專利名稱：絕緣膜形成材料,絕緣膜,形成絕緣膜的方法及半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣膜材料，它能夠形成高機(jī)械強(qiáng)度和低介電常數(shù)的多孔絕緣膜，并且涉及一種絕緣膜，形成該絕緣膜的方法以及一種半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
近來，隨著集成度的增加和半導(dǎo)體集成電路元件密度的增加，日益需要半導(dǎo)體元件的較高層倍增。半導(dǎo)體集成電路如此增加的集成化增加了半導(dǎo)體元件的互連電容，這就降低了信號(hào)傳播速率。互連中的互連延遲已經(jīng)變成一個(gè)顯著的問題。
迄今為止，在互連離子間隙超過1μm的這一代半導(dǎo)體器件中，互連延遲一般不太影響器件。然而，當(dāng)半導(dǎo)體集成電路越來越集成化而造成互連間隙小于1μm時(shí)，就不能忽略互連延遲對(duì)器件速率產(chǎn)生的影響了。特別是在互連間隙小于0.5μm的電路中，由互連之間的寄生電容引起的互連延遲將顯著影響器件速率。
通常已知互連延遲T被互連電阻R和互連電容C影響，由下式示出T∝CR互連電容C由下式示出，其中S為電極面積；d為互連間隙；ε0為真空介電常數(shù)；εr為互連絕緣膜介電常數(shù)。C=ϵ0ϵrSd]]>因此，為了減小互連延遲，人們發(fā)現(xiàn)有效的方法是減小互連絕緣膜的介電常數(shù)。
常規(guī)上，在半導(dǎo)體集成電路中，互連絕緣膜的材料曾經(jīng)為二氧化硅SiO2、氮化硅SiN，還使用了磷硅酸鹽玻璃PSG等。氧化硅膜的介電常數(shù)大約為4，它在半導(dǎo)體器件中是非常常用的，并且由化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成。
另外，為了降低互連絕緣膜的介電常數(shù)，考慮使用添加氟的氧化硅膜(SiOF膜)和有機(jī)聚合體，諸如聚酰亞胺等?？紤]使用硅基多孔膜作為互連絕緣膜，該多孔膜具有形成在膜中的許多孔以降低介電常數(shù)。
然而，由CVD形成的SiOF膜具有從大約3.3到3.5不等的介電常數(shù)值，并且難以形成介電常數(shù)低于3的SiOF膜。當(dāng)SiOF膜被用作互連絕緣膜時(shí)，不能顯著減小互連電容。SiOF膜具有強(qiáng)的吸濕性并且在形成之后通常具有增加的介電常數(shù)。
另一方面，諸如聚酰亞胺等的有機(jī)聚合體具有從大約2到3不等的低介電常數(shù)。然而，有機(jī)聚合體的抗熱性和粘附性不夠，因此限制了半導(dǎo)體器件的形成過程。
在上述的背景中，為了實(shí)現(xiàn)所需的低介電常數(shù)，期望使用硅基多孔膜。硅基多孔膜具有多個(gè)孔，它們是通過將包括硅氧烷樹脂和熱解樹脂的材料涂覆到襯底上并對(duì)該材料燒結(jié)而形成的。
然而，在硅基多孔膜中，當(dāng)為了降低介電常數(shù)而增加膜中的孔體積時(shí)，薄膜就具有非常低的機(jī)械強(qiáng)度。為了形成例如介電常數(shù)低于2.0的多孔膜，薄膜的孔積率(porosity)必須超過50％。不利的是，在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等的處理中薄膜易于破裂。這種薄膜還具有強(qiáng)吸濕性的缺點(diǎn)。因此，硅基多孔膜不能具備充分的特性來形成實(shí)現(xiàn)高速半導(dǎo)體器件最為實(shí)質(zhì)的低介電常數(shù)的絕緣膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種可以形成高機(jī)械強(qiáng)度和低介電常數(shù)的多孔絕緣膜的絕緣膜材料，提供一種絕緣膜，一種形成絕緣膜的方法以及一種半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種絕緣膜形成材料，包括具有C-C鍵骨架的硅化合物；通過熱處理分解或蒸發(fā)的多孔形成化合物；溶解硅化合物和多孔形成材料的溶劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種絕緣膜，包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物膜，其中在薄膜中形成尺寸小于10nm的孔。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面，提供一種形成絕緣膜的方法，包括以下步驟在襯底上涂覆上包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物的絕緣膜形成材料，通過熱處理分解或蒸發(fā)的孔形成化合物以及溶解硅化合物和孔形成化合物的溶劑；對(duì)涂覆到襯底上的絕緣膜形成材料進(jìn)行干燥以形成包含硅化合物和孔形成化合物的薄膜；通過對(duì)襯底進(jìn)行熱處理分解或蒸發(fā)孔形成化合物以從薄膜上消除掉孔形成化合物從而在薄膜中形成孔。