JP2011146596A - Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device Download PDF

Info

Publication number
JP2011146596A
JP2011146596A JP2010007355A JP2010007355A JP2011146596A JP 2011146596 A JP2011146596 A JP 2011146596A JP 2010007355 A JP2010007355 A JP 2010007355A JP 2010007355 A JP2010007355 A JP 2010007355A JP 2011146596 A JP2011146596 A JP 2011146596A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
organic silica
semiconductor device
manufacturing
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010007355A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jun Kawahara
潤 川原
Hirochika Yamamoto
博規 山本
Hisaya Inoue
尚也 井上
Makoto Ueki
誠 植木
Ippei Kume
一平 久米
Yoshihiro Hayashi
喜宏 林
Shinobu Saito
忍 齋藤
Takahiro Onodera
貴弘 小野寺
Naoya Furutake
直也 古武
Tsuneo Takeuchi
常雄 竹内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renesas Electronics Corp
Original Assignee
Renesas Electronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renesas Electronics Corp filed Critical Renesas Electronics Corp
Priority to JP2010007355A priority Critical patent/JP2011146596A/en
Publication of JP2011146596A publication Critical patent/JP2011146596A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten a cleaning time for an inner wall of a plasma reaction chamber after formation of an organic silica film. <P>SOLUTION: The plasma reaction chamber inner wall is coated with a precoat film (precoating process). Then the organic silica film having a silicon-carbon composition ratio (C/Si) of ≥1 is grown on the substrate (substrate processing process). After the substrate is taken out, the organic silica film and precoat film sticking on the plasma reaction chamber inner wall are removed using plasma (cleaning process). As the precoat film, a high-oxygen-containing precoat film is used which is an organic silica film having at least a less carbon content than the organic silica film formed on the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機シリカ膜を基板上に成膜する工程を有する半導体装置の製造方法、半導体装置、及び半導体製造装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor device, and a semiconductor manufacturing device including a step of forming an organic silica film on a substrate.

電子産業の集積回路分野の製造技術において、さらなる高集積化かつ高速化が要求されている。集積化を実現するために半導体装置の微細化が進むにつれ、配線が近接化することによる寄生容量の増大による配線遅延や、消費電力の増加が問題となっている。これらの課題を回避するため、炭化水素基や空孔の導入による層間絶縁膜の低誘電率(Low−k)化が進められている。Low−k化が進められた層間絶縁膜は主に、シリコン、酸素、炭素、水素からなる、有機シリカ膜(SiOCH膜)である。これらの有機シリカ膜の成膜方法として、プラズマCVD法やプラズマ重合法が用いられている。   In the manufacturing technology in the integrated circuit field of the electronic industry, further higher integration and higher speed are required. As miniaturization of semiconductor devices progresses in order to realize integration, wiring delay due to increase in parasitic capacitance due to the close proximity of wiring and increase in power consumption become problems. In order to avoid these problems, the dielectric constant (Low-k) of the interlayer insulating film is being reduced by introducing hydrocarbon groups and vacancies. The interlayer insulating film that has been made low-k is mainly an organic silica film (SiOCH film) made of silicon, oxygen, carbon, and hydrogen. As a method for forming these organic silica films, a plasma CVD method or a plasma polymerization method is used.

プラズマ重合法においては、不飽和炭化水素基を有する有機シリカ分子からなる原料ガスを用いている。具体的には、原料ガスとキャリアガス(He)の混合ガスあるいはそれに酸化剤ガスを添加したものをプラズマ中の導入し、主に不飽和炭化水素基を活性化させ、そのプラズマ重合反応により原料中のシリカ骨格構造を保有した有機シリカ膜を成膜する。例えば、環状シロキサン構造を持つ有機シリカ化合物分子を出発原料ガスした場合、環状シロキサン構造を保持した多孔質有機シリカ膜が成長する。   In the plasma polymerization method, a raw material gas composed of organic silica molecules having an unsaturated hydrocarbon group is used. Specifically, a mixed gas of a source gas and a carrier gas (He) or a gas added with an oxidant gas is introduced into the plasma to mainly activate unsaturated hydrocarbon groups, and the raw material is obtained by the plasma polymerization reaction. An organic silica film having a silica skeleton structure is formed. For example, when an organic silica compound molecule having a cyclic siloxane structure is used as a starting material gas, a porous organic silica film having a cyclic siloxane structure grows.

この際、特に出発原料である有機シリカ分子に嵩高い炭化水素側鎖が結合している場合、半導体基板の加熱による熱エネルギーとプラズマエネルギーにより重合反応を促進させることが肝要である。加熱された半導体基板上へ成膜を行う場合、有機シリカと半導体基板との界面において十分な重合反応が生じ、緻密かつ密着性に優れた多孔質構造の有機シリカ膜の成長が可能となるといったプラズマ重合法に特有の効果が生じる。基板温度は、一般的には200℃〜450℃である。   At this time, particularly when a bulky hydrocarbon side chain is bonded to the organic silica molecule which is the starting material, it is important to promote the polymerization reaction by heat energy and plasma energy by heating the semiconductor substrate. When a film is formed on a heated semiconductor substrate, a sufficient polymerization reaction occurs at the interface between the organic silica and the semiconductor substrate, and it becomes possible to grow an organic silica film having a porous structure with high density and excellent adhesion. An effect peculiar to the plasma polymerization method occurs. The substrate temperature is generally 200 ° C. to 450 ° C.

プラズマCVD法あるいはプラズマ重合法を用いて有機シリカ膜の成膜を行う場合、プラズマ反応室内の雰囲気・環境を安定化させる目的で、半導体基板(ウエハ)上に絶縁膜を成膜する前に、プラズマ反応室内壁を絶縁膜で被覆するプリコート膜の成長工程が必要となる。プラズマ反応室内壁はステンレス鋼等の導電性金属で形成されており、特殊な場合を除き加熱されていない。   When forming an organic silica film using the plasma CVD method or the plasma polymerization method, in order to stabilize the atmosphere and environment in the plasma reaction chamber, before forming the insulating film on the semiconductor substrate (wafer), A growth process of a precoat film for covering the plasma reaction chamber inner wall with an insulating film is required. The plasma reaction chamber inner wall is made of a conductive metal such as stainless steel and is not heated except in special cases.

プリコート膜を成長していない場合、絶縁膜成長中にプラズマ反応室の金属内壁が絶縁膜で覆われる。すなわち、プラズマ反応室の内壁が導電性から絶縁性に変化することからプラズマ反応室内のプラズマ電位分布が変化し、それに伴い特にプラズマ重合法では、重合反応度が変化するため膜厚方向で膜物性が変化する場合があった。そこで、半導体基板への有機シリカ膜成長時のプラズマ電位分布の変化を抑制するため、上記したようにプリコート膜の成長工程を行うことが一般になされている。また、プリコート膜の成長を予め行うことで、有機シリカ膜を成膜する際に、プラズマ反応室内壁を発生源とするパーティクルや金属不純物が膜中に取り込まれたり、半導体基板裏面に付着したりすることを防止できることも知られている。   When the precoat film is not grown, the metal inner wall of the plasma reaction chamber is covered with the insulating film during the growth of the insulating film. That is, since the inner wall of the plasma reaction chamber changes from conductive to insulating, the plasma potential distribution in the plasma reaction chamber changes, and in particular, in the plasma polymerization method, the polymerization reactivity changes, so the film properties in the film thickness direction. Sometimes changed. Therefore, in order to suppress changes in the plasma potential distribution during the growth of the organic silica film on the semiconductor substrate, it is a common practice to perform the precoat film growth step as described above. Also, by pre-growing the precoat film, when the organic silica film is formed, particles and metal impurities originating from the plasma reaction chamber wall are taken into the film or attached to the back surface of the semiconductor substrate. It is also known that it can be prevented.

プリコート膜は、有機シリカ膜を1枚もしくは複数枚成膜した半導体基板を取り出した後、プラズマクリーニング工程により除去される。除去後には、再度プリコート膜成長工程を行うことでプラズマ反応室内壁をコーティングし、以下、上記の工程を繰り返しながら、複数の半導体基板上に有機シリカ膜を連続して成膜を行う。   The precoat film is removed by a plasma cleaning process after taking out the semiconductor substrate on which one or more organic silica films are formed. After the removal, the pre-coating film growth step is performed again to coat the plasma reaction chamber inner wall, and thereafter, organic silica films are continuously formed on a plurality of semiconductor substrates while repeating the above steps.

プラズマ反応室内から発生するパーティクルを防止する例としては特許文献1を挙げることができる。特許文献1では、クリーニング終了後にプラズマ反応室壁面の導入窓から導入したμ波でμ波プラズマを生成することにより、プラズマ反応室内壁面にプリコートを行う。または、クリーニング終了後にプラズマ反応室壁面にRFを印加してRFプラズマを生成することにより、プラズマ反応室内壁面にプリコートを行う。または、クリーニング終了後に基板電極にRFを印加してRFプラズマを生成することにより、プラズマ反応室内壁面にプリコートを行う。成膜ガスとしては酸素ガス、Ar、SiHガスが用いられている。また、このプリコート膜の除去のためのクリーニングにおいてはNFガスが用いられている。 As an example of preventing particles generated from the plasma reaction chamber, Patent Document 1 can be cited. In Patent Document 1, the plasma reaction chamber wall surface is precoated by generating μ wave plasma with μ wave introduced from the introduction window of the plasma reaction chamber wall surface after the cleaning is completed. Alternatively, pre-coating is performed on the plasma reaction chamber wall surface by generating RF plasma by applying RF to the plasma reaction chamber wall surface after completion of cleaning. Alternatively, after the cleaning is completed, RF plasma is applied to the substrate electrode to generate RF plasma, thereby pre-coating the wall surface of the plasma reaction chamber. Oxygen gas, Ar, or SiH 4 gas is used as a film forming gas. In the cleaning for removing the precoat film, NF 3 gas is used.

また、プラズマ反応室内に堆積された膜の剥がれを防止する例として、特許文献2を挙げることができる。特許文献2では、減圧CVD装置の石英反応管内に、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含むプリコート膜が堆積される。ストレス緩衝層となるシリコン酸化膜と、密着性を良くするシリコン窒化膜を積層することにより、石英反応管内壁からの膜ストレス起因の膜剥離等に起因する膜剥離を抑制し、パーティクル発生を抑制している。また、これらの積層膜は熱分解したNFガスを用いたガスクリーニングによって除去される。 Further, Patent Document 2 can be cited as an example of preventing peeling of a film deposited in the plasma reaction chamber. In Patent Document 2, a precoat film including a silicon oxide film and a silicon nitride film is deposited in a quartz reaction tube of a low pressure CVD apparatus. By laminating a silicon oxide film that serves as a stress buffer layer and a silicon nitride film that improves adhesion, film peeling caused by film stress from the inner wall of the quartz reaction tube is suppressed and particle generation is suppressed. is doing. These laminated films are removed by gas cleaning using thermally decomposed NF 3 gas.

また、プラズマ反応室内に堆積された膜は、クリーニングにより除去するが、このクリーニングに用いるクリーニングガスを効率的に活用する観点では、特許文献3を挙げることができる。プロセスチャンバー外でプラズマ等によって活性化されたNFガスは、ガス配管を経由してプロセスチャンバーに供給されるまでに、配管側壁等に衝突することによって、エネルギーを失って活性状態ではなくなってしまう(失活)。特許文献3では、プラズマ源を複数用いることで、一旦不活性になったクリーニングガスを再度活性化することができるようになっている。これによってガスのクリーニング効率を高めることができる。特許文献3には、例として、NFをクリーニングガスに用いた場合について記載されている。 Moreover, although the film | membrane deposited in the plasma reaction chamber is removed by cleaning, patent document 3 can be mentioned from a viewpoint of utilizing the cleaning gas used for this cleaning efficiently. The NF 3 gas activated by plasma or the like outside the process chamber loses energy and loses its active state by colliding with the side wall of the pipe before being supplied to the process chamber via the gas pipe. (Deactivation). In Patent Document 3, by using a plurality of plasma sources, the cleaning gas once deactivated can be activated again. As a result, gas cleaning efficiency can be increased. Patent Document 3 describes, as an example, a case where NF 3 is used as a cleaning gas.

SiO膜あるいはSiN膜をプリコート膜に用いる場合、クリーニングガスにはNFあるいはNFとアルゴン(Ar)の組合せが用いられることが一般的である。これらのガスと、リモートプラズマを用いて、NFガスを活性化し、NFのプラズマから生成するフッ素ラジカルによって、SiO膜あるいはSiN膜に含まれるシリコン原子をSiFとして除去する。酸素原子あるいは窒素原子については、それぞれ酸素ガス、あるいは窒素ガスとしてそれぞれの膜が除去され、クリーニングが実施される。 When a SiO 2 film or a SiN film is used as the precoat film, it is common that a cleaning gas is a combination of NF 3 or NF 3 and argon (Ar). NF 3 gas is activated using these gases and remote plasma, and silicon atoms contained in the SiO 2 film or SiN film are removed as SiF by fluorine radicals generated from the NF 3 plasma. For oxygen atoms or nitrogen atoms, the respective films are removed as oxygen gas or nitrogen gas, respectively, and cleaning is performed.

特開2001−123271号公報JP 2001-123271 A 特開2008−117987号公報JP 2008-117987 A 特開2005−101309号公報JP 2005-101309 A

本発明者らは、炭素/シリコン比が1以下(C/Si≦1)の一般的な有機シリカ膜を半導体基板上へ成長する場合、プラズマ反応室内壁のプリコート膜として同一組成の有機シリカ膜を成膜することを考えた。この場合、半導体基板上へ有機シリカ膜を成長させる時には、プラズマ反応室内壁に同じく有機シリカ膜が堆積していることになる。従って、半導体基板上への有機シリカ膜成長後において、プラズマ反応室内壁には有機シリカ膜の単層膜が成長することとなる。C/Si≦1の一般的な有機シリカの場合、NFを用いてプラズマ反応室内壁のプラズマクリーニングを行うことができる。有機シリカ中のシリコンはフッ素ラジカルとの反応によってSiFと酸素になって除去され、さらに、炭素はCOあるいはCOとなって除去されると考えられる。このとき、炭素と結合する酸素は有機シリカ(SiOCH膜)を構成する酸素から供給される。一般的に、SiOCH膜として知られている有機シリカ膜の多くは炭素/シリコン組成比(C/Si比)が1より小さく、酸素/シリコン組成比(O/Si)が1.5より大きい。このような低炭素組成の有機シリカ膜であれば、NFガスによるクリーニングは、シリコン酸化膜と同様に行うことが可能である。 When the present inventors grow a general organic silica film having a carbon / silicon ratio of 1 or less (C / Si ≦ 1) on a semiconductor substrate, the organic silica film having the same composition as a precoat film on the inner wall of the plasma reaction chamber Was considered to form a film. In this case, when the organic silica film is grown on the semiconductor substrate, the organic silica film is also deposited on the plasma reaction chamber wall. Therefore, after the organic silica film is grown on the semiconductor substrate, a single layer film of the organic silica film is grown on the inner wall of the plasma reaction chamber. In the case of general organic silica with C / Si ≦ 1, plasma cleaning of the plasma reaction chamber inner wall can be performed using NF 3 . It is considered that silicon in the organic silica is removed as SiF and oxygen by reaction with fluorine radicals, and carbon is further removed as CO 2 or CO. At this time, oxygen bonded to carbon is supplied from oxygen constituting the organic silica (SiOCH film). In general, many organic silica films known as SiOCH films have a carbon / silicon composition ratio (C / Si ratio) of less than 1 and an oxygen / silicon composition ratio (O / Si) of greater than 1.5. With such an organic silica film having a low carbon composition, cleaning with NF 3 gas can be performed in the same manner as the silicon oxide film.

ここで本発明者らは、プラズマ重合法において、炭素組成に富んだ有機シリカ膜(SiOCH)、具体的にはC/Si>1であるような有機シリカ膜を成長する場合、プラズマ反応室内のクリーニングには、以下に述べるような課題があることを見出した。   Here, in the plasma polymerization method, the present inventors have grown an organic silica film (SiOCH) rich in carbon composition, specifically, an organic silica film having C / Si> 1 in the plasma reaction chamber. It has been found that cleaning has the following problems.

炭素組成に富んだ、具体的にはC/Si>1であるような有機シリカ膜に対して、NFを用いたプラズマクリーニングを行うと、膜中の炭素をCOあるいはCOとして除去するためには、相対的に酸素が不足する。その結果、クリーニング速度が低下し、クリーニング所要時間が長くなる。 When an organic silica film having a high carbon composition, specifically C / Si> 1, is subjected to plasma cleaning using NF 3 , carbon in the film is removed as CO 2 or CO. Is relatively deficient in oxygen. As a result, the cleaning speed decreases and the time required for cleaning increases.

この酸素不足を補うために、クリーニングガスであるNFに酸素を添加することも可能であるが、有機シリカ膜の炭素組成増加に合わせて酸素添加量を増やしていくと、今度は、NFガスが失活しやすい。詳細には、添加された酸素と衝突することによって活性化したNFガスが失活することとなり、これによってクリーニング速度の上昇効果が得られなくなり、ついにはクリーニング速度が却って低下してしまう。 In order to make up for this lack of oxygen, it is possible to add oxygen to the cleaning gas NF 3. However, if the amount of oxygen added is increased in accordance with the increase in the carbon composition of the organic silica film, this time, NF 3 Gas is easily deactivated. More specifically, the activated NF 3 gas is deactivated by colliding with the added oxygen, whereby the cleaning rate cannot be increased, and the cleaning rate is finally lowered.

本発明者らは、プラズマ重合法によって炭素組成に富んだ(C/Si>1)有機シリカ膜、特に多孔質構造を有する炭素組成に富んだ有機シリカ膜を成膜する場合において、有機シリカ膜よりも炭素組成が低い高酸素含有プリコート膜を用いることを考えた。   In the case of forming an organic silica film rich in carbon composition (C / Si> 1), particularly an organic silica film rich in carbon composition having a porous structure by plasma polymerization, the organic silica film The use of a high oxygen content precoat film having a lower carbon composition was considered.

すなわち本発明によれば、プラズマ反応室内壁をプリコート膜で被覆するプリコート工程と、
基板上に、シリコン炭素組成比(C/Si)が1以上である有機シリカ膜を成長させる基板処理工程と、
前記基板を取り出した後、前記プラズマ反応室内壁に付着した前記有機シリカ膜と前記プリコート膜とをプラズマを用いて除去するクリーニング工程と
を備え、
前記プリコート膜として、前記有機シリカ膜よりも少なくとも炭素含有率が低い有機シリカ膜である高酸素含有プリコート膜を用いる半導体装置の製造方法が提供される。
That is, according to the present invention, a precoat step of coating the plasma reaction chamber inner wall with a precoat film,
A substrate processing step of growing an organic silica film having a silicon carbon composition ratio (C / Si) of 1 or more on the substrate;
A cleaning step of removing the organic silica film and the precoat film adhering to the plasma reaction chamber wall using plasma after taking out the substrate;
A semiconductor device manufacturing method using a high oxygen content precoat film which is an organic silica film having at least a carbon content lower than that of the organic silica film as the precoat film is provided.

基板上への該有機シリカ膜成長後において、プラズマ反応室内壁には、高酸素含有プリコート膜上に炭素組成に富んだ有機シリカ膜が堆積した積層膜が形成されている。高酸素含有プリコート膜は、炭素組成に富んだ有機シリカ膜よりも酸素含有量が多い。このため、高酸素含有プリコート膜が酸素供給源となり、結果としてプラズマによるクリーニング時間を大幅に短縮することができる。   After the growth of the organic silica film on the substrate, a laminated film in which an organic silica film rich in carbon composition is deposited on the high oxygen-containing precoat film is formed on the plasma reaction chamber inner wall. The high oxygen content precoat film has a higher oxygen content than the organic silica film rich in carbon composition. For this reason, the high-oxygen-containing precoat film becomes an oxygen supply source, and as a result, the cleaning time by plasma can be greatly shortened.

本発明によれば、上記した半導体装置の製造方法を用いて製造された有機シリカ膜が層間絶縁膜として用いられていることを特徴とする半導体装置が提供される。   According to the present invention, there is provided a semiconductor device characterized in that an organic silica film manufactured using the above-described method for manufacturing a semiconductor device is used as an interlayer insulating film.

