專利名稱：用于集成電路器件制造的先進介電材料和工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于集成電路器件的先進介電材料和一種用于制造集成電路器件的工藝。
在微電子工業(yè)中，有一種對提高多層集成電路器件，如存儲和邏輯芯片中的線路集成度和速度以提高其性能、降低其價格的持續(xù)的需求。為了達到此目的，有必要降低芯片的最小特征尺寸，如電路線寬，并降低插入的介電材料的介電常數(shù)以得到(ⅰ)更高的擴散速度和(ⅱ)更小的線間距離而不造成交擾和線間耦合的增加。而且，為了降低器件的必須的驅動電流和功率消耗，有一種降低介電材料，例如用于集成電路器件的線位背面(BEOL)的介電材料的介電常數(shù)的需要，這種部位一般含有輸入輸出電路。一種目前用于集成電路器件的介電材料是二氧化硅，其介電常數(shù)約為4.0，這種材料有可以承受伴隨著半導體制備的加工的操作和熱循環(huán)過程所必需的機械和熱性質(zhì)。然而，期望未來集成電路器件中的介電材料有一個比二氧化硅低的介電常數(shù)。Lui.，等在Material Res.Soc.Symp.Proc.372(1995)中建議構成一種由陶瓷和多孔微型球組成的復合介電材料，粉末狀陶瓷和空心微型球被混合在一起并在非常高的溫度下(大于900℃)燒結以形成結晶合成物。然而，如此高的溫度不適于集成電路器件中的某些制造工藝。
因此，本發(fā)明的目的之一就是提供一種介電材料和用于制造集成電路器件的先進工藝。
其他的目的和優(yōu)點將在以下的公開內(nèi)容中明顯可見。
本發(fā)明涉及一種包含致密有機多硅石(polysilica)和最好是陶瓷顆粒的多孔顆粒的先進介電材料。這種介電材料由有機多硅石和多孔顆粒進行熱交互凝聚(thermal cross condensation)形成。
本發(fā)明也涉及到一種形成集成電路器件的工藝，這種器件包括(ⅰ)襯底；(ⅱ)位于襯底上的相互連接的金屬電路線和(ⅲ)緊靠電路線(電路線之上和/或電路線之間)的本發(fā)明的介電材料。
本發(fā)明的更徹底的公開內(nèi)容體現(xiàn)在以下的詳細的說明和附圖中。


圖1是由本發(fā)明的工藝加工而成的集成電路器件中一個部位的剖視圖。
圖2-5示出了本發(fā)明的一種制造集成電路器件的工藝。
圖6-8示出了本發(fā)明的另一種制造集成電路器件的工藝。
由本發(fā)明的工藝制造集成電路器件的一個實施方案示于圖1。器件通常包括襯底2、金屬電路線4和介電材料6。襯底2中有垂直的金屬柱8。互連的電路線起在器件中分配電信號和向器件提供電力輸入和產(chǎn)生信號輸出的作用。合適的集成電路器件通常包含由垂直金屬柱互相連接的多層電路線。
本發(fā)明的用于器件的合適襯底包括硅、二氧化硅、玻璃、氮化硅、陶瓷、鋁、銅和砷化鎵。其他合適的襯底將為本領域中的技術人員所知道。在一個多層的集成電路器件中，一個絕緣的、整平的電路線打底層也可作襯底。
合適的電路線通常包含一種金屬導電材料，如銅、鋁、鎢、金、銀或其合金。電路線可以可選擇地鍍上一層金屬襯套，如鎳、鉭、鉻層或其他薄層如阻擋層或粘合層。(如SiN,TiN)。
本發(fā)明的關鍵部件是位于電路線之上和/或電路線之間以及襯底上的介電材料。在多層集成電路器件中，介電材料經(jīng)常被整平以作為用于下一層電路線層印刷成形的襯底。該介電材料包含致密的有機多硅石和多孔的陶瓷顆粒。
有機多硅石是一種聚合的化合物，包含硅、碳、氧、氫等原子。合適的有機多硅石包括(ⅰ)倍半硅氧烷；(ⅱ)部分凝聚的烷氧基硅烷(例如由錳含量約在500-2000之間的可控的水解四乙基硅烷進行部分凝聚)；(ⅲ)具有RSiO3和R2SiO3成分的有機改性硅酸鹽，其中R是有機取代基；以及(ⅳ)具有SiOR4成分的部分凝聚的原硅酸鹽。倍半硅氧烷是聚合的RSiO1-5型硅酸鹽材料，其中R是一種有機取代基。
用在本發(fā)明中的合適的有機多硅石已為本領域的技術人員所公知。這種有機多硅石最好是倍半硅氧烷。適于本發(fā)明的倍半硅氧烷是市場上可得到(例如，由俄亥俄州Perrysburg的Techniglass公司可得GR900)的烷基(例如，C1-6，例如，甲基)；芳基(例如，苯基)或者烷基/芳基倍半硅氧烷。其它合適的倍半硅氧烷將為本領域的技術人員所公知，比如說那些公開于U.S.Patent 5,384,376和Chem.Rev.95,1409-1430(1995)中的倍半硅氧烷，這些專利、文章中的公開內(nèi)容被作為參考引入本發(fā)明中。
