含硅氧介质层及其表面处理方法、半导体器件及互连层.pdf

本申请公开了一种含硅氧介质层及其表面处理方法、半导体器件及互连层。其中，含硅氧介质层的表面处理方法包括：对含硅氧介质层进行UV处理，以除去含硅氧介质层中的残留有机物；以及对UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理，以氧化含硅氧介质层中的残留硅。该表面处理方法通过在形成含硅氧介质层的步骤后，增加对含硅氧介质层进行UV处理以及氧化处理步骤，从而去除了含硅氧介质层中缺陷，避免了由含硅氧介质层中缺陷造成的半导体器件稳定性下降的问题。

1.  一种含硅氧介质层的表面处理方法，其特征在于，所述表面处理方法包括以下步骤：
对所述含硅氧介质层进行UV处理，以除去所述含硅氧介质层中的残留有机物；以及
对所述UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理，以氧化所述含硅氧介质层中的残留硅。

2.  根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述UV处理采用波长为100～300nm的紫外线。

3.  根据权利要求2所述的表面处理方法，其特征在于，所述UV处理的温度为300～500℃，处理时间为2～10分钟，所述紫外线的光强度为100～2000mW/cm²。

4.  根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述氧化处理采用O₃、O₂或它们的混合物作为氧化气体。

5.  根据权利要求4所示的表面处理方法，其特征在于，所述O₃和O₂混合物中O₃的体积百分含量为25%以上。

6.  根据权利要求4所述的表面处理方法，其特征在于，所述氧化处理方案中，
采用O₃时，O₃的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为30～120s；
采用O₂时，O₂的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为60～120s；
采用O₃和O₂的混合物时，O₃的流量为5000～15000sccm，O₂的流量为0～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为45～120s。

7.  根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述含硅氧介质层为SiO₂层、SiON层或SiOC层。

8.  一种含硅氧介质层，其特征在于，所述含硅氧介质层经权利要求1至7中任一项所述的表面处理方法处理形成。

9.  一种半导体器件，包括衬底以及设置于所述衬底上的一层或多层含硅氧介质层，其特征在于，各所述含硅氧介质层经权利要求1至7中任一项所述的表面处理方法处理形成。

10.  一种互连层，包括衬底、设置于所述衬底上的含硅氧介质层、设置于所述含硅氧介质层的沟槽以及设置于所述沟槽内的金属层，其特征在于，所述含硅氧介质层经权利要求1至7中任一项所述的表面处理方法处理形成。

