JPH0855912A - Vlsiに応用できる低誘電率絶縁方法 - Google Patents
Vlsiに応用できる低誘電率絶縁方法Info
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Abstract
た半導体デバイスをつくる方法を提供する。 【構成】 半導体基板10の平面に対して鋭角で、方向
を決めて誘電体層14を成長させる方向性成長により、
狭い間隔の導体12の最上部の間にブリッジを形成し、
1つまたはそれ以上の気体誘電体領域18を形成する。
本プロセスは自己整列形であるため、導体間の誘電体材
料の成長をマスクするように導体自体の作蔭効果を使用
して、非常に狭い間隔の導体の間だけをブリッジする。
続いて層間誘電体20を成長させることにより構造体が
完成する。方向性成長方法は、たとえばSiO2 、Si
3 N4 、ポリイミドあるいはアモルファス・テフロンな
どの材料の電子ビーム加熱真空蒸着でよい。
Description
製造に関し、より詳細には、半導体デバイスの接続層に
おける容量結合を低減する方法および構造体に関する。
これらの方法は、幅が1ミクロン以下の機構を持つVL
SI(超大規模集積)回路に特に重要である。
体はコンピュータやテレビジョンなどの電子装置用集積
回路で広く使用されている。普通これらの集積回路は、
1つの単結晶シリコンチップ上に多数のトランジスタを
組合わせて複雑な機能を実行するとともにデータを記憶
する。1つのチップに、より多くの機能とより大きい記
憶容量を集積するニーズのため半導体産業は、1つのチ
ップに共通に集積される個々のトランジスタや他のデバ
イスの大きさを縮小する方法を捜し求めてきた。しか
し、デバイスをより小さい寸法に縮小することは好まし
くない効果が多数生じる傾向がある。これらの効果の1
つは、回路の導体間の容量結合が増加することである
が、その理由は容量結合は線間距離に反比例するからで
ある。この結合を低減させる手段をとらなければ、当該
デバイスの最終的速度が制限されるか、さもなければデ
バイスは適正に動作しなくなるであろう。
る絶縁体あるいは誘電体に高度に依存している。従来の
半導体製造方法では誘電体として二酸化ケイ素を使用し
ているが、二酸化ケイ素の誘電率は約3.9である。可
能性としての最低誘電率1.0は、真空の誘電率であ
る。1例を挙げると、線間の二酸化ケイ素誘電体を部分
的な真空で置換することにより、容量結合を約3.9分
の1に減少できるであろう。
空な誘電体を生成して容量結合を低減させる方法を開発
してきている。特に1つの方法(米国特許第4,98
7,101号)は、一時的誘電体層(temporary dielec
tric layer)の材料、たとえばポリ・パラ・キシリレン
(poly-para-xylylene)を線間に成長させ、構造体を酸
化物の層で被覆し、被覆層(cap layer )を通して穴を
エッチングし、選択的に一時的誘電体層を除去し、さら
に穴をパッチする手順(step)を含んでいる。この方法
はかなり複雑で、部分的に真空な誘電体を生成するため
には多数のプロセス手順(processing steps)を必要と
する。またこのプロセスは、デバイスの構造強度と熱伝
導能力に悪影響を及ぼす。
平方向に隣接する導体間の容量結合を選択的に低減する
方法および構造体である。本発明は、一時的固体誘電体
の成長および除去、あるいは被覆層の除去穴の生成およ
び埋め込み(plugging)をすることなく、部分的に真空
な誘電体あるいは気体誘電体を選択的に生成する最初の
発明であることは明かである。また、従来の方法は、広
い間隔の導体間に一時的(除去されなければ永久的)誘
電体の大きなボイドあるいは領域を生成したが、これら
の領域が構造上の能力および熱消費能力を限定してい
た。本発明の1つの重要な利点は、気体誘電体領域が、
それが最も必要である箇所にだけ、即ち水平方向に隣接
する狭い間隔の導体間に生成されることである。一般に
