JPH10330486A - 低誘電率材料 - Google Patents
低誘電率材料Info
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- JPH10330486A JPH10330486A JP9138690A JP13869097A JPH10330486A JP H10330486 A JPH10330486 A JP H10330486A JP 9138690 A JP9138690 A JP 9138690A JP 13869097 A JP13869097 A JP 13869097A JP H10330486 A JPH10330486 A JP H10330486A
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Abstract
用可能な低誘電率材料を提供する。 【解決手段】 B,Al,Ge,Ti,Y,Zr,N
b,Taから選ばれる1種類以上の金属元素Mと酸素か
ら成る無機ポリマーと、Si(−O−)4 ,R1 Si
(−O−)3 ,R2 R3 Si(−O−)2 (R1 ,
R2 ,R3 はアルキル基、アリール基またはアラルキル
基)の3種類のSiユニットのうち、R1 Si(−O
−)3 ,R2 R3 Si(−O−)2 の少なくともどちら
か一方を含む1種類以上のSiユニットから成る材料に
おいて、R1 Si(−O−)3 のみを含む場合はR1 の
一部、R2 R3 Si(−O−)2 のみ、あるいはR1 S
i(−O−)3とR2 R3 Si(−O−)2 の両方を含
む場合はR1 および/またはR2 のそれぞれ一部または
全部をHで置換したことを特徴とする低誘電率材料。
Description
などに用いられる絶縁膜、電気回路部品として用いられ
るIC基板など低誘電率材料に関するものである。
て、信号遅延の問題が深刻になりつつある。信号遅延は
配線の抵抗Rと配線間ならびに層間の容量Cの積で表さ
れるものである。遅延を最小に抑えるためには、配線抵
抗を低下させることと並んで、層間絶縁膜の誘電率を下
げることが有効な手段である。
シシランを加水分解して作製したゾルをスピンオングラ
ス(SOG)法によって成膜する方法が知られている。
しかし、このようにして作製した材料の分子構造は、≡
Si−O−Si≡の三次元網目構造で空隙を全く有さな
いものであり、誘電率は4.0と高かった。誘電率を下
げるための方法として、CVDなどによるSiOFの成
膜、有機材料の成膜、多孔質膜などが提案されている。
SiOFはFの含有量の増大とともに誘電率が3.3程
度まで低下するが、F量とともに吸湿性が高くなるとい
う問題がある。有機材料は、誘電率2.2程度までの低
誘電率材料が得られているが、耐熱性および基板との密
着性という課題がある。多孔質材料は孔の量に応じて誘
電率は4.7から2.3まで下げられる〔青井、第43
回応用物理学会講演予稿集、26p−N−5(199
6)〕。しかし吸湿性などに問題があるため、通常の半
導体素子や電気回路部品に使うことが難しい。従って、
従来のSOG法に用いられてきた材料で、低誘電率化す
ることができれば、既存のプロセスと整合性よく、高速
化に適した素子を作製することができる。
厚膜を塗布することが最大の課題であった。SiO2 ガ
ラスの膜は厚膜にすると溶剤の蒸発や熱収縮の際にクラ
ックが入りやすいため、Hを導入した膜や、有機成分を
導入した膜(有機SOG膜)が開発されてきている。有
機SOG膜は、分極が比較的小さく嵩高い有機基を含む
ために、無機成分のみのSOGより誘電率が低く、3.
