JP4018793B2

JP4018793B2 - プラズマ成膜方法及び半導体デバイス

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Publication number: JP4018793B2
Application number: JP04888298A
Authority: JP
Inventors: りさ中瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JPH11233507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスの層間絶縁膜に用いることのできるフッ素添加カーボン膜をプラズマ処理により成膜する方法及び、この方法で成膜された層間絶縁膜を備えた半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化を図るために、パターンの微細化、回路の多層化といった工夫が進められており、そのうちの一つとして配線を多層化する技術がある。多層配線構造をとるためには、ｎ層目の配線層と（ｎ＋１）番目の配線層の間を導電層で接続すると共に、導電層以外の領域は層間絶縁膜と呼ばれる薄膜が形成される。
【０００３】
この層間絶縁膜の代表的なものとしてＳｉＯ₂膜があるが、近年デバイスの動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されており、層間絶縁膜の材質についての検討がなされている。即ちＳｉＯ₂は比誘電率がおよそ４であり、これよりも小さい材質の発掘に力が注がれている。そのうちの一つとして比誘電率が３．５であるＳｉＯＦの実現化が進められているが、本発明者は比誘電率が更に小さいフッ素添加カーボン膜（以下「ＣＦ膜」という）に注目している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２はウエハに形成された回路部分の一部であり、１１、１２はＣＦ膜、１３、１４はＷ（タングステン）よりなる導電層、１５はＡｌ（アルミニウム）よりなる導電層、１６は、Ｐ、ＢをドープしたＳｉＯ₂膜、１７はｎ形半導体領域である。ところでＷ層１３を形成するときのプロセス温度は４００〜４５０℃であり、このときＣＦ膜１１、１２はそのプロセス温度まで加熱される。しかしながらＣＦ膜は、このような高温に加熱されると一部のＣ−Ｆ結合が切れて、主としてＦ（フッ素）系ガスが脱離してしまう。このＦ系ガスとしてはＦ、ＣＦ、ＣＦ₂などが挙げられる。
【０００５】
このようにＦ系ガスが脱離すると、次のような問題が起こる。
ａ）アルミニウムやタングステンなどの金属配線が腐食する。
ｂ）絶縁膜はアルミニウム配線を押え込んでアルミニウムのうねりを防止する機能をも有しているが、脱ガスにより絶縁膜による押え込みが弱まり、この結果アルミニウム配線がうねり、エレクトロマイグレーションと呼ばれる電気的欠陥が発生しやすくなってしまう。
ｃ）絶縁膜にクラックが入り、配線間の絶縁性が悪くなるし、またその程度が大きいと次段の配線層を形成することができなくなる。
ｄ）Ｆの抜けが多いと比誘電率が上がる。
【０００６】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、強固な結合を有し、分解しにくいＣＦ膜よりなる半導体デバイスの層間絶縁膜を形成することのできる方法及びこの層間絶縁膜を備えた半導体デバイスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ成膜方法は、多層配線構造を有する半導体デバイスを製造する際に形成される層間絶縁膜を成膜するプラズマ成膜方法において、
フッ素を有する芳香族化合物ガスを含む成膜ガスをプラズマ化し、このプラズマにより被処理基板上に前記層間絶縁膜としてのフッ素添加カーボン膜を成膜することを特徴とする。
