用于制造在制成的半导体器件和电子器件内用作层内或层间电介质的超低介电常数材料的改进方法

摘要

公开了以平行板化学气相沉积工艺，利用离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)工艺制造包括Si、C、O和H原子的热稳定的超低介电常数膜的方法。进一步公开了包含由本方法制造的热稳定超低介电常数材料的绝缘层的电子器件。为了制造热稳定的超低介电常数膜，使用特殊的前体材料，如硅烷衍生物例如二乙氧基甲基硅烷(DEMS)和有机分子例如双环庚二烯和环戊烯氧化物。

说明书

本发明一般涉及用于制造具有超低的介电常数(或超低k)的电介质材料的方法和包含该电介质材料的电子器件。更特别地，本发明涉及制造热稳定的超低k的膜的方法，该膜在超大规模集成(“ULSI”)线后端(“BEOL”)配线结构中用作层内或层间的电介质，和由此方法形成的电子结构。

近年在ULSI电路中使用的电子器件尺寸上的不断收缩已经导致BEOL镀覆金属的电阻增加以及层内和层间电介质的电容的增加。这二者结合的效果增加了ULSI电子器件内的信号延迟。为了提高未来ULSI电路的开关性能，需要低介电常数(k)绝缘体和尤其是具有显著低于氧化硅的k的那些绝缘体来降低电容。具有低k值的电介质材料(即电介质)市售可得。例如，一种这样的市售可得的材料是聚四氟乙烯(“PTFE”)，其介电常数约为2.0。但是当对超过300℃的温度曝光时，大多数市售可得的电介质材料是非热稳定的。在目前ULSI芯片中低k电介质的集成化要求至少400℃的热稳定性。

已经考虑在ULSI器件中应用的低k材料包括含Si、C、O和H元素的聚合物，如甲基硅氧烷、甲基硅倍半氧烷及其它有机和无机聚合物。例如，论文(N.Hacker等人，“新型低介电常数的旋涂氧化硅基电介质的性质”Mat.Res.Soc.Symp.Proc.476(1997)：25)描述了看起来满足热稳定性要求的材料，即使当膜是由旋涂技术制备时，当这些材料中的一些达到在互连的结构中用于集成所需要的厚度时，它们很容易传播裂纹。此外，这些现有技术的前体材料成本很高并在大量生产中应用受限。而且，非常大规模的集成(“VLSI”)和ULSI芯片的大多数制造步骤都是通过等离子体增强化学或物理气相沉积技术完成的。

这样，使用预先安置并可得到的加工设备，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制造低k材料的能力将简化其在制造工艺中的集成化作用、降低制造成本并产生更少的有害废物。美国专利号6,147,009和6,497,963描述了由元素Si、C、O和H原子组成的低介电常数材料，其介电常数不超过3.6和呈现出非常低的裂纹蔓延速度。

美国专利号6,312,793、6,441,491、6,541,398和6,479,110 B2描述了多相低k电介质材料，其包括由元素Si、C、O和H组成的基质相和主要由C和H组成的另一相。在上述专利中公开的电介质材料具有不超过3.2的介电常数。

美国专利号6,437,443描述了具有两相或多相的低k电介质材料，其中第一相由SiCOH材料形成。通过将第一种含Si、C、O和H原子的前体气体与至少一种主要含C、H并任选F、N和O原子的第二种前体气体，在等离子体增强化学气相沉积室内进行反应提供该低k电介质材料。

尽管公开了众多的低k电介质材料，但仍持续需要开发具有不超过大约2.5的介电常数的电介质材料，其在目前的ULSI技术中使用的加工温度范围内具有低应力和热稳定性。

本发明提供制造具有不超过大约2.5的介电常数的超低介电常数(即超低k)材料的方法。更优选地，本发明提供的超低k材料的介电常数为约1.5-约2.5，和最优选地，介电常数为约1.8-约2.25。应当指出，除非另有说明，所有介电常数都是相对于真空的。

本发明还提供由至少两种前体的混合物制造包括Si、C、O和H原子的超低介电常数材料的方法，其中第一种前体选自具有分子式SiRR’R”R的硅烷(SiH₄)衍生物，其中R、R’、R”和R可以是也可以不是相同或不同的，且选自H、烷基和烷氧基。优选地，R、R’、R”和R相同或不同并且是甲基、乙基、甲氧基和乙氧基。优选的第一种前体包括但是不限于：二乙氧基二甲基硅烷、二乙氧基甲基硅烷(DEMS)、乙氧基三甲基硅烷、乙氧基二甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、二甲氧基甲基硅烷、三乙氧基硅烷和三甲氧基甲基硅烷。

