用于金屬氧化物還原的預處理方法和所形成的器件的制作方法

用于金屬氧化物還原的預處理方法和所形成的器件的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種形成半導體器件的方法，該方法包括：在第一模塊中對晶圓實施遠程等離子體處理，以通過還原反應從晶圓中去除氧化物層。該方法還包括在真空下，將預處理后的晶圓從第一模塊傳送至第二模塊。該方法還包括在第二模塊中，在晶圓上方形成蝕刻停止層。本發明提供了一種金屬氧化物還原的預處理方法及其所形成的器件。
【專利說明】用于金屬氧化物還原的預處理方法和所形成的器件

【技術領域】
[0001] 本發明總體涉及半導體領域，更具體地，涉及金屬氧化物還原的預處理方法及其 形成的器件。

【背景技術】
[0002] 半導體器件包括在半導體器件中的多種有源器件之間提供電連接的互連結構。互 連結構包括由絕緣材料環繞的導線和通孔，以降低電信號無意地從一個導電線或通孔轉移 到另一個導電線或通孔的風險。不同金屬液面上的連接的導線或通孔之間的電阻是確定半 導體器件的功率消耗和速度的要素。當連接的導線或通孔之間的電阻增加時，功率消耗增 力口，而半導體器件的速度減小。


【發明內容】

[0003] 根據本發明的一個方面，提供了一種形成半導體器件的方法，包括：在晶圓上形成 互連結構，互連結構包括位于其頂表面上的金屬氧化物層；對晶圓實施遠程等離子體處理， 以通過還原反應來還原互連結構的金屬氧化物層；在晶圓上方形成介電層；以及使半導體 器件保存在真空條件下，其中，在遠程等離子體處理之后，使半導體器件保存在真空條件 下，直至形成介電層為止。
[0004] 優選地，該方法還包括：在實施遠程等離子體處理之前，預熱晶圓。
[0005] 優選地，該方法還包括：在預熱晶圓之后，將半導體器件保存在真空條件下，直至 形成介電層為止。
[0006] 優選地，對晶圓實施遠程等離子體處理包括：在與容納晶圓的處理室分離的等離 子體生成室中，生成含氫反應氣體；使用導管將反應氣體傳送到處理室；以及使用含氫反 應氣體還原晶圓上的氧化物層。
[0007] 優選地，生成含氫反應氣體包括：以第一流速率將處理氣體引入等離子體生成室 內，處理氣體包括氨（NH 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH 4)中的至少一種；以 及激發處理氣體以生成反應氣體。
[0008] 優選地，激發處理氣體包括將微波引入等離子體生成室內。
[0009] 優選地，還原晶圓上的氧化物層包括：在約1. 5托至約2. 5托之間的壓力下，還原 氧化物層。
[0010] 優選地，對晶圓實施遠程等離子體處理提高圍繞氧化物層的介電材料的表面部分 的介電常數，并且表面部分提高后的介電常數小于3. 0。
[0011] 優選地，對晶圓實施遠程等離子體處理將圍繞氧化物層的介電材料的整個表面部 分中的碳濃度保持在等于或大于介電材料的碳芯濃度的濃度。
[0012] 根據本發明的另一方面，提供了一種在集成系統中形成半導體器件的方法，包括： 在晶圓上形成導電層；預熱晶圓；在集成系統的第一模塊中，對晶圓實施遠程等離子體處 理，以通過還原反應從導電層中去除金屬氧化物層；在真空條件下，將晶圓從集成系統的第 一模塊傳送到集成系統的第二模塊；以及在第二模塊中，在導電層上方形成介電層。
[0013] 優選地，實施遠程等離子體處理包括：以第一流速率將處理氣體引入等離子體生 成室內，處理氣體包括氨（NH 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH 4)中的至少 一種；以第二流速率將載氣引入等離子體生成室內，載氣包括氮氣（N2)、氬氣（Ar)和氦氣 (He)中的至少一種；以及激發處理氣體以生成用于還原氧化物層的反應氣體。
[0014] 優選地，該方法還包括：在真空條件下將晶圓從集成系統的第三模塊傳送到第一 模塊，其中，在第三模塊中預熱晶圓。
[0015] 優選地，實施遠程等離子體處理提高圍繞氧化物層的介電材料的表面部分的介電 常數，并且表面部分提高后的介電常數小于3. 0。
[0016] 優選地，實施遠程等離子體處理將圍繞氧化物層的介電材料的整個表面部分中的 碳濃度保持在等于或大于介電材料的碳芯濃度的濃度。
[0017] 優選地，在第一模塊中預熱晶圓。
