JP2002176100A - 低ｋ誘電層を処理して拡散を減少させる方法および装置 - Google Patents

低ｋ誘電層を処理して拡散を減少させる方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素の拡散に抵抗し、低酸素含有量を有する
低誘電率の層を堆積する方法および装置を提供する。 【解決手段】 層は、低誘電率の層を不活性ガスのプラ
ズマに暴露して低誘電率の層を高密度化するか、低誘電
率の層を硝化プラズマに暴露して層２３４上にパッシベ
ーション窒化物表面２３６を形成するか、或いは低誘電
率層２３４上に薄いパッシベーション層２３６を堆積し
てその中の酸素拡散を低減することにより、形成可能で
ある。低誘電率の層はｉｎ−ｓｉｔｕで堆積し処理する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の相互参照】本願は、２０００年７月１４日
出願の米国特許暫定出願第６０／２１８，４０７号によ
る優先権を主張し、これを参照によってここに組み込
む。
【０００２】
【発明の背景】
【発明の分野】本発明は、一般的に基板上の集積回路の
製造、および誘電層への酸素の拡散を減少するための方
法に関する。
【０００３】
【従来技術の背景】集積回路の設計および製造における
一貫したかなり予想可能な改善がこの十年間に観察され
てきた。成功する改善の１つの鍵は、集積回路（ＩＣ）
デバイスに導電路を提供する多層配線技術である。超大
規模集積（ＶＬＳＩ）および超々大規模集積（ＵＬＳ
Ｉ）技術における、水平ラインおよび垂直コンタクト、
バイア、または配線といった導電性または半導性基板の
フィーチャの寸法縮小は、半導体デバイスの電流密度を
改善する重要性を増大させた。
【０００４】集積回路上の半導体デバイスの電流密度を
さらに改善するためには、低抵抗および低誘電率（低
ｋ）材料（ここでは、誘電層については約３．０より低
く、エッチストップおよび障壁層については約５．５よ
り低い誘電率ｋを有するものと定義する）を有する導電
性材料を絶縁層として使用して、隣接する配線間の容量
結合を低減することが必要になってきた。現在の誘電材
料は配線間にかなりの容量結合を有しており、これはク
ロストークおよび／または抵抗−静電容量（ＲＣ）遅
延、すなわち蓄積されたエネルギを散逸するのに必要な
時間を生じることがあり、それは半導体デバイスの全体
的性能を劣化する。
【０００５】しかし、典型的な低ｋ誘電材料は一般的に
多孔性であり、低ｋ誘電材料への物質の層間拡散を防止
するために障壁層を必要とする。従来の障壁層の材料は
一般的に、窒化シリコンのように７．０より大きい誘電
率を有する。従来の障壁層材料を低ｋ誘電材料と共に使
用すると、結果として得られる絶縁スタックは一般的に
低ｋ材料の改善された誘電率の効果を最小にし、かつ
６．０よりあまり低くない誘電定数を有するスタックを
しばしば生じる。
【０００６】伝統的な低ｋ誘電材料を絶縁層として使用
することの１つの追加的問題は、集積回路における銅の
使用の増加である。銅（Ｃｕ）は、銅の低抵抗（１．７
μΩ−ｃｍ）および高電流容量のため、優れた配線材と
なりつつある。しかし、銅は周囲の材料により容易に拡
散し、隣接する層の電子デバイス特性を変化させること
があり、例えば誘導層に導電路を形成し、それにより総
合的回路の信頼性を軽減し、結果としてデバイスの故障
を生じることさえあり得る。特に多孔性であり、拡散を
受けやすい新低ｋフィルムとみなされる銅のこの拡散特
性は、低ｋ特性とともに拡散抵抗障壁層の必要性が増加
する。
【０００７】炭化シリコン（ＳｉＣ）層は、低ｋ障壁材
として使用するための潜在的候補として認識されてき
た。特に、本願と同一譲受人が所有し、本発明と矛盾し
ない範囲で参照によってここに組み込む、１９９８年１
０月１日出願の「Ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ａｓ ＡＢ
ａｒｒｉｅｒ Ｌａｙｅｒ Ａｎｄ Ａｎ Ｅｔｃｈ
Ｓｔｏｐ」と称する米国特許出願第０９／１６５，２４
８号に開示されるように、炭化シリコン層は低ｋ障壁層
として認識されている。
【０００８】しかし、低ｋ炭化シリコン層は多孔性であ
り、層、特に層の表面への酸素の拡散を受けやすい。酸
素は炭化シリコン層のシリコン材と反応して酸化物を形
成することがあり、これは炭化シリコンへの銅などの導
電性材料の拡散を増加し、障壁層の全体的効果を低減す
ると考えられる。炭化シリコン層への酸素の拡散は、炭
化シリコン層の堆積中、または層を酸化環境に暴露でき
る場合には処理チャンバとクラスタツールとの間の移送
中に、酸素への暴露によって発生し得る。
【０００９】加えて、炭化シリコン層における酸素の取
込みは、隣接材料、特に銅などの導電性金属に対するこ
の層のボンディング、または接着に悪影響を及ぼし、結
果的に材料の層剥離を生じることがある。加えて、炭化
シリコン層に形成される酸化物は一般的に、隣接する炭
化シリコン材より低い密度を有する。層の表面および上
部分における低密度の酸化物の形成は結果として、膨ら
みまたは「ハンプ（ｈｕｍｐｓ）」として層の変形を生
じかねず、これは高アスペクト比のフィーチャを共形的
に充填する場合には特に望ましくなく、またその後に堆
積される材料にボイドまたは他の堆積欠陥を形成するか
もしれない。
【００１０】したがって、低ｋ層における酸素の拡散を
減少させる処理の必要性がある。理想的には、この処理
は、銅のメタライゼーションで使用される炭化シリコン
層など、障壁層の酸素含有量を低減する。
【００１１】
【発明の概要】本発明の態様は一般的に、酸素拡散に抵
抗しかつ低酸素含有量を有し、銅のメタライゼーション
におけるパッシベーションおよび／または障壁層として
有用である可能性のある、炭化シリコンのような低誘電
率の層を生成する方法に関する。本発明の一態様では、
処理チャンバ内で基板上に低誘電率の層を堆積するステ
ップと、前記チャンバ内に処理ガスを導入するステップ
と、処理ガスのプラズマを発生させるステップと、低誘
電率の層を処理ガスのプラズマに暴露させるステップと
を含む、基板処理方法を提供する。