含硅氧介质层及其表面处理方法、半导体器件及互连层
技术领域
本申请涉及半导体集成电路制作技术领域，具体而言，涉及一种含硅氧介质层及其表面处理方法、半导体器件及互连层。
背景技术
在半导体集成电路的制作过程中，通常将含硅氧材料（比如SiO₂、SiON、SiOC）作为器件隔离的介质层。现有含硅氧介质层通常是采用有机硅烷作为前驱体，通过化学气相沉积等工艺在器件上沉积形成的。在形成含硅氧介质层的过程中，前驱体中的部分有机基团和硅原子会落在形成的硅氧介质层上，导致硅氧介质层中产生缺陷，进而影响后续工艺的进行，甚至使所得到的半导体器件不能达到所设计的器件特性。
例如，在浅沟槽隔离结构的制作过程中，通常需要在浅沟槽的侧壁上形成SiO₂介质层作为粘附层，然后在SiO₂介质层上形成隔离物质。在通过化学气相沉积等工艺形成SiO₂介质层的过程中，SiO₂介质层中会产生缺陷。这些缺陷会降低SiO₂介质层的粘附力，使得隔离物质与浅沟槽之间的结合力降低，进而使得浅沟槽隔离结构不能达到所设计的隔离效果。
再例如，半导体集成电路的后段工艺（BEOL）中，需要在半导体器件上形成介质层和金属互连线，进而形成互连层。其中，金属互连线一般选用铜作为互连线材料，介质层材料通常采用含有硅氧的低介电绝缘材料。在形成含硅氧介质层的过程中，介质层中也会产生缺陷。在后续对介质层进行刻蚀的过程中，这些缺陷会保留在刻蚀形成的沟道中，并将沟道分割成很多区域。因此，在沟道中沉积金属层后，金属层会被隔断；进一步对互连层进行湿法清洗后，这些缺陷会被去除，进而使得金属互连线发生开裂，使所得到的半导体器件不能达到所设计的器件特性。
又例如，在通孔的制作过程中，需要在衬底上依次形成含硅氧介质层、抗反射涂层和光刻胶，再对光刻胶进行曝光显影，接下来对抗反射涂层、含硅氧介质层和衬底进行刻蚀，形成通孔。在形成含硅氧介质层的过程中，介质层中同样会产生缺陷。介质层表面上的缺陷会导致介质层的表面不平整，进而会导致曝光的光线发生散射，进而影响光刻图形的准确性。
随着半导体集成电路的集成密度越来越高，半导体器件之间的间距越来越小。因此，含硅氧介质层中的缺陷更容易影响后续工艺的进行，导致半导体器件的稳定性下降，甚至会导致半导体器件发生失效。比如，在28nm制程的半导体集成电路工艺中，介质层中的缺陷引起的金属互连线开裂以及光刻图形走形等，已经成为影响半导体器件稳定性能的最主要因素之一。
发明内容
本申请旨在提供一种含硅氧介质层及其表面处理制作方法、半导体器件及互连层，以解决现有含硅氧介质层中的缺陷影响半导体器件稳定性的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法，该表面处理方法包括：对含硅氧介质层进行UV处理，以除去含硅氧介质层中的残留有机物；以及对UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理，以氧化含硅氧介质层中的残留硅。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，UV处理采用波长为100～300nm的紫外线。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，UV处理的温度为300～500℃，处理时间为2～10分钟，紫外线的光强度为100～2000mW/cm²。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，氧化处理采用O₃、O₂或它们的混合物作为氧化气体。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，O₃和O₂混合物中O₃的体积百分含量为25%以上。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，氧化处理方案中，采用O₃时，O₃的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为30～120s；采用O₂时，O₂的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为60～120s；采用O₃和O₂的混合物时，O₃的流量为5000～15000sccm，O₂的流量为0～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为45～120s。
进一步地，在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，含硅氧介质层为SiO₂层、SiON层或SiOC层。
根据本申请的另一方面，提供了一种含硅氧介质层，，其中各含硅氧介质层以有机硅烷为前躯体形成，并经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。
同时，本申请还一种半导体器件，包括衬底，以及设置于衬底上的一层或多层含硅氧介质层，其中各含硅氧介质层以有机硅烷为前躯体形成，并经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。
本申请还提供了一种互连层，包括衬底，设置于衬底上的含硅氧介质层，设置于含硅氧介质层的沟槽，以及设置于沟槽内的金属层，，其中各含硅氧介质层以有机硅烷为前躯体形成，并经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。
应用本申请的技术方案一种含硅氧介质层及其表面处理方法、半导体器件及互连层，通过对含硅氧介质层进行UV处理以及氧化处理步骤，从而去除了含硅氧介质层中缺陷，避免了由含硅氧介质层中缺陷造成的半导体器件稳定性下降的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请实施例所提供的含硅氧介质层的表面处理方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
