专利名称：微电子互连结构体中的多层覆盖阻隔层的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及使用一种具有低的复合介电常数(k＜4.0)并且对金属扩散和空气渗透具有阻隔性能的多层覆盖阻隔层。更特别地，本发明涉及在作为集成电路和微电子器件的一部分的金属互连结构体中使用多层覆盖阻隔层。由本发明提供的主要优点是降低了导电金属特征体例如铜线之间的电容，这导致了整个芯片性能的提高。还描述了实施阻隔层薄膜的使用方法、物质组成和结构。
背景技术：
使用被用作对作为集成电路和微电子器件一部分的金属互连结构体中的金属的扩散阻隔层的材料通常需要形成可靠的器件如不会抑制金属扩散的低k值的夹层电介质。这些材料在互连结构体中的放置可以不同并且将取决于它们的质量以及它们被沉积和被处理的方式。由金属和电介质组成的两种阻隔层通常用于互连结构体中。
由金属和含有金属的材料组成的扩散阻隔层通常用作衬里，由此它们与金属导电结构体形成了共形的界面，这些金属和含有金属的材料包括例如钽、钨、钌、氮化钽、氮化钛、TiSiN等。通常，这些材料通过化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、溅射、热蒸发和其他相关的方法来沉积。为了将这些材料用作阻隔层，金属阻隔层必须与导电金属线共形并且不能作为将用作金属线之间的导电路径的覆盖层来放置。对这些阻隔层的一个限制标准在于它们对导电金属线的电阻率的作用必须不过分地高；否则，金属导电结构体总电阻的增加会导致降低的性能。
由电介质组成的扩散阻隔层也用于微电子器件中，这些电介质包括例如氮化硅、碳化硅和碳氮化硅。这些材料通常通过化学汽相沉积(CVD)和等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)方法来沉积，并且可以沉积为连续的薄膜，例如覆盖阻隔层。不像由金属组成的扩散阻隔层那样，介电层可以沉积为覆盖膜并且可以被置于导电金属线之间。这样做，这些介电层有助于金属线之间的电容。这些体系的限制性约束是它们相对高的介电常数(k＝4.5-7)，这导致了金属线之间的有效介电常数的显著增加并且导致了降低的器件性能。降低这些阻隔层的薄膜厚度可能导致有效介电常数的降低；然而，不足够厚的层不可能可靠并且决不可能对有效介电常数起到显著的作用。
还已经提出了通过旋涂或者其他基于溶剂的方法形成的、抑制了铜扩散的阻隔层薄膜。这些体系可以是聚合物，这些聚合物可以在升高的温度下被固化以产生对超过400℃的温度热稳定的刚性交联体系。许多这些体系的主要优点是这些材料展现出的低介电常数；已经测量到2.6的介电常数。这些体系的例子包括聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅倍半氮烷、聚碳硅氮烷等。
除了铜扩散阻隔性能之外，对空气渗透的阻隔性能对于阻隔层薄膜而言也是非常需要的。穿过阻隔层薄膜的空气渗透可以不利地导致导电金属特征体的氧化并且导致降低的可靠性和/或性能。已经观察到一些通过CVD和相关的方法沉积的电介质铜扩散阻隔层由于它们的高密度而将展现出空气阻隔性能。然而，许多通过基于溶剂的方法涂覆的低k值的铜扩散阻隔层由于它们相对敞开的、可能含有显著部分的空穴或自由体积的结构而不能起到空气渗透阻隔层的作用。
发明概述本发明涉及包括具有低介电常数(k＜4.0)并且起到金属扩散和空气渗透阻隔层作用的多层电介质扩散阻隔层的互连结构体。本发明的多层电介质扩散阻隔层由一些亚层组成，其中至少一个空气阻隔亚层是通过CVD或相关的方法沉积的电介质，并且至少一个低k值的亚层是通过基于溶剂的方法沉积的阻隔电介质。采用两种类型的电介质的优点在于该多层电介质扩散阻隔层将展现出比CVD沉积的阻隔电介质显著更低的复合介电常数，同时保持了单独由低k值的溶剂沉积的阻隔电介质所不能提供的对空气渗透的阻隔性能。
