一種含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法。本發(fā)明以四乙氧基硅烷和雙戊烯為前驅(qū)體，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，通過控制沉積過程中的襯底溫度、射頻功率、反應(yīng)腔中工作壓強(qiáng)、前驅(qū)體配比等工藝參數(shù)，沉積得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜；然后對該薄膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒嵬嘶鹛幚恚沟貌糠钟袡C(jī)組分發(fā)生熱分解，由此獲得含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜。該薄膜介電常數(shù)為2.5~2.9，在1MV/cm場強(qiáng)下的漏電流密度處于10-8~10-9A/cm2數(shù)量級范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)大于2MV/cm，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。該方法操控簡單，與現(xiàn)有集成電路后端互連工藝完全兼容，是互連介質(zhì)的理想候選者。
【專利說明】一種含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法，應(yīng)用于銅互連中的層間介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越來越成為超大規(guī)模集成電路的主要產(chǎn)品。此時，芯片中的導(dǎo)線密度不斷增加，導(dǎo)線寬度和間距不斷減小，這導(dǎo)致芯片后端互連中的電阻(R)和電容(C)所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)越來越明顯。目前，工業(yè)上已經(jīng)普遍采用銅(Cu)代替鋁(Al)進(jìn)行布線，以降低電阻；以及采用低介電常數(shù)(low-k)材料取代傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO2)作為層內(nèi)和層間電介質(zhì)，以降低寄生電容。
[0003]工業(yè)上采用的low-k材料主要是通過向SiO2中摻入甲基等有機(jī)基團(tuán)以及引入孔隙等方法，來實現(xiàn)降低介電常數(shù)的目的。然而，過多的有機(jī)基團(tuán)和微孔的引入會導(dǎo)致薄膜的熱穩(wěn)定性變差，力學(xué)性能發(fā)生退化，從而限制了 low-k薄膜在后端互連工藝中的應(yīng)用。為了解決這一問題，需要對孔隙大小以及有機(jī)基團(tuán)的引入進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，采用適宜的前驅(qū)體和理想的工藝條件，來實現(xiàn)含有納米孔隙的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜的制備。因此，本發(fā)明以四乙氧基硅烷(TEOS)為前驅(qū)體 ，以雙戊烯(UMO)為成孔劑，采用與現(xiàn)有集成電路制造工藝相兼容的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，并結(jié)合薄膜沉積后的熱處理，制備出了含納米孔隙的低介電常數(shù)SiOCH無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜。該低介電常數(shù)復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠滿足集成電路后端互連的性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種力學(xué)性能優(yōu)異的含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法。
[0005]本發(fā)明提出的含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜，是以四乙氧基硅烷(TEOS)和雙戊烯(UMO)為前驅(qū)體，采用PECVD工藝，獲得無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜。然后，對該復(fù)合薄膜進(jìn)行熱處理，使得部分有機(jī)組分發(fā)生熱分解，從而得到含納米孔隙的低介電常數(shù)無機(jī)-有機(jī)
復(fù)合薄膜。
[0006]本發(fā)明提出的含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法，具體步驟如下:
(1)對反應(yīng)腔體抽真空,使腔體壓力小于0.02 Torr，然后通過加熱系統(tǒng)將襯底加熱至預(yù)設(shè)的溫度，并維持穩(wěn)定；
(2)向反應(yīng)腔體中通入前驅(qū)體TEOS和UM0，各自的流量分別為0.1-2 g/min ;首先采用汽化器使TEOS和UMO汽化，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 °C，LIMO的汽化溫度為6(T100 °C ;然后使用載氣(例如氦氣)將TEOS和UMO蒸汽從不同氣路輸送到反應(yīng)腔中，其中輸送TEOS蒸汽的載氣流量為500~5000 sccm,輸送UMO蒸汽的載氣流量為1000~8000sccm ；
(3)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積過程中，工藝參數(shù)分別為:功率50-800W，襯底溫度100^350 °C，反應(yīng)腔中工作壓強(qiáng)廣8 Torr ;上下極板間距1(T20 mm ;由此得到無機(jī)一有機(jī)復(fù)合薄膜，其中無機(jī)成分主要為S1-O-Si結(jié)構(gòu)，有機(jī)成分主要為CHx (x=l, 2，3)基團(tuán)；
(4)將PECVD薄膜置于管式爐、箱式爐或其它腔體中，進(jìn)行熱退火處理；退火溫度為40(T60(TC，退火時間為0.5^4小時，退火氣氛可以為氬氣、氦氣、氮氣等，壓力為0.1~ 800Torr0由于在退火過程中，部分有機(jī)組分發(fā)生熱分解，獲得含納米孔隙的復(fù)合薄膜。
[0007]對上述薄膜進(jìn)行電學(xué)和力學(xué)測量，性能如下:介電常數(shù)為2.5^2.9，在I MV/cm場強(qiáng)下的漏電流密度處于10_8~10_9A/cm2數(shù)量級范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)大于2 MV/cm,楊氏模量為8~12GPa，硬度為 0.5~1.2 GPa0
