JP4112702B2

JP4112702B2 - 成膜装置

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Publication number: JP4112702B2
Application number: JP25829098A
Authority: JP
Inventors: 正行飯島; 昌敏佐藤; 禎之浮島
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000087224A

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性の絶縁膜を形成するための成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の層間絶縁膜としては、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。この方法によって形成された層間絶縁膜の比誘電率は一般に４．０以上となるが、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膜やＣ₄Ｆ₈などのガスを原料にしたプラズマ重合によるフッ素アモルファスカーボン膜等が提案されており、特に後者のフッ素アモルファスカーボン膜によれば層間絶縁膜の比誘電率を２．５以下に抑えることができる。
【０００４】
さらに、本発明者等の研究により、蒸着重合法で作成した種々の高分子膜が２．５以下の比誘電率を実現しうることも見い出されている。
【０００５】
【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、上述のプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＦ膜及びプラズマ重合法によるフッ素アモルファスカーボン膜は、従来のプラズマＣＶＤ用の成膜装置を用いて作成できるとともに低比誘電率化が達成できる反面、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】
一方、従来の蒸着重合法による成膜装置においては、基板上における膜厚分布を均一にすることが困難であるとともに、各モノマーを処理室に導入する位置によって基板上におけるモノマーの組成比がばらつくという問題があった。
【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、その目的とするところは、蒸着重合法を用いて、モノマーの組成分布が均一で、かつ、均一な膜厚分布の低比誘電率の層間絶縁膜を形成しうる成膜装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた本発明は、基体に対して成膜処理を行うための複数の処理室を有する成膜装置であって、上記複数の処理室のうちの少なくとも一つが蒸着重合用の処理室であり、この蒸着重合用の処理室に、下方に向って内部空間が広がるように形成され蒸着重合の原料モノマーの気体をその上部から導入して混合するモノマー混合部と、該モノマー混合部の下部において基体保持部に保持された基体に対して成膜処理を行う処理槽と、上記モノマー混合部において混合された原料モノマーの気体を上記基体の表面に供給するモノマー供給手段とが設けられ、上記モノマー供給手段が、上記モノマー混合部と上記基体保持部との間において複数の吹き出し口を有するモノマー吹き付け部材を備えていることを特徴とする。
本発明では、上記モノマー吹き付け部材の吹き出し口の形状を同心円状とすることもできる。
本発明では、上記モノマー吹き付け部材の吹き出し口の形状を多数の小径の孔形状とすることもできる。
本発明では、上記モノマー吹き付け部材を基体の温度より高い温度に加熱可能に構成することもできる。
【０００９】
本発明の場合、蒸着重合用の処理室にモノマー混合部を設けたことによって、原料モノマーの気体が十分に混合された状態で基体に供給されるため、モノマーの組成分布が均一で、かつ、均一な膜厚分布の高分子膜を基体上に形成することができる。その結果、本発明によれば、比誘電率が均一で各部分の電気容量が均一な絶縁膜を形成することが可能になる。
また、本発明では、蒸着重合用の処理室に、モノマー混合部において混合された原料モノマーの気体を基体の表面に供給するモノマー供給手段が設けられ、モノマー混合部と上記基体保持部との間において複数の吹き出し口を有するモノマー吹き付け部材を備えているていることから、簡単な構成で原料モノマーを均一に基体の表面に供給して、基体上における膜厚分布及びモノマーの組成分布の均一性を高めることが可能になる。
