(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部が開口されたチャンバと、
前記チャンバの開口部を覆い、少なくとも前記チャンバの底部側へ向けられた下部表面が非金属導電物質よりなる陰極板と、
前記陰極板に対向するチャンバの底部に設けられ、その上にウェーハが置かれるサセプタと、
前記陰極板と前記サセプタとの間に設けられたグリッド板と、
前記グリッド板と前記サセプタとの間に設けられたガス注入手段と、
を含む電子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記陰極板は、前記チャンバと電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項３】
前記グリッド板は、前記チャンバ及び前記陰極板と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記非金属導電物質は、シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項５】
前記陰極板は、金属よりなる上部陰極板と前記非金属導電物質よりなる下部陰極板とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項６】
前記陰極板は、前記非金属導電物質のみからなる単一陰極板であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【請求項７】
前記ガス注入手段は、ガスが噴出される複数個の孔を内側に備えたドーナツ状のガス注入リングであることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の製造に用いられる電子ビーム照射装置に係り、特に非金属導電物質よりなる陰極板を有する電子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子は導電膜と絶縁膜とを含んでいる。主として、導電膜は配線を形成するのに用いられ、絶縁膜は、相互に隣り合う配線間を電気的に絶縁させるのに用いられる。
【０００３】
一方、高集積半導体素子の動作速度が速くなるにつれて、多層配線技術が益々必要となっている。このため、層間絶縁膜の平坦化技術及び金属層間絶縁膜の平坦化技術が非常に重要になっている。いままで層間絶縁膜の平坦化技術として、ホウ素及び/または燐のような不純物が含まれた酸化膜、例えば、ＢＰＳＧ(ボロン−リン  シリケートガラス：borophosphosilicate glass)膜を８５０℃以上の高温でリフローさせる方法が広く使われている。また、金属層間絶縁膜の平坦化技術では、下部金属配線が形成された半導体基板上に液体状のＳＯＧ (スピン  オン  ガラス：spin on glass)膜を塗布した後、この塗布されたＳＯＧ膜を５００℃以下の低温でキュアリングさせる方法が広く使われている。なお、「ＳＯＧ」とは、シラロール（Ｓｉ（ＯＨ）4）をアルコールに溶かしたものなどを意味する。前記ＳＯＧ膜をキュアリングさせる方法では、紫外線照射工程または電子ビーム照射工程などが広く使われる。
【０００４】
電子ビーム照射工程は、紫外線照射工程に比べて電子ビームのエネルギーを調節することが容易であるので、ＳＯＧ膜のキュアリング工程だけでなくフォトレジスト膜のような感光膜のベーキング工程にも用いることができる。このような電子ビームを照射させる装置、即ち電子ビーム照射装置はスパッタリング装置と類似した構成を有する。
【０００５】
従来の電子ビーム照射装置では、密閉されたチャンバの上部に多数の電子を放出させる陰極板が設けられ、前記陰極板に対向する位置、即ち、チャンバの底部にはウェーハが置かれるサセプタが設けられる。前記陰極板は導電性の金属物質、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる。前記陰極板とサセプタとの間には陰極板から放出される電子が通過するグリッド板、即ち、陽極板が介在される。また、グリッド板とサセプタとの間には、チャンバ内部に不活性ガスなどの工程ガスを注入させるためのガス注入リングが設けられる。
【０００６】
次に、従来の電子ビーム照射装置の動作を簡単に説明する。
