(57)【要約】【課題】  半導体装置を構成する絶縁膜の比誘電率を低下させることができる方法を提供する。【解決手段】  半導体装置を構成する絶縁膜２に不活性ガス、窒素および水素の内の少なくとも一種のイオン６を注入して絶縁膜２中に多数の空隙８を形成し、絶縁膜２の比誘電率をイオン注入前よりも低下させ、これによって低誘電率絶縁膜１０を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を構成する絶縁膜に不活性ガス、窒素および水素の内の少なくとも一種のイオンを注入して当該絶縁膜中に多数の空隙を形成し、当該絶縁膜の比誘電率をイオン注入前よりも低下させることを特徴とする低誘電率絶縁膜の製造方法。
【請求項２】
半導体装置を構成する基板上に絶縁膜を形成した後、当該絶縁膜に不活性ガス、窒素および水素の内の少なくとも一種のイオンを注入して当該絶縁膜中に多数の空隙を形成し、当該絶縁膜の比誘電率をイオン注入前よりも低下させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜中における空隙の割合を１０％〜９０％にする請求項１または２記載の製造方法。
【請求項４】
前記絶縁膜が、半導体装置を構成する層間絶縁膜である請求項１、２または３記載の製造方法。
【請求項５】
前記イオン注入時またはイオン注入後に、前記絶縁膜の厚さを小さくする処理を行う請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
前記イオン注入前の絶縁膜の厚さを、前記イオン注入による空隙の形成によって生じる膜厚の増大を見込んで小さくしておく請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置を構成する絶縁膜をイオン注入によって低誘電率化する低誘電率絶縁膜の製造方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばトランジスタ、半導体メモリ等を有する半導体装置を構成する絶縁膜（例えば層間絶縁膜）は、化学的蒸気蒸着法（ＣＶＤ法）または物理的蒸気蒸着法（ＰＶＤ法）によって形成されていた（例えば、非特許文献１参照）。いずれの方法でも、形成された絶縁膜の比誘電率は、原材料に近いものである。例えば、上記絶縁膜が二酸化ケイ素（ＳiＯ2 ）から成る場合、当該絶縁膜の比誘電率は３．５〜４程度である。
【０００３】
【非特許文献１】半導体ハンドブック編纂委員会、「半導体ハンドブック」、第２版、株式会社オーム社、昭和５７年１２月１０日、頁２８６−２９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の高集積化および微細化に伴い、半導体装置を構成する配線を通る電気信号の遅延が問題になってきている。この信号遅延を左右する要因としてＲＣ積があり、上記信号遅延はＲＣ遅延とも呼ばれている。ここで、Ｒは配線における抵抗であり、Ｃは配線間の容量（以下「寄生容量」という）である。半導体装置の高集積化および微細化は、配線が細くなるので抵抗Ｒの増大をもたらし、かつ配線間が狭くなるので寄生容量Ｃの増大をもたらす。
【０００５】
上記信号遅延を小さくする一つの方法として、半導体装置を構成する絶縁膜の比誘電率を低下させることによって、上記寄生容量Ｃを小さくすることが考えられるけれども、前記従来技術（成膜方法）で形成される絶縁膜の密度は原材料の密度に近いので、前記従来技術では、絶縁膜の比誘電率を原材料の比誘電率に近いものよりも低下させることはできなかった。
【０００６】
そこでこの発明は、半導体装置を構成する絶縁膜の比誘電率を低下させることができる新しい方法を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る低誘電率絶縁膜の製造方法は、半導体装置を構成する絶縁膜に不活性ガス、窒素および水素の内の少なくとも一種のイオンを注入して当該絶縁膜中に多数の空隙を形成し、当該絶縁膜の比誘電率をイオン注入前よりも低下させることを特徴としている。
【０００８】
