JP2002252226A - 半導体素子用の絶縁膜及びその絶縁膜成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 約２．０以下の比誘電率を有する半導体素子
用の絶縁膜及びその絶縁膜成膜方法を提供すること。 【解決手段】 半導体素子用の絶縁膜１００は、基板６
０上に凝集体１１０が堆積され、更に緻密膜１２０が生
成された多層構造で形成されている。絶縁膜１００の成
膜に際しては、約１ＫＰａの圧力においてレーザアブレ
ーションを実施することにより凝集体１１０を作製す
る。次に、約１ＫＰａの圧力から約１０Ｐａの圧力に遷
移させ、この約１０Ｐａの圧力の下で、圧力以外のパラ
メータ（例えばレーザエネルギー密度）を調整して、レ
ーザアブレーションを実施することにより緻密膜１２０
を作製する。凝集体１１０及び緻密膜１２０から構成さ
れる多層構造の各層の厚さ、及び各層の厚さの比は、タ
ーゲット７０へのレーザ光の照射回数を調整することに
より調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子用の絶
縁膜及びその絶縁膜成膜方法に関し、特に低誘電率を有
する半導体素子用の絶縁膜及びその絶縁膜成膜方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体メモリたとえばＬＳＩに
は、例えば０．１３μｍあるいは０．１５μｍの設計ル
ールに従って設計され実現されているものがある。

【０００３】このようなＬＳＩの動作においては、配線
の抵抗（抵抗成分）と配線間の容量（容量成分）との積
に比例する信号遅延が問題となる。このため、配線によ
る時定数τ∝（Ｃ・Ｒ）（Ｃ＝静電容量、Ｒ＝抵抗値）
を低減する必要がある。

【０００４】たとえば、配線抵抗に関してはＡｌＣｕ配
線からＣｕ配線に変更して、抵抗値を低減するようにし
ている。一方、配線間容量に関しては、その配線間容量
に関係する比誘電率を小さくするようにした層間絶縁膜
を成膜して、静電容量を低減するようにしている。

【０００５】半導体素子用の層間絶縁膜の成膜方法とし
ては、特開平１１−１８６２５８号公報に記載されたも
のが知られている。

【０００６】この公報に記載されたものでは、プラズマ
ＣＶＤチャンバ及びプラズマエッチングチャンバを備え
たマルチモジュールシステムを有するＣＶＤ装置によっ
て、気密性高品位シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）と、多孔
質シリコン酸化膜と、気密性高品位シリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ2）とから構成された３層構造であって比誘電率
（公報では誘電率と称しているが、比誘電率の誤りであ
ると思われる）が２．５〜３．５の層間絶縁膜を成膜し
ている。また高密度プラズマＣＶＤおよびプラズマエッ
チングのプロセス条件を変更することにより連続成膜を
可能としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、半導
体メモリたとえばＬＳＩにおいては、上述した０．１３
μｍあるいは０．１５μｍの設計ルールに基づいた微細
加工よりも更に微細化するために、０．０７μｍの設計
ルールが考えられている。この０．０７μｍの設計ルー
ルの世代では、層間絶縁膜の比誘電率は１．５まで低減
させる必要があると言われている。

【０００８】しかしながら、上述した従来の公報に記載
された方法では、比誘電率が２．５〜３．５の層間絶縁
膜を成膜することはできるものの、次世代の設計ルール
０．０７μｍで必要とされる比誘電率１．５を達成する
ことはできない。

【０００９】そこで、本発明は、約２．０以下の比誘電
率を有する半導体素子用の絶縁膜及びその絶縁膜成膜方
法を提供することを第１の解決課題とする。

【００１０】また、上記公報に記載のものは、ＣＶＤ
（化学的気相成長）により層間絶縁膜を成膜するように
しているので、絶縁膜の厚さを所望の値とすべく例えば
反応ガスの供給を停止したとしても、その時点において
チャンバ内で化学反応をしている場合には、その化学反
応したことにより膜は堆積されるので、膜厚の制御およ
び各層の厚さの比の制御を精度良く行うこはできない。

【００１１】そこで、本発明は、半導体素子用の層間絶
縁膜としての低誘電率の絶縁膜を成膜するに際し、該絶
縁膜についての膜厚の制御および各層の厚さの比の制御
を精度良く行うことのできる半導体素子用の絶縁膜成膜
方法を提供することを第２の解決課題とする。

【００１２】さらに、上記公報に記載のものは、プラズ
マＣＶＤチャンバ及びプラズマエッチングチャンバを備
えたマルチモジュールシステムにより３層構造の層間絶
縁膜を成膜するようにしているので、チャンバを複数必
要とし、しかも、被処理半導体基板を各チャンバ間を搬
送させて処理するための装置が必要となり、装置全体が
複雑になってしまう。

【００１３】そこで、本発明は、１つのチャンバ内で半
導体素子用の層間絶縁膜としての低誘電率の絶縁膜を成
膜することのできる半導体素子用の絶縁膜成膜方法を提
供することを第３の解決課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段、作用および効果】上記第
１の解決課題を達成するため、第１の発明は、基板上に
成膜される半導体素子用の絶縁膜において、前記基板の
成膜する面に対し垂直方向に凝集体と緻密膜とを有する
多層構造で形成されていることを特徴とする。

【００１５】第１の発明に係る半導体素子用の絶縁膜１
００は、図１に示すように、基板６０の成膜する面に対
し垂直方向に、凝集体１１０が堆積され、更に緻密膜１
２０が生成された多層構造で形成されている。

【００１６】この第１の発明によれば、緻密膜と空隙率
の高い凝集体とを有する多層構造の絶縁膜は低誘電率
（比誘電率の小さい）ものとなるので、低誘電率の半導
体素子用の絶縁膜（層間絶縁膜）を提供することができ
る。

