CN1217389C

CN1217389C - 介电材料层结构

Info

Publication number: CN1217389C
Application number: CN 02124398
Authority: CN
Inventors: 周子仁; 章勋明; 陈盈和; 李胜男
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: CN1464537A

Abstract

本发明公开了一种low-k介电材料层结构，该介电材料层结构包括：一基底；多个多孔性介电材料，由下往上依序设置于上述基底上；以及多个致密介电材料，交错地设置于上述多孔性介电材料间，其中所述多孔性介电材料的表面积由下往上递减。本发明的介电材料层结构可防止多孔性介电材料剥落(peeling)的问题发生。

Description

介电材料层结构

技术领域

本发明是关于一种半导体的结构，特别是关于一种介电材料层的结构。

背景技术

随着集成电路技术的进步，元件运算速度有逐渐提高的需求。在电路运算中，RC乘积值是造成电路延迟的主要因素。因此，如何降低电路的RC值是集成电路制程技术的主要课题。在集成电路的后段制程(back-endprocess flow)，降低沉积介电质的介电常数，可以达到降低寄生电容，提高电路速度的目的。

目前已广泛地被用来当作内金属介电层(inter-metal dielectrics；IMD)的材料，常见的有二氧化硅(SiO₂)、FSG(fluorinated SiO₂)以及台湾应用材料公司所生产的黑钻石(black diamond)。二氧化硅的介电常数约为4。FSG是指氟掺杂的二氧化硅，其介电常数约为3.5。而黑钻石的介电常数则为3。

但是，半导体元件运算速度不断地提高，介电常数高于2.5的介电材料已经不能满足需求。因此，熟悉此技术的人员提出一种以旋转涂布法(spin-on)形成介电常数低于2.5的低介电常数材料，这类的低介电常数材料多为有机硅烷聚合物，例如：HSQ(hydrogen sikequoxime)、MSQ(methyl silsequoxime)，或有机碳烃聚合物：Silk、Flare、PAE-2、Velox、BCB等。不过，由于此类多孔性介电材料的耐热性较差，因此往往在后续的热制程中产生形变，造成产品的优良率降低，因此多孔性介电材料通常会再搭配无机介电材料，以弥补多孔性介电材料不耐热的缺点。

然而，由于多孔性介电材料与无机介电材料界面间仅是物理性吸附，其吸附力并不够强，故容易剥落。此吸附力不佳的缺点将可能使下一步制程无法进行，甚至造成元件失效，降低制程的优良率，因此并不符合复杂的半导体制程所需。因此，要如何改善低阻值多孔性介电材料层和无机介电材料层之间的吸附力，是目前所面临的一大瓶颈。

另一方面，低温化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)正处于积极的研制阶段，该法是利用空气与反应性气体混合做为前驱体，用以沉积多孔性介电材料。

然而，以低温化学气相沉积所形成的多孔性介电材料，由于其结构松散，往往仍有附着性不佳的问题存在。

发明内容

为了解决上述问题，本发明主要目的在于提供一种介电材料层的结构及其制造方法，可以改善low-k的多孔性介电材料附着性不佳的问题，避免介电材料层的剥落(peeling)。

本发明的目的之一在于提供一种防止剥落的介电材料层结构。

为达到上述的目的，本发明提出一种介电材料层的结构，此结构主要是包括：一基底；多个多孔性介电材料，由下往上依序设置于该基底上；以及多个致密介电材料，交错地设置于上述多孔性介电材料间，其中所述多孔性介电材料的表面积由下往上递减。

所述介电材料层结构还包括一顶层致密介电材料，设置于所述多孔性介电材料的最顶层表面。

所述多孔性介电材料是以露出该基底以及较下方的该致密介电材料的方式加以设置，并且该基底以及较下方的该致密介电材料的露出部分直接与所述致密介电材料之一接触。

如前所述，上述多孔性介电材料和上述致密介电材料均可以利用化学气相沉积法(chemical vapor deposition；CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成。并且，上述多孔性介电材料可由半有机硅烷聚合物或有机芳香碳烃氢聚合物所构成，而上述致密介电材料可由半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石之一或其组合所构成。上述致密介电材料与上述多孔性介电层材料是为相同材质，且上述致密介电层材料施以一致密化处理。