[0018] 根據本發明的又一方面，提供了一種半導體器件，包括：襯底；金屬間介電（IMD) 層，形成在襯底上，頂D層是連續層；導電層，形成在MD層中；以及蝕刻停止層，位于MD層 和導電層上方，蝕刻停止層具有等于或大于4的介電常數，其中，頂D層的表面部分比MD層 中遠離蝕刻停止層的部分具有更高的介電常數，并且MD層的表面部分具有小于3. 0的介 電常數。
[0019] 優選地，頂D層包括含碳材料，并且整個表面部分中的碳濃度等于或大于MD層的 碳芯濃度。
[0020] 優選地，表面部分具有約為1〇〇埃（A)的深度。
[0021] 優選地，該器件還包括位于MD層和導電層之間的襯里層。
[0022] 優選地，表面部分的介電常數和IMD層中遠離蝕刻停止層的部分的介電常數之間 的差小于約15%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 以實例的方式示出了一個或多個實施例，并且其目的不在于限制，在附圖的圖中， 其中，在整個說明書中具有相同參考數字標號的元件表示類似元件。應該強調的是，根據工 業中的標準實踐，各種部件不必按比例繪制，并且僅用于說明目的。事實上，為了論述的清 楚起見，圖中的多種特征的尺寸可以被任意地增加或減小。
[0024] 圖1A至圖1D是根據一個或多個實施例的處于不同生產階段的晶圓的橫截面圖；
[0025] 圖2是根據一個或多個實施例的用于還原晶圓上的金屬氧化物層的遠程等離子 體處理裝置的示意圖；
[0026] 圖3是根據一個或多個實施例的金屬間介電（MD)層的介電常數的圖表；
[0027] 圖4是根據一個或多個實施例的MD層和蝕亥lj停止層之間的粘附力的圖表；
[0028] 圖5是根據一個或多個實施例的晶圓的碳濃度深度分布的圖表；
[0029] 圖6是根據一個或多個實施例的還原晶圓上的金屬氧化物層的方法的流程圖；以 及
[0030] 圖7是根據一個或多個實施例的用于實施圖6的方法的裝置的框圖。

【具體實施方式】
[0031] 以下披露提供用于實施本發明的不同部件的多個不同實施例或實例。以下描述了 組件和布置的具體實例，以簡化本發明。這些是實例并且不用于限制。
[0032] 絕緣材料的介電常數還影響半導體器件的RC延遲。半導體器件的各層之間的粘 附強度還影響器件的可靠性和壽命。
[0033] 在金屬用于形成導電線或通孔的情況下，由于金屬和周圍環境中的氧之間的化學 氧化反應，導致在暴露于空氣或水的金屬線或通孔的表面上形成氧化物層。金屬氧化物在 連接的金屬線或通孔之間比元素金屬或金屬合金提供更高的電阻。
[0034] 圖1A是根據一個或多個實施例的處于第一生產階段的晶圓100的截面圖。晶圓 100包括襯底110和位于襯底上方的第一蝕刻停止層112。金屬間介電aMD)層114位于第 一蝕刻停止層112上方。兩個開口 120位于每一個MD層114和第一蝕刻停止層112中。 每一個開口 120均包括上部116和下部118。在一些實施例中，上部116用于形成導線，而 下部118用于形成導電通孔。
[0035] 襯底110用于形成半導體器件。在一些實施例中，在襯底110中或上形成有源器 件。在一些實施例中，襯底110是半導體襯底，例如，具有或不具有外延層的硅襯底；絕緣體 上硅（SOI)襯底；合金襯底，諸如，硅鍺（SiGe);或者另一種合適的襯底。半導體器件包括包 含例如晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器或其他有源或無源電路的器件。在一些實施 例中，在襯底110中形成導電區域。
[0036] 第一蝕刻停止層112用于控制形成開口 120的工藝的終點。在一些實施例中，第 一蝕刻停止層112包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或其他合適的蝕刻停止材料。在 一些實施例中，介電常數（k)大于4.0。在一些實施例中，第一蝕刻停止層112的厚度范圍 在約10埃（A )至約1000A之間。在一些實施例中，第一蝕刻停止層112是多層蝕刻停止 層。在一些實施例中，多層蝕刻停止層的層中的至少一層包括正硅酸乙酯（TE0S)。在一些 實施例中，通過低壓化學汽相沉積（LPCVD)、常壓CVD (APCVD)、等離子體增強CVD (PECVD)、 物理汽相沉積（PVD)、濺射或另一種合適的形成技術來形成第一蝕刻停止層112。
