含有硬化的间隙填充电介质材料的MRAM装置的制作方法

含有硬化的间隙填充电介质材料的mram装置
技术领域
1.本技术涉及存储器结构及其形成方法。更具体地说，本技术涉及一种磁阻随机存取存储器(mram)结构及其形成方法，该mram结构包含具有改进的化学和物理性质的硬化的间隙填充电介质材料。


背景技术：

2.mram是一种非易失性随机存取存储器技术，其中数据由磁性存储元件存储。这些元件通常由两个铁磁板形成，每个铁磁板可以保持磁化，由薄电介质层(即，隧道势垒)隔开。两个板中的一个是被设置为特定极性的永久磁体(即，磁性参考层)；另一个板的磁化可以被改变以匹配用于存储存储器的外部场(即，磁性自由层)的磁化。此配置称为磁性隧道结(mtj)柱。在前边缘或神经形态计算系统中，mtj柱通常嵌入后端制程(beol)结构内。
3.在mram器件的制造中，mtj柱材料(即，磁性参考材料、隧道势垒、无磁材料和mtj盖材料)和顶部电极材料的覆盖层形成在导电着陆焊盘(conductive landing pad)上；导电着陆焊盘形成mram器件的底电极。然后通过光刻和蚀刻来图案化覆盖层(blanket layer)，以提供多层mtj柱(包括磁性参考材料、隧道势垒、无磁材料和mtj盖材料的剩余部分)和位于导电着陆焊盘上的顶部电极的材料堆叠体。在形成该材料堆叠体之后，立即形成诸如氮化硅(sin)的电介质钝化层，以钝化隧道势垒。接着形成间隙填充电介质材料，其填充相邻mtj柱之间的间隙。
4.在mram器件阵列中，间隙填充电介质材料需要具有自平坦化特性。此外，且在包含沉积-蚀刻-沉积方法的当前mram装置处理中，间隙填充电介质材料遭受范围从mtj柱的高度的不均匀性的晶片到晶片可变性。因此，需要提供一种mram装置阵列，其包括自平坦化间隙填充电介质，所述自平坦化间隙填充电介质还具有mtj柱之间的经改进的化学和物理性质。


技术实现要素：

5.在本技术的一个方面中，提供一种形成存储器结构的方法。在一个实施例中，所述方法包含在底部电极的表面上形成图案化材料堆叠体，其中所述图案化材料堆叠体包含多层磁性隧道结mtj柱和顶部电极结构。然后，形成间隙填充电介质材料层，其横向邻近图案化材料堆叠体并位于图案化材料堆叠体的顶部上。然后，通过离子注入，将断键添加剂引入到间隙填充电介质材料层中，以提供改性的间隙填充电介质材料层(modified gap fill dielectric material layer)。然后固化该改性的间隙填充材料层以提供硬化的间隙填充电介质材料层。
6.在本技术中，使用提供电磁辐射的能量源进行固化。在一些实施例中，固化包括单独的uv固化。在其它实施例中，固化包括uv固化和激光退火。在这种实施例中，激光退火可以在uv固化之前或之后进行。在一些实施方式中，当激光退火用作固化工艺的一部分时，激光退火可以等于或小于0.4j/cm2的入射激光能量密度进行，持续时间为约1纳秒至约500纳
秒。在一些实施例中，在激光退火之前，在改性的间隙填充电介质材料层上形成牺牲辅助层。
7.在一些实施例中，所采用的断键添加剂包括选自氢、氦、氮、碳和氖的轻质元素或分子(即，具有等于或小于氩的原子序数的元素或分子)。在一个实例中，断键添加剂是氮，并且离子注入在从1kev到40kev的注入能量下并且使用从1
×
10
13
个离子/cm2到3
×
10
14
个原子/cm2的离子剂量来执行。在另一实例中，断键添加剂是氦，并且离子注入在1kev至10kev的注入能量下并且使用5
×
10
13
个离子/cm2至1
×
10
15
个原子/cm2的离子剂量来执行。在本技术案中，引入到沉积态的间隙填充电介质材料中的断键添加剂不会负面地影响mtj柱或顶部电极结构。
8.在本技术的另一方面，提供了一种存储器结构。在一个实施例中，存储器结构包括位于底部电极的表面上的多个间隔开的且图案化的材料堆叠体，其中每个图案化的材料堆叠体包括多层磁隧道结(mtj)柱和顶部电极结构。具有小于3的介电常数和第一碳含量的硬化间隙填充电介质材料横向邻近每个图案化材料堆叠体定位并定位在每个图案化材料堆叠体之间。通孔结构位于硬化的间隙填充介质材料中，其中，与通孔结构的侧壁相邻的硬化的间隙填充介质材料具有不小于第一碳含量的90％的碳。
附图说明
9.图1是可以在本技术的一个实施例中采用的示例性结构的横截面图，该示例性结构包括互连级，该互连级包括嵌入在互连电介质材料层中的至少一个导电结构，其中底部电极位于该至少一个导电结构的表面上。
10.图2是在形成多层磁性隧道结(mtj)堆叠体和顶部电极含金属层之后的图1的示范性结构的横截面图。
11.图3是在图案化mtj堆叠体及顶部电极含金属层以分别提供位于底部电极上方的mtj柱及顶部电极结构之后的图2的示范性结构的横截面图。
12.图4是在形成封装材料层之后的图3的示例性结构的横截面图。
13.图5是在形成具有自平面化性质的间隙填充电介质材料层之后的图4的示例性结构的横截面图。
14.图6是在通过离子注入将断键添加剂引入到沉积态的间隙填充电介质材料层中以提供改性的间隙填充电介质材料层之后的图6的示例性结构的横截面图。
15.图7是根据本技术的实施例的在执行作为固化工艺的第一步的激光退火之后的图6的示例性结构的横截面图。
16.图8是在激光退火之后执行uv固化以提供硬化的间隙填充电介质材料层之后的图7的示例性结构的横截面图。
17.图9是在从图案化材料叠层的顶部去除硬化的间隙电介质填充材料层和封装材料层之后的图8的示例性结构的横截面图。
18.图10是在硬化的间隙填充电介质材料中形成通孔结构之后的图9的示例性结构的横截面图。
具体实施方式
19.现在将通过参考以下讨论和伴随本技术的附图来更详细地描述本技术。注意，本技术的附图仅用于说明性目的，因此附图不是按比例绘制的。还应注意，相同和相应的元件由相同的附图标记表示。
20.在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如特定结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本技术的各种实施例的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，本技术的各种实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，为了避免模糊本技术，没有详细描述公知的结构或处理步骤。
