JP3641866B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、フッ素を含む低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化が進展するに伴い、多層配線構造においては同一配線層内の隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。かかる配線間隔の縮小により、配線間容量の上昇が問題となりつつある。このため半導体装置の実動作速度は１／Ｋ（Ｋは縮小率）のスケーリング則に合わなくなり、高集積化のメリットを充分に享受することができない。配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体装置の高速動作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるためには、是非とも解決しなければならない要素技術の１つである。
【０００３】
高集積度半導体装置の配線間容量の低減方法として、例えば特開昭６３−７６５０号公報に開示されているように、低誘電率材料の層間絶縁膜への採用が有効である。低誘電率材料としては、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜（以下ＳｉＯＦと記す）等の無機系材料が代表的であるが、この他にもシロキサン結合を有する有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商品名パリレン）、ポリナフタレン等の有機高分子材料や、フレア（アライドシグナル社商品名）あるいはパーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリアリルエーテル等のフッ素樹脂系の有機高分子材料がある。これら低誘電率材料については、例えば日経マイクロデバイス誌１９９５年７月号ｐ．１０５に紹介されている。
【０００４】
これら比誘電率が３．５以下の低誘電率材料層を、隣り合う配線間はもとより、異なるレベルの配線層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をＳｉＯ2 （比誘電率４）、ＳｉＯＮ（比誘電率４〜６）やＳｉ3 Ｎ4 （比誘電率６）等の膜質に優れた絶縁膜により挟み込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特願平７−３７２７号明細書に提案し、低誘電率と高信頼性を合わせ持つ層間絶縁膜を有する半導体装置の可能性を示した。
【０００５】
低誘電率材料のうち、ＳｉＯＦはその成膜プロセスがＳｉＯ2 等従来の無機系層間絶縁膜の成膜プロセスと整合性があることから、現用の製造設備でも容易に採用できるので注目されている。すなわち、一般的には特開平６−３３３９１９号公報に開示されているように、酸化シリコン系絶縁膜を形成するＳｉＨ4 等の原料ガスをＳｉＦ4 等のフルオロシラン系ガスに変更してＣＶＤを施すことによりＳｉ−Ｆ結合を酸化シリコン系絶縁膜中に取り込み、ＳｉＯＦを形成することができる。しかしながらＳｉＦ4 はプラズマ中での解離率が小さいことから、Ｓｉ−Ｆ結合を充分に取り込むことは困難である。
【０００６】
一方、ＮＨ3 等の塩基性ガスを添加してプラズマ中の原料ガスの解離を促進する方法を本願出願人は特開平６−２９５９０７号公報に開示した。この方法によれば、酸化シリコン系絶縁膜中の水酸基濃度の低減に卓越した効果が見られるが、比誘電率低減の効果は少ない。
【０００７】
またフッ素原子の供給源として、例えば特開平７−９０５８９号公報に開示されているようにＣＦ4 やＣ2 Ｆ6 等のフッ化炭素系ガスを採用すれば比誘導率低減の効果は得られるものの、炭素原子の混入によるコンタミネーションの問題が残る。
【０００８】
そこで、ＳＦ6 ガスをフッ素原子の供給源としてＣＶＤの反応系から不要な炭素原子を排除する試みが、第５６回応用物理学会学術講演会（１９９５年秋季年会）講演予稿集ｐ５９０、講演番号２６ｐ−ＺＢ−２に報告されている。これは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）と酸化剤とを原料ガスとし、これにＳＦ6 を添加したプラズマＣＶＤによりＳｉＯＦを形成するものである。この結果、比誘導率は３．３に迄低下する。しかしながら、ＳＦ6 の解離によりプラズマ中に大量に発生するＦ* （Ｆラジカル）によるエッチング反応が堆積と競合して発生するために、デポジションレートが飽和する現象やイオウによるコンタミネーションの問題が見られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み、フッ素を含む低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、誘導率が充分に低減され、しかも添加ガスによるコンタミネーションのない、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、上述の課題を解決するために提案するものであり、
