JP3508629B2 - 耐熱低誘電率薄膜の形成方法、その耐熱低誘電率薄膜からなる半導体層間絶縁膜及びこの半導体層間絶縁膜を用いた半導体装置 - Google Patents
耐熱低誘電率薄膜の形成方法、その耐熱低誘電率薄膜からなる半導体層間絶縁膜及びこの半導体層間絶縁膜を用いた半導体装置Info
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Description
などに用いられる絶縁膜、電気回路部品として用いられ
る半導体デバイスなど耐熱低誘電率材料に関するもので
ある。
て、信号遅延の問題が深刻になりつつある。信号遅延は
配線の抵抗Rと配線間ならびに層間の容量Cの積で表さ
れるものである。遅延を最小に抑えるためには、配線抵
抗を低下させることと並んで、層間絶縁膜の誘電率を下
げることが有効な手段である。
くするために、フッ素原子を導入したシリコン酸化膜
(SiOF膜)で、層間絶縁膜を形成することが提案さ
れている。また有機化合物材料は比較的、誘電率を低く
することが可能であるため、フッ素原子を導入したパリ
レン蒸着膜やポリイミドに膜で層間絶縁膜を形成するこ
とも提案されている(柴田英毅、電子情報通信学会誌、
第80巻、3号、235ページ、1997年)。
OF膜で層間絶縁膜を形成する場合では、従来のものに
比べて層間絶縁膜の誘電率が低くなるものの誘電率が
3.2〜3.5程度であり、したがって配線間の容量低
減や配線の信号伝播遅延の防止等が十分に図られていな
い。また後者の有機化合物材料で層間絶縁膜を形成する
場合は、ポリイミドにフッ素原子を導入した膜やアリー
ルエーテル系高分子で誘電率2.7が達成されているが
まだまだ不十分である。そしてパリレンの蒸着膜では誘
電率2.4を達成できるが耐熱性が200〜300℃程
度しか得られないため、半導体素子の製造プロセスに制
限を加えてしまう。
2.0〜2.5の値が報告されているが、気孔率が高い
ため機械的強度(CMP研磨プロセス耐性)が弱く、ま
た、気孔径ばらつくという問題がある。
2膜は、従来のSiO2層間絶縁膜よりも熱伝導性が劣る
ため配線温度上昇による配線寿命劣化(エレクトロマイ
グレーション)が懸念されている。
性、機械的強度、熱伝導性に優れた層間絶縁膜の開発が
切望されている。具体的には、デザインルール0.13
μm〜0.10μmにおいて、機械的強度、熱伝導性が
SiO2膜と同程度以上かつ誘電率2.4以下、耐熱性
(熱分解温度)450℃以上が要求されている。
低く、半導体素子、電気回路部品などに適用可能な耐熱
低誘電率薄膜及びその形成方法を提供することである。
元素記号がBとNとHとからなる分子で構成され、組成
がBの1原子に対して、0.7<N原子数<1.3およ
び1.0<H原子数<2.2なる関係を満足し、誘電率
が2.4以下である耐熱低誘電率薄膜を基板表面に形成
する方法が、化学的気相成長法による耐熱低誘電率薄膜
の形成方法である。
熱低誘電率薄膜の形成方法において、耐熱低誘電率薄膜
の熱分解温度が450℃以上であるものである。
求項2記載の耐熱低誘電率薄膜の形成方法において、化
学的気相成長における原料ガスに、ジボランを含むガス
とアンモニアを含むガスとを用いるものである。
求項2記載の耐熱低誘電率薄膜の形成方法において、化
学的気相成長における原料ガスに、ボラジンを含むガス
を用いるものである。
とHとからなる分子で構成され、組成がBの1原子に対
して、0.7<N原子数<1.3および1.0<H原子
数<2.2なる関係を満足し、誘電率が2.4以下であ
る耐熱低誘電率薄膜からなる半導体層間絶縁膜である。
導体層間絶縁膜において、耐熱低誘電率薄膜の熱分解温
度が450℃以上であるものである。
4記載の耐熱低誘電率薄膜の形成方法によって形成され
