用于窄隙填充用途的介电薄膜制造技术

在形成具有低热收缩的填隙介电材料中使用分散在溶剂中由致密材料构成的纳米颗粒的胶体悬浮体。该介电材料特别用于预金属介电材料和浅槽分隔用途。根据形成介电材料的这种方法，把胶体悬浮体沉积在衬底上并干燥形成多孔中间层。通过用液相基质材料如旋涂聚合物渗透，然后固化；通过用气相基质材料渗透，然后固化；或者仅通过固化使所述中间层改性，以提供填隙的热稳定耐侵蚀介电材料。（*该技术在2022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用于半导体器件中的介电材料，更具体涉及由胶体分散体制备的介电材料，其具有热稳定性和耐侵蚀性并且完全填充窄隙。
技术介绍
为了提供提高性能的集成电路(IC)，集成电路上的器件和间隙的特征尺寸不断减小。这样的器件的制备通常需要向硅衬底上的材料层中形成图案的特征(feature)中沉积介电材料。在大多数情况下，重要的是介电材料完全填充这样的特征，这些特征可能小到0.01-0.05μm，或者在下一代器件中甚至更小。填充这样的窄特征，所谓间隙填充，对所用的材料提出严格的要求，例如，对于预金属(pre-metal)电介质(PMD)或浅槽隔离(STI)用途。集成电路上的预金属介电层使这些结构与金属互联层电隔离，并且把它们与污染物流动离子电隔离，污染物流动离子降低电性能。PMD层可能要求填充具有5或更大深宽比的窄隙，深宽比即深度与宽度的比值。在沉积后，介电材料需要能够耐受加工步骤，如高温退火、蚀刻和清洗步骤。介电材料通常通过化学气相沉积(CVD)或通过旋涂法(spin-on)沉积。这些方法的每一种对于填充非常窄的间隙都有一些局限性。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法提供较低温度下(约400℃)的高沉积速度。主要缺点是PECVD法在间隙内的沉积速度比在表面上其它位置的沉积速度低。沉积速度的差异可能产生悬挂在间隙开口上的结构，在间隙内产生孔隙。对于小于0.25微米的间隙，取决于深宽比，使用标准PECVD通常难以实现无孔隙的间隙填充。磷硅酸盐玻璃(PSG)和硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)通常用于预金属电介质用途。通常是用大气压CVD(APCVD)、低于大气压的CVD(SACVD)或低压CVD(LPCVD)。取决于工艺条件和所用的前驱体，这些方法可以实现几乎共形的涂层。通过沉积后的回流过程实现了填隙，在回流过程中，在高温下处理所述材料，温度通常为800-1200℃。在玻璃中引入磷和硼，特别是引入硼，降低了玻璃转变温度和流动温度。但是，在将来的先进器件中使用CVD然后回流将受到回流过程所需要的高热平衡限制，这与某些材料和方法不相匹配，例如在接触平面(contactlevel)处使用的硅化钴。对于小于0.2微米的非常窄的间隙，甚至在高温加工后，仍然存在孔隙保留下来的危险。一些工作者已经使用高密度等离子体化学气相沉积(HDP CVD)来改进PSG和BPSG的填隙。在高密度等离子体法中，沉积和侵蚀同时发生。在窄开口的顶角处侵蚀是最有效的，从而补偿了间隙内的较低沉积速度。HDP CVD沉积不需要高温处理，尽管如果希望更致密的薄膜，可以使用退火步骤。HDP CVD法的缺点是对于较窄的结构，必须使用较低的沉积侵蚀比，产生较慢的总填充速度。改进的填隙可能还要求器件特征设计的改进，例如圆角或倾斜的侧壁。最后，还担心在HDPCVD加工过程中对器件的等离子体损坏。旋涂玻璃和旋涂聚合物例如硅酸盐、硅氧烷、硅氮烷或倍半硅氧烷一般具有良好的填隙性能。通常通过施加含有聚合物的涂料溶液然后进行烘烤和热固化过程形成这些材料的薄膜。但是这些旋涂材料的利用可能受到在热加工过程中材料收缩的限制。热收缩是必须承受高加工温度的材料的关键问题，例如用于预金属电介质和/或窄槽分隔用途的材料，它们可能涉及超过800℃的加工温度。高收缩可能导致不可接受的薄膜开裂和/或形成多孔材料，特别是在窄隙内。开裂或多孔的材料在后续加工步骤中可能具有不希望的高湿侵蚀速度。因此，仍然需要在低于目前所用的回流温度的加工温度下提供窄特征的无孔隙填隙的介电材料。该填隙材料需要具有高热稳定性和合理的抵抗侵蚀溶液的性能，以便进行随后的加工步骤。
技术实现思路
分散在溶剂中的由致密材料构成的颗粒的胶体分散体用在形成具有低热收缩的填隙介电材料中。这些颗粒优选的是具有纳米尺度并且称为纳米颗粒。致密材料是介电材料或者通过氧化或氮化可转变成介电材料的材料。介电材料对于预金属电介质和浅槽分隔用途是特别有用的。硅的氧化物和氮化物、铝的氧化物和氮化物以及硼的氧化物和氮化物可用作纳米颗粒材料。胶体二氧化硅作为胶体分散体是特别有用的。介电材料任选包含掺杂剂物质如砷、锑、磷或硼。根据形成介电材料的方法，把胶体分散体沉积在衬底上并干燥所沉积的薄膜形成多孔中间层。通过用液相基质材料渗透然后固化，其中在所有的情况下，固化任选包括退火；通过用气相基质材料渗透然后固化或者单独固化来改良该中间层，以提供填隙的、热稳定的耐侵蚀介电材料。在液相中施加的渗透基质材料是旋涂聚合物，包括低聚物和单体，在高温固化时，任选在氧或水蒸气的存在下，它们可以转变成二氧化硅或类似的陶瓷材料。基质材料包括但不限于硅酸盐、氢倍半硅氧烷、有机倍半硅氧烷、有机硅氧烷、倍半硅氧烷-硅酸盐共聚物、硅氮烷基材料、聚碳硅烷和乙酸基硅烷。液体基质材料任选包含掺杂剂物质如砷、锑、磷或硼。在液相渗透过程中，把基质材料的涂料溶液施加在胶体薄膜上。气相渗透使用化学气相沉积(CVD)法，其条件是碰撞分子具有低附着系数和/或高表面扩散，以避免在中间层的体积气孔率减小之前封闭窄隙的上表面。CVD沉积的材料任选包含掺杂剂物质。其它气相沉积法也可以用于气相渗透，例如原子层沉积。使干燥后的中间层或渗透后的中间层固化，例如在温度为约600-800℃的炉子中，或者通过快速热处理，例如在约700-900℃的温度下。任选地，在固化过程之前，在例如约75-300℃进行一个或多个烘烤步骤。此外，固化后可以进行更高温度的退火步骤。固化和任选的退火，诱发纳米颗粒的烧结和渗透后基质材料的回流。在纳米颗粒中或基质材料中引入掺杂剂物质降低回流温度。根据本专利技术制备的薄膜填充宽度小于100nm和小到50-60nm的窄隙而没有孔隙或裂纹。甚至在900℃热处理后，它们也不会呈现开裂的分层。固化后的薄膜已经使开口气孔最少，正如它们在填充后的间隙中对侵蚀剂溶液的抵抗性所证明的。此外，在空白晶片上的固化薄膜的平均侵蚀速度与由化学气相沉积生产的二氧化硅薄膜的平均侵蚀速度在同一数量级。因此，根据本方法制备的薄膜有利地用作预金属电介质和浅槽分隔材料。附图说明图1-3是根据本专利技术的实施方案形成介电材料的方法的流程图。图4是用根据本专利技术的一个实施方案形成的介电材料填充的预金属层。图5是用根据本专利技术的一个实施方案形成的介电材料填充的浅槽分隔结构。专利技术详述形成具有低热收缩的填隙介电材料的方法利用致密颗粒的胶体分散体。把胶体分散体的涂料溶液沉积在衬底上形成薄膜，并且该薄膜有意地用一种或多种方法改性。该介电材料有益地用于预金属电介质和浅槽分隔用途。本专利技术的关键是胶体分散体的性质。胶体一般定义为其中存在两相或多相的悬浮体系。在胶体悬浮体中，一个相称为分散相，其分布在称为连续相的另一个相中。一种熟悉类型的胶体由小颗粒在液体中的分散体组成。根据本专利技术的一个方面，使用分散在溶剂中的致密材料组成的纳米尺度颗粒(称为纳米颗粒)的胶体分散体。致密材料是介电材料或者通过与氧或氮反应可转变成介电材料的材料。此外，纳米颗粒的物理尺寸需要基本不被热加工改变。当暴露于约700℃的温度时，纳米颗粒的尺寸不应当减小10％以上。在纳米颗粒由通过氧化或氮化可转变成介电材料的硅或铝等材料组成的情况下，在含氧或含氮物质存在下的固化过程中，颗粒尺寸可能略本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在衬底上形成介电层的方法，该方法包括：在衬底上沉积胶体分散体，该胶体分散体包含分散在溶剂中的致密材料的颗粒，其中，所述致密材料是一种介电材料或者通过氧化或氮化可以转变成介电材料的材料；干燥该胶体分散体形成中间层； 用基质材料渗透所述中间层形成渗透后的层；和固化所述渗透后的层，从而使渗透后的层改性，形成介电层。

