JPH1126452A

JPH1126452A - 絶縁膜の成膜方法及び半導体装置

Info

Publication number: JPH1126452A
Application number: JP18347597A
Authority: JP
Inventors: Kinya Kobayashi; 金也小林; Takuya Fukuda; 琢也福田; Kiyotaka Katou; 聖隆加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】低誘電率，低吸湿で安定性が高いＳｉＯＦ絶縁
膜の成膜用ガスのコストを抑える成膜方法並びに半導体
装置の提供にある。【解決手段】半導体成膜装置内に、少なくともＳｉＨ₂
Ｆ₂に酸化材を加えたガスを導入し、変動する電磁界を
加えることによりプラズマを発生し、少なくともＳiＯ
とＳiＦ結合を有する絶縁膜を成膜する工程（１）と、
少なくともＳｉＦ₄に酸化材を加えたガスを導入し、変
動する電磁界を加えることによりプラズマを発生し、少
なくともＳｉＯとＳｉＦ結合を有する絶縁膜を成膜する
工程（２）を成膜工程に含めることを特徴とする絶縁膜
の成膜方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁膜の成膜方法
に係わり、特に半導体素子内の層間絶縁膜の成膜方法お
よび上記の成膜方法により作成した半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化は著しく、
すでに最小０.３μ 幅の配線を含む６４ＭビットＤＲＡ
Ｍも実用化段階に入っている。このため配線間を絶縁用
の層間絶縁膜の薄膜化が著しい。しかしながら、層間絶
縁膜の薄膜化に伴い誘電率が高くなり、配線遅延の問題
が生じている。

【０００３】特に最小０.３μ 幅の配線のデザインルー
ルでは全体の遅延に占める配線遅延（配線抵抗Ｒと配線
容量ＣによるＲＣ遅延）の割合が７０％以上となると予
想されている。このため、配線遅延を低減し、集積回路
の動作を高速化するために層間絶縁膜を低誘電率化する
方法の開発が本質的に重要となっている。現在、従来の
層間絶縁膜であるＳｉＯ₂膜にＦを添加し、低誘電率化
する方法が最有力候補である。

【０００４】このＦ添加ＳｉＯ₂膜（ＳｉＯＦ膜）の生
成法としてはプラズマＣＶＤ法を利用した成膜法が提案
されている。特願平5−89891号明細書にあるように、プ
ラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂膜を形成する際に、Ｆ原
子を含むエッチングガス（Ｃ₂Ｆ₆，ＣＦ₄，ＮＦ₃）を
添加する方法と、特願平2−77127号明細書にあるよう
に、ＳｉＯＦ膜を形成する際にＳｉＦ₄を反応ガスとし
て添加する方法が報告されている。また特願平8−22803
6 号明細書にあるように、ＳｉＯＦ膜を形成する際にＳ
ｉＨ₂Ｆ₂を反応ガスとし、低プラズマ電子温度，高圧
化，大流量化する方法が報告されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては以下の問題が存在する。ＳｉＯ₂膜を
形成する際に、Ｆ原子を含むエッチングガス（Ｃ₂Ｆ₆，
ＣＦ₄，ＮＦ₃）を添加する方法では、膜内にＳｉ−Ｆ
結合を生成するには、エッチングガスを分解し、Ｆラジ
カルをプラズマ中に発生させる必要がある。このＦラジ
カルが大量にプラズマ内に存在すると膜内に遊離Ｆ原子
（膜構成原子との結合性が弱いＦ原子）が取り込まれ、
絶縁膜の水吸湿性を高めたり、化学反応に対する安定性
が低下し、半導体素子の性能が劣化する可能性がある。
一方、ＳｉＦ₄を反応ガスとして添加する場合も、プラ
ズマ内に大量のＦラジカルを発生させ、上記と同様に遊
離Ｆ原子を膜内に取り込む恐れがある。

【０００６】また、ＳｉＨ₂Ｆ₂を反応ガスとして添加す
る場合は、プラズマ内に大量のＦラジカルの発生が抑制
され、かつ発生した水素ラジカルが膜内の遊離Ｆ原子と
反応し安定なＨＦ分子を生成するため、膜の誘電率を低
く保ったまま、水吸湿性が低く、化学的に安定性の高い
膜を成膜可能である。しかしながら、現在、SiH₂F₂ガス
の価格がＳｉＨ₄ガス，ＳｉＦ₄ガスに比較して１０倍
以上高いため、半導体の製造コストが高くなることが問
題となっている。

