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1. JPWO2012011480 - 層間絶縁層形成方法

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Description

Title of Invention 層間絶縁層形成方法 JP 2010164212 20100721

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003  

Citation List

Patent Literature

0004  

Summary of Invention

Technical Problem

0005   0006  

Technical Solution

0007   0008   0009   0010  

Advantageous Effects

0011  

Brief Description of Drawings

0012  

Description of Embodiments

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067  

Reference Signs List

0068  

Claims

1   2   3   4   5   6   7   8    

Drawings

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10A   10B   11   12   13   20121220A16333全文3

Claims

1   2   3   4   5   6    

Description

層間絶縁層形成方法

JP 2010164212 20100721

Technical Field

[0001]
本発明は、基板に多層配線された半導体装置の層間絶縁層をプラズマCVD法にて形成する層間絶縁層形成方法、及び層間絶縁層を介して多層配線された半導体装置に関する。

Background Art

[0002]
多層配線構造を有する超大規模集積回路ULSI(Ultra-Large Scale Integration)の層間絶縁層として、従来SiO 2 を基材としたSiOF、SiCO又は有機物系の膜が開発されてきた。ところが、近年の電子機器の小型化、高性能化への要求に応えるべく、ULSIの集積化が更に進められ、配線長の増大による配線遅延がトランジスタの特性であるゲート遅延を上回るようになった。配線遅延の問題を解決するためには、配線のRC時定数を低減させる必要があり、特に配線の容量成分を低減させるべく、層間絶縁層の低誘電率化が進められてきた。
[0003]
層間絶縁層を低誘電率化する手法としては、例えば、層間絶縁層をポーラス構造にする方法が提案されている。また、ホウ素、炭素及び窒素の少なくとも1元素を主要元素とし、原子の結合構造が異なる領域を2種以上含んだ層間絶縁層が開示されている(例えば、特許文献1,2)。

Citation List

Patent Literature

[0004]
patcit 1 : 特開2001−313335号公報
patcit 2 : 特開2009−81179号公報

Summary of Invention

Technical Problem

[0005]
しかしながら、ポーラス構造の層間絶縁層においては、機械的強度及び耐吸湿性の低下、配線溝側壁から層間絶縁層の空孔への薬液拡散、バリアメタルカバレッジ不良といった問題がある。一方、特許文献1,2に係る層間絶縁層においては、ポーラス構造を有する層間絶縁層に比べて誘電率が高く、配線遅延の問題を十分に解決することができないという問題があった。
[0006]
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、従来技術に係るポーラス構造を有する層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層を形成することができる層間絶縁層形成方法を提供するものである。
また、本発明は、従来技術に係る層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層を設けることによって、配線遅延を低減させることができる半導体装置を提供するものである。

Technical Solution

[0007]
本発明に係る層間絶縁層形成方法は、半導体装置の層間絶縁層をプラズマCVD法にて形成する方法において、減圧された処理容器内へ基板を搬入する工程と、前記基板から離隔した第1空間にプラズマ生成ガスを供給する工程と、前記第1空間にて前記プラズマ生成ガスを励起する工程と、前記第1空間と前記基板との間の第2空間に、少なくとも水素基又は炭化水素基を含むボロン化合物を含む原料ガスを供給する工程とを有することを特徴とする。
[0008]
本発明にあっては、プラズマが生成された第1空間では無く、該第1空間から基板側へ離隔した第2空間に、原料ガスが供給されるため、層間絶縁層の原料ガスを構成する分子の一部は完全に解離しないまま、基板に堆積する。従って、分子レベルの空間を有する層間絶縁層が形成される。内部に空間が形成された層間絶縁層は、空間を有さない層間絶縁層に比べて低誘電率であるため、配線遅延を低減することが可能である。また、前記空間は分子レベルの空間であるため、層間絶縁層の機械的強度及び耐吸湿性の低下、配線溝側壁から空孔への薬液拡散、バリアメタルカバレッジ不良といった問題は生じない。
なお、プラズマ生成ガスを供給する工程と、前記プラズマ生成ガスを励起する工程と、原料ガスを供給する工程とは、言うまでも無く同時的に行っても良い。
[0009]
本発明に係る半導体装置は、ホウ素、炭素及び窒素を含むアモルファス構造が形成された層間絶縁層を介して多層配線された半導体装置において、前記層間絶縁層は、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造中に炭化水素基又はアルキルアミノ基が混在することを特徴とする。
[0010]
本発明における層間絶縁層は、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造中に炭化水素基又はアルキルアミノ基が混在している。つまり、層間絶縁層は、分子レベルの空間を有している。内部に空間が形成された層間絶縁層は、空間を有さない層間絶縁層に比べて低誘電率であるため、配線遅延を低減することが可能である。また、前記空間は分子レベルの空間であるため、層間絶縁層の機械的強度及び耐吸湿性の低下、配線溝側壁から空孔への薬液拡散、バリアメタルカバレッジ不良といった問題は生じない。
更に、一般的に立方晶窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素に比べて弾性率が高いため機械的強度に優れている。本発明に係る層間絶縁層は、立方晶窒化ホウ素を含むため、機械的強度に優れている。

