(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、シラノール基を有するポリマーが混合されてなる
ことを特徴とする誘電体材料。
【請求項２】
半導体装置に形成されてなる誘電体膜であって、
環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、シラノール基を有するポリマーが混合されてなる誘電体材料で形成されている
ことを特徴とする誘電体膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の形成材料として用いられる誘電体材料および誘電体膜に関し、特に０．２５μｍ以下の設計ルールによるデバイスプロセスに用いられる層間絶縁膜に好適な誘電体材料および誘電率膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化、低消費電力化および高速化等の要求に伴い、それらを実現するための手段の一つとして層間絶縁膜の低誘電率化が検討されている。
現在開示されている低誘電率材料は、炭素原子やフッ素原子を含有することで誘電率を下げている。現在のところ、誘電率が１．５〜２．５程度のものが実現されている。
【０００３】
炭素原子を含む低誘電率材料、すなわち有機系の低誘電率材料としては、有機ＳＯＧ(Spin on glass)、ポリイミド、ポリパラキシリレンなどが良く知られている。これらの材料は、炭素原子、いわゆるアルキル基を含むことで材料の蜜度が低下すること、および分子自身の分極率が低いことで、低誘電率になっていると言われている。またこれらの材料は、単に誘電率が低いだけでなく、半導体装置の材料として不可欠の耐熱性をも有している。有機ＳＯＧはシロキサン構造を持つことで、ポリイミドはイミド結合を持つことで、ポリパラキシリレンはベンゼン環のポリマーとなることで、それぞれ耐熱性を有している。
【０００４】
フッ素原子を含む低誘電率材料としては、フッ素を含むシリコン系酸化物（ＳｉＯＦ）が良く知られている。この材料は、シリコン−酸素−シリコン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）結合をフッ素原子により終端することで材料の密度を下げること、およびフッ素原子自身の分極率の低いこと、などが原因となって誘電率を下げている。当然のことながら、このＳｉＯＦは耐熱性にも優れている。
また近年では、従来の半導体装置に用いられているホウ素原子（Ｂ）を用いて誘電率を下げるといった検討もなされている。ホウ素原子を含む材料も前述のフッ素原子と同様で、ホウ素自身の分極率が低いこと、ホウ素がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合のネットワークを短くすること、密度を下げること等が原因となって誘電率を低下させている。
【０００５】
さらに最近では、比誘電率が２程度と低いフロロカーボンポリマーが、ＵＬＳＩデバイスヘ適用できる可能性が高い誘電体材料として注目されている。この材料を用いて半導体装置における誘電体膜を形成する場合には、一旦、フロロカーボンポリマーを溶媒に溶解し、これを下地表面に塗布してから、溶媒を熱処理によって揮発・除去させる工程を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のフロロカーボンポリマーは、耐熱温度が３００℃程度で、無機系の低誘電率材料と比較すると耐熱性が悪く、４００℃以上の耐熱温度が要求される半導体装置の形成材料としては不十分である。
また、この材料の耐熱性を向上させる方法として、ハロゲン元素を含む酸などの極性を有する材料を導入して、フロロカーボンポリマーの中に耐熱構造を取り込む方法が知られているが、この方法では誘電率が上がってしまうという不具合が発生する。
【０００７】
しかもフロロカーボンポリマーは、ガラス転移温度以上における熱膨張係数がアルミ配線やシリコン酸化膜に比べて非常に大きく、ガラス転移温度以上の温度で大きな体積変化を起こす。このため、例えば図２に示すように、表面にアルミニウム配線２２のパターンが形成されたシリコン酸化膜２１上に、配線２２を覆うようにしてフロロカーボンポリマーの誘電体膜からなる絶縁膜２３を形成し、これを熱処理する場合には、次のような問題が生じる。すなわち、ガラス転移温度以上で体積が大きく膨張した絶縁膜２３が、温度降下により収縮して配線２２のパターン等の微細な凹凸に対応できなくなり、特に０．３μｍ以下といったような狭い幅のトレンチ内部でボイド２４が発生してしまう。そして、ボイド２４が発生すると、一般にはその部分の絶縁膜２３の絶縁耐圧が劣化してしまい、当然のごとく半導体装置の電気的信頼性が低下すると言われている。なお、図２において配線２２のパターンの上下に形成されている膜は、バリアメタル２５である。
【０００８】
上記の問題を回避するには、熱処理を行わなければよいが、前述したようにフロロカーボン膜の成膜プロセス上、また半導体装置製造プロセス上、それは不可能である。
したがって、耐熱性が向上しかつ熱膨張率が低く抑えられた誘電体材料および誘電体膜の開発が切望されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る誘電体材料は、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、シラノール基を有するポリマーを混合したものであり、これを上記課題の解決手段とした。
【００１０】
