JP2003297821A - Siloxane polymer film on semiconductor substrate and method of manufacturing the same - Google Patents
Siloxane polymer film on semiconductor substrate and method of manufacturing the sameInfo
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、概して半導体技術
に関し、特に半導体基板上のシロキサン重合体絶縁膜及
びプラズマCVD(化学気相成長)装置を用いて該膜を形
成するための方法に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to semiconductor technology, and more particularly to siloxane polymer insulating films on semiconductor substrates and methods for forming such films using plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD) equipment.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化への要求の
高まりから、多層配線技術が注目されている。この多層
配線構造において素子の高速動作のネックになるのが、
配線間の容量である。この配線間容量を低減するために
は、絶縁膜の誘電率(比誘電率)を下げる必要がある。
そこで低誘電率の絶縁膜材料の開発が行われてきた。2. Description of the Related Art Due to the increasing demand for higher integration of semiconductor devices in recent years, multi-layer wiring technology has been receiving attention. The obstacle to high-speed operation of the device in this multilayer wiring structure is
It is the capacitance between the wires. In order to reduce this inter-wiring capacitance, it is necessary to lower the dielectric constant (relative permittivity) of the insulating film.
Therefore, low dielectric constant insulating film materials have been developed.
【0003】従来のシリコン酸化膜SiOxは、SiH4または
Si(OC2H5)4などのシリコン材料ガスに酸化剤として酸素
O2または酸化窒素N2Oを添加し、熱及びプラズマエネル
ギーによって製造するものである。その比誘電率は4.0
程度である。The conventional silicon oxide film SiO x is SiH 4 or
Oxygen as an oxidant is added to silicon material gas such as Si (OC 2 H 5 ) 4.
O 2 or nitric oxide N 2 O is added, and it is manufactured by heat and plasma energy. Its relative permittivity is 4.0
It is a degree.
【0004】これに対して、材料ガスとしてCXFYHZを用
いてプラズマCVD法によりフッ素化アモルファス・カー
ボン膜を製造する試みが為された。その比誘電率εは2.
0〜2.4と低い。On the other hand, an attempt was made to produce a fluorinated amorphous carbon film by the plasma CVD method using C X F Y H Z as a material gas. Its relative permittivity ε is 2.
It is as low as 0 to 2.4.
【0005】また、安定性の高いSi-O結合の性質を利用
して、膜の誘電率を下げる試みが為された。シリコン系
有機膜はプラズマCVD法によって低圧下(1Torr)で材料
ガスから製造される。該材料ガスは、ベンゼンとシリコ
ンの化合物であるP-TMOS(フィニルトリメトキシシラ
ン)(化学式1)をバブリング法によって気化させて作
られる。この絶縁膜は、比誘電率ε=3.1の低誘電率を達
成した。Attempts have also been made to lower the dielectric constant of the film by utilizing the highly stable nature of the Si-O bond. The silicon-based organic film is produced from the material gas at a low pressure (1 Torr) by the plasma CVD method. The material gas is produced by vaporizing P-TMOS (finyltrimethoxysilane) (chemical formula 1), which is a compound of benzene and silicon, by the bubbling method. This insulating film achieved a low dielectric constant of relative permittivity ε = 3.1.
【0006】[0006]
【化1】
さらに、他の方法は膜中に作られた多孔質構造を利用す
る。絶縁膜は無機SOG材料を用いてスピン-コート法によ
って製造される。この絶縁膜の比誘電率εは2.3であ
る。[Chemical 1] In addition, other methods utilize a porous structure created in the membrane. The insulating film is manufactured by a spin-coat method using an inorganic SOG material. The relative permittivity ε of this insulating film is 2.3.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記各アプロ
ーチには以下に説明するようなさまざまな欠点が存在す
る。However, each of the above approaches has various drawbacks as described below.
【0008】まず、フッ素化アモルファスカーボン膜
は、耐熱性が低く(370℃)、シリコン系材料との密着
性が悪く、膜の機械的強度も低いという欠点を有する。
耐熱性が低いと、400℃以上の高温プロセスにおいて絶
縁膜が破損する危険性がある。また、密着性が悪いと膜
が剥がれる危険性がある。さらに、膜の機械的強度が低
下すると配線材料が破損する危険性もある。First, the fluorinated amorphous carbon film has the drawbacks of low heat resistance (370 ° C.), poor adhesion to silicon-based materials, and low mechanical strength of the film.
If the heat resistance is low, the insulating film may be damaged in a high temperature process of 400 ° C or higher. If the adhesion is poor, there is a risk that the film will peel off. Furthermore, if the mechanical strength of the film is reduced, the wiring material may be damaged.
【0009】P-TMOS分子を使って重合されるオリゴマー
は、P-TMOS分子がO-CH3の結合を3つ持つため気相中で
シロキサン構造のような線状構造を形成しない。線状構
造を有しないオリゴマーはシリコン基板上に多孔質構造
を形成することができず、堆積する膜の密度が減少され
ない。その結果、膜の誘電率は所望の程度まで減少され
ない。The oligomer polymerized using the P-TMOS molecule does not form a linear structure such as a siloxane structure in the gas phase because the P-TMOS molecule has three O-CH 3 bonds. The oligomer having no linear structure cannot form a porous structure on the silicon substrate, and the density of the deposited film is not reduced. As a result, the dielectric constant of the film is not reduced to the desired degree.
【0010】ここでバブリング方式とは、液体材料中に
アルゴンガスなどのキャリアガスを通すことによって得
られる液体材料の蒸気をキャリアガスとともに反応チャ
ンバ内に導入する方法である。この方法は一般に材料ガ
スの流量を確保するために大量のキャリアガスが必要に
なる。その結果、反応チャンバ内に材料ガスが滞留する
時間が短くなり、気相中で十分に重合反応が生じなくな
る。The bubbling method is a method in which vapor of a liquid material obtained by passing a carrier gas such as argon gas through the liquid material is introduced into the reaction chamber together with the carrier gas. This method generally requires a large amount of carrier gas to secure the flow rate of the material gas. As a result, the time for which the material gas stays in the reaction chamber becomes short, and the polymerization reaction does not sufficiently occur in the gas phase.
【0011】さらに、スピンコート法によるSOG絶縁膜
は、基板上への材料の塗布むらの問題及びコーティング
処理後のキュア装置に費やされる装置コストの問題を有
する。Further, the SOG insulating film formed by the spin coating method has a problem of uneven coating of the material on the substrate and a problem of the device cost spent on the curing device after the coating process.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明のひとつの態様に
したがって、高品質なシロキサン重合体は、化学式Si α
Oα-1R2α-β+2(OCnH2n+1)β(ここでαは1〜3の整数、
βは2、nは1〜3の整数及びRはSiに結合するC1-6炭化水
素である)のシリコン系炭化水素化合物を気化し、その
後酸化剤とともに気化された化合物をプラズマCVD装置
の反応チャンバへ導入することによって形成される。ソ
ースガスの滞留時間は、反応ガスの総流量を減少させる
ことによって延長され、そうして低誘電率を伴う多孔質
構造を有するシロキサン重合体膜が形成される。According to one aspect of the present invention,
Therefore, a high quality siloxane polymer has the chemical formula Si α
Oα-1R2α-β + 2(OCnH2n + 1)β(Where α is an integer from 1 to 3,
β is 2, n is an integer from 1 to 3, and R is a bond to Si1-6Carbonized water
Vaporize silicon-based hydrocarbon compounds (which are
Plasma CVD equipment for vaporized compounds with post-oxidizer
It is formed by introducing it into the reaction chamber. So
The residence time of the source gas reduces the total flow rate of the reaction gas
Porous with extended and thus low dielectric constant
A siloxane polymer film having a structure is formed.
