JP2004186403A - Method for forming boron nitride film and film forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ホウ素膜の成膜方法及び成膜装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、トランジスタの高集積化やスイッチング動作の高速化のため、配線間の容量による損失が問題となってきている。また、回路に適用する配線の材料をアルミニウム合金から銅材へと変更し、配線の低抵抗化が図られるようになってきた。この結果、配線に接触する薄膜部材には、低比誘電率はもちろんのこと、特に銅の拡散防止機能が求められるようになってきた。
【0003】
このような状況で、極めて低比誘電率(比誘電率κが4.0以下)をもつ窒化ホウ素(BN)が注目されてきている。窒化ホウ素の薄膜は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition) 法により成膜することができる。しかしながら、これまで成膜することができた窒化ホウ素膜は、低い比誘電率を有するものの、金属の拡散防止機能については十分でないという問題があった(例えば、下記特許文献1、2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−293516号公報
【特許文献2】
特開2002−016135号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このため、現在、ある程度の低比誘電率を有しつつ、かつ十分な金属の拡散防止機能を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる成膜方法及び成膜装置の実現が切望されている。
【0006】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、窒化ホウ素膜、更には金属の拡散防止機能を有するバリア膜として適用可能な窒化ホウ素膜を成膜することができる成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決する第1の発明に係る成膜方法は、
成膜室内にプラズマを発生させ、前記成膜室内でジボランガスとアンモニアガスとを反応させ、基板に窒化ホウ素膜を成膜することを特徴とする。
【0008】
上記目的を解決する第2の発明に係る成膜方法は、
第1の発明に係る成膜方法において、
前記成膜室内において、前記ジボランガスとプラズマ化させたアンモニアガスとを反応させることを特徴とする。
【0009】
上記目的を解決する第3の発明に係る成膜方法は、
第1又は第2の発明に係る成膜方法において、
前記ジボランガスを前記成膜室内に供給する流量と前記アンモニアガスを前記成膜室内に供給する流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することを特徴とする。
【0010】
上記目的を解決する第4の発明に係る成膜方法は、
第3の発明に係る成膜方法において、
前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することを特徴とする。
【0011】
上記目的を解決する第5の発明に係る成膜方法は、
第1ないし第4の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記基板の温度を200℃ないし450℃に設定することを特徴とする。
【0012】
上記目的を解決する第6の発明に係る成膜方法は、
第1ないし第5の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記ジボランガスは、ジボランガス以外のガスで希釈されたことを特徴とする。
【0013】
上記目的を解決する第7の発明に係る成膜方法は、
第1ないし第6の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記窒化ホウ素膜は、金属拡散を防止するバリア膜であることを特徴とする。
【0014】
上記目的を解決する第8の発明に係る成膜装置は、
成膜室の上部に設置され、前記成膜室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することを特徴とする。
【0015】
上記目的を解決する第9の発明に係る成膜装置は、
成膜室の上部に設置され、前記成膜室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段と、
前記成膜室の内圧を制御する圧力制御手段と、
前記アンモニアガス及び前記ジボランガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記基板保持部の温度を制御する温度制御手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することを特徴とする。
【0016】
上記目的を解決する第10の発明に係る成膜装置は、
第9の発明に係る成膜装置において、
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することを特徴とする。
【0017】
上記目的を解決する第11の発明に係る成膜装置は、
第9の発明に係る成膜装置において、
前記圧力制御手段により、前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定すると共に、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することを特徴とする。
【0018】
上記目的を解決する第12の発明に係る成膜装置は、
第9ないし第11の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記温度制御手段により、前記基板の温度を200℃ないし450℃に設定することを特徴とする。
【0019】
上記目的を解決する第13の発明に係る成膜装置は、