21.应当理解，当将作为层、区域或衬底的元件称为在另一元件“上”或“上方”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上方”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为在另一元件“下方”或“之下”时，它可以直接在另一元件下方或之下，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件下方”或“直接在另一元件之下”时，不存在中间元件。
22.在将描述的本发明的实施例中，具有改进的化学和物理性质的硬化的间隙填充电介质材料横向地邻近于多层磁隧道结(mtj)柱和存储器结构的顶部电极结构而形成。硬化的间隙填充电介质材料可通过经由离子注入将断键添加剂引入到沉积态的间隙填充电介质材料层中，然后固化包含断键添加剂的间隙填充电介质材料层而形成。固化包括单独的uv固化，或uv固化与激光退火的组合。本技术中所采用的固化不会不利地影响mtj柱或顶部电极结构。
23.本技术中提供的硬化的间隙填充电介质材料比未经历本技术中概述的改性和固化的等同的现有技术间隙填充电介质材料更具抗蚀刻性。在包含至少一个mtj柱和顶部电极结构的存储器结构中存在硬化的间隙填充电介质材料可以在多个互连层面的集成流程中提供更好的通孔轮廓，同时在通孔底部处具有减少的通孔熔断(via blowout)或没有通孔熔断。
24.注意，本技术的附图示出了其中将形成诸如mram装置的存储装置区域。非存储器装置区域可横向邻近于本技术的图式中所说明的存储器装置区域而定位。
25.现在参考图1，示出了可以在本技术的一个实施例中采用的示例性结构。图1的示例性结构包括互连层级ln，其包括嵌入在互连电介质材料层10中的至少一个导电结构14，其中底部电极16位于至少一个导电结构14的表面上，在本技术中，互连层级ln的“n”可以是从1开始的整数。
26.尽管在附图中未示出，但金属层级l
n-1
可位于互连层级ln之下。在一些实施例中，当n为1时，金属层级l
n-1
为线中部(mol)层级。在其它实施例中，当n是2、3、4等时，金属层级l
n-1
是位于互连层级ln之下的下互连层级。在任一实施例中，金属层l
n-1
包括电介质材料层，该电介质材料层包含嵌入其中的至少一个金属层级导电结构，该至少一个金属层级导电结构直接或间接地连接到下面的cmos器件(未示出)，该cmos器件存在于前端制程(feol)层级(未示出)中。feol层级、金属层级l
n-1
和互连层级ln可利用本领域技术人员公知的工艺形成。
27.当n为1时，金属层级l
n-1
的电介质材料层可由mol电介质材料构成，例如二氧化硅、未掺杂硅酸盐玻璃(usg)、氟硅酸盐玻璃(fsg)、硼磷硅酸盐玻璃(bpsg)、旋涂低k电介质层、
化学气相沉积(cvd)低k电介质层或其任何组合。本技术通篇使用的术语“低k”表示电介质常数小于4.0的电介质材料(本文表达的所有电介质常数都是在真空中测量的)。此外，在这样的实施例中(即，当n为1时)，至少一个金属层级导电结构是包括接触金属或接触金属合金的接触结构，接触金属或接触金属合金例如为钨(w)、钴(co)、铂(pt)、镍(ni)或其合金。
28.当n大于1时，金属层级电介质材料层l
n-1
可由电介质常数小于4.0的互连电介质材料构成。可以使用的示例性互连电介质材料包括但不限于倍半硅氧烷、包括si、c、o和h原子的c掺杂氧化物(即，有机硅酸盐)、热固性聚亚芳基醚或其多层。术语“聚亚芳基”在本技术中用于表示通过键、稠环或惰性连接基团例如氧、硫、砜、亚砜、羰基等连接在一起的芳基部分或惰性取代的芳基部分。此外，在这样的实施例中(即，当n大于1时)，至少一个金属层级导电结构由导电金属或导电金属合金构成。可用于本技术的导电材料的实例包括铜(cu)、铝(al)或钨(w)，而导电金属合金的实例是cu-al合金。
29.互连层级ln的互连电介质材料层10可由上述用于金属层级l
n-1
的电介质材料层的互连电介质材料之一构成，互连电介质材料层10可通过沉积互连电介质材料并可选地使用与后段制程(beol)处理兼容的已知固化技术来固化它而形成。
30.提供互连电介质材料层10的互连电介质材料的沉积可以包括化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或旋涂。互连电介质材料层10可以具有30nm至150nm的厚度。其它厚度也是可能的，并且可以用作互连电介质材料层10的厚度。
31.可以利用本领域技术人员公知的工艺形成存在于互连层级ln中的剩余部件。在一个实施例中，可以通过光刻和蚀刻在互连电介质材料层10中形成至少一个开口。光刻包括在需要被图案化的材料或材料堆叠体上形成光致抗蚀剂材料，将光致抗蚀剂材料暴露于辐射图案，然后显影曝光的光致抗蚀剂材料。
32.导电结构14可以形成在至少一个开口中，该开口形成在互连电介质材料层10中。导电结构14包括如上定义的导电金属或金属合金。在一些实施例(未示出)中，导电结构14具有与互连电介质材料层10的顶表面共面的顶表面，在其它实施例中，如图1所示，导电结构14具有位于互连电介质材料层10的顶表面之下的顶表面。
33.在一些实施例中，如图1所示，扩散阻挡衬垫12可以沿着至少一个开口的侧壁和底壁存在。在一些实施例中，不存在扩散阻挡衬垫。扩散阻挡衬垫12由扩散阻挡材料(即，用作势垒以防止诸如铜的导电材料扩散通过的材料)构成。可用于提供扩散阻挡衬垫的扩散阻挡材料的例子包括但不限于ta、tan、ti、tin、ru、run、ruta、rutan、w或wn。在一些实施例中，扩散阻挡材料可以包括扩散阻挡材料的材料堆叠体。在一个示例中，扩散阻挡材料可以由ta/tan的堆叠体构成。
34.如本技术中所说明，底部电极16存在于每一导电结构14的表面上。在一些实施例中(且如所说明)，底部电极16位于导电结构14的凹陷表面上。在其它实施例(未图示)中，底部电极16形成于导电结构14的非凹陷表面上。在此实施例中，电介质覆盖层(未图示)可横向地邻近于底部电极16而定位且位于互连电介质材料层10的最上表面上。
35.下电极16可由ta、tan、ti、tin、ru、run、ruta、rutan、co、cowp、con、w、wn或其任何组合构成。底部电极16可具有从2nm到25nm的厚度；其它厚度也是可能的，且可用于本技术中作为底部电极16的厚度。底部电极16可通过例如溅射、原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或物理气相沉积(pvd)等沉积工艺形成。在沉积