Advantageous Effects

[0011]
本発明に係る層間絶縁層形成方法にあっては、従来技術に係るポーラス構造を有する層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層を形成することができる。
また、本発明に係る半導体装置にあっては、従来技術に係る層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層を設けることによって、配線遅延を低減させることができる。

Brief Description of Drawings

[0012]
[fig. 1] 本発明の実施形態に係る層間絶縁層形成装置の一構成例を示す模式図である。
[fig. 2] スロット板の一構成例を模式的に示した平面図である。
[fig. 3] 第2ガス導入部の一構成例を模式的に示した平面図である。
[fig. 4] 層間絶縁層形成方法に係るプロセスコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
[fig. 5] 層間絶縁層形成装置によって生成されるプラズマの分布と、電子温度との関係を示すグラフである。
[fig. 6] 本実施の形態に係る半導体装置の一構成例を示した側断面図である。
[fig. 7] 層間絶縁層を模式的に示した断面図である。
[fig. 8] フーリエ変換型赤外分光による層間絶縁層の化学構造解析結果を示すグラフである。
[fig. 9] 六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素の特徴を示す図表である。
[fig. 10A] 層間絶縁層に含まれる結合構造と、膜特性との関係を示すグラフである。
[fig. 10B] 層間絶縁層に含まれる結合構造と、膜特性との関係を示すグラフである。
[fig. 11] 層間絶縁層のアニール処理過程で脱離する水分量の時間変化を示したグラフである。
[fig. 12] 変形例1における層間絶縁層形成方法に係る処理手順を示したフローチャートである。
[fig. 13] 変形例2における層間絶縁層形成方法に係る処理手順を示したフローチャートである。

