TWI296611B - Manufacture of porous diamond films - Google Patents

Description

1296611 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明大致有關微電子裝置領域，更明確地說，本發 明有關製造顯示低介電常數與高機械強度之多孔鑽石膜的 方法。 【先前技術】 § 微電子裝置通常包括導電層，諸如金屬連線，係以諸 如中間介電（ILD )層之介電層將此等金屬連線彼此隔離 。當裝置部件收縮時，位於裝置之各層上的金屬線間的距 離縮小，因此該裝置的電容可能提高。電容提高可能會造 成諸如RC延遲與電容耦合信號（亦習知爲串話）等不良 影響。 爲了克服此一問題，目前使用介電常數較低之絕緣材 料（稱爲低k介電質）替代二氧化矽（及介電常數較高之 # 其他材料），形成隔開該等金屬線之介電層（ILD )。不 過，許多目前使用的低k ILD材料之機械強度低，其可能 造成後線晶圓處理期間（諸如組裝與封裝操作）的機械與 結構問題。 已知鑽石膜展現非常高之機械強度。不過，以諸如化 學氣相沉積等方法所澱積之鑽石膜的介電常數通常約5 · 7 。希望可以提供顯示兼具低k介電常數與高機械強度之鑽 石膜，以供製造微電子裝置使用。 (2) 1296611 【發明內容】 本發明揭示一種形成微電子結構之方法。此方法包括 在一基板上形成一層鑽石層，其中該鑽石層的一部分包括 瑕赃；然後藉由去除該鑽石層的瑕庇，在該鑽石層中形成 孔。 【實施方式】 # 在下列詳細說明中，請參考以圖解方式顯示實施本發 明之特定實施例的圖式。此等實施例說明得相當詳細，使 得熟悉本技術之人士得以實施本發明。須暸解，本發明各 實施例雖然不同，但不一定互相排斥。例如，本文所述之 與一實施例相關之特定部件、結構或特性，在不違背本發 明精神與範圍之下，於其他實施例中亦可實現。此外，須 暸解在不違背本發明精神與範圍之下，每個揭示之實施例 中個別元件的位置或配置均可修改。因此，下列詳細說明 • 無限制意義，僅由附錄之申請專利範圍界定本發明範圍， 其係與申請專利範圍所界定之同等物全部範圍一同做適當 解釋。該等圖式中，相似數字在數個圖中係指相同或相似 功能。 茲說明形成微電子裝置之方法與相關結構。此等方法 包括在一基板上形成一鑽石層，其中該鑽石層包括有瑕疵 ’然後自該鑽石層去除該等瑕疵，於該鑽石層中形成孔。 自該鑽石層去除瑕疵可以製造具有高度強度之低k介電 ILD材料，可以承受後續之組裝與封裝操作，不會產生機 (3) 1296611 械失效。 圖la-lc圖示說明形成包括低介電常數且高機械強度 I» 之鑽石層的方法與相關結構的實施例。圖1 a圖示說明基 板1 0 0 —部分之橫剖面。基板1 0 0可包括諸如但不局限於 矽、絕緣體上矽、鍺、銦、銻化物、碲化鉛、砷化銦、磷 化銦、砷化鎵、銻化鎵或其組合物等材料。 鑽石層102可在基板100上形成（圖lb)。可使用本 • 技術中習知適於沉積鑽石膜之習用方法形成鑽石層102， 該等方法係諸如化學氣相沉積（CVD )。在一具體實施例 中，該處理壓力可在約10至100托耳範圍內，溫度約300 至900度，功率介於約l〇kW至約200kW。電漿產生之方 法包括DC輝光放電、熱絲輔助CVD與微波強化CVD。 在一實施例中，烴氣諸如 CH4、C2H2、富勒烯（ fullerenes)或固態碳氣前驅體可用於形成該鑽石層1〇2， 以CH4 (甲烷）爲佳。該烴氣可以相對於氫氣濃度混合至 # 少約10百分比之濃度與氫氣混合，其濃度係約1 〇百分比 或以上之烴濃度通常形成在一種鑽石層102，於該鑽石層 1 02晶格中可能包括相當大量瑕疵1 〇6，諸如本技術習知 之雙鍵l〇6a、空隙原子106與空穴106c (圖lb)。