JPH0864679A - 線間容量を低減するための多孔質誘電体 - Google Patents
線間容量を低減するための多孔質誘電体Info
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Abstract
消費、クロストーク電圧、およびRC定数を低減化され
た配線方式を得る多孔質誘電体に関する。 【構成】 半導体母材10上へ相互接続線14a−dを
形成し、半導体母材および相互接続線14a−d上を、
隣接する相互接続線間の空隙を埋めるのに十分以上の厚
さの誘電層20で被覆する。誘電層20を焼成し、より
高い温度で硬化する。これによって、空隙内部の誘電層
20は相互接続線上およびオープンフィールド中のそれ
よりも低い密度を持つ。相互接続線の上から誘電層をエ
ッチバックで除去してもよい。相互接続線14a−dお
よび誘電層20の上を覆って二酸化シリコン層12が堆
積され、二酸化シリコン層12および誘電層20を貫通
して相互接続線14a−cへのコンタクト・ビア11が
エッチされる。
Description
であり、更に詳細には半導体デバイス中での線間容量の
低減化に関する。
途のための集積回路に幅広く使用されている。そのよう
な集積回路は単結晶シリコン中に作製された多数のトラ
ンジスタを使用するのが一般的である。多くの集積回路
には現在、多重レベルの相互接続金属配線が含まれるよ
うになっている。1個の半導体マイクロチップの中に数
千、更には数百万個のトランジスタが含まれる。理論的
には、1個のマイクロチップが数百万本のトランジスタ
を相互接続するための配線をも含み得る。それらの配線
は線間に集中する電気容量を作りだす可能性がある。デ
バイス形状が縮小し、機能密度が増大するにつれて、線
間容量を減らすことが不可欠なものとなっている。線間
容量は、遅延時間とクロストークとのためにデバイスの
動作性能が妨げられるまでに増大する可能性がある。こ
れらの多重レベル金属配線系において容量を減らすこと
は、線間における電力消費、クロストーク電圧、および
RC定数を減らすことにつながる。金属配線を互いに絶
縁するために用いられる典型的な材料は二酸化シリコン
である。二酸化シリコンは熱的にも化学的にも安定な材
料である。高アスペクト比のコンタクトおよびビア(ビ
アホール)のために従来の酸化物エッチを利用すること
もできる。
成長させた密なシリコン酸化物の誘電率は3.9のオー
ダーである。誘電率は、1.0が真空の誘電率を表すと
いうスケールのものである。ここに、”低誘電率”とい
う表現は、3.7よりも低い誘電率を持つ材料をさすも
のとして用いている。
と低い誘電率を有するエーロゲルのような低密度材料を
使用する試みがなされた。エーロゲルのような多孔質の
二酸化シリコンの誘電率は1.2程度の低いものがあり
得る。このような低い誘電率であれば、RC遅延時間の
低減化が可能になる。しかし、エーロゲルを製造する従
来の方法では、超臨界的な(supercritica
l)ドライ工程が必要とされ、そのため半導体製造加工
のための複雑度やコストが嵩む。
率の絶縁体を選択的に形成して線間容量を低減化する新
規な方法である。更に、本発明は超臨界的なドライ工程
を必要とせず、また任意の標準的な生産プロセスに容易
に適応できる。
説明する。まず、半導体母材の上に複数本の相互接続線
が形成される。次に、この半導体母材と複数の相互接続
線との上を覆って、隣接する相互接続線間の空隙を埋め
るのに十分な厚さ以上に誘電材料の層が被覆される。こ
の低誘電率材料は焼成(bake)され、更に焼成温度
よりも高い温度において硬化(cure)される。焼成
し、更に硬化することによって、空隙内部の誘電材料は
相互接続線の上およびオープンフィールドにある誘電材
料よりも低密度のものになる。オプションとして、エッ
チバックによって相互接続線の上を覆っている低誘電率
材料を除去することもできる。最後に、この相互接続配
線および低誘電率材料を覆って二酸化シリコン層が堆積
される。
差は、空隙中の多孔質材料のほうをオープンフィールド
のより多孔質でない材料よりも高速にエッチする浸出エ
ッチ(leaching etch)によって更に増大
する。
および低誘電率材料層を貫通して複数本の相互接続線へ
