[发明专利]先进的低介电常数有机硅等离子体化学汽相沉积膜

说明书

技术领域

本发明涉及包括Si、C、O和H原子的电介质材料(下面称为“SiCOH”电介质材料)，该材料多孔而且具有大致小于约3.0的介电常数(k)，并且涉及用于制造这些材料的膜和含有这种膜的电子器件的方法。本发明的SiCOH电介质材料与现有技术的SiCOH电介质材料相比具有更高的孔隙率，以及导致机械特性改善的更高程度的结晶键相互作用。本发明还涉及一种用于制造本发明材料的非平衡方法以及所述电介质材料在超大规模集成(ULSI)电路和相关电子结构上的线后端(BEOL)互连结构中作为层内或层间电介质膜、电介质帽或硬掩模/抛光停止的使用。

背景技术

近年来，在ULSI电路中采用的电子器件尺寸的持续缩小导致了BEOL金属化的电阻增加以及层内和层间电介质的电容增加。这种组合效应增大了ULSI电子器件中的信号延迟。为了改善未来ULSI电路的开关性能，需要低介电常数(k)绝缘体、特别是k明显低于氧化硅的绝缘体来减小电容。

极大规模集成(VLSI)和ULSI芯片的大多数制造步骤都是通过等离子体增强化学或物理汽相沉积技术来进行的。采用事先安装且可得到的处理设备通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)技术制造低k材料的能力将由此简化其与制造过程的集成，降低制造成本，并产生很少的有害废物。美国专利6147009和6497963描述了一种包括元素Si、C、O和H原子的低介电常数材料，其介电常数不超过3.6而且展现出非常低的裂纹扩展速度，在此通过引用将其全部合并于此。

美国专利6312793、6441491和6479110B2描述了一种包括由元素Si、C、O和H原子组成的矩阵和主要由C和H组成的相的多相低k电介质材料，该电介质材料具有不超过3.2的介电常数，在此通过引用将其全部合并于此。

具有低于2.7(优选低于2.3)的介电常数的超低k电介质材料在本领域也是公知的。低k和超低k SiCOH膜可以是非多孔的或多孔的。多孔膜典型地通过在膜沉积过程中引入致孔剂并在沉积之后使用传统固化工艺去除致孔剂而形成。通常，多孔SiCOH膜的介电常数低于对应的非多孔SiCOH膜的介电常数。

现有技术中低和超低k SiCOH膜中存在的关键问题是它们具有差的机械特性(例如高裂纹速度和应力，以及低模量和硬度)。典型地，现有技术的SiCOH电介质的机械特性随着材料的介电常数减小而恶化。因此，多孔SiCOH电介质趋向于具有比对应的非多孔SiCOH电介质差的机械特性。

在现有技术中，可以通过处理SiCOH膜后沉积来改善低k或超低k SiCOH电介质的机械特性。例如，使用热、UV光、电子束照射、化学能或这些能源的组合进行的固化或处理已经用于使低或超低K电介质材料稳定并改善它们的机械特性。虽然这种后沉积处理是可能的，但是它们增加了附加的处理步骤，由此增加了制造低k或超低k电介质膜的成本。

考虑到以上几点，需要提供展现出良好电子特性和机械特性的多孔的低k和超低k电介质膜，而无需进行后膜处理或在沉积过程中引入致孔剂。

发明内容

本发明提供了一种多孔的低k或超低k电介质膜，包括共价键三维网络结构中的Si、C、O和H原子(下面称为“SiCOH”)，具有低于大约3.0的介电常数，并具有比现有技术的SiCOH电介质更高程度的晶体键相互作用、更多作为甲基端基的碳和更少的亚甲基(-CH₂-)交联基。术语“三维网络”在本发明中始终用于表示包含在x、y和z方向上互连且互相关联的Si、C、O和H原子的SiCOH电介质材料。术语“更高程度的晶体键相互作用”在此用于表示在Si、C、O和H之间具有更局部键合的SiCOH膜。这可以在FTIR和NMR键合谱中看到，其中对应的键合峰与具有较低程度的键合结晶度的标准膜相比变得更尖锐，并具有更窄的键合峰宽度。

相信更高程度的结晶键相互作用为本发明的SiCOH电介质材料提供了与现有技术SiCOH电介质材料相比改善了的机械强度。在本发明膜中存在数量减少了的亚甲基交联基为该膜提供了与现有技术的对应物相比更高程度的孔隙率并增加了极化基。