在本申请中使用的第二种前体是选自下式的有机化合物：

烯烃：

炔烃：

醚：和

环氧烷烃：

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶可以是或不是相同的，并且选自氢、烷基、烯基或炔基，这些基团可以是线型的、支化的、环状的、多环的和可以用含氧、氮或氟的取代基团官能化。优选的第二种前体包括但是不限于：环氧乙烷、环氧丙烷、氧化环戊烯、氧化异丁烯、2，2，3-三甲基环氧乙烷、一氧化丁二烯、双环庚二烯、1，2-环氧基-5-己烯、2-甲基-2-乙烯基环氧乙烷、1-异丙基-环己-1，3-二烯和叔丁基甲基醚。

包括硅烷衍生物的第一种前体与第二种有机前体的结合使用可以在SiCOH基质中有效引入孔形成相和制备比用现有技术中描述的前体更低成本的SiCOH膜。

根据本发明的方法，包括硅烷衍生物的第一种前体与第二种有机前体的结合使用可以得到具有降低的张应力的多孔SiCOH电介质。

本发明进一步提供在平行板等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)反应器内制造超低k电介质的方法，以及在电子结构中用作线后端(“BEOL”)互连结构中层内或层间电介质的超低k材料的制造方法。

在另一方面，本发明还提供具有低内应力和不超过约2.5的介电常数的热稳定的超低k材料。更优选地，该超低k材料的介电常数为约1.5-约2.5，和最优选地，介电常数为约1.8-约2.25。

然而在另一方面，本发明提供插入绝缘材料层在线后端(“BEOL”)配线结构中用作层内或层间电介质的电子结构，其中至少两个绝缘材料层包括本发明的超低k材料。

更进一步，本发明提供一种电子结构，其具有本发明的超低k材料层，在线后端(“BEOL”)配线结构中用作层内或层间电介质，和其进一步包含至少一种电介质盖层，作为活性离子蚀刻(“RIE”)停止层或化学-机械抛光停止层或扩散阻挡层。

根据本发明，提供了制造具有包括Si、C、O和H原子的基质和原子级别超小多孔性的热稳定的电介质材料的方法。在优选的实施方案中，电介质材料具有基本由Si、C、O和H组成的基质。本发明进一步提供在等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)反应器内，由第一种含硅的包括Si、C、O和H原子的前体气体与至少一种包括C、H原子和任选地O、F和N原子的第二种含有机物的前体气体反应，制造电介质材料的方法。本发明的电介质材料的FTIR谱图含可以被解卷积成三个峰的Si-O吸收谱带。本发明进一步提供具有绝缘材料层作为在线后端(“BEOL”)配线结构中使用的层内或层间电介质的电子结构(即基体)，其中绝缘材料可以是本发明的超低k膜。

在优选的实施方案中，提供了制造热稳定的超低k膜的方法，包括下列步骤：提供等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)反应器；在反应器内定位电子结构(即基体)；在反应器内充入包括Si、C、O和H原子的第一种含硅的前体气体；在反应器内充入包括C、H原子和任选地O、F和N原子的第二种含有机物的前体气体混合物；并将超低k膜沉积在基体上。

优选地，第一种前体选自具有分子式SiRR’R”R的硅烷(SiH₄)衍生物，其中R、R’、R”和R可以相同或不相同，且选自H、烷基和烷氧基，优选甲基、乙基、甲氧基和乙氧基。优选的前体包括：二乙氧基二甲基硅烷、二乙氧基甲基硅烷(DEMS)、乙氧基三甲基硅烷、乙氧基二甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、二甲氧基甲基硅烷、三乙氧基硅烷和三甲氧基甲基硅烷。

在本申请中使用的第二种前体是选自下式的有机化合物：

烯烃：

炔烃：

醚：和

环氧烷烃：

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶可以是或不是相同的并选自氢、烷基、烯基或炔基，这些基团可以是线型的、支化的、环状的、多环的并可以用含氧、氮或氟的取代基团官能化。优选的第二种前体包括：环氧乙烷、环氧丙烷、氧化环戊烯、氧化异丁烯、2，2，3-三甲基环氧乙烷、一氧化丁二烯、双环庚二烯(也称作2，5-降冰片二烯)、1，2-环氧基-5-己烯、2-甲基-2-乙烯基环氧乙烷、1-异丙基-环己-1，3-二烯和叔丁基甲基醚。

任选地，可以将本发明的沉积膜在不低于约300℃的温度下进行热处理至少约0.25小时的时间。或者，可以将本发明的沉积膜进行UV或电子束处理。

本发明的方法可以进一步包括下列步骤：提供一个平行板反应器，其基体卡盘的面积在约300cm²-约800cm²之间和基体与顶部电极间的缝隙为约1cm-约10cm。

或者，还可以使用多站反应器进行膜的沉积。以约12MHz-约15MHz的频率施加高频RF功率到一个电极上。任选地，可以施加例如2MHz或更低频率(350-450KHz)的附加的低频功率到一个电极上。

热处理步骤可以进一步在不高于约300℃的温度下进行第一段时间和然后在不低于约380℃的温度下进行第二段时间，其中第二段时间比第一段时间长。第二段时间可以至少约是第一段时间的10倍。可以将此热处理过的膜任选地对UV照射或电子束曝光处理。

