(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にわたって誘電層を形成するプロセスであって、
可溶性源のシリコン酸化物、水、溶媒、非イオン系界面活性剤、イオン系添加物及び酸触媒を含むゾル溶液で前記基板を塗布するステップ、前記溶液を多孔質シリコン酸化物膜に硬化させるために、前記塗布された基板を処理するステップ、を含む、
プロセス。
【請求項２】
前記非イオン系界面活性剤が、アルカリ金属不純物を除去するために先ず精製される、請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
前記非イオン系界面活性剤が、５０ｐｐｂに等しいかそれよりも低いアルカリ金属を含む、請求項１記載のプロセス。
【請求項４】
前記イオン系添加物が、（ａ）テトラアルキルアンモニウム塩、（ｂ）テトラオルガノアンモニウム塩、 （ｃ） 酸性媒体中のオルガノアミン、及びこれらの組み合わせ、よりなる群から選択される化合物である、請求項１記載のプロセス。
【請求項５】
前記イオン系添加物が、０．１から２０００ｐｐｍの範囲の量において前記溶液に加えられる、請求項１記載のプロセス。
【請求項６】
前記イオン系添加物が、（ａ）テトラメチルアンモニウム塩及び（ｂ）３００℃と４５０℃との間の温度に加熱することによって、残留物を残さず揮発性種への完全な分解を示す塩、よりなる群から選択される、請求項１記載のプロセス。
【請求項７】
前記イオン系添加物は、Ｒが、テトラメチルアンモニウムとセチルトリメチルアンモニウムを含む鎖長１から２４の疎水性リガンドであり、A-が、ギ酸エステル、硝酸エステル、シュウ酸エステル、アセテート、リン酸エステル、炭酸エステル、水酸化物及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれるアニオンである、一般的な組成［NR(CH3) 3］+Ａ-のカチオン系添加物よりなる群から選ばれる化合物である、請求項１記載のプロセス。
【請求項８】
前記イオン系添加物が、テトラメチルアンモニウムギ酸エステル、テトラメチルアンモニウム硝酸エステル、テトラメチルアンモニウムシュウ酸エステル、テトラメチルアンモニウムアセテート、テトラメチルアンモニウム水酸化物、及び、３００℃と４５０℃との間の温度に加熱することによって、残留物を残さず揮発性種への完全な分解を示す塩、よりなる化合物の群から選ばれるテトラメチルアンモニウム塩である、請求項１記載のプロセス。
【請求項９】
前記溶液が、少なくとも第一の混合物と第二の混合物とを化合させることによって調剤される、請求項１のプロセス。
【請求項１０】
前記第一の混合物と前記第二の混合物とが、前記塗布の前に化合される、請求項９記載のプロセス。
【請求項１１】
前記第一の混合物が、溶媒、水、酸触媒及びイオン系添加物を含み、前記第二の混合物が、可溶性シリコン酸化物源及び溶媒を含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
基板にわたって誘電層を形成するプロセスであって、
シリコン酸化物、水、溶媒、非イオン系界面活性剤、イオン系添加物及び酸触媒の可溶性源を含む溶液で前記基板を塗布するステップ、
前記溶液を多孔質シリコン酸化物膜に硬化させるために、前記塗布された基板を処理するステップであって、前記非イオン系界面活性剤は、アルカリ金属不純物を除去するために先ず精製され、前記イオン系添加物が、（ａ）テトラアルキルアンモニウム塩、（ｂ）テトラオルガノアンモニウム塩、（ｃ）酸性媒体中のオルガノアミン、及びこれらの組み合わせ、よりなる群から選択される、前記ステップ、
を含む、
プロセス。
【請求項１３】
基板にわたって誘電層を形成するプロセスであって、
シリコン酸化物、水、溶媒、非イオン系界面活性剤、イオン系添加物及び酸触媒の可溶性源を含む溶液で前記基板を塗布するステップ、
前記溶液を多孔質シリコン酸化物膜に硬化させるために、前記塗布された基板を処理するステップであって、前記非イオン系界面活性剤が、アルカリ金属不純物を除去するために先ず精製され、前記イオン系添加物が、テトラメチルアンモニウムギ酸エステル、テトラメチルアンモニウム硝酸エステル、テトラメチルアンモニウムシュウ酸エステル、テトラメチルアンモニウムアセテート、テトラメチルアンモニウム水酸化物、及び、３００℃と４５０℃との間の温度に加熱することによって、残留物を残さず揮発性種への完全な分解を示す塩、よりなる化合物の群から選ばれるテトラメチルアンモニウム塩である、前記ステップ、
を含む、
プロセス。
【請求項１４】
基板にわたって誘電層を形成するプロセスであって、
シリコン酸化物、水、溶媒、非イオン系界面活性剤、イオン系添加物及び酸触媒の可溶性源を含む溶液で前記基板を塗布するステップ、
前記溶液を多孔質シリコン酸化物膜に硬化させるために、前記塗布された基板を処理するステップであって、前記イオン系添加物が、Ｒが、テトラメチルアンモニウムとセチルトリメチルアンモニウムを含む鎖長１から２４の疎水性リガンドであり、Ａ-が、ギ酸エステル、硝酸エステル、シュウ酸エステル、アセテート、リン酸エステル、炭酸エステル、水酸化物及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれるアニオンである、一般的な組成［NR(CH3) 3］+Ａ-のカチオン系添加物よりなる群から選ばれる化合物である、前記ステップ、
