JP5164078B2 - Low dielectric constant insulating film - Google Patents
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本発明は、低誘電率絶縁膜に係り、特に、低誘電率を有するとともに高機械強度及び高ダメージ耐性を併せ備えた低誘電率絶縁膜に関する。 The present invention relates to a low dielectric constant insulating film, and more particularly to a low dielectric constant insulating film having a low dielectric constant and having both high mechanical strength and high damage resistance.
半導体装置の高集積密度化と高速動作化に伴い、配線間容量を低減することが求められている。この配線間容量を低減するため、層間絶縁膜の誘電率を低減する技術が必要とされ、low−k膜と呼ばれる比誘電率が3.0以下の絶縁膜についての研究が行われている。 As the integration density of semiconductor devices increases and the operation speed increases, it is required to reduce the capacitance between wires. In order to reduce the inter-wiring capacitance, a technique for reducing the dielectric constant of the interlayer insulating film is required, and research has been conducted on an insulating film called a low-k film having a relative dielectric constant of 3.0 or less.
従来、low−k膜は、プラズマCVD法により製造されてきた。プラズマCVD法によると、チャンバー内のステージ上に基板を載置し、例えばCH3基を含む原料ガスをチャンバー内に導入し、この原料ガスをプラズマ化して、重合反応によって基板上にlow−k膜を堆積している(例えば非特許文献1,2,3参照)
しかし、従来のプラズマCVD法によるlow−k膜の製造方法の場合、プラズマが発する高エネルギーの電子や紫外光(UV光)あるいはフォトンにより、原料ガスを構成する前駆体分子が必要以上に分解されてしまう。例えば、前駆体分子中のSi−CH3結合からCH3基が、電子やUV光あるいはフォトンの過剰なエネルギーにより過剰に離脱したり、基板上に堆積したlow−k膜から有機基が離脱したりし、緻密化が進行する。このように、プラズマ化によりガスの解離が促進された場合、所望の分子構造を有するCVD膜を形成することが出来ない。このため、所望の誘電率(k<2.2以下)や高強度(ヤング率≧4GPa)を有する膜を形成することが困難であった。
Conventionally, low-k films have been manufactured by plasma CVD. According to the plasma CVD method, a substrate is placed on a stage in a chamber, a raw material gas containing, for example, a CH 3 group is introduced into the chamber, this raw material gas is turned into plasma, and low-k is formed on the substrate by a polymerization reaction. A film is deposited (see, for example,
However, in the case of a conventional method for producing a low-k film by plasma CVD, precursor molecules constituting the source gas are decomposed more than necessary by high-energy electrons, ultraviolet light (UV light) or photons emitted from plasma. End up. For example, the CH 3 group is excessively detached from the Si—CH 3 bond in the precursor molecule due to excessive energy of electrons, UV light, or photons, or the organic group is detached from the low-k film deposited on the substrate. In other words, densification proceeds. Thus, when the dissociation of gas is promoted by plasmatization, a CVD film having a desired molecular structure cannot be formed. For this reason, it has been difficult to form a film having a desired dielectric constant (k <2.2 or less) and high strength (Young's modulus ≧ 4 GPa).
また、従来、誘電率を下げるために、膜中に有機基を多く導入して立体障害体を増やし、膜密度を下げるか、空孔導入体(ポロジェン)を添加して、これを燃焼して除去することで空孔を導入し、膜の密度を下げる手法がとられてきた。しかし、原料分子のk値が3.0とすると、2.0以下のk値の絶縁膜を得るためには、50%程度の空孔率が必要になる。従って、このような空孔を導入する手法によれば、誘電率と機械的な強度はトレードオフになる。 Conventionally, in order to lower the dielectric constant, many organic groups are introduced into the film to increase the number of steric obstacles, and the film density is lowered, or a hole introducing substance (porogen) is added and burned. A method has been used to introduce pores by removing them and reduce the density of the film. However, when the k value of the raw material molecules is 3.0, a porosity of about 50% is required to obtain an insulating film having a k value of 2.0 or less. Therefore, according to the technique of introducing such holes, the dielectric constant and mechanical strength are traded off.
例えば、分子サイズの空孔を膜の中に形成することにより低誘電率化を図ったMPS(Molecular Pore Stacking)膜が提案されているが、k=2.4程度のものしか報告されていない。MPS膜において誘電率を下げるためには、原理的に、SiO環の径を広げる必要があるが、そうした場合、強度が低下してしまう。 For example, an MPS (Molecular Pore Stacking) film has been proposed in which a low dielectric constant is achieved by forming molecular-sized pores in the film, but only k = 2.4 has been reported. . In order to lower the dielectric constant in the MPS film, in principle, it is necessary to widen the diameter of the SiO ring, but in such a case, the strength is lowered.
強度を維持したまま誘電率を下げる手法として、原料分子にSiO2成分を導入する方法がある。しかしながら、SiO2成分を増やすことで膜中のCH3濃度を下げることになり、プラズマダメージ耐性を低くしてしまう。一般に、低誘電率で強度の強い膜は、プラズマダメージ耐性が低いとされている。 As a method for reducing the dielectric constant while maintaining the strength, there is a method of introducing a SiO 2 component into the raw material molecules. However, increasing the SiO 2 component lowers the CH 3 concentration in the film and lowers the plasma damage resistance. In general, a film having a low dielectric constant and high strength is considered to have low plasma damage resistance.
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされ、誘電率が低く、強度が高く、かつプラズマダメージ耐性が高い低誘電率絶縁膜を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a low dielectric constant insulating film having a low dielectric constant, high strength, and high plasma damage resistance.