本发明的超低k膜的沉积步骤可以进一步包括下列步骤：设定基体温度在约25℃-约400℃之间；设定高频RF功率密度在约0.05W/cm²-约3.5W/cm²之间；设定第一种前体流速在约5sccm-约1000sccm之间；设定第二种前体的流速在约5sccm-约1000sccm之间；设定载气体(He)流速在0sccm-约1000sccm之间；和设定反应器压力在约50mtorr-约8000mtorr压力之间。任选地，可以将约10W-约300W之间的超低频率功率加到等离子体上。

在另一个优选的实施方案中，提供了制造超低k膜的方法，其包括下列步骤：提供具有等离子体增强的平行板型化学气相沉积反应器；将预加工的晶片定位在面积为约300cm²-约800cm²之间的基体卡盘上并保持晶片和顶部电极之间的缝隙为约1cm-约10cm之间；在反应器内充入包括具有分子式SiRR’R”R的硅烷衍生物分子的第一种前体气体，其中R、R’、R”和R相同或不同并选自H、烷基和烷氧基，其中R、R’、R”和R相互独立地是甲基、乙基、甲氧基或乙氧基；充入至少一种包括来自下列结构的化合物的有机分子的第二种前体气体；

烯烃：

炔烃：

醚：和

环氧烷烃：

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶可以相同或不相同，并且选自氢、烷基、烯基或炔基，这些基团可以是线型的、支化的、环状的、多环的并可以用含氧、氮或氟的取代基团官能化；和将超低k膜沉积在晶片上。

本方法可以进一步包括在沉积步骤后，在不低于约300℃的温度下，将膜热处理至少约0.25小时的步骤或在沉积后将膜进行UV或电子束处理的步骤。此方法可以进一步包括施加RF功率到晶片上的步骤。热处理步骤可以进一步在不高于约300℃的温度下进行第一段时间和然后在不低于约380℃的温度下进行第二段时间，第二段时间比第一段时间长。第二段时间可以至少约是第一段时间的10倍。

使用的硅烷衍生物前体可以是二乙氧基甲基硅烷(DEMS)和有机前体可以是双环庚二烯(BCHD)。超低k膜的沉积步骤可以进一步包括下列步骤：设定晶片温度在约25℃-约400℃之间；设定RF功率密度在约0.05W/cm²-约3.5W/cm²之间；设定硅烷衍生物的流速在约5sccm-约1000sccm之间；设定有机前体的流速在约5sccm-约1000sccm之间；设定载气(He)流速在0sccm-约1000sccm之间；和设定反应器压力在约50mtorr-约8000mtorr压力之间。另外，沉积步骤可以进一步包括设定双环庚二烯与二乙氧基甲基硅烷的流速比率在约0.1-约3之间，优选0.2-0.6之间。基体卡盘的传导面积可以由因素X改变，这样由相同的因素X会导致RF功率的改变。

在另一个优选的实施方案中，提供了制造热稳定的超低k电介质膜的方法，包括下列步骤：提供平行板型的等离子体增强化学气相沉积反应器；将晶片定位在传导面积约300cm²-约800cm²之间的基体卡盘上并保持晶片和顶部电极之间的缝隙约1cm-约10cm；在温度保持在约25℃-约400℃之间的反应器内晶片上，以约25sccm-约1000sccm之间的总流速充入上述硅烷衍生物与有机分子的前体气体混合物，同时保持反应器压力在约100mtorr-约8000mtorr之间；在约0.25W/cm²-约3W/cm²之间的RF功率密度下将电介质膜沉积在晶片上；和任选地在不低于约300℃的温度下将此超低k膜退火至少约0.25小时。

本发明的方法可以进一步包括将此膜在不高于约300℃的温度下进行第一段时间的退火和然后在不低于约380℃的温度下进行第二段时间退火的步骤，其中第二段时间比第一段时间长。第二段时间可以设定为至少约是第一段时间的10倍。硅烷衍生物可以是二乙氧基甲基硅烷(DEMS)和有机前体可以是双环庚二烯(BCHD)。

本发明的目的进一步在于具有绝缘材料层在线后端(“BEOL”)互连结构中用作层内或层间电介质的电子结构，其包括一个预加工的半导电基体，该基体带有嵌入在第一层绝缘材料内的第一个金属区，嵌入在本发明的超低k电介质的第二层绝缘材料内的第一个半导体区，上述超低k电介质包括Si、C、O和H和多个纳米尺寸的孔并且介电常数不超过约2.5，其中第二层绝缘材料与第一层绝缘材料紧密接触，第一个半导体区与第一个金属区进行电连通，和第二个半导体区与第一个半导体区进行电连通并且被嵌入到包括本发明的超低k电介质的第三层绝缘材料内，第三层绝缘材料与第二层绝缘材料紧密接触。该电子结构可以进一步包括位于第二层绝缘材料和第三层绝缘材料中间的电介质盖层。该电子结构可以进一步包括第二层绝缘材料和第三层绝缘材料之间的第一个电介质盖层，和在第三层绝缘材料顶部的第二个电介质盖层。

