JP4427183B2 - 金属上への誘電体の接着性改善方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般に高密度プラズマ化学的気相堆積（ＨＤＰ−ＣＶＤ）手法を使用する、アモルファス・フルオロカーボン膜の堆積に関する。より詳細には、本発明は、ギャップ充填性能を強化するよう高バイアスパワーを使用してアモルファス・フルオロカーボン膜を堆積する方法に関する。なお更に、本発明は、基板上に形成された金属面へのフッ素含有誘電体材料の接着性を改善することに関する。
【０００２】
【発明の背景】
この１０年間に、集積回路の設計と製造における、一貫していて、明確に予見可能な改善が認められてきた。しかし、動作周波数が１ＧＨｚに近づき、相互配線フィーチャサイズを≦０．２５μｍまで低下させた、新規の超大規模集積（ＵＬＳＩ）製品については、相互配線の抵抗―静電容量（ＲＣ）遅延が、集積回路のクロック時間の大部分に相当するであろうし、著しく新しい異なる製造アプローチが、必要とされる性能目標を達成するために要求されるであろう。ＲＣ遅延は、相互配線の抵抗と誘電体容量に直接関係するので、業界の焦点は、著しく低い誘電率と低抵抗率の新材料を開発することに向けられている。
【０００３】
誘電体の領域では、極めて多様な材料が、現在の標準的なニ酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の僣在的な代替として研究されている。〜４の誘電率（Ｋ）を持つＳｉＯ2が、〜２．５のＫ値を持つ別の材料に置換えられる場合、ＲＣ遅延とクロストークは著しく低減され、全体の回路性能が大きく改善されるであろう。０．１８μｍデバイス世代で期待される性能要件を満足するためには、＜３．０の誘電率が必要であろうことは広く容認されている。
【０００４】
低誘電率の極めて多様な材料が、ＳｉＯ2に代わる僣在候補として研究されている。しかし、誘電率は、満足されねばならない重要要件の１つに過ぎないことを思い起こすことが大事である。既存の、そして将来の製造プロセスフローへの統合の容易さと経済性ファクタ（例えば、所有コスト）は共に、次世代の金属間誘電体（ＩＭＤ）として使用する材料の永続性を決めることになろう。統合能力は、接着性、熱安定性、熱伝導率、機械的強度、およびギャップ充填性能のような、重要特性により決定されるであろう。所有コストは、原材料のコスト、処理廃棄材料のコスト（これは、スピンオン技術で特に高いことが判明している。）、必要とされる統合ステップの数と共に、処理設備の資本コストにより決められるであろう。理想の低誘電率材料は、既存のプロセスフローへ容易に統合され、既存の設備を使用して、現在使用中のプロセスを超えないコストになろう。
【０００５】
ＣＶＤ堆積材料は、低誘電率材料に対する最も有望なアプローチである。プラズマ支援堆積でのメカニズムが、他のタイプの堆積手法よりも、著しく高い密度と機械的強度を持つ材料へ導いていくであろうことは広く容認されている。加えて、ＣＶＤ膜の一体化は、スピンオン法のような湿式プロセスに比較して、十分に特性が明らかで、かなり単純である。既存のプラズマ強化ＣＶＤ設備の使用可能性、および単純な製造方法様式は、一体化と経済性の両観点からＣＶＤ材料を魅力的なものにしている。
【０００６】
ＣＶＤ堆積材料の中で、アモルファス・フルオロカーボン（α−ＦＣ）は、比較的高い熱安定性、低誘電率値（２．３程の低い値）、ＳｉＯ2に近い熱伝導率、および良好な機械的強度により、有望である。最近、Matsubara 他は、「クオータミクロンデバイス用の、低ｋフッ化アモルファスカーボン中間層技術 (Low-k Fluorinated Amorphous Carbon Interlayer Technology for Quarter Micron Devices)」ＩＥＤＭ、３６９〜３７２頁（１９９６年）の中で、３レベルメタライゼーション構造での金属間誘電体としてα−ＦＣの首尾よい一体化とその使用について記載している。この誘電体材料を使用して、線静電容量で５０％の低減が報告されている。
【０００７】
しかし、幾何学的寸法が縮小するのに伴ない、ギャップ充填性能が重要な問題となっている。ギャップ充填性能は、一般に、金属線間の、トレンチとして知られる領域を充填するプロセスの能力のことを言う。最近、趨勢は、強化されたギャップ充填結果を達成するために、ｉｎ ｓｉｔｕスパッタエッチングと堆積を利用するよう高密度プラズマプロセスを統合シーケンスに取り込むことである。ＨＤＰ−ＣＶＤでは、堆積中に基板のフィールドをスパッタするイオンを引付けるためにバイアスパワーが基板へ結合され、それにより、トレンチが堆積材料で完全に充填される前に堆積材料がトレンチ上に集中するクラウンニングとして知られる現象を防止する。基板のフィールド（すなわちトレンチ間領域）上の体積速度を制御することにより、≦０．２５μｍの小フィーチャでのギャップ充填性能の改善が達成可能である。
【０００８】
α−ＦＣ膜に関連する問題の１つは、高バイアスパワーの印加が、フッ素の断片化を強める傾向があり、それが、解離した非結合のＦまたはＣＦx（ｘ＝１〜４）として、得られた膜中へ取り込まれることである。有機フルオロカーボン分子は、Ｆ-のようなエッチング核種を形成するか、またはグロー放電条件下で重合するかのいずれかであることが、文献によく記載されている。エッチングか、または重合反応のいずれが優性になるかは、プラズマエネルギー、荷電核種の強さ、反応体の比率、および表面温度に依存する。ＥＰ特許出願第５１１４２５３．８は、α−ＦＣ膜の堆積における、高いバイアスパワーに関連する問題を検討し、高いバイアスパワーの使用を排除することによって問題を解決することを試みている。
【０００９】
遭遇する別の問題は、フッ素含有誘電体材料の堆積中に生成されるフッ素が、チャンバ壁およびチャンバ構成要素に吸収され、後続の堆積ステップ中でガス放出されることである。このフッ素は、基板上の金属面を攻撃して、良好な接着を妨げる。窒化チタンが、誘電体層と金属層間のバリア層としてしばしば使用され、プロセスガスの拡散にある程度は抗する。しかしながら、窒化チタンは、金属面とフッ素含有誘電体材料間の接着性を実質的に改善しない。