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面，提供一種包括形成在半導(dǎo)體襯底上的多孔絕緣膜的半導(dǎo)體器件，該多孔絕緣膜包括具有包含C-C骨架的硅化合物的薄膜，其中在薄膜中形成尺寸小于10nm的孔。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，多孔絕緣膜由包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物的絕緣膜形成材料、被熱處理分解或蒸發(fā)的孔形成化合物和用于溶解硅化合物和孔形成材料的溶劑組成，由此多孔絕緣膜可以具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和低的介電常數(shù)。


圖1A和1B示出了由根據(jù)本發(fā)明實(shí)例的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜的孔積率、介電常數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系(部分1)。
圖2A和2B示出了由根據(jù)本發(fā)明實(shí)例的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜的孔積率、介電常數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系(部分2)。
圖3為半導(dǎo)體器件的截面圖，該半導(dǎo)體器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜，該圖示出了半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖4A-4D為在制作半導(dǎo)體器件的方法步驟中的半導(dǎo)體器件的截面圖，該半導(dǎo)體器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜，這些圖解釋了該方法(部分1)。
圖5A和5B為在制作半導(dǎo)體器件的方法步驟中的半導(dǎo)體器件的截面圖，該半導(dǎo)體器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜，這些圖解釋了該方法(部分2)。
圖6A和6B為在制作半導(dǎo)體器件的方法步驟中的半導(dǎo)體器件的截面圖，該半導(dǎo)體器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜，這些圖解釋了該方法(部分3)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料的特征主要在于包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物，被熱處理分解或蒸發(fā)的孔形成化合物，以及溶解硅化合物和孔形成化合物的溶劑。
半導(dǎo)體器件的互連層需要隔層絕緣膜，以具有低的介電常數(shù)來減小互連之間的寄生電容和抑止互連延遲的產(chǎn)生。
由于在膜中形成孔，由硅氧烷樹脂和熱解樹脂形成的硅基多孔絕緣膜可以得到低介電常數(shù)。通過增加膜中的孔體積即通過增加膜的孔積率，多孔絕緣膜可為低介電常數(shù)的絕緣膜。然而，膜的孔積率增加降低了其機(jī)械強(qiáng)度。這就使得難以使用CMP，它施加了大的機(jī)械載荷。因此硅基多孔絕緣膜已經(jīng)限制了半導(dǎo)體器件的制作過程。結(jié)果，多孔絕緣膜已經(jīng)不能作為介電常數(shù)足夠低的半導(dǎo)體器件的絕緣膜。
迄今為止，本發(fā)明的發(fā)明者針對(duì)將要代替硅氧烷樹脂的絕緣膜形成材料已經(jīng)進(jìn)行了認(rèn)真的研究。結(jié)果，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)具有包含C-C鍵骨架的硅化合物其硅原子與氧原子的比例為1∶0-0.5，由此可以形成介電常數(shù)低于2.6的薄膜。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本身具有低介電常數(shù)的這樣的襯底即使在孔積率低的時(shí)候也可以具有低的介電常數(shù)，由此可以抑止薄膜強(qiáng)度的減小和孔積率的增加。而且還發(fā)現(xiàn)由這樣的硅化合物形成的多孔絕緣膜具有強(qiáng)的防潮性能和化學(xué)穩(wěn)定性的特征。
于是，在本發(fā)明中，多孔絕緣膜由具有包含C-C鍵骨架的上述硅化合物組成，由此多孔絕緣膜可以具有低的介電常數(shù)和高的機(jī)械強(qiáng)度。
將在下文中解釋根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜。在本申請的說明書中，“襯底”不只表示半導(dǎo)體襯底本身，而且表示在其上形成晶體管、互連層等的半導(dǎo)體襯底。
