分層堆棧及其生產方法
2023-06-06 00:22:01
專利名稱：分層堆棧及其生產方法
技術領域：
本發明的領域為半導體和電子材料，元件和應用。更具體地說，本發明的領域為關於半導體和電子應用場合的分層材料和元件。
背景隨著集成電路中互連的增加和功能元件的體積縮小，集成電路中埋置金屬導線的絕緣體材料和其它材料的介電常數日益成為影響集成電路的性能和絕緣能力的重要因素。具有低介電常數(即低於3.0)的絕緣材料特別理想，因為它們通常允許較快的信號傳播、降低導線間的電容效應和串擾，並降低集成電路的驅動電壓。
實現絕緣體材料的低介電常數的一種途徑是採用本身具有低介電常數的材料。近年來一般採用兩種不同類型的低介電常數材料—無機氧化物和有機聚合物。可以用化學氣相澱積或旋塗(spin on)技術來塗敷無機氧化物，其介電常數在3和4之間，廣泛應用於設計標準大於0.25μm的互連中。但隨著互連尺寸不斷縮小，越來越需要具有更低介電常數的材料。
將低介電常數的材料與其它材料組合在一起的一個問題是如果其它材料的介電常數大於低介電常數材料的介電常數到一定的程度，則元件的有效介電常數就會增加。為了糾正此問題，可以構建分層元件，其中每一層或至少不止一層設計成具有低介電常數。(加入參考文獻)但是，雖然降低元件的有效介電常數具有附加的優點，但有效地構建元件卻比較困難了。例如，先要將介質材料旋塗到一個表面或襯底上，然後再通過化學氣相澱積(CVD)工藝塗敷附加層，例如硬掩膜層或防蝕層。
雖然業界已知各種方法來生產低介電常數材料和分層材料，但要將它們包括到建造和裝配分層元件和分層堆棧中時，全部或幾乎全部都有缺點。因此，仍然需要a)提供改進的成分和方法以降低材料的介電常數；b)有效地將那些低介電常數的材料引入到表面或襯底上；以及c)有效且低成本地構成這些低介電常數材料和/或將這些低介電常數材料分層，同時將所述有效介電常數保持在低水平。
發明概述為了生產比較容易製造且成本低廉的低介電常數分層材料，將各個層旋塗到一個表面上或預先已旋塗到表面上的另一層(或多層)上。通常，最好通過把材料(或各種材料)旋塗到表面或襯底上來塗敷特定分層材料或分層元件的所有低介電常數層。也可以通過把材料旋塗到元件上來塗敷元件的所有各層，但可以有採用其它方法塗敷的一個或多個附加層。在多數情況下，低介電常數分層元件將具有至少兩層通過旋塗構成元件的一部分的低介電常數層，不論是否塗敷了其它附加層或材料。
現說明低介電常數分層材料和元件，它們包括a)表面或襯底；b)至少一層結合到所述表面的旋塗的介質層；以及c)至少一層結合到所述至少一層旋塗的介質層的旋塗的附加低介電常數層。還可以把阻擋層/Cu晶粒層和銅或金屬通孔填料一起加到所述全旋塗方案中。所述至少一層旋塗的附加低介電常數層可以包括至少一層旋塗的阻擋層和/或至少一層旋塗的覆蓋層。還可以預期所述至少一層旋塗的附加低介電常數層包括兩層或更多層或至少兩層附加的旋塗層。
現說明生產低介電常數分層元件的方法，它們包括a)提供表面；b)將介質材料旋塗到所述表面上；c)固化所述介質材料，形成介質層；d)將低介電常數材料旋塗到所述介質層上；以及e)固化所述低介電常數材料，形成低介電常數層。可以將每一層旋塗到分層元件上，隨之固化，然後再加上附加層，或將所有各層都旋塗到分層元件上，然後整個堆棧一次固化。
附圖的簡要說明
圖1示出分層堆棧/元件的先有技術配置。
圖2示出分層元件的優選實施例。
圖3A示出生產分層堆棧/元件的先有技術方法。
圖3B示出生產分層堆棧/元件的優選方法。
圖4示出TEL ACT 12塗敷機再現性的圖解描繪。
圖5示出幾個優選的堆棧低-k策略的示意描繪。
圖6示出兩層堆棧的keff的圖表描繪。
圖7示出優選的雙鑲嵌裝置以及有關所述裝置的圖表信息。
圖8示出優選的製造裝置的示意圖。
詳細說明為了生產比較容易製造且成本低廉的低介電常數分層材料，考慮將各個層旋塗到一個表面上或預先已旋塗到表面上的另一層(或多層)上。通常，最好通過把材料(或各種材料)旋塗到表面或襯底上來塗敷特定分層材料或分層元件的所有低介電常數層。也可以通過把材料旋塗到元件上來塗敷元件的所有各層，但具有通過其它方法塗敷的一個或多個附加層。在多數情況下，低介電常數分層元件將具有構成元件的一部分的至少兩層旋塗的低介電常數層，不論是否塗敷其它附加層或材料。(Michael E.Thomas，「Spin-On Stacked Filmsfor Low keffDielectrics」，Solid State Technology(July 2001)，該參考文獻已通過引用被全文包括在本文內)。
先有技術圖1示出標準的層間/線間介質(ILD)集成方案(10)，它使作為止蝕層(15)和覆蓋層(25)的化學氣相澱積(CVD)介質材料與旋塗的低介電常數(低-k)介質材料(20)結合在一起。層間介質材料(10)與介質層(30)、CVD阻擋層(40)、阻擋層/Cu晶粒層(50)以及銅或金屬通孔填料(60)結合在一起。所有這些附加元件都可以採用或不採用將它們旋塗到表面的方法來塗敷。
