DE10165028B4 - Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat und einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat und einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante Download PDF

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Katsumi Kawasaki Suzuki
Ei Kawasaki Yano
Tamotsu Kawasaki Owada
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Abstract

Halbleitervorrichtung mit:
einem Halbleitersubstrat; und
einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante, der aus Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt ist, das 10 bis 300 Gewichtsteile Polycarbosilan auf 100 Gewichtsteile Siloxanharz enthält, miteinander vernetzt durch Wärmebehandlung bei 300°C oder mehr, wobei die relative Dielektrizitätskonstante des fertigen Films von 2,5 bis 3 beträgt.

Description

  • Diese Anmeldung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen 2000-92138 , eingereicht am 29. März 2000, und 2001-2113 , eingereicht am 10. Januar 2001, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme inkorporiert ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • a) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat und einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante.
  • b) Beschreibung der verwandten Technik
  • Es besteht der Wunsch nach einer höheren Integration und höheren Geschwindigkeit von integrierten Halbleiterschaltungen. Eine Signalübertragungsgeschwindigkeit in einer integrierten Halbleiterschaltung wird durch den Verdrahtungswiderstand und die parasitäre Kapazität zwischen Verdrahtungsleitungen begrenzt. Der Verdrahtungswiderstand und die parasitäre Kapazität nehmen zu, wenn die Verdrahtungsbreite und -teilung aufgrund der höheren Integration von integrierten Halbleiterschaltungen schmal werden. Obwohl die parasitäre Kapazität reduziert werden kann, indem Verdrahtungsleitungen dünner gebildet werden, nimmt der Verdrahtungswiderstand zu, und die reduzierte Kapazität trägt nicht zu einer Verbesserung der Signalübertragungsgeschwindigkeit bei. Um die Signalübertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist es effektiv, einen Isolierfilm zwischen Ebenen zu bilden, der eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat.
  • Herkömmlicherweise wird ein Isolierfilm zwischen Ebenen aus nichtorganischem Material wie etwa Siliciumdioxid (SiO2), Siliciumnitrid (SiN), Siliciumoxidfluorid (SiOF) und Phosphorsilicatglas (PSG) oder organischem Polymer wie etwa Polyimid gebildet. Eine relative Dielektrizitätskonstante eines Siliciumdioxidfilms, der durch chemische Dampfabscheidung [chemical vapor deposition (CVD)] gebildet wird, beträgt etwa 4. Eine relative Dielektrizitätskonstante eines SiOF-Films beträgt etwa 3,3 bis 3,5 und ist damit niedriger als jene von Siliciumdioxid. Da SiOF jedoch eine hohe Feuchtigkeitsabsorptionsrate hat, absorbiert ein SiOF-Film leicht Feuchtigkeit und steigert seine relative Dielektrizitätskonstante.
  • Bezüglich Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist die Aufmerksamkeit auf Siloxanharz mit Si-H-Verbindungen, poröses Siloxanharz oder dergleichen gerichtet worden.
  • Wenn Siloxanharz mit einer Alkalilösung gewaschen wird, wird aufgrund der Hydrolyse SiOH erzeugt, das eine hohe Feuchtigkeitsabsorptionsrate hat. Deshalb steigt bei Siloxanharz, das mit einer Alkalilösung gewaschen wird, die relative Dielektrizitätskonstante an. Demgegenüber hat ein organischer Polymerfilm eine niedrige Glasübergangstemperatur, wie etwa 200 bis 350°C, und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Schäden an Verdrahtungsschichten sind deshalb groß.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Halbleitervorrichtungen vorzusehen, die Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine hohe Zuverlässigkeit haben.
  • Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.
  • Für die vorliegende Erfindung wird ein Filmbildungsmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet, das Siloxanharz und Polycarbosilan enthält, die zusammen gelöst wurden.
  • Durch das Hinzufügen von Polycarbosilan zu Siloxanharz kann die Beständigkeit eines Siloxanharzfilms gegenüber Alkali verbessert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Polycarbosilanzugabemengen und relativen Dielektrizitätskonstanten von Filmen zeigt, die aus Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß ersten bis vierten Ausführungsformen gebildet sind.
  • 2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Polycarbosilanzugabemengen und Adhäsionsgraden von Filmen zeigt, die aus Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß den ersten bis vierten Ausführungsformen gebildet sind.
  • 3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Polycarbosilanzugabemengen und relativen Dielektrizitätskonstanten von Filmen zeigt, die aus Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß fünften bis achten Ausführungsformen gebildet sind.