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、SiO構造を含む基本分子の複数個を直鎖状に結合した直鎖状分子と、この直鎖状分子の複数個を、間にSiO構造を含むバインダー分子を介在させて結合してなり、Si原子、O原子、C原子、及びH原子を含む重合体からなる低誘電率絶縁膜であって、該低誘電率絶縁膜をフーリエ変換赤外分光法により分析して得たスペクトルのピーク信号のうち、波数1020cm−1近傍に見られるリニア型SiO構造を示す信号、波数1080cm−1近傍に見られるネットワーク型SiO構造を示す信号、及び波数1120cm−1近傍に見られるケージ型SiO構造を示す信号の3種の信号面積の総和を100%としたとき、リニア型SiO構造を示す信号の面積比が49%以上であり、かつ前記スペクトルのピーク信号のうち、波数7cm−1近傍に見られるSi(CH3)を示す信号の信号量と、波数800cm−1近傍に見られるSi(CH3)2を示す信号の信号量の総和を100%としたとき、Si(CH3)2を示す信号の信号量が66%以上であることを特徴とする低誘電率絶縁膜を提供する。 In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention is to provide a linear molecule in which a plurality of basic molecules including a SiO structure are linearly bonded, and a plurality of the linear molecules are interposed between SiO structures. A low dielectric constant insulating film made of a polymer containing Si atoms, O atoms, C atoms, and H atoms, which is bonded through a binder molecule containing of the peak signal spectrum obtained was analyzed by an outer spectroscopy, a signal indicating signal indicating the linear SiO structure found in the vicinity of a wave number of 1020 cm -1, the network type SiO structure found in the vicinity of wave number 1080 cm -1, and wavenumber when the sum of the three signals area signal indicating the cage SiO structure found in 1,120 cm -1 vicinity of 100%, and the area ratio of a signal indicating a linear SiO structure 49% or more, and Of the peak signal of the serial spectrum, the signal amount of the signal indicating Si (CH 3) found in the vicinity of a wave number 7 cm -1, Si (CH 3) found in the vicinity of wavenumber of 800 cm -1 2 a signal of a signal indicating Provided is a low dielectric constant insulating film characterized in that the signal amount of a signal indicating Si (CH 3 ) 2 is 66% or more when the total is 100%.
このような低誘電率絶縁膜において、前記ケージ型SiO構造を示す信号の面積比を、10〜25%とすることが出来る。 In such a low dielectric constant insulating film, the signal area ratio indicating the cage-type SiO structure can be 10 to 25%.
また、前記Si(CH3)2を示す信号の信号量を80%以上とすることが出来る。 Further, the signal amount of the signal indicating the Si (CH 3 ) 2 can be 80% or more.
更に、前記直鎖状分子が2量体以上のメチルシロキサンとし、前記バインダー分子をSiO2、SiO1.5(CH3)、及びSiO(CH3)2からなる群から選ばれた1種とすることが出来る。 Further, the linear molecule is a dimer or higher methylsiloxane, and the binder molecule is one selected from the group consisting of SiO 2 , SiO 1.5 (CH 3 ), and SiO (CH 3 ) 2. I can do it.
更にまた、前記Si原子、O原子、C原子、及びH原子を含む重合体のSi原子、O原子、及びC原子の総量を100%とするとき、C原子の量を36〜50%とすることが出来る。 Furthermore, when the total amount of Si atom, O atom, and C atom of the polymer containing Si atom, O atom, C atom, and H atom is 100%, the amount of C atom is 36-50%. I can do it.
また、本発明の一態様に係る低誘電率絶縁膜は、2量体以上のメチルシロキサンを原料ガスとして用いて、中性ビームCVD法により成膜することが出来る。この場合、前記2量体以上のメチルシロキサンとして、ジメトキシテトラメチルジシロキサンを用いることが出来る。 The low dielectric constant insulating film according to one embodiment of the present invention can be formed by a neutral beam CVD method using dimer or higher methylsiloxane as a source gas. In this case, dimethoxytetramethyldisiloxane can be used as the methylsiloxane of the dimer or higher.
本発明によると、低誘電率及び高強度を有するとともに、プラズマダメージ耐性が高い低誘電率絶縁膜が提供される。 According to the present invention, a low dielectric constant insulating film having low dielectric constant and high strength and high plasma damage resistance is provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜は、SiO構造を含む基本分子の複数個を直鎖状に結合した直鎖状分子と、この直鎖状分子の複数個を、間にSiO構造を含むバインダー分子を介在させて結合してなり、Si原子、O原子、C原子、及びH原子を含む重合体からなる。
A low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention includes a linear molecule in which a plurality of basic molecules including a SiO structure are linearly bonded, and a plurality of the linear molecules are interposed between
この低誘電率絶縁膜の構造の概念図を図1に示す。 A conceptual diagram of the structure of this low dielectric constant insulating film is shown in FIG.
図1において、菱形の図形で表されている基本分子1は、複数個が直鎖状に結合されて、直鎖状分子2,3,4を形成している。直鎖状分子2は基本分子1を2個結合した2量体であり、直鎖状分子3は基本分子1を3個結合した3量体であり、直鎖状分子4は基本分子1を5個結合した5量体である。これら直鎖状分子2,3,4は、間に十字形の図形で表されているバインダー分子5を介在させて結合されている。なお、バインダー分子5による結合は、図示するように、直鎖状に限らず、3次元的にも結合されている。
In FIG. 1, a plurality of
本実施形態に係る低誘電率絶縁膜を構成する、Si原子、O原子、C原子、及びH原子を含む重合体の基本的な構造を図2〜5に示す。 2 to 5 show the basic structure of a polymer containing Si atoms, O atoms, C atoms, and H atoms that constitute the low dielectric constant insulating film according to this embodiment.
