JP2009290025A - 中性粒子照射型ｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギーの電子やＵＶ光によるガスの解離を抑制でき、予定通りの分子構造を有する良質な膜を形成することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】中性粒子ビーム生成手段１１は、希ガスを励起してプラズマを発生させ、このプラズマ中の荷電粒子に電界を与えて所定のエネルギーを付与するとともに、荷電粒子を中性化して中性粒子ビームＮＢを生成する。反応室１０は、原料ガスが導入され、中性粒子生成手段により生成されたエネルギーが制御された中性粒子ビームにより原料ガスの一部が解離、重合されて基板１４上に膜を堆積される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に膜を堆積するＣＶＤ（化学気相成長）装置に係わり、例えば中性粒子を用いて基板上に膜を形成する中性粒子照射型ＣＶＤ装置に関する。

半導体装置の高集積密度化と高速動作化に伴い、配線間容量を低減することが求められている。この配線間容量を低減するため、層間絶縁膜の誘電率を低減する技術が必要とされ、ｌｏｗ−ｋ膜と呼ばれる比誘電率が３．０以下の絶縁膜の研究が行われている。

従来、ｌｏｗ−ｋ膜は、プラズマを用いたＰＥＣＶＤ装置により製造されている。すなわち、チャンバー内のステージ上に基板を載置し、例えばＣＨ_３基を含む原料ガスをチャンバー内に導入し、この原料ガスにプラズマを照射してＣＨ_３基を切り、重合反応によって基板上にｌｏｗ−ｋ膜を堆積している（例えば非特許文献１，２，３参照）
しかし、従来のＰＥＣＶＤ装置を用いたｌｏｗ−ｋ膜の製造方法の場合、プラズマが発する高エネルギーの電子や紫外光（ＵＶ光）あるいはフォトンにより、原料ガスのプリカーサ分子が必要以上に分解されてしまう。例えばプリカーサ中のＳｉ−ＣＨ_３などの有機基が、電子やＵＶ光あるいはフォトンの過剰なエネルギーにより、基板上に堆積したｌｏｗ−ｋ膜から離脱し、緻密化が進行する。このように、プラズマによりガスの解離が促進された場合、予定通りの分子構造を有するＣＶＤ膜を形成することが出来ない。このため、所望の誘電率や強度を有する膜を形成することが困難であった。
Shin-Ichi Nakao et al. "UV/EB Cure Mechanism for Porous PECVD/SOD Low-k SiCOH Materials", IITC, 2006 IEEE, p. 66-68 Y. Hayashi et al. "Novel Molecular-structure Design for PECVD Porous SiOCH Filmes toward 45nm-node, ASICs with k=2.3", IITC, 2004 IEEE, p. 225-227 N. Tajima et al. "First-principle Molecular Model of PECVD SiOCH Film for the Mechanical and Dielectric Property Investigation", IITC, 2005 IEEE, p. 66-68

本発明は、高エネルギーの電子やＵＶ光によるガスの解離を抑制でき、予定通りの分子構造を有する良質な膜を形成することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供しようとするものである。

本発明の中性粒子照射型ＣＶＤ装置の第１の態様は、希ガスを励起してプラズマを発生させ、このプラズマ中の荷電粒子に電界を与えて所定のエネルギーを付与するとともに、電子を供給して中性化した中性粒子ビームを生成する中性粒子生成手段と、基板が配置されるとともに原料ガスが導入され、前記中性粒子生成手段により生成されエネルギーが制御された中性粒子が前記原料ガスに照射され、前記基板上に膜が堆積される反応室とを具備することを特徴とする。

前記中性粒子生成手段は、前記希ガスが導入されるプラズマ室と、前記プラズマ室内の希ガスに高周波電界を供給してプラズマを発生させる高周波電源と、前記プラズマ室内に設けられたアノード電極と、前記プラズマ室と前記反応室との間に設けられ、複数の開口部を有するカソード電極と、前記アノード電極及びカソード電極に接続され、プラズマ室内に発生されたプラズマに電界を供給する直流電源とを具備することを特徴とする。

前記カソード電極の複数の開口部のそれぞれは、カソード電極の厚さに対するアスペクト比が１０以上、２０以下で、カソード電極の面積に対する開口率が５０％以下３０％以上であることを特徴とする。

前記直流電源は、可変電源であり、原料ガスの所要の分子を分解するに必要なエネルギーを与えるため、前記アノード電極及びカソード電極間に必要な電圧を供給することを特徴とする。

前記プラズマ室の圧力は、反応室の圧力の１０倍以上に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、高エネルギーの電子やＵＶ光によるガスの解離を抑制でき、予定通りの分子構造を有する良質な膜を形成することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置を示している。図１において、ＣＶＤ反応室（以下、単に反応室と称す）１０の例えば上部には、中性粒子ビーム生成部１１が設けられている。

反応室１０内には、処理対象の半導体ウェハ１４が載置される支持台１３が設けられている。支持台１３は図示せぬ温度制御装置を有し、半導体ウェハ１４は所定の温度に制御される。反応室１０は、ガス導入口１５と、排気機構１６を有している。反応室１０内は、排気機構１６により所定の圧力に保持され、原料ガスは、ガス導入口１５より支持台１３上の半導体ウェハ１４上に導かれる。

