專利名稱：多孔金剛石膜的制造技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微電子器件的領(lǐng)域，并且更具體地，涉及制作顯示低介電常數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度的多孔金剛石膜的方法。
背景技術(shù)：
微電子器件通常包括諸如金屬互連線的傳導(dǎo)層，所述傳導(dǎo)層通過諸如層間電介質(zhì)(ILD)層的電介質(zhì)層彼此絕緣。隨著器件特征縮小，器件的每一層上的金屬線之間的距離被縮短，并且因此器件的電容可能增加。電容的這種增加可能促成諸如RC延遲的這樣的不利影響和電容性耦合的信號(hào)(還被稱為“串?dāng)_”)。
為了解決這個(gè)問題，具有相對(duì)低的介電常數(shù)的絕緣材料(被稱為低k電介質(zhì))正被用來代替二氧化硅(和具有相對(duì)高的介電常數(shù)的其他材料)，以形成分隔金屬線的電介質(zhì)層(ILD)。但是，許多當(dāng)前使用的低k的ILD材料具有低機(jī)械強(qiáng)度，所述低機(jī)械強(qiáng)度在后續(xù)的晶片處理期間，諸如在組裝(assembly)和封裝操作期間，可能導(dǎo)致機(jī)械和結(jié)構(gòu)問題。
金剛石膜表現(xiàn)出非常高的機(jī)械強(qiáng)度是公知的。但是，如通過如化學(xué)氣相沉積的這樣的工藝沉積的金剛石膜的介電常數(shù)通常是約5.7。對(duì)于微電子器件的制作中的利用來說，提供既表現(xiàn)出低k介電常數(shù)又表現(xiàn)出高機(jī)械強(qiáng)度的金剛石膜將是有幫助的。
附圖簡(jiǎn)要說明盡管說明書結(jié)論部分的權(quán)利要求書特別指出和清楚主張哪些被認(rèn)為是本發(fā)明的內(nèi)容，當(dāng)結(jié)合附圖一起閱讀時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以比較容易地從以下對(duì)本發(fā)明的描述中發(fā)現(xiàn)，在所述附圖中
圖1a-1c表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的流程圖。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的群組工具(cluster tool)。
圖4a-4e表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的流程圖。
圖6a-6e表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。
圖7表示來自現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明詳細(xì)描述在以下詳細(xì)的描述中，將參照通過圖示方式顯示可以在其中實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施方案的附圖。這些實(shí)施方案以足夠詳細(xì)的方式被描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應(yīng)當(dāng)可以理解，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案盡管不同，但并不必互相排斥。例如，在此連同一個(gè)實(shí)施方案一起描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性可以在其他實(shí)施方案中實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。另外，應(yīng)當(dāng)可以理解，在每個(gè)所公開的實(shí)施方案中，可以修改單個(gè)元件的位置和排列，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，以下的詳細(xì)描述不應(yīng)作為限制性的，并且僅僅以所附的權(quán)利要求書來定義本發(fā)明的范圍，與賦予權(quán)利要求書的整個(gè)等同物范圍一起來恰當(dāng)?shù)亟忉尡景l(fā)明的范圍。在所述的圖中，同樣的數(shù)字在所有幾個(gè)視圖中表示同樣或相似的功能性。
描述了形成微電子器件的方法和相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這些方法包括在襯底上形成金剛石層，其中所述金剛石層包括缺陷，以及隨后通過從所述金剛石層去除缺陷來在所述金剛石層中形成孔。從金剛石層去除缺陷使得高強(qiáng)度、低k電介質(zhì)ILD材料能夠制造，所述材料可以抵擋后續(xù)的組裝和封裝操作，而不會(huì)表現(xiàn)出機(jī)械失效。
