(57)【要約】【課題】半導体装置の製造装置及び製造方法  【解決手段】本発明は、ガス中蒸発法において、生成した超微粒子を被処理基板まで効率的に搬送するために搬送気体（以下、キャリアガスと呼ぶ）を用いる装置及び方法を含み、上記キャリアガスの流れを制御する整流機構、及び大量の原料の供給を可能にする蒸発源を備えた、超微粒子多孔質薄膜を大面積の被処理基板に形成する装置及び方法、並びに上記方法により製造した薄膜を酸化処理することにより超微粒子多孔質絶縁薄膜を製造する方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧より低い圧力の不活性気体を有するチャンバと、
上記チャンバ内に上記不活性気体からなる搬送気体の流れを形成する気体搬送機構と、
上記搬送気体の流れの上流側に設けられた半導体用材料からなる原料の蒸発手段と、
上記搬送気体の流れの下流側に設けられた半導体材料基板の保持手段とを具備し、
上記原料蒸発手段から蒸発し、生成した半導体用材料の微粒子を上記搬送気体により搬送し上記半導体材料基板上に堆積させて薄膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造装置。
【請求項２】
上記気体搬送機構は、上記搬送気体の流れを制御する整流管を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項３】
上記整流管の上記保持手段側の大きさが、上記半導体材料基板の大きさ（直径若しくは最大の対角線の長さ）の概略０．８倍から１．５倍であり、上記原料蒸発手段と上記保持手段との距離が、上記半導体材料基板の大きさの概略１倍から３倍であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項４】
上記原料蒸発手段が溶融した半導体用材料からなる原料を収納するルツボ及び上記ルツボを加熱する加熱手段を含み、上記半導体材料基板の保持手段が回転機構を有し、上記気体搬送機構が上記チャンバ内の上記搬送気体の上流側に設けた複数の搬送気体吐出口を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項５】
上記原料蒸発手段が溶融した半導体用材料からなる原料を収納するルツボ及び上記ルツボを加熱する加熱手段を含み、上記半導体材料基板の保持手段が回転機構を有し、上記チャンバ内で上記整流管の上流側に設けた上記搬送気体の吐出口が複数であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項６】
上記薄膜が多孔質半導体用材料膜であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項７】
上記薄膜が多孔質半導体用材料膜であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項８】
チャンバ内に大気圧より低い圧力を有する不活性気体雰囲気を形成する工程と、
上記チャンバ内に上記不活性気体からなる搬送気体の流れを形成する工程と、
原料蒸発手段により蒸発し、生成した半導体用材料の微粒子を上記搬送気体の流れに乗せて搬送する工程と、
上記搬送気体の流れの下流側で半導体材料基板上に上記半導体用材料の微粒子を堆積させる工程と、
を具備することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項９】
上記搬送気体の流れを層流に制御することを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
上記原料の半導体用材料がシリコンであることを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
上記原料の半導体用材料がシリコンであることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
上記半導体材料基板上に堆積された膜が多孔質半導体用材料膜であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
上記半導体材料基板上に堆積された膜が多孔質半導体用材料膜であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
チャンバ内に大気圧より低い圧力を有する不活性気体雰囲気を形成する工程と、
上記チャンバ内に上記不活性気体からなる搬送気体の流れを形成する工程と、
原料蒸発手段により蒸発し、生成した半導体用材料の微粒子を上記搬送気体の流れに乗せて搬送する工程と、
上記搬送気体の流れの下流側で半導体材料基板上に上記半導体用材料の微粒子を堆積させ薄膜を形成する工程と、
上記薄膜を酸化する工程と、
を具備することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
