JP2009016672A - 半導体装置の製造方法、半導体装置、半導体製造装置及び記憶媒体。 - Google Patents

半導体装置の製造方法、半導体装置、半導体製造装置及び記憶媒体。 Download PDF

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Abstract

【課題】有機物を含むシリコン酸化物系の低誘電率膜に対してエッチング処理やアッシング処理などのプラズマ処理を行った時に、有機物が脱離することによって受けるダメージの少ない低誘電率膜及びこの低誘電率膜を備えた半導体装置を得ること。
【解決手段】フェニル基とシリコンとを含み、窒素を含まないガスを用いて低誘電率膜を形成した後、後処理工程として、この層間絶縁膜に対して熱処理、ＵＶ照射処理あるいはＳＰＡプラズマ処理などによりエネルギーを加えることによって、層間絶縁膜から水分を脱離させて、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ骨格構造を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上にプラズマ耐性に優れた低誘電率膜を形成する技術に関する。
半導体デバイスの高集積化に伴い、配線の微細化が進んでいるので、配線遅延を抑えるために、層間絶縁膜の低誘電率化が求められている。
層間絶縁膜として従来から用いられているＳｉＯ2膜は、比誘電率が４．０程度と高いことから、種々の低誘電率膜が検討されており、その一つとして比誘電率が３．２程度のＳｉＣＯＨ膜が知られている。このＳｉＣＯＨ膜は、図１３に示すように、ＳｉＯ2膜中に有機成分として主にＣＨ3基を取り込んだ構造となっており、例えばメチル基を有するシラン系のガスを原料として成膜される。この膜は、有機成分を取り込んでいることから、膜密度が小さくなり、このため比誘電率が低くなっている。一方、層間絶縁膜は、配線の埋め込み溝や接続孔を形成するために、プラズマによりエッチングが行われ、その後フォトレジストマスクのアッシングが行われる。しかし、このＳｉＣＯＨ膜は、膜密度が小さいことから、上記のプラズマによりダメージを受けやすく、プラズマに曝されると、有機物が脱離してしまうといった問題がある。
このようなＳｉＣＯＨ膜において、より低誘電率化を図るためには、例えば有機物の含有量を更に増やす必要があるが、その場合にはプラズマ耐性が一層低くなり、プラズマによるダメージが増えてしまう。また、有機成分が多くなると、膜強度が低下してしまう。このように、このＳｉＣＯＨ膜では、低誘電率化とプラズマ耐性あるいは機械的強度とは、トレードオフの関係になっている。そこで、比誘電率が低く、且つプラズマ耐性及び機械的強度に優れた層間絶縁膜が求められている。
特許文献１には、ビスジメチルアミノジフェニルシランを原料ガスとして、熱ＣＶＤ法により低温にてフェニル基を含んだ有機シリカ膜を形成し、その後このフェニル基を膜中から除去することによって、フェニル基の存在している部位が空洞化して多孔質化し、これにより比誘電率の低い多孔質膜を得る技術が記載されている。しかし、原料ガスには窒素が含まれており、膜中に窒素が残った場合には比誘電率が上昇してしまうことから、この特許文献１に記載の技術は、本発明の課題を解決することはできない。
特開２０００−２６９２０８（（００２２）〜（００２３））
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、プラズマ耐性及び機械的強度に優れた低誘電率膜を形成する技術及びその低誘電率膜を備えた半導体装置を提供することにある。
本発明の半導体装置の製造方法は、
フェニル基とシリコンとを含み、不可避的不純物以外の窒素を含まない有機シランガスを活性化してプラズマを得ると共に基板の温度を２００℃以下の処理温度に設定した状態で前記プラズマにより基板上にフェニル基とシリコンとを含む薄膜を成膜する工程（ａ）と、
その後、前記基板に対してエネルギーを加え、前記薄膜から水分を脱離させて低誘電率膜を得る工程（ｂ）と、を含むことを特徴とする。
前記薄膜を成膜する工程（ａ）は、有機シランガスと酸素ガスとの混合ガスを活性化する工程を含んでいても良い。
前記薄膜から水分を脱離させて低誘電率膜を得る工程（ｂ）は、前記基板の温度を２００℃よりも高い温度に加熱する工程、前記基板の表面に紫外線を照射する工程及び前記基板の表面を水素ガスを活性化して得たプラズマに曝す工程から選択される工程であることが好ましい。
前記低誘電率膜は、比誘電率が３．２以下であることが好ましい。
本発明の半導体装置は、
上記の半導体装置の製造方法により形成された低誘電率膜を備えたことを特徴とする。
