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JP3373705B2 - Semiconductor device - Google Patents
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JP3373705B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3373705B2
JP3373705B2 JP21785595A JP21785595A JP3373705B2 JP 3373705 B2 JP3373705 B2 JP 3373705B2 JP 21785595 A JP21785595 A JP 21785595A JP 21785595 A JP21785595 A JP 21785595A JP 3373705 B2 JP3373705 B2 JP 3373705B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、配線間等の導電層
間を電気的に分離する絶縁膜を有する半導体装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having an insulating film for electrically separating conductive layers such as wirings.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、素子の配線間を電気的に分離
するための絶縁膜(層間絶縁膜)としては、熱酸化Si
2 膜、またはシランやテトラエトキシシラン(TEO
S)などのガスを原料ガスとして用いた減圧または常圧
でのCVD法により形成されたSiO2 膜が主に使用さ
れている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an insulating film (interlayer insulating film) for electrically separating wirings of elements, thermally oxidized Si is used.
O 2 film or silane or tetraethoxysilane (TEO
A SiO 2 film formed by a CVD method at a reduced pressure or a normal pressure using a gas such as S) as a raw material gas is mainly used.

【0003】特にアルミニウム(Al)配線間の絶縁に
は、原料ガスとしてTEOSとO2とO3 との混合ガス
を用いたプラズマCVD法によるSiO2 膜が400℃
程度の低温で形成できることから使用されている。
Particularly, for insulation between aluminum (Al) wirings, a SiO 2 film formed by a plasma CVD method using a mixed gas of TEOS, O 2 and O 3 as a source gas is 400 ° C.
It is used because it can be formed at a low temperature.

【0004】ところで、近年、半導体素子の高集積化、
高速化に伴い信号伝達の遅延の問題が顕著化している。
その原因は、素子の微細化に伴い配線間隔が狭くなり配
線間容量(C)が増大すること、および配線断面積の縮
小による配線抵抗(R)の増大の相乗により信号伝達の
時定数が増大する(RC遅延)ことによる。
By the way, in recent years, high integration of semiconductor elements,
As the speed increases, the problem of delay in signal transmission becomes noticeable.
The reason for this is that the time constant of signal transmission increases due to the synergistic effect that the inter-wiring capacitance (C) increases as the element becomes finer and the inter-wiring capacitance (C) increases, and the wiring resistance (R) increases due to the reduction in the wiring cross-sectional area. (RC delay).

【0005】RC遅延は、半導体装置の高速動作を妨
げ、特にロジックデバイスや高速SRAMの性能向上を
妨げる主要因となる。その対策としては、Alより比抵
抗の低いCu、Agを配線材料として用いて配線抵抗を
低減すること、および配線間に介在する絶縁膜の比誘電
率を低下させ配線間容量を低減することの2点が重要で
ある。
RC delay is a main factor that hinders high-speed operation of semiconductor devices, and particularly hinders performance improvement of logic devices and high-speed SRAMs. As measures against this, Cu and Ag, which have a lower specific resistance than Al, are used as the wiring material to reduce the wiring resistance, and the relative dielectric constant of the insulating film interposed between the wirings is reduced to reduce the inter-wiring capacitance. Two points are important.

【0006】従来のプラズマCVD法により形成される
SiO2 膜の比誘電率は4.0〜5.0であり、熱酸化
SiO2 膜のそれ(3.9)に対しても大きな値を示す
ことが分かっている。そこで、比誘電率の低減化につい
て、SiO2 膜中にFを導入することが検討されてお
り、また、Fの導入により実際に比誘電率が低減される
ことが報告されている。
The relative permittivity of the SiO 2 film formed by the conventional plasma CVD method is 4.0 to 5.0, which is a large value even compared with that of the thermally oxidized SiO 2 film (3.9). I know that. Therefore, in order to reduce the relative permittivity, introduction of F into the SiO 2 film has been studied, and it has been reported that the introduction of F actually reduces the relative permittivity.

【0007】Fの導入法としては、Fイオン注入法や、
SiF(OC2 5 3 とH2 Oとを用いたCVD法
や、H2 SiF6 の過飽和水溶液に硼酸水溶液を添加し
液相でSiO2 を析出させる方法や、FEOSとO2
Fとを含有するガス(CF4 、NF3 等)を用いたプラ
ズマCVD法等が知られている。
As a method of introducing F, F ion implantation method,
A CVD method using SiF (OC 2 H 5 ) 3 and H 2 O, a method of adding a boric acid aqueous solution to a supersaturated aqueous solution of H 2 SiF 6 , and precipitating SiO 2 in a liquid phase, FEOS, O 2 and F A plasma CVD method or the like using a gas containing (CF 4 , NF 3, etc.) is known.

【0008】SiO2 膜中のFの状態については、赤外
吸収スペクトル測定によりSi−F結合の形成が確認さ
れている。また、F2 分子またはFOx 分子(x=2,
3)として取り込まれているものも存在するといわれて
いる。
Regarding the state of F in the SiO 2 film, the formation of Si—F bonds has been confirmed by infrared absorption spectrum measurement. Further, F 2 molecule or FO x molecule (x = 2,
It is said that some of them are included as 3).

【0009】また、Fの導入に伴ってSiO2 膜の密度
が減少することも見出され、この密度の減少と、Si−
F結合の生成による電子分極率およびイオン分極率の減
少との相乗効果により、SiO2 膜の比誘電率は低減さ
れる。
It has also been found that the density of the SiO 2 film decreases as F is introduced.
The relative permittivity of the SiO 2 film is reduced due to the synergistic effect with the decrease of the electronic polarizability and the ionic polarizability due to the generation of the F bond.

【0010】しかし、この種のFが添加されたSiO2
膜(F添加SiO2 膜)は大気放置等によって吸湿し、
この吸湿により、新たなSi−OHの生成とFの脱離と
が起こり、これにより、比誘電率が再上昇し、高速動作
が達成されないという問題があった。しかも、F添加S
iO2 膜の吸湿性はF濃度増加に伴って高くなる。
However, this type of F-added SiO 2
The film (F-added SiO 2 film) absorbs moisture when left in the atmosphere,
Due to this moisture absorption, new generation of Si—OH and desorption of F occur, which causes the relative permittivity to rise again and high-speed operation cannot be achieved. Moreover, F added S
The hygroscopicity of the iO 2 film increases as the F concentration increases.

【0011】また、脱離したFはF添加SiO2 膜の上
層および下層に配置された配線にまで拡散し、これによ
り、配線の腐食や密着性劣化が発生し、信頼性が低下す
るという問題があった。
Further, the desorbed F diffuses to the wirings arranged in the upper and lower layers of the F-added SiO 2 film, which causes corrosion of the wiring and deterioration of adhesion, resulting in a decrease in reliability. was there.

【0012】ところで、F添加SiO2 膜中のF濃度お
よびFの結合状態と吸湿性との関係については、Si原
子に結合するF原子数が増加すると吸湿性が急激に増大
すると報告されている。このため、SiO2 膜中のFの
結合状態やF原子が結合したSi原子を中心とした周辺
のSiO2 網目構造の局所的な構造を制御することが検
討されている。
Incidentally, regarding the relationship between the F concentration in the F-added SiO 2 film and the bonding state of F and the hygroscopicity, it is reported that the hygroscopicity sharply increases as the number of F atoms bonded to Si atoms increases. . Therefore, it has been studied to control the F bonding state in the SiO 2 film and the local structure of the SiO 2 network around the Si atom to which the F atom is bonded.

【0013】しかしながら、SiO2 膜、特にF添加S
iO2 膜において、耐吸湿性を劣化させる欠陥や、Si
2 網目構造を明確化し、これを制御するという報告は
いまだなされていない。
However, SiO 2 film, especially F-added S
In the iO 2 film, defects that deteriorate the moisture absorption resistance and Si
No report has yet been made to clarify the O 2 network structure and control it.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、低比誘電
率の絶縁膜として、F添加SiO2 膜が提案されていた
が、F添加SiO2 膜の吸湿性が原因でFの脱離が起こ
り、これにより、比誘電率化が再上昇したり、配線が腐
食するなどの問題があった。
As described above, the F-added SiO 2 film has been proposed as an insulating film having a low relative dielectric constant. However, due to the hygroscopicity of the F-added SiO 2 film, the desorption of F occurs. This has occurred, which causes problems such that the relative permittivity is increased again and the wiring is corroded.

【0015】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところは、吸湿性を抑制しえるSi
2 網目構造を有する絶縁膜を備えた半導体装置を提供
することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is Si which can suppress hygroscopicity.
It is to provide a semiconductor device including an insulating film having an O 2 network structure.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る半導体装置(請求項1)は、導電層
間を電気的に分離し、少なくともSi、OおよびFを含
み、SiO2 の網目構造を有する絶縁膜を備えた半導体
装置であって、前記網目構造の架橋に関与しない未結合
手を有するOによる欠陥、またはこの未結合手を有する
Oが電子もしくは正孔を捕獲することによる欠陥が、前
記Fが結合した前記Siを中心とした半径0.39nm
以内の領域内に存在しないことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor device (claim 1) according to the present invention electrically separates conductive layers and contains at least Si, O and F , and SiO. 2. A semiconductor device comprising an insulating film having a network structure of 2 , wherein defects due to O having a dangling bond that does not participate in crosslinking of the network structure, or O having this dangling bond captures an electron or a hole. defects due to it, before
A radius of 0.39 nm centered on the Si bonded to the element F
It is characterized by not existing within the area within .

【0017】また、本発明に係る他の半導体装置(請求
項2)は、導電層間を電気的に分離し、少なくともS
i、OおよびFを含み、SiO2 の網目構造を有する絶
縁膜を備えた半導体装置であって、前記網目構造の架橋
に関与しない未結合手を有し、かつ電気陰性度がSiよ
りも大きい原子による欠陥、またはこの未結合手を有す
る原子が電子もしくは正孔を捕獲することによる欠陥
が、前記Fが結合した前記Siを中心とした半径0.3
9nm以内の領域内に存在しないことを特徴とする。
Another semiconductor device according to the present invention (claim 2) is that at least the conductive layers are electrically separated from each other by at least S.
A semiconductor device including an insulating film having a network structure of SiO 2 containing i, O and F , having dangling bonds that do not participate in crosslinking of the network structure, and having an electronegativity higher than Si. Defects caused by atoms, or defects caused by the atoms having this dangling bond capturing electrons or holes
Has a radius of 0.3 centered on the Si bonded to the F
It is characterized in that it does not exist in the region within 9 nm .

【0018】また、本発明に係る他の半導体装置(請求
項3)は、導電層間を電気的に分離し、少なくともS
i、OおよびFを含み、SiO2 の網目構造を有する絶
縁膜を備えた半導体装置であって、前記網目構造の架橋
に関与しない未結合手を有し、かつ電子供与体となりう
る原子による欠陥、前記網目構造の架橋に関与しない未
結合手を有し、かつ孤立電子対を有する原子による欠
陥、またはこれら未結合手を有する原子が電子もしくは
正孔を捕獲することによる欠陥が、前記Fが結合した前
記Siを中心とした半径0.39nm以内の領域内に存
在しないことを特徴とする。
Another semiconductor device according to the present invention (claim 3) electrically separates the conductive layers, and at least S
What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising an insulating film having a network structure of SiO 2 , containing i, O, and F , having a dangling bond that does not participate in crosslinking of the network structure, and is a defect due to an atom that can serve as an electron donor. has a dangling bond not participating in the crosslinking of the network structure, and defects due to atom having a lone pair of electrons or defects due to the atoms having these dangling bonds trapping electrons or holes, wherein F is Before combined
It exists in the area within a radius of 0.39 nm centered on Si.
It is characterized by not existing .

