專利名稱：分層堆棧及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)榘雽?dǎo)體和電子材料，元件和應(yīng)用。更具體地說，本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)殛P(guān)于半導(dǎo)體和電子應(yīng)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(dǎo)線的絕緣體材料和其它材料的介電常數(shù)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(shù)(即低于3.0)的絕緣材料特別理想，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ试S較快的信號傳播、降低導(dǎo)線間的電容效應(yīng)和串?dāng)_，并降低集成電路的驅(qū)動電壓。
實(shí)現(xiàn)絕緣體材料的低介電常數(shù)的一種途徑是采用本身具有低介電常數(shù)的材料。近年來一般采用兩種不同類型的低介電常數(shù)材料—無機(jī)氧化物和有機(jī)聚合物?？梢杂没瘜W(xué)氣相淀積或旋涂(spin on)技術(shù)來涂敷無機(jī)氧化物，其介電常數(shù)在3和4之間，廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大于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(shù)的材料。
將低介電常數(shù)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(shù)大于低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)到一定的程度，則元件的有效介電常數(shù)就會增加。為了糾正此問題，可以構(gòu)建分層元件，其中每一層或至少不止一層設(shè)計(jì)成具有低介電常數(shù)。(加入?yún)⒖嘉墨I(xiàn))但是，雖然降低元件的有效介電常數(shù)具有附加的優(yōu)點(diǎn)，但有效地構(gòu)建元件卻比較困難了。例如，先要將介質(zhì)材料旋涂到一個表面或襯底上，然后再通過化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝涂敷附加層，例如硬掩膜層或防蝕層。
雖然業(yè)界已知各種方法來生產(chǎn)低介電常數(shù)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(diǎn)。因此，仍然需要a)提供改進(jìn)的成分和方法以降低材料的介電常數(shù)；b)有效地將那些低介電常數(shù)的材料引入到表面或襯底上；以及c)有效且低成本地構(gòu)成這些低介電常數(shù)材料和/或?qū)⑦@些低介電常數(shù)材料分層，同時將所述有效介電常數(shù)保持在低水平。
發(fā)明概述為了生產(chǎn)比較容易制造且成本低廉的低介電常數(shù)分層材料，將各個層旋涂到一個表面上或預(yù)先已旋涂到表面上的另一層(或多層)上。通常，最好通過把材料(或各種材料)旋涂到表面或襯底上來涂敷特定分層材料或分層元件的所有低介電常數(shù)層。也可以通過把材料旋涂到元件上來涂敷元件的所有各層，但可以有采用其它方法涂敷的一個或多個附加層。在多數(shù)情況下，低介電常數(shù)分層元件將具有至少兩層通過旋涂構(gòu)成元件的一部分的低介電常數(shù)層，不論是否涂敷了其它附加層或材料。
現(xiàn)說明低介電常數(shù)分層材料和元件，它們包括a)表面或襯底；b)至少一層結(jié)合到所述表面的旋涂的介質(zhì)層；以及c)至少一層結(jié)合到所述至少一層旋涂的介質(zhì)層的旋涂的附加低介電常數(shù)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涂方案中。所述至少一層旋涂的附加低介電常數(shù)層可以包括至少一層旋涂的阻擋層和/或至少一層旋涂的覆蓋層。還可以預(yù)期所述至少一層旋涂的附加低介電常數(shù)層包括兩層或更多層或至少兩層附加的旋涂層。
現(xiàn)說明生產(chǎn)低介電常數(shù)分層元件的方法，它們包括a)提供表面；b)將介質(zhì)材料旋涂到所述表面上；c)固化所述介質(zhì)材料，形成介質(zhì)層；d)將低介電常數(shù)材料旋涂到所述介質(zhì)層上；以及e)固化所述低介電常數(shù)材料，形成低介電常數(shù)層。可以將每一層旋涂到分層元件上，隨之固化，然后再加上附加層，或?qū)⑺懈鲗佣夹康椒謱釉?，然后整個堆棧一次固化。
附圖的簡要說明

圖1示出分層堆棧/元件的先有技術(shù)配置。
圖2示出分層元件的優(yōu)選實(shí)施例。
圖3A示出生產(chǎn)分層堆棧/元件的先有技術(shù)方法。
圖3B示出生產(chǎn)分層堆棧/元件的優(yōu)選方法。
圖4示出TEL ACT 12涂敷機(jī)再現(xiàn)性的圖解描繪。
圖5示出幾個優(yōu)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(yōu)選的雙鑲嵌裝置以及有關(guān)所述裝置的圖表信息。
圖8示出優(yōu)選的制造裝置的示意圖。
