JP3432783B2 - 集積回路構造物用の低誘電率の多数炭素−含有酸化ケイ素誘電体 - Google Patents
集積回路構造物用の低誘電率の多数炭素−含有酸化ケイ素誘電体Info
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Description
する。更に詳しくは、本発明は集積回路構造物の誘電体
層の形成に有用な低誘電率の酸化ケイ素誘電体に関す
る。
配置された金属相互接続を含む相互接続が複数レベルに
なり、またこのような相互接続の特定のレベルの金属ラ
イン間の水平間隔を減少させる。その結果、キャパシタ
ンスが上記導電部分の間で増大して、速度の損失が生
じ、漏話が増大する。この高キャパシタンスの問題を解
決するために提案された一つの手段は約4.0の誘電率
(k)を有する従来の酸化ケイ素(SiO2)誘電体を低
誘電率を有する別の絶縁物と交換して上記キャパシタン
スを低下させることである。
0,1998年9月,64〜74頁に記載された“完全な低-K誘電
体の追求”と表題をつけられたL.ピーターズの論文に
おいて、この種の多数の誘電体が開示され討論されてい
る。これらの誘電体の中に、英国,ベント,ニューポー
トのトリコンテクノロジーズ(Trikon Technologies)に
より開発されたフロウフィル(Flowfill)の化学蒸着法(C
VD)を用いて形成された約3.0の低い誘電率の誘電体が記
載されている。この方法では、メチルシラン(CH3-Si
H3)は過酸化水素(H2O2)と反応してモノケイ酸を生成
し、これは冷たいウエハ上で凝縮してアモルファスメチ
ル-ドープ酸化ケイ素に変化し、水分を除去するために4
00℃でアニールされる。上記論文はメチルシラン以外に
も、フロウフィル法でジメチルシランを用いて2.75の誘
電率が得られることを示す。更に上記ピーターズの論文
は高密度プラズマ(HDP)CVDにおいて、メチルシラン又は
ジメチルシランとO2とから形成された誘電体は2.75のよ
うに低い誘電率を提供でき、そしてダウ-コーニング(Do
w-Corning)から入手できるトリメチルシランは低い誘電
率(2.6)の誘電薄膜を堆積するために使用できること
を開示する。
年2月16-17日に開催された第4回国際ULSI用誘電体多重
レベル相互連絡会議(Dumic)の1998年の会報の311-318頁
に記載された“CVD技術を用いて堆積した低誘電率の酸
化物薄膜”と表題をつけられたS.マッククラッチー(M
cClatchie)及びその他の者の論文はメチルシランをH2O2
と反応させて2.9未満の誘電率を得るフロウフィル法に
よりメチル-ドープ酸化ケイ素を生成することを記述す
る。更にこの著者はジメチルシラン(CH3)2-SiH2を用
いて低誘電率の誘電体を形成し、これにより2.75未満の
誘電率を達成することを記述する。しかしながら、上記
著者は上記メチルシラン及びジメチルシランはシロキサ
ン鎖の末端になるSi-CH3を経由して上記酸化物格子に
結合する炭素になることを指摘する。上記著者はCH3基
の数が増大すると、シロキサン鎖の形成に利用できる部
位の数が減少するため、ケイ素原子に結合するCH3基を
さらに添加することは禁じられるべきであると述べる。
その代わりに、上記著者はシロキサン鎖が破壊されない
ように炭素をシロキサン鎖自体の一部として導入する方
法を報告する。また上記著者はメチルシランの代わりに
メチレンビス-シラン(SiH3-CH2-SiH3)をH2O2と反応す
る前駆物質として使用し、これによりSiH3官能基がH2O2
との重合反応に参画してSi-CH2-Si主鎖をシロキサン鎖
の一部としてそのまま残留させることができることを報
告し、またメチレンビスシランをメチルシランの代わり
に前駆物質として使用することにより、2.7未満の誘電
率を有する誘電体が得られることを述べる。
誘電薄膜中の炭素量を増大させることにより上記薄膜の
誘電率を低下させることが試みられている。フェニルシ
ラン前駆物質を用いて低誘電率を有する薄膜を得ること
はできるが、その誘電率が薄膜間で誘電率が2.1未満と
