JP2007242957A - ＳｉＸ系膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化シリコン系の膜を形成するに際して、Ｓｉ系未反応中間体のパーティクルの発生が効果的に抑制される技術を提供することである。
【解決手段】 プラズマＣＶＤ法によりＳｉＸ系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法において、
Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、
前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程
とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマを用いてＳｉＸ系膜を形成する方法に関する。

半導体装置の配線層間膜（絶縁膜）形成において、メタル配線の断線やショートを防ぐ為には、パーティクルが少ない低欠陥の層間絶縁膜の形成が重要である。この目的の為、通常、薄膜形成処理室のクリーニング最適化やプロセスガス及び部品のパーティクル低減が重点的に行われている。

例えば、シラン系のガスと窒素を含むガスとの混合ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって窒化シリコン膜をウェハ上に堆積する工程の終了時において、前記シラン系のガスの導入を止め、前記窒素を含むガスを導入し続けた状態でプラズマ放電を所定時間行った後そのプラズマ放電を終了させることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法が提案（特開２００２−３６８０８４号公報）。されている。すなわち、シラン系ガスとＮ_２或いはＮＨ_３等のＮ系ガスとを用いた窒化シリコン膜の成膜に関して、シラン系ガスの導入を停止し、成膜を終了した時点の後でもＮ_２或いはＮＨ_３等のＮ系ガスの導入を続けてプラズマ放電を所定時間行い、その後で、始めて、プラズマ放電を停止するようにしている。

上記のようにした理由としては次のようなことが述べられている。すなわち、シラン系ガスの導入を停止し、成膜を終了した直後では、ガス導入口にシラン系ガスが残留しており、そのガスが解離してＳｉ系のラジカルが発生している。この時、副反応ガスであるＮ_２或いはＮＨ_３等のＮ系ガスによるＮ系ラジカルが存在しないと、Ｓｉ系の未反応中間体が生成し、これがパーティクルとなっている。そこで、シラン系ガスの導入を停止した成膜終了後でも、Ｎ_２或いはＮＨ_３等のＮ系ガスを導入してＮ系プラズマを数秒間保持することにより、残存Ｓｉ系ラジカルがＮ系ラジカルと十分に反応できるようになり、微小なＳｉ系の未反応中間体のパーティクルの発生が防止されると言われている。
特開２００２−３６８０８４号公報

さて、本発明者によっても、上記提案の技術についての検討が行われた。その結果、ＳｉＮ膜の成膜において、Ｓｉ系未反応中間体のパーティクルの発生が防止されることは確認できたものの、それには限度が有り、十分なもので無いことが判って来た。

そして、本発明者は、上記特許文献１の技術では、パーティクル抑制効果は、それが、限度なのかと考えるに至った。しかしながら、それと共に、やはり、何かの原因が他にも有り、それによって、パーティクル抑制が出来ていないのではとも考えていた。

そして、更なる検討が鋭意押し進められている中に、Ｓｉ系未反応中間体のパーティクルの発生は、ＣＶＤの終了、即ち、Ｓｉ系ガスの供給停止後のみでは無く、Ｓｉ系ガスの供給開始時にも起きているのではと考えるに至った。

そこで、ＣＶＤによる成膜の開始に際しても、Ｎ_２或いはＮＨ_３等のＮ系ガスを導入してＮ系プラズマを数秒間保持した後、始めて、Ｓｉ系ガスを供給するようにした処、パーティクルの抑制効果が著しく認められたことが判った。

従って、本発明が解決しようとする課題は、窒化シリコン系の膜を形成するに際して、Ｓｉ系未反応中間体のパーティクルの発生が効果的に抑制される技術を提供することである。

前記の課題は、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＸ系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法において、
Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、
前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程
とを具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法によって解決される。

又、半導体装置におけるＣｕ配線膜上にＳｉＸ（但し、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ）系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法において、
Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、
前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程
とを具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法によって解決される。

