CN1349248A

CN1349248A - 在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法及结构

Info

Publication number: CN1349248A
Application number: CN 00131453
Authority: CN
Inventors: 陈桂顺; 蔡正原; 黄义雄
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-05-15

Abstract

一种在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法,包括提供一基底,基底上已形成有一低介电常数介电层及在此低介电常数介电层上形成有一亲水性介电层。形成一HMDS[((CH₃)₃Si)₂NH]附着层于此亲水性介电层上。在此HMDS附着层上形成一低介电常数介电层。

Description

在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法及结构

本发明涉及半导体制造，且特别是涉及一种在亲水性介电材质上形成一低介电常数材质的方法及形成的结构。

当半导体集成电路元件的尺寸日渐缩减，而达到0.18微米以下时，例如铜制作工艺元件的内连线介电材料，必须以低介电常数的材料为主。目的是以降低介电材料引起的寄生电容，避免造成过大的电阻-电容延迟时间(RC delay time)，而影响元件的操作品质。特别是到0.13微米以下的技术时，其势必要以低介电常数的材料取代一般氧化硅的介电材料。所谓低介电常数，一般是低于4的介电常数，例如有机旋涂(organic spin on)的介电材料。

虽然有机旋涂的介电材料的介电常数较低，但是其硬度较小。一般其上会形成一较薄的一般硬介电材料，例如氧化硅，氮化硅，氮氧化硅(siliconoxynitride)，以达到所需的机械强度。然后下一级的内连线介电层，会继续形成于上。但是这些硬介电材料都有较强的亲水性(hydrophilic)表面或是高极化(high polar)表面。反之，有机旋涂的介电材料的表面，是疏水性的(hydrophobic)或是非极化的(non-polar)。因此有机旋涂的介电材料无法直接涂布于硬介电材料上。一般现有的解决办法是先形成一附着增强层(adhesionpromoter)于硬介电层上，改变硬介电层表面的极化程度，使疏水性的有机旋涂介电材料可以涂布于上。然而附着增强层如果太薄，有机旋涂介电材料没办法均匀涂布于其上，造成潜在的问题。介电层的均匀度对元件的品质，有其重要决定性。但是如果附着增强层太厚，则总介电常数也会跟着增加，又造成过大的电阻-电容延迟时间。

传统上，形成一有机旋涂介电材料于前一层介电层的方法如图1所示。于图1中，于一基底100上，形成有一第一级介电层102。于介电层102中，一些内连线结构，例如接触窗(为示)可形成于其中。介电层102于高积集度的铜制作工艺中，一般是一低介电常数的介电层。接着，形成一硬介电层104，于介电层102上。硬介电层104一般是一高介电常数的介电层(介电常数高于4)。

如前述，为了增加后续第二级低介电常数介电层的附着力，一附着增强层106形成于硬介电层104上，以改变硬介电层104表面的亲水性，成为较疏水性的表面。因此一低电介常数介电层108可旋涂于附着增强层106上。

传统的附着增强层106，采用乙烯基硅甲烷(vinyl silane)。其厚度约为200埃。乙烯基硅甲烷与硬介电层104的反应机制如图2所示。于图2中，于亲水性硬介电层110的表面上(或是图1中的硬介电层104)，例如氧化硅表面上，有很多氢氧官能基(O-H)。氢氧官能基有很强的亲水性。如果希望于其上旋涂一有机旋涂介电层，传统上采用乙烯基硅甲烷为附着增强层。乙烯基硅甲烷的组成如图中的一分子结构112所示，其也带有两个氢氧官能基。

当乙烯基硅甲烷与介电层表面反应，其两个氢氧官能基可以与介电层表面上的氢氧官能基反应，附着于介电层表面上，而本身提供一氧基。对乙烯基硅甲烷而言，虽然其可转变介电层表面上的极性，但仍无法有效地将亲水性介电层110上全部氢氧官能基转换。而乙烯基硅甲烷本身又留有氧官能基。而乙烯基硅甲烷也是液态状，也无法有效达到均匀分布的表面。

因此乙烯基硅甲烷的附着增强层，其效果仍有缺点。一般其厚度必须要200埃，才足以转变介电层为疏水性，及所需的表面均匀度。但是其厚度的增加，又会增加介电常数的总值，造成电阻-电容延迟常数。如何将低附着增强层的厚度，且又有足够的疏水性，是一个待解决的问题。

有鉴于此，本发明提供以HMDS[((CH₃)₃Si)₂NH]为附着增强层的材料，其厚度可以有效的减低约十倍，即10埃-20埃。

本发明提供以HMDS[((CH₃)₃Si)₂NH]为附着增强层的材料，因其沉积时，于压力环境下，呈现气相态状，可增加表面的均匀度。

本发明提供一种在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，包括提供一基底。于基底上，已形成有一第一介电层。于第一介电层上，形成一亲水性的第二介电层。于第二介电层上，形成一HMDS附着增强层。于HMDS附着增强层上，形成一低介电常数介电层，包括有机旋涂介电材料或是一般亲水性介电材料。

其中HMDS附着增强层的厚度约为10埃-20埃。因为其沉积时，于压力环境下呈现气相态状，10埃-20埃的厚度已足够达到表面均匀度。而HMDS材料也可更有效转变第二介电层上，亲水性的官能基，例如氢氧基，成为疏水性的表面。

