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    • 8. 发明专利
    • 有機矽氧烷膜及使用其之半導體裝置
    • 有机硅氧烷膜及使用其之半导体设备
    • TWI322469B
    • 2010-03-21
    • TW094119388
    • 2005-06-10
    • 日立化成工業股份有限公司
    • 龍崎大介福田宏
    • H01LC23C
    • H01L21/02126H01L21/02274H01L21/02282H01L21/3121H01L21/3122H01L21/76801Y10T428/31612
    • 本發明係提供介電率極低之有機矽氧烷膜的介電率壽命為10年以上之材料設計指南。
      其比介電率係為2.1以下之有機矽氧烷膜,相對於膜中的矽量,其碳量之元素比為0.10以上0.55以下。 【創作特點】 有鑑於上述多孔質有機矽氧烷膜的課題,本發明係以提供低介電率的多孔質有機矽氧烷膜的比介電率壽命為10年以上的材料設計指標為目的。又,以提供使用多孔質有機矽氧烷膜為層間絕緣膜之高性能、高信頼的半導體裝置及平面顯示裝置為目的。
      上述課題之比介電率為2.1以下的有機矽氧烷膜,可由對矽量之碳量(以下為碳量/矽量)以元素比為0.1以上0.55以下所達成。以下以實驗事實為基礎說明其根據。
      準備複數碳量/矽量為0.45~0.65,比介電率為2.1的有機矽氧烷膜,測定比介電率壽命。此處,碳量/矽量、比介電率、比介電率壽命依以下的測定方法測定。
      〔碳量/矽量的測定方法〕為測定碳量/矽量的定量,以使用俄歇(Auger)電子分光(AES)分析為理想。傅立葉(Fourier)變換型紅外分光(FT-IR)久缺定量性不理想。本發明相關的有機矽氧烷膜的碳量/矽量,係將有機矽氧烷膜的清淨表面於AES分析裝置內以1μm徑光束測定時的碳元素濃度與矽元素濃度之比。具體的係於基板上僅形成膜厚200 nm±20 nm的有機矽氧烷膜之試料成型為約1 cm四方,將其導入AES分析裝置(Physical Elctronics公司PHI 670)。接著,於AES分析裝置內以氬分壓10 mPa,離子加速電壓1.5 kV的氬濺鍍條件將有機矽氧烷膜由表面蝕刻50 nm程度,露出清淨表面。其次,以加速電壓10 kV,電子束電流10 nA,電子束徑1μm的電子線測定碳元素濃度與矽元素濃度,算出碳量/矽量。於上述測定條件,厚度200 nm±20 nm的矽熱氧化膜的碳量/矽量為0.00,厚度200 nm±20 nm的單結晶碳化矽膜的碳量/矽量為1.00。使用如此預先已知元素組成的矽熱氧化膜或單結晶碳化膜,確實充分的校正AES分析裝置為理想。又,測定組裝於半導體裝置或平面顯示裝置等的裝置的有機矽氧烷膜的碳量/矽量時,由於有機矽氧烷膜未露出於裝置的最表面不能分析。此時,將裝置成型為1 cm四方後,研磨至有機矽氧烷膜露出於最表面。將該試料導入AES分析裝置後,依上述之同樣條件的氬濺鍍條件露出清淨表面,以上述同條件的電子線測定碳元素濃度與矽元素濃度。
      〔比介電率的測定方法〕此處,本發明的有機矽氧烷膜的比介電率係指於140℃±5℃,濕度10%以下的氣體環境所測定之值,由鋁極與n型矽基板的電荷容量的測定求得。具體的,首先形成比介電率測定用有機矽氧烷膜。例如,於n型矽基板(電阻
    • 本发明系提供介电率极低之有机硅氧烷膜的介电率寿命为10年以上之材料设计指南。 其比介电率系为2.1以下之有机硅氧烷膜,相对于膜中的硅量,其碳量之元素比为0.10以上0.55以下。 【创作特点】 有鉴于上述多孔质有机硅氧烷膜的课题,本发明系以提供低介电率的多孔质有机硅氧烷膜的比介电率寿命为10年以上的材料设计指针为目的。又,以提供使用多孔质有机硅氧烷膜为层间绝缘膜之高性能、高信赖的半导体设备及平面显示设备为目的。 上述课题之比介电率为2.1以下的有机硅氧烷膜,可由对硅量之碳量(以下为碳量/硅量)以元素比为0.1以上0.55以下所达成。以下以实验事实为基础说明其根据。 准备复数碳量/硅量为0.45~0.65,比介电率为2.1的有机硅氧烷膜,测定比介电率寿命。此处,碳量/硅量、比介电率、比介电率寿命依以下的测定方法测定。 〔碳量/硅量的测定方法〕为测定碳量/硅量的定量,以使用俄歇(Auger)电子分光(AES)分析为理想。傅里叶(Fourier)变换型红外分光(FT-IR)久缺定量性不理想。本发明相关的有机硅氧烷膜的碳量/硅量,系将有机硅氧烷膜的清净表面于AES分析设备内以1μm径光束测定时的碳元素浓度与硅元素浓度之比。