本发明的另一目的在于提供一种防止介电材料层剥落的介电材料层结构的制造方法。

为达到上述目的，本发明提出一种介电材料层的制造方法，此方法的步骤主要是包括：

提供一基底；形成一多孔性介电材料于上述基底表面；以及形成一致密介电材料于上述多孔性介电材料。

还包括去除上述多孔性介电材料的边缘，直到露出部分上述基底表面的步骤，并且将基底表面露出部分直接与致密介电材料接触。

还包括在第一致密介电材料表面设置一第二多孔性介电材料，并将第二致密介电材料覆盖于上述第二多孔性介电材料与上述露出部分的第一致密介电材料表面之上的步骤。

如前所述，上述多孔性介电材料和上述致密介电材料皆可以利用化学气相沉积法(chemical vapor deposition；CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成。并且，上述多孔性介电材料可由半有机硅烷聚合物或有机芳香碳烃氢聚合物所构成，而上述致密介电材料可由半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石之一或其组合所构成。上述致密介电材料与上述多孔性介电层材料是为相同材质，且上述致密介电层材料施以一致密化处理。

本发明具有下列效果：

1.本发明介电材料层结构利用致密介电材料覆盖于多孔性介电材料表面，可提高介电层的机械强度，增加介电层对其他材料的附着力，如：抗反射层(anti-reflection layer；ARC)，并且可防止水气(moisture)入侵与增加其抗蚀性。

2.本发明的介电材料层结构，可以避免公知的多孔性介电材料堆叠时容易发生的剥落问题。

3.本发明的制造方法并不需要增加额外的步骤，不会使制程复杂化。

附图说明

图1A至图1B是实施例1制备介电材料层的制程剖面图；

图2A至图2D是实施例2制备介电材料层的制程剖面图；

图3是实施例3制得的介电材料层的结构剖面图；

图4是实施例4制得的介电材料层的结构剖面图；

图5是实施例5制得的介电材料层的结构剖面图。

具体实施方式

实施例1

请参照图1A至图1B，是显示本发明实施例1的制备介电材料层的一制程剖面图。

首先，请参照图1A，提供一半导体基底10。可利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成一low-k多孔性介电材料12于上述半导体基底10表面。上述多孔性介电材料12的材质大多是为半有机物或有机物，例如：半有机硅烷聚合物(如：bydrogen silsesquioxane；HSQ、metbylsilsequioxane；MSQ)、Allied Signal公司所生产的FLARE、气凝胶(aerogels)、干凝胶(xerogels)、Dow Chemical公司所生产的SiLK或是Nanopore公司所生产的nanoglass。

接着，请参照图1B，形成一致密介电材料14于上述多孔性介电材料12表面。其中，上述致密介电材料14可以利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，并且其材质可由半有机硅，烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石所构成。上述致密介电材料14可能与上述多孔性介电材料12为同一种材质，再经过致密化处理(densified)，使上述致密介电材料14具有比上述多孔性介电常数12致密的性质。请注意，此处所称的“致密”，乃是一种相对性的概念，而非绝对性的概念，亦即标号14的材料相对于标号12的材料显得致密。致密介电材料14的结构较致密，因此介电常数通常较高于多孔性介电常数12。如此，便可以利用上述致密介电材料14保护上述多孔性介电材料12，使上述多孔性介电材料12不容易发生剥落的现象，同时由两者共同组成的介电材料层的介电常数仍可维特不至于太高。

本实施例是一种防止介电材料层剥落的结构，其结构剖面图见图1B。上述基底10，其表面设置一多孔性介电材料12，因其结构松散，具有多孔洞，所以介电常数值相当低。再者，一致密介电材料14，设置于上述多孔性介电材料12表面，因为上述致密介电材料14具有致密的结构，所以覆盖在上述多孔性介电材料12之上，可以防止上述多孔性介电材料12剥落。并且，根据本发明是由上述多孔性介电材料12与上述致密介电材料14共同组成介电层，与单独使用致密介电材料作为介电层相比较，其介电常数值较低。

实施例2

请参照图2A至第2D图。

首先，请参照图2A，提供一半导体基底100。并且，可以视需求而定，利用适当沉积程序，例如：化学气相沉积，形成一蚀刻终止层102于上述半导体基底100表面，其中上述蚀刻终止层102的材质例如为氮氧化硅(SiON)。