【００１０】
従って、非常に低い誘電率のα−ＦＣ膜の堆積のためにＨＤＰ−ＣＶＤ技術の適用を改善するニーズがある。高密度プラズマ堆積を使用して堆積でき、０．２５μｍ以下のフィーチャで良好なギャップ充填性能を示し、堆積後一回のアニールで安定している、誘電率（ｋ）が２．８以下のα−ＦＣ膜を提供することは有利であろう。
【００１１】
【発明の要約】
本発明は、熱安定性と低誘電率の両方を有するアモルファス・フルオロカーボン膜を形成する方法を提供する。この方法は、基板をプロセスチャンバへ導入して、バイアス電源へ接続された支持部材上へ基板を位置決めするステップ、プロセスチャンバへカーボンソースガスとフッ素ソースガスを導入するステップ、チャンバ内のプラズマを衝突させるのに十分なソースパワーをチャンバへ供給するステップ、および基板上へｉｎ ｓｉｔｕスパッタ堆積を達成するのに十分なパワーレベルで、支持部材へバイアスパワーを印加するステップを含む。カーボンガスソースとフッ素ガスソースは、好ましくはＦ：Ｃの原子比を２未満に維持するのに十分な量で導入される。
【００１２】
本発明の別の局面は、チャンバ面からのフッ素またはフッ素化合物のガス放出を防止するよう、基板処理に先立って堆積チャンバの内面上へ、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素シーズニング被覆を提供する。ひとつの実施の形態では、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素は、内面からのフッ素のガス放出を阻止するのに十分な量で堆積チャンバの内面上へ堆積される。ガス放出されたフッ素量は、得られたフッ素含有膜中への遊離フッ素の望ましくない取り込みを防止するよう制御されることができる。本発明のこの局面は、窒素処理されたＴｉまたはＴｉＮのような、金属面上に形成された接着層の使用と組合わせることができ、金属面上へのフッ素の攻撃を更に防止する。
【００１３】
本発明は、更に、基板上に形成された金属面へのフッ素含有誘電体材料の接着性を強化する方法を提供し、この方法は、金属面を備える基板上へチタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）のような接着性金属層を堆積するステップ、接着性金属層を窒素にさらすことにより接着性金属層上に金属／Ｎ2面を形成するステップ、および、接着金属層の金属／Ｎ2面上へフッ素含有誘電体材料を堆積するステップを含む。堆積された金属層は、好ましくは容量的にまたは誘導的に結合するエネルギーにより供給される窒素プラズマにさらされる。
【００１４】
【実施の形態の詳細な説明】
本発明は、高密度プラズマ化学的気相堆積技術を使用してアモルファス・フルオロカーボン（α−ＦＣ）膜を基板またはその他のワークピース上へ堆積する改善された方法を提供する。一般的に、膜品質とギャップ充填性能は、ガス濃度を制御し、同時に基板へ高いバイアスパワー（〜１００Ｗまたはそれ以上）を印加することにより強化できることが分かっている。詳細には、フッ素ソースとカーボンソースの相対濃度を制御し、同時に基板へスパッタバイアスパワーを印加することにより、熱安定性と低誘電率が、良好なギャップ充填性能と金属への改善された接着性とを有するα−ＦＣ膜で達成できる。ひとつの実施の形態では、アモルファス・フルオロカーボン膜が、ＨＤＰ−ＣＶＤリアクタを使用して、メタン（ＣＨ4）およびオクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）から堆積される。得られた膜は熱的に安定であり、４５０℃以下で誘電率（Ｋ）値＜２．８を有する。この膜は、既知のα−ＦＣ膜と比較して、分子量が増加され、架橋が増加され、応力が改善されていると信じられる。
【００１５】
本発明は、また、リアクタ壁および他の構成要素からのフッ素および他の汚染物質のガス放出の可能性を低減するよう、リアクタの内面上にシーズニング膜を堆積する方法も提供し、結果として得られるフッ素含有膜の接着性と安定性を更に改善する。ひとつの実施の形態では、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素膜がチャンバ内面上に約１００Åの厚さで堆積される。
【００１６】
本発明は、また、基板上へ接着層を堆積するための方法も提供し、基板上へＴｉまたはＴｉＮのような接着金属層を堆積するステップ、および接着金属層を窒素にさらすステップを含む。基板は、好ましくは窒素プラズマが生成されるプロセス領域に隣接して位置決めされ、堆積された金属層の構造を改変するよう堆積された接着金属層を窒素（「で詰込む」）にさらす。この改変された面は、そのような処理を伴なわないＴｉ／ＴｉＮ層上のフッ素含有誘電体の接着性を改善すると信じられる。
【００１７】
本発明の方法は、好ましくは、カリフォルニア州サンタクララ所在の、Applied Materials, Inc. から入手可能な Ultima HDP-CVDTM Centura SystemR 上で実施される。このシステムの特徴を、一般的に以下に説明する。以下に説明するＨＤＰ−ＣＶＤシステムは、発明者にとり最良のシステムとして知られるが、本発明の方法を実施するために、有利に他のシステムも使用でき、または使用されるように変更できることは言うまでもない。
【００１８】
図１Ａは、本発明による誘電体層が堆積できるＨＤＰ−ＣＶＤシステムのひとつの実施の形態の１０を図解する。システム１０は、チャンバ１３、真空システム７０、ソースプラズマシステム８０Ａ、バイアスプラズマシステム８０Ｂ、ガス供給システム３３、およびリモート式プラズマ洗浄装置５０を含む。
【００１９】
チャンバ１３の上部は、アルミナまたは窒化アルミニウムのような誘電体材料で造られたドーム１４を含む。ドーム１４は、プラズマプロセス域１６の上部境界を画成する。プラズマプロセス域１６は、基板の上面１７および基板支持部材１８が底部との境界になっている。
【００２０】
加熱プレート２３および冷却プレート２４がドーム１４の上に置かれ、ドームへ熱的に結合されている。加熱プレート２３と冷却プレート２４は、約１００℃〜２００℃の範囲にわたり約±１０℃にドーム温度制御を可能とする。