他の発明は、層間絶縁膜が形成された多層配線構造を有する半導体デバイスであって、
前記層間絶縁膜としてのフッ素添加カーボン膜が請求項１ないし５のいずれか一つに記載のプラズマ成膜方法によって形成されたものであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
先ず本発明の実施の形態に用いられるプラズマ処理装置の一例を図１に示す。この装置は例えばアルミニウム等により形成された真空容器２を有しており、この真空容器２は上方に位置してプラズマを発生させる筒状の第１の真空室２１と、この下方に連通させて連結され、第１の真空室２１よりは口径の大きい筒状の第２の真空室２２とからなる。なおこの真空容器２は接地されてゼロ電位になっている。
【０００９】
この真空容器２の上端は、開口されてこの部分にマイクロ波を透過する部材例えば石英等の材料で形成された透過窓２３が気密に設けられており、真空容器２内の真空状態を維持するようになっている。この透過窓２３の外側には、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する高周波電源部２４に接続された導波管２５が設けられており、高周波電源部２４にて発生したマイクロ波を例えばＴＥモードにより導波管２５で導入して、またはＴＥモードにより案内されたマイクロ波を導波管２５でＴＭモードに変換して、透過窓２３から第１の真空室２１内へ導入し得るようになっている。
【００１０】
第１の真空室２１を区画する側壁には例えばその周方向に沿って均等に配置したガスノズル３１が設けられると共にこのノズル３１には、図示しないガス源、例えばＡｒガス源が接続されており、第１の真空室２１内の上部にＡｒガスをムラなく均等に供給し得るようになっている。
【００１１】
前記第２の真空室２２内には、前記第１の真空室２１と対向するようにウエハの載置台４が設けられている。この載置台４は表面部に静電チャック４１を備えており、この静電チャック４１の電極には、ウエハを吸着する直流電源（図示せず）の他、ウエハにイオンを引き込むためのバイアス電圧を印加するように高周波電源部４２が接続されている。
【００１２】
一方前記第２の真空室２２の上部即ち第１の真空室２１と連通している部分にはリング状の成膜ガス供給部５１が設けられており、この成膜ガス供給部５１は、例えばガス供給管５２、５３から例えば２種類の成膜ガスが供給され、その混合ガスを内周面のガス穴５４から真空容器２内に供給できるように構成されている。
【００１３】
前記第１の真空室２１を区画する側壁の外周には、これに接近させて磁場形成手段として例えばリング状の主電磁コイル２６が配置されると共に、第２の真空室２２の下方側にはリング状の補助電磁コイル２７が配置されている。また第２の真空室２２の底部には例えば真空室２２の中心軸に対称な２個所の位置に各々排気管２８が接続されている。
【００１４】
次に上述の装置を用いて被処理基板であるウエハＷ上にＣＦ膜よりなる層間絶縁膜を形成する方法について説明する。先ず、真空容器２の側壁に設けた図示しないゲートバルブを開いて図示しない搬送アームにより、例えば表面にアルミニウム配線が形成されたウエハＷを図示しないロードロック室から搬入して載置台４上に載置し、静電チャック４１によりウエハＷを静電吸着する。
【００１５】
続いて、ゲートバルブを閉じて内部を密閉した後、排気管２８より内部雰囲気を排気して所定の真空度まで真空引きし、プラズマガスノズル３１から第１の真空室２１内へプラズマ発生用ガス例えばＡｒガスを導入すると共に成膜ガス供給部５から第２真空室２２内へ成膜ガスを所定の流量で導入する。
【００１６】
ここで本実施の形態では成膜ガスに特徴があり、この成膜ガスとしてベンゼン環を有する化合物（芳香族化合物）のガス例えばＣ₆Ｆ₆（ヘキサフルオロベンゼン）を用いる。なお成膜ガスとして例えばＣ₆Ｆ₆一種類を用いる場合には、ガス導入管５２、５３の一方から成膜ガス供給部５１内を通じて真空容器２内に供給される。そして真空容器２内を所定のプロセス圧に維持し、かつ高周波電源部４２により載置台４に例えば１３．５６ＭＨｚ、１５００Ｗのバイアス電圧を印加すると共に、載置台４の表面温度をおよそ４００℃に設定する。