Description of Embodiments

[0013]
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図1は、本発明の実施形態に係る層間絶縁層形成装置の一構成例を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る層間絶縁層形成装置は、例えばRadial Line Slot Antenna型のマイクロ波プラズマCVD装置であり、本実施の形態に係る層間絶縁層形成方法を実施するためのものである。層間絶縁層形成装置は、気密に構成されかつ接地された略円筒状の処理室1を有する。処理室1は、例えば、アルミニウム製であり、略中央部に円形の開口部10aが形成された平板円環状の底壁10と、底壁10に周設された側壁11とを有し、上部が開口している。なお、処理室1の内周には、石英からなる円筒状のライナを設けても良い。
[0014]
処理室1の底壁10には、開口部10aと連通するように、下方へ突出した有底円筒状の排気室12が設けられている。排気室12の側壁には排気管20が設けられており、排気管20には高速真空ポンプを含む排気装置2が接続されている。排気装置2を作動させることにより処理室1内のガスが、排気室12の空間12a内へ均一に排出され、排気管20を介して排気される。従って、処理室1内を所定の真空度まで高速に減圧することが可能である。
また、処理室1の側壁11には、層間絶縁層形成装置に隣接する搬送室(図示せず)との間で半導体ウェハW(以下、ウェハWという。)の搬入出を行うための搬入出口11aと、この搬入出口11aを開閉するゲートバルブ11bとが設けられている。
[0015]
排気室12の底部中央には、AlN等のセラミックからなる柱状部材3が略垂直に突設され、柱状部材3の先端部に、プラズマCVD処理が施されるべき被処理基板であるウェハWを支持するサセプタ4が設けられている。サセプタ4は、円盤状をなし、その外縁部にはウェハWをガイドするためのガイドリング42が設けられている。サセプタ4には、ウェハWを加熱するためのヒータ40と、ウェハWを静電吸着するための電極41とが埋設されており、ヒータ40及び電極41には、それぞれヒータ電源40a及びDC電源41aが接続されている。また、サセプタ4には、ウェハWを支持して昇降させるためのウェハ支持ピン(不図示)がサセプタ4の表面に対して突没可能に設けられている。また、被処理基板であるウェハWへバイアスを印加するための高周波電源(不図示)がサセプタ4に設けられていても良い。
[0016]
処理室1の上部に形成された開口部には、その周縁部に沿ってリング状の支持部13が設けられている。支持部13には、誘電体、例えば石英、Al 2 3 等のセラミックからなり、マイクロ波を透過する円盤状の誘電体窓50がシール部材58を介して気密に設けられている。
[0017]
誘電体窓50の上方には、サセプタ4と対向するように、円板状のスロット板51が設けられている。
[0018]
図2は、スロット板51の一構成例を模式的に示した平面図である。
スロット板51は、誘電体窓50に面接触するよう設けられている。スロット板51は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板又はアルミニウム板からなり、複数のマイクロ波放射スロット51aが所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。スロット板51はRadial Line Slot Antenna型のアンテナを構成している。すなわち、マイクロ波放射スロット51aは、例えば長溝状をなし、隣接する一対のマイクロ波放射スロット51a同士が略L字状をなすように近接して配されている。対をなす複数のマイクロ波放射スロット51aは、同心円状に配置されている。詳細には、内周側に7対、外周側に26対のマイクロ波放射スロット51aが形成されている。マイクロ波放射スロット51aの長さや配列間隔は、マイクロ波の波長等に応じて決定される。
[0019]
スロット板51の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体板52が互いに面接触するように設けられている。誘電体板52は、平板状の誘電体円板部を有する。誘電体円板部の略中央部には孔部が形成されている。また孔部の周縁から、誘電体円板部に対して略垂直に、円筒状のマイクロ波入射部が突出している。
[0020]
処理室1の上面には、スロット板51及び誘電体板52を覆うように、円盤状のシールド蓋体53が設けられている。シールド蓋体53は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属製である。処理室1の上面とシールド蓋体53との間は、シール部材59によりシールされている。
[0021]
シールド蓋体53の内部には、蓋体側冷却水流路53aが形成されており、蓋体側冷却水流路53aに冷却水を通流させることにより、スロット板51、誘電体窓50、誘電体板52、シールド蓋体53を冷却するように構成されている。なお、シールド蓋体53は接地されている。
[0022]
シールド蓋体53の上壁の中央には開口部53bが形成されており、該開口部には導波管54が接続されている。導波管54は、シールド蓋体53の開口部53bから上方へ延出する断面円形状の同軸導波管54aと、同軸導波管54aの上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管54bとを有しており、矩形導波管54bの端部には、マッチング回路56を介してマイクロ波発生装置57が接続されている。マイクロ波発生装置57で発生したマイクロ波、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波が導波管54を介して上記スロット板51へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、8.35GHz、2.45GHz、1.98GHz、915MHz等を用いることもできる。矩形導波管54bの同軸導波管54aとの接続部側の端部にはモード変換器55が設けられている。同軸導波管54aは、筒状の同軸外導体と、該同軸外導体の中心線に沿って配された同軸内導体とを有し、同軸内導体の下端部はスロット板51の中心に接続固定されている。また、誘電体板52のマイクロ波入射部は、同軸導波管54aに内嵌している。
[0023]
更に、処理室1の側壁11には第1及び第2ガス導入部60、70が上下に設けられている。第1ガス導入部60は、例えば側壁11の周囲に配置されたノズル状の部材であり、第1ガス導入部60には、層間絶縁層の原料ガス及びプラズマ生成用のプラズマ生成ガスを供給する第1ガス供給系6が接続され、処理室1の上方に位置する第1空間1aに原料ガス及びプラズマ生成ガスを供給するように構成されている。この第1空間1aは、プラズマ生成領域と呼称している。
[0024]
第1ガス供給系6は、層間絶縁層の主原料ガスを収容した主原料ガス供給源62aと、層間絶縁層の副原料ガスを収容した副原料ガス供給源62bと、プラズマ生成ガスを収容したプラズマ生成ガス供給源62cとを有する。主原料ガス供給源62a、副原料ガス供給源62b及びプラズマ生成ガス供給源62cは、夫々配管を介して第1ガス導入部60に接続されている。また、各ガス供給源に接続する配管夫々には、マスフローコントローラ61a,61b,61c及びその前後に開閉バルブ63a,63b,63cが設けられており、供給されるガスの切替えや流量等の制御ができるように構成されている。流量制御は、後述のプロセスコントローラ80によって行われる。
[0025]
図3は、第2ガス導入部70の一構成例を模式的に示した平面図である。第2ガス導入部70は、格子状のガス流路70bと、格子状のガス流路70bに形成された多数のガス吐出孔70cとを有している。格子状のガス流路70bの間は空間部70dとなっており、ガス吐出孔70cはガス流路70bのサセプタ4側に形成されている。ガス流路70bには処理室1の外側に延びる第2ガス管70aが接続される。第2ガス管70aは、層間絶縁層の原料ガスを供給する第2ガス供給系7に接続され第1空間1aよりも下方に位置する第2空間1b、即ちプラズマ生成領域である第1空間1aから基板側へ離隔した領域に原料ガスを供給する。この第2空間1bは、拡散プラズマ領域と呼称している。
[0026]
第2ガス供給系7は、層間絶縁層の主原料ガスを収容した主原料ガス供給源72aと、層間絶縁層の副原料ガスを収容した副原料ガス供給源72bとを有する。主原料ガス供給源72a及び副原料ガス供給源72bは、夫々配管を介して第2ガス導入部70に接続されている。また、各ガス供給源に接続する配管夫々には、マスフローコントローラ71a,71b及びその前後に開閉バルブ73a,73bが設けられており、供給されるガスの切替えや流量等の制御ができるように構成されている。流量制御は、第1ガス供給系6と同様、後述のプロセスコントローラ80によって行われる。
[0027]
下記表1は、処理室1に供給するガスの種類及び各ガスの供給先の一例を示している。
[0028]
[Table 1]