[0037] MD層114是低k介電材料。低k是指MD層114具有3.0以下的介電常數（k)。 在一些實施例中，頂D層114具有小于2. 5的介電常數，并且被稱為極低k (ELK)材料。在 一些實施例中，頂D層114具有小于2.0的介電常數，并且被稱為多孔低k材料。在一些實 施例中，頂D層114具有小于1. 5的介電常數。在一些實施例中，頂D層114包括摻碳二氧 化娃。在一些實施例中，IMD層114包括有機電介質、無機電介質、多孔介電材料、有機聚合 物、有機硅玻璃、氟硅酸鹽玻璃（FSG)、氫硅倍半氧烷（HSQ)材料、甲基硅倍半氧烷(MSQ)材 料、多孔有機材料或另一種合適的低k材料。
[0038] 在一些實施例中，頂D層114是單層結構。在一些實施例中，頂D層114是多層結 構。在MD層114包括摻碳二氧化硅的一些實施例中，碳與硅的重量比在約0. 3至約0. 8 之間。
[0039] 在一些實施例中，通過CVD、等離子體增強CVD (PECVD)、旋涂或另一種合適的形成 技術來形成頂D層114。
[0040] 開口 120被示作為雙鑲嵌開口的實例。在一些實施例中，開口 120僅包括溝槽開 口、通孔開口或另一種合適類型的開口。在一些實施例中，使用"先溝槽"圖案化工藝或"先 通孔"圖案化工藝來形成開口 120。在一些實施例中，通過圖案化位于MD層114上方光刻 膠層并且蝕刻MD層以生成開口，從而形成開口 120。第一蝕刻停止層112用于提供蝕刻工 藝的終點。在與在頂D層114上使用的蝕刻工藝分離的蝕刻工藝中，形成開口 120中穿過 第一蝕刻停止層112的部分。
[0041] 圖1B是根據一個或多個實施例的處于第二生產階段的晶圓100的截面圖。在開 口 120的側壁和底部邊緣上形成阻擋層122。在阻擋層122的側壁上并且沿著開口 120的 底部邊緣形成晶種層124。在開口 120中形成導電層126,以基本上填充由晶種層124限定 的開口的剩余部分。
[0042] 設置阻擋層122,以防止導電層126擴散至MD層114內。在一些實施例中，阻擋 層122僅設置在開口 120的側壁上。在一些實施例中，阻擋層122是多層組合。在一些實 施例中，阻擋層122具有約1()A至300Λ之間的厚度。在一些實施例中，阻擋層122包括鉭 (Ta)、鈦（Ti)、Ta或Ti的氮化物或其他合適的材料。
[0043] 在一些實施例中，通過物理汽相沉積（PVD)、原子層沉積（ALD)或其他合適的形成 工藝來形成阻擋層122。在一些實施例中，沿著開口 120的底部邊緣以及在開口的側壁上形 成阻擋層122。在形成晶種層124之前，從開口 120的底部邊緣去除襯里層122。在一些實 施例中，在形成阻擋層122期間，在開口 120的拐角處形成突出物（overhangs)。在形成晶 種層124之前，去除突出物。在一些實施例中，使用諸如等離子體蝕刻工藝的蝕刻工藝來去 除突出物。
[0044] 晶種層124用于提供在其上形成導電層126的基底（base)。在一些實施例中，晶 種層124具有約50A至約1000A之間的厚度。在一些實施例中，晶種層124是包括主要成 分和添加物的合金層。在一些實施例中，主要成分是銅（Cu)或另一種合適的主要成分材料。 在一些實施例中，添加物包括鎂（Μη)、鋁（Al)、Ti、鈮（Nb)、鉻（Cr)、釩（V)、釔（Y)、锝（Tc)、 錸（Re)、鈷（Co)或其他合適的添加物材料。在一些實施例中，使用PVD、CVD、PECVD、LPCVD 或其他合適的形成技術來形成晶種層124。
[0045] 導電層126用于提供晶圓100上的半導體器件的多種元件之間的電連接。導電層 126包括與晶種層124的主要成分相同的主要成分。在一些實施例中，晶種層126的主要 成分是銅。在晶種層124包括添加物的一些實施例中，導電層126包括與晶種層中的添加 物不同的添加物。在一些實施例中，導電層126的添加物包括Ta、銦（In)、錫（Sn)、鋅（Zn)、 皿11、0、11、66、鍶（51〇、鉬（？丨）、鎂（1%)、41、鋯（21〇、鈷（&))或其他合適的添加物材料。
