(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたことを特徴とする半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項２】
前記雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項３】
前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して５％以上であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項４】
半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたことを特徴とする半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項５】
前記ホウ素化合物は、Ｂ２ Ｈ６ 或いはＢＦ３ であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項６】
前記ハイドロカーボン系ガスはＣ２ Ｈ４ であり、前記フロロカーボン系ガスはＣ４ Ｆ８ ，ＣＦ４ ，Ｃ５ Ｆ８ ，Ｃ６ Ｆ６ の内、いずれか１つであることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【請求項７】
前記プラズマを発生させるプラズマ用ガスは、Ａｒ又はＨｅガスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ集積回路等の半導体装置の内部の層間絶縁膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、トランジスタ集積回路等の半導体装置にあっては、高微細化、高集積化及び多層化が益々推進されてきており、これに伴って動作速度の高速化も更に要求されている。このような状況下において、上記特性を大きく左右することになる層間絶縁膜の研究が種々行なわれており、特に、ＳｉＯ2 に代表される無機系の絶縁層に替えて、低誘電率化が可能なことから、回路信号の遅延を極力抑制することができる、という利点を有する有機材料系の層間絶縁膜が注目されつつある。
このような有機系の層間絶縁膜としては米国特許第５６９８９０１号のように、アモルファスカーボン膜中に窒素を添加した絶縁膜が知られている。
しかしながら、この主の有機系の層間絶縁膜にあっては、ある程度、絶縁性を維持し、誘電率は低下できるが、熱伝導性や機械的強度がそれ程高くなく、また、熱膨張係数もある程度大きく、特に、熱に体する耐久性が劣るという有機系材料の絶縁層の特有の問題点を有していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記問題点を解決するために、例えば特開平４−９９０４９号公報等に開示されるように、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりボロン、カーボン、窒素を主成分とする層間絶縁膜を形成し、耐熱性及びＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）表面平坦化時における機械的強度を向上し、更に、熱伝導性が高くて放熱がし易く、しかも、熱膨張係数が小さい良好な層間絶縁膜を提供する試みが行なわれている。
しかしながら、この場合にも上記各特性がそれ程十分ではなく、特に、誘電率をより向上させることが望まれている。
尚、関連技術として例えば特開昭６０−１５９３３号公報には、化合物半導体表面のパッシベーション層としてのＢＮ膜の形成方法について開示しているが、これは本発明とは異なり、層間絶縁膜に適用されるものではない。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、誘電率が低く、熱膨張係数の低減、耐熱性、熱伝導性、機械的強度の向上を図ることができる半導体装置の層間絶縁膜の形成方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、層間絶縁膜の成膜時に、成膜用ガスの一部にボラジンを用いること、或いはフロロカーボン系ガスを用いることにより、誘電率、熱膨張係数、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項１に規定する発明は、半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたものである。
【０００５】
これにより、層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を低下し、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる。
