JPH10242142A - 半導体素子とその製造方法 - Google Patents

半導体素子とその製造方法

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JPH10242142A
JPH10242142A JP9052529A JP5252997A JPH10242142A JP H10242142 A JPH10242142 A JP H10242142A JP 9052529 A JP9052529 A JP 9052529A JP 5252997 A JP5252997 A JP 5252997A JP H10242142 A JPH10242142 A JP H10242142A
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fluorine
silicon
source gas
oxide film
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Nobuo Matsuki
信雄 松木
Burt Cornelis Van Der Hirst Johannes
ヨハネス・バート・コルネリス・ファン・デル・ヒルスト
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NIPPON ASM KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】安定したフッ素原子，低い吸湿性，及び大きな
圧縮応力を有するフッ素系シリコン酸化膜並びにその製
造方法を与える。 【解決手段】本願に係るフッ素系シリコン酸化膜は，シ
リコンソースガスと，シリコン系フッ素ソースガスと，
酸化剤と，不活性ガスの混合ガスを用いてプラズマCVD
装置により半導体ウエハ上に製造される。ここで，当該
酸化膜は，シリコンソースガスとシリコン系フッ素ソー
スガスの合計流量の少なくとも５倍の流量を有する不活
性ガスを使用して成膜される。シリコンソースガスとし
てテトラエチルオルソシリケート（TEOS），フッ素系ソ
ースガスとしてフロロトリエトキシシラン(TEFS)，酸化
剤として酸素（O2）及び不活性ガスとしてヘリウム（H
e）が使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願は，半導体素子の製造に
関し，特に層間絶縁膜として使用するフッ素系シリコン
酸化膜及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，半導体素子の絶縁膜として，プラ
ズマ化学気相成長(PE-CVD)法を用いたシリコン酸化膜(S
iO2)が広く用いられてきた。しかし素子の微細化及び高
集積化が進むにつれ埋め込み性能及び配線間の容量が問
題となり，上記SiO2に替わって埋め込み性能が良くかつ
比誘電率の低いフッ素(F)添加のシリコン酸化膜(SiOF)
が注目されるようになった。
【０００３】SiOF薄膜を生成するべく最初に試みられた
のは，テトラエチルオルソシリケート(TEOS)，酸素
(O2)，及びC2F6の混合ガスを減圧下でプラズマ放電させ
る方法であった。しかし，この方法で製造されたSiOF薄
膜内のフッ素原子は非常に不安定であり遊離しやすいと
いう欠点がある。また該フッ素原子は吸湿性が高く水と
反応してHFを生成し半導体を腐食してしまう危険性があ
り，その結果半導体の信頼性が低下することにもなる。
【０００４】ここに参考文献として組み込む"Applicati
on of SiOF Film Deposition UsingTEOS/TEFS/O2 Syste
m to Multi-Level Interconnection Designed with 0.2
5μm Rule" H. Kudo Fujitsu及び"DUAL FREQUENCY PLAS
MA CVD FLUOROSILICATE GLASS WAFER ABSORPTION AND S
TABILITY" M. J. Shapiro IBM and Toshibaには，当該S
iOF薄膜の膜質を改善するための技術が教示されてい
る。それによれば，従来のSiOF膜内のフッ素原子の不安
定性及び吸湿性は膜中のフッ素原子の結合状態によって
大きく影響を受けることがわかった。大部分のフッ素原
子は，SiO2膜中に５〜１５％の低い濃度で拡散してSi原
子とF原子が一つずつ結合した(F-Si(-O-)3)状態でSiOF
膜中に存在する。ところが，中には１つのSi原子にフッ
素原子が２つ結合した(Si(-F)2(-O-)2)状態のものがわ
ずかに存在する。この結合状態中のフッ素原子が化学的