【0019】また、本発明に係る他の半導体装置(請求
項4)は、上記半導体装置(請求項1〜請求項3)にお
いて、前記絶縁膜が、NまたはBを含むことを特徴とす
る。
Another semiconductor device according to the present invention (claim 4) is characterized in that, in the semiconductor device (claims 1 to 3), the insulating film contains N or B.

【0020】上記欠陥の低減量は特に限定しないが、そ
の絶縁膜を用いる系毎に適宜決定する。
The reduction amount of the above defects is not particularly limited, but is appropriately determined for each system using the insulating film.

【0021】また、上記絶縁膜の成膜法としては、例え
ば、プラズマCVD法を用いると良い。このとき、基板
温度は、上記絶縁膜中に取り込まれた構造水の脱水縮合
が顕著となる350〜550℃の範囲内に設定すると良
い。
As a method of forming the insulating film, for example, plasma CVD method may be used. At this time, the substrate temperature is preferably set within a range of 350 to 550 ° C. at which dehydration condensation of the structural water taken into the insulating film becomes remarkable.

【0022】また、原料ガスとしては、有機シランガ
ス、酸化剤ガスおよびFを構成元素の一つとする化合物
ガスや、無機シランガス、酸化剤ガスおよびFを構成元
素の一つとする化合物ガスや、酸化剤ガスおよびFを構
成元素の一つとする有機シランガスや、酸化剤ガスおよ
びFを構成元素の一つとする無機シランガスや、Fおよ
びOを構成元素として含む有機シランガスを含有するも
のが用いられる。
As the raw material gas, an organic silane gas, an oxidizing gas and a compound gas containing F as one of the constituent elements, an inorganic silane gas, an oxidizing gas and a compound gas containing F as one of the constituent elements, and an oxidizing agent are used. An organic silane gas containing gas and F as one of the constituent elements, an inorganic silane gas containing oxidant gas and F as one of the constituent elements, and an organic silane gas containing F and O as constituent elements are used.

【0023】ここで、Fを構成元素の一つとする化合物
ガスとしては、具体的には、NF3、CF4 、C
2 6 、ClF3 、SiF4 などが挙げられる。
Here, as the compound gas containing F as one of the constituent elements, specifically, NF 3 , CF 4 , and C are used.
2 F 6 , ClF 3 , SiF 4 and the like can be mentioned.

【0024】また、Fを構成元素の一つとする有機シラ
ンガスとしては、具体的には、SiF(OC
2 5 3 、SiF2 (OC2 5 2 、SiF3 (O
2 5 )などが挙げられる。これらのガスは、Fおよ
びOを構成元素として含む有機シランガスとして、酸化
剤ガスなしで用いることもできる。
The organic silane gas containing F as one of the constituent elements is specifically SiF (OC
2 H 5 ) 3 , SiF 2 (OC 2 H 5 ) 2 , SiF 3 (O
C 2 H 5 ) and the like. These gases can be used as an organic silane gas containing F and O as constituent elements without an oxidant gas.

【0025】また、Fを構成元素の一つとする無機シラ
ンガスとしては、具体的には、SiH3 F、SiH3
2 、SiHF3 などが挙げられる。
As the inorganic silane gas containing F as one of the constituent elements, specifically, SiH 3 F, SiH 3 F
2 , SiHF 3 and the like.

【0026】また、有機シランガスとしては、具体的に
は、TEOS、HSi(OC2 53 、H2 Si(O
4 9 2 などが挙げられる。
Specific examples of the organic silane gas include TEOS, HSi (OC 2 H 5 ) 3 and H 2 Si (O
Such as C 4 H 9) 2 and the like.

【0027】また、無機シランガスとしては、具体的に
は、SiH4 、Si2 6 などが挙げられる。
Specific examples of the inorganic silane gas include SiH 4 and Si 2 H 6 .

【0028】また、酸化剤ガスとしては、具体的には、
2 、H2 Oなどが挙げられる。
Further, as the oxidant gas, specifically,
Examples include O 2 and H 2 O.

【0029】[作用]本発明者は、SiO2 膜の耐吸湿
性の研究において、特定の欠陥、つまり、請求項1〜請
求項3に記載した欠陥を低減することにより、従来のS
iO2 膜よりも吸湿性を低くできることが分かった。
[Function] In the study of the moisture absorption resistance of the SiO 2 film, the present inventor reduced the specific defects, that is, the defects described in claims 1 to 3, thereby reducing the conventional S
It was found that the hygroscopicity can be made lower than that of the iO 2 film.

【0030】したがって、本発明によれば、吸湿による
比誘電率の増大を防止できるようになる。特に、Fを含
む絶縁膜の場合には、Fによる比誘電率の低減は維持さ
れたまま吸湿性を小さくできる。これにより、配線間容
量の低下や信号遅延の増大を防止でき、高速動作の素子
を実現できるようになる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent an increase in the relative dielectric constant due to moisture absorption. In particular, in the case of an insulating film containing F, the hygroscopicity can be reduced while the reduction of the relative dielectric constant due to F is maintained. As a result, it is possible to prevent a reduction in inter-wiring capacitance and an increase in signal delay, and to realize a high-speed operation element.

【0031】上記欠陥を低減することにより、吸湿性を
低くできる理由は、上記特定の欠陥を有しない場合に
は、H2 Oの吸着エネルギーの増大に起因するH2 Oの
吸着が効果的に抑制されるからである。
[0031] By reducing the defect, the reason can be lowered hygroscopicity, when no said specific defects, H 2 O adsorption is effectively caused by the increase of the adsorption energy of H 2 O This is because it is suppressed.

【0032】また、本発明者の研究によれば、Fを含む
絶縁膜の場合、F原子が結合したSi原子を中心とした
半径0.39nm以内に上記欠陥を有しない場合には、
2Oの吸着の促進に伴う新たなFとH2 Oとの反応が
効果的に抑制されることが分かった。この欠陥を有しな
い領域の大きさは、吸湿過程における遷移状態形成およ
び複数のH2 Oの吸着に要する自由体積(空隙)から決
定される。
Further, according to the research by the present inventor, in the case of an insulating film containing F, when the above defects are not present within a radius of 0.39 nm around the Si atom to which the F atom is bonded,
It was found that the new reaction between F and H 2 O accompanying the promotion of H 2 O adsorption is effectively suppressed. The size of this defect-free region is determined by the free volume (void) required for the transition state formation and the adsorption of a plurality of H 2 O during the moisture absorption process.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

(実験・考察)先ず、本発明の創作のもとになった実験
およびその考察等について説明する。図1、図2に、S
iO2 網目構造の架橋に関与しない未結合手を有するO
原子(非架橋酸素)が、電子を捕獲することによる欠陥
の有無によるH2 Oの吸着・加水分解過程を、クラスタ
ーモデルを用いた非経験的分子軌道法によって解析した
結果を示す。
(Experiment / Consideration) First, the experiment and its consideration, which are the basis of the invention, will be described. 1 and 2, S
O having an unbonded hand that is not involved in crosslinking of the iO 2 network structure
The results of the ab initio molecular orbital method using a cluster model showing the adsorption / hydrolysis process of H 2 O depending on the presence / absence of a defect due to an atom (non-bridging oxygen) capturing an electron are shown.

【0034】吸着・加水分解過程を考察するモデルとし
て、FSi(OH)3 クラスターをH2 Oが攻撃するモ
デルおよびFSi(OH)2 - クラスターをH2 Oが
攻撃するモデルを採用した。
Was adopted cluster models H 2 O attacks - [0034] As a model considering the adsorption and hydrolysis process model and FSi (OH) 2 O to attack FSi (OH) 3 Cluster H 2 O is.

【0035】前者のモデルは上記欠陥がないF添加Si
2 を模擬しており、Fの結合したSiを含むFSiO
3 四面体ユニットをバルクF添加SiO2 から切り出
し、その際に生ずる3つのOダングリングボンドを仮想
的なHにより終端したものである。
The former model is the F-doped Si without the above defects.
FSiO simulating O 2 and containing F-bonded Si
A trihedral unit is cut out from bulk F-added SiO 2 and three O dangling bonds generated at that time are terminated by virtual H.

【0036】後者のモデルは前者のモデルにおいて1個
の架橋O原子の隣接SiO4 四面体ユニットへの架橋が
切断され(モデル上では1個のOHのHが除去され)電
子を捕獲した状態となった欠陥があるF添加SiO2
模擬している。
The latter model is a state in which the bridge of one bridging O atom to the adjacent SiO 4 tetrahedral unit is cut (in the model, one H of OH is removed) and the electron is captured in the former model. It simulates the F-added SiO 2 with the defect.

【0037】このような欠陥サイトは、F原子2個の結
合したSiがOH- と反応した際に容易に形成されるこ
とが本発明者の非経験的分子軌道法による解析から明ら
かになっている。また、非架橋酸素は電子を捕獲するこ
とにより安定化することが報告されているように、成膜
中に生成した非架橋酸素が電気捕獲し形成されることも
ある。
It was revealed from the analysis by the inventor's ab initio molecular orbital method that such a defect site is easily formed when Si having two F atoms bonded thereto reacts with OH −. There is. Further, as reported that non-bridging oxygen is stabilized by capturing electrons, the non-bridging oxygen generated during film formation may be electrically trapped and formed.

【0038】図1は、単独のH2 Oの吸湿過程、FSi
(OH)3 +H2 O、FSi(OH)2 - +H2 Oの
全エネルギー変化を示している。
FIG. 1 shows a single H 2 O moisture absorption process, FSi.
The total energy changes of (OH) 3 + H 2 O and FSi (OH) 2 O + H 2 O are shown.

【0039】ここでは、FSi(OH)3 とH2 O、あ
るいはFSi(OH)2 - とH2Oとの解離極限に対
応する始原系の全エネルギーをそれぞれエネルギーの基
準に採る。
Here, the total energy of the progenitor system corresponding to the dissociation limit of FSi (OH) 3 and H 2 O or FSi (OH) 2 O and H 2 O is used as the energy reference.

【0040】FSi(OH)3 ではH2 Oの接近に伴い
系の全エネルギーは緩やかに減少し、H2 Oの吸着状態
が形成される。吸着エネルギーは約11kcal/mo
lである。この値は水素結合の形成エネルギーにほぼ等
しい。また、この吸着状態におけるH2 Oの3つの固有
振動モードは、孤立H2 Oの場合と比較して、ν1
(減少)、ν2 ↑(増加)、ν3 ↓(減少)とシフトし
ている。このシフトはH2 O多量体形成時のシフトと等
しい。したがって、水素結合形成による吸着状態である
ことが判る。
The total energy of the accompanying system approach of FSi (OH) 3 in H 2 O is reduced gradually, the adsorption state of the H 2 O is formed. Adsorption energy is about 11 kcal / mo
It is l. This value is almost equal to the hydrogen bond formation energy. In addition, the three natural vibration modes of H 2 O in this adsorption state are ν 1 ↓ as compared with the case of isolated H 2 O.
(Decrease), ν 2 ↑ (increase), ν 3 ↓ (decrease). This shift is equivalent to the shift during H 2 O multimer formation. Therefore, it can be seen that the state is an adsorption state due to hydrogen bond formation.