【００２１】
チャンバ１３の下部は、絞り弁２６を有する真空システム７０へチャンバを連結するボディ部材２２を含む。基板支持部材１８のベース部２１は、ボディ部材２２の上に取付けられ、それとともに連続した内面を形成する。基板は、上部ローディング位置５７でチャンバ１３へ移送出入され、基板が、基板支持部材１８の基板受入部１９上に配置される下部処理位置５６へ搬送される。基板受入部１９は、基板処理中に、基板を基板支持部材１８へ固定する静電チャック２０を含む。
【００２２】
ソースプラズマシステム８０Ａは、ドーム１４上に取付けられたトップコイル２９およびサイドコイル３０を含む。対称接地シールド（図示せず）がコイル間の電気的結合を低下させる。トップコイル２９は、トップソースＲＦ（ＳＲＦ）発生器３１Ａによりパワー供給される一方、サイドコイル３０は側面ＳＲＦ発生器３１Ｂによりパワー供給され、各コイルに対して独立したパワーレベルと周波数の動作を可能にする。このデュアルコイルシステムは、チャンバ１３内で径方向のイオン密度の制御を可能にし、それによってプラズマの均一性を改善する。サイドコイル３０およびトップコイル２９は普通には誘導的に駆動され、相補電極を必要としない。特定の実施の形態では、トップソースＲＦ発生器３１Ａは公称２ＭＨｚで２，５００ＷまでのＲＦパワーを供給し、サイドソースＲＦ発生器３１Ｂは公称２ＭＨｚで５，０００ＷまでのＲＦパワーを供給する。トップおよびサイドＲＦ発生器の動作周波数は、公称動作周波数からオフセットでき（例えば、それぞれ１．７〜１．９ＭＨｚと１．９〜２．１ＭＨｚ）、プラズマ発生効率を改善する。
【００２３】
バイアスプラズマシステム８０Ｂは、バイアスＲＦ（ＢＲＦ）発生器３１Ｃおよびバイアス整合ネットワーク３２Ｃを含む。バイアスプラズマシステム８０Ｂは、基板部分１７を、相補電極として働くボディ部材２２へ容量結合する。バイアスプラズマシステム８０Ｂは、ソースプラズマシステム８０Ａにより生成されたプラズマ核種（すなわちイオン）の基板面への移送を強化する役をする。特定の実施の形態では、バイアスＲＦ発生器は、１３．５６ＭＨｚで５，０００ＷまでのＲＦパワーを供給する。
【００２４】
整合ネットワーク３２Ａと３２Ｂは、発生器３１Ａと３１Ｂの出力インピーダンスをそれぞれのコイル２９と３０へ整合する。ＲＦ制御回路は、負荷が変化するのに従い発生器を負荷に整合するよう、整合ネットワーク内のコンデンサの値を変えることにより両整合ネットワークを同調できる。ＲＦ制御回路は、パワーが負荷から発生器へ所定限度を超えて反射して戻される場合、整合ネットワークを同調できる。共整合 (co match) を提供し、ＲＦ制御回路が整合ネットワークを同調することを効果的にディスエーブル化する１つの方法は、反射パワー限度を、反射パワーの予期されるいずれの値をも超えて設定することである。これは、整合ネットワーク定数を直近の条件に保持することによって、プラズマをある条件下で安定化させることを助けるであろう。
【００２５】
ガス供給システム３３は、ガス供給ライン３８（その一部だけを示す）を介して、何ヶ所かのソースから、基板を処理するためのチャンバへガスを供給する。ガスは、ガスリング３７および上部ノズル４５を介して、チャンバ１３へ導入される。図１Ｂは、、チャンバ１３の単純化した部分断面図であり、ガスリング３７の追加の詳細を示す。
【００２６】
ひとつの実施の形態では、第１と第２ガスソース３４Ａと３４Ｄ、および第１と第２ガス流量コントローラ３５Ａ'と３５Ｄ'が、ガスリング３７でのリングプレナム（空腔）３６へガス供給ライン３８（その一部だけを示す）を介してガスを供給する。ガスリング３７は、複数のソースガスノズル３９（その１つだけを図１Ｂに示す）を有し、基板上へガスの均一なフローを提供する。ノズル長およびノズル角度は、個々のチャンバ内での特定プロセスに対する均一性プロファイルとガス利用効率をあつらえることができるよう変更できる。好ましい実施の形態では、ガスリング３７は、１２本のソースガスノズルを有する。
【００２７】
ガスリング３７は、複数の酸化剤ガスノズル４０（その１つだけを示す）も有し、好ましい実施の形態では、そのノズルはソースガスノズル３９と同一面で、それより短く、ひとつの実施の形態では、ガスをボディプレナム４１から受取る。幾つかの実施の形態では、チャンバ１３への注入前に、ソースガスと酸化ガスとを混合しないことが望ましい。他の実施の形態では、酸化ガスとソースガスは、ボディプレナム４１とガスリングプレナム３６間にアパーチャ（図示せず）を設けることにより、チャンバ１３へ注入する前にガスを混合できる。ひとつの実施の形態では、第３と第４のガスソース３４Ｂと３４Ｃ、および第３と第４のガス流量コントローラ３５Ｂ'と３５Ｃが、ボディプレナムへガス供給ライン３８を介してガスを供給する。
【００２８】
図１Ａを再度参照すると、チャンバ１３は、上部ノズル４５および上部ベント４６も有する。上部ノズル４５と上部ベント４６は、ガスの上部および側面の流量の個別制御を可能にし、膜の均一性を改善し、膜堆積の微調整を可能にする。上部ベント４６は上部ノズル４５のまわりの環状開口である。ひとつの実施の形態では、第１ガスソース３４Ａは、Ｃ4Ｆ8またはＣＨ4ソースであり、それをソースガスノズル３９と上部ノズル４５へ供給する。ソースノズル質量流量コントローラ（ＭＦＣ）３５Ａ'は、ソースガスノズル３９へ供給するＣ4Ｆ8またはＣＨ4の量を制御し、上部ノズルＭＦＣ３５Ａは、トップ・ガスノズル４５へ供給するＣ4Ｆ8またはＣＨ4の量を制御する。同様に、２つのＭＦＣ３５Ｂと３５Ｂ'は、ソース３４Ｂのような単一の酸素ソースから上部ベント４６と酸化剤ガスノズル４０の両方への酸素の流量を制御するのに使用できる。上部ノズル４５および上部ベント４６へ供給されるガスは、チャンバ１３への流入前には分離されたままでもよいし、チャンバ１３への流入前に混合されてもよい。同一ガスの別々のソースを使って、チャンバの様々な部位へ供給してもよい。
【００２９】