広い間隔の導体は、固体誘電体を使用していてもその容
量結合は比較的小さい。したがって、構造的に強靭で熱
伝導が良い固体誘電体を広い間隔の導体間に散在させて
おくことにより、デバイスの総合特性をより良く向上さ
せることができる。
グ(self-masking)するので気体誘電体を封入する構造
体も自己整列(self-aligned)されることである。この
ことは、本発明の方法により1つあるいは2つのプロセ
ス手順だけで気体誘電体領域を生成させることを可能に
している。
域のある半導体デバイスのために層内(intralayer)誘
電体をつくる方法を提供している。 本方法は、導体の
少なくとも1つが隣接する導体上に誘電体材料が成長す
るのを部分的に妨害するように、パターン化された導体
の層を基板上に形成し、当該導体および基板上に誘電体
材料を方向を決めて成長させることを含んでいる。本方
法は、少なくとも1つの隣接する導体の対の間に1つま
たはそれ以上の誘電体ブリッジを形成して、当該ブリッ
ジの下に気体誘電体を生成することをさらに含んでい
る。好ましくは、これらのブリッジは、誘電体材を方向
を決めて成長させること(directional deposition:以
下、方向性成長と呼ぶ)を制御することにより形成され
る。即ち、隣接導体の対向する側面および最上部に成長
した材料が隣接導体間に形成され、最終的につながった
構造体になる点まで成長する。
をつくることができる。好ましくは、本デバイスは第
1、第2および第3の導体を含んでおり、第1および第
2の導体は当該導体の高さより小さい間隔で隔てられ、
第2および第3の導体は当該導体の高さより大きい間隔
で隔てられている。本デバイスは、基板、第1および第
2の導体、および誘電体ブリッジによって決められる間
隔を部分的に充填する気体誘電体領域と共に、第1およ
び第2の導体を接続する誘電体材料のブリッジをさらに
含んでいる。本デバイスは固体誘電体材料、あるいは完
全にはブリッジしないが第2および第3の導体間に成長
した小さなボイド領域を生成することができる材料をさ
らに含んでいる。
徴と利点を含む本発明を最も良く理解することができ
る。
成長手法と導体自体のマスキング機構を使用して、非常
に狭い間隔の導体間に気体誘電体をつくる方法を提供し
ている。本実施例の方法が図1に示されている。図1A
を参照すると、前からある3本の導体12が基板10に
断面図で示されているが、基板10は実際の半導体基板
あるいは半導体デバイスの層間誘電体(interlayer die
lectric )であればよい。方向性成長源(directional
deposition source )16(大きさは示されていない)
は、主として平行にされた(collimated)誘電体材料が
成長源16の位置から見えるデバイスの表面に向けられ
るように、基板平面に対して(説明のため45度に選ん
である)鋭角で配置されている。他の各種構造体を形成
する方向性成長方法は、たとえば電子ビーム加熱真空蒸
着(electron beam evaporation)あるいは並行化物理
的気相成長(collimated physical vapor deposition)
でよい。誘電体材料は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポ
リイミド、アモルファス・テフロンあるいはそれらの化
合物であることが望ましい。作蔭式方向性成長方法(sh
adowed directional deposition techniques)は文献に
説明されている(米国特許大4,599,790号を参
照)。この場合方向性成長源16は、主として、方向性
成長源16から見て直線上にある(in its direct line
of sight )基板の上に誘電体層14を成長させ、この
基板には導体12の右の側壁と最上部および基板10の
導体によって妨害されない部分が含まれている。最左端
の2本の導体間に形成されている狭い間隔は部分的に蔭
になり、誘電体材料が当該導体の間隔の底部あるいは側