シラン系ガス、酸化性ガス、および希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物を主体とする原料ガスを用いたＣＶＤ法により、被処理基板上にフッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明で採用する希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物は、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＦ2 およびＮｅＦ等が例示される。これらのガスは周知のように、少なくともいずれか一方が励起状態の希ガスとＦ2 との結合により得られる化合物であり、この他にもＸｅＦ4 、ＸｅＦ6 、ＫｒＦ2 等が知られているが、これらの化合物を採用してもよい。
シラン系ガスとしては、無機シラン系ガスおよび有機シラン系ガスのうちのいずれでもい。
本発明の一実施態様においては、被処理基板に超音波を印加しつつ、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成することが望ましい。
【００１２】
次に作用の説明に移る。
本発明においては、ＳｉＯＦのＣＶＤ法による成膜おけるフッ素供給源ガスとして、コンタミネーションとなる元素を含まず、プラズマ中での解離にも優れたフッ素化合物として、希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物を採用する。Ａｒ、ＫｒあるいはＸｅ等の希ガスは不活性元素であり、炭素やイオウ等の活性元素と異なりＳｉＯＦ中に取り込まれる虞れは少ない。またこれらのフッ素化合物１分子あたり供給されるフッ素系化学種の量は、フッ素原子に換算して１原子あるいは２原子であるので、ＳＦ6 の場合のように過剰のＦ* によりエッチング反応が進みデポジションレートが飽和することはない。
【００１３】
さらに、ＣＶＤ反応系に超音波振動を印加することにより、被処理基板の振動エネルギや、原料ガス分子の並進ないしは回転等の振動エネルギレベルが高まり、原料ガスの解離反応や、中間生成物の被処理基板上でのマイグレーションが活性化される。このため、従来より低温でも効率良く、ステップカバレッジのよい成膜が可能となる。
【００１４】
これらの作用により、コンタミネーションのないＳｉＯＦを実用的なデポジションレートで形成することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明に類似の先願として、基板支持具あるいは反応空間に超音波振動を印加しつつＳｉＯ2 膜を形成する方法が特開平５−４４０３７号公報に開示されている。これはＯ3 ／ＴＥＯＳ系による熱分解ＣＶＤによるものであり、またコンタミネーションのない低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜形成については、具体的な記述は見当たらない。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき図面を参照しながら説明する。始めに本発明の各実施例で一例として用いる枚葉式プラズマＣＶＤ装置の構成例および動作につき、図２に示す概略断面図を参照して説明する。
【００１７】
図２に示す装置は、その基本構成は平行平板型プラズマＣＶＤ装置である。すなわち、ＳｉＯＦを形成すべき被処理基板１１は、ヒータ１３を内蔵する接地電位の基板ステージ１２上にセッティングする。ガス導入孔１６に導入する原料ガスは、ガス拡散板１５で拡散され、被処理基板１１に対向して多孔板状のガス吹き出し孔を有するガスシャワーヘッド１４を経由して被処理基板１１表面に均一に噴出する。符号１７は被処理基板の外周上面に配設したガスリングであり多数のガス噴出孔をもつ中空円環状のノズル部材であり、必要に応じて原料ガスの１部や、希釈ガス等を添加するものである。符号１８は図示しない真空ポンプに接続されたガス排出孔、符号１９は上部電極を兼ねるガスシャワーヘッド１４にＲＦパワーを供給するＲＦ電源である。なおガスシャワーヘッド１４と基板ステージ１２の上下関係を逆にした構成、すなわち被処理基板１１を下向きに背面保持するフェースダウン構成とすれば、被処理基板１１表面へのパーティクル付着が防止される。
【００１８】
本プラズマＣＶＤ装置の特徴部分は、超音波振動印加手段２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃである。このうち、超音波振動印加手段２０Ａは基板ステージ１２内に組み込み、被処理基板１１を直接に励振するものである。超音波振動印加手段２０Ｂは、ガス拡散板１５に組み込み、ガスシャワーヘッド１４から噴出する原料ガスを励振する。超音波振動印加手段２０Ｂはガスシャワーヘッド１４やガス導入孔１６、あるいはガスリング１７に取りつけてもよい。また超音波振動印加手段２０ＣはＣＶＤチャンバ内壁に取りつけ、被処理基板１１上面の原料ガスを励振するものである。超音波振動印加手段２０Ｃは、被処理基板１１近傍の原料ガスを効果的に励振するため、ホーンを取りつけ超音波の指向性を高めている。これはスピーカシステムにおけるホーンツィータのごときものである。超音波振動印加手段２０Ｃは、エッチングチャンバ内壁に複数個取りつけることが望ましい。超音波振動印加手段としては、圧電素子、磁歪素子、磁気回路とコイルによる動電型等、各種の電気／音響変換器を任意に用いてよい。
【００１９】
実施例１
次に、ＳｉＯＦの形成工程の具体的実施例を説明する。本実施例は、Ａｌ系金属配線上にＳｉＯＦからなる低誘電率層間絶縁膜を、ＳｉＨ4 、Ｏ2 およびＡｒＦを原料ガスとしてプラズマＣＶＤにより形成した例であり、これを図１（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。