第8ないし第12の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記ジボランガスは、ジボランガス以外のガスで希釈されたことを特徴とする。
【0020】
上記目的を解決する第14の発明に係る成膜装置は、
第8ないし第13の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記窒化ホウ素膜は、金属拡散を防止するバリア膜であることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
<窒化ホウ素膜の成膜について>
図1に基づいて、本発明の実施形態に係る成膜方法及び成膜装置を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る成膜方法を実施する成膜装置の概略透視断面図である。
【0022】
図1に示すように、円筒状の容器1内には成膜室2が形成され、容器1の上部には円形の天井板3が設けられている。容器1の中心における成膜室2には基板保持部としての静電チャック4が備えられ、静電チャック4には静電チャック用直流電源5が接続されて半導体の基板6が静電チャック4の上面に静電的に吸着保持される。
【0023】
天井板3の上には、例えば、円形リング状の高周波アンテナ7が配置され、高周波アンテナ7には整合器8を介して高周波電源9が接続されている。高周波アンテナ7に電力を供給することにより電磁波が容器1の成膜室2に入射する。成膜室2に入射された電磁波は、成膜室2内に導入されたガスをイオン化してプラズマ10を発生させる(プラズマ発生手段)。
【0024】
容器1には、成膜室2内にアンモニアガス(NH3 ガス)11(>99.999%) を導入するアンモニアガス導入手段としてのアンモニアガスノズル12及び、アンモニアガスノズル12の下方側の成膜室2内にジボラン(B2 H6 )含有ガス13を導入するジボランガス導入手段としてのジボランガスノズル14が設けられている。ジボランガスノズル14から成膜室2内に導入されるジボラン含有ガス13は、水素(H2 )ガスで希釈されたジボランガス(ジボランガス濃度:1%〜5%)となっている。なお、ジボランガスを希釈するガスとしては、水素ガスのほかにヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の不活性ガス等を適用することができる。
【0025】
上述したプラズマCVD装置では、静電チャック4に基板6が載せられて静電的に吸着される。圧力制御手段としての真空ポンプ(図示せず)等により成膜室2内を所定の圧力に調整すると共に、アンモニアガスノズル12からアンモニアガス11が所定流量で導入され、ジボランガスノズル14からジボラン含有ガス13が所定流量で導入される。高周波電源9から高周波アンテナ7に整合器8を介して高周波電力(1MHz〜100MHz,1kW〜10kW)を印加することにより、成膜室2内で主にアンモニアガス11が励起されてプラズマ状態となり、アンモニアガス11が励起された後、ジボラン含有ガス13と混合されて反応し、基板6上に窒化ホウ素(BN)膜15が成膜される。このとき、基板6の温度は温度制御手段としてのヒーター(図示せず)等により200℃から450℃に設定される。
【0026】
成膜室2内では、アンモニアガスノズル12が高周波アンテナ7側に設けられているため、主にアンモニアガス11が励起されてプラズマ化し、プラズマ化したアンモニアガスと水素ガスで希釈されたジボランガスとが反応する。この反応により、ガス状の窒化ホウ素と水素ガスが生成し、水素ガスが排気されて窒化ホウ素膜15が基板6に成膜される。なお、アンモニアガスノズル12とジボランガスノズル14とを逆に配置、すなわち、ジボランガスノズル14を高周波アンテナ7側に配置してジボラン含有ガス13をプラズマ化すると、ホウ素が固体化してアンモニアガスと反応しなくなる。
【0027】
アンモニアガスノズル12からのアンモニアガス11の流量及びジボランガスノズル14からのジボラン含有ガス13の流量については、アンモニアガスの流量とジボランガスの流量の比であるジボラン/アンモニア流量比が0.1〜1となるように設定されている。好ましくは、流量比が0.2〜0.5となるように設定する。より好ましくは、流量比が0.25となるように設定する。
【0028】
また、成膜室2内の成膜時の圧力は、0.5mTorr〜10mTorrに設定する。好ましくは、1mTorr〜5mTorrである。より好ましくは、2mTorr〜3mTorrである。更に、ジボランガスの流量とアンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定する。好ましくは、100sccm〜400sccmである。より好ましくは、200sccm〜300sccmである。
【0029】
<窒化ホウ素膜の物性について>
上述する実施形態により成膜した窒化ホウ素膜15について、測定条件として室温、2MV/cmとし電圧−電流測定を行ったところ、窒化ホウ素膜のリーク電流特性はシリコン酸化膜(SiO2 膜)と同等であることが確認された。
【0030】
次に、本実施形態により成膜した窒化ホウ素膜15について、バリア性の評価試験を行った。バリア性とは、薄膜に接触した金属(例えば、銅や銀等)が原子レベルで薄膜中に拡散することを防止するという薄膜の有する機能である。図2は、バリア性の評価試験方法を概念的に示した図である。まず、評価を行うバリア膜21の表面にCu電極22を、バリア膜21の裏面に層間絶縁膜23及びAl電極24を形成し、キャパシタ20を作製した。このキャパシタ20について、電圧−電流特性によりバリア膜21の絶縁性を評価した。次に、加速試験を行うため、キャパシタ20を200℃で10分間、加熱した。加速試験後のキャパシタ20について、電圧−電流特性によりバリア膜21の絶縁性を評価した。
【0031】
加速試験(加熱処理)前後の絶縁性評価値を比較し、バリア性の評価を行った。すなわち、加速試験前の絶縁性(値)をバリア性100%とした場合に、加速試験後の絶縁性(値)がどの程度低下したかにより、バリア性の評価とした。
【0032】