本発明の半導体製造装置は、
基板を載置する載置台を備えた処理容器と、
この処理容器内に、フェニル基とシリコンとを含み、不可避成分である窒素以外の窒素を含まない有機シランガスを供給する手段と、この手段により供給された有機シランガスを活性化してプラズマを得る手段と、前記載置台上の基板を、前記プラズマに曝されている状態で２００℃以下の処理温度に設定する手段と、を備えたプラズマＣＶＤ装置と、
このプラズマＣＶＤ装置により薄膜が形成された基板に対して、当該薄膜から水分を脱離させるためにエネルギーを加えて低誘電率膜を得る後処理装置と、を備えたことを特徴とする。
酸素ガスを供給するための手段を更に備え、この酸素ガスは有機シランガスと共に活性化されるようにしても良い。
前記後処理装置は、前記基板の温度を２００℃よりも高い温度に加熱する装置、前記基板の表面に紫外線を照射する装置及び前記基板の表面を水素ガスを活性化して得たプラズマに曝す装置から選択される装置であることが好ましい。
前記プラズマＣＶＤ装置と後処理装置とは、共通の真空搬送モジュールに接続されていることが好ましい。
前記プラズマＣＶＤ装置は、後処理装置を兼用していても良い。
本発明の記憶媒体は、
基板の処理を行う半導体製造装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、上記の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。
本発明は、フェニル基とシリコンとを含み、不可避成分の窒素以外の窒素を含まない有機シランガスを原料とし、２００℃以下のプロセス温度でプラズマＣＶＤにより活性種を利用してフェニル基を含有した膜を成膜し、その後この膜から水分を脱離させているので、プラズマ耐性及び機械的強度の大きい低誘電率膜を得ることができる。
［第１の実施の形態］
本発明の半導体装置に係る製造方法の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。図１（ａ）は、基板であるウェハＷ上に形成されたｎ番目（下段側）の回路層を示している。この回路層は、層間絶縁膜であるＳｉＣＯＨ膜１０内に、例えばＣｕなどの金属である配線１１が埋め込まれた構成となっている。尚、このＳｉＣＯＨ膜１０と配線１１との間には、金属の拡散を抑えるためのバリア膜が形成されており、またこのｎ番目の回路層の上層には、このＳｉＣＯＨ膜１０から（ｎ＋１）番目の回路層への金属の拡散を抑えるためのバリア膜が形成されているが、いずれについても図示を省略する。
先ず、図１（ｂ）に示すように、ｎ番目の回路層の表面にＳｉＣＯＨ膜１２をプラズマＣＶＤにより成膜する。原料ガスとしては、フェニル基とシリコンとを含み、また窒素を含まない有機シランガス例えばジメチルフェニルシラン（ＤＭＰＳ：Ｄｉｍｅｔｈｙｌ−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）ガスと酸素ガスとからなる処理ガスを用い、この処理ガスを例えば平行平板型のプラズマ処理装置によりプラズマ化し（活性種にし）、このプラズマに例えば２００℃以下の低温に設定されたウェハＷを曝すことにより、ウェハＷ上にＳｉＣＯＨ膜１２が成膜される。このように低温で成膜することによって、成膜時の表面反応において原料ガスの成分であるＤＭＰＳガスのフェニル基がＳｉＣＯＨ膜１２中に多く取り込まれ、このため、図２（ａ）に示すように、ＳｉＣＯＨ膜１２は、シリコンと酸素とからなる骨格構造内のシリコンにフェニル基が結合した構造となる。ＳｉＣＯＨ膜１２中にフェニル基を取り込むことで、ＳｉＣＯＨ膜１２の密度が下がり、低い比誘電率例えば２．８〜３．２程度のＳｉＣＯＨ膜１２が得られる。尚、窒素を含まない有機シランガスにおける「窒素を含まない」とは、ガスの製造工程において不可避的に不純物として取り込まれる窒素ではなく、化合物の本来の成分である窒素については含まれないという意味である。
上記のように低温で成膜することによりフェニル基の膜中への取り込み量は多くなるが、水分の取り込み量も多くなる。その理由は、２００℃以下もの低温の成膜プロセスでは膜密度が低くなるが、そうすると処理雰囲気中に不可避的に含まれる水分が吸湿されて水酸基が形成され、また原料ガスであるＤＭＰＳガス中の水素と酸素ガスとの反応により生成される水分が取り込まれるからであり、こうして膜が吸湿した状態、即ちＳｉ−ＯＨが形成された状態となると考えられる。このように膜中に水酸基が存在すると比誘電率の上昇の要因となることから、次に述べる後処理（改質処理）を行うようにしている。