現說明低介電常數分層材料和元件(100)，見圖2，它包括a)表面或襯底(110)，(圖2中示為介質材料/CVD阻擋層組合)；b)結合到所述表面的至少一層旋塗的介質層(120)；以及c)結合到所述至少一層旋塗的介質層的至少一層旋塗的附加低介電常數層(130)。還可以把阻擋層/Cu晶粒層(140)和銅或金屬通孔填料(150)一起加到所述全旋塗的方案中。所述至少一層旋塗的附加低介電常數層可以包括至少一層旋塗的阻擋層和/或至少一層旋塗的覆蓋層。還可以預期所述至少一層旋塗的附加低介電常數層包括兩層或更多層或至少兩層附加的旋塗層。
此處考慮的表面可以包括任何所需的基本上是固體的材料，例如襯底，晶片或其它適當的表面。具體地說，理想的襯底層可包括薄膜、玻璃、陶瓷，塑料，金屬或塗敷金屬，或者複合材料。在優選實施例中，襯底包括矽或砷化鍺晶片或晶片表面；諸如在鍍銅、銀、鎳或金的引線框中的封裝表面；諸如在電路板或封裝互連跡線、通孔壁或加強件界面上的銅表面(「銅」此處包括裸銅及其氧化物)；諸如在聚醯亞胺基軟封裝、鉛或其它金屬合金焊料球表面、玻璃和聚合物例如聚醯亞胺、BT和FR4中的聚合物基封裝或電路板界面。在更優選的實施例中，襯底包括在封裝和電路板業界常用的材料，例如矽、銅、玻璃和另一種聚合物。此處考慮的適合的表面還包括另一個事先已形成的分層堆棧、其它分層元件或其它整體元件。一個實例是首先澱積介質材料和CVD阻擋層作為分層堆棧，把所述分層堆棧看做用於隨後旋塗分層元件的「表面」。
至少一層旋塗的介質層結合到表面或襯底。此處所用的「結合」一詞是指表面與層或兩層以物理方式相互附著，或在物質的兩部分或元件之間存在物理吸引力、包括諸如共價和離子結合的結合力以及諸如範德華(Van der Waals)力、靜電力、庫侖力、氫結合力和/或磁引力的非結合力。而且此處所用的「結合」一詞是指表面和旋塗層或兩個旋塗層直接相互附著的情況，但也包括表面和旋塗層或兩個旋塗層間接相互附著的情況，例如在表面和旋塗層之間有粘接加強層或在表面和旋塗層或兩個旋塗層之間有另一層的情況。
旋塗層可以包含滿足以下兩個要求的任何適合的材料a)所述介質材料能夠被旋塗到表面或其它層上，以及b)所述介質材料在固化或其它最終處理後形成低介電常數層或元件。此處所用的「低介電常數」一詞是指1MHz到2GHz的介電常數，除非與本文不一致時另作說明。可以預期低介電常數材料或層的介電常數值小於3.0。在一個優選實施例中，低介電常數材料或層的介電常數值小於2.5。在一個更優選的實施例中，低介電常數材料或層的介電常數值小於2.0。
所考慮的旋塗介質材料包括無機物基的化合物，例如矽基、鎵基、鍺基、砷基、硼基化合物或它們的組合以及有機物基的化合物，例如聚醚、聚亞芳基醚(例如，Honeywell Electronic Materials製造的FLARETM)、聚醯亞胺、聚脂以及金剛烷二甲基或籠形(cage)基化合物。
此處所用的「旋塗材料」，「旋塗有機材料」(其中成分基本上是有機的)，「旋塗成分」以及「旋塗無機成分」(其中成分基本是無機的)等詞語可以互換使用，都是指能夠旋塗到襯底或表面的那些溶液和成分。還有，詞語「旋塗玻璃材料」是指「旋塗無機材料」的一個子集，其中旋塗玻璃材料指全部或部分含有矽基化合物和/或聚合物的那些旋塗材料。矽基化合物的實例包括矽氧烷化合物，例如甲基矽氧烷，甲基silsesquioxane，苯基矽氧烷，苯基silsesquioxane，甲基苯基矽氧烷，甲基苯基silsesquioxane，矽氨烷聚合物，矽酸鹽聚合物以及它們的混合物。考慮到的一種矽氨烷聚合物是全氫化矽氨烷，它具有透明的聚合物構架，可以附著發色團(色基)。旋塗玻璃材料的實例是NANOGLASSTME-HoneywellElectronic Materials製造的一種納米多孔矽基成分。DOW製造的SILKTM是多孔矽基介質材料的另一實例，適宜作旋塗介質材料。
此處所用的詞語「旋塗玻璃材料」還包括矽氧烷基聚合物和成塊聚合物，通式(H0-1.0SiO1.5-2.0)x的氫矽氧烷聚合物以及氫silsesquioxane聚合物，其通式為(HSiO1.5)x，式中的x大於4。氫silsesquioxane和烷氧基氫化矽氧烷(alkoxyhydridosiloxane)或羥基氫化矽氧烷(hydroxyhydridosiloxane)的共聚物也包括在內。旋塗玻璃材料還包括通式為(H0-1.0SiO1.5-2.0)n(R0-1.0SiO1.5-20)m的有機氫化矽氧烷(organohydridosiloxane)聚合物以及通式為(HSiO1.5)n(RSiO1.5)m的有機氫化silsesquioxane聚合物，式中m大於零，n和m之和大於4，R為烷基或芳基。