  • 4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Polycarbosilanzugabemengen und Adhäsionsgraden von Filmen zeigt, die aus Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß den fünften bis achten Ausführungsformen gebildet sind.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die aus Materialien von irgendeiner der ersten bis achten Ausführungsformen gebildet sind.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Materialien eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, werden durch Lösen von Siloxanharz und Polycarbosilan in Lösungsmittel erhalten.
  • Siloxanharz kann jene Materialien verkörpern, die durch die folgende allgemeine chemische Formel ausgedrückt werden:
    Figure 00060001
  • R1 bis R3 verkörpern Wasserstoff, Sauerstoff oder eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe, wie etwa eine Methylgruppe, eine Ethylgruppe und eine Phenylgruppe, und X verkörpert Wasserstoff oder Si. Die Anzahl n1 von Monomereinheiten beträgt 5 bis 200. Falls R1 bis R3 Wasserstoff sind, verbindet sich die Gruppe, die X ähnlich ist, mit diesen Sauerstoffatomen. Falls X Si ist, erstreckt sich eine Hauptkette aus (-Si-O-) von diesem Si-Atom. Das Harz, das durch die allgemeine chemische Formel ausgedrückt wird, kann sein: Harz, das durch einen Sol-Gel-Prozeß unter Verwendung von Tetraalkoxysilan, Trialkoxysilan, Methyltrialkoxysilan oder dergleichen als Quellenmaterial gebildet wird; Harz, das durch einen Sol-Gel-Prozeß unter Verwendung eines Gemischs aus diesen Quellenmaterialien gebildet wird; Harz, das durch einen Sol-Gel-Prozeß unter Verwendung von Tetraalkoxysilan und Dimethylalkoxysilan als Quellenmaterial gebildet wird; und anderes Harz.
  • Siloxanharz können auch jene Materialien des Leitertyps sein, die zum Beispiel durch die folgende allgemeine chemische Formel ausgedrückt werden:
    Figure 00060002
  • Wenigstens eines von R4 bis R7 verkörpert Wasserstoff, und die anderen verkörpern Wasserstoff, Sauerstoff oder eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe, wie etwa eine Methylgruppe, eine Ethylgruppe und eine Phenylgruppe. Die Anzahl n2 von Monomereinheiten liegt zwischen 5 und 100. Das Harz, das durch die allgemeine chemische Formel ausgedrückt wird, kann Wasserstoffsilsesquioxan, Methylsilsesquioxan, fluorhaltiges Wasserstoffsilsesquioxan oder dergleichen sein.
  • Polycarbosilan können jene Materialien sein, die durch die folgende allgemeine chemische Formel ausgedrückt werden:
    Figure 00070001
  • R8 und R9 verkörpern Wasserstoff oder eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe, wie etwa eine Methylgruppe, eine Ethylgruppe und eine Phenylgruppe, und X verkörpert Wasserstoff oder Si. Die Anzahl m von Monomereinheiten liegt zwischen 20 und 1000.
  • Einem verwendbaren Lösungsmittel sind keine besonderen Grenzen gesetzt, falls es Siloxanharz und Polycarbosilan lösen kann. Ein verwendbares Lösungsmittel kann zum Beispiel Cyclohexanon, Methylisobutylketon, Methylethylketon, Methylcellosolve, Ethylcellosolve, Octan, Decan, Propylenglykol, Propylenglykolmonoethylether, Propylenglykolmonoethyletheracetat oder dergleichen sein.
  • Um einen porösen Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu bilden, kann eine organische Verbindung (Desorptionsagens), die durch wärme oder Licht desorbiert werden kann, zu einem Lösungsmittel hinzugefügt werden. Solch eine organische Verbindung kann eine Adamantanverbindung wie etwa Adamantanmonophenol oder dergleichen sein. Ein poröser Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante hat eine Dielektrizitätskonstante, die niedriger ist, als wenn er nicht porös ist. Falls zuviel von dem Desorptionsagens hinzugefügt wird, wird die mechanische Festigkeit des Films verringert. Deshalb ist es zu bevorzugen, die Zugabemenge des Desorptionsagens auf 70 Gewichts-% oder weniger bezüglich eines Gemischs aus Siloxanharz und Polycarbosilan festzulegen.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, daß Siloxanharz, zu dem Polycarbosilan hinzugefügt ist, eine Eigenschaft zum Abstoßen einer Alkalilösung verliehen wird. Ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante aus dem oben beschriebenen Material kann eine Alkalilösung ohne weiteres abstoßen. Selbst wenn ein Halbleitersubstrat mit einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante, der aus solchem Material gebildet ist, in einer Alkalilösung bearbeitet wird, kann deshalb eine Hydrolyse des Films durch die Alkalilösung unterdrückt werden und eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante verhindert werden.
