JP2005026468A - 半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法、その方法を用いた半導体装置および低誘電率絶縁膜形成装置 - Google Patents

半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法、その方法を用いた半導体装置および低誘電率絶縁膜形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体装置の絶縁膜において低誘電率を維持しながら短時間で硬化させることを目的とする。
【解決手段】基板上１に多孔質ＭＳＱからなる塗布膜２を形成し、真空容器内に多孔質ＭＳＱが形成された基板１を載置して、プラズマ基板処理装置１０を用いてマイクロ波励起によって低電子温度で高密度プラズマ処理することにより、多孔質ＭＳＱを構成するある分子中の水酸基と別の分子の水酸基による分子間脱水縮合反応を起こさせて各分子間を結合させて低誘電率を維持しながら硬化させた絶縁膜３を生成する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法、その方法を用いた半導体装置および低誘電率絶縁膜形成装置に関し、特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生し、半導体装置の層間絶縁膜として用いられる低誘電率の塗布膜を、低誘電率を維持しながら硬化させる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化に伴い、金属配線同士の間の寄生容量である配線間容量の増加に起因する配線遅延時間の増大が半導体集積回路の高性能化の妨げとなっている。配線遅延時間は金属配線の抵抗と配線容量との積に比例する。配線遅延時間を低減するには金属配線の抵抗を小さくするために従来のアルミニウム（Ａｌ）に代えて導電率の高い銅（Ｃｕ）が用いられている。
【０００３】
一方、配線容量を小さくするためには、金属配線同士の間に形成される層間絶縁膜の誘電率（ｋ）を小さくすることが考えられ、誘電率の低い層間絶縁膜として、従来の酸化シリコン（ＳｉＯ２）よりも誘電率の低い絶縁膜が使用される。このような低誘電率絶縁膜は、たとえばＳＯＤ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）システムによりウェハ上に形成される。すなわち、ＳＯＤシステムではウェハ上に液状の高分子形成材料を塗布し、加熱処理などの硬化処理（キュア）を施して絶縁膜が形成される。ＳＯＤシステムによって塗布膜を形成した段階では誘電率は低い値を保っている。
【０００４】
しかし、絶縁膜を形成したままでは機械強度が弱くしかも下地の基板との密着性も弱いため、その低い誘電率を保った状態で絶縁膜に対して熱硬化処理が行われる。この熱硬化処理により絶縁膜の分子同士を結合してポリマー化して化学的結合力により強度を高め、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｉｎｇ）処理時に膜相互が剥離してしまうのを避けている。
【０００５】
従来は、炉を用いて例えば３０〜６０分間加熱処理することにより、絶縁膜に対して硬化処理が行われているが、この方法では処理に要する時間が長いばかりでなく所定の機械的な硬さが得られず、長時間加熱すると誘電率が上がってしまうおそれがある。
【０００６】
その他の硬化処理方法として電子ビームを使用する方法もあるが、この方法では２〜６分間の時間で硬化処理できるものの硬さが不十分であり、さらに誘電率を小さくしながら短時間で絶縁膜を硬化させる方法が望まれている。
【０００７】
さらに、特開平８−２３６５２０号公報には、平行板プラズマ反応炉でプラズマ生成することにより絶縁膜を硬化させる方法について記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２３６５２０号公報（段落番号００２４、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記平行板プラズマ反応炉でプラズマ生成することにより絶縁膜を硬化させる方法においては、残留物などが生成されないようにＳＯＧ膜を硬化させることを第１の目的としている。また、上記方法は後続するマスク工程後に感光膜を除去するとき、水分が生成されて電流電圧の特性が低下するのを防ぐことを第２の目的としている。
【００１０】