本发明可用于采用金属互连结构体的任意微电子器件，这些微电子器件包括，例如高速微处理器、专用集成电路(ASICs)和存储器。采用本发明的多层电介质扩散阻隔层与现有技术方法相比极其有利，因为其通过降低导电金属线之间的电容同时保持了有助于形成可靠的结构体的性能而得到具有增强的性能的微电子器件。
本发明的结构体可以由至少一个在基质上形成的导电金属特征体组成，该基质进一步包括至少一个包围导电金属特征体的绝缘层。该绝缘层可以将所述至少一个导电金属特征体在其底部、顶部和侧面包围。本发明的结构体可以进一步包括至少一个至少沉积在绝缘层与所述至少一个导电金属特征体之间的一个界面上的导电阻隔层。所述至少一个导电金属特征体和绝缘层的组合可以重复，以形成多级的互连堆层。
结构体可以是以下物质的其中一种含有微电子器件的硅晶片、陶瓷芯片载体、有机芯片载体、玻璃基质、砷化镓晶片、碳化硅晶片、镓晶片或者其他半导体晶片。
基质可以是含有电子器件的硅晶片。基质部分地或者全部由以下物质组成Si、SiO2、SiGe、Ge、Ga、GaAs、Hg、HgTd、InP、In、Al或者任意其他无机或有机性质的半导体材料。
在本发明的第一实施方案中，描述了一种包括有由两个或多个展现出金属扩散阻隔性能的电介质亚层组成的多层电介质扩散阻隔层的互连结构体。这些亚层的至少一个是空气阻隔亚层，该亚层可以是CVD沉积的空气扩散不能渗透的电介质。这些亚层的至少另一个是通过任何基于溶剂的方法(例如旋涂)涂覆的并且介电常数小于3.0的低k值的亚层。可以将该低k值的亚层置于空气阻隔亚层的上面和/或下面。任选地，可以在多层电介质扩散阻隔层中的任意界面上或者在亚层之间的界面上涂覆粘合促进剂。
在第一实施方案的第一实施例中，多层电介质扩散阻隔层被用作覆盖阻隔层。互连结构体中剩余的电介质可以由通孔级电介质、线条级电介质(其在组成上可以与通孔级电介质相同)、任选的硬掩模层和任选的埋置蚀刻停止层组成。
在第一实施方案的第二实施例中，多层电介质扩散阻隔层被同时用作覆盖阻隔层和通孔级电介质。互连结构体中剩余的电介质可以由线条级电介质、任选的硬掩模层和任选的埋置蚀刻停止层组成。
在第一实施方案的第三实施例中，多层电介质扩散阻隔层被用作覆盖阻隔层并且在具有由至少两种电介质组成的夹层电介质的互连结构体的上面，其中在金属线下面的通孔级电介质在化学性质上不同于其他区域中的电介质。
本发明的多层电介质扩散阻隔层具有小于4.0的复合介电常数、抑制了金属扩散、起到空气渗透阻隔层的作用，并且对大于400℃的温度热稳定。本发明的多层电介质扩散阻隔层还可以含有孔隙，其进一步降低了介电常数。可以通过将可以是聚合物的牺牲部分除去来产生孔隙。也可以通过涉及到将高沸点溶剂除去的方法来产生孔隙。这些孔隙可以具有0.5-20纳米的尺寸范围并且可以具有闭孔形态。
在本发明的第二实施方案中，描述了一种制得多层电介质扩散阻隔层的方法。本发明的多层电介质扩散阻隔层形成于含有暴露的金属和电介质特征体的互连结构体的上面。然后通过化学汽相沉积(或者相关方法)或者通过基于溶剂的方法(例如旋涂)使每一亚层沉积。在每一沉积步骤之后，在随后的亚层沉积之前，薄膜可以在升高的温度下(100-500℃)退火、暴露于电子束下，和/或用紫外线辐照。任选地，可以在多层电介质扩散阻隔层的任何界面上或者在亚层之间的界面上涂覆粘合促进剂。
在本发明的第三实施方案中，描述了多层电介质扩散阻隔层的组成、其亚层和用于形成这些层的前体。至少一个空气阻隔亚层通过基于化学汽相沉积的方法而制得，由此该空气阻隔亚层由氮化硅、碳氮化硅或者一般组成为SivNwCxOyHz的电介质所组成，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。至少一个其他的亚层通过采用了溶于溶液中的聚合物预陶瓷前体的基于溶剂的方法而沉积。在形成薄膜时将聚合物预陶瓷前体转化成一般组成为SivNwCxOyHz的不可溶的低k值亚层，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
将通过参照结合了附图的以下说明来理解本发明的其他以及另外的目的、优点和特征，在附图中相似的部分被给予了相同的符号。