【0013】上記において、もし添加ガスが酸化剤を含
まずHe、H2、CH4などのようなガスを含めば、k=2.6〜
3.1の低誘電率を有する低誘電率膜が得られる。特に材
料ガスの化合物が2つのアルコキシル基を有する場合に
添加ガスへ酸化剤が添加されると、膜形成速度を加速す
ることにより生産性を向上させることによって低コスト
でk<3.1の誘電率を有する低誘電率(低-k)膜を形成す
ることが可能になる。さらに上記において、酸化剤の流
量を制御することによって、酸化膜を形成することなく
膜内の酸素濃度が増加し、驚くほど誘電率が低下し、さ
らに成膜速度が非常に増加する。上記効果は、(i)反応
ガスの流量が減少され、(ii)材料ガスが2つのアルコキ
シル基を有し、かつ(iii)酸化ガスが添加ガスに添加さ
れる場合に顕著に現れる。生成されたシロキサン重合体
膜は3.1若しくはそれ以下の誘電率を有し、また20%若
しくはそれ以下のC原子濃度を有する-SiR2O-繰り返し構
造単位を有する(すなわち、化合物は主に若しくは選択
的に炭化水素と酸素との結合において分解される)。C
原子濃度が低い場合、エッチングレジスト(感光樹脂)
に関する選択性が改良される。付加的に、シロキサン重
合体は半導体基板上で高い耐熱性及び高い耐湿性を有す
る。さらに、この技術は膜の誘電率をほぼ2.4に低下さ
せることができるので、応用可能なデバイスの態様が広
がる。さらにまた、本発明によれば、デバイス製造コス
トが減少され、また生産率が非常に向上する。In the above, if the additive gas does not contain an oxidizer but contains a gas such as He, H 2 , CH 4, etc., k = 2.6-
A low dielectric constant film having a low dielectric constant of 3.1 is obtained. In particular, when the compound of the material gas has two alkoxyl groups and an oxidant is added to the additive gas, the film formation speed is accelerated to improve the productivity, thereby lowering the dielectric constant of k <3.1 at a low cost. It becomes possible to form a low dielectric constant (low-k) film having the same. Further, in the above, by controlling the flow rate of the oxidizing agent, the oxygen concentration in the film is increased without forming an oxide film, the dielectric constant is surprisingly lowered, and the film formation rate is greatly increased. The above effect is prominent when (i) the flow rate of the reaction gas is reduced, (ii) the material gas has two alkoxyl groups, and (iii) the oxidizing gas is added to the additive gas. The resulting siloxane polymer film has a dielectric constant of 3.1 or less, and -SiR 2 O- repeating structural units with a C atom concentration of 20% or less (ie, the compound is mainly or selectively Is decomposed in the bond between hydrocarbon and oxygen). C
Etching resist (photosensitive resin) when the atomic concentration is low
The selectivity with respect to is improved. Additionally, siloxane polymers have high heat resistance and high humidity resistance on semiconductor substrates. Moreover, this technique can lower the dielectric constant of the film to approximately 2.4, thus expanding the range of applicable devices. Furthermore, according to the present invention, the device manufacturing cost is reduced and the production rate is greatly improved.
【0014】本発明及び従来技術に対する利点を要約す
るために、本発明のある目的及び利点が上述された。も
ちろん、すべてのそのような目的若しくは利点が発明の
特定の実施例にしたがって必ずしも達成されないことは
理解されるべきである。したがって、例えば当業者は、
ここに教示され若しくは示唆されるような他の目的若し
くは利点を必ずしも達成することなく、ここに教示され
るようなひとつの利点若しくはいくつかの利点を達成し
若しくは最適化する方法で発明が実施され若しくは実行
され得ることを知る。In order to summarize the invention and its advantages over the prior art, certain objects and advantages of the invention have been set forth above. Of course, it should be understood that not necessarily all such objects or advantages are achieved in accordance with a particular embodiment of the invention. Thus, for example, one skilled in the art would
The invention is practiced in a manner that achieves or optimizes one or more of the advantages as taught herein, without necessarily achieving the other objectives or advantages as taught or suggested herein. Or know that it can be done.
【0015】本発明のさらなる態様、特徴及び利点は以
下の好適実施例の詳細な説明によって明らかとなる。Further aspects, features and advantages of this invention will become apparent from the detailed description of the preferred embodiments which follow.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施例はプラズマ
処理によって半導体基板上にシロキサン重合体絶縁膜を
形成するための方法であって、当該方法は、(i)シロキ
サン重合体用の材料ガスを生成するべくシリコン系炭化
水素化合物を気化させる工程であって、前記シリコン系
炭化水素は化学式SiαOα-1R2α-β+2(OCnH2n+1)β(こ
こでαは1〜3の整数、βは2、nは1〜3の整数及びRはSi
に結合するC1-6炭化水素である)を有するところの工程
と、(ii)半導体基板が配置されるプラズマCVD処理用反
応チャンバ内に材料ガスを導入する工程と、(iii)不活
性ガス及び酸化ガスから成る添加ガスを導入する工程で
あって、前記酸化ガスは材料ガスより少ない流量で使用
されるところの工程と、(iv)反応チャンバ内でプラズマ
重合反応を活性化させることによって半導体基板上に-S
iR2O-の繰り返し構造単位を有するシロキサン重合体膜
を形成する工程と、から成る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment of the present invention is a method for forming a siloxane polymer insulating film on a semiconductor substrate by plasma treatment, which method comprises: A step of vaporizing a silicon-based hydrocarbon compound to generate a material gas, wherein the silicon-based hydrocarbon has a chemical formula Si α O α-1 R 2 α -β + 2 (OC n H 2n + 1 ) β (where α is an integer of 1 to 3, β is 2, n is an integer of 1 to 3 and R is Si
A C 1-6 hydrocarbon that binds to), (ii) introducing a material gas into a reaction chamber for plasma CVD processing in which a semiconductor substrate is placed, and (iii) an inert gas And a step of introducing an additional gas consisting of an oxidizing gas, wherein the oxidizing gas is used at a flow rate lower than that of the material gas, and (iv) a semiconductor by activating a plasma polymerization reaction in the reaction chamber. On board-S
and a step of forming a siloxane polymer film having a repeating structural unit of iR 2 O-.
【0017】上記において、添加ガスが有効量(例え
ば、sccm測定で材料ガスの20〜80%、好適には材料ガス
の40〜60%)の酸化ガスから成る場合、シロキサン重合
体膜のC原子濃度はわずか20%にされる。低いC原子濃度
は以下に説明するようなエッチング処理には非常に有効
である。In the above, when the additive gas comprises an oxidizing gas in an effective amount (for example, 20 to 80% of the material gas by sccm measurement, preferably 40 to 60% of the material gas), the C atom of the siloxane polymer film The concentration is only 20%. The low C atom concentration is very effective for the etching process described below.
【0018】低C濃度及びエッチング処理
デバイスの配線構造の製造プロセスは以下の工程から成
る。低-k膜のような絶縁膜がウエハ上に形成され、感光
樹脂(エッチングレジスト)が絶縁膜上に形成され、写
真増感リソグラフィー技術を使って必要な部分のレジス
トを除去することによってレジストパターンがウエハ上
に形成される。この後、イオン化したCF 4、アルゴンガ
スなどのイオンを上方からウエハに垂直に放射すること
によって、レジストによって覆われていない部分に形成
された絶縁膜が除去され、Cuを埋め込むための配線形状
が形成される。このエッチング処理において、レジスト
もまた同時にエッチングされる。このため、もしレジス
トのエッチング耐性が弱いと、保存されるべき絶縁膜を
保護するのにより厚いレジストが要求される。さらに、
デバイスノードを減少するために、パターンとして保存
されるべきレジストの幅は短くなり、パターンの幅に対
するレジストの高さの比率が増加する。これにより配線
処理が困難となり、低-k膜のエッチング速度をレジスト
のエッチング速度まで改善すること及びエッチング選択
性を改善することが要求される。Low C concentration and etching treatment
The device wiring structure manufacturing process consists of the following steps.
It An insulating film such as a low-k film is formed on the wafer
A resin (etching resist) is formed on the insulating film,
Register the necessary parts using true-sensitization lithography technology
The resist pattern on the wafer
Is formed. After this, ionized CF Four, Argonga
Emitting ions such as ions perpendicularly to the wafer from above
Formed on the part not covered by the resist by
The wiring shape for removing the removed insulating film and burying Cu
Is formed. In this etching process, the resist
Is also etched at the same time. For this reason, if Regis
If the etching resistance of the
Thicker resists are required to protect. further,
Save as pattern to reduce device nodes
The width of the resist to be applied becomes shorter and
The ratio of the height of the resist is increased. This allows wiring
Processing becomes difficult and resists the etching rate of low-k films
Etching rate and etching selection
It is required to improve the sex.
【0019】[0019]
【表1】
低-k膜のCF4ベースのエッチングは、化学構造を構成す
るSi及びCを上記IからVIに示される解離ガスに分解する
ことによって実行される。主にSiを含む低-k膜におい
て、Siはエッチングガス内に存在するFのためにSiF4等
のようなガスに変化することによって分解し、膜内に含
まれるCは膜内に存在するOとの結合の結果CO等のような
ガスに変化することによって分解する。同時に、Cから
成る化学構造がFによってCF4等のようなガスに変化する
間、レジストがある程度エッチングされる。従来使用さ
れる酸化膜エッチングの場合には、反応Iに比べ反応VII
がより速く進行し、高いエッチング選択性が達成され
る。低-k膜エッチングの場合には、反応Iに比べ反応III
は十分速く進行する。しかし、反応Vは反応Iと同じにゆ
っくり進行するため、酸化膜エッチングの場合に達成さ
れた高いエッチング選択性は達成され得ない。しかし、
反応Vは膜中に含まれる酸素によって起こるため、低-k
膜エッチングは促進される。膜のC原子濃度が20%若し
くはそれ以下であるとき、選択エッチングが有効に成し
遂げられる。[Table 1] CF 4 -based etching of low-k films is performed by decomposing Si and C, which make up the chemical structure, into the dissociated gases shown in I to VI above. In a low-k film containing mainly Si, Si is decomposed by changing to a gas such as SiF 4 due to F existing in the etching gas, and C contained in the film exists in the film. As a result of binding with O, it decomposes by changing into a gas such as CO. At the same time, the resist is etched to some extent while the chemical structure of C is transformed by F into a gas such as CF 4 . In the case of conventionally used oxide film etching, reaction VII is
Progresses faster and a high etching selectivity is achieved. In the case of low-k film etching, reaction III compared to reaction I
Progress fast enough. However, since the reaction V proceeds as slowly as the reaction I, the high etching selectivity achieved in the oxide film etching cannot be achieved. But,
Since reaction V is caused by oxygen contained in the film, low-k
The film etching is accelerated. Selective etching is effectively achieved when the C atom concentration of the film is 20% or less.
