JP3584785B2 - フッ素樹脂膜の形成方法および半導体装置並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パーフルオロカーボンを用いてフッ素樹脂膜を形成する方法に係り、特に半導体装置の絶縁膜として好適なフッ素樹脂膜の形成方法およびそのフッ素樹脂膜を有する半導体装置並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多層配線構造を有する半導体装置においては、配線間の絶縁や下層配線と上層配線とを絶縁する層間絶縁膜として、一般に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）からなるいわゆるシリコン酸化膜が使用されている。図５、図６は、シリコン酸化膜を絶縁膜とした半導体装置の従来の製造方法の一例を示す工程図の主要部である。
【０００３】
まず、図５（ａ）に示したように、シリコンからなる半導体基板１０の上部に素子である複数のトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）を形成する。これらのトランジスタ１２は、ゲート１４を有し、ゲート１４の両側にソースとドレインとなる不純物拡散領域１６が設けてある。さらに、ゲート１４の下部には、シリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１８が形成してある。
【０００４】
また、半導体基板１０の上部には、シリコン酸化膜２０が形成してある。このシリコン酸化膜２０は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法によって形成される。なお、図５（ａ）に示した符号２２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる素子分離領域である。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示したように、シリコン酸化膜２０の上部全面にフォトレジスト膜２４を形成し、これを図示しないマスクを介してフォトリソグラフィー法によって露光、現像してパターニングする。その後、パターニングしたフォトレジスト膜２４をマスクとしてシリコン酸化膜２０のエッチングを行い、シリコン酸化膜２０に貫通孔２６を形成して不純物拡散領域１６の一部を露出させる（図５（ｃ）参照）。
【０００６】
次に、酸素プラズマなどを用いたアッシング処理によってフォトレジスト膜２４を除去したのち、図５（ｄ）に示したように、例えばスパッタリングによって貫通孔２６とシリコン酸化膜２０とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜２８を形成する。さらに、導電膜２８の上部にフォトレジスト膜３０を形成し、これを前記と同様にしてパターニングする（図５（ｅ））。そして、パターニングしたフォトレジスト膜３０をマスクとして導電膜２８をエッチングし、図５（ｆ）に示したように、貫通孔２６を介して不純物拡散領域１６に電気的に接続された下層配線３２を形成する。
【０００７】
その後、図６（ａ）に示したように、シリコン酸化膜２０と下層配線３２とを覆って、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法などによってシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜３４を成膜し、さらに層間絶縁膜３４の上部にフォトレジスト膜３６を形成してパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜３６をマスクとして層間絶縁膜３４をエッチングし、図６（ｂ）に示したように、層間絶縁膜３４を貫通した接続孔３８を形成して下層配線３２の一部を露出させたのち、フォトレジスト膜３６をアッシングなどにより除去する。次に、接続孔３８と層間絶縁膜３４とを覆って、例えば六フッ化タングステン（ＷＦ６ ）などを原料ガスとしたＣＶＤ法によってタングステンからなる導電膜４０を形成する。その後、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械研磨）法によって導電膜４０を研磨し、図６（ｃ）に示したように、層間絶縁膜３４の上部の導電膜４０を除去して接続孔３８内にタングステンからなるプラグ４２を形成する。
【０００８】
次に、図６（ｄ）に示したように、プラグ４２と層間絶縁膜３４とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜４４をスパッタリングなどによって成膜する。さらに、導電膜４４の上部にフォトレジスト膜４６を形成してこれをパターニングし、これをマスクとして導電膜４４をエッチングし、プラグ４２を介して下層配線３２に電気的に接続した上層配線４８を形成する（図６（ｅ））。その後、上層配線４８と層間絶縁膜３４とを覆ってシリコン酸化膜などからなる保護膜５０を形成する。
【０００９】
なお、上層配線４８は、下層配線３２を形成した場合と同様に、接続孔３８と層間絶縁膜３４とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜を形成し、これをパターニングして上層配線を形成してタングステンプラグなどを形成しない場合もある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように形成される従来の半導体装置においては、小型、高集積化による素子の微細化、動作速度の高速化に伴って、絶縁膜の寄生容量による応答速度の遅延が問題となってきている。すなわち、上記したように、従来の半導体装置は、一般に配線間の絶縁膜、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用している。このシリコン酸化膜は、誘電率が４．２程度であって、このシリコン酸化膜が配線間に介在することによってコンデンサと同様の作用をし、動作速度の高速化によるクロック数の増大により信号電流が流れるたびに充、放電が繰り返され、信号の遅延をもたらす。このため、配線間に介在させる絶縁膜として、より誘電率が小さい部材の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、上記の要請に鑑みてなされたもので、誘電率の小さな密着性に優れたフッ素樹脂膜を形成することを目的としている。
【００１２】
また、本発明は、誘電率の小さな膜を絶縁膜として使用することにより、動作速度の遅延の少ない半導体装置を提供することを目的としている。
【００１３】
さらに、本発明は、半導体装置を製造する工程を簡略化することなどを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るフッ素樹脂膜の形成方法は、真空容器内に気体状パーフルオロカーボンを導入して真空放電を発生させ、前記気体状パーフルオロカーボンを重合させて基材表面に重合膜を形成することを特徴としている。
【００１５】
通常、フッ素樹脂は、摩擦係数が小さく、潤滑性があって密着性が悪いため、液状のフッ素樹脂を塗布して乾燥させてフッ素樹脂膜を形成した場合、容易に剥離してしまう。しかし、上記のように構成した本発明においては、フッ素樹脂膜の基材への密着性が大幅に向上して剥離を生ずることがない。しかも、パーフルオロカーボンを重合したフッ素樹脂膜は、誘電率がシリコン酸化膜より大幅に小さくなり、半導体装置の絶縁膜として適している。そして、パーフルオロカーボンとして、炭素数が８以上の直鎖状のものを使用すると、誘電率を２程度にすることができる。また、炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素とを混合したガスを介して真空放電を発生させ、パーフルオロカーボンを重合してフッ素樹脂膜を形成すると、炭素原子とフッ素原子との比を１：１に近づけることができ、誘電率を１．８程度に下げることができる。
【００１６】
そして、本発明に係る半導体装置は、複数の素子と複数の配線とを有する半導体装置において、配線間に介在させた絶縁膜の少なくとも一部がフッ素樹脂からなることを特徴としている。このように構成した本発明は、絶縁膜としてシリコン酸化膜より誘電率の小さなフッ素樹脂膜を使用することにより、寄生容量が小さくなって信号の伝達速度が向上し、高速動作が可能となる。フッ素樹脂膜は、上記した方法によって形成することができる。
【００１７】
