JP2004158891A - ダマシン構造およびダマシンを形成した試料 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細化が進んだ多層配線の配線抵抗を低く保ち集積回路の性能を高めるとともに、多層配線の生産性を向上できるダマシン構造を提供する。
【解決手段】 電気絶縁膜に形成したプラグ部１１２に銅１１５を埋め込んで形成する電気伝導性のダマシン構造において、プラグ部１１２は、平面部分を介して大きな断面と小さな断面を有する２段の溝部１１２、１１３からなり、該プラグ部の内壁である側面部分および平面部分はそれらの表面から内部に向かって３ｎｍ〜５０ｎｍの深さに銅バリア層１２２が形成され、かつ前記プラグ部１１２に銅１１５が埋め込まれている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体や液晶などを有する試料のダマシン処理方法、およびこれを用いたダマシン処理装置、ダマシン構造、特に、多層配線を施すのに好適なダマシン処理方法、ダマシン処理装置、およびダマシン構造ならびにダマシンを形成した試料に関する。

半導体集積回路の設計ルールは、今後０．１μｍ以下へと引き続き急速に縮小することが予想されており、配線に起因する信号の遅れが、回路特性の高速化を図る上で大きなネックの一つになってきている。この解決のために、配線間の容量と配線抵抗とを低減すべく、デュアルダマシン工程やシングルダマシン工程によって、ｌｏｗ−ｋ材（比誘電率が３．０以下、好ましくは２．５以下）中に低抵抗率の導電材料である銅を埋め込んで、多層配線を行うことが試みられている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

その工程の例であるデュアルダマシン工程の例を、図１０Ａ）〜図１０Ｌ）、および図１１Ｍ）〜図１１Ｐ）に示す。デュアルダマシン工程は、次のようなステップから成る。
図１０Ａ）：第1の絶縁膜１００中に下層配線１０１を埋込み、その上にエッチングストッパ用下層配線上絶縁膜１０２を形成する（Ａステップ）。
図１０Ｂ）：下層配線上絶縁膜１０２上に第２の絶縁膜１０３を形成する（Ｂステップ）。
図１０Ｃ）：第２の絶縁膜１０３上にエッチングストッパ用の第３の絶縁膜１０４を形成する（Ｃステップ）。
図１０Ｄ）：第３の絶縁膜１０４上にフォトレジスト層１０５を形成後、フォトリソグラフィ技術を用いて、フォトレジスト層１０５に第１のマスク開口部１０６を形成する（Ｄステップ）。（第１のマスク開口部１０６は後述のプラグ部１１２の寸法に対応している。）
図１０Ｅ）：フォトレジスト層１０５をマスクとしてエッチングし、第３の絶縁膜１０４に第１の開口部１０７を形成する（Ｅステップ）。
図１０Ｆ）：第３の絶縁膜１０４上、および第１の開口部１０７の第２の絶縁膜１０３上に、第４の絶縁膜１０８を形成する（Ｆステップ）。
図１０Ｇ）：第４の絶縁膜１０８上に、フォトレジスト層１０９を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト層１０９に第２のマスク開口部１１０を形成する（Ｇステップ）。（第２のマスク開口部１１０は、後述の溝部１１３の寸法に対応している。）
図１０Ｈ）：フォトレジスト層１１０をマスクとして第４の絶縁膜１０８をエッチングし、第４の絶縁膜１０８に第２の開口部１１１を形成する（Ｈステップ）。
図１０Ｉ）：パターニングした第３の絶縁膜１０４をマスクとして、第２の絶縁膜１０３を所定の深さまでエッチングする（Ｉステップ）。
図１０Ｊ）：パターニングした第４の絶縁膜１０８をマスクとして、第３の絶縁膜１０４をエッチングする（Ｊステップ）。
図１０Ｋ）：第４の絶縁膜１０８および第３の絶縁膜１０４をマスクにして第２の絶縁膜１０３をさらにエッチングする（Ｋステップ）。このときプラグ部１１２もエッチングが進行するため、溝部１１３ならびにプラグ部１１２が形成される。
図１０Ｌ）：プラグ部１１２の下部の下層配線上絶縁膜１０２を、プラグ部１１２をマスクにエッチングし、下層配線上絶縁膜１０２に第３の開口部１１６を形成する（Ｌステップ）。
図１１Ｍ）：溝部１１３、プラグ部１１２および第３の開口部１１６の内壁、および第３の開口部下の下層配線１０１表面ならびに第４の絶膜１０８表面からなる試料の露出面上に、２０〜５０ｎｍのバリアメタル層１１４を形成する（Ｍステップ）。
図１１Ｎ）：バリアメタル層１１４上に導電性材料である銅のシード層を成膜後、溝部１１３およびプラグ部１１２に導電材料１１５である銅を埋め込む（Ｎステップ）。
図１１Ｐ）：ＣＭＰ（Chemical-Mechanical-Polishing）を用いて、この導電性材料１１５の銅薄膜の表面を平坦化する（Ｐステップ）。

第１の絶縁膜１００および第２の絶縁膜１０３はｌｏｗ−ｋ材（比誘電率が３．０以下、好ましくは２．５以下）で構成され、下層配線上絶縁膜１０２、第３の絶縁膜１０４および第４の絶縁膜１０８はＳｉＮやＳｉＣ等が用いられエッチング阻止機能を有し、バリア層１１４はＴｉＮなどの金属が、現状、主に用いられ導電材料１１５成分のｌｏｗ−ｋ材部への拡散（diffusion）阻止ならびにｌｏｗ−ｋ材部から導電材料への酸素や弗素成分等の拡散（diffusion）阻止を行なっている。また、第４の絶縁膜１０８等を省略できるプロセスも報告されている。

なお、図１０Ｂ）から図１０Ｄ）の前半までは、成膜装置（スパッタ装置やＣＶＤ装置）で処理する。Ｄステップの後半はリソグラフィ装置で処理する。図１０Ｅ）はエッチング装置で処理する。図１０Ｆ）から図１０Ｇ）の前半は成膜装置で処理する。図１０Ｇ）の後半はリソグラフィ装置で処理する。図１０Ｈ）から図１０Ｌ）はエッチング装置で処理する。図１１Ｍ）は成膜装置で処理する。図１１Ｎ）は成膜装置もしくはメッキ装置で処理する。図１１Ｐ）はＣＭＰ装置で処理する。