このために、上記方法では、２００℃〜４５０℃の温度で６０分間絶縁膜を硬化処理することにより、ＳＯＧ膜内の−ＯＨおよび−ＣＨ３などの漏洩電流を発生させる欠陥を減少させている。しかしながら、低誘電率を維持するためにはＣＨ３が必須であり、ＳＯＧ膜を６０分間もプラズマ雰囲気にさらすとＣＨ３が消失して誘電率が高くなってしまうという問題がある。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、半導体装置の絶縁膜において低誘電率を維持しながら短時間で硬化させることができる半導体装置の絶縁膜形成方法、そのような方法で形成された絶縁膜を有する半導体装置および低誘電率絶縁膜形成装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法は、真空容器内に塗布膜が形成された基板を載置して、マイクロ波励起によって低電子温度で塗布膜を高密度プラズマ処理することにより、低誘電率を維持しながら硬化処理する工程を備える。
【００１３】
これにより、低誘電率を維持しながら短時間で塗布膜を硬化させることができる。
【００１４】
硬化処理する工程は、好ましくは５分以下の処理時間で塗布膜を硬化処理することを含む。これにより、時間あたりの処理枚数を増加できるので、半導体処理工程におけるスループットを上げることができる。
【００１５】
硬化処理する工程は、好ましくは０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成することを含む。このように低電子温度で塗布膜を硬化処理することにより、電子の塗布膜に吸引されるエネルギを小さくできるので電子が塗布膜に衝突したときに与えるダメージを軽減できる。
【００１６】
硬化処理する工程は、好ましくは塗布膜を構成するある分子中の水酸基と、別の分子の水酸基による分子間脱水縮合反応を起こさせることを含む。
【００１７】
この発明に従った半導体装置は、基板と、基板上に塗布され、低電子温度の高密度プラズマ処理で硬化された低誘電率を有する絶縁膜とを備える。
【００１８】
一つの実施形態では、高密度プラズマ処理によって硬化した絶縁膜の分子構造は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を有する。
【００１９】
さらに、この発明に従った低誘電率絶縁膜形成装置は、真空容器内に塗布膜が形成された基板を載置して、マイクロ波励起によって低電子温度で高密度プラズマ処理することにより、低誘電率を維持しながら塗布膜を硬化処理する硬化手段を備える。
【００２０】
硬化手段は、例えば０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は、この発明の絶縁膜を形成するために使用されるプラズマ基板処理装置の断面図であり、図２は図１に示したスロット板の一部破断斜視図である。
【００２３】
プラズマ基板処理装置１０は、被処理基板としてのシリコンウエハＷを保持する基板保持台１２が設けられた処理容器１１を含む。処理容器１１内の気体（ガス）は、排気ポート１１Ａおよび１１Ｂから図示しない排気ポンプを介して排気される。なお、基板保持台１２はシリコンウエハＷを加熱するヒータ機能を有している。
【００２４】
処理容器１１の装置上方（上側）には、基板保持台１２上のシリコンウエハＷに対応して開口部が設けられている。この開口部は、石英や酸化アルミニウムからなる誘電体板１３により塞がれている。誘電体板１３の上部（外側）には、図２に示すようなアンテナとして機能するスロット板１４が配置されている。スロット板１４は、例えば円板状の薄板銅板からなる円形導体板１４１を含み、円形導体板１４１には多数のスリット１４２が形成されている。これらのスリット１４２により処理容器１１内の空間に対して均一な電界分布が形成される。
【００２５】
スロット板１４のさらに上部（外側）には、石英，アルミナ，窒化アルミニウムなどからなる誘電体板１５が配置されている。この誘電体板１５は、遅波板または波長短縮板と呼ばれることがあり、マイクロ波の伝播速度を低下させることにより波長を短くしてスロット板１４から放射されるマイクロ波の伝播効率を向上させる。誘電体板１５の上部（外側）には、冷却プレート１６が配置されている。冷却プレート１６の内部には、冷媒が流れる冷媒路１６ａが設けられている。また、処理容器１１の上端中央には、マイクロ波を導入する同軸導波管１８が設けられており、処理容器１１の内壁には、ガスを導入するためのガスノズル２２が設けられている。同様に、処理容器１１の内壁外側には、容器全体を囲むように冷媒流路２４が形成されている。