电介质盖材料可以选自氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳氮化硅(SiCN)、碳氧氮化硅(SiCON)、难熔的金属硅氮化物(其中难熔的金属选自Ta、Zr、Hf和W)、碳化硅、碳掺杂氧化物或SiCOH及它们的氢化化合物。第一个和第二个电介质盖层可以选自同组的电介质材料。第一层绝缘材料可以是氧化硅或氮化硅或这些材料的各种掺杂体，如磷硅酸盐玻璃(“PSG”)或硼磷硅酸盐玻璃(“BPSG”)。电子结构可以进一步包括沉积在至少第二层绝缘材料和第三层绝缘材料之一上的电介质材料的扩散阻挡层。电子结构可以进一步包括在第二层绝缘材料上面的电介质，其作为活性离子蚀刻(“RIE”)硬掩模和抛光停止层，和在电介质RIE硬掩模和抛光停止层的上面的电介质扩散阻挡层。电子结构可以进一步包括在第二层绝缘材料上面的第一个电介质RIE硬掩模/抛光停止层、在第一个电介质抛光停止层上面的第一个电介质RIE硬掩模/扩散阻挡层、在第三层绝缘材料上面的第二个电介质RIE硬掩模/抛光停止层和在第二个电介质抛光停止层的上面的第二个电介质扩散阻挡层。电子结构可以进一步包括如上所述相同材料的电介质盖层，位于超低k电介质的层间电介质和超低k电介质的层内电介质之间。

本发明的上述目的、特征和优点将由下列详述和附图明确，其中：

图1描述了可以在本发明中使用的平行板化学气相沉积反应器的剖视图。

图2描述了由本发明的超低k材料得到的傅立叶变换红外(“FTIR”)谱图，其中超低k材料由二乙氧基甲基硅烷(“DEMS”)和双环庚二烯(“BCHD”)的混合物沉积。

图3描述了由另一种本发明的超低k材料得到的傅立叶变换红外(“FTIR”)谱图，其中超低k材料由二乙氧基甲基硅烷(“DEMS”)和氧化环戊烯(“CPO”)的混合物沉积。

图4描述了具有根据本发明的超低k材料的层内电介质层和层间电介质层的电子器件的放大的剖视图。

图5描述了具有在根据本发明的超低k材料膜上面的附加的扩散阻挡电介质盖层的图4的电子结构的放大的剖视图。

图6描述了具有附加RIE硬掩模/抛光停止电介质盖层和在根据本发明的抛光停止层上面的电介质盖扩散阻挡层的图5的电子结构的放大的剖视图。

图7描述了具有在根据本发明的层间超低k材料膜上面的附加的RIE硬掩模/抛光停止电介质层的图6的电子结构的放大的剖视图。

图8是具有沉积在多相材料膜上面的附加的RIE硬掩模/抛光停止电介质层的图7的电子结构的放大的剖视图。

本发明公开了在平行板等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)反应器内制造热稳定的超低介电常数膜的方法。在优选的实施方案中公开的材料包含氢化氧化的硅碳材料(SiCOH)基质，其包括Si、C、O和H，处于无规共价键合的网状结构且介电常数不超过约2.5，其可以进一步包含分子尺寸的洞，直径约0.5-20纳米，进一步降低介电常数到低于约2.0的数值。更优选地，超低k膜的介电常数是从约1.5-约2.5，和最优选介电常数为从约1.8-约2.25。本发明的超低k电介质材料一般特征在于多相膜和多个纳米尺寸的孔，该多相膜包括基本由Si、C、O和H组成的第一相和基本由C和H组成的第二相。

为了制造超低k热稳定膜，需要带有特定生长条件的特定几何形状的沉积反应器。例如，在平行板反应器内，基体卡盘的导电面积应介于约300cm²-约800cm²之间，基体和顶部电极之间的缝隙约1cm-约10cm。施加RF功率到基体上。根据本发明，由硅烷衍生物如DEMS和第二种前体的混合物在特定构型的沉积反应器内，在特定反应条件下形成超低k膜，其中第二种前体是有机分子，选自下列化合物，包括：

烯烃：

炔烃：

醚：和

环氧烷烃：

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶可以相同或不相同并选自氢、烷基、烯基或炔基，这些基团可以是线型的、支化的、环状的、多环的并可以用含氧、氮或氟的取代基团官能化，如双环庚二烯(BCHD)。本发明的超低k膜可以进一步在不低于约300℃的温度下进行热处理至少约0.25小时，以降低介电常数。此膜还可以在沉积后或在热处理之后进行UV或电子束处理。在此后沉积处理步骤过程中，由包括碳和氢和任选地氧原子的第二种前体气体(或气体混合物)得到的分子碎片会热分解并转变成更小的分子，这些小分子被从膜中释放掉。任选地，在膜中通过分子碎片的转变和释放过程，可以得到进一步形成的空洞。这样膜密度降低，介电常数和折光指数相应降低。