なお、図１０および図１１中で、クリーニングやフォトレジストのアッシングなど、詳細部分は一部省略している。シングルあるいはデュアルダマシン方法による配線材料である銅の埋め込みは、この外にも、色々なプロセスが考えられているが、銅に対するバリアとしては、いずれも、溝加工やプラグ加工後にＴｉＮなどのバリアメタル層を成膜し、その後銅の埋め込みを行うことが一般に行われている（例えば、特許文献３,４,５参照）。

上記特許文献で述べられているような従来技術では、溝部１１３およびプラグ部１１２の底面および側壁、ならびに試料の全体表面に、銅に比べ高い比抵抗率のバリアメタル層（現状では３０〜１００ｎｍ厚）１１４を成膜させている。このため、溝部１１３およびプラグ部１１２では、これらの側壁に成膜されたバリアメタル層１１４の膜厚分だけ、低い比抵抗率の銅の導電材部分の溝幅やプラグ直径が減り、ひいては配線抵抗が増加する原因になってくる欠点があった。また、下層の銅配線（図１１の１０１に対応）とその上の銅配線（図１１の１１５に対応）との間に、銅に比べて高抵抗であるプラグ部底面のバリアメタル層１１４が挿入されるため、上下銅配線層間の接触抵抗が増加する欠点があった。

２０１０年、２０１６年には集積回路の設計ルールはそれぞれ４５ｎｍおよび２２ｎｍになることが予想されており、そのときの溝幅およびプラグ径は、それぞれ１００ｎｍ程度以下、および５０ｎｍ程度以下になってくる。バリアメタル層は溝や孔の両側を含む全面に成膜する必要があるため、このように微細化がすすんでくると、バリアメタル成膜層に起因した配線抵抗の増加の影響は顕著となり、集積回路の性能を大幅に低下させることになる。２０１０年、２０１６年には、バリアメタル層の厚みをそれぞれ５ｎｍおよび２．５ｎｍまで薄くして対応する予想となっているが、バリアメタル層の厚みが２０ｎｍ程度以下ではｌｏｗ−ｋ材部への銅の拡散量が急増する現状から、障壁の高い目標といわざるをえない。

ｌｏｗ−ｋ材部として、通常の平坦なｌｏｗ−ｋ材の膜の上に、ｋの値が５．５程度以下でバリア機能を有する８０ｎｍ厚の平坦なＳｉＣの膜を成膜した平坦な２層構造とし、平坦なＳｉＣ膜を成膜中に希ガスや窒素含有ガスを用い０．１〜２５Ｔｏｒｒでプラズマ処理し、酸素の拡散阻止性能を向上した膜を形成できることが知られている（例えば、特許文献６参照）。しかし、膜形成後のシングルあるいはデュアルダマシンの溝部やプラグ部のエッチング処理や、溝部やプラグ部形成後の処理については言及されていない。

また、デュアルダマシンの溝部やプラグ部の形成後に、１ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒ（０．１３３Pa〜６．６Ｐａ）の圧力でＮ_２，ＮＨ_３等のガスと１００Ｗ−２ｋＷのＲＦ/マイクロ波電力源を用いプラズマを発生させて等方的/異方的プラズマ処理を行い、弗化誘電体よりなるｌｏｗ−ｋ材中のデュアルダマシンの溝部やプラグ部の側壁部分に、化学反応により“擬炭化窒素層（pseudo-carbon
nitride layer）”を形成し、銅に対するバリア機能を付与すること、さらに“擬炭化窒素層”の上に更に通常のメタルバリア層を成膜後、銅を象嵌（inlay）することが提案されている（例えば、特許文献７参照）。

但し、１ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒのプラズマ処理のみでｌｏｗ−ｋ材の表面を充分に改質させることは難しく、改質の度合いは不充分でかつ改質される深さも１ｎｍ程度以下の浅いものとならざるを得ない。特に溝部やプラグ部の側壁には、加速されたイオン類はほとんど入射せず、無電荷の原子/分子が拡散で付着するのみであるため、図４ａ）に示すように、側壁の表面層（１ｎｍ程度未満）で不完全な反応が起きるに過ぎない。

また、ＳｉＯ_２膜を窒素プラズマで０．５ｎｍの深さまでＳｉＮに改質するのに３００秒を要することが知られている（例えば、特許文献８参照）。このため、銅に対するバリア機能は、それだけでは不充分で、バリアメタル層を併用する必要があり、上に述べた従来のバリアメタル層使用時と同様な欠点を有していた。

ｌｏｗ−ｋ材材自身にバリア性能を付加させる試みも進められているが、誘電率を低下させるためにｌｏｗ−ｋ材の密度は低下し原子間の結合力も低下する傾向にあり、ｌｏｗ−ｋ材のみで銅や酸素/弗素などの拡散を阻止するバリア機能を完備させることは、極めて困難な状況にある。

また、上記従来技術では、エッチング装置で基板のｌｏｗ−ｋ材部（比誘電率が３．０以下、好ましくは２．５以下）の溝および/ないしはプラグ部の処理した後に、水分を含んだ大気圧部分を通って成膜装置に搬送されるため、エッチングされた溝部やプラグ部が劣化する欠点があった。

今後のｌｏｗ−ｋ材を用いた多層配線を信頼性良く生産する点についての配慮がされておらず、歩留まりが低下するなど生産コストの面で問題があった。
米国特許第６３６５５０６号明細書 国際公開第０１/９９１８２号パンフレット 米国特許第６１００１８４号明細書 特開２０００−２３２１０６号公報 米国特許第６３４４６９３号明細書 米国特許第２００２/１６０８５号明細書 米国特許第２００２/０００１９５２号明細書 特開２００１−２９１８６６号公報

