專利名稱：集成電路裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括改進(jìn)了的電介質(zhì)材料的集成電路以及制造該集成電路的方法。
在微電子工業(yè)中一直希望在多層集成電路裝置，例如存儲(chǔ)器和邏輯芯片中提高電路密度，從而提高它們的性能和降低它們的成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，希望降低芯片的最小特征尺寸，例如電路線寬，和降低所插入的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，以便在串?dāng)_和電容性耦合沒(méi)有增加的情況下能使電路線更加密集。此外，希望降低例如在包含輸入/輸出電路的集成電路裝置的線尾端(BEOL)部分中所使用的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，來(lái)降低該裝置所必需的驅(qū)動(dòng)電流和功率消耗。目前的電介質(zhì)材料是二氧化硅，它具有約4.0的介電常數(shù)。這一材料具有為承受與半導(dǎo)體制造有關(guān)的加工操作和熱循環(huán)所需要的機(jī)械和熱性能。但是，人們所希望的是，未來(lái)的集成電路裝置的電介質(zhì)材料顯示出比二氧化硅所顯示出的介電常數(shù)更低的介電常數(shù)(例如，＜3.0)。
所以，本發(fā)明的目的是提供包括改進(jìn)了的電介質(zhì)材料的一種改進(jìn)的集成電路裝置。
其它目的和優(yōu)點(diǎn)將從下面的公開(kāi)內(nèi)容看得很清楚。
本發(fā)明涉及集成電路裝置，它包括(i)襯底；(ii)位于襯底上的互連式金屬電路線和(iii)位于電路線附近的電介質(zhì)材料(在電路線上面和/或在電路線之間)。電介質(zhì)材料包括高度支化的聚合物與有機(jī)聚硅氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物。該電介質(zhì)材料最好具有小于0.5微米的相疇。
本發(fā)明還涉及制造本發(fā)明的集成電路裝置的方法。
在下面的敘述中和從附圖中給出本發(fā)明的更加詳細(xì)的公開(kāi)內(nèi)容。


圖1是本發(fā)明的集成電路裝置的一部分的截面視圖。
圖2-5示出了制造本發(fā)明的集成電路裝置的方法。
圖6-8示出了制造本發(fā)明的集成電路裝置的另一方法。
本發(fā)明的集成電路裝置的實(shí)例示于圖1中。該裝置一般包括襯底2，金屬電路線4和電介質(zhì)材料6。該襯底2具有在其中形成的垂直金屬栓8。該互連的電路線用來(lái)分配裝置中的電信號(hào)并為該裝置提供功率輸入和從該裝置輸出信號(hào)。合適的集成電路裝置一般包括多層的由垂直金屬栓互連的電路線。
本發(fā)明的裝置的合適襯底包括硅，二氧化硅、玻璃、氮化硅、陶瓷、鋁、銅和砷化鎵。其它合適襯底對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員來(lái)說(shuō)是已知的。在多層集成電路裝置中，絕緣的、平面化(planarized)的電路線的底層也可用作襯底。
合適的電路線一般包括金屬類導(dǎo)電材料，如銅、鋁、鎢、金、銀或它們的合金。電路線可選擇涂敷金屬襯層，如鎳、鉭或鉻層，或其它層如阻擋層或粘合層(例如SiN，TiN)。
本發(fā)明的關(guān)鍵特征是一種電介質(zhì)材料，它位于電路線的上面和/或在電路線之間并在襯底上。在多層集成電路裝置中，對(duì)電介質(zhì)材料通常進(jìn)行平面化處理而用作下一層電路線的光刻形成的襯底。該電介質(zhì)材料包括有機(jī)高度支化聚合物與有機(jī)聚硅氧烷(organic polysilica)的反應(yīng)產(chǎn)物。
有機(jī)高度支化聚合物是高度支化的、三維的、球形的大分子，在其鏈端有反應(yīng)活性基團(tuán)，而大量的反應(yīng)活性基團(tuán)沿大分子的外表面分布。該高度支化聚合物是通過(guò)多官能團(tuán)單體(A)nRB的縮聚得到的，其中A是可與B反應(yīng)的偶聯(lián)基團(tuán)，R是非活性的有機(jī)間隔基和n＞1，較為理想的是n＝2-5，更為理想的是n＝2-4。