のコンタクトビアがエッチされる。この低誘電率材料は
スピン塗布できる誘電材料であることが好ましい。
する金属配線方式を提供することである。
および電力消費を低減化する金属配線方式を提供するこ
とである。
化シリコンよりも低い誘電率を有する誘電材料を相互接
続線間に提供することである。
て最も良く理解できる。
にことわらない限り対応する部品を指す。
に対して本質的に平行に設けられたアース面5を有する
デバイスの垂直断面図を示す。これらの相互接続線1、
2、3、および4の各々によって運ばれる電気信号は、
その特定の線のRC時定数によって影響される。線1を
例にとれば、RC時定数の容量を構成する要素は4つの
成分に分割される。第1の容量成分は線1と線2との間
の線間容量である容量C12である。第2の成分はC
13であって、これは線1とその下の線である線3との
間の層間容量である。第3の成分はC14で、これは線
1とその対角下方の線である線4との間の層間容量であ
る。第4の成分はC15であって、線1とアース5との
間の対アース容量である。C11は合計容量として定義
されている。各線1−4の金属幅は約0.36μmであ
る。線間の間隔もまた約0.36μmである。金属線1
−4の高さは約0.6μmである。金属配線間の酸化物
の厚さは約0.7μmである。図1の構造に対する容量
シミュレーションが完了し、その結果は表1および表2
に示されている。
上述の例では全容量の85%を線間容量が占めている。
もちろん、このパーセント値は線間の間隔に依存する。
間隔が減少すれば、合計容量のパーセント値は増大す
る。従って、接近して配置された相互接続線の線間容量
を減らすことは与えられた相互接続線の全RC時定数に
対して重大な影響を及ぼす。本発明の説明は多重レベル
金属配線プロセスに関連して説明するものではあるが、
当業者には明らかなように、金属層のレベル数は変えて
もよく、単一レベルの金属配線デバイスであっても本発
明は同様に適用できる。
の相互接続の1レベルを示している。半導体母材10
は、当業者には良く知られたように、トランジスタ、ダ
イオード、およびその他の半導体要素(図示されていな
い)を含むことができる。半導体母材10はまた、その
他の金属相互接続層を含むこともできる。相互接続線1
4a−dから半導体母材の構造を絶縁するために半導体
母材の表面に絶縁層12が形成される。絶縁層12は二
酸化シリコン等の酸化物を含むことができる。コンタク
ト11等のコンタクトは絶縁体12を貫通して延びて、
相互接続線14a−cを半導体母材へ接続する。相互接
続線14a−dはアルミニウムやチタン/アルミニウム
/チタン窒化物多重層のような電気伝導性の材料を含む
ものでよいが、その他の伝導材料を採用することもでき
る。相互接続線14a−cは近接して(例えば、0.5
μm以下)配置されているが、相互接続線14cと14
dとはそれらの間にもっと広い間隔(例えば、>2.0
μm)を置いている。層20は低密度、低誘電率の材料
を含み、相互接続線14a−cを互いに絶縁している。
低密度、低誘電率の層20は、多孔質二酸化シリコン、
多孔質シロキサン、多孔質シルスエクイオキサン(si
lsequioxane)、あるいはその他の3.7よ
りも小さい誘電率を有する多孔質の低密度材料を含むこ
とができる。好適実施例では多孔質二酸化シリコンが用
いられている。
も大きい影響を持つデバイス領域に配置される。近接し
て配置された相互接続線上の線間容量は全容量に対して
最も大きな寄与をなすものであるから、相互接続線14
a−c間には多孔質二酸化シリコンのような低密度、低
誘電率の材料が使用されるわけである。その他の場所
(例えば、相互接続線14cと14dの間)および、付
加的な相互接続層(図示されていない)等の後に形成さ
れる要素から相互接続線14a−dを絶縁するために
は、密なシリコン酸化物18が使用される。24で示さ
れたようなコンタクトビアは二酸化シリコン層18を貫
通して所望の場所に相互接続線14a−dとの相互接続
を供給する。
を有することにはいくつかの利点がある。まず、低誘電
率材料20は密な二酸化シリコンよりも低い誘電率を有
するので、線間容量が低減化される。第2に、高アスペ
クト比のコンタクト・ビアのために従来の酸化物エッチ
が利用できる。第3に、周囲の密な二酸化シリコンが多