提供底部电极16的导电材料之后，可以进行回蚀工艺、平坦化工艺(例如化学机械抛光)或图案化工艺(例如光刻和蚀刻)。
36.在一些实施例(未示出)中，底部电极16具有与电介质盖层(未示出)的最顶表面共面的最顶表面，该电介质盖层可以横向地邻近于底部电极16存在并且在互连电介质材料层10的最顶表面上。在其他实施例中(如图1中所示)，底部电极16具有与互连电介质材料层10的最顶表面共面的最顶表面。
37.现在参考图2，示出了在形成多层磁隧道结(mtj)堆叠体18和顶部电极含金属层28之后的图1的示例性结构。mtj材料堆叠体18至少包括磁钉扎层、隧道势垒层和磁自由层。在一些实施例中，如图2所示，mtj材料堆叠体18为底部钉扎mtj材料堆叠体，其由下至上包括磁性钉扎层20、隧道势垒层22以及磁性自由层24。在底部钉扎mtj材料堆叠体中也可以存在选择性的金属晶种层(未绘示)。在底部钉扎mtj材料堆叠体中，选择性的金属晶种层形成于磁性钉扎层20之下。底部钉扎mtj材料堆叠体也可包括位于磁性自由层24上的非磁性间隔层(未绘示)、位于非磁性间隔层上的第二磁性自由层(未绘示)、和/或位于磁性自由层24或第二磁性自由层上的mtj盖层26。
38.在其它实施例(未图示)中，mtj材料堆叠体18为顶部钉扎mtj材料堆叠体，其从下到上包含磁性自由层、隧道势垒层和磁性钉扎层；在本实施例中，元件20与24的顺序与图2所示的相反。在此实施例中，顶部钉扎mtj材料堆叠体体也可包括位于磁性自由层下方的选择性金属晶种层、位于磁性自由层上的非磁性间隔层、位于非磁性间隔层上的第二磁性自由层、和/或位于磁性钉扎层上的mtj盖层。
39.mtj材料堆叠体18的各种材料层可通过利用一个或一个以上沉积工艺来形成，所述沉积工艺例如为溅射、等离子体增强原子层沉积(peald)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或物理气相沉积(pvd)。
40.可选的金属种晶层可以由铂(pt)、钯(pd)、镍(ni)、铑(rh)、铱(ir)、铼(re)或其合金和多层构成。在一个示例中，可选的金属种晶层由铂(pt)构成。
41.磁性钉扎层20具有固定的磁化。磁性钉扎层20可由金属或金属合金(或其堆叠体)构成，其包括一种或多种呈现高自旋极化的金属。在替代实施例中，用于形成磁性钉扎层20的示例性金属包括铁、镍、钴、铬、硼或锰。示例性金属合金可包括上述示例的金属。在另一实施例中，磁性钉扎层20可以是多层布置，其具有(1)由使用上述金属的金属和/或金属合金形成的高自旋极化区，以及(2)由表现出强垂直磁各向异性(强pma)的一种或多种材料构成的区。可以使用的具有强pma的示例性材料包括诸如钴、镍、铂、钯、铱或钌的金属，并且可以布置为交替层。强pma区域还可包括表现出强pma的合金，示例性合金包括钴-铁-铽、钴-铁-钆、钴-铬-铂、钴-钯、铁-铂和/或铁-钯。合金可以被布置为交替层。在一个实施例中，这些材料和区域的组合也可用作磁性钉扎层20。
42.隧道势垒层22由绝缘体材料构成，并且以提供适当的隧穿电阻的厚度形成。用于隧道势垒层22的示例性材料包括氧化镁、氧化铝和氧化钛，或者更高电隧道电导的材料，例如半导体或低带隙绝缘体。
43.磁性自由层24可以由磁性材料(或磁性材料的叠层)构成，该磁性材料具有可以相对于磁性钉扎层20的磁化取向改变取向的磁化。用于磁性自由层24的示例性磁性材料包括钴、铁的合金和/或多层、钴-铁、镍的合金、镍-铁的合金和钴-铁-硼的合金。
44.如果存在，非磁性金属间隔层由非磁性金属或金属合金构成，其允许磁性信息通过其传递，并且还允许两个磁性自由层磁性耦合在一起，使得在平衡状态下第一和第二磁性自由层总是平行的。非磁性金属间隔层允许第一和第二磁性自由层之间的自旋扭矩切换。
45.如果存在，第二磁性自由层可以包括上文针对磁性自由层24所述的磁性材料中的一种。在一个实施例中，第二磁性自由层由与磁性自由层24相同的磁性材料构成。在另一个实施例中，第二磁性自由层由与磁性自由层24成分不同的磁性材料构成。
46.如果存在，mtj盖层26可由nb、nbn、w、wn、ta、tan、ti、tin、ru、mo、cr、v、pd、pt、rh、sc、al或其它高熔点金属或导电金属氮化物构成。mtj盖层26可具有从2nm到25nm的厚度；其它厚度也是可能的，且可在本技术中用作mtj盖层26的厚度。
47.顶部电极含金属层28可由导电材料构成，例如ta、tan、ti、tin、ru、run、ruta、rutan、co、cowp、con、w、wn或其任意组合。在本发明的一个实施例中，顶部电极含金属层28由ti/tin构成。提供顶部电极含金属层28的导电材料可在组成上与提供底部电极16的导电材料相同或不同。
48.在本技术中，顶部电极含金属层28可具有从100nm到500nm的厚度；虽然其它厚度也是可能的，且可用作顶部电极含金属层28的厚度。顶部电极含金属层28可通过沉积工艺形成，例如溅射、等离子体增强原子层沉积(peald)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或物理气相沉积(pvd)。
49.现在参考图3，示出了在对mtj堆叠体18和顶部电极含金属层28进行图案化以分别提供位于底部电极16上方的mtj柱18p和顶部电极结构28s之后的图2的示例性结构。
50.顶部电极含金属层28和mtj堆叠体18的图案化可包括首先在顶部电极含金属层28的物理暴露表面上形成图案化掩模(未图示)。在一些实施例中，图案化掩模可以由光刻抗蚀剂堆叠体构成。在一个实施例中，提供图案化掩模的光刻抗蚀剂堆叠体可以包括底部有机层、中间无机层和顶部抗蚀剂层。光刻抗蚀剂堆叠体的底部有机层可以包括有机平面化层(opl)。光刻抗蚀剂堆叠体的底部有机层可以包括旋涂有机层，例如，近无摩擦碳(nfc)、类金刚石碳、热固性聚亚芳醚或聚酰亚胺。光刻抗蚀剂堆叠体的中间无机层可以包括任何氧化物层，例如低温(例如，小于或等于250℃)cvd氧化物、衍生自teos(原硅酸四乙酯)的氧化物、氧化硅、氧化硅烷或含si抗反射涂层材料(siarc)。光刻抗蚀剂堆叠体的顶部抗蚀剂层可以由提供高分辨率光刻图案化的抗蚀剂材料构成。光刻抗蚀剂堆叠体可以首先通过利用一系列沉积工艺形成，所述沉积工艺包括底部有机层的第一旋涂、中间无机层的第二旋涂和顶部抗蚀剂层的第三旋涂。在提供光刻抗蚀剂堆叠体之后，通过光刻法(即，将顶部抗蚀剂层暴露于辐射图案，且接着显影经暴露的顶部抗蚀剂层)图案化顶部抗蚀剂层，且此后将提供到顶部抗蚀剂层的图案转移到提供图案化掩模的光刻抗蚀剂堆叠体的下伏层中。转移可以包括一个或多个蚀刻工艺。
