专利名称：一种低介电常数绝缘薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于集成电路材料技术领域，具体涉及一种低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜 及其制备方法，该薄膜可用于集成电路制造中。
背景技术：
随着集成电路的不断发展，金属布线层间距及线间距的减小，电路的互连寄生电容随 集成电路集成度的提高和特征尺寸的减小而迅速增大。互连延迟(RC delay)也因互连寄 生电容的迅速增大而增大，限制了集成电路的运算速度与噪声容限，同时引起电路动态功 耗的增大。在超大规模集成电路中，用低介电常数(低k)薄膜代替传统的Si02 (k=4.0) 作为绝缘介质薄膜可以有效地减少互连寄生电容，从而使电路互连延迟降低。因此许多研 究人员一直在探索一些低介电常数的薄膜。目前国内外研究较多的低介电常数薄膜有含氟 氧化硅(SiOF) [l]、含有机物氧化硅(SiCOH) [2]以及一些有机聚合物[3]等，但是这些 产品或存在生产方法复杂、成本偏高的问题，或存在电学、热学、力学性能无法满足集成 电路工艺的需求等问题。本发明的目的是采用与集成电路工艺相兼容的技术，制备一种低 介电常数的绝缘介质薄膜。参考文献 B. D. Hatton, K. Landskron， W. J. Hunks, M. R. Bennett, D. Shukaris, D. D. Perovic,
G. A. Ozin, Materials chemistry for low-k materials. 9(13), 22-31 (2006). M.R. Baklanov, K.Meax, Porous low dielectric constant materials for microelectronics.
Phil. Trans. R. Soc. A(2006) 364, 201 - 215(2005). K. Maex, M. R. Baklanov, D. Shamiryan, F. lacopi, S. H. Brongersma, Z. S.
Yanovitskaya， Low dielectric constant materials for microelectronics. Journal of Applied
Physics" 93(11)， 8793-8841 (2003).
发明内容
本发明的目的是提出一种用于超大规模集成电路的电学和力学性能良好、制备方法简 单的低介电常数绝缘介质薄膜。
本发明的另一目的是提供上述产品的制备方法。
本发明提出的低介电常数绝缘介质薄膜为SiCONF薄膜，该薄膜的主要成分是硅(Si)、 碳(C)、氧(O)、氮(N)、氟(F)，薄膜厚度为20~500nm，薄膜中Si原子的含量是20~30%， C原子的含量是2~20%， O原子的含量是40~60%， N原子的含量是2~10%， F原子的含量是5~10%，总量是100%。与Si02绝缘介质相比，F原子与C原子的掺入有效地降低了 薄膜的介电常数；同时，薄膜中N原子的存在使得薄膜的抗漏电性能和机械性能得到显著 提高。因此，SiCONF薄膜不仅介电常数低，而且电击穿强度高，漏电足够低，机械强度 好。
本发明可用等离子体化学气相淀积(PECVD)方法制备上述低介电常数绝缘介质 SiCONF薄膜。在化学气相淀积设备中增加等离子发生装置均可作为本发明方法的装置。 本发明中可以用等离子体增强化学气相淀积设备产生等离子，现有的等离子射频激励源频 率范围均可使用。本发明的等离子射频激励源频率是13.56MHz，功率是1500 2000W，淀 积温度为150~400°C，等离子反应腔气压为60~80Pa，淀积所用的原料是硅垸(SiH4)、 一 氧化二氮(N20)、六氟化二碳(C2F6)，其中SiH4的流量是100 200sccm， N20的流量是 50 200sccm， C2F6的流量是300 900sccm。
随着超大规模集成电路的发展，互连延迟的增大，本发明的低介电常数薄膜特别适用
于超大规模集成电路生产中替代传统的Si02薄膜，可以十分有效地减小互连寄生电容。
本发明的低介电常数SiCONF薄膜具有以下优点
1) 介电常数低，可以降到2.6左右；
2) 薄膜漏电流密度低，在lMV/cm的场强下漏电流密度小于1 X 10—8A/cm2;
3) 介电强度高，超过10MV/cm;
