JPH118237A - 低誘電率絶縁体膜の形成方法およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ギャップフィル能力、グローバル平坦化能力
に優れた、膜内部に微細な気泡を有する低誘電率絶縁体
膜の形成方法、およびこれを用いた半導体装置を提供す
る。 【解決手段】 シラン系化合物、酸化剤、およびフェノ
ールや安息香酸等を原料ガスとし、液相ＣＶＤ法で成膜
後、熱処理を施して低誘電率絶縁体膜１４を形成する。 【効果】 液相ＣＶＤで平坦に形成された膜内には、フ
ェノールや安息香酸が採り込まれ、これらは熱処理によ
り気化してｎｍオーダの気泡が形成される。この結果、
比誘電率が３．０以下の低誘電率絶縁体膜が形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低誘電率絶縁体膜の
形成方法およびこれを用いた半導体装置に関し、さらに
詳しくは、膜内部に微細な気泡を有する酸化シリコン系
絶縁膜を、段差を有する被処理基板上に平坦に形成する
際に適用して好適な低誘電率絶縁体膜の形成方法および
これを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化が進
展するに伴い、多層配線構造においては同一配線層内の
隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異
なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。か
かる配線間隔の縮小により、配線間容量の上昇が問題と
なりつつある。このため半導体装置の実動作速度は１／
Ｋ（Ｋは縮小率）のスケーリング則に合致しなくなり、
高集積化のメリットを充分に享受することができない。
配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体装置の高速動
作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるために
は、是非とも解決しなければならない要素技術の１つで
ある。高集積度半導体装置の配線間容量の低減方法とし
て、例えば特開昭６３−７６５０号公報に開示されてい
るように、低誘電率材料による層間絶縁膜の採用が有効
である。

【０００３】低誘電率材料としては、フッ素原子を含む
酸化シリコン系絶縁膜（以下ＳｉＯＦと記す）等の無機
系材料と、炭素原子を含む有機系材料が代表的である。
ＳｉＯＦはＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合のネットワークをＦ原子
で終端することでその密度が低下すること、およびＳｉ
−Ｆ結合やＯ−Ｆ結合の分極率が小さいことにより低誘
電率が達成される。またその成膜プロセスや加工プロセ
スがＳｉＯ₂ 等従来の無機系層間絶縁膜の成膜プロセス
や加工プロセスと整合性があることから、現用の製造設
備でも容易に採用できるので注目されている。また無機
系材料であるので当然のことながら耐熱性にも優れる。

【０００４】ＳｉＯＦの成膜法としては、従来よりＴＥ
ＯＳにフッ素源として例えばＮＦ₃を添加してＣＶＤ(Ch
emical Vapor Deposition) 成膜する方法（第４０回応
用物理学関係連合講演会（１９９３年春季年会）講演予
稿集ｐ７９９、講演番号１ａ−ＺＶ−９）等が報告され
ている。また、膜質の安定化を目的として、難分解性の
ＳｉＦ₄ を高密度プラズマにより解離して低誘電率のＳ
ｉＯＦを形成する方法（第４０回応用物理学関係連合講
演会（１９９３年春季年会）講演予稿集ｐ７５２、講演
番号３１ｐ−ＺＶ−１）が報告されている。

【０００５】ＳｉＦ₄ をシリコン供給源とする高密度プ
ラズマＣＶＤ法では、比誘電率が３．４程度のＳｉＯＦ
膜が得られる。しかしながら、低誘電率を達成するため
に高濃度のフッ素原子を酸化シリコン中に導入しようと
すると、遊離のＦやＨＦがＳｉＯＦ膜中に採りこまれ
る。この場合には、後工程で層間絶縁膜に接続孔を開口
し、接続孔内にＴｉＮバリア層やＷプラグを埋め込む際
に、ＳｉＯＦ膜中の遊離のＦやＨＦとＴｉＮとが反応
し、ＴｉＮバリア層の密着性が著しく低下し、Ｗプラグ
やＷ層の剥離に至る事態が発生する。かかる現象は、例
えば第４３回応用物理学会学術講演会（１９９６年春季
年会）講演予稿集ｐ６７２、講演番号２８ａ−Ｋ−３に
報告されている。

【０００６】また遊離のＦやＨＦとはならないまでも、
シリコン１原子に２個のＦ原子が結合したＳｉＦ₂ 結合
が発生する。ＳｉＦ₂ 結合は不安定で容易に加水分解し
てＳｉＯＨ結合を生成し、さらに水素結合により大気中
のＨ₂ Ｏを吸着してＳｉＯＦ中の水分含有量を増大させ
る。この場合には、やはり後工程で層間絶縁膜に接続孔
を開口し、接続孔内に金属膜を埋め込む際に、ポイズン
ドビアを発生し、埋め込み特性の劣化やコンタクト抵抗
値の上昇を招く結果となる。ＳｉＯＦ低誘電率層間絶縁
膜に関しては、例えば月刊セミコンダクター・ワールド
誌（プレスジャーナル社刊）１９９６年３月号ｐ．７６
等に紹介されている。

【０００７】一方の有機材料系の低誘電率絶縁体膜とし
ては、シロキサン結合を有する有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ
Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン
（商品名パリレン）、ベンゾシクロブテン、ポリナフタ
レン等の有機高分子材料が知られている。これらの材料
は、炭素原子を含有することで密度を低減し、また分子
（モノマ）自身の分極率を小さくすることで低誘電率を
達成している。またシロキサン結合、イミド結合、ある
いは芳香環を導入することによりある程度の耐熱性を得
ている。さらに、フレア（アライドシグナル社商品名）
あるいはパーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリア
リルエーテル等のフッ素樹脂系の有機高分子材料におい
ては、さらに低分極率のＣ−Ｆ結合の導入により、一層
の低誘電率と耐熱性が得られる。かかるフッ素樹脂系の
有機高分子材料は比誘電率が２．０程度と極めて低い
が、シリコン基板やシリコン酸化膜との密着性が不充分
であることが指摘される。これら有機低誘電率材料につ
いては、例えば日経マイクロデバイス誌１９９５年７月
号ｐ．１０５に紹介されている。