【００１２】本発明の別の態様では、処理チャンバ内で
基板上に炭化シリコン層を堆積するステップと、処理チ
ャンバ内に不活性ガス、硝化ガス、およびそれらの組合
せのグループから選択した処理ガスを導入するステップ
と、処理ガスのプラズマを発生させるステップと、炭化
シリコン層を処理ガスのプラズマに暴露させて炭化シリ
コン層上にパッシベーション表面を形成することによっ
て炭化シリコン層の表面を変化させるステップとを含
む、基板処理方法を提供する。不活性ガスはヘリウム、
アルゴン、およびそれらの組合せを含むことができ、硝
化ガスはアンモニア、窒素、窒素と水素の混合物、亜酸
化窒素、およびそれらの組合せを含むことができる。
【００１３】別の態様では、本発明は、基板上に低誘電
率の層を堆積するステップと、次いで低誘電率の層上に
薄いパッシベーション層を堆積するステップとを含む、
基板上に低誘電率障壁層を形成する方法を提供する。こ
のパッシベーション層は、窒化シリコンまたはオキシ窒
化シリコンなど、シリコンおよび窒素含有材を含む。
【００１４】発明の上述の態様を達成する方法を詳しく
理解することができるように、添付の図面に示す発明の
実施形態を参照することにより、上で簡単に略述した発
明についてさらに特定的に説明する。
【００１５】しかし、添付の図面は本発明の典型的な実
施形態を示すだけであり、したがって、発明は他の同様
に効果的な実施形態に適応させることができるので、そ
の範囲の限定とはみなされないことに注意されたい。
【００１６】
【好適な実施例の詳細な説明】本発明を今から、カリフ
ォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ
社から入手できるＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）プラット
フォームのような処理装置を用いて実行することができ
るプラズマ処理および化学気相成長法に関連して説明す
る。装置は、どちらもカリフォルニア州サンタクララの
アプライド・マテリアルズ社から入手できるＤｘＺTMＣ
ＶＤチャンバまたはＰｒｏｄｕｃｅｒTMＣＶＤなどのＣ
ＶＤチャンバを有する集積化プラットフォームを含むこ
とが好ましい。以下のチャンバの記述は例証であり、発
明の範囲の限定として解釈または判断すべきではない。
【００１７】図１は、上述の処理を実行することができ
る、プラズマを発生させ維持することが可能なＣＶＤチ
ャンバの断面図である。チャンバ１０は、基板支持板ま
たはサセプタ１２の上に配置されたガス分配板１１を含
み、それらの間に基板１６を処理するための処理領域を
画定する。サセプタ１２は抵抗加熱することができ、サ
セプタ１２がリフトモータ１４によって下部ローディン
グ／オフローディング位置と上部即ち処理位置との間で
制御可能に移動できるように支持軸１３上に装着され
る。サセプタ１２が処理位置にあるとき、絶縁リング１
７がサセプタ１２およびその上に配置された基板１６の
周囲に配置される。処理ガスがガス分配板１１の入口
（図示せず）を介してチャンバ１０内に導入され、処理
領域および基板表面全体に半径方向に均等に分配され
る。処理ガスは、真空ポンプシステム３２によってポー
ト２４を介して排気される。
【００１８】熱またはプラズマ強化プロセスをチャンバ
１０内で実行することができ、好ましくはプラズマ強化
プロセスを本発明の堆積層処理後に使用する。プラズマ
プロセスでは、サセプタ１２を接地してＲＦ電源２５か
らＲＦエネルギをガス分配板１１に加えることにより、
制御されたプラズマを形成することができる。ＲＦ電源
２５は、チャンバ１５内に導入された反応種の分解を増
強するために、単一または混合周波数のいずれかのＲＦ
電力をガス分配板１１に供給することができる。混合周
波数のＲＦ電源は一般的に、約１３．５６ＭＨｚの高Ｒ
Ｆ周波数（ＲＦ１）および約３５０ｋＨｚの低ＲＦ周波
数（ＲＦ２）を供給する。
【００１９】一般的に、チャンバライニング、ガス分配
板１１、サセプタ１２、および様々な他の処理チャンバ
のハードウェアは、アルミニウムまたは陽極処理アルミ
ニウムから作成される。ＣＶＤ処理チャンバの一例が、
Ｗａｎｇらに発行され、本発明の譲受人アプライドマテ
リアルズ社に譲渡され、本発明と矛盾しない範囲で参照
によってここに組み込む「Ａ Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ
／ＰＥＣＶＤ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｈａｍｂｅｒ
ａｎｄ Ｕｓｅ ｆｏｒ ＴｈｅｒｍａｌＣｈｅｍｉ
ｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｓ
ｉｌｉｃｏｎＤｉｏｘｉｄｅ ａｎｄ Ｉｎ−ｓｉｔｕ
Ｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐ Ｐｌａｎａｒｉｚｅｄ Ｐｒ
ｏｃｅｓｓ」と称する米国特許第５，０００，１１３号
に記載されている。
【００２０】リフトモータ１４はサセプタ１２を処理位
置と下部基板ローディング位置との間で上昇および下降
させる。システム制御装置３４は、制御線３６を通して
モータ、ガス混合システム１９、およびＲＦ電源２５を
制御する。処理チャンバは、好適な実施形態ではハード
ディスクドライブであるメモリ３８に格納されたシステ
ム制御ソフトウェアを実行するシステム制御装置３４に
よって制御される、質量流量制御装置（ＭＦＣ）および
標準またはパルスＲＦ発生装置などのアナログ組立体を
含む。真空ポンプ３２およびサセプタ１２を位置出しす
るためのモータなどの可動機構組立体を移動させ、その
位置を決定するために、モータおよび光センサを使用す
ることができる。
【００２１】システム制御装置３４はＣＶＤ処理チャン
バの活動を制御し、ハードディスクドライブ、フロッピ
ー（登録商標）ディスクドライブ、およびカードラック
を含むことができる。カードラックはシングルボードコ
ンピュータ（ＳＢＣ）、アナログおよびデジタル入力／
出力ボード、インタフェースボード、およびステッパモ