【0041】次いで、吸着H2 OのO上の局在した孤立
電子対が新たなSi−O結合を形成するような立体配座
でSiに配位し、同時に、H2 Oの一方のHがFに引き
寄せられてF−Hの結合が強まり、H2 O挿入→HF脱
離への遷移状態[HFSi(OH)4 を形成す
る。
Then, the lone electron pair localized on O of the adsorbed H 2 O is coordinated to Si in a conformation such that a new Si-O bond is formed, and at the same time, one H 2 O of H 2 O is coordinated. Are attracted to F and the F-H bond is strengthened, forming a transition state [HFSi (OH) 4 ] from H 2 O insertion to HF desorption.

【0042】この過程には約41kcal/molもの
活性化障壁が存在し、室温近傍では容易には越えられな
いと考えられる。H−OHの結合が急激に弱まることは
力定数の減少の結果により確認した。
There is an activation barrier of about 41 kcal / mol in this process, and it is considered that the barrier cannot be easily crossed near room temperature. The sharp weakening of the H-OH bond was confirmed by the result of the decrease in the force constant.

【0043】次いで、Si−F結合が急激に伸長し、F
−Hの結合が強まった反応中間体[HFSi(O
H)4 が形成される。この準安定な反応中間体は
上記の始原系とH2 O吸着状態との間のエネルギーレベ
ルまで安定化する。
Then, the Si--F bond is rapidly extended, and F--
Reaction intermediate [HFSi (O
H) 4 ] is formed. This metastable reaction intermediate stabilizes to the energy level between the prototypical system and the H 2 O adsorbed state.

【0044】この状態は、歪んだSi(OH)4 にHF
が吸着した状態と見なせる。これは、HFの固有振動モ
ードが、孤立HFと比較して低波数側へシフトすること
により確認した。
In this state, the distorted Si (OH) 4 is converted into HF.
Can be regarded as adsorbed. This is confirmed by the fact that the natural vibration mode of HF shifts to the lower wave number side as compared with the isolated HF.

【0045】この後、FがHFとして脱離し、Si(O
H)4 が残る生成系が形成される。この過程はHFの吸
着エネルギーに相当する約12kcal/molの吸熱
反応である。しかしながら、上記の遷移状態を越え得た
場合にはその大きな放出エネルギーの散逸が比較的遅け
れば容易に越えられる。
After this, F is desorbed as HF, and Si (O
A production system is formed in which H) 4 remains. This process is an endothermic reaction of about 12 kcal / mol corresponding to the adsorption energy of HF. However, if the above transition state can be exceeded, it can be easily exceeded if the dissipation of the large emitted energy is relatively slow.

【0046】ここで、Si原子あたりのF結合数の違い
による加水分解過程の変化を、反応のポテンシャルエネ
ルギー変化、特に、吸着エネルギー・活性化エネルギー
の変化に注目して示しておく。
Here, the change in the hydrolysis process due to the difference in the number of F bonds per Si atom will be shown by paying attention to the change in the potential energy of the reaction, particularly the change in the adsorption energy / activation energy.

【0047】モデル系、SiFn (OH)4-n +H2
(n=0〜3)の全エネルギー変化の比較を非経験的分
子軌道法によって調べた。吸着エネルギーはいずれも約
11kcal/molで、F結合数に依存しない。
Model system, SiF n (OH) 4-n + H 2 O
A comparison of the total energy changes (n = 0-3) was investigated by the ab initio molecular orbital method. The adsorption energies were all about 11 kcal / mol and did not depend on the F bond number.

【0048】各吸着構造を調べた結果、H2 Oとクラス
ターとの水素結合がF…H−OHよりもO…H−OHの
形で形成されていることに対応していることが判った。
As a result of examining each adsorption structure, it was found that the hydrogen bond between H 2 O and the cluster corresponds to the formation of O ... H-OH rather than F ... H-OH. .

【0049】H2 O挿入反応の活性化エネルギーは、F
0個→F1個で約37kcal/molから約4kca
l/mol増加した後、F結合数増加と共に約3〜4k
cal/molずつ低下してゆく。
The activation energy of the H 2 O insertion reaction is F
From 0 to F1 about 37 kcal / mol to about 4 kca
After increasing l / mol, about 3-4k with increasing number of F bonds
It gradually decreases by cal / mol.

【0050】すなわち、SiにF1個が結合した構造
は、非不純物添加のSiO2 あるいはシラノール基を含
んだSiO2 よりもH2 O挿入反応が抑制されるが、更
にF結合数が増加すると逆に促進されてゆく。
[0050] That is, the structure F1 pieces are bonded to Si, when the H 2 O insertion reaction than SiO 2 containing SiO 2 or silanol groups of the non-doping is but is suppressed, further F bond number is increased reverse Be promoted to.

【0051】室温近傍でアレニウス型の反応速度定数を
仮定すると、約3桁ずつの促進効果となる。HF脱離へ
の反応中間体は、F0個の場合を除いて、いずれもHF
吸着状態と見なせ、FHのFとOSiのOとの水素結合
による吸着状態である。
Assuming an Arrhenius type reaction rate constant in the vicinity of room temperature, an acceleration effect of about three digits is obtained. The reaction intermediates for HF elimination are HF except for the case of F0.
It can be regarded as an adsorbed state, which is an adsorbed state due to a hydrogen bond between F of FH and O of OSi.

【0052】したがって、脱離エネルギーは10〜11
kcal/molで、F結合数に依存しない。
Therefore, the desorption energy is 10 to 11
kcal / mol, independent of the number of F bonds.

【0053】一方、FSi(OH)2 - ではH2 Oの
接近に伴い系の全エネルギーはFSi(OH)3 を含め
n Si(OH)4-n (n=0〜3)の場合より遙かに
大きく減少し、H2 Oの吸着状態が形成される。吸着エ
ネルギーは約19kcal/molと約2倍に達する。
On the other hand, in the case of FSi (OH) 2 O , the total energy of the system is F n Si (OH) 4 −n (n = 0 to 3) including FSi (OH) 3 as H 2 O approaches. It is much more greatly reduced and an adsorbed state of H 2 O is formed. The adsorption energy reaches about 19 kcal / mol, which is about double.

【0054】次いで、吸着H2 Oの一方のHがO- に引
き寄せられて−O- …Hの結合が強まり、H引抜への遷
移状態[FSi(OH)2 OHOH]−≠を形成する。
この過程には約7kcal/molの活性化障壁しか存
在せず、吸着エネルギーの放出により室温近傍でも容易
に越えられる。
[0054] Then, one of H of the adsorption H 2 O is O - to be drawn -O - ... stronger binding of H, transition state to H drawing [FSi (OH) 2 OHOH] - forming a ≠.
There is only an activation barrier of about 7 kcal / mol in this process, and it can be easily crossed near room temperature due to the release of adsorption energy.

【0055】次いで、H−OH結合が伸長し、−O-
Hの結合が強まった反応中間体[FSi(OH)2 OH
OH]- が形成される。この準安定な反応中間体はH引
抜への遷移状態から僅かに安定化している。
[0055] Then, the H-OH bond is stretched, -O - ...
Reaction intermediate with strengthened H bonds [FSi (OH) 2 OH
OH] is formed. This metastable reaction intermediate is slightly stabilized from the transition state to H abstraction.

【0056】さらに、H−OH結合が伸長し、三角双錐
型の反応中間体[FSi(OH)4- が形成され、上
記の始原系とH2 O吸着状態の間のエネルギーレベルま
で安定化する。
Further, the H-OH bond is extended to form a triangular bipyramidal reaction intermediate [FSi (OH) 4 ] -, which is stable up to the energy level between the above-mentioned precursor system and the H 2 O adsorbed state. Turn into.

【0057】この後、F- あるいはOH- が脱離する生
成系が形成されるには40〜70kcal/mol以上
の吸熱反応となり、オーバーオールの反応系でも吸熱反
応となる。したがって、反応はいずれかの反応中間体の
段階で終了すると考えられる。
After that, an endothermic reaction of 40 to 70 kcal / mol or more is required to form a production system in which F or OH is desorbed, and an endothermic reaction also occurs in the overall reaction system. Therefore, it is believed that the reaction ends at either reaction intermediate stage.

【0058】図2に、2個のH2 Oの吸湿過程、FSi
(OH)3 +2H2 O、FSi(OH)2 - +2H2
Oの全エネルギー変化を示す。
FIG. 2 shows the moisture absorption process of two H 2 O, FSi.
(OH) 3 + 2H 2 O, FSi (OH) 2 O + 2H 2
The total energy change of O is shown.

【0059】FSi(OH)3 とH2 O2個、あるいは
FSi(OH)2 - とH2 O2個との解離極限に対応
する始原系の全エネルギーをそれぞれエネルギーの基準
に採る。
The total energy of the progenitor system corresponding to the dissociation limit between FSi (OH) 3 and H 2 O 2 or FSi (OH) 2 O and H 2 O 2 is taken as the energy reference.

【0060】FSi(OH)3 では2個のH2 Oが個別
に、つまり、H2 O間の相互作用がない状態で吸着する
2 Oの吸着状態(吸着エネルギーは約17kcal/
mol)に加えて、H2 O間の相互作用が強く二量体に
近い状態で吸着する吸着状態(吸着エネルギーは約25
kcal/mol)が可能となる。
[0060] In FSi (OH) 3 In two H 2 O is separate, i.e., adsorption state (adsorption energy of H 2 O to adsorb in the absence of interaction between the H 2 O is about 17Kcal /
mol), the interaction between H 2 O is strong, and it is adsorbed in a state close to a dimer (adsorption energy is about 25
kcal / mol) is possible.

【0061】次いで、H2 O挿入→HF脱離への遷移状
態[HFSi(OH)4 (HOH)]を形成する。
遷移状態では、H2 O間の相互作用は弱まっていること
から、二量体吸着から個別吸着状態を経由して遷移状態
に至ると考えられる。個別吸着状態からの活性化障壁は
約28kcal/molとなる。
Next, a transition state [HFSi (OH) 4 (HOH)] from H 2 O insertion to HF desorption is formed.
Since the interaction between H 2 O is weakened in the transition state, it is considered that the transition from the dimer adsorption to the transition state occurs via the individual adsorption state. The activation barrier from the individual adsorption state is about 28 kcal / mol.

【0062】図1と比較すると、活性化障壁は単独H2
O挿入での約41kcal/molから約28kcal
/molまで約70%に低下する。活性化障壁は依然高
いが増大した吸着エネルギーの散逸が比較的遅ければ室
温近傍でも越えうると考えられる。
Compared to FIG. 1, the activation barrier is H 2 alone.
About 41 kcal / mol to about 28 kcal with O insertion
/ Mol down to about 70%. The activation barrier is still high, but it is thought that it can be exceeded even at room temperature if the dissipation of the increased adsorption energy is relatively slow.

