專利名稱：沉積方法、沉積設備、絕緣膜及半導體集成電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于形成硼-碳-氮膜的方法和設備、絕緣膜以及半導體集成電路。
背景技術(shù)：
通常，在半導體集成電路中，通過等離子體CVD(化學汽相淀積)法形成的SiO2或SiN膜已經(jīng)用做布線的層間絕緣薄膜或保護膜。然而，隨著晶體管的集成度的增加，布線間(inter-wiring)電容導致布線延遲，并且作為妨礙加速元件的開關速度的因素而成為問題。為了解決這個問題，需要減小布線間絕緣薄膜的介電常數(shù)，并且希望具有新介電常數(shù)的材料作為層間絕緣膜。
在這種情況下，有機材料和多孔材料已經(jīng)引起人們的注意，并且可以實現(xiàn)非常低的介電常數(shù)(相對介電常數(shù)k約為2.5或以下)，然而，鑒于化學和機械抵抗性以及導熱性還存在一些問題。
而且，雖然近來已經(jīng)利用氮化硼薄膜實現(xiàn)了這種非常低的介電常數(shù)值2.2，但是都知道該膜在耐吸濕性上存在問題。
在這種情況下，耐熱性和耐吸濕性優(yōu)異并具有非常低的介電常數(shù)的硼-碳-氮薄膜引起人們的注意。然而，目前還沒有建立借助等離子體CVD方法的膜形成技術(shù)，并希望實現(xiàn)允許形成作為產(chǎn)品的硼-碳-氮薄膜的膜形成方法。
鑒于上述問題已經(jīng)做出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種允許形成硼-碳-氮膜的膜形成方法以及膜形成設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的膜形成方法包括以下步驟在淀積室中產(chǎn)生等離子體，主要激發(fā)其中的氮原子，然后使被激發(fā)的氮原子與硼和碳反應，并在襯底上形成硼-碳-氮膜。
本發(fā)明的膜形成方法包括以下步驟在淀積室中產(chǎn)生等離子體，主要激發(fā)其中的氮原子，然后用氫氣作為載體氣體使被激發(fā)的氮原子與氯化硼氣體反應，并在襯底上形成硼-碳-氮膜。
為了輸送碳，優(yōu)選采用碳氫化合物氣體。采用碳氫化合物具有能簡化氣體輸送系統(tǒng)的新優(yōu)點。
而且，還優(yōu)選采用有機材料用于輸送碳。采用有機材料的特征在于一部分硼和氮可以同時輸送。
作為有機材料，例如，優(yōu)選使用含有三甲基硼或氮的有機化合物或類似物質(zhì)。特別是，優(yōu)選三甲基硼。
氮氣與氯化硼氣體的流速比優(yōu)選設定為0.1-10.0。更優(yōu)選為0.7-2.0，并且還優(yōu)選為1.0-1.3。
碳氫化合物氣體與氯化硼氣體的流速比優(yōu)選設定為0.01-5.0。更優(yōu)選為0.1-2.0，還優(yōu)選為0.1-0.5。
有機材料氣體與氯化硼氣體的流速比優(yōu)選設定為0.01-5.0。更優(yōu)選為0.1-2.0，還優(yōu)選為0.1-0.5。
本發(fā)明的膜形成設備包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在等離子體之下或之內(nèi)的保持裝置，以及用于在第一引入裝置和保持裝置之間引入硼和碳材料的第二引入裝置。
第二引入裝置優(yōu)選如此構(gòu)成，以便能互相獨立地引入硼和碳。當然，該裝置可以由單管道構(gòu)成，以便在不獨立輸送它們的情況下引入硼和碳的混合物。
本發(fā)明的膜形成設備包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在等離子體之下或之內(nèi)的保持裝置，以及用氫氣作為載體氣體向第一引入裝置下面的淀積室中引入氯化硼和碳氫化合物氣體的第二引入裝置。
