説明

フッ素系薄膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法

【課題】低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができるフッ素系薄膜の成膜方法及び該成膜方法を用いた半導体装置の製造方法の提供。
【解決手段】本発明のフッ素系薄膜の成膜方法は、基板上にフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するフッ素系薄膜の成膜方法であって、前記基板上にガスを照射するガス照射工程と、前記フッ素系樹脂をプラズマ化するプラズマ化工程とを含む。イオン化蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレション法、イオンビームスパッタ法から選択される少なくとも1種によりフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜する態様等が好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フッ素系薄膜の成膜方法及び該成膜方法を用いた半導体装置の製造方法、特に、LSI配線の層間絶縁膜として用いられるフッ素系薄膜の成膜方法及び該成膜方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
LSI配線の信号速度の高速化が要求されているが、この信号の遅延速度は、配線抵抗Rと層間絶縁膜の容量Cとの積RCに比例する。よって、信号の遅延速度を小さくするには、配線抵抗R及び層間絶縁膜の容量Cの少なくともいずれかを小さくすればよい。よって、より誘電率の低い層間絶縁膜の材料が要求されている。
【0003】
従来より、LSI配線の低誘電率の層間絶縁膜として、スピンコートで成膜される有機系のポリアリールエーテルや、CVD法によって成膜されるSiCOH系材料等が検討されてきた。しかし、誘電率が2.4以下の低誘電率(ULK)材料は少なかった。
【0004】
また、前記SiCOH系材料に空孔を導入してポーラス構造とすることにより誘電率を低下させることがなされてきたが、空孔を導入してポーラス構造とすると、機械的強度が弱くなったり、空孔に水が吸着して絶縁性が損なわれてしまい配線間リークが発生するという問題があった。
【0005】
また、ポリテトラフルオロエチレンは、炭素とフッ素との結合における結合エネルギが大きく、バルクの比誘電率が1.9と低く、化学的にも安定であるが、可溶な溶媒がないためにコーティングには溶融法が用いられ、薄膜化乃至成型が困難であった。ここで、ビニル系ポリマーとの共重合体とすること等により溶媒への可溶化を図ることができるが、この共重合体は誘電率が高くなり、層間絶縁膜として用いることができない。
【0006】
また、CVD法によるフッ素系薄膜の成膜が試みられているが(特許文献1参照)、モノマーガス(CFガス、SFガス等)を原材料としているためランダムな架橋反応が起こり、また、モノマーガスとしてCFガスを用いた場合、基板においてエッチングと堆積が競合して起こり、低誘電率且つ化学的に安定な薄膜が得られていない。
【0007】
【特許文献1】特開平9−40795号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができるフッ素系薄膜の成膜方法及び該成膜方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
本発明のフッ素系薄膜の成膜方法は、基板上にフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するフッ素系薄膜の成膜方法であって、前記基板上にガスを照射するガス照射工程と、前記フッ素系樹脂をプラズマ化するプラズマ化工程とを含むことを特徴とする。
【0010】
該フッ素系薄膜の成膜方法では、ガス照射工程において基板上にガスが照射され、プラズマ化工程においてフッ素系樹脂がプラズマ化される。その結果、基板上で重合反応が生じ、高分子量のフッ素系樹脂を基板上に成膜することができ、もって、低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができる。
【0011】
本発明の半導体装置の製造方法は、本発明のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程を含むことを特徴とする。
【0012】
該半導体装置の製造方法では、層間絶縁膜形成工程において、基板上にガスが照射され、フッ素系樹脂がプラズマ化されることによって成膜されたフッ素系薄膜が層間絶縁膜として形成される。その結果、低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができ、もって層間絶縁膜の絶縁性を維持することにより配線間リークを防止してLSI配線の信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、前記従来における諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができるフッ素系薄膜の成膜方法及び該成膜方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
