矽有明顯差異，而且其中大部分有附著性不佳以及熱穩定性不足等缺點，因此目前尚無法妥善地整合於一般IC常用的製造過程。
因此，一些以二氧化矽為基礎然後於材料內再摻入一些碳氫等元素的無機低介電常數介電層，例如介電常數值為2.8的HSQ(hydrogensilsesquioxane)、介電常數值為2.7的MSQ(methyl silsesquioxane)以及介電常數值為2.5的HOSP等材料，由於其性質與傳統二氧化矽相差不多，因此對目前熟知的半導體製造工藝有著較高的整合能力，而為日後所看好。
請參考

圖1至圖3，圖1至圖3為熟知的去除光阻方法的示意圖。如圖1所示，半導體晶片10表面包含矽基底12，以及利用化學氣相沉積法或旋塗方式(spin-on)形成於矽基底12上的表面，由HSQ、MSQ或HOSP等以二氧化矽為基本結構的材料構成低介電常數材料層14。
如圖2所示，首先於低介電常數材料層14上塗布光阻層16，並於光阻層16中形成圖案開口18，以暴露出部分的低介電常數材料層14。隨後經由圖案開口18幹蝕刻低介電常數材料層14，以將光阻層16中的圖案轉移至低介電常數材料層14中。
之後如圖3所示，進行去光阻製造過程，先利用氧氣等離子體灰化光阻層16，使氧等離子體與光阻層16中的碳、氫元素完全反應形成氣態的二氧化碳與水蒸汽。最後以ACT-935作為光阻去除液，用以浸泡(dipping)半導體晶片10，完全去除光阻層16。
然而，在對由例如HSQ、MSQ或HOSP等以二氧化矽為基本結構的無機低介電常數材料構成的介電層進行圖案轉移時，不論在蝕刻介電層或進行去光阻的過程中，均會對介電層造成傷害。因為去光阻過程通常同時使用乾式氧等離子體灰化(ashing)法與溼式去光阻液來去除光阻，故使得介電層表面的鍵結容易被氧等離子體打斷，而與鹼性的去光阻液反應，使受損介電層表面形成容易吸附水氣的Si-OH鍵。由於水的介電常數值高達78，因此在吸附水氣後，介電層的介電常數與漏電流皆會大幅度上升，甚至會有毒害介層洞(poison via)的情形產生，嚴重影響產品的可靠度。
發明概述因此，本發明的主要目的在於提供一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法，以解決上述熟知方法中低介電常數介電層的介電常數與漏電流大幅上升的問題。
在本發明的最佳實施例中，半導體晶片上包含一低介電常數材料層。首先利用氫等離子體(hydrogen plasma)，進行第一含氫等離子體處理步驟，以強化該低介電常數材料層的表面抗光阻去除液侵蝕的能力。接著於該低介電常數材料層上塗布光阻層，並於該光阻層中形成圖案開口，以暴露出部分的該低介電常數材料層。之後經由該圖案開口乾蝕刻該低介電常數材料層，以將該光阻層中的圖案轉移至該低介電常數材料層中，再利用氧氣等離子體灰化該光阻層。接著進行第二含氫等離子體處理步驟，以更進一步強化該低介電常數材料層的表面抗光阻去除液侵蝕的能力。最後浸泡該半導體晶片於光阻去除液中，以完全去除該光阻層。
由於本發明的製作方法是在進行蝕刻過程之前，先針對低介電常數的介電層進行含氫等離子體處理，以於低介電常數的介電層表面形成一鈍化層，因此在後續進行的去光阻過程時，可減少氧等離子體和去光阻液與低介電常數的介電層接觸，避免低介電常數的介電層受到傷害，並同時有效地防止Si-OH鍵形成於低介電常數的介電層中，徹底解決熟知的製備方法所導致的低介電常數介電層的介電常數與漏電流皆大幅增加的問題。
發明的詳細說明請參考圖4至圖8，圖4至圖8為本發明的強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害方法的示意圖。如圖4所示，半導體晶片40包含矽基底42，以及利用化學氣相沉積法或旋塗方式形成於矽基底42上的表面，由介電常數分別為2.8、2.7以及2.5的HSQ、MSQ或HOSP等以二氧化矽為基本結構的材料構成低介電常數的材料層44。
如圖5所示，首先利用在200至350℃的溫度與200至350毫託(mTorr)的壓力下，憑藉流量為200至350標準立方釐米每分鐘的氫氣，配合90至150瓦特無線電功率所形成的含氫等離子體，進行第一含氫等離子體處理步驟46達1分鐘以上。由於低介電常數的介電層44含有矽、氧原子，因此低介電常數介電層44的表面會與該含氫等離子體進行反應，形成鈍化層48，以強化低介電常數材料層44表面的抗光阻去除液侵蝕的能力，有效地防止水氣吸附於低介電常數介電層44的表面，並可用作抑制銅擴散的阻礙層。
