斜面蚀刻工艺之后的铜脱色防止
交叉引用
本申请依照35U.S.C.119要求对名称为“COPPERDISCOLORATIONPREVENTIONFOLLOWINGBEVELETCHPROCESS”，申请日为2008年12月27日的美国临时申请61/009,142的优先权，其全部内容通过引用并入此处。
发明内容
提供一种在斜面蚀刻机中用含氟等离子体斜面边缘蚀刻具有暴露铜表面的半导体衬底的方法，该半导体衬底被支撑在该斜面蚀刻机中的半导体衬底支座上。该方法包含在该斜面蚀刻机中用该含氟等离子体斜面边缘蚀刻该半导体衬底;在完成该斜面边缘蚀刻后抽空该斜面蚀刻机;使脱氟气体流入该斜面蚀刻机;在该半导体衬底的外围处将该脱氟气体激励为脱氟等离子体;以及在阻止该半导体衬底的该暴露铜表面脱色的条件下用该脱氟等离子体处理该半导体衬底，其中该脱色在过长的暴露于空气中之后出现。
附图说明
图1是依照一个实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。
图2是显示经过NF3/CO2斜面蚀刻处理、N2-H2/He处理并暴露于空气中超过72小时以后，半导体晶圆的铜表面上的原子氧含量作为该晶圆半径的函数的图示。
具体实施方式
斜面清洁模块(斜面蚀刻机)，例如，由加利福尼亚州弗雷蒙的LamResearchCorporation制造的2300BevelcleanTM产品，使用边缘约束等离子体技术除去晶圆边缘上的薄膜。对于65nm及以下的技术，限制器件良率的一个主要原因来自从晶圆边缘转移的缺陷。在器件图案化过程中，薄膜沉积、光刻、蚀刻和化学机械抛光的复杂相互作用导致了晶圆边缘上各种不稳定的薄膜堆栈。在后面的步骤中，这些薄膜层可能产生会被转移到晶圆的器件区域中的缺陷。在一体化流程的选定点上除去这些薄膜带来更少的缺陷和更高的器件良率。相应地，边缘约束等离子体提供对器件制造工艺过程中的各步骤中的晶圆边缘累积的控制。
包含暴露铜(Cu)表面的斜面蚀刻后的晶圆在斜面蚀刻和暴露于空气中之后可能呈现脱色(discoloration)。脱色通常发生在暴露于空气中一小时以内。各处理步骤间晶圆的排队时间(在这个时间里该晶圆通常被存储在盒子中并被曝露在空气中)通常小于约八个小时，例如，约两个小时。然而，在半导体处理过程中，由于设备无法得到或故障导致的生产延迟使晶圆盒有可能被留在大气中更长的时间，比如八到二十四小时或更长。
例如，为了从有暴露的铜表面区域(例如，物理气相沉积铜表面)的半导体衬底去除斜面边缘堆积，在斜面蚀刻机200中的等离子体处理可以包含用含氟等离子体蚀刻该斜面边缘。该半导体衬底可包含，例如，用铜后段(BEOL)波纹工艺制备的晶圆。该半导体衬底可以具有约300mm的直径。该半导体衬底可包含斜面边缘部分(例如，约2mm宽)，其围绕多层集成电路(IC)器件结构，该结构包含该斜面边缘的向内暴露的铜。该暴露的铜表面可包含在跨越该晶圆的含钽种子层上的铜表面。
现在参考图1，显示了用于依照一个实施方式清洁衬底218的斜面边缘的衬底蚀刻系统或斜面蚀刻机200的横截面示意图，如在公开号为2008/0182412的共同转让的美国专利中所公开的。
尽管图1中显示了斜面蚀刻机的一个实施方式，本文描述的后斜面蚀刻工艺可以在任何合适的斜面蚀刻设备中执行。斜面蚀刻机200具有通常(但不限于)轴对称的形状，并且为了简明，图中只显示了侧面横截面视图的一半。如图所示，斜面蚀刻机200包括：具有门(door)或“大门(gate)”242的室壁202，衬底218通过该门242被装载/卸载;上电极总成204;支座208，上电极总成204从支座208悬挂;以及下电极总成206。精确驱动机构(图1中未示)附着于支座208以使上电极总成204上下移动(在该双箭头方向上)从而上电极总成204和衬底218之间的空隙被准确控制。