[0008]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
由本發(fā)明所提供的方法制備的薄膜具有低介電常數(shù)、良好的絕緣性能和優(yōu)異的力學(xué)性能。這與本方法能向薄膜中引入納米尺度的孔隙有關(guān)。
[0009]本發(fā)明提供的方法與現(xiàn)有集成電路加工工藝相兼容，所制備的薄膜可直接用作芯片后端互連中的層間介質(zhì)。工藝操控簡單容易，通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以有效地控制薄膜的組分、化學(xué)結(jié)構(gòu)、孔隙率等，達(dá)到調(diào)控low-k薄膜的電學(xué)、力學(xué)等性能的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是沉積薄膜以及經(jīng)過熱退火處理后薄膜的紅外光譜圖。
[0011]圖2是熱退火處理后薄膜的剖面透射電子顯微鏡照片。 【具體實施方式】
[0012]實施例1
設(shè)定襯底溫度為200°C，反應(yīng)腔中工作壓強(qiáng)為3 Torr，沉積功率為300 W ；TE0S和UMO質(zhì)量比為1:1，汽化溫度分別為160 1:和100 V ;用氦氣做載氣，流量分別為2000 sccm和5000 sccm，沉積得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜。沉積薄膜在氬氣(Ar)氛圍不同溫度下進(jìn)行熱退火處理，氣壓小于0.3 Torr，退火時間為I小時。
[0013]薄膜性能測量:薄膜厚度和折射率通過橢偏儀來測量，測量波長范圍為250nnTSOO nm，并用柯西(Cauthy)模型擬合。為了測量上述薄膜的電學(xué)性能，本發(fā)明以低電阻率硅片(電阻率為0.001~0.005 Ω-cm)為襯底，以電子束蒸發(fā)的鋁作為頂電極和底電極，頂電極為直徑400 μ m的圓形電極。在室溫或高于室溫(小于150 °C)條件下，通過對鋁/low-k薄膜/硅/鋁結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)曲線的測量來提取介電常數(shù)，并通過多點測試來獲得可靠的平均介電常數(shù)值。通過對電流-電壓α-v)曲線的測量獲得薄膜的漏電特性。采用納米壓痕測試來得到薄膜的力學(xué)性能(楊氏模量和硬度)，用于納米壓痕測試的薄膜厚度為600 nm左右，壓入深度為薄膜厚度的10%。
[0014]由圖1可以看出，熱處理后的薄膜的紅外光譜中在1140 CnT1附近存在一個明顯的肩峰，這揭示了籠型S1-O-Si結(jié)構(gòu)的存在。此外，熱處理后對應(yīng)于CHx的吸收峰強(qiáng)度顯著減小，這表明PECVD沉積薄膜中含有較多的CHx有機(jī)基團(tuán)，熱處理導(dǎo)致大部分有機(jī)基團(tuán)的分解去除。從圖2可以看出，熱處理后的薄膜中含有大量的納米孔隙，與熱處理后有機(jī)基團(tuán)的分解相關(guān)。表1列出了 PECVD沉積薄膜在不同溫度退火后的各項性能參數(shù)，隨著退火溫度從400 °C升高到500 °C，所得薄膜的折射率從1.411減小到1.345，室溫下介電常數(shù)從2.93減小到2.52。在I MV/cm電場強(qiáng)度下它們的漏電流密度處于1.05X 10_9 A/cnTl.64X 10_9 A/cm2的極低范圍。薄膜的楊氏模量為7.81 GPa~10.60 GPa，硬度為0.74 GPa~1.10 GPa。
[0015]表1
【權(quán)利要求】
1.一種含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)對反應(yīng)腔體抽真空,使腔體壓力小于0.02 Torr，然后通過加熱系統(tǒng)將襯底加熱至預(yù)設(shè)的溫度，并維持穩(wěn)定； (2)向反應(yīng)腔體中通入前驅(qū)體TEOS和UM0，各自的流量分別為0.1~2 g/min ;首先采用汽化器使TEOS和UMO汽化，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 °C，LIMO的汽化溫度為6(T100 °C ;然后使用載氣將TEOS和UMO蒸汽從不同氣路輸送到反應(yīng)腔中，其中輸送TEOS蒸汽的載氣流量為500~5000 sccm，輸送UMO蒸汽的載氣流量為1000~8000 sccm ； (3)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積過程中，工藝參數(shù)分別為:功率50-800W，襯底溫度100^350 °C，反應(yīng)腔中工作壓強(qiáng)1~8 Torr ;上下極板間距10~20 mm ;由此得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合薄膜，其中無機(jī)成分主要為S1-O-Si結(jié)構(gòu)，有機(jī)成分主要為CHx (x=l, 2，3)基團(tuán)； (4)將復(fù)合薄膜置于管式爐、箱式爐或其它腔體中，進(jìn)行熱退火處理；退火溫度為40(T600°C，退火時間為0.5^4小時，退火氣氛為氬氣、氦氣或氮氣，壓力為0.1~ 800 Torr ；在退火過程中，部分有機(jī)組分發(fā)生熱分解，從而獲得含納米孔隙的復(fù)合薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:TE0S和UMO蒸汽是通過汽化器獲得，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 V，LIMO的汽化溫度為6(T100°C。
3.一種由權(quán)利要求1所述制備方法制備得到的含納米孔隙的低介電常數(shù)復(fù)合薄膜，其電學(xué)和力學(xué)性能如下:介電常數(shù)為2.5~2.9，在I MV/cm場強(qiáng)下的漏電流密度處于10_8~10_9A/cm2數(shù)量級范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)大于2 MV/cm,楊氏模量為8~12 GPa,硬度為0.5^1.2GPa。
【文檔編號】C23C16/44GK104022074SQ201410240798
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月2日
【發(fā)明者】丁士進(jìn), 譚再上, 范仲勇, 張衛(wèi) 申請人:復(fù)旦大學(xué)