詳細(xì)說明為了生產(chǎn)比較容易制造且成本低廉的低介電常數(shù)分層材料，考慮將各個層旋涂到一個表面上或預(yù)先已旋涂到表面上的另一層(或多層)上。通常，最好通過把材料(或各種材料)旋涂到表面或襯底上來涂敷特定分層材料或分層元件的所有低介電常數(shù)層。也可以通過把材料旋涂到元件上來涂敷元件的所有各層，但具有通過其它方法涂敷的一個或多個附加層。在多數(shù)情況下，低介電常數(shù)分層元件將具有構(gòu)成元件的一部分的至少兩層旋涂的低介電常數(shù)層，不論是否涂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(xiàn)已通過引用被全文包括在本文內(nèi))。
先有技術(shù)圖1示出標(biāo)準(zhǔn)的層間/線間介質(zhì)(ILD)集成方案(10)，它使作為止蝕層(15)和覆蓋層(25)的化學(xué)氣相淀積(CVD)介質(zhì)材料與旋涂的低介電常數(shù)(低-k)介質(zhì)材料(20)結(jié)合在一起。層間介質(zhì)材料(10)與介質(zhì)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(jié)合在一起。所有這些附加元件都可以采用或不采用將它們旋涂到表面的方法來涂敷。
現(xiàn)說明低介電常數(shù)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(zhì)材料/CVD阻擋層組合)；b)結(jié)合到所述表面的至少一層旋涂的介質(zhì)層(120)；以及c)結(jié)合到所述至少一層旋涂的介質(zhì)層的至少一層旋涂的附加低介電常數(shù)層(130)。還可以把阻擋層/Cu晶粒層(140)和銅或金屬通孔填料(150)一起加到所述全旋涂的方案中。所述至少一層旋涂的附加低介電常數(shù)層可以包括至少一層旋涂的阻擋層和/或至少一層旋涂的覆蓋層。還可以預(yù)期所述至少一層旋涂的附加低介電常數(shù)層包括兩層或更多層或至少兩層附加的旋涂層。
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(dāng)?shù)谋砻妗＞唧w地說，理想的襯底層可包括薄膜、玻璃、陶瓷，塑料，金屬或涂敷金屬，或者復(fù)合材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，襯底包括硅或砷化鍺芯片或晶片表面；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(qiáng)件界面上的銅表面(“銅”此處包括裸銅及其氧化物)；諸如在聚酰亞胺基軟封裝、鉛或其它金屬合金焊料球表面、玻璃和聚合物例如聚酰亞胺、BT和FR4中的聚合物基封裝或電路板界面。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，襯底包括在封裝和電路板業(yè)界常用的材料，例如硅、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(shí)例是首先淀積介質(zhì)材料和CVD阻擋層作為分層堆棧，把所述分層堆?？醋鲇糜陔S后旋涂分層元件的“表面”。
至少一層旋涂的介質(zhì)層結(jié)合到表面或襯底。此處所用的“結(jié)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(zhì)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(jié)合的結(jié)合力以及諸如范德華(Van der Waals)力、靜電力、庫侖力、氫結(jié)合力和/或磁引力的非結(jié)合力。而且此處所用的“結(jié)合”一詞是指表面和旋涂層或兩個旋涂層直接相互附著的情況，但也包括表面和旋涂層或兩個旋涂層間接相互附著的情況，例如在表面和旋涂層之間有粘接加強(qiáng)層或在表面和旋涂層或兩個旋涂層之間有另一層的情況。
旋涂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(zhì)材料能夠被旋涂到表面或其它層上，以及b)所述介質(zhì)材料在固化或其它最終處理后形成低介電常數(shù)層或元件。此處所用的“低介電常數(shù)”一詞是指1MHz到2GHz的介電常數(shù)，除非與本文不一致時另作說明?？梢灶A(yù)期低介電常數(shù)材料或?qū)拥慕殡姵?shù)值小于3.0。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，低介電常數(shù)材料或?qū)拥慕殡姵?shù)值小于2.5。在一個更優(yōu)選的實(shí)施例中，低介電常數(shù)材料或?qū)拥慕殡姵?shù)值小于2.0。
所考慮的旋涂介質(zhì)材料包括無機(jī)物基的化合物，例如硅基、鎵基、鍺基、砷基、硼基化合物或它們的組合以及有機(jī)物基的化合物，例如聚醚、聚亞芳基醚(例如，Honeywell Electronic Materials制造的FLARETM)、聚酰亞胺、聚脂以及金剛烷二甲基或籠形(cage)基化合物。
此處所用的“旋涂材料”，“旋涂有機(jī)材料”(其中成分基本上是有機(jī)的)，“旋涂成分”以及“旋涂無機(jī)成分”(其中成分基本是無機(jī)的)等詞語可以互換使用，都是指能夠旋涂到襯底或表面的那些溶液和成分。還有，詞語“旋涂玻璃材料”是指“旋涂無機(jī)材料”的一個子集，其中旋涂玻璃材料指全部或部分含有硅基化合物和/或聚合物的那些旋涂材料。硅基化合物的實(shí)例包括硅氧烷化合物，例如甲基硅氧烷，甲基silsesquioxane，苯基硅氧烷，苯基silsesquioxane，甲基苯基硅氧烷，甲基苯基silsesquioxane，硅氨烷聚合物，硅酸鹽聚合物以及它們的混合物?？紤]到的一種硅氨烷聚合物是全氫化硅氨烷，它具有透明的聚合物構(gòu)架，可以附著發(fā)色團(tuán)(色基)。旋涂玻璃材料的實(shí)例是NANOGLASSTME-HoneywellElectronic Materials制造的一種納米多孔硅基成分。DOW制造的SILKTM是多孔硅基介質(zhì)材料的另一實(shí)例，適宜作旋涂介質(zhì)材料。
