專利名稱：在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造，且特別是涉及一種在親水性介電材質(zhì)上形成一低介電常數(shù)材質(zhì)的方法及形成的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)半導(dǎo)體集成電路元件的尺寸日漸縮減，而達(dá)到0.18微米以下時(shí)，例如銅制作工藝元件的內(nèi)連線介電材料，必須以低介電常數(shù)的材料為主。目的是以降低介電材料引起的寄生電容，避免造成過(guò)大的電阻-電容延遲時(shí)間(RC delay time)，而影響元件的操作品質(zhì)。特別是到0.13微米以下的技術(shù)時(shí)，其勢(shì)必要以低介電常數(shù)的材料取代一般氧化硅的介電材料。所謂低介電常數(shù)，一般是低于4的介電常數(shù)，例如有機(jī)旋涂(organic spin on)的介電材料。
雖然有機(jī)旋涂的介電材料的介電常數(shù)較低，但是其硬度較小。一般其上會(huì)形成一較薄的一般硬介電材料，例如氧化硅，氮化硅，氮氧化硅(siliconoxynitride)，以達(dá)到所需的機(jī)械強(qiáng)度。然后下一級(jí)的內(nèi)連線介電層，會(huì)繼續(xù)形成于上。但是這些硬介電材料都有較強(qiáng)的親水性(hydrophilic)表面或是高極化(high polar)表面。反之，有機(jī)旋涂的介電材料的表面，是疏水性的(hydrophobic)或是非極化的(non-polar)。因此有機(jī)旋涂的介電材料無(wú)法直接涂布于硬介電材料上。一般現(xiàn)有的解決辦法是先形成一附著增強(qiáng)層(adhesionpromoter)于硬介電層上，改變硬介電層表面的極化程度，使疏水性的有機(jī)旋涂介電材料可以涂布于上。然而附著增強(qiáng)層如果太薄，有機(jī)旋涂介電材料沒(méi)辦法均勻涂布于其上，造成潛在的問(wèn)題。介電層的均勻度對(duì)元件的品質(zhì)，有其重要決定性。但是如果附著增強(qiáng)層太厚，則總介電常數(shù)也會(huì)跟著增加，又造成過(guò)大的電阻-電容延遲時(shí)間。
傳統(tǒng)上，形成一有機(jī)旋涂介電材料于前一層介電層的方法如

圖1所示。于圖1中，于一基底100上，形成有一第一級(jí)介電層102。于介電層102中，一些內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，例如接觸窗(為示)可形成于其中。介電層102于高積集度的銅制作工藝中，一般是一低介電常數(shù)的介電層。接著，形成一硬介電層104，于介電層102上。硬介電層104一般是一高介電常數(shù)的介電層(介電常數(shù)高于4)。
如前述，為了增加后續(xù)第二級(jí)低介電常數(shù)介電層的附著力，一附著增強(qiáng)層106形成于硬介電層104上，以改變硬介電層104表面的親水性，成為較疏水性的表面。因此一低電介常數(shù)介電層108可旋涂于附著增強(qiáng)層106上。
傳統(tǒng)的附著增強(qiáng)層106，采用乙烯基硅甲烷(vinyl silane)。其厚度約為200埃。乙烯基硅甲烷與硬介電層104的反應(yīng)機(jī)制如圖2所示。于圖2中，于親水性硬介電層110的表面上(或是圖1中的硬介電層104)，例如氧化硅表面上，有很多氫氧官能基(O-H)。氫氧官能基有很強(qiáng)的親水性。如果希望于其上旋涂一有機(jī)旋涂介電層，傳統(tǒng)上采用乙烯基硅甲烷為附著增強(qiáng)層。乙烯基硅甲烷的組成如圖中的一分子結(jié)構(gòu)112所示，其也帶有兩個(gè)氫氧官能基。
當(dāng)乙烯基硅甲烷與介電層表面反應(yīng)，其兩個(gè)氫氧官能基可以與介電層表面上的氫氧官能基反應(yīng)，附著于介電層表面上，而本身提供一氧基。對(duì)乙烯基硅甲烷而言，雖然其可轉(zhuǎn)變介電層表面上的極性，但仍無(wú)法有效地將親水性介電層110上全部氫氧官能基轉(zhuǎn)換。而乙烯基硅甲烷本身又留有氧官能基。而乙烯基硅甲烷也是液態(tài)狀，也無(wú)法有效達(dá)到均勻分布的表面。
因此乙烯基硅甲烷的附著增強(qiáng)層，其效果仍有缺點(diǎn)。一般其厚度必須要200埃，才足以轉(zhuǎn)變介電層為疏水性，及所需的表面均勻度。但是其厚度的增加，又會(huì)增加介電常數(shù)的總值，造成電阻-電容延遲常數(shù)。如何將低附著增強(qiáng)層的厚度，且又有足夠的疏水性，是一個(gè)待解決的問(wèn)題。
有鑒于此，本發(fā)明提供以HMDS[((CH3)3Si)2NH]為附著增強(qiáng)層的材料，其厚度可以有效的減低約十倍，即10埃-20埃。
本發(fā)明提供以HMDS[((CH3)3Si)2NH]為附著增強(qiáng)層的材料，因其沉積時(shí)，于壓力環(huán)境下，呈現(xiàn)氣相態(tài)狀，可增加表面的均勻度。