4程度のものが市販されている。しかしながら、デザイ
ンルールが0.2μm以下になると、比誘電率3以下の
絶縁膜が必要と考えられているため、3.4という誘電
率の値は十分低いものではなく、有機SOGにおいても
さらに低誘電率化することが望まれていた。
率が低く、半導体素子、電気回路部品などに適用可能な
低誘電率材料を提供することである。
l,Ge,Ti,Y,Zr,Nb,Taから選ばれる1
種類以上の金属元素Mと酸素からなるM(−O−)
n (nは金属Mが結合する酸素の数)と、Si(−O
−)4 ,R1 Si(−O−)3 ,R2 R3 Si(−O
−)2 (R1 ,R2 ,R3 はアルキル基、アリール基ま
たはアラルキル基)の3種類のSiユニットのうち、R
1 Si(−O−)3 ,R2 R3 Si(−O−)2の少な
くともどちらか一方を含む1種類以上のSiユニットか
ら成る材料において、R1 Si(−O−)3 のみを含む
場合はR1 の一部、R2 R3 Si(−O−)2 のみ、あ
るいはR1 Si(−O−)3 とR2 R3 Si(−O−)
2 の両方を含む場合はR1 および/またはR2 のそれぞ
れ一部または全部をHで置換したことを特徴とする低誘
電率材料、(2)Si(−O−)4 ,R1 Si(−O
−)3 ,R2 R3 Si(−O−)2(R1 ,R2 ,R3
はアルキル基、アリール基またはアラルキル基)の3種
類のSiユニットのうち、少なくともR2 R3 Si(−
O−)2 を含み、かつ、R2の一部または全部がHで置
換され、かつ、R2 がHで置換されたHR3 Si(−O
−)2 のR3 の一部または全部がメチル基であることを
特徴とする(1)記載の低誘電率材料、(3)全金属元
素に対するSiのモル比が0.57以上0.95以下
で、かつ、全Siに対する水素と直接結合しているSi
のモル比が0.3以上で、かつ、全Siに対するアルキ
ル基、アリール基またはアラルキル基のモル比が0.5
以上1.7以下であることを特徴とする(1)および
(2)に記載した低誘電率材料、(4)(1)〜(3)
のいずれかの低誘電率材料からなる層間絶縁膜、及び
(5)(1)〜(3)のいずれかの低誘電率材料からな
るIC基板、である。
i(−O−)4 は、金属元素と酸素から構成されるユニ
ットがつながって形成された三次元状の網目構造を持つ
無機ポリマーを簡略化して表記したものである。R1 S
i(−O−)3 は、Siの有する四つの結合手のうち一
個がアルキル基、アリール基またはアラルキル基と結合
し、残りは酸素を介して無機ポリマー中に組み込まれ
る。R2 R3 Si(−O−)2 も同様に、酸素を介して
無機ポリマー中に組み込まれる。
由について述べる。一般に材料の誘電率εはクラウジウ
ス−モソッティの関係式(ε−1)/(ε+2)=4π
/3・(ρNA /M)・α(ρ:密度、NA :アボガド
ロ数、M:分子量、α:分極率)で表される。本発明の
材料は、1MHZ 以上の周波数の高い領域では配向性を
示さないので、誘電率を支配する分極として電子分極と
原子分極を考えればよい。この式から低誘電率化するた
めには、密度と分極率を小さくすることが有効であるこ
とがわかる。本発明の材料は、アルキル基、アリール基
またはアラルキル基を含んでおり、SiO2 ガラスより
嵩高く低密度になるため、低誘電率化が図れる。R−S
i結合(Rはアルキル基、アリール基またはアラルキル
基)とH−Si結合を比較すると、振動分極率は同程度
であるが、H−Si結合の方が電子分極率が著しく小さ
い。従って、低密度を保ったままR−SiのRをHで置
換することができれば、低誘電率化することができる。
そのためには、R−SiのRの一部のみをHで置換する
ことが必要である。また、本発明の低誘電率材料は、金
属塩、金属アルコキシド、アルコキシシラン、ハロゲン
化シランなどを加水分解して合成することができるが、
無機成分としてSiのみを含む場合、合成過程で生じる
分極率の大きいSiOH基が低反応性のため残りやす
い。しかし、Si以外の金属元素としてB,Al,G
