[发明专利]由聚合物的分解获得的低介电纳米孔材料

说明书

发明领域

本发明涉及新型的机械强度提高了的低介电常数纳米孔薄膜，并涉及在适用于生产集成电路的基体上形成该薄膜的改进方法。本发明的纳米孔薄膜用硅基起始材料和选定的可溶于所用起始材料的可热降解聚合物、共聚物和/或齐聚物进行制备。

发明背景

随着集成电路中的特征尺寸接近于和小于0.25μm，互联RC延时、功率消耗和信号交叉干扰等问题变得越来越难以解决。人们相信将低介电常数材料的集成用于内层介质(ILD)和金属间介质(IMD)应用将有助于解决上述问题。虽然先前已努力将低介电常数材料用于集成电路，但本领域仍长期需要进一步改进加工方法和优化用来制造集成电路的这类材料的介电性能与力学性能。纳米孔薄膜

一种具有低介电常数的材料是由二氧化硅，即硅基材料，制成的纳米孔薄膜。空气的介电常数是1，而且当将空气引进一种适当的含有纳米级孔结构的二氧化硅材料时，就可将这种薄膜制成具有较低的介电常数(“k”)。纳米孔二氧化硅材料是令人感兴趣的，因为类似的前体，包括有机取代硅烷，如四乙氧基硅烷(“TEOS”)，可用于目前所用的二氧化硅SiO₂的旋涂玻璃(“S.O.G.”)和化学蒸气沉积(“CVD”)。纳米孔二氧化硅材料之所以吸引人还因为有可能控制所得薄膜材料的孔尺寸，从而控制密度、材料强度和介电常数。除了具有一个低k之外，纳米孔薄膜还有其它优点，包括：1)直到900℃的热稳定性；2)很小的孔尺寸，即至少比集成电路的微电子特征尺寸小一个数量级；3)如上所述，可以从广泛用于半导体的二氧化硅和TEOS等材料进行制备；4)在宽阔范围内“调制”纳米孔二氧化硅介电常数的能力；以及5)纳米孔薄膜的沉积可以用类似于传统S.O.G工艺中所用的设备实现。

因此，纳米孔二氧化硅材料中的高孔隙率会使介电常数低于原本从同种材料的无孔形式可能获得的介电常数。还有一个优点是，可以用其它组合物和方法来形成纳米孔薄膜同时改变材料的相对密度。其它材料要求包括要求所有的孔都比电路特征尺寸小得多，要求控制与孔隙率相关的强度下降，以及表面化学对介电常数和环境稳定性的作用。

密度(或其倒数，孔隙率)是纳米孔薄膜控制材料介电常数的关键参数，且该项性能很容易从孔隙率为100％的空气间隙到孔隙率为0％的致密二氧化硅这两个极端中连续变化。随密度增加，介电常数和力学强度提高，而孔隙率减小，反之亦然。它表明纳米孔薄膜的密度范围必须在所要求的低介电常数与适合于所需应用的力学性能之间优化地平衡。

先前已用过许多方法制造纳米孔二氧化硅薄膜。例如，曾经用一种溶剂与一种二氧化硅前体的混合物制成纳米孔薄膜，该混合物沉积在适合于此目的的基体上。

当用旋转涂布之类的方法形成这种纳米孔薄膜时，膜涂层一般用一种酸或碱催化剂和额外的水进行催化，以便聚合/凝胶化(“老化”)并产生足够的强度，使薄膜在干燥期间不会明显收缩。

先前为提供纳米孔二氧化硅薄膜提出的另一种方法基于下述现象：通过用挥发性明显不同的两种溶剂的混合物可以独立地控制薄膜的厚度和密度/介电常数。挥发性较大的溶剂在前体沉积期间或刚沉积后立即挥发。将二氧化硅前体，一般是部分水解和缩聚的低聚TEOS，涂布到一种合适的基体上并通过化学和/或热的手段使之聚合直到形成凝胶。然后，常通过提高温度除去称做孔控制溶剂(PCS)的第二种溶剂直到薄膜干燥。假设凝胶化后无收缩，则最终薄膜的密度/介电常数取决于低挥发溶剂与二氧化硅的体积比，如欧洲专利申请EP 0 775 669 A2所述。EP 0 775 669 A2给出了一种从一种金属基气凝胶前体通过一种或多种多元醇溶剂如甘油的溶剂蒸发形成纳米孔二氧化硅薄膜的方法，但未能提供具有足够优化的力学性能和介电性能以及薄膜厚度上材料密度分布较均匀的纳米孔二氧化硅薄膜。

还有一种形成纳米孔介电材料的方法是采用溶胶-凝胶技术，其中，溶胶，即固体颗粒在液体中的胶体悬浮液，因固体颗粒的生长与相连而转变为凝胶。已经发展的一种理论是：通过溶胶内的连续反应，溶胶中的一个或多个分子最终可达到宏观尺寸，因而形成一个基本上贯穿于整个溶胶的固体网。在这一点，称为凝胶点，该物质称为凝胶。根据这一定义，凝胶是一种含有一个包封连续液相的连续固体骨架的物质。由于骨架是多孔的，所以“凝胶”一词，如本文所用，是指一种包封一种孔液体的开孔固体结构。除去孔液体就留下空的孔。保护纳米孔的表面