【０００７】
先ず、チャンバ内部の圧力を大気圧より低い低圧で維持させ、ガス注入リングを通じてチャンバ内部に工程ガスを注入させる。また、前記陰極板には負の高電圧、例えば−５００ボルト乃至−３０,０００ボルトの電圧を加え、前記グリッド板には負の低電圧、例えば０ボルト乃至−１００ボルトの電圧を印加する。この時、チャンバ内部の低い圧力下で、前記工程ガスは、自然的に発生するガンマ線によって僅かにイオン化され、前記イオン化された工程ガス中の陽イオンは、前記グリッド板に印加された負の低電圧によってグリッド板に向けて移動する。引続き、前記陽イオンはグリッド板のホールを通過して、負の高電圧が印加された陰極板に向けて加速される。前記加速された陽イオンは陰極板表面に衝突し、これにより、陰極板から２次電子が放出される。この時、前記電子以外に、陰極板を構成する金属材質の原子、即ちアルミニウム原子も放出されうる。陰極板から放出された電子はグリッド板を通過してイオン化された工程ガスに到達する。この時、前記電子の一部は工程ガスをさらにイオン化させて陽イオン及び陰のイオンを発生させ、残りの電子はサセプタ上に置かれたウェーハ表面に到達する。また、前記陰極板から放出された金属原子、即ち、アルミニウム原子もウェーハ表面に到達する。
【０００８】
前述したように従来の電子ビーム照射装置は、電子と共に金属原子を発生させる。この結果、ウェーハの表面が金属原子で汚染される。特に、金属配線が形成される前に従来の電子ビーム照射装置を使用してフォトレジスト膜をベーキングし、または、ＳＯＧ膜をキュアリングする場合に、金属原子がウェーハを汚染することは、ＭＯＳトランジスタの電気的な特性、例えばソース/ドレインの接合漏れ電流特性を悪化させたり、スレショルド電圧特性を変化させたりする。また、金属原子で汚染されたウェーハを洗浄液が満たされた液槽に入れて洗浄工程を実施する場合には、前記液槽も金属原子で汚染される。従って、金属原子で汚染された液槽に入れられる後続のウェーハも金属原子で汚染されることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ウェーハ表面が金属原子により汚染される現象の発生を防止できる電子ビーム照射装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために本発明は、上部が開口されたチャンバと、前記チャンバの開口部を覆う陰極板と、前記チャンバの底部に設けられたサセプタと、前記陰極板の下方に設けられたグリッド板と、前記グリッド板の下方に設けられたガス注入手段とを備える。前記陰極板はチャンバと電気的に絶縁され、前記グリッド板はチャンバ及び陰極板と電気的に絶縁される。また前記陰極板は、非金属導電物質のみからなる単一陰極板であるか、少なくともチャンバの底部側に向けられた下部表面が非金属導電物質よりなる２重陰極板であることが望ましい。より具体的には、前記陰極板はシリコンのような非金属導電物質のみからなる単一陰極板であってもよく、あるいは、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような金属よりなる上部陰極板と、シリコンのような非金属導電物質よりなる下部陰極板とによって構成される２重陰極板であってもよい。
【００１１】
前記チャンバは接地端子（アース端子）と接続される。従って、前記サセプタ及びその上にローディング（装填）されるウェーハは、共に接地される。また、前記チャンバの底部の所定領域または前記チャンバの側壁の所定領域は、真空ポンプと連結される。前記真空ポンプは、チャンバ内の圧力を大気圧より低くなるように調節する機能を有する。
【００１２】
ガス注入手段は、ガスが噴出される複数個の孔を備えたドーナツ状のガス流入リングである。
【００１３】
前記の電子ビーム照射装置を使用してウェーハ表面に電子ビームを照射させる工程は次のように行われる。
【００１４】