  • Da Polycarbosilan mit Siloxanharz hochkompatibel ist, kann es in Siloxanharz gleichförmig dispergiert werden.
  • Polycarbosilan hat eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit. Durch Hinzufügen von Polycarbosilan zu porösem Siloxanharz, das geringerwertig ist, besonders hinsichtlich der Feuchtigkeitsbeständigkeit, kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit von Siloxanharz beträchtlich verbessert werden.
  • Falls ein durchschnittliches Molekulargewicht von Polycarbosilan zu klein ist, wird das meiste Polycarbosilan durch Wärme während der Filmbildung verdampft. Falls das durchschnittliche Molekulargewicht zu groß ist, verringert sich die Löslichkeit von Polycarbosilan bezüglich des Lösungsmittels, so daß es schwierig ist, eine Beschichtungs lösung herzustellen. Deshalb ist es vorzuziehen, ein durchschnittliches Molekulargewicht von Polycarbosilan auf einen Wert von 1000 oder höher und 500000 oder kleiner festzulegen.
  • Falls Siloxanharz eine Silanolgruppe enthält, die eine hohe Feuchtigkeitsabsorptionsrate hat, ist die Seitenkette von Polycarbosilan vorzugsweise Wasserstoff, da Silanolgruppen durch eine Reaktion zwischen einer Silanolgruppe und Wasserstoff reduziert werden.
  • Falls die Zugabemenge von Polycarbosilan zu klein ist, können keine ausreichende Alkalibeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit erhalten werden. Falls die Zugabemenge zu groß ist, verringert sich ein Adhäsionsgrad eines Films. Deshalb beträgt die Zugabemenge von Polycarbosilan 10 bis 300 Gewichtsteile in bezug auf 100 Gewichtsteile Siloxanharz.
  • Filmmaterial mit der niedrigen Dielektrizitätskonstante, das oben beschrieben ist, wird durch Schleuderbeschichtung auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrates aufgetragen, ein Lösungsmittel wird bei 120 bis 250°C verdampft, und es erfolgt eine Wärmebehandlung bei 300°C oder mehr zur Vernetzung. Auf diese Weise kann ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante, in dem Polycarbosilan mit Siloxanharz vernetzt ist, erhalten werden.
  • Als nächstes wird ein spezifisches Verfahren zur Herstellung von Filmmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 20,8 g (0,1 Mol) Tetraethoxysilan und 17,8 g (0,1 Mol) Methyltriethoxysilan werden in 39,6 g Methylisobutylketon gelöst. 16,2 g (0,9 Mol) Salpetersäurelösung mit einer Konzentration von 400 ppm werden in zehn Minuten eingetropft, und danach wird für zwei Stunden ein Alterungsprozeß ausge führt. Tetraethoxysilan und Methyltriethoxysilan werden deshalb copolymerisiert, um Siloxanharz zu erzeugen.
  • Als nächstes werden 5 g Magnesiumnitrat hinzugefügt, um einen übermäßigen Wasseranteil zu entfernen. Ethanol, das durch den Alterungsprozeß erzeugt wird, wird unter Verwendung eines Rotationsverdampfers entfernt, bis sich die Reaktionslösung auf 50 ml reduziert hat. 20 ml Methylisobutylketon werden zu der erhaltenen Reaktionslösung hinzugefügt, um eine Siloxanharzlösung zu erzeugen.
  • Polycarbosilan mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 20000 wird zu der Siloxanharzlösung in einer Menge von 10 bis 300 Gewichtsteilen bezüglich 100 Gewichtsteile des Siloxanharzes (Festkörperzusammensetzung) hinzugefügt. Durch diese Prozesse kann eine Harzlösung hergestellt werden, die zum Bilden eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu verwenden ist. Polycarbosilan hat die Hauptkette aus (-SiH(CH3)-CH2-).
