JPH09246263A - 非晶質炭素膜及びその製造方法及び半導体装置 - Google Patents

非晶質炭素膜及びその製造方法及び半導体装置

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JPH09246263A
JPH09246263A JP8049764A JP4976496A JPH09246263A JP H09246263 A JPH09246263 A JP H09246263A JP 8049764 A JP8049764 A JP 8049764A JP 4976496 A JP4976496 A JP 4976496A JP H09246263 A JPH09246263 A JP H09246263A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低比誘電率で膜中水分が少なく、かつ耐熱性
に優れた配線層間絶縁膜材料と、それを配線層間絶縁膜
とする半導体装置を提供する。 【解決手段】 真空装置内にあらかじめトランジスタ、
および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、続いて真空装置中にフルオロカーボンやSF6
等のフッ素系ガスを流入させ、さらにベンゼン環を含有
する芳香族炭化水素を同様に流入させる。続いてこれら
のガスを放電させてプラズマ化し、プラズマ中に生成さ
れたこれらの原料ガスの活性種により含フッ素非晶質炭
素膜中にベンゼン環を含有させ、半導体装置用の配線間
の層間絶縁膜とする。ベンゼン環含有含フッ素非晶質炭
素膜を、半導体装置の多層配線用の配線間絶縁膜に用い
ることにより、半導体装置の信号遅延を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置におい
て配線に用いられる絶縁材料で、比誘電率が低く、従来
の半導体装置に比べて配線遅延を減少させることの出来
る絶縁材料に関する。
【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、多層配線層
における絶縁材料の見直しが行われている。
【0003】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。
【0004】従来の層間絶縁膜材料としては、比誘電率
が約4程度であるSiO2 等が使用されている。この他
にも、SiO2 にフッ素を含有させて比誘電率を3.5
程度に低下させたSiOF膜も存在する。しかし、今後
の半導体装置の配線幅、配線間隔の更なる減少を考える
と、比誘電率を3以下に低下させることが望まれる。
【0005】そこで、SiO2 等の無機材料よりも誘電
率が低く、比誘電率が約3程度の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。
【0006】しかし、有機材料を半導体装置の層間絶縁
膜に利用するには、有機材料を薄く、均一に基板上に堆
積させる必要がある。ポリイミド等の通常の有機材料
は、基板上に前駆体を均一に塗布し、続いて加熱重合に
よって高分子化する塗布法が用いられている。この場
合、膜を均一に塗布するためには溶液の粘度を下げる必
要があり、厚い膜を形成するためには何度も塗り重ねる
必要があった。
【0007】それに対して、プラズマ重合法は、原料分
子をガスとして真空中に導入し、プラズマを生成して原
料分子を活性化して基板上で高分子化させる方法であ
る。このプラズマ重合法によれば、プラズマ中の活性種
の面内分布を均一化することにより、基板上に均一に膜
を形成することができ、また膜厚制御も容易である。
【0008】このプラズマ重合法を用い、ベンゼンやト
ルエンを原料ガスとして作製された膜は、基板上に均一
に形成され、また膜厚制御も容易であるが、その比誘電
率は3から3.5程度であった。
【0009】一方、比誘電率3以下を実現する絶縁膜と
しては、本発明者が特願平6−217470号明細書で
述べている、メタンなどの炭化水素ガスとCF4 などの
フッ素系ガスをプラズマ化し、生成されたラジカル分