上記不活性ガス、窒素および水素のイオンは、通常、絶縁膜中にイオン注入しても絶縁膜を構成する物質と化学反応を起こしにくいので、絶縁膜中に多数の空隙を形成しやすい。この空隙の比誘電率は、真空の比誘電率の１に近いので、上記イオン注入によって絶縁膜中に多数の空隙を形成することによって、絶縁膜全体としての比誘電率をイオン注入前のものよりも低下させることができる。即ち、イオン注入前よりも比誘電率の小さい低誘電率絶縁膜を得ることができる。
【０００９】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体装置を構成する基板上に絶縁膜を形成した後、当該絶縁膜に不活性ガス、窒素および水素の内の少なくとも一種のイオンを注入して当該絶縁膜中に多数の空隙を形成し、当該絶縁膜の比誘電率をイオン注入前よりも低下させることを特徴としている。
【００１０】
この半導体装置の製造方法の場合も、上記低誘電率絶縁膜の製造方法の場合と同様の作用によって、絶縁膜の比誘電率をイオン注入前のものよりも低下させて、低誘電率絶縁膜を得ることができる。
【００１１】
前記絶縁膜中における空隙の割合は、１０％〜９０％にするのが好ましい。
【００１２】
前記絶縁膜は、例えば、半導体装置を構成する層間絶縁膜である。
【００１３】
前記イオン注入時またはイオン注入後に、前記絶縁膜の厚さを小さくする処理を行っても良い。
【００１４】
前記イオン注入前の絶縁膜の厚さを、前記イオン注入による空隙の形成によって生じる膜厚の増大を見込んで小さくしておいても良い。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、２に記載の発明によれば、半導体装置を構成する絶縁膜の比誘電率をイオン注入前の比誘電率よりも低下させて、イオン注入前よりも比誘電率の小さい低誘電率絶縁膜を得ることができる。即ち、絶縁膜の比誘電率を原材料の比誘電率に近いものよりも低下させることができる。その結果、例えば、半導体装置の配線における前記寄生容量を小さくして、信号遅延を小さくすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、空隙の割合を上記範囲内にすることによって、絶縁膜の比誘電率を有意な程度に低下させることができると共に、空隙の割合が大き過ぎて絶縁膜の表面が脆くなるのを防止することができる、という更なる効果を奏する。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、層間絶縁膜は半導体装置において層の異なる上下の配線間を絶縁することに用いられるので、当該層間絶縁膜を上記のようにして低誘電率化することによって、配線間の寄生容量を小さくして、半導体装置の配線における信号遅延を小さくする効果をより顕著に発揮させることができる、という更なる効果を奏する。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、上記処理を行うことによって、イオン注入による空隙形成に起因して絶縁膜の厚さが増大することを解消して、絶縁膜の厚さを所望のものにする、または所望のものに近づけることができる、という更なる効果を奏する。これによって、例えば、絶縁膜の厚さ増大に起因して、体積増大に伴う半導体装置の微細化を損なう等の不具合発生を防止することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、イオン注入による空隙形成によって生じる膜厚の増大を見込んで予め膜厚を小さくしておくことによって、イオン注入後の絶縁膜の厚さを所望のものにする、または所望のものに近づけることができる、という更なる効果を奏する。これによって、例えば、絶縁膜の厚さ増大に起因して、体積増大に伴う半導体装置の微細化を損なう等の不具合発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、この発明に係る低誘電率絶縁膜の製造方法の一実施形態を示す概略図である。  
【００２１】
まず、図１（Ａ）に示す例のように、半導体装置を構成する絶縁膜２を用意する。この絶縁膜２は、例えば、半導体装置を構成する基板４上に形成されたものである。
【００２２】
絶縁膜２は、例えば、酸化ケイ素（ＳiＯ）、二酸化ケイ素（ＳiＯ2 ）、二酸化ケイ素に炭素をドープしたＳiＯＣ、窒化ケイ素（Ｓi3Ｎ4 ）等の無機材料、または、ポリイミド等の有機材料である。
【００２３】