この改質処理は、膜中の水分を除去するのに十分なエネルギーをＳｉＣＯＨ膜１２に対して印加する工程であり、本実施の形態では、このエネルギーとして熱を印加することとしている。具体的には、ウェハＷを例えば不活性ガス雰囲気に置いて、２００℃よりも高く例えば４００℃以下の温度範囲の中から設定された温度に加熱する。
尚、低温でフェニル基が取り込まれる理由としては、以下のように考えられる。即ち、後述の実施例から、一度膜中にフェニル基が取り込まれたウェハＷを２００℃以上に加熱しても、フェニル基が膜中に安定的に残っていることが確認されている。このことから、２００℃以上の高温ではフェニル基のウェハＷへの吸着反応が起こりにくく、また遊離のフェニル基の開環反応が起こりやすくなっていると考えられ、そのため低温では膜中にフェニル基が取り込まれやすくなっていると考えられる。
次に、図１（ｃ）に示すように、このＳｉＣＯＨ膜１２に対して、後処理工程としてエネルギー例えば熱を加える。この改質処理により、ＳｉＣＯＨ膜１２中におけるシリコンと水酸基との結合が切れて、下記のように、脱水縮合を起こし、
Ｓｉ−ＯＨ ＋ Ｓｉ−ＯＨ → Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ ＋ Ｈ2Ｏ
図２（ｂ）に示すように、ＳｉＣＯＨ膜１２から水分として脱離し、この結果同図（ｃ）に示すように、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造（結合）が形成される。また、膜中に取り込まれていた水分についても、この改質処理によりＳｉＣＯＨ膜１２から脱離していく。
尚、既にＳｉＣＯＨ膜１２中に取り込まれているフェニル基は、この程度のエネルギーであれば、後述の実施例からも明らかなようにそのまま安定的に膜中にとどまることとなる。
続いて、図１（ｄ）に示すように、ＳｉＣＯＨ膜１２の表面に、ビアホール及び配線埋め込み用の溝を形成するためのマスクとして機能する犠牲膜１３を積層し、この犠牲膜１３の表面に、パターニングされたフォトレジストマスク１４を形成する。尚、この犠牲膜１３は、例えば複数種類の膜の積層体からなる。
そして、例えば公知の平行平板型のプラズマエッチング装置を用いて、炭素及びフッ素を含むガス例えばＣＦ4ガスと、酸素ガスと、からなるエッチングガスをプラズマ化して、このプラズマをウェハＷに供給することにより、図１（ｅ）に示すように、犠牲膜１３及びＳｉＣＯＨ膜１２をエッチングしてビアホールとなるホール１５を形成する。
既述のように、ＳｉＣＯＨ膜１２（１０）には、フェニル基が多く取り込まれており、このフェニル基はプラズマに曝されても脱離しにくいことから、エッチング工程において膜のダメージが小さい。
次に、例えば酸素ガスなどのアッシングガスをプラズマ化して、図１（ｆ）に示すように、フォトレジストマスク１４を灰化して除去する。この時も、ＳｉＣＯＨ膜１２がプラズマに曝されるが、やはり膜のダメージが小さい。
その後、犠牲膜１３を利用して、ＳｉＣＯＨ膜１２に配線埋め込み用の溝（トレンチ）をプラズマエッチングにより形成して、この溝及びホール１５に金属例えばＣｕを埋め込む。そして、ＣＭＰ加工により余剰の金属を除去して、図３に示すように、配線１６を形成する。このＣＭＰ加工において、ＳｉＣＯＨ膜１２に機械的な負荷が加わったとしても、上記のように、ＳｉＣＯＨ膜１２は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造が形成されており、機械的強度が高いので、ひび割れや欠損などの損傷が生じない。
上述の実施の形態によれば、フェニル基を有する有機シランガス及び酸素ガスを用いて２００℃以下の低温でプラズマＣＶＤによりＳｉＣＯＨ膜１２を成膜しているので、既述のようにプラズマ処理で脱離しにくいフェニル基が活性種を介して多く取り込まれ、プラズマ処理で脱離しやすいメチル基の含有量が抑えられる。そして、成膜時の温度が低いので、既述のように比誘電率の上昇の要因となる水分が膜中に取り込まれるが、加熱による改質処理を実施して脱水縮合反応を含む脱水処理を行い、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格形成が進行するので、結局プラズマ耐性が大きく、機械的強度の大きい低誘電率膜が得られる。従って、この低誘電率膜をプラズマエッチング、プラズマアッシングが施されることとなる層間絶縁膜として用いることにより、良好な特性の半導体装置を得ることができる。
上記の例では、処理ガスとして有機シランガスと酸素ガスとを用いているが、例えば有機シランガスを単独で用いることにより、ＳｉＣＨ膜を成膜しても良い。このようなＳｉＣＨ膜であっても、上記のＳｉＣＯＨ膜１２と同様に耐プラズマ性や機械的強度が向上し、またＳｉＣＯＨ膜１２に近い比誘電率が得られる。