本発明によれば、上記した半導体装置の製造方法を実施する半導体製造装置であって、
基板を加熱する機構を有するプラズマ反応室と、
炭素組成に富んだ有機シリカ膜を成長するための環状有機シリカ化合物をガス化してプラズマ反応室へ供給する成膜ガス供給部と、
プリコート膜を成長するためのシランガスと酸化剤ガスをプラズマ反応室へ供給するプリコート原料ガス供給部と、
クリーニングガスをプラズマ反応室へ供給するクリーニングガス供給部と、
排気システムと、
を備えている半導体製造装置が提供される。
According to the present invention, there is provided a semiconductor manufacturing apparatus for performing the above-described semiconductor device manufacturing method,
A plasma reaction chamber having a mechanism for heating the substrate;
A film forming gas supply unit for gasifying a cyclic organic silica compound for growing an organic silica film rich in carbon composition and supplying the gas to a plasma reaction chamber;
A precoat source gas supply unit for supplying a silane gas and an oxidant gas for growing a precoat film to the plasma reaction chamber;
A cleaning gas supply unit for supplying a cleaning gas to the plasma reaction chamber;
An exhaust system;
A semiconductor manufacturing apparatus is provided.

本発明によれば、プラズマによるクリーニング時間を大幅に短縮することができる。   According to the present invention, the cleaning time by plasma can be greatly shortened.

実施形態に係る半導体製造装置の構成を示す図である。It is a figure showing the composition of the semiconductor manufacturing device concerning an embodiment. 実施形態に係る方法により形成された有機シリカ膜に含まれる空孔の径分布を示す図である。It is a figure which shows the diameter distribution of the void | hole contained in the organic silica film formed by the method which concerns on embodiment. 有機シリカ膜の成膜速度とNO添加量の関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the deposition rate and N 2 O amount of the organic silica film. 本実施形態における有機シリカ膜のフーリエ変換赤外分光分析(FT−IR)の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the Fourier-transform infrared spectroscopy analysis (FT-IR) of the organic silica film | membrane in this embodiment. 実施例1と比較例それぞれにおけるクリーニングの状態を、発光分光器を用いてモニタした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having monitored the cleaning state in Example 1 and each comparative example using the emission spectrometer. 実施例2と実施例1それぞれにおけるクリーニングの状態を、発光分光器を用いてモニタした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having monitored the cleaning state in Example 2 and Example 1 using the emission spectrometer. 実施例3においてクリーニングの状態を発光分光器を用いてモニタした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having monitored the cleaning state in Example 3 using the emission spectrometer. 実施例4と比較例それぞれにおけるクリーニングの状態を、発光分光器を用いてモニタした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having monitored the cleaning state in Example 4 and each comparative example using the emission spectrometer. 実施例5に係る半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to Example 5. 実施例6に係る半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to Example 6.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。まずプラズマ反応室内壁をプリコート膜で被覆する(プリコート工程)。次いで基板上に、シリコン炭素組成比(C/Si)が1以上である有機シリカ膜を成長させる(基板処理工程)。次いで、基板を取り出した後、プラズマ反応室内壁に付着した有機シリカ膜とプリコート膜とをプラズマを用いて除去する(クリーニング工程)。プリコート膜としては、基板上に成膜された有機シリカ膜よりも少なくとも炭素含有率が低い有機シリカ膜、あるいはシリカ(SiO)膜である高酸素含有プリコート膜を用いる。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment includes the following steps. First, the inner wall of the plasma reaction chamber is covered with a precoat film (precoat process). Next, an organic silica film having a silicon carbon composition ratio (C / Si) of 1 or more is grown on the substrate (substrate processing step). Next, after taking out the substrate, the organic silica film and the precoat film adhering to the inner wall of the plasma reaction chamber are removed using plasma (cleaning step). As the precoat film, an organic silica film having at least a lower carbon content than the organic silica film formed on the substrate, or a high oxygen content precoat film that is a silica (SiO 2 ) film is used.

上記した方法において、基板上への該有機シリカ膜成長後では、プラズマ反応室内壁には、高酸素含有プリコート膜上に炭素組成に富んだ有機シリカ膜が堆積した積層膜が形成されている。高酸素含有プリコート膜の一例はシリカ膜(SiO、C/Si=0、O/Si=2)である。これにより、プラズマ反応室内壁のクリーニング工程において、炭素組成に富んだ有機シリカ膜の単層膜よりも、該積層膜の方がプラズマによるクリーニング時間が大幅に短縮する。このプラズマクリーニング時間の短縮により、高価なクリーニングガス、例えば三弗化窒素(N3)-アルゴン(Ar)-酸素(O)、の使用量を削減することができ、この結果、有機シリカ膜を用いた半導体装置の製造コストを大幅に削減できる。以下、詳細に説明を行う。 In the above-described method, after the organic silica film is grown on the substrate, a laminated film in which an organic silica film rich in carbon composition is deposited on the high-oxygen-containing precoat film is formed on the plasma reaction chamber inner wall. An example of the high oxygen content precoat film is a silica film (SiO 2 , C / Si = 0, O / Si = 2). Thereby, in the cleaning process of the inner wall of the plasma reaction chamber, the cleaning time by the plasma is significantly shortened in the laminated film than in the single layer film of the organic silica film rich in carbon composition. By shortening the plasma cleaning time, the amount of expensive cleaning gas such as nitrogen trifluoride (N F 3) -argon (Ar) -oxygen (O 2 ) can be reduced. The manufacturing cost of the semiconductor device using the film can be greatly reduced. Details will be described below.

[発明の原理]
炭素組成に富んだ有機シリカ膜をNFでクリーニングする場合には、NFのフッ素と有機シリカ膜の炭素が再結合して、CF系の堆積物を形成する。NFでは効率的にCF系の堆積物除去できないため、これによって、クリーニング速度が低下する。例えば、プリコートにも本成膜と同様に炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いた場合には、常にプラズマ反応室内部の表面は炭素組成に富んだ有機シリカ膜で覆われており、全面除去には非常に長い時間がかかってしまう。これに対して本実施形態では、高酸素含有プリコート膜を用いることで炭素組成に富んだ有機シリカ膜のプラズマクリーニング時間を短縮化させている。
[Principle of the Invention]
In case of cleaning an organic silica film rich in carbon composition with NF 3, the carbon atoms of fluorine and organic silica film of NF 3 recombine to form a CF-based deposit. Since NF 3 cannot efficiently remove CF-based deposits, this reduces the cleaning rate. For example, when an organic silica film rich in carbon composition is used for pre-coating as in this film formation, the surface inside the plasma reaction chamber is always covered with an organic silica film rich in carbon composition, and the entire surface is removed. Takes a very long time. On the other hand, in the present embodiment, the plasma cleaning time of the organic silica film rich in carbon composition is shortened by using the precoat film containing high oxygen.

プラズマ反応室内壁のプラズマクリーニング工程においては、NFラジカルが供給された部位から、プラズマ反応室内壁に成長された炭素組成に富んだ有機シリカ膜が順次エッチングにより除去され、膜厚が減少し、ついには、高酸素含有プリコート膜が露出する。この際、プラズマ反応室内壁のNFガスクリーニングによる堆積膜のエッチング速度には分布がある。このため、クリーニングレートの高いところから高酸素含有プリコート膜の露出が開始される。つまり、クリーニングの過程で、プラズマ反応室内壁が、炭素組成に富んだ有機シリカ膜と、高酸素含有プリコート膜が混在している状態になる。 In the plasma cleaning process of the plasma reaction chamber wall, the organic silica film rich in carbon composition grown on the plasma reaction chamber wall is sequentially removed from the site where the NF 3 radical is supplied, and the film thickness is reduced. Eventually, the high oxygen content precoat film is exposed. At this time, there is a distribution in the etching rate of the deposited film by the NF 3 gas cleaning of the plasma reaction chamber inner wall. For this reason, exposure of the high oxygen content precoat film is started at a high cleaning rate. That is, in the cleaning process, the plasma reaction chamber inner wall is in a state where the organic silica film rich in carbon composition and the precoat film containing high oxygen are mixed.

プラズマ反応室内で部分的に炭素が含まれていないシリコン酸化膜が露出している、あるいは炭素組成に富んだ有機シリカ膜の下層にシリコン酸化膜の層が存在することで、この面あるいは層が酸素供給源となり、実効的にクリーニングガス中の酸素濃度を高めることになる。しかも、この酸素はNFによるエッチングによってシリコン酸化膜が分解されることによって供給されることから、供給時に活性状態にあり、有機シリカ膜中の炭素の引き抜き効果が高い。しかもプラズマ反応室内で供給されることから、NFラジカルの供給経路には影響がなく、NFの活性度を下げることがない。この効果は、リアクタ内に残存している炭素組成に富んだ有機シリカ膜が除去されればされるほど、プラズマ反応室内壁における高酸素含有プリコート膜の占める面積が増大することとなり、その結果、炭素組成に富んだ有機シリカ膜の除去速度は高速化する。 In the plasma reaction chamber, a silicon oxide film that does not partially contain carbon is exposed, or a silicon oxide film layer exists under the organic silica film rich in carbon composition. It becomes an oxygen supply source and effectively increases the oxygen concentration in the cleaning gas. Moreover, since this oxygen is supplied by decomposing the silicon oxide film by etching with NF 3 , it is in an active state at the time of supply, and the effect of extracting carbon in the organic silica film is high. In addition, since it is supplied in the plasma reaction chamber, the supply path of the NF 3 radical is not affected, and the activity of NF 3 is not lowered. The effect is that as the organic silica film rich in carbon composition remaining in the reactor is removed, the area occupied by the high-oxygen-containing precoat film on the plasma reaction chamber wall increases. The removal rate of the organic silica film rich in carbon composition is increased.

これらの相乗効果によって、炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いている場合でも、単にエッチングガスへの酸素添加量を増やす場合よりも効率の高いクリーニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。   Due to these synergistic effects, even when an organic silica film rich in carbon composition is used, cleaning is performed more efficiently than when the amount of oxygen added to the etching gas is simply increased. The shortening effect is obtained.

プラズマクリーニングの高速化効果は、半導体基板上に成膜する有機シリカ膜の炭素組成が高いほど、また、プリコート膜中の酸素含量が多いほど顕著となる。この意味において、高酸素含有プリコート膜としては、シリカ膜(SiO、C/Si=0、O/Si=2)が最適材料のひとつとなる。シリカ膜は一般に、シランガス(SiH)あるいはテトラエトキシオルソシロキサン(TEOS)ガスと酸化剤ガス(例えば、NOやO)の混合ガスを用いたプラズマCVD法により、安価かつ高速に成長することができる。 The effect of increasing the speed of plasma cleaning becomes more remarkable as the carbon composition of the organic silica film formed on the semiconductor substrate is higher and as the oxygen content in the precoat film is higher. In this sense, a silica film (SiO 2 , C / Si = 0, O / Si = 2) is one of the optimum materials for the high oxygen content precoat film. The silica film is generally grown at a low cost and at a high speed by a plasma CVD method using a mixed gas of silane gas (SiH 4 ) or tetraethoxyorthosiloxane (TEOS) gas and an oxidizing gas (for example, N 2 O or O 2 ). be able to.

上記した効果は、シリカ膜(シリコン酸化膜)をプリコートして用いた場合だけでなく、基板上への本成膜に用いた有機シリカ膜よりも大幅に炭素組成が低い、好ましくは炭素/シリコン組成比が1前後より小さければ、さらに劇的にクリーニング時間を短縮する効果が発現する。   The above effect is not only when the silica film (silicon oxide film) is pre-coated, but also has a significantly lower carbon composition than the organic silica film used for the main film formation on the substrate, preferably carbon / silicon. If the composition ratio is smaller than about 1, the effect of shortening the cleaning time more dramatically is exhibited.

以下、実施形態に基づいて図面を用いて説明する。なお本発明は、以下の実施形態によって何ら限定されるものではない。以下、上記したプリコート工程を単にプリコートと記載する。また、基板処理工程を本成膜と記載する。また、上記したクリーニング工程を単にクリーニングと記載する。   Hereinafter, it demonstrates using drawing based on embodiment. In addition, this invention is not limited at all by the following embodiment. Hereinafter, the above-described precoat process is simply referred to as precoat. The substrate processing step is referred to as main film formation. The above-described cleaning process is simply referred to as cleaning.

まず、図1は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施する、半導体製造装置の構成を説明する模式図である。本装置は原料モノマー原料供給システム(成膜ガス供給部)と、そこから供給された気化原料モノマーをプラズマ反応室201へ導入するための配管と、プリコート膜あるいは本成膜の添加ガスを制御導入する配管と、高周波電源によりプラズマを励起して成膜を行うプラズマ反応室201と、プラズマ反応室201外でクリーニングガスのプラズマを励起するプラズマ源(リモートプラズマ)と、励起されたクリーニングガスをプラズマ反応室201へ導入するための配管と、それぞれの未反応ガス、あるいはクリーニングによる生成物を排出するための排気システムからなる。   First, FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a semiconductor manufacturing apparatus that performs a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment. This equipment controls and introduces a raw material monomer raw material supply system (film formation gas supply unit), a pipe for introducing vaporized raw material monomer supplied from the raw material into the plasma reaction chamber 201, and an additive gas for precoat film or main film formation. A plasma reaction chamber 201 that performs film formation by exciting plasma with a high-frequency power source, a plasma source (remote plasma) that excites plasma of a cleaning gas outside the plasma reaction chamber 201, and a plasma that uses the excited cleaning gas as plasma It consists of a pipe for introducing into the reaction chamber 201 and an exhaust system for discharging each unreacted gas or product by cleaning.

具体的には、プラズマ反応室201は、排気配管207、排気バルブ222及び冷却トラップ208を介して真空ポンプ209に接続されている。これにより、真空ポンプ209を運転させることでプラズマ反応室201内を減圧させることができる。また、プラズマ反応室201と真空ポンプ209の間に設置されるスロットルバルブ(図示せず)を用いることで、プラズマ反応室201内の圧力を制御することができる。プラズマ反応室201の内部には加熱機能を有するウエハステージ203が設けられている。本成膜を行う際には、ウエハステージ203上に基板210が配置される。   Specifically, the plasma reaction chamber 201 is connected to a vacuum pump 209 via an exhaust pipe 207, an exhaust valve 222, and a cooling trap 208. Thereby, the inside of the plasma reaction chamber 201 can be decompressed by operating the vacuum pump 209. Further, by using a throttle valve (not shown) installed between the plasma reaction chamber 201 and the vacuum pump 209, the pressure in the plasma reaction chamber 201 can be controlled. Inside the plasma reaction chamber 201, a wafer stage 203 having a heating function is provided. When performing this film formation, the substrate 210 is placed on the wafer stage 203.

まず、プリコート工程について説明する。本実施形態においてプリコート膜は炭素組成が小さいことが望ましいことから、最も組成が小さい実施の形態として、ここではシリコン酸化膜をプリコート膜として用いる場合について示す。   First, the precoat process will be described. In this embodiment, it is desirable that the precoat film has a small carbon composition. Therefore, as an embodiment having the smallest composition, a case where a silicon oxide film is used as the precoat film is shown here.

プリコートに際しては、プラズマ反応室201を真空状態にしたのちに、原料ガスとしてSiHとNOを、添加ガス流量コントローラ236,234を介してプラズマ反応室201に導入する。プラズマ反応室201内には設定した流量でSiHとNOが導入される。その後、プラズマ反応室201内が設定圧力に安定した後に、シャワーヘッド204とウエハステージ203間に高周波を印加してプラズマ反応室201内にプラズマを生成する。これによって、プラズマ反応室201内にプリコート膜であるシリコン酸化膜が堆積される。プリコート膜の厚さはプラズマ反応室201内部からの汚染を防止する膜厚である必要があり、50nm以上であることが好ましい。一方、プリコート膜を厚くしすぎるとプリコート成膜時間やクリーニング時間が長くなるため、プリコート膜の膜厚は200nm以上500nm以下とすることがより好ましい。当然のことながら、プラズマが生成している空間内に存在する、シャワーヘッド204、ウエハステージ203を含む半導体基板保持部等に優先的にシリコン酸化膜が堆積される。 In pre-coating, after the plasma reaction chamber 201 is evacuated, SiH 4 and N 2 O are introduced into the plasma reaction chamber 201 through the additive gas flow rate controllers 236 and 234 as source gases. SiH 4 and N 2 O are introduced into the plasma reaction chamber 201 at a set flow rate. Thereafter, after the inside of the plasma reaction chamber 201 is stabilized at the set pressure, a high frequency is applied between the shower head 204 and the wafer stage 203 to generate plasma in the plasma reaction chamber 201. As a result, a silicon oxide film as a precoat film is deposited in the plasma reaction chamber 201. The thickness of the precoat film needs to be a film thickness that prevents contamination from the inside of the plasma reaction chamber 201, and is preferably 50 nm or more. On the other hand, if the precoat film is too thick, the precoat film formation time and the cleaning time become long. Therefore, the film thickness of the precoat film is more preferably 200 nm or more and 500 nm or less. As a matter of course, a silicon oxide film is preferentially deposited on the semiconductor substrate holding portion including the shower head 204 and the wafer stage 203 existing in the space where the plasma is generated.

また、本実施形態は平行平板型のプラズマ装置である。この装置はプラズマ反応室201の内壁、シャワーヘッド204、半導体基板保持部など、いずれの部分についても加熱されており、プリコート膜の成膜時にはプラズマから得られるエネルギーだけでなく、ヒータ等の熱源から得られるエネルギーも受けて成膜される。   The present embodiment is a parallel plate type plasma apparatus. In this apparatus, all the parts such as the inner wall of the plasma reaction chamber 201, the shower head 204, and the semiconductor substrate holding part are heated, and not only from the energy obtained from the plasma but also from a heat source such as a heater when forming the precoat film Films are also formed by receiving the obtained energy.

プラズマ反応室201の内壁に所望のシリコン酸化膜がコーティングされたのち、高周波電力および原料ガスの導入を終了し、残留ガス等の真空引きを行って、次工程となる本成膜の準備を行う。   After the desired silicon oxide film is coated on the inner wall of the plasma reaction chamber 201, the introduction of the high-frequency power and the source gas is terminated, and the residual gas and the like are evacuated to prepare for the next film formation as the next step. .

プリコート膜は炭素組成が本成膜のプリコート膜に対して小さいことが肝要であることから、シリコン酸化膜以外でも、炭素組成の低い、具体的にはC/Si<1であるようなSiOCH膜であってもよい。このようなSiOCH膜の成膜については、後に示す環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物原料を用いるとともに、SiHとNOのうち少なくともどちらか一方を同時に供給することで形成してもよい。またプリコート膜は、後述する環状有機シリカ化合物からなる原料ガスを、酸化剤ガスを添加してプラズマに導入することにより成膜されてもよい。ここまでがプリコートの工程である。 Since it is important that the precoat film has a smaller carbon composition than the precoat film of this film formation, a SiOCH film having a low carbon composition, specifically, C / Si <1, other than the silicon oxide film. It may be. Such a SiOCH film may be formed by using a cyclic organic silica compound raw material having a cyclic siloxane structure described later and simultaneously supplying at least one of SiH 4 and N 2 O. . Further, the precoat film may be formed by introducing a raw material gas composed of a cyclic organic silica compound, which will be described later, into plasma after adding an oxidant gas. This is the pre-coating process.

引き続き、本成膜の工程について説明する。炭素組成の低い膜でプリコートを終えたプラズマ反応室201へ、ウエハ搬送室(図示せず)から、プラズマ反応室201内のウエハステージ203に基板210が導入される。基板210のうち本成膜が行われる下地は、半導体装置上に形成された導体、半導体及び絶縁膜あるいは基板210のいずれかとする。本実施形態では、基板210、例えばシリコン基板とする。   Next, the film forming process will be described. A substrate 210 is introduced into a wafer stage 203 in the plasma reaction chamber 201 from a wafer transfer chamber (not shown) into the plasma reaction chamber 201 that has been pre-coated with a film having a low carbon composition. The substrate 210 on which the main film is formed is either a conductor, a semiconductor, an insulating film, or a substrate 210 formed over the semiconductor device. In this embodiment, the substrate 210, for example, a silicon substrate is used.