特に、上記のＳｉＸ系膜の形成方法であって、
Ｘ系プラズマ生成工程とＳｉ系プラズマ生成工程とを経て所定のＳｉＸ系膜が形成された後、先ず、Ｓｉ系ガスの供給を停止し、所定時間経過した後でＸ系ガスの供給を停止し、プラズマ発生を終了させるプラズマ終了工程
を具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法によって解決される。

又、上記のＳｉＸ系膜の形成方法であって、
Ｘ系プラズマ生成工程およびＳｉ系プラズマ生成工程を経て形成されたＳｉＸ系膜の上に、プラズマＣＶＤにより、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法によって解決される。

本発明は、Ｓｉ系ガスと副反応ガス（Ｘ系ガス：Ｎ_２やＮＨ_３等の如きのＮ系ガス）の導入時期を制御し、先ず、Ｎ_２やＮＨ_３等の如きの副反応ガスを導入してプラズマ放電を開始し、プラズマ放電が安定した後で、Ｓｉ系ガスを導入して成膜を行うようにしたので、副反応ガス（Ｎ系ガス）が、既に、ラジカル化しており、これらと後からのＳｉ系ガスがラジカル化して直ぐに反応を起こし、未反応中間体を生成することが無いものとなる。
従って、パーティクルの発生が大幅に抑制されるものとなる。そして、欠陥が少ないＳｉＸ系膜が得られるようになる。

尚、成膜初期において、パーティクルが発生していると、パーティクルは堆積される膜で埋められてしまう為、一見したのみでは、パーティクルが発生していないかの如くに見えてしまう。しかしながら、初期に発生した下層に存在するパーティクルは、実は、以外に大きな問題を引き起こすものであった。例えば、半導体装置の配線層における銅拡散バリア膜として設けられるＳｉＣやＳｉＣＮと言った場合には、パーティクルがショート等の原因にもなり兼ねないが、このような問題も解決される。

本発明は、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＸ系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法である。特に、半導体装置におけるＣｕ配線膜上にＣｕ拡散バリア膜としてＳｉＸ（但し、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ）系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法である。そして、Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程とを具備する。そして、Ｘ系プラズマ生成工程とＳｉ系プラズマ生成工程とを、一つのチャンバー内で行わせることにより、特に、両工程が一緒に並存する工程を経ることにより、ＳｉＸ系膜が形成される。上記工程は、成膜開始時での条件を規定したものである。終了時の条件は、好ましくは、次のように設定される。すなわち、Ｘ系プラズマ生成工程とＳｉ系プラズマ生成工程とを経て所定のＳｉＸ系膜が形成された後、先ず、Ｓｉ系ガスの供給を停止し、所定時間経過した後でＸ系ガスの供給を停止し、プラズマ発生を終了するプラズマ終了工程を具備する。又、Ｘ系プラズマ生成工程およびＳｉ系プラズマ生成工程を経て形成されたＳｉＸ系膜の上に、プラズマＣＶＤにより、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を具備する。ＳｉＮ膜を形成する場合には、上記Ｓｉ系ガスはＳｉ_ｎＨ_２ｎ＋２（ｎは１以上の整数：シラン）で、Ｘ系ガスはＮ_２やＮＨ_３等のＮ系ガスであり、ＳｉＣＮ膜を形成する場合には、上記Ｓｉ系ガスはアルキルシリコンガスで、Ｘ系ガスはＮ_２やＮＨ_３等のＮ系ガスである。尚、これ等の原料ガスについては、従来からのものを用いることが出来る。

以下、更に詳しく説明する。
図５は従来のプラズマＣＶＤ処理のタイムチャート、図６及び図７は図５の手法により出来た膜の特徴を示す説明図である。

従来（特許文献１の技術も含む。）のプラズマＣＶＤ処理は、図５に示される如くに行われている。すなわち、膜成長用ガスであるＳｉＨ_４（モノシラン）やＴＭＳ（トリメチルシラン）等のシラン系ガスとＮを含むＮＨ_３等の副反応ガスを用いたＳｉＮやＳｉＣＮ膜の成膜において、両プロセスガス（膜成長用ガスと副反応ガス）は同時（ｔ_１時）に供給され、ガス流量、ガス圧力が一定のものとなった時点で、高周波電力（ＲＦ）を印加してプラズマ放電を開始させる。これによって、成膜が開始される。

