JP3749162B2 - 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、より詳しくは、銅膜を主とする配線上に低誘電率を有する絶縁膜を形成し、或いはバリア絶縁膜を介して低誘電率を有する主絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置の高集積度化、高密度化とともに、データ転送速度の高速化が要求されている。このため、RCディレイの小さい低誘電率を有する絶縁膜(以下、低誘電率絶縁膜と称する。)が用いられている。
【0003】
このような低誘電率絶縁膜を形成するため、一つは、トリメチルシラン(SiH(CH3) 3)とN2Oを用いたプラズマCVD法が知られている。例えば、M.J.Loboda, J.A.Seifferly, R.F.Schneider, and C.M.Grove, Electrochem. Soc. Fall Meeting Abstracts, p.344(1998)等に記載されている。また、テトラメチルシラン(Si(CH3) 4)とN2Oを用いたプラズマ励起CVD法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition法:PE-CVD法)は、例えば、J.Shi, M.A-Plano, T.Mountsier, and S.Nag, SEMICON Korea Technical Symposium 2000, p.279(2000)等に記載されている。
【0004】
その他、塗布法により成膜したSOG膜を用いた例が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、テトラメチルシランその他の有機シランとメタンを用いたCVD法により成膜した絶縁膜では、比誘電率2.3乃至2.8程度が標準的に得られている。しかし、現実には、CVD法により成膜した絶縁膜は平坦化の容易なSOG膜に比べて実用化が遅れている。
【0006】
CVD法による成膜の方がSOG膜と比べて膜質のよい絶縁膜を得ることができるという可能性を有するため、将来的にバリア絶縁膜上の主絶縁膜をCVD法により成膜することが望まれている。そのためには、比誘電率の更なる低減を図ることが必要である。
【0007】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、銅膜を主とする配線を被覆するバリア絶縁膜上に比誘電率を大幅に低減した主絶縁膜を形成することができる半導体装置の製造方法を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第1の発明は、半導体装置の製造方法に係り、成膜ガスをプラズマ化して反応させ、被成膜基板上に低誘電率を有する絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、前記成膜ガスは、シロキサン又はメチルシランのうち何れか一と、酸素含有ガスと、CF4、C26又はC38のうち何れか一であるエッチングガスとを含み、かつ前記エッチングガスにより成膜中の絶縁膜の表面に凹凸を形成しつつ成膜することを特徴とし、
第2の発明は、第1の発明の半導体装置の製造方法に係り、前記成膜ガスは、シロキサン又はメチルシランのうち何れか一、酸素含有ガス、及びエッチングガスの他に、シクロヘキサン又はメチルシクロヘキサンのうち何れか一を含むことを特徴とし、
第3の発明は、第1又は第2の発明の半導体装置の製造方法に係り、前記成膜ガスのうち、前記シロキサンは、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO:(CH3)3Si-O-Si(CH3)3)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS:((CH3)2)4Si4O4
【0009】
【化3】
Figure 0003749162
【0010】
)、又はテトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS:(CH3H)4Si4O4
【0011】
【化4】
Figure 0003749162
【0012】

のうち何れか一であることを特徴とし、
第4の発明は、第1乃至第3の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記酸素含有ガスは、N2O,H2O又はCO2のうち何れか一であることを特徴とし、
第5の発明は、第1乃至第4の発明の何れか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、前記成膜ガスは、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)又は窒素(N2)のうち何れか一を含むものであることを特徴とし、
