(57)【要約】【課題】半導体デバイスの多層銅配線を分離する層間絶縁膜に適する、下地あるいは上層の無機絶縁膜と接する界面においは、機械的強度と密着性に優れ、かつ膜全体としては、実効比誘電率の低い、絶縁性有機重合体膜を提供する。【解決手段】環状シロキサンと、直鎖状シロキサンとを原料とし、両者をプラズマ励起して重合させた有機シロキサン共重合体膜であり、無機絶縁膜と接する界面に、直鎖状シロキサン成分を主成分とする膜組成とすることで、緻密かつ密着性に優れた膜質の界面層を設け、膜内部には、環状シロキサン骨格に囲まれた空孔を内在する環状シロキサン成分と、直鎖状シロキサン成分とが混在し、相対的に密度を抑えた網目構造を有する層を有する、膜厚方向に組成変化を有する該共重合体膜に、銅薄膜を埋め込んだ多層配線を形成する。【選択図】　　図１１
2004047873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜であって、
前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成していることを特徴とする有機シロキサン共重合体膜。
【請求項２】
膜厚方向において、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットと、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率が変化している膜構成を有することを特徴とする請求項１に記載の有機シロキサン共重合体膜。
【請求項３】
膜厚方向の上下面は、いずれも無機絶縁膜と接する形状を構成し、
前記第１の有機シロキサン由来のユニットと、第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、
前記上下面の、無機絶縁膜との界面近傍においては、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットが主成分であり、膜内部においては、前記第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、前記界面近傍における含有比率より低く、
該界面近傍における密度は、前記膜内部における密度より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の有機シロキサン共重合体膜。
【請求項４】
層間絶縁膜として、有機シロキサン膜を用いる半導体装置であって、
前記有機シロキサン膜として、複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜であって、
前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している膜を具え、
前記有機シロキサン共重合体膜は、無機絶縁膜に挟まれた形態とし、
前記第１の有機シロキサン由来のユニットと、第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、
前記上下面の、無機絶縁膜との界面近傍においては、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットが主成分であり、膜内部においては、前記第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、前記界面近傍における含有比率より低く、
該界面近傍における密度は、前記膜内部における密度より大きくされ、
該有機シロキサン共重合体膜層中に、銅膜が埋め込まれた配線層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
基板上において、複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜を成長する方法であって、
前記有機シロキサン共重合体膜は、前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している共重合体膜であり、
少なくとも、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーを気化する工程と、
前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンモノマーを気化する工程と、
気化された前記第１の有機シロキサンモノマーガスを所定の供給速度で供給する工程と、
気化された前記第２の有機シロキサンモノマーガスを所定の供給速度で供給する工程と、
供給される前記第１の有機シロキサンモノマーガスと前記第２の有機シロキサンモノマーガスとを混合して、混合ガスを構成する工程と、
前記混合ガスを減圧下の反応室に導入する工程と、
導入される前記混合ガスを、該反応室内に形成されたプラズマ雰囲気中を通過させた後、加熱される基板上に吹き付ける工程とを有し、
基板上において、吹き付けられた前記混合ガス中に含まれる、前記第１の有機シロキサンモノマーと第２の有機シロキサンモノマーを反応させて、前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している共重合体膜の成長を行うことを特徴とする有機シロキサン共重合体膜の気相成長方法。
【請求項６】
前記第１の有機シロキサンモノマーガスの供給速度と前記第２の有機シロキサンモノマーガスの供給速度とを、その供給速度比を変化するように、それぞれ変化させ、
前記供給速度比の変化に伴い、膜厚方向において、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットと、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率が変化している膜構成とすることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜の気相成長用装置であって、
複数種の有機シロキサンモノマーガスを、それぞれの供給量を制御して、個々に供給する、モノマーガス供給ユニット複数と、
クリーニングガス供給ユニットと、
前記複数のモノマーガス供給ユニットから供給されるモノマーガス複数、ならびに、必要に応じて、クリーニングガス供給ユニットから供給されるクリーニングガスを、混合して、混合ガスを形成する手段と、
基板を搭載可能な基板加熱部、前記基板加熱部上に搭載される基板面に前記混合ガスを均一分散して吹き付け可能なシャワーヘッドを具える反応室と、
接地される前記基板加熱部に対して、前記シャワーヘッドにＲＦ電圧を印加する用途の、前記シャワーヘッドに接続されるＲＦ電源と、
前記反応室内を減圧下とするための排気装置とを少なくとも具え、
前記モノマーガス供給ユニット複数は、少なくとも、
環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンを気化供給する第１のモノマー供給ユニットと、
直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンを気化供給する第２のモノマー供給ユニットとを供えることを特徴とする有機シロキサン共重合体膜用の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子及びその素子間を結ぶ配線間の絶縁用の有機絶縁体膜として利用可能な有機シロキサン共重合体膜、その製造方法、成長装置、ならびに該共重合体膜を用いた半導体装置に関し、より具体的には、
気相成長可能な有機シロキサン共重合体膜と、半導体装置への適用に適合する該共重合体膜の気相成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の設計ルールは縮小を続けており、それに伴い配線による遅延による性能劣化が顕在化している。つまり、半導体集積回路の配線信号遅延は配線ＣＲ時定数（Ｃ：配線容量、Ｒ：配線抵抗）によって決まるが、配線幅の減少による配線抵抗の増大と、配線間隔の減少による配線間容量の増大で配線ＣＲ時定数がトランジスタのスイッチング速度向上に追従できない状態が懸念されている。従来、半導体集積回路の配線材料にはアルミ合金が主に使用されていたが、高速な動作が必要な集積回路では、配線の低抵抗化のため銅配線が使用されている。
【０００３】
一方、配線間容量を低減するために、現在のシリカ（ＳｉＯ２）系絶縁膜よりも比誘電率の低い絶縁膜材料が採用され始めている。比誘電率の低い絶縁膜としては、フッ素添加シリカ（ＳｉＯＦ）やポーラスシリカや有機高分子膜（有機絶縁膜）が知られている。フッ素添加シリカは、現在既に一部の製品で使用されているが、膜自身の低誘電率化を促進するために膜中フッ素濃度を高くすると、水分あるいは水素との反応によって生じるフッ酸で配線金属の腐食が発生したり、フッ素が脱離することにより誘電率が増大したりするといった課題がある。さらには、半導体集積回路技術の進歩により、絶縁膜への要求は既にフッ素添加シリカ（ＳｉＯＦ）膜で得られる３．３程度の比誘電率では応えられなくなってきており、半導体集積回路上、多層配線間の層間絶縁膜として、３以下の比誘電率を持つフッ素を含有しない絶縁膜が要望されている。その候補の一つとして、耐熱性・耐吸湿性に優れた、有機シロキサンの重合体膜の開発が急がれている。従来報告されている、有機シロキサンの重合体膜を形成する方法には、大きく分けて、スピンコーティング法とＣＶＤ法とがある。
【０００４】
（第一の従来例）
スピンコーティング法では、原料有機シロキサンモノマーを有機溶媒に溶解して、スピンコーティング被膜を形成し、その後、成膜過程において、溶媒を除去するとともに、被膜中の有機シロキサンモノマーを加熱することにより、モノマーの重合反応を進行させる。この熱重合反応では、２次元あるいは３次元の網目構造をもった高分子膜が形成される。生成物である有機シロキサン重合体膜を構成する骨格は、有機溶剤に溶解させている有機シロキサンモノマーの構造に依存する。
【０００５】
例えば、Ｔ．Ｍ．Ｓｔｏｋｉｃｈ，　Ｊｒ．，　Ｗ．Ｍ．Ｌｅｅ，　Ｒ．Ａ．Ｐｅｔｅｒｓ　“ＲＥＡＬ−ＴＩＭＥ　ＦＴ−ＩＲ　ＳＴＵＤＩＥＳ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＲＥＡＣＴＩＯＮ　ＫＩＮＥＴＩＣＳ　ＦＯＲ　ＴＨＥ　ＰＯＬＹＭＥＲＩＺＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＤＩＶＩＮＹＬ　ＳＩＬＯＸＡＮＥ　ＢＩＳ　ＢＥＮＺＯＣＹＣＬＯ　ＢＵＴＥＮＥ　ＭＯＮＯＭＥＲＳ”（Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　Ｖｏｌ．２２７　ｐ．１０３，　１９９１）には、直鎖状シロキサンの一種であるビスベンゾシクロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサン　モノマー（ＢＣＢ−ＤＶＳ）をメシチレンに溶解させた溶液をスピン塗布した後、１００℃でベークして溶媒のメシチレンを除去し、その後、さらに３００℃〜３５０℃まで加熱することで、有機シロキサン重合体膜を形成する方法が記載されている。ビスベンゾシクロブテン・ジビニルシロキサン　モノマーは、下記化学式（１）に示す、不飽和炭化水素鎖である２つのビニル基と２つのシクロブテン基、ならびに直鎖状シロキサンが含まれている有機シロキサン・モノマーである。その熱重合反応は、以下のように進行する。
【０００６】
【化１】
2004047873.tif 000003
【０００７】
式（１）　ビスベンゾシクロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサン
まず、下記化学式（２）に示す反応に伴い、ビスベンゾシクロブテン・ジビニルシロキサン・モノマー内のシクロブテン基が、熱エネルギーにより開環して、２つのビニル基（メチレン基）に変化する。
【０００８】
【化２】
2004047873.tif 000004
【０００９】
式（２）　ベンゾシクロブテン基の開環反応
