在半导体器件上形成多孔介电材料层的方法技术

本发明专利技术公开了一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法以及所形成的结构。在此方法中，半导体器件中的多孔介电层可以通过以下步骤形成：首先形成无孔介电层，然后局部固化，通过反应离子刻蚀构图，最后在比局部固化温度更高的温度下固化无孔介电层，用以将无孔介电材料转变成多孔介电材料，从而获得具有明显改善的介电常数，即小于２．６的介电材料。无孔介电材料可以通过以下方法形成：将第二相聚合材料埋入诸如甲基倍半硅氧烷、氢倍半硅氧烷、苯并环丁烯或芳香族热固性聚合物的热稳定介电材料内，使得在更高的固化温度，第二相聚合材料充分挥发而留下气孔，形成充满气孔的介电材料。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及在电子结构上形成介电材料层的方法和所形成的结构，更具体地，涉及在电子结构上形成多孔介电材料层的方法以及由这种材料形成的电子结构，该方法首先形成无孔介电材料层，然后局部固化、构图，最后在比局部固化中所采用的温度更高的温度下固化该层，以将无孔介电材料转变成多孔介电材料。
技术介绍
在半导体器件近来的发展中，对器件的不断小型化要求使用有更优越性能的电子材料。例如，在半导体器件中用作绝缘层的介电材料必须具有更低的介电常数以提供更小的信号传播延迟。因而，重要的是提供具有优越绝缘性能的介电材料，例如用于当前和将来半导体器件应用的减小的介电常数。提供具有改进的绝缘性能，即更低介电常数的介电材料层的解决方案之一是使用包含气孔的介电材料。充满气孔的或多孔的介电材料具有比相同材料的完全致密的无孔形式具有更低的介电常数。然而，在利用多孔介电材料，即当这些材料首先在电子器件中形成，然后经历借助反应离子刻蚀(RIE)的构图工艺时，问题出现了。这些材料的所需多孔结构的特殊特性使它们在暴露于反应离子刻蚀工艺中所使用的刻蚀气体中时受到过度刻蚀。提出来解决此问题的一种解决方案是选择具有封闭孔的低k介电材料。然而，切割封闭孔材料的任何尝试在新的切割面上暴露出开口孔。于是，在这种新切割表面上暴露出来的孔仍将遭受刻蚀气体的侵蚀，该气体在用于构图介电材料层的反应离子刻蚀工艺中被使用。
技术实现思路
因而，本专利技术的一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该材料层不具有传统方法的缺点或不足。本专利技术的另一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该材料层不遭受构图工艺过程中反应离子刻蚀气体的侵蚀。本专利技术的再一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该方法首先形成无孔介电材料层、在反应离子刻蚀工艺中构图该层，然后在介电材料层中形成孔。本专利技术的还有一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该方法首先构图一无孔介电材料层，然后在构图工艺后形成孔。本专利技术的再一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该方法首先沉积一无孔介电材料层、在第一低温下部分固化该层、构图该无孔介电材料层，然后在第二高固化温度下形成孔并将该材料层转变成多孔结构。本专利技术的再一个目的是提供一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，该方法在高固化温度下将两相材料转变为单相的充满孔的材料。本专利技术的再一个目的是提供一种电子结构，该结构具有在其中形成的多孔介电材料层，其中，多孔材料层具有在约0.1％体积比和约50％体积比之间的孔隙率。本专利技术的再一个目的是提供一种电子结构，该结构具有在其中形成的用于电绝缘的多孔介电材料层，其中多孔介电材料具有在约1和约3之间的介电常数。根据本专利技术，公开了一种用于在电子结构中形成多孔介电材料层的方法及所形成的结构。在优选实施例中，用于在电子结构中形成多孔介电材料层的方法可以通过以下步骤形成提供预先加工好的电子基板、在预先加工好的电子基板上沉积一无孔介电材料层、在一般约为250℃的第一温度下固化电子基板、定义并构图无孔介电材料层、以及在高于第一温度的第二温度(一般为约350℃至约450℃)固化电子基板并将无孔介电材料转变成多孔介电材料。在于电子结构中形成多孔介电材料层的方法中，无孔介电材料基本上是双相材料，而多孔介电材料基本上是单相材料。无孔介电材料可以是热非稳定材料和热稳定材料的物理混合物。热稳定材料在第一固化温度下凝固成实心体(solid)，热非稳定材料在第二固化温度下分解并挥发。该方法还可以包括在无孔介电材料层上形成掩膜层的步骤，或形成至少一种从包括SiO2、Al2O3、Si3N4、SiC和SiCOH的组中选出的材料的掩膜层的步骤。该方法还可以包括将掩膜层形成至不大于100nm厚度的步骤。该方法还可以包括提供预先加工好的硅晶片的步骤。