に非常に不安定なために，上記問題を引き起こす原因と
なっているのである。この問題は，プラズマ内のフッ素
原子濃度が高くなるに従って一層深刻になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】これらの欠点を改善す
るべく，フッ素ソースガスとして上記C2F6の代わりにフ
ロロトリエトキシシラン(TEFS)またはSiF4を使用する方
法が次に試みられた。これらのシリコン系フッ素ソース
ガスの特徴は，該フッ素ソースガス中のSi原子とF原子
の結合Si-Fがプラズマによって解離しない点にある。す
なわち，フッ素原子はSi-F結合状態のままでSiOF膜内に
取り込まれる。この方法によれば，プラズマ中に単独で
存在するフッ素原子の数を減らすことが可能となり，そ
の結果不安定な(Si(-F)2(-O-)2)状態が形成される可能
性を減少させることができる。こうして，フッ素原子の
不安定性は多いに改善されたものの，膜全体の吸湿性及
び膜質の点では満足のいく結果を得ることはできなかっ
た。
【０００６】したがって，本願発明の目的は，フッ素原
子の安定したフッ素系シリコン酸化膜を製造することで
ある。
【０００７】また，本願発明の他の目的は，吸湿性の低
いフッ素系シリコン酸化膜を製造することである。
【０００８】さらに，本願発明の他の目的は，圧縮応力
の大きな膜質の良いフッ素系シリコン酸化膜を製造する
ことである。
【０００９】さらにまた，本願発明の他の目的は，製造
コストが低く信頼性の高い半導体素子を提供することで
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために本願発明は以下の手段から成る。
【００１１】すなわち，半導体集積回路の層間絶縁膜と
して使用するフッ素系シリコン酸化膜は，シリコンソー
スガスと，シリコン系フッ素ソースガスと，酸化剤と，
不活性ガスの混合ガスを使用して成膜されることを特徴
とする。
【００１２】好適には，上記不活性ガスの流量は上記シ
リコンソースガス及び上記シリコン系フッ素ソースガス
の合計流量の少なくとも５倍である。
【００１３】また，具体的には，上記シリコンソースガ
スはテトラエチルオルソシリケート（TEOS），上記シリ
コン系フッ素ソースはフロロトリエトキシシラン(TEF
S)，上記酸化剤は酸素（O2），上記不活性ガスはヘリウ
ム(He)またはアルゴン(Ar)ガスである。
【００１４】一方，半導体集積回路の層間絶縁膜として
使用するためのフッ素系シリコン酸化膜を製造する方法
は，シリコンソースガスと，シリコン系フッ素ソースガ
スと，酸化剤と，不活性ガスの混合ガスを使用して成膜
することを特徴とする。
【００１５】好適には，上記不活性ガスの流量は上記シ
リコンソースガス及び上記シリコン系フッ素ソースガス
の合計流量の少なくとも５倍である。
【００１６】また，具体的には，上記シリコンソースガ
スはテトラエチルオルソシリケート（TEOS），上記シリ
コン系フッ素ソースはフロロトリエトキシシラン(TEF
S)，上記酸化剤は酸素（O2），上記不活性ガスはヘリウ
ム(He)またはアルゴン(Ar)ガスである。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は，本発明に係るフッ素系シ
リコン酸化膜を製造するための装置を略示したものであ
る。装置は，プラズマCVD装置1とガス供給装置12から成
る。プラズマCVD装置1は従来と同様の平行平板タイプで
あって，真空チャンバ6と，該真空チャンバ6の内側上部
に設置されたガス供給ヘッド5と，該ガス供給ヘッド5と
平行に対向して配置された半導体ウエハの載置面を有す
るサセプタ3と，該サセプタを支持しサセプタを介して
半導体ウエハ4を加熱するためのヒーター2とから成る。
従来のプラズマCVD装置1においては，一般にガス供給ヘ
ッド5及びサセプタ3が電極として機能し，いずれかが高
周波RF電源（図示せず）に接続されている。半導体ウエ
ハ4の表面付近に形成されたプラズマ放電により混合ガ
スがイオン化して化学反応を起こし半導体ウエハ上に薄
膜が蒸着されるのである。
【００１８】ガス供給装置12は，各種ガス用タンク9
と，バルブ8と，配管13と，各バルブ8の開閉及びガス流
量を制御するための流量制御器7とから成る。
【００１９】本願発明に係るフッ素系シリコン酸化膜
（好適にはSiOF）は，シリコンソースガスと，シリコン
系フッ素ソースガスと，酸化剤と，不活性ガスとの混合
ガスから製造される。本願発明の好適実施例において
は，シリコンソースガスとしてテトラエチルオルソシリ
ケート(TEOS)が，シリコン系フッ素ソースガスとしてフ
