TW382762B - Integrated circuit insulator and method - Google Patents

Description

序號 五、發明説明（ 相關申請案之交互參考 下列美國專利申請揭示相關主題： 1--——’申請曰 讓與本發明之讓受人。 〜--β這些申請 發明背景 本發明與半導體裝 路的絕緣與製造方法有關。f，更特別的，對積體電 積體電路典型的包括將源極 成及在基底上_間 Μ ^基底上形 各層之相互連絡的場效應電金屬間（或多切）形成 源極/漏極且相互間的 ；~絕緣層介於閘極/ )形成並也在連續金3層(預金屬介電質 絕緣層中的Φ古》1層介電值質）間形成。在 近金屬層(中間層介二 == 或多元扪提供形成於鄰 漏極和第電貝）連絡的連接及閘極/源極/ 間的互相連絡ι-絕緣層必需覆蓋 此勺之互相連絡相對料不平的表面，且 ' a 5金屬層上緊密間隔互相連絡的縫隙。同時 ’絕緣a的介電常數應低到實際限制在同―金屬層上及 在鄰近，、上和其下金屬層緊密間隔互相連絡間的電容性 耦合。 各種在對崎啦不平的地形表面形成絕緣層 的方法均 已形成發展出一二氣化矽（氧化矽）变式的絕緣體：回流 沉積硼碌娃酸鹽玻璃（BPSG)，使用添加劑玻璃（5ρι·η-οη g1ass，S0G) ’其典型的為硅氧烷，當以電漿增強化學蒸 氣沉積法（PECVD)沉積時以四乙氧基甲硅烷（TEOS)濺蝕 本紙張尺度適用中國國家標準（CN'S ) A4規格（210x 297公釐） ---------裝------訂------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A 7 —____B7 五、發明説明（2 ) ，回蝕一沉積玻璃及添加劑平面化光敏電阻之堆疊，並 化學機械磨光（CMP)。 所有這些方法均有包括二氧化矽相對高的介電常數 的問題：大約為3.9。此限制了在維持低耦合電容下可 封裝之相互連絡緊密度。 在 Laxman 的 Low e Dielectric: CVD Fluodnated Silicon

Dioxides, 18 Semiconductor International 71(May 1995), 一文中，結淪报告使用氟化二氡化矽作為中間金屬層介 電質其介電常數較二氧化矽介電常數為低。特別是pE〇/D 使用四氟化矽（SIR)、硅烷（s^4) '及氧（〇2)氣體源可 將Si 0XFY沉積至10%的氟及一在3.0至3· 7範圍的介電常 數。但此介電常數仍限制相互連絡的封襄密度。 有機聚合物絕緣體提供另一種降低介電常數絕緣體 的方法。以化學蒸氣沉積（Ο/D)形成確保填充在緊密間 隔相互連絡的縫隙。一些積體電路製造方法已經包括聚 跌亞胺。但是聚跳亞•包括其介電常數約為3 2_3 4 及當用作一中間金屬層介電質因其吸收水份之親和力將 分裂稍後處理的問題。在積極的方面，它具有高達5〇〇 °(：的溫度容許度。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ----------批衣------訂 {請先閲讀背面之注意事項再填荈本1)

Parylene (聚對笨二甲撐）為如下所示結構p〇iy_ para-xylylenes 類的總稱：

A7 B7

F

Π 經濟部中央標準扃員工消費合作社印装 五、發明説明（ 這些聚合物為熱塑聚合物族的成員具有低介電質（例如 2.35-3.15)，低水親和性，且可一致性的由一蒸氣沉積 而不需溶劑及高溫固化。在脂族碳具有氫的聚對苯二甲 撐可在吣大氣高至400°C的溫度下使用，而脂族全氟化 增加可使用的溫度約至530°C。 在 You 等人，Vapor Deposition of Parylene Films from Precursors, in Chemical Perspectives of Microelectronic Materials III, Materials Research Society Symposium Proceeding November 30, 1992之報告中階示一製造氟化 聚對苯二甲撐（parylene)的方法，以液態二溴四氟對二 曱笨（dibromotet「a-fluo「o-p-xy1ene)先質開始並接著 在350°C的溫度下轉化此先質來活化在-15°C吸附及聚合 化在基底上的單體。其反應如下所示：