システムコントローラ６０は、システム１０の動作を制御する。好ましい実施の形態では、コントローラ６０は、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ（図示せず）およびカードラック（図示せず）のようなメモリ６２を含む。カードラックは、シングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）（図示せず）、アナログとデジタルの入力／出力ボード（図示せず）、インタフェースボード（図示せず）およびステッパーモータコントローラボード（図示せず）を含んでもよい。システムコントローラは、Versa Modular European （ＶＭＥ）標準に準拠し、それは、ボード、カードケージ、およびコネクタの寸法とタイプを定める。ＶＭＥ標準は、１６ビットのデータバス、および２４ビットのアドレスバスを有するバス構造も定める。システムコントローラ６０は、ハードディスクドライブ上に記憶されたコンピュータプログラム、または、フロッピーディスク上に記憶されたプログラムのような他のコンピュータプログラムの制御の下に動作する。コンピュータプログラムは、特定プロセスのタイミング、ガスの混合、ＲＦパワーレベル、および他のパラメータを指示する。システムコントローラ６０は、メモリ６２へ結合されたプロセッサ６１を含む。好ましくは、メモリ６２はハードディスクドライブであろうが、もちろん、メモリ６２は、ＲＯＭ，ＰＲＯＭ他等、他の種類のメモリであってよい。
【００３０】
システムコントローラ６０は、コンピュータプログラムの制御の下で動作する。コンピュータプログラムは、特定プロセスの、タイミング、温度、ガス流量、ＲＦパワーレベル、および他のパラメータを指示する。ユーザーとシステムコントローラとの間のインタフェースは、図１Ｃに示すようにＣＲＴモニタ６５および光ペン６６を介する。好ましい実施の形態では、２個のモニタ６５と６５Ａが使用され、１台はオペレータのためにクリーンルームの壁に、他方は、サービスエンジニアのために壁の裏側に取付けられる。両モニタとも、同時に同じ情報を表示するが、１つの光ペン（例えば６６）だけがイネーブルである。特定の画面または機能を選択するために、オペレータは表示画面のエリアに触れ、ペンのボタン（図示せず）を押す。触れられたエリアは、例えば、色を変えたり、新規のメニューを表示することにより、光ペンにより選択されていることを確認する。
【００３１】
コンピュータプログラムコードは、６８０００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、または Pascal のような、従来からのコンピュータ可読プログラミング言語のいずれで書いてもよい。適切なプログラムコードは、従来のテキストエディタを使用して、単一ファイルまたは複数ファイルへ入力され、コンピュータの記憶装置のような、コンピュータ利用可能媒体へ記憶、つまり格納される。入力されたコードテキストが、高水準言語である場合、コードはコンパイルされ、次に結果としてのコンパイラコードが、プリコンパイルされたウインドウズライブラリルーチンのオブジェクトコードとリンクされる。リンクされてコンパイルされたオブジェクトコードを実行するために、システムユーザーはオブジェクトコードを発動して、コンピュータシステムがコードをメモリにロードするようにさせ、そこからＣＰＵは、プログラム内で識別されているタスクを行なうよう、コードを読んで実行する。
【００３２】
図１Ｄは，コンピュータプログラム３００の階層制御構造の図解ブロック図を示す。ユーザーは、光ペンインタフェースを使用することにより、ＣＲＴモニタ上に表示されたメニューまたは画面に応答して、プロセスセレクタ・サブルーチン３１０へ、プロセスセット番号とプロセスチャンバ番号を入力する。プロセスセットは、特定プロセスを実行するのに必要なプロセスパラメータの所定セットであり、所定セット番号により識別される。プロセスセレクタ・サブルーチン３１０は、（ｉ）マルチチャンバーシステムで所望のプロセスチャンバ、および（ｉｉ）所望のプロセスを実施するためにプロセスチャンバを操作するのに必要なプロセスパラメータの所望セットを識別する。特定プロセスを実行するためのプロセスパラメータは、例えば、プロセスガスの組成および流量、温度、圧力、ＲＦパワーレベル、のようなプラズマ条件、およびチャンバのドーム温度のようなプロセス条件に関連し、レシピ形式でユーザーへ提供される。レシピで規定されたパラメータは、光ペン／ＣＲＴモニターインタフェースを利用して入力される。
【００３３】
プロセスを監視するための信号は、システムコントローラのアナログ入力ボードおよびデジタル入力ボードにより提供され、プロセスを制御するための信号は、システムコントローラ６０のアナログ出力ボードおよびデジタル出力ボード上に出力される。
【００３４】
プロセスシーケンサ・サブルーチン３２０は、プロセスセレクタ・サブルーチン３１０から識別されたプロセスチャンバおよびプロセスパラメータのセットを受取るための、および、種々のプロセスチャンバの動作を制御するためのプログラムコードを含む。複数のユーザーがプロセスセット番号とプロセスチャンバ番号を入力でき、または１人のユーザーが複数のプロセスセット番号とプロセスチャンバ番号を入力でき、それにより、シーケンサ・サブルーチン３２０は、選択されたプロセスを所望の順序でスケジューリングするよう動作する。好ましくは、シーケンサ・サブルーチン３２０は、（ｉ）チャンバが使用中であるか否か判定するために、プロセスチャンバの運転を監視するステップ、（ｉｉ）使用中のチャンバで何のプロセスが実行中であるかを判定するステップ、（ｉｉｉ）プロセスチャンバの使用可能性と実行すべきプロセスのタイプとに基づき、所望プロセスを実行するステップ、を実施するプログラムコードを含む。ポーリングのような、プロセスチャンバを監視する従来の方法が使用できる。どのプロセスが実行されるべきかをスケジューリングする場合、シーケンサ・サブルーチン３２０は、選択されたプロセスに対する所望のプロセス条件と比較して使用される、プロセスチャンバの現行条件、または、要求を入力した各特定のユーザーの「年齢」、または、システムプログラマがスケジューリングの優先度を決定するために含めることを希望する他の関連するいずれかのファクタを考慮に入れるよう設計できる。
