JP3675958B2

JP3675958B2 - 耐湿性絶縁膜の形成方法及び層間絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JP3675958B2
Application number: JP16531096A
Authority: JP
Inventors: 正行飯島; 禎之浮島; 昌敏佐藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09326389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体装置の層間絶縁膜に用いられる低比誘電率の絶縁膜に関し、特に、蒸着重合を利用した高分子膜の耐湿性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の層間絶縁膜としては、回転塗布法によるＳＯＧ（Spin on Glass)膜やＣＶＤ法（化学蒸着法：Chemical Vapor Deposition)によるＳｉＯ₂膜が主に用いられている。これらの方法によって形成された層間絶縁膜の比誘電率は約４となるが、最近はＬＳＩの高集積化の進展により層間絶縁膜の低比誘電率化が大きな課題とされており、比誘電率が４以下の層間絶縁膜が要求されるようになっている。
【０００３】
このような要求に対しては、近年、プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ₂ 膜にフッ素を添加したＳｉＯＦ膜が提案されており、この膜によれば層間絶縁膜の比誘電率を３．７〜３．２程度に抑えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来技術においては、次のような問題があった。
すなわち、回転塗布法によるＳＯＧ膜は、有機溶媒を除去するために４００℃近傍の温度でベークし脱水重合反応させて形成することから、有機溶媒や水が発生するなどの課題がある。
【０００５】
また、上述のプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＦ膜は、このＳＯＧ膜のような問題はなく低比誘電率化を達成しうるが、膜の形成方法や成膜条件によって膜特性が大きく異なったり、膜中のフッ素の脱離や吸湿性が大きいといった膜の不安定性により誘電率を悪化させてしまう問題が指摘されており、将来の低比誘電率材料としての応用は難しい状況にある。
【０００６】
その一方、近年、真空中で原料モノマーを蒸発させ、基体上で蒸着重合させることにより低比誘電率の高分子膜を形成する方法が提案されているが、かかる方法により形成した高分子膜においては、耐湿性の点で問題点が指摘されている。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、比誘電率が低く、かつ、簡易な工程で耐湿性に優れた絶縁膜が得られる耐湿性絶縁膜の形成方法及び層間絶縁膜の形成方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、原料モノマーの蒸着重合により形成した高分子膜に密着する無機絶縁性の薄膜を形成することにより、高分子膜の耐湿性を向上しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
かかる知見に基づいてなされた本発明は、真空中で原料モノマーを蒸発させ、基体上で蒸着重合させて高分子膜を形成する工程と、該高分子膜に密着する無機絶縁性薄膜を形成する工程とを有し、蒸着重合させる当該高分子重合体が芳香族ポリイミドであり、前記原料モノマーとして、 2,2 ′ - ビス [4-(4- アミノフェノキシ ) フェニル ] プロパン ( ＢＡＰＰ）と、二無水ピロメリト酸を用いることを特徴とする。
【００１０】
無機絶縁性薄膜は、高分子膜の上層又は下層のどちらに形成してもよく、また、高分子膜の上層と下層の両方に形成することもできる。
【００１１】
本発明の場合、無機絶縁性薄膜を形成するための無機絶縁物としてＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＯＮを用いることも効果的である。
【００１２】
無機絶縁性薄膜を形成する方法としては、真空蒸着やプラズマＣＶＤ等を用いることができる。
【００１３】
また、本発明においては、蒸着重合によって形成された膜に対し、半導体装置を作製する際の最高温度より高い温度で熱処理を行うこともできる。これは、その後の半導体装置の製造プロセスにおける高分子成分の分解を防ぐために有効である。