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法の第１は、気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電により気体状パーフルオロカーボンを重合させ、半導体基板の上部にフッ素樹脂絶縁膜を形成する工程と、前記フッ素樹脂絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、前記フッ素樹脂絶縁膜の前記放射線を照射した部分を除去して孔または溝を形成する工程と、前記孔または溝内に導電性の配線材を設ける工程と、を有することを特徴としている。
【００１８】
フッ素樹脂膜による絶縁膜は、同一平面内にある配線間ばかりでなく、上下の配線間、すなわち下層配線と上層配線との間に介在させた層間絶縁膜にも適用することができる。
【００１９】
このため、本発明に係る半導体装置の製造方法の第２は、下層配線の上部に層間絶縁膜を介して上層配線が形成してある半導体装置において、気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電を発生させて前記気体状パーフルオロカーボンを重合し、半導体基板に設けた前記下層配線の上部にフッ素樹脂層間絶縁膜を形成する工程と、前記フッ素樹脂層間絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、前記フッ素樹脂層間絶縁膜の放射線を照射した部分を除去して接続孔を形成し、前記下層配線の予め定めた部分を露出させる工程と、前記接続孔を介して前記下層配線と電気的に接続した上層配線を形成する工程と、を有することを特徴としている。この本発明の第２に係る半導体装置の製造方法における下層配線は、上記本発明の第１に係る半導体装置の製造方法における配線と同様にして形成することができる。
【００２０】
フッ素樹脂は、通常の樹脂と異なって放射線に対する感受性が強く、放射線によって容易に結合が切断される。これは、ポリエチレンやポリプロピレンなどの普通の樹脂においては、炭素に原子半径の小さな水素が結合しているのに対して、フッ素樹脂の場合、炭素原子に原子半径の大きなフッ素が結合しているため、隣接したフッ素原子が押し合っているような状態となっており、放射線が照射されると容易に炭素とフッ素との結合が切断される。このため、放射線を照射したフッ素樹脂は、容易に酸化されたり溶剤に溶けるようになる。
【００２１】
そこで、上記の半導体装置の製造方法において、放射線を照射したフッ素樹脂は、酸化作用によるアッシングまたは有機溶剤に溶解させることにより除去する。照射する放射線は、炭素をフッ素との結合を切断できるものであればよく、電子線やＸ線を用いることができる。放射線として電子線を用いる場合、フッ素樹脂の予め定めた位置を電子ビームによって走査することにより、マスクを用いることなく照射できる。また、放射線としてＸ線を用いる場合、一度に広い範囲を照射できるところから、マスクを用いて照射することが望ましい。そして、パーフルオロカーボンは、炭素数が８以上の直鎖上であることが望ましく、特に炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスを用いると、誘電率をより小さくすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るフッ素樹脂膜の形成方法および半導体装置並びにその製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るフッ素樹脂膜の製造方法を実施する成膜装置の説明する図である。図１において、原料タンク６０は、密閉構造となっていて、内部にフッ素樹脂膜を成膜するための原料である液体の直鎖状パーフルオロカーボン（この実施形態の場合Ｃ８ Ｆ１８）６２が貯溜してある。また、原料タンク６０の下部には、ヒータ６４が設けてあって、原料タンク６０内の液体パーフルオロカーボン６２を加熱して蒸発させ、気体状のパーフルオロカーボン（パーフルオロカーボン蒸気）６６が得られるようにしてある。
【００２４】
原料タンク６０の上部は、原料配管６８を介して真空容器７０に接続してあって、発生させたパーフルオロカーボン蒸気６６を真空容器７０に導入できるようになっている。そして、原料配管６８には、弁７２とマスフローコントローラ７４とが設けてあって、真空容器７０に供給するパーフルオロカーボン蒸気６６の量を任意に設定できるようにしてある。
【００２５】
また、真空容器７０には、配管１００を介して四フッ化炭素（ＣＦ４ ）供給部１０２が接続してあって、真空容器７０に供給したパーフルオロカーボン蒸気６６に四フッ化炭素を添加できるようになっている。配管１００には、弁１０４とマスフローコントローラ１０６とが設けてあって、真空容器７０に供給する四フッ化炭素の量を任意に制御できるようにしてある。さらに、真空容器７０には、弁８６とマスフローコントローラ８７とを有するアルゴン配管８８を介してアルゴン供給部９０が接続してあって、前記の気体状パーフルオロカーボンにアルゴンを添加し、後述する高周波真空放電を容易に発生させることができるようになっている。
【００２６】
真空容器７０は、排気弁７６を備えた排気管７８を介して真空ポンプ８０が接続してあって、内部を減圧できるようになっている。そして、真空容器７０内の下部には、処理テーブル８２が配設してあって、処理テーブル８２の上面にフッ素樹脂の皮膜を形成する基材であるシリコンウエハ８４を配置するようにしてある。また、処理テーブル８２は、接地してあって、放電電極の陰極を形成している。そして、処理テーブル８２の上方には、高周波電源９２に接続した電極９４が対向して配置してあり、処理テーブル８２と電極９４との間に真空放電を発生させることができるようにしてある。
【００２７】
このように構成した成膜装置によるフッ素樹脂膜の成膜は、次のようにして行う。まず、シリコンウエハ８４を処理テーブル８２の上に配置し、真空ポンプ８０を作動して真空容器７０の内部を減圧し、１０Ｔｏｒｒ程度以下の真空にする。また、ヒータ６４に通電し、原料タンク６０内の液体パーフルオロカーボン６２を加熱してパーフルオロカーボン蒸気６６を発生させ、弁７２を開いて原料配管６８を介して真空容器７０に供給する。このとき、原料タンク６０の内部は、真空ポンプ８０によって減圧され、パーフルオロカーボン蒸気６６が容易に発生するようになっている。さらに、配管１００を介して四フッ化炭素供給部１０２から四フッ化炭素を真空容器７０に供給し、アルゴン配管８８を介してアルゴンを真空容器７０に供給する。
【００２８】
四フッ化炭素のパーフルオロカーボン蒸気６６に対する添加量は、直鎖状パーフルオロカーボンの種類によって異なり、例えばパーフルオロカーボンがＣ８ Ｆ１８の場合、パーフルオロカーボン蒸気６６の真空容器７０への供給量が２４０ｃｃ／ｍｉｎのとき、四フッ化炭素の供給量は８０〜１２０ｃｃ／ｍｉｎ程度にする。四フッ化炭素の供給量が８０ｃｃ／ｍｉｎより少なくなると、成膜されたフッ素樹脂膜の誘電率が大きくなって四フッ化炭素を添加した効果が得られなくなるおそれがある。また、四フッ化炭素の供給量を１２０ｃｃ／ｍｉｎより多くすると、後述するプラズマを発生させた際に四フッ化炭素によるエッチング作用によって成膜が困難となる。
【００２９】
真空容器７０へのパーフルオロカーボン蒸気６６と四フッ化炭素とアルゴンとの供給を開始したならば、高周波電源９２によって電極９４と処理テーブル８２との間に高周波電圧を印加し、両者間にパーフルオロカーボン蒸気６６と四フッ化炭素とアルゴンとの混合ガスを介した真空放電を発生させる。これにより、直鎖状パーフルオロカーボンの端部の炭素とフッ素との結合が切断され、パーフルオロカーボンが重合してシリコンウエハ８４の上に重合膜が堆積される。また、四フッ化炭素は、真空放電によって分解され、四フッ化炭素から遊離したフッ素原子の一部が直鎖状パーフルオロカーボンの重合される際に、直鎖状パーフルオロカーボンから遊離して不足するフッ素を補う。
【００３０】
このようにして形成したフッ素樹脂膜は、液状のパーフルオロカーボンを塗布して重合させたフッ素樹脂膜に比較して密着性に優れており、ＣＶＤ法によって成膜したシリコン酸化膜と同程度の密着力を有している。しかも、上記のように直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスから重合したフッ素樹脂膜は、誘電率が１．８程度であって、シリコン酸化膜に比較して誘電率を大幅に小さくすることができる。
【００３１】
