專利名稱：排序二相介電薄膜及含有該膜的半導體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速微處理器，專用集成電路(ASICs)，和其它高速集成電路(ICs)的互連結(jié)構(gòu)。特別的是，本發(fā)明提供了提高電路速度的低介電常數(shù)(即，低-k)互連結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)機械上更強于相似介電常數(shù)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)至少包括機械上強于相似介電常數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)薄膜且多孔，低-K的介電薄膜。
背景技術(shù)：
半導體工業(yè)繼續(xù)致力于提高密度和性能，被迫使用先進的互連結(jié)構(gòu)。例如，銅，Cu，最近被用于0.25um代產(chǎn)品的和更低的產(chǎn)品，并用于0.13um代產(chǎn)品的連線工藝，則要求低-K電介質(zhì)(具有相對介電常數(shù)k約為3.8或更低的材料)融入這些互連中來改善性能。
金屬化時，新連線材料的選擇明顯更直接，但金屬間電介質(zhì)(IMD)的選擇就不太明顯了。許多基于有機或玻璃材料的新低-K電介質(zhì)最近可用于半導體工業(yè)；參看，例如，共同轉(zhuǎn)讓的美國申請序號(09/360,738(代理卷號YOR91999074US1)；共同轉(zhuǎn)讓的美國申請序號No.09/361,396(代理卷號YOR91999075US1)；給Rostoker等人的美國專利No.5,393,712；給Kapoor等的美國專利No.5,470,801等；及給Kapoor等的美國專利No.5,598,026等。
但是，需要附加的特征化和集成化來選擇合適候選物和把這些材料引入半導體產(chǎn)品中。
IMD的材料選擇過程中通常強調(diào)材料的電和化學特性。例如，用于高級互連應(yīng)用的IMD必須有高介電常數(shù)，低泄漏，高擊穿強度及常規(guī)處理溫度下的良好熱穩(wěn)定性。
盡管在最初的評價過程中對這些屬性強調(diào)很重，但在半導體制備中機械屬性和可制造問題對所用電介質(zhì)的選擇起很大作用，或許甚至占主要地位。例如，像化學-機械拋光(CMP)和封裝操作的工藝操作可能損壞軟性介電結(jié)構(gòu)；因此，選擇IMD時，機械屬性和可生產(chǎn)性必須也加以仔細考慮。
根據(jù)關(guān)于低-K電介質(zhì)的上述缺陷，需要研制與現(xiàn)有技術(shù)的低-K電介質(zhì)相比，提高機械屬性的新型多孔，低-K介電薄膜。
發(fā)明概要本發(fā)明的目的之一在于提供具有小于約2.0，優(yōu)選約1.8或更小的介電常數(shù)K的低-K介電薄膜。注意，除非另外說明，所有這里所述的介電常數(shù)是相對于真空給出的。
本發(fā)明的另一目的在于提供了具有超級機械屬性(特別是，硬度約2.0GPa或更大，模數(shù)約2.0GPa或更大)的低-K介電薄膜。
本發(fā)明的又一目的在于提供具有大小基本一致(可選大小的可控直徑范圍為約1至約10nm)，且基本均勻間隔，基本周期性放置的孔的低-K介電薄膜。
本發(fā)明的再一目的在于提供具有直徑約1至10nm，互不相連，且被低介電常數(shù)基體(low-dielectric constant matrix)材料隔離的孔的低-K介電薄膜。
本發(fā)明的其它目的包括-提供生產(chǎn)具有上述特性的薄膜的方法。
-提供集成電路(IC)上間隙填充的薄膜結(jié)構(gòu)，其中本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜被用于金屬線間的介電層。
-提供集成電路(IC)上雙鑲嵌型薄膜布線結(jié)構(gòu)，其中本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜被用于金屬布線特征間的介電層。
本發(fā)明中通過提供包含兩相的多孔介電薄膜來實現(xiàn)這些和其它的目的和優(yōu)點。本發(fā)明介電薄膜的第一相由大小一致的納米級孔(即空洞)組成，可選大小的直徑范圍為1-10nm，且被均勻的分開放置，位置基本呈周期性。本發(fā)明薄膜的第二相為實心相，由基體(matrix)中具有分散的納米級微粒的低介電常數(shù)基體組成。納米級微?？捎蒘i，C，O和H或其它材料組成，且基本上被均勻的分開放置，位置基本呈周期性。
特別的是，本發(fā)明的新型多孔，低-K介電薄膜包括單分散孔的第一相直徑為約1至10nm，且基本上被均勻的分開放置，基本呈周期性的位于三維周期晶格上；以及第二相圍繞所述第一相，其中上述第二相為實心相，它包括(i)直徑為約1至約10nm的納米微粒組成的有序單元，它們基本上被分開放置且基本呈周期性的位于三維周期晶格上，以及(ii)介電常數(shù)小于約2.8的介電材料組成的無序單元。