下記化学式（３）に示す反応に伴い、この２つのビニル基（メチレン基）が、別のＢＳＢ−ＤＶＳモノマー内のビニル基と付加重合反応して、６員環炭化水素（ヒドロナフタレン）を形成することにより、重合反応が生じる。この反応経路により、下記化学式（４）に示す、２つのＢＳＢ−ＤＶＳが接合された２量体（ダイマー）が得られる。
【００１０】
【化３】
2004047873.tif 000005
【００１１】
式（３）　ベンゾシクロブテン基の開環基とビニル基との付加重合反応
【００１２】
【化４】
2004047873.tif 000006
【００１３】
式（４）　ビスベンゾシクロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサンの２量体
生成するＢＣＢ−ＤＶＳの２量体内には、未反応の３つのベンゾシクロブテンと３つのビニル基が残存する。すなわち、この２量体に対して、少なくとも６つのＢＣＢ−ＤＶＳモノマーがさらに付加重合可能である。ビスベンゾシクロブテン・ジビニルシロキサンの移動度が十分に大きければ、下記化学式（５）に例示される、ＢＳＢ−ＤＶＳ同士が複雑かつ緻密に架橋された高分子膜が形成される。
【００１４】
【化５】
2004047873.tif 000007
【００１５】
式（５）　ビスベンゾシクロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサン（ＢＳＢ−ＤＶＳ）の付加重合により形成された有機高分子膜
しかしながら、スピンコーティング法による重合体形成の場合、ＢＳＢ−ＤＶＳモノマーは、溶剤に溶解されているが、この溶剤が蒸発するとともに、モノマーの濃縮が進むと液粘度が上昇し、モノマーの移動度が小さくなる。すなわち、ＢＳＢ−ＤＶＳモノマー自体には、合計４つの付加重合サイトがあるにもかかわらず、近傍に存在する僅かなＢＳＢ−ＤＶＳとしか結合できない。そのため、スピンコーティング法による重合体形成では、十分な架橋密度を達成できない。付随して、得られる高分子膜の耐熱性が劣化したり、膜強度が低下したりするといった課題があった。
【００１６】
さらに、スピンコーティング法の場合、有機モノマーを溶剤に溶かし、この溶解物をスピン塗布するが、そのスピン塗布工程において、溶解物の９０％程度は基板外に飛ばされるため、出発原料の使用効率は低い。また、スピン塗布膜をベーク炉中で加熱して、予め溶剤を除去した後、さらに高温に加熱して、有機モノマーの高分子化反応を生じさせることで、有機高分子膜を形成するが、その際、ベーク炉中に酸素があると、酸素と有機モノマーの一部が反応して、目的の特性を有する有機高分子膜にはならない場合もある。その防止には、例えば、ベーク炉全体を窒素ガス置換する手法が有効ではあるものの、その種の装置改造は低コストでの実現がむずかしい。さらに、溶剤に溶け込んでいる溶存酸素と有機モノマーとがベーク時に反応する場合もあるため、工程全般にわたり、厳密な雰囲気制御が必要ともなるが、厳密な雰囲気制御をスピンコーティング法で行うことは、実用上困難である。なお、スピン塗布は、揮発する溶剤の作業環境への散逸を防止するため、局所排気されたスピン塗布室で行う。スピン塗布室内に浮遊しているごみ粒子や、スピン塗布室の内壁にこびりつき乾燥、固化した有機モノマーの微粒子が、場合によっては、スピン塗布膜に混入して、得られる高分子膜の膜質を劣化させる要因となる場合もある。さらに、スピン塗布の場合、大量の有機溶剤を必要とし、また、その蒸散量も多くなり、環境負荷が大きいといった課題もある。
【００１７】
（第２の従来例）
特開平１１−２８８９３１号公報には、原料として、直鎖状シロキサン（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）に飽和炭化水素基が結合したシリコン系炭化水素化合物の単独気化ガスを用いたプラズマＣＶＤ法で、比誘電率３以下のシリコン系有機絶縁膜を得る方法が開示されている。その際、プラズマ重合時のＦＲパワーや成膜圧力を調整することで、形成される有機シロキサン膜中の炭素、水素、シリカ、酸素といった組成比を制御するとはできるとしても、得られる有機シロキサン膜の分子骨格や、膜全体の重合体構造を制御することはできない。
【００１８】
（第３の従来例）
特表２００２−５０３８７９号公報（以後、文献３と表記）では、低パワープラズマで解離させた酸化ガスと、飽和炭化水素基とシロキサンとからなるオルガノシリコン化合物モノマー（有機シロキサンモノマー）とを反応させて、オルガノシロキサン膜（有機シロキサン膜）を形成している。この反応過程において、有機シロキサンモノマー中の、特定の炭化水素基を活性化させて、酸化剤ガスと特定のサイトに結合させるといった重合選択性を有していない。従って、プラズマ中で有機シロキサンモノマーを酸化させる際、その酸化反応や酸化度を厳密に制御することも難しい。すなわち、シリコン系有機絶縁膜に微細な空孔を導入して、ポーラスな膜を分子設計することも困難であることを意味する。さらに、形成されるシリコン系有機絶縁膜の、下地膜や上地膜に対する密着性を向上させるには、その界面付近の有機シロキサン膜の組成を制御することが必要となるが、開示されている有機シロキサン膜の成膜方法には、界面付近の組成や中間層の化学組成や分子構造を制御する手段を有していない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、先に、不飽和炭化水素基を含む有機シロキサンモノマーを気化させて、キャリアガスを用いて気相中を輸送し、反応室中に形成されたＨｅプラズマを介して加熱基板表面に吹き付けることで、基板表面に有機シロキサン膜を形成する技術を開発し、かかる技術を、特開平２０００−１２５３２号公報において開示している。この有機シロキサン膜形成方法では、気相輸送された有機シロキサンモノマーが基板上で重合反応を起こさせ、有機シロキサン膜を形成している。例えば、直鎖状有機シロキサンを骨格として有する、式（１）に示すビスベンゾシクロブテン・ジビニルシロキサン（ＢＣＢ−ＤＶＳ）モノマーを用いた場合、このプラズマ重合反応過程は、ほぼ熱重合反応と一致すると推測され、有機シロキサンに含まれる不飽和炭化水素基であるシクロブテン基やビニル基が選択的に活性化されて、化学式（２）〜（４）に示す反応素過程を経由する重合反応により、化学式（５）に例示する架橋構造をより緻密に有する有機シロキサン膜が得られている。
【００２０】
この技術の要点は、原料に用いる有機シロキサンモノマーに、シクロブテン基やビニル基といった不飽和炭素基が含まれていることであり、この不飽和炭化水素基を介して、有機シロキサンモノマーを網目状に接合してゆくことにある。すなわち、重合反応に関与する不飽和炭化水素基の位置を制御することで、重合反応の生じる位置を特定し、所望とする有機シロキサンモノマーを骨格とする網目構造の有機シロキサン膜が形成される。スピンコーティング法と比較して、気相から供給される有機シロキサンモノマーは、高真空中にあるため、表面上での移動度が大きく、網目構造の架橋密度を向上させて、得られる有機シロキサン膜の耐熱性や膜強度の向上が実現されている。例えば、ＢＣＢ−ＤＶＳモノマーからプラズマ重合により得られた有機シロキサン膜では、直鎖状のシロキサンが飽和炭化水素基を介して高密度に架橋された構造を有し、その比誘電率２．５〜２．７が得られている。
【００２１】
特に、ＵＬＳＩの多層配線の層間絶縁膜として利用する場合、上層の配線と下層の電極層との間に有機シロキサン膜構造が形成されるが、その際、上層の配線ならびに下層の電極層の作製に使用される他の絶縁膜が存在し、従って、層間絶縁膜の有機シロキサン膜は、これら上層、下層に存在する、無機絶縁膜あるいは有機絶縁膜との積層構造となる。そのため、有機シロキサン膜の上面あるいは下面に接する絶縁膜との密着性および界面膜強度が高いことが必要となる。有機シロキサン膜の密着性や界面近傍の膜強度を向上させるには、その架橋密度を大きくすることが有効であるが、架橋密度を増すとともに、比誘電率の増大が引き起こされる。
【００２２】
理想的には、層間絶縁膜として利用する有機シロキサン膜は、他の材料膜との界面付近のみが、密着性に優れる高架橋密度で高強度の膜質を有し、この界面部を除く層間部分は、適正な比誘電率を達成できる架橋密度に保持される膜構成が望ましい。しかしながら、単一の有機シロキサンモノマー原料を用いたプラズマ重合膜においては、得られる重合膜の架橋密度を膜厚方向で任意に選択し、連続的に比誘電率や密着性の変化する重合膜とすることは、一般に困難である。つまり、従来の単一原料を使用するプラズマ重合膜においては、架橋密度を任意に制御し、膜厚方向の連続的かつ大幅な膜質制御を行うことは不可能であった。
【００２３】
本発明は前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、層間絶縁膜として利用に適する、膜厚方向において、膜内の架橋構造を連続的かつ大幅に変化でき、密着性に優れる高架橋密度で高強度の膜質を示す部分と、適正な比誘電率を達成できる架橋密度に保持される膜構造領域部を任意に制御することが可能な新規な有機シロキサン重合膜と、その作製方法を提供することにある。より具体的には、本発明の目的は、二種以上の有機シロキサンを原料に利用して、上記のプラズマ重合法による有機シロキサン共重合体膜とする際、膜厚方向において、膜内の架橋構造を連続的かつ大幅に変化でき、密着性に優れる高架橋密度で高強度の膜質を示す部分と、適正な比誘電率を達成できる架橋密度に保持される膜構造領域部を任意に制御することを容易に達成可能な、二種以上の有機シロキサン原料の選択をおこなった有機シロキサン共重合体膜の製造方法、同製造装置、かかる製造方法で作製される有機シロキサン共重合体膜、ならびに、該有機シロキサン共重合体膜を層間絶縁膜として利用する半導体装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、原料として、直鎖状シロキサンを骨格とする有機シロキサンのみを用いて、プラズマ重合した重合膜は、高い架橋密度を達成でき、従って、高強度の膜質を示し、加えて、シロキサン構造の面密度も高く、無機絶縁膜などの、他の材料膜に対する密着性にも優れることを見出した。さらに、環状シロキサンを骨格とする有機シロキサンに、該直鎖状シロキサンを骨格とする有機シロキサンを加えて、プラズマ重合を実施すると、環状シロキサン構造を保持した共重合体膜が形成され、環状シロキサンを骨格とする有機シロキサンの比率が増すに伴い、膜の平均密度は低下し、付随して、比誘電率の低減も達成できることを確認した。かかる知見に加えて、環状シロキサンを骨格とする有機シロキサンと、該直鎖状シロキサンを骨格とする有機シロキサンとは、気化した上で気相から供給するため、その比率を連続的に変化させることが可能であり、得られる共重合体膜の膜質も追従して、連続的に変化させることが可能であることをも確認して、本発明者らは、本発明を完成するに到った。
【００２５】
すなわち、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜は、
複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜であって、
前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成していることを特徴とする有機シロキサン共重合体膜である。その際、膜厚方向において、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットと、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率が変化している膜構成を有する有機シロキサン共重合体膜とすることが好ましい。
【００２６】
さらには、膜厚方向の上下面は、いずれも無機絶縁膜と接する形状を構成し、
前記第１の有機シロキサン由来のユニットと、第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、