圖1a-1c圖示形成包括低介電常數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度的金剛石層的方法和相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案。圖1a圖示襯底100的部分的截面圖。襯底100可以由諸如，但不僅限于，硅、絕緣體上硅、鍺、銦、銻化物、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、銻化鎵或它們的組合的材料組成。
金剛石層102可以被形成在襯底100(圖1b)上。金剛石層102可以利用在本領(lǐng)域中已知的、適于金剛石膜沉積的常規(guī)方法(諸如化學(xué)氣相沉積(“CVD”))來形成。在一個(gè)實(shí)施方案中，工藝壓力可以在約10到100托之間，溫度在約300到900度之間，以及功率在約10kW到約200kW之間。等離子體產(chǎn)生的方法可以包括DC輝光放電CVD、絲輔助(filament assisted)CVD和微波增強(qiáng)型CVD。
在一個(gè)實(shí)施方案中，諸如CH4、C2H2、富勒烯(fullerenes)或固體碳?xì)怏w先驅(qū)體(Solidcarbon gas precursor)的烴類氣體可以被用來形成金剛石層102，其中優(yōu)選CH4(甲烷)。烴類氣體可以以相對(duì)氫氣濃度至少約10％的烴類氣體濃度與氫氣混合。如在本領(lǐng)域中已知的，約10％或更大的烴類濃度一般導(dǎo)致金剛石層102的形成，所述金剛石層102可以包括在金剛石層102的晶體晶格中的實(shí)質(zhì)量(substantial amount of)的缺陷106，所述缺陷諸如雙鍵106a、填隙原子106b和空位106c(圖1b)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解缺陷106可以包括在晶體晶格中的任何非sp3型金剛石鍵合形式，以及任何異常形式(諸如碳的石墨或非金剛石形式)。
本發(fā)明的金剛石層102可以包括在金剛石層102晶體晶格的原子103之間的鍵合型的混合體。金剛石層102可以包括雙鍵106a(通常也被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為sp2型鍵合)和單鍵104(通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為sp3型鍵合)的混合體。本發(fā)明的金剛石層102包括比現(xiàn)有技術(shù)“純型”金剛石層702(圖7)更大百分比的缺陷106(即，缺陷106的量可以在約10％到大于約60％之間)，所述“純型”金剛石層通常包括占主導(dǎo)的sp3型鍵合(即，碳原子703通過單鍵704鍵合在一起)，并且一般不包括其他類型的缺陷。
缺陷106可以從金剛石層102被選擇性地去除或者蝕刻。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，缺陷106可以通過利用氧化工藝來去除。這樣的氧化工藝可以包括利用分子氧以及將金剛石層102加熱到低于約450C的溫度。如在本領(lǐng)域中公知的，可以使用的另一種氧化工藝是利用分子氧和快速熱處理(RTP)裝置。如在本領(lǐng)域中已知的，缺陷106還可以通過利用氧和/或氫等離子體來從金剛石層102去除。
通過從金剛石層102的晶體晶格選擇性地蝕刻缺陷106，孔108可以被形成(圖1c)?？?08可以包括晶體晶格中丟失原子或空位的簇(cluster)?？淄ㄟ^從晶格選擇性地去除實(shí)質(zhì)量的缺陷106來形成，因?yàn)檠趸?或等離子體去除工藝將去除，或蝕刻，金剛石層102中的缺陷106，而不會(huì)可察覺地(appreciably)蝕刻金剛石層102的單鍵104。孔108降低金剛石層102的介電常數(shù)，因?yàn)榭?08是在晶格中具有接近1的介電常數(shù)的空孔(void)。
在孔108已經(jīng)被形成之后，金剛石層102可以包括可以低于約2.0，并且在一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選地低于約1.95的介電常數(shù)。多孔金剛石層102中剛性sp3鍵的存在將“純”型金剛石膜的高機(jī)械強(qiáng)度的好處賦予多孔膜的低介電常數(shù)。多孔金剛石層102的強(qiáng)度模量可以包括大于約6GPa的值。因此，通過將多孔性、空孔和其他這樣的內(nèi)部非連續(xù)性(internaldiscontinuity)引入到金剛石晶格中，本發(fā)明的方法使得低介電常數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度的金剛石層102能夠形成。
圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的方法的流程圖。在步驟210處，第一金剛石層被形成在襯底上，其中所述第一金剛石層包括缺陷，類似于圖1b的金剛石層102。在步驟220處，缺陷通過選擇性蝕刻從金剛石層被去除。在步驟230處，包括缺陷的第二金剛石層被形成在第一金剛石層上。在步驟240處，缺陷從第二金剛石層被去除。根據(jù)特定設(shè)計(jì)要求，金剛石層102的介電常數(shù)可以通過改變沉積周期和蝕刻周期的數(shù)量來調(diào)整。
本領(lǐng)域中的那些人員將理解，第一金剛石層可以在群組工具300(圖3)的沉積腔310中被沉積。從第一金剛石層去除缺陷的步驟可以隨后在所述腔工具(chamber tool)的分開的氧化腔320中被完成。以這種方式，金剛石層102的厚度和孔隙率可以被準(zhǔn)確地控制，以產(chǎn)生具有用于特定應(yīng)用的所需的介電常數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度的金剛石層102?？商鎿Q地，形成和缺陷去除工藝步驟還可以在同一工藝腔中進(jìn)行。在任一情況下，工藝變量，諸如在沉積步驟期間的烴類氣體和氫氣之間的比率以及在去除步驟期間的蝕刻時(shí)間，可以被調(diào)節(jié)，以根據(jù)特定設(shè)計(jì)考慮提供較大的工藝范圍。
圖4a-4e描繪本發(fā)明的另一實(shí)施方案。圖4a圖示襯底410的部分的截面，襯底410類似于圖1a的襯底100。第一金剛石層420可以隨后被形成在襯底410上(圖4b)。第一金剛石層420可以包括sp2型鍵(雙鍵)和sp3型鍵(單鍵)的混合體。第一金剛石層420可以包括頂部部分425。如在本文先前所描述的，第一金剛石層420可以使用與用來形成金剛石層102類似的工藝條件來形成。
第一金剛石層420中sp2型鍵的百分比可以通過增加在形成期間使用的等離子體中烴類氣體對(duì)甲烷氣體的百分比來增加。隨著烴類在氣體混合物中的百分比增加，由于第一金剛石層420中sp2型鍵的增加，第一金剛石層420的介電常數(shù)將降低。例如，在約30％烴類氣體時(shí)，介電常數(shù)可以包括約2.0，并且隨著烴類百分比的進(jìn)一步增加，可以降低。獲得的介電常數(shù)當(dāng)然將依賴于特定應(yīng)用的沉積條件。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一金剛石層420的厚度可以在約5nm到約100nm之間，但是將依賴于特定應(yīng)用。
如在本領(lǐng)域中公知的，在第一金剛石層420被沉積在襯底410上之后，第一金剛石層420被暴露給氫等離子體。氫等離子體通過優(yōu)先蝕刻第一金剛石層420中sp2鍵，以及任何其他類型的缺陷(如在本文先前所描述的)，從第一金剛石層420的頂部部分425去除實(shí)質(zhì)量的sp2鍵。以這種方式，使第一金剛石層420的頂部部分425轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧蠠osp2的金剛石層430，其中基本上無sp2的金剛石層430的鍵主要包括sp3鍵(圖4c)。可替換地，例如，通過使用CVD工藝，基本上無sp2的金剛石層430可以被形成在第一金剛石層420上。
第二金剛石層440可以隨后被沉積在第一金剛石層420上(圖4d)。第二金剛石層440可以優(yōu)選地包括sp2鍵和sp3鍵的混合體，類似于第一金剛石層420。另一基本上無sp2的金剛石層(未示出)可以被形成在第二金剛石層440上，并且以這種方式，一系列富sp2金剛石層450和富sp3金剛石層460的交替層可以被形成(圖4e)。
因此，由于富sp3層給予根據(jù)本發(fā)明的方法形成的金剛石層以強(qiáng)度，當(dāng)前實(shí)施方案使得具有低介電常數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)的層狀金剛石結(jié)構(gòu)470能夠形成。
圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施方案的方法的流程圖。在步驟510處，包括sp2和sp3鍵的混合體的第一金剛石層被形成在襯底上。在步驟520處，基本上無sp2的金剛石層被形成在第一金剛石層上。在步驟530處，包括sp2和sp3鍵的混合體的第二金剛石層被形成在基本上無sp2的金剛石層上。在步驟540處，基本上無sp2的金剛石層被形成在第二金剛石層上。
圖6a圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的微電子結(jié)構(gòu)。層間電介質(zhì)(ILD)620可以被設(shè)置在傳導(dǎo)層610上，所述傳導(dǎo)層610可以包括諸如晶體管、金屬互連線等的各種電路元件。ILD 620可以包括類似于圖1c的金剛石層102的多孔金剛石層，和/或ILD 620可以包括類似于圖4e的層狀金剛石結(jié)構(gòu)470的層狀金剛石結(jié)構(gòu)。ILD 620可以包括約1.95或更小的介電常數(shù)，并且可以包括大于約6GPa的機(jī)械強(qiáng)度。