2.8未満の間を変動し、従って所定の誘電率の値を有す
る薄膜の形成は再現性がない。
できるだけ低い誘電率、即ち前駆物質としてメチルシラ
ンを用いて形成される炭素-含有酸化ケイ素誘電体の誘
電率よりも低い誘電率を有する炭素-含有酸化ケイ素誘
電体を再現性よく形成することが望まれている。また得
られる炭素-含有酸化ケイ素誘電体のその他の物理的特
性を犠牲にしないで所望の誘電率を達成できるように、
炭素-含有シラン前駆物質を用いて形成される炭素-含有
酸化ケイ素誘電体の誘電率を制御することが望まれてい
る。
路構造物に使用される低誘電率の多数炭素-含有酸化ケ
イ素誘電体は炭素原子及び第1級水素から成る多数炭素
-含有基にそれぞれ結合するケイ素原子を含む酸化ケイ
素物質を包含する。好ましくは、上記多数炭素-含有基
は化学式‐(C)y(CH3)zを有し、ここで、yは枝分れアル
キル基について1〜4の整数であり、環状アルキル基につ
いて3〜5の整数であり、またzは枝分れアルキル基につ
いて2y+1であり、環状アルキル基について2y−1であ
る。
含有酸化ケイ素誘電体は炭素原子に結合する第1級水素
のみを有し、そして化学式SiHx((C)y(CH3)z)(4-x)(但
し、xは1〜3であり、yは枝分れアルキル基について1
〜4の整数であり、環状アルキル基について3〜5の整数
であり、またzは枝分れアルキル基について2y+1であ
り、環状アルキル基について2y−1である)を有する多
数炭素-置換シランを穏やかな酸化剤と反応させること
により製造される。
有基にそれぞれ結合するケイ素原子を含む酸化ケイ素物
質を包含する集積回路構造物用の低誘電率の多数炭素-
含有酸化ケイ素誘電体を含む。好ましくは、上記多数炭
素-含有基は化学式‐(C)y(CH3)zを有し、ここで、yは
枝分れアルキル基について1〜4の整数であり、環状アル
キル基について3〜5の整数であり、またzは枝分れアル
キル基について2y+1であり、環状アルキル基について
2y−1である。
含有酸化ケイ素誘電体は炭素原子に結合する第1級水素
のみを有し、そして化学式SiHx((C)y(CH3)z)(4-x)(但
し、xは1〜3であり、yは枝分れアルキル基について1
〜4の整数であり、環状アルキル基について3〜5の整数
であり、またzは枝分れアルキル基について2y+1であ
り、環状脂肪族炭化水素について2y−1である)を有す
る多数炭素-置換シランを穏やかな酸化剤と反応させる
ことにより製造される。穏やかな酸化剤と上記化学式を
有する置換シランとの上述の反応は全てが同じ種類の多
数炭素-含有基を有する置換シランと上記酸化剤との反
応か、又は異なる置換シランの混合物であって、その全
てが上記式に含まれ、モノ,ジ,及びトリ置換シランの
混合物を含む混合物と上記酸化剤との反応を含むことが
できる。
置換シランであり、そして上記化学式においてxは3の
値を有する。この点に関して、本発明の低誘電率の多数
炭素-含有酸化ケイ素誘電体は以下に述べるように多数
炭素-含有基に結合しないケイ素原子も含んでもよいこ
とに注目すべきである。
関して、用語の“低誘電率”は、炭素を含まない従来の
酸化ケイ素誘電体の誘電率より小さい誘電率(k)を意
味する。好ましくは、本発明の低誘電率の多数炭素-含
有酸化ケイ素誘電体の誘電率は3又はそれより小さい値
である。
イ素誘電体に関して、用語の“炭素-含有”は、ケイ素
原子に結合するそれぞれの炭素-含有基において1つの炭
素原子を有する1又はそれ以上の多数炭素-含有基を有す
る酸化ケイ素-含有物質を意味する。
イ素誘電体に関して、用語の“多数炭素-含有基”は、
上記基中の炭素原子の1つがケイ素原子に結合し、そし
て残りの炭素原子がそれぞれ複数の炭素原子又は単独炭
素原子に接合する構造体において互いに結合する少なく
とも4個の炭素原子と、3個の第1級水素原子とを含む炭
素基を意味する。
H 2 -CH 2 -構造体のように2つの他の炭素原子に結合する
炭素原子に結合する第2級水素とは対照的に、ただ1つ
の他の炭素原子に結合する単独炭素基に3の倍数で接合
