TWI246127B - Method and apparatus for forming film and insulation film, and semiconductor integrated circuit - Google Patents

Method and apparatus for forming film and insulation film, and semiconductor integrated circuit Download PDF

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TWI246127B
TWI246127B TW091106184A TW91106184A TWI246127B TW I246127 B TWI246127 B TW I246127B TW 091106184 A TW091106184 A TW 091106184A TW 91106184 A TW91106184 A TW 91106184A TW I246127 B TWI246127 B TW I246127B
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thin film
film
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Takashi Sugino
Masaki Kusuhara
Masaru Umeda
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Watanabe Shoko Kabushiki Kaish
Takashi Sugino
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Description

1246127 五、發明說明（1) 技術領域 本發明係關於一種生成tμ山 及形成薄膜裝置以及絕緣膜以β硼奴膜的形成薄膜方法以 背景㈣ 置及、一以及半導體積體電路。 絕緣護：：：：：=路上，作為配線之層間 deposition)法所產生之Si〇 ^^CVD(Chem1Cal vapor ==株 配線間之電容所產生之配線延遲，將 決此問題，係須要將配線層===而有問題。為解 化，因此作為層間絕緣膜須要予以低介電率 在此種狀況下，有機系：料ΠΠΓ率之材料。 ，而可實現極低之介電率（比介電、夕貝材料係文到注目 化學性及機械性耐性及熱傳導性\率為卜./以下），而有 又，近年來於氮化硼薄膜上成二題。 率，但耐吸濕性仍有問題者係屬公知。為2· 2之極低介電 在此種狀況下，耐熱性、耐从 電率之氮化硼碳薄膜係受到注 7、#較佳且具有極低介 薄膜形成技術尚未確立之現在，在利用電漿CVD法之 薄膜當成製品而形成為薄臈之镇1j望能出現將氮化硼碳 裝置。 /寻膜形成方法以及薄膜形成 本發明係有鑑於前述狀況所形 一種可形成氮化硼碳薄膜之方半’其目的在於提供 發明之概it 去以及形成薄膜之裝置。 2015-4745-PF(N).ptd 第4頁 1246127
五、發明說明（2)