上記搬送気体の流れを層流に制御することを特徴とする、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
上記原料の半導体用材料がシリコンであることを特徴とする、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
上記半導体材料基板上に堆積された薄膜が多孔質半導体用材料膜であることを特徴とする、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
上記薄膜を酸化する工程を上記チャンバとは別に設けた装置で実施することを特徴とする、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造装置及び製造方法に係わる。さらに詳しくは、改良したガス中蒸発法を利用した大面積の多孔質低誘電率材料薄膜を有する半導体装置の製造装置及び製造方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、特に半導体集積回路（以降、ＬＳＩデバイスと呼ぶ）の微細化、高集積化が進み、デザインルールが１３０ｎｍ世代以降、特に９０ｎｍ世代以降のマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、ＤＲＡＭなどのＬＳＩデバイスでは、高速化を進める上で配線性能の向上が強く要求されている。とりわけ、配線抵抗（Ｒ）と配線容量（Ｃ）よる配線遅延が、高速化を実現する上で大きな障害になっている。配線遅延は、配線抵抗と配線容量との積（＝Ｒ×Ｃ）で表わされるため、配線遅延を低減するために配線材料の低抵抗化、及び配線容量を低減するために層間絶縁膜の低誘電率化が要求されている。配線材料としては、実用的には銅以外に適切な低抵抗材料が見当たらないため、さらなる低抵抗化は困難な状況にある。したがって、配線容量を小さくするために層間絶縁膜の低誘電率化が必須の課題となっている。
【０００３】
ＬＳＩデバイスの微細化に伴う各種デバイス、各種製造プロセス、及びデバイスに使用される各種材料に対する要求指標が、ＩＴＲＳ(International Technical Roadmap for Semiconductor)のロードマップに公表されている。低誘電率層間絶縁膜に関する要求指標もこの中に示されている。一般にＭＰＵに使用される低誘電率層間絶縁膜に対する要求は、同じデザインルールのＤＲＡＭに対するものよりも厳しいため、一例としてＭＰＵの要求指標を示す。２００２年版のロードマップによれば、ＬＳＩデバイスのデザインルールは、２００４年には９０ｎｍ、２００７年には６５ｎｍになると予測している。配線構造において配線と配線との層間の全ての膜を含む実効的な層間絶縁膜の誘電率は、９０ｎｍ世代のＭＰＵでは２．６から３．１が、６５ｎｍ世代では２．３から２．７が要求されている。これに対応するために、低誘電率層間絶縁膜自身の誘電率は、９０ｎｍ世代では２．４以下の、６５ｎｍ世代では２．１以下の極めて低い値が要求されている。しかし、ＩＴＲＳ自身でさえ、６５ｎｍ世代以降に対応する比誘電率２．１以下の低誘電率絶縁膜の実現は、現状技術では非常に困難であると予測している。
【０００４】
低誘電率層間絶縁膜は、デザインルールが１３０ｎｍの世代からＣＶＤ法で形成した酸化膜（ＳｉＯ２）に代わり、より誘電率が低いフッ素ドープＳｉＯ２（ＦＳＧ）が使用され始めている。ＦＳＧは、フッ素の添加量を増加させると比誘電率を小さくできるが、吸湿性も同時に大きくなってしまい、ＬＳＩデバイスには好ましくないという問題点がある。そのため、実用的には、低誘電率化の限界は３．４程度とされている。
【０００５】
比誘電率が３．０を下回る膜として、有機スピンオングラス（ＳＯＧ）系若しくは有機ポリマ系のスピンコート膜が、ＬＳＩデバイスの開発においては使用されているものの、比誘電率は、２．６から２．８程度であり、次世代ＬＳＩデバイスの要求である比誘電率が２．４以下に対しては必ずしも十分であるとはいえない。しかし、絶縁膜を多孔質にすることにより、誘電率を著しく低くすることができる。そのため、高品質の多孔質絶縁膜の開発は急務であり、各種の多孔質絶縁膜が盛んに開発されている。多孔質絶縁膜に対する比誘電率以外の主な要求性能として、吸湿性が小さいこと及び機械的な強度が上げられている。機械的強度は、ＣＭＰにおける膜剥れに影響し、気孔の大きさ、密度等のミクロな構造と密接に関係している。また、吸湿性も、密度、気孔の大きさ及びミクロ構造に関係している。
【０００６】
本発明者らは、ガス中蒸発法による多孔質低誘電率絶縁膜の開発を進めてきた。ガス中蒸発法は、０．１から１Ｔｏｒｒ程度の比較的低真空の不活性気体雰囲気中（例えば、アルゴン：Ａｒ）で微粒子化しようとする半導体用材料（例えば、シリコン）を加熱・蒸発させ、この蒸気を冷却し、超微粒子に凝結させ、その後被処理基板上に超微粒子膜として堆積させる方法である。
【０００７】