金属波纹管205被用于在室壁202和支座208之间形成真空密封，同时允许支座208相对于室壁202有竖直运动。支座208具有中心气体进口(通道)212和边缘气体进口(通道)220。气体进口212、220中的一个或两个可以输送要被激励为等离子体的工艺气体以清洁该斜面边缘。操作过程中，该等离子体是围绕衬底218的斜面边缘形成的，并且具有大体呈环的形状。为了阻止该等离子体到达衬底218的中心部分，上电极总成204上的绝缘体板216和衬底218之间的空间很小而该工艺气体被从该中心气体进口供应，在一个实施方式中通过台阶状的孔214。然后，该气体在该衬底的径向方向上穿过上电极总成204和衬底218之间的空隙。每个气体进口被用于提供相同的工艺气体或其它气体，比如清洗气体。例如，该清洗气体可以是通过该中央气体进口212注入的，而该工艺气体可以是通过该边缘气体进口220注入的。该等离子体/工艺气体被从该室空间251通过多个孔(出口)241抽出到该底部空间240。在斜面清洁操作过程中，该室压通常在500毫托到2托范围内，例如，在清洁操作过程中可以使用真空泵243来排空该底部空间240。
该工艺气体可以包含含氧气体，比如O2和/或CO2。含氟气体，比如例如NF3、CF4、SF6和/或C2F6也可以被添加到该工艺气体。该工艺气体中的含氟气体的量可取决于要通过斜面(边缘)蚀刻除去的具体薄膜(一个或多个)。例如，少量(比如<10%体积)或大量(比如>80%或>90%体积)的含氟气体可以存在于该工艺气体中。在不同实施方式中，该工艺气体可以包含，例如，约5%(以体积计)的NF3/平衡CO2或约10%(以体积计)的CF4/平衡CO2。
上电极总成204包括：上介电板或上介电元件216;和由合适的紧固机构固定于支座208并通过支座208接地的上金属元件210。上金属元件210是由金属形成的，比如铝，并且可以被阳极化。上金属元件210具有一个或多个边缘气体通路或通孔222a、222b和一个边缘气体增压室224，其中边缘气体通路或通孔222a、222b耦合于边缘气体进口220以在操作过程中进行流体连通。上介电板216附着于上金属元件210并且是由介电材料，例如陶瓷形成的。如果需要的话，上介电板216可具有Y2O3涂覆。通常，难以在一些陶瓷(比如Al2O3)上钻出很深的直孔，因此可以使用阶梯状的孔214代替深直孔。尽管图中显示上介电板216具有单一中心孔，然而上介电板216可以有任何合适数量的出口，例如，如果需要的话该出口可以被排列为喷淋头孔的样式。
下电极总成206包括：具有上部226a和下部226b并可选地起真空卡盘作用以在操作过程中将衬底218保持在适当位置的接电电极226;用于使衬底218上下移动的提升销230;销操作单元232;具有上部238a和下部238b的底部介电环238。在一个实施方式中，该卡盘可以是静电卡盘。下文中，术语接电电极指的是上部和下部226a、226b中的一个或两个。同样地，术语底部介电环238指的是上部和下部238a、238b中的一个或两个。接电电极226耦合于射频(RF)电源270以在操作过程中接收RF电力。
提升销230在圆柱孔或路径231内纵向移动，并且由位于接电电极226中的销操作单元232在较高和较低位置间上下移动。销操作单元232包括围绕每个提升销的外壳以保持围绕该销周围的真空密封环境。销操作单元232包括任何合适的提升销机构，比如机械手233(例如，具有延伸入每个外壳并附着于每个销的段的水平臂)和臂致动装置(图1中未示)。为了简明，图1中只显示了该机械臂的一个段的末端部分。尽管可以使用三个或四个提升销来提升晶圆，比如例如300mm晶圆，然而斜面蚀刻机200中可以使用任何合适数量的提升销230。而且，任何合适的机构，比如升降杆波纹管，可以用作销操作单元232。