本発明は、微細化が進んだ場合における多層配線の配線抵抗を低く保ち集積回路の性能を高めるとともに、多層配線の生産性を向上することを目的とする。

ｌｏｗ−ｋ材としては、無機ＳＯＧ（Spin-On Glass），有機ＳＯＧ、有機ポリマー、多孔質材料、ＣＶＤによる成膜材（例えばＳｉ―Ｃ）、その他の誘電率が３以下（好ましくは２．５以下）の誘電体やも含まれる。

上記目的を達成するために、エッチング装置にてｌｏｗ−ｋ材を含む試料を処理した後（図１０のＫステップの状態）、同じ装置内にて、試料を大気圧にさらすことなく、エッチング処理した同じ処理室で、もしくは試料を真空中で搬送し別の処理室で、１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）の電圧で加速した、イオンや粒子を、エッチング処理後のｌｏｗ−ｋ材の露出面に衝突させて炭化、窒化、ホウ化、臭化、還元、非晶質化あるいはこれらの組合せの表面改質処理によるバリア処理を行うことによって達成される。

なお、上記のバリア処理で、加速したイオンや粒子を試料に衝突させる時もしくはその前に、表面改質材質をｌｏｗ−ｋ材の露出面に成膜すると、成膜された物質と、加速したイオンや粒子の衝突との相互作用により、炭化、窒化、ホウ化、臭化、還元、非晶質化あるいはこれらの組合せの表面改質処理が促進される利点がある。

すなわち、加速したイオンや粒子の衝突により、イオンや粒子自身もしくはイオンや粒子が衝突する部分に存在する物質やｌｏｗ−ｋ材の一部を、ｌｏｗ−ｋ材の表面より３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）にまで打ち込む（implant）とともに、加速したイオンや粒子の衝突時のエネルギーにより極所的に高温に加熱され、打ち込まれた粒子とｌｏｗ−ｋ材間、打ち込まれた粒子同士、ｌｏｗ−ｋ材同士の結合が大幅に促進され強固なものとなり、炭化、窒化、ホウ化、臭化、還元、非晶質化中ないしはこれらの組合せの表面改質処理によるバリア処理が促進される。

本発明では、打ち込むイオンや粒子としては、炭素、窒素、ホウ素、臭素、シリコン、水素、酸素、あるいはこれらを含む化合物やイオン、ないしは希ガスや希ガスのイオンが含まれる。

なお、粒子のエネルギーと粒子のｌｏｗ−ｋ材中への打ち込み深さの関係の概要は、図１２に示すように、粒子のエネルギーが増大すると粒子の打ち込み深さは増大する（打ち込み深さは、打ち込まれた粒子濃度がピーク濃度の１／ｅ；ｅ＝２．７１８；になる深さで示す）。打ち込み深さは試料の材質/打ち込む粒子によりある幅をもつ。本発明の適用範囲は加速電圧として１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）である。粒子加速衝突処理室を小型にするため、粒子加速電圧も５０ｋＶ以下（好ましくは２０ｋＶ以下）とし、３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）の加速粒子の進入深さで所望の表面改質処理によるバリア処理ないしは保護化処理を得るように構成している。

上記処理を行なうにあたっては、加速された粒子を、試料中のシングルあるいはデュアルダマシンの溝部やプラグ部（側壁部分を含む）に衝突させるとともに、試料表面の温度を２５０℃ないしは４５０℃に加熱して、表面の改質を促進させる。

圧力が０．１ｍＴｏｒｒ〜２５Ｔｏｒｒの通常のプラズマ処理で試料台にバイアス用の高周波もしくはパルス電源を接続すれば、高エネルギーのイオンの照射は可能となるが、プラズマシース中のイオンの直進性より、試料中の垂直な壁部分に高エネルギーのイオンを照射することは困難である。この課題は下記の三つの方法により解決できる。
（１） アルゴンや窒素イオンの１気圧における平均自由工程は約６０ｎｍで、プラグ径と同程度以下にまで短くなってくる。２〜１０気圧になるとイオンの平均自由工程は、プラグ径より充分短くなってくる。プラズマ処理圧力を大気圧程度ないしは大気圧の数倍程度に上昇させることにより、イオンの平均自由工程長やプラズマシース幅が溝幅やプラグ径以下となって溝やプラグ中にプラズマが入り込む。試料にバイアス電力を加えることにより、１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）の電圧で加速したイオンを、垂直な壁部分をふくめ、試料の表面全体に照射できる。
（２） 試料の面積の１／４程度以上の面積を有する大面積イオン源から斜め方向成分を有し、かつ１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）で加速されたイオンビームを必要に応じ中和後取り出し、試料に照射する。加速粒子取り出し部と試料間で、顕著な衝突が起きなければ良く、３×１０^−２Ｐａ程度以下の真空雰囲気にする。処理チャンバは小型化が可能であり、マルチチャンバシステムの一つの処理室として取りつけることが可能である。
（３） １０^−６Ｐａ程度以下の高真空雰囲気中に試料を設置し、プラズマ源で生成されたイオンを１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）の電圧で加速し、必要に応じ所望のイオンを質量分離/中和後、試料に斜め方向に加速粒子を照射する。試料を回転あるいは/および移動させることにより試料の溝の壁やプラグ孔の側壁部分を含む試料表面全体に加速粒子を斜め方向から照射することができる。なお質量分離部を省いた枚葉式イオン注入装置をもちいれば、処理チャンバは小型化が可能であり、マルチチャンバシステムの一つの処理室として取りつけも容易になる。

加速粒子ビーム併用によるＣＶＤ処理の改善に関し、上記（２）に類似の装置を用いた処理が米国特許第２００１/００５５６４９号明細書に記述されているが、バリア層形成に関しては従来例と同じく、溝加工やプラグ孔加工後にＴｉＮなどのバリアメタルを成膜させるものである。加速粒子ビーム併用による改善効果は、下地の絶縁膜層とバリアメタル層との境界部分での接着性を改善するものであり、本発明とは目的効果実施内容ともに全く異なっている。

