(57)【要約】【課題】比誘電率が低く、リーク電流が小さい、炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成すること。【解決手段】処理容器内に基板を載置し、この処理容器内に環状構造のシロキサンを含む成膜ガスと、パラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスとを導入し、これらのガスをプラズマ化することにより、基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成する。このようにすると、炭素、水素添加シリコン酸化膜中に存在する未結合のＳｉダングリングボンドが、添加ガスのプラズマ化により生成するＣやＨのダングリングボンドと結合することにより終端される。このため膜中に存在するＳｉダングリングボンドが少なくなるので、膜中のＳｉダングリングボンドの存在が原因となるリーク電流の発生が抑えられ、これにより比誘電率が低い炭素、水素添加シリコン酸化膜を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系のシリコンを含む成膜ガスと、パラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスとをプラズマ化することにより、基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
有機系のシリコンを含む成膜ガスをプラズマ化することにより、基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成する工程と、
次いで前記炭素、水素添加シリコン酸化膜が形成された基板を処理容器内に載置し、前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを導入して、この添加ガスをプラズマ化することにより後処理を行う工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
【請求項３】
前記シリコンを含む成膜ガスは、シロキサンの環状構造を有するガスであることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記基板に対して形成される炭素、水素添加シリコン酸化膜は、シロキサンの環状構造を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の成膜方法。
【請求項５】
内部に基板が載置される処理容器と、
前記処理容器内に有機系シリコンを含む成膜ガスを供給するための成膜ガス供給手段と、
前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを供給するための添加ガス供給手段と、
前記処理容器内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段と、
前記処理容器内に前記成膜ガスと前記添加ガスとを導入し、これらのガスをプラズマ化することにより、前記基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成するように前記各手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
内部に基板が載置される処理容器と、
前記処理容器内に有機系シリコンを含む成膜ガスを供給するための成膜ガス供給手段と、
前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを供給するための添加ガス供給手段と、
前記処理容器内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段と、
前記処理容器内に前記成膜ガスを導入し、このガスをプラズマ化することにより、前記基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成し、次いで前記処理容器内に前記添加ガスを導入し、このガスをプラズマ化することにより後処理を行なうように記各手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば層間絶縁膜として用いられる炭素、水素添加シリコン酸化膜の成膜方法及び成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の層間絶縁膜の代表的なものとして二酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）があるが、近年デバイスの動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されている。このような要請により、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）添加シリコン酸化膜（以下「ＳｉＣＯＨ膜」という）が注目されている。このＳｉＣＯＨ膜は、ＳｉＯ2膜の比誘電率が４付近であるのに対して、比誘電率が２．５以下であり、十分な機械的強度を有することから、層間絶縁膜として極めて有効な膜である。
【０００３】