【００１７】次に、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記多層構造は、凝集体と微粒子集合体と緻密膜と
を有して形成されていることを特徴とする。

【００１８】第２の発明に係る半導体素子用の絶縁膜２
００は、図２に示すように、基板６０の成膜する面に対
し垂直方向に、凝集体２１０が堆積され、次に微粒子集
合体２２０が堆積され、さらに緻密膜２３０が生成され
た多層構造で形成されている。

【００１９】この第２の発明によれば、上記第１の発明
と同様の作用効果を得ることができる。また、第２の発
明では、凝集体と緻密膜との間に微粒子集合体が介在し
ているので、上記第１の発明の場合と比較して、凝集体
と緻密膜との間の密着強度を向上させることができる。

【００２０】次に、第３の発明は、第１の発明におい
て、前記多層構造は、第１の緻密膜と凝集体と第２の緻
密膜とを有して形成されていることを特徴とする。

【００２１】第３の発明に係る半導体素子用の絶縁膜３
００は、図３に示すように、基板６０の成膜する面に対
し垂直方向に、緻密膜３１０（上記第１の緻密膜）が生
成され、次に凝集体３２０が堆積され、さらに緻密膜３
３０（上記第２の緻密膜）が生成された多層構造で形成
されている。

【００２２】この第３の発明によれば、上記第１の発明
と同様の作用効果を得ることができる。

【００２３】次に、第４の発明は、第１の発明におい
て、前記多層構造は、第１の緻密膜と第１の微粒子集合
体と凝集体と第２の微粒子集合体と第２の緻密膜とを有
して形成されていることを特徴とする。

【００２４】第４の発明に係る半導体素子用の絶縁膜４
００は、図４に示すように、基板６０の成膜する面に対
し垂直方向に、緻密膜４１０（上記第１の緻密膜）が生
成され、次に微粒子集合体４２０（上記第１の微粒子集
合体）が堆積され、次いで凝集体４３０が堆積され、続
いて微粒子集合体４４０（上記第２の微粒子集合体）が
堆積され、さらに緻密膜４５０（上記第２の緻密膜）が
生成された多層構造で形成されている。

【００２５】この第４の発明によれば、上記第１の発明
と同様の作用効果を得ることができる。また、第４の発
明では、凝集体と緻密膜との間に微粒子集合体が介在し
ているので、上記第３の発明の場合と比較して、第１の
緻密膜と凝集体との間、及び該凝集体と第２の緻密膜と
の間の密着強度を向上させることができる。

【００２６】次に、第５の発明は、第１乃至第４の発明
うちの何れかの発明において、前記多層構造の凝集体
は、柱状の凝集体から構成されていることを特徴とす
る。

【００２７】第５の発明に係る半導体素子用の絶縁膜５
００は、例えば図５に示すように、基板６０の成膜する
面に対し垂直方向に、柱状の凝集体５１０が堆積され、
次に緻密膜５２０が生成された多層構造で形成されてい
る。

【００２８】この第５の発明によれば、上記第１乃至第
４の発明のうちの何れかの発明と同様の作用効果を得る
ことができる。なお、第５の発明では、柱状の凝集体を
有している絶縁膜であることから、上記第１乃至第４の
発明の場合と比較して、より一層空隙率の高い半導体素
子用の絶縁膜すなわち、より一層低誘電率（比誘電率の
低い）の半導体素子用の絶縁膜を提供することができ
る。

【００２９】次に、第６の発明は、第１乃至第５の発明
のうちの何れかの発明において、前記凝集体の内部が微
粒子から構成されていることを特徴とする。

【００３０】この第６の発明によれば、凝集体の内部が
微粒子で構成されているのであるから、上記第１乃至第
５の発明の場合と比較して、より一層空隙率の高い半導
体素子用の絶縁膜すなわち、より一層低誘電率（比誘電
率の低い）の半導体素子用の絶縁膜を提供することがで
きる。

【００３１】次に、第７の発明は、第１乃至第６の発明
のうちの何れかの発明において、前記多層構造において
は、１つの緻密膜が最上位に形成されていることを特徴
とする。

【００３２】この第７の発明によれば、多層構造の絶縁
膜の上位層は緻密膜で形成されているので、密着性が良
く、しかも機械的強度も化学的強度も強い半導体素子用
の絶縁膜を提供することができる。

【００３３】また、上記第１乃至第３の解決課題を達成
するため、第８の発明に係る半導体素子用の絶縁膜成膜
方法は、ターゲットと基板とをチャンバ内に配置し、該
チャンバ内の気体の圧力を所定の値に変化させて当該気
体中で前記ターゲットに対するレーザアブレーションに
より、前記基板上に絶縁膜を成膜することを特徴とす
る。

【００３４】第８の発明によれば、１つの半導体素子用
の絶縁膜を成膜するに際し、レーザアブレーション時
に、雰囲気ガスの圧力を変化させるだけで、低誘電率
（比誘電率の小さい）を可能にする多層構造を連続的に
作製することができる。

【００３５】次に、第９の発明に係る半導体素子用の絶
縁膜成膜方法は、チャンバ内にターゲットと基板とを所
定の距離を経て配置する配置工程と、前記チャンバ内に
所定の気体を注入する注入工程と、前記注入工程により
前記気体が注入された状態の前記チャンバ内の気体の圧
力を連続的に遷移させる圧力遷移工程と、前記圧力遷移
工程により前記チャンバ内の圧力が連続的に遷移する過
程でレーザアブレーション法により、前記気体が注入さ
れた状態のチャンバの外部より前記ターゲットに向けて
レーザ光を照射して、前記基板上に絶縁膜を成膜する成
膜工程とを含むことを特徴とする。