請求項２の発明は、半導体装置に形成される誘電体膜であって、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、シラノール基を有するポリマーを混合してなる誘電体材料で形成したものであり、それを上記課題の解決手段とした。
【００１１】
請求項１の発明において、フロロカーボンポリマーに混合する樹脂は、結合の強いシラノール基を有しているため、熱振動に対して強く、半導体装置製造プロセスに耐えうる耐熱性を有している。環状構造を有するフロロカーボンポリマーに上記耐熱性の樹脂を混合してなるこの発明の誘電体材料は、シラノール基を有するポリマーが、フロロカーボンポリマーに絡まって該ポリマーを補強するため、熱振動に対して強いものになる。
またシラノール基を有する耐熱性のポリマーも、誘電率が比較的低いものであるため、低誘電率のフロロカーボンポリマーと混合することによる誘電率の上昇が抑制される。
【００１２】
請求項２の発明に用いる誘電体材料は、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、補強剤となるシラノール基を有する樹脂を混合してなることから、熱振動に対して強く、かつ混合による誘電率の上昇が抑制された材料となっている。よって、このような誘電体材料で形成された誘電体膜は、フロロカーボンポリマーのみからなる膜よりも耐熱性が向上し、熱処理時の体積変化が抑えられてボイドが発生し難い膜になるとともに、フロロカーボンポリマーの低誘電率をほぼ維持した膜になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る誘電体材料および誘電体膜の実施の形態を詳細に説明する。
まず請求項１の発明に係る第１実施形態を説明する。
この実施形態では、環状構造を有するフロロカーボンポリマーとして、下記式〔１〕で表されるポリテトラフルオロエチレン構造を有するポリマー〔例えばテフロンＡＦ（デュポン製）〕を用いた。
このテフロンＡＦは、耐熱温度が約３５０℃であり、誘電率が２．０程度である。
【００１４】
【化１】
0003572776.tif 000002
【００１５】
またシラノール基を有する樹脂として、無機ＳＯＧ〔例えばＴｙｐｅ２（東京応化製）〕を用いた。そして上記のフロロカーボンポリマーに無機ＳＯＧを５重量％混合し、誘電体材料を得た。
無機ＳＯＧは、結合の強いシラノール基を有しているため、熱振動に対して強く、半導体装置製造プロセスに耐えうる耐熱性を有している。また誘電率が、〜４．０程度と低いものである。
【００１６】
このような耐熱性を有する無機ＳＯＧを、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに混合すると、フロロカーボンポリマーの鎖に耐熱性の無機ＳＯＧの鎖がファンデルワールス力によって絡み合った状態となり、フロロカーボンポリマー構造が補強される。よって上記のごとく調整された誘電体材料は、熱振動に対して強く、耐熱温度が４２５℃とフロロカーボンポリマーのみと比較して非常に耐熱性が向上したものとなった。またフロロカーボンポリマー構造が補強されるため、熱膨張率が２００ｐｐｍ／℃と低く抑えられたものとなった。さらに混合する無機ＳＯＧの誘電率が比較的低いため、混合による誘電率の上昇が抑制され、得られた誘電体材料の誘電率は２．６であった。
【００１７】
またこの誘電体材料では、フロロカーボンポリマーと無機ＳＯＧとがファンデルワールス力だけで絡み合った状態となっているため、フロロカーボンポリマーに混合する耐熱性の樹脂の割合によって、誘電率、耐熱温度、熱膨張率が直線的に変化する。したがって、フロロカーボンポリマーに対する無機ＳＯＧの樹脂の混合割合を変化させるだけで、所望の誘電率、熱膨張率および耐熱温度に調整された誘電体材料を得ることができる。
【００１８】
次に請求項１の発明の第２実施形態を説明する。
この実施形態では、シラノール基を有する樹脂として、有機ＳＯＧ〔例えばＨＳＧ（日立化成製）〕を用いた以外は、請求項１の発明に係る第１実施形態と同様にして誘電体材料を得た。
有機ＳＯＧも、結合の強いシラノール基を有しているため、熱振動に対して強く、半導体装置製造プロセスに耐えうる耐熱性を有している。また誘電率が、３〜３．５程度と低いものである。
【００１９】
このような耐熱性を有する有機ＳＯＧを、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに混合しても、無機ＳＯＧを用いた第１実施形態と同様、フロロカーボンポリマーの鎖に有機ＳＯＧの鎖がファンデルワールス力によって絡み合った状態となり、フロロカーボンポリマー構造が補強される。よって上記のごとく調整された誘電体材料は、耐熱温度が４２０℃とフロロカーボンポリマーのみと比較して非常に耐熱性が向上したものとなった。またフロロカーボンポリマー構造が補強されるため、熱膨張率が２００ｐｐｍ／℃と低く抑えられたものとなった。さらに混合する無機ＳＯＧの誘電率が比較的低いことから、混合による誘電率の上昇が抑制され、得られた誘電体材料の誘電率は２．５であった。
【００２０】
またこの誘電体材料においても、第１実施形態の場合と同様、フロロカーボンポリマーと有機ＳＯＧとがファンデルワールス力だけで絡み合った状態となっているため、フロロカーボンポリマーに混合する耐熱性の樹脂の割合によって、誘電率、耐熱温度、熱膨張率が直線的に変化する。したがって、有機ＳＯＧの樹脂の混合割合を変化させるだけで、所望の誘電率、熱膨張率および耐熱温度に調整された誘電体材料を得ることができる。