此處所用的詞語“旋涂玻璃材料”還包括硅氧烷基聚合物和成塊聚合物，通式(H0-1.0SiO1.5-2.0)x的氫硅氧烷聚合物以及氫silsesquioxane聚合物，其通式為(HSiO1.5)x，式中的x大于4。氫silsesquioxane和烷氧基氫化硅氧烷(alkoxyhydridosiloxane)或羥基氫化硅氧烷(hydroxyhydridosiloxane)的共聚物也包括在內(nèi)。旋涂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(jī)氫化硅氧烷(organohydridosiloxane)聚合物以及通式為(HSiO1.5)n(RSiO1.5)m的有機(jī)氫化silsesquioxane聚合物，式中m大于零，n和m之和大于4，R為烷基或芳基。一些有用的有機(jī)氫化硅氧烷聚合物其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(jī)氫化硅氧烷聚合物和有機(jī)氫化silsesquioxane聚合物表示為旋涂聚合物。一些具體的實(shí)例包括烷基氫化硅氧烷，例如甲基氫化硅氧烷，乙基氫化硅氧烷，丙基氫化硅氧烷，t-丁基氫化硅氧烷，苯基氫化硅氧烷；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(fā)的專利和未決的申請中描述了一些考慮到的旋涂材料(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(fā)；US 6268457，2001年6月31日頒發(fā)；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(fā)；US 6358559，2002年3月19日頒發(fā)；US6218020，2001年4月17日頒發(fā)；US 6361820，2002年3月26日頒發(fā)；US 6218497，2001年4月17日頒發(fā)；US 6359099，2002年3月19日頒發(fā)；US 6143855，2000年11月7日頒發(fā)；以及US申請序列號09/611528，1998年3月20日提交)。
有機(jī)氫化硅氧烷以及有機(jī)硅氧烷樹脂溶液可以用來形成籠形硅氧烷聚合物薄膜，這類薄膜在制造各種電子器件，微電子器件，特別是半導(dǎo)體集成電路以及用作電子和半導(dǎo)體元件(包括此處考慮到的硬掩膜層，介質(zhì)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(jī)氫化硅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，硅芯化合物，有機(jī)介質(zhì)材料以及納米多孔介質(zhì)材料。與此處考慮的有機(jī)氫化硅氧烷樹脂層可相當(dāng)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(jī)氫化硅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于40％(低有機(jī)含量＝LOSP)或大于40％(高有機(jī)含量＝HOSP)；R從以下化合物中選取取代和未取代的、正?；蛑ф湹耐榛?甲基，乙基，丁基，丙基，戊基)，鏈烯基官能團(tuán)(乙烯基，烯丙基，異丙烯基)，環(huán)烷基，環(huán)鏈烯基，芳基金屬(苯基，芐基，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(shù)量比率的函數(shù)。在某些LOSP實(shí)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摩爾百分比的范圍內(nèi)可以獲得特別好的結(jié)果。在某些HOSP實(shí)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摩爾百分比的范圍內(nèi)可以獲得好的結(jié)果。
介電常數(shù)在1.5到大約3.8的納米多孔二氧化硅介電薄膜也可用作至少一層旋涂層。此處考慮的納米多孔二氧化硅化合物是在以下美國頒發(fā)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硅基母體淀積、老化或有水存在時冷凝、并充分加熱、基本上去除全部成孔劑(porogen)，形成薄膜中的空隙。硅基母體成分包括通式為Rx-Si-Ly的單體或預(yù)聚合物，其中R單獨(dú)從烷基，芳基，氫以及它們的組合中選擇，L是負(fù)電部分，例如烷氧基，羧基，氨基，胺基，鹵化物，異氰酸酯(isocyanato)以及它們的組合，x是從0到2的整數(shù)，y是從2到4的整數(shù)。
詞語“籠形結(jié)構(gòu)”，“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(huán)系的兩個或多個原子。換句話說，籠形結(jié)構(gòu)，籠形分子或籠形化合物包括多個由共價鍵形成的環(huán)，所述結(jié)構(gòu)、分子或化合物形成這樣一個容積、使得位于該容積內(nèi)的點(diǎn)不穿過這個環(huán)就不能離開這個容積。橋和/或環(huán)系可包括一個或多個異質(zhì)原子，可以是芳香族的、部分飽和或不飽和的。進(jìn)一步考慮的籠形結(jié)構(gòu)包括fullerenes以及具有至少一個橋的冠醚。例如，在此定義范圍內(nèi)，金剛烷二甲(adamantane)或(diamantane)可認(rèn)為是籠形結(jié)構(gòu)，而萘或芳香族螺旋形化合物則不認(rèn)為是籠形結(jié)構(gòu)，因?yàn)檩粱蚍枷阕迓菪位衔锊痪哂幸粋€或多于一個的橋。
