作为在半导体器件中的层内和层间绝缘体的超低介电常数材料及其制造方法、以及包含该材料的电子器件技术

在此公开利用化学汽相淀积（“ＰＥＣＶＤ”）处理在平行板化学汽相淀积处理中制造包括Ｓｉ、Ｃ、Ｏ和Ｈ原子的热稳定超低介电常数膜的方法。进一步公开通过该方法制备的包含热稳定超低介电常数材料的绝缘层的电子设备。为了能够制造热稳定超低介电常数材料，使用特定的前驱物材料，例如环硅氧烷和例如四甲基环四硅氧烷和环戊烯氧化物这样包含环状结构的有机分子。为了稳定在ＰＥＣＶＤ反应器中的等离子体，从而提高淀积膜的均匀性，ＣＯ＃－［２］被添加到ＴＭＣＴＳ中作为运载气体，环状ＣＯ＃－［２］或ＣＯ＃－［２］和Ｏ＃－［２］的混合物被添加到ＰＥＣＶＤ中。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及一种用于制造具有相关的超低介电常数(或者超低-k)的介电材料的方法，以及包含这种介电材料的电子器件。更加具体来说，本专利技术涉及一种用于制造热稳定超低k膜的方法，该膜被用作为在超大规模集成(“ULSI”)线的后端(“BEOL”)布线结构中的层内和层间电介质，以及用这种方法所形成的电子结构。
技术介绍
最近几年，用于ULSI电路中的电子器件的尺寸不断缩小，导致BEOL金属化电阻的增加，以及层内和层间电介质的电容增加。这种组合效果增加在ULSI电子器件中的信号延迟。为了提高为在ULSI电路的开关性能，需要低介电常数(k)绝缘体特别是k值远小于氧化硅的绝缘体来减小电路。具有低k值的介电材料(即，电介质)已经可以在市场上获得。例如，一种这样的材料是聚四氟乙烯(“PTFE”)，其具有2.0的k值。但是，当暴露在超过300～350℃的温度下时，这些介电材料不是热稳定的。在ULSI芯片中的这些电介质需要至少400℃的热稳定性。从而，这些电介质在集成过程中是无用的。已经被考虑应用于ULSI中的低k材料包括包含Si、C、O的聚合物，例如甲基硅氧烷、甲基硅倍半烷以及其它有机物和无机聚合物。例如，论文(N.Hacker等人的″Properties of new low dielectric constantspin-on silicon oxide based dielectrics.″Mat.Res.Soc.Symp.Proc.476(1997)25)描述了一些满足热稳定要求的材料，当通过自旋技术制备薄膜时，其中一些材料在到达集成在互连结构中的厚度时容易传递裂纹。另外，其前驱物材料的成本很高并且不能够用于大规模生产。与此相反，大多数超大规模集成(″VLSI″)和ULSI芯片的制造步骤通过等离子体增强化学或物理汽相淀积技术而执行。能够通过使用容易获得的处理设备利用等离子体增强化学汽相淀积(″PECVD″)来制造低k材料将简化在制造工艺中材料的集成，减小制造成本，并且产生较少的有害废物。被转让给本专利技术的共同受让人并且被包含于此以供参考的一个共同未决专利申请(在1998年6月19日递交的美国专利申请序号No.09/107,567，“Hydrogenated Oxidized Silicon Carbon Material”)描述了一种超低介电常数材料，其中包含Si、C、O和H原子具有不大于3.6的介电常数，并且表现出非常低的裂纹传递速度。被转让给本专利技术的共同受让人并且被包含于此以供参考的另一个共同未决申请(在1999年5月16日递交的美国专利申请序号No.09/320,495，“Multiphase Low Dielectric Constant Material and Methodof Deposition”)描述一种双相材料，其中包含Si、C、O和H原子，一相主要包括C和H原子，并且具有不大于3.2的介电常数。应当指出，这种材料的介电常数的继续减小将进一步改进包含这种电介质的电子器件的性能。考虑到上文所述，在此还需要开发一种介电材料，其具有不大于大约2.8的介电常数并且防止破裂。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目的是提供一种用于制造超低介电常数材料的方法，该材料具有不大于大约2.8的介电常数。最好，该超低k材料的介电常数在大约1.5至大约2.5的范围内，并且最好，该介电常数在大约2.0至大约2.25的范围内。应当指出，除非特别说明，所有介电常数都是相对于真空的数值。本专利技术的另一个目的是提供一种用于从至少两种前驱物的混合物制造包括Si、C、O和H的超低介电常数材料的方法，其中第一前驱物选自具有环状结构的包括SiCOH成分的分子，第二前驱物是选自具有环状结构的分子的一种有机分子。