JP2009290026A

JP2009290026A - 中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法

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Publication number: JP2009290026A
Application number: JP2008141566A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sagawa; 誠二寒川; Shigeo Yasuhara; 重雄安原; Shingo Kadomura; 新吾門村; Takashi Yano; 尚矢野; Kunitoshi Tajima; 邦敏田島; Noriaki Matsunaga; 範昭松永; Masaki Yoshimaru; 正樹吉丸
Original assignee: Tohoku University NUC; Semiconductor Technology Academic Research Center
Current assignee: Tohoku University NUC; Semiconductor Technology Academic Research Center
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP4743229B2

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を用いた半導体装置の成膜方法を提供する。
【解決手段】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を生成し、エネルギーが制御された中性粒子ビームを原料ガスに照射し、所定の分子を解離して重合させ、基板１４上に膜３０を形成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造に使用され、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を用いた半導体装置の成膜方法に関する。

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結合からＣＨ_３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離脱したり、基板上に堆積したｌｏｗ−ｋ膜から有機基が離脱したりし、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を用いた半導体装置の成膜方法を提供しようとするものである。

本発明の中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法の第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、荷電粒子を中性化して中性粒子を生成し、前記エネルギーが制御された中性粒子を原料ガスに照射し、所定の分子を解離して重合させ、基板上に膜を形成させることを特徴とする。

前記エネルギーは、原料ガスの所定の分子の結合を解離するに必要なエネルギーに設定されていることを特徴とする。

前記エネルギーは、多段に変化され、２種以上の積層膜を前記基板上に形成することを特徴とする。

前記基板上に形成される膜は、低誘電率膜であることを特徴とする。

前記低誘電率膜上に別の膜を形成す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を用いた半導体装置の成膜方法を提供できる。

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適用される中性粒子照射型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。

（成膜方法）
上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置を用いた半導体装置の成膜方法について説明する。

ｌｏｗ−ｋ膜を形成する場合、一般的には、膜中に有機基が導入される。オルガノシロキサン類をプリカーサとし、このうちのメトキシ基の部分を解離して重合すれば、膜中に低誘電率化ユニットのメチル基とプラズマ体制や機械的強度の点で重要なＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を直鎖状に持つ構造のｌｏｗ−ｋ膜を形成することができる。この例のように、形成される膜の分子構造を仮定してプリカーサの分子構造の適切な設計を行うことにより、所望の膜を形成することができる。本実施形態の中性粒子を用いた製膜方法は、エネルギーが制御された中性粒子ビームを用いて、プリカーサの所要の分子を解離して重合することにより、予定した分子構造の膜を形成可能としている。

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３０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、図４，５，６に示すように、例えばＭＴＭＯＳ（メチルトリメトキシシラン）、トリメチルシラン、ジメチルジエトキシシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、ビストリメトキシシリルエタン、ビスメチルジメトキシシリルエタン、ビスジメチルメトキシシリルエタン、ビストリメチルシリルエタン、ビスシリルエタン、ビストリエトキシシリルエタンなどのＳｉ系化合物のうちの１つを適用することが可能である。

あるいは、図７に示すように、２個のＳｉの間にＣ_２Ｈ_４基（アセチレン基）やＣＨ_２基（メチレン基）のような（ＣＨ_２）ｎ基が結合された材料や３個のＳｉを、Ｏを介して結合したＳｉＯ構造の材料を適用することが可能である。

これらの材料を使用する場合も、所要の結合を切断するためのエネルギーを中性粒子ビームに与えることにより、予定された重合を行うことができ、良質なｌｏｗ−ｋ膜を形成することができる。

さらに、アルコキシル基（−Ｏ−Ｒ）を含む原料ガスを用いることも可能である。この場合、中性粒子ビームのエネルギーは、（Ｏ−）（−Ｒ）の結合エネルギー相当に設定することにより、これらを解離することができる。

上記実施形態によれば、原料ガスにエネルギーが制御された中性粒子ビームを照射することにより原料ガスの所要の分子を解離して活性化させ、重合反応を起こして基板上に薄膜を形成している。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に照射し、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る。したがって、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。

尚、上記実施形態は、ＤＭＤＭＯＳ等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。しかし、本発明は、ｌｏｗ−ｋ膜の形成に限定されるものではなく、他の絶縁膜や金属配線の形成に適用することが可能である。中性粒子ビームを用いたＣＶＤ成膜方法の場合、中性粒子が電荷を有していないため、チャージアップが生じない。したがって、例えば高アスペクト比を有するビアやコンタクトホールを金属材料により埋め込む場合、ボイドの発生を抑制することができ、確実に金属材料をビアやコンタクトホールに埋め込むことができる効果を有している。具体的には、例えばＣｕ配線の形成に、本実施形態の中性粒子ビームを用いたＣＶＤ成膜方法を適用することにより、ボイドの発生が抑制された配線を形成することができる。ＣｕＣＶＤの材料としては、例えばＣｕ（ＥＤＭＤＤ）_２（ビス（1,1,1,5,5,5−ヘキサフルオロペンタン−2,4-ジオナト）銅）、又はＣｕ（hfac）ＴＭＶＳ（ヘキサフルオロアセチルアセナト銅、トリメチルビニルシラン）を適用することが可能である。

また、ｌｏｗ−ｋ膜の上に別の膜を堆積する際、中性粒子ビームを用いたＣＶＤ成膜方法を用いることにより、ｌｏｗ−ｋ膜に対するダメージを軽減することができる。すなわち、中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、反応室１０内に対して電子やＵＶ光あるいはフォトンを遮断している。このため、例えばｌｏｗ−ｋ膜上にキャップ膜（ハードマスク膜）を堆積する場合や、Ｃｕの拡散防止膜を堆積する際、下層のｌｏｗ−ｋ膜にダメージを与えることがない。したがって、下地膜としてのｌｏｗ−ｋ膜の品質劣化を防止できる。

さらに、中性粒子ビームを用いたＣＶＤ成膜方法において、成膜中、中性粒子ビームに与えるエネルギーを多段に変化し、原料ガスにおいて解離させる分子を変化させることも可能である。このようにした場合、性質の異なる複数の膜を順次積層して形成することが可能である。

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。本実施形態に適用される原料ガスの分子構造の例を示す図。本実施形態に適用される原料ガスの分子構造の例を示す図。本実施形態に適用される原料ガスの分子構造の例を示す図。本実施形態に適用される原料ガスの分子構造の例を示す図。

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、３０…ｌｏｗ−ｋ膜。

Claims

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し、
前記エネルギーが制御された中性粒子を原料ガスに照射し、所定の分子を解離して重合させ、基板上に膜を形成させることを特徴とする中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法。
前記エネルギーは、原料ガスの所定の分子の結合を解離するに必要なエネルギーに設定されていることを特徴とする請求項１記載の中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法。
前記エネルギーは、多段に変化され、２種以上の積層膜を前記基板上に形成することを特徴とする請求項２記載の中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法。
前記基板上に形成される膜は、低誘電率膜であることを特徴とする請求項１記載の中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法。
前記低誘電率膜上に別の膜を形成することを特徴とする請求項１記載の中性粒子を用いた半導体装置の成膜方法。