本実施形態の原料モノマーである環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物原料(液体)は、原料リザーバタンク226から圧送ガスにより加圧圧送され気化器216内において気化し、バルブ221と気化原料供給配管215を介して、キャリアガス(例えば希ガス)と共にプラズマ反応室201内へ供給される。環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物は液体流量コントローラ223によって流量調整がされている。なお液体流量コントローラ223と原料リザーバタンク226の間にはバルブ225が設けられており、液体流量コントローラ223と気化器216の間にはバルブ224が設けられている。   The cyclic organic silica compound raw material (liquid) having a cyclic siloxane structure, which is a raw material monomer of the present embodiment, is pressurized and pressurized by the pressurized gas from the raw material reservoir tank 226 and is vaporized in the vaporizer 216, and the valve 221 and the vaporized raw material supply pipe Through 215, it is supplied into the plasma reaction chamber 201 together with a carrier gas (for example, a rare gas). The flow rate of the cyclic organic silica compound having a cyclic siloxane structure is adjusted by the liquid flow rate controller 223. A valve 225 is provided between the liquid flow controller 223 and the raw material reservoir tank 226, and a valve 224 is provided between the liquid flow controller 223 and the vaporizer 216.

気化した原料モノマーは、飽和蒸気圧を超えない限り気相を保持できる。気化器216からプラズマ反応室201までの供給配管はバルブを含めヒータにより加熱され、また、流路断面積の大きな気化原料供給配管215とバルブ221を用いることにより、圧力が局所的に上昇することなく、原料の再液化を防止することができる。また、気化器216をプラズマ反応室201に近づけた装置レイアウトを取ることにより相互の配管距離を短縮し、配管による圧力損失を少なくすることで、気化可能な蒸気圧を大きくすることが可能となり、原料供給能力を拡大することが出来る。   The vaporized raw material monomer can maintain the gas phase as long as the saturated vapor pressure is not exceeded. The supply pipe from the vaporizer 216 to the plasma reaction chamber 201 is heated by a heater including a valve, and the pressure rises locally by using the vaporized raw material supply pipe 215 and the valve 221 having a large flow path cross-sectional area. And re-liquefaction of the raw material can be prevented. Further, by taking an apparatus layout in which the vaporizer 216 is close to the plasma reaction chamber 201, it is possible to shorten the mutual piping distance and reduce the pressure loss due to the piping, thereby increasing the vapor pressure that can be vaporized, Raw material supply capacity can be expanded.

プラズマ反応室201に導入された環状有機シリカ化合物ガス及びキャリアガスは、多数の貫通孔を具有しプラズマ反応室201内に設置されたシャワーヘッド204で分散される。シャワーヘッド204上部には図示しないガス分散板が設けられることもある。   The cyclic organic silica compound gas and the carrier gas introduced into the plasma reaction chamber 201 are dispersed by a shower head 204 having a large number of through holes and installed in the plasma reaction chamber 201. A gas dispersion plate (not shown) may be provided above the shower head 204.

シャワーヘッド204には、給電線211とマッチングコントローラ212とを介して高周波電源(RF(Radio−Frequency)電源)213が接続され、接地線206を介して接地されたウエハステージ203との間に高周波電力(RF電力)が供給される。これにより、プラズマが発生する。このプラズマは、希ガスプラズマ又は希ガスを主成分としたプラズマである。そしてこのプラズマ中に出発原料ガスが導入されることになる。   The shower head 204 is connected to a high-frequency power source (RF (Radio-Frequency) power source) 213 via a power supply line 211 and a matching controller 212, and is connected to a wafer stage 203 grounded via a ground line 206. Electric power (RF power) is supplied. Thereby, plasma is generated. This plasma is a rare gas plasma or a plasma containing a rare gas as a main component. The starting material gas is introduced into the plasma.

基板210の表面で基板加熱部からの熱エネルギーを受けると同時に、シャワーヘッド204とウエハステージ203間に印加されるRF電力により発生するプラズマのエネルギーを受けて、原料モノマーが重合反応して基板210表面上にプラズマ重合膜すなわちLow−k膜が成膜される。特に、環状シリキサン骨格中にシリコン原子に飽和炭化水素基と不飽和炭化水素基からなる2つの側鎖が結合された嵩高い有機シリカ分子を出発原料としてプラズマ重合を行う場合、プラズマエネルギーと熱エネルギーの両方により重合反応を促進させることが肝要である。これにより基板210との界面層においても十分に重合反応が進行した有機シリカ膜を成長させることが可能となり、密着性が大きく改善する。すなわち、基板210の加熱は非常に好ましく、ウエハステージ203はヒータにより加熱されており、その温度は200℃〜450℃が好ましい。また有機シリカ膜は、空孔が分散された多孔質構造を有しているのが好ましい。   At the same time as receiving the thermal energy from the substrate heating unit on the surface of the substrate 210, the raw material monomer undergoes a polymerization reaction by receiving the energy of the plasma generated by the RF power applied between the shower head 204 and the wafer stage 203. A plasma polymerization film, that is, a low-k film is formed on the surface. In particular, when plasma polymerization is performed using bulky organic silica molecules in which two side chains composed of a saturated hydrocarbon group and an unsaturated hydrocarbon group are bonded to a silicon atom in a cyclic silicon skeleton, plasma energy and thermal energy are used. It is important to promote the polymerization reaction by both. This makes it possible to grow an organic silica film in which the polymerization reaction has sufficiently progressed even in the interface layer with the substrate 210, and the adhesion is greatly improved. That is, the heating of the substrate 210 is very preferable, the wafer stage 203 is heated by a heater, and the temperature is preferably 200 ° C. to 450 ° C. The organic silica film preferably has a porous structure in which pores are dispersed.

当然のことながら、ウエハ上だけでなく、プラズマが生成している空間内には有機シリカ(SiOCH)膜が成膜される。プラズマ反応室201の内壁は先に述べたプリコートによってシリコン酸化膜でコーティングされていることから、リアクタ側壁、シャワーヘッド204、あるいはウエハステージ203のうちウエハが載っていない領域において、シリコン酸化膜上に有機シリカ(SiOCH)膜が堆積する。この有機シリカ(SiOCH)膜は詳細を後述するとおり、炭素組成に富んだ膜となっており、その組成比C/Siは1以上、例えば2より大きい。また当然のことながら、SiHとNOを原料ガスとしたプリコートで堆積されたシリコン酸化膜の炭素組成はゼロであり、組成比C/Siは1より小さい。 As a matter of course, an organic silica (SiOCH) film is formed not only on the wafer but also in a space where plasma is generated. Since the inner wall of the plasma reaction chamber 201 is coated with the silicon oxide film by the above-described precoat, the reactor side wall, the shower head 204, or the wafer stage 203 is formed on the silicon oxide film in a region where no wafer is placed. An organic silica (SiOCH) film is deposited. As will be described in detail later, this organic silica (SiOCH) film is a film rich in carbon composition, and the composition ratio C / Si is 1 or more, for example, greater than 2. As a matter of course, the carbon composition of the silicon oxide film deposited by the precoat using SiH 4 and N 2 O as the source gas is zero, and the composition ratio C / Si is smaller than 1.

また、ウエハステージ203のうち、本成膜時にウエハが載っていた部分については、基板210の存在によってマスクされることとなり、炭素組成に富んだ有機シリカ膜は堆積しない。したがって、ウエハステージ203上では、クリーニング増速効果を表すSiOが最初から露出している状態で、本成膜工程が終了する。 In addition, the portion of the wafer stage 203 on which the wafer is placed at the time of the main film formation is masked by the presence of the substrate 210, and an organic silica film rich in carbon composition is not deposited. Therefore, on the wafer stage 203, the film forming process is completed with SiO 2 representing the cleaning acceleration effect exposed from the beginning.

有機シリカ膜と下地との密着性をさらに強固なものとするために、本成膜前に下地表面をプラズマ処理することもできる。この処理により下地上の吸着分子を除去し、かつ下地の硬質化を実現することで、密着強度の向上が期待できる。   In order to further strengthen the adhesion between the organic silica film and the base, the base surface can be plasma-treated before the main film formation. By this process, the adsorbed molecules on the base are removed and the base is hardened, so that the adhesion strength can be improved.

さらに、本成膜時の初期に、高周波電源213からのRF出力を変化させたり、原料ガス以外の励起種(例えばキャリアガスなど)の割合を変化させたりすることで、膜組成や膜構造に変調を与えることが可能である。また高周波ばかりではなく1MHz以下の低周波を同時に印加する2周波を使った成膜を、本成膜初期に行うことで同様に膜組成や膜構造に変調を与えることができる。低周波電源(図示せず)は、図1に示す高周波電源213と同様にシャワーヘッド204に接続しても良いし、ウエハステージ203に接続しても良い。このような変調により下地と接触する部分の硬質化が可能であり、下地との密着性を増加させることができる。膜の硬質化の方法にはRF出力の増加や、原料ガス以外の励起種の割合を増やすことなどが、その一例として挙げられる。   Furthermore, by changing the RF output from the high-frequency power source 213 or changing the ratio of excited species other than the source gas (for example, carrier gas) at the initial stage of the main film formation, the film composition and the film structure can be changed. It is possible to provide modulation. Further, film formation using two frequencies that simultaneously apply not only high frequencies but also low frequencies of 1 MHz or less can be similarly performed to modulate the film composition and the film structure. A low-frequency power source (not shown) may be connected to the shower head 204 as well as the high-frequency power source 213 shown in FIG. Such modulation can harden the portion in contact with the base and increase the adhesion to the base. Examples of the film hardening method include increasing the RF output and increasing the proportion of excited species other than the source gas.

このような膜組成や膜構造の変調は本成膜の終期に同様に適用することも可能である。このような変調により上下層との密着性をあげることが可能である。ここでいう成膜の初期とは、例えば高周波入力をオンした後30秒以内、より好ましくは15秒以内をさす。また成膜の終期とは、例えば高周波入力をオフする前30秒以内、より好ましくは15秒以内をさす。   Such film composition and film structure modulation can also be applied to the final stage of the film formation. Such modulation can increase the adhesion to the upper and lower layers. The initial stage of film formation here means, for example, within 30 seconds after turning on the high-frequency input, and more preferably within 15 seconds. The end of film formation is, for example, within 30 seconds before turning off the high-frequency input, and more preferably within 15 seconds.

未反応の原料は、プラズマ反応室201が真空ポンプ209により減圧されていることから、気相のままヒータにより加熱されている排気配管207を経て冷却トラップ208へ到達する。冷却トラップ208内では、温度が低いため原料モノマーは気相を保つことができずに、冷却トラップ208内で液化あるいは固化される。真空ポンプ209には原料モノマーが送られることなく、冷却トラップ208内で回収される。   Since the plasma reaction chamber 201 is depressurized by the vacuum pump 209, the unreacted raw material reaches the cooling trap 208 through the exhaust pipe 207 heated by the heater in the gas phase. In the cold trap 208, since the temperature is low, the raw material monomer cannot be kept in the gas phase and is liquefied or solidified in the cold trap 208. The raw material monomer is not sent to the vacuum pump 209 and is collected in the cooling trap 208.

基板210上に所望の有機シリカ膜が成膜されたのち、高周波電力の投入および原料ガスの導入を終了し、残留ガス等の真空引きを行って、次工程となるクリーニングの準備を行う。   After a desired organic silica film is formed on the substrate 210, the introduction of high-frequency power and the introduction of the raw material gas are terminated, and the residual gas or the like is evacuated to prepare for the next cleaning process.

ここで、有機シリカ膜の成膜原料の詳細について説明する。   Here, the details of the raw material for forming the organic silica film will be described.

本成膜の工程における、原料モノマーである環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物としては、化学式(3)で示すSi−O環状構造を有する有機シロキサンを用いることが好適である。   As the cyclic organic silica compound having a cyclic siloxane structure as a raw material monomer in the film forming step, it is preferable to use an organic siloxane having a Si—O cyclic structure represented by the chemical formula (3).

Figure 2011146596
(3)
Figure 2011146596
(3)

化学式(3)において、R1,R2は、水素又は炭素数1〜4の炭化水素基であり、R1及びR2は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。nは、2〜5とする。   In the chemical formula (3), R1 and R2 are hydrogen or a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and R1 and R2 may be the same or different. n shall be 2-5.

また、化学式(3)のR1,R2は、炭素数2〜4の直鎖状不飽和炭化水素基又は炭素数3〜4の分枝鎖状飽和炭化水素基を少なくとも1つ用いるとことが好適である。また、nは、3又は4とすると好ましい。さらには多孔質絶縁膜の空孔径を小さくする観点からはn=3が望ましい。すなわち、n>4になると環状構造が不安定となり、プラズマ中で分解してその骨格構造を保持しにくいこと、蒸気圧が増大し気化しにくくなるためである。n=2の場合はシリカ骨格が4角形と不安定となり、プラズマ中で分解しやすくなる。構造安定性と気化特性の観点からはn=3および4の環状有機シリカは同等の性質を示すが、n=3の方が環状構造内の内孔径が小さい。この環状有機シリカの内孔径は、該原料より得られる多孔質絶縁膜の空孔径に対応する。従って、より微細な空孔が求められるULSI多層銅配線の層間絶縁膜としては、n=3がより望ましい。   Further, it is preferable that R1 and R2 in the chemical formula (3) use at least one linear unsaturated hydrocarbon group having 2 to 4 carbon atoms or a branched saturated hydrocarbon group having 3 to 4 carbon atoms. It is. N is preferably 3 or 4. Furthermore, n = 3 is desirable from the viewpoint of reducing the pore diameter of the porous insulating film. That is, when n> 4, the ring structure becomes unstable, it is difficult to be decomposed in the plasma and to maintain its skeleton structure, and the vapor pressure is increased and it is difficult to vaporize. In the case of n = 2, the silica skeleton becomes unstable as a tetragon and is easily decomposed in plasma. From the viewpoints of structural stability and vaporization characteristics, cyclic organic silicas with n = 3 and 4 exhibit equivalent properties, but n = 3 has a smaller inner pore diameter in the cyclic structure. The inner pore diameter of the cyclic organic silica corresponds to the pore diameter of the porous insulating film obtained from the raw material. Therefore, n = 3 is more desirable as an interlayer insulating film for ULSI multilayer copper wiring that requires finer holes.

具体的には、化学式(3)で示す有機シロキサンとして、不飽和炭化水素基がビニル基を有するもの、たとえば化学式(1)で示すトリビニルシクロトリシロキサン誘導体、などが例示される。

Figure 2011146596
(1) Specifically, examples of the organic siloxane represented by the chemical formula (3) include those having an unsaturated hydrocarbon group having a vinyl group, such as a trivinylcyclotrisiloxane derivative represented by the chemical formula (1).
Figure 2011146596
(1)

化学式(1)において、R1〜3は、水素又は炭素数2〜4の飽和炭化水素基であり、R1〜3は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。R1〜3に相当する飽和炭化水素基としては、エチル基(−CHCH)またはプロピル基(−CHCHCH)を挙げることができる。 In the chemical formula (1), R1 to R3 are hydrogen or a saturated hydrocarbon group having 2 to 4 carbon atoms, and R1 to R3 may be the same or different. Examples of the saturated hydrocarbon group corresponding to R1 to R3 include an ethyl group (—CH 2 CH 3 ) or a propyl group (—CH 2 CH 2 CH 3 ).

R1〜3に相当する飽和炭化水素基は、炭素原子を3つ以上含みかつ分岐構造を有することが好ましく、その例として、イソプロピル基(−CH(CH)またはターシャリーブチル基(−C(CH)を挙げることができる。 The saturated hydrocarbon group corresponding to R1 to R3 preferably contains three or more carbon atoms and has a branched structure. Examples thereof include an isopropyl group (—CH (CH 3 ) 2 ) or a tertiary butyl group (— C (CH 3 ) 3 ).

環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物として、より好ましくは、式(2)で示す1,3,5−トリイソプロピル−1,3,5−トリビニル−シクロトリシロキサンを用いることができる。

Figure 2011146596
(2) More preferably, 1,3,5-triisopropyl-1,3,5-trivinyl-cyclotrisiloxane represented by formula (2) can be used as the cyclic organic silica compound having a cyclic siloxane structure.
Figure 2011146596
(2)

本発明では、環状有機シリカ化合物を構成するシリコン原子に結合する側鎖の片方が、炭素原子を2つ以上含む飽和炭化水素基を有する環状有機シリカ化合物を原料として用いている。飽和炭化水素基の側鎖にメチル基よりも立体障害の大きな、炭素原子を2つ以上含む飽和炭化水素基である環状有機シリカを用いることにより、炭素原子が1つの飽和炭化水素基である環状有機シリカを用いた場合よりも、得られる膜密度を低減させることができ、その結果、得られる有機シリカ膜の比誘電率を2.6以下と小さくすることができる。   In the present invention, a cyclic organic silica compound having one of the side chains bonded to the silicon atoms constituting the cyclic organic silica compound having a saturated hydrocarbon group containing two or more carbon atoms is used as a raw material. By using cyclic organic silica, which is a saturated hydrocarbon group containing two or more carbon atoms, having a larger steric hindrance than a methyl group, in the side chain of the saturated hydrocarbon group, a cyclic structure in which the carbon atom is one saturated hydrocarbon group The obtained film density can be reduced as compared with the case of using organic silica, and as a result, the relative dielectric constant of the obtained organic silica film can be reduced to 2.6 or less.

また、有機シリカ膜の空孔は、Si−Oからなる環状シロキサンの3量体構造を膜内に有することで、従来よりも空孔径の小さい多孔質絶縁膜が得られる。図2に示すように、小角X線散乱法により測定した空孔径は、最大値2nm以下かつ最大頻度空孔径1nm以下と小さくすることができる。   Further, the pores of the organic silica film have a cyclic siloxane trimer structure made of Si—O in the film, so that a porous insulating film having a smaller pore diameter than the conventional one can be obtained. As shown in FIG. 2, the pore diameter measured by the small angle X-ray scattering method can be reduced to a maximum value of 2 nm or less and a maximum frequency pore diameter of 1 nm or less.

本実施形態で用いているような環状有機シリカ化合物中のシリコン原子1個あたりに不飽和炭化水素基と、炭素数が2つ以上の飽和炭化水素基と、の2つの側鎖が結合したような特に嵩密度の大きい環状シリカ分子を十分に重合反応させるには、十分なエネルギーが必要である。このため、本実施形態では、プラズマエネルギーと、ウエハステージより与えられる熱エネルギーと、を基に、プラズマ重合反応を行うことが好ましい。即ち、プラズマエネルギーと熱エネルギーとの相乗作用によりプラズマ重合反応を促進させている。また、側鎖として、不飽和結合を含んでいると、付加反応が促進され、成膜速度が向上し、網目状のネットワーク構造を有する多孔質膜が形成できるようになる。   It seems that two side chains of an unsaturated hydrocarbon group and a saturated hydrocarbon group having 2 or more carbon atoms are bonded to each silicon atom in the cyclic organic silica compound used in this embodiment. In particular, sufficient energy is required to sufficiently polymerize cyclic silica molecules having a large bulk density. For this reason, in this embodiment, it is preferable to perform the plasma polymerization reaction based on the plasma energy and the thermal energy applied from the wafer stage. That is, the plasma polymerization reaction is promoted by the synergistic action of plasma energy and thermal energy. If the side chain contains an unsaturated bond, the addition reaction is promoted, the film formation rate is improved, and a porous film having a network network structure can be formed.

特徴的なことは、この重合反応の促進により原料中の炭素を離脱させて活性化させている点にある。例えば、後述の実施例1に示した、環状シロキサン3量体(6員環)原料を用いた場合、膜中元素の組成分析結果から、膜中の炭素比は原料のC/Si比=5に比べ、多孔質絶縁膜中のC/Si比=2.52と、原料中と比較して炭素は1〜2個少なくなることが確認された。このように、重合反応の促進により重合反応を十分に行わせ、原料中の炭素を離脱させて活性化させているために、膜中のC/Si比は原料C/Si=5よりも1以上少なくなる。その結果として、比誘電率の低い絶縁膜を安定して得ることが可能となる。   What is characteristic is that carbon in the raw material is released and activated by promoting the polymerization reaction. For example, when the cyclic siloxane trimer (6-membered ring) raw material shown in Example 1 described later is used, the carbon ratio in the film is C / Si ratio of the raw material = 5 from the composition analysis result of the elements in the film. Compared to the above, it was confirmed that the C / Si ratio in the porous insulating film = 2.52 and that the number of carbons was reduced by 1 to 2 compared with that in the raw material. Thus, since the polymerization reaction is sufficiently performed by promoting the polymerization reaction and the carbon in the raw material is released and activated, the C / Si ratio in the film is 1 than the raw material C / Si = 5. More or less. As a result, it is possible to stably obtain an insulating film having a low relative dielectric constant.