さて、この時、ＳｉＨ_４やＴＭＳ等の如きのシラン系ガスの分解効率は、ＮＨ_３等の如きのＮ系化合物の分解効率よりも高い。すなわち、ＲＦ印加直後から、急激にガスが分解する。この時、Ｓｉ^＊，ＳｉＨ^＊の如きのＳｉ系ラジカルが多量に発生する。これに対して、Ｎ_２やＮＨ_３の如きのＮ系化合物の分解が遅い為、Ｎ^＊如きのＮ系ラジカルの初期発生量は少ない。そして、Ｓｉ系ラジカルが相対的に多い為、Ｓｉ系未反応中間体であるパーティクルが多く発生するようになる。この為、成膜初期において、半導体装置基板（ウェハ）表面に微小な未反応中間体が付着することになる。

上記手法が半導体装置のダマシン配線膜（Ｃｕ拡散防止膜：ＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜）の形成に用いられた場合が図６及び図７に示される。図６，７中、１はキャップ膜（ＳｉＯ膜）、２はＣｕ拡散防止膜（ＴａＮ／Ｔａ膜）、３はＣｕ配線膜、４は配線間絶縁膜（低誘電率膜：ｌｏｗ−ｋ膜）、５はＣｕ拡散防止絶縁膜（ＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜）、６はＳｉ系未反応中間体（パーティクル）、７はＣｕ研磨残渣である。

図６や図７に示されるダマシン配線構造は、先ず、図５に示される手法により、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜、即ち、Ｃｕ拡散防止絶縁膜５が下層配線上に形成される。この時、Ｓｉ系未反応中間体（パーティクル）６が生成する。この後で、配線間絶縁膜４が設けられる。更に、キャップ膜１が設けられる。この後、フォトリソグラフィ技術により、配線溝が形成される。そして、配線溝にＣｕ拡散防止膜２を設け、次いでＣｕシード膜を、更にＣｕを充填し、そしてＣＭＰを行って表面を平坦化する。次いで、表面に図５に示される手法により、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜、即ち、Ｃｕ拡散防止絶縁膜５を設ける。この時にも、Ｓｉ系未反応中間体（パーティクル）６が生成する。そして、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜の成膜初期に微小なパーティクル６が存在すると、上部に成膜した絶縁膜表面にはパーティクル６に対応した突起が発生する。そして、この突起によって、ＣｕのＣＭＰに際して、突起周辺にＣｕの研磨残渣７が出来てしまう。そして、このＣｕ研磨残渣７はＣｕ配線膜３間の絶縁性を壊し、電気的短絡不良を引き起こしていた。

又、Ｃｕ配線膜３をＣＭＰにて研磨し配線溝のみに残した後、Ｃｕ拡散バリア膜として形成されたＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜５の成膜初期にパーティクル６が発生すると、その組成がＳｉ系であるが故にＣｕ配線膜３間の絶縁性を壊し、電気的短絡不良に繋がってしまう。

ところで、上記の未反応中間体のパーティクルは粒径０．２μｍ以下であるものの、成膜初期において付着する為、パーティクル上のＳｉＣやＳｉＣＮ膜表面が膜厚相当の段差として盛り上がることになる。従って、Ｃｕダマシン法にて配線を形成する場合、次工程にて上部に別のＣＶＤ膜が形成されることから、下側のＳｉＮやＳｉＣＮの盛り上がりが更に高められ、１μｍ程度に大きく盛り上がるようになる。このようなことからも、成膜終了前後でのパーティクルの発生を抑制するよりも、成膜開始初期でのパーティクルの発生を抑制することの大事さを理解できる。勿論、双方の時点におけるパーティクルの発生を抑制することが好ましいものの、終了前後に発生したパーティクルよりも成膜開始初期に発生したパーティクルの方が大きな悪さを引き起こす。そして、多層配線とする場合には、上記の段差が強調されながら増加し、段差は更に大きな盛り上がりとなる。そして、パーティクルによる段差は後のＣｕメッキにおいても突起として残り、ＣｕのＣＭＰにて、段差周辺にＣｕ残りを引き起こす。