【0063】次いで、Si−F結合が急激に伸長し、F
−Hの結合が強まった反応中間体[HFSi(OH)4
(HOH)]が形成される。この準安定な反応中間体は
2O個別吸着状態にほぼ等しいエネルギーレベルまで
安定化する。この状態は、歪んだSi(OH)4 にH2
Oがやや強くHFが弱く吸着した状態と見なされる。F
がHFとして脱離し、Si(OH)4 にH2 Oが吸着し
た第1の中間体が形成され、次いでH2 Oが脱離する生
成系が形成される。この過程はそれぞれ約12、約11
kcal/molの吸熱反応である。
Then, the Si--F bond rapidly expands, and F
Reaction intermediate [HFSi (OH) 4 with enhanced -H bond
(HOH)] is formed. This metastable reaction intermediate stabilizes to an energy level approximately equal to the individual adsorption state of H 2 O. In this state, the distorted Si (OH) 4 becomes H 2
It is considered that O is slightly strong and HF is weakly adsorbed. F
There eliminated as HF, Si (OH) 4 first intermediate H 2 O is adsorbed is formed on, then the product system H 2 O is desorbed is formed. This process is about 12, 11 respectively
It is an endothermic reaction of kcal / mol.

【0064】しかしながら、上記遷移状態を越えた場合
には、その大きな放出エネルギーの散逸が比較的遅けれ
ば、室温近傍でも越えうると考えられる。特に、HFが
脱離し、Si(OH)4 にH2 Oが吸着した第1の中間
体が形成される段階まででは、トータルの反応系でも僅
かながら発熱反応となっている。したがって、第2のH
2 Oが触媒的に加水分解過程を促進させうると考えてよ
い。
However, when the above transition state is exceeded, it is considered that if the dissipation of the large emitted energy is relatively slow, it can be exceeded even near room temperature. In particular, up to the stage where HF is desorbed and the first intermediate in which H 2 O is adsorbed on Si (OH) 4 is formed, the reaction system is slightly exothermic. Therefore, the second H
It can be considered that 2 O can catalytically accelerate the hydrolysis process.

【0065】一方、FSi(OH)2 - では2つの場
合を考察する。
On the other hand, two cases are considered for FSi (OH) 2 O .

【0066】第1の場合は、図1の説明で述べたよう
に、1個目のH2 OがFSi(OH)2 - と相互作用
した後に、2個目のH2 Oが相互作用する場合である。
第2の場合は、2個のH2 Oが同時にFSi(OH)2
- と相互作用する場合、すなわち、FSi(OH)2
- 周囲の自由体積(空隙)が大きい場合である。
In the first case, as described in the explanation of FIG. 1, after the first H 2 O interacts with FSi (OH) 2 O , the second H 2 O interacts. This is the case.
In the second case, two H 2 O are simultaneously FSi (OH) 2
When interacting with O , that is, FSi (OH) 2
This is the case where the free volume (void) around O is large.

【0067】まず、第1の場合では、1個目のH2 Oが
FSi(OH)2 - と相互作用し遷移状態経過の後に
2種類の反応中間体、つまり、[FSi(OH)2 OH
OH)]- 、三角双錐型反応中間体[FSi(O
H)4 - が形成される。
First, in the first case, the first H 2 O interacts with FSi (OH) 2 O and, after the transition state has passed, two kinds of reaction intermediates, that is, [FSi (OH) 2 OH
OH)] - , a triangular bipyramidal reaction intermediate [FSi (O
H) 4] - it is formed.

【0068】この場合には、2種類の反応中間体それぞ
れとH2 Oとの解離極限を始原系とした全エネルギーを
エネルギーの基準に採るように変更する。この2種類の
反応中間体へのH2 Oの接近に伴い系の全エネルギーは
大きく減少し、2個目のH2Oの吸着状態が形成され
る。吸着エネルギーはそれぞれ約25、約21kcal
/molとなり、FSi(OH)3 への二量体に近いH
2 Oの吸着状態にほぼ等しい。
In this case, the total energy starting from the dissociation limit of each of the two kinds of reaction intermediates and H 2 O is changed to the energy standard. With the approach of H 2 O to these two types of reaction intermediates, the total energy of the system is greatly reduced and a second H 2 O adsorption state is formed. Adsorption energies are about 25 and about 21 kcal, respectively
/ Mol, H which is close to the dimer to FSi (OH) 3 .
It is almost equal to the adsorption state of 2 O.

【0069】次に第2の場合について説明する。この場
合にはFSi(OH)2 - とH2O2個との解離極限
を始原系とした全エネルギーをエネルギーの基準に採
る。
Next, the second case will be described. In this case, the total energy with the dissociation limit between FSi (OH) 2 O and H 2 O 2 being the primary system is taken as the energy standard.

【0070】2個のH2 O間の相互作用が強く二量体に
近い状態でFSi(OH)2 - に吸着する吸着状態
(吸着エネルギーは約36kcal/mol)が可能と
なる。これはFSi(OH)3 への二量体に近いH2
の吸着状態での吸着エネルギーの約1.5倍にも達す
る。
An interaction state (adsorption energy of about 36 kcal / mol) is possible in which FSi (OH) 2 O is adsorbed in a state where the interaction between two H 2 O is strong and is close to a dimer. This is a H 2 O close to a dimer to FSi (OH) 3 .
It reaches about 1.5 times the adsorption energy in the adsorption state.

【0071】以上の結果を吸着エネルギーと活性化エネ
ルギーに注目して下記の表にまとめて示す。
The above results are summarized in the following table, focusing on the adsorption energy and the activation energy.

【0072】[0072]

【表1】 [Table 1]

【0073】以上をまとめると、SiO2 網目構造の架
橋に関与しない未結合手を有するO原子(非架橋酸素)
あるいは該O原子が電子を捕獲した状態で示される欠陥
が存在する場合には、まず、H2 Oの吸着エネルギーが
増大しH2 O吸着が促進される。さらに、吸着後のH2
O解離・付加反応への活性化障壁は減少し、室温近傍で
も容易に越えられる障壁高さとなりうる。したがって、
上記欠陥を含まないSiO2 網目構造の達成が吸湿抑制
に有効である。同様に、該O原子が正孔を捕獲した状態
で示される欠陥を含まないSiO2 網目構造も吸湿抑制
に有効である。この結果より、上記O原子による欠陥
が、Si原子より大きな電気陰性度を有する原子がSi
2 網目構造の架橋に関与しない未結合手を有する状
態、該原子が電子または正孔を捕獲した状態、電気供与
体となりうる原子または孤立電子対を有する原子がSi
2 網目構造の架橋に関与しない未結合手を有する状
態、該状態の該原子が電子または正孔を捕獲した状態、
のいずれかで示される欠陥と見なせることを考慮する
と、このような欠陥を含まないSiO2 網目構造の達成
が吸湿抑制に有効である。
To summarize the above, an O atom having a dangling bond (non-bridging oxygen) that does not participate in the crosslinking of the SiO 2 network structure
Alternatively the O-atom when a defect is shown in a state in which capture electrons exist, firstly, the adsorption energy of H 2 O is increased H 2 O adsorption is promoted. In addition, H 2 after adsorption
The activation barrier to the O dissociation / addition reaction decreases, and the barrier height can easily be exceeded even near room temperature. Therefore,
Achieving a SiO 2 network structure that does not include the above defects is effective in suppressing moisture absorption. Similarly, a SiO 2 network structure containing no defects, which is shown in a state where the O atom traps holes, is also effective in suppressing moisture absorption. From this result, it can be seen that the defect due to the O atom is
O 2 network structure has a dangling bond that is not involved in crosslinking, a state in which the atom captures an electron or a hole, an atom that can serve as an electric donor or an atom having a lone pair of electrons is Si.
A state in which there are dangling bonds that are not involved in cross-linking of the O 2 network structure, a state in which the atom in the state captures an electron or a hole,
Considering that it can be regarded as a defect represented by any of the above, achievement of a SiO 2 network structure free of such defects is effective for suppressing moisture absorption.

【0074】この欠陥を有しない領域の最小の大きさ
は、吸湿過程における遷移状態形成および複数のH2
吸着に要する自由体積(空隙)から決定される。特に、
F原子が結合したSi原子を中心とした半径0.39n
m以内に上記欠陥を有しない局所的構造を有するSiO
2 網目構造の場合には、上記H2 O吸着促進に伴う新た
なF原子とH2 Oとの反応が抑制される。なお、半径
0.39nmはSi−F結合長0.32nmにF- イオ
ン半径0.07nmを加えた値として設定した。
The minimum size of this defect-free region is the transition state formation and the formation of a plurality of H 2 O during the moisture absorption process.
It is determined from the free volume (void) required for adsorption. In particular,
Radius 0.39n centered on Si atom to which F atom is bonded
SiO having a local structure not having the above defects within m
In the case of the second network structure, the reaction between new F atoms and H 2 O associated with the promotion of H 2 O adsorption is suppressed. The radius of 0.39 nm was set as a value obtained by adding an F ion radius of 0.07 nm to the Si—F bond length of 0.32 nm.

【0075】(第1の実施形態)図3は、本発明の第1
の実施形態に係る層間絶縁膜の形成に用いるプラズマC
VD装置の概略構成を示す模式図である。本実施形態で
は、原料ガスとしてSiF(OC2 5 3 とO2 とS
iH4 とTEOSとの混合ガスを用いる。この原料ガス
の特徴はSiH4 が含まれていることにある。
(First Embodiment) FIG. 3 shows the first embodiment of the present invention.
Plasma C used for forming the interlayer insulating film according to the embodiment
It is a schematic diagram which shows schematic structure of a VD apparatus. In this embodiment, SiF (OC 2 H 5 ) 3 , O 2 and S are used as raw material gases.
A mixed gas of iH 4 and TEOS is used. The characteristic of this source gas is that it contains SiH 4 .

【0076】次に上記プラズマCVD装置を用いた多層
配線の形成方法について説明する。まず、素子を形成し
た半導体基板1を基板支持台2上にセットする。次に基
板支持台2内に設けられた抵抗加熱ヒータ3により半導
体基板1を所定温度まで加熱し、所定の基板温度(加熱
温度)に設定する。基板支持台2内には冷却剤を循環さ
せるための冷却パイプ4が設けられ、これにより、基板
温度が所定温度を越える高温になるを防止できるように
なっている。
Next, a method of forming a multi-layer wiring using the above plasma CVD apparatus will be described. First, the semiconductor substrate 1 on which elements are formed is set on the substrate support base 2. Next, the semiconductor substrate 1 is heated to a predetermined temperature by the resistance heater 3 provided in the substrate support base 2 and set to a predetermined substrate temperature (heating temperature). A cooling pipe 4 for circulating a cooling agent is provided in the substrate support base 2 to prevent the substrate temperature from becoming a high temperature exceeding a predetermined temperature.

【0077】基板温度(加熱温度)は、予め行なった熱
脱離スペクトル(TDS:ThermalDesorption Spectros
copy)測定において、SiO2 に取り込まれた構造水
(Si−OH、HOH)の脱水縮合が顕著になる350
〜550℃の範囲内に設定すると良い。ここでは、基板
温度を470℃に設定する。
The substrate temperature (heating temperature) is the thermal desorption spectrum (TDS) previously performed.
In the measurement of (copy), dehydration condensation of structural water (Si—OH, HOH) taken in SiO 2 becomes remarkable 350
It is preferable to set the temperature within the range of to 550 ° C. Here, the substrate temperature is set to 470 ° C.