超微粒子の生成過程をさらに詳しく説明すると、蒸発により生じた微粒子化しようとする半導体用材料の蒸気は、ガス中を拡散する間に次第に冷却され過飽和になる。雰囲気が比較的低真空であるため、容易に過飽和蒸気が凝集し核形成する。この核に蒸気がさらに凝結し（蒸気成長）、超微粒子に成長する。微粒子は、対流により運ばれる途中で蒸気成長は止まるが、超微粒子同士が衝突して融合する（融合成長）。その後、被処理基板上に到達し、超微粒子膜として堆積する。
【０００８】
シリコン半導体装置製造における低誘電率層間絶縁膜を形成する方法として、ガス中蒸発法による超微粒子酸化シリコン薄膜の製造方法が既に提案されている（特開平１１−２８９０１３号公報）。これは、微量の酸素を含む不活性ガス雰囲気（例えば、酸素を添加したＡｒ）のガス中蒸発法により、ＳｉＯＸ（Ｘ≦２）超微粒子絶縁膜を形成する方法である。この方法は、低多孔度で低誘電率の薄膜を形成できるという特徴を持っている。しかし本来のガス中蒸発法と異なり、雰囲気ガス中に酸素を含んでいる。そのため、超微粒子の形成と同時に雰囲気ガスと超微粒子との反応が起きる。その結果、超微粒子の粒径の制御、及び形成される超微粒子薄膜の形態の制御が難しく、またこれらの再現性も良くないという問題点がある。即ち、酸素を含む雰囲気中のガス蒸発法により堆積した超微粒子膜は、小孔が閉じられたり、閉じられなかったりする場合があり、その制御が難しい。小孔が閉じられなかった場合には、比誘電率が小さくならないばかりでなく、吸湿性も高くなり、良質の多孔質膜にはならない。したがって、製造された超微粒子酸化シリコン薄膜の多孔度、比誘電率、及び吸湿性の再現性が悪く、品質が安定しないという問題点がある。
【０００９】
これらの問題点を解決するために、先ず不活性ガス雰囲気中のガス中蒸発法により超微粒子シリコン薄膜を形成し、その後、後酸化処理をすることにより超微粒子酸化シリコン薄膜を形成する方法を提案している（特開２００３-７６９６号公報）。この、後酸化法により得られる超微粒子酸化シリコン薄膜は、前述のその場酸化法における超微粒子酸化シリコン薄膜の再現性が良くないという問題点を解決でき、低誘電率層間絶縁膜の製造方法としては有効である。しかし、シリコンの蒸発源が小さいこと、蒸発源と被処理基板とを近づけて設置しなければならないこと等のため、このガス中蒸発法により製造できる超微粒子シリコン薄膜の面積は、２ｃｍ角程度に限られる。そのため実用化には、大面積化が必要である。
【００１０】
被処理基板を大面積化するにあたっての、従来のガス中蒸発法の問題点をまとめると、以下のようになる。
【００１１】
従来法では、不活性ガス雰囲気中で原料であるシリコン粉末又はシリコン小片を小さな溶融ボートに乗せ、加熱、溶融、蒸発させている。しかしながら、ボートが小さいため超微粒子を生成できる空間領域は、おのずと狭く限られてしまう。蒸発源近傍の限られた領域で生成された超微粒子シリコンは、煙のように浮遊して上部の基板に運ばれる。したがって、超微粒子シリコン薄膜を堆積できる領域も小さくなる。そのため、堆積させる基板を大面積にしても、通常はその原料蒸発源の近傍の限られた狭い領域にしか超微粒子は堆積しない。さらに、基板が蒸発源から遠く離れると、超微粒子は実効的に全く堆積しなくなる。したがって、限られた領域に浮遊する超微粒子を被処理基板と同等の大面積に一様に広げること、及び被処理基板が設置されている場所まで超微粒子を効率的に搬送することが要求される。
【００１２】
また、シリコンは蒸発温度が高いため原料を溶融・蒸発させるボートには大電流を流す必要がある。大面積の被処理基板に超微粒子膜を堆積させるために、大面積の溶融ボートを使用すると、シリコンを溶融した時にボートの実効的な抵抗が大きく減少し、ボートに流す電流をさらに大きくしなければならなくなる。このように大電流を必要とする場合は、その制御が困難になるばかりでなく、電源の大型化や装置内の配線の大容量化等が必要になり、装置が複雑化する問題点がある。さらに、大面積のボートでシリコンを溶融した場合、ボート内に温度分布が生じ、その結果、生成される超微粒子の大きさにバラツキが生じてしまうという問題点もある。このように、ガス中蒸発法でボートを大きくすることは容易ではない。
【００１３】
また、ボートが小さいと、厚い膜や大面積の膜を形成する場合に、シリコン原料が不足する可能性がある。そのため蒸発源を大容量にすることが必要である。
【００１４】
上記のように、ガス中蒸発法により大面積の被処理基板に一様な超微粒子膜を堆積させる場合、二つの大きな課題を解決しなければならない。一つは、限られた空間領域で生成された超微粒子を、大面積の被処理基板まで効率的に搬送することである。他は、大面積の被処理基板に所望の膜厚の超微粒子膜を堆積させるために充分な量の超微粒子を、安定して供給することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、半導体集積回路装置等において低誘電率の層間絶縁膜等として使用される超微粒子多孔質絶縁薄膜を大面積の被処理基板に形成する、半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ガス中蒸発法において、生成した超微粒子を被処理基板まで効率的に搬送するため、及び装置内の雰囲気を好ましい状態に保つために搬送気体（以下、キャリアガスと呼ぶ）を用いる装置及び方法であり、上記キャリアガスの流れを制御する整流機構、及び大量の原料の供給を可能にする蒸発源を備えた、超微粒子多孔質薄膜を大面積の被処理基板に形成する装置及び方法、並びに上記方法により製造した薄膜を酸化処理することにより超微粒子多孔質絶縁薄膜を製造する方法である。