51.在一些实施例中，图案化可以包括利用第一蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻，利用图案化的掩模作为蚀刻掩模，首先图案化顶部电极含金属层28。顶部电极含金属层28的剩余部分，即未图案化部分提供顶部电极结构28s。顶部电极结构28s可以是圆柱形的；尽管其它非对称形状也是可能的，且可在本技术中用作顶部电极结构28s的形状。顶部电极结构28s的临界尺寸(cd)可以变化，并且在本技术中不是关键的。顶部电极结构28通常具有大于底
部电极16的上部部分上的宽度的宽度。在此情况下，可避免金属粒子从底部电极16到mtj柱18p上的不想要的再沉积。
52.在图案化顶部电极含金属层28之后，从利用本领域技术人员公知的常规工艺形成的顶部电极结构28s的顶部去除图案化的掩模。接着利用离子束蚀刻(ibe)来执行mtj材料堆叠体18的图案化，其中将顶部电极结构28s用作图案化的掩模。mtj堆叠体18的剩余部分，即，未图案化部分提供mtj柱18p。在一个实例中且如图3中所示，每一mtj柱18p为底部钉扎mtj材料结构，其从下到上包含磁性钉扎材料层部分20p(即，磁性钉扎材料层20的剩余未蚀刻部分)、隧道势垒层部分22p(即，隧道势垒层22的剩余未蚀刻部分)以及磁性自由层部分24p(即，磁性自由层24的剩余未蚀刻部分)。
53.在另一实例(未图示)中，mtj柱18p为顶部钉扎mtj结构，其从下到上包含磁性自由层部分24p、隧道势垒层部分22p和磁性钉扎材料层部分20p。mtj柱18p可包含mtj堆叠体18中存在的任何其它层的剩余部分。例如，图3说明包含mtj盖部分26p(即，mtj盖层26的剩余未蚀刻部分)的mtj柱18p。mtj柱18p的形状可以是圆柱形；尽管其它非对称形状是可能的并且可以在本技术中用作mtj柱18p的形状；mtj柱18p和顶部电极结构28s具有相同形状。mtj柱18p的临界尺寸(cd)可变化且在本技术中不是关键的。mtj柱18p的cd通常与顶部电极结构28s的cd相同。
54.mtj堆叠体18p和顶部电极结构28s共同形成总高度超过100nm的高纵横比结构。用于增加的存储器密度的连续存储器单元缩放将致使邻近mtj柱之间的间隔减小，从而导致高纵横比间隙。mtj柱18p包含上述多个功能层。基于mtj的器件的适当操作严重依赖于这些功能层之间的各种界面的精确工程。界面所需的空间控制应该优于一个原子层或约0.3nm。此外，mtj柱18p中的这些功能层的结构材料控制(例如，晶粒纹理、材料组成等)对于实现基于mtj的器件的适当操作也是最重要的。因此，一旦形成mtj堆叠体18，就需要非常小心以保持mtj堆叠体的材料特性。通常，避免了对由此形成的mtj堆叠体18和mtj柱18p的任何高能处理。
55.现在参考图4，其示出了形成封装材料层30之后的图3的示例性结构，封装材料层30位于每个mtj柱18p的侧壁上以及每个顶部电极28s的侧壁和顶部上。在一些实施例中，可以省略封装材料层30的形成。
56.封装材料层30由与提供互连电介质材料层10的互连电介质材料在成分上不同的电介质材料构成，提供封装材料层30的电介质材料可以提供对顶部电极结构28s和mtj柱18p的钝化。在一个实施例中，封装材料层30由氮化硅构成。在另一实施例中，封装材料层30可以由包含硅、碳和氢原子的电介质材料构成。在一些实施例中，除了碳和氢原子之外，提供封装材料层30的电介质材料可以包括氮和氧中的至少一种的原子。在其他实施例中，除了硅、氮、碳和氢原子之外，提供封装材料层30的电介质材料可以包括硼原子。在一个示例中，封装材料层30可以由包含硅、碳、氢、氮和氧原子的nblok电介质材料构成。在替代示例中，封装材料层30可以由包含硅、硼、碳、氢和氮的原子的sibcn电介质材料构成。
57.封装材料层30是连续的共形层，其可以通过沉积工艺形成，例如化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、物理气相沉积(pvd)或原子层沉积(ald)。术语“共形”表示材料层具有沿着水平表面的垂直厚度，其与沿着垂直表面的横向厚度基本上相同(即，在
±
5％内)。封装材料层30可以具有从10nm到200nm的厚度。其它厚度也是可能的，
并且可以用作封装材料层30的厚度。封装材料层30的存在缩小了相邻mtj柱18p之间的间隙，使得间隙纵横比更高。
58.在一些实施例中，封装材料层30通过低温沉积工艺形成。术语“低温沉积工艺”表示在400℃或更低的温度下执行的沉积工艺。在一个实施例中，在200℃到400℃的温度下执行封装材料层30的沉积。在替代实施例中，在200℃到350℃的温度下执行封装材料层30的沉积。低温沉积防止金属粒子跨越多层mtj柱18p的隧道势垒层的表面扩散，这可能导致器件短路。金属粒子在提供多层mtj柱18p的覆盖层的蚀刻期间形成。
59.在一些实施例中，封装材料层30可以是低质量的。换言之，封装材料层30可能具有与之相关联的差的机械和化学性质，这些性质需要在mtj器件的进一步处理之前被改进。“低质量”是指封装材料层30有缺陷(包含高含量的碳和氢杂质)，具有差的气密性、低杨氏模量、以及相对高数量的键端接基团，例如氢、碳氢基团、以及破坏化学强-si-o-、-si-n-、-c-n-和-b-n-键合链的框架的氨基。因此，封装材料层30可以具有低抗蚀刻性和高蚀刻或侵蚀速率。
