一種含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法
【專利摘要】本發明屬于集成電路制造【技術領域】，具體為一種含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法。本發明以四乙氧基硅烷和雙戊烯為前驅體，采用等離子體增強化學氣相沉積工藝，通過控制沉積過程中的襯底溫度、射頻功率、反應腔中工作壓強、前驅體配比等工藝參數，沉積得到無機-有機復合薄膜；然后對該薄膜進行適當的熱退火處理，使得部分有機組分發生熱分解，由此獲得含納米孔隙的低介電常數復合薄膜。該薄膜介電常數為2.5~2.9，在1MV/cm場強下的漏電流密度處于10-8~10-9A/cm2數量級范圍內，擊穿場強大于2MV/cm，且具有優異的力學性能。該方法操控簡單，與現有集成電路后端互連工藝完全兼容，是互連介質的理想候選者。
【專利說明】一種含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于集成電路制造【技術領域】，具體涉及一種含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法，應用于銅互連中的層間介質。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路技術的發展，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越來越成為超大規模集成電路的主要產品。此時，芯片中的導線密度不斷增加，導線寬度和間距不斷減小，這導致芯片后端互連中的電阻(R)和電容(C)所產生的寄生效應越來越明顯。目前，工業上已經普遍采用銅(Cu)代替鋁(Al)進行布線，以降低電阻；以及采用低介電常數(low-k)材料取代傳統的二氧化硅(SiO2)作為層內和層間電介質，以降低寄生電容。
[0003]工業上采用的low-k材料主要是通過向SiO2中摻入甲基等有機基團以及引入孔隙等方法，來實現降低介電常數的目的。然而，過多的有機基團和微孔的引入會導致薄膜的熱穩定性變差，力學性能發生退化，從而限制了 low-k薄膜在后端互連工藝中的應用。為了解決這一問題，需要對孔隙大小以及有機基團的引入進行嚴格的設計，采用適宜的前驅體和理想的工藝條件，來實現含有納米孔隙的無機-有機復合薄膜的制備。因此，本發明以四乙氧基硅烷(TEOS)為前驅體 ，以雙戊烯(UMO)為成孔劑，采用與現有集成電路制造工藝相兼容的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術，并結合薄膜沉積后的熱處理，制備出了含納米孔隙的低介電常數SiOCH無機-有機復合薄膜。該低介電常數復合薄膜具有優異的力學性能，能夠滿足集成電路后端互連的性能要求。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于針對現有技術存在的問題，提供一種力學性能優異的含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法。
[0005]本發明提出的含納米孔隙的低介電常數復合薄膜，是以四乙氧基硅烷(TEOS)和雙戊烯(UMO)為前驅體，采用PECVD工藝，獲得無機-有機復合薄膜。然后，對該復合薄膜進行熱處理，使得部分有機組分發生熱分解，從而得到含納米孔隙的低介電常數無機-有機
復合薄膜。
[0006]本發明提出的含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法，具體步驟如下:
(1)對反應腔體抽真空,使腔體壓力小于0.02 Torr，然后通過加熱系統將襯底加熱至預設的溫度，并維持穩定；
(2)向反應腔體中通入前驅體TEOS和UM0，各自的流量分別為0.1-2 g/min ;首先采用汽化器使TEOS和UMO汽化，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 °C，LIMO的汽化溫度為6(T100 °C ;然后使用載氣(例如氦氣)將TEOS和UMO蒸汽從不同氣路輸送到反應腔中，其中輸送TEOS蒸汽的載氣流量為500~5000 sccm,輸送UMO蒸汽的載氣流量為1000~8000sccm ；
(3)等離子體增強化學氣相沉積過程中，工藝參數分別為:功率50-800W，襯底溫度100^350 °C，反應腔中工作壓強廣8 Torr ;上下極板間距1(T20 mm ;由此得到無機一有機復合薄膜，其中無機成分主要為S1-O-Si結構，有機成分主要為CHx (x=l, 2，3)基團；
(4)將PECVD薄膜置于管式爐、箱式爐或其它腔體中，進行熱退火處理；退火溫度為40(T60(TC，退火時間為0.5^4小時，退火氣氛可以為氬氣、氦氣、氮氣等，壓力為0.1~ 800Torr0由于在退火過程中，部分有機組分發生熱分解，獲得含納米孔隙的復合薄膜。
[0007]對上述薄膜進行電學和力學測量，性能如下:介電常數為2.5^2.9，在I MV/cm場強下的漏電流密度處于10_8~10_9A/cm2數量級范圍內，擊穿場強大于2 MV/cm,楊氏模量為8~12GPa，硬度為 0.5~1.2 GPa0