このＳｉＣＯＨ膜については、例えば特許文献１に、励起用ガスを処理容器内に導入しつつ、六員環又は八員環シロキサンをプリカーサに用いて形成する技術が記載されている。このように環状のシロキサンプリカーサを用い、膜中に原料中のＳｉ−Ｏ環状構造を残すことができれば、ＳｉＣＯＨ膜は低密度多孔質膜となり、膜の比誘電率が減少すると推察される。
【０００４】
本発明者らはこのような観点から低比誘電率のＳｉＣＯＨ膜の形成方法について検討しており、原料ガスとして図１３に示す六員環シロキサンプリカーサに着目している。この六員環シロキサンプリカーサは、シロキサンの六員環構造に、Ｒ１、Ｒ２としてアルキル基やビニル基を結合させたものである。
【０００５】
このような六員環シロキサンプリカーサを用いて、所定の条件でプラズマ処理を行なうと、プラズマによりシロキサンのＳｉ−Ｏ環状構造に結合するアルキル基等が解離し、ダングリングボンドを持つラジカルが気相中に多数生成され、このラジカルが成膜のプリカーサとして働くことにより、環状構造を残しつつ、ダングリングボンド同士の結合が連鎖してＳｉＣＯＨ膜が形成される。
【０００６】
しかしながらこのようにして六員環シロキサンプリカーサを原料ガスとして用いてＳｉＣＯＨ膜を形成しても、当初の予測ほど比誘電率が低くはならず、結局リーク電流が大きくて、層間絶縁膜としての特性が悪いという問題がある。この理由については、このＳｉＣＯＨ膜は、環状構造を持つラジカルが成膜のプリカーサになって形成されてはいるが、膜中に存在するＳｉダングリングボンドが多く存在するので、このため電子のエネルギーギャップが小さくなり、リーク電流が大きくなってしまうためと推察される。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ  ０３／０１９６４５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、比誘電率が低く、リーク電流が小さい、炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため本発明の成膜方法は、有機系のシリコンを含む成膜ガスと、パラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスとをプラズマ化することにより、基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
また本発明の他の成膜方法は、有機系のシリコンを含む成膜ガスをプラズマ化することにより、基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成する工程と、次いで前記炭素、水素添加シリコン酸化膜が形成された基板を処理容器内に載置し、前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを導入して、この添加ガスをプラズマ化することにより後処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
ここで前記シリコンを含む成膜ガスとしては、シロキサンの環状構造を有するガスを用いることができ、また前記基板に対して形成される炭素、水素添加シリコン酸化膜は、例えばシロキサンの環状構造を備えるものである。
【００１２】
また本発明の成膜装置は、内部に基板が載置される処理容器と、
前記処理容器内に有機系シリコンを含む成膜ガスを供給するための成膜ガス供給手段と、
前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを供給するための添加ガス供給手段と、
前記処理容器内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段と、
前記処理容器内に前記成膜ガスと前記添加ガスとを導入し、これらのガスをプラズマ化することにより、前記基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成するように、前記各手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また本発明の他の成膜装置は、内部に基板が載置される処理容器と、
前記処理容器内に有機系シリコンを含む成膜ガスを供給するための成膜ガス供給手段と、
前記処理容器内にパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスを供給するための添加ガス供給手段と、
前記処理容器内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段と、
前記処理容器内に前記成膜ガスを導入し、このガスをプラズマ化することにより、前記基板に対して炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成し、