【００３６】第９の発明は、第８の発明を他の観点によ
る方法の発明として捉えたものである。

【００３７】次に、第１０の発明に係る半導体素子用の
絶縁膜成膜方法は、第８又は第９の発明において、前記
絶縁膜は、請求項１乃至７のうちの何れかの請求項記載
の半導体素子用の絶縁膜であることを特徴とする。

【００３８】第１０の発明に係る半導体素子用の絶縁膜
成膜方法では、チャンバ内の雰囲気ガスの圧力を連続的
に適宜な圧力値に変化させながら当該雰囲気ガス中で前
記ターゲットに対するレーザアブレーションを実施する
ことにより、上記第１乃至第７の発明に係る半導体素子
用の絶縁膜を成膜する。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。

【００４０】本実施形態では、ターゲットと基板とをチ
ャンバ内に配置し、該チャンバ内の雰囲気ガスの圧力を
連続的に変化させながら当該雰囲気ガス中で前記ターゲ
ットに対するレーザアブレーションにより、前記基板上
に多層構造で形成される絶縁膜を成膜するようにしてい
る。

【００４１】このレーザアブレーションとは、ターゲッ
トにレーザ（レーザ光）を照射することによりターゲッ
トにおける照射部分の表面を高温および溶融状態にし、
その表面を蒸発気化させてクラスター化させることによ
り、このクラスターを基板に付着させることにより薄膜
を形成することである。

【００４２】図７は、本発明に係る半導体素子用の絶縁
膜成膜方法を実現するための装置１０の構成図を示して
いる。

【００４３】図７に示すように、装置１０は、大別し
て、真空チャンバ２０、真空ポンプ３０、ボンベ４０、
レーザ装置５０、基板６０、ターゲット７０、圧力セン
サ８０及びコントローラ９０を有して構成されている。

【００４４】真空チャンバ２０内に、ヒータ付き基板ホ
ルダ６１に保持されている基板６０と、ターンテーブル
７１に載置されているターゲット７０とを、所定の距離
を経て対向するように配置している。また、真空チャン
バ２０は、真空ポンプ３０と配管２１を介して接続され
ていると共に、ボンベ４０と配管２２を介して接続され
ている。さらに、真空チャンバ２０には、レーザ装置５
０から出射されたレーザ光をターゲット７０の所定の位
置に集光させる集光レンズ２３が取り付けられている。

【００４５】なお、基板６０とターゲット７０との間の
距離（以下、ターゲット−基板間距離という）およびタ
ーゲット７０へのレーザ装置５０からのレーザ光の照射
角度は、基板６０に均一な絶縁膜が成膜できるような値
に設定されている。

【００４６】真空ポンプ３０は、図示しないバルブを開
状態にして真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力を調
整する。

【００４７】ボンベ４０からは、図示しないバルブを開
状態にすることで、真空チャンバ２０へ酸素が供給され
るようになっている。真空チャンバ２０へは、酸素のみ
を供給するようにしても良いし、酸素と窒素の混合ガス
など酸素を含む気体を供給するようにしても良い。

【００４８】さらに、上記酸素を含む気体とは、酸素原
子を含む気体であれば良く、例えば、上記酸素（Ｏ
2）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）、オゾン（Ｏ3）などの中か
ら少なくとも一種類を含む気体であれば良い。また、以
降の記述において、「酸素」には「酸素原子」も含まれ
るものとする。

【００４９】レーザ装置５０としては、たとえばＫｒＦ
エキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザなどのエキシマ
レーザ装置、固体レーザ装置などを用いれば良い。

【００５０】ヒータ付き基板ホルダ６１は、移動ステー
ジ６２に取り付けられた状態で、基板６０を保持する。
ヒータ付き基板ホルダ６１の内部には基板６０を加熱す
るヒータ（図示せず）が備えられている。このヒータ
は、低温で堆積された膜をアニールすることによって良
質の薄膜を形成するポストアニールや、堆積時に基板自
身を所定の温度の範囲内に保持して良質な薄膜の形成が
行えるように構成されている。

【００５１】移動ステージ６２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向
及びＺ軸方向（垂直方向）に移動可能になっている。移
動ステージ６２をＸ軸及びＹ軸方向に移動することによ
り、基板６０の所望の範囲に絶縁膜を成膜させることが
できる。また移動ステージ６２をＺ軸方向に移動するこ
とにより、基板６０とターゲット７０との距離を調整す
ることができる。

【００５２】ターンテーブル７１は図示しないモータで
回転させることが可能になっており、このターンテーブ
ル７１を回転させることで、ターゲット７０の同一部分
のみがレーザ照射されて局所的にクレータが生じること
がないように、レーザ照射の均一化を図ることができ
る。

【００５３】圧力センサ８０は、真空チャンバ２０内の
雰囲気ガスの圧力を検出し、この検出した圧力値をコン
トローラ９０に出力する。

【００５４】コントローラ９０は、成膜条件に応じて、
真空ポンプ３０、レーザ装置５０、ヒータ付き基板ホル
ダ６１、移動ステージ６２及びターンテーブル７１を制
御する。例えば、圧力センサ８０からの圧力値に基づい
て、真空ポンプ３０に対して所望の圧力にすべく指令を
出力する。

【００５５】なお、本実施形態では、ターゲット７０は
シリコン（Ｓｉ）を有する材料で構成されている。

【００５６】ここで、半導体素子用の絶縁膜の成膜条件
としてのパラメータとしては、(1)雰囲気ガス（種類と
圧力）(2)レーザのエネルギー強度（エネルギー密
度）、(3)レーザ繰り返し周波数、(4)基板の温度（ヒー
タ温度）、(5)ターゲット−基板間距離、(6)レーザ照射
角度、(7)レーザのショット数などがある。