所用的第一温度可以在约100℃和约350℃之间，所用的第二温度可以大于250℃并高于第一温度。该方法还可以包括光刻定义并构图无孔介电材料层的步骤，或通过旋涂方法沉积无孔介电材料的步骤。形成的多孔材料可以具有在约0.1％体积比和约50％体积比之间的孔隙率，或优选地是在约5％体积比和约30％体积比之间的孔隙率。该方法还可以包括将无孔介电材料层沉积至约100nm和约1000nm之间的厚度的步骤。沉积的无孔介电材料可以包括甲基倍半硅氧烷(methyl silsesquioxane)(MSSQ)、氢倍半硅氧烷(hydrogen silsesquioxane)(HSQ)、二氧化硅和例如SiLK半导体电介质或Flare等的芳香族热固性聚合物，以及至少一种产生孔的非稳定材料或聚合物种类的造孔剂(porogen)。在另一优选实施例中，用于在电子结构中形成充满气孔的介电材料层的方法可以通过以下操作步骤进行提供一具有形成在其上的器件的电子结构；在电子结构上沉积包括热稳定材料和热非稳定材料的双相介电材料层；在第一温度退火电子结构，该温度在热稳定材料的固化温度和热非稳定材料的分解温度之间；光刻定义并构图双相介电材料；以及在第二温度退火电子结构，该温度不低于热非稳定材料的分解和挥发温度，形成单相的充满气孔的介电材料。在电子结构中形成充满气孔的材料层的方法中，第一温度可以是约100℃和约350℃之间的温度，第二温度可以大于250℃并高于第一温度。热稳定材料在第一退火温度固化成固体，而热非稳定材料在第二退火温度挥发。该方法还可包括在双相介电材料层上形成掩膜层的步骤。该方法还可包括形成至少一种材料的掩膜层的步骤，该材料从包括SiO2、Al2O3、Si3N4、SiC和SiCOH的组中选取。该方法还可包括将掩膜层形成至不大于100nm的厚度的步骤。所用的第一温度可以在约100℃至350℃之间，所用的第二温度可以大于250℃并高于第一温度。该方法还可以包括通过旋涂技术将双相介电材料层沉积至约100nm和约1000nm之间的厚度的步骤。单相的充满气孔的介电材料可以包含约0.1％体积比和约50％体积比之间的气孔，优选地是在约5％体积比和约30％体积比之间。本专利技术进一步涉及一种电子结构，该结构具有为了电绝缘而在其中形成的多孔介电材料层，该结构包括预先加工好的电子基板；具有在约0.1％体积比和约50％体积比之间的孔隙率的多孔介电材料层，该层形成并构图在预先加工好的电子基板上；以及填充形成在多孔介电材料层内的构图的导电金属。在具有为了电绝缘而在其中形成的多孔介电材料层的电子结构中，多孔介电材料具有约1和约3之间的介电常数，或优选地在约1.3和约2.6之间。导电金属在电子结构的两个导电区之间形成互连，导电金属也可以在半导体器件的单一镶嵌(damascene)结构或半导体器件的双镶嵌结构中形成互连。导电金属可以是铜、铝或其它例如银、金或其合金的其它金属。附图说明从以下的详细描述和附图，本专利技术的这些和其它目的、特征以及优点将变得明显，其中图1是本专利技术方法的工艺流程图，该方法用于在单一镶嵌互连结构内形成多孔介电材料层；图2是本专利技术半导体结构的放大的横截面视图，该结构具有ILD(层间介质)层和在上面形成的硬掩膜层；图3是图2中本专利技术结构的放大的横截面视图，该结构具有在上面形成并构图的光致抗蚀剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，包括步骤： 提供预先加工好的电子基板； 在所述预先加工好的电子基板上沉积无孔介电材料层； 在不高于２５０℃的第一温度下固化所述电子基板； 定义并构图所述无孔介电材料层；以及 在高于所述第一温度的第二温度下固化所述电子基板，将所述无孔介电材料转变成多孔介电材料。

【技术特征摘要】
US 2000-12-18 09/739,9351.一种在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，包括步骤提供预先加工好的电子基板；在所述预先加工好的电子基板上沉积无孔介电材料层；在不高于250℃的第一温度下固化所述电子基板；定义并构图所述无孔介电材料层；以及在高于所述第一温度的第二温度下固化所述电子基板，将所述无孔介电材料转变成多孔介电材料。2.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述无孔介电材料基本上是双相材料，而所述多孔介电材料基本上是单相材料。3.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述无孔介电材料是低沸点温度材料和高沸点温度材料的物理混合物。4.如权利要求3所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述高沸点温度材料在所述第一固化温度凝固成固体，所述低沸点温度材料在所述第二固化温度挥发。5.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括在所述无孔介电材料层上形成掩膜层的步骤。6.