なお、加速粒子によるｌｏｗ−ｋ膜のバリア性能付加により、ｌｏｗ−ｋ膜表面の誘電率は増加傾向となるが、その表面部分（３〜５０ｎｍ）がｌｏｗ−ｋ膜全体に占める割合は少なく、表面部分の誘電率の上昇により集積回路中の配線間容量全体が顕著に増加することはない。

また、以下では、導電性材料として銅を用いる場合について述べるが、導電性材料やダマシン構造などは何らこれらに限定されるものではなく、導電性材料と絶縁膜間での物質の拡散による性能悪化が生じる場合には、本発明は共通して適用できる。

本発明により、エッチング装置内、もしくはエッチング装置およびこれと真空搬送にて接続できる露出面改質装置を含むシステム内で、ダマシン用に加工処理済みのｌｏｗ−ｋ材の露出面の改質処理を行ない、バリア処理や表面保護処理が終了するため、バリアメタル層を成膜する必要がなくなる。したがって、プラグ部に埋め込まれる銅の直径は、ｌｏｗ−ｋ材のエッチング加工後の露出寸法にまで広げられる。このため、従来に比較し銅配線部分の低抵抗化が図れる。また、大気圧領域を経て成膜装置に試料を搬送前に、バリア機能と表面保護機能とを有する表面改質処理が完了するため、大気中の水分や酸素等によるｌｏｗ−ｋ材の露出面の変質が避けられ、信頼性の良い多層配線が可能となる。

以下、本発明の実施例を、図１、図２、図３、図６を用いて説明する。図１は、本発明にかかるダマシン処理装置の一例の構成を示す図である。本発明にかかるダマシン処理装置１は、真空搬送室１５３の周囲に複数個のゲートバルブ１５２Ａ〜１５２Ｄを介して複数個の処理室１５１Ａ〜１５１Ｄが配置される。処理室の少なくとも一つ（例えば１５１Ａ）は、エッチング処理室であり、図１０中の少なくとも図１０Ｉ）、図１０Ｊ）、図１０Ｌ）のエッチング処理をおこなう。処理室の少なくとも他の一つ（例えば１５１Ｂ）は粒子加速衝突処理室となっており、エッチング処理室１５１Ａと粒子加速衝突処理室１５１Ｂとの間では、試料は真空搬送室１５３を介して真空中を搬送される。

大気圧雰囲気中に設置されミニエンバイロメント対応で試料を収納する複数のＦＯＵＰ（Front
Opening Unified Pod）１５８Ａ，１５８Ｂから、清浄な大気圧雰囲気に設置された大気ロボット１５７により取り出し、複数のロック室１５５Ａ，１５５Ｂに投入する。各ロック室１５５Ａ，１５５Ｂは、大気と真空との間のバッファリングを行なっている。ロック室１５５Ａまたは/および１５５Ｂに搬入された試料は、大気側ゲートバルブ１５６Ａまたは/および１５６Ｂを閉じた後、ロック室に接続された真空ポンプにより排気し、所定圧力以下になった状態で真空側ゲートバルブ１５２Ｅまたは/および１５２Ｆを開き、真空搬送室１５３に設置されている真空ロボット１５４により、取り出し、所望の処理室（例えば１５１Ａ）のゲートバルブ１５２Ａを開けて処理室中の試料台６（図示せず）に搬入し、処理室のゲートバルブ１５２Ａを閉じた後試料の処理を開始する。

この処理室１５１Ａでの処理が終了すると、再び処理室１５１Ａのゲートバルブ１５２Ａを開け真空ロボット１５４により試料を取り出し、つぎの所望の処理室（例えば１５１Ｂ）へ試料を搬送する。すべての処理が終了すると、試料投入と逆のルートで複数のＦＯＵＰ１５８に試料が回収される。

本発明の装置構成は何ら図１に限定されるものではなく、例えば直線状の共通の真空搬送路に複数の処理室がゲートバルブ（必要に応じ個別処理室専用の搬送装置が設置されていても良い）を介して設置されているシステム等も、本発明に適用することもできる。

図２を用いて、露出面改質処理室の構造を説明する。露出面改質処理室１は、排気装置２と、ガス源３と、プラズマ生成用ＲＦ電源４と、コイル状アンテナ５と、試料台６と、バイアス印加用ＲＦ電源８とを有して構成され、試料台６上に試料７が搭載される。

処理室１５１のうちの一つであるエッチング室（例えば１５１Ａ）にてｌｏｗ−ｋ材をエッチングした試料７は、真空搬送室１５３を介して、処理室１５１のうちの他の処理室である図２に示す露出面改質処理室１（例えば１５１Ｂ）に運ばれてきて、試料台６上に載置される。この時の試料の断面は、図３ａ）（Ｋステップ）に示すように、従来例の図１０Ｋ）（Ｋステップ）と類似な状態である。なお、下記に記述する図３ｂ）（Ｋａステップ）に相当する露出面改質処理が、図１０Ａ）の処理中の「第1の絶縁膜１００中に．下層配線１０１の埋込み用溝を作成時」に施こされており、下層配線１０１に隣接した第1の絶縁膜１００中に、バリア層１２２‘が形成されている。

露出面改質処理室１中は、排気装置２により真空状態にしたあと、ガス源３から流量調節器（図示せず）を経由して、所定ガスを所定量流入させながら露出面改質処理室１内の圧力が１気圧〜１０気圧（１ｋhectoＰａ〜１０ｋhectoＰａ）中の所定値となるように、排気速度を調整する。

前のエッチングで行ったｌｏｗ−ｋ材の溝部やプラグ部表面のバリア処理として、炭化処理を行う場合には、使用ガスとしてはヘリウム、アルゴンなどの希ガスと炭素を多く含む炭化水素ガス類（例えば、メタンやアセチレンなど）との混合ガスを用いる。その後、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数のプラズマ生成用ＲＦ電源４をＯＮし、コイル状アンテナ５を介して処理室１内に高周波電力を注入し、ガスをプラズマ化する。