半導体装置製造工程における種々のプロセスによって有機シリカ膜表面から炭素が引き抜かれる減少が発生することがあるが、炭素組成が高い場合、シリコン原子に接続している炭化水素基に含まれる炭素が、シリコン原子から離れている炭素から引き抜きが生じることから、急激な炭素の引き抜きを抑制できる。これによって膜の奥深くまで各プロセスによる炭素の引き抜きは発生しにくくなり、結果として、nmレベルの極膜表面のみに炭素の引き抜きが発生するにとどまり、有機シリカ膜としての特性や性能が維持されることになる。いわゆるダメージ耐性の高い膜であるということができる。   When the carbon composition is high, the carbon contained in the hydrocarbon group connected to the silicon atom may be reduced when the carbon is extracted from the surface of the organic silica film by various processes in the semiconductor device manufacturing process. Since extraction occurs from carbon that is distant from the atoms, rapid carbon extraction can be suppressed. This makes it difficult for carbon to be extracted by each process deeply into the film. As a result, carbon is only extracted on the surface of the nanometer-level electrode film, and the characteristics and performance as an organic silica film are maintained. It will be. It can be said that the film has a high damage resistance.

特に環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物は、少なくとも炭素数3個以上を有する炭化水素基と不飽和炭化水素基の双方を含むことが好ましい。このようにシロキサン構造が不飽和炭化水素基と炭素原子数が3以上の炭化水素基の双方を含むことで、不飽和炭化水素基の強い結合エネルギーにより脱炭素速度を低下させ、かつ、炭素数の多い炭化水素基によって炭化水素成分を多く保ち、炭素組成に富んだ有機シリカ膜とすることができる。   In particular, the cyclic organic silica compound having a cyclic siloxane structure preferably contains both a hydrocarbon group having at least 3 carbon atoms and an unsaturated hydrocarbon group. In this way, the siloxane structure includes both an unsaturated hydrocarbon group and a hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms, thereby reducing the decarbonization rate due to the strong binding energy of the unsaturated hydrocarbon group, and the number of carbon atoms A hydrocarbon group with a large amount keeps a large amount of hydrocarbon components, and an organic silica film rich in carbon composition can be obtained.

また、配管には、ガス流量コントローラ218及びバルブ220を介してキャリアガスが導入可能である。キャリアガスとしては、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、キセノン(Xe)、などの希ガスを用いることができる。   In addition, carrier gas can be introduced into the pipe via a gas flow rate controller 218 and a valve 220. As the carrier gas, a rare gas such as helium (He), argon (Ar), neon (Ne), or xenon (Xe) can be used.

ここで肝要なことは、該環状シリカ骨格を破壊させることなく、かつこれに結合する不飽和炭化水素基を優先的に活性化させるプラズマが必要不可欠である。希ガス、He、Ne、Ar,Krのプラズマは不飽和炭化水素の選択活性に有効である。   What is important here is a plasma that preferentially activates the unsaturated hydrocarbon group bonded to the cyclic silica skeleton without destroying the cyclic silica skeleton. The rare gas, He, Ne, Ar, and Kr plasmas are effective for the selective activity of unsaturated hydrocarbons.

さらに、この希ガスに酸化剤ガスを混ぜた混合ガスのプラズマが不飽和炭化水素基の選択活性化を促進させ、多孔質絶縁膜の成長速度を著しく向上させる。正確な促進反応機構は現時点でわかっていないが、不飽和炭化水素基中の炭素の一部が酸素と結合してCO又はCOとして引き抜かれ、後に残った炭素ラジカルを介して環状有機シリカ化合物が重合してゆくものと推測される。 Further, the plasma of the mixed gas obtained by mixing the oxidant gas with the rare gas promotes the selective activation of unsaturated hydrocarbon groups, and remarkably improves the growth rate of the porous insulating film. Although the exact accelerating reaction mechanism is not known at this time, a part of carbon in the unsaturated hydrocarbon group is combined with oxygen and extracted as CO or CO 2 , and then the cyclic organic silica compound via the remaining carbon radical Is presumed to polymerize.

また、例えば添加ガス流量コントローラ234及びバルブ233を介して、酸素(O)、二酸化炭素(CO:図示せず)、一酸化炭素(CO:図示せず)、一酸化二窒素(NO)及び二酸化窒素(NO:図示せず)、アルコール(図示せず)、フェノール(図示せず)のいずれか、又はこれらのうちから選択される複数の混合ガスである酸化性ガスを添加することができる。ここで用いるアルコールは、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、ノーマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ノーマルブチルアルコール、イソブチルアルコールのいずれかである。 Further, for example, oxygen (O 2 ), carbon dioxide (CO 2 : not shown), carbon monoxide (CO: not shown), dinitrogen monoxide (N 2 ) through the additive gas flow controller 234 and the valve 233. O) and nitrogen dioxide (NO 2 : not shown), alcohol (not shown), phenol (not shown), or an oxidizing gas which is a plurality of mixed gases selected from these is added can do. The alcohol used here is, for example, methyl alcohol, ethyl alcohol, normal propyl alcohol, isopropyl alcohol, normal butyl alcohol, or isobutyl alcohol.

これらの酸化剤ガスを添加することにより、有機シリカ(SiOCH)膜の化学組成を一定に保ちつつ、その成長速度を高速化させることが可能である。図3に、酸化剤ガス添加の一例として、成膜速度とNO添加量との関係を示す。 By adding these oxidant gases, it is possible to increase the growth rate while keeping the chemical composition of the organic silica (SiOCH) film constant. FIG. 3 shows the relationship between the film formation rate and the N 2 O addition amount as an example of the addition of the oxidant gas.

横軸はNOの供給量(sccm)を、縦軸は成膜速度(nm/min)を表す。図示されるように、NOの添加量の増加に伴い、成膜速度が増加する。これはスループットの向上と、原料コストを低減する上で重要な効果である。換言すると、成膜時にNOを添加することによってスループットと原料利用効率とを改善できる。表1に示すX線光電子分光(XPS)法により得られる膜中元素の組成分析結果から、酸素、炭素および水素組成比がやや上昇する傾向が認められるが、NOガスの添加により膜組成が大きく変化していないことが確認される。先に述べたように、(式2)の環状シロキサン3量体(6員環)原料を用いた場合、膜中元素の組成分析結果から、膜中の炭素比は原料のC/Si比=5に比べ、多孔質絶縁膜中のC/Si比=2.52と、原料と比較して炭素は1〜2個少なくなる。また、NOを80sccm添加した場合にもC/Si比=2.32と、同様に原料中と比較して炭素は1〜2個少なくなっていることが確認される。 The horizontal axis represents the supply amount of N 2 O (sccm), and the vertical axis represents the deposition rate (nm / min). As shown in the figure, the deposition rate increases with an increase in the amount of N 2 O added. This is an important effect in improving throughput and reducing raw material costs. In other words, throughput and raw material utilization efficiency can be improved by adding N 2 O during film formation. The composition analysis results of the elements in the film obtained by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method shown in Table 1 show that the oxygen, carbon, and hydrogen composition ratios tend to slightly increase, but the film composition is increased by adding N 2 O gas. Is confirmed to have not changed significantly. As described above, when the cyclic siloxane trimer (6-membered ring) raw material of (Formula 2) is used, the carbon ratio in the film is determined from the compositional analysis result of the elements in the film. Compared to 5, the C / Si ratio in the porous insulating film = 2.52, and 1 to 2 carbons are reduced compared to the raw material. Further, when 80 sccm of N 2 O is added, C / Si ratio = 2.32, and it is confirmed that the number of carbon is reduced by 1 to 2 as compared with the raw material.

Figure 2011146596
Figure 2011146596

また、図4に示したフーリエ変換赤外分光分析(FT−IR)の結果からも、NOを添加してもその吸収スペクトルに大きな変化はなく、膜構造・組成に大きな変化がないことを示唆している。 Also, from the results of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) shown in FIG. 4, even when N 2 O is added, there is no significant change in the absorption spectrum, and there is no significant change in the film structure / composition. It suggests.

炭素原子を2つ以上含む飽和炭化水素基である環状有機シリカ化合物の蒸気に対して、酸化剤ガスであるNOを添加することで、単に環状有機シリカ化合物からなる多孔質絶縁膜の成長速度を増大させるたけでなく、膜物性・組成をほぼ一定に保ちながら比誘電率を低減させることが可能である。 Growth of a porous insulating film simply made of a cyclic organic silica compound by adding N 2 O as an oxidant gas to the vapor of the cyclic organic silica compound that is a saturated hydrocarbon group containing two or more carbon atoms In addition to increasing the speed, it is possible to reduce the dielectric constant while keeping the film properties and composition substantially constant.

引き続き、クリーニングの工程について説明する。   Next, the cleaning process will be described.

これまで述べてきたとおり、プリコート工程と本成膜工程を経過することで、プラズマ反応室201の内壁、シャワーヘッド204、ウエハ保持部などには、炭素組成が異なるSiOCH膜が積層されている。本実施の形態では、下層の膜は炭素組成ゼロのシリコン酸化膜が形成されている。本実施形態では、このような堆積状態になっていることを想定し、以下、クリーニング構成の説明を行う。   As described so far, through the pre-coating process and the main film forming process, SiOCH films having different carbon compositions are laminated on the inner wall of the plasma reaction chamber 201, the shower head 204, the wafer holding part, and the like. In the present embodiment, a silicon oxide film having a zero carbon composition is formed as the lower layer film. In the present embodiment, the cleaning configuration will be described below assuming such a deposition state.

クリーニングに際してはプラズマ反応室201内を一旦真空状態にしたのちに、本実施例ではクリーニングガスとして、弗化物ガスとAr、例えばNFとArを、ガス流量制御器と誘導結合型のリモートプラズマ源を介して、NFガスを活性化した上で配管239を介してプラズマ反応室201へ導入する。本実施の形態では、炭素濃度の高い有機シリカ(SiOCH)膜のクリーニング速度改善のため、併せて酸素についてもガス流量制御器を介した後に、プラズマ反応室201へ導入した。酸素の添加量はNFの活性度を下げないために、Arの濃度の10%未満に設定した。またNFのガス濃度は同様の理由で20〜25%の範囲となるようにそれぞれのガス流量を設定した。本実施形態では具体的にNF=1.2SLM、Ar=5.0SLM、O=0.45SLM、とする。 In cleaning, the inside of the plasma reaction chamber 201 is once evacuated, and in this embodiment, fluoride gas and Ar, for example, NF 3 and Ar, a gas flow rate controller and an inductively coupled remote plasma source are used as cleaning gases. After activating the NF 3 gas, the gas is introduced into the plasma reaction chamber 201 via the pipe 239. In the present embodiment, in order to improve the cleaning rate of the organic silica (SiOCH) film having a high carbon concentration, oxygen is also introduced into the plasma reaction chamber 201 after passing through the gas flow rate controller. The amount of oxygen added was set to less than 10% of the Ar concentration so as not to lower the activity of NF 3 . Further, for the same reason, the gas flow rate of each NF 3 was set to be in the range of 20 to 25%. In the present embodiment, NF 3 = 1.2 SLM, Ar = 5.0 SLM, and O 2 = 0.45 SLM are specifically set.

クリーニングプラズマはラジカル発生効率の高いリモートプラズマを用いるが、平行平板である容量結合型や、誘導結合型でもよい。またNFガス単体の活性化は配管ヒータ等による熱を用いてもよい。特に、クリーニングガスとして、C、C、C、C10、C、及びCのいずれかを用いる場合、あるいはこれらのうちの少なくとも一つのガスと、酸素などの酸化剤ガスの混合ガスを用いる場合も、同様である。 The cleaning plasma uses remote plasma with high radical generation efficiency, but may be a capacitively coupled type that is a parallel plate or an inductively coupled type. The activation of the NF 3 gas alone may use heat from a pipe heater or the like. In particular, when any one of C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 3 F 6 , C 4 F 10 , C 4 F 8 , and C 4 F 6 is used as the cleaning gas, or at least one of them is used. The same applies to the case of using a mixed gas of two gases and an oxidizing gas such as oxygen.

プラズマ反応室201の上部から導入された上記クリーニングガスは、本成膜の原料と同様にシャワーヘッド204で分散される。その後プラズマ反応室201内に堆積したプリコート膜と有機シリカ膜が、炭素濃度の高い表面側より順次エッチングがなされ、除去される。   The cleaning gas introduced from the upper part of the plasma reaction chamber 201 is dispersed by the shower head 204 in the same manner as the raw material for the film formation. Thereafter, the precoat film and the organic silica film deposited in the plasma reaction chamber 201 are sequentially etched and removed from the surface side having a high carbon concentration.

この際、リモートプラズマを用いることから、プラズマ反応室201の内壁に堆積した積層されたプリコート膜と有機シリカ膜は比較的均一にクリーニングが進行する。しかしながら先に述べた通り、プリコート膜および本成膜で堆積された有機シリカ膜は、シャワーヘッド204、基板保持部(例えばウエハステージ203)に優先的に厚く堆積されている。これにより、まず炭素濃度の高い有機シリカ(SiOCH)膜が薄く堆積された領域から、下層のシリコン酸化膜が露出する。   At this time, since remote plasma is used, cleaning of the laminated precoat film and organic silica film deposited on the inner wall of the plasma reaction chamber 201 proceeds relatively uniformly. However, as described above, the precoat film and the organic silica film deposited by the main film deposition are preferentially deposited thickly on the shower head 204 and the substrate holder (for example, the wafer stage 203). Thereby, the lower silicon oxide film is first exposed from the region where the organic silica (SiOCH) film having a high carbon concentration is thinly deposited.

一方、先に述べた通りウエハステージ203上のうち基板210が載る部分については、プリコート膜のみが堆積しており、炭素組成に富んだ有機シリカ膜は堆積していない。したがって、本実施形態では、ウエハステージ203上では、クリーニング開始時点でSiOが露出している。 On the other hand, as described above, only the precoat film is deposited on the portion of the wafer stage 203 on which the substrate 210 is placed, and the organic silica film rich in carbon composition is not deposited. Therefore, in this embodiment, SiO 2 is exposed on the wafer stage 203 at the start of cleaning.

炭素組成に富んだ有機シリカ膜をNFでクリーニングする場合には、NFのフッ素と有機シリカ膜の炭素が再結合して、CF系の堆積物を形成する。NFでは効率的にCF系の堆積物除去できないため、これによって、クリーニング速度が低下する。例えば、プリコートにも本成膜と同様に炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いた場合には、常にプラズマ反応室内部の表面は炭素組成に富んだ有機シリカ膜で覆われており、全面除去には非常に長い時間がかかる。 In case of cleaning an organic silica film rich in carbon composition with NF 3, the carbon atoms of fluorine and organic silica film of NF 3 recombine to form a CF-based deposit. Since NF 3 cannot efficiently remove CF-based deposits, this reduces the cleaning rate. For example, when an organic silica film rich in carbon composition is used for pre-coating as in this film formation, the surface inside the plasma reaction chamber is always covered with an organic silica film rich in carbon composition, and the entire surface is removed. Takes a very long time.

しかしながら、本実施形態のように、プラズマ反応室201内で部分的に炭素が含まれていないシリコン酸化膜が露出していることで、この面が酸素供給源となり、実効的にクリーニングガス中の酸素濃度を高めることになる。しかも、この酸素はNFによるエッチングによってシリコン酸化膜が分解されることによって供給されることから、供給時に活性状態にあり、有機シリカ膜中の炭素の引き抜き効果が高い。しかもプラズマ反応室201内で供給されることから、NFラジカルの供給経路には影響がなく、NFの活性度を下げることがない。これらの相乗効果によって、炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いている場合でも、単に酸素添加量を増やす以上の非常に効率の高いクリーンニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。この効果はシリコン酸化膜をプリコートとして用いた場合だけでなく、本成膜に用いた有機シリカ膜よりも大幅に炭素組成が低い、例えば炭素/シリコン組成比が2より小さい膜で効果が有り、なお好ましくは炭素/シリコン組成比が1前後より小さければ、さらに劇的にクリーニング時間を短縮する効果が発現する。 However, as in this embodiment, since the silicon oxide film that does not partially contain carbon is exposed in the plasma reaction chamber 201, this surface serves as an oxygen supply source, and effectively in the cleaning gas. This will increase the oxygen concentration. Moreover, since this oxygen is supplied by decomposing the silicon oxide film by etching with NF 3 , it is in an active state at the time of supply, and the effect of extracting carbon in the organic silica film is high. In addition, since it is supplied in the plasma reaction chamber 201, the supply path of the NF 3 radical is not affected, and the activity of NF 3 is not lowered. Due to these synergistic effects, even when using an organic silica film rich in carbon composition, it is possible to perform extremely efficient cleaning more than simply increasing the amount of oxygen added, dramatically reducing the cleaning time. An effect is obtained. This effect is effective not only in the case where a silicon oxide film is used as a precoat, but also in a film having a significantly lower carbon composition than the organic silica film used in this film formation, for example, a carbon / silicon composition ratio of less than 2. Preferably, if the carbon / silicon composition ratio is smaller than about 1, an effect of shortening the cleaning time more dramatically is exhibited.

次に、本実施形態をまとめる。   Next, this embodiment will be summarized.

炭素組成に富んだ有機シリカ膜をプリコート膜として使用した場合、NFのフッ素と有機シリカ膜の炭素が再結合して、CF系の堆積物を形成されることがある。NFでは効率的にCF系の堆積物除去できないため、このような堆積物が形成された場合、プラズマクリーニング速度がさらに低下してしまう。 When an organic silica film rich in carbon composition is used as the precoat film, the fluorine of NF 3 and the carbon of the organic silica film may recombine to form a CF-based deposit. Since NF 3 cannot efficiently remove CF-based deposits, when such deposits are formed, the plasma cleaning rate further decreases.

また、炭素組成に富んだ有機シリカ膜は、プラズマ耐性に優れプロセスダメージを低減させる効果があるが、その一方炭素組成に富むことで一般に密着性が劣化する。このため、炭素組成に富んだ有機シリカ膜自体をプリコート膜として採用した場合、プラズマ反応室201の内壁からのプリコート膜剥離が生じて発塵源となる場合が認められる。特に、プラズマ重合法の場合、プラズマ反応室内壁は加熱されておらず、一般に200℃以下と低温のため、重合反応が十分に進行せずにプリコート膜である有機シリカ膜の密着性が低下し、発塵源となる場合があった。さらに、プラズマ重合法による多孔質構造でかつ炭素組成に富んだ有機シリカ膜を成長させる場合、プラズマ反応室内壁と密着性がさらに劣化し、この膜自体をプリコート膜として利用することは困難であった。   In addition, an organic silica film rich in carbon composition is excellent in plasma resistance and has an effect of reducing process damage, but on the other hand, adhesion is generally deteriorated due to rich carbon composition. For this reason, when the organic silica film itself rich in carbon composition is adopted as the precoat film, it is recognized that the precoat film is peeled off from the inner wall of the plasma reaction chamber 201 and becomes a dust generation source. In particular, in the case of the plasma polymerization method, the inner wall of the plasma reaction chamber is not heated and generally has a low temperature of 200 ° C. or lower, so that the polymerization reaction does not proceed sufficiently and the adhesion of the organic silica film as the precoat film is lowered. In some cases, it was a source of dust generation. Further, when growing an organic silica film having a porous structure and a rich carbon composition by the plasma polymerization method, the adhesion with the inner wall of the plasma reaction chamber is further deteriorated, and it is difficult to use the film itself as a precoat film. It was.

上記した技術課題に対して、特許文献1から3に記載されている手法を用いたとしても、プラズマ重合法により、炭素組成に飛んだ有機シリカ膜を連続成長させる場合、炭素の存在に起因する課題を解決することは出来なかった。   Even when the techniques described in Patent Documents 1 to 3 are used for the above technical problem, when an organic silica film flew to a carbon composition is continuously grown by plasma polymerization, it is caused by the presence of carbon. The problem could not be solved.