図2に示す構造では、基本分子がジメチルシロキサン(SiO(CH3)2)であり、この基本分子が2個結合した2量体(テトラメチルジシロキサン)が、バインダー分子であるジメチルシリコン(Si(CH3)2)を介して結合してユニットAを構成し、このユニットAが直鎖状に連結した構造を形成している。このような重合体では、ユニットA中のSi原子は3個、O原子は3個、C原子は6個であり、Si原子、O原子、及びC原子の総量を100%とするとき、C原子の量は50%となる。 In the structure shown in FIG. 2, the basic molecule is dimethyl siloxane (SiO (CH 3 ) 2 ), and a dimer (tetramethyldisiloxane) in which two of the basic molecules are bonded is dimethyl silicon (Si Unit A is formed by bonding via (CH 3 ) 2 ), and this unit A forms a linearly connected structure. In such a polymer, the unit A has 3 Si atoms, 3 O atoms, and 6 C atoms. When the total amount of Si atoms, O atoms, and C atoms is 100%, C The amount of atoms is 50%.
図3に示す例では、基本分子がジメチルシロキサン(SiO(CH3)2)であり、この基本分子が2個結合した2量体(テトラメチルジシロキサン)が、バインダー分子であるモノメチルシロキサン(SiOCH3)を介して結合してユニットBを構成し、このユニットBが直鎖状に連結した構造を形成している。このような重合体では、ユニットB中のSi原子は3個、O原子は3.5個、C原子は5個であり、Si原子、O原子、及びC原子の総量を100%とするとき、C原子の量は43%となる。この構造は直鎖状であるが、バインダー分子であるモノメチルシロキサン(SiOCH3)のO原子を介して立体的に連結することが出来、それによって強度が増加する。 In the example shown in FIG. 3, the basic molecule is dimethylsiloxane (SiO (CH 3 ) 2 ), and a dimer (tetramethyldisiloxane) in which two of the basic molecules are bonded is a monomethylsiloxane (SiOCH) that is a binder molecule. 3 ) to form a unit B, which is connected via a straight chain. In such a polymer, unit B has 3 Si atoms, 3.5 O atoms, and 5 C atoms, and the total amount of Si atoms, O atoms, and C atoms is 100%. The amount of C atoms is 43%. This structure is linear, but it can be sterically linked through the O atom of monomethylsiloxane (SiOCH 3 ), which is a binder molecule, thereby increasing the strength.
図4に示す例では、基本分子がジメチルシロキサン(SiO(CH3)2)であり、この基本分子が2個結合した2量体(テトラメチルジシロキサン)が、バインダー分子であるSiO2を介して結合してユニットCを構成し、このユニットCが直鎖状に連結した構造を形成している。このような重合体では、ユニットC中のSi原子は3個、O原子は4個、C原子は4個であり、Si原子、O原子、及びC原子の総量を100%とするとき、C原子の量は36%となる。この構造は直鎖状であるが、バインダー分子であるSiO2の2つのO原子を介して立体的に連結することが出来、それによって強度が増加する。 In the example shown in FIG. 4, the basic molecule is dimethylsiloxane (SiO (CH 3 ) 2 ), and a dimer (tetramethyldisiloxane) in which two of the basic molecules are bonded passes through the binder molecule SiO 2 . Unit C to form a structure in which the units C are linearly connected. In such a polymer, there are 3 Si atoms, 4 O atoms, and 4 C atoms in the unit C, and when the total amount of Si atoms, O atoms, and C atoms is 100%, The amount of atoms is 36%. Although this structure is linear, it can be sterically linked through two O atoms of the SiO 2 binder molecule, thereby increasing strength.
図5に示す例は、図3に示すユニットBと図4に示すユニットCが組み合わされたユニット構造を有する。 The example shown in FIG. 5 has a unit structure in which the unit B shown in FIG. 3 and the unit C shown in FIG. 4 are combined.
図2〜5に示す基本構造では、ジメチルシロキサン(SiO(CH3)2)からなる基本分子が2個結合した2量体(テトラメチルジシロキサン)は、2個のSi原子に対して4個のCH3基を有する。このような直鎖状分子が更に連結することで、高いC濃度のメチルシロキサン重合体が得られる。直鎖状分子同士はバインダー分子により結合されるが、2量体の直鎖状分子に対し1個のバインダー分子が介在したとすると、上述した3種のバインダーを用いた場合に、C濃度は36〜50%となる。このように、CH3基が多く導入されることで、低誘電率化と高ダメージ耐性が得られる。 In the basic structure shown in FIGS. 2 to 5, four dimers (tetramethyldisiloxane) in which two basic molecules composed of dimethylsiloxane (SiO (CH 3 ) 2 ) are bonded to two Si atoms. Of CH 3 groups. By further linking such linear molecules, a high C concentration methylsiloxane polymer can be obtained. Linear molecules are bonded to each other by binder molecules, and assuming that one binder molecule is interposed with respect to a dimeric linear molecule, when the above-mentioned three types of binders are used, the C concentration is 36 to 50%. Thus, by introducing a large number of CH 3 groups, low dielectric constant and high damage resistance can be obtained.
また、このような直鎖状の構造を主体とするメチルシロキサン構造は、ポア導入による低誘電率絶縁膜とは異なり、直鎖状分子がSiO構造を有するバインダーで結合しながら密に充填した構造になるため、強度の高い絶縁膜が得られる。 In addition, such a methylsiloxane structure mainly composed of a linear structure is different from a low dielectric constant insulating film by introduction of pores, and a structure in which linear molecules are closely packed while being bonded with a binder having an SiO structure. Therefore, an insulating film with high strength can be obtained.