本发明提供制备具有超低k即低于约2.5的材料的方法，该材料适用于BEOL配线结构中的集成化。更优选地，本发明的超低k膜的介电常数为从约1.5-约2.5，和最优选地，介电常数为从约1.8-约2.25。可以通过至少两种合适前体的选择和如下所述的加工参数的特定的结合来制备本发明的膜。优选地，第一种前体选自具有分子式SiRR’R”R的硅烷(SiH₄)衍生物，其中R、R’、R”和R可以相同或不同，且选自H、烷基和烷氧基，优选甲基、乙基、甲氧基和乙氧基。优选的前体包括：二乙氧基二甲基硅烷、二乙氧基甲基硅烷(DEMS)、乙氧基三甲基硅烷、乙氧基二甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、二甲氧基甲基硅烷、三乙氧基硅烷和三甲氧基甲基硅烷。

在本申请中使用的第二种前体是选自下式的有机化合物：

烯烃：

炔烃：

醚：和

环氧烷烃：

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶可以相同或不同并选自氢、烷基、烯基或炔基，这些基团可以是线型的、支化的、环状的、多环的并可以用含氧、氮或氟的取代基团官能化。此外，在第二种前体分子中可以包含其它原子如S、Si或其它卤素。在这些物质中，最合适的是环氧乙烷、环氧丙烷、氧化环戊烯、氧化异丁烯、2，2，3-三甲基环氧乙烷、一氧化丁二烯、双环庚二烯、1，2-环氧基-5-己烯、2-甲基-2-乙烯基环氧乙烷、1-异丙基-环己-1，3-二烯和叔丁基甲基醚。

如图1所示，平行板等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)反应器10是用于加工200mm晶片使用的类型。反应器10的内径X大约为13英寸，而其高Y大约为8.5英寸。基体卡盘12的直径大约为10.8英寸。通过气体分配板(“GDP”)16将反应物气体引入到反应器10中，气体分配板被约1英寸的缝隙Z与基体卡盘12分隔开，和通过3英寸的排气口18将反应物气体排出反应器10。RF功率20与GDP16连接，GDP16与反应器10电绝缘，基体卡盘12接地。为了实用的目的，反应器的所有其它部件都接地。在不同的实施方案中，RF功率20可以与基体卡盘12连接并被传输到基体22上。在此情况下，基体要求负偏压，其值取决于反应器的几何形状和等离子体参数。在另一个实施方案中，可以使用多于一个的电源。例如，两个电源可以以相同的RF频率工作，或一个以低频工作而另一个以高频工作。两个电源可以都与相同的电极连接或被连接到单独的电极上。在另一个实施方案中，在沉积过程中可以启动或关闭RF电源。在低k膜的沉积过程中控制的工艺变量是RF功率密度、前体混合物和流速、反应器内压力、电极间距和基体温度(加热的晶片卡盘的温度控制基体温度)。

根据本发明，使用合适的第一种和第二种前体和上述工艺参数的特定结合，这样制备的本发明的超低k材料优选包括：约5-约40原子百分比的Si；约5-约70原子百分比的C；0-约50原子百分比的O；和约5-约55原子百分比的H。在本发明的一些实施方案中，C含量可以高达约70％。

在膜的沉积工艺过程中控制的主要工艺变量是RF功率、前体的流速、反应器压力和基体温度。在下文中提到的是根据本发明由第一种前体二乙氧基甲基硅烷(DEMS)和第二种前体双环庚二烯(BCHD)沉积膜的一些例子。在一些实施例中，通过使用He(或Ar)作为载气将DEMS前体蒸汽输送到反应器内。任选地，将膜在沉积后，在400℃下进行热处理以降低k。另外，例如，如在美国申请系列号10/758,724中所述，将膜进行UV或电子束处理以降低k和增加交联。热处理可以单独使用或与在‘724申请中公开的处理方法之一一起使用。

特定地，根据‘724申请，可以使用一种能量源任选地处理该沉积膜，以稳定此膜并提高其性能(电的、机械的、粘合的)，生成最终优化的膜。合适的能量源包括热、化学、紫外线(UV)、电子束(e-束)、微波和等离子体。在本发明中也可以使用上述能量源的结合。利用在本发明中使用的能量源来改善该沉积的电介质的Si-O键合的网状结构，改善材料中的其它键，形成更多的Si-O交联，和在一些情况下去除烃相，其中所有上述改性均导致较高的弹性模量、较高的硬度或较低的内应力，或是上述性能的结合。无论较高的模量还是较低的应力均导致较低的裂纹扩展速度，而较高模量和较低应力的结合是能量处理的优选结果。