第二，请参照图2B，可利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成一多孔性介电材料104于上述蚀刻终止层12表面。上述多孔性介电材料104的材质大多是为半有机物或有机物，例如：半有机硅烷聚合物(如：hydrogen silsesquioxane；HSQ、methylsilsequioxane；MSQ)、Allied Sisnal公司所生产的FLARE、气凝胶(aerogels)、干凝胶(xerogels)、Dow Chemical公司所生产的SiLK或是Nanopore公司所生产的nanoglass，由于其结构为多孔性，因此通常具有相当低的介电常数值。

第三，请参照图2C，利用适当程序，例如：洗边(edge bead remove；EBR)，去除上述多孔性介电材料104的边缘，直到露出部分上述蚀刻终止层102表面，用以清除形成上述多孔性介电材料的边缘污染部分。

第四，请参照图2D，利用适当程序，例如：化学气相沉积法或旋转涂布法，顺应性形成一致密介电材料106于上述蚀刻终止层102与上述多孔性介电材料104表面，用以全面性将上述多孔性介电材料104包覆起来，由于上述致密介电材料106的结构致密，附着性良好，可以避免多孔性介电材料104脱落。上述致密介电材料106例如为半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石所构成。

本实施例是一种防止介电材料层剥落的结构，其结构剖面图见图2D。上述基底100表面可设置一蚀刻终止层102。接着，一多孔性介电材料104设置于上述蚀刻终止层102。上述多孔性介电材料104的面积小于上述基底100的面积，使得上述多孔性介电材料104的外围部分露出部分上述蚀刻终止层102表面。

再者，一致密介电材料106，设置于上述多孔性介电材料104以及上述蚀刻终止层102表面，顺应性覆盖住上述多孔性介电材料104，亦即不仅上述多孔性介电材料104的顶部表面被上述致密介电材料106所覆盖，上述多孔性介电材料104的侧壁(side wall)部分亦被上述致密介电材料106覆盖。如此一来，上述多孔性介电材料104不容易发生剥落的问题。

因为上述致密介电材料106具有致密的结构，所以全面性覆盖在上述多孔性介电材料104与上述蚀刻终止层102之上，可以防止上述多孔性介电材料104剥落。并且，根据本发明是由上述多孔性介电材料104与上述致密介电材料106共同组成介电层，与单独使用致密介电材料做为介电层相比较，其介电常数值较低。

如前所述，根据本发明，在此实施例中虽然以各单一层多孔性介电材料与致密介电材料而组成介电层但可以视实际需求而定，多孔性介电材料与致密介电材料可以重复设置以共同组合成介电层，并不在此设限。

根据本发明中实施例1与实施例2的差别在于实施例1中多孔性介电材料与致密介电材料的面积大小一致，致密介电材料直接覆盖在孔性介电材料表面，用以保护孔性介电材料，防止其剥落。至于实施例2则为多孔性介电材料的面积小于致密介电材料，致密介电材料顺应性覆盖在多孔性介电材料的表面，使得多孔性介电材料不仅顶部表面被覆盖，多孔性介电材料的侧壁同样也被覆盖保护，使得多孔性介电材料受到全面性保护，更不容易剥落。

