JP4314650B2 - 半導体装置の層間絶縁膜の形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ集積回路等の半導体装置の内部の層間絶縁膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、トランジスタ集積回路等の半導体装置にあっては、高微細化、高集積化及び多層化が益々推進されてきており、これに伴って動作速度の高速化も更に要求されている。このような状況下において、上記特性を大きく左右することになる層間絶縁膜の研究が種々行なわれており、特に、SiO2 に代表される無機系の絶縁層に替えて、低誘電率化が可能なことから、回路信号の遅延を極力抑制することができる、という利点を有する有機材料系の層間絶縁膜が注目されつつある。
このような有機系の層間絶縁膜としては米国特許第5698901号のように、アモルファスカーボン膜中に窒素を添加した絶縁膜が知られている。
しかしながら、この主の有機系の層間絶縁膜にあっては、ある程度、絶縁性を維持し、誘電率は低下できるが、熱伝導性や機械的強度がそれ程高くなく、また、熱膨張係数もある程度大きく、特に、熱に体する耐久性が劣るという有機系材料の絶縁層の特有の問題点を有していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記問題点を解決するために、例えば特開平4−99049号公報等に開示されるように、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によりボロン、カーボン、窒素を主成分とする層間絶縁膜を形成し、耐熱性及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)表面平坦化時における機械的強度を向上し、更に、熱伝導性が高くて放熱がし易く、しかも、熱膨張係数が小さい良好な層間絶縁膜を提供する試みが行なわれている。
しかしながら、この場合にも上記各特性がそれ程十分ではなく、特に、誘電率をより向上させることが望まれている。
尚、関連技術として例えば特開昭60−15933号公報には、化合物半導体表面のパッシベーション層としてのBN膜の形成方法について開示しているが、これは本発明とは異なり、層間絶縁膜に適用されるものではない。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、誘電率が低く、熱膨張係数の低減、耐熱性、熱伝導性、機械的強度の向上を図ることができる半導体装置の層間絶縁膜の形成方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、層間絶縁膜の成膜時に、成膜用ガスの一部にボラジンを用いること、或いはフロロカーボン系ガスを用いることにより、誘電率、熱膨張係数、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項1に規定する発明は、半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたものである。
【0005】
これにより、層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を低下し、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる。
また、ボラジンの流量が、前述した範囲内の適正値でないと、上記各特性の向上が十分でなかったり、また、10%よりも多くなると、導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
また、請求項2に規定するように、前記雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加することにより、一層、誘電率を低下させることが可能となる。
【0006】
更に、請求項3に規定するように、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して5%以上である。
【0007】
請求項4に規定する発明は、半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたものである。
【0008】
これにより、層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を低下し、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる。
また、上記合計の流量が、10%よりも多くなると、導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
【0009】
上記ホウ素化合物は、前記ホウ素化合物は、B2 H6 或いはBF3 を用いることができる。また、前記ハイドロカーボン系ガスはC2 H4 であり、前記フロロカーボン系ガスはC4 F8 ,CF4 ,C5 F8 ,C6 F6 の内の、いずれか1つをそれぞれ用いることができる。
また、前記プラズマを発生させるプラズマ用ガスは、Ar又はHeガスである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る半導体装置の層間絶縁膜の形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
まず、このプラズマ処理装置について説明すると、プラズマ処理装置2は、アルミニウム等により筒体状に成形された処理容器4を有しており、この内部には、その上面に被処理体としての半導体ウエハWを載置する載置台6が設けられる。この載置台6には、ウエハWを所定のプロセス温度に加熱する加熱ヒータ8が内蔵されている。
【0011】
この処理容器4内の上方には、石英パイプ製のリング状シャワーヘッド10が設けられており、この下面に多数のガス噴射孔12が形成されている。このシャワーヘッド10には、ガス通路14を介して成膜時に使用するガスを供給する複数のガス源が接続される。具体的には、このガス源としては、C2 H4 に代表されるハイドロカーボン系ガス(CxHy)を供給するC2 H4 ガス源16、C4 F8 に代表されるフロロカーボン系ガス(CxFy)を供給するC4 F8 ガス源18、ボラジン(B3 N3 H6 )を供給するボラジン源20及びArガスに代表されるプラズマ用ガスを供給するArガス源22が用いられる。尚、ここではC4 F8 ガスを用いないで省略してもよい。また、Arガスの代わりにHeガスを使用するようにしてもよい。また、フロロカーボン系ガスとしてC2 H4 に代えて、C4 F8 ,CF4 ,C5 F8 ,C6 F6 等のガスを用いてもよい。