ータコントローラボードを含む。システム制御装置は、
ボード、カードケージ、およびコネクタの寸法およびタ
イプを定義するＶｅｒｓａ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｅｕｒｏ
ｐｅａｎｓ（ＶＭＥ）標準に従う。ＶＭＥ標準はまた、
１６ビットデータバスおよび２４ビットアドレスバスを
有するバス構造も定義する。システム制御装置３４は、
ハードディスクドライブ３８に格納されたコンピュータ
プログラムの制御下で作動する。コンピュータプログラ
ムは、特定のプロセスのタイミング、ガスの混合、ＲＦ
電力レベル、サセプタ位置、および他のパラメータを指
示する。
【００２２】ここで示す装置１０の特定の実施形態は、
本発明を例証するために提供するものであり、発明の範
囲を制限するものと解釈または判断すべきではない。
【００２３】
【例示的プロセス】本発明の態様を今から、上述した処
理装置を使用して実施される好適なプロセスに関連して
説明する。本発明の態様は一般的に、酸素拡散に抵抗
し、低酸素含有量を有し、銅のメタライゼーションでパ
ッシベーションおよび／または障壁層として有用である
可能性のある炭化シリコンといった低誘電率の層を生成
するための方法に関係する。この層は、低誘電率の層を
不活性ガスのプラズマに暴露することで層を高密度化し
てパッシベーション表面を形成するか、低誘電率の層を
硝化プラズマに暴露して層上にパッシベーション窒化物
表面を形成するか、或いは低誘電率の層上に薄いパッシ
ベーション層を堆積して層内への酸素拡散を低減するこ
とによって、低減された酸素含有量でｉｎ−ｓｉｔｕ又
はｅｘ−ｓｉｔｕ形成することができる。
【００２４】パッシベーション表面とはここでは、周囲
の条件下で又はプロセス汚染によって表面または層が暴
露される、水分、酸素、および他の悪条件の拡散を低減
する材料、または材料の層として広く定義される。パッ
シベーション表面はまた、銅などの導電性材料の拡散も
低減することができる。ｉｎ−ｓｉｔｕとはここでは、
真空を中断することなく、あるいは材料を中間汚染環境
に暴露することなく、２つまたはそれ以上のプロセスを
同一チャンバ内で、または同一処理装置内で実行するこ
ととして広く定義される。
【００２５】一実施形態では、ここで記述する発明によ
るプラズマプロセスによって、低ｋ誘電層を堆積し、次
いで処理して、低ｋ誘電層上にパッシベーション表面を
形成する。プラズマプロセスは、低ｋ誘電パッシベーシ
ョンおよび／または障壁層用に炭化シリコンなどの低ｋ
誘電層を処理するのに使用することができる。
【００２６】炭化シリコンを含む低ｋ誘電層は、約１０
から約１０００標準立法センチメートル（ｓｃｃｍ）の
間の流量でプラズマ処理チャンバに供給される、シリコ
ン源物質を包含する炭素から堆積することができる。シ
リコン源物質を包含する炭素は、トリメチルシラン、ジ
メチルシラン、メチルシラン、およびそれらの組合せな
ど、１つまたはそれ以上のオルガノシラン前駆体を含
む。代替的に、それぞれシランおよびメタンなど別個の
シリコン包含処理ガスおよび炭素包含処理ガスを、炭化
シリコンの堆積のために処理チャンバ内に導入すること
ができる。
【００２７】ヘリウム、アルゴン、およびそれらの組合
せなどの不活性ガスも、約５０ｓｃｃｍから約５０００
ｓｃｃｍの間の流量でチャンバに供給される。チャンバ
の圧力は約１００ミリトルから約１５トルの間に維持す
る。堆積プロセス中、基板表面温度は約１００℃から約
４５０℃の間に維持する。ガス分配板１１は、基板から
約２００ｍｉｌから約６００ｍｉｌ（１インチの１００
０分の１単位）離して配置する。
【００２８】単一の１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力源から
の電力をチャンバ１０に供給して、２００ｍｍの基板の
場合、約０．３ワット／ｃｍ2から約３．２ワット／ｃ
ｍ2の間の電力密度、または約１００ワットから約１０
００ワットの間の電力レベルでプラズマを形成する。２
００ｍｍの基板の場合、約０．９ワット／ｃｍ2から約
２．３ワット／ｃｍ2の間の電力密度、または約３００
ワットから約７００ワットの間の電力レベルを処理チャ
ンバに供給してプラズマを発生させることが好ましい。
【００２９】炭化シリコン材を堆積するための１つの例
示的処理方式は、トリメチルシランを含む処理ガスを約
３０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍの間の流量で処理チャ
ンバに導入し、不活性ガスのアルゴンを約１００ｓｃｃ
ｍから約２０００ｓｃｃｍの間の流量で処理チャンバ内
に導入し、チャンバの圧力を約３トルから約１０トルの
間に維持し、基板表面温度を約２００℃から約４００℃
の間に維持し、約３００ワットから７００ワットの間で
チャンバに電力供給して処理ガスのプラズマを発生させ
ることを含む。ガス分配板１１は、基板から約３００ｍ
ｉｌから約６００ｍｉｌの間離して配置する。
【００３０】上述したプロセスによって堆積した低ｋ炭
化シリコン層は、障壁層用の約５．５またはそれ以下の
誘電率を有する水素化炭化シリコン層である。さらに、
上述の処理方式で堆積した低ｋ炭化シリコン層は、シリ
コンと炭素のモル比が約１：１の層組成を有し、水素が
原子濃度で層の約３０％から約４５％含有されることが
観察された。低ｋ炭化シリコン層は、半導体デバイスの
形成におけるパッシベーション層、障壁層、エッチスト
ップ、および反射防止膜として使用することができる。
【００３１】低誘電率の炭化シリコン層を堆積するプロ
セスは、１９９８年１０月１日出願の同時係属米国特許
出願第０９／１６５，２４８号、１９９８年１２月２３
日出願の同時係属米国特許出願第０９／２１９，９４５
号、１９９９年３月１６日出願の同時係属米国特許出願
第０９／２７０，０３９号により詳しく記載されてお
り、これらの記述を本発明と矛盾しない範囲で参照によ
ってここに組み込む。炭化シリコン層を堆積するための
ここで記載する実施形態は、発明を説明するために提供
するものであって、図示する特定の実施形態を、発明の
範囲を制限するために使用すべきではない。本発明は、
炭化シリコン層を堆積するために他のプロセスおよび材
料を使用することも企図している。
【００３２】
【不活性ガスプラズマプロセス】本発明の一実施形態で
は、上記の堆積した低ｋ炭化シリコン層を不活性ガスの
プラズマに暴露して層表面を高密度化し、パッシベーシ
ョン表面を形成し、層内への酸素拡散を低減する。基板
を処理チャンバ内に配置し、ヘリウム、アルゴン、およ
びそれらの組合せのグループから選択した不活性ガスを
約２００ｓｃｃｍから約２０００ｓｃｃｍの間の流量で
チャンバ内に導入する。約１トルから約１２トルの間の
チャンバ圧力を達成し、プラズマ処理プロセス中維持す
る。基板は約１００℃から約４５０℃の間の温度に維持
する。基板温度は、プラズマ処理プロセス中、約３５０
℃に維持することが好ましい。
【００３３】不活性ガスのプラズマは、２００ｍｍの基
板の場合、０．０８ワット／ｃｍ2から約６．４ワット
／ｃｍ2の間のＲＦ電力密度、または約２５から約２０
００ワットの間のＲＦ電力レベルを処理チャンバに供給
することによって発生する。２００ｍｍの基板の場合、
プラズマを発生させるために約０．３ワット／ｃｍ2か
ら約３．２ワット／ｃｍ2の間のＲＦ電力密度、または
約１００から約１０００ワットのＲＦ電力レベルを供給
することが好ましい。プラズマ処理は、約３０から約１
２０秒の間、実行する。堆積した層のプラズマ処理は、
低ｋ炭化シリコン層の堆積とｉｎ−ｓｉｔｕ 実行する
ことができる。
【００３４】堆積した炭化シリコン層用の１つの処理プ
ロセスは、２００ｍｍの基板を含むチャンバ内に約４０
０ｓｃｃｍの流量でヘリウムを導入することによって実
行される。約８トルのチャンバ圧力および約３５０℃の
基板温度が達成され、処理プロセス中維持される。プラ
ズマは、約１．２ワット／ｃｍ2から約１．６ワット／
ｃｍ2の間のＲＦ電力密度または約４００ワットから５
００ワットの間のＲＦ電力を約５０秒間処理チャンバに
供給することによって発生し、炭化シリコン層を処理す
る。
【００３５】堆積した炭化シリコン層の好適な処理プロ
セスの一例は、２００ｍｍの基板を含むチャンバ内にヘ
リウムを約１３００ｓｃｃｍの流量で導入し、約８．７
トルのチャンバ圧力を維持し、約３５０℃の基板温度を
維持し、処理チャンバに約２５０ワットを印加してプラ
ズマを発生させ、プラズマを約５０秒間維持することに
よって実行される。
【００３６】プラズマ処理は、炭化シリコン堆積チャン
バ内または同一集積化装置内の異なる処理チャンバ内
で、プロセス間で真空を中断することなく、ｉｎ−ｓｉ
ｔｕ実行することができる。ここに記載した不活性ガス
プラズマ処理は、約６％未満の原子濃度の酸素含有率を
有する炭化シリコン層を生成することが観察された。
【００３７】図２は、ここに記載した不活性ガスプラズ
マプロセスにより処理した５００Å厚さの炭化シリコン
層のスパッタ時間（分）に対する原子濃度（原子％）の
Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）グラフを示す。このグラフ
は、層の厚さに対する、水素を除く層の元素の原子濃度
を描く。ＸＰＳデータは、毎分約２０Åおよび約２５Å
の速度で材料を除去するスパッタを層に１分行う毎に収
集される。図２のｘ軸のスパッタ時間は、層の様々な深
さにおける元素の濃度の指標である。図２のｙ軸はスパ
ッタの進行時間による層内の元素の濃度を示し、ここで
炭素はＣで表示され、シリコンはＳｉで表示され、酸素
はＯで表示され、窒素はＮで表示される。
【００３８】層の平均酸素濃度は、不活性ガスプラズマ
処理の後では約４％から約６％の間であることが実証さ
れることが観察された。これは、処理しない炭化シリコ
ン層で生じることが知られていた１０％ないし１５％の
予想酸素濃度より低い。
【００３９】不活性ガスで形成されるプラズマ種が、炭
素および水素などの物質を膜から除去し、材料に形成さ
れた細孔を除去し、そこに形成されたボイドおよび他の
そのような層欠陥を除去または低減することによって、
層の表面を高密度化すると考えられる。下にあるバルク
炭化シリコン材（約３９０Åないし４２０Å）と比較し
た炭化シリコン材（約９０Åないし１００Å）の表面の
密度の比較は、バルクの密度が約２．０８ｇ／ｃｍ3お
よび約２．１４ｇ／ｃｍ3であるのに対して、約１．４
５ｇ／ｃｍ3ないし約１．５９ｇ／ｃｍ3の表面密度を示
した。
【００４０】さらに、表面の高密度化が層への酸素拡散
に抵抗するパッシベーション表面をもたらし、これによ
り、処理しない炭化シリコン層と比較して、酸素の拡散
および層材料の酸化に対して増強された抵抗力のみなら
ず、隣接する層への改善された接着性も有する層が生成
されるものと考えられる。また、表面の密度が高いほ
ど、半導体製造で使用される銅といった他の物質の拡散
に対して抵抗が高いことも考えられる。
【００４１】
【硝化ガスプラズマプロセス】発明の別の実施形態で
は、低ｋ炭化シリコン層を硝化ガスのプラズマに暴露し
て、炭化シリコン層上に窒素分の多い表面を形成する。
炭化シリコン層の窒素分の多い表面は、窒化シリコン、
窒化シリコン炭素、オキシ窒化シリコン、またはオキシ
窒化シリコン炭素を含むことができ、ここでは窒化表面
と呼ぶ。硝化ガスは、アンモニア、窒素、亜酸化窒素、
およびそれらの組合せのグループから選択する。アンモ
ニアは高い処理温度、つまり２５０℃より高い温度で分
解し易く、かつプラズマの存在下で分解し易いため、窒
化表面の形成には一般的にアンモニアが使用される。
【００４２】ここで記載する窒化表面は、以下のプロセ
スによって炭化シリコン層上に形成することができる。
基板を処理チャンバ内に配置し、約１００から約３００
０ｓｃｃｍの間の流量で処理チャンバに硝化ガスを導入
する。処理チャンバを約１００ミリトルから約２５トル
の間の圧力に維持する。チャンバの圧力は、約１トルか
ら約１２トルの間に維持することが好ましく、約５から
約１０トルの間の圧力が最も好ましい。プラズマ処理
中、基板を約１００℃から約５００℃の間の温度に維持
する。
【００４３】プラズマは、２００ｍｍの基板の場合、約
０．０８ワット／ｃｍ2から約６．４ワット／ｃｍ2の間
