JP2006519496A - 水素化シリコンオキシカーバイド膜の生成方法。 - Google Patents

水素化シリコンオキシカーバイド膜の生成方法。 Download PDF

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Abstract

低誘電率を持つ水素化シリコンオキシカーバイド(H:SiOC)膜の生成方法。本方法は、プラズマ補助重合の使用を含み、少なくとも1つの歪んだシリコン結合を含有する環状シラン化合物を反応させ、該膜を生成させる。結果得られる膜は、半導体素子形成において有用である。

Description

本発明は、低誘電率を持つ水素化シリコンオキシカーバイド(H:SiOC)膜の生成方法に関する。本方法は、プラズマ補助重合の使用を含み、少なくとも1つの歪んだシリコン結合を含有する環状シラン化合物を反応させ、該膜を生成させる。結果得られる膜は、半導体素子形成において有用である。
化学蒸着(CVD)を使用して、シラン(SiH)、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)、および、トリメチルシランのようなメチル含有シラン、のようなシリコン含有材料から、半導体素子上において、SiO、SiNC:H、SiC:H、もしくはSiC:O:H薄膜を生成させることは、当業界において開示されている。化学蒸着プロセスは典型的に、ガス状シリコン含有材料およびシリコン非含有反応性ガスを、半導体基板の入った反応チャンバー中へ導入することを含む。熱もしくはプラズマのようなエネルギー源は、該シリコン含有材料と反応性ガスとの間の反応を誘導し、これにより結果的に、該半導体素子上での、SiO、SiNC:H、SiC:H、もしくはSiC:O:Hの薄膜の沈着を与える。プラズマにより促進される化学蒸着(PECVD)は典型的に、低温(<500℃)において実施され、このことにより、PECVDを、半導体素子上において絶縁膜および不動態膜を生成させるのに適した手段としている。
回路の相互接続に関連した電気抵抗容量(RC)の遅延を最小化しようという産業上の要請に伴い、新しい低誘電率絶縁体が、隣接する導体間の分離材料としての使用のために求められている。比誘電率kを有する多くの膜候補材料が存在するが、2.5<k<3.5の範囲であり、僅かなものしかこれより低い誘電率を持っていない。k<2.5を有する材料の中には、アモルファス(非晶質)炭素合金、フッ素化アモルファス炭素合金、および有孔形態の酸化ケイ素がある。
典型的なアモルファス炭素合金膜は、不適当な熱安定性を持っていることが示されており、200℃を超えた温度においてしばしば分解する。炭素合金と、回路の相互接続を形成させるのに使用される金属膜との間での良好な接着を得ることが難しいことも、示されている。この問題が、歪んだシリコン結合の環境を持っているシラン化合物を含む反応性ガスの使用により克服され得ることが、提案されている。このアプローチは、ある最小Si含量を有する炭素主体の膜を作り出すことになる。このSiの存在は、該膜表面上におけるSi−Oシロキサンもしくは酸化ケイ素の自然な形成を可能にし、これは、C:H、C:F:H、およびテフロン(登録商標)主体の膜において見出されるような全ての炭素表面に比較して、接着を改善させるものである。
Wangらへ与えられた米国特許第6,440,876号明細書は、2.5未満の誘電率kを持っている膜の形成における、環中にSi−O−Cを有する環状シロキサン前駆体化合物の使用を開示するものである。
アモルファスSiC膜の形成におけるシラシクロブタンの使用は、Tarhayらへ与えられた米国特許第5,011,706号明細書に記載されている。この特許は、プラズマ促進化学蒸着により、物品の表面上において、アモルファスシリコンカーバイドの連続コーティングを形成させる方法を開示するものである。その化学物質の蒸気は、シリコン含有シクロブタンを含む。
本発明の目的は、少なくとも1つの歪んだシリコン結合を含有する環状シラン化合物のプラズマ補助重合により、水素化シリコンオキシカーバイドの低誘電率膜を生成させる方法を提供することである。