【0020】また、膜のC原子濃度が低いとき、以下に
説明されるようにエッチング選択性だけでなくエッチン
グ性能も改善される。厳密な技術的観点から、エッチン
グ反応に対するプラズマ状態を考慮する必要がある。し
かし、上記反応モデルは非常に複雑であるため、ここで
は単純な反応の化学量論的モデルが考慮される。膜構造
は正確な分析用の方法として広く使用されるXPSを使っ
て分析される。この方法によってHは分析されず、またH
はそれ自身ガスに分解する。したがって、H以外の元素
の反応が以下で議論される。Further, when the C atom concentration of the film is low, not only the etching selectivity but also the etching performance is improved as described below. From a strict technical viewpoint, it is necessary to consider the plasma state for the etching reaction. However, since the above reaction model is very complicated, a stoichiometric model of a simple reaction is considered here. Membrane structures are analyzed using XPS, a widely used method for accurate analysis. H is not analyzed by this method, and H
Decomposes into gas itself. Therefore, reactions of elements other than H are discussed below.
【0021】もし酸素が添加されなければ、レジストに
覆われていないSiOCH低-k膜のエッチング反応式は次の
ようになる。
SixOyCz+mCF4→xSiF4+aCO+bC
膜中に含まれるOの比率が小さい場合、Cはエッチングを
停止させるよう十分に気化せずに蓄積するという現象が
起きる。このため、少量の酸素をエッチングガスに加え
ることによって膜中に含まれる炭素をCO若しくはCO2に
気化させることでエッチング速度をスピードアップする
実験が為される。反応式は次のようになる。
SixOyCz+xCF4+nO2→xSiF4+(x+z)CO
上記反応式を実行するために、化学量論的にn=(x+z-y)
/2の酸素O2を添加する必要がある。変形的に、CがCO2に
気化するモデルの場合には化学反応式は次のようにな
る。
SixOyCz+xCF4+nO2→xSiF4+(x+z)CO2
上記反応式を実行するために、n=x+z-y/2の酸素O2を添
加する必要がある。しかし、添加ガスに酸化剤を添加す
ることなく低誘電率膜として形成されたk<3.1のSiOCH低
-k膜は、20%以上のCを含む。先の技術J-039(比較実験
内の膜形成例)を使って形成された低-k膜の組成はSi:
C:O=33:22:45(%)である。この場合、x=0.33、y=0.45及
びz=0.22である。CがCOに分解するところのモデルにお
いてn=0.1であり、CがCO2に分解するところのモデルに
おいてn=0.325である。言い換えれば、CF4:0.33molのF
ガスへほぼ0.1molから0.33molの酸素O2を添加する必要
があることが理解できる。If oxygen is not added, the etching reaction formula of the SiOCH low-k film not covered by the resist is as follows. When the ratio of O contained in the Si x O y C z + mCF 4 → xSiF 4 + aCO + bC film is small, a phenomenon occurs in which C is not vaporized enough to stop etching and accumulates. Therefore, an experiment is conducted to speed up the etching rate by vaporizing carbon contained in the film into CO or CO 2 by adding a small amount of oxygen to the etching gas. The reaction formula is as follows. Si x O y C z + xCF 4 + nO 2 → xSiF 4 + (x + z) CO In order to carry out the above reaction formula, stoichiometrically n = (x + zy)
It is necessary to add / 2 oxygen O 2 . Deformatively, in the case of a model in which C is vaporized to CO 2 , the chemical reaction formula is as follows. Si x O y C z + xCF 4 + nO 2 → xSiF 4 + (x + z) CO 2 In order to carry out the above reaction formula, it is necessary to add n = x + zy / 2 oxygen O 2 . However, it was formed as a low dielectric constant film without adding an oxidizer to the added gas, and the SiOCH
The -k film contains 20% or more C. The composition of the low-k film formed using the previous technology J-039 (Example of film formation in comparative experiment) is Si:
It is C: O = 33: 22: 45 (%). In this case, x = 0.33, y = 0.45 and z = 0.22. In the model where C decomposes into CO, n = 0.1, and in the model where C decomposes into CO 2 , n = 0.325. In other words, CF 4 : 0.33 mol F
It can be seen that it is necessary to add approximately 0.1 mol to 0.33 mol of oxygen O 2 to the gas.
【0022】滞留時間及びガス流量
反応ガスの滞留時間は、反応チャンバの容量、反応に適
応される圧力及び反応ガスの総流量に基づいて決定され
る。反応圧力は通常1〜10Torrの範囲であるが、安定な
プラズマを維持するために好適には3〜7Torrである。こ
の反応圧力は反応ガスの滞留時間を延ばすために比較的
高い。反応ガスの総流量は生成膜の誘電率を減少させる
のに重要である。添加ガスに対する材料ガスの比率を制
御する必要はない。一般に、滞留時間が長いほど誘電率
は低くなる。膜形成に必要な材料ガス流量は所望の成長
速度及び膜が形成される基板の面積に依存する。例え
ば、基板(半径r=100mm)上に300nm/minの成長速度で膜
を形成するために、少なくとも50sccmの材料ガスが反応
ガス中に含まれるべきであると予期される。それは基板
の表面積(m2)あたりほぼ1.6×102sccmである。総流量は
滞留時間(Rt)によって定義される。Rtが以下で説明され
るように定義されるとき、Rtの好適範囲は100msec≦R
t、より好適には165msec≦Rt、さらに好適には200msec
≦Rt≦5secである。従来のプラズマTEOSにおいて、概し
てRtは10〜30msecの範囲である。
Rt[s]=9.42×107(Pr・Ts/Ps・Tr)rw 2d/F
ここで、
Pr:反応チャンバ圧力(Pa)
Ps:標準大気圧(Pa)
Tr:反応ガスの平均温度(K)
Ts:標準温度(K)
rw:シリコン基板の半径(m)
d:シリコン基板と上部電極との距離(m)
F:反応ガスの総流量(sccm)
上記において、滞留時間とはガス分子が反応チャンバ内
に留まる平均時間間隔を意味する。滞留時間RtはRt=αV
/Sで計算され、ここでVはチャンバの容量(cc)、Sは反応
ガスの体積(cc/s)及びαは反応チャンバの形状及びガス
の給気口と排気口との間の位置関係によって決定される
係数である。反応チャンバ内の反応空間は基板表面積
(πr2)及び上部電極と下部電極との間の空間によって定
義される。反応空間を通過するガス流量を考慮すると、
αは1/2と推定できる。上記式において、αは1/2であ
る。Residence Time and Gas Flow Rate The residence time of the reaction gas is determined based on the volume of the reaction chamber, the pressure adapted to the reaction and the total flow rate of the reaction gas. The reaction pressure is usually in the range of 1 to 10 Torr, but is preferably 3 to 7 Torr in order to maintain a stable plasma. This reaction pressure is relatively high in order to prolong the residence time of the reaction gas. The total flow rate of the reaction gas is important for reducing the dielectric constant of the produced film. It is not necessary to control the ratio of source gas to additive gas. Generally, the longer the residence time, the lower the dielectric constant. The flow rate of the material gas required for film formation depends on the desired growth rate and the area of the substrate on which the film is formed. For example, it is expected that at least 50 sccm of material gas should be included in the reaction gas to form a film on the substrate (radius r = 100 mm) at a growth rate of 300 nm / min. It is approximately 1.6 × 10 2 sccm per surface area (m 2 ) of the substrate. The total flow rate is defined by the residence time (Rt). When Rt is defined as described below, the preferred range of Rt is 100 msec ≤ R
t, more preferably 165 msec ≦ Rt, even more preferably 200 msec
≦ Rt ≦ 5 sec. In conventional plasma TEOS, Rt is generally in the range of 10-30 msec. Rt [s] = 9.42 × 10 7 (Pr ・ Ts / Ps ・ Tr) r w 2 d / F where Pr: Reaction chamber pressure (Pa) Ps: Standard atmospheric pressure (Pa) Tr: Average temperature of reaction gas (K) Ts: Standard temperature (K) r w : Radius of silicon substrate (m) d: Distance between silicon substrate and upper electrode (m) F: Total flow rate of reaction gas (sccm) In the above, the residence time is It refers to the average time interval during which gas molecules stay in the reaction chamber. Residence time Rt is Rt = αV
/ S, where V is the volume of the chamber (cc), S is the volume of the reaction gas (cc / s), and α is the shape of the reaction chamber and the positional relationship between the gas inlet and outlet. Is a coefficient determined by. The reaction space in the reaction chamber is the substrate surface area
It is defined by (πr 2 ) and the space between the upper and lower electrodes. Considering the gas flow rate through the reaction space,
α can be estimated to be 1/2. In the above formula, α is 1/2.