の電力密度、または約２５から約２０００ワットの間の
ＲＦ電力レベルを処理チャンバに供給することによって
発生する。２００ｍｍの基板の場合、約０．３ワット／
ｃｍ2から約３．２ワット／ｃｍ2の間のＲＦ電力密度、
または約１００から約１０００ワットの間のＲＦ電力レ
ベルを供給してプラズマを生成することが好ましい。層
を硝化プラズマに約１０秒から約１２０秒の間暴露し
て、厚さ約５０Å（オングストローム）から約４００Å
の間の硝酸塩表面を生成する。プラズマ処理は、炭化シ
リコンの堆積と同一チャンバ内で、または同一集積化装
置内の異なるチャンバ内でｉｎ−ｓｉｔｕ 実行するこ
とができる。
【００４４】堆積した低ｋ誘電層の１つの例示的硝化プ
ラズマ処理は、炭化シリコン層が上に形成された２００
ｍｍの基板を含む処理チャンバに、約２００ｓｃｃｍか
ら約６００ｓｃｃｍの間の流量でアンモニアを提供し、
チャンバ圧力を約８トルから約９トルの間に維持し、硝
化ステップ中基板を約３００℃から約４００℃の間の温
度に維持し、約１．２ワット／ｃｍ2から約１．６ワッ
ト／ｃｍ2の間のＲＦ電力密度、または約４００ワット
から約５００ワットの間のＲＦ電力を処理チャンバに供
給してプラズマを発生させ、プラズマを約５から約６０
秒の間維持して、炭化シリコン層の表面を変化させて硝
酸塩表面を生成することを含む。プラズマは１回以上の
処理サイクルで発生させてよい。代替的に、炭化シリコ
ン層は約２０から約６０秒の間プラズマプロセスに暴露
する。
【００４５】層の表面の処理を助けるためだけでなく、
ガス流およびプラズマ反応の安定化を助けるためにも、
硝化ガスはさらに、アルゴンおよびヘリウムなどの不活
性ガスを含むことができる。硝化プロセスと共に使用で
きる不活性ガスを、約２０００ｓｃｃｍ未満の流量で処
理チャンバ内に導入する。硝化ガスはまた、硝化プロセ
ス中に層内の不純物を除去するのを助けることができ
る、水素などの反応ガスを含むことができる。
【００４６】プラズマ処理は、プロセス間で真空を中断
することなく、炭化シリコンの堆積チャンバ、または同
一集積化装置内の異なる処理チャンバでｉｎ−ｓｉｔｕ
実行可能である。ここで記載する硝化ガスプラズマ処
理は、約６％未満の原子濃度の酸素含有率を有する炭化
シリコン層を生成することが観察された。
【００４７】図３は、ここで記載するようにシリコン基
板上に堆積された厚さ５００Åの炭化シリコン層のスパ
ッタ時間（分）に対する原子濃度（原子％）のＸ線光電
子分光（ＸＰＳ）グラフを示す。アンモニアを約４００
ｓｃｃｍの流量で使用し、約８トルのチャンバ圧力を維
持し、２００ｍｍの基板の場合約３５０ワットのＲＦ電
力を供給することによってプラズマを発生させ、基板温
度を約３５０℃に維持して、炭化シリコン層を処理し
た。図３のｙ軸は、処理しない炭化シリコン層で観察さ
れた１０％ないし１５％の予想酸素濃度より低い、約４
％の原子濃度の層内における平均酸素濃度を示す。
【００４８】プラズマ処理法の一実施形態では、炭化シ
リコン層上に窒化表面を形成するために窒素プラズマを
使用するが、硝化ガスを層全体に提供することもでき、
熱反応など異なる反応により層と硝化ガスとの間の硝化
反応を促進することができる。
【００４９】発明のこの代替実施形態では、堆積した低
ｋ炭化シリコン層を、熱強化プロセス中に硝化ガスに暴
露させて、層から酸素を排出させ、層上に窒化表面を形
成することができる。熱プロセスは、約１００から約３
０００ｓｃｃｍの間の流量で硝化ガスを処理チャンバ内
に導入し、チャンバ圧力を約５トルから約２５トルの間
に維持し、処理プロセス中基板を約３５０℃から約５０
０℃の間の温度に維持することを含む。代替的に、アニ
ールプロセス中、チャンバ圧力を約８トルから約１０ト
ルの間に維持してもよい。基板は、アニールプロセス
中、約４５０℃の温度に維持することが好ましい。
【００５０】窒化表面は、窒素が層内に取り込まれると
きに、炭化シリコン層上に窒化シリコン、窒化シリコン
炭素、オキシ窒化シリコン、またはオキシ窒化シリコン
炭素の薄いパッシベーション窒化物表面を形成すると考
えられる。窒化表面は、炭化シリコン層への酸素拡散に
対する抵抗力が、処理しない炭化シリコン層より大き
い。さらに、パッシベーション窒化表面は、炭化シリコ
ン層の誘電率を目立つほどには増加しないことも考えら
れる。さらに、層表面の硝化は非晶質炭化シリコン層へ
の窒素の原子結合を生じ、それにより隣接する層との層
間欠陥を減少しながら、界面結合および接着性を増強す
ることが考えられる。さらに、窒化表面は、酸化シリコ
ンを含む層より、水および銅など他の物質の拡散に対し
大きい抵抗を有し、それにより銅メタライゼーションプ
ロセスにおける炭化シリコン層の障壁特性が強化される
ことが観察された。
【００５１】図４は、本発明の不活性ガスまたは硝化プ
ラズマのいずれかで炭化シリコン層を処理することによ
って形成される銅メタライゼーションスタック１００に
おける障壁層として、低ｋ炭化シリコン層を使用するこ
とを示す。障壁層１３４は、上述した低ｋ炭化シリコン
堆積プロセス方式を使用して形成した。メタライゼーシ
ョンスタック１００は、最初にシリコン基板１３０上に
厚さ約５０００Åの酸化物層１３２を堆積することによ
って形成される。次いで酸化物層１３２の上に第１低ｋ
炭化シリコン障壁層１３４を約８００Åの厚さに堆積し
た。次に、ここで記載する不活性ガスまたは硝化ガスプ
ロセスのいずれかによって、第１低ｋ炭化シリコン障壁
層１３４をプラズマ処理することによって、拡散抵抗表
面１３６を提供する。次に、厚さ約５０００Åの銅層１
３８を、第１低ｋ炭化シリコン障壁層１３４の拡散抵抗
表面１３６上に堆積する。銅層１３８の上に第２低ｋ炭
化シリコン障壁層１４０を約８００Åの厚さに堆積し、
第２低ｋ炭化シリコン障壁層１４０の上に厚さ約１００
０Åの酸化物層１４２を堆積する。代替的に、銅層１３
８による炭化シリコン層１３４への層間拡散をさらに限
定するために、銅層の前に、窒化チタン（ＴｉＮ）また
は窒化タンタル（ＴａＮ）などの金属窒化物障壁層を堆
積することもできる。上記メタライゼーションスタック
１００は説明のために提供したものであり、発明の範囲
を限定するものとして解釈または判断すべきではない。
例えば、炭化シリコン層１４０は、デュアルダマシン製
造においてフィーチャが形成されるようにエッチストッ
プまたは反射防止膜として機能してもよい。
【００５２】
【窒化シリコンパッシベーション層】別の実施形態で
は、炭化シリコン層をシリコンおよび窒素を含む薄いパ
ッシベーション層で覆うことにより、低ｋ炭化シリコン
層への酸素の拡散を低減することができる。パッシベー
ション層は窒化シリコン、窒化シリコン炭素、オキシ窒
化シリコン、またはオキシ窒化シリコン炭素を含んでよ
い。
【００５３】約５０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの
間の流量でシリコン含有ガスを、また約５０ｓｃｃｍか
ら約２０００ｓｃｃｍの間の流量で窒素含有ガスを処理
チャンバ内に導入することによって、パッシベーション
層を炭化シリコン層に堆積する。シリコン含有ガスは、
シラン、メチルシラン、トリメチルシラン、それらの置
換誘導体、およびそれらの組合せのグループから選択す
る。窒素含有ガスは、アンモニア、窒素、亜酸化窒素、
およびそれらの組合せのグループから選択する。硝化ガ
スは、オキシ窒化シリコンのパッシベーション層が堆積
されるように、酸素を、例えば亜酸化窒素に含有される
酸素を、含んでよい。
【００５４】基板は、約１００℃から約５５０℃の間の
温度に維持される。チャンバ圧力は約１トルから約２５
トルの間に維持する。チャンバ圧力は、堆積プロセス
中、約４トルから５トルの間に維持することが好まし
い。処理ガスのプラズマを発生させるために、２００ｍ
ｍの基板の場合、約０．３ワット／ｃｍ2から約３．２
ワット／ｃｍ2の間のＲＦ電力密度、または約１００ワ
ットから約１０００ワットの間のＲＦ電力レベルを処理
チャンバに供給することが好ましい。
【００５５】窒化シリコン層は、約２５Åから約５００
Åの間の厚さに堆積することができる。パッシベーショ
ン層は、約５０Åから約２００Åの間の厚さに堆積する
ことが好ましい。層は、炭化シリコン層およびパッシベ
ーション層を用いる処理用途によって、任意の厚さに堆
積可能であると企図される。
【００５６】パッシベーション層は、同一処理チャンバ
内で、または同一集積化装置内の異なるチャンバで、つ
まりプロセス間で真空を中断することなく、炭化シリコ
ン層上にｉｎ−ｓｉｔｕ 堆積することができる。汚染
および酸化が発生するおそれのある雰囲気に炭化シリコ
ン層を暴露するのを防止するために、パッシベーション
層は、低ｋ炭化シリコン層の堆積後に、ｉｎ−ｓｉｔｕ
堆積することが好ましい。窒化シリコンおよびオキシ
窒化シリコン層は、原子濃度で約５％未満の炭素含有率
を有する。窒化シリコンおよびオキシ窒化シリコンは、
上述した方法によって堆積されるように説明してきた
が、シリコンおよび窒素を含むパッシベーション層を堆
積可能な他の方法および材料も、本発明によって企図さ
れる。
【００５７】図５は、前述の通りシリコン基板上に堆積
され、前段落で記述したシリコンおよび窒素を含む層で
覆われた、厚さ５００Åの炭化シリコン層のスパッタ時
間（分）に対する原子濃度（原子％）のＸ線光電子分光
（ＸＰＳ）グラフを示す。パッシベーション層は、処理
チャンバ内に約１１５ｓｃｃｍの流量でトリメチルシラ
ンを導入し、かつ処理チャンバ内に約１５００ｓｃｃｍ
の流量でアンモニアを導入し、チャンバ圧力を約４トル
から約５トルの間に維持し、２００ｍｍの基板の場合に
約３５０ワットのＲＦ電力を供給することによってプラ
ズマを発生させ、トリメチルシランとアンモニアを反応
させる間、基板を約３５０℃の温度に維持することによ
って堆積された。
【００５８】パッシベーション層を約４００Åの厚さに
堆積した。パッシベーション層は、ＳｉＮ／ＳｉＣスタ
ックのｋ値に対する全体的な影響を最小にするために、
４００Å未満の厚さに堆積することができる。図５のｙ
軸は、パッシベーション層を堆積した後の約２％および
約４％の原子濃度の層内の平均酸素濃度を示す。これ
は、処理しない炭化シリコン層で観察される１０ないし
１５％の予想酸素含有率より低い。
【００５９】図５に示すように、スパッタリングプロセ
ス中、約２０分で窒化シリコン層がスパッタされ、窒化
シリコン層の組成が測定された。層組成のこの変化で、
酸素濃度は約２％ないし４％の観測平均から変化せず、
層のｉｎ−ｓｉｔｕ 堆積が炭化シリコン層内の酸素汚
染を低減することを示している。薄いパッシベーション
層のプラズマ強化堆積により、炭化シリコン層上の拡散
抵抗層が確立され、障壁層の全体的誘電率に悪影響を及
ぼすことなく、酸素に対する優れた拡散抵抗を有する集
積障壁層が形成されることが考えられる。さらに、窒化
シリコンおよびオキシ窒化シリコンは、銅などの導電性
金属に対してより大きい拡散抵抗を有するので、窒化シ
リコンのパッシベーション層が炭化シリコン障壁特性を
改善することが考えられる。
【００６０】図６は、本発明による窒化シリコンパッシ
ベーション層で覆われた低ｋ炭化シリコン障壁層の使用
例を示す。メタライゼーションスタック２００は、最初
にシリコン基板２３０上に厚さ約５０００Åの酸化物層
２３２を堆積することによって形成する。次に、ここで
記述したプロセスによって、酸化物層２３２上に、第１
低ｋ炭化シリコン障壁層２３４を約８００Åの厚さまで
堆積する。次に、トリメチルシランおよびアンモニアの
プラズマ強化堆積により、第１低ｋ炭化シリコン障壁層
に窒化シリコンパッシベーション層２３６を約４００Å
の厚さまで堆積する。次いで、厚さ約５０００Åの銅層
２３８を炭化シリコン障壁層２３４の窒化シリコン層２
３６上に堆積する。図示しないが、炭化シリコン層２３
４への銅の拡散を制限するために、銅層の前に、窒化チ
タン（ＴｉＮ）または窒化タンタル（ＴａＮ）などの金
属窒化物障壁層を堆積することもできる。次に、上述し
たように形成される第２低ｋ炭化シリコン障壁層２４０
を銅層２３８上に約８００Åの厚さまで堆積し、その後
に厚さ約１０００Åの酸化物層２４２を堆積する。
【００６１】ここに記載したプラズマ処理は拡散抵抗を
改善し、炭化シリコンなど低ｋ層の隣接する材料への改