e,Ti,Y,Zr,Nb,Taという加水分解後も反
応性が高い金属を入れておくと、残留するSiOH基を
低減させることができる。
基またはアラルキル基を表す。前記アルキル基は、好ま
しくは炭素原子数が1〜20、より好ましくは1〜1
2、更に好ましくは1〜6である。その例としてはメチ
ル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、
2−エチルヘキシル基、ドデシル基などが挙げられる。
前記アリール基及びアラルキル基は、好ましくは炭素原
子数が6〜20、より好ましくは6〜12である。その
例としては、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフ
チル基、ベンジル基などを挙げることができる。
Siに水素とメチル基のついたHCH3 Si(−O−)
2 の形でHを導入することにより、低密度と低分極率を
バランスよく達成でき、低誘電率化の効果が大きくな
る。
金属元素に対するSiのモル比は0.57以上0.95
以下であるとき、Si以外の金属元素による電子分極が
著しく増大することなくSiOH基を低減させることが
できるので、この範囲にすることが特に望ましい。ここ
で全金属元素とは、B,Al,Ge,Ti,Y,Zr,
Nb,Taから選ばれる1種類以上の金属元素と、すべ
てのSiを合わせたものを指す。また、全Siに対する
Hと直接結合しているSiの比が0.3以上のとき、低
誘電率化の効果が特に大きい。また、Siに対するアル
キル基、アリール基またはアラルキル基のモル比は0.
5以上1.7以下が好ましい。この比が0.5以上の時
アルキル基、アリール基またはアラルキル基による低密
度化が効果的に行われる。しかしながらこの比が1.7
を越えると、反応点が少ないため、三次元網目構造を形
成して固体になることができなかったり、固体になるま
でに時間がかかったりする。
ドを用いる場合、使用するアルコキシドは特に限定しな
いが、例えばメトキシド、エトキシド、プロポキシド、
ブトキシド等があげられる。また、アルコキシ基の一部
をβ−ジケトン、β−ケトエステル、アルカノールアミ
ン、アルキルアルカノールアミン、有機酸等で置換した
アルコキシド誘導体も使用できる。
シ基に対して2モル倍までの水を添加して加水分解す
る。この際、無機酸、有機酸あるいはそれらの両方を触
媒として使用してもよい。また、アルカリで溶液のpH
を調整し、加水分解反応を制御してもよい。添加する水
は、アルコール等の有機溶媒で希釈してもよい。2モル
倍以上の水を使用すると、すぐにゲル化するために好ま
しくない。
ー、アルキルアルコキシシランなどのSi原料およびア
ルコキシドを均一に分散、溶解できる有機溶媒が使用さ
れる。例えば、メタノール、エタノール、プロパノー
ル、ブタノール等の各種アルコール、アセトン、トルエ
ン、キシレン等である。
ルコール等を常圧あるいは減圧下で留去して塗布しても
よい。
合、基板への塗布は、スプレーコート法、ディップコー
ト法、スピンコート法等で行われる。
は、鋳型に流し込んで成形し、熱処理する。
500℃の大気中、N2 中、またはAr中で行う。70
℃未満であると、溶媒等が十分蒸発せず、固化できな
い。500℃を越えると、有機成分の分解が始まる。7
0〜500℃の大気中、N2 中、またはAr中で熱処理
した場合、原料のSiに結合していた有機基や水素はそ
の結合を保ったまま、膜またはバルク体中に存在する。
従ってSiの配位の状態は、原料と膜・バルク体とで同
じである。
絶縁膜、IC基板など各種電子部品に応用することがで
きる。
て具体的に説明する。表1に本発明による実施例および
比較例で用いた原料と、原料の混合のモル比、全金属元
素に対するSiのモル比(Si/(Si+M))、全S
iに対する水と直接結合しているSiのモル比(Si
(H)/Si)、全Siに対するアルキル基、アリール
基またはアラルキル基のモル比(R/Si)、および作
製した試料の誘電率を示す。
法を述べる。まず、Ti,Al,Ta,Nbの金属アル
