金屬前介電層應力恢復的方法
2023-05-13 16:54:11 3
專利名稱：金屬前介電層應力恢復的方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造工藝領域，尤其涉及一種金屬前介電層應力恢復的方法。
背景技術：
隨著對超大規模集成電路的集成度和性能的需求逐漸增加，器件尺寸不斷等比例縮小，半導體技術向著45nm甚至更小的特徵尺寸的技術節點發展。而隨著特徵尺寸的縮小，半導體製造工藝過程也變得越來越精密和複雜，影響半導體器件的性能的因素也越來越多。金屬前介電層(Pre-Metal Dielectric, PMD)作為器件和互連金屬層間的隔離層以及使半導體器件免受雜質粒子汙染的保護層，其應力效果的好壞直接影響著半導體器件的性能。伴隨著器件密集程度和工藝複雜程度的不斷增加，由金屬前介電層應力引發的半導體器件性能受損的比例逐漸升高。金屬前介電層的應力問題主要是由金屬前介電層自身的特性引發的。在金屬前介電層生長完成後，要對金屬前介電層進行化學機械拋光(CMP)以使其平坦化。然後需要在金屬前介電層上蝕刻接觸孔，並對接觸孔進行清洗。在化學機械拋光和清洗的過程中，金屬前介電層會吸收水分，進而導致其應力的損失，金屬前介電層應力的損失會使半導體器件的性能嚴重下降。圖1是現有技術金屬前介電層吸收水分的示意圖。如圖1所示，金屬前介電層101 在化學機械拋光和清洗的過程中，由於金屬前介電層101由比較疏鬆的矽氧烷構成，並且含有較多的Si-H懸掛鍵，其暴露在空氣中極易吸收空氣中的水汽(H2O),而且水汽會沿著疏鬆的結構向下滲透。而由於金屬前介電層101吸收了空氣中的水汽，金屬前介電層101就會由於吸收了水分而發生變形，導致金屬前介電層101的應力的損失，引起晶圓彎曲變形， 從而使半導體器件的性能下降。為去除金屬前介電層所吸收的水分，現有技術在對金屬前介電層進行化學機械拋光(CMP)後，對金屬前介電層進行等離子體或加熱等處理來去除金屬前介電層中的水分， 從而使其恢復應力。而由於金屬前介電層在化學機械拋光後其表面已經平坦化，對金屬前介電層進行等離子體或加熱等處理只能有效地去除金屬前介電層的表層中的水分。此時金屬前介電層內部的水分就變得較難去除，而加強等離子體或加熱處理的強度則會增大半導體器件損傷的危險。同時，在化學機械拋光後進行的清洗步驟中，金屬前介電層還會吸收水分，這樣就使採用現有技術恢復金屬前介電層的應力的效果並不理想。因此，如何有效地恢復金屬前介電層的應力就為亟待解決的問題。
發明內容
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
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為解決半導體器件製造過程中金屬前介電層吸收水分引起的應力損失的問題，提高所製造的半導體器件的性能，本發明提供了一種金屬前介電層應力恢復的方法，所述金屬前介電層具有接觸孔，所述接觸孔剛經過清洗，所述方法包括使用紫外線燈照射所述金屬前介電層，測量生成所述金屬前介電層後的第一晶圓彎曲度和進行所述紫外線燈照射時的第二晶圓彎曲度，所述晶圓彎曲度等於晶圓的中心部位與所述晶圓的邊緣部位垂直方向的高度差的數值；將所述第一晶圓彎曲度和所述第二晶圓彎曲度進行比較，所述比較包括通過所述第一晶圓彎曲度減去所述第二晶圓彎曲度得到彎曲度差，如果所述彎曲度差小於10微米， 則停止所述紫外線燈照射，否則，繼續所述紫外線燈照射。進一步的，令所述晶圓未生長器件的下表面的溫度達到350°C至480°C，所述紫外線燈照射時間為3分鐘至6分鐘。進一步的，所述紫外線燈的功率為2000W至4000W，波長範圍是180nm至250nm。進一步的，所述紫外線燈與所述晶圓間的距離是7. 62mm至15. 24mm。進一步的，在使用所述紫外線燈進行照射時，向反應室內通入導熱性氣體。進一步的，所述反應室內通入導熱性氣體的流量為10000標準立方釐米/分鐘至 20000標準立方釐米/分鐘。進一步的，所述氣體為氦氣。根據本發明的方法可以有效解決導體器件製造過程中金屬前介電層吸收水分引起的應力損失的問題。可以有效地去除金屬前介電層在化學機械拋光和清洗等工藝環節中吸收的水分，進而恢復金屬前介電層的應力，有效地提高所製造的半導體器件的性能。並且本發明的方法實施成本較低，而且工藝簡單、處理時間較短，還有經濟、高效和實用的優點。