根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物，用作消除劑在薄膜中形成孔的孔形成化合物，以及這兩種化合物的稀釋劑。將在下文中描述根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料的各自組分。
例如，具有包含C-C鍵骨架的硅化合物可以為聚二甲基碳硅烷、聚氫基甲基碳硅烷、聚二乙基碳硅烷、聚氫基乙基碳硅烷、聚碳硅苯乙烯、聚苯基甲基碳硅烷、聚二苯基碳硅烷、聚二甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基硅亞苯基硅氧烷、聚二乙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基硅亞苯基硅氧烷、聚二丙基硅亞苯基硅氧烷、聚丙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基硅亞苯基硅氧烷、poly(phenysilphenylenesiloxane)、聚苯基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基乙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基丙基硅亞苯基硅氧烷，或其他聚合物。
硅化合物優(yōu)選具有由下述的通式表達(dá)出的結(jié)構(gòu)。 (R1和R2的任一個(gè)為氫，另一個(gè)為具有1-3個(gè)碳原子的烴或苯基團(tuán)。R3為具有1-3個(gè)碳原子的烴或亞苯基或者是氧。O為20-1000的整數(shù)。)硅化合物優(yōu)選在其支鏈上具有氫。支鏈能夠使硅化合物與具有4個(gè)或更多碳原子的胺化合物反應(yīng)，胺化合物作為將在下面描述的孔形成化合物在薄膜中形成微尺寸的孔。
并不對(duì)孔形成材料加以特別的限制，只要它為具有4個(gè)或更多碳原子的胺就行，例如可以為丁胺、二氨基丁烷、環(huán)己胺、二環(huán)己基胺、氫氧化四甲胺、氫氧化六甲胺、氫氧化十六胺，或其他的胺。優(yōu)選使用季胺，因?yàn)樗c硅-氫鍵的反應(yīng)性高。
至于孔形成化合物，可以使用通用的消除劑，諸如聚乙烯樹脂或其他。
也不對(duì)稀釋劑加以特別的限制，只要它能夠溶解上述的硅化合物和孔形成材料。例如，稀釋劑可為環(huán)己酮、甲基異丁基酮、丁酮、甲氧基乙醇、乙氧基乙醇、辛烷、葵烷、丙二醇、丙二醇一甲基醚、丙二醇單甲基醚乙酸酯、二甘醇、丙二醇、丙二醇一甲基醚、丙二醇一乙基醚、丙二醇一丙基醚，或其他的化合物。
接下來，將解釋根據(jù)本發(fā)明形成絕緣膜的方法。
首先，通過例如旋轉(zhuǎn)涂覆將根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料涂到襯底上，在該襯底上將要形成多孔絕緣膜。
接下來，襯底及涂上的絕緣膜形成材料在例如50-350℃下退火。因此，溶劑被蒸發(fā)并且通過加熱孔形成材料被部分除去。
然后，在例如300-350℃濃度為5％的氧氛圍下對(duì)形成在襯底上的多孔絕緣膜進(jìn)行熱處理。因此，完成了多孔絕緣膜的形成。
如上所述，由此形成的多孔絕緣膜具有對(duì)酸和堿物質(zhì)等的強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性以及強(qiáng)的防潮性能。即使在多孔絕緣膜的孔積率為大約30％時(shí)它的介電常數(shù)值仍然低于2.0。因此，與常規(guī)硅基多孔膜相比，由于多孔絕緣膜中存在這些孔，它具有較小的強(qiáng)度減小。
上述的絕緣膜形成方法可以用于形成多重互連層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的隔層絕緣膜等。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，使用具有包含C-C鍵骨架的硅化合物作為孔形成材料，由此低介電常數(shù)的多孔絕緣膜可以具有高機(jī)械強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)的防潮性能。
[實(shí)例1]甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加20g5％的氫氧化四甲胺的水溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。然后加入30g的硫酸鎂進(jìn)行脫水。由此，制備出了絕緣膜形成材料。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加40g5％的氫氧化四甲胺的水溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。然后加入30g的硫酸鎂進(jìn)行脫水。以實(shí)施例1相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g的氫氧化四甲胺的水溶液，而在該實(shí)施例中滴加40g。