[0029]
主原料ガスは、少なくともホウ素が含まれるガスである。例えば、ジボラン、アルキルボロン、又はアルキルアミノボロンである。アルキルボロンは、水素基又は炭化水素基を有するボロン化合物であり、例えば、トリメチルボロンB−(CH 3 3 、トリエチルボロンB−(C 2 5 3 等が用いられる。また、主原料ガスとして常温では液体の原料を用いる場合には、気化器(図示せず)を用いて液体の原料をガス状にすることができる。この場合、キャリアガスとして不活性ガスを用いることができる。
アルキルアミノボロンは、水素基又は炭化水素基と、アミンとを有するボロン化合物であり、例えば、トリスジメチルアミノボロン(TMAB)が用いられる。トリスジメチルアミノボロンの構造式は、下記化学式で表される。
[0030]
[Chem. 1]


[0031]
その他、主原料ガスとして、下記化学式で表されるアルキルアミノボロンを利用しても良い。
[0032]
[Chem. 2]


[0033]
[Chem. 3]


[0034]
副原料ガスは、例えば、窒素若しくはアンモニア、又は炭化水素等である。
プラズマ生成ガスは、例えば不活性ガスである。より具体的には、不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、キセノン、クリプトン等である。なお、上述の例では、主原料ガス及び副原料ガスを処理室1に供給する場合を説明したが、目的とする層間絶縁層の組成によっては、主原料ガスのみを処理室1に供給するように構成しても良い。なお、言うまで無く、上述の主原料ガス、副原料ガス、及びプラズマ生成ガスは一例であり、分子中に、ホウ素、炭素及び窒素を含み、ホウ素、炭素及び窒素を含む層間絶縁層をプラズマCVDにて形成可能なガスであれば、他の原料ガスを利用しても良い。
[0035]
また、層間絶縁層形成装置は、層間絶縁層形成装置の各構成部を制御する制御手段8を有する。制御手段8は、例えば、プロセスコントローラ80と、ユーザインターフェース81と、記憶部82とを有する。プロセスコントローラ80には、工程管理者が層間絶縁層形成装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボード、層間絶縁層形成装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザインターフェース81が接続されている。また、プロセスコントローラ80には、層間絶縁層形成装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ80の制御にて実現するための制御プログラム、処理条件データ等が記録されたプロセス制御プログラムが格納された記憶部82が接続されている。プロセスコントローラ80は、ユーザインターフェース81からの指示に応じた任意のプロセス制御プログラムを記憶部82から呼び出して実行し、プロセスコントローラ80の制御下で、層間絶縁層形成装置での所望の処理が行われる。
[0036]
図4は、層間絶縁層形成方法に係るプロセスコントローラ80の処理手順を示すフローチャートである。以下、各種半導体素子が配された導通層が形成されたウェハWが処理室1に搬入された後の処理手順を説明する。プロセスコントローラ80は、プラズマ生成ガス供給源62cの開閉バルブ63cを開くことにより、プラズマ生成ガスを第1空間1aに供給する(ステップS11)。次いで、プロセスコントローラ80は、マイクロ波発生装置57を駆動させることにより、第1空間1aにマイクロ波を放射させる(ステップS12)。第1空間1aにプラズマ生成ガスを供給し、マイクロ波を放射することによって、第1空間1aにプラズマを生成することができる。
[0037]
次いで、プロセスコントローラ80は、第1ガス供給系6における副原料ガス供給源62bの開閉バルブ63bを開くことによって、第1空間1aに層間絶縁層の副原料ガスを供給する(ステップS13)。そして、プロセスコントローラ80は、第2ガス供給系7における主原料ガス供給源62aの開閉バルブ73aを開くことによって、第2空間1bに層間絶縁層の主原料ガスを供給する(ステップS14)。
[0038]
プロセス条件は、下記の通りである。ウェハW温度は0〜400℃、処理室1の側壁11及び誘電体窓50の温度は0〜200℃である。プラズマ条件は、圧力1〜50Pa、マイクロ波の周波数は2.45GHz、マイクロ波パワーは1500〜5000Wである。但し、該プラズマ条件は、300mmウェハ用の装置の条件である。ガス流量範囲は、主原料ガスが50〜300sccm、副原料ガスとして炭化水素ガスが0〜500sccm、プラズマ生成ガスが0〜1000sccmである。なお、副原料ガスである炭化水素の流量は、CH 4 換算の流量である。
[0039]
図5は、層間絶縁層形成装置によって生成されるプラズマの分布と、電子温度との関係を示すグラフである。横軸は、鉛直方向における誘電体窓50の下面からの距離、縦軸は、プラズマの電子温度を示している。なお、誘電体窓50の下面からの距離は、鉛直下方、即ちサセプタ4側が正である。また、図5中、誘電体窓50からの距離20mmの箇所に示した破線は、第2ガス導入部70の位置を示している。なお、誘電体窓50の下面と、サセプタ4の上面との距離は120mmである。
図5に示すように、誘電体窓50の直下0〜10mmは、プラズマの電子密度が比較的高い領域であり、該領域にてプラズマを生成する。この領域は、プラズマ生成領域、即ち第1空間1aに対応している。第1空間1aで生成したプラズマは、処理室1の下部の領域に拡散する。この領域は、拡散プラズマ領域、即ち第2空間1bに対応している。第2空間におけるプラズマの電子温度は、1eV程度まで減衰しているため、第2空間に供給された原料ガスは、過剰に解離せず、結合を保ったまま、ウェハWに堆積する。
[0040]
次に、本実施の形態に係る半導体装置の一構成例を説明する。本実施の形態に係る半導体装置は、ウェハW上に多層配線構造を有する超大規模集積回路ULSIである。以下、NチャンネルのMOSFETがウェハW上に形成され、層間絶縁層を介して多層配線されている例を説明する。
[0041]
図6は、本実施の形態に係る半導体装置9の一構成例を示した側断面図である。半導体装置9は、p型のウェハ基板91と、ウェハ基板91上に形成されたMOSFET92と、素子分離用の酸化膜93,93と、多層配線用の層間絶縁層94a〜94c及び配線金属95a〜95c,96b〜96dと、保護膜97とを有する。
[0042]
MOSFET92は、ウェハ基板91上に離隔して形成されドレイン・ソース92c,92cと、ドレイン・ソース92c,92c間にSiO 2 膜92bを介して形成されたゲート92aとで構成されている。
[0043]
層間絶縁層94a〜94cは、複数の各層に積層して形成された図示しない複数の半導体素子同士を絶縁する層である。層間絶縁層94a〜94cは、例えば、本実施の形態に係る層間絶縁層形成方法によって形成される。
[0044]
図7は、層間絶縁層94a〜94cを模式的に示した断面図である。層間絶縁層94a〜94cは、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造で構成されており、該アモルファス構造中には炭化水素基941及びアルキルアミノ基942が混在している。層間絶縁層94a〜94cのアモルファス構造は、例えば、プラズマCVD装置にてプラズマが生成される領域に層間絶縁層の原料ガスを供給し、原料ガスを構成する分子が解離したホウ素、炭素及び窒素をウェハ基板91上に蒸着させることによって形成される。また、プラズマ生成領域よりも基板側へ離隔した低電子温度な領域に、原料ガスを供給することによって、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942をアモルファス構造に混入させることができる。炭化水素基941及びアルキルアミノ基942は、原料ガスを構成する分子が部分的に解離して生成された原子団である。
[0045]
図8は、フーリエ変換型赤外分光による層間絶縁層94a〜94cの化学構造解析結果を示すグラフである。横軸は波数、縦軸は吸光度を示している。図8に示すグラフから分かるように、六方晶窒化ホウ素による波数約1400cm -1の赤外光吸収ピークと、立方晶窒化ホウ素による波数約1070cm -1の赤外吸収ピークとが認められる。従って、層間絶縁層94a〜94cは、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造を有していることが分かる。
また、C=C結合、C−H結合、B−C結合、C−N結合等による赤外光吸収が認められるため、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942が解離せずにアモルファス構造中に取り込まれていることが分かる。
[0046]