热能源包括任何来源例如加热元件或灯，其可以将沉积的电介质材料加热到约300℃-约500℃的温度。更优选地，热能源能够加热沉积的电介质材料到约350℃-约430℃的温度。此热处理工艺可以进行各种时间段，其中该时间段一般为约1分钟-约300分钟。此热处理步骤一般在惰性气体如He和Ar存在下进行。该热处理步骤可以被称作为退火步骤，其中使用快速热退火、炉内退火、激光退火或点火(spike)退火状态。

使用能够产生波长为约500-约150nm的光的能量源进行UV光处理步骤，来照射基体，同时晶片温度保持在25℃-500℃，其中优选300℃-450℃的温度。＞370nm的照射对于分裂或活化重要的键是不足的能量，因此波长范围150-370nm是优选的范围。利用文献资料和对沉积膜测量的吸收谱图，本发明者已经发现由于SiCOH膜的降解，＜170nm的照射可能是不利的。进一步，由于310-370nm中每光子的相对低的能量，310-370nm的能量范围不如150-310nm范围有用。在150-310nm范围内，可以任选地使用该沉积膜的吸收谱图的最佳交叠和膜性能(如疏水性)的最小降解，以选择最有效的UV谱图区用于改变SiCOH的性能。

使用能够在晶片上产生均匀的电子流量的能量源进行电子束处理步骤，其中能量为0.5-25keV和电流密度为0.1-100微安/cm²(优选1-5微安/cm²)，同时晶片温度保持在25℃-500℃，优选300℃-450℃的温度。在电子束处理步骤中使用的优选的电子剂量为50-500微库仑/cm²，最优选100-300微库仑/cm²。

使用能够产生原子氢(H)和任选地CH₃或其它烃基团的源进行等离子体处理步骤。优选下游等离子体源胜过直接等离子体照射。在等离子体处理过程中，晶片温度保持在25℃-500℃，优选300℃-450℃的温度。

通过将气体引入到能产生等离子体的反应器内和之后气体转变成等离子体进行等离子体处理步骤。等离子体处理可以使用的气体包括惰性气体如Ar、N、He、Xe或Kr，其中优选He；氢或原子氢的相关来源、甲烷、甲基硅烷、CH₃基团的相关来源及其混合物。等离子体处理气体的流速可以根据使用的反应器体系改变。室压可以在0.05-20torr范围内的任意点，但是工作压力的优选范围是1-10torr。等离子体处理步骤进行一段时间，尽管在本发明中可以使用较长的时间，但其一般为约-约10分钟。

一般使用RF或微波功率源产生上述等离子体。RF功率源可以在高频范围(在约100W或更高的数量级)或低频范围(低于250W)内工作或者可以使用它们的结合。高频功率密度可以在0.1-2.0W/cm²范围内任意点，但是优选的工作范围是0.2-1.0W/cm²。低频功率密度可以在0.1-1.07W/cm²范围内任意点，但是优选的工作范围是0.2-0.5W/cm²。选择的功率水平必须足够低，以避免曝光的电介质表面显著的溅射蚀刻(＜5纳米去除)。

使用的沉积条件也很严格，以能够成功的进行根据本发明的沉积工艺。例如，使用约25℃-约420℃之间，和优选60℃-约350℃之间的晶片温度。使用约0.05W/cm²-约3.5W/cm²之间，和优选约0.25W/cm²-约1W/cm²之间的RF功率密度。在优选的工艺中，不仅将照射频率能量以13.6MHz和约350W的功率(尽管可以使用200-450W)施加到气体引入板(“淋浴头”)，而且将其以13.6MHz和约100W的功率(尽管可以使用50-200W)施加到晶片卡盘上。如现有技术中已知，在本发明中也可以使用不同的RF频率(0.26、0.35、0.45MHz)。

使用约5sccm-约1000sccm之间，和优选地约25sccm-约200sccm之间的DEMS反应物气体流速。使用约5sccm-约1000sccm之间，和优选地约10sccm-约120sccm之间的BCHD的反应物气体流速。当使用液体前体释放输送时，每种前体使用500-5000mg/分钟的液体流速。任选地，可以加入He和优选的He的流速在100-2000sccm范围内，尽管在本发明中可以使用其它流体。沉积过程中反应器压力一般在约50mtorr-约10000mtorr之间。

如果使用多站沉积反应器，基体的面积参照每一个单个基体卡盘和气体流速参照每一个单个沉积站。因此，到反应器的总流速和总的功率输入被反应器内沉积站点的总数相乘。

在进行进一步的集成加工之前，沉积膜是稳定的。稳定化工艺可以在炉内退火步骤中约300℃-约430℃下进行约0.5小时-约4小时。稳定化工艺也可以在快速热退火步骤中在超过300℃的温度下进行。稳定化工艺还可以在UV或电子束室内在超过300℃的温度下进行。根据本发明得到的膜的介电常数低于约2.5。在非氧化环境中，根据本发明得到的膜的热稳定性高达至少约430℃的温度。

