衬底上形成介电膜的方法技术

在衬底上用组合物形成介电膜的方法，所述组合物中含有机氢化硅氧烷树脂。该有机氢化硅氧烷树脂有笼形构象。介电膜形成方法包括使溶剂和有机氢化硅氧烷树脂形成溶液，将溶液分布在衬底上，烘烤衬底除去溶剂，并使之固化形成介电膜。本发明专利技术的介电膜的介电常数为约３．０或其下。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
为了提供介电常数比氧化硅介电常数低的介电膜，以硅氧烷为基础的树脂制成的介电膜成为广泛使用的材料。以硅氧烷为基础的树脂形成的这一类膜中之一是由氢倍半硅氧烷(HSQ)树脂制成的膜，见美国专利US-3615272(公开日期1971年10月19日，授与Collins等人)和1988年6月12日公开的授于Haluska等人的美国专利US-4756977。这种膜不仅介电常数小于CVD或PECVD氧化硅膜的介电常数，而且还有有利间隙填充和增大表面平整度的好处。发现这种膜的介电常数通常限制在约3.0或较大些，见1996年7月4日公开的授于Balance等人的美国专利US-5523163。正如众所周知的，这类绝缘膜的介电常数对于要求具有低功耗，低串音和低信号延迟的集成电路是很重要的因素，这种情况要求形成的绝缘膜其介电常数在3.0以下。以硅氧烷为基础的树脂材料有优越的间隙填充性能和良好平整性能，因此希望以硅氧烷为基础的树脂材料来制成该薄膜。此外，还要求由硅氧烷为基础的树脂材料形成的低介电常数绝缘膜有高抗龟裂性。而且，还要求能用标准的工艺技术制造该低介电常数的以硅氧烷为基础的树脂膜。这种方式的固化处理，可避免氨气氛或氨衍生物气氛(见1992年9月8日公开的Balance等人的美国专利US-5145723)、臭氧气氛(见Haluska等人的US5336532)、或者其它非标准的半导体工艺。专利技术概述按本专利技术，提供用高有机含量的有机氢化硅氧烷树脂溶液制造低介电常数绝缘膜的方法。形成本专利技术介电膜的溶液含有以下四个通用式之一的有机氢化硅氧烷树脂，[HSiO1.5]n[RSiO1.5]m；或 式1[H0.4-1.0SiO1.5-1.8]n[R0.4-1.0SiO1.5-1.8]m；或式2；或 式3[HSiO1.5]x[RSiO1.5]y[SiO2]z式4式中，n和m之和是约8至约5000；x、y和z之和是约8至约5000；R选自包括直链和支链烷基，环烷基，芳基及其混合基的取代和未取代的基团。式1-4中的树脂所含有机或碳取代基的Mol％比率是起始原料量该比率的函数。本专利技术的实施方案采用含有笼形结构的有机氢化硅氧烷树脂的溶液。这些有机氢化硅氧烷树脂包含有硅原子和多个氧原子交替的聚合物主链。具体说来，每个主链硅原子键合有至少3个主链氧原子。按本专利技术的某些实施方案采用旋涂法涂布该有机氢化硅氧烷树脂溶液。通常是把约5wt％至35wt％的树脂溶于合适的溶剂中制成这种树脂溶液。本专利技术的某些实施方案，提供用旋涂法形成的有机氢化硅氧烷介电膜。这种介电膜的优点是有低介电常数，通常所述介电常数小于3.0。有机取代基的量大于40mol％的膜，其介电常数通常小于2.8。详细说明通过结合本专利技术的各种实施方案对本专利技术加以说明，应明确这些实施例只是作为例子，而不是对本专利技术的限制。因此，对本行业的技术人员而言，作出各种改进，或修改特定的材料和方法均属显而易见。正如本文实施方案举例说明的一样，按本专利技术技术进行的所有这些改进、修改和变化，均包括在本专利技术的精神和范围内。本专利技术的实施方案提供了多种用有机氢化硅氧烷树脂溶液形成介电膜的方法。溶液中所含的有机氢化硅氧烷树脂为以下的四个通式之一。n[RSiO1.5]m；或 式1[H0.4-1.0SiO1.5-1.8]n[R0.4-1.0SiO1.5-1.8]m；或 式2[H0-1.0SiO1.5-2.0]n[RSiO1.5]m；或 式3[HSiO1.5]x[RSiO1.5]y[SiO2]z式4式中n和m之和是约8至约5000；x、y和z之和是约8至约5000；R选自包括直链和支链烷基、环烷基、芳基或其混合基的取代和未取代基团。