本发明的特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图作详细说明。附图中：

附图的简单说明：

图1绘示一元件剖面图，以示一传统形成一有机旋涂介电层于一硬介电层上的方法；

图2绘示传统利用乙烯基硅甲烷为附着增强层，与硬介电层的反应机制；以及

图3绘示依照本发明，利用HMDS为附着增强层，与硬介电层的反应机制。

标号说明：

100 基底

102 介电层

104，110 高介电常数介电层

106 附着增强层

108 有机旋涂介电层

112 乙烯基硅甲烷(vinyl silane)

120 HMDS(hexamethyldisilazane)

122 HMDS与硬介电层反应后生成物

本发明主要采用(hexamethyldisilazane)[((CH₃)₃Si)₂NH]为介电材料，简称为HMDS，作为亲水性介电材料与疏水性介电材料之间的附着增强层。其利用的机制在于，MDS介电材料可以更有效的将亲水性表面转变成疏水性表面，以利于后续疏水性的低介电常数介电层的形成。另外，利用HMDS介电材料于加压环境时为气相状态，其可利于沉积，使得有较高的平面均匀度。因HMDS介电材料的特性，附着增强层的厚度可有效的降低，例如10埃至20埃。

以下举一实施例做为说明。如前图1所述，于前一层介电层102中，为了形成所需的介电层窗，接触窗，或内连线，及其需要的机械强度，于介电层102还会形成一较薄的硬介电层104。硬介电层104一般例如是，氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，这些介电材料一般也具有高介电常数及亲水性。为了于高积集度的元件中，降低金属间介电层的寄生电容，介电层108一般采用有机旋涂介电材料，其具有低介电常数。因硬介电层104是亲水性，而介电层108为疏水性，二者需要一附着增强层106，使得介电层108能附着于介电层104上。传统的附着增强层106采用乙烯基硅甲烷，但是仍有其缺点。本发明发现采用HMDS为附着增强层可有效地增加附着能力，也可有效地减少其厚度。

一般HMDS，[((CH₃)₃Si)₂NH]，与水反应时其反应式如下：

其中，(CH₃)₃SiOH(Trimethylsilanol)的生成物有，其O-H官能基，预期可与亲水性的介电材料结合。这样(CH₃)₃SiOH中的CH₃呈现的性质为疏水性。根据同样的反应机制，HMDS可与介电材料上的O-H官能基建结反应，因此转变介电材料上的亲水性，成为疏水性。

图3绘示依照本发明，利用HMDS为附着增强层，与硬介电层的反应机制。于图3中，亲水性的介电材料层110上有许多亲水的O-H官能基。HMDS材料120的分子式如图中所示。当HMDS材料120与亲水性的介电材料层110反应，其生成物122呈现为疏水性。HMDS中的N-H与介电材料层110上的O-H反应，产生氨NH₃。硅原子周围的三个CH₃，构成疏水性特性。而因每一个(CH₃)₃SiOH单独可与O-H反应，介电材料层110上的O-H可有效的被转换。因此HMDS材料可更有效将亲水性的介电材料层110转变成疏水性特性。

另外，HMDS材料还有一特性，即当液态的HMDS在加压的条件下，会呈现为微粒的状态，形成一气相似的状态。这气相状态有助于沉积能力，使得有较均匀的厚度。均匀的厚度的条件，于元件的品质有决定性的角色。

因为HMDS材料的特性，其厚度不需要太厚，一般在10埃与20埃之间即可。这比起传统的乙烯基硅甲烷的200埃，可减少十倍以上。HMDS的附着增强层不会增加太多的总介电常数。

本发明的HMDS附着增强层，至少可达到几点特征：

第一，增加疏水性的效果，使后续有机旋涂材料有较大的附着能力。

第二，HMDS的气相特征，有助于沉积效果以得到较平坦均匀的表面。

第三，HMDS附着增强层，可有效减少所需厚度，不增加总介电常数。

综上所述，虽然本发明已结合一优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作出各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附权利要求的界定为准。

Claims

1.一种在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，包括：

提供一基底，该基底上已形成有一第一介电层；

在该第一介电层上形成一亲水性的第二介电层；

在该第二介电层上形成一HMDS[((CH₃)₃Si)₂NH]附着增强层；以及

在该HMDS附着增强层上形成一低介电常数介电层。

2.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该低介电常数介电层包括一有机旋涂介电材料。

3.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该低介电常数介电层包括一疏水性介电材质。

4.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该亲水性的第二介电层包括氧化硅。

5.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该亲水性的第二介电层包括氮化硅。

6.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该亲水性的第二介电层包括氮氧化硅。

7.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该第一介电层包括一低介电常数材质。

8.如权利要求1所述在亲水性介电材质上形成低介电常数材质的方法，其中该HMDS附着增强层的厚度为10埃至20埃。

9.一种内连线的介电层结构，包括：

一基底，该基底上有一第一介电层；

一在该第一介电层上的亲水性的第二介电层；

一在该第二介电层上的HMDS[((CH₃)₃Si)₂NH]附着增强层；以及

一在该HMDS附着增强层上的低介电常数介电层。

10.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该低介电常数介电层包括一有机旋涂介电材料。

11.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该低介电常数介电层包括一疏水性介电材质。

12.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该亲水性的第二介电层包括氧化硅。

13.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该亲水性的第二介电层包括氮化硅。

14.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该亲水性的第二介电层包括氮氧化硅。

15.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该第一介电层包括一低介电常数材质。

16.如权利要求9所述内连线的介电层结构，其中该HMDS附着增强层的厚度为10埃至20埃。