JP3781730B2 - Method for forming silicon insulating film having low dielectric constant and high mechanical strength - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して半導体技術に関し、特にプラズマCVD(化学気相成長)装置を使用することによって機械的強度が高いシリコン系絶縁膜を半導体基板上に形成するための方法に関する。
【0002】
【従来技術】
近年の半導体の高速化・微細化の要求に伴い、多層配線技術分野において信号の遅延を防止するために、配線間の容量を低減することが求められている。配線間の容量を低減するためには、多層配線間の絶縁膜の比誘電率を下げる必要があり、低誘電率絶縁膜の開発が行われてきた。
【0003】
従来のシリコン酸化膜SiOxは、SiH4若しくはSi(OC2H5)4等のシリコン材料ガスに酸化剤として酸素O2、酸化窒素NO若しくは亜酸化窒素N2Oを添加し、熱若しくはプラズマエネルギーによって形成されるもので、その比誘電率はε=4.0程度であった。
【0004】
これに対して、無機シリコン酸化物ガラス(SOG)材料を用いたスピンコート法により、比誘電率ε=2.3程度の低誘電率絶縁膜が形成された。
【0005】
また、材料ガスとしてCxFyHzを用いたプラズマCVD法により、比誘電率ε=2.0〜2.4の低誘電率フッ素化アモルファスカーボン膜が形成された。さらに、シリコン系炭化水素(例えば、P-TMOS(フェニルトリメトキシシラン))を材料ガスとして用いたプラズマCVD法により、比誘電率ε=3.1の低誘電率絶縁膜が形成された。さらにまた、材料ガスとして複数のアルコキシ基を含有するシリコン系炭化水素を用いたプラズマCVD法により、条件を最適化することによりε=2.5程度の低誘電率絶縁膜が形成された。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の上記アプローチには以下のような問題がある。
【0007】
まず、スピンコート法による無機SOG絶縁膜の場合、材料がシリコン基板上に均一に分配されない点、及び材料塗布処理後のキュア工程に用いる装置が高価である点が問題である。
【0008】
また、材料ガスとしてCxFyHzを用いたプラズマCVD法により形成されるフッ素化アモルファスカーボン膜の場合、膜の耐熱性が低く(370℃若しくはそれ以下)、シリコン系材料との密着性が悪く、また膜の機械的強度も低いという欠点がある。
【0009】
さらに、シリコン系炭化水素のうち、P-TMOSを用いた場合、アルコキシ基を3つ含有するため、重合したオリゴマーはシロキサンのような線状構造を形成できない。その結果、シリコン基板上に多孔構造が形成されず、比誘電率を所望の程度まで低減することができない。
【0010】
さらにまた、材料ガスとして複数のアルコキシ基を含有するシリコン系炭化水素を用いた場合、条件を最適化することによって重合したオリゴマーはシロキサンのような線状構造を形成するので、シリコン基板上に多孔構造を形成することができ比誘電率を所望の程度まで低減させることができるが、線状構造のオリゴマーはオリゴマー同士の結合力が弱く、膜の機械的強度が低いという問題を有する。
【0011】
本発明は以上のような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、比誘電率が低くかつ機械的強度が高い絶縁膜を形成する方法を与えることである。
【0012】
また、本発明の他の目的は、装置コストを増大させることなく、低誘電率絶縁膜を容易に形成する方法を与えることである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の実施例において、本発明に係る低誘電率絶縁膜の形成方法は以下の工程から成る。
【0014】
本発明に係るプラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成するための方法は、複数のアルコキシ基及び/またはビニル基のような架橋可能基を含有するシリコン系炭化水素と、架橋ガスと、不活性ガスとからなる材料ガスを反応チャンバに導入する工程と、
反応チャンバ内にプラズマ反応場を生成するために、第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳して印加するか、または第1のRF電力のみを印加する工程と、
各材料ガスの流量及び各RF電力の出力を最適化する工程と、
から成る。
【0015】
材料ガスとして、複数の架橋可能基を含有するシリコン系炭化水素は、単独でまたはひとつ若しくはそれ以上の架橋可能基を有するようなひとつ若しくはそれ以上の他のシリコン系炭化水素と組み合わせて使用される。架橋可能基は、これに限定されないが、アルコキシ基及び/またはビニル基を含む。例えば、もしアルコキシ基を有しないか若しくはひとつのアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素がもっぱら使用されれば、必要により酸素供給ガスを使って酸素を補う際に線状シロキサンオリゴマーが形成される。しかし、その場合、生成膜の機械的強度を増加させるために架橋ガスを使うことによってオリゴマーを架橋するのは困難である。アルコキシ基を有しないか若しくはひとつのアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は2つ若しくはそれ以上のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素より少ない量で使用される。実施例において、10%若しくはそれ以上(15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%及び100%を含む)の材料ガスは、優位に若しくは有効に線状オリゴマーを形成するために2つのアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素である。好適には、材料ガスとして、複数のアルコキシ基を含有するシリコン系炭化水素はジメチルジメトキシシラン(DM-DMOS)若しくは1,3-ジメトキシテトラメチルジソロキサン(DMOTMDS)のような線状化合物である。環状主構造を有するシリコン系炭化水素が線状シリコン系炭化水素よりも少ない量で使用される。上記において、アルコキシ基は-OCnH2n+1(nは1〜4の整数)を含む。材料ガスは1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサンのようなビニル基を含有する化合物であり、アルコキシル基を有する化合物に類似し、当該化合物はオリゴマーを形成することができる。
【0016】
架橋ガスとして、CO2、エチレングリコール、1,2-プロパンジオール、イソプロピルアルコール(IPA)、エチレン、N2若しくはジエチルエーテルのようなあらゆる適当な反応ガスが使用され、それはシリコン系炭化水素のオリゴマーを架橋することができる。例えば、あらゆる適当なアルコール、エーテル、及び/または不飽和炭化水素が使用され、それはC1-6アルカノール及びC4-12シクロアルカノールから成る集合から選択される不飽和炭化水素、及びC1-6不飽和炭化水素、C4-12芳香族炭化水素不飽和化合物及びC4-12脂環式炭化水素不飽和化合物から成る集合から選択される不飽和炭化水素を含む。上記において、より多くの炭素原子を有する化合物は、これに限定されないが、1,4-シクロヘキサンジオール(b.p. 150℃/20mm)、1,2,4-トリビニルシクロヘキサン(b.p. 85〜88℃/20mm)、1,4-シクロヘキサンジメタノール(b.p. 283℃)及び1,3-シクロペンタンジオール(80〜85℃/0.1Torr)を含む。また、複数の反応基(混合された官能性、すなわち不飽和炭化水素及びアルコール官能性)を有する化合物は架橋剤としても使用され、これに限定されないが、エチレングリコールビニルエーテルH2C=CHOCH2OH(b.p. 143℃)、エチレングリコールジビニルエーテルH2C=CHOCH2CH2OCH=CH2(b.p.125〜127℃)、及び1,4-シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル(H2C=C(OH)-CH2)2-(CH2)6(b.p.126℃/14mm)のようなC3-20エーテル並びに1-ビニルシクロヘキサノール(b.p.74℃/19mm)のようなC5-12シクロアルカノールビニル化合物を含む。使用可能な反応ガスは上記に限定されるものではなく、以下に説明される。不活性ガスとして、Ar、Ne及び/またはHeが使用される。また、もし十分な酸素原子がシリコン含有炭化水素内に存在しなければ、材料ガス内に酸素を供給するための酸素供給ガスとして、O2、NO、O3、H2O若しくはN2Oが含まれる。
【0017】
実施例において、高周波数RF電力及び低周波数RF電力を重畳することによって、オリゴマーの架橋が有効に実現される。例えば、2MHz若しくはそれ以上の周波数を有する高周波数RF電力及び2MHz以下の周波数を有する低周波数RF電力の組み合わせが使用される。低周波数RF電力は0.5W/cm2若しくはそれ以下(0.2、0.1、0.075、0.05、0.025W/cm2のような、及びそれらのいずれか2つを含む範囲)のような低電力レベルでも有効である。これに対して、高周波数RF電力は1.5W/cm2若しくはそれ以上(2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5W/cm2のような、及びそれらのいずれか2つを含む範囲)のような高電力レベルで印加される。そのような高電力レベルは生成絶縁膜の機械的強度及び成長速度を増加させることができる。
【0018】
本発明の実施例に従い、低誘電率及び高機械的強度を有するシリコン系絶縁膜は架橋ガスを使用しかつ各ガスの流量及びRF電源の電力強度を最適化することにより形成される。実施例において、低誘電率は2つ若しくはそれ以上のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素の残留物から構成されるオリゴマー(例えば、シロキサン重合体)の形成によって達成され、高機械的強度は低誘電率を維持しながらオリゴマーを架橋することによって達成される。付加的に、本発明の実施例に従い、低誘電率を有する絶縁膜は装置コストを増大させることなく容易に形成される。
【0019】
本発明は上記特徴に属する、半導体基板上に形成された絶縁膜の機械的強度を増加するための方法に関する。実施例において、絶縁膜は、例えば、材料ガスの種類、架橋ガスの種類、及びRF電力の強度に依存して、2.8若しくはそれ以下(2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0のような、及びそれらのいずれか2つを含む範囲)の誘電率、及び1.0GPa若しくはそれ以上(1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0のような、及びそれらのいずれか2つを含む範囲)の硬度(機械的強度)を有する。
【0020】
本発明の実施例に従い、シリコン系絶縁膜が基板上に形成され、当該膜は上述の方法によって得られるプラズマ重合生成物である。プラズマ重合生成物は、複数のアルコキシ基を含むシリコン系炭化水素化合物がC1-6アルカノール、C1-6エーテル、C1-6不飽和炭化水素、CO2、及びN2から成る集合から選択される架橋剤を使って架橋されるところの構造を有する。プラズマ重合生成物は、例えば材料ガス及び架橋ガスの種類及びプラズマ重合条件に依存して、2.5GPa若しくはそれ以上の硬度及び2.8若しくはそれ以下の誘電率、または1.0GPa若しくはそれ以上の硬度及び5.0GPa若しくはそれ以上の弾性率並びに2.5若しくはそれ以下の誘電率を有する。本発明において、重合はオリゴマー化を含み、オリゴマーは(M)n(ここで、Mは構成成分単位、nは5〜30及び10〜20の範囲を含む2〜50の整数である)の構造を含む。
【0021】
本発明の他の態様、特徴及び利点は以下の好適実施例の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【0022】
【発明の実施の態様】
本発明の実施例において、プラズマ反応によって基板上にシリコン系絶縁膜を形成するための方法が与えられ、当該方法は、(a)(i)複数の架橋可能基を含むシリコン系炭化水素化合物から成る材料ガス、(ii)架橋ガス、及び(iii)不活性ガスから成る反応ガスを基板が配置された反応チャンバ内に導入する工程と、(b)反応チャンバ内にプラズマ反応場を形成するようRF電力を印加する工程と、(c)反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、から成る。実施例において、プラズマ反応によって基板上にシリコン系絶縁膜を形成する方法は、(A)(I)複数のアルコキシ基を含む少なくともひとつのシリコン系炭化水素化合物から成る材料ガス、(II)C1-6アルカノール、C1-6エーテル、C1-6不飽和炭化水素、CO2及びN2から成る集合から選択された架橋ガス、及び(III)不活性ガスから成る反応ガスを基板が配置された反応チャンバ内に導入する工程と、(B)反応チャンバ内にプラズマ反応空間を作成するようRF電力を印加する工程と、(C)反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程から成る。
【0023】
