JP3561465B2

JP3561465B2 - 回路基板とその製造方法

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Publication number: JP3561465B2
Application number: JP2000293612A
Authority: JP
Inventors: 弘之坂上; 隆行高萩; 正三新宮原
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002110870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高集積度で高速動作のできる半導体集積回路用の回路基板およびその製造方法に関し、特にダイヤモンド微粒子を結合したポーラス（多孔質）構造の膜により低誘電率化を図った回路基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体超ＬＳＩデバイスでは、配線の微細化・高集積化に伴い、回路基板中につくられる配線を通過する信号の遅延が大きな問題となっている。特にロジックなどの高速デバイスにおいては、配線の抵抗や分布容量によるＲＣ遅延が最大の課題となっており、なかでも分布容量を小さくするために、配線間の絶縁材料に低誘電率の材料を用いることが必要とされている。
【０００３】
従来、半導体集積回路内の多層配線間の絶縁材料として、フッ素や有機物を添加したシリカ膜（ＳｉＯ_２）が低誘電率膜として使用されている。また、さらなる低誘電率化のために絶縁膜を低密度化する方法として、発泡性を有する有機シリカ材料を熱処理したものや、シリカ微粒子を積層して形成したポーラス状シリカ膜や、シリカを含まない有機系高分子材料の使用などが検討されている。
【０００４】
しかし、シリカ系の材料は２種以上の原子で構成され、しかも電気陰性度の高い酸素原子を主成分として含んでいることから、誘電率を高くする要因の一つである大きな配向分極が残るため、低誘電率化には限界がある。また有機系高分子材料の場合、配向分極を小さくして低誘電率化することは可能であっても、有機高分子の熱分解温度が本質的に低いことから、回路基板に必要な耐熱温度を上げることが難しいという問題がある。
【０００５】
さらに、シリカ微粒子積層によるポーラス状シリカ膜の場合は、使用する粒子が非晶質のため粒子形状が多様性を持ち、また粒子サイズの分散を小さくすることが困難であるため、ナノポア（ナノメートル程度の径をもつ細孔）が相互に広範囲にわたって連続しやすくなり、細孔同士がつながって、回路基板に必要な機械的強度を低下させる点に問題がある。
【０００６】
一方、最近になり、粒子形状分散が小さくてほぼ均一な粒径を持つダイヤモンド微粒子を低コストで製造する技術が開発されたため、ダイヤモンドの膜を回路基板に適用することが具体的に検討されるようになってきた。ダイヤモンドは、他の材料よりも各段に優れた熱伝導度（２，０００Ｗ／ｍＫ）や機械的強度を持っているので、集積度が高くて発熱量の多い回路基板には有効な材料である。
このようなダイヤモンド膜を回路基板に用いた技術の１例が、特許文献［特開平６− ９７６７１号公報（出願人：株式会社東芝）］に記載されている。この技術では、絶縁層を構成する厚さ５μｍのダイヤモンド膜を、スパッタ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法、クラスターイオンビーム法等の製膜法により作成し、回路素子の発生する熱を基材に放散するための熱伝導性を高めている。また、配線部の信号伝播遅延を防止するために、配線の周囲を硼珪酸ガラスの低誘電率膜で覆っている。しかし、この技術で使用されるダイヤモンド膜形成のためのＣＶＤ法は、有害ガスや可燃性ガスを使用するため安全性の面に問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ダイヤモンド膜を回路基板に用いる従来の試みは、ダイヤモンド膜の持つ高い熱伝導性と機械的強度に着目してなされたものであるが、ダイヤモンド膜の製膜に用いられるＣＶＤ法では有害ガスを使用するなど、製造時の安全性に問題があり、またダイヤモンドの比誘電率は５．６８で配線の分布容量が大きくなることから信号伝播遅延が問題になるため、配線の周囲を別の低誘電率材料の膜で覆う必要が生じていた。その結果、集積回路の製造工程の複雑化を招き、生産能率をあまり高くすることができなかった。
【０００８】