衬底218被装载在下部可配置等离子体排除区域(PEZ)环260，其中术语PEZ指的是从该衬底的中心到区域外缘的径向距离，其中在该区域中用于清洁该斜面边缘的等离子体是被排除在外的。在一个实施方式中，接电电极226的顶面、衬底218的底面和下部可配置PEZ环260的内部圆周可以形成一个被包围的真空区域缺口(真空区域)219，真空区域219与真空源(比如真空泵236)流体连通。用于提升销230的圆柱形的孔或路径还被共享为气体通路，在操作过程中，真空泵236通过该通路抽空真空区域219。加电电极226a包括增压室234以减少该真空区域219中的瞬间气压突变，并且，在使用多个提升销的情况下，为该圆柱形孔提供均匀的抽吸速率。
衬底218的顶面上是集成电路，该集成电路可能包含暴露的铜表面，该铜表面可以在含钽种子层上，由一系列工艺形成。一个或多个工艺可能是利用等离子体执行的，等离子体可以将热能量转移到衬底上，在该衬底上形成热应力并由此导致晶圆弯曲。在斜面清洁操作过程中，该衬底弯曲可以通过使用该衬底218的上下表面间的压强差来减少。在操作过程中，耦合于该增压室234的真空泵236将该真空区域219内的压强保持在真空下。通过调整上介电板216和衬底218的上表面之间的空隙，可以改变该空隙中的气压而不必改变工艺气体的总的流速。因此，通过控制该空隙中的气压，可以改变衬底218的上下表面之间的压强差并由此控制施加在衬底218上的弯曲力。
底部介电环238a、238b是由介电材料(比如包括Al2O3的陶瓷)形成的，并将接电电极226从室壁202电性分离。在一个实施方式中，底部介电环的下部238b具有在其上表面的内部圆周上形成的台阶252，以与接电电极226的下边缘上的缺口配合。在一个实施方式中，该底部介电环的下部238b具有在其外部圆周上形成的台阶250，以与该底部介电环(称为聚焦环)的上部238a的台阶状表面相配合。台阶250、252使得该底部介电环238与接电电极226对齐。台阶250还沿着其表面形成弯曲空隙以消除接电电极226和室壁202之间的视线通路由此减少接电电极226和室壁202之间发生二次等离子体轰击的可能性。
该斜面边缘清洁等离子体处理可以包含将包括例如NF3和CF4的气体混合物供给到该斜面蚀刻机中并将该气体混合物激励到等离子态。尤其是，该气体混合物可包含NF3和CO2或CF4和CO2。例如，该气体混合物可包含约5%(以体积计)的NF3/平衡CO2或约10%(以体积计)的CF4/平衡CO2。该气体混合物可以在该半导体衬底的外围和/或中心被供给到该斜面蚀刻机中。例如，当该含氟气体混合物在该半导体衬底的外围被供给到该斜面蚀刻机时，N2气体可以在该半导体衬底的中心被供给到该斜面蚀刻机中。
使用含氟等离子体的斜面蚀刻可以带来半导体衬底铜表面的脱色，在该晶圆的外围处尤为明显，或许是因为该铜表面的氟基团，导致了该铜表面在暴露于空气中时的加速氧化。例如，NF3/CO2斜面蚀刻工艺可呈现晶圆表面上(尤其是该半导体的外围附近外部环形表面区域)的脱色。尤其是，当NF3/CO2斜面蚀刻气体混合物在该半导体衬底的外围处被供给到该斜面蚀刻机中时，与当NF3/CO2斜面蚀刻气体混合物在该半导体衬底的中心处被供给到该斜面蚀刻机中时相比，观察到较不严重的脱色(例如，在该衬底的外围附近外部环形表面区域上)。
半导体衬底铜表面在暴露于环境空气一个小时或以上时的脱色可以使用利用脱氟等离子体的后斜面蚀刻来防止。尤其是，原地N2-H2(He)工艺可以消除铜脱色。在斜面边缘蚀刻后，根据该半导体衬底和该斜面边缘蚀刻的状态，脱色可能在暴露于环境空气几分钟内(例如两到三分钟或十五分钟)出现在该半导体衬底的铜表面上。然而，如果脱色发生的话，它通常在暴露于空气中一个小时以内出现。
尽管不希望受到任何理论的束缚，然而人们相信，该铜表面的脱色可能与该铜表面上的氟所加快的铜的氧化有关。具体地说，人们相信，使用含氟等离子体的斜面蚀刻导致了该铜表面上的氟残留。在斜面边缘清洁过程中，含氟气体在该半导体衬底的外围处被激励为含氟等离子体。半导体表面上的暴露的铜表面上的氟基团将该铜表面改变为亲水性表面，亲水性表面很容易吸收湿气。因此，暴露于其中有湿气的环境空气中可能导致该铜表面由于氧化而脱色。