Λ ξ. 3吨 \y-cSr C — F / Ρ 2-u F

You等人解析來自二醛基-dialdehyde (對醛基-terephthalaldehyde)的先質：

笨環也可（部分的）以標準的齒化作用來氟化。此種 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） —裝------訂 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（4 A7 B7 氣化作用將會降低介電質常數及增加可使用的溫度。 聚對苯二甲撐薄膜也可使用活化單體的二聚體作為 一中間介質產品來沉積。參見Ycm等人及Ddbier等人美 國專利申請號5,21〇,341之反應式： -04

- I* Υ\ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 然而，這些氟化之聚對苯二甲撐（parylene)方法有許多 問題包括先質預備效率不佳及缺乏商業上可獲得之先質 之問題。 發明概述 本發明提供以沉積一薄膜接著直接氟化此薄骐之兩 個步驟以形成氟化聚對苯二甲撐（pa「ylene)及有關之共 聚物薄獏。 本發明的優點包括由一簡單的先質以一較簡單之蒸 氣沉積共聚物薄臈延展氟化直到蒸氣沉積之後。此外， 蒸氣沉積之後之氟化以氟取代氫且一後續薄膜體積的增 加有助於填充狹窄縫隙並免除空隙。-圖例之詳細說明 下列各概要圖係為清晰之目的。 圖la-e為第一較佳實施例及方法各步驟之橫斷面立 視圖； -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） n I 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印裝 A7 B7 ^ " ------- 五、發明説明（5 ) 圖2顯示一沉積裝置； 圖3描述一第二較佳實施例及方法； 圖4a-c顯示第二較佳實施例的連續應用； 圖5a-d說明第三較佳實施例的連續應用； 較佳實施例之說明 嵌入聚合物佳實施例 圖la-e描述在積體電路製造期間絕緣體介電質形 成於金屬線間之第一較佳實施例方法各步驟之橫斷面立 視圖。特別的，由如圖la部分製成的電路開始，包括 在基底102上的多元矽閘極104及場氧化物1〇6，和位 於預金屬層介電質（PMD) 110下’在PMD 110上具金 屬線112-120及延伸過(PMD)ll〇填充金屬的通路122_ 124 °PMD 110可為二氧化矽且包括摻質諸如蝴及雄以 形成BPSG;摻質有助於捕捉移動離子。事實上，PMD nQ 可為一分層的結構以未摻雜的二乳化砍在未摻雜的氧化 物上與閘極和BPSG接觸。金屬線可為鋁質在其頂部及 底部包覆以TiN(氮酸鈦）。金屬線112-120的寬度為 0.25-0.5 # m，高度為 0.7 # m 而線 112-116 間及 118-120 間的間隔僅為0.25-0.5 μ m。因此在金屬線間絕緣體的 介電質常數應儘可能的小以限制電容耦合。 在PMD 110上均勻沉積厚度為0.15-0.25/zm(至少約 為一半的金屬線間最小間隔）的聚對苯二曱撐(parylene) 層130及金屬線112-1202如圖lb所示。注意空隙可能 發生於如所述金屬線112-114間最小間隔的頂部沉積收 縮。同時，如所述在金屬線112-114間的一些最小空隙 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） ---------裝------訂------^ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6 ) 也無法完全的填充。 沉積發生在低壓沉積系統200(約為13毫托）如圖2 所示。系統200具有可用於其它具體實施例共聚物沉積 的能力，且一較簡單的系統可用於此第一較佳實施例。 系統200包括具有兩個活門調節的入口沉積腔202 : — 個供未在本實施例中使用的共單體蒸氣及另一供由在空 腔204中之二聚體昇華導出之聚對苯二甲撐單體接著並 分餾進入融爐206中的單體。聚對苯二曱撐單體在室溫 下為固態且在12CTC時以蒸氣壓力約為13毫托昇華。 保持配管連接及沉積腔202溫度在120°C以上以預防在 其表面液化及聚合化。將基底102冷卻降溫至-25°C且 在曝露之表面將單體共聚合化及共形的生長一未被取代 的聚對苯二曱撐薄膜(PA-N)。加熱裂解爐的溫度約為 660°C。基底102是唯一以足夠的低溫供蒸氣縮合或聚 合曝露給單體的表面。整體的反應式如下：