を含む、
プロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０００年４月４日に出願された米国仮出願第６０／１９４３５６号であって、本明細書に参考文献として取り込まれている出願の利益を主張する。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は、誘電層の形成に関連する。より具体的には、本発明は、集積回路においてプリメタル又はインターメタル誘電層として特に有効な低誘電率膜を形成するための方法に関連する。
【０００３】
集積回路が数十年前に最初に導入されてから、半導体デバイス形状は、その大きさにおいて劇的に減少し、この傾向が続くであろうということは全てにおいて指示されるところである。今日のウエハ製造プラントにおいては、縮小しているデバイスが日常的に生産されているが、将来のプラントでは、より小さな形状のデバイスがまもなく生産されるであろう。
【０００４】
集積回路上のデバイスの大きさが減少され続けるためには、低誘電率を有する絶縁物が使われる必要がある。このような膜は、プリメタル誘電（ＰＭＤ）層及びインターメタル誘電（ＩＭＤ）層として、相互結合金属化のＲＣ時延を減少させ、金属化における異なるレベル間でのクロストークを防いで、デバイスの電力消費を減少させるために特に望ましい。そのため、幾つかの半導体メーカ、材料供給元と研究機関は、低誘電率及び極低誘電率膜を同定することに集中してきた。本明細書では、低誘電率材料とは、３．０から２．５の間の誘電率を有する膜のことであり、極低誘電率（「ＥＬＫ」）膜とは、２．５以下の誘電率から２．０以下に及ぶ誘電率を有する膜のことである。
【０００５】
誘電率を減少させるための１つの方法は、誘電膜層内へ高い多孔性をもたらすことである。空気の誘電率は、名義上１である。よって、誘電膜は、多孔質にされると固体膜と比較してより低い誘電率を有する傾向にあり、２．５よりも小さな誘電率値が達せられるようになる。
【０００６】
特定種のＥＬＫ材料を形成する１つの方法は、ゾル-ゲルプロセスに基づく。この方法においては、高い多孔性膜が、テトラエチルオルトケイ酸エステル（ＴＥＯＳ）等のシリコンアルコキシドの加水分解と重縮合によって生産される。ゾル-ゲルプロセスは、セラミック材料を作るための多様な溶液プロセスである。一般に、ゾル-ゲルプロセスには、均一な液体「ゾル」（大部分はコロイド状）から固体「ゲル」位相への、系の移行が含まれる。「ゾル」の調製に使われる開始材料は、一般には、シリコンアルコキシド等の無機塩又は化合物である。一般に、前駆体溶液は、スピン方法によって基板上に置かれる。一般的なゾル-ゲルプロセスでは、前駆体が一連の加水分解及び重合反応を受け、コロイド状の縣濁液又は「ゾル」を形成する。「ゾル」を更に処理することにより、異なる形式でセラミック材料を作ることが可能になる。更に処理することには、熱的に不安定な成分を熱分解することがある。それには、蒸着によって誘導される自己アセンブリとそれに続くテンプレートの熱分解による界面活性剤をテンプレートとした規則正しいメゾ構造膜の形成が含まれる。
【０００７】
多孔性の低誘電率膜を形成するための特定のゾル-ゲルをベースにした処理では、界面活性剤は、膜の多孔性のためにテンプレートの働きをする。多孔質膜は、一般に、超分子アセンブリを形成するために、ゾル-ゲル前駆体を基板上に堆積し、その後ゾル-ゲル前駆体の溶媒成分を選択的に気化させることによって形成される。アセンブリは、その後、およそ３００℃から４５０℃の間の温度域で、超分子界面活性剤テンプレートの高温分解によって、多孔質膜に形成される。この特定のゾル-ゲル・ベースのプロセスにより、制御可能な細孔サイズで、細孔サイズの有利に狭い分布を持つ多孔質膜が生産され、集積回路製造のために有益となっている。
【０００８】
図１は、先に提案されたＥＬＫ膜を堆積するための、基礎的なゾル-ゲルをベースとした処理を図示するフローチャートである。図１で示すように、第１ステップは、前駆体貯蔵液の合成（ステップ１００）である。たとえば、前駆体貯蔵液は、可溶なシリコン酸化物源（例えばＴＥＯＳ、水）、溶媒（例えばアルコール）、酸触媒（例えば塩酸）を特定のモル比で所定の環境条件で化合させることによって調製され、特定の時間にわたって混合される。
【０００９】
原液が得られると、塗布液が混合される（ステップ１１０）。塗布液を調製する一般的な手順は、界面活性剤を原液に加えることである。界面活性剤は、多孔質シリカのためのテンプレートとして使われる。後のプロセスで、界面活性剤は焼かれる（すなわち、灰にされる）多孔質シリコン酸化物膜を残す。一般の界面活性剤は、同時に親水性であり疎水性という両媒性な性質を示す。両媒性界面活性剤は、水にとても親和的な親水基と水をはねのける長い疎水性基を有する。長い疎水性基は、後に多孔質膜の孔を供給するテンプレート部の働きをする。両親媒性物質は、スピン-塗布中に溶媒が除去されると、溶液中及び固体化するゲル中で、超分子アレーに凝集することができる。そして、多孔質膜のテンプレートとして機能する構造を作り上げる。これらのアレーの中でテンプレートになる酸化物は、制御可能な細孔サイズと形を示す材料になる。界面活性剤は、アニオン系、カチオン系又は非イオン系物質であり得るが、ＩＣ利用の誘電層の形成のためには、非イオン系活性活性剤がむしろ好まれる。酸触媒は、超分子凝集体でシリカの縮合反応を速めるために加えられる。