【００１４】
例えば、４００℃程度の温度で、３０分程度の熱処理を行うとよい。この場合、処理雰囲気は、大気又は真空中のどちらでもよい。
【００１５】
一方、本発明は、金属配線が形成された半導体基体上に、上述の方法によって耐湿性絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする層間絶縁膜の形成方法である。
【００１６】
真空中でジアミンとジイソシアナート等の原料モノマーを蒸発させ、基体上で蒸着重合させて熱処理を行うと、低比誘電率の高分子膜が得られる。その一方、ＳｉＯ₂等の無機絶縁物は、耐湿性の点で優れた特性を有している。
【００１７】
そこで、本発明のように、真空中で原料モノマーとして、 2,2 ′ - ビス [4-(4- アミノフェノキシ ) フェニル ] プロパン ( ＢＡＰＰ ) と、二無水ピロメリト酸を蒸発させ、基体上で蒸着重合させて形成した芳香族ポリイミド膜に密着する無機絶縁性薄膜を、比誘電率が大きくならない程度の膜厚、例えば１００ｎｍ以下の膜厚で形成すれば、低比誘電率の絶縁膜において耐湿性を向上させることができる。
【００１８】
この場合、無機絶縁性薄膜を形成するための無機絶縁物としてＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＯＮを用いる場合には、より一層耐湿性が向上する。
【００１９】
一方、本発明のように、金属配線が形成された半導体基体上に、上述の方法によって耐湿性絶縁膜を形成すれば、比誘電率が低く、かつ、耐湿性に優れた層間絶縁膜が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明を実施するための成膜装置の一例を示す概略構成図である。
図１に示すように、この装置においては、第１及び第２の処理室１、２が設けられ、これら第１及び第２の処理室１、２は、ゲートバルブ３を介して連結されている。なお、第１及び第２の処理室１、２は、図示しない真空ポンプ等の真空排気系に連結されている。
【００２２】
第１の処理室１内には、処理すべき基板４が基板ホルダー５によって保持される。この基板ホルダー５は、第１の処理室１の外部に貫通して配置される搬送アーム６の先端部６ａに取り付けられている。この搬送アーム６は、搬送モータ７の回転に伴って水平方向に移動自在となるように構成されている。すなわち、搬送モータ７のシャフト８にネジ部が形成される一方、搬送アーム６の先端部６ａにもネジ部が形成され、これらの噛み合いによって搬送アーム６が矢印方向に移動して基板４が第２の処理室２に入り込むように構成される。
【００２３】
また、第１の処理室１の下方には、エレクトロンビーム加熱源９が配置される。このエレクトロンビーム加熱源９は、マルチタイプの蒸発源で、概略、エレクトロンビーム源９ａと、基部９ｂと、蒸発部９ｃとから構成される。蒸発部９ｃは基部９ｂに対して回転可能に取り付けられ、その凹部に複数の蒸発材料１０ａ、１０ｂ（例えば、アルミニウム、ＳｉＯ₂等）が載置される。そして、エレクトロンビーム源９ａから射出されたエレクトロンビームＥＢが偏向磁場によって偏向され、蒸発部９ｃの回転により蒸発材料１０ａ、１０ｂののいずれかに到達するように構成される。
【００２４】
さらに、基板４とエレクトロンビーム加熱源９との間には、シャッター１１が設けられ、このシャッター１１の近傍には、基板４上に形成される薄膜の膜厚を検出するための膜厚モニター１２が設けられている。
【００２５】
一方、第２の処理室２の下方には、ポリ尿素膜、ポリイミド膜等を形成するため、２種類の原料モノマーの蒸発源１３Ａ、１３Ｂが配置される。各蒸発源１３Ａ、１３Ｂのハウジング１４Ａ、１４Ｂ内には、それぞれ蒸発用容器１５Ａ、１５Ｂが設けられる。そして、各蒸発用容器１５Ａ、１５Ｂの内部には、原料モノマーＡ、Ｂがそれぞれ注入され、さらに、各蒸発用容器１５Ａ、１５Ｂの近傍には、各原料モノマーＡ、Ｂを加熱するためのヒータ１６Ａ、１６Ｂが設けられる。また、各蒸発源１３Ａ、１３Ｂの間には、原料モノマーＡ、Ｂ同士の蒸気の混合を防止するとともに、互いの熱の影響を防止するための仕切板１７が配置される。
【００２６】
また、蒸発源１３Ａ、１３Ｂの上方には、シャッター１８が設けられ、このシャッター１８の近傍には、膜厚モニター１２がそれぞれ設けられている。
【００２７】
この装置を用いて基板４上に耐湿性絶縁膜を形成する場合には、ゲートバルブ３を開け、モーター７を回転させて基板４を処理室２に搬送する。そして、シャッター１８を閉じた状態で第２の処理室２内の圧力を所定の値に設定し、膜圧モニター１２で各原料モノマーＡ、Ｂの蒸発量を測定しながらヒーター１６Ａ、１６Ｂによって各原料モノマーＡ、Ｂを所定の温度に加熱する。