熟悉 本技術之人士明白，瑕疵106可包括該晶格中任何非sp 3 類型之鑽石鍵結以及任何不規則形式，諸如石墨或碳之非 鑽石形式。 本發明之鑽石層102可包括介於該鑽石層102之晶格 的原子103間的鍵結類型混合物。該鑽石層102可包括雙 (4) 1296611 鍵106a (熟悉本技術之人士亦習知其爲sp2型）鍵結與單 鍵104 (熟悉本技術之人士亦習知其爲sp3 )之混合物。 本發明之鑽石層1 0 2包括的瑕疵1 0 6百分比比先前技術高 (即，瑕疵1 06之數量自約1 0百分比至高於約60百分比 )，先前技術的「純種」鑽石層702 (圖7 )通常包括佔 優勢之sp3型鍵結（即，以單鍵704鍵結在一起的碳原子 703 )，且通常包括少量其他類型之瑕疵。 • 通常可以選擇性自鑽石層102去除或蝕刻該瑕疵1〇6 。在一實施例中，瑕疵106可使用例如氧化處理去除之。 此種氧化處理可包括使用分子氧並將該鑽石層102加熱至 低於約攝氏450度之溫度實施。亦可使用本技術已知之使 用分子氧與快速熱處理（RTP )設備的其他氧化處理。亦 可使用本技術習知之氧及/或氫電漿去除鑽石層102的瑕 庇 1 0 6 〇 藉由自鑽石層102晶格選擇性鈾刻該瑕疵106可以形 # 成孔1〇8 (圖lc )。孔108可包括在晶格中之漏失原子或 空穴簇。由於該氧化及/或電漿去除方法會去除或蝕刻鑽 石層102中之瑕疵，但是只輕微蝕刻鑽石層102之單鍵 104，故藉由選擇性去除晶格中之大量瑕疵106形成該等 孔。由於孔1 08係介電常數接近1之晶格中的空位，所以 孔108會降低鑽石層102的介電常數。 形成孔108之後，鑽石層102的介電常數可能低於約 2.0，在一實施例中，較佳係低於1.95。多孔鑽石層102 中存有剛性sp3鍵可以提供使具有低介電常數多孔膜的^ (5) 1296611 純種」鑽石層具備高機械強度的好處。多孔鑽石層102的 強度模數可包括高於約6GPa之値。因此，本發明方法藉 < 由在該鑽石晶格中導入孔隙、空位與其他此種內部不連續 ，可以形成低介電常數且高機械強度之鑽石層102。 圖2說明根據本發明另一實施例之方法的流程圖。步 驟210中，於一基板上形成第一鑽石層，其中該第一鑽石 層包括許多瑕疵，與圖lb之鑽石層102相似。步驟220 φ 中，藉由選擇性蝕刻自該鑽石層去除該等瑕疵。步驟23 0 中，在第一鑽石層上形成包括瑕疵的第二鑽石層。步驟 240中，自第二鑽石層去除該等瑕疵。可以根據特定設計 需求，藉由改變沉積次數與蝕刻次數調整鑽石層102之介 電常數。 熟悉本技術之人士會暸解，可於一集結式機台（ cluster tool) 300之沉積室310(圖3)中沉積第一鑽石層 。然後可於該室式機台的獨立氧化室320中成去除第一鑽 Φ 石層的瑕疵。以此種方式可以精確控制鑽石層1 02的厚度 與孔隙率，以產生具有特定應用所需之介電常數及機械強 度的鑽石層102。或者，亦可在同一處理室中進行形成與 瑕疵去除處理步驟。任一情況中，均可以調整處理變數， 諸如於沉積步驟期間介於該烴氣與該氫氣間的比例以及該 去除步驟期間的蝕刻時間，以提供更符合根據特定設計考 量處理的晶格。 圖4 a-4e說明本發明另一實施例。圖4a圖示說明與圖 1 a相似之基板1 00的基板4 1 0 —部分之橫剖面圖。然後， -8- (6) 1296611 在基板410上形成第一鑽石層420(圖4b)。 420可包括sp2型鍵結（雙鍵）與sp3型鍵結 混合物。第一鑽石層420可包括表面部分425 用以形成前述鑽石層1 02所用之相似處理條件 石層4 2 0。 可以藉由提高形成期間所使用之電漿中的 百分比來提高第一鑽石層420中之sp2型鍵結 # 一鑽石層420之介電常數會隨著該氣體混合物 比提高而下降，此係由於第一鑽石層420中之 提高所致。