【００２１】
ここで上記実施形態では、フロロカーボンポリマーとしてシクロポリマライズドフロリネーテッドポリマー、ポリテトラフルオロエチレンを用いたが、環状構造を有するものであればよく、これらの例に限定されない。
またフロロカーボンポリマーに混合する樹脂としては、シラノール基を有していればよく、いずれの樹脂を用いることも可能である。例えば下記式〔２〕で表される芳香族ポリアミドを有するものや、ナフタレン環を有するもの、または下記式〔３〕で表されるベンゼン環とともに複素環を有する樹脂などを用いてもよい。
【００２２】
【化２】
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【００２３】
【化３】
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【００２４】
さらに、環状構造を有するフロロカーボンポリマーとシラノール基を有する樹脂との組み合わせであれば、どのような組み合わせでも上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
次に、請求項２の発明に係る誘電体膜の一実施形態を図１に基づいて説明する。なお、ここでは、請求項２の発明を半導体装置における絶縁膜に適用した一例を述べる。
ここではまず、シリコン基板１上に５００ｎｍ程度の厚さのシリコン酸化膜２を形成する。このシリコン酸化膜２は、一般的なモノシランと酸素とを原料ガスに用いたＣＶＤ法で行う。
次いでスパックリング法によって、シリコン酸化膜２に例えばアルミニウム−シリコン合金膜を成膜した後、一般的なレジストプロセスおよびエッチングプロセスにより、上記合金膜をバターニングしてアルミニウム−シリコン合金からなる金属配線３を形成する。
【００２６】
次いで、前述した請求項１の発明に係る実施形態の誘電体材料を用い、シリコン酸化膜２上に金属配線３を覆うようにして絶縁膜４を成膜する。成膜装置には、例えば一般的な塗布装置（スピンコーター）を用いることができる。この場合、予め誘電体材料を例えばフロロカーボン系の溶媒（一例としてフロリナート）に溶解し、所定の粘性に調整したものを用いる。
【００２７】
例えば誘電体材料を２．０ｃＳｔに調整し、スピンコーターで成膜する場合には、スピンコートを５００ｒｐｍの回転数で１０秒、３０００ｒｐｍの回転数で６０秒を連続して行う。そして引き続きプレートヒータで１５０℃にて５分、２５０℃にて５分間のベーキングを行い、最後に既存の拡散炉を用いて窒素雰囲気中、４００℃、３０分間のアニールを行う。
【００２８】
こうして絶縁膜４を形成した後は、絶縁膜４上にシリコン酸化膜５を例えば１０ｎｍ程度形成する。この成膜は、温度を３５０℃、圧力を１ｋＰａとした条件下で、原料ガスにモノシランガスと酸素ガスとを用いて既存のＣＶＤ装置で行うことができる。
そしてさらにその上層に、プラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜６を形成し半導体装置７を得る。シリコン酸化膜６の成膜は、例えば温度を３５０℃、圧力を３０Ｐａとした条件下で、原料ガスにＴＥＯＳガスと酸素ガスとを用いて既存の枚葉式プラズマＣＶＤ装置で行う。
【００２９】
この実施形態によれば、絶縁膜４の形成に、４００℃以上の耐熱性を有し、かつ熱膨張率が低く抑えられた誘電体材料を用いているので、熱処理時に分解せず、しかもボイドの発生が抑えられた絶縁膜４を得ることができる。また上記誘電体材料が、フロロカーボンポリマーの誘電率をほぼ維持しているため、絶縁膜４は低誘電率の膜になる。
よって、電気的信頼性が向上しかつ配線３，３間の容量が低減した半導体装置７を製造できるので、半導体装置７に搭載するデバイスの動作の高速化を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上鋭明したように請求項１記載の発明の誘電体材料では、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、補強剤となるシラノール基を有する耐熱性の樹脂が混合されており、また、フロロカーボンポリマーと上記耐熱性の樹脂とを混合することによる誘電率の上昇が抑制されるので、フロロカーボンポリマーの低誘電率の維持が可能になる。よって、半導体装置の誘電体膜の形成材料として非常に好適なものになる。
【００３１】
請求項２の発明の誘電体膜では、環状構造を有するフロロカーボンポリマーに、補強剤となるシラノール基を有する耐熱性の樹脂を混合されて、耐熱性が向上し、熱膨張率が抑制され、混合による誘電率の上昇が抑制された誘電体材料を用いているので、熱処理時の分解およびボイドの発生を防止でき、かつフロロカーボンの低誘電率をほぼ維持することができる。よって、半導体装置の誘電体膜として使用すれば、電気的信頼性が向上しかつ配線間の容量が低減した半導体装置を製造できるので、半導体装置に搭載するデバイスの動作の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体膜の形成例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の課題を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
４  絶縁膜（誘電体膜）
【図１】
0003572776.tif 000005
【図２】
0003572776.tif 000006