JPH0883842A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0883842A
JPH0883842A JP6217470A JP21747094A JPH0883842A JP H0883842 A JPH0883842 A JP H0883842A JP 6217470 A JP6217470 A JP 6217470A JP 21747094 A JP21747094 A JP 21747094A JP H0883842 A JPH0883842 A JP H0883842A
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only

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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置の多層配線用層間絶縁膜に非晶質
炭素膜を使用し、信号遅延を低減させる。 【構成】 真空装置内にあらかじめアルミニウム等で配
線を形成したシリコン基板を設置し、続いて真空装置中
で炭素水素ガス系によってプラズマを発生させる。生成
された炭化水素ラジカル、イオンによって、ＳｉＯ2 よ
りも誘電率の低い非晶質炭素膜を堆積させ、半導体装置
用層間絶縁膜とする。また同時にフッ素ガスを流入し、
同様プラズマによってフッ素のラジカル、イオンを生成
し、非晶質炭素膜中にフッ素を含有させて低誘電率させ
る。この低誘電率の非晶質炭素膜、及び含フッ素非晶質
炭素膜を半導体装置の多層配線用層間絶縁膜に用いるこ
とにより、信号遅延を低減させる。また非晶質炭素膜中
にフッ素を含有させる場合は、フッ素含有量に深さ方向
の分布を持たせることにより、非晶質炭素膜のはがれを
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、層間絶縁膜に低誘電率
絶縁材料を用いて、従来の半導体装置に比べて配線遅延
を減少させた、高速の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】今後の半導体装置の配線幅、配線間隔の
減少によって、半導体装置の配線浮遊容量、及び配線抵
抗の増大が生じ、それにともなう配線遅延の増大から、
半導体装置の高速動作に障害が生じるようになってく
る。そこで配線遅延を低減させる目的で、現在多層配線
層における絶縁材料の見直しが行われている。一般に配
線遅延は、絶縁材料の比誘電率の平方根に比例するの
で、絶縁材料に比誘電率の低いものを用いることによっ
て配線遅延を減少させることが可能になる。現在層間絶
縁膜材料には、比誘電率が４程度であるＳｉＯ2 等が使
用されており、比誘電率を３以下に低下させることが望
まれている。そこでＳｉＯ2 にフッ素を含有させて比誘
電率を低下させたＳｉＯＦ膜、あるいはＳｉＯ2 等の無
機材料よりも誘電率の低いポリイミド等の有機材料が低
誘電率の層間絶縁材料として検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらフッ素含
有量ＳｉＯ2 は、誘電率の低下が顕著ではなく、現在比
誘電率が３程度にとどまっており、膜の吸湿性などの問
題点が存在する。またポリイミド樹脂を用いた場合で
は、約４００℃程度と耐熱性に限界があること、ウエッ
トなプロセスで膜中水分が素子に影響を与えること、キ
ュアー時の堆積収縮によってクラックの発生があること
などの欠点が存在する。
【０００４】本発明の課題は、このような材料に変え
て、素子の信頼性を損ねることのない、低誘電率の絶縁
材料を半導体装置の層間絶縁膜に用いた構造を提供する
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
従来の層間絶縁膜に変えて、非晶質炭素膜１０１を層間
絶縁膜に用いたもので、図１にその構造の一例を示す。
【０００６】この非晶質炭素膜は、フッ素を含有させな
くても比誘電率が３以下になる低誘電率絶縁材料であ
り、フッ素を含有させることによって、さらに比誘電率
を２．５程度まで低下させることが可能である。非晶質
炭素膜の構造は、炭素原子が高度に架橋した構造になる
ため、ポリイミドよりも耐熱性が高く、さらに重合時に
水分の発生が無く膜中水分が存在しないなどの優れた特
徴を有している。
【０００７】この非晶質炭素膜を半導体装置の層間絶縁
膜に使用することにより、素子の信頼性を損ねることな
く、配線遅延を減少させた半導体装置を実現することが
可能となる。
【０００８】
【作用】本発明で使用する非晶質炭素膜は、炭化水素系
のモノマー分子をプラズマ化し、生成された炭素のラジ
カル分子、イオンなどを基板上で反応させて形成され
る。用いる原料モノマー分子はＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ4 、Ｃ2
Ｈ2 などの炭化水素系ガス、あるいはナフタリンなどの
固体、液体分子を用いても良い。またそのとき同時にＣ