[0046] 在一些實施例中，通過電化學鍍（ECP)形成導電層126。在一些實施例中，通過 PVD、CVD或其他合適的形成技術來形成導電層126。在一些實施例中，在形成導電層126之 后執行化學機械拋光（CMP)工藝，以使IMD層114的頂面與導電層的頂面平齊。
[0047] 圖1C是根據一個或多個實施例的處于第三生產階段的晶圓100的截面圖。由于 導電層與晶圓100所處環境中的氧氣之間發生的化學氧化反應，導致在導電層126內部形 成氧化物層127。以下提供了以銅（Cu)作為導電層126的主要成分的非限制性實例。本領 域普通技術人員將會理解，當前申請可應用于除了銅之外的材料。
[0048] 當導電層126的銅暴露于空氣或水中的氧時，在氧化反應中氧與銅反應，以形成 氧化銅（CuO或Cu 20)。當形成Cu20時，化合物在潮濕空氣中降解為CuO。氧化銅（CuO)具 有約100 Ω cm (歐姆厘米）至1000 Ω cm的電阻率；而氧化銅（Cu20)具有約為4. 5Χ105Ω cm 的電阻率。與此相反，金屬銅具有為1.67Xl(T6Qcm的電阻率。與導電層126相比，氧化物 層127的電阻的增大增大了晶圓100內的功率消耗，并且降低了晶圓中的電路速度。為了 保持低電阻，去除氧化物層127。
[0049] 在其他方法中，使用原位等離子體處理來去除氧化物層127。原位等離子體涉及將 氣體引入容納晶圓100的腔室中。激發所引入的氣體，以在容納晶圓100的同一腔室中形 成等離子體。等離子體被導向晶圓1〇〇,并且從導電層126中去除氧化物層127。然而，原 位等離子體處理還包括與圍繞導電層126的MD層114接觸的等離子體離子。原位等離子 體處理中的等離子體的高能量和溫度損傷了頂D層114。受損的MD層114在MD層的受 損表面部分處出現介電常數的增大。介電常數的增大導致提供電絕緣的能力的降低。如圖 1D中所示，受損的MD層114還具有與隨后形成的第二蝕刻停止層128的較低的粘附性。 較低的粘附性增大了金屬層之間的剝落或脫離的風險，從而具有阻止電信號在金屬層之間 傳輸的可能。
[0050] 在本申請的一些實施例中，使用遠程等離子體處理來還原氧化物層127。圖2是根 據一個或多個實施例的用于還原晶圓上的金屬氧化物層的遠程等離子體處理裝置200的 示意圖。遠程等離子體處理裝置200包括與容納晶圓100的處理腔室220分離的等離子體 生成腔室210。處理氣體和載氣被引入等離子體生成腔室210內。在一些實施例中，處理氣 體包括氨（順 3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)、磷烷（PH 4)或其他合適的處理氣體。載 氣是惰性氣體。在一些實施例中，載氣包括氮氣（N2)、氬氣（Ar )、氦氣（He )或其他合適的載 氣。
[0051] 將處理氣體和載氣引入等離子體生成室210內，并且激發處理氣體以產生含有等 離子體的反應氣體。在一些實施例中，使用微波來激發處理氣體，以產生含有等離子體的反 應氣體。使用微波振蕩器生成微波，并且使用光波導將其引入等離子體生成室210內。在 一些實施例中，微波具有約13兆赫茲（MHz)至約14MHz的頻率。在一些實施例中，等離子 體生成室210中的射頻（RF)功率介于約1800瓦特（W)和約2600瓦特之間。
[0052] 然后，通過導管230將反應氣體注入至容納晶圓100的處理室220中。在一些實 施例中，處理室220的溫度介于約400°C和約650°C之間。在一些實施例中，處理室220的 溫度小于或等于450°C。在一些實施例中，處理室220中的壓力介于約1. 5托和約2. 5托之 間。在一些實施例中，反應氣體和晶圓100之間發生反應的工藝時間介于約5秒和約600 秒之間。
[0053] 反應氣體是等離子體化氫（plasmarized hydrogen)中的活性粒子。在還原反應 中，等離子體化氫與氧化物層127反應。使用以上氧化銅的實例，還原反應生成水和金屬 銅。還原反應將使導電層126頂面的電阻降低到氧化前的水平。
[0054] 返回到圖1A至圖1D，在還原氧化物層127之后，在MD層114和導電層126上方 形成第二蝕刻停止層128。圖1D是根據一個或多個實施例的處于第四生產階段的晶圓100 的截面圖。第二蝕刻停止層128在還原氧化物層127之后形成，并且在導電層126和周圍 環境之間產生阻擋，以防止導電層的再次氧化。用于產生第二蝕刻停止層128的材料和技 術類似于對于第一蝕刻停止層112所論述的那些材料和技術。在一些實施例中，第二蝕刻 停止層128包括與第一蝕刻停止層112相同的材料。在一些實施例中，第二蝕刻停止層128 包括與第一蝕刻停止層112不同的材料。