一些有用的有機氫化矽氧烷聚合物其n和m之和從4到大約5000，R為C1-C20的烷基或C6-C12的芳基。或者，將有機氫化矽氧烷聚合物和有機氫化silsesquioxane聚合物表示為旋塗聚合物。一些具體的實例包括烷基氫化矽氧烷，例如甲基氫化矽氧烷，乙基氫化矽氧烷，丙基氫化矽氧烷，t-丁基氫化矽氧烷，苯基氫化矽氧烷；以及烷基氫化silsesquioxane，例如甲基氫化silsesquioxane，乙基氫化silsesquioxane，丙基氫化silsesquioxane，t-丁基氫化silsesquioxane，苯基氫化silsesquioxane，以及它們的組合。在以下頒發的專利和未決的申請中描述了一些考慮到的旋塗材料(這些專利和申請均通過引用被全文包括在本文中)(PCT/US00/15772，2000年6月8日提交；US申請序列號09/330248，1999年6月10日提交；US申請序列號09/491166，1999年6月10日提交；US 6365765，2002年4月2日頒發；US 6268457，2001年6月31日頒發；US申請序列號10/001143，2001年11月10日提交；US申請序列號09/491166，2000年1月26日提交；PCT/US 00/00523，1999年1月7日提交；US 6177199，2001年1月23日頒發；US 6358559，2002年3月19日頒發；US6218020，2001年4月17日頒發；US 6361820，2002年3月26日頒發；US 6218497，2001年4月17日頒發；US 6359099，2002年3月19日頒發；US 6143855，2000年11月7日頒發；以及US申請序列號09/611528，1998年3月20日提交)。
有機氫化矽氧烷以及有機矽氧烷樹脂溶液可以用來形成籠形矽氧烷聚合物薄膜，這類薄膜在製造各種電子器件，微電子器件，特別是半導體集成電路以及用作電子和半導體元件(包括此處考慮到的硬掩膜層，介質層，止蝕層以及隱埋止蝕層等)的各種分層材料十分有用。這些有機氫化矽氧烷樹脂薄膜與可能用作分層材料和裝置的其它材料都能很好兼容，例如金剛烷二甲(adamantane)基化合物，金剛(diamantane)基化合物，矽芯化合物，有機介質材料以及納米多孔介質材料。與此處考慮的有機氫化矽氧烷樹脂層可相當兼容的化合物在以下專利中已公開PCT申請PCT/US01/32569，2001年10月17日提交；PCT申請PCT/US 01/50812，2001年12月31日提交；US申請序列號09/538276；US申請序列號09/544504；US申請序列號09/587851；US專利6214746；US專利6171687；US專利6156812；US申請序列號60/350187，2002年1月15日提交；以及US 60/347195，2002年1月8日提交，以上均通過引用全文被包括在本文中。
此處所用的有機氫化矽氧烷樹脂具有以下的通式〔H-Si1.5〕n〔R-S iO1.5〕m通式(1)〔H0.5-Si1.5-1.8〕n〔R0.5-1.0-SiO1.5-1.8〕m通式(2)〔H0-1.0-Si1.5〕n〔R-SiO1.5〕m通式(3)〔H-Si1.5〕x〔R-SiO1.5〕y[SiO2〕z通式(4)
式中n和m之和或x，y和z之和從大約8到大約5000，這樣選擇m或y、使得含碳成分的量少於40％(低有機含量＝LOSP)或大於40％(高有機含量＝HOSP)；R從以下化合物中選取取代和未取代的、正常或支鏈的烷基(甲基，乙基，丁基，丙基，戊基)，鏈烯基官能團(乙烯基，烯丙基，異丙烯基)，環烷基，環鏈烯基，芳基金屬(苯基，苄基，萘基(naphthalenyl)，蒽基(anthracenyl)，和菲基(phenanthrenyl)以及它們的混合物；其中含碳取代物的具體摩爾百分比是起始材料數量比率的函數。在某些LOSP實施例中，含碳取代物的摩爾百分比在大約15摩爾百分比到大約25摩爾百分比的範圍內可以獲得特別好的結果。在某些HOSP實施例中，含碳取代物的摩爾百分比在大約55摩爾百分比到大約75摩爾百分比的範圍內可以獲得好的結果。
介電常數在1.5到大約3.8的納米多孔二氧化矽介電薄膜也可用作至少一層旋塗層。此處考慮的納米多孔二氧化矽化合物是在以下美國頒發的專利中所提出的那些化合物6,022,812；6,037,275；6,042,994；6,048,804；6,090,448；6,126,733；6,140,254；6,204,202；6,208,041；6,318,124；以及6,311,855。這些類型的薄膜作為矽基母體澱積、老化或有水存在時冷凝、並充分加熱、基本上去除全部成孔劑(porogen)，形成薄膜中的空隙。矽基母體成分包括通式為Rx-Si-Ly的單體或預聚合物，其中R單獨從烷基，芳基，氫以及它們的組合中選擇，L是負電部分，例如烷氧基，羧基，氨基，胺基，滷化物，異氰酸酯(isocyanato)以及它們的組合，x是從0到2的整數，y是從2到4的整數。