すなわち、プラズマ重合法により炭素組成に富んだ有機シリカ膜、特に多孔質構造を有する炭素組成に富んだ有機シリカ膜を成長するには、1)プラズマ反応室内のプリコート膜の成長工程、2)プラズマ重合法による有機シリカ膜の成長工程、3)プラズマ反応室内壁のプラズマクリーニング工程、からなる一連の工程が必要であるが、特に、3)のプラズマ反応室内壁のプラズマクリーニング工程が遅く、全体のスループットを低下させていた。   That is, in order to grow an organic silica film rich in carbon composition, particularly an organic silica film rich in carbon composition having a porous structure by plasma polymerization, 1) growth process of precoat film in plasma reaction chamber, 2) plasma A series of steps consisting of a growth process of an organic silica film by a polymerization method and 3) a plasma cleaning process of a plasma reaction chamber inner wall are necessary. In particular, the plasma cleaning process of the plasma reaction chamber wall of 3) is slow, The throughput was reduced.

これに対して本実施形態では、プラズマ重合法で炭素組成に富んだ(C/Si>1)有機シリカ膜あるいは多孔質構造を有する有機シリカ膜を半導体基板上に連続して成長する製造方法において、プラズマ反応室内壁を覆うプリコート膜として、有機シリカ膜よりも炭素組成が低い高酸素含有プリコート膜、例えば、シリカ膜(SiO、C/Si=0、O/Si=2)を用いる。プラズマクリーニング工程では、プラズマ反応室内壁に成膜された炭素組成に富んだ有機シリカ膜と高酸素含有プリコート膜とからなる積層膜を除去する。我々は、高酸素含有プリコート膜を用いることで、プラズマ反応室内壁に成長した炭素組成に富んだ有機シリカ膜のプラズマクリーニング速度を大きく増大できることを見出した。 On the other hand, in the present embodiment, in the manufacturing method in which an organic silica film rich in carbon composition (C / Si> 1) or an organic silica film having a porous structure is continuously grown on a semiconductor substrate by plasma polymerization. As the precoat film covering the plasma reaction chamber inner wall, a high oxygen-containing precoat film having a carbon composition lower than that of the organic silica film, for example, a silica film (SiO 2 , C / Si = 0, O / Si = 2) is used. In the plasma cleaning step, the laminated film composed of the organic silica film rich in carbon composition formed on the inner wall of the plasma reaction chamber and the precoat film containing high oxygen content is removed. We have found that the plasma cleaning rate of the organic silica film rich in carbon composition grown on the plasma reaction chamber wall can be greatly increased by using the high oxygen content precoat film.

これにより、クリーニング時間ならびに一連の成膜工程に要する時間の短縮化、つまり、スループットを向上することができる。さらに、プラズマクリーニング時間の短縮によって、クリーニングに使用するガスの使用量を削減することが可能となり、コストの削減が可能となる。また、膜密度が高くかつ密着性に富む炭素組成が低い高酸素含有プリコート膜を用いることによって、本成膜を行うに際してのパーティクルの発生や、金属汚染の発生防止に対しても有効となる。   Thereby, the cleaning time and the time required for a series of film forming steps can be shortened, that is, the throughput can be improved. Furthermore, by shortening the plasma cleaning time, it is possible to reduce the amount of gas used for cleaning, thereby reducing costs. In addition, the use of a high-oxygen-containing precoat film having a high film density and a low carbon composition that is rich in adhesiveness is effective for the generation of particles during the film formation and the prevention of metal contamination.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

以下に実施例を示すが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。   Examples are shown below, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
本実施例では、プリコートにシリコン酸化膜を、本成膜にはトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサン(式2)を用いた有機シリカ(SiOCH)膜を、クリーニングには、NF/Ar/Oをクリーニングガスとして用いた。
Example 1
In this embodiment, a silicon oxide film is used for pre-coating, an organic silica (SiOCH) film using trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane (formula 2) is used for main film formation, and NF 3 / Ar / O 2 is used for cleaning. Was used as the cleaning gas.

まず、プリコート工程においては、プリコート膜としてシリコン酸化膜を堆積するためSiHとNOを、ガス流量制御器を介してプラズマ反応室201へ供給した。ガス流量はそれぞれ180sccmと2000sccmである。 First, in the pre-coating process, SiH 4 and N 2 O were supplied to the plasma reaction chamber 201 via a gas flow rate controller in order to deposit a silicon oxide film as a pre-coating film. The gas flow rates are 180 sccm and 2000 sccm, respectively.

引き続きシャワーヘッド204とウエハステージ203の間にRF電力450Wを印加することによって、プラズマ反応室201の内壁に200nm程度のシリコン酸化膜を堆積した。このシリコン酸化膜の炭素/シリコン比は零である。   Subsequently, an RF power of 450 W was applied between the shower head 204 and the wafer stage 203 to deposit a silicon oxide film of about 200 nm on the inner wall of the plasma reaction chamber 201. The silicon oxide film has a carbon / silicon ratio of zero.

このプリコート工程が終了した後、本成膜を行うために、ウエハ搬送室より下地となる半導体基板をプラズマ反応室201へ搬送した。このとき、半導体基板は350℃に加熱されたウエハステージ203上に成膜されたシリコン酸化膜の上に設置された。   After this pre-coating process was completed, a semiconductor substrate serving as a base was transferred from the wafer transfer chamber to the plasma reaction chamber 201 in order to perform the main film formation. At this time, the semiconductor substrate was placed on the silicon oxide film formed on the wafer stage 203 heated to 350 ° C.

本成膜工程においては、原料としてトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサン、キャリアガスとして、ヘリウムを用い、気化制御器を介してプラズマ反応室201へ供給した。供給量はそれぞれ、1.4g/minと300sccmであった。引き続き、プリコート工程と同様にシャワーヘッド204とウエハステージ203の間にRF電力250Wを印加する。これによって、熱エネルギーとプラズマエネルギーを受けて、原料がプラズマ重合反応を生じることとなり、半導体基板上に200nmの有機シリカ(SiOCH)膜を堆積させた。この有機シリカ(SiOCH)膜の炭素/シリコン比は2.52である。また比誘電率は2.53であり、小角X線散乱法による空孔径分布の最頻値(ピーク)は0.44nmであった。当然のことながら、半導体基板上だけでなく、有機シリカ(SiOCH)膜はウエハステージやシャワーヘッド204上にも堆積された。但し、半導体基板の存在により、ウエハステージ203上の大部分には成膜されなかった。   In this film forming process, trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane was used as a raw material, and helium was used as a carrier gas, which was supplied to the plasma reaction chamber 201 via a vaporization controller. The supply rates were 1.4 g / min and 300 sccm, respectively. Subsequently, RF power 250 W is applied between the shower head 204 and the wafer stage 203 as in the pre-coating process. As a result, upon receiving thermal energy and plasma energy, the raw material undergoes a plasma polymerization reaction, and a 200 nm organic silica (SiOCH) film was deposited on the semiconductor substrate. The organic silica (SiOCH) film has a carbon / silicon ratio of 2.52. The relative dielectric constant was 2.53, and the mode value (peak) of the pore diameter distribution by the small angle X-ray scattering method was 0.44 nm. Naturally, an organic silica (SiOCH) film was deposited not only on the semiconductor substrate but also on the wafer stage and the shower head 204. However, no film was formed on most of the wafer stage 203 due to the presence of the semiconductor substrate.

このようにして本成膜終了後、半導体基板をプラズマ反応室201より取り出す。   In this way, after completion of the main film formation, the semiconductor substrate is taken out from the plasma reaction chamber 201.

次に行われるクリーニング工程では、クリーニングガスとしてNF、Ar、Oを用いて、プリコート工程と本成膜工程によってプラズマ反応室201内に堆積された。本実施例では各ガスの供給量は、NF=1.2SLM、Ar=5.0SLM、O=0.45SLM、とした。NF、Arは3kWの電力が印加されたリモートプラズマ源によって励起された後にプラズマ反応室201に供給された。 In the next cleaning process, NF 3 , Ar, and O 2 were used as the cleaning gas, and deposited in the plasma reaction chamber 201 by the pre-coating process and the main film-forming process. In this example, the supply amounts of the respective gases were NF 3 = 1.2 SLM, Ar = 5.0 SLM, and O 2 = 0.45 SLM. NF 3 and Ar were supplied to the plasma reaction chamber 201 after being excited by a remote plasma source to which 3 kW of power was applied.

クリーニングの状態を、SiFの発光を発光分光器によってモニタすることにより確認した。分解生成物であるSiFの発光が認められなくなることにより、プラズマ反応室201内の堆積物が除去されたものと判断できる。結果を図5a)に示す。比較として、プリコート膜として本成膜工程と同様の炭素組成に富んだ膜を用いた場合について図5b)に示す。さらに比較のため、クリーニングガスに酸素を添加しなかった場合について図5c)に示す。   The state of cleaning was confirmed by monitoring the emission of SiF with an emission spectrometer. It can be determined that the deposits in the plasma reaction chamber 201 have been removed by the absence of light emission from the decomposition product SiF. The results are shown in FIG. For comparison, FIG. 5b) shows a case where a film having a high carbon composition similar to that in the film forming process is used as the precoat film. For comparison, FIG. 5c) shows a case where oxygen is not added to the cleaning gas.

プリコート膜に炭素が含まれないシリコン酸化膜を用いた場合は、クリーニングは約40秒で終了していることがわかる。一方、プリコート工程も本成膜も炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いた場合にはクリーニング時間が130秒を要しており、シリコン酸化膜をプリコート膜に用いることでクリーニング速度が約3倍になっていることがわかる。プリコート工程も本成膜も炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いた場合で、クリーニングガスとして酸素を添加せず、NF3とArのみでクリーニングを行った場合には、クリーニング時間が240秒を要しており、酸素を添加することでクリーニング速度が約2倍になっていることがわかる。つまり、酸素を添加してクリーニングを高速化する効果よりも、プリコート膜に炭素組成が低い高酸素含有膜を用いてクリーニングを高速化する方が高速化に効果的であることがわかる。   When a silicon oxide film containing no carbon is used for the precoat film, it can be seen that the cleaning is completed in about 40 seconds. On the other hand, when an organic silica film rich in carbon composition is used in both the pre-coating process and the main film formation, a cleaning time of 130 seconds is required. By using a silicon oxide film as the pre-coating film, the cleaning speed is about 3 times faster. You can see that In both the pre-coating process and the main film formation, when an organic silica film rich in carbon composition is used, when cleaning is performed only with NF3 and Ar without adding oxygen as a cleaning gas, a cleaning time of 240 seconds is required. It can be seen that the cleaning rate is approximately doubled by adding oxygen. That is, it can be seen that speeding up cleaning using a high oxygen-containing film having a low carbon composition for the precoat film is more effective in speeding up than the effect of speeding up cleaning by adding oxygen.

この理由はプラズマ反応室201内で部分的に炭素が含まれていないシリコン酸化膜が露出していることで、シリコン酸化膜がクリーニングによって分解・除去されることで、酸素供給源となり、実効的にクリーニングガス中の酸素濃度を高めたためである。この酸素はNFによるエッチングによってシリコン酸化膜が分解されることによって供給されることから、供給時にすでに活性状態にあり、有機シリカ(SiOCH)膜中の炭素の引き抜き効果が高く、有機シリカ(SiOCH)膜のクリーニング速度を高める貢献をする。しかもプラズマ反応室内で供給されることから、NFラジカルの供給経路には影響がなく、NFの活性度を下げることがない。 This is because the silicon oxide film that does not partially contain carbon is exposed in the plasma reaction chamber 201, and the silicon oxide film is decomposed and removed by cleaning, thereby becoming an oxygen supply source. This is because the oxygen concentration in the cleaning gas is increased. Since this oxygen is supplied by decomposing the silicon oxide film by etching with NF 3 , it is already in an active state at the time of supply, and the effect of extracting carbon in the organic silica (SiOCH) film is high, and organic silica (SiOCH ) Contributes to increasing the cleaning speed of the film. In addition, since it is supplied in the plasma reaction chamber, the supply path of the NF 3 radical is not affected, and the activity of NF 3 is not lowered.

一方、炭素組成に富んだ有機シリカ(SiOCH)膜をプリコート工程にも本成膜工程にも用いた場合は、クリーニングによって除去される膜は炭素組成に富んだ有機シリカ膜のみとなる。この場合、クリーニング中にNFのフッ素と有機シリカ膜の炭素が再結合して、CF系の堆積物を形成する。NFでは効率的にCF系の堆積物を除去できないため、クリーニング速度が低下する。常にプラズマ反応室201の内部の表面は炭素組成に富んだ有機シリカ膜で覆われていることから、全面除去には非常に長い時間がかかったと考えられる。 On the other hand, when an organic silica (SiOCH) film rich in carbon composition is used for both the pre-coating process and the main film forming process, the film removed by cleaning is only the organic silica film rich in carbon composition. In this case, the fluorine of NF 3 and the carbon of the organic silica film recombine during cleaning to form a CF-based deposit. Since NF 3 cannot efficiently remove CF-based deposits, the cleaning speed decreases. Since the surface inside the plasma reaction chamber 201 is always covered with an organic silica film rich in carbon composition, it is considered that it took a very long time to remove the entire surface.

このように、本成膜工程に炭素組成の高い膜を用いる場合には、プリコート膜に炭素組成の低い膜を用いることによって、クリーニング速度を著しく高めることが可能となる。これはこの組み合わせ特有の現象である。炭素組成に富んだ有機シリカ(SiOCH)膜を用いている場合でも、単に酸素添加量を増やす以上の非常に効率の高いクリーンニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。   As described above, when a film having a high carbon composition is used in this film forming process, the cleaning rate can be remarkably increased by using a film having a low carbon composition as the precoat film. This is a phenomenon peculiar to this combination. Even when an organic silica (SiOCH) film rich in carbon composition is used, very efficient cleaning more than simply increasing the amount of oxygen added is performed, resulting in a dramatic reduction in cleaning time. It is done.

(実施例2)
本実施例では、プリコートに本成膜で形成される有機シリカ膜よりも炭素組成が低い高酸素含有膜を、本成膜にはトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサンを用いた有機シリカ(SiOCH)膜を、クリーニングには、NF/Ar/Oをクリーニングガスとして用いた。
(Example 2)
In this example, a high oxygen-containing film having a carbon composition lower than that of the organic silica film formed by the main film formation on the precoat, and an organic silica (SiOCH) film using trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane for the main film formation. For cleaning, NF 3 / Ar / O 2 was used as a cleaning gas.

まず、プリコート工程においては、プリコート膜として炭素組成が低い高酸素含有有機シリカ膜を堆積するため、トリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサンと、SiHとNOを、ガス流量制御器を介してプラズマ反応室201へ供給した。トリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサンの流量は1.0g/min、キャリアガスであるHeのガス流量は1.0SLM、SiHとNOのガス流量はそれぞれ70sccmと700sccmであった。 First, in the precoat process, trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane, SiH 4 and N 2 O are plasmad via a gas flow controller in order to deposit a high oxygen content organic silica film having a low carbon composition as a precoat film. The reaction chamber 201 was supplied. The flow rate of trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane was 1.0 g / min, the flow rate of He as a carrier gas was 1.0 SLM, and the flow rates of SiH 4 and N 2 O were 70 sccm and 700 sccm, respectively.

引き続きシャワーヘッド204とウエハステージ203の間にRF電力250Wを印加することによって、プラズマ反応室201の内壁に200nm程度のシリコン酸化膜を堆積した。この有機シリカ膜の炭素/シリコン比は0.95であった。   Subsequently, an RF power of 250 W was applied between the shower head 204 and the wafer stage 203 to deposit a silicon oxide film of about 200 nm on the inner wall of the plasma reaction chamber 201. The carbon / silicon ratio of this organic silica film was 0.95.

プリコート工程終了後、本成膜を行うために、ウエハ搬送室より下地となる半導体基板をプラズマ反応室へ搬送した。このとき、半導体基板は350℃に加熱されたウエハステージ上に成膜されたシリコン酸化膜の上に設置された。   After the pre-coating process, in order to perform the main film formation, the semiconductor substrate as a base was transferred from the wafer transfer chamber to the plasma reaction chamber. At this time, the semiconductor substrate was placed on a silicon oxide film formed on a wafer stage heated to 350 ° C.

本成膜工程においては、実施例1と同様の成膜を行った。この有機シリカ(SiOCH)膜の炭素/シリコン比は2.5であった。また比誘電率は2.53であり、小角X線散乱法による空孔径分布の最頻値(ピーク)は0.44nmであった。本成膜終了後、半導体基板をプラズマ反応室より取り出した。   In this film formation step, the same film formation as in Example 1 was performed. The carbon / silicon ratio of this organic silica (SiOCH) film was 2.5. The relative dielectric constant was 2.53, and the mode value (peak) of the pore diameter distribution by the small angle X-ray scattering method was 0.44 nm. After completion of the main film formation, the semiconductor substrate was taken out from the plasma reaction chamber.

クリーニング工程では、クリーニングガスとしてNF、Ar、Oを用いて、プリコート工程と本成膜工程によってプラズマ反応室内に堆積された膜を除去した。本実施例でも各ガスの供給量は、NF=1.2SLM、Ar=5.0SLM、O=0.45SLM、とした。NF、Arは3kWの電力が印加されたリモートプラズマ源によって励起された後にプラズマ反応室に供給した。 In the cleaning process, NF 3 , Ar, and O 2 were used as cleaning gases, and the film deposited in the plasma reaction chamber by the pre-coating process and the main film-forming process was removed. Also in this example, the supply amounts of the respective gases were NF 3 = 1.2 SLM, Ar = 5.0 SLM, and O 2 = 0.45 SLM. NF 3 and Ar were supplied to the plasma reaction chamber after being excited by a remote plasma source to which 3 kW of power was applied.

クリーニングの状態をSiFの発光を発光分光器によってモニタすることにより確認した。分解生成物であるSiFの発光が認められなくなることにより、プラズマ反応室内の堆積物が除去されたものと判断できる。結果を図6に示す。   The cleaning state was confirmed by monitoring the emission of SiF with an emission spectrometer. It can be determined that the deposit in the plasma reaction chamber has been removed by the absence of light emission from the decomposition product SiF. The results are shown in FIG.

プリコート膜として、炭素組成が低い(C/Si<1)高酸素含有有機シリカ膜を用いた場合は、クリーニングは約42秒で終了していることがわかる。この理由は実施例1と同様に、プラズマ反応室内で部分的に炭素組成が低い(C/Si<1)高酸素含有有機シリカ膜が露出していることで、実施例1と同様に、該有機シリカ膜がクリーニングによって分解・除去されることで、酸素供給源となり、実効的にクリーニングガス中の酸素濃度を高めたためである。   When a high oxygen content organic silica film having a low carbon composition (C / Si <1) is used as the precoat film, it can be seen that the cleaning is completed in about 42 seconds. The reason for this is that, as in Example 1, the high oxygen content organic silica film having a low carbon composition (C / Si <1) is partially exposed in the plasma reaction chamber. This is because the organic silica film is decomposed and removed by cleaning to serve as an oxygen supply source, effectively increasing the oxygen concentration in the cleaning gas.

したがって、本成膜工程に炭素組成の高い膜を用いる場合には、プリコート膜に炭素組成の低い膜を用いることによって、クリーニング速度を著しく高めることが可能であることが確認される。これはこの組み合わせ特有の現象である。炭素組成に富んだ有機シリカ(SiOCH)膜を用いている場合でも、単に酸素添加量を増やす以上の非常に効率の高いクリーンニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。   Therefore, when a film having a high carbon composition is used in this film forming process, it is confirmed that the cleaning rate can be remarkably increased by using a film having a low carbon composition as the precoat film. This is a phenomenon peculiar to this combination. Even when an organic silica (SiOCH) film rich in carbon composition is used, very efficient cleaning more than simply increasing the amount of oxygen added is performed, resulting in a dramatic reduction in cleaning time. It is done.