図9は、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素の特徴を示す図表である。図9には、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、及びダイヤモンドそれぞれの弾性率、比誘電率、結晶構造の模式図が示されている。図9に示すように、立方晶窒化ホウ素の弾性率は、400GPaであり、ダイヤモンド並の弾性率を有している。また、六方晶窒化ホウ素の弾性率も37GPaであり、十分な機械的強度を有している。従って、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942を導入しても層間絶縁層94a〜94cは十分な機械的強度を保持することができる。一方、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化水素の比誘電率は、いずれもSiO 2 と同程度である。
従って、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942の導入量を制御することによって、十分な機械的強度を保持しつつ、所望の低い誘電率を有する層間絶縁層94a〜94cを得ることができる。特に、本実施の形態に係る層間絶縁層94a〜94cは、立方晶窒化ホウ素を有しているため、立方晶窒化ホウ素を有さない層間絶縁層に比べて、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942を多量に導入し、低誘電率化を図ることができる。また、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942の導入量が同程度であれば、本実施の形態に係る層間絶縁層94a〜94cは、立方晶窒化ホウ素を有しているため、立方晶窒化ホウ素を有さない層間絶縁層に比べて、機械的強度が高い。
[0047]
図10A及び図10Bは、層間絶縁層94a〜94cに含まれる結合構造と、膜特性との関係を示すグラフである。図10Aは、層間絶縁層94a〜94cに含まれるB−N結合及びC−C結合の原子濃度と、アニール処理の前後における層間絶縁層94a〜94cの膜厚比との関係を示している。アニール処理の前後における層間絶縁層94a〜94cの膜厚比は、1に近い程、シュリンクが無い良好な膜であり、耐熱性が高いと言える。図10Bは、層間絶縁層94a〜94cに含まれるB−N結合及びC−C結合の原子濃度と、層間絶縁層94a〜94cの誘電率との関係を示している。図10A、Bのグラフより、層間絶縁層94a〜94c中のB−N結合の原子濃度が高い程、耐熱性が向上するが、誘電率は上昇する傾向にあることが分かる。また、層間絶縁層94a〜94c中のC−C結合の原子濃度が高い程、誘電率は低下するが、耐熱性が悪いことが分かる。従って、層間絶縁層94a〜94cに導入されるC−C結合の原子濃度、即ち炭化水素基941及びアルキルアミノ基942の導入量は、層間絶縁層94a〜94cに求められる誘電率及び耐熱性の兼ね合いで適宜決定される。本実施の形態に係る層間絶縁層形成装置によれば、第1ガス導入部60及び第2ガス導入部70に導入する主原料ガス及び副原料ガスの量を調整することによって、炭化水素基941及びアルキルアミノ基942の導入量を制御し、所望の誘電率及び耐熱性を有する層間絶縁層94a〜94cを得ることができる。
[0048]
図11は、層間絶縁層94a〜94cのアニール処理過程で脱離する水分量の時間変化を示したグラフである。横軸はアニール処理の時間を示し、左縦軸はイオン電流、右縦軸は温度を示している。イオン電流は、層間絶縁層94a〜94cから脱離する水分量に対応している。図11中、グラフa1,a2,a3及びbは、異なるプロセス条件で形成された層間絶縁層94a〜94cの水分脱離傾向を示している。グラフa1,a2,a3の成膜温度はいずれも350℃であり、グラフbの成膜温度は170℃である。また、グラフa1の成膜時に用いたプラズマ生成ガスはアルゴン、グラフa2は窒素、グラフa3はアルゴン及び水素である。また、グラフbの成膜時に用いたプラズマ生成ガスはアルゴンである。
図11から分かるように、350℃で形成した層間絶縁層94a〜94cは、用いるプラズマ生成ガスの種類に拘わらず、脱離する水分量が多いが、アニール処理温度が約80℃に達するまでに水分の脱離が完了している。従って、350℃で形成した層間絶縁層94a〜94cに含まれていた水分は、膜中に含まれていた水分では無く、主に膜表面に吸着した水分であると考えられる。
一方、170℃で形成した層間絶縁層94a〜94cは、脱離する水分量のピークは低いがアニール処理温度が300℃に達するまで水分の脱離が続く。従って、170℃で形成した層間絶縁層94a〜94cは、膜中に水分を有していると考えられる。
一般的に、層間絶縁層94a〜94cの膜内に含まれる水分量が少ない程、誘電率が低く、機械的強度が高い緻密な膜である。従って、350℃で形成した層間絶縁層94a〜94cは、170℃で形成した層間絶縁層94a〜94cに比べて低誘電率で機械的強度が高く、優れた膜であると言える。
[0049]
本実施の形態にあっては、密なアモルファス構造中に炭化水素基941及びアルキルアミノ基942が混在しているため、分子レベルの空間が層間絶縁層94a〜94cに形成される。内部に空間が形成された層間絶縁層94a〜94cは、空間を有さない層間絶縁層に比べて低誘電率である。また、層間絶縁層94a〜94cに形成される空間は、従来のポーラス構造とは異なる分子レベルの空間であるため、層間絶縁層94a〜94cの機械的強度及び耐吸湿性を低下させることなく、半導体装置9の配線遅延を低減させることができる。更に、層間絶縁層94a〜94cは従来のポーラス構造では無いため、層間絶縁層94a〜94cに形成されたコンタクトホールの表面に空孔が露出し、該空孔から薬液等の各種不純物が拡散したり、バリアメタルカバレッジ不良といった問題を回避することができる。
[0050]
以上、本実施の形態に係る層間絶縁層形成方法にあっては、従来技術に係る層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層94a〜94cを形成することができる。
また、本実施の形態に係る半導体装置9にあっては、従来技術に係る層間絶縁層に比べて、機械的強度及び耐吸湿性に優れた低誘電率の層間絶縁層94a〜94cを設けることによって、配線遅延を低減させることができる。
[0051]
更に、プロセスコントローラ80によって、主原料ガス及び副原料ガスの供給先及び供給量を制御することによって、層間絶縁層94a〜94cの構造を容易に制御することができる。例えば、層間絶縁層94a〜94cを構成している六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造に混入させる炭化水素基及びアルキルアミノ基の量を制御することができ、誘電率、リーク電流、吸湿性、弾性率、硬度等の特性を制御することができる。
また、本実施の形態によれば、第1空間1a及び第2空間1bに供給される原料ガスの配分によって、層間絶縁層94a〜94cの物性が変動する。従って、層間絶縁層の物性を制御することができ、所望の物性、例えば誘電率、強度及び耐熱性を有する層間絶縁層94a〜94cを製造することが可能になる。
[0052]
更にまた、Radial Line Slot Antenna型のマイクロ波プラズマCVD装置は、1×10 11cm -3以上の高電子密度、1〜2eV以下の低電子温度のプラズマを生成することができるため、半導体装置に損傷を与える虞が無く、高レートで層間絶縁層94a〜94cを形成することができる。
[0053]
更にまた、Radial Line Slot Antenna型のマイクロ波プラズマCVD装置にあっては、誘電体窓50の直下に表面波プラズマが生成されるため、プラズマ生成領域である第1空間1aとプラズマの拡散により電子温度が低下したプラズマ拡散領域である第2空間1bへのガスの供給を適宜制御することによって、層間絶縁層94a〜94cに係る各種特性の制御を容易に行うことができる。
[0054]
なお、実施の形態では、Radial Line Slot Antenna型のマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、層間絶縁層を形成する例を説明したが、基板から離隔した領域にプラズマを局所的に生成できる装置であれば、他のスロットを介してマイクロ波を放射するプラズマCVD装置を利用して層間絶縁層を形成するように構成しても良い。
また、スロットを介してマイクロ波を放射するプラズマCVD装置以外にも、平行平板プラズマ、ICP(Inductively Coupled Plasma)、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)プラズマ等を用いたプラズマCVD装置を用いてもよい。ただし、この場合には、電子温度が高い点や磁場を用いることにより半導体装置へ損傷を与えてしまう可能性がある。
[0055]
(変形例1)
変形例1に係る層間絶縁層形成方法は、主原料ガス及び副原料ガスの供給先のみが異なるため、以下では主に上記相異点について説明する。下記表2は、処理室1に供給するガスの種類及び各ガスの供給先の一例を示している。
[0056]
[Table 2]