先ず、ウェーハをサセプタ上にローディングさせる。前記真空ポンプを動作させてチャンバ内部を大気圧より低い低圧状態になるように調節する。前記ガス注入リングを通じてチャンバ内部に工程ガスを注入させる。また、前記陰極板には−５００ボルト乃至−３０,０００ボルトの負の高電圧を印加し、前記グリッド板には０ボルト乃至−５００ボルトの負の低電圧を印加する。この時、チャンバ内部に注入された工程ガスは、自然的に発生するガンマ線により僅かにイオン化され、この結果、陽イオン及び陰イオンが発生する。前記陽イオンはグリッド電圧と陰極電圧とによって生ずる電界に起因してグリッド板を通過し、最終的に加速された陽イオンが陰極板に衝突する。これにより、前記陰極板表面から２次電子が放出される。この際に、前記陰極板の下部表面、即ち、陽イオンが衝突する表面は非金属導電物質、例えばシリコンによって構成されているので、前記２次電子が放出される際に金属原子が放出されない。前記陰極板から放出された電子は、グリッド電圧と陰極電圧とによって生ずる電界に起因して一定のエネルギーを有してウェーハ表面に到達する。これにより、前記ウェーハ表面に形成された所定の物質膜、例えば、ＳＯＧ膜は、キュアリングされて、シリコン酸化膜と類似の特性を有する物質膜に変わる。
【００１５】
前述したように、本発明によれば、陰極板の下部表面が非金属物質よりなるので、陰極板から金属原子が放出されることを抑制できる。これにより、電子ビーム照射工程を実施する間に、ウェーハ表面が金属原子により汚染されることを防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る電子ビーム照射装置の概略断面図で、図２は、図１に示したガス注入リングの斜視図である。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、所定の工程が行われる空間を提供するチャンバＣＢはその上部に開口部を有する。前記開口部には、チャンバＣＢと電気的に絶縁された陰極板ＣＰが設けられる。前記陰極板ＣＰ及び前記チャンバＣＢ間には絶縁リングＩが介在される。前記陰極板ＣＰは、非金属導電物質、例えばシリコンよりなる一つの単一陰極板であってもよく、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような金属よりなる上部陰極板ＣＰ１とシリコンのような非金属導電物質よりなる下部陰極板ＣＰ２とによって構成される２重陰極板であってもよい。前記チャンバＣＢは接地される。
【００１９】
前記陰極板ＣＰの下方にはグリッド板ＧＰが設けられ、グリッド板ＧＰの下方にはガス注入リングＧＲが設けられる。前記ガス注入リングＧＲは、図２に示したようにドーナツ型の形状を有する。また、前記ガス注入リングＧＲの内側にはガス注入リングＧＲの中心部の下方に向かって不活性ガス等の工程ガスが噴出されるように複数個の孔（ホール）Ｈを具備する。前記グリッド板ＧＰは陰極板ＣＰ及びチャンバＣＢと電気的に絶縁されるように設けられる。
【００２０】
一方、前記陰極板ＣＰは高電圧電源(high voltage power source;ＨＶＰ)と接続され、前記グリッド板ＧＰは低電圧電源(low voltage power source;ＬＶＰ)と接続される。ここで、前記高電圧電源ＨＶＰの陽極端子は接地され、陰極端子は陰極板ＣＰと接続される。これにより、前記陰極板ＣＰには負の高電圧、例えば−５００ボルト乃至−３０,０００ボルト程度の電圧が印加される。これと同様に、前記低電圧電源ＬＶＰの陽極端子は接地され、陰極端子はグリッド板ＧＰと接続される。これにより、前記グリッド板ＧＰには負の低電圧、例えば０ボルト乃至−１５０ボルト程度の電圧が印加される。
【００２１】
前記チャンバＣＢの底部にはウェーハが置かれるサセプタＳが設けられる。また、前記チャンバＣＢの底部の所定領域は真空ポンプＰと連結される。前記真空ポンプＰとチャンバＣＢとの間には弁Ｖが介在される。前記真空ポンプＰはチャンバＣＢ内部の圧力を大気圧より低い低圧に調節する機能を有する。
【００２２】
次に、前述した電子ビーム照射装置の動作を説明する。
【００２３】