【0078】これにより、SiO2 ネットワークの緻密
化の達成、および構造水残留によるSiO2 ネットワー
クの弛緩とSi−Fの伸長とに要する自由体積(空隙)
の形成の抑制を実現できる。
[0078] Thus, the free volume required achieve densification of the SiO 2 network, and the extension of relaxation and Si-F of SiO 2 network by structural water residual (void)
Can be suppressed.

【0079】次に成膜チャンバ(反応容器)6内に原料
ガスとしてTEOSを50cm3 /min、O2 を50
0cm3 /min、SiF(OC2 5 3 を0〜50
0cm3 /min、SiH4 を50cm3 /minの流
量で同時に導入し、また、排気装置10により成膜チャ
ンバ6内の圧力を133Paに保持する。流量の調整は
ゲートバルブ11により行なう。
Next, in the film forming chamber (reaction vessel) 6, TEOS as a source gas is 50 cm 3 / min and O 2 is 50.
0 cm 3 / min, 0 to 50 SiF (OC 2 H 5 ) 3
0 cm 3 / min and SiH 4 are simultaneously introduced at a flow rate of 50 cm 3 / min, and the pressure in the film forming chamber 6 is maintained at 133 Pa by the exhaust device 10. The flow rate is adjusted by the gate valve 11.

【0080】次に半導体基板1に対向させた電極7に高
周波電源12により13.56MHzのRF電力を1k
W印加して放電を開始し、同時に、基板支持台2に設け
られた高周波電源5により基板支持台2に350kHz
のRFバイアスを500W印加することにより、層間絶
縁膜であるFが添加されたSiO2 膜(F添加SiO2
膜)の成膜を行なう。
Next, the RF power of 13.56 MHz is applied to the electrode 7 facing the semiconductor substrate 1 by the high frequency power source 12 for 1 k.
W is applied to start discharge, and at the same time, 350 kHz is applied to the substrate support base 2 by the high frequency power source 5 provided on the substrate support base 2.
By applying the RF bias of 500 W, the SiO 2 film (F-added SiO 2
Film) is formed.

【0081】このとき、層間絶縁膜に取り込まれ得るS
i−OH、H−OHのO−H結合の切断に要するエネル
ギーである約12〜25eV以上のエネルギーを成膜中
の層間絶縁膜の表面に与え得るエネルギーを持つ電子あ
るいはイオン(典型的にはF± 、O± 、O2 ±
オン)を成膜中の層間絶縁膜の表面に照射することによ
り、膜表面でのSi−OHの分解を促進しSiO2 ネッ
トワークを緻密化する。
At this time, S which may be taken into the interlayer insulating film
Electrons or ions (typically, having an energy capable of giving energy of about 12 to 25 eV or more, which is the energy required to break the O—H bond of i-OH or H—OH, to the surface of the interlayer insulating film during film formation (typically, By irradiating the surface of the interlayer insulating film being formed with F ± , O ± , and O 2 ± ions), decomposition of Si—OH on the film surface is promoted and the SiO 2 network is densified.

【0082】また、成膜中に生成しうる非架橋酸素(欠
陥)は、酸素イオン照射によるネットワーク緻密化とS
iH4 の分解生成物SiHn (n=1〜3)による終端
とにより除去される。
The non-bridging oxygen (defects) that can be generated during the film formation is due to the densification of the network by oxygen ion irradiation and S
iH 4 is decomposed by termination with SiH n (n = 1 to 3).

【0083】このようにして、図4(a)に示すよう
に、半導体素子が形成された半導体基板1上に、層間絶
縁膜としての厚さ500nmのF添加SiO2 膜8が形
成される。
Thus, as shown in FIG. 4A, the F-doped SiO 2 film 8 having a thickness of 500 nm is formed as an interlayer insulating film on the semiconductor substrate 1 on which the semiconductor element is formed.

【0084】次に同図(a)に示すように、DCマグネ
トロンスパッタリングにより、F添加SiO2 膜8上に
Al膜を成膜した後、このAl膜をパターニングして配
線幅500nm、配線厚400nmの1層目のAl配線
9を形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, after an Al film is formed on the F-added SiO 2 film 8 by DC magnetron sputtering, the Al film is patterned to have a wiring width of 500 nm and a wiring thickness of 400 nm. The Al wiring 9 of the first layer is formed.

【0085】次に図4(b)に示すように、F添加Si
2 膜8と同じ成膜方法で厚さ800nmのF添加Si
2 膜14を形成した後、Al配線9の場合と同様に厚
さ400nmのAl膜を成膜し、このAl膜をパターニ
ングして2層目のAl配線15を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, F-added Si
800-nm-thick F-doped Si using the same film formation method as the O 2 film 8
After forming the O 2 film 14, an Al film having a thickness of 400 nm is formed as in the case of the Al wiring 9, and the Al film is patterned to form the second-layer Al wiring 15.

【0086】最後に、同図(b)に示すように、F添加
SiO2 膜8と同じ成膜方法で厚さ800nmのF添加
SiO2 膜16を形成する。
Finally, as shown in FIG. 9B, an F-added SiO 2 film 16 having a thickness of 800 nm is formed by the same film forming method as that of the F-added SiO 2 film 8.

【0087】Fが添加されSi−F結合を形成している
ことは、赤外吸収スペクトル測定により確認した。この
赤外吸収スペクトルには、約1080cm-1、約800
cm-1、約450cm-1にSiO2 固有の基準振動モー
ドに帰属される吸収ピークの他、約935cm-1にSi
−F結合に帰属される吸収ピークが観測された。また、
このF添加SiO2 膜中のF原子濃度は約10at%
で、屈折率は1.43、比誘電率は3.3であった。
It was confirmed by infrared absorption spectrum measurement that F was added to form a Si--F bond. This infrared absorption spectrum shows about 1080 cm -1 , about 800
cm -1, the other absorption peak attributable to SiO 2 specific normal vibrational mode at about 450 cm -1, Si at about 935cm -1
An absorption peak attributed to the -F bond was observed. Also,
The F atom concentration in this F-added SiO 2 film is about 10 at%.
The refractive index was 1.43 and the relative dielectric constant was 3.3.

【0088】また、本実施形態では、プラズマCVD装
置として、成膜チェンバ内での放電を半導体基板に対向
させた電極に高周波を印加することにより行なうCVD
装置を用いたが、他のCVD装置を用いても良い。
Further, in the present embodiment, as a plasma CVD apparatus, the discharge in the deposition chamber is carried out by applying a high frequency to the electrode facing the semiconductor substrate.
Although the apparatus is used, another CVD apparatus may be used.

【0089】例えば、従来用いられている平行平板型プ
ラズマCVD装置や、マイクロ波放電やマグネトロン放
電など1×1011イオン/cm3 以上の高密度プラズマ
を形成できるCVD装置、例えば、サイクロトロン共鳴
を利用したプラズマCVD装置、誘電電流を用いたプラ
ズマCVD装置、ヘリコン波を用いたプラズマCVD装
置、ダイポールリングマグネトロンプラズマCVD装置
またはマグネトロン平行平板CVD装置などを用いて
も、絶縁膜形成時の条件を制御することにより、本実施
形態と同様のF添加SiO2 膜を形成できる。
For example, a conventionally used parallel plate type plasma CVD apparatus or a CVD apparatus capable of forming a high density plasma of 1 × 10 11 ions / cm 3 or more such as microwave discharge or magnetron discharge, for example, cyclotron resonance is used. The conditions at the time of forming the insulating film can be controlled even by using the above-described plasma CVD apparatus, plasma CVD apparatus using dielectric current, plasma CVD apparatus using helicon wave, dipole ring magnetron plasma CVD apparatus or magnetron parallel plate CVD apparatus. As a result, an F-doped SiO 2 film similar to that of this embodiment can be formed.

【0090】図5(a)、図5(b)は、それぞれ、実
施形態の方法で成膜されたF添加SiO2 膜の吸湿性を
調べるために、堆積直後、1週間大気放置後での赤外吸
収スペクトル変化を測定した結果である。
FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the moisture absorption of the F-added SiO 2 film formed by the method of the embodiment. It is the result of measuring the infrared absorption spectrum change.

【0091】図中、横軸は添加したFの濃度(Si−F
/Si−O比)に対応し、約935cm-1のSi−F伸
縮ピーク積分強度を約1080cm-1のSiO2 逆対称
伸縮ピーク積分強度で規格化した値である。また、縦軸
はSiO2 に取り込まれた構造水濃度である吸収量
((Si−OH,H−OH)/SiO比)に対応し、約
3750〜3000cm-1のSi−OH、H−OHピー
ク積分強度を約1080cm-1のSiO2 逆対称伸縮ピ
ーク積分強度で規格化した値である。
In the figure, the horizontal axis represents the concentration of added F (Si-F
/ Corresponding to SiO ratio) is a value obtained by normalizing the Si-F stretching peak integrated intensity of about 935cm -1 in SiO 2 antisymmetric stretching peak integrated intensity of about 1080 cm -1. The vertical axis corresponds to the absorption is a structural water concentrations incorporated into SiO 2 ((Si-OH, H-OH) / SiO ratio), Si-OH in about 3750~3000cm -1, H-OH It is a value in which the peak integrated intensity is standardized by the SiO 2 antisymmetric expansion / contraction peak integrated intensity of about 1080 cm −1 .

【0092】図9から、堆積直後に構造水が減少し、大
気放置後の吸湿量が減少することが分かる。なお、F濃
度が低い(2%より小さい)場合に、吸湿量が増えてい
るのは、膜中にOH基がかなり多く存在しているからで
あると思われる。さらに、FT−IRにより、膜中のS
i−F結合に起因するピークの対称性が大きくくずれて
いないことより、1個のSiにFが2個以上ついた構造
の形成が抑制されていることが分かる。成膜温度を変化
させて成膜したところ、成膜温度が400℃以下におい
ては、上記効果は得られなかった。この結果より、成膜
時の温度は400℃以上であることが望ましい。
From FIG. 9, it can be seen that the amount of structured water decreases immediately after the deposition and the amount of moisture absorption after standing in the air decreases. When the F concentration is low (less than 2%), the amount of moisture absorption is increased because it is considered that a large number of OH groups are present in the film. Furthermore, by FT-IR, S in the film
The fact that the symmetry of the peak due to the i-F bond is not significantly broken indicates that the formation of a structure in which one Si has two or more Fs is suppressed. When a film was formed by changing the film forming temperature, the above effect was not obtained when the film forming temperature was 400 ° C. or lower. From this result, it is desirable that the temperature during film formation is 400 ° C. or higher.

【0093】また、400℃以上で成膜した膜を400
℃未満で成膜した膜のSi−FスペクトルをFT−IR
にて比較して調べた結果、Fが2個以上結合したSi原
子の割合は、Fが1個以上結合したSi原子に対し、多
くとも1/3以下であることが望ましいことが分かっ
た。
A film formed at 400 ° C. or higher is
Si-F spectrum of the film formed below ℃ FT-IR
As a result of the comparison, it was found that it is desirable that the ratio of Si atoms having two or more Fs bonded is 1/3 or less at most with respect to the Si atoms having one or more Fs bonded.

