JP2012054586A - 低比誘電率SiOx膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上記低比誘電率SiOx膜はアルゴン、ヘリウム及び水素から選ばれる1種以上の非酸化性ガス雰囲気で蒸着し、SiOx(但し、1.8≧X≧1.0)を主成分とする多孔質物質からなり、1MHzにおける比誘電率が3以下であることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
(請求項1) SiOx(但し、1.8≧X≧1.0)を主成分とする多孔質物質からなり、1MHzにおける比誘電率が3以下であることを特徴とする低比誘電率SiOx膜。
(請求項2) 気孔率が20〜60%、1MHzにおける比誘電率が2.3以下であることを特徴とする請求項1記載のSiOx膜。
(請求項3) 比誘電性指数Vと、気孔率P(%)と、比誘電率Kとが1式を満たすものであることを特徴とする請求項2記載のSiOx膜。
V=K+0.0286×P=1.1〜3.5・・・(1)
(請求項4) SiOx粉末を加熱蒸発させて得られたSiOxガスを、−20℃以下の冷却基板上に沈着させることを特徴とする、クラスタービーム法による請求項1記載のSiOx膜の製造方法。
(請求項5) 蒸着雰囲気制御用ガスのガス圧を10〜100PaにしてSiOx粉末を蒸着することを特徴とする、抵抗発熱ヒーター法による請求項1記載のSiOx膜の製造方法。
(請求項6) 蒸着雰囲気制御用ガスが、アルゴン、ヘリウム及び水素から選ばれた1種以上の非酸化性ガスであることを特徴とする請求項5記載のSiOx膜の製造方法。
(請求項7) SiOx粉末の比表面積が10m2/g以上であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のSiOx膜の製造方法。
(請求項8) SiOx膜に波長400nm以下の電磁波を照射してそのX値を増加させることを特徴とするSiOx膜の改質方法。
(請求項9) 電磁波が照射されるSiOx膜が、請求項1記載の比誘電率SiOx膜であることを特徴とする請求項8記載のSiOx膜の改質方法。
(請求項10) 電磁波が照射されるSiOx膜が、1MHzにおける比誘電率が1.5〜3.0、SiOxのx値が0.5<x<2.0であることを特徴とする請求項9記載のSiOx膜の改質方法。
(請求項11) 電磁波照射量が、0.1≦照射時間(時間)×照射量(W/cm2)≦10であることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のSiOx膜の改質方法。
(請求項12) 請求項1、2又は3記載のSiOx膜を金属配線の層間絶縁物として用いたことを特徴とする半導体装置。
V=K+0.0286×P ・・・・(1)
(但し、気孔率:P(%)は気孔率、Kは比誘電率)
低比誘電率指数Vは、SiOx膜の気孔率と比誘電率の関係を表すものであり、低誘電率指数Vが1.1〜3.5であるということは、低気孔率でありながら比誘電率が低いことを示している。V値が3.5よりも大きくなると、SiOx膜の強度が低くCMP(Chemical Mechanical Polishing)等の耐研磨性に劣る。V値を1.1未満にすることは技術的に困難である。SiO2の多孔膜は、通常、v値が3.5よりも大きくなる。特に好ましいV値は2.5〜3.3である。
蒸着ルツボの加熱温度は、800〜1500℃、特に900〜1200℃であることが好ましい。
SiOx粉末原料の加熱は、チタンボライドとBNの複合焼結体からなる導電性セラミックス、PBNコートカーボン等のセラミックス、タングステン等高融点金属などの材質で構成された蒸着ボートが使用される。SiOx粉末原料は、上記本発明の第1の製造方法で説明したのと同様なものが用いられる。
本発明の低比誘電率SiOx膜には、半導体装置の層間絶縁膜、反射防止膜、ガスバリア膜等の用途がある。本発明の低比誘電率SiOx膜は、本質的に無機質であるので、シリコン樹脂系、ポリイミド系の高分子絶縁膜に比し熱伝導率が高く、熱膨張が低く、耐熱性に優れるという特長を有する。
