一种高强度的低k薄膜层及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制造，特别是涉及一种高强度的低k薄膜层及其制备方法。

背景技术：

1、随着半导体技术的发展，半导体器件的特征尺寸越来越小，特别是半导体工艺进入到深亚微米阶段后，为实现高集成，高性能的器件，很多新的方法被运用到器件制造工艺中。其中高性能的集成电路芯片需要尽可能的降低寄生电容导致的信号延迟及串扰，为此，金属连线采用了电阻更低的铜线，以及金属层间填充低介电常数(low-k)材料来降低寄生电容，然而随着低介电常数材料的应用及开发，该材料衍生问题显现出来，特别是该材料的机械强度成为了该材料开发的瓶颈。

2、目前伴随着介电常数降低，低k介质材料的孔隙率和含碳量不断增加，结构也变得越来越疏松，特别是在后期工艺过程中，由于线宽很小，在低k介质材料上的硬掩模，例如tin掩模高应力作用下，极易出现低k介质层的倒塌现象。因此如何在保证超低介电常数的情况下，增加该低k介质层的机械强度显得尤为重要。而现有技术都是尝试通过改变uvcure的步骤来增强机械强度，有的则是通过引入新的成分来增强机械强度，以上技术对多孔低k薄膜形成工艺进行了复杂的改动，同时，由于多孔材料的孔洞被其他材料填充，因此牺牲了薄膜的总体介电常数。

3、因此，需要提出一种新的方法增加低k介质层的机械强度，避免后续介质层坍塌的风险，提高器件稳定性及良率。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种高强度的低k薄膜层，所述高强度的低k薄膜层包括包括前驱层，所述前驱层上沉积形成有堆叠的多层低k介质层，相邻所述低k介质层之间形成有形核层，使得所述低k介质层按照前驱层及形核层的晶体结构规则生长，然后于最上方低k介质层的表面形成有骨架层；

2、所述前驱层、形核层、骨架层为相同的晶体材料，其晶体结构包括六方晶体结构、正四面体结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构、萤石结构中的任意一种。

3、优选地，与所述前驱层紧邻的为低k介质层，与所述骨架层紧邻的也为低k介质层；所述前驱层、形核层、骨架层的厚度均为所述低k介质层为sicoh材料，厚度为

4、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为氮化硼晶体材料，其晶体结构是通过b2h4与nh3反应生成具有六方晶体结构的氮化硼。

5、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为类金刚石材料，其晶体结构是通过ch4、ar与h2反应生成规则有序的正四面体。

6、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为sinc，其晶体结构通过四甲基硅烷、nh3、n2、he反应生成规则有序的正四面体。

7、本发明还提供一种高强度的低k薄膜层的制备方法，包括如下步骤：

8、提供基板，于所述基板上沉积形成前驱层，然后于所述前驱层上沉积形成堆叠的多层低k介质层，相邻所述低k介质层之间形成有形核层，使得所述低k介质层按照前驱层及形核层的晶体结构规则生长，然后于最上方低k介质层的表面形成骨架层；

9、所述前驱层、形核层、骨架层为相同的晶体材料，其晶体结构包括六方晶体结构、正四面体结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构、萤石结构中的任意一种。

10、优选地，与所述前驱层紧邻的为低k介质层，与所述骨架层紧邻的也为低k介质层；所述前驱层、形核层、骨架层的厚度均为所述低k介质层为sicoh材料，厚度为各膜层的沉积均通过pecvd工艺形成。

11、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为氮化硼晶体材料，其晶体结构是通过b2h4与nh3反应生成具有六方晶体结构的氮化硼，工艺参数为：b2h4的流量在50～100sccm，nh3流量控制在100～150sccm，同时辅助气体n2流量为8000～10000sccm；

12、在所述低k介质层的沉积生长制程中，使用400khz的频段射频电源，功率大小设定在300～1000w范围内，且沉积压强控制在2.0～3.5torr。

13、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为类金刚石材料，其晶体结构是通过ch4、ar与h2反应生成规则有序的正四面体，工艺参数为：ch4的流量在80～150sccm，ar流量控制在5000～8000sccm，同时辅助气体h2流量为50～80sccm；

14、在所述低k介质层的沉积生长制程中，使用400khz的频段射频电源，功率大小设定在300～1000w范围内，且沉积压强控制在2.0～3.5torr。

15、优选地，所述前驱层、形核层、骨架层为sinc，其晶体结构通过四甲基硅烷、nh3、n2、he反应生成规则有序的正四面体，工艺参数为：四甲基硅烷的流量在50～100sccm，nh3流量在200～500sccm，同时辅助气体n2与he流量均为50～80sccm；