其次，將共聚物覆蓋之基底於室溫及壓力約為50-1〇〇毫托下曝露40-60分鐘給5%的氟印2)流及95%的氦 (作為稀釋劑）。氟以如下的反應式直接取代在聚對苯二 甲撐薄膜130的脂肪族的及/或芳香族的氫： -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ^衣 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B7 五、發明説明（7 B7

C- f- Ή F ι_

KF 或

—^

HF (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標隼局員工消費合作杜印製 其中X代表氟（F)或氫（H)。 與同樣沉積其介電質常數約為2.7的薄膜130相 較，氟化反應產生隨機二分的芳香族的、脂肪族的、及 非氟的共聚合物薄膜，其介電質常數約為2.3-2.4。此 外，氟化增加薄膜的體積（厚度）大約為20 - 40%，視氟 化的程度而定。薄膜體積的增加將最小間隔的孔隙及空 隙關閉並使得蒸氣沉積中的形成孔隙的問題解除。事實 上，氟擴散至共聚物且其反應產生物主要為HF，擴散 至聚合物外並被抽出。在400°C時的退火將揮發的剩餘 物排出並縮減10%薄膜140的體積。後續的退火將不會 造成進一步的縮減。 形成氟化共聚物140後，以氟-氧基電漿異向性的 回蝕聚合物140使得聚合物僅留在鄰近金屬線和可能為 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 ______________B7__ 五、發明説明（8 ) 一^ 邊牆之間；參看圖Id顯示回蝕之共聚物部分142。 在回蝕共聚物132上以電漿曾增強q^d沉積一厚（大 於1以m)氧化層或氟化的氧化層。最後，使用CMP平 面化沉積的氧化物以留下平面的氧化物15()如圖le^ 不。通路可在氧化物150上形成且另一金屬線層在氧化 物150上形成經由通路往下連接至金屬線112_12〇。氧 化物沉積可經由電漿增強TE〇s(及氟來源）沉積且完成 含有共聚物132及氧化物（氟化的）142的第一中間金屬 層介電質（IMD)。低介電質常數共聚物材料132填充金 屬線間最小的空隙。此完成IMD鄰近於金屬線加（氟化 的）氧化物150 (氟化的氧化物介電質常數約為3 5)的氟 化聚合物142的製造（介電質常數2.3-2.4)。此兩種成份 IMD在最重要區域具有非常低介電質聚合物：在此金 廣線最為緊密。 氟化的程度可用增加聚對笨二甲撐薄膜曝露於氟的 環境的時間或增加溫度來控制取代每一苯環多至四個氟 及連續笨環間兩個碳上多至四個脂肪族氟以產生全氟聚 對本二甲撑聚合物。氟化溫度以低於3 5 °C方便的溫_度 及低於約_大氣壓的壓力。氟化的時間視薄膜的厚度及 氟化的程度和溫度及壓力而定。一完全氟化的全氟聚合 物非常的活性的，因此氟化最好僅氟化約可用位置的 60-70%(每一苯環有四個及連續苯環間四個脂肪族）。 氟化的程度可由量度碳對氟或碳對氫的摩爾比（克分 子比）來決定。氟的取代為隨機的，因此摩爾比通常不 為諸如8/5準確的分數，當聚合化使用一氟化的單體時 -10- 本紙張尺度適用中ii"家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -- C請先閱讀背面之注意事項再填駕本頁) 装. 訂 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 即為一例。例如，一具有四個脂肪族碳的氟化單體，碳 對氟的摩爾比將為8/4。 預備先皙 聚對苯二甲撐N-二聚體為商用可獲得的產品其價袼 少於每克1.00美元。 共聚合物之綈 聚合物的蒸氣沉積較佳實施例方法後續的氟化也可 使用聚合物而非聚對笨二甲撐，包括聚對笨二曱撐的共 聚物具有其它本身可或不可氟化的單體。事實上，—或 多個單體可部分的氟化，且沉積後氟化使得薄膜膨脹及 介電質常數降低。 覆蓋聚合物敕佳實施你丨 圖3描述一第二較佳實施例IMD結構及製造方法。特 別是，開始如同第一較佳實施例並如圖la_b所示在金屬 線上沉積聚對苯二甲撐聚合物130。