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加60g5％的氫氧化四甲胺的水溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。然后加入30g的硫酸鎂進(jìn)行脫水。以實(shí)施例1相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g的氫氧化四甲胺的水溶液，而在該實(shí)施例中滴加60g。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加100g5％的氫氧化四甲胺的水溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。然后加入30g的硫酸鎂進(jìn)行脫水。以實(shí)施例1相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g的氫氧化四甲胺的水溶液，而在該實(shí)施例中滴加100g。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加20g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。由此，制備出了絕緣膜形成材料。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加40g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。以實(shí)施例5相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液，而在該實(shí)施例中滴加40g。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丙基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加60g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。以實(shí)施例5相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液，而在該實(shí)施例中滴加60g。
甲基氫基聚碳硅烷溶解到90g的甲基異丁基酮中，配成10％的溶液，將此溶液放入裝有Drmroth冷凝器和攪拌葉片的300ml三口燒瓶中。在40℃下向溶液中滴加100g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液。停止滴加后，溶液在40℃下保持2h并冷卻到室溫。以實(shí)施例5相同的方式制備絕緣膜形成材料，除了在實(shí)施例1中滴加20g5％的聚苯乙烯樹脂的甲基異丁基酮溶液，而在該實(shí)施例中滴加100g。
20.8g(0.1mol)四乙氧基硅烷，17.8g(0.1mol)甲基三乙氧基硅烷，39.6g甲基異丁基酮放入200ml的反應(yīng)容器中，并滴加16.2g(0.9mol)的400ppm硝酸液，滴加時(shí)間為10分鐘。滴加完硝酸液后，進(jìn)行2h的陳化反應(yīng)。然后，加入5g硫酸鎂除去多余的水。然后，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去陳化反應(yīng)產(chǎn)生的乙醇，直到反應(yīng)液變?yōu)?0ml。由此，制備出了硅氧烷樹脂的絕緣膜形成材料。
20.8g(0.1mol)四乙氧基硅烷，17.8g(0.1mol)甲基三乙氧基硅烷，39.6g甲基異丁基酮放入200ml的反應(yīng)容器中，并滴加16.2g的400ppm硝酸液，滴加時(shí)間為10分鐘。滴加完硝酸液后，進(jìn)行2h的陳化反應(yīng)。然后，加入5g硫酸鎂除去多余的水。然后，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去陳化反應(yīng)產(chǎn)生的乙醇，直到反應(yīng)液變?yōu)?0ml。在40℃下向該溶液中滴加100g5％的甲基丁基酮的聚苯乙烯溶液。滴加完后，溶液在40℃下保持2h，然后冷卻到室溫。由此，制備出了硅氧烷樹脂的絕緣膜形成材料。
多孔絕緣膜由在實(shí)施例1至8和控制1和2中制備出的絕緣膜形成材料形成。測量各自的多孔絕緣膜的介電常數(shù)，以及各自多孔絕緣膜的機(jī)械強(qiáng)度和孔積率之間的關(guān)系。
以下列步驟制備用于測量介電常數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度的多孔絕緣膜在20秒內(nèi)以3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速將絕緣膜形成材料旋轉(zhuǎn)涂覆到硅片上。然后，在200℃下干燥溶劑，接下來在5000ppm氧濃度的氮?dú)夥諊略?00℃下燒結(jié)30分鐘。由此，多孔絕緣膜形成在硅襯底上。
(介電常數(shù)測量)在由各自絕緣膜形成材料如此形成的多孔絕緣膜上形成1mm的Au電極，并測量電容和電壓特征以計(jì)算介電常數(shù)值。