各種各樣的多孔顆粒適用于本發(fā)明。合適的多孔顆粒通常是球形的，并且可能由多種多孔材料組成，這些多孔材料包括石英、各種玻璃和陶瓷以及各種聚合物，比如說苯乙烯或者丙烯酸酯。這些合適的顆粒將具有能促進顆粒與有機多硅石相互凝聚的表面活性基團。優(yōu)先選用的顆粒包括陶瓷，如表面上有能與有機多硅石相互凝聚的SiOH取代基的玻璃顆粒。合適的顆粒是直徑約在5-600nm之間，最好是5-50nm之間的微型球。這些顆粒的孔徑以小于50埃為佳，小于100埃更好，最好是小于20埃。此外，孔的體積最好是占整個顆粒體積的5-85％。這些顆粒最好有一個與凝聚有機多硅石相近的熱膨脹系數(shù)以提高最后的凝聚復合材料的物理性質(zhì)。
本發(fā)明中的多孔介電組合物經(jīng)由兩步工序產(chǎn)生。第一步包括在室溫下將不凝聚或部分凝聚的有機多硅石溶解于合適的高沸點溶劑(例如，N-甲基-2-吡咯烷，NMP)中，然后向溶液中均勻地分散一種合適的多孔顆粒。這種合適的混合物將包含重量比為20-60％的有機多硅石和殘余顆粒。然后這種組合物由一種本領域已知的工藝如旋壓成形、噴涂、刮片整平等被用作襯底上的膜。
在本發(fā)明的工藝的第二步中，有機多硅石和多孔顆粒的混合物被直接地或用一種步進工藝(例如，在200℃保溫2小時，然后等變率(5℃/分鐘)地升溫至400℃并保持2小時)加熱到高溫以使有機多硅石凝聚和有機多硅石與多孔顆粒的活性基團相互凝聚。第二步中的加熱要小于500℃，小于450℃更好，最好小于425℃?？梢杂靡环N催化劑來降低凝聚溫度。這種組合物最好在存在一種堿的情況下加熱，例如胺或布朗斯基蒂德堿(Bronsted base)。這種堿對凝聚反應有催化作用，使得初始固化溫度降低，比如說，低于200℃。優(yōu)選地，這種堿是一種有機胺。這種胺優(yōu)選地具有一個高的沸點并且在反應結束時可通過加熱去掉。N-甲基二乙醇胺是一種合適的堿。其它合適的堿將為本領域的技術人員所知道，例如公開在美國專利5,206,117中的堿，該專利的公開內(nèi)容實際上已被作為參考包含在本文中。類似地，凝聚反應可以由布朗斯蒂德酸或路易酸來催化。
本發(fā)明中介電組合物的介電常數(shù)在25℃時小于2.8比較好，小于2.4更好，最好是小于2.0。這種組合物最好包含體積比為5-30％的孔，孔的尺寸最好小于1000埃以導致機械剛度和抗裂性能、各向同性的光學性能和介電性能的提高。而且，這種介電材料具有能抵抗斷裂的機械性能，并且保證它能被化學地/機械地整平以利于在多層集成電路中增加電路層的平版印刷成形。這種介電組合物的介電強度為1-5mV/cm。這種介電組合物是光學上清潔的并且可以很好地粘附在它自身或其它襯底上。這種介電組合物在加熱過程中除去溶劑后，經(jīng)受極小的收縮(例如，小于15％)。
本發(fā)明涉及制造集成電路器件的工藝。參看圖2，一種工藝實施方案的第一步包括在襯底2上沉積一層本發(fā)明的包含有機多硅石和多孔顆粒的介電組合物。襯底2和垂直的金屬柱8被一起示出。這種組合物被溶解在一種合適的溶劑中，例如二甲基丙烯脲(DMPU)、NMP或者類似的物質(zhì)，并且被用本領域公知工藝如旋壓成形、噴涂或刮片整平法涂鍍于襯底上。這種工藝的第二步包括將組合物加熱到高溫以使得多硅石甲硅烷基活性基團與多孔顆粒相互凝聚。這種組合物最好在一種有機堿如胺存在的情況下加熱。
參看圖3，工藝的下一步包括在介電組合物層10上用平版印刷方法制作圖案以在組合物層中形成溝12(凹陷)。圖3所示的溝12延伸至襯底2和金屬柱8。用平版印刷方法制作圖案一般包括(ⅰ)在介電組合物10上涂鍍一層正性或負性光致抗蝕劑，比如Shipley或HoechstCelanese銷售的光致抗蝕劑(AZ光致抗蝕劑)；(ⅱ)以成影像(imagewise)方式將光致抗蝕劑暴露(通過一個掩膜)于象電磁輻射那樣的輻射下，例如，可見紫外線或密集紫外線；(ⅲ)將圖案顯影于抗蝕劑上，例如，用合適的堿性顯影劑和(ⅳ)用合適的轉印工藝如活性離子蝕刻(RIE)將圖案通過介電組合物層10轉印至襯底2上。合適的平版印刷圖案形成工藝已為本領域技術人員所公知，比如公開在“微平版印刷的入門”一書中的工藝，該書的公開內(nèi)容實際上已被作為參考包含在本文中。