上記したように、本発明はさまざまな実施例を含む。例えば、RF電力は高周波数電力及び低周波数電力の組み合わせである。また、高周波数電力は2MHz若しくはそれ以上(5、10、15、20、25、30、40、50、60及び70MHzのような、及びこれらのいずれか2つを含む範囲)の周波数を有し、低周波数電力は2MHz以下(1MHz、800、600、400、200、100KHz及びこれらのいずれか2つを含む範囲)の周波数を有する。変形的に、RF電力は単一周波数電力であっても良い。RF電力の強度は1.5W/cm2若しくはそれ以上であり、低周波数RF電力を重畳する場合には、高周波数電力の強度は1.5W/cm2若しくはそれ以上であり、低周波数電力の強度は0.01W/cm2若しくはそれ以上である。2つ以上のRF電力周波数が重畳されてもよい。例えば、高周波数電力(例えば、20〜30MHz)、中間周波数電力(例えば、1〜5MHz)、及び低周波数電力(例えば、200〜800KHz)が重畳される。
【0024】
材料ガスは化学式SiαOα -1R2 α - β +2(OCnH2n+1)βを有する化合物であり、ここで、αは1〜3の整数、βは2若しくは3、nは1〜3の整数及びRはSiに結合されるC1-12炭化水素、C1-12フッ化炭化水素、C1-12過フッ化炭化水素、H、D、F、Cl、Br及びIから成る集合から選択される。実施例において、RはC1-6炭化水素である。材料ガスはまた上記化学式で記述されるひとつ若しくはそれ以上の化合物の混合物から成る。実施例において、αは1若しくは2であり、βは2である。この種の材料ガスは米国特許第6,352,945号、第6,383,955号及び第6,432,846号に開示されており、これらすべてはここに参考文献として組み込まれる。実施例において、材料ガスはジメチルジメトキシシラン(DM-DMOS)、1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)若しくはフェニルメチルジメトキシシラン(PM-DMOS)である。異なる材料ガスが混合されか若しくは単一の材料ガスが単独で使用される。上記材料ガスへの有用な添加剤である付加的分子は1,3-ジビニルテトラメチルシラン(DVTMS,[CH2=CH2Si(CH3)2]2O)である。不飽和炭化水素を有するそのようなシリコン系化合物は架橋分子を促進することによって機械的強度を改良するのに有用である。
【0025】
反応ガスの流量及びRF電力の強度は、例えば材料ガスの種類に依存して、1.0GPa若しくはそれ以上、または2.5GPa若しくはそれ以上の硬度(機械的強度)を有する絶縁膜を形成するよう制御される。
【0026】
不活性ガスは、Ar、Ne及びHeを含むあらゆる適当な不活性ガスである。反応ガスはさらに酸素供給ガスから成る。酸素供給ガスは酸素を供給することができるあらゆる適当なガスであり、O2、NO、O3、H2O及びN2Oを含む。実施例において、酸素供給ガスは材料ガスよりも少ない流量で供給される。不活性ガスは材料ガスの流量の15〜300%(実施例において、50%若しくはそれ以上)の流量で供給される。
【0027】
実施例において、架橋ガスはエチレングリコール、1,2-プロパンジオール及びイソプロピルアルコールのようなC2-4アルカノールである。他の実施例において、架橋ガスはジエチルエーテルのようなC2-4エーテルである。さらに他の実施例において、架橋ガスはC2H4、C3H4、C3H6、C4H8、C3H5(CH3)及びC3H4(CH3)2のようなC2-4不飽和炭化水素である。C4-12芳香族炭化水素及びC4-12脂環式炭化水素のようなより多くの炭素原子の骨格を有する化合物は、もしそれが反応基を所有していれば架橋剤としても使用される。そのような化合物として、これに限定されないが、1,4-シクロヘキサンジオール(b.p.150℃/20mm)、1,4-シクロヘキサンジメタノール(b.p.283℃)及び1,3-シクロペンタンジオール(80〜85℃/0.1Torr)のようなC4-12シクロアルカノール並びに1,2,4-トリビニルシクロヘキサン(b.p.85〜88℃/20mm)のようなC4-12脂環式炭化水素不飽和化合物が含まれる。
【0028】
さらに、複数の反応基(混合された官能性、すなわち不飽和炭化水素及びアルコール官能性)を有する化合物が架橋剤としても使用され、それはこれに限定されないが、エチレングリコールビニルエーテルH2C=CHOCH2OH(b.p.143℃)、エチレングリコールジビニルエーテルH2C=CHOCH2CH2OCH=CH2(b.p.125〜127℃)及び1,4-シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル(H2C=C(OH)-CH2)2-(CH2)6(b.p.126℃/14mm)のようなC3-20エーテル並びに1-ビニルシクロヘキノール(b.p.74℃/19mm)のようなC5-12シクロアルカノールビニル化合物を含む。高分子量タイプの上記材料ガスは環状化合物と組み合わせて所望の架橋配位子を組み込むことができる。それらは線状のシロキサン鎖を架橋することができるが、他のタイプの材料ガスより高度に膜密度を減少させることもできるので、誘電率を犠牲にすることなく所望の硬度(例えば、機械的強度)の強化を達成することができる。
【0029】
架橋ガスは単独で若しくは上記のあらゆる組み合わせで使用される。架橋ガスは材料ガスの化合物のオリゴマーを架橋するのに有効な流量で供給され、それによって基板上に形成される絶縁膜の機械的強度が増加する。架橋ガスの流量は例えば材料ガスのタイプに依存して、材料ガスの流量の20〜500%である。
【0030】
実施例において、反応ガスは反応チャンバの上流で励起される。この実施例において、反応ガスはリアクタの上流部に配設された遠隔プラズマチャンバ内で励起される。材料ガス及び添加ガス(架橋ガス及び/または不活性ガス)は遠隔プラズマチャンバ内に導入される。この場合、反応空間は遠隔プラズマチャンバの内部、リアクタ内部、遠隔プラズマチャンバ及びリアクタを結合する配管の内部から構成される。遠隔プラズマチャンバの内部を使用するため、リアクタの内部空間はかなり縮小され、したがって上部電極と下部電極との間の距離が減少される。これによって、リアクタのサイズを小さくできるばかりか、基板表面全体にわたってプラズマを均一に制御することもできるようになる。あらゆる適当な遠隔プラズマチャンバ及びあらゆる適当な動作条件が本発明において使用される。例えば、使用可能な装置及び条件は、2000年2月24日に出願された米国特許出願第09/511,934号及び2001年1月18日に出願された米国特許出願第09/764,523号、並びに米国特許第5,788,778号及び第5,788,799号に開示されている。上記開示はここに参考文献として組み込まれる。
【0031】
また、反応ガスの励起は添加ガスを励起すること及び励起された添加ガスと材料ガスを接触させることから成る。反応ガスの励起はリアクタ内部若しくはリアクタの上流で為される。上述したように、材料ガス及び添加ガスの両方は遠隔プラズマチャンバ内で励起される。変形的に、反応ガスの励起は、遠隔プラズマチャンバ内で添加ガスを励起し、遠隔プラズマチャンバの下流で材料ガスと混合させることによって為されてもよい。変形的に、反応ガスはリアクタの上流に設置された予熱されたチャンバ内で加熱されリアクタ内で励起されてもよく、膜はリアクタ内の基板上に蒸着される。材料ガス及び添加ガスは予熱チャンバ内に導入される。この場合、反応空間は予熱チャンバ内部、リアクタ内部、及び予熱チャンバ及びリアクタを接続する配管内部から構成される。予熱チャンバの内部を使用することにより、リアクタ内部が大いに縮小され、上部電極と下部電極との間の距離が減少する。これにより、リアクタのサイズが小さくなるばかりか、基板表面全体にわたってプラズマを均一に制御することもできる。本発明においてあらゆる適当な遠隔プラズマチャンバ及びあらゆる適当な動作条件が使用される。例えば、使用可能な装置及び条件は上記参考文献に開示されている。
【0032】
さらに、反応ガスの励起は添加ガスを励起させること及び励起された添加ガスと材料ガスを接触させることから成る。この実施例において、添加ガスは遠隔プラズマチャンバ内で励起され、材料ガスは励起された添加ガスと材料ガスが接触するところの予熱チャンバ内で加熱され、その後反応ガスは膜を蒸着するためにリアクタ内に流れ込む。この場合、遠隔プラズマチャンバ内には添加ガスしか存在しないので、点火若しくは着火の失敗を引き起こす遠隔プラズマチャンバの表面上への不所望な粒子の付着は効果的に防止される。材料ガスは遠隔プラズマチャンバの下流において励起された添加ガスと混合される。
【0033】
他の実施例において、膜蒸着のさらなる安定処理のために高及び/または低周波数放射用のパルス状プラズマを使用するような他のプラズマ条件が採用される。例えば、10〜100msecのサイクル及び10〜90%のデューティ(放射時間/(放射時間+非放射時間))が好適である。
【0034】
本発明の他の態様において、基板上に形成されるシリコン系絶縁膜の機械的強度を増加させるための方法が与えられ、当該方法は、(a)C1-6アルカノール、C1-6エーテル、C1-6不飽和炭化水素、CO2及びN2から成る集合から選択される架橋ガスを、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素化合物から成る材料ガス内で不活性ガスと混合する工程と、(b)基板が配置された反応チャンバ内に反応ガスとしての混合ガスを導入する工程と、(c)反応チャンバ内部にプラズマ反応空間を作成するようRF電力を印加する工程と、(d)反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、から成る。
【0035】
本発明においてオリゴマーを形成するために、反応ガスの滞留時間は、ここに参考文献として組み込む米国特許第6,352,945号、第6,383,955号及び第6,432,846号に開示されるように制御される。
【0036】
反応ガスの流量はRF電力の強度、反応用に選択された圧力並びに材料ガス及び架橋ガスの種類に基づいて決定される。反応圧力は通常1〜10Torrの範囲であるが、安定なプラズマを維持するのに好適には3〜7Torrの範囲である。この反応圧力は反応ガスの滞留時間を長くするために比較的高い。反応ガスの総流量は生成膜の比誘電率を減少させるために重要である。一般に、滞留時間が長いほど、誘電率が低下する。膜を形成するのに必要な材料ガス流量は、所望の成長速度及び膜が形成される基板の面積に依存する。例えば、300nm/分の成長速度で基板(半径r=100mm)上に膜を形成するためには、少なくとも50sccmの材料ガス(150、200、250sccmを含む好適には100〜500sccm)が反応ガス中に含まれることが期待される。
【0037】
気相中の反応を調節するために、少量の不活性ガスを反応チャンバに付加するのが効果的である。ヘリウム(He)及びアルゴン(Ar)は不活性ガスであり、それぞれ異なる第1イオン化エネルギー、24.56eV及び15.76eVを有する。したがって、He若しくはArを単独で若しくは所定の量で組み合わせて両方を添加することにより、気相中の材料ガスの反応が制御される。付加的に若しくは変形的に、ネオン(Ne)が同じ目的で使用されてもよい。反応ガスの分子は気相中で重合反応を経て、オリゴマーが形成される。オリゴマーは1:1のO:Si比率を有するように所望される。しかし、オリゴマーが基板上に膜を形成する場合、オリゴマーはさらに重合反応を経て、より高い酸素比率を達成する。比率は基板上に形成される膜の誘電率及び他の特性に依存して変化する。上記及び反応効率を考慮して、反応ガス中のSi/O比率を調節するために酸素が供給される。
【0038】
本発明はさらに図面を参照して詳細に説明される。図1は本発明の実施例に従う低誘電率を有する絶縁膜の形成方法に使用するプラズマCVD装置を略示したものである。プラズマCVD装置1は反応チャンバ6を含む。反応チャンバ6内部には半導体ウエハ4を載置するためのサセプタ3が設けられている。サセプタ3はヒータ2によって支持されている。該ヒータ2は半導体ウエハ4を所定の温度(例えば、350〜450℃)に維持する。サセプタ3はプラズマを生成するための一方の電極を兼ねており、反応チャンバ6を通じて接地11されている。反応チャンバ6の内側天井部にはサセプタ3と平行に対向して、シャワーヘッド9が設けられている。シャワーヘッド9は底面に多くの細孔を有している。そこから以下に説明する反応ガス(材料ガス、架橋ガス、不活性ガス及び他の添加ガスを含む)が半導体ウエハ4に向かって均一に噴出される。材料ガス、架橋ガス及び不活性ガスは異なるガスライン(図示せず)を使って別々に反応チャンバ内に供給される。シャワーヘッド9の中央部には反応ガス導入口5が設けられ、反応ガスはガスライン(図示せず)を通じてシャワーヘッド9に導入される。ガス導入口5は反応チャンバ6から電気的に絶縁されている。シャワーヘッド9はプラズマを生成するためのもう一方の電極を兼ねており、外部に設置された第1のRF電源7及び第2のRF電源8に接続されている。これによって、半導体ウエハ4の近傍にプラズマ反応場が生成される。反応チャンバ6の底部には排気口10が設けられ、外部の真空ポンプ(図示せず)と連結されている。
【0039】
次に、本発明の実施例に従う低誘電率絶縁膜の形成方法について説明する。当該方法は、主材料ガス、副材料ガス(架橋ガス及び付加的に酸素供給ガス)及び添加ガス(不活性ガス)から成る反応ガスを反応ガス導入口5を通じてシャワーヘッド9に導入する工程を含む。主材料ガスは、複数のアルコキシ基を含有するシリコン系炭化水素であり、好適にはDM-DMOS(ジメチルジメトキシシラン)である。副材料ガスは、CO2、エチレングリコール、1,2プロパンジオール及びイソプロピルアルコール(IPA)のようなアルコール類、エチレンのような少なくとも1つの不飽和結合を含む炭化水素、N2、またはジエチルエーテルのようなエーテルである。Si/O比を制御する必要がある場合には副材料ガスとしてさらにO2、O3、NO、H2O若しくはN2Oを付加することもできる。添加ガスは、Ar、Ne及び/またはHeのような不活性ガスである。