本發(fā)明的膜形成設備包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在等離子體之下或之內(nèi)的保持裝置，以及用氫氣作為載體氣體向第一引入裝置下面的淀積室中引入氯化硼和有機材料氣體的第二引入裝置。
上述第二引入裝置優(yōu)選在中途具有分解部件，用于分解有機材料，并且優(yōu)選這個分解部件構(gòu)成得能加熱有機材料。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例1的膜形成設備的剖面圖。
圖2表示相對介電常數(shù)與氮氣和氯化硼氣體的流速比的特性曲線圖。
圖3表示相對介電常數(shù)與甲烷氣體和氯化硼氣體的流速比的特性曲線圖。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的膜形成設備的剖面圖。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明實施例3的膜形成設備的剖面圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明實施例4的膜形成設備的剖面圖。
圖7是采用通過本發(fā)明實施例的膜形成方法形成的碳氮化硼膜的集成電路的示意剖面圖。
圖8是采用通過本發(fā)明實施例的膜形成方法形成的碳氮化硼膜的集成電路的示意剖面圖。
具體實施例方式
(實施例1)圖1是表示采用根據(jù)本發(fā)明第一實施例的膜形成方法的膜形成設備的示意剖面圖。在圓柱形容器1中提供感應耦合等離子體產(chǎn)生部件2，并經(jīng)過匹配裝置3連接到高頻電源4。高頻電源4能輸送1kW-10kW的高頻功率。從氮氣引入部件5輸送氮氣，以便產(chǎn)生等離子體50。襯底60設置在襯底保持部件6上，加熱器7安裝在襯底60上。襯底60的溫度可由加熱器7設定在室溫到500℃的范圍內(nèi)。而且，通過偏置施加部件8給設置在襯底保持部件6上的襯底60施加偏置。圓柱形容器1設有引入部件9，利用氫氣作為載體氣體引入氯化硼(三氯化硼)氣體。而且，圓柱形容器1設有用于向容器1中引入碳氫化合物氣體的引入部件10。排氣部件11安裝在襯底保持部件6下面。
關于每種氣體輸送的流速比，該系統(tǒng)如此設置以便能設定氮氣與氯化硼的流速比為0.1-10.0，碳氫化合物氣體與氯化硼氣體的流速比為0.01-5.0，以及氫氣與氯化硼的流速比為0.05-5.0。
p型硅襯底60設置在襯底保持部件6上，容器的內(nèi)部被抽真空到1×10-6托。襯底溫度設定為300℃。然后，通過引入部件5向圓柱形容器1中引入氮氣。通過輸送1KW的高頻電功率(13.56MHz)產(chǎn)生等離子體50。接著，用氫氣作為載體氣體向容器1中引入氯化硼。此外，向容器1中引入甲烷氣體。在容器1中進行碳氮化硼膜61的合成，其中容器1的氣壓被調(diào)整到0.6托。氯化硼和甲烷氣體沒有形成等離子體而是被氮等離子體分解以便產(chǎn)生硼原子和碳原子，并與氮原子反應和合成為碳氮化硼膜61。氯與氫原子組合形成氯化氫，并由此控制(up-taking)氯原子進入膜中。
在硅襯底60上淀積100nm的碳氮化硼膜61和在碳氮化硼膜61上蒸汽淀積Au以形成電極之后，測量電容-電壓特性。然后，采用金屬、碳氮化硼膜、p型硅的結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)電容值和碳氮化硼膜61的厚度來評估相對介電常數(shù)。結(jié)果是，獲得2.2-2.6的低相對介電常數(shù)值。