高度支化聚合物在分子量和支化兩方面處于多分散性是適宜的。高度支化聚合物甚至在較高的分子量下具有低粘度、高的化學(xué)活性和增強(qiáng)的可溶性。用于本發(fā)明中的較好的高度支化聚合物具有A和B兩基團(tuán)，兩者分別選自F、Cl、Br、CN、-NH2、-CO2H、-CO2R1、-C(O)R2、OH和-NHC(O)R3，其中R1、R2和R3分別是烷基(C1-6烷基)或芳基(例如苯基或芐基)和R是選自亞烷基、芳基(例如苯基)或雜環(huán)基的間隔基。選擇A和B反應(yīng)活性基團(tuán)應(yīng)使得它們僅僅相互反應(yīng)。較好的一類高度支化聚合物是高度支化的聚(芳基醚苯基喹噁啉)，聚(醚喹啉)、聚(芳基酯)、聚(醚酮)、聚(醚砜)聚亞苯基、聚苯醚、聚碳酸酯和聚(醚酰亞胺)。適合用于本發(fā)明中的高度支化聚合物對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的那些熟練人員來(lái)說(shuō)是已知的，如公開(kāi)于“Comprehensive Polymer Science”，2nd Supplement，Aggarwal，71-132頁(yè)(1996)，其公開(kāi)內(nèi)容全部引入本文供參考。
有機(jī)聚硅氧烷是包括硅、碳、氧和氫原子的聚合物。合適聚硅氧烷包括(i)部分縮合的烷氧基硅烷(例如，通過(guò)控制水解Mn為約500-20,000的四乙氧基硅烷而部分縮合)；(ii)具有組成為RSiO3和R2SiO2的有機(jī)改性的硅酸酯，其中R是有機(jī)取代基；(iii)具有組成為SiOR4的部分縮合的原硅酸酯；(iv)倍半硅氧烷。倍半硅氧烷是RSiO1.5型的聚合的硅酸酯物質(zhì)，其中R是有機(jī)取代基。
用于本發(fā)明中的合適有機(jī)聚硅氧烷對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員是已知的。有機(jī)聚硅氧烷最好是倍半硅氧烷。本發(fā)明的合適倍半硅氧烷是烷基(甲基)苯基倍半硅氧烷，它可以通過(guò)商業(yè)途徑購(gòu)買(例如購(gòu)自TechniglassPerrysburg，Ohio公司的GR950)。其它合適的倍半硅氧烷對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員是已知的，如公開(kāi)于US專利5,384,376和Chem.Rev.95，1409-1430(1995)中的那些內(nèi)容，這些文獻(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容被引入本文供參考。
電介質(zhì)組合物在兩步方法中形成。第一步包括在室溫下將高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷溶于合適的溶劑(高沸點(diǎn)溶劑，例如N-甲基-2-吡咯烷酮NMP)中。將該組合物直接或以分步進(jìn)行的方式加熱至較高的溫度(例如經(jīng)2小時(shí)升溫至200℃，然后升高至400℃(5℃/min)并保持2小時(shí))使有機(jī)聚硅氧烷縮合和與高度支化聚合物的反應(yīng)活性基團(tuán)發(fā)生交叉縮合。
本發(fā)明的電介質(zhì)組合物在80℃下的介電常數(shù)低于3.0，最好低于2.9。該組合物具有小于2000埃，最好小于1000埃的相疇，這將得到增強(qiáng)的機(jī)械韌性和抗裂性以及光學(xué)各向同性和改進(jìn)的電介質(zhì)性能。此外，電介質(zhì)組合物所具有的機(jī)械性能足以抵抗開(kāi)裂并能夠以化學(xué)和機(jī)械方法進(jìn)行平面化處理(planarized)，以便有利于以光刻方式在多層集成電路裝置中形成附加的電路層。相對(duì)于聚硅氧烷而言，電介質(zhì)組合物具有提高的擊穿電壓、增強(qiáng)的韌性和提高的抗裂性，甚至在高環(huán)境濕度下對(duì)于厚膜也是如此。該電介質(zhì)組合物是光學(xué)透明的并粘附于本身和其它襯底。該電介質(zhì)組合物在加熱過(guò)程中發(fā)生最小的收縮。本發(fā)明的組合物也可以用作光學(xué)制品如鏡片、接觸透鏡和太陽(yáng)光反射鏡和其它在外層空間使用的制品的保護(hù)涂層。
本發(fā)明還涉及制造集成電路裝置的方法。參見(jiàn)圖2，一個(gè)方法實(shí)例的第一步涉及在襯底2上設(shè)置一層本發(fā)明的電介質(zhì)組合物10，該組合物包括有機(jī)聚硅氧烷和高度支化聚合物。示出襯底2具有垂直金屬栓8。將組合物溶于合適的溶劑如N，N′-二甲基丙撐脲(DMPU)、NMP或類似物中，并由已知方法如旋轉(zhuǎn)涂敷或噴涂或刀刮法涂敷在襯底上。該方法的第二步包括將組合物加熱至升高的溫度，使聚硅氧烷甲硅烷基活性基與高度支化聚合物上的活性基(例如羥基)發(fā)生交叉縮合。該組合物最好也在堿如胺或布朗斯特堿的存在下加熱。該堿同時(shí)催化聚硅氧烷的擴(kuò)鏈并催化交叉縮合反應(yīng)，使之具有較低的初始固化溫度。該堿是有機(jī)胺這一點(diǎn)是合適的。該胺最好具有高沸點(diǎn)并在反應(yīng)結(jié)束之后通過(guò)加熱除去。合適的堿是N-甲基二乙醇胺。其它合適的堿對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員來(lái)說(shuō)是已知的，如公開(kāi)于US專利5,206,117中，其公開(kāi)內(nèi)容被引入本文供參考。