圖1A為針對(duì)由根據(jù)實(shí)例1至4的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜計(jì)算的介電常數(shù)關(guān)于孔積率的圖表。
圖2A為針對(duì)由根據(jù)實(shí)例5至8的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜計(jì)算的介電常數(shù)關(guān)于多孔絕緣膜孔積率的圖表。
從圖1A和2A示出的曲線可以看出，與各控制的多孔絕緣膜形成材料相比，對(duì)于基本相同的孔積率，各實(shí)例的多孔絕緣膜形成材料具有低的介電常數(shù)。
(機(jī)械強(qiáng)度測量)
在由各實(shí)例的絕緣膜形成的多孔絕緣膜上制備100nm的等離子體氮化硅膜作為覆膜，并進(jìn)行stud-pull測試以測量多孔絕緣膜的機(jī)械強(qiáng)度。
圖1B為針對(duì)由根據(jù)實(shí)例1至4的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜測量的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)于多孔絕緣膜孔積率的圖表。
圖2B為針對(duì)由根據(jù)實(shí)例5至8的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜測量的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)于多孔絕緣膜孔積率的圖表。
從圖1B和2B示出的曲線可以看出，與各控制的多孔絕緣膜形成材料相比，對(duì)于基本相同的孔積率，各實(shí)例的多孔絕緣膜形成材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。
基于上述的結(jié)果，可以得出結(jié)論與常規(guī)硅基絕緣膜相比，由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜即使對(duì)于高的孔積率也具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較低的介電常數(shù)。
接下來，將參照圖3、4A-4D、5A、5B、6A，6B解釋一種半導(dǎo)體器件以及形成該半導(dǎo)體器件的方法，該器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為隔層絕緣膜。圖3為該半導(dǎo)體器件的截面圖，該器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜，該圖示出了半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。圖4A-4D、5A、5B、6A，6B為在制作半導(dǎo)體器件的步驟中半導(dǎo)體器件的截面圖，該器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為隔層絕緣膜，這些圖示出了該方法。
首先，將參照圖3解釋使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為隔層絕緣膜的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，柵電極12形成在硅片10上。源/漏擴(kuò)散區(qū)14a、14b形成在硅片10中柵電極12的兩側(cè)。因此，形成了包括柵電極12和源/漏擴(kuò)散層14a、14b的晶體管。用于絕緣晶體管的元件絕緣膜16形成在硅片上。
隔層絕緣膜18和阻塞膜20以規(guī)定的順序形成在硅片10的整個(gè)表面上，在該表面上已經(jīng)形成了如此形成的晶體管。接觸孔22形成在隔層絕緣膜18和阻塞膜20中。氮化鈦膜24形成在接觸孔22中，并且導(dǎo)電鎢塞26被埋入到接觸孔22中。
由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜28和覆膜30以規(guī)定的順序形成在阻塞膜20的頂面上。
連接導(dǎo)電塞26的第一互連層圖形的第一互連槽32形成在多孔絕緣膜28和覆膜30中。在第一互連槽32中，形成氮化鈦膜34并埋入第一互連銅層36。
氮化硅膜的擴(kuò)散阻止膜38，由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜40和氮化硅膜的擴(kuò)散阻止膜42以規(guī)定的順序形成在覆膜30的頂面上。
通路孔44形成在多孔絕緣膜40和擴(kuò)散阻止膜42中，連接到第一互連層36上。在通路孔44中，埋入氮化鈦膜46和通路銅層48。
由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜50，氮化硅的覆膜52以規(guī)定的順序形成在擴(kuò)散阻止膜42的頂面上。