図１は本発明のプラズマＣＶＤ処理のタイムチャート、図２は本発明のプラズマＣＶＤ処理装置の概略図、図３は本発明の特徴を説明するグラフ、図４は本発明の手法により出来た膜の特徴を示す説明図である。

従来では、膜成長用のシラン系ガスと副反応ガスとは同時に供給されていたのに対して、本発明では、膜成長用のシラン系ガス（導入時ｔ_３）は副反応ガス（導入時ｔ₁）に遅れて導入される。

すなわち、膜成長用のシラン系ガスが導入された時点では、既に、高周波電力が印加（印加時ｔ_２：ｔ₁＜ｔ_２＜ｔ_３）されてＮを含む副反応ガスによるプラズマが出来ており、副反応ガスはラジカル化していて安定したプラズマ雰囲気が維持されている。この安定したプラズマ雰囲気中に膜成長用のシラン系ガスが供給されると、シラン系ガスは直ちにラジカル化し、未反応中間体を生成する時間が最小の状態で副反応ガスによるラジカルと反応し、成膜が開始されることになる。

更に具体的に説明すると、次の通りである。
膜成長用ガスとしてＴＭＳ（トリメチルシラン）ガスを、副反応ガスとしてＮＨ_３ガスを用いた。そして、図２に示されるプラズマＣＶＤ装置が用いられた。尚、図２中、８は基板、９は基板保持用の下部電極、１０はガス供給ノズルを兼ねた上部電極、１１はＲＦ電源、１２はＲＦマッチングボックス、１３ａは膜成長用ガス（ＴＭＳ）供給経路、１３ｂは副反応ガス（ＮＨ_３）供給経路、ＭＦＣは流量制御器である。すなわち、先ず、基板８をプラズマチャンバ内の下部電極９上に置き、チャンバ内を、一旦、０．１Ｐａ以下の真空に排気する。そして、時刻ｔ_１の時点で、所定ガス流量（３５０ｓｃｃｍ）でＮＨ_３ガスを導入し、所定圧力（４００Ｐａ）に設定する。

そして、時刻ｔ₂の時点で、４５０Ｗの高周波電力を印加する。これによって、アンモニアによるプラズマ雰囲気が形成される。

次に、高周波電力の印加から数秒遅れて膜成長用ガス（ＴＭＳ）を１８０ｓｃｃｍの割合で供給する。これによって、ＳｉＣＮ膜が形成され始める。

さて、膜成長用ガス（ＴＭＳ）と副反応ガス（ＮＨ_３）との供給時期のズレとパーティクル発生量との関係を調べたので、その結果が図３に示される。

これによると、ＴＭＳを導入し、高周波電力を印加して３秒後にＮＨ_３を導入すると、パーティクルは５５０個／Ｗ発生した。しかるに、ＮＨ_３を導入し、高周波電力を印加して１〜２秒後にＴＭＳを導入すると、パーティクルの発生量は５０個／Ｗ以下であり、激減していた。しかも、このパーティクルのマップを図中に示すが、ランダムな分布となっている。

尚、高周波電力が印加される前にＴＭＳを導入し、その時間を延ばすとパーティクルが増え、本件で示す微小な未反応中間体によるものであることが確認された。

次に、本発明のプラズマＣＶＤをＣｕダマシン配線膜形成工程に応用した場合について、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）を参照して説明する。

先ず、図４（ａ）に示される通り、本発明の手法を用いて、基板上にＣｕ拡散防止絶縁膜（ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜）５を形成する。このＣｕ拡散防止絶縁膜（ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜）５上に、配線間絶縁膜（低誘電率膜：ｌｏｗ−ｋ膜：ＳｉＯＣ膜）４を形成する。配線間絶縁膜４上に、キャップ膜（ＳｉＯ膜）１を設ける。