この有機シランガスとしては、上記のＤＭＰＳガス以外にも、ＭＰＳ（Ｍｅｔｈｙｌ−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）ガス、ＴＭＰＳ（Ｔｏｒｉｍｅｔｈｙｌ−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）ガスなどであっても良い。
上記の各処理が行われる装置の一例について、以下に説明する。図４は、成膜工程を行うためのプラズマＣＶＤ装置２の一例を示している。２０は例えばアルミニウムからなるキノコ形状の処理容器（真空チャンバ）であり、その内壁を加熱するための図示しない加熱機構が設けられている。処理容器２０内には、ウエハＷを水平に載置するための下部電極をなすステージ２１が接地した状態で支持部材２２を介して支持されている。
ステージ２１内にはヒータ２１ａが処理温度に設定する手段として設けられている。２３は昇降ピン、２４は支持部材、２５は昇降機構である。処理容器２０の底部には排気管２６を介して真空ポンプ２７が接続されている。Ｇはゲートバルブである。
更に処理容器２０の天井部にはステージ２１に対向するように、且つ処理容器２０と絶縁された状態でシャワーヘッド３２が設けられており、このシャワーヘッド３２には、有機シランガスを供給する手段であるシランガス供給路４１及び酸素ガスを供給する手段である酸素ガス供給路５１を介して夫々ＤＭＰＳガス源４２及び酸素ガス源５２が接続されている。
また、シャワーヘッド３２は上部電極を兼用し、その上面には整合器３５を介してプラズマを得る手段である高周波（ＲＦ）電源３６が接続されている。
次に、このプラズマＣＶＤ装置２の作用について説明する。先ずウェハＷが予め設定された温度例えば５５℃となるように、ヒータ２１ａによりステージ２１を所定の温度に加熱すると共に、処理容器２０の不図示のヒータを加熱し、処理容器２０内を所定の温度に維持する。
その後、ゲートバルブＧを開いて、図示しない搬送手段によりウエハＷを処理容器２０内に搬入する。そして、昇降ピン２３を介してウエハＷをステージ２１の上面に載置して、ゲートバルブＧを閉じると共に、真空ポンプ２７により所定の真空度に設定する。次いで、ＤＭＰＳガス源４２及び酸素ガス供給源５２から所定の流量で処理ガスを供給すると共に、ＲＦ電源３６から処理容器２０内に高周波を供給する。この高周波により、既述のように処理ガスがプラズマ化されて、このプラズマを所定の時間ウェハＷに供給することで、ＳｉＣＯＨ膜１２の成膜が行われる。
そして、処理ガスの供給及びＲＦの印加を停止し、処理容器２０内の残留ガスを排出して、ウェハＷを処理容器２０から取り出す。
次に、図５を参照して、後処理工程であるアニール及びアニールを行う後処理装置である加熱装置３の一例について簡単に説明する。この加熱装置３は、処理容器６０と載置台６１とを備え、載置台６１は、ヒーター６１ａを備えている。ヒーター６１ａは、電源６１ｂに接続されており、ウェハＷを例えば２００℃〜４００℃に加熱できるように構成されている。この載置台６１には、図示しないピンなどの昇降手段が設けられており、この昇降手段により、処理容器６０の側壁の搬送口６２を介して載置台６１と図示しない搬送手段との間でウェハＷの受け渡しを行うように構成されている。尚、Ｇはゲートバルブ、６３は排気口、６３ａは真空ポンプ、６４はガス供給路、６５はＡｒガス源である。
このような加熱装置３では、先ず、ウェハＷが所定の温度例えば４００℃となるように、ヒーター６１ａにより載置台６１を加熱する。次いで、ゲートバルブＧを開き、図示しない搬送手段によりウェハＷを載置台６１に載置すると共に、真空ポンプ６３ａにより処理容器６０内を所定の真空度に設定する。そして、例えば１時間ウェハＷをこの温度で加熱することにより、既述のように、ウェハＷから水分が脱離する。この時、ウェハＷに対してＡｒガスを供給することにより、ウェハＷから脱離した水分が強制的に真空ポンプ６３ａに向かって排出されるようにしても良い。その後、図示しない搬送手段により、ウェハＷを処理容器６０から取り出す。
上記のプラズマＣＶＤ装置２及び加熱装置３は、それぞれ単独の装置としても良いが、図６に示すように、例えばマルチチャンバシステムである基板処理装置４の一部として構成しても良い。この基板処理装置４について以下に簡単に説明すると、この基板処理装置４は、第１の搬送室７２、ロードロック室７３及び真空搬送モジュールである第２の搬送室７４を備えている。第１の搬送室７２の正面側には、複数枚例えば２５枚のウェハＷが収納された密閉型のキャリアＣが載置されるロードポート７１が設けられている。また、第１の搬送室７２の正面壁には、ロードポート７１に載置されたキャリアＣが接続されて、このキャリアＣの蓋と共に開閉されるゲートドアＧＴが設けられている。第２の搬送室７４には、プラズマＣＶＤ装置２及び加熱装置３が気密に接続されており、この第２の搬送室７４内は、例えば真空雰囲気となるように設定されている。