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施方式及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中，圖1是現有技術金屬前介電層吸收水分的示意圖；圖2A是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的紫外線燈照射的示意圖；圖2B是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的紫外線燈照射的流程圖；圖2C是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的晶圓彎曲度示意圖。
具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
為了徹底了解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟，以便說明本發明是如何解決導體器件製造過程中金屬前介電層吸收水分引起的應力損失的問題。顯然，本發明的施行並不限定於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施方式詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。為了克服導體器件製造過程中金屬前介電層吸收水分引起的應力損失對所製造的半導體器件的性能的影響，本發明提出了一種金屬前介電層應力恢復的方法來克服這一問題。圖2A是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的紫外線燈照射的示意圖，圖2B是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的紫外線燈照射的流程圖，圖2C是根據本發明的一個實施方式的金屬前介電層應力恢復的方法的晶圓彎曲度示意圖。如圖2A、圖2B和圖2C所示，本實施方式中的金屬前介電層101具有接觸孔202，接觸孔202剛經過清洗，本實施方式的方法可以包括使用紫外線燈203照射金屬前介電層101。在對金屬前介電層101中的接觸孔進行清洗後，為使金屬前介電層恢復應力，需要去除金屬前介電層101在清洗工藝中吸收的水分。利用紫外線燈203照射金屬前介電層101，紫外光照射到金屬前介電層101上時，紫外光的光能轉化為熱能並被金屬前介電層 101吸收，並且由於紫外光的穿透能力較強，因此金屬前介電層101的溫度的升高也就比較均勻。隨著金屬前介電層101不斷均勻地吸收熱量，其溫度不斷升高，金屬前介電層中吸收的水分子能量不斷增加。當晶圓101未生長器件的下表面的溫度達到400°C左右時，水分子就有足夠的能量從矽氧烷中脫離。同時，令金屬前介電層101在該溫度下持續一定的時間，就可以保證金屬前介電層101中的H20在高溫的作用下以水蒸汽的形式從金屬前介電層101中脫離。隨著金屬前介電層101中的水分子的脫離，金屬前介電層101的應力也就得到了恢復。經紫外線照射處理後的金屬前介電層101的應力已經得到了恢復，在應力恢復後的金屬前介電層101中的接觸孔202內沉積金屬可以使半導體器件的性能得到有效的保證。步驟201B測量生成金屬前介電層101後的第一晶圓彎曲度和進行紫外線燈照射時的第二晶圓彎曲度。其中，晶圓彎曲度AL等於晶圓201的中心部位與晶圓201的邊緣部位垂直方向的高度差的數值。圖2C展示了晶圓201彎曲變形的兩種情況，左圖為晶圓201受金屬前介電層吸收水分所產生的壓應力的作用而產生彎曲的情況，右圖為晶圓201受金屬前介電層吸收水分所產生的張應力的作用而產生彎曲的情況。需要說明的是，晶圓彎曲度AL是一個數值，其大小反映了晶圓201的彎曲程度。步驟202B通過第一晶圓彎曲度減去第二晶圓彎曲度得到彎曲度差。步驟20 判斷彎曲度差是否小於10微米。如果彎曲度差大於10微米，則執行步驟204B繼續紫外線燈照射。如果彎曲度差小於10微米，則執行步驟205B停止紫外線燈照射。優選地，在紫外線燈照射的過程中，令晶圓201未生長器件的下表面的溫度達到 350°C至480°C。使晶圓201未生長器件的下表面的溫度達到350°C至480°C可以提高紫外線燈照射的效率，從而進一步提高金屬前介電層應力的恢復效率。進一步優選地，紫外線燈照射所用的紫外線燈203的功率為2000W至3000W，波長範圍是ISOnm至250nm。採用上述參數的紫外線燈203進行紫外線燈照射可以有效地使金屬前介電層的應力得到恢復。特別是採用3000W的紫外線燈203進行照射時，金屬前介電層101的應力恢復效果最好。進一步優選地，紫外線燈203與晶圓201間的距離是7. 62mm至15. 24mm。令紫外線燈與晶圓201間的距離保持在7. 62mm至15. 24mm可有效地使晶圓201未生長器件的下表面的溫度達到350°C至480°C。本實施方式在進行紫外線燈照射時，可以通過測量晶圓彎曲度差來決定紫外線燈照射的持續時間。