接著如圖6所示，在低介電常數材料層44上塗布光阻層50，再於光阻層50中形成圖案開口52，以暴露出部分的低介電常數材料層44。隨後如圖7所示，經由圖案開口52幹蝕刻低介電常數材料層44，以將光阻層50中的圖案轉移至低介電常數材料層44中。
如圖8所示，進行去光阻過程，先利用氧氣等離子體灰化光阻層50，使氧等離子體與光阻層50中的碳、氫元素完全反應形成氣態的二氧化碳與水蒸汽，再進行第二含氫等離子體處理步驟，以進一步強化低介電常數材料層44表面的抗光阻去除液侵蝕的能力。最後，以ACT-935作為光阻去除液，用以浸泡半導體晶片40，完全去除光阻層50。由於低介電常數介電層44表面具有鈍化層48，因此，低介電常數介電層44不容易在該去光阻過程中受損而形成會大量吸附水氣的Si-OH鍵，故可有效地避免低介電常數介電層44的介電常數與漏電流的大幅度上升。
請參考圖9，圖9為HSQ在不同氫等離子體處理時間下所得到的紅外光譜。如圖9所示，曲線A、B分別代表未經本發明方法處理的HSQ介電層在進行去光阻過程前、後的紅外線光譜，曲線C、D、E則為HSQ介電層先利用本發明方法，分別進行3、6、9分鐘的含氫等離子體處理，再進行去光阻過程之後所得到的紅外線光譜。其中，吸收峰1與吸收峰2分別代表Si-H與Si-OH鍵的吸收峰，其吸收位置分別位於2200至2300cm-1以及3000至3500cm-1的波數範圍內。
透過比較曲線A、B可知，HSQ介電層在經過去光阻過程後，原本位於HSQ介電層中的Si-H鍵的吸收峰1消失，而出現原本不存在的Si-OH鍵吸收峰2，證明含氫等離子體與溼式去光阻液明顯造成介電層表面結構受損。而由曲線C、D、E可知，先經含氫等離子體處理的HSQ介電層的吸收峰1仍然存在，且不會產生吸收峰2，含氫等離子體處理步驟能成功地防止Si-H鍵被打斷，達到避免形成Si-OH鍵的目的。此外，Si-H鍵的吸收峰1的吸收度明顯地隨含氫等離子體處理時間的增加而下降，故進行等離子體處理的時間建議控制在20分鐘之內，以避免因處理時間過長而使介電層上Si-H官能團受損。
請參考圖10與圖11，圖10與圖11分別示出了含氫等離子體處理時間對HSQ介電層的介電常數以及漏電流的影響。如圖10所示，進行含氫等離子體處理步驟達3、6、9分鐘的HSQ介電層，其介電常數均低於未經含氫等離子體處理步驟的HSQ介電層的介電常數，且在進行含氫等離子體處理步驟超過3分鐘後，HSQ介電層的介電常數即可維持在3左右，故增加含氫等離子體處理的時間並不影響介電常數的量值。如圖11所示，方塊■、正三角形▲、倒三角形分別代表經過3、6、9分鐘的含氫等離子體處理之後，再進行去光阻過程的HSQ介電層中，電場與漏電流的關係曲線，而圓形●則代表未經含氫等離子體處理就進行去光阻過程的HSQ介電層中，電場與漏電流的關係曲線。如圖11所示，相對於未經含氫等離子體處理步驟的介電層，先經含氫等離子體處理的HSQ介電層的漏電流可大幅降低2至3個級數，且增加含氫等離子體處理的時間也不會明顯影響漏電流的大小。故在本發明的最佳實施例中，進行含氫等離子體處理的時間約為3分鐘。
相對於熟知的技術，本發明是在進行蝕刻過程之前先對低介電常數介電層44進行含氫等離子體處理，以在低介電常數介電層44表面形成鈍化層48，因此，在後續進行的去光阻過程中，可減少氧等離子體以及去光阻液與低介電常數介電層44的接觸，進而避免低介電常數介電層44受到傷害。此外，本發明的方法還可有效地防止Si-OH鍵形成於低介電常數介電層44中，故可以解決已知製備方法所導致低介電常數介電層的介電常數與漏電流皆大幅度增加的問題。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求範圍所做的均等變化與修飾，均屬於本發明的保護範圍。
圖示的簡單說明圖1至圖3為已知的去除光阻方法的示意圖。
圖4至圖8為本發明強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法的示意圖。
圖9為HSQ在不同氫等離子體處理時間下所得到的紅外光譜。
圖10為含氫等離子體處理時間對HSQ介電層的介電常數的影響。
圖11為含氫等離子體處理時間對HSQ介電層的漏電流的影響。
