低ｋ介電材料制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種形成為溶膠的新型組成的旋涂介電材料，其含有諸如單獨(dú)的原硅酸酯或與烷基化的原硅酸酯混合的硅源、極性溶劑、水、可以是強(qiáng)酸催化劑的酸催化劑和兩性嵌段共聚物表面活性劑，任選地含有有機(jī)酸、共溶劑和／或反應(yīng)性溶劑。本發(fā)明專利技術(shù)還提供制備溶膠的方法、從旋涂介電材料制作并具有所需的電氣和機(jī)械性能的膜、處理膜以優(yōu)化膜的電氣和機(jī)械性能的方法以及在硅、鋼或其他表面上沉積膜的方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及低介電常數(shù)的介電材料、其制備方法、從該介電 材料例如通過旋涂、噴涂、浸涂、拉涂和噴墨印刷形成膜的方法以及沉 積和處理該膜的方法。
技術(shù)介紹
介電材料的一種屬性是介電常數(shù)。為了某些目的，希望使用 低介電常數(shù)的材料。通常，層間介電半導(dǎo)體薄膜的制造首先通過在諸如 半導(dǎo)體基底等的表面上沉積所需的薄膜來進(jìn)行。沉積薄膜的一種常見方 法是旋涂沉積。在旋涂沉積期間，薄膜用的前體溶液涂布到半導(dǎo)體晶片 上，在沉積期間或之后，晶片以足夠高的速度旋轉(zhuǎn)(快速旋轉(zhuǎn)步驟)，使前 體溶液的層變薄。在快速旋轉(zhuǎn)步驟期間和之后，允許溶劑蒸發(fā)，留下介 電材料的干膜。然而，通常，常用的介電材料中的一些要求后續(xù)處理， 包括在高溫下固化薄膜。高溫固化步驟可以將前體分子凝聚或交聯(lián)在一 起，形成更緊密、更結(jié)實(shí)的低介電常數(shù)膜。此外，固化步驟頻繁用于使 聚合物致孔劑"破裂"成在固化膜中揮發(fā)而產(chǎn)生孔隙或空隙的更揮發(fā)性的 化學(xué)片段，從而降低介電常數(shù)。固化步驟可以在只使用熱能的爐子中進(jìn) 行。或者，膜可以在加熱和暴露于紫外線下的同時(shí)固化。膜也可以通過 電子束照射而固化。本專利技術(shù)描述了制備多孔介電膜的一系列技術(shù)，該膜具有異常 范圍的k值(1.3-3.0)、擴(kuò)大的楊氏模量-k包封、與硅和銅的優(yōu)異的CTE 匹配、低膜應(yīng)力和低裂紋擴(kuò)展速率，并且與其他多孔介電材料相比，可以在低溫下固化。這些特點(diǎn)源于用于制備膜的溶液組成的改善和用于處 理膜的技術(shù)的改進(jìn)的結(jié)合。最重要的是，這些膜可以在極短的烘烤和固 化時(shí)間內(nèi)處理，大大降低了總處理時(shí)間，并提高了設(shè)備生產(chǎn)速率。制備多孔介電膜的目前技術(shù)的不足之處在于至少一種上述因素。值得注意的是，介電膜和銅之間的CTE不匹配在加工過程中造成了故障使用雙鑲嵌工藝制作的ULSI(超大規(guī)模集成電路)器件可以含有11層或更多層，并且固化連續(xù)層所需的反復(fù)溫度循環(huán)導(dǎo)致與破裂和分層相關(guān)的故障。更重要的是，ULSI器件需要逐步更細(xì)的導(dǎo)線尺寸和間距， 以提高晶體管密度，并且32 nm或更小節(jié)點(diǎn)尺寸的內(nèi)置器件需要k值小 于2.2的介電材料，以防止串?dāng)_和電容損失。此外，半導(dǎo)體制造商希望 固化溫度低于400°C，以保護(hù)熱敏感的元件。此外，大量的旋涂多孔介 電膜對于環(huán)境中的水分敏感，必須在干燥條件下處理，以防止伴隨有k和敏感性增加的破裂。沉積介電膜的另一種常用方法是化學(xué)氣相沉積(CVD)。該工 藝需要非常昂貴的設(shè)備。此外，它最適于生產(chǎn)介電常數(shù)(k)為2.5 3的膜。 由于滿足應(yīng)用要求所需的粘合和包封層的原因，有效介電常數(shù)一般高于 CVD介電材料。k值較低的CVD膜出現(xiàn)與機(jī)械穩(wěn)定性相關(guān)的問題，如差 的粘合或分層、高膜應(yīng)力、不可接受的裂紋擴(kuò)展速率和/或低楊氏模量。 此夕卜，似乎仍難制作k值小于2.3的CVD膜，而本專利技術(shù)中的膜具有1.3 3.0 的k值。此外，與CVD和其他旋涂膜相比，本專利技術(shù)中的膜在1.3~2.6的 特定介電常數(shù)下具有較好的機(jī)械性能(根據(jù)通過模量和裂紋擴(kuò)展的測量)， 并且水解穩(wěn)定性有所改善。因此，需要能夠快速、有效地固化旋涂薄膜，同時(shí)保持低介 電常數(shù)、高介電強(qiáng)度、低損耗因數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度的組合物。更具體而言，絕緣薄膜的介電常數(shù)僅是制作在半導(dǎo)體器件中 正確起作用的膜所需的多種屬性中的一種屬性。膜在機(jī)械方面還必須堅(jiān) 固耐用，既要經(jīng)受得住化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟又要抑制裂紋擴(kuò)展。此 外，膜必須能夠抵抗CMP后的清潔期間的灰化損壞，并且必須能夠抵抗 大氣中水分的攻擊。傳統(tǒng)的CVD材料具有針對ULK介電材料的這兩種 性質(zhì)方面的限制。