【００１７】
本発明の一態様の半導体装置の製造装置は、チャンバ内に大気圧より低い圧力の搬送気体の流れを形成する気体搬送機構と、上記搬送気体の流れの上流側に設けられた半導体用材料からなる原料の蒸発手段と、上記搬送気体の流れの下流側に設けられた半導体材料基板の保持手段とを具備し、上記原料蒸発手段から蒸発し、生成した半導体用材料の微粒子を上記搬送気体により搬送し上記半導体材料基板上に堆積させて薄膜を形成することを特徴として構成される。
【００１８】
本発明の他の態様の半導体装置の製造方法は、チャンバ内の圧力を大気圧より低い圧力にし、搬送気体の流れを形成する工程と、原料蒸発手段により蒸発し、生成した半導体用材料の微粒子を上記搬送気体の流れに乗せて搬送する工程と、上記搬送気体の流れの下流側で半導体材料基板上に上記半導体用材料の微粒子を堆積させる工程と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、大面積の被処理基板に低誘電率の超微粒子多孔質絶縁薄膜を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明が基礎としているガス中蒸発法は、上記のように、微粒子化しようとする物質を真空中で加熱、溶融、蒸発させ、その蒸気を冷却して超微粒子を生成する。その後、この超微粒子が雰囲気中を浮遊し、被処理基板表面まで移動し、超微粒子膜として堆積するという方法である。このように、従来技術では、超微粒子の移動を意識的に制御していなかった。このような場合には、被処理基板を蒸発源の近くに設置する必要があるため、堆積できる面積が必然的に狭い領域に制限されてしまう。堆積できる面積を大きくするために、被処理基板を蒸発源から遠ざけると、堆積できる面積は広がるものの、堆積速度が遅くなる。さらに、蒸発源から１５ｃｍ程度被処理基板を離すと、超微粒子膜はほとんど堆積しなくなってしまう。したがって、大面積を必要とする実用化にとって大きな課題となっていた。
【００２１】
これを解決するために、蒸発源近傍で生成した超微粒子を搬送気体であるキャリアガスに乗せ、キャリアガスの断面積を広げながら離れた場所に設置した被処理基板まで超微粒子を輸送する方法を発明した。上記キャリアガスの上流側に蒸発源を、下流側に被処理基板を設置する。これにより大面積の被処理基板に、超微粒子膜をガス中蒸発法で効率的に堆積させることができる。さらに、大面積基板上に一様な膜を形成するためには、上記キャリアガスの流れを乱流にならないように層流に制御することが好ましい。そのための整流機構を真空チャンバ内に設置する。これにより、一様な厚み分布を持った超微粒子膜をガス中蒸発法により大面積被処理基板上に効率的に堆積させることが可能になる。
【００２２】
また、ガス中蒸発法におけるキャリアガスは、真空チャンバ内の雰囲気を好ましいガス雰囲気に維持する役割も持っている。雰囲気中に酸素が混入すると、上記のように堆積した微粒子膜の品質が劣化することが、本発明者らにより明らかにされている。意図的に酸素を導入しなくとも酸素は、主に真空チャンバの極わずかな気密漏れにより、大気がチャンバ内に漏入することにより真空チャンバ内に導入される。そのため、キャリアガスを流すことは、この漏入した酸素を排出し、ガス中蒸発法に適した雰囲気を維持することにも寄与する。
【００２３】
キャリアガスを用いて薄膜を被処理基板上に堆積させる方法は、ＣＶＤ法では古くから使用されている。ＣＶＤ法では、数種類又は１種類の反応性の原料ガスをキャリアガスにより被処理基板上又はその近傍まで輸送する。被処理基板上又はその近傍で原料ガス同士、若しくは原料ガスとキャリアガスとの反応により堆積させる物質をその場で生成させ、被処理基板上に堆積させる。さらに、ガスの流れを制御することが必要な場合には、ＣＶＤ法の反応管及び試料台そのものにガスの流れを制御する機能を持たせている。このガスの流れの制御は、上記反応を一様に起こさせ、大面積の基板及び／若しくは複数の基板に一様な厚み及び品質の膜を堆積するために行われている。
【００２４】
本発明とガスの流れを制御することが必要なＣＶＤ法との相違点は、第１に、本発明では真空チャンバ内に新たに設けた整流管に整流機能を持たせているのに対し、ＣＶＤ法では反応管及び試料台そのものに必要に応じて整流機能を持たせること、第２に、堆積させる膜の原料を本発明ではガス中蒸発法により被処理基板から離れた場所で超微粒子を形成しているのに対し、ＣＶＤ法では反応管内の被処理基板の極近傍で原料ガスの反応により形成していることである。
