使用含氧前体的介电阻挡层沉积制造技术

本发明专利技术提供了用于沉积具有改善的屏障介电性能（包括较低的介电常数和优越的电气性能）的介电阻挡薄膜的方法，所述介电阻挡薄膜包括具有硅、碳、氧和氢的前体。这一方法对用于互连结构的金属镶嵌或双重金属镶嵌集成中或用于其他介电阻挡应用中的屏障层是重要的。在这个例子中，注意改善屏障性能的特定结构特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用含氧前体的介电阻挡层沉积交叉引用本申请要求于2008年12月1日提交的序列号为61/118，769的美国临时专利申请的优先权。
技术介绍
在微电子工业中，图案密度收缩(pattern density shrink)已经使得可以取得显著的性能提高，并根据摩尔定律以可预期的2年周期持续发生。为了维持或改进装置的运行，已经进行了晶体管和互连水平的改变。更特别地关注于互连结构(通常称为后段工艺过程(back-end-of line)，BE0L)，空间上的收缩已导致铝到铜金属化的转变以维持可忍受的线路电阻。为了维持铜线之间足够的电容，还改变了围绕铜线的介电或绝缘膜以补偿布线图案改变必要的集成改变。为了使绝缘膜的电容最小化，各电介质的介电常数(k)理想地应该连续地降低。对于层间电介质(“ILD”)而言，这一转变从二氧化硅到氟硅酸盐玻璃、再到致密有机硅酸盐玻璃和最终到多孔有机硅酸盐玻璃持续地发生，它们分别具有 4. 0,3. 3-3. 7,2. 7-3. 1 和< 2. 6 的 k 值。通常，ILD绝缘膜可在电介质中保持水分。考虑到铜易于快速氧化(其引起可靠性问题)，因此屏障电介质包含用作铜线与ILD膜之间的扩散屏障的部分电介质叠层，用于防止水从ILD扩散到铜表面上并防止铜扩散到ILD膜中。与ILD膜的趋势相反，屏障电介质并未显著地缩放，这是由于电介质在互连结构内所起的可靠性功能造成的。但是，考虑到 ILD膜相对于屏障电介质的介电常数不成比例的缩放，屏障的电容对于互连结构的整体电容的贡献目前比在以前的技术节点中更加重要。其他的半导体应用(例如光电和薄膜显示装置)也需要具有低k值的介电阻挡 (dielectric barrier)薄膜。在这些应用中，不需要铜的扩散性质，但存在其他另外的要求如透明度、湿化学耐受性和高机械强度等。此外，针对密度、折射率、膜组成和电性质调节介电性质的能力是必要的。在本专利技术中，结合硅氧烷前体的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法提供了具有显著低于当前屏障介电薄膜的介电常数而同时仍保持足够的屏障性能的介电薄膜。目前的工业标准前体3MS(三甲基硅烷)或4MS(四甲基硅烷)提供良好的性能，但难以降低其介电常数。现有技术要求提供低介电常数的烷基烷氧硅烷的特定工艺条件。在这些情况下， 反应气体在腔室中的停留时间> 100毫秒，以为气体提供足够的反应性而获得直链硅氧烷薄膜。现有技术还表明，具有低于3. 1的介电常数是理想的，且这可以通过增加前体在腔室中的停留时间来实现。与本专利技术的领域有关的现有技术包括US2006/0251876A1、US 6383955和 US2001/0021590
技术实现思路
本专利技术涉及一种在集成电路的介电薄膜和铜部件之间形成屏障介电薄膜的方法， 包括以下步骤在形成铜部件之前提供具有介电薄膜的集成电路衬底；使所述衬底与式RXR’ y(0R”)z(0R”’ )aSi的屏障介电薄膜前体接触，其中R、R”和 R”’各单独地选自甲基、乙基和乙烯基；R’选自氢、甲基、乙基和乙烯基；且χ、ζ和a各单独地为 1-3，y 为 0-2，其中，x+y+z+a = 4 ；使用等离子体增强化学气相沉积在衬底上形成屏障介电薄膜。在一个实施方式中，本专利技术涉及一种在集成电路的介电薄膜和铜部件之间形成屏障介电薄膜的方法，包括下列步骤在形成铜部件之前提供具有介电薄膜的集成电路衬底；使所述衬底与选自二乙氧基甲基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷 (dimethylidethoxysilane)及其混合物的屏障介电薄膜前体和选自氢、氦、氨及其混合物的化学物质接触；在100°C至400°C范围的温度下，使用等离子体增强化学气相沉积在衬底上形成屏障介电薄膜；在屏障介电薄膜上形成铜部件。在另一个例子中，在对于如光电或平板显示器的应用的需要扩散阻挡性能的衬底上形成屏障电介质。