例如，烴氣體約3 0個百分比時， 約2.0，而且會隨著該烴百分比進一步提高而 到的介電常數當然會視特定應用的沉積條件而 施例中，第一鑽石層420的厚度可自約5nm至 但其視特定應用而定。 將第一鑽石層420沉積於基板410之後， 鲁知一般，使第一鑽石層420曝於氫電漿下。該 先蝕刻第一鑽石層420中之sp2鍵結以及任何 瑕疵（如前述），自第一鑽石層42 0之表面部: 大量sp2鍵結。以此種方式，第一鑽石層420 425係轉變成實質上無sp2之鑽石層430，其 無sp2之鑽石層43 0的鍵結主要包括sP3鍵結 或者，可以使用例如CVD法在該第一鑽石層 該實質上無sp2之鑽石層430。 然後在第一鑽石層420上沉積第二鑽石層 第一鑽石層 (單鍵）的 。可使用與 形成第一鑽 烴氣對甲烷 百分比。第 中烴之百分 sp2型鍵結 該介電常數 降低。所達 定。在一實 約 1 0 0 n m， 如本技術詳 氫電漿會優 其他類型之 分425去除 的表面部分 中該實質上 (圖 4 c ) 〇 420上形成 440 (圖 4d (7) 1296611 )。該第二鑽石層440較佳係包括sp2鍵結與sp3鍵結之 混合物，與第一鑽石層420相似。可在該第二鑽石層440 上形成其他實質上無sP2鑽石層（未圖示），以此種方式 可以形成一組富含sp2鑽石層45 0與富含sp3鑽石層460 之交替層（圖4e)。 如此，本實施例可以形成層狀鑽石結構470，因富含 sP3層賦予根據本發明方法形成之鑽石層強度之故，其具 • 有低介電常數與高機械強度之優點。 圖5說明本發明此實施例之方法的流程圖。於步驟 510中，在一基板上形成包括sp2與sp3鍵結混合物的第 一鑽石層。於步驟520中，在該第一鑽石層上形成實質上 無sp2之鑽石層。於步驟530中，在該實質無sp2之鑽石 層上形成包括sp2與sp3鍵結混合物之第二鑽石層。於步 驟540，在第二鑽石層上形成實質上無sP2之鑽石層。 圖6 a圖不說明本發明一實施例之微電子結構。可將 修一中間層介電質（ILD) 620置於包括諸如電晶體、金屬 連線等各種電路元件的導電層610上。該ILD 620可包括 與圖1 c之鑽石層1 02相似的多孔鑽石層，及/或其可包括 與圖 4e之層狀鑽石結構470相似的層狀鑽石結構。 ILD620的介電常數可能約爲1.95或以下，且其機械強度 可能大於約6 G P a。 可以對ILD620施用氫電漿65 0。氫電漿65 0的作用 係中斷或鈍化存在ILD620表面之懸垂鍵。如本技藝中已 知者且於本文將進一步說明，可以體認到經氫鈍化之鑽石 -10- (8) 1296611 表面（諸如經鈍化上表面622 (圖6b ))顯示極低 係數，其隨後可以促進後續之拋光處理步驟，諸如 械拋光（CMP)處理。 可以在ILD620中形成溝道625。可在ILD620 625內以及經鈍化上表面622上形成導電層63 0 ( 。該導電層630較佳係包括銅。可對該導電層630 如CMP處理之拋光處理。由於ILD620包括經鈍化 φ 622，故介於該導電層630與該ILD620間之選擇性 率差異）極高，在一實施例中可能大於100:1。該 之經鈍化上表面622的其他優點係，由於該經鈍化 的摩擦係數低，於CMP處理期間所使用之CMP墊 替換之前可使用的時間變長。 如前述，本發明描述顯示低介電常數（低於約 較佳機械強度的鑽石層的形成方法。因此，本發明 膜可以製造堅固的微電子結構，其強韌到足以承受 • 學機械拋光（CMP )與組裝處理期間之處理與封裝 的應力。 雖然前述說明已指出可用於本發明方法之特定 材料’但熟悉本技術之人士明白可以進行許多修正 。