一種低介電常數薄膜的製備方法

2023-05-09 00:41:31

一種低介電常數薄膜的製備方法
【專利摘要】本發明屬於集成電路製造【技術領域】，具體涉及一種多孔低介電常數薄膜的製備方法。系以雙-(三乙氧基矽基)甲烷和甲基三乙氧基矽烷作為混合骨架前驅體，以雙戊烯作為成孔劑，採用等離子體增強化學氣相沉積工藝，通過調節襯底溫度、射頻功率、反應腔中工作壓強等，沉積得到有機-無機雜化薄膜；然後對該薄膜進行熱退火處理，使得部分有機組分發生熱分解而除去，得到多孔低介電常數材料薄膜。通過調整兩種骨架前驅體的比例，可以實現對薄膜骨架結構的控制，使薄膜具有良好的電學性能、力學性能及抗吸水性能的組合。製備的薄膜介電常數為2.3～2.5，1MV/cm場強下的漏電流密度處於10-8～10-9A/cm2數量級範圍內，擊穿場強大於3MV/cm，楊氏模量為5～7GPa，硬度為0.6～0.8GPa。
【專利說明】一種低介電常數薄膜的製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於集成電路製造【技術領域】，具體涉及一種低介電常數薄膜的製備方法， 應用於銅互連中的層間介質。

【背景技術】
[0002] 隨著集成電路技術的發展，晶片上電晶體密度每隔1. 5-2年增加一倍，相應的特 徵尺寸縮小為原來的0.7倍，晶片性能也獲得了極大地提升。互連容阻（RC)延遲卻隨著特 徵尺寸的減小而增加，從而成為制約晶片性能提升的瓶頸。採用銅/低介電常數材料（Cu/ l〇w-k)取代傳統的鋁/二氧化矽（AVSiO2)作為互連結構，可以極大地降低互連延遲。當 前，採用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD)方法製備的多孔SiCOH材料是工業生產中最 主要的l〇w-k材料，通過在薄膜中引入Si-CH 3並引入孔隙，可以得到介電常數小於2. 5。隨 著孔隙率的提高，薄膜力學性能下降，介電常數難以持續進一步降低。
[0003] 目前，一般採用富含Si-CHjA前驅體進行低介電常數材料的製備，如三甲基矽烷 (3MS)，八甲基環四矽氧烷（OMCTS)，二乙氧基甲基矽烷（DEMS)等。Si-CHjA引入能夠降低 薄膜極性，從而降低介電常數；同時-CH 3作為疏水基團，有利於提高薄膜的抗吸水性能。但 是，Si-CH3是封端結構，嚴重破壞了 Si-O-Si之間的三維交聯，導致力學性能降低。特別是 對於多孔材料，當孔隙率較高的時候，富含Si-CH3的薄膜力學性能很差，以至於在化學機械 拋光等工藝中會遭受嚴重的破壞；另外，交聯程度的降低，也限制了 k值的進一步降低：當 繼續提高成孔劑比例時，熱處理過程中會發生孔的坍塌，反而導致孔隙率降低，k值升高。而 如果採用單一的不含Si-CHj^前驅體，得到的薄膜難以實現低介電常數值，同時，薄膜抗吸 水性能難以保證。


【發明內容】

[0004] 鑑於當前低介電常數材料製備面臨的諸多問題，本發明提供了一種多孔性的低介 電常數材料薄膜的製備方法。採用分別含有Si-CH 2-Si和Si-CHJ^學結構的兩種前驅體，通 過優化工藝參數及前驅體配比，來實現低介電常數、良好的力學性能及抗吸水性能的結合。
[0005] 本發明所提出的低介電常數薄膜的製備方法，是以雙_(三乙氧基矽基）甲烷 (BTEM)和甲基三乙氧基矽烷（MTES)作為為混合骨架前驅體，以雙戊烯（UMO)作為成孔劑， 採用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD)工藝，沉積得到有機-無機雜化薄膜；然後對該薄 膜進行適當的熱處理，使得部分有機組分發生熱分解而除去，由此獲得多孔低介電常數薄 膜。
[0006] 具體
【發明內容】
如下：調節PECVD腔體上下極板間距為10?20mm。
[0007] (1)進行薄膜沉積的襯底可以是空白矽片，也可以是製備了半導體器件或形成了 部分互連結構的晶圓。
[0008] (2)採用真空系統對反應腔體抽真空，使腔體壓力小於0· 02T〇rr ;然後，通過加熱 系統將襯底加熱至預設溫度100?30(TC，並維持穩定。
[0009] (3)使用汽化器將前驅體汽化，然後通過氦載氣將前驅體蒸汽載入腔體，其中： BTEM流量為0. 1?5g/min，汽化溫度為100?120°C，載氣流量為1000?5000sccm ;MTES 流量為〇. 1?5g/min，汽化溫度為50?60°C，載氣流量為2000?8000sccm ;UMO流量為 0· 5?5g/min，汽化溫度為60?100°C，載氣流量為2000?8000sccm。調節腔體壓力為 1?8Torr，並維持穩定。
[0010] (4)開啟射頻電源，進行等離子體增強化學氣相沉積，射頻（RF)功率為50? 800W。通過改變沉積時間，可以得到不同厚度的有機-無機複合薄膜。所述的seem是標準 溫度與壓力下每分鐘立方釐米數。沉積時間只對薄膜厚度有影響，通常沉積時間〇. 5-20分 鍾，推薦1-10分鐘。
[0011] (5)將PECVD沉積得到的薄膜置於管式爐、箱式爐或其他腔體中，進行熱退火處 理，退火溫度為350-60CTC，退火時間為0. 5?6小時，推薦2-5小時，退火氣氛可以為氬氣、 氦氣、氮氣等惰性氣體，惰性氣體流量為〇· 5-2L/min，壓力為0· 1?800Torr，推薦壓力為 100?SOOTorr。在退火過程中，有機組分大部分分解除去，從而得到多孔薄膜。
[0012] (6)對上述薄膜進行電學和力學測量，以及成分結構的表徵，結果如下：介電常數 為2. 3?2. 5, lMV/cm場強下的漏電流密度處於10_8?10 _9A/cm2數量級範圍內，擊穿場強 大於3MV/cm，楊氏模量為5?7GPa，硬度為0· 6?0· 8GPa。
[0013] 本發明具有如下優點：
[0014] 本發明提供的方法與現有集成電路加工工藝相兼容，所製備的薄膜可直接用作 晶片後端互連中的層間介質。所採用的反應原料性能安全、成本低廉、操作步驟比較簡 單。通過調整工藝參數及前驅體配比，可以有效地控制薄膜的成分、化學結構、孔隙率等，達 到調控低介電常數薄膜的電學、力學等性能的目的。本發明的薄膜具有良好的電學性能、 力學性能及抗吸水性能的，薄膜介電常數為2. 3?2. 5, lMV/cm場強下的漏電流密度處於 10_8?10 _9A/cm2數量級範圍內，擊穿場強大於3MV/cm，楊氏模量為5?7GPa，硬度為0. 6? 0. 8GPa〇