在本专利技术的一个实施方式中，优选绝缘膜的性能通过将不同水平的氢气与直链烷基烷氧基硅烷前体一起结合到反应等离子体中来进行控制，以控制薄膜的介电常数和随后的密度。也可以通过维持氢与前体气体的比率但改变腔室中的压力或RF功率实现类似的性质，以控制薄膜中CxHy转化为Si-C键合(这是需要的)的水平。在特定的沉积条件下， 等离子体能量和氢水平直接与薄膜的介电常数和密度相关。在另一实施方式中，改变衬底温度至较低温度，以通过较低的热预算沉积在衬底上。在这个例子中，沉积条件将较少的热能施加于前体并需要较高的氢与前体的比率，以达到预期的绝缘性能，包括3. 5或更大的k值，和> 1. 5g/cc的密度。在另一实施方式，理想的是在最高达400°C的较高温度下沉积包含碳氧化硅的绝缘介电薄膜，以与集成过程的其他需要方面相称。在升高的温度下，降低的氢与前体的比率是理想的，以维持优选低于4. 0的k值。附图说明图1是显示一系列屏障薄膜的薄膜折射率与介电常数之间的相关性的图；采用二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)作为前体。图2是DMES ( 二甲基乙氧基硅烷)、DMDMOS ( 二甲基二甲氧基硅烷)、DMDES ( 二甲基二乙氧基硅烷)和MESCP(甲基乙氧基硅杂环戊烷)的密度(g/cc)相对于k值的图。在本研究中，薄膜全部在350°C下用类似的沉积条件沉积，以提供前体影响的直接比较。图3是在250°C和350°C下，使用(i)氦作为液体载气+氢作为反应气体；和(ii) 仅氦作为液体载气进行的DMDES( 二甲基二乙氧基硅烷)沉积而获得的k值的范围的图。图4是DEMS (二乙氧基甲基硅烷)和DMDES (二甲基二乙氧基硅烷)的FIlR光谱比较。图5是显示与折射率相关的Si-CH3 FIlR积分峰面积的图。在这个图中，使用氦作为液体载气，用DMDES和氢沉积薄膜，且薄膜是在广泛的沉积条件下和包括180°C、200°C、 250°C和300°C的从150°C至350°C的温度范围内测量的薄膜的结果。图6是腔室中的气体停留时间与碳氧化硅介电常数之间的相关性的图。停留时间利用下面公式1计算，其中，在表3中提供代表性的例子。图7是比较向用不同掺杂气体沉积的碳氧化硅薄膜照射12分钟宽带UV的k值变化的条形图。图8是显示了 5种不同的沉积压力和流量比率条件和对于5组条件中的各个的 150°C、180°C、200°C和250°C的不同衬底温度下，Si-CH3 FTIR的积分峰面积的条形图。在这个图中，使用氦作为液体载气用DMDES和氢沉积薄膜。表5中记录5种具体的沉积条件。图9是对于在不同腔室沉积温度下用DMDES、氦载气和氢反应物气体沉积的碳氧化硅薄膜的密度和k值测量值的条形图。随着温度降低，采用DMDES 氢气比率的调节来达到同样的薄膜性能。该图证明在包括180°C、200°C和250°C的150°C至350°C的温度范围上实现类似的密度和介电常数的能力。具体实施例方式本专利技术描述的方法是用于利用由硅、碳、氧和氢构成的烷基烷氧基硅烷前体沉积薄膜以提高屏障性能。利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)使得硅氧烷物质与包括 He、氩、二氧化碳、氮、氨、氢或氧的各种掺杂气体发生反应。尽管单处理步骤是优选的，但是在许多情况下，本专利技术的范围还包括沉积之后对薄膜进行后处理。这样的后处理可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在衬底上形成薄膜的方法，包括：提供式ＲｘＲ’ｙ（ＯＲ”）ｚ（ＯＲ”’）ａＳｉ的直链烷基烷氧基硅烷前体，其中Ｒ、Ｒ”和Ｒ”’各单独地选自甲基、乙基或乙烯基；Ｒ’选自氢、甲基、乙基或乙烯基；且ｘ、ｚ和ａ各单独地为１－３，ｙ为０－２，其中，ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝４；利用该前体的化学气相沉积反应在衬底上形成薄膜，其中，前体流在反应中的停留时间小于或等于８５毫秒，其中，薄膜的密度大于１．５ｇ／ｃｃ，且介电常数小于６．０。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·M·马茨，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US