[0057]
上記表2に示すように、変形例1では、主原料ガスであるアルキルボロン及びアルキルアミノボロンを第1空間1aへ供給し、副原料ガスであるアンモニア及び炭化水素を第2空間1bへ供給する。
[0058]
図12は、変形例1における層間絶縁層形成方法に係る処理手順を示したフローチャートである。プロセスコントローラ80は、プラズマ生成ガス供給源62cの開閉バルブ63cを開くことにより、プラズマ生成ガスを第1空間1aに供給する(ステップS111)。次いで、プロセスコントローラ80は、マイクロ波発生装置57を駆動させることにより、第1空間1aにマイクロ波を放射させる(ステップS112)。
[0059]
次いで、プロセスコントローラ80は、第1ガス供給系6における主原料ガス供給源62aの開閉バルブ63aを開くことによって、第1空間1aに層間絶縁層の主原料ガスを供給する(ステップS113)。そして、プロセスコントローラ80は、第2ガス供給系7における副原料ガス供給源72bの開閉バルブ73bを開くことによって、第2空間1bに層間絶縁層の副原料ガスを供給する(ステップS114)。
[0060]
変形例1にあっても、実施の形態と同様の効果を奏する。ただし、層間絶縁層の内部構造が異なるため、誘電率、機械的強度及び耐透湿性などの特性は異なる。具体的には、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造に混在するアルキルアミノ基の割合を、炭化水素基に比べて低く設定することができる。
[0061]
(変形例2)
変形例2に係る層間絶縁層形成方法は、主原料ガス及び副原料ガスの供給先のみが異なるため、以下では主に上記相異点について説明する。下記表3は、処理室1に供給するガスの種類及び各ガスの供給先の一例を示している。
[0062]
[Table 3]


