[发明专利]一种含氟的多孔低介电常数复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种含氟的多孔低介电常数复合薄膜及其制备方法，应用于铜互连中的层间介质。

背景技术

随着集成电路技术的发展，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越来越成为超大规模集成电路的主要产品。此时，芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小，这导致芯片后端互连中的电阻（R）和电容（C）产生的寄生效应越来越明显。目前，工业上已经普遍采用铜（Cu）代替铝（Al）进行布线，以降低电阻；采用低介电常数（low-k）材料取代传统的二氧化硅（SiO₂）作为层内和层间电介质，以降低寄生电容。

在当前科学研究及工业生产中，low-k(低介电常数材料k)材料的制备主要是采用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）的技术，对传统的SiO₂材料进行改性而获得。其具体解决方案主要有：引入氟元素，引入碳氢基团（CH_x），引入孔隙等。最早的low-k材料是氟掺杂的二氧化硅（F-SiO₂），被应用在180 nm和130 nm技术节点上。氟元素的掺入可以取代SiO₂中部分氧元素，形成极化率较低的Si-F键，从而实现介电常数的降低。Si-F键非常稳定，一般不会在后续加工过程中发生热分解，但是氟含量过高会导致薄膜容易吸水。此外，在PECVD过程中，氟元素的引入简单易行，无需对现有设备及工艺做较大的改动。

多孔薄膜近年来也得到了广泛的研究，孔隙的引入可以降低材料的密度，从而降低介电常数。目前，公开报道的多孔低介电常数材料主要是多孔的SiCOH材料，对于PECVD方法制备含氟的多孔低介电常数薄膜尚未见报道。因此，本发明以四乙氧基硅烷（TEOS）和双戊烯（LIMO）作为液态源前驱体，以六氟乙烷（C₂F₆）作为氟源，采用与现有集成电路制造工艺相兼容的PECVD技术，并结合薄膜沉积后的热处理，制备出了含氟的多孔低介电常数复合薄膜。该薄膜还具有很好的绝缘性能和力学性能，能够满足集成电路后端互连对介质的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能满足互连要求的介质材料及其制备方法，即含氟的多孔低介电常数复合薄膜及其制备方法。

本发明提出的含氟多孔低介电常数复合薄膜，是以四乙氧基硅烷（TEOS）和双戊烯（LIMO）作为液态源前驱体，以六氟乙烷（C₂F₆）作为氟源，采用PECVD工艺，获得无机-有机复合薄膜。然后，对该薄膜进行热退火处理，使得部分有机组分发生热分解，从而得到含氟的多孔低介电常数无机-有机复合薄膜。

本发明提出的含氟多孔低介电常数复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）将晶圆置于PECVD的反应腔中，然后对反应腔体抽真空，使腔体压力小于0.02 Torr；然后，通过加热系统将衬底加热至150~300 ℃，并维持稳定；

（2）向反应腔体中通入前驱体TEOS和LIMO，两者的流量均为0.1~2 g/min；首先采用汽化器使前驱体汽化，其中TEOS的汽化温度为120~160 ℃，LIMO的汽化温度为60~100 ℃；然后使用载气（如氦气）将前驱体蒸汽从不同气路输送到反应腔中，其中输送TEOS蒸汽的载气流量为500~5000 sccm，输送LIMO蒸汽的载气流量为1000~8000 sccm；

（3）经单独的管路向反应腔体中通入C₂F₆气体，流量为10~2000 sccm；

（4）进行等离子增强化学相沉积，沉积过程中，工艺参数分别为：射频功率100~700 W；反应腔中工作压强1~8 Torr；上下极板间距10~20 mm，得到含氟的无机-有机复合薄膜；

该含氟的无机-有机复合薄膜中，无机成分主要为Si-O-Si结构，有机成分主要为CHx基团；F主要与Si 结合，以Si-F键的形式存在于薄膜中；

（5）将PECVD沉积得到的无机-有机复合薄膜置于管式炉、箱式炉或其他腔体中，进行热退火处理，退火温度为400~600 ℃，退火时间为0.5~4小时，退火气氛可以为氩气、氦气或氮气等，压力为0.1~800 Torr。在退火过程中，部分有机组分发生热分解除去，而Si-F键不会发生分解，由此获得含氟的多孔复合薄膜。