參見(jiàn)圖3，該方法的第三步包括以光刻方式對(duì)電介質(zhì)組合物的層10上進(jìn)行圖形刻蝕，從而在組合物層中形成溝槽12(凹槽)。在圖3中顯示溝槽12延伸至襯底2和延伸至金屬栓8。采用光刻方式的圖形刻蝕一般包括(i)在電介質(zhì)組合物層10上涂敷正性或負(fù)性光刻膠，如由Shipley或HoechstCelanese(AZ光刻膠)銷售的光刻膠；(ii)以圖案方式(通過(guò)掩模)將光刻膠暴露于諸如電磁輻射的輻射源，如可見(jiàn)UV或遠(yuǎn)UV中；(iii)例如用合適的堿性顯影劑對(duì)光刻膠的圖形進(jìn)行顯影；和(iv)用合適的轉(zhuǎn)移技術(shù)如反應(yīng)離子刻蝕法(RIE)，穿過(guò)電介質(zhì)組合物層10將圖象轉(zhuǎn)移到襯底2上。合適的光刻法圖形刻蝕技術(shù)對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員來(lái)說(shuō)是眾所周知的，如公開(kāi)于Thompson等人的“微光刻技術(shù)的介紹(Introduction toMicrolithography)”(1994)，其公開(kāi)內(nèi)容被引入供參考。
參見(jiàn)圖4，在形成本發(fā)明的集成電路的方法的第四步中，在帶有圖案的電介質(zhì)層10上淀積金屬膜14。較好的金屬材料包括銅、鎢和鋁?？捎梢阎夹g(shù)如化學(xué)法汽相淀積(CVD)，等離子增強(qiáng)的CVD，電子和非電子淀積，濺射或類似方法將金屬適當(dāng)?shù)氐矸e在帶有圖案的電介質(zhì)層上。
參見(jiàn)圖5，該方法的最后一步包括除去多余的金屬材料(例如使金屬膜14平面化)，從而總的來(lái)說(shuō)膜14與經(jīng)圖形刻蝕的電介質(zhì)層10保持相同的高度。通過(guò)使用化學(xué)/機(jī)械拋光或選擇性濕法或干法刻蝕完成平面化。合適的化學(xué)/機(jī)械拋光對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員來(lái)說(shuō)是已知的。
參見(jiàn)圖6-8，其中示出了本發(fā)明的制造集成電路裝置的方法的其它實(shí)例。在這一實(shí)例中方法的第一步包括在襯底18上淀積金屬膜16。襯底18上也可以備有垂直金屬栓20。參見(jiàn)圖7，在該方法的第二步中，用光刻方式通過(guò)掩模對(duì)金屬膜進(jìn)行圖形刻蝕，形成溝槽22。參見(jiàn)圖8，在該方法的第三步中，本發(fā)明的電介質(zhì)組合物層24淀積在經(jīng)圖形刻蝕的金屬膜16上。在該方法的最后一步中，組合物被加熱使聚硅氧烷與高度支化聚合物縮合。以可選擇的方式對(duì)電介質(zhì)層進(jìn)行平面化處理，為多層集成電路中后續(xù)加工作準(zhǔn)備。
下面的實(shí)施例是為了更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的方法。詳細(xì)的制備方法落入以上更一般性描述的方法之范圍內(nèi)，是為了舉例用的。實(shí)施例的目的只是為了舉例，不應(yīng)認(rèn)為限定了本發(fā)明的范圍實(shí)施例12，3-雙(4′-羥基苯基)-5-氟喹噁啉，1在裝有攪拌棒、回流冷凝器和氮?dú)鈱?dǎo)入管的圓底燒瓶中加入4，4-雙羥基苯偶酰(24.80g，0.092mol)，4-氟-1，2-亞苯基二胺(11.60g，0.092mol)和300ml氯仿。將反應(yīng)混合物加熱至50℃，加入三氟乙酸(0.2ml)。所得到的暗色溶液在50℃下保持24小時(shí)。粗產(chǎn)物用過(guò)量的氯仿(300ml)稀釋，用稀HCl水溶液漂洗3次除去多余的胺，干燥(硫酸鎂)和濃縮。粗產(chǎn)物從乙酸乙酯/己烷中重結(jié)晶，獲得黃色粉末物。溶液隨后被冷卻并過(guò)濾。在攪拌下向?yàn)V液中滴加水，由抽濾收集沉淀物，用水充分洗滌和風(fēng)干。通過(guò)從異丙醇中重結(jié)晶獲得純產(chǎn)物(22g，93％)(mp＝121-122℃)。