先ず、フォトレジスト膜またはＳＯＧ膜のような物質膜が塗布されたウェーハを前記サセプタＳ上にローディング（装填）させる。前記真空ポンプＰ及び弁Ｖを使用してチャンバＣＢ内部を所定の圧力、例えば０.１３３乃至２６.７Ｐａ(１乃至２００ｍＴｏｒｒ)の低圧状態になるように調節する。前記ガス注入リングＧＲを通じて工程ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素ガスのような工程ガスをチャンバＣＢ内部に注入させる。また、前記陰極板ＣＰには高電圧電源ＨＶＰを使用して−５００ボルト乃至−３０,０００ボルト程度の負の高電圧を印加し、前記グリッド板ＧＰには低電圧電源ＬＶＰを使用して０ボルト乃至−１５０ボルト程度の負の低電圧を印加する。この場合に、前記チャンバＣＢ内に注入された工程ガスがイオン化することによって、陽イオン及び陰イオンが発生し、前記陽イオンは、グリッド板ＧＰに印加された負の低電圧により生ずる電界に起因してグリッド板ＧＰに向けて移動する。前記グリッド板ＧＰに到達した陽イオンは、前記陰極板ＣＰに印加された負の高電圧により生ずる電界に起因してグリッド板ＧＰの孔を通過して加速される。前記加速された陽イオンは陰極板ＣＰの下部表面に衝突する。これにより、陰極板ＣＰから２次電子が放出される。この時、前記陰極板ＣＰの下部面は非金属導電物質によって構成されているので、従来の技術とは異なり、陰極板ＣＰから金属原子は、放出されない。
【００２４】
前記陰極板ＣＰから放出された電子は、陰極板ＣＰ及びグリッド板ＧＰに各々印加された負の高電圧及び負の低電圧により生ずる電界に起因してサセプタＳ上にローディングされたウェーハに向かって加速される。この時、一部の電子はグリッド板ＧＰ及びウェーハ間の工程ガス分子をイオン化して陽イオン及び陰イオンをさらに発生させる。これにより、前記陰極板ＣＰから継続的に電子が放出される。この時、前記グリッド電圧及び陰極電圧が変化すればウェーハに照射される電子の数及びエネルギーが変化する。従って、グリッド電圧及び陰極電圧を適当に調節することによってウェーハ表面に所望の電流密度及び希望のエネルギーを有する電子ビームを照射できる。前記電子ビームがフォトレジスト膜に照射される場合には、フォトレジスト膜は硬化されてベーキングされる効果を得られる。また、前記電子ビームがＳＯＧ膜に照射される場合には、ＳＯＧ膜も硬化されてキュアリングされる。この場合、キュアリングされたＳＯＧ膜はシリコン酸化膜と類似した特性を示す。例えば、キュアリングされたＳＯＧ膜の誘電定数及びエッチングレートはシリコン酸化膜の誘電定数及びエッチングレートと類似する。
【００２５】
一方、ＳＯＧ膜に電子ビームを照射する際の電子ビームのエネルギーを適当に調節すれば、キュアリングされるＳＯＧ膜の厚さを調節できる。これにより、電子ビーム照射工程を用いて、相異なる特性を有する２重層の物質膜、例えばキュアリングされないＳＯＧ膜とキュアリングされたＳＯＧ膜とによって構成される２重層のＳＯＧ膜を形成することもできる。
【００２６】
前記の電子ビーム照射工程は２００℃以下の低温で実施されるので、半導体ウェーハに注入された不純物はこれ以上拡散されない。従って、ＭＯＳトランジスタの電気的な特性が変化することを防止できる。また、本発明に係る電子ビーム照射装置を使用してウェーハ表面に電子ビームを照射する場合には、ウェーハは金属により汚染されないので、半導体素子の信頼性を顕著に改善することができる。結果的に、本発明に係る電子ビーム照射装置は、製造時の低温工程化が要求されている高集積半導体素子を製造するのに適している。
【００２７】
図３乃至図６は、上述した本発明に係る電子ビーム照射装置を用いて半導体素子の金属層間絶縁膜を形成する方法を説明するための断面図である。但し、本発明に係る電子ビーム照射装置は、金属層間絶縁膜を形成する工程だけでなく、一般の層間絶縁膜を形成する工程及びフォトレジスト膜をベーキングする工程にも適用することができる。この場合であっても、本発明に係る電子ビーム照射装置を用いてウェーハ表面に電子ビームを照射することによって、ウェーハ表面が金属原子により汚染されることを防止できるだけでなく、２００℃以下の低温工程が可能となる。
【００２８】
図３に示されるように、半導体ウェーハ１上に層間絶縁膜３を形成する。前記層間絶縁膜３の所定領域上に下部金属配線５を形成する。前記下部金属配線５が形成された結果物全面に第１キャッピング絶縁膜７、例えばプラズマ酸化膜を形成する。前記第１キャッピング絶縁膜７が形成された結果物の全面に対して、表面が平坦化されたＳＯＧ膜９を形成する。前記平坦化されたＳＯＧ膜９は、液状のＳＯＧをスピンコーティング方式で塗布して形成する。この時、相互に隣り合う前記下部金属配線５間の凹部は平坦化されたＳＯＧ膜９で完全に満たされ、各下部金属配線５の上部には薄いＳＯＧ膜９が残存する。