具体的系于基板上仅形成膜厚200 nm±20 nm的有机硅氧烷膜之试料成型为约1 cm四方,将其导入AES分析设备(Physical Elctronics公司PHI 670)。接着,于AES分析设备内以氩分压10 mPa,离子加速电压1.5 kV的氩溅镀条件将有机硅氧烷膜由表面蚀刻50 nm程度,露出清净表面。其次,以加速电压10 kV,电子束电流10 nA,电子束径1μm的电子线测定碳元素浓度与硅元素浓度,算出碳量/硅量。于上述测定条件,厚度200 nm±20 nm的硅热氧化膜的碳量/硅量为0.00,厚度200 nm±20 nm的单结晶碳化硅膜的碳量/硅量为1.00。使用如此预先已知元素组成的硅热氧化膜或单结晶碳化膜,确实充分的校正AES分析设备为理想。又,测定组装于半导体设备或平面显示设备等的设备的有机硅氧烷膜的碳量/硅量时,由于有机硅氧烷膜未露出于设备的最表面不能分析。此时,将设备成型为1 cm四方后,研磨至有机硅氧烷膜露出于最表面。将该试料导入AES分析设备后,依上述之同样条件的氩溅镀条件露出清净表面,以上述同条件的电子线测定碳元素浓度与硅元素浓度。 〔比介电率的测定方法〕此处,本发明的有机硅氧烷膜的比介电率系指于140℃±5℃,湿度10%以下的气体环境所测定之值,由铝极与n型硅基板的电荷容量的测定求得。具体的,首先形成比介电率测定用有机硅氧烷膜。例如,于n型硅基板(电阻<10Ω cm)上形成200 nm±20 nm的有机硅氧烷膜。接着,于该有机硅氧烷膜之上以真空蒸镀设备于真空蒸镀厚度约100 nm的直径2mm的圆形铝电极。由此,将有机硅氧烷膜配置于铝电极与n型硅基板之间形成MIS构造样品。其次,该MIS构造样品的电荷容量,使用连接介电质试验定位器(Aziland公司制:HP16451B)之LF阻抗分析器(Aziland公司制:HP4192A)的设备,以基板温度140℃,氮气排气的气体环境,频率10 kHz测定。然后将电荷容量的测定值代入下述式(1)有机硅氧烷膜的比介电率=3.597×10 - 5 ×电荷容量(pF)×有机硅氧烷膜的厚度(nm)………(1)算出硅系被膜的比介电率。 〔比介电率寿命的测定方法〕使用上述〔比介电率的测定方法〕所示之MIS构造样品。MIS构造样品的铝电极与n型硅基板使用pA计/DC电压电源器(Aziland公司制HP4140B)附加电场强度0.5~8.0 MV/cm的电场。持续附加电场持续测定比介电率,于某一时间比介电率上升后保持一定。测定于各电场强度之比电率上升的时间,以纵轴:其时间的常用对数、横轴:电场强度,作成曲线图。该曲线之电场强度0.2 MV/cm外插之值定义为比介电率寿命。使用以上的测定方法测定时,有机硅氧烷膜的碳量/硅量与实使用电场强度相关的比介电率寿命的关系如图1所示。即碳量/硅量越小比介电率寿命越长,碳量/硅量为0.55以下时的比介电率寿命为10年以上。又,碳量/硅量有下限,碳量/硅量小于0.1时产生吸湿的问题。由此理由,碳量/硅量以0.1以上0.55以下为理想,更理想为0.25以上0.55以下,0.40以上0.55以下最为理想。 碳量/硅量为0.55,比介电率1.8至2.3的有机硅氧烷的实使用电场强度相关的比介电率上升率(比介电率寿命之比介电率上升之比例)如图2所示。即,比介电率为2.1以下时的比介电率上升率为超出10%,知比介电率上升之程度变大。比介电率上升率越超出10%者,例如45 nm的LSI必要之比介电率2.1的有机硅氧烷膜时,意味比介电率上升至2.3。即,由于与65 nm之LSI必要之比介电率相同,与级别后退的等价。一方面比介电率大于2.1时,由于比介率上升率小于10%,小于不成为比介电率的上升问题的程度。 碳量/硅量为比介电率的寿命关系的原因,以图3为基础加以说明。图3,为有机硅氧烷膜的初期膜与比介电率上升后(比介电率寿命后即刻)的傅里叶变换型红外线分光光谱的比较。依图标,有机硅氧烷膜的有机基之甲基于介电率寿命后立即完全破坏。此系电场应力之破坏。即碳量/硅量越多,因电场应力之甲基破坏的确率变高,比介电率寿命变短。 又,说明比介电率越小比介电率上升率越大的原因。由于比介电率越小有机氧烷膜中的电孔越多,于比介电率寿命甲基被破坏时吸湿量变多之故。由本发明所得之有机硅氧烷膜,可使用含有聚硅氧烷之原料涂布之步骤形成。其时,亦可于该原料液中追加感光剂,且并用光微影术步骤将该有机硅氧烷膜图型化。又,该有机硅氧烷膜可由使用等离子化学气相蒸镀或热化学气相蒸镀于基板上将膜堆积之步骤形成。 如以上之说明,依本发明,有硅氧烷膜的比介电寿命可为10年以上,接着,可实现持有长期信赖性且比介电率极低之多孔质有机硅氧烷膜,又,使用该多孔质有机硅氧烷膜作为层绝缘膜,可实现高性能、高信赖的半导体设备及平面显示设备。