本発明は、基板、好ましくは半導体素子上において、低誘電率を持つ水素化シリコンオキシカーバイド(H:SiOC)の薄膜を生成させる方法に関する。本方法は、少なくとも1つの歪んだシリコン結合を含有する環状シラン化合物(「環状シラン化合物」)と酸素供給ガスとを含む反応性ガス混合物のプラズマ補助重合を含む。これらの膜は低誘電率を持ち、特に層間絶縁体として適している。
本発明は、基板上において、水素化シリコンオキシカーバイド膜を生成させる方法に関する。典型的な基板は、半導体基板、液晶素子、発光ダイオード表示素子、および有機発光表示素子を包含するが、これらに限定されない。該膜を生成させる本方法は、少なくとも1つの歪んだシリコン結合を持つ環状シラン化合物(「環状シラン化合物」)と酸素供給ガスとを含む反応性ガス混合物のプラズマ補助重合を含む。
「半導体基板」により、焦点平面配列体、光電子素子、光電圧電池、光学素子、トランジスター様素子、3D素子、「絶縁体上のシリコン」素子、超格子素子、および同様のものを包含する、半導体部品製造における使用を意図されたシリコン主体の素子および砒化ガリウム主体の素子を包含するが、これらに限定されないことが意図される。これら半導体基板は、1以上の層の配線を含有してもよい。該半導体基板は、如何なる配線層の形成にも先立つ基板であってもよい。
環状シラン化合物は、1以上のシリコン原子が少なくとも1つの環構造内に含有され、該環構造中に酸素原子を包含しない化合物である。このような化合物は、少なくとも1つの環を持っていなくてはならず、各環は、最低3つの置換基原子を持っていなくてはならず、ここで、これら置換基原子の内の少なくとも1つがSiであり、各環が酸素原子を含有してはならない。環状シラン化合物の例は、シリコン含有シクロブタン、シリコン含有シクロペンタン、シリコン含有シクロヘキサン、シラ−5−スピロ[4,4]ノナ−2,7−ジエン、2環性化合物、および関連材料を包含する。
1シリコン原子を有するシリコン含有シクロブタンは、式:
Figure 2006519496
により表される化合物を包含し、式中、各Rは独立に、水素、フッ素、および、1以上の炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択され、各R’は独立に、水素、および、1以上の炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択される。典型的には、如何なる炭化水素基も、1〜4炭素原子を持つであろう。例えば、有用なシリコン含有シクロブタンは、親化合物たるシラシクロブタン(HSiC)、ならびに、1,1−ジフルオロシラシクロブタン、1−メチルシラシクロブタン、1,1−ジメチルシラシクロブタン、1,1−エチルメチルシラシクロブタン、1−ブチルシラシクロブタン、2,4−ジメチルシラシクロブタン、3,3−ジエチルシラシクロブタン、および3,3−エチルプロピルシラシクロブタンのような誘導体を包含する。
2シリコン原子を有するシリコン含有シクロブタンは、式:
Figure 2006519496
により表される化合物を包含し、式中、各RおよびR’は、前記同様の意味を持つ。例えば、有用なシリコン含有シクロブタンは、親化合物たる1,3−ジシラシクロブタン、ならびに、1,1,3,3−テトラフルオロ−1,3−ジシラシクロブタン、1−メチル−1,3−ジシラシクロブタン、1,3−ジメチル−1,3−ジシラシクロブタン、1,1−エチルメチル−1,3−ジシラシクロブタン、1−ブチル−1,3−ジシラシクロブタン、2,4−ジメチル−1,3−ジシラシクロブタン、2,2−ジエチル−1,3−ジシラシクロブタン、および2,4−エチルプロピル−1,3−ジシラシクロブタンのような誘導体を包含する。
上記のシラシクロブタンおよび1,3−ジシラシクロブタンならびにこれらの誘導体は既知材料であり、これらの生成方法は当業界において既知である。例えば、リチウムアルミニウムヒドリド還元による1,1−ジクロロシラシクロブタンからのシラシクロブタンの調製が、J.Laane,J.Am.Chem.Soc.89,1144(1967)に記載される。
他の環状シラン化合物は:
Figure 2006519496
を包含する。
本H:SiOC膜を生成させるのに使用される前記反応性ガス混合物はまた、制御された量の酸素供給ガスも含む。該酸素は、使用される酸素供給ガスのタイプにより、または、使用される酸素供給ガスの量により、制御されてよい。もし多過ぎる酸素が沈着チャンバー中に存在すると、化学量論量的にSiOに近い酸化シリコン膜が生成され、その誘電率は望まれるよりも高くなる。もし少な過ぎる酸素が沈着チャンバー中に存在すると、化学量論量的にSiC:Hに近いシリコンカーバイド膜が生成されるようになる。