【００１０】
塗布液は、混合されてからスピニング・プロセスを使って基板上に置かれる（ステップ１２０）。このプロセスでは、遠心ドレーニングにより、基板が一様に塗布液で被覆されることが確実にされる。その後、塗布された基板は、ＴＯＥＳ前駆体の加水分解を完了し、ゲル化プロセスを続け、膜から残っている溶媒を取り除くために、予め焼かれる（ステップ１３０）。
【００１１】
その後、予め焼かれた基板は、堅焼きの膜を形成するために、さらに焼かれる（ステップ１４０）。焼きステップに選択される温度域は、スピン・キャストされた膜から過剰な水が蒸発することを確実にする。この段階で、膜は、シリカと界面活性剤の堅焼きマトリックスとから構成され、界面活性剤は、利用される界面活性剤の量とその種類に特徴的な相互結合構造を持つ。相互結合構造は、次の界面活性剤抽出フェーズの実行を補助する。相互結合構造は、その後、界面活性剤分子が多孔質酸化物マトリックスから逃れるための連続的な経路を供給する。
【００１２】
一般的シリカベースの膜は、たびたび親水性の孔壁を有し、周囲の環境から積極的に湿気を吸収する。およそ７８の誘電率（ｋ）を持つ水が、多孔質膜に吸収されると、膜の低ｋ誘電性は悪影響を受ける。一般に、これらの親水性膜は、上昇温度において焼かれ、湿気が取り除かれ、シリカ-界面活性剤マトリックスから界面活性剤が溶発及び抽出される。このようなアニールステップにより、相互に結合した孔を示す多孔質膜ができる（ステップ１５０）。しかし、膜はこの手順の後も吸湿に敏感であるので、これは堆積プロセスでの暫定的な処置である。
【００１３】
幾つかのゾル-ゲルプロセスには、堆積後の処理ステップが更に含まれる。このステップは、孔の表面に種々の望ましい特性を加えるために、その表面を修飾することを目的とする。望ましい特性とは、疎水性、及び特定の化学物質に対しての増大した抵抗等である。膜をより安定にする一般的処理は、脱水プロセスで、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン［（CH3)3-Si-NH-Si-(CH3)3 ］）を使った処理である。これによって、ヒドロキシル基が取り除かれ、トリメチルシリル基と取り代えられ、膜が疎水性になる(ステップ１６０)。あるいは、このようなシリレーションステップにより、例えばメチルトリエトキシシラン、CH3Si(OCH 2CH 3) 3（ＭＴＥＳ）等のアルキル置換されたシリコン前駆体を前駆体調剤に加えることによって、多孔物質はより疎水性になる。液体前駆体調剤中で、ＭＴＥＳ（たとえば３０−７０％）でＴＥＯＳの大部分を置換することにより、引き続きＨＭＤＳに晒さなくても、吸湿に対して良い抵抗を示す膜を生成することがわかった。
【００１４】
ＥＬＫ材料を堆積するための上記のゾル-ゲルプロセスへの種々の代替法が提案されてきた。これらの代替法の多くは、上述と同様の基本的一般処理法によるが、塗布液中の成分の選択、処理時間、及び／又は温度を異なるものとし、特定のステップを合わせ、及び／又は他のステップをいろいろなサブステップに分けている。
【００１５】
しかし、本発明者に知られている変形又は代替法のどれもが、集積回路製作のためには適当でない。これは、容認できない不純物種によるか、多孔質なＥＬＫ堆積のために使われる前駆体溶液中に、市販の界面活性剤成分に関連する上手く制御されていないか制御されていない不純物レベルによるものである。
【００１６】
膜が適当であり、ＩＣ製造のために成功する集積化を許容するには、膜は制御されたレベルに不純物を有していなければならない。または、膜は、マイクロエレクトロニクス素子のシリコン酸化物をベースにする絶縁膜において有害である不純物を最小レベルに有する成分を使って堆積されなければならない。シリコン酸化物をベースにする絶縁膜において有害である不純物とは、ナトリウムとカリウムのようなアルカリイオンを含む。これらは、電界の影響で移動し不揮発性である。一般に、これらの不純物は、界面活性剤がテンプレートになった多孔質酸化物前駆体調剤における界面活性剤の一部として膜に導入される。
【００１７】
アルカリ金属イオン（例えばナトリウムとカリウム）が、ＭＯＳトランジスタ絶縁物及び多層間相互結合絶縁物として使われる二酸化珪素膜から、厳格に除外されなければならないことは、半導体集積回路の産業界で知られている。これらの正に荷電したイオンは、電場に晒されると移動しやすく、正にバイアスされた膜から負にバイアスされた膜の方へドリフトしてしまい、容量電圧シフトを引き起こしてしまう。その非偏在性と高い移動性とのため、ナトリウムの除外が最も多くの注目を受けてきた一方で、他のアルカリイオン（特にカリウムとリチウム）もまた、等しく問題を含んでおり、絶縁膜から除外されなければならない。集積回路に利用する化学的前駆体溶液（例えばＴＥＯＳ）のためのアルカリ金属不純物仕様は、各々の種類のアルカリ金属に対して、許容できる不純物レベルをおよそ２０ｐｐｂに設定する。