【００２９】
図４に示されるように、前記平坦化されたＳＯＧ膜９の表面に対して、図１に示した本発明に係る電子ビーム照射装置を用いて電子ビームＥを照射する。この時、前記下部金属配線５の上部に残存する薄いＳＯＧ膜９はキュアリングされ、前記下部金属配線５間に満たされたＳＯＧ膜９はキュアリングされないように電子ビームＥのエネルギーを適当に調節する。その結果、平坦化されたＳＯＧ膜９の表面に一定の厚さを有するキュアリングされたＳＯＧ膜９'が形成される。ここで、ＳＯＧ膜９をキュアリングすればＳＯＧ膜９の特性が変化する。言い換えれば、キュアリングされたＳＯＧ膜９'はシリコン酸化膜と類似した特性を有する。より具体的には、キュアリングされていない初期のＳＯＧ膜９は、シリコン酸化膜に比べて低い誘電定数と高いエッチングレートとを示す。一方、キュアリングされたＳＯＧ膜９'はシリコン酸化膜とほとんど同じ誘電定数及びエッチングレートを示す。従って、ＳＯＧ膜９をキュアリングすることによって、ＳＯＧ膜９の誘電定数は高くなりエッチングレートは低くなる。
【００３０】
図５に示されるように、前記キュアリングされたＳＯＧ膜９'上に第２キャッピング絶縁膜１１、例えばプラズマ酸化膜を形成する。その後、前記第２キャッピング絶縁膜１１、キュアリングされたＳＯＧ膜９'、及び第１キャッピング絶縁膜７を連続的にエッチングすることによって、下部金属配線５の所定領域が露出されたビアホール１３を形成する。この場合、前記キュアリングされたＳＯＧ膜９'は、シリコン酸化膜、即ち、プラズマ酸化膜より形成された第１及び第２キャッピング絶縁膜７、１１とほとんど同じエッチングレートを示すので、ビアホール１３は正常的な側壁プロファイルを示す。すなわち、ＳＯＧ膜９'が水平方向に凹んでしまうことが防止される。一方、下部金属配線５間にはキュアリングされていないＳＯＧ膜９が残存するので、誘電定数が通常の酸化膜に比べて低くなり、下部金属配線５間の寄生キャパシタンスを最小化することができる。
【００３１】
図６に示されるように、前記ビアホール１３が形成された結果物全面にビアホール１３を満たす金属膜を形成し、前記金属膜をパタニングしてビアホール１３を覆う上部金属配線１５を形成する。
【００３２】
なお、上記の実施形態では、工程ガスのガス注入手段として、ガスが噴出される孔を備えたドーナツ状のガス注入リングを用いる場合を例にとって説明したが、本発明は、これに限られない。例えば、ガス注入手段は、単純なガス注入口であっても良い。
【００３３】
【発明の効果】
前述したように本発明によれば、陰極板から金属原子が放出される現象を根本的に抑制できる。これにより、ＳＯＧ膜またはフォトレジスト膜に電子ビームを照射する間に半導体ウェーハが金属により汚染される現象を防止できるので、半導体素子の電気的特性及び信頼性を安定化させることができる。
【００３４】
本発明は前記実施例に限られず、当業者の水準でその変形及び改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電子ビーム照射装置の概略断面図である。
【図２】  図１のガス注入リングの斜視図である。
【図３】  本発明に係る電子ビーム照射装置を使用して半導体素子を製造する方法を説明するための断面図である。
【図４】  図３に続く半導体素子を製造する方法を説明する断面図である。
【図５】  図４に続く半導体素子を製造する方法を説明する断面図である。
【図６】  図５に続く半導体素子を製造する方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
ＣＢ…チャンバ、
Ｉ…絶縁リング、
ＣＰ１…上部陰極板、
ＣＰ２…下部陰極板、
ＧＰ…グリッド板、
ＧＲ…ガス注入リング、
ＨＶＰ…高電圧電源、
ＬＶＰ…低電圧電源、
Ｐ…真空ポンプ、
Ｓ…サセプタ、
Ｖ…弁。
【図１】
0003742547.tif 000002
【図２】
0003742547.tif 000003
【図３】
0003742547.tif 000004
【図４】
0003742547.tif 000005
【図５】
0003742547.tif 000006
【図６】
0003742547.tif 000007