試料台６には、プラズマ生成用ＲＦ電源４の周波数より低い０．１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの周波数のバイアス印加用ＲＦ電源８を接続し、試料台６上の試料７の露出面に入ってくるイオンの加速エネルギーを１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）に制御する。なお、プラズマ生成用ＲＦ電源４出力やバイアス印加用ＲＦ電源８出力と、各負荷との間には整合用のマッチングボックスを使用する（図２では略する）。各マッチングボックス内には、直流分阻止用容量を設置している。

プラズマ処理時（Ｋａステップ）の試料断面を図３ｂ）に示す。処理圧力が高いため、プラズマ１２０は、径１００ｎｍ以下のプラグ部１１２や溝部１１３の中にまで入り込んでくる。溝部１１３およびプラグ部１１２の側面および底面、下層配線上絶縁膜１０２露出面ならびに第４の絶膜膜１０８の表面を含む試料の全露出面と、プラズマ１２０との間には数ｎｍ〜数十ｎｍのシースが形成される。プラズマ中で生成された希ガス/炭素/炭化水素のイオン１２１は、図３ｂ）Ｋａステップ中の矢印で示すようにシースの各部分での厚み方向に、試料に印加された高周波バイアスにより、１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）で加速され、溝部１１３およびプラグ部１１２の側面および底面を含む試料の全露出面にほぼ直角方向に衝突する。

この結果、希ガス/炭素/炭化水素イオンは、試料表面から３ｎｍ〜５０ｎｍ程度の深さに侵入し、イオンの加速エネルギーによる局所的な加熱作用も加わり、試料表面材質とイオンとが効率的に化合/融合ないしは反応し、試料露出面ないしは３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）の深さまで、強固な結合であるＳｐ３混成軌道（hybrid
orbital）のＣ−Ｃ結合[ダイアモンド状結合（Diamond Like Carbon,ＤＬＣと略す）等]、Ｓｉ−Ｃ結合もしくはＣ−Ｈ結合などが主体となった炭化層１２２が形成される。

Ｃ−ＦおよびＣ−Ｈ結合からなるｌｏｗ−ｋ材に本発明を適用したときの模式図を、従来例の図４−ａ）と対応させて図４−ｂ）に示す。注入されたＣ、Ｃ−Ｈとｌｏｗ−ｋ材との結合によりＳｐ３混成軌道結合化（hybrid orbital bonding）が進むとともに、注入されたＣ、Ｃ−Ｈ同士もＳｐ３混成軌道のＣ−Ｃ結合が進み、銅に対するバリア性能は上昇する。炭化層自身には不完全炭化の部分も存在するため、完全なバリア特性をもたせるには、炭化層として現状では数十原子層程度が必要である。この炭化の不完全性を改善してゆき、Ｓｐ３混成軌道結合をより完全にすることにより、炭素の侵入深さとして概略十数原子層程度にまで低減することができる。

Ｃ−Ｆ、およびＣ−Ｈ結合からなる絶縁物の硬度は、例えば国際公開第０１／４０５３７号パンフレットなどにも記載されているように、弗素含有率（重量％）の増加とともに低下する（図５の一点鎖線で示す）。一方、銅濃度が１万分の１に低下するのに必要な上記絶縁物の膜厚は、弗素含有率の増加とともに急速に増大する（図５の実線で示す）。弗素含有率＝０の点は、ほとんどが硬いＳｐ３混成軌道のＣ−Ｃ結合をしているダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）に近い状態であり、一方、弗素含有率が３０（重量％）以上の部分は、柔らかいＳｐ２混成軌道のＣ−Ｃ結合が主体の部分である。

ＣおよびＣ−Ｈ原子/分子を注入してゆくことにより、弗素は水素と結合し弗化水素ガスとなって排気されるとともに炭素の濃度が増大し、その結果として弗素含有率が低下し、硬いＳｐ３混成軌道のＣ−Ｃ結合が増大し、より薄い膜厚にてバリア機能が強化されることがわかる。

なお、処理ガス中に１〜５％程度のＣＯガスやＣＯ２ガスを添加することにより、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）中の水素を除去し、Ｃ−Ｃ間結合がより強固となり、さらにバリア性能を向上することができる。

Ｓｐ３混成軌道のＣ−Ｃ結合を増加させる炭化処理により、絶縁体の誘電率は増加傾向となる（例えば、特開平１１−２９７６８６号公報など）。但し、本発明では、ｌｏｗ−ｋ材の露出面から３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）の深さまで炭化処理を行うものであり、この炭化処理部分がｌｏｗ−ｋ材の全体積に占める割合はわずかであり、この炭化処理による配線間の容量増加はほとんどない。

この炭化により、ｌｏｗ−ｋ材料と導電材料間にバリア層が形成される。このバリア層は溝１１３やプラグ１１２の側面や底面に成膜させて形成するのではなく、もとのｌｏｗ−ｋ材料の表面を改質するものであり、導電材料を埋め込むための寸法は、図３ｂ）Ｋａステップの処理によってはほとんど変化しない大きな特長がある。この炭化層は、導電体材料の銅との親和性が、あまり良くない。

水素主体のガスや、珪素を含有するモノシラン（ＳｉＨ_４）やジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）等のガスで、バイアス電圧として１ｋＶ未満のイオン加速電圧を用い、水素イオン、珪素イオンあるいは水素化珪素イオンなどを本炭化層の露出面に衝突させるプラズマ処理（深さで１ｎｍ程度以下）を行えば、銅との親和性は大幅に改善され均一な銅の埋め込みが得られる。また、高エネルギーイオンの衝突により、ｌｏｗ−ｋ材の空隙部分に加速粒子が侵入するとともに、加速粒子のエネルギーにより表面付近のｌｏｗ−ｋ材原子ないしはｌｏｗ−ｋ材の露出面に堆積したＣやＣＨ成分が内部に叩き込まれ表面付近の密度が増し、炭層原子間結合がより強固なものとなり、バリア特性も向上する利点がある。

なお、図３ｂ）の処理時に試料露出面に導電材料が存在すると、加速された高エネルギーのイオンの衝突により導電材料が顕著にスパッタされ導電材表面が粗くなったり、他の部分へのダメージが問題となる。このため、図３ｂ）の処理時においては導電材料１０１は下層配線上絶縁膜１０２でカバーされていることが必須条件となる。