詞語「籠形結構」，「籠形分子」，以及「籠形化合物」可互換使用，它們是指這樣一種分子，即具有至少10個原子，排列成至少有一個橋共價連接一個環系的兩個或多個原子。換句話說，籠形結構，籠形分子或籠形化合物包括多個由共價鍵形成的環，所述結構、分子或化合物形成這樣一個容積、使得位於該容積內的點不穿過這個環就不能離開這個容積。橋和/或環系可包括一個或多個異質原子，可以是芳香族的、部分飽和或不飽和的。進一步考慮的籠形結構包括fullerenes以及具有至少一個橋的冠醚。例如，在此定義範圍內，金剛烷二甲(adamantane)或(diamantane)可認為是籠形結構，而萘或芳香族螺旋形化合物則不認為是籠形結構，因為萘或芳香族螺旋形化合物不具有一個或多於一個的橋。
所考慮的籠形化合物不一定限於全部由碳原子組成，而是可包括異質原子，例如N，S，O，P等等。異質原子可以有利地引入非正方鍵角結構。至於所考慮的籠形化合物的取代物和衍生物，應當知道，許多取代物和衍生物都是合適的。例如，如果籠形化合物是比較疏水的，可以引入疏水取代物以增加在疏水溶劑中的可溶性，反之亦然。或者，如果需要極性，可將極側基團加入到籠形化合物中。還考慮到合適的取代物也可包括不耐熱基團，親核和親電子基團。還應當指出，在籠形化合物中可採用官能團(例如，利於交聯反應，衍生反應等)。在衍生籠形化合物的情況下，特別考慮到衍生物包括籠形化合物的滷化物，特別優選的滷素是氟。
此處所詳細描述的籠形分子或化合物也可以是附著在聚合物構架上的基團，因此可形成納米多孔材料，其中籠形化合物形成一種類型的空隙(分子內)，而一部分構架與其自身或與另一構架的交聯可形成另一種類型的空隙(分子間)。其它的籠形分子，籠形化合物以及這些籠形分子和化合物的變種在2001年10月18日提交的PCT/US01/32569中有詳細說明，所述文已通過引用被全文包括在本文內。
所考慮的聚合物還可包括多種功能性或結構性部分，包括芳香系，以及滷化基團。而且，合適的聚合物可具有許多構形，包括均聚合物以及多聚合物。此外，可替換的聚合物可具有各種形式，例如線形，支鏈形，超-支鏈形，或三維形。這些聚合物的分子重量可大可小，通常在400道爾頓和400000道爾頓(或以上)之間。
此處說明的有機和無機材料在某些方面類似於授予Burgoyne等人的美國專利號5874516中所說明的那些材料，(已通過引用被包括在本文內)，並能以與所述專利所提出的相同方式使用。例如，可考慮此處所描述的有機和無機材料可用來製造電子晶片，晶片，以及多晶片模塊，層間介質材料，保護塗層以及在電路板和印刷接線板中作襯底。此外，此處所描述的有機和無機材料的薄膜或塗層可以用溶液技術形成，例如噴塗，旋塗或鑄塑，以旋塗最為優選。優選的溶劑是2-乙氧基乙酯(ethoxyethyl)醚，環己酮，環戊酮，甲苯，二甲苯，氯苯，N-甲基吡咯雙烷(pirrolidinone)，N，N-二甲基甲醯胺，N，N-二甲基乙烯胺，甲基異丁酮，2-甲氧乙酯(methoxyethyl)醚，5-甲基-2-己酮，γ-丁內酯，以及它們的混合物。一般塗層厚度在0.1到15微米之間。作為介電中間層，薄膜厚度小於2微米。可以像聚合物技術中通常已知的那樣使用添加劑來增強或加入特定的目標特性，包括穩定劑，阻燃劑，顏料，增塑劑，表面活化劑，等等。可以混合入兼容或不兼容的聚合物以得到所需的特性。也可使用粘合增進劑。這類增強劑以六甲基二矽醚(hexamethyidisilazane)為典型，它可以用來與暴露在溼氣或溼度下的表面(例如二氧化矽)上可能存在的可用羥基功能相互作用。微電子應用的聚合物最好含有低含量(通常小於1ppm，最好小於10ppb)的離子雜質，特別是用於介電中間層時。
此處所用的詞語「交聯」是指至少兩個分子，或一個長分子的兩部分，靠化學相互作用而結合在一起的過程。這種相互作用可以以許多不同方式發生，包括形成共價鍵、形成氫鍵、疏水、親水、離子或靜電相互作用。而且，分子的相互作用的特點是在分子和它自身或在兩個或更多分子之間至少暫時的物理連接。
如前所述，一些優選實施例在一個或全部旋塗介質層或旋塗低介電常數層中含有多個空隙。所述多個空隙也可以用詞語「納米多孔層」來表示。此處所用的詞語「納米多孔層」指包括多個空隙和一種非揮發材料的任何合適的低介電常數材料(即，≤3.0)。此處所用的詞語「基本上」意思是一種所需成分在一層中的重量百分比的數量大於51％。
此處所用的詞語「空隙」是指一個容積，其中的質量以氣體來代替。氣體的成分一般並不嚴格要求，合適的氣體包括比較純的氣體以及它們的混合物，包括空氣。可以預期任何一層旋塗層可以包括多個空隙。空隙可以具有任何適當的形狀。空隙通常為球形，但也可為或另外有管狀、疊層狀、盤狀或其他形狀。還可以預期空隙可以具有任何合適的直徑。還可以預期空隙可以與鄰近的空隙有某種連接，以便形成具有相當數量的相連的或「開放」的孔。在優選實施例中，空隙的平均直徑小於1微米。在更優選的實施例中，空隙的平均直徑小於100納米。在更為優選的實施例中，空隙的平均直徑小於10納米。還考慮到空隙可以均勻地或隨機地分散在任何一層旋塗層中。在一個優選實施例中，空隙均勻分散在任何旋塗層中。