(実施例3)
本実施例では、プリコートにシリコン酸化膜を、本成膜にはトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサンを用いた有機シリカ(SiOCH)膜を、クリーニングには、NF/Ar/Oをクリーニングガスとして用いた。
(Example 3)
In this embodiment, a silicon oxide film is used for pre-coating, an organic silica (SiOCH) film using trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane is used for the main film formation, and NF 3 / Ar / O 2 is used as a cleaning gas for cleaning. Using.

まず、プリコート工程においては、実施例1と同様に、プラズマ反応室201の内壁に200nm程度のシリコン酸化膜を堆積した。このシリコン酸化膜の炭素/シリコン比はゼロである。   First, in the precoat process, a silicon oxide film having a thickness of about 200 nm was deposited on the inner wall of the plasma reaction chamber 201 in the same manner as in Example 1. The silicon oxide film has a carbon / silicon ratio of zero.

プリコート工程終了後、本成膜を行うために、ウエハ搬送室より下地となる半導体基板をプラズマ反応室201へ搬送する。このとき、半導体基板は350℃に加熱されたウエハステージ203上に成膜されたシリコン酸化膜の上に設置される。   After the pre-coating process is completed, a semiconductor substrate serving as a base is transferred from the wafer transfer chamber to the plasma reaction chamber 201 in order to perform main film formation. At this time, the semiconductor substrate is placed on the silicon oxide film formed on the wafer stage 203 heated to 350.degree.

本成膜工程においては、原料としてトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサン、キャリアガスとして、ヘリウムを用い、気化制御器を介してプラズマ反応室201へ供給した。供給量はそれぞれ、1.4g/minと500sccmであった。同時に、本実施例では、添加ガスとしてNOを80sccm供給した。 In this film forming process, trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane was used as a raw material, and helium was used as a carrier gas, which was supplied to the plasma reaction chamber 201 via a vaporization controller. The supply rates were 1.4 g / min and 500 sccm, respectively. At the same time, in this example, 80 sccm of N 2 O was supplied as an additive gas.

引き続き、プリコート工程と同様にシャワーヘッド204とウエハステージ203の間にRF電力250Wを印加することによって、熱エネルギーとプラズマエネルギーを受けて、原料がプラズマ重合反応を生じることとなり、半導体基板上に200nmの有機シリカ(SiOCH)膜を堆積させた。この有機シリカ(SiOCH)膜の炭素/シリコン比は2.32である。また比誘電率は2.55であり、小角X線散乱法による空孔径分布の最頻値(ピーク)は0.38nmであった。   Subsequently, by applying RF power of 250 W between the shower head 204 and the wafer stage 203 as in the pre-coating process, the raw material receives a thermal energy and a plasma energy to cause a plasma polymerization reaction, resulting in a 200 nm on the semiconductor substrate. An organic silica (SiOCH) film was deposited. The organic silica (SiOCH) film has a carbon / silicon ratio of 2.32. The relative dielectric constant was 2.55, and the mode value (peak) of the hole diameter distribution by the small angle X-ray scattering method was 0.38 nm.

当然のことながら、半導体基板上だけでなく、有機シリカ(SiOCH)膜はウエハステージ203やシャワーヘッド204上にも堆積する。但し、ウエハの存在により、ウエハステージ203の上の大部分には成膜されない。このようにして本成膜終了後、半導体基板をプラズマ反応室201より取り出す。   As a matter of course, an organic silica (SiOCH) film is deposited not only on the semiconductor substrate but also on the wafer stage 203 and the shower head 204. However, the film is not formed on most of the wafer stage 203 due to the presence of the wafer. In this way, after completion of the main film formation, the semiconductor substrate is taken out from the plasma reaction chamber 201.

クリーニング工程では、クリーニングガスとしてNF、Ar、Oを用いて、プリコート工程と本成膜工程によってプラズマ反応室内に堆積された膜を除去した。本実施例でも各ガスの供給量は、NF=1.2SLM、Ar=5.0SLM、O=0.45SLM、とした。NF、Arは3kWの電力が印加されたリモートプラズマ源によって励起された後にプラズマ反応室に供給した。 In the cleaning process, NF 3 , Ar, and O 2 were used as cleaning gases, and the film deposited in the plasma reaction chamber by the pre-coating process and the main film-forming process was removed. Also in this example, the supply amounts of the respective gases were NF 3 = 1.2 SLM, Ar = 5.0 SLM, and O 2 = 0.45 SLM. NF 3 and Ar were supplied to the plasma reaction chamber after being excited by a remote plasma source to which 3 kW of power was applied.

クリーニングの状態をSiFの発光を発光分光器によってモニタすることにより確認した。分解生成物であるSiFの発光が認められなくなることにより、プラズマ反応室内の堆積物が除去されたものと判断できる。結果を図7に示す。   The cleaning state was confirmed by monitoring the emission of SiF with an emission spectrometer. It can be determined that the deposit in the plasma reaction chamber has been removed by the absence of light emission from the decomposition product SiF. The results are shown in FIG.

実施例1同様、クリーニングは約40秒で終了していることがわかる。本実施例における有機シリカ膜のC/Si組成比は2.3であり、実施例1同様、本成膜工程に炭素組成の高い膜を用いる場合には、プリコート膜に炭素組成の低い膜を用いることによって、クリーニング速度を著しく高めることが可能となる。これはこの組み合わせにより新たに発現した特有の現象である。炭素組成に富んだ有機シリカ(SiOCH)膜を用いている場合でも、単に酸素添加量を増やす以上の非常に効率の高いクリーンニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。   As in Example 1, it can be seen that the cleaning is completed in about 40 seconds. The C / Si composition ratio of the organic silica film in this example is 2.3, and when a film having a high carbon composition is used in this film forming process, a film having a low carbon composition is used as the precoat film as in Example 1. By using it, the cleaning speed can be remarkably increased. This is a unique phenomenon newly developed by this combination. Even when an organic silica (SiOCH) film rich in carbon composition is used, very efficient cleaning more than simply increasing the amount of oxygen added is performed, resulting in a dramatic reduction in cleaning time. It is done.

(実施例4)
本実施例では、プリコートにシリコン酸化膜を、本成膜にはトリビニルトリイソプロピルシクロトリシロキサンを用いた有機シリカ(SiOCH)膜を、クリーニングには、NF/Ar/Oをクリーニングガスとして用いた。また、本成膜1枚毎にクリーニングを行うのではなく、本成膜を3枚の半導体基板に対して実施する毎に、クリーニングを行うものとした。
Example 4
In this embodiment, a silicon oxide film is used for pre-coating, an organic silica (SiOCH) film using trivinyltriisopropylcyclotrisiloxane is used for the main film formation, and NF 3 / Ar / O 2 is used as a cleaning gas for cleaning. Using. In addition, cleaning is not performed every time one main film is formed, but cleaning is performed every time the main film is formed on three semiconductor substrates.

まず、プリコート工程においては、実施例1と同様にプリコート膜として、プラズマ反応室201の内壁に200nm程度のシリコン酸化膜を堆積した。このシリコン酸化膜の炭素/シリコン比はゼロである。   First, in the pre-coating process, a silicon oxide film of about 200 nm was deposited on the inner wall of the plasma reaction chamber 201 as a pre-coating film as in Example 1. The silicon oxide film has a carbon / silicon ratio of zero.

プリコート工程終了後、本成膜を行うために、ウエハ搬送室より下地となる半導体基板をプラズマ反応室201へ搬送する。このとき、半導体基板は350℃に加熱されたウエハステージ203上に成膜されたシリコン酸化膜の上に設置される。   After the pre-coating process is completed, a semiconductor substrate serving as a base is transferred from the wafer transfer chamber to the plasma reaction chamber 201 in order to perform main film formation. At this time, the semiconductor substrate is placed on the silicon oxide film formed on the wafer stage 203 heated to 350.degree.

本成膜工程においても、実施例1と同様に、半導体基板上に200nmの有機シリカ(SiOCH)膜を堆積させた。この有機シリカ(SiOCH)膜の炭素/シリコン比は2.52である。また比誘電率は2.53であり、小角X線散乱法による空孔径分布の最頻値(ピーク)は0.44nmである。   Also in this film forming step, as in Example 1, a 200 nm organic silica (SiOCH) film was deposited on the semiconductor substrate. The organic silica (SiOCH) film has a carbon / silicon ratio of 2.52. The relative dielectric constant is 2.53, and the mode value (peak) of the hole diameter distribution by the small angle X-ray scattering method is 0.44 nm.

当然のことながら、半導体基板上だけでなく、有機シリカ(SiOCH)膜はウエハステージ203やシャワーヘッド204上にも堆積する。但し、ウエハの存在により、ウエハステージ203上の大部分には成膜されない。このようにして本成膜終了後、半導体基板をプラズマ反応室201より取り出す。   As a matter of course, an organic silica (SiOCH) film is deposited not only on the semiconductor substrate but also on the wafer stage 203 and the shower head 204. However, no film is formed on most of the wafer stage 203 due to the presence of the wafer. In this way, after completion of the main film formation, the semiconductor substrate is taken out from the plasma reaction chamber 201.

本実施例では、クリーニングを行わずに、再びプリコートを行って、プラズマ反応室201内の主な表面状態を再度初期状態にする。また、本成膜についても同様に行う。本実施例では、この工程を都合3回繰り返し、プリコート3回、本成膜を3回、それぞれ行った。   In this embodiment, the pre-coating is performed again without cleaning, and the main surface state in the plasma reaction chamber 201 is set to the initial state again. The same film formation is performed in the same manner. In this example, this process was repeated 3 times, and pre-coating was performed 3 times and main film formation was performed 3 times.

3回のプリコート/本成膜の繰り返しを行った後に、クリーニングを行った。クリーニング工程は、やはり実施例1と同様に行った。   After repeating the pre-coating / main film formation three times, cleaning was performed. The cleaning process was performed in the same manner as in Example 1.

クリーニングの状態をSiFの発光を発光分光器によってモニタすることにより確認した。分解生成物であるSiFの発光が認められなくなることにより、プラズマ反応室内の堆積物が除去されたものと判断できる。結果を図8f)に示す。比較として、プリコート工程を本成膜工程と同様の炭素組成に富んだ膜を用いた場合について図8g)に示す。   The cleaning state was confirmed by monitoring the emission of SiF with an emission spectrometer. It can be determined that the deposit in the plasma reaction chamber has been removed by the absence of light emission from the decomposition product SiF. The results are shown in Fig. 8f). As a comparison, FIG. 8g) shows a case where a film having a high carbon composition similar to that in the main film forming process is used in the precoating process.

プリコート膜に炭素が含まれないシリコン酸化膜を用いた場合は、クリーニングは約112秒で終了していることがわかる。3回のプリコートと本成膜を繰り返していることにより、実施例1のおおむね2.8倍の時間を要している。一方、プリコート工程も本成膜も炭素組成に富んだ有機シリカ膜を用いた場合にはクリーニング時間が383秒を要しており、やはり、シリコン酸化膜をプリコート膜に用いることでクリーニング速度が約3倍以上向上していることがわかる。プリコート膜に炭素組成が低い高酸素含有膜を用いてクリーニングを高速化する効果は、枚用毎よりもが高いことがわかる。   It can be seen that when the silicon oxide film containing no carbon is used for the precoat film, the cleaning is completed in about 112 seconds. By repeating the pre-coating three times and the main film formation, it takes about 2.8 times as long as the first embodiment. On the other hand, when an organic silica film rich in carbon composition is used in both the pre-coating process and the main film formation, a cleaning time of 383 seconds is required. By using a silicon oxide film as the pre-coating film, the cleaning speed is about It turns out that it has improved 3 times or more. It can be seen that the effect of increasing the cleaning speed by using a high oxygen content film having a low carbon composition for the precoat film is higher than that for each sheet.

したがって、本成膜工程に炭素組成の高い膜を用いる場合には、プリコート膜に炭素組成の低い膜を用いることによって、クリーニング速度を著しく高めることが可能となる。これはこの組み合わせにより発現した特有の現象である。炭素組成に富んだ有機シリカ(SiOCH)膜を用いている場合でも、単に酸素添加量を増やす以上の非常に効率の高いクリーンニングが行われることになり、劇的なクリーニング時間の短縮効果が得られる。   Therefore, when a film having a high carbon composition is used in the main film forming process, the cleaning rate can be remarkably increased by using a film having a low carbon composition as the precoat film. This is a unique phenomenon expressed by this combination. Even when an organic silica (SiOCH) film rich in carbon composition is used, very efficient cleaning more than simply increasing the amount of oxygen added is performed, resulting in a dramatic reduction in cleaning time. It is done.

なお、本実施例では、本成膜3枚実施毎に、クリーニングを行うものとしたが、4枚以上の成膜毎のクリーニングの実施においても、特に、本成膜における有機シリカ膜の膜質には影響がなく、パーティクルの発生やメタルコンタミの発生がなければ問題はない。   In this embodiment, cleaning is performed every 3 film formations. However, in the cleaning process for every 4 or more film formations, the quality of the organic silica film in the film formation is particularly good. Is not affected, and there is no problem if there is no generation of particles or metal contamination.

(実施例5)
上記した方法を用いて製造した半導体装置の一例を図面を参照して以下に説明する。ただし、本実施の形態に関して前述した従来例と同一の部分は、同一の名称を使用して詳細な説明は省略する。
(Example 5)
An example of a semiconductor device manufactured using the above-described method will be described below with reference to the drawings. However, the same portions as those of the conventional example described above with respect to the present embodiment are denoted by the same names, and detailed description thereof is omitted.

図9は、本発明のひとつの実施の形態の多層配線中に容量素子を備えた半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、論理回路とメモリ回路とを混載したものである。メモリ回路には、容量素子を有するメモリ素子のほかにメモリの周辺回路も含まれる。図9(a)はメモリ回路領域の断面図である。また図9(b)は論理回路領域の代表的な断面図を示す。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device including a capacitive element in a multilayer wiring according to one embodiment of the present invention. This semiconductor device is a combination of a logic circuit and a memory circuit. The memory circuit includes a memory peripheral circuit in addition to a memory element having a capacitor element. FIG. 9A is a cross-sectional view of the memory circuit region. FIG. 9B shows a typical sectional view of the logic circuit region.

本実施形態の半導体装置は、半導体基板(シリコン基板5)と、配線および絶縁膜により構成された配線層が複数積層された多層配線構造と、この多層配線構造内に埋め込まれた、下部電極91、容量絶縁膜92、および上部電極93により構成された容量素子90と、を備えるものである。容量素子90は少なくとも2層以上の配線層にわたって設けられているため、この多層配線構造の配線層数を変えずに、容量素子90が貫く配線層数を変化させて所望の容量を得ることができる。また、容量素子90が埋め込まれたメモリ回路領域の多層配線と論理回路領域の多層配線は同層に形成される。このため、新たに論理回路領域の多層配線を設ける必要がない。これにより、多層配線構造をコンパクトに設けることができる。   The semiconductor device according to the present embodiment includes a semiconductor substrate (silicon substrate 5), a multilayer wiring structure in which a plurality of wiring layers composed of wiring and insulating films are stacked, and a lower electrode 91 embedded in the multilayer wiring structure. , A capacitive insulating film 92, and a capacitive element 90 constituted by the upper electrode 93. Since the capacitive element 90 is provided over at least two wiring layers, a desired capacitance can be obtained by changing the number of wiring layers penetrated by the capacitive element 90 without changing the number of wiring layers in the multilayer wiring structure. it can. The multilayer wiring in the memory circuit area in which the capacitor element 90 is embedded and the multilayer wiring in the logic circuit area are formed in the same layer. For this reason, it is not necessary to newly provide a multilayer wiring in the logic circuit area. Thereby, a multilayer wiring structure can be provided compactly.

つぎに本実施形態の半導体装置の製造方法について簡単に説明する。本実施形態の半導体装置は、さらに、シリコン基板5の表面近傍に形成された第一の拡散層(拡散層7)と、シリコン基板5の表面近傍に形成された第二の拡散層(拡散層7)と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極8と、を備える。そして、本実施形態の半導体装置は、これらのシリコン基板5、第一の拡散層、第二の拡散層、ゲート絶縁膜、およびゲート電極8により電界効果トランジスタ(MOSトランジスタ)9を構成するものである。MOSトランジスタ9のゲート絶縁膜は、高誘電率ゲート絶縁膜であればよい。例えば高誘電率ゲート絶縁膜として、SiONなどシリコン酸窒化物あるいはHf酸窒化物などのHfを含む高誘電率ゲート絶縁膜などを用いることができる。具体的には、Hf酸化物、Hfシリケート、およびそれらに窒素が導入された高誘電率絶縁膜を用いることができる。ゲート絶縁膜は、単層またはこの種類で構成された多層でもよい。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be briefly described. The semiconductor device of the present embodiment further includes a first diffusion layer (diffusion layer 7) formed near the surface of the silicon substrate 5 and a second diffusion layer (diffusion layer) formed near the surface of the silicon substrate 5. 7), a gate insulating film, and a gate electrode 8. In the semiconductor device of this embodiment, a field effect transistor (MOS transistor) 9 is constituted by the silicon substrate 5, the first diffusion layer, the second diffusion layer, the gate insulating film, and the gate electrode 8. is there. The gate insulating film of the MOS transistor 9 may be a high dielectric constant gate insulating film. For example, as the high dielectric constant gate insulating film, a high dielectric constant gate insulating film containing Hf such as silicon oxynitride such as SiON or Hf oxynitride can be used. Specifically, Hf oxide, Hf silicate, and a high dielectric constant insulating film into which nitrogen is introduced can be used. The gate insulating film may be a single layer or a multilayer composed of this kind.

またゲート電極材は、ポリシリコンあるいはその上面層がNi、Co、Ti、Ptなど金属シリサイドで覆われされたものである。さらには、ゲート電極の一部にTi、Ta、Alあるいはそれらの導電性窒化物を含むメタルゲート電極であってもよい。特に、メタルゲート電極の場合、ロジック部のトランジスタの駆動電流を向上させるといった効果のみならず、メタルゲート電極はDRAM部のワード線を構成しているので、このワード線の抵抗を低減する効果もあり、多層配線層に容量素子部を埋め込んだeDRAM構造と組み合わせることで、より高速動作が可能となる。   The gate electrode material is made of polysilicon or its upper surface layer covered with metal silicide such as Ni, Co, Ti, Pt. Furthermore, a metal gate electrode including Ti, Ta, Al or a conductive nitride thereof in a part of the gate electrode may be used. In particular, in the case of the metal gate electrode, not only the effect of improving the drive current of the transistor in the logic part but also the effect of reducing the resistance of the word line because the metal gate electrode constitutes the word line of the DRAM part. In addition, by combining with an eDRAM structure in which a capacitive element portion is embedded in a multilayer wiring layer, higher speed operation becomes possible.

なお図9において、ビット線19はロジック回路領域の第1層配線15と同時に同一層に形成され、ビット線だけの配線層は存在しない。本実施形態に示す構造により、多層配線層数を有効に活用可能である。   In FIG. 9, the bit line 19 is formed in the same layer simultaneously with the first layer wiring 15 in the logic circuit region, and there is no wiring layer only for the bit line. With the structure shown in this embodiment, the number of multilayer wiring layers can be used effectively.

コンタクト層間絶縁膜1はシリコン酸化膜からなり、コンタクトプラグ4はタングステンからなり、コンタクトバリアメタル膜3は窒化チタン/チタンの積層膜からなる。   The contact interlayer insulating film 1 is made of a silicon oxide film, the contact plug 4 is made of tungsten, and the contact barrier metal film 3 is made of a laminated film of titanium nitride / titanium.

また、第1層の層間絶縁膜11および第2層の層間絶縁膜21は実施例3の手法により有機シリカ膜を堆積したが、実施例1〜4のいずれかの方法によって成膜してもよい。第1層配線バリアメタル膜13はタンタル/窒化タンタル積層膜からなり、第1層配線15は銅からなる。また、各配線層上のキャップ膜はSiCN膜からなる。   In addition, the first layer interlayer insulating film 11 and the second layer interlayer insulating film 21 are formed by depositing an organic silica film by the method of the third embodiment, but may be formed by any one of the first to fourth embodiments. Good. The first layer wiring barrier metal film 13 is made of a tantalum / tantalum nitride laminated film, and the first layer wiring 15 is made of copper. The cap film on each wiring layer is made of a SiCN film.

