JP4283910B2

JP4283910B2 - 半導体製造装置およびポリイミド膜の形成方法

Info

Publication number: JP4283910B2
Application number: JP19179898A
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: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP2000021866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子内の層間絶縁膜を蒸着重合により形成するための半導体製造装置およびこの装置を用いるポリイミド膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子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）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膜やアモルファスフッ素化カーボン膜が提案されており、かかる膜の場合、層間絶縁膜の比誘電率を前者は３．７−３．２程度、後者は２．７−２．３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、上述のプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＦ膜は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、また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とい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。
【０００５】
また、上述のアモルファスフッ素化カーボン膜の場合も、膜の形成方法や成膜条件によって膜特性が大きく異なり、低誘電率を達成するためには耐熱性を犠牲にする必要がある。そのため、層間絶縁膜作製プロセス以外のプロセス温度（約４００℃）において分解したガスが発生しやすく、層間絶縁膜の上にさらに膜を作製した場合に、層間にガスが発生し、半導体素子を破壊する要因になると指摘されている。
【０００６】
耐熱性と低誘電率を満足させる材料の候補としてフッ素化ポリイミドを用いることも提案されており、蒸着重合法により従来のＣＶＤ法に近い成膜装置で低誘電率のポリイミドをコーティングできるようになった。しかし、この場合、原料モノマーの蒸発量または該モノマーの成膜装置への供給量を精密にコントロールすることが困難であり、満足しうるものではなかった。
【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あり、簡易な工程で安定した特性を有する層間絶縁膜用の低比誘電率高分子複合膜を形成するための半導体製造装置およびこの装置を用いて半導体素子内の層間絶縁膜用のポリイミド膜を蒸着重合により容易に形成する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】
本発明の半導体製造装置は、ウエハーの出し入れのための室とウエハーの搬送用ロボットを備えたコア室と複数の半導体製造プロセス室とからなり、該プロセス室の少なくとも一室がポリイミド膜の蒸着重合用原料モノマーの蒸発源を有する蒸着重合室である枚葉式の半導体製造装置において、該蒸着重合室と該原料モノマー蒸発源との間に、上流側にバルブと、その下流側に該蒸発源から該蒸着重合室へ導入される該原料モノマーの供給量を制御するための気体流量コントローラーとが設けられ、前記蒸着重合室は、前記原料モノマーを基板上に均一に導入するためその側壁に沿って設けられた熱源により保温されたモノマー混合槽を有し、該モノマー混合槽は、基板側に向かって広がった断面台形状で、混合槽基板側の開口部が、基板よりも大きくなっている。
【０００９】
また、本発明のポリイミド膜の形成方法は、ウエハーの出し入れのための室とウエハーの搬送用ロボットを備えたコア室と複数の半導体製造プロセス室とからなり、該プロセス室の少なくとも一室が蒸着重合用原料モノマーの蒸発源を有する蒸着重合室である枚葉式の半導体製造装置を用いてポリイミド膜を形成する方法において、基板側の開口部が基板よりも大きく、基板側に向かって広がった断面台形状で、前記原料モノマーを基板上に均一に導入するため、その側壁に沿って熱源を設けられたモノマー混合槽を有する該蒸着重合室内で基板上に該原料モノマーを蒸着重合せしめてポリイミド膜を形成するに際し、該蒸着重合室と該原料モノマー蒸発源との間に設けられた上流側のバルブとその下流側の気体流量コントローラーとによって、該蒸発源で気化された該原料モノマーの供給量を制御して該蒸着重合室へ導入し、該ウエハー上に蒸着重合によりポリイミド膜を形成することからなる。これにより耐熱性と電気特性に優れ、かつ特性にばらつきの少ないポリイミド膜が得られる。