Ｆ4 、Ｃ2 Ｆ8 、Ｃ2 Ｆ4 、Ｃ2 Ｆ2 、ＳＦ6 等のフッ
素系ガスを流入させ、同様にプラズマでフッ素ラジカ
ル、イオンを発生させて、非晶質炭素膜中にフッ素を含
有させる。このとき下地との界面にフッ素が存在する
と、非晶質炭素膜と下地との密着性が低下し、膜がはが
れやすくなるので、界面にはフッ素を存在させず、非晶
質炭素膜中のみにフッ素を存在するようにフッ素含有量
に深さ方向の分布を持たせることにより、絶縁材料の密
着性の低下を防止する。
【０００９】
【実施例】本発明を図面に基づいて説明する。図２は含
フッ素非晶質炭素膜を形成させるための装置の概略図で
ある。装置は支持台２０１に設置した真空槽内に、電極
２０５、２０７を設け、その間に高周波電源装置２０８
から直流及び交流電力を印加できるようになっている。
また下部電極２０７には試料加熱装置（図示してはいな
い）が設けられており、試料を任意の温度に加熱するこ
とが可能である。
【００１０】この装置によって非晶質炭素膜を形成させ
るには、下部電極２０７あるいは、上部電極２０５上に
シリコン基板等の試料２０６を設置する。下部電極には
高周波が印加されるので、電極には数百ボルトの負のバ
イアスが印加される。下部電極に試料を設置して成膜し
た場合は、試料にこのバイアスで加速されたイオンが照
射され、膜中の水素含有量が少ない、より架橋した非晶
質炭素膜が得られる。それに対してアース電位の上部電
極に試料を設置して成膜した場合は、イオンが下部電極
よりも加速されず、より水素が含有した非晶質炭素膜が
得られる。
【００１１】試料を電極に設置後、装置にガスボンベ２
０３からＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ4 、Ｃ2 Ｈ2 等の炭化水素ガス
を導入し、真空度０．０１−０．５Ｔｏｒｒで、電極間
に高周波電力あるいは、直流電力を印加してグロー放電
させ、炭化水素のプラズマを発生させる。
【００１２】この炭素プラズマにより非晶質炭素膜を堆
積させる。またこのとき、非晶質炭素膜を堆積させる試
料を任意の温度に加熱して、ラジカルやイオンの反応性
を制御し、膜中水素濃度などの膜質を制御する。非晶質
炭素膜中にフッ素を含有させるときには、ガスボンベ２
０３から同時にＣＦ4 、ＳＦ6 、Ｃ2 Ｆ4 、ＮＦ3 、Ｃ
2 Ｆ6 等のフッ素系ガスを導入し、同様プラズマ化し
て、膜中に含有させる。
【００１３】次に具体的な実験例を示す。図１は、本発
明の非晶質炭素膜を絶縁材料に用いることを特徴とした
半導体装置の断面模式図である。
【００１４】まず公知の技術でトランジスタをシリコン
基板１０５上等に形成し、アルミニウム等の電極材料を
堆積後、公知のリソグラフィ技術により配線にパターン
を形成する。次にアルミニウム配線１０２、１０３が形
成されたシリコン基板を図２のプラズマ装置中に設置す
る。
【００１５】シリコン基板を設置したプラズマ装置に、
ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ4 、Ｃ2 Ｈ2 等の炭化水素系ガスを流入
させ、続いて電極に高周波電力を印加して放電させ、炭
化水素系ガスをプラズマ化する。なお原料としては他に
ナフタリン等の固体分子、あるいは液体の炭化水素分子
も使用できる。そして放電には高周波放電の他、直流放
電、マイクロ波放電、マグネトロン型あるいはコイルに
よって放電させる誘導結合型等も使用可能である。そし
て生成された炭化水素のラジカル分子、イオン等を用い
て、シリコン基板上に膜を堆積させる。
【００１６】また膜中にフッ素を含有させる場合は、同
時にＣＦ4 、ＳＦ6 、Ｃ2 Ｆ4 、ＮＦ3 、Ｃ2 Ｆ6 など
のフッ素系ガスを流入させて、同様にガスをプラズマ化
してフッ素を含有させる。
【００１７】ＣＨ4 ガスのみを１０ＳＣＣＭ装置に流入
させ、真空度０．１Ｔｏｒｒ、高温で高周波を５０Ｗ印
加させて、下部電極で成膜した場合の膜の比誘電率は
２．９であった。同じ条件で高周波を１００Ｗ印加する
と比誘電率は３．２に上昇した。高周波電力を上昇させ
ると、より膜の架橋が進み、比誘電率が上昇したと考え
られる。続いて非晶質炭素膜中にフッ素を含有させた実
施例を示す。下部電極に試料を設置して、ＣＨ4 ガスを
５ＳＣＣＭ、ＣＦ4 ガスを５０ＳＣＣＭプラズマ装置中
に流入させ、ＲＦ電力１００Ｗを印加して成膜した場
合、膜の誘電率は２．５まで低下した。この含フッ素非
晶質炭素膜と、ＣＨ4 ガスのみを１０ＳＣＣＭ流入させ
て高周波電力１００Ｗで成膜した非晶質炭素膜の、２次
イオン質量分析法による、深さ方向フッ素含有量評価の
結果を図３に示す。フッ素を含有させた試料のフッ素含
有量（ａ）は、含有させていないもの（ｂ）に対して約
２桁大きい。またこのフッ素含有量は炭化水素系ガスに
対するフッ素系ガスの流量を変化させることによって制
御することが可能である。炭化水素とフッ素ガスの流量
比に対する膜中フッ素濃度の関係は図４のようになっ
た。
【００１８】しかし、フッ素の含有した非晶質炭素膜を
シリコンあるいはアルミニウム上に直接堆積させると、
界面に存在するフッ素のために、堆積させた非晶質炭素