60.现在参考图5，示出了在形成具有自平面化特性的间隙填充电介质材料层32l之后的图4的示例性结构。间隙填充电介质材料层横向邻近于每一图案化结构(即，mtj柱18p和顶部电极结构28s)且在每一图案化结构的顶部上形成。间隙填充电介质材料层32l是无空隙的。如图所示，间隙填充电介质材料层32l形成于封装材料层30上。间隙填充电介质材料层32l由电介质材料所构成，其组成不同于封装材料层30的电介质材料。在一实施例中，间隙填充电介质材料层32l由可流动的cvd或旋涂电介质材料所构成，例如，包含硅、碳、氧及氢原子的电介质材料。在一些实施例中，可流动的低k电介质是纳米多孔的。在随后的步骤中，通过激活可以存在于沉积态的间隙填充电介质材料中的有机致孔剂添加剂，可以在间隙填充电介质材料32l中产生纳米孔。在一些实施方式中，可流动沉积工艺混合用于实现目标流动性的有机前体和牺牲成孔剂(例如，环己烯)以及用于硅氧烷基主链结构的基质前体(例如，十甲基环戊硅氧烷、二乙氧基甲基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、四甲基环四硅烷、八甲基环四硅烷)。可流动的cvd或旋涂电介质材料可流入并填充具有形貌的结构之间的非常小的间隙，而不形成空隙或接缝。在一些实施方案中，通过使用硅氧烷基聚合物实现流动性，其中两个硅键被基团如氢和/或甲基封端，并且两个其它键参与硅氧烷主链。流动性可受硅氧烷基聚合物链的长度和有机添加剂或溶剂的量和类型的影响。较长的聚合物链和较高含量的有机溶剂导致流动性增加。沉积态可流动电介质材料在化学上是弱的，并且可以具有相对高的电介质常数(例如，约4.0)，并且通常没有纳米孔。在沉积之后，可流动电介质材料需要固化工艺，该固化工艺将该材料转换成其低k状态(即，小于4.0的电介质常数)，形成纳米孔，并且提高其化学强度。间隙填充电介质材料层32l通过cvd或旋涂工艺形成；虽然在形成图5所示的间隙填充电介质材料层32l时没有使用平坦化工艺，但是可以使用可选的cmp工艺在固化之前平坦化间隙填充电介质材料32l。
61.可流动电介质材料的示例性固化工艺可包括在包含低于约250nm的辐射波长的强uv光的存在下加热到高达400℃。固化工艺导致弱键合的有机基团(例如，ch3、ch2、h)的断裂和将释放的悬空键(freed-up dangling bonds)交联到强化学主链网(例如，交联的硅氧烷基-si-o-主链)中，同时形成目标量的纳米孔。在一些实施方案中，交联包括从聚合物链中的一些si原子上断开有机基团之一，并为这些原子形成三个si-o键，同时保持第四个硅键
被基团如氢(h)和/或甲基(ch3)封端。应当理解，需要一定量的这些有机基团以实现低电介质常数k，同时需要一定量的交联以实现一定水平的化学和机械强度。键断裂主要由丰富的高能uv光子引发的光化学反应驱动，而脱离的有机基团的去除主要由在升高的衬底温度下进行的扩散过程驱动。由于固化工艺的低效率，常规固化的间隙填充电介质材料层可能是低质量的。
62.本技术的间隙填充电介质材料层32l可能具有与其相关的较差的机械和化学性质，这需要在mtj器件的进一步处理之前进行改进。“低品质”是指间隙填充电介质材料层32l有缺陷(含有高含量的碳和氢杂质)，具有差的气密性、低杨氏模量和相对高含量的键终止基团，例如氢、碳氢基团和氨基基团，其破坏由相同类型的化学强键交联的化学强-si-o-、-si-ch
2-和-c-o-键链的框架。在一些实施例中，低质量是指间隙填充电介质材料层32l对rie工艺中常用的含氧等离子体的抵抗性。在这种等离子体中产生的氧自由基和离子攻击间隙填充电介质材料层32l中大量存在的有机自由基，用羟基基团(-oh)代替它们。这表明si-ch3和si-h键的量减少，si-oh键的量增加。因此，暴露于含氧等离子体的间隙填充电介质材料层32l可具有低蚀刻抗性和高蚀刻或侵蚀速率。
63.现在参考图6，示出了在通过离子注入将断键添加剂引入到间隙填充电介质材料层32l中以提供修改的间隙填充电介质材料层32m之后的图5的示例性结构。断键添加剂的引入在固化之前进行。在图6中，箭头示出了离子注入工艺的方向。
64.在本技术中，在固化之前发生的间隙填充电介质材料32l的改性包括将断键添加剂离子注入到间隙填充电介质材料层中。断键添加剂包括轻质元素或分子。“轻质元素”是指原子序数z等于或小于氩的原子序数(z＝18)的元素。可用作断键添加剂的轻质元素的说明性实例包括(但不限于)氢(h)、氦(he)、氮(n)、碳(c)或氖(ne)。所述轻质分子为如分子氢(h2)、分子氮(n2)等轻质元素。在沉积态的间隙填充电介质材料层32l的整个厚度中进行注入，以提供改性的间隙填充电介质材料层32m。注入能量决定了进入间隙填充电介质材料层32l的穿透深度。通过预先确定离子注入能量可以实现不同的穿透水平。可采用多种注入能量以使注入离子均匀地分布在整个间隙填充电介质材料层32l中，或使注入损伤均匀地分布在整个间隙填充电介质材料层32l中。选择离子注入剂量，使得注入的元素不超过间隙填充电介质材料成分的0.5原子百分比。
65.在一个实施方案中，改性的断键轻质元素是氮原子。在此实施例中，氮可以使用从1kev到40kev的离子注入能量和从1
×
10
13
离子/cm2到3
×
10
14
离子/cm2的注入剂量进行离子注入。使用上述离子注入条件，添加到间隙填充电介质材料层32l的氮的浓度为0.01原子百分比至0.1原子百分比(以其它术语表示，添加到间隙填充电介质材料层32l的氮的浓度为5
×
10
18
原子/cm3至5
×
10
19
原子/cm3)。此外，关于使用上述离子注入条件，氮渗入间隙填充电介质材料层32l至至的深度。使用c和ne的离子注入与上面提到的用于氮的离子注入相似。氮也可以以其分子形式(n
2
)注入。在这种情况下，注入能量范围将增加两倍，而离子注入剂量范围将减小两倍。
66.在本发明的另一实施例中，改性的断键轻质元素为氦原子。在该实施方式中，可以使用1kev至10kev的离子注入能量和5
×
10
13
离子/cm2至1
×
10
15
离子/cm2的注入剂量对氦进行离子注入。使用前述离子注入条件，添加到间隙填充电介质材料层32l的氦的浓度为0.05原子百分比至0.5原子百分比(以其它术语表示，添加到间隙填充电介质材料层32l的氦的
浓度为2.5
×
10
19
原子/cm3至2.5
×
10
20
原子/cm3)。此外，关于使用上述离子注入条件，氦穿透间隙填充电介质材料层32l至至的深度。使用h 或h
2
的离子注入条件类似于上面对于氦所述的那些。
67.注入步骤可以使用常规的束线离子注入机或等离子体浸没注入设备进行。在等离子体浸没注入的情况下，注入能量由相对于等离子体电势的衬底电偏压控制。为了实现注入离子的均匀分布和/或注入引起的键断裂(损伤)的均匀分布，可以使用如上文提到的多种注入能量来进行注入步骤。