本發(fā)明中使用的納米微?？捎蒘i，C，O和H或其它任何滿足以上描述的納米微粒組成。
本發(fā)明的有另一方面涉及至少含以本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜為基本結(jié)構(gòu)元件之一的互連結(jié)構(gòu)。此互連結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明多孔，低-K電介質(zhì)被用作形成于金屬布線特征間的介電層。
本發(fā)明的另一方面涉及制備上述多孔，低-K介電薄膜的方法。特別的是，本發(fā)明的方法包括步驟(a)用表面配位基團涂覆水溶或水蒸汽可溶氧化物微粒的懸浮液，該表面配位基團有效的防止上述氧化物微粒的聚合，還維持了所述懸浮液中氧化物微粒的溶解度，同時分別形成單分散的(例如SiCOH)微粒，微粒直徑約1至約10nm。
(b)在含介電常數(shù)約2.8或更少的介電結(jié)合材料的溶液中添加所述被涂覆的的水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒和所述單分散的微粒，以便形成原始混合物；(c)在襯底表面上涂覆所述原始混合物。
(d)讓所述被涂覆的原始混合物進行固化(curing)處理，所述固化處理至少包括能在三維晶格中排序上述微粒的步驟和形成交叉鏈接薄膜的步驟。
(e)從所述交叉鏈接薄膜上去除所述被涂覆的水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒以在所述薄膜上形成孔；以及(f)退火含所述通孔的所述薄膜以從所述薄膜中去除剩余的水和氫氧基，其中所述薄膜包括直徑為約1至10nm，基本均勻分開放置且基本位于三維周期性晶格上的單分散孔的第一相，這些位置以前為水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒所占據(jù)；以及包圍所述第一相的第二相，其中所述第二相為實心相，包括(i)直徑為約1至約10nm的納米微粒組成的有序單元，它們基本上被分開放置且基本呈周期性的位于三維周期晶格上，以及(ii)所述結(jié)合劑組成的無序單元。
附圖簡述

圖1A-C為通過各平面的本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的圖示。
圖1D為本發(fā)明的薄膜的三維原理圖，顯示平面A，B和C。
圖2A-B為含本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的集成電路上間隙填充互連結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3為含本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的集成電路上雙鑲嵌型互連布線結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了具有與傳統(tǒng)多孔介電薄膜相比的超級機械強度的多孔，低-K介電薄膜，參考本發(fā)明的附圖，現(xiàn)在將作詳細描述。
先參考圖1A-D，為通過各種平面上本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的圖示。這些附圖所示平面與圖1D中相同。如圖1A-D所示，此新型發(fā)明包括三個不同組成，單分散孔10，納米微粒12和介電基體14。單分散孔代表本發(fā)明的薄膜的第一相，而納米微粒和介電基體代表本發(fā)明的薄膜的第二相。本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的上述組成現(xiàn)在將分別被更詳細的描述。
特別的是，本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的孔(或空洞)10直徑為約1至約10nm，優(yōu)選約1至約5nm，孔直徑約3nm則最好。另外，如圖1A所示，孔10基本上被分開放置，且位置基本呈周期性。特別的是，孔10被放于三維晶格上。盡管孔10被特別描述為球形，其它的形狀，包括但不限于橢圓性，蛋形和圓柱形也可。這里所用直徑也指特征尺寸或大致尺寸，不限于球形孔的幾何直徑。
納米微粒12，也存在于本發(fā)明的薄膜中，具有直徑為約1至約10nm，優(yōu)選納米微粒12的直徑為約2.0至約3nm。根據(jù)本發(fā)明，納米顆粒12包含Si，C，O和H，它們基本上被均勻的分開放置，且基本上被布置于三維周期晶格上。本發(fā)明中，納米微粒代表第二相，即實心相的有序成分。本發(fā)明的其它實施方案中，納米微粒12具有其它組成。
第二相的另一成分是介電基體(或結(jié)合劑)14，完全包圍著孔10和納米微粒12。本發(fā)明的薄膜的介電基體是非排序的，由介電常數(shù)約2.8或更少，優(yōu)選約2.6或更少的低-K介電材料組成。