附图简述
图1是根据本发明的半导体器件的横截面视图。
图2是根据本发明的另一个半导体器件的横截面视图。
图3是根据本发明的再一个半导体器件的横截面视图。
优选实施方案的描述根据本发明的第一实施方案，互连结构体包括至少一个导电金属特征体，该结构体进一步包括包围导电金属特征体的、由线条级电介质和通孔级电介质组成的夹层介电层，由此描述了一种阻隔金属扩散和空气渗透的多层电介质扩散阻隔层。
本发明的多层电介质扩散阻隔层的复合介电常数小于4.0、在高于300℃的温度下热稳定、厚度为10-500nm并且由至少两个亚层组成，其中至少一个亚层是空气阻隔亚层，至少另一个亚层是低k值的亚层。本发明的多层电介质扩散阻隔层可以具有多种构型，这些构型包括，例如低k值的亚层在空气阻隔亚层上面的双层、空气阻隔亚层在低k值的亚层上面的双层，或者空气阻隔亚层被置于两个低k值的亚层之间的三层。
空气阻隔亚层是空气不能渗透的电介质、介电常数为3.4-7.2、厚度为5-100nm，可以阻隔金属扩散，并且通过基于汽相沉积的方法而沉积，这些方法包括，例如化学汽相沉积、等离子体增强的化学汽相沉积、物理汽相沉积或者任何相关的方法。其可以是组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。空气阻隔亚层的例子包括，例如氮化硅、碳氮化硅、氧氮化硅、二氧化硅、碳化硅和氟化玻璃。
低k值的亚层是介电常数小于3.3的电介质、阻隔了金属扩散、厚度为5-500nm，并且通过基于溶剂的方法而形成，这些方法包括，但不限于旋涂、喷涂、扫描涂覆和浸涂。低k值的亚层可以是组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。低k值的亚层可以含有孔隙，其中该孔隙可以具有0.5-20nm的尺寸范围并且可以具有闭孔形态。
本发明的互连结构体进一步由至少一种低介电常数材料组成。低介电常数材料可以是本领域已知的任意电介质，这些电介质包括，例如自旋(spin-on)的体系如聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、聚亚芳基物质、聚亚芳基醚，或者通过汽相沉积方法所产生的电介质薄膜，该薄膜的组成可以是SivNwCxOyHz，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。此外，本发明的低介电常数材料可以是多孔的。最后，低介电常数材料可以是空气或者惰性气体。
另外，本发明的互连结构体进一步由导电金属特征体组成，该特征体可以由铜、银、金、铝及其合金所组成。导电金属线可以包括在顶面上的金属，该金属降低了可由包括钴、钨、磷及其组合的物质所组成的互连结构体的电迁移特性。导电金属线可以包括在顶面上的部分，该部分减小了金属线的氧化倾向。该部分的例子包括苯并三唑、胺、酰胺、酰亚胺、硫酯、硫醚、脲、氨基甲酸酯、腈、异氰酸酯、硫醇、砜、膦、氧化膦、磷酰亚胺、吡啶、咪唑、酰亚胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉、苯并咪唑、羟吲哚和二氢吲哚。
此外，本发明的互连结构体进一步由被用于防止金属扩散的含有衬里金属的阻隔层所组成。含有衬里金属的阻隔层可由以下物质组成钽、氮化钽、钨、钛、氮化钛、钌、TiSiN及其组合。
最后，任选的硬掩模电介质和电介质蚀刻停止层可以存在于本发明的结构体中。这些电介质材料的说明性例子包括聚硅氧烷、聚硅倍半氧烷，或者任意CVD沉积的组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