以上説明した本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜は、中性ビームを用いたCVD(以下、NBE-CVDと呼ぶ)法により得ることが出来る。即ち、本発明者らは、NBE-CVD法による低誘電率絶縁膜の成膜について鋭意研究した結果、次のような知見を得た。即ち、シロキサン結合を有する化合物を原料ガスとして用いて、NBE-CVD法により成膜したところ、SiO構造とSi(CH3)3構造が直鎖状に結合した直鎖成分を多く含む重合体膜が形成され、この重合体膜が2.2以下のk(誘電率)、4以上のE(ヤング率)を有することを見出した。 The low dielectric constant insulating film according to one embodiment of the present invention described above can be obtained by a CVD method using a neutral beam (hereinafter referred to as NBE-CVD). That is, the present inventors have earnestly studied the formation of a low dielectric constant insulating film by the NBE-CVD method, and as a result, obtained the following knowledge. That is, when a film having a siloxane bond is used as a source gas and is formed by NBE-CVD, a polymer film containing a large amount of linear components in which a SiO structure and a Si (CH 3 ) 3 structure are linearly bonded. It was found that this polymer film had k (dielectric constant) of 2.2 or less and E (Young's modulus) of 4 or more.
なお、シロキサン結合を有する化合物としては、例えば、ジメトキシテトラメチルシジシロキサン(DMOTMDS)、ジメチルジエトキシシラン(DMDEOS)、ジメチルジメトキシシラン(DMDMOS)を挙げることが出来る。また、これら以外にも、MTMOS(メチルトリメトキシシラン)、トリメチルシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、ビストリメトキシシリルエタン、ビスメチルジメトキシシリルエタン、ビスジメチルメトキシシリルエタン、ビストリエトキシシリルエタンなどを用いることも可能である。 Examples of the compound having a siloxane bond include dimethoxytetramethylsidisiloxane (DMOTMDS), dimethyldiethoxysilane (DMDEOS), and dimethyldimethoxysilane (DMDMOS). Besides these, MTMOS (methyltrimethoxysilane), trimethylsilane, cyclopentyltrimethoxysilane, bistrimethoxysilylethane, bismethyldimethoxysilylethane, bisdimethylmethoxysilylethane, bistriethoxysilylethane, etc. can also be used. It is.
NBE-CVD法によると、成膜されるべき基板を、例えばDMOTMDS雰囲気中に置くと、基板表面にDMOTMDSの分子が吸着し、この吸着面に中性ビームを照射すると、DMOTMDSのメトキシ基部分が選択的に切断され、上述したテトラメチルジシロキサンからなる基本分子が優先的に形成され、これがSiO構造を有するバインダーを介して直鎖状に連結した重合体膜が得られる。この場合、中性ビームの基板上でのエネルギが、メトキシ基の結合エネルギ程度になるよう、加速エネルギを調整する必要がある。 According to the NBE-CVD method, when a substrate to be deposited is placed in, for example, a DMOTMDS atmosphere, DMOTMDS molecules are adsorbed on the surface of the substrate. By selectively cutting, the above-mentioned basic molecule composed of tetramethyldisiloxane is preferentially formed, and a polymer film is obtained in which these are linearly connected via a binder having a SiO structure. In this case, it is necessary to adjust the acceleration energy so that the energy of the neutral beam on the substrate is about the binding energy of the methoxy group.
なお、中性ビームの照射をパルス状(照射時間50μsec/インターバル200μsec)に照射することで、基板温度の上昇を抑制し、かつ所定の吸着時間の確保により原料ガス分子の吸着確率が増加し、2SiO(CH3)2直鎖構造をより効率的に膜中に取り込むことが出来、k=1.4、E=5GPaの低誘電率絶縁膜が形成される。この場合、基板温度を下げることにより、更に誘電率が低く、ヤング率が高い絶縁膜を得ることが出来る。このようにして、低誘電率と強度の両立を図ることが出来る。なお、このような絶縁膜の中C濃度は40%にも達し、プラズマダメージ耐性が高いことがわかる。
In addition, by irradiating the neutral beam in a pulsed manner (
本発明者らは、これまで実現できなかった低誘電率、高強度、高プラズナダメージ耐性の両立を実現できたのは、得られた絶縁膜特有の分子構造に起因すると考え、フーリエ変換赤外分光法により絶縁膜の構造解析をしたところ、低誘電率、高強度、高プラズナダメージ耐性を満たす構造的な要件が明確になった。 The present inventors considered that the reason why the low dielectric constant, high strength, and high plasma damage resistance, which could not be achieved so far, were realized due to the molecular structure peculiar to the obtained insulating film. Structural analysis of the insulating film by external spectroscopy revealed structural requirements that satisfy low dielectric constant, high strength, and high plasma damage resistance.
低誘電率絶縁膜をフーリエ変換赤外分光法により分析したところ、得られたスペクトルのピーク信号のうち、波数1020cm−1近傍に見られるリニア型SiO構造と、波数1080cm−1近傍に見られるネットワーク型SiO構造と、波数1120cm−1近傍に見られるケージ型SiO構造の3つのSiO構造が認められる。このうち、リニア型SiO構造は、例えば図2に示す直鎖状に連結した構造である。また、ネットワーク型SiO構造は、例えば図3に示す直鎖状の構造のバインダーのO原子を介して立体的に連結した構造がそれである。また、ケージ型SiO構造は、例えば図4に示す直鎖状の構造のバインダーの2つのO原子を介して立体的に連結し、ケージを形成した構造がそれである。 A low dielectric constant insulating film was analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy, of the peak signal of the obtained spectrum, the linear SiO structure found in the vicinity of a wave number of 1020 cm -1, are found in the vicinity of wave number 1080 cm -1 Network There are three SiO structures, a type SiO structure and a cage type SiO structure found in the vicinity of a wave number of 1120 cm- 1 . Among these, the linear SiO structure is a linearly connected structure shown in FIG. 2, for example. In addition, the network type SiO structure is, for example, a structure sterically linked through an O atom of a linear binder shown in FIG. Further, the cage-type SiO structure is a structure in which a cage is formed by sterically connecting via two O atoms of a linear binder shown in FIG. 4, for example.