【００２６】
この発明は図１に示したプラズマ基板処理装置１０を用いて、以下に説明するプラズマ処理を行うことにより、低誘電率を維持しながら短時間で絶縁膜を硬化させる。
【００２７】
図３はこの発明の一実施形態の絶縁膜を形成する処理過程を示す絶縁膜の断面図であり、図４は硬化処理前の絶縁膜とプラズマ基板処理装置１０でプラズマ処理した絶縁膜の分子構造を示す図である。
【００２８】
まず、図３（ａ）に示す基板１が準備され、ＳＯＤシステムによって、図３（ｂ）に示すように基板１上に低誘電率の絶縁膜材料が塗布されて、塗布膜２が形成される。ここで、塗布される絶縁材料は例えば多孔質ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌ ｓｅｓｑｕｅ ｏｘａｎｅ）などの誘電率が例えば２．４以下の低誘電率絶縁膜である。この多孔質膜ＭＳＱは図４（ａ）に示すように一方の分子がＯ−Ｓｉ−ＯのＳｉに結合された水酸基で終端され、他方の分子がＯ−Ｓｉ−ＯのＳｉに結合された水酸基で終端され、一方の分子と他方の分子とが切り離された構造も含んでいる。
【００２９】
次に、塗布膜２が形成された基板１が図示しない搬送装置により図１に示したプラズマ基板処理装置１０の処理空間内に搬送される。そして、プラズマ基板処理装置１０の処理空間内にアルゴン（Ａｒ），水素（Ｈ２），ヘリウム（Ｈｅ）単体またはこれらの組合わせによる混合ガスを導入するとともに、同軸導波管１８に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給して、処理空間内に２５０℃〜４００℃程度の温度で、０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成する。この高密度プラズマにより、例えば処理時間が５分以下、より好ましくは１〜２分間で塗布膜２を硬化させるためのプラズマ処理が行われ、塗布膜２は図３（ｃ）に示すように硬化処理された絶縁膜３となる。
【００３０】
なお、上述の低電子温度については、予め同条件で原料ガスのガスノズル２２からシリコンウエハＷの間の空間について、ラングミュアプローブにより測定した。また、電子温度もラングミュアプローブ測定により確認した。
【００３１】
このプラズマ処理によって図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように隣接する一方と他方の分子同士が結合される。すなわち、図４（ａ）に示す一方の水酸基の水素が切り離され、他方の分子の水酸基とＳｉとの結合が切り離される。そして、切り離された水素と水酸基とが結合して水となり、この水が飛ばされて分子間脱水縮合反応が行われる。このような分子間脱水縮合反応により、図４（ｂ）に示すようにＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が生じる。このようなＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合により、絶縁膜３が硬化する。
【００３２】
図５はこの発明の一実施形態と従来の電子ビームによる硬化処理時間と誘電率との関係を示し、図６はこの発明の一実施形態と従来の電子ビームによる硬化処理時間と弾性率との関係を示す図であり、丸印は従来の電子ビームを用いた硬化処理結果を示し、三角印はプラズマ基板処理装置１０を用いてプラズマ処理した実施形態の結果を示している。
【００３３】
図５に示すように電子ビームによる場合には、処理時間を１２０秒間にすると誘電率は２．２５位であり、さらに処理時間を長くして３６０秒間にすると誘電率は２．３位まで高くなっている。これに対して、この実施形態ではプラズマ基板処理装置１０を用いて、プラズマ処理時間を６０秒間にすると誘電率はほぼ２．２であり、プラズマ処理時間を３００秒間にすると誘電率はあまり変化せずわずかに２．２の値を上回っているに過ぎない。プラズマ処理時間を６０秒間から３００秒間のそれぞれの間にした場合にも誘電率はほぼ２．２の値が維持されている。
【００３４】
すなわち、図５から電子ビームを用いた硬化処理に比べて、プラズマ基板処理装置１０を用いてプラズマ処理した方が誘電率を低くできる。また、電子ビームを用いた場合は硬化処理時間が長くなるにつれて誘電率が上昇する傾向があるのに対して、プラズマ基板処理装置１０を用いた場合にはプラズマ処理時間が長くなってもほぼ同じ誘電率を維持できることがわかる。
【００３５】