  • Für Vergleichszwecke wurden eine Harzlösung ohne Polycarbosilan und eine Harzlösung mit Polycarbosilan mit Zugabemengen von 5 und 350 Gewichtsteilen hergestellt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen eines Filmmaterials mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • In der ersten Ausführungsform werden 20,8 g Tetraethoxysilan und 17,8 g Methyltriethoxysilan als Quellenmaterial von Siloxanharz verwendet. In der zweiten Ausführungsform werden 20,8 g (0,1 Mol) Tetraethoxysilan und 16,4 g (0,1 Mol) Triethoxysilan verwendet. Die Herstellungsprozesse sind der ersten Ausführungsform ähnlich. 37,2 g Isobutylketon werden verwendet.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen von Filmmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. 88 g (0,9 Mol) Schwefelsäure und 33 g rauchende Schwefelsäure (60% SO4) werden in eine Reaktionskammer geleitet, die ein Einlaßrohr für Stickstoffgas und eine quantitative Flüssigkeitspumpe hat. Rauchende Schwefelsäure wird eingeleitet, um das Innere der Reaktionskammer zu dehydratisieren. 87 g (0,95 Mol) Toluol werden von der quantitativen Pumpe mit 2 ml/min eingetropft, und danach wird für eine Stunde ein Alterungsprozeß ausgeführt. Durch diesen Alterungsprozeß wird Toluolsulfonhydrat erzeugt.
  • Eine Lösung aus 41 g (0,3 Mol) Trichlorsilan mit einer Konzentration von 20 Gewichts-%, das in Toluol gelöst ist, wird von der quantitativen Pumpe mit 2 ml/min eingetropft. Nach dem Eintropfen wird für zwei Stunden ein Alterungsprozeß ausgeführt. Durch diese Alterung wird Siloxanharz des Leitertyps synthetisiert. Nach diesen Prozessen werden 100 ml einer Fluorsäurelösung mit einer Konzentration von 50 Gewichts-% hinzugefügt, um dann niedergeschlagene Toluolsulfonsäure zu entfernen. Überschüssige Fluorsäurelösung wird unter Verwendung eines Trenntrichters entfernt.
  • Die verbleibende Fluorsäure wird mit 2 g Calciumcarbonat neutralisiert. Nach dem Dehydratisieren durch 5 g Magnesiumnitrat wird Toluol unter Verwendung eines Rotationsverdampfers entfernt. Durch diese Prozesse wird ein festes Material aus 15 g Wasserstoffsilsesquioxanharz erzeugt. Dieses Wasserstoffsilsesquioxan wird in 70 g Methylisobutylketon gelöst, um eine Lösung mit einer Feststoffkonzentration von 17,5 Gewichts-% zu erhalten.
  • Polycarbosilan mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 20000 wird zu der erhaltenen Lösung in einer Menge von 20–300 Gewichtsteilen in bezug auf 100 Gewichtsteile des festen Materials in der Lösung hinzugefügt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen von Filmmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß der vierten Ausführungsform beschrieben. Bei der dritten Ausführungsform werden 41 g Trichlorsilan als Quellenmaterial von Wasserstoffsilsesquioxan verwendet. Bei der vierten Ausführungsform werden 36 g (0,27 Mol) Trichlorsilan und 4,6 g (0,03 Mol) Fluortrichlorsilan verwendet. Die Produktionsprozesse sind der dritten Ausführungsform ähnlich.
  • Bei der vierten Ausführungsform wird eine Harzlösung aus 15 g fluorhaltigem Wasserstoffsilsesquioxan und Polycarbosilan hergestellt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Bilden eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante unter Verwendung von Filmmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Harzlösung) gemäß irgendeiner der ersten bis vierten Ausführungsformen beschrieben.
  • Eine Harzlösung von einer der ersten bis vierten Ausführungsformen wird durch Schleuderbeschichtung in 20 Sekunden auf die Oberfläche eines Siliciumwafers mit 3000 U/min aufgetragen. Nach der Schleuderbeschichtung wird das Lösungsmittel bei 200°C verdampft. In einer Stickstoffatmosphäre, die Sauerstoff in einer Konzentration von 100 ppm oder weniger enthält, wird 30 Minuten lang eine Wärmebehandlung bei 400°C ausgeführt. Bei dieser Wärmebehandlung werden Siloxanharz und Polycarbosilan vernetzt, und ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante wird gebildet.
  • 1 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen relativen Dielektrizitätskonstanten von Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante und Zugabemengen von Polycarbosilan zeigt. Die Abszisse verkörpert die Zugabemenge von Polycarbosilan in bezug auf 100 Gewichtsteile Siloxanharz in der Einheit von ”Gewichtsteilen”, und die Ordinate verkörpert die relative Dielektrizitätskonstante eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante. In 1 kennzeichnen ein weißer Kreis, ein weißes Quadrat, ein weißes Dreieck und ein weißes Rhomboid die relativen Dielektrizitätskonstanten von Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die jeweilig aus den Filmbildungsmaterialien der ersten bis vierten Ausführungsformen hergestellt sind. Für Bezugszwecke sind die relativen Dielektrizitätskonstanten von Vergleichsbeispielen ohne Polycarbosilan und mit Polycarbosilan mit einer Zugabemenge von 350 Gewichtsteilen unter Verwendung von Symbolen gezeigt, die mit jenen der entsprechenden Ausführungsformen identisch sind.