子、イオンなどを基板上で反応させて形成される含フッ
素非晶質炭素膜がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ポリイミド等
の有機材料は、比誘電率が3程度であるものの、塗布法
による膜形成を行うため、基板上に均一に膜を形成し、
厚い膜を形成するためには多くの工数を要す。さらに、
ポリイミド樹脂を層間絶縁膜として用いる場合には、ウ
ェットなプロセスで膜中水分が素子に影響を与えたり、
キュアー時の堆積収縮によってクラックの発生があるな
どの問題がある。
【0011】また、特願平6−217470号出願明細
書に記載の含フッ素非晶質炭素膜は、比誘電率3以下を
実現し、膜形成時に水分の発生がなく膜中水分が存在し
ないなど優れた特性があるものの、さらなる耐熱性が望
まれた。
【0012】そこで本発明は、上記課題を解決し、比誘
電率が3以下で、かつ膜中水分が少なく、耐熱性に優れ
た層間絶縁材料とその製造方法を提供し、それを層間絶
縁膜として用いた半導体装置により配線遅延を減少する
ことを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、含フッ素非晶
質炭素膜中にベンゼン環が含有されていることを特徴と
する含フッ素非晶質炭素膜である。
【0014】環状で比較的強固な炭素の架橋構造を有す
るため耐熱性が高いベンゼン環を、比誘電率が小さい含
フッ素非晶質炭素膜中に含有させることにより、含フッ
素非晶質炭素膜全体の耐熱性を高めることができ、低誘
電率でかつ耐熱性が向上した含フッ素非晶質炭素膜が得
られる。
【0015】本発明の膜中にベンゼン環を有する含フッ
素非晶質炭素膜の製造方法は、芳香族炭化水素ガスとフ
ッ化物ガスを原料とし、プラズマ化学気相成長法によっ
て製造することを特徴とする。
【0016】ベンゼン、トルエン、キシレンなど芳香族
炭化水素や、CF4 、C2 8 ,C24 ,C2 2
のフルオロカーボン、SF6 、NF3 等のフッ化物は、
プラズマによりラジカルやイオンとなり基板上で反応
し、ベンゼン環を含有する含フッ素非晶質炭素膜が形成
する。
【0017】上記のように製造される膜中にベンゼン環
を有する含フッ素非晶質炭素膜を、層間絶縁膜として用
いた半導体装置とすることにより、低誘電率絶縁膜を用
いた配線を形成する際の熱処理上限温度を高めることが
でき、また配線遅延を減少することができる。
【0018】さらに、水素化非晶質炭素膜上にベンゼン
環を含有する含フッ素非晶質炭素膜が形成された膜を層
間絶縁膜として用いれば、SiやSiO4 などの基板
と、含フッ素非晶質炭素膜との付着力を強化させること
ができる。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。図1はベンゼン環含有含フッ素非晶質炭
素膜を形成させるための装置の概略図である。図1
(a)は平行平板型プラズマ化学気相成膜装置、図1
(b)はヘリコン波励起プラズマ化学気相成膜装置の構
成概略図である。
【0020】図1(a)の平行平板型装置は、支持台1
01に設置した真空槽104内に、電極105,107
を設け、その間に電源装置108から直流又は交流電力
を印加できるようになっている。また下部電極107に
は試料加熱装置が設けられており、試料を任意の温度に
加熱することが可能である。
【0021】図1(b)のヘリコン波型では、石英管に
アンテナが巻かれており、このアンテナに高周波を印加
することによりヘリコン波を生成し、プラズマを生成さ
せる。
【0022】平行平板型の場合、下部電極上にシリコン
基板等の試料106を設置する。下部電極には高周波が
印加されるので、電極には約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、試料にバイアスで加速されたイオンが照射され、架
橋した非晶質炭素膜が得られる。
【0023】試料を電極に設置後、装置にガスボンベ1
03からたとえばベンゼン、トルエン、キシレン等の芳
香族炭化水素ガスを導入し、真空度0.01−0.5T
orrで、電極間に高周波あるいは、直流電力を印加し
て放電させ、炭化水素プラズマを発生させ、この炭化水