なお、上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜にＸ線や電子線などの放射線を照射すると、放射線を照射した部分が粉状になって剥離する。これは、フッ素樹脂の場合、炭素に結合しているフッ素の原子半径が水素の原子半径に比較して非常に大きいため、隣接するフッ素原子が相互に押し合った状態となっていて、放射線に対する感受性が高く、放射線によって容易に炭素とフッ素との結合が切断されて分解されることによるものと考えられる。また、照射する放射線の量を少なくすると、そのままでは剥離を生じないが、酸素プラズマや純水にオゾンを溶解したオゾン水による酸化作用により除去する、いわゆるアッシングが可能となるとともに、アセトンなどの溶剤に溶解させることができる。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部断面図である。図２において、半導体装置１０８は、シリコンからなる半導体基板１０の上部に素子である複数のトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）が形成してある。トランジスタ１２は、半導体基板１０の上面に設けたシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１８を介して形成したゲート１４と、このゲート１４の両側に設けたソース、ドレインを形成する不純物拡散領域１６からなっている。また、半導体基板１０には、ＬＯＣＯＳなどによって形成した酸化シリコンなどからなる素子分離領域２２が設けてあって、素子間（例えばトランジスタ１２ａとトランジスタ１２ｂとの間）を相互に電気的に影響を与えないように分離している。
【００３３】
トランジスタ１２の上部には、フッ素樹脂絶縁膜１１０が配置してある。フッ素樹脂絶縁膜１１０は、所定の位置に貫通孔１１２が形成してあって、例えばアルミニウムやアルミニウム合金によって形成した下層配線３２が貫通孔１１２を介して不純物拡散領域１６に電気的に接続している。また、フッ素樹脂絶縁膜１１０の上部には、下層配線３２を覆ってフッ素樹脂層間絶縁膜１１４が設けてある。そして、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４には、予め定めた位置に接続孔１１６が形成してあって、接続孔１１６の内部にタングステンなどの高融点金属からなるプラグ４２が設けてある。このプラグ４２は、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上部に形成したアルミニウムやアルミニウム合金などからなる上層配線４８と下層配線３２とを電気的に接続している。そして、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上部には、酸化シリコンやフッ素樹脂どの絶縁材からなる保護膜１１８が上層配線４８を覆って設けてある。
【００３４】
このように構成した半導体装置１０８は、下層配線３２間に介在させた絶縁膜と下層配線３２と上層配線４８との間に介在させた層間絶縁膜とを、シリコン酸化膜より誘電率の小さなフッ素樹脂によって形成したことにより、寄生容量を小さくすることができ、電気信号の遅延を軽減できて高速動作が可能となる。
【００３５】
図３、図４は、上記半導体装置１０８の製造工程の実施形態を示したものである。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示したように、半導体基板１０の上部に従来と同様の方法によりトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）などの素子を形成する。次に、トランジスタ１２などを形成した半導体基板１０の上部にフッ素樹脂絶縁膜１１０を所定の厚さ（例えば、４００〜８００ｎｍ）形成する。このフッ素樹脂絶縁膜は、半導体基板１０を真空容器内に配置して真空容器内を減圧するとともに、真空容器内に前記したように気体状の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素とアルゴンとを導入し、これらの混合ガスを介した真空放電を発生させてパーフルオロカーボンを重合することにより形成することができる。
【００３７】
その後、図３（ｂ）に示したように、所定のパターンを有するマスク１２０をフッ素樹脂絶縁膜１１０の上方に配置し、このマスク１２０を介して放射線であるＸ線１２２をフッ素樹脂絶縁膜１１０に照射し、フッ素樹脂絶縁膜１１０の予め定めた位置の貫通孔を形成する斜線部１２４にダメージを与える。照射するＸ線１２２の線量は、０．３Ｍｒａｄ程度であってよい。
【００３８】
次に、上記のようにしてフッ素樹脂絶縁膜１１０にＸ線１２２を照射した半導体基板１０を真空酸素プラズマ中に晒し、Ｘ線１２２が照射された斜線部１２４を酸素プラズマの酸化作用によってアッシングし、図３（ｃ）に示したように、フッ素樹脂絶縁膜１１０に貫通孔１１２を形成する。このように、実施形態においては、絶縁膜に配線用の貫通孔を形成するために、従来技術において必要であったフォトレジストの塗布工程、現像工程、フォトレジスト膜の除去工程などをなくすことができ、工程の簡素化を図ることができる。なお、チップの周縁部などの配線の引き回し部などにおいては、フッ素樹脂絶縁膜１１０に配線を配置するための溝を形成してもよい。
【００３９】
その後、図３（ｄ）に示したように、貫通孔１１２とフッ素樹脂絶縁膜１１０とを覆って、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる導電膜２８をスパッタリングなどによって堆積する。さらに、導電膜２８の上部にフォトレジスト膜１２６を形成し、これをフォトリソグラフィー法によってパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜１２６をマスクとして導電膜２８をエッチングし、図３（ｅ）に示したように、所定の形状を有する下層配線３２を形成する。なお、導電膜２８のフッ素樹脂絶縁膜１１０への密着性を高めるため、導電膜２８を形成する前にフッ素樹脂絶縁膜１１０をエッチングし、その表面を荒らしてもよい。
【００４０】
次に、図４（ａ）に示したように、下層配線３２とフッ素樹脂絶縁膜１１０とを覆ってフッ素樹脂層間絶縁膜１１４を所定の厚さ形成する。このフッ素樹脂層間絶縁膜１１４は、前記したフッ素樹脂絶縁膜１１０と同様にして形成することができる。
【００４１】
次に、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上方に所定のパターンを有するマスク１２８を配置し、マスク１２８を介してフッ素樹脂層間絶縁膜１１４にＸ線１２２を照射し、接続孔を形成する斜線部１３０のフッ素樹脂層間絶縁膜１１４にダメージを与える。そして、前記と同様にして真空酸素プラズマによって斜線部１３０のアッシングを行い、図３（ｂ）に示したように、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の所定位置に接続孔１１６を形成する。
【００４２】
その後、前記した従来技術と同様にして接続孔１１６とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆ってタングステンなどの高融点金属からなる導電層４０を形成し、これを研削して接続孔１１６内に高融点金属からなるプラグ４２を形成する（図４（ｃ））。さらに、図４（ｄ）に示したように、プラグ４２とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆ってアルミニウムまたはアルミニウム合金等の導電層４４を形成したのち、導電層４４の上部にフォトレジスト膜１３２を設けてパターニングし、これをマスクにして導電層４４をエッチングして上層配線４８を形成する（図４（ｅ））。その後、上層配線４８とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆って保護膜５０を設ける。
【００４３】
このように、実施の形態においては、フッ素樹脂絶縁膜１１０とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とに貫通孔を形成する際に、フォトレジストを使用する必要がないため、フォトレジストの塗布工程や現像工程、フォトレジスト膜を除去するアッシング工程などをなくすことができ、工程の簡素化を図ることができる。
【００４４】
なお、前記の実施形態においては、放射線としてＸ線１２２を用いた場合について説明したが、放射線は電子線などであってもよい。そして、放射線として電子線を用いる場合、フッ素樹脂絶縁膜１１０またはフッ素樹脂層間絶縁膜１１４の所定位置を、電子ビームによって走査することにより、マスクを用いることなく照射することができる。
【００４５】
【実施例】
《実施例１》
