低介電常數絕緣介質α－SiCOF薄膜及其製備方法
2023-06-03 09:19:01 1
專利名稱：低介電常數絕緣介質α－SiCOF薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明是一種低介電常數的絕緣介質α-SiCOF薄膜及其製備方法，該薄膜用於集成電路製造中。
隨著集成電路的發展，金屬布線層間距及線間距的縮小，電路的互連寄生電容隨集成電路集成度提高、特徵尺寸減小而迅速增大。互連延遲(RC delay)也因互連寄生電容的迅速增大而增大，限制了集成電路的運算速度與噪聲容限，同時引起電路動態功耗的增大。在超大規模集成電路中，用低介電常數(低k)薄膜代替傳統的SiO2作為絕緣介質薄膜可以有效地減小互連寄生電容，從而使電路互連延遲降低。因此許多研究人員一直在探索一些介電常數低的薄膜。目前國內外研究較多的低介電常數薄膜有含氟氧化矽(SiOF)、無定型含氟碳膜(α-C:F)及聚醯亞胺薄膜(Polyimide)等，但是這些產品存在生產方法複雜，電性能差，成本偏高等諸多不足，尤其用在大規模集成電路上與矽片的粘附性差的缺陷。本發明的目的是研製一種低介電常數的絕緣介質薄膜及其製備方法。
本發明的目的是研製一種用於大規模集成電路上的電性能好、與矽片粘附性優良的低介電常數的絕緣介質薄膜及其製備方法。
本發明的低介電常數絕緣介質是α-SiCOF薄膜，其主要成份是非晶矽碳氧氟，該薄膜厚50～300nm，薄膜中結構是C-C鍵，C-F鍵，Si-F鍵，Si-O鍵，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％。薄膜中沒有H原子。由於F原子與高含量C原子的摻入，薄膜介電常數降低很多；又由於薄膜中幾乎沒有H原子，薄膜的熱穩定性好；薄膜中的Si-O鍵也會使薄膜對矽片的粘附性得到改善；薄膜中C-C交聯及無定型結構有利於提高薄膜穩定性和降低介電常數。所得α-SiCOF薄膜介電常數低，薄膜電阻率大，介電強度高，電學性質穩定，粘附性好。在現有集成電路中的絕緣介質薄膜SiO2的介電常數為4.1，而本發明的α-SiCOF薄膜介電常數可以降低為2.6。
本發明用等離子增強化學氣相澱積方法獲得低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜。在CVD設備中增加等離子發生裝置均可作為本發明方法的裝置。本發明中可以在等離子增強化學氣相澱積設備中圓形平板電極間產生等離子，現有的等離子射頻激勵源頻率範圍均可使用。本發明的等離子射頻激勵源頻率是13.56MHz，功率是50～150W，兩電極間距是8～14mm，澱積溫度是150℃～400℃。等離子反應腔氣壓是70～90Pa。澱積原料是多氟環烷烴，正矽酸乙酯，等離子激發氣體。多氟環烷烴的流量是20～30sccm，正矽酸乙酯的流量是20～40sccm，等離子激發氣體的流量是20～40sccm。
上述澱積原料多氟環烷烴如四氟化碳(CF4)，六氟環丙烷(C3F6)，八氟環丁烷(C4F8)等。等離子激發氣體如氧氣(O2)，氬氣(Ar)等。
由上述方法澱積得到的薄膜中含有C-C鍵，C-F鍵，Si-F鍵，Si-O鍵。
澱積原料用八氟環丁烷或四氟化碳能獲得介電常數2.6的薄膜，且介電強度高等電學性質溫度的矽片粘附性能良好的α-SiCOF薄膜。
本發明等離子激發氣體用氧氣或氬氣均能獲得良好效果。由於氧氣和氬氣價格合理、易得，因此有利於工業化生產的推廣。
隨著超大規模集成電路的發展，互連延遲的增大，本發明的薄膜特別適用於超大規模集成電路生產中代替傳統的SiO2薄膜，可以十分有效地減小互連寄生電容。
本發明的薄膜具有以下優點1)介電常數低，可以降低到2.6左右；2)薄膜漏電流密度降低，在5V/μm的場強下為139pA/cm2；3)介電強度高，可以達到10.4MV/cm左右；4)薄膜電學性質穩定，熱分解溫度在550℃以上，在空氣中不會吸收水分；5)薄膜在矽片上粘附性好，與矽片結合緊密，殘餘應力小。下表是α-SiCOF薄膜與傳統SiO2及SiOF薄膜性能的比較。可以看出，α-SiCOF薄膜介電常數可以降低為2.6，比SiOF薄膜與SiO2薄膜都要低。同時，薄膜漏電流密度降低，介電強度升高。薄膜中因含有憎水性的C-F鍵而在空氣中不吸收水分，電學性質穩定。另外，因含有Si-O鍵，薄膜在矽片上的粘附性得到改善。如果在超大規模CMOS集成電路中使用這種薄膜作為互連絕緣介質，電路互連延遲及動態功耗可以同時降低36.6％左右，而且薄膜可以與集成電路現有工藝很好地結合，不會因為使用新薄膜而影響電路的穩定性與可靠性。
α-SiCOF薄膜與傳統SiO2及SiOF薄膜的性能比較α-SiCOF薄膜SiOF薄膜 傳統SiO2薄膜介電常數2.35-2.903.5 4.1漏電流密 125-140 155 152度(pA/cm2at 5V/μm)介電強度9.5-10.9 9.2 7.0(MV/cm)電學性質 好 較差 好穩定性
權利要求
1．一種低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜，主要成份是非晶矽碳氧氟，其特徵是薄膜厚50～300nm，薄膜中是C-C鍵，C-F鍵，Si-F鍵，Si-O鍵，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％。
2．一種低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜的製備方法，用等離子增強化學氣相澱積法，其特徵是等離子增強化學氣相澱積裝置產生等離子，澱積溫度為150℃～400℃，等離子反應腔氣壓為70～90Pa，澱積用原料是多氟環烷烴、正矽酸乙酯、等離子激發氣體，其中多氟環烷烴的流量是20～30sccm，正矽酸乙酯的流量是20～40sccm，等離子激發氣體流量是20～40sccm。
3．根據權利要求2所述的低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜的製備方法，其特徵是澱積用原料多氟環烷烴是八氟環丁烷或四氟化碳。
4．根據權利要求2所述的低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜的製備方法，其特徵是澱積是等離子激發氣體是氧氣或氬氣。
5．根據權利要求1所述的低介電常數絕緣介質α-SiCOF薄膜，其特徵是該薄膜用作集成電路絕緣介質薄膜。
全文摘要
一種低介電常數絕緣介質α－SiCOF薄膜(非晶矽碳氧氟薄膜)及其製備方法。現有該類產品介電常數較高、薄膜漏電流密度大、介電強度和電學穩定性不理想,且生產成本偏高。本發明用等離子增強化學氣相澱積裝置製備了低介電常數絕緣介質α－SiCOF 薄膜,主要原料是多氟環氧烷、正矽酸乙酯、等離子激發氣體。在等離子射頻激勵源頻率是13.56MHz、功率是50～150W、澱積溫度150℃～400℃下獲得電學性能優良、特別適於用作大規模集成電路絕緣介質的薄膜。
文檔編號C23C16/30GK1288975SQ0012546
公開日2001年3月28日 申請日期2000年9月26日 優先權日2000年9月26日
發明者王鵬飛, 丁士進, 張衛, 王季陶 申請人:復旦大學