また、ボラジンの流量が、前述した範囲内の適正値でないと、上記各特性の向上が十分でなかったり、また、１０％よりも多くなると、導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
また、請求項２に規定するように、前記雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加することにより、一層、誘電率を低下させることが可能となる。
【０００６】
更に、請求項３に規定するように、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して５％以上である。
【０００７】
請求項４に規定する発明は、半導体装置の層間絶縁膜の形成方法において、被処理体の表面に、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたものである。
【０００８】
これにより、層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を低下し、耐熱性、熱伝導性、機械的強度等を向上させることができる。
また、上記合計の流量が、１０％よりも多くなると、導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
【０００９】
上記ホウ素化合物は、前記ホウ素化合物は、Ｂ２ Ｈ６ 或いはＢＦ３ を用いることができる。また、前記ハイドロカーボン系ガスはＣ２ Ｈ４ であり、前記フロロカーボン系ガスはＣ４ Ｆ８ ，ＣＦ４ ，Ｃ５ Ｆ８ ，Ｃ６ Ｆ６ の内の、いずれか１つをそれぞれ用いることができる。
また、前記プラズマを発生させるプラズマ用ガスは、Ａｒ又はＨｅガスである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る半導体装置の層間絶縁膜の形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
まず、このプラズマ処理装置について説明すると、プラズマ処理装置２は、アルミニウム等により筒体状に成形された処理容器４を有しており、この内部には、その上面に被処理体としての半導体ウエハＷを載置する載置台６が設けられる。この載置台６には、ウエハＷを所定のプロセス温度に加熱する加熱ヒータ８が内蔵されている。
【００１１】
この処理容器４内の上方には、石英パイプ製のリング状シャワーヘッド１０が設けられており、この下面に多数のガス噴射孔１２が形成されている。このシャワーヘッド１０には、ガス通路１４を介して成膜時に使用するガスを供給する複数のガス源が接続される。具体的には、このガス源としては、Ｃ2 Ｈ4 に代表されるハイドロカーボン系ガス（ＣｘＨｙ）を供給するＣ2 Ｈ4 ガス源１６、Ｃ4 Ｆ8 に代表されるフロロカーボン系ガス（ＣｘＦｙ）を供給するＣ4 Ｆ8 ガス源１８、ボラジン（Ｂ3 Ｎ3 Ｈ6 ）を供給するボラジン源２０及びＡｒガスに代表されるプラズマ用ガスを供給するＡｒガス源２２が用いられる。尚、ここではＣ4 Ｆ8 ガスを用いないで省略してもよい。また、Ａｒガスの代わりにＨｅガスを使用するようにしてもよい。また、フロロカーボン系ガスとしてＣ2 Ｈ4 に代えて、Ｃ4 Ｆ8 ，ＣＦ4 ，Ｃ5 Ｆ8 ，Ｃ6 Ｆ6 等のガスを用いてもよい。
そして、各ガス種は、例えばマスフローコントローラのような流量制御器２４により流量制御されつつ処理容器４内へ供給される。また、処理容器４の側壁には、ウエハＷを搬出入する時に開閉されるゲートバルブ２６が設けられ、更に容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口２８が設けられており、容器４内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【００１２】
一方、処理容器４の天井部には、例えば石英製の大口径のマイクロ波導入窓３０が気密に設けられており、この導入窓３０には、テーパ導波管３２が連結されている。そして、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器３４からは、矩形導波管３６及びモード変換器３８を介して上記テーパ導波管３２にマイクロ波が伝搬されてくるようになっている。また、このテーパ導波管３２の上端部の周囲には、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の垂直磁界を発生するコイル４０が設けられる。
【００１３】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる本発明方法について説明する。