【0040】
膜の最初のインターフェース及び最終面において傾斜した及び/または異なる組成を有する材料を生成するために、傾斜した若しくは異なるガス流及び/またはガスの択一的な組み合わせを独立に使用することは有効である。
【0041】
また、本発明の実施例に従う低誘電率絶縁膜の形成方法は、シャワーヘッド9に第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳することによってRF電力を印加する工程若しくは第1のRF電力を単独で印加する工程を含む。第1のRF電源7の周波数は好適には2MHz若しくはそれ以上であり、第2のRF電源8の周波数は好適には2MHz若しくはそれ以下である。シャワーヘッド9にRF電力を印加することにより、半導体ウエハ4付近にプラズマ反応場が形成される。反応ガス導入口5を介して導入された反応ガスはプラズマ内で励起され、半導体ウエハ上に所望の絶縁膜が形成される。
【0042】
本発明の実施例に従う方法によれば、副原料ガスとしてCO2、エチレングリコール、1,2プロパンジオール及びイソプロピルアルコール(IPA)のようなアルコール類、エチレンのような少なくとも1つの不飽和結合を含む炭化水素、N2、またはジエチルエーテルのようなエーテルを導入することで、直鎖状オリゴマーが架橋され、低誘電率を保ったまま膜の機械的強度を向上させることができる。また、第1のRF電力に第2のRF電力を重畳させることによって膜の機械的強度をさらに向上させることができる。
【0043】
さらに、本発明の実施例に従う低誘電率絶縁膜の形成方法は、各材料ガスの流量及び第1及び第2RF電源の出力を最適化する工程を含む。出力の最適化は以下に示す実験によって行われた。ここで、第1のRF電源7の周波数は27.12MHz、第2のRF電源8の周波数は400kHzに固定されているが、これ以外の周波数を使用することも可能である。
【0044】
実験において、各ガスの流量並びに第1及び第2RF電源の出力を最適化することで、DM-DMOS(ジメチル-ジメトキシシラン)が主材料ガスとして使用される場合に比誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜が形成され、DMOTMDS(1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン)が主材料ガスとして使用される場合に誘電率が2.5若しくはそれ以下で膜硬度が1.0GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜が形成される。
【0045】
【実施例】
以下、本発明に従う低誘電率絶縁膜の形成方法の各ガスの流量及び各RF電源の出力を最適化する実験を行ったので説明する。
【0046】
(実験1)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図2は、上記実験条件にてO2の流量を0から200sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なO2流量は50から150sccmであることがわかる。
【0047】
(実験2)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図3は、上記実験条件にてCO2の流量を0から1000sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なCO2流量は100から900sccmであることがわかる。
【0048】
(実験3)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図4は、上記実験条件にて第2RF電源の電力密度を0から0.5 W/cm2まで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適な第2RF電源の電力密度は0.025から0.4 W/cm2であることがわかる。
【0049】
(実験4)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図5は、上記実験条件にてエチレングリコールの流量を0から200sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なエチレングリコール流量は50から100sccmであることがわかる。
【0050】
(実験5)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図6は、上記実験条件にてエチレングリコールの流量を0から200sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なエチレングリコール流量は100から150sccmであることがわかる。
【0051】
(実験6)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図7は、上記実験条件にて1,2プロパンジオールの流量を0から400sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適な1,2プロパンジオール流量は50から300sccmであることがわかる。
【0052】
(実験7)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図8は、上記実験条件にて1,2プロパンジオールの流量を0から400sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適な1,2プロパンジオール流量は200から300sccmであることがわかる。
【0053】
(実験8)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図9は、上記実験条件にてエチレンの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なエチレン流量は50から450sccmであることがわかる。
【0054】
(実験9)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図10は、上記実験条件にてエチレンの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なエチレン流量は300から450sccmであることがわかる。
【0055】
(実験10)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図11は、上記実験条件にてN2の流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なN2流量は100から400sccmであることがわかる。
【0056】
(実験11)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
図12は、上記実験条件にてN2の流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.8若しくはそれ以下で膜硬度が2.5GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なN2流量は200から400sccmであることがわかる。
【0057】
(実験12)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
表1及び図13は、上記実験条件にてイソプロピルアルコールの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度/弾性率の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.5若しくはそれ以下で膜硬度が1.0GPa若しくはそれ以上であってかつ弾性率が5.0GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なイソプロピルアルコールの流量は50から450sccmであることがわかる。
【表1】
【0058】
(実験13)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
表2及び図14は、上記実験条件にてイソプロピルアルコールの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度/弾性率の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.5若しくはそれ以下で膜硬度が1.0GPa若しくはそれ以上であってかつ弾性率が5.0GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なイソプロピルアルコールの流量は50から450sccmであることがわかる。
【表2】
【0059】
(実験14)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
表3及び図15は、上記実験条件にてジエチルエーテルの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度/弾性率の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.5若しくはそれ以下で膜硬度が1.0GPa若しくはそれ以上であってかつ弾性率が5.0GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なジエチルエーテルの流量は50から400sccmであることがわかる。
【表3】
【0060】
(実験15)
図1に示したプラズマCVD装置1を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
表4及び図16は、上記実験条件にてジエチルエーテルの流量を0から500sccmまで変化させた場合における誘電率及び膜硬度/弾性率の関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、誘電率が2.5若しくはそれ以下で膜硬度が1.0GPa若しくはそれ以上であってかつ弾性率が5.0GPa若しくはそれ以上となる絶縁膜を形成するための最適なジエチルエーテルの流量は100から400sccmであることがわかる。
【表4】
【0061】
上記したように、本発明の実施例に従う低誘電率絶縁膜を形成する方法によれば、ガスの流量及びRF電源の電力密度を最適化することにより、誘電率が低くかつ機械的強度が高い絶縁膜を形成することができた。また、本発明の実施例に従う低誘電率膜を形成する方法によれば、装置コストを増大させることなく、低誘電率絶縁膜を容易に形成することができた。
【0062】
発明はある実施例によって説明されてきたが、当業者に明らかである他の実施例もまた本発明の態様内にある。したがって、発明の態様は特許請求の範囲によってのみ定義されるべきものである。本発明はさまざまな実施例を含み、上記実施例に限定されるものではない。特に本発明は、これに限定されないが、以下の実施例を含み、上記実施例及び下記実施例のあらゆる組み合わせが容易に達成される。
【0063】
1)プラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成する方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素、CO2、並びにAr及び/またはHeから成る反応ガスを反応チャンバ内に導入する工程と、該反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するべく第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳することによりRF電力を印加するか若しくは第1のRF電力のみを単独で印加する工程と、それぞれのガスの流量及び各RF電力の出力を最適化する工程と、から成る方法。
【0064】
2)項目1に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素はジメチル-ジメトキシシラン(DM-DMOS)である、ところの方法。
【0065】
3)項目1に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)である、ところ
の方法。
【0066】
4)項目1から3のいずれかに記載の方法であって、反応ガスとしてさらにO2
若しくはN2Oが含まれる、ところの方法。
【0067】
5)プラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成する方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素、アルコール並びにAr及び/またはHeから成る反応ガスを反応チャンバ内に導入する工程と、該反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するべく第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳することによりRF電力を印加するか若しくは第1のRF電力のみを単独で印加する工程と、それぞれのガスの流量及び各RF電力の出力を最適化する工程と、か
ら成る方法。
【0068】
6)項目5に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素はジメチル-ジメトキシシラン(DM-DMOS)である、ところの方法。
【0069】