第１の搬送室７２及び第２の搬送室７４には、それぞれ第１の搬送手段７５及び第２の搬送手段７６が設けられている。第１の搬送手段７５は、ロードポート７１とロードロック室７３との間でウェハＷの受け渡しを行うための搬送アームである。第２の搬送手段７６は、ロードロック室７３とプラズマＣＶＤ装置２及び加熱装置３との間でウェハＷの受け渡しを行うための搬送アームである。
この基板処理装置４には、例えばコンピュータからなる制御部２Ａが設けられている。この制御部２Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部２Ａから基板処理装置４の各部に制御信号を送り、既述の各ステップを進行させるように命令（各ステップ）が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理温度、処理時間、ガス流量または電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこの基板処理装置４の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶部２Ｂに格納されて制御部２Ａにインストールされる。
この基板処理装置４の作用について説明する。まず、キャリアＣがロードポート７１に載置され、第１の搬送室７２に接続されると、ゲートドアＧＴと共にキャリアＣの蓋が開かれる。次いで、キャリアＣ内のウエハＷは、第１の搬送手段７５によって第１の搬送室７２内に取り出されて、ロードロック室７３に搬入される。次いで、ウェハＷは、第２の搬送手段７６により、第２の搬送室７４を介してプラズマＣＶＤ装置２に搬送される。プラズマＣＶＤ装置２において上述の成膜工程が行われた後、ウェハＷは第２の搬送手段７６によりプラズマＣＶＤ装置２から取り出されて、加熱装置３に搬送され、上述の後処理工程が行われる。その後、ウェハＷは、搬入された経路と逆の経路でキャリアに戻される。
尚、上記の例では、プラズマＣＶＤ装置２及び加熱装置３を別個の装置としたが、プラズマＣＶＤ装置２において後処理を行うようにしても良い。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この例では、後処理工程だけが上記の第１の実施の形態と違っている。
先ず、この後処理工程に用いられる後処理装置の一例であるＵＶ照射装置８０について、図７を参照して簡単に説明する。ＵＶ照射装置８０は、処理容器８１内の下方に設置された載置台８２を備えている。処理容器８１の外側の上方には、載置台８２上のウェハＷに対向するように、例えば波長１７２ｎｍ、ウェハＷの表面積に対する出力が１２Ｗ／ｃｍ２のＵＶ（紫外線）を透明窓８１ａを介してウェハＷに照射するためのＵＶ照射ユニット８３が設けられている。８４は不活性ガス例えば窒素ガスの供給源、８６は排気口、８７は真空ポンプである。
このようなＵＶ照射装置８０では、ウェハＷが載置台８２に載置されると、真空ポンプ８７により処理容器８１内が所定の真空度に真空排気されると共に、窒素ガスの供給源８４から例えば窒素ガスが供給される。そして、ウェハＷに対して所定の波長のＵＶを所定の時間例えば５分照射することにより、後処理工程が行われる。その後、ＵＶの照射を停止して、ウェハＷが処理容器８１から搬出される。
後処理工程として、ＵＶを照射することで、第１の実施の形態におけるウェハＷの加熱と同様に、ＳｉＣＯＨ膜１２から水分が脱離して、同様にＳｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造が形成されて、同様にＳｉＣＯＨ膜１２のプラズマ耐性及び機械的強度が向上する。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この例についても、後処理工程だけが上記の第１の実施の形態と違っている。
先ず、この工程に用いられる後処理装置の一例である公知のマイクロ波プラズマ装置９０について、図８を参照して簡単に説明する。マイクロ波プラズマ装置９０は、真空チャンバである処理容器９１、温調手段を備えた載置台９２及び載置台９２に接続された例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電源９３を備えている。
処理容器９１の天井部には、絶縁材からなる第１のガス供給部９４をなすシャワーヘッドが設けられている。また、この第１のガス供給部９４の下方には、ガス供給路１００が格子状に組まれた、全体形状が概ね円形の導電性のシャワーヘッド（第２のガス供給部９８）が設けられている。これらの第１のガス供給部９４及び第２のガス供給部９８から、それぞれプラズマ発生用のガス例えばＡｒガス及びＨ2ガスが供給されるように構成されている。