プラズマ発生手段は、図２の場合になんら限定されるものではなく、平行平板型、μ波印加型などを適用することもできる。

処理室の圧力が高くなると、プラズマが不安定になる傾向があり、この場合には図６に示すように間欠的にプラズマを生成させると良い。所定期間（Ｔ１）プラズマ発生用高周波源４より高周波を出力し（図６上段）、所定期間（Ｔ２）高周波出力をゼロないしは低い値に低下させた後、再度高周波を出力させる。プラズマ発生用高周波源４からの出力の繰り返し周期（Ｔ０）としては１μｓ〜１ｍｓ（好ましくは１０μｓ〜１００μｓ）、高い高周波電力を出力する期間のデューティ（Ｔ１／Ｔ０）は１０％〜８０％、好ましくは２０％〜５０％で動作させる。

間欠的プラズマ生成を行なう場合には、バイアス印加用高周波電源８も、パルス状に振幅変調した高周波を出力する（図６下段）。バイアス印加用高周波電源８パルスの出力タイミングは、プラズマ発生用高周波源４のパルスよりＴ３’だけ遅らせ、プラズマ密度が高いプラズマ発生用高周波源４からのパルス（Ｔ１）の後半ないしは、パルスＯＦＦ直後付近のタイミングに合わせて出力するのが好ましい。

このＴ３’の期間には、放電によって生じたＣ成分やＣＨ成分よりなる生成物やラジカルが表面に付着する。この付着後にバイアス印加用高周波電源８パルスにより加速した希ガス／炭素／炭化水素のイオンを照射することにより、効率良くｌｏｗ−ｋ材表面の改質（炭化）が進み、ｌｏｗ−ｋ材の表面より２ｎｍないしは５０ｎｍ程度入った部分までｌｏｗ−ｋ材と炭素との化合層あるいは炭素主体の層１２ができる。

なお、試料の表面をｌｏｗ−ｋ材の耐熱温度以下の３００〜４５０度に保持しておくことにより、このｌｏｗ−ｋ材と炭素との結合は促進される。図３ｂ）のｌｏｗ−ｋ材表面の改質処理が終了すると、真空搬送室１５３を介して処理室１５１のうちの一つであるエッチング室に試料７を真空搬送し、図３ｃ）に示す下層配線上絶縁膜１０２をプラズマエッチングにより開口するとともに、プラズマクリーニングにより不要な堆積物を除去する。なお、図３ｃ）のプラズマエッチング/クリーニング処理（Ｌ‘ステップ）は、圧力０．１Ｐａ〜１００Ｐａの通常のエッチング/クリーニング処理条件で良い。但し、導電材料が露出する時点においては、導電材料のスパッタリングを避けるため、試料に加わるバイアス電圧は０．５ｋＶ以下（好ましくは０．２ｋＶ以下ないしは印加しない）に設定し、ラジカル主体の処理もしくは弱い加速のイオンとラジカルとの処理を行う。

下層配線上絶縁膜１０２の上記開口処理が済んだ試料は、図１の、真空搬送室１５３、ロック室１５５、大気ロボット１５７を経由しＦＯＵＰ１５８Ａまたは１５８Ｂに収納される。このＦＯＵＰ１５８Ａまたは１５８Ｂを装置間大気搬送装置により成膜装置搬送し、試料に導電体材料である銅１１５の埋め込み（図３ｄ））処理（Ｎステップ）を行う。その後試料を再度ＦＯＵＰに収納し、装置間大気搬送装置によりＣＭＰ装置に搬送し、試料に平坦化（図３ｅ））処理（Ｏステップ）を実施する。

なお、図３ｃ）のプラズマエッチング／クリーニング処理（Ｌ‘ステップ）を成膜装置側で行なうと、大気圧中における銅の露出面の酸化が防げるおで、さらに集積回路の特性が改善される利点がある。さらに、エッチング装置、露出面改質処理室１とともに成膜装置まで、一貫して真空搬送できる構成にすれば、エッチング装置と成膜装置との間の大気圧搬送の欠点は無くなる。

本発明により、エッチング装置内で、ｌｏｗ−ｋ材の表面の改質処理によりバリア処理が終了し、バリアメタル層を成膜する必要がなくなるので、プラグ部に埋め込まれる銅の直径は、ｌｏｗ−ｋ材のエッチング寸法にまで広げられる。このため、従来に比較し銅配線部分の低抵抗化が図れ、集積度の高い集積回路中の信号の遅れが低減され、高集積でかつ高速の集積回路の製造が可能となる。

また、大気圧領域を経て成膜装置に試料を搬送前に、バリア機能と表面保護機能とを有する表面改質処理が完了するので、大気中の水分や酸素等によるｌｏｗ−ｋ材の露出面の変質が避けられ、信頼性の良い多層配線が可能となる。

同様に、バリア処理や表面保護処理として、窒化処理を行う場合には、使用ガスとしては窒素を多く含む窒素ガス類やアンモニア類と、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスとの混合ガスを用い、上に述べたようなプラズマ発生手段と試料台へのバイアス印加手段とを具備させることにより同様な効果が達成される。

なお、窒化用ガスと、炭化用ガスやホウ化用ガスとを共に用いることにより、ＣＮ化やＢＮ化の処理を行うこともできる。ｌｏｗ−ｋ材の性質にあわせ、バリア処理もしくは表面保護処理に適切な処理を、炭化、窒化、ホウ化、臭化、還元、非晶質化あるいはこれらの組合せのプラズマを用いた表面改質処理のなかから選択し使用する。

図７ａ）ｂ）を用いて、本発明の他の実施例を説明する。図１０Ａ）から図１０Ｋ）までの処理は従来例と同じである。図１０Ｋ）の処理が終わった試料７は、図１に示す真空搬送室１５３を介して、処理室１５１のうちの他の一つの処理室である図７ｂ）に示す大面積加速ビーム処理室１２４まで真空中を搬送し、試料台６上に載置する。本処理室において、１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）で加速された炭素、炭化水素、アルゴンなどのイオンを除電し、大面積加速粒子ビーム１２３として、試料７の表面に対して斜め方向から照射する（図７ａ：ＫＢステップ）。

炭化水素、アルゴンなどの粒子の加速エネルギーによる局所的な加熱作用も加わり、試料露出面の溝部１１３やプラグ部１１２の表面材質と粒子とが効率的に化合／融合ないしは反応し、試料露出面ないしは３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）の深さまで、炭化層１２２が形成される。この炭化により、ｌｏｗ−ｋ材料と導電材料間のバリア層が形成される。このバリア層は溝１１３やプラグ１１２に追加膜を付着させて形成するのではなく、もとのｌｏｗ−ｋ材材料の表面を改質するものであり、導電材料を埋め込むための寸法は、図７ａ）のＫＢステップの処理によってはほとんど変化しない大きな特長がある。

なお、本処理中に、試料７を搭載する試料台９を回転（大面積加速粒子ビーム１２３の直径が試料７の直径より小さい場合は平行移動を付加）させることにより、ｌｏｗ−ｋ材の露出面の炭化処理を均一に行うことができる。

図７ｂ）に、大面積粒子ビーム取出装置１３２の一例を示す。大面積粒子ビーム取出装置１３２は、イオン源用ＲＦ電源１２６と、プラズマ生成部１２７と、引出電極１２８〜１３０と、帯電除去用電子シャワー１３１を有して構成される。

プラズマ生成部１２７では、コイル状アンテナに接続されたイオン源用ＲＦ電源１２６により、アルゴン/炭化水素ガス等の流入ガス１２５がプラズマ化され、高密度のアルゴン/炭素/炭化水素のイオンが生成する。プラズマ生成部１２７中のイオンの一部は、プラズマグリッド電極１２８より取出され、プラズマグリッド電極１２８と加速電極１２９との間の１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）の電圧で加速された後、接地電極１３０から取出され、帯電除去用電子シャワー１３１を通って、大面積加速粒子ビーム１２３を試料台６に搭載した試料７に衝突させる。

プラズマ生成部１２７の排気と、大面積粒子ビーム取出装置１３２の全体の排気とは、その真空度が異なるため別々に制御するのが望ましい。

図１０Ｋ）のエッチング処理として試料７の表面上に炭素を含有する薄膜がついた状態で終了し、真空中を搬送し大面積加速ビーム処理室１２４に設置後上記処理を行なえば、ｌｏｗ−ｋ材材料の表面の改質をより効率良く行なうことができる。

なお、大面積粒子ビーム取出装置１３１のプラズマ発生方法は、上記方法に何ら制限されるものではなく、マイクロ波等の手段を用いてもよく、また、引き出し電極の電極数や構成も図７ｂ）に何ら限定されるものではない。

図８を用いて、［課題を解決するための手段］中（３）の方法を実施する装置の例を示す。この装置は、イオン源１４０と、質量分析部１４１と、加速減速部１４２と、角度補正器１４３とを有して構成される。

イオン源１４０では炭化水素ガスをイオン化して炭素、炭化水素あるいは水素のイオンビームを取り出し、質量分析部１４１で所望の炭化水素イオンのみを選択し、加速減速部１４２にて１ｋＶ〜５０ｋＶ（好ましくは２ｋＶ〜２０ｋＶ）に加速後、角度補正器１４３により平行なビーム１４４にし、高真空処理室１４５に設置した試料７に対し、図７ａ）と同様に炭化水素ビーム１２３を斜めから投入する。

試料７を設置した試料台６に回転と平行移動を加えることにより、試料７の面積より小さな断面積のビーム１４４を用いる場合においても、試料７の露出面全面に均一に炭化水素ビームが斜めから投入される。

炭化水素、アルゴンなどの粒子の加速エネルギーによる局所的な加熱作用も加わり、試料露出面の溝部１１３やプラグ部１１２の表面材質と粒子とが効率的に化合/融合ないしは反応し、試料表面ないしは３ｎｍ〜５０ｎｍ（好ましくは５〜３０ｎｍ）の深さまで、炭化層１２２が形成される。図には示していないが、角度補正器１４４と試料７との間には帯電除去用電子シャワーを設置し、投入イオンを無電荷にする。

上記炭化処理を実施後、質量分析部１４１の設定を変更して水素イオンム、珪素イオンあるいは水素化珪素イオンを取り出し、加速減速部１４２にて１ｋＶ以下（好ましくは０．５ｋＶ以下）で弱く加速し、角度補正器１４３と帯電除去用電子シャワーとを経由し、試料７に水素、珪素ないしは水素化珪素ビーム１４４を斜めから投入することにより、溝部１１３やプラグ部１１２の試料露出表面において、銅との親和性が、大幅に改善され均一な銅の埋め込みが得られる。

なお、高真空処理室１４５では、１０^−６Ｐａ程度以下の高真空雰囲気中に試料を設置しておく必要がある。エッチング室などが接続されているマルチチャンバの真空搬送室１５３に、図１に示すような一個のゲートバルブ１５２を介して高真空処理室１４５を接続した場合、真空搬送室１５３の真空度が高真空処理室１４５に必要とされる真空度に較べ大幅に悪いため、試料搬送時に高真空処理室１４５が汚染される危険性が高い。

これをさけるためには、図９に示すように、マルチチャンバの真空搬送室１５３と高真空処理室１４５との間に、真空搬送室側ゲートバルブ１５２Ｃと高真空室側ゲートバルブ１６３の２つのゲートバルブを有する高真空バッファ室１６１を設ける。

マルチチャンバの真空搬送室１５３から高真空処理室１４５へ試料の搬送を行なうときは、その間に試料を一度高真空バッファ室１６１に搬入し、両側のゲートバルブ１５２ｃおよび１６３を閉じて、真空搬送室用排気装置とは異なる排気装置にて高真空排気するステップを設けると良い。高真空バッファ室１６１の設置にともない、高真空バッファ室１６１や高真空処理室１４５の内部もしくはこれらの間に、試料を搬送する搬送ロボット１６２を追加する必要がある。このように構成することにより、真空搬送室１５３と高真空処理室１４５との間の真空搬送での汚染をなくすことができる。