酸素供給ガスは、酸素、空気(大気)、亜酸化窒素、酸化窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、過酸化物、および二酸化硫黄(SO)を包含するがこれらに限定されず、典型的には、亜酸化窒素である。酸素供給ガスの量は典型的に、容積にて、環状シラン化合物1部につき酸素供給ガス0.1〜10部、あるいは、容積にて、環状シラン化合物1部につき酸素供給ガス0.2〜7部である。当業者は、酸素供給ガスのタイプおよび沈着条件に基づいて、酸素供給ガスの量を容易に決定できるであろう。
他の材料が、該反応性ガス混合物中に存在していてもよい。例えば、該膜に更なる望ましい性質を与える、ヘリウムもしくはアルゴンのような担体ガス、ホスフィンもしくはジボランのようなドーパント、フッ素のようなハロゲン、SiF、CF、C、およびCのようなハロゲン含有ガス、あるいは如何なる他の材料も、存在してよい。
該反応性ガス混合物は、基板、好ましくは半導体基板を含有する沈着チャンバー中へと導入され、ここで、該環状シラン化合物の重合が誘導され、結果的に、該基板上において膜の沈着が起き、ここで該膜は、水素、シリコン、炭素、および酸素を含み、低誘電率(2.0〜3.2)を持つ。産業界において使用され、広範に使用され得るその低温のために、プラズマ促進化学蒸着(PECVD)が好ましい。
PECVDにおいて、該ガス混合物は、それをプラズマ場に通すことにより、反応させられる。このようなプロセスにおいて使用されるプラズマは、放電、ラジオ周波数の範囲もしくはマイクロ波の範囲の電磁場、レーザー、または粒子ビームのような、種々のエネルギー源由来のエネルギーを含む。一般的に、該プラズマ沈着プロセスにおいては、中庸な電力密度(0.1〜5ワット/cm)での、ラジオ周波数(10kHz〜10MHz)もしくはマイクロ波(1.0〜10GHz)のエネルギーの使用が好ましい。しかしながら、特定の周波数、電力、および圧力が一般的に、(使用される)設備に応じて整えられる。好ましくは、本膜は、20〜1000ワット(W)の電力;1〜10,000mTorrの圧力;および25〜500℃の温度でのPECVDを使用して生成される。高密度プラズマとしてしばしば言及される、被圧されているが低圧(1〜5mTorr)のマイクロ波周波数のプラズマが、CVD成長の間に変化する表面のトポロジー(凹凸)を平面化させるのを助長するプロセスにおいて、RF周波数による励起と組み合わされ得る。このプロセスは、層間絶縁体の形成において有用なものである。
本願において生成される水素化シリコンオキシカーバイド膜は、一般式Siにより表されることがあり、ここで、C:Si比は約1:1〜約10:1の範囲中であり得、O:Si比は約0.1:1〜約1.5:1の範囲中であり得、残部が水素である。該C:Si比は典型的に、本環状シラン化合物の該C:Si比により、決定される。
本願において生成される膜は、種々の厚さであってよい。0.01〜10μmの厚さを持つ膜が、本発明の方法により生成されてよい。あるいは、該膜は、0.5〜3.0μmの厚さを持つ。
本発明の方法の利点は、前記CVDプロセスの間の適切な時点において前記酸素供給ガスを増加もしくは削減させることにより、SiO、H:SiOC、および/またはSiC:Hの多層構造、例えばSiO/H:SiOC/SiOもしくはSiC:H/H:SiOC/SiC:Hを生成させる連続した成長プロセスを、リンクさせる能力である。好ましいのは、該反応性ガス流を止めること、酸素供給ガス量を調整すること、およびその後、該反応性ガス流を再開してその次の層を生成させることにより、差異ある層を生成させることである。
本願において生成される膜は、その低誘電率のために、ゲート絶縁体、プレメタルもしくはインターメタル絶縁体、不動態コーティングを包含するがこれらに限定されない半導体集積回路製造における層間絶縁体として、特に適している。本願において生成される膜は、2.0〜3.2あるいは2.2〜2.8の誘電率kを持つ。
当業者がより容易に本発明を理解するよう、以下の非限定的な実施例が与えられる。
例1
