低介电常数绝缘膜形成用材料、低介电常数绝缘膜、低介电常数绝缘膜的形成方法及半导体器件技术

本发明专利技术涉及低介电常数绝缘膜形成用材料、低介电常数绝缘膜、低介电常数绝缘膜的形成方法及具有低介电常数绝缘膜的半导体器件。本发明专利技术目的在于提高由多孔膜构成的低介电常数绝缘膜的机械强度。形成低介电常数绝缘膜的溶液含有硅树脂（２）和主要由硅原子及氧原子构成的具有多个空穴的微粒子（３）及溶剂（４）。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及低介电常数绝缘膜形成用材料、低介电常数绝缘膜、低介电常数绝缘膜的形成方法及具有低介电常数绝缘膜的半导体器件。以往，作为多层布线结构的绝缘膜，采用比介电常数4.2左右的氧化硅薄膜、或比介电常数3.7左右的掺杂氟的氧化硅薄膜等。此外，近来还在研究掺杂甲基(CHF3)的含有有机的氧化硅薄膜，以进一步降低比介电常数。但是，采用含有有机的氧化硅薄膜，由于很难将比介电常数降低到2.5以下，需要在膜内部导入空穴的绝缘膜，即多孔膜。以下，就多孔膜的以往技术进行说明。首先，说明特开2001-294815公报中公开的第1以往例及第2以往例。第1以往例是通过焙烧由含硅树脂及有机溶剂的溶液形成的薄膜而形成多孔膜的例子。如采用此方法，可在薄膜焙烧时有机溶剂气化消失后留下的痕迹上无规则地形成互连孔。在此种情况下，有机溶剂起到作为溶剂的作用和帮助形成空穴的作用。此外，一般采用旋涂法在基板上涂布溶液形成薄膜，采用加热板及冶金炉(电炉)焙烧薄膜。此外，第2以往例是通过焙烧由溶液形成的薄膜而形成多孔膜的例子，上述溶液中除硅树脂及有机溶剂外，通过添加由有机物构成的多孔骨架材料(Porogen)。如采用此方法，通过选择多孔骨架材料，不仅能形成互连孔，而且还可形成独立的孔。此时，多孔骨架材料当然要从薄膜中气化消失。下面，说明特开平8-181133号公报中提到的第2以往例。第3以往例是理论上最一般地构成，采用了如图9所示的溶液。即，如图9所示，在容器101中装有混合硅树脂102、多孔骨架材料103及溶剂104的溶液。特开平8-181133号公报中公开了第3以往例，第3以往例是通过焙烧由含有C60、C70等富勒烯、硅树脂及有机溶剂的溶液形成的薄膜而形成多孔膜的例子。此种情况下富勒烯内部的空心成为空穴。此外，作为第1、第2及第3以往例中的硅树脂，可采用与无机硅树脂相比，能够低介电常数化的甲基倍半硅氧烷(Methyl-silsesquioxane)那样的有机硅树脂。以下，参照附图说明图10说明一例由以往的溶液形成薄膜的方法。对于利用旋涂法在基板上形成了薄膜的基板，一般可采用加热板或电炉进行焙烧。首先，如图10(a)所示，在与旋转装置连接的主轴111的上面安装半导体晶片112，然后，通过药液输送管113在该半导体晶片112上面适量滴下溶液114，形成多孔膜。然后，如图10(b)所示，通过旋转主轴111，转动半导体晶片112，扩展溶液114，形成薄膜115。然后，如图10(c)所示，通过将形成薄膜115的半导体晶片112放置在加热板116上面，然后加热使溶剂挥发。此工序一般称作预焙，在100℃前后的温度下处理大约1～3分钟。然后，如图10(d)所示，通过将半导体晶片112放置在加热板117上面，在200℃前后的温度下热处理大约3分钟。此工序一般称作软焙。然后，如图10(e)所示，将半导体晶片112放置到电炉118中，然后，将电炉的温度升高到约400℃～450℃后，在最高设定温度热处理约1小时。此工序一般称作硬焙，该工序一结束，就在半导体晶片112上形成多孔膜115A。此外，也可利用加热板进行硬焙。另外，根据溶液，优选在软焙和硬焙之间，利用加热板在两者的中间温度下进行约1～3分钟的热处理。图10(f)是图10(e)中的一段虚线部分的放大图。如图10(f)所示，在半导体晶片112上形成的多孔膜115A的内部形成空穴119(图中用白色表示的部分)。但是，纳米级压痕评价的上述多孔膜115A的机械强度最大只能得到约5GPa左右的杨氏模量。目前，实际用于半导体器件的有业绩的绝缘膜的模量，以氧化硅薄膜计约为78GPa，以添加氟的氧化硅薄膜计约为63GPa，以含有有机的氧化硅薄膜计约为10GPa。这样，由于多孔膜115A的机械强度比目前正在用于半导体器件的多层布线用绝缘膜的机械强度低，希望开发机械强度高的多孔膜。图11示出了具有3层布线结构的、同时在使用以往的多孔膜作为绝缘膜的半导体器件上进行丝键合时的截面结构。在图11中，120是半导体晶片，122、124、126是金属布线，123、125、126、128是中空塞，129是用于连接外部布线的垫片。如图11所示，如在垫片129的上面键合丝130，在垫片129及多层布线部产生断裂。因此，在层压形成多层布线时，为保持多层布线需要多孔膜115A的机械强度，同时在键合及封装安装上述半导体器件的芯片时也需要多孔膜115A的机械强度。在使用含有有机的氧化硅薄膜作为绝缘膜时，采用目前的键合技术，破坏界限达到极限，今后即使提高键合技术也急需开发高机械强度的多孔膜。在第1以往例及第2以往例中，由于无规则形成互连孔，为实现比介电常数k＝2.2～2.3的低介电常数薄膜，纳米级压痕评价最大只能得到约低于5GPa下的杨氏模量。上述机械强度的提高依赖于有关第1以往例及第2以往例的膜形成方法，即在焙烧的多孔膜中，由于不存在多孔骨架材料及溶剂，只存在硅树脂，多孔膜的机械强度依赖于硅树脂的原有强度和空穴率(单位体积的空穴占有比例)。在第1以往例或第2以往例中，如要使比介电常数降得更低，由于增大空穴率，机械强度会进一步降低。在第3以往例中，在焙烧后，在多孔膜中还残存富勒烯，但由于其机械强度基本依赖于含有富勒烯的硅树脂的强度，只得到与第1以往例或第2以往例同样的机械强度。此外，富勒烯的含有量如超过30wt％，由于富勒烯相互拴系在一起，机械强度进一步降低。如上所述，如采用以往的多孔膜的形成方法不能形成适合实用的强固的薄膜，其原因在于硅树脂构成的多孔膜的结构本身的机械强度存在界限。