接著氟化聚合物13〇 以形成如圖lc所述之氟化之聚合物14〇。 接著在氟化之聚合物140上沉積至少約為0 2 #爪厚 的氧化物層150 ;接著以CMP平面化氧化物15〇，見圖3 。氧化物的沉積再次可以電漿增強TE〇s沉積法並完成 中間金屬介電質，在其上含有聚對笨二甲撐聚合物14〇( 介電質常數2.3-2.4)鄰近於金屬線加平面化氧化物15〇( 氟化介電質常數3.5或未摻雜的氧化物為（ο)。因此ΙΜβ 在較重要區域有非f _介電質倾聚合物及強固的平 面氧化騎錢域錯。再料，#直通路經由氧化 物150及氟化聚合物14〇將提供中間層的連接。 拍衣 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 11 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 ___ B7__ 五、發明説明（10 ) 多重金屬層較佳實施例 圖4a-c顯示兩連續金屬層IMD型式第〆較佳實施例 的兩個連續應用。特別是，圖4a顯示在絕緣體402之金 屬線412-420上聚對苯二甲撐-TVTMCTS 430共形的沉 積。金屬線414-420寬約0.25/zm、高約〇.7/zm其間隔為 〇.25em ’金屬線412寬約0.4/zm且代表一為垂直通路連 接加寬的金屬線。再次的，金屬可為鋁質在其頂部及底 部包覆以Τ·ίΝ(氮酸鈦）。 圖牝顯示聚合物432回蝕以填充金屬線間的緊密間 隔並在互相間形成邊牆。圖4b也顯示平面化氧化物450 覆蓋金屬線和聚合物至約為0.7ym的厚度。氧化物450 可為電漿增強沉積同時噴濺以平面化。 圖4c顯示金屬-填充的通路452經由氧化物450連接 第一層金屬線412至第二層金屬線462及其它在氧化物 450上的第二層金屬線464-470。回触的共聚物482(再次 的’聚對笨二甲樓蒸氣沉積、氟化、及退火）填充金屬 線462-470間緊密隔間及在相互間形成邊牆間隔，且平 面化的氧化層490覆蓋第二層金屬線。金屬填充的通路 492將第二層金屬線47〇連接至稍後形成在氧化物49〇上 的第三層金屬線（未顯示）。金屬填充的通路452及492 可經由首先以光蝕刻法樣式化及蝕刻氧化物接著經由覆 蓋沉積加蝕刻或選擇性的沉積填充鎢或以CVD鋁或鋁的 回流覆蓋金屬線來形成。金屬線經由覆蓋金屬沉積接著 光蚀刻法樣式化及異向性的蝕刻來形成。 回填較佳實施例 -12· 本紙張尺度適用中國( CNs ) A4規格（210X297公釐) ~~ 裝 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 —____B7___ 五 '發明説明（11 ) 圖5a-d描述IMD型式兩連續金屬層的一第三較佳實 施例兩個連續應用的橫載面立體圖。事實上，圖5&顯示 在絕緣層510上的金屬線512-520及在金屬線上具平面化 的氡化層530。金屬線514、516、518及520具有最小約 為0.25 的線寬，及線高0.7 ;然而，金屬線512 顯示為使通路易於對準增加寬度約為〇.4#m。在金屬 線對514-516及518-520之金屬線間的空間間隔最小約為 〇·25以m，但其它的間隔稍大。金屬線經由覆蓋金屬沉 積接著光蝕刻法樣式化來形成；金屬可為包覆的鋁質材 料。 光蝕刻法安置最小金屬線間隔並將氧化物5 3〇由最 小間隔蝕刻出。蝕刻可為異向性電漿蝕刻或町相對於金 屬選擇並以金屬線作為橫向的停止蝕刻。可能使用/ ΰ 度蝕刻進入其下之絕緣體510且將有助於壓制金肩，線_ 條紋電場。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ---------'裝------灯 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在蝕刻氧化物後，如前所述共形的沉積聚對客/甲 撐聚合物540。共形沉積的厚度至少為0.125 將填充 除了可能隙孔外最小的空間間隔；且較厚的沉積將在最 小間隔上產生較為粗糙的平面，圖5b描述一約為 的沉積。接著以前述方法氟化聚對苯二甲撐|退火° 圏5c顯示一聚合物540的回蝕以僅在最小空間間隔内 留下聚合填充物542。