なお、試料を乗せた真空ロボット１５４のアームが通る高さ程度の狭い縦幅を有する高真空排気部１６０を設け、真空搬送室１５３と高真空処理室１４５との間での試料搬送時のゲートバルブ１５２Ｄ開口時、ならびに少なくともその前後に、高真空排気部１６０の上部と下部から高真空排気部１６０を高真空排気することによっても、真空搬送室１５３と高真空処理室１４５との間の真空搬送での汚染を大幅に低減することができる。

真空ロボット１５４のアームが高真空処理室１４５の試料台上の試料をアクセスできるように、高真空排気部１６０の試料搬送方向の長さを短くすれば、搬送装置の追加設置は不要となる。

また、高真空排気部１６０に、清浄な希ガスや窒素ガスを流入する口と、高真空に排気するする口とを高真空排気部１６０の上部および下部に設け、ゲートバルブ１５２Ｄ開口時、ならびに少なくともその前後に、高真空排気部１６０の上部と下部から清浄気体を流入させながら高真空排気部１６０を高真空排気することによっても、真空ロボット１５３と高真空処理室１４５との間の真空搬送での汚染を大幅に低減することができる。

本実施例によれば、ｌｏｗ−ｋ材を用いた多層配線において、銅の配線抵抗を増大させることなく、かつ信頼性良く生産できる効果がある。

本発明に適用可能な、マルチチャンバ装置の一例を示す図。 本発明の露出面改質用処理室の一実施例を示す図。 本発明の露出面改質処理シーケンスの例を示す図。 従来例と本発明との、露出面付近におけるｌｏｗ−ｋ材原子配列の例の比較を示す図。 ＣＨ結合とＣＦ結合を有する絶縁物の、フッ素含有率に対する、硬さ（相対値）と、銅濃度が１/１００００になる銅との接触面からの相対膜厚を説明する図。 図２の駆動状態の例を示す図。 大面積加速ビーム処理室を用いた、本発明の他の実施例を示す図。 高真空雰囲気に試料を設置する、本発明の他の実施例を示す図。 本発明に適用可能な、マルチチャンバ装置の他の一例を示す図。 従来例のダマシン加工を説明する図の一部。 従来例のダマシン加工を説明する図の残りの一部。 粒子加速エネルギーと粒子浸入深さの関係の概要と、本発明の適用範囲を示す図。

符号の説明

１：露出面改質処理室、２：排気装置、３：ガス源、
４：プラズマ生成用ＲＦ電源、５：コイル状アンテナ、6：試料台、
7：試料、８：バイアス印加用ＲＦ電源、１００：第１の絶縁膜、
１０１：下層配線、１０２：下層配線上絶縁膜、１０３：第２の絶縁膜、１０４：第３の絶縁膜、１０５：フォトレジスト層、１０６：第１のマスク開口部、１０７：第１の開口部、１０８：第４の絶縁膜、
１０９：フォトレジスト層、１１０：第２のマスク開口部、１１１：第２の開口部、１１２：プラグ部、１１３：溝部、１１４：バリア層、１１５：導電材料、１１６：第３の開口部、１２０：プラズマ、１２１：イオン、１２２：炭化層、１２２‘：バリア層、１２３：大面積加速粒子ビーム、１２４：大面積加速粒子ビーム処理室、１２５：流入ガス、１２６：イオン源用ＲＦ電源、１２７：プラズマ,１２８−１３０：引出し電極、１３１：帯電除去用電子シャワー、１３２：大面積粒子ビーム取出装置、１４０：イオン源、１４１：質量分析部、１４２：加速原則部、１４３：角度補正器、１４４：ビーム、１４５：高真空処理室、１５１Ａ〜１５１Ｄ：処理室、１５２Ａ〜１５２Ｅ：ゲートバルブ、１５３：真空搬送室、１５４：真空ロボット、１５５Ａ、１５５Ｂ：ロック室、１５６Ａ、１５６Ｂ：ゲートバルブ、１５７：大気ロボット、１５８Ａ、１５８Ｂ：ＦＯＵＰ、１６０：高真空排気部、１６１：高真空バッファ室、１６２：搬送ロボット、１６３：ゲートバルブ。

Claims (4)

1. 電気絶縁膜に形成したプラグ部に銅を埋め込んで形成する電気伝導性のダマシン構造において、プラグ部は、該プラグ部の内壁である側面部分および平面部分はそれらの表面から内部に向かって３ｎｍ〜５０ｎｍの深さに銅バリア層が形成され、かつ前記プラグ部に銅が埋め込まれていること
   を特徴とするダマシン構造。
2. 電気絶縁膜に形成したプラグ部に銅を埋め込んで形成する電気伝導性のダマシン構造において、プラグ部は、平面部分を介して大きな断面と小さな断面を有する２段の溝部からなり、プラグ部は、プラグ部の内壁である側面部分および平面部分はそれらの表面から内部に向かって３ｎｍ〜５０ｎｍの深さに銅バリア層が形成され、かつ前記プラグ部に銅が埋め込まれていること
   を特徴とするダマシン構造。
3. 電気絶縁膜に形成したプラグ部に銅を埋め込んで電気伝導性のダマシンを形成した試料において、０．１μｍ以下の幅のプラグ部の内壁である側面部分および平面部分に３ｎｍ〜５０ｎｍの銅バリア層が形成され、該バリア層が形成されたプラグ部に銅が埋め込まれたことを特徴とするダマシンを形成した試料。
4. 電気絶縁膜に形成したプラグ部に銅を埋め込んで電気伝導性のダマシンを形成した試料において、０．１μｍ以下の幅のプラグ部の内壁である側面部分および平面部分に５ｎｍ〜３０ｎｍのバリア層が形成され、該バリア層が形成されたプラグ部に銅が埋め込まれたことを特徴とするダマシンを形成した試料。

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