する水素原子を意味する。
原子の直鎖又は枝分れ鎖の配列、並びに多数炭素基の脂
環式配列、即ち、(非-芳香族)閉鎖環構造を意味す
る。
と多数炭素-含有基中の炭素原子との間のC-H結合を破
壊して炭素を酸化することなく、Si-H結合を破壊し
てSi-O結合を形成できる酸化剤を意味する。
z(ここで、yは1〜4の整数であり、zは2y+1であ
る)を有し、そして上記酸化ケイ素物質中のケイ素原子
に結合する多数炭素-含有枝分れアルキル基は下記のも
のを含む:
(C)y(CH3)z(ここで、yは3〜5の整数であり、zは2y
−1である)を有し、そして上記酸化ケイ素物質中のケ
イ素原子に結合する多数炭素-含有環状アルキル基は下
記のものを含む:
誘電体の造り方 上述したように、好ましい態様において、本発明の低誘
電率(低いk)の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体は炭
素置換シランを炭素原子と第1級水素との間のC-H結合を
破壊しないで炭素原子を酸化する穏やかな酸化剤と反応
させることにより形成される。上記穏やかな酸化剤は好
ましくは過酸化水素(H2O2)であり、また上記置換シラ
ンは上記シラン分子の1又はそれ以上の水素に置換する
ケイ素原子に結合する1又はそれ以上の上記多数炭素-含
有基を有する。その他の酸化剤が、Si-H結合に優先して
C-H結合を破壊するほど強くは酸化せず、従って上記酸
化剤と上記多数炭素-含有基を含む上記シランとの反応
生成物の上記薄膜形成能力を妨害しないという条件の下
で、上記その他の酸化剤を過酸化水素の代わりに使用で
きる。
形成する前に、後に形成される上記低いkの誘電体のた
めの防湿層として作用する酸化ケイ素(SiO2)又は窒化
ケイ素の薄い基層を基板上に形成することが好ましい。
上記基層はその上に形成される低いkの誘電層を適切に
保護するために、厚さが少なくとも約50ナノメートル(n
m)である。この最低値を越える厚さが採用されてもよい
が、おそらく不必要であり、そして上記複合層の全体の
誘電率の不所望な増大に否定的に貢献するであろう。好
ましくは、類似の防湿層が同様の理由で、また同じ厚さ
で上記低いkの誘電層上に形成される。この防湿層は後
のプロセス工程を通じて上記の低いkの誘電体を保護す
るために形成される。
は、これらを反応生成物が堆積するケイ素基板を収容し
ている反応室内に導入することにより互いに反応する。
この反応室は好ましくは約0.1〜50トル、より好ましく
は約1〜10トル、最も好ましくは約1〜5トルの圧力に保
持される。上記置換シランと過酸化水素の両方が気相で
上記反応室内に導入される。上記反応物の配送装置は反
応物をガス又は蒸気として反応室中に供給するために、
約70℃〜約100℃の温度に維持される。それぞれの反応
物の流量は反応室の寸法に依存し、また特定の反応物に
応じて変動する。反応と堆積を通じて、反応室内のケイ
素基板の温度は反応生成物の形成時の早い架橋を避ける
ために、周囲温度(25℃未満)以下に、好ましくは約10
℃以下に維持される。上記反応はケイ素基板上に既に形
成された集積回路構造物上に低いkの誘電体層を所望の
厚さに形成できるのに十分な時間で実施される。通常、
この厚さは下側の導電領域と上記低いkの誘電体上に形
成される導電領域との間の十分な電気絶縁を保証する最
低約300nmから最高約800nmまでの範囲にある。より
厚い層も形成できるが、しかし不必要であり、単に構造
体の嵩を増すだけであると考えられる。
イ素誘電体を製造する現在好ましい方法に依れば、反応
遅延剤が反応速度に影響を与えるために反応物に添加さ
れてもよく、これにより生成物の質が向上する。このよ
うな反応遅延剤は本出願と同日に本発明の発明者の1人
により出願され、そして本発明の譲り受け人に譲渡され
た“1又はそれ以上の反応遅延剤の存在下での炭素-含有
シランと酸化剤の反応による改良された低誘電率の炭素
-含有酸化ケイ素誘電体の形成”と表題を付けられた出
願中の米国特許出願明細書No.99-055に十分に記述され
ている。