[0055] 圖3是根據一個或多個實施例的金屬間介電（MD)層的介電常數的圖表300。圖表 300包括，例如MD層114 (圖1A至圖1D)的MD層的受損部分的介電常數（k)。在一些實 施例中，IMD層的受損部分的深度約為100A。條形310表示對氧化物層(例如氧化物層127 (圖1C))進行預處理之前的MD層受損部分的介電常數。條形310示出預處理之前MD層 的介電常數約為2. 62。條形320表示在用于去除氧化物層的原位等離子體處理之后的MD 層受損部分的介電常數。條形320示出IMD層受損部分的介電常數的增加量多于預處理前 的介電常數值的50%，其值增加至約4. 04。條形330表示在用于還原氧化物層的遠程等離 子體處理之后的MD層受損部分的介電常數。條形330示出MD層受損部分的介電常數的 增加量少于預處理前的介電常數值的15%，其值增加至約2. 99。相比于原位等離子體處理 后的介電常數，遠程等離子體處理后的介電常數減少了 40%。
[0056] 與具有受到原位等離子體處理的結構的結構相比，由遠程等離子體處理得到的較 低介電常數值意味著ηω層的rc延遲減小。
[0057] 圖4是根據一個或多個實施例的MD層和蝕刻停止層之間的粘附力的圖表400。 圖表400示出在對氧化物層(例如，氧化物層127)進行的兩種不同的還原處理之后，形成 蝕刻停止層之后，頂D層（例如，頂D層114)和蝕刻停止層(例如，第二蝕刻停止層128 (圖 1D))之間的粘附力。條形410表示原位等離子體處理之后的MD層和蝕刻停止層之間的粘 附強度。條形410示出11毫牛頓（mN)的粘附強度。條形420表示遠程等離子體處理之后 的MD層和蝕刻停止層之間的粘附強度。條形420示出13mN的粘附強度，相對于原位等離 子體處理之后的粘附強度增加了 18%以上。遠程等離子體處理之后的較高的粘附強度有助 于防止MD層與蝕刻停止層分離。由于通過互連結構的電連接不容易發生故障，因此分離 的風險降低增大了產品得率的增加，并且潛在地延長了半導體器件的壽命。
[0058] 此外，與使用原位等離子體處理形成的半導體器件相比，使用遠程等離子體處理 以還原導電層上的氧化物層而形成的半導體器件表現出較低的泄漏電流。較低的泄漏電流 是由遠程等離子體處理期間對MD層的破壞減小而引起的。
[0059] 使用遠程等離子體處理來還原導電層上的氧化物層而形成的半導體器件的時間 相關介質擊穿（TDDB)約高于使用原位等離子體處理形成的半導體器件兩個數量級。TDDB 類似于MD層的擊穿電壓。擊穿電壓是在此電壓下，MD層的一部分變得導電的電壓，從而 不能與相鄰的導電層形成電絕緣。
[0060] 圖5是根據一個或多個實施例的晶圓的碳濃度深度分布的圖表500。圖表500包 括對應于受到原位等離子體處理的晶圓中的碳濃度分布的曲線510。圖表500還包括對應 于受到遠程等離子體處理的晶圓中的碳濃度分布的曲線520。圖表500中的陰影部分是蝕 刻停止層，例如，第二蝕刻停止層128。在圖5的非限制性實例中，蝕刻停止層包括SiC。圖 表500中的非陰影部分是MD層，例如MD層114。在圖5的非限制性實例中，MD層包括 SiOC〇
[0061] MD層中的碳濃度有助于增大MD層114和第二蝕刻停止層128之間的粘附性，并 且有助于增加電遷移耐力。電遷移是由電流流經導電層導致導電層(例如，導電層126)的 材料轉移到周圍材料(例如，IMD層114)中。當較多的導電材料分散到IMD層中時，IMD層 的使鄰近導電層之間絕緣的能力減弱。另外，碳濃度有助于增加 MD層114的多孔性，這又 減小MD層的介電常數k以幫助保持低RC延遲。
[0062] 曲線510示出了位于界面530以下的IMD層的表面部分處的碳濃度的驟降。在 IMD層表面處的碳濃度降至位于IMD層表面部分下方的IMD層的碳芯（core carbon)濃度 以下。表面碳濃度的下降是由原位等離子體處理期間對頂D層的損傷而引起的。在受到原 位等離子體處理的頂D層中的較低碳濃度將減小MD層和第二蝕刻停止層之間的粘附，并 且導致MD層的表面部分的電遷移增加，以及RC延遲增大。