氫等離子體650可以被應(yīng)用于ILD 620。氫等離子體650可以起作用來終止，或鈍化，在ILD 620的表面上可能存在的懸空鍵。將認(rèn)識(shí)到，氫鈍化的金剛石表面，這種被鈍化的頂部表面622(圖6b)，表現(xiàn)出非常低的摩擦系數(shù)，如在本領(lǐng)域中已知的，所述非常低的摩擦系數(shù)可以便于隨后的諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝的后續(xù)拋光工藝步驟，并且在此將進(jìn)一步被描述。
溝槽625可以被形成在ILD 620中(圖6c)。傳導(dǎo)層630可以被形成在溝槽625內(nèi)和在ILD 620的被鈍化的頂部表面622上(圖6d)。傳導(dǎo)層630可以優(yōu)選地包括銅。諸如CMP工藝的拋光工藝可以被應(yīng)用于傳導(dǎo)層630。因?yàn)镮LD 620包括被鈍化的頂部表面622，傳導(dǎo)層630和ILD 620之間的選擇性(即，拋光率上的差異)是極其高的，并且在一個(gè)實(shí)施方案中可以包括大于100∶1。ILD 620的被鈍化的頂部表面622的另一優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樗龅谋烩g化的頂部表面包括低摩擦系數(shù)，在CMP工藝期間使用的CMP墊(pad)在需要替換墊之前可以使用長(zhǎng)得多的時(shí)間段。
如以上詳述的，本發(fā)明描述了表現(xiàn)出低介電常數(shù)(小于約2)和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度的金剛石膜的形成。因此，本發(fā)明的金剛石膜使得這樣的微電子結(jié)構(gòu)能夠制作，即，所述微電子結(jié)構(gòu)足夠魯棒，以經(jīng)受得住諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和組裝工藝期間的處理和封裝導(dǎo)致的應(yīng)力。
雖然上面的描述已經(jīng)指出可以在本發(fā)明的方法中使用的某些步驟和材料，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以做出很多修改和替換。因此，所有這樣的修改、更改、替換和添加被認(rèn)為落入如所附的權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，認(rèn)為諸如層間電介質(zhì)氧化物的各種微電子結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是公知的。因此，在此提供的圖僅圖示屬于本發(fā)明的實(shí)施的示例性微電子器件的部分。因此，本發(fā)明不受限于在此描述的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種形成微電子結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底上形成金剛石層，其中所述金剛石層包括缺陷；以及通過從所述金剛石層去除實(shí)質(zhì)量的所述缺陷，在所述金剛石層中形成孔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述金剛石層中形成孔的步驟包括通過在所述金剛石層中形成孔來降低所述金剛石層的介電常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在襯底上形成金剛石層的步驟包括通過化學(xué)氣相沉積在襯底上形成金剛石層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在襯底上形成金剛石層的步驟包括將所述襯底暴露給包括烴類和氫的氣體，其中所述烴類的濃度大于所述氫的濃度的約10％。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中將所述襯底暴露給包括烴類的氣體的步驟包括將所述襯底暴露給包括甲烷的氣體。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在襯底上形成金剛石層的步驟包括在襯底上形成金剛石層，其中所述金剛石層包括雙鍵、空位或填隙中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述金剛石層去除所述缺陷的步驟包括從所述金剛石層蝕刻所述缺陷。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中蝕刻所述缺陷的步驟包括在低于約450℃的溫度，將所述缺陷暴露給氧氣。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中蝕刻所述缺陷的步驟包括將所述缺陷暴露給氧氣以及利用快速熱退火工藝。