第2層配線25を形成する手法について簡単に記載する。第1層配線15を形成し、第1層配線のキャップ膜20を成膜した後に、第2層の層間絶縁膜21として前記有機シリカ膜を成膜する。この有機シリカ(SiOCH)膜の炭素/シリコン比は2.32である。また比誘電率は2.55であり、小角X線散乱法による空孔径分布の最頻値(ピーク)は0.38nmである。   A method for forming the second layer wiring 25 will be briefly described. After forming the first layer wiring 15 and forming the cap film 20 of the first layer wiring, the organic silica film is formed as the interlayer insulating film 21 of the second layer. The organic silica (SiOCH) film has a carbon / silicon ratio of 2.32. The relative dielectric constant is 2.55, and the mode value (peak) of the hole diameter distribution by the small angle X-ray scattering method is 0.38 nm.

引き続き加工時のマスクとしてシリコン酸化膜(図示せず)を成膜する。さらにリソグラフィとドライエッチングを用いたいわゆるデュアルダマシンプロセスによって第2層配線の開口部を形成する。このとき開口部の一部は第1層配線15に電気的に接続するためのビアホールを含んでいる。これらの開口部にスパッタリング法によって第2層配線バリアメタル膜23を堆積し、引き続いて銅めっきのシード層となる銅を堆積する。さらにめっき法によって銅を埋め込む。ここで用いる銅にはアルミニウムや銀などの金属の添加物を含んでいてもよい。この第2層配線の開口部に第2層配線バリアメタル膜23と銅が残るように余分なバリアメタル膜と銅をCMPなどの手法を用いて除去し、第2層配線25を形成する。この工程中にマスクとしてのシリコン酸化膜は除去され、第2層の層間絶縁膜21上には残らない。その後、第1層と同様に第2層配線25のキャップ膜30を成膜する。ここで、容量素子の開口部以外の容量絶縁膜の下部に部分的にシリコン酸化膜が設けられていてもよい。   Subsequently, a silicon oxide film (not shown) is formed as a mask for processing. Further, the opening of the second layer wiring is formed by a so-called dual damascene process using lithography and dry etching. At this time, a part of the opening includes a via hole for electrical connection to the first layer wiring 15. A second-layer wiring barrier metal film 23 is deposited in these openings by a sputtering method, and then copper to be a seed layer for copper plating is deposited. Further, copper is embedded by a plating method. The copper used here may contain an additive of a metal such as aluminum or silver. Excess barrier metal film and copper are removed by using a technique such as CMP so that the second layer wiring barrier metal film 23 and copper remain in the opening of the second layer wiring, thereby forming the second layer wiring 25. During this step, the silicon oxide film as a mask is removed and does not remain on the second-layer interlayer insulating film 21. Thereafter, the cap film 30 of the second layer wiring 25 is formed in the same manner as the first layer. Here, a silicon oxide film may be partially provided below the capacitive insulating film other than the opening of the capacitive element.

本実施の形態では層間絶縁膜およびキャップ膜は単層の絶縁膜を用いているが、それぞれ、複数種の絶縁膜の積層構造でもよい。たとえば、層間絶縁膜は炭素組成に富んだ有機シリカ膜と他のSiOCH膜、キャップ膜はSiC膜とSiCN膜の積層構造などでもよい。またCu拡散バリア性を備えたSiOCH膜でもよい。   In this embodiment, a single-layer insulating film is used for the interlayer insulating film and the cap film, but a laminated structure of a plurality of types of insulating films may be used. For example, the interlayer insulating film may be an organic silica film rich in carbon composition and another SiOCH film, and the cap film may be a laminated structure of a SiC film and a SiCN film. Moreover, the SiOCH film | membrane provided with Cu diffusion barrier property may be sufficient.

さらに第3層配線35および第4層配線45を形成する。形成方法は第2層配線25と同様に実施例3の手法により有機シリカ膜の堆積を行った。ただし、実施例1〜4のいずれかの方法によって成膜してもよい。次に第4層配線45のキャップ膜50を堆積した後に、ハードマスク絶縁膜94を成膜する。さらにシリンダ加工レジスト膜(図示せず)をリソグラフィによって形成する。ここでハードマスク絶縁膜94はシリコン酸化膜を用いたが、他の絶縁膜との積層構造でもよい。またレジスト膜との間に反射防止膜を備えるなどの多層構造としてもよい。いずれの場合も容量素子形成過程で第4層配線45のキャップ膜50を保護する効果をもつ絶縁膜であることが好ましい。具体的には、シリコン酸化膜のほか、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが挙げられる。   Further, a third layer wiring 35 and a fourth layer wiring 45 are formed. As the formation method, the organic silica film was deposited by the method of Example 3 in the same manner as the second layer wiring 25. However, you may form into a film by the method in any one of Examples 1-4. Next, after the cap film 50 of the fourth layer wiring 45 is deposited, a hard mask insulating film 94 is formed. Further, a cylinder processing resist film (not shown) is formed by lithography. Here, the silicon oxide film is used as the hard mask insulating film 94, but a laminated structure with another insulating film may be used. Further, a multilayer structure such as an antireflection film may be provided between the resist film and the resist film. In any case, it is preferable that the insulating film has an effect of protecting the cap film 50 of the fourth layer wiring 45 in the process of forming the capacitive element. Specifically, in addition to the silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and the like can be given.

引き続いてドライエッチングによって容量素子開口部を形成する。このとき、第2層配線25の酸化を防止するため、第2層配線25のキャップ膜30はエッチングしない。さらにシリンダ加工レジスト膜をアッシングにより除去し、容量素子の下部電極を下層の配線となる第2層配線25に接続するため、第2層配線25のキャップ膜30をドライエッチングによってエッチバックする。一連の工程で、開口部側壁は工程のプラズマ処理や薬液処理を受けるが、各層の層間絶縁膜である有機シリカ膜は、炭素組成が高いことから、特にシリコン原子に接続している炭化水素基に含まれる炭素が、シリコン原子から離れている炭素から引き抜きが生じ、急激な炭素の引き抜きを抑制できる。結果として、有機シリカ(SiOCH)膜としての特性や性能が維持される。   Subsequently, a capacitor element opening is formed by dry etching. At this time, in order to prevent oxidation of the second layer wiring 25, the cap film 30 of the second layer wiring 25 is not etched. Further, the cylinder processing resist film is removed by ashing, and the cap film 30 of the second layer wiring 25 is etched back by dry etching in order to connect the lower electrode of the capacitive element to the second layer wiring 25 serving as a lower layer wiring. In the series of steps, the opening side wall is subjected to the plasma treatment or chemical treatment of the step, but the organic silica film, which is the interlayer insulation film of each layer, has a high carbon composition. The carbon contained in is extracted from the carbon that is distant from the silicon atom, and abrupt carbon extraction can be suppressed. As a result, characteristics and performance as an organic silica (SiOCH) film are maintained.

引き続いて容量素子の下部電極となる下部電極膜91を成膜し、リソグラフィとドライエッチングによって下部電極構造を形成する。さらに引き続いて、容量絶縁膜92と上部電極膜93を成膜し、さらにシリンダ内埋設メタル膜99としてタングステンを成膜する。上部電極加工レジスト膜(図示せず)をリソグラフィによって形成し、これをマスクにドライエッチングによってシリンダ内埋設メタル99、容量絶縁膜92と上部電極膜93をエッチングする。   Subsequently, a lower electrode film 91 to be a lower electrode of the capacitive element is formed, and a lower electrode structure is formed by lithography and dry etching. Subsequently, a capacitor insulating film 92 and an upper electrode film 93 are formed, and tungsten is further formed as a cylinder embedded metal film 99. An upper electrode processing resist film (not shown) is formed by lithography, and the cylinder embedded metal 99, the capacitor insulating film 92 and the upper electrode film 93 are etched by dry etching using the resist film as a mask.

ここで容量素子90に用いる材料としては、上部電極膜93及び下部電極膜91には、Ti、TiN、Ta、TaN、Ruまたはこれらの積層構造等が挙げられる。また、容量絶縁膜92としては二酸化ジルコニウム(ZrO)やジルコニウムアルミネート(ZrAlOx)、二酸化ジルコニウムにTb、Er、Ybなどのランタノイドを添加した膜などが挙げられる。 Here, as materials used for the capacitor element 90, the upper electrode film 93 and the lower electrode film 91 include Ti, TiN, Ta, TaN, Ru, or a stacked structure thereof. Examples of the capacitive insulating film 92 include zirconium dioxide (ZrO 2 ), zirconium aluminate (ZrAlOx), and a film obtained by adding lanthanoids such as Tb, Er, and Yb to zirconium dioxide.

このハードマスク絶縁膜94は上述のアッシングおよびエッチングの工程において、特に論理回路部のハードマスク膜の下層に存在するキャップ膜、ひいてはさらにその下層にある銅配線を保護する役目を担っている。特に層間絶縁膜やキャップ膜が酸素プラズマや容量膜のエッチングプロセス耐性が無い場合には、ハードマスク膜がないと、論理回路部の銅配線が酸化するなどにより、抵抗の上昇や信頼性の劣化が起こり、論理回路部の性能劣化や動作不良を引き起こすことになる。   The hard mask insulating film 94 serves to protect the cap film existing in the lower layer of the hard mask film in the logic circuit portion and further the copper wiring in the lower layer in the ashing and etching processes described above. In particular, if the interlayer insulating film or cap film is not resistant to the etching process of oxygen plasma or capacitive film, without the hard mask film, the copper wiring in the logic circuit section will be oxidized and the resistance will increase and the reliability will deteriorate. Will occur, causing the performance deterioration and malfunction of the logic circuit section.

次に、下部電極加工の際と同様にアッシングによって上部電極加工レジスト膜を除去する。さらに上部電極をマスクとして、ハードマスク絶縁膜94をエッチバックし、第4層配線45のキャップ膜50を露出させる。   Next, the upper electrode processing resist film is removed by ashing as in the lower electrode processing. Further, using the upper electrode as a mask, the hard mask insulating film 94 is etched back to expose the cap film 50 of the fourth layer wiring 45.

その後、第5層の層間絶縁膜51を成膜する。この際、メモリ回路部では容量素子90の存在によって、論理回路部との間に段差が生じるため、これをCMPなどの手法によって平坦化を行う。その後、第5層配線55の開口部を形成するためのマスクに用いるハードマスク絶縁膜を成膜する。以後の形成プロセスは、第2層配線25を形成するときの手法と同様に行うことにより、第5層配線55を形成する。   Thereafter, a fifth interlayer insulating film 51 is formed. At this time, in the memory circuit portion, a step is generated between the memory circuit portion and the logic circuit portion due to the presence of the capacitive element 90, and this is flattened by a technique such as CMP. Thereafter, a hard mask insulating film used as a mask for forming the opening of the fifth layer wiring 55 is formed. Subsequent formation processes are performed in the same manner as the method for forming the second layer wiring 25, thereby forming the fifth layer wiring 55.

このとき、メモリ回路部においては、シリンダ内埋設メタル99が配線溝加工時のストッパとして機能し、溝深さが制限されるとともに、その直上に上部容量配線(メモリ回路領域に形成された第5層配線55)が同時に形成される。プレート線配線として上部容量配線が直接接続された構造が得られる。これはプレート線配線として容量素子間を接続するだけでなく、その素子間の電気抵抗低減を実現する。さらに第6層配線65を同様に形成し、引き続いて上層配線を形成し、半導体集積回路を完成させる。   At this time, in the memory circuit portion, the cylinder-embedded metal 99 functions as a stopper at the time of wiring groove processing, the groove depth is limited, and the upper capacitor wiring (the fifth capacitor formed in the memory circuit area is formed immediately above the groove depth. Layer wiring 55) is formed simultaneously. A structure in which the upper capacitor wiring is directly connected as the plate line wiring is obtained. This not only connects the capacitive elements as plate line wiring, but also realizes a reduction in electrical resistance between the elements. Further, the sixth layer wiring 65 is formed in the same manner, and then the upper layer wiring is formed to complete the semiconductor integrated circuit.

本実施例では、これらのメモリ回路部および論理回路部の構造を、容量素子90を多層配線構造に埋め込んだ、ビルトイン型構造のメモリ回路部および論理回路部とすることで、容量素子90の存在によって設計パラメーターが変化することが無い。すなわち、同一半導体基板上にメモリ回路部が存在していても、論理回路部の多層配線の構造・材料にはまったく変化を及ぼさないことから、論理回路部のみの場合と完全に互換性のある設計パラメーターを用いることが可能となる。別な言い方をすれば、本混載回路チップにおいて、通常の論理回路部のみの論理回路チップとまったく同等の論理演算能力を維持しつつ高速メモリ機能を発現させることができる。   In the present embodiment, the structure of the memory circuit portion and the logic circuit portion is a built-in type memory circuit portion and logic circuit portion in which the capacitor element 90 is embedded in a multilayer wiring structure. Does not change the design parameters. In other words, even if the memory circuit portion exists on the same semiconductor substrate, the structure and material of the multilayer wiring of the logic circuit portion is not changed at all, so it is completely compatible with the case of only the logic circuit portion. Design parameters can be used. In other words, in this mixed circuit chip, a high-speed memory function can be developed while maintaining the same logical operation capability as a logic circuit chip having only a normal logic circuit section.

(実施例6)
以下、実施例6について説明する。図10は、実施例6にかかる半導体装置の断面図である。この半導体装置は、磁気トンネル接合素子(MTJ)100を備えている。図10(a)は磁気抵抗メモリ回路領域の断面図である。また図10(b)は論理回路領域の代表的な断面図を示す。
(Example 6)
Example 6 will be described below. FIG. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the sixth embodiment. This semiconductor device includes a magnetic tunnel junction element (MTJ) 100. FIG. 10A is a cross-sectional view of the magnetoresistive memory circuit region. FIG. 10B is a typical cross-sectional view of the logic circuit area.

本実施形態の半導体装置は、半導体基板(シリコン基板5)と、シリコン基板5に形成され、配線(第3層配線35、第4層配線45、第5層配線55、第6層配線65)および絶縁膜(第3層の層間絶縁膜31、第4層の層間絶縁膜41、第5層の層間絶縁膜51、第6層の層間絶縁膜61)により構成された配線層(第3層配線35と第3層の層間絶縁膜31、第4層配線45と第4層の層間絶縁膜41、第5層配線55と第5層の層間絶縁膜51、第6層配線65と第6層の層間絶縁膜61)が複数積層された多層配線構造と、この多層配線構造内に埋め込まれた、磁気トンネル接合素子(MTJ)100を備えるものである。さらに、本実施形態の半導体装置は、MTJが、いわゆるローカル配線中に設けられたことを特徴とするものである。MTJは耐熱性が低く、高温環境下に置かれると磁化保持特性が劣化することから、配線工程のプロセス温度は上限温度が設定される。本発明の炭素組成に富んだ有機シリカ膜の成膜は200Cから成膜可能であり、多層配線中に埋め込まれたMTJの磁化特性に影響を与えることなく成膜を行うことが可能である。 The semiconductor device of this embodiment is formed on a semiconductor substrate (silicon substrate 5) and the silicon substrate 5, and wiring (third layer wiring 35, fourth layer wiring 45, fifth layer wiring 55, sixth layer wiring 65). And a wiring layer (third layer) composed of an insulating film (third layer insulating film 31, fourth layer insulating film 41, fifth layer insulating film 51, sixth layer insulating film 61) Wiring 35 and third layer interlayer insulating film 31, fourth layer wiring 45 and fourth layer interlayer insulating film 41, fifth layer wiring 55 and fifth layer interlayer insulating film 51, sixth layer wiring 65 and sixth layer wiring A multilayer wiring structure in which a plurality of interlayer insulating films 61) are stacked, and a magnetic tunnel junction element (MTJ) 100 embedded in the multilayer wiring structure. Furthermore, the semiconductor device of this embodiment is characterized in that the MTJ is provided in a so-called local wiring. Since MTJ has low heat resistance and its magnetization retention characteristics deteriorate when placed in a high temperature environment, an upper limit temperature is set for the process temperature of the wiring process. The organic silica film rich in carbon composition of the present invention can be formed from 200 ° C. and can be formed without affecting the magnetization characteristics of the MTJ embedded in the multilayer wiring. is there.

この多層配線構造おいて、磁気抵抗メモリ回路領域と論理回路領域との配線層は同層に設けられているものである。つまり、メモリ回路領域の第3層配線層、第4層配線層、第5層配線層と論理回路領域の第3層配線層、第4層配線層、第5層配線層とは同層になる。   In this multilayer wiring structure, the wiring layers of the magnetoresistive memory circuit area and the logic circuit area are provided in the same layer. That is, the third layer wiring layer, fourth layer wiring layer, and fifth layer wiring layer in the memory circuit region and the third layer wiring layer, fourth layer wiring layer, and fifth layer wiring layer in the logic circuit region are in the same layer. Become.

つぎに本実施形態の半導体装置の製造方法について簡単に説明する。本実施形態の半導体装置は、実施例5と同様に、シリコン基板5上にMOSトランジスタ9が形成されている。MOSトランジスタは拡散層7、ゲート電極8、等からなる。磁気抵抗メモリ領域におけるビット線19は第3層配線35と同一層に形成されている。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be briefly described. In the semiconductor device of this embodiment, the MOS transistor 9 is formed on the silicon substrate 5 as in the fifth embodiment. The MOS transistor includes a diffusion layer 7, a gate electrode 8, and the like. The bit line 19 in the magnetoresistive memory region is formed in the same layer as the third layer wiring 35.

また、第1層の層間絶縁膜11および第2層の層間絶縁膜21は本実施例では実施例3の手法により有機シリカ膜を堆積したが、実施例1〜4のいずれかの方法によって成膜してもよい。   In addition, in this embodiment, the first layer interlayer insulating film 11 and the second layer interlayer insulating film 21 are formed by depositing an organic silica film by the method of the third embodiment. A film may be formed.

次に、第2層配線25中に、磁気トンネル接合素子を形成する手法の概要について説明する。   Next, an outline of a method for forming a magnetic tunnel junction element in the second layer wiring 25 will be described.

第1層配線15を形成し、SiCN膜からなる第1層配線のキャップ膜20を成膜した後に、磁気トンネル接合素子100と、第1層配線15との接続部プラグ分の有機シリカ膜を成膜する。さらにハードマスクしてシリコン酸化膜を形成した。第1層配線15上に、リソグラフィとドライエッチングにより磁気トンネル接合素子(MTJ)100との接合部となる開口部を形成し、バリアメタルと銅を堆積した上でCMPを行い、MTJとの接続プラグを形成する。その後MTJのハード膜、ハードマスク膜成膜、リソグラフィとドライエッチングの繰り返し、さらには有機シリカ膜の堆積とエッチバックの繰り返し、によって、MTJを第2層の層間絶縁膜21中に形成する。   After the first layer wiring 15 is formed and the cap film 20 of the first layer wiring made of SiCN film is formed, an organic silica film corresponding to the plug of the connecting portion between the magnetic tunnel junction element 100 and the first layer wiring 15 is formed. Form a film. Further, a silicon oxide film was formed using a hard mask. On the first layer wiring 15, an opening to be a junction with the magnetic tunnel junction element (MTJ) 100 is formed by lithography and dry etching, and after depositing a barrier metal and copper, CMP is performed to connect to the MTJ. Form a plug. Thereafter, the MTJ is formed in the second-layer interlayer insulating film 21 by repeating MTJ hard film formation, hard mask film formation, lithography and dry etching, and organic silica film deposition and etch back.

引き続き加工時のマスクとしてシリコン酸化膜(図示せず)を成膜する。さらにリソグラフィとドライエッチングを用いたいわゆるデュアルダマシンプロセスによって第2層配線の開口部を形成する。このとき開口部の一部は第1層配線15に電気的に接続するためのビアホールと、MTJの参照層への接続孔を含んでいる。   Subsequently, a silicon oxide film (not shown) is formed as a mask for processing. Further, the opening of the second layer wiring is formed by a so-called dual damascene process using lithography and dry etching. At this time, a part of the opening includes a via hole for electrical connection to the first layer wiring 15 and a connection hole to the MTJ reference layer.

