JP2007165717A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents
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Abstract
【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
【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
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (6)
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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US (1) | US20070243327A1 (ja) |
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
JP2005072584A (ja) * | 2003-08-20 | 2005-03-17 | Asm Japan Kk | 低誘電率及び低膜応力を有するシリコン系絶縁膜を形成する方法 |
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2005
- 2005-12-15 JP JP2005362100A patent/JP2007165717A/ja active Pending
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