7)項目5に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)である、ところの方法。
【0070】
8)項目5に記載の方法であって、アルコールはエチレングリコールである、ところの方法。
【0071】
9)項目5に記載の方法であって、アルコールは1,2-プロパンジオールである、ところの方法。
【0072】
10)項目5に記載の方法であって、アルコールはイソプロピルアルコール(IPA )である、ところの方法。
【0073】
11)項目5から10のいずれかに記載の方法であって、反応ガスとしてさらに O2若しくはN2Oが含まれる、ところの方法。
【0074】
12)プラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成する方法であって、複数のア ルコキシ基を有するシリコン系炭化水素、少なくとも一つの不飽和結合を含 む炭化水素並びにAr及び/またはHeから成る反応ガスを反応チャンバ内に導 入する工程と、該反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するべく第1の RF電力及び第2のRF電力を重畳することによりRF電力を印加するか若しくは 第1のRF電力のみを単独で印加する工程と、それぞれのガスの流量及び各RF 電力の出力を最適化する工程と、から成る方法。
【0075】
13)項目12に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素はジメチル-ジメトキシシラン(DM-DMOS)である、ところの方法。
【0076】
14)項目12に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)である、ところの方法。
【0077】
15)項目12に記載の方法であって、少なくとも一つの不飽和結合を含む炭化水素はエチレンである、ところの方法。
【0078】
16)項目12から15のいずれかに記載の方法であって、反応ガスとしてさらにO2若しくはN2Oが含まれる、ところの方法。
【0079】
17)プラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成する方法であって、複数のア ルコキシ基を有するシリコン系炭化水素、N2並びにAr及び/またはHeから 成る反応ガスを反応チャンバ内に導入する工程と、該反応チャンバ内部にプ ラズマ反応場を生成するべく第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳すること によりRF電力を印加するか若しくは第1のRF電力のみを単独で印加する工程 と、それぞれのガスの流量及び各RF電力の出力を最適化する工程と、から成 る方法。
【0080】
18)項目17に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素はジメチル-ジメトキシシラン(DM-DMOS)である、ところの方法。
【0081】
19)項目17に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)である、ところの方法。
【0082】
20)項目17から19のいずれかに記載の方法であって、反応ガスとしてさらにO2若しくはN2Oが含まれる、ところの方法。
【0083】
21)プラズマCVD法により低誘電率絶縁膜を形成する方法であって、複数のア ルコキシ基を有するシリコン系炭化水素、エーテル並びにAr及び/またはHe から成る反応ガスを反応チャンバ内に導入する工程と、該反応チャンバ内部 にプラズマ反応場を生成するべく第1のRF電力及び第2のRF電力を重畳する ことによりRF電力を印加するか若しくは第1のRF電力のみを単独で印加する 工程と、それぞれのガスの流量及び各RF電力の出力を最適化する工程と、か ら成る方法。
【0084】
22)項目21に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素はジメチル-ジメトキシシラン(DM-DMOS)である、ところの方法。
【0085】
23)項目21に記載の方法であって、複数のアルコキシ基を有するシリコン系炭化水素は1,3-ジメトキシテトラメチルジシロキサン(DMOTMDS)である、ところの方法。
【0086】
24)項目21に記載の方法であって、エーテルはジエチルエーテルである、ところの方法。
【0087】
25)項目21から24のいずれかに記載の方法であって、反応ガスとしてさらにO2若しくはN2Oが含まれる、ところの方法。
【0088】
本発明の思想から離れることなく多くの修正が可能であることは当業者の知るところである。したがって、本発明の形式は説明上のものであり、本発明の態様を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る絶縁膜の形成に使用するプラズマCVD装置の略示図である。
【図2】図2は、本発明の実施例においてO2流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図3】図3は、本発明の実施例においてCO2流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図4】図4は、本発明の実施例において低周波数RF電力の電力密度を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図5】図5は、本発明の実施例においてエチレングリコールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図6】図6は、本発明に係る低周波RF電力(LF電力)が存在しない実施例において、エチレングリコールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図7】図7は、本発明の実施例において、1,2-プロパンジオールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図8】図8は、本発明に係るLF電力が存在しない実施例において、1,2-プロパンジオールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図9】図9は、本発明の実施例において、エチレンの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図10】図10は、本発明に係るLF電力が存在しない実施例において、エチレンの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図11】図11は、本発明の実施例において、N2の流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図12】図12は、本発明に係るLF電力の存在しない実施例において、N2の流量を変化させた場合の誘電率及び硬度の関係を示したグラフである。
【図13】図13は、本発明の実施例において、イソプロピルアルコールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度/弾性係数の関係を示したグラフである。
【図14】図14は、本発明に係るLF電力の存在しない実施例において、イソプロピルアルコールの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度/弾性係数の関係を示したグラフである。
【図15】図15は、本発明の実施例において、ジエチルエーテルの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度/弾性係数の関係を示したグラフである。
【図16】図16は、本発明に係るLF電力の存在しない実施例において、ジエチルエーテルの流量を変化させた場合の誘電率及び硬度/弾性係数の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
1 プラズマCVD装置
2 ヒータ
3 サセプタ
4 半導体ウエハ
5 材料ガス導入口
6 反応チャンバ
7 第1RF電源
8 第2RF電源
9 シャワーヘッド
10 排気口
11 接地[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to semiconductor technology, and more particularly to a method for forming a silicon-based insulating film having high mechanical strength on a semiconductor substrate by using a plasma CVD (chemical vapor deposition) apparatus.
[0002]
[Prior art]
With the recent demand for higher speed and miniaturization of semiconductors, it is required to reduce the capacitance between wirings in order to prevent signal delay in the multilayer wiring technology field. In order to reduce the capacitance between the wirings, it is necessary to lower the relative dielectric constant of the insulating film between the multilayer wirings, and a low dielectric constant insulating film has been developed.
[0003]
Conventional silicon oxide film SiOx is SiHFourOr Si (OC2HFive)FourOxygen O as oxidant in silicon material gas such as2Nitrogen oxide NO or nitrous oxide N2It is formed by adding heat and plasma or energy, and its relative dielectric constant is about ε = 4.0.
[0004]
In contrast, a low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant ε = 2.3 was formed by spin coating using an inorganic silicon oxide glass (SOG) material.
[0005]
Further, a low dielectric constant fluorinated amorphous carbon film having a relative dielectric constant ε = 2.0 to 2.4 was formed by plasma CVD using CxFyHz as a material gas. Further, a low dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant ε = 3.1 was formed by a plasma CVD method using silicon hydrocarbon (for example, P-TMOS (phenyltrimethoxysilane)) as a material gas. Furthermore, a low dielectric constant insulating film of about ε = 2.5 was formed by optimizing conditions by a plasma CVD method using a silicon-based hydrocarbon containing a plurality of alkoxy groups as a material gas.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional approach has the following problems.
[0007]
First, in the case of an inorganic SOG insulating film formed by spin coating, there are problems in that the material is not uniformly distributed on the silicon substrate and that the apparatus used for the curing process after the material coating process is expensive.
[0008]
In addition, in the case of a fluorinated amorphous carbon film formed by a plasma CVD method using CxFyHz as a material gas, the heat resistance of the film is low (370 ° C. or lower), the adhesion with a silicon-based material is poor, and the film Has the disadvantage of low mechanical strength.
