[发明专利]电子结构及形成介质膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括Si，C，O和H原子(SiCOH)或Si，C，N和H原子(SiCHN)的介质膜的形成方法，这些介质膜具有增强的内聚强度(或等价地，增强的断裂韧度或减小的脆性)，和增加的抗水侵蚀特性，例如应力侵蚀破裂，Cu渗入以及其它关键特性。本发明还涉及作为在超大规模集成(ULSI)电路上的后段制程(BEOL)互连结构中的级内或级间介质膜，介质覆层或硬掩模/抛光停止的介质膜的应用和相关的电子结构。本发明还涉及发明的介质材料在包括至少两个导体或电子传感结构的电子器件中的应用。

背景技术

近几年，在ULSI电路中利用的电子器件的尺寸持续缩小导致BEOL金属化电阻增加以及层内介质和层间介质电容增加。此结合效应增加了ULSI电子器件中的信号延迟。为了提高未来ULSI电路的开关性能，需要低介电常数(K)绝缘体特别是那些K明显低于氧化硅的绝缘体以减小电容。

甚大规模集成电路(“VLSI”)和ULSI芯片的大部分制造步骤是通过等离子体增强化学或物理气相沉积技术完成的。从而，通过使用先前安装并且可获得的工艺设备的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制造低K材料的能力将简化其在制造工艺中的集成，减小制造成本，并且产生更少的危险废物。受让给本发明的共同受让人的美国专利Nos.6,147,009和6,497,963，描述了由Si，C，O和H原子构成的低介电常数材料，该材料具有不大于3.6的介电常数并且表现出很低的裂纹扩展速度，通过参考引入其整个内容。

受让给本发明的共同受让人的美国专利Nos.6,312,793，6,441,491和6,479,110 B2描述了由Si，C，O和H原子构成的基质组成的多相低K介质材料，相主要由C和H构成，并具有不大于3.2的介电常数，通过参考引入其整个内容。

同样，技术上已公知具有小于2.7(优选小于2.3)的介电常数的超低K介电材料。现有技术超低K SiCOH膜的关键问题包括，例如：(a)它们比较脆(即，低内聚强度，低断裂伸张度，低断裂韧度)；(b)液态水和水蒸气进一步减小材料的内聚强度。称为“CS湿度图”的内聚强度CS与水压，P_H2O或％湿度的图，对每个K值和材料都具有特征斜率；(c)它们倾向于拥有拉伸应力结合低断裂韧度，并且因此当膜高于一些临界厚度时，与水接触时倾向于破裂；(d)它们当为多孔时可以吸收水和其它工艺化学物质，这又导致在电场下增强的Cu电化学腐蚀，并且进入多孔介质导致导体间的电泄漏和高电导率；以及(e)当C键合为Si-CH₃基团时，现有技术SiCOH介质容易与耐剥落等离子体，CMP工艺和其它集成工艺反应，引起SiCOH介质的“损坏”，导致更亲水的表面层。

例如，硅酸盐和有机硅酸盐玻璃倾向于落在如图1示出的内聚强度对介电常数的通用曲线上。此图包括常规氧化物(点A)，常规SiCOH介质(点B)，常规K＝2.6 SiCOH介质(点C)和具有约2.2的K的常规CVD超低K介质(点D)。主要通过Si-O键合的体积密度决定两者的数量的事实能够解释它们之间的比例变化。它还表明具有超低介电常数(例如，K＜2.4)的OSG材料在完全干燥环境中基本限制为具有约3J/m²或更小的内聚强度。如果湿度增加，内聚强度进一步减小。

现有技术SiCOH膜的另一个问题是它们的强度倾向于被H₂O退化。可以使用4点弯曲技术测量现有技术SiCOH膜的H₂O退化效应，例如，在M.W.Lane，X.H.Liu，T.M.Shaw的“Environmental Effects onCracking and Delamination of Dielectric Films”，IEEE Transactions onDevice and Materials Reliability，4，2004，pp.142-147中所描述的。图2A取自此参考并且是描述H₂O对具有约2.9的K的介电常数的典型SiCOH膜的强度的影响的图。通过在可以控制并改变水压(P_H2O)的室中的4点弯曲技术测量数据。具体地，图2A示出了绘制的内聚强度与受控室内水压的自然对数(ln)的关系。在使用的单位内此图的斜率约是-1。H₂O的压力增加，内聚强度降低。在图2A中线上的区域，阴影部分，表示很难用现有技术SiCOH介质获得的内聚强度区域。