上記本発明の低比誘電率SiOx膜は、多孔質構造であり、その1MHzにおける比誘電率が3以下、好ましくは2.3以下であるが、そのままでは半導体製造工程において外部環境からの薬液、腐食性のガスの浸透が懸念されることがある。また、SiOxのx値を増加させることは絶縁性の向上に有利である。このx値の増加を、空気中、外部加熱によって行うとなると、少なくとも700℃以上の高温加熱が必要であり、半導体装置の特性に悪影響を与える。さらには、高温加熱による酸化では、SiOxの焼結が始まり、微細な空隙が減少し材料自体の比誘電率は低下しても、膜全体としては空隙も減少するため比誘電率はかえって上昇することもある。
以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
実施例1〜6 比較例1〜4
本例はクラスタービーム法による実験例である。
高純度金属シリコン粉末と高純度シリカ粉末(超微粉)を等モル混合し、黒鉛製蒸着ルツボ内で1800℃以上に高周波炉を用いて加熱しSiOxガスを発生させ、それをアルゴンガスに同伴させて冷却室に導き、SiOx粉末を回収した。このSiOx粉末のBET法による比表面積は80m2/gであり、Si、酸素の分析値より計算されたx値は1.2であった。
(1)膜厚:DEKTAK社製のSTステップメータを用いて測定した。
(2)比誘電率:平行平板電極にSiOx膜が挟まれた形の素子を用いて容量をLCZメーターで測定し、電極面積及び膜厚から比誘電率を算出した。周波数は1MHzで測定を行った。
(3)SiOxのx値:上記に従い測定した。
(4)クラック・剥離:膜の表面をSEM1000倍の写真によって判定した。
本例は抵抗発熱ヒーター法による実験例である。
上記実験例で用いたのと同様のSiOx粉末原料をプレス成形しペレット(直径5mm×高さ5mm)にした。ペレットの比表面積は80m2 /gであり、成形前の比表面積とほぼ同じであった。このペレットを抵抗加熱蒸着装置を用い、直径2インチのシリコン単結晶基板上に、表2に示す種々の雰囲気制御用ガスと基板温度の条件でSiOx膜を生成させた。
なお、基板温度を室温よりも高温にするには、基板背後に電気加熱式ヒータと熱電対を配置して行った。
蒸着に用いた蒸着用ボートは、窒化硼素とチタンボライドの複合焼結体からなる市販品(電気化学工業社製商品名「デンカBNコンポジットEC」)であり、ボート両端から電圧をかけキャビティ部の温度が1325〜1380℃の範囲で制御しながら蒸着を行った。蒸着時間は10分とした。得られたSiOx膜について上記物性の他に気孔率を上記に従い測定した。それらの結果を表2に示す。
本例は、SiOx膜の改質に関する実験例である。
SiOx粉末原料として、BET法比表面積は110m2/g、X線回折ではほぼアモルファスであり、シリコンと酸素の分析から計算されたSiOxのx値は1.05であるものを製造した。このSiOx粉末原料の蛍光X線による分析では、金属分の不純物はアルミニウム200ppm、Fe100ppmであり、SiOx純度は99%以上であった。さらには、XPSでSiの2p結合エネルギーをカーボンで補正して測定したところ、101.5evであった。このSiOx粉末原料を金型プレス及びCIPを用いて直径10mm×高さ10mm程度の円柱状に成形した。成形後の比表面積は103m2/gであり、成形前後で比表面積の変化はほとんどなかった。
温度1550℃、アルゴン/酸素比=0.1のガス圧力20Pa条件で金属シリコンの蒸着を行い、シリコン単結晶基板上に膜厚350nmのSiOx膜を形成させた。この膜は、x値0.9、比誘電率8.8であり、SEM観察の結果は緻密な膜であった。
このSiOx膜に、400nm以下の紫外線を実施例16と同一条件で照射した。その結果を表3に示す。膜表面にクラックが生じ、一部剥離が生じていた。
b 酸化シリコン膜
c 金属配線
d 層間絶縁膜
e 酸化シリコン膜
1 冷却管
2 基板ホルダー
3 基板
4 ゲートバルブ
5 シャッター
6 ルツボ
7 フィラメント
8 排気口
9 電子衝突用高圧電源
10 フィラメント電源
11 真空容器
1.SiOx(但し、1.8≧X≧1.0)を主成分とする多孔質物質からなり、1MHzにおける比誘電率が3以下である低比誘電率SiOx膜の製造方法であって、蒸着雰囲気制御用ガスのガス圧を10〜100PaにしてSiOx粉末を蒸着することを特徴とする、抵抗発熱ヒーター法によるSiOx膜の製造方法。
