专利名称：用于集成电路器件制造的先进介电材料和工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于集成电路器件的先进介电材料和一种用于制造集成电路器件的工艺。
在微电子工业中，有一种对提高多层集成电路器件，如存储和逻辑芯片中的线路集成度和速度以提高其性能、降低其价格的持续的需求。为了达到此目的，有必要降低芯片的最小特征尺寸，如电路线宽，并降低插入的介电材料的介电常数以得到(ⅰ)更高的扩散速度和(ⅱ)更小的线间距离而不造成交扰和线间耦合的增加。而且，为了降低器件的必须的驱动电流和功率消耗，有一种降低介电材料，例如用于集成电路器件的线位背面(BEOL)的介电材料的介电常数的需要，这种部位一般含有输入输出电路。一种目前用于集成电路器件的介电材料是二氧化硅，其介电常数约为4.0，这种材料有可以承受伴随着半导体制备的加工的操作和热循环过程所必需的机械和热性质。然而，期望未来集成电路器件中的介电材料有一个比二氧化硅低的介电常数。Lui.，等在Material Res.Soc.Symp.Proc.372(1995)中建议构成一种由陶瓷和多孔微型球组成的复合介电材料，粉末状陶瓷和空心微型球被混合在一起并在非常高的温度下(大于900℃)烧结以形成结晶合成物。然而，如此高的温度不适于集成电路器件中的某些制造工艺。
因此，本发明的目的之一就是提供一种介电材料和用于制造集成电路器件的先进工艺。
其他的目的和优点将在以下的公开内容中明显可见。
本发明涉及一种包含致密有机多硅石(polysilica)和最好是陶瓷颗粒的多孔颗粒的先进介电材料。这种介电材料由有机多硅石和多孔颗粒进行热交互凝聚(thermal cross condensation)形成。
本发明也涉及到一种形成集成电路器件的工艺，这种器件包括(ⅰ)衬底；(ⅱ)位于衬底上的相互连接的金属电路线和(ⅲ)紧靠电路线(电路线之上和/或电路线之间)的本发明的介电材料。
本发明的更彻底的公开内容体现在以下的详细的说明和附图中。
图1是由本发明的工艺加工而成的集成电路器件中一个部位的剖视图。
图2-5示出了本发明的一种制造集成电路器件的工艺。
图6-8示出了本发明的另一种制造集成电路器件的工艺。
由本发明的工艺制造集成电路器件的一个实施方案示于图1。器件通常包括衬底2、金属电路线4和介电材料6。衬底2中有垂直的金属柱8。互连的电路线起在器件中分配电信号和向器件提供电力输入和产生信号输出的作用。合适的集成电路器件通常包含由垂直金属柱互相连接的多层电路线。
本发明的用于器件的合适衬底包括硅、二氧化硅、玻璃、氮化硅、陶瓷、铝、铜和砷化镓。其他合适的衬底将为本领域中的技术人员所知道。在一个多层的集成电路器件中，一个绝缘的、整平的电路线打底层也可作衬底。
合适的电路线通常包含一种金属导电材料，如铜、铝、钨、金、银或其合金。电路线可以可选择地镀上一层金属衬套，如镍、钽、铬层或其他薄层如阻挡层或粘合层。(如SiN,TiN)。
本发明的关键部件是位于电路线之上和/或电路线之间以及衬底上的介电材料。在多层集成电路器件中，介电材料经常被整平以作为用于下一层电路线层印刷成形的衬底。该介电材料包含致密的有机多硅石和多孔的陶瓷颗粒。
有机多硅石是一种聚合的化合物，包含硅、碳、氧、氢等原子。合适的有机多硅石包括(ⅰ)倍半硅氧烷；(ⅱ)部分凝聚的烷氧基硅烷(例如由锰含量约在500-2000之间的可控的水解四乙基硅烷进行部分凝聚)；(ⅲ)具有RSiO3和R2SiO3成分的有机改性硅酸盐，其中R是有机取代基；以及(ⅳ)具有SiOR4成分的部分凝聚的原硅酸盐。倍半硅氧烷是聚合的RSiO1-5型硅酸盐材料，其中R是一种有机取代基。
用在本发明中的合适的有机多硅石已为本领域的技术人员所公知。这种有机多硅石最好是倍半硅氧烷。适于本发明的倍半硅氧烷是市场上可得到(例如，由俄亥俄州Perrysburg的Techniglass公司可得GR900)的烷基(例如，C1-6，例如，甲基)；芳基(例如，苯基)或者烷基/芳基倍半硅氧烷。其它合适的倍半硅氧烷将为本领域的技术人员所公知，比如说那些公开于U.S.Patent 5,384,376和Chem.Rev.95,1409-1430(1995)中的倍半硅氧烷，这些专利、文章中的公开内容被作为参考引入本发明中。