，發明之形成薄膜方法的特徵在於：於形成薄膜室内 ^ ^勵氮原子後將激勵之氮原子與硼元素及碳元素反應 而於基板上形成氮化硎碳薄膜者。 生成f發明之薄膜形成方法的特徵在於：於形成薄膜室内 之氮；而於形Μ膜室内主要激勵氮原子後使激勵起 子與氫氣與作”載氣體之氣化删氣體以及碳元素 μ而於基板上形成氮化糊碳薄膜者。 氫之碳元素之供給使用碳化氫氣體較佳。於使用碳化 又^可達到將氣體供給系統予以簡單化之新效果。 用有機# 2於碳元素之供給使用有機系材料亦甚佳。於使 時供給之# = %合，其具有可將硼元素以及氮之一部份同 \ W徵。 氮之有機仏人材料係可適當地適用例如包含有三甲基硼及 將氮翕、、I ί等I其中尤以三甲基删為最佳。 較佳。而1:里與氯化棚氣體流量之比設定於0 · 1〜1 0 · 0為 碳化^0：1〜2·0、為更佳，而為1·〇〜1.3為最佳。 ο 1〜5 · 〇較佳氣體t ^量與氯化侧氣體之流量之比設定為0 · 則為最佳。而"又定為0 · 1〜2 · 0為更佳，而設定為0 · ：1〜0 · 5 U有機系材料氣 為0.01 〜5 3 · 〇則較佳 〇·卜〇· 5則更佳。 之流量與氣化硼氣體之流量之比設定 而設定為0 · 1〜2 · 0則甚佳，而設定為 裝置，辦之形成薄暝裝置的特徵在於包括：一第一導入 、化成薄膜室内導入氮氣；一電漿產生裝置，用以
2015-4745-PF(N).ptd 第5頁 1246127 五、發明說明（3) ί生置之下部或者内 間導入蝴元素與後元ΐί料導入裝置與保持襄置之 入之；置及碳元素分別獨立導 混合而藉由一個配管；構獨立而將删元素與破元素 裝置本：：：：成！膜裝置的特徵在於包括：-第-導入 電漿；一保持穿：室内導入氮氣；-電漿產生裝置，產生 ，一第二導入裝= Π或内部；以 室内導入以氫氣為自L 、 方侧之形成薄膜 室内導入氮氣；-電漿產生裝亡；： 及-第二導入‘置，將基板保持於電漿之下部或内邙. 室内導入以，f4，對第一導入裝置之下方侧之形键M 前述第i二為負載氣體之氯化硼及有機材料氣體者膜 解部則甚佳，^裝置於其途中包括分解有機材料：之： 實施發明之刀解部為可加熱之構成則甚佳。 、 (實施例）最佳形態 (實施例1) 形成Γ膜圖事為置本發明之實施第-實施例之形成薄祺方、、“ 残…ίΐ之概略側視圖。其係於圓筒狀容器 U漿產生部2，係介以整合器3連接高頻電内。置 2015-4745-PF(N).ptd 第6頁 1246127 五、發明說明（4) ' ^ ^頻電源4係可供給丨!^〜;^!^之高頻電力。自氮氣導入部5 供給氮氣，而產生電漿50。於基板保持部6上放置基板6〇 ，基板保持部6内安裝有加熱器7。藉由加熱器7，基板6〇 之溫度係被設定於室溫至5 0 0 t之範圍。又，於放置於基 ，保持部6上之基板6 0係形成為可藉由偏壓施加部8施加偏 壓之狀恶。於圓筒狀容器1中設有導入以氫氣為載體之氯 化爛（一氟化石朋）氣體用之導入部9。又，於圓筒狀容器1中 設有導入碳化氫系氣體用之導入部1〇。於基板保持部6之 下方安裝有排氣部1 1。 關於各氣體之供給流量，氮氣之流量與氯化硼氣體之 ^量，比（氮氣/氯化硼）為0.卜1〇 〇，而碳化氫氣體之流 里與氯化硼之流ΐ之比（碳化氫氣體/氣化硼氣體）係設定 為〇· 05〜5· 0 〇 將Ρ型矽基板6 0放置於基板保持部6，將容器1内部排 氣成lx l〇-6Torr。將基板溫度設定於3〇(pc。其後，將氮 氣自導入部5導入圓筒狀容器！内。藉由供給lkw之高頻電 力（13· 56MHz)，產生電漿。接著將以氫氣為負載氣體之氯 化硼搬送至容器1内。又，將甲烷氣體供給至容器1内。將 谷器1内之氣體壓力調整至〇.6Torr而實行氮化硼碳膜61之 合成。氯化硼與甲烷氣體並非形成電漿，而係藉由氮氣電 漿將氯化卿與甲烧氣體予以分解，而產生獨原子與碳原 子，而與氮原子反應而實行氮化硼碳膜之合成。氣元素係 與氫原子化合而變成氯化氫，可抑制氣原子被取入至膜 内0