【００３５】
シーケンサ・サブルーチン３２０が、どのプロセスチャンバおよびプロセスセットの組合わせが次に実行されようとしているか判定した後、シーケンサ・サブルーチン３２０は、特定のプロセスセットパラメータをチャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａ〜Ｃへ送ることにより、プロセスセットを実行させ、チャンバマネージャーが、シーケンサ・サブルーチン３２０により決定されたプロセスセットに従い、チャンバ１３および多分、他のチャンバ（図示せず）での複数のプロセスタスクを制御する。
【００３６】
チャンバ構成要素サブルーチンの実施例は、基板位置決めサブルーチン３４０、プロセスガス制御サブルーチン３５０、圧力制御サブルーチン３６０、およびプラズマ制御サブルーチン３７０である。この技術で通常に精通する者は分かるように、チャンバ１３で行ないたいプロセスに依存して他のチャンバ制御サブルーチンを含めることができる。運転中、チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａは、実行される特定のプロセスセットに従い、プロセス構成要素サブルーチンを選択的にスケジューリングする、または呼出す。チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａによるスケジューリングは、どのプロセスチャンバとプロセスセットとを実行するかをスケジューリングすることでシーケンサ・サブルーチン３２０により使用される方法と類似の方法で行なわれる。典型的には、チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａは、種々のチャンバ構成要素を監視するステップ、実行されるプロセスセットのためのプロセスパラメータに基づき作動される必要のある構成要素を判定するステップ、および、監視ステップと判定ステップに応答してチャンバ構成要素サブルーチンを実行させるステップを含む。
【００３７】
特定のチャンバ構成要素サブルーチンの動作を、以下図１Ｄを参照して説明する。基板位置決めサブルーチン３４０は、基板を基板支持部材１８上へ載せるのに使用されるチャンバ構成要素を制御するためのプログラムコードを含む。基板位置決めサブルーチン３４０は、他のプロセス完了後、マルチチャンバーシステムでの、例えばＰＥＣＶＤリアクタまたは他のリアクタからチャンバ１３への基板移送も制御することができる。
【００３８】
プロセスガス制御サブルーチン３５０は、プロセスガスの組成と流量を制御するためのプログラムコードを有する。サブルーチン３５０は、安全遮断弁の開／閉位置を制御し、また、所望のガス流量を得るために質量流量コントローラをランプアップ／ダウンする。プロセスガス制御サブルーチン３５０を含む、全てのチャンバ構成要素サブルーチンは、チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａにより発動される。サブルーチン３５０は、所望のガス流量に関するプロセスパラメータをチャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａから受取る。
【００３９】
典型的には、プロセスガス制御サブルーチン３５０は、ガス供給ラインを開くことにより作動し、（ｉ）必要な質量流量コントローラを読み、（ｉｉ）その読みを、チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａから受取った所望の流量と比較し、そして（ｉｉｉ）必要に応じガス供給ラインの流量を調節する、ことを繰返す。更に、プロセスガス制御サブルーチン３５０は、ガス流量を危険なレートに関して監視するステップ、および危険な状態が検出された場合に安全遮断弁を作動させるステップを含むことができる。
【００４０】
幾つかのプロセスでは、反応プロセスガスがチャンバへ導入される前に、アルゴンのような不活性ガスがチャンバ１３内へ流され、チャンバ内の圧力を安定化させる。このプロセスに対して、プロセスガス制御サブルーチン３５０は、チャンバ内の圧力を安定化するのに必要な時間量の不活性ガスを、チャンバ１３内へ流すステップを含むようプログラムされる。次に上記で説明したステップが実行できる。
【００４１】
更に、プロセスガス制御サブルーチン３５０は、所定のプロセスガス流量の必要な値を含む記憶テーブルにアクセスすることにより所望のプロセスガス流量に対する必要な供給ガス流量を得るステップを含む。必要な値が得られれば、供給ガス流量が監視され、必要な値と比較され、それに応じて調節される。
【００４２】
プロセスガス制御サブルーチン３５０は、独立したヘリウム制御（ＩＨＣ）サブルーチン（示さず）により、ウェーハチャックの内側と外側の通路を介して、ヘリウム（Ｈｅ）のような熱移送ガスのフローも制御できる。ガスフローは、基板をチャックへ熱的に結合する。普通のプロセスで、ウェーハは、層を形成するプラズマと化学反応とにより加熱され、Ｈｅが、水冷されるチャックを介して基板を冷却する。これが、基板上の既存フィーチャを損傷し得る温度未満に基板を維持する。
【００４３】
圧力制御サブルーチン３６０は、チャンバの排気部での絞り弁の開口のサイズを調整することによりチャンバ１３内の圧力を制御するためのプログラムコードを含む。絞り弁によりチャンバを制御する基本的方法は少なくとも２つある。第１の方法は、とりわけ、全プロセスガスフロー、プロセスチャンバのサイズ、およびポンプ容量に関連するとしてチャンバ圧力を特性付けることに依存する。第１の方法は、絞り弁２６を固定位置に設定する。絞り弁２６を固定位置に設定することは、結果として最終的に定常状態圧力が得られる。
【００４４】
代替として、チャンバ圧力を、例えば圧力計で測定することができ、絞り弁２６の位置は、制御点がガス流量と排気容量により設定される境界内にあると想定して、圧力制御サブルーチン３６０に従い調節できる。後者の方法に関連する測定、比較および計算が発動されないので、前者の方法がより早くチャンバ圧力を変更する結果となるかもしれない。前者の方法は、チャンバ圧力の精密な制御が必要でない場合に望ましいかもしれない、それに対して、後者の方法は、層の堆積中のように、精確な、繰返しての、そして安定圧力が望まれる場合に望ましいかもしれない。
