JP4633348B2 - 積層構造体の形成方法及び絶縁膜の集積方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスに使用される集積化された絶縁層を形成する方法に関し、特に、ＣＶＤ装置を使用したエッチング停止層の形成を伴う方法に関する。
半導体デバイスは、絶縁層によって互いに絶縁された金属層を有する。デバイスの縮小化が進むに従って、金属層間の距離は、ますます減少していく。この状況を克服して金属線すなわち金属層を分離する絶縁層を形成するために、低比誘電率の絶縁膜が、従来の酸化シリコン膜や相対的に高い比誘電率を有する他の材料に置き換わるように導入されている。
このような状況に好適とみなされる材料は、炭素含有酸化シリコン膜である。金属線を分離するためにこの材料を使用すれば、低伝播遅延、低クロストークノイズ及び低電力のデバイスを得ることができる。この膜を酸化シリコン膜に置換できるものと考えられるが、この膜は、酸化シリコン膜に匹敵できない他の膜特性を有する。これは、例えば、弾性率及び硬度を含む。たいていの炭素含有膜は、酸化シリコン膜の１４％未満の弾性率及び酸化シリコン膜の２０％の硬度を有する。これらの特性は、ウェハーに対して、化学機械研磨（ＣＭＰ）や長時間続く集積化処理を伴うパッケージングのような後処理が実施される時に、深刻な問題を起こすおそれがある。
従って、長時間続く集積化処理を避けるために、高弾性率及び高硬度を有する膜が必要になる。いわゆる、”エッチングストップ層のないインテグレーション”に関する従来の方法は、後の金属トレンチエッチング処理中にビアホールの角に生じる強度な腐食が原因で、それほど成功していない。
種々のダマシンに関する方法が、所望の特性を有するダマシン構造を微細に製造する分野において報告されている。例えば、ダマシン法は、以下の公報に開示されている。
（１）米国特許第６，１００，１８４号明細書（Ｕ．Ｓ．Ｐ Ｎｏ．６，１００，１８４ Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．）には、銅を含む隣接するパターン化された導電体の相互接続及び比較的低い比誘電率の絶縁体材料で形成された絶縁層を介して形成されたビアと隣接するトレンチ内のパターン化された導電体スタッドを形成し、これにより、その下に形成された銅含有導電体層と接触させる方法が開示されている。ここで、導電体バリア／エッチング停止層は、その下に形成された銅含有導電体層の表面のみを選択的に保護するために使用される。
（２）米国特許第６，１４０，２２６号明細書（Ｕ．Ｓ．Ｐ Ｎｏ．６，１４０，２２６ Ｚｈａｏ，ｅｔ ａｌ．）には、隣接するパターン化された導電体相互接続及び比較的低い比誘電率の絶縁体材料で形成された絶縁層を介してビアと隣接するトレンチ内のパターン化された導電体スタッドを形成する方法が開示されている。ここで、側壁ライナー層が、それと共にビアを隣接して形成するときに、トレンチの側壁を横方向エッチングから保護するために使用される。
（３）米国特許第６，１７７，３６４号明細書（Ｕ．Ｓ．Ｐ Ｎｏ．６，１７７，３６４ Ｈｕａｎｇ）には、隣接するパターン化された導電体相互接続及び比較的低い比誘電率のフッ化ケイ酸ガラス（ＦＳＧ）絶縁体材料で形成された絶縁層を介してビアと隣接するトレンチ内のパターン化された導電体スタッドを形成する方法が開示されている。ここで、窒素−水素プラズマ処理が、その中に隣接するパターン化された導電体相互接続とパターン化された導電体スタッド層を形成するに先立って、ビアと隣接するトレンチ内の絶縁層の側壁を保護するために使用される。
（４）米国特許第６，２１１，０９２号明細書（Ｕ．Ｓ．Ｐ Ｎｏ．６，２１１，０９２ Ｔａｎｇ）には、絶縁層を介して、デュアルダマシン法に対するデュアルダマシン開口を形成するときに使用される端ぐり（カウンタボア）型の絶縁体エッチング法が開示されている。ここで、端ぐり型の絶縁体エッチング法は、絶縁層を介してビアを最初に形成するときに、複数のエッチング工程を使用する。
微細な電子デバイスを製造する分野においては、比較的低い比誘電率の絶縁体材料で形成された微細電子絶縁層間にそれぞれ介在するパターン化された微細導電体層のために使用され、これにより微細電子絶縁層へのダメージを減少させる新たなダマシン法及び材料が望まれている。