2015-4745-PF(N).ptd 第7頁 1246127 五、發明說明（5$ '"""" " - ' 於P型石夕基板60上沈積ι〇〇ηιη之氮化碳膜61，而於氮 化侧碳膜61上蒸鍍au，於形成電極後，測量電容—電壓特 性’而使用金屬/氮化硼碳膜/ p型矽構造之蓄積區域之電 谷值與氮化硼碳膜61之厚度評估比介電率。其結果比介電 率可得到2 · 2〜2 · 6之較低值。 可得到具有2 · 2〜2 · 6之較低比介電率之氮化硼碳膜6 1 之合成條件係如第2圖及第3圖所示。第2圖為甲烷氣體與 氯化爛之流量比設為〇 · 1時之氮氣與氯化硼之流量比與比 介電率之關係之示意圖。第3圖為將氮氣與氯化硼之流量 比設為1 · 3時之甲烷氣體與氯化硼之流量比與比介電率之 關係之示意圖。藉由變化基板溫度係可擴大能得到具有低 介電率之氮化硼碳膜6 1之氣體流量比之範圍。 (實施例2 ) 第4圖為本發明之實施第二實施例之形成薄膜方法之 形成薄膜裝置之概略側視圖。其係於圓筒狀容器1内設置 感應結合電漿產生部2，係介以整合器3連接高頻電源4。 高頻電源4係可供給lkw〜10kw之高頻電力。自氮氣導入部5 供給氮氣，而產生電漿5 〇。於基板保持部6上放置基板 6 0，而於基板保持部6内安裝有加熱部7。藉由加熱部7將 基板60之溫度設定為室溫至5〇〇 °c之範圍。又，於放置於 基板保持部6上之基板60上係可藉由偏壓施加部8施加偏 壓。可不必混合以氫氣為負載之氯化硼氣體與氮化氫系氣 體，而設置導入至圓筒狀容器1之導入部29，將之引導至 圓筒狀容器1之前緣，而導入圓筒狀容器1，並將兩者之管
2015-4745-PF(N).ptd 第8頁 1246127 五、發明說明（6) 路合而為一。於基板保持部6之下方安裝有排氣部11。 關於各氣體之供給流量範圍’氮氣之流量與氣化侧之 流量之比（氮氣/氯化硼）係設定為0 · 1〜1 0 · 0，而碳化氫氣 體之流量與氯化硼氣體之流量之比（碳化氫氣體/氯化硼） 係設定為0 · 0 1〜5. 0，氫氣之流量與氣化硼之流量之比（氫 氣/氯化硼）係設定為0· 05〜5. 0。 將P型矽基板b U放置於基板保持部6 0並將容器1内部排 氣至1 X l〇-6Torr。將基板溫度設定為300 °C。其後將氮氣 自導入部5導入至圓筒狀容器1内。藉由供給高頻電力（13. 5 6MHz)lkw即產生電漿50。接著將以氫氣為負載氣體之氯 化侧搬送至容器1之前緣。又，將甲烷引導至容器1之前 緣’將氣化獨與甲烧氣體之管路合而為一而自導入部2g供 給至容器1内。將容器1内之氣體壓力調整至〇6T〇rr而實 行氮化硼碳膜61之合成。氯化硼及甲烷氣體並不作為電 浆，而係藉由氮氣電漿將氯化蝴及甲烷氣體予以分解， ^生=子及碳原使與氮原子反應而實 之合成。氯元素係與氫原子化合而產生巧 抑制氯原子被取入至膜内。 八係了 .於13型石夕基板60上沈積丨〇〇龍之氮化蝴碳膜61，並於$ 氮化硼碳膜61上蒸鍍Au，於带成雷托％ 、 並於違 :性，而使用金屬/氣化爛碳膜/p型石夕構 電- 電=與氮化硼碳膜61之厚度評估比介冓 貝:或之θ 到比介電率為2 · 2〜2 · 6之較低值。 电丰 /、、、、口果，侍 於本實施例之氯化硼盥舻〜々 /、反化虱乳體之導入法中，採用
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化氫之方法係可得 對容器1内之氮氣電漿導入氯化硼與碳 到與實施例1之方法相同之效果。 (實施例3) 第5圖為本發明實施第三實施例 ^ n心办成薄膜方 成薄膜裝置之概略側視圖。於圓筒狀交、 y 叫u狀奋器1内設有咸士 合電漿產生部2，其係介以整合器3連接古 有α應、、，口 ^ ^ ^ 思钱阿頻電源4。高頻 電源4係可供給1 kw〜1 Okw之高頻電力。而白*〆… 給亂耽，而產生電漿50，於基板保持部6上放置基板6〇， 而於基板保持部6内安裝有加熱部7。藉由加熱部7將某板 60之溫度設定為室溫至5 0 0 °C之範圍。