次に、図１（Ｂ）に示す例のように、上記絶縁膜２にイオン６を注入して、絶縁膜２中に多数の空隙８を形成する。この空隙８は、通常は泡状の形状をしており、大小は様々である。
【００２４】
注入するイオン６は、（ａ）アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン等の不活性ガスイオン、（ｂ）窒素イオン、（ｃ）水素イオンの内の少なくとも一種のイオンとする。即ち、注入に使用するイオン６は、これらのイオンの内の一種類のイオンでも良いし、複数種類のイオンを同時に注入しても良い。このようなイオン６は、絶縁膜２中にイオン注入しても絶縁膜２を構成する物質と化学反応を起こしにくく、気泡として単独に存在しやすいので、絶縁膜２中に多数の空隙８を形成しやすい。具体的にどのイオン種を用いるかについては、絶縁膜２の材質との関係で空隙８をより形成しやすいものを選定すれば良い。  
【００２５】
上記空隙８は、通常は、注入イオン６が絶縁膜２中に残存した気泡である。しかし、絶縁膜２が、上記イオン注入工程やその後工程において真空雰囲気中に置かれる場合があることから、上記気泡から気体が抜けた真空状態になっている場合もあり得る。上記空隙８は、この両状態を含む概念であり、空泡と言い換えることもできる。
【００２６】
なお、イオンを固体に注入したときに、イオンと固体原子との核衝突によって固体原子が跳ね飛ばされて（この原子をノックオン原子と言う）、ノックオン原子が抜けた場所に空孔（vacancy ）が生じることは公知であるけれども、この空孔はノックオン現象による原子レベルの極めて微小な孔であり、この空孔と、注入イオン６が絶縁膜２中で気泡状となることによって生じる上記空隙８とは、生じる原理、大きさ、生じさせる目的等において互いに異なっており、両者は全く別なものである。ノックオン現象による原子レベルの極めて微小な空孔では、上記多数の空隙８の場合と違って、絶縁膜の比誘電率を有意な程度に低下させることはできない。
【００２７】
絶縁膜２の所定領域（例えば全面）にイオン６を照射してイオン注入を行うためには、例えば、イオン６を含むイオンビーム６ａを用いて、（ａ）大面積のイオンビーム６ａを使用しても良いし、（ｂ）所定方向（これをＸ方向とする）に幅の広いイオンビーム６ａを用い、絶縁膜２（および基板４）をＸ方向と交差する（例えば実質的に直交する）Ｙ方向に機械的に駆動しても良いし、（ｃ）イオンビーム６ａをＸ方向に走査することと絶縁膜２（および基板４）をＹ方向に機械的に駆動することとを併用しても良い。
【００２８】
上記イオン注入に用いるイオン６のエネルギーは、例えば２ｋｅＶ〜２５０ｋｅＶ程度であるが、具体的には、絶縁膜２の厚さ等に応じて選定すれば良い。これは、イオン６のエネルギーが高過ぎると、イオン６の透過度が高過ぎて多くのイオン６が絶縁膜２を透過して、空隙８を形成する作用が低下し、逆にイオン６のエネルギーが低過ぎると、イオン６が絶縁膜２中に深く注入されず、やはり空隙８を形成する作用が低下するからである。例えば、絶縁膜２の厚さが０．１μｍ〜０．３μｍ程度のときは、イオン６のエネルギーは数十ｋｅＶ〜１００ｋｅＶ程度で良い場合が多く、厚さがｎｍオーダーのときは１ｋｅＶ前後で良い場合が多い。
【００２９】
上記方法によって、絶縁膜２の比誘電率をイオン注入前の比誘電率よりも低下させて、イオン注入前よりも比誘電率の小さい低誘電率絶縁膜１０を得ることができる。即ち、絶縁膜２の比誘電率を原材料の比誘電率に近いものよりも低下させることができる。その結果、例えば、半導体装置の配線における前記寄生容量Ｃを小さくして、信号遅延（ＲＣ遅延）を小さくすることができる。
【００３０】
上記絶縁膜２が二酸化ケイ素（ＳiＯ2 ）から成る場合の、当該絶縁膜２中の上記空隙８の割合と、そのような空隙８を有する絶縁膜２（即ち低誘電率絶縁膜１０）の比誘電率との関係の一例を図２に示す。
【００３１】
この図２から分かるように、絶縁膜２中の空隙８の割合を大きくするほど比誘電率は低下している。この空隙８の割合は、１０％〜９０％の範囲内にするのが好ましい。この％は、この明細書においては体積％である。１０％未満だと、絶縁膜２の比誘電率をあまり（即ち、有意な程度に）低下させることはできない。９０％を超えると、空隙８の割合が大き過ぎて絶縁膜２の表面が脆くなる。例えば、絶縁膜２は後工程で表面が削られることが多く、その際に絶縁膜２の表面がボロボロになり、そうなると当該表面に配線を形成するのが困難になる。