4) 薄膜化学性质稳定，热分解温度在500'C以上，在空气中不会吸收水分；
5) 薄膜机械性能良好，薄膜硬度在3GPa以上，杨氏模量在80GPa以上；
6) 可以与现有的集成电路工艺很好地兼容，不会因为使用新型薄膜而影响电路的稳定 性和可靠性。
附表说明
表1是依照本发明几种低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜制备实例中各种气体源的流
量；
表2是上述几种实例所制备的低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜中各种原子含量百分
比；
表3是上述几种实例所制备的低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜的介电常数、电学性质 以及力学性质比较。
具体实施例方式
以下为釆用本发明提供的低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜及其制备方法，制备低介 电常数绝缘介质SiCONF薄膜的实例。以硅烷(SiH4)、 一氧化二氮(N20)、六氟化二碳(C2F6)混合气体为原料，在等离 子体增强化学气相淀积(PECVD)设备中淀积薄膜。在淀积设备中的圆形平板电极间产生 等离子。等离子射频激励源频率是13.56MHz,射频功率为1800W,淀积温度为200°C， 淀积腔中工作气压为67Pa。表1列出了 3种不同实验中各气体的流量；表2列出了相应实 验所得薄膜中的元素百分比组成；表3列出了相对应的薄膜的介电常数、泄漏电流密度和 硬度、杨氏模量。当SiH4和N20的流量分别为150sccm， C2F6的流量为750sccm时，所 得到的薄膜的介电常数为2.6，该薄膜在lMV/cm的电场下漏电流密度为9.5X l(T9A/cm2， 薄膜硬度为3.3GPa，杨氏模量为93GPa。
表1
实例编号各种气体源的流量(sccm)C2F6SiH4即
1450150150
2600150150
3750150150
表2实例编号Si(%)0(%)c(%)N(%)F(%)
122.557.32.69.67.1
222.554.44.99.09.2
322.854.15.28.09.9
表3
实例编号k值在lMV/cm电 场下漏电流密 度(A/cm2)硬度(GPa)杨氏模量 (GPa)
13.169.4X10-93.684.7
22.922.8 X10-985.3
32.649.5X10-992.权利要求
1、一种低介电常数绝缘薄膜，其特征在于薄膜成分是Si、C、O、N、F，记为SiCONF薄膜，薄膜厚度为20～500nm，薄膜中Si原子的含量是20～30％，C原子的含量是2～20％，O原子的含量是40～60％，N原子的含量是2～10％，F原子的含量是5～10％。
2、 一种如权利要求1所述的低介电常数绝缘薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤 如下用等离子增强化学气相淀积装置产生等离子体，淀积温度为150~400°C，等离子反 应腔气压为60~80Pa，淀积所用的原料是SiH4、 N20和C2F6，其中SiH4的流量是 100~200sccm， N20的流量是50~200sccm， C2F6的流量是300 卯Osccm。
3、 如权利要求1所述的低介电常数绝缘薄膜作为集成电路中绝缘介质薄膜的应用。
全文摘要
本发明属于集成电路材料技术领域，具体涉及一种低介电常数绝缘薄膜及其制备方法。本发明提出的低介电常数绝缘薄膜为SiCONF薄膜，该薄膜的主要成分是硅(Si)、碳(C)、氧(O)、氮(N)、氟(F)，薄膜厚度为20～500nm。本发明可用等离子体化学气相淀积(PECVD)方法制备上述低介电常数绝缘介质SiCONF薄膜；在化学气相淀积设备中增加等离子发生装置均可作为本发明方法的装置；用等离子体增强化学气相淀积设备产生等离子，现有的等离子射频激励源频率范围均可使用。本发明的SiCONF薄膜介电常数低，薄膜泄漏电流密度低，薄膜热稳定性高，薄膜机械性能良好，可以与现有的集成电路工艺很好地兼容。
文档编号H01L23/532GK101651131SQ200910195819
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者丁士进, 卫 张, 钱可嘉 申请人:复旦大学