第6の発明は、第1乃至第5の発明の何れか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、前記低誘電率を有する絶縁膜の比誘電率は2.2乃至2.3であることを特徴とし、
第7の発明は、第1乃至第6の発明の何れか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、前記被成膜基板は、表面に銅膜を主とする配線を被覆するバリア絶縁膜が露出しているものであることを特徴としている。
【0013】
以下に、上記本発明の構成により奏される作用を説明する。
【0014】
成膜ガスをプラズマ化して反応させ、基板上に低誘電率を有する絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、成膜ガスは、シロキサン又はメチルシラン(SiHn(CH3)4-n :n=0,1,2,3)のうち何れか一と酸素含有ガスとを含むほかに、シリコン含有絶縁膜のエッチングガス、例えばCF4、C26又はC38のうち何れか一を含むことを特徴としている。
【0015】
CF4等のようなシリコン含有絶縁膜のエッチングガスを成膜ガスに含ませることにより、シリコン含有絶縁膜の成膜中に堆積とエッチングが同時に起こるため、成膜中のシリコン含有絶縁膜の表面は凸凹してくる。このため、最終的には成膜ガスのみの場合に比べて内部により多くの空孔を有するシリコン含有絶縁膜を形成することができる。従って、このような成膜ガスにより成膜されたシリコン含有絶縁膜ではその比誘電率を大幅に低減させることができる。
【0016】
シロキサン又はメチルシランのうち何れか一と、酸素含有ガスと、エッチングガスとの混合ガスに、さらにシクロヘキサン(C612)又はメチルシクロヘキサン(CH3C6H11)を加えることにより、シリコン含有絶縁膜の多孔性が増加し、シリコン含有絶縁膜の比誘電率を更に低下させることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0018】
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる平行平板型のプラズマ成膜装置101の構成を示す側面図である。
【0019】
このプラズマ成膜装置101は、プラズマガスにより被成膜基板21上に絶縁膜を形成する場所である成膜部101Aと、成膜ガスを構成する複数のガスの供給源を有する成膜ガス供給部101Bとから構成されている。
【0020】
成膜部101Aは、図1に示すように、減圧可能なチャンバ1を備え、チャンバ1は排気配管4を通して排気装置6と接続されている。排気配管4の途中にはチャンバ1と排気装置6の間の導通/非導通を制御する開閉バルブ5が設けられている。チャンバ1にはチャンバ1内の圧力を監視する不図示の真空計などの圧力計測手段が設けられている。
【0021】
チャンバ1内には対向する一対の上部電極2と下部電極3とが備えられ、上部電極2に周波数13.56MHzの高周波電力を供給する高周波電力供給電源(RF電源)7が接続され、下部電極3に周波数380kHzの低周波電力を供給する低周波電力供給電源8が接続されている。これらの電源7、8から上部電極2及び下部電極3に電力を供給して、成膜ガスをプラズマ化する。上部電極2、下部電極3及び電源7、8が成膜ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段を構成する。
【0022】
上部電極2は成膜ガスの分散具を兼ねている。上部電極2には複数の貫通孔が形成され、下部電極3との対向面における貫通孔の開口部が成膜ガスの放出口(導入口)となる。この成膜ガス等の放出口は成膜ガス供給部101Bと配管9aで接続されている。また、場合により、上部電極2には図示しないヒータが備えられることもある。成膜中に上部電極2を温度凡そ100℃程度に加熱することにより、成膜ガス等の反応生成物からなるパーティクルが上部電極2に付着するのを防止するためである。
【0023】
下部電極3は被成膜基板21の保持台を兼ね、また、保持台上の被成膜基板21を加熱するヒータ12を備えている。
【0024】
成膜ガス供給部101Bには、シロキサンの供給源と、メチルシラン(SiHn(CH3)4-n :n=0,1,2,3)の供給源と、酸素含有ガスの供給源と、シクロヘキサン(C612)又はメチルシクロヘキサン(CH3C6H11)のうち何れか一の供給源と、エッチングガスの供給源と、希釈ガスの供給源と、希釈ガス又はパージガスである窒素(N2)の供給源とが設けられている。
【0025】
これらのガスは適宜分岐配管9b乃至9j及びこれらすべての分岐配管9b乃至9jが接続された配管9aを通して成膜部101Aのチャンバ1内に供給される。分岐配管9b乃至9hの途中に流量調整手段11a乃至11gや、分岐配管9b乃至9hの導通/非導通を制御する開閉手段10b乃至10n、10pが設置され、配管9aの途中に配管9aの閉鎖/導通を行う開閉手段10aが設置されている。