圖2和圖3表示可獲得具有2.2-2.6低介電常數(shù)的碳氮化硼膜61的合成條件。圖2表示在甲烷氣體和氯化硼的流速比為0.1時氮氣與氯化硼的流速比和相對介電常數(shù)之間的關系。圖3表示當?shù)獨馀c氯化硼的流速比為1.3時甲烷氣體與氯化硼的流速比之間的關系。可以通過改變襯底溫度來增寬可獲得具有低介電常數(shù)的碳氮化硼膜61的氣體流速比的范圍。
(實施例2)圖4是表示采用根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的膜形成方法的膜形成設備的示意側(cè)視圖。感應耦合等離子體產(chǎn)生部件2設置在圓柱形容器1中，并經(jīng)過匹配裝置3連接到高頻電源4。高頻電源4能輸送1KW-10KW的高頻功率。從氮氣引入部件5輸送氮氣，以便產(chǎn)生等離子體50。襯底60設置在襯底保持部件6上，加熱器7安裝在襯底60上。襯底60的溫度可由加熱器設定在室溫到500℃的范圍內(nèi)。而且，可以通過偏置施加部件8給設置在襯底保持部件6上的襯底60施加偏置。圓柱形容器1設有引入部件29。引入部件29設置成使得采用氫氣作為載體氣體的氯化硼氣體和碳氫化合物氣體正好在圓柱形容器1的前部饋送而不會混合在一起，然后兩個管道在進入圓柱形容器1的引入部件處成為一體，并且兩個基座引入到圓柱形容器1中。排氣部件11設置在襯底保持部件6下面。
關于每種氣體輸送的流速范圍，該系統(tǒng)設置成將氮氣與氯化硼的流速比設定為0.1-10.0，碳氫化合物氣體與氯化硼的流速比為0.01-5.0，并且氫氣和氯化硼的流速比為0.05-5.0。
p型硅襯底60設置在襯底保持部件6上，并且容器的內(nèi)部被抽真空到1×10-6托。襯底溫度設定為300℃。之后，將氮氣通過引入部件5引入到圓柱形容器1中。通過輸送1KW的高頻電功率(13.56MHz)產(chǎn)生等離子體50。然后，用氫氣做載體氣體在容器1的正前部輸送氯化硼。甲烷氣體也從容器1前部輸送，并通過將兩種氣體的管道合成一體而將氯化硼和甲烷氣體引入到容器1中。在氣壓被調(diào)整到0.6托的容器1中進行碳氮化硼膜61的合成。氯化硼和甲烷氣體沒有被激勵成等離子體，而是被氮等離子體分解，產(chǎn)生將和氮原子反應的硼原子和碳原子，并將它們合成為碳氮化硼(boron-nitride-carbon)61。氯與氫原子組合形成氯化氫，由此控制了氯原子進入膜中。
在硅襯底60上淀積100nm的碳氮化硼膜61和在碳氮化硼膜61上蒸汽淀積Au以形成電極之后，測量電容-電壓特性。然后，采用金屬、碳氮化硼膜、p型硅的結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)電容值和碳氮化硼膜61的厚度來評估相對介電常數(shù)。結(jié)果是，獲得2.2-2.6的低相對介電常數(shù)值。
此外，根據(jù)本例在引入氯化硼和碳氫化合物氣體的方法中，可以獲得與實施例1相同的效果。
(實施例3)圖5是表示采用根據(jù)本發(fā)明第三實施例的膜形成方法的膜形成設備的示意側(cè)視圖。感應耦合等離子體產(chǎn)生部件2設置在圓柱形容器1中，并經(jīng)過匹配裝置3連接到高頻電源4。高頻電源4能輸送1KW-10KW的高頻功率。從氮氣引入部件5輸送氮氣，以便產(chǎn)生等離子體50。襯底60設置在襯底保持部件6上，加熱器7安裝在襯底60上。襯底60的溫度可由加熱器設定在室溫到500℃的范圍內(nèi)。而且，可以通過偏置施加部件8給設置在襯底保持部件6上的襯底60施加偏置。圓柱形容器1設有引入部件9，用于采用氫氣作為載體氣體引入氯化硼。用于分解碳氫化合物氣體的分解部件310設置在碳氫化合物氣體引入部件10的圓柱形容器1的正前部。排氣部件11安裝在襯底保持部件6的下面。
關于每種氣體輸送的流速范圍，該設備設置成將氮氣與氯化硼的流速比設定為0.1-10.0，碳氫化合物氣體與氯化硼的流速比為0.01-5.0，并且氫氣和氯化硼的流速比為0.05-5.0。
