TW401618B - Manufacture method of the dielectrics and the structure thereof - Google Patents

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401618 五、發明說明（1) 發明領域 本案 一種介電層之製作方法及結構，尤指應用於一 内金屬介電層（inter-metal-dielectric IMD) 之製作方 法及結構。 發明背景 在積體電路I C的製程中，金屬與金屬線間的距離 越 短越好以增加繞線密度，金屬與金屬線間的寄生電容越小 越好以增加工作速度及減少功率消耗。目前的趨勢 尋找 及 究低介電質常數的材料以填充於金屬與金屬線間的間 隙及分隔上下兩層的金屬線。如此可以減少金屬與金屬線 間的距離而不會增加金屬與金屬間的寄生電容以符合超大 積體電路的要求。 隨著元件的尺寸越來越小，且對於低介電物質常數的 材料要求也越來越高。根據IEEE Transations on Electron Devices, Vo 1. 44. No. 11. November 1997 page 1965-1971記載，目前使用介電物質Si02和Si02 (F) 運用於0.35um的大型半導體積體電路VLSI製程其介電常數 要求 在3 - 3 . 7，未來預測運用高分子/氣膠/空氣 (polymer/aerogels/air)將可使介電常數值達到1-2以符 合0.25um以下的VLSI製程技術，尤其空氣幾乎 介電常數 最小可能值，如果以空氣填充介電層將使介電常數變小。

C:\Program Files\Patent\pdl519. ptd 第4頁 401618 五、發明說明（2) 因此，本案目的即在提供一種以空氣作為金屬内介電 層（inter metal dielectrics IMD)的製作方法與結構以. 符合未來的製程需求。根據傳統，金屬内介電層I M D的製 作，常採用旋轉塗佈方式將介電材料覆蓋在半導體基板 上，如圖一所示，本案將提出一種簡單的改良方法，有效 的運用空氣以降低介電層之介電常數。 概述發明 本案係為一種介電層之製作方法包含：a)提供具一凹 部之一半導體基板，以及b)使一介電物質形成於該半導體 基板上，並使該凹部免於沾染該介電物質。 根據上述構想其中該步驟b )係以一氣體填充於該凹部之 中而形成該介電層，其中該氣體係為空氣。其中該介電物 質為一液體狀介電物質，該液體狀介電物質係為hydrogen silsesquioxane (HSQ)。該凹部係由半導體基板表面之金 屬導線間所形成，根據上述其中該凹部也包含複數個凹 部。 上述該步驟b)進一步包含：bl) —黏度調整方法，b2) 一傾斜流動方法，b 3 ) —模版流動方法，以及b 4 ) —模版成 形方法。 上述其中該b 1 )黏度調整方法包括：b 1 1 )使用一溶劑 調配該介電物質形成一溶液，該溶液的表面張力會因小於 凹部内壓力阻止該溶液進入該凹部，b 1 2 )塗抹該溶液於該

C:\Program F i1es\Patent\pdl519. ptd 第5頁 401618 五、發明說明（3) 半導體基板上形成一介電膜層，以及bl3)烘乾固定該介電 層膜。 上述其中該b 2 )傾斜流動方法包括：b 2 1 )使該半導體 基板呈一傾斜角度，b22)塗抹該液狀介電物質於該半導體 基板上，使該液狀介電物質產生流動且不沾染該凹部而形 成一介電層膜，以及b23)烘乾固定該介電層膜。其中該傾 斜角度為該半導體基板與水平面之夾角q，其範圍可從0度 到1 8 0度’由其該傾斜角度為垂直（9 〇度）。 上述其中該步驟b3)模版流動方法包括：b31)使該半 導體基板呈一傾斜角度；b32)使用一模板與該半導體基板 之表面形成一間隙；b3 3)將一液狀介電物質滲入該間隙中 以形成一介電層膜；b34)烘乾固定該介電層膜；以及b35) 脫除該膜板。其中該模板係塗抹一高分子膜，其中該高分 子膜係為聚醯亞胺polyimide。 上述該步驟b 4 )模版成形方法包括：b 4 1)塗抹該液狀 介電物質於一模板上；b42)將該半導體基板具電路的一面 倒置於該磨板上，以形成一介電層膜，以及b4 3 )烘乾固定 該介電層膜。其中該模板係塗抹一高分子膜，其中該高分 子膜係為聚醯亞胺ρ ο 1 y i m i d e。 根據上述該介電層係為一内金屬介電層 (inter-metal-dielectric) ° 本案之半導體結構包括：一半導體基板，其上具一凹 部；以及一介電層形成於除該凹部以外之該半導體基板 上，該凹部係由一氣體填充。該氣體係為一空氣。其中該