【0026】
また、N2ガスを流通させて分岐配管9b乃至9f内の残留ガスをパージするため、N2ガスの供給源と接続された分岐配管9hとその他の分岐配管9b乃至9fの間の導通/非導通を制御する開閉手段10q乃至10uが設置されている。なお、N2ガスは分岐配管9b乃至9h内のほかに、配管9a内及びチャンバ1内の残留ガスをパージする。他に、希釈ガスとして用いることもある。
【0027】
以上のような成膜装置101によれば、シロキサンの供給源と、酸素含有ガスの供給源と、エッチングガスの供給源とを備え、さらに成膜ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段2、3、7、8を備えている。
【0028】
これにより、下記の実施の形態に示すように、プラズマCVD法により低い誘電率を有する絶縁膜を形成することができる。
【0029】
そして、プラズマ生成手段として、例えば平行平板型の第1及び第2の電極2、3によりプラズマを生成する手段があり、第1及び第2の電極2、3にそれぞれ高低2つの周波数の電力を供給する電源7、8が接続されている。従って、これら高低2つの周波数の電力をそれぞれ各電極2、3に印加してプラズマを生成することができる。
【0030】
上部電極2及び下部電極3への電力印加の組み合わせは、以下の通りである。即ち、下部電極に周波数100kHz以上、1MHz未満の低周波電力を印加するか、上部電極に1MHz以上の高周波電力を印加するか、又は下部電極に低周波電力を印加し、かつ上部電極に高周波電力を印加する。
【0031】
次に、本発明が適用される成膜ガスであるシロキサン、メチルシラン、エッチングガス、酸素含有ガス、及び希釈ガスについては、代表例として以下に示すものを用いることができる。
【0032】
(i)シロキサン
ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO:(CH3)3Si-O-Si(CH3)3
オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS:((CH3)2)4Si4O4
【0033】
【化5】
Figure 0003749162
【0034】
)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS:(CH3H)4Si4O4
【0035】
【化6】
Figure 0003749162
【0036】
)、(ii)メチルシラン(SiHn(CH3)4-n:n=0,1,2,3)
モノメチルシラン(SiH3(CH3))
ジメチルシラン(SiH2(CH3)2
トリメチルシラン(SiH(CH3)3
テトラメチルシラン(Si(CH3)4
(iii)エッチングガス
NF3
CF4
26
38
(iv)酸素含有ガス
一酸化窒素(N2O)
水(H2O)
炭酸ガス(CO2
(v)希釈ガス
ヘリウム(He)
アルゴン(Ar)
窒素(N2
次に、図2(a)乃至(d)を参照して、本発明の実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する。図2(a)乃至(d)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0037】
成膜ガスとしてHMDSO+N2O+NF3+Heを用いたプラズマ励起CVD法(PECVD法)により、下部配線34が埋め込まれた下部配線埋込絶縁膜32と上部配線38が埋め込まれた上部配線埋込絶縁膜36との間に挟まれた配線層間絶縁膜35を成膜する方法に適用する。
【0038】
成膜条件を以下に示す。なお、成膜においては、ガス導入から成膜開始(プラズマ励起)までのチャンバ内のガスの置換に必要な時間(安定化期間)を1分30秒間とり、上部電極への反応生成物の付着を防止するため上部電極を100℃で加熱している。
【0039】
成膜条件
成膜ガス
HMDSO流量:50 SCCM
2O流量 :200 SCCM
NF3流量 :200 SCCM
He流量 :400 SCCM
ガス圧力 :1.5 Torr
プラズマ励起条件
下部電極
低周波電力(周波数380kHz):0W
上部電極
高周波電力(周波数13.56MHz):250W
基板加熱条件:375℃
まず、図2(a)に示すように、プラズマCVD法により、基板31上に、膜厚約1μmのPE-CVD SiO2膜からなる配線埋込絶縁膜32を形成する。
【0040】