孔質材料の機械的な不安定性を補って障壁となってくれ
る。第4に、二酸化シリコンの表面はリソグラフィのパ
ターニング用に平坦化される。第5に、多孔質材料と相
互接続線の側壁との間の界面力のために多孔質構造が安
定化される。更に、相互接続線間にある多孔質材料は7
00℃という高温までも機械的に安定である。この高温
安定性は多孔質材料を層間誘電体(ILD)応用として
使用することを許容するばかりでなく、ポリ(pol
y)−金属間の誘電体(PMD)応用として使用するこ
とも許容する。
素(図示されていない)を作製した後の半導体母材10
を示す。半導体母材10中には1個または複数個の相互
接続層も形成されているであろう。絶縁層12とコンタ
クト11が半導体母材10の表面上に形成される。
ッチされて相互接続線14a−dが形成される。簡単の
ために、図4は4本の相互接続線14a−dだけを示し
ている。しかし、当業者には明らかなように、その他の
形状の相互接続線とともにより数多くの相互接続線が形
成されて構わない。相互接続線14a−dは、0.5−
2.0ミクロンのオーダーの縦方向厚さ、および設計次
第で変化するが典型的には0.25から1ミクロンの範
囲の横方向厚さを有する。相互接続線14a−dの形成
の後に、オプションとしてこの構造の表面を覆って薄い
二酸化シリコン層(図示されていない)が堆積される。
しかし、この二酸化シリコン層はオプションであるか
ら、図面には示されていない。
上へ0.2−5.0ミクロンのオーダーの厚さに誘電材
料の層20が堆積される。層20は相互接続線14a−
cの線間を埋めるに十分な厚さに堆積される。層20は
ポリシルスエクイオキサン、シロキサン、あるいはシリ
ケートのようなスピン塗布できるコロイド懸濁材料を含
むものでよい。更に、層20は高度に加水分解された二
酸化シリコンのような蒸着されたゲル状の材料を含んで
もよい。望ましい実施態様では、ダウ・コーニング社の
ポリシルスエクイオキサン可流酸化物(以後「可流酸化
物」と呼ぶ)を用いるが、他の水素シルスエクイオキサ
ン(HSQ)を用いることもできる。HSQの一般式は
(HSiO1.5)2nで、n=3から8である。シル
スエクイオキサンの命名法は、各シリコン原子が1.5
酸素原子に接続していることを示す。多面シルスエクイ
オキサンH8Si8O12の分子構造を図5に示す。
に示す。このグラフは、異なる硬化温度が赤外線吸収
(a.u.)と波数(cm−1)に関係する様子を示
す。Si−HとSi−Q赤外線吸収のピークの変化は、
HSQ分子が硬化温度が増加するにつれて再構成するこ
とを示す。X線回折は、調査した全ての温度においてア
モルファス膜の形成を示す。HSQは優れたギャップフ
ィルおよびプレーナ化能力を示す。これは部分的には、
最初の材料が比較的低いガラス遷移温度(−250℃)
を持つからである。
構造が焼成される。典型的な焼成温度は150℃と30
0℃との間の温度である。焼成によって誘電材料層20
から残留溶剤が除去され、最初懸濁状態にあった粒子間
に架橋結合が引き起こされる。更に、溶剤の蒸発によっ
てネットワーク中に気孔が生成する。
度よりも高い温度で硬化される。層間誘電体としての応
用のためには、典型的な硬化温度は300℃と500℃
との間にある。ポリ−金属間の誘電体としての応用のた
めには、もっと高い硬化温度(例えば、>500℃)が
必要であろう。硬化によって、相互接続線14c−d間
およびオープンフィールドでの誘電材料が高密度化され
る。しかし、線14a−cの線間材料は高密度化されず
に多孔質のままに残る。これは多分、ネットワークと相
互接続線の側壁との間の相互作用が高密度化を妨げるた
めであろう。多孔質二酸化シリコンは湿気を吸着するた
め、耐湿材料(例えば、プラズマ酸化物)のキャップが
必要となる。
する。図9は、平らなSiウエーハ上の凝縮膜の測定さ
れた厚さと多孔質性を、硬化温度の関数として示す。高
密度化のため、厚さも多孔質性も、硬化温度が増加する
につれて減少する。400℃以下で硬化した膜では多孔
質性は約19%であり、450℃で硬化した膜は約13
%に減少する。MOSCAP法により測定された対応す
る誘電率を図10に示す。(値は熱酸化(k=3.9
6)を標準にする。線間容量の測定は、0.50/0.