本発明の課題は、比較的簡単な工程で低誘電率ダイヤモンド膜を製膜可能にすることにあり、高集積度で高速動作が可能な回路基板およびその製造方法を実現するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、ダイヤモンド膜をポーラス構造とするものである。図１により本発明の原理を説明する。
【００１０】
図１の（ａ）は、本発明によるダイヤモンド膜のポーラス構造を示す。ダイヤモンド微粒子が相互に結合された状態で膜を形成し、ダイヤモンド微粒子間には微小な空隙がほぼ均一に分散されて、ポーラス構造をなしている。ダイヤモンド膜のポーラス度、つまり空隙率を調整することにより、比誘電率を容易に低下させることができる。
【００１１】
図１の（ｂ）は、ポーラス構造ダイヤモンド膜の空隙率ｐと比誘電率εの関係を示す。ダイヤモンド膜の比誘電率εの値は、空隙率ｐを０％から１００％まで変化させると、ダイヤモンド単体（バルク）の比誘電率５．６８と空気の比誘電率１の間で直線的に変化する。
【００１２】
ポーラス構造のダイヤモンド膜は、ダイヤモンド微粒子を適当な濃度で溶媒中に分散させた溶液を作り、その溶液を基板面（基板における下地層の面）に塗布し、乾燥させることにより製造できる。
【００１３】
本発明によるポーラス構造のダイヤモンド膜とその製造方法は、以下の各項にしたがって構成される。
〔１〕均一に分散された微小な空隙を持ってダイヤモンド微粒子が結合されているダイヤモンド膜を有することを特徴とする回路基板。
〔２〕ダイヤモンド微粒子の粒径が２０ｎｍ以下であることを特徴とする前項１に記載の回路基板。
〔３〕空隙率が５７％以上であることを特徴とする前項１または２に記載の回路基板。
〔４〕比誘電率が３．０以下であることを特徴とする前項１または２に記載の回路基板。
〔５〕ダイヤモンド微粒子を溶媒中に均一に分散させた溶液を生成する工程と、該溶液を基板に塗布する工程と、該塗布された溶液中の溶媒を放散する工程とを少なくとも有して、均一に分散された微小な空隙をもつダイヤモンド膜を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。
〔６〕ダイヤモンド微粒子の粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする前項５に記載の回路基板の製造方法。
〔７〕溶液を生成する工程では、溶媒に、純水、あるいはエタノール等のアルコール系溶剤、あるいはヘキサン等の飽和炭化水素系溶剤、あるいはパーフロロヘキサン等の弗化炭化水素系溶剤を用いることを特徴とする前項５または６に記載の回路基板の製造方法。
〔８〕溶液を生成する工程では、溶媒に有機高分子の粘度調整剤を添加することを特徴とする前項５ないし７に記載の回路基板の製造方法。
〔９〕溶液を生成する工程では、ダイヤモンド微粒子を溶媒中に所定の濃度で懸濁してから超音波を印加してダイヤモンド微粒子を単体あるいは微粒子凝集体の状態で分散させることを特徴とする前項５ないし８に記載の回路基板の製造方法。
〔１０〕溶液を生成する工程では、超音波の印加によりダイヤモンド微粒子を分散させる際、超音波のパワーおよび印加時間を調整してダイヤモンド微粒子凝集体のサイズあるいは粒子数を制御することを特徴とする前項９に記載の回路基板の製造方法。
〔１１〕溶液を生成する工程では、ダイヤモンド微粒子凝集体を構成する粒子の数が１０程度から１００００程度の範囲にあることを特徴とする前項１０に記載の回路基板の製造方法。
〔１２〕溶液を基板に塗布する工程では、スピンコート法を用いることを特徴とする前項５または６に記載の回路基板の製造方法。
〔１３〕塗布された溶液中の溶媒を放散する工程では、２００〜５００ ℃の範囲の温度で加熱乾燥させることを特徴とする前項５または６に記載の回路基板の製造方法。
〔１４〕所望の膜厚を得るため必要な場合、塗布工程と放散工程を複数回繰り返すことを特徴とする前項５に記載の回路基板の製造方法。
〔１５〕放散工程の後に、紫外線照射工程を含む前項５または６に記載の回路基板の製造方法。
【００１４】
【作用】
ダイヤモンドは、材料の誘電率を決定する誘電分極の内、配向分極、イオン分極が存在せず、また電子分極も小さい特徴がある。また、分解温度も高い。しかし、ダイヤモンドの単体では、他の低誘電率材料に比較して比誘電率が５．６８と高いので、そのままでは回路基板の低誘電率材料に適さない。そこで、微小な隙間を持つポーラス構造のダイヤモンド膜を形成することによって、誘電率を低下させた。
【００１５】
