JP2005175085A - 半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法、半導体装置および低誘電率絶縁膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁膜の誘電率を低下させながら硬度を高めることができる半導体装置の絶縁膜形成方法、低誘電率絶縁膜形成装置ならびに低誘電率かつ高硬度の半導体装置を提供する。
【解決手段】 キュア処理前の赤外線スペクトル特性＃１では双極子モーメントの大きいＳｉ−ＣＨｘの吸光度が大きく、双極子モーメントの小さなＳｉ−Ｈの吸光度が小さいＳｉＯＣＨ系の絶縁膜を、水素ラジカルを含むプラズマにさらして、特性＃２〜＃６に示すようにキュア処理を順次高めてＳｉ−ＣＨｘの吸光度を小さくし、Ｓｉ−Ｈの吸光度を大きくすることで、誘電率を低くしながら硬度を高める。
【選択図】 図４

Description

この発明は低誘電率絶縁膜を備える半導体装置、低誘電率絶縁膜形成方法および低誘電率絶縁膜形成装置に関し、特に、絶縁膜の誘電率を低下させることのでき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、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、金属配線自体の抵抗と隣接する配線容量との積に比例する。したがって、配線遅延時間を低減させるための１つの方法は、金属配線の抵抗を小さくすることであり、他の方法は配線間容量を小さくすることである。金属配線の抵抗を小さくするために、配線材料としてのアルミニウム（Ａｌ）に代えて導電率の高い銅（Ｃｕ）を用いることが有効である。

一方、配線間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、化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で堆積した膜に対してプラズマ処理または熱処理を施すことによって多孔質にし、誘電率を低下させ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、処理後の多孔質膜の硬度が低下してしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、絶縁膜の誘電率を低下させながら硬度を高めることができる半導体装置の低誘電率絶縁膜形成方法、低誘電率絶縁膜形成装置ならびに低誘電率かつ高硬度の半導体装置を提供することである。

この発明に従った低誘電率絶縁膜形成方法は、化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積した絶縁膜の形成された基板を反応容器内に搬入する工程と、反応容器内に水素ラジカルを含むプラズマを発生させる工程と、絶縁膜をプラズマにさらすことによって、双極子モーメントの小さい構成分子を増加させ、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）で堆積した絶縁膜の形成された基板を反応容器内に搬入し、反応容器内に水素ラジカルを含むプラズマを発生させて絶縁膜をプラズマにさらすことによって、双極子モーメントの小さい構成分子を増加させ、絶縁膜の誘電率を低下させることにより、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しながら硬度を高めることができる。

好ましくは、絶縁膜はＳｉＯＣＨを含む。

好ましくは、双極子モーメントの小さい構成分子を増加させる工程は、Ｓｉ−Ｈを増加させ、Ｓｉ−ＣＨ_３を減少させることを含む。

好ましくは、双極子モーメントの小さい構成分子を増加させる工程は、Ｓｉ−ＣＨ_３のＣＨ_３をＨに置換させることを含む。

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）で堆積された絶縁膜を備え、絶縁膜は、Ｓｉ−ＨおよびＳｉ−ＣＨ_３を含むＳｉＯＣＨ系の膜であり、絶縁膜はＦＴ−ＩＲのピーク面積比でＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−ＯーＳｉ＝０．０３０あるいはＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０２８からＳｉ−Ｈ／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０１である。

好ましくは、Ｓｉ−ＨとＳｉ−ＣＨ_３との比率は、０および０．３６である。

この発明に従った低誘電率絶縁膜形成装置は、絶縁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、絶縁膜が形成された基板を加熱する加熱手段と、基板上に堆積された膜に双極子モーメントの小さい構成分子を増加させるようにプラズマ発生手段と加熱手段を制御する制御手段とを備える。

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は半導体ウェハ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上の半導体ウェハ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。

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、ＣＶＤ膜の低誘電率化を実現する。

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。

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ＳｉＯＣＨ系のＣＶＤ膜２が形成される。ＣＶＤ膜２はＳｉ−ＨおよびＳｉ−ＣＨ_３を含むＳｉＯＣＨ系の膜である。双極子モーメントに注目すると、Ｓｉ−Ｈの双極子モーメントは０．８８９Ｄであり、Ｓｉ−ＣＨ_３の双極子モーメントは１．５６３Ｄであり、Ｓｉ−ＣＨ_３の双極子モーメントに比較してＳｉ−Ｈの双極子モーメントの方が小さい。