【実施例】
【００２５】
以下に本発明の詳細の実施例を、添付した図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係わる超微粒子低誘電率材料膜の形成に使用した薄膜形成装置の構成を示す概略図である。
【００２７】
図１において、チャンバ１１は真空に対応できる気密チャンバである。チャンバ１１の底部に、原料である半導体用材料を溶融・蒸発させる蒸発源が設けられている。蒸発源は、原料を収納するルツボ１２、ルツボ１２を加熱するヒータ１３を含む。ルツボ１２の下方に、キャリアガスを導入するガス導入管１５の吹出しノズル１６が設けられている。チャンバ１１の上部には、大面積の被処理基板３１を取り付ける試料台１８が設けられている。試料台１８は、大面積被処理基板３１に膜を一様に堆積させるために試料台回転機構１９を備えている。ルツボ１２と試料台１８との間に、超微粒子を輸送するガスの流れを制御する整流管２０が設けられている。また、整流管２０の下流側の試料台１８との間にシャッタ２１が設けられている。シャッタ２１は、超微粒子膜を被処理基板に堆積させる所定の時間だけ開かれる。超微粒子膜の堆積時間をシャッタ２１により制御できるため、原料蒸発源の温度を常に最適な温度に保つことができる。さらに、シャッタ２１には、原料蒸発室１１ａと試料室１１ｂとの真空を切り離す、いわゆるゲート弁の機能を備えることも可能である。また、シャッタ２１を設置する位置は、整流管２０の下流側と試料台１８の間に限定されることなく、原料ルツボ１２と試料台１８の間の任意の位置に設置することができる。チャンバ１１に導入されるガスは、ガスコントローラ２３により流量が制御される。チャンバ１１内のガスは、真空ポンプ２４により排気され、所定の圧力に保たれる。
【００２８】
大面積の被処理基板３１に膜を堆積させるために、必要な原料の量も多くなる。そのため、従来の窒化ホウ素（ＢＮ）ボートに代えて、底の深いＢＮルツボ１２を用いた。ルツボ１２の大きさは、直径約１０ｍｍ、深さ１５ｍｍであり、約２．５ｇのシリコンを溶融できる。このルツボ１２を使用することにより、約７０枚以上の直径１５０ｍｍのシリコンウェーハ等の大面積基板に原料を補給することなく、例えばシリコンの微粒子薄膜を堆積できる。ルツボ１２の周りには、抵抗加熱ヒータ１３が設置されている。さらにヒータ１３からの熱の放散を防ぎ、ルツボ１２の加熱効率を良くし、温度を安定にするために、ヒータ１３の外側はＢＮカバーで囲われている。ガス中蒸発法により超微粒子薄膜を形成できる半導体用材料は、シリコンのほかにゲルマニウムがある。
【００２９】
本実施例で使用したガス吹出しノズル１６は、図２に示したように直径２ｍｍの１６個の小孔１６ｈを持ち、その小孔１６ｈを円盤状ノズル本体１６ｂの直径４０ｍｍの円周上に等間隔で配置したものである。ガス吹出しノズル１６と整流管２０の入り口との距離は、６０ｍｍである。ガス吹出しノズル１６の各小孔１６ｈから吹出したガスが、速やかに整流管２０にキャリアガスとして入り、しかも直接ルツボ１２に当たらないように設計されている。
【００３０】
試料台１８の大きさは、１５０ｍｍの大直径ウェーハまで取り付けられるように直径１９０ｍｍとした。
【００３１】
整流管２０の大きさは、ルツボ１２近くの下流側で直径７５ｍｍ、試料近くの上流側で直径１２０ｍｍ、長さ３６０ｍｍである。
【００３２】
ここで、この整流管２０を使用したときにキャリアガスの流れが層流になる条件を求める。
【００３３】
キャリアガスが層流であるか乱流であるかは、レイノルズ数（Ｒｅ）から判断できる。Ｒｅは、（１）式で与えられることは、よく知られている。
【００３４】
Ｒｅ＝ＶＤ／ν＝ＶＤρ／η  ・・・・・・・  （１）
ここで、Ｖは気体の平均流速、Ｄはガス流路の直径、νは動粘性係数、ρは気体の密度、ηは粘性係数（気体の圧力に依存しない）である。また、層流が実現される条件は、Ｒｅ＜２３００であることが知られている。キャリアガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いた場合、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）におけるρ／ηは、Ｇｉｌｉｎｇ，Ｌ．Ｊ．の値、
ρ（７６０Ｔｏｒｒ）／η＝７．１５３（ｓ／ｃｍ２）
を用いた。本実施例に適した圧力は、０．１から１Ｔｏｒｒであるので、それぞれ
ρ（１Ｔｏｒｒ）／η＝７．１５３／７６０（ｓ／ｃｍ２）
ρ（０．１Ｔｏｒｒ）／η＝７．１５３／７６００（ｓ／ｃｍ２）
となる。図１に示した本実施例の装置において、キャリアガスの流速が最も早くなる整流管２０の最も細い部分では、直径が７．５ｃｍであるから、上記の値を使って（１）式を計算すればよい。この場合、層流を実現するためのキャリアガスの流速は、以下のようになる。
【００３５】