人们进一步相信，该后蚀刻处理的脱氟等离子体中的氢基团可以与该铜表面上的氟反应并将氟从该铜表面解放出来，从而防止该铜表面的加速氧化和随之而来的脱色(也就是说，在暴露于空气中时)。因此，用脱氟等离子体处理该半导体衬底可以通过将该铜表面暴露于例如来自该脱氟等离子体的氢基团而除去氟基团。脱氟气体在该斜面边缘处的等离子体产生过程中在该半导体衬底的外围处被激励为脱氟等离子体。氢基团可以通过形成气态HF而将F-Cu还原为Cu，这会将该铜表面变回疏水性表面，疏水性表面会排斥湿气。从该铜表面解放出来的氟(例如，以易挥发的HF的形式)在后蚀刻处理过程中被从该斜面蚀刻机除去。
相应地，防止具有铜表面的半导体衬底在斜面蚀刻机中用含氟等离子体蚀刻以后的脱色的方法包含在该斜面边缘蚀刻完成后排空该斜面蚀刻机，向该斜面蚀刻机中引入脱氟气体并将该半导体衬底的外围处的该脱氟气体激励为脱氟等离子体。该半导体衬底的外围在该脱氟等离子体中处理大于约5秒钟，该脱氟等离子体被从该斜面蚀刻机排出，而该衬底被从该斜面蚀刻机除去以进行进一步处理。
该后蚀刻处理的脱氟气体可以包括，例如，氢气，并且还可以包括，例如，氮气和/或碳。例如，该脱氟气体可包含H2、NH3和/或CHx，其中x是1-8。该后蚀刻处理的脱氟气体是无氟且无氧的，即，它不包括氟或氧，并且可以与惰性气体混合，比如，例如，氮气、氩气、氦气、氙气和/或氪气。该脱氟气体是后蚀刻气体或铜钝化气体混合物。约10-2000sccm的脱氟气体可以被流入该斜面蚀刻机。更准确地说，约100-400sccm的N2，例如约150-250sccm的N2或200sccm的N2，以及约200-1000sccm的脱氟气体，例如，约450-550sccm的脱氟气体或500sccm的脱氟气体(例如，在He载气中的约2-10%H2或在He载气中的4%H2)，可以被流入该斜面蚀刻机。该脱氟气体还可以在该半导体衬底的中心被流入该斜面蚀刻机。具体地说，如果该后蚀刻气体是从该中心和边缘气体进口被供给的，那么20%到80%体积，例如，50%体积的脱氟气体可以在该半导体衬底的外围处被流入该斜面蚀刻机而20%到80%体积，例如，50%体积的脱氟气体可以在该半导体衬底的中心被流入该斜面蚀刻机。当脱氟气体只在该半导体衬底的中心被流入该斜面蚀刻机时，脱氟气体从该半导体衬底的中心朝该半导体衬底的外围径向流动。人们相信，该后蚀刻处理的脱氟等离子体中的氢基团可以与该铜表面上的氟反应并将氟从该铜表面解放出来，从而防止该铜表面的加速氧化和随之而来的脱色(即，在暴露于空气中时)。
在一个实施方式中，用脱氟等离子体处理该半导体衬底的条件包括大于约5秒(例如，约30秒)的暴露时间以及大于约50瓦(例如，约200瓦)的RF电力。在一个实施方式中，较高的射频水平(例如，约400瓦或约600瓦)可以提供可接受的脱色防止，而较低的RF水平(例如，约200瓦)对于防止在下一个处理之前(在该处理中铜表面被用附加层覆盖)曝露在空气中更长时间段的晶圆的脱色可以提供更好的结果。也就是说，在较高RF水平的后蚀刻处理之后，在铜表面对空气的更长暴露之后(例如，一小时)，少量铜脱色可能存在，而在较低RF水平时，铜脱色可以基本上被完全阻止，即，在铜表面对空气的更长暴露之后(例如，一小时之后)。尽管不希望受到任何理论的束缚，然而人们相信，相比于较低的RF水平，较高的RF水平可以对该铜表面的表面形态(即，形态)带来更大的变化。
图2是显示经过NF3/CO2斜面蚀刻处理、N2-H2/He处理并暴露于空气中超过72小时以后，曝露在空气中超过72小时的半导体晶圆的铜表面(即，覆盖的(blanket)铜层)上的原子氧含量作为该晶圆半径的函数的图示。如该图所示，与N2-H2/He处理相比，NF3/CO2斜面蚀刻处理后该半导体晶圆的铜表面上的原子氧的含量沿着该晶圆半径在所有点上都更高。
尽管描述了各种实施方式，应当理解，对熟悉本领域的技术人员来说，显然，可以想到各种变形和修改。这些变形和修改将被认为是在所附权利要求的权限和范围之内。