本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜は、以上のリニア型SiO構造、ネットワーク型SiO構造、及びケージ型SiO構造を含むものであるが、リニア型SiO構造が主要な構造をなすことを特徴とする。即ち、低誘電率絶縁膜をフーリエ変換赤外分光法により分析して得たスペクトルのピーク信号のうち、波数1020cm−1近傍に見られるリニア型SiO構造を示す信号、波数1080cm−1近傍に見られるネットワーク型SiO構造を示す信号、及び波数1120cm−1近傍に見られるケージ型SiO構造を示す信号の3種の信号面積の総和を100%としたとき、リニア型SiO構造を示す信号の面積比が49%以上である必要がある。 A low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention includes the above-described linear-type SiO structure, network-type SiO structure, and cage-type SiO structure, and the linear-type SiO structure forms a main structure. And That is, look at the low dielectric constant insulating film in the spectrum of the peak signal obtained were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy, a signal indicating a linear SiO structure found in the vicinity of a wave number of 1020 cm -1, near wavenumber 1080 cm -1 Area ratio of the signal indicating the linear SiO structure when the sum of the three signal areas of the signal indicating the network type SiO structure and the signal indicating the cage type SiO structure found near the wave number of 1120 cm −1 is 100% Needs to be 49% or more.
このように、リニア型SiO構造を多く含む絶縁膜は、直鎖状分子がSiO構造をするバインダーで結合しながら密に充填した構造になるため、強度が高いものとなる。これに対し、リニア型SiO構造を示す信号の面積比が49%未満の場合には、ネットワーク型SiO構造及びケージ型SiO構造を多く含むため、密に充填した構造にはならず、強度が低いものとなる。 As described above, the insulating film containing a large amount of the linear type SiO structure has a high strength because it has a structure in which linear molecules are closely packed while being bonded with the binder having the SiO structure. On the other hand, when the area ratio of the signal indicating the linear type SiO structure is less than 49%, since the network type SiO structure and the cage type SiO structure are included, the structure is not densely packed and the strength is low. It will be a thing.
なお、リニア型SiO構造のみでは所望の強度を得ることが困難となり、10〜25%程度のケージ型SiO構造を含むことが望ましい。 Note that it is difficult to obtain a desired strength only with the linear type SiO structure, and it is desirable to include a cage type SiO structure of about 10 to 25%.
また、本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜は、前記スペクトルのピーク信号のうち、波数7cm−1近傍に見られるSi(CH3)を示す信号の信号量と、波数800cm−1近傍に見られるSi(CH3)2を示す信号の信号量の総和を100%としたとき、Si(CH3)2を示す信号の信号量が66%以上であることが必要である。 Moreover, the low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention, among the peak signal of the spectrum, the signal amount of the signal indicating Si (CH 3) found in the vicinity of a wave number 7 cm -1, wave number 800 cm -1 When the total signal amount of signals indicating Si (CH 3 ) 2 found in the vicinity is 100%, the signal amount of signals indicating Si (CH 3 ) 2 needs to be 66% or more.
このように、Si(CH3)2の割合が高いことにより、低誘電率及び高ダメージ耐性を有する絶縁膜が得られる。これに対し、Si(CH3)2を示す信号の信号量が66%未満の場合には、誘電率を所望の値に下げるに必要なCH3濃度を得ることが出来ず、またC濃度が低いためプラズマダメージ耐性が低くなる。 Thus, when the ratio of Si (CH 3 ) 2 is high, an insulating film having a low dielectric constant and high damage resistance can be obtained. On the other hand, when the signal amount of the signal indicating Si (CH 3 ) 2 is less than 66%, the CH 3 concentration necessary for lowering the dielectric constant to a desired value cannot be obtained, and the C concentration is low. Low plasma damage resistance due to low.
次に、本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜を成膜するためのNBE-CVD法について詳細に説明する。 Next, an NBE-CVD method for forming a low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
図6は、本発明の一実施形態に係る低誘電率絶縁膜を成膜するための中性粒子照射型CVD(NBE-CVD)装置を示す。図6において、CVD反応室(以下、単に反応室と称す)10の例えば上部には、中性粒子ビーム生成部11が設けられている。 FIG. 6 shows a neutral particle irradiation type CVD (NBE-CVD) apparatus for forming a low dielectric constant insulating film according to an embodiment of the present invention. In FIG. 6, a neutral particle beam generation unit 11 is provided at, for example, an upper portion of a CVD reaction chamber (hereinafter simply referred to as a reaction chamber) 10.