前記上下面の、無機絶縁膜との界面近傍においては、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットが主成分であり、膜内部においては、前記第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、前記界面近傍における含有比率より低く、
該界面近傍における密度は、前記膜内部における密度より大きいことを特徴とする有機シロキサン共重合体膜とすることがより好ましい。
【００２７】
加えて、本発明は、上述の有機シロキサン共重合体膜の好適な用途として、本発明にかかる半導体装置の発明をも提供し、
すなわち、本発明にかかる半導体装置は、
層間絶縁膜として、有機シロキサン膜を用いる半導体装置であって、
前記有機シロキサン膜として、複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜であって、
前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している膜を具え、
前記有機シロキサン共重合体膜は、無機絶縁膜に挟まれた形態とし、
前記第１の有機シロキサン由来のユニットと、第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、
前記上下面の、無機絶縁膜との界面近傍においては、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットが主成分であり、膜内部においては、前記第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率は、前記界面近傍における含有比率より低く、
該界面近傍における密度は、前記膜内部における密度より大きくされ、
該有機シロキサン共重合体膜層中に、銅膜が埋め込まれた配線層が形成されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２８】
なお、本発明は、上記する本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の作製に適する製造方法を同時に提供し、
すなわち、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の気相成長方法は、
基板上において、複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜を成長する方法であって、
前記有機シロキサン共重合体膜は、前記複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、
少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでなり、
前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している共重合体膜であり、
少なくとも、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーを気化する工程と、
前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンモノマーを気化する工程と、
気化された前記第１の有機シロキサンモノマーガスを所定の供給速度で供給する工程と、
気化された前記第２の有機シロキサンモノマーガスを所定の供給速度で供給する工程と、
供給される前記第１の有機シロキサンモノマーガスと前記第２の有機シロキサンモノマーガスとを混合して、混合ガスを構成する工程と、
前記混合ガスを減圧下の反応室に導入する工程と、
導入される前記混合ガスを、該反応室内に形成されたプラズマ雰囲気中を通過させた後、加熱される基板上に吹き付ける工程とを有し、
基板上において、吹き付けられた前記混合ガス中に含まれる、前記第１の有機シロキサンモノマーと第２の有機シロキサンモノマーを反応させて、前記第１の有機シロキサンに対して、前記第２の有機シロキサンが複数個結合して、架橋構造を形成している共重合体膜の成長を行うことを特徴とする有機シロキサン共重合体膜の気相成長方法である。
【００２９】
その際、前記第１の有機シロキサンモノマーガスの供給速度と前記第２の有機シロキサンモノマーガスの供給速度とを、その供給速度比を変化するように、それぞれ変化させ、
前記供給速度比の変化に伴い、膜厚方向において、
前記環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットと、前記直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率が変化している膜構成とすることを特徴とする方法とすることがより好ましい。
【００３０】
一方、前記の本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の気相成長方法の実施に適する装置の発明も併せて提供され、
すなわち、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜用の気相成長装置は、
複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜の気相成長用装置であって、
複数種の有機シロキサンモノマーガスを、それぞれの供給量を制御して、個々に供給する、モノマーガス供給ユニット複数と、
クリーニングガス供給ユニットと、
前記複数のモノマーガス供給ユニットから供給されるモノマーガス複数、ならびに、必要に応じて、クリーニングガス供給ユニットから供給されるクリーニングガスを、混合して、混合ガスを形成する手段と、
基板を搭載可能な基板加熱部、前記基板加熱部上に搭載される基板面に前記混合ガスを均一分散して吹き付け可能なシャワーヘッドを具える反応室と、
接地される前記基板加熱部に対して、前記シャワーヘッドにＲＦ電圧を印加する用途の、前記シャワーヘッドに接続されるＲＦ電源と、
前記反応室内を減圧下とするための排気装置とを少なくとも具え、
前記モノマーガス供給ユニット複数は、少なくとも、
環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンを気化供給する第１のモノマー供給ユニットと、
直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンを気化供給する第２のモノマー供給ユニットとを供えることを特徴とする有機シロキサン共重合体膜用の気相成長装置である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をより詳しく説明する。
【００３２】
本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜は、複数種の有機シロキサンを構成ユニットとする有機シロキサン共重合体膜であるが、その複数種の有機シロキサン由来の構成ユニットとして、少なくとも、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとを含んでいる。環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンは、その環状シロキサン骨格に、付加重合反応が可能な、不飽和炭化水素基が複数置換している構造のものを用いる。一方、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンは、その直鎖状シロキサン骨格に、付加重合反応が可能な、不飽和炭化水素基が少なくとも二つ以上置換している構造のものを用いる。図１に模式的に示すように、この第１の有機シロキサンと第２の有機シロキサンとを、前記の不飽和炭化水素基を利用して付加重合反応を行わせると、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンに対して、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンが複数個反応し、さらに、前記第２の有機シロキサンは、不飽和炭化水素基を少なくとも二つ以上内在しているため、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン二つの間を連結する形態で、共重合体を形成する。その際、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンに対して、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンが複数個反応することで、架橋構造が形成され、共重合体膜全体としては、網目状に架橋構造が延伸された構造を構成することができる。
【００３３】
加えて、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン自体でも、架橋構造を形成できる、すなわち、その直鎖状シロキサン骨格に、付加重合反応が可能な、不飽和炭化水素基が少なくとも三つ以上置換している構造のものを用いると、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン二つの間を連結する、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン相互の間にも、さらに、第２の有機シロキサンが付加重合することによる架橋形成が可能となる。すなわち、図２に模式的に示すように、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンを中心とする、大きな網目状の架橋構造に加えて、さらに、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン相互間の緻密な架橋構造が付加され、全体の網目構造は、格段に緻密とすることができる。
【００３４】
すなわち、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンの含有比率が増すと、得られる共重合体膜では、高架橋密度となり、高強度の膜質であり、同時に、密着性にも優れる。一方、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンの含有比率が相対的に低いと、架橋密度は相対的に低くなり、また、単位体積当たりに含まれるシロキサンユニットも相対的に抑えられる結果、比誘電率自体は低く保たれる。加えて、環状シロキサン骨格に由来する空孔は、嵩密度の上昇を抑える役割を有し、比誘電率の低減にも貢献する。なお、環状シロキサン骨格に由来する空孔の大きさは、環状シロキサンの環員数に依存している。加えて、含有される直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンと環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンに由来するユニット数の比率は、気相から基板面上への供給比率、従って、混合ガス中の混合比に依存するため、成長中に混合ガス中の混合比を変化させることで、得られる共重合体膜の膜質を連続的に変化させることが可能である。
【００３５】
共重合体膜中の環状シロキサンユニットと直鎖状シロキサンユニットの含有比率は、例えば、環状シロキサン骨格と直鎖状シロキサン骨格に起因する分子振動の差異を利用し、両者の赤外線吸収強度の相対比に基づき、含有比率を評価可能である。具体的には、４員環状シロキサンの伸縮運動に由来する振動数は１０８５ｃｍ−１、３員環状シロキサンの伸縮運動に由来する振動数は１０１５ｃｍ−１、一方、直鎖状シロキサンの伸縮運動に由来する振動数は１０５５ｃｍ−１であり、それらの吸収ピークは、ＦＴ−ＩＲ法で分別検出可能である。
【００３６】
