[发明专利]用于低K电介质的侧壁孔密封

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于超低k电介质的侧壁孔密封，以防止在多孔低k电介质材料中形成互连结构劣化。

背景技术

在单片集成电路(IC)技术的持续发展中的一个长期公认的目标是IC尺寸的按比例缩小。IC尺寸的按比例缩小减小了区域电容，并且对于得到更高速性能的集成电路是极为关键的。并且，减小IC管芯的面积能够实现IC制造中的更高产量。这种优势是IC尺寸持续按比例缩小的驱动力。然而，随着IC尺寸的按比例缩小，互连结构之间的距离减小，因此有必要使其中形成有互连结构的绝缘层的介电常数最小化，以最大化集成电路的性能并且最小化在互连结构之间的功率消耗和串扰(cross-talk)。因为这个原因，现在通常在互连叠层中多孔的集成超低k(ULK)材料。

在互连叠层中集成多孔ULK材料的一个主要考虑因素是在制造过程中多孔性的作用以及多孔性对可靠性能的影响。众所周知，在电介质材料中形成孔以减小介电常数，在随后的工艺如阻挡层或金属沉积、化学机械抛光(CMP)、热循环和封装期间会出现该结构的机械和电集成的问题。在加工期间应该尽量避免材料的穿透。为了减轻这些孔的负面影响，需要找到方法密封金属低k界面中的孔。多孔低k金属界面的改变通常被称为“孔密封”。需要孔密封以避免：

-前体从化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的阻挡层扩散到ULK，会降低介质击穿并增加漏电流，

-蚀刻后，周围环境中吸收的湿气被吸收到ULK中，

-用于剥离蚀刻残留物和通过底部清洗铜Cu的清洗液的渗入，

-在热应力期间，由于在多孔ULK侧壁上不连续的阻挡层沉积，Cu很容易渗入到ULK中。

文献上已经提出了许多方法来避免化学试剂扩散到多孔电介质中。这些方法可以分成以下三种主要类型：

首先，可以使用非常薄的衬垫阻挡孔。可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)例如PECVD SIC，旋转涂敷例如苯并环丁烯(BCB)聚合物，或者通过CVD例如聚对二甲苯(p xylilene)而形成这些衬垫。已经示出需要至少10nm厚的PECVD SiC衬垫以密封孔，由此对有效介电常数(有效k)和/或Cu电阻有负面效应。如果需要足够厚的衬垫来密封孔，中间金属电介质的相对大的部分具有大的k值，该k值对总的k值会有负面影响。这些聚合物膜部分渗入到孔中，形成均匀的膜。其缺点在于要么需要选择性，要么需要等离子体蚀刻打开通孔的底部，而等离子体蚀刻会破坏/或者完全除去沉积的薄膜。通常，优化蚀刻和剥离配方以完全除去聚合物残留物以提高通孔电阻、产量和互连可靠性。因此在通孔平面控制一定量的聚合物很难实现。并且，额外的集成步骤会使整个集成非常昂贵。

在文献中，已经广泛地提出等离子体表面处理以改性和重构界面，并且由此进行孔密封。等离子体基于采用N₂、H₂和O₂气和其混合物的间接反应等离子体，或者基于反应离子蚀刻。通过使用蚀刻副产品已经完成了孔密封。其他的方案使用气体簇离子束(GCIB)以致密化和封闭侧壁表面。GCIB是高能气体分子的簇碰撞表面、分裂，并且沿横向转移其动量的技术。表面改性基于按照蚀刻剂的扩散不再产生的方式使侧壁上的多孔材料的致密化。需要某些惰性和化学反应性以完成这个重构。总是存在着不能保持蚀刻到易碎电介质中蚀刻的线尺寸的危险。特别是对于具有大孔隙率和大孔隙直径的材料，需要重构/再次沉积的材料的量不够封闭表面。并且，在使用等离子体时，ULK的介电常被改变的危险是急迫的。

总之，衬垫和表面改性技术都依赖于材料的沉积和/或再沉积，由此可能改性低k材料的介电常数。

防止扩散的第三种相对较新的方法是在阻挡层和Cu金属沉积后产生多孔结构。在旋转涂敷电介质时，通常在低k电介质沉积后在固化步骤中，才会直接产生孔。为了这样做，在固化步骤期间，称为“生孔剂”的可降解分子或聚合物加入到低k旋涂配方中并且分解/蒸发，由此留下多孔结构。例如在美国专利NO.6,528,409中所述，这种方法的一个很明显的优点是在剥离期间通孔清洗液不能渗入到多孔低k材料中，在阻挡层沉积期间ALD前体不能扩散到电介质材料中。其缺点是ULK膜不会完全固化，而附加的收缩会导致集成期间的机械应力。另一显著的缺点是所谓的固体第一方法不能用于PECVD SiOC沉积的低k材料。现在，与旋转涂敷方法相反，PECVD是优选的沉积技术。因此，需要用于利用PECVD沉积的ULK电介质的孔密封方法以避免与衬垫和表面处理相关的问题，并利用固体第一方法的优势。

发明内容