p型硅襯底60設置在襯底保持部件6上，并且容器的內(nèi)部被抽真空到1×10-6托。襯底溫度設定為300℃。之后，將氮氣通過引入部件5引入到圓柱形容器1中。通過輸送1KW的高頻電功率(13.56MHz)產(chǎn)生等離子體50。然后，用氫氣做載體氣體向容器1中引入氯化硼。此外，甲烷氣體在安裝了加熱器的分解部件310上被熱分解并通過引入部件10輸送給容器1。在氣壓被調(diào)整到0.6托的容器1中進行碳氮化硼膜61的合成。通過熱分解甲烷氣體輸送碳原子，并且氯化硼沒有被激勵成等離子體而是被氮等離子體分解，通過分解獲得的硼原子和碳原子與氮原子反應，將它們合成為碳氮化硼膜61。氯與氫原子合成為氯化氫，由此控制氯原子進入膜中。
在p型硅襯底上淀積100nm的碳氮化硼膜61和在碳氮化硼膜61上蒸汽淀積Au以形成電極之后，測量電容-電壓特性。然后，采用金屬、碳氮化硼膜、p型硅的結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)電容值和碳氮化硼膜61的厚度來評估相對介電常數(shù)。結(jié)果是，獲得2.2-2.6的低相對介電常數(shù)值。
此外，在實施例3中，可以實現(xiàn)具有與實施例1和實施例2中獲得的低介電常數(shù)碳氮化硼膜膜相同特性的膜的制造。此外，實施例3具有的優(yōu)點是，能在甲烷氣體的流速降低約20％的條件下實現(xiàn)低介電常數(shù)膜，提高了碳原子進入淀積膜的效率，并控制了使用的甲烷氣體的量。
(實施例4)圖6是表示采用了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的膜形成方法的膜形成設備的示意側(cè)視圖。感應耦合等離子體產(chǎn)生部件2設置在圓柱形容器1中，并經(jīng)過匹配裝置3連接到高頻電源4。高頻電源4能輸送1KW-10KW的高頻功率。從氮氣引入部件5輸送氮氣，以便產(chǎn)生等離子體50。襯底60設置在襯底保持部件6上，加熱器7安裝在襯底60上。襯底60的溫度可由加熱器設定在室溫到500℃的范圍內(nèi)。而且，可以通過偏置施加部件8給設置在襯底保持部件6上的襯底60施加偏置。圓柱形容器1設有引入部件9，用于采用氫氣作為載體氣體引入氯化硼。用于分解碳氫化合物氣體的分解部件410設置在碳氫化合物氣體引入部件10的圓柱形容器1的正前部。排氣部件11安裝在襯底保持部件6的下面。
關于每種氣體輸送的流速范圍，該設備設置成將氮氣與氯化硼的流速比設定為0.1-10.0，碳氫化合物氣體與氯化硼的流速比為0.01-5.0，并且氫氣和氯化硼的流速比為0.05-5.0。
p型硅襯底60設置在襯底保持部件6上，并且容器的內(nèi)部被抽真空到1×10-6托。襯底溫度設定為300℃。之后，將氮氣通過引入部件5引入到圓柱形容器1中。通過輸送1KW的高頻電功率(13.56MHz)產(chǎn)生等離子體50。然后，用氫氣做載體氣體向容器1中引入氯化硼。此外，設有線圈的分解部件410通過匹配裝置411被輸送以來自高頻電源412(13.56MHz)的100W高頻功率，并且通過放電分解甲烷氣體，并從引入部件10輸送給容器1。容器1中的氣壓被調(diào)整到0.6托，以便進行碳氮化硼膜61的合成。氯化硼沒有被激勵成等離子體而是被氮等離子體分解，輸送硼原子。通過分解甲烷氣體輸送的這些硼原子、碳原子和氮原子互相反應，合成為碳氮化硼膜61。氯與氫原子反應形成氯化氫，由此控制氯原子進入膜中。
在p型硅襯底上淀積100nm的碳氮化硼膜61和在碳氮化硼膜61上蒸汽淀積Au以形成電極之后，測量電容-電壓特性。然后，采用金屬、碳氮化硼膜、p型硅的結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)電容值和碳氮化硼膜61的厚度來評估相對介電常數(shù)。結(jié)果是，獲得2.2-2.6的低相對介電常數(shù)值。