次いで前記処理容器内に前記添加ガスを導入し、このガスをプラズマ化することにより後処理を行なうように、前記各手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、有機系シリコンを含む成膜ガスと、パラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスをプラズマ化することにより、炭素、水素添加シリコン酸化膜を形成しているので、炭素、水素添加シリコン酸化膜中に存在するＳｉダングリングボンドが、添加ガスのプラズマ化により生成するＣやＨのダングリングボンドと結合することにより終端される。このため膜中に存在するＳｉダングリングボンドが少なくなるので、膜中のＳｉダングリングボンドの存在が原因となるリーク電流の発生が抑えられ、これにより比誘電率が低い炭素、水素添加シリコン酸化膜を得ることができる。
【００１５】
また本発明の他の発明によれば、炭素、水素添加シリコン酸化膜が形成された基板を処理容器内に載置し、この処理容器内にてパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスを含む添加ガスをプラズマ化させて後処理を行なっているので、このプラズマにより生成されたＣダングリングボンドやＨダングリングボンドが、ポーラスな炭素、水素添加シリコン酸化膜内に浸透していき、炭素、水素添加シリコン酸化膜中に存在するＳｉダングリングボンドと結合する。このため膜中に存在するＳｉダングリングボンドが少なくなるので、比誘電率が低く、リーク電流が小さい炭素、水素添加シリコン酸化膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、炭素、水素添加シリコン酸化膜（ＳｉＣＯＨ膜）よりなる層間絶縁膜を成膜するものであるが、この成膜方法のイメージを図１に示す。基板１としては、例えばＣＭＯＳを含む集積回路形成用のものが用いられ、例えば表面にＢＰＳＧ膜１１が形成されたものが用いられる。ＢＰＳＧ膜１１とは、ボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）がドープされたシリケートガラス膜であるが、このＢＰＳＧ膜１１に代えてＴＥＯＳを原料として成膜したシリコン酸化膜を用いてもよい。
【００１７】
そして成膜ガス２１としては、有機系シリコンを含む成膜ガス、例えば既述したように、図１２に示すシロキサンの六員環構造に、Ｒ１としてメチル基（−ＣＨ３）などのアルキル基と、Ｒ２としてビニル基（−ＣＨ２＝ＣＨ２）を結合させたもの（以下「シロキサンガスＡ」という）等の環状構造を有するシロキサンのガスが用いられる。
【００１８】
また成膜ガス２１の他に、パラフィン炭化水素ガス（ＣｎＨ２ｎ＋２ガス）又は水素ガス（Ｈ２ガス）ガスを含む添加ガス２２が用いられる。パラフィン炭化水素ガスとしては、メタンガス（ＣＨ４ガス）や、エタンガス（Ｃ２Ｈ６ガス）等を用いることができる。
【００１９】
ここでは成膜ガスとしてシロキサンガスＡ、添加ガスとしてメタンガスを用いる場合を例にして成膜処理の方法について説明する。本発明ではシロキサンガスＡとメタンガスとをプラズマ化させ、ＳｉＣＯＨ膜２を形成するものであるが、シロキサンガスＡは、所定の条件にてプラズマ化すると、既述のように、例えば図２に示すように、シロキサンの環状構造（ＳｉＯ環状構造）を形成するＳｉとＲ１（メチル基）との結合（Ｓｉ−Ｒ１結合）や、前記環状構造を形成するＳｉとＲ２（ビニル基）との結合（Ｓｉ−Ｒ２結合）が切断されて、Ｒ１やＲ２が解離する一方、前記環状構造を形成するＳｉはダングリングボンドとなり、こうしてＳｉダングリングボンド（Ｓｉ・）を持つラジカルが気相中に多数生成される。
【００２０】
あるいは図３に示すように、Ｒ２（ビニル基）からＨ（水素）が取れたもの（Ｒ２´・（−ＣＨ２＝ＣＨ・））によるＣダングリングボンドや、図示しないが、Ｒ１（メチル基）からＨ（水素）が取れたもの（Ｒ１´・（−ＣＨ２・））によるＣダングリングボンドを持つシロキサンラジカルも気相中に多数生成される。
【００２１】
そしてシロキサンの環状構造を形成するＳｉダングリングボンドラジカル同士が結合し、あるいはＳｉダングリングボンドとＣダングリングボンドが結合し、あるいはＣダングリングボンド同士が結合し、三次元的に繋がって、ＳｉＣＯＨ膜２が形成される。このためこうして形成されるＳｉＣＯＨ膜２は、シロキサンの環状構造を維持しながら、結合しているため、ポーラス構造となる。なおここでＳｉＣＯＨ膜中に存在するダングリングボンドとしては、Ｓｉダングリングボンドが比較的安定であることから未結合手として残り、Ｃダングリングボンドは活性であることから容易に他のＳｉダングリングボンドを持つラジカルと結合するため、膜中にはほとんど存在しない。
【００２２】
一方メタンガスは前記所定の条件でプラズマ化されると、図４に示すように、Ｃ−Ｈ結合が切断され、ＣＨ３のダングリングボンド（・ＣＨ３）やＨのダングリングボンド（・Ｈ）が生成する。そしてこれらのダングリングボンドは、ＳｉＣＯＨ膜２中のＳｉダングリングボンドと結合するため、膜中に存在するＳｉダングリングボンドが少なくなる。
【００２３】
このようにこの手法はシロキサンガスＡ等の成膜ガスと、メタンガス等の添加ガスとをプラズマ化して、ＳｉＣＯＨ膜２を形成するものであるが、シロキサンの環状構造を備えたＳｉＣＯＨ膜２を形成するために、シロキサンガスＡの環状構造を壊さずに、シロキサンのＳｉとＲ１との結合や、前記ＳｉとＲ２との結合や、メチル基、ビニル基中の水素を切断する程度のエネルギーであって、かつ添加ガスのＣ−Ｈ結合を切断できるエネルギーを与えて、ダングリングボンドラジカルを生成する必要があり、このようなエネルギーを与えるプラズマ条件や、添加ガスの種類が選定される。