所考慮的籠形化合物不一定限于全部由碳原子組成，而是可包括異質(zhì)原子，例如N，S，O，P等等。異質(zhì)原子可以有利地引入非正方鍵角結(jié)構(gòu)。至于所考慮的籠形化合物的取代物和衍生物，應(yīng)當(dāng)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(cè)基團(tuán)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(tuán)，親核和親電子基團(tuán)。還應(yīng)當(dāng)指出，在籠形化合物中可采用官能團(tuán)(例如，利于交聯(lián)反應(yīng)，衍生反應(yīng)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鹵化物，特別優(yōu)選的鹵素是氟。
此處所詳細(xì)描述的籠形分子或化合物也可以是附著在聚合物構(gòu)架上的基團(tuán)，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(nèi))，而一部分構(gòu)架與其自身或與另一構(gòu)架的交聯(lián)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(xì)說明，所述文已通過引用被全文包括在本文內(nèi)。
所考慮的聚合物還可包括多種功能性或結(jié)構(gòu)性部分，包括芳香系，以及鹵化基團(tuán)。而且，合適的聚合物可具有許多構(gòu)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(jī)和無機(jī)材料在某些方面類似于授予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(nèi))，并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(jī)和無機(jī)材料可用來制造電子芯片，芯片，以及多芯片模塊，層間介質(zhì)材料，保護(hù)涂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(jī)和無機(jī)材料的薄膜或涂層可以用溶液技術(shù)形成，例如噴涂，旋涂或鑄塑，以旋涂最為優(yōu)選。優(yōu)選的溶劑是2-乙氧基乙酯(ethoxyethyl)醚，環(huán)己酮，環(huán)戊酮，甲苯，二甲苯，氯苯，N-甲基吡咯雙烷(pirrolidinone)，N，N-二甲基甲酰胺，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(nèi)酯，以及它們的混合物。一般涂層厚度在0.1到15微米之間。作為介電中間層，薄膜厚度小于2微米。可以像聚合物技術(shù)中通常已知的那樣使用添加劑來增強(qiáng)或加入特定的目標(biāo)特性，包括穩(wěn)定劑，阻燃劑，顏料，增塑劑，表面活化劑，等等?？梢曰旌先爰嫒莼虿患嫒莸木酆衔镆缘玫剿璧奶匦浴Ｒ部墒褂谜澈显鲞M(jìn)劑。這類增強(qiáng)劑以六甲基二硅醚(hexamethyidisilazane)為典型，它可以用來與暴露在濕氣或濕度下的表面(例如二氧化硅)上可能存在的可用羥基功能相互作用。微電子應(yīng)用的聚合物最好含有低含量(通常小于1ppm，最好小于10ppb)的離子雜質(zhì)，特別是用于介電中間層時。
此處所用的詞語“交聯(lián)”是指至少兩個分子，或一個長分子的兩部分，靠化學(xué)相互作用而結(jié)合在一起的過程。這種相互作用可以以許多不同方式發(fā)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(diǎn)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(yōu)選實(shí)施例在一個或全部旋涂介質(zhì)層或旋涂低介電常數(shù)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(fā)材料的任何合適的低介電常數(shù)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(shù)量大于51％。
此處所用的詞語“空隙”是指一個容積，其中的質(zhì)量以氣體來代替。氣體的成分一般并不嚴(yán)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?？梢灶A(yù)期任何一層旋涂層可以包括多個空隙?？障犊梢跃哂腥魏芜m當(dāng)?shù)男螤??？障锻ǔ榍蛐?，但也可為或另外有管狀、疊層狀、盤狀或其他形狀。還可以預(yù)期空隙可以具有任何合適的直徑。還可以預(yù)期空隙可以與鄰近的空隙有某種連接，以便形成具有相當(dāng)數(shù)量的相連的或“開放”的孔。在優(yōu)選實(shí)施例中，空隙的平均直徑小于1微米。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，空隙的平均直徑小于100納米。在更為優(yōu)選的實(shí)施例中，空隙的平均直徑小于10納米。還考慮到空隙可以均勻地或隨機(jī)地分散在任何一層旋涂層中。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，空隙均勻分散在任何旋涂層中。