まず、ゲートバルブ２６を介して半導体ウエハＷを処理容器４内へ導入し、これを載置台６上に載置する。この半導体ウエハＷの表面には、前工程にて下地となる例えばアルミ配線等がすでに施されている。処理容器４内を密閉後、この容器４内を真空引きし、それと共に各プロセスガス、すなわちＣ2 Ｈ4 ガス、Ｃ4 Ｆ8 ガス、ボラジン、Ａｒガスをそれぞれ所定の流量で流して各ガスをリング状シャワーヘッド１０から容器４内へ導入する。これと同時に処理容器４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持する。尚、Ｃ4 Ｆ8 ガスは必要に応じて添加すればよく、添加しないようにしてもよい。更に、載置台６の加熱ヒータ８により、ウエハＷを所定のプロセス温度に加熱し、この温度を維持する。
【００１４】
また、マイクロ波発生器３４にて発生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、矩形導波管３６、モード変換器３８及びテーパ導波管３２を介して容器天井部のマイクロ波導入窓３０から処理容器４内へ導入され、このマイクロ波のエネルギがＡｒガスを解離してプラズマを生成する。この際、テーパ導波管３２の上部に配置したコイル４０からの垂直磁界によりプラズマは電子サイクロトロン（ＥＣＲ）共鳴を生じ、プラズマ密度は高くなる。
このプラズマにより、Ｃ2 Ｈ4 ガス、Ｃ4 Ｆ8 ガス、ボラジンの各ガスは活性化されて反応し、ウエハＷの表面にアモルファスカーボン膜の層間絶縁膜が熱ＣＶＤにより形成されることになる。この際、アモルファスカーボン膜中には、分子レベルでＢ−Ｃ−Ｎ結合が形成されるので、アモルファスカーボン膜の特性とＢ−Ｃ−Ｎ結合膜の特性を併せ持った膜となり、この層間絶縁膜の誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。上記耐熱性と熱伝導性は互いに相関関係にあり、例えば熱伝導性が向上することによって熱が放散されてしまって、内にこもらなくなり、この結果、熱に対する耐久性も向上させることが可能となる。
【００１５】
ここでプロセス条件は、Ｃ2 Ｈ4 ガスが３０〜５０ｓｃｃｍ程度、ボラジンが５ｓｃｃｍ程度以下、Ａｒガスが１００〜２００ｓｃｃｍ程度、そして、Ｃ4 Ｆ8 ガスを添加する場合にはその流量は１０〜３０ｓｃｃｍ程度である。また、プロセス圧力は５０〜７０Ｐａ程度、プロセス温度は３００〜４００℃程度である。
この際、ボラジンの流量は、ハイドロカーボンであるＣ2 Ｈ4 ガスの流量の１０％以下の範囲内が好ましい。この流量が５％よりも少ないと、上記各特性の向上が十分でなくなり、また、１０％よりも多くなると、絶縁膜の導電性が高くなって絶縁膜として機能しなくなる。
また、上記フロロカーボン系ガスであるＣ4 Ｆ8 ガスを加える場合には、このフッ素原子が誘電率を更に引き下げるように機能するので、素子回路の信号の遅れを一層少なくすることができる。
例えばＣ4 Ｆ8 ガスを添加しないで成膜した時の層間絶縁膜の比誘電率は一般的には４〜３．５程度であったが、Ｃ4 Ｆ8 ガスを添加して成膜した時の層間絶縁膜の比誘電率は２．３程度であり、これを非常に低下させることが可能になった。
また、ＥＣＲプロセスガスとしてＣ6 Ｆ6 ，ＣＦ4 ，Ａｒを用いてもよく、この場合の各ガスの流量は、それぞれ３０〜５０ｓｃｃｍ，０〜３０ｓｃｃｍ，３０〜１００ｓｃｃｍである。また、プロセス圧力は１０〜１００Ｐａである。
【００１６】
上記実施例では処理ガスの一部としてボラジンを用いたが、これに替えて、ホウ素化合物と窒素或いは窒素化合物を用いてＢ−Ｃ−Ｎ結合を形成するようにしてもよい。この場合には、ホウ素化合物としてはボラン、例えばジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）或いはフッ化ボロン、例えば三フッ化ボロン（ＢＦ3 ）を用いることができる。他の処理ガスとしてはフロロカーボン系ガス、例えばＣ4 Ｆ8 とハイドロカーボン系ガス、例えばＣ2 Ｈ4 の双方及びＡｒガスを用いる。また、窒素化合物としてはアンモニアガスを用いることができる。この場合には、分子中にＢ−Ｎ結合がすでに含まれているボラジンを用いていないが、処理容器４内でＢ−Ｎ結合を形成し、成膜中にＢ−Ｃ−Ｎ結合が添加されることになる。この場合のプロセス条件は、先の実施例と同じ圧力、温度、ガス流量である。ただし、ホウ素化合物ガスの流量と窒素或いは窒素化合物ガスの合計流量は、５ｓｃｃｍ程度以下とする。また、これらの両ガスの流量は略同じに設定する。
【００１７】
この層間絶縁膜も、先のボラジンを用いて成膜した層間絶縁膜と同様に、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。
また、上記ホウ素化合物ガスと窒素ガス或いは窒素化合物の合計の流量は、ハイドロカーボン系ガス、ここではＣ2 Ｈ4 ガスの流量に対して１０％以下の範囲内に設定する。この理由は、絶縁膜の絶縁性が劣化することを防止しつつ、上記各特性の向上を図るようにする点において、先のボラジンを用いて成膜した時と同じである。