能用于本發(fā)明作為介電基體(或結(jié)合劑)的各類低-K介電材料的說明性例子包括，但不限于聚芳基醚，.熱硬化性的聚芳基醚，芳香族熱硬化性的樹脂如SiLK(Dow Chemical Company道化學公司提供的半導體電介質(zhì))，含Si的聚合物如有機倍半硅氧烷(OSQ)，如甲基-或苯基倍半硅氧烷(MSQ或PSQ)；氫化倍半硅氧烷(HSQ)；OSQ和MSQ混合物；Si，C，O和H組成的非晶合金，可摻氧化物或不摻。這些低-K電介質(zhì)的混合物和/或復合物也可以用于本發(fā)明。能用作本發(fā)明的薄膜基體的優(yōu)選低-K介電結(jié)合劑包括MSQ，PSQ，HSQ和MSQ-HSQ混合物。
如圖1A-D所示，孔10通常以中心-中心距離Vcc和邊緣-邊緣距離Vee分開，并位于周期三維晶格點上。這里術(shù)語“周期性三維晶格”被用于表明從幾個晶格常數(shù)(例如5或更多)至很大晶格常數(shù)的一定距離范圍內(nèi)具有常規(guī)重復單元的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)具有從約50至約100nm和更大的距離上的排序通孔。孔和納米微粒間的距離用AB表示。注意因為可能的晶格缺陷是本發(fā)明薄膜的一部分，不需要每個晶格位置上都有孔。再次強調(diào)孔的形狀不限于球形。而是其它形狀的孔也適用于這里。也位于晶格上并等間距放置的是納米微粒12。同樣因為可能的晶格缺陷是薄膜的一部分，本發(fā)明中不需要每個晶格上都有納米微粒。
根據(jù)本發(fā)明，距離Vcc通常為約2至約10nm，更優(yōu)選距離約3至約6nm。在考慮距離Vee的范圍內(nèi)，此距離通常為約1至約8nm，更優(yōu)選距離約2至約5nm。另一方面，間距AB通常為約1至約10nm，更優(yōu)選距離約2至約5nm。
根據(jù)本發(fā)明，多孔，低-K介電薄膜的介電常數(shù)小于約2.0，優(yōu)選小于約1.8。注意由于薄膜上存在孔10，本發(fā)明薄膜的介電常數(shù)通常小于結(jié)合劑材料。因此，本發(fā)明的薄膜通常具有低于制備相同器件時使用的結(jié)合劑材料的有效介電常數(shù)。如上所述，本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜具有小于約2.0，優(yōu)選約1.8或更小的有效介電常數(shù)。
除了具有低介電常數(shù)，本發(fā)明的薄膜的特征還在于具有超級機械性能。特別的是，本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜具有如納米-壓痕測試的約0.2GPa或更高的硬度，和約2.0GPa或更高的模數(shù)。更優(yōu)越的是，本發(fā)明的多孔，低-K介電常數(shù)薄膜具有約0.2至約0.4GPa的硬度和約2至4GPa的模數(shù)，而展現(xiàn)的介電常數(shù)小于約2.0。
用于形成上述且如圖1A-D的本發(fā)明的薄膜的方法現(xiàn)在將被描述。本發(fā)明的方法的第一步至少包括形成含水溶(或水蒸汽可溶)氧化物微粒的懸浮液。以已熟知的那些現(xiàn)有技術(shù)，通過向能懸浮氧化物微粒的溶劑中加水溶(或水蒸汽可溶)氧化物微粒形成懸浮液。本發(fā)明中可使用作為懸浮介質(zhì)的典型溶劑包括，但不限于醇(如甲醇，乙醇，丙醇和丁醇)，烷烴(如丁烷，戊烷，己烷，庚烷，辛烷，壬烷和十二烷以及天然分餾物如石油，醚或煤油)，酮(包括，但不限于丙酮和甲基乙烷酮)，醚(如乙醚，丙醚，丁醚，戊醚，己醚，庚醚，辛醚，苯醚和甲基苯醚(苯甲醚))，芳香族(如苯，甲苯，二甲苯，三甲苯)和羧酸(如醋酸，丙酸，和丁酸)。
以醇，酮，羧酸為例，只要水與溶液PH值的比率不會使氧化物微粒溶解，則可使用水合物。這些溶劑中，根據(jù)兼顧其功效和成本，己烷，甲苯，乙醇，丙酮，甲基乙烷酮，辛醚，苯醚通常被使用，并且，己烷，丙酮，乙醇由于其低沸點而更優(yōu)選。
本發(fā)明中使用的氧化物微粒包括可充分溶于水或水蒸汽的任何氧化物微粒，通過在水中浸泡來在電介質(zhì)基體中形成孔，即空洞。這種水溶或水蒸汽可溶的氧化物的例子包括，但不限于氧化硅，氧化鍺及類似物。氧化物微粒的混合物也可用于這里。本發(fā)明中使用的氧化物微粒的另一特征在于它們能在電介質(zhì)基體中形成直徑約1至約10nm的孔，優(yōu)選約1至約5nm，約2.5nm更好。
用于形成懸浮液的溶劑和氧化物微粒的劑量可調(diào)，對本發(fā)明不重要。但是，通常約1至約10gm的氧化物微粒被添加至約1000ml的溶劑中。
本發(fā)明中使用的水溶或水蒸汽可溶的氧化物微?？捎媚切┈F(xiàn)有成熟技術(shù)形成。在本發(fā)明的一種實施方案中，優(yōu)選使用共同轉(zhuǎn)讓的美國申請序號No.09/360,738中公布的合成工藝，其完整內(nèi)容這里用作參考來制備氧化鍺微粒。在本發(fā)明的此實施方案中，水和溶劑的比率Rw約為1％或更少，即，Rw約等于0，以便制作最小的氧化鍺微粒大小通常為約1至約10nm。
懸浮水溶或水蒸汽可溶氧化物微粒經(jīng)過將表面配位基團涂覆至氧化物微粒上的步驟。本發(fā)明的這一步驟通過利用傳統(tǒng)溶液化學過程實現(xiàn)，其中至少包含表面配位基團的化合物被添加至懸浮液中。