【００５７】これらのパラメータのうち、上記(6)のパ
ラメータは、基板に均一な絶縁膜が成膜できるようにす
るための条件であり、１つの基板に対する絶縁膜の成膜
に際しては一度設定した値は変更されることはない。

【００５８】一方、上記(1)〜(5)、(7)のパラメータ
は、絶縁膜の空隙率つまり比誘電率を所望の値に調整す
るための条件であり、１つの基板に対する絶縁膜の成膜
に際し、適切な値に調整される。

【００５９】次に、装置１０による半導体素子用の絶縁
膜成膜方法の例について図７を参照して説明する。

【００６０】（１）配置工程 最初に、真空チャンバ２０内に基板６０とターゲット７
０とを所定の距離を経て設置する。このとき、基板６０
およびターゲット７０の配置、及びレーザ照射角度は基
板６０に均一な絶縁膜が成膜できるように配置する。な
お、ヒータ付き基板ホルダ６１内のヒータを上記成膜条
件に応じて適時加熱する。

【００６１】（２）注入工程 次に、真空ポンプ３０はコントローラ９０の指示に従っ
て真空チャンバ２０内を真空にする。またボンベ４０の
図示しないバルブを開けて真空ポンプ２０内に、気体
（例えば酸素）を例えば数ｔｏｒｒ〜数１００ｔｏｒｒ
の圧力範囲内で導入する。

【００６２】（３）圧力遷移工程 真空ポンプ３０は、圧力センサ８０からの圧力値および
予め設定される成膜条件を示す情報に基づいて決定した
コントローラ９０からの指示に従って、注入工程により
気体（雰囲気ガス）が注入された状態の真空チャンバ２
０内の雰囲気ガスの圧力を連続的に遷移させる。

【００６３】この圧力の遷移状態には、緻密膜を形成さ
せることができる程度の圧力（これを第１の圧力とす
る）の状態、凝集体を形成させることができる程度の圧
力（これを第２の圧力とする）の状態、前記第１の圧力
と前記第２の圧力との間の圧力（これを第３の圧力とす
る）の状態が含まれている。

【００６４】また、圧力の遷移過程としては、第１の圧
力から第２の圧力へ又は第２の圧力から第１の圧力へ、
素早く遷移させる場合と徐々に遷移させる場合とがあ
る。

【００６５】（４）成膜工程 真空チャンバ２０内の圧力が、圧力遷移工程により遷移
された各遷移状態での圧力になった状態において、レー
ザ装置５０からターゲット７０へのレーザ照射によるレ
ーザアブレーションが実施されて、詳細は後述するが各
遷移状態での圧力に応じた構造の絶縁膜が生成される。

【００６６】すなわち、上記各遷移状態での圧力におい
て、レーザアブレーション法により、真空チャンバ２０
の外部に配置されているレーザ装置５０からターゲット
７０に向けてレーザ光Ｌを照射して、基板６０上に絶縁
膜を成膜する。

【００６７】勿論、半導体素子用の絶縁膜は、真空チャ
ンバ２０内の雰囲気ガスの圧力以外にも、上記成膜条件
としてのパラメータ（２）〜（５）、（７）の値を調整
することで、絶縁膜の構造が異なってくるので、必要に
応じて上記成膜条件としてのパラメータ（２）〜
（５）、（７）の値を調整して、レーザアブレーション
を実施することになる。

【００６８】ここで、パラメータ（２）＝レーザのエネ
ルギー強度（エネルギー密度）の値あるいはパラメータ
（３）＝レーザ繰り返し周波数の値あるいはパラメータ
（７）＝レーザのショット数の値を調整する場合には、
コントローラ９０は、レーザ装置５０に対して、所望の
エネルギー強度あるいは所望のレーザ繰り返し周波数あ
るいはレーザのショット数又はそれらの変化量を示すデ
ータと共にエネルギー強度あるいは周波数あるいはショ
ット数を調整すべき旨の指令を出力する。

【００６９】また、パラメータ（４）＝基板の温度（ヒ
ータ温度）の値を調整する場合には、コントローラ９０
は、ヒータ付き基板ホルダ６１のヒータに対して、所望
の温度又は温度変化量を示すデータと共に温度調整すべ
き旨の指令を出力する。

【００７０】さらに、パラメータ（５）＝ターゲット−
基板間距離の値を調整する場合には、コントローラ９０
は、移動ステージ６２に対して、Ｚ軸方向（垂直方向）
への移動量を示すデータと共に移動すべき旨の指令を出
力する。

【００７１】ところで、上述した第１の圧力、第２の圧
力および第３の圧力の各圧力に遷移した遷移状態におい
て、レーザアブレーションを実施した場合には、これら
各遷移状態での圧力においては、異なった構造の絶縁膜
が生成されることが知られている。

【００７２】そこで、次に雰囲気ガスの圧力の相違によ
る絶縁膜について、図８を参照して説明する。

【００７３】アブレーション時、真空チャンバ２０内の
雰囲気ガスの圧力が低く（上記第１の圧力）、平均自由
行程がターゲット−基板間距離より十分長ければ、原子
分子が他の原子分子とぶつからず直接基板に到達して、
図８（ａ）に示すように、基板６０に到達した原子分子
６１０は基板６０上をマイグレーションして、基板６０
上に緻密な膜（以下、緻密膜という）が生成される。

【００７４】また、アブレーション時、真空チャンバ２
０内の雰囲気ガスの圧力が上記第１の圧力より高くなる
と（上記第３の圧力）、図８（ｂ）に示すように、原子
分子が凝集して微粒子状（つまり微粒子集合体）６２０
になって基板６０に到達して、基板６０上に微粒子（つ
まり微粒子集合体）６２０が堆積される。

