JP2007513514A - 銅配線用超低誘電絶縁膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅配線用層間絶縁膜として有用な超低誘電薄膜を提供する。
【解決手段】本発明は、銅配線用超低誘電絶縁膜であって、更に詳しくは、マトリクス成分としてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体と、気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子が溶解されている有機溶液でコーティングした後、ゾル−ゲル反応及び、高温で熱処理を行って形成された多孔性薄膜で、前記テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンを選択使用し、最高60vol%までの量を含めることができ、形成された薄膜はマトリクス内に5nm以下の非常に小さい気孔が均一に分布されており、誘電率が1.5程度で低く、気孔間の相互接続性(interconnectivity)が非常に優れた特性を有する銅配線用超低誘電絶縁膜である。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、銅配線用超低誘電絶縁膜であって、更に詳しくは、マトリクス成分としてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体と、気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子が溶解されている有機溶液でコーティングした後、ゾル−ゲル反応及び、高温で熱処理を行って形成された多孔性薄膜で、前記テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンを選択使用し、最高60vol%までの量を含めることができ、形成された薄膜はマトリクス内に5nm以下の非常に小さい気孔が均一に分布されており、誘電率が1.5程度で低く、気孔間の相互接続性(interconnectivity)が非常に優れた特性を有する銅配線用超低誘電絶縁膜である。
【選択図】図1
Description
本発明は、銅配線用超低誘電絶縁膜に関し、更に詳しくは、マトリクス成分としてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体と、気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子が溶解されている有機溶液でコーティングした後、ゾル−ゲル反応及び、高温で熱処理を行って形成された多孔性薄膜で、前記テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンを選択使用し、最高60vol%までの量を含めることができ、形成された薄膜はマトリクス内に5nm以下の非常に小さい気孔が均一に分布されており、誘電率が1.5程度で低く、気孔間の相互接続性(interconnectivity)が非常に優れた特性を有する銅配線用超低誘電絶縁膜に関する。
最近、半導体分野での高集積化及び高速化の要求により、最小線幅が急速に減っている。 現在集積度が高く、性能の優れた半導体素子として知られているアルミニウム配線物質及び層間絶縁膜としてシリコン酸化膜(SiO2、k=4.0)またはフッ素置換されたシリコン酸化膜(k=3.5)を使用した低誘電薄膜の場合、RCディレイ[配線物質の抵抗(resistance、R)と層間絶縁膜の静電容量(capacitance、C)の乗]による信号遅延と、漏話(crosstalk)による雑音及び電力消耗がとても深刻な水準まで達している。
そこで、金属配線の抵抗を減らすために既存のアルミニウム配線の代りに銅配線が使用され、絶縁材料としては誘電率がより低い超低誘電材料の開発が急がれている。
米国SEMATECHのような研究機関で長期間、物性測定及び素子適用テストを行った結果、今後銅チップ製造に使用される可能性のある低誘電物質としてApplied Materials社のBlack Diamond(登録商標)が誘電率が約2.7の乾式薄膜成形(CVD)に有用であると判定し、この物質を使用して多くの素子を製作した。また、誘電率が約2.7の湿式薄膜成形(spin−on)にはDow Chemical社のSiLK有機高分子が最も有力なものとして知られている。しかし、誘電率が2.2以下の次世代低誘電物質は、未だにどの物質が銅チップ製造に使用することができるか結論付けることができていない。
これと関連して、低誘電物質の誘電率を低くする方法の一つとして、熱的に不安定な有機物質を層間絶縁物質である無機マトリクスと混合した後、ゾル−ゲル反応によりマトリクスの硬化を誘導し、有機−無機ナノハイブレッドを製造した後、高温での熱処理を通して誘電率が1.0の空気を低誘電薄膜内に導入しようという試みが活発に行われている[非特許文献1]。この時、気孔のサイズが小さくその分布図が均一な超低誘電物質を製造するためには何よりも無機マトリクスと有機ポロゲン(porogen)物質との相互作用が優れていなければならないと言われている。そこで今日、低誘電無機マトリクスの常用性が優れた気孔形成樹脂の開発に世界中が関心を寄せている。既存のポロゲンとして超分岐ポリエステル[非特許文献2]、エチレン−プロピレン−エチレントリブロック共重合体(tetronics(登録商標))[非特許文献3]とポリメチル・メタクリレート−N,N−メタクリル酸ジメチルアミノエチル共重合体[非特許文献4]があり、前記ポロゲンを利用して2.0以下の誘電率を有するナノ多孔性超低誘電物質を成功的に製造したと報告されている。