本発明において、モノマー混合部が、基体の温度より高い温度に加熱可能に構成されている場合には、原料モノマーがモノマー混合部の内面に付着した場合に再び蒸発して第１の処理室内に放出されるため、基体上において効率良く原料モノマーを堆積させて成膜を行うことが可能になる。
本発明において、モノマー供給手段が、基体の温度より高い温度に加熱可能に構成されている場合には、原料モノマーがモノマー供給手段に付着した場合に再び蒸発して第１の処理室内に放出されるため、基体上において効率良く原料モノマーを堆積させて成膜を行うことが可能になる。
【００１０】
【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。
図１（ａ）は、本発明に係る成膜装置の一例の概略構成を示すものである。
図１（ａ）に示すように、この成膜装置１は、マルチチャンバー方式の枚葉式の装置であり、図示しない搬送ロボットが組み込まれているコア室２の周囲に、Ｓｉウェハー等の基板（基体）８の出し入れを行うためのＬ／ＵＬ（ロード／アンロード）室３と、蒸着重合を行うための第１の処理室４と、加熱処理を行うための第２の処理室５と、アルミニウム等のスパッタリングを行うための第３の処理室６とが配置され、これらはすべて図示しないゲートバルブを介して連結されている。また、これらコア室２、Ｌ／ＵＬ室３、第１〜第３の処理室４〜６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。
ここで、コア室２内に配置されるロボットによって、Ｌ／ＵＬ室３から第１〜第３の処理室４〜６へ基板８を自由に搬送できるようになっている。
【００１１】
図１（ｂ）は、第１の処理室４の概略構成を示すものである。
図１（ｂ）に示すように、第１の処理室４は、その上部に取り付けられた導入管４１Ａ、４１Ｂを介して２種類の蒸発源４０Ａ、４０Ｂに接続されている。ここで、各蒸発源４０Ａ、４０Ｂは、ハウジング４２Ａ、４２Ｂと、各ハウジング４２Ａ、４２Ｂ内に収容された蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂとから構成される。そして、各蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂの内部には、ポリイミドを形成するための原料モノマーＡ、Ｂ（例えば、4,4′-ジアミノジフェニルエーテル(ＯＤＡ)と、ピロメリト酸二無水物(ＰＭＤＡ)）がそれぞれ注入されている。
また、各蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂ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ー４４Ａ、４４Ｂが設けられている。
【００１２】
一方、各導入管４１Ａ、４１Ｂの周囲にはヒーター４６が巻き付けられ、これによって原料モノマーＡ、Ｂの温度を所定の温度に制御できるように構成されている。また、各導入管４１Ａ、４１Ｂの途中には、各原料モノマーＡ、Ｂの供給量を調整するためのバルブ４５Ａ、４５Ｂが設けられている。
【００１３】
図１（ｂ）に示すように、第１の処理室４は、導入管４１Ａ、４１Ｂを介して導入される各原料モノマーＡ、Ｂの蒸気（気体）１０Ａ、１０Ｂを混合するための混合槽（モノマー混合部）４ａと、基板８に対して成膜処理を行うための処理槽４ｂとから構成されている。
【００１４】
ここで、混合槽４ａの上部には、上述した導入管４１Ａ、４１Ｂが接続されている。また、混合槽４ａは下方に向って内部空間が広がるように形成され、その内壁には、導入された原料モノマーＡ、Ｂの蒸気を加熱及び拡散するためのヒーター４８が設けられている。このヒーター４８は、例えば直流電源等を含む温度制御手段７に接続され、少なくとも基板８の温度より５０℃以上高い温度に加熱されるようになっている。
【００１５】
一方、処理槽４ｂは混合槽４ａの下部に気密一体的に形成され、その下部には、基板８を支持するためのサセプタ（基体保持部）４７が設けられている。このサセプタ４７の内部には図示しないヒーター及び冷媒循環路が設けられ、これにより基板８を所定の温度（５０℃以下）に加熱又は冷却できるようになっている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、第１の処理室４の混合槽４ａと処理槽４ｂとの間には、混合槽４ａにおいて混合された原料モノマーＡ、Ｂの蒸気（以下「モノマー混合蒸気」という。）１０ＡＢを基板８に対して均一に吹き付けて供給するためのモノマー吹き付け部材（モノマー供給手段）４９が配設されている。
【００１７】
このモノマー吹き付け部材４９は、例えばＡｌ、Ｃｕ、ＳＵＳ等熱伝導のよい金属製の板状の部材からなり、このモノマー吹き付け部材４９には、モノマー混合蒸気１０ＡＢが通過可能な複数の吹き出し口が形成されている。