各种各样的多孔颗粒适用于本发明。合适的多孔颗粒通常是球形的，并且可能由多种多孔材料组成，这些多孔材料包括石英、各种玻璃和陶瓷以及各种聚合物，比如说苯乙烯或者丙烯酸酯。这些合适的颗粒将具有能促进颗粒与有机多硅石相互凝聚的表面活性基团。优先选用的颗粒包括陶瓷，如表面上有能与有机多硅石相互凝聚的SiOH取代基的玻璃颗粒。合适的颗粒是直径约在5-600nm之间，最好是5-50nm之间的微型球。这些颗粒的孔径以小于50埃为佳，小于100埃更好，最好是小于20埃。此外，孔的体积最好是占整个颗粒体积的5-85％。这些颗粒最好有一个与凝聚有机多硅石相近的热膨胀系数以提高最后的凝聚复合材料的物理性质。
本发明中的多孔介电组合物经由两步工序产生。第一步包括在室温下将不凝聚或部分凝聚的有机多硅石溶解于合适的高沸点溶剂(例如，N-甲基-2-吡咯烷，NMP)中，然后向溶液中均匀地分散一种合适的多孔颗粒。这种合适的混合物将包含重量比为20-60％的有机多硅石和残余颗粒。然后这种组合物由一种本领域已知的工艺如旋压成形、喷涂、刮片整平等被用作衬底上的膜。
在本发明的工艺的第二步中，有机多硅石和多孔颗粒的混合物被直接地或用一种步进工艺(例如，在200℃保温2小时，然后等变率(5℃/分钟)地升温至400℃并保持2小时)加热到高温以使有机多硅石凝聚和有机多硅石与多孔颗粒的活性基团相互凝聚。第二步中的加热要小于500℃，小于450℃更好，最好小于425℃。可以用一种催化剂来降低凝聚温度。这种组合物最好在存在一种碱的情况下加热，例如胺或布朗斯基蒂德碱(Bronsted base)。这种碱对凝聚反应有催化作用，使得初始固化温度降低，比如说，低于200℃。优选地，这种碱是一种有机胺。这种胺优选地具有一个高的沸点并且在反应结束时可通过加热去掉。N-甲基二乙醇胺是一种合适的碱。其它合适的碱将为本领域的技术人员所知道，例如公开在美国专利5,206,117中的碱，该专利的公开内容实际上已被作为参考包含在本文中。类似地，凝聚反应可以由布朗斯蒂德酸或路易酸来催化。
本发明中介电组合物的介电常数在25℃时小于2.8比较好，小于2.4更好，最好是小于2.0。这种组合物最好包含体积比为5-30％的孔，孔的尺寸最好小于1000埃以导致机械刚度和抗裂性能、各向同性的光学性能和介电性能的提高。而且，这种介电材料具有能抵抗断裂的机械性能，并且保证它能被化学地/机械地整平以利于在多层集成电路中增加电路层的平版印刷成形。这种介电组合物的介电强度为1-5mV/cm。这种介电组合物是光学上清洁的并且可以很好地粘附在它自身或其它衬底上。这种介电组合物在加热过程中除去溶剂后，经受极小的收缩(例如，小于15％)。
本发明涉及制造集成电路器件的工艺。参看图2，一种工艺实施方案的第一步包括在衬底2上沉积一层本发明的包含有机多硅石和多孔颗粒的介电组合物。衬底2和垂直的金属柱8被一起示出。这种组合物被溶解在一种合适的溶剂中，例如二甲基丙烯脲(DMPU)、NMP或者类似的物质，并且被用本领域公知工艺如旋压成形、喷涂或刮片整平法涂镀于衬底上。这种工艺的第二步包括将组合物加热到高温以使得多硅石甲硅烷基活性基团与多孔颗粒相互凝聚。这种组合物最好在一种有机碱如胺存在的情况下加热。
参看图3，工艺的下一步包括在介电组合物层10上用平版印刷方法制作图案以在组合物层中形成沟12(凹陷)。图3所示的沟12延伸至衬底2和金属柱8。用平版印刷方法制作图案一般包括(ⅰ)在介电组合物10上涂镀一层正性或负性光致抗蚀剂，比如Shipley或HoechstCelanese销售的光致抗蚀剂(AZ光致抗蚀剂)；(ⅱ)以成影像(imagewise)方式将光致抗蚀剂暴露(通过一个掩膜)于象电磁辐射那样的辐射下，例如，可见紫外线或密集紫外线；(ⅲ)将图案显影于抗蚀剂上，例如，用合适的碱性显影剂和(ⅳ)用合适的转印工艺如活性离子蚀刻(RIE)将图案通过介电组合物层10转印至衬底2上。合适的平版印刷图案形成工艺已为本领域技术人员所公知，比如公开在“微平版印刷的入门”一书中的工艺，该书的公开内容实际上已被作为参考包含在本文中。