反応室10内には、処理対象である基板14が載置される支持台13が設けられている。支持台13は図示しない温度制御装置を備えており、基板14は所定の温度に制御されている。反応室10は、ガス導入口15と、排気機構16を有している。反応室10内は、排気機構16により所定の圧力に保持され、原料ガスは、ガス導入口15より支持台13上の基板14上に導かれる。
In the
中性粒子ビーム生成部11は、例えば石英製のプラズマ室12から構成される。プラズマ室12の上部には、ガス導入口17が設けられ、このガス導入口17より希ガス、例えばアルゴン、ヘリウム、クリプトンなどの不活性ガスがプラズマ室12内に導入される。プラズマ室12の周囲にはコイル18が巻回されている。このコイル18の一端は接地され、他端は高周波源19に接続されている。プラズマ室12の内部且つ上部には、上部電極としてのアノード電極20が設けられ、このアノード電極20は、スイッチSW1を介して直流電源21の正極、及び高周波源19に接続されている。また、プラズマ室12の下部、且つ反応室10との境界部には、下部電極としてのカソード電極22が設けられている。このカソード電極22は、スイッチSW2を介して直流電源21の負極に接続されている。直流電源21は可変電源であり、この直流電源21により、アノード電極20とカソード電極22との間の電界が変化可能とされている。
The neutral particle beam generator 11 includes a
カソード電極21は、正の荷電粒子を中性化して通過させ、且つプラズマから発生される電子やUV光あるいはフォトンを遮断する必要があるため、開口部22aのアスペクト比及び開口率が所定の値に規定されている。
The
さらに、反応室10内のガスがプラズマ室12内に流入することを防止するため、反応室10とプラズマ室12の圧力差を保持する必要がある。具体的には、反応室10の圧力は、例えば100mmTorr以上に設定され、プラズマ室12内の圧力は、例えば1Torr以上に設定される。したがって、反応室10からプラズマ室12へのガスの流入を抑制するため、プラズマ室12と反応室10の圧力差を10倍以上に設定する必要がある。このような圧力差を保持するためには、カソード電極22の開口部22aの開口率が30%近傍であることが好ましい。
Furthermore, it is necessary to maintain a pressure difference between the
図6に示すNBE-CVD装置による低誘電率絶縁膜の成膜は、次のようにして行われる。 The low dielectric constant insulating film is formed by the NBE-CVD apparatus shown in FIG. 6 as follows.
先ず、プラズマ室12の圧力が例えば1Torr以上に設定され、プラズマ室12内に希ガス、例えばアルゴンガスが導入される。この状態において、スイッチSW1がオンとされ、高周波源19より高周波電力がコイル18に供給される。この高周波電力は、例えば周波数が13.56MHz、電圧が500V、電力が1kWである。プラズマ室12内の電子は、コイル18により発生された高周波電界により加速されてアルゴンガスに衝突し、ガスが分解されてプラズマが発生される。
First, the pressure of the
この状態において、スイッチSW2がオンとされると、アノード電極20とカソード電極22との間に電界が発生され、プラズマ中の正の荷電粒子が電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極22において電子が供給されて中性化され、中性粒子ビーム(NB)が生成される。この中性粒子ビームは、複数の開口部22aを通過して反応室10内に導かれる。このとき、プラズマ源で発生した電子やUV光あるいはフォトンは、カソード電極22によって遮蔽され、反応室10には到達しない。
In this state, when the switch SW2 is turned on, an electric field is generated between the
反応室10に導かれる中性粒子のエネルギーは、プラズマで発生したイオンの加速電圧によって制御され、この加速電圧は、直流電源21を制御することにより可変される。
The energy of neutral particles guided to the
反応室10内において、基板14は、温度制御された支持台13上に載置されている。ガス導入口15から反応室10内に原料ガスとして、例えばDMOTMDSを導入すると、基板14の表面に吸着される。このDMOTMDSにプラズマ室12から導入された中性粒子が衝突される。中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応を生じて基板14上に順次堆積される。
In the
図7(a)は、DMOTMDSの分子構造と結合エネルギーの関係を示している。DMOTMDSの場合、O−CH3の結合エネルギーがほぼ3〜5eVであり、Si−CH3の結合エネルギーがほぼ5〜10eVである。本実施形態においては、O−CH3の結合を解離させる必要がある。このため、O−CH3の結合エネルギー以上で、Si−CH3の結合エネルギー以下のエネルギーを有する中性粒子ビームを基板14の表面に吸着されたDMOTMDS分子に照射することが望ましい。すなわち、直流電源21を制御して中性粒子ビームに5eV以下で3eV以上のエネルギーを与えてDMOTMDS分子に照射する。その結果、図7(a)に示す分子構造において、図7(b)に示すように、Oとメチル基(CH3)の結合が解離され、ジメチルシロキサン(SiO(CH3)2)からなる基本分子が2個結合した2量体(テトラメチルジシロキサン)が得られる。この2量体が、図7(c)に示すように、直鎖状に連結し、基板14上にSi原子、O原子、C原子を含む重合体からなる低誘電率絶縁膜が堆積される。
FIG. 7A shows the relationship between the molecular structure of DMOTMDS and the binding energy. In the case of DMOTMDS, the bond energy of O—CH 3 is approximately 3 to 5 eV, and the bond energy of Si—CH 3 is approximately 5 to 10 eV. In this embodiment, it is necessary to dissociate the O—CH 3 bond. For this reason, it is desirable to irradiate the DMOTMDS molecules adsorbed on the surface of the
この場合、図7(c)において、2量体だけでは、結合は生じることはなく、上述したようなバインダーが必要となる。NBE-CVDでは、Oとメチル基(CH3)の結合の解離以外にも、様々な部分における解離が生じ、それによって上述したSiO(CH3)2、SiO1.5(CH3)、又はSiO2等の各種バインダーが形成される。即ち、これらバインダーを間に介して2量体(テトラメチルジシロキサン)が直鎖状に連結して、上述したように、図2〜5に示すような重合体からなる低誘電率絶縁膜が得られる。 In this case, in FIG.7 (c), a coupling | bonding will not arise only by a dimer, but a binder as mentioned above is needed. In NBE-CVD, in addition to the dissociation of the bond between O and the methyl group (CH 3 ), dissociation occurs in various parts, thereby causing the above-described SiO (CH 3 ) 2 , SiO 1.5 (CH 3 ), or Various binders such as SiO 2 are formed. That is, a dimer (tetramethyldisiloxane) is linearly connected through these binders, and as described above, a low dielectric constant insulating film made of a polymer as shown in FIGS. can get.