１Ｔｏｒｒの場合、２３００＞Ｖ×７．５×ρ（１Ｔｏｒｒ）／η
より   Ｖ＜３２，６００ｃｍ／ｓ
０．１Ｔｏｒｒの場合、２３００＞Ｖ×７．５×ρ（０．１Ｔｏｒｒ）／η   より   Ｖ＜３２６，０００ｃｍ／ｓ
これから、この装置に流せるガス流量（Ｆ）が求められる。整流管２０の細い部分の断面積を用いて、
１Ｔｏｒｒの場合、  Ｆ＜３２，６００×π×（７．５／２）２
＝１，４４０，０００      （ｃｍ３／ｓ）
＝８６，４２０，０００    （ｃｃ／ｍｉｎ）
これを大気圧（標準）に直すと
Ｆ＜１１３，７００           （ｓｃｃｍ）
となる。同様に、０．１Ｔｏｒｒの場合でも、
Ｆ＜１１３，７００    （ｓｃｃｍ）
となる。したがって、現実的なガス流量の範囲  Ｆ＜１０，０００（ｓｃｃｍ）  では、真空を０．１Ｔｏｒｒにしても常に層流条件が実現されていることが分かる。
【００３６】
本実施例で使用した真空ポンプ２４は、メカニカルブースタポンプとドライポンプを直列に接続したもので、排気能力は２，５００ｌ／ｍｉｎである。これにより、２，０００ｓｃｃｍのガスを流しても、０．３Ｔｏｒｒ以下の真空に保つことができる。
【００３７】
次に、本発明を半導体装置の層間絶縁膜の製造に適用した例を説明する。図３から図７は、多層配線の第1層配線と第２層配線との層間絶縁膜に本発明を適用した例を説明する半導体装置の製造プロセス断面図である。
【００３８】
図３は、シリコン基板３１にＭＯＳトランジスタ３２等の素子を形成し、その上に、例えば、ＣＶＤ法により形成したＳｉＯ２からなる層間絶縁膜３３を、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）により平坦化した後、例えば、Ｃｕからなる第１層配線３４を形成したものである。図では単純化するために、ＭＯＳトランジスタ３２等の素子の詳細、及びコンタクトプラグ（下層の配線層、電極、及び拡散層等と上部に形成する配線層とを接続するための構造）等は、省略している。また、配線３４の材料は、Ｃｕに限定されることなく、Ａｌ、Ａｌ／Ｗ等を用いることができる。この構造の被処理基板３１に図４に示したようにＳｉＮ膜３５を形成する。
【００３９】
次に、この被処理基板３１を図１に示す装置の試料台１８の下面に、例えば、クランプを用いて取り付ける。試料室１１ｂを真空排気し、所定の圧力（例えば０．５Ｔｏｒｒ）以下に到達した後、シャッタ２１を開き、所定量のキャリアガス（例えばＡｒガスを１０００ｓｃｃｍ）を導入し、超微粒子シリコン薄膜３６を被処理基板３１上に堆積する。ここで、原料室１１ａは、予め所定の圧力（例えば０．５Ｔｏｒｒ）以下の真空に保たれ、シリコン原料は、予めヒータ１３により所定の温度（例えば１４５０℃）に加熱、溶融されている。上記条件で所定の時間、例えば、３０分間処理することにより、図５に示すように、例えば、膜厚２５０ｎｍの超微粒子シリコン薄膜３６を、大直径被処理基板３１、例えば、直径１５０ｍｍシリコンウェーハの全面に渡りほぼ一様な厚さに形成できる。
【００４０】
次に、超微粒子シリコン薄膜３６を酸化するために、この構造を形成した被処理基板３１を、例えば４００℃で２時間、酸化性雰囲気中で熱処理し、図６に示すように、超微粒子酸化シリコン薄膜（超微粒子薄膜）３７を形成する。この酸化処理は、別に設けた酸化用の装置で行うことができるし、図１に示す装置で行うことも可能である。図１の装置で酸化処理を行う場合、被処理基板３１を図示していない試料加熱機構により、所定温度に加熱し、Ａｒガスの導入を止めた後、酸化性ガス（例えば酸素）を試料室１１ｂに導入することにより実施できる。
【００４１】
次に、この構造を有する被処理基板３１の超微粒子薄膜３７の表面を、例えばＣＭＰにより、平坦化した後、図７に示すようにＳｉＮ膜３８を形成する。
【００４２】
ここでは、層間絶縁膜としてＳｉＮ膜３５、超微粒子薄膜３７、及びＳｉＮ膜３８からなる３層の構成を示したが、ＳｉＮ膜３５及び３８を省略した単層の超微粒子薄膜３７のみを層間絶縁膜とすることもできる。また、ＳｉＮ膜３５，３８に代えて他の絶縁膜（例えばＳｉＯ２）を用いることができる。
【００４３】
本実施例では、第１層配線３４とＳｉＮ膜３８上に形成される図示しない第２層配線との間に絶縁膜３５，３７，３８からなる層間絶縁膜の形成を例に説明したが、本発明は、他の配線層間の低誘電率絶縁膜としても利用できる。その場合には、図７の構造の上に第２層配線を形成し、図３から図７に述べたプロセスを繰り返すことにより、多孔質低誘電率絶縁膜を層間絶縁膜とする多層配線を形成できる。
【００４４】
本発明の効果を詳細に評価するために、超微粒子シリコン薄膜を種々の条件で作製した。超微粒子薄膜の作製条件は、キャリアガスとしてＡｒガスを用い、雰囲気ガス圧力は０．１から１．０Ｔｏｒｒ、ガス流量は５００から２０００ｓｃｃｍである。この条件の範囲内では、前述したように整流管２０中をＡｒが層流で流れる条件を満足している。尚、堆積時間は、全ての条件において３０分である。超微粒子シリコン薄膜を堆積させた後、後酸化を４００℃、２時間、ドライ酸素中で行い、超微粒子酸化シリコン薄膜を作製した。
