WO2011108456A1 - 低誘電率層間絶縁膜および低誘電率層間絶縁膜の成膜方法 - Google Patents

低誘電率層間絶縁膜および低誘電率層間絶縁膜の成膜方法 Download PDF

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film
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秀治 清水
修次 永野
芳 大橋
加田 武史
久勝 菅原
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大陽日酸株式会社
株式会社トリケミカル研究所
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Definitions

  • the present invention relates to a low dielectric constant interlayer insulating film and a method for forming a low dielectric constant interlayer insulating film.
  • the wiring layer has been miniaturized along with the high integration of semiconductor devices.
  • the influence of signal delay in the wiring layer is increased, and the increase in signal transmission speed is prevented. Problems have been pointed out. Since this signal delay is proportional to the resistance of the wiring layer and the wiring interlayer capacitance, it is required to reduce the resistance of the wiring layer and reduce the wiring interlayer capacitance in order to achieve high speed.
  • the SiO2 film has a relative dielectric constant of 4.1 and the SiOF film has a relative dielectric constant of 3.7, but an SiOCH film or an organic film having a lower relative dielectric constant has been used.
  • an insulating film (hereinafter referred to as a barrier film) having a diffusion barrier property and having few holes and voids is often formed around the copper wiring.
  • This barrier film is also required to have a low dielectric constant while maintaining diffusion barrier properties without increasing the number of holes and voids (see Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the insulating film such as the SiOCH film, the organic film, and the barrier film is subjected to processes such as an etching process, a cleaning process, and a polishing process. Therefore, for these treatments, adhesion is required so that the insulating films and the metal-insulating film do not peel off. Further, it is widely known that the adhesion is mainly caused by the mechanical strength of the insulating film (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). Further, in order to prevent the insulating film from being damaged, it is required that the mechanical strength including adhesion is high (see Patent Document 3). However, it has been pointed out that the mechanical strength decreases when holes or voids are formed in the insulating film.
  • a low dielectric constant interlayer insulating film such as a SiOCH film achieves a low dielectric constant by providing many holes and voids.
  • the conventional low dielectric constant interlayer insulating film has a problem that the barrier property of gas and metal is inferior because there are many holes and voids.
  • the conventional low dielectric constant interlayer insulating film has a problem that the cohesive energy is weak and the adhesion with a film of another composition is inferior.
  • barrier property and adhesion are inferior, it may cause insulation film breakdown, electromigration, stress migration, and the like, resulting in reduced wiring reliability.
  • a first aspect of the present invention is a low dielectric constant interlayer insulating film formed by plasma CVD method and containing at least carbon and silicon, and the ratio of carbon to silicon is 2.5 or more. And a low dielectric constant interlayer insulating film having a relative dielectric constant of 3.8 or less.
  • the ratio of carbon to silicon is preferably 3.0 or more.
  • the relative dielectric constant is preferably 3.5 or less.
  • the low dielectric constant interlayer insulating film of the present invention is preferably made of silicon, carbon, and hydrogen.
  • a low dielectric constant interlayer insulating film forming method including a step of forming an insulating film material containing at least carbon and silicon by a plasma CVD method, wherein the insulating film material is a hydrocarbon.
  • isobutyltrimethylsilane, diisobutyldimethylsilane, or 5-silaspiro [4,4] nonane as the insulating film material.
  • a reduction in dielectric constant and improvement in barrier properties and adhesion can be satisfied at the same time, and the reliability is improved while suppressing dielectric breakdown, electromigration and stress migration. be able to.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a film forming apparatus used in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the relative dielectric constant, the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), and barrier properties.
  • the low dielectric constant interlayer insulating film of this embodiment is formed by a plasma CVD method.
  • a plasma CVD method When a multilayer wiring structure or the like is formed on a substrate, diffusion of at least one substance out of metal, moisture, and oxygen is performed. It is a film formed for the purpose of preventing. For example, it is used as a copper diffusion barrier film when copper is used as a wiring layer.
  • the low dielectric constant interlayer insulating film is a film containing at least carbon and silicon, and specifically includes a SiCH film, a SiOCH film, a SiCN film, and the like.
  • the ratio of carbon to silicon (element composition ratio) is 2.5 or more, and more preferably 3.0 or more.
  • the upper limit value of the ratio of carbon to silicon is preferably 4.5 and more preferably 4.0.
  • the low dielectric constant interlayer insulating film is preferably made of silicon, carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen, and more preferably made of silicon, carbon, and hydrogen.
  • the relative dielectric constant is 3.8 or less, and more preferably 3.5 or less.
  • the lower limit value of the relative dielectric constant is preferably 2.5, and more preferably 3.0.
  • the film forming method of this embodiment is a method of forming an insulating film material by a plasma CVD method.