しかし、前記ポロゲンを利用した超低誘電物質の製造において、ポロゲンの含量が少ない場合、無機マトリクスの常用性が優れ、気孔のサイズが小さく、その分布図が均一な反面、前記ポロゲンの含量が増加するほど常用性は減少し、ポロゲンドメイン同士の凝集現象が起き、気孔のサイズ及び分布図が増加する。しかし、ポロゲンが一定含量以上含有された時、低誘電薄膜内に開いた気孔構造が形成されるため、薄膜の機械的強度及び工程信頼性の側面においてポロゲンの含量制限は深刻な問題を引き起こす。
最近は、機械的及び誘電特性が優れて気孔のサイズが小さく、また閉じた気孔構造を有する超低誘電薄膜を製造するため、有機ナノ粒子をテンプレートとして使用しようという試みが世界中で活発に行われている。これと関連し、最近IBMでは分子量の調節が可能なATRP(atom transfer radical polymerization)方法を利用して架橋結合が可能な官能基を有する有機物質前駆体、例えば、ポリε−カプロラクトン−co−アクリロイルオキシカプロラクトンを製造した後、非常に低い濃度(M≒10-5)の溶液にラジカル開始剤を添加して温度を増加させると、分子内での架橋反応が進み、ナノサイズを有する有機粒子を製造する方法を発表した[非特許文献5]。また、前記ナノ粒子をポリメチルシルセスキオキサンマトリクスと混合した後、ゾル−ゲル反応及び高温での熱処理を通してマトリクス内に生成された気孔のサイズが混合前のバルク状態の物とほとんど類似すると報告した。この結果は、既存のポロゲン物質を利用して製造した低誘電薄膜とは異なり、常用性が優れたナノ粒子をテンプレートとして使用した場合、ゾル−ゲル反応過程でのナノ粒子同士の凝集現象は起きず、また生成された気孔が互いに閉状態で存在するということを意味する。しかし、前記物質は有機前駆体の分子量を通して粒子サイズを調節しなければならなく、希薄溶液状態で架橋反応を行うため、収得率がかなり低いという短所がある。
したがって、このような問題点を補完するために、最近はナノサイズを有する有機粒子自体をテンプレートとして使用する研究が進められており、その代表的な物質の一つとしては3次元円筒状構造を有するシクロデキストリンが挙げられる。前記物質は、粒子自体のサイズが1.4〜1.7nmで非常に小さく、多様な官能基をシクロデキストリン末端部に導入することができるため、マトリクスとの常用性調節の側面から見てかなり有利であると言える。実際にサムスン総合技術院(Samsung Advanced Institute of Technology)ではヘプタキス[(2,3,6−トリ−O−メチル)−β−シクロデキストリン]を環状シルセスキオキサン(CSSQ)と混合して製造した低誘電薄膜は、気孔のサイズが、シクロデキストリンの含量が約40%まではバルク状態の物とほとんど類似し、また閉じた気孔構造を有すると報告した[非特許文献6、特許文献1]。しかしこのような優れた気孔特性にもかかわらず、ナノ気孔を含有したCSSQマトリクスは理論的な数値よりかなり高い誘電率を示した。したがって、優れた機械的特性、閉じた気孔構造及び低い誘電率を同時に満足させる超低誘電物質を製造するために優れた誘電特性を示す有機ナノ粒子の開発が急がれている。
一方、スピン−オンタイプのケイ酸低誘電マトリクスのひとつであるポリメチルシルセスキオキサンは(CH3−SiO1.5)nの構造式を有し、誘電率が低く(k=2.7)、水分及び熱安定性などが優れ、層間絶縁膜の材料として優れた特性を有する。しかし、化学機械平坦化(chemical mechanical planarization、CMP)工程のような活発な半導体工程に露出された場合、低い機械的強度により薄膜が容易に破れてしまう傾向がある。また、誘電率を更に低くする目的でポリメチルシルセスキオキサンマトリクス内に多くの量の気孔を導入する場合には、更に多くの問題点が発生する。そこで、本発明者は、ポリメチルシルセスキオキサンの重合モノマーであるアルキルトリアルコキシシランにα,ω−ビストリアルコキシシリル化合物を共重合単量体として添加し、機械的物性とポロゲンとの常用性が優れたポリアルキルシルセスキオキサン共重合体を製造した[特許文献2]。
大韓民国特許公開第2002−75720号公報
大韓民国特許公開第2002−38540号公報
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そこで、本発明の発明者は、従来の超低誘電絶縁膜が有する問題点を克服するために研究を行った結果、ポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体をマトリクスとして使用しながらアセチルシクロデキストリンナノ粒子を気孔形成用テンプレートとして使用すると、2成分間の優れた常用性により60vol%程度のテンプレートが含有され、そして製造された薄膜は空隙率及び誘電特性が非常に優れている。気孔サイズが小さく、閉じた気孔を示す誘電体膜は銅配線用層間絶縁膜として有用であることを見つけ、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明は、銅配線用層間絶縁膜として有用な超低誘電薄膜を提供することにその目的がある。