また、バリア性の評価を行った窒化ホウ素膜15については、成膜条件を種々変化させて成膜したものを評価した。成膜条件については、ジボラン/アンモニア流量比、ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量、成膜室2の内圧をそれぞれ単独で変化させて、成膜条件を変化させた。
【0033】
図3は、ジボラン/アンモニア流量比を変化させて成膜した窒化ホウ素膜15のバリア性評価結果を示した図である。同図に示すように、ジボラン/アンモニア流量比が0.1〜1の場合に高いバリア性を示す窒化ホウ素膜を成膜可能なことが分かる。一方、ジボラン/アンモニア流量比が0.05の場合には、窒化ホウ素膜中の窒素含有量が多いため、また、ジボラン/アンモニア流量比が1.1の場合には、窒化ホウ素膜中のホウ素含有量が多いため、バリア性が低下する。
【0034】
図4は、ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量を変化させて成膜した窒化ホウ素膜15のバリア性評価結果を示した図である。同図に示すように、ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量が100sccmから1000sccmの場合に高いバリア性を示す窒化ホウ素膜を成膜可能なことが分かる。一方、ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量が50sccmの場合には、ガスが希薄なため、また、ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量が1100sccmの場合には、ガスが濃厚なため、窒化ホウ素膜の成膜がうまくできず、バリア性が低下する。
【0035】
図5は、成膜室2の内圧を変化させて成膜した窒化ホウ素膜15のバリア性評価結果を示した図である。同図に示すように、成膜室2の内圧が0.5mTorrから10mTorrの場合に高いバリア性を示す窒化ホウ素膜を成膜可能なことが分かる。一方、成膜室2の内圧が0.3mTorrの場合には、ガスが希薄なため、また、成膜室2の内圧が11mTorrの場合には、ガスが濃厚なため、窒化ホウ素膜の成膜がうまくできず、バリア性が低下する。
【0036】
本実施形態に係るプラズマCVD装置を用いた成膜方法では、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率でありながら、高バリア性による優れた絶縁特性を有する窒化ホウ素膜15を成膜することができる。また、ホウ素源としてジボランガスを用いたことにより、成膜速度を高速にすることが可能になる。
【0037】
<窒化ホウ素膜のバリア膜としての適用>
図6は、本実施形態に係るプラズマCVD装置で成膜した窒化ホウ素膜をバリア膜とした集積回路の概略構成図である。図6に基づいて、本実施形態に係る窒化ホウ素膜をバリア膜として適用した例を説明する。
【0038】
同図に示すように、高集積回路(LSI)では、トランジスタ31の高集積化やスイッチング動作の高速化のため、配線32間の容量による損失を解消することが行われている。このため、製造プロセスにおいて、配線32間に存在する層間絶縁膜33及びバリア膜35には、低比誘電率の膜が用いられるようになっている。
【0039】
層間絶縁膜33としては、一般に低比誘電率の有機塗布膜やポーラス膜が採用されてきた。しかしながら、有機塗布膜等の層間絶縁膜33は、低比誘電率であっても、機械的・化学的耐性や熱伝導性の点で問題があった。このため、近年では、従来の技術の欄でも説明したように、極めて低い比誘電率を実現し、かつ機械的特性等の問題を解消した窒化ホウ素の薄膜(特開2002−293516号公報、参照)が用いられている。
【0040】
また、層間絶縁膜33として、上記公知の成膜技術で成膜された低比誘電率の窒化ホウ素膜を適用しても、配線32間に存在する他の部材であるバリア膜35の比誘電率が低くなければ、配線32間の容量増加をまねき問題となる。しかしながら、従来の窒化ホウ素膜は低比誘電率であるもののバリア性が低いためバリア膜として適用できない。そこで、バリア膜35として、低比誘電率をほぼ維持しつつ、かつバリア性に優れた本実施形態に係る窒化ホウ素膜を適用した。本実施形態に係る窒化ホウ素膜は、上述した特有の成膜方法及び成膜装置により、従来とほぼ同等の低比誘電率を維持しつつ、かつ優れたバリア性を実現したものであり、バリア膜35として適用可能としたものである。
【0041】
なお、有機塗布膜やポーラス膜の層間絶縁膜33と保護膜34に対して電圧−容量測定を行った結果、比誘電率κがκ<2.2であったことが確認されている。
【0042】
また、図7には、本実施形態に係る窒化ホウ素膜を配線32周囲のバリア膜35だけでなく、層間絶縁膜33間の保護膜36にも適用した例を示す。本実施形態に係る窒化ホウ素膜は、層間絶縁膜33間の保護膜36としても適用可能である。これにより、密着性や耐吸湿性を維持した状態で、加工条件が厳しくなるLSIプロセスに適合した層間絶縁膜33の要求に応えることが可能になる。
【0043】
【発明の効果】
第1の発明に係る成膜方法によれば、
成膜室内にプラズマを発生させ、前記成膜室内でジボランガスとアンモニアガスとを反応させ、基板に窒化ホウ素膜を成膜することとしたので、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率かつ、優れたバリア性を有する窒化ホウ素膜を高速に成膜することができる。すなわち、集積回路における配線形成工程において、比誘電率が4以下程度の窒化ホウ素膜からなるバリア膜、保護膜等を形成することにより、配線遅延を引き起こす同一層配線間容量及び配線層間容量の増加を抑制するデバイスを形成することが可能となり、高速化を実現したデバイスを簡便な方法により製造することができると共に、窒化ホウ素膜の有する金属に対する拡散防止機能を確保しつつ、更に低比誘電率の効果を有効に活用することができる。
【0044】
第2の発明に係る成膜方法によれば、
第1の発明に係る成膜方法において、
前記成膜室内において、前記ジボランガスとプラズマ化させたアンモニアガスとを反応させることとしたので、第1の発明に係る効果に加え、成膜時におけるホウ素の固体析出を防止することができる。
【0045】