  • the insulating film material the low dielectric constant interlayer insulating film to be formed has a carbon to silicon ratio of 2. Any material may be used as long as it is 5 or more and the relative dielectric constant is 3.8 or less. For example, the following materials can be used.
  • insulating film materials it is particularly preferable to use isobutyltrimethylsilane, diisobutyldimethylsilane, or 5-silaspiro [4,4] nonane. Moreover, it is preferable not to use hydrocarbons as the insulating film material.
  • the mixing ratio in the case of using a mixture of two or more kinds of insulating film materials is not particularly limited, and the obtained low dielectric constant interlayer insulating film has a carbon to silicon ratio of 2.5 or more and a relative dielectric constant. Any combination may be used as long as the rate is 3.8 or less.
  • the elemental composition ratio of the low dielectric constant interlayer insulating film can be adjusted by using an insulating film material having a specific elemental composition ratio.
  • the relative dielectric constant of the low dielectric constant interlayer insulating film is a physical property value that depends on the elemental composition ratio and the porosity.
  • the porosity is preferably 0.17 or less, more preferably 0.16 or less, and most preferably 0.15 or less. Since it is ideal that the porosity is 0 from the viewpoint of improving barrier properties and adhesion, it is not necessary to set a lower limit value.
  • a carrier gas can be added to the insulating film material during film formation.
  • the gas fed into the chamber of the film formation apparatus and used for film formation may be a mixed gas in which a carrier gas is mixed in addition to a gas made of an insulating film material.
  • the carrier gas includes oxygen-free gas, for example, nitrogen, hydrogen, etc., in addition to noble gases such as helium, argon, krypton, and xenon, but is not particularly limited thereto. Only one type of carrier gas may be used alone, or two or more types may be used, and the mixing ratio including the insulating film material is not particularly limited.
  • the insulating film material and the carrier gas are gaseous at room temperature, they can be used as they are. If the insulating film material and the carrier gas are liquid at room temperature, they are used after being vaporized by bubbling using an inert gas such as helium, vaporized by a vaporizer, or vaporized by heating.
  • an inert gas such as helium, vaporized by a vaporizer, or vaporized by heating.
  • the plasma film forming apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a chamber 2 that can be depressurized.
  • the chamber 2 is connected to an exhaust pump 5 through an exhaust pipe 3 and an on-off valve 4.
  • the chamber 2 is provided with a pressure gauge (not shown) so that the pressure in the chamber 2 can be measured.
  • a pair of flat plate-like upper electrode 6 and lower electrode 7 that are opposed to each other are provided in the chamber 2, a pair of flat plate-like upper electrode 6 and lower electrode 7 that are opposed to each other are provided.
  • the upper electrode 6 is connected to a high frequency power source 8 so that a high frequency current is applied to the upper electrode 6.
  • the lower electrode 7 also serves as a mounting table on which the substrate 9 is mounted.
  • a heater 10 is built in the lower electrode 7 so that the substrate can be heated.
  • a gas supply pipe 11 is connected to the upper electrode 6.
  • a film-forming gas supply source (not shown) is connected to the gas supply pipe 11, and a film-forming gas is supplied from the film-forming gas supply device. This gas is formed in the upper electrode 6. It flows out through the through-holes while diffusing toward the lower electrode 7.
  • the film forming gas supply source includes a vaporizer for vaporizing the insulating film material and a flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate, and a supply device for supplying a carrier gas.
  • the gas flows through the gas supply pipe 11 and flows out from the upper electrode 6 into the chamber 2.
  • the substrate 9 is placed on the lower electrode 7 in the chamber 2 of the plasma film forming apparatus, and the film forming gas is sent into the chamber 2 from a film forming gas supply source.
  • a high frequency current is applied to the upper electrode 6 from the high frequency power source 8 to generate plasma in the chamber 2.
  • an insulating film generated by the gas phase chemical reaction from the film forming gas is formed on the substrate 9.
  • a substrate mainly made of a silicon wafer is used. However, other insulating films, conductive films, wiring structures and the like formed in advance may exist on the silicon wafer.
  • ICP plasma in addition to the parallel plate type, ICP plasma, ECR plasma, magnetron plasma, high frequency plasma, microwave plasma, capacitively coupled plasma, inductively coupled plasma, etc. can be used. It is also possible to use a two-frequency excitation plasma that introduces a high frequency to the lower electrode.
  • the film forming conditions in this plasma film forming apparatus are preferably in the following range, but are not limited to this because they differ depending on the insulating film material used.