在聚合物回蝕後，沉積約為0·5〆 m的氧化物550。另一方面，在氟化之前執行聚合物的 回飯；此狀況下聚對苯二甲撐因氟化脹大玎補償’法過 度钱刻。 _ -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（12) 金屬層的完成係以光蝕刻來定義及蝕刻氧化物530-550中通路至金屬線的寬廣部分（諸如金屬線512);接著 可以選擇性的金屬沉積或覆蓋沉積和蝕回填充通道。通 道可以鎢的阻隔層來填充。此金屬填充的通路560提供 一與方才所述金屬層同樣方式形成的第二金屬層；參考 圖5d所示。另一項選擇為填充通路560的沉積金屬層方 式且將之樣式化來形成第二層金屬線的單一步驟。此可 為任何共形的金屬沉積方法諸如化學蒸氣沉積或一金屬 回流諸如鋁；可起始沉積一非必須的喷濺阻隔金屬層。 應用 前述介於金屬（或其它導體）線間的共聚物可用於不 同型式的積體電路。例如，D_有許多組的長平行導體 線諸如位元線、字元線帶、位址及資料匯流排等，且共 聚物確保粘著和縫隙填充降低在該等平行線組的電容性 辆合。氟化共聚物可直接置於電晶體（例如在圖1C的金 屬線112-114間）或平版印刷在電晶體上（例如在圖lc的 金屬線118-120間）或在其它金屬線之上方或下方。 修訂 在蒸氣沉積後可以氟化來作聚合物的修訂而仍保持 其大多數的特性。 例如，一非常薄共形的氧化物粘著/阻隔層可於沉 積聚對笨二甲撐（或其它共聚合物）之前先行沉積。 更甚者，氧化物沉積後續的CMP可以其它的平面化 方法來取代。實際上，在如圖la-d(第一較佳實施例）或 圖la-c(第二較佳實施例）所示之步驟後接著另一添加玻 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. -*δ 域 五、發明説明（13 璃纖維之方法但接著以添加 沉積加cpm平面化。特別是螭纖維平面化取代氧化物 一約為的厚度將會填^氫娃倍半廢（_至 合物之間曝露的PMD或低窪沾氐窪的部为(在邊牆聚 及聚合物結構上將僅會有G(^合物）且在狹窄金屬線 要的平面化。 ·〇5心的厚度。此提供了主 ”接著固化HSQ並沉積—（氧化氟）薄層在HSQ上。此 "u積可為電聚增強並在平面化條件下（高偏壓）或諸如 CMP的平面化或可使用防回姓如果需求為高平面率。 完整的IMD由鄰近金屬線氟化之聚合物（介電質常數約 為2.3-2.4)、橫向間填充HSQ(介電質常數約為3 〇)、及( 氟化的）氧化物（氟化之氧化物介電質常數大約 伸至下一金屬層來達成。 可使用另一添加玻璃纖維之方法並包括一回蝕使得 介電質層變薄。特別疋可元全移去在金屬線上聚合物的 添加玻璃纖維且僅留下在金屬線組間的縫隙及低窪區 ---------批衣------1T------h (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標隼（CMS ) A4規格（210x297公釐）

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 I -種形成㈣電路絕緣材料的方法，包括下列 a) 在部分製成的積體電路上沉積一（共）聚 及 n以 b) 將氟取代該（共）聚合物。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中 a)該（共）聚合物包含聚對苯二甲樓。 3. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，更包括下列步驟·· a) 蝕刻該氟化之（共）聚合物；以及 b) 在5玄姓刻的氟化之（共）聚合物上形成一絕緣層。 4. 一積體電路絕緣層，包含： a)鄰近導線間之（共）聚合物，該（共）聚合物之氟内含 物由聚合化作用後之氟化所特性化。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 絮- 、va 經濟部中央標準局属工消費合作社印袈 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐）