[发明专利]低介电常数的硅氧烷涂层、制备方法及其在集成电路上的应用

说明书

发明领域

本发明涉及互连材料领域，尤其是用于通过光学光刻技术生产集成电路的互连材料领域。更具体地，本发明涉及低介电常数的硅氧烷涂层以及制备这种涂层的方法。

发明内容

寻求快速且紧凑的集成电路需要小尺寸晶体管的发展。

作为集成电路中最重要的组元，互连在集成电路中管理晶体管与其它微型元件之间所有的交换和数据。互连是沉积然后蚀刻并遵守一定变换规则的层的复杂组合，该变换是在以下部件之间的：

-金属导线或载流线，在过去的几代微处理器中由铝(Al)制成，其在电路中传输电信号，以及

-载流线之间的绝缘层，含有二氧化硅(SiO₂)，其通过隔开金属导线以限制金属物质的扩散并因此有助于信号的稳定。

Al/SiO₂对的技术性能特性完全能够应付几代芯片和微处理器的小型化技术的改变，直到180nm世代的出现成为主要的技术障碍。

合并于集成电路中的晶体管越小，晶体管之间的转换速度越大。换句话说，门延迟(GD)降低。同时，电连接的总长度增加，因此互连延迟(ID)增加。

在Al/SiO₂的结合中，在具有大于180nm尺寸的世代的情况下-即在过去的世代中-切换速度限制了微处理器的速度增加。相反，在具有低于180nm尺寸的世代的情况下-即在更近的世代中-互连速度相对于晶体管之间的切换速度成为限制因素。

这种现象留下功率耗散、信号失真和线之间的部分能量转移(交扰)的潜在危险，即电路性能特性的全面降低。

作为所关注的内容，在半导体领域，指明芯片世代的值(例如180nm)反映了互连间距的一半，即绝缘层的平均厚度与相关金属线的平均厚度的总和的一半。

为了克服这个技术障碍，第一个提议包括采用更低电阻系数的金属，例如铜(电阻系数R_Cu＝1.7Ω.cm)，逐步代替金属导线的铝(电阻系数R_Al＝3.1Ω.cm)。

第二个提议涉及载流线之间的绝缘层。为了未来互连的需要，建议采用低介电常数的材料，即介电常数应低于3.0的材料，代替硅(相对介电常数K_SiO2＝4.1)。事实上，电路的互连延迟与电路的电容相关，而电路的电容本身与绝缘层的介电常数相关。

现有技术

为了获得具有低介电常数的互连材料，必须通过降低材料密度或使材料多孔以降低材料内化学键的密度。

本领域中已提出了多种多孔绝缘材料。选择基本上落在封闭-孔隙材料上，一方面是为了避免金属物质越过绝缘层移动的风险，而另一方面是为了机械强度的原因。最近已开发出多种获得封闭孔隙的方法。其中可提到以下的方法：

专利US-B-6,214,748涉及在基质上形成薄膜。通过涂布包含电绝缘的、可热交联的树脂与其中之一具有高沸点的溶剂混合物的溶液而制得该膜。首先，在100℃至120℃的温度下通过常规干燥沉积物以除去主要溶剂。第二，在300℃以上的高温处理期间，蒸发辅助溶剂。该辅助溶剂的蒸发在所述层的主体中产生孔隙。

专利US-B-6,107,357涉及由一种组合物生产绝缘材料，所述组合物是通过在有机硅树脂上通过偶联剂接枝在高温下成孔的有机单元而制备的。当由该组合物形成膜以后，将其进行高温处理以分解成孔剂。

专利US-A-6,022,814涉及由携带热不稳定基团的有机硅树脂的混合物形成的多孔绝缘材料。这种材料的膜的形成是通过沉积所述混合物的层然后加热以便除去所述热不稳定基团而产生多孔性。

专利US-A-5,776,990涉及由聚合物基体与可在所述聚合物基体的降解温度以下的温度热分解的聚合物的共聚物生产的多孔绝缘材料。将所述共聚物排序，使其形成相互分离的微相。在加热的作用下，除去所述可热分解的部分。

美国专利申请US-A-2001/0010840涉及基于有机硅树脂的组合物。该组合物包含：携带与硅原子结合的氢原子的电绝缘树脂；以及携带能够与所述树脂中与硅原子结合的氢原子发生反应的基团的化合物，所述化合物在大气压力下的沸点高于250℃。该组合物还包含溶剂。涂层的形成是通过将该组合物的层沉积于基质上然后将其加热至高温或将其进行高能辐射。这样产生所述树脂与能够与所述树脂中与硅结合的氢原子发生反应的化合物的交联，以及溶剂的蒸发。