【００２０】
まずＳｉ等の半導体基板１上の層間絶縁膜２上に例えば０．３５μｍ幅のラインアンドスペースからなるＡｌ系金属からなる配線層３を形成し、これを被処理基板とする。これを図１（ａ）に示す。
【００２１】
次にＳｉＨ4 とＮ2 Ｏをソースガスとした通常のプラズマＣＶＤにより、薄い下層絶縁膜（図示せず）をコンフォーマルに形成する。この下層絶縁膜は次工程で堆積するＳｉＯＦの膜質を補完するために形成するが、必要がなければ成膜を省略してもよい。
【００２２】
続けて図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２にこの被処理基板１１を載置し、本実施例の要部であるＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＡｒＦ ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２３】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で例えば０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は３．３であった。
この後、再びＳｉＨ4 とＮ2 Ｏをソースガスとした通常のプラズマＣＶＤにより、薄い上層絶縁膜（図示せず）を必要に応じて形成してもよい。このような積層構造をとることにより、耐湿性にすぐれた信頼性の高い低誘電率の層間絶縁膜を得ることができる。
【００２４】
実施例２
本実施例はＡｒＦの替わりにＫｒＦを用いた他は、実施例１に準じたものである。
本実施例によっても、実用的な成膜速度で比誘導率３．３を有するＳｉＯＦがステップカバレッジよく、またコンタミネーションなく形成された。
【００２５】
実施例３
本実施例は、被処理基板に超音波を印加しつつＳｉＯＦを形成した例である。本実施例で採用した被処理基板は、実施例１において図１（ａ）で示したものと同じであるので、重複する説明は省略する。この被処理基板１１を図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２に載置し、ＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。なお超音波振動は、基板ステージ１２に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ａを用いて印加した。励振用の電力は一例として１００Ｗとしたが、被処理基板１１の直径や重量、電気／音響変換器の変換効率により最適値は変動する。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＸｅＦ2 ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
超音波振動（連続的） １００ Ｗ（２００ｋＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２６】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は、ＸｅＦ2 の解離が超音波印加により向上し、効率的にフッ素原子が膜中に取り込まれたことから、３．２の値が得られた。
【００２７】
実施例４
本実施例は、ガスシャワーヘッド１４から噴出する原料ガスに超音波を印加しつつＳｉＯＦを形成した例である。かかる構成をとることにより、プラズマ空間および被処理基板の双方に超音波振動エネルギを与えることができる。
本実施例で採用した被処理基板は、実施例１において図１（ａ）で示したものと同じであり、重複する説明は省略する。この被処理基板１１を図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２に載置し、ＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。なお超音波振動は、ガスシャワーヘッド１４内のガス拡散板１５に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ｂを用いて印加した。励振用の電力は一例として１００Ｗとしたが、ガス拡散板１５の直径や重量、電気／音響変換器の変換効率あるいはガス流量等により最適値は変動する。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＫｒＦ ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
超音波振動（連続的） １００ Ｗ（２００ｋＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２８】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は、ＫｒＦの解離が超音波印加により向上し、効率的にフッ素原子が膜中に取り込まれたことから、３．２の値が得られた。
【００２９】
以上、本発明を４例の実施例により説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００３０】
