JP2006074049A - フッ素ドープ低誘電率絶縁膜を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低誘電率及び高熱安定性を有するフッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法を与える。
【解決手段】容量結合プラズマCVDにより、低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法は、シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、(SiH4+SiF4)/CO2が約0.02から約0.2の範囲となるような流量比で、かつ、全圧が約250Paから約350Paとなるように反応チャンバへ導入する工程と、約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するところの工程と、それぞれのガスの流量及びそれぞれのRF電力出力を制御する工程と、から成る。
【選択図】図1
【解決手段】容量結合プラズマCVDにより、低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法は、シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、(SiH4+SiF4)/CO2が約0.02から約0.2の範囲となるような流量比で、かつ、全圧が約250Paから約350Paとなるように反応チャンバへ導入する工程と、約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するところの工程と、それぞれのガスの流量及びそれぞれのRF電力出力を制御する工程と、から成る。
【選択図】図1
Description
本発明は、概して、容量結合プラズマCVDを使用した半導体製造技術に関して、特に、低誘電率及び高熱安定性を有するフッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法に関する。
半導体集積回路において、微細化は、高速及び高性能を目的として進歩を遂げた。多層配線技術において、従来アルミニウムが使用されてきた。微細化が進みかつ配線が微小かつ長くなるに従い、使用中のエレクトロマイグレーションを含む問題、すなわち、微小かつ長い配線に関連した電流密度の増加により生じる断線事故、またはアルミニウムの抵抗率または絶縁膜の誘電率によって生じる信号遅延等の問題が出現した。
銅は断線し難い上に、アルミニウムよりも抵抗率が小さいため、銅配線技術が将来の配線用に開発された。従来の製造処理を銅配線に応用することは困難であるため、銅配線技術を実用的なものにするのは単純ではなかった。1997年、デュアルダマシンと呼ばれるCuトレンチ充填配線技術がIBM及びモトローラにより開発された。それは、エッチングにより中間層内にトレンチを形成し、Cu薄膜で電気めっきにより埋め戻し、表面全体をCMP(化学機械研磨)により研磨する技術である。従来の方法において、Al膜は凸状配線パターンを形成するためにエッチングされ、中間層は絶縁膜で充填されていた。これに対して、ダマシン配線技術は、平坦な中間層絶縁膜内に形成されたトレンチを含む表面全体にCu薄膜を蒸着する。絶縁膜の表面はCMP研磨に晒され、その結果配線を形成するためのトレンチ部分のみに銅が残る。
結果として、以下の特許文献に開示されるように、シリコンソースガスとしてSiH4、シリコン及びフッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸化ガスとしてN2Oを使って形成された絶縁膜で中間層を満たすために従来基本的に使用されてきた高価なHDP(高密度プラズマ)装置の代わりに、低誘電率絶縁膜を形成するために容量結合プラズマCVD装置を使用することが可能となった。
特開平2002−141348号
しかし、シリコンソースガスとしてSiH4、シリコン及びフッ素ソースガスとしてSiF4、酸化ガスとしてN2Oを使用し、容量結合プラズマCVD装置により形成されるフッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜は、熱応力安定性試験をしたときに応力変動が大きいという欠点を有する。さらに、温度プログラム化脱離試験(熱脱離分光)の結果より、400℃またはそれ以上での、H2O、F及びHFの脱離が多く、そのことは膜の熱安定性が低いことを示している。
本発明は上記問題に鑑みて為されたものである。とりわけ、本発明の目的は、低誘電率及び高熱安定性を有するフッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法を与えることである。本発明の他の目的は、装置コストを増大させることなく、フッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法を与えることである。