因此，希望所有此等修正、選擇方案、替代方式 均視爲附錄申請專利範圍所界定之本發明精神與範 此外’已知本技術中詳知各種微電子結構，諸如中 電質氧化物。因此，本文所提供之圖式僅說明屬於 實務之範例微電子結構。因此，本發明不局限於本 ,之摩擦 化學機 的溝道 圖6 d ) 施加諸 上表面 (拋光 ILD620 上表面 在需要 2)且 之鑽石 諸如化 所導入 步驟與 與替代 及添加 圍內。 間層介 本發明 文所述 -11 - (9) 1296611 之結構。 【圖式簡單說明】 雖然本說明書係以特別指出且明確主張被視爲本發明 之申請專利範圍作爲總結，但是由結合附圖閱讀本發明下 列說明更容易明白本發明的優點，此等附圖中： 圖la-lc表示本發明一實施例之結構。 Φ 圖2表示本發明一實施例之流程圖。 圖3顯示本發明另一實施例之集結式機台（cluster tool) ° 圖4a-4e表示本發明另一實施例。 圖5表示本發明另一實施例之流程圖。 圖6a-6e表示本發明另一實施例。 圖7表示先前技術之結構。 # 【主要元件符號說明】 425 :表面部分 43 0 :鑽石層 440 :第二鑽石層 45 0 :富含sp2鑽石層 460 :富含sp3鑽石層 470 :層狀鑽石結構 5 1 〇 :步驟 5 2 0 :步驟 -12- (10) 1296611 5 3 0 :步驟

5 4 0 :步驟 610 :導電層 620 ： ILD 622 :經鈍化上表面 625 :溝道

6 3 0 :導電層 650 :氫電漿 702 :鑽石層 7 〇 3 :碳原子 704 :單鍵

Claims (1)

1296611十、申請專利範圍

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附件2Α :第94 1 1 05 3 9號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國96年10月26日修正 1 · 一種在基板上形成多孔鑽石膜之方法，其包括： 在一基板上形成一層鑽石層，其中該鑽石層包括瑕疵 # ;以及 藉由去除該鑽石層中大量的瑕疵，以在該鑽石層中形 成孔。 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中在該鑽石層 中形成孔係包括藉由在該鑽石層中形成孔，降低該鑽石層 的介電常數。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中在一基板上 形成鑽石層係包括使用化學氣相沉積法在一基板上形成鑽 石層。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中在一基板上 形成鑽石層係包括使該基板曝於包括烴與氫之氣體中，其 中該烴濃度比氫濃度高約1 0%。 - 5 ·如申請專利範圍第4項之方法，其中使該基板曝 於包括烴之氣體係包括使該基板曝於一種包括甲烷的氣體 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中在一基板上 形成鑽石層係包括在一基板上一層鑽石層，其中該鑽石層 1296611 包括雙鍵、空穴或空隙中至少一者。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中自該鑽石層 去除瑕疵係包括自該鑽石層蝕刻該等瑕疵。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中蝕刻該等瑕 疵係包括在低於約攝氏450度之溫度下使該等瑕疵曝於氧 氣中。 