参照图1，在第一实施方案中示出了由多级1000组成的互连结构体40的例子，其中每一级可以由通孔级1100和线条级1200组成。该互连结构体含有导电金属特征体33，其横穿过结构体并且可以与含有衬里金属的阻隔层34具有界面。该导电金属特征体和含有衬里金属的阻隔层被电介质包围。通孔级中的电介质包括低介电常数材料32和本发明的多层电介质扩散阻隔层39，该阻隔层由至少两个亚层组成——空气阻隔亚层36和低k值的亚层38。线条级1200中的电介质包括低介电常数材料31和任选的硬掩模电介质41。任选地，可以将电介质蚀刻停止层37置于通孔级和线条级(32&31)中的低介电常数材料之间。通孔级和线条级(分别为32&31)中的低介电常数材料可以在组成上相同或者可以在化学性质上不同。
参照图2，在第一实施方案中示出了另一个由多级1000组成的互连结构体40的例子，其中每一级可以由通孔级1100和线条级1200组成。该互连结构体含有导电金属特征体33，其横穿过结构体并且可以与含有衬里金属的阻隔层34具有界面。该导电金属特征体和含有衬里金属的阻隔层被电介质包围。通孔级中的电介质包括本发明的多层电介质扩散阻隔层39，该阻隔层由至少两个亚层组成——空气阻隔亚层36和低k值的亚层38。线条级中的电介质包括低介电常数材料31和任选的硬掩模电介质41。任选地，可以将电介质蚀刻停止层37置于线条级31中的低介电常数材料与多层电介质扩散阻隔层39之间。
参照图3，在第一实施方案中示出了另一个由多级1000组成的互连结构体40的例子，其中每一级可以由通孔级1100和线条级1200组成。该互连结构体含有导电金属特征体33，其横穿过结构体并且可以与含有衬里金属的阻隔层34具有界面。该导电金属特征体和含有衬里金属的阻隔层被电介质包围。线条级中的电介质包括低介电常数材料43。通孔级中的电介质包括在不直接处于导电金属线下面的区域中相同的低介电常数材料43、存在于导电金属线下面的化学性质不同的低介电常数材料42，和本发明的多层电介质扩散阻隔层。任选地，可以将电介质蚀刻停止层37置于低介电常数材料42与在其上面的含有衬里金属的阻隔层34之间。
粘合促进剂可以存在于多层电介质扩散阻隔层与在多层电介质扩散阻隔层上面和/或下面的介电层之间。另外，粘合促进剂可以存在于多层电介质扩散阻隔层的亚层之间。粘合促进剂可以选自SiaLbRc，其中L选自羟基、甲氧基、乙氧基、乙酰氧基、烷氧基、羧基、胺、卤素，R选自氢化物、甲基、乙基、乙烯基和苯基(任意烷基或芳基)，a为0.25-0.5，b为0.1-0.8，c为0-0.7，并且总和a+b+c为1。可用于本发明的粘合促进剂的例子包括六甲基二硅氮烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、氨基丙基三甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷。
根据本发明的第二实施方案，描述了一种形成多层电介质扩散阻隔层的方法，其包括通过基于溶剂的方法涂覆聚合物预陶瓷前体涂层；将聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层；和涂覆空气阻隔亚层涂层。
基于溶剂的方法被用于使聚合物预陶瓷前体从溶液中沉积以制得薄膜，并且可以通过本领域已知的任意方法来进行且可以是以下的其中一种施涂、喷涂、扫描涂覆或者浸涂。通过使用包括例如热固化、电子辐射、离子辐射、采用紫外线和/或可见光的辐射的任意合适方法的一种或组合将聚合物预陶瓷前体薄膜转化成低k值的亚层。可以在惰性气氛下和/或在超过400℃的温度下进行热固化。在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层期间可能出现交联机理。
可以采用用于在低k值的亚层中产生孔隙的方法。可以通过将牺牲部分共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中来形成孔隙。在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层时，牺牲部分可以是聚合物材料，该材料分解成低分子量副产物并且从薄膜中排出。作为选择，可以由采用高沸点溶剂的方法来形成孔隙，该溶剂在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层期间从薄膜中排出。