【０００８】これら比誘電率が３．５以下の低誘電率材
料層を、隣り合う配線間はもとより異なるレベルの配線
層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をＳｉＯ₂ （比
誘電率４）、ＳｉＯＮ（比誘電率４〜６）やＳｉ₃ Ｎ₄
（比誘電率６）等の膜質に優れた薄い絶縁膜により挟み
込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特開平８−１６
２５２８号公報で開示し、低誘電率と高信頼性を合わせ
持つ層間絶縁膜を有する半導体装置の可能性を示した。

【０００９】低誘電率絶縁体膜に限らず、多層配線間の
層間絶縁膜としては、隣り合う配線間の凹部を埋め込む
ために、ギャップフィル能力およびグローバル平坦化能
力が求められる。ギャップフィル能力は微細間隔のスペ
ースをボイドを発生することなく充填する能力である。
またグローバル平坦化能力は、大面積のスペース領域を
中弛みなく充填する能力のことである。これらの要請に
応じて提案された方法の一例として、英国ＥＴＥ社のＡ
ＰＬ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ
Ｌａｙｅｒ）技術と呼称される方法がある。この方法
は原料ガスとしてＳｉＨ₄ とＨ₂ Ｏ₂ を用い、被処理基
板を０℃程度に冷却してＣＶＤを施すことにより、凹凸
を有する被処理基板表面にあたかも液体を垂らしたよう
な状態でＳｉＯ₂ を成膜するものである。ギャップフィ
ル能力に関しては、アスペクト比４程度までは問題な
く、グローバル平坦化に関しては１０μｍの広いスペー
スを平坦に埋め込むことが可能とされている。しかしな
がら、被処理基板温度が１０℃以上に上昇すると、成膜
途上での液体のような挙動を失い、ギャップフィル能力
およびグローバル平坦化能力は徐々に劣化する。

【００１０】このように、ＡＰＬ技術は成膜形状につい
ては魅力のある方法である。しかし、低誘電率の面では
特徴はなく、比誘電率で４〜５とＳＯＧ膜、Ｏ₃ −ＴＥ
ＯＳ膜並みである。これは、ＡＰＬ膜に含まれる水酸基
（−ＯＨ基）が比誘電率を上げるためであり、水酸基が
除去された化学量論的なＳｉＯ₂ を成膜したとしても、
比誘電率は３．８程度が限界である。最近ではＡＰＬ膜
中にＦ原子を導入して比誘電率を３．５程度まで低減す
る方法も報告されているが、半導体装置のさらなる高集
積化の要請により、３．０未満の低誘電率絶縁体膜が必
要とされるようになってきた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このような技術的背景
のもとで、埋め込み能力が高く、しかも３．０未満の比
誘電率の低誘電率絶縁体膜が求められている。これを達
成する方法としては２つのアプローチが考えられ、一つ
はＡＰＬ技術のような埋め込み能力の高い成膜方法を用
いて低誘電率を達成するものであり、二つ目は低誘電率
膜で、かつ埋め込み能力の高い成膜技術を開発する方法
である。本発明は、前者のＡＰＬ技術のごとき液相ＣＶ
Ｄ法を用いて、平坦性に優れた信頼性の高い低誘電率絶
縁体膜を形成する方法、およびこれを層間絶縁膜として
用いた低消費電力、低発熱かつ高速動作の高集積度半導
体装置を提供することをその課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の低誘電率絶縁体
膜の形成方法は、上述の課題を解決するために提案する
ものであり、ＡＰＬ技術のごとき液相ＣＶＤ法を用いて
平坦性を向上し、さらに膜内部に微細な気泡を含有させ
ることにより低誘電率を達成することを技術的思想とす
るものである。すなわち、膜内部に気泡を含有する酸化
シリコン系絶縁膜を、化学的気相成長工程、およびこの
化学的気相成長工程に引き続く熱処理工程により被処理
基板上に形成する工程を有する低誘電率絶縁体膜の形成
方法において、この化学的気相成長法に用いる原料化合
物ガスは、少なくともシラン系化合物、酸化剤、および
ＯＨ基を有する芳香族化合物を含むことを特徴とする。
このＯＨ基を有する芳香族化合物としては、フェノール
およびその誘導体、ナフトールおよびその誘導体等が例
示される。

【００１３】また本発明の別の低誘電率絶縁体膜の形成
方法は、膜内部に気泡を含有する酸化シリコン系絶縁膜
を、化学的気相成長工程、およびこの化学的気相成長工
程に引き続く熱処理工程により被処理基板上に形成する
工程を有する低誘電率絶縁体膜の形成方法において、こ
の化学的気相成長法に用いる原料化合物ガスは、少なく
ともシラン系化合物、酸化剤、およびＣＯＯＨ基を有す
る芳香族化合物を含むことを特徴とする。このＣＯＯＨ
基を有する芳香族化合物としては、安息香酸およびその
誘導体、ナフタレンカルボン酸およびその誘導体等が例
示される。