[0008]本發明具有如下優點:
由本發明所提供的方法制備的薄膜具有低介電常數、良好的絕緣性能和優異的力學性能。這與本方法能向薄膜中引入納米尺度的孔隙有關。
[0009]本發明提供的方法與現有集成電路加工工藝相兼容，所制備的薄膜可直接用作芯片后端互連中的層間介質。工藝操控簡單容易，通過調整工藝參數，可以有效地控制薄膜的組分、化學結構、孔隙率等，達到調控low-k薄膜的電學、力學等性能的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是沉積薄膜以及經過熱退火處理后薄膜的紅外光譜圖。
[0011]圖2是熱退火處理后薄膜的剖面透射電子顯微鏡照片。 【具體實施方式】
[0012]實施例1
設定襯底溫度為200°C，反應腔中工作壓強為3 Torr，沉積功率為300 W ；TE0S和UMO質量比為1:1，汽化溫度分別為160 1:和100 V ;用氦氣做載氣，流量分別為2000 sccm和5000 sccm，沉積得到無機-有機復合薄膜。沉積薄膜在氬氣(Ar)氛圍不同溫度下進行熱退火處理，氣壓小于0.3 Torr，退火時間為I小時。
[0013]薄膜性能測量:薄膜厚度和折射率通過橢偏儀來測量，測量波長范圍為250nnTSOO nm，并用柯西(Cauthy)模型擬合。為了測量上述薄膜的電學性能，本發明以低電阻率硅片(電阻率為0.001~0.005 Ω-cm)為襯底，以電子束蒸發的鋁作為頂電極和底電極，頂電極為直徑400 μ m的圓形電極。在室溫或高于室溫(小于150 °C)條件下，通過對鋁/low-k薄膜/硅/鋁結構的電容-電壓(C-V)曲線的測量來提取介電常數，并通過多點測試來獲得可靠的平均介電常數值。通過對電流-電壓α-v)曲線的測量獲得薄膜的漏電特性。采用納米壓痕測試來得到薄膜的力學性能(楊氏模量和硬度)，用于納米壓痕測試的薄膜厚度為600 nm左右，壓入深度為薄膜厚度的10%。
[0014]由圖1可以看出，熱處理后的薄膜的紅外光譜中在1140 CnT1附近存在一個明顯的肩峰，這揭示了籠型S1-O-Si結構的存在。此外，熱處理后對應于CHx的吸收峰強度顯著減小，這表明PECVD沉積薄膜中含有較多的CHx有機基團，熱處理導致大部分有機基團的分解去除。從圖2可以看出，熱處理后的薄膜中含有大量的納米孔隙，與熱處理后有機基團的分解相關。表1列出了 PECVD沉積薄膜在不同溫度退火后的各項性能參數，隨著退火溫度從400 °C升高到500 °C，所得薄膜的折射率從1.411減小到1.345，室溫下介電常數從2.93減小到2.52。在I MV/cm電場強度下它們的漏電流密度處于1.05X 10_9 A/cnTl.64X 10_9 A/cm2的極低范圍。薄膜的楊氏模量為7.81 GPa~10.60 GPa，硬度為0.74 GPa~1.10 GPa。
[0015]表1
【權利要求】
1.一種含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)對反應腔體抽真空,使腔體壓力小于0.02 Torr，然后通過加熱系統將襯底加熱至預設的溫度，并維持穩定； (2)向反應腔體中通入前驅體TEOS和UM0，各自的流量分別為0.1~2 g/min ;首先采用汽化器使TEOS和UMO汽化，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 °C，LIMO的汽化溫度為6(T100 °C ;然后使用載氣將TEOS和UMO蒸汽從不同氣路輸送到反應腔中，其中輸送TEOS蒸汽的載氣流量為500~5000 sccm，輸送UMO蒸汽的載氣流量為1000~8000 sccm ； (3)等離子體增強化學氣相沉積過程中，工藝參數分別為:功率50-800W，襯底溫度100^350 °C，反應腔中工作壓強1~8 Torr ;上下極板間距10~20 mm ;由此得到無機-有機復合薄膜，其中無機成分主要為S1-O-Si結構，有機成分主要為CHx (x=l, 2，3)基團； (4)將復合薄膜置于管式爐、箱式爐或其它腔體中，進行熱退火處理；退火溫度為40(T600°C，退火時間為0.5^4小時，退火氣氛為氬氣、氦氣或氮氣，壓力為0.1~ 800 Torr ；在退火過程中，部分有機組分發生熱分解，從而獲得含納米孔隙的復合薄膜。
2.根據權利要求1所述的含納米孔隙的低介電常數復合薄膜的制備方法，其特征在于:TE0S和UMO蒸汽是通過汽化器獲得，其中TEOS的汽化溫度為12(Tl60 V，LIMO的汽化溫度為6(T100°C。
3.一種由權利要求1所述制備方法制備得到的含納米孔隙的低介電常數復合薄膜，其電學和力學性能如下:介電常數為2.5~2.9，在I MV/cm場強下的漏電流密度處于10_8~10_9A/cm2數量級范圍內，擊穿場強大于2 MV/cm,楊氏模量為8~12 GPa,硬度為0.5^1.2GPa。
【文檔編號】C23C16/44GK104022074SQ201410240798
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月2日 優先權日:2014年6月2日
【發明者】丁士進, 譚再上, 范仲勇, 張衛 申請人:復旦大學