図１に示した真空容器７０内の処理テーブル８２の上に、フッ素樹脂皮膜を形成する基材としてステンレス鋼板を配置したのち、真空容器７０の内部を０．１Ｔｏｒｒの真空にした。その後、真空容器７０内にパーフルオロカーボンとして気体のＣ４ Ｆ８ を６０ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴン３０ｃｃ／ｍｉｎ供給した。そして、高周波電源９２によって電極９４と処理テーブル８２との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、Ｃ４ Ｆ８ とアルゴンとの混合ガスを介した真空放電を発生させたところ、Ｃ４ Ｆ８ が重合してステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。このフッ素樹脂膜の誘電率を測定したところ、３であった。
【００４６】
なお、重合の際における放電の入力パワーは６０Ｗであり、放電距離、なわち電極９４とステンレス鋼板との間の距離（以下の実施例においても同じ）は１６０ｍｍである。また、分子量の小さな重合物を蒸発させて除去するために、ステンレス板を１００℃に加熱して重合させた。
【００４７】
《実施例２》
上記実施例１と同様に、ステンレス鋼板を処理テーブル８２の上に配置し、真空容器７０を０．１Ｔｏｒｒに減圧した。そして、直鎖状のパーフルオロカーボンであるＣ５ Ｆ１２を蒸発させて６０ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴンを３０ｃｃ／ｍｉｎ供給し、電極９４と処理テーブル８２との間に高周波電圧を印加して真空放電を発生させたところ、Ｃ５ Ｆ１２が重合してステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。このフッ素樹脂膜の誘電率を測定したところ、２．４であった。
【００４８】
なお、放電条件は、実施例１と同じであり、ステンレス鋼板も１００℃に加熱している。
【００４９】
《実施例３》
基材としてステンレス鋼板を真空容器７０内の処理テーブル８２の上に配置したのち、真空容器７０内を１．０Ｔｏｒｒの真空にした。そして、直鎖状パーフルオロカーボンである蒸発させたＣ８ Ｆ１８を真空容器７０に２４０ｃｃ／ｍｉｎ供給するとともに、四フッ化炭素を１００ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴンを１００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。また、高周波電源９２によって周波数１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波電力を電極９４に与えて真空放電を発生させたところ、ステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。
【００５０】
なお、放電距離は１６０ｍｍである。また、ステンレス鋼板を２５℃に維持するため、放電時間を１１分とし、１１分の高周波放電を４回繰り返した。
【００５１】
上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜の膜厚は０．０４μｍであって、誘電率は１．８であった。そして、このようにして得たフッ素樹脂膜に電子線を０．１Ｍｒａｄ照射したところ、電子線を照射した部分が粉状になって剥離した。また、Ｘ線を５ｒａｄ照射したところ同様の結果となった。
【００５２】
さらに、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射したが、粉状になって剥離するようなことはなかった。しかし、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射した試料を、１Ｔｏｒｒに減圧し、酸素ガスを１００ｃｃ／ｍｉｎ流して１３．５６ＭＨｚ、２００Ｗの高周波電力によって発生させた酸素プラズマに晒したところ、Ｘ線を照射したところがアッシングされた。このときのアッシングレートは０．５μｍ／ｍｉｎであった。そして、Ｘ線を照射しなかった部分のフッ素樹脂膜のアッシングレートは、０．０２μｍ／ｍｉｎであった。さらに、上記のようにして成膜した厚さ１μｍのフッ素樹脂膜を溶剤であるアセトンに１時間浸漬したところ、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射した部分が溶解した。
【００５３】
また、上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜に０．０１Ｍｒａｄの電子線を照射したところ、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射したときと同様に、電子線をｚ照射した部分が酸素プラズマによってアッシングされ、アセトンに溶解した。
【００５４】
このことから、放射線としてＸ線を用いた場合、フッ素樹脂を粉状に分解するのに必要な照射量の１／１５以下照射量で酸素プラズマによるアッシング、有機溶剤による溶解を行うことができ、電子線の場合には１／１０以下の照射量でアッシング、溶剤による溶解が可能となる。また、純水にオゾンを溶解したオゾン水に浸漬することにより、酸素プラズマの場合と同様にＸ線、電子線を照射した部分をアッシングすることができる。
【００５５】
なお、四フッ化炭素の混合割合を小さくしたところ、四フッ化炭素の添加量が少なくなるのに従って、成膜されたフッ素樹脂膜の誘電率が大きくなり、四フッ化炭素の流量が８０ｃｃ／ｍｉｎより少なくなると四フッ化炭素を添加した効果がなく、誘電率がＣ８ Ｆ１８のみによる重合膜と同じ２であった。さらに、四フッ化炭素の供給量を多くすると、四フッ化炭素によるエッチング作用によって成膜速度が小さくなり、四フッ化炭素の供給量が１３０ｃｃ／ｍｉｎを超えると、フッ素樹脂膜はほとんど形成されなかった。
【００５６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、気体状のパーフルオロカーボンを真空放電によって重合して成膜することにより、フッ素樹脂膜の基材への密着性が大幅に向上して剥離を生ずることがなく、シリコン酸化膜よりより大幅に誘電率の小さなり半導体装置に適した絶縁膜を形成することができ、半導体装置の信号の遅延を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフッ素樹脂膜の形成方法を実施する成膜装置の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する一部工程図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する一部工程図であって、図３に続く工程を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の製造方法を説明する一部工程図である。
【図６】従来の半導体装置の製造方法を説明する図であって、図５に続く工程の説明図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
１２ａ〜１２ｃ 素子（トランジスタ）
１４ ゲート
３２ 下層配線
４２ プラグ
４８ 上層配線
６０ 原料タンク
６２ 液体パーフルオロカーボン
６４ ヒータ
６６ 気体状パーフルオロカーボン（パーフルオロカーボン蒸気）
７０ 真空容器
８０ 真空ポンプ
９２ 高周波電源
９０ アルゴンガス源
１０２ 四フッ化炭素源
１０８ 半導体装置
１１０ フッ素樹脂絶縁膜
１１２ 貫通孔
１１４ フッ素樹脂層間絶縁膜
１２２ 放射線（Ｘ線）
【発明の属する技術分野】
本発明は、パーフルオロカーボンを用いてフッ素樹脂膜を形成する方法に係り、特に半導体装置の絶縁膜として好適なフッ素樹脂膜の形成方法およびそのフッ素樹脂膜を有する半導体装置並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多層配線構造を有する半導体装置においては、配線間の絶縁や下層配線と上層配線とを絶縁する層間絶縁膜として、一般に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）からなるいわゆるシリコン酸化膜が使用されている。図５、図６は、シリコン酸化膜を絶縁膜とした半導体装置の従来の製造方法の一例を示す工程図の主要部である。
【０００３】
まず、図５（ａ）に示したように、シリコンからなる半導体基板１０の上部に素子である複数のトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）を形成する。これらのトランジスタ１２は、ゲート１４を有し、ゲート１４の両側にソースとドレインとなる不純物拡散領域１６が設けてある。さらに、ゲート１４の下部には、シリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１８が形成してある。
【０００４】