壁に成長(reach )するのを防止している。方向性成長
を説明する本図および他の図には、材料の成長の方向性
性質を示すために鋭い端部が使用されているが、実際に
つくる場合は殆ど確実に少し丸くなるであろう。
今度は導体12の左側側面と最上部に向けられるように
基板10と成長源16との相対位置が変化している。こ
の新しい位置から層14に誘電体材料が加えられる。図
1Cにおいて、相対位置は好ましくは最初の位置に戻さ
れ、最左側の2本の導体間の間隔がブリッジされた後あ
る点まで層14に誘電体材料が成長(apply )し、部分
的に真空な領域18を生成する(真空の環境で約13
3.3×10-6パスカル(10-6トル(Torr))の代表
的な圧力のもとで成長が起こることが望ましい)。
力により近く等化させることが望ましい。これを達成す
る1つの方法は、前記構造体を(たとえばH2 が10
%、N 2 が90%の)周囲圧力で温度が400℃から4
50℃の形成用気体(forminggas )内で約1時間焼き
もどしすることであろう。これをすれば封止された気体
領域にH2 分子を浸透(penetrate )させ、気体圧力を
増加させることができるであろう。
間の誘電体構造体を示している。好適な誘電体材料を方
向を決めずに成長させた誘電体層20が全構造体の上に
加えられている。この材料は、層14に使用される材料
と同じでよいが、本発明が主張する理由とは別に、主と
してデバイス上の理由で決まる特定の選択により、層2
0を生成する一般的な多数の誘電体材料と手法を使用し
てもよい。
示している。第1に、誘電体のブリッジは自動的に調整
されるため、機構の大きさがより小さいことは実際に本
発明の魅力を増加する。即ち間隔が狭いとより少ない成
長しか必要にならず、ブリッジが小さければ構造的に強
く、横縦比ギャップが大きくなれば気体誘電体の相対的
比率が増加するので、ギャップの誘電率はかえって小さ
くなる。第2に、線間ギャップが大きいとブリッジでき
ない。このことは一般には利点である。何故ならば、大
きなギャップの両端の容量結合は、固体誘電体材料が使
用されていても比較的小さく、固体誘電体材料は大きな
ギャップが構造的に支持されて熱を消散することを可能
としているから、この効果を生じさせるためにプロセス
手順を追加する必要がないからである。
電体によってブリッジされた最大ギャップは主として誘
電体の成長方法、基板の平面に対する成長角度および成
長時間によって制御されるので、理論的には間隔が大き
くても小さいグレージング角(grazing angles)でブリ
ッジされることである。しかし、実際につくるときは、
一般的に10度以上の角度に、好ましくは20度以上の
角度に限定されるであろう。(45度以上の)比較的大
きな角度での成長は可能であるが、これでは導体12の
側壁よりも早く導体の最上部に材料を積み上げ(build
s)てしまうので、最大ブリッジ長(maximum bridge sp
an )が制限される。
るが、より詳細には代表的な実施例の装置の配列を示し
ている。図2Aを参照すると、(普通、後で切離される
多数の半導体チップが含まれている)半導体ウェハー2
2の側面図が、成長角度17で方向性成長源16に対す
る相対位置に示されている。図2Bは同じ配列を示して
いるがウェハー22を垂直に見おろしている。ウェハー
上の導体の微細パターンと1つの固定された方向性成長
源16との関係を示すために、ウェハーの小部分24が
拡大されて示されている。
に誘電体の方向性成長が完了した後を示している。方向
性成長により生成された気体誘電体領域18の位置が狭
い間隔の導体12の間に示されている。気体誘電体領域
は、隣接導体との間隔(separation)が小さい部分に生
成されているだけである。本実施例の利点は簡潔さであ
る。即ちパターン化された導体が主として垂直かつ並行
に走っているときは、ただ1つの固定された誘電体源を
配置して誘電体ブリッジを生成すればよい。