本發(fā)明中使用的表面配位基團包括有效防止水溶或水蒸汽可溶氧化物微粒凝聚，且能維持懸浮液中氧化物微粒的溶解度的任何表面配位基團。本發(fā)明此步驟中可用的合適的表面配位基團包括，但不限于具有R’-Si(R”)3形式的有機硅烷，其中R’為含4至18個線形或分支形式的碳原子的有機物的一部分，R”從甲氧基，乙氧基，丙氧基的組中選??；或者具有R’-Si(X)3形式的有機鹵化硅烷，其中R’如上定義，X為如F，Cl，Br及I的鹵化物。
上述情形中，鍺烷類似物，即R’-Ge(R”)3或R’-Ge(X)3，其中R’，R”和X如上定義，也是合適的表面活性配位體。相似地，具有R1-COOH形式，其中R1為含4至18個線形或分支形式碳原子有機物一部分的長鏈羧酸可以被采用。在一些實施方案中，含環(huán)或芳香烴環(huán)的長鏈羧酸也可用于此處。
用于納米微粒生長的表面活性劑，即表面配位體，可包括具有R23N形式的長鏈烷基胺，其中多達兩個R2基為氫原子，另一R2基為具有4至18個線形或分支形式碳原子的有機物的一部分；具有R3OH形式的長鏈醇，其中R3為含4至18個(線形，分支，環(huán)狀或芳香烴)碳原子的有機物的一部分；具有R4-PO2OH形式的長鏈磷酸，其中R4為含4至18個線形或分支形式碳原子的有機物的一部分，它可能進一步包含環(huán)狀結(jié)構(gòu)或芳香烴環(huán)；具有R5-SO2OH形式的長鏈磺酸，其中R5為含4至18個線形或分支形式碳原子的有機物的一部分，它可能進一步包含環(huán)狀結(jié)構(gòu)或芳香烴環(huán)。
在所有上述情形中，表面配位體的有機功能可部分或完全用氟替代氫來制備這些穩(wěn)定配位體的氟碳化合物類似物。
本發(fā)明采用的其它可能的配位體中，油酸為最優(yōu)選的表面配位體，特別是在分散介質(zhì)為辛醚或苯醚。
富碳氧化鍺微粒(水溶)能用同上所述的過程制備，用鍺醇鹽或鹵化鍺作為原始物替代原來的硅氧烷和倍半硅氧烷(silsesquixoanes)。
盡管本發(fā)明采用的表面配位基團的濃度可調(diào)，通常約0.1至約1wt.％表面配位基團被添加至約1000ml的懸浮液中。遵循本發(fā)明的這一步驟，色譜分離法或另外的類似大小界定的分離技術(shù)可被選用來對被涂覆的氧化物微粒作大小選擇以具有直徑范圍為約1至約10nm的微粒。
準備涂覆氧化物微粒時，在之前，之后或同時，利用那些現(xiàn)有已熟知的技術(shù)具有直徑約1至約10nm的SiCOH納米微粒被分別制備。例如，SiCOH納米微粒的制備如下通過注入從硅氧烷和倍半硅氧烷中選取的合適硅原始物的1％-5％重量的溶液至含表面活性劑(上述表面配位體)的熱溶液(80°-120℃)和含約0.1至1％的水的有機溶劑(通常為辛醚或苯醚)中。硅氧烷分子可被選來提供SiCOH微粒的所需的最終成份。表面活性劑溶液展示出稱為反向或反轉(zhuǎn)微團的微相-聚合結(jié)構(gòu)。在此分子溶液中，水被隔絕于由非極性溶劑里表面活性劑的凝聚形成的小親水包中。注入時，硅氧烷或倍半硅氧烷原始物分散于熱表面活性劑溶液中，在形成低密度富碳氧化物微粒的微團內(nèi)被選擇性水解。通過升溫至約140℃，5-10分鐘后蒸餾出水，停止水解反應(yīng)，在交聯(lián)微粒中濃縮生長中的聚合體，微粒生長被限于納米尺寸。繼續(xù)加熱反應(yīng)混合物有助于增加單個微粒的密度而沒有大小上的進一步增長。表面活性劑和表面試劑配合微粒表面來穩(wěn)定溶劑中的微粒，并防止聚合。然后通過冷卻溶液和添加至短鏈醇(例如甲醇或乙醇)或酮，微粒能被分離出。純化的微粒能容易的被重分散于己烷，辛烷，甲苯，二氯甲烷或氯仿中。通常，納米微粒被懸浮于與懸浮氧化物微粒時使用溶劑相同或不同的溶劑中。
然后納米微粒和被涂覆的氧化物微粒被添加于含上述低-K介電結(jié)合劑(即介電基體)之一的溶液來形成原始混合物。低-K介電結(jié)合劑的溶液中存在的溶劑通常為如丙酮，己烷，乙醇或甲醇的有機溶劑。另外的有機溶劑也能被用于本發(fā)明。
本發(fā)明的此步驟中，通常約0.1至約10wt.％的氧化物微粒和約0.1至約10wt.％的SiOH納米微粒被添加于約1000ml的所述低-K介電結(jié)合劑的溶液中。更優(yōu)選約1至約5wt.％的被涂覆的氧化物微粒和約1至約5wt.％的SiOH納米微粒被添加于約100ml的所述低-K介電結(jié)合劑的溶液中。
被涂覆的氧化物微粒與添加至低-K介電結(jié)合劑中的納米微粒的比率為約1至約10，更優(yōu)選比率為約2至約5。
本發(fā)明中，形成本發(fā)明的低-K介電薄膜的整個過程中，通常最好在25℃下維持溶液粘度為約百分之二泊。如果需要，本發(fā)明的此環(huán)節(jié)中，或在任何其它時候，混合物的粘度可通過使用蒸發(fā)步驟從混合物中除去一些溶劑來被調(diào)節(jié)。
然后含被涂覆的氧化物微粒，SiCOH微粒和介電結(jié)合劑的原始混合物通過使用那些已有熟知的涂覆技術(shù)，包括旋涂覆蓋，浸泡，浸蘸覆蓋和刷涂，施加于合適的襯底表面。這些各種覆蓋工序中，本發(fā)明中特別優(yōu)選原始混合物被旋涂覆蓋至襯底表面。當本發(fā)明采用旋涂覆蓋時，最好在約3000rpm快速旋轉(zhuǎn)后使用約500rpm的慢速延展步驟。