實施例4已經(jīng)表明了與實施例3相同的效果，并具有能在甲烷氣體的流速降低約25％的條件下實現(xiàn)低介電常數(shù)、提高碳原子進入淀積膜中的效率和控制使用的甲烷氣體的量的優(yōu)點。
在實施例1-4中，甲烷氣體用做碳氫化合物氣體，但是也可使用各種氣體，如乙烷氣體、乙炔氣體。
(實施例5)使用與實施例1中使用的圖1中所示相同的膜形成設備，三甲基硼代替甲烷氣體從引入部件10輸送到圓柱形容器1中。襯底溫度、高頻功率和其它合成條件與實施例1的相同。
在p型硅襯底上淀積100nm的碳氮化硼膜61和在碳氮化硼膜61上蒸汽淀積Au以形成電極之后，測量電容-電壓特性。然后，采用金屬、碳氮化硼膜、p型硅的結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)電容值和碳氮化硼膜61的厚度來評估相對介電常數(shù)。結(jié)果是，獲得2.2-2.6的低相對介電常數(shù)值。
利用與實施例2-4中使用的圖4-6中所示相同的膜形成設備，從引入部件10向圓柱形容器1中輸送代替甲烷氣體的三甲基硼。襯底溫度、高頻功率和其它合成條件與實施例2-4的相同。從合成的碳氮化硼膜61獲得2.2-2.6低介電常數(shù)值。
在實施例5中，三甲基硼用做用于輸送碳原子的有機材料之一，然而，任何材料都可使用，只要它是含有硼或氮原子的有機材料即可。
而且，雖然在本例中使用氮氣產(chǎn)生氮等離子體，但是采用氨氣也可獲得相同效果。
現(xiàn)在參照圖7介紹將通過本發(fā)明的膜形成方法形成的硼-氯化物-碳膜應用于集成電路。為了通過高度地集成晶體管501而形成多層結(jié)構(gòu)的布線502，必須在布線之間使用具有低介電常數(shù)的層間絕緣膜503，并且可以使用由本發(fā)明的膜形成方法形成的碳氮化硼膜膜。
而且，在有機薄膜和多孔膜用做層間絕緣膜503的情況下，機械強度、吸濕特性等都成為問題。然而，如圖8所示，通過本發(fā)明的膜形成方法形成的碳氮化硼膜膜可以用做有機薄膜和多孔膜的保護膜504。通過這種有機薄膜和多孔膜的結(jié)合可實現(xiàn)比碳氮化硼膜膜的單層的介電常數(shù)低的介電常數(shù)，并且可獲得低到1.9的介電常數(shù)。
工業(yè)實用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，等離子體CVD方法可以在襯底上形成用于集成電路等的硼-碳-氮膜。
本發(fā)明的膜形成方法包括以下步驟在淀積容器中產(chǎn)生氮等離子體，用氫氣作為載體氣體和用有機材料或碳氫化合物作為碳的原材料向氮等離子體中輸送氯化硼，并使它們與氮反應形成碳氮化硼膜。因此，該方法允許快速形成化學和機械穩(wěn)定的碳氮化硼膜，并具有耐吸濕性、高導熱性和低介電常數(shù)。
而且，本發(fā)明的膜形成設備在圓柱形容器中設有氮氣引入裝置、等離子體產(chǎn)生裝置、在等離子體產(chǎn)生裝置下面的襯底保持裝置。而且，它在氮引入裝置和襯底保持裝置之間設有用于引入氯化硼以及作為碳的輸送源的碳氫化合物和有機材料的裝置，并使硼和碳原子與氮等離子體反應，形成碳氮化硼膜。結(jié)果是，可以快速形成具有耐吸濕性和高導熱性的機械和化學穩(wěn)定的碳氮化硼膜。
根據(jù)本發(fā)明的碳氮化硼膜可用做布線間的絕緣薄膜或保護膜。
(參考標號的解釋)1、圓柱形容器2、感應耦合等離子體產(chǎn)生部件3、411…匹配裝置4、412…高頻電源5、氮氣引入部件6、襯底保持部件7、加熱器8、偏置施加部件9、10、29、引入部件11、排氣部件50、等離子體60、襯底61、碳氮化硼膜
310、410、分解部件501、晶體管502、布線503、層件絕緣膜504、保護膜
權(quán)利要求