【００２４】
また添加ガスは、膜中のＳｉダングリングボンドを終端させるために必要な量を添加することが必要である。例えば成膜ガスに対して５ｍｏｌ％〜２００ｍｏｌ％程度の割合で添加されることが好ましく、より好ましくは５ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％程度の割合である。前記割合が２００ｍｏｌ％よりも多くなると、成膜レートが減少してしまい、割合が５ｍｏｌ％よりも少なくなると、Ｓｉダングリングボンドの減少の効果が得られなくなってしまう。
【００２５】
続いて本発明の他の実施の形態について図５により説明する。この例は、シリコンを含む成膜ガス２１として、既述のシロキサンガスＡの環状構造を有するシロキサンのガスを用い、この成膜ガス２１をプラズマ化することによりＳｉＣＯＨ膜２を形成し、次いでこのＳｉＣＯＨ膜２に対して前記パラフィン炭化水素ガス又は水素ガス等よりなる添加ガス２２をプラズマ化したものを照射する後処理を行なうことにより、Ｓｉダングリングボンドの少ないＳｉＣＯＨ膜２を形成するものである。
【００２６】
ＳｉＣＯＨ膜２に対して前記添加ガス２２をプラズマ化したものを照射するというのは、ＳｉＣＯＨ膜２が形成されたウエハＷを処理容器内に載置し、この処理容器内に前記添加ガス２２を導入して、当該添加ガス２２をプラズマ化することにより行なわれる。ここで処理容器は、成膜ガスをプラズマ化してＳｉＣＯＨ膜２を形成する処理に用いられる処理容器と同じものを用いてもよいし、異なるものを用いるようにしてもよい。
【００２７】
このようにＳｉＣＯＨ膜２を形成した後に、添加ガスをプラズマ化したものを当該ＳｉＣＯＨ膜２に照射して後処理を行うことによっても、ＳｉＣＯＨ膜２に含まれるＳｉダングリングボンドを添加ガスのプラズマ化によって生じるＣダングリングボンドやＨダングリングボンドによって終端させることができる。つまりＳｉＣＯＨ膜２は、既述のようにシロキサンの環状構造をそのまま残した状態でダングリングボンド同士が結合しているのでポーラスであり、しかもシロキサンの環状構造は六員環であるので大きい。このためポーラスの間隙が大きくなり、図６に示すように、この間隙に添加ガスのプラズマ化によって生じるＣダングリングボンドやＨダングリングボンドが浸透していき、膜中に存在するＳｉダングリングボンドと結合する。
【００２８】
なおこの場合においても、シロキサンの環状構造を備えたＳｉＣＯＨ膜２を形成するために、シロキサンガスＡの環状構造を壊さずに、シロキサンのＳｉとＲ１との結合や、前記ＳｉとＲ２との結合や、メチル基、ビニル基中の水素を切断する程度のエネルギーを与えるプラズマ条件でＳｉＣＯＨ膜２の成膜処理が行われ、次いで添加ガスのＣ−Ｈ結合を切断できるエネルギーを与えるプラズマ条件でＳｉダングリングボンドを終端させる処理が行われる。また添加ガスは、膜中のＳｉダングリングボンドを終端させるために必要な量を添加することが必要であり、例えば成膜ガスに対して５ｍｏｌ％〜２００ｍｏｌ％程度の割合で添加されることが好ましく、より好ましくは５ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％程度の割合である。前記割合が２００ｍｏｌ％よりも多くなると、膜に対してダメージを与えることになり、割合が５ｍｏｌ％よりも少なくなると、Ｓｉダングリングボンドの減少の効果が得られなくなってしまう。
【００２９】
以上のように、本発明の手法により形成されるＳｉＣＯＨ膜２では、膜中に存在するＳｉダングリングボンドが、ＣやＨのダングリングボンドと結合することにより終端され、膜中に存在するＳｉダングリングボンドが少なくなるので、膜中のＳｉダングリングボンドの存在が原因となるリーク電流の発生が抑えられ、これにより低比誘電率を確保でき、層間絶縁膜として良好な特性を有する。
【００３０】
図７は、このようにして成膜された層間絶縁膜を備えた半導体装置の一例であり、３１はｐ型シリコン層、３２，３３は夫々ソース、ドレインをなすｎ型領域、３４はゲート酸化膜、３５はゲート電極であり、これらによりＭＯＳトランジスタが構成されている。また３６はＢＰＳＧ膜、３７は例えばタングステン（Ｗ）からなる配線であり、３８はサイドスペーサである。そしてＢＰＳＧ膜３６の上には、例えば銅（Ｃｕ）からなる配線層４１が埋め込まれた本発明のＳｉＣＯＨ膜よりなる層間絶縁膜４２が多層に積み上げられている（図６では便宜上２層としてある）。なお４３は例えば窒化シリコンからなるハードマスク、４４は配線金属の拡散を防止するための例えばチタンナイトライドあるいはタンタルナイトライドなどからなる保護層、４５は保護膜である。
【００３１】
次いで本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例について図８及び図９により説明する。図８中５１は、例えばアルミニウムからなる処理容器（真空チャンバ）であり、前記処理容器５１の底部は凸型形状となっている。この処理容器５１内には基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という。）Ｗを水平に支持する例えば円柱状に形成された載置台５２が設けられており、前記載置台５２の内部には箔状の電極５２ａが埋設され、前記電極５２ａはスイッチ５３を介して直流電源５４に接続されている。また前記載置台５２の内部にはウエハＷの処理面の温度を調整するためにヒータ等の温調手段５２ｂが埋設されている。さらに前記載置台５２の中には、図示しない搬送手段との間でウエハＷの受け渡しを行なうための図示しない例えば３本の昇降ピンが貫通して設けられている。