【0094】(第2の実施形態)図6は、本発明の第2
の実施形態に係る多層配線の形成方法を示す工程断面図
である。これは吸湿性を改善するために、層間絶縁膜と
して、F添加されたSiO2 膜(F添加SiO2 膜)と
F添加されていないSiO2 膜(純SiO2 膜)との積
層絶縁膜を用いた例である。
(Second Embodiment) FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process cross-sectional view showing the method for forming multilayer wiring according to the embodiment. In order to improve hygroscopicity, a laminated insulating film of an F-added SiO 2 film (F-added SiO 2 film) and a non-F-added SiO 2 film (pure SiO 2 film) is used as an interlayer insulating film. This is the example used.

【0095】まず、図6(a)に示すように、素子を形
成した半導体基板21上に厚さ800nmのボロンリン
ガラス膜(BPSG膜)22を形成する。次いで400
nmのAl膜をスパッタリング法で成膜した後、このA
l膜をパターニングして1層目のAl配線23を形成す
る。
First, as shown in FIG. 6A, a boron phosphorus glass film (BPSG film) 22 having a thickness of 800 nm is formed on a semiconductor substrate 21 on which elements are formed. Then 400
nm Al film is formed by the sputtering method.
The l film is patterned to form the first-layer Al wiring 23.

【0096】次に図6(b)に示すように、原料ガスと
してTEOSとO2 との混合ガスを用いたプラズマCV
D法により、厚さ100nmの純SiO2 膜24を形成
した後、第1の実施形態と同様に、原料ガスとしてTE
OSとO2 とSiH4 とSiF(OC2 5 3 との混
合ガスを用いたプラズマCVD法により、厚さ500n
mのF添加iO2 膜25を形成する。次いで原料ガスと
してTEOSとO2 との混合ガスを用いたプラズマCV
D法により、厚さ100nmの純SiO2 膜26を形成
する。
Next, as shown in FIG. 6B, plasma CV using a mixed gas of TEOS and O 2 as a source gas.
After the pure SiO 2 film 24 having a thickness of 100 nm is formed by the D method, TE gas is used as a source gas as in the first embodiment.
A thickness of 500 n was obtained by a plasma CVD method using a mixed gas of OS, O 2 , SiH 4 and SiF (OC 2 H 5 ) 3.
An F-added iO 2 film 25 of m is formed. Next, plasma CV using a mixed gas of TEOS and O 2 as a source gas
A pure SiO 2 film 26 having a thickness of 100 nm is formed by the D method.

【0097】次に図6(c)に示すように、全面にレジ
スト(不図示)を塗布して露光・現像してレジストパタ
ーンを形成した後、このレジストパターンをマスクとし
て用いたドライエッチングにより、Al配線23上の絶
縁膜24,25,26にヴィアホール27を開孔する。
Next, as shown in FIG. 6C, a resist (not shown) is applied on the entire surface, exposed and developed to form a resist pattern, and then dry etching is performed using this resist pattern as a mask. A via hole 27 is opened in the insulating films 24, 25 and 26 on the Al wiring 23.

【0098】次に図6(d)に示すように、原料ガスと
してWF6 とSiH4 との混合ガスを用いた選択CVD
法あるいは非選択CVD法と、ケミカルメカニカルポリ
ッシングあるいはレジストエッチバックとを組み合わせ
て、ヴィアホール27内にタングステン膜28を埋め込
む。
Next, as shown in FIG. 6D, selective CVD using a mixed gas of WF 6 and SiH 4 as a source gas.
Method or non-selective CVD method and chemical mechanical polishing or resist etch back are combined to fill the via hole 27 with the tungsten film 28.

【0099】次に同図(d)に示すように、厚さ400
nmのAl膜をスパッタリング法で成膜し、このAl膜
をパターニングして2層目のAl配線29を形成した
後、厚さ100nmの純SiO2 膜30、厚さ500n
mのF添加SiO2 膜31、厚さ100nmの純SiO
2 膜32を順次形成する。
Next, as shown in FIG.
nm Al film is formed by a sputtering method, and the Al film is patterned to form a second-layer Al wiring 29. Then, a pure SiO 2 film 30 having a thickness of 100 nm and a thickness of 500 n are formed.
m F-added SiO 2 film 31, 100 nm thick pure SiO
2 The film 32 is sequentially formed.

【0100】純SiO2 膜は、F添加SiO2 膜に比べ
て吸湿性が小さい。したがって、本実施形態によれば、
層間絶縁膜の吸湿を第1の実施形態に比較して更に抑制
でき、誘電率の増加や配線の腐食に代表される信頼性の
低下を効果的に防止できる。なお、前記純SiO2 膜の
代わりに、膜中F濃度が低く、吸湿性を示さないSiO
2 を用いても同様の効果が得られた。
The pure SiO 2 film has a lower hygroscopic property than the F-added SiO 2 film. Therefore, according to the present embodiment,
The moisture absorption of the interlayer insulating film can be further suppressed as compared with the first embodiment, and the decrease in reliability represented by the increase of the dielectric constant and the corrosion of the wiring can be effectively prevented. Instead of the pure SiO 2 film, SiO having a low F concentration in the film and exhibiting no hygroscopic property
The same effect was obtained by using 2 .

【0101】(第3の実施形態)図7は、本発明の第3
の実施形態に係る層間絶縁膜の形成に用いるプラズマC
VD装置の概略構成を示す模式図である。本実施形態で
は、原料ガスとしてSiF(OC2 5 3 とO2 とS
iH4 とNF3 とTEOSとの混合ガスを用いている。
(Third Embodiment) FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention.
Plasma C used for forming the interlayer insulating film according to the embodiment
It is a schematic diagram which shows schematic structure of a VD apparatus. In this embodiment, SiF (OC 2 H 5 ) 3 , O 2 and S are used as raw material gases.
A mixed gas of iH 4 , NF 3, and TEOS is used.

【0102】図中、40は絶縁材料からなる成膜チャン
バ(反応容器)を示しており、この成膜チャンバ40の
内部には半導体基板41を載置するための基板支持台4
2、原料ガスを成膜チャンバ40内に導入するためのノ
ズル46が設けられている。また、成膜チャンバ40の
下部には排気装置45が設けられており、これにより、
成膜チャンバ40内を真空排気できるようになってい
る。
In the figure, reference numeral 40 denotes a film forming chamber (reaction container) made of an insulating material. Inside the film forming chamber 40, a substrate support 4 for mounting a semiconductor substrate 41.
2. A nozzle 46 for introducing the source gas into the film forming chamber 40 is provided. Further, an exhaust device 45 is provided below the film forming chamber 40.
The inside of the film forming chamber 40 can be evacuated.

【0103】基板支持台42には、内部ヒータである抵
抗加熱ヒータ43および冷却剤を循環させるための冷却
パイプ44が設けられている。また、基板支持台42に
は高周波電源49が接続されている。成膜チャンバ40
の側壁には高周波コイル47が巻き付けられ、この高周
波コイル43には高周波電源48が接続されている。次
に上記プラズマCVD装置を用いた多層配線の形成方法
について説明する。まず、素子を形成した半導体基板4
1を基板支持台42上にセットし、抵抗加熱ヒータ44
により、基板を470℃まで加熱する。加熱温度は、予
め行なった熱脱離スペクトル(TDS:Thermal Desorp
tion Spectroscopy)測定において、SiO2 に取り込ま
れた構造水(Si−OH、HOH)の脱水縮合が顕著に
なる350〜550℃の範囲内に設定する。
The substrate support 42 is provided with a resistance heater 43 which is an internal heater and a cooling pipe 44 for circulating a coolant. A high frequency power source 49 is connected to the substrate support table 42. Film forming chamber 40
A high frequency coil 47 is wound around the side wall of the, and a high frequency power source 48 is connected to the high frequency coil 43. Next, a method of forming a multi-layer wiring using the above plasma CVD apparatus will be described. First, the semiconductor substrate 4 on which elements are formed
1 is set on the substrate support 42, and the resistance heater 44
The substrate is heated to 470 ° C. The heating temperature is the thermal desorption spectrum (TDS: Thermal Desorp
In the ionization spectroscopy measurement, it is set within the range of 350 to 550 ° C. at which the dehydration condensation of the structural water (Si—OH, HOH) taken into SiO 2 becomes remarkable.

【0104】これにより、SiO2 ネットワークの緻密
化の達成、および構造水残留によるSiO2 ネットワー
クの弛緩とSi−Fの伸長に要する自由体積(空隙)の
形成の抑制を実現できる。
[0104] Thus, it is possible to realize the suppression of formation of achieving densification of the SiO 2 network, and free volume due to structural water remaining required extension of relaxation and Si-F of SiO 2 network (void).

【0105】次に成膜チャンバ40内に原料ガスとし
て、TEOSを50cm3 /min、O2 を500cm
3 /min、SiH4 を50cm3 /min、NF3
500cm3 /min、SiF(OC2 5 3 を0〜
500cm3 /minの流量で同時に導入し、成膜チャ
ンバ40内の圧力を133Paに保たれるようにしてお
く。
Next, in the film forming chamber 40, as source gas, TEOS is 50 cm 3 / min and O 2 is 500 cm.
3 / min, SiH 4 50 cm 3 / min, NF 3 500 cm 3 / min, SiF (OC 2 H 5 ) 3 0 to
It is introduced simultaneously at a flow rate of 500 cm 3 / min so that the pressure in the film forming chamber 40 can be maintained at 133 Pa.

【0106】次に成膜チャンバ40の側壁の高周波コイ
ル47に13.56MHzのRF電力を印加して放電を
開始し、同時に、基板支持台42に350kHzのRF
バイアスを高周波電源49により500W印加して、層
間絶縁膜の成膜を行なう。
Next, 13.56 MHz RF power is applied to the high frequency coil 47 on the side wall of the film forming chamber 40 to start discharge, and at the same time, the substrate support table 42 is subjected to RF of 350 kHz.
A bias of 500 W is applied from the high frequency power source 49 to form an interlayer insulating film.

【0107】このとき、層間絶縁膜に取り込まれ得るS
i−OH、H−OHのO−H結合の切断に要するエネル
ギーである約12〜25eV以上のエネルギーを成膜中
の膜表面に与え得るエネルギーを持つ電子あるいはイオ
ン(典型的にはF± 、O± 、O2 ±イオン)を成膜中
の層間絶縁膜の表面に照射することにより、膜表面での
Si−OHの分解を促進しSiO2 ネットワークを緻密
化する。
At this time, S which may be taken into the interlayer insulating film
Energy required for breaking O-H bond of i-OH and H-OH
Energy of about 12 to 25 eV, which is the energy
Of electrons or ions that have energy that can be applied to the film surface of
(Typically F±, O± , O2 ±Ion) is being formed
By irradiating the surface of the interlayer insulating film of
SiO that promotes the decomposition of Si-OH2Precise network
Turn into.

【0108】また、成膜中に生成しうる非架橋酸素(欠
陥)は、酸素イオン照射によるネットワーク緻密化とS
iH4 分解生成物SiHn (n=1〜3)による終端と
により除去される。
The non-bridging oxygen (defects) that can be generated during film formation is due to network densification due to oxygen ion irradiation and S
iH 4 decomposition product SiH n (n = 1 to 3) and termination.