实施例3

根据本发明，实施例1与实施例2可以视需求而合并使用，重复设置多孔性介电材料与致密介电材料。

图3是本发明多层介电层的一实施例剖面图。其通用于高强度、高韧性的多孔性介电材料。编号500是一基底，其表面设置一第一多孔性介电材料501。接着，一第一致密介电材料502顺应性形成于上述第一多孔性介电材料501的表面，用以全面性覆盖上述第一多孔性介电材料501。后续再设置一多孔性介电材料503，其面积大小相等于上述第一多孔性介电材料501，再顺应性形成一第二致密介电材料504。编号504a是为上述第二致密介电材料504顺应性形成时的最边缘部分，落于上述第一致密介电材料502的边缘部分502a。如此，依序重复设置一第三多孔性介电材料505、第三致密介电材料506、第四多孔性介电材料507、第四致密介电材料508，第五多孔性介电材料509、第五致密介，电材料510、第六多孔性介电材料511、第六致密介电材料512、第七多孔性介电材料513、第七致密介电材料514、第八多孔性介电材料515、第八致密介电材料516。其中，上述第一多孔性介电材料501、上述第二多孔性介电材料503、上述第三多孔性介电材料505、上述第四多孔性介电材料507、上述第五多孔性介电材料509、上述第六多孔性介电材料511、上述第七多孔性介电材料513、上述第八多孔性介电材料515的面积大小皆相等，各自可利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，其材料独立由有机芳香碳烃氢聚合物(如：hydrogen silsesquioxane；HSQ、methylsilsequioxane，MSQ)、AlliedSignal公司所生产的FLARB、气凝胶(aerogels)、干凝胶(xerogels)、Dow Chemical公司所生产的SiLK或是Nanopore公司所生产的nanoglass所构成。并且，上述第一致密介电材料502、上述第二致密介电材料504、上述第三致密介电材料506、上述第四致密介电材料508、上述第五致密介电材料510、上述第六致密介电材料512、上述第七致密介电材料514、上述第八致密介电材料516皆可各自利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，且其材料独立由半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石所构成。

上述第三致密介电材料的边缘部分506a则落于上述第二致密介电材料的边缘部分504a的表面，再依序堆叠上述第四致密介电材料的边缘部分508a、上述第五致密介电材料的边缘部分510a、上述第六致密介电材料的边缘部分512a、上述第七致密介电材料的边缘部分514a、上述第八致密介电材料的边缘部分516a。

实施例4

图4是本发明实施例4的多层介电层的剖面图。其适用于强度、韧性等材料特性中等的多孔性介电材料。编号600是一基底，其表面设置一第一多孔性介电材料601。接着，一第一致密介电材料602顺应性形成于上述第一多孔性介电材料601的表面，用以全面性覆盖上述第一多孔性介电材料601。后续再设置一多孔性介电材料603，其面积大小相等于上述第一多孔性介电材料601，再顺应性形成一第二致密介电材料604。编号604a是为上述第二致密介电材料604顺应性形成时的最边缘部分，落于上述第一致密介电材料602的边缘部分602a。如此，依序重复设置一第三多孔性介电材料605、第三致密介电材料606、第四多孔性介电材料607、第四致密介电材料608。其中，上述第一多孔性介电材料601、上述第二多孔性介电材料603、上述第三多孔性介电材料605、上述第四多孔性介电材料607的面积大小皆相等。

接着，形成一第五多孔性介电材料609，其中上述第五多孔性介电材料609的面积小于上述第四多孔性介电材料607，接着，顺应性形成一第五致密介电材料610，使得上述第五多孔性介电材料609被全面性覆盖，完整地保护上述第五多孔性介电材料609，以防止其剥落。

接着，再重复形成一第六多孔性介电材料611、第六致密介电材料612、第七多孔性介电材料613第八致密介电材料616。其中，上述第六多孔性介电材料611、上述第七多孔性介电材料613、上述第八多孔性介电材料615的面积大小依序递减。如此一来，皆可使得上述第六多孔性介电材料611、上述第七多孔性介电材料613、上述第八多孔性介电材料615受到全面性覆盖与保护，较不容易剥落。

上述第一多孔性介电材料601、上述第二多孔性介电材料603、上述第三多孔性介电材料605、上述第四多孔性介电材料607、上述第五多孔性介电材料609、上述第六多孔性介电材料611、上述第七多孔性介电材料613、上述第八多孔性介电材料615皆可各自利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，其材料独立由有机硅烷聚合物(如：hydrogensilsesquioxane；HSQ、methylsilsequioxane；MSQ)、Allied Signal公司所生产的FLARE、气凝胶(aerogels)、干凝胶(xerogels)、Dow Chemical公司所生产的SiLK或是Nanopore公司所生产的nanoglass所构成。并且，上述第一致密介电材料602、上述第二致密介电材料604、上述第三致密介电材料506、上述第四致密介电材料608、上述第五致密介电材料610、上述第六致密介电材料612、上述第七致密介电材料614、上述第八致密介电材料616皆可利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，且其材料例如为半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石所构成。

上述第三致密介电材料的边缘部分606a则落于上述第二致密介电材料的边缘部分604a的表面，再依序堆叠上述第四致密介电材料的边缘部分608a、上述第五致密介电材料的边缘部分610a、上述第六致密介电材料的边缘部分612a、上述第七致密介电材料的边缘部分614a、上述第八致密介电材料616的边缘部分616a。