【００１８】
また、このモノマー吹き付け部材４９の内部には図示しないヒーターが設けられ、このヒーターは上述した温度制御手段に接続されている。そして、これによりモノマー吹き付け部材４９は、ヒーター４８と同様に、少なくとも基板８の温度より５０℃以上高い温度に加熱されるようになっている。
【００１９】
図２（ａ）は、本発明におけるモノマー吹き付け部材４９の一例を示すものであり、図２（ｂ）は、同モノマー吹き付け部材４９の他の例を示すものである。
本発明の場合、基板８に対して均一にモノマー混合蒸気を供給する観点からは、モノマー吹き付け部材４９の吹き出し口４９０の形状として、例えば、図２（ａ）に示すように、同心円状の吹き出し口４９０ａや、図２（ｂ）に示すように、例えばシャワーヘッドのように多数の小径の孔を設けた吹き出し口４９０ｂが最も適当である。
【００２０】
図３（ａ）は、図１（ａ）の成膜装置１の第２の処理室５の概略構成を示すものである。
図３（ａ）に示すように、第２の処理室５内には、基板８を加熱するためのホットプレート（図示せず）を有するサセプタ５０が設けられている。このサセプタ５０は、基板８の温度を半導体装置の製造時の温度より広い範囲（２０〜５００℃）に制御可能で、かつ、加熱の際の昇温速度を調整可能できるように構成されている。
【００２１】
図３（ｂ）は、第３の処理室６の概略構成を示すものである。
図３（ｂ）に示すように、第３の処理室６には、直流二極式のスパッタリング装置が設けられる。すなわち、第３の処理室６の上部に、直流電源６０に接続された電極６１が配設され、この電極６１に例えばアルミニウムターゲット６２が保持されている。そして、処理すべき基板８は、第３の処理室６の下部においてサセプタ６３によって支持されている。また、この第３の処理室６内には、導入管６４を介して例えばアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスが導入されるようになっている。
【００２２】
本実施の形態において絶縁膜を形成するには、まず、上記成膜装置１において、基板８をＬ／ＵＬ室３から第１の処理室４内に搬送し、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを開いて原料モノマーＡ、Ｂを第１の処理室４内に導入し、蒸着重合によって基板８上にポリアミド（ポリアミック）酸膜を形成する。
【００２３】
この場合、まず、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを閉じた状態で第１の処理室４内の圧力を３×１０^-3Ｐａ程度の高真空に設定し、ヒーター４４Ａ、４４Ｂによって各原料モノマーＡ、Ｂを所定の温度に加熱する。なお、導入管４１Ａ、４１Ｂは、ヒーター４６によって２００℃程度に加熱しておく。
【００２４】
そして、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、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを開き、各原料モノマーＡ、Ｂの蒸気を第１の処理室４の混合槽４ａ内に導入する。これらの原料モノマーＡ、Ｂの蒸気は混合槽４ａ内で混合され、このモノマー混合蒸気１０ＡＢは、モノマー吹き付け部材４９の吹き出し口４９０を介して上方から基板８に吹き付けられる。
【００２５】
なお、原料モノマーＡ、Ｂの蒸発速度は、化学量論比で１：１となるように制御する。また、混合槽４ａ内の温度は１００℃程度となるように制御し、基板８の温度は２０℃程度となるように制御する。
【００２６】
そして、基板８上に所定の厚さのポリアミド酸膜が堆積した後に各バルブ４５Ａ、４５Ｂを閉じる。
【００２７】
その後、第２の処理室５に基板８を搬送してサセプタ４７上に載置し、基板８上のポイアミド酸膜に対して所定の加熱処理（イミド化処理）を行い、ポリイミド膜を形成する。
【００２８】
この場合、加熱条件は、昇温速度１０℃／ｍｉｎで４００℃程度まで加熱し、その状態を６０分間程度保持するようにする。また、この加熱処理は例えば真空中で行う。
【００２９】
なお、必要に応じ、第３の処理室６に基板８を搬送し、スパッタリングによって基板８上にアルミニウム電極を形成する。
【００３０】
以上述べたように本実施の形態によれば、安定した特性を有する低比誘電率のポリイミド膜を簡易な工程で得ることができる。
【００３１】
特に、本実施の形態の場合は、蒸着重合用の第１の処理室４に混合槽４ａを設けるとともに混合槽４ａと処理槽４ｂとの間に設けたモノマー吹き付け部材４９の吹き出し口４９０からモノマー混合蒸気１０ＡＢを吹き出すようにしたことから、モノマー混合蒸気１０ＡＢが十分に混合された状態で基板８に供給され、これにより、モノマーの組成分布が均一で、かつ、均一な膜厚分布のポリイミド膜を基板８上に形成することができる。その結果、本実施の形態によれば、比誘電率が均一で各部分の電気容量が均一なポリイミド膜が得られる。