ンの混合物から製造される低誘電率 の酸化ケイ素誘電体 本発明は主に炭素-含有基中の炭素に結合する第1級水
素のみを有する低誘電率の(低いkの)酸化ケイ素誘電
体を含むが、本発明の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケ
イ素誘電体とその他の酸化ケイ素物質との混合物を形成
することも本発明の範囲内に含まれる。上記その他の酸
化ケイ素物質は炭素原子を含有しない酸化ケイ素誘電体
を含むか、又は多数炭素を含有しないか、又は非-第1
級水素、例えば、炭素原子に結合する第2級水素を含有
するため、上記基準を満たさない少量のその他の炭素-
含有基を含む酸化ケイ素誘電体を含む。このような誘電
体を本発明の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電
体と混合すれば、得られる低誘電率の誘電体薄膜の他の
物理的特性を高めることが可能となる。
有酸化ケイ素誘電体の薄膜形成特性を高めるために、こ
の酸化ケイ素誘電体は a)炭素-含有基に接合するケイ素原子を持たない酸化
ケイ素誘電体; b)それぞれが一又はそれ以上の単独炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体(例えば、メチ
ルシランを過酸化水素と反応させるトリコンフロウフィ
ル法(Trikon Flowfill process)により形成された低い
誘電率の酸化ケイ素誘電体); c)それぞれが第2級水素を含有する炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体(例えば、メチ
レンビス-シランを過酸化水素と反応させることにより
形成される低い誘電率の酸化ケイ素誘電体); d)それぞれが単独芳香族炭素基に接合するケイ素原子
を含有する酸化ケイ素誘電体;及び e)上記a),b),c),及びd)の2つ又はそれ以
上の混合物:を混合されてもよい。
含有酸化ケイ素誘電体を含む誘電体の混合物は例えば、
過酸化水素(H2O2)を適切なシラン(シラン又は置換シ
ラン)の混合物と反応させることにより形成できる。例
えば、上記混合物a)に相当する酸化ケイ素誘電体の混
合物は過酸化水素をシラン(SiH4)と化学式SiHx((C)y
(CH3)z)(4-x)(但し、xは1〜3であり、yは枝分れアル
キル基について1〜4の整数であり、環状アルキル基につ
いて3〜5の整数であり、またzは枝分れアルキル基につ
いて2y+1であり、環状アルキル基について2y−1であ
る)を有する置換シランとの混合物に反応させることに
より製造できる。混合物b)に相当する酸化ケイ素誘電
体の混合物を形成するために、メチルシランを混合物
a)を形成するために上記で使用されたシランと置換で
きる。a)とb)の両方を含む混合物を形成するために
は、シランとメチルシランの両方を化学式SiHx((C)y(CH
3)z)(4-x)を有する上述した置換シランと組み合わせて
使用できる。本発明の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケ
イ素誘電体としての誘電体の混合物を形成するために単
独又は組み合わせて使用できる置換シランのその他の例
としては、酸化ケイ素、ジメチルシラン、エチルシラ
ン、イソプロピルシラン、n-ブチルシラン、イソブチ
ルシラン、フェニルシラン、およびメチレンビス-シラ
ンが挙げられる。
炭素-含有酸化ケイ素誘電体に添加できる誘電体の量は
少量であるべきである。用語の“少量”は上記混合物中
の誘電体の合計量の50容量%を越える量が本発明の低誘
電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体を包含すべきで
あることを意味する。しかしながら,場合によっては、
得られる混合物のその他の特性、例えば薄膜形成能力、
を高めるために、たとえこのような使用によって得られ
る混合物の誘電率が増大するとしても、他の誘電体を50
容量%を越えて、即ち、他の誘電体が約70容量%まで、
そして本発明の低誘電率の炭素-含有酸化ケイ素誘電体