粒径の分散が小さいダイヤモンド微粒子を塗布法によって製膜することにより、微粒子同士が結合し、形成されたダイヤモンド膜は、回路基板を構成するために必要な機械的強度や熱伝導度を高くすることができる。
ダイヤモンド微粒子の空隙率を５７％以上とすれば、比誘電率３．０以下が得られ、これは他の低誘電材料の比誘電率に比べて遜色のない値となる。
【００１６】
またダイヤモンド微粒子の粒径を２０ｎｍ以下とすることにより、空隙のサイズを２０ｎｍ程度以下にすることができ、１００ｎｍ程度の微細な溝構造を有する超ＬＳＩにおいても、溝内外をダイヤモンド微粒子により緻密に充填することが可能である。
【００１７】
塗布・放散を複数回繰り返すことによって、任意厚さの層が得られる。
【００１８】
放散後に紫外線照射をすると、粒子の結合が一層強固になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態について以下に説明する。なお、本説明において用いられる用語の意味は次の通りである。
「ダイヤモンド微粒子」：ダイヤモンド結晶構造を持つ炭素の同位体で、粒径が１ｎｍから１，０００ｎｍである固体粒子をいう。また前記した特許文献中に記述されている「ダイヤモンドライクカーボン」は含まれない。なお、１，０００ｎｍを超える粒径の場合は、塗布法による製膜によっても回路基板の構成に必要な粒子間の結合強度が得られないし、１ｎｍ以下の微粒子については製造が困難であるため除外される。ダイヤモンド微粒子は高圧法や気相法により結晶性の良いものが合成されており、市販品が容易に入手できる。
「均一に分散した空隙」：空隙とは、ダイヤモンド微粒子以外の空間であって、溶媒の蒸発した後の空間部をいう。溶液の一部が残っている場合も空間部に含める。また均一に分散とは、空隙が意図的ないし、製造工程上のばらつきによって局所的に発生したものでないことをいう。一定範囲に細孔が同じような密度で分布している状態をいう。
「層」：基板上の全体または一部分に、一定の厚さをもって構成されている部分をいう。製膜後の加工で、金属配線によって分断されている場合も含む。必ずしも基材と平行に有るものだけでなく、その他の方向に層をなしている場合も含む。
〔実施例１〕
図２に、本発明によるポーラス構造ダイヤモンド膜を基板上に形成する製造工程の１実施例を示す。図に示すように、本製造工程は、▲１▼コロイド溶液の生成、▲２▼スピンコート、▲３▼乾燥、▲４▼膜構造強化の４工程で構成される。
▲１▼コロイド溶液の生成工程
コロイド溶液の生成工程では、ダイヤモンド微粒子を純水あるいはエタノール等のアルコール系溶剤あるいはヘキサン等の飽和炭化水素溶剤あるいはパーフロロヘキサン等の弗化炭化水素溶剤などの溶媒に懸濁し、超音波分散して、溶液中にダイヤモンド微粒子を分散させる。コロイド溶液の粘度を調整するためにポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を添加する。粘度調整にはＰＥＧのほか分子中に酸素を含有し３００ ℃程度の比較的低温で分解可能な有機高分子が使用可能である。ＰＥＧ添加によりコロイド溶液の粘度を高くすることができ、次のスピンコート工程において、より厚い膜の形成が可能となる。
【００２０】
また超音波分散を行う際に、印加する超音波のパワー及び時間を変えることにより、ダイヤモンド微粒子の凝集体サイズを制御することができ、その結果としてダイヤモンド膜のポーラス度（空隙率）を制御することが可能である。超音波のパワーが大きく、かつ時間が十分に長い場合にはダイヤモンド微粒子は個々に完全に分離されるが、その場合には最密充填構造に近くなり、ダイヤモンド膜のポーラス度は５０パーセント以下となる。ポーラス度を５０％以上とし、誘電率を十分低くするためには、凝集体を１０個以上のダイヤモンド微粒子からなる大きさに形成し、それらの凝集体をネットワーク化させて膜を形成することが望ましい。また凝集体の粒子数が１００００を越すと、凝集体サイズが２００ｎｍを越える凝集体が多くなるため、超ＬＳＩの微細パターンへの絶縁膜形成が困難となる。
▲２▼スピンコート工程
コロイド溶液をスピンコート法により基板面に塗布する。そのため、基板を回転させて溶液を基板面に滴下し、滴下した溶液が遠心力により拡散されて、
基板面に薄く一様に塗布されるようにする。塗布法には、スピンコート法のほか、カーテンコート法などがあるが、膜厚の調整がしやすい点で、スピンコート法が有利である。
▲３▼乾燥工程
基板面に薄く塗布されたコロイド溶液膜を加熱乾燥して溶剤および添加剤を放散除去し、ポーラス構造のダイヤモンド膜を形成する。加熱温度は有機高分子が分解する２００〜５００ ℃の範囲で行う。この加熱乾燥の際、膜中で接触している一部のダイヤモンド微粒子同士が、表面の水酸基同士を脱水縮合させて架橋構造を形成する。