ひとつの態様において、本発明は、容量結合プラズマCVDを使って、水素をほとんどまたは実質的に含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法を与える。当該方法は、(i)シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、(SiH4+SiF4)/CO2が約0.02から約0.2の範囲(例えば、0.03、0.05、0.1、0.15及びこれらの任意の2数間の範囲)の流量比率で、かつ全圧が約250Paから約350Paとなるように反応チャンバへ導入する工程と、(ii)約10MHzから約30MHz(例えば、15MHz、20MHz、25MHz、及びこれらの任意の2数間の範囲)の周波数の第1RF電力、及び約400kHzから約500kHz(例えば、425kHz、450kHz、475kHz及びこれらの任意の2数間の範囲)の周波数の第2RF電力を印加する工程であって、第2RF電力の強度が第1RF電力の強度より低くなるように(例えば、第1RF電力/第2RF電力は、55/45、60/40、70/30、80/20、90/10、95/5及びこれらの任意の2数間の範囲)2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成し、それにより水素をほとんどまたは実質的に含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着する工程と、から成る。
上記態様において、フッ素ドープシリコン酸化膜が水素をほとんどまたは実質的に含まない場合、その熱安定性は大きく改善される。このような膜は、水素の解離を促進する上記した特定のRF電力を使用すること、及び上記した特定の比率でCO2を使用することにより得られる。
さらに上記態様は、これに限定されないが、以下の実施例を含む。
好適実施例において、処理ガスはさらにSiH4の流量の10倍以上(例えば、不活性ガス/SiH4は11/1、13/1、15/1、20/1、30/1及びこれらの任意の2数間の範囲)の流量の不活性ガスを含む。不活性ガスはHe及び/またはArである。不活性ガスはプラズマを安定させるのに有効である。
また、好適実施例において、第1RF電力の周波数は約13.56MHzであり、その強度は基板表面において約1.0W/cm2から約5.0W/cm2の範囲(例えば、1.5W/cm2、2.0W/cm2、2.5W/cm2、3.0W/cm2、4.0W/cm2及びこれらの任意の2数間の範囲)であり、第2RF電力の周波数は約430kHzであり、その強度は基板表面において約0.5W/cm2から約3.0W/cm2の範囲(例えば、0.75W/cm2、1.0W/cm2、1.25W/cm2、1.5W/cm2、2.0W/cm2及びこれらの任意の2数間の範囲)である。基板の直径は200mmまたは300mmである。
好適実施例において、CO2は単独の酸素ソースガスである。SiH4、SiF4及びCO2ガスは混合ガスとして反応チャンバ内に導入されてもよい。
好適実施例において、本発明は、容量結合プラズマCVDを使って、水素をほとんどまたは実質的に含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法を与える。当該方法は、(i) シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、酸素ソースガスとしてCO2及び不活性ガスから成る処理ガスを、反応チャンバへ導入する工程と、(ii)約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力、及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を、第2RF電力の強度が第1RF電力の強度より低くなるようにして、2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成する工程と、(iii)SiH4及びSiF4の流量和の少なくとも5倍の流量にCO2の流量を制御しかつSiH4の流量の10倍以上の流量に不活性ガスの流量を制御することにより、水素をほとんどまたは実質的に含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着する工程と、から成る。この態様において、上記実施例で使用可能なひとつまたはそれ以上の任意の範囲及び構成要素を使用してもよい。
さらに他の態様において、本発明は、容量結合プラズマCVDを使用して、1原子%以下の水素及び2原子%以下の炭素を含むフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法を与える。当該方法は、(i) シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸素を含まない酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、反応チャンバへ導入する工程と、(ii)SiH4及びSiF4を酸化するために酸素含有プラズマを生成し、酸化を制御するためにCO含有プラズマを生成しながら基板上にフッ素ドープシリコン酸化膜を蒸着し、約10MHzから約30MHzの周波数及び約400kHzから約500kHzの周波数の組合せを使用することでフッ素ドープシリコン酸化膜内へ炭素をほとんどまたは実質的にドープすることなく水素を解離する工程と、から成る。上記条件下では、CO2が酸素ソースガスとして使用されているにも係らず、炭素はほとんどまたは実質的に膜内にドープされない。炭素は膜中で検出されず、膜構造中には組み込まれないが、汚染粒子として存在する。膜はほとんどまたは実質的に水素を含まず、優れた熱安定性が得られる。この態様において、上記実施例で使用可能なひとつまたはそれ以上の任意の範囲及び構成要素を使用してもよい。
上記態様において、CO2が主要ガスである限り、CO2は単独の酸素ソースガスである必要はない。酸化は反応ガスに適した任意の温度で実行可能であるが、約150℃から約450℃の温度が好ましい。