例えばシラン系ガスとしてＳｉＨ4 を採用したが、Ｓｉ2 Ｈ6 等無機高次シラン系ガスであってもよい。また有機シラン系ガスとしてＴＥＯＳをはじめとし、Ｏｃｔａ Ｍｅｔｈｙｌ Ｃｙｃｌｏ Ｔｅｔｒａ Ｓｉｌｏｘａｎｅ（ＯＭＣＴＳ）、Ｔｅｔｒａ Ｐｒｏｐｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＰＯＳ）、ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌ Ｃｙｃｌｏ Ｔｅｔｒａ Ｓｉｌｏｘａｎｅ（ＴＭＣＴＳ）、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ（ＴＭＯＳ）、Ｄｉａｃｅｔｏｘｙ Ｄｉｔｅｒｔｉａｌｙｂｕｔｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ（ＤＡＤＢＳ）、Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＥＳ）、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＭＳ）等、他の有機シラン系ガスを適宜使用することができる。またこれら有機シラン系ガスにＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 等無機系のシランガスを混合して用いてもよい。
【００３１】
酸化性ガスとしてＯ2 を用いたが、勿論他の酸化性ガスであるＯ3 、Ｎ2 Ｏ、ＮＯ2 、Ｈ2 ＯやＨ2 Ｏ2 を用いたり、混合してもよい。
その他、希釈ガスとしてＨｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスやＮ2 を混合して用いてもよい。
【００３２】
実施例中では超音波を基板ステージ１２に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ａおよびガス拡散板１５に組み込んだ超音波印加手段２０Ｂを用いて印加したが、チャンバ壁に直接取りつけた超音波印加手段２０Ｃを用いてもよい。
また超音波印加は、間欠的に印加してもよい。その周波数も２００ｋＨｚ以外でもよく、複数の周波数を切り替えて印加したり、周波数や出力をスィープして印加してもよい。
【００３３】
プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、上記実施例で用いた平行平板型の装置の他に、マイクロ波ＣＶＤ装置、ＥＣＲ−ＣＶＤ装置、さらにはヘリコン波プラズマや誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）等の高密度プラズマソースを用いることも可能である。また低圧Ｈｇランプ等のＵＶ光線の利用は原料ガスの解離の促進や、基板ダメージ低減に有用である。またＬＰ−ＣＶＤや常圧ＣＶＤ法を採用することも可能である。この場合には、従来のこれらＣＶＤ装置の基板ステージやガスノズルあるいはＣＶＤチャンバ等に、適宜超音波印加手段を付設して用いてもよい。
【００３４】
前述の各実施例は、Ａｌ系金属配線上の層間絶縁膜を形成する場合について例示したが、他の配線材料層を用いる場合や、最終パッシベーション膜として用いる場合、さらにはトレンチアイソレーション等をボイドの発生なく平坦に埋め込む場合等に適用することもできることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば原料ガスの構成成分である炭素やイオウ等によるコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる低誘電率を、実用的なデポジションレートで形成することが可能となる。
したがって、配線間容量による信号遅延が問題となるマイクロプロセッサや高集積度メモリ等の半導体装置を信頼性よく製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１ないし３のプラズマＣＶＤプロセスを説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上に配線層を形成した状態、（ｂ）は低誘電率酸化シリコン系絶縁膜からなる層間絶縁膜を形成した状態である。
【図２】本発明の実施例１ないし３で用いた枚葉式プラズマＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…層間絶縁膜、３…配線層、４…層間絶縁膜
１１…被処理基板、１２…基板ステージ、１３…ヒータ、１４…ガスシャワーヘッド、１５…ガス拡散板、１６…ガス導入孔、１７…ガスリング、１８…ガス排出孔、１９…ＲＦ電源、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…超音波振動印加手段
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、フッ素を含む低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化が進展するに伴い、多層配線構造においては同一配線層内の隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。かかる配線間隔の縮小により、配線間容量の上昇が問題となりつつある。このため半導体装置の実動作速度は１／Ｋ（Ｋは縮小率）のスケーリング則に合わなくなり、高集積化のメリットを充分に享受することができない。配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体装置の高速動作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるためには、是非とも解決しなければならない要素技術の１つである。