【００３２】
前記載置台５２は支持部５５によって支持されており、前記支持部５５は処理容器５１の底部まで延設されている。この載置台５２及び支持部５５は、前記支持部５５の基端側に設けられた昇降機構５６により昇降可能になっており、支持部５５の下方の可動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ５７で覆われている。
【００３３】
前記載置台５２の上方には、例えば平面形状が略円形状のガスシャワーヘッドとして構成された導電体例えばアルミニウムからなる第１のガス供給部６が設けられ、この第１のガス供給部６における載置台５２と対向する面には多数のガス供給孔６１が形成されている。また処理容器５１内には当該処理容器５１よりも一回り小さい筒状部材（以下、「インナーウォール」という）６２が設けられ、第１のガス供給部６はこのインナーウォール６２の上面に設けられている。
【００３４】
前記インナーウォール６２は、ウエハＷの搬送口（図示せず）及び処理雰囲気を観察するための窓部（図示せず）が周面に形成されている。前記インナーウォール６２の上部側には第１の加熱手段であるヒータ６３が周方向に沿って内蔵して設けられると共に、前記インナーウォール６２の周方向の２箇所には処理容器５１の底部から、第１のガス供給部６の内部の後述する格子状のガス流路６０にガスを供給するためにガス流路６４が形成されている。なおこのガス流路６４には外部からガス供給路６５が接続されている。
【００３５】
このガス供給路６５の基端側には、成膜ガス例えばシロキサンガスＡの供給源６６や、添加ガス例えばメタンガスの供給源６７が夫々ガス供給機器群６８，６９を介して接続されている。なおガス供給機器群６８，６９はバルブや流量調整部であるマスフローコントローラなどを含み、ガス供給の制御を行なうためのものである。本発明では成膜ガス供給源６６とガス供給機器群６８により成膜ガス供給手段が構成され、添加ガス供給源６７とガス供給機器群６９とにより添加ガス供給手段が構成されている。
【００３６】
前記第１のガス供給部６の内部には、図９に示すように、ガス供給孔６１と連通する格子状のガス流路６０が形成されている。また前記第１のガス供給部６には、当該ガス供給部６を貫通するように、多数の開口部６Ａが形成されている。この開口部６Ａは、この上方側の空間で生成されるプラズマを当該ガス供給部６の下方側の空間に通過させるためのものであり、例えば隣接するガス流路６０同士の間に形成されている。
【００３７】
前記第１のガス供給部６の上方側には、第２のガス供給部であるガス供給路７が設けられている。このガス供給路７の基端側はプラズマガスであるＨｅ（ヘリウム）ガスのガス供給源７１がガス供給機器群７２を介して接続されている。なお、ガス供給機器群７２はバルブや流量調整部であるマスフローコントローラなどを含み、ガス供給の制御を行なうためのものである。
【００３８】
前記第２のガス供給部７の上方側には、誘電体プレート（マイクロ波透過窓）７３が設けられ、この誘電体プレート７３の上部側には、当該誘電体プレート７３と密接するようにアンテナ部８が設けられている。このアンテナ部８は、平面形状が円形の扁平なアンテナ本体８０と、このアンテナ本体８０の下面側に遅相板８３を介して設けられ、多数のスロット対が形成された円板状の平面アンテナ部材（スロット板）８１とを備えている。これらアンテナ本体８０、平面アンテナ部材８１及び遅相板８３によりラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）が構成されている。
【００３９】
そしてこのアンテナ部８は同軸導波管８４を介してマイクロ波発生手段７４からマイクロ波が供給されるようになっている。前記同軸導波管８４の外側の導波管８４Ａはアンテナ本体８０に接続され、中心導体８４Ｂは遅相板８３に形成された開口部を介して平面アンテナ部材８１に接続されている。この例では、マイクロ波発生手段７４とアンテナ部８とによりプラズマ発生手段が構成されている。
【００４０】
また処理容器５１の底部には排気管８５が接続されており、この排気管８５の基端側には例えばバタフライバルブなどからなる圧力調整手段８６を介して真空排気手段である真空ポンプ８７が接続されている。更にまた処理容器５１の内壁には、第２の加熱手段であるヒータ８８が設けられている。また処理容器５１の側壁には、インナーウォール６２に形成された搬送口（図示せず）と対向する位置にゲートバルブ８９により開閉自在なウエハＷの搬出入口７５が形成されている。
【００４１】
そしてこの成膜装置は例えばコンピュータからなる制御部７６を備えており、前記ガス供給機器群６８，６９，７２、圧力調整手段８６、ヒータ６３，８８、温調手段５２ｂ、マイクロ波発生手段７４及び載置台５２の静電チャックのスイッチ５３、昇降機構５６等を制御するように構成されている。また制御部７６は、処理容器５１内で行われる後述の一連の処理のステップを実行するためのシーケンスプログラムを記憶した記憶部、各プログラムの命令を読み出して各部に制御信号を出力する手段などを備えている。