また、半導体基板１０の上部には、シリコン酸化膜２０が形成してある。このシリコン酸化膜２０は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法によって形成される。なお、図５（ａ）に示した符号２２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる素子分離領域である。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示したように、シリコン酸化膜２０の上部全面にフォトレジスト膜２４を形成し、これを図示しないマスクを介してフォトリソグラフィー法によって露光、現像してパターニングする。その後、パターニングしたフォトレジスト膜２４をマスクとしてシリコン酸化膜２０のエッチングを行い、シリコン酸化膜２０に貫通孔２６を形成して不純物拡散領域１６の一部を露出させる（図５（ｃ）参照）。
【０００６】
次に、酸素プラズマなどを用いたアッシング処理によってフォトレジスト膜２４を除去したのち、図５（ｄ）に示したように、例えばスパッタリングによって貫通孔２６とシリコン酸化膜２０とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜２８を形成する。さらに、導電膜２８の上部にフォトレジスト膜３０を形成し、これを前記と同様にしてパターニングする（図５（ｅ））。そして、パターニングしたフォトレジスト膜３０をマスクとして導電膜２８をエッチングし、図５（ｆ）に示したように、貫通孔２６を介して不純物拡散領域１６に電気的に接続された下層配線３２を形成する。
【０００７】
その後、図６（ａ）に示したように、シリコン酸化膜２０と下層配線３２とを覆って、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法などによってシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜３４を成膜し、さらに層間絶縁膜３４の上部にフォトレジスト膜３６を形成してパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜３６をマスクとして層間絶縁膜３４をエッチングし、図６（ｂ）に示したように、層間絶縁膜３４を貫通した接続孔３８を形成して下層配線３２の一部を露出させたのち、フォトレジスト膜３６をアッシングなどにより除去する。次に、接続孔３８と層間絶縁膜３４とを覆って、例えば六フッ化タングステン（ＷＦ６ ）などを原料ガスとしたＣＶＤ法によってタングステンからなる導電膜４０を形成する。その後、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械研磨）法によって導電膜４０を研磨し、図６（ｃ）に示したように、層間絶縁膜３４の上部の導電膜４０を除去して接続孔３８内にタングステンからなるプラグ４２を形成する。
【０００８】
次に、図６（ｄ）に示したように、プラグ４２と層間絶縁膜３４とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜４４をスパッタリングなどによって成膜する。さらに、導電膜４４の上部にフォトレジスト膜４６を形成してこれをパターニングし、これをマスクとして導電膜４４をエッチングし、プラグ４２を介して下層配線３２に電気的に接続した上層配線４８を形成する（図６（ｅ））。その後、上層配線４８と層間絶縁膜３４とを覆ってシリコン酸化膜などからなる保護膜５０を形成する。
【０００９】
なお、上層配線４８は、下層配線３２を形成した場合と同様に、接続孔３８と層間絶縁膜３４とを覆ってアルミニウムやアルミニウム合金からなる導電膜を形成し、これをパターニングして上層配線を形成してタングステンプラグなどを形成しない場合もある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように形成される従来の半導体装置においては、小型、高集積化による素子の微細化、動作速度の高速化に伴って、絶縁膜の寄生容量による応答速度の遅延が問題となってきている。すなわち、上記したように、従来の半導体装置は、一般に配線間の絶縁膜、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用している。このシリコン酸化膜は、誘電率が４．２程度であって、このシリコン酸化膜が配線間に介在することによってコンデンサと同様の作用をし、動作速度の高速化によるクロック数の増大により信号電流が流れるたびに充、放電が繰り返され、信号の遅延をもたらす。このため、配線間に介在させる絶縁膜として、より誘電率が小さい部材の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、上記の要請に鑑みてなされたもので、誘電率の小さな密着性に優れたフッ素樹脂膜を形成することを目的としている。
【００１２】
また、本発明は、誘電率の小さな膜を絶縁膜として使用することにより、動作速度の遅延の少ない半導体装置を提供することを目的としている。
【００１３】
さらに、本発明は、半導体装置を製造する工程を簡略化することなどを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るフッ素樹脂膜の形成方法は、真空容器内に気体状パーフルオロカーボンを導入して真空放電を発生させ、前記気体状パーフルオロカーボンを重合させて基材表面に重合膜を形成することを特徴としている。
【００１５】
通常、フッ素樹脂は、摩擦係数が小さく、潤滑性があって密着性が悪いため、液状のフッ素樹脂を塗布して乾燥させてフッ素樹脂膜を形成した場合、容易に剥離してしまう。しかし、上記のように構成した本発明においては、フッ素樹脂膜の基材への密着性が大幅に向上して剥離を生ずることがない。しかも、パーフルオロカーボンを重合したフッ素樹脂膜は、誘電率がシリコン酸化膜より大幅に小さくなり、半導体装置の絶縁膜として適している。そして、パーフルオロカーボンとして、炭素数が８以上の直鎖状のものを使用すると、誘電率を２程度にすることができる。また、炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素とを混合したガスを介して真空放電を発生させ、パーフルオロカーボンを重合してフッ素樹脂膜を形成すると、炭素原子とフッ素原子との比を１：１に近づけることができ、誘電率を１．８程度に下げることができる。
【００１６】
そして、本発明に係る半導体装置は、複数の素子と複数の配線とを有する半導体装置において、配線間に介在させた絶縁膜の少なくとも一部がフッ素樹脂からなることを特徴としている。このように構成した本発明は、絶縁膜としてシリコン酸化膜より誘電率の小さなフッ素樹脂膜を使用することにより、寄生容量が小さくなって信号の伝達速度が向上し、高速動作が可能となる。フッ素樹脂膜は、上記した方法によって形成することができる。
【００１７】
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法の第１は、気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電により気体状パーフルオロカーボンを重合させ、半導体基板の上部にフッ素樹脂絶縁膜を形成する工程と、前記フッ素樹脂絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、前記フッ素樹脂絶縁膜の前記放射線を照射した部分を除去して孔または溝を形成する工程と、前記孔または溝内に導電性の配線材を設ける工程と、を有することを特徴としている。
【００１８】
フッ素樹脂膜による絶縁膜は、同一平面内にある配線間ばかりでなく、上下の配線間、すなわち下層配線と上層配線との間に介在させた層間絶縁膜にも適用することができる。
【００１９】
このため、本発明に係る半導体装置の製造方法の第２は、下層配線の上部に層間絶縁膜を介して上層配線が形成してある半導体装置において、気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電を発生させて前記気体状パーフルオロカーボンを重合し、半導体基板に設けた前記下層配線の上部にフッ素樹脂層間絶縁膜を形成する工程と、前記フッ素樹脂層間絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、前記フッ素樹脂層間絶縁膜の放射線を照射した部分を除去して接続孔を形成し、前記下層配線の予め定めた部分を露出させる工程と、前記接続孔を介して前記下層配線と電気的に接続した上層配線を形成する工程と、を有することを特徴としている。この本発明の第２に係る半導体装置の製造方法における下層配線は、上記本発明の第１に係る半導体装置の製造方法における配線と同様にして形成することができる。
【００２０】