又，於放置於二板 保持部6上之基板6 0上係可藉由偏壓施加部8施加偏;壓。於 圓筒狀容器1中係設有可導入以氫氣為負載氣體之氯化硼' 軋體用之導入部9。又’於碳化氫系氣體導入部之圓筒 狀容器1之前緣係設有分解碳化氫氣體用之分解部31〇。於 基板保持部6之下方安裝有排氣部1 1。 關於各氣體之供給流量範圍，氮氣之流量與氣化硼之 流篁之比（敗氣/氯化硼）係設定為0 · 1〜1 〇 · 〇，而碳化氳氣 體之流量與氯化硼之流量之比（碳化氫氣體/氯化硼）係設 定為0. 0 1〜5 · 0，氫氣之流量與氯化硼之流量之比（氫氣/氯 化硼）係設定為0 . 0 5〜5 · 0。 將P型矽基板6 0放置於基板保持部6 0並將容器1内部排 氣至1 X 1 0_6 T 〇 r r。將基板溫度設定為3 0 0 °C。其後將氮氣 自導入部5導入至圓筒狀容器1内。藉由供給高頻電力（13· 5 6MHz )lkw即產生電漿50。接著以氫氣為負載氣體將氯化
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硼自導入部9搬送至容器丨内。又，將 ::解部31。作熱分解，而自導入部1〇供：文裝=熱： 合成。藉由將甲烷貫行氮化删碳膜61之 :作為電，，而係藉由氮氣電聚予以“原：二化删並 :;氯元素係與氫原子化=產化 原子被取入至膜内。 八係可抑制虱 於Ρ型矽基板60上沈積1〇〇11111之氮化硼 匕爛碳膜61上蒸鍍Au ’於形成電極後，二量電容並電於壓該 特性，而使用金屬/氮化侧、^ ^ i t, ^ 到比介電率為2. 2〜2. 6之較低值。 ，、、，、σ果传 於此時施例3亦可達成取得與前述實施例丨及實施例2 所侍之低介電率氮化硼碳膜相同特性之薄膜之結果。又， 於實鉍例3中係以將甲烷氣體流量減少2〇%程度之條件實現 低介電率膜，係可提高碳原子之取入沈積膜中之效率，而 有可抑制曱烷使用量之效果。 (實施例4) ^第6圖為本發明之實施第四實施例之形成薄膜方法之 形成薄膜裝置的概略側視圖。係於圓筒狀容器1内設置感 應結合電漿產生部2，且介以整合器3連接高頻電源4。高 頻電源4係可供給lkw〜10 kw之高頻電力。自氮氣導入部5導 入氮氣而產生電漿50。於基板保持部6上放基板60而於基
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板保持部6内安裝加熱器7。藉由加熱器7將基板6〇之溫度 设疋於室溫至5 〇 〇 °C之範圍。又，可對基膽保持部6上所放 置之基板6 0藉由偏壓施加部8施加偏壓。於圓筒狀容琴1上 設有導入以氫氣為負載氣體之氣化硼氣體用之導入部9。 又，於碳化氫系氣體導入部1 〇之圓筒狀容器丨之前緣設有 分解碳化氫氣體用之分解部410。基板保持部6之下方安裝 有排氣部1 1。 關於各氣體之供給流量範圍，氮氣之流量與氯化糊之 流量之比（氮氣/氯化硼）係設定為〇 · 1〜丨〇 · 0，而碳化氮氣 體之流量與氯化硼之流量之比（碳化氫氣體/氯化硼）係設 定為0 · 0 1〜5 · 0 ’氳氣之流量與氣化硼之流量之比（氫氣/氯 化硼）係設定為0 · 0 5〜5 · 0。 ’ 將P型砍基板6 0放置於基板保持部6 〇並將容器1内部排 氣至1 X 10_6Torr。將基板溫度設定為3〇〇 °c。其後將氮氣 自導入部5導入至圓筒狀容器1内。藉由供給高頻電力π3· 56MHz )lkw即產生電漿50 °接著以氫氣為負載氣體將氯化 硼自導入部9搬送至容器1内。又，自高頻電源412( 13· 56MHz)對安裝有線圈之分解部41〇以通過整合器411之 方式供給以高頻電力10⑽’並藉由放電將甲烧氣體分解， 而自導入部10供給自谷器1内。將容器1内之氣體壓力調整 至0· 6T〇rr而實行氮化侧碳膜61之合成。藉由將甲烧氣體 作熱分解而供給碳原子’氯化硼並不作為電漿，而係藉由 氮氣電漿將氣化侧分解’而供給删原子。將此爛原子!與分 解甲烷氣體所得之碳原子與氮原子產生反應，而實行/氮化