  • Jede der Ausführungsformen weist eine relative Dielektrizitätskonstante von 2,5–3 auf, die niedriger als jene eines Isolierfilms aus Siliciumdioxid ist. Besonders bei den ersten und zweiten Ausführungsformen wird die relative Dielektrizitätskonstante durch das Hinzufügen von Polycarbosilan niedrig.
  • 2 zeigt eine Beziehung zwischen dem Adhäsionsgrad eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante und der Zugabemenge von Polycarbosilan. Der Adhäsionsgrad wurde mit einem Sebastian-Messer gemessen, indem ein Bolzenstift mit einem Durchmesser von 2 mm mit Epoxidharz an der Filmoberfläche befestigt wurde. Die Abszisse von 2 verkörpert die Zugabemenge von Polycarbosilan in der Einheit von ”Gewichtsteilen”, und die Ordinate verkörpert eine Zugfestigkeit pro Einheitsbereich, wenn ein Ablösen auftritt, in der Einheit von ”N/cm2”. Die Bedeutung von jedem Symbol in 2 ist ähnlich wie in 1.
  • Die Adhäsionsgrade von Vergleichsbeispielen mit einem Polycarbosilanzusatz von 350 Gewichtsteilen sind niedriger als jene der Ausführungsformen mit einem Polycarbosilan zusatz von 300 Gewichtsteilen oder weniger. Deshalb ist es erforderlich, die Zugabemenge von Polycarbosilan in bezug auf 100 Gewichtsteile des Siloxanharzes auf 300 Gewichtsteile oder weniger festzulegen.
  • Als nächstes wird eine Alkalibeständigkeit eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante beschrieben. Der Oberflächenzustand eines Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante wurde untersucht, nachdem er eine Minute lang in Tetramethylammoniumhydridlösung mit einer Konzentration von 2,38% getaucht worden war. Risse, die in den Filmen gebildet wurden, wurden bei Vergleichsbeispielen ohne Polycarbosilan und bei Vergleichsbeispielen mit fünf Gewichtsteilen Polycarbosilan untersucht. In den Filmen der ersten bis vierten Ausführungsformen mit 10–300 Gewichtsteilen Polycarbosilan wurde kein Riß gefunden. Deshalb ist es vorzuziehen, die Zugabemenge von Polycarbosilan in bezug auf 100 Gewichtsteile Siloxanharz auf 10 Gewichtsteile festzulegen, um eine hohe Alkalibeständigkeit beizubehalten.
  • Als nächstes werden Verfahren zum Herstellen von Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante gemäß den fünften bis achten Ausführungsformen beschrieben. Die Filmmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante der fünften bis achten Ausführungsformen werden hergestellt, indem Adamantanmonophenol zu dem Siloxanharz der ersten bis vierten Ausführungsformen hinzugefügt wird, das mit Polycarbosilan versetzt ist. Die Zugabemenge von Polycarbosilan in bezug auf 100 Gewichtsteile Siloxan beträgt 150 Gewichtsteile. Die Zugabemenge von Adamantanmonophenol in bezug auf ein Gemisch aus Siloxanharz und Polycarbosilan beträgt 0–70 Gewichts-%. Für Vergleichszwecke wurde eine Harzlösung hergestellt, bei der die Zugabemenge von Adamantanmonophenol in Bezug auf das Gemisch aus Siloxanharz und Polycarbosilan 80 Gewichts-% betrug.
  • Eine Harzlösung der fünften bis achten Ausführungsformen und von Vergleichsbeispielen wurde durch Schleuderbeschichtung auf die Oberfläche eines Siliciumwafers aufgetragen, um Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu bilden. Adamantanphenol wird während einer Wärmebehandlung zur Vernetzung desorbiert, um dadurch einen porösen Film zu erhalten.
