介质绝缘薄膜层优化方案

1.概述

电介质材料在多层导体连线系统里起导体连线间与金属层间的电隔离和导热的作用，在金属连线复杂化以后，电介质材料还具有平坦化的功能。早期，为了避免集成电路表面金属Al连线上的刮伤（操作或封装工艺中），并防止水汽与杂质的渗透，发展了低温CVD的SiO2。该工艺确实可以提高集成电路的产品合格率。但由于热分解制备的SiO2容易产生尘粒而不能有效地阻止水汽与杂质离子的掺入，还发展了低温的PECVD技术生长Si、N4与掺磷的二氧化硅膜（PSG）。由于Si3N4材料的结构比较紧密，在防止水汽及杂质的掺入方面优于热分解制备的SiO2。另外，PSG也具有捕捉杂质的能力。因此，PSG与Si3N4组合，可构成集成电路的上层电介质保护层。

电介质材料的功能是在导体连线间形成电绝缘层，并将微电子器件运行时产生的热量传导出去以及防止器件组装时的杂质污染。早期的介电膜，只要覆盖性良好，即可满足其基本要求。到了亚微米时代，介电质在导线间的填隙能力与平坦化效果就显得非常重要。介质的填隙能力来自大规模集成电路产品的质量与可靠性的需求；对于平坦度的要求，则来自光刻工艺。随着线宽的变小，光刻工艺中使用的波长也不断降低，导致景深（即聚焦深度）也跟着不断缩小。在有限的聚焦深度下，器件表面的平坦化程度就显得非常重要。在深亚微米的器件结构中，传统的等离子体增强化学气相淀积技术无法实现细小孔洞或沟槽的填充。因此，低压力和高等离子体密度的PECVD就成为产业界关注的技术。这种能产生高等离子体密度（1E11～1E12 ions/cm3）的方法有电子回旋共振（ECR）、螺旋波（helicon wave）、感应耦合等方式。ECR系统是利用电子回旋共振频率ω0=eBm来提高能量的传送效果，在电子回旋的共振频率ω0=2.54 GHz下，磁场B为0.0875 T。Helicon系统则以一般的射频配合螺旋电磁波的共振频率来提高等离子体的耦合效率，以产生高密度的等离子体。为了提高等离子体分布的均匀性并降低磁场的影响，反应室中加装多极式永久磁场使等离子体远离管壁并集中在反应室内。在高等离子体密度的系统中，给基板加上独立偏压，可以控制离子的角度分布，如图5-133所示。因此，在淀积、溅射刻蚀率和角度的组合控制下，可以实现对高深宽比和细小的孔洞或沟槽的填充。由于CMP仅能削平表面，无法填充孔隙，所以孔洞和沟槽的填充仍须依靠不同的薄膜淀积技术来完成。高等离子体密度和低压力的系统（如ECR，Helicon等）展示了优异的深亚微米工艺中的孔隙填充能力，如再与CMP的工艺整合，可达到快速、全面性平坦化的效果。

图5-133　不同偏压改变ECR的SiO2淀积速率

在PECVD系统中，等离子体内的高能量电子撞击反应气体，打断气体内的化学键使其形成活性分子。等离子体促进了化学气相淀积反应，可以得到较紧密的材料，并降低反应温度。使用等离子体增强技术生长作为导体连线顶层保护膜的Si，N4薄膜时，可以将薄膜的生长温度控制在500℃以下。在亚微米时代，微粒控制是最主要的关键点。PECVD设备在引用真空隔绝室后，微粒的控制得到了很大程度的改进。典型的淀积设备有美国应用材料公司（Applied Material）的P5000系列及诺发系统公司的Concept One。P5000的构造为单片多腔处理的方式，反应室的组合有PECVD/CVD/刻蚀室三种，可以经过淀积和刻蚀的不同反应室的连续步骤，削减孔洞或沟槽边角的悬臂厚度，得到良好的平坦化效果。诺发系统公司的Concept One则具有低频基板偏压的功能，其薄膜淀积厚度是经由七个淀积位置完成。每个位置的淀积时间为七分之一。在高频（3 MHz以上）等离子体反应区，能量的耦合效率较高，可以获得较高的等离子体密度。在低频时，电子与离子都可以跟上频率的变化，有着较高的能量峰值，但离子能量的分布比较宽。一般，较高能量的离子更具有方向性，可减少侧边的淀积速率。适当应用双频率的优点，可以获得较高的等离子体密度和更好的方向性控制。因此双频率的等离子体增强化学淀积技术可得到较高的淀积速率和较好的平坦化效果。