本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の構成に利用される、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンは、共重合体を構成するため、付加重合反応が可能な部位を少なくとも二つ以上有し、さらに、前記大きな網目状の架橋構造を構成する際に、その核となるためには、付加重合反応が可能な部位を少なくとも三つ以上有することが好ましい。一方、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンも、共重合体を構成するため、付加重合反応が可能な部位を少なくとも二つ以上有し、さらに、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン相互間の緻密な架橋構造を構成するためには、付加重合反応が可能な部位を少なくとも三つ以上有することが好ましい。
【００３７】
以下に、上述する本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜を形成する工程、ならびに、その成長に利用される装置に関して、説明をする。図３に、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の形成に利用可能な成長装置を示す。
【００３８】
先ず、反応室１は、真空ポンプ８により減圧されており、反応室１の内部には基板加熱部６が設けられ、その上に半導体基板５が固定される。第１の有機シロキサンモノマー（有機モノマーＡ）および第２の有機シロキサンモノマー（有機モノマーＢ）は、それぞれ気化供給システム６１、６２内において気相状態とされ、キャリアガスとともに、各原料供給配管３８Ａと３８Ｂ、およびバルブ１８Ａと１８Ｂを介して供給され、反応室１の直前において、両者を混合した後、反応室１内へ導入される。気化供給システム６１、６２において気化され、それぞれがキャリアガスにより希釈された第１の有機シロキサンモノマー　２２Ａと有機シロキサンモノマーＢ　２２Ｂは、配管温度を保つヒータ３を備えた気化原料供給配管４９を経て、反応室１中のシャワーヘッド７へ同時に供給され、均一に混合された状態で、半導体基板５の基板面に分散して吹き付けられる。その際、接地されている基板加熱部６に対して、シャワーヘッド７に印加されるＲＦ電力により、その空間にプラズマが生成されており、このプラズマ中を第１の有機シロキサンモノマー（有機モノマーＡ）および第２の有機シロキサンモノマー（有機モノマーＢ）が通過する。前記プラズマに由来する励起エネルギー、ならびに基板加熱部６により供給される熱エネルギーにより、基板表面において、第１の有機シロキサンモノマーガス　２２Ａと第２の有機シロキサンモノマーガス　２２Ｂとが共重合反応を生じ、半導体基板５表面上に有機シロキサン共重合体膜４が成長する。
【００３９】
なお、未反応の原料モノマーは、反応室１の内壁を加熱するとともに、真空ポンプ８により反応室１内を減圧に保っていることから、反応室１の内壁上で凝集を起こすことなく、気相のまま、ヒータにより加熱されている配管排気配管１６を経て冷却トラップ１４へ到達する。冷却トラップ１４内では、第１の有機シロキサンモノマーおよび第２の有機シロキサンモノマーは、ともに冷却されるため、その蒸気圧はかかる温度における飽和蒸気圧を超える結果、冷却トラップ１４内で液化あるいは固化される。この冷却トラップ１４において、効果的な除去、回収が行われる結果、その下流の排気ポンプ８には、不要な有機シロキサンモノマーが達することは回避される。その他、反応室１内のクリーニング用のクリーニングガス２１を供給するため、気体流量制御器１３とバブル１７が設けられている。
【００４０】
図４に、本発明に利用される、第１の有機シロキサンモノマーおよび第２の有機シロキサンモノマーが常温で液体である場合、その気化、供給に適用可能な有機シロキサンモノマー原料供給システムの一例を模式的に示す。図４に示すシステムには、気化制御器において気化され、反応室へ供給される直前までを示す。先ず、第１の有機モノマーＡ２２は、液状のまま、第１の有機シロキサンモノマータンク２３Ａから、バルブ４６、液体流量指示器Ａ２８Ａ、バルブ４３を介して気化制御器Ａ　３０Ａに供給される。その際、第１の有機シロキサンモノマー用液体流量指示器２８Ａからフィードバック制御されている、気化制御バルブＡ３５Ａと気化制御機Ａ内バルブ３７とを介し、気化室Ａ３２Ａに供給される。一方、キャリアガスＡ　２６Ａは、バルブ４５Ａを経て、気化制御器３０Ａへ供給される。したがって、気化室Ａ　３２Ａの直前で、液体である第１の有機シロキサンモノマー　２２ＡとキャリアガスＡ　２６Ａは混合される。キャリアガスＡと混合状態で気化室Ａ３２Ａへ供給された液体原料モノマーＡ２２Ａは、気化室３２Ａへ供給される際、急激な圧力減少を受け、同時に、ヒータ３４Ａによる加熱により、熱エネルギーを供給することのため、連続的に気化する。気化した第１の有機シロキサンモノマーは、原料供給配管３８Ａ、バルブ１８Ａを介して反応室１へと供給される。第２の有機シロキサンモノマーに関しても、常温で液体である場合には、同様な有機シロキサンモノマー原料供給システムを用いることができる。
【００４１】
図５は、本発明に利用される、第１の有機シロキサンモノマーおよび第２の有機シロキサンモノマーが常温で固体である場合、その気化、供給に適用可能な有機シロキサンモノマー原料供給システムの一例を模式的に示す。図５に示すシステムには、有機シロキサンモノマー　タンク２３Ｂ内での気化から、反応室へ供給される直前までを示す。キャリアガスＢ　２６Ｂは、気体流量制御器３１Ｂにおいて流量を制御しつつ、バルブ４５Ｂを介して有機モノマーＢタンクＢ　２３Ｂへと供給される。その際、有機シロキサンモノマーＢタンク　２３Ｂは、一定温度に加熱されている。この加熱温度は、有機モノマーＢが溶融状態から気化して、あるいは、固相状態から昇華して、十分な飽和蒸気圧が得られる温度に選択される。その際、キャリアガスＢ　２６Ｂは、気化した有機シロキサンモノマーＢを前記の飽和蒸気圧で含む状態となる。その後、温度の低下を起こすと、含まれる有機モノマーＢの凝集が起こされるので、それ以降のバルブ４６Ｂ、気体流量指示器Ｂ３３Ｂ、バルブ４３Ｂをも同じ温度以上に加熱して、気化あるいは昇華状態を保持するように制御される。キャリアガスの供給により、気化した有機シロキサンモノマーＢは、バルブ４６Ｂ、気体流量指示器Ｂ３３Ｂ、バルブ４３Ｂを介して、原料供給配管３８Ｂへと供給される。次いで、バルブ４１Ｂを介して、反応室１へと供給される。
【００４２】
以上のように、有機シロキサンモノマー原料が、常温で液体や固体であっても適切な供給システムを選択することで、反応室へ気相状態の有機シロキサンモノマーを所望の供給量比で供給することが可能である。なお、常温で気体の有機シロキサンモノマーを利用する場合は、予め、キャリアガスにより希釈した後、気体流量制御器により、供給流量を制御する供給形態をとればよい。その際、他の有機シロキサンモノマーとの混合に際し、混合ガスの温度低下を回避するため、原料供給配管３８Ｂは、ヒータ３による加熱を行うことが望ましい。また、本発明において利用されるキャリアガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス等の有機シロキサンモノマーに対して、不活性なガスを適宜使用することが望ましい。また、これらキャリアガスは、反応室１内に生起されるプラズマの維持に寄与するものを利用することも望ましい。
【００４３】
すなわち、それぞれの有機シロキサンモノマーは、付加重合反応が可能な部位として、不飽和炭化水素基等を内在しており、かかる不飽和炭化水素基等はプラズマ中の低エネルギー電子との衝突により活性化されており、加熱されている基板上に吹き付けられた際、基板表面を速やかに移行しつつ、不飽和炭化水素基等の間の付加重合反応により、環状シロキサンと直鎖状シロキサンとの面内分布が均一な有機シロキサン共重合体膜の成長が可能となる。より具体的には、環状シロキサンと直鎖状シロキサンとに含まれる、不飽和炭化水素基等の熱的な付加重合反応の反応性に有意な差異を有する場合であっても、予め活性化がなされており、供給量比率の変化に付随して、得られる共重合体膜の組成制御が効果的に行われる。
【００４４】
従って、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜では、上述する特色を利用することで、膜厚方向において、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットとの含有比率が変化している膜構成を容易に作製することができる。例えば、半導体装置の作製に利用する、層間絶縁膜として応用する際に、膜の上下面に、他の無機絶縁膜を設ける層構造とする場合には、この無機絶縁膜に挟まれた共重合体膜の膜厚方向の組成を、無機絶縁膜との界面近傍では、主成分として、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサン由来のユニットを多く含有させることで、密着性に富み、高い架橋密度とすることで、高強度を示す組成とすることができる。一方、膜内部では、相対的に環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサン由来のユニットを高い比率で含有する組成とすることで、体積当たりの密度を比較的に低くすることで、比誘電率を低く抑えることが可能となる。その結果、無機絶縁膜との界面近傍では、密度が高く、比誘電率が相対的には高くなるものの、膜内部と平均すると、共重合体膜全体としては、その実効的な誘電率は低くすることが可能となる。
【００４５】
この利点を生かして、かかる共重合体膜内に、銅膜が埋め込まれた配線層を設けると、その間に存在する共重合体膜の比誘電率が低く抑えられているので、かかる配線間の寄生容量を抑制することが可能となる。すなわち、本発明にかかる半導体装置は、膜の上下面に、他の無機絶縁膜を設ける層構造とする際、無機絶縁膜との界面での密着性を高め、一方、膜全体としては、その実効的な誘電率は低くすることで、この共重合体膜内に、銅膜が埋め込まれた配線層を設ける構造において、かかる配線間の寄生容量を抑制することを達成している。
【００４６】
【実施例】
以下に、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。かかる実施例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明はかかる具体例に限定されるものではない。
【００４７】
（第１の実施例）
本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜において、原料の一つ、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーの一形態として、下記一般式（６）に示す、４つのシリコン原子と４つの酸素原子とからなる「４員」環状シロキサンがある。
【００４８】
【化６】
2004047873.tif 000008
【００４９】
式（６）　複数の不飽和炭化水素基を有する「４員」環状シロキサン
（式中、Ｒ１１Ｖ，Ｒ１２Ｖ，Ｒ１３Ｖ，Ｒ１ａ、Ｒ２１Ｖ，Ｒ２２Ｖ，Ｒ２３Ｖ，Ｒ２ａ、Ｒ３１Ｖ，Ｒ３２Ｖ，Ｒ３３Ｖ，Ｒ３ａ、Ｒ４１Ｖ，Ｒ４２Ｖ，Ｒ４３Ｖ，Ｒ４ａは、炭化水素基、フェニル基あるいは水素を示す。）
具体的には、化学式（７）のテトラメチルビニル・テトラメチル・シクロテトラシロキサン（ＴＭＶＴＭＣＴＳ）、化学式（８）のテトラビニル・テトラメチル・シクロテトラシロキサン（ＴＶＴＭＣＴＳ）、化学式（９）のテトラメチルビニル・テトラハイドロ・シクロテトラシロキサン（ＴＭＶＴＨＣＴＳ）、化学式（１０）のテトラビニル・テトラハイドロ・シクロテトラシロキサン（ＴＶＴＨＣＴＳ）が、前記一般式（６）に示す、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンの一例に含まれる。
【００５０】
【化７】
2004047873.tif 000009
【００５１】
式（７）　テトラメチルビニル・テトラメチル・シクロテトラシロキサン（ＴＭＶＴＭＣＴＳ）
【００５２】
【化８】
2004047873.tif 000010
【００５３】