【００１０】
本発明においてポリイミド膜形成のために用いられる原料モノマーは、特に制限はなく、反応性が低いモノマー同士の組み合わせであっても、反応性が高くかつ蒸気圧の低いモノマー同士の組み合わせであってもよく、既知のポリイミドを形成するための原料モノマー、例えば、４，４′−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）等を使用できる。また、蒸着重合の条件は、一般に、高真空中（１×１０^-3Ｐａ以下）で両モノマーの組成比が化学量論比になるよう加熱蒸着するものである。ただし、基板温度はモノマーの種類により異なる。
【００１１】
一般に、蒸着重合による成膜プロセスにおいては、原料モノマーの反応性と蒸気圧とが成膜に大きく影響する。反応性が低いモノマー同士の組み合わせでは、基板温度を上げれば、モノマーの反応律速条件で重合が起こり成膜するので、各モノマーの蒸着重合室への導入量を精密に制御する必要はない。しかし、反応性が高く、かつ蒸気圧の低いモノマー同士の組み合わせでは、モノマーの供給律速条件で重合が起こり成膜するので、各モノマーの蒸着重合室への導入量を精密に制御することが必要になる。２種以上のモノマーを使う蒸着重合では、各モノマーの組成比が１：１に近いほど、得られる重合体材料の耐熱性、機械的特性、電気的特性等の物性は向上するが、逆に、組成比がずれるほど物性は低下する。従来の方法では、モノマー供給量と気化温度のみで各モノマーの蒸着重合室への導入量を制御していただけなので、この方法では精密な制御ができ難く、かくして得られた膜の特性がばらつくという欠点があった。しかし、本発明のように気体流量コントローラーを用いて各モノマーの蒸着重合室への導入量を精密に制御すれば、得られる膜の物性のばらつきは極めて小さくなる。例えば、気体流量コントローラーを使用しないで成膜した膜の物性値のばらつきは平均値±１０％程度であるが、気体流量コントローラーを使用して成膜した膜の物性値のばらつきは平均値±３％程度のように低くなると共に、物性値自体も５〜１０％向上する。
【００１２】
【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は、本発明の半導体製造装置の一例の概略構成を示すものであり、図２は図１の一部を構成する蒸着重合室の一例の概略構成を示すものである。
【００１３】
図１に示すように、この装置においては、シリコン基板等の基板の搬送用ロボットが組み込まれたコア室１、シリコン基板等の基板のＬ／ＵＬ室２、蒸着重合室（第１室）３、加熱処理室（第２室）４、およびアルミスパッタ室（第３室）５が設けられており、コア室１を中心として、このコア室にＬ／ＵＬ室２、第１室３、第２室４、および第３室５がそれぞれ、ゲートバルブ７を介して連結されるように構成されている。なお、これらの室は、真空ポンプ等の真空排気系（図示せず）に連結されている。コア室１に設けられた既知の基板搬送用ロボットは、基板を、コア室を軸にしてＬ／ＵＬ室２、蒸着重合室３、加熱処理室４、アルミスパッタ室５等からまたこれらの各室に搬入・搬出可能なように設定されており、Ｌ／ＵＬ室からこれらの各室にまたこれらの室相互間で自由に搬送可能なようになっている。
【００１４】
また、図２に示すように、蒸着重合室３には、２種類の原料モノマーＡ、Ｂの供給源が気化（蒸発）器１１ａ、１１ｂと気体流量コントローラー１２ａ、１２ｂを介して配置されており、蒸着重合室へ気化された原料モノマーを導入できるようになっている。各モノマー供給源のハウジング１３ａ、１３ｂにはそれぞれ、モノマーＡ、Ｂのモノマー容器１４ａ、１４ｂが設けられ、また各容器の周りにはそれぞれに各モノマーを加熱するためにのヒーターのような気化用熱源１５ａ、１５ｂが設けられている。供給源（気化器１１ａ、１１ｂ）、気体流量コントローラー１２ａ、１２ｂ、および蒸着重合室３を連結し、かつ蒸着重合室へ各モノマーを導入するための導入管１６ａ、１６ｂは、ヒーター等の熱源Ｈで温度制御可能なようになっている。また、導入管１６ａ、１６ｂの蒸着重合室３への連結部と基板支え部材１７上に載置された基板１８との間には、各モノマーが基板上に均一に供給できるようにするためヒーター等の熱源Ｈにより保温されたモノマー混合槽１９が配置されている。