  • 3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen relativen Dielektrizitätskonstanten von porösen Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante und Zugabemengen von Adamantan zeigt. Die Abszisse verkörpert die Zugabemenge von Adamantan in der Einheit von ”Gewichts-%”, und die Ordinate verkörpert die relative Dielektrizitätskonstante. In 3 bezeichnen ein weißer Kreis, ein weißes Quadrat, ein weißes Dreieck und ein weißes Rhomboid die relativen Dielektrizitätskonstanten von Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die jeweilig aus den Filmbildungsmaterialien der fünften bis achten Ausführungsformen hergestellt wurden. Aus einem Vergleich zwischen 1 und 3 geht hervor, daß durch das Bilden eines porösen Films die relative Dielektrizitätskonstante des Films kleiner werden kann.
  • 4 zeigt eine Beziehung zwischen dem Adhäsionsgrad eines porösen Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante und der Zugabemenge von Adamantanmonophenol. Die Abszisse von 4 verkörpert die Zugabemenge von Adamantanmonophenol in der Einheit von Gewichts-% bezüglich des Gemischs aus Siloxanharz und Polycarbosilan, und die Ordinate verkörpert den Adhäsionsgrad in der Einheit von ”N/cm2”. Der Adhäsionsgrad wurde durch ein Verfahren gemessen, das dem ähnlich ist, das bei 2 beschrieben wurde.
  • Wenn die Zugabemenge von Adamantanmonophenol von 70 Gewichts-% auf 80 Gewichts-% erhöht wird, wird der Adhäsionsgrad des Films rapide verringert. Deshalb ist es vorzuziehen, die Zugabemenge von Adamantanmonophenol auf 70 Gewichts-% oder weniger festzulegen.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Untersuchen dessen beschrieben, ob Siloxanharz Polycarbosilan enthält. Polycarbosilan hat eine Hauptkette aus (-Si-CH2-Si-), während Siloxanharz eine Hauptkette aus (-Si-O-Si-) hat.
  • Die Verbindung (-Si-CH2-Si-) kann durch eine Spitze von Infrarotspektren bei 1080 bis 1040 cm–1 nachgewiesen werden. Obwohl diese Spitze teilweise eine Spitze überlappt, die der Verbindung (-Si-O-Si-) entspricht, sind diese Spitzen deutlich, so daß sie voneinander unterschieden werden können. Ob ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante, der auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist, Polycarbosilan enthält, kann durch mikroskopische Infrarotspektralanalyse beurteilt werden.
  • Als nächstes werden die Struktur einer Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform beschrieben, wobei für die Halbleitervorrichtung Filmbildungsmaterialien von irgendeiner der ersten bis achten Ausführungsformen verwendet werden.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, die Aluminium-(Al)-Verdrahtungsschichten hat. Ein Feldoxidfilm 2, der auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrates 1 gebildet ist, definiert eine aktive Zone. Ein MOSFET 3 ist in der aktiven Zone gebildet. Der MOSFET 3 hat eine Sourcezone 3S, eine Drainzone 3D, eine Gateelektrode 3G und einen Gateoxidfilm 3I.
  • Ein Isolierfilm zwischen Ebenen 10 aus SiO2 und ein Stopperfilm 11 aus SiN sind auf dem Substrat gebildet, wobei sie den MOSFET 3 bedecken. Ein Kontaktloch 12 ist durch den Isolierfilm zwischen Ebenen 10 in dem Bereich gebildet, der der Drainzone 3D entspricht. Die Seitenwand und die Bodenfläche des Kontaktlochs 12 sind mit einer Barrierenschicht 13 aus TiN bedeckt. Das Innere des Kontaktlochs 12 ist durch einen Stecker 14 aus Wolfram (W) vollkommen vergraben.
  • Die Barrierenschicht 13 und der Stecker 14 sind durch Abscheiden einer TiN-Schicht und einer W-Schicht über der gesamten Substratoberfläche und durch Ausführen eines chemisch-mechanischen Polierens gebildet. Die Abscheidung der TiN-Schicht erfolgt durch Sputtern. Die Abscheidung der W-Schicht erfolgt durch chemische Dampfabscheidung (CVD) unter Verwendung von Wolframhexafluorid und Wasserstoff.
  • Verdrahtungsleitungen einer ersten Schicht 20 sind auf der Oberfläche des Stopperfilms 11 gebildet. Die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 20 hat eine dreischichtige Struktur aus einem 50 nm dicken TiN-Film 21, einem 450 nm dicken Cu-haltigen Al-Film 22 und einem 50 nm dicken TiN-Film, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Das Mustern des TiN-Films und des Al-Films erfolgt durch Plasmaätzen unter Verwendung von Chlorwasserstoffgas. Eine Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 20 ist mit dem W-Stecker 14 elektrisch verbunden.