68.由于不会显著改变电极结构28s和mtj柱18p的无机金属膜的低注入剂量，注入步骤不会负面地影响mtj柱18p或顶部电极结构28s。然而，低注入剂量导致间隙填充电介质材料层32l的有机成分的显著变化。此外，将断键添加剂添加到封装材料衬层30l中不会对大部分无机的封装材料层产生负面影响。
69.之后，借助于电磁辐射形式的能量源，固化改性的间隙填充电介质材料层32m(如将在下面更详细讨论的)。固化可以包括单独的uv固化，或者uv固化与激光退火的组合。激光退火可以在uv固化之前或之后进行。在优选实施例中，如图7和8所示，在uv固化之前进行激光退火。在本发明的固化工艺期间，改性的间隙填充电介质材料层32m维持在高温。由于在该步骤存在于衬底中的温度敏感结构(例如，mtj柱18p)，对于长于几秒的曝光衬底温度被限制到400℃，对于短于几十毫秒但长于几微秒的曝光衬底温度被限制到800℃，并且对于短于几微秒的曝光衬底温度被限制到1200℃。
70.现在参考图7，示出了根据本技术的实施例的在执行作为固化工艺的第一步的激光退火之后的图6的示例性结构。在这种情况下，固化能量源是入射激光束的电磁辐射er。在一些实施例中，省略激光退火，并且利用如下文所定义的uv固化来执行固化。在其它实施例中，固化可包括uv固化，随后是激光退火。在图7中，元件32c表示激光退火的改性的间隙填充电介质材料层。
71.在一些实施例中，可以在激光退火之前将牺牲辅助层34沉积到改性的间隙填充电介质材料层32m上。牺牲辅助层34的目的是将电磁辐射er耦合到衬底中，并辅助将改性的间隙填充电介质材料层32m加热到目标温度。牺牲辅助层34是跨越图7所示的整个结构形成的连续层，在一个实施例中，牺牲辅助层34是吸收层。选择吸收层的材料以吸收入射激光束的电磁辐射er。在一个实施例中，吸收层是tan，其在308nm处具有1.27的消光系数。
72.牺牲辅助层34可以利用常规沉积工艺形成，例如化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、原子层沉积(ald)或溅射。牺牲辅助层34可以具有从1nm到20nm的厚度。牺牲辅助层34的其它厚度也是可能的，只要该厚度足以吸收大部分电磁辐射er。在此步骤中采用的激光退火不会负面地影响mtj柱18p。
73.如本文所定义，用作本技术的固化工艺的第一步骤的激光退火是短持续时间(在纳秒范围内)激光退火。这种激光退火可以用于改善诸如改性的间隙填充电介质材料层32m的电介质材料的特性(化学和机械)。激光退火可以硬化改性的间隙填充电介质材料层32m，导致激光退火的改性的间隙填充电介质材料层32c。
74.如本文所用，术语“激光退火”表示采用激光在被处理的表面中引起热量的退火方法。激光器是一种发射相干辐射的电光器件。在一些实施例中，典型的激光器以窄的、低发散度的光束发射具有限定波长的光。在一些情况下，采用激光进行退火工艺的优点在于，其
光可以容易地成形并聚焦到退火表面的特定区域上，以用短的曝光持续时间实现非常高的辐射强度。
75.在一些实施例中，通过在包括沉积态的电介质材料的衬底的表面上光栅扫描聚焦激光束来实现短曝光持续时间，所述沉积态的电介质材料即互连电介质材料、封装材料或改性的间隙填充电介质材料。在这种情况下，在入射强度fwhm下测量的曝光持续时间是扫描方向上的束宽除以扫描速度。在替代实施例中，通过采用脉冲激光器来实现短曝光持续时间。在这种情况下，激光束被成形为在选定的衬底区域上，例如在整个产品裸芯上，实现所需的峰值强度，并且激光器以脉冲模式工作，例如在q开关激光器的情况下。q开关激光器在强度fwhm(即半高宽)的脉冲持续时间确定衬底曝光时间。以分步重复的方法对整个晶片表面重复曝光工艺。在一些实施方案中，暴露于光，即通过激光退火，例如施加激光束，包括1脉冲至100脉冲的光暴露。
76.在一些实施例中，本技术的激光退火方法中采用的激光器类型选自固态nd：在1064nm发射的yag激光器和分别在532nm或355nm发射的倍频或三倍频的yag激光器，或在低于400nm发射的准分子激光器。准分子激光器可以通过涉及受激二聚体或受激准分子的化学反应来提供动力，受激二聚体或受激准分子是由两种物质(原子)形成的短寿命的二聚体或异二聚体分子，其中至少一种物质处于受激电子态。通常使用的受激准分子包括f2(氟，在157nm发射)，和稀有气体化合物，例如arf(193nm)、krcl(222nm)、krf(248nm)、xecl(308nm)和xef(351nm)。准分子激光器通常以适于步进重复脉冲晶片曝光的q开关、脉冲模式操作。固态nd：yag激光器由于其在1064nm处的稳定、高功率输出而提供了准分子激光器的替代物，其可以有效地在532nm或355nm处倍频或三倍频发射辐射。固态激光器可以被配置成连续的、脉冲的或q开关脉冲模式，其适合于光栅扫描和步进重复脉冲操作。激光波长选择对于将激光辐射耦合到合适的吸收材料中是重要的。普通的电介质材料甚至在约350nm至约250nm的短波长下不吸收或仅微弱吸收(例如，吸收小于5％的耦合辐射)；术语“约”在本文中用于表示相对于所述值的
±
10％或更小。另一方面，金属和金属化合物吸收波长为约600nm或更短的辐射，使得对于具有金属层的结构更优选更短波长的激光。在一些实施例中，可以采用xecl激光器(308nm)，将其入射辐射的大约35％耦合到顶部电极28s和mtj柱18p中，从而从下方加热相邻的改性的间隙填充电介质材料层32m。在替代实施例中，可以采用xecl激光器(308nm)，将其入射辐射的约60％耦合到牺牲辅助层34中，从而从上方加热下面的改性的间隙填充电介质材料层32m。
77.一旦包括改性的间隙填充电介质材料层32m的基板通过光栅扫描或通过激光脉冲暴露于激光辐射，存在于基板中的含金属结构的温度开始从基值升高并在此之后不久下降。升高金属层级中含金属结构的温度导致热能或热流入包括改性的间隙填充电介质材料层32m的相邻结构中，从而升高其与存在于衬底中的含金属结构的温度同步的温度。纳秒激光退火工艺的代表性温度-时间轨迹包括四(4)个不同的温度区域：初始或基础衬底温度、加热部分、温度峰值点和冷却部分。初始或基础衬底温度在23℃(室温)至400℃的范围内。该温度通常由基板所在的热板来设定。也可使用替代的加热装置将衬底保持在基础温度。这种替代或附加的加热装置可包括背面或正面灯退火、微波加热和毫秒级的次级预热激光束。具有接近308nm波长的激光束以从约1000000000℃/秒到约100000000000℃/秒的上升速率将包括改性的间隙填充电介质材料层32m的衬底的表面温度从基础温度升高到峰值。