圖示的符號說明10半導體晶片 12矽基底14低介電常數材料層 16光阻層18圖案開口 40半導體晶片42矽基底 44低介電常數材料層46第一含氫等離子體處理步驟48鈍化層 50光阻層52圖案開口
權利要求
1.一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液(stripper)損害的方法，該方法包括下列步驟提供半導體晶片，其上包含一低介電常數材料層；進行第一含氫等離子體處理步驟，以強化該低介電常數材料層表面的抵抗光阻去除液侵蝕的能力；在該低介電常數材料層上塗布光阻層；在該光阻層中形成圖案開口，以暴露出部分的該低介電常數材料層；經由該圖案開口乾蝕刻該低介電常數材料層，以將該光阻層中的圖案轉移至該低介電常數材料層中；利用氧氣等離子體灰化該光阻層；以及浸泡該半導體晶片於光阻去除液中，以完全去除該光阻層。
2.如權利要求1所述的方法，其中該低介電常數材料層為二氧化矽基的低介電常數材料層。
3.如權利要求1所述的方法，其中該低介電常數材料層是由下列材料之一構成的HSQ、MSQ或HOSP。
4.如權利要求1所述的方法，其中該第一含氫等離子體處理步驟使用了氫等離子體。
5.如權利要求4所述的方法，其中形成該氫等離子體的無線電功率為90至150瓦特。
6.如權利要求4所述的方法，其中形成該氫等離子體的氫氣流量為200至350標準立方釐米每分鐘。
7.如權利要求4所述的方法，其中形成該氫等離子體的溫度為200至350℃。
8.如權利要求4所述的方法，其中形成該氫等離子體的壓力為200至350毫託。
9.如權利要求1所述的方法，其中該第一含氫等離子體處理步驟至少需進行1分鐘以上。
10.如權利要求1所述的方法，其中該光阻去除液為ACT-935。
11.如權利要求1所述的方法，其中在用該氧氣等離子體灰化該光阻層之後，而在用該光阻去除液完全去除該光阻層之前，該方法還包括進行第二含氫等離子體處理步驟，以進一步強化該低介電常數材料層表面的抗光阻去除液侵蝕的能力。
12.一種強化二氧化矽基低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法，該方法包括下列步驟提供半導體晶片，其上包含有一低介電常數材料層；在該低介電常數材料層上塗布光阻層；在該光阻層中形成圖案開口，以暴露出部分的該低介電常數材料層；經由該圖案開口乾蝕刻該低介電常數材料層，以將該光阻層中的圖案轉移至該低介電常數材料層中；利用氧氣等離子體灰化該光阻層；浸泡該半導體晶片於光阻去除液中，以完全去除該光阻層；以及在該半導體晶片進行光阻去除液浸泡之前，至少進行一次含氫等離子體處理，以強化該低介電常數材料層表面的抗光阻去除液侵蝕的能力。
13.如權利要求12所述的方法，其中該二氧化矽基低介電常數材料層是由下列材料之一構成的HSQ、MSQ或HOSP。
14.如權利要求12所述的方法，其中該含氫等離子體處理步驟使用了氫等離子體。
15.如權利要求14所述的方法，其中形成該氫等離子體的無線電功率為90至150瓦特。
16.如權利要求14所述的方法，其中形成該氫等離子體的氫氣流量為200至350標準立方釐米每分鐘。
17.如權利要求14所述的方法，其中形成該氫等離子體的溫度為200至350℃。
18.如權利要求14所述的方法，其中形成該氫等離子體的壓力為200至350毫託。
19.如權利要求12所述的方法，其中該光阻去除液為ACT-935。
20.如權利要求12所述的方法，其中該含氫等離子體處理步驟是在塗布該光阻層之前進行的。
全文摘要
本發明提供一種強化低介電常數材料層抵抗光阻去除液損害的方法。首先於一其上包含有低介電常數材料層的半導體晶片上進行第一含氫等離子體處理步驟，以強化該低介電常數材料層的表面抗光阻去除液侵蝕能力。接著於該低介電常數材料層上塗布光阻層，並於該光阻層中形成一圖案開口，以暴露出部分的該低介電常數材料層。之後經由該圖案開口乾蝕刻該低介電常數材料層，以將該光阻層中的圖案轉移到該低介電常數材料層中，再利用氧氣等離子體灰化該光阻層。最後浸泡該半導體晶片於光阻去除液中，以完全去除該光阻層。
文檔編號H01L21/02GK1402315SQ0112605
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月28日 優先權日2001年8月28日
發明者張鼎張, 劉柏村, 莫亦先 申請人:聯華電子股份有限公司