【００２８】
次いで、各原料モノマーＡ、Ｂが所定の温度に達して所要の蒸発量が得られた後に、シャッター１８を開き、所定の析出速度で基板４上に膜を蒸着し、堆積させた後にシャッター１８を閉じる。
【００２９】
その後、第２の処理室２から基板４を取り出して熱処理を行い、上記蒸着膜の架橋反応と高分子量化を行う。この場合、熱処理の条件は、温度が４００℃程度、時間は３０分程度で行う。また、処理雰囲気は、大気又は真空中のどちらでもよい。
【００３０】
さらに、再び基板４を第１の処理室１内に搬送し、エレクトロンビーム加熱源９によって無機絶縁物であるＳｉＯ₂を加熱して蒸発させ、膜厚モニター１２で蒸発速度を制御しながら基板４上に厚みが５０ｎｍ程度のＳｉＯ₂膜を蒸着する。
【００３１】
このような本実施の形態によれば、比誘電率が低く、かつ、耐湿性に優れた絶縁膜を得ることができる。
【００３２】
図２(ａ)〜(ｅ)は、本発明に係る耐湿性絶縁膜を用いて半導体装置の層間絶縁膜を形成する工程の一例を示すものである。
まず、図２(ａ)に示すように、半導体基板２０と、この半導体基板２０表面に形成され、所定の位置に窓開けがされたシリコン熱酸化膜２１と、その上に成膜され、パターニングが施された第１層目の配線２２とを有する例えばＳｉからなる基板３１を用意する。
【００３３】
この基板３１の表面に、上述したように蒸着重合により所望の厚みに全面成膜して蒸着膜を形成する。そして、熱処理を行って蒸着膜の架橋反応と高分子量化を行い、高分子膜２３ａを形成する。その後、高分子膜２３ａの表面に、上述の方法によって例えばＳｉＯ₂による無機絶縁性薄膜２３ｂを全面成膜し、層間絶縁膜２３とする(図２(ｂ))。
【００３４】
次いで、その層間絶縁膜２３の表面に所定のパターニングが施されたレジスト膜２５を形成し(図２(ｃ))、ドライエッチングを行ってレジスト膜２５の窓開け部分に露出した層間絶縁膜２３を除去する(図２(ｄ))。そして、上述のレジスト膜２５を除去した後、配線薄膜を全面成膜し、パターニングを施して第２層目の配線２６を形成する。すると、層間絶縁膜２３が除去された窓開け部分２７で、第１層目の配線２２と第２層目の配線２６とが電気的に接続され、その結果、多層配線を有する半導体装置３５を得ることができる(図２(ｅ))。
【００３５】
本実施の形態によれば、低比誘電率化した絶縁膜によって層間絶縁膜２３を構成しているので、第１層目の配線２２と第２層目の配線２６との間で形成されるコンデンサーの容量が小さくなり、半導体装置３５の動作速度を向上させることが可能になる。しかも、本実施の形態によれば、層間絶縁膜２３の耐熱性を向上させることができるので、安定した特性を有する半導体装置３５を得ることができる。
【００３６】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
【００３７】
例えば、上述の実施の形態においては、高分子膜を形成した後、その表面に無機絶縁性薄膜を形成するようにしたが、本発明はこれに限られず、無機絶縁性薄膜を形成した後、その表面に高分子膜を形成することもできる。また、高分子膜の上層と下層の両方に無機絶縁性薄膜を形成することもできる。
【００３８】
さらに、蒸着重合による高分子膜上に形成する無機絶縁性薄膜としては、ＳｉＯ₂の他、ＳｉＮやＳｉＯＮ等を用いることもできる。
【００３９】
さらにまた、本発明は層間絶縁膜のみならず、種々の絶縁膜に適用しうるものである。
【００４０】
以下、本発明の効果を確認するための参考例を比較例とともに説明する。
【００４１】
図１に示す成膜装置を用いて基板４上に耐湿性絶縁膜を形成した。
まず、基板ホルダー５に、長さ７６ｍｍ×幅２６ｍｍ×厚み１．０ｍｍの例えばコーニング＃７０５９からなる基板４を取り付け、第１の処理室１において、蒸発材料１０であるアルミニウムを７のエレクトロンビーム（Ｅ／Ｂ）加熱により蒸発させ、膜厚モニター１２で蒸発速度を制御しながら基板４上に１０００ｎｍとなるように蒸着して下部電極を形成する。この場合、ゲートバルブ３は閉じておき、基板４の温度は２０℃に保ち、蒸着中の第１の処理室１内の圧力を３×１０^-3 Ｐａとした。
【００４２】
次に、ゲートバルブ３を開け、モーター７を回転させて基板４を第２の処理室２に搬送し、基板４上において蒸着重合を行う。この場合、原料モノマーＡ、Ｂとしては、ポリ尿素膜を形成するための原料モノマーである、4,4′-ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と、4,4′-ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用い、高真空中（３×１０^-3Ｐａ）においてＭＤＡは１００．０±０．１℃で、ＭＤＩについては７０．５±０．１℃の温度で蒸発させ、膜厚モニター１２Ａ、１２Ｂにより各原料モノマーの蒸発速度を制御した。