【００１４】いずれの低誘電率絶縁体膜の形成方法にお
いても、シラン系化合物としてはモノシラン、ジシラン
等の無機シラン化合物と、モノメチルシラン、ジメチル
シラン等の有機シラン化合物のいずれをも用いることが
できる。また酸化剤としてはＨ₂ Ｏ₂ ガス（過酸化水素
ガスであり、プラズマ状態ではないもの）、Ｈ₂ Ｏガス
すなわち水蒸気のプラズマ、およびＨ₂ とＯ₂ の混合ガ
スのプラズマうちのいずれかであることが望ましい。原
料化合物ガスは、さらにフルオロカーボン系化合物を含
有してもよい。かかる化合物としては、テトラフルオロ
エチレンやその２量体以上の重合体のうち、気化しうる
低重合度のポリテトラフルオロエチレン等を例示するこ
とができる。

【００１５】またいずれの低誘電率絶縁体膜の形成方法
においても、成膜時においては、被処理基板を室温以下
に制御しつつ、好ましくは１０℃以下に制御しつつ、さ
らに好ましくは０℃以下に制御しつつ、化学的気相成長
を施すことを特徴とする。本明細書中における室温と
は、通常の半導体装置の製造工程に用いるクリーンルー
ムの室温を意味する。かかるＣＶＤ条件の採用により、
被処理基板がその表面に段差を有する場合においても、
この段差を埋めて略平坦な表面を有する低誘電率絶縁体
膜を好ましく形成することができる。また本発明の低誘
電率絶縁体膜の形成方法により、３．０未満の比誘電率
の絶縁膜を形成することが可能である。

【００１６】本発明の半導体装置は、かかる方法により
形成された微細な気泡を有する低誘電率絶縁体膜を、層
間絶縁膜等として有することを特徴とする。

【００１７】ところで、膜内部に気泡を有する低誘電率
絶縁体膜としては、Ｘｅｒｏｇｅｌと呼称される気泡入
りガラス膜が知られている。この膜は比誘電率が２．０
程度以下と低いが、スピンコーティング等の塗布法で形
成されるため、膜厚の制御性や膜質等が必ずしも十分で
はない。本発明においては、膜内部に気泡を有する低誘
電率絶縁体膜を、ＣＶＤ工程およびこれに引き続く熱処
理工程で形成するため、膜厚の制御性や膜質等において
優れた膜を形成することができる。

【００１８】ＡＰＬ技術においては、シラン系化合物と
Ｈ₂ Ｏ₂ 等の酸化剤を反応させることにより、下式に示
されるようにＳｉ（ＯＨ）₂ Ｈ₂ をはじめとする、Ｓｉ
（ＯＨ）_x Ｈ_4-x （ｘは４以下の自然数）等のシラノー
ル中間生成物を形成し、さらにこの化合物を脱水縮合す
ることにより、表面が平坦なシリコン酸化膜を形成する
ものである。 ＳｉＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ₂ → ＳｉＨ₂ （ＯＨ）₂ ＋２Ｈ₂
Ｏ↑ ２ＳｉＨ₂ （ＯＨ）₂ →ＨＯＳｉＨ₂ ・ＯＳｉＨ₂ ＯＨ
＋Ｈ₂ Ｏ↑ 上式に示される重合反応を繰り返すことにより、シロキ
サン重合体からなる絶縁体膜が形成される。この重合反
応は、反応副生成物のＨ₂ Ｏの脱離反応が律速となる比
較的遅い反応であり、重合が進まないうちは、低次の重
合体膜は液体のように挙動する。したがって、このＣＶ
Ｄ法（液相ＣＶＤ法）は、ギャップフィル能力とグロー
バル平坦化能力を共に満たす成膜法となる。

【００１９】この液相ＣＶＤ法において、原料ガス中に
フルオロカーボンガス、一例としてテトラフルオロエチ
レンを含有させる場合には、フルオロカーボン・シロキ
サン共重合膜が下式のメカニズムにより形成される。 ＳｉＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ₂ → ＳｉＨ₂ （ＯＨ）₂ ＋２Ｈ₂
Ｏ↑ ＳｉＨ₂ （ＯＨ）₂ ＋Ｃ₂ Ｆ₂ →ＨＯＳｉＨ₂ ＯＣＦ₂
ＣＨＦ₂ ＨＯＳｉＨ₂ ＯＣＦ₂ ＣＨＦ₂ ＋ＳｉＨ₂ （ＯＨ）₂ →
ＨＯＳｉＨ₂ ＯＳｉＨ₂ ＯＣＦ₂ ＣＨＦ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ↑ 上式に示される共重合反応を繰り返すことにより、フル
オロカーボン・シロキサン共重合体からなる低誘電率絶
縁体膜が形成される。この共重合反応も、反応副生成物
のＨ₂ Ｏの脱離反応が律速となる比較的遅い反応であ
り、共重合が進まないうちは、低次の共重合体膜は液体
のように挙動する。したがって、このＣＶＤ法もギャッ
プフィル能力とグローバル平坦化能力を共に満たす成膜
法となる。

【００２０】本発明で採用した方法は、この脱水縮合反
応が完了する前のシラノール中間生成物中にフェノール
類、安息香酸類等のＯＨ基やＣＯＯＨ基を持った芳香族
化合物を混合させる。これらＯＨ基やＣＯＯＨ基を持っ
た芳香族化合物は、親水性のＯＨ基を外側に向けたミセ
ルとなってシラノール中間生成物中に凝集し、ナノメー
タ（ｎｍ）オーダの微粒子となる。この後、シラノール
の脱水縮合反応を進行させ、シリコン酸化膜を形成する
と、ＯＨ基を持った芳香族化合物分子の集合体からなる
微粒子が、シリコン酸化膜中に均一に分散された状態の
複合膜となる。引き続き、ＯＨ基を持った芳香族化合物
分子の沸点あるいは分解温度以上である、例えば１５０
℃〜２００℃の熱処理を加えることにより、このＯＨ基
を有する芳香族化合物分子は気化し、シリコン酸化膜中
から脱離して微細な空隙すなわち、気泡を残す。このよ
うにして、ｎｍオーダの気泡が膜内部に含有された酸化
シリコン系絶縁膜が形成される。ギャップフィル能力や
グローバル平坦化能力についても、液相ＣＶＤ法である
ので原理的に優れる。