【００１８】
上述の通り、界面活性剤は、アニオン系、カチオン系又は非イオン系物質であり得るが、マイクロエレクトロニクスの利用のためには、一般には、非イオン系界面活性剤が好ましい。大部分のアニオン系界面活性剤はマイクロエレクトロニクスの利用にふさわしくない。これは、マイクロエレクトロニクス素子での汚染物とみなされる、アルカリ、アルカリ土類金属、硫酸エステル又はスルホン酸基を分子が含むからである。カチオン系界面活性剤は構造的にアニオン系界面活性剤と異なるけれども、同じような問題を持っている。カチオン系界面活性剤は、必然的に対イオンを取り込むからである。このようなイオンは、膜に残って電界の下で移動し、金属又はバリア膜の腐食を促進し得る。
【００１９】
従って、マイクロエレクトロニクスの利用のために許容できない不純物を含まないが、低誘電率膜を生産する界面活性剤を使用する調剤の必要がある。
【００２０】
【発明の概要】
本発明の実施形態では、前駆体溶液調剤を利用するゾル-ゲル法を使って、多孔質シリコン酸化物をベースにした膜を堆積するためのプロセスを提供する。前駆体溶液調剤には、他成分中に精製された非イオン系界面活性剤と添加物とが含まれる。添加物は、酸性の前駆体溶液中でアンモニウムイオン種の塩を形成するアミン添加物又はイオン系添加物である。この前駆体溶液調剤を使うことにより、２．５よりも低い誘電率、ＩＣを製造するにおいてＩＭＤ又はＰＭＤ層に十分な力学的特性、最小レベルのアルカリ金属不純物を有する膜を形成することができる。これは、１つの実施形態においては、界面活性剤を精製して、テトラアルキルアンモニウム塩及びアミンの等のイオン系添加物又はアミン添加物を前駆体原液に加えることによって達成される。
【００２１】
ある実施形態においては、イオン系添加物は、Ｒが、テトラメチルアンモニウムとセチルトリメチルアンモニウムを含む鎖長１から２４の疎水性リガンドであり、Ａ-が、ギ酸エステル、硝酸エステル、シュウ酸エステル、アセテート、リン酸エステル、炭酸エステル、水酸化物及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれるアニオンである、一般的な組成［NR(CH3) 3］+Ａ-のカチオン系添加物よりなる群から選ばれる化合物である。イオン成分を増加させるために、テトラメチルアンモニウム塩、より一般的には、テトラアルキルアンモニウム塩、又はテトラオルガノアンモニウム塩若しくはオルガノアミンが、酸性溶媒中で、界面活性剤をテンプレートにした多孔質酸化物調剤へ加えられる。これにより、界面活性剤の精製中に除去されるが、誘電率に有利な効果を示すことが認められたアルカリイオン不純物が置換される。
【００２２】
本発明のこれらの実施形態及び他の実施形態並びにその利益の詳細を、以下の記載及び添付の図面と共に説明する。
【００２３】
【具体的な実施形態の説明】
本発明の実施形態は、多孔質シリコン酸化物誘電層の種類の層を堆積するために使われるスピンオン前駆体溶液のための特定成分に向けられている。具体的には、本発明の実施形態では、多孔質ＥＬＫ材料を堆積するために精製された界面活性剤を使う添加物であって、特定の前駆体調剤との関連で使用するための添加物の説明がされている。界面活性剤は、界面活性剤分子から不純物を除去し、集積回路製造に有害である既知のアルカリ金属及びアルカリイオン不純物の存在を減少又は除去させるために精製される。
【００２４】
半導体集積回路産業においては、アルカリ金属イオン（例えばナトリウムとカリウム）は、ＭＯＳトランジスタ絶縁物と多層間相互結合絶縁物に使われる二酸化珪素膜から排出されるべきであるということが知られている。それは、このような正に荷電したイオンは、電場に晒されると移動しやすく、正に荷電した膜のインターフェースから負にバイアスされた膜のインターフェースへとドリフトし、容量電圧シフトを引き起こす。その非偏在性と高い移動性とのため、ナトリウムの除外が最も多くの注目を受けてきた一方で、他のアルカリイオン（特にカリウムとリチウム）も等しく許容レベルに保たれるべきである。集積回路に利用する化学的前駆体溶液（例えばＴＥＯＳ）のためのアルカリ金属不純物仕様は、各々の種類のアルカリ金属対して、許容できる不純物レベルをおよそ２０ｐｐｂに設定する。
【００２５】
発明者は、アルカリ金属イオンが、集積回路のために一般に使われている密なシリコン酸化物膜に比べ、多孔質のシリコン酸化物をベースにした膜中で高い易動度を持つことを見出した。ナトリウムイオンに比べて、密なシリコン酸化物膜中で非常に低い移動度を持つセシウムイオンでさえ、電場の影響下では、多孔質ＥＬＫ膜を通って移動することが明らかにされた。従って、多孔質のシリコン酸化物をベースにした膜に対しては、ＥＬＫ膜の化学前駆体溶液中でのアルカリ金属不純物濃度は、各種のアルカリ金属につき２０ｐｐｂより少なくなければならない。、将来、これらの要求は緩くなるかもしれないが、アルカリ金属不純物濃度を制御することは重要である。
【００２６】