根据本发明形成的电子器件示于图4-7。应当指出：图4-7中所示的器件仅作为根据本发明的例子说明，而根据本发明也可以形成无数其它的器件。

图4描述了建在硅基体32上的电子器件30。在硅基体32的顶部形成绝缘材料层34，其中嵌入第一个金属区36。在第一个金属区36上进行化学机械抛光(“CMP”)工艺后，诸如超低k膜38的一层膜就沉积在了第一层绝缘材料34和第一个金属区36的上面。任选地，可以在层34和层38之间加入一层附加的电介质盖层(未示意出)。第一层绝缘材料34可以由氧化硅、氮化硅、这些材料的多种掺杂体，或者任何其它合适的绝缘材料恰当地形成。超低k膜38由光刻蚀工艺形成图案和导体层40沉积在其中。在第一个导体层40上进行CMP工艺之后，由等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)工艺在第一个超低k膜38和第一个导体层40上面沉积第二层超低k膜44。导体层40可以由金属导电材料或非金属导电材料沉积而成。例如，可以使用铝或铜的金属导电材料，或如氮化物或聚硅的非金属材料。第一个导体40与第一个金属区36电连通。

在第二个超低k膜层44内进行光刻蚀工艺之后，形成第二个导体区50，随后进行第二个导体材料的沉积工艺。第二个导体50也可以由金属材料或非金属材料沉积而成，与沉积第一个导体层40中使用的材料相似。第二个导体区50与第一个导体区40电连通并嵌入在第二层超低k绝缘体44中。第二层超低k膜与第一层绝缘材料38紧密接触。在此特定的实施例中，是根据本发明的超低k材料的第一层绝缘材料38用作层内电介质材料，而第二层绝缘材料即超低k膜44既用作层内又用作层间电介质。以超低k膜的低的介电常数为基础，可以由第一个绝缘层38和第二个绝缘层44获得超级绝缘性能。

图5描述了根据本发明的电子器件60，与图4中示意的电子器件30相似，但是具有沉积在第一个绝缘材料层38和第二个绝缘材料层44之间的附加电介质盖层62。电介质盖层62可以由诸如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、碳氮化硅(SiCN)、碳氧化硅(SiCO)、改性的超低k及其氢化化合物以及难熔金属氮化硅等材料恰当地形成，其中难熔金属选自：Ta、Zr、Hf和W。此外，电介质盖层62用作扩散阻挡层以阻止第一个导体层40扩散进入第二个绝缘材料层44中或进入下面的层，尤其是层34和32中。

图6描述了根据本发明的电子器件70的另一个替代的实施方案。在电子器件70中，使用两个用作RIE掩模和CMP(化学-机械抛光)抛光停止层的附加的电介质盖层72和74。第一个电介质盖层72沉积在第一个绝缘材料层38上面。电介质层72的功能是提供一个在平面化第一个导体层40中使用的CMP工艺的端点。抛光停止层72可以由合适的电介质材料如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、碳氧化硅(SiCO)、碳氮化硅(SiCN)改性的超低k及其氢化化合物以及难熔金属氮化硅沉积形成，其中难熔金属选自：Ta、Zr、Hf和W。电介质层72的上表面与第一个导体层40处于同一水平面。第二个电介质层74可以加在第二个绝缘材料层44的上面用于相同的目的。

图7又描述了根据本发明的电子器件80的另一个替代的实施方案。在此替代实施方案中，沉积了附加的电介质层82，这样将第二个绝缘材料层44分成了两个单独的层84和86。因此，如图7所述，层内和层间电介质层44在互连体92和互连体94间的界面处被分成层内电介质层84和层间电介质层86，如图8所述。附加的扩散阻挡层96被进一步沉积在上部的电介质层74的上面。由此电子结构80的替代的实施方案提供的额外的好处是电介质层82作为RIE蚀刻停止，提供优良的互连深度控制，和因此对导体电阻的优良控制。

举出下列实施例来说明根据本发明的超低k电介质膜的制造并证明由此得到的膜的优点：

实施例1

在此实施例中，根据图1，首先通过槽阀(slit valve)14将晶片引入到反应器10内制备晶片和将晶片任选地由氩气进行预蚀刻。在此晶片制备工艺中，晶片温度设定在约180℃和氩气流速设定为约25sccm，以获得约100mtorr的压力。然后接通约125W的RF功率持续约60秒。然后关掉RF功率和氩气流。

加入DEMS前体到反应器内。通过首先将DEMS和BCHD的气流固定在预期的流速和压力，即约4sccm的DEMS和约3sccm的BCHD和约500mtorr，沉积根据本发明的超低K膜。然后接通约30W的RF功率持续约50分钟。再关掉RF功率和气流。然后从反应器10中移出该晶片。