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１００ｍＴｏｒｒ〜９．５Ｔｏｒｒに設定されて処理空間内に、アルゴン／水素の混合ガスが導入されるとともに、同軸導波管１８に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が例えば２．０ｋＷの電力で印加される。これにより、処理空間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３５０℃〜４００℃であり、処理時間は例えば６０ｓｅｃ〜３００ｓｅｃであり、この条件で高密度プラズマが発生されて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をＣＶＤ膜２に照射するように温度とプラズマの発生を制御することで、ＣＶＤ膜２の双極子モーメントの小さい構成分子を増加させて誘電率を低くする。誘電体がコンデンサの容量を増大させる原因は誘電体の持つ双極子モーメントであることが知られており、双極子モーメントを小さくすることで誘電率を下げることができる。

すなわち、ＣＶＤ膜２の双極子モーメントが大きいと分極しやすく誘電率が高くなるが、ＣＶＤ膜２のＳｉ−Ｈの量を増加させ、Ｓｉ−ＣＨ_３のＣＨ_３をＨに置換させることで、双極子モーメントの高いＳｉ−ＣＨ_３を減らして、双極子モーメントの小さなＳｉ−Ｈを増やすことができる。前述したように、双極子モーメントに関しては、Ｓｉ−Ｈ＜Ｓｉ−ＣＨ_３の関係があるので、絶縁膜全体としてみれば分極し難くなって誘電率を下げることができる。これによって、ＣＶＤ膜２を緻密化（Ｓｈｒｉｎｋ）つまり硬化しつつ低誘電率化を図ることができる。

従来はＣＶＤ膜を緻密化すると誘電率が高くなっていたが、この実施形態では、双極子モーメントの大きいＳｉ−ＣＨ_３基を、双極子モーメントの小さいＳｉ−Ｈ基に置換することで、図３（ｃ）に示すようにＣＶＤ膜３内の空間を減少させて硬くし、かつ誘電率を低くできる。ＣＶＤ膜３はＦＴ−ＩＲのピーク面積比でＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−ＯーＳｉ＝０．０３０あるいはＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０２８からＳｉ−Ｈ／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０１である。

また、ＣＶＤ膜堆積直後の膜中のＳｉ−Ｈ基と、Ｓｉ−ＣＨ_３基との比率Ｓｉ−Ｈ基／Ｓｉ−ＣＨ_３基はＦＴ−ＩＲのピーク面積比で０の膜あるいは０．３６の膜であるが、プラズマ処理することでＳｉ−Ｈ基と、Ｓｉ−ＣＨ_３基との比率Ｓｉ−Ｈ基／Ｓｉ−ＣＨ_３基は０．７５の膜あるいは０．４４の膜となる。

図４はプラズマ処理した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り、図５は図４に示した特性を得るための処理条件を表で表したものである。

図４において、特性＃１〜＃６は図５に示す処理条件で順次キュアを累積して行った場合の赤外吸収スペクトル特性を示している。スペクトル特性＃１は、キュア処理前の状態を示しており、波数１２８０付近の小さなピークは、メチル基Ｓｉ−ＣＨｘを示している。波数１２５０付近から波数１０４０付近まで吸光度が上昇しており、波数１１８０付近はＳｉ−ＣＨ_２ＣＨ_２−Ｓｉの成分を示している。波数１１３０付近は［ＲＳｉＯ_１.５］_{８，１０ｏｒ１２}の成分を示し、波数１０８０付近は［Ｒ_２ＳｉＯ］_４〜５の成分を示している。波数１０４０付近は吸光度が最も高くなっており、この部分がＳｉ−Ｏ−Ｓｉのネットワーク構造を示している。波数１０４０付近から吸光度が急激に低下し、波数９００付近はＳｉ−Ｈの成分を示している。

この特性＃１からキュア処理前においては、メチル基Ｓｉ−ＣＨｘのピークは比較的大きいのに対して、Ｓｉ−Ｈは小さくなっており、双極子モーメントの高いＳｉ−ＣＨｘが大きく、双極子モーメントの低いＳｉ−Ｈが小さいことにより、誘電率が高いことがわかる。

特性＃２は、図５に示すように、圧力０．５Ｔｏｒｒ，アルゴンガス１０００ｓｃｃｍ，水素ガス１００ｓｃｃｍ，電力２ｋＷ，温度３５０℃，シリコンウエハＷと誘電体板１３とのギャップ１０５ｍｍ，時間６０ｓｅｃの条件でキュアした時の赤外吸収スペクトルを示している。さらに特性＃３では圧力０．５Ｔｏｒｒ，アルゴンガス１０００ｓｃｃｍ，水素ガス１００ｓｃｃｍ，電力２ｋＷ，温度４００℃，ギャップ１０５ｍｍ，時間６０ｓｅｃの条件でキュアし、以下図５に示す＃４〜＃５の条件で順次累積的にキュアを大きくしたものである。キュアを大きくするにしたがって、吸光度が全体に大きくなっているが、Ｓｉ−Ｈ成分のピークが現れ始めている。