【００４５】
圧力制御サブルーチン３６０が発動される場合、所望の、または目標の圧力レベルは、パラメータとしてチャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａから受取られる。圧力制御サブルーチン３６０は、チャンバへ接続された１つ以上の従来の圧力計を読むことによりチャンバ１３内の圧力を測定する、測定された値を目標の圧力と比較する記憶圧力テーブルから、目標圧力に対応する比例、積分、微分（ＰＩＤ）値を得る、圧力テーブルから得られたＰＩＤ値に従い絞り弁２６を調節するよう作動させる。代替として、圧力制御サブルーチン３６０は、絞り弁２６を特定の開口サイズへ開いたり閉じたりすることが、チャンバ１３内の圧力を所望の圧力または圧力範囲へ調整する。
【００４６】
プラズマ制御サブルーチン３７０は、ＲＦ発生器３１Ａと３１Ｂの周波数とパワー出力の設定を制御するための、そして、整合ネットワーク３２Ａと３２Ｂを同調するためのプログラムコードを含む。プラズマ制御サブルーチン３７０は、先に説明したチャンバ構成要素サブルーチンと同様に、チャンバマネージャー・サブルーチン３３０Ａにより発動される。
【００４７】
堆積プロセスシーケンス
０．１８μｍテクノロジ世代では、ダマシンおよび従来の誘電体ギャップ充填製造スキームの両方が使用されるであろうと予期される。従来のプロセスフローでの適用に対して、３：１のアスペクト比で０．１８μｍスペースのギャップ充填が必要とされるであろう。発明者は、従来の酸化物と同等な性能を実証する、ＨＤＰ−ＣＶＤ堆積条件下でのギャップ充填メカニズムを発見した。本発明を以下に、上で説明したプロセスシステムで実行される好ましいプロセスシーケンスを参照して説明する。
【００４８】
ひとつの実施の形態では、α―ＦＣ膜の堆積中、基板へ容量的に結合されて、基板支持部材への印加される＞１００Ｗのバイアスパワーは、小フィーチャ、すなわち巾が０．２５μｍ以下で、膜組成の改善と良好なギャップ充填性能をもたらすことを、発明者は発見した。基板の温度は、処理中、好ましくは４５０℃未満の温度に維持される。本発明以前は、バイアスパワーを１００Ｗ以上に増加させることはフッ素前駆体をより断片化される結果となり、それは膜中に捕捉され得る遊離Ｆ-ソースになる、と考えられていた。過剰なＦ-の膜中への取込みはα―ＦＣ膜の炭素−炭素架橋を低減させ、膜の熱安定性を低下させる。加えて、Ｆ-は、電流漏洩を生じ、電荷が膜内に捕捉されるという有害な影響を有する。加えて、反応体混合中のより多いＦ-は、堆積膜のエッチング速度を高め、それにより体積速度を低下させる。
【００４９】
本発明は、断片化したフッ素と反応しそれを結合するよう、メタンまたはアセチレンのようなカーボンソースをチャンバ内に加えることによりこの問題と戦う。カーボンソースは、普通には水素ソースも供給して不必要な遊離フッ素原子を掃気する。反応ガス中の利用可能なカーボンを増加させることは、断片化したフッ素を結合させ、水素がフッ素の掃除屋の働きをすると考えられる。ＣxＦy（ｘ＝１〜４；ｙ＝３〜８）の幾つかは揮発性であり、チャンバからポンプ排気できる。結果として、得られた膜は遊離フッ素原子の取込みが少なく、連鎖分枝の改善を実証する。連鎖分枝の増加は、低誘電率を持ち、より熱的に安定な膜を結果としてもたらす。
【００５０】
好ましくは、Ｆ：Ｃの原子比を前駆体ガスで２未満に低減させるよう、カーボンソースが、チャンバ内へ流される。流量とパワーレベルの両方は、チャンバ内でＦ：Ｃ比が２未満であることを保証するように調節される。
【００５１】
２００ｍｍ基板上で行なわれる実施の形態の１つでは、好ましい前駆体ガスは、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）およびメタン（ＣＨ4）であり、それが、２未満の原子比を維持するよう選定された速度で、好ましくは、約２０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍ間の範囲で、チャンバへ流入される。アルゴンまたは他の不活性ガスが、２０ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍの速度でチャンバへ流入され、堆積が基板上で行なわれると、ｉｎ ｓｉｔｕで成長する面をスパッタする。１００Ｗより大きい、好ましくは約１０００Ｗのバイアスパワーが基板支持部材へ印加され、好ましいＣ−Ｆ結合構造を、許容できる体積速度で膜内に達成する。約１０００Ｗのバイアスパワーは、０．２５μｍ巾で所望のギャップ充填性能を提供する。ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ2Ｈ2、Ｃ6Ｈ6、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＨＦ3およびＣ6Ｆ6のような他のカーボンガスソース、そしてＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＨＦ3およびＣ6Ｆ6のようなフッ素ガスソースが、チャンバで利用可能なＦ：Ｃの原子比が２未満に維持される限り、使用できる。加えて、この分野で既知の他の不活性ボンバーディング (bombarding) ガスが使用できる。
【００５２】
実施例１
実験を、カリフォルニア州サンタクララ所在の Applied Materials, Inc. から入手可能な UltimaTM ＨＤＰ−ＣＶＤリアクタで行った。ソースおよびバイアス発生器のＲＦ周波数は、２．０および１３．５６ＭＨｚであった。両発生器の最大パワー出力は、５０００Ｗであった。α−ＦＣ膜を、ＨＤＰ−ＣＶＤプラズマ状態下でオクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）およびメタン（ＣＨ4）の反応により堆積した。堆積中のチャンバ圧力は１０ｍｔｏｒｒ未満であった。ギャップ充填堆積に対して、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）およびメタン（ＣＨ4）両方を、チャンバへ約５０ｓｃｃｍの速度で流入させた。アルゴンをチャンバへ約５０ｓｃｃｍの速度で流入させた。１０００Ｗのソースパワーと１０００Ｗのバイアスパワーをそれぞれソースコイルと基板支持部材へ印加した。７０００Åのα―ＦＣ膜を基板上に堆積した。