【００１７】
高周波電源部２４からの２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）は、導波管２５を通って真空容器２の天井部に至り、ここの透過窓２３を透過して第１の真空室２１内へ導入される。一方真空容器２内には電磁コイル２６、２７により第１の真空室２１の上部から第２の真空室２２の下部に向かう磁場が形成される。例えば第１の真空室２１の下部付近にて磁場の強さが８７５ガウスとなり、磁場とマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴が生じ、この共鳴によりＡｒガスがプラズマ化され、且つ高密度化される。第１の真空室２１より第２の真空室２２内に流れ込んだプラズマ流は、ここに供給されている例えばＣ₆Ｆ₆ガスを活性化して活性種を形成し、ウエハＷ上にＣＦ膜を成膜する。なお実際のデバイスを製造する場合には、その後このＣＦ膜に対して所定のパターンでエッチングを行い、溝部に例えばＷ膜を埋め込んでＷ配線が形成される。
【００１８】
このような方法で成膜されたＣＦ膜は強固な結合を有し、後述の実験結果からも分かるように熱的安定性が大きい。その理由については、図２に示すようにベンゼン環はＡとＢの状態が共鳴していてＣ−Ｃ間の結合が一重結合と二重結合の中間の状態にあるため安定している。従ってＣＦ膜中に存在するベンゼン環中のＣ−Ｃ結合、及びベンゼン環中のＣとその外のＣとの結合力が強く、ＣＦ、ＣＦ₂ＣＦ₃の脱離する量が少ないと考えられる。
【００１９】
ここで本発明で用いるベンゼン環を含む化合物の例を図３及び図４に示す。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
図５に示す測定装置を用いて薄膜の熱的安定性の指標である高温下での重量変化を調べた。図５において６１は真空容器、６２はヒータ、６３は軽量天びん機構のビームに吊り下げられたるつぼ、６４は重量測定部である。測定方法については、ウエハ上のＣＦ膜を削り落としてるつぼ６３内に入れ、真空雰囲気下でるつぼ６３内の温度を４２５℃まで昇温させ、そのまま２時間加熱して重量測定部６４で重量変化を調べた。上述の実施の形態で述べた成膜プロセスにおいて、Ｃ₆Ｆ₆（ヘキサフルオロベンゼン）ガス及びＡｒガスの流量を夫々４０ｓｃｃｍ及び３０ｓｃｃｍ、ウエハＷの温度を４００℃、プロセス圧力を０．０６Ｐａとし、マイクロ波パワー（高周波電源部２４の電力）及びバイアス電力（高周波電源部４２の電力）を種々の値に設定し、各条件で得られたＣＦ膜について重量変化を調べた。結果は図６に示す通りである。なお重量変化とは、熱を加える前のるつぼ内の薄膜の重量をＡ、熱を加えた後のるつぼ内の薄膜の重量をＢとすると｛（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００｝で表わされる値である。
【００２１】
更に上述のプロセス条件の中でマイクロ波パワー１．０ｋｗ，バイアス電力１．５ｋｗの条件で得たＣＦ膜について、高温下での質量分析を行った。この測定は具体的には所定量の薄膜を真空容器内に置き、この真空容器内を４２５℃に加熱して、真空容器に接続した質量分析計により行った。結果は図７に示す通りである。同図において縦軸はスペクトルの強度に対する無次元量であり、ピークのある部分が各ガスの脱離を示している。また横軸は真空容器内の昇温を開始した後の時間であり、室温から１０℃／分の速度で昇温を行い、４２５℃に達した後３０分間保持している。
【００２２】
（実施例２）