【0023】材料ガス及び添加ガス
本発明において、一般式SiαOβCxHy(α、β、x及びy
は整数)として表されるシリコン系炭化水素化合物は好
適には化学式SiαOα-1R2α-β+2(OCnH2n+1)β(ここで
αは1〜3の整数、βは2、nは1〜3の整数及びRはSiに結
合するC1-6炭化水素である)を有する化合物である。す
なわち、好適な化合物は少なくともひとつのSi-O結合、
2つのO-CnH2n+1結合及びシリコンに結合された2つの
炭化水素ラジカルを有する。上記の実施例において、シ
リコン系炭化水素内に存在するアルコキシは1から3個
の炭素原子を有する。他の実施例において、シリコン系
炭化水素化合物中に存在する炭化水素は1から6個の炭
素原子(n=1〜6)を有する。他の実施例において、シリコ
ン系炭化水素化合物は1から3個のシリコン原子を有す
る。さらに他の実施例において、シリコン系炭化水素化
合物は1から2個のシリコン原子(α=1または2)を有
する。より特定的に、シリコン系炭化水素は以下の化学
式2で表される化合物の少なくとも1つのガス種を含
む。Material gas and additive gas In the present invention, the general formula Si α O β C x H y (α, β, x and y
Is a chemical formula Si α O α-1 R 2 α -β + 2 (OC n H 2n + 1 ) β (where α is an integer of 1 to 3, β Is 2, n is an integer of 1 to 3 and R is a C 1-6 hydrocarbon bonded to Si). That is, a preferred compound is at least one Si-O bond,
It has two OC n H 2n + 1 bonds and two hydrocarbon radicals bonded to silicon. In the above examples, the alkoxy present in the silicon-based hydrocarbon has 1 to 3 carbon atoms. In another embodiment, the hydrocarbon present in the silicon-based hydrocarbon compound has 1 to 6 carbon atoms (n = 1-6). In another embodiment, the silicon-based hydrocarbon compound has 1 to 3 silicon atoms. In yet another embodiment, the silicon-based hydrocarbon compound has 1 to 2 silicon atoms (α = 1 or 2). More specifically, the silicon-based hydrocarbon contains at least one gas species of the compound represented by Chemical Formula 2 below.
【0024】[0024]
【化2】
ここで、R1及びR2はCH3、C2H3、C2H5、C3H7及びC6H5の
ひとつであり、m及びnはあらゆる整数である。[Chemical 2] Here, R1 and R2 is one of CH 3, C 2 H 3, C 2 H 5, C 3 H 7 and C 6 H 5, m and n are any integers.
【0025】上記されたそれらのガス種以外で、シリコ
ン系炭化水素化合物は以下の化学式3で表される化合物
の少なくともひとつのガス種を含む。In addition to those gas species described above, the silicon-based hydrocarbon compound contains at least one gas species of the compounds represented by the following chemical formula 3.
【0026】[0026]
【化3】
ここで、R1、R2、R3及びR4はCH3、C2H3、C2H5、C3H7及
びC6H5のひとつであり、m及びnはあらゆる整数である。[Chemical 3] Here, R1, R2, R3 and R4 are one of CH 3, C 2 H 3, C 2 H 5, C 3 H 7 and C 6 H 5, m and n are any integers.
【0027】また、シリコン系炭化水素化合物はこれら
の化合物及び混合物のあらゆる組み合わせであることに
注意すべきである。It should also be noted that the silicon-based hydrocarbon compound is any combination of these compounds and mixtures.
【0028】本発明の他の態様にしたがって、絶縁膜が
基板上に形成され及び該膜は化学式2によって表される
シリコン系炭化水素化合物を含む材料ガスを使ってプラ
ズマCVD装置内でプラズマエネルギーによって重合され
る。According to another aspect of the present invention, an insulating film is formed on a substrate and the film is formed by plasma energy in a plasma CVD apparatus using a material gas containing a silicon-based hydrocarbon compound represented by Chemical Formula 2. Polymerized.
【0029】付加的に、絶縁膜は基板上に形成され及び
該膜は化学式3によって表されるシリコン系炭化水素化
合物を含む材料ガスを使ってプラズマCVD装置内でプラ
ズマエネルギーによって重合される。Additionally, an insulating film is formed on the substrate and the film is polymerized by plasma energy in a plasma CVD apparatus using a material gas containing a silicon-based hydrocarbon compound represented by Chemical Formula 3.
【0030】本発明のさらなる態様にしたがって、絶縁
膜を形成するための材料は基板付近に気相中で供給さ
れ、化学反応によって基板上に絶縁膜を形成するべくプ
ラズマCVD装置内で処理され、また当該材料は化学式2
によって表される。According to a further aspect of the invention, the material for forming the insulating film is provided in the gas phase near the substrate and processed in a plasma CVD apparatus to form the insulating film on the substrate by a chemical reaction, In addition, the material has the chemical formula 2
Represented by
【0031】付加的に、絶縁膜を形成するための材料は
基板付近に気相中で供給され、化学反応によって基板上
に絶縁膜を形成するべくプラズマCVD装置内で処理さ
れ、また当該材料は化学式3によって表される。Additionally, the material for forming the insulating film is supplied in the vapor phase near the substrate and processed in a plasma CVD apparatus to form an insulating film on the substrate by a chemical reaction, and the material is It is represented by Chemical Formula 3.
【0032】本発明で使用可能な添加ガスは例えばアル
ゴンガス及びヘリウムガスである。実施例において、主
にアルゴンはプラズマを安定させるために使用され、一
方ヘリウムはプラズマの均一性及び絶縁膜の厚さの均一
性を改善するために使用される。Additive gases usable in the present invention are, for example, argon gas and helium gas. In the examples, primarily argon is used to stabilize the plasma, while helium is used to improve plasma uniformity and insulating film thickness uniformity.
【0033】上述した方法において、直接気化の最初の
工程は流量の制御された液体材料が予熱された気化装置
で即座に気化されるという方法である。この直接気化方
式は指定量の材料ガスを得るためにアルゴンのようなキ
ャリアガスを必要としない。この点はバブリング方式と
大きく異なる。したがって、もはや大量のアルゴンガス
若しくはヘリウムガスが必要でなくなり、これが反応ガ
スの総ガス流量を減少させかつ材料ガスがプラズマ中に
滞在する時間を延長させる。結果として、十分な重合反
応が気相中で生じ、その結果線状重合体が形成され、多
孔質構造を有する膜が得られる。In the above-described method, the first step of direct vaporization is a method in which the liquid material with a controlled flow rate is immediately vaporized in a preheated vaporizer. This direct vaporization method does not require a carrier gas such as argon to obtain the specified amount of source gas. This point is very different from the bubbling method. Therefore, a large amount of argon gas or helium gas is no longer required, which reduces the total gas flow rate of the reaction gas and prolongs the time the material gas stays in the plasma. As a result, a sufficient polymerization reaction takes place in the gas phase, resulting in the formation of a linear polymer and a membrane having a porous structure.
【0034】図1において、ガス給気ポート14を通じて
供給された不活性ガスは、シリコン系炭化水素化合物で
ある液体反応材料18をライン13を通じて制御バルブ8へ
押し出す。制御バルブ8は液体反応材料18の流量を流量
制御器7によって制御し、その結果それは所定の体積を
超えることはない。減少したシリコン系炭化水素化合物
18は気化装置17へ行き、上述した直接気化方式で気化さ
れる。アルゴン及びヘリウムは給気ポート15及び16を通
じてそれぞれ供給され、バルブ8はこれらのガスの流量
を制御する。材料ガス及び添加ガスの混合物である反応
ガスはその後プラズマCVD装置1のガス導入口5へ供給さ
れる。いずれも排気済みの反応チャンバ6内に配置され
たガス拡散板10と半導体基板4の間の空間は、好適には1
3.4MHz及び430kHzの高周波RF電圧で荷電され、該空間は
プラズマ場として機能する。サセプタ3は半導体基板4を
ヒータ2で連続的に加熱し、好適には350〜450℃の所定
の温度に基板4を維持する。ガス拡散板10の細孔を通じ
て供給された反応ガスは、所定の時間中半導体基板4の
表面近傍のプラズマ場内に残る。In FIG. 1, the inert gas supplied through the gas supply port 14 pushes the liquid reaction material 18, which is a silicon-based hydrocarbon compound, through the line 13 to the control valve 8. The control valve 8 controls the flow rate of the liquid reaction material 18 by means of the flow controller 7, so that it does not exceed a predetermined volume. Reduced silicon hydrocarbon compounds
18 goes to the vaporizer 17 and is vaporized by the above-mentioned direct vaporization method. Argon and helium are supplied through the air supply ports 15 and 16, respectively, and the valve 8 controls the flow rates of these gases. The reaction gas, which is a mixture of the material gas and the additive gas, is then supplied to the gas introduction port 5 of the plasma CVD apparatus 1. The space between the gas diffusion plate 10 and the semiconductor substrate 4 arranged in the reaction chamber 6 which has been exhausted is preferably 1
Charged with high frequency RF voltage of 3.4MHz and 430kHz, the space acts as a plasma field. The susceptor 3 continuously heats the semiconductor substrate 4 with the heater 2, and preferably maintains the substrate 4 at a predetermined temperature of 350 to 450 ° C. The reaction gas supplied through the pores of the gas diffusion plate 10 remains in the plasma field near the surface of the semiconductor substrate 4 for a predetermined time.