【００４２】
続いてこの実施の形態により行われる成膜方法の一例を説明する。先ず載置台５２を、内蔵されている温調手段５２ｂにより例えば３５０℃に設定し、またインナーウォール６２の温度をヒータ６３によって例えば２００℃に設定すると共に、処理容器５１の内壁の温度をヒータ８８によって例えば９０℃に設定する。次に図示しない搬送アームによってウエハＷを搬出入口７５及びインナーウォール６２の搬送口を介して処理容器５１内に搬入し、図示しない昇降ピンによって載置台５２の上に載置して静電吸着する。ここで載置台５２と第１のガス供給部６の下面との距離は３７ｍｍに設定しておく。
【００４３】
続いて前記ウエハＷの表面に例えば層間絶縁膜としてＳｉＣＯＨ膜２を成膜する。即ち、処理容器５１の内部を所定の圧力例えば１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）まで真空引きし、ガス供給路７を介してＨｅガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給すると共に、ガス供給路６５を介して第１のガス供給部６から成膜ガスであるシロキサンガスＡと、添加ガスである水素ガスを、夫々５０ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍの流量で供給する。
【００４４】
一方、マイクロ波発生手段７４から例えば２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給すると、このマイクロ波は、ＴＭモードあるいはＴＥモードあるいはＴＥＭモードで同軸導波管８４を伝搬してアンテナ部８の平面アンテナ部材８１に到達し、同軸導波管８４の内部導体８４Ｂを介して、平面アンテナ部材８１の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対からマイクロ波が誘電体プレート７３を介して下方側の空間に向けて放射される。
【００４５】
そしてこのマイクロ波のエネルギーによりＨｅガスが活性化され、第１のガス供給部６の上方空間に高密度で均一なプラズマが励起される。そして、このＨｅの活性種は第１のガス供給部６の開口部６Ａを介して当該ガス供給部６の下方側の処理空間に流れ込んで行く。また当該ガス供給部６からこの処理空間に供給される成膜ガスと添加ガスは、流れ込んできたＨｅの活性種により活性化（プラズマ化）され、こうして載置台５２上のウエハＷの上に既述のようにＳｉＣＯＨ膜２が成膜される。
【００４６】
この成膜処理においては、載置台５２に内蔵された温調手段５２ｂの温調作用とプラズマからのウエハＷの入熱作用によってウエハＷの温度を例えば３５０℃に加熱し、載置台５２と第１のガス供給部６の下面との距離を３７ｍｍに設定し、処理容器５１内を１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の減圧雰囲気に維持して、マイクロ波発生手段７４から例えば２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給して、プラズマガスとしてＨｅガスを用いて、シロキサンガスＡと水素ガス（添加ガス）とをプラズマ化することによって、シロキサンの環状構造を維持した状態でＳｉＣＯＨ膜２が形成できることが認められている。
【００４７】
また処理雰囲気を囲むインナーウォール６２の温度及び処理容器５１の内壁の温度が夫々２００℃及び９０℃に加熱されていることから、ウエハＷの膜厚については高い面内均一性を得られることが把握されている。なおプラズマの発光領域はインナーウォール６２よりも内方側にあるが、プラズマ中の活性種はインナーウォール６２の搬送口や窓部を通ってインナーウォール６２の外側に流出し、処理容器５１の壁面に達する。このため処理容器５１内壁はインナーウォール６２の外側とはいえ、成膜処理の環境の一部をなすものであり、この部位が極端に冷たいと成膜処理が不安定になってウエハＷの膜厚の面内均一性などが悪くなることから、処理容器５１の内壁を加熱している。しかしながら処理容器５１の内壁があまり高温になると作業者に対する安全性に問題が出てくることから、プロセス的にはより高温にすることが好ましいところであるが、概ね９０℃程度の温度に抑えている。そしてウエハＷに対する成膜処理が終了した後、当該ウエハＷが搬出される。
【００４８】
続いてこの成膜装置により行われる成膜方法の他の例について説明する。先ず載置台５２を例えば３５０℃に設定し、またインナーウォール６２の温度を例えば２００℃に設定すると共に、処理容器５１の内壁の温度を例えば９０℃に設定する。次にウエハＷを処理容器５１内に搬入し、載置台５２の上に載置して静電吸着する。ここで載置台５２と第１のガス供給部６の下面との距離は３７ｍｍに設定しておく。
【００４９】
続いて前記ウエハＷの表面に例えば層間絶縁膜としてＳｉＣＯＨ膜２を成膜する。即ち、処理容器１の内部を所定の圧力例えば１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）まで真空引きし、ガス供給路７を介してＨｅガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給すると共に、ガス供給路６５を介して第１のガス供給部６から成膜ガスであるシロキサンガスＡを５０ｓｃｃｍの流量で供給する。
