專利名稱：介電層、其形成方法與具有此介電層的集成電路的制作方法
技術領域：
本發明是有關于低介電常數介電材料的形成方法，且特別是有關于一種有介電常數沿其厚度方向上梯度變化的低介電常數介電層的形成方法以及應用此低介電常數介電層的集成電路結構。
背景技術：
隨著半導體元件積集度的提升，半導體裝置的尺寸也隨之縮減。縮小化的半導體裝置尺寸于其制作時需要更薄膜層，如薄化的介電層。當半導體裝置密度變大以及介電層變薄時，膜層間的寄生電容便成為一顯在問題而會影響半導體裝置的表現。
現有用以減少寄生電容的方法中包括采用具有低介電常數的介電材料的方法。通常，具有低于二氧化硅的介電常數(約3.9)的材料，始可稱之為低介電常數介電材料。通過應用如此的低介電常數介電材料以替代傳統介電材料可有效減少如金屬內連線結構內的寄生電容。
然而，低介電常數介電材料仍具有某些缺點。其中之一為低介電常數介電材料具有如附著力不佳以及較差的機械強度等低機械特性。此些缺點降低了半導體裝置的良率、可靠度以及其整體表現。
如此，便需要一種低介電常數介電材料以克服前述的現有低介電常數介電材料的機械特性上缺點。
發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種介電層，包括一頂部部分；以及一底部部分，其中介電層具有由頂部部分往底部部分大體均勻地變化的密度。
本發明所述的介電層，該密度是由該頂部部分往該底部部分線性地變化。
本發明所述的介電層，該密度是由該頂部部分往該底部部分大體正弦地變化。
本發明所述的介電層，該密度由該頂部部分的1.5克/立方公分變化至該底部部分的1.2克/立方公分。
本發明所述的介電層，由該頂部部分至該底部部分，該密度至少變化10％。
本發明所述的介電層，該介電層包含氧，且該介電層的氧含量自該頂部部分至該底部部分至少變化3％。
本發明另提供了一種介電層的形成方法，包括下列步驟提供一基底；通過導入至少兩種的氣體至該基底，以起始一介電層的化學氣相沉積；以及于沉積該介電層時改變該些氣體的流率比例，以于形成的一介電層內大體均勻地變化該些氣體之一的濃度。
本發明所述的介電層的形成方法，通過變化該些氣體流量比例以使得該介電層具有至少一密區以及至少一疏區。
本發明還提供了一種介電層的形成方法，包括下列步驟形成一介電層于一基底上；暴露該介電層的頂面于一等離子下；以及繼續暴露該介電層于該等離子下直到該介電層具有一期望的密度曲線。
本發明還提供一種集成電路，所述集成電路包括至少一晶體管，該晶體管包括一源極區、一漏極區以及一柵電極；一層間介電層，設置于該源極區、漏極區以與門電極之上；一接觸結構，形成于該層間介電層內且至少電性接觸該源極區、該漏極區與該柵電極其中之一；一內連結構，接觸該接觸結構；以及一金屬層間介電層，通過一大體連續的制程步驟形成，設置于至少一部分的該內連結構上，該金屬層間介電層包括一第一部分，具有一第一介電常數；一第二部分，具有一第二介電常數，其中該金屬層間介電層的介電常數由該第一部分至該第二部分大體連續地變化。
本發明所述的集成電路，該金屬層間介電層包括為主要材質為有機硅基材料。
本發明所述的集成電路，該金屬層間介電層的介電常數由其頂部的2.2變化至其底部的3.5。
本發明所述的集成電路，該金屬層間介電層的介電常數由其頂部部分至其底部部分線性地變化。
本發明所述的集成電路，該金屬層間介電層的孔隙度自該第一部分的10％變化至該第二部分的5％。
本發明又提供一種介電層，所述介電層包括一頂部部分；一底部部分；以及至少一中間部部分，位于該頂部部分與該底部部分之間，其中該介電層具有由該頂部部分往該底部部分大體均勻且連續地變化的密度，且該頂部部分與該底部部分為一縝密區，該至少一中間部部分為一疏區。