【００７５】さらに、アブレーション時、真空チャンバ
２０内の雰囲気ガスの圧力が更に高く（上記第２の圧
力）、平均自由行程がターゲット−基板間距離より十分
短くなれば、図８（ｃ）に示すように、微粒子が雰囲気
ガス分子と衝突して運動エネルギーを失い、微粒子同士
が会合して凝集体（aggregates）６３０が生成され、基
板６０上に堆積される。なお、雰囲気ガスの圧力が高い
ほど凝集体６３０のサイズは大きくなる。

【００７６】具体的には、上記各圧力の下で、シリコン
（Ｓｉ）をターゲットにして、酸素を含む雰囲気ガス中
でレーザアブレーションにより成膜するとＳｉＯ2膜が
得られる。すなわち、空隙とシリコン（Ｓｉ）及び酸素
とを含むクラスターが基板６０上に付着することで、基
板６０上に空隙とシリコン（Ｓｉ）及び酸素とを含む膜
たとえばＳｉＯ2膜が成膜される。

【００７７】なお以下、本実施形態においては、凝集体
６３０を形成させることができる程度の圧力（上記第２
の圧力に対応）たとえば約１ＫＰａ（単位：キロパスカ
ル）の状態を圧力遷移状態１といい、微粒子集合体６２
０を形成させることができる程度の圧力（上記第３の圧
力に対応）の状態を圧力遷移状態２といい、緻密膜（原
子分子６１０のみによる緻密な膜）を形成させることが
できる程度の圧力（上記第１の圧力に対応）たとえば約
１０Ｐａ（単位：パスカル）の状態を圧力遷移状態３と
いう。

【００７８】次に、上述したような半導体素子用の絶縁
膜成膜方法により成膜される各種の絶縁膜について説明
する。

【００７９】図１乃至図６は、本発明の実施形態に係る
半導体素子用の絶縁膜の断面模式図を示している。

【００８０】ここでは、半導体素子用の各種絶縁膜とと
もに、それらの絶縁膜の具体的な成膜方法を説明する。
また、酸素を含む雰囲気ガス中で、シリコン（Ｓｉ）を
ターゲットとしたレーザアブレーションを実施すること
により、半導体素子用の絶縁膜としてＳｉＯ2膜を成膜
する場合を想定する。

【００８１】図１において、半導体素子用の絶縁膜１０
０は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向に、凝集体
１１０が堆積され、更に緻密膜１２０が生成された多層
構造で形成されている。

【００８２】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、最
初に、真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力が圧力遷
移状態１での圧力（例えば１ＫＰａ）においてレーザア
ブレーションを実施することにより凝集体１１０を作製
する。次に、圧力遷移状態１での圧力から圧力遷移状態
３での圧力（例えば１０Ｐａ）に遷移させ、この圧力遷
移状態３での圧力の下で、上記成膜条件としてのパラメ
ータ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、レーザア
ブレーションを実施することにより緻密膜１２０を作製
する。

【００８３】なお、凝集体１１０及び緻密膜１２０から
構成される多層構造の各層の厚さ、及び各層の厚さの比
は、例えばレーザ装置５０からターゲット７０へのレー
ザ光の照射回数を調整することにより調整する。

【００８４】このようにして成膜される絶縁膜１００
は、凝集体１１０の上面を緻密膜１２０で覆う多層構造
になっている。換言すれば、凝集体１１０から緻密膜１
２０に不連続に変化するものとなっている。

【００８５】このような半導体素子用の絶縁膜１００に
おいては、特に凝集体１１０に空隙が形成されているの
で、誘電率（比誘電率）を低下させることができる。

【００８６】図２において、半導体素子用の絶縁膜２０
０は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向に、凝集体
２１０が堆積され、次に微粒子集合体２２０が堆積さ
れ、さらに緻密膜２３０が生成された多層構造で形成さ
れている。

【００８７】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、最
初に、真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力が圧力遷
移状態１での圧力（例えば１ＫＰａ）においてレーザア
ブレーションを実施することにより凝集体２１０を作製
する。

【００８８】次に、圧力遷移状態１での圧力を徐々に圧
力遷移状態３での圧力（例えば１０Ｐａ）まで遷移させ
る。この場合は、圧力遷移状態１から圧力遷移状態３に
徐々遷移するので、この遷移過程においては、圧力遷移
状態２が存在することになる。この圧力遷移状態２での
圧力においてレーザアブレーションを実施することによ
り微粒子集合体２２０が凝集体２１０に堆積される。

【００８９】そして、圧力遷移状態２から圧力遷移状態
３に遷移した場合に、この圧力遷移状態３での圧力（例
えば１０Ｐａ）の下で、上記成膜条件としてのパラメー
タ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、レーザアブ
レーションを実施することにより緻密膜２３０を作製す
る。

【００９０】なお、凝集体２１０、微粒子集合体２２０
及び緻密膜２３０から構成される多層構造の各層の厚
さ、及び各層の厚さの比は、例えばレーザ装置５０から
ターゲット７０へのレーザ光の照射回数を調整すること
により調整する。

【００９１】このようにして成膜される絶縁膜２００
は、凝集体２１０の上部が徐々に緻密膜２３０に変化
し、これら両者間に微粒子集合体２２０が介在している
多層構造になっている。換言すれば、凝集体２１０から
緻密膜２３０に連続的に変化するものとなっている。

【００９２】このような半導体素子用の絶縁膜２００に
おいては、凝集体と緻密膜との間に微粒子集合体が介在
して、両層が連続的に繋がっているので、上記絶縁膜１
００の場合と比較して、誘電率（比誘電率）は高くなる
ものの、凝集体と緻密膜間の密着強度は大きくなってい
る。