さらに他の態様において、本発明は、容量結合プラズマCVDを使って、ほとんどまたは実質的に水素を含まず、かつ、ほとんどまたは実質的に炭素がドープされないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法を与える。当該方法は、(i) シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び単独の酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを反応チャンバへ導入する工程と、(ii)約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力、及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成し、それによってほとんどまたは実質的に水素を含まず、かつ、ほとんどまたは実質的に炭素がドープされないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着する工程と、(iii)SiH4及びSiF4の流量の和に対するCO2の流量の関数として、及び膜中の水素濃度の関数として、蒸着されるフッ素ドープシリコン酸化膜の熱安定性を改善する工程と、から成る。この態様において、上記実施例で使用可能なひとつまたはそれ以上の任意の範囲及び構成要素を使用してもよい。
本発明は上記したいずれの方法により得られたフッ素ドープシリコン酸化膜に対しても適用可能である。当該膜は、好適には、30〜45原子%(例えば、35原子%、40原子%、及びそれらの任意の2数間の範囲)のシリコン、50〜70原子%(例えば、55原子%、60原子%、65原子%及びこれらの任意の2数間の範囲)の酸素、4〜8原子%(例えば、5原子%、6原子%、7原子%及びこれらの任意の2数間の範囲)のフッ素、1原子%以下(例えば、0.5原子%、0.1原子%及びこれらの任意の2数間の範囲)の水素、2原子%以下(例えば、1.5原子%、1.0原子%、0.5原子%及びこれらの任意の2数間の範囲)の炭素、及び1原子%以下(例えば、検出不能な量)の窒素を含む。好適実施例において、各元素の濃度は厚さ方向にほとんどまたは実質的に一定である。上記したひとつまたはそれ以上の方法によれば、水素濃度は膜が蒸着するに従い増加することはない。すなわち、水素は成膜中に蓄積せず、よって厚さ方向に関して膜特性の均一性を達成することができる。
ひとつの実施例において、膜は約3.0から約5.0(他の実施例では、約3.5から約4.0)の誘電率を有する。
本発明の上記実施例において、使用された任意の構成要素は、それが使用可能である限り、他の実施例において代替することができる。実施例間で構成要素を選択することに関して制限を課すべきではない。特に、上記従属的特徴のいずれもが、独立的構成のいずれにおいても使用可能でなければならない。
従来技術を超える本発明の効果及び本発明を要約するために、本発明の目的及び利点が上述された。もちろん、このようなすべての目的または利点が本発明の特定の実施例により必ずしも達成されるものではないことが理解されよう。よって、本発明は、ここに教示されまたは示唆されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、ここに教示されるようなひとつまたは複数の利点を達成または最適化する方法で実施または実行されることを当業者は理解する。
本発明の他の態様、特徴及び利点は以下の好適実施例の詳細な説明から明らかとなる。
本発明は、特定の実施例を参照して説明されるが、これに限定されるものではない。
上記した問題を解決するために、実施例において、容量結合プラズマCVDにより低誘電率シリコン酸化膜を形成する方法が与えられる。当該方法は、(a)シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸化ガスとしてCO2から成る処理ガスを、(SiH4+SiF4)/CO2が約0.02から約0.2となる範囲で、かつ全圧が約250Paから約350Paとなるように反応チャンバへ導入する工程と、(b)約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、2つのRF電力を重畳させることにより反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成する工程と、(c)それぞれのガスの流量及びそれぞれのRF電力出力を制御する工程と、から成る。
ひとつの実施例において、処理ガスは、さらに不活性ガスとしてHe及び/またはArを含む。
他の実施例において、第1RF電力の周波数は、約13.56MHzが好ましく、その強度は約1.0W/cm2から約5.0W/cm2の範囲が好ましい。第2RF電力の周波数は、約430kHzが好ましく、その強度は約0.5W/cm2から約3.0W/cm2の範囲が好ましい。
本発明は図面を参照しながら詳細に説明される。しかし、本発明はこれらの図面に限定されるものではない。
本発明のひとつの実施例において、フッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜は、シリコンソースガスとしてSiH4、シリコン及びフッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸化ガスとしてCO2を使用し、容量結合プラズマCVD装置を使って形成され、熱応力安定性試験を実施した結果、膜は応力変動が小さく、改善された熱安定性を有することがわかった。さらに、膜を温度プログラム化脱離(TDS:熱脱離分光)により分析した結果、400℃またはそれ以上の温度において、H2O及びHFの脱離が従来のHDP装置を使って形成した膜と比較して非常に少ないことがわかった。これは膜が優れた熱安定性を有することを示している。
装置の構成及びそれを使用する方法の好適実施例を以下に例示することで、改善された効果が説明される。