▲４▼膜構造強化工程
形成されたポーラス構造のダイヤモンド膜にさらに紫外（ＵＶ）線を照射し、ダイヤモンド微粒子表面の水酸基同士の脱水反応を促進させることにより、ダイヤモンド微粒子間の架橋構造を増加させ、ポーラス構造ダイヤモンド膜の強度を高める。
【００２１】
また、▲２▼と▲３▼の工程、あるいは▲２▼から▲４▼までの工程を繰り返して、膜を積層することにより、任意の厚さの膜を形成することが可能である。さらに、膜厚方向に膜の架橋度等の膜質を変化させることも可能である。
〔実施例２〕
図３に、本発明のポーラス構造のダイヤモンド膜を集積回路用の二層回路基板に適用した１実施例を示す。図は、二層回路基板の部分断面を示しており、図中の１は基材、２はバリア層、３はポーラス構造のダイヤモンド層、４は金属配線、５はポーラス構造のダイヤモンド被覆層である。
【００２２】
ダイヤモンド層３は、半導体集積回路内の層間絶縁膜であり、ポーラス構造をもつことにより低誘電率化が図られている。この層に使用されるダイヤモンド微粒子のサイズは、２０ｎｍ以下の単分散のものが望ましい。ポーラス構造によりダイヤモンド層３の比誘電率を３．０以下に下げるためには、空隙率５７％以上が必要である。またポーラス構造をもつダイヤモンド層３の吸湿や、金属配線４の金属の拡散が生じるのを防止するために、ダイヤモンド層３と基材１および金属配線４との界面にバリア層２が設けられている。バリア層２には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜および有機系高分子膜などの緻密な膜が用いられる。
【００２３】
ダイヤモンド被覆層５は、ポーラス構造ダイヤモンド膜を使用した半導体集積回路内の最終保護膜である。この被覆層５の場合、ダイヤモンド微粒子のサイズとして１００ｎｍ以下のものを使用し、ダイヤモンドによる熱伝導特性を高めて、集積回路の発熱を効率良く外部に導くことを可能にする。
〔実施例３〕
本発明によるポーラス構造ダイヤモンド膜の製造工程の１実施例を次に示す。
（１）平均粒径４．４ｎｍのダイヤモンド微粒子を、純水中に５％濃度で分散させた。さらに分子量６００のポリエチレングリコールを１％添加し、均一化した溶液を準備した。
（２）スピンコート法により１，０００ｒｐｍで回転している基材上に溶液を滴下して塗布した。
（３）大気中で３００ ℃に１時間加熱し、乾燥させて製膜した。
【００２４】
図４は、製造されたポーラス構造ダイヤモンド膜の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。直径１０ｎｍ程度のナノポアが均一に分散している様子がわかる。屈折率を測定し、その平方で求めた比誘電率は２．７２であり、空隙率は６３％であった。
〔実施例４〕
図５は、本発明のポーラス構造ダイヤモンド膜を、金属配線ＣＭＰ（化学研磨）工程のストッパーに適用した場合の工程の１実施例を示す。図は、金属配線形成の細部工程▲１▼、▲２▼、▲３▼を回路基板の部分断面により示しており、１は基材、６は層間絶縁層、７はポーラス構造のダイヤモンド層、８は金属層、９は金属配線である。
▲１▼溝パターン形成工程
層間絶縁層６の上部にポーラス構造のダイヤモンド層７を形成し、金属配線埋込み用のホール及び溝パターンをリソグラフィー及びドライエッチング処理により形成する。層間絶縁層６は、酸化シリコン、フッ素含有酸化シリコン、有機系絶縁膜等の低誘電率材料である。
▲２▼配線工程
工程▲１▼で形成したパターン付き基板上に金属層８を堆積する。金属層８には、スパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法で形成した銅及び銅合金材料やアルミニウム及びアルミニウム合金、あるいはタングステンなどの材料を使用した。
▲３▼研磨工程
ホール及び溝パターン上部の金属層を除去するために研磨処理する。ポーラス構造のダイヤモンド層７は機械的にも化学的にも安定な材料であるため、ダイヤモンド層７まで研磨が進んだ時点で研磨が停止し、層間絶縁層６に埋込まれた金属配線９が形成できた。
【００２５】
ＣＭＰのストッパー層としては、現在、窒化シリコンや炭化シリコンが用いられているが、これらの比誘電率が７〜１０程度と高いのが問題となっている。
【００２６】