此外，膜的熱膨脹系數(shù)(CTE)應(yīng)該接近于銅和硅的CTE，10介電材料中的孔隙(如有的話)必須很小(5nm或更小)，以避免銅遷移，并 且在隨后的熱處理期間，膜的除氣應(yīng)該最小。最佳固化溫度取決于應(yīng)用， 因?yàn)橐恍┢骷枰攘硪恍┢骷偷墓袒瘻囟取Ｒ踩Q于使用的表面 活性劑、膜厚度、固化期間的氣氛、固化所用時(shí)間和所需的電氣和機(jī)械 性能。大部分膜在250~500°C的溫度下固化，更優(yōu)選350 425°C的溫度。 —般認(rèn)為，膜的楊氏模量是CMP抵抗性和裂紋擴(kuò)展速率的 指示，本專利技術(shù)受到這個(gè)假設(shè)的指導(dǎo)。很可能斷裂韌度是比模量更可靠的 機(jī)械強(qiáng)度指示。因此，本專利技術(shù)的目的是制作具有與介電常數(shù)或E-k包封 相比擴(kuò)大的模量的膜，即與現(xiàn)有技術(shù)相比在特定k值下具有增加的楊氏 模量。本專利技術(shù)的進(jìn)一步目的是制作在低于400°C的溫度下固化后具有可 接受的機(jī)械和電氣性能的膜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)通過提供新型組成的旋涂介電材料克服了上述缺點(diǎn)。 在一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種流體膠態(tài)溶液，其含有二氧化硅源、極性溶劑、水、酸催化劑和兩性嵌段共聚物表面活性劑。在更具體的實(shí)施方案中，提供一種溶膠(也稱作水溶膠)，其 含有單獨(dú)的原硅酸酯或與垸基化的原硅酸酯混合、極性溶劑、水、酸催化劑和兩性嵌段共聚物表面活性劑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，上述流體膠態(tài)溶液還含有可以是極性 或非極性的第二種共溶劑以及有機(jī)酸形式的額外酸。還提供一種制備低介電膜的方法，其包括將二氧化硅源、 極性溶劑、水、酸催化劑、聚合物表面活性劑和共溶劑混合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種制備低介電膜的方法，其包 括將二氧化硅源與極性溶劑混合形成部分A;單獨(dú)地將水、酸催化劑 和聚合物表面活性劑與極性溶劑混合形成部分B;和將部分A和部分B 混合形成流體膠態(tài)溶液。在一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種制備低介電膜的方法，其包括 將二氧化硅源與極性溶劑混合形成部分A;單獨(dú)地將水、酸催化劑和聚合物表面活性劑與極性溶劑混合形成部分B;將部分A和部分B混合形 成流體膠態(tài)溶液；和在形成低介電膜的條件下于表面上沉積所述流體膠 態(tài)溶液。在其他實(shí)施方案中，提供通過上述方法形成的介電膜。在一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種介電膜，其含有金屬或非金屬 氧化物和兩性嵌段共聚物模板，所述金屬或非金屬氧化物包括M-0鍵， 其中用M-R鍵部分地代替M-O鍵，其中M是金屬，O是氧，R是垸基 或芳基，以及可以通過熱作用去除兩性嵌段共聚物模板。還提供在退火之前熱/或化學(xué)處理旋涂的溶膠的方法以及退 火條件(例如，氣氛、紫外線照射)。附圖說明 示圖。示圖。示圖。示圖。為更全面地理解本專利技術(shù)，下面結(jié)合附圖進(jìn)行說明，在附圖中 圖1示出在本專利技術(shù)的膜的特定介電常數(shù)值下最大楊氏模量的圖2a示出制備雙組分溶膠和其在晶片上沉積成膜的流程圖。圖2b示出制備單組分溶膠和其在晶片上沉積成膜的流程圖。圖3a是未固化的膜的TEM圖像。圖3b是在400°C的爐中固化后的膜的TEM圖像。圖4是在空氣中退火的膜組成中k和ETES濃度之間關(guān)系的圖5是在空氣中退火的膜組成中k和P104濃度之間關(guān)系的圖6是在C02中退火的膜組成中k和ETES濃度之間關(guān)系的圖7是在C02中退火的膜組成中k和P104濃度之間關(guān)系的圖8是在合成氣中退火的膜組成中k和ETES濃度之間關(guān)系 的示圖。圖9是在合成氣中退火的膜組成中k和P104濃度之間關(guān)系 的示圖。圖10是在濕氮?dú)庵型嘶鸬哪そM成中k和ETES濃度之間關(guān)系 的示圖。圖11是在濕氮?dú)庵型嘶鸬哪そM成中k和P104濃度之間關(guān)系 的示圖。圖12是在真空中退火的膜組成中k和ETES濃度之間關(guān)系的 示圖。圖13是在真空中退火的膜組成中k和P104濃度之間關(guān)系的示圖。圖14是在干氮?dú)庵型嘶鸬哪そM本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種流體膠態(tài)溶液，含有：　二氧化硅源；　極性溶劑；　水；　酸催化劑；和　兩性嵌段共聚物表面活性劑。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬克LF菲利普斯，特拉維斯PS托馬斯，
申請(專利權(quán))人：SBA材料有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]