在激光辐射曝光之后，包括改性的间隙填充电介质材料层32m的表面温度以约300000000℃/秒至约30000000000℃/秒的温度下降速率快速下降回到基础温度。在温度峰值点附近，通常在峰值点以下50℃的水平测量的退火持续时间为约1纳秒至约500纳秒，但更通常为约10纳秒至约100纳秒。通常根据fwhm下的辐射曝光持续时间而不是在低于峰值温度50℃的温度水平下的退火持续时间来规定激光退火的处理持续时间。这些持续时间的量彼此相关，且在一些实施例中，退火持续时间是辐射暴露持续时间的一部分(例如，约1/3)。
78.激光诱导的表面温度上升由激光入射辐射强度、激光脉冲或曝光持续时间以及沉积态互连电介质材料和下层衬底的光学和热性质设定。短的前侧激光曝光导致包括改性的间隙填充电介质材料层32m的衬底的非均匀加热。在纳秒级激光脉冲的情况下，在金属结构(例如铜)中的热穿透深度范围为约1微米至约5微米，在典型的互连电介质中为约100纳米至约500纳米。因此，包括改性的间隙填充电介质材料层32m的相对厚的衬底可以在其整个厚度上以约0.1-3℃/nm的小的顶到底温度梯度相对均匀地加热。这也确保了在小于约100nm的整个厚度上将改性的间隙填充电介质材料层32m加热到相似的温度。
79.应了解，包括沉积态的电介质材料的衬底达到约1000℃至约1300℃的目标退火温度范围时所需的辐射强度取决于衬底中存在的特定材料、激光脉冲持续时间和选定的激光波长。然而，对于包括改性的间隙填充电介质材料层32m的特定组的衬底和退火参数，通过将铜材料结合到金属层级中并观察其在约1090℃的熔点，可以实验确定所需的入射辐射强度。在一些实施方式中，纳秒激光波长为308nm，衬底基础温度为250℃，fwhm的脉冲持续时间为160纳秒，且金属层级中的铜层开始熔化时的耦合激光能量密度为0.13j/cm2(这对应于0.2j/cm2的入射激光能量密度)。通过适当地归一化到308nm处的金属光学反射率，可以将该校准点转换成对于存在于金属层级中的金属的特定选择所需的入射激光能量密度。
80.在一些实施例中，以等于或小于0.4j/cm2的入射激光能量密度执行包括改性的间隙填充电介质材料层32m的衬底的激光退火。在一个实例中，以0.03j/cm2至0.38j/cm2的入射激光能量密度对包括沉积态电介质材料的衬底进行激光退火。在一替代实施方式中，激光退火可以在入射激光能量密度为0.03j/cm2至0.46j/cm2的条件下进行。在一些实施方案中，约1000℃至约1300℃的目标退火温度范围将需要入射激光能量密度小于0.4j/cm2。
81.衬底可以包含具有低于约1300℃的相对低熔点的含金属结构(包括吸收层34)。在这种情况下，所需的退火温度范围为约1000℃至低于存在于衬底中的含金属结构的熔点。对于提供包括沉积态的电介质材料的衬底的材料的特定选择和激光退火参数，通过观察激光退火之前和之后的含金属结构的电功能性，可以实验性地确定含金属结构的熔点和入射激光能量密度的相应阈值。
82.现在参考图8，示出了在执行uv灯固化(即，uv固化)之后作为本技术的固化工艺的第二步骤的图7的示例性结构。在步骤中，固化能量源是uv灯的电磁辐射er'。在一些实施方式中，电磁辐射波长在光谱的uv区，优选短于250nm，衬底温度为200℃至400℃，处理持续时间为1分钟至10分钟。在一些实施例中，uv固化可以在图6所示的示例性结构上进行，而不引起作为固化工艺的一部分的激光退火。
83.电磁辐射er'通过维持在一升高温度的改性的间隙填充电介质材料层32m或通过维持在一升高温度的激光退火的改性的间隙填充电介质材料层32c，将这些间隙填充电介质材料化学地转换为一硬化的间隙填充电介质材料层33。硬化的间隙填充电介质材料层33
是无空隙的，具有小于3的电介质常数以及第一碳含量。
84.在这种转变时，硬化的间隙填充电介质材料层33具有独特的材料特性，使得其电介质常数低于3，并且通常在2.7-2.9的范围内，并且其对等离子体离子损伤材料的湿法蚀刻速率比仅通过常规uv固化工艺固化的可流动低k膜的湿法蚀刻速率提高(低)2-4倍。硬化的间隙填充电介质材料层33具有比传统固化的间隙填充电介质材料的电介质常数稍微增加(小于5％)的电介质常数。重要的是，在此步骤处采用的低剂量植入、纳秒激光退火及常规uv固化工艺不会不利地影响mtj柱18p及顶部电极结构28s。
85.虽然图7和图8示出了固化的优选顺序(首先激光退火，然后uv灯固化)，但是其它固化顺序也是可行的，产生类似的益处。在一个实施例中，可以跳过激光退火。在另一个实施方案中，常规的uv固化可以在激光退火之前进行。在又一实施例中，图7和图8中所示的固化顺序之后可以是附加的激光退火步骤。在上述任何实施例中，并且在执行激光退火之后，可以利用任何常规材料去除工艺选择性地去除牺牲辅助层34，所述常规材料去除工艺包括但不限于平坦化或蚀刻。
86.现在参考图9，示出了在执行平坦化工艺以去除硬化的间隙填充电介质材料层33和位于顶部电极结构28s的最顶部表面上方的封装材料层30之后的图8的示例性结构。硬化的间隙填充电介质材料33保持横向邻近于每一mtj柱18p和每一顶部电极结构28s。而且，封装材料层30的剩余部分，即，封装材料衬垫30l保留在每个mtj柱18p和每个顶部电极结构28s的侧壁上。在一些实施例中，封装衬垫30l可以保留在顶部电极结构28s(未示出)上。平坦化工艺可以包括化学机械抛光和/或研磨。
87.硬化的间隙填充电介质材料33具有与封装材料衬垫30l的最顶表面和/或顶部电极结构28s的最顶表面共面的最顶表面。硬化的间隙填充电介质材料33具有改善的化学和物理特性。在一些实施例中，封装材料衬垫30l还具有改进的化学和物理特性。