【００５３】
実施例２（比較用）
比較用実施例では、基板支持部材へ供給されるバイアスＲＦパワーが１００Ｗであることを除き、全てのパラメータは同じであった。
【００５４】
図２ａと２ｂは、ＳＥＭであり、上記で説明した実施例の結果をそれぞれ比較する。２つのプロセス間の差は、基板へ印加されるバイアスパワーのレベルと充填されるフィーチャのサイズだけである。図２ａは０．２５μｍのフィーチャを示し、図２ｂは０．６μｍのフィーチャを示す。１０００Ｗの高いバイアスパワーを使用したプロセスは、０．２５μｍフィーチャの完全なギャップ充填を示す。両プロセスとも、共１０００ＷのソースＲＦパワーを使用した。マイクログラフに示すように、低バイアスパワーをプロセスで使用した場合、金属線間のギャップにボイドが存在する。バイアスパワーを約１０００Ｗまで増加させるに従い、ギャップ充填性能が改善し、それにより、より小さなフィーチャがボイドの形成も無く充填された。
【００５５】
図３は、熱収縮率とバイアスパワー間の関係を示すグラフである。バイアスパワーを約１００Ｗから約１０００Ｗに増加させるに従い、結果としての膜の熱収縮率は、約８％から約１％未満へ減少する。α−ＦＣ膜の熱安定性を、堆積したままの膜を４００℃真空でアニールする前後での厚さ変化により監視した。
【００５６】
図４は、Ｃ4Ｆ8：ＣＨ4比と、膜収縮および堆積速度との間の関係を示すグラフである。膜収縮は膜組成と堆積温度に強く依存することが分かった。ＣＨ4：Ｃ4Ｆ8＝１（Ｆ：Ｃ≦２）の場合、１０００Ｗで膜収縮は最小である。更なるＦ含有量の増加は、α−ＦＣ膜の熱安定性を低下させる。多分、高Ｆ含有量の膜は架橋が少なく、従って高温で容易に変形することになる。ＣＨxグループは高温で容易に解離するので、膜中で低い水素と酸素の含有量が、熱安定性に対するもう１つの主要点である。ＴＤＳスペクトルは、ＣＨおよびＣＦxがアニール中の主たる脱着核種であることを確認する。
【００５７】
図５は、アニール時間と誘電率間の関係を示すグラフである。α−ＦＣ膜の誘電率を、１ＭＨｚで水銀プローブによる静電容量測定から算出した。４００℃でＮ2中でのアニール後の誘電率値は時間とともに変化せずに膜の熱安定性を示す。
【００５８】
フッ素および他の汚染物質のガス放出を制御するチャンバのシーズニングステップ
堆積チャンバの内面からのフッ素のガス放出は、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、ＦＳＧ、またはその組合せの被覆でチャンバの壁をシーズニングすることにより、阻止できることが分かった。チャンバ壁上の被覆の厚さは、内面からのフッ素のガス放出を防止するのに十分であり、好ましくは少なくとも約１００Åである。チャンバのシーズニングプロセスは、普通には基板を堆積チャンバ内で位置決めする前にＣＶＤにより実施されるであろう。プロセスガス処方は、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素をチャンバの内面上に堆積するよう使用される。シーズニング膜を堆積するためのプロセスの１つは、約１５００〜４５００Ｗ間の範囲のソースパワーで窒素をシランと反応させる。窒素は、好ましくは約１００〜約３００ｓｃｃｍの速度で供給され、シランは、約５０〜約１２０ｓｃｃｍの速度で供給される。チャンバの温度は、６０〜７０℃の範囲またはそれより高くてよい。他の適切な堆積プロセスは、米国特許第５，５８９，２３３号に記載されており、その記載を本明細書に援用し、そこでは、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素が、基板および露出した堆積チャンバの内面に堆積され、チャンバの内面に保持されたドーパントにより汚染物質を防止する。チャンバ壁のシーズニング後、パターン化された金属面を有する基板がチャンバ内で位置決めされ、フッ素含有層を堆積するために上で説明したプロセス、またはフッ素含有膜を形成するための他の既知のプロセスに従い処理される。
【００５９】
金属面へのフッ素含有誘電体の接着性の改善
本発明の更に別の局面では、パターン化された金属線のような露出した金属面を有する基板へのフッ素含有誘電体膜の接着性を改善するために、金属層の窒素詰込のための方法を提供する。本発明の１つの局面では、堆積されたチタンまたは窒化チタンの窒素詰込のための方法が提供され、ＴｉＮ／Ｎ2面を形成する。プラズマ中の窒素イオンは、堆積された金属層をボンバードし、堆積された金属膜の構造を改変して金属上への誘電体膜の接着性を改善する。
【００６０】
１つの特定の実施の形態では、フッ素含有誘電体材料は、メタン（ＣＨ4）およびオクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）のようなそれぞれカーボンとフッ素のソースを含む堆積プロセスガスから形成されたアモルファス・フルオロカーボン材料である。他のカーボンソースも使用できるが、しかし、メタンまたはアセチレンが好ましい。他のフッ素ソースは、ヘキサフルオロベンゼン（Ｃ6Ｆ6）およびヘキサフルオロプロパン（Ｃ3Ｆ6）を含む。追加のフッ素イオンは、ポリマー膜のフッ素化を制御するよう生成してよい。アモルファス・フルオロカーボンは化学的に不活性なアモルファス誘電体材料である。
【００６１】