【００２１】本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法によ
り形成される膜内部に気泡を有する酸化シリコン系絶縁
膜は、その比表面積が大きく吸着活性が高いので、ガス
バリア性を有する緻密な窒化膜や酸化膜等の保護膜と併
用することが望ましい。この保護膜も通常ＣＶＤ法で形
成するので、膜内部に気泡を有する酸化シリコン系絶縁
膜のＣＶＤ工程と連続的に形成することも可能であり、
製造プロセスの整合性がよい。膜内部に気泡を有する酸
化シリコン系絶縁膜中に水分が残存する場合には、保護
膜の形成工程の後あるいは前に、４００℃程度のさらに
高温の熱処理を加えることにより、信頼性の高い低誘電
率絶縁体膜を得ることができる。

【００２２】このように、本発明の低誘電率絶縁体膜の
形成方法を採用することにより、高速動作かつ低消費電
力の信頼性の高い高集積度半導体装置を提供することが
可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の低誘電率絶縁体膜
の形成方法およびこれを用いた半導体装置の実施形態例
につき、図面を参照しながら説明する。まず本発明の低
誘電率絶縁体膜の形成方法に供される液相ＣＶＤ装置の
一構成例を、図３に示す概略断面図を参照して説明す
る。本ＣＶＤ装置は基本的には枚葉式の減圧ＣＶＤ装置
であり、ＣＶＤチャンバ５内には被処理基板１を載置す
る基板ステージ２およびガス拡散板３が対向配置されて
いる。基板ステージ２は不図示の冷却手段から例えばフ
ロリナートやエタノール等の冷媒を循環することによ
り、被処理基板１を例えば０℃の低温に制御することが
可能である。基板ステージ２は不図示のヒータを内蔵し
ていてもよい。ガス拡散板３にはシラン系化合物、酸化
剤およびＯＨ基あるいはＣＯＯＨ基を有する芳香族化合
物をガス拡散板３に導入するガス配管４が接続され、こ
れら化合物の混合ガスを被処理基板１に向けて均一に供
給することができる。これらガス配管４およびガス拡散
板３等は、原料化合物が露結あるいは凝固しないよう
に、必要に応じて加熱できるヒータ等の加熱手段が付随
している。また酸化剤の配管中途には、リモートプラズ
マ発生装置（図示せず）を設けてもよい。酸化剤ソース
としてＨ₂ Ｏ、あるいはＨ₂とＯ₂ との混合ガスを採用
する場合には、リモートプラズマ発生装置によりＨ₂Ｏ
プラズマ、あるいはＨ₂ とＯ₂ との混合ガスプラズマの
形で活性な酸化剤をガス拡散板３に供給することができ
る。リモートプラズマ発生装置は周知の容量結合型、誘
導結合型あるいはマイクロ波励起型等いずれの方式のも
のでもよい。なお図３においては被処理基板１の搬入搬
出口やガス排気口、真空ポンプ、あるいは温度制御装置
等の装置細部は図示を省略する。

【００２４】図４は本発明の低誘電率絶縁体膜の保護膜
を形成するためのＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面
図である。本ＣＶＤ装置は枚葉式の平行平板型プラズマ
ＣＶＤ装置であり、図３に示した液相ＣＶＤ装置と類似
の構成要素部分には共通の参照符号を付してある。ＣＶ
Ｄチャンバ５内には被処理基板１を載置する基板載置電
極６およびガス拡散板を兼ねる対向電極７が対向配置さ
れている。基板載置電極６は接地電位であり、被処理基
板１を加熱するための加熱手段、例えばヒータが内蔵さ
れており、被処理基板１を例えば３００℃〜４００℃の
任意の温度に制御することが可能である。対向電極７に
はＲＦ電源８が接続されており、アノードカップル方式
の構成となっている。同じく対向電極７にはシラン系化
合物、酸化剤およびキャリアガス等を導入するガス配管
４が接続され、これら化合物の混合ガスを被処理基板１
に向けて均一に供給することができる。なお図４におい
ても被処理基板１の搬入搬出口やガス排気口、真空ポン
プ、あるいは温度制御装置等の装置細部は図示を省略す
る。図３に示した液相ＣＶＤ装置と、図４に示したプラ
ズマＣＶＤ装置とを、不図示のゲートバルブを介して接
続し、連続ＣＶＤ装置として構成すれば、低誘電率絶縁
体膜とその保護膜とを連続的に形成することができ、ス
ループットの高い成膜プロセスが可能となる。さらに、
熱処理装置をこれも不図示のゲートバルブを介して接続
して連続処理装置としてもよい。