面に誘電体層20が加えられた後を示している。成長角
度が1つだけ使用されたため、気体誘電体領域18上に
形成されたブリッジが含まれている。またオーバーハン
グ構造体は、方向を決めて最右端の導体12に成長させ
た誘電体層14の一部として形成されている。
施例の平面図を示しているが、この実施例には、ウェハ
ー22の第1の誘電体源の反対側に配置された第2の誘
電体源16がある。同時に動作する2つの誘電体源によ
り、この配列は図4Bに示すような断面をつくり出すこ
とができるので、図3Bの大きなオーバーハング(over
hang)は非常に小さくなりブリッジ構造体は本質的に対
称になる。
が、誘電体源16が動作するのにともないウェハー22
は多分プラッタの上で回転する。こうすれば図5Bに示
す断面と同様な断面をつくり出すことができる。ウェハ
ー上に形成された小さい「断崖峡谷」(box canyon)形
導体を除けば、少なくともウェハーの回転の間、あるい
はその何分の1かの間、成長源によって全表面が照射さ
れる。こうすれば、誘電体ブリッジが完成される前に、
導体12間および導体12の低い側壁にいくらかの誘電
体材料が成長することになる。それでもブリッジが形成
する。その理由はウェハー回転の間に、隣接導体の上部
側壁は低部側壁よりも長い時間照射されるからである。
本プロセスはブリッジが閉じるに伴って加速して、回転
毎に小量の誘電体がギャップに落ち込むことを可能とす
る。本発明の1つの利点は、隣接導体間および隣接導体
の低部側壁に付着する小さな誘電体層が、必要ならば、
パッシベーション層として役立ちうるということであ
る。
実施例では層14の方向性成長はブリッジが完全に形成
される前に中止する。こうすれば、気体誘電体領域18
の圧力を等化する別の方法と同様、誘電体層20を成長
(apply )させている間、構造体が周囲圧力に近づくよ
うに露出されることが可能になる。本実施例は、誘電体
材料20の(たとえばスパンガラスの表面張力など)あ
る種の特性に依存して、層20の成長の間に誘電体材料
20のかなりの部分が領域18に入ることを防止してい
る。
概要である。
なく、説明として考えられるべきであるから、本発明
が、これらの特定例に限定されているとして解釈すべき
ではない。本発明は、本発明の精神と範囲から逸脱しな
いすべてのプロセスと構造体をカバーするように意図さ
れている。たとえば、本発明の精神を侵害することなく
方向性成長装置を75度より大きな入射角で比較的短時
間動作させてもよいし、あるいは成長装置がウェハーの
周りを回転してもよいことは、当業者には直ちに明らか
になるであろう。(パッシベーション層、被覆層など)
説明されなかった別の層も本発明により理解されよう。
気体誘電体を含む特殊な空洞の形状が示されていが、こ
れも説明のためであり、本発明を実施する場合、多数の
別の空洞の形状を形成してもよい。いくつかの特定例の
特性は、本発明の本質から逸脱せずに結合できるであろ
う。
る。 1.半導体デバイスの層内誘電体を形成する方法であっ
て、(a)パターン化された導体の層を基板上に形成し
(b)前記導体の少なくとも1つが隣接する導体上に誘
電体材料が成長することを部分的に妨害するように、前
記導体および前記基板上に誘電体材料を方向を決めて成
長させ、(c)少なくとも1つの隣接する前記導体の対
の間に1つまたはそれ以上の誘電体のブリッジを形成
し、前記ブリッジの下に気体誘電体を生成することによ
り、隣接する前記導体対の間の実効容量が、前記誘電体
材料だけで隔離されているときよりも小くなる、ことを
含む方法。
料を方向を決めて成長させる前記手順は、(a)前記成
長させる手順の間、方向性成長源と、決められた表面を
備えかつ前記基板を含むウェハーとの間に、前記ウェハ
ーの前記表面で測定して5度から75度の角度を保ち、
(b)前記ウェハーの前記表面に投影されかつ前記ウェ
ハーの前記表面の仮想基準線に対して測定された位置で
あって、前記成長源と前記ウェハーとの2つまたはそれ
以上の別々の位置において前記成長源を動作させる、こ