第3の発明に係る成膜方法によれば、
第1又は第2の発明に係る成膜方法において、
前記ジボランガスを前記成膜室内に供給する流量と前記アンモニアガスを前記成膜室内に供給する流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0046】
第4の発明に係る成膜方法によれば、
第3の発明に係る成膜方法において、
前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0047】
第5の発明に係る成膜方法によれば、
第1ないし第4の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記基板の温度を200℃ないし450℃に設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0048】
第6の発明に係る成膜方法によれば、
第1ないし第5の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記ジボランガスを、ジボランガス以外のガスで希釈したので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0049】
第7の発明に係る成膜方法によれば、
第1ないし第6の発明のいずれかに係る成膜方法において、
前記窒化ホウ素膜は、金属拡散を防止するバリア膜であることとしたので、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率かつ、優れたバリア性を有する金属拡散防止膜を成膜することができる。
【0050】
第8の発明に係る成膜装置によれば、
成膜室の上部に設置され、前記成膜室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することとしたので、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率かつ、優れたバリア性を有する窒化ホウ素膜を高速に成膜することができる。
【0051】
第9の発明に係る成膜装置によれば、
成膜室の上部に設置され、前記成膜室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段と、
前記成膜室の内圧を制御する圧力制御手段と、
前記アンモニアガス及び前記ジボランガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記基板保持部の温度を制御する温度制御手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することとしたので、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率かつ、優れたバリア性を有する窒化ホウ素膜を高速に成膜することができる。
【0052】
第10の発明に係る成膜装置によれば、
第9の発明に係る成膜装置において、
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0053】
第11の発明に係る成膜装置によれば、
第9の発明に係る成膜装置において、
前記圧力制御手段により、前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定すると共に、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0054】
第12の発明に係る成膜装置によれば、
第9ないし第11の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記温度制御手段により、前記基板の温度を200℃ないし450℃に設定することとしたので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0055】
第13の発明に係る成膜装置によれば、
第8ないし第12の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記ジボランガスを、ジボランガス以外のガスで希釈したので、より効果的に低比誘電率かつ高いバリア性を有する窒化ホウ素膜を成膜することができる。
【0056】
第14の発明に係る成膜装置によれば、
第8ないし第13の発明のいずれかに係る成膜装置において、
前記窒化ホウ素膜は、金属拡散を防止するバリア膜であることとしたので、機械的・化学的耐性に優れ、熱伝導性が高く、低比誘電率かつ、優れたバリア性を有する金属拡散防止膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る成膜方法を実施する成膜装置の概略透視断面図である。
【図2】バリア性の評価試験方法を概念的に示した図である。
【図3】ジボラン/アンモニア流量比を変化させて成膜した窒化ホウ素膜のバリア性評価結果を示した図である。
【図4】ジボランガスとアンモニアガスの総ガス流量を変化させて成膜した窒化ホウ素膜のバリア性評価結果を示した図である。
【図5】成膜室の内圧を変化させて成膜した窒化ホウ素膜のバリア性評価結果を示した図である。
【図6】本実施形態に係るプラズマCVD装置で成膜した窒化ホウ素膜をバリア膜とした集積回路の概略構成図である。
【図7】本実施形態に係る窒化ホウ素膜をバリア膜と保護膜とに適用した集積回路の概略構成図である。
【符号の説明】
1 容器
2 成膜室
3 天井板
4 静電チャック
5 静電チャック用直流電源
6 基板
7 高周波アンテナ
8 整合器
9 高周波電源
10 プラズマ
11 アンモニアガス
12 アンモニアガスノズル
13 ジボラン含有ガス(B2 H6 含有ガス)
14 ジボランガスノズル
15 窒化ホウ素膜
20 キャパシタ
21 バリア膜
22 Cu電極
23 層間絶縁膜
24 Al電極
31 トランジスタ
32 配線
33 層間絶縁膜
34 保護膜
35 バリア膜
36 保護膜(本発明の窒化ホウ素膜を適用)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for forming a boron nitride film.