1.一種膜形成方法，包括以下步驟在淀積室中產(chǎn)生等離子體，主要激勵淀積室中的氮原子，然后，使被激勵的氮原子與硼和碳反應，在襯底上形成碳氮化硼膜。
2.一種膜形成方法，包括以下步驟在淀積室中產(chǎn)生等離子體，主要激勵淀積室中的氮原子，然后，用氫氣作為載體氣體，使被激勵的氮原子與氯化硼氣體和碳反應，由此在襯底上形成硼-碳-氮膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，包括采用碳氫化合物氣體用于輸送碳的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，包括采用有機材料用于輸送碳的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項的方法，包括將氮氣流速與氯化硼氣體流速的比設定為0.1-10.0的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，包括將碳氫化合物氣體流速與氯化硼氣體流速的比設定為0.01-5.0的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括將有機系列材料氣體流速與氯化硼氣體流速的比設定為0.01-5.0的步驟。
8.一種膜形成設備，包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在等離子體之下或之內(nèi)的保持裝置，和用于在第一引入裝置和保持裝置之間引入硼和碳材料的第二引入裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設備，其中所述第二引入裝置構(gòu)成為以便彼此獨立地引入硼和碳。
10.一種膜形成設備，包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在等離子體之下或之內(nèi)的保持裝置，和用于采用氫氣作為載體氣體向第一引入裝置下面的淀積室中引入氯化硼和碳氫系氣體的第二引入裝置。
11.一種膜形成設備，包括用于向淀積室中引入氮氣的第一引入裝置，用于產(chǎn)生等離子體的等離子體產(chǎn)生裝置，用于保持襯底在該第一引入裝置之下或之內(nèi)的保持裝置，和用于采用氫氣作為載體氣體向第一引入裝置下面的淀積室中引入氯化硼和有機材料氣體的第二引入裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設備，其中所述第二引入裝置在中途具有用于分解有機材料的分解部件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設備，其中所述分解部件設置成能加熱有機材料。
14.一種絕緣膜，是通過權(quán)利要求1-7中所述的任一方法形成的。
15.一種半導體集成電路，其具有權(quán)利要求14所述的絕緣膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的半導體集成電路，其中所述絕緣膜是布線間絕緣膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于形成能形成硼－碳－氮膜的膜的方法和設備。用于形成該膜的方法包括在圓柱形容器1中產(chǎn)生等離子體50，主要激勵容器1中的氮原子，然后使硼與碳反應，并在襯底60上形成硼－碳－氮膜61。
文檔編號H01L23/522GK1513201SQ0281075
公開日2004年7月14日 申請日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月28日
發(fā)明者杉野隆, 楠原昌樹, 梅田優(yōu), 樹 申請人:株式會社渡邊商行, 杉野隆