一方面有效地保證了紫外線燈照射的技術效果，另一方面當金屬前介電層應力恢復到可接受的水平時就停止紫外線燈照射，這樣就有效的節約了紫外線燈照射的持續時間，有利於提高生產效率。本發明的一個優選實施方式在圖2B所示的實施方式的基礎上進一步包括在使用紫外線燈203進行照射時，向反應室內通入導熱性氣體。使用紫外線燈203進行照射時，向反應室內通入導熱性氣體。可有助於提高金屬前介電層101的加熱效率，同時還使加熱過程中從金屬前介電層101中排出的水蒸汽隨導熱性氣體一同從反應室中排出。可進一步提高金屬前介電層應力恢復的效果。優選地，反應室內通入的導熱性氣體的流量為10000標準立方釐米/分鐘至20000 標準立方釐米/分鐘。向反應室中通入上述流量的導熱性氣體可以有效地提高金屬前介電層應力恢復的效果。優選地，導熱性氣體可以是氦氣。氦氣為本領域技術人員常用的導熱性氣體，並且其成本較低，將氦氣通入反應室可以有效地提高金屬前介電層應力恢復的效果，並且不會在生產過程中增加太多的成本。本發明的方法在半導體器件製造過程中，可以有效地去除金屬前介電層在化學機械拋光和清洗等工藝環節中吸收的水分，進而恢復金屬前介電層的應力，有效地提高所製造的半導體器件的性能。並且本發明的方法實施成本較低，而且工藝簡單、處理時間較短， 還有經濟、高效和實用的優點。本發明已經通過上述實施方式進行了說明，但應當理解的是，上述實施方式只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施方式範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施方式，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求
1.一種金屬前介電層應力恢復的方法，所述金屬前介電層具有接觸孔，所述接觸孔剛經過清洗，其特徵在於，所述方法包括使用紫外線燈照射所述金屬前介電層，測量生成所述金屬前介電層後的第一晶圓彎曲度和進行所述紫外線燈照射時的第二晶圓彎曲度，所述晶圓彎曲度等於晶圓的中心部位與所述晶圓的邊緣部位垂直方向的高度差的數值；將所述第一晶圓彎曲度和所述第二晶圓彎曲度進行比較，所述比較包括通過所述第一晶圓彎曲度減去所述第二晶圓彎曲度得到彎曲度差，如果所述彎曲度差小於10微米，則停止所述紫外線燈照射，否則，繼續所述紫外線燈照射。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，令所述晶圓未生長器件的下表面的溫度達到350°C至480°C，所述紫外線燈照射時間為3分鐘至6分鐘。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述紫外線燈的功率為2000W至4000W， 波長範圍是180nm至250nm。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述紫外線燈與所述晶圓間的距離是 7. 62mm 至 15. 24mm。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，在使用所述紫外線燈進行照射時，向反應室內通入導熱性氣體。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述反應室內通入導熱性氣體的流量為 10000標準立方釐米/分鐘至20000標準立方釐米/分鐘。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，所述氣體為氦氣。
全文摘要
本發明公開了一種金屬前介電層應力恢復的方法，金屬前介電層具有接觸孔，接觸孔剛經過清洗，包括使用紫外線燈照射金屬前介電層，測量生成金屬前介電層後的第一晶圓彎曲度和進行紫外線照射時的第二晶圓彎曲度，將第一晶圓彎曲度和第二晶圓彎曲度進行比較，如果彎曲度差小於10微米，則停止紫外線燈照射，否則，繼續紫外線燈照射。根據本發明的方法可有效解決導體器件製造過程中金屬前介電層吸收水分引起的應力損失的問題。可以有效地去除金屬前介電層在化學機械拋光和清洗等工藝環節中吸收的水分，進而恢復金屬前介電層的應力，提高所製造的半導體器件的性能。並且本發明的方法實施成本低，工藝簡單、處理時間短，有經濟、高效和實用的優點。
文檔編號H01L21/768GK102254855SQ201010182760
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者李敏 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司