【0035】もし滞留時間が短いと線状重合体が十分に
成長せず、その結果基板上に蒸着される膜は多孔質構造
を形成しない。滞留時間は反応ガスの流量に反比例する
ため、反応ガスの流量の減少が滞留時間を延長させる。If the residence time is short, the linear polymer does not grow sufficiently, so that the film deposited on the substrate does not form a porous structure. Since the residence time is inversely proportional to the flow rate of the reaction gas, a decrease in the flow rate of the reaction gas extends the residence time.
【0036】添加ガスの流量を減少することによって反
応ガスの総流量を極端に減少することができる。結果と
して、反応ガスの滞留時間は延長され、その結果線状重
合体が十分に成長し、続いて多孔質構造を有する絶縁膜
が形成される。By reducing the flow rate of the additive gas, the total flow rate of the reaction gas can be extremely reduced. As a result, the residence time of the reaction gas is extended, and as a result, the linear polymer is sufficiently grown, and subsequently the insulating film having the porous structure is formed.
【0037】気相中での反応を調節するために、少量の
不活性ガス、酸化剤若しくは還元剤を反応チャンバへ添
加することは有効である。ヘリウム(He)及びアルゴン(A
r)は不活性ガスであり、24.56eV及び15.76eVの異なるイ
オン化エネルギーをそれぞれ有する。したがって、He若
しくはArのいずれかまたは両方を所定の量で組み合わせ
て添加することにより、気相中の材料ガスの反応は制御
される。反応ガスの分子は気相中で重合化を経てオリゴ
マーを形成する。オリゴマーは1:1のO:Si比を有すると
予期される。しかし、オリゴマーが基板上に膜を形成す
る際、オリゴマーはさらに重合化を経てより高い酸素比
率を生じさせる。該比率は誘電率若しくは基板上に形成
される膜の他の性質に依存して変化する(例えば、以下
の例5において、比率は3:2であった)。To control the reaction in the gas phase, it is useful to add small amounts of inert gases, oxidants or reducing agents to the reaction chamber. Helium (He) and Argon (A
r) is an inert gas with different ionization energies of 24.56 eV and 15.76 eV respectively. Therefore, the reaction of the material gas in the gas phase is controlled by adding either or both of He and Ar in a predetermined amount in combination. The molecules of the reaction gas undergo polymerization in the gas phase to form an oligomer. The oligomer is expected to have an O: Si ratio of 1: 1. However, as the oligomer forms a film on the substrate, the oligomer undergoes further polymerization to produce a higher oxygen ratio. The ratio varies depending on the dielectric constant or other properties of the film formed on the substrate (eg, in Example 5 below, the ratio was 3: 2).
【0038】材料ガスから引き出され膜中に取り込まれ
ない残りの酸素は材料化合物から分離されプラズマ中を
浮遊する。材料ガス中のSi:Oの比率は化合物に依存して
変化する。例えば、上記化学式2及び3において、O:Si
の比率はそれぞれ2:1及び1:1である。もし高比率のO:Si
(例えば、2/1若しくはそれ以上)を有する材料ガスが
使用されれば、プラズマ中を浮遊する酸素の量は増加す
る。酸素量が増加すると、Siに直接結合し膜を形成する
のに必要な有機基が酸化され、結果として膜の劣化が起
きやすくなる。上記において、H2及びCH4のような還元
剤を反応チャンバへ添加することによって、プラズマ中
の酸素分圧が減少し、それによって有機基の上記酸化が
防止される。対照的に、O:Si比率が低い(例えば、2/1
若しくはそれ以下)場合、N2O及びO2のような酸化剤を
添加することによって膜を形成するための酸素を供給す
る必要がある。還元剤若しくは酸化剤の適当な量は形成
膜の組成がFT-IR若しくはXRSによって分析されるところ
の予備実験に基づいて予め評価され、その誘電率も分析
される。したがって、適当なタイプのHe、Arのような添
加ガス、還元剤及び酸化剤を選択することによって、及
び添加されるべき各ガスの量を制御することによって、
所望の品質を有する膜が製造される。Residual oxygen extracted from the material gas and not taken into the film is separated from the material compound and floats in the plasma. The ratio of Si: O in the material gas changes depending on the compound. For example, in the above Chemical Formulas 2 and 3, O: Si
Ratios are 2: 1 and 1: 1 respectively. If high ratio of O: Si
If a source gas with (eg, 2/1 or more) is used, the amount of oxygen suspended in the plasma will increase. When the amount of oxygen increases, the organic groups necessary for forming a film by directly bonding to Si are oxidized, and as a result, the film is likely to deteriorate. In the above, adding reducing agents such as H 2 and CH 4 to the reaction chamber reduces the oxygen partial pressure in the plasma, thereby preventing the above oxidation of organic groups. In contrast, the O: Si ratio is low (eg 2/1
Or less), it is necessary to supply oxygen for forming a film by adding an oxidizing agent such as N 2 O and O 2 . The appropriate amount of the reducing agent or the oxidizing agent is previously evaluated based on preliminary experiments in which the composition of the formed film is analyzed by FT-IR or XRS, and its dielectric constant is also analyzed. Therefore, by selecting the appropriate type of additive gas such as He, Ar, reducing agent and oxidizing agent, and by controlling the amount of each gas to be added,
A membrane with the desired quality is produced.
【0039】材料ガスの流量以下の範囲に酸化剤の流量
を制御することによって、膜中の酸素濃度は酸化膜構造
を形成することなく増加し、驚くほど誘電率は低くな
り、さらに成長速度は非常に増加する。上記効果は、
(i)反応ガスの流量が減少され、(ii)材料ガスが2つの
アルコキシル基を有し、及び(iii)酸化ガスが添加ガス
に添加される、場合に顕著に現れる。生成されたシロキ
サン重合体膜は3.1若しくはそれ以下の誘電率を有し、2
0%若しくはそれ以下のC原子濃度を有する-SiR2O-繰り
返し構造単位を有する(すなわち、化合物は炭化水素と
酸素との間の結合で主に若しくは選択的に分解され
る)。By controlling the flow rate of the oxidizer within the range of the flow rate of the material gas or less, the oxygen concentration in the film is increased without forming an oxide film structure, the dielectric constant is surprisingly lowered, and the growth rate is further increased. Greatly increased. The above effect is
This is particularly noticeable when (i) the flow rate of the reaction gas is reduced, (ii) the material gas has two alkoxyl groups, and (iii) the oxidizing gas is added to the additive gas. The resulting siloxane polymer film has a dielectric constant of 3.1 or less, 2
It has a -SiR 2 O- repeating structural unit with a C atom concentration of 0% or less (ie, the compound is mainly or selectively decomposed at the bond between the hydrocarbon and oxygen).
【0040】重合体構造
この方法において、材料ガスは、少なくともひとつのSi
-O結合、多くとも2つのO-CnH2n+1結合及びシリコンに
結合した少なくとも2つの炭化水素ラジカルを含むシリ
コン系炭化水素化合物である。また、この材料ガスは直
接気化法によって気化される。当該方法は低誘電率、高
い耐熱性及び高い耐湿性を有する絶縁膜を生成する。Polymer Structure In this method, the source gas is at least one Si
A silicon-based hydrocarbon compound containing an -O bond, at most two OC n H 2n + 1 bonds and at least two hydrocarbon radicals bonded to silicon. Further, this material gas is vaporized by the direct vaporization method. The method produces an insulating film having a low dielectric constant, high heat resistance and high moisture resistance.
【0041】より特定的には、直接気化法によって気化
された材料ガスは十分に長時間の間プラズマ中に滞在す
ることができる。結果として、線状重合体が形成され、
その結果基本構造(化学式4)(ここで、nは2若しくは
それ以上の値)を有する線状重合体が気相中で形成され
る。その後、重合体は半導体基板上に堆積され、多孔質
構造を有する絶縁膜を形成する。More specifically, the material gas vaporized by the direct vaporization method can stay in the plasma for a sufficiently long time. As a result, a linear polymer is formed,
As a result, a linear polymer having a basic structure (Formula 4) (where n is 2 or more) is formed in the gas phase. Then, the polymer is deposited on the semiconductor substrate to form an insulating film having a porous structure.
