專利名稱：制造低k介電膜的方法及使用低k介電膜的氣隙的形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及一種制造具有不大于2.4的低介電常數(shù)(對半導(dǎo)體器件有用)的介電絕緣膜的方法，以及使用所制造的介電絕緣膜形成氣隙(air-gap)的方法，其中，制造介電絕緣膜的方法包括使用配置有雙起泡器(bubbler)的等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor d印osition， PECVD)裝置并通過執(zhí)行電感耦合等離子體快速熱退火(inductivelycoupled plasma-r即idthermal annealing, ICP-RTA)工藝沉積等離子體聚合SiC0H_CHx膜(plasma polymerizedSiC0H-CHx film)。
背景技術(shù)：
通常，具有CPU、存儲器和系統(tǒng)LSI的大規(guī)模集成(large-scaleintegration，LSI)裝置采用碳基氧化硅膜作為層間介電膜，以降低導(dǎo)致信號延遲的互聯(lián)電容(interco皿ection capacity)。 具有不同成分的多種碳化硅膜是眾所周知的。這些薄膜中的一種可以是包含硅Si、碳C和氫H的碳化硅膜。這種薄膜具有相對高的吸水性和/或吸氧性，其缺點在于在暴露到空氣中之后，薄膜應(yīng)力或介電性能通常發(fā)生改變。碳化硅膜表現(xiàn)出高的漏電流和差的電隔離(electric isolation)。 為解決以上問題，已經(jīng)開發(fā)了通過使用惰性等離子氣體(inertplasma gas)處理薄膜的表面以防止水分或氧氣穿過薄膜表面的技術(shù)。然而，盡管這些途徑改善了薄膜的表面的質(zhì)量，但并未提高碳?xì)浠?SiCH)膜的內(nèi)部特征。結(jié)果，薄膜仍表現(xiàn)出高的漏電流和差的電隔離。碳化硅膜的介電常數(shù)約為4.5至5。 具有不同成分的碳化硅膜的實例可以包括包含Si、C、N和H的碳化硅膜、包含Si、C、0和H的碳化硅膜等。 相比于上述SiCH膜，碳化硅膜表現(xiàn)出相對低的漏電流以及優(yōu)良的電隔離。特別地，根據(jù)氧相對于其它成分的比例，SiOCH膜的介電常數(shù)可以約為4. 2。
由于應(yīng)降低層間介電(ILD)材料的介電常數(shù)以便提高半導(dǎo)體集成電路的性能，因此仍需要介電常數(shù)不大于3的薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在解決上述有關(guān)傳統(tǒng)技術(shù)的問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種制造具有低介電常數(shù)的絕緣膜(在下文中，稱為"低k介電膜(a low-k dielectricfilm)")的方法以及利用所制造的低k介電膜形成氣隙(air-g即)的方法。
為達(dá)到以上目的，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種制造介電膜的
3方法，包括將三甲基硅烷(trimethylsilane， TMS)和3、3_ 二甲基_1_ 丁烯(3，3-dimethyl-l-butene)導(dǎo)入到等離子體沉積反應(yīng)器中；利用反應(yīng)器中產(chǎn)生的等離子體來聚合TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯以便在置于反應(yīng)器中的襯底上沉積絕緣膜；以及使沉積的絕緣膜同時遭受熱處理和ICP工藝。 為達(dá)到以上目的，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，還提供了一種利用制造的低k介電膜來形成氣隙的方法，包括制備圖樣化的襯底；在圖樣化的襯底的表面上沉積第一絕緣膜；利用CVD工藝遍及沉積有第一絕緣膜的襯底的表面來沉積十氫化萘層，以便用十氫化萘層填充圖樣化的襯底的間隙；使處理過的襯底遭受化學(xué)機械拋光(chemicalmechanical polishing, CMP)工藝，以使形成在襯底上的十氫化萘層和第一絕緣膜被順序平坦化凍合TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯以便用聚合的TMS和3、3_ 二甲基-1- 丁烯在平坦的襯底上沉積第二絕緣膜；以及使沉積的第二絕緣膜同時遭受熱處理和ICP工藝，以便使填充在襯底間隙中的十氫化萘層通過第二絕緣層以氣體形式釋放出來(out-gassing)，從而形成氣隙。 可以理解的是，本發(fā)明的上述總體描述和以下的具體描述都是示例性的和說明性的，并且旨在提供對所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