フッ素樹脂は、通常の樹脂と異なって放射線に対する感受性が強く、放射線によって容易に結合が切断される。これは、ポリエチレンやポリプロピレンなどの普通の樹脂においては、炭素に原子半径の小さな水素が結合しているのに対して、フッ素樹脂の場合、炭素原子に原子半径の大きなフッ素が結合しているため、隣接したフッ素原子が押し合っているような状態となっており、放射線が照射されると容易に炭素とフッ素との結合が切断される。このため、放射線を照射したフッ素樹脂は、容易に酸化されたり溶剤に溶けるようになる。
【００２１】
そこで、上記の半導体装置の製造方法において、放射線を照射したフッ素樹脂は、酸化作用によるアッシングまたは有機溶剤に溶解させることにより除去する。照射する放射線は、炭素をフッ素との結合を切断できるものであればよく、電子線やＸ線を用いることができる。放射線として電子線を用いる場合、フッ素樹脂の予め定めた位置を電子ビームによって走査することにより、マスクを用いることなく照射できる。また、放射線としてＸ線を用いる場合、一度に広い範囲を照射できるところから、マスクを用いて照射することが望ましい。そして、パーフルオロカーボンは、炭素数が８以上の直鎖上であることが望ましく、特に炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスを用いると、誘電率をより小さくすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るフッ素樹脂膜の形成方法および半導体装置並びにその製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るフッ素樹脂膜の製造方法を実施する成膜装置の説明する図である。図１において、原料タンク６０は、密閉構造となっていて、内部にフッ素樹脂膜を成膜するための原料である液体の直鎖状パーフルオロカーボン（この実施形態の場合Ｃ８ Ｆ１８）６２が貯溜してある。また、原料タンク６０の下部には、ヒータ６４が設けてあって、原料タンク６０内の液体パーフルオロカーボン６２を加熱して蒸発させ、気体状のパーフルオロカーボン（パーフルオロカーボン蒸気）６６が得られるようにしてある。
【００２４】
原料タンク６０の上部は、原料配管６８を介して真空容器７０に接続してあって、発生させたパーフルオロカーボン蒸気６６を真空容器７０に導入できるようになっている。そして、原料配管６８には、弁７２とマスフローコントローラ７４とが設けてあって、真空容器７０に供給するパーフルオロカーボン蒸気６６の量を任意に設定できるようにしてある。
【００２５】
また、真空容器７０には、配管１００を介して四フッ化炭素（ＣＦ４ ）供給部１０２が接続してあって、真空容器７０に供給したパーフルオロカーボン蒸気６６に四フッ化炭素を添加できるようになっている。配管１００には、弁１０４とマスフローコントローラ１０６とが設けてあって、真空容器７０に供給する四フッ化炭素の量を任意に制御できるようにしてある。さらに、真空容器７０には、弁８６とマスフローコントローラ８７とを有するアルゴン配管８８を介してアルゴン供給部９０が接続してあって、前記の気体状パーフルオロカーボンにアルゴンを添加し、後述する高周波真空放電を容易に発生させることができるようになっている。
【００２６】
真空容器７０は、排気弁７６を備えた排気管７８を介して真空ポンプ８０が接続してあって、内部を減圧できるようになっている。そして、真空容器７０内の下部には、処理テーブル８２が配設してあって、処理テーブル８２の上面にフッ素樹脂の皮膜を形成する基材であるシリコンウエハ８４を配置するようにしてある。また、処理テーブル８２は、接地してあって、放電電極の陰極を形成している。そして、処理テーブル８２の上方には、高周波電源９２に接続した電極９４が対向して配置してあり、処理テーブル８２と電極９４との間に真空放電を発生させることができるようにしてある。
【００２７】
このように構成した成膜装置によるフッ素樹脂膜の成膜は、次のようにして行う。まず、シリコンウエハ８４を処理テーブル８２の上に配置し、真空ポンプ８０を作動して真空容器７０の内部を減圧し、１０Ｔｏｒｒ程度以下の真空にする。また、ヒータ６４に通電し、原料タンク６０内の液体パーフルオロカーボン６２を加熱してパーフルオロカーボン蒸気６６を発生させ、弁７２を開いて原料配管６８を介して真空容器７０に供給する。このとき、原料タンク６０の内部は、真空ポンプ８０によって減圧され、パーフルオロカーボン蒸気６６が容易に発生するようになっている。さらに、配管１００を介して四フッ化炭素供給部１０２から四フッ化炭素を真空容器７０に供給し、アルゴン配管８８を介してアルゴンを真空容器７０に供給する。
【００２８】
四フッ化炭素のパーフルオロカーボン蒸気６６に対する添加量は、直鎖状パーフルオロカーボンの種類によって異なり、例えばパーフルオロカーボンがＣ８ Ｆ１８の場合、パーフルオロカーボン蒸気６６の真空容器７０への供給量が２４０ｃｃ／ｍｉｎのとき、四フッ化炭素の供給量は８０〜１２０ｃｃ／ｍｉｎ程度にする。四フッ化炭素の供給量が８０ｃｃ／ｍｉｎより少なくなると、成膜されたフッ素樹脂膜の誘電率が大きくなって四フッ化炭素を添加した効果が得られなくなるおそれがある。また、四フッ化炭素の供給量を１２０ｃｃ／ｍｉｎより多くすると、後述するプラズマを発生させた際に四フッ化炭素によるエッチング作用によって成膜が困難となる。
【００２９】
真空容器７０へのパーフルオロカーボン蒸気６６と四フッ化炭素とアルゴンとの供給を開始したならば、高周波電源９２によって電極９４と処理テーブル８２との間に高周波電圧を印加し、両者間にパーフルオロカーボン蒸気６６と四フッ化炭素とアルゴンとの混合ガスを介した真空放電を発生させる。これにより、直鎖状パーフルオロカーボンの端部の炭素とフッ素との結合が切断され、パーフルオロカーボンが重合してシリコンウエハ８４の上に重合膜が堆積される。また、四フッ化炭素は、真空放電によって分解され、四フッ化炭素から遊離したフッ素原子の一部が直鎖状パーフルオロカーボンの重合される際に、直鎖状パーフルオロカーボンから遊離して不足するフッ素を補う。
【００３０】
このようにして形成したフッ素樹脂膜は、液状のパーフルオロカーボンを塗布して重合させたフッ素樹脂膜に比較して密着性に優れており、ＣＶＤ法によって成膜したシリコン酸化膜と同程度の密着力を有している。しかも、上記のように直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスから重合したフッ素樹脂膜は、誘電率が１．８程度であって、シリコン酸化膜に比較して誘電率を大幅に小さくすることができる。
【００３１】
なお、上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜にＸ線や電子線などの放射線を照射すると、放射線を照射した部分が粉状になって剥離する。これは、フッ素樹脂の場合、炭素に結合しているフッ素の原子半径が水素の原子半径に比較して非常に大きいため、隣接するフッ素原子が相互に押し合った状態となっていて、放射線に対する感受性が高く、放射線によって容易に炭素とフッ素との結合が切断されて分解されることによるものと考えられる。また、照射する放射線の量を少なくすると、そのままでは剥離を生じないが、酸素プラズマや純水にオゾンを溶解したオゾン水による酸化作用により除去する、いわゆるアッシングが可能となるとともに、アセトンなどの溶剤に溶解させることができる。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部断面図である。図２において、半導体装置１０８は、シリコンからなる半導体基板１０の上部に素子である複数のトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）が形成してある。トランジスタ１２は、半導体基板１０の上面に設けたシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１８を介して形成したゲート１４と、このゲート１４の両側に設けたソース、ドレインを形成する不純物拡散領域１６からなっている。また、半導体基板１０には、ＬＯＣＯＳなどによって形成した酸化シリコンなどからなる素子分離領域２２が設けてあって、素子間（例えばトランジスタ１２ａとトランジスタ１２ｂとの間）を相互に電気的に影響を与えないように分離している。
【００３３】