そして、各ガス種は、例えばマスフローコントローラのような流量制御器24により流量制御されつつ処理容器4内へ供給される。また、処理容器4の側壁には、ウエハWを搬出入する時に開閉されるゲートバルブ26が設けられ、更に容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口28が設けられており、容器4内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【0012】
一方、処理容器4の天井部には、例えば石英製の大口径のマイクロ波導入窓30が気密に設けられており、この導入窓30には、テーパ導波管32が連結されている。そして、例えば2.45GHzのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器34からは、矩形導波管36及びモード変換器38を介して上記テーパ導波管32にマイクロ波が伝搬されてくるようになっている。また、このテーパ導波管32の上端部の周囲には、ECR(Electron Cyclotron Resonance)の垂直磁界を発生するコイル40が設けられる。
【0013】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる本発明方法について説明する。
まず、ゲートバルブ26を介して半導体ウエハWを処理容器4内へ導入し、これを載置台6上に載置する。この半導体ウエハWの表面には、前工程にて下地となる例えばアルミ配線等がすでに施されている。処理容器4内を密閉後、この容器4内を真空引きし、それと共に各プロセスガス、すなわちC2 H4 ガス、C4 F8 ガス、ボラジン、Arガスをそれぞれ所定の流量で流して各ガスをリング状シャワーヘッド10から容器4内へ導入する。これと同時に処理容器4内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持する。尚、C4 F8 ガスは必要に応じて添加すればよく、添加しないようにしてもよい。更に、載置台6の加熱ヒータ8により、ウエハWを所定のプロセス温度に加熱し、この温度を維持する。
【0014】
また、マイクロ波発生器34にて発生した2.45GHzのマイクロ波は、矩形導波管36、モード変換器38及びテーパ導波管32を介して容器天井部のマイクロ波導入窓30から処理容器4内へ導入され、このマイクロ波のエネルギがArガスを解離してプラズマを生成する。この際、テーパ導波管32の上部に配置したコイル40からの垂直磁界によりプラズマは電子サイクロトロン(ECR)共鳴を生じ、プラズマ密度は高くなる。
このプラズマにより、C2 H4 ガス、C4 F8 ガス、ボラジンの各ガスは活性化されて反応し、ウエハWの表面にアモルファスカーボン膜の層間絶縁膜が熱CVDにより形成されることになる。この際、アモルファスカーボン膜中には、分子レベルでB−C−N結合が形成されるので、アモルファスカーボン膜の特性とB−C−N結合膜の特性を併せ持った膜となり、この層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。上記耐熱性と熱伝導性は互いに相関関係にあり、例えば熱伝導性が向上することによって熱が放散されてしまって、内にこもらなくなり、この結果、熱に対する耐久性も向上させることが可能となる。
【0015】
ここでプロセス条件は、C2 H4 ガスが30〜50sccm程度、ボラジンが5sccm程度以下、Arガスが100〜200sccm程度、そして、C4 F8 ガスを添加する場合にはその流量は10〜30sccm程度である。また、プロセス圧力は50〜70Pa程度、プロセス温度は300〜400℃程度である。
この際、ボラジンの流量は、ハイドロカーボンであるC2 H4 ガスの流量の10%以下の範囲内が好ましい。この流量が5%よりも少ないと、上記各特性の向上が十分でなくなり、また、10%よりも多くなると、絶縁膜の導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
また、上記フロロカーボン系ガスであるC4 F8 ガスを加える場合には、このフッ素原子が誘電率を更に引き下げるように機能するので、素子回路の信号の遅れを一層少なくすることができる。
例えばC4 F8 ガスを添加しないで成膜した時の層間絶縁膜の比誘電率は一般的には4〜3.5程度であったが、C4 F8 ガスを添加して成膜した時の層間絶縁膜の比誘電率は2.3程度であり、これを非常に低下させることが可能になった。
また、ECRプロセスガスとしてC6 F6 ,CF4 ,Arを用いてもよく、この場合の各ガスの流量は、それぞれ30〜50sccm,0〜30sccm,30〜100sccmである。また、プロセス圧力は10〜100Paである。
【0016】
上記実施例では処理ガスの一部としてボラジンを用いたが、これに替えて、ホウ素化合物と窒素或いは窒素化合物を用いてB−C−N結合を形成するようにしてもよい。この場合には、ホウ素化合物としてはボラン、例えばジボラン(B2 H6 )或いはフッ化ボロン、例えば三フッ化ボロン(BF3 )を用いることができる。他の処理ガスとしてはフロロカーボン系ガス、例えばC4 F8 とハイドロカーボン系ガス、例えばC2 H4 の双方及びArガスを用いる。また、窒素化合物としてはアンモニアガスを用いることができる。この場合には、分子中にB−N結合がすでに含まれているボラジンを用いていないが、処理容器4内でB−N結合を形成し、成膜中にB−C−N結合が添加されることになる。この場合のプロセス条件は、先の実施例と同じ圧力、温度、ガス流量である。ただし、ホウ素化合物ガスの流量と窒素或いは窒素化合物ガスの合計流量は、5sccm程度以下とする。また、これらの両ガスの流量は略同じに設定する。
【0017】
この層間絶縁膜も、先のボラジンを用いて成膜した層間絶縁膜と同様に、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。