このマイクロ波プラズマ装置９０では、第１のガス供給部９４から例えばＡｒガスが供給されて活性化（プラズマ化）し、そのプラズマが第２のガス供給部９８の格子の隙間である開口部１０２から下降して、当該ガス供給部９８から供給されたＨ2ガスが活性化されてプラズマが生成されるようになっている。また、処理容器９１の下端側の排気口１０６ａは、排気管１０６を介して真空排気手段１０７に接続されている。
前記第１のガス供給部９４の上方には、アンテナ部１１０が設けられている。このアンテナ部１１０は、同軸導波管１１５を介して例えば２．４５ＧＨｚあるいは８．４ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段１１４に接続されている。
このマイクロ波プラズマ装置９０では、マイクロ波発生手段１１４から周波数が２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）をアンテナ部１１０から下方側の処理空間に向けて放射する。
このマイクロ波により、第１のガス供給部９４と第２のガス供給部９８との間の空間にＡｒガスのプラズマが励起される。そして既述のようにして処理空間にＨ2ガスの活性種が生成され、この活性種がウェハＷの表面に供給されることにより、ＳｉＣＯＨ膜１２に対して脱水処理が行われる。このため、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様にウェハＷから水分が脱離して、Ｓｉ−Ｏの骨格構造が形成される。このようなマイクロ波プラズマ装置９０は、電子密度の低いいわばソフトなプラズマが得られるので、薄膜の改質処理といったプロセスには好適である。
以上のＵＶ照射装置８０やマイクロ波プラズマ装置９０についても、加熱装置３と同様に、既述の基板処理装置４の第２の搬送室７４に接続するようにしても良い。また、上記の加熱処理、ＵＶ照射処理及びマイクロ波によるプラズマ処理の複数を組み合わせて後処理工程としても良い。
本発明の効果を確かめるために行った実験について、以下に説明する。
（実験例１）
処理ガスとして酸素ガスを用いずに、既述のＤＭＰＳガスを用いてウェハＷ上にＳｉＣＨ膜を以下の成膜条件において成膜して、それらのＳｉＣＨ膜について、ＦＴＩＲ測定装置により赤外線吸収スペクトルを測定した。また、２００℃において成膜したウェハＷについては、別途後処理工程として以下の条件において熱処理を行い、同様にＦＴＩＲスペクトルを測定した。尚、複数の試料において測定したＦＴＩＲスペクトルを比較するにあたり、各試料について得られた結果を相対的に評価するために、各試料の膜厚に基づいて各々の結果の補正を行った。以下の実験結果についても同様である。
（成膜条件）
成膜温度：２００℃、３００℃、３５０℃
処理ガス：ＤＭＰＳガス／Ｈｅガス＝７５／７５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＲＦ電力：８０Ｗ
圧力 ：１０Ｐａ（７５ｍＴｏｒｒ）
（熱処理条件）
使用ガス ：Ａｒガス＝５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
熱処理温度：４００℃
圧力 ：２６７Ｐａ（２．０Ｔｏｒｒ）
処理時間 ：１時間
（実験結果）
図９に示すように、各試料について、波数が３０００〜３１００ｃｍ−１付近にフェニル基に起因するピークが確認された。また、このピークは、成膜温度が高くなるにつれて、減少していったが、２００℃で成膜した後に熱処理を行った場合には減少していなかった。
このことから、ウェハＷに取り込まれるフェニル基の量を多くするためには、２００℃以下の低温で成膜することが好ましいことが分かった。また、一度成膜してウェハＷ内に取り込まれたフェニル基は、後処理工程において４００℃といった高い温度の熱処理を行っても、ウェハＷ中に安定的に取り込まれており、脱離しないことが分かった。
（実験例２）
次に、上記の２００℃で成膜して後処理なしの試料と、後処理ありの試料（２００℃での成膜）と、について、広い波数の範囲で同様にＦＴＩＲスペクトルの測定を行った。
その結果、図１０に示すように、熱処理前の試料では、３２００〜３７００ｃｍ−１の水酸基に起因するピークが確認されたが、熱処理後の試料ではそのピークが極めて小さくなっていた。一方、１０００ｃｍ−１付近のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合に起因するピークについては、熱処理を行うことによって、熱処理前に比べて極めて大きくなっていた。