る半導体層間絶縁膜である。
7記載の半導体層間絶縁膜からなる半導体装置である。
NとHとからなる分子で構成される薄膜において、B1
原子に対して、0.7<N原子数<1.3および1.0
<H原子数<2.2なる関係を満足する化合物とは、具
体的には、下記式(1)に示すボラジン(無機ベンゼン
あるいはボラゾールとも呼ばれる)がある。
体構造を基本単位にして、分子成長した化合物が本発明
の耐熱低誘電率薄膜に好適であり、この化合物からなる
耐熱低誘電率薄膜は半導体層間絶縁膜に適用することが
でき、さらにこの絶縁膜を適用することによって優れた
半導体デバイスを製造することができる。
電率化を達成でき、誘電率を2.4以下にできる理由は
次のとおりである。すなわち、一般に材料の誘電率εは
電子分極、原子分極、配向分極、界面分極などの分極の
総和で表記されるが、本発明に係わる1MHZ以上の周
波数の高い領域では、界面分極などの寄与はなく、また
配向性を示さない材料であれば、誘電率を支配する分極
としての電子分極と原子分極だけを考えれば良い。本発
明は、電子分極と原子分極の両方の分極率が小さな材料
を分子設計によって探索した結果、到達したものであ
る。
基準座標qの関数として与えられ、双極子モーメントμ
の電場Εに対する微分から、電子分極と原子分極が評価
できる。 dμ(E,q)/dE=δμ(E,q)/δE+δμ
(E,q)/δq・δq/δE α(電子分極)=δμ(E,q)/δE α(原子分極)=δμ(E,q)/δq・δq/δE =δμ/δq (δ2E/δqδq)-1δμ/δq =δμ/δq(κ)-1δμ/δq から、原子分極は分子における原子間の結合強度κ(力
定数)に反比例するのである。
上記したように、フッ素化パリレンの誘電率ε=2.4
であることから、下記の式(5)〜式(10)に示すモ
デル系について分子軌道計算を実施した。計算結果を表
1にまとめて示す。
率αは炭化水素系(式(5)、式(6)、式(7))よ
りもボラジン系(式(8)、式(9)、式(10))の
方が小さくなっていることがわかる。つまりボラジン系
が理論的にも小さい誘電率を示すことがわかる。各系の
分子分極率比は、それぞれ 式(5)/式(2)=0.85、 式(6)/式(3)=0.88、 式(7)/式(4)=0.86 である。このことは、フッ素化パリレン(式(4))の
誘電率εが2.4であるので、そのボラジン系(式
(7))の誘電率εが2.0〜2.1になることが予測
されることを示している。
格を有している化合物が誘電率ε2.4以下を達成でき
ることがわかるが、これをさらに具体的に記述すると、
元素記号がBとNとHとからなる分子で構成される薄膜
において、Bに対して、0.7<N<1.3および1.
0<H<2.2なる関係を満足する化合物が本発明には
好適に用いられる。ここで、B1分子に対してNの分子
数範囲が0.7<N<1.3を外れると分子中に含有す
るボラジン骨格割合が少なくなり過ぎて、誘電率εが大
きくなって2.4を超えてしまい、またHの分子数範囲
が1.0<H<2.2を外れても分子中に含有するボラ
ジン骨格割合が少なくなり過ぎるか、あるいはグラファ
イト化が起こって誘電率εが大きくなって2.4を超え
てしまう。従って、本発明の具体的な化合物としては、
分子中に下記の式(8)〜式(12)の構造を含む材料
などがあげられる。
は、述べるまでもなく有機系高分子材料と比較して耐熱
性に優れた無機高分子系材料を用いているためである。
らなる分子で構成される耐熱低誘電率薄膜の作製は、例
えば、S.V.Nguyen,T.Nguyen,H.
Treichel,O.Spindler;J.Ele
ctrochem.Soc.,Vol.141,No.
6,p1633(1994)、W.F.Kane,S.