通过本领域已知的任意基于汽相的沉积方法来涂覆空气阻隔亚层，这些方法包括，例如化学汽相沉积、等离子体增强的化学汽相沉积和物理汽相沉积。可以通过使用任意合适的方法的一种或组合使空气阻隔亚层退火，这些方法包括，例如热固化、电子辐射、离子辐射、采用紫外线和/或可见光的辐射。可以在惰性气氛下和/或在超过400℃的温度下进行热固化。可以在退火过程期间进行空气阻隔亚层的进一步致密化。
可以同时进行空气阻隔亚层的退火和将聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层。此外，这些退火步骤可以与包括低介电常数材料、硬掩模和/或埋置蚀刻停止层的其他层的退火过程相一致。
许多步骤可用于增强亚层对其他亚层以及对邻近层的粘合性。一个例子是前述粘合促进剂的使用。可以在任意的亚层沉积之前或之后将粘合促进剂涂覆到基质上。对于低k值的亚层而言，粘合促进剂可以共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中并且可以在涂覆期间或者在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层期间离析到薄膜界面上。作为选择，可以在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层之前将粘合促进剂涂覆到由聚合物预陶瓷前体组成的薄膜上。最后，为了改进所暴露的薄膜的表面和增强粘合性，可以将使用活性等离子体的干蚀刻方法用于任意的亚层、任意亚层下面的层，和由聚合物预陶瓷前体组成的薄膜。
在多层电介质扩散阻隔层沉积之前还可以将用来清洗或者消除从其他过程中残留的任意化学物质的方法用于基质上。该清洗可以包括将基质暴露于酸、碱和/或有机溶剂下。该清洗还可以涉及到干蚀刻方法。
根据本发明的第三实施方案，描述了一种用于形成多层电介质扩散阻隔层的组成物，其包括用于通过基于溶剂的方法涂覆低k值的亚层的溶剂、转化成低k值的亚层的聚合物预陶瓷前体，和空气阻隔亚层。
聚合物预陶瓷前体可以是含硅的体系并且可以由以下物质组成聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅杂硅氮烷、聚硅烷、聚硅杂碳硅烷、聚硅氧氮烷、聚碳硅氮烷、聚甲硅烷基碳二酰亚胺、聚硅倍半氮烷、聚硅倍半氮烷和聚硅杂碳硅氮烷。非常优选的聚合物前体是聚脲甲基乙烯基硅氮烷(KiON)。聚合物预陶瓷前体可以含有聚硅氧烷或聚硅倍半氧烷的一些组分。聚合物预陶瓷前体可以含有连接到主链上的垂悬的官能团，这些官能团包括氢、乙烯基、烯丙基、烷氧基、甲硅烷基和烷基。聚合物预陶瓷前体可以含有连接到主链上的可以具有金属连接性能的垂悬的官能团，这些官能团包括胺、酰胺、酰亚胺、硫酯、硫醚、脲、氨基甲酸酯、腈、异氰酸酯、硫醇、砜、膦、氧化膦、磷酰亚胺、苯并三唑、吡啶、咪唑、酰亚胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉、苯并咪唑、羟吲哚和二氢吲哚。聚合物预陶瓷前体的分子量可以为500-1,000,000道尔顿。聚合物预陶瓷前体可以是均聚物、无规共聚物、嵌段共聚物或者聚合物共混物，并且可以具有任意的链结构，这些链结构包括线型、网状、支化和树枝状。聚合物预陶瓷前体的组成可以为SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。