(フッ素系薄膜の成膜方法)
本発明のフッ素系薄膜の成膜方法は、基板上にフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するフッ素系薄膜の成膜方法であって、前記基板上にガスを照射するガス照射工程と、前記フッ素系樹脂をプラズマ化するプラズマ化工程とを含み、更に必要に応じて適宜選択した、その他の工程を含む。
【0015】
−ガス照射工程−
前記ガス照射工程は、基板上にガスを照射する工程である。
【0016】
前記基板上に照射されるガスとしては、水素ガス、ハイドロカーボンガス(例えば、CHガス)が挙げられ、これらのガスをラジカルイオンビームとして照射する(活性種吹きかけする)ことが好ましい。前記ガスとして、水素ガス、ハイドロカーボンガス(例えば、CHガス)を用いると、前記基板上に成膜されるフッ素系樹脂の分子を大きくすることができる。また、これらのガスをラジカルイオンビームとして照射する(活性種吹きかけする)と、前記基板上に高分子量のフッ素系薄膜(CFx膜)を形成することができる。
【0017】
−プラズマ化工程−
前記プラズマ化工程は、フッ素系樹脂をプラズマ化する工程である。
【0018】
前記フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン(CF−(C−CF)であることが好ましい。また、このポリテトラフルオロエチレンは、CF−(C−CFにおけるnが5〜200のオリゴマーであることが好ましく、nが90〜110のオリゴマーであることがより好ましい。nが200より大きいと、蒸着が困難となることがあり、nが5未満であると、高分子化しにくくなることがある。
【0019】
前記フッ素系樹脂としてポリテトラフルオロエチレンのオリゴマーを用いているため、モノマーガスを原材料とするCVD法と比較してランダムな架橋が抑制され、より低い誘電率の薄膜が形成可能である。
【0020】
−その他の工程−
前記その他の工程としては、基板とフッ素系樹脂を蒸発する蒸発源部との間に設けられたセパレータにより、前記基板を含む第1の領域と、前記蒸発源部を含む第2の領域とを分割する分割工程、前記分割された第2の領域を差動排気する差動排気工程、フッ素系樹脂とシリカ粒子とを共蒸着する共蒸着工程等が挙げられる。
【0021】
前記分割工程において、基板とフッ素系樹脂を蒸発する蒸発源部との間に設けられたセパレータにより、前記基板を含む第1の領域と、前記蒸発源部を含む第2の領域とを分割し、前記差動排気工程において、前記第2の領域を差動排気すると、第2の領域が高真空となるように排気されるため、第1の領域におけるガスの濃度を高めると共にフッ素系樹脂の蒸発速度を安定化することができ、もってフッ素系薄膜の組成コントロールの精度を向上することができる。
【0022】
前記共蒸着工程において、フッ素系樹脂とシリカ粒子とが共蒸着されることによって、成膜された蒸着膜の誘電率をより低くすることができる。前記シリカ粒子は空孔を有し、前記空孔にフッ素系樹脂が埋め込まれる。前記シリカ粒子は、空孔径が10nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。空孔孔を10nm以下にすることによって、シリカ粒子とフッ素系樹脂とが混合した蒸着膜を均一に形成することができる。
【0023】
本発明のフッ素系薄膜の成膜方法では、イオン化蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレション法、イオンビームスパッタ法等によりフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜することが好ましい。この中でも、イオン化蒸着法に含まれるイオンクラスタビーム法がより好ましい。
【0024】
本発明のフッ素系薄膜の成膜方法によれば、基板上で重合反応が生じ、高分子量のフッ素系樹脂を基板上に成膜することができる。また、CVD法と比較して簡便な方法で安価な装置で薄膜化可能であり、CVD法よりも低温で成膜できる。また、本発明のフッ素系薄膜の成膜方法で用いるオリゴマー材料はCVD法で用いる材料よりも安いので、本発明のフッ素系薄膜の成膜方法はCVD法よりもコスト的に有利である。また、前記フッ素系樹脂をコーティング材として用いた場合、溶融成型と比較して低い温度で成型することができ、薄膜化することができる。
【0025】
(半導体装置の製造方法)
本発明の半導体装置の製造方法は、本発明のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程を含み、更に必要に応じて適宜選択したその他の工程を含む。
【0026】
−層間絶縁膜形成工程−