[0009]
Further, among the silicon-based hydrocarbons, when P-TMOS is used, the polymerized oligomer cannot form a linear structure like siloxane because it contains three alkoxy groups. As a result, a porous structure is not formed on the silicon substrate, and the relative dielectric constant cannot be reduced to a desired level.
[0010]
Furthermore, when a silicon-based hydrocarbon containing a plurality of alkoxy groups is used as the material gas, the oligomer polymerized by optimizing the conditions forms a linear structure such as siloxane, so that it is porous on the silicon substrate. Although the structure can be formed and the relative dielectric constant can be reduced to a desired level, the oligomer having a linear structure has a problem that the bonding strength between the oligomers is weak and the mechanical strength of the film is low.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method of forming an insulating film having a low relative dielectric constant and a high mechanical strength.
[0012]
Another object of the present invention is to provide a method for easily forming a low dielectric constant insulating film without increasing the device cost.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the embodiment of the present invention, the method for forming a low dielectric constant insulating film according to the present invention comprises the following steps.
[0014]
The method for forming a low dielectric constant insulating film by the plasma CVD method according to the present invention includes a silicon-based hydrocarbon containing a plurality of crosslinkable groups such as an alkoxy group and / or a vinyl group, a crosslinking gas, Introducing a material gas comprising an active gas into the reaction chamber;
Applying the first RF power and the second RF power in a superimposed manner or generating only the first RF power to generate a plasma reaction field in the reaction chamber;
A process of optimizing the flow rate of each material gas and the output of each RF power;
Consists of.
[0015]
As material gas, silicon-based hydrocarbons containing a plurality of crosslinkable groups are used alone or in combination with one or more other silicon-based hydrocarbons having one or more crosslinkable groups . Crosslinkable groups include, but are not limited to, alkoxy groups and / or vinyl groups. For example, if a silicon-based hydrocarbon having no alkoxy group or having only one alkoxy group is used, a linear siloxane oligomer is formed when supplementing oxygen using an oxygen supply gas if necessary. However, in that case, it is difficult to crosslink the oligomer by using a crosslinking gas to increase the mechanical strength of the resulting film. Silicon-based hydrocarbons having no alkoxy groups or having one alkoxy group are used in lesser amounts than silicon-based hydrocarbons having two or more alkoxy groups. In embodiments, 10% or more (including 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% and 100%) In order to form a linear oligomer predominantly or effectively, it is a silicon-based hydrocarbon having two alkoxy groups. Preferably, as a material gas, the silicon-based hydrocarbon containing a plurality of alkoxy groups is a linear compound such as dimethyldimethoxysilane (DM-DMOS) or 1,3-dimethoxytetramethyldisoroxane (DMOTMDS). . Silicon-based hydrocarbons having a cyclic main structure are used in lesser amounts than linear silicon-based hydrocarbons. In the above, the alkoxy group is —OCnH2n + 1(N is an integer of 1 to 4). The material gas is a compound containing a vinyl group such as 1,3-divinyltetramethyldisiloxane, which is similar to a compound having an alkoxyl group, and the compound can form an oligomer.
[0016]
CO as the crosslinking gas2, Ethylene glycol, 1,2-propanediol, isopropyl alcohol (IPA), ethylene, N2Alternatively, any suitable reaction gas such as diethyl ether can be used, which can crosslink silicon-based hydrocarbon oligomers. For example, any suitable alcohol, ether, and / or unsaturated hydrocarbon may be used, such as C1-6Alkanol and C4-12An unsaturated hydrocarbon selected from the group consisting of cycloalkanols, and C1-6Unsaturated hydrocarbon, C4-12Aromatic hydrocarbon unsaturated compounds and C4-12An unsaturated hydrocarbon selected from the group consisting of alicyclic hydrocarbon unsaturated compounds. In the above, the compound having more carbon atoms is not limited to this, but 1,4-cyclohexanediol (
[0017]
In an embodiment, oligomer cross-linking is effectively realized by superimposing high frequency RF power and low frequency RF power. For example, a combination of high frequency RF power having a frequency of 2 MHz or higher and low frequency RF power having a frequency of 2 MHz or lower is used. Low frequency RF power is 0.5W / cm2Or less (0.2, 0.1, 0.075, 0.05, 0.025 W / cm2As well as a range including any two of them). In contrast, high frequency RF power is 1.5 W / cm.2Or more (2.0, 2.25, 2.5, 2.75, 3.0, 3.25, 3.5 W / cm2And a range including any two of them). Such a high power level can increase the mechanical strength and growth rate of the resulting insulating film.
[0018]
In accordance with an embodiment of the present invention, a silicon-based insulating film having a low dielectric constant and high mechanical strength is formed by using a cross-linking gas and optimizing the flow rate of each gas and the power strength of the RF power source. In an embodiment, the low dielectric constant is achieved by the formation of an oligomer (eg, a siloxane polymer) composed of a residue of a silicon-based hydrocarbon having two or more alkoxy groups, and the high mechanical strength is low. This is accomplished by crosslinking the oligomer while maintaining the rate. Additionally, in accordance with embodiments of the present invention, an insulating film having a low dielectric constant can be easily formed without increasing device cost.
[0019]
The present invention relates to a method for increasing the mechanical strength of an insulating film formed on a semiconductor substrate, which belongs to the above characteristics. In an embodiment, the insulating film is 2.8 or less (2.7, 2.6, 2.5, 2 or 2 depending on, for example, the type of material gas, the type of cross-linking gas, and the strength of RF power. A dielectric constant of 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, and any two thereof, and 1.0 GPa or more (1.25, 1 .5, 1.75, 2.0, 2.25, 2.5, 2.75, 3.0, etc. (including any two thereof) hardness (mechanical strength) .
[0020]
According to an embodiment of the present invention, a silicon-based insulating film is formed on a substrate, and the film is a plasma polymerization product obtained by the above-described method. In the plasma polymerization product, a silicon-based hydrocarbon compound containing a plurality of alkoxy groups is C1-6Alkanol, C1-6Ether, C1-6Unsaturated hydrocarbons, CO2And N2Having a structure that is crosslinked using a crosslinking agent selected from the group consisting of: The plasma polymerization product may have a hardness of 2.5 GPa or higher and a dielectric constant of 2.8 or lower, or 1.0 GPa or higher, depending on, for example, the type of material gas and crosslinking gas and the plasma polymerization conditions. It has a hardness and a modulus of elasticity of 5.0 GPa or more and a dielectric constant of 2.5 or less. In the present invention, the polymerization includes oligomerization, and the oligomer is (M)nWherein M is a constituent unit, and n is an integer of 2 to 50 including the range of 5 to 30 and 10 to 20.
[0021]
Other aspects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In an embodiment of the present invention, a method is provided for forming a silicon-based insulating film on a substrate by plasma reaction, the method comprising: (a) (i) a silicon-based hydrocarbon compound containing a plurality of crosslinkable groups Introducing a reaction gas comprising a material gas comprising (ii) a bridging gas and (iii) an inert gas into the reaction chamber in which the substrate is disposed, and (b) forming a plasma reaction field in the reaction chamber. It comprises a step of applying RF power and a step (c) of controlling the flow rate of the reaction gas and the strength of the RF power. In an embodiment, a method for forming a silicon-based insulating film on a substrate by plasma reaction includes (A) (I) a material gas composed of at least one silicon-based hydrocarbon compound containing a plurality of alkoxy groups, (II) C1-6Alkanol, C1-6Ether, C1-6Unsaturated hydrocarbons, CO2And N2Introducing a cross-linking gas selected from the group consisting of: (III) a reaction gas comprising an inert gas into the reaction chamber in which the substrate is disposed; and (B) creating a plasma reaction space in the reaction chamber. It comprises a step of applying RF power and a step (C) of controlling the flow rate of the reaction gas and the intensity of the RF power.
[0023]
As described above, the present invention includes various embodiments. For example, RF power is a combination of high frequency power and low frequency power. Also, the high frequency power has a frequency of 2 MHz or more (such as 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 and 70 MHz, and any range including these two). The low frequency power has a frequency of 2 MHz or less (1 MHz, 800, 600, 400, 200, 100 KHz and a range including any two of these). Alternatively, the RF power may be single frequency power. RF power intensity is 1.5W / cm2Or more than that, and when superposing the low frequency RF power, the intensity of the high frequency power is 1.5 W / cm.2Or more, the intensity of the low frequency power is 0.01 W / cm2Or more. Two or more RF power frequencies may be superimposed. For example, high frequency power (for example, 20 to 30 MHz), intermediate frequency power (for example, 1 to 5 MHz), and low frequency power (for example, 200 to 800 KHz) are superimposed.
[0024]
Material gas is chemical formula SiαOα -1R2 α - β +2(OCnH2n + 1)βWhere α is an integer from 1 to 3, β is 2 or 3, n is an integer from 1 to 3, and R is C bonded to Si.1-12Hydrocarbon, C1-12Fluorohydrocarbon, C1-12Selected from the set consisting of fluorocarbons, H, D, F, Cl, Br and I. In the examples, R is C1-6It is a hydrocarbon. The source gas also consists of a mixture of one or more compounds described by the above chemical formula. In the embodiment, α is 1 or 2, and β is 2. Such material gases are disclosed in US Pat. Nos. 6,352,945, 6,383,955, and 6,432,846, all of which are hereby incorporated by reference. In the examples, the material gas is dimethyldimethoxysilane (DM-DMOS), 1,3-dimethoxytetramethyldisiloxane (DMOTMDS) or phenylmethyldimethoxysilane (PM-DMOS). Different material gases are mixed or a single material gas is used alone. An additional molecule that is a useful additive to the above material gases is 1,3-divinyltetramethylsilane (DVTMS, [CH2= CH2Si (CHThree)2]2O). Such silicon-based compounds with unsaturated hydrocarbons are useful for improving mechanical strength by promoting cross-linking molecules.