望ましい低誘電率の多孔質膜を形成するために、市販の精製されていない界面活性剤を化学的調剤に使うこともできるが、最終的な膜が、許容可能なレベルをはるかに越える不純物を含んでしまう。よって、界面活性剤は精製されなければならない。界面活性剤の精製は、一般的な手法によって行うことができる。例えば、アルカリイオンが保持され、その代りに水素イオンが放たれる、イオン交換カラムを利用することができる。精製されていない界面活性剤は、一般に、およそ１００から１０００ｐｐｍの範囲のアルカリイオン濃度を持つ。界面活性剤の精製の目的は、アルカリイオンの不純物レベルを、５０ｐｐｂ未満に減少させることである。ＥＬＫ膜の化学前駆体液中でのアルカリイオン不純物の許容濃度は、各アルカリ元素につき、１０ｐｐｂ未満である。
【００２７】
しかし、驚くべきことに、望ましくないアルカリ金属イオン不純物（最も顕わにはナトリウム又はカリウムイオン）を除去するために（５０ｐｐｂ未満のレベルのアルカリイオン不純物を含むように）精製された界面活性剤を含む前駆体調剤から膜を堆積すると、堆積された膜は、比較的高い誘電率を示し、密な二酸化珪素の誘電率に近づくということを発明者は発見した。このことは、メソフェーズの弱い分離により、及び／又はか焼の間に多孔質構造が崩れてしまったことにより、安定メソフェーズが形成されなかったことによるものと発明者は信じている。
【００２８】
非常に重大なことに、イオン又はアミン添加物の特定種が比較的低濃度で調剤に加えられる場合、望ましい低誘電率の多孔質膜を生産するためには、精製された界面活性剤を使うことできるということがその後に発見された。これらの不純物は、多孔質膜を供給するために、界面活性剤を除去して熱分解を許容し崩壊を防ぐよう、メソフェーズ分離を強化して孔壁の硬化を進めると思われている。
【００２９】
通常、イオン系添加物は、一般的組成［NR(CH3) 3］+Ａ-、を持つ一群のカチオン系添加物から選ばれる化合物である。ここで、Ｒは、テトラメチルアンモニウムとセチルトリメチルアンモニウムを含む１から２４の鎖長の疎水性リガンドであり、Ａ-はアニオンである。アニオンは、本質的には、ギ酸エステル、硝酸エステル、シュウ酸エステル、アセテート、リン酸エステル、炭酸エステルと水酸化物及びこれらの組み合わせから成る群から選ばれる。イオン成分を増加させるために、テトラメチルアンモニウム塩、より一般的には、テトラアルキルアンモニウム塩、又はテトラオルガノアンモニウム塩若しくはオルガノアミンが、酸性溶液中で、界面活性剤をテンプレートにした多孔質酸化物調剤へ加えられる。これにより、界面活性剤の精製中に除去されるが、誘電率に有利な効果を示すことが見出されたアルカリイオン不純物を置き換える。
【００３０】
一般に、上述されているように、添加物は、イオン系添加物であってもよいが、その代わりとして、酸性前駆体溶液中で、アンモニウムイオン種の塩を形成する、アミン添加物であってもよい。特定の理論に制限されるわけではないが、発明者は、酸性前駆体溶液中でアンモニウムイオン種の塩を形成するアミン添加物が、多孔質膜の形成にとって重要である、膜の熱処理中のｐＨシフトを容易にすることを示唆している。
【００３１】
適当なアミン添加物は、以下の群から選ばれる：
TEDA（トリエチレンジアミン）（CH2)6N2;
DELA（ジエタノールアミン）（HOCH2CH2)2NH;
TELA（トリエタノールアミン）（HOCH2CH2)3N;
APDEA（アミノプロピルジエタノールアミン)（HOCH2CH2) 2N(CH2CH2CH2NH2);
PACM（ビス(p-アミノシクロヘキシル)メタン）NH2(C6H10)CH2(C6H10)NH2;
QUIN（キヌクリジン）N(CH2)6CH;
3-キヌクリジノール（N(CH2)6CH）;
TMA（トリメチルアミン）（CH3)3N;
TMEDA（テトラメチルエチレンジアミン）（CH3)2NCH2CH2N(CH3)2;
TMPDA（テトラメチル-1,3-プロパンジアミン）（CH3)2N(CH2)3N(CH3)2;
TMA(O（トリメチルアミンオキシド）（CH3)3N(O);
PC-9（N,N,N-トリス(N',N'-ジメチル3-アミノプロピル)アミン）
（（CH3)2NCH2CH2CH2)3N;
PC-77（3,3'-ビス(ジメチルアミノ)-N メチルジプロピルアミン）
（（CH3)2NCH2CH2CH2)2NCH3;
CB（コリン水酸化物）HOCH2CH2N(CH3) 3OH;
DMAP（4-ジメチルアミノピリジン）（CH3)2N(C6H5N);
DPA（ジフェニルアミン）（C6H5N)2NH;
TEPA（テトラエチレンペンタミン）HN(CH2CH2NHCH2CH2NH2)2
ＥＬＫ膜の多数の代替実施例はスピンオン溶液成分の選択、特に、界面活性剤、添加物、処理時間及びパラメータ、に依存して、ＥＫＬ膜の数々の代替的実施態様が堆積されることが認識されよう。本発明の幾つかの実施形態に従って堆積されたＥＫＬ膜は、以下の特性を示す。
【００３２】
膜は、本質的に、Si-O及びSi-CH3結合で構成されている。
４から２．５の範囲の誘電率。
２０％から６０％の有孔率。
１．４ＧＰａから１０ＧＰａ、一般には、２ＧＰａから６ＧＰａの弾性係数。
０．２から２．０ＧＰａ、一般には、０．４ＧＰａから１．２ＧＰａの硬度値。
６３３ｎｍにおいて、１．１から１．５の屈折率。
【００３３】
最終的な化学前駆体調剤における添加物のレベルは、およそ０．１から２０００ｐｐｍの範囲であり、幾つかの実施形態においては、１から５００ｐｐｍの範囲である。