2.旋涂玻璃技术和SOG高分子材料

旋涂玻璃（spin on glass，SOG）是一种很好的局部平坦化材料技术，它是IC工业在早期金属连线时期大量使用的平坦化技术。SOG是一种溶于溶剂内的介电质材料，使用的方法与光刻胶类似，采用旋转的方式涂布在晶片的表面。由于SOG的黏着性较低，容易填入孔洞或沟槽内形成局部的平坦化。硅酸盐类是以Si-O聚合体为主，固化后的主要成分为SiO2。

制作多层金属连线的IC器件时需要非常平坦的介电层，而SOG可满足这样的需求。其优点是工艺简单、成本低，而且可提供VLSI工艺所需的局部平坦度，加上目前IC制造厂应用此项技术已十分成熟，因此虽然SOG技术在0.35μm以下IC工艺的应用有困难，IC制造厂及其原材料生产厂仍是尽量设法延长其使用寿命。

SOG技术是将溶于溶剂内的介电材料，以旋转涂布的方式涂布于晶片上，因为涂布的介电材料可以随溶剂在晶片表面流动，因此可以填入如图5-134（a）所示的缝隙而达到如图5-134（b）所示的局部平坦化的目的，旋转涂布后的介电材料经固化过程将溶剂去除，即可得到介电膜。SOG技术能解决外表高低起伏的渗填能力问题，而成为一种比较常用的介电层平坦化技术。

图5-134　SOG工艺

（a）填隙（b）平坦化

目前使用的SOG材料大致有硅酸盐类（silicate）和硅氧烷类（siloxane）两种，其化学结构如图5-135所示。用来溶解这些介电材料的溶剂有醇类（alcohol）、酮类（ketone）与酯类（ester）等。通过调整SOG旋转涂布介电材料溶液的黏度、流动性质及设备本身的旋转速度可得到适当厚度的薄膜。SOG材料在使用时可能会发生的严重问题是在固化过程中发生的龟裂现象。为了解决这一问题，常加入一定物质，使SOG材料能在溶剂挥发后发生结构改性。如在硅酸盐类SOG材料中加入少量的磷，或者在硅氧烷类SOG材料增加CH3基。硅氧烷类SOG含有Si-C键，具有较高的碳含量，可以有效地降低应力，形成较厚的薄膜而不会出现龟裂。同时，在抗水性和低介电常数方面具有一定的优势。

图5-135　SOG材料

（a）硅酸盐（b）硅氧烷类

现有SOG技术虽仅能达到局部平坦的效果，但因其工艺简单及成本低，许多研究正在从延长SOG技术寿命着手进行深入研究。其中，材料改性将是一大研发重点，包括研究新SOG材料在旋转涂布时的动力学以增强其平坦度，或降低SOG材料介电常数使其应用于多层金属内连线IC工艺，相信SOG技术在未来IC工艺中仍可占有一席之地。

3.聚酰亚胺和聚硅氧烷

聚酰亚胺（polyimide）是最早被研究的SOG高分子介电材料，它是由双酐（diahydride）及双胺（diamine）聚合而成，其基本结构如图5-136所示。聚酰亚胺的优点在于其耐热性好、抗溶剂性好，也可使用旋转涂布方式制作薄膜。目前商业化聚酰亚胺在应用上需要解决其吸湿性及薄膜应力过高的问题，另外则是减少它的加工步骤。针对上述缺点，目前已有所改进。(www.xing528.com)

图5-136　聚酰亚胺的基本结构

如使用氟化聚酰亚胺可降低其吸湿性及介电常数；使用硅硐（silicone）改性聚酰亚胺可降低薄膜应力并改善与其他基材的结合性（见图5-137、图5-138）。

图5-137　氟化聚酰亚胺范例

图5-138　硅铜改性聚酰亚胺范例

聚硅氧烷（polysiloxane）硅氧烷类的高分子目前已被广泛地用作SOG材料。最近阿勒德斯高、东柯宁（Dow Coming）及日立化工等相继推出了若干商业化聚硅氧烷介电材料，如阿勒德斯高的Accuspin418（分子结构为CH3SiO1.5）、东柯宁的FOX分子结构为（HSiO3/2）n。这类材料不仅具有低介电常数，而且其耐热性及耐湿性都很好，目前正在IC工艺中推广使用。