また、上記ホウ素化合物ガスと窒素ガス或いは窒素化合物の合計の流量は、ハイドロカーボン系ガス、ここではC2 H4 ガスの流量に対して10%以下の範囲内に設定する。この理由は、絶縁膜の絶縁性が劣化することを防止しつつ、上記各特性の向上を図るようにする点において、先のボラジンを用いて成膜した時と同じである。
上記実施例では、マイクロ波を用いたプラズマCVDにより層間絶縁膜を形成する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば図2に示すような平行平板型のプラズマ処理装置を用いてプラズマCVDにより層間絶縁膜を形成するようにしてもよい。図2は平行平板型のプラズマ処理装置を示す概略構成図であり、図1に示す構成部分と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【0018】
この平行平板型のプラズマ処理装置42では、図1に示すリング状のシャワーヘッド10に替えて、多数のガス噴射孔44を備えた例えばアルミニウム製のシャワーヘッド部46を処理容器4の天井部に、絶縁部材48を介して設けている。そして、このシャワーヘッド部46に各種の処理ガスを供給し、このガス噴射孔44から処理容器4内にガスを導入するようになっている。
そして、このシャワーヘッド部46に、高周波マッチング回路48を介して、例えば13.56MHzのプラズマ発生用の高周波電圧を印加するための高周波電源50を接続している。
これにより、このシャワーヘッド部46は上部電極となり、また、載置台6はこれを接地することにより下部電極となり、両電極間にプラズマを立てる。
【0019】
この装置例の場合にも、プラズマCVDによりウエハWの表面にB−C−N結合が含まれたアモルファスカーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成することができ、先の実施例と同様に誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。
この場合のプロセス条件は、圧力、温度、各種のガス流量に関して基本的には、先の実施例の場合と略同じであるが、ただし、マイクロ波を用いた場合と比較してこの装置ではプラズマ密度が低くなる傾向にあるので、上部電極への印加周波数を高くするのが望ましい。
【0020】
上記各実施例ではハイドロカーボン系ガスとしてC2 H4 を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばC2 H6 、C2 H2 、C3 H8 等の他のハイドロカーボン系ガスを用いてもよい。また、フロロカーボン系ガスとしてC4 F8 に限定されず、前述したように他のフロロカーボン系ガスを用いてもよい。
更には、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、LCD基板等の他の被処理体を用いてもよい。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置の層間絶縁膜の形成方法によれば、次のように作用効果を発揮することができる。
請求項1に規定する発明によれば、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたので、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる層間絶縁膜を提供することができる。
請求項2に規定する発明によれば、雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加するようにしたので、誘電率を一層下げてキャパシタを少なくすることができるので、電気信号の遅延をより少なくすることができる。
請求項4の規定によれば、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたので、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる層間絶縁膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図2】平板型のプラズマ処理装置を示す概略構成図であり、
【符号の説明】
2,42 プラズマ処理装置
4 処理容器
6 載置台
10 リング状シャワーヘッド
16 C2 H4 ガス源
18 C4 F8 ガス源
20 ボラジン源
22 Arガス源
34 マイクロ波発生器
40 コイル
46 シャワーヘッド部
50 高周波電源
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (7)
- 半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたことを特徴とする半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 前記雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加するようにしたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して5%以上であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して10%以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマCVDによりB−C−N結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたことを特徴とする半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 前記ホウ素化合物は、B2 H6 或いはBF3 であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 前記ハイドロカーボン系ガスはC2 H4 であり、前記フロロカーボン系ガスはC4 F8 ,CF4 ,C5 F8 ,C6 F6 の内、いずれか1つであることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
- 前記プラズマを発生させるプラズマ用ガスは、Ar又はHeガスであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
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