低介材料及其制备方法技术

对于在用作集成电路的层间介电体时的改善性能，确定了低介材料和包含该材料的薄膜及其制备方法。这些材料特征在于具有约３．７或更小的介电常数（κ）；约１５ＧＰａ或更大的部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量（Ｅ↓［０］’）；和约５００ｐｐｍ或更小的金属杂质含量。还公开了具有小于约１．９５的介电常数和大于约２６ＧＰａ的部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量（Ｅ↓［０］’）的低介材料。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及适用于电子器件中的材料。更具体地，本专利技术涉及材料以及包含所述材料的薄膜，所述薄膜具有通过较高的标准壁弹性模量(normalized wall elastic modulus)表示的改善的弹性模量和较低介电常数，并涉及其制造方法。
技术介绍
在微电子工业中，提高多层集成电路器件如存储器和逻辑片中的电路密度以改善运行速度并降低功率消耗，存在着持续的要求。为了继续减小集成电路上的器件尺寸，使用具有低介电常数的绝缘体以降低互连金属化的阻容(“RC”)时间延迟并防止在不同层金属化之间的电容性串扰已经变得有必要。这样的低介材料对于金属前(premetal)介电层和层间介电层是希望的。用于具有180nm线宽的器件的典型介电材料是介电常数约3.8-4.2的材料。随着线宽减小，也应该降低介电常数。例如，具有130nm线宽的器件需要介电常数约2.5-3.0的材料。极低介电常数(“ELK”)材料一般具有约2.0-2.5的介电常数。具有90nm线宽的器件需要介电常数小于2.4的材料。根据2001 International Technologyroadmap for Semiconductor(ITRS)互连布线图(roadmap)，对于层间金属绝缘体的设计介电常数要求为对于65nm节点(node)小于2.1，对于45nm节点小于1.9，对于32nm节点小于1.7，对于22nm节点小于1.6。材料的介电常数(κ)一般不可能减小而不降低材料的力学性能，即弹性模量、硬度、韧性。对于随后的加工步骤如蚀刻、CMP(“化学机械平面化”)和沉积附加层如铜、铜金属(“Cu”)的扩散阻挡层和在产品上的覆盖层，需要机械强度。在这些方法中的一些中，多层的温度循环可能由于在不同材料之间的热膨胀系数失配而诱发应力，从而产生开裂和层离。表面平面性也是要求的，并且可以通过控制工艺参数来保持，例如在成膜过程中的工艺参数，或者通过CMP来保持。力学统一性，或韧性、压缩和剪切强度对于经受CMP可能特别重要。已经发现，经受CMP的能力可能与材料的弹性模量或杨氏模量以及与其它因素相关，包括抛光参数如向下的力和工作台速度。例如参见Wang等人的“Advanced processingCMP of Cu/low-κ and Cu/ultralow-κlayers(先进工艺Cu/低-κ和Cu/超低-κ层的CMP)”，Solid StateTechnol.，2001年9月；lin等人的“Low-κDielectricsCharacterization for Damascene Integration(金属镶嵌的低-κ介电材料表征”，International Interconnect TechnologyConference，Burlingame，CA，2001年6月。这些力学性能在成品的包装中也是重要的。已经使用许多方法来制备低介电常数薄膜。通常使用化学气相沉积(CVD)和旋压(spin-on)法制备绝缘层薄膜。其它混合方法也是已知的，例如液体聚合物前驱体的CVD和迁移聚合(transportpolymerization)CVD。通过这些技术沉积的许多种低κ材料一般分成许多类型，如纯无机材料、陶瓷材料、二氧化硅基材料、纯有机材料、或无机-有机混合材料。类似地，已经使用许多方法来固化这些材料，以分解和/或去除挥发性成分并且随后交联薄膜如加热、用等离子体、电子束或紫外辐射处理这些材料。由于空气的介电常数通常为1.0，降低材料介电常数的一种方法可以是引入气孔。已经通过许多不同措施在低介材料中引入气孔。与致密的薄膜相比，在使介电薄膜多孔时，介电薄膜可能表现出更低的介电常数，但是，薄膜的弹性模量一般会随着气孔率提高而降低。