2.蒸着雰囲気制御用ガスが、アルゴン、ヘリウム及び水素から選ばれる1種以上の非酸化性ガスであることを特徴とする上記1に記載SiOx膜の製造方法。
3.SiOx粉末の比表面積が10m 2 /g以上であることを特徴とする上記1又は2に記載のSiOx膜の製造方法。
4.上記1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られるSiOx膜に波長400nm以下の電磁波を照射してそのX値を増加させることを特徴とするSiOx膜の改質方法。
5.電磁波が照射されるSiOx膜が、1MHzにおける比誘電率1.5〜3.0を有し、かつSiOxのx値が0.5<x<2.0であることを特徴とする上記4に記載のSiOx膜の改質方法。
6.電磁波照射量が、0.1≦照射時間(時間)×照射量(W/cm 2 )≦10であることを特徴とする上記4又は5に記載のSiOx膜の改質方法。
7.上記1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られるSiOx膜を金属配線の層間絶縁物として用いたことを特徴とする半導体装置。
V=K+0.0286×P ・・・・(1)
(但し、気孔率:P(%)は気孔率、Kは比誘電率)
低比誘電率指数Vは、SiOx膜の気孔率と比誘電率の関係を表すものであり、低誘電率指数Vが1.1〜3.5であるということは、低気孔率でありながら比誘電率が低いことを示している。V値が3.5よりも大きくなると、SiOx膜の強度が低くCMP(Chemical Mechanical Polishing)等の耐研磨性に劣る。V値を1.1未満にすることは技術的に困難である。SiO2の多孔膜は、通常、v値が3.5よりも大きくなる。特に好ましいV値は2.5〜3.3である。
蒸着ルツボの加熱温度は、800〜1500℃、特に900〜1200℃であることが好ましい。
SiOx粉末原料の加熱は、チタンボライドとBNの複合焼結体からなる導電性セラミックス、PBNコートカーボン等のセラミックス、タングステン等高融点金属などの材質で構成された蒸着ボートが使用される。SiOx粉末原料は、上記クラスタービーム法による製造方法で説明したのと同様なものが用いられる。
本発明の低比誘電率SiOx膜には、半導体装置の層間絶縁膜、反射防止膜、ガスバリア膜等の用途がある。本発明の低比誘電率SiOx膜は、本質的に無機質であるので、シリコン樹脂系、ポリイミド系の高分子絶縁膜に比し熱伝導率が高く、熱膨張が低く、耐熱性に優れるという特長を有する。
上記本発明の低比誘電率SiOx膜は、多孔質構造であり、その1MHzにおける比誘電率が3以下、好ましくは2.3以下であるが、そのままでは半導体製造工程において外部環境からの薬液、腐食性のガスの浸透が懸念されることがある。また、SiOxのx値を増加させることは絶縁性の向上に有利である。このx値の増加を、空気中、外部加熱によって行うとなると、少なくとも700℃以上の高温加熱が必要であり、半導体装置の特性に悪影響を与える。さらには、高温加熱による酸化では、SiOxの焼結が始まり、微細な空隙が減少し材料自体の比誘電率は低下しても、膜全体としては空隙も減少するため比誘電率はかえって上昇することもある。
参考例1〜6 比較例1〜4
本例はクラスタービーム法による実験例である。
高純度金属シリコン粉末と高純度シリカ粉末(超微粉)を等モル混合し、黒鉛製蒸着ルツボ内で1800℃以上に高周波炉を用いて加熱しSiOxガスを発生させ、それをアルゴンガスに同伴させて冷却室に導き、SiOx粉末を回収した。このSiOx粉末のBET法による比表面積は80m2/gであり、Si、酸素の分析値より計算されたx値は1.2であった。
(1)膜厚:DEKTAK社製のSTステップメータを用いて測定した。
(2)比誘電率:平行平板電極にSiOx膜が挟まれた形の素子を用いて容量をLCZメーターで測定し、電極面積及び膜厚から比誘電率を算出した。周波数は1MHzで測定を行った。
(3)SiOxのx値:上記に従い測定した。