【技术特征摘要】
1.一种在衬底上形成介电层的方法，该方法包括在衬底上沉积胶体分散体，该胶体分散体包含分散在溶剂中的致密材料的颗粒，其中，所述致密材料是一种介电材料或者通过氧化或氮化可以转变成介电材料的材料；干燥该胶体分散体形成中间层；用基质材料渗透所述中间层形成渗透后的层；和固化所述渗透后的层，从而使渗透后的层改性，形成介电层。2.权利要求1的方法，其中，用基质材料渗透所述中间层使用旋涂聚合物材料的涂料溶液渗透所述中间层。3.权利要求2的方法，其中，所述旋涂聚合物材料包含选自硅酸盐、氢倍半硅氧烷、有机倍半硅氧烷、有机硅氧烷、倍半硅氧烷-硅酸盐共聚物、硅氮烷基材料、聚碳硅烷和乙酸基硅烷。4.权利要求2的方法，其中，所述旋涂聚合物材料包含选自砷、锑、磷和硼的物质。5.权利要求1的方法，其中，所述致密材料的颗粒是包含选自二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅、铝、氮化铝和氧化铝的材料的颗粒。6.权利要求5的方法，其中，所述致密材料还包含选自砷、锑、磷和硼的物质。7.权利要求5的方法，其中，所述致密材料的颗粒包含二氧化硅。8.权利要求5的方法，其中，所述致密材料的颗粒包含硅。9.权利要求1的方法，其中，所述颗粒具有约2纳米-约50纳米的特征尺寸。10.权利要求1的方法，其中，所述介电层是在集成电路器件上的预金属介电层。11.权利要求1的方法，其中，所述介电层填充浅槽分隔结构中的沟槽。12.权利要求1的方法，其中，所述介电层填充尺寸小于100纳米的间隙。13.权利要求12的方法，其中，所述介电...

【专利技术属性】
技术研发人员：N哈克，S谢，Y邓，D恩迪施，R梁，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]