  • Insulating film material flow rate 20 to 100 cc / min (If 2 or more types, total amount)
  • Carrier gas flow rate 0 to 50 cc / min Pressure: 1 Pa to 1330
  • RF power 50 to 500 W, preferably 50 to 250 W
  • Substrate temperature 400 ° C. or less
  • Reaction time 1 second to 1800 seconds
  • Film thickness 100 nm to 200 nm
  • the ratio of carbon to silicon is 2.5 or more and the relative dielectric constant is 3.8 or less, so that the barrier property and adhesion can be improved.
  • the low dielectric constant interlayer insulating film of the present embodiment does not generate voids and vacancies, and instead, many hydrocarbons are films. It will be taken in, and barrier property and adhesiveness can be improved. As a result, dielectric breakdown, electromigration and stress migration can be suppressed, and reliability can be improved.
  • hydrocarbon is not used as the insulating film material. That is, all of the carbon mixed in the formed low dielectric constant interlayer insulating film is caused by the insulating film material containing silicon. As a result, carbon is uniformly mixed into the formed low dielectric constant interlayer insulating film, and the barrier property and adhesion can be further improved.
  • hydrocarbons there are advantages that it is easy to optimize film forming conditions for each apparatus, and that a detector for managing volatile hydrocarbons is not necessary.
  • a SiCH film was formed as a low dielectric constant interlayer insulating film by using a plasma CVD method.
  • A is superior when compared with the SiCN film having a relative dielectric constant of 4.8, which has been conventionally used as a barrier film, and B is equivalent.
  • the case where it was slightly inferior was C, and the case where there was no barrier property was D.
  • the barrier property was evaluated by forming a copper electrode, measuring the current-voltage characteristics, and comparing the breakdown voltage.
  • the adhesion was evaluated by a tape test, 100 grids of 1 mm square were prepared, and the magnitude of the adhesion was compared with the number of cells that were not peeled off.
  • the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio) was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • the relative dielectric constant was measured by capacitance-voltage measurement using a mercury probe.
  • the porosity was calculated from density measurement and film composition. Note that the low dielectric constant interlayer insulating film of the present invention is not limited to a SiCH film.
  • Example 1 In Example 1, isobutyltrimethylsilane (iBTMS) was used as an insulating film material, and when a SiCH film was formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 3 Torr, and a plasma output of 550 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.5 was obtained. It was. Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 1, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, it turned out that barrier property is equivalent to the existing one.
  • iBTMS isobutyltrimethylsilane
  • Example 2 uses diisobutyldimethylsilane (DiBDMS) as an insulating film material, and when a SiCH film is formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 3 Torr, and a plasma output of 650 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.5 is obtained. It was. Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 2, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, it turned out that barrier property is equivalent to the existing thing, and adhesiveness is superior to the existing thing.
  • DIBDMS diisobutyldimethylsilane
  • Example 3 when an SiCH film was formed using diisobutyldimethylsilane (DiBDMS) as an insulating film material under the conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 3 Torr, and a plasma output of 450 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.0 was obtained. It was. Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 3, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, although the barrier property was slightly inferior to the existing one, it was found that the adhesion was excellent.
  • DIBDMS diisobutyldimethylsilane
  • Example 4 uses diisobutyldimethylsilane (DiBDMS) as an insulating film material, and when a SiCH film is formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 3 Torr, and a plasma output of 850 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.8 is obtained. It was. Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 4, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, it turned out that both barrier property and adhesiveness are superior to the existing one.
  • DIBDMS diisobutyldimethylsilane
  • Example 5 uses 5-silaspiro [4,4] nonane (SSN) as an insulating film material, and when a SiCH film is formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 1 Torr, and a plasma output of 100 W, a relative dielectric constant of 3.0 is obtained. A SiCH film was obtained.
  • Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 5, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, it turned out that barrier property is equivalent to the existing thing, and adhesiveness is superior to the existing thing.
  • SSN 5-silaspiro [4,4] nonane
  • Example 6 In Example 6, when 5-silaspiro [4,4] nonane (SSN) was used as the insulating film material and a SiCH film was formed under the conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 1 Torr, and a plasma output of 250 W, the relative dielectric constant was 3.5. A SiCH film was obtained. Table 1 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that in the low dielectric constant interlayer insulating film of Example 6, the C / Si ratio was large, so that the porosity was small. Moreover, it turned out that both barrier property and adhesiveness are superior to the existing one.
  • SSN 5-silaspiro [4,4] nonane
  • Comparative Example 1 tetramethylsilane (4MS) was used as an insulating film material, and when a SiCH film was formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 3 Torr, and a plasma output of 650 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.5 was obtained. It was. Table 2 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that the low dielectric constant interlayer insulating film of Comparative Example 1 had a low C / Si ratio and a high porosity. Moreover, it turned out that barrier property and adhesiveness are inferior to the existing one.