【０００３】
高集積度半導体装置の配線間容量の低減方法として、例えば特開昭６３−７６５０号公報に開示されているように、低誘電率材料の層間絶縁膜への採用が有効である。低誘電率材料としては、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜（以下ＳｉＯＦと記す）等の無機系材料が代表的であるが、この他にもシロキサン結合を有する有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商品名パリレン）、ポリナフタレン等の有機高分子材料や、フレア（アライドシグナル社商品名）あるいはパーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリアリルエーテル等のフッ素樹脂系の有機高分子材料がある。これら低誘電率材料については、例えば日経マイクロデバイス誌１９９５年７月号ｐ．１０５に紹介されている。
【０００４】
これら比誘電率が３．５以下の低誘電率材料層を、隣り合う配線間はもとより、異なるレベルの配線層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をＳｉＯ2 （比誘電率４）、ＳｉＯＮ（比誘電率４〜６）やＳｉ3 Ｎ4 （比誘電率６）等の膜質に優れた絶縁膜により挟み込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特願平７−３７２７号明細書に提案し、低誘電率と高信頼性を合わせ持つ層間絶縁膜を有する半導体装置の可能性を示した。
【０００５】
低誘電率材料のうち、ＳｉＯＦはその成膜プロセスがＳｉＯ2 等従来の無機系層間絶縁膜の成膜プロセスと整合性があることから、現用の製造設備でも容易に採用できるので注目されている。すなわち、一般的には特開平６−３３３９１９号公報に開示されているように、酸化シリコン系絶縁膜を形成するＳｉＨ4 等の原料ガスをＳｉＦ4 等のフルオロシラン系ガスに変更してＣＶＤを施すことによりＳｉ−Ｆ結合を酸化シリコン系絶縁膜中に取り込み、ＳｉＯＦを形成することができる。しかしながらＳｉＦ4 はプラズマ中での解離率が小さいことから、Ｓｉ−Ｆ結合を充分に取り込むことは困難である。
【０００６】
一方、ＮＨ3 等の塩基性ガスを添加してプラズマ中の原料ガスの解離を促進する方法を本願出願人は特開平６−２９５９０７号公報に開示した。この方法によれば、酸化シリコン系絶縁膜中の水酸基濃度の低減に卓越した効果が見られるが、比誘電率低減の効果は少ない。
【０００７】
またフッ素原子の供給源として、例えば特開平７−９０５８９号公報に開示されているようにＣＦ4 やＣ2 Ｆ6 等のフッ化炭素系ガスを採用すれば比誘導率低減の効果は得られるものの、炭素原子の混入によるコンタミネーションの問題が残る。
【０００８】
そこで、ＳＦ6 ガスをフッ素原子の供給源としてＣＶＤの反応系から不要な炭素原子を排除する試みが、第５６回応用物理学会学術講演会（１９９５年秋季年会）講演予稿集ｐ５９０、講演番号２６ｐ−ＺＢ−２に報告されている。これは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）と酸化剤とを原料ガスとし、これにＳＦ6 を添加したプラズマＣＶＤによりＳｉＯＦを形成するものである。この結果、比誘導率は３．３に迄低下する。しかしながら、ＳＦ6 の解離によりプラズマ中に大量に発生するＦ* （Ｆラジカル）によるエッチング反応が堆積と競合して発生するために、デポジションレートが飽和する現象やイオウによるコンタミネーションの問題が見られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み、フッ素を含む低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、誘導率が充分に低減され、しかも添加ガスによるコンタミネーションのない、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、上述の課題を解決するために提案するものであり、
シラン系ガス、酸化性ガス、および希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物を主体とする原料ガスを用いたＣＶＤ法により、被処理基板上にフッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明で採用する希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物は、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＦ2 およびＮｅＦ等が例示される。これらのガスは周知のように、少なくともいずれか一方が励起状態の希ガスとＦ2 との結合により得られる化合物であり、この他にもＸｅＦ4 、ＸｅＦ6 、ＫｒＦ2 等が知られているが、これらの化合物を採用してもよい。