トランジスタ１２の上部には、フッ素樹脂絶縁膜１１０が配置してある。フッ素樹脂絶縁膜１１０は、所定の位置に貫通孔１１２が形成してあって、例えばアルミニウムやアルミニウム合金によって形成した下層配線３２が貫通孔１１２を介して不純物拡散領域１６に電気的に接続している。また、フッ素樹脂絶縁膜１１０の上部には、下層配線３２を覆ってフッ素樹脂層間絶縁膜１１４が設けてある。そして、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４には、予め定めた位置に接続孔１１６が形成してあって、接続孔１１６の内部にタングステンなどの高融点金属からなるプラグ４２が設けてある。このプラグ４２は、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上部に形成したアルミニウムやアルミニウム合金などからなる上層配線４８と下層配線３２とを電気的に接続している。そして、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上部には、酸化シリコンやフッ素樹脂どの絶縁材からなる保護膜１１８が上層配線４８を覆って設けてある。
【００３４】
このように構成した半導体装置１０８は、下層配線３２間に介在させた絶縁膜と下層配線３２と上層配線４８との間に介在させた層間絶縁膜とを、シリコン酸化膜より誘電率の小さなフッ素樹脂によって形成したことにより、寄生容量を小さくすることができ、電気信号の遅延を軽減できて高速動作が可能となる。
【００３５】
図３、図４は、上記半導体装置１０８の製造工程の実施形態を示したものである。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示したように、半導体基板１０の上部に従来と同様の方法によりトランジスタ１２（１２ａ〜１２ｃ）などの素子を形成する。次に、トランジスタ１２などを形成した半導体基板１０の上部にフッ素樹脂絶縁膜１１０を所定の厚さ（例えば、４００〜８００ｎｍ）形成する。このフッ素樹脂絶縁膜は、半導体基板１０を真空容器内に配置して真空容器内を減圧するとともに、真空容器内に前記したように気体状の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素とアルゴンとを導入し、これらの混合ガスを介した真空放電を発生させてパーフルオロカーボンを重合することにより形成することができる。
【００３７】
その後、図３（ｂ）に示したように、所定のパターンを有するマスク１２０をフッ素樹脂絶縁膜１１０の上方に配置し、このマスク１２０を介して放射線であるＸ線１２２をフッ素樹脂絶縁膜１１０に照射し、フッ素樹脂絶縁膜１１０の予め定めた位置の貫通孔を形成する斜線部１２４にダメージを与える。照射するＸ線１２２の線量は、０．３Ｍｒａｄ程度であってよい。
【００３８】
次に、上記のようにしてフッ素樹脂絶縁膜１１０にＸ線１２２を照射した半導体基板１０を真空酸素プラズマ中に晒し、Ｘ線１２２が照射された斜線部１２４を酸素プラズマの酸化作用によってアッシングし、図３（ｃ）に示したように、フッ素樹脂絶縁膜１１０に貫通孔１１２を形成する。このように、実施形態においては、絶縁膜に配線用の貫通孔を形成するために、従来技術において必要であったフォトレジストの塗布工程、現像工程、フォトレジスト膜の除去工程などをなくすことができ、工程の簡素化を図ることができる。なお、チップの周縁部などの配線の引き回し部などにおいては、フッ素樹脂絶縁膜１１０に配線を配置するための溝を形成してもよい。
【００３９】
その後、図３（ｄ）に示したように、貫通孔１１２とフッ素樹脂絶縁膜１１０とを覆って、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる導電膜２８をスパッタリングなどによって堆積する。さらに、導電膜２８の上部にフォトレジスト膜１２６を形成し、これをフォトリソグラフィー法によってパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜１２６をマスクとして導電膜２８をエッチングし、図３（ｅ）に示したように、所定の形状を有する下層配線３２を形成する。なお、導電膜２８のフッ素樹脂絶縁膜１１０への密着性を高めるため、導電膜２８を形成する前にフッ素樹脂絶縁膜１１０をエッチングし、その表面を荒らしてもよい。
【００４０】
次に、図４（ａ）に示したように、下層配線３２とフッ素樹脂絶縁膜１１０とを覆ってフッ素樹脂層間絶縁膜１１４を所定の厚さ形成する。このフッ素樹脂層間絶縁膜１１４は、前記したフッ素樹脂絶縁膜１１０と同様にして形成することができる。
【００４１】
次に、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の上方に所定のパターンを有するマスク１２８を配置し、マスク１２８を介してフッ素樹脂層間絶縁膜１１４にＸ線１２２を照射し、接続孔を形成する斜線部１３０のフッ素樹脂層間絶縁膜１１４にダメージを与える。そして、前記と同様にして真空酸素プラズマによって斜線部１３０のアッシングを行い、図３（ｂ）に示したように、フッ素樹脂層間絶縁膜１１４の所定位置に接続孔１１６を形成する。
【００４２】
その後、前記した従来技術と同様にして接続孔１１６とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆ってタングステンなどの高融点金属からなる導電層４０を形成し、これを研削して接続孔１１６内に高融点金属からなるプラグ４２を形成する（図４（ｃ））。さらに、図４（ｄ）に示したように、プラグ４２とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆ってアルミニウムまたはアルミニウム合金等の導電層４４を形成したのち、導電層４４の上部にフォトレジスト膜１３２を設けてパターニングし、これをマスクにして導電層４４をエッチングして上層配線４８を形成する（図４（ｅ））。その後、上層配線４８とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とを覆って保護膜５０を設ける。
【００４３】
このように、実施の形態においては、フッ素樹脂絶縁膜１１０とフッ素樹脂層間絶縁膜１１４とに貫通孔を形成する際に、フォトレジストを使用する必要がないため、フォトレジストの塗布工程や現像工程、フォトレジスト膜を除去するアッシング工程などをなくすことができ、工程の簡素化を図ることができる。
【００４４】
なお、前記の実施形態においては、放射線としてＸ線１２２を用いた場合について説明したが、放射線は電子線などであってもよい。そして、放射線として電子線を用いる場合、フッ素樹脂絶縁膜１１０またはフッ素樹脂層間絶縁膜１１４の所定位置を、電子ビームによって走査することにより、マスクを用いることなく照射することができる。
【００４５】
【実施例】
《実施例１》
図１に示した真空容器７０内の処理テーブル８２の上に、フッ素樹脂皮膜を形成する基材としてステンレス鋼板を配置したのち、真空容器７０の内部を０．１Ｔｏｒｒの真空にした。その後、真空容器７０内にパーフルオロカーボンとして気体のＣ４ Ｆ８ を６０ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴン３０ｃｃ／ｍｉｎ供給した。そして、高周波電源９２によって電極９４と処理テーブル８２との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、Ｃ４ Ｆ８ とアルゴンとの混合ガスを介した真空放電を発生させたところ、Ｃ４ Ｆ８ が重合してステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。このフッ素樹脂膜の誘電率を測定したところ、３であった。
【００４６】
なお、重合の際における放電の入力パワーは６０Ｗであり、放電距離、なわち電極９４とステンレス鋼板との間の距離（以下の実施例においても同じ）は１６０ｍｍである。また、分子量の小さな重合物を蒸発させて除去するために、ステンレス板を１００℃に加熱して重合させた。
【００４７】
《実施例２》
上記実施例１と同様に、ステンレス鋼板を処理テーブル８２の上に配置し、真空容器７０を０．１Ｔｏｒｒに減圧した。そして、直鎖状のパーフルオロカーボンであるＣ５ Ｆ１２を蒸発させて６０ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴンを３０ｃｃ／ｍｉｎ供給し、電極９４と処理テーブル８２との間に高周波電圧を印加して真空放電を発生させたところ、Ｃ５ Ｆ１２が重合してステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。このフッ素樹脂膜の誘電率を測定したところ、２．４であった。
【００４８】
なお、放電条件は、実施例１と同じであり、ステンレス鋼板も１００℃に加熱している。
【００４９】
《実施例３》