  • 4MS tetramethylsilane
  • Comparative Example 2 tetramethylsilane (4MS) was used as an insulating film material, and when a SiCH film was formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 5 Torr, and a plasma output of 650 W, a SiCH film having a relative dielectric constant of 3.3 was obtained. It was. Table 2 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion. From this result, it was found that the low dielectric constant interlayer insulating film of Comparative Example 2 had a low C / Si ratio and a high porosity. Moreover, it turned out that barrier property and adhesiveness are remarkably inferior to the existing one.
  • tetramethylsilane (4MS) was used as an insulating film material, and when a SiCH film was formed under conditions of a flow rate of 20 sccm, a pressure of 5 Torr, and a plasma output of 650 W, a SiCH film having
  • Comparative Example 3 uses a mixture of trimethylsilane (3MS) and ethylene at a flow rate ratio of 1: 1 as an insulating film material, and forms a SiCH film under conditions of a flow rate of 60 sccm, a pressure of 8.4 Torr, and a plasma output of 550 W. A SiCH film having a relative dielectric constant of 4.1 was obtained. Table 2 shows the results of evaluating the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), porosity, barrier properties, and adhesion.
  • FIG. 2 shows the relationship between the relative dielectric constant, the ratio of carbon to silicon (C / Si ratio), and the barrier property based on the above examples and comparative examples. From FIG. 2, it was found that when the C / Si ratio> ⁇ 2.2358 ⁇ relative dielectric constant + 10.714 is satisfied, the barrier property is superior or equivalent to that of the conventional one.

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Abstract

 本発明の低誘電率層間絶縁膜は、プラズマCVD法によって形成され、少なくとも炭素と珪素を含み、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である。また、本発明の低誘電率層間絶縁膜の成膜方法は、プラズマCVD法によって少なくとも炭素と珪素を含む絶縁膜材料を成膜する工程を有し、前記絶縁膜材料として炭化水素を用いず、成膜された低誘電率層間絶縁膜において、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である。

Description

低誘電率層間絶縁膜および低誘電率層間絶縁膜の成膜方法
 本発明は、低誘電率層間絶縁膜および低誘電率層間絶縁膜の成膜方法に関するものである。
 本願は、2010年3月1日に、日本に出願された特願2010-044263号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 近年、半導体装置の高集積化に伴い、配線層が微細化されてきているが、微細な配線層を用いると、配線層における信号遅延の影響が大きくなり、信号伝送速度の高速化を妨げるという問題が指摘されている。この信号遅延は、配線層の抵抗と配線層間容量に比例することから、高速化を実現するためには、配線層の低抵抗化と、配線層間容量の低減が求められてきている。
 そのため、最近では配線層を構成する材料として、従来のアルミニウムから抵抗率の低い銅が用いられてきており、加えて配線層間容量を減らすために、比誘電率の低い層間絶縁膜が用いられてきている。
 例えば、SiO2膜は4.1、SiOF膜は3.7の比誘電率を有するが、さらに比誘電率の低いSiOCH膜や有機膜を用いるようになってきている。
 しかしながら、SiOCH膜や有機膜には多くの空孔や空隙が形成されているため、配線の銅が絶縁膜内を拡散しやすく、この銅の拡散は、絶縁破壊の要因となり、配線の信頼性低下につながっている。
 そこで、銅の拡散を防ぐために、銅配線の周辺には拡散バリア性を持つ、空孔や空隙の少ない絶縁膜(以下、バリア膜という。)が成膜されることが多い。このバリア膜についても、空孔や空隙を増やすことなく、拡散バリア性を保ったまま低誘電率化することが求められている(特許文献1、特許文献2参照)。
 また、多層配線構造を形成する過程においては、SiOCH膜や有機膜、バリア膜などの絶縁膜に対して、エッチング工程、洗浄工程、研磨工程といった処理が施される。したがって、これらの処理に対して、絶縁膜同士及び金属-絶縁膜間が剥離しないような密着性が求められる。また、密着性は主に絶縁膜の機械的強度に起因していることが広く知られている(非特許文献1、非特許文献2参照)。また、絶縁膜が損傷することを防ぐためには、密着性も含めて機械的強度が高いことが求められている(特許文献3参照)。しかしながら、絶縁膜中に空孔や空隙が形成されると、機械強度が低下するという問題点が指摘されている。
特開2006-294671号公報 特開2009-176898号公報 国際公開第06-075578号公報
Proceedings of ADMETA2008、2008年、pp34-35 Conference Proceedings AMC XXIV 2009 Material Reserch Society、pp381-386
 ところで、SiOCH膜などの低誘電率層間絶縁膜は、空孔や空隙を多く設けることによって低誘電率化を達成している。しかしながら、従来の低誘電率層間絶縁膜においては、空孔や空隙が多いことからガス及び金属のバリア性が劣っているという問題点があった。また、従来の低誘電率層間絶縁膜においては凝集エネルギーが弱く、別組成の膜との密着性が劣っているという問題点があった。
 バリア性や密着性が劣っていると、絶縁膜破壊、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレーション等の原因となり、配線の信頼性を低下させることとなる。
 このような背景の下、低誘電率化と、絶縁膜破壊、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制するという性能を兼ね備える層間絶縁膜が要望されていたが、両立は困難であるとして、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