【００３４】
上述したように、図１で示されている特定のゾル-ゲルベースのプロセスは、界面活性剤がテンプレートにされたＥＬＫ膜を堆積するために使われる。図１の１００から１６０のステップにおいて、ＥＬＫ膜は、テンプレートにされたゾル-ゲルＥＬＫ化学前駆体調剤を作ること、その前駆体調剤によって基板をスピン塗布すること、そして基板上に多孔質誘電層を形成するために塗布された膜を熱処理することによって形成される。本発明の具体的実施形態は、前駆体溶液組成を構成するための特定の方法に向けられており、図１のステップ１００とステップ１１０で説明されている。
【００３５】
具体的には、本発明の実施形態によると、テンプレートにされたゾル-ゲルＥＬＫ化学物質前駆体は、２つの溶液を混合して、その混合液に精製された界面活性剤を加えることによって調剤される。ここで、第１の溶液は、可溶なシリコン酸化物源（例えばＴＥＯＳ）、アルキル基が置換されたシリコン前駆体（例えばＭＴＥＳ）及び溶媒を混合することによって得られる。また、第２の溶液は、水、酸触媒及び添加物を混合することによって得られる。上述したように、添加物はイオン系添加物であっても、それに代替するアミン添加物であって先に述べたように酸性の前駆体調剤においてアンモニウムイオン種の塩を作るものであってもよい。
【００３６】
あるいは、本発明のその他の実施形態によると、テンプレート化されたゾル-ゲルＥＬＫ化学物質前駆体は、２つの溶液を互いに混合することによって調剤される。第１の溶液は、可溶性シリコン酸化物源（例えばＴＥＯＳ）と、アルキル基が置換されたシリコン前駆体（例えばＭＴＥＳ）と、溶媒と、精製された界面活性剤とを混合することによって得られる。また、第２の溶液は、水、酸触媒及び添加物を互いに混合することによって得られる。さらにここで、この添加物は、イオン系添加物であっても、それに代替するアミン添加物であって先に述べたように酸性の前駆体調剤においてアンモニウムイオン種の塩を作るものであってもよい。
【００３７】
しかし、他の代替前駆体調剤では、精製された界面活性剤は、シリカを含んでいる溶液ではなくて、水と酸と添加物とを含んでいる溶液に加えられる。２つの別々の溶液を作ることが望ましい。その１つが、溶媒、水、酸、添加物を含んでいる溶液であって、他が、シリカ前駆体と溶媒を含んでいる溶液である。界面活性剤は、どちらの溶液に加えられてもよい。これらの２つの溶液から最終的な前駆体溶液を作ることにより、貯蔵寿命の長い２つの溶液を生成することが可能である。これは、比較的短い貯蔵寿命を持っている他の非常に反応し易い溶液に比べて商業上有利である。２つの溶液を混ぜることによって作られる最終的な前駆体溶液は、２つの別々の溶液より非常に短い貯蔵寿命を持つ。たとえば、２つの別々の溶液は、化学的に安定であり、６ヵ月以上の貯蔵寿命を持つ。一方、基板を塗布するために使われる最終的な前駆体調剤は、１週間以内であれば化学的に安定している。貯蔵寿命が長い２つの溶液から最終的な前駆体溶液を作るもう一つの利点は、基板を塗布する前に非常に高い反応性混合物を作ることができる点にある。非常に高い反応性混合物は、塗布された基板のより速い硬化を許容し、減少した時間で安定な膜を作る。よって、ウエハに適用されるより反応性のある調剤混合物を作るために、まず、貯蔵寿命の長い２つの溶液を互いに混合するための堆積装置が開発され得る。
【００３８】
このような堆積装置の実例は、「ULTRASONIC SPRAY COATING OF LIQUID PRECURSOR FOR LOW K DIELECTRIC COATINGS」と称される、アプライドマテリアルズ社に譲渡された同時継続出願中の米国出願番号第０９／６９２６６０号において記述されている。その全体が、参考文献として本明細書に取り込まれている。
【００３９】
本発明の実施形態は、本発明の方法に従って調製される例示的な調剤（発明の実施例１）は、２つの比較例と比べることによってさらに記載される。比較例（すなわち、比較例１及び比較例２）では、産業上利用可能な（精製されていない）界面活性剤を使ったアルカリ前駆体溶液調剤（すなわち、比較例１）、及び、精製された界面活性剤を使った種々の調剤（すなわち、比較例２）を含む先行技術プロセスが記載されている。本発明の実施例（すなわち、実施例１）は、界面活性剤の精製よって除去された材料不純物の効果を補償するために、添加物の追加量が加えられた調剤について記載している。
【００４０】
精製された調剤（比較例２）又は添加物を有する調剤（発明の実施例１）について記述する前に、精製されていない界面活性剤を使っている前駆体調剤の例（比較例１）を以下に記載する。この例（比較例１）は、残りの実例のための基礎となっている。
【００４１】
（比較例１：精製されていない界面活性剤を使った前駆体調剤）