現在、市場で入手可能な低比誘電率膜はすべて、ダイヤモンド押込法（例えば、ＭＴＳにより製造されたナノ押込装置）により測定された１０ＧＰａ未満の弾性率を有する。
米国特許第６，１００，１８４号明細書 米国特許第６，１４０，２２６号明細書 米国特許第６，１７７，３６４号明細書 米国特許第６，２１１，０９２号明細書
本発明の目的は、ＣＭＰやパッケージングのような後処理に関する従来の方法や膜に比べて多大な利点を有する方法及び膜を提供することにある。
以下に、従来の集積化方法について、さらに説明する。ビアがトレンチの前に形成される従来のデュアルダマシン技術を実施するにあたって、エッチング停止層は、キャップされた金属物上に重なる第１の絶縁層の上下に形成される。エッチング停止層は、通常は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコンで形成され、エッチング停止層上に重ねて堆積された第２の絶縁層に対して高いエッチング選択比を有するよう選ばれる。その後、フォトレジストマスクが第２の絶縁層上に形成され、そして、異方性エッチングが第１及び第２の絶縁層を介してビアを形成するように実施されて、下方のエッチング停止層上で停止する。その後、トレンチパターンが、ビア（コンフォーマルでかつ平坦性を有する）を埋めるバリア非反射コーティング（ＢＡＲＣ）を使用して第２の絶縁層上に形成される。トレンチ異方性エッチングが、トレンチを形成するように実施され、上方のエッチング停止層（第２の絶縁層の下に位置し、それゆえ、”中間”エッチング停止層と称される）上で停止する。最後に、フォトレジストが従来のアッシング処理で除去され、その後、銅の金属化（メタル化）が実施される。
微細化が金属線のサイズの縮小化（例えば、金属線の幅が約０．２５ミクロン以下、あるいは約０．１ミクロン以下）に伴って進行するに従って、層間材料のＩＬＤ（Ｉｎｔｅｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）比誘電率は大変重要になる。これは、エッチング停止層の比誘電率を含む。そこで、高い寸法精度と低い効果的ｋ値（比誘電率）と共に、金属線のような金属の形成を可能にするための相互配線法が必要になってくる。
本発明は、これらの複雑な集積化に関する問題の解決策を提供する。つまり、上記課題を解決するため、本発明は、高い寸法精度と低いｋ値（比誘電率）を有する絶縁膜の集積方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、基板上にエッチングされるべき層（エッチング層）とエッチング停止層とを有する積層構造を形成する方法を提供する。本実施態様の方法は、（ｉ）反応室中に、シリコンとカーボンとを含む原料ガスから成る反応ガスを原料ガス流量で導入する一方、不活性ガスを原料ガス流量の４０％以上の不活性ガス流量で導入し、（ii）加熱された基板支持部材上に取り付けられた基板の上流側であってかつ反応ガスが存在する空間に、プラズマエネルギーを印加し、（iii）プラズマエネルギーを使用して、反応ガスから基板上にエッチング停止層を形成し、（iv）基板上に少なくとも一つのエッチング層を形成する工程を有する。このように、積層構造は、デュアルダマシン構造である。
前記原料ガスは、好ましくは、ＳｉαＯα−１Ｒ２α−β＋２（ＯＣｎＨ２ｎ＋１）βである。ここで、αは１−３の整数であり、βは１−３の整数であり、ｎは１−３の整数であり、ＲはＳｉに付着されたＣ１−６炭化水素である。好ましくは、前記原料ガスは、ジメチル ジメトキシ シランである。
上記本発明の態様によれば、エッチング停止層は、不活性ガス流量を変化させることにより形成され、前記エッチング停止層形成工程及び前記エッチング層形成工程は、同じ室内で、真空状態を維持したまま連続して実施されることが望ましい。これは、半導体デバイスの製造には大きな利点である。さらに、前記エッチング停止層形成工程及び前記エッチング層形成工程は、同じ原料ガス及び不活性ガスを使用することが好ましい。
不活性ガス流量が高いとき、形成される膜の密度は高くなる。すなわち、優れた硬度及びエッチング耐性が現れる。従って、前記エッチング停止層形成工程における不活性ガス流量は、前記エッチング層形成工程における不活性ガス流量より大きいことが好ましい。さらに、前記エッチング層形成工程において、不活性ガス流量は原料ガス流量の４０％以下であることが望ましい。この結果、異なった特性を有する二つの膜が容易に