本發明所述的介電層，該密度是由該頂部部分通過該至少一中間部部分而往該底部部分線性地變化。
本發明所述的介電層，該密度是由該頂部部分通過該至少一中間部部分而往該底部部分大體正弦地變化。
本發明所述介電層、其形成方法與具有此介電層的集成電路，可允許調整金屬層間介電層的密度特性以改善其步階覆蓋表現，并同時允許調整殘余的金屬層間介電層以改善其電性/介電常數特性。
圖1是一種本發明的半導體裝置；圖2是本發明的半導體結構；圖3是依據本發明一實施例的介電層中的密度曲線；圖4a與圖4b是依據本發明另一實施例的介電層中的密度曲線；圖5是依據本發明另一實施例中的具有良好步階覆蓋的介電層。
具體實施例方式
為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖示，作詳細說明如下圖1圖標了一集成電路結構2，其包括形成于基底4上的一金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)裝置6。基底4可為一傳統的塊狀基底，例如為一單晶硅晶圓，或為形成于一埋入氧化層上(未圖示)如硅層、硅鍺層或其相似物的一半導體層，上述埋入氧化層與半導體層是依序形成于如硅、石英、玻璃或其相似物(即絕緣層上有硅的基底)的一支撐基底上。金屬氧化物半導體場效應晶體管裝置6包括形成于基底4內的一源極區8以及一漏極區10，以定義出其間的溝道區。金屬氧化物半導體場效應晶體管裝置6更包括位于信道區上的一柵電極14且通過柵介電層12與的隔離。通常，間隔物16形成于鄰近柵電極14處且分別用以形成源極區8與漏極區10。
圖1亦分別顯示了源極區8與漏極區10的電性連接情形，其分別以接觸物18、20以電性連接于源極區8與漏極區10與金屬內連物22、24。介電層26則位于金屬氧化物半導體場效應晶體管元件6上且用以電性絕緣此裝置與后續形成元件，包括金屬內連物22、24(除了于如接觸結構18與20處等需電性連接于此裝置的位置)。介電層26通常亦稱之為層間介電層(ILD)。于某些實施例中，特別是當金屬內連物22、24是通過鑲嵌或雙鑲嵌制成形成時，介電層26亦作為支撐內連線之用。于傳統半導體裝置中，介電層26通常由二氧化硅或相似物所形成。無論其使用材料為何，其膜層通常大體同質且沿其厚度方向上具有大體一致的材料特性。
介電層26亦可能包含如蝕刻停止層28的一蝕刻停止層，其有助于于后續形成的介電層內形成介層洞與溝槽，于下文中將更解釋其作用。舉例來說，介電層26可更包括兩或兩個以上的分離次膜層。
于圖1中亦顯示了一金屬層間介電層(IMD)30。金屬層間介電層30是作為金屬內連物22、24與后續形成的內連結構(未圖標)的電性絕緣之用，除了于經由如介層洞32以電性連接形成于內連線結構24上之后續內連結構(未圖標)之處外。金屬層間介電層30可包括兩或兩個以上的分離次膜層。金屬層間介電層30則通常通過與層間介電層的相同類型的材料所形成，但由于兩者表現、制程以及相關需求不同，通常層間介電層與金屬層間介電層間的材質不為相同。如同層間介電層，傳統的金屬層間介電層沿其厚度方向的機械與材料特性亦為一致的。
圖2是圖示本發明的一實施例，其中所形成的金屬層間介電層40沿其厚度方向上具有大體連續變化的介電常數。圖3則圖示了自金屬層間介電層40內最底部區(即鄰近內連線結構22與24以及蝕刻停止層28處)至介電層40內最頂部區“即鄰近于后續形成的內連線結構(未圖標)以及/或蝕刻停止層(亦未圖示)”的介電常數變化。如圖3所示，自介電層40的底部至頂部，其密度逐漸地自1.2克/立方公分增加至約1.5克/立方公分。而密度是正比于介電常數(當薄膜密度減少時介電常數亦減少)。故最終的低介電常數介電層40具有低介電常數的優點，且同時較傳統低介電常數層提供了較佳的機械強度與表現。低介電常數介電層36亦可通過相似技術以獲得大體連續變化的介電常數，如下所述。