善された層間結合および接着を提供すると一般的に考え
られる。また、プラズマ処理は酸素などの不純物を低減
するだけでなく、堆積した炭化シリコン層の誘電率が増
加することから、メタライゼーションの組合せ層の抵抗
またはインピーダンスをも低下させることが考えられ
る。パッシベーションおよび／または障壁層として、低
酸素含有率の低ｋ材料は、銅の層間拡散を低減すること
ができ、また配線ライン間の容量結合に対するパッシベ
ーションおよび／または障壁層の寄与を最小にすること
もできる。以下の記載は低ｋ炭化シリコン層の処理につ
いて言及するが、本発明は記載したプロセスを、当該技
術分野で知られかつ半導体の製造で使用される他の多孔
性の層および他の低ｋ層に適用することも企図してい
る。
【００６２】以上の説明は本発明の好適な実施形態に向
けられているが、その基本的範囲から逸脱することな
く、発明のその他およびさらなる実施形態を案出するこ
とができ、発明の範囲は特許請求の範囲の記載によって
決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理を実行できる１つの市販のＣＶＤ
プラズマ処理チャンバの断面図である。
【図２】不活性ガスプラズマによって処理された炭化シ
リコン層の原子濃度のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）グラフ
である。
【図３】硝化ガスプラズマによって処理された炭化シリ
コン層の原子濃度のＸＰＳグラフである。
【図４】プラズマ処理された炭化シリコン層が上に形成
された基板の断面図である。
【図５】パッシベーション層が上に堆積された別の炭化
シリコン層の原子濃度のＸＰＳグラフである。
【図６】被覆炭化シリコン層を有する基板の断面図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケギャン ヒュアン アメリカ合衆国， カリフォルニア州， フリーモント， パッカード コート 44100 (72)発明者 ジュディー エル． ヒュアン アメリカ合衆国， カリフォルニア州， ロス ガトス， リーロイ アヴェニュー 16788 (72)発明者 ピン シュー アメリカ合衆国， カリフォルニア州， フリーモント， クラウン リッジ コモ ン 48888 Ｆターム(参考） 5F033 HH11 HH32 HH33 MM02 MM05 MM13 QQ00 QQ04 QQ25 QQ74 RR01 RR04 RR06 RR08 SS15 XX12 XX20 XX24 XX28 5F058 BA05 BA10 BA20 BC20 BD01 BD10 BD15 BF07 BH16 BJ02

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板の処理方法であって、前記方法は：
    処理チャンバ内で基板上に低誘電率の層を堆積するステ
    ップと；前記処理チャンバ内に処理ガスを導入するステ
    ップと；前記処理チャンバ内で前記処理ガスのプラズマ
    を発生させるステップと；前記低誘電率の層を前記処理
    ガスのプラズマに暴露するステップと、を含む、基板処
    理方法。
  2. 【請求項２】 前記低誘電率の層が原子濃度で約６％ま
    たはそれ以下の酸素含有率を有する、請求項１に記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 前記低誘電率の層が炭化シリコンを含
    む、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記処理ガスがヘリウム、アルゴン、お
    よびそれらの組合せから成るグループから選択された不
    活性ガスである、請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記低誘電率の層を前記プラズマに暴露
    するステップが低ｋ誘電率の層の表面の密度を増加させ
    る、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記処理ガスがアンモニア、窒素、亜酸
    化窒素、およびそれらの組合せから成るグループから選
    択された硝化ガスである、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記硝化ガスが前記低誘電率の層に窒化
    表面を形成する、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記低誘電率の層を前記プラズマに暴露
    するステップが、約０．０８ワット／ｃｍ2から約６．
    ４ワット／ｃｍ2の間の電力密度を処理チャンバに供給
    してプラズマを発生させるステップを含む、請求項１に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記低誘電率の層を約１０秒から約１２
    ０秒の間前記プラズマに暴露する、請求項８に記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 チャンバ圧力が約１００ミリトルから
    約２５トルの間である、請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記基板を処理するステップが、不活
    性ガス、硝化ガス、またはそれらの組合せの処理ガスを
    約３０００ｓｃｃｍまたはそれ以下の流量で前記処理チ
    ャンバ内に導入するステップと、前記処理チャンバを約
    １トルから約１２トルの間の圧力に維持するステップ
    と、約０．３ワット／ｃｍ2から約３．３ワット／ｃｍ2
    の間の電力密度を前記処理チャンバに供給することによ
    って前記プラズマを発生させるステップと、約２０秒か
    ら約６０秒の間前記プラズマを維持するステップと、を
    含む、請求項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記低誘電率の層が原子濃度で約６％