一方、図６に示す弾性率と処理時間との関係から明らかなように、電子ビームを用いた場合には、硬化処理時間を１２０秒間にすると弾性率は約６ＧＰａになり、硬化処理時間を３００秒間にすると弾性率は約８ＧＰａに上昇した。これに対して、プラズマ基板処理装置１０を用いた場合には、プラズマ処理時間を６０秒間にすると弾性率が約６．５ＧＰａになり、プラズマ処理時間を３６０秒間にすると弾性率は約８．２ＧＰａに上昇している。プラズマ処理時間を６０秒間から３００秒間の間のそれぞれの時間にすると、弾性率は６．５ＧＰａから８．２ＧＰａの間の値になっている。このように、弾性率に関しては電子ビームを用いた場合と、プラズマ基板処理装置１０を用いた場合は、ともに処理時間が長くなれば弾性率も高くなる傾向を示している。
【００３６】
したがって、図５および図６に示した結果から、電子ビームを用いた硬化処理では処理時間が長くなれば弾性率を高めることができても誘電率も高くなってしまうことが認められる。これに対して、プラズマ基板処理装置１０を用いたプラズマ処理では、処理時間が長くなれば弾性率を高めることができ、しかも同じ誘電率を維持できることがわかる。
【００３７】
図７はプラズマ基板処理装置１０を用いた他の実施形態による硬化処理と、炉および電子ビームを用いた従来の硬化処理の具体的な実験結果を対比して示した表である。なお、図７（ａ）はＭＳＱ１膜を用いているのに対して、図７（ｂ）および（ｃ）はＭＳＱ２膜を使用している。
【００３８】
図７（ａ）に示すように炉によって温度を４２０℃および処理時間を６０分間にして硬化処理した結果、膜質は誘電率が２．１６、弾性率が５．４ＧＰａ、硬度が０．５ＧＰａ、メチル残存率（Ｓｉ−Ｍｅ／ＳｉＯ）が０．０２５となった。これに対して、プラズマ基板処理装置１０によって温度を３５０℃および処理時間を１分間にしてプラズマ処理した結果、膜質は誘電率が２．３９、弾性率が６．９ＧＰａ、硬度が０．６ＧＰａ、メチル残存率が０．０１１となった。
【００３９】
この結果から、従来の炉による硬化処理に比べて、プラズマ基板処理装置１０でプラズマ処理した実施形態の方が、極めて短時間で硬化処理でき、膜質も誘電率は多少高くなるが、弾性率や硬度をより高くできることが明らかである。
【００４０】
また、図７（ｂ）に示すように電子ビームによって温度を３５０℃および処理時間を２分間にして硬化処理した結果、膜質は誘電率が２．２４、弾性率が５．９ＧＰａ、硬度が０．５２ＧＰａとなった。このとき、メチル基の残存率は確認できなかった。これに対して、プラズマ基板処理装置１０によって温度を３５０℃で処理時間を１分間にしてプラズマ処理した結果、膜質は誘電率が２．２１、弾性率が７．６ＧＰａ、硬度が０．７ＧＰａ、メチル残存率が０．０２６となった。これにより、メチル基を存在させた状態で誘電率を下げられることがわかる。
【００４１】
さらに、図７（ｃ）に示すように、電子ビームによって温度を３５０℃および処理時間を６分間にして硬化処理した結果、膜質は誘電率が２．３１、弾性率が８．２ＧＰａ、硬度が０．７５ＧＰａとなった。このとき、メチル基の残存率は確認できなかった。これに対して、プラズマ基板処理装置１０によって温度を３５０℃および処理時間を５分間にしてプラズマ処理した結果、膜質は誘電率が２．２１、弾性率が８．６ＧＰａ、硬度が０．８ＧＰａ、メチル残存率が０．０２１となった。
【００４２】
この結果から、従来の電子ビームによって硬化処理しても、プラズマ基板処理装置１０でプラズマ処理しても誘電率はほぼ似た値を示しているが、プラズマ基板処理装置１０による処理の方が、メチル基を残存させながら弾性率および硬度を高くできることがわかる。
【００４３】
また、この実施形態では、マイクロ波を用いたプラズマ基板処理装置１０を使用することにより低電子温度雰囲気にすることができるので、絶縁膜に対するダメージを少なくできる。すなわち、電子温度が高ければシースバイアス電圧が高くなるのでプラズマ中の電子が絶縁膜に吸引されるときのエネルギが大きくなるため、電子が絶縁膜に衝突したとき絶縁膜にダメージを与えてしまう。これに対して、電子温度が低ければ電子の絶縁膜に吸引されるときのエネルギが小さくなるので、電子が絶縁膜に衝突したときの絶縁膜に対するダメージを小さくでき、メチル基の残存率が低下することなく誘電率を小さくできる。
【００４４】
また、硬化処理時間を５分以下、より好ましくは１〜２分に設定できるので、ウェハ３の搬送時間を考慮しても１時間あたり２０〜３０枚のウェハを処理でき、半導体処理工程におけるスループットを向上できる。