本發(fā)明提供一種在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，包括提供一基底。于基底上，已形成有一第一介電層。于第一介電層上，形成一親水性的第二介電層。于第二介電層上，形成一HMDS附著增強(qiáng)層。于HMDS附著增強(qiáng)層上，形成一低介電常數(shù)介電層，包括有機(jī)旋涂介電材料或是一般親水性介電材料。
其中HMDS附著增強(qiáng)層的厚度約為10埃-20埃。因?yàn)槠涑练e時(shí)，于壓力環(huán)境下呈現(xiàn)氣相態(tài)狀，10埃-20埃的厚度已足夠達(dá)到表面均勻度。而HMDS材料也可更有效轉(zhuǎn)變第二介電層上，親水性的官能基，例如氫氧基，成為疏水性的表面。
本發(fā)明的特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明。附圖中附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1繪示一元件剖面圖，以示一傳統(tǒng)形成一有機(jī)旋涂介電層于一硬介電層上的方法；圖2繪示傳統(tǒng)利用乙烯基硅甲烷為附著增強(qiáng)層，與硬介電層的反應(yīng)機(jī)制；以及圖3繪示依照本發(fā)明，利用HMDS為附著增強(qiáng)層，與硬介電層的反應(yīng)機(jī)制。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明100 基底102 介電層104，110高介電常數(shù)介電層106 附著增強(qiáng)層108 有機(jī)旋涂介電層112 乙烯基硅甲烷(vinyl silane)120 HMDS(hexamethyldisilazane)122 HMDS與硬介電層反應(yīng)后生成物本發(fā)明主要采用(hexamethyldisilazane)[((CH3)3Si)2NH]為介電材料，簡(jiǎn)稱為HMDS，作為親水性介電材料與疏水性介電材料之間的附著增強(qiáng)層。其利用的機(jī)制在于，MDS介電材料可以更有效的將親水性表面轉(zhuǎn)變成疏水性表面，以利于后續(xù)疏水性的低介電常數(shù)介電層的形成。另外，利用HMDS介電材料于加壓環(huán)境時(shí)為氣相狀態(tài)，其可利于沉積，使得有較高的平面均勻度。因HMDS介電材料的特性，附著增強(qiáng)層的厚度可有效的降低，例如10埃至20埃。
以下舉一實(shí)施例做為說(shuō)明。如前圖1所述，于前一層介電層102中，為了形成所需的介電層窗，接觸窗，或內(nèi)連線，及其需要的機(jī)械強(qiáng)度，于介電層102還會(huì)形成一較薄的硬介電層104。硬介電層104一般例如是，氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，這些介電材料一般也具有高介電常數(shù)及親水性。為了于高積集度的元件中，降低金屬間介電層的寄生電容，介電層108一般采用有機(jī)旋涂介電材料，其具有低介電常數(shù)。因硬介電層104是親水性，而介電層108為疏水性，二者需要一附著增強(qiáng)層106，使得介電層108能附著于介電層104上。傳統(tǒng)的附著增強(qiáng)層106采用乙烯基硅甲烷，但是仍有其缺點(diǎn)。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)采用HMDS為附著增強(qiáng)層可有效地增加附著能力，也可有效地減少其厚度。
一般HMDS，[((CH3)3Si)2NH]，與水反應(yīng)時(shí)其反應(yīng)式如下其中，(CH3)3SiOH(Trimethylsilanol)的生成物有，其O-H官能基，預(yù)期可與親水性的介電材料結(jié)合。這樣(CH3)3SiOH中的CH3呈現(xiàn)的性質(zhì)為疏水性。根據(jù)同樣的反應(yīng)機(jī)制，HMDS可與介電材料上的O-H官能基建結(jié)反應(yīng)，因此轉(zhuǎn)變介電材料上的親水性，成為疏水性。
圖3繪示依照本發(fā)明，利用HMDS為附著增強(qiáng)層，與硬介電層的反應(yīng)機(jī)制。于圖3中，親水性的介電材料層110上有許多親水的O-H官能基。HMDS材料120的分子式如圖中所示。當(dāng)HMDS材料120與親水性的介電材料層110反應(yīng)，其生成物122呈現(xiàn)為疏水性。HMDS中的N-H與介電材料層110上的O-H反應(yīng)，產(chǎn)生氨NH3。硅原子周圍的三個(gè)CH3，構(gòu)成疏水性特性。而因每一個(gè)(CH3)3SiOH單獨(dú)可與O-H反應(yīng)，介電材料層110上的O-H可有效的被轉(zhuǎn)換。因此HMDS材料可更有效將親水性的介電材料層110轉(zhuǎn)變成疏水性特性。
另外，HMDS材料還有一特性，即當(dāng)液態(tài)的HMDS在加壓的條件下，會(huì)呈現(xiàn)為微粒的狀態(tài)，形成一氣相似的狀態(tài)。這氣相狀態(tài)有助于沉積能力，使得有較均勻的厚度。均勻的厚度的條件，于元件的品質(zhì)有決定性的角色。