このことから、既述のように、熱処理により、膜中の水分が脱離して、Ｓｉ−Ｏの結合による骨格構造が形成されていることが分かる。
（実験例３）
実験例１の各試料について、比誘電率及びリーク電流の測定を行った。その結果を表１に示す。尚、比誘電率及びリーク電流の測定は、各々９点及び５点の測定結果の平均値を示している。
（表１）
Figure 2009016672
この表から、成膜温度が低くなるにつれて、比誘電率（ｋ値）及びリーク電流が減少しており、また熱処理を行うことにより、比誘電率が更に減少していることが分かる。これは、既述のように、フェニル基が膜中に取り込まれていることに起因していると考えられる。
（実験例４）
次に、後処理工程として、既述のマイクロ波プラズマ装置９０を用いてプラズマ処理を行った実験について説明する。この実験では、ＤＭＰＳガスと共に酸素ガスを供給して、ＳｉＣＯＨ膜を成膜した。また、このＤＭＰＳガスとの比較のために、フェニル基を持たないガスであるトリメチルシラン（３ＭＳ：Ｔｏｒｉｍｅｔｈｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）ガスを用いた実験も併せて行った。実験後、同様にＦＴＩＲスペクトルを測定した。尚、このように使用ガスを変えるにあたり、ウェハＷとシャワーヘッド３２との間の距離など、それぞれのガスに適した条件とした。その他の成膜条件及びプラズマ処理条件については、以下の条件とした。
（成膜条件）
成膜温度：５５℃
処理ガス：ＤＭＰＳガス／Ｏ2ガス／Ａｒガス＝１００／２０／６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
：３ＭＳガス／Ｏ2ガス／Ａｒガス＝２００／７０／６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＲＦ電力：５００Ｗ
圧力 ：３００Ｐａ（２．２５Ｔｏｒｒ）
（プラズマ処理条件）
使用ガス ：Ｈ2ガス／Ａｒガス＝２００／１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
熱処理温度：４００℃
圧力 ：４００Ｐａ（３．０Ｔｏｒｒ）
マイクロ波の電力：２ｋＷ
処理時間 ：５分
（実験結果）
この結果を図１１及び図１２に示す。ＤＭＰＳガスを用いた場合において、プラズマ処理により、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合に起因するピークが増加しており、また水酸基に起因するピークが減少していた。このことから、後処理工程として、マイクロ波プラズマ装置９０を用いたプラズマ処理が既述の熱処理と同じ効果を持っていることが分かる。尚、３ＭＳガスを用いた場合でも、上記のＤＭＰＳガスを用いた場合と同様のピーク強度の増減が確認された。
一方、フェニル基に起因するピークについては、３ＭＳガスを用いた場合には、当然のことながら確認できなかった。このことからも、ＤＭＰＳガスを用いることにより、膜中にフェニル基が取り込まれていることが分かる。尚、熱処理と同様に、一度膜中に取り込まれたフェニル基については、このプラズマ処理によっても脱離しないことが分かった。尚、図１２における凡例は図１１の凡例と同じであるが、記載を一部省略している。
（実験例５）
次に、後処理工程としてＵＶ照射を行った実験について説明する。ガスとしては、実験例４と同様に、ＤＭＰＳガスと３ＭＳガスとを用いた。成膜後、ＵＶ照射処理を行い、その後比誘電率とリーク電流とについて測定した。成膜条件については、上記の実験例４と同じ条件とした。ＵＶ照射条件は、以下の通りである。尚、３ＭＳガスの後処理工程なしの測定結果及び３ＭＳガスのＵＶ照射の測定結果は、それぞれ１点（１測定）についての結果である。
（ＵＶ照射条件）
使用ガス ：Ａｒガス＝１４５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＵＶの波長：１７２ｎｍ
ＵＶ出力 ：１２Ｗ／ｃｍ２
圧力 ：２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）
処理時間 ：５分
（実験結果）
この結果について、実験例４において調整したサンプルについて測定した結果と共に、以下の表２に示す。
（表２）
Figure 2009016672
この表から、ＵＶ照射処理についても、マイクロ波によるプラズマ処理と同様に、後処理工程として比誘電率及びリーク電流を減少させる効果があることが分かる。また、後処理を行わない状態であっても、ＤＭＰＳガスを用いることにより、３ＭＳガスを用いるよりも特性が向上することが分かった。