50μm幅/間隔のくし構造を用いて行った。)硬化温
度が450℃から300℃に減少すると、誘電率は約
3.5から約2.7に減少した。これはHSQ膜の内部
の孔が有効誘電率を下げたことを示す。線間容量はくし
構造を用いて慎重に測定した。抽出した誘電率も図10
に示す。MOSCAPデータと同様に、線間誘電率も硬
化温度の減少につれて減少するが、所定の硬化温度では
MOSCAP誘電率より実質的に小さい。これはHSQ
膜ギャップの密度がオープンフィールドより低かったこ
とを示す。しかしHSQの機械的強度は二酸化シリコン
より小さいので、オープンフィールド領域では濃度の高
いシリコンを用いてよい。一方、多孔質性の二酸化シリ
コンは相互接続線の間に残る。更に、トップの二酸化シ
リコン層と金属相互接続側壁は、多孔質性の二酸化シリ
コンには障壁(閉じ込め)になる。
に従って二酸化シリコン層18を貫通して相互接続線1
4へコンタクトビア24がパターン化され、エッチされ
る。本発明の1つの特長は、従来のコンタクト/ビア・
エッチが使用できてより短時間のRC時定数を実現でき
ることである。これはビアが必要な場所に密な二酸化シ
リコン層18が残され、配線に関するRC時定数を減ら
す効果を有する隣接相互接続線間の空隙中には多孔質の
二酸化シリコンが使用されるという事実による。最後
に、金属層が堆積され、エッチされてビア24を埋め、
図2の構造が得られる。
繰り返されて、図12に示されたように付加的な金属相
互接続層が形成される。典型的には、そのような金属相
互接続層の4層または3層が形成されよう。しかし、本
発明は5レベル以上の相互接続線を有するデバイスの他
に、単一または2重の金属相互接続だけのデバイスに対
しても同じように適用できる。
00℃で1時間、硬化される。この可流酸化物16は標
準的な染料溶液(NH4Fと酢酸の混合物)によれば1
0秒間でエッチされてしまう。線17−19の線間の可
流酸化物16は密度が低く、従って、オープンフィール
ドの可流酸化物よりも高速のエッチ速度を有する。この
材料は少なくとも20%の多孔質度を含み、そのため二
酸化シリコンの誘電率を約3.3に減少させる。
り高温の700℃で硬化されるが、配線11−15の線
間にある可流酸化物16はここでもオープンフィールド
エリア21にある酸化物よりも密度は低い。酸化物16
は標準的な染料溶液中で10秒間でエッチされてしま
う。しかし、より高温で硬化された材料はより多孔質の
程度が小さい。多孔質度は、可流酸化物16中で約16
%であると見積もられる。図10はまた、保護用のキャ
ップ層18と下側の材料層20とを示している。
質性の中間膜誘電体(300℃で硬化)の最高1GHz
までの高周波応答を示す。図15はくし構造からの反射
係数の極図(スミスチャート)で、この構造は非常に小
さい金属直列抵抗を持つほぼ理想的なコンデンサである
ことを示す。図16は、抽出されたアドミタンス(パッ
ドを外した後)を周波数の関数として示す。アドミタン
スの傾斜はこの構造の容量であって、1MHzから1G
Hzまで一定であり、この範囲では誘電体の反応の吸収
がなかったことを示す。
ンオンガラスの誘電率を更に減らす別の方法は、低分子
量を持つ樹脂を用いることである。低分子量材料は多く
の水素リガンドを持ち、密度の低い膜を形成する。高い
分子量を持つ材料は、かご構造が分解するので、水素リ
ガンドが少なく密度が高い。分子量の低いHSQはより
多くの酸素が立方体に付き、従って得られる膜は図16