[0025]
The flow rate of the reaction gas and the strength of the RF power are formed so as to form an insulating film having a hardness (mechanical strength) of 1.0 GPa or more, or 2.5 GPa or more, depending on the type of material gas, for example. Be controlled.
[0026]
The inert gas is any suitable inert gas including Ar, Ne and He. The reaction gas further comprises an oxygen supply gas. An oxygen supply gas is any suitable gas that can supply oxygen and O2, NO, OThree, H2O and N2Contains O. In an embodiment, the oxygen supply gas is supplied at a lower flow rate than the material gas. The inert gas is supplied at a flow rate of 15 to 300% (in the embodiment, 50% or more) of the flow rate of the material gas.
[0027]
In an embodiment, the cross-linking gas is a C such as ethylene glycol, 1,2-propanediol and isopropyl alcohol.2-4Alkanol. In other embodiments, the cross-linking gas is a C such as diethyl ether.2-4Ether. In yet another embodiment, the crosslinking gas is C2HFour, CThreeHFour, CThreeH6, CFourH8, CThreeHFive(CHThree) And CThreeHFour(CHThree)2Like C2-4It is an unsaturated hydrocarbon. C4-12Aromatic hydrocarbons and C4-12A compound having a higher carbon atom skeleton, such as an alicyclic hydrocarbon, is also used as a crosslinking agent if it possesses a reactive group. Such compounds include, but are not limited to, 1,4-cyclohexanediol (
[0028]
In addition, compounds with multiple reactive groups (mixed functionality, ie unsaturated hydrocarbon and alcohol functionality) are also used as crosslinkers, including but not limited to ethylene glycol vinyl ether H2C = CHOCH2OH (b.p. 143 ° C), ethylene glycol divinyl ether H2C = CHOCH2CH2OCH = CH2(b.p. 125-127 ° C.) and 1,4-cyclohexanedimethanol divinyl ether (H2C = C (OH) -CH2)2-(CH2)6C like (b.p.126 ℃ / 14mm)3-20Ethers and C such as 1-vinylcyclohexol (b.p. 74 ° C./19 mm)5-12Includes cycloalkanol vinyl compounds. The high molecular weight type material gas can incorporate a desired bridging ligand in combination with a cyclic compound. They can cross-link linear siloxane chains, but can also reduce film density to a greater degree than other types of material gases, so that the desired hardness (eg, mechanical properties) can be achieved without sacrificing dielectric constant. Strength) can be achieved.
[0029]
The cross-linking gas is used alone or in any combination of the above. The cross-linking gas is supplied at a flow rate effective to cross-link the oligomer of the compound of the material gas, thereby increasing the mechanical strength of the insulating film formed on the substrate. The flow rate of the cross-linking gas is, for example, 20 to 500% of the flow rate of the material gas, depending on the type of material gas.
[0030]
In an embodiment, the reaction gas is excited upstream of the reaction chamber. In this embodiment, the reaction gas is excited in a remote plasma chamber disposed upstream of the reactor. Material gas and additive gas (crosslinking gas and / or inert gas) are introduced into the remote plasma chamber. In this case, the reaction space is composed of the inside of the remote plasma chamber, the inside of the reactor, and the inside of the piping connecting the remote plasma chamber and the reactor. Due to the use of the interior of the remote plasma chamber, the internal space of the reactor is considerably reduced, thus reducing the distance between the upper and lower electrodes. This not only reduces the size of the reactor, but also allows the plasma to be controlled uniformly over the entire substrate surface. Any suitable remote plasma chamber and any suitable operating conditions may be used in the present invention. For example, usable equipment and conditions include US patent application Ser. No. 09 / 511,934, filed Feb. 24, 2000, and US Patent Application No. 09 / 764,523, filed Jan. 18, 2001, as well as US Nos. 5,788,778 and 5,788,799. The above disclosure is hereby incorporated by reference.
[0031]
The excitation of the reaction gas includes exciting the additive gas and bringing the excited additive gas into contact with the material gas. The reaction gas is excited in the reactor or upstream of the reactor. As described above, both the material gas and the additive gas are excited in the remote plasma chamber. Alternatively, the reaction gas may be excited by exciting the additive gas in the remote plasma chamber and mixing it with the material gas downstream of the remote plasma chamber. Alternatively, the reaction gas may be heated and excited in a preheated chamber installed upstream of the reactor, and the film is deposited on a substrate in the reactor. Material gas and additive gas are introduced into the preheating chamber. In this case, the reaction space includes a preheating chamber, a reactor, and a pipe connecting the preheating chamber and the reactor. By using the interior of the preheating chamber, the interior of the reactor is greatly reduced and the distance between the upper and lower electrodes is reduced. This not only reduces the size of the reactor, but can also control the plasma uniformly over the entire substrate surface. Any suitable remote plasma chamber and any suitable operating conditions may be used in the present invention. For example, usable equipment and conditions are disclosed in the above references.
[0032]
Furthermore, the excitation of the reaction gas comprises exciting the additive gas and bringing the excited additive gas into contact with the material gas. In this embodiment, the additive gas is excited in the remote plasma chamber, the material gas is heated in the preheating chamber where the excited additive gas and the material gas are in contact, and then the reaction gas is reacted to deposit the film. Flows in. In this case, since only additive gas is present in the remote plasma chamber, unwanted particle deposition on the surface of the remote plasma chamber causing ignition or ignition failure is effectively prevented. The material gas is mixed with the additive gas excited downstream of the remote plasma chamber.
[0033]
In other embodiments, other plasma conditions are employed such as using a pulsed plasma for high and / or low frequency radiation for further stabilization of film deposition. For example, a cycle of 10 to 100 msec and a duty of 10 to 90% (radiation time / (radiation time + non-radiation time)) are suitable.
[0034]
In another aspect of the invention, a method is provided for increasing the mechanical strength of a silicon-based insulating film formed on a substrate, the method comprising: (a) C1-6Alkanol, C1-6Ether, C1-6Unsaturated hydrocarbons, CO2And N2A step of mixing a cross-linking gas selected from the group consisting of an inert gas in a material gas comprising a silicon-based hydrocarbon compound having a plurality of alkoxy groups, and (b) a reaction in a reaction chamber in which a substrate is disposed. Introducing a mixed gas as a gas; (c) applying RF power so as to create a plasma reaction space inside the reaction chamber; and (d) controlling the flow rate of the reactive gas and the intensity of the RF power. , Consisting of.
[0035]
To form oligomers in the present invention, the residence time of the reaction gas is controlled as disclosed in US Pat. Nos. 6,352,945, 6,383,955, and 6,432,846, which are hereby incorporated by reference.
[0036]
The flow rate of the reaction gas is determined based on the strength of the RF power, the pressure selected for the reaction, and the type of material gas and cross-linking gas. The reaction pressure is usually in the range of 1 to 10 Torr, but is preferably in the range of 3 to 7 Torr to maintain a stable plasma. This reaction pressure is relatively high in order to increase the residence time of the reaction gas. The total flow rate of the reaction gas is important for reducing the relative dielectric constant of the generated film. In general, the longer the residence time, the lower the dielectric constant. The material gas flow required to form the film depends on the desired growth rate and the area of the substrate on which the film is formed. For example, in order to form a film on a substrate (radius r = 100 mm) at a growth rate of 300 nm / min, a material gas of at least 50 sccm (preferably 100 to 500 sccm including 150, 200, 250 sccm) is present in the reaction gas. Is expected to be included.
[0037]
In order to regulate the reaction in the gas phase, it is advantageous to add a small amount of inert gas to the reaction chamber. Helium (He) and argon (Ar) are inert gases and have different first ionization energies, 24.56 eV and 15.76 eV, respectively. Therefore, the reaction of the material gas in the gas phase is controlled by adding both He or Ar alone or in combination in a predetermined amount. Additionally or alternatively, neon (Ne) may be used for the same purpose. The molecules of the reaction gas undergo a polymerization reaction in the gas phase to form oligomers. The oligomer is desired to have a 1: 1 O: Si ratio. However, when the oligomer forms a film on the substrate, the oligomer further undergoes a polymerization reaction to achieve a higher oxygen ratio. The ratio varies depending on the dielectric constant and other characteristics of the film formed on the substrate. In consideration of the above and the reaction efficiency, oxygen is supplied to adjust the Si / O ratio in the reaction gas.
[0038]
The invention will be further described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a plasma CVD apparatus used in a method for forming an insulating film having a low dielectric constant according to an embodiment of the present invention. The
[0039]
Next, a method for forming a low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention will be described. The method includes the step of introducing a reaction gas comprising a main material gas, a sub-material gas (crosslinking gas and additionally an oxygen supply gas) and an additive gas (inert gas) into the
[0040]
It is useful to independently use alternative combinations of inclined or different gas flows and / or gases to produce materials that are inclined and / or have different compositions at the initial interface and final surface of the membrane. is there.
[0041]
In addition, the low dielectric constant insulating film forming method according to the embodiment of the present invention includes a step of applying RF power by superimposing the first RF power and the second RF power on the
[0042]
According to the method according to the embodiment of the present invention, CO as a secondary source gas.2Alcohols such as ethylene glycol, 1,2 propanediol and isopropyl alcohol (IPA), hydrocarbons containing at least one unsaturated bond such as ethylene, N2Alternatively, by introducing an ether such as diethyl ether, the linear oligomer is crosslinked, and the mechanical strength of the film can be improved while maintaining a low dielectric constant. Moreover, the mechanical strength of the film can be further improved by superimposing the second RF power on the first RF power.
[0043]
Furthermore, the method for forming a low dielectric constant insulating film according to the embodiment of the present invention includes a step of optimizing the flow rate of each material gas and the outputs of the first and second RF power sources. The output optimization was performed by the following experiment. Here, the frequency of the first
[0044]
In the experiment, by optimizing the flow rate of each gas and the output of the first and second RF power sources, when DM-DMOS (dimethyl-dimethoxysilane) is used as the main material gas, the relative dielectric constant is 2.8 or Below that, an insulating film with a film hardness of 2.5 GPa or higher is formed, and when DMOTMDS (1,3-dimethoxytetramethyldisiloxane) is used as the main material gas, the dielectric constant is 2.5 or higher. An insulating film having a film hardness of 1.0 GPa or higher is formed below.