なお、実施例2の膜については、XPS(X線光電子分光法)でSi2Pの結合エネルギーを測定した。その結果は102.4eVであった。x値が1.0のときの結合エネルギーは未測定であるが、Si及びSiO2の値から推定して101.4eVとすると、得られた102.4eVは、x=1.5に相当する。
(4)クラック・剥離:膜の表面をSEM1000倍の写真によって判定した。
本例は抵抗発熱ヒーター法による実験例である。
上記実験例で用いたのと同様のSiOx粉末原料をプレス成形しペレット(直径5mm×高さ5mm)にした。ペレットの比表面積は80m2/gであり、成形前の比表面積とほぼ同じであった。このペレットを抵抗加熱蒸着装置を用い、直径2インチのシリコン単結晶基板上に、表2に示す種々の雰囲気制御用ガスと基板温度の条件でSiOx膜を生成させた。
蒸着に用いた蒸着用ボートは、窒化硼素とチタンボライドの複合焼結体からなる市販品(電気化学工業社製商品名「デンカBNコンポジットEC」)であり、ボート両端から電圧をかけキャビティ部の温度が1325〜1380℃の範囲で制御しながら蒸着を行った。蒸着時間は10分とした。得られたSiOx膜について上記物性の他に気孔率を上記に従い測定した。それらの結果を表2に示す。
本例は、SiOx膜の改質に関する実験例である。
SiOx粉末原料として、BET法比表面積は110m2/g、X線回折ではほぼアモルファスであり、シリコンと酸素の分析から計算されたSiOxのx値は1.05であるものを製造した。このSiOx粉末原料の蛍光X線による分析では、金属分の不純物はアルミニウム200ppm、Fe100ppmであり、SiOx純度は99%以上であった。さらには、XPSでSiの2p結合エネルギーをカーボンで補正して測定したところ、101.5evであった。このSiOx粉末原料を金型プレス及びCIPを用いて直径10mm×高さ10mm程度の円柱状に成形した。成形後の比表面積は103m2/gであり、成形前後で比表面積の変化はほとんどなかった。
温度1550℃、アルゴン/酸素比=0.1のガス圧力20Pa条件で金属シリコンの蒸着を行い、シリコン単結晶基板上に膜厚350nmのSiOx膜を形成させた。この膜は、x値0.9、比誘電率8.8であり、SEM観察の結果は緻密な膜であった。
このSiOx膜に、400nm以下の紫外線を実施例10と同一条件で照射した。その結果を表3に示す。膜表面にクラックが生じ、一部剥離が生じていた。
b 酸化シリコン膜
c 金属配線
d 層間絶縁膜
e 酸化シリコン膜
1 冷却管
2 基板ホルダー
3 基板
4 ゲートバルブ
5 シャッター
6 ルツボ
7 フィラメント
8 排気口
9 電子衝突用高圧電源
10 フィラメント電源
11 真空容器
Claims (7)
- SiOx(但し、1.8≧X≧1.0)を主成分とする多孔質物質からなり、1MHzにおける比誘電率が3以下である低比誘電率SiOx膜の製造方法であって、蒸着雰囲気制御用ガスのガス圧を10〜100PaにしてSiOx粉末を蒸着することを特徴とする、抵抗発熱ヒーター法によるSiOx膜の製造方法。
- 蒸着雰囲気制御用ガスが、アルゴン、ヘリウム及び水素から選ばれる1種以上の非酸化性ガスであることを特徴とする請求項1に記載SiOx膜の製造方法。
- SiOx粉末の比表面積が10m2/g以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のSiOx膜の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られるSiOx膜に波長400nm以下の電磁波を照射してそのX値を増加させることを特徴とするSiOx膜の改質方法。
- 電磁波が照射されるSiOx膜が、1MHzにおける比誘電率1.5〜3.0を有し、かつSiOxのx値が0.5<x<2.0であることを特徴とする請求項4に記載のSiOx膜の改質方法。
- 電磁波照射量が、0.1≦照射時間(時間)×照射量(W/cm2)≦10であることを特徴とする請求項4又は5に記載のSiOx膜の改質方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られるSiOx膜を金属配線の層間絶縁物として用いたことを特徴とする半導体装置。
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