【００９３】図３において、半導体素子用の絶縁膜３０
０は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向に、緻密膜
３１０が生成され、次に凝集体３２０が堆積され、さら
に緻密膜３３０が生成された多層構造で形成されてい
る。

【００９４】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、最
初に、真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力が圧力遷
移状態３での圧力（例えば１０Ｐａ）においてレーザア
ブレーションを実施することにより緻密膜３１０を生成
する。

【００９５】次に、圧力遷移状態３での圧力から圧力遷
移状態１での圧力（例えば１ＫＰａ）に遷移させ、この
圧力遷移状態１での圧力の下で、上記成膜条件としての
パラメータ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、レ
ーザアブレーションを実施することにより凝集体３２０
を作製する。

【００９６】続いて、圧力遷移状態１での圧力から圧力
遷移状態３での圧力（例えば１０Ｐａ）に遷移させ、こ
の圧力遷移状態３での圧力の下で、上記成膜条件として
のパラメータ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、
レーザアブレーションを実施することにより緻密膜３３
０を作製する。

【００９７】なお、緻密膜３１０、凝集体３２０及び緻
密膜３３０から構成される多層構造の各層の厚さ、及び
各層の厚さの比は、例えばレーザ装置５０からターゲッ
ト７０へのレーザ光の照射回数を調整することにより調
整する。

【００９８】このようにして成膜される絶縁膜３００
は、凝集体３２０における上面と下面を緻密膜３１０、
３３０で覆う多層構造になっている。換言すれば、凝集
体３２０から緻密膜３１０、３３０に不連続に変化する
ものとなっている。

【００９９】このような半導体素子用の絶縁膜３００に
おいては、特に凝集体３２０に空隙が形成されているの
で、誘電率（比誘電率）を低下させることができる。

【０１００】図４において、半導体素子用の絶縁膜４０
０は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向に、緻密膜
４１０が生成され、次に微粒子集合体４２０が堆積さ
れ、次いで凝集体４３０が堆積され、続いて微粒子集合
体４４０が堆積され、さらに緻密膜４５０が生成された
多層構造で形成されている。

【０１０１】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、最
初に、真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力が圧力遷
移状態３での圧力（例えば１０Ｐａ）においてレーザア
ブレーションを実施することにより緻密膜４１０を生成
する。

【０１０２】次に、圧力遷移状態３での圧力を徐々に圧
力遷移状態１での圧力（例えば１ＫＰａ）まで遷移させ
る。この場合は、圧力遷移状態３から圧力遷移状態１に
徐々に遷移するので、この遷移過程においては、圧力遷
移状態２が存在することになる。この圧力遷移状態２で
の圧力においてレーザアブレーションを実施することに
より微粒子集合体４２０が緻密膜４１０に堆積される。

【０１０３】そして、圧力遷移状態２から圧力遷移状態
１に遷移した場合に、この圧力遷移状態１での圧力（例
えば１ＫＰａ）の下で、上記成膜条件としてのパラメー
タ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、レーザアブ
レーションを実施することにより凝集体４３０を作製す
る。

【０１０４】さらに、圧力遷移状態１での圧力（例えば
１ＫＰａ）を徐々に圧力遷移状態３での圧力（例えば１
０Ｐａ）まで遷移させる。この場合は、圧力遷移状態１
から圧力遷移状態３に徐々に遷移するので、この遷移過
程においては、上記同様に圧力遷移状態２が存在するこ
とになる。この圧力遷移状態２での圧力においてレーザ
アブレーションを実施することにより微粒子集合体４４
０が凝集体４３０に堆積される。

【０１０５】そして、圧力遷移状態２から圧力遷移状態
３に遷移した場合に、この圧力遷移状態３での圧力（例
えば１０Ｐａ）の下で、上記成膜条件としてのパラメー
タ（２）〜（５）、（７）の値を調整して、レーザアブ
レーションを実施することにより緻密膜４５０を作製す
る。

【０１０６】なお、緻密膜４１０、微粒子集合体４２
０、凝集体４３０、微粒子集合体４４０および緻密膜４
５０から構成される多層構造の各層の厚さ、及び各層の
厚さの比は、例えばレーザ装置５０からターゲット７０
へのレーザ光の照射回数を調整することにより調整す
る。

【０１０７】このようにして成膜される絶縁膜４００
は、凝集体４３０における上部と下部が徐々に緻密膜４
１０、４５０に変化し、これら上部及び下部での両者間
に微粒子集合体４２０、４４０が介在している多層構造
になっている。換言すれば、凝集体３２０から緻密膜３
１０、３３０に連続的に変化するものとなっている。

【０１０８】このような半導体素子用の絶縁膜４００に
おいては、凝集体と緻密膜との間に微粒子集合体を挟
み、両層が連続的に繋がっているので、上記絶縁膜３０
０の場合と比較して、誘電率（比誘電率）は高くなるも
のの、凝集体と緻密膜間の密着強度は大きくなってい
る。

【０１０９】図５において、半導体素子用の絶縁膜５０
０は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向に、柱状の
凝集体５１０が堆積され、次に緻密膜５２０が生成され
た多層構造で形成されている。

【０１１０】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、最
初に、真空チャンバ２０内の雰囲気ガスの圧力が柱状の
凝集体５１０を形成させることができる程度の圧力にお
いて、上記成膜条件としてのパラメータ（２）〜
（５）、（７）の値を調整して、レーザアブレーション
を実施することにより柱状の凝集体５１０を作製する。

