低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜及其制备方法技术

一种低介电常数绝缘介质α－ＳｉＣＯＦ薄膜（非晶硅碳氧氟薄膜）及其制备方法。现有该类产品介电常数较高、薄膜漏电流密度大、介电强度和电学稳定性不理想，且生产成本偏高。本发明专利技术用等离子增强化学气相淀积装置制备了低介电常数绝缘介质α－ＳｉＣＯＦ薄膜，主要原料是多氟环氧烷、正硅酸乙酯、等离子激发气体。在等离子射频激励源频率是１３．５６ＭＨｚ、功率是５０～１５０Ｗ、淀积温度１５０℃～４００℃下获得电学性能优良、特别适于用作大规模集成电路绝缘介质的薄膜。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种低介电常数的绝缘介质α-SiCOF薄膜及其制备方法，该薄膜用于集成电路制造中。随着集成电路的发展，金属布线层间距及线间距的缩小，电路的互连寄生电容随集成电路集成度提高、特征尺寸减小而迅速增大。互连延迟(RC delay)也因互连寄生电容的迅速增大而增大，限制了集成电路的运算速度与噪声容限，同时引起电路动态功耗的增大。在超大规模集成电路中，用低介电常数(低k)薄膜代替传统的SiO2作为绝缘介质薄膜可以有效地减小互连寄生电容，从而使电路互连延迟降低。因此许多研究人员一直在探索一些介电常数低的薄膜。目前国内外研究较多的低介电常数薄膜有含氟氧化硅(SiOF)、无定型含氟碳膜(α-C:F)及聚酰亚胺薄膜(Polyimide)等，但是这些产品存在生产方法复杂，电性能差，成本偏高等诸多不足，尤其用在大规模集成电路上与硅片的粘附性差的缺陷。本专利技术的目的是研制一种低介电常数的绝缘介质薄膜及其制备方法。本专利技术的目的是研制一种用于大规模集成电路上的电性能好、与硅片粘附性优良的低介电常数的绝缘介质薄膜及其制备方法。本专利技术的低介电常数绝缘介质是α-SiCOF薄膜，其主要成份是非晶硅碳氧氟，该薄膜厚50～300nm，薄膜中结构是C-C键，C-F键，Si-F键，Si-O键，薄膜中C原子的含量是15～25％,Si原子的含量是17～24％,F原子的含量是6～10％,O原子的含量是48～55％。薄膜中没有H原子。由于F原子与高含量C原子的掺入，薄膜介电常数降低很多；又由于薄膜中几乎没有H原子，薄膜的热稳定性好；薄膜中的Si-O键也会使薄膜对硅片的粘附性得到改善；薄膜中C-C交联及无定型结构有利于提高薄膜稳定性和降低介电常数。所得α-SiCOF薄膜介电常数低，薄膜电阻率大，介电强度高，电学性质稳定，粘附性好。在现有集成电路中的绝缘介质薄膜SiO2的介电常数为4.1，而本专利技术的α-SiCOF薄膜介电常数可以降低为2.6。本专利技术用等离子增强化学气相淀积方法获得低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜。在CVD设备中增加等离子发生装置均可作为本专利技术方法的装置。本专利技术中可以在等离子增强化学气相淀积设备中圆形平板电极间产生等离子，现有的等离子射频激励源频率范围均可使用。本专利技术的等离子射频激励源频率是13.56MHz，功率是50～150W，两电极间距是8～14mm，淀积温度是150℃～400℃。等离子反应腔气压是70～90Pa。淀积原料是多氟环烷烃，正硅酸乙酯，等离子激发气体。多氟环烷烃的流量是20～30sccm，正硅酸乙酯的流量是20～40sccm，等离子激发气体的流量是20～40sccm。上述淀积原料多氟环烷烃如四氟化碳(CF4)，六氟环丙烷(C3F6)，八氟环丁烷(C4F8)等。等离子激发气体如氧气(O2)，氩气(Ar)等。由上述方法淀积得到的薄膜中含有C-C键，C-F键，Si-F键，Si-O键。淀积原料用八氟环丁烷或四氟化碳能获得介电常数2.6的薄膜，且介电强度高等电学性质温度的硅片粘附性能良好的α-SiCOF薄膜。本专利技术等离子激发气体用氧气或氩气均能获得良好效果。由于氧气和氩气价格合理、易得，因此有利于工业化生产的推广。随着超大规模集成电路的发展，互连延迟的增大，本专利技术的薄膜特别适用于超大规模集成电路生产中代替传统的SiO2薄膜，可以十分有效地减小互连寄生电容。