因此，由于介电常数与弹性模量的权衡，使用这些低介组合物可能是不实用的。此外，由于在介电常数与弹性模量的这种权衡，通常难以确定改善的低介组合物。由于测量材料的实际介电常数方面的难度，在材料内的介电常数与孔隙率之间的关系已经用许多方法近似表示，例如见Kingery等人的Introduction to Ceramics，John Wiley & Sons，Inc.，1970，947-948页(“Kingery”)。在Kingery中描述的物理模型认为介电材料是理想介电体的两相混合物。为了估计气孔率，介电常数为1.0的空气可以视为该混合物的组分。这些混合物可以用若干方式观察。一种方式是把混合物看成是与电容器极板平行的多个材料层。另一种方式是把多个材料层看成是垂直电容器极板的。再一种方式是应用对数混合物规则，它给出了在平行和垂直极端之间的中间值。在仍然另一种方式中，Maxwell已经推导了用于球形颗粒在基质中的分散体的关系，当分散相的介电常数远高于基质材料时，其接近对数混合物规则，但是当分散相具有远低于基质材料的介电常数时，其非常接近垂直多层模型。象与介电常数的关系一样，对于包含多相的材料，在弹性模量与气孔率之间的关系也用许多方法估算，例如见Kingery第773-777页。在两相体系中，作为混合物的材料的总模量处于低模量和高模量组分的弹性模量之间。Kingery描述了许多不同的模型，如Voigt、Reusss和Hashin与Shtrikman，他们试图确定混合物弹性模量的上下限边界。加入低模量材料作为第二相的极端情况产生具有零体积模量的具有气孔空间的混合物。在这种情况下，MacKenzie已经推导出一种对于在连续基质中最高约50％气孔率的封闭气孔表示弹性变化的关系式。参考文献Day等人的“The Elastic Moduli of a SheetContaining Circular Holes”，J. Mech.Phys.Solids，Vol.40，No.5，1031-51页，1992(“Day”)，描述了一种使用计算机模拟技术获得含有圆形孔隙的基质的弹性模量的方法。Day把以三角形排列的圆形孔隙的规则排列的模拟结果应用于插值公式，该公式引入已知结果，即初始斜率、渗透浓度和临界指数，以及自由拟合参数，以获得相对杨氏模量E/E0，这里，E是整体材料的杨氏模量，E0是基质的弹性模量。参考文献Golden等的“Desinging Porous Low-κDielectrics”，Semiconductor International，May2001(“Golden”)，描述了应用Bruggeman的有效介质近似模型预测气孔率对介电常数的影响。Bruggeman模型预测，具有比SiO2低的κ值的主体材料需要更小的气孔率来获得最低的目标κ值。例如，从κ＝4.2(致密二氧化硅的值)的基质材料出发，达到κ＝2.0需要最多50％的气孔率，而在κ＝2.5的基质材料中仅需要22％的气孔率。如果致密氧化物的力学性能与κ＝2.5的材料相等，更小的气孔率对于保持力学性能可能更好。但是，实际上，κ＝2.5的材料的弹性模量低于致密氧化物的弹性模量。尽管引入22％气孔率的κ＝2.5的材料的模量不会与引入50％气孔率的致密氧化物的模量等量降低，但是，如果开始的κ＝2.5的材料的模量低，在引入22％气孔率后的总模量可能低于引入50％气孔率后的致密氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低介材料，该材料具有：约３．７或更小的介电常数；约１５ＧＰａ或更大的部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量（Ｅ↓［０］’）；和约５００ｐｐｍ或更小的金属杂质含量。

【技术特征摘要】