【００２５】本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法を、
多層配線構造の半導体装置の層間絶縁膜に適用した例の
概略断面図を図２に示す。図２の半導体装置は、半導体
基板１１上の下層絶縁膜１２上に形成された下層配線２
１および上層配線２３、およびこれらを接続するビアコ
ンタクト２２等による多層配線構造の層間絶縁膜とし
て、本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法を適用した例
である。すなわち、下層絶縁膜１２上にはＡｌ系金属や
多結晶シリコン、高融点金属ポリサイド等による下層配
線２１が形成され、必要に応じてこの下層配線２１を覆
うようにコンフォーマルな形状の薄い下層保護膜１３が
形成されている。符号１４は本発明の低誘電率絶縁体膜
の形成方法により形成された下層低誘電率絶縁体膜であ
り、下層配線２１により形成された段差を埋めて平坦な
表面が形成されている。さらに下層低誘電率絶縁体膜１
４上には保護膜を兼ねる中間絶縁膜１５が形成され、こ
の中間絶縁膜１５、下層低誘電率絶縁体膜１４および下
層保護膜１３を貫通してＡｌ系金属や多結晶シリコン、
タングステン等のビアコンタクト２２が埋め込み形成さ
れている。ビアコンタクト２２には不図示のコンタクト
メタルやバリアメタル等が形成されていてもよい。さら
に中間絶縁膜１５上には同じくＡｌ系金属や多結晶シリ
コン、高融点金属ポリサイド等による上層配線２３が形
成され、必要に応じてこの上層配線２３を覆うようにコ
ンフォーマルな形状の薄い上層保護膜１６が形成されて
いる。符号１７は本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法
により形成された上層低誘電率絶縁体膜であり、上層配
線２３により形成された段差を埋めて平坦な表面が形成
されている。さらに上層低誘電率絶縁体膜１７上には保
護膜を兼ねる上層絶縁膜１８が形成されている。上層配
線２３が最上層配線の場合には、上層絶縁膜１８は最終
パシベーション膜であってよい。

【００２６】図２に示される多層配線構造の半導体装置
によれば、層間絶縁膜の平坦性に優れ、配線間容量の低
減された高集積度半導体装置を提供することが可能であ
る。

【００２７】以下、本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方
法およびこれを用いた半導体装置の好適な実施例につ
き、図面を参照してさらに詳しく説明する。なお本発明
はこれら実施例になんら限定されるものではない。

【００２８】実施例１ 本実施例は、ＣＯＯＨ基を含む芳香族化合物として安息
香酸（ＢｅｎｚｏｉｃＡｃｉｄ ； ｍｐ＝１２２．４
℃，ｂｐ＝２４９．２℃）を用いた例である。被処理基
板として、Ａｌ等の金属配線により段差が形成されたも
のを採用し、この被処理基板上に低誘電率絶縁体膜を含
む積層層間絶縁膜を形成した。この工程を図１（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。なお同図においては、先に
図２で説明した構成要素に準じる構成要素には同一の参
照符号を付すものとする。

【００２９】本実施例で採用した被処理基板は図１
（ａ）に示すように、不図示のＭＯＳトランジスタ等が
作りこまれたＳｉ等の半導体基板１１上に、ＳｉＯ₂ 等
からなる下層絶縁膜１２、Ａｌ−１％Ｓｉ等からなる下
層配線２１、および下層配線２１をコンフォーマルに被
覆するＳｉＯ₂ 等からなる下層保護膜１３が形成された
ものである。

【００３０】この下層絶縁膜１２は、例えばＳｉＨ₄ ／
Ｎ₂ Ｏ混合ガスやＴＥＯＳ／Ｏ₂ 混合ガスを用いたプラ
ズマＣＶＤ法等により５００ｎｍの厚さに形成したもの
である。また下層配線層２１は一例としてＡｌ−１％Ｓ
ｉをターゲットとしたスパッタリング成膜、レジストマ
スクパターニングおよび塩素系ガスを用いたドライエッ
チングの各工程を経て、０．２５μｍのラインアンドス
ペースパターンに形成したものであり、その厚さは例え
ば５００ｎｍ、アスペクト比は２である。また図１
（ａ）には示していないが、同じ被処理基板上には下層
配線２１間隔が数μｍから数十μｍにおよぶ広い凹部が
形成されている。また、下層保護膜１３は下層配線層２
１の腐食等を防止して信頼性を高めるための保護層であ
り、その厚さは約５０ｎｍである。

【００３１】下層保護膜１３は例えば図４で例示した平
行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、一例として下記プ
ラズマＣＶＤ条件により成膜した。 ＳｉＨ₄ ４０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ Ｏ １００ ｓｃｃｍ Ｈｅ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １００ Ｐａ ＲＦパワー １．０ Ｗ／ｃｍ² （１３．５６ＭＨｚ） 基板温度 ３５０ ℃

【００３２】この被処理基板を、図３に示した液相ＣＶ
Ｄ装置に搬送し、その基板ステージ２上にセッティング
し、一例として下記ＣＶＤ条件により下層低誘電率絶縁
体膜１４を例えば８００ｎｍの厚さ（段差凹部）に平坦
に形成する。成膜後の状態を図１（ｂ）に示す。なお図
１（ｂ）の状態においては、下層低誘電率絶縁体膜１４
内部には未だ気泡は形成されていない。 ＳｉＨ₄ ５０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ Ｏ₂ ２００ ｓｃｃｍ 安息香酸（気体） ２００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２００ Ｐａ 被処理基板温度 ０ ℃ 本液相ＣＶＤ工程において、Ｈ₂ Ｏ₂ （ｍｐ＝−０．４
３℃、ｂｐ＝１５２℃）および安息香酸は液体ソースで
あるので、これらの容器を加熱して気化させてＣＶＤチ
ャンバ５内に導入する。この際にはＡｒはＨｅ等のキャ
リアガスを用いてもよい。またガス拡散板３は例えば１
００℃に制御し、ここでのソースガスの凝縮を防止す
る。なおＳｉＨ₄ はジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を用いても
よい。

【００３３】この後、平坦な下層低誘電率絶縁体膜１４
の表面に保護膜を兼ねる中間絶縁膜１５を例えば３００
ｎｍの厚さに形成する。中間絶縁膜１５の成膜条件は、
先に下層保護層１３の成膜時に採用したプラズマＣＶＤ
条件でよい。その他スパッタリング法、ＳＯＧのスピン
コーテイング法等いずれの方法を採用してもよい。