式（８）　テトラビニル・テトラメチル・シクロテトラシロキサン（ＴＶＴＭＣＴＳ）
【００５４】
【化９】
2004047873.tif 000011
【００５５】
式（９）　テトラメチルビニル・テトラハイドロ・シクロテトラシロキサン
（ＴＭＶＴＨＣＴＳ）
【００５６】
【化１０】
2004047873.tif 000012
【００５７】
式（１０）　テトラビニル・テトラハイドロ・シクロテトラシロキサン（ＴＶＴＨＣＴＳ）
さらには、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜において、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーとして、下記一般式（１１）に示される、３つのシリコン原子と３つの酸素原子からなる「３員」環状シロキサンを用いることもできる。加えて、環状シロキサン骨格が、シクロペンタシロキサンの「５員」環状シロキサンやシクロヘキサシロキサンの「６員」環状シロキサン、あるいはそれ以上の員数のシロキサンからなる環状シロキサンでもよい。
【００５８】
【化１１】
2004047873.tif 000013
【００５９】
式（１１）　複数の不飽和炭化水素基を有する「３員」環状シロキサン
（式中、Ｒ１１Ｖ，Ｒ１２Ｖ，Ｒ１３Ｖ，Ｒ１ａ、Ｒ２１Ｖ，Ｒ２２Ｖ，Ｒ２３Ｖ，Ｒ２ａ、Ｒ３１Ｖ，Ｒ３２Ｖ，Ｒ３３Ｖは、炭化水素基、フェニル基あるいは水素を示す。）
環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーにおいて、環状シロキサン骨格に含まれるシリコン原子上に結合している炭化水素基は、全てが不飽和炭化水素基である必要はないものの、シリコン原子上に結合する不飽和炭化水素基として、プラズマ中の低エネルギー電子での選択活性化が可能な不飽和炭化水素基を含んでいることが望ましい。上記の一例では、シリコン原子に直接ビニル基、または、不飽和炭化水素基のＣ＝Ｃ部が結合した分子構造を有する有機シロキサンの例を示したが、シリコン原子に、飽和な炭化水素鎖を介して、ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エチニル基（ＨＣ≡Ｃ−）、シクロブテニル基が結合されているものを利用することもできる。さらには、炭化水素鎖に、ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）やエチニル基（ＨＣ≡Ｃ−）が複数個含まれている不飽和炭化水素基を含むものであってもよい。
【００６０】
有機シロキサン共重合体を構成する上では、環状シロキサン分子中に、付加重合反応の可能な部位が少なくとも、独立に二つ以上存在することが必要であり、特に、不飽和炭化水素基を介して、該環状シロキサンが連続的に接続されてゆくには、少なくとも、該環状シロキサン中、２つ以上のシリコン原子上に、不飽和炭化水素基が結合していることが望ましい。さらには、有機シロキサン共重合体膜が、網目構造を形成する上では、環状シロキサンを構成する全てのシリコン原子中、その３以上に不飽和炭化水素基が結合していることが好ましく、特には、環状シロキサンを構成する全てのシリコン原子上に、それぞれ、少なくとも、付加重合反応の可能な不飽和炭化水素基が一つは結合していることがより好ましい。
【００６１】
（第２の実施例）
本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜において、前記の環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーとともに、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンモノマーが原料として利用される。この直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンの一形態として、下記一般式（１２）に示される、直鎖状シロキサンの末端シリコン原子に、直接ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、または、不飽和炭化水素基のＣ＝Ｃ部が結合した分子構造を有する、ジビニル直鎖状シロキサンを挙げることができる。
【００６２】
【化１２】
2004047873.tif 000014
【００６３】
式（１２）　ジビニル直鎖状シロキサン
（式中、Ｒ’１ａ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’１２Ｖ、Ｒ’１３Ｖ、Ｒ’２ａ、Ｒ’２ｂ、Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’２２Ｖ、Ｒ’２３Ｖは、炭化水素基、フェニル基、脂環式炭化水素基あるいは水素を表し、また、ｎは、１以上の整数を表す）
なお、一般式（１２）で示され、繰り返し数ｎ＝１のジビニル直鎖状シロキサンの一例として、化学式（１３）のテトラメチルジビニルシロキサン（ＴＭＶＳ）、化学式（１４）のジメチルジフェニルジビニルシロキサンなどが挙げることができる。
【００６４】
【化１３】
2004047873.tif 000015
【００６５】
式（１３）　テトラメチルジビニルシロキサン
【００６６】
【化１４】
2004047873.tif 000016
【００６７】
式（１４）　ジメチルジフェニルジビニルシロキサン
第２の有機シロキサンとして利用可能な別の一形態として、シロキサン直鎖内のシリコン原子に不飽和炭化水素基が結合している、下記一般式（１５）で示される直鎖内モノビニルシロキサンや、下記一般式（１６）で示される直鎖内のシリコン原子すべて不飽和炭化水素基が１つ結合しているビニルシロキサンがある。さらには、シリコン原子すべて不飽和炭化水素基が２つ結合しているにジビニルシロキサンなども含まれる。
【００６８】
【化１５】
2004047873.tif 000017
【００６９】
式（１５）　直鎖モノビニルシロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、ＲＶ１ａ、ＲＶ１ｂ、Ｒ’２Ｖは、炭化水素基、フェニル基あるいは水素を表し、ｎは、２以上の整数を表す）
【００７０】
【化１６】
2004047873.tif 000018
【００７１】
式（１６）　直鎖内ジビニルシロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、ＲＶ１ａ、ＲＶ１ｂ、ＲＶ２ａ、ＲＶ２ｂ、は炭化水素基、フェニル基あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
第２の有機シロキサンとして利用可能な更なる一形態として、シロキサン直鎖内および終端のシリコン原子の双方に不飽和炭化水素基が結合している、下記一般式（１７）で示されるビニル終端モノビニルシロキサンや、下記一般式（１８）で示されるビニル終端ジビニルシロキサンを挙げることもできる。
【００７２】
【化１７】
2004047873.tif 000019
【００７３】
式（１７）　ビニル終端モノビニルシロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’１２Ｖ、Ｒ’１３Ｖ、ＲＶ１ａ、ＲＶ１ｂ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、Ｒ’２ｂ，Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’２２Ｖ、Ｒ’２３Ｖは、炭化水素基、フェニル基あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
【００７４】
【化１８】
2004047873.tif 000020
【００７５】
式（１８）　ビニル終端ジビニルシロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’１２Ｖ、Ｒ’１３Ｖ、ＲＶ１ａ、ＲＶ１ｂ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、ＲＶ１ａ、ＲＶ１ｂ，Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’２２Ｖ、Ｒ’２３Ｖは炭化水素基など、フェニル基あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
さらには、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンモノマーにおいて、付加重合反応に関わる炭化水素基は、シクロブテンやベンゾシクロブテンなどの開環付加が可能な骨格を有する脂環炭化水素基あるいは脂環フェニル基であってもよく、例えば、下記一般式（１９）に示すモノベンゾシクロブテン・モノビニル終端シロキサン、下記一般式（２０）に示すビスベンゾシクロブテン終端シロキサン、下記一般式（２１）に示すビスジビニル終端メチルベンゾシクロブテンシロキサンなどを挙げることができる。
【００７６】
【化１９】
2004047873.tif 000021
【００７７】
式（１９）　モノベンゾシクロブテン・モノビニル終端シロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’１２Ｖ、Ｒ’１３Ｖ、Ｒ’１ａ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、Ｒ’２ｂは、炭化水素基、フェニル基、炭化水素あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
【００７８】
【化２０】
2004047873.tif 000022
【００７９】
式（２０）　ビスベンゾシクロブテン終端シロキサン
（式中、Ｒ’１ａ、Ｒ’１ｂ、Ｒ’２ａ、Ｒ’２ｂは、炭化水素基、フェニル基、炭化水素あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
【００８０】
【化２１】
2004047873.tif 000023
【００８１】
式（２１）　ビスジビニル終端メチルベンゾシクロブテンシロキサン
（式中、Ｒ’１１Ｖ、Ｒ’１２Ｖ、Ｒ’１３Ｖ、Ｒ’２１Ｖ、Ｒ’２２Ｖ、Ｒ’２３Ｖは、炭化水素基、フェニル基あるいは水素を表し、ｎは、１以上の整数を表す。）
なお、一般式（２１）で示され、繰り返し数ｎ＝１のビスジビニル終端メチルベンゾシクロブテンシロキサンの一例として、化学式（２２）のビスビニル・ジベンゾシクロブテン・ジメチル・シロキサン、化学式（２３）のビスメチルビニル・ジベンゾシクロブテン・ジメチル・シロキサンなどを挙げることができる。
【００８２】
【化２２】
2004047873.tif 000024
【００８３】
式（２２）　ビスビニル・ジベンゾシクロブテン・ジメチル・シロキサン
【００８４】
【化２３】
2004047873.tif 000025
【００８５】
式（２３）　ビスメチルビニル・ジベンゾシクロブテン・ジメチル・シロキサン
加えて、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンモノマーにおいて、付加重合反応に関わる炭化水素基は、下記化学式（２４）に示すビニルベンゾシクロブテン構造であってもよく、一例として、上述の式（１）に示すビズビニルベンゾシクロブテン・テトラメチルシロキサン、さらには、下記化学式（２５）に示すビスベンゾシロブテン・ジビニルジメチルジハイドロシロキサンあるいは、下記化学式（２６）に示すビスベンゾシロブテン・ジビニルテトラハイドロシロキサンを挙げることができる。
【００８６】
【化２４】
2004047873.tif 000026
【００８７】
式（２４）　ビニルベンゾシクロブテン構造
【００８８】
【化２５】
2004047873.tif 000027
【００８９】
式（１）　ビスベンゾシロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサン
【００９０】
【化２６】