【００３２】
また、本実施の形態においては、第１の処理室４の混合槽４ａにヒーター４８を設けて加熱するようにしたことから、原料モノマーＡ、Ｂの蒸気１０Ａ、１０Ｂが混合槽４ａの内面に付着した場合に再び蒸発して混合槽４ａ内に放出され、その結果、基板８上において効率良くモノマー混合蒸気１０ＡＢを堆積させて成膜を行うことができる。
【００３３】
図４(ａ)〜(ｆ)は、本発明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４(ａ)に示すように、例えばシリコン(Ｓｉ)からなる半導体基板２１と、この半導体基板２１の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２２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（金属配線層）２３とを有する基板３１を用意する。
【００３４】
この基板３１を所定の温度に加熱しつつ、上述した蒸着重合法により、基板３１の表面にポリアミド酸膜２４ａを所望の厚みに全面成膜する(図４(ｂ))。
【００３５】
さらに、上述の条件で加熱処理（イミド化処理）を行い、耐熱性の高いポリイミドからなる層間絶縁膜２４を形成する(図４(ｃ))。
【００３６】
次いで、この層間絶縁膜２４の表面に対し、レジストプロセスによって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４(ｄ))、その後、ドライエッチングを行うことにより、レジスト膜２５の窓開け部分に露出した層間絶縁膜２４を除去する(図４(ｅ))。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、この膜に対してパターニングを施すことにより第２層目の配線（金属配線層）２６を形成する。
【００３７】
これにより、層間絶縁膜２４が除去された窓開け部分２７において第１層目の配線２３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４(ｆ))。
【００３８】
本実施の形態によれば、安定した特性を有する半導体装置３５を真空中のプロセスのみによる簡易な工程で得ることができる。
【００３９】
特に、本実施の形態の場合は、層間絶縁膜２４を形成する際に基板３１を裏返す必要がないことから、製造プロセスを簡素化することができる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、モノマーの組成分布が均一で、かつ、膜厚分布の均一な層間絶縁膜２４を形成することができる。その結果、本実施の形態によれば、層間絶縁膜２４の比誘電率の分布が均一で、各部分の電気容量が均一となるため、半導体装置３５において信号遅延等の時間が均一になり、これにより安定した駆動が可能になる。
【００４１】
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。
例えば、モノマー吹き付け部材の吹き出し口の形状については、上述の実施の形態のものに限られず、種々の形状とすることができる。ただし、基板に対して均一にモノマー混合蒸気を供給するためには、上述した実施の形態のように吹き出し口を形成することが好ましい。
【００４２】
また、上述の実施の形態においては、蒸着重合によってポリイミド膜を形成する場合に適用したが、本発明はこれに限られず、例えば蒸着重合によってポリ尿素膜等を形成する場合にも適用しうるものである。
【００４３】
さらに、本発明は半導体装置の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。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例＞
図１に示す成膜装置１を用いてＳｉウェハー上にポリイミド膜を形成した。
まず、６インチサイズで導電率が０．０２(Ω・ｃｍ)のシリコン（Ｓｉ）からなる基板８を第１の処理室４内に搬入してサセプタ４７上に載置し、蒸着重合によって基板８上にポリアミド酸膜を形成する。
【００４５】
この場合、ポリイミド膜を形成するための原料モノマーＡ、Ｂとしては、4,4′-ジアミノジフェニルエーテル(ＯＤＡ)と、ピロメリト酸二無水物(ＰＭＤＡ)を用い、高真空中（３×１０^-3Ｐａ）においてＯＤＡは１５８.０＋０.１℃、ＰＭＤＡについては１８２＋０.１℃の温度で同時に蒸発させ、各原料モノマーＡ、Ｂの供給量を制御した。
【００４６】