C:\Prograra Files\Patent\pdl519. ptd 第 6 頁 401618 五、發明說明（4) 凹部係由複數個金屬導線所形成。該介電層係為一内金屬 介電層（inter-metal-dielectric)。該凹部亦包含複數個 凹部。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得一更深入之了 解： 一 二三四五六 圖圖圖圖圖圖 之 例 施 ο {貫 法作 方製 佈層 塗電 轉介 旋之 用案 習本 二三 之之 例例 施施 {貫{貫 作作 ^製 層層 電電 介介 之之 案案 本本 圖 面 ο 剖t Μ性 Ε 恃 S 4 造離 構隔 層層 電電 介介 之之 案案 本本 想 構 與施號 案實圖 本之要 較案主 比本式 • · · · 劳勁 七八 圖圖 線 I 線 /(V 容 電 生 寄 之 用 習 下 如 質 物 電 介 板狀板 基液磨 線 導 屬 金 板 基 體 膜導 子半 分： 高10 係 電 介 低 降 以 物 圖充 旋填 :一 ο 之 3 J 層 電 介 當 充 氣 空 使 盤了 轉為 ο 2 明圖 說’ 下圖 如二 ，第 行見 進參 法請 方 的 施一 實C 易法 且方 單之 簡例 一施 以實 案案 本本 數 直作 垂力 入重 > 2 滴因線 後，屬 釋f3金 #夂 過:^面 -電 經、表 ，介的 狀 3^1 質液板 物該基 電得該 介使過 狀，經 液10， 將面動 係表流 ，板下 份基往 部體直 觀導垂 巨半使 上 的用 圖 如 C:\Program Files\Patent\pdl519. ptd 第7頁 4〇ms 五、發明說明（5) 二（b )微觀部份。此方法之特點必須利用一溶劑來控制該 液狀介電物質3之特性，以避免金屬線2間該凹部沾染該介 電物質。該液狀介電物質3之特性如：表面張力，接觸角， 密度，黏度，與該金屬線2之間距，使所構成的凹部内的 氣體壓力足以阻擋該介電物質3進入該凹部，同時要避免 產生毛細虹吸現象使該液狀介電物質3被吸入該凹部之 中，因此要特別控制其黏度及表面張力以防沾染該凹部。 本案實施例之方法（二），如圖三所示，藉助一模板— 5來成形，先將一液狀介電物質塗佈3在該模板5上，該模 板5已塗上一高分子膜4當作保護以利於成形後脫膜，如圖 三（a)步驟一所示，再將半導體基板1具一金屬線路2 —邊 倒置於該液狀介電物質3之上，經過烘乾定形後移除該模. 板5和該高分子膜4，如圖三（b )步驟二所示，其.金屬線2中 間的凹部充滿空氣。 本案實施例之方法（三），如圖四所示，步驟（a ) 步驟一，係使該半導體基板呈一傾斜角度Θ，用一模板5 與該半導體基板1具金屬2之表面形成一間隙，將一液狀介 電物質3滲入該間隙中以形成一介電層膜，烘乾固定該介 電層膜，步驟（b )所示脫除該膜板後平放。其中該模板5 事先塗抹一高分子膜4，其中該高分子膜係為聚醯亞胺 polyimide。圖五所示為根據本案之方法（三）在400 °C處 理所做的介電層剖面構造之SEM圖，該介電層膜厚度僅數 百埃（angstrom)顯見本法之實用性甚高。 - 如圖六所示為本案之絕緣特性，隨著電壓v ο 11 age增

C:\Program Files\Patent\pdl519. ptd 第8頁 五、發明說明（6) 加其漏電流leakage current變化情形，顯見其線與線的 絕緣效果極佳。圖七所示，為線與線之間各材質所形成的_ "電層寄生電谷’本案 14. 4fF/mm 0.5/0. 7mm width spacing顯然低於 Si〇F ILD 為 71. 3fF/mm 0.6mm width spacing 表示其阻絕效果佳。 如圖八所示’本案實施之設計構想之一，可將半導體 基板垂直於含有F0X之溶液中，然後由上而下將，F〇x溶液塗 覆在該基板表面’其餘溶液可以回收再處理利用。 . 由上述之圖解及說明，舉凡以一氣體使半導體表面之凹部 形成介電層，即為本案之構想。本案得由熟悉本技藝之人 士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所 欲保護者。

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Claims (1)