【００３４】つぎに、被処理基板の熱処理工程に入る。
熱処理条件は例えば大気圧窒素雰囲気中で１５０℃〜２
００℃、３０分程度でよい。またこの熱処理を減圧雰囲
気中で施してもよい。この熱処理により下層低誘電率絶
縁体膜１４中から安息香酸成分が気化し、微細な気泡が
形成されるとともに下層低誘電率絶縁体膜１４の重合が
進む。さらに、下層低誘電率絶縁体膜１４中に水分が残
留する場合には、大気圧あるいは減圧窒素雰囲気中で４
００℃、３０分程度の熱処理を施す。なおこの熱処理工
程は下層低誘電率絶縁体膜１４の成膜前におこなっても
よい。

【００３５】熱処理工程終了後の被処理基板を図１
（ｃ）に示す。なお下層低誘電率絶縁体膜１４中に形成
された気泡はｎｍオーダの微細なものであるので、図示
は省略する。このようにして形成した低誘電率絶縁体膜
１４は、比誘電率が１．３〜２．０であり、従来のＡＰ
Ｌ膜の約５０％の値である。なお、気泡による空隙率を
上げて比誘電率をさらに下げるためには、ビフェニルカ
ルボン酸等のＣ₆ Ｈ₅ （Ｃ₆ Ｈ₄ ）_n ＣＯＯＨ（ｎは容
易に気化しうる範囲から選ばれ、例えば５程度以下の自
然数である）やナフタレンカルボン酸を用いてもよい。
ただし気化脱離温度は上昇するので、熱処理可能温度と
の兼ね合いを考慮する必要がある。一方の埋め込み性能
は、ギャップフィル能力はアスペクト比４まで、またグ
ローバル平坦化能力は配線スペース間隔１０μｍまで、
ともにほぼ平坦な表面が得られるものであった。

【００３６】この後の工程、すなわち中間絶縁膜１５、
下層低誘電率絶縁体膜１４および下層保護膜１３からな
る積層膜のドライエッチングによるビアコンタクト孔の
開口、コンタクトプラグの充填等は通常の方法に準じて
おこなってよい。下層低誘電率絶縁体膜１４のエッチン
グ特性は従来のＳｉＯ₂ のエッチング特性とほぼ同じで
あるので、１ステップでのドライエッチングが可能であ
りスループットの高いプロセスを実現できる。この後、
上層配線、上層保護膜、上層低誘電率絶縁体膜および上
層絶縁膜等を上述した下層配線、下層保護膜、下層低誘
電率絶縁体膜および下層絶縁膜に準じて反復して形成
し、図２に示されるような多層配線構造を有する半導体
装置を完成する。本実施例によれば、安息香酸、モノシ
ランおよびＨ₂ Ｏ₂ を原料ガスに採用することにより、
段差を有する被処理基板上に気泡を有する低誘電率絶縁
体膜を平坦に形成することができる。

【００３７】実施例２ 本実施例は、ＯＨ基を有する芳香族化合物としてフェノ
ール（ｍｐ＝４０．８℃、ｂｐ＝１８２℃）を採用し、
さらにフルオロカーボン系化合物としてポリテトラフル
オロエチレンを原料ガス中に添加して低誘電率絶縁体膜
を形成した例であり、再び図１（ａ）〜（ｃ）を参照し
て説明する。この低誘電率絶縁体膜の形成方法以外は実
施例１に準拠したものであるので、特徴となる相違点の
みを説明し、重複する説明は省略する。

【００３８】ポリテトラフルオロエチレン（ＣＦ₃ （Ｃ
Ｆ₂ ）_n ＣＦ₃ ）（ｎは自然数）は、比較的重合度の小
さい気化可能のものが選ばれる。このポリテトラフルオ
ロエチレンは固体ソースの場合もあるので、溶媒として
フロリナートに溶解し、窒素をキャリアガスとしてＣＶ
Ｄチャンバ内に導入した。ポリテトラフルオロエチレン
は、アモルファス状のものが溶解度が大きくこの目的に
相応しい。ポリテトラフルオロエチレンの供給方法とし
ては、ＣＶＤチャンバ内に例えば分子量数万の固体ソー
スを設置し、これをレーザ光照射等で加熱しクラッキン
グして気化してもよい。ＣＶＤチャンバ内のガス拡散板
は、例えば２００℃に制御してポリテトラフルオロエチ
レンの凝着を防止した。

【００３９】下層低誘電率絶縁体膜１４のＣＶＤ条件の
一例を下記に示す。 ＳｉＨ₄ ５０ ｓｃｃｍ （またはＳｉ₂ Ｈ₆ ） Ｈ₂ Ｏ₂ ２００ ｓｃｃｍ フェノール（気体） ２００ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ５００ ｓｃｃｍ （ポリテトラフルオロエチレンのキャリアガスとして） ガス圧力 ２００ Ｐａ 被処理基板温度 ０ ℃ 下層低誘電率絶縁体膜１４のＣＶＤを終えた図１（ｂ）
の状態においては、下層低誘電率絶縁体膜１４内部には
未だ気泡は形成されていない。

【００４０】この後の図１（ｃ）に示す中間絶縁膜１５
形成工程および熱処理工程は前実施例１と同様である。
本実施例においては、形成された下層低誘電率絶縁体膜
１４中にフッ素が導入されたことにより、比誘電率が
１．２〜２．０の範囲となった。またギャップフィル能
力はアスペクト比４まで、またグローバル平坦化能力は
配線スペース間隔１０μｍまで充分であり、ほぼ平坦な
表面を確保することが可能であった。なお、気泡による
空隙率を上げて比誘電率をさらに下げるためには、フェ
ノールの誘導体やナフトール類を用いてもよい。ただし
この場合も気化脱離温度は上昇するので、熱処理可能温
度との兼ね合いを考慮する必要はある。本実施例によれ
ば、フェノール、モノシラン、ポリテトラフルオロエチ
レンおよびＨ₂ Ｏ₂ を原料ガスに採用することにより、
段差被処理基板上に気泡およびフッ素原子を有する低誘
電率絶縁体膜を平坦に形成することができる。フルオロ
カーボン系化合物としては、ＣＦ₄ やＣ₂ Ｆ₆ 等、常温
で気体の化合物を用いてもよい。