【０００７】本発明の目的は、プラズマＣＶＤ法を用い
たＳｉＯＦ膜の成膜法において、誘電率が低く、吸湿
性，化学的な反応性が低い膜を、できるだけ低コストで
成膜する方法と、この方法により成膜した絶縁膜を有す
る半導体装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、半導体成膜装置内に、少なくともＳｉＨ₂Ｆ₂に酸化
材を加えたガスを導入し、変動する電磁界を加えること
によりプラズマを発生し、少なくともＳｉＯとＳｉＦ結
合を有する絶縁膜を成膜する工程（１）と、少なくとも
ＳｉＦ₄に酸化材を加えたガスを導入し、変動する電磁
界を加えることによりプラズマを発生し、少なくともＳ
ｉＯとＳｉＦ結合を有する絶縁膜を成膜する工程（２）
を成膜工程に含めることを特徴とする絶縁膜の成膜方法
が提供される。

【０００９】好ましくは、上記、工程（１）と（２）の
少なくともどちらかにおいて、半導体成膜装置内に、Ｓ
ｉＨ₄ガスを導入することを特徴とする絶縁膜の成膜方
法が提供される。

【００１０】好ましくは、上記、工程（１）と（２）の
少なくともどちらかにおいて、半導体成膜装置内に、希
ガスを導入することを特徴とする絶縁膜の成膜方法が提
供される。

【００１１】好ましくは、成膜初期からの一定時間は工
程（１）を、成膜初期から一定時間経過後は工程（２）
により成膜することを特徴とする絶縁膜の成膜方法が提
供される。

【００１２】好ましくは、工程（１）と工程（２）を周
期的あるいは非周期的に交互に繰り返し成膜することを
特徴とする絶縁膜の成膜方法が提供される。

【００１３】さらに、上記の成膜方法により生成し、か
つ工程（１）により成膜した膜の誘電率が３.５以下，
工程（２）により成膜した膜の誘電率が３.８以下の絶
縁膜を形成した半導体装置が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以上の様に構成した上記目的を達
成するために、ＳｉＨ₂Ｆ₂に酸化材を加えたガスを導入
し、変動する電磁界を加えることによりプラズマを発生
し、少なくともＳｉＯとＳｉＦ結合を有する絶縁膜を成
膜する工程（１）により、誘電率と吸湿性が低く、膜安
定性が高い膜を成膜できる。

【００１５】またＳｉＦ₄に酸化材を加えたガスを導入
する工程(２）では（ａ）工程(１）にくらべ誘電率は同
一だが、吸湿性が高く、膜安定性が低い膜、又は、
（ｂ）工程（１）にくらべ吸湿性と、膜安定性は同一だ
が膜誘電率は高い膜、および(ｃ)工程（１）にくらべ誘
電率が高く、吸湿性も高く、膜安定性も低い膜が成膜さ
れる。

【００１６】しかしながら、工程（１）は工程（２）に
くらべ絶縁膜の成膜コストが高い。このため、成膜工程
を工程（１）と工程（２）に分割し、特に、低誘電率膜
が必要な部分あるいは吸湿性が低く、膜安定性が高い膜
が必要な部分、または両方の性質が必要な部分は工程
（１）により成膜し、その他は工程（２）とすることに
より、膜全体の誘電率を低く、誘電率と吸湿性が低く、
かつ安定性を高く保ったまま、絶縁膜の成膜コストを抑
えられる。

【００１７】さらに、上記、工程（１）と（２）の少な
くともどちらかにおいて、導入ガスに加えＳｉＨ₄ガス
を導入すると、プラズマ中の電子との衝突によりＳｉＨ
₄が解離し、水素ラジカルが発生する。この水素ラジカ
ルが膜内の遊離Ｆと反応し、安定なＨＦ分子を生成し、
かつこのＨＦが排出されることより、ＳｉＨ₄を添加し
ない場合に比べ、膜の化学的安定性が向上する。

【００１８】さらに上記、工程（１）と（２）の少なく
ともどちらかにおいて、導入ガスに加え希ガスを加える
ことは、導入ガスを希釈でき、希ガスイオンとの衝突に
より膜を緻密化でき、希ガスの準安定状態からの放出光
により解離を促進できる点で希ガスを導入しない場合よ
り優れる。

【００１９】さらに上記、成膜初期からの一定時間は工
程（１）を、成膜初期から一定時間経過後は工程（２）
により成膜することにより、下地近傍の膜の（ａ）低誘
電率化、（ｂ）低吸湿・高安定化、（ｃ）低誘電率化と
低吸湿・高安定化の何れかが可能となる。下地として配
線溝の場合は、（ａ）により、配線間容量の低減、
（ｂ）より、水透過による配線腐食の低減、（ｃ）より
上記（ａ)，(ｂ）の何れも可能となる。