シラン系ガスとしては、無機シラン系ガスおよび有機シラン系ガスのうちのいずれでもい。
本発明の一実施態様においては、被処理基板に超音波を印加しつつ、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成することが望ましい。
【００１２】
次に作用の説明に移る。
本発明においては、ＳｉＯＦのＣＶＤ法による成膜おけるフッ素供給源ガスとして、コンタミネーションとなる元素を含まず、プラズマ中での解離にも優れたフッ素化合物として、希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物を採用する。Ａｒ、ＫｒあるいはＸｅ等の希ガスは不活性元素であり、炭素やイオウ等の活性元素と異なりＳｉＯＦ中に取り込まれる虞れは少ない。またこれらのフッ素化合物１分子あたり供給されるフッ素系化学種の量は、フッ素原子に換算して１原子あるいは２原子であるので、ＳＦ6 の場合のように過剰のＦ* によりエッチング反応が進みデポジションレートが飽和することはない。
【００１３】
さらに、ＣＶＤ反応系に超音波振動を印加することにより、被処理基板の振動エネルギや、原料ガス分子の並進ないしは回転等の振動エネルギレベルが高まり、原料ガスの解離反応や、中間生成物の被処理基板上でのマイグレーションが活性化される。このため、従来より低温でも効率良く、ステップカバレッジのよい成膜が可能となる。
【００１４】
これらの作用により、コンタミネーションのないＳｉＯＦを実用的なデポジションレートで形成することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明に類似の先願として、基板支持具あるいは反応空間に超音波振動を印加しつつＳｉＯ2 膜を形成する方法が特開平５−４４０３７号公報に開示されている。これはＯ3 ／ＴＥＯＳ系による熱分解ＣＶＤによるものであり、またコンタミネーションのない低誘電率の酸化シリコン系絶縁膜形成については、具体的な記述は見当たらない。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき図面を参照しながら説明する。始めに本発明の各実施例で一例として用いる枚葉式プラズマＣＶＤ装置の構成例および動作につき、図２に示す概略断面図を参照して説明する。
【００１７】
図２に示す装置は、その基本構成は平行平板型プラズマＣＶＤ装置である。すなわち、ＳｉＯＦを形成すべき被処理基板１１は、ヒータ１３を内蔵する接地電位の基板ステージ１２上にセッティングする。ガス導入孔１６に導入する原料ガスは、ガス拡散板１５で拡散され、被処理基板１１に対向して多孔板状のガス吹き出し孔を有するガスシャワーヘッド１４を経由して被処理基板１１表面に均一に噴出する。符号１７は被処理基板の外周上面に配設したガスリングであり多数のガス噴出孔をもつ中空円環状のノズル部材であり、必要に応じて原料ガスの１部や、希釈ガス等を添加するものである。符号１８は図示しない真空ポンプに接続されたガス排出孔、符号１９は上部電極を兼ねるガスシャワーヘッド１４にＲＦパワーを供給するＲＦ電源である。なおガスシャワーヘッド１４と基板ステージ１２の上下関係を逆にした構成、すなわち被処理基板１１を下向きに背面保持するフェースダウン構成とすれば、被処理基板１１表面へのパーティクル付着が防止される。
【００１８】
本プラズマＣＶＤ装置の特徴部分は、超音波振動印加手段２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃである。このうち、超音波振動印加手段２０Ａは基板ステージ１２内に組み込み、被処理基板１１を直接に励振するものである。超音波振動印加手段２０Ｂは、ガス拡散板１５に組み込み、ガスシャワーヘッド１４から噴出する原料ガスを励振する。超音波振動印加手段２０Ｂはガスシャワーヘッド１４やガス導入孔１６、あるいはガスリング１７に取りつけてもよい。また超音波振動印加手段２０ＣはＣＶＤチャンバ内壁に取りつけ、被処理基板１１上面の原料ガスを励振するものである。超音波振動印加手段２０Ｃは、被処理基板１１近傍の原料ガスを効果的に励振するため、ホーンを取りつけ超音波の指向性を高めている。これはスピーカシステムにおけるホーンツィータのごときものである。超音波振動印加手段２０Ｃは、エッチングチャンバ内壁に複数個取りつけることが望ましい。超音波振動印加手段としては、圧電素子、磁歪素子、磁気回路とコイルによる動電型等、各種の電気／音響変換器を任意に用いてよい。
【００１９】
実施例１
次に、ＳｉＯＦの形成工程の具体的実施例を説明する。本実施例は、Ａｌ系金属配線上にＳｉＯＦからなる低誘電率層間絶縁膜を、ＳｉＨ4 、Ｏ2 およびＡｒＦを原料ガスとしてプラズマＣＶＤにより形成した例であり、これを図１（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。
【００２０】
まずＳｉ等の半導体基板１上の層間絶縁膜２上に例えば０．３５μｍ幅のラインアンドスペースからなるＡｌ系金属からなる配線層３を形成し、これを被処理基板とする。これを図１（ａ）に示す。
【００２１】
次にＳｉＨ4 とＮ2 Ｏをソースガスとした通常のプラズマＣＶＤにより、薄い下層絶縁膜（図示せず）をコンフォーマルに形成する。この下層絶縁膜は次工程で堆積するＳｉＯＦの膜質を補完するために形成するが、必要がなければ成膜を省略してもよい。
【００２２】