本發(fā)明中可采用的合適襯底包括，但不限于半導體晶片，金屬線和通孔，擴散阻擋層，導電金屬，包括有機或無機電介質(zhì)的其它電介質(zhì)和這些襯底的組合。當本發(fā)明中使用半導體晶片作為襯底時，晶片可包括一個或多個形成于晶片表面上或之內(nèi)的有源器件。例如，圖2A描述了一種本發(fā)明中可用的襯底。
然后被涂覆的襯底經(jīng)過各種固化(curing)步驟?？蛇x擇用于本發(fā)明中的固化步驟之一為熱烘干步驟，在足夠高以從旋涂薄膜里去除殘余溶劑的溫度下進行。此可選熱烘干步驟通常在熱平板上，約80°至約200℃的溫度的氣氛中進行約1至約10分鐘的時間。
本發(fā)明所需的固化步驟為局部的固化步驟，為薄膜提供排序，即它把水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒和納米微粒固定于薄膜內(nèi)的晶格上。特別的是，此局部固化和排序步驟在使用如He，N2或Ar的惰性環(huán)境，其中包含小于約50ppm O2或H2O的爐中進行。被涂覆的襯底在爐里，約200°至約300℃的溫度下退火約30至120分鐘的時間。注意局部固化和排序步驟的選用溫度低于低-K介電結(jié)合劑交聯(lián)的溫度。
同樣需要的是最終的固化步驟，它是能使低-K介電結(jié)合劑交聯(lián)的固化步驟，以便形成具有上述成分存在的低-K介電薄膜。特別的是，此固化步驟在高于上述局部和排序固化步驟的溫度下進行。根據(jù)本發(fā)明，最后的固化步驟在從約350°至約450℃的溫度下進行約60至約240分鐘的時間。
上述固化步驟后，經(jīng)過固化過的薄膜被冷卻至室溫，然后固化過的薄膜在水中浸泡足以從薄膜上去除被涂覆的水溶氧化物微粒的時間，在薄膜上形成相同直徑的孔。選擇地，冷卻的固化薄膜也可以放于一工具中并處于高壓水蒸汽下。注意，本發(fā)明的此步驟僅從薄膜上去除水溶(或水蒸汽可溶)氧化物微粒；納米微粒和介電基體未受本發(fā)明的此步驟影響。通常，本發(fā)明的浸泡步驟進行約5至約120分鐘的時間，更優(yōu)選為約10至約30分鐘的時間。注意，浸泡步驟通常在室溫下進行，但升溫少于100℃也可用于本發(fā)明。
浸泡步驟后，然后使用小于約50ppm的O2和H2O的受控氣氛，薄膜在爐中退火。通常，此退火步驟在約200°至約400℃的溫度下進行約1至約4小時的時間。注意，退火步驟的目的在于從薄膜去除水和羥基。因此，除了這里上面提到的以外能從薄膜去除水和羥基的其它溫度和時間也能用于本發(fā)明。
上面的方法產(chǎn)生的上述本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜提供下述優(yōu)點(i)本發(fā)明的薄膜具有約2.0或更小的低介電常數(shù)，更優(yōu)約為1.8或更小；(ii)與相同密度和介電常數(shù)的孔未排序的薄膜相比，由于納米級孔的排序增加了本發(fā)明的薄膜的硬度和模數(shù)；(iii)孔被諸如甲基倍半硅氧烷(MSQ)，苯基倍半硅氧烷(PSQ)的低-K基體分開，因此未相連；(iv)孔的大小(直徑)均勻，且孔直徑被控制；(v)孔基本被均勻的放置，且位置呈周期性；和(vi)基于本發(fā)明的薄膜的IC互連布線結(jié)構(gòu)具有超級互連速度，且機械性更強，即，它們比傳統(tǒng)低-K薄膜更堅固。
包括本發(fā)明的新型多孔，低-K介電薄膜的互連布線結(jié)構(gòu)現(xiàn)在將參考圖2A-B和圖3被描述。注意除了通過使用這里上面所述的方法制備的低-K介電薄膜以外，這些圖所示的結(jié)構(gòu)為那些已熟知技術(shù)的傳統(tǒng)工藝步驟所制備。
先參考圖2A-B，它為含本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的IC上間隙填充型互連結(jié)構(gòu)的截面圖。特別的是，圖2A所示結(jié)構(gòu)包括具有形成其上的集成電路元件(圖中未示)的襯底21。阻擋層22由如SiN，SiCH，或SiNCH以傳統(tǒng)材料構(gòu)成，其把頂層結(jié)構(gòu)與預(yù)先存在的集成元件分開。圖形化的導電線23和通孔24采用傳統(tǒng)工藝形成于結(jié)構(gòu)化電介質(zhì)25中。導電線和通孔由如Cu，Al，W，Pt，和它們的合金或復合物的傳統(tǒng)導電材料構(gòu)成，而結(jié)構(gòu)化的電介質(zhì)由含低-K或高-K無機或有機電介質(zhì)的任何傳統(tǒng)電介質(zhì)構(gòu)成。圖2A中，空間26存在于導電線和通孔間。
圖2B中，使用本發(fā)明的方法，本發(fā)明的低-K介電薄膜27形成于圖2A所示的襯底上，而后，進行如化學-機械拋光(CMP)的傳統(tǒng)平坦化工序。
