一種用于多孔互連介質表面封孔的薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路制造【技術領域】，具體為一種用于多孔互連介質表面封孔材料的制備方法。本發(fā)明以有機液態(tài)源三-乙氧基甲基硅烷（MTES）為液態(tài)源，經(jīng)過汽化后隨氦（He）載氣進入腔體與C2F6氣體混合，采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝，在多孔低介電常數(shù)互連介質表面沉積一層薄膜。該薄膜的介電常數(shù)為2.8-3.3，在1MV/cm的電場強度下漏電流密度為10-9A/cm2數(shù)量級，楊氏模量為16.21-37.33GPa，硬度為1.25-3.03GPa。該材料薄膜在超大規(guī)模集成電路后端互連中，可用于多孔互連介質層的封孔，同時起到增強多孔介質層與蓋帽層或擴散阻擋層之間的黏附強度。
【專利說明】一種用于多孔互連介質表面封孔的薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路制造【技術領域】，具體涉及一種用于多孔互連介質表面封孔的薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]由于集成電路的大規(guī)模發(fā)展，其特征尺寸也隨之迅速減少，因而導致了集成電路互連RC (R指電阻，C指電容)延遲的急劇增大，大大地限制了電路運行的速度，并帶來信號串擾和增加功耗的問題。用銅代替鋁可使集成電路電阻下降；同樣，降低寄生電容也是提高集成電路性能的有效途徑，其中，用低介電常數(shù)(k)材料來取代SiO2 (k~4.0)便是有效的方法[I]。為了獲得更低k值的薄膜材料，有兩種有效的途徑，一種是向薄膜材料中引入孔隙，隨著孔隙率的增加，k值便降低；另一種是在薄膜中引入極性較小的S1-C鍵、S1-F鍵以及C-C鍵[2，3]。此外，低k薄膜材料要應用于集成電路中，還必須要考慮其熱穩(wěn)定性、疏水性、電學性能以及機械強度等[4，5，6]。
[0003]低k材料薄膜的制備方法主要包括旋涂和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術。利用PECVD技術，在有機液態(tài)源中摻入成孔劑可有效降低介電常數(shù)，但是其力學性能及電學性能會下降。另一方面，由于超低k材料具有高孔隙率的特點，因此會導致其與蓋帽層黏附性下降，或較多蓋帽層材料進入到超低k材料的孔隙中而導致互連介質層的有效介電常數(shù)升高。為了解決高孔隙率介電材料與蓋帽層及擴散阻擋層的連接問題，本發(fā)明以有機液態(tài)源三-乙氧基甲基硅烷(MTES)和C2F6為反應原料，采用PECVD技術制備出了低kSiOFCH薄膜。該低k材料薄膜具 有良好的機械性能和電學性能，可作為多孔超低k互連介質的表面封孔層，從而改善超低k材料薄膜與蓋帽層、擴散阻擋層之間的粘結性能，提高集成電路互連的可靠性。
[0004]參考文獻
[1]InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors 2011, www.1trs.net.[2]S.J.Ding.Chem.Vap.Deposition 2001, 7, 4.[3]P.F.Wang, et al.App1.Phys.A.2001, 72, 721.[4]E.P.Guyer.et al.J.Mater.Res.2006, 21, 882.[5]M.D.0ng.et al.Mater Res.Soc.Symp.Proc.2006, 914, 15.[6]A.Grill, et al.App1.Phys.2008，103，054104/1.。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種k值低、硬度強的用于對多孔互連介質表面進行封孔的薄膜及其制備方法。本發(fā)明的薄膜不僅具有較低的k值，還具有很高的楊氏模量及硬度以及良好的絕緣性能。
[0006]本發(fā)明所提供的用于多孔互連介質表面封孔的薄膜的制備方法，其采用PECVD技術，以MTES蒸汽和C2F6氣體為反應源，沉積出了 SiOFCH封孔材料薄膜；具體步驟如下:(I)在室溫條件下，將覆蓋有低介電常數(shù)k的多孔互連介質的晶圓放入等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備的反應腔體中的托盤上，并將襯底溫度加熱至200~400 V ；
(2 )通過液態(tài)流量計(LFM)的控制，將三-乙氧基甲基硅烷(MTES )以固定流量I~5 g/min通入汽化器，汽化后的MTES通過He氣載入到反應腔體中，其中載氣He的流量為2000~5000sccm ；
(3)另一路反應氣體C2F6通過質量流量計(MFC)控制直接進入反應腔體中，其流量為200 ~2000 sccm ；
(4)C2F6、汽化后的三-乙氧基甲基硅烷(MTES)與He載氣在反應腔體中發(fā)生混合，待反應腔體中的壓強到達設定值3~7 torr時，穩(wěn)定I~2 min，開啟射頻電源，頻率為13.56MHz，射頻功率為300~700瓦；即得到所述用于多孔互連介質表面封孔的薄膜。
[0007]本發(fā)明中，所述薄膜的厚度通過PECVD的時間來控制。
[0008]本發(fā)明中，所述薄膜中含有S1-F、S1-0、S1-CH3成分，簡稱為SiOFCH材料薄膜。該薄膜具有較低的介電常數(shù)，k值為2.8~3.3 ;在 lMV/cm的電場強度下漏電流密度為10-9Α/cm2數(shù)量級，楊氏模量為16.21~37.33 GPa，硬度為1.25~3.03 GPa0
[0009]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明提供的薄膜具有優(yōu)良的均勻性，并且制備過程簡易、可控性好，適用于工業(yè)中大規(guī)模批量生產(chǎn)。