式1至4的树脂中所含有机或碳取代基的Mol％比是起始原料量该比率的函数。一些实施方案中用约40mol％至约80mol％范围的有机取代基得到很好结果。另一些实施方案中，用约5mol％至约25mol％的有机取代基得到很好结果。取代基R是甲基时，这些相应有机氢化硅氧烷树脂的碳含量分别为约8wt％至约14wt％，或约1wt％至约6wt％。按本专利技术的实施方案，形成介电膜用的有机氢化硅氧烷树脂的分子量为400至200000原子质量单。优选树脂的分子量为1000至100000原子质量单位，更优选10000至60000原子质量单位，最优选20000至40000原子质量单位。与本申请共同转让的并引作参考的PGT国际专利申请WO98/47944和WO 98/47945(公开日为1998年10月29日)中进一步说明了制造介电膜用的有机氢化硅氧烷树脂。本专利技术方法通常用旋涂法来形成含有机氢化硅氧烷树脂的膜。对本行业技术人员而言，目前允许使用的半导体衬底的尺寸就直径而言，小至3英寸或4英寸，大至12英寸不等。因此，应明确以下的工艺参数仅以4英寸或6英寸的晶片来举例说明。因此，可以按具体应用而对材料的体积、溶液浓度、旋转速度或各种其它的参数来进行修改。还应明确，所有的这些修改均包括在本专利技术的精神和范围内。把树脂和合适的溶剂混合，制备有机氢化硅氧烷树脂溶液。通常这些树脂溶液中的树脂含量约为5至35wt％。甲基异丁基酮(MIBK)，庚烷、十二烷、丁醚、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸丙酯或六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷和八甲基环四硅氧烷的共混物，或它们的混合物用作溶剂，当然其它合适的溶剂也能用。使用之前，溶剂最好用3或4的分子筛干燥。制成的溶液在环境条件下可用已知的任何过滤装置过滤。一般优选用孔径小于约1μm的过滤装置过滤，典型的为孔径约0.1μm的过滤装置。旋涂工艺中，将按上述方式制备的有机氢化硅氧烷树脂溶液分布在晶片中心或晶片中心周围。有些实施方案中，分布溶液步骤中，晶片保持静止不动。而有些实施方案中，则使晶片转动或低速旋转，旋转速度小于500转/分钟(rpm)。加溶液后，短暂等待，再自旋，下文称为定厚度旋转，尽管也能用其它的转速，但合适的旋转速度通常为2000至3000rpm。如上所述，完成涂覆工艺后，将涂有树脂溶液的衬底加热，进行烘烤处理和随后的固化处理。烘烤处理去掉衬底上树脂溶液中的溶剂，使聚合物流动。使涂层变成介电膜，因此处理完成涂层到介电膜的转变过程。这些工艺可用已知的常规设备。尽管按本专利技术实施方案可以用单独的涂覆固化设备，但是，烘烤设备最好作为涂覆衬底或晶片的旋涂设备整体之部件。在惰性气体，如氮，或氮/空气的混合气体等气氛中进行烘烤处理。常用的加热设备用一个或多个“加热板”，给涂溶液后的晶片加热。涂有溶液的晶片在温度依次升高的几个加热板中的每个加热板下保持最长约120秒。加热板的温度通常约70℃至350℃。典型的热处理用有3个加热板的加热设备。首先，晶片在150℃烘烤约60秒，之后，晶片输送到第2块加热板，在200℃烘烤约60秒，最后，晶片输送到第3块加热板，在350℃烘烤约60秒。优选用最终固化工艺完成膜的固化作用。最好用烘烤处理中用的惰性气体气氛进行固化。可用常规的热固化设备进行该最终的固化处理，例如水平炉，炉子的温度范围是约300℃至约450℃，最好约375℃至约425℃。典型的加热炉固化处理中，烘烤后的晶片在4 l/min至20 l/min的氮气流速下在400℃固化30分钟。或者，用氧浓度加本文档来自技高网...

