JP2005093721A - 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

Abstract

【課題】 ＣＶＤ膜を膨張させることで誘電率を下げることができる方法および装置を提供する。
【解決手段】 基板上１にＣＶＤ膜２を形成し、真空容器内にＣＶＤ膜２が形成された基板１を載置してアルゴン／水素の比を２５０／５００に設定した混合ガスを流し、真空容器内の圧力を２．０Ｔｏｒｒに設定し、マイクロ波励起によって高密度プラズマを発生させ、プラズマに含まれる水素ラジカルによって基板１上のＣＶＤ膜２を膨張させてＣＶＤ膜の誘電率を低下させる。
【選択図】 図３

Description

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、半導体集積回路装置の層間絶縁膜の誘電率を低くさせる方法および装置に関する。

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。

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る。誘電率を小さくするためには従来の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）に代えて、絶縁膜を多孔質にしたり、エアーギャップを形成する方法が用いられている。

多孔質膜を形成するには種々の方法があるが、特開２０００−２１６１５３号公報においては、プラズマ化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により誘電率が２以下の多孔質膜を形成することについて記載されている。すなわち、この方法においては、シリコンアルコキシドと有機化合物との混合ガスを反応ガスとするプラズマＣＶＤ法により、基板上に有機無機複合膜を堆積し、有機無機複合膜に対して平行平板プラズマ装置を用いて、還元性ガスを含むガスからなるプラズマを発生させてプラズマ処理を行うか、あるいは有機無機複合膜に対して還元ガスを含む雰囲気中において熱処理を行うことによって、有機無機複合膜からなる多孔質膜を形成するものである。
特開２０００−２１６１５３号公報（段落番号００１３、図２）

しかしながら、この方法は、層間絶縁膜そのものの構造を変えるものではなく、プラズマ処理あるいは熱処理により有機無機複合膜の有機成分を揮発させて、有機成分が揮発した跡に多数の細孔を形成するに過ぎない。このために、処理後の多孔質における膜厚が数パーセント分だけ減少してしまう。

これに対して、この発明の主たる目的は、ＣＶＤ膜全体を膨張させることで誘電率を下げることができる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を提供することである。

この発明は、化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積した膜の形成された基板を反応容器内に搬入する工程と、反応容器内に水素成分を含むガスを流し、水素ラジカルを含むプラズマを発生させる工程と、プラズマに含まれる水素ラジカルによって基板上に堆積された膜を膨張させてこの膜の誘電率を低下させる工程とを備える。

この発明によれば、化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積した膜の形成された基板を反応容器内に搬入し、反応容器内に水素成分を含むガスを流してプラズマを発生させ、プラズマに含まれる水素ラジカルによって基板上に堆積された膜を膨張させて内部に空間を形成することにより、ＣＶＤ膜単体では高い誘電率を有する絶縁膜の誘電率を低くできる。これにより、配線遅延時間を少なくすることができる。

好ましくは、膜を膨張させる工程は、膜を構成する原子間距離の短い分子間結合を原子間距離の長い分子間結合に置換することを含む。

また、好ましくは、膜を膨張させる工程は、膜を構成するある分子中における水酸基の結合と、別の分子におけるメチル基の結合を切断し、切断した水酸基のＨ成分とメチル基とを結合させてメタン成分として飛散させ、水酸基のＯ成分を残すことを含む。

さらに、好ましくは、膜を膨張させる工程は、膜を構成する分子間結合に含まれるある分子を飛ばしてラダー型分子構造にすることを含む。

さらに、好ましくは、プラズマを発生する工程は、マイクロ波に基づいて反応容器内に均一な電界を発生させて高密度プラズマを発生することを含む。

この発明に従った半導体装置は、基板と、基板上に化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積されてプラズマに含まれる水素ラジカルによって処理されることにより膨張し低誘電率になっている膜とを備える。

好ましくは、膜の低下された誘電率は、２．２〜２．３である
好ましくは、膜の分子構造は、ＣＨ_３−Ｓｉ−Ｏ結合を有し、Ｓｉ−Ｏ間の原子間距離が拡大されている。

この発明に従った低誘電率絶縁膜形成装置は、膜が形成された基板が搬入される反応容器と、反応容器内に水素成分を含むガスを導入するガス導入手段と、ガスが導入された反応容器内で水素ラジカルを含むプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、反応容器内の圧力，プラズマ発生手段から発生される水素ラジカルの密度および時間を制御して、基板上に堆積された膜を膨張させて低誘電率にする膜膨張手段とを備える。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

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。

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。

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。

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。

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断面図であり、特に（ａ），（ｂ）は処理前を示し、（ｃ）は処理後を示す。図４は処理前のＣＶＤ膜と、プラズマ基板処理装置１０を用いたプラズマ処理後のＣＶＤ膜の分子構造を示す図であり、（ａ），（ｂ）は処理前を示し、（ｃ）は処理後を示す。