圖3為含本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜的集成電路上雙鑲嵌型互連布線結(jié)構(gòu)的截面圖。特別的是，圖3中，襯底31包含IC元件，它們包括許多金屬導電元件32。阻擋層33形成于金屬導電元件上，然后被刻蝕形成圖形。此結(jié)構(gòu)也包括使用本發(fā)明方法形成的本發(fā)明的多孔，低-K介電薄膜34，其后應(yīng)用硬掩膜37，然后此結(jié)構(gòu)被圖形化(光刻和刻蝕)以便在其上擁有通孔和線開口。然后通孔和線開口被導電金屬填充提供導電填充的通孔36和導電填充線35。此后此結(jié)構(gòu)通過化學-機械拋光(CMP)來平坦化，從而提供圖3所示結(jié)構(gòu)。然后如SiN，SiCH，或SiNCH的頂層阻擋層38被形成于平坦化結(jié)構(gòu)上。
當本發(fā)明根據(jù)其優(yōu)選實施方案被具體描述時，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到可不偏離本發(fā)明的精髓和范圍作前述和其它的形式和細節(jié)上的改變。因此意味著本發(fā)明不限于已描述和闡述的嚴格形式和細節(jié)，而是落入附加的權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種多孔，低-K介電薄膜，包括直徑為約1至約10nm，基本均勻分開放置并基本位于三維周期晶格位置上的單分散孔構(gòu)成的第一相；以及包圍所述第一相的第二相，其中所述第二相為實心相，它包括(i)由直徑約1至約10nm，基本均勻分開放置且基本放置于三維周期晶格位置上的納米微粒構(gòu)成的排序單元，以及(ii)由介電常數(shù)小于約2.8的介電材料構(gòu)成的非排序單元。
2.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述納米微粒包括Si，C，O和H。
3.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有小于約2.0的有效介電常數(shù)。
4.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有約1.8或更小的有效介電常數(shù)。
5.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述單分散孔具有約1至約5nm的直徑。
6.權(quán)利要求5中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述單分散孔具有約3nm的直徑。
7.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述孔以中心-中心間距Vcc分開。
8.權(quán)利要求7中的多孔，低-K介電薄膜，其中每個孔間的Vcc為約2至約10nm。
9.權(quán)利要求8中的多孔，低-K介電薄膜，其中每個孔間的Vcc為約3至約6nm。
10.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述孔以邊緣-邊緣間距Vee分開。
11.權(quán)利要求10中的多孔，低-K介電薄膜，其中每個孔間的Vee為約1至約8nm。
12.權(quán)利要求11中的多孔，低-K介電薄膜，其中每個孔間的Vee為約2至約5nm。
13.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述孔和所述納米微粒以間距AB分開。
14.權(quán)利要求13中的多孔，低-K介電薄膜，其中AB為約1至約10nm。
15.權(quán)利要求14中的多孔，低-K介電薄膜，其中AB為約2至約50nm。
16.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述納米微粒具有約2至約3.0nm的直徑。
17.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述低-K介電結(jié)合劑具有約2.8或更小的介電常數(shù)。
18.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述低-K介電結(jié)合劑從由聚芳基醚，熱硬化性的聚芳基醚，芳香族熱硬化性的樹脂，含硅的聚合物，包含Si，C，O和H的可摻或不摻氧化物的非晶合金，甲基倍半硅氧烷(MSQ)，氫化倍半硅氧烷(HSQ)，苯倍半硅氧烷(PSQ)，和以上物質(zhì)的混合物或復合物組成的組中選取。
19.權(quán)利要求18中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述低-K介電結(jié)合劑為MSQ，HSQ，PSQ或MSQ和HSQ的混合物。
20.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有約0.2GPa或更大的硬度。
21.權(quán)利要求20中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有約0.2至約0.4GPa的硬度。