1246127 五、發明說明（10) 硼碳膜61之合成。氯元素係與氫原子化合 其係可抑制氯原子被取入至膜内。 產生氟化氫， "於P型矽基板60上沈積1〇〇nm之氮化硼碳膜Η， 亂化硼碳膜61上蒸鍍Au，於形成電、並於孩 特性，而使用金屬/氮化蝴碳膜/1}型/構^置電容-電壓 電容值與氮化硼碳膜61之厚度評估比介4電率。畜盆積姓區域之 到比介電率為2 · 2〜2 · 6之較低值。 〜果，得 本實施例4係揭示出與前述實施例3相同 冗：2體流量25%之條件下實現低介電率^^ …膜内之效率，而具有可抑制甲Λ:使 實施例1〜4係使用甲烷氣體作為碳化 烧氣體、乙炔氣體起係可使用各式各樣之孔體，但自乙 (實施例5 ) 八 實施例！係使用與第以所示之成膜裝置 置’但取代甲烷氣體，將三甲基硼自導入部1〇供;^ 狀容器1。至於基板溫度及高頻電力等之A他人、、。至圓幫 使用與實施例1之條件為相同之條件。 D成條件係 於P型矽基板60上沈積1 〇〇nm之氮化硼碳膜η， 氮化硼碳膜61上蒸鍍Au，於形成電極後，測量電六〜、’於该 特性，而使用金屬/氮化蝴碳膜/ p型石夕構造之電壓 電容值與氮化硼碳膜61之厚度評估比介電率。豆处品域之 到比介電率為2· 2〜2· 6之較低值。 /、…果’得 使用與前述實施例2〜4所使用之如第4圖至第6 一
^ 圖所TpC
2015-4745-PF(N).ptd 第13頁 1246127 五 發明說明（11) 之成膜裝置為相回 、、 導入部10供給 狀写代甲院氣體將三甲基蝴自 等之其他人成你f 基板溫度與高頻電力 件。於合：係使用與實施例2〜4之條件為相同之侔 之較低值鼠化删碳膜61上可得到比介電率為2. 2〜2j 基爛在Γ:ΓΛ供八給碳原子係使用有機材料之-之三甲 任意之要疋包含爛元素或氮原子之有機材料係可採用 入 奉貫施例中 惟使用，氣亦可得到相系使用氮氣氣體’ t使用第7圖說明本發明之形成薄膜方法所形成 硼適用於積體電路之例。#由電晶體5〇ι之高積體 電率ί Ϊ ^ Ϊ5G2作成多層構造係於配線間使用具有低介 所來^ : ^緣體薄膜5G3，而亦可使用本形成薄膜方法 所形成之氮化硼碳膜。 ，作為層間絕緣體薄膜503為使用有機薄膜或多孔 ^之場合，係有機械性強度及吸濕性等之問題，但可將 &圖所不一般之以本發明之薄膜形成方法所形成之氮化 爛奴膜作為有機薄膜及多孔質膜之保護膜5〇4使用。藉由 此種有機薄膜及多孔質臈與氮化硼碳膜之合體係可達成較 亂化蝴碳膜單層之比介電率為低之介電率，可得到1.9程 度之實效性之比介電率。 產業上之利用可能性 如上所述’依本發明，藉由電漿CVD法可於半導體積
2015-4745-PF(N).Ptd 第14頁 1246127 五、發明說明（12) 體電路等之基板上形 電將本：：之薄膜形成方法成薄膜容器内產生氮氣 姑祖於&山s 為負载氣體之氯化硼，以碳化氫或有機 报#友化n山* 仏給至氮氣電漿中，並使其反應，而 叨3古石反膜、、’因此機械性及化學性甚安定，而具有耐
二^及南熱傳導性，τ高速地形成出具有低介電率之氮 化硼碳膜。 L ^ ^ t毛明之形成薄膜裝置係於圓筒狀容器内設置氮 裝置，並於氮氣導入裝設置基板之保持 化…元素之供給源之碳；寺=間設置作為氯 係使氮氣電裝與蝴元素及碳原：產=料之導入裝置， 形成氮化硼碳膜。其結果，彳高速地而可於基板上 為甚安定且具有耐吸濕性及高熱傳導^成機械性及化學性 氮化调碳膜。 且具有低介電率之 本發明之氮化硼碳膜係可作為積 緣體薄膜或保護膜使用。 、〃路之配線層間絕