続いて、配線埋込絶縁膜32をエッチングして配線溝33を形成した後、配線溝33の内面に銅拡散防止膜としてTaN膜34aを形成する。次いで、TaN膜34a表面に図示しない銅シード層をスパッタ法により形成した後、メッキ法により銅膜を埋め込む。CMP法(Chemical Mechanical Polishing 法)により、配線溝33から突出した銅膜及びTaN膜を研磨して表面を平坦化する。これにより、銅膜34b及びTaN膜34aからなる下部配線34が形成される。
【0041】
次に、プラズマCVD法によりPE-CVD SiO2膜からなるバリア絶縁膜と、HMDSO+N2O+NF3+Heを用いたプラズマCVD法によりPE-CVD SiO2膜からなる配線層間絶縁膜35とを形成する。以下にその詳細を説明する。
【0042】
即ち、配線層間絶縁膜35を形成するには、まず、基板31を成膜装置101のチャンバ1内に導入し、基板保持具3に保持する。続いて、基板31を加熱し、温度375℃に保持する。続いて、HMDSOを流量50sccmで、N2Oガスを流量200sccmで、Heガスを流量400sccmで、図1に示すプラズマ成膜装置101のチャンバ1内に流入し、チャンバ1内のガス圧力を1.5Torrに調整する。続いて、下部電極3に周波数380kHzの高周波電力150W(0.18W/cm2に相当)を印加する。但し、上部電極2には適当な電力を印加してもよいし、印加しなくてもよい。
【0043】
これにより、成膜ガスがプラズマ化して反応する。この状態を所定の時間保持して、膜厚約100nmのPE-CVD SiO2膜からなるバリア絶縁膜35aを形成する。以上が被成膜基板21を構成する。
【0044】
次いで、基板21の温度375℃に保持した状態で、HMDSOを流量50sccmで、N2Oガスを流量200sccmで、NF3を流量200sccmで、Heガスを流量400sccmで、チャンバ1内に導入し、圧力を1.5Torrに保持する。続いて、上部電極2に周波数13.56MHzの高周波電力250W(0.3W/cm2に相当)を印加する。但し、下部電極3には電力を印加しない。
【0045】
これにより、HMDSOとN2OとNF3とHeがプラズマ化する。この状態を40秒間保持して、膜厚凡そ500nmのPE-CVD SiO2膜からなる主絶縁膜35bを形成する。この場合、成膜ガスはNF3等のようなシリコン含有絶縁膜のエッチングガスを含むので、成膜中に堆積とエッチングが同時に起こる。このため、成膜中のシリコン含有絶縁膜の表面は凸凹してくる。これにより、最終的には成膜ガスのみの場合に比べて内部により多くの空孔を有するシリコン含有絶縁膜を形成することができ、その比誘電率を大幅に低減させることができる。実験によれば、比誘電率2.2乃至2.3が得られた。
【0046】
以上により、バリア絶縁膜35aと主絶縁膜35bとからなる膜厚約600nmの配線層間絶縁膜35が形成される。
【0047】
次いで、配線層間絶縁膜35上にPE-CVD SiO2膜32を形成したときと同じ方法により膜厚約1μmのPE-CVD SiO2膜からなる配線埋込絶縁膜36を形成する。
【0048】
次に、よく知られたデュアルダマシン法により銅膜を主とする接続導体37と上部配線38を形成する。なお、図中、符号37a、38aはTaN膜であり、符号37b、38bは銅膜である。
【0049】
次に、バリア絶縁膜35aを形成したときと同じ条件で、全面にバリア絶縁膜39を形成する。これにより、半導体装置が完成する。
【0050】
以上のように、この発明の実施の形態によれば、配線層間絶縁膜35の低誘電率を有する主絶縁膜35bの成膜ガスとして、シロキサン又はメチルシラン(SiHn(CH3)4-n :n=0,1,2,3)のうち何れか一と酸素含有ガスとを含むほかに、シリコン含有絶縁膜のエッチングガスであるNF3を含むものを用いている。
【0051】
成膜ガス中に混入したシリコン含有絶縁膜のエッチングガスにより、内部により多くの空孔を有するシリコン含有絶縁膜を形成することができ、その比誘電率を大幅に低減させることができる。
【0052】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【0053】
実施の形態で用いたHMDSOの代わりに、他のシロキサンを用いることができる。またシロキサンの代わりに、メチルシラン(SiHn(CH3)4-n:n=0,1,2,3)を用いることができる。メチルシランの種類は既に説明しているので、ここでは省略する。
【0054】
また、成膜ガスは、メチルシクロヘキサン(CH3C6H11)又はシクロヘキサン(C6H12)のうち何れか一を含むものでもよい。これにより、膜の多孔性が増加し、誘電率を更に低下させることができる。
【0055】
また、成膜ガスは、ヘリウム(He)の代わりに、アルゴン(Ar)又は窒素(N2)のうち何れか一を含む不活性ガスを加えてもよい。これにより、成膜の所謂白濁を防止することができる。