【００２０】また工程（１）と工程（２）を周期的ある
いは非周期的に交互に繰り返し成膜することにより膜全
体にわたり、上記、（ａ)，(ｂ)，(ｃ）の何れかが可能
となる。

【００２１】〔実施例１〕本発明の第１の実施例を図
１，図２に従って説明する。図２に示す本実施例の装置
は、マイクロ波により生成したプラズマを利用するマイ
クロ波ＥＣＲ−CVD装置である。ここでマグネトロン１
からでたマイクロ波は導波管２に導かれ、成膜容器３内
部に誘導される。

【００２２】この時、工程（１）では、電磁石４による
磁場とマイクロ波により、ボンベ５ａ内から導入口６ａ
を通過して入ってくるガス７ｄ（ＳｉＨ₂Ｆ₂）とボンベ
５ｂ，５ｃ内から導入口６ｂを通過して入ってくるガス
７ｂ(Ｏ₂)，７ｃ(Ａｒ)が電離し、プラズマが生成す
る。

【００２３】成膜容器内のガスは排気口１２を通し、外
部のポンプ１０を用いて排気されるが、圧力が設定値に
なるように排気量は制御されている。

【００２４】このときプラズマの電子はＳｉＨ₂Ｆ₂，Ｏ
₂，Ａｒと衝突し、各種ラジカルを生成する。この中で
Ｓｉを含むラジカルはＯ₂が分解してできるＯラジカル
とホルダ１４上の基板上で反応して、Ｓｉ−Ｏ結合，Ｓ
ｉ−Ｆ結合を生成する。

【００２５】この工程（１）により、半導体ウエハ１３
にある図１（ａ）の様な配線溝内部の一部をＳｉＯＦ膜
（２２）により埋め込む。

【００２６】図１(ａ）の状態まで工程(１）により成膜
した段階で、ガス７ｄ(ＳｉＨ₂Ｆ_２）の供給を止め引き
続き７ａ（ＳｉＦ_４）と７ｅ（ＳｉＨ₄）を成膜容器
内に導入する。この工程(２）においても、プラズマの
電子はＳｉＦ₄，ＳｉＨ₄，Ｏ₂,Ａｒと衝突し、各種
ラジカルを生成する。

【００２７】この中でＳｉを含むラジカルはＯ₂が分解
してできるＯラジカルとホルダ１４上の基板上で反応し
て、Ｓｉ−Ｏ結合，Ｓｉ−Ｆ結合を生成する。この工程
(２)により、半導体ウエハ１３にある図１（ｂ）の様な
配線溝内部の一部をＳｉＯＦ膜（２３）により埋め込
む。

【００２８】工程（１）により成膜したＳｉＯＦ膜の誘
電率は３.３であり、工程（２）により成膜したＳｉＯ
Ｆ膜の誘電率は３.６であり、かつ昇温脱離ガス分析実
験結果から、ＳｉＯＦ膜（２２)，(２３）の吸湿量はＰ
−ＴＥＯＳ膜における吸湿量と同程度であった。

【００２９】本方法による配線間の誘電率は３.４であ
り、工程（１）で全体を埋め込む方法に比較し、０.１
しか上昇しない。しかし、成膜ガスの使用コストは、工
程（１）で全体を埋め込む方法の、約１／２となった。

【００３０】〔実施例２〕実施例１で用いた装置の代わ
りに誘導結合型のプラズマ発生装置を用いている。装置
構成図を図２に示す。本装置は実施例１の方法に比べる
と電磁石が不要であり、コンパクトであるという利点を
持つ。

【００３１】本装置を用いて、工程（１）においてＳｉ
Ｈ₂Ｆ₂（７ｄ），Ｏ₂，Ａｒガスに加えＳｉＨ₄ガス
（７ｅ）をボンベ５ｅから６ａの導入口を通して装置内
に導入し、半導体ウエハ上にＳｉＯＦ膜を成膜したとこ
ろ、ＳｉＨ₄ガスを導入しない場合に比べ、導入した方
が成膜ガスのコストが低減した。

【００３２】〔実施例３〕実施例１で用いた装置の代わ
りに平行平板型のプラズマ発生装置を用いている。装置
構成図を図６に示す。本装置は実施例１，２の方法に比
べると電磁石，コイルが不要であり、コンパクトであ
リ、ウエハ面上の成膜の均一性が高く、かつクリーニン
グ時間が少ないという利点を持つ。