 上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、プラズマCVD法によって形成され、少なくとも炭素と珪素を含む低誘電率層間絶縁膜であって、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である低誘電率層間絶縁膜である。
 本発明においては、珪素に対する炭素の比率が3.0以上であることが好ましい。
 本発明においては、比誘電率が3.5以下であることが好ましい。
 本発明においては、金属、水分、酸素のうち少なくとも1つの物質の拡散を防止することが好ましい。
 本発明の低誘電率層間絶縁膜は、珪素、炭素、水素からなる(made of)ことが好ましい。
 本発明の第2の態様は、プラズマCVD法によって少なくとも炭素と珪素を含む絶縁膜材料を成膜する工程を有する低誘電率層間絶縁膜の成膜方法であって、前記絶縁膜材料として炭化水素を用いず、成膜された低誘電率層間絶縁膜において、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である低誘電率層間絶縁膜の成膜方法である。
 本発明においては、絶縁膜材料としてイソブチルトリメチルシラン、ジイソブチルジメチルシラン、または5-シラスピロ[4,4]ノナンを用いることが好ましい。
 本発明により、低誘電率層間絶縁膜において、低誘電率化とバリア性及び密着性の向上を同時に満たすことができ、絶縁破壊、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制した上で、信頼性を向上させることができる。
図1は、本発明の実施形態に用いられる成膜装置の一例を示す概略構成図である。 図2は、比誘電率と、珪素に対する炭素の比率(C/Si比)と、バリア性の関係を示すグラフである。
 以下、本発明を適用した一実施形態である低誘電率層間絶縁膜について詳しく説明する。
 本実施形態の低誘電率層間絶縁膜は、プラズマCVD法によって形成されるものであり、基板上に多層配線構造等を形成する際に、金属、水分、酸素のうち少なくとも1つの物質の拡散を防止することを目的として成膜される膜である。例えば、配線層として銅を用いた際の銅拡散バリア膜として用いられるものである。
 低誘電率層間絶縁膜は、少なくとも炭素と珪素を含んだ膜であり、具体的には、SiCH膜、SiOCH膜、またはSiCN膜などを挙げることができる。
 低誘電率層間絶縁膜においては、珪素に対する炭素の比率(元素組成比)は2.5以上であり、3.0以上であることがより好ましい。珪素に対する炭素の比率の上限値としては、4.5が好ましく、4.0がより好ましい。
 また、低誘電率層間絶縁膜は、珪素、炭素、酸素、窒素、水素から構成されていることが好ましく、珪素、炭素、水素から構成されていることがより好ましい。
 低誘電率層間絶縁膜においては、比誘電率が3.8以下であり、3.5以下であることがより好ましい。比誘電率の下限値としては、2.5が好ましく、3.0がより好ましい。
 次に、本実施形態の低誘電率層間絶縁膜の成膜方法について説明する。
 本実施形態の成膜方法は、絶縁膜材料をプラズマCVD法によって成膜する方法であり、絶縁膜材料としては、成膜される低誘電率層間絶縁膜が、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下であればどのようなものを用いても構わないが、例えば下記の材料を用いることができる。
 1-1-ジビニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジアリル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジエチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジビニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-1-プロピニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-2-プロピニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジプロペニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジアリル-1-シラシクロブタン、1-1-ジプロピル-1-シラシクロブタン、1-1-ジイソプロピル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-1-ブチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-2-ブチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-3-ブチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-1-ブテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-2-ブテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-3-ブテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジシクロブチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジブチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-s-ブチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-t-ブチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-1-ペンチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-2-ペンチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-3-ペンチニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-1-ペンテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-2-ペンテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-3-ペンテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-4-ペンテニル-1-シラシクロブタン、1-1-ジシクロペンチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジペンチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジ-t-ペンチル-1-シラシクロブタン、1-1-ジエチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジビニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-1-プロピニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-2-プロピニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジプロペニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジアリル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジプロピル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジイソプロピル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-1-ブチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-2-ブチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-3-ブチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-1-ブテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-2-ブテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-3-ブテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジシクロブチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジブチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-s-ブチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-t-ブチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-1-ペンチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-2-ペンチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-3-ペンチニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-1-ペンテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-2-ペンテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-3-ペンテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-4-ペンテニル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジシクロペンチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジペンチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジ-t-ペンチル-1-シラシクロペンタン、1-1-ジエチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジビニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-1-プロピニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-2-プロピニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジプロペニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジアリル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジプロピル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジイソプロピル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-1-ブチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-2-ブチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-3-ブチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-1-ブテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-2-ブテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-3-ブテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジシクロブチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジブチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-s-ブチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-t-ブチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-1-ペンチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-2-ペンチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-3-ペンチニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-1-ペンテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-2-ペンテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-3-ペンテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-4-ペンテニル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジシクロペンチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジペンチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジ-t-ペンチル-1-シラシクロヘキサン、1-1-ジエチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジビニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-1-プロピニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-2-プロピニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジプロペニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジアリル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジプロピル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジイソプロピル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-1-ブチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-2-ブチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-3-ブチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-1-ブテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-2-ブテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-3-ブテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジシクロブチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジブチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-s-ブチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-t-ブチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