SOG在大规模集成电路（ULSI）工艺中的应用相当普遍，主要的特点是低成本和使用简单。但在实际的应用中，发现也存在一些缺点：易造成微粒污染问题，有龟裂与剥离问题的出现，存在残余溶剂或释出毒气的问题。解决的方法：微粒污染问题可通过设备和固化工艺的改进得到解决；龟裂等问题可通过涂布前处理、控制薄膜厚度和固化处理技术加以改进；有关固化后产生毒气的问题，可以在固化的步骤中加以改善，得到完全固化的效果，减少剩余的溶剂或水汽。

4.low-k低介电常数的介质材料

介质绝缘薄膜层主要起导体间的电学隔离的作用，不仅要满足基本的良好电绝缘特性，热传导特性要好，并且还可减少耦合电容，不仅可以缩小延迟时间和提高传输速率外，对改善耦合噪声也有很大的好处。相对地，耦合噪声正比于器件的工作频率，在微处理器的工作频率持续提高的情况下，电容的减小将更优于电阻的降低。应用低介电常数（low-k）的材料是降低电容值的最直接的方法。传统的介质材料SiO2的介电常数为4.2，理想的介电常数的最低值为空气介电常数1.0。因此在实际应用上，介电常数的改善也将由4.2逐步缩减到1.0。使用有机材料或无机材料都可降低介电常数。表5-18列出了低介电常数的介质材料。无机材质基本是通过CVD的方式制备，而有机材质以旋转涂布的方式得到。在有机材质方面，介电常数的分布相当广阔。如Teflon AF的k（介电常数）值在2.0，而聚酰亚胺则为3.0～3.7。

表5-18　低介电常数的介质材料

无机材料中，含氟掺杂氧化硅（SiOFx）得到了极大的关注。根据文献报道，它的介电常数可控制在3.0～3.6之间。相对于有机材质的选择，无机介质低介电常数的变化相当有限。以SiOFx组成低介电常数材质的几种方式中，等离子体增强化学气相淀积（PECVD）的工艺、设备与掺磷或掺硼的方式相近，在微电子产业界广泛使用。液相淀积SiOFx薄膜是在常温下进行的，相关的淀积机理和薄膜的特性已有相当多的研究报道。但是，由于该技术的淀积速率慢而被工业界忽视。等离子体增强化学气相淀积制备的SiOx膜内的氟的来源是C2F6和CF4等。适当控制气体流量，即可改变F的含量，控制介电常数在3.0～3.6的范围内变化，图5-139为C2F6的气体流量与F含量和介电常数的关系。但是，有文献指出，当介电常数小于3.5的含氟无机材料将呈现强烈的吸水性和不稳定状况。

图5-139　C2F6的气体流量与F含量和介电常数的关系

相对于无机材质的有限选择，低介电常数的有机材质则呈现出众多的变化与选择。但这些材料都处于发展阶段，尚未经过生产的验证。半导体制造厂在众多品牌的选择下，研究力量较分散，反而不利于建立成熟的批量生产的技术。评价新材料的方法和类别繁多，但基于已有旋转涂布玻璃的使用经验可以简化评价的方法。从介电材料的应用考虑，热稳定性（到500℃）、吸水性、薄膜应力控制和材料的稳定性等都是重要的选择指标。

HSQ（hydrogen silsequioxane）的介电常数为3.0，具有良好的孔隙填充能力和材料稳定性。金属层间的介电质材料需要达到一定的厚度才可以实现电学的隔离作用。如应用HSQ材料时，会出现龟裂而使材料厚度具有一定的限制。氟玻璃（fluorosilicate，FSG）为一种含氟的硅玻璃，可通过传统的CVD-SiO2的配料中加入含氟的气体源来制备，是一种低介电常数的薄膜。FSG的介电常数值在3.5以上，具有良好的稳定性和抗水性。因此，FSG作为金属层间的介电材料，而平行导体间的孔隙则由HSQ填充的结构，可有效地降低电容量的22%。

在器件尺寸持续缩小而器件密集度持续增加的情况下，以低介电常数材料作为连线间与金属层间的电介质已成为未来半导体制造技术的发展趋势。不过，在电流密度不断提高的条件下，除了传统电介质的热稳定性、抗水性、附着性、耐热性和均匀性外，热传导性和热应力承受更是在电介质材料特性的评价中需要关注的两个方面。