【００４５】
いずれの雰囲気ガス圧においても、ガス流量を１０００ｓｃｃｍ以上にすることにより、１５０ｍｍシリコンウェーハ全面に渡り超微粒子シリコン薄膜を形成することができた。整流管２０を用いない従来のガス中蒸発法では、本装置のように被処理基板３１とルツボ１２との距離が約４０ｃｍも離れてしまうと、シリコン超微粒子は被処理基板３１上には全く堆積しなかった。このことを考えると、整流管２０が極めて大きな効果を持つことが確認できた。
【００４６】
ウェーハ内の超微粒子薄膜の膜厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面観察により測定した。
【００４７】
超微粒子薄膜のウェーハ内分布は、一般に、ウェーハ中心で最も厚く、外周に近づくにつれ薄くなる傾向が認められた。しかし、最適な条件、例えば、Ａｒガス流量１０００ｓｃｃｍ、雰囲気ガス圧力０．５Ｔｏｒｒで堆積した場合、１５０ｍｍウェーハの膜厚均一性は、±５％程度と良好であった。
【００４８】
また、Ａｒガス流量が多くなるほど、雰囲気ガス圧力が高くなるほど、超微粒子薄膜が厚く堆積する傾向が認められた。しかし、Ａｒガス流量を多くすると膜厚分布が悪くなる傾向があり、Ａｒガス流量を１０００ｓｃｃｍとして作製したものの膜厚分布が、最も良かった。
【００４９】
図８は、整流管２０を使用して作製した１５０ｍｍウェーハ上の超微粒子膜の膜厚分布を示す断面ＳＥＭ写真の一例である。薄膜の作製条件は、Ａｒガス流量が１０００ｓｃｃｍ、雰囲気ガス圧力が０．５Ｔｏｒｒであり、堆積時間は３０分である。ＳＥＭ写真の右端がウェーハ中央部、左端がウェーハ周辺部である。膜厚は周辺部のみでわずかに薄くなっているものの、いずれの部分でもほぼ２５０ｎｍの膜厚があり、１５０ｍｍウェーハ全面でほぼ一様な厚さの超微粒子薄膜を作製できたことが確認された。
【００５０】
図９は、本発明により作製した超微粒子酸化シリコン薄膜のフーリエ変換赤外吸収スペクトル（ＦＴＩＲ）の一例である。薄膜の作製条件は、Ａｒガス流量が１０００ｓｃｃｍ、雰囲気ガス圧力が０．３Ｔｏｒｒであり、堆積時間は３０分である。シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）のＳｉ−Ｏ結合の伸縮モードは、１０８０ｃｍ−１付近にピークとして見られ、酸化が不完全であるとピーク位置は低波数側にシフトする。ここで形成した超微粒子酸化シリコン薄膜のＳｉ−Ｏ結合のピーク位置は、ほとんど全ての試料で１０７３から１０８０ｃｍ−１の間に認められた。これは、ＳｉＯ２のものより広く、低波数側にわずかにシフトしており、完全には酸化されていないことを示している。しかし、ピーク位置１０７３ｃｍ−１に対応するＳｉＯｘの組成はｘ＝１．９程度であることから、本発明の方法で形成した超微粒子酸化シリコン薄膜が、ほぼ十分な程度に酸化されていると判断できる。なお、Ｓｉ−Ｏ結合のピークより高波数側の１３００から２０００ｃｍ−１に見られるピークは、測定雰囲気中の水分の影響によるノイズである。
【００５１】
超微粒子酸化シリコン薄膜の場合、超微粒子が薄膜全体を埋め尽くすことはなく、必ず微細な気孔が絶縁膜中に取り込まれてしまう。図１０は、本発明により作製した超微粒子酸化シリコン薄膜比誘電率と多孔度の関係を示す図である。比誘電率は、平行平板電極に超微粒子薄膜が挟まれる素子を用い、その容量を測定し、平行平板近似により求めた。多孔度は、Ｘ線全反射法により求めた。図中、破線で示した曲線は、理想的な超微粒子薄膜である気孔が独立しているモデルの計算値である。微細な独立した気孔が存在する絶縁膜の見かけの比誘電率εｅｆｆは、超微粒子（シリコン酸化膜）のキャパシタと気孔（空気）のキャパシタとが直列に接続されているモデルにより計算される。超微粒子及び気孔の誘電率及び体積分率を、ε１、ε２及びν１、ν２（ν１＋ν２＝１）とすると、見かけの比誘電率εｅｆｆは、次式で表わされる。
【００５２】
εｅｆｆ＝１／（ν１／ε１＋ν２／ε２）  ・・・・・・・（２）
図１０から明らかなように、本発明により作製した超微粒子薄膜は、比誘電率が２．０から２．５程度であり、いずれもほぼ破線の近くに分布し、気孔が独立して閉じられていることが分かる。このことは、図１１に示した断面ＳＥＭ写真からも確認され、閉じられた小さな気孔からなるナノポーラスであることが裏付けられた。ナノポーラスの超微粒子薄膜は、低誘電率であるだけでなく、吸湿性が小さく、機械的強度も大きいため、層間絶縁膜に要求されている特性を備えている。
【００５３】
整流管２０を用いることの利点は、原料の蒸発源と被処理基板３１との距離及び整流管２０の出口の大きさを変えることにより、被処理基板３１の大直径化に対応しやすいことである。被処理基板３１の大きさ（直径若しくは長辺の長さ）基準にすると、蒸発源と被処理基板３１との距離は、その１から３倍程度、整流管２０の出口の大きさは、その０．８から１．５倍程度が適切である。