特性＃６では、圧力を０．５Ｔｏｒｒから２．０Ｔｏｒｒに高め、水素ガスの流量を大きくし、かつシリコンウエハＷと誘電体板１３とのギャップを１０５ｍｍから５５ｍｍに小さくすることによりさらにキュアを強くする。これによりメチル基Ｓｉ−ＣＨｘを示すピークが小さくなり、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのネットワーク構造を示すピークおよびＳｉ−Ｈのピークが増加し、［Ｒ_２ＳｉＯ］_４〜５の環状構造を示す特性が減少して直鎖状のものも増加している。

従来はメチル基を減らすと誘電率が高くなったが、この実施形態ではメチル基Ｓｉ−ＣＨｘを減らしてもＳｉ−Ｈを増やすことにより、誘電率の上昇を抑制できる。

図６はこの発明による低誘電率絶縁膜形成方法で形成される前と、形成された後のＣＶＤ膜の誘電率と弾性率との関係を示す図である。図６において、ＳｉＯＣＨ系のＣＶＤ膜２は、生成時は誘電率が２．８１で弾性率は４ＧＰａ程度である。このＣＶＤ膜２をサセプタ温度４００℃で水素ラジカルを有する高密度プラズマ雰囲気に６０ｓｅｃ間さらした状態では、誘電率が２．６９に低下し、弾性率が１４ＧＰａに上昇した。また、ＣＶＤ膜２を４００℃で高密度プラズマ雰囲気に３００ｓｅｃ間さらした状態では、誘電率が２．７８で弾性率は２０．５ＧＰａになった。

したがって、この図６からＣＶＤ膜２は生成時に比べて、水素ラジカルを有する高密度プラズマ雰囲気にさらすことで、誘電率を低くできるとともに、弾性率を高めることができることがわかる。

なお、上述の実施形態では、プラズマ基板処理装置１０を用いて水素ラジカルを含む高密度プラズマを処理容器内に発生させてＣＶＤ膜２に照射するようにしたが、これに限ることなく例えば電子ビーム発生装置を用いてもよい。

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。

プラズマ処理装置による処理で絶縁膜の誘電率を低下させながら硬度を高めることができる半導体装置に利用できる。

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。 プラズマ処理した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。 プラズマ処理条件を表で表したものである。 この発明による低誘電率絶縁膜形成方法で形成される前と、形成された後のＣＶＤ膜の誘電率と弾性率との関係を示す図である。

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 (8)

1. 化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積した絶縁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ラジカルを含むプラズマを発生させる工程と、
   前記絶縁膜を前記プラズマにさらすことによって、双極子モーメントの小さい構成分子を増加させ、前記絶縁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. 前記絶縁膜はＳｉＯＣＨ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. 前記双極子モーメントの小さい構成分子を増加させる工程は、Ｓｉ−Ｈを増加させ、Ｓｉ−ＣＨ_３を減少させることを含む、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. 前記双極子モーメントの小さい構成分子を増加させる工程は、Ｓｉ−ＣＨ_３のＣＨ_３をＨに置換させることを含む、請求項１〜３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発生させて高密度プラズマを発生することを含む、請求項１〜４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。
6. 基板と、
   前記基板上に化学蒸着法（ＣＶＤ）で堆積された絶縁膜を備え、
   前記絶縁膜は、Ｓｉ−ＨおよびＳｉ−ＣＨ_３を含むＳｉＯＣＨ系の膜であり、前記絶縁膜はＦＴ−ＩＲのピーク面積比でＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−ＯーＳｉ＝０．０３０あるいはＳｉ−ＣＨ_３／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０２８からＳｉ−Ｈ／Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝０．０１である、半導体装置。
7. 前記Ｓｉ−ＨとＳｉ−ＣＨ_３との比率は、０および０．３６である、請求項６に記載の半導体装置。
8. 絶縁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、
   前記絶縁膜が形成された基板を加熱する加熱手段と、
   前記基板上に堆積された膜に双極子モーメントの小さい構成分子を増加させるように前記プラズマ発生手段と前記加熱手段を制御する制御手段とを備えた、低誘電率絶縁膜形成装置。
   

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