本発明は、有機または無機マトリクス及びシクロデキストリン系気孔形成用テンプレートを使用して製造された超低誘電絶縁膜において、マトリクスとしてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体40〜70vol%と、テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子30〜60vol%が有機溶媒に溶解されている有機−無機混合溶液をコーティングして超低誘電薄膜を製造した後、ゾル−ゲル反応及び熱処理をして製造された銅配線用超低誘電絶縁膜をその特徴とする。
以下、本発明を更に詳しく説明する。
本発明は、銅配線用超低誘電絶縁膜の製造において、マトリクスとしてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体を使用し、気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子を使用して製造された薄膜で、最大空隙率が60%で、最小誘電率が1.5である超低誘電絶縁膜に関する。即ち、本発明は、ポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体をマトリクスとする超低誘導体膜の製造において、気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子を使用するのに技術構成上の特徴があり、これにより従来のテンプレートの含有量を、最高40vol%未満から60vol%まで増加させることができ、最大空隙率を大きく向上させたことはもちろん、誘電特性もすぐれた超低誘電絶縁膜を製造することができた。
以下、本発明による超低誘電絶縁膜についてより詳しく説明する。
本発明ではマトリクス成分として、ポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体を使用し、前記マトリクス成分は気孔形成用テンプレートとして使用されるアセチルシクロデキストリンとの常用性が卓越している。
マトリクスとして使用されるポリアルキルシルセスキオキサン共重合体は、アルキルトリアルコキシシランとα,ω−ビストリアルコキシシリルアルカンの共重合体、例えば、メチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタン共重合体、またはメチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリエトキシシリルエタン共重合体が含まれる。特にマトリクス成分として、本発明者が初めて製造し特許出願したポリアルキルシルセスキオキサン共重合体[大韓民国特許公開第2002−38540号]を使用した時、空隙率及び誘電率がより向上した。
本発明者により製造されたポリアルキルシルセスキオキサン共重合体は、酸触媒下で、下記化学式1に表されるアルキルトリアルコキシシラン単量体と下記化学式2に表されたα,ω−ビストリアルコキシシリル単量体を有機溶媒/水の混合溶媒で共重合させて製造したもので、物理的特性が優れ、テンプレート、特にアセチルシクロデキストリンとの常用性が優れている。
前記化学式1または2において、前記Rは互いに同じか違うもので、炭素水1〜6のアルキル基を表し;X及びYは互いに同じか違うもので、炭素水1〜6のアルキレン基を表す。
また、本発明では気孔形成用テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子を使用する。本発明の先行技術として、大韓民国特許公開第2002−38540号ではシクロデキストリン誘導体が公知されてはいるが、本発明ではアセチルシクロデキストリンをテンプレートとして具体的に使用した例はなく、ただヘプタキス(2,3,6−トリ−O−メチル)−β−シクロデキストリン(HTM−β−CD)を使用した実施例のみ記載されており、HTM−β−CDの含有量は40重量%にすぎない。これに対し、本発明ではテンプレートとしてアセチルシクロデキストリンを選択使用し、最高60vol%まで含有させることが可能になった。
本発明が気孔形成用テンプレートとして使用するアセチルシクロデキストリンは下記化学式に表される。
前記化学式3において、nは6〜8の定数で;R1、R2及びR3は各々水素原子またはアセチル基で;R1、R2及びR3のうち少なくとも一つはアセチル基である。
前記化学式3に表されるアセチルシクロデキストリンを具体的に例示すると、トリアセチル−α−シクロデキストリン、トリアセチル−β−シクロデキストリン、トリアセチル−γ−シクロデキストリン、ジアセチル−α−シクロデキストリン、ジアセチル−β−シクロデキストリン、ジアセチル−γ−シクロデキストリン、モノアセチル−α−シクロデキストリン、モノアセチル−β−シクロデキストリン、モノアセチル−γ−シクロデキストリンが含まれている。