[0002]
[Prior art]
In recent years, loss due to capacitance between wirings has become a problem due to high integration of transistors and high-speed switching operation. Further, the material of the wiring applied to the circuit has been changed from an aluminum alloy to a copper material, and the resistance of the wiring has been reduced. As a result, thin film members that come into contact with the wiring are required to have not only a low dielectric constant but also a copper diffusion preventing function.
[0003]
Under such circumstances, attention has been paid to boron nitride (BN) having an extremely low relative permittivity (relative permittivity κ is 4.0 or less). The thin film of boron nitride can be formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. However, although a boron nitride film that can be formed so far has a low relative dielectric constant, there is a problem that its function of preventing metal diffusion is not sufficient (for example, see
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-293516 A [Patent Document 2]
JP-A-2002-016135 [0005]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, at present, there is an urgent need for a film forming method and a film forming apparatus capable of forming a boron nitride film having a certain low dielectric constant and a sufficient metal diffusion preventing function. .
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a film forming method and a film forming apparatus capable of forming a boron nitride film, which can be further applied as a barrier film having a metal diffusion preventing function. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the invention, there is provided a film forming method comprising:
A plasma is generated in a film formation chamber, and a diborane gas and an ammonia gas are reacted in the film formation chamber to form a boron nitride film on a substrate.
[0008]
According to a second aspect of the invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to the first invention,
In the film forming chamber, the diborane gas is reacted with the ammonia gas that has been turned into plasma.
[0009]
According to a third aspect of the invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to the first or second invention,
Diborane / ammonia, which is a ratio of a flow rate at which the diborane gas is supplied into the film formation chamber and a flow rate at which the ammonia gas is supplied into the film formation chamber, is set to 0.1 to 1.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to the third invention,
The pressure at the time of film formation in the film formation chamber is set to 0.5 mTorr to 10 mTorr, and the total gas flow rate of the diborane gas flow rate and the ammonia gas flow rate is set to 100 sccm to 1000 sccm.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to any one of the first to fourth inventions,
The temperature of the substrate may be set in a range of 200 ° C. to 450 ° C.
[0012]
According to a sixth aspect of the invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to any one of the first to fifth inventions,
The diborane gas is diluted with a gas other than diborane gas.
[0013]
According to a seventh aspect of the invention, there is provided a film forming method comprising:
In the film forming method according to any one of the first to sixth inventions,
The boron nitride film is a barrier film for preventing metal diffusion.
[0014]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a film forming apparatus comprising:
A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit for introducing diborane gas, inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
The method is characterized in that a boron nitride film is formed on a substrate.
[0015]
According to a ninth aspect of the invention, there is provided a film forming apparatus,
A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit that introduces diborane gas inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
Pressure control means for controlling the internal pressure of the film forming chamber,
Gas flow rate control means for controlling the flow rates of the ammonia gas and the diborane gas,
Temperature control means for controlling the temperature of the substrate holding unit,
The method is characterized in that a boron nitride film is formed on a substrate.
[0016]
According to a tenth aspect of the invention, there is provided a film forming apparatus comprising:
In a film forming apparatus according to a ninth aspect,
The gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is a ratio of the flow rate of the diborane gas to the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1.