[0063] 曲線520示出了碳濃度從SiC蝕刻停止層中的高碳濃度逐漸減小至MD層中的碳 芯濃度。相對于曲線510,曲線520的較高碳濃度是在遠程等離子體處理期間對MD層的損 壞相比于在原位等離子體處理期間對MD層的損壞減小的結果。結果，與由曲線510表示 的在MD層中形成的導電層相比，由曲線520表示的在MD層中形成的導電層將對第二蝕 刻停止層具有較高的粘附性，并且MD層對電遷移將具有的較高的耐力。
[0064] 圖6是根據一個或多個實施例的還原晶圓上的金屬氧化物層的方法600的流程 圖。方法600開始于可選的操作602,其中，預熱晶圓，例如，晶圓100。在一些實施例中，使 用被配置為使用惰性氣體來加熱晶圓的預加熱室來預先加熱晶圓。在一些實施例中，將晶 圓加熱至等于處理溫度的溫度。在一些實施例中，將晶圓加熱至低于處理溫度的溫度。處 理溫度是在此溫度下，晶圓受到預處理工藝以還原晶圓表面上的氧化物層（例如，氧化物層 127)的溫度。在一些實施例中，省略作為單獨操作的操作602,并且在預處理晶圓的同一操 作中加熱晶圓。在省略操作602的實施例中，方法600開始于操作606。
[0065] 方法600繼續可選的操作604,其中，在真空下將晶圓傳送到預處理室。預處理室 是在其中通過還原反應來還原晶圓表面上的氧化物的腔室。在傳送工藝期間，在真空下傳 送晶圓，以防止導電層(例如，導電層126)進一步氧化。真空防止導電層暴露于周圍環境中 的氧中。在一些實施例中，省略操作604。當省略操作602時，省略操作604。在省略操作 604的實施例中，方法600開始于操作606。
[0066] 方法600繼續操作606,其中，在預處理室中還原晶圓表面上的氧化物層。通過還 原反應來還原氧化物層，其中，氧化物層中的氧與還原劑反應以去除氧化物層中的氧。在一 些實施例中，使用遠程等離子體生成還原劑，并且預處理室是遠程等離子體處理裝置。
[0067] 遠程等離子體預處理包括將處理氣體引入等離子體生成室內。在一些實施例中， 將處理氣體和載氣引入等離子體生成室210內。處理氣體包括含氫氣體。在一些實施例 中，處理氣體包括氨（NH3)、硅烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H 2)、磷烷（PH4)或其他合適的處 理氣體。在一些實施例中，處理氣體的流速介于約lOsccm (標準立方厘米/每分鐘）和約 lOOOsccm之間。載氣是惰性氣體。在一些實施例中，載氣包括氮氣（N2)、氬氣（Ar)、氦氣 (He)或其他合適的載氣。在一些實施例中，載氣的流速介于約lOsccm和約30000sccm之 間。
[0068] 在等離子體生成室中激發處理氣體，以形成反應氣體，將反應氣體引入到容納晶 圓的處理室中。在還原反應中，處理氣體與晶圓上的氧化物層反應。
[0069] 在預處理之后，晶圓基本上不含氧化物層。方法600繼續至操作608,其中，在真空 下將晶圓傳送至沉積室。在真空下傳送晶圓，以防止由于導電層暴露于氧而導致在晶圓上 重新形成氧化物層。在一些實施例中，預處理室、傳動裝置和沉積室都是相對于外部環境的 密封的集成結構的一部分。
[0070] 方法600繼續操作610,其中，在預處理后的晶圓上方形成蝕刻停止層。蝕刻停止 層(例如，第二蝕刻停止層128 )通過使導電層屏蔽于周圍環境并且防止氧接觸導電層，從而 有效地密封晶圓的導電層。
[0071] 本領域普通技術人員將會理解，在一些實施例中，方法600包括附加步驟。本領域 普通技術人員還會理解，在一些實施例中，在形成半導體器件期間，重復方法600多次。
[0072] 圖7是根據一個或多個實施例的用于實施圖6中的方法的裝置700的框圖。裝置 700包括被配置為接收晶圓的裝卸端口 710。裝置700還包括被配置為在裝置700內的不 同模塊之間傳送晶圓的傳送模塊720。裝置700還包括被配置為預熱晶圓的預熱模塊730。 裝置700還包括被配置為還原晶圓上的氧化物層的預處理模塊740。裝置700還包括被配 置為在預處理后的晶圓上形成蝕刻停止層的沉積模塊750。裝置700還包括被配置為向裝 卸端口 710插入并且從裝卸端口 710卸除晶圓的裝卸模塊760。