コキシドは、いずれも2モル倍のアセト酢酸エチルと室
温で混合することにより安定化させた。つぎに、エタノ
ール溶液中に、Si原料と安定化させた金属アルコキシ
ドを所定のモル比で入れスターラーで30分攪拌する。
そこへ全アルコキシ基と等モルの水を加えさらに30分
攪拌する。実施例2,3,5,6,7および比較例8,
10では、水のかわりに1Nの塩酸水溶液を加えて30
分攪拌した。実施例1は、このようにして調整した液を
アルミシャーレに流し込み70℃で48時間、150℃
で24時間熱処理して、板状の試料を作製した。両面に
Al電極をつけ、インピーダンスアナライザで誘電率を
測定した。実施例2〜7、及び比較例8〜10は、調整
した液を、スピンコーターで厚さ1000Åの白金をス
パッタしたSi基板上に塗布し、150℃のホットプレ
ートで5分、300℃のホットプレートで30分熱処理
した。熱処理後、厚さ1000ÅのAlを直径1mmの
円形状につけ、インピーダンスアナライザで誘電率を測
定した。
基板を得ることができた。実施例2〜7では、誘電率
2.9以下の低誘電率の薄膜を得ることができた。特に
実施例2では、HCH3 Si(OC2 H5 )2 を主成分
として用いることにより、2.4まで低誘電率化するこ
とができた。比較例8は、Siに結合している酸素以外
の成分がすべてメチル基であるため、分極が大きく、誘
電率が高くなった。比較例9は、試料中にメチル基およ
びフェニル基を全く含まないため、有機成分による低密
度化ができず、誘電率が高くなった。比較例10は、金
属元素としてSiのみしか含まないため、残留するSi
OHが多くなり、誘電率が高くなった。
の低誘電率材料が得られる。LSI用層間絶縁膜、IC
基板など半導体素子および電気回路部品へこの低誘電率
材料を適用することにより、電気信号の遅延が小さくな
るため、デバイスの高速化に対応することができる。
Claims (5)
- 【請求項1】 B,Al,Ge,Ti,Y,Zr,N
b,Taから選ばれる1種類以上の金属元素Mと酸素か
らなるM(−O−)n (nは金属Mが結合する酸素の
数)と、Si(−O−)4 ,R1 Si(−O−)3 ,R
2 R3 Si(−O−)2 (R1 ,R2 ,R3 はアルキル
基、アリール基またはアラルキル基)の3種類のSiユ
ニットのうち、R1 Si(−O−)3 ,R2 R3 Si
(−O−)2の少なくともどちらか一方を含む1種類以
上のSiユニットから成る材料において、R1 Si(−
O−)3 のみを含む場合はR1 の一部、R2 R3 Si
(−O−)2 のみ、あるいはR1 Si(−O−)3 とR
2 R3 Si(−O−)2 の両方を含む場合はR1 および
/またはR2 のそれぞれ一部または全部をHで置換した
ことを特徴とする低誘電率材料。 - 【請求項2】 Si(−O−)4 ,R1 Si(−O−)
3 ,R2 R3 Si(−O−)2 (R1 ,R2 ,R3 はア
ルキル基、アリール基またはアラルキル基)の3種類の
Siユニットのうち、少なくともR2 R3 Si(−O
−)2 を含み、かつ、R2 の一部または全部がHで置換
され、かつ、R2 がHで置換されてなるHR3 Si(−
O−)2 のR3 の一部または全部がメチル基であること
を特徴とする請求項1記載の低誘電率材料。 - 【請求項3】 全金属元素に対するSiのモル比が0.
57以上0.95以下で、かつ、全Siに対する水素と
直接結合しているSiのモル比が0.3以上で、かつ、
全Siに対するアルキル基、アリール基またはアラルキ
ル基のモル比が0.5以上1.7以下であることを特徴
とする請求項1又は2に記載した低誘電率材料。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかの低誘電率材料
からなる層間絶縁膜。 - 【請求項5】 請求項1〜3のいずれかの低誘電率材料
からなるIC基板。
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