[0017]
A film forming apparatus according to an eleventh invention for solving the above object,
In a film forming apparatus according to a ninth aspect,
The pressure control unit sets a pressure at the time of film formation in the film formation chamber to 0.5 mTorr to 10 mTorr,
The gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is the ratio of the flow rate of the diborane gas to the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1 and the total gas flow rate of the diborane gas and the flow rate of the ammonia gas. The flow rate is set to 100 sccm to 1000 sccm.
[0018]
A film forming apparatus according to a twelfth invention for solving the above-mentioned object,
In the film forming apparatus according to any one of the ninth to eleventh aspects,
The temperature of the substrate is set at 200 ° C. to 450 ° C. by the temperature control means.
[0019]
A film forming apparatus according to a thirteenth invention that solves the above object,
In the film forming apparatus according to any one of the eighth to twelfth aspects,
The diborane gas is diluted with a gas other than diborane gas.
[0020]
A film forming apparatus according to a fourteenth invention for solving the above object,
In the film forming apparatus according to any one of the eighth to thirteenth aspects,
The boron nitride film is a barrier film for preventing metal diffusion.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<About boron nitride film formation>
A film forming method and a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic perspective sectional view of a film forming apparatus for performing a film forming method according to an embodiment of the present invention.
[0022]
As shown in FIG. 1, a
[0023]
A high frequency antenna 7 having, for example, a circular ring shape is arranged on the ceiling plate 3, and a high frequency power supply 9 is connected to the high frequency antenna 7 via a
[0024]
The
[0025]
In the plasma CVD apparatus described above, the substrate 6 is placed on the electrostatic chuck 4 and is electrostatically attracted. The inside of the
[0026]
In the
[0027]
As for the flow rate of the
[0028]
The pressure during film formation in the
[0029]
<About physical properties of boron nitride film>
When the voltage-current measurement was performed on the
[0030]
Next, a barrier property evaluation test was performed on the
[0031]
The insulation evaluation values before and after the acceleration test (heat treatment) were compared to evaluate the barrier properties. That is, when the insulation (value) before the acceleration test was set to 100% of the barrier property, the barrier property was evaluated based on how much the insulation (value) after the acceleration test was reduced.
[0032]
Further, as for the
[0033]
FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluating the barrier properties of the
[0034]
FIG. 4 is a diagram showing the results of evaluating the barrier properties of the
[0035]
FIG. 5 is a diagram showing the evaluation results of the barrier properties of the
[0036]
In the film forming method using the plasma CVD apparatus according to the present embodiment, the nitride having excellent mechanical and chemical resistance, high thermal conductivity, low relative dielectric constant, and excellent insulating properties due to high barrier properties is provided. The
[0037]
<Application of boron nitride film as barrier film>
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an integrated circuit using a boron nitride film formed by the plasma CVD apparatus according to the present embodiment as a barrier film. An example in which the boron nitride film according to the present embodiment is applied as a barrier film will be described with reference to FIG.
[0038]
As shown in FIG. 1, in a highly integrated circuit (LSI), loss due to capacitance between the wirings 32 is eliminated in order to achieve high integration of the
[0039]
As the
[0040]
In addition, even if a low specific dielectric constant boron nitride film formed by the above-described known film forming technique is applied as the
[0041]
In addition, as a result of performing voltage-capacity measurement on the organic insulating film or the porous
[0042]
FIG. 7 shows an example in which the boron nitride film according to the present embodiment is applied not only to the
[0043]
【The invention's effect】
According to the film forming method of the first invention,
Plasma is generated in the film formation chamber, a diborane gas and an ammonia gas are reacted in the film formation chamber, and a boron nitride film is formed on the substrate. A boron nitride film having a high, low dielectric constant and excellent barrier properties can be formed at a high speed. That is, by forming a barrier film, a protective film, and the like made of a boron nitride film having a relative dielectric constant of about 4 or less in a wiring forming process of an integrated circuit, the capacitance between wirings in the same layer and the capacitance between wirings that cause wiring delay are increased. It is possible to manufacture a device that achieves high speed by a simple method, and furthermore, has a low dielectric constant while securing a function of preventing diffusion of a metal contained in the boron nitride film. Can be effectively utilized.
[0044]
According to the film forming method according to the second invention,
In the film forming method according to the first invention,
Since the diborane gas is reacted with the ammonia gas that has been turned into plasma in the film forming chamber, solid deposition of boron during film formation can be prevented in addition to the effect according to the first aspect.
[0045]
According to the film forming method of the third invention,
In the film forming method according to the first or second invention,
Since diborane / ammonia, which is the ratio between the flow rate of supplying the diborane gas into the film formation chamber and the flow rate of supplying the ammonia gas into the film formation chamber, is set to 0.1 to 1, more effective. A boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed.