本专利技术的另一个目的是提供一种用于在平行板等离子体增强化学汽相淀积(″PECVD″)反应器中制造超低介电常数膜的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种用于用于制造超低介电常数材料的改进方法，其通过在存在有CO2或CO2和O2的情况下在一个基片上的淀积一层薄膜，从而提高该淀积薄膜的均匀性以及稳定在PECVD反应器中的等离子体。本专利技术的另一个目的是提供一种用于制造用于电子结构中作为在线的后端(back-end-of-the-line″BEOL″)互连结构中的层内或层间电介质的超低介电常数材料。本专利技术的另一个目的是提供一种具有的的内部应力以及不大于大约2.8的介电常数的热稳定超低介电常数材料。用于超低k材料的介电常数优选在大约1.5至大约2.5的范围内，并且最好，该介电常数在大约2.0至大约2.25的范围内。本专利技术的另一个目的是提供一种包含绝缘材料层作为在线的后端(″BEOL″)布线结构中的层内或层间电介质的电子结构，其中至少两个绝缘材料的层面，包括本专利技术的超低介电常数材料。本专利技术的另一个目的是提供一种电子结构，其具有本专利技术的超低介电常数材料的层面，作为在线的后端(″BEOL″)布线结构中的层内或层间电介质，并且进一步包含至少一个电介质覆盖层，作为反应离子蚀刻(″RIE″)掩膜抛光停止层或扩散阻挡层。根据本专利技术，在此提供一种用于制造热稳定介电材料的方法，其具有包括Si、C、O和H原子的基质以及原子级的纳米孔。一个优选实施例中，该介电材料具有基本上由Si、C、O和H所构成的基质。本专利技术进一步提供一种用于制造该介电材料的方法，该方法使包含Si、C、O和H的第一前驱气体与包含C、H以及优选的O、F和N的至少第二前驱气体在等离子体增强化学汽相淀积(″PECVD″)反应器中发生反应，而制造该介电材料。本专利技术进一步把第一前驱气体与CO2混合，或者把第一和第二前驱气体CO2和O2相混合，从而稳定在PECVD反应器中的等离子体，并且提高淀积在该基片上的电介质薄膜的均匀度。本专利技术还提供一种电子结构(即，基片)，其具有绝缘材料的层面，作为用于线的后端(″BEOL″)布线结构的层内或层间电介质，其中该绝缘材料可以是本专利技术的超低k膜。在一个优选实施例中，在此提供一种用于制造热稳定超低介电常数(超低k)薄膜的方法，其中包括如下步骤提供一个等离子体增强化学汽相淀积(″PECVD″)反应器；把一个电子结构(即，基片)置于该反应器中；使包括Si、C、O和H的第一前驱气体流到该反应器中；使包括C、H以及优选的O、F和N的第二前驱气体流到该反应器中；把超低k膜淀积在该基片上。该淀积步骤可以在具有CO2或CO2和O2的情况下执行。最好，第一前驱物选自具有环状结构的分子，包括SiCOH成分，例如1，3，5，7-四甲基环四硅氧烷(″TMCTS″或″C4H16O4Si4″)。第二前驱物可以是选自具有环状结构的分子的一种有机分子。特别有用为包含稠环的种类，至少一种包含杂环原子，优选为氧。在这些种类中，最适合的是包含传递的大的环应力的环形尺寸，即3或4个原子和/或7或更多的原子的环。特别引人注目的是被称为草酸双环的一类组合物，例如环戊烯氧化物(″CPO″或″C5H8O″)。可选地，本专利技术的淀积膜可以在不小于大约300℃的温度下进行至少大约0.25小时的时间段的热处理。本方法进一步包括提供一个平行板反应器的步骤，该平行板反应器具有大约300cm2和大约700cm2的基片夹头的导电面积，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造热稳定超低介电常数膜的方法包括如下步骤：提供一个等离子体增强化学汽相淀积（ＰＥＣＶＤ）反应器；把一个基片放置在所述ＰＥＣＶＤ反应器中；把包括环硅氧烷分子的第一前驱气体流到所述ＰＥＣＶＤ反应器中；把至少包括具有Ｃ、 Ｈ和Ｏ原子的环状结构的有机分子的第二前驱气体流到所述ＰＥＣＶＤ反应器中；在所述基片上淀积包括Ｓｉ、Ｃ、Ｏ和Ｈ以及多个纳米尺寸孔的薄膜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔弗雷德戈利尔，戴维R梅戴洛斯，维施努柏V帕特尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]