【００４３】
なお、本参考例の場合、ＭＤＡとＭＤＩの組成比が化学量論比で１：１となるように制御した。
【００４４】
その後、基板４を装置から取り出して熱処理を行い、蒸着膜の架橋反応と高分子量化を行った。この場合、熱処理の温度は４００℃とした。この時点におけるポリ尿素膜の膜厚は５００ｎｍであった。
【００４５】
かかる熱処理後、再び基板４を第１の処理室１内に搬送し、エレクトロンビーム加熱源９によって無機絶縁物であるＳｉＯ２を加熱して蒸発させ、膜厚モニター１２で蒸発速度を制御しながら基板４上のポリ尿素膜上に厚み５０ｎｍのＳｉＯ₂膜を蒸着し、さらに、このＳｉＯ₂膜に対して上述の下部電極の場合と同様の条件でアルミニウムを蒸着し、上部電極を形成して比誘電率測定用の素子を作成した。
【００４６】
この参考例の素子の比誘電率を測定したところ、２．９５であった。この場合、比誘電率の値は、横河ヒューレットパッカード社製のマルチ・フリケンシＬＣＲメータ（モデル４２７５Ａ）を使用して静電容量Ｃを測定し、計算によって求めた。
【００４７】
一方、比較例として、参考例と同様の方法によって下部電極上にポリ尿素膜のみを形成し、さらにその上に上部電極を形成して、比誘電率測定用の素子を作成した。この素子について参考例と同様の方法によりポリ尿素膜の比誘電率を測定したところ、２．８であった。
【００４８】
さらに、参考例の素子と比較例の素子を大気中に１週間放置したところ、比較例の素子は吸湿により１〜１．５％の容量変化が観測されたが、参考例の素子は０．１％しか容量変化が観測されなかった。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、比誘電率が低く、かつ、耐湿性に優れた絶縁膜を得ることができる。
【００５０】
この場合、無機絶縁薄膜を形成するための無機絶縁物としてＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＯＮを用いることにより、より一層耐湿性の高い絶縁膜を形成することができる。
【００５１】
一方、本発明のように、金属配線が形成された半導体基体上に、上述の方法によって耐湿性絶縁膜を形成することにより、比誘電率が低く、かつ、耐湿性に優れた層間絶縁膜を容易に形成することができる。したがって、本発明を用いて多層配線の層間絶縁膜を形成すれば、動作速度が大きく、かつ、安定した特性を有する半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための成膜装置の一例の概略構成図
【図２】本発明に係る耐湿性絶縁膜を用いて半導体装置の層間絶縁膜を形成する工程の一例を示す工程図
【符号の説明】
１…第１の処理室１、２…第２の処理室２、ゲートバルブ、４…基板、５…基板ホルダー、９…エレクトロンビーム加熱源、９ａ…エレクトロンビーム源、９ｂ…基部、９ｃ…蒸発部、１０ａ、１０ｂ…蒸発材料（アルミニウム又はＳｉＯ₂）、１２…膜厚モニター、１３Ａ、１３Ｂ…蒸発源、１５Ａ、１５Ｂ…蒸発用容器、１６Ａ、１６Ｂ…ヒーター、１８…シャッター、２０…半導体基板、２１…シリコン熱酸化膜、２２…配線、２３…層間絶縁膜、２３ａ…高分子膜、２３ｂ…無機絶縁性薄膜、２５…レジスト膜、２６…配線、３１…基板、３５…半導体装置、Ａ、Ｂ…原料モノマー、ＥＢ…エレクトロンビーム

Claims

真空中で原料モノマーを蒸発させ、基体上で蒸着重合させて高分子膜を形成する工程と、該高分子膜に密着する無機絶縁性薄膜を形成する工程とを有し、蒸着重合させる当該高分子重合体が芳香族ポリイミドであり、前記原料モノマーとして、 2,2 ′ - ビス [4-(4- アミノフェノキシ ) フェニル ] プロパン ( ＢＡＰＰ）と、二無水ピロメリト酸を用いることを特徴とする耐湿性絶縁膜の形成方法。
無機絶縁性薄膜を形成するための無機絶縁物がＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＯＮであることを特徴とする請求項１記載の耐湿性絶縁膜の形成方法。
金属配線が形成された半導体基体上に、請求項１又は２のいずれか１項記載の方法によって耐湿性絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする層間絶縁膜の形成方法。