于另一實施例中，金屬層間介電層40是通過有機硅基材料(organo silica based material)所形成，其例如由氧與四甲基硅烷(tetramethylsilane；簡稱為4MS)、三甲基硅烷(trimethylsilane；簡稱為3MS)以及八甲基環四硅氧烷(octamethylcyclotetrasiloxane)等的硅烷(silane)類化合物所沉積形成的材料。于本發明中，金屬層間介電層40的厚度與最小的特征尺寸以及其特定用途有關。于單鑲嵌金屬層應用，金屬層間介電層40的厚度約介于1800～3000埃。而于雙鑲嵌金屬層中，金屬層間介電層40的厚度則約介于4000～8000埃。于膜層中，介電常數是沿膜層的厚度方向而變化。于一實施例中，介電常數沿其厚度的變化自其底部區的3.0于改變至其中間區的2.0最后至其頂部區的3.0。如此的介電常數梯度變化可通過精密控制沉積參數而達成。于第一實施例中的膜層是通過化學氣相沉積法所形成。介電常數的控制較佳地可通過等離子處理一沉積薄膜或通過調整沉積時硅甲烷與氧氣比例而達成。
于一范例中，例如四甲基硅烷(4MS)所制備的有機硅基材料可通過化學氣相沉積法于約2～6托(Torr)下，較佳地約3～5托(Torr)下，以及于30-450℃下，較佳地于30-250℃下所沉積而成，以形成一介電層。通過于化學氣相沉積反應室中通入氧氣與硅烷類化合物的一混合物以形成薄膜。于薄膜沉積的開始時，硅烷類化合物的流量較佳地約為200～1500sccm，而采用四甲基硅烷(4MS)時的較佳流量約為250sccm，而氧氣流量約為400～1500sccm，而于使用四甲基硅烷(4MS)時，氧氣的較佳流量約為600sccm。接著逐漸地調整其相對流量比例以達到預定梯度的密度與介電常數。舉例來說，于使用四甲基硅烷以沉積薄膜的范例中，四甲基硅烷的流速與氧氣的流速比例可自薄膜底部部分的約0.4(以提供約2.8的介電常數)變化至薄膜頂部部分的約0.8(以提供約2.5的介電常數)。
于另一范例中，當相對流量比例保持大體一致時，則于薄膜沉積程序開始后通過改變沉積反應室內的壓力以改變介電常數。舉例來說，當四甲基硅烷與氧氣流量比例約為0.4時，逐漸將壓力從3托增加至5托。于如此的循環下，所得到薄膜具有沿厚度方向自2.8變化至2.6的介電常數。
于另一實施例中，薄膜的介電常數可通過沉積后的等離子處理所調整。等離子處理可造成沉積薄膜的縝密化，因而增加其介電常數。上述縝密化現象于薄膜上部表面最為明顯，而等離子處理的沖擊將逐漸地且大體連續地沿其厚度方向往下方部分遞減。
于一范例中，金屬層間介電層40是通過通入四甲基硅烷與氧氣后形成，其并經由氫氣等離子的處理。此等離子較佳地于約250～400℃溫度下以及約4托的壓力下形成。對于厚度約為6000埃的膜層，等離子處理需30秒～5分鐘以有效形成大體穿過整個薄膜厚度的足夠介電常數梯度。于一范例中，材料的介電常數通常自頂部的2.2變化至底部的3.5。
如前所述，當化學氣相沉積程序與等離子處理程序是為分開施行時，本領域技術人員可了解上述實施例中，于薄膜沉積時可調整于上述程序內的氣體流速比例，或可更于薄膜沉積后通過后續等離子的處理而達到所要的介電常數梯度。