【００１５】
各導入管１６ａ、１６ｂの管路の途中にはバルブ２０ａ、２０ｂが配置されており、蒸着重合膜形成時にこれらのバルブを開閉することにより膜厚を制御できる。
【００１６】
上記装置を用いて基板１８上に成膜する場合には、基板をＬ／ＵＬ室２からコア室を経由して蒸着重合室３へ移動した後バルブ２０ａ、２０ｂを開け、所定の時間の間成膜プロセスを実施し、次いでバルブ２０ａ、２０ｂを閉め、基板を加熱処理室４に搬送する。この加熱処理室内で、所定の条件下熱処理を行う。一般に、熱処理は、昇温速度１０℃／分で４００℃まで加熱し、１時間この温度に保持し、最後に自然冷却するようにして行われる。雰囲気としては、高真空中または不活性ガス中のような条件下で行われる。また、必要に応じ、基板をアルミスパッタ５室へ搬送して、一般に、Ａｒ：１０００ｓｃｃｍ、１×１０^-2Ｐａ、ＲＦパワー：２ＫＷ、基板バイアスなし、成膜速度（ｒａｔｅ）：５０Å／ｓｅｃ、膜厚：２００ｎｍのような条件下でアルミ電極を成膜することもできる。
【００１７】
以下、本発明の装置を用いてポリイミド膜からなる半導体素子の層間絶縁膜を形成する工程の一つの実施の形態を示す。
【００１８】
まず、ポリイミド膜を形成するための半導体基板として、基板表面に形成され、かつ所定の位置に窓開けがされたシリコン熱酸化膜と、その上に成膜されかつパターニングが施された第１層目の配線とを有する、例えばＳｉからなる基板を用意する。この基板の表面に、上述の蒸着法によってポリイミド膜を所望の厚みに全面成膜して層間絶縁膜を形成する。次いで、この層間絶縁膜の表面に所定のパターニングが施されたレジスト膜を形成し、通常のドライエッチングを行ってレジスト膜の窓開け部分に露出した層間絶縁膜を除去する。そして、上述のレジスト膜を除去した後、配線薄膜を全面成膜し、パターニングを施して第２層目の配線を形成する。このようにすることにより、層間絶縁膜が除去された窓開け部分で、第１層目の配線と第２層目の配線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素子を得ることができる。
【００１９】
本実施の形態によれば、低比誘電率化したポリイミド膜によって層間絶縁膜を構成しているので、第１層目の配線と第２層目の配線との間で形成されるコンデンサーの容量が小さくなり、半導体素子の動作速度を向上させることが可能になる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例を比較例と共に説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１および２に示す装置を用いて次のようにして基板上にポリイミド膜を形成した。まず、コア室１に設けられた基板搬送用ロボットを用いて、Ｌ／ＵＬ室２からコア室１を経由して導電率が０．０２Ωｃｍである６インチ径のシリコン基板１７を真空蒸着室３へ搬送し、ここでポリイミド膜を蒸着重合した。ポリイミド膜を形成するための原料モノマーとして、４，４′−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）とピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）とを用い、これらをそれぞれ気化器１１ａ、１１ｂ内の容器１４ａ、１４ｂへ入れ、熱源（１５ａ、１５ｂ）を用いて蒸発させた。ＯＤＡは１５８．０＋０．１℃で、またＰＭＤＡは１８２＋０．１℃の温度で蒸発させ、各モノマーの供給量を制御した。得られた各蒸気をそれぞれ導入管１６ａ、１６ｂを通し、気体流量コントローラー１２ａ、１２ｂで一定流量（例えば、１００ｓｃｃｍ）とし、モノマー混合槽１９を経て蒸着重合室３に供給し、基板１７上で蒸着重合せしめた。なお、モノマーの組成比は化学量論比で１：１となるように制御し、また導入管１６ａ、１６ｂを通過する間にモノマー温度が下がらないように導入管を所定の温度に保温した。この蒸着重合条件は、基板温度：２５℃、圧力：１×１０^-3Ｐａ、成膜速度（ｒａｔｅ）：１００Å／ｓｅｃであった。
【００２２】
蒸着重合室３で成膜後、得られた基板を基板搬送用ロボットを用いてコア室１を経由して加熱処理室４へ搬送し、熱処理を行った。この熱処理は、昇温速度５℃／ｍｉｎで３５０℃まで加熱し、３０分間保持後１０℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱することによって行った。この時点での膜厚は５００ｎｍであった。
【００２３】