素プラズマにより非晶質炭素膜を堆積させる。
【0024】また芳香族炭化水素ガスを導入するととも
に、CF4 ,SF6 ,C2 4 ,NF3 ,C2 6 等の
フッ素系ガスを導入し、プラズマにより励起させて非晶
質炭素膜中に含有させる。
【0025】放電には、上記高周波放電の他、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。
【0026】さらに、フッ素を含有する非晶質炭素膜
が、直接SiあるいはSiO2 などの非晶質炭素膜を堆
積させる試料と接すると、膜の付着力が弱いために膜が
剥がれやすい。そこでこれを防止するために、まずCH
4 等の炭化水素ガスでフッ素を含有しない水素化非晶質
炭素膜を試料上に堆積させた後に、フッ素を含有させた
非晶質炭素膜を堆積させるとよい。以下に、具体的な実
施例を示す。
【0027】
【実施例】CH4 を原料に用いて、流量10sccm、
圧力0.1Torr、電力200Wで10分間プラズマ
を生成させると、基板上に水素化非晶質炭素膜が約30
nm堆積された。
【0028】つぎに、CF4 ガス及びトルエンを原料に
用いて、CF4 流量5sccm、トルエン流量5scc
m、圧力0.1Torr、電力200Wで約2〜10分
程度、平行平板型プラズマ化学気相成長法により成膜す
ることにより、膜中にベンゼン環を含有する含フッ素非
晶質炭素膜が、基板と剥がれなく約1μm堆積された。
【0029】フッ化物としてCF4 を用いた場合、膜中
のフッ素/炭素の含有比が1.2となり、比誘電率は
2.2であった。比誘電率は膜中のフッ素含有量によっ
て変化し、C2 6 を用いた場合にはフッ素/炭素比
1.1で、比誘電率2.3、C48 ではフッ素/炭素
比1.0で比誘電率2.4であり、フッ素/炭素の含有
比が小さいと比誘電率が大きくなる傾向がある。
【0030】本発明の方法により形成された含フッ素非
晶質炭素膜を、赤外吸収分光分析法により分析した結
果、いずれもベンゼン環、CH結合に由来するピークに
合わせて、C−F結合から由来するピークが出現し、従
って、本発明によればベンゼン環及びフッ素をともに含
む非晶質炭素膜が形成できたことが分かった。
【0031】次に、これらの膜の耐熱性を調べた。表1
の実施例1〜6に、膜が分解し始める温度を、各試料に
ついて調べた結果を示す。
【0032】
【表1】
【0033】トルエンなどベンゼン環含有分子を用いて
成膜した非晶質炭素膜の耐熱性が、ベンゼン環含有分子
を用いないで成膜した含フッ素非晶質炭素膜(比較例
1)に比べて上昇していることが分かる。このようにベ
ンゼン環を構造の一部に持つ分子を用いて成膜すると、
比誘電率が3以下でかつ非晶質炭素膜の耐熱性が向上す
ることが分かった。
【0034】以上は平行平板型で成膜を行った場合の実
施例であるが、続いてヘリコン波プラズマCVDを用い
て成膜した実施例を示す。
【0035】フッ素を含有させた非晶質炭素膜が、直接
SiあるいはSiO2 等の基板と接すると、膜の付着力
が弱く膜が剥がれやすいため、これを防止するため、先
の平行平板型での実施例の場合と同様に、まずCH4
でフッ素を含有させていない水素化非晶質炭素膜を堆積
させた後に、フッ素を含有させた非晶質炭素膜を堆積さ
せる。
【0036】CH4 を原料に用いて、流量100scc
m、圧力1mTorr、電力2kWで10秒間プラズマ
を生成させ、プラズマ化学気相成長法により成膜する
と、基板上に水素化非晶質炭素膜が約30nm堆積され
た。
【0037】つぎに、CF4 ガス及びトルエンを原料に
用いて、CF4 流量50sccm、トルエン流量50s
ccm、圧力1mTorr、電力2kWで約2分程度成
膜することにより、膜中にベンゼン環を有するフッ素含
有非晶質炭素膜が、基板と剥がれなく約1μm堆積され
た。
【0038】CF4 を用いた場合、膜中のフッ素/炭素
の含有比が1.2となり、比誘電率は2.2であった。
比誘電率は、膜中のフッ素含有量によって変化し、C2
6ではフッ素/炭素比1.1で比誘電率2.3、C4
8 ではフッ素/炭素比1.0で比誘電率2.4であっ
た。
【0039】次に、これらの膜の耐熱性を調べた。ヘリ