  • Die Oberflächen der Verdrahtungsleitungen der ersten Schicht 20 und des Stopperfilms 11 sind mit einem Abdeckfilm aus SiO2 bedeckt, der eine Dicke von 50 nm hat. Der Abdeckfilm 25 wird durch CVD unter Verwendung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) und Sauerstoff gebildet.
  • Ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 ist auf dem Abdeckfilm 25 gebildet. Der Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 wird gebildet, indem eine Siloxanharzlösung von einer der ersten bis achten Ausführungs formen aufgeschleudert wird. Der Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 wird unter der Bedingung gebildet, daß er eine Dicke von 500 nm auf der flachen Oberfläche des Siliciumsubstrates hat.
  • Auf dem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 ist eine Kappenschicht 27 aus SiO2 mit einer Dicke von 1000 nm gebildet. Die Kappenschicht 27 wird durch CVD unter Verwendung von TEOS und Sauerstoff gebildet. Die obere Oberfläche der Kappenschicht 27 wird durch CMP planarisiert. CMP wird ausgeführt, bis die Gesamtdicke des Abdeckfilms 25, des Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 und der Kappenschicht 27 auf dem Bereich, wo die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 20 nicht angeordnet ist, 1200 nm beträgt.
  • Ein Durchgangsloch 28 wird durch die drei Schichten gebildet, die den Abdeckfilm 25, den Film mit der niedrigen Dielektrizitätskonstante 26 und die Kappenschicht 27 enthalten. Dieses Durchgangsloch 28 wird durch Plasmaätzen unter Verwendung von CF4 und CHF3 gebildet. Die Seitenwand und Bodenfläche des Durchgangslochs 28 werden mit einer Barrierenschicht 29 bedeckt. Das Innere des Durchgangslochs 20 ist durch einen W-Stecker 30 vollständig vergraben. Die Barrierenschicht 29 und der W-Stecker 30 werden durch ein Verfahren gebildet, das dem ähnlich ist, das für die untere Barrierenschicht 13 und den Stecker 14 verwendet wird.
  • Auf der Kappenschicht 27 werden Verdrahtungsleitungen der zweiten Schicht 40 gebildet. Ein Abdeckfilm der zweiten Schicht 41, ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 42 und eine Kappenschicht 43 werden laminiert und bedecken die Verdrahtungsleitungen der zweiten Schicht 40. Dieser Abdeckfilm 41, der Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 42 und die Kappenschicht 43 werden durch ein Verfahren gebildet, welches dem ähnlich ist, das für die entspre chenden Filme und die Schicht der ersten Schicht verwendet wird.
  • In der mehrschichtigen Verdrahtungsstruktur, die in 5 gezeigt ist, wird der Raum zwischen benachbarten Verdrahtungsleitungen in derselben Schicht mit dem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante gefüllt. Da die Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante 26 und 42 aus dem Material sind, das in den obigen Ausführungsformen beschrieben wurde, wird eine Feuchtigkeitsabsorptionsrate nicht erhöht, auch wenn ein Prozeß unter Verwendung einer Alkalilösung ausgeführt wird, und eine niedrige Dielektrizitätskonstante wird beibehalten.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung mit Kupfer-(Cu)-Verdrahtungsleitungen gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur ab einem Siliciumsubstrat 1 bis zu einem Stopperfilm 11 ist dieselbe wie jene der entsprechenden Komponenten der Halbleitervorrichtung, die in 5 gezeigt ist. In 6 sind Bildungselemente mit Bezugszeichen versehen, die mit jenen von entsprechenden Elementen von 5 identisch sind.
  • Auf dem Stopperfilm 11 ist ein Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50 gebildet. Der Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50 wird unter Verwendung des Materials der oben beschriebenen Ausführungsform unter der Bedingung gebildet, daß er eine Dicke von 450 nm auf der flachen Oberfläche des Siliciumsubstrates hat. Auf diesem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50 ist eine Kappenschicht 51 aus SiO2 mit einer Dicke von 50 nm gebildet. Die Kappenschicht 51 wird durch CVD unter Verwendung von TEOS und Sauerstoff gebildet.
  • Ein Verdrahtungsgraben der ersten Schicht 52 ist durch den Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50 und die Kappenschicht 51 gebildet. Der Verdrahtungsgraben der ersten Schicht 52 wird durch Plasmaätzen unter Verwendung von CF4 und CHF3 gebildet. Die obere Oberfläche des Steckers 14 ist auf der Bodenfläche des Verdrahtungsgrabens der ersten Schicht 52 exponiert.