此處說明的材料和層可以設(shè)計(jì)成而且用多種方式設(shè)計(jì)成能溶于任何合適的溶劑，只要所得的溶液能旋涂到襯底，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(gòu)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(fā)的任何合適的純有機(jī)、金屬有機(jī)化合物或無機(jī)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(yōu)選實(shí)施例中，溶劑包括水，乙醇，丙醇，丙酮，氧化乙烯，苯，甲苯，醚，環(huán)乙烯酮，丁內(nèi)酯，甲基乙基酮和茴香醚。在優(yōu)選實(shí)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”是指具有恒定成分的組成。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(diǎn)或沿分子或化合物能創(chuàng)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(diǎn)或沿分子或化合物能創(chuàng)建均等的電荷分布的分子或化合物的特性。
還可以預(yù)期另一種低介電常數(shù)材料也可包含附加的成分。例如，在低介電常數(shù)材料暴露在機(jī)械應(yīng)力下時，可以加入軟化劑或氣體保護(hù)劑。在介質(zhì)材料置于光滑的表面上時，采用粘合增進(jìn)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。
至少一層旋涂的低介電常數(shù)層結(jié)合到至少一層旋涂介質(zhì)層。本文中已經(jīng)描述的任何材料都可用來形成附加的旋涂低介電常數(shù)層。特別重要的是應(yīng)了解用作與表面相結(jié)合的介質(zhì)層的材料可以完全不同于所述至少一層旋涂的低介電常數(shù)層。例如，第一旋涂層可包含一種有機(jī)籠形基化合物，例如GX-3TM(一種金剛烷二甲(adamantane)基化合物)，第二旋涂層可包含一種有機(jī)硅氧烷或有機(jī)氫化硅氧烷化合物，例如HOSPTM(一種有機(jī)硅氧烷聚合物)，在另一實(shí)例中，第一旋涂層可包含有機(jī)硅氧烷化合物，第二旋涂層可包含金剛烷二甲(adamantane)基化合物，第三旋涂層可包含另一種有機(jī)硅氧烷化合物，第四旋涂層可包含一種旋涂玻璃材料，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于表1。GX-3的薄膜特性也示于表2。Honeywell Electronic Materials生產(chǎn)的一些材料的附加特性示于表3。
一旦所述至少一層旋涂的介質(zhì)層已與表面相結(jié)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(shù)。每附加一層旋涂低介電常數(shù)層，有效介電常數(shù)(keff)應(yīng)保持不變或略有下降。在優(yōu)選實(shí)施例中，每附加一層旋涂低介電常數(shù)層，有效介電常數(shù)將下降。在優(yōu)選實(shí)施例中，分層元件的有效介電常數(shù)小于3.0。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，分層元件的有效介電常數(shù)小于2.5。
附加的旋涂低介電常數(shù)層可包括諸如止蝕層、覆蓋層、硬掩膜層等?？梢灶A(yù)期這些附加的旋涂低介電常數(shù)層具有小于3.0的有效介電常數(shù)。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，任何附加的旋涂低介電常數(shù)層具有小于2.5的有效介電常數(shù)。
可以把至少一層補(bǔ)充材料層加到分層堆?；蚍謱釉稀Ｑa(bǔ)充材料層是指擬加到低介電常數(shù)分層元件上但不一定是旋涂到元件上的材料層。補(bǔ)充材料層的實(shí)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(kuò)散層、掩膜層、抗反射涂層、粘合增進(jìn)層等等。
此處所用的詞語“金屬”是指在元素周期表中處于d-組和f-組的元素，還有那些具有類金屬性質(zhì)的元素，例如硅和鍺。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(yōu)選的金屬包括鈦，硅，鈷，銅，鎳，鋅，釩，鋁，鉻，鉑，金，銀，鎢，鉬，鈰，钷和釷。更優(yōu)選的金屬包括鈦，硅，銅，鎳，鉑，金，銀，和鎢。最優(yōu)選的金屬包括鈦，硅，銅，和鎳。詞語“金屬”還包括合金，金屬/金屬復(fù)合物，金屬陶瓷復(fù)合物，金屬聚合物復(fù)合物，以及其它金屬復(fù)合物。