上述沉積技術允許于所形成的介電層內的密度控制。如現有技藝中，較縝密的膜層具有較高介電常數(此為低介電常數介電材料所不期望的情形)，但其具有較佳的機械特性。反之，當膜層較為疏散時，其介電常數特性變為的改善，但有損其機械強度、附著能力或相似特性。薄膜密度是與薄膜的孔隙度與/或薄膜中成分的一的濃度(如上述實施例內的氧氣)有關。于某些較佳實施例中，可通過將薄膜的縝密區至其較不縝密區的薄膜孔隙度變化至少5％而改變介電常數的梯度。縝密區的孔隙度較佳地低于10％而縝密區較佳地占薄膜整體厚度的5％。薄膜孔隙度的梯度變化則可通過如前所述的等離子處理而得到。
于其它較佳實施例中，薄膜密度可通過控制組成成份之一的濃度而達成，例如薄膜中的氧氣含量。于較佳實施例中，氧氣所占百分比的改變量至少約為3％，較佳地為10％。其濃度梯度可通過調整硅甲烷/氧氣流量比例而得到。而于其它較佳實施例中，介電常數梯度可通過改變孔隙度與組成成份之一的濃度而得到。于如此的實施例中，孔隙度的改變量至少為5％而其組成成份之一的濃度改變量至少約為3％。
如圖3所示，介電薄膜可自其頂部的縝密區至其底部較不縝密區(或稱之為疏區)逐漸地改變，而具有線性的介電常數曲線。圖4a則圖示了另一實施例，其中介電薄膜的密度(或介電常數)是通過于位置于頂部與底部縝密區之間的中間部形成一較不縝密區(或稱之為疏部)而控制。如此的實施例可提供具有良好機械特性與附著特性的頂部與底部部分，而主要部分的中間部則可提供主要的低介電常數特性。圖4b則圖示了另一實施例，其中薄膜密度沿其薄膜厚度方向上大體正弦地或疏或密地變化。如此的方法可改變薄膜密度且提供薄膜如提供相對于下層或上層膜層的較佳附著力的優點，當且于疏區的低介電常數特性亦提供用以降低寄生電容的功效。如此正弦模式適用于當蝕刻停止層存在于整個內層介電層的中間區時(因其需要縝密薄膜區以達到良好附著)。本領域技術人員應可了解密度/孔隙度曲線的變化可通過改變等離子處理與氣體比例而達成。亦可采用其它制程以改變薄膜孔隙度與組成成份濃度，例如通過熱治療、電子束治療，紫外光治療或相似方法以處理沉積而成的介電層。
圖5則圖示了本發明的另一實施例，是以一放大圖標顯示，一裝置50包含形成有一步階高度54的基底52(其可為前述形成的介電層、內連結構、蝕刻停止層，或類似膜層)。步階高度54是起因于如內連線結構的結構56的出現。于其它實施例中，當結構56形成于基底52內時，結構56是于基底52形成前形成，因而于基底52上形成一不平坦的頂面。于一實施例中，步階高度54約為200埃左右。由于步階覆蓋程度是為如圖5所示的形成于基板52上且包括一步階高度的金屬層間介電層60的介電層的重要特性。本發明優點之一在于，可允許調整金屬層間介電層的密度特性以改善其步階覆蓋表現，并同時允許調整殘余的金屬層間介電層以改善其電性/介電常數特性。
前述實施例中所描述的介電層是關于通過四甲基硅烷所形成的一介電層。本領域技術人員可以了解，上述教導亦可應用于包括為有機或無機的硅基材料、有機聚合物、有機-無機混合材料或其組合等其它材料。
以上所述僅為本發明較佳實施例，然其并非用以限定本發明的范圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明的保護范圍當以本申請的權利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下2集成電路4基底6金屬氧化物半導體場效應晶體管裝置8源極區
10漏極區12柵介電層14柵電極16間隔物18、20接觸物22、24金屬內連物26介電層28蝕刻停止層30、40金屬層間介電層32介層洞36低介電常數介電層50裝置52基底54步階高度56結構60金屬層間介電層
權利要求
1.一種介電層，其特征在于所述介電層包括一頂部部分；以及一底部部分，其中該介電層具有由該頂部部分往該底部部分均勻地變化的密度。