  • Die Seitenwand und Bodenfläche des Verdrahtungsgrabens der ersten Schicht 52 sind mit einer Barrierenschicht 53 aus TaN bedeckt, die eine Dicke von 50 nm hat. Das Innere des Verdrahtungsgrabens 52 ist durch die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 aus Cu vollkommen vergraben. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bilden der Barrierenschicht 53 und der Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 beschrieben.
  • Ein TaN-Film wird durch Sputtern auf der gesamten Oberfläche des Substrates gebildet, die die innere Oberfläche des Verdrahtungsgrabens der ersten Schicht 52 enthält. Ein Cu-Film mit einer Dicke von 50 nm wird durch Sputtern auf dem TaN-Film gebildet. Unter Verwendung dieses Cu-Films als Elektrode wird ein Cu-Film mit einer Dicke von 600 nm durch Elektroplattierung gebildet. Unnötige Cu- und TaN-Filme werden durch CMP entfernt, um die Barrierenschicht 53 und die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 in dem Verdrahtungsgraben der ersten Schicht 52 zu belassen.
  • Auf der Kappenschicht 51 ist eine Laminierungsstruktur gebildet, die einen 50 nm dicken SiN-Diffusionsverhinderungsfilm 60, einen Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 61, einen 50 nm dicken SiN-Stopperfilm 62, einen Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 63 und eine 50 nm dicke SiN-Kappenschicht 64 hat. Der Diffusionsverhinderungsfilm 60 und der Stopperfilm 62 werden durch Plasma-CVD unter Verwendung von Silan und Ammoniumgas gebildet. Die Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante 61 und 63 werden unter der Bedingung gebildet, daß sie Dicken von 650 nm bzw. 400 nm auf der flachen Oberfläche des Siliciumsubstrates haben.
  • Ein Durchgangsloch 68 wird durch den Diffusionsverhinderungsfilm 60 und den Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 61 gebildet. Ein Verdrahtungsgraben der zweiten Schicht 69 wird durch den Stopperfilm 62, den Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante 63 und die Kappenschicht 64 gebildet. Die inneren Oberflächen des Durchgangslochs 68 und des Verdrahtungsgrabens der zweiten Schicht 69 werden mit einer Barrierenschicht 70 aus TaN mit einer Dicke von 50 nm bedeckt. Die Verdrahtungsleitung der zweiten Schicht 72 aus Cu vergräbt das Innere des Durchgangslochs 68 und des Verdrahtungsgrabens der zweiten Schicht 69 vollkommen. Die Verdrahtungsleitung der zweiten Schicht 72 wird durch ein Dual-Damaszener-Verfahren gebildet.
  • Das Dual-Damaszener-Verfahren wird kurz beschrieben. Zuerst wird das Durchgangsloch 68 gebildet, das sich von der oberen Oberfläche der Kappenschicht 64 zu der oberen Oberfläche der Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 erstreckt. Als nächstes wird der Verdrahtungsgraben der zweiten Schicht 69 gebildet, der sich von der oberen Oberfläche der Kappenschicht 64 zu der oberen Oberfläche des Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante 61 erstreckt. Die Barrierenschicht 70 und die Verdrahtungsleitung der zweiten Schicht 72 werden durch ein Verfahren gebildet, das jenem ähnlich ist, das für die untere Barrierenschicht 53 und die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 verwendet wird.
  • Die Verdrahtungsleitung der ersten Schicht 54 und die Verdrahtungsleitung der zweiten Schicht 72 sind von den Filmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50, 61 und 63 umgeben, so daß die parasitäre Kapazität zwischen Verdrahtungsleitungen reduziert werden kann. Da diese Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante 50, 61 und 63 aus dem Material der oben beschriebenen Ausführungsform sind, nimmt die Feuchtigkeitsabsorptionsrate nicht zu und kann die Dielektrizitätskonstante niedrig gehalten werden, selbst wenn ein Prozeß unter Verwendung einer Alkalilösung ausgeführt wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist offensichtlich, daß durch die Fachwelt verschiedene Abwandlungen, Verbesserungen, Kombinationen und dergleichen vorgenommen werden können.

Claims (1)

  1. Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat; und einem Film mit niedriger Dielektrizitätskonstante, der aus Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt ist, das 10 bis 300 Gewichtsteile Polycarbosilan auf 100 Gewichtsteile Siloxanharz enthält, miteinander vernetzt durch Wärmebehandlung bei 300°C oder mehr, wobei die relative Dielektrizitätskonstante des fertigen Films von 2,5 bis 3 beträgt.
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