この後、図４（ｂ）に示される通り、キャップ膜（ＳｉＯ膜）１上にフォトレジストの膜を設け、フォトレジスト技術により、所定の配線溝を形成する。

この後、図４（ｃ）に示される通り、Ｃｕ拡散防止膜（ＴａＮ／Ｔａ膜）２を薄く設ける。そして、Ｃｕ拡散防止膜（ＴａＮ／Ｔａ膜）２上にＣｕ膜３を厚く設ける。

そして、図４（ｄ）に示される通り、ＣＭＰによって、不要なＣｕを除去すると共に表面平坦化処理を行う。

この後、本発明の手法を用いて、Ｃｕ膜３及びキャップ膜１上にＣｕ拡散防止絶縁膜（ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜）を形成する。

このようにして形成されたＣｕダマシン配線にあっては、Ｓｉパーティクルの発生量が非常に少なく、即ち、図５〜図７の場合で説明したような問題は起きていなかった。すなわち、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜の成膜初期に微小なパーティクルが存在すると、上部に成膜した絶縁膜表面にはパーティクルに対応した突起が発生し、この突起によって、ＣｕのＣＭＰに際して、突起周辺にＣｕの研磨残渣が出来、このＣｕ研磨残渣はＣｕ配線膜間の絶縁性を壊し、電気的短絡不良を引き起こしていたものの、このような問題が大幅に改善された。又、Ｃｕ配線膜をＣＭＰにて研磨し配線溝のみに残した後、Ｃｕ拡散バリア膜として形成されたＳｉＮ，ＳｉＣＮ膜の成膜初期にパーティクルが発生していると、その組成がＳｉ系であるが故にＣｕ配線膜間の絶縁性を壊し、電気的短絡不良に繋がってしまうものの、このような問題も大幅に改善された。すなわち、信頼性に富む高性能な半導体装置が得られることになる。

本発明のプラズマ処理のタイムチャート プラズマＣＶＤ装置の概略図 本発明のプラズマ処理の特長を説明するグラフ 本発明をダマシン配線工程に応用した場合の説明図 従来のプラズマ処理のタイムチャート 従来のプラズマ処理の問題点を説明する説明図 従来のプラズマ処理の問題点を説明する説明図

符号の説明

１ キャップ膜
２ Ｃｕ拡散防止膜
３ Ｃｕ配線膜
４ 配線間絶縁膜
５ Ｃｕ拡散防止絶縁膜
６ Ｓｉ系未反応中間体（パーティクル）
７ Ｃｕ研磨残渣
８ 基板
９ 下部電極
１０ 上部電極
１１ ＲＦ電源
１２ ＲＦマッチングボックス
１３ａ 膜成長用ガス（ＴＭＳ）供給経路
１３ｂ 副反応ガス（ＮＨ_３）供給経路

特許出願人 次世代半導体材料技術研究組合
代 理 人 宇 高 克 己

Claims (3)

1. プラズマＣＶＤ法によりＳｉＸ系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法において、
   Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、
   前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程
   とを具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法。
2. 半導体装置におけるＣｕ配線膜上にＳｉＸ（但し、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ）系膜を形成するＳｉＸ系膜の形成方法において、
   Ｘ系ガスを供給してプラズマを生成させるＸ系プラズマ生成工程と、
   前記Ｘ系プラズマ生成工程によるＸ系のプラズマが生成した後、Ｓｉ系ガスを始めて供給してプラズマを生成させるＳｉ系プラズマ生成工程
   とを具備することを特徴とするＳｉＸ系膜の形成方法。
3. Ｘ系プラズマ生成工程およびＳｉ系プラズマ生成工程を経て形成されたＳｉＸ系膜の上に、プラズマＣＶＤにより、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２のＳｉＸ系膜の形成方法。
   

Images