に示すようにより高い多孔質性を示す。ダウ・コーニン
グ社の現在のHSQ製品の平均分子量は10000am
uである。
に直接Si−Si結合を生じるか、またはかご構造が崩
壊する。どちらの結果も最後の膜の多孔質性を減少させ
る。
て好適実施例を説明してきたが、低誘電率材料の多孔質
度を変える方法が存在する。低誘電率の材料を生成する
方法に対する各種の修正および多孔質度の多様性も本発
明の範囲に含まれることを理解されたい。例えば、クロ
スリファレンス出願のTI−19072は低誘電率材料
の多孔質度を変える各種の方法について述べている。例
えば、(硬化温度、PH値、粘性率(薄められた低誘電
率材料によって変える)、および雰囲気(例えば、真
空、N2、酸素)を変えることによって低誘電率材料の
多孔質度を修正することができる。
度の差はリーチングエッチによって更に増大させること
ができる。リーチングエッチは多孔質度の高い空隙中の
材料を多孔質度の低いオープンフィールドの材料よりも
高速でエッチする。例えば、リーチングエッチは、まず
材料中へ穴を開け、気体状のHFをそこへ注入して多孔
質度を増大させることによって実現することもできる。
更に、クロスリファレンス出願のTI−19179およ
びTI−19305には空隙間の誘電材料の多孔質度を
増大させるその他の方法について述べている。
たが、この説明は限定的なものではない。本発明のその
他の実施例とともに、例示実施例の各種修正および組み
合わせが本説明を参照することによって当業者には明ら
かになろう。従って、特許請求の範囲はそのような修正
や実施例を包含するものと解釈されるべきである。
許出願をここに参考のために引用する。 出願番号 出願日 TIケース番号 1994年5月20日 TI−18941 1994年5月20日 TI−19072 本特許出願と同時出願される次の同時譲渡の特許出願を
ここに参考のために引用する。 TIケース番号 発明人 タイトル TI−19179 グネード(Gnade)他 非混合性ゾル−ゲルプロセス による低誘電率層(Low Dielectric Constant Lay ers via Immiscible Sol−GelProcessing ) TI−19305 ヘーブマン(Havemann)他 金属リード間に形成 された空隙を備えた多重レベル相互接続構造(Multilevel Inte rconnect Structure with Air Gaps For med Between Metal Leads)
図。
図。
構造の図。
イオキサン(HSQ)のフーリエ変換赤外線(FTI
R)分光学。
図。
図。
の多孔質性の厚さを硬化温度の関数として示すグラフ。
SQの線間誘電率を硬化温度の関数として示すグラフ。
図。
図。
plot)(スミスチャート)。
e−embedding)後の)を周波数の関数として
示すグラフ。
示。
一可能性の表示。各図面において、同じ数字および記号
は、特にことわらないかぎり対応する部品を指す。
Claims (1)
- 【請求項1】 半導体デバイス中に、線間容量を低減化
された相互接続層を作製する方法であって、 a. 半導体本体上に半導体要素を形成し、 b. 前記半導体本体および前記半導体要素上に誘電層
を被覆し、 c. 前記誘電層を焼成し、 d. 前記誘電層をプレーナ化する ことを含む方法。
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