2.根據權利要求1所述的介電層，其特征在于該密度是由該頂部部分往該底部部分線性地變化。
3.根據權利要求1所述的介電層，其特征在于該密度是由該頂部部分往該底部部分正弦地變化。
4.根據權利要求1所述的介電層，其特征在于該密度由該頂部部分的1.5克/立方公分變化至該底部部分的1.2克/立方公分。
5.根據權利要求1所述的介電層，其特征在于由該頂部部分至該底部部分，該密度至少變化10％。
6.根據權利要求1所述的介電層，其特征在于該介電層包含氧，且該介電層的氧含量自該頂部部分至該底部部分至少變化3％。
7.一種介電層的形成方法，其特征在于所述介電層的形成方法包括下列步驟提供一基底；通過導入至少兩種的氣體至該基底，以起始一介電層的化學氣相沉積；以及于沉積該介電層時改變該氣體的流率比例，以于形成的一介電層內均勻地變化該氣體之一的濃度。
8.根據權利要求7所述的介電層的形成方法，其特征在于通過變化該氣體流量比例以使得該介電層具有至少一密區以及至少一疏區。
9.一種介電層的形成方法，其特征在于所述介電層的形成方法包括下列步驟形成一介電層于一基底上；暴露該介電層的頂面于一等離子下；以及繼續暴露該介電層于該等離子下直到該介電層具有一期望的密度曲線。
10.一種集成電路，其特征在于所述集成電路包括至少一晶體管，該晶體管包括一源極區、一漏極區以及一柵電極；一層間介電層，設置于該源極區、漏極區以與門電極之上；一接觸結構，形成于該層間介電層內且至少電性接觸該源極區、該漏極區與該柵電極其中之一；一內連結構，接觸該接觸結構；以及一金屬層間介電層，通過一連續的制程步驟形成，設置于至少一部分的該內連結構上，該金屬層間介電層包括一第一部分，具有一第一介電常數；一第二部分，具有一第二介電常數，其中該金屬層間介電層的介電常數由該第一部分至該第二部分連續地變化。
11.根據權利要求10所述的集成電路，其特征在于該金屬層間介電層包括為主要材質為有機硅基材料。
12.根據權利要求10所述的集成電路，其特征在于該金屬層間介電層的介電常數由其頂部的2.2變化至其底部的3.5。
13.根據權利要求10所述的集成電路，其特征在于該金屬層間介電層的介電常數由其頂部部分至其底部部分線性地變化。
14.根據權利要求10所述的集成電路，其特征在于該金屬層間介電層的孔隙度自該第一部分的10％變化至該第二部分的5％。
15.一種介電層，其特征在于所述介電層包括一頂部部分；一底部部分；以及至少一中間部部分，位于該頂部部分與該底部部分之間，其中該介電層具有由該頂部部分往該底部部分均勻且連續地變化的密度，且該頂部部分與該底部部分為一縝密區，該至少一中間部部分為一疏區。
16.根據權利要求15所述的介電層，其特征在于該密度是由該頂部部分通過該至少一中間部部分而往該底部部分線性地變化。
17.根據權利要求15所述的介電層，其特征在于該密度是由該頂部部分通過該至少一中間部部分而往該底部部分正弦地變化。
全文摘要
本發明提供一種介電層、其形成方法與具有此介電層的集成電路，所述介電層包括一頂部部分；以及一底部部分，其中上述介電層具有由頂部部分往底部部分大體均勻地變化的密度。本發明所述介電層、其形成方法與具有此介電層的集成電路，可允許調整金屬層間介電層的密度特性以改善其步階覆蓋表現，并同時允許調整殘余的金屬層間介電層以改善其電性/介電常數特性。
文檔編號H01L21/82GK1716546SQ20051008014
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者黎麗萍, 章勛明 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司