図1は本発明の実施例で使用されるプラズマ装置の略示図である。容量結合プラズマCVD装置10は反応チャンバ6、ガス流入口5、並びに、サセプタ3及びヒータ2から成る第2電極を含む。ガスはガスライン(図示せず)からガス流入口5を通じて導入される。円形の第1電極9はその底面に多数の細孔を有し、そこから被処理体4に向かってガスが噴射される。さらに、第1電極9は、複数のガス流入細孔を有するシャワープレート11がメンテナンスを容易にしかつ部品コストを削減するために交換可能であるように構成されている。
さらに、反応チャンバ6の底面には排気口10が設けられており、外部の真空ポンプ(図示せず)と結合されている。それにより、反応チャンバ6の内部が排気される。サセプタ3は第1電極9と対向しかつ平行に設置されている。サセプタ3は被処理体4を保持し、ヒータ2により連続的に被処理体4を加熱し、所与の温度(150℃から450℃)に被処理体4を維持する。ガス流入口5及び第1電極9は反応チャンバ6から絶縁され、外部に設けられた第1RF電源7に接続される。このとき、第2RF電源8も接続される。符号12は接地を示す。第1電極及び第2電極はRF電極として機能し、被処理体4の近傍にプラズマ反応場を生成する。
被処理体4の表面に形成される膜の特性は、膜種、温度、RF周波数、処理ガスの種類、プラズマの空間分布、及び電気的ポテンシャル分布によって変化する。
好適実施例において、以下の処理条件が採用される。
He/SiH4=13〜20
CO2/SiH4=25〜125
SiF4/SiH4=1.3〜5
13.56MHz電力/430kHz電力=1.3〜2
He/SiH4=13〜20
CO2/SiH4=25〜125
SiF4/SiH4=1.3〜5
13.56MHz電力/430kHz電力=1.3〜2
図1に示される容量結合プラズマCVD装置が実施例及び比較例の両方に対して使用された。
1.比較例の蒸着条件
シリコンソースガス:SiH4(50sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(90sccm)
酸化ガス:N2O(3000sccm)
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:333Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(2.55W/cm2、800W)
第2RF電源(LRF):430kHz(1.60W/cm2、500W)
基板:φ200mm シリコン基板
シリコンソースガス:SiH4(50sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(90sccm)
酸化ガス:N2O(3000sccm)
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:333Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(2.55W/cm2、800W)
第2RF電源(LRF):430kHz(1.60W/cm2、500W)
基板:φ200mm シリコン基板
2.実施例の蒸着条件
シリコンソースガス:SiH4(40から60sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(80から200sccm)
酸化ガス:CO2(1500から5000sccm)
[(SiH4+SiF4)/CO2=0.024から0.173]
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:250から350Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(0.96〜3.82W/cm2、300〜1200W)
第2RF電源(LRF):430kHz(0.64〜2.55W/cm2、200から800W)
基板:φ200mm シリコン基板
(括弧内の上記範囲でパラメータ実験が行われた)
シリコンソースガス:SiH4(40から60sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(80から200sccm)
酸化ガス:CO2(1500から5000sccm)
[(SiH4+SiF4)/CO2=0.024から0.173]
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:250から350Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(0.96〜3.82W/cm2、300〜1200W)
第2RF電源(LRF):430kHz(0.64〜2.55W/cm2、200から800W)
基板:φ200mm シリコン基板
(括弧内の上記範囲でパラメータ実験が行われた)
3.評価項目
屈折率、蒸着速度(nm)、膜厚分布(±%)、応力(MPa)、熱応力安定性試験(1サイクル後の室温での応力変動(MPa)、500℃での応力変動(MPa))、誘電率、膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%)、及び温度プログラム化脱離(TDS)。上記においてサイクルとは、3℃/minで室温から500℃へ温度を上昇させ、1時間の間温度を500℃に維持し、3℃/minで温度を室温まで下降させる操作を意味し、500℃でとは熱サイクルの前後を意味する。