【０１１１】次に、柱状の凝集体５１０を形成させるこ
とができる程度の圧力から圧力遷移状態３での圧力に遷
移させ、この圧力遷移状態３での圧力（例えば１０Ｐ
ａ）の下で、上記成膜条件としてのパラメータ（２）〜
（５）、（７）の値を調整して、レーザアブレーション
を実施することにより緻密膜５２０を作製する。

【０１１２】なお、柱状の凝集体５１０及び緻密膜５２
０から構成される多層構造の各層の厚さ、及び各層の厚
さの比は、例えばレーザ装置５０からターゲット７０へ
のレーザ光の照射回数を調整することにより調整する。

【０１１３】このような半導体素子用の絶縁膜５００に
おいては、特に柱状の凝集体５１０は、例えば上記絶縁
膜１００における凝集体１１０と比較して空隙率が高く
なるため、上記絶縁膜１００の場合と比較して誘電率
（比誘電率）を大幅に低下させることができる。

【０１１４】なお、図５に示す半導体素子用の絶縁膜５
００は、図１に示した半導体素子用の絶縁膜１００にお
いて凝集体１１０が柱状の凝集体に変更した多層構造の
ものに相当するものである。従って、図２乃至図４示し
た半導体素子用の絶縁膜においては、当該絶縁膜におけ
る凝集体を、上述した柱状の凝集体５１０を作製する工
程を施すことにより柱状の凝集体に変更した多層構造の
もにすることができる。

【０１１５】このようにして上記絶縁膜２００、３０
０、４００において凝集体に代替して柱状の凝集体を作
製したものの絶縁膜を成膜した場合には、これら各絶縁
膜２００、３００、４００の場合と比較して、各々空隙
率が高くなるため誘電率（比誘電率）を大幅に低下させ
ることができる。

【０１１６】ところで、柱状の凝集体としては、図５に
示したような柱状の凝集体５００の他に、図６に示すよ
うな柱状の凝集体も作製することができる。

【０１１７】すなわち、図６において、半導体素子用の
絶縁膜７００は、基板６０の成膜する面に対し垂直方向
に、緻密膜７１０が生成され、次に微粒子集合体７２０
が堆積され、次いで柱状凝集体７３０が堆積され、続い
て微粒子集合体７４０が堆積され、さらに緻密膜７５０
が生成された多層構造で形成されている。

【０１１８】この場合の絶縁膜の成膜方法としては、柱
状の凝集体を持つ絶縁膜を作るときに、徐々に圧力など
のパラメータを変化させる。このようにして図６に示し
たような多層構造の絶縁膜７００を作ることによって、
空隙率を高めると共に強度も高めることができ、更に安
定な緻密膜を成膜することができる。

【０１１９】内部が微粒子で構成された凝集体を有する
多層構造の絶縁膜においては、上記各絶縁膜１００〜５
００における各凝集体（内部が微粒子で構成されていな
い凝集体）と比較して、空隙率を高くすることができ、
よって上記各絶縁膜１００〜５００の場合と比較して、
より一層、誘電率（比誘電率）を大幅に低下させること
ができる。

【０１２０】上述した半導体素子用の絶縁膜は、その構
造によって誘電率（あるいは比誘電率）、絶縁膜表面の
平坦性、多層構造における各層（構造）間の密着密度が
異なるため、半導体素子用の絶縁膜の成膜に際しては、
必要に応じて適当な構造を選択することになる。

【０１２１】なお、上述した実施形態では、酸素を含む
雰囲気ガス中で、シリコン（Ｓｉ）をターゲットとした
レーザアブレーションを実施することにより、半導体素
子用の絶縁膜としてＳｉＯ2（二酸化シリコン）膜を成
膜する場合を想定したが、本発明はこれに限定されるこ
となく、次のようにしても良い。

【０１２２】すなわち、レーザアブレーションはターゲ
ットや雰囲気ガスを選ばないため、他のターゲットや他
の雰囲気ガスの下でレーザアブレーションを実施する。
これによって、ＳｉＯＦ（フッ素添加シリコン酸化
物）、ＳｉＯＣ（炭素添加シリコン酸化物）、ＣＦ（フ
ロロカーボン）、有機系などの低誘電膜を作製すること
もできる。

【０１２３】以上説明したように本実施形態によれば、
緻密膜と空隙率の高い凝集体とから構成される多層構造
の半導体素子用の絶縁膜を成膜するようにしているの
で、以下のような作用効果を期待することができる。

【０１２４】（１）２０％以上の空隙率を有する凝集体
を作製することで、比誘電率の小さい（つまり低誘電率
の）半導体素子用の層間絶縁膜としての絶縁膜を成膜
し、提供することができる。成膜時に圧力などのパラメ
ータを制御することによって、例えば内部が詰まった球
状の微粒子集合体同士が最密構造をとる構造をつくると
（全ての微粒子集合体は同じ半径を持つものとする）、
約２６％の空隙率を持つことになる。更に疎な構造を作
ることによって更に空隙率を高めることができる。

【０１２５】特に、凝集体を柱状の凝集体あるいは内部
が微粒子から構成される凝集体とすることで、上記の場
合と比較して、より一層空隙率が高くなり、よって、よ
り一層比誘電率の低い半導体素子用の絶縁膜を成膜し、
提供することができる。

【０１２６】すなわち、０．０７μｍの設計ルールを適
用すると思われる次世代半導体プロセスに必要な比誘電
率が１．５である半導体素子用の絶縁膜（層間絶縁膜）
を成膜し、提供することができる。