とを含むことを特徴とする方法。
は15度と45度の間に保たれることを特徴とする方
法。
させる手順は、前記ウェハーの前記表面に対する法線に
関して前記成長源と前記ウェハーの相対位置を回転さ
せ、前記回転は前記動作させる手順の大部分の間連続し
ていることをさらに含むことを特徴とする方法。
させる手順は、少なくとも2つの別々の位置で前記成長
源と前記ウェハーの相対位置を間欠的に回転させること
をさらに含むことを特徴とする方法。
させる手順は、(a)前記成長させる手順の間、1つま
たはそれ以上の方向性成長源のそれぞれと、決められた
表面を備えかつ前記基板を含むウェハーとの間で、前記
ウェハーの前記表面で測定して5度から75度の角度を
保ち、(b)前記ウェハーの前記表面に投影されかつ前
記ウェハーの前記表面の仮想基準線に対して測定された
固定された位置であって、前記ウェハーに対して前記固
定された位置で前記成長源を動作させる、ことを含むこ
とを特徴とする方法。
は15度と45度の間に保たれることを特徴とする方
法。
体ブリッジを形成する前記手順は、(a)前記成長させ
る手順のパラメータを監視し、(b)前記誘電体材料
が、前記ブリッジを完成するために必要な厚さになった
後でのみ、前記成長させる手順を終了する、ことを含む
ことを特徴とする方法。
体ブリッジを形成する前記手順は、(a)前記成長させ
る手順のパラメータを監視し、(b)前記誘電体材料
が、前記ブリッジを完成するために必要な厚さになる前
に前記成長させる手順を終了し、(c)前記基板に加わ
る気体の圧力を少なくとも101.325ヘクトパスカ
ル(0.1気圧)の値に調整し、(d)前記気体絶縁物
領域が、目に見えるほど前記誘電体材料で充填されない
ように、誘電体材料の第2の層を加えて前記ブリッジを
完成する、ことを含むことを特徴とする方法。
少なくとも前記導体を被覆するのに必要な厚さで誘電体
材料の第2の層を形成し、(b)前記誘電体材料の最上
部表面をプレーナー化する、ことをさらに含むことを特
徴とする方法。
気体中で前記装置を焼きもどすことにより、前記気体絶
縁物領域の内部圧力を少なくとも101.325ヘクト
パスカル(0.1気圧)の値に上昇させることを特徴と
する方法。
形成用気体は約10%のH2 と約90%のN2 の化合物
であることを特徴とする方法。
パターン化された導体の前記層は第1、第2および第3
の導体を含み、前記第1および第2の導体は前記導体の
高さより小さいスペースにより水平方向に隔離され、前
記第2と第3の導体は前記導体の高さより大きいスペー
スにより水平方向に隔離され、(b)前記誘電体ブリッ
ジの少なくとも1つは前記第1と第2の導体間に形成さ
れ、(c)前記第2と第3の導体は前記ブリッジによっ
て接続されない、ことを特徴とする方法。
2および第3の水平方向に隣接した導体と、(b)誘電
体のブリッジにより接続され、前記導体の高さより小さ
いスペースにより水平方向に隔離された前記第1および
第2の導体と、(c)前記基板、前記第1および第2の
導体および、部分的に前記間隔を占有する気体誘電体領
域を決める前記ブリッジと、(d)誘電体材料により実
質的に充填され、前記導体の高さより大きい第2の間隔
により水平方向に隔離された、前記第2と第3の導体
と、を含むことを特徴とする半導体デバイス。
に隣接する第1、第2および第3の導体と、(b)前記
導体の高さより小さい間隔により、水平方向に隔離され
た前記第1および第2の導体と、(c)前記第1および
第2の導体間をブリッジするが、前記第2と第3の導体
間をブリッジしない誘電体材料の層と、を含むことを特
徴とする半導体デバイス。
隣接導体間の容量を小さくした半導体デバイスを製造す
るプロセス。本手法は、低誘電率の層内絶縁体材料の必
要性が高まっている(1ミクロン以下の)狭い間隔の導
体の場合に最も良く機能する。半導体基板10の平面に
対して鋭角で、方向を決めて誘電体層14を成長させる
ことにより、狭い間隔の導体12の最上部の間にブリッ
ジを形成し、1つまたはそれ以上の気体誘電体領域18