【００５０】
一方、マイクロ波発生手段７４から例えば２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給し、このマイクロ波のエネルギーによりＨｅガスが活性化され、第１のガス供給部６の上方空間に高密度で均一なプラズマが励起される。そして、このＨｅの活性種により、ガス供給部６からこの処理空間に供給される成膜ガスが活性化（プラズマ化）され、載置台５２上のウエハＷの上に既述のようにＳｉＣＯＨ膜２が成膜される。
【００５１】
続いてガス供給路６５を介して第１のガス供給部６から成膜ガスに代えて添加ガスである水素ガスを１０ｓｃｃｍの流量で供給する。そしてマイクロ波発生手段７４から例えば２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給することにより、このマイクロ波のエネルギーにより前記Ｈｅガスを活性化し、このＨｅの活性種により、水素ガスを活性化して、載置台５２上のＳｉＣＯＨ膜が形成されたウエハＷの上に水素ガスのプラズマを照射して後処理を行う。これによりＳｉＣＯＨ膜中のＳｉダングリングボンドがＨダングリングボンドにより終端され、Ｓｉダングリングボンドが少ないＳｉＣＯＨ膜が得られる。こうしてウエハＷに対する成膜処理が終了した後、当該ウエハＷが搬出される。
【００５２】
なお上述の成膜装置では、別の成膜装置にてＳｉＣＯＨ膜が形成されたウエハＷに対して、添加ガスのプラズマ化によって発生するＣダングリングボンドやＨダングリングボンドの供給を行なう後処理のみを行なうようにしてもよい。
【００５３】
上述の例では、層間絶縁膜を例に挙げているが、ＳｉＣＯＨ膜は層間絶縁膜以外の絶縁膜として用いるようにしてもよい。また有機系シリコンを含む成膜ガスとしてはシロキサンＡに限らず、トリメチルシランや、シロキサンの六員環構造や八員環構造を有するガス等を用いるようにしてもよい。また添加ガスとしては、パラフィン炭化水素ガス、水素ガスの他、シランガスを用いるようにしてもよい。このときパラフィン炭化水素ガス又は水素ガスのいずれか一方を用いてもよいし、両方同時に用いてもよい。
【実施例】
【００５４】
<実験例１>
（実施例１）
上述の装置を用いて、上述の条件、つまり処理容器５１に成膜ガスとしてシロキサンガスＡを５０ｓｃｃｍ、添加ガスとして水素ガスを１０ｓｃｃｍの流量で第１のガス供給部６から夫々供給すると共に、プラズマガスとしてヘリウムガスを２００ｓｃｃｍの流量で第２のガス供給部７から供給し、載置台温度：３５０℃、載置台５２と第１のガス供給部６の下面との距離：３７ｍｍ、処理容器５１内の圧力：１３３Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ）の下で、２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗのマイクロ波を印加して、２００ｎｍの厚さのＳｉＣＯＨ膜２を形成し、このＳｉＣＯＨ膜２に対して、電圧を印加してそのときに当該膜に流れる電流密度をウエハＷ上の３つの位置にて測定した。電流密度と電圧との関係については図１０（ａ）に示す。
【００５５】
（比較例１）
上述の装置を用いて、添加ガスを添加しない他は、実施例１と同様の条件にてＳｉＣＯＨ膜２を形成し、このＳｉＣＯＨ膜２に対して、電圧を印加してそのときに当該膜に流れる電流密度をウエハＷ上の３つの位置にて測定した。電流密度と電圧との関係については図１０（ｂ）に示す。
【００５６】
（考察）
図１０（ａ）、（ｂ）中、縦軸は電流密度、横軸は電圧、実線はウエハＷ上の位置Ｐ１、点線はウエハＷ上の位置Ｐ２、一点鎖線はウエハＷ上の位置Ｐ３における測定値を夫々示す。図１０（ａ）,（ｂ）により、印加する電圧が２．０ＭＶ／ｃｍ程度までは、実施例１のＳｉＣＯＨ膜２の電流密度は、前記電圧が大きくなるにつれて１×１０−１０Ａ／ｃｍ２から１×１０−８Ａ／ｃｍ２程度まで徐々に大きくなるのに対して、比較例１のＳｉＣＯＨ膜の電流密度は平均すると１×１０−８Ａ／ｃｍ２程度であることが認められた。これにより印加する電圧が２．０ＭＶ／ｃｍ程度までは、実施例１のＳｉＣＯＨ膜の電流密度は比較例１のＳｉＣＯＨ膜２の電流密度よりも流れる電流が小さいことが認められる。また印加する電圧が２．０ＭＶ／ｃｍを越えると、実施例１の測定値に乱れが発生することから、膜自体が破壊されてしまうことが理解される。
【００５７】
ここで電流密度が小さいということはリーク電流が小さいことを意味しており、このことから水素ガスを添加することにより、得られるＳｉＣＯＨ膜のリーク特性が向上することが認められる。
【００５８】
<実験例２>
続いてＳｉＣＯＨ膜を形成した後に、このＳｉＣＯＨ膜に対して添加ガスのプラズマを照射する後処理を行なうことにより、膜の特性がどのように変化するかについてシミュレーションを行なった。ここでは、仮想的な処理容器において、Ｓｉダングリングボンドが存在するＳｉＣＯＨ膜に対して、添加ガスとしてエタンガス（Ｃ２Ｈ６ガス）と、プラズマガスとしてＡｒガスとを供給し、これらのガスをプラズマ化することを前提にしてシミュレーションを行った。このときＣ２Ｈ６ガスとＡｒガスとの流量は、夫々１００ｓｃｃｍ、４００ｓｃｃｍとし、処理容器内の圧力を２Ｔｏｒｒとして、以下の（１）式及び(２)式の反応を考慮して計算を行なった。