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第15頁
1246127 圖式簡單說明 第1圖為本發明之實施例1有關之形成薄膜裝置之剖面 圖。 第2圖為氮氣與氯化硼之流量比所對應之比介電率之 示意圖。 第3圖為甲烷氣體與氯化硼之流量比所對應之比介電 率之示意圖。 第4圖為本發明之實施例2之形成薄膜裝置之剖面圖。 第5圖為本發明之實施例3之形成薄膜裝置之剖面圖。 第6圖為本發明之實施例4之形成薄膜裝置之剖面圖。 第7圖為利用本發明之實施例有關之形成薄膜方法所 形成之氮化硼碳膜之使用於積體電路上之狀態之剖面概略 示意圖。 第8圖為利用本發明之實施例有關之形成薄膜方法所 形成之氮化硼碳膜之使用於積體電路上之狀態之剖面概略 示意圖。 符號說明 1〜圓筒狀容器； 2〜感應結合電漿產生部； 3〜整合器； 4〜南頻電源， 5〜氮氣導入部； 6〜基板保持部； 7〜加熱器； 8〜偏壓施加部；
2015-4745-PF(N).ptd 第16頁 1246127 圖式簡單說明 9〜導入部； 1 0〜導入部； 11〜排氣部； 2 9〜導入部； 5 0〜電漿； 6 0〜基板； 6 1〜氮化硼碳膜； 3 1 0〜分解部； 4 1 0〜分解部； 4 11〜整合器； 41 2〜南頻電源， 5 0 1〜電晶體； 5 0 2〜配線； 50 3〜層間絕緣體薄膜； 5 0 4〜保護膜。
2015-4745-PF(N).ptd 第17頁

Claims (1)

1246127 _案號91106184_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 一保持裝置，將基板保持於電漿之下部或者内部；以 及 一第二導入裝置，在第一導入裝置與保持裝置之間導 入硼元素與碳元素材料。 9.如申請專利範圍第8項所述之形成薄膜裝置，其中 前述第二導入裝置係構成為將硼元素及碳元素分別獨立導 入之構成。 1 0. —種形成薄膜裝置，其特徵在於包括： 一第一導入裝置，對形成薄膜室内導入氮氣； 一電漿產生裝置，產生電漿； 一保持裝置，將基板保持於電漿之下部或内部；以及 一第二導入裝置，對第一導入裝置之下方側之形成薄 膜室内導入以氫氣為負載氣體之氯化硼及碳化氫氣體者。 11. 一種形成薄膜裝置，其特徵在於包括： 一第一導入裝置，對形成薄膜室内導入氮氣； 一電漿產生裝置，產生電漿； 一保持裝置，將基板保持於電漿之下部或内部；以及 一第二導入裝置，對第一導入裝置之下方侧之形成薄 膜室内導入以氫氣為負載氣體之氯化硼及有機材料氣體 者。 1 2.如申請專利範圍第11項之形成薄膜裝置，其中前 述第二導入裝置於其途中包括分解有機材料用之分解部 者。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之形成薄膜裝置，其中前
2015-4745-PF(Nl).ptc 第19頁 1246127 _案號91106184_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 述分解部係具有可加熱有機材料之構成者。 1 4. 一種絕緣膜，以申請專利範圍第1至7項中任一項 所述之方法製成者。 1 5. —種半導體積體電路，具有申請專利範圍第1 4項 所述之絕緣膜者。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之半導體積體電路，其中 前述絕緣膜係配線間絕緣膜者。
2015-4745-PF(Nl).ptc 第20頁
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