参看图4，在本发明中制造集成电路工艺的下一步中，金属膜14被沉积于已形成图案的介电层10上。优先选用的金属材料包括铜、钨、和铝。这种金属由已知的工艺如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD、电镀和无电沉积、溅射或诸如此类优选地沉积于已形成图案的介电层上。
参看图5，这种工艺的最后一步包括去除多余的金属材料(例如，将金属膜4平整化)以使得部件14普遍地与已形成图案的介电层10等高。平整化可用化学/机械的抛光或选择性的湿法或干法蚀刻来完成。合适的化学/机械抛光工艺会为本领域的技术人员所知道。
参看图6-8，示出了用于制造集成电路器件的本发明工艺的另一实施方案。这个实施方案中工艺过程的第一步包括将一种金属膜沉积于衬底18上。衬底18也有垂直的金属柱20。参看图7，本工艺过程的第二步中，通过一个掩膜，金属膜被形成印刷图案以形成沟22。参看图8，本工艺过程的下一步中，本发明中的介电组合物层被沉积于已形成图案的金属膜16上。本工艺过程的最后一步中，这种组合物被加热以使得有机多硅石和多孔颗粒凝聚。该介电层随后可被可选择地平整化以待多层集成电路中的下一步工序。
虽然，已借助具体的实施方案描述了本发明，但它的细节不能被理解为界限，因为很明显，在不偏离它的精神和范围的条件下，可以利用不同的实施方案、变化和改进，可以理解，这种等效的实施方案都要被包含在本发明的范围之内。
权利要求
1．一种形成多孔介电材料的工艺，包括(a)将有机多硅石和多孔颗粒混合在一种溶剂中，以及(b)将步骤a中的混合物加热至小于500℃的高温以将有机多硅石与多孔颗粒凝聚在一起。
2．如权利要求1中的工艺，其特征在于，所述多孔颗粒是多孔的玻璃颗粒。
3．如权利要求2中的工艺，其特征在于，所述有机多硅石是倍半硅氧烷。
4．如权利要求3中的工艺，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
5．一种形成集成电路的工艺，包括(a)在衬底上放置一层包含多孔颗粒和有机多硅石的介电组合物。(b)加热该组合物至小于500℃的高温以使有机多硅石和多孔颗粒凝聚；(c)用平版印刷方法在介电层上形成图案；(d)在已形成图案的介电层上沉积一层金属膜；以及(e)将膜平整化以形成集成电路。
6．如权利要求5中的工艺，其特征在于，所述有机多硅石是倍半硅氧烷。
7．如权利要求6中的工艺，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
8．如权利要求7中的工艺，其特征在于，所述多孔颗粒是多孔的玻璃颗粒。
9．一种形成集成电路的工艺，包括(a)在衬底上沉积一层金属膜；(b)用平版印刷方法在金属膜上形成图案；(c)在已形成图案的金属膜上沉积一层包含多孔颗粒和有机多硅石的介电组合物；以及(d)加热组合物至小于500℃的高温以使有机多硅石与多孔颗粒凝聚在一起。
10．如权利要求9中的工艺，其特征在于，所述多孔颗粒是多孔的玻璃颗粒。
11．如权利要求10中的工艺，其特征在于，所述有机多硅石是倍半硅氧烷。
12．如权利要求11中的工艺，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
13．一种介电材料，包含凝聚的有机多硅石和多孔颗粒。
14．如权利要求13所述的介电材料，其特征在于，所述多孔颗粒是多孔的玻璃颗粒。
15．如权利要求14所述的介电材料，其特征在于，所述有机多硅石是倍半硅氧烷。
16．如权利要求15所述的介电材料，其特征在于，所述倍半硅氧烷是烷基、苯基或烷基/苯基倍半硅氧烷。
全文摘要
本发明涉及一种介电材料和一种制造集成电路器件的工艺,该器件包括:(i)衬底;(ii)置于衬底上的金属电路线;(iii)置于电路线上的介电材料。该介电材料包含凝聚的有机多硅石和多孔颗粒。
文档编号H01L21/70GK1218281SQ98123998
公开日1999年6月2日 申请日期1998年11月11日 优先权日1997年11月19日
发明者肯尼斯·雷蒙德·卡特, 克雷格·乔恩·霍克, 詹姆斯·勒普顿·赫德里奇, 罗伯特·丹尼斯·米勒, H·伯哈德·波格 申请人:国际商业机器公司