まず、図３（ａ）に示すように基板１が準備され、図３（ｂ）に示すようにＣＶＤ装置によって基板１上にＣＶＤ膜２が形成される。このＣＶＤ膜２のある分子は、図４（ａ）に示すようにＯ−Ｓｉ−Ｏ結合のＳｉに２つのメチル基（ＣＨ_３，ＣＨｘ）が結合した分子構造を有している。また、ＣＶＤ膜２の別の分子は図４（ｂ）に示すようにＯ−Ｓｉ−Ｏ結合のＳｉに水酸基（ＯＨ）が結合した分子構造を有している。

このＣＶＤ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Ｓ内に搬送される。次に、プラズマ基板処理装置１０の圧力が例えば０．０５〜５Ｔｏｒｒに設定されて処理空間Ｓ内に、アルゴン／水素の比を例えば１０００／１００〜１００／１０００に設定した混合ガスが導入されるとともに、同軸導波管７に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が２．０ｋＷの電力で印加される。これにより、処理空間Ｓ内に水素ラジカルを有する高密度プラズマが発生する。高密度プラズマ処理の処理温度は、例えば室温〜４５０℃であり、０．５〜５分間高密度プラズマがＣＶＤ膜２に照射される。

この発生した水素ラジカルを有する高密度プラズマによって、図４（ａ）に示すある分子のＳｉ−ＣＨｘの結合が切断されるとともに、図４（ｂ）に示すように別の分子のＳｉ−ＯＨの結合が切断される。切断されたＣＨｘ（メチル基）とＯＨ（水酸基）のＨ成分とが結合してメタン（ＣＨ_４）となって飛散し、図４（ｃ）に示すようにＣＨ_３−Ｓｉ−Ｏの結合が残る。このときＳｉ−Ｏの原子間距離が大きくなってＣＶＤ膜２中の空間を膨張させる。また、ＣＶＤ膜２中の分子結合のある分子が飛ばされることにより、ラダー型分子構造（はしご構造）が形成されるので、分子間に空間ができる。

このようにＣＶＤ膜２全体を膨張させることにより、膜内部に空間ができるので、図３（ｃ）に示すように、誘電率ｋが２．２〜２．３のように低いＣＶＤ膜３が得られる。このＣＶＤ膜３の上層部は表面に行くほど分子構造が密となって硬く、下層部は粗になっている。

Ｓｉ−Ｏの原子間距離を大きくするためには、水素ラジカルの多い方が好ましく、水素ラジカルは発生するとすぐに消失し易いので、図１に示すウェハＷと石英板１３との間のギャップは例えば３０ｍｍ〜１３４ｍｍに設定されている。

また、圧力を高めるとプラズマで発生した水素ラジカルが増えるのに対して、圧力が低ければイオン性粒子が増えるためＣＶＤ膜２に与えるダメージが大きくなり、膜厚が減少し誘電率も高くなってしまう。

図５はプラズマ処理する前と、プラズマ処理後のＣＶＤ膜を、干渉分光器を用いて測定した赤外吸収スペクトル特性を示す図である。図５において特性Ａはプラズマ処理前を示し、特性Ｂはプラズマ処理後の赤外吸収スペクトル特性を示している。ＣＶＤ膜２は、プラズマ処理前において誘電率ｋが４．０というように高い値を示している。また、ＣＶＤ膜２は、特性Ａに示すように、赤外スペクトル特性の波数３４００付近でＯ−Ｈ結合を示す緩やかな山を描き、波数３０００付近でＣＨｘを示す小さなピークを有し、波数２２００付近で２つのピークを有するＳｉ−Ｈを示す低い山が現れており、波数１３００付近でＳｉ−ＣＨ_３結合による鋭いピークａが現われ、波数１１００付近でＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を示す大きなピークが現われ、波数８００付近でＳｉ−Ｃ結合を示す鋸歯状のピークが現れている。

これに対してプラズマ処理後のＣＶＤ膜３は、誘電率ｋが２．２のように低い値になっており、そのスペクトルは特性Ｂに示すように、プラズマ処理前における波数３４００付近のＯ−Ｈ結合を示す緩やかな山が消滅し、波数３０００付近のＣＨｘを示す小さなピークと波数２２００付近のＳｉ−Ｈ結合を示す低い山とが小さくなっており、波数１３００付近でＳｉ−ＣＨ_３結合を示す鋭いピークｂが現われ、波数１１００付近でＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を示すピークが現われ、波数８００付近でＳｉ−Ｃ結合を示す鋸歯状のピークが現われている。波数１１００付近のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を示すピークの立ち上がり部分において幅が広くなってラダー構造が形成されていることが示されている。