本专利技术的薄膜具有以下优点1)介电常数低，可以降低到2.6左右；2)薄膜漏电流密度降低，在5V/μm的场强下为139pA/cm2；3)介电强度高，可以达到10.4MV/cm左右；4)薄膜电学性质稳定，热分解温度在550℃以上，在空气中不会吸收水分；5)薄膜在硅片上粘附性好，与硅片结合紧密，残余应力小。下表是α-SiCOF薄膜与传统SiO2及SiOF薄膜性能的比较。可以看出，α-SiCOF薄膜介电常数可以降低为2.6，比SiOF薄膜与SiO2薄膜都要低。同时，薄膜漏电流密度降低，介电强度升高。薄膜中因含有憎水性的C-F键而在空气中不吸收水分，电学性质稳定。另外，因含有Si-O键，薄膜在硅片上的粘附性得到改善。如果在超大规模CMOS集成电路中使用这种薄膜作为互连绝缘介质，电路互连延迟及动态功耗可以同时降低36.6％左右，而且薄膜可以与集成电路现有工艺很好地结合，不会因为使用新薄膜而影响电路的稳定性与可靠性。α-SiCOF薄膜与传统SiO2及SiOF薄膜的性能比较α-SiCOF薄膜SiOF薄膜 传统SiO2薄膜介电常数2.35-2.903.5 4.1漏电流密 125-140 155 152度(pA/cm2at 5V/μm)介电强度9.5-10.9 9.2 7.0(MV/cm)电学性质 好 较差 好稳定性权利要求1．一种低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜，主要成份是非晶硅碳氧氟，其特征是薄膜厚50～300nm，薄膜中是C-C键，C-F键，Si-F键，Si-O键，薄膜中C原子的含量是15～25％,Si原子的含量是17～24％,F原子的含量是6～10％,O原子的含量是48～55％。2．一种低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜的制备方法，用等离子增强化学气相淀积法，其特征是等离子增强化学气相淀积装置产生等离子，淀积温度为150℃～400℃，等离子反应腔气压为70～90Pa，淀积用原料是多氟环烷烃、正硅酸乙酯、等离子激发气体，其中多氟环烷烃的流量是20～30sccm，正硅酸乙酯的流量是20～40sccm，等离子激发气体流量是20～40sccm。3．根据权利要求2所述的低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜的制备方法，其特征是淀积用原料多氟环烷烃是八氟环丁烷或四氟化碳。4．根据权利要求2所述的低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜的制备方法，其特征是淀积是等离子激发气体是氧气或氩气。5．根据权利要求1所述的低介电常数绝缘介质α-SiCOF薄膜，其特征是该薄膜用作集成电路绝缘介质薄膜。全文摘要一种低介电常数绝缘介质α－SiCOF薄膜(非晶硅碳氧氟薄膜)及其制备方法。现有该类产品介电常数较高、薄膜漏电流密度大、介电强度和电学稳定性不理想,且生产成本偏高。本专利技术用等离子增强化学气相淀积装置制备了低介电常数绝缘介质α－SiCOF 薄膜,主要原料是多氟环氧烷、正硅酸乙酯、等离子激发气体。在等离子射频激励源频率是13.56MHz、功率是50～150W、淀积温度150℃～400℃下获得电学性能优良、特别适于用作大规模集成电路绝缘介质的薄膜。文档编号C23C16/30GK1288975SQ0012546公开日2001年3月28日 申请日期2000年9月26日 优先权日2000年9月26日专利技术者王鹏飞, 丁士进, 张卫, 王季陶 申请人:复旦大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低介电常数绝缘介质α－ＳｉＣＯＦ薄膜，主要成份是非晶硅碳氧氟，其特征是薄膜厚５０～３００ｎｍ，薄膜中是Ｃ－Ｃ键，Ｃ－Ｆ键，Ｓｉ－Ｆ键，Ｓｉ－Ｏ键，薄膜中Ｃ原子的含量是１５～２５％，Ｓｉ原子的含量是１７～２４％，Ｆ原子的含量是６～１０％，Ｏ原子的含量是４８～５５％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，丁士进，张卫，王季陶，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]