【0042】[0042]
【化4】
ここでX1及びX2はOnCmHpであり、nは0若しくは1、m及び
pはゼロを含む整数である。[Chemical 4] Where X1 and X2 are O n C m H p , n is 0 or 1, m and
p is an integer including zero.
【0043】本発明の絶縁膜は、その基本構造が高い結
合エネルギーを有するSi-O結合を有するため、比較的高
い安定性を有する。また、その誘電率はそれが多孔質構
造を有するため低い。さらに、基本構造(-Si-O-)nは両
側に疎水性を有する炭化水素ラジカルで終端したダング
リングボンドを有し、この特性が耐湿性を与える。さら
に、一般に炭化水素ラジカルとシリコンの結合は安定で
ある。例えば、メチルラジカルを有する結合Si-CH3及び
ベンゼンを有する結合Si-C6H5の両方は、500℃若しくは
それ以上の分解温度を有する。上記半導体製造は450℃
以上の温度での熱安定性が必要であるため、膜のその特
性は半導体製造にとって有利である。実施例において、
プラズマ重合用の温度はほぼθ±50℃であり、ここでθ
は膜に必要な耐熱温度である。The insulating film of the present invention has relatively high stability because its basic structure has Si—O bond having high bond energy. Also, its dielectric constant is low because it has a porous structure. Furthermore, the basic structure (-Si-O-) n has dangling bonds terminated by hydrophobic hydrocarbon radicals on both sides, and this property provides moisture resistance. Furthermore, the bond between the hydrocarbon radical and silicon is generally stable. For example, both the Si—CH 3 bond with a methyl radical and the Si—C 6 H 5 bond with a benzene have a decomposition temperature of 500 ° C. or higher. 450 ° C for the above semiconductor manufacturing
Due to the need for thermal stability at these temperatures, the properties of the film are advantageous for semiconductor manufacturing. In the example,
The temperature for plasma polymerization is approximately θ ± 50 ° C, where θ
Is the heat resistant temperature required for the film.
【0044】特に、実施例において、上述された方法で
半導体基板上に形成されたシロキサン重合体膜は、3.1
若しくはそれ以下の誘電率を有し、-SiR2O-繰り返し構
造単位を有し、さらに化学式SiαOα-1R2α-β+2(OCnH
2n+1)β(ここでαは1〜3の整数、βは2、nは1〜3の整
数及びRはSiに結合するC1-6炭化水素である)を有する
シリコン系炭化水素からプラズマ重合反応によって形成
される20%若しくはそれ以下のC原子濃度を有する。他
の実施例において、シロキサン重合体膜は2.7の誘電率
を有する。さらに他の実施例において、シロキサン重合
体膜は繰り返し構造単位中にC1炭化水素であるRを有す
る。In particular, in the examples, the siloxane polymer film formed on the semiconductor substrate by the method described above is
Alternatively, it has a dielectric constant of less than that, has a -SiR 2 O-repeating structural unit, and has a chemical formula Si α O α-1 R 2 α -β + 2 (OC n H
2n + 1 ) β (where α is an integer from 1 to 3, β is 2, n is an integer from 1 to 3 and R is a C 1-6 hydrocarbon bonded to Si) It has a C atom concentration of 20% or less formed by plasma polymerization reaction. In another embodiment, the siloxane polymer film has a dielectric constant of 2.7. In yet another embodiment, the siloxane polymer film has C 1 hydrocarbon R in the repeating structural unit.
【0045】本発明のさらなる態様、特徴及び利点は以
下に示す好適実施例の詳細な説明によって明らかとな
る。Further aspects, features and advantages of this invention will become apparent from the detailed description of the preferred embodiments presented below.
【0046】実施例構造の概要
図1は本発明で使用可能なプラズマCVD装置を略示した
ものである。装置は反応ガス供給装置12及びプラズマCV
D装置1から成る。反応ガス供給装置12は、いくつかのラ
イン13とライン13上に配置された制御バルブ8及びガス
給気ポート14、15、16から成る。各制御バルブ8には流
量制御器7が接続され材料ガスを所定の流量に制御す
る。液体反応材料18を収容する容器には液体を直接気化
する気化装置17が接続されている。プラズマCVD装置1は
反応チャンバ6、ガス導入口5、サセプタ3及びヒータ2を
含む。円形のガス拡散板10はガス導入口のすぐ下に配置
されている。円形のガス拡散板10の底面には多数の細孔
が設けられ、そこから半導体基板4に向かって反応ガス
が噴射される。反応チャンバ6の底部には排気口11が設
けられている。該排気口11は外部の真空ポンプ(図示せ
ず)と接続されることよって反応チャンバ6内部は真空
排気される。サセプタ3はガス拡散板10に平行に対向し
て配置される。サセプタ3はヒータ2を通じてその表面上
に載置された半導体基板4を加熱保持する。ガス導入口5
は反応チャンバ6と電気的に絶縁され、外部の高周波電
源9に接続されている。ここでサセプタ3が高周波電源9
に接続されてもよい。こうしてガス拡散板10とサセプタ
3は高周波電極として機能し、半導体基板4の表面近傍に
プラズマ反応領域を生成する。Outline of Example Structure FIG. 1 schematically shows a plasma CVD apparatus usable in the present invention. Equipment is reaction gas supply device 12 and plasma CV
Consists of D device 1. The reaction gas supply device 12 comprises several lines 13 and a control valve 8 and gas supply ports 14, 15, 16 arranged on the line 13. A flow rate controller 7 is connected to each control valve 8 to control the material gas to a predetermined flow rate. A vaporizer 17 for directly vaporizing a liquid is connected to a container for containing the liquid reaction material 18. The plasma CVD apparatus 1 includes a reaction chamber 6, a gas inlet 5, a susceptor 3 and a heater 2. The circular gas diffusion plate 10 is arranged immediately below the gas inlet. A large number of pores are provided on the bottom surface of the circular gas diffusion plate 10, and the reaction gas is jetted toward the semiconductor substrate 4 from there. An exhaust port 11 is provided at the bottom of the reaction chamber 6. The inside of the reaction chamber 6 is evacuated by connecting the exhaust port 11 to an external vacuum pump (not shown). The susceptor 3 is arranged so as to face the gas diffusion plate 10 in parallel. The susceptor 3 heats and holds the semiconductor substrate 4 placed on its surface through the heater 2. Gas inlet 5
Is electrically insulated from the reaction chamber 6 and connected to an external high frequency power supply 9. Here, the susceptor 3 is the high frequency power source 9
May be connected to. Thus, the gas diffusion plate 10 and the susceptor
3 functions as a high frequency electrode and generates a plasma reaction region near the surface of the semiconductor substrate 4.
【0047】本発明に係るプラズマCVD装置を使って半
導体基板上に絶縁膜を形成するための方法は、一般式Si
αOβCXHY(式中、α、β、x、yは整数)で表されるシ
リコン系炭化水素化合物を直接気化方式によって気化さ
せ、プラズマCVD装置の反応チャンバに導入する工程
と、実質的に流量の減少した添加ガスを反応チャンバ内
に導入する工程と、材料ガスであるシリコン系炭化水素
化合物ガス及び添加ガスの混合ガスを反応ガスとして、
プラズマ重合反応によって半導体基板上に絶縁膜を形成
する工程と、から成る。添加ガスの流量を減少させるこ
とで、反応ガスの総流量が実質的に減少することを特徴
とする。この特徴は以下でより詳細に説明される。A method for forming an insulating film on a semiconductor substrate using the plasma CVD apparatus according to the present invention is described in general formula Si
a step of vaporizing a silicon-based hydrocarbon compound represented by α O β C X H Y (where α, β, x, and y are integers) by a direct vaporization method and introducing it into a reaction chamber of a plasma CVD apparatus; A step of introducing an additive gas having a substantially reduced flow rate into the reaction chamber, and a mixed gas of a silicon-based hydrocarbon compound gas as a material gas and an additive gas as a reaction gas,
And a step of forming an insulating film on the semiconductor substrate by a plasma polymerization reaction. It is characterized in that the total flow rate of the reaction gas is substantially reduced by reducing the flow rate of the additive gas. This feature is explained in more detail below.
【0048】他の技術
酸化膜がO2及びN2Oのような酸化ガスを有機シリコンSiR
x(OR)y(ここで、RはC nHm、x、yはランダム数)に添加
することによって通常のプラズマCVD法を使って形成さ
れる例が存在する。しかし、このとき形成される膜は約
4の誘電率を有する酸化膜であり次世代の低誘電率膜と
しては使用できない。Other technologies
Oxide film2And N2Oxidizing gas such as O is used for organosilicon SiR
x(OR)y(Where R is C nHm, X, y are random numbers)
Formed by using the usual plasma CVD method.
There are some examples. However, the film formed at this time is about
An oxide film with a dielectric constant of 4 and a low dielectric constant film of the next generation
Can not be used.