【具體實施方式】：
[0015] 實施例1
[0016] 在PECVD過程中，設定襯底溫度為200°C，反應腔中工作壓強為3Torr，RF功率為 250 ?400W，反應原料的質量流量比固定在 BTEM:MTES :LIM0= 1:1.5:5。BTEM、MTES、LIMO 的汽化溫度分別為120°〇、60°〇、100°〇，氦載氣流量分別為 30008(3〇11、50008(3〇11、50008(3〇11， 沉積3分鐘，得到有機-無機雜化薄膜。然後，將該薄膜置於管式爐中於氮氣氛圍下進行熱 退火處理，氣壓約為一個大氣壓，氮氣流量約為lL/min，退火溫度為500°C，退火時間為4小 時。為了觀察RF功率對低介電常數材料薄膜性能的影響，本實施例中分別嘗試了 4種不同 的RF功率（即為250W、300W、350W、400W)，所得樣品分別命名為樣品1、樣品2、樣品3和樣 品4.
[0017] 薄膜性能測量：薄膜厚度及折射率通過橢偏儀來測量。為了得到上述薄膜的電學 性能，本發明以低電阻率矽片（電阻率為0. 001?0. 005 Ω · cm)為襯底，以電子束蒸發的 鋁作為頂電極和底電極，頂電極為直徑400 μπι左右的圓形電極。通過對鋁/low-k薄膜/ 矽襯底/鋁（MISM)結構的電容-電壓（C-V)曲線的測量來提取介電常數，並通過多點測試 來獲得平均介電常數值。通過對電流-電壓（I-V)曲線的測量獲得薄膜的漏電特性。表I 列出不同樣品的折射率和電學性能參數，其中c-v、I-V測試在KKTC下完成的。
[0018] 表1不同RF功率下得到的樣品的性能參數
[0019]

【權利要求】
1. 一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：該低介電常數薄膜以雙-(三乙氧基 矽基）甲烷和甲基三乙氧基矽烷作為混合骨架前驅體，以雙戊烯作為成孔劑，採用等離子 體增強化學氣相沉積工藝，在反應腔中襯底上沉積得到有機-無機雜化薄膜；然後對該薄 膜進行熱退火處理，使得部分有機組分發生熱分解而除去，獲得低介電常數薄膜。
2. 根據權利要求1所述的一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：所述的 雙-(三乙氧基矽基）甲烷流量為0. 1?5g/min，汽化溫度為100?120°C，載氣流量為 1000?5000sccm ;甲基三乙氧基矽烷流量為0. 1?5g/min，汽化溫度為50?60°C，載氣流 量為2000?8000sccm ;雙戊烯UMO流量為0. 5?5g/min，汽化溫度為60?100°C，載氣 流量為 2000 ?8000sccm。
3. 根據權利要求1所述的一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：所述的氣相 沉積工藝參數為：功率50?800W ;襯底溫度100?300°C ;反應腔中工作壓強1?8Torr ; 上下極板間距10?20mm。
4. 根據權利要求1所述的一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：所述的熱退 火處理在惰性氣體中進行：惰性氣體流量為0. 5-2L/min，退火溫度為350-600°C，退火時間 為0? 5?6小時，壓力為0? 1?800Torr。
5. 根權利要求4所述的一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：所述的惰性氣 體是氬氣、氦氣或氮氣。
6. 根據權利要求4所述的一種低介電常數薄膜的製備方法，其特徵在於：所述的襯底 是矽片、半導體器件或部分互連結構的晶圓。
【文檔編號】C23C16/44GK104498900SQ201410831283
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月23日 優先權日:2014年12月23日
【發明者】姜標 申請人:上海愛默金山藥業有限公司