上記成膜・加熱処理過程を同じ装置中で１０回行い、かくして得られた１０種のポリイミド膜について、赤外吸収スペクトルを測定すると共に、耐熱性および電気特性を測定した。耐熱性は該膜の５％重量減少温度により評価し、また電気特性は比誘電率で評価した。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。
【００２４】
（比較例１）
実施例１で用いた装置において、蒸着重合の際に気体流量コントローラーを用いないで、すなわち各モノマーの供給量を蒸発温度のみで制御して、上記実施例１と同様の蒸着重合・加熱処理条件下で蒸着重合・加熱処理を行って、基板上にポリイミド膜を形成せしめた。得られた膜について、実施例１と同様の方法により、赤外吸収スペクトルを測定すると共に、耐熱性および比誘電率を測定した。
【００２５】
上記実施例および比較例で得られたポリイミド膜は、実施例１の場合、１０種ともほぼ同じ膜厚（バッチ間平均±２％のばらつき）、赤外吸収スペクトルも全く同じスペクトルであったが、比較例１の場合、膜厚は平均±８％とばらつきが高く、また操り返しとともに膜厚が減少する傾向が見られた。また、耐熱性は、実施例１の場合、５２３±２０℃であり、そのばらつきは小さかったが、比較例１の場合、４８５±５０℃と低く、そのばらつきは大きかった。比誘電率は、実施例１の場合、３．０±０．１と低く、そのばらつきも小さかったが、比較例１の場合、３．２±０．２５とやや高く、そのばらつきも大きかった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の半導体製造装置によれば、蒸着重合用原料モノマーの蒸発源を有する蒸着重合室と原料モノマー蒸発源との間に、蒸着重合室へ導入されるモノマーの導入量を制御するための気体流量コントローラーを設けることによって、簡易な工程で安定した物性を有する層間絶縁膜用の低比誘電率高分子複合膜を容易に形成することができるようになる。
【００２７】
また、かかる半導体製造装置を用いて、基板上に原料モノマーを蒸着重合せしめてポリイミド膜を形成するに際し、気体流量コントローラーによって、原料モノマー蒸発源で気化された原料モノマーの供給量を制御して蒸着重合室へ導入し、該基板上に蒸着重合によりポリイミド膜を形成することができるので、簡易な工程で安定した物性（耐熱性、電気特性）を有する層間絶縁膜用の低比誘電率ポリイミド膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体製造装置の一例の概略構成を示す模式的平面図。
【図２】本発明の半導体製造装置の一部を構成する蒸着重合室の一例の概略構成を示す模式的断面図。
【符号の説明】
１コア室２Ｌ／ＵＬ室
３蒸着重合室４加熱処理室
５アルミスパッタ室６ゲートバルブ
１１ａ、１１ｂ気化器１２ａ、１２ｂ気体流量コントローラー
１３ａ、１３ｂハウジング１４ａ、１４ｂモノマー容器
１５ａ、１５ｂ気化用熱源１６ａ、１６ｂ導入管
１７基板支え部材１８基板
１９モノマー混合槽２０ａ、２０ｂバルブ
Ａ、ＢモノマーＨ熱源

Claims

ウエハーの出し入れのための室とウエハーの搬送用ロボットを備えたコア室と複数の半導体製造プロセス室とからなり、該プロセス室の少なくとも一室がポリイミド膜の蒸着重合用原料モノマーの蒸発源を有する蒸着重合室である枚葉式の半導体製造装置において、
該蒸着重合室と該原料モノマー蒸発源との間に、上流側にバルブと、その下流側に該蒸発源から該蒸着重合室へ導入される該原料モノマーの供給量を制御するための気体流量コントローラーとが設けられ、前記蒸着重合室は、前記原料モノマーを基板上に均一に導入するためその側壁に沿って設けられた熱源により保温されたモノマー混合槽を有し、該モノマー混合槽は、基板側に向かって広がった断面台形状で、混合槽基板側の開口部が、基板よりも大きいことを特徴とする半導体製造装置。
ウエハーの出し入れのための室とウエハーの搬送用ロボットを備えたコア室と複数の半導体製造プロセス室とからなり、該プロセス室の少なくとも一室が蒸着重合用原料モノマーの蒸発源を有する蒸着重合室である枚葉式の半導体製造装置を用いてポリイミド膜を形成する方法において、
前記原料モノマーを基板上に均一に導入するため、基板側の開口部が基板よりも大きく、基板側に向かって広がった断面台形状で、その側壁に沿って熱源を設けられたモノマー混合槽を有する該蒸着重合室内で基板上に該原料モノマーを蒸着重合せしめてポリイミド膜を形成するに際し、該蒸着重合室と該原料モノマー蒸発源との間に設けられた上流側のバルブとその下流側の気体流量コントローラーとによって、該蒸発源で気化された該原料モノマーの供給量を制御して該蒸着重合室へ導入し、該ウエハー上に蒸着重合によりポリイミド膜を形成することを特徴とするポリイミド膜の形成方法。