基于溶剂的方法涉及到溶于有机溶剂中的聚合物预陶瓷前体的溶液。有机溶剂可以是以下溶剂的一种或组合丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、丙二醇甲醚(PGME)、甲苯、二甲苯、茴香醚、莱、丁内酯、环己酮、己酮、乳酸乙酯和庚酮。溶液可以含有抗条纹剂，其与聚合物预陶瓷前体共溶以制得高均匀性的薄膜。抗条纹剂的数量可以少于含有聚合物预陶瓷前体的溶液的1％。粘合促进剂也可以共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中。粘合促进剂可以选自SiaLbRc，其中L选自羟基、甲氧基、乙氧基、乙酰氧基、烷氧基、羧基、胺、卤素，R选自氢化物、甲基、乙基、乙烯基和苯基(任意烷基或芳基)，a为0.25-0.5，b为0.1-0.8，c为0-0.7，并且总和a+b+c为1。粘合促进剂可以是六甲基二硅氮烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、氨基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷及其组合。粘合促进剂可以少于含有聚合物预陶瓷前体的溶液的2％。
产生孔隙的牺牲部分可以共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中。牺牲部分可以是牺牲的聚合物材料，该材料分解成低分子量副产物并且在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层期间从薄膜中排出。牺牲的聚合物材料可以是以下物质的其中一种、组合或者共聚物聚苯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚二醇、聚酰胺以及聚降冰片烯。牺牲部分可以是高沸点溶剂。
在聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层时，低k值的亚层的组成可以为SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。低k值亚层的更优选的组成为SivNwCxOyHz，其中v＝0.16±0.05，w＝0.17±0.05，x＝0.17±0.05，y＝0，z＝0.5±0.1，v+w+x+y+z＝1。
空气阻隔亚层的组成可以为SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。空气阻隔亚层的优选组成为SivNwCxOyHz，其中v＝0.28±0.05，w＝0.12±0.05，x＝0.28±0.05，y＝0，z＝0.32±0.05，v+w+x+y+z＝1。空气阻隔亚层的另一种优选组成为SivNwCxOyHz，其中v＝0.28±0.05，w＝0，x＝0.32±0.05，y＝0，z＝0.4±0.10，v+w+x+y+z＝1。
尽管已经参照其优选实施方案特别示出和描述了本发明，但本领域那些技术人员将理解的是可以作出前述和其他的形式和细节上的变化，只要不偏离本发明的精神和范围。因此这意味着本发明并不限于所描述和所阐述的确切形式和细节，但落入了附属的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种互连结构体，其包括至少一个在基质上的导电金属特征体，所述基质进一步包括包围所述导电金属特征体的夹层电介质层，阻隔金属扩散并且由至少两个亚层组成的多层电介质扩散阻隔层，其中至少一个亚层是阻止空气渗透的空气阻隔亚层，并且至少另一个亚层是低k值的亚层，和由线条级电介质和通孔级电介质组成的夹层电介质。
2.权利要求1的结构体，其中多层电介质扩散阻隔层的复合介电常数小于4.0。
3.权利要求1的结构体，其中空气阻隔亚层是由氮化硅、碳氮化硅、氧氮化硅、二氧化硅、碳化硅或者氟化玻璃所组成的电介质。
4.权利要求1的结构体，其中空气阻隔亚层是组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。
5.权利要求1的结构体，其中低k值的亚层是由SivNwCxOyHz组成的电介质，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。
6.权利要求1的结构体，其中低k值的亚层含有孔隙。