[0045]
【Example】
Hereinafter, an experiment for optimizing the flow rate of each gas and the output of each RF power source in the method for forming a low dielectric constant insulating film according to the present invention will be described.
[0046]
(Experiment 1)
Using the
Figure 2 shows the O under the above experimental conditions.25 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate is changed from 0 to 200 sccm. From the graph, under the above experimental conditions, the optimum O for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or less and a film hardness of 2.5 GPa or more.2It can be seen that the flow rate is 50 to 150 sccm.
[0047]
(Experiment 2)
Using the
Fig. 3 shows CO under the above experimental conditions.25 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate is changed from 0 to 1000 sccm. From the graph, under the above experimental conditions, the optimum CO for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or lower and a film hardness of 2.5 GPa or higher is shown.2It can be seen that the flow rate is between 100 and 900 sccm.
[0048]
(Experiment 3)
Using the
FIG. 4 shows that the power density of the second RF power supply is 0 to 0.5 W / cm under the above experimental conditions.2It is the graph which showed the relationship between the dielectric constant when it was made to change to film thickness, and film | membrane hardness. From the graph, under the above experimental conditions, the optimum power density of the second RF power source for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or lower and a film hardness of 2.5 GPa or higher is 0.025 to 0. .4 W / cm2It can be seen that it is.
[0049]
(Experiment 4)
Using the
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate of ethylene glycol is changed from 0 to 200 sccm under the above experimental conditions. From the graph, it is understood that the optimum ethylene glycol flow rate for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or lower and a film hardness of 2.5 GPa or higher is 50 to 100 sccm under the above experimental conditions. .
[0050]
(Experiment 5)
Using the
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate of ethylene glycol is changed from 0 to 200 sccm under the above experimental conditions. From the graph, it is understood that the optimum ethylene glycol flow rate for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or lower and a film hardness of 2.5 GPa or higher is 100 to 150 sccm under the above experimental conditions. .
[0051]
(Experiment 6)
Using the
FIG. 7 is a graph showing the relationship between dielectric constant and film hardness when the flow rate of 1,2 propanediol is varied from 0 to 400 sccm under the above experimental conditions. From the graph, under the above experimental conditions, the
[0052]
(Experiment 7)
Using the
FIG. 8 is a graph showing the relationship between dielectric constant and film hardness when the flow rate of 1,2 propanediol is varied from 0 to 400 sccm under the above experimental conditions. From the graph, under the above experimental conditions, the
[0053]
(Experiment 8)
Using the
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate of ethylene is changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. From the graph, it can be seen that under the above experimental conditions, the optimum ethylene flow rate for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or less and a film hardness of 2.5 GPa or more is 50 to 450 sccm.
[0054]
(Experiment 9)
Using the
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate of ethylene is changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. It can be seen from the graph that the optimum ethylene flow rate for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or less and a film hardness of 2.5 GPa or more is 300 to 450 sccm under the above experimental conditions.
[0055]
(Experiment 10)
Using the
FIG. 11 shows N under the above experimental conditions.25 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate is changed from 0 to 500 sccm. From the graph, under the above experimental conditions, the optimum N for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or less and a film hardness of 2.5 GPa or more.2It can be seen that the flow rate is between 100 and 400 sccm.
[0056]
(Experiment 11)
Using the
FIG. 12 shows N under the above experimental conditions.25 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the film hardness when the flow rate is changed from 0 to 500 sccm. From the graph, under the above experimental conditions, the optimum N for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.8 or less and a film hardness of 2.5 GPa or more.2It can be seen that the flow rate is 200 to 400 sccm.
[0057]
(Experiment 12)
Using the
Table 1 and FIG. 13 are graphs showing the relationship between dielectric constant and film hardness / elastic modulus when the flow rate of isopropyl alcohol is changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. From the graph, the optimum conditions for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.5 or less, a film hardness of 1.0 GPa or more, and an elastic modulus of 5.0 GPa or more under the above experimental conditions. It can be seen that the flow rate of isopropyl alcohol is 50 to 450 sccm.
[Table 1]
[0058]
(Experiment 13)
Using the
Table 2 and FIG. 14 are graphs showing the relationship between dielectric constant and film hardness / elastic modulus when the flow rate of isopropyl alcohol is changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. From the graph, the optimum conditions for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.5 or less, a film hardness of 1.0 GPa or more, and an elastic modulus of 5.0 GPa or more under the above experimental conditions. It can be seen that the flow rate of isopropyl alcohol is 50 to 450 sccm.
[Table 2]
[0059]
(Experiment 14)
Using the
Table 3 and FIG. 15 are graphs showing the relationship between dielectric constant and film hardness / elastic modulus when the flow rate of diethyl ether is changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. From the graph, the optimum conditions for forming an insulating film having a dielectric constant of 2.5 or less, a film hardness of 1.0 GPa or more, and an elastic modulus of 5.0 GPa or more under the above experimental conditions. It can be seen that the flow rate of neat diethyl ether is 50 to 400 sccm.
[Table 3]
[0060]
(Experiment 15)
Using the
Table 4 and FIG. 16 are graphs showing the relationship between dielectric constant and film hardness / elastic modulus when the flow rate of diethyl ether was changed from 0 to 500 sccm under the above experimental conditions. From the graph, under the above experimental conditions, it is optimum to form an insulating film having a dielectric constant of 2.5 or less, a film hardness of 1.0 GPa or more, and an elastic modulus of 5.0 GPa or more. It can be seen that the flow rate of pure diethyl ether is 100 to 400 sccm.
[Table 4]
[0061]
As described above, according to the method of forming the low dielectric constant insulating film according to the embodiment of the present invention, the dielectric constant is low and the mechanical strength is high by optimizing the gas flow rate and the power density of the RF power source. An insulating film could be formed. Further, according to the method for forming a low dielectric constant film according to the embodiment of the present invention, the low dielectric constant insulating film can be easily formed without increasing the device cost.
[0062]
Although the invention has been described in terms of certain embodiments, other embodiments that will be apparent to those skilled in the art are also within the scope of the invention. Accordingly, aspects of the invention should be defined only by the claims. The present invention includes various embodiments and is not limited to the above embodiments. In particular, the present invention includes, but is not limited to, the following examples, and any combination of the above examples and the following examples can be easily achieved.
[0063]
1) A method for forming a low dielectric constant insulating film by plasma CVD, which is a silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups, CO2And introducing a reaction gas comprising Ar and / or He into the reaction chamber and superimposing the first RF power and the second RF power to generate a plasma reaction field inside the reaction chamber. A method comprising: applying power or applying only the first RF power alone; and optimizing the flow rate of each gas and the output of each RF power.
[0064]
2) The method according to
[0065]
3) The method according to
the method of.
[0066]
4) The method according to any one of
Or N2Where O is included.
[0067]
5) A method of forming a low dielectric constant insulating film by a plasma CVD method, the step of introducing a reaction gas comprising a silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups, an alcohol, and Ar and / or He into a reaction chamber; Applying RF power by superimposing the first RF power and the second RF power to generate a plasma reaction field within the reaction chamber, or applying only the first RF power alone; A process for optimizing each gas flow rate and each RF power output;
A method consisting of
[0068]
6) The method according to
[0069]
7) The method according to
[0070]
8) The method according to
[0071]
9) The method according to
[0072]
10) The method according to
[0073]
11) The method according to any one of
[0074]
12) A method for forming a low dielectric constant insulating film by a plasma CVD method, comprising a silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups, a hydrocarbon containing at least one unsaturated bond, and Ar and / or He. Introducing the reaction gas into the reaction chamber and applying RF power by superimposing the first RF power and the second RF power to generate a plasma reaction field in the reaction chamber, The method comprises the steps of applying only the RF power of each and the step of optimizing the flow rate of each gas and the output of each RF power.
[0075]
13) The method according to item 12, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is dimethyl-dimethoxysilane (DM-DMOS).
[0076]
14) The method according to item 12, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is 1,3-dimethoxytetramethyldisiloxane (DMOTMDS).
[0077]
15) The method according to item 12, wherein the hydrocarbon containing at least one unsaturated bond is ethylene.
[0078]
16) The method according to any one of Items 12 to 15, further comprising O as a reaction gas.2Or N2Where O is included.
[0079]
17) A method of forming a low dielectric constant insulating film by plasma CVD, which is a silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups, N2And introducing a reaction gas composed of Ar and / or He into the reaction chamber, and superimposing the first RF power and the second RF power to generate a plasma reaction field inside the reaction chamber. A method comprising: applying power or applying only the first RF power alone; and optimizing the flow rate of each gas and the output of each RF power.
[0080]
18) The method according to item 17, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is dimethyl-dimethoxysilane (DM-DMOS).
[0081]
19) The method according to item 17, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is 1,3-dimethoxytetramethyldisiloxane (DMOTMDS).
[0082]
20) The method according to any one of items 17 to 19, further comprising O as a reaction gas.2Or N2Where O is included.
[0083]
21) A method of forming a low dielectric constant insulating film by a plasma CVD method, which is a step of introducing a reaction gas comprising a plurality of alkoxy group-containing silicon hydrocarbons, ethers, and Ar and / or He into the reaction chamber. Applying RF power by superimposing the first RF power and the second RF power to generate a plasma reaction field inside the reaction chamber, or applying only the first RF power alone. And optimizing each gas flow rate and each RF power output.
[0084]
22) The method according to item 21, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is dimethyl-dimethoxysilane (DM-DMOS).
[0085]
23) The method according to item 21, wherein the silicon-based hydrocarbon having a plurality of alkoxy groups is 1,3-dimethoxytetramethyldisiloxane (DMOTMDS).
[0086]
24) The method according to item 21, wherein the ether is diethyl ether.
[0087]
25) The method according to any one of items 21 to 24, further comprising O as a reaction gas.2Or N2Where O is included.