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中蝕刻所述缺陷的步驟包括將所述缺陷暴露給氫等離子體或氧等離子體中的至少一種。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中將所述缺陷暴露給氫等離子體的步驟包括通過利用氫鈍化所述金剛石層的頂部表面，降低所述金剛石層的所述頂部表面的摩擦系數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成金剛石層的步驟包括在群組工具的沉積腔中形成所述金剛石層。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述金剛石層中形成孔的步驟包括在群組工具的氧化腔中，在所述金剛石層中形成孔。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在群組工具的沉積腔中，在所述金剛石層上形成第二金剛石層；在所述群組工具的氧化腔中，在所述第二金剛石層中形成孔。
15.一種形成微電子結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底上形成第一金剛石層，其中所述第一金剛石層包括sp2鍵和sp3鍵的混合體；以及將所述第一金剛石層暴露給氫等離子體，其中所述sp2鍵從所述第一金剛石層的頂部部分基本上被去除。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中形成第一金剛石層的步驟包括通過利用包括甲烷濃度的等離子體形成第一金剛石層，所述的甲烷濃度大于氫濃度約10％。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中將所述第一金剛石層暴露給氫等離子體的步驟包括通過將所述第一金剛石層暴露給氫等離子體，使所述第一金剛石層的所述頂部部分轉(zhuǎn)變以形成基本上無sp2的金剛石層。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括通過利用包括甲烷濃度的等離子體，形成設(shè)置在所述基本上無sp2的金剛石層上的第二金剛石層，其中所述第二金剛石層包括sp2和sp3鍵的混合體，所述的甲烷濃度大于氫濃度約10％。
19.一種結(jié)構(gòu)，包括包括實(shí)質(zhì)量的孔的金剛石層。
20.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括低于約1.95的介電常數(shù)。
21.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括大于約6GPa的強(qiáng)度。
22.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括ILD層。
23.一種結(jié)構(gòu)，包括包括sp2鍵和sp3鍵的混合體的金剛石層；以及設(shè)置在所述金剛石層上的基本上無sp2的金剛石層，其中所述基本上無sp2的金剛石層包括sp3鍵。
24.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，其中所述基本上無sp2的金剛石層不包括可察覺量的sp2鍵。
25.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)包括小于約1.95的介電常數(shù)和大于約6GPa的強(qiáng)度。
26.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)包括ILD層。
27.一種結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在襯底上的傳導(dǎo)層；以及設(shè)置在所述傳導(dǎo)層上的金剛石層，其中所述金剛石層包括孔。
28.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括ILD。
29.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括低于約1.95的介電常數(shù)。
30.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括大于約6GPa的強(qiáng)度。
31.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石層包括是所述傳導(dǎo)層的約100倍的拋光率。
全文摘要
描述了形成微電子結(jié)構(gòu)的方法。這些方法包括在襯底上形成金剛石層，其中所述金剛石層的部分包括缺陷；以及隨后通過從所述金剛石層去除缺陷，在所述金剛石層中形成孔。
文檔編號(hào)C23C16/26GK1957469SQ200580016983
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月13日
發(fā)明者克拉馬哈提·拉維 申請(qǐng)人:英特爾公司