屈折率、蒸着速度(nm)、膜厚分布(±%)、応力(MPa)、熱応力安定性試験(1サイクル後の室温での応力変動(MPa)、500℃での応力変動(MPa))、誘電率、膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%)、及び温度プログラム化脱離(TDS)。上記においてサイクルとは、3℃/minで室温から500℃へ温度を上昇させ、1時間の間温度を500℃に維持し、3℃/minで温度を室温まで下降させる操作を意味し、500℃でとは熱サイクルの前後を意味する。
膜中のフッ素濃度を評価するために、フーリエ変換赤外線分光により観測されたSi-F結合(900〜975cm-1)に対するSi-O結合(975〜1450cm-1)のピーク面積比率が使用された。すなわち、膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%)=Si-F結合ピーク面積/(Si-O結合ピーク面積+Si-O結合ピーク面積)×100%と表される。
さらに、FT-IRにより得られた膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%)と膜組成(原子%)との間の相関関係を得るために、膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率=1.46%)を有する膜の組成がXPSにより分析され、得られた値は5.6原子%であった。
4.結果
(1)比較例
屈折率:1.45
蒸着速度(nm):360
膜厚分布(±%):1.40
応力(MPa):−168
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):25.8
500℃(MPa):118.2
誘電率:3.80
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.56
(2)実施例のパラメータ実験
屈折率:1.43〜1.46
蒸着速度(nm):384〜634
膜厚分布(±%):1.53〜5.93
応力(MPa):−154〜−212
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):2.4〜13.7
500℃(MPa):64.1〜96.2
誘電率:3.78〜3.85
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.07〜1.53
上記結果より、酸化ガスN2Oを酸化ガスCO2と置換することにより、広範囲の条件の下で満足な膜特性が得られることが分かった。膜の熱安定性は熱応力安定性試験から得られた結果に基づいて決定され、1サイクルの前後で膜応力変動は20MPa以内であり、500℃の前後で膜応力変動は100MPa以内であった。熱安定性が改善されたことが分かった。
(1)比較例
屈折率:1.45
蒸着速度(nm):360
膜厚分布(±%):1.40
応力(MPa):−168
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):25.8
500℃(MPa):118.2
誘電率:3.80
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.56
(2)実施例のパラメータ実験
屈折率:1.43〜1.46
蒸着速度(nm):384〜634
膜厚分布(±%):1.53〜5.93
応力(MPa):−154〜−212
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):2.4〜13.7
500℃(MPa):64.1〜96.2
誘電率:3.78〜3.85
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.07〜1.53
上記結果より、酸化ガスN2Oを酸化ガスCO2と置換することにより、広範囲の条件の下で満足な膜特性が得られることが分かった。膜の熱安定性は熱応力安定性試験から得られた結果に基づいて決定され、1サイクルの前後で膜応力変動は20MPa以内であり、500℃の前後で膜応力変動は100MPa以内であった。熱安定性が改善されたことが分かった。
以下のような最適蒸着条件を設定することで、温度プログラム化脱離(TDS)により分析が実行される。
(3)最適蒸着条件のひとつの実施例(最適条件は±30%だけ、好適には±20%だけ、より好適には±10%だけ変更可能である)
シリコンソースガス:SiH4(50sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(150sccm)
酸化ガス:CO2(2000sccm)[(SiH4+SiF4)/CO2=0.1]
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:300Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(2.55W/cm2、800W)
第2RF電源(LRF):430kHz(1.60W/cm2、500W)
(4)最適蒸着条件での膜特性の範囲
屈折率:1.45±0.10
蒸着速度(nm):533±100
膜厚分布(±%):2.0±0.3
応力(MPa):−150±30
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):2.4±1.0
500℃(MPa):64.0±5.0
誘電率:3.80±0.5
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.53±0.3
熱応力安定性試験チャートが図2に示されている。チャートより、比較例から得られる改良された熱安定性と、HDP装置を使って得られた値は等しいことが分かる。