2004047873.tif 000028
【００９１】
式（２５）　ビスベンゾシロブテン・ジビニルジメチルジハイドロシロキサン
【００９２】
【化２７】
2004047873.tif 000029
【００９３】
式（２６）　ビスベンゾシロブテン・ジビニルテトラハイドロシロキサン
上では、シリコン原子に、直接、ビニル基、または、不飽和炭化水素基のＣ＝Ｃ部、あるいは、シクロブテンやベンゾシクロブテンなどの開環付加が可能な骨格を有する脂環炭化水素基あるいは脂環フェニル基の結合した分子構造を有するものを示したが、シリコン原子に対して、飽和な炭化水素鎖を介して、前記のビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）、エチニル基（ＨＣ≡Ｃ−）、シクロブテニル基、ベンゾシクロブテニル基が結合している構造を有する、直鎖状の有機シロキサンモノマーも含まれる。すなわち、本発明において利用可能な、直鎖状シロキサン骨格を有する第２の有機シロキサンモノマーには、少なくとも、直鎖状シロキサンに、付加重合反応可能な炭化水素基が結合している構造を有し、好ましくは、独立に付加重合反応可能な炭化水素基が２つ以上結合されている直鎖状シロキサンが含まれる。加えて、直鎖状シロキサン骨格を有する第２の有機シロキサンモノマー中には、付加重合反応可能な部位が３以上存在することがより好ましい。さらには、本発明において、「直鎖状シロキサン」には、広義の意味において、環状シロキサン以外のすべてのシロキサンを包含する。例えば、「鎖状シロキサン」構造相互を、炭化水素鎖で連結する構造自体は、狭義の「直鎖状シロキサン」に含まれないものの、本発明における、第２の有機シロキサンモノマーの有する「直鎖状シロキサン」としての機能を発揮できる。従って、直鎖状シロキサン骨格を有する第２の有機シロキサンモノマーとして、利用可能である。また、本発明において、有機シロキサン共重合体膜の構成ユニットとなる第２の有機シロキサンモノマーとしては、上述する直鎖状シロキサンの混合物を利用することもできる。
【００９４】
（第３の実施例）
第３の実施例においては、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンとして、化学式（８）のテトラメチルビニル・テトラハイドロ・シクロテトラシロキサン（ＴＶＴＭＣＴＳ）を、直鎖状シロキサンを骨格とする第２の有機シロキサンとして、化学式（１）のビスベンゾシロブテン・ジビニルテトラメチルシロキサンを用いて、有機シロキサン共重合体膜を作製した。
【００９５】
化学式（８）のＴＶＴＭＣＴＳ（分子量　３４６）は、シクロテトラシロキサンの「４員」環状シロキサン骨格上、各シリコン原子上に、メチル基と、不飽和炭化水素基としてビニル基がそれぞれ結合した構造を有し、常温で液体の物質である。一方、化学式（１）のＢＣＢＤＶＳ（分子量　３９０）は、直鎖状シロキサン（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）骨格上、各シリコン原子末端に、付加重合可能な不飽和炭化水素基として、ビニレン基（−ＣＨ＝ＣＨ−）構造にベンゾシクロブテニル基が結合した構造を有し、常温で液体である。すなわち、両者とも、少なくともそれぞれ２つ以上の不飽和炭化水素基を有しており、具体的には、第１の有機シロキサン上には、付加重合可能な不飽和炭化水素基が四つ、また、第２の有機シロキサン上には、付加重合可能な不飽和炭化水素基中に合計四つの反応部位を有している。かかるＴＶＴＭＣＴＳとＢＣＢＤＶＳとを個々に気化させ、それらを予め混合した上で、この混合ガスをＨｅプラズマ中を通過させることで、ＴＣＴＭＣＴＳのビニル基と、ＢＣＢＤＶＳのベンゾシクロブテニル基とを選択的に活性化させる。
【００９６】
その結果、プラズマで活性化された部位において、加熱された基板上で、付加重合反応が進行し、図６に示す、開環付加型の重合体形成がなされる。すなわち、Ｈｅプラズマ中の低エネルギー電子の衝突により、ベンゾシクロブテン構造の活性化に伴い、化学式（２）に示されるような開環を起こしたシクロブテン環部と、ビニル基（ＣＨ２＝ＣＨ−）とが、化学式（３）に示す形態の付加重合反応を行うシクロ環形成過程を介して、ＴＶＴＭＣＴＳとＢＣＢＤＶＳとの重合体形成がなされる。このように、シロキサンに結合している炭化水素基中に含まれている、不飽和炭素基部分は、選択的に活性化される結果、より付加重合が生じやすくなるため、所望とする反応経路の設計が可能となる。
【００９７】
現時点においては、上記プラズマ励起過程を介した、共重合体膜の形成中での厳密な反応経路を経時的に解析する手段はないが、図７から図９に、共重合体膜内における架橋構造形成の反応経路を、ある程度推定を含めて、その時間的経過を模式的に示す（側鎖は一部図示せず）。先ず、プラズアで選択的に活性化される部位での付加重合反応が進行するとともに、図７に示すように、環状シロキサンを直鎖状シロキサンが連結した、大きな網目構造の有機シロキサン共重合体膜となる。さらには、共重合体膜内のＢＣＢＤＶＳユニット中には、未反応のビニレン基（−ＣＨ＝ＣＨ−）が存在しており、別のＢＣＢＤＶＳが、このＢＣＢＤＶＳユニット中のビニレン基（−ＣＨ＝ＣＨ−）に対する、ベンゾシクロブテン構造中のシクロブテン部の付加重合を同時に生じさせる。その結果、図８に示すように、直鎖状シロキサンであるＢＣＢＤＶＳユニット相互の重合反応に起因して、さらなる架橋構造が導入される。その際、混合ガス中に含まれるＢＣＢＤＶＳの比率がさらに高いと、図９に示すように、ＢＣＢＤＶＳユニット相互の重合反応に起因して、さらなる高密度の架橋構造が導入される。
【００９８】
得られる共重合体膜内には、環状シロキサンに由来するユニットが分散している網目状構造が形成されており、混合ガス中に含まれるＢＣＢＤＶＳの比率に応じて、さらなるＢＣＢＤＶＳユニット相互の重合反応に起因して、付加的な架橋構造が導入された有機シロキサン共重合体膜が加熱基板上に成長する。なお、共重合体膜中に含有される、環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキサン由来のユニットとの存在比率は、混合ガス中に含有されるＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスとＢＣＢＤＶＳモノマーガスとのモル供給速度比に依存して決定される。また、得られる共重合体膜の密度も、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスとＢＣＢＤＶＳモノマーガスとのモル供給速度比に依存しており、直鎖状シロキサンであるＢＣＢＤＶＳ由来のユニットの含有比率が増すとともに、より高密度となる。その際、単位面積当たりに存在するシロキサン単位密度も増し、密着性が高く、さらには、比誘電率も高くなる。
【００９９】
次に、図３に示した有機シロキサン共重合体膜の成長装置を用いて、ＴＶＴＭＣＴＳとＢＣＢＤＶＳとの付加重合反応を経て得られる、環状シロキサンと直鎖状シロキサンからなる有機シロキサン共重合体膜の成膜プロセスを説明する。
【０１００】
先ず、気化制御器の初期状態では、気化制御器内バルブ３７、バルブ４１およびバルブ１８を「開」とし、排気ポンプ１４で、反応室１、排気配管１６、廃液配管１５、気化制御器３４、気化原料供給配管３８内を真空引きする。気化供給システム６１内における、有機シロキサンモノマーの気化温度は、所望とする供給量を確保するために、必要な飽和蒸気圧に応じて適宜選択されるものであるが、有機モノマーを気相供給する配管過程での分解や重合等の変質、ならびに、配管途中での凝集に起因する閉塞等を引き起こすことのない、有機モノマー分圧範囲に維持可能な気化温度を選択することが必要である。また、その気化原料供給配管３８は、配管内での凝集を防止する目的で、ヒータ加熱がなされるが、そのの部材をその加熱温度に耐えられるものとすること、あるいは、加熱温度を配管部材の耐熱温度範囲に設定することが可能な有機モノマー分圧の選択を行うことが必要である。また、配管の加熱温度は、配管各所に設置された熱電対によりモニターし、常に設定温度となるよう配管加熱ヒータ３を制御する。　次に、バルブ４５を「開」とし、キャリアガス供給配管４０よりキャリアガス（Ｈｅ）２６を気体流量制御器３１を介して気化制御器３０に供給し、さらに、気化原料供給配管３８、バルブ１８を介して、反応室１に流し、排気配管１６を介して排気ポンプ１４で装置外に排気する。ＴＶＴＭＣＴＳとＢＣＢＤＶＳとを原料とする場合、気化温度を１７０℃〜２１０℃の範囲に設定する。一方、Ｈｅキャリアガス流量は、３００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍの範囲に選択できる。前記の条件範囲では、気化制御器３４の全圧Ｐは、２〜４Ｔｏｒｒであり、反応室１内の全圧は、１．０Ｔｏｒｒであった。また、反応室１内に設置された基板加熱部６により、半導体集積回路が形成されたシリコン基板（半導体基板）５は、３００℃〜４００℃の範囲に加熱することが可能である。なお、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーとＢＣＢＤＶＳモノマーを用いた場合、基板加熱温度は、２００℃〜４５０℃の範囲内に選択することが適当である。
【０１０１】
上記の気化条件を選択する気化供給システム６１より、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーとＢＣＢＤＶＳモノマーはそれぞれＨｅキャリアガスとともに、個々の気化原料供給配管を介し反応室１へ供給される。ＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスとＢＣＢＤＶＳモノマーガスとの混合ガスは、反応室１内のシャワーヘッド７部で、均一化が図られた後、基板面全体に均一に流量分散されて吹き付けられる。
【０１０２】
シャワーヘッド下に、Ｈｅプラズマを発生させていない状態では、該混合ガスを加熱基板に吹き付けた際、有機シロキサン膜は、ほとんど成膜されない。従って、接地されている基板加熱部に対して、該シャワーヘッドに、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワーを印加し、シャワーヘッド下にＨｅプラズマを発生させ、原料有機シロキサンモノマーの活性化を行う。このプラズマによる活性化過程では、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーとＢＣＢＤＶＳモノマーに、それぞれ存在している付加重合可能な炭化水素基（炭素４員環およびビニル基）を可能な限り選択的に活性化させることが望ましく、Ｈｅキャリアガスに起因するプラズマの生起用のＲＦパワーは、３００Ｗ〜１００Ｗの範囲に選択する。
【０１０３】
混合ガス中のＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスとＢＣＢＤＶＳモノマーガスは、かかるＨｅプラズマを通過する間に活性化を受け、加熱された基板表面上において、さらなる熱的エネルギーを付与されることで、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーとＢＣＢＤＶＳモノマーの共重合反応が生じ、有機シロキサン共重合体膜が形成される。一方、未重合のモノマーガスは、排気配管１６を介して、２０℃程度に冷やされた冷却トラップ１４に達した際、冷却トラップ１４内で凝集、捕獲され、下流の排気ポンプ８には入り込まない。
【０１０４】
延べ供給量として、所定量のＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスならびにＢＣＢＤＶＳモノマーガスを気相供給した後、先ず、ＲＦパワー供給を停止し、膜成長を停止し、その後、それぞれのモノマーガスの供給を停止し、反応室１内に残留するの半導体基板５を取り出す。
【０１０５】