由背景技术可知，含硅氧介质层中的缺陷会导致半导体器件的稳定性下降，本申请的申请人针对上述问题进行研究，提出了一种含硅氧介质层的表面处理方法。如图1所述，该表面处理方法包括：对含硅氧介质层进行UV处理，以除去含硅氧介质层中的残留有机物；以及对UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理，以氧化含硅氧介质层中的残留硅。
在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，首先采用UV（紫外线）处理含硅氧介质层，使得含硅氧介质层中的有机残留物在UV照射的作用下发生分解，生成CO₂和H₂O；由于生成的CO₂和H₂O从硅氧介质层中脱离，因而硅氧介质层中的有机残留物得以去除。在对含硅氧介质层进行UV处理后，还要对UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理。该氧化处理能够使得含硅氧介质层中的硅原子氧化生成含硅氧材料，且生成的含硅氧材料与含硅氧介质层结合在一起，从而达到去除硅氧介质层中硅残留物的目的。
以下将结合具体实施方式进一步说明本申请所提供的含硅氧介质层的表面处理方法。该表面处理方法包括以下步骤：
首先采用UV（紫外线）处理含硅氧介质层，以除去含硅氧介质层中的残留有机物。在该步骤中，UV的波长会对硅氧介质层中有机残留物的去除效果产生影响，本领域的技术人员可以根据实际工艺需求，选择UV的波长。在本申请的一种优选实施方式中，UV处理采用波长为100～300nm的紫外线。具有上述波长的UV能够促进有机残留物的氧化分解，进而彻底去除硅氧介质层中的有机残留物。
在上述的UV处理步骤中，氧介质层中有机残留物的去除效果还与UV处理的工艺条件有关，本领域的技术人员可以根据实际工艺需求，选择UV处理的工艺条件，比如处理温度、时间。在本申请的一种优选实施方式中，UV处理的温度为300～500℃，时间为2～10分钟，紫外线的强度为100～2000mW/cm²。满足上述工艺条件的UV处理能够实现去除硅氧介质层中有机残留物的目的。
在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，在对含硅氧介质层进行UV处理的步骤之后，还要对UV处理后的含硅氧介质层进行氧化处理。该氧化处理能够使得含硅氧介质层中的硅原子氧化生成含硅氧材料，且生成的含硅氧材料与含硅氧介质层结合在一起，从而达到去除硅氧介质层中硅残留物的目的。
在上述的氧化处理步骤中，本领域技术人员可以根据实际工艺需求，选择合适的氧化气 体进行氧化处理。在本申请的一种优选实施方式中，采用O₃、O₂或它们的混合物作为氧化试剂。采用上述氧化气体既能去除硅氧介质层中的硅残留物，又不会在含硅氧介质层中产生新的杂质或造成其他损害。
在上述的氧化处理步骤中，当采用O₃和O₂混合物作为氧化试剂时，本领域的技术人员可以根据实际工艺需求，选择具有合适配比的氧化气体。在本申请的一种优选实施方式中，混合物中O₃的体积百分含量为25%以上。采用上述配比的氧化试剂既能去除硅氧介质层中的硅残留物，又不会对含硅氧介质层产生新的损害。
在上述的氧化处理步骤中，含硅氧介质层中硅残留物的去除效果还与氧化处理的工艺条件有关，本领域的技术人员可以根据实际工艺需求，选择氧化处理的工艺条件，比如氧化气体的流量、处理温度和时间。当采用O₃作为氧化气体时，氧化处理的一种优选工艺条件为：O₃的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为30～120s；当采用O₂作为氧化气体时，氧化处理的一种优选工艺条件为：O₂的流量为5000～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为60～120s；当采用O₃和O₂作为氧化气体时，氧化处理的一种优选工艺条件为：O₃的流量为5000～15000sccm，O₂的流量为0～15000sccm，处理温度为300～400℃，处理时间为45～120s。满足上述工艺条件的氧化处理能够彻底去除硅氧介质层中的硅残留物。
在本申请上述的含硅氧介质层的表面处理方法中，所述含硅氧介质层以有机硅烷为前躯，在衬底上形成的含有硅和氧的材料。优选地，含硅氧介质层为SiO₂层、SiON层或SiOC层。可选的有机硅烷选自二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二乙基硅烷、四氧基原硅酸酯、四乙基原硅酸酯、八甲基三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、四甲基环四硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基二甲基硅烷以及苯基硅烷中的一种或多种。在形成含硅氧介质层的过程中，本领域的技术人员还可以根据实际工艺需求，向前驱体中通入掺杂元素，比如N和C，以形成SiON和SiOC介质层。形成上述含硅氧介质层的工艺包括但不限于采用化学气相沉积、蒸发、溅射等，上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。
同时，本申请还提供了一种含硅氧介质层，该含硅氧介质层经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。该含硅氧介质层中缺陷得以去除，避免了由含硅氧介质层中的缺陷造成的半导体器件稳定性下降的问题。