附圖被包括用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并結(jié)合于此而構(gòu)成本申請的一部分。本發(fā)明的示例性實施例連同描述都用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造低k介電膜的方法的流程 圖2A是示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的低k介電膜的PECVD裝置的示意圖； 圖2B是示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的低k介電膜的ICP-RTA裝置的示意圖； 圖3A描述了作為圖1中所示的前驅(qū)體的TMS的結(jié)構(gòu)； 圖3B描述了作為圖1中所示的前驅(qū)體的3、3-二甲基-l-丁烯的結(jié)構(gòu)； 圖3C描述了聚合TMS和3、3-二甲基-l-丁烯的結(jié)構(gòu)； 圖4示出了通過圖1中所示的方法制造的介電膜的介電常數(shù)； 圖5示出了在ICP-RTA處理之前和之后的介電膜的漏電流密度； 圖6是示出了在ICP-RTA處理之前和之后的介電膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的曲線
圖； 圖7示出了在ICP-RTA處理之后的介電膜的硬度和彈性模量；以及 圖8A至8E是示出了使用由圖1中所示的方法制造的介電膜形成氣隙的各個過程
的橫截面圖。
具體實施例方式
在下文中，本發(fā)明的技術(shù)結(jié)構(gòu)和特征將通過參照優(yōu)選的實施例連同附圖的詳細(xì)描述變的顯而易見。將通過本發(fā)明的優(yōu)選的實施例給出以下詳細(xì)描述。
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造低k介電膜的方法的流程圖，圖2A是示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的低k介電膜的PECVD裝置的示意圖；圖 2B是示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的低k介電膜的ICP-RTA器件的示意圖。
參照圖1和圖2A，作為前驅(qū)體溶液的TMS儲蓄在第一起泡器(bubbler) 210中，而 3、3- 二甲基-1- 丁烯儲蓄在第二起泡器215中。這樣的第一起泡器210和第二起泡器215 的組合被稱為雙起泡器。 第一傳輸部分220儲蓄諸如Ar的第一載氣(carrier gas)，而第二傳輸部分225 儲蓄諸如N20的第二載氣(carrier gas)。 加熱并蒸發(fā)前驅(qū)體溶液，S卩，TMS和3、3_ 二甲基_1_ 丁烯。使用Ar和N20作為載 氣，分別將蒸發(fā)的TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯導(dǎo)入到反應(yīng)器230中以用于等離子體沉積 (步驟SllO)。 導(dǎo)入的TMS和3、3_ 二甲基_1_ 丁烯通過反應(yīng)器230的噴頭(showerhead) 235被 注入到在反應(yīng)器內(nèi)的晶片240(在下文中，稱為"襯底")中。然后，利用反應(yīng)器230中產(chǎn)生 的等離子體，由注入的TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯來沉積襯底240 (步驟S120)。
在沉積過程中，襯底240的溫度可以從30(TC到40(TC變化，并使用由電源245 提供的RF功率以及密度為O. 1W/cm2至1. 5W/cm2的等離子體，以便使TMS和3、3-二甲 基-l-丁烯聚合。同樣地，沉積在襯底240上的所得絕緣膜可以具有SiOCH-CH,的結(jié)構(gòu)(其 中x是自然數(shù))以及0.4至0.5iim的沉積厚度。 圖3A描述了作為前驅(qū)體的TMS的結(jié)構(gòu)，圖3B描述了作為另一種前驅(qū)體的3、3_二
甲基-1- 丁烯的結(jié)構(gòu)，圖3C描述了聚合TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯的結(jié)構(gòu)。 導(dǎo)入到反應(yīng)器230的前驅(qū)體TMS和3、3_ 二甲基_1_ 丁烯可以通過等離子體被活
化或裂解為活性組分(reactive species)，從而凝結(jié)在襯底240上。使用TMS和3、3_ 二甲
基-1- 丁烯作為前驅(qū)體可以增加CHX基團的數(shù)量，從而將介電常數(shù)降低至小于2. 4。 然后，如圖2B所示，通過使用ICP-RTA裝置使具有SiOCH-CHx結(jié)構(gòu)的沉積的絕緣
膜遭受ICP-RTA(步驟130)。 鹵素?zé)?50可以產(chǎn)生熱并以350至45(TC執(zhí)行熱處理，其中，鹵素?zé)?50發(fā)射波長 為2至5 ii m的光并被設(shè)置在襯底240的周圍，而襯底240沉積有具有SiOCH-CHx結(jié)構(gòu)的絕 緣膜248。同時，利用RF功率(RF power)產(chǎn)生N20等離子體以使得具有SiOCH-CHx結(jié)構(gòu)的 絕緣膜遭受等離子體工藝，其中，通過向襯底240和6匝Cu線圈245施加RF電源265來提 供RF功率。施加到Cu線圈的RF功率的頻率可以從13變化至14MHz，而施加至等離子體導(dǎo) 板260的RF功率的頻率可以從100變化至150KHz。 具有SiOCH-CHx結(jié)構(gòu)的絕緣膜248同時遭受熱處理和等離子體處理。熱處理可以 分離出絕緣膜248(具有SiOCH-CHx結(jié)構(gòu))中與Si結(jié)合的CHy，其中，y可以等于或小于x。