上記の工程において、図１０に示すように、成膜時に、環状シロキサンであるＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスと直鎖状シロキサンであるＢＣＢＤＶＳモノマーガスの相対供給量を変化させることで、膜厚方向に環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキサン由来のユニットの含有比率が変化させられた、組成変調型有機シロキサン共重合体膜が得られる。例えば、ＲＦパワー１００Ｗの状態で、重量流量換算において、供給速度０．１ｇ／分（２．６×１０−４　ｍｏｌ／分）でＢＣＢＤＶＳモノマーガスのみを１０秒間供給し、その後、ＢＣＢＤＶＳモノマーの供給速度を一定に保ったまま、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスの供給速度を、０．０８ｇ／分（２．６×１０−４　ｍｏｌ／分）まで１０秒間で増加させる。ＴＶＴＭＣＴＳ供給速度　０．０８ｇ／分、ＢＣＢＤＶＳ供給速度　０．１ｇ／分の状態を２０秒保持し、ＴＶＴＭＣＴＳの供給速度を１０秒間かけて０．０８ｇ／分から０ｇ／分まで低下させる。その後、供給速度０．１ｇ／分で、ＢＣＢＤＶＳモノマーガスのみを１０秒間供給し、ＲＦパワーを停止する。
【０１０６】
この結果、３５０℃に加熱されたシリコン基板上、その界面層に５０ｎｍ厚の緻密な直鎖状有機シロキサン膜であるＢＣＢＤＶＳ膜が形成され、その上の７５ｎｍ厚は、直鎖状シロキサン由来のユニットに対して、環状シロキサン由来のユニットの相対含有比率が増加していく遷移領域となり、次いで、２００ｎｍ厚の環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキサン由来のユニットの含有比率がほぼ１対１の有機シロキサン共重合体膜が作製される。さらに、その上の７５ｎｍ厚は、直鎖状シロキサン由来のユニットに対して、環状シロキサン由来のユニットの含有比率が減少していく遷移領域となり、最上層として、５０ｎｍ厚の緻密な緻密な直鎖状有機シロキサンであるＢＣＢＤＶＳ膜で被覆される。なお、図１０には、前記する代表的な膜構造、界面層／遷移領域／一定組成共重合体膜／遷移領域／最上層を説明するため、界面層、一定組成共重合体膜、最上層の異なる構造の三層を記載しているが、先に述べたように、モノマーの供給量はそれぞれ独立に制御可能であるので、連続的な供給量の変化を行うと、膜厚方向に連続的構造変化を示す共重合体膜が得られる。また、急激な供給量の変化を行うと、遷移領域では急激な構造変化を示す形態に制御することも可能である。
【０１０７】
なお、直鎖状シロキサンである単独ＢＣＢＤＶＳ膜の比誘電率ｋは、２．６であり、直鎖状シロキサンと環状シロキサンとして、ＢＣＢＤＶＳ＋ＴＶＴＭＣＴＳ（１：１）の有機シロキサン共重合体膜の比誘電率ｋは、２．４であった。単独ＴＶＴＭＣＴＳ膜では、環状シロキサン由来のユニットは、空孔構造を有しており、その比誘電率ｋは、２．１−２．４程度であるが、ＴＶＴＭＣＴＳ単独膜は、下地基板、無機絶縁膜に対する密着性は不足し、そのままでは、多層配線への適用は困難であった。ＦＴ−ＩＲ測定において、ＢＣＢＤＶＳ単層膜では、直鎖状シロキサンの伸縮振動による吸収ピーク１０５５ｃｍ−１が認められた。ＴＶＴＭＣＴＳ／ＢＣＢＤＶＳ共重合体膜においては、直鎖状シロキサンの伸縮振動に起因する１０５５ｃｍ−１の吸収ピークに加え、環状シロキサンの伸縮振動に対応する１０８５ｃｍ−１の吸収ピークが認められた。
【０１０８】
以上に例示したように、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の製造方法では、原料として、複数の有機シロキサンモノマーガスを使用し、成膜時にその供給量を独立かつ連続的に制御し、供給量比率を変化させることで、膜厚方向に対して、連続的に有機シロキサン膜の構造を変化させることができる。従って、他材料との界面においては、密着性と膜機械強度に優れる組成の界面層とし、膜全体としては実効比誘電率の低い、組成変調の有機シロキサン共重合体膜を連続して形成することができる。さらに、低圧力下での気相成長を用いているため、基板表面における、有機シロキサンモノマーの移動度が大きく、環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキサン由来のユニットとが、付加重合によって生成する炭化水素鎖を介して、分子レベルで均一に混合された有機シロキサン共重合体膜を得ることができる。
【０１０９】
（第４の実施例）
図１１に、本発明にかかるプラズマ励起型付加重合反応を利用して作製される有機シロキサン共重合体膜を、ＭＯＳＦＥＴデバイスの多層配線に適用した事例を示す。図１１に示す半導体装置では、第３の実施例に記載したＴＶＴＭＣＴＳ／ＢＣＢＤＶＳの有機シロキサン共重合体膜を、シリコン基板８１に形成されたＭＯＳＦＥＴ　８２上の３層の銅配線８５，８７，８９（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）における配線間絶縁膜に適用している。第１層目の銅配線（Ｍ１）８５は、ＭＯＳＦＥＴ　８２上の無機層間絶縁膜８４中に形成されているタングステン・コンタクトプラグ８３上に形成される。無機層間絶縁膜８４の表面には、銅拡散バリアキャップ膜として、１０ｎｍ厚以下の極薄膜炭素添加シリコン窒化膜（ＳｉＣＮ）９０が形成されている。
【０１１０】
第１層目の銅配線８５の配線間絶縁膜９１は、第２の有機シロキサンモノマーであるＢＣＢＤＶＳのみを使用した、直鎖状シロキサンからなる有機シロキサン膜９１ａと、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンモノマーであるＴＶＴＭＣＴＳと前記ＢＣＢＤＶＳの両方を用いた、環状シロキサンと直鎖状シロキサンからなる有機シロキサン共重合体膜９１ｂと、ＢＣＢＤＶＳのみを使用した、直鎖状シロキサンからなる有機シロキサン膜９１ｃの３層構造となっている。すなわち、下地および上地との界面層には、機械的強度と密着性に優れたＢＣＢＤＶＳ膜９１ａ，９１ｃを配置した、連続的に形成された組成変調型有機シロキサン共重合体膜９１を構成している。比誘電率ｋ＝２．５−２．７のＢＣＢＤＶＳ膜には、単位骨格あたり１つの直鎖状シロキサン基（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）が含まれており、この直鎖状シロキサンが、付加重合で生成するベンゾシクロヘキサン環を介して、複雑に架橋された構造を構成する結果、機械的強度と銅拡散バリア膜との密着性に優れている。一方、連続的に形成されている、中間層のＴＶＴＭＣＴＳ／ＢＣＢＤＶＳ有機シロキサン共重合体膜９１ｂは、空孔を有する環状シロキサン骨格に対して、炭化水素鎖やベンゾシクロヘキサン環を介して、直鎖状シロキサン骨格が複雑に架橋を形成している構造を有する。この中間層中には、環状シロキサン骨格に起因する空孔の存在により、膜全体はポーラスとされており、その実効比誘電率ｋは、含有比率ＴＶＴＭＣＴＳ／ＢＣＢＤＶＳが１：１の場合、ｋ＝２．４程度であった。
【０１１１】
かかる第１層目の銅配線８５用の配線間絶縁膜９１に利用する組成変調型有機シロキサン共重合体膜の実効的な比誘電率は、界面層のＢＣＢＤＶＳ膜９１ａ、９１ｃと中間層のＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ膜９１ｂとの膜厚比に依存するため、界面層のＢＣＢＤＶＳ膜膜９１ａ、９１ｃの総厚さは、中間層のＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ膜９１ｂの２０％程度であることが望ましい。例えば、銅配線８５の厚さが３００ｎｍの場合、ＢＣＢＤＶＳ膜９１ａ、ＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ膜９１ｂ、ＢＣＢＤＶＳ膜９１ｃのそれぞれの厚さを、１５ｎｍ／２７０ｎｍ／１５ｎｍとした際、配線間絶縁膜９１の実効比誘電率は２．５程度であった。
【０１１２】
この配線間絶縁膜９１に利用する、組成変調型有機シロキサン共重合体膜は、図３に示した成長装置を用いて成長した。ここでは、基板加熱温度を３５０℃とし、シャワーヘッドに、周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１００ＷのＲＦパワーを印加して、Ｈｅキャリアガスを利用して、Ｈｅプラズマを発生させた。まず、成膜初期では、ＢＣＢＤＶＳモノマーのみを供給して、１５ｎｍ厚のＢＣＢＤＶＳ膜を成長させた。その後、ＢＣＢＤＶＳモノマーとＴＶＴＭＣＴＳモノマーとが等モル供給比率となるように、例えば、ＢＣＢＤＶＳモノマー供給速度　０．１ｇ／分、ＴＶＴＭＣＴＳモノマー供給速度　０．０８／分で供給し、２７０ｎｍ厚のＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ有機シロキサン共重合体膜を成長した。その後、再び、ＢＣＢＤＶＳモノマーのみを供給して、１５ｎｍ厚のＢＣＢＤＶＳ膜を成長させた。なお、ＢＣＢＤＶＳモノマーの供給量を一定とし、ＴＶＴＭＣＴＳモノマーの供給量を連続的に増減させることで、全層を組成変化のあるＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ共重合体膜とすることができ、その際、シロキサン基の濃度は、下地と上地の界面近傍領域では高く、中間層では漸次的に低くなる膜構成とすることもできる。この第１層目の配線層間絶縁膜に形成された配線溝は、その側面および底面は、１０ｎｍ厚のＴａＮバリア膜で被覆した後、溝内に、第１層目のシングルダマシン銅配線８５が形成される。
【０１１３】
その後、第１層目の銅配線上に、１０ｎｍ厚の銅拡散バリア膜９０を成長させる。この銅拡散バリア膜として、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）を３秒間照射した後、下記化学式（２７）のビストリメチルシルリルカージイミドを気化させて、Ｈｅ／Ｎ２混合ガスあるいはＨｅ／ＮＨ３混合ガスからなるプラズマ中に導入し、２５０℃〜３５０℃に加熱された基板上、第１層目の銅配線を被覆する、比誘電率３．０〜３．５程度のＳｉＣＮ膜を成長する。前記プラズマ発生に用いるＲＦパワーは１００Ｗ程度である。
【０１１４】
【化２８】
2004047873.tif 000030
【０１１５】
式（２７）　ビストリメチルシルリルカージイミド
ＳｉＣＮ膜は、トリメチルシラン（（ＣＨ３）３ＳｉＨ）を、Ｈｅ／ＮＨ３混合ガスからなるプラズマ中に導入することでも、成膜できるが、この方法で得られるＳｉＣＮ膜の比誘電率ｋは、通常、前記ビストリメチルシルリルカージイミドを原料とするＳｉＣＮ膜よりも大きく、ｋ＝３．０〜３．５程度であった。
【０１１６】
その後、銅拡散バリア膜９０上に、ビア絶縁膜９２Ｖを成長する。このビア絶縁膜９２Ｖには、機械的強度に優れる、シランガスを用いたプラズマＣＶＤで作製されるシリコン酸化膜や、不飽和炭化水素鎖を含まない単独の有機シロキサン、例えば、下記化学式（２８）のパラメチルージメトキシシランガス（ＰＭ−ＤＭＯＳ）をＨｅプラズマ中で分解して得られるアモルファスＳｉＯＣＨ膜を用いる。必要に応じて、ビア絶縁膜９２Ｖの堆積後、その表面層を化学機械研磨法で削り取り平坦化する。
【０１１７】
【化２９】
2004047873.tif 000031
【０１１８】
式（２９）　パラメチルージメトキシシラン