上記実施例では、マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤにより層間絶縁膜を形成する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば図２に示すような平行平板型のプラズマ処理装置を用いてプラズマＣＶＤにより層間絶縁膜を形成するようにしてもよい。図２は平行平板型のプラズマ処理装置を示す概略構成図であり、図１に示す構成部分と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
この平行平板型のプラズマ処理装置４２では、図１に示すリング状のシャワーヘッド１０に替えて、多数のガス噴射孔４４を備えた例えばアルミニウム製のシャワーヘッド部４６を処理容器４の天井部に、絶縁部材４８を介して設けている。そして、このシャワーヘッド部４６に各種の処理ガスを供給し、このガス噴射孔４４から処理容器４内にガスを導入するようになっている。
そして、このシャワーヘッド部４６に、高周波マッチング回路４８を介して、例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマ発生用の高周波電圧を印加するための高周波電源５０を接続している。
これにより、このシャワーヘッド部４６は上部電極となり、また、載置台６はこれを接地することにより下部電極となり、両電極間にプラズマを立てる。
【００１９】
この装置例の場合にも、プラズマＣＶＤによりウエハＷの表面にＢ−Ｃ−Ｎ結合が含まれたアモルファスカーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成することができ、先の実施例と同様に誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる。
この場合のプロセス条件は、圧力、温度、各種のガス流量に関して基本的には、先の実施例の場合と略同じであるが、ただし、マイクロ波を用いた場合と比較してこの装置ではプラズマ密度が低くなる傾向にあるので、上部電極への印加周波数を高くするのが望ましい。
【００２０】
上記各実施例ではハイドロカーボン系ガスとしてＣ2 Ｈ4 を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばＣ2 Ｈ6 、Ｃ2 Ｈ2 、Ｃ3 Ｈ8 等の他のハイドロカーボン系ガスを用いてもよい。また、フロロカーボン系ガスとしてＣ4 Ｆ8 に限定されず、前述したように他のフロロカーボン系ガスを用いてもよい。
更には、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板等の他の被処理体を用いてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置の層間絶縁膜の形成方法によれば、次のように作用効果を発揮することができる。
請求項１に規定する発明によれば、ハイドロカーボン系ガスとボラジンとプラズマ用ガスとを含み、前記ボラジンの流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたので、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる層間絶縁膜を提供することができる。
請求項２に規定する発明によれば、雰囲気ガスにフロロカーボン系ガスを添加するようにしたので、誘電率を一層下げてキャパシタを少なくすることができるので、電気信号の遅延をより少なくすることができる。
請求項４の規定によれば、ハイドロカーボン系ガスとフロロカーボン系ガスとホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスとを含み、前記ホウ素化合物ガスと窒素或いは窒素化合物ガスの合計の流量は、前記ハイドロカーボン系ガスの流量に対して１０％以下の範囲内となるような雰囲気の存在下でプラズマＣＶＤによりＢ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成するようにしたので、誘電率及び熱膨張係数を下げつつ、この耐熱性、熱伝導性及び機械的強度の向上を図ることができる層間絶縁膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】平板型のプラズマ処理装置を示す概略構成図であり、
【符号の説明】
２，４２  プラズマ処理装置
４  処理容器
６  載置台
１０  リング状シャワーヘッド
１６  Ｃ2 Ｈ4 ガス源
１８  Ｃ4 Ｆ8 ガス源
２０  ボラジン源
２２  Ａｒガス源
３４  マイクロ波発生器
４０  コイル
４６  シャワーヘッド部
５０  高周波電源
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
0004314650.tif 000002
【図２】
0004314650.tif 000003