ジメチルシラシクロブタン(DMSCB)と亜酸化窒素(NO)とを含む反応性ガス混合物(ガス流量については、表1参照)が、沈着温度350℃において、容量的にカップリングされた平行板PECVDシステム中へと導入された。該PECVDシステムがその下に操作された電力および圧力条件が、表1に与えられる。1−1番、1−14番、および1−15番においては、ヘリウムが担体ガスとして使用された。基板としてのSi(100)ウェーハ上において、膜が形成された。その屈折率(RI)が、沈着したままの膜に関して測定された。その誘電率(k)が、これらの膜がN雰囲気下および400℃において1時間アニールされ、次いでメタル沈着された後に、測定された。これらのプロセス条件および結果が、表1中にある。
Figure 2006519496
例2(比較例)
亜酸化窒素(NO)が該反応性ガス混合物において使用されなかったこと以外、a−SiC:H膜が、例1に記載のDMSCBを使用して生成された。
Figure 2006519496
例3
例1の1−15番および例2の2−4番において生成された膜が、Rutherford Back Scattering−Hydrogen Forward Scattering(Ion Scattering Spectrometry)を使用して、組成について分析された。この分析結果が、表3に与えられる。これらの結果により判る通りである。
リーク電流密度も、両膜に関して測定された。該a−SiCO:H膜については、そのリーク電流密度は1MV/cmでは10−10Å/cm未満であった。該a−SiC:H膜については、そのリーク電流密度は1MV/cmでは10−10Å/cm未満であった。
これらの結果により判る通り、増加したC:Si比を有し、低リーク電流密度を持っている膜を生成させることが可能である。
更なる比較用に、a−SiCO:H膜およびa−SiC:H膜が、トリメチルシラン(TMS)を使用して生成された。
例4
ジメチルシラシクロペンタン(DMSCP)、亜酸化窒素(NO)、およびアルゴン(Ar)を含む反応性ガス混合物(ガス流量については、表4参照)が、沈着温度370℃において、容量的にカップリングされた平行板PECVDシステム中へと導入された。該PECVDシステムがその下に操作された電力および圧力条件が、表4に与えられる。
a−SiCO:H膜が、基板としてのSi(100)ウェーハ上において形成された。その屈折率(RI)が、沈着したままの膜に関して測定された。その誘電率(k)が、これらの膜がN雰囲気下および400℃において1時間アニールされ、次いでメタル沈着された後に、測定された。これらのプロセス条件および結果が、表4中にある。
Figure 2006519496
例5
ジメチルシラシクロペンタン(DMSCP)およびヘリウム(He)を含む反応性ガス混合物(ガス流量については、表5参照)が、沈着温度370℃において、容量的にカップリングされた平行板PECVDシステム中へと導入された。該PECVDシステムがその下に操作された電力および圧力条件が、表5に与えられる。
a−SiC:H膜が、基板としてのSi(100)ウェーハ上において形成された。その屈折率(RI)が、沈着したままの膜に関して測定された。その誘電率(k)が、これらの膜がN雰囲気下および400℃において1時間アニールされ、次いでメタル沈着された後に、測定された。これらのプロセス条件および結果が、表5中にある。
Figure 2006519496
Figure 2006519496

Claims (25)

  1. (i)少なくとも1つの歪んだシリコン結合を含有する環状シラン化合物と、(ii)酸素供給ガスとを含む反応性ガス混合物を、基板を含有する沈着チャンバー中へと導入し、該環状シラン化合物と該酸素供給ガスとの間の反応を25℃〜500℃の温度において誘導することを含み、ここで、該反応の間には制御された量の酸素が存在し、該基板上において、水素、シリコン、炭素、および酸素を含み、2.0〜3.2の範囲の誘電率を持つ膜を与える、水素化シリコンオキシカーバイド膜を生成させるための化学蒸着方法。
  2. 前記環状シラン化合物が、シリコン含有シクロブタン、シリコン含有シクロペンタン、シリコン含有シクロヘキサン、シラ−5−スピロ[4,4]ノナ−2,7−ジエン、および2環性化合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記環状シラン化合物が:
    Figure 2006519496
    から選択され、式中、各Rは独立に、水素、フッ素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択され、各R’は独立に、水素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  4. 前記環状シラン化合物が、シリコン含有シクロブタンである、請求項2に記載の方法。
  5. 前記シリコン含有シクロブタンが、式:
    Figure 2006519496
    を持ち、式中、各Rは独立に、水素、フッ素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択され、各R’は独立に、水素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
  6. 前記シリコン含有シクロブタンが、式:
    Figure 2006519496
    を持ち、式中、各Rは独立に、水素、フッ素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択され、各R’は独立に、水素、および、少なくとも1つの炭素原子を持っている炭化水素基からなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
  7. 前記酸素供給ガスが、酸素、空気、過酸化物、二酸化硫黄、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、および酸化窒素からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  8. 前記酸素供給ガスが、亜酸化窒素である、請求項1に記載の方法。
  9. 前記環状シラン化合物がジメチルシラシクロブタンであり、前記酸素供給ガスが亜酸化窒素である、請求項1に記載の方法。
  10. 前記酸素供給ガスの量が容積にて、前記環状シラン化合物1部につき該酸素供給ガス0.1〜10部の範囲である、請求項1に記載の方法。
  11. 前記酸素供給ガスの量が容積にて、前記環状シラン化合物1部につき該酸素供給ガス0.2〜7部である、請求項1に記載の方法。
  12. 前記反応が、前記反応性ガス混合物をプラズマに晒すことにより誘導される、請求項1に記載の方法。
  13. 前記反応が、20〜1,000Wの電力、1〜10,000mTorrの圧力、および25〜500℃の温度において、前記反応性ガス混合物をプラズマに晒すことにより誘導される、請求項12に記載の方法。
  14. 前記膜が、2.2〜2.8の範囲の誘電率を持つ、請求項1に記載の方法。
  15. 前記膜が、2.5〜2.8の範囲の誘電率を持つ、請求項1に記載の方法。
  16. 前記反応性ガス混合物が更に担体ガスを含む、請求項1に記載の方法。
  17. 前記水素化シリコンオキシカーバイド膜が、0.01〜10μmの厚さを持つ、請求項1に記載の方法。
  18. 前記水素化シリコンオキシカーバイド膜が、0.5〜3.0μmの厚さを持つ、請求項1に記載の方法。
  19. 前記基板が半導体基板である、請求項1に記載の方法。
  20. 前記基板が、液晶素子、発光ダイオード表示素子、および有機発光ダイオード表示素子から選択される、請求項1に記載の方法。
  21. 前記酸素供給ガスの量が、前記環状シラン化合物と該酸素供給ガスとの間の反応の間に、増加もしくは削減され、SiO、H:SiOC、およびSiC:Hからなる群から選択される連続層を含有する膜を生成させる、請求項1に記載の方法。
  22. 前記反応が、前記反応性ガス混合物を、RF周波数による励起と組み合わされた、被圧されているが低圧のマイクロ波周波数のプラズマに晒すことにより誘導される、請求項1に記載の方法。
  23. 請求項1に記載の方法により生成された膜をその上に持つ、半導体素子。
  24. 前記シリコン含有シクロブタンが、ジメチルシラシクロブタンである、請求項4に記載の方法。
  25. 前記シリコン含有シクロブタンが、ジメチルシラシクロペンタンである、請求項4に記載の方法。
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