此處說明的材料和層可以設計成而且用多種方式設計成能溶於任何合適的溶劑，只要所得的溶液能旋塗到襯底，表面，晶片或分層材料上。典型的溶劑還是那些能溶解單體、同分異構單體混合物以及聚合物的溶劑。所考慮的溶劑包括在所需溫度下(例如臨界溫度)能揮發的任何合適的純有機、金屬有機化合物或無機分子或其混合物。溶劑也可以包括任何合適的純極性或非極性化合物或其混合物。在優選實施例中，溶劑包括水，乙醇，丙醇，丙酮，氧化乙烯，苯，甲苯，醚，環乙烯酮，丁內酯，甲基乙基酮和茴香醚。在優選實施例中，沒有使用溶劑，選擇了至少一種液體單體來形成無溶劑成分。
此處所用的詞語「純」是指具有恆定成分的組成。例如，純水完全由H2O組成。此處所用的詞語「混合物」是指不是純的成分，包括鹽水。此處所用的詞語「極性」是指在分子或化合物的一點或沿分子或化合物能創建不均等的電荷分布的分子或化合物的特性。此處所用的詞語「非極性」是指在分子或化合物的一點或沿分子或化合物能創建均等的電荷分布的分子或化合物的特性。
還可以預期另一種低介電常數材料也可包含附加的成分。例如，在低介電常數材料暴露在機械應力下時，可以加入軟化劑或氣體保護劑。在介質材料置於光滑的表面上時，採用粘合增進劑就較有利。在其它情況下，可能需要加入洗滌劑或防泡沫劑。
至少一層旋塗的低介電常數層結合到至少一層旋塗介質層。本文中已經描述的任何材料都可用來形成附加的旋塗低介電常數層。特別重要的是應了解用作與表面相結合的介質層的材料可以完全不同於所述至少一層旋塗的低介電常數層。例如，第一旋塗層可包含一種有機籠形基化合物，例如GX-3TM(一種金剛烷二甲(adamantane)基化合物)，第二旋塗層可包含一種有機矽氧烷或有機氫化矽氧烷化合物，例如HOSPTM(一種有機矽氧烷聚合物)，在另一實例中，第一旋塗層可包含有機矽氧烷化合物，第二旋塗層可包含金剛烷二甲(adamantane)基化合物，第三旋塗層可包含另一種有機矽氧烷化合物，第四旋塗層可包含一種旋塗玻璃材料，例如NANOGLASS ETM。如前所述，一些考慮到的化合物以及它們可測量的物理特性示於表1。GX-3的薄膜特性也示於表2。Honeywell Electronic Materials生產的一些材料的附加特性示於表3。
一旦所述至少一層旋塗的介質層已與表面相結合，就可測量包括所述表面和所述層的堆棧的有效介電常數。每附加一層旋塗低介電常數層，有效介電常數(keff)應保持不變或略有下降。在優選實施例中，每附加一層旋塗低介電常數層，有效介電常數將下降。在優選實施例中，分層元件的有效介電常數小於3.0。在更優選的實施例中，分層元件的有效介電常數小於2.5。
附加的旋塗低介電常數層可包括諸如止蝕層、覆蓋層、硬掩膜層等。可以預期這些附加的旋塗低介電常數層具有小於3.0的有效介電常數。在更優選的實施例中，任何附加的旋塗低介電常數層具有小於2.5的有效介電常數。
可以把至少一層補充材料層加到分層堆棧或分層元件上。補充材料層是指擬加到低介電常數分層元件上但不一定是旋塗到元件上的材料層。補充材料層的實例包括金屬(例如可用來形成通孔填料或印刷電路的金屬，還有在US專利號5780755；6113781；6348139以及6332233(它們均通過引用被全文包括在本文中)中所提出的金屬)、金屬擴散層、掩膜層、抗反射塗層、粘合增進層等等。
此處所用的詞語「金屬」是指在元素周期表中處於d-組和f-組的元素，還有那些具有類金屬性質的元素，例如矽和鍺。此處所用的詞語「d-組」是指那些有電子填充到元素核子周圍的3d，4d，5d，和6d軌道的元素。此處所用的詞語「f-組」是指那些有電子填充到元素核子周圍的4f和5f軌道的元素，包括鑭系元素和錒系元素。優選的金屬包括鈦，矽，鈷，銅，鎳，鋅，釩，鋁，鉻，鉑，金，銀，鎢，鉬，鈰，鉕和釷。更優選的金屬包括鈦，矽，銅，鎳，鉑，金，銀，和鎢。最優選的金屬包括鈦，矽，銅，和鎳。詞語「金屬」還包括合金，金屬/金屬複合物，金屬陶瓷複合物，金屬聚合物複合物，以及其它金屬複合物。