疊層材料或金屬覆層材料層也可認(rèn)為是補(bǔ)充材料層，并可根據(jù)元件所需的規(guī)格結(jié)合到分層元件上。疊層一般認(rèn)為是纖維增強(qiáng)型樹脂介質(zhì)材料。金屬覆層材料是疊層的一種子集，在生產(chǎn)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(chǎn)低介電常數(shù)分層元件的方法包括a)提供表面；b)將介質(zhì)材料旋涂到所述表面上；c)固化所述介質(zhì)材料，形成介質(zhì)層；d)將低介電常數(shù)材料旋涂到所述介質(zhì)層上；以及e)固化所述低介電常數(shù)材料，形成低介電常數(shù)層。具體地說，在圖3b(這是一個優(yōu)選實(shí)施例)中將NANOGLASSTME層旋涂到一個表面上并烘干(200)；將止蝕層旋涂到NANOGLASSTME層上并烘干(220)；將覆蓋層旋涂到NANOGLASSTME層上并烘干(230)；最后，將分層堆?；蚍謱釉袒?240)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，每一層淀積之后就固化。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，如圖3B所示，將每一層旋涂到分層元件上，然后整個堆棧一次固化。先有技術(shù)的圖3A示出生產(chǎn)分層元件的傳統(tǒng)方法。具體地說，先有技術(shù)的圖3A示出將NANOGLASSTME層旋涂到一個表面上并烘干(310)，然后固化所述NANOGLASSTME層(320)；將CVD止蝕層加到NANOGLASSTME層上(330)；將另一NANOGLASSTME層旋涂到CVD層上并烘干(340)；固化所述NANOGLASSTME層(350)；以及將CVD覆蓋層加到分層堆?；蛟?360)。
任何適當(dāng)?shù)耐糠髾C(jī)理或裝置可以用來涂敷旋涂層和材料。合適的涂敷裝置的實(shí)例應(yīng)能a)可靠地以可再現(xiàn)厚度分配旋涂材料；b)可靠地分配數(shù)種不同類型的旋涂材料；c)易于結(jié)合到現(xiàn)有的制造過程中；以及d)容易使用和操作。圖4示出使用TEL ACT 12涂敷機(jī)作FLARE(聚亞芳基醚)涂層時典型的晶片-晶片旋涂的均勻度測量結(jié)果。
圖5示出本發(fā)明的幾個實(shí)施例。圖5A示出的分層元件包括GX-3TM層(510)；所述GX-3TM層結(jié)合到旋涂阻擋層/止蝕層(520)；所述旋涂阻擋層/止蝕層又結(jié)合到ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層(530)；所述ELK-HOSPTM或NANOGLASSTME層再結(jié)合到GX-3TM層(540)；最上面是旋涂覆蓋層(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(jié)合到旋涂阻擋層/止蝕層(515)；所述旋涂阻擋層/止蝕層又結(jié)合到GX-3TM層(525)；所述GX-3TM層再結(jié)合到ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層(535)；最上面是旋涂覆蓋層(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(jié)合到旋涂銅阻擋層(570)；所述旋涂銅阻擋層又結(jié)合到GX-3TM層(575)；所述GX-3TM層再結(jié)合到ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層(580)；所述ELK-HOSP TM或NANOGLASSTM E層再結(jié)合到GX-3TM層；最上面是旋涂覆蓋層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(dǎo)體元件通常被認(rèn)為包括可以用于基于電子的產(chǎn)品中的單層或分層元件。當(dāng)電子元件是分層元件時，術(shù)語“分層電子堆?！迸c術(shù)語“電子元件”，“分層元件”或“分層堆?！笨梢曰Q使用。所考慮的電子元件包括電路板、芯片封裝件、電路板的介質(zhì)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(shù)語“電子元件”是指可以用在電路中獲得某些所需的電效應(yīng)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(tài)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(shí)例為雙極晶體管，場效應(yīng)晶體管和集成電路。無源元件是工作時基本上處在靜態(tài)的電子元件，即一般不能放大和振蕩，它們的特征操作通常不需要電源。實(shí)例為傳統(tǒng)的電阻、電容、電感、二極管、整流器和保險絲。
此處考慮的電子元件也可分成導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體。此時，導(dǎo)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(dǎo)體元件的實(shí)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(dǎo)通的能力有關(guān)的元件，例如用來與其它元件電隔離的材料，而半導(dǎo)體是指其功能基本上與材料傳導(dǎo)電流的能力有關(guān)并在導(dǎo)體和絕緣體之間具有自然的電阻率的元件。半導(dǎo)體的實(shí)例是晶體管，二極管，一些激光器，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，晶體管，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(shí)例有電阻，電容，二極管和晶體管。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(shí)例有IC，即集成電路，其中組合了多個元件和連接跡線來實(shí)現(xiàn)多種功能或復(fù)雜的功能，例如邏輯功能。