包含在N20等離子體中的氧被置于空位中以替代由熱處理分離出的CHy，從而提高 了絕緣膜248的強度。 圖4示出了由圖1中所示的方法制造的介電膜的介電常數(shù)。參照圖4，當(dāng)聚合TMS 和3、3_ 二甲基-1- 丁烯所需要的等離子體密度增加時，介電常數(shù)可以降低至2. 15。
圖5示出了在ICP-RTA處理之前和之后的介電膜的漏電流密度(fl和f2)。參照 圖5，通過k為2. 15的介電膜的漏電流特征可以看出在ICP-RTA處理之后很好地改善了 擊穿電壓特性。
圖6是示出了在ICP-RTA處理之前和之后的介電膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果 的曲線圖(gl和g2)。參照圖6，通過使用紅外光譜分析介電膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)(infrared spectroscopy)的結(jié)果表明在相同的頻率下化學(xué)結(jié)構(gòu)gl和g2都被展寬了 。因此，可以看出 在等離子體沉積絕緣膜(plasma d印osited insulation film)的ICP-RTA處理之前和之 后，介電膜的鍵合結(jié)構(gòu)(bonding structure)基本類似。 圖7示出了在ICP-RTA處理之后的介電膜的硬度和彈性模量。參照圖7，在 ICP-RTA處理之后的介電膜的硬度和彈性模量分別是1. 25GPa和lOGPa。
如圖4和7所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例制造的等離子體聚合介電膜(plasma polymerized dielectric film)可以在諸如介電性能、熱穩(wěn)定性、不變的化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)、強 度(硬度)和彈性模量的特性上有所改善。 利用線型有機和無機前驅(qū)體材料可以提供低k介電膜，而利用ICP-RTA裝置的后 處理(post-treatment)可以改善等離子體聚合介電膜(plasma polymerized dielectric film)的介電常數(shù)和機械強度。 圖8A至8E是示出了利用根據(jù)圖1中所示的方法制造的介電膜來形成氣隙 (air-g即s)的各個過程的截面圖。 如圖8A所示，在圖樣化的晶片810( S卩，襯底)上沉積厚度為5至10nm的非摻雜 硅酸鹽玻璃(undoped silicate glass,USG)層820。這里，圖樣化的襯底810可以是應(yīng)用 到襯底的金屬圖樣、溝槽圖樣或接觸孔圖樣。USG層820可以形成在圖樣襯底810中的間隙 815的內(nèi)表面以及襯底的表面上。 然后，如圖8B所示，通過使用化學(xué)氣相沉積CVD，遍及具有USG層820的襯底810 沉積等離子體聚合十氫化萘(plasmapolymerized decahydro卿hthalene (DHN))層830。 在這種情況下，等離子體聚合DHN層830可以填充在圖樣化的襯底的間隙815中也可以形 成在USG層820上方。 初始沉積狀態(tài)的等離子體聚合DHN層830是熱不穩(wěn)定的，并且具有小的分子尺寸， 從而表現(xiàn)出優(yōu)良的間隙填充能力(gap-fillingc即acity)。 如圖8C所示，可以執(zhí)行CMP工藝以順序平坦化形成在襯底810上的DHN層830和 USG層820。例如，DHN層830和USG層820被順序平坦化并被去除直到暴露襯底810。
如圖8D所示，根據(jù)圖1中所示的過程S110和S120，在平坦的襯底810上沉積低 k(艮卩，2. 7《k《3)介電膜840。 然后，沉積的介電膜840遭受350至45(TC的RTA熱處理并同時遭受ICP工藝。
通過熱處理，沉積的介電膜840可以變?yōu)榫哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)845(簡稱為"多孔膜")的 薄膜。熱處理使填充在襯底的間隙815中的DHN層830通過多孔膜845以氣體形式釋放出 來，從而在向外釋放氣體的空間形成了氣隙850。這種氣隙850可以大幅減小導(dǎo)線之間的寄 生電容，從而有效地降低了對驅(qū)動器件中RC延遲和/或信號失真的影響。
為改善沉積的多孔膜845的隔離性能并從多孔膜845固定和/或去除殘留物，可 以持續(xù)5至60秒來執(zhí)行使用He和N20的ICP工藝，以在多孔膜845的表面上方形成厚度 為5至10nm的增強層(improved layer) 847。 因此，通過ICP-PECVD形成的等離子體聚合膜可以用作犧牲層以通過熱處理形成 氣隙，其中，等離子體聚合膜是熱不穩(wěn)定的，即在低于25(TC時完全分解。由于在這里使用的
6等離子體聚合膜僅由有機材料組成，因此可以將具有大量熱不穩(wěn)定的CH2基團的DHN用作 前驅(qū)體以通過執(zhí)行RTA-IPC處理形成多孔膜845。從而，如圖8E所示，可以形成共形氣隙 (conformal air-gap)850，同時降低多孔膜845的介電常數(shù)。 從以上描述顯而易見的是，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例制造低k介電膜的方法可以 通過使用TMS和3、3_ 二甲基-1- 丁烯作為前驅(qū)體來提供具有低介電常數(shù)的絕緣膜，并且還 可以通過使用ICP-RTA裝置的后處理來有效地改善絕緣膜的介電常數(shù)和機械性能。