9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中蝕刻該等瑕 疵係包括使該等瑕疵曝於氧氣下，並使用快速熱退火處理 〇 1 〇 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中鈾刻該等瑕 疵係包括使該等瑕疵曝於氫電漿或氧電漿中至少一者。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項之方法，其中使該等瑕 疵曝於氫電漿係包括藉由使用氫加以鈍化該鑽石層的上表 面，降低該鑽石層上表面的摩擦係數。 1 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該鑽石 層係包括於一集結式機台（cluster tool)之沉積室中形成 該鑽石層。 1 3 ·如申請專利範圍第丨項之方法，其中在該鑽石層 中开成孔係包括於一集結式機台（c 1 u s t e r t ο ο 1 )之氧化室 中在該鑽石層中形成孔。 14·如申請專利範圍第1項之方法，其另外包括： 在一集結式機台（cluster tool)之沉積室中於該鑽石 層上形成第二鑽石層；以及 在一集結式機台（cluster tool)之氧化室中於該第二 -2- 1296611 鑽石層上形成孔。 1 5 . —種在基板上形成多孔鑽石膜之方法，其包括： ^ 在一基板上形成第一鑽石層，其中該第一鑽石層包括 sp2鍵結與sp3鍵結之混合物；以及 使該第一鑽石層曝於氫電漿，其中會大致去除第一鑽 石層表面部分的sp2鍵結。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項之方法，其中形成第一 φ 鑽石層係包括使用所包含之甲烷濃度比氫濃度高出約1 0% 的電漿形成第一鑽石層。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之方法，其中使該第一 鑽石層曝於氫電漿係包括使第一鑽石層曝於氫電漿下，使 第一鑽石層表面部分轉變成形成實質上無sp2鑽石層。 1 8 ·如申請專利範圍第1 5項之方法，另外包括藉由 使用所包含之甲烷濃度比氫濃度高出約1 〇%的電漿，形成 配置在該實質上無sp2之鑽石層上的第二鑽石層，其中該 ^ 第二鑽石層包括sp2與sP3鍵結之混合物。 19. 一種多孔鑽石膜，其包括： 一層包含大量孔的鑽石層。 20 ·如申請專利範圍第1 9項之鑽石膜，其中該鑽石 . 層之介電常數低於約1.95。 2 1 ·如申請專利範圍第1 9項之鑽石膜，其中該鑽石 層的強度筒於約6 G P a。 22·如申請專利範圍第19項之鑽石膜，其中該鑽石 層包括一層ILD層。 -3- 1296611 ^ 23· —種多孔鑽石膜，其包括： 一層鑽石層，其包括sp2鍵結與sp3鍵結之混合物； 以及 在該鑽石層上配置實質上無sp 2之鑽石層，其中該實 質上無sp2鑽石層包括sp3鍵結。 24.如申請專利範圍第23項之鑽石膜，其中該實質 上無sp2之鑽石層不包括可察覺量之sp2鍵結。 • 25·如申請專利範圍第23項之鑽石膜，其中該鑽石 膜的介電常數低於約 1.95，且強度大於約6 GPa。 26·如申請專利範圍第23項之鑽石膜，其中該鑽石 膜包括一層ILD層。 27· —種在基板上具有多孔鑽石膜的結構，其包括： 一層配置在一基板上之導電層；以及 一層配置在該導電層上之鑽石層，其中該鑽石層包括 孔。 ® 28.如申請專利範圍第2 7項之結構，其中該鑽石層 包括一 ILD。 29.如申請專利範圍第27項之結構，其中該鑽石層 的介電常數低於約1 · 9 5。 . 3 0.如申請專利範圍第27項之結構，其中該鑽石層 的強度高於約6 GPa。 3 1.如申請專利範圍第27項之結構，其中該鑽石層 的拋光率係導電層的拋光率約1〇〇倍。 < S ) -4-