既存の量産製造プロセスでそのまま使える、比誘電率が2.0と低い層間絶縁膜材料

図1　先端プロセスに向けた層間絶縁膜材料「ULKS Ver.3」
比誘電率が低く、既存の製造プロセスに適用可能であることが最大の特長である。出典：アルバック

図2　低誘電率絶縁膜の開発背景
プロセスの微細化が進むに伴い、低誘電率絶縁膜の重要度が増している。

図3　プラズマ耐性が高い絶縁膜材料を開発
プラズマ耐性を高めることで配線加工後に、比誘電率が増大してしまうことを防いだ。

図4　機械的な強度も従来と同等以上
現在実用化されている「PECVD Low-k」材料に比べても、機械的な強度は高い。

図5　低誘電率絶縁膜の開発の歴史
これまでさまざまな観点で、絶縁膜の改良を続けてきた。

 

　微細化が進展するにつれて、配線間や層間に使う低比誘電率（Low-k）絶縁膜材料の重要度が増している。低比誘電率の絶縁膜材料を使わなければ、配線間寄生容量が大きくなり、信号の伝送遅延や消費電力の増大を引き起こすからだ。

　求められる比誘電率の値は製造プロセスの世代で異なり、32nm世代では2.2～2.4、22nm世代では2.0～2.2、1Xnm世代では2.0以下となる。アルバックは、このような次世代システムLSIに向けて、低比誘電率絶縁膜材料「ULKS Ver.3」を開発した（発表資料）。塗布溶液または膜付きのシリコン・ウエハーとして、2010年1月に販売を開始する（図1）。

　塗布溶液は、有機ケイ素化合物を生成する材料と界面活性剤が有機溶媒に溶けたものである^＊1）。焼成後に、SiO₂（二酸化ケイ素）に空孔が形成された多孔質シリカ材料となる。比誘電率が2.0と2.2、2.4の3種類を用意した。「1Xnm世代の製造プロセスにも適用可能だ」（同社）という。

疎水性さらに高めてプラズマ耐性向上

　現在、さまざまな企業が低比誘電率を特長とする絶縁膜材料の開発を進めている（図2）。アルバックが開発した新材料の最大の特長は、Plasma CVD（Chemical Vapor Deposition）法を使った既存の製造プロセスで、そのまま使える点にある。既存の製造プロセスを使った場合でも、比誘電率の増分が0.2以下と小さい（図3）。

　従来の絶縁膜材料を、既存の製造プロセスにそのまま適用した場合、比誘電率が大きくなってしまうことが課題だった。具体的には、「反応性イオン・エッチング (RIE：Reactive Ion Etching）」と呼ぶ配線加工のためのプラズマ処理が原因で、比誘電率が0.5程度増えてしまっていたという。比誘電率が大きくなることは、絶縁膜材料としての特性が劣化してしまうことを意味する。

　「絶縁膜材料を採用する製造装置メーカーの要望は、プラズマ処理後の比誘電率の増加を0.1～0.2程度に抑えるというもの。従来、これを達成するには、プラズマ処理後に追加工程が必要だった」（同社）という。新たな工程を追加すると、LSIの製造に要する時間が伸びたり、製造コストが増えたりしてしまう。これでは、製造装置メーカーや半導体ベンダーには受け入れられない。

機械的な強度も確保

　そこでアルバックでは、比誘電率の増加を防ぐことを目的に、絶縁膜の疎水性をさらに高める改善を施した。具体的には、絶縁膜生成に使うカーボン系材料（メチル基含有オルガノシロキサンオリゴマー）を新たに開発した。

　一般に、プラズマ処理後に比誘電率が増加してしまうのは、絶縁膜に水分が混入してしまうためである。多孔質シリカ膜は、膜中に空孔が無数に形成されているため、水分を吸収しやすい特性がある。水分を吸収すると比誘電率が著しく増大してしまう。水分の吸収を防ぐために、疎水性の官能基であるメチル基（CH₃）を付与しているものの、メチル基はプラズマ処理に弱く、脱離してしまうという弱点があった。これでは、半導体ウエハーを搬送容器（FOUP）に格納するときや、容器に格納して次の処理を待つ間などに、大気中の水分を吸収してしまう。

　新たに開発したカーボン系材料を使えば、疎水性がさらに高まり、プラズマ・ダメージを受けて疎水性が低下した場合でも、水分の吸収を防げるという。これまでは、疎水性を高めた場合、機械的な強度（応力に対するひずみの小ささ）が低下してしまうという副作用があったという。今回、「機械的な強度を維持しつつ、疎水性を最大限高められるオルガノシロキサンオリゴマー材料を見いだした」（同社）という。

　機械的な強度の指標であるヤング率は、Plasma Enhanced CVD（PECVD）を使った製造プロセスで現在実用化されている絶縁膜材料と同等以上である。具体的には、比誘電率が2.0のタイプで5GPa以上を得た（図4）。

「自己組織化」で直径1nmの空孔形成

　なお、アルバックはこれまで、いくつかの観点で低比誘電率材料の開発を進めてきた。具体的には、比誘電率を下げる、機械的な強度を高める、耐湿性を高める、処理時間を短くするといったものである（図5）

　比誘電率を2.5以下に下げるには、SiO2材料に空孔を形成する技術が不可欠となる。SiO2そのものの比誘電率は3を超えるが、空気の比誘電率は約1と小さいので、空孔を多く形成すれば比誘電率を1に近づけられる。2000年には、「自己組織化」と呼ぶ現象を使って、空孔を形成する手法を開発した。

　空孔があるとどうしても、前述のように、外部から水分が入り込むことで比誘電率が増加してしまう。機械的な強度も下がる。空孔を形成しつつも、機械的強度が高く、外部から水分が入り込まない材料が求められる。同社は、2002年に疎水性を高めた多孔質シリカ材料「ISM-2」を、2006年7月には機械的強度を高めた「ULKS Ver.1」、2008年12月には処理時間を短縮した「ULKS Ver.2」を発売していた。

　ただ、上記の絶縁膜材料はいずれも、既存の製造プロセスに追加工程が必要だったため、研究開発といった限られた用途に採用されるにとどまっていたという。

「ULKS Ver.3」の開発に携わった、アルバック次世代半導体材料研究所室長を務める中山高博氏への技術者インタビュー「失敗、って何だろうか 」。