實(shí)施例24，4′-雙(4-甲氧基苯氧基)苯偶酰A.向裝有機(jī)械攪拌器、氮?dú)鈱?dǎo)入管、溫度計(jì)和迪安斯達(dá)克分水器(裝有冷凝器和氮?dú)鈱?dǎo)出管)的200ml圓底燒瓶中加入4，4′-二氟苯偶酰(50mmol，12.3g)、4-甲氧基苯酚(110ml，13.6g)和無(wú)水K2CO3(70mmol，9.7g)。隨后添加100ml N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)和30ml甲苯作為共沸溶劑。燒瓶中的內(nèi)容物在140-150℃下保持2-4小時(shí)，以使從體系中完全除去水。反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高至160℃并讓反應(yīng)進(jìn)行12-14小時(shí)。隨后冷卻溶液和過(guò)濾。在攪拌下滴加水，通過(guò)抽濾收集沉淀物，用水充分洗滌并風(fēng)干。通過(guò)從異丙醇中重結(jié)晶獲得純產(chǎn)物(22g，93％)(mp＝121-122℃)。
B. 4，4′-雙(4-羥基苯氧基)苯偶酰向裝有攪拌棒的250ml圓底燒瓶中加入4，4′-雙(4-甲氧基苯氧基)苯偶酰(7.81g，20mmol)和吡啶鹽酸化物(13.87g，120mmol)。將混合物在220℃油浴中在氮?dú)鈿夥罩屑訜?5分鐘，在此之后，完成去保護(hù)。將混合物冷卻至80℃，并通過(guò)滴加水稀釋至250ml的體積。通過(guò)抽濾分離粗產(chǎn)物，用水洗滌，然后從乙酸中重結(jié)晶得到產(chǎn)物(6.91g，81％)(mp＝220-221℃)。
C. 2，3-雙(4-羥基苯氧基苯基)-5-氟喹噁啉，2.
向裝有攪拌棒、回流冷凝器和氮?dú)鈱?dǎo)入管的250ml圓底燒瓶中加入4，4′-雙(4-羥基苯氧基)苯偶酰(4.26g，10mmol)、4-氟-1，2-亞苯基二胺(1.36g，10mmol)和乙酸(75ml)。所得到的淤漿被煮沸2小時(shí)，然后冷卻和通過(guò)抽濾分離出固體物，用乙酸洗滌并風(fēng)干。產(chǎn)物從乙酸乙酯中重結(jié)晶，得到淺黃色粉末物(80％產(chǎn)率)(mp＝263-264.5)。
實(shí)施例3高度支化的聚喹噁啉聚合物實(shí)施例1和2的喹噁啉單體在含有碳酸鉀的N-甲基和N-環(huán)己基吡咯烷酮NMP/CHP(50/50)中進(jìn)行自聚合。碳酸鉀用來(lái)將雙酚轉(zhuǎn)化成更具反應(yīng)活性的雙苯氧基化物，并且由于碳酸鉀是較弱的和非親核性的堿，所以，沒(méi)有觀察到2，3-雙(4-氟苯基)喹噁啉的水解副反應(yīng)。在聚合反應(yīng)的初始階段使用甲苯來(lái)除去因雙苯氧基化物的形成所產(chǎn)生的水(作為與甲苯的共沸物)。這一溶劑混合物給出的回流溫度在150-165℃之間。為了保持干燥的體系，定期通過(guò)迪安斯達(dá)克分水器將甲苯除去并用脫氧的干燥甲苯置換。在雙苯氧基化物形成和脫水結(jié)束之后，將聚合混合物加熱至180-220℃，進(jìn)行置換反應(yīng)。在每一種情況下，在48小時(shí)內(nèi)獲得高分子量的聚合物，這可由粘度的急劇升高判斷出。該聚合物通過(guò)沉淀至過(guò)量10倍的甲醇中而分離出來(lái)并在水中煮沸除去留下的鹽。
所得到的支化(聚(芳基醚苯基喹噁啉))的Tg與它們的線性類似物(190℃)的Tg相當(dāng)。將聚(芳基醚苯基喹噁啉)溶于NMP。所得到的聚合物能夠成膜。實(shí)施例2的單體在NMP/CHP中的聚合反應(yīng)在90℃下對(duì)于所需固體組成似乎具有有限的可溶性。但是，實(shí)施例2的單體在DMPU中的聚合反應(yīng)獲得更合適的聚合物。
實(shí)施例4電介質(zhì)組合物將實(shí)施例3的高度支化聚(芳基醚苯基喹噁啉)(0.15g)和倍半硅氧烷GR950F(0.85g)溶于1.4mL DMPU中。將樣品澆鑄，然后在200℃固化(2小時(shí))，然后升至(5℃/min)400℃(2小時(shí))，進(jìn)行縮合反應(yīng)。獲得透明的、無(wú)缺陷的膜(2-3微米)。