これらの開口部にスパッタリング法によって第2層配線バリアメタル膜23を堆積し、引き続いて銅めっきのシード層となる銅を堆積する。さらにめっき法によって銅を埋め込む。ここで用いる銅にはアルミニウムや銀などの金属の添加物を含んでいてもよい。この第2層配線の開口部にバリアメタル膜23と銅が残るように余分なバリアメタル膜と銅をCMPなどの手法を用いて除去し、第2層配線25を形成する。この工程中に前記シリコン酸化膜は除去され、第2層の層間絶縁膜21上には残らない。その後、第1層と同様にSiCN膜からなる第2層配線のキャップ膜30を成膜する。   A second-layer wiring barrier metal film 23 is deposited in these openings by a sputtering method, and then copper to be a seed layer for copper plating is deposited. Further, copper is embedded by a plating method. The copper used here may contain an additive of a metal such as aluminum or silver. Excess barrier metal film and copper are removed using a technique such as CMP so that the barrier metal film 23 and copper remain in the opening of the second layer wiring, thereby forming the second layer wiring 25. During this step, the silicon oxide film is removed and does not remain on the second interlayer insulating film 21. Thereafter, a cap film 30 of a second layer wiring made of a SiCN film is formed as in the first layer.

以後の工程で、この第2層配線の開口部と同様にして、リソグラフィとドライエッチングを用いたいわゆるデュアルダマシンプロセスによって第3層配線〜第6層配線それぞれの開口部を形成することができる。図10に示す第3層配線バリアメタル膜33、第4層配線バリアメタル膜43、第5層配線バリアメタル膜53および第6層配線バリアメタル膜63は、第1層配線バリアメタル膜13または第2層配線バリアメタル膜23と同様にして形成できる。図10に示す第5層配線のキャップ膜60および第6層配線のキャップ膜70は、第2層配線のキャップ膜30と同様にして形成できる。   In the subsequent steps, the openings of the third layer wiring to the sixth layer wiring can be formed by a so-called dual damascene process using lithography and dry etching in the same manner as the opening of the second layer wiring. The third-layer wiring barrier metal film 33, the fourth-layer wiring barrier metal film 43, the fifth-layer wiring barrier metal film 53, and the sixth-layer wiring barrier metal film 63 shown in FIG. The second layer wiring barrier metal film 23 can be formed in the same manner. The cap film 60 of the fifth layer wiring and the cap film 70 of the sixth layer wiring shown in FIG. 10 can be formed in the same manner as the cap film 30 of the second layer wiring.

本実施の形態では層間絶縁膜およびキャップ膜は単層の絶縁膜を用いているが、それぞれ、複数種の絶縁膜の積層構造でもよい。たとえば、層間絶縁膜は炭素組成に富んだ有機シリカ膜と他のSiOCH膜、キャップ膜はSiC膜とSiCN膜の積層構造などでもよい。   In this embodiment, a single-layer insulating film is used for the interlayer insulating film and the cap film, but a laminated structure of a plurality of types of insulating films may be used. For example, the interlayer insulating film may be an organic silica film rich in carbon composition and another SiOCH film, and the cap film may be a laminated structure of a SiC film and a SiCN film.

さらに第3層配線35および第4層配線45および第5層配線55を形成する。各層間絶縁膜の形成方法は第2層配線25と同様に実施例3の手法により有機シリカ膜の堆積を行った。配線形成プロセスは、第2層配線の開口部を形成以降の手法と同様に行った。さらに第6層配線65を同様に形成し、引き続いて上層配線を形成し、半導体集積回路を完成させる。   Further, the third layer wiring 35, the fourth layer wiring 45 and the fifth layer wiring 55 are formed. As for the formation method of each interlayer insulating film, the organic silica film was deposited by the method of Example 3 in the same manner as the second layer wiring 25. The wiring formation process was performed in the same manner as the method after forming the opening of the second layer wiring. Further, the sixth layer wiring 65 is formed in the same manner, and then the upper layer wiring is formed to complete the semiconductor integrated circuit.

本実施形態では、これらのメモリ回路部および論理回路部の構造を、MTJ100を多層配線構造に埋め込んだ、ビルトイン型構造のメモリ回路部および論理回路部とすることで、ビルトイン型の論理回路部はMTJ100の存在によって設計パラメーターが変化することが無い。すなわち、同一半導体基板上にビルトイン型のメモリ回路部が存在していても、論理回路部の多層配線の構造・材料にはまったく変化を及ぼさないことから、論理回路部のみの場合と完全に互換性のある設計パラメーターを用いることが可能となる。別な言い方をすれば、容量素子を有するメモリ回路部と論理回路部からなる混載回路チップにおいて、通常の論理回路部のみの論理回路チップとまったく同等の論理演算能力を維持しつつ高速メモリ機能を発現させることが可能となる。   In the present embodiment, the built-in type logic circuit unit is configured by using the built-in type memory circuit unit and logic circuit unit in which the MTJ 100 is embedded in a multilayer wiring structure. The design parameters do not change due to the presence of the MTJ 100. In other words, even if there is a built-in type memory circuit on the same semiconductor substrate, the structure and material of the multilayer wiring in the logic circuit does not change at all, so it is completely compatible with the case of only the logic circuit. It is possible to use design parameters that are reliable. In other words, in a mixed circuit chip composed of a memory circuit portion having a capacitive element and a logic circuit portion, a high-speed memory function is maintained while maintaining the same logical operation capability as a logic circuit chip having only a normal logic circuit portion. It can be expressed.

1 コンタクト層間絶縁膜
2 エッチストップ膜
3 コンタクトバリアメタル膜
4 コンタクトプラグ
5 シリコン基板
6 素子分離STI
7 拡散層
8 ゲート電極
9 MOSトランジスタ
11 第1層の層間絶縁膜
13 第1層配線バリアメタル膜
15 第1層配線
17 行デコード配線
18 列デコード配線
19 ビット線
20 第1層配線のキャップ膜
21 第2層の層間絶縁膜
23 第2層配線バリアメタル膜
25 第2層配線
30 第2層配線のキャップ膜
31 第3層の層間絶縁膜
33 第3層配線バリアメタル膜
35 第3層配線
40 第3層配線のキャップ膜
41 第4層の層間絶縁膜
43 第4層配線バリアメタル膜
45 第4層配線
50 第4層配線のキャップ膜
51 第5層の層間絶縁膜
53 第5層配線バリアメタル膜
54 ハードマスク絶縁膜
55 第5層配線
60 第5層配線のキャップ膜
61 第6層の層間絶縁膜
63 第6層配線バリアメタル膜
65 第6層配線
70 第6層配線のキャップ膜
84 シリンダ加工マスク絶縁膜
88 容量素子開口部A
89 容量素子開口部B
90 容量素子
91 下部電極膜
92 容量絶縁膜
93 上部電極膜
94 ハードマスク絶縁膜
98 容量素子開口部
99 シリンダ内埋設メタル
100 磁気トンネル接合素子
201 プラズマ反応室
203 ウエハステージ
204 シャワーヘッド
206 接地線
207 排気配管
208 冷却トラップ
209 真空ポンプ
210 基板
211 給電線
212 マッチングコントローラ
213 高周波電源
214 接地線
215 気化原料供給配管
216 気化器
218 ガス流量コントローラ
220 バルブ
221 バルブ
222 排気バルブ
223 液体流量コントローラ
224 バルブ
225 バルブ
226 原料リザーバタンク
227 バルブ
228 クリーニングガス流量コントローラ
229 バルブ
230 クリーニングガス流量コントローラ
231 バルブ
232 クリーニングガス流量コントローラ
233 バルブ
234 添加ガス流量コントローラ
235 バルブ
236 添加ガス流量コントローラ
237 バルブ
238 添加ガス流量コントローラ
239 配管
1 Contact interlayer insulating film 2 Etch stop film 3 Contact barrier metal film 4 Contact plug 5 Silicon substrate 6 Element isolation STI
7 Diffusion layer 8 Gate electrode 9 MOS transistor 11 First layer interlayer insulating film 13 First layer wiring Barrier metal film 15 First layer wiring 17 Row decoding wiring
18 Decode wiring 19 Bit line 20 Cap film 21 of first layer wiring Interlayer insulation film 23 of second layer Second layer wiring barrier metal film 25 Second layer wiring 30 Cap film 31 of second layer wiring Third layer interlayer Insulating film 33 Third layer wiring barrier metal film 35 Third layer wiring 40 Third layer wiring cap film 41 Fourth layer interlayer insulating film 43 Fourth layer wiring barrier metal film 45 Fourth layer wiring 50 Fourth layer wiring Cap film 51 Fifth layer interlayer insulating film 53 Fifth layer wiring barrier metal film 54 Hard mask insulating film 55 Fifth layer wiring 60 Fifth layer wiring cap film 61 Sixth layer interlayer insulating film 63 Sixth layer wiring barrier Metal film 65 Sixth layer wiring 70 Cap film 84 for sixth layer wiring Cylinder processing mask insulating film 88 Capacitor element opening A
89 Capacitor element opening B
90 capacitive element 91 lower electrode film 92 capacitive insulating film 93 upper electrode film 94 hard mask insulating film 98 capacitive element opening 99 cylinder embedded metal 100 magnetic tunnel junction element 201 plasma reaction chamber 203 wafer stage 204 shower head 206 ground line 207 exhaust Piping 208 Cooling trap 209 Vacuum pump 210 Substrate 211 Feed line 212 Matching controller 213 High-frequency power supply 214 Grounding line 215 Vaporizing material supply piping 216 Vaporizer 218 Gas flow rate controller 220 Valve 221 Valve 222 Exhaust valve 223 Liquid flow rate controller 224 Valve 225 Valve 226 Raw material Reservoir tank 227 Valve 228 Cleaning gas flow rate controller 229 Valve 230 Cleaning gas flow rate controller 231 Valve 232 Cleaning Gugasu flow controller 233 valve 234 additional gas flow controller 235 valve 236 additional gas flow controller 237 valve 238 additional gas flow controller 239 pipe

Claims (25)

プラズマ反応室内壁をプリコート膜で被覆するプリコート工程と、
基板上に、シリコン炭素組成比(C/Si)が1以上である有機シリカ膜を成長させる基板処理工程と、
前記基板を取り出した後、前記プラズマ反応室内壁に付着した前記有機シリカ膜と前記プリコート膜とをプラズマを用いて除去するクリーニング工程と
を備え、
前記プリコート膜として、前記有機シリカ膜よりも少なくとも炭素含有率が低い有機シリカ膜である高酸素含有プリコート膜を用いる半導体装置の製造方法。
A pre-coating step of coating a plasma reaction chamber wall with a pre-coating film;
A substrate processing step of growing an organic silica film having a silicon carbon composition ratio (C / Si) of 1 or more on the substrate;
A cleaning step of removing the organic silica film and the precoat film adhering to the plasma reaction chamber wall using plasma after taking out the substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a high oxygen content precoat film which is an organic silica film having at least a carbon content lower than that of the organic silica film is used as the precoat film.
前記有機シリカ膜は、空孔が分散された多孔質構造を有する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the organic silica film has a porous structure in which pores are dispersed. 前記基板処理工程において、環状シロキサン構造を持つ環状有機シリカ化合物を気化した出発原料ガスを、希ガスプラズマ中又は希ガスを主成分としたプラズマ中に導入することで、前記有機シリカ膜を成長させる請求項1および2に記載の半導体装置の製造方法。   In the substrate processing step, the organic silica film is grown by introducing a starting material gas obtained by vaporizing a cyclic organic silica compound having a cyclic siloxane structure into a rare gas plasma or a plasma containing a rare gas as a main component. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記環状シロキサン構造を構成する環状有機シリカ化合物中のシリコン原子のそれぞれに、飽和炭化水素基の側鎖と不飽和炭化水素基の側鎖との両方が結合している請求項3記載の半導体装置の製造方法。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein both a side chain of a saturated hydrocarbon group and a side chain of an unsaturated hydrocarbon group are bonded to each silicon atom in the cyclic organic silica compound constituting the cyclic siloxane structure. Manufacturing method. 前記不飽和炭化水素基がビニル基を有する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the unsaturated hydrocarbon group has a vinyl group. 前記飽和炭化水素基が炭素原子を2つ以上含む請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the saturated hydrocarbon group contains two or more carbon atoms. 前記飽和炭化水素基が炭素原子を3つ以上含みかつ分岐構造を有する請求項4〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the saturated hydrocarbon group includes three or more carbon atoms and has a branched structure. 前記炭素原子を2つ以上含む飽和炭化水素基が、エチル基(−CHCH)またはプロピル基(−CHCHCH)である請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the saturated hydrocarbon group containing two or more carbon atoms is an ethyl group (—CH 2 CH 3 ) or a propyl group (—CH 2 CH 2 CH 3 ). 前記炭素原子を3つ以上含みかつ分岐構造を有する飽和炭化水素基が、イソプロピル基(−CH(CH)またはターシャリーブチル基(−C(CH)である請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 The saturated hydrocarbon group containing three or more carbon atoms and having a branched structure is an isopropyl group (—CH (CH 3 ) 2 ) or a tertiary butyl group (—C (CH 3 ) 3 ). The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記環状有機シリカ化合物が、シリコン3個と酸素3個からなる6員環構造(環員数n=3)である請求項3〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the cyclic organic silica compound has a 6-membered ring structure (ring number n = 3) composed of 3 silicons and 3 oxygens. 前記環状有機シリカ化合物が、下記式(1)で表される「1,3,5−トリビニル−シクロトリシロキサン誘導体」であることを特徴とする請求項3〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
Figure 2011146596
(1)
The semiconductor device according to claim 3, wherein the cyclic organic silica compound is a “1,3,5-trivinyl-cyclotrisiloxane derivative” represented by the following formula (1). Manufacturing method.
Figure 2011146596
(1)
前記環状有機シリカ化合物が、下記式(2)で表される「1,3,5−トリイソプロピル−1,3,5−トリビニル−シクロトリシロキサン」である請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
Figure 2011146596
(2)
The semiconductor device according to claim 11, wherein the cyclic organic silica compound is “1,3,5-triisopropyl-1,3,5-trivinyl-cyclotrisiloxane” represented by the following formula (2). Method.
Figure 2011146596
(2)
前記希ガスがヘリウムであることを特徴とする請求項3〜12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the rare gas is helium. 前記希ガスを主成分としたプラズマは、酸化剤ガスを添加した希ガスを主成分として生成される請求項3〜12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the plasma containing the rare gas as a main component is generated using a rare gas added with an oxidant gas as a main component. 前記酸化剤ガスが、NO、酸素、二酸化炭素、アルコール、フェノールのいずれか、またはこれらのうちから選択される複数の混合ガスである請求項14に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the oxidant gas is N 2 O, oxygen, carbon dioxide, alcohol, phenol, or a plurality of mixed gases selected from these. 前記アルコールが、メチルアルコール、エチルアルコール、ノーマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ノーマルブチルアルコール、イソブチルアルコールのいずれかであることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。   16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein the alcohol is any one of methyl alcohol, ethyl alcohol, normal propyl alcohol, isopropyl alcohol, normal butyl alcohol, and isobutyl alcohol. 前記高酸素含有プリコート膜はシリコン酸化膜である請求項1〜16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the high oxygen content precoat film is a silicon oxide film. 前記高酸素含有プリコート膜は、前記環状有機シリカ化合物からなる出発原料ガスを、酸化剤ガスを添加して前記プラズマに導入することにより成膜される請求項3〜16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The semiconductor according to any one of claims 3 to 16, wherein the high oxygen content precoat film is formed by introducing a starting material gas composed of the cyclic organic silica compound into the plasma by adding an oxidizing gas. Device manufacturing method. 前記クリーニング工程において、弗化物ガスとアルゴンを主成分とするエッチングガスを用いる請求項1〜18のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an etching gas mainly comprising a fluoride gas and argon is used in the cleaning step. 前記弗化物ガスは三弗化窒素(NF)を含む請求項19記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein the fluoride gas contains nitrogen trifluoride (NF 3 ). 前記弗化物ガスはC、C、C、C10、C、Cのいずれかを含む請求項19に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein the fluoride gas includes any one of C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 3 F 6 , C 4 F 10 , C 4 F 8 , and C 4 F 6. . 前記クリーニング工程において、前記エッチングガスに酸化剤ガスを添加する請求項19〜21のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein an oxidizing gas is added to the etching gas in the cleaning step. 前記酸化剤ガスは酸素である請求項22に記載の半導体装置の製造方法。   23. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 22, wherein the oxidant gas is oxygen. 請求項1〜23のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を用いて製造された有機シリカ膜が層間絶縁膜として用いられていることを特徴とする半導体装置。   24. A semiconductor device, wherein an organic silica film manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 is used as an interlayer insulating film. 請求項1〜23のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を実施する半導体製造装置であって、
基板を加熱する機構を有するプラズマ反応室と、
炭素組成に富んだ有機シリカ膜を成長するための環状有機シリカ化合物をガス化してプラズマ反応室へ供給する成膜ガス供給部と、
プリコート膜を成長するためのシランガスと酸化剤ガスをプラズマ反応室へ供給するプリコート原料ガス供給部と、
クリーニングガスをプラズマ反応室へ供給するクリーニングガス供給部と、
排気システムと、
を備えている半導体製造装置。
A semiconductor manufacturing apparatus for performing the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A plasma reaction chamber having a mechanism for heating the substrate;
A film forming gas supply unit for gasifying a cyclic organic silica compound for growing an organic silica film rich in carbon composition and supplying the gas to a plasma reaction chamber;
A precoat source gas supply unit for supplying a silane gas and an oxidant gas for growing a precoat film to the plasma reaction chamber;
A cleaning gas supply unit for supplying a cleaning gas to the plasma reaction chamber;
An exhaust system;
A semiconductor manufacturing apparatus comprising:
JP2010007355A 2010-01-15 2010-01-15 Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device Pending JP2011146596A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010007355A JP2011146596A (en) 2010-01-15 2010-01-15 Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010007355A JP2011146596A (en) 2010-01-15 2010-01-15 Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011146596A true JP2011146596A (en) 2011-07-28

Family

ID=44461173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010007355A Pending JP2011146596A (en) 2010-01-15 2010-01-15 Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011146596A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9048066B2 (en) 2012-07-03 2015-06-02 Spts Technologies Limited Method of etching
WO2015186525A1 (en) * 2014-06-02 2015-12-10 東京エレクトロン株式会社 Plasma processing method and plasma processing apparatus
CN107523809A (en) * 2017-08-23 2017-12-29 无锡荣坚五金工具有限公司 A kind of preparation method of Silicone hard nano protecting coating

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9048066B2 (en) 2012-07-03 2015-06-02 Spts Technologies Limited Method of etching
WO2015186525A1 (en) * 2014-06-02 2015-12-10 東京エレクトロン株式会社 Plasma processing method and plasma processing apparatus
US10068778B2 (en) 2014-06-02 2018-09-04 Tokyo Electron Limited Plasma processing method and plasma processing apparatus
CN107523809A (en) * 2017-08-23 2017-12-29 无锡荣坚五金工具有限公司 A kind of preparation method of Silicone hard nano protecting coating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9418889B2 (en) Selective formation of dielectric barriers for metal interconnects in semiconductor devices
JP4983871B2 (en) Porous insulating film manufacturing method, porous insulating film, and semiconductor device
JP5267130B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20090104774A1 (en) Method of manufacturing a semiconductor device
JP5671253B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP5554951B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
US20110133313A1 (en) Hardmask materials
TW201243948A (en) UV assisted silylation for recovery and pore sealing of damaged low k films
TW201327679A (en) Plasma activated conformal dielectric film deposition
JP2005347472A (en) Substrate processing method and manufacturing method of semiconductor device
TW201142945A (en) Ultra low dielectric materials using hybrid precursors containing silicon with organic functional groups by plasma-enhanced chemical vapor deposition
JP5864095B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
US20060199373A1 (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP5904866B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
WO2007061134A1 (en) Method for forming porous insulating film, apparatus for manufacturing semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device
US20200006126A1 (en) Interlayer dielectric layer
US7094681B2 (en) Semiconductor device fabrication method
JP2011151057A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP2011146596A (en) Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and semiconductor manufacturing device
JP2011009556A (en) Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device
JP5025679B2 (en) Semiconductor device
CN100541736C (en) Substrate processing method using same
JP6109368B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP4325569B2 (en) Method of forming organic silicon film and semiconductor device having organic silicon film
KR20240046474A (en) Interlayer dielectric layer