続けて図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２にこの被処理基板１１を載置し、本実施例の要部であるＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＡｒＦ ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２３】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で例えば０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は３．３であった。
この後、再びＳｉＨ4 とＮ2 Ｏをソースガスとした通常のプラズマＣＶＤにより、薄い上層絶縁膜（図示せず）を必要に応じて形成してもよい。このような積層構造をとることにより、耐湿性にすぐれた信頼性の高い低誘電率の層間絶縁膜を得ることができる。
【００２４】
実施例２
本実施例はＡｒＦの替わりにＫｒＦを用いた他は、実施例１に準じたものである。
本実施例によっても、実用的な成膜速度で比誘導率３．３を有するＳｉＯＦがステップカバレッジよく、またコンタミネーションなく形成された。
【００２５】
実施例３
本実施例は、被処理基板に超音波を印加しつつＳｉＯＦを形成した例である。本実施例で採用した被処理基板は、実施例１において図１（ａ）で示したものと同じであるので、重複する説明は省略する。この被処理基板１１を図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２に載置し、ＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。なお超音波振動は、基板ステージ１２に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ａを用いて印加した。励振用の電力は一例として１００Ｗとしたが、被処理基板１１の直径や重量、電気／音響変換器の変換効率により最適値は変動する。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＸｅＦ2 ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
超音波振動（連続的） １００ Ｗ（２００ｋＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２６】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は、ＸｅＦ2 の解離が超音波印加により向上し、効率的にフッ素原子が膜中に取り込まれたことから、３．２の値が得られた。
【００２７】
実施例４
本実施例は、ガスシャワーヘッド１４から噴出する原料ガスに超音波を印加しつつＳｉＯＦを形成した例である。かかる構成をとることにより、プラズマ空間および被処理基板の双方に超音波振動エネルギを与えることができる。
本実施例で採用した被処理基板は、実施例１において図１（ａ）で示したものと同じであり、重複する説明は省略する。この被処理基板１１を図２に示したＣＶＤ装置の基板ステージ１２に載置し、ＳｉＯＦのプラズマＣＶＤを一例として下記条件により施す。なお超音波振動は、ガスシャワーヘッド１４内のガス拡散板１５に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ｂを用いて印加した。励振用の電力は一例として１００Ｗとしたが、ガス拡散板１５の直径や重量、電気／音響変換器の変換効率あるいはガス流量等により最適値は変動する。
ＳｉＨ4 ５０ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ＫｒＦ ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２７ Ｐａ
ＲＦ電源パワー ０．０８ Ｗ／ｃｍ2 （１３．５６ＭＨｚ）
超音波振動（連続的） １００ Ｗ（２００ｋＨｚ）
基板温度 ３００ ℃
【００２８】
ＳｉＯＦ膜の厚さは、Ａｌ系金属配線上部で０．３μｍの厚さとなるまで形成した。この結果、図１（ｂ）に示すようにステップカバレッジが良く、炭素やイオウのコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる層間絶縁膜４が実用的なデポジションレートで形成された。層間絶縁膜４の比誘導率は、ＫｒＦの解離が超音波印加により向上し、効率的にフッ素原子が膜中に取り込まれたことから、３．２の値が得られた。
【００２９】
以上、本発明を４例の実施例により説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００３０】