因?yàn)镠MDS材料的特性，其厚度不需要太厚，一般在10埃與20埃之間即可。這比起傳統(tǒng)的乙烯基硅甲烷的200埃，可減少十倍以上。HMDS的附著增強(qiáng)層不會(huì)增加太多的總介電常數(shù)。
本發(fā)明的HMDS附著增強(qiáng)層，至少可達(dá)到幾點(diǎn)特征第一，增加疏水性的效果，使后續(xù)有機(jī)旋涂材料有較大的附著能力。
第二，HMDS的氣相特征，有助于沉積效果以得到較平坦均勻的表面。
第三，HMDS附著增強(qiáng)層，可有效減少所需厚度，不增加總介電常數(shù)。
綜上所述，雖然本發(fā)明已結(jié)合一優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作出各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以后附權(quán)利要求的界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，包括提供一基底，該基底上已形成有一第一介電層；在該第一介電層上形成一親水性的第二介電層；在該第二介電層上形成一HMDS[((CH3)3Si)2NH]附著增強(qiáng)層；以及在該HMDS附著增強(qiáng)層上形成一低介電常數(shù)介電層。
2.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該低介電常數(shù)介電層包括一有機(jī)旋涂介電材料。
3.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該低介電常數(shù)介電層包括一疏水性介電材質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該親水性的第二介電層包括氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該親水性的第二介電層包括氮化硅。
6.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該親水性的第二介電層包括氮氧化硅。
7.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該第一介電層包括一低介電常數(shù)材質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1所述在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法，其中該HMDS附著增強(qiáng)層的厚度為10埃至20埃。
9.一種內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，包括一基底，該基底上有一第一介電層；一在該第一介電層上的親水性的第二介電層；一在該第二介電層上的HMDS[((CH3)3Si)2NH]附著增強(qiáng)層；以及一在該HMDS附著增強(qiáng)層上的低介電常數(shù)介電層。
10.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該低介電常數(shù)介電層包括一有機(jī)旋涂介電材料。
11.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該低介電常數(shù)介電層包括一疏水性介電材質(zhì)。
12.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該親水性的第二介電層包括氧化硅。
13.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該親水性的第二介電層包括氮化硅。
14.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該親水性的第二介電層包括氮氧化硅。
15.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該第一介電層包括一低介電常數(shù)材質(zhì)。
16.如權(quán)利要求9所述內(nèi)連線的介電層結(jié)構(gòu)，其中該HMDS附著增強(qiáng)層的厚度為10埃至20埃。
全文摘要
一種在親水性介電材質(zhì)上形成低介電常數(shù)材質(zhì)的方法,包括提供一基底,基底上已形成有一低介電常數(shù)介電層及在此低介電常數(shù)介電層上形成有一親水性介電層。形成一HMDS[((CH
文檔編號(hào)H01L21/02GK1349248SQ0013145
公開(kāi)日2002年5月15日 申請(qǐng)日期2000年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月17日
發(fā)明者陳桂順, 蔡正原, 黃義雄 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司