1. 401618 案號 87115851 年 ^年>月//日修正/更正/補充 月 曰 修正 六、申請專利範圍 b 1 2 )塗抹該溶液於該半導體基板上形成一介電膜層； 以及 b 1 3 )烘乾固定該介電層膜； 9 ·如申請專利範圍第7項所述介電層之製作方法，其中該 b 2 )傾斜流動方法包括： b2 1 )使該半導體基板呈一傾斜角度； b 2 2 )塗抹該液狀介電物質於該半導體基板上’使該液 狀介電物質產生流動且不沾染該凹部形成一介電層膜；以 及 b23)烘乾固定該介電層膜。 1 0 .如申請專利範圍第9項所述介電層之製作方法，其中 該傾斜角度為該半導體基板與水平面之夾角q，其範圍從0 度^^0度。 如申請專利範圍第1 〇項所述介電層之製作方法，其中 角度係為垂直。 申請專利範圍第7項所述介電層之製作方法，.其中 驟b3)模版流動方法包括： " b3 1 )使該半導體基板呈一傾斜角度； b3 2 )使用一模版與該半導體基板之表面形成一間隙； b3 3)將一液狀介電物質滲入該間隙中以形成一介電層 膜 b3 4 )烘乾固定該介電層模；以及 b35)脫除該膜版。 13 如申請專利範圍第1 2項所述介電層之製作方法，其中

   第11頁 2000. 02. 10. 005 401618 六、申請專利範圍 1·一種介電層之製作方法包含： a) 提供具一凹部之一半導體基板；以及 b) 使一介電物質形成於該半導體基板上，並使該凹部 免於沾染該介電物質。 2 ·如申請專利範圍第1項所述介電層之製作方法，其中該 步驟b )係使一氣體填充於該凹部之中形成該介電層。 3 ·如申請專利範圍第2項所述介電層之製作方法，其中該 氣體係為空氣。 4 ·如申請專利範圍第1項所述介電層之製作方法，其中該 介電物質為一液體狀介電物質。 5 .如申請專利範圍第4項所述介電層之製作方法，其中該 液體狀介電物質係為hydrogen silsesquioxane (HSQ)。 6 ·如申請專利範圍第1項所述介電層之製作方法，其中該 凹部係由半導體基板表面之金屬導線間所形成。 7 ·如申請專利範圍第1項所述介電層之製作方法，其中該 步驟b)進一步包含： b 1 ) —黏度調整方法； b 2 ) —傾斜流動方法； b 3 ) —模版流動方法；以及 b 4 ) —模版成形方法。 8 ·如申請專利範圍第7項所述介電層之製作方法，其中該 b 1 )黏度調整方法包括： b 1 1 )使用一溶劑調配該介電物質形成一溶液，該溶液 所形成的一表面張力將不足使該溶液進入該凹部；

   C:\Program Files\Patent\pdl519. ptd 第10頁 401618 案號 87115851 年 ^年>月//日修正/更正/補充 月 曰 修正 六、申請專利範圍 b 1 2 )塗抹該溶液於該半導體基板上形成一介電膜層； 以及 b 1 3 )烘乾固定該介電層膜； 9 ·如申請專利範圍第7項所述介電層之製作方法，其中該 b 2 )傾斜流動方法包括： b2 1 )使該半導體基板呈一傾斜角度； b 2 2 )塗抹該液狀介電物質於該半導體基板上’使該液 狀介電物質產生流動且不沾染該凹部形成一介電層膜；以 及 b23)烘乾固定該介電層膜。 1 0 .如申請專利範圍第9項所述介電層之製作方法，其中 該傾斜角度為該半導體基板與水平面之夾角q，其範圍從0 度^^0度。 如申請專利範圍第1 〇項所述介電層之製作方法，其中 角度係為垂直。 申請專利範圍第7項所述介電層之製作方法，.其中 驟b3)模版流動方法包括： " b3 1 )使該半導體基板呈一傾斜角度； b3 2 )使用一模版與該半導體基板之表面形成一間隙； b3 3)將一液狀介電物質滲入該間隙中以形成一介電層 膜 b3 4 )烘乾固定該介電層模；以及 b35)脫除該膜版。 13 如申請專利範圍第1 2項所述介電層之製作方法，其中

   第11頁 2000. 02. 10. 005 六、申請專利範圍 該模板係塗抹一南分子膜。

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   其中 其中 其中 六、申請專利範圍 2 3 .如申請專利範圍第2 0項所述 該凹部係由複數個金屬導線所形成g 2 4 ·如申請專利範圍第2 0項所述分^ ' 該介電層係為一内金屬介電層 (inter-metal-dielectric) 〇 2 5 ·如申請專利範圍第2 0項所述 該凹部包含複數個凹部。 1 III 第13頁 C:\Program F i1es\Patent\pd1519.ptd