7.权利要求6的结构体，其中孔隙具有闭孔形态。
8.权利要求1的结构体，其中多层电介质扩散阻隔层是低k值的亚层在空气阻隔亚层上面的双层。
9.权利要求1的结构体，其中多层电介质扩散阻隔层是空气阻隔亚层在低k值的亚层上面的双层。
10.权利要求1的结构体，其中多层电介质扩散阻隔层是空气阻隔亚层位于两个低k值的亚层之间的三层。
11.权利要求1的结构体，其中互连结构体进一步包括至少一种低介电常数材料，所述的低介电常数材料由以下物质的至少一种组成聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、聚亚芳基物质、聚亚芳基醚，或者通过制得组成为SivNwCxOyHz的薄膜的汽相沉积方法所产生的电介质，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
12.权利要求11的结构体，其中低介电常数材料是多孔的。
13.权利要求1的结构体，其中通孔级电介质由至少一种低介电常数材料和多层电介质扩散阻隔层所组成。
14.权利要求1的结构体，其中通孔级电介质单独由多层电介质扩散阻隔层组成。
15.权利要求1的特征体，其中夹层电介质由一种组成的线条级电介质和具有两种不同组成的通孔级电介质所组成，其中直接处于导电金属特征体下面的电介质具有一种组成，不直接处于导电金属结构体下面的电介质具有与线条级电介质相同的组成。
16.权利要求1的结构体，其中导电金属线包括在顶面上的金属，该金属降低了互连结构体的电迁移特性。
17.权利要求1的结构体，其中导电金属线包括在顶面上的、减小金属线的氧化倾向的部分，所述部分是以下物质的其中一种苯并三唑、胺、酰胺、酰亚胺、硫酯、硫醚、脲、氨基甲酸酯、腈、异氰酸酯、硫醇、砜、膦、氧化膦、磷酰亚胺、吡啶、咪唑、酰亚胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉、苯并咪唑、羟吲哚或者二氢吲哚。
18.权利要求1的结构体，其中线条级电介质包括组成不同于线条级电介质的硬掩模电介质。
19.权利要求18的结构体，其中硬掩模电介质包括聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷，或者任意CVD沉积的组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
20.权利要求1的结构体，其中线条级电介质和通孔级电介质被电介质蚀刻停止层隔开。
21.权利要求20的结构体，其中电介质蚀刻停止层包括聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷，或者任意CVD沉积的组成为SivNwCxOyHz的电介质，其中0.05≤v≤0.8，0≤w≤0.9，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.8，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
22.权利要求1的结构体，其中在多层电介质扩散阻隔层与多层电介质扩散阻隔层上面和/或下面的介电层之间存在至少一种粘合促进剂。
23.权利要求1的结构体，其中在多层电介质扩散阻隔层的亚层之间存在至少一种粘合促进剂。
24.一种形成多层电介质扩散阻隔层的方法，其包括通过基于溶剂的方法涂覆聚合物预陶瓷前体涂层；将聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层；和涂覆空气阻隔亚层涂层。
25.权利要求24的方法，其中将聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层包括热固化、电子辐射、离子辐射、采用紫外线和/或可见光的辐射，或其任意组合。
26.权利要求24的方法，其中在涂覆聚合物预陶瓷前体之前涂覆粘合促进剂。