A.Cohen,J.P.Hummel,B.Luth
er;J.Electrochem.Soc.,Vo
l.144,No.2,p658(1997)、M.M
aeda,T.Makino;Japanese Jo
urnal ofApplied Physics,V
ol.26,No.5,p660(1987)などに従
って行える。すなわち、ジボラン(B2H6)とアンモニ
ア(NH 3)またはボラジン(B3N3H6)とチッ素(N
2)を原料として、これを化学的気相成長法(CVD
法)に適用して縮合反応を行なわせる方法などにより得
ることができる。
r)ガスなどの不活性ガスを原料のキャリアガスとして
使用してもよい。
(CVD)を行うための装置としては、公知のプラズマ
CVD装置が用いられる。
自然発火するために取り扱いには注意を要するが、その
重合体は熱安定性にも優れたものとなる。
は、そのままでも耐熱低誘率薄膜として用いることもで
きるが、例えば、この生成膜を800℃以下の温度(グ
ラファイト化のあまり進行しない温度)で熱処理しても
よい。
素子用層間絶縁膜、IC基板など各種電子部品に応用す
ることができる。
よって具体的に説明する。
(S.V.Nguyen,T.Nguyen,H.Tr
eichel,O.Spindler;J.Elect
rochem.Soc.,Vol.141,No.6,
p1633(1994))に準じて、プラズマCVD装
置(RF:13.56MHz)を用い、ボラジン(B3
N3H6)とチッ素(N2)を原料としてプラズマ重合を
行い、金を対向電極として蒸着した石英板上に重合生成
物を堆積させた。
ッ素(N2)=1/100混合ガスとアンモニア(N
H3)およびチッ素(N2)を用いた他は実施例1と同様
にして重合生成物を堆積させた。
電極として蒸着して25℃でインピーダンスアナライザ
(ヒューレットパッカード社製:4191A)を用いて
1MHzで誘電率を測定した。
件、生成物の元素分析結果、および誘電率の測定結果を
表2および表3にまとめて示す。
誘電率2.4以下であり、これらの結果から、本発明が
目的とする低誘電率薄膜を、得ることができることがわ
かった。
記式(13)の構造のものを含むと考えられる。
〜1,200℃に加熱することによって、脱水素してグ
ラファイト化するが、450℃の耐熱性は充分に保有し
ている。
2.4以下、耐熱性450℃以上の耐熱低誘電率薄膜が
得られる。
用層間絶縁膜、IC基板など半導体素子および電気回路
部品へこの耐熱低誘電率薄膜を適用することにより、電
気信号の遅延が小さくなるため、デバイスの高速化に対
応することができる。
Claims (8)
- 【請求項1】 元素記号がBとNとHとからなる分子で
構成され、組成がBの1原子に対して、0.7<N原子
数<1.3および1.0<H原子数<2.2なる関係を
満足し、誘電率が2.4以下である耐熱低誘電率薄膜を
基板表面に形成する方法が、化学的気相成長法によるこ
とを特徴とする耐熱低誘電率薄膜の形成方法。 - 【請求項2】 耐熱低誘電率薄膜の熱分解温度が450
℃以上であることを特徴とする請求項1記載の耐熱低誘
電率薄膜の形成方法。 - 【請求項3】 化学的気相成長における原料ガスに、ジ
ボランを含むガスとアンモニアを含むガスとを用いるこ
とを特徴とする請求項1または2記載の耐熱低誘電率薄
膜の形成方法。 - 【請求項4】 化学的気相成長における原料ガスに、ボ
ラジンを含むガスを用いることを特徴とする請求項1ま
たは2記載の耐熱低誘電率薄膜の形成方法。 - 【請求項5】 元素記号がBとNとHとからなる分子で
構成され、組成がBの1原子に対して、0.7<N原子
数<1.3および1.0<H原子数<2.2なる関係を
満足し、誘電率が2.4以下である耐熱低誘電率薄膜か
らなる半導体層間絶縁膜。 - 【請求項6】 耐熱低誘電率薄膜の熱分解温度が450
℃以上であることを特徴とする請求項5記載の半導体層
間絶縁膜。 - 【請求項7】 請求項1〜請求項4記載の耐熱低誘電率
薄膜の形成方法によって形成される半導体層間絶縁膜。 - 【請求項8】 請求項5〜請求項7の半導体層間絶縁膜
を用いた半導体装置。
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