連接到通路層48的第二互連層圖形的第二互連槽56形成在多孔絕緣膜50和覆層52中。在第二互連槽56中，形成氮化鈦膜46，并埋入第二互連銅層60。
然后，將參照圖4A-4D、5A、5B、6A，6B解釋制作該半導(dǎo)體器件的方法，該器件使用由根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成的多孔絕緣膜作為多重互連層結(jié)構(gòu)的隔層絕緣膜。
首先，通過通常的半導(dǎo)體器件加工程序隔層絕緣膜18和阻塞膜20以規(guī)定的順序形成在硅片10上，而且在該硅片上形成包括柵電極12，源/漏擴(kuò)散層14a、14b以及元件絕緣膜16的晶體管。
接下來，接觸孔22形成在隔層絕緣膜18和阻塞膜20中，連接漏擴(kuò)散區(qū)14b。
然后，通過濺射方法500nm厚的氮化鈦膜24形成在接觸孔22中。接下來，WF6與氫混和以被還原，從而將導(dǎo)電鎢塞26埋入到接觸孔22中。
接下來，通過CMP將接觸孔22之外的氮化鈦24和用于形成導(dǎo)電塞26的鎢除去(圖4A)。
接下來，在20秒內(nèi)以3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速將根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料旋轉(zhuǎn)涂覆到整個(gè)表面上。接下來，在200℃下干燥溶劑，然后對(duì)硅片燒結(jié)30分鐘。由此，制備出了450nm厚的多孔絕緣膜28。然后，使用TEOS(四乙氧基硅烷)作為原料，通過CVD方法覆膜30沉積在50nm厚的氧化硅膜的多孔絕緣膜28上。
然后，通過光刻將抗蝕劑膜62形成在覆膜30上，該抗蝕劑膜用于露出一塊在其中要形成第一互連層圖形的區(qū)域。
接下來，利用具有圖形的抗蝕劑膜62作為掩膜，通過使用CF4/CHF3的RIE(反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕覆膜30和多孔絕緣膜28。
然后，通過濺射50nm厚的氮化鈦膜34和50nm厚的籽銅膜(未示出)分別形成在整個(gè)表面上。通過使用籽銅膜作為電極進(jìn)行電解電鍍，600nm厚的銅膜64形成在籽銅膜上(圖4C)。
接下來，通過CMP除去除了形成在第一互連槽32中之外的那些銅膜64，籽銅膜和氮化鈦膜34。此處，通過根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成方法制作的高機(jī)械強(qiáng)度的多孔絕緣膜28允許銅膜64等容易地通過CMP除去。因此，制備出了埋入到第一互連槽32中的銅膜64的第一互連層36(圖4D)。
通過鑲嵌同時(shí)形成了第二互連層60，連接第一互連層36和第二互連層60的通路層48。
首先，通過使用硅烷和氨氣作為原料進(jìn)行等離子體CVD，50nm厚的氮化硅膜的擴(kuò)散阻止膜38形成在硅片10的整個(gè)表面上，并且在該硅片上已經(jīng)形成了第一互連層36。
然后，以制備多孔絕緣膜28相同的方式，多孔絕緣膜40由擴(kuò)散阻止膜38上的根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成，其厚度為650nm。接下來，擴(kuò)散阻止膜42由多孔絕緣膜40上的氮化硅膜形成。然后，多孔絕緣膜50由擴(kuò)散阻止膜42上的根據(jù)本發(fā)明的絕緣膜形成材料形成，其厚度為450nm。通過使用TEOS作為原料進(jìn)行CVD，50nm厚的氮化硅膜的覆膜52形成在多孔絕緣膜50上(圖5A)。
接下來，通過光刻在覆膜52上形成抗蝕劑膜66，它用于露出一塊在其中要形成通路孔44的區(qū)域。
然后，利用具有圖形的抗蝕劑膜66作為掩膜，通過使用CF4/CHF3的RIE連續(xù)刻蝕覆膜52、多孔絕緣膜50、擴(kuò)散阻止膜42、多孔絕緣膜40和擴(kuò)散阻止膜38。由此，制備了通路孔44，它連接第一互連層36(圖5b)。在通孔44已經(jīng)形成之后，除去抗蝕劑膜66。
接下來，通過光刻抗蝕劑膜60形成在整個(gè)表面上，該膜用于露出一塊在其中要形成第二互連層圖形的區(qū)域。
接下來，利用具有圖形的抗蝕劑膜68作為掩膜，通過使用CF4/CHF3的RIE連續(xù)刻蝕覆膜52和多孔絕緣膜50。由此，制備了第二互連層圖形的第二互連槽56(圖6A)。在第二互連槽56已經(jīng)形成之后，除去抗蝕劑膜68。
然后，通過濺射50nm厚的氮化鈦膜46和50nm厚的籽銅膜(未示出)順序形成在整個(gè)表面上。然后，通過使用籽銅膜作為電極進(jìn)行電解電鍍，600nm厚的銅膜70形成在籽銅膜上(圖6B)。
接下來，通過CMP除去銅膜70，除了通路孔44和互連槽56中之外的籽銅膜和氮化鈦膜46。至于在形成第一互連層36過程中，高機(jī)械強(qiáng)度的多孔絕緣膜50、40允許銅膜70等容易地通過CMP除去。因此，通路層48和第二互連層60同時(shí)由埋入在通路孔44和第二互連槽56中的銅膜70形成。
此后，根據(jù)要制作的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)重復(fù)上述步驟，以形成多重互連層。