[0073] 裝卸端口 710被配置為從裝卸模塊760接收晶圓。裝卸端口 710包括在與裝卸模 塊760的交界處設置的門。在裝載或卸載工藝期間門被打開。在一些實施例中，在裝載或 卸載工藝之后，對門進行密封并且對裝置700的內部抽真空。
[0074] 傳送模塊720被配置為將晶圓從裝置700中的一個模塊傳送至另一個模塊。在一 些實施例中，傳送模塊720包括位于裝卸端口 710和傳送模塊之間的密封件，以防止在裝載 或卸載工藝期間氧進入傳送模塊。通過防止氧進入傳送模塊720,降低了晶圓上的導電層進 一步氧化的風險。
[0075] 預熱模塊730被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且預熱晶圓。預熱模塊730被 配置為通過使加熱后的惰性氣體在晶圓上方流動而對晶圓進行預加熱。在一些實施例中， 惰性氣體包括氮氣（N2)、氬氣（Ar)、氦氣（He)或其他合適的惰性氣體。在一些實施例中，預 熱模塊730被配置為將晶圓預熱至預處理模塊740的處理溫度。在一些實施例中，預熱模 塊730被配置為將晶圓預加熱至低于預處理模塊740的處理溫度的溫度。在預熱模塊730 中進行預熱之后，晶圓返回至傳送模塊720,并且保存在真空下，以防止晶圓上的導電層進 一步氧化。
[0076] 預處理模塊740被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且通過還原反應從晶圓中 去除氧化物層。在一些實施例中，預處理模塊740類似于遠程等離子體處理裝置200(圖2)。 在省略預加熱模塊730或者預加熱模塊被配置為將晶圓預熱至溫度低于預處理模塊740的 處理溫度的一些實施例中，預處理模塊被配置為在去除氧化物層之前加熱晶圓。在去除氧 化物層之后，晶圓返回至傳送模塊720,并且保存在真空下，以防止晶圓上的導電層的再次 氧化。
[0077] 沉積模塊750被配置為從傳送模塊720接收晶圓，并且在晶圓上形成蝕刻停止層。 蝕刻停止層覆蓋晶圓上的導電層，并且防止導電層與氧接觸。在一些實施例中，沉積模塊是 CVD室、PECVD室或另一種合適的沉積室。在形成蝕刻停止層之后，晶圓在真空下返回到傳 送模塊720,并且返回到裝卸端口 710以進行卸載。在一些實施例中，沉積模塊750具有單 獨的卸載端口，其被配置為從沉積模塊中移走晶圓而不會使晶圓返回至傳送模塊720。
[0078] 裝卸模塊760被配置為從裝卸端口 710裝載和卸載晶圓。裝卸模塊760包括移動 晶圓的裝置，其被配置為將晶圓插入裝卸端口 710以及從裝卸端口 710卸除晶圓。在一些 實施例中，移動晶圓的裝置包括機械臂或其他合適的裝置。裝卸模塊760還包括被配置為 接收晶圓傳送盒（F0UP)的載入口（docking locations)。F0UP用于在生產工藝期間在不同 設備之間傳送晶圓。
[0079] 在一些實施例中，使用遠程等離子體處理來還原互連結構上的金屬氧化物層，減 少了對互連結構周圍的MD層的損傷。因此，頂D層的介電常數低于使用原位等離子體處 理的工藝中的介電常數。對MD層損傷的減少還有助于保持MD層的表面區域的較高碳濃 度，并且促進頂D層和隨后形成的層之間更好的粘附。在一些實施例中，在處理期間將晶圓 保存在真空條件下防止氧接觸互連結構的導電材料，從而防止了在遠程等離子體處理之后 的額外氧化或再氧化。
[0080] 本說明的一方面涉及形成半導體器件的一種方法。該方法包括在晶圓上形成互連 結構，其中，互連結構包括位于其頂面上的金屬氧化物層。該方法還包括對晶圓上實施遠程 等離子體處理，以通過還原反應來還原互連結構的金屬氧化物層。該方法還包括在晶圓上 方形成介電層，其中，在遠程等離子體處理之后，將半導體器件保存在真空條件下，直到形 成介電層為止。
[0081] 本說明的另一方面涉及在集成系統中形成半導體器件的方法。該方法包括在晶圓 上形成導電層，并且預熱晶圓。該方法還包括在集成系統的第一模塊中，對晶圓實施遠程等 離子體處理，以通過還原反應從導電層中去除金屬氧化物層。該方法還包括在真空條件下， 將晶圓從集成系統的第一模塊傳送到第二模塊，并且在第二模塊中在導電層上方形成介電 層。
[0082] 本說明的又一方面涉及半導體器件。半導體器件包括襯底和在襯底上形成的金屬 間介電（MD)層，其中，頂D層是連續層。半導體器件還包括在MD層中形成的導電層和位 于MD層和導電層上方的蝕刻停止層，蝕刻停止層具有等于或大于4的介電常數。MD層的 表面部分比遠離蝕刻停止層的部分MD具有更高的介電常數，并且MD層的表面部分具有 小于3. 0的介電常數。