コン波プラズマCVDを用いて作製した本発明の膜が分
解し始める温度と比誘電率を、表1の実施例7〜12に
示す。
【0040】トルエンなどベンゼン環含有分子を用いて
成膜した本発明の非晶質炭素膜の耐熱性が、ベンゼン環
含有分子を用いないで成膜した物(比較例2)に比べて
上昇していることが分かる。このようにベンゼン環を構
造の一部にもつ分子を用いて成膜すると、比誘電率が3
以下でかつ非晶質炭素膜の耐熱性が向上することが分か
った。
【0041】ヘリコン波プラズマCVD法より作製され
た本発明の含フッ素非晶質炭素膜を、赤外吸収分光分析
法により分析した結果、先の平行平板型プラズマCVD
法により作製した場合と同様に、いずれもベンゼン環、
CH結合に由来するピークに合わせて、C−F結合から
由来するピークが出現し、膜中にベンゼン環が含有され
た含フッ素非晶質炭素膜であることがわかった。
【0042】表1からわかるように、添加する芳香族炭
化水素としてキシレンを用いた場合も、トルエンを用い
た場合と同様に膜中にベンゼン環が含有され耐熱性が向
上した。さらにマグネトロン、及びマイクロ波を用いた
放電によって同様に成膜したベンゼン環含有含フッ素非
晶質炭素膜でも、同様の結果が得られた。
【0043】従来のトルエン等の芳香族炭化水素のみに
よるプラズマ重合膜では、膜に吸湿性があることが問題
となっていた。またポリイミド等の脱水重合反応を用い
て形成する高分子も膜中水分のために配線がダメージを
受ける等の問題点が存在した。しかし、本発明のベンゼ
ン環含有含フッ素非晶質炭素膜の吸湿性を調べたとこ
ろ、吸湿性は極めて少なく、膜中水分が非常に少ないこ
とが分かった。
【0044】またフルオロカーボンなどフッ化物系のガ
スを芳香族炭化水素に添加して成膜すると、芳香族炭化
水素のみで成膜したプラズマ重合膜に比べて、成膜速度
を約2倍程度に向上できることが分かった。一般にプラ
ズマによる成膜では、プラズマにより生成された活性種
が、膜表面に存在する未結合手等の活性サイトに吸着し
て成膜が起こる。フッ素を添加したことにより、成膜速
度が向上したのは、プラズマにより活性化されたフッ素
の活性種が、プラズマ重合膜の膜表面に存在する水素を
除去し、表面の活性なサイトの密度を高めたためと考え
られる。
【0045】次にこの膜を層間絶縁膜に用いることを特
徴とした半導体装置を形成した。図2は、本発明のベン
ゼン環含有含フッ素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。
【0046】まず通常の技術でトランジスタ207をシ
リコン基板205上等に形成し、アルミニウム等の電極
材料203を堆積後、公知のリソグラフ技術により配線
にパターンを形成する。
【0047】次に配線202が形成されたシリコン基板
を図1の平行平板型装置あるいはヘリコン型装置中に設
置する。次にCH4 、CF4 、及びトルエンをプラズマ
装置内に導入しプラズマを生成し、非晶質炭素膜を堆積
させる。以下に非晶質炭素膜の形成方法を示す。
【0048】平行平板型の場合、まずCH4 を原料に用
いて、流量10sccm、圧力0.1Torr、電力2
00Wで10分間プラズマを生成させ、基板上に水素化
非晶質炭素膜を約30nm堆積させた。つぎにCF4
ス及びトルエンを原料に用いて、CF4 流量5scc
m、トルエン流量5sccm、圧力0.1Torr、電
力200Wで約2〜10分程度成膜することにより、水
素化非晶質炭素膜上にベンゼン環フッ素含有非晶質炭素
膜201を約1μm堆積した。
【0049】ヘリコン型の場合も同様に、CH4 を用い
て水素化非晶質炭素膜を約30nm堆積させた後に、C
4 およびトルエンを用いてベンゼン環含有含フッ素非
晶質炭素膜201を堆積させた。
【0050】これらのベンゼン環非晶質炭素膜201の
堆積の後、非晶質炭素膜のパターニングを行った。以下
に説明する。
【0051】ベンゼン環含有フッ素化非晶質炭素膜20
1上に、まず30nm程度の水素化非晶質炭素膜206
を緩衝層として挿入した後、SiO2 を約300nm堆
積させて、まずSiO2 を従来の微細加工技術によりパ