【００３２】
これに対して、空隙８の割合を上記範囲内にすることによって、絶縁膜２の比誘電率を有意な程度に（図２の例では、元々は３．５程度であった比誘電率を３．２〜１．３程度に）低下させることができると共に、空隙８の割合が大き過ぎて絶縁膜２の表面が脆くなるのを防止することができる。この両効果をより確実に発揮させるためには、空隙８の割合は、２０％〜８０％の範囲にするのがより好ましい。それによって、図２の例では、比誘電率を３．０〜１．５程度に下げることができる。
【００３３】
絶縁膜２に注入するイオン６の注入量は、少ないと空隙８を形成する割合が減って比誘電率を低下させる効果が減り、多過ぎると空隙８の割合が大きくなり過ぎて絶縁膜２の表面が脆くなりやすいので、５×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2 〜５×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2 の範囲内にするのが好ましい。
【００３４】
上記絶縁膜２が二酸化ケイ素（ＳiＯ2 ）から成る場合のイオン注入量とイオン注入後の絶縁膜２（即ち低誘電率絶縁膜１０）の比誘電率との関係の一例を図３に示す。この図３から分かるように、上記範囲の注入量によって、元々は３．５程度であった比誘電率を３．０〜１．５程度に低下させることができる。
【００３５】
次に、半導体装置の製造方法の実施形態を、前記低誘電率絶縁膜１０の製造方法の実施形態との相違点を主体に説明すると、上記と同様にして半導体装置を構成する基板上に前記のような絶縁膜２を形成した後、当該絶縁膜２に前記のようなイオン６を注入して絶縁膜２中に前記のような多数の空隙８を形成し、当該絶縁膜２の比誘電率をイオン注入前よりも低下させる方法を用いて、半導体装置を製造する。
【００３６】
この場合も、前記低誘電率絶縁膜１０の製造方法の場合と同様の効果を得ることができる。即ち、絶縁膜２の比誘電率を原材料の比誘電率に近いものよりも低下させることができる。その結果、例えば、半導体装置の配線における前記寄生容量Ｃを小さくして、信号遅延を小さくすることができる。
【００３７】
その他の事項については、前記低誘電率絶縁膜１０の製造方法の場合と同様であるので、ここでは重複説明を省略する。
【００３８】
前記絶縁膜２は、例えば、半導体装置を構成する層間絶縁膜である。層間絶縁膜は、一般的に、多層配線構造で層の異なる上下の配線間を縦方向に絶縁・分離するために用いられる絶縁膜のことを言う。
【００３９】
このように、層間絶縁膜は半導体装置において層の異なる上下の配線間を絶縁することに用いられるので、当該層間絶縁膜を前記方法によって低誘電率化することによって、配線間の前記寄生容量Ｃを小さくして、半導体装置の配線における信号遅延を小さくする効果をより顕著に発揮させることができる。
【００４０】
絶縁膜を前記方法で低誘電率化して得られる層間絶縁膜１８を有する半導体装置の一例を図４に示す。この半導体装置１２は、シリコン基板１４上にＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳトランジスタ）回路を形成し、更にその上に配線層１６を形成した構造をしている。ＣＭＯＳ回路は、同一のシリコン基板１４上にｐＭＯＳトランジスタ（ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタ）２０とｎＭＯＳトランジスタ（ｎチャンネル型ＭＯＳトランジスタ）４０とを形成した構造をしている。
【００４１】
ｐＭＯＳトランジスタ２０は、シリコン基板１４の表層部に形成されたｎウエル２２、ソース２４、ドレイン２６、それらの上部に形成されたゲート２８およびゲート絶縁膜３０を有している。
【００４２】
ｎＭＯＳトランジスタ４０は、シリコン基板１４の表層部に形成されたｐウエル４２、ソース４４、ドレイン４６、それらの上部に形成されたゲート４８およびゲート絶縁膜５０を有している。
【００４３】
各トランジスタ２０、４０の両側にはフィールド絶縁膜５２が設けられている。また、各トランジスタ２０、４０の構成要素には電極５４が接続されて、所定の電気回路を構成している。