【０１２７】（２）また、多層構造の絶縁膜の上位層は
緻密膜で形成するようにしているので、密着性が良く、
しかも機械的強度も化学的強度も強い膜が得られる。

【０１２８】（３）また、１つの半導体素子用の絶縁膜
を成膜するに際し、レーザアブレーション成膜（ＰＬ
Ｄ）時に、雰囲気ガスの圧力等の条件を変化させるだけ
で、低誘電率（比誘電率の小さい）を可能にする多層構
造を連続的に作製することができる。

【０１２９】この場合、多層構造を構成する各層たとえ
ば緻密膜、凝集体および微粒子集合体の各層の厚さおよ
び各層の厚さの比は、例えばレーザ装置５０からターゲ
ット７０へのレーザ光の照射回数を調整することによ
り、正確に調整することができる。

【０１３０】（４）さらに、ワンチャンバ（１つの真空
チャンバ２０）を用いて、半導体素子用の層間絶縁膜と
しての低誘電率の絶縁膜を成膜することができる。この
ため、半導体素子用の層間絶縁膜を成膜するための装置
は簡便なものとなる。

【０１３１】これに対して、上述した従来の装置（上述
した公報に記載の装置）では、３層構造の層間絶縁膜を
成膜する際には、プラズマＣＶＤチャンバ及びプラズマ
エッチングチャンバを備えたマルチモジュールシステム
を用いる必要があり、しかも、被処理半導体基板を各チ
ャンバ間を搬送させて処理するための装置が必要とな
り、装置全体が複雑になってしまう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る半導体素子用の絶縁膜の断
面模式図である。

【図２】図２は本発明に係る他の半導体素子用の絶縁膜
の断面模式図である。

【図３】図３は本発明に係る他の半導体素子用の絶縁膜
の断面模式図である。

【図４】図４は本発明に係る他の半導体素子用の絶縁膜
の断面模式図である。

【図５】図５は本発明に係る他の半導体素子用の絶縁膜
の断面模式図である。

【図６】図６は本発明に係る他の半導体素子用の絶縁膜
の断面模式図である。

【図７】図７は本発明に係る半導体素子用の絶縁膜成膜
方法を実現するための装置の構成を示す構成図である。

【図８】図８はチャンバ内の雰囲気ガスの圧力の相違に
よるレーザアブレーション時の絶縁膜の成膜を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１０ 装置、２０ 真空チャンバ、３０ 真空ポンプ、
４０ ボンベ、 ５０ レーザ装置、６０ 基板、６１ ヒータ付き基板
ホルダ、 ６２ 移動ステージ、７０ ターゲット、７１ ターン
テーブル、 ８０ 圧力センサ、９０ コントローラ、 １００、２００、３００、４００、５００、７００ 半
導体素子用の絶縁膜、 １１０、２１０、３２０、４３０ 凝集体、 １２０、２３０、３１０、３３０、４１０、４５０ 緻
密膜 ５２０、７１０、７５０ 緻密膜、 ２２０、４２０、４４０、７２０、７４０ 微粒子集合
体、、 ５１０、７３０ 柱状凝集体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K029 BA46 BB02 BD01 CA02 DB20 5F033 RR01 RR04 RR11 RR21 RR29 SS10 TT01 TT02 TT03 XX24 5F058 BA10 BA20 BD02 BD04 BF17 BF29 BF37 BF80 BJ02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に成膜される半導体素子用の絶縁膜
   において、 前記基板の成膜する面に対し垂直方向に凝集体と緻密膜
   とを有する多層構造で形成されていることを特徴とする
   半導体素子用の絶縁膜。
2. 【請求項２】前記多層構造は、 凝集体と微粒子集合体と緻密膜とを有して形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用の絶縁
   膜。
3. 【請求項３】前記多層構造は、 第１の緻密膜と凝集体と第２の緻密膜とを有して形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用
   の絶縁膜。
4. 【請求項４】前記多層構造は、 第１の緻密膜と第１の微粒子集合体と凝集体と第２の微
   粒子集合体と第２の緻密膜とを有して形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体素子用の絶縁膜。
5. 【請求項５】前記多層構造の凝集体は、 柱状の凝集体から構成されていることを特徴とする請求
   項１乃至４のうちの何れかの請求項記載の半導体素子用
   の絶縁膜。
6. 【請求項６】前記凝集体の内部が微粒子から構成されて
   いることを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れかの
   請求項記載の半導体素子用の絶縁膜。
7. 【請求項７】前記多層構造においては、１つの緻密膜が
   最上位に形成されていることを特徴とする請求項１乃至
   ６のうちの何れかの請求項記載の半導体素子用の絶縁
   膜。
8. 【請求項８】ターゲットと基板とをチャンバ内に配置
   し、該チャンバ内の気体の圧力を所定の値に変化させて
   当該気体中で前記ターゲットに対するレーザアブレーシ
   ョンにより、前記基板上に絶縁膜を成膜することを特徴
   とする半導体素子用の絶縁膜成膜方法。
9. 【請求項９】チャンバ内にターゲットと基板とを所定の
   距離を経て配置する配置工程と、 前記チャンバ内に所定の気体を注入する注入工程と、 前記注入工程により前記気体が注入された状態の前記チ
   ャンバ内の気体の圧力を連続的に遷移させる圧力遷移工
   程と、 前記圧力遷移工程により前記チャンバ内の圧力が連続的
   に遷移する過程でレーザアブレーション法により、前記
   気体が注入された状態のチャンバの外部より前記ターゲ
   ットに向けてレーザ光を照射して、前記基板上に絶縁膜
   を成膜する成膜工程とを含むことを特徴とする半導体素
   子用の絶縁膜成膜方法。
10. 【請求項１０】前記絶縁膜は、請求項１乃至７のうちの
    何れかの請求項記載の半導体素子用の絶縁膜であること
    を特徴とする請求項８又は９記載の半導体素子用の絶縁
    膜成膜方法。