此處所用的各種形式的術(shù)語“分層”或“多層”，在用于元件時，是指元件的功能是由于具有不同材料的并置層而產(chǎn)生的。例如，典型的P-N-P晶體管此處可被認(rèn)為是多層元件，因?yàn)槠涔δ苁怯捎赑和N摻雜半導(dǎo)體層的并置而產(chǎn)生的。另一方面，電路板上的傳導(dǎo)跡線通常不認(rèn)為是多層元件，即使所述跡線是用依次淀積傳導(dǎo)材料的方法而制成，因?yàn)楦饕来蔚矸e的層只不過增加了電流攜帶能力，但并不改變跡線的功能。
基于電子的產(chǎn)品如果已可在工業(yè)中或被其它消費(fèi)者使用，就可以算“最終”產(chǎn)品。最終的消費(fèi)產(chǎn)品實(shí)例有電視機(jī)，電腦，蜂窩電話，傳呼機(jī)，掌上組織器，便攜式收音機(jī)，汽車立體聲和遙控器。也考慮有“中間”產(chǎn)品，例如可以使用在最終產(chǎn)品中的電路板，芯片封裝件和鍵盤。
電子產(chǎn)品還可包括從概念模型到最終同實(shí)物等大的樣品之間開發(fā)的某一階段的試樣產(chǎn)品。試樣產(chǎn)品可能包括也可能不包括最終產(chǎn)品所應(yīng)有的全部實(shí)際元件，且試樣產(chǎn)品可具有一些用復(fù)合材料構(gòu)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(yīng)。
電子產(chǎn)品和元件可包括用于元件和產(chǎn)品中的分層材料、分層元件和在制備時層疊的元件。包含電子元件的各層可以構(gòu)成最終的分層元件或產(chǎn)品。
實(shí)例圖6示出一個兩層堆棧的測量的有效介電常數(shù)，所述堆棧包括硅層(600)、旋涂的NANOGLASSTME層(610)、旋涂的覆蓋層(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(shù)CVD、FLARETM和NANOGLASSTME。
圖7示出雙鑲嵌工藝過程的線間有效介電常數(shù)的測量結(jié)果。所述分層堆棧(700)包括CVD阻擋層(710)、旋涂的NANOGLASSTME層(720)、旋涂的止蝕層(730)、另一個旋涂的NANOGLASSTME層(740)、旋涂的覆蓋層(750)、旋涂的CVD阻擋層(760)、另一個旋涂的NANOGLASSTME層(770)。所述止蝕層和覆蓋層包含用于測量線間有效介電常數(shù)的目的的CVD、FLARETM和NANOGLASSTME，如圖780所示。
圖8示出制造用的旋涂介質(zhì)成批傳遞系統(tǒng)的示意圖。旋涂材料(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軟件(850)冷卻并引導(dǎo)。SOM(810)從容器(840)被送到另一容器(860)，然后通過第二個泵(870)和第二個過濾器(880)并通過旋涂工藝旋涂到表面(890)上。
這樣，以上已公開了用于生產(chǎn)低介電常數(shù)分層材料和包含那些材料的元件的組成和方法的具體實(shí)施例和應(yīng)用。但對于本專業(yè)技術(shù)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(fā)明的概念。因此本發(fā)明的主題事項(xiàng)僅受所附權(quán)利要求書的精神所限制。而且，在解釋說明書和權(quán)利要求書時，所有術(shù)語應(yīng)以與本文相一致的可能的最廣義的方式來解釋。特別是，術(shù)語“包括”和“包含”應(yīng)解釋為非獨(dú)占方式的元素、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(jī)無機(jī)測量方法MS電容 納米刻痕 彎曲應(yīng)力計(jì) 等溫RT到475℃ TGACydes 2&3 @425℃
表2GX-3介電薄膜特性
表權(quán)利要求
1.一種低介電常數(shù)分層元件，它包括表面；至少一個結(jié)合到所述表面的旋涂的介質(zhì)層；至少一個結(jié)合到所述至少一個旋涂的介質(zhì)層的旋涂的低介電常數(shù)層。
2.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括至少一個旋涂的阻擋層。
3.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括至少一個旋涂的覆蓋層。
4.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括兩層或兩個以上的層。
5.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的介質(zhì)層或所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層具有小于3.0的介電常數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的介質(zhì)層或所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層具有小于2.5的介電常數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述分層材料具有小于3.0的有效介電常數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述分層材料具有小于2.5的有效介電常數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的介質(zhì)層或所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括至少一種有機(jī)化合物。