前記層間絶縁膜形成工程は、本発明のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜を形成する工程である。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ガス照射工程において基板上にガスが照射され、プラズマ化工程においてフッ素系樹脂がプラズマ化されることによって成膜されたフッ素系薄膜が層間絶縁膜として形成される。その結果、低誘電率且つ化学的に安定なフッ素系薄膜を成膜することができ、もって層間絶縁膜の絶縁性を維持することにより配線間リークを防止してLSI配線の信頼性を向上することができる。
【0027】
−その他の工程−
前記その他の工程としては、後述するSiCOH膜形成工程、パターニング工程、バリアメタル形成工程、及び配線層形成工程等が挙げられる。
【0028】
前記層間絶縁膜形成工程及び前記その他の工程を含む半導体装置の製造方法として、LSI配線の製造方法を以下に示す。
【0029】
まず、図1Aに示すように、半導体基板2上にSiCOH膜3をプラズマCVD法により300nm形成し(SiCOH膜形成工程)、前記形成されたSiCOH膜3上に本発明のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜4を形成する(層間絶縁膜形成工程)。
【0030】
次に、図1Bに示すように、前記SiCOH膜3及び前記層間絶縁膜4をパターニングしてビア・ホールと配線層が設けられるトレンチ溝とを形成し(パターニング工程)、さらに、図1Cに示すように、前記パターニングされたSiCOH膜3及び層間絶縁膜4上にTaからなるバリアメタル層5をスパッタ法により30nm形成する(バリアメタル層形成工程)。
【0031】
最後に、図1Dに示すように、前記形成されたバリアメタル層5上にCuからなる配線層6をメッキ法により形成し(配線層形成工程)、デュアルダマシン構造の配線を形成する。
【実施例】
【0032】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【0033】
(実施例1)
−フッ素系薄膜の成膜方法−
図2において、イオン化部及び加速電極を備えた蒸発源部20にポリテトラフルオロエチレンのオリゴマー(CF−(C−CF、n=90〜110)(セフラルルーブ、セントラル硝子株式会社製)を入れ、ポンプ21により真空槽22内を1.33×10−4(Pa)(1×10−6(Torr))まで減圧し、低抵抗Si基板23を載置台(不図示)上に設置し、前記設置された低抵抗Si基板23をヒータ24によって150℃に加熱し、前記加熱された低抵抗Si基板23上にCHガスを導入管25から照射し(流量15sccm)、蒸発源部20を加熱すると共にイオン化電圧100Vを印加することによってポリテトラフルオロエチレンのオリゴマーをプラズマ化して、加速電圧500Vで前記低抵抗Si基板23上に平均厚み300nmの薄膜をイオンクラスタービーム法により形成した。また、ガス照射時における真空槽22内の圧力は5.33×10−3(Pa)(4×10−5(Torr))であった。なお、前記平均厚みは、分光エリプソメータ(日本分光株式会社製)にて測定した。
【0034】
−フッ素系薄膜の評価−
前記低抵抗Si基板23上に形成された薄膜の誘電率を測定したところ2.2であった。なお、一般的な方法であるプラズマCVD法により、C及びCを用いて成膜したCF膜の誘電率は2.4である(例えば、応用物理、第65巻、第11号、pp.1153−1157(1996))ので、実施例1の薄膜は、従来のCF膜と比較して誘電率が低減されていることが分かる。
【0035】
また、前記低抵抗Si基板23上に形成された薄膜のFTIRスペクトルを測定したところ図3に示されるものであった。なお、図3のFTIRスペクトルにおいてピークAはCF結合を表し、ピークBはC=CFの非対称ストレッチを表す。
【0036】
(実施例2)
−フッ素系薄膜の成膜方法−
図4において、まず、低抵抗Si基板43とフッ素系樹脂を蒸発する抵抗加熱セル(蒸発源部)40との間にセパレータ49を設け、前記低抵抗Si基板43を含む第1の領域48Aと、前記抵抗加熱セル(蒸発源部)40を含む第2の領域48Bとに分割する。抵抗加熱セル(蒸発源部)40にポリテトラフルオロエチレンのオリゴマー(CF−(C−CF、n=90〜110)(セフラルルーブ、セントラル硝子株式会社製)を入れ、第1ポンプ41により第2の領域48B内を1.33×10−4(Pa)(1×10−6(Torr))まで減圧し、第2ポンプ47により第1の領域48A内を1.33×10−3(Pa)(1×10−5(Torr))まで減圧する(第2の領域48Bを差動排気する)。次に、低抵抗Si基板43を載置台(不図示)上に設置し、前記設置された低抵抗Si基板43をヒータ44によって200℃に加熱し、前記加熱された低抵抗Si基板43上にHガスを導入管45から照射した。なお、ガス照射時における第1の領域48A内の圧力は5.33×10−3(Pa)(4×10−5(Torr))であった。
【0037】
さらに、前記抵抗加熱セル(蒸発源部)40を300℃まで加熱すると共に第1の領域48A内に導入したRF電極46に高周波(13.56MHz)を印加し、ポリテトラフルオロエチレン/H混合系のプラズマを発生させて、前記低抵抗Si基板43上に平均厚み300nmの薄膜を50nm/minで反応性蒸着法により形成した。なお、平均厚みは、分光エリプソメータ(日本分光株式会社製)にて測定した。
【0038】
−フッ素系薄膜の評価−
前記低抵抗Si基板43上に形成された薄膜の誘電率を測定したところ2.2であった。なお、一般的な方法であるプラズマCVD法により、C及びCを用いて成膜したCF膜の誘電率は2.4である(例えば、応用物理、第65巻、第11号、pp.1153−1157(1996))ので、実施例2の薄膜は、従来のCF膜と比較して誘電率が低減されていることが分かる。
【0039】
(実施例3)
−フッ素系薄膜の成膜方法−
図5において、第1の抵抗加熱セル(蒸発源部)50にポリテトラフルオロエチレンのオリゴマー(CF−(C−CF、n=90〜110)(セフラルルーブ、セントラル硝子株式会社製)を入れ、第2の抵抗加熱セル(蒸発源部)51に10nm以下の空孔を有するナノシリカ粒子を入れ、ポンプ52より真空槽53内を1.33×10−4(Pa)(1×10−6(Torr))まで減圧し、低抵抗Si基板54を載置台(不図示)上に設置し、前記設置された低抵抗Si基板54をヒータ55によって200℃に加熱し、前記加熱された低抵抗Si基板54上にHラジカル・イオンビームを導入管56から照射した。なお、ガス照射時における真空槽53内の圧力は5.33×10−3(Pa)(4×10−5(Torr))であった。
【0040】
次に、前記第1の抵抗加熱セル(蒸発源部)50及び前記第2の抵抗加熱セル(蒸発源部)51を加熱し、ポリテトラフルオロエチレン/シリカ/H混合系のプラズマを発生させて、前記低抵抗Si基板54上に平均厚み300nmの薄膜を30nm/minで共蒸着により形成した。なお、平均厚みは、分光エリプソメータ(日本分光株式会社製)にて測定した。
【0041】
−フッ素系薄膜の評価−
前記低抵抗Si基板54上に形成された薄膜の誘電率を測定したところ2.1であった。ナノシリカと共蒸着することにより、実施例1及び2(誘電率2.2)よりも僅かであるが誘電率が低減された。
【0042】
本発明の好ましい態様を付記すると、以下の通りである。
(付記1)基板上にフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するフッ素系薄膜の成膜方法であって、前記基板上にガスを照射するガス照射工程と、前記フッ素系樹脂をプラズマ化するプラズマ化工程とを含むことを特徴とするフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記2)イオン化蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレション法、イオンビームスパッタ法から選択される少なくとも1種によりフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜する付記1に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記3)イオン化蒸着法はイオンクラスタビーム法である付記2に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記4)基板上に照射されるガスは、水素ガス及びハイドロカーボンガスの少なくともいずれかである付記1から3のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記5)フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレンである付記1から4のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記6)ポリテトラフルオロエチレンは、CF−(C−CFにおけるnが5〜200のオリゴマーである付記5に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記7)ガス照射工程において、基板上にガスをラジカルイオンビームとして照射する付記1から6のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記8)基板とフッ素系樹脂を蒸発する蒸発源部との間に設けられたセパレータにより、前記基板を含む第1の領域と、前記蒸発源部を含む第2の領域とを分割する分割工程と、前記分割された第2の領域を差動排気する差動排気工程とをさらに含む付記1から7のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記9)フッ素系樹脂とシリカ粒子とを共蒸着する共蒸着工程をさらに含む付記1から8のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記10)シリカ粒子は空孔を有し、前記空孔にフッ素系樹脂が埋め込まれる付記9に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記11)シリカ粒子は、空孔径が10nm以下である付記10に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
