[发明专利]多官能硅基低聚物/聚合物纳米孔二氧化硅薄膜的表面改性中的应用

说明书

发明的技术领域

本发明涉及低介电常数的二氧化硅薄膜，还涉及在适用于生产如集成电路(“ICs”)之类的半导体器件的基片上生产二氧化硅薄膜的改进方法。

发明的技术背景

当集成电路(ICs)中特征尺寸接近0.18微米或0.18微米以下时，人们相信水平间绝缘(ILD)和金属间绝缘(IMD)应用将要求电绝缘层的介电常数≤2.5。

纳米孔二氧化硅薄膜

具有低介电常数(“k”)的一种材料是纳米孔二氧化硅，通过加入空气，可以制备具有相对低介电常数的纳米孔二氧化硅，k为1，呈纳米级孔形态。纳米孔二氧化硅之所以具有吸引力，是因为它采用了类似前体，其中包括有机取代的硅烷，例如四甲氧基硅烷(“TMOS”)和/或四乙氧基硅烷(“TEOS”)，和/或甲基三乙氧基硅烷，正如目前采用玻璃旋涂(“SOG”)和二氧化硅(SiO₂)化学气相沉积(“CVD”)所使用的化合物。纳米孔二氧化硅之所以具有吸引力，还因为它能够控制孔隙度，因此能够控制所得到薄膜材料的密度、材料强度和介电常数。除了低的k，纳米孔二氧化硅还提供了其他优点，其中包括：1)到500℃的热稳定性，2)基本上很小的孔，即在标度上比集成电路微电子特征小至少一个数量级，3)如上所述，可以用在半导体中广泛使用的二氧化硅和TEOS之类的材料制备，4)能够在较宽范围内“调整”纳米孔二氧化硅介电常数，以及5)使用与通常SOG加工所采用的类似工具，可以达到沉积纳米孔薄膜。

与纳米孔二氧化硅薄膜相关的一个难点是在内孔表面上存在可极化的官能团。在过去得到的纳米孔薄膜中存在的官能团包括硅烷醇(SiOH)、硅氧烷(SiOSi)、烷氧基(SiOR)，其中R是如(但并不局限于)甲基、乙基、异丙基或苯基之类的有机种类，或者是烷基硅烷(SiR)，其式中R是如上所限定。特别地，硅烷醇基团是高极化的且又吸湿的基团。由于纳米孔二氧化硅具有与其多孔结构相关的较大(内部)表面积，因此高极化硅烷醇基团的作用导致了比要求的介电常数值更高的值。硅烷醇基团吸收了周围环境中的水，能够更进一步地提高这种材料的介电常数。

即使由于在随后的处理之前加热介电薄膜而使其中的气体逸出，但极性硅烷醇的存在还是能够对介电常数和介电损耗产生负面影响。为了克服这些限制并使纳米孔二氧化硅内部孔表面减少极化和减少亲水性，过去采用了一些方法，其中包括让内部表面硅烷醇与表面改性剂反应，在本技术领域中也称作甲硅烷化剂或封端剂。这样的封端剂例如包括氯代硅烷或硅氮烷。

在过去采用的在孔表面上封端硅烷醇基团的方法中，向薄膜的孔加入如己甲基二硅氮烷(HMDZ)之类的有机试剂，并使其与表面硅烷醇基团反应，以生成三甲基甲硅烷基而封端硅烷醇。这些甲硅烷基化的表面基团比最初的硅烷醇的极化明显小，并使薄膜孔表面疏水。使用三甲基甲硅烷基的一个不足之处是它们热稳定性非常不好，并在IC加工过程中可能逸出气体，造成通路污染。

纳米孔二氧化硅薄膜的另一个关键性参数是其机械强度。通常，材料的机械强度与材料密度的降低成比例下降。对于在集成电路器件中作为介电薄膜使用的纳米孔薄膜，机械强度与低介电常数的优化组合是很重要的。至少对于特定的化学组成来说，对于一定的介电常数(它与折射率和密度成比例)，密度是固定的。密度固定时，由于在薄膜骨架内有最大部分的固体，而不是由于纳米级孔表面上的附加化学基团，纳米孔二氧化硅的强度达到最大。因此，在另一个缺陷中，如HMDZ之类的试剂以三甲基甲硅烷基的形式向孔表面添加了大量的额外质量。三甲基甲硅烷基团不成比例的质量没有对机械强度产生影响，但它确实提高了薄膜的密度，因此对达到可能最低的k造成了阻碍。

由于这些原因，考虑到半导体、和/或微处理器或IC制造技术中迅速提高竞争力的需要，不断要求改进过去的方法和材料。特别地，需要提供具有疏水表面的二氧化硅介电薄膜，特别是提供具有疏水孔表面的纳米孔二氧化硅薄膜，同时希望增加这样处理过的疏水薄膜的机械强度。对于给定的所需的介电常数而言，该问题的成功解决将提供更大的材料薄膜强度。

发明简要说明

令人吃惊地，通过提供能使处理过的二氧化硅介电薄膜疏水，同时提高处理过薄膜的机械强度的表面改性剂，相对于过去采用的方法和介质或试剂，本发明方法能够解决该技术中存在的这些问题以及其他问题。