本申请又提供了一种半导体器件，包括衬底，以及设置于衬底上的一层或多层含硅氧介质层，其中该含硅氧介质层经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。该半导体器件中含硅氧介质层中的缺陷得以去除，避免了由含硅氧介质层中缺陷造成的半导体器件稳定性下降的问题。
在本申请上述的半导体器件中，硅氧介质层可以为一层或多层，本领域的技术人员可以根据实际工艺需求设置含硅氧介质层的层数。采用本申请提供的含硅氧介质层的制作方法制作含硅氧介质层的过程中，当硅氧介质层为多层时，可以在形成每层硅氧介质层后进行UV处理和氧化处理，也可以在完成硅氧介质层的制作后进行UV处理和氧化处理。
本申请进一步提供了一种互连层，包括衬底，设置于衬底上的含硅氧介质层，设置于含 硅氧介质层的沟槽，以及设置于沟槽内的金属层，其中该含硅氧介质层经本申请提供的含硅氧介质层的表面处理方法处理形成。
在本申请上述的互连层中，本领域的技术人员可以根据现有技术，选择介电层、硬掩膜层和金属层的材料。在本申请的一种优选实施方式中，介电层包括氮化硅阻挡层和SiOH介电层，硬掩膜层包括BD、SiO₂和TiN。介电层、硬掩膜层和金属层的沉积方法，以及刻蚀硬掩膜层、含硅氧介质层和介电层的方法为本领域常见的技术，在此不再赘述。
在本申请上述的半导体器件中，衬底上至少形成一种结构，除了上述所提及的互连层结构外，还可以是比如晶体管、二极管、电容器或浅沟槽结构等，从而在衬底上形成了半导体器件区。上述含硅氧介质层形成于衬底的半导体器件区上，且对半导体器件起到隔离的作用。
下面将结合实施例进一步说明本申请提供的一种含硅氧介质层的制作方法。
实施例1
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为100nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为2000mW/cm²，处理温度为450℃，时间为2分钟；
采用O₃对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₃的流量为15000sccm，处理的温度为300℃，时间为120秒。
实施例2
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为250nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为100mw/cm²，处理温度为300℃，时间为6分钟；
采用O₃对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₃的流量为5000sccm，处理的温度为400℃，时间为30秒。
实施例3
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为100nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为1000mW/cm²，处理温度为400℃，时间为10分钟；
采用O₂对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₂的流量为15000sccm，处理的温度为300℃，时间为60s。
实施例4
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为250nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为500mW/cm²，处理温度为300℃，时间为6分钟；
采用O₂对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₂的流量为5000sccm，处理的温度为400℃，时间为120s。
实施例5
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为300nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为1500mW/cm²，处理温度为500℃，时间为2分钟；
采用O₃和O₂混合物对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₃的流量为15000sccm，O₂的流量为15000sccm，处理的温度为300℃，时间为45s。
实施例6
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为200nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为1500mW/cm²，处理温度为400℃，时间为6分钟；
采用O₃和O₂混合物对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₃的流量为5000sccm，O₂的流量为15000sccm，处理的温度为400℃，时间为120s。
实施例7
本实施例提供了一种含硅氧介质层的表面处理方法。
其中，含硅氧介质层为SiO₂介质层，形成SiO₂介质层的工艺条件为：以四甲基硅烷和氧气为反应气体，四甲基硅烷的流量为3000sccm，氧气的流量为5000sccm，基板沉积温度为700℃，沉积厚度为350nm；
该表面处理方法包括以下步骤：
采用波长为320nm的UV处理SiO₂介质层，其工艺条件为：紫外线的光强度为2100mW/cm²，处理温度为510℃，时间为11分钟；
采用O₃和O₂混合气体对UV处理后的SiO₂介质层进行氧化处理，其工艺条件为：O₃的流量为4000sccm，O₂的流量为16000sccm，处理的温度为290℃，时间为40s。
测试：
通过SEM观察实施例1至7中UV处理前以及氧化处理后半导体器件表面的形貌，并采用统计的方法计算出SiO₂介质层中残留物的去除率，其结果请见表1。
表1