以下、本発明による超低誘電薄膜の製造方法について具体的に説明する。
まず、マトリクス成分としてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体と、テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンを各々有機溶媒に溶解させた後、互いに混合させて有機−無機混合溶液を製造する。この時、有機溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアクリルアミド(DMA)、ジメチルスルホキシド(DMSO)が含まれる。
その次、ポリテトラフルオロエチレンシリンジフィルター(0.2μm)に通過させ、製造した有機−無機混合溶液を基板上に数滴落とした後、2000〜4000rpmで20〜70秒間スピンコーティングをし、薄膜を製造する。この時、基板としては一般的に使用されてきた通常のものを使用し、好ましくはシリコンウエハーを使用する。そして、このように製造された薄膜は、温度を200〜400℃まで増加させて残余溶媒の除去及びマトリクスのシラノール末端基の縮合反応を進めた後、350〜500℃で1時間維持させ、アセチルシクロデキストリン有機物質を除去することでナノ気孔を含有した超低誘電薄膜を製造した。硬化反応及び有機物質除去は窒素雰囲気下で実施し、加熱及び冷却速度は各々3℃/minとした。
以上の製造方法で製造された本発明の超低誘電薄膜は、最大空隙率が60%、最小誘電率が1.5であり、銅配線用絶縁膜として有用する。
以下、本発明を下記実施例によってさらに詳細に説明する。ただし、これらは本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限しない。
ポリメチルシルセスキオキサン共重合体の製造
メチルトリメトキシシラン[CH3Si(OCH3)3]が溶解されたメチルイソブチルケトン(MIBK)溶液にHCI溶液及び蒸留水を注入し、α,ω−ビストリメトキシシリルエタン[(CH3O)3Si−CH2−CH2−Si(OCH3)3、BTMSE]を添加し反応を進めた後、溶媒及びHCI触媒を除去することで、BTMSE含量10mol%、Mw2426、Mn2,700、Si−OH/Si原子比=27%であるポリメチルシルセスキオキサン共重合体を製造した。
メチルトリメトキシシラン[CH3Si(OCH3)3]が溶解されたメチルイソブチルケトン(MIBK)溶液にHCI溶液及び蒸留水を注入し、α,ω−ビストリメトキシシリルエタン[(CH3O)3Si−CH2−CH2−Si(OCH3)3、BTMSE]を添加し反応を進めた後、溶媒及びHCI触媒を除去することで、BTMSE含量10mol%、Mw2426、Mn2,700、Si−OH/Si原子比=27%であるポリメチルシルセスキオキサン共重合体を製造した。
ナノ気孔を含有した超低誘電薄膜の製造
マトリクス成分としてポリメチルシルセスキオキサン(MSSQ)単一重合体、メチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタンの共重合体(BTESE10%)、またはメチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタンの共重合体(BTESE25%)を使用し、テンプレートとしてトリアセチル−β−シクロデキストリン(TABCD)を各々使用し、超低誘電薄膜を製造した。
マトリクス成分としてポリメチルシルセスキオキサン(MSSQ)単一重合体、メチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタンの共重合体(BTESE10%)、またはメチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタンの共重合体(BTESE25%)を使用し、テンプレートとしてトリアセチル−β−シクロデキストリン(TABCD)を各々使用し、超低誘電薄膜を製造した。
その製造過程は具体的に、まずマトリクス成分及びテンプレートを各々DMF有機溶媒に溶かした後、下記表1に表した造成比で混合し有機−無機混合溶液を製造した。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シリンジフィルター(0.2μm)に通過させてシリコンウエハーの上に前記有機−無機混合溶液を数滴落とした後、3500rpm速度で50秒間スピンコーティングをして薄膜を製造した。このように製造した薄膜は温度を250℃まで増加させて有機溶媒の除去及び無機マトリクスの縮合反応を誘導した後、再び430℃で1時間熱処理をし、最終的にナノ気孔を含有した超低誘電薄膜を製造した。無機マトリクスの硬化反応及び有機物質の除去は窒素雰囲気下で実施し、加熱及び冷却速度は各々3℃/minとした。
〔実験例1〕
前記実施例2で製造された薄膜の屈折率及び厚さはエリプソメーター(ellipsometer、L166C、Gaertner Scientific Corp.)を利用して632.8nm波長で測定した。