この例では、多孔質酸化物をベースにした膜を形成するために、精製されていない界面活性剤を使って前駆体調剤を調製する先行技術のプロセスについて記載する。この調剤を使うと、ＥＬＫ膜を、上述のとおりステップ１００〜ステップ１５０のゾル-ゲルをベースにしたプロセスに従って堆積することができる。ステップ１００〜ステップ１５０の間に、主にシリコン／酸素化合物、水、溶媒、界面活性剤及び触媒からなる、少なくともシリカ前駆体を含む前駆体溶液を作った。前駆体溶液をウエハ上でスピンにかけ、そしてウエハを、チャンバ内で、およそ０．１トールから大気圧の範囲の圧力を持つ不活性又は酸化環境内で、およそ３０から３６００秒の間、およそ９０℃から４５０℃間の種々の温度で焼くことによって熱処理した。シリコン／酸素化合物は、テトラエチルオルトシリケート、テトラメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、1,1,3,3-テトラエトキシ-1,3-ジメチルジシラザン、及びこれらの組み合わせよりなる群から選んだ。溶媒は、エタノール、イソプロパノール、プロピレングリコール、モノプロピルエーテル、ｎ-プロパノール、ｎ-ブタノール、ｔ-ブタノール、エチレングリコール、及びこれらの組み合わせよりなる群から選んだ。触媒は、酢酸、ギ酸、グリコール酸、グリオキシル酸、シュウ酸及び硝酸よりなる群から選んだ。界面活性剤は、例えば、ポリオキシエチレン酸化物-酸化プロピレン-ポリエチレンオキシド・トリブロック・コポリマー（例えばＢＡＳＦによって市場に出される界面活性剤のプルロニックス系とＩＣＩによって市場に出されるＢｒｉｊ系）、オクタエチレングリコールモノデシルエーテル、オクタエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル、トリトンTM１００、トリトンTM１１４、トリトンTM４５よりなる群から選ばれた非イオン系活性剤、又は関連する化合物及びこれらの組み合わせであった。使われた界面活性剤は、精製されていない特定のものであって、ユニオン・カーバイドより提供された。具体的には、トリトンTM１１４界面活性剤であり、オクチルフェノールエトキシレート-タイプの界面活性剤である。Ｘ−１１４界面活性剤の使用により、リストに揚げられた他の非トリトン系界面活性剤に比べて、より小さくてより均一な細孔サイズを持つ膜が形成される。
【００４２】
具体的には、この例（比較例１）で使われる特定の前駆体調剤は、以下の成分を有するものである：テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）（２２．５ｇｍｓ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）（２２．５ｇｍｓ）、プロピレングリコールモノプロピルエーテル（ＰＧＰＥ）（４６．７２ｇｍｓ）、０．１Ｎ硝酸（２４ｇｍｓ）、トリトンＸ−１１４（９．６７ｇｍｓ）（トリトン１１４は、ユニオン・カーバイド社によって製造されるエトキシル化されたp-tert-オクチルフェノール混合物の商標である）。
【００４３】
発明者は、アルカリ金属不純物を含む市販の非イオン系界面活性剤を使って、シリコン酸化物をベースとする膜を堆積した。一般に、市販の非イオン系界面活性剤には、アルカリ金属不純物がおよそ１００から１０００ｐｐｍの範囲で存在する。このような膜は、非常に低い誘電率、良い粘着性、高い弾性係数、小さな孔径等のマイクロエレクトロニクス素子のための必要な条件を持っているが、界面活性剤内に含まれるアルカリ金属とアルカリイオン不純物の許容できないレベルの混在により、マイクロエレクトロニクスへの利用においては、これらのシリコン酸化物をベースにする許容できない膜を形成することになった。上述のように、ＥＬＫ膜化学物質前駆体溶液中においてアルカリ金属不純物の濃度の許容できるレベルは、各種のアルカリ金属について２０ｐｐｍ未満であり、各アルカリ元素について１０ｐｐｂ未満であることが好ましい。
【００４４】
よって、発明者は、前駆体調剤中で改善された界面活性剤を使うことより、最小レベルの不純物を有するＥＬＫ膜を形成するために使われ得る調剤を開発することを目的とした。この調剤ために改善された界面活性剤は、蒸留、イオン交換クロマトグラフィー、によって容易に精製可能であるか、理想的には、アルカリ金属化合物等の問題を含む不純物の使用なしに調製される。
【００４５】
（比較例２：精製された界面活性剤を使った前駆体調剤）
この例においては、膜を堆積するために、精製された界面活性剤を使って前駆体調剤を作るためのプロセスについて記載する。先例（比較例１）の特定の調剤とこの例（比較例２）の調剤との違いは、この例の調剤が精製されたトリトンTM界面活性剤を使っているということである。塗布液に加える前に、このトリトンTM界面活性剤からはアルカリ金属不純物が除去された。精製された界面活性剤中のアルカリ金属不純物は、およそ５０ｐｐｂ未満であった。界面活性剤の精製は、一般的な手段を使って行われる。例えば、アルカリイオンが保持され、それに代わって水素イオンが放たれる、イオン交換カラムを利用することができる。この調剤を使うことにより、上述のステップ１００からステップ１５０によるゾル-ゲルプロセスをベースにしてＥＬＫ膜を堆積した。
【００４６】
しかし、一旦発明者が精製された界面活性剤を使って膜を堆積すると、膜中に孔が形成されないという、予想外の結果が発見された。ゆえに、膜は、予想以上に非常に薄い厚さに崩壊し、膜の誘電率は、許容されない値（３．０を超える）まで増加した。誘電率の増加は、少なくとも、膜中の孔の喪失によると思われる。よって、発明者は、市販用に存在するアルカリ金属イオン不純物を欠如させると、このような精製された調剤を使ってできた最終的な膜の特性に有害な衝撃が与えられることを見出した。