22.權(quán)利要求1中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有約2.0GPa或更大的模數(shù)。
23.權(quán)利要求22中的多孔，低-K介電薄膜，其中所述薄膜具有約2至約4GPa的模數(shù)。
24.一種至少包括形成于金屬布線特征之間的多孔，低-K介電薄膜的互連結(jié)構(gòu)，其中所述多孔，低-K介電薄膜包括由直徑約1至約10nm，基本均勻分開且基本位于三維周期晶格位置上的單分散孔構(gòu)成的第一相；包圍所述第一相的第二相，其中所述第二相為實心相，包括(i)由直徑約1至約10nm，基本均勻分開且基本布置于三維周期晶格位置上的納米微粒構(gòu)成的排序單元，以及(ii)由介電常數(shù)約2.8或更少的介電金屬構(gòu)成的非排序單元。
25.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述納米微粒包括Si，C，O和H。
26.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述薄膜具有小于約2.0的有效介電常數(shù)。
27.權(quán)利要求26中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述薄膜具有約1.8或更小的有效介電常數(shù)。
28.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述單分散孔具有約1至約5nm的微粒直徑。
29.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述單分散孔具有約3nm的微粒直徑。
30.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述孔以中心-中心間距Vcc分開。
31.權(quán)利要求30中的互連結(jié)構(gòu)，其中每個孔間Vcc為約2至約10nm。
32.權(quán)利要求31中的互連結(jié)構(gòu)，其中每個孔間Vcc為約3至約6nm。
33.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述孔以邊緣-邊緣間距Vee分開。
34.權(quán)利要求33中的互連結(jié)構(gòu)，其中每個孔間Vee為約1至約8nm。
35.權(quán)利要求34中的互連結(jié)構(gòu)，其中每個孔間Vee為約2至約5nm。
36.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述孔和所述納米微粒以間距AB分開。
37.權(quán)利要求36中的互連結(jié)構(gòu)，其中AB為約1至約10nm。
38.權(quán)利要求37中的互連結(jié)構(gòu)，其中AB為約2至約5nm。
39.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述納米微粒具有約2至約3.0nm的直徑。
40.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述低-K介電結(jié)合劑具有約2.8或更小的介電常數(shù)。
41.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述低-K介電結(jié)合劑從由聚合芳基醚，熱硬化性的聚合芳基醚，芳香族熱硬化性樹脂，含Si聚合物，包含Si，C，O和H的可摻或可不摻氧化物的非晶合金，甲基倍半硅氧烷(MSQ)，氫化倍半硅氧烷(HSQ)，苯倍半硅氧烷(PSQ)及以上物質(zhì)的混合物或復合物組成的組中選取。
42.權(quán)利要求41中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述低-K介電結(jié)合劑為MSQ，HSQ，PSQ或MSQ和HSQ的混合物。
43.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述金屬布線特征為金屬線或通孔。
44.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述金屬布線特征由從Cu，Al，W，Pt及它們的合金或組合物組成的組中選取的導電金屬構(gòu)成。
45.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，還包括襯底。
46.權(quán)利要求45中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述襯底為半導體晶片，介電層，阻擋層或其組合。
47.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)為雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。
48.權(quán)利要求24中的互連結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)為間隙填充結(jié)構(gòu)。