【0049】さらに、SiH(CH3)3へN2O等のような酸化ガ
スを使って2.7の誘電率を有する低誘電率膜を形成する
例が報告された。この場合形成される膜は20%若しくは
それ以上の高いC濃度を有するSiCOH膜である。Furthermore, an example was reported in which a low dielectric constant film having a dielectric constant of 2.7 was formed on SiH (CH 3 ) 3 by using an oxidizing gas such as N 2 O. The film formed in this case is a SiCOH film having a high C concentration of 20% or more.
【0050】[0050]
【実施例】装置構成
図2は平行平板タイプのCVD装置を図示したものであ
る。一対の電気的に導体の平板電極が互いに対向しかつ
平行に反応チャンバ内に配置され、一方に27MHzのRF電
力を印加しもう一方を接地することによってこれら一対
の電極間にプラズマが励起される。温度調整機構が下部
ステージ側に取り付けられ、温度はほぼ400℃(752°F)
に維持される。DM-DMOS(ジメチルジメトキシシラン)S
i(CH3)2(OCH 3)2及びHe及びArのような不活性ガス並びに
付加的にO2及びN2O等のような酸化ガスが混合され、反
応ガスとして使用される。各ガスは供給装置21から23及
び流量調整器24から26によって付与の流量に調整され、
これらは混合されて反応ガスとして上部電極の頂部の入
口27に導入される。ほぼφ0.5mmの500〜10,000個の細孔
(本発明を実行するためのモードにおいて3,000個の細
孔が形成されている)が上部電極に形成され、導入され
た反応ガスはこれらの細孔を通じて反応チャンバ内に流
れ込む。反応空間は真空ポンプによって排気され、ほぼ
600Paの所定の一定圧力に維持される。[Example] Device configuration
Figure 2 shows a parallel plate type CVD system.
It A pair of electrically conductive plate electrodes facing each other and
They are placed in parallel in the reaction chamber, with a 27 MHz RF
These pairs by applying force and grounding the other
Plasma is excited between the electrodes. Temperature adjustment mechanism is lower
Mounted on the stage side, temperature is nearly 400 ° C (752 ° F)
Maintained at. DM-DMOS (Dimethyldimethoxysilane) S
i (CH3)2(OCH 3)2And inert gases such as He and Ar and
Additionally O2And N2Oxidizing gas such as O is mixed and
Used as a reaction gas. Each gas is supplied from 21 to 23
And flow rate adjusters 24 to 26 to adjust to the given flow rate,
These are mixed and used as reaction gas at the top of the upper electrode.
Introduced into mouth 27. 500 to 10,000 pores of approximately φ0.5 mm
(3,000 sub-modes in the mode for carrying out the invention
Holes are formed) are introduced into the upper electrode
Reaction gas flows through these pores into the reaction chamber.
Run in. The reaction space is evacuated by a vacuum pump,
It is maintained at a predetermined constant pressure of 600Pa.
【0051】膜形成反応
材料ガスとしてDM-DMOSを使用した長時間滞留プラズマC
VDにより、以下の条件のもとで膜が形成された。酸素が
材料ガスであるDM-DMOSの流量に等しいか若しくはそれ
以下の流量で反応ガスに添加された。
RF電力:1500W(27MHzの周波数を使用)(好適には500
〜2000W)
基板温度:400℃(好適には300〜600℃)
反応圧力:650Pa(好適には400〜1000Pa)
滞留時間(Rt)は以下の式で定義される。
Rt[s]=9.42×107(Pr・Ts/Ps・Tr)rw 2d/F
この式中、各略語は以下のパラメータを示す。
Pr:反応チャンバ圧力(Pa)
Ps:標準大気圧(Pa)
Tr:反応ガスの平均温度(K)
Ts:標準温度(K)
rw:シリコン基板の半径(m)
d:シリコン基板と上部電極との距離(m)
F:反応ガスの総流量(sccm)
個々のパラメータは以下の値に固定した。流量と誘電率
との間の関係を見出すために流量のみを変化させた。
Pr=6.50×102 (Pa)
Ps=1.01×105 (Pa)
Tr=273+400=673 (K)
Ts=273 (K)
rw=0.1 (m)
d=0.014 (m)
表1は比較例及び本発明の実施例の実験結果をまとめた
ものである。Long-term residence plasma C using DM-DMOS as a film forming reaction material gas
A film was formed by VD under the following conditions. Oxygen was added to the reaction gas at a flow rate equal to or lower than that of the material gas DM-DMOS. RF power: 1500W (using a frequency of 27MHz) (preferably 500
Substrate temperature: 400 ° C. (preferably 300 to 600 ° C.) reaction pressure: 650 Pa (preferably 400 to 1000 Pa) Residence time (Rt) is defined by the following formula. Rt [s] = 9.42 × 10 7 (Pr · Ts / Ps · Tr) r w 2 d / F In this formula, each abbreviation represents the following parameter. Pr: Reaction chamber pressure (Pa) Ps: Standard atmospheric pressure (Pa) Tr: Average temperature of reaction gas (K) Ts: Standard temperature (K) r w : Radius of silicon substrate (m) d: Silicon substrate and upper electrode Distance (m) F: Total flow rate of reaction gas (sccm) Each parameter was fixed to the following value. Only the flow rate was varied to find the relationship between flow rate and dielectric constant. Pr = 6.50 × 10 2 (Pa) Ps = 1.01 × 10 5 (Pa) Tr = 273 + 400 = 673 (K) Ts = 273 (K) r w = 0.1 (m) d = 0.014 (m) Table 1 shows It is a summary of the experimental results of the comparative example and the example of the present invention.
【0052】[0052]
【表2】
実験結果
実施例1
材料ガスとして140sccm のDM-DMOS並びに添加ガスとし
て70sccm のO2及び30sccm のHeが混合され反応ガスとし
て反応チャンバ内に導入された。反応チャンバ内の圧力
は随時真空ポンプによって排気され、650Paに維持され
た。1500Wで27MHzのRF電力が上部電極に印加された。下
部ステージの温度は400℃(752°F)の一定温度に調整さ
れた。これらの条件下で、膜は500nm/minの速度で形成
され、1MHzの電圧を形成された膜に印加することによ
り測定された誘電率は2.70であった。XPSによって測定
された膜構造はSi:C:O=33:22:45(%)であった。[Table 2] Experimental Results Example 1 140 sccm of DM-DMOS as a source gas, 70 sccm of O 2 and 30 sccm of He as an additive gas were mixed and introduced into the reaction chamber as a reaction gas. The pressure inside the reaction chamber was evacuated by a vacuum pump from time to time and maintained at 650 Pa. RF power of 27 MHz at 1500 W was applied to the top electrode. The temperature of the lower stage was adjusted to a constant temperature of 400 ° C (752 ° F). Under these conditions, the film was formed at a rate of 500 nm / min and the dielectric constant measured by applying a voltage of 1 MHz to the formed film was 2.70. The film structure measured by XPS was Si: C: O = 33: 22: 45 (%).
【0053】上記実験結果は以下の表に要約されてい
る。The results of the above experiments are summarized in the table below.
【0054】[0054]
【表3】 [Table 3]
【0055】[0055]
【発明の効果】本発明はプラズマCVD法を使って低誘電
率膜の形成を可能にする。高集積半導体素子に対して絶
縁膜としてこの低誘電率膜を使用することにより、配線
間容量によって生じる遅延は軽減され、半導体素子の動
作速度が実質的に増加する。例えば、以下の表に示され
るように、デバイスノードのサイズが減少するに従い、
デバイスに使用される層間絶縁膜に対してより低い誘電
率(低-k)が要求される。The present invention enables formation of a low dielectric constant film by using the plasma CVD method. By using this low dielectric constant film as an insulating film for a highly integrated semiconductor device, the delay caused by the inter-wiring capacitance is reduced and the operating speed of the semiconductor device is substantially increased. For example, as the device node size decreases, as shown in the table below,
A lower dielectric constant (low-k) is required for the interlayer insulating film used in the device.
【0056】
ほぼ2.7の誘電率を有する低-k膜に対して、CVD法及びコ
ーティング法のような多くの膜形成方法が提案され、近
年高品質の低-k膜を形成することが可能となった。0.10
〜0.13μmのデバイスノードを有する大量生産デバイス
に当該方法を応用する試みが始まっている。次世代の高
速デバイスに対して、現在ほぼk=2.5若しくはそれ以下
の誘電率を有するより低い低-k膜が要求されている。本
発明は産業界で要求される高品質膜を与えるものであ
る。[0056] For the low-k film having a dielectric constant of approximately 2.7, many film forming methods such as the CVD method and the coating method have been proposed, and in recent years, it has become possible to form a high-quality low-k film. 0.10
Attempts have been made to apply the method to mass-produced devices with ~ 0.13 μm device nodes. For next generation high speed devices, lower low-k films with a dielectric constant of approximately k = 2.5 or lower are currently required. The present invention provides high quality membranes required by the industry.
【0057】発明の思想から離れることなくさまざまな
修正が可能であることは当業者の知るところである。し
たがって、本発明の形式は例証に過ぎず、本発明の態様
を制限するものではないことが理解されるべきである。Those skilled in the art will recognize that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, it should be understood that the form of the present invention is illustrative only and does not limit aspects of the invention.