以上の低誘電率絶縁膜の成膜のプロセスの概略を図8に示す。図8から、DMOTMDSが基板表面に吸着し、中性ビームの照射によりCH3基が離脱し、リニア及びケージ型のSiO構造を含む重合体が堆積するプロセスがわかる。 An outline of the process for forming the low dielectric constant insulating film is shown in FIG. FIG. 8 shows a process in which DMOTMDS is adsorbed on the substrate surface, CH 3 groups are detached by irradiation with a neutral beam, and a polymer containing linear and cage-type SiO structures is deposited.
本実施形態において、中性粒子ビームの照射方法は、連続的に照射することに限らず、パルス状に間欠的に照射することも可能である。間欠的に照射することで、成膜中の基板温度上昇を抑制し原料ガスの吸着効率を高め、効率的に重合反応を行うことが出来る。また、基板温度は低い方が原料ガスの基板への吸着効率を向上できるので、0℃以下で行うことが望ましい。 In the present embodiment, the neutral particle beam irradiation method is not limited to continuous irradiation, and pulsed intermittent irradiation is also possible. By intermittently irradiating, it is possible to suppress an increase in the substrate temperature during film formation, increase the adsorption efficiency of the source gas, and perform the polymerization reaction efficiently. Moreover, since the lower substrate temperature can improve the adsorption efficiency of the source gas to the substrate, it is desirable to carry out at 0 ° C. or less.
実施例1
原料ガスとしてDMDMOS及びDMOTMDSを用い、図6に示す中性粒子照射型CVD装置を用いて、シリコン基板上に2種の絶縁膜を堆積した。中性ビームは連続照射であり、中性ビームエネルギーは10eVに、チャンバー内の圧力は30mTorrに固定された。基板温度はー20℃であった。なお、比較例として、原料ガスとしてDMOTMDSを用いて従来のプラズマCVD(PECVD)により、シリコン基板上に絶縁膜を堆積した。
Example 1
DMDMOS and DMOTMDS were used as source gases, and two types of insulating films were deposited on the silicon substrate using a neutral particle irradiation type CVD apparatus shown in FIG. The neutral beam was continuous irradiation, the neutral beam energy was fixed at 10 eV, and the pressure in the chamber was fixed at 30 mTorr. The substrate temperature was −20 ° C. As a comparative example, an insulating film was deposited on a silicon substrate by conventional plasma CVD (PECVD) using DMOTMDS as a source gas.
得られた3種の絶縁膜について、フーリエ変換赤外分光法により分析した。また、Hgプローブを用いてk値を測定し、ナノインデンターを用いてヤング率を測定した。その結果を下記表1に示す。
上記表1に示すように、NBE-CVDにより成膜された絶縁膜は、49%以上のリニア型SiO構造を含んでおり、また66%以上のSi(CH3)2を有している。その結果、k値(誘電率)は、原料ガスとしてDMDMOSを用いた場合に2.2、DMOTMDSを用いた場合に1.9であった。これらの値は、従来のPECVDにより成膜された絶縁膜のk値2.6よりも大幅に低いものであった。なお、E(ヤング率)は、原料ガスとしてDMDMOSを用いた場合に7と高かった。なお、DMOTMDSを用いた場合のヤング率は4であり、従来のPECVDにより成膜された絶縁膜の値よりも低かったが、実用上、使用に耐える値であった。 As shown in Table 1 above, the insulating film formed by NBE-CVD includes a linear SiO structure of 49% or more and has Si (CH 3 ) 2 of 66% or more. As a result, the k value (dielectric constant) was 2.2 when DMDMOS was used as the source gas, and 1.9 when DMOTMDS was used. These values were much lower than the k value 2.6 of the insulating film formed by conventional PECVD. E (Young's modulus) was as high as 7 when DMDMOS was used as the source gas. When DMOTMDS was used, the Young's modulus was 4, which was lower than the value of an insulating film formed by conventional PECVD, but was practically usable.
実施例2
原料ガスとしてDMOTMDSを用い、基板温度をー70℃に下げたことを除いて、実施例1と同様にして、シリコン基板上に絶縁膜を堆積し、フーリエ変換赤外分光法により分析した。また、Hgプローブを用いてk値を測定し、ナノインデンターを用いてヤング率を測定した。その結果を下記表2に示す。なお、実施例1で求めた、従来のPECVDにより成膜された絶縁膜、基板温度−20℃の場合のNBE-CVDにより成膜された絶縁膜についてのデータも合せて示す。
An insulating film was deposited on the silicon substrate and analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy in the same manner as in Example 1 except that DMOTMDS was used as the source gas and the substrate temperature was lowered to −70 ° C. Moreover, k value was measured using the Hg probe, and Young's modulus was measured using the nanoindenter. The results are shown in Table 2 below. In addition, the data about the insulating film formed by conventional PECVD and the insulating film formed by NBE-CVD when the substrate temperature is −20 ° C. obtained in Example 1 are also shown.