ロロトリエトキシシラン(TEFS)が，酸化剤として酸素(O
2)が，不活性ガスとしてヘリウム(He)がそれぞれ使用さ
れる。他に，シリコンソースガスとしてトリエトキシシ
ラン(TRIES)，不活性ガスとしてアルゴン(Ar)を用いる
こともできる。また，以上を組み合わせて使用すること
もできる。
【００２０】それぞれのガスタンク9からガスが配管13
を通ってバルブ8に達すると，予めプログラムされた手
順で流量制御器12が各バルブを制御する。この際，不活
性ガス(He)の流量は，以下に詳細に説明されるようにシ
リコンソースガス(TEOS)及びシリコン系フッ素ソースガ
スの合計流量の少なくとも５倍になるよう制御される。
このように制御された所定量の各ガスはプラズマCVD装
置1のガス供給ヘッド5の吸気口10を通じて，予め真空排
気されたチャンバ6内に導入され混合される。該混合ガ
スは，ガス供給ヘッド5とサセプタ3との間に発生するプ
ラズマ放電によりイオン化してプラズマ状態となる。そ
して，混合ガスのプラズマ内で生じる化学反応によりフ
ッ素系シリコン酸化膜（好適にはSiOF）が生成され半導
体ウエハ表面に蒸着される。最後に，排気口11からチャ
ンバ6内の残留ガスが排気される。
【００２１】ここで使用される不活性ガス(He)は，混合
ガス中の他のガス分子または原子のイオン化を促進して
プラズマ密度を上げる効果を有する。また，プラズマ内
でイオン化した不活性ガスの気体分子が成膜過程で膜表
面のイオンと衝突（イオン・ボンバードメント）し該膜
を緻密化する効果も有する。本願は，このような特徴を
有する不活性ガスを上記シリコン系フッ素ソースガスと
ともに使用することにより，フッ素原子が非常に安定で
吸湿性が低くかつ圧縮応力の大きなフッ素系シリコン酸
化膜を与える点に特徴がある。
【００２２】図２は，半導体ウエハ表面の一部を拡大し
て略示したものである。半導体ウエハのバルク21上には
本願発明に係るフッ素系シリコン酸化膜23が絶縁膜とし
て形成され，さらにその上にアルミなどの金属配線層23
が形成されている。他の実施例として，このアルミ配線
層23の上にさらにフッ素系シリコン酸化膜を形成し，そ
の上にさらにアルミ配線層を形成して多層配線とするこ
ともできる。
【００２３】次に，本願発明の実施例について，その実
験結果とともに以下に説明する。実験は，以下の表１に
示すような比較例と本願発明の実施例に対して，吸湿性
及び圧縮応力について行われた。
【００２４】
【表１】 実施例 TEOSの流量を84sccm，TEFSの流量を54sccm，O2の流量を
2000sccmとし，Heの流量を1000sccm（TEOS+TEFSの約7
倍）及び2000sccm（TEOS+TEFSの約14倍）とした。
【００２５】比較例 TEOSの流量を同じく84sccm，TEFSの流量を同じく54scc
m，O2の流量を同じく2000sccmとし，Heの流量を0sccmと
した。
【００２６】図３は実施例及び比較例についてのSiOF膜
の吸湿性の違いを示すグラフである。実験は，大気圧，
温度80℃，湿度80％において３時間加湿した後にSiOF膜
の赤外吸収スペクトルを測定することにより行われた。
【００２７】図３のグラフにおいて，波数3400cm-1付近
にほぼ水平な平坦部が存在するのがわかる。これは，薄
膜中に吸収された水(H2O)の分子が励起されていること
を示している。したがって，この平坦部が高いほど薄膜
中に吸収された水分量が多いことになる。本願発明に係
る実施例を比較例と比べると，He流量が0sccmから1000
へ，さらに2000sccmへ増加したとき該平坦部が降下して
いるのがわかる。すなわち，本願発明に係る実施例の吸
湿性は，Heの流量がTEOS+TEFSの合計流量の約７倍(1000
sccm)のときに抑制され，約１４倍(2000sccm)のときに
さらに抑制されていることがわかった。他の実験結果
（図示せず）より，当該膜吸湿性の抑制効果はHeの流量
がTEOS+TEFSの合計流量のほぼ５倍のときに現れること
がわかった。また，シリコンソースガスとシリコン系フ
ッ素ソースガスの割合を変化させた他の実施例において
も，同様の結果が得られることがわかった。すなわち，
シリコンソースガスとシリコン系フッ素ソースガスの割
合は適用すべきデバイスの要求により異なるが，それら
の流量の合計の少なくとも５倍の不活性ガスを添加すれ
ば，膜吸湿性が抑制されるのである。
【００２８】表２は，実施例及び比較例についてのSiOF
膜の圧縮応力の測定結果を示したものである。
【００２９】
【表２】 上記測定結果より，SiOF膜の圧縮応力は，Heが0sccmの
時に比べ，Heの流量が1000sccmのときに約１.７倍，He
の流量が2000sccmのときに約１.９倍に増加しているこ