例えばシラン系ガスとしてＳｉＨ4 を採用したが、Ｓｉ2 Ｈ6 等無機高次シラン系ガスであってもよい。また有機シラン系ガスとしてＴＥＯＳをはじめとし、Ｏｃｔａ Ｍｅｔｈｙｌ Ｃｙｃｌｏ Ｔｅｔｒａ Ｓｉｌｏｘａｎｅ（ＯＭＣＴＳ）、Ｔｅｔｒａ Ｐｒｏｐｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＰＯＳ）、ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌ Ｃｙｃｌｏ Ｔｅｔｒａ Ｓｉｌｏｘａｎｅ（ＴＭＣＴＳ）、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ（ＴＭＯＳ）、Ｄｉａｃｅｔｏｘｙ Ｄｉｔｅｒｔｉａｌｙｂｕｔｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ（ＤＡＤＢＳ）、Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＥＳ）、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌａｎｅ（ＴＭＳ）等、他の有機シラン系ガスを適宜使用することができる。またこれら有機シラン系ガスにＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 等無機系のシランガスを混合して用いてもよい。
【００３１】
酸化性ガスとしてＯ2 を用いたが、勿論他の酸化性ガスであるＯ3 、Ｎ2 Ｏ、ＮＯ2 、Ｈ2 ＯやＨ2 Ｏ2 を用いたり、混合してもよい。
その他、希釈ガスとしてＨｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスやＮ2 を混合して用いてもよい。
【００３２】
実施例中では超音波を基板ステージ１２に組み込んだ超音波振動印加手段２０Ａおよびガス拡散板１５に組み込んだ超音波印加手段２０Ｂを用いて印加したが、チャンバ壁に直接取りつけた超音波印加手段２０Ｃを用いてもよい。
また超音波印加は、間欠的に印加してもよい。その周波数も２００ｋＨｚ以外でもよく、複数の周波数を切り替えて印加したり、周波数や出力をスィープして印加してもよい。
【００３３】
プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、上記実施例で用いた平行平板型の装置の他に、マイクロ波ＣＶＤ装置、ＥＣＲ−ＣＶＤ装置、さらにはヘリコン波プラズマや誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）等の高密度プラズマソースを用いることも可能である。また低圧Ｈｇランプ等のＵＶ光線の利用は原料ガスの解離の促進や、基板ダメージ低減に有用である。またＬＰ−ＣＶＤや常圧ＣＶＤ法を採用することも可能である。この場合には、従来のこれらＣＶＤ装置の基板ステージやガスノズルあるいはＣＶＤチャンバ等に、適宜超音波印加手段を付設して用いてもよい。
【００３４】
前述の各実施例は、Ａｌ系金属配線上の層間絶縁膜を形成する場合について例示したが、他の配線材料層を用いる場合や、最終パッシベーション膜として用いる場合、さらにはトレンチアイソレーション等をボイドの発生なく平坦に埋め込む場合等に適用することもできることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば原料ガスの構成成分である炭素やイオウ等によるコンタミネーションのないＳｉＯＦからなる低誘電率を、実用的なデポジションレートで形成することが可能となる。
したがって、配線間容量による信号遅延が問題となるマイクロプロセッサや高集積度メモリ等の半導体装置を信頼性よく製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１ないし３のプラズマＣＶＤプロセスを説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上に配線層を形成した状態、（ｂ）は低誘電率酸化シリコン系絶縁膜からなる層間絶縁膜を形成した状態である。
【図２】本発明の実施例１ないし３で用いた枚葉式プラズマＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…層間絶縁膜、３…配線層、４…層間絶縁膜
１１…被処理基板、１２…基板ステージ、１３…ヒータ、１４…ガスシャワーヘッド、１５…ガス拡散板、１６…ガス導入孔、１７…ガスリング、１８…ガス排出孔、１９…ＲＦ電源、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…超音波振動印加手段
Claims (4)
- シラン系ガス、酸化性ガス、および希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物を主体とする原料ガスを用いたＣＶＤ法により、被処理基板上にフッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 希ガス原子とフッ素原子から構成される化合物は、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＦ2 およびＮｅＦのうちの少なくともいずれか一種であること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - シラン系ガスは、無機シラン系ガスおよび有機シラン系ガスのうちの少なくともいずれか一種であること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 被処理基板に超音波を印加しつつ、フッ素を含む酸化シリコン系絶縁膜を形成すること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
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