【0109】こうして図8(a)に示すように、半導体
基板41上に厚さ500nmのFとNが添加されたSi
2 膜(F,N添加SiO2 膜)50が形成される。
Thus, as shown in FIG. 8A, Si having a thickness of 500 nm and doped with F and N is formed on the semiconductor substrate 41.
An O 2 film (F, N-added SiO 2 film) 50 is formed.

【0110】次に図8(b)に示すように、DCマグネ
トロンスパッタリングによりAl膜を成膜した後、この
Al膜をパターニングして、配線幅500nm、配線厚
400nmの1層目のAl配線51を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, after forming an Al film by DC magnetron sputtering, the Al film is patterned to form a first layer Al wiring 51 having a wiring width of 500 nm and a wiring thickness of 400 nm. To form.

【0111】次に図8(c)に示すように、F,N添加
SiO2 膜50と同じ成膜方法で、厚さ800nmの
F,N添加SiO2 膜52を形成する。次いでAl配線
51の場合と同様に、厚さ400nmのAl膜を成膜
し、このAl膜をパターニングして、2層目のAl配線
53を形成する。最後に、F,N添加SiO2 膜50と
同じ成膜方法で、厚さ800nmのF,N添加SiO2
膜54を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, an F, N-added SiO 2 film 52 having a thickness of 800 nm is formed by the same film forming method as the F, N-added SiO 2 film 50. Then, similarly to the case of the Al wiring 51, an Al film having a thickness of 400 nm is formed, and this Al film is patterned to form the second-layer Al wiring 53. Finally, F, in the same film forming method as N added SiO 2 film 50, a thickness of 800 nm F, N added SiO 2
The film 54 is formed.

【0112】なお、本実施形態では、プラズマCVD装
置として、成膜チェンバ内での放電を成膜チャンバの側
壁に設けた電極に高周波電力を印加することにより行な
うCVD装置を用いたが、他のCVD装置を用いても良
い。
In the present embodiment, as the plasma CVD apparatus, a CVD apparatus is used which discharges in the film forming chamber by applying high frequency power to electrodes provided on the side wall of the film forming chamber. A CVD device may be used.

【0113】例えば、従来用いられている平行平板型プ
ラズマCVD装置や、マイクロ波放電やマグネトロン放
電など1×1011イオン/cm3 以上の高密度プラズマ
を形成できるCVD装置、例えば、サイクロトロン共鳴
を利用したプラズマCVD装置、誘電電流を用いたプラ
ズマCVD装置、ヘリコン波を用いたプラズマCVD装
置、ダイポールリングマグネトロンプラズマCVD装置
またはマグネトロン平行平板CVD装置などを用いて
も、絶縁膜形成時の条件を制御することにより、本実施
形態と同様のF,N添加SiO2 膜を形成できる。
For example, a conventional parallel plate plasma CVD apparatus or a CVD apparatus capable of forming high density plasma of 1 × 10 11 ions / cm 3 or more such as microwave discharge or magnetron discharge, for example, cyclotron resonance is used. The conditions at the time of forming the insulating film can be controlled even by using the above-described plasma CVD apparatus, plasma CVD apparatus using dielectric current, plasma CVD apparatus using helicon wave, dipole ring magnetron plasma CVD apparatus or magnetron parallel plate CVD apparatus. As a result, an F, N-added SiO 2 film similar to that of this embodiment can be formed.

【0114】(第4の実施形態)図9は、本発明の第4
の実施形態に係る多層配線の形成方法を示す工程断面図
である。本実施形態では、原料ガスとしてSiF(OC
2 5 3 とO2 とSiH4 とBF3 とTEOSとの混
合ガスを用いる。また、層間絶縁膜の成膜装置としては
第3の実施形態と同じプラズマCVD装置を用いる。
(Fourth Embodiment) FIG. 9 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process cross-sectional view showing the method for forming a multilayer wiring according to the embodiment of FIG. In the present embodiment, SiF (OC
A mixed gas of 2 H 5 ) 3 , O 2 , SiH 4 , BF 3, and TEOS is used. Further, the same plasma CVD apparatus as that of the third embodiment is used as a film forming apparatus for the interlayer insulating film.

【0115】まず、第3の実施形態と同様に、素子を形
成した半導体基板41を基板支持台42上にセットし、
抵抗加熱ヒータにより470℃まで加熱する。加熱温度
は、予め行った熱脱離スペクトル(TDS:Thermal De
sorption Spectroscopy)測定において、SiO2 に取り
込まれた構造水(Si−OH、HOH)の脱水縮合が顕
著になる350〜550℃の範囲内に設定する。
First, similarly to the third embodiment, the semiconductor substrate 41 on which the elements are formed is set on the substrate support base 42,
Heat to 470 ° C. with a resistance heater. The heating temperature is the thermal desorption spectrum (TDS)
In the absorption spectroscopy measurement, it is set within the range of 350 to 550 ° C. where the dehydration condensation of the structural water (Si—OH, HOH) taken into SiO 2 becomes remarkable.

【0116】これにより、SiO2 ネットワークの緻密
化の達成、および構造水残留によるSiO2 ネットワー
クの弛緩とSi−Fの伸長に要する自由体積(空隙)の
形成の抑制を実現できる。
[0116] Thus, it is possible to realize the suppression of formation of achieving densification of the SiO 2 network, and free volume due to structural water remaining required extension of relaxation and Si-F of SiO 2 network (void).

【0117】次に成膜チャンバ40内に原料ガスとし
て、TEOSを50cm3 /min、O2 を500cm
3 /min、SiH4 を50cm3 /min、BF3
500cm3 /min、SiF(OC2 5 3 を0〜
500cm3 /minの流量で同時に導入し、成膜チャ
ンバ40内圧力を133Paに保たれるようにしてお
く。
Next, in the film forming chamber 40, as source gas, TEOS is 50 cm 3 / min and O 2 is 500 cm.
3 / min, SiH 4 is 50 cm 3 / min, BF 3 is 500 cm 3 / min, SiF (OC 2 H 5 ) 3 is 0-
It is introduced at a flow rate of 500 cm 3 / min at the same time so that the internal pressure of the film forming chamber 40 can be maintained at 133 Pa.

【0118】次に成膜チャンバ40の側壁の高周波コイ
ル47に13.56MHzのRF電力を高周波電源49
により印加して放電を開始し、同時に、基板支持台42
に350kHzのRFバイアスを高周波電源49により
500W印加し、層間絶縁膜の成膜を行う。
Next, RF power of 13.56 MHz is applied to the RF coil 47 on the side wall of the film forming chamber 40 by the RF power source 49.
Is applied to start discharge, and at the same time, the substrate support 42
Then, an RF bias of 350 kHz is applied by a high frequency power source 49 for 500 W to form an interlayer insulating film.

【0119】このとき、層間絶縁膜に取り込まれ得るS
i−OH、H−OHのO−H結合の切断に要するエネル
ギーである約12〜25eV以上のエネルギーを成膜中
の層間絶縁膜の表面に与え得るエネルギーを持つ電子あ
るいはイオン(典型的にはF± 、O± 、O2 ±
オン)を成膜中の層間絶縁の表面に照射することによ
り、膜表面でのSi−OHの分解を促進してSiO2
ットワークを緻密化する。
At this time, S which may be taken into the interlayer insulating film
Electrons or ions (typically, having an energy capable of giving energy of about 12 to 25 eV or more, which is the energy required to break the O—H bond of i-OH or H—OH, to the surface of the interlayer insulating film during film formation (typically, By irradiating the surface of the interlayer insulation during film formation with F ± , O ± , and O 2 ± ions, the decomposition of Si—OH on the film surface is promoted and the SiO 2 network is densified.

【0120】また、成膜中に生成しうる非架橋酸素(欠
陥)は、酸素イオン照射によるネットワーク緻密化とS
iH4 の分解生成物SiHn (n=1〜3)による終端
とにより除去される。
The non-bridging oxygen (defects) that can be generated during the film formation is due to the densification of the network by oxygen ion irradiation and S
iH 4 is decomposed by termination with SiH n (n = 1 to 3).

【0121】こうして図9(a)に示すように、半導体
基板41上にFとBが添加された厚さ500nmのSi
2 膜(F,B添加SiO2 膜)60が形成される。
Thus, as shown in FIG. 9A, Si having a thickness of 500 nm on which F and B are added is formed on the semiconductor substrate 41.
An O 2 film (F, B-added SiO 2 film) 60 is formed.

【0122】次に図9(b)に示すように、DCマグネ
トロンスパッタリングによりAl膜を成膜した後、この
Al膜をパターニングして、配線幅500nm、配線厚
400nmの1層目のAl配線61を形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, after forming an Al film by DC magnetron sputtering, this Al film is patterned to form a first layer Al wiring 61 having a wiring width of 500 nm and a wiring thickness of 400 nm. To form.

【0123】次に図9(c)に示すように、F,B添加
SiO2 膜60と同じ成膜方法で、厚さ800nmの
F,B添加SiO2 膜52を形成する、次にAl配線6
1と同様に厚さ400nmのAl膜を成膜した後、この
Al膜をパターニングして2層目のAl配線63を形成
する。最後に、F,B添加SiO2 膜60と同じ成膜方
法で、厚さ800nmのF,B添加SiO2 膜64を形
成する。
Next, as shown in FIG. 9C, an F, B-added SiO 2 film 52 having a thickness of 800 nm is formed by the same film forming method as the F, B-added SiO 2 film 60, and then Al wiring is formed. 6
After forming an Al film having a thickness of 400 nm as in the case of 1, the Al film is patterned to form the second-layer Al wiring 63. Finally, the F, B-added SiO 2 film 64 having a thickness of 800 nm is formed by the same film forming method as the F, B-added SiO 2 film 60.

【0124】なお、本実施形態では、プラズマCVD装
置として、成膜チェンバ内での放電を半導体基板に対向
させた電極に高周波を印加することにより行なうCVD
装置を用いたが、他のCVD装置を用いても良い。
In the present embodiment, as a plasma CVD apparatus, the CVD in the film forming chamber is performed by applying a high frequency to the electrode facing the semiconductor substrate.
Although the apparatus is used, another CVD apparatus may be used.

【0125】例えば、従来用いられている平行平板型プ
ラズマCVD装置や、マイクロ波放電やマグネトロン放
電など1×1011イオン/cm3 以上の高密度プラズマ
を形成できるCVD装置、例えば、サイクロトロン共鳴
を利用したプラズマCVD装置、誘電電流を用いたプラ
ズマCVD装置、ヘリコン波を用いたプラズマCVD装
置、ダイポールリングマグネトロンプラズマCVD装置
またはマグネトロン平行平板CVD装置などを用いて
も、絶縁膜形成時の条件を制御することにより、本実施
形態と同様のF,B添加SiO2 膜を形成できる。
For example, a conventional parallel plate type plasma CVD apparatus or a CVD apparatus capable of forming high density plasma of 1 × 10 11 ions / cm 3 or more such as microwave discharge or magnetron discharge, for example, cyclotron resonance is used. The conditions at the time of forming the insulating film can be controlled even by using the above-described plasma CVD apparatus, plasma CVD apparatus using dielectric current, plasma CVD apparatus using helicon wave, dipole ring magnetron plasma CVD apparatus or magnetron parallel plate CVD apparatus. As a result, an F, B-added SiO 2 film similar to that of the present embodiment can be formed.