前記実施例2で製造された薄膜の屈折率及び厚さはエリプソメーター(ellipsometer、L166C、Gaertner Scientific Corp.)を利用して632.8nm波長で測定した。
薄膜の空隙率は下記数式(1)に表されるローレンツ−ローレンツ式(Lorentz-Lorentz equation)を利用して計算した。
前記数式1において、nsまたはnrは各々多孔性または非多孔性フィルムの屈折率(refractive indices)を表し、pは多孔度(porosity)を表す。
薄膜の誘電率測定は下記のような方法で行った。伝導度が非常に高いシリコンウエハー(0.008Ω.m)を下部電極として使用し、その上に前記実施例2で製造した超低誘電薄膜を、そしてその上に直径約1mmのアルミニウム電極を上部電極として使用し電子ビーム蒸着法により蒸着した。このように準備された試料の静電容量を、HP4194Aインピーダンスアナライザ(impedance analyzer)を利用して1MHzで測定した後、前もって分かっている薄膜の厚さ及び電極面積を考慮し誘電率を計算した。また理論的誘電率は、下記数学式2に表されるMaxwell-Garnett式を利用して計算した。
前記数式2において、ksまたはkrは各々多孔性または非多孔性フィルムの誘電体常数(dielectric constants)を表し、pは多孔度を(porosity)を表す。
〔実験例2〕
本発明の超低誘電薄膜と、大韓民国特許公開第2002−75720号に公知されている超低誘電薄膜の製造において、テンプレートの含量変化による空隙率と誘電特性の変化を測定し、図1に示した。
本発明の超低誘電薄膜と、大韓民国特許公開第2002−75720号に公知されている超低誘電薄膜の製造において、テンプレートの含量変化による空隙率と誘電特性の変化を測定し、図1に示した。
本発明の超低誘電薄膜は、ポリメチルシルセスキオキサン2元共重合体(実施例1、BTMSE10%含有)を使用し、テンプレートとしてトリアセチル−β−シクロデキストリンナノ粒子(TABCD)を使用してその含有量を0、10、20、30、40、50、60vol%に変化させて製造した薄膜である。比較例として提示される超低誘電薄膜は、環状シルセスキオキサン(CSSQ)を使用し、テンプレートとしてヘプタキス(2,3,6−トリ−O−メチル)−β−シクロデキストリン[tCD]を使用してその含有量を0、10、20、30、40、50vol%に変化させて製造した薄膜である。
図1の結果によると、テンプレートの含量が30vol%を超えてから、空隙率と誘電率で著しい差異を示すことが確認できる。
前述した通り、本発明による超低誘電薄膜は、マトリクス成分として使用されるポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体との優れた常用性を有するアセチルシクロデキストリンナノ粒子の使用により、空隙率及び誘電率の特性が非常に優れていると同時に、生成された気孔のサイズが小さく閉じた気孔構造を形成するため、銅配線用層間絶縁膜として有用である。
Claims (7)
- 有機または無機マトリクスとシクロデキストリン系気孔形成用テンプレートとを使用して製造された超低誘電絶縁膜において、前記マトリクスとしてポリアルキルシルセスキオキサン前駆体またはその共重合体40〜70vol%と、前記テンプレートとしてアセチルシクロデキストリンナノ粒子30〜60vol%が有機溶媒に溶解されている有機−無機混合溶液をコーティングして製造されたことを特徴とする銅配線用超低誘電絶縁膜。
- 前記ポリアルキルシルセスキオキサン共重合体は、アルキルトリアルコキシシランとα,ω−ビストリアルコキシシリルアルカンとの共重合体であることを特徴とする請求項1記載の銅配線用超低誘電絶縁膜。
- ポリアルキルシルセスキオキサン共重合体は、メチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリメトキシシリルエタンとの共重合体、または、メチルトリメトキシシランとα,ω−ビストリエトキシシリルエタンとの共重合体であることを特徴とする請求項2記載の銅配線用超低誘電絶縁膜。
- 前記アセチルシクロデキストリンは、トリアセチル−α−シクロデキストリン、トリアセチル−β−シクロデキストリン、トリアセチル−γ−シクロデキストリン、ジアセチル−α−シクロデキストリン、ジアセチル−β−シクロデキストリン、ジアセチル−γ−シクロデキストリン、モノアセチル−α−シクロデキストリン、モノアセチル−β−シクロデキストリン、モノアセチル−γ−シクロデキストリンのうちから選択されたものであることを特徴とする請求項4記載の銅配線用超低誘電絶縁膜。
- 前記有機溶媒は、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアクリルアミド(DMA)及びジメチルジメチルスルホキシド(DMSO)のうちから選択されたものであることを特徴とする請求項1記載の銅配線用超低誘電絶縁膜。
- 最大空隙率が60%で、最小誘電率が1.5であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の銅配線用超低誘電絶縁膜。
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