ターニングした。つづいてこれをマスクにして、非晶質
炭素膜201,206をエッチングし、ビアホールを形
成した。エッチングガスは酸素を用いて、リアクティブ
イオンエッチング(RIE)装置で非晶質炭素膜をエッ
チングした。
【0052】非晶質炭素膜のエッチング後にマスクとし
て用いたSiO2 はフッ酸により除去した。続いて非晶
質炭素膜に形成したビアホール、および非晶質炭素膜2
06上にアルミニウムをスパッタにより堆積し、第2層
の配線202およびそれと第1層とのコンタクトとし
た。
【0053】水素化非晶質炭素膜206は、フッ素を含
有する非晶質炭素膜が、直接SiあるいはSiO2 等の
材料と接すると膜の付着力が弱く剥がれやすいことを防
止するために形成される。
【0054】ベンゼン環含有非晶質炭素膜を層間絶縁膜
とすることにより、耐熱性が向上したため、金属配線材
料の堆積、及びそれに続く熱処理で、高温での加熱処理
を要する公知の配線形成手法が適用できるようになっ
た。本実施例では、上記金属配線材料の堆積の工程に続
いて400℃の熱処理を行った。
【0055】本発明による半導体装置の配線遅延時間を
測定したところ、従来のSiO2 を層間絶縁膜に用いた
半導体装置に比べて、配線遅延を約80%に減少させる
ことに成功した。
【0056】またベンゼン環含有含フッ素非晶質炭素膜
を堆積する際に、原料のフッ化物源として上記CF4
はなくC2 6 やC4 8 などの他のフッ化物を用いた
場合、また芳香族炭化水素としてキシレンを用いた場合
も、同様の効果を得ることができた。
【0057】このようにベンゼン環を含有する含フッ素
非晶質炭素膜を用いることにより、従来よりも配線遅延
の少ない非晶質炭素膜を、従来通りの配線形成手法を用
いて、半導体装置の層間絶縁膜とすることを可能とし
た。
【0058】
【発明の効果】本発明は、含フッ素非晶質炭素膜中にベ
ンゼン環を含有させることにより、耐熱性が450℃程
度まで向上し、しかも比誘電率が3以下で、極めて膜中
水分が少ない絶縁膜を実現することができた。
【0059】また、本発明のベンゼン環含有含フッ素非
晶質炭素膜を半導体装置の多層配線間用絶縁膜に使用す
ることにより、低誘電率の絶縁膜を用いるため配線遅延
を減少することができ、しかも400℃程度の加熱を要
する従来の配線プロセスで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のベンゼン環含有含フッ素非晶質炭素膜
を形成するための成膜装置の構成概略図である。
【図2】本発明のベンゼン環含有含フッ素非晶質炭素膜
を層間絶縁膜に用いた半導体装置の構成断面模式図であ
る。
【符号の説明】
101 支持台 102 真空ポンプ 103 フッ化物、鎖状炭化水素供給用セル 104 真空容器 105 上部電極 106 試料 107 下部電極 108 高周波電源 109 上蓋 110 芳香族炭化水素供給用セル 201 ベンゼン環含有含フッ素非晶質炭素膜 202 第2層アルミニウム 203 第1層アルミニウム 204 SiO2 205 シリコン基板 206 水素化非晶質炭素膜 207 トランジスタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 含フッ素非晶質炭素膜中にベンゼン環が
    含有されていることを特徴とする含フッ素非晶質炭素
    膜。
  2. 【請求項2】 芳香族炭化水素ガスとフッ化物ガスを原
    料とし、プラズマ化学気相成長法によって製造すること
    を特徴とする膜中にベンゼン環を含有する含フッ素非晶
    質炭素膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 膜中にベンゼン環を含有する含フッ素非
    晶質炭素膜を層間絶縁膜として用いることを特徴とする
    半導体装置。
  4. 【請求項4】 水素化非晶質炭素膜上にベンゼン環を含
    有する含フッ素非晶質炭素膜が形成された膜を、層間絶
    縁膜として用いることを特徴とする半導体装置。
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