【技术保护点】
衬底上形成介电膜的方法，包括以下步骤：以溶剂和含以下通式表示的聚合物的有机氢化硅氧烷树脂形成溶液：［ＨＳｉＯ↓［１．５］］↓［ｎ］［ＲＳｉＯ↓［１．５］］↓［ｍ］，或［Ｈ↓［０．４－１．０］ＳｉＯ↓［１．５－１．８］］↓［ｎ］［ Ｒ↓［０．４－１．０］ＳｉＯ↓［１．５－１．８］］↓［ｍ］，或［Ｈ↓［０－１．０］ＳｉＯ↓［１．５－２．０］］↓［ｎ］［ＲＳｉＯ↓［１．５］］↓［ｍ］，或［ＨＳｉＯ↓［１．５］］↓［ｘ］［ＲＳｉＯ↓［１．５］］↓［ｙ］［ＳｉＯ↓［２ ］］↓［ｚ］，式中，ｎ和ｍ之和是约８至约５０００；ｘ、ｙ和ｚ之和是约８至约５０００，而各通式中的Ｒ选自取代的和未取代的直链和支链烷基，环烷基，取代的和未取代的芳基，及其混合基；将该溶液分布在衬底上；使衬底旋转，形成有机氢化硅氧烷 树脂涂覆的衬底；烘烤涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底，去除残留的溶剂，使所述聚合物流动，并使所述树脂部分地转变成所述介电膜；和使衬底上涂覆的有机氢化硅氧烷树脂固化，由此完成所述生成介电膜的转化。

【技术特征摘要】
US 1999-1-7 09/227,035;US 1999-1-7 09/227,4981.衬底上形成介电膜的方法，包括以下步骤以溶剂和含以下通式表示的聚合物的有机氢化硅氧烷树脂形成溶液[HSiO1.5]n[RSiO1.5]m，或[H0.4-1.0SiO1.5-1.8]n[R0.4-1.0SiO1.5-1.8]m，或[H0-1.0SiO1.5-2.0]n[RSiO1.5]m，或[HSiO1.5]x[RSiO1.5]y[SiO2]z，式中，n和m之和是约8至约5000；x、y和z之和是约8至约5000，而各通式中的R选自取代的和未取代的直链和支链烷基，环烷基，取代的和未取代的芳基，及其混合基；将该溶液分布在衬底上；使衬底旋转，形成有机氢化硅氧烷树脂涂覆的衬底；烘烤涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底，去除残留的溶剂，使所述聚合物流动，并使所述树脂部分地转变成所述介电膜；和使衬底上涂覆的有机氢化硅氧烷树脂固化，由此完成所述生成介电膜的转化。2.按权利要求1的方法，其中所述对已涂覆衬底的烘烤包括在第一烘烤温度加热涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底持续第一烘烤时段。3.按权利要求2的方法，其中烘烤已涂覆衬底的步骤，还包括加热涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底到第二烘烤温度，持续第二烘烤时段，所述第二烘烤温度等于或高于第一烘烤温度。4.按权利要求3的方法，其中烘烤已涂覆衬底的步骤，还包括使已涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底加热到第三烘烤温度，持续第三烘烤时段，所述第三烘烤温度等于或高于第二烘烤温度。5.按权利要求1的方法，其中固化已涂覆衬底的步骤，包括在氧浓度加以控制的气氛中，在加热板上使涂有有机氢化硅氧烷树脂的衬底加热至固化温度，持续固化时段。6.按权利要求5的方法，其中固化温度至少是约400℃；固化时段为约15分钟或其以下，控制气氛使其氧浓度低于100ppm。7.按权利要求1的方法，其中溶剂选自甲基·异丁基酮、庚烷、十二烷、丁醚、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸丙酯、六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷和八甲基环四硅氧烷或它们的混合物。8.按权利要求5的方法，其中溶剂以约3至约4特定尺寸的分子筛干燥。9.按权利要求1的...

【专利技术属性】
技术研发人员：NP哈克，S莱菲尔茨，MD斯勒索，LK菲格，
申请(专利权)人：联合讯号公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]