27.权利要求26的方法，其中粘合促进剂共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中，并且在聚合物预陶瓷前体涂覆期间或者在所述转化成低k值的亚层期间从薄膜中分离。
28.权利要求24的方法，其中在涂覆聚合物预陶瓷前体之后并且在所述聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层之前涂覆粘合促进剂。
29.权利要求24的方法，其中在所述聚合物预陶瓷前体转化成低k值的亚层之后涂覆粘合促进剂。
30.权利要求24的方法，其中产生孔隙的牺牲部分共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中。
31.权利要求24的方法，其中通过化学汽相沉积法、等离子体增强的化学汽相沉积或者物理汽相沉积来涂覆空气阻隔亚层。
32.权利要求24的方法，其中通过热固化、电子辐射、离子辐射、采用紫外线和/或可见光的辐射或者其任意组合将空气阻隔亚层退火。
33.权利要求24的方法，其中将粘合促进剂涂覆到空气阻隔亚层上以增强对其他层的粘附性。
34.权利要求24的方法，其中将空气阻隔亚层对活性等离子体曝光以改性空气阻隔亚层的表面，达到增强对其他层的粘附性的目的。
35.权利要求24的方法，其中将低k值的亚层对活性等离子体曝光以改性低k值的亚层的表面，达到增强对其他层的粘附性的目的。
36.一种用于形成多层电介质扩散阻隔层的组成物，其包括用于通过基于溶剂的方法涂覆低k值的亚层的溶剂；转化成低k值的亚层的聚合物预陶瓷前体；和空气阻隔亚层。
37.权利要求36的组成物，其中聚合物预陶瓷前体包括聚硅氮烷、聚碳硅烷、聚硅杂硅氮烷、聚硅烷、聚硅杂碳硅烷、聚硅氧氮烷、聚碳硅氮烷、聚甲硅烷基碳二酰亚胺、聚硅倍半氮烷或聚硅杂碳硅氮烷。
38.权利要求36的组成物，其中聚合物预陶瓷前体包括连接到主链上的垂悬的官能团，所述垂悬的官能团选自胺、酰胺、酰亚胺、硫酯、硫醚、脲、氨基甲酸酯、腈、异氰酸酯、硫醇、砜、膦、氧化膦、磷酰亚胺、苯并三唑、吡啶、咪唑、酰亚胺、噁唑、苯并噁唑、噻唑、吡唑、三唑、噻吩、噁二唑、噻嗪、噻唑、喹喔啉、苯并咪唑、羟吲哚、二氢吲哚、氢化物、乙烯基、烯丙基、烷氧基、甲硅烷基和烷基。
39.权利要求36的组成物，其中聚合物预陶瓷前体的组成为SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8并且v+w+x+y+z＝1。
40.权利要求36的组成物，其中一种抗条纹剂共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中以制得高均匀性的薄膜。
41.权利要求36的组成物，其中一种粘合促进剂共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中。
42.权利要求36的组成物，其中一种产生孔隙的牺牲部分共溶于含有聚合物预陶瓷前体的溶液中。
43.权利要求36的组成物，其中低k值的亚层的组成为SivNwCxOyHz，其中0.1≤v≤0.8，0≤w≤0.8，0.05≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0.05≤z≤0.8，v+w+x+y+z＝1。
全文摘要
这里描述了含有低k值的多层电介质扩散阻隔层的结构体，该阻隔层具有至少一个低k值的亚层和至少一个空气阻隔亚层。该多层电介质扩散阻隔层是对金属的扩散阻隔层和对空气渗透的阻隔层。还描述了涉及到形成该结构体的方法和组成物。采用这些低k值的多层电介质扩散阻隔层的优点是由于该多层电介质扩散阻隔层不能透过空气并且防止了金属扩散，因此通过导电金属特征体之间的电容的降低和可靠性的增加而获得了芯片性能。
文档编号H01L21/02GK1833316SQ200480013526
公开日2006年9月13日 申请日期2004年4月5日 优先权日2003年4月17日
发明者J·C·海德里克, E·E·黄 申请人:国际商业机器公司