また、ＯＤＡとＰＭＤＡの組成比は、化学量論比で１：１となるように制御した。さらに、導入管４１Ａ、４１Ｂの温度を２００℃、混合槽４ａ及びモノマー吹き付け部材４９の温度を１００℃程度となるように制御した。
【００４７】
このようにしてポリイミド膜を作成した後、基板８を第２の処理室５に搬送し、ポリイミド膜に対して所定の加熱処理を行った。
この場合、加熱処理は、昇温速度１０℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱することにより行った。
【００４８】
この時点におけるポリイミド膜の厚さは平均５００ｎｍ、膜厚分布は、±４％であった。なお、ここでは、表面粗さ計又はエリプソメータで面内分布を測定した。
【００４９】
また、このポリイミド膜における原料モノマーＡ、Ｂの組成分布を赤外分光測定装置（日本分光社製ＦＴ−ＩＲ）で測定したところ、ポリイミド膜の全領域にわたって均一な赤外吸収スペクトルが得られた。
【００５０】
＜比較例＞
混合槽４ａのヒーター４８がなく、かつ、モノマー吹き付け部材４９のない成膜装置を用い、実施例と同様の基板８上に、実施例と同じ条件で厚さ５００ｎｍのポリイミド膜を形成した。
【００５１】
このポリイミド膜について膜厚分布を測定したところ、±８％であった。
また、このポリイミド膜における原料モノマーＡ、Ｂの組成分布を実施例と同様の装置を用いて測定したところ、導入管の位置によって組成分布に偏りが生じた。すなわち、比較例の場合は、基板８上に形成されたポリイミド膜のうち、ＰＭＤＡの吹き出し口の近傍においてＰＭＤＡの組成比がやや過剰になり、ＯＤＡの吹き出し口の近傍においてＯＤＡの組成比がやや過剰になることが判明した。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、蒸着重合を用いて、モノマーの組成分布が均一で、かつ、均一な膜厚分布の絶縁膜を形成することができる。
そして、本発明によって多層配線の半導体装置の層間絶縁膜を形成すれば、比誘電率が均一で各部分の電気容量が均一な層間絶縁膜を作成することができ、その結果、安定して動作する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明に係る成膜装置の一例の概略構成図
(ｂ)：図１（ａ）の成膜装置の第１の処理室の概略構成図
【図２】(ａ)：本発明におけるモノマー吹き付け部材の一例を示す平面図
(ｂ)：同モノマー吹き付け部材の他の例を示す平面図
【図３】(ａ)：図１（ａ）の成膜装置の第２の処理室の概略構成図
(ｂ)：図１（ａ）の成膜装置の第３の処理室の概略構成図
【図４】(ａ)〜(ｆ)：本発明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……成膜装置２……コア室３……Ｌ／ＵＬ室４……第１の処理室４ａ……混合槽（モノマー混合部）４ｂ……処理槽５……第２の処理室６……第３の処理室７……温度制御手段８……基板２１……半導体基板２２……シリコン熱酸化膜２３……第１層目の配線２４……層間絶縁膜２４ａ……ポリアミド酸膜２５……レジスト膜２６……第２層目の配線３１……基板３５……半導体装置Ａ、Ｂ……原料モノマー４０Ａ、４０Ｂ……蒸発源４１Ａ、４１Ｂ……導入管４５Ａ、４５Ｂ……バルブ４６……ヒーター４７……サセプタ（基体保持部）４８……ヒーター４９……モノマー吹き付け部材（モノマー供給手段）４９０……吹き出し口

Claims

基体に対して成膜処理を行うための複数の処理室を有する成膜装置であって、
上記複数の処理室のうちの少なくとも一つが蒸着重合用の処理室であり、
該蒸着重合用の処理室に、下方に向って内部空間が広がるように形成され蒸着重合の原料モノマーの気体をその上部から導入して混合するモノマー混合部と、該モノマー混合部の下部において基体保持部に保持された基体に対して成膜処理を行う処理槽と、上記モノマー混合部において混合された原料モノマーの気体を上記基体の表面に供給するモノマー供給手段とが設けられ、
上記モノマー供給手段が、上記モノマー混合部と上記基体保持部との間において複数の吹き出し口を有するモノマー吹き付け部材を備えていることを特徴とする成膜装置。
上記モノマー吹き付け部材の吹き出し口の形状が、同心円状であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
上記モノマー吹き付け部材の吹き出し口の形状が、多数の小径の孔形状であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
上記モノマー吹き付け部材が、基体の温度より高い温度に加熱可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の成膜装置。