【0126】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、原料ガスと
してTEOS、O2 、SiH4 およびSiF(OC2
5 3 を用いたが、これに限定されるものではない。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the raw material gases are TEOS, O 2 , SiH 4 and SiF (OC 2 H
5 ) 3 was used, but it is not limited to this.

【0127】例えば、Fを構成元素の一つとする化合物
ガスとしては、NF3 、BF3 、CF4 、C2 6 、C
lF3 、SiF4 などを用いても良い。
For example, as a compound gas containing F as one of the constituent elements, NF 3 , BF 3 , CF 4 , C 2 F 6 , C
lF 3, SiF 4 or the like may be used.

【0128】また、Fを構成元素の一つとする有機シラ
ンガスとしては、SiF(OC2 5 3 、SiF
3 (OC2 5 2 、SiF3 (OC2 5 )などを用
いても良い。これらのガスは、FおよびOを構成元素と
して含む有機シランガスとして、酸化剤ガスなしで用い
ることもできる。
As the organic silane gas containing F as one of the constituent elements, SiF (OC 2 H 5 ) 3 , SiF
3 (OC 2 H 5 ) 2 or SiF 3 (OC 2 H 5 ) may be used. These gases can be used as an organic silane gas containing F and O as constituent elements without an oxidant gas.

【0129】また、Fを構成元素の一つとする無機シラ
ンガスとしては、SiH3 F、SiH2 2 、SiHF
3 などを用いても良い。有機シランガスとしてはTEO
S、HSi(OC2 5 3 、H2 Si(OC4 9
2 などを用いても良い。
Further, as the inorganic silane gas containing F as one of the constituent elements, SiH 3 F, SiH 2 F 2 , SiHF
3 or the like may be used. TEO as organic silane gas
S, HSi (OC 2 H 5 ) 3 , H 2 Si (OC 4 H 9 )
2 or the like may be used.

【0130】また、無機シランガスとしては、Si
4 、Si2 6 などを用いても良い。また、酸化剤ガ
スとしては、O2 、N2 Oなどを用いても良い。
As the inorganic silane gas, Si is used.
H 4 , Si 2 H 6 or the like may be used. Further, O 2 , N 2 O or the like may be used as the oxidant gas.

【0131】また、N、Bを構成元素の一つとする化合
物ガスとしては、NO、NH3 、N2 4 、BH3 、B
2 6 などを用いても良い。
Compound gases containing N and B as one of the constituent elements are NO, NH 3 , N 2 H 4 , BH 3 and B.
2 H 6 or the like may be used.

【0132】また、上記実施形態においては、配線材料
として純Alを用いたが、他の配線材料、例えば、Al
を主成分とする合金でも良い。その他、銅(Cu)、銀
(Ag)、金(Au)、ニッケル(Ni)、パラジウム
(Pd)あるいは白金(Pt)のうちいずれか、あるい
はこれらのうち1つまたは複数の元素を主配線材料とす
る合金でも良い。
In the above embodiment, pure Al is used as the wiring material, but other wiring materials such as Al are used.
An alloy containing as a main component may be used. In addition, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), nickel (Ni), palladium (Pd), or platinum (Pt), or one or more of these elements are used as the main wiring material. It may be an alloy.

【0133】[0133]

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、S
iO2 網目構造を有する絶縁膜において、特定の欠陥を
低減することにより、吸湿性を改善できるので、吸湿に
よる比誘電率の増大を防止できるようになる。
As described in detail above, according to the present invention, S
In the insulating film having the iO 2 network structure, the hygroscopicity can be improved by reducing the specific defects, so that the increase in the relative dielectric constant due to the moisture absorption can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】加水分解過程におけるFSi(OH)3 +H2
O系、FSi(OH)2 - +H2 O系の全エネルギー
変化を示す特性図
FIG. 1 FSi (OH) 3 + H 2 in the hydrolysis process
Characteristic diagram showing total energy change of O type and FSi (OH) 2 O + H 2 O type

【図2】加水分解過程におけるFSi(OH)3 +2H
2 O系、FSi(OH)2 -+2H2 O系の全エネル
ギー変化を示す特性図
FIG. 2 FSi (OH) 3 + 2H in the hydrolysis process
Characteristic diagram showing total energy change of 2 O type and FSi (OH) 2 O + 2H 2 O type

【図3】本発明の第1の実施形態に係る層間絶縁膜の形
成に用いるプラズマCVD装置の概略構成を示す模式図
FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a plasma CVD apparatus used for forming an interlayer insulating film according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施形態に係る層間絶縁膜の形
成方法を示し工程断面図
FIG. 4 is a process cross-sectional view showing the method for forming an interlayer insulating film according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明に係るF,N添加SiO2 膜の吸湿性を
示す図。
FIG. 5 is a diagram showing hygroscopicity of an F, N-added SiO 2 film according to the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態に係る多層配線の形成
方法を示す工程断面図
FIG. 6 is a process cross-sectional view showing the method for forming a multilayer wiring according to the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施形態に係る層間絶縁膜の形
成に用いるプラズマCVD装置の概略構成を示す模式図
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a plasma CVD apparatus used for forming an interlayer insulating film according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施形態に係る層間絶縁膜の形
成方法を示す工程断面図
FIG. 8 is a process sectional view showing a method for forming an interlayer insulating film according to a third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施形態に係る多層配線の形成
方法を示す工程断面図
FIG. 9 is a process cross-sectional view showing the method for forming a multilayer wiring according to the fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板 2…基板支持台 3…抵抗加熱ヒータ 4…冷却パイプ 5…高周波電源 6…成膜チャンバ 7…電極 8…F添加SiO2 膜 9…Al配線 10…排気装置 11…ゲートバルブ 12…高周波電源 14…F添加SiO2 膜 15…Al配線 16…F添加SiO2 膜 21…半導体基板 22…BPSG膜 23…Al配線 24…純SiO2 膜 25…F添加SiO2 膜 26…純SiO2 膜 27…ヴィアホール 28…タングステン膜 29…Al配線 30…純SiO2 膜 31…F添加SiO2 膜 32…純SiO2 膜 41…半導体基板 42…基板支持台 43…抵抗加熱ヒータ 44…冷却パイプ 45…排気装置 46…ノズル 47…高周波コイル 48…高周波電源 49…高周波電源 50…F,N添加SiO2 膜 51…Al配線 52…F,N添加SiO2 膜 53…Al配線 54…F,N添加SiO2 膜 60…F,B添加SiO2 膜 61…Al配線 62…F,B添加SiO2 膜63…Al配線 64…F,B添加SiO2 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2 ... Substrate support 3 ... Resistive heater 4 ... Cooling pipe 5 ... High frequency power source 6 ... Deposition chamber 7 ... Electrode 8 ... F-added SiO 2 film 9 ... Al wiring 10 ... Exhaust device 11 ... Gate valve 12 High-frequency power source 14 F-added SiO 2 film 15 Al wiring 16 F-added SiO 2 film 21 Semiconductor substrate 22 BPSG film 23 Al wiring 24 Pure SiO 2 film 25 F-added SiO 2 film 26 Pure SiO 2 film 27 ... Via hole 28 ... Tungsten film 29 ... Al wiring 30 ... Pure SiO 2 film 31 ... F addition SiO 2 film 32 ... Pure SiO 2 film 41 ... Semiconductor substrate 42 ... Substrate support 43 ... Resistance heater 44 ... Cooling Pipe 45 ... Exhaust device 46 ... Nozzle 47 ... High-frequency coil 48 ... High-frequency power source 49 ... High-frequency power source 50 ... F, N-doped SiO 2 film 51 ... Al wiring 52 ... F, N-doped SiO 2 film 53 ... Al wiring 54 ... F, N-added SiO 2 film 60 ... F, B-added SiO 2 film 61 ... Al wiring 62 ... F, B-added SiO 2 film 63 ... Al wiring 64 ... F, B-added SiO 2 film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/768 H01L 21/321 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/31 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/768 H01L 21/321 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/31

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】導電層間を電気的に分離し、少なくともS
i、OおよびFを含み、SiO2 の網目構造を有する絶
縁膜を備えた半導体装置であって、前記網目構造の架橋
に関与しない未結合手を有するOによる欠陥、またはこ
の未結合手を有するOが電子もしくは正孔を捕獲するこ
とによる欠陥が、前記Fが結合した前記Siを中心とし
た半径0.39nm以内の領域内に存在しないことを特
徴とする半導体装置。
1. A conductive layer is electrically separated from at least S.
What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising an insulating film having a network structure of SiO 2 , containing i, O and F , having a defect due to O having a dangling bond not involved in bridging of the mesh structure, or having a dangling bond. Defects due to the trapping of electrons or holes by O are centered on the Si bonded to the F.
A semiconductor device characterized by not existing within a region having a radius of 0.39 nm or less .
【請求項2】導電層間を電気的に分離し、少なくともS
i、OおよびFを含み、SiO2 の網目構造を有する絶
縁膜を備えた半導体装置であって、前記網目構造の架橋
に関与しない未結合手を有し、かつ電気陰性度がSiよ
りも大きい原子による欠陥、またはこの未結合手を有す
る原子が電子もしくは正孔を捕獲することによる欠陥
が、前記Fが結合した前記Siを中心とした半径0.3
9nm以内の領域内に存在しないことを特徴とする半導
体装置。
2. The conductive layers are electrically separated from each other, and at least S
A semiconductor device including an insulating film having a network structure of SiO 2 containing i, O and F , having dangling bonds that do not participate in crosslinking of the network structure, and having an electronegativity higher than Si. Defects caused by atoms, or defects caused by the atoms having this dangling bond capturing electrons or holes
Has a radius of 0.3 centered on the Si bonded to the F
A semiconductor device which is not present in a region within 9 nm .
【請求項3】導電層間を電気的に分離し、少なくともS
i、OおよびFを含み、SiO2 の網目構造を有する絶
縁膜を備えた半導体装置であって、前記網目構造の架橋
に関与しない未結合手を有し、かつ電子供与体となりう
る原子による欠陥、前記網目構造の架橋に関与しない未
結合手を有し、かつ孤立電子対を有する原子による欠
陥、またはこれら未結合手を有する原子が電子もしくは
正孔を捕獲することによる欠陥が、前記Fが結合した前
記Siを中心とした半径0.39nm以内の領域内に存
在しないことを特徴とする半導体装置。
3. The conductive layers are electrically separated from each other, and at least S
What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising an insulating film having a network structure of SiO 2 , containing i, O, and F , having a dangling bond that does not participate in crosslinking of the network structure, and is a defect due to an atom that can serve as an electron donor. has a dangling bond not participating in the crosslinking of the network structure, and defects due to atom having a lone pair of electrons or defects due to the atoms having these dangling bonds trapping electrons or holes, wherein F is Before combined
It exists in the area within a radius of 0.39 nm centered on Si.
A semiconductor device characterized by not existing .
【請求項4】前記絶縁膜は、NまたはBを含むことを特
徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の半導体
装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film contains N or B.
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