10.如權(quán)利要求9所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一種有機(jī)化合物包括籠形基化合物。
11.如權(quán)利要求10所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述籠形基化合物包括金剛烷二甲基分子。
12.如權(quán)利要求9所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一種有機(jī)化合物包括聚合物基化合物。
13.如權(quán)利要求12所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述聚合物基化合物包括聚亞芳基醚。
14.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的介質(zhì)層或所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括至少一種無機(jī)化合物。
15.如權(quán)利要求14所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一種無機(jī)化合物包括至少一個硅原子。
16.如權(quán)利要求14所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一種無機(jī)化合物包括有機(jī)硅氧烷化合物。
17.如權(quán)利要求14所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一種無機(jī)化合物包括氫化硅氧烷化合物。
18.權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一個旋涂的介質(zhì)層或所述至少一個旋涂的低介電常數(shù)層包括多個空隙。
19.如權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于還包括至少一層補(bǔ)充材料層。
20.如權(quán)利要求19所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一層補(bǔ)充材料層包括金屬擴(kuò)散層。
21.如權(quán)利要求19所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一層補(bǔ)充材料層包括金屬層。
22.如權(quán)利要求19所述的低介電常數(shù)分層元件，其特征在于所述至少一層補(bǔ)充材料層包括粘合增進(jìn)層。
23.一種形成低介電常數(shù)分層元件的方法，所述方法包括提供表面；將介質(zhì)材料旋涂到所述表面上；固化所述介質(zhì)材料，形成介質(zhì)層；將低介電常數(shù)材料旋涂到所述介質(zhì)層上；以及固化所述低介電常數(shù)材料，形成低介電常數(shù)層。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)材料和所述低介電常數(shù)材料具有小于3.0的介電常數(shù)。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)材料和所述低介電常數(shù)材料具有小于2.5的介電常數(shù)。
26.一種形成低介電常數(shù)分層元件的方法，所述方法包括提供表面；將介質(zhì)材料旋涂到所述表面上；將低介電常數(shù)材料旋涂到所述介質(zhì)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(shù)分層元件。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于固化所述介質(zhì)材料和固化所述低介電常數(shù)材料的步驟包括使用持續(xù)的固化源。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述持續(xù)的固化源包括熱源。
29.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于固化所述介質(zhì)材料和固化所述低介電常數(shù)材料的步驟包括形成多個空隙。
30.一種利用權(quán)利要求23的方法生產(chǎn)的分層元件。
31.一種利用權(quán)利要求26的方法生產(chǎn)的分層元件。
全文摘要
一種低介電常數(shù)分層材料和用于制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(zhì)材料旋涂到所述表面上；c)固化所述介質(zhì)材料，形成介質(zhì)層；d)將低介電常數(shù)材料旋涂到所述介質(zhì)層上；以及e)固化所述低介電常數(shù)材料，形成低介電常數(shù)層?？梢詫⒚恳粚有康椒謱釉?，隨之將其固化，然后再涂敷另外的層，或?qū)⑺械膶佣家来涡康椒謱釉?，然后整個堆棧一次固化。
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(yōu)先權(quán)日2001年4月16日
發(fā)明者M·托馬斯, M 托馬斯, B·丹尼斯, 崴, P·阿彭, 吣, A·納曼, 蘩輾, N·伊瓦莫托, B·科羅勒夫, B.李 申請人:霍尼韋爾國際公司