[发明专利]一种电介质，其制造方法，和半导体器件

说明书

本发明涉及一种电介质，其制造方法，和半导体器件，尤其涉及一种适于降低信号的布线延迟和改进半导体集成电路等的耐久性的介电常数小的电介质。

根据半导体器件的传统制造工艺，已经进行了如下降低信号布线延迟的尝试。信号通过布线传输而介电常数小的有机薄膜用来对布线绝缘。但是，因为有机薄膜的耐久性问题使得用有机薄膜对布线绝缘很少采用。

目前，为改善耐久性，开发了用于由硅、氧、和氟组成的电介质薄膜(以后称为SiOF薄膜)的形成方法。例如，如在“利用ECR等离子体化学气相淀积进行小介电常数SiOF薄膜的制备”一文中公开的利用四氟化硅(SiF₄)和氧气作为反应气体的方法，刊登在《1993年固态器件和材料会议扩展文摘(1993)》第158页。此外，在《第16届干式工艺研讨会文集(1994)》第133页的“利用等离子体CVD的加氟SiO₂薄膜形成机理”中公开了另一种向形成氧化硅薄膜所必须的气体中加入氟团中的气体的方法。

在常规SiOF薄膜方面，薄膜介电常数的变动很大以至不可能形成介电常数小的薄膜。该薄膜的抗湿性差。

考虑到以上问题提出了本发明。

本发明涉及的电介质由氟氧化硅化合物组成，具有氟原子和硅原子共价键。

另外，按照制造本发明涉及的电介质的方法，SiOF薄膜是通过向含有SiH₂X₂的气体供给不会使SiF₂X₂的氟原子和硅原子的共价键分离的一定能量而形成的。

再者，根据本发明涉及的半导体器件，在位于半导体器件基片上的多根布线间提供有由氟氧化硅化合物组成，具有氟原子和硅原子共价键的电介质体。

物质的介电常数是基于定向极化、离子极化、和电子极化的成分之和。诸如SiO₂或SiOF薄膜这样的非定向物质的介电常数的主要成分几乎与基于电子极化的介电常数成分相同。基于电子极化的介电常数可通过组成原子的原子折射或原子之间的键的电子团折射来得到。

图1表示本发明涉及的SiOF薄膜的分子结构，而图2-8表示传统的已知SiO，SiO₂，或SiOX(X＝OF，H，OH，Cl)薄膜的分子结构。在所述图2-8中，由本发明人从其原子折射分别计算出其特定的介电常数ε。F的原子折射是通过从CF₄的分子折射中扣除C的原子折射而计算出的。Si的原子折射是通过从SiF₄的分子折射中扣除F的原子折射而计算出的。如在图2-8所示及特定介电常数ε表示的，SiOF薄膜的特定介电常数小于SiO和SiO₂的介电常数。另外，根据本发明人的研究，具有Si和F共价键的SiOF分子结构薄膜的介电常数ε小于具有Si和O共价键的SiOF薄膜分子结构的介电常数。

图9表示各种键的分离能量。O-F键较Si-F键弱约1/3。因此，具有Si-F键的SiOF薄膜具有较小的ε且在化学上比具有O-F键的SiOF薄膜更稳定。

为形成具有带Si-F键的分子结构的SiOF薄膜，采用SiF₂X₂分子。这些分子具有至少两个Si-F键和另外两个Si-X键，X是一个原子或原子团。Si-X键的键能比Si-F键的键能小。如图9所示，Si-H，Si-Cl，Si-O的键能均小于Si-F键的键能。相应地，Si-X分子(其中X为H，Cl，OCH₃，OC₂H₅，OC₃H₇等其中之一)是理想的。当采用其中Si-X键的键能小于Si-F键的键能的分子时，可产生SiF₂X₂分子状况，在其中Si-F键仍保持连接而Si-X键分离。

实践中，热CVD设备的反应温度或等离子体处理设备的输入功率被控制为向每摩尔的SiF₂X₂分子中加入541kJ的能量，这不会使Si-F键分离。在上述情况下，氧气与具有两个Si-F键的Si原子结合并使X原子分离。另外，剩余的未结合的氧原子价与另一SiF₂X₂分子中类似的Si形成一个键。相应地，就可形成如图1所示的具有F与Si结合的分子结构的SiOF薄膜。

如图9所示，Si-H键的键能小于Si-Cl键和Si-O键的键能。因此，采用其中X为H的Si-X分子可以扩大工作工况的范围。

图1简要表示本发明的SiOF薄膜的分子结构。