此外，采用以往的多孔膜，只能达到比半导体器件所需的机械强度小得多的机械强度，如要使多孔膜低介电常数化，存在降低机械强度的问题。其结果出现的问题是，在将以往的多孔膜实际用于半导体器件的多层布线时，不能制造具有足够强度的半导体器件。此外，即使能够制造半导体芯片，由于在需要封装的安装中损坏半导体器件，不能得到成品。为达到上述目的，本专利技术的第1低介电常数绝缘膜形成用材料由含有微粒子、树脂及溶剂的溶液组成，上述微粒子主要由硅原子及氧原子构成并具有多个空穴。如果采用第1低介电常数绝缘膜形成用材料，确实能够容易形成具有低比介电常数和优良机械强度的低介电常数绝缘膜。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料中，微粒子的尺寸优选大约在1nm以上、30nm以下。这样，在金属布线相互之间可设置得到的低介电常数绝缘膜的情况下，在金属布线为埋入布线时能够在低介电常数绝缘膜上形成具有良好截面形状的布线槽，在金属布线为图形化的布线时，可形成无空隙的光滑的绝缘膜。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料中，微粒子的空穴的尺寸优选大约在0.5nm以上、3nm以下。这样，确实能够在微粒子内部形成多个空穴。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料中，微粒子的多个空穴可以相互连接，也可以相互独立。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料中，优选通过机械断裂具有多个无规则分布的互连孔的物质而形成微粒子。这样就能确实得到具有多个相互连接的空穴的微粒子。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料中，优选通过机械断裂具有多个大约均匀分散的独立孔的物质而形成微粒子。这样就能确实得到具有多个相互独立的空穴的微粒子。在第1低介电常数绝缘膜形成用材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于：由含有微粒子、树脂和溶剂的溶液构成，所述微粒子主要由硅原子及氧原子构成，具有多个空穴。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2002-5-14 2002-1378931.一种低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于由含有微粒子、树脂和溶剂的溶液构成，所述微粒子主要由硅原子及氧原子构成，具有多个空穴。2.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子的尺寸大约在1nm以上、30nm以下。3.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子的空穴的尺寸大约在0.5nm以上、3nm以下。4.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子的多数空穴相互连接。5.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子的多数空穴相互独立。6.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子是通过机械断裂具有无规则分布的多个相连空穴的物质而形成。7.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述微粒子是通过机械断裂具有大致均匀分散的多个独立空穴的物质而形成。8.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于通过化学反应合成所述微粒子。9.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述树脂为硅树脂。10.如权利要求9所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述硅树脂含有有机硅。11.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述树脂为有机聚合物。12.如权利要求1所述的低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于所述溶液进一步含有强化所述树脂与所述微粒子之间结合的化合物。13.一种低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于由具有多个空穴的微粒子构成，所述微粒子是通过机械断裂主要由硅原子及氧原子构成的具有多个无规则分布的多个互连孔的物质而形成，所述空穴由所述多个互连孔组成。14.一种低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于由具有多个空穴的微粒子构成，所述微粒子是通过机械断裂具有多个主要由硅原子及氧原子构成的且大致均匀分散的独立孔的物质而形成的，所述空穴由所述多个独立孔组成。15.一种低介电常数绝缘膜形成用材料，其特征在于由通过化学反应合成的主要由硅原子及氧原子形成的具有多个空穴的微粒子构成。16.一种低介电常数绝缘膜的形成方法，其特征在于具有在基板上涂布含有微粒子、树脂、溶剂的溶液形成薄膜的工序，所述微粒子主要由硅原子及氧原子构成，具有多个空穴；通过加热所述基板挥发所述溶剂，形成由所述薄膜构成的低介电常数绝缘膜的工序...

【专利技术属性】
技术研发人员：中川秀夫，笹子胜，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]