【００４１】実施例３ 本実施例は、シラン系化合物として有機シラン化合物で
あるメチルシランを、ＯＨ基を有する芳香族化合物とし
てフェノールを採用して低誘電率絶縁体膜を形成した例
であり、再び図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
本実施例においても、この低誘電率絶縁体膜の形成方法
以外は実施例１に準拠したものであるので、特徴となる
相違点のみを説明し重複する説明は省略する。

【００４２】本実施例の低誘電率絶縁体膜の形成方法に
用いた有機シラン化合物としては、シランに替えてメチ
ルシランを採用した。メチルシランとしてはモノメチル
シランあるいはジメチルシラン、あるいはこれらの混合
物のいずれでもよい。下層低誘電率絶縁体膜１４のＣＶ
Ｄ条件の一例を下記に示す。 （ＣＨ₃ ）ＳｉＨ₃ ５０ ｓｃｃｍ （ＣＨ₃ ）₂ ＳｉＨ₂ ５０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ Ｏ₂ ２００ ｓｃｃｍ フェノール（気体） ２００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２００ Ｐａ 被処理基板温度 ０ ℃

【００４３】このＣＶＤ条件においても、図１（ｂ）に
示すように、ＣＶＤ成膜された下層低誘電率絶縁体膜１
４のギャップフィル能力はアスペクト比４まで、またグ
ローバル平坦化能力は配線スペース間隔１０μｍまで充
分であり、ほぼ平坦な表面を確保することが可能であっ
た。本実施例においてはシリコンソースとしてアルキル
基、ここではメチル基を有するメチルシランを用いてい
るので、形成された下層低誘電率絶縁体膜１４中には有
機成分が採り込まれ、その比誘電率は１．２〜２．０の
範囲で小さいものが得られる。ただし、耐熱性の点では
若干の低下が見られるので、用途による使い分けが必要
である。

【００４４】この後の図１（ｃ）に示す中間絶縁膜１５
形成工程および熱処理工程は実施例１に準じて良い。本
実施例によれば、微細な気泡を有する低誘電率絶縁体膜
中にさらに有機成分を導入することにより、比誘電率の
一層の低減を図ることができる。

【００４５】実施例４ 本実施例はＣＯＯＨ基を含む芳香族化合物として安息香
酸を、酸化剤として水素ガスおよび酸素ガスの混合ガス
のプラズマを採用して低誘電率絶縁体膜を形成した例で
あり、再び図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本
実施例においても、この低誘電率絶縁体膜の形成方法以
外は実施例１に準拠したものであるので、特徴となる相
違点のみを説明し重複する説明は省略する。

【００４６】本実施例の低誘電率絶縁体膜の形成方法に
用いたシラン系化合物としては、モノシランを採用し
た。またＣＶＤ装置としては図３に示した減圧ＣＶＤ装
置の酸化剤配管の途中にリモートプラズマ発生装置（不
図示）を付加したものを用いた。またガス拡散板３は例
えば１００℃に制御した。下層低誘電率絶縁体膜１４の
ＣＶＤ条件の一例を下記に示す。

【００４７】このＣＶＤ条件においても、図１（ｂ）に
示すように、ＣＶＤ成膜された下層低誘電率絶縁体膜１
４のギャップフィル能力はアスペクト比４まで、またグ
ローバル平坦化能力は配線スペース間隔１０μｍまで充
分であり、ほぼ平坦な表面を確保することが可能であっ
た。この後の図１（ｃ）に示す中間絶縁膜１５形成工程
および熱処理工程は前実施例１と同様である。

【００４８】本実施例においては、形成された下層低誘
電率絶縁体膜１４は比誘電率が１．３〜２．０の範囲で
あり、ギャップフィル能力はアスペクト比４まで、また
グローバル平坦化能力は配線スペース間隔１０μｍまで
充分であり、ほぼ平坦な表面を確保することが可能であ
った。なお、気泡による空隙率を上げて比誘電率をさら
に下げるためには、安息香酸の誘導体やナフタレンカル
ボン酸類を用いてもよい。ただしこの場合も気化脱離温
度は上昇するので、熱処理可能温度との兼ね合いを考慮
する必要はある。またフェノールやナフトール、および
これらの誘導体を用いてもよい。またＨ₂ ／Ｏ₂ 混合ガ
スプラズマの替わりに、Ｈ₂ Ｏ（水蒸気）プラズマを用
いてもよい。本実施例によれば、酸化剤としてＨ₂ ／Ｏ
₂ 混合ガスプラズマを用い、原料ガス中に安息香酸を混
合することにより、微細な気泡入りの低誘電率絶縁体膜
を効率よく成膜することができる。

【００４９】以上、本発明を４例の実施例により詳細に
説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるも
のではない。