为了降低该沉积膜的介电常数和进一步提高它们的热稳定性，即：使它们在大于300℃的温度下稳定，将此膜进行后处理，以蒸发易挥发的成分并在尺寸上稳定该膜。后处理工艺可以由下列步骤在退火炉内进行。首先将炉用氮气以约10升/分钟的流速清洗约5分钟(其中膜样品在负载站内)。然后将膜样品转移到炉反应器内，开始如下后退火循环：以约5℃/分钟的加热速度加热该膜到约280℃，在约280℃下保持约5分钟，以约5℃/分钟的加热速度第二次加热到约400℃，在约400℃下保持约4小时，关掉炉子并使膜样品冷却到低于约100℃的温度。合适的第一个保持温度可以在约280℃-约300℃之间，而合适的第二个保持温度可以在约300℃-约400℃之间。这样得到的膜的介电常数为1.81。此外，该膜可以在超过300℃下进行UV或电子束处理达30分钟。

现在参见图2讨论第一个实施方案的结果。图2代表由根据本发明的DEMS+BCHD的混合物制备的超低k膜得到的FTIR谱图。该谱图显示出在约1000-1100cm^-1处Si-O吸收段、在约1268cm^-1处Si-CH₃吸收峰和在约2900-3000cm^-1处C-H吸收峰。该超低k膜的此FTIR谱图的一个特征是Si-O峰可以被解卷积为中心在1141cm^-1、1064cm^-1和1030cm^-1处的3个峰，如图2中特别示意。

实施例2

在此实施例中，在如实施例1相同的设备中制备晶片。首先将晶片引入到反应室内。晶片温度设定在约180℃。将DEMS前体装入反应器内。通过首先将DEMS和一氧化丁二烯(BMO)的气流固定在预期的流速和压力，即约1sccm的DEMS和约4sccm的BMO和约500mtorr下，沉积根据本发明的超低K膜。然后接通约30W的RF功率持续约50分钟。再关掉RF功率和气流。然后从反应器10中移出晶片。

然后将此膜以实施例1中所述的相同方法进行处理。得到的膜的介电常数为1.77。

实施例3

在此实施例中，在如实施例1相同的设备中制备晶片。首先将晶片引入到反应室内。晶片温度设定在约180℃。将DEMS前体装入反应器内。通过首先将DEMS和2-甲基-2-乙烯基环氧乙烷(MVOX)的气流固定在预期的流速和压力，即约2sccm的DEMS和约3sccm的MVOX和约500mtorr下，沉积根据本发明的超低K膜。然后接通约30W的RF功率持续约50分钟。再关掉RF功率和气流。然后从反应器10中移出晶片。

然后将此膜以实施例1中所述的相同方法进行处理。

得到的膜的介电常数为2.08。

实施例4

在此实施例中，在一个8英寸的工业PECVD设备中制备晶片。首先将晶片引入到反应室内。晶片温度设定在约200℃。使用He作为载气将DEMS和氧化环戊烯(CPO)都装入反应器内。通过首先将DEMS和CPO的气流和He固定在预期的流速和压力，即约70sccm的DEMS和约320sccm的CPO和约300sccm的He和约2000mtorr下，沉积根据本发明的超低K膜。然后接通约300W的RF功率持续约10分钟。再关掉RF功率和气流。然后从反应室中移出晶片。

然后将此膜以实施例1中所述的相同方法进行处理。得到的膜的介电常数为2.19。

现在参见图3讨论结果。图3代表得自于由DEMS/CPO和He制备的超低k膜的FTIR谱图。该谱图显示出在约1000-1100cm^-1处Si-O吸收段、在约1267cm^-1处Si-CH₃吸收峰和在约2900-3000cm^-1处C-H吸收峰。该超低k膜的FTIR谱图的一个特征是Si-O峰可以被解卷积为中心在1132cm^-1、1058cm^-1和1024cm^-1处的3个峰，如图3中特别示意。

也可以使用快速热退火(“RTA”)工艺来稳定超低k膜。根据本发明得到的膜的特征在于介电常数k小于约2.5，和它们对于在线后端(“BEOL”)互连结构中的集成化是热稳定的，该互连结构通常在达到约400℃的温度下进行加工。因此，本发明的教导可以很容易地适用于生产在线后端工艺中用作层内和层间电介质的膜，用于逻辑和记忆元件。

因此，在上述描述和附图4-8中已经完全证明了根据本发明的方法和形成的电子结构。应当强调：图4-8中所示的电子结构的例子仅是用于说明本发明的方法，其可以适用于无数电子器件的制造。

正如现有技术已知，当使用液体质量流动控制时，在上面4个工艺实施例中列出的气流单元可以由液体流单元代替。

尽管已经以说明的方式描述了本发明，但是应当理解使用的术语意图是描述性用词而非限制性。

而且，尽管已经就优选的实施方案和几个替代的实施方案特别示意并说明了本发明，但是应当理解熟练的技术人员可以轻易地将这些教导应用于本发明的其它可能的变体，而不背离本发明的精神和范围。

在下面附带的权利要求书中定义了本发明的实施方案，其中要求了专有性质或特权。