[0083] 本領域普通技術人員將容易地想到，所公開的實施例實現了以上闡述的一個或多 個優點。在閱讀完以上說明書之后，本領域普通技術人員能夠影響本文廣泛公開的等效物 和多種其他實施例的多種改變、替換。從而，本發明的目的在于所授予的保護范圍僅受包含 在所附權利要求中的限定及其等效物限制。
【權利要求】
1. 一種形成半導體器件的方法，所述方法包括： 在晶圓上形成互連結構，所述互連結構包括位于其頂表面上的金屬氧化物層； 對所述晶圓實施遠程等離子體處理，以通過還原反應來還原所述互連結構的所述金屬 氧化物層； 在所述晶圓上方形成介電層；以及 使所述半導體器件保存在真空條件下，其中，在所述遠程等離子體處理之后，使所述半 導體器件保存在所述真空條件下，直至形成所述介電層為止。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括： 在實施所述遠程等離子體處理之前，預熱所述晶圓。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，在預熱所述晶圓之后，將所述半導體器件保存在 所述真空條件下，直至形成所述介電層為止。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，對所述晶圓實施所述遠程等離子體處理包括： 在與容納所述晶圓的處理室分離的等離子體生成室中，生成含氫反應氣體； 使用導管將所述反應氣體傳送到所述處理室；以及 使用所述含氫反應氣體還原所述晶圓上的所述氧化物層。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中，生成所述含氫反應氣體包括： 以第一流速率將處理氣體引入所述等離子體生成室內，所述處理氣體包括氨（NH3)、硅 烷（SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH4)中的至少一種；以及 激發所述處理氣體以生成所述反應氣體。
6. 根據權利要求4所述的方法，其中，還原所述晶圓上的所述氧化物層包括：在約1.5 托至約2. 5托之間的壓力下，還原所述氧化物層。
7. -種在集成系統中形成半導體器件的方法，所述方法包括： 在晶圓上形成導電層； 預熱所述晶圓； 在所述集成系統的第一模塊中，對所述晶圓實施遠程等離子體處理，以通過還原反應 從所述導電層中去除金屬氧化物層； 在真空條件下，將所述晶圓從所述集成系統的第一模塊傳送到所述集成系統的第二模 塊；以及 在所述第二模塊中，在所述導電層上方形成介電層。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，實施所述遠程等離子體處理包括： 以第一流速率將處理氣體引入等離子體生成室內，所述處理氣體包括氨（NH3)、硅烷 (SiH4)、甲烷（CH4)、氫氣（H2)和磷烷（PH4)中的至少一種； 以第二流速率將載氣引入所述等離子體生成室內，所述載氣包括氮氣（N2)、氬氣（Ar) 和氦氣（He)中的至少一種；以及 激發所述處理氣體以生成用于還原所述氧化物層的反應氣體。
9. 根據權利要求7所述的方法，還包括：在真空條件下將所述晶圓從所述集成系統的 第三模塊傳送到所述第一模塊，其中，在所述第三模塊中預熱所述晶圓。
10. -種半導體器件，包括： 襯底； 金屬間介電（MD)層，形成在所述襯底上，所述MD層是連續層； 導電層，形成在所述IMD層中；以及 蝕刻停止層，位于所述MD層和所述導電層上方，所述蝕刻停止層具有等于或大于4的 介電常數， 其中，所述MD層的表面部分比所述MD層中遠離所述蝕刻停止層的部分具有更高的 介電常數，并且所述頂D層的表面部分具有小于3. 0的介電常數。
【文檔編號】H01L23/538GK104253086SQ201310398177
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年6月26日
【發明者】陳莉, 林志男, 孫錦峰, 呂伯雄, 劉定一 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司