【００４７】
（発明の実施例１：精製された界面活性剤と添加物を使った前駆体調剤）
本実施例は、前駆体溶液調剤を利用してゾル-ゲルをベースにしたプロセスを使った、多孔質シリコン酸化物をベースにした膜を堆積するための特定の調剤について記載する。この調剤は、本発明の実施形態に従い、精製された非イオン系界面活性剤及びイオン系添加物を含む。精製された界面活性剤中のアルカリ金属不純物は、およそ５０ｐｐｂ未満であった。この例（発明の実施例１）の調剤と先例（比較例２）の調剤との違いは、前駆体調剤への添加物の添加であり、以下に記載されている。この前駆体溶液調剤を用いると、最小レベルのアルカリ金属不純物を含む一方で、堆積された膜の特性は、２．５以下の誘電率及び高有孔率という要求を満たす。
【００４８】
具体的な調剤においては、テトラメチルアンモニウムギ酸エステル、テトラメチルアンモニウム硝酸エステル、テトラメチルアンモニウムシュウ酸エステル、テトラメチル水酸化アンモニウム及びテトラメチルアンモニウムアセテートを含むテトラメチルアンモニウム塩が前駆体調剤に加えられた。その後、水と酸を含んでいる第１の溶液に添加物を加え、この第１の溶液を、ＴＥＯＳ、ＭＴＥＳ、溶媒及び界面活性剤を含んでいる第２の溶液に加えることによって前駆体溶液を調剤した。次の熱処理中での酸成分の揮発化は、膜中の有効ｐＨを、酸性から中性又はアルカリ性へとシフトさせたと考えられる。これによって、界面活性剤のまわりでゾル-ゲルネットワーク（孔壁への前駆体）の縮合をを促進させたと考えられる。しかし、他の機構も考えられる。添加物によって強化された３種類の調剤を使って、具体的に３種類の膜を調製した。これらの３種類の膜は、以下の表１に示すとおり、ウエハ２―７上に形成された。３つの調剤に使われた添加物の種類とその量は、以下の表１に示されている。アルカリ金属イオン不純物を除去するために、表１に示される全ての場合に使われた界面活性剤は、精製されたトリトンTM１１４界面活性剤であった。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１は、表１に示される種々の前駆体調剤から堆積された膜の誘電率データを提供する。この表からわかるように、テトラメチルアンモニウム塩の添加による効果は、明らかである。たとえば、ウエハ１上に酸化物ベースの膜を堆積するために使われた調剤には、塩が加えられていない。表１からわかるように、ウエハ１の堆積膜の厚さは４０５５Åであり、誘電率は３．３である。一方、前駆体液にテトラメチルアンモニウムギ酸エステルを０．２５ｇ添加することにより、ウエハ２についての結果が得られた。これによって、堆積膜の厚さは５９０３Åであり、誘電率は２．１２になった。ウエハ３に膜を堆積する前に、前駆体溶液にテトラメチルアンモニウムギ酸エステルを０．０５ｇ添加することによっても、同様の結果が得られた。増大した膜厚は、塩添加物を加えることで、膜中で増大した孔形成が起こることによるものであった。
【００５１】
ウエハ４、５、６及び７上に、多孔質酸化物膜を形成するための調剤では、添加物としてテトラメチルアンモニウム水酸化物（ＴＭＡＨ）溶液の２．４重量％溶液を使った。溶液に加えられた添加物の量は、前駆体調剤に対して、７００ｐｐｍから１５ｐｐｍの範囲であった。表１の結果から分かるように、ＴＭＡＨにより、調剤中に添加物が存在しない精製された界面活性剤を使って形成された膜に比較してより厚い膜が形成された。一般に、ＴＭＡＨ添加による結果は、加えられたＴＭＡＨの量の増加により、添加物無しの調剤を使って堆積された膜に比べて、膜厚が増加し、膜の誘電率が減少するという結果を生じた。これらの結果は、ＩＭＤ又は他のエレクトロニクス利用のために望ましい膜特性を回復させるために、この処理法の有用性を確信させている。
【００５２】
特定の理論によって制限されるわけではないが、発明者は、これらの結果は、熱処理ステップ中又はその前に、ゾルの縮合を促進させること、メソフェース構造を安定化させることにおいて、除去されたアルカリ金属と塩が同様の役割を果たすという事実によるものだと考える。さらに、これらの結果は、界面活性剤分子とシリカ種の間での改善された分子レベルでの相互作用によるものだとも考える。既に知られているように、界面活性剤をテンプレートにした薄膜形成は、静電的相互作用又は水素結合による相互作用による、シリカと界面活性剤の共アセンブリに基づくものである。
【００５３】
本発明の幾つかの実施形態を完全に記載したことにより、本発明にしたがい多孔質酸化物膜を堆積するための前駆体溶液を作るための、同等であるか代替する他の多くの方法が、当業者には明らかであろう。たとえば、イオン系添加物を、原液か前駆体溶液に加えることができる。これらの同等法は、本発明の範囲内で含まれるものであり、添付の請求項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質シリコン酸化層を堆積するために、テンプレート化されたゾルゲルプロセスが使われる、一般的なプロセスのフローチャートである。
【図１】
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