參看圖4，在本發(fā)明中制造集成電路工藝的下一步中，金屬膜14被沉積于已形成圖案的介電層10上。優(yōu)先選用的金屬材料包括銅、鎢、和鋁。這種金屬由已知的工藝如化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD、電鍍和無電沉積、濺射或諸如此類優(yōu)選地沉積于已形成圖案的介電層上。
參看圖5，這種工藝的最后一步包括去除多余的金屬材料(例如，將金屬膜4平整化)以使得部件14普遍地與已形成圖案的介電層10等高。平整化可用化學/機械的拋光或選擇性的濕法或干法蝕刻來完成。合適的化學/機械拋光工藝會為本領域的技術人員所知道。
參看圖6-8，示出了用于制造集成電路器件的本發(fā)明工藝的另一實施方案。這個實施方案中工藝過程的第一步包括將一種金屬膜沉積于襯底18上。襯底18也有垂直的金屬柱20。參看圖7，本工藝過程的第二步中，通過一個掩膜，金屬膜被形成印刷圖案以形成溝22。參看圖8，本工藝過程的下一步中，本發(fā)明中的介電組合物層被沉積于已形成圖案的金屬膜16上。本工藝過程的最后一步中，這種組合物被加熱以使得有機多硅石和多孔顆粒凝聚。該介電層隨后可被可選擇地平整化以待多層集成電路中的下一步工序。
雖然，已借助具體的實施方案描述了本發(fā)明，但它的細節(jié)不能被理解為界限，因為很明顯，在不偏離它的精神和范圍的條件下，可以利用不同的實施方案、變化和改進，可以理解，這種等效的實施方案都要被包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權利要求
1．一種形成多孔介電材料的工藝，包括(a)將有機多硅石和多孔顆粒混合在一種溶劑中，以及(b)將步驟a中的混合物加熱至小于500℃的高溫以將有機多硅石與多孔顆粒凝聚在一起。
2．如權利要求1中的工藝，其特征在于，所述多孔顆粒是多孔的玻璃顆粒。
3．如權利要求2中的工藝，其特征在于，所述有機多硅石是倍半硅氧烷。
4．如權利要求3中的工藝，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
5．一種形成集成電路的工藝，包括(a)在襯底上放置一層包含多孔顆粒和有機多硅石的介電組合物。(b)加熱該組合物至小于500℃的高溫以使有機多硅石和多孔顆粒凝聚；(c)用平版印刷方法在介電層上形成圖案；(d)在已形成圖案的介電層上沉積一層金屬膜；以及(e)將膜平整化以形成集成電路。
6．如權利要求5中的工藝，其特征在于，所述有機多硅石是倍半硅氧烷。
7．如權利要求6中的工藝，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
8．如權利要求7中的工藝，其特征在于，所述多孔顆粒是多孔的玻璃顆粒。
9．一種形成集成電路的工藝，包括(a)在襯底上沉積一層金屬膜；(b)用平版印刷方法在金屬膜上形成圖案；(c)在已形成圖案的金屬膜上沉積一層包含多孔顆粒和有機多硅石的介電組合物；以及(d)加熱組合物至小于500℃的高溫以使有機多硅石與多孔顆粒凝聚在一起。
10．如權利要求9中的工藝，其特征在于，所述多孔顆粒是多孔的玻璃顆粒。
11．如權利要求10中的工藝，其特征在于，所述有機多硅石是倍半硅氧烷。
12．如權利要求11中的工藝，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
13．一種介電材料，包含凝聚的有機多硅石和多孔顆粒。
14．如權利要求13所述的介電材料，其特征在于，所述多孔顆粒是多孔的玻璃顆粒。
15．如權利要求14所述的介電材料，其特征在于，所述有機多硅石是倍半硅氧烷。
16．如權利要求15所述的介電材料，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種介電材料和一種制造集成電路器件的工藝,該器件包括:(i)襯底;(ii)置于襯底上的金屬電路線;(iii)置于電路線上的介電材料。該介電材料包含凝聚的有機多硅石和多孔顆粒。
文檔編號H01L21/70GK1218281SQ98123998
公開日1999年6月2日 申請日期1998年11月11日 優(yōu)先權日1997年11月19日
發(fā)明者肯尼斯·雷蒙德·卡特, 克雷格·喬恩·霍克, 詹姆斯·勒普頓·赫德里奇, 羅伯特·丹尼斯·米勒, H·伯哈德·波格 申請人:國際商業(yè)機器公司