【００５９】
Ｃ２Ｈ６＋ｅ→  ２ＣＨ３・＋ｅ            …(１)
Ｓｉ・＋ＣＨ３・⇔  Ｓｉ−ＣＨ３        …(２)
このシミュレーション結果を図１１に示す。図中横軸は時間、縦軸はＳｉのダングリングボンドと、Ｓｉ−Ｃ結合の存在比を示し、図中■がＳｉ−Ｃ結合、◆がＳｉのダングリングボンド（Ｓｉ・）を夫々示している。これにより時間の経過と共に、Ｓｉのダングリングボンドの存在比が小さくなる一方、Ｓｉ−Ｃ結合の存在比が大きくなり、始めに存在するＳｉのダングリングボンドがエタンガスから生じるＣダングリングボンド（ＣＨ３・）により終端されて減少することが理解される。
【００６０】
またこのときの電子のエネルギーギャップについてもシミュレーションを行なった。このエネルギーギャップとは、電子が定常状態でとることのできるエネルギー値の間隙の大きさをいい、電気特性との間には大きな相関関係が存在する。つまりエネルギーギャップが小さいと電気が流れやすく、リーク電流が大きくなるが、エネルギーギャップが大きいと電気が流れにくく、リーク電流が小さくなる。
【００６１】
この結果、例えば図１２に示すように、当初のＳｉダングリングボンドが多いＳｉＣＯＨ膜ではエネルギーギャップは２．９ｅＶであるのに対して、後処理を行ないＣダングリングボンド（ＣＨ３・）で終端されたＳｉＣＯＨ膜ではエネルギーギャップは６．５ｅＶと高くなるという結果が得られた。この結果により、ＳｉＣＯＨ膜中のＳｉダングリングボンドがＣダングリングボンドで終端されることにより、電気が流れにくくなって、リーク電流が小さくなるので、ＳｉＣＯＨ膜の電気的特性が良好になる可能性を示していると言える。
【００６２】
なおこのようにＳｉＣＯＨ膜を形成した後に、添加ガスを添加させて終端できるのは、ＳｉＣＯＨ膜は既述のように、シロキサンの環状構造を有した状態で、結合が連鎖して膜を形成しているので、ポーラス構造であり、しかもシロキサンの環状構造は六員環であって大きいので、膜中の空隙が大きい。このためＣダングリングボンド（ＣＨ３・）やＨダングリングボンド（Ｈ・）が、既述の図５に示すように膜の形成後であっても、膜中の空隙に入り込んで行きやすく、このため終端できるためと推察される。
【００６３】
以上の実験から、本発明の成膜方法のように、成膜ガスとしてシロキサンガスＡ、添加ガスとして水素ガスを用い、これらをプラズマ化させてＳｉＣＯＨ膜２を形成したり、成膜ガスとしてシロキサンガスＡを用いて、このガスをプラズマ化させてＳｉＣＯＨ膜を形成した後、このＳｉＣＯＨ膜に対してエタンガスのプラズマを照射する後処理を行なうことにより、リーク電流が小さく、低比誘電率のＳｉＣＯＨ膜２を形成できることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の成膜方法の一例を示すイメージ図である。
【図２】本発明の成膜方法の作用を説明するための図である。
【図３】本発明の成膜方法の作用を説明するための図である。
【図４】本発明の成膜方法の作用を説明するための図である。
【図５】本発明の成膜方法の他の例を示すイメージ図である。
【図６】本発明の成膜方法の他の例の作用を説明するための図である。
【図７】本発明のＳｉＣＯＨ膜が用いられるＭＯＳトランジスタの構造を示す断面図である。
【図８】本発明の成膜方法を実施する成膜装置の一例を示す断面図である。
【図９】前記成膜装置に用いられるガス供給部を示す平面図である。
【図１０】本発明の成膜方法の効果を確認するために行った実験結果を示す特性図である。
【図１１】本発明の成膜方法の効果を確認するために行ったシミュレーション結果を示す特性図である。
【図１２】本発明の成膜方法の効果を確認するために行ったシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】シロキサンの六員環構造を含むガスを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６５】
１          基板
１１        ＢＰＳＧ膜
２          ＳｉＣＯＨ膜
２１        成膜ガス
２２        添加ガス
３１        Ｐ型Ｓｉ基板
３２        ｎ型ソース領域
３３        ｎ型ドレイン領域
３４        ゲート酸化膜
３５        ゲート電極
４２        層間絶縁膜
５１        処理容器
６          第１のガス供給部
６６        成膜ガス供給源
６７        添加ガス供給源
７          第２のガス供給部
７４        マイクロ波発生手段
８          アンテナ部
８１        平面アンテナ
Ｗ          半導体ウエハ
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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