疊層材料或金屬覆層材料層也可認為是補充材料層，並可根據元件所需的規格結合到分層元件上。疊層一般認為是纖維增強型樹脂介質材料。金屬覆層材料是疊層的一種子集，在生產時將金屬和其它材料例如銅包括到疊層中。(Harper，Charles A.，ElectronicPackaging and Interconnection Handbook，Second Edition，McGraw-Hill(New York)，1997.)如圖3所示，生產低介電常數分層元件的方法包括a)提供表面；b)將介質材料旋塗到所述表面上；c)固化所述介質材料，形成介質層；d)將低介電常數材料旋塗到所述介質層上；以及e)固化所述低介電常數材料，形成低介電常數層。具體地說，在圖3b(這是一個優選實施例)中將NANOGLASSTME層旋塗到一個表面上並烘乾(200)；將止蝕層旋塗到NANOGLASSTME層上並烘乾(220)；將覆蓋層旋塗到NANOGLASSTME層上並烘乾(230)；最後，將分層堆棧或分層元件固化(240)。在一個優選實施例中，每一層澱積之後就固化。在另一個優選實施例中，如圖3B所示，將每一層旋塗到分層元件上，然後整個堆棧一次固化。先有技術的圖3A示出生產分層元件的傳統方法。具體地說，先有技術的圖3A示出將NANOGLASSTME層旋塗到一個表面上並烘乾(310)，然後固化所述NANOGLASSTME層(320)；將CVD止蝕層加到NANOGLASSTME層上(330)；將另一NANOGLASSTME層旋塗到CVD層上並烘乾(340)；固化所述NANOGLASSTME層(350)；以及將CVD覆蓋層加到分層堆棧或元件上(360)。
任何適當的塗敷機理或裝置可以用來塗敷旋塗層和材料。合適的塗敷裝置的實例應能a)可靠地以可再現厚度分配旋塗材料；b)可靠地分配數種不同類型的旋塗材料；c)易於結合到現有的製造過程中；以及d)容易使用和操作。圖4示出使用TEL ACT 12塗敷機作FLARE(聚亞芳基醚)塗層時典型的晶片-晶片旋塗的均勻度測量結果。
圖5示出本發明的幾個實施例。圖5A示出的分層元件包括GX-3TM層(510)；所述GX-3TM層結合到旋塗阻擋層/止蝕層(520)；所述旋塗阻擋層/止蝕層又結合到ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層(530)；所述ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層再結合到GX-3TM層(540)；最上面是旋塗覆蓋層(550)。銅用作所述具體分層堆棧的通孔填料(560)。圖5B示出的分層元件包括ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層(505)；所述ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層結合到旋塗阻擋層/止蝕層(515)；所述旋塗阻擋層/止蝕層又結合到GX-3TM層(525)；所述GX-3TM層再結合到ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層(535)；最上面是旋塗覆蓋層(545)。銅用作所述具體分層堆棧的通孔填料(555)。圖5C示出的分層元件包括GX-3TM層(565)；所述GX-3TM層結合到旋塗銅阻擋層(570)；所述旋塗銅阻擋層又結合到GX-3TM層(575)；所述GX-3TM層再結合到ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層(580)；所述ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層再結合到GX-3TM層；最上面是旋塗覆蓋層ELK-HOSPTM或NANOGLASSTM E層(590)。銅用作所述具體分層堆棧的通孔填料(595)。
本文中考慮的元件、電子元件和半導體元件通常被認為包括可以用於基於電子的產品中的單層或分層元件。當電子元件是分層元件時，術語「分層電子堆棧」與術語「電子元件」，「分層元件」或「分層堆棧」可以互換使用。所考慮的電子元件包括電路板、晶片封裝件、電路板的介質元件、印刷接線板和電路板的其它元件，例如電容，電感和電阻。
此處所用的術語「電子元件」是指可以用在電路中獲得某些所需的電效應的任何裝置和零件。此處考慮的電子元件可用多種不同方法分類，包括分成有源元件和無源元件。有源元件是能完成某些動態功能(例如放大，振蕩，或信號控制)的電子元件，通常需要電源才能工作。實例為雙極電晶體，場效應電晶體和集成電路。無源元件是工作時基本上處在靜態的電子元件，即一般不能放大和振蕩，它們的特徵操作通常不需要電源。實例為傳統的電阻、電容、電感、二極體、整流器和保險絲。
此處考慮的電子元件也可分成導體、半導體或絕緣體。此時，導體是指能允許電荷載體(例如電子)在原子間像在電流中一樣容易移動的元件。導體元件的實例是電路跡線和包括金屬的通孔。絕緣體是指其功能基本上與材料極度抵制電流導通的能力有關的元件，例如用來與其它元件電隔離的材料，而半導體是指其功能基本上與材料傳導電流的能力有關並在導體和絕緣體之間具有自然的電阻率的元件。半導體的實例是電晶體，二極體，一些雷射器，整流器，閘流管和光電傳感器。