が30容量%までの使用が許容されてもよい。
平均誘電率を誘電体の特定比率について下記の式を用い
て決定できる: kav=Σixiki ここで、xiは誘電成分iの容積分率であり、そしてki
は純粋な誘電成分の誘電率である。従って、例えば、得
られる混合物の薄膜形成特性を高めるために、誘電体a
及び誘電体bを本発明の低誘電率の多数炭素-含有酸化
ケイ素誘電体に加えることができる。混合物が10容量%
の誘電体aと、15容量%の誘電体bと、75容量%の本発
明の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体とを含
む場合、この混合物の平均誘電率はそれぞれの誘電体の
誘電率と上記混合物の容量%との積の合計を含むであろ
う。本発明の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電
体の誘電率が2.8であり、誘電体aの誘電率が3.5であ
り、誘電体bの誘電率が3.4である場合、平均誘電率k
avは(2.8×.75)+(3.5×.10)+(3.4×.15)=2.96
になるであろう。
子及び第1級水素から成る1又はそれ以上の多数炭素-含
有基にそれぞれ結合するケイ素原子を含む酸化ケイ素物
質を含む新規な低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘
電体を提供する。
誘電体の形成を説明するフローシートである。
Claims (16)
- 【請求項1】 炭素原子及び第1級水素から構成され
て、化学式‐(C)y(CH3)z(但し、yは 1〜4の整数であ
り、そしてzは 2y+1である)を有する多数炭素-含有
枝分れアルキル基にそれぞれ結合するケイ素原子を含む
酸化ケイ素物質を包含する集積回路構造物用の低誘電率
の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体であって、上記多数
炭素-含有枝分れアルキル基が、化学式‐C7H15を有する
1,1,2,2‐テトラメチルプロピル基、化学式‐C10H
21を有する 1,1,2,2,3,3,‐ヘキサメチルブチル
基、および化学式‐C13H27を有する 1,1,2,2,3,
3,4,4‐オクタメチルペンチル基のいずれかを含む、
低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項2】 a)炭素-含有基に接合するケイ素原子
を持たない酸化ケイ素誘電体; b)それぞれが一又はそれ以上の単独炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体; c)それぞれが第2級水素を含有する炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体; d)それぞれが単独芳香族炭素基に接合するケイ素原子
を含有する酸化ケイ素誘電体;及び e)上記a),b),c),及びd)の2つ又はそれ以
上の混合物:から成る群から選ばれる追加の物質を更に
含む、請求項1の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素
誘電体。 - 【請求項3】 上記追加の物質が上記低誘電率の多数炭
素-含有酸化ケイ素誘電体の合計容量の70容量%以下で
ある、請求項2の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素
誘電体。 - 【請求項4】 上記追加の物質が上記低誘電率の多数炭
素-含有酸化ケイ素誘電体の合計容量の50容量%未満で
ある、請求項2の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素
誘電体。 - 【請求項5】 酸化ケイ素、ジメチルシラン、エチルシ
ラン、イソプロピルシラン、n-ブチルシラン、イソブ
チルシラン、フェニルシラン、メチレンビス-シラン、
及び上記の2又はそれ以上の混合物から成る群から選ば
れる追加の物質を更に含む、請求項1の低誘電率の多数
炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項6】 炭素原子及び第1級水素から構成され
て、化学式‐(C)y(CH3)z(但し、yは 3〜5の整数であ
り、そしてzは 2y−1である)を有する多数炭素-含有
環状アルキル基にそれぞれ結合するケイ素原子を含む酸
化ケイ素物質を包含する、集積回路構造物用の低誘電率
の多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項7】 上記多数炭素-含有環状アルキル基が化
学式‐C8H15を有する1,2,2,3,3-ペンタメチルシク
ロプロピル基を含む、請求項6の低誘電率の多数炭素-
含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項8】 上記多数炭素-含有環状アルキル基が化
学式‐C11 H21を有する1,2,2,3,3,4,4,-ヘプタ
メチルシクロブチル基を含む、請求項6の低誘電率の多
数炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項9】 上記多数炭素-含有環状アルキル基が化
学式‐C14 H27を有する1,2,2,3,3,4,4-ノナメチ
ルシクロペンチル基を含む、請求項6の低誘電率の多数
炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項10】 a)炭素-含有基に接合するケイ素原
子を持たない酸化ケイ素誘電体; b)それぞれが一又はそれ以上の単独炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体; c)それぞれが第2級水素を含有する炭素基に接合する
ケイ素原子を含有する酸化ケイ素誘電体; d)それぞれが単独芳香族炭素基に接合するケイ素原子
を含有する酸化ケイ素誘電体;及び e)上記a),b),c),及びd)の2つ又はそれ以
上の混合物:から成る群から選ばれる追加の物質を更に
含む、請求項6の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケイ素
誘電体。 - 【請求項11】 上記追加の物質が上記低誘電率の多数
炭素-含有酸化ケイ素誘電体の合計容量の70容量%以下
である、請求項10の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケ
イ素誘電体。 - 【請求項12】 上記追加の物質が上記低誘電率の多数
炭素-含有酸化ケイ素誘電体の合計容量の50容量%未満
である、請求項10の低誘電率の多数炭素-含有酸化ケ
イ素誘電体。 - 【請求項13】 酸化ケイ素,ジメチルシラン,エチル
シラン,イソプロピルシラン,n-ブチルシラン,イソ
ブチルシラン,フェニルシラン,メチレンビス-シラ
ン,及び上記の2又はそれ以上の混合物から成る群から
選ばれる追加の物質を更に含む、請求項6の低誘電率の
多数炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項14】 炭素及び第1級水素から成る多数炭素
-含有環状アルキル基にそれぞれ結合するケイ素原子を
含有する酸化ケイ素物質を含む集積回路構造物用の低誘
電率の炭素-含有酸化ケイ素誘電体であって、炭素原子
に結合する第1級水素を有し、化学式 SiHx((C)y(CH3)z)
(4-x)(但し、xは 1〜3であり、yは3〜5の整数であ
り、そしてzは 2y−1である)を有する炭素-置換シラ
ンを穏やかな酸化剤と反応させることにより形成され
る、酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項15】 xが 3である、請求項14の低誘電率
の炭素-含有酸化ケイ素誘電体。 - 【請求項16】 上記穏やかな酸化剤が過酸化水素(H2
O2)を含む、請求項14の低誘電率の多数炭素-含有酸
化ケイ素誘電体。
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