[0063]
上記表3に示すように、変形例2では、主原料ガスであるアルキルボロン及びアルキルアミノボロンを第1及び第2空間1a、1bの双方へ供給し、副原料ガスであるアンモニア及び炭化水素も第1及び第2空間1a、1bの双方へ供給する。また、副原料ガスである窒素を第1空間1aへ供給する。窒素ガスは、プラズマ生成領域である第1空間1aに供給しなければ解離せず、ウェハWに蒸着させることができないため、第2空間1bでは無く、第1空間1aへ供給する方が良い。なお、窒素ガスも第2空間1bに供給するように構成することも可能である。第1空間1aから下方へ移動してきたラジカルによって、窒素ガスの一部を解離させることができる。
[0064]
図13は、変形例2における層間絶縁層形成方法に係るプロセスコントローラ80の処理手順を示したフローチャートである。プロセスコントローラ80は、プラズマ生成ガス供給源62cの開閉バルブ63cを開くことにより、プラズマ生成ガスを第1空間1aに供給する(ステップS211)。次いで、プロセスコントローラ80は、マイクロ波発生装置57を駆動させることにより、第1空間1aにマイクロ波を放射させる(ステップS212)。
[0065]
次いで、プロセスコントローラ80は、第1及び第2ガス供給系6、7における主原料ガス供給源62a,72aの開閉バルブ63a、73aを開くことによって、第1及び第2空間1a、1bに層間絶縁層の主原料ガスを供給する(ステップS213)。そして、プロセスコントローラ80は、第1及び第2ガス供給系6、7における副原料ガス供給源62b,72bの開閉バルブ63b、73bを開くことによって、第1及び第2空間に層間絶縁層の副原料ガスを供給する(ステップS214)。
[0066]
変形例2にあっても、実施の形態と同様の効果を奏する。ただし、層間絶縁層の内部構造が異なるため、誘電率、機械的強度及び耐透湿性などの特性は異なる。具体的には、六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造に混在するアルキルアミノ基の割合を、実施の形態に比べて低く、変形例1に比べて高く設定することができる。
[0067]
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Reference Signs List