[0046]
According to the film forming method of the fourth invention,
In the film forming method according to the third invention,
The pressure at the time of film formation in the film formation chamber is set to 0.5 mTorr to 10 mTorr, and the total gas flow rate of the flow rate of the diborane gas and the flow rate of the ammonia gas is set to 100 sccm to 1000 sccm. A boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed.
[0047]
According to the film forming method of the fifth invention,
In the film forming method according to any one of the first to fourth inventions,
Since the temperature of the substrate is set at 200 ° C. to 450 ° C., a boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed more effectively.
[0048]
According to the film forming method of the sixth aspect,
In the film forming method according to any one of the first to fifth inventions,
Since the diborane gas is diluted with a gas other than the diborane gas, a boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed more effectively.
[0049]
According to the film forming method of the seventh invention,
In the film forming method according to any one of the first to sixth inventions,
Since the boron nitride film is a barrier film for preventing metal diffusion, it has excellent mechanical and chemical resistance, high thermal conductivity, low relative dielectric constant, and excellent barrier properties. A film can be formed.
[0050]
According to the film forming apparatus of the eighth aspect,
A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit for introducing diborane gas, inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
Since a boron nitride film is to be formed on the substrate, a boron nitride film with excellent mechanical and chemical resistance, high thermal conductivity, low dielectric constant and excellent barrier properties can be formed at high speed. be able to.
[0051]
According to the film forming apparatus of the ninth aspect,
A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit that introduces diborane gas inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
Pressure control means for controlling the internal pressure of the film forming chamber,
Gas flow rate control means for controlling the flow rates of the ammonia gas and the diborane gas,
Temperature control means for controlling the temperature of the substrate holding unit,
Since a boron nitride film is to be formed on the substrate, a boron nitride film with excellent mechanical and chemical resistance, high thermal conductivity, low dielectric constant and excellent barrier properties can be formed at high speed. be able to.
[0052]
According to the film forming apparatus of the tenth aspect,
In a film forming apparatus according to a ninth aspect,
The gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is the ratio of the flow rate of the diborane gas to the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1, so that the low dielectric constant and high dielectric constant can be more effectively achieved. A boron nitride film having a barrier property can be formed.
[0053]
According to the film forming apparatus of the eleventh aspect,
In a film forming apparatus according to a ninth aspect,
The pressure control unit sets a pressure at the time of film formation in the film formation chamber to 0.5 mTorr to 10 mTorr,
The gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is the ratio of the flow rate of the diborane gas to the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1 and the total gas flow rate of the diborane gas and the flow rate of the ammonia gas. Since the flow rate is set to 100 sccm to 1000 sccm, a boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be more effectively formed.
[0054]
According to the film forming apparatus of the twelfth aspect,
In the film forming apparatus according to any one of the ninth to eleventh aspects,
Since the temperature of the substrate is set at 200 ° C. to 450 ° C. by the temperature control means, a boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed more effectively.
[0055]
According to the film forming apparatus of the thirteenth aspect,
In the film forming apparatus according to any one of the eighth to twelfth aspects,
Since the diborane gas is diluted with a gas other than the diborane gas, a boron nitride film having a low dielectric constant and a high barrier property can be formed more effectively.
[0056]
According to the film forming apparatus of the fourteenth aspect,
In the film forming apparatus according to any one of the eighth to thirteenth aspects,
Since the boron nitride film is a barrier film for preventing metal diffusion, it has excellent mechanical and chemical resistance, high thermal conductivity, low relative dielectric constant, and excellent barrier properties. A film can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective sectional view of a film forming apparatus for performing a film forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually showing an evaluation test method for barrier properties.
FIG. 3 is a view showing the results of evaluating the barrier properties of a boron nitride film formed by changing the flow rate ratio of diborane / ammonia.
FIG. 4 is a diagram showing the results of evaluating the barrier properties of a boron nitride film formed by changing the total gas flow rate of diborane gas and ammonia gas.
FIG. 5 is a diagram showing the results of evaluating the barrier properties of a boron nitride film formed by changing the internal pressure of a film forming chamber.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an integrated circuit using a boron nitride film formed by a plasma CVD apparatus according to the present embodiment as a barrier film.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an integrated circuit in which the boron nitride film according to the embodiment is applied to a barrier film and a protective film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
14
Claims (14)
前記成膜室内において、前記ジボランガスとプラズマ化させたアンモニアガスとを反応させることを特徴とする成膜方法。The film forming method according to claim 1,
A film forming method, wherein the diborane gas is reacted with ammonia gas which has been turned into plasma in the film forming chamber.
前記ジボランガスを前記成膜室内に供給する流量と前記アンモニアガスを前記成膜室内に供給する流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することを特徴とする成膜方法。3. The film forming method according to claim 1, wherein
A film forming method, wherein diborane / ammonia, which is a ratio of a flow rate of supplying the diborane gas into the film forming chamber and a flow rate of supplying the ammonia gas into the film forming chamber, is set to 0.1 to 1. .
前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することを特徴とする成膜方法。The film forming method according to claim 3,
A film forming method, wherein a pressure at the time of film formation in the film forming chamber is set to 0.5 mTorr to 10 mTorr, and a total gas flow rate of the diborane gas flow rate and the ammonia gas flow rate is set to 100 sccm to 1000 sccm.
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することを特徴とする成膜装置。A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit that introduces diborane gas inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
A film forming apparatus for forming a boron nitride film on a substrate.
前記成膜室の下部に設置された基板保持部と、
前記成膜室の内部であって前記プラズマ発生手段に向けて、アンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記成膜室の内部であって前記アンモニアガス導入手段により導入されるアンモニアガスの場所よりも下方側に、ジボランガスを導入するジボランガス導入手段と、
前記成膜室の内圧を制御する圧力制御手段と、
前記アンモニアガス及び前記ジボランガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記基板保持部の温度を制御する温度制御手段とを有し、
基板に窒化ホウ素膜を成膜することを特徴とする成膜装置。A plasma generating means installed at an upper part of the film forming chamber and generating plasma inside the film forming chamber;
A substrate holding unit installed at a lower part of the film forming chamber,
Ammonia gas introduction means for introducing ammonia gas inside the film forming chamber and toward the plasma generation means,
A diborane gas introduction unit for introducing a diborane gas inside the film forming chamber and below a location of the ammonia gas introduced by the ammonia gas introduction unit,
Pressure control means for controlling the internal pressure of the film forming chamber,
Gas flow rate control means for controlling the flow rates of the ammonia gas and the diborane gas,
Temperature control means for controlling the temperature of the substrate holding unit,
A film forming apparatus for forming a boron nitride film on a substrate.
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定することを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to claim 9,
A film forming apparatus, wherein the gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is a ratio between the flow rate of the diborane gas and the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1.
前記圧力制御手段により、前記成膜室内の成膜時の圧力を0.5mTorr〜10mTorrに設定し、
前記ガス流量制御手段により、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量との比である、ジボラン/アンモニアを0.1〜1に設定すると共に、前記ジボランガスの流量と前記アンモニアガスの流量の総ガス流量を100sccm〜1000sccmに設定することを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to claim 9,
The pressure control unit sets a pressure at the time of film formation in the film formation chamber to 0.5 mTorr to 10 mTorr,
The gas flow rate control means sets diborane / ammonia, which is the ratio of the flow rate of the diborane gas to the flow rate of the ammonia gas, to 0.1 to 1, and the total gas flow rate of the diborane gas and the flow rate of the ammonia gas. A film forming apparatus, wherein the flow rate is set to 100 sccm to 1000 sccm.
前記ジボランガスは、ジボランガス以外のガスで希釈されたことを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to any one of claims 8 to 12,
The film forming apparatus, wherein the diborane gas is diluted with a gas other than the diborane gas.
前記窒化ホウ素膜は、金属拡散を防止するバリア膜であることを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to any one of claims 8 to 13,
The film forming apparatus, wherein the boron nitride film is a barrier film for preventing metal diffusion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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---|---|---|---|---|
JP2009152544A (en) * | 2007-10-09 | 2009-07-09 | Applied Materials Inc | Method of forming void in multilevel interconnection structure |
US9460914B2 (en) | 2014-09-17 | 2016-10-04 | Hitachi Kokusai Electric, Inc. | Method of manufacturing semiconductor device, substrate processing apparatus, and non-transitory computer-readable recording medium |
-
2002
- 2002-12-03 JP JP2002351251A patent/JP2004186403A/en active Pending
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JP2009152544A (en) * | 2007-10-09 | 2009-07-09 | Applied Materials Inc | Method of forming void in multilevel interconnection structure |
US9460914B2 (en) | 2014-09-17 | 2016-10-04 | Hitachi Kokusai Electric, Inc. | Method of manufacturing semiconductor device, substrate processing apparatus, and non-transitory computer-readable recording medium |
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