通過上述的半導(dǎo)體器件制作方法，多重互連層由實(shí)例3的絕緣膜形成材料形成，以對(duì)其進(jìn)行測試。結(jié)果顯示百萬連續(xù)通孔的產(chǎn)率超過90％。
通過上述的半導(dǎo)體器件制作方法，多重互連層由實(shí)例7的絕緣膜形成材料形成，以對(duì)其進(jìn)行測試。結(jié)果顯示百萬連續(xù)通孔的產(chǎn)率超過90％。
權(quán)利要求
1.一種絕緣膜形成材料，包括一種硅化合物，具有C-C鍵骨架；一種多孔形成化合物，被熱處理分解或蒸發(fā)；以及一種溶劑，溶解硅化合物和多孔形成材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣膜形成材料，其中硅化合物具有由下面的通式表達(dá)出的結(jié)構(gòu) (R1和R2的任一個(gè)為氫，另一個(gè)為具有1-3個(gè)碳原子的烴或苯基團(tuán)。R3為具有1-3個(gè)碳原子的烴或亞苯基或者是氧。O為20-1000的整數(shù)。)
3.根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣膜形成材料，其中硅化合物具有含氫的支鏈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣膜形成材料。其中硅化合物為下列之一種化合物聚二甲基碳硅烷、聚氫基甲基碳硅烷、聚二乙基碳硅烷、聚氫基乙基碳硅烷、聚碳硅苯乙烯、聚苯基甲基碳硅烷、聚二苯基碳硅烷、聚二甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基硅亞苯基硅氧烷、聚二乙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基硅亞苯基硅氧烷、聚二丙基硅亞苯基硅氧烷、聚丙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基硅亞苯基硅氧烷、poly(phenysilphenylenesiloxane)、聚苯基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基乙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基丙基硅亞苯基硅氧烷以及聚乙基丙基硅亞苯基硅氧烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣膜形成材料，其中孔形成化合物為具有4個(gè)或更多碳原子的胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的絕緣膜形成材料，其中胺化合物為下列一種化合物丁胺、二氨基丁烷、環(huán)己胺、二環(huán)己基胺、氫氧化四甲胺、氫氧化六甲胺，氫氧化十六胺。
7.一種絕緣膜，包括具有包含C-C鍵骨架的硅化合物膜，其中尺寸小于10nm的孔形成在膜中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的絕緣膜，其中硅化合物具有由下面的通式表達(dá)出的結(jié)構(gòu) R1和R2的任一個(gè)為氫，另一個(gè)為具有1-3個(gè)碳原子的烴或苯基團(tuán)。R3為具有1-3個(gè)碳原子的烴或亞苯基或者是氧。O為20-1000的整數(shù)。)
9.根據(jù)權(quán)利要求7的絕緣膜，其中硅化合物為下列一種化合物聚二甲基碳硅烷、聚氫基甲基碳硅烷、聚二乙基碳硅烷、聚氫基乙基碳硅烷、聚碳硅苯乙烯、聚苯基甲基碳硅烷、聚二苯基碳硅烷、聚二甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基硅亞苯基硅氧烷、聚二乙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基硅亞苯基硅氧烷、聚二丙基硅亞苯基硅氧烷、聚丙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基硅亞苯基硅氧烷、poly(phenysilphenylenesiloxane)、聚苯基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基乙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基丙基硅亞苯基硅氧烷以及聚乙基丙基硅亞苯基硅氧烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的絕緣膜，其中在膜的骨架中氧原子與硅原子的比例處于1個(gè)硅原子比0-0.5個(gè)氧原子的范圍內(nèi)。