此處考慮的電子元件也可分為電源元件或電源消耗元件。電源元件通常用來為其它元件供電，包括電池，電容，線圈，和燃料電池。電源消耗元件包括電阻，電晶體，集成電路，傳感器等。
另外，此處考慮的電子元件也可分為分立元件和集成元件。分立元件是在電路中的一個地方提供一種特定電氣特性的裝置。實例有電阻，電容，二極體和電晶體。集成元件是元件的組合，能在電路中的一個地方提供多種電氣特性。實例有IC，即集成電路，其中組合了多個元件和連接跡線來實現多種功能或複雜的功能，例如邏輯功能。
此處所用的各種形式的術語「分層」或「多層」，在用於元件時，是指元件的功能是由於具有不同材料的並置層而產生的。例如，典型的P-N-P電晶體此處可被認為是多層元件，因為其功能是由於P和N摻雜半導體層的並置而產生的。另一方面，電路板上的傳導跡線通常不認為是多層元件，即使所述跡線是用依次澱積傳導材料的方法而製成，因為各依次澱積的層只不過增加了電流攜帶能力，但並不改變跡線的功能。
基於電子的產品如果已可在工業中或被其它消費者使用，就可以算「最終」產品。最終的消費產品實例有電視機，電腦，蜂窩電話，傳呼機，掌上組織器，可攜式收音機，汽車立體聲和遙控器。也考慮有「中間」產品，例如可以使用在最終產品中的電路板，晶片封裝件和鍵盤。
電子產品還可包括從概念模型到最終同實物等大的樣品之間開發的某一階段的試樣產品。試樣產品可能包括也可能不包括最終產品所應有的全部實際元件，且試樣產品可具有一些用複合材料構成的元件，為的是在初始測試時忽略它們對其它元件的初始效應。
電子產品和元件可包括用於元件和產品中的分層材料、分層元件和在製備時層疊的元件。包含電子元件的各層可以構成最終的分層元件或產品。
實例圖6示出一個兩層堆棧的測量的有效介電常數，所述堆棧包括矽層(600)、旋塗的NANOGLASSTME層(610)、旋塗的覆蓋層(620)、和鋁層(630)。曲線圖640示出三種不同的覆蓋層的有效介電常數CVD、FLARETM和NANOGLASSTME。
圖7示出雙鑲嵌工藝過程的線間有效介電常數的測量結果。所述分層堆棧(700)包括CVD阻擋層(710)、旋塗的NANOGLASSTME層(720)、旋塗的止蝕層(730)、另一個旋塗的NANOGLASSTME層(740)、旋塗的覆蓋層(750)、旋塗的CVD阻擋層(760)、另一個旋塗的NANOGLASSTME層(770)。所述止蝕層和覆蓋層包含用於測量線間有效介電常數的目的的CVD、FLARETM和NANOGLASSTME，如圖780所示。
圖8示出製造用的旋塗介質成批傳遞系統的示意圖。旋塗材料(SOM)(810)通過泵(820)和過濾器(830)被引入容器(830)中。所述第一過程(840)由Chem.Managing軟體(850)冷卻並引導。SOM(810)從容器(840)被送到另一容器(860)，然後通過第二個泵(870)和第二個過濾器(880)並通過旋塗工藝旋塗到表面(890)上。
這樣，以上已公開了用於生產低介電常數分層材料和包含那些材料的元件的組成和方法的具體實施例和應用。但對於本專業技術人員來說，顯然，除了已說明的之外還可能有許多更改而不背離本發明的概念。因此本發明的主題事項僅受所附權利要求書的精神所限制。而且，在解釋說明書和權利要求書時，所有術語應以與本文相一致的可能的最廣義的方式來解釋。特別是，術語「包括」和「包含」應解釋為非獨佔方式的元素、元件或步驟，表示所提到的元素、元件或步驟可與沒有明確提到的其它元素、元件或步驟一起共存、使用或組合。
表1
有機無機測量方法MS電容 納米刻痕 彎曲應力計 等溫RT到475℃ TGACydes 23 @425℃
表2GX-3介電薄膜特性
表權利要求
1.一種低介電常數分層元件，它包括表面；至少一個結合到所述表面的旋塗的介質層；至少一個結合到所述至少一個旋塗的介質層的旋塗的低介電常數層。
2.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的低介電常數層包括至少一個旋塗的阻擋層。
3.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的低介電常數層包括至少一個旋塗的覆蓋層。
4.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的低介電常數層包括兩層或兩個以上的層。
5.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的介質層或所述至少一個旋塗的低介電常數層具有小於3.0的介電常數。
6.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的介質層或所述至少一個旋塗的低介電常數層具有小於2.5的介電常數。
7.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述分層材料具有小於3.0的有效介電常數。