-1-ペンチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-2-ペンチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-3-ペンチニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-1-ペンテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-2-ペンテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-3-ペンテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-4-ペンテニル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジシクロペンチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジペンチル-1-シラシクロヘプタン、1-1-ジ-t-ペンチル-1-シラシクロヘプタン、イソブチルトリメチルシラン、ジイソブチルジメチルシラン、トリイソブチルメチルシラン、トリイソブチルシラン、5-シラスピロ[4,4]ノナン、5-シラスピロ[4,3]オクタン、6-シラスピロ[5,4]デカンなどである。
 上記絶縁膜材料の中では、特にイソブチルトリメチルシラン、ジイソブチルジメチルシラン、または5-シラスピロ[4,4]ノナンを用いることが好ましい。
 また、絶縁膜材料としては、炭化水素を用いないことが好ましい。
 上記絶縁膜材料は、1種類のみを単独で用いても構わず、また2種類以上を用いても構わない。2種類以上の絶縁膜材料を混合して使用する場合の混合比率は、特に限定されず、得られる低誘電率層間絶縁膜が、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下であればどのように組み合わせても構わない。
 なお、低誘電率層間絶縁膜の元素組成比は、特定の元素組成比を有する絶縁膜材料を使用することによって調節することができる。また、低誘電率層間絶縁膜の比誘電率は、その元素組成比と空隙率に依存する物性値である。一般に空隙率が大きいと、低誘電率層間絶縁膜の比誘電率は低下するとともに、バリア性及び密着性が劣化する。本発明の低誘電率層間絶縁膜においては、空隙率が0.17以下であることが好ましく、0.16以下であることがより好ましく、0.15以下であることが最も好ましい。空隙率は0であることがバリア性及び密着性の向上の点から理想的であるので、特に下限値を設定する必要はない。
 また、成膜の際に、上記絶縁膜材料にキャリアガスを添加することもできる。
 この場合は、成膜装置のチャンバー内に送り込まれ、成膜に供されるガスが、絶縁膜材料からなるガスの他に、キャリアガスが混合された混合ガスとなることがある。もっとも、金属、水分、または酸素の拡散防止性を向上させるためには、キャリアガスを用いないことが望ましい。
 なお、キャリアガスには、酸素を含まないガス、例えばヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスの他に、窒素、水素などが挙げられるが、これらに特に限定されるものではない。キャリアガスには、1種類のみを単独で用いても構わず、また2種類以上を用いても構わず、絶縁膜材料を含めてその混合割合に特に限定はない。
 絶縁膜材料およびキャリアガスが常温で気体状であればそのまま用いることができる。絶縁膜材料およびキャリアガスが常温で液体状のものであればヘリウムなどの不活性ガスを用いたバブリングによる気化、気化器による気化、または加熱による気化によってガス化して用いる。
 プラズマCVD法を用いる成膜装置としては周知のものを用いることができ、例えば図1に示すような平行平板型の成膜装置1などを使用して成膜することができる。
 図1に示したプラズマ成膜装置1は、減圧可能なチャンバー2を備え、このチャンバー2は、排気管3、開閉弁4を介して排気ポンプ5に接続されている。また、チャンバー2には、図示しない圧力計が備えられ、チャンバー2内の圧力が測定できるようになっている。チャンバー2内には、相対向する一対の平板状の上部電極6と下部電極7とが設けられている。上部電極6は、高周波電源8に接続され、上部電極6に高周波電流が印加されるようになっている。
 下部電極7は、基板9を載置する載置台を兼ねており、その内部にはヒーター10が内蔵され、基板を加熱できるようになっている。
 また、上部電極6には、ガス供給配管11が接続されている。このガス供給配管11には、図示しない成膜用ガス供給源が接続され、この成膜用ガス供給装置からの成膜用のガスが供給され、このガスは上部電極6内に形成された複数の貫通孔を通って、下部電極7に向けて拡散しつつ流れ出るようになっている。
 また、上記成膜用ガス供給源には、上述の絶縁膜材料を気化する気化装置と、その流量を調整する流量調整弁を備えるとともに、キャリアガスを供給する供給装置が設けられており、これらのガスもガス供給配管11を流れて、上部電極6からチャンバー2内に流れ出るようになっている。
 プラズマ成膜装置のチャンバー2内の下部電極7上に基板9を置き、成膜用ガス供給源から上記成膜用ガスをチャンバー2内に送り込む。高周波電源8から高周波電流を上部電極6に印加して、チャンバー2内にプラズマを発生させる。これにより、基板9上に上記成膜用ガスから気相化学反応により生成した絶縁膜が形成される。
 基板9としては、主にシリコンウェーハからなるものが用いられるが、このシリコンウェーハ上にはあらかじめ形成された他の絶縁膜、導電膜、配線構造などが存在していてもよい。
 プラズマCVD法としては、平行平板型の他に、ICPプラズマ、ECRプラズマ、マグネトロンプラズマ、高周波プラズマ、マイクロ波プラズマ、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマなどを用いることが可能であり、平行平板型装置の下部電極にも高周波を導入する2周波励起プラズマを使用することもできる。
 このプラズマ成膜装置における成膜条件は、以下の範囲が好適ではあるが、用いる絶縁膜材料によって異なるため、この限りではない。
 絶縁膜材料流量 :20~100cc/分 (2種以上の場合は合計量である)
 キャリアガス流量 :0~50cc/分
 圧力 :1Pa~1330Pa
 RFパワー :50~500W、好ましくは50~250W
 基板温度 :400℃以下
 反応時間 :1秒~1800秒
 成膜厚さ :100nm~200nm
 本実施形態の低誘電率層間絶縁膜においては、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下であるので、バリア性、密着性を向上させることができる。すなわち、従来の空孔や空隙が発生していた低誘電率層間絶縁膜とは異なり、本実施形態の低誘電率層間絶縁膜では空隙や空孔が生じず、代わりに多くの炭化水素が膜中に取り込まれることとなり、バリア性、密着性を向上させることができる。その結果、絶縁破壊、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制し、信頼性を向上させることができる。
 また、本実施形態の低誘電率層間絶縁膜の成膜方法においては、絶縁膜材料として炭化水素を用いない。すなわち、成膜された低誘電率層間絶縁膜に混入される炭素は、全て珪素を含有する絶縁膜材料に起因したものとなる。これにより、成膜された低誘電率層間絶縁膜に均一に炭素が混入されることになり、よりバリア性、密着性を向上させることができる。加えて、炭化水素を用いないことにより、装置ごとの成膜条件の最適化が容易となるという利点や、揮発性の炭化水素を管理するための検知器が必要ないという利点などもある。
 以下、本発明を実施例および比較例により、さらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