如权利要求5所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括形成至少一种从包括SiO2、Al2O3、Si3N4、SiC和SiCOH的组中选出的材料的所述掩膜层的步骤。7.如权利要求5所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括将所述掩膜层形成至不大于100nm的厚度的步骤。8.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括提供预先加工好的硅晶片的步骤。9.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述第一温度在约100℃和约250℃之间，所述的第二温度大于250℃。10.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括光刻定义并构图所述无孔介电材料层的步骤。11.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括通过旋涂方法沉积所述无孔介电材料的步骤。12.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，形成的所述多孔材料具有在约0.1％体积比和约50％体积比之间的孔隙率。13.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，形成的所述多孔介电材料优选地具有在约5％体积比和约30％体积比之间的孔隙率。14.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括将所述无孔介电材料层沉积至约100nm和约1000nm之间的厚度的步骤。15.如权利要求1所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述的无孔介电材料是从包括甲基倍半硅氧烷、氢倍半硅氧烷、苯并环丁烯、二氧化硅和例如SiLK或Flare等的芳香族热固性聚合物，以及至少一种聚合物种类的造孔剂的组中选出的材料。16.一种在电子结构中形成充满气孔的介电材料层的方法，包括操作步骤制备具有形成在其上的器件的电子结构；在所述电子结构上沉积由高沸点温度材料和低沸点温度材料构成的双相介电材料层；在第一温度下退火所述电子结构，该第一温度在所述高沸点温度材料的固化温度和所述低沸点温度材料的沸点温度之间；光刻定义并构图所述双相介电材料；以及在第二温度下退火所述电子结构，该第二温度不低于所述低沸点温度材料的沸点温度，形成单相的充满气孔的介电材料。17.如权利要求16所述的在电子结构中形成充满气孔的介电材料层的方法，其特征在于，所述第一温度是100℃和250℃之间的温度，所述第二温度高于250℃。18.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述高沸点温度材料在所述第一退火温度下固化成固体，而所述低沸点温度材料在所述第二退火温度下挥发。19.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括在所述无孔介电材料层上形成掩膜层的步骤。20.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括形成至少一种从包括SiO2、Al2O3、Si3N4、SiC和SiCOH的组中选取的材料的所述掩膜层。21.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括将所述掩膜层形成至不大于100nm的厚度的步骤。22.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述第一温度在约100℃和约250℃之间，所述第二温度高于250℃。23.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，还包括通过旋涂技术将所述双相介电材料层沉积至约100nm和约1000nm之间的厚度的步骤。24.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述单相的充满气孔的介电材料包含约0.1％体积比和约50％体积比之间的气孔。25.如权利要求16所述的在电子结构中形成多孔介电材料层的方法，其特征在于，所述单相的充满气孔的介电材料包含约5％体积比和约30％体积比之间的气孔。26.一种电子结构，该结构具有为了电绝缘而在其中形成的多孔介电材料层，包括预先加工好的电子基板；具有在约0....

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西J多尔顿，斯蒂芬E格雷科，杰弗里C赫德里克，萨泰亚纳雷亚纳V尼塔，桑佩思珀鲁肖瑟曼，肯尼思P罗德贝尔，罗伯特罗森堡，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]