その後、第２層目の配線間絶縁膜９２ａ，ｂ，ｃを成長する。ここでは、第２層目の配線間絶縁膜９２ａ，ｂ，ｃとして、第３の実施例に示した方法により、ＢＣＢＤＶＳ膜９２ａとＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ有機シロキサン共重合体膜９２ｂとＢＣＢＤＶＳ膜９２ｃの３層構造膜を連続して成長する。ＳｉＣＮ／ＳｉＯ２の積層ハードマスク（図示せず）を用いて、該配線間絶縁膜９２ａ，ｂ，ｃに配線溝を形成し、さらに、ビア絶縁膜９２Ｖにビアを形成する。かかるエッチンングガスには、Ｃ４Ｆ８／Ｎ２／Ｏ２系ガスを用いた。その後、イオン化スパッタ法により、Ｔａ／ＴａＮあるいはＴｉＷ／ＴｉＷＮの積層バリア膜（７５ｎｍ／７５ｎｍ）を成長し、さらに、１０００ÅのＣｕシード膜を成長する。Ｃｕシード膜上に、電解メッキ法で７０００ÅのＣｕ膜を成長した後、３００℃で３０分アニールして、Ｃｕメッキ膜の粒成長を行う。化学機械研磨法で、ビアと配線溝部以外の表面に存在する、Ｃｕ膜およびＴａ／ＴａＮあるいはＴｉＷＮからなるバリアメタルを除去し、ビア８６と配線溝８７に一括して銅を埋め込んだ配線構造を形成する。かかる一連の工程により、第２層目の銅配線層９２が形成される。同様の工程を繰り返すことにより、シリコン半導体基板のトランジスタ８２上に、配線間絶縁膜として、環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキン由来のユニットとが、付加重合による炭化水素鎖により連結された有機シロキサン共重合体膜を利用した多層配線が形成される。
【０１１９】
このように、本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の成長方法を利用することで、例えば、直鎖状シロキサンの一形態であるＢＣＢＤＶＳモノマーと、環状シロキサンの一形態であるＴＶＴＭＣＴＳモノマーとを原料とする有機シロキサン共重合体膜の形成される気相反応系において、それぞれのシロキサン骨格に由来するユニットの含有比率を０％から１００％まで変化させることができる。従って、ＵＬＳＩ多層配線のように各配線層の配線層間絶縁膜に対して、要求される膜物性、例えば、機械強度や密着性や比誘電率が異なる場合、原料とする複数種の有機シロキサンモノマーガスの供給比を制御することで、得られる共重合体膜の特性を自由に変化させることができるといった特色がある。
【０１２０】
以上に例示した共重合体膜の成長例では、直鎖シロキサンとしてＢＣＢＤＶＳと環状有機シロキサンとしてＴＶＴＭＣＴＳを用いているが、本発明では、直鎖状シロキサンモノマーガスと環状シロキサンモノマーガスとを複数混合して、所望の組成を有する有機シロキサン共重合体膜を気相成長できる点に特色がある。例えば、第１の実施例に記載した種々の環状シロキサンと、第２の実施例に記載した種々の直鎖状シロキサンとから、目的に応じて選択される、有機シロキサン複数を混合して、それら供給比率に対応する組成を有する有機シロキサン共重合体膜を気相成長させることができる。さらに、自己重合可能な有機シロキサンモノマー２種類以上の混合ガスに加えて、さらに、アセチレンやエチレン、トリビニルシラン、ジビニルシランといった重合補助ガスを添加して、前記補助的な共重合ユニットも含む、有機シロキサン膜を気相成長させることもできる。
【０１２１】
（第５の実施例）
第５の実施例では、環状シロキサンの骨格を有する第１の有機シロキサンとして、上記一般式（１１）で示される「３員」環状シロキサン類を用い、直鎖状シロキサンの骨格を有する第２の有機シロキサンとして、上記一般式（１２）で示されるジビニルシロキサン類を用いて、その共重合体膜を形成した例を示す。この原料の組み合わせの場合、上述するプラズマ励起を用いる重合条件で得られる有機シロキサン共重合体膜は、図１２に示す、「３員」環状シロキサン類のシリコン原子上の不飽和炭化水素基と、ジビニルシロキサン類の末端の不飽和炭化水素基との間で、付加重合反応が生じる。その結果、共重合体膜は、図１３に示すように、「３員」環状シロキサン類に由来する「３員」環状シロキサン骨格を格子点とし、その間をジビニルシロキサン類に由来する架橋鎖が連結する、六角格子を基本とした膜構成となる。なお、環状シロキサンの骨格を有する第１の有機シロキサンに、「３員」環状シロキサンと「４員」環状シロキサンとの混合物を用いれば、六角格子と四角格子とが混在した網目構造を有する有機シロキサン共重合体膜が半導体基板上に成長する。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜おいては、原料として、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンガスと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２のシロキサンガスを複数混合することで、環状シロキサン由来のユニットと直鎖状シロキサンと由来のユニットとで形成される網目構造を含んだ、有機シロキサン共重合体膜を気相成長することが可能となる。さらに、これら有機シロキサンを気化し、それらの供給量をそれぞれ独立に制御しながら、混合ガス中における供給比率を変化させつつ、反応室へ供給することで、成長膜厚方向において、環状シロキサンと直鎖状シロキサンの構成比が変化している有機シロキサン共重合体膜を得ることができる。また、得られる共重合体膜は、含まれる環状シロキサン骨格は、シロキサンで囲まれた空孔を有しており、この空孔が直鎖状シロキサンからなる網目構造に織り込まれた構造体となる。このシロキサンで囲まれた空孔の大きさは、原料となる環状シロキサンの環員数を制御することで決まり、また、その空孔の混在密度は、原料として供給する第１の有機シロキサンと第２の有機シロキサンとのガス混合比を変化させることで制御できる利点を有する。この利点を用いて、下地の無機絶縁膜、ならびに上層の無機絶縁膜と接する、界面領域には、機械強度と密着性に富んだ直鎖状シロキサンを多く含む有機シロキサン共重合体膜を配置し、上下の界面領域の間に位置する中間層部分には、嵩密度の小さな、環状シロキサン由来のユニットを多く含む有機シロキサン共重合体膜を配置することで、膜全体として、界面領域と中間層部分とを平均した、実効比誘電率は低く、同時に、上下の界面部では、密着性および機械的強度に優れた層間絶縁膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜を構成する、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンと、直鎖状シロキサンを骨格とする第２のシロキサンとの付加重合反応過程と、共重合体膜中の網目構造形成過程の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜において、環状シロキサンを骨格とする第１の有機シロキサンに対して、直鎖状シロキサンを骨格とする第２のシロキサンの含有比率を増す際、共重合体膜中の網目構造に付加される直鎖状シロキサン由来の架橋構造の一例と、共重合体膜全体の高密度化を模式的に示す図である。
【図３】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の作製に利用される、独立した二種の有機シロキサンモノマーの気化供給システムを具え、プラズマ励起機構を利用する気相成長装置の構成例を模式的に示す図である。
【図４】常温において、液体状の有機シロキサンモノマーの気化供給に利用可能な、液体流量制御機構を利用する気化制御器の構成を模式的に示す図である。
【図５】常温において、固体状の有機シロキサンモノマーの気化供給に利用可能な、気化器と気体流量制御機構を利用する気化供給システムの構成を模式的に示す図である。
【図６】環状シロキサンであるＴＶＴＭＣＴＳモノマーガスと直鎖状シロキサンであるＢＣＢＤＶＳモノマーガスを利用する、本発明の一実施例である有機シロキサン共重合体膜の作製における、プラズマ励起を利用する重合反応を模式的に示す図である。図中、Ｒ１１Ｖ＝Ｈ，Ｒ１２Ｖ＝Ｈ，Ｒ１３Ｖ＝Ｈ，Ｒ１ａ＝ＣＨ３、Ｒ２１Ｖ＝Ｈ，Ｒ２２Ｖ＝Ｈ，Ｒ２３Ｖ＝Ｈ，Ｒ２ａ＝ＣＨ３、Ｒ３１Ｖ＝Ｈ，Ｒ３２Ｖ＝Ｈ，Ｒ３３Ｖ＝Ｈ，Ｒ３ａ＝ＣＨ３、Ｒ４１Ｖ＝Ｈ，Ｒ４２Ｖ＝Ｈ，Ｒ４３Ｖ＝Ｈ，Ｒ４ａ＝ＣＨ３である。
【図７】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の形成過程の例であり、選択的なプラズマ励起に伴う、環状シロキサンと直鎖状シロキサンとの重合反応による網目構造の形成を示す模式図である。
【図８】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の形成過程の例であり、選択的なプラズマ励起に伴う、環状シロキサンと直鎖状シロキサンとの重合反応による網目構造の形成、その後の直鎖状シロキサン相互の架橋形成を示す模式図である。
【図９】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の形成過程の例であり、選択的なプラズマ励起に伴う、環状シロキサンと直鎖状シロキサンとの重合反応による網目構造の形成、その後の直鎖状シロキサン相互の二次元的な架橋構造形成を示す模式図である。
【図１０】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜を、半導体装置中の層間絶縁膜として利用する際に好適な、膜厚方向に組成変調を有する有機シロキサン共重合体膜の構造を模式的に示す図である。
【図１１】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜、特に、組成変調型有機シロキサン共重合体膜を配線間絶縁膜に利用した、多層配線構造を半導体デバイス上部に構成する半導体装置の一例を模式的に示す図である。
【図１２】環状シロキサンに一般式（１１）で示される「３員」環状シロキサン類を、直鎖状シロキサンに一般式（１２）で示されるジビニルシロキサン類を利用する、本発明の一実施例である有機シロキサン共重合体膜の作製における、プラズマ励起を利用する重合反応を模式的に示す図である。
【図１３】本発明にかかる有機シロキサン共重合体膜の形成過程の例であり、選択的なプラズマ励起に伴う、「３員」環状シロキサン類とジビニルシロキサン類との重合反応による六角格子様網目構造の形成を示す模式図である。
【符号の説明】
１　反応室
２　反応室加熱ヒータ
３　配管加熱ヒータ
４　共重合体膜
５　半導体基板
６　基板加熱部
７　シャワーヘッド
８　真空ポンプ
９　ＲＦ電源
１０　マッチングボックス
１１　ＲＦケーブル
１２ａ、１２ｂ　アース線
１３　気体流量制御器
１４　冷却トラップ
１５　廃液配管
１６　排気配管
１７　バルブ
１８Ａ、１８Ｂ　バルブ
１９Ａ　気化モノマーＡ
１９Ｂ　気化モノマーＢ
２０Ａ、２０Ｂ　排気気化モノマーＡ、Ｂ
２１　クリーニングガス
２２Ａ、Ｂ　有機モノマーＡ、Ｂ
２３Ａ、Ｂ　有機モノマーＡ、Ｂタンク
２４Ａ　洗浄溶剤Ａ
２５Ａ　洗浄溶剤Ａタンク
２６Ａ、Ｂ　キャリアガスＡ、Ｂ
２７　圧力送出ガス
２８Ａ　有機モノマーＡ用液体流量指示器
２９Ａ　洗浄溶剤Ａ用液体流量指示器
３０Ａ　気化制御器Ａ
３１Ａ、Ｂ　気体流量制御器Ａ、Ｂ
３２Ａ　気化室
３３Ｂ　気体流量指示器Ｂ
３４　ヒータ
３５Ａ　気化制御バルブＡ
３６Ａ　洗浄溶剤制御バルブＡ
３７Ａ　気化制御器Ａ内バルブ
３８Ａ、Ｂ　気化原料Ａ、Ｂ供給配管
３９Ａ、Ｂ　気化原料Ａ、Ｂ排気配管
４０Ａ、Ｂ　キャリアガスＡ、Ｂ供給配管
４１Ａ、Ｂ〜４８Ａ、Ｂ　バルブ
６１　気化モノマーＡ供給システム
６２　気化モノマーＢ供給システム
８１　シリコン基板
８２　ＭＯＳＦＥＴ
８３　タングステン・コンタクトプラグ
８４　無機層間絶縁膜
８５　第１層目銅配線
８６　ビア
８７　第２層目銅配線
８８　ビア
８９　第３層目銅配線
９０　銅拡散バリア膜
９１　第１層目の配線間絶縁膜
９１ａ，ｃ　ＢＣＢＤＶＳ膜
９１ｂ、　ＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ有機シロキサン共重合体膜
９２　第２層目の配線層
９２ａ，ｃ　ＢＣＢＤＶＳ膜
９２ｂ、　ＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ有機シロキサン共重合体膜
９２Ｖ、９３Ｖ　ビア絶縁膜
９３　第３層目の配線層
９３ａ，ｃ　ＢＣＢＤＶＳ膜
９３ｂ、　ＢＣＢＤＶＳ／ＴＶＴＭＣＴＳ有機シロキサン共重合体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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