【００４４】
配線層１６は、複数の層間絶縁膜１８と、所要の層の層間絶縁膜１８の表面等に設けられた配線（例えば銅配線）６０（最表面のもののみ図に表れている）と、所要の電極５４や所要の層の配線６０間を接続するプラグ（コンタクトプラグまたはビアプラグ）５６とを有している。
【００４５】
上記層間絶縁膜１８は、前述したような絶縁膜を前記方法で低誘電率化して得られたものである。即ち、イオン注入によって絶縁膜の内部に多数の空隙を形成し、当該絶縁膜の比誘電率をイオン注入前よりも低下させたものである。この場合、全ての層間絶縁膜１８が前記方法で低誘電率化されたものであっても良いし、必要な層の層間絶縁膜１８のみが前記方法で低誘電率化されたものであっても良い。
【００４６】
低誘電率化された層間絶縁膜１８を形成するには、具体的には、前記低誘電率絶縁膜１０の製造方法の場合と同様に、シリコン基板１４上に層間絶縁膜１８の元になる絶縁膜を形成した後に当該絶縁膜に前記のようなイオン注入を行えば良い。これを必要な層について行えば良い。
【００４７】
ところで、絶縁膜（例えば前記絶縁膜２または層間絶縁膜１８の元になる絶縁膜等）にイオン注入を行って空隙を形成すると、厳密に見ると、当該絶縁膜の厚さが幾分増す場合がある。膜厚が増し過ぎると、体積増大に伴う半導体装置の微細化を損なう等の不具合を生じさせる懸念がある。
【００４８】
そこで、上記不具合発生を防止するために、次の第１および第２の方法の一方または両方を採用しても良い。
【００４９】
第１の方法は、空隙形成のための前記イオン注入時またはイオン注入後に、絶縁膜の厚さを小さくする処理を行うものである。この膜厚を小さくする処理は、例えば、イオンスパッタリング、物理化学的研磨等である。イオンスパッタリングは、イオン注入時またはイオン注入後に上記処理を行うのに適している。物理化学的研磨とは、現在超高集積半導体デバイス製造工程の研磨工程に使用されているＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的に活性な研磨材を使用して機械的に研磨）を意味する。これは、イオン注入後に上記処理を行うのに適している。
【００５０】
上記処理を行うことによって、イオン注入による空隙形成に起因して絶縁膜の厚さが増大することを解消して、絶縁膜の厚さを所望のものにする、または所望のものに近づけることができる。これによって、例えば、絶縁膜の厚さ増大に起因して、体積増大に伴う半導体装置の微細化を損なう等の不具合発生を防止することができる。
【００５１】
第２の方法は、空隙形成のための前記イオン注入前の絶縁膜の厚さを、前記イオン注入による空隙形成によって生じる膜厚の増大を見込んで、予め小さくしておくものである。即ち、イオン注入による膜厚増大に相当する分だけ、絶縁膜の厚さを予め小さくしておく。イオン注入によって絶縁膜の厚さがどの程度大きくなるかは、予め実験等によって確かめておけば良い。
【００５２】
上記のようにイオン注入による空隙形成によって生じる膜厚の増大を見込んで予め膜厚を小さくしておくことによって、イオン注入後の絶縁膜の厚さを所望のものにする、または所望のものに近づけることができる。これによって、例えば、絶縁膜の厚さ増大に起因して、体積増大に伴う半導体装置の微細化を損なう等の不具合発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明に係る低誘電率絶縁膜の製造方法の一実施形態を示す概略図である。
【図２】ＳiＯ2 絶縁膜中の空隙の割合と比誘電率との関係の一例を示す図である。
【図３】ＳiＯ2 絶縁膜に対するイオン注入量と比誘電率との関係の一例を示す図である。
【図４】低誘電率化された層間絶縁膜を有する半導体装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
２  絶縁膜
６  イオン
８  空隙
１０  低誘電率絶縁膜
１２  半導体装置
１８  層間絶縁膜
【図１】
2006203042.tif 000003
【図２】
2006203042.tif 000004
【図３】
2006203042.tif 000005
【図４】
2006203042.tif 000006