中性粒子ビーム生成部１１は、例えば石英製のプラズマ室１２を有している。プラズマ室１２の上部には、ガス導入口１７が設けられ、このガス導入口１７より希ガス、例えばアルゴン、ヘリウム、クリプトンなどのうちの１つのガスがプラズマ室１２内に導入される。プラズマ室１２の周囲にはコイル１８が巻回されている。このコイル１８の一端は接地され、他端は高周波源１９に接続されている。プラズマ室１２の内部且つ上部には、上部電極としてのアノード電極２０が設けられ、このアノード電極２０は、スイッチＳＷ１を介して直流電源２１の正極、及び高周波源１９に接続されている。また、プラズマ室１２の下部、且つ反応室１０との境界部には、下部電極としてのカソード電極２２が設けられている。このカソード電極２２は、スイッチＳＷ２を介して直流電源２１の負極に接続されている。直流電源２１は可変電源であり、この直流電源２１により、アノード電極２０とカソード電極２２との間の電界が変化可能とされている。

図２は、カソード電極２２の一例を概略的に示している。カソード電極２２は、例えばカーボン製であり、複数の開口部２１ａを有している。この開口部２１ａは、アスペクト比（カソード電極２１の厚みと開口部２１ａの直径との比）が例えば１０以上、２０以下の範囲に設定され、且つ、開口率（カソード電極２１の表面積に対する複数の開口部２１ａによる開口面積の比）が例えば５０％以下、３０％以上の範囲に設定されている。

カソード電極２１は、後述するように、正の荷電粒子を中性化して通過させ、且つプラズマから発生される電子やＵＶ光あるいはフォトンを遮断する必要があるため、開口部２１ａのアスペクト比及び開口率が規定されている。

さらに、反応室１０内のガスがプラズマ室１２内に流入することを防止するため、反応室１０とプラズマ室１２の圧力差を保持する必要がある。具体的には、反応室１０の圧力は、例えば１００ｍｍTorr以上に設定され、プラズマ室１２内の圧力は、例えば１Torr以上に設定される。したがって、反応室１０からプラズマ室１２へのガスの流入を抑制するため、プラズマ室１２と反応室１０の圧力差を１０倍以上に設定する必要がある。このような圧力差を保持するためには、カソード電極２２の開口部２２ａの開口率が３０％近傍であることが好ましい。

上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の動作について説明する。

本実施形態の中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、中性粒子ビーム生成部１１において、希ガスを用いてエネルギーが制御された中性粒子ビームを生成し、この中性粒子ビームを反応室１０内のガスに照射し、ガスを構成する分子の解離を制御して重合させ、基板上に所望の分子構造を有する膜を形成する。

先ず、プラズマ室１２の圧力が例えば１Torr以上に設定され、プラズマ室１２内に希ガス、例えばアルゴンガスが導入される。この状態において、スイッチＳＷ１がオンとされ、高周波源１９より高周波電力がコイル１８に供給される。この高周波電力は、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電圧が５００Ｖ、電力が１ｋＷである。プラズマ室１２内の電子は、コイル１８により発生された高周波電界により加速されてアルゴンガスに衝突し、ガスが分解されてプラズマが発生される。

この状態において、スイッチＳＷ２がオンとされると、アノード電極２０とカソード電極２２との間に電界が発生され、プラズマ中の正の荷電粒子が電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極２２において電子が供給されて中性化され、中性粒子ビーム（ＮＢ）が生成される。この中性粒子ビームは、複数の開口部２２ａを通過して反応室１０内に導かれる。このとき、プラズマ源で発生した電子やＵＶ光あるいはフォトンは、カソード電極２２によって遮蔽され反応室１０には到達しない。

反応室１０に導かれる中性粒子のエネルギーは、プラズマで発生したイオンの加速電圧によって制御され、この加速電圧は、直流電源２１を制御することにより可変される。

反応室１０内において、半導体ウェハ１４は、温度制御された支持台１３上に載置されている。ガス導入口１５から反応室１０内に原料ガスとして、例えばＤＭＤＭＯＳ（ジメチルジメトキシシラン）が導入され、基板１４の表面に吸着される。このＤＭＤＭＯＳにプラズマ室１２から導入された中性粒子が衝突される。中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応をお越して基板１４上に順次堆積される。

図３（ａ）は、ＤＭＤＭＯＳの分子構造と結合エネルギーの関係を示している。ＤＭＤＭＯＳの場合、Ｏ−ＣＨ_３の結合エネルギーがほぼ３〜５ｅＶであり、Ｓｉ−ＣＨ_３の結合エネルギーがほぼ５〜１０ｅＶである。本実施形態においては、Ｏ−ＣＨ_３の結合を解離させる必要がある。このため、Ｏ−ＣＨ_３の結合エネルギー以上で、Ｓｉ−ＣＨ_３の結合エネルギー以下のエネルギーを有する中性粒子ビームをＤＭＤＭＯＳに照射する。すなわち、直流電源２１を制御して中性粒子ビームに５ｅＶ以下で３ｅＶ以上のエネルギーを与えてＤＭＤＭＯＳに照射する。すると、図３（ａ）に示す分子構造において、Ｏとメチル基（ＣＨ_３）の結合が解離され、その後、図３（ｂ）に示すように、重合反応が進む。このようにして、ＤＭＤＭＯＳをプリカーサとして、基板１４上にＳｉＯＣからなるｌｏｗ−ｋ膜が堆積される。