 以下の実施例および比較例においては、全てプラズマCVD法を用いて、低誘電率層間絶縁膜としてSiCH膜を成膜した。SiCH膜の特性である拡散バリア性の評価方法については、従来バリア膜として用いられてきた比誘電率4.8のSiCN膜に比較して、優れている場合をA、同等の場合をB、わずかに劣る場合をC、バリア性のない場合をDとした。具体的には、銅電極を形成して電流-電圧特性を測定して、ブレークダウンの電圧を比較することによりバリア性を評価した。また、密着性は、テープテストによって評価し、1mm角の格子を100個作成し、剥がれなかった升目の数で密着性の大小を比較した。
 珪素に対する炭素の比率(C/Si比)の測定は、X線光電子分光(XPS)により行った。
 比誘電率の測定は、水銀プローブを用いた容量-電圧測定により行った。
 空隙率は、密度測定と膜組成から算出した。
 なお、本発明の低誘電率層間絶縁膜は、SiCH膜に限定されない。
<実施例1>
 実施例1は、絶縁膜材料としてイソブチルトリメチルシラン(iBTMS)を用い、流量20sccm、圧力3Torr、プラズマ出力550Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.5のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例1の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性が既存のものと同等であることが分かった。
<実施例2>
 実施例2は、絶縁膜材料としてジイソブチルジメチルシラン(DiBDMS)を用い、流量20sccm、圧力3Torr、プラズマ出力650Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.5のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例2の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性は既存のものと同等であり、密着性は既存のものより優れていることが分かった。
<実施例3>
 実施例3は、絶縁膜材料としてジイソブチルジメチルシラン(DiBDMS)を用い、流量20sccm、圧力3Torr、プラズマ出力450Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.0のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例3の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性は既存のものよりもわずかに劣るものの、密着性は優れていることが分かった。
<実施例4>
 実施例4は、絶縁膜材料としてジイソブチルジメチルシラン(DiBDMS)を用い、流量20sccm、圧力3Torr、プラズマ出力850Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.8のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例4の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性、密着性ともに既存のものより優れていることが分かった。
<実施例5>
 実施例5は、絶縁膜材料として5-シラスピロ[4,4]ノナン(SSN)を用い、流量20sccm、圧力1Torr、プラズマ出力100Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.0のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例5の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性は既存のものと同等であり、密着性は既存のものより優れていることが分かった。
<実施例6>
 実施例6は、絶縁膜材料として5-シラスピロ[4,4]ノナン(SSN)を用い、流量20sccm、圧力1Torr、プラズマ出力250Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.5のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表1に示す。
 この結果から、実施例6の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が大きいため、空隙率が小さいことが分かった。また、バリア性、密着性ともに既存のものより優れていることが分かった。
<比較例1>
 比較例1は、絶縁膜材料としてテトラメチルシラン(4MS)を用い、流量20sccm、圧力3Torr、プラズマ出力650Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.5のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表2に示す。
 この結果から、比較例1の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が小さく、空隙率が大きいことが分かった。また、バリア性、密着性ともに既存のものより劣っていることが分かった。
<比較例2>
 比較例2は、絶縁膜材料としてテトラメチルシラン(4MS)を用い、流量20sccm、圧力5Torr、プラズマ出力650Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率3.3のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表2に示す。
 この結果から、比較例2の低誘電率層間絶縁膜においては、C/Si比が小さく、空隙率が大きいことが分かった。また、バリア性、密着性ともに既存のものより著しく劣っていることが分かった。
<比較例3>
 比較例3は、絶縁膜材料としてトリメチルシラン(3MS)とエチレンを流量比1:1で混合したものを用い、流量60sccm、圧力8.4Torr、プラズマ出力550Wの条件でSiCH膜を成膜したところ、比誘電率4.1のSiCH膜が得られた。珪素に対する炭素の比率(C/Si比)、空隙率、バリア性、密着性を評価した結果を表2に示す。
 この結果から、比較例3の層間絶縁膜においては、C/Si比と空隙率がともに小さいため、比誘電率が4.1と大きく、低誘電率層間絶縁膜が得られなかった。また、バリア性は既存のものと同等であった。
 上記実施例および比較例をもとに、比誘電率と、珪素に対する炭素の比率(C/Si比)と、バリア性の関係を図2に示す。
 図2より、C/Si比>-2.2358×比誘電率+10.714を満たすとき、バリア性が従来よりも優れているないし同等であることが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
1・・・成膜装置
2・・・チャンバー
3・・・排気管
4・・・開閉弁
5・・・排気ポンプ
6・・・上部電極
7・・・下部電極
8・・・高周波電源
9・・・基板
10・・・ヒーター
11・・・ガス供給配管
 

Claims (7)

  1.  プラズマCVD法によって形成され、少なくとも炭素と珪素を含む低誘電率層間絶縁膜であって、
     珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である低誘電率層間絶縁膜。
  2.  珪素に対する炭素の比率が3.0以上である請求項1に記載の低誘電率層間絶縁膜。
  3.  比誘電率が3.5以下である請求項1に記載の低誘電率層間絶縁膜。
  4.  金属、水分、酸素のうち少なくとも1つの物質の拡散を防止する請求項1に記載の低誘電率層間絶縁膜。
  5.  珪素、炭素、水素からなる請求項1に記載の低誘電率層間絶縁膜。
  6.  プラズマCVD法によって少なくとも炭素と珪素を含む絶縁膜材料を成膜する工程を有する低誘電率層間絶縁膜の成膜方法であって、
     前記絶縁膜材料として炭化水素を用いず、
     成膜された低誘電率層間絶縁膜において、珪素に対する炭素の比率が2.5以上であり、かつ比誘電率が3.8以下である低誘電率層間絶縁膜の成膜方法。
  7.  絶縁膜材料としてイソブチルトリメチルシラン、ジイソブチルジメチルシラン、または5-シラスピロ[4,4]ノナンを用いる請求項6に記載の低誘電率層間絶縁膜の成膜方法。
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