【００３３】本装置により、工程（１）と工程（２）を
周期的に繰り返し、図５の様に成膜した。本方法では、
工程（１）で成膜したＳｉＯＦ膜（２２）の誘電率は工
程（２）で成膜したＳｉＯＦ膜の誘電率（２３）と同一
にしている。本手法により、工程（１）で全体を埋め込
む方法に比較し、一定期間経過後の吸湿量はわずかしか
上昇しない。しかし、成膜ガスの使用コストは、工程
（１）で全体を埋め込む方法の、約１／２となった。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、低吸湿かつ安定性が高
いＳｉＯＦ膜を成膜可能だが高コストガスであるＳｉＨ
₂Ｆ₂ガスを用いる成膜プロセス（工程(１)）と、ＳｉＨ
₂Ｆ₂ガスより低コストガスであるＳｉＦ₄(＋ＳｉＨ₄)
ガスを用いる成膜プロセス（工程(２)）を組み合わせる
ことにより、工程（１）のみで成膜する方法に比べ、膜
質の劣化，誘電率上昇をできるだけ抑え、かつ、成膜コ
ストを大幅に削減できる。

【００３５】従ってこの成膜法により生成した誘電率の
低い膜を層間絶縁膜として用いることにより、高集積化
に伴う半導体素子における配線遅延削減が、製造コスト
上昇をできるだけ抑えて、可能となる。これにより、動
作速度を向上した次世代の高集積ＭＰＵおよびＤＲＡＭ
の製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】配線溝に工程（１）と工程（２）のＣＶＤプロ
セスによりＳｉＯＦ膜を成膜した図である。

【図２】マイクロ波ＥＣＲ−ＣＶＤ装置を示した図であ
る。

【図３】誘導結合型プラズマ発生装置を示した図であ
る。

【図４】平行平板型プラズマ発生装置を示した図であ
る。

【図５】配線溝に工程（１）と工程（２）のＣＶＤプロ
セスによりＳｉＯＦ膜を成膜した図である。

【符号の説明】

１…マグネトロン、２…導波管、３…成膜容器、４…電
磁石、５ａ〜５ｊ…ボンベ、６ａ〜６ｃ導入口、７ａ…
ＳｉＦ₄ガス、７ｂ…Ｏ₂ガス、７ｃ…Ａｒガス、７ｄ
…ＳｉＨ₂Ｆ₂ガス、７ｅ…ＳｉＨ₄ガス、８ａ〜８ｅ…
バルブ、９ａ〜９ｅ…ガスフローコントロラー、１０…
外部のポンプ、１１…除外装置、１２…排気口、１３…
半導体ウエハ、１４…ホルダ、１５…高周波電源、１６
…石英窓、１８…電源、１９…コイル、２０シリコンプ
レート、２１…Ａｌ配線、２２…工程(１)により成膜し
たＳｉＯＦ膜、２３…工程(２)により成膜したＳｉＯＦ
膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体成膜装置内に、少なくともＳｉＨ₂
Ｆ₂に酸化材を加えたガスを導入し、変動する電磁界を
加えることによりプラズマを発生し、少なくともＳiＯ
とＳiＦ結合を有する絶縁膜を成膜する工程（１）と、
少なくともＳｉＦ₄に酸化材を加えたガスを導入し、変
動する電磁界を加えることによりプラズマを発生し、少
なくともＳｉＯとＳｉＦ結合を有する絶縁膜を成膜する
工程（２）を成膜工程に含めることを特徴とする絶縁膜
の成膜方法。
【請求項２】請求項１において、工程（１）と（２）の
少なくともどちらかにおいて、半導体成膜装置内に、Ｓ
ｉＨ₄ガスを導入することを特徴とする絶縁膜の成膜方
法。
【請求項３】請求項１または２において、工程（１）と
（２）の少なくともどちらかにおいて、半導体成膜装置
内に、希ガスを導入することを特徴とする絶縁膜の成膜
方法。
【請求項４】請求項１，２または３において稀ガスを同
時に加えることを特徴とする絶縁膜の成膜方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、成膜初
期からの一定時間は工程（１）を、成膜初期から一定時
間経過後は工程（２）により成膜することを特徴とする
絶縁膜の成膜方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、工程
（１）と工程（２）を周期的あるいは非周期的に交互に
繰り返し成膜することを特徴とする絶縁膜の成膜方法。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の成膜方法
により形成し、かつ前記工程（１）の誘電率が３.５以
下工程（２）の誘電率が３.８以下の絶縁膜を形成した
ことを特徴とする半導体装置。