实施例5

图5是本发明实施例5的多层介电层的剖面图。其适用于低强度、低韧性的多孔性介电材料。编号700是一基底，其表面设置一第一多孔性介电材料701。接着，一第一致密介电材料702顺应性形成于上述第一多孔性介电材料701的表面，用以全面性覆盖上述第一多孔性介电材料701。后续再设置一多孔性介电材料703，其面积小于上述第一多孔性介电材料701的面积，再顺应性形成一第二致密介电材料704。编号704a是为上述第二致密介电材料704顺应性形成时的最边缘部分，落于上述第一致密介电材料702的边缘部分702a。如此依序重复设置一第三多孔性介电材料705、第三致密介电材料706、第四多孔性介电材料707、第四致密介电材料708、第五多孔性介电材料709、第五致密介电材料710、第六多孔性介电材料711、第六致密介电材料712、第七多孔性介电材料713、第七致密介电材料714、第八多孔性介电材料715、第八致密介电材料716。

如前所述，上述第一多孔性介电材料701、第二多孔性介电材料703、第三多孔性介电材料705、第四多孔性介电材料707、第五多孔性介电、材料709、第六多孔性介电材料711、上述第七多孔性介电材料718、上述第八多孔性介电材料715的面积大小依序递减。如此一来，皆可使得各层多孔性介电材料7受到全面性覆盖与保护，较不容易剥落。根据本发明的本实施例的多孔性材料受到最完整保护，整个介电材料层最不容易剥落。

上述第一多孔性介电材料701、上述第二多孔性介电材料703、上述第三多孔性介电材料705、上述第四多孔性介电材料707、上述第五多孔性介电材料709、上述第六多孔性介电材料711、上述第七多孔性介电材料713、上述第八多孔性介电材料715皆可利用化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，其材料独立由半有机硅烷聚合物(如：hydrogensilsesquioxane；HSQ、metbylsilsequioxane；MSQ)、Allied Signal公司所生产的FLARE、气凝胶(aerogels)、干凝胶(xerogels)、Dow Chehcal公司所生产的SiLK或是Nanopore公司所生产的nanoglass所构成。并且，上述第一致密介电材料702、上述第二致密介电材料704、上述第三致密介电材料706、上述第四致密介电材料708、上述第五致密介电材料710、上述第六致密介电材料712、上述第七致密介电材料714、上述第八致密介电材料717皆可利用化学气相沉积、法(CVD)或旋转涂布法(spin-on)形成，且其材料例如为半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石所构成。

上述第三致密介电材料的边缘部分706a则落于上述第二致密介电材料的边缘部分704a的表面，再依序堆叠上述第四致密介电材料的边缘部分708a、上述第五致密介电材料的边缘部分710a、上述第六致密介电材料的边缘部分712a、上述第七致密介电材料的边缘部分714a、上述第八致密介电材料716的边缘部分716a。

Claims

1、一种介电材料层结构，包括：

一基底；

多个多孔性介电材料，由下往上依序设置于该基底上；以及

多个致密介电材料，交错地设置于上述多孔性介电材料间，其中所述多孔性介电材料的表面积由下往上递减。

2、如权利要求1所述的介电材料层结构，其特征在于还包括一顶层致密介电材料，设置于所述多孔性介电材料的最顶层表面。

3、如权利要求1所述的介电材料层结构，其特征在于所述多孔性介电材料是以露出该基底以及较下方的该致密介电材料的方式加以设置，并且该基底以及较下方的该致密介电材料的露出部分直接与所述致密介电材料之一接触。

4、如权利要求1，2或3所述的介电材料层结构，其特征在于所述的致密介电材料是利用化学气相沉积法或旋转涂布法形成。

5、如权利要求1，2或3所述的介电材料层结构，其特征在于所述的致密介电材料包括半有机硅烷聚合物、有机芳香碳烃氢聚合物、二氧化硅、氟硅玻璃或黑钻石之一或其组合。

6、如权利要求1，2或3所述的介电材料层结构，其特征在于所述的致密介电材料与所述多孔性介电层材料为相同材质，且所述致密介电材料施以一致密化处理。