雖然已經(jīng)關(guān)于特定的實(shí)例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的詳細(xì)描述不應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的限定范圍，顯然，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下各種實(shí)例，變化和改進(jìn)都應(yīng)保留，應(yīng)該理解的是這些等同的實(shí)例包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集成電路裝置，包括(a)襯底；(b)位于襯底上的金屬電路線，和(c)位于電路線附近的電介質(zhì)組合物，該組合物包括高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于高度支化聚合物是聚(醚喹啉)、聚(芳基醚苯基喹噁啉)、聚(芳基酯)、或聚(醚酮)。
3.權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于有機(jī)聚硅氧烷是倍半硅氧烷。
4.權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于倍半硅氧烷是苯基/C1-6烷基倍半硅氧烷。
5.權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于電介質(zhì)組合物具有低于3.0的介電常數(shù)。
6.權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于電介質(zhì)組合物具有小于1000埃的相疇。
7.一種制造集成電路的方法，包括(a)在襯底上設(shè)置一層電介質(zhì)組合物，該組合物包括高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷的反應(yīng)物；(b)加熱組合物使反應(yīng)物反應(yīng)；(c)對(duì)電介質(zhì)層以光刻方式進(jìn)行圖形刻蝕；(d)在經(jīng)圖形刻蝕的電介質(zhì)層上淀積金屬膜；和(e)對(duì)膜進(jìn)行平面化處理形成集成電路。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于高度支化聚合物是聚(醚喹啉)、聚(芳基醚苯基喹噁啉)、聚(芳基酯)、或聚(醚酮)。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于有機(jī)聚硅氧烷是倍半硅氧烷。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于倍半硅氧烷是苯基/C1-6烷基倍半硅氧烷。
11.一種制造集成電路的方法，包括(a)在襯底上淀積金屬膜；(b)對(duì)金屬膜以光刻方式進(jìn)行圖形刻蝕；(c)在經(jīng)圖形刻蝕的金屬膜上淀積一層電介質(zhì)組合物，該組合物包括反應(yīng)物高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷；和(d)加熱組合物使反應(yīng)物反應(yīng)。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于高度支化聚合物是聚(醚喹啉)、聚(芳基醚苯基喹噁啉)、聚(芳基酯)、或聚(醚酮)。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于有機(jī)聚硅氧烷是倍半硅氧烷。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于倍半硅氧烷是苯基/C1-6烷基倍半硅氧烷。
15.一種組合物，包括有機(jī)聚硅氧烷和倍半硅氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
16.一種光學(xué)制品，包括具有一層組合物的襯底，該組合物包括高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成電路裝置,它包括(i)襯底;(ii)位于襯底上的金屬電路線和(iii)位于電路線附近的電介質(zhì)材料。電介質(zhì)材料包括高度支化聚合物和有機(jī)聚硅氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1189695SQ9711966
公開(kāi)日1998年8月5日 申請(qǐng)日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月28日
發(fā)明者克萊格·約漢·豪克爾, 詹姆斯·拉普頓·海德里克, 羅伯特·丹尼斯·米勒 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司