(57)【要約】  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。また、配線遅延を低減させた半導体装置を提供する。  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１ａにプラズマ生成ガスを供給する工程と、前記第１空間１ａ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１ａと前記基板との間の第２空間１ｂ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。  また、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、前記層間絶縁層に、六方晶及び立方晶の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を混在させる。
2012011480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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。
【背景技術】
【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ＳｉＯ2 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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１３３３５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【課題を解決するための手段】
【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。
【発明の効果】
【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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図７】層間絶縁層を模式的に示した断面図である。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【発明を実施するための形態】
【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、Ａｌ2 Ｏ3 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】
【表１】
2012011480.tif 000003
【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−（ＣＨ3 ）3 、トリエチルボロンＢ−（Ｃ2 Ｈ5 ）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】
【化１】
2012011480.tif 000004
【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】
【化２】
2012011480.tif 000005
【００３３】
【化３】
2012011480.tif 000006
【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、ＣＨ4 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ＳｉＯ2 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ＳｉＯ2 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、１×１０11ｃｍ-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】
【表２】
2012011480.tif 000007
【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】
【表３】
2012011480.tif 000008
【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。
【符号の説明】
【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
【図１】
2012011480.tif 000009
【図２】
2012011480.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012011480.tif 000013
【図６】
2012011480.tif 000014
【図７】
2012011480.tif 000015
【図８】
2012011480.tif 000016
【図９】
2012011480.tif 000017
【図１０Ａ】
2012011480.tif 000018
【図１０Ｂ】
2012011480.tif 000019
【図１１】
2012011480.tif 000020
【図１２】
2012011480.tif 000021
【図１３】
2012011480.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月20日(2012.12.20)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【国際調査報告】
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