図５中の矢印はＳｉ−ＣＨ_３のピーク波形ａ，ｂを拡大して示していることを表している。拡大されたピーク波形ａ，ｂを対比すれば明らかなように、プラズマ処理前のピーク波形ａは先端が急峻になっているのに対して、プラズマ処理後のピーク波形ｂは先端部分が緩やかに変化しており、しかもピーク値が右側にシフトしている。これは上述のように、メチル基が２つから１つに減ってＣＨ_３−Ｓｉ−ＣＨｘの結合がＣＨ_３−Ｓｉ−Ｏの結合に置換されたことによって骨格構造が変化することに伴い、Ｓｉ−Ｏの結合が長くなり、原子間距離が大きくなったことによってピーク位置がずれたものである。水素ラジカルはＣＶＤ膜２に対して、単に熱のエネルギーを与えるように作用するものではなく、ＣＨ_３−Ｓｉ−ＣＨｘの結合をＣＨ_３−Ｓｉ−Ｏの結合に置換させるエネルギーを有していて、電子の役割により反応を起こさせるように作用している。

この点において、特開２０００−２１６１５３号公報に記載されている多孔質膜形成方法では、有機無機複合膜に対してプラズマ処理を行うか、あるいは有機無機複合膜に対して還元ガスを含む雰囲気中において熱処理を行うことによって、有機無機複合膜の有機成分を揮発させ、有機成分が揮発した跡に多数の細孔を形成して多孔質膜の誘電率を低くするものとは明らかに区別される。

また、この従来例では、分子構造を変化させるものではなく、細孔を形成しているため、処理後の多孔質膜における膜厚が数パーセント減少してしまう。これに対して、この発明でプラズマ処理されたＣＶＤ膜３は全体が膨張するため、膜厚が減少することはない。

なお、上述の説明では、マイクロ波を用いたプラズマ基板処理装置１０を用いて高密度プラズマを発生させ、水素ラジカルによってＣＶＤ膜３全体を膨張させて内部に空間を形成するようにしたが、処理に多少時間を要するが、平行平板のプラズマ発生装置を用いて十数ＭＨｚの周波数で水素ラジカルを含むプラズマを発生させて処理を行うようにしてもよい。

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。

この発明は、ＣＶＤ膜全体を膨張させることで誘電率を下げることができる半導体装置などに利用できる。

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る。 図１に示したスロット板の一部破断斜視図である。 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断面図である。 プラズマ処理する前と、プラズマ処理した後のＣＶＤ膜の分子構造を示す図である。 プラズマ処理する前と、プラズマ処理した後の絶縁膜を、干渉分光器を用いて測定した赤外吸収スペクトル特性を示す図である。

符号の説明

１ 基板、２ ＣＶＤ膜、３ プラズマ処理したＣＶＤ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 (9)

1. 化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積した膜の形成された基板を反応容器内に搬入する工程と、
   前記反応容器内に水素成分を含むガスを流し、水素ラジカルを含むプラズマを発生させる工程と、
   前記プラズマに含まれる水素ラジカルによって前記基板上に堆積された膜を膨張させて、この膜の誘電率を低下させる工程とを備える、半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法。
2. 前記膜を膨張させる工程は、前記膜を構成する原子間距離の短い分子間結合を原子間距離の長い分子間結合に置換することを含む、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. 前記膜を膨張させる工程は、前記膜を構成する分子間結合に含まれるある分子を飛ばしてラダー型分子構造にすることを含む、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。
4. 前記膜を膨張させる工程は、前記膜を構成するある分子中における水酸基の結合と、別の分子におけるメチル基の結合を切断し、切断した水酸基のＨ成分とメチル基とを結合させてメタン成分として飛散させ、前記水酸基のＯ成分を残すことを含む、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. 前記プラズマを発生する工程は、マイクロ波に基づいて前記反応容器内に均一な電界を分布させて高密度プラズマを発生することを含む、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。
6. 基板と、
   前記基板上に化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積され、プラズマに含まれる水素ラジカルによって処理されることにより全体が膨張し低誘電率になっている膜とを備える、半導体装置。
7. 前記膜の低下された誘電率は、２．２〜２．３である、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記膜の分子構造は、ＣＨ_３−Ｓｉ−Ｏ結合を有し、Ｓｉ−Ｏ間の原子間距離が拡大されている、請求項６に記載の半導体装置。
9. 膜が形成された基板が搬入される反応容器と、
   前記反応容器内に水素成分を含むガスを導入するガス導入手段と、
   前記ガスが導入された反応容器内で水素ラジカルを含むプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   前記反応容器内の圧力と、前記プラズマ発生手段から発生される水素ラジカルの密度および時間を制御して、前記基板上に堆積された膜を膨張させて低誘電率にする膜膨張手段とを備える、低誘電率絶縁膜形成装置。
   

Images