本発明によるポーラス構造のダイヤモンド膜は、ダイヤモンドで構成されているために機械的強度が高く、化学的にも安定で、しかもポーラス化することで低誘電率化されているため、本発明をストッパー層に適用することで多層配線における容量の低減が実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、超ＬＳＩなどの高集積度・微細化配線を持つ回路基板において、ポーラス構造のダイヤモンド膜を回路基板の層間絶縁膜等に使用することにより、配線の周囲を低誘電率化して、従来問題となっていた配線での信号遅延を大幅に低減することを可能にするとともに、回路基板の高耐熱性化、高強度化を図ることができ、さらにこのような低誘電率のダイヤモンド膜を高能率で容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるポーラス構造のダイヤモンド膜の原理説明図である。
【図２】本発明によるダイヤモンド膜製造工程の１実施例を示すフロー図である。
【図３】本発明によるダイヤモンド膜を使用した二層回路基板の１実施例の断面図である。
【図４】本発明によるダイヤモンド膜の断面のポーラス像を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明のポーラス構造ダイヤモンド膜を、金属配線ＣＭＰ工程のストッパーに適用した場合の工程の１実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１：基材
２：バリア層
３：ポーラス構造のダイヤモンド層
４：金属配線
５：ポーラス構造のダイヤモンド被覆層
６：ダイヤモンド膜を用いない層間絶縁膜
７：ポーラス構造のダイヤモンド層
８：金属層
９：金属配線

Claims

均一に分散された微小な空隙を持ってダイヤモンド微粒子が結合されているダイヤモンド膜を有することを特徴とする回路基板。
ダイヤモンド微粒子の粒径が２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
空隙率が５７％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
比誘電率が３．０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
ダイヤモンド微粒子を溶媒中に均一に分散させた溶液を生成する工程と、該溶液を基板に塗布する工程と、該塗布された溶液中の溶媒を放散する工程とを少なくとも有して、均一に分散された微小な空隙をもつダイヤモンド膜を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。
ダイヤモンド微粒子の粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の回路基板の製造方法。
溶液を生成する工程では、溶媒に、純水、あるいはエタノール等のアルコール系溶剤、あるいはヘキサン等の飽和炭化水素系溶剤、あるいはパーフロロヘキサン等の弗化炭化水素系溶剤を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の回路基板の製造方法。
溶液を生成する工程では、溶媒に有機高分子の粘度調整剤を添加することを特徴とする請求項５ないし７に記載の回路基板の製造方法。
溶液を生成する工程では、ダイヤモンド微粒子を溶媒中に所定の濃度で懸濁してから超音波を印加してダイヤモンド微粒子を単体あるいは微粒子凝集体の状態で分散させることを特徴とする請求項５ないし８に記載の回路基板の製造方法。
溶液を生成する工程では、超音波の印加によりダイヤモンド微粒子を分散させる際、超音波のパワーおよび印加時間を調整してダイヤモンド微粒子の凝集体のサイズあるいは粒子数を制御することを特徴とする請求項９に記載の回路基板の製造方法。
溶液を生成する工程では、ダイヤモンド微粒子凝集体を構成する粒子の数が１０程度から１００００程度の範囲にあることを特徴とする請求項１０に記載の回路基板の製造方法。
溶液を基板に塗布する工程では、スピンコート法を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の回路基板の製造方法。
塗布された溶液中の溶媒を放散する工程では、２００ −５００ ℃の範囲の温度で加熱乾燥させることを特徴とする請求項５または６に記載の回路基板の製造方法。
所望の膜厚を得るため必要な場合、塗布工程と放散工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の回路基板の製造方法。
放散工程の後に、紫外線照射工程を含む請求項５または６に記載の回路基板の製造方法。