(付記12)付記1から11のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明のフッ素系薄膜の成膜方法は、LSI配線の層間絶縁膜の形成ひいては半導体装置の製造方法への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1A】図1Aは、半導体基板上にSiCOH膜を形成するSiCOH膜形成工程及び層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程の説明図である。
【図1B】図1Bは、基板上に形成されたSiCOH膜及び前記層間絶縁膜をパターニングするパターニング工程の説明図である。
【図1C】図1Cは、バリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程の説明図である。
【図1D】図1Dは、バリアメタル層上にCuからなる配線層を形成する配線層形成工程の説明図である。
【図2】図2は、フッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するイオンクラスタービーム法の説明図である。
【図3】図3は、フッ素系樹脂からなる薄膜のFTIRスペクトルである。
【図4】図4は、フッ素系樹脂からなる薄膜を成膜する反応性蒸着法の説明図である。
【図5】図5は、フッ素系樹脂からなる薄膜を成膜する共蒸着法の説明図である。
【符号の説明】
【0045】
2 半導体基板
3 SiCOH膜
4 層間絶縁膜
5 バリアメタル層
6 配線層
20 蒸発源部
21 ポンプ
22 真空槽
23 低抵抗Si基板
24 ヒータ
25 導入管
40 抵抗加熱セル(蒸発源部)
41 第1ポンプ
43 低抵抗Si基板
44 ヒータ
45 導入管
46 RF電極
47 第2ポンプ
48A 第1の領域
48B 第2の領域
49 セパレータ
50 第1の抵抗加熱セル(蒸発源部)
51 第2の抵抗加熱セル(蒸発源部)
52 ポンプ
53 真空槽
54 低抵抗Si基板
55 ヒータ
56 導入管

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上にフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜するフッ素系薄膜の成膜方法であって、前記基板上にガスを照射するガス照射工程と、前記フッ素系樹脂をプラズマ化するプラズマ化工程とを含むことを特徴とするフッ素系薄膜の成膜方法。
【請求項2】
イオン化蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレション法、イオンビームスパッタ法から選択される少なくとも1種によりフッ素系樹脂からなる薄膜を成膜する請求項1に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
【請求項3】
基板上に照射されるガスは、水素ガス及びハイドロカーボンガスの少なくともいずれかである請求項1から2のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
【請求項4】
フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレンである請求項1から3のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
【請求項5】
ポリテトラフルオロエチレンは、CF−(C−CFにおけるnが5〜200のオリゴマーである請求項4に記載のフッ素系薄膜の成膜方法。
【請求項6】
請求項1から5のいずれかに記載のフッ素系薄膜の成膜方法を用いて層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【図1A】
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【図1B】
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【図1C】
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【図1D】
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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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【公開番号】特開2008−244040(P2008−244040A)
【公開日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−80814(P2007−80814)
【出願日】平成19年3月27日(2007.3.27)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】