プリカーサとしては、ＤＭＤＭＯＳに限定されるものではなく、例えばＭＴＭＯＳ（メチルトリメトキシシラン）などのＳｉ系化合物を用いることも可能である。このＭＴＭＯＳを使用する場合も、５ｅＶ以下のエネルギーを中性粒子ビームに与えることにより、良質なｌｏｗ−ｋ膜を形成することができる。

上記実施形態によれば、中性粒子ビーム生成部１１において、希ガスを用いて中性粒子ビームを生成し、この中性粒子ビームを反応室１０内の原料ガスに照射している。中性粒子ビームは、エネルギーが制御されているため、原料ガスは解離が制御されて重合される。したがって、基板上に所望の分子構造を有する膜を形成することができる。

しかも、中性粒子ビーム生成部１１は、中性粒子のみを反応室１０に導入し、電子やＵＶ光あるいはフォトンを遮断している。このため、反応室１０内において、原料ガスの必要以上の解離を抑制することができ、所要の誘電率及び強度を有するｌｏｗ−ｋ膜を堆積させることができる。

すなわち、中性粒子ビーム生成部１１と反応室１０との境界に設けられたカソード電極２２の開口部２２ａは、アスペクト比が例えば１０以上、２０以下の範囲に設定され、且つ、開口率が例えば５０％以下、３０％以上の範囲に設定されているため、中性粒子を通過して電子やＵＶ光あるいはフォトンを十分遮断することができる。したがって、プリカーサから所定の分子を解離して重合したガスの分子構造を維持したＣＶＤが可能であり、予定した膜質を有するｌｏｗ−ｋ膜を形成することができる。

尚、上記実施形態は、ＤＭＤＭＯＤやＭＴＭＯＳをプリカーサとしてｌｏｗ−ｋ膜を形成する場合について説明したが、本装置は、ｌｏｗ−ｋ膜の形成に限定されるものではなく、他の導電膜や絶縁膜の形成に適用することが可能である。

また、図１において、プラズマ室１２は、反応室１０の上部に設けられているが、これに限定されるものではなく、プラズマ中の荷電粒子を電界で加速してカソード電極２２の開口部２２ａを通過させ、中性化された粒子が反応室１０に導入されればよい。このため、反応室１０は、中性粒子ビームの下流方向に位置していればよい。

また、中性粒子ビームの照射方法は、連続的に照射すること、又はパルス的に照射することも可能である。

さらに、本実施形態は、成膜に限定されるものではなく、中性粒子のエネルギーを制御することにより、基板の被処理表面に形成された酸化膜の除去、汚染物質の除去、表面の整備など、プロセスの前処理、後処理、アニール処理などに適用することが可能である。これらの処理において、中性粒子ビームを用いることにより、チャージアップを抑制して良好な結果を得ることができる。

その他、本発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能なことはもちろんである。

本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置を示す構成図。 図１に示すカソード電極の一例を概略的に示す平面図。 本実施形態に係る成膜原理の例を説明するために示す図。

符号の説明

１０…反応室、１１…中性粒子ビーム生成部、１２…プラズマ室、１４…半導体ウェハ、１９…高周波電源、２０…アノード電極、２１…直流電源、２２…カソード電極、２２ａ…開口部。

Claims (5)

1. 希ガスを励起してプラズマを発生させ、このプラズマ中の荷電粒子に電界を与えて所定のエネルギーを付与するとともに、荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性粒子生成手段と、
   基板が配置されるとともに原料ガスが導入され、前記中性粒子生成手段により生成されエネルギーが制御された中性粒子が前記原料ガスに照射され、前記基板上に膜が堆積される反応室と
   を具備することを特徴とする中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
2. 前記中性粒子生成手段は、
   前記希ガスが導入されるプラズマ室と、
   前記プラズマ室内の希ガスに高周波電界を供給してプラズマを発生させる高周波電源と、
   前記プラズマ室内に設けられたアノード電極と、
   前記プラズマ室と前記反応室との間に設けられ、複数の開口部を有するカソード電極と、
   前記アノード電極及びカソード電極に接続され、プラズマ室内に発生されたプラズマに電界を供給する直流電源と
   を具備することを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
3. 前記カソード電極の複数の開口部のそれぞれは、カソード電極の厚さに対するアスペクト比が１０以上、２０以下で、カソード電極の面積に対する開口率が５０％以下、３０％以上であることを特徴とする請求項２記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
4. 前記直流電源は、可変電源であり、原料ガスの所要の分子を解離するに必要なエネルギーを与えるため、前記アノード電極及びカソード電極間に必要な電圧を供給することを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
5. 前記プラズマ室の圧力は、反応室の圧力の１０倍以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。

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