(3)最適蒸着条件のひとつの実施例(最適条件は±30%だけ、好適には±20%だけ、より好適には±10%だけ変更可能である)
シリコンソースガス:SiH4(50sccm)
シリコン及びフッ素ソースガス:SiF4(150sccm)
酸化ガス:CO2(2000sccm)[(SiH4+SiF4)/CO2=0.1]
不活性ガス:He(800sccm)
全圧:300Pa
基板温度:390℃
第1RF電源(HRF):13.56MHz(2.55W/cm2、800W)
第2RF電源(LRF):430kHz(1.60W/cm2、500W)
(4)最適蒸着条件での膜特性の範囲
屈折率:1.45±0.10
蒸着速度(nm):533±100
膜厚分布(±%):2.0±0.3
応力(MPa):−150±30
熱応力安定性試験(増加量)
1サイクル後(MPa):2.4±1.0
500℃(MPa):64.0±5.0
誘電率:3.80±0.5
膜中のフッ素濃度(ピーク面積比率)(%):1.53±0.3
熱応力安定性試験チャートが図2に示されている。チャートより、比較例から得られる改良された熱安定性と、HDP装置を使って得られた値は等しいことが分かる。
図2に基づいて、異なる温度での熱応力安定性が推定できる。例えば、熱サイクルの最高温度が450℃であれば、1サイクル後の値は2.4±1.0MPaであり、450℃での値は55.0±5.0MPaであろう。熱サイクル中に最高温度が1時間の間維持されず、ターニングポイントとして使用されれば、500℃での値は59.0±5.0MPaであり、450℃での値は50.0±5.0MPaであろう。これらは、本発明の上記実施例に従い得られた膜が優れた熱安定性を有することを示すものである。
さらに、温度プログラム化脱離(TDS)の結果が、図5(H2O)、図6(F)、図7(HF)、図8(N2)、図9(NH3)、図10(C4H9)及び図11(C5H8)に示されている。これらの結果から、本発明は、比較例及びHDP装置を使用した例と比べ、400℃及びそれ以上において脱離が少ないことが分かる。これらの結果は、膜の熱安定性が優れていることを示している。
次に、上と同様の条件を使って、酸化ガスとしてCO2を使ってフッ素ドープシリコン酸化膜が形成され、ESCA分析が実施された。ESCAにおいて、量的精度は約±1原子%であり、検出限界は約1原子%(元素により異なる)であった。結果は表1に示されている。
上記したように、本発明の実施例に従い、シリコンソースガスとしてSiH4、シリコン及びフッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸化ガスとしてCO2を使い、低誘電率絶縁膜形成用に容量結合プラズマCVD装置を使用して、低誘電率及び高い熱安定性を有するフッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜が形成された。
また、本発明の実施例に従い、フッ素ドープ低誘電率シリコン酸化膜を形成する単純な方法が与えられた。
本発明の思想から離れることなくさまざまな修正が可能であることは当業者の知るところである。したがって、本発明の形式は例示に過ぎず、本発明の態様を制限するものではないことが理解されよう。
Claims (24)
- 容量結合プラズマCVDを使って、ほとんどまたは実質的に水素を含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法であって、
シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、(SiH4+SiF4)/CO2が約0.02から約0.2の範囲となるような流量で、かつ、全圧が約250Paから約350Paとなるように、反応チャンバへ導入する工程と、
約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、第2RF電力の強度が第1RF電力の強度より低くなるように2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成し、それによりほとんどまたは実質的に水素を含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着するところの工程と、
から成る方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記処理ガスは、さらに、SiH4の流量の10倍以上の流量の不活性ガスを含む、ところの方法。
- 請求項2に記載の方法であって、前記不活性ガスはヘリウム及び/またはアルゴンである、ところの方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記第1RF電力の周波数は約13.56MHzで、その強度は約1.0W/cm2から約5.0W/cm2の範囲であり、前記第2RF電力の周波数は約430kHzで、その強度は約0.5W/cm2から約3.0W/cm2の範囲である、ところの方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記CO2は単独の酸素ソースガスである、ところの方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記SiH4ガス、SiF4ガス、及びCO2ガスは混合ガスとして反応チャンバ内に導入される、ところの方法。
- 容量結合プラズマCVDを使って、ほとんどまたは実質的に水素を含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法であって、
シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、酸素ソースガスとしてCO2、及び不活性ガスから成る処理ガスを、反応チャンバへ導入する工程と、