11.一種絕緣膜形成方法，包括以下步驟在襯底上涂覆上包括具有含C-C鍵骨架的硅化合物，被熱處理分解或蒸發(fā)的孔形成化合物以及溶解硅化合物和孔形成化合物的溶劑；對(duì)涂覆到襯底上的絕緣膜形成材料進(jìn)行干燥，以形成包含硅化合物和孔形成化合物的膜；以及通過對(duì)襯底進(jìn)行熱處理分解和蒸發(fā)孔形成化合物，以從膜中消除孔形成化合物，從而在膜中形成孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的絕緣膜形成方法，其中硅化合物具有由下面的通式表達(dá)出的結(jié)構(gòu) R1和R2的任一個(gè)為氫，另一個(gè)為具有1-3個(gè)碳原子的烴或苯基團(tuán)。R3為具有1-3個(gè)碳原子的烴或亞苯基或者是氧。O為20-1000的整數(shù)。)
13.根據(jù)權(quán)利要求11的絕緣膜形成方法，其中硅化合物為下列一種化合物聚二甲基碳硅烷、聚氫基甲基碳硅烷、聚二乙基碳硅烷、聚氫基乙基碳硅烷、聚碳硅苯乙烯、聚苯基甲基碳硅烷、聚二苯基碳硅烷、聚二甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基硅亞苯基硅氧烷、聚二乙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基硅亞苯基硅氧烷、聚二丙基硅亞苯基硅氧烷、聚丙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基硅亞苯基硅氧烷、poly(phenysilphenylenesiloxane)、聚苯基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基乙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基丙基硅亞苯基硅氧烷以及聚乙基丙基硅亞苯基硅氧烷。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的絕緣膜形成方法，其中調(diào)整孔形成化合物在絕緣膜形成材料中的濃度以控制膜的孔積率。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的絕緣膜形成方法，其中孔形成化合物為含4個(gè)或更多碳原子的胺化合物，以及襯底及其上的薄膜在300-500℃下氧濃度低于5％的氛圍下進(jìn)行熱處理，以在膜中形成孔。
16.一種包括多孔絕緣膜的半導(dǎo)體器件形成在半導(dǎo)體襯底上，該多孔絕緣膜包括具有含C-C鍵骨架的硅化合物膜，其中尺寸小于10nm的孔形成在膜中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，還包括一種埋入到多孔絕緣膜中的埋入互連層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，還包括第一互連層，在半導(dǎo)體襯底上方形成，多孔絕緣膜，在第一互連層上形成，以及第二互連層，在多孔絕緣膜上形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，其中硅化合物具有由下面的通式表達(dá)出的結(jié)構(gòu) R1和R2的任一個(gè)為氫，另一個(gè)為具有1-3個(gè)碳原子的烴或苯基團(tuán)。R3為具有1-3個(gè)碳原子的烴或亞苯基或者是氧。O為20-1000的整數(shù)。)
20.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，其中硅化合物為下列一種化合物聚二甲基碳硅烷、聚氫基甲基碳硅烷、聚二乙基碳硅烷、聚氫基乙基碳硅烷、聚碳硅苯乙烯、聚苯基甲基碳硅烷、聚二苯基碳硅烷、聚二甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基硅亞苯基硅氧烷、聚二乙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基硅亞苯基硅氧烷、聚二丙基硅亞苯基硅氧烷、聚丙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基硅亞苯基硅氧烷、poly(phenysilphenylenesiloxane)、聚苯基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基乙基硅亞苯基硅氧烷、聚苯基丙基硅亞苯基硅氧烷、聚乙基甲基硅亞苯基硅氧烷、聚甲基丙基硅亞苯基硅氧烷以及聚乙基丙基硅亞苯基硅氧烷。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，其中在多孔絕緣膜的膜的骨架中氧原子與硅原子的比例處于1個(gè)硅原子比0-0.5個(gè)氧原子的范圍內(nèi)。
全文摘要
多孔絕緣膜28、40、50由一種絕緣膜形成材料形成，該材料包括具有含C－C鍵骨架的硅化合物，被熱處理分解或蒸發(fā)的孔形成材料以及溶解硅化合物和孔形成材料的溶劑，由此多孔絕緣膜可以具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和較低的介電常數(shù)。
文檔編號(hào)C08K5/00GK1416158SQ02118438
公開日2003年5月7日 申請日期2002年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者中田義弘, 鈴木克己, 杉浦巖, 矢野映 申請人:富士通株式會(huì)社