[0088]
Those skilled in the art will appreciate that many modifications are possible without departing from the spirit of the invention. Accordingly, the form of the invention is illustrative and does not limit aspects of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a plasma CVD apparatus used for forming an insulating film according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of an O according to an embodiment of the present invention.2It is the graph which showed the relationship between the dielectric constant and hardness at the time of changing a flow rate.
FIG. 3 shows CO in an embodiment of the present invention.2It is the graph which showed the relationship between the dielectric constant and hardness at the time of changing a flow rate.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the power density of low-frequency RF power is changed in an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of ethylene glycol is changed in an example of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of ethylene glycol is changed in an example in which low-frequency RF power (LF power) according to the present invention does not exist.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of 1,2-propanediol is changed in an example of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of 1,2-propanediol is changed in an example in which LF power does not exist according to the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of ethylene is changed in an example of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness when the flow rate of ethylene is changed in an example in which LF power does not exist according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing N in an embodiment of the present invention.2It is the graph which showed the relationship between the dielectric constant when changing the flow volume of and the hardness.
FIG. 12 shows an embodiment in which LF power does not exist according to the present invention.2It is the graph which showed the relationship between the dielectric constant when changing the flow volume of and the hardness.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the hardness / elastic coefficient when the flow rate of isopropyl alcohol is changed in the example of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between dielectric constant and hardness / elastic coefficient when the flow rate of isopropyl alcohol is changed in an example in which LF power does not exist according to the present invention.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the hardness / elastic coefficient when the flow rate of diethyl ether is changed in the example of the present invention.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the hardness / elastic modulus when the flow rate of diethyl ether is changed in an example where LF power does not exist according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Plasma CVD equipment
2 Heater
3 Susceptor
4 Semiconductor wafer
5 Material gas inlet
6 Reaction chamber
7 1st RF power supply
8 Second RF power supply
9 Shower head
10 Exhaust port
11 Ground
Claims (29)
(i) ジメチルジメトシキシランまたは 1,3- ジメトキシテトラメチルジシロキサンから成る材料ガスと、(ii)架橋ガスであって、アルコール、エーテル、不飽和炭化水素、 CO2 及び N2 から成る集合から選択され、ここで、前記アルコールは C 1-6 アルカノール及び C 4-12 シクロアルカノールから成る集合から選択され、前記エーテルは C 3-20 エーテル及び C 5-12 シクロアルカノールビニル化合物から成る集合から選択され、前記不飽和炭化水素は、 C 2-4 不飽和炭化水素及び C 4-12 脂環式炭化水素不飽和化合物から成る集合から選択される、ところの架橋ガスと、(iii)不活性ガスと、から成る反応ガスを基板が配置されている反応チャンバ内に導入する工程と、
反応チャンバ内部にプラズマ反応場を形成するべくRF電力を印加する工程と、
反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、
から成る方法。A method for forming a silicon-based insulating film on a substrate by plasma reaction,
(i) a material gas consisting of dimethyldimethoxysilane or 1,3- dimethoxytetramethyldisiloxane , and (ii) a bridging gas selected from the group consisting of alcohols, ethers, unsaturated hydrocarbons, CO2 and N2. Wherein the alcohol is selected from the group consisting of C 1-6 alkanols and C 4-12 cycloalkanols, and the ether is selected from the group consisting of C 3-20 ethers and C 5-12 cycloalkanol vinyl compounds, The unsaturated hydrocarbon is selected from the group consisting of C 2-4 unsaturated hydrocarbons and C 4-12 alicyclic hydrocarbon unsaturated compounds, and (iii) an inert gas; Introducing a reaction gas comprising: into a reaction chamber in which a substrate is disposed;
Applying RF power to form a plasma reaction field within the reaction chamber;
Controlling the flow rate of the reaction gas and the intensity of the RF power;
A method consisting of:
ジメチルジメトシキシランまたは 1,3- ジメトキシテトラメチルジシロキサンから成る材料ガスと、アルコール、エーテル、不飽和炭化水素、 CO2 及び N2 から成る集合から選択される架橋ガスであって、前記アルコールは C 1-6 アルカノール及び C 4-12 シクロアルカノールから成る集合から選択され、前記エーテルは C 3-20 エーテル及び C 5-12 シクロアルカノールビニル化合物から成る集合から選択され、前記不飽和炭化水素は、 C 2-4 不飽和炭化水素及び C 4-12 脂環式炭化水素不飽和化合物から成る集合から選択される、ところの架橋ガスと、不活性ガスとを混合する工程と、
反応ガスとして混合ガスを基板が配置された反応チャンバ内に導入する工程と、
反応チャンバ内部にプラズマ反応場を形成するべくRF電力を印加する工程と、
反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、
から成る方法。A method for increasing the mechanical strength of a silicon-based insulating film formed on a substrate,
A material gas composed of dimethyldimethoxysilane or 1,3- dimethoxytetramethyldisiloxane and a crosslinking gas selected from the group consisting of alcohol, ether, unsaturated hydrocarbon, CO2 and N2 , wherein the alcohol is C 1 -6 alkanol and C 4-12 cycloalkanol selected from the group consisting of C 3-20 ether and C 5-12 cycloalkanol vinyl compound, and the unsaturated hydrocarbon is C 2 A step of mixing a crosslinking gas selected from the group consisting of -4 unsaturated hydrocarbons and C 4-12 alicyclic hydrocarbon unsaturated compounds with an inert gas;
Introducing a mixed gas as a reaction gas into a reaction chamber in which a substrate is disposed;
Applying RF power to form a plasma reaction field within the reaction chamber;
Controlling the flow rate of the reaction gas and the intensity of the RF power;
A method consisting of:
(a)(i) ジメチルジメトシキシランまたは 1,3- ジメトキシテトラメチルジシロキサンから成る材料ガスと、(ii) アルコール、エーテル、不飽和炭化水素、 CO2 及び N2 から成る集合から選択された架橋ガスであって、前記アルコールは C 1-6 アルカノール及び C 4-12 シクロアルカノールから成る集合から選択され、前記エーテルは C 3-20 エーテル及び C 5-12 シクロアルカノールビニル化合物から成る集合から選択され、前記不飽和炭化水素は、 C 2-4 不飽和炭化水素及び C 4-12 脂環式炭化水素不飽和化合物から成る集合から選択される、ところの架橋ガスと、(iii)不活性ガスと、から成る反応ガスを基板が配置されている反応チャンバ内に導入する工程と、
(b)反応チャンバ内部にプラズマ反応場を形成するべくRF電力を印加する工程と、
(c)反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、
から成る方法によって得られるプラズマ重合生成物であり、前記プラズマ重合生成物は2.5GPa若しくはそれ以上の硬度及び2.8若しくはそれ以下の誘電率を有するところのシリコン系絶縁膜。A silicon-based insulating film formed on the substrate, the silicon-based insulating film,
(a) (i) A material gas composed of dimethyldimethoxysilane or 1,3- dimethoxytetramethyldisiloxane , and (ii) a crosslinking gas selected from the group consisting of alcohol, ether, unsaturated hydrocarbon, CO2 and N2 , wherein said alcohol Is selected from the group consisting of C 1-6 alkanols and C 4-12 cycloalkanols, the ether is selected from the group consisting of C 3-20 ethers and C 5-12 cycloalkanol vinyl compounds, and the unsaturated hydrocarbon is A reaction gas comprising a crosslinking gas selected from the group consisting of C 2-4 unsaturated hydrocarbons and C 4-12 alicyclic hydrocarbon unsaturated compounds, and (iii) an inert gas. Introducing into the reaction chamber in which
(b) applying RF power to form a plasma reaction field within the reaction chamber;
(c) controlling the flow rate of the reaction gas and the intensity of the RF power;
A silicon-based insulating film having a hardness of 2.5 GPa or higher and a dielectric constant of 2.8 or lower.
(a)(i) ジメチルジメトシキシランまたは 1,3- ジメトキシテトラメチルジシロキサンか ら成る材料ガスと、(ii) アルコール、エーテル、不飽和炭化水素、 CO2 及び N2 から成る集合から選択された架橋ガスであって、前記アルコールは C 1-6 アルカノール及び C 4-12 シクロアルカノールから成る集合から選択され、前記エーテルは C 3-20 エーテル及び C 5-12 シクロアルカノールビニル化合物から成る集合から選択され、前記不飽和炭化水素は、 C 2-4 不飽和炭化水素及び C 4-12 脂環式炭化水素不飽和化合物から成る集合から選択される、ところの架橋ガスと、(iii)不活性ガスと、から成る反応ガスを基板が配置されている反応チャンバ内に導入する工程と、
(b)反応チャンバ内部にプラズマ反応場を形成するべくRF電力を印加する工程と、
(c)反応ガスの流量及びRF電力の強度を制御する工程と、
から成る方法によって得られるプラズマ重合生成物であり、前記プラズマ重合生成物は1.0GPa若しくはそれ以上の硬度、5.0GPa若しくはそれ以上の弾性率、及び2.5若しくはそれ以下の誘電率を有するところのシリコン系絶縁膜。A silicon-based insulating film formed on the substrate, the silicon-based insulating film,
(a) (i) A material gas comprising dimethyl dimethyl Toshiki silane or 1,3-dimethoxy-tetramethyldisiloxane or al, (ii) an alcohol, ether, unsaturated hydrocarbon, crosslinked gas selected from the group consisting of CO2 and N2, the The alcohol is selected from the group consisting of C 1-6 alkanol and C 4-12 cycloalkanol, the ether is selected from the group consisting of C 3-20 ether and C 5-12 cycloalkanol vinyl compound, and the unsaturated hydrocarbon Is selected from the group consisting of C 2-4 unsaturated hydrocarbons and C 4-12 alicyclic hydrocarbon unsaturated compounds, a reaction gas comprising a crosslinking gas and (iii) an inert gas. Introducing into the reaction chamber in which the substrate is located;
(b) applying RF power to form a plasma reaction field within the reaction chamber;
(c) controlling the flow rate of the reaction gas and the intensity of the RF power;
A plasma polymerization product obtained by a process comprising: a hardness of 1.0 GPa or higher, a modulus of elasticity of 5.0 GPa or higher, and a dielectric constant of 2.5 or lower However, a silicon-based insulating film.
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