[0010](2)本發(fā)明制備的封孔材料薄膜具有優(yōu)異的力學性能，楊氏模量為16.21~37.33GPa，硬度為 1.25 ~3.03 GPa。
[0011](3)本發(fā)明所制備的封孔材料不僅具有明顯低于Si02、Si0N等蓋帽層材料的k值，還具有優(yōu)異的絕緣性能，在lMV/cm的外電場下可達10_9A/cm2數(shù)量級。
[0012](4)本發(fā)明所提供的材料薄膜不僅可以與多孔互連介質SiCOH等低k薄膜之間有效連接和封孔，同時又可以與蓋帽層、擴散阻擋層材料之間有力黏附。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為SiOFCH薄膜的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)圖。
【具體實施方式】
[0014]1、將覆蓋有低介電常數(shù)(k)多孔互連介質的晶圓放入等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備的反應腔體中的托盤上，該多孔材料為多孔SiCOH薄膜，或為多孔SiO2薄膜。關閉腔體，然后將腔體真空度抽至0.02~0.03 torr。
[0015]2、將襯底溫度升至200~400 °C，然后通入He氣，對氣體管路進行預熱，防止有不完全汽化的液態(tài)源冷凝在管壁。
[0016]3、通過LFM的控制，將MTES以固定流量為lg/min通入汽化器，將汽化后的MTES通過He氣載入到反應腔體中，其中載氣He的流量為5000sccm。
[0017]4、另一路反應氣體C2F6通過質量流量計(MFC)控制直接進入反應腔體中,其流量為 200-2000 sccm。
[0018]5、在反應腔體中，C2F6與汽化后的MTES以及He載氣發(fā)生混合，待反應腔體中的壓強到達設定值3~7 torr時，再穩(wěn)定I~2 min，然后開啟射頻電源(頻率為13.56MHz)，射頻功率為300~700瓦。沉積I~4 min后，即完成對超低k多孔互連介質薄膜的封孔。
[0019]為了測量上述PECVD薄膜的電學性能，以低阻硅片(電阻率為0.001-0.01 Ω.cm)為襯底，采用與上述相同的工藝條件制備該薄膜。利用電子束蒸發(fā)設備在薄膜表面長上厚度為300nm的圓形(其直徑為400-420 μ m)鋁電極，同時在硅片背面也長上一定厚度的鋁，形成金屬/PECVD薄膜/半導體(MOS)測試結構。通過對該結構的電容-電壓特性的測量來提取介電常數(shù)，并通過多點測量獲得可靠的平均k值。此外，通過對該結構的電流-電壓特性的測量獲得漏電流密度。薄膜的力學性能和化學組份分別通過納米壓痕儀和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)來測得。
[0020]附圖1是該薄膜的FTIR圖，810CHT1以及IOSOcnr1附近吸收峰位對應于薄膜的S1-O結構，935CHT1附近吸收峰對應于S1-F結構。這表明C2F6氣體中的F元素摻入到了氧化硅薄膜中，F(xiàn)元素的摻入有助于降低薄膜的k值。1260CHT1附近的吸收峰來源于S1-CH3的伸縮振動，表明該薄膜中含有一定量的CH3基團,它的摻入同樣有助于降低薄膜的k值。
[0021]附表一列出了在不同C2F6流量下得到的薄膜的性能。當MTES流量固定為lg/min，C2F6流量在200-2000SCCm之間變動時，所得到的薄膜的楊氏模量為16.21-37.33 GPa，硬度為1.25-3.03 GPa，均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能；在lMV/cm電場強度下漏電流密度均處于10-9A/cm2數(shù)量級，表現(xiàn)出了非常好的絕緣性能。當C2F6流量為500sCCm所得到的k值最低，達到2.85。此時該薄膜的楊氏模量和硬度分別為31.35Gpa和2.75Gpa,在lMV/cm的電場強度下漏電流密度為4.3 X IO-Vcm2,因此表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學特性和良好的絕緣性能。
[0022]附表 附表1 不同C2F6流量下制備得到的SiOFCH薄膜性能
【權利要求】
1.一種用于多孔互連介質表面封孔的薄膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)在室溫條件下，將覆蓋有低介電常數(shù)k的多孔互連介質的晶圓放入PECVD設備的反應腔體中的托盤上，并將襯底溫度加熱至200~400 V ； (2)通過液態(tài)流量計的控制，將三-乙氧基甲基硅烷以固定流量I~5g/min通入汽化器，汽化后的MTES通過He氣載入到反應腔體中，其中載氣He的流量為2000~5000sccm ； (3)另一路反應氣體C2F6通過質量流量計控制直接進入反應腔體中，其流量為200~2000 sccm ； (4)C2F6、汽化后的三-乙氧基甲基硅烷與He載氣在反應腔體中發(fā)生混合，待反應腔體中的壓強到達設定值3~7 torr時，穩(wěn)定I~2 min，開啟射頻電源，頻率為13.56MHz，射頻功率為300~700瓦；即得到所述用于多孔互連介質表面封孔的薄膜。
2.如權利要求1所述的用于多孔互連介質表面封孔的薄膜的制備方法，其特征在于所述薄膜的厚度通過PECVD的時間來控制。
3.采用權利要求1所述的制備方法獲得的用于多孔互連介質表面封孔的薄膜。
【文檔編號】H01L23/522GK103956331SQ201410175490
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權日:2014年4月29日
【發(fā)明者】丁士進, 黃毅華, 張衛(wèi) 申請人:復旦大學