尚、３ＭＳガスを用いた場合でも、後処理工程を行うことにより、ＤＭＰＳガスと同様に特性が向上することが分かった。
本発明の半導体装置の製造工程の一例を示す基板の断面図である。 上記の製造工程における本発明の層間絶縁膜の構造の一例を示す概略図である。 上記の製造工程において２段の回路層が形成された様子を示す基板の断面図である。 層間絶縁膜を成膜する装置の一例を示す縦断面図である。 後処理工程を行う装置の一例を示す縦断面図である。 上記の成膜する装置と後処理工程を行う装置とが接続される基板処理装置の一例を示す平面図である。 上記の後処理工程を行う装置の他の例を示す縦断面図である。 上記の後処理工程を行う装置の他の例を示す縦断面図である。 本発明で得られた実験結果を示す特性図である。 本発明で得られた実験結果を示す特性図である。 本発明で得られた実験結果を示す特性図である。 本発明で得られた実験結果を示す特性図である。 従来の層間絶縁膜の構造の一例を示す模式図である。
符号の説明
１０ ＳｉＣＯＨ膜
１１ 配線
１２ ＳｉＣＯＨ膜
１３ 犠牲膜
１４ フォトレジストマスク
１５ 凹部

Claims (11)

  1. フェニル基とシリコンとを含み、不可避的不純物以外の窒素を含まない有機シランガスを活性化してプラズマを得ると共に基板の温度を２００℃以下の処理温度に設定した状態で前記プラズマにより基板上にフェニル基とシリコンとを含む薄膜を成膜する工程（ａ）と、
    その後、前記基板に対してエネルギーを加え、前記薄膜から水分を脱離させて低誘電率膜を得る工程（ｂ）と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記薄膜を成膜する工程（ａ）は、有機シランガスと酸素ガスとの混合ガスを活性化する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記薄膜から水分を脱離させて低誘電率膜を得る工程（ｂ）は、前記基板の温度を２００℃よりも高い温度に加熱する工程、前記基板の表面に紫外線を照射する工程及び前記基板の表面を水素ガスを活性化して得たプラズマに曝す工程から選択される工程であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記低誘電率膜は、比誘電率が３．２以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれか一つの半導体装置の製造方法により形成された低誘電率膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
  6. 基板を載置する載置台を備えた処理容器と、
    この処理容器内に、フェニル基とシリコンとを含み、不可避成分である窒素以外の窒素を含まない有機シランガスを供給する手段と、この手段により供給された有機シランガスを活性化してプラズマを得る手段と、前記載置台上の基板を、前記プラズマに曝されている状態で２００℃以下の処理温度に設定する手段と、を備えたプラズマＣＶＤ装置と、
    このプラズマＣＶＤ装置により薄膜が形成された基板に対して、当該薄膜から水分を脱離させるためにエネルギーを加えて低誘電率膜を得る後処理装置と、を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
  7. 酸素ガスを供給するための手段を更に備え、この酸素ガスは有機シランガスと共に活性化されることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
  8. 前記後処理装置は、前記基板の温度を２００℃よりも高い温度に加熱する装置、前記基板の表面に紫外線を照射する装置及び前記基板の表面を水素ガスを活性化して得たプラズマに曝す装置から選択される装置であることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体製造装置。
  9. 前記プラズマＣＶＤ装置と後処理装置とは、共通の真空搬送モジュールに接続されていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  10. 前記プラズマＣＶＤ装置は、後処理装置を兼用していることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  11. 基板の処理を行う半導体製造装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
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