基材としてステンレス鋼板を真空容器７０内の処理テーブル８２の上に配置したのち、真空容器７０内を１．０Ｔｏｒｒの真空にした。そして、直鎖状パーフルオロカーボンである蒸発させたＣ８ Ｆ１８を真空容器７０に２４０ｃｃ／ｍｉｎ供給するとともに、四フッ化炭素を１００ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴンを１００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。また、高周波電源９２によって周波数１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波電力を電極９４に与えて真空放電を発生させたところ、ステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂膜が形成された。
【００５０】
なお、放電距離は１６０ｍｍである。また、ステンレス鋼板を２５℃に維持するため、放電時間を１１分とし、１１分の高周波放電を４回繰り返した。
【００５１】
上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜の膜厚は０．０４μｍであって、誘電率は１．８であった。そして、このようにして得たフッ素樹脂膜に電子線を０．１Ｍｒａｄ照射したところ、電子線を照射した部分が粉状になって剥離した。また、Ｘ線を５ｒａｄ照射したところ同様の結果となった。
【００５２】
さらに、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射したが、粉状になって剥離するようなことはなかった。しかし、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射した試料を、１Ｔｏｒｒに減圧し、酸素ガスを１００ｃｃ／ｍｉｎ流して１３．５６ＭＨｚ、２００Ｗの高周波電力によって発生させた酸素プラズマに晒したところ、Ｘ線を照射したところがアッシングされた。このときのアッシングレートは０．５μｍ／ｍｉｎであった。そして、Ｘ線を照射しなかった部分のフッ素樹脂膜のアッシングレートは、０．０２μｍ／ｍｉｎであった。さらに、上記のようにして成膜した厚さ１μｍのフッ素樹脂膜を溶剤であるアセトンに１時間浸漬したところ、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射した部分が溶解した。
【００５３】
また、上記のようにして成膜したフッ素樹脂膜に０．０１Ｍｒａｄの電子線を照射したところ、Ｘ線を０．３Ｍｒａｄ照射したときと同様に、電子線をｚ照射した部分が酸素プラズマによってアッシングされ、アセトンに溶解した。
【００５４】
このことから、放射線としてＸ線を用いた場合、フッ素樹脂を粉状に分解するのに必要な照射量の１／１５以下照射量で酸素プラズマによるアッシング、有機溶剤による溶解を行うことができ、電子線の場合には１／１０以下の照射量でアッシング、溶剤による溶解が可能となる。また、純水にオゾンを溶解したオゾン水に浸漬することにより、酸素プラズマの場合と同様にＸ線、電子線を照射した部分をアッシングすることができる。
【００５５】
なお、四フッ化炭素の混合割合を小さくしたところ、四フッ化炭素の添加量が少なくなるのに従って、成膜されたフッ素樹脂膜の誘電率が大きくなり、四フッ化炭素の流量が８０ｃｃ／ｍｉｎより少なくなると四フッ化炭素を添加した効果がなく、誘電率がＣ８ Ｆ１８のみによる重合膜と同じ２であった。さらに、四フッ化炭素の供給量を多くすると、四フッ化炭素によるエッチング作用によって成膜速度が小さくなり、四フッ化炭素の供給量が１３０ｃｃ／ｍｉｎを超えると、フッ素樹脂膜はほとんど形成されなかった。
【００５６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、気体状のパーフルオロカーボンを真空放電によって重合して成膜することにより、フッ素樹脂膜の基材への密着性が大幅に向上して剥離を生ずることがなく、シリコン酸化膜よりより大幅に誘電率の小さなり半導体装置に適した絶縁膜を形成することができ、半導体装置の信号の遅延を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフッ素樹脂膜の形成方法を実施する成膜装置の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する一部工程図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する一部工程図であって、図３に続く工程を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の製造方法を説明する一部工程図である。
【図６】従来の半導体装置の製造方法を説明する図であって、図５に続く工程の説明図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
１２ａ〜１２ｃ 素子（トランジスタ）
１４ ゲート
３２ 下層配線
４２ プラグ
４８ 上層配線
６０ 原料タンク
６２ 液体パーフルオロカーボン
６４ ヒータ
６６ 気体状パーフルオロカーボン（パーフルオロカーボン蒸気）
７０ 真空容器
８０ 真空ポンプ
９２ 高周波電源
９０ アルゴンガス源
１０２ 四フッ化炭素源
１０８ 半導体装置
１１０ フッ素樹脂絶縁膜
１１２ 貫通孔
１１４ フッ素樹脂層間絶縁膜
１２２ 放射線（Ｘ線）
Claims (10)
- 真空容器内に気体状パーフルオロカーボンを導入して真空放電を発生させ、前記気体状パーフルオロカーボンを重合させて基材表面に重合膜を形成するフッ素樹脂膜の形成方法であって、
前記パーフルオロカーボンは、炭素数が８以上の直鎖状であることを特徴とするフッ素樹脂膜の形成方法。 - 前記重合は、炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスを介した真空放電によって行うことを特徴とする請求項１に記載のフッ素樹脂膜の形成方法。
- 複数の素子と複数の配線とを有する半導体装置において、
配線間に介在させた絶縁膜の少なくとも一部が、炭素数８以上の直鎖状パーフルオロカーボンを重合して形成したフッ素樹脂からなることを特徴とする半導体装置。 - 気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電により気体状パーフルオロカーボンを重合させ、半導体基板の上部にフッ素樹脂絶縁膜を形成する工程と、
前記フッ素樹脂絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、
前記フッ素樹脂絶縁膜の前記放射線を照射した部分を除去して孔または溝を形成する工程と、
前記孔または溝内に導電性の配線材を設ける工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 下層配線の上部に層間絶縁膜を介して上層配線が形成してある半導体装置において、
気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電を発生させて前記気体状パーフルオロカーボンを重合し、半導体基板に設けた前記下層配線の上部にフッ素樹脂層間絶縁膜を形成する工程と、
前記フッ素樹脂層間絶縁膜の予め定めた位置に放射線を照射する工程と、
前記フッ素樹脂層間絶縁膜の放射線を照射した部分を除去して接続孔を形成し、前記下層配線の予め定めた部分を露出させる工程と、
前記接続孔を介して前記下層配線と電気的に接続した上層配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記下層配線は、
気体状パーフルオロカーボンを介した真空放電により気体状パーフルオロカーボンを重合させ、半導体基板の上部にフッ素樹脂絶縁膜を形成する工程と、
前記フッ素樹脂絶縁膜の所定位置に放射線を照射する工程と、
前記フッ素樹脂絶縁膜の前記放射線を照射した部分を除去して孔または溝を形成する工程と、
前記孔または溝内に配線材を設ける工程と、
により形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記放射線を照射したフッ素樹脂の除去は、酸化作用によるアッシングであることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記放射線を照射したフッ素樹脂の除去は、有機溶剤に溶解させることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パーフルオロカーボンは、炭素数が８以上の直鎖上であることを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記重合は、炭素数が８以上の直鎖状パーフルオロカーボンと四フッ化炭素との混合ガスを介した真空放電により行うことを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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