を形成する。本プロセスは自己整列形であるため、導体
間の誘電体材料の成長をマスクするように導体自体の作
蔭効果(shadowing effect)を使用して、非常に狭い間
隔の導体の間だけをブリッジする。続いて層間誘電体2
0を成長させることにより代表的な構造体が完成する。
方向性成長方法は、たとえばSiO2 、Si3 N4 、ポ
リイミドあるいはアモルファス・テフロンなどの材料の
電子ビーム加熱真空蒸着でよい。
材料を3つの方向で成長させ、最終的に誘電体材料の成
長をプレーナー化することにより、非常に狭い間隔の導
体間に気体誘電体が生成されることを含む、前記手順を
示す断面図であって、Aは、導体の右の側壁と最上部お
よび基板の導体によって妨害されない部分に誘電体層が
成長する手順を示す断面図、Bは、導体の左側側面と最
上部および基板の導体によって妨害されない部分に誘電
体層が成長する手順を示す断面図、Cは、最左側の2本
の導体間の間隔がブリッジされた後ある点まで誘電体材
料が加えられ、部分的に真空な領域を生成する手順を示
す断面図、Dは、完成した層内の誘電体構造体と層間の
誘電体構造体を示す断面図。
対する1つの関係を示す図であって、Aはウェハーと、
1つの固定された方向性成長源に対する1つの関係を示
す側面図、Bはウェハーと、1つの固定された方向性成
長源に対する1つの関係を示す平面図。
を1つの固定された方向で成長させることにより形成さ
れた気体誘電体領域を示す図であって、Aは図2のウェ
ハーの一部分において、誘電体材料を1つの固定された
方向で成長させることにより形成された気体誘電体領域
を示す平面図、Bは図2のウェハーの一部分において、
誘電体材料を1つの固定された方向で成長させることに
より形成された気体誘電体領域を示す断面図。
成長断面を生成する別の実施例を示す図であって、Aは
2つの固定された方向性成長源が異なる誘電体成長断面
を生成する別の実施例を示す平面図、Bは2つの固定さ
れた方向性成長源が異なる誘電体成長断面を生成する別
の実施例を示す断面図。
し、さらに別の誘電体成長断面を生成する別の実施例を
示す図であって、Aは1つの方向性成長源に関してウェ
ハーが回転し、さらに別の誘電体成長断面を生成する別
の実施例を示す平面図、Bは1つの方向性成長源に関し
てウェハーが回転し、さらに別の誘電体成長断面を生成
する別の実施例を示す断面図。
間隔の導体間のギャップを完全にブリッジせず、ブリッ
ジがプレーナー誘電体により被覆される前に、気体誘電
体の内部圧力が等化されることを可能にする別の実施例
を示す図。
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体デバイスの層内誘電体を形成する
方法であって、(a)パターン化された導体の層を基板
上に形成し(b)前記導体の少なくとも1つが隣接する
導体上に誘電体材料が成長することを部分的に妨害する
ように、前記導体および前記基板上に誘電体材料を方向
を決めて成長させ、(c)少なくとも1つの隣接する前
記導体の対の間に1つまたはそれ以上の誘電体のブリッ
ジを形成し、前記ブリッジの下に気体誘電体を生成する
ことにより、隣接する前記導体対の間の実効容量が、前
記誘電体材料だけで隔離されているときよりも小くな
る、ことを含む方法。 - 【請求項2】 (a)基板上に形成された第1、第2お
よび第3の水平方向に隣接した導体と、(b)誘電体の
ブリッジにより接続され、前記導体の高さより小さいス
ペースにより水平方向に隔離された前記第1および第2
の導体と、(c)前記基板、前記第1および第2の導体
および、部分的に前記間隔を占有する気体誘電体領域を
決める前記ブリッジと、(d)誘電体材料により実質的
に充填され、前記導体の高さより大きい第2の間隔によ
り水平方向に隔離された、前記第2と第3の導体と、を
含むことを特徴とする半導体デバイス。
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