Ｃ₆Ｆ₆ガスの代りにＣ₇Ｆ₈（オクタフルオロトルエン）ガスを用い、Ｃ₇Ｆ₈ガス及びＡｒガスの流量を夫々４０ｓｃｃｍ及び４０ｓｃｃｍとし、プロセス圧力を０．０７Ｐａ、マイクロ波パワーを１．０ｋｗ、バイアス電力を１．０ｋｗとした他は実施例１と同様にしてＣＦ膜をウエハ上に成膜した。このＣＦ膜について実施例１と同様に重量変化を調べたところ、重量変化は１．９％であった。（図６参照）
（実施例３）
Ｃ₆Ｆ₆ガスの代わりにＣ₄Ｆ₈ガス及びＣ₇Ｈ₅Ｆ₃（トリフルオロメチルベンゼン）ガスを用い、Ｃ₄Ｆ₈ガス、Ｃ₇Ｈ₅Ｆ₃ガス及びＡｒガスの流量を夫々２０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ及び３０ｓｃｃｍとし、プロセス圧力を０．０７Ｐａ、マイクロ波パワーを１．０ｋｗ、バイアス電力を１．０ｋｗとした他は実施例１と同様にしてＣＦ膜をウエハ上に成膜した。このＣＦ膜について実施例１と同様に重量変化を調べたところ、重量変化は２．２％であった。（図６参照）
（実施例４）
Ｃ₆Ｆ₆ガスの代わりにＣ₄Ｆ₈ガス及びＣ₇Ｈ₈（トルエン）ガスを用い、Ｃ₄Ｆ₈ガス、Ｃ₇Ｈ₈ガス及びＡｒガスの流量を夫々４０ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍとし、プロセス圧力を０．１５Ｐａ、マイクロ波パワーを１．０ｋｗ、バイアス電力を０．７５ｋｗとした他は実施例１と同様にしてＣＦ膜をウエハ上に成膜した。このＣＦ膜について実施例１と同様に重量変化を調べたところ重量変化は２．８％であった。（図６参照）
（比較例）
Ｃ₆Ｆ₆ガスの代わりにＣ₄Ｆ₈ガス及びＣ₂Ｈ₄ガスを用い、Ｃ₄Ｆ₈ガス、Ｃ₂Ｈ₄ガス及びＡｒガスの流量を夫々４０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍとし、プロセス圧力を０．２２Ｐａ、マイクロ波パワーを２．０ｋｗ、バイアス電力を１．５ｋｗとした他は４．４％であった。（図６参照）
更にこのＣＦ膜について実施例１と同様にして質量分析を行った。結果は図８に示す通りである。
【００２３】
（考察）
実施例１、２から分かるようにＣ₆Ｆ₆ガスあるいはＣ₇Ｆ₈ガスを用いた場合には重量変化は１％台になり熱的安定性が高くて脱ガスが少なく、特にＣ₆Ｆ₆ガスを用いた場合には熱的安定性が極めて高い。また図７及び図８を比較して分かるようにＣ₆Ｆ₆ガスを用いた場合には、Ｃ₄Ｆ₈ガス及びＣ₂Ｈ₄ガスを用いた場合に比べてＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃、の脱離量が少ない。これは既述のように芳香族化合物の原料ガスを用いた場合にはＣ−Ｃ結合が切れにくいという推測と合致している。
【００２４】
そして実施例３、４では重量変化が比較例よりは優れているものの２％台と実施例１、２に比べて大きい理由は、Ｃ ₇ Ｈ ₈ガスやＣ₇Ｈ₅Ｆ₃ガスを単独で用いるとＦが不足するためＣ₄Ｆ₈ガスを加えており、Ｃ₄Ｆ₈ガスの分解生成物に基づいて成膜される分、ネットワーク構造が少なくなり、そのためＣ−Ｃ結合が切れてＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃となって脱離し、結果としてＣ₆Ｆ₆ガスやＣ₇Ｆ₈ ガスを用いた場合に比べて重量変化が大きくなっているものと推測される。
【００２５】
ここでＣ₆Ｆ₆、Ｃ₇Ｆ₈及びＣ₈Ｈ₄Ｆ₆（１．４−ビストリフロロメチルベンゼン）について、これらの分解生成物を０．００２Ｐａの減圧化で気化させ、質量分析計により分析したところ夫々図９〜図１１に示す結果が得られた。このことからベンゼン環を有する成分が熱分解生成物として多く存在し、この結果ネットワーク構造の安定したＣＦ膜が生成されることが推測できる。
【００２６】