88.现在参考图10，其示出了在硬化间隙填充介质材料33中形成通孔结构14v以电连接到底部电极16之一和/或导电结构14之一之后的图9的示例性结构。注意，在附图中，通孔结构14v形成在图9中所示的中间mtj柱18p和顶部电极结构28s前面的硬化间隙填充介质材料33的一部分中。多个此通孔结构14v可相对于mtj柱18p和顶部电极结构28s布置成许多几何配置，例如布置成棋盘图案，如图10中所示，或布置在mtj柱阵列的边缘处。在形成通孔结构14v之前，图9的结构可以可选地用ild膜10t覆盖。ild膜10t类似于ild膜10，并且使用类似的技术形成。使用合适的光刻技术在远离mtj柱18p和顶部电极结构28s的所要位置中图案化用于提供对应通孔结构14v的通孔开口。使用反应离子蚀刻(rie)通过通孔开口去除硬化的间隙填充介质材料33。在去除硬化的间隙填充电介质材料33之后，rie化学物质可以被切换以穿透封装衬垫30l，也可以去除所有或一些暴露的底电极16。清洁导电结构16/14的暴露表面，并且通常将导电衬垫12v沉积到通孔开口中。导电衬垫12v类似于衬垫12，并使用类似的技术形成。然后用金属导体填充包括导电衬垫12v的过孔开口，并平坦化以提供过孔结构14v。用于提供通孔结构14v的金属导体与导电结构14的金属导体相似，并且使用相似的技术形成。相同通孔结构可用于接触顶部电极结构28s且将mtj柱18p接线到存储器阵列中。用于形成通孔结构的rie化学物质可以包含产生与通孔侧壁相邻的受损硬化间隙填充介质材料区域33d的氧。在受损的硬化间隙填充电介质材料区域33d中，氧自由基和离子攻击有机自由基，用羟基(-oh)取代它们。值得注意的是，硬化间隙填充电介质材料33提供了
对这些化学工艺的较佳抵抗，与硬化间隙填充电介质材料33相比，减少了受损硬化间隙填充电介质材料区域33d中si-ch3与si-h键结的损耗以及-oh键结的建立。结果，过孔轮廓变得更垂直，具有减少的或没有通孔喷出(via blowout)，允许更密集的存储器。
89.在不提供任何限制的情况下，上述注入步骤导致间隙填充电介质材料的键断裂(即，断键)。适度的键断裂使得长聚合物链断裂成较小的部分，并且键端接自由基如氢、碳氢基团或氨基脱离，从而释放相邻的悬空键以参与化学上强的键链和在后续固化步骤期间形成的交联键。应该理解，需要一定量的键端接有机自由基基团以实现低电介质常数k。因此，选择注入剂量以保持所得电介质常数k低于3。
90.在不提供任何限制的情况下，在等于或高于约1000℃的温度下进行改性的间隙填充电介质材料和封装材料的激光退火，还导致键端接自由基如氢、碳氢基团或氨基脱离，从而释放相邻的悬空键以参与化学上强的交联键。在激光诱导的温度脉冲之后，分离的自由基可扩散出膜并从自由表面脱附，但它们中的一些可将它们自身重新附着回到类似的键端接位点，部分地抵消了激光诱导的电介质膜硬化的积极效果。此外，高温激光退火可能增加由离子注入或激光退火本身引起的束缚相邻悬空键的可能性。较长的退火持续时间还增加了分离键端接自由基和束缚相邻悬空键的可能性。有利地，可以使用多次短持续时间激光退火来代替较长的退火持续时间。因此，2至30次连续的激光退火可用来增加累积辐射曝光持续时间，或等效地，累积退火持续时间比单次激光退火增加2至30倍。应该理解，需要一定量的键端接有机自由基基团以实现低电介质常数k。因此，选择激光退火峰值温度和持续时间以保持所得电介质常数k低于3。
91.不提供任何限制，在电介质材料(即，间隙填充电介质材料)的升高的衬底温度下的常规uv固化步骤导致除去分离的终止自由基，并进一步将悬空键交联成化学上强的-si-o-、-si-ch
2-、-c-o-和-c-n-交联键和链。所得材料具有对含氧等离子体的增强的抵抗性。这本身表明用羟基取代剩余的键端接有机自由基基团的速率降低。
92.在一些实施例中，传统固化的间隙填充电介质材料(即，已经经过uv固化的沉积态间隙填充电介质材料)对等离子体诱导损伤具有第一抗性，而硬化间隙填充电介质材料33对等离子体诱导损伤具有第二抗性，且第二抗性大于第一抗性。等离子体引起的损伤包括暴露于含氧等离子体。暴露于含氧等离子体的常规固化的间隙填充电介质材料具有第一羟基含量，而暴露于含氧等离子体的硬化间隙填充电介质材料33具有第二羟基含量，且第一羟基含量大于第二羟基含量。暴露于含氧等离子体的常规固化的间隙填充电介质材料具有第一氢含量和第一碳-氢含量，而暴露于含氧等离子体的硬化间隙填充电介质材料33具有第二氢含量和第二碳-氢含量，且第一氢含量低于第二氢含量，且第一碳-氢含量低于第二碳-氢含量。暴露于含氧等离子体的常规固化的间隙填充电介质材料具有第一蚀刻速率，而暴露于含氧等离子体的硬化间隙填充电介质材料33具有低于第一蚀刻速率的第二蚀刻速率。
93.在一些实施例中，si-ch3键合的量，或者等效地，在被损坏的硬化间隙填充电介质材料区域33d中的碳含量的量不小于硬化间隙填充电介质材料33中的那些相应量的90％。在一些实施例中，si-ch3键合的量，或者等效地，在损坏的硬化间隙填充电介质材料区域33d中的碳含量的量基本上与硬化间隙填充电介质材料33中的相同。在一些实施例中，在受损的硬化间隙填充电介质材料区域33d中的si-h键合的量不小于硬化间隙填充电介质材料
33中的量的一半。
94.在其它实施例中，传统固化的间隙填充电介质材料具有第一杨氏模量，而硬化的间隙填充电介质材料33具有大于第一杨氏模量的第二杨氏模量。在一些实施例中，硬化间隙填充电介质材料33具有改良的化学键结，即，较少量的键端接自由基，例如氢、碳氢基团、及胺基团，在给定的低电介质常数k低于3时，可提供较强的-si-o-、-si-ch
2-、-c-o-、及-c-n-键结链的架构。
95.在一些实施例中，硬化间隙填充电介质材料33由低k电介质材料所构成，其包含si、c、o与h原子。在其它实施例中，硬化间隙填充电介质材料33由低k电介质材料所构成，其包含si、c、o、n与h原子。
96.在一些实施例中，沉积态的封装材料层30具有第一氢含量和第一氮-氢键含量以及第一碳-氢键含量，并且激光退火的封装材料衬垫30l具有小于第一氢含量的第二氢含量，以及小于第一氮-氢键含量的第二氮-氢键含量，以及小于第一碳-氢键含量的第二碳-氢键含量。沉积态的封装材料层30具有第一蚀刻速率，并且激光退火的封装材料衬垫30l具有低于第一蚀刻速率的第二蚀刻速率。
97.在其他实施例中，沉积态的封装材料层30具有第一杨氏模量，并且激光退火的封装材料衬垫30l具有大于第一杨氏模量的第二杨氏模量。在一些实施例中，激光退火的密封材料衬垫30l具有改进的化学键合，即，较少量的诸如氢、碳氢基团和氨基的键端接自由基，从而允许-si-o-、-si-n-、-c-n-和-b-n-键合链的更强的构架。
98.尽管已经参照本技术的优选实施例具体示出和描述了本技术，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本技术的范围的情况下，可以在形式和细节上进行前述和其它改变。因此，本技术不应限于所描述和示出的确切形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。