【図1】図1は、絶縁膜の製造に使用するプラズマCVD
装置を略示したものである。FIG. 1 is a plasma CVD used for manufacturing an insulating film.
1 is a schematic view of a device.
【図2】図2は、実験で使用されたプラズマCVD装置を
略示したものである。FIG. 2 is a schematic diagram of a plasma CVD apparatus used in an experiment.
1 プラズマCVD装置 2 ヒータ 3 サセプタ 4 半導体基板 5 ガス導入口 6 反応チャンバ 7 流量制御装置 8 制御バルブ 9 高周波電源 10 ガス拡散板 11 排気口 12 反応ガス供給装置 13 ライン 14 ガス給気ポート 15 ガス給気ポート 16 ガス給気ポート 17 気化装置 18 液体反応材料 1 Plasma CVD equipment 2 heater 3 susceptor 4 Semiconductor substrate 5 Gas inlet 6 Reaction chamber 7 Flow controller 8 Control valve 9 High frequency power supply 10 gas diffusion plate 11 Exhaust port 12 Reaction gas supply device 13 lines 14 Gas air supply port 15 gas supply port 16 gas supply port 17 Vaporizer 18 Liquid reaction material
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森貞 佳紀 東京都多摩市永山6丁目23番1 日本エ ー・エス・エム株式会社内 (72)発明者 高橋 聡 東京都多摩市永山6丁目23番1 日本エ ー・エス・エム株式会社内 Fターム(参考) 5F033 RR23 RR29 SS01 SS15 XX24 5F058 AA10 AC03 AF02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Yoshinori Morisada 6-23-1, Nagayama, Tama-shi, Tokyo Japan -Inside SMM Co., Ltd. (72) Inventor Satoshi Takahashi 6-23-1, Nagayama, Tama-shi, Tokyo Japan -Inside SMM Co., Ltd. F term (reference) 5F033 RR23 RR29 SS01 SS15 XX24 5F058 AA10 AC03 AF02
Claims (14)
キサン重合体絶縁膜を形成するための方法であって、 シロキサン重合体用の材料ガスを製造するべくシリコン
系炭化水素化合物を気化する工程であって、前記シリコ
ン系炭化水素は化学式SiαOα-1R2α-β+2(OCnH2n+1)β
(ここでαは1〜3の整数、βは2、nは1〜3の整数及びR
はSiに結合するC 1-6炭化水素である)を有するところの
工程と、 半導体基板が配置されたプラズマCVD処理用反応チャン
バ内に材料ガスを導入する工程と、 不活性ガス及び酸化ガスから成る添加ガスを導入する工
程であって、前記酸化ガスは材料ガスより少ない量で使
用されるところの工程と、 反応チャンバ内でプラズマ重合反応を起こすことによっ
て半導体基板上に-SiR 2O-繰り返し構造単位を有するシ
ロキサン重合体膜を形成する工程と、から成る方法。1. A white substrate formed on a semiconductor substrate by plasma treatment.
A method for forming a xane polymer insulating film, comprising: Silicon to produce material gas for siloxane polymers
A step of vaporizing a hydrocarbon-based compound, the method comprising:
Hydrocarbons have the chemical formula SiαOα-1R2α-β + 2(OCnH2n + 1)β
(Where α is an integer from 1 to 3, β is 2 and n is an integer from 1 to 3 and R
Is C bonded to Si 1-6(Which is a hydrocarbon)
Process, Reaction chamber for plasma CVD process with semiconductor substrate
Introducing a material gas into the chamber, A process for introducing an additive gas consisting of an inert gas and an oxidizing gas.
However, the oxidizing gas is used in a smaller amount than the source gas.
The process used By causing a plasma polymerization reaction in the reaction chamber
On a semiconductor substrate-SiR 2O-having a repeating structural unit
Forming a loxane polymer film.
は、シロキサン重合体膜のC原子濃度を多くとも20%に
するのに有効な量の酸化ガスから成る、ところの方法。2. A method according to claim 1, wherein the additive gas comprises an oxidizing gas in an amount effective to bring the C atom concentration of the siloxane polymer film to at most 20%.
重合反応は、100msec≦Rtとなるように反応チャンバ内
の反応ガスの滞留時間Rtを延長するよう反応ガスの流量
を制御しながら起こされ、Rtは、 Rt[s]=9.42×107(Pr・Ts/Ps・Tr)rw 2d/F ここで、 Pr:反応チャンバ圧力(Pa) Ps:標準大気圧(Pa) Tr:反応ガスの平均温度(K) Ts:標準温度(K) rw:シリコン基板の半径(m) d:シリコン基板と上部電極との距離(m) F:反応ガスの総流量(sccm) と定義されるところの方法。3. The method according to claim 1, wherein in the plasma polymerization reaction, the flow rate of the reaction gas is controlled so as to extend the residence time Rt of the reaction gas in the reaction chamber so that 100 msec ≦ Rt. Raised, Rt is Rt [s] = 9.42 × 10 7 (Pr ・ Ts / Ps ・ Tr) r w 2 d / F where Pr: Reaction chamber pressure (Pa) Ps: Standard atmospheric pressure (Pa) Tr : Average temperature of reaction gas (K) Ts: Standard temperature (K) r w : Radius of silicon substrate (m) d: Distance between silicon substrate and upper electrode (m) F: Total flow rate of reaction gas (sccm) The method as defined.
は誘電率を滞留時間に相関させることによって決定され
る、ところの方法。4. The method according to claim 1, wherein the residence time is determined by correlating the dielectric constant with the residence time.
は少なくともアルゴン(Ar)若しくはヘリウム(He)のいず
れかから成る、ところの方法。5. The method according to claim 1, wherein the additive gas comprises at least argon (Ar) or helium (He).
の流量はシロキサン重合体膜の比誘電率を3.10以下にす
るよう制御される、ところの方法。6. The method according to claim 1, wherein the flow rate of the reaction gas is controlled so that the relative dielectric constant of the siloxane polymer film is 3.10.
くとも165msecである、ところの方法。7. The method of claim 1, wherein Rt is at least 165 msec.
系炭化水素内に存在するアルコキシは1から3個の炭素
原子を有する、ところの方法。8. The method according to claim 1, wherein the alkoxy present in the silicon-based hydrocarbon has 1 to 3 carbon atoms.
系炭化水素化合物内に存在する炭化水素は1から6個の
炭素原子(n=1〜6)を有する、ところの方法。9. The method according to claim 1, wherein the hydrocarbon present in the silicon-containing hydrocarbon compound has 1 to 6 carbon atoms (n = 1 to 6).
ン系炭化水素化合物は1から3個のシリコン原子を有す
る、ところの方法。10. The method of claim 1, wherein the silicon-based hydrocarbon compound has 1 to 3 silicon atoms.
ン系炭化水素化合物は1若しくは2個のシリコン原子
(α=1若しくは2)を有する、ところの方法。11. The method according to claim 1, wherein the silicon-based hydrocarbon compound is 1 or 2 silicon atoms.
The method of having (α = 1 or 2).
形成されるシロキサン重合体絶縁膜であって、3.1若し
くはそれ以下の誘電率を有し、-SiR2O-繰り返し構造単
位を有し、及び化学式SiαOα-1R2α-β+2(OCnH2n+1)β
(ここでαは1〜3の整数、βは2、nは1〜3の整数及びR
はSiに結合するC1-6炭化水素である)を有するシリコン
系炭化水素からプラズマ重合反応によって形成される20
%若しくはそれ以下のC原子濃度を有するシロキサン重
合体絶縁膜。12. A siloxane polymer insulating film formed on a semiconductor substrate by the method of claim 1, having a dielectric constant of 3.1 or less, and having -SiR 2 O-repeating structural units, And the chemical formula Si α O α-1 R 2 α- β + 2 (OC n H 2n + 1 ) β
(Where α is an integer from 1 to 3, β is 2 and n is an integer from 1 to 3 and R
Is a C 1-6 hydrocarbon bonded to Si) formed by a plasma polymerization reaction from a silicon-based hydrocarbon having 20
A siloxane polymer insulating film having a C atom concentration of 10% or less.
縁膜であって、2.7若しくはそれ以下の誘電率を有す
る、ところのシロキサン重合体絶縁膜。13. The siloxane polymer insulating film according to claim 12, which has a dielectric constant of 2.7 or less.
縁膜であって、繰り返し構造単位内の前記RはC1炭化水
素である、ところのシロキサン重合体絶縁膜。14. The siloxane polymer insulating film according to claim 12, wherein the R in the repeating structural unit is C 1 hydrocarbon.
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---|---|---|---|---|
WO2007061134A1 (en) * | 2005-11-24 | 2007-05-31 | Nec Corporation | Method for forming porous insulating film, apparatus for manufacturing semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device |
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-
2002
- 2002-04-05 JP JP2002104228A patent/JP2003297821A/en active Pending
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