とがわかる。また，他の実験結果（図示せず）より，当
該膜の圧縮応力の増大効果は，Heの流量がTEOS+TEFSの
合計流量のほぼ５倍のときに現れ，Heの流量が増加する
に従って増大していくことがわかった。
【００３０】以上により，本願発明に係るフッ素系シリ
コン酸化膜によれば，フッ素原子の安定した層間絶縁膜
を提供することが可能となり，半導体デバイスの信頼性
を向上させることができる。
【００３１】また，本願発明に係るフッ素系シリコン酸
化膜によれば，吸湿性の抑制された層間絶縁膜を提供す
ることが可能となり，寿命が長く劣化の少ないデバイス
を与えることができる。
【００３２】さらに，本願発明に係るフッ素系シリコン
酸化膜によれば，圧縮応力の大きな層間絶縁膜を提供す
ることが可能となり，緻密化の要求に答えて高集積化に
よる歩留まりの低下を抑止することができる。
【００３３】さらにまた，本願発明に係るフッ素系シリ
コン酸化膜の製造方法によれば，ランニングコストが低
い従来の平行平板型プラズマCVD装置によっても製造が
十分可能であることから，信頼性の高い半導体デバイス
を非常に低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，本願に係るフッ素系シリコン酸化膜を
製造するための装置を略示したものである。
【図２】図２は，本願に係るフッ素系シリコン酸化膜の
略拡大断面図である。
【図３】図３は，比較例と実施例についてフッ素系シリ
コン酸化膜における吸湿性の違いを示したグラフであ
る。
【符号の説明】
1 プラズマCVD装置 2 ヒーター 3 サセプタ 4 半導体ウエハ 5 ガス供給ヘッド 6 真空チャンバ 7 流量制御器 8 バルブ 9 ガスタンク 10 吸気口 11 排気口 12 ガス供給装置 13 配管
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年３月２４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３２】さらに，本願発明に係るフッ素系シリコン
酸化膜によれば，圧縮応力の大きな層間絶縁膜を提供す
ることが可能となり，高集積化による歩留まりの低下を
抑制することができる。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体集積回路の層間絶縁膜として使用す
    るフッ素系シリコン酸化膜であって，シリコンソースガ
    スと，シリコン系フッ素ソースガスと，酸化剤と，不活
    性ガスの混合ガスを使用して成膜されることを特徴とす
    るフッ素系シリコン酸化膜。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のフッ素系シリコン酸化膜
    であって，前記不活性ガスの流量が前記シリコンソース
    ガス及び前記シリコン系フッ素ソースガスの合計流量の
    少なくとも５倍であることを特徴とする，ところのフッ
    素系シリコン酸化膜。
  3. 【請求項３】請求項２に記載のフッ素系シリコン酸化膜
    であって，前記シリコンソースガスがテトラエチルオル
    ソシリケート（TEOS），前記シリコン系フッ素ソースが
    フロロトリエトキシシラン(TEFS)，酸化剤が酸素
    （O2），前記不活性ガスがヘリウム(He)またはアルゴン
    (Ar)ガスである，ところのフッ素系シリコン酸化膜。
  4. 【請求項４】半導体集積回路の層間絶縁膜として使用す
    るためのフッ素系シリコン酸化膜を製造する方法であっ
    て，シリコンソースガスと，シリコン系フッ素ソースガ
    スと，酸化剤と，不活性ガスの混合ガスを使用して成膜
    することを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の方法であって，前記不活
    性ガスの流量が前記シリコンソースガス及び前記シリコ
    ン系フッ素ソースガスの合計流量の少なくとも５倍であ
    ることを特徴とする，ところの方法。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の方法であって，前記シリ
    コンソースガスがテトラエチルオルソシリケート（TEO
    S），前記シリコン系フッ素ソースがフロロトリエトキ
    シシラン(TEFS)，酸化剤が酸素（O2），前記不活性ガス
    がヘリウム(He)またはアルゴン(Ar)ガスである，ところ
    の方法。
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