49.一種制備多孔，低-K介電薄膜的方法，包括步驟(a)用表面配位基團涂覆水溶或水蒸汽可溶氧化物微粒的懸浮液，該表面配位基團有效的防止了所述水溶或水蒸汽可溶氧化物微粒的聚合，又保持所述懸浮液中氧化物微粒的溶解度，同時分別形成具有約1至約10nm的微粒直徑的單分散SiCOH微粒；(b)將所述已涂覆的水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒和所述單分散性微粒添加至含具有約2.8或更小介電常數(shù)的介電結(jié)合材料的溶液中來形成原始混合物；(c)在襯底表面上涂覆所述原始混合物；(d)對所述被涂覆的原始混合物進行固化處理，所述固化處理至少包括能使三維晶格上的所述微粒排序的步驟和形成交聯(lián)的薄膜的步驟；(e)從所述交聯(lián)薄膜上去除所述被涂覆的水溶或水蒸汽可溶的氧化物微粒以便在所述薄膜中形成孔；以及(f)對所述含所述孔的薄膜進行退火來從所述薄膜去除殘余的水和羥基團，其中所述薄膜包括由具有約1至約10nm直徑，基本均勻分開放置且基本位于三維周期性晶格位置上的單分散孔構(gòu)成的第一相；以及包圍所述第一相的第二相，其中第二相為實心相，包括(i)由直徑為約1至約10nm，基本均勻分開放置且基本放置于三維周期性晶格位置上的納米微粒構(gòu)成的排序單元，以及(ii)由所述結(jié)合劑構(gòu)成的非排序單元。
50.權(quán)利要求49中的方法，其中所述單分散性微粒包括Si，C，和H，并且所述納米微粒包括Si，C，O和H。
51.權(quán)利要求49中的方法，其中所述氧化物微粒為氧化硅，氧化鍺，或其混合物。
52.權(quán)利要求49中的方法，其中所述懸浮液包括從由醇，烷，酮，醚，芳香族，和羧酸組成的組中選取的溶劑。
53.權(quán)利要求49中的方法，其中所述表面配位基團從由有機硅烷，有機鹵化硅烷，所述有機硅烷或有機鹵化硅烷的鍺類似物，含4至18個碳原子的長鏈羧酸，含4至18個碳原子的長鏈醇，含4至18個碳原子的長鏈烷基胺，含4至18個碳原子的長鏈磷酸，及含4至18個碳原子的長鏈磺酸組成的組中選取。
54.權(quán)利要求49中的方法，其中所述介電結(jié)合劑從由聚芳基醚，熱硬化性的聚芳基醚，芳香族熱硬化性的樹脂，含硅聚合物，包含Si，C，O，和H的可摻或可不摻氧化物的非晶合金，甲基倍半硅氧烷(MSQ)，氫化倍半硅氧烷(HSQ)苯基倍半硅氧烷(PSQ)及它們的混合物或復合物組成的組中選取。
55.權(quán)利要求54中的方法，其中所述介電結(jié)合劑為MSQ，HSQ，PSQ或MSQ和HSQ的混合物。
56.權(quán)利要求49中的方法，其中所述涂覆步驟為旋涂覆蓋工序。
57.權(quán)利要求49中的方法，其中所述固化工序包括可選熱烘干工序。
58.權(quán)利要求57中的方法，其中所述可選熱烘干工序在熱平板上約80℃至約200℃的溫度氣氛中進行約1至約10分鐘的時間。
59.權(quán)利要求49中的方法，其中所述排序固化步驟在爐中使用含少于約50ppm O2或H2O的惰性氣氛下進行。
60.權(quán)利要求59中的方法，其中所述排序固化步驟在約200℃至約300℃的溫度下進行約30至約120分鐘的時間。
61.權(quán)利要求49中的方法，其中所述交聯(lián)固化步驟在約350℃至約450℃的溫度下進行約60至約240分鐘的時間。
62.權(quán)利要求49中的方法，其中步驟(e)包括浸泡所述交聯(lián)薄膜于水中或暴露所述交聯(lián)薄膜于水蒸汽中。
63.權(quán)利要求49中的方法，其中在爐中的所述退火步驟使用含少于約50ppm的O2或H2O的氣氛進行。
64.權(quán)利要求63中的方法，其中所述退火步驟在約200℃至約400℃的溫度下進行約60至約240分鐘的時間。
65.權(quán)利要求49中的方法，其中步驟(a)包括把含硅原始物的1％至5％重量百分比的溶液注入到含所述表面配位體的熱溶液和含0.1％至1％水的有機溶劑中。
66.權(quán)利要求65中的方法，其中所述硅原始物為硅氧烷或倍半硅氧烷。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有優(yōu)良機械特性的多孔，低－K介電薄膜和制備此薄膜的方法，以及作金屬布線特征間介電層的此薄膜的用法。該多孔，低－K介電薄膜包括直徑為約1至約10nm，基本均勻分開放置且基本位于三維周期晶格上的單分散孔的第一相；和為包圍第一相實心體的第二相。特別是，此薄膜的第二相包括(i)由直徑約1至約10nm，基本均勻分開放置且基本布置在三維周期晶格上的納米微粒組成的排序單元，以及(ii)由介電常數(shù)約2.8或更小的介電材料組成的未排序單元。
文檔編號H01L23/532GK1650406SQ02809206
公開日2005年8月3日 申請日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月3日
發(fā)明者斯蒂芬·M.·蓋茨, 克里斯托弗·B.·默里, 賽特亞納瑞亞納·V.·尼塔, 森帕斯·普魯索薩門 申請人:國際商業(yè)機器公司