[0068]
1 処理室
1a 第1空間
1b 第2空間
6 第1ガス供給系
7 第2ガス供給系
9 半導体装置
60 第1ガス導入部
70 第2ガス導入部
62a,72a 主原料ガス供給源
62b,72b 副原料ガス供給源
62c プラズマ生成ガス供給源
80 プロセスコントローラ
81 ユーザインターフェース
82 記憶部
91 ウェハ基板
92 MOSFET
93 酸化膜
94a〜94c 層間絶縁層
941 炭化水素基
942 アルキルアミノ基
W ウェハ

Claims

[1]
半導体装置の層間絶縁層をプラズマCVD法にて形成する方法において、
減圧された処理容器内へ基板を搬入する工程と、
前記基板から離隔した第1空間にプラズマ生成ガスを供給する工程と、
前記第1空間にて前記プラズマ生成ガスを励起する工程と、
前記第1空間と前記基板との間の第2空間に、少なくとも水素基又は炭化水素基を含むボロン化合物を含む原料ガスを供給する工程と
を有することを特徴とする層間絶縁層形成方法。
[2]
前記プラズマ生成ガスを励起する工程は、スロットを介して前記処理容器内へ放射されたマイクロ波を用いることを特徴とする請求項1に記載の層間絶縁層形成方法。
[3]
前記原料ガスは、
ホウ素、炭素及び窒素を含む
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の層間絶縁層形成方法。
[4]
前記原料ガスは、
アルキルボロン又はアルキルアミノボロンを含む
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。
[5]
前記第1空間及び/又は第2空間に、アンモニア又は炭化水素ガスを供給する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。
[6]
前記第1空間に窒素ガスを供給する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。
[7]
ホウ素、炭素及び窒素を含むアモルファス構造が形成された層間絶縁層を介して多層配線された半導体装置において、
前記層間絶縁層は、
六方晶窒化ホウ素及び立方晶窒化ホウ素を含むアモルファス構造中に炭化水素基又はアルキルアミノ基が混在する
ことを特徴とする半導体装置。
[8]
前記層間絶縁膜層に含まれる六方晶窒化ホウ素の量は、立方晶窒化ホウ素の量より少ない
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]

[ Fig. 3]

[ Fig. 4]

[ Fig. 5]

[ Fig. 6]

[ Fig. 7]

[ Fig. 8]

[ Fig. 9]

[ Fig. 10A]

[ Fig. 10B]

[ Fig. 11]

[ Fig. 12]

[ Fig. 13]

20121220A16333全文3

Claims

[1]
半導体装置の層間絶縁層をプラズマCVD法にて形成する方法において、
減圧された処理容器内へ基板を搬入する工程と、
前記基板から離隔した第1空間にプラズマ生成ガスを供給する工程と、
前記第1空間にて前記プラズマ生成ガスを励起する工程と、
前記第1空間と前記基板との間の第2空間に、少なくとも水素基又は炭化水素基を含むボロン化合物を含む原料ガスを供給する工程と
を有することを特徴とする層間絶縁層形成方法。
[2]
前記プラズマ生成ガスを励起する工程は、スロットを介して前記処理容器内へ放射されたマイクロ波を用いることを特徴とする請求項1に記載の層間絶縁層形成方法。
[3]
前記原料ガスは、
ホウ素、炭素及び窒素を含む
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の層間絶縁層形成方法。
[4]
前記原料ガスは、
アルキルボロン又はアルキルアミノボロンを含む
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。
[5]
前記第1空間及び/又は第2空間に、アンモニア又は炭化水素ガスを供給する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。
[6]
前記第1空間に窒素ガスを供給する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一つに記載の層間絶縁層形成方法。