【００５４】
整流管２０の形状は、乱流を生じさせないように、緩やかに直径等を変化させることが好ましい。
【００５５】
整流管２０は、必ずしも断面が円形の管（円錐の一部の形状を含む）である必要はなく、断面形状が多角形の管（多角錐の一部の形状を含む）、キャリアガスの流れを層流に制御できる整流板、若しくはこれを組み合わせたものであってもよい。
【００５６】
整流管２０を用いることの他の利点は、装置内部の洗浄が容易なことである。シリコン超微粒子は、被処理基板３１上だけでなくガス流路の側壁等にも堆積する。側壁等に堆積した膜は、剥れて微粒子となり被処理基板３１に付着し、しばしばＬＳＩデバイス製造においてのパターン欠損、ショート等の不良の原因となる。整流管２０を使用すれば、整流管２０のみを取り外し定期的に洗浄し、側壁等に付着した不要な超微粒子膜を除去することができるため、このような問題を抑制でき、大掛かりな装置全体の洗浄を回避することができる。
【００５７】
原料のシリコンを溶融、蒸発させるルツボ１２は、前述のＢＮルツボに限定されることなく、シリコン単結晶製造に用いられているような石英ルツボ、又はこの内壁をシリコン窒化膜（ＳｉＮ）で覆ったルツボ等であってもよい。ルツボ１２の加熱は、前述のタングステンヒータに限定されることなく、カーボンヒータ、赤外線ランプ、又は高周波加熱等のよく用いられている加熱手段を利用することができる。３極（又は３ｎ極）構造のカーボンヒータを用いた場合、電源を３相交流とすることにより、ルツボ内の溶融シリコンを回転させることができるため、溶融シリコンの温度均一性を向上できる。これにより超微粒子の粒径を安定化させることができる。
【００５８】
キャリアガスは前述のＡｒに限定されることなく、不活性ガスであるヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）等、又はシリコンと反応しにくいガスである窒素（Ｎ２）等を用いることができる。
【００５９】
超微粒子の粒径は、雰囲気ガスの分子量によっても変化する。分子量の大きなガスをキャリアとして使用すると、超微粒子の粒径は大きくなる。したがって、分子量がＡｒより小さな上記ガスを使用すれば粒径の小さな超微粒子薄膜を形成できる。より積極的には、超微粒子の粒径を所望の大きさに制御するために、上記ガスを２種類又はそれ以上混合し見かけ上の分子量を調整して使用することができる。
【００６０】
本発明は、シリコン半導体集積回路の低誘電率層間絶縁膜の製造に限定されることなく、低誘電率を必要とする各種の絶縁膜等の膜を有する半導体装置の製造に適用することができる。さらに、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係わる超微粒子低誘電率材料膜の形成に使用した薄膜製造装置の構成を示す概略図。
【図２】図１に示した本発明の超微粒子半導体薄膜製造装置で使用したキャリアガスガスの吹出しノズルを拡大して示す概略斜視図。
【図３】本発明を半導体装置製造プロセスにおける低誘電率層間絶縁膜の形成に適用した例を示す工程断面図。
【図４】本発明を半導体装置製造プロセスにおける低誘電率層間絶縁膜の形成に適用した例を示す図３に続く工程断面図。
【図５】本発明を半導体装置製造プロセスにおける低誘電率層間絶縁膜の形成に適用した例を示す図４に続く工程断面図。
【図６】本発明を半導体装置製造プロセスにおける低誘電率層間絶縁膜の形成に適用した例を示す図５に続く工程断面図。
【図７】本発明を半導体装置製造プロセスにおける低誘電率層間絶縁膜の形成に適用した例を示す図６に続く工程断面図。
【図８】本発明により１５０ｍｍシリコンウェーハ上に形成した超微粒子酸化シリコン薄膜の膜厚分布を示す断面ＳＥＭ写真。
【図９】本発明により形成した超微粒子酸化シリコン薄膜のＦＴＩＲスペクトル。
【図１０】本発明により形成した超微粒子酸化シリコン薄膜の比誘電率と多孔度の関係を示す図。
【図１１】本発明により形成した超微粒子酸化シリコン薄膜の断面構造を示すＳＥＭ写真。
【符号の説明】
【００６２】
１１…真空チャンバ
１１ａ…原料チャンバ
１１ｂ…試料チャンバ
１２…ＢＮルツボ
１３…ヒータ
１５…キャリアガス導入管
１６…キャリアガス吹出しノズル
１８…試料台
１９…試料台回転機構
２０…整流管
２１…シャッタ
２２…ヒータ用電源
２３…ガスコントローラ
２４…真空ポンプ
３１…被処理基板、シリコン基板
３２…ＭＯＳトランジスタ
３３…ＣＶＤ層間絶縁膜
３４…第１層配線
３５…ＳｉＮ膜
３６…超微粒子シリコン薄膜
３７…超微粒子酸化シリコン薄膜
３８…ＳｉＮ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005079300.tif 000011
【図１０】
2005079300.tif 000012
【図１１】
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