    またはそれ以下の酸素含有率を有する、請求項１１に記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】 基板の処理方法であって、前記方法
    は：処理チャンバ内で基板上に炭化シリコン層を堆積す
    るステップと；前記処理チャンバ内に不活性ガス、硝化
    ガス、またはそれらの組合せのグループから選択された
    処理ガスを導入するステップと；前記処理チャンバ内で
    前記処理ガスのプラズマを発生させるステップと；前記
    炭化シリコン層を前記処理ガスのプラズマに暴露して前
    記炭化シリコン層上にパッシベーション表面を形成する
    ことによって、前記炭化シリコン層の表面を変化させる
    ステップと、を含む、基板処理方法。
  14. 【請求項１４】 前記不活性ガスをヘリウム、アルゴ
    ン、およびそれらの組合せから成るグループから選択す
    る、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記処理ガスが不活性ガスであり、前
    記炭化シリコン層の表面の密度が増加する、請求項１３
    に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記硝化ガスをアンモニア、窒素、亜
    酸化窒素、およびそれらの組合せから成るグループから
    選択する、請求項１３に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記処理ガスが硝化ガスを含み、前記
    低誘電率の層上に窒化表面が形成される、請求項１３に
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記低誘電率の層を前記プラズマに暴
    露するステップが、約０．３ワット／ｃｍ2から約３．
    ２ワット／ｃｍ2の間の電力密度を前記処理チャンバに
    供給してプラズマを発生させるステップを含む、請求項
    １３に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記低誘電率の層を約２０秒から約６
    ０秒の間前記プラズマに暴露する、請求項１８に記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 チャンバ圧力が約１トルから約１２ト
    ルの間である、請求項１３に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記基板を処理するステップが、不活
    性ガス、硝化ガス、またはそれらの組合せの処理ガスを
    約３０００ｓｃｃｍまたはそれ以下の流量で前記処理チ
    ャンバ内に導入するステップと、前記処理チャンバを約
    ５トルから約１０トルの間の圧力に維持するステップ
    と、約１．２ワット／ｃｍ2から約１．６ワット／ｃｍ2
    の間の電力密度を前記処理チャンバに供給することによ
    って前記プラズマを発生させるステップと、約２０秒か
    ら約６０秒間前記プラズマを維持するステップと、を含
    む、請求項１３に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記炭化シリコン層が障壁層、エッチ
    ストップ、パッシベーション層、または反射防止膜であ
    る、請求項１３に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記炭化シリコン層が原子濃度で約６
    ％またはそれ以下の酸素含有率を有する、請求項１３に
    記載の方法。
  24. 【請求項２４】 基板上に低誘電率障壁層を形成する方
    法であって、前記方法は：前記基板上に炭化シリコン層
    を堆積するステップと；前記炭化シリコン層上にシリコ
    ンおよび窒素を含むパッシベーション層を堆積するステ
    ップと、を含む方法。
  25. 【請求項２５】 前記パッシベーション層が窒化シリコ
    ンまたはオキシ窒化シリコンを含む、請求項２４に記載
    の方法。
  26. 【請求項２６】 前記パッシベーション層を堆積するス
    テップが：前記基板を含む処理チャンバ内にシリコン含
    有ガスおよび窒素含有ガスを導入するステップと；前記
    処理チャンバ内でプラズマを起こさせるステップと；シ
    リコン含有ガスおよび窒素含有ガスをプラズマの存在下
    で反応させて、シリコンおよび窒素を含むパッシベーシ
    ョン層を堆積するステップと、を含む、請求項２４に記
    載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記シリコン含有ガスをシラン、メチ
    ルシラン、トリメチルシラン、それらの置換誘導体、お
    よびそれらの組合せのグループから選択する、請求項２
    ６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記窒素含有ガスをアンモニア、窒
    素、亜酸化窒素、およびそれらの組合せから成るグルー
    プから選択する、請求項２６に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 約０．３ワット／ｃｍ2から約３．２
    ワット／ｃｍ2の間の電力密度を前記チャンバに供給す
    ることによって前記プラズマを発生させる、請求項２６
    に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 チャンバ圧力が約１トルから約２５ト
    ルの間である、請求項２６に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 シリコンおよび窒素を含む前記パッシ
    ベーション層を約２５Åから約５００Åの間の厚さに堆
    積する、請求項２４に記載の方法。
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