約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、第2RF電力の強度が第1RF電力の強度より低くなるように2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成するところの工程と、
CO2の流量をSiH4及びSiF4の流量の和の少なくとも5倍に制御し、かつ不活性ガスの流量をSiH4の流量の10倍以上に制御することにより、ほとんどまたは実質的に水素を含まないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着する工程と、
から成る方法。 - 容量結合プラズマCVDを使って、1原子%以下の水素及び2原子%以下の炭素を含むフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法であって、
シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及びO2ガスを含まない酸素ソースガスとしてCO2を、反応チャンバへ導入する工程と、
酸化を制御するためにCO含有プラズマを生成しながら、基板上にフッ素ドープシリコン酸化膜を蒸着するべくSiH4及びSiF4を酸化するためのO含有プラズマを生成する工程であって、約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力の組合せを使って、フッ素ドープシリコン酸化膜中にほとんどまたは実質的に炭素をドープすることなく水素を解離するところの工程と、
から成る方法。 - 請求項8に記載の方法であって、約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力の強度は、約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力の強度より高い、ところの方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記第1RF電力の周波数は約13.56MHzで、その強度は約1.0W/cm2から約5.0W/cm2の範囲であり、前記第2RF電力の周波数は約430kHzで、その強度は約0.5W/cm2から約3.0W/cm2の範囲である、ところの方法。
- 請求項8に記載の方法であって、(SiH4+SiF4)/CO2の流量比は約0.02から約0.2の範囲である、ところの方法。
- 請求項8に記載の方法であって、前記処理ガスは、さらに、SiH4の流量の10倍以上の流量の不活性ガスを含む、ところの方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記不活性ガスはヘリウム及び/またはアルゴンである、ところの方法。
- 請求項8に記載の方法であって、CO2は単独の酸素ソースガスである、ところの方法。
- 請求項8に記載の方法であって、酸化は、約150℃から約450℃の温度で実行される、ところの方法。
- 容量結合プラズマCVDを使って、ほとんどまたは実質的に水素を含まず、かつほとんどまたは実質的に炭素がドープされないフッ素ドープシリコン酸化膜を形成する方法であって、
シリコンソースガスとしてSiH4、フッ素ソースガスとしてSiF4、及び単独の酸素ソースガスとしてCO2から成る処理ガスを、反応チャンバへ導入する工程と、
約10MHzから約30MHzの周波数の第1RF電力及び約400kHzから約500kHzの周波数の第2RF電力を印加する工程であって、2つのRF電力を重畳させることにより、反応チャンバ内部にプラズマ反応場を生成し、それによってほとんどまたは実質的に水素を含まず、かつほとんどまたは実質的に炭素がドープされないフッ素ドープシリコン酸化膜を基板上に蒸着するところの工程と、
SiH4及びSiF4の流量の和に対するCO2の流量の関数として、及び膜中の水素濃度の関数として、蒸着したフッ素ドープシリコン酸化膜の熱安定性を改善する工程と、
から成る方法。 - 請求項16に記載の方法であって、(SiH4+SiF4)/CO2の流量比は約0.02から約0.2の範囲である、ところの方法。
- 請求項16に記載の方法であって、前記処理ガスは、さらに、SiH4の流量の10倍以上の流量の不活性ガスを含む、ところの方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記不活性ガスは、ヘリウム及び/またはアルゴンである、ところの方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記第1RF電力の強度は前記第2RF電力の強度より高い、ところの方法。
- 請求項1、7、8または16のいずれかに記載の方法により得られるフッ素ドープシリコン酸化膜であって、30〜45原子%のシリコン、50〜70原子%の酸素、4〜8原子%のフッ素、1原子%以下の水素、1.5原子%以下の炭素、及び1原子%以下の窒素を含む、ところのフッ素ドープシリコン酸化膜。
- 請求項21に記載のフッ素ドープシリコン酸化膜であって、各元素の濃度は厚さ方向にほとんどまたは実質的に一定である、ところのフッ素ドープシリコン酸化膜。
- 請求項21に記載のフッ素ドープシリコン酸化膜であって、誘電率が3.5から4.0であるところのフッ素ドープシリコン酸化膜。
- 請求項21に記載のフッ素ドープシリコン酸化膜であって、配線構造内の絶縁膜として使用される、ところのフッ素ドープシリコン酸化膜。
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