【００５０】例えば、ＯＨ基、あるいはＣＯＯＨ基を有
する芳香族化合物としてフェノールおよび安息香酸を例
示したが、これらの誘導体や、ナフトール、ナフタレン
カルボン酸、あるいはこれらの誘導体等を用いてもよ
い。またＡｌ−１％Ｓｉ合金からなる配線層により段差
が形成された被処理基板を採用したが、多結晶シリコン
や高融点金属、あるいはその積層構造の高融点金属ポリ
サイドを用いてもよい。この場合には低誘電率絶縁体膜
のアニール条件等の温度条件は高温側にシフトすること
ができる。また半導体装置の構造としても、配線層上に
低誘電率絶縁体膜からなる層間絶縁膜を形成する場合に
ついて例示したが、低誘電率絶縁体膜からなる層間絶縁
膜に溝を形成し、溝内にエッチバックや研磨により埋め
込み配線を形成する半導体装置構造に用いてもよい。さ
らに、最終パッシベーション膜として用いる場合や、ト
レンチアイソレーション等をボイドの発生なく平坦に埋
め込む場合等にも適用できる。半導体基板としてはＳｉ
の他にＧａＡｓ等の化合物半導体基板を用いる場合にも
有効である。また半導体装置以外にも、薄膜ヘッドや薄
膜インダクタ等、高周波の各種マイクロ電子デバイスに
も適用可能であることは言うまでもない。

【００５１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の低誘電率絶縁体膜の形成方法によれば、従来の方法に
比較して比誘電率が低減され、ギャップフィル能力およ
びグローバル平坦化能力ともに遜色のない低誘電率絶縁
体膜が得られる。したがって、配線間容量による信号遅
延や消費電力が問題となるロジックＩＣや高集積度メモ
リ等の半導体装置を信頼性よく提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１ないし４の工程を説明する概
略断面図である。

【図２】本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法を、多層
配線構造の半導体装置の層間絶縁膜に適用した例の概略
断面図である。

【図３】本発明の低誘電率絶縁体膜の形成方法に供され
る液相ＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面図である。

【図４】本発明の低誘電率絶縁体膜の保護膜を形成する
ためのＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…被処理基板、２…基板ステージ、３…ガス拡散板、
４…ガス配管、５…ＣＶＤチャンバ、６…基板載置電
極、７…対向電極、８…ＲＦ電源 １１…半導体基板、１２…下層絶縁膜、１３…下層保護
膜、１４…下層低誘電率絶縁体膜、１５…中間絶縁膜、
１６…上層保護膜、１７…上層低誘電率絶縁体膜、１８
…上層絶縁膜、２１…下層配線、２２…ビアコンタク
ト、２３…上層配線

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 膜内部に気泡を含有する酸化シリコン系
   絶縁膜を、化学的気相成長工程、および前記化学的気相
   成長工程に引き続く熱処理工程により被処理基板上に形
   成する工程を有する低誘電率絶縁体膜の形成方法におい
   て、 前記化学的気相成長法に用いる原料化合物ガスは、少な
   くともシラン系化合物、酸化剤、およびＯＨ基を有する
   芳香族化合物を含むことを特徴とする低誘電率絶縁体膜
   の形成方法。
2. 【請求項２】 前記ＯＨ基を有する芳香族化合物は、フ
   ェノールおよびその誘導体、ナフトールおよびその誘導
   体のうちの少なくともいずれか１種であることを特徴と
   する請求項１記載の低誘電率絶縁体膜の形成方法。
3. 【請求項３】 膜内部に気泡を含有する酸化シリコン系
   絶縁膜を、化学的気相成長工程、および前記化学的気相
   成長工程に引き続く熱処理工程により被処理基板上に形
   成する工程を有する低誘電率絶縁体膜の形成方法におい
   て、 前記化学的気相成長法に用いる原料化合物ガスは、少な
   くともシラン系化合物、酸化剤、およびＣＯＯＨ基を有
   する芳香族化合物を含むことを特徴とする低誘電率絶縁
   体膜の形成方法。
4. 【請求項４】 前記ＣＯＯＨ基を有する芳香族化合物
   は、安息香酸およびその誘導体、ナフタレンカルボン酸
   およびその誘導体のうちの少なくともいずれか１種であ
   ることを特徴とする請求項３記載の低誘電率絶縁体膜の
   形成方法。
5. 【請求項５】 前記シラン系化合物は、無機シラン化合
   物および有機シラン化合物のうちの少なくともいずれか
   １種であることを特徴とする請求項１または３記載の低
   誘電率絶縁体膜の形成方法。
6. 【請求項６】 前記酸化剤はＨ₂ Ｏ₂ ガス、Ｈ₂ Ｏガス
   のプラズマ、およびＨ₂ とＯ₂ の混合ガスのプラズマの
   うちの少なくともいずれか１種であることを特徴とする
   請求項１または３記載の低誘電率絶縁体膜の形成方法。
7. 【請求項７】 前記原料化合物ガスは、さらにフルオロ
   カーボン系化合物を含むことを特徴とする請求項１また
   は３記載の低誘電率絶縁体膜の形成方法。
8. 【請求項８】 前記被処理基板を室温以下に制御しつ
   つ、前記化学的気相成長を施すことを特徴とする請求項
   １または３記載の低誘電率絶縁体膜の形成方法。
9. 【請求項９】 前記被処理基板は段差を有し、前記段差
   を埋めて略平坦な表面を有する低誘電率絶縁体膜を形成
   することを特徴とする請求項１または３記載の低誘電率
   絶縁体膜の形成方法。
10. 【請求項１０】 前記低誘電率絶縁体膜の比誘電率は
    ３．０未満であることを特徴とする請求項１または３記
    載の低誘電率絶縁体膜の形成方法。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の低誘電率絶縁体膜の形
    成方法により形成された低誘電率絶縁体膜を、層間絶縁
    膜として有することを特徴とする半導体装置。
12. 【請求項１２】 請求項３記載の低誘電率絶縁体膜の形
    成方法により形成された低誘電率絶縁体膜を、層間絶縁
    膜として有することを特徴とする半導体装置。