上記表2に示すように、基板温度をー70℃に低下させ、NBE-CVDにより成膜された絶縁膜は、49%以上のリニア型SiO構造を含んでおり、また66%以上のSi(CH3)2を有している。その結果、k値は1.7であり、またヤング率は7であった。これらの値は、基板温度―20℃の場合の値に比べ、k値は低く、ヤング率は高いものであった。 As shown in Table 2 above, the insulating film formed by NBE-CVD with the substrate temperature lowered to −70 ° C. contains 49% or more of the linear SiO structure, and 66% or more of Si ( and a CH 3) 2. As a result, the k value was 1.7 and the Young's modulus was 7. These values were lower in k value and higher Young's modulus than those in the case where the substrate temperature was −20 ° C.
なお、基板温度−20℃の場合のNBE-CVDにより成膜された絶縁膜と、基板温度−70℃の場合のNBE-CVDにより成膜された絶縁膜を、フーリエ変換赤外分光法により分析して得たスペクトルを図9に示す。 Note that the insulating film formed by NBE-CVD when the substrate temperature is −20 ° C. and the insulating film formed by NBE-CVD when the substrate temperature is −70 ° C. are analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy. The spectrum obtained in this manner is shown in FIG.
図9において、(a)は基板温度−20℃の場合、(b)は基板温度−70℃の場合をそれぞれ示す。図9から、基板温度−70℃に下げることにより、メチル基の量が増大している(Si(CH3)2のピークが高くなっている)ことがわかる。このことは、基板温度の減少により、基板表面への吸着確率を増加し得ることを意味している。 9A shows a case where the substrate temperature is −20 ° C., and FIG. 9B shows a case where the substrate temperature is −70 ° C. From FIG. 9, it can be seen that the amount of methyl groups is increased (the peak of Si (CH 3 ) 2 is increased) by lowering the substrate temperature to −70 ° C. This means that the adsorption probability on the substrate surface can be increased by decreasing the substrate temperature.
実施例3
中性ビームをパルス状に照射したことを除いて、実施例2と同様の手順でシリコン基板上に絶縁膜を堆積した。パルス-オン時間を50μsに固定し、パルス-オフ時間を変化させて得た絶縁膜をフーリエ変換赤外分光法により分析し、SiO構造組成の変化を調べた。その結果、図10に示す結果を得た。
Example 3
An insulating film was deposited on the silicon substrate in the same procedure as in Example 2 except that the neutral beam was irradiated in a pulsed manner. The insulating film obtained by fixing the pulse-on time to 50 μs and changing the pulse-off time was analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy, and the change in the SiO structure composition was examined. As a result, the result shown in FIG. 10 was obtained.
図10から、パルス-オフ時間が増加するに従ってリニア構造の割合が増加することがわかる。特に、100〜200μsのパルスオフ時間では、52%以上のリニア型SiO構造が得られ、一方、ネットワーク型SiO構造は減少した。その結果、k値は1.3に減少し、ヤング率は5GPaを超える値が得られた。 FIG. 10 shows that the proportion of the linear structure increases as the pulse-off time increases. In particular, at a pulse-off time of 100 to 200 μs, a linear SiO structure of 52% or more was obtained, while the network type SiO structure decreased. As a result, the k value decreased to 1.3, and the Young's modulus exceeded 5 GPa.
以上、NBE-CVD法により成膜された低誘電率絶縁膜について説明したが、本発明はこれに限らず、他の方法により成膜された低誘電率絶縁膜にも適用することが可能である。 The low dielectric constant insulating film formed by the NBE-CVD method has been described above. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a low dielectric constant insulating film formed by another method. is there.
1…基本分子、2,3,4…直鎖状分子、5…バインダー分子、10…反応室、11…中性粒子ビーム生成部、12…プラズマ室、14…基板、19…高周波電源、20…アノード電極、21…直流電源、22…カソード電極、22a…開口部。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該低誘電率絶縁膜をフーリエ変換赤外分光法により分析して得たスペクトルのピーク信号のうち、波数1020cm−1近傍に見られるリニア型SiO構造を示す信号、波数1080cm−1近傍に見られるネットワーク型SiO構造を示す信号、及び波数1120cm−1近傍に見られるケージ型SiO構造を示す信号の3種の信号面積の総和を100%としたとき、リニア型SiO構造を示す信号の面積比が49%以上であり、
かつ前記スペクトルのピーク信号のうち、波数7cm−1近傍に見られるSi(CH3)を示す信号の信号量と、波数800cm−1近傍に見られるSi(CH3)2を示す信号の信号量の総和を100%としたとき、Si(CH3)2を示す信号の信号量が66%以上であることを特徴とする低誘電率絶縁膜。 A linear molecule in which a plurality of basic molecules including a SiO structure are linearly bonded to each other, and a plurality of the linear molecules are bonded with a binder molecule including a SiO structure interposed therebetween. A low dielectric constant insulating film made of a polymer containing atoms, O atoms, C atoms, and H atoms,
Of the low dielectric constant insulating film spectral peak signal obtained and analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy, a signal indicating a linear SiO structure found in the vicinity of a wave number of 1020 cm -1, are found in the vicinity of wave number 1080 cm -1 When the sum of the three signal areas of the signal indicating the network-type SiO structure and the signal indicating the cage-type SiO structure found near the wave number of 1120 cm −1 is 100%, the area ratio of the signal indicating the linear-type SiO structure is 49% or more,
And among the peak signals of the spectrum, the signal amount of a signal indicating Si (CH 3 ) seen in the vicinity of a wave number of 7 cm −1 and the signal amount of a signal showing Si (CH 3 ) 2 seen in the vicinity of a wave number of 800 cm −1. A low dielectric constant insulating film characterized in that the signal amount of a signal indicating Si (CH 3 ) 2 is 66% or more when the sum of the above is 100%.
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