16、在所述低k介质层的沉积生长制程中，使用400khz的频段射频电源，功率大小设定在300～1000w范围内，且沉积压强控制在2.0～3.5torr。

17、如上所述，本发明提供一种高强度的低k薄膜层及其制备方法，该低k薄膜层利用前驱层作为生长模板，通过调控生长参数，设定较低的射频电源频率，同时结合较低的压强，使得薄膜沉积过程中的选择性生长占据主导，无序生长减弱，从而获得规则生长的晶体结构。使紧邻前驱层的低k介质层按照前驱层的晶体结构进行生长；然后设置交替堆叠的低k介质层及形核层，使得低k介质层每沉积一定厚度后，就插入一层规则有序的形核层，后续循环进行，保持规则有序的晶体结构，形核层除了作为生长模板的作用外，还起到结构加强的作用，同样地，沉积的骨架层同样起到表面结构加强的作用。最终，实现对整个低k薄膜层机械强度的增加，避免其发生碎裂、坍塌等情况，保证了低k薄膜层在后续的工艺过程中，可以承受更高的外应力而不发生变形，极大的提升了产品良率及稳定性。此外，对于本发明中对材料结构加强的方法，也可以推广应用到其他膜层的机械强度提升中去。

技术特征：

1.一种高强度的低k薄膜层，其特征在于，所述高强度的低k薄膜层包括包括前驱层，所述前驱层上沉积形成有堆叠的多层低k介质层，相邻所述低k介质层之间形成有形核层，使得所述低k介质层按照前驱层及形核层的晶体结构规则生长，然后于最上方低k介质层的表面形成有骨架层；

2.根据权利要求1所述的高强度的低k薄膜层，其特征在于：与所述前驱层紧邻的为低k介质层，与所述骨架层紧邻的也为低k介质层；所述前驱层、形核层、骨架层的厚度均为所述低k介质层为sicoh材料，厚度为

3.根据权利要求1所述的高强度的低k薄膜层，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为氮化硼晶体材料，其晶体结构是通过b2h4与nh3反应生成具有六方晶体结构的氮化硼。

4.根据权利要求1所述的高强度的低k薄膜层，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为类金刚石材料，其晶体结构是通过ch4、ar与h2反应生成规则有序的正四面体。

5.根据权利要求1所述的高强度的低k薄膜层，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为sinc，其晶体结构通过四甲基硅烷、nh3、n2、he反应生成规则有序的正四面体。

6.一种高强度的低k薄膜层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：与所述前驱层紧邻的为低k介质层，与所述骨架层紧邻的也为低k介质层；所述前驱层、形核层、骨架层的厚度均为所述低k介质层为sicoh材料，厚度为各膜层的沉积均通过pecvd工艺形成。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为氮化硼晶体材料，其晶体结构是通过b2h4与nh3反应生成具有六方晶体结构的氮化硼，工艺参数为：b2h4的流量在50～100sccm，nh3流量控制在100～150sccm，同时辅助气体n2流量为8000～10000sccm；

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为类金刚石材料，其晶体结构是通过ch4、ar与h2反应生成规则有序的正四面体，工艺参数为：ch4的流量在80～150sccm，ar流量控制在5000～8000sccm，同时辅助气体h2流量为50～80sccm；

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述前驱层、形核层、骨架层为sinc，其晶体结构通过四甲基硅烷、nh3、n2、he反应生成规则有序的正四面体，工艺参数为：四甲基硅烷的流量在50～100sccm，nh3流量在200～500sccm，同时辅助气体n2与he流量均为50～80sccm；

技术总结
本发明提供一种高强度的低k薄膜层及其制备方法，该低k薄膜层利用前驱层作为生长模板，通过调控生长参数，设定较低的射频电源频率，同时结合较低的压强，使得薄膜沉积过程中的选择性生长占据主导，从而获得规则生长的晶体结构。使紧邻前驱层的低k介质层按照前驱层的晶体结构进行生长；然后设置交替堆叠的低k介质层及形核层，使得低k介质层每沉积一定厚度后，就插入一层规则有序的形核层，后续循环进行，保持规则有序的晶体结构，形核层除了作为生长模板的作用外，还起到结构加强的作用。最终，实现对整个低k薄膜层机械强度的增加，保证了在后续的工艺过程中，可以承受更高的外应力而不发生变形，极大的提升了产品良率及稳定性。

技术研发人员：刘聪,储郁冬
受保护的技术使用者：上海积塔半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16