【0056】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、成膜ガスをプラズマ化して、低比誘電率を有するシリコン含有絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、その成膜ガスとして、シロキサン又はメチルシラン(SiHn(CH3)4-n :n=0,1,2,3)のうち何れか一と酸素含有ガスのほかに、シリコン含有絶縁膜のエッチングガスを含むものを用いている。
【0057】
CF4等のようなシリコン含有絶縁膜のエッチングガスを成膜ガスに含ませることにより、成膜中に堆積とエッチングが同時に起こり、成膜中のシリコン含有絶縁膜の表面は凸凹してくるため、最終的には成膜ガスのみの場合に比べて内部により多くの空孔を有するシリコン含有絶縁膜を形成することができる。
【0058】
従って、シリコン含有絶縁膜のエッチングガスを含む成膜ガスにより成膜されたシリコン含有絶縁膜ではその比誘電率を大幅に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態である半導体装置の製造方法に用いられるプラズマ成膜装置の構成を示す側面図である。
【図2】(a)乃至(d)は、本発明の実施の形態である半導体装置及びその製造方法について示す断面図である。
【符号の説明】
1 チャンバ
2 上部電極
3 下部電極
4 排気配管
5 バルブ
6 排気装置
7 高周波電力供給電源(RF電源)
8 低周波電力供給電源
9a 配管
9b〜9h 分岐配管
10a〜10n,10p〜10u 開閉手段
11a〜11g 流量調整手段
12 ヒータ
21 被成膜基板
31 基板
32 下部配線埋込絶縁膜(PE-CVD SiO2膜)
33 配線溝
34 下部配線
34a、37a、38a TaN膜
34b、37b、38b 銅膜
35 配線層間絶縁膜
35a、39 バリア絶縁膜(PE-CVD SiO2膜)
35b 主絶縁膜(PE-CVD SiO2膜)
36 上部配線埋込絶縁膜(PE-CVD SiO2膜)
37 接続導体
38 上部配線
101 成膜装置
101A 成膜部
101B 成膜ガス供給部

Claims (7)

  1. 成膜ガスをプラズマ化して反応させ、被成膜基板上に低誘電率を有する絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、
    前記成膜ガスは、シロキサン又はメチルシランのうち何れか一と、酸素含有ガスと、CF 4 、C 2 6 又はC 3 8 のうち何れか一であるエッチングガスとを含み、かつ前記エッチングガスにより成膜中の絶縁膜の表面に凹凸を形成しつつ成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記成膜ガスは、前記シロキサン又はメチルシランのうち何れか一、前記酸素含有ガス、及び前記エッチングガスの他に、シクロヘキサン又はメチルシクロヘキサンのうち何れか一を含む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。
  3. 前記成膜ガスのうち、前記シロキサンは、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO:(CH3)3Si-O-Si(CH3)3)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS:((CH3)2)4Si4O4
    【化1】
    )、
    Figure 0003749162
    又はテトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS:(CH3H)4Si4O4
    【化2】

    Figure 0003749162
    のうち何れか一であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記酸素含有ガスは、N2O,H2O又はCO2のうち何れか一であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記成膜ガスは、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)又は窒素(N2)のうち何れか一を含むものであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記低誘電率を有する絶縁膜の比誘電率は2.2乃至2.3であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記被成膜基板は、表面に銅膜を主とする配線を被覆するバリア絶縁膜が露出しているものであることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
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