此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的使用上述制造的低k介電膜來形成氣隙的方法 可以利用具有大量熱不穩(wěn)定的CH2基團的DHN作為前驅(qū)體，通過執(zhí)行RTA-IPC處理來制造絕 緣膜，并且可以利用制造的絕緣膜從而形成共形氣隙，同時有效地降低絕緣膜的介電常數(shù)。
本發(fā)明不局限于上述示例性的實施例和附圖，但在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi) 可以涵蓋其替代、修改和/或變形，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，本 發(fā)明不限制于以上描述所述的內(nèi)容，而是解釋為在所附的權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制造介電膜的方法，包括將三甲基硅烷(TMS)和3、3-二甲基-1-丁烯導(dǎo)入到等離子體沉積反應(yīng)器中；利用在所述反應(yīng)器中產(chǎn)生的等離子體來聚合TMS和3、3-二甲基-1-丁烯，以便在置于所述反應(yīng)器中的襯底上沉積絕緣膜；以及使所述沉積的絕緣膜同時遭受熱處理和電感耦合等離子體(ICP)工藝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過使用等離子體聚合TMS和3、3-二甲基-l-丁 烯來執(zhí)行所述絕緣膜的沉積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過使用電感耦合等離子體快速熱退火 (ICP-RTA)裝置同時執(zhí)行所述熱處理和所述ICP工藝。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述同時進(jìn)行的熱處理和ICP工藝包括通過利 用設(shè)置在所述襯底周圍的鹵素?zé)魜懋a(chǎn)生熱，并以350至45(TC加熱所述沉積的絕緣膜以完 成所述熱處理，其中，所述襯底沉積有所述絕緣膜，所述鹵素發(fā)出波長為2至5ym的光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述同時進(jìn)行的熱處理和ICP工藝包括對所述 沉積的絕緣膜的熱處理，同時，在所述反應(yīng)器中產(chǎn)生N20等離子體，從而用所述產(chǎn)生的等離 子體處理所述沉積的絕緣膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，由聚合TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯得到的所述 絕緣膜具有SiOCH-CHx基本結(jié)構(gòu)，其中x為自然數(shù)。
7. —種形成氣隙的方法，包括 制備圖樣化的襯底；在所述圖樣化的襯底的表面上沉積第一絕緣膜；通過CVD工藝遍及沉積有所述第一絕緣膜的所述襯底的表面來沉積十氫化萘(DHN)， 以便用所述DHN層來填充所述圖樣化襯底的間隙；使所述處理的襯底遭受化學(xué)機械拋光(CMP)工藝，以使得在所述襯底上形成的所述 DHN層和所述第一絕緣膜被順序平坦化；聚合TMS和3、3- 二甲基-1- 丁烯以在所述平坦的襯底上沉積第二絕緣膜；以及使所述沉積的第二絕緣膜同時遭受熱處理和ICP工藝，以使填充在所述襯底的所述間 隙中的所述DHN層通過所述第二絕緣層以氣體形式釋放出來，從而形成氣隙。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述沉積所述第一絕緣膜包括在所述襯底的所 述表面上沉積非摻雜硅酸鹽玻璃(USG)層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述順序平坦化所述DHN層和所述第一絕緣膜包 括順序平坦化所述DHN層和所述第一絕緣膜直到暴露所述襯底，然后去除所述DHN層和所 述第一絕緣膜兩者。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述氣隙的所述形成包括350至45(TC快速熱 退火(RTA)熱處理和同時進(jìn)行的ICP工藝，其中所述第二絕緣膜的所述表面遭受使用He和 N^氣體的所述ICP工藝。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種制造介電膜的方法以及一種使用制造的低k介電膜形成氣隙的方法。制造低k介電膜的方法包括將TMS和3、3-二甲基-1-丁烯導(dǎo)入到等離子體沉積反應(yīng)器中，利用反應(yīng)器中產(chǎn)生的等離子體來聚合TMS和3、3-二甲基-1-丁烯，從而在置于反應(yīng)器中的襯底上沉積絕緣膜，以及使沉積的絕緣膜同時遭受熱處理和ICP工藝。
文檔編號H01L21/312GK101728261SQ20091018045
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者梁宰瑛 申請人:東部高科股份有限公司