膜にはがれが生じる場合がある。そこで本発明では、膜
のはがれを発生させないで、含フッ素非晶質炭素膜を堆
積させることのできる、フッ素原子の膜中フッ素プロフ
ァイルの最適化を行った。
【００１９】成膜のはじめはフッ素系ガスを流入させな
いで、途中からＣＦ4 ガスを流入させて成膜したとき
の、非晶質炭素膜の深さ方向フッ素含有量を図５に示
す。このように、膜中フッ素に深さ方向の分布を設ける
と、下地のアルミニウムやＳｉＯ2 と、非晶質炭素膜と
の界面にフッ素が存在しないため、界面の密着性を高め
ることが可能となる。膜のはがれ試験の結果、非晶質炭
素膜のはがれ度合いを、成膜の初期の段階からフッ素を
流入させたものに比べて約８０％向上させることができ
た。また図５に示した実施例では、非晶質炭素膜中から
下地との界面に向かうに従って、徐々にフッ素含有量が
低下するプロファイルを持たせたが、フッ素が下地との
界面に存在しないことが必要な効果であり、従って界面
で急にフッ素含有量が零になるような急峻なプロファイ
ルを用いても本実施例と同様の効果を持たせることがで
きる。
【００２０】次に含フッ素非晶質炭素膜と、通常の非晶
質炭素膜の電流電圧特性を図６に示す。含フッ素非晶質
炭素膜の絶縁性が通常の非晶質炭素膜に比べて向上して
いることが分かる。これは非晶質炭素膜中に存在するト
ラップ準位をフッ素が終端して準位がなくなったために
生じると考えられる。
【００２１】非晶質炭素膜、及び非晶質炭素膜内部にフ
ッ素が含有された膜を層間絶縁膜に用いた半導体装置の
信号遅延時間の減少度合いを図７に示す。なおこの図で
は、同様の半導体装置で、ＳｉＯ2 を層間絶縁膜に用い
た場合に計測された信号遅延を１００％として規格化し
ている。フッ素の含有されていない非晶質炭素膜を用い
た場合でも、ＳｉＯ2 を層間絶縁膜に使用した場合に比
べて層間絶縁膜が低誘電率化されるので、素子の高速化
を行うことができた。そして膜中のフッ素含有量が多く
なるにつれて非晶質炭素膜がさらに低誘電率化し、信号
遅延がより減少する。特に、比誘電率２．５の含フッ素
非晶質炭素膜を用いて、遅延時間を８０％まで減少させ
ることができた。
【００２２】以上は下部電極側で成膜を行った場合の実
施例であるが、上部電極側で成膜を行った非晶質炭素
膜、含フッ素非晶質炭素膜を用いても、同様に半導体装
置の高速化を行うことができることを確認した。さらに
マグネトロン、ヘリコン波、及びマイクロ波を用いた放
電によって成膜した非晶質炭素膜でも、比誘電率２．
９、含フッ素化させて比誘電率２．５という値が得ら
れ、この膜を層間絶縁膜に用いることによって、高周波
放電の場合と同様に素子の高速化を行うことができた。
【００２３】このように非晶質炭素膜、及びフッ素含有
非晶質炭素膜を層間絶縁膜に用いることにより、従来よ
りも配線の信号遅延の少ない半導体素子を作成する事を
可能とした。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は非晶質炭
素膜、及びフッ素含有非晶質炭素膜を半導体装置の多層
配線用層間絶縁膜に使用することで、信頼性を損ねるこ
となく半導体装置の高速化を行うことのできる半導体装
置を実現させた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、非晶質炭素膜を層間絶縁膜に用いた
半導体装置の断面模式図である。
【図２】本発明で使用する、非晶質炭素膜形成装置の概
略図である。
【図３】本発明により作成した非晶質炭素膜の、深さ方
向フッ素含有量の分布を示す図である。
【図４】ＣＦ4 ／ＣＨ4 流量比を変化させたときの非晶
質炭素膜中のフッ素含有量を示す図である。
【図５】フッ素含有量に深さ方向の分布を持たせて含フ
ッ素化させたときの、非晶質炭素膜の深さ方向フッ素含
有量の分布を示す図である。
【図６】本発明により形成した非晶質炭素膜の、絶縁耐
圧特性図である。
【図７】本発明の半導体装置の信号遅延時間を示す図で
ある。
【符号の説明】
１０１ 非晶質炭素膜 １０２ 第２層アルミニウム １０３ 第１層アルミニウム １０４ ＳｉＯ2 １０５ シリコン基板 ２０１ 支持台 ２０２ 真空ポンプ ２０３ ガスボンベ ２０４ 真空容器 ２０５ 上部電極 ２０６ 試料 ２０７ 下部電極 ２０８ 高周波電源 ２０９ 上蓋

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】非晶質炭素膜を層間絶縁材料に用いること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】非晶質炭素膜にフッ素を含有させることを
    特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】フッ素の含有量に深さ方向の分布を持たせ
    ることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
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