窒化チタンのＮ2詰込は、最初に５００Å未満の厚さを有する窒化チタン膜、または他の金属膜を堆積することにより行なわれる。窒化チタンは、好ましくは、約５秒と約３０秒間の間、窒素（Ｎ2）スパッタガス中でチタンターゲットをスパッタすることにより堆積される。次いで、Ｎ2のフローはチャンバ内へ継続され、プラズマはチャンバ内で衝突させられて、堆積されたＴｉＮとＮ2プラズマとの間の反応を促進する。プラズマは詰込の好ましい方法ではある一方、Ｎ2をＴｉＮ上に提供してもよく、また熱反応のような異なる反応がＴｉＮとＮ2プラズマ間の反応を促進してもよい。プラズマが使用される場合、Ｎ2は、好ましくは、約５ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍとの間の速度でチャンバへ供給され、その一方でチャンバは、約０．５ｍＴｏｒｒと約５Ｔｏｒｒとの間の圧力に維持される。パワーは、容量的または誘導的にチャンバへ結合され、Ｎ2を励起された中性または類似へ励起し、基板上のＴｉＮと反応する。基板の温度は、好ましくは、約室温から約５００℃の範囲に維持される。
【００６２】
図６Ａは、処理された基板４００の部分断面図を示し、それは、ＳｉＯ2のような誘電体層４１２、および、メタライゼーション金属形成とプラズマエッチングのような従来方法で形成されたパターン化された金属線４１４を有する。処理された基板でバイアまたは線を作成するのに使用される金属は、普通はアルミニウムまたは銅である。パターン化された金属線はトレンチ４１６により分離され、トレンチは低誘電率材料で充填されることになる。
【００６３】
図６Ｂを参照すると、ＴｉＮ層４１８が、図４Ａの基板４００上へ物理気相堆積（ＰＶＤ）により堆積され、次に、５Å超の厚さのＴｉＮ／Ｎ2面を形成するよう窒素にさらされる。ＴｉＮ／Ｎ2面は、好ましくは、フッ素による攻撃から金属線４１４を保護するよう連続している。好ましいＴｉＮ層４１８は、単分子層から約２００ÅまでのＰＶＤＴｉＮから成り、５Åと５０Åとの間の厚さの連続ＴｉＮ／Ｎ2面を形成するよう窒素詰込ステップがそれに続く。
【００６４】
図６Ｃは、ＴｉＮ／Ｎ2層１８上に堆積されたアモルファス・フルオロカーボン層４２０を示す、図４Ｂの基板４００の概略部分断面図である。アモルファス・フルオロカーボン層は、上で説明したように低誘電率を有するフッ素含有誘電体層である。
【００６５】
以上は、本発明の好ましい実施の形態に向けられたが、本発明の他のおよび更なる実施の形態は、本発明の基本範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、以下につづく特許請求の範囲により決められる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明による高密度プラズマ化学的気相堆積システムの１つの実施の形態を単純化した図である。
【図１Ｂ】 図１Ａの実例のＣＶＤプロセスチャンバと共に使用できるガスリングの単純化断面である。
【図１Ｃ】 図１Ａの実例のＣＶＤプロセスチャンバと共に使用できるモニタと光ペンを単純化した図である。
【図１Ｄ】 図１Ａの実例のＣＶＤプロセスチャンバを制御するために使用されるプロセス制御コンピュータプログラム製品の実例のフローチャートである。
【図２Ａ】 高バイアスパワーで堆積された膜を有する２つのマイクログラフの比較を図解である。
【図２Ｂ】 低バイアスパワーで堆積された膜を有する２つのマイクログラフの比較を図解である。
【図３】 バイアスパワーと膜収縮との間の関係を示すグラフである。
【図４】 Ｃ4Ｆ8：ＣＨ4比と、膜収縮および体積速度の両者との間の関係を示すグラフである。
【図５】 アニーリング時間と誘電率との間の関係を示すグラフである。
【図６Ａ】 この技術で既知の方法により堆積されたアルミニウム線を含む基板の概略部分断面図である。
【図６Ｂ】 本発明により基板上に堆積され、窒素にさらされた窒化チタン層を示す、図４の基板の概略部分断面図である。
【図６Ｃ】 基板上に堆積されたフッ素含有誘電体材料を示す、図５の基板の概略部分断面図である。

Claims (9)

  1. 内面からのフッ素のガス放出を防止するのに十分な量で、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素を堆積チャンバの内面上へ堆積させるステップと；
    窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素を前記堆積チャンバの内面上へ堆積させるステップの後に、前記堆積チャンバ内で、パターン化された金属面を有する基板を位置決めするステップと；
    前記基板上に少なくとも１つの接着層を堆積するステップと；
    前記接着層上へフッ素含有誘電体材料を堆積するステップとを含む、
    基板上の金属面へのフッ素含有誘電体材料の接着性改善方法。
  2. 前記パターン化された金属面が、パターン化されたアルミニウム線を備える、請求項１記載の方法。
  3. 前記フッ素含有誘電体材料は、アモルファス・フルオロカーボン材料である、請求項１記載の方法。
  4. 前記少なくとも１つの接着層がＴｉＮ接着層である、請求項１記載の方法。
  5. 前記フッ素含有誘電体材料の堆積に先立ち、前記ＴｉＮ接着層を窒素にさらすことによって、前記ＴｉＮ接着層上にＴｉＮ／Ｎ2面を形成するステップを更に含む、請求項４記載の方法。
  6. 内面からのフッ素のガス放出を防止するのに十分な量で、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素を堆積チャンバの内面上へ堆積させるステップと；
    窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素を前記堆積チャンバの内面上へ堆積させるステップの後に、金属面を有する基板を、前記堆積チャンバ内で位置決めするステップと；
    前記金属面上へＴｉＮ接着層を堆積するステップと；
    前記ＴｉＮ接着層を窒素と接触させることによりＴｉＮ／Ｎ2面を形成するステップとを含む、
    基板上の金属面へのフッ素含有誘電体材料の接着性改善方法。
  7. 前記金属面が、パターン化されたアルミニウム線である、請求項６記載の方法。
  8. 前記ＴｉＮ／Ｎ2面上へフッ素含有誘電体材料を堆積させるステップを更に含む、請求項６記載の方法。
  9. 前記フッ素含有誘電体材料が、アモルファス・フルオロカーボン材料である、請求項８記載の方法。
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