8.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述分層材料具有小於2.5的有效介電常數。
9.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的介質層或所述至少一個旋塗的低介電常數層包括至少一種有機化合物。
10.如權利要求9所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一種有機化合物包括籠形基化合物。
11.如權利要求10所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述籠形基化合物包括金剛烷二甲基分子。
12.如權利要求9所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一種有機化合物包括聚合物基化合物。
13.如權利要求12所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述聚合物基化合物包括聚亞芳基醚。
14.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的介質層或所述至少一個旋塗的低介電常數層包括至少一種無機化合物。
15.如權利要求14所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一種無機化合物包括至少一個矽原子。
16.如權利要求14所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一種無機化合物包括有機矽氧烷化合物。
17.如權利要求14所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一種無機化合物包括氫化矽氧烷化合物。
18.權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一個旋塗的介質層或所述至少一個旋塗的低介電常數層包括多個空隙。
19.如權利要求1所述的低介電常數分層元件，其特徵在於還包括至少一層補充材料層。
20.如權利要求19所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一層補充材料層包括金屬擴散層。
21.如權利要求19所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一層補充材料層包括金屬層。
22.如權利要求19所述的低介電常數分層元件，其特徵在於所述至少一層補充材料層包括粘合增進層。
23.一種形成低介電常數分層元件的方法，所述方法包括提供表面；將介質材料旋塗到所述表面上；固化所述介質材料，形成介質層；將低介電常數材料旋塗到所述介質層上；以及固化所述低介電常數材料，形成低介電常數層。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於所述介質材料和所述低介電常數材料具有小於3.0的介電常數。
25.如權利要求23所述的方法，其特徵在於所述介質材料和所述低介電常數材料具有小於2.5的介電常數。
26.一種形成低介電常數分層元件的方法，所述方法包括提供表面；將介質材料旋塗到所述表面上；將低介電常數材料旋塗到所述介質層上，以便形成分層堆棧；以及固化所述分層堆棧，以便形成低介電常數分層元件。
27.如權利要求23所述的方法，其特徵在於固化所述介質材料和固化所述低介電常數材料的步驟包括使用持續的固化源。
28.如權利要求27所述的方法，其特徵在於所述持續的固化源包括熱源。
29.如權利要求23所述的方法，其特徵在於固化所述介質材料和固化所述低介電常數材料的步驟包括形成多個空隙。
30.一種利用權利要求23的方法生產的分層元件。
31.一種利用權利要求26的方法生產的分層元件。
全文摘要
一種低介電常數分層材料和用於製造所述分層材料的方法，所述方法包括以下步驟a)提供一個表面；b)將介質材料旋塗到所述表面上；c)固化所述介質材料，形成介質層；d)將低介電常數材料旋塗到所述介質層上；以及e)固化所述低介電常數材料，形成低介電常數層。可以將每一層旋塗到分層元件上，隨之將其固化，然後再塗敷另外的層，或將所有的層都依次旋塗到分層元件上，然後整個堆棧一次固化。
文檔編號B05D7/00GK1503704SQ02808248
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月16日 優先權日2001年4月16日
發明者M·託馬斯, M 託馬斯, B·丹尼斯, 崴, P·阿彭, 唚, A·納曼, 蘩輾, N·伊瓦莫託, B·科羅勒夫, B.李 申請人:霍尼韋爾國際公司