更に本発明はＥＣＲによりプラズマを生成することに限られず例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）などと呼ばれている、ドーム状の容器に巻かれたコイルから電界及び磁界を処理ガスに与える方法などによりプラズマを生成する場合にも適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱的安定性が大きいＣＦ膜を生成することができる。従ってこのＣＦ膜を例えば半導体デバイスの層間絶縁膜に使用すれば、金属配線を腐食するおそれがなく、アルミニウム配線のうねりやクラックの発生も防止できる。半導体デバイスの微細化、高速化が要請されている中で、ＣＦ膜が比誘電率の小さい有効な絶縁膜として注目されていることから、本発明はＣＦ膜の絶縁膜としての実用化を図る上で有効な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置の一例を示す縦断側面図である。
【図２】本発明方法で用いる成膜ガスの分解、再結合の様子を示す説明図である。
【図３】成膜ガスの例の分子式を示す説明図である。
【図４】成膜ガスの例の分子式を示す説明図である。
【図５】薄膜の重量変化を調べる測定装置を示す略解断面図である。
【図６】実施例及び比較例についての重量変化を示す説明図である。
【図７】実施例のＣＦ膜について高温下で質量分析を行ったときの結果を示す特性図である。
【図８】比較例のＣＦ膜について高温下で質量分析を行ったときの結果を示す特性図である。
【図９】ヘキサフルオロベンゼンを熱分解したときの質量分析結果を示す特性図である。
【図１０】オクタフルオロトルエンを熱分解したときの質量分析結果を示す特性図である。
【図１１】１，４ビストリフロロメチルベンゼンを熱分解したときの質量分析結果を示す特性図である。
【図１２】半導体デバイスの構造の一例を示す構造図である。
【符号の説明】
２真空容器
２１第１の真空室
２２第２の真空室
２４高周波電源部
２５導波管
２６、２７電磁コイル
２８排気管
３１プラズマガスノズル
４載置台
Ｗ半導体ウエハ
５１成膜ガス供給部

Claims

多層配線構造を有する半導体デバイスを製造する際に形成される層間絶縁膜を成膜するプラズマ成膜方法において、
フッ素を有する芳香族化合物ガスを含む成膜ガスをプラズマ化し、このプラズマにより被処理基板上に前記層間絶縁膜としてのフッ素添加カーボン膜を成膜することを特徴とするプラズマ成膜方法。
フッ素を有する芳香族化合物ガスを含む前記成膜ガスは、炭素とフッ素とからなる芳香族化合物ガスであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記炭素とフッ素とからなる芳香族化合物ガスは、Ｃ ₆ Ｆ ₆ （ヘキサフルオロベンゼン）ガスまたはＣ ₇ Ｆ ₈ （オクタフルオロトルエン）ガスであることを特徴とする請求項２記載のプラズマ成膜方法。
フッ素を有する芳香族化合物ガスを含む前記成膜ガスは、炭素と水素とフッ素とからなる芳香族化合物ガスであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記炭素と水素とフッ素とからなる芳香族化合物ガスは、Ｃ ₆ Ｈ ₅ Ｆ（フルオロベンゼン）ガス、Ｃ ₇ Ｈ ₇ Ｆ（フルオロトルエン）ガス、Ｃ ₆ Ｈ ₄ Ｆ ₂ （ジフルオロベンゼン）ガス、Ｃ ₆ Ｈ ₃ Ｆ ₃ （テトラフルオロベンゼン）ガス、Ｃ ₆ ＨＦ ₅ （ペンタフルオロベンゼン）ガス、Ｃ ₇ Ｈ ₅ Ｆ ₃ （トリフルオロメチルベンゼン）ガス、Ｃ ₇ Ｈ ₆ Ｆ ₂ （２，５−ジフルオロトルエン）ガス、Ｃ ₉ Ｈ ₃ Ｆ ₉ （１，３，５−トリス（トリフルオロメチル）ベンゼン）ガス、Ｃ ₈ Ｈ ₄ Ｆ ₆ （１，４−ビストリフロロメチルベンゼン）ガスのいずれかであることを特徴とする請求項４記載のプラズマ成膜方法。
層間絶縁膜が形成された多層配線構造を有する半導体デバイスであって、
前記層間絶縁膜としてのフッ素添加カーボン膜が請求項１ないし５のいずれか一つに記載のプラズマ成膜方法によって形成されたものであることを特徴とする半導体デバイス。