US 2002-5-30 10/1585111.一种低介材料，该材料具有约3.7或更小的介电常数；约15GPa或更大的部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量(E0’)；和约500ppm或更小的金属杂质含量。2.权利要求1的材料，其中介电常数为约2.7或更小。3.权利要求2的材料，其中介电常数为约2.4或更小。4.权利要求3的材料，其中介电常数为约2.1或更小。5.权利要求4的材料，其中介电常数为约1.9或更小。6.权利要求5的材料，其中介电常数为约1.7或更小。7.权利要求1的材料，其中标准壁弹性模量为约17GPa或更大。8.权利要求7的材料，其中标准壁弹性模量为约20GPa或更大。9.权利要求1的材料，其中该材料包含至少一种二氧化硅。10.权利要求9的材料，其中该材料的衍射谱图在大于10埃的d-间距不呈现衍射峰。11.权利要求9的材料，其中该材料包含许多Si-C键。12.权利要求11的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约20-约80摩尔％。13.权利要求12的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约40-约60摩尔％。14.权利要求1的材料，其中该材料是多孔的。15.权利要求14的材料，其中该材料是中孔性的。16.权利要求14的材料，其中该材料的气孔率为约10-约90％。17.权利要求14的材料，其中该材料的气孔率为约40-约85％。18.权利要求1的材料，其中金属杂质含量为约100ppb或更少。19.权利要求18的材料，其中金属杂质含量为约10ppb或更少。20一种包含权利要求1的材料的低介薄膜。21.权利要求20的薄膜，其中厚度范围为约0.05-约2.0μm。22.一种低介材料，其介电常数小于约1.95，部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量(E0’)大于约26GPa。23.权利要求22的材料，其中介电常数为约1.9或更小。24.权利要求23的材料，其中介电常数为约1.7或更小。25.权利要求22的材料，其中该材料是多孔的。26.权利要求25的材料，其中该材料是中孔性的。27.权利要求25的材料，其中该材料的气孔率为约40-约85％。28.权利要求22的材料，其中该材料包含至少一种二氧化硅。29.权利要求28的材料，其中该材料的衍射谱图在大于10埃的d-间距不呈现衍射峰。30.权利要求28的材料，其中该材料的衍射谱图不呈现衍射峰。31.权利要求28的材料，其中该材料包含许多Si-C键。32.权利要求31的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约20-约80摩尔％。33.权利要求32的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约40-约60摩尔％。34.权利要求22的材料，其中该材料的金属杂质含量为约500ppm或更少。35.权利要求34的材料，其中该材料的金属杂质含量为约100ppb或更少。36.权利要求35的材料，其中该材料的金属杂质含量为约10ppb或更少。37一种包含权利要求22的材料的低介薄膜。38.权利要求37的薄膜，其中厚度范围为约0.05-约2.0μm。39.一种低介材料，该材料具有约2.0或更小的介电常数；约5-约15GPa的部分由该材料的介电常数推出的标准壁弹性模量(E0’)；和约500ppm或更小的金属杂质含量。40.权利要求39的材料，其中标准壁弹性模量为约10GPa-约15GPa。41.权利要求39的材料，其中介电常数为约1.9或更小。42.权利要求41的材料，其中介电常数为约1.7或更小。43.权利要求39的材料，其中该材料是多孔的。44.权利要求43的材料，其中该材料是中孔性的。45.权利要求43的材料，其中该材料的气孔率为约40-约85％。46.权利要求39的材料，其中该材料包含至少一种二氧化硅。47.权利要求46的材料，其中该材料的衍射谱图在大于10埃的d-间距不呈现衍射峰。48.权利要求46的材料，其中该材料的衍射谱图不呈现衍射峰。49.权利要求46的材料，其中该材料包含许多Si-C键。50.权利要求49的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约20-约80摩尔％。51.权利要求50的材料，其中，Si-C键总数与Si原子总数的比例为约40-约60摩尔％。52.权利要求39的材料，其中金属杂质含...

【专利技术属性】
技术研发人员：JF柯纳，JE麦杜格尔，BK彼得森，SJ韦格尔，TA戴斯，M德文尼，CE拉姆伯格，K乔恩德劳蒂斯，K森达克，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]