【００４５】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の範囲内において、図示した実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、真空容器内に低誘電率の塗布膜が形成された基板を載置して、マイクロ波励起によって低電子温度で高密度プラズマ処理することにより、低誘電率を維持しながら短時間で塗布膜を硬化させることができ、下地の基板に対しても密着させることができる。
【００４７】
また、５分以下の処理時間で硬化処理することにより、時間あたりの処理枚数を増加できるので半導体処理工程におけるスループットを上げることができる。
【００４８】
さらに、０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成することにより、電子の塗布膜に吸引されるエネルギを小さくできるので電子が塗布膜に衝突したときに与えるダメージを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の低誘電率絶縁膜を形成するために使用されるプラズマ基板処理装置の断面図である。
【図２】図１に示したスロット板の一部破断斜視図である。
【図３】この発明の一実施形態の低誘電率絶縁膜を形成する処理過程を示す絶縁膜の断面図である。
【図４】硬化処理前の絶縁膜とプラズマ基板処理装置で硬化した絶縁膜の分子構造を示す図である。
【図５】この発明の一実施形態と従来の電子ビームによる硬化処理時間と誘電率との関係を示す図である。
【図６】この発明の一実施形態と従来の電子ビームによる硬化処理時間と弾性率との関係を示す図である。
【図７】この発明によるの他の実施形態と、従来の炉および電子ビームを用いた硬化処理の具体的な実験結果を対比して示した表である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 塗布膜、３ 硬化処理した絶縁膜、１０ プラズマ基板処理装置、１１ 処理容器、１１Ａ，１１Ｂ 排気ポート、１２ 基板保持台、１３，１５ 誘電体板、１４ スロット板、１６ 冷却プレート、１６ａ 冷媒路、１８ 同軸導波管、２２ ガスノズル、２４ 冷媒流路、１４１ 円形導体板、１４２ スロット、Ｗ 半導体ウェハ。

Claims (8)

  1. 真空容器内に塗布膜が形成された基板を載置して、マイクロ波励起によって低電子温度で高密度プラズマ処理することにより、低誘電率を維持しながら前記塗布膜を硬化処理する工程を備える、半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法。
  2. 前記硬化処理する工程は、５分以下の処理時間で前記塗布膜を硬化処理することを含む、請求項１に記載の半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法。
  3. 前記硬化処理する工程は、０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成することを含む、請求項１または２に記載の半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法。
  4. 前記硬化処理する工程は、該塗布膜を構成するある分子中の水酸基と、別の分子における水酸基による分子間脱水縮合反応を起こさせることを含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法。
  5. 基板と、
    前記基板上に塗布され、低電子温度の高密度プラズマ処理で硬化された低誘電率を有する絶縁膜とを備える、半導体装置。
  6. 前記高密度プラズマ処理によって硬化した前記絶縁膜の分子構造は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を有する、請求項５に記載の半導体装置。
  7. 真空容器内に前記塗布膜が形成された基板を載置して、マイクロ波励起によって低電子温度で前記塗布膜を高密度プラズマ処理することにより、低誘電率を維持しながら前記絶縁膜を硬化処理する硬化処理手段を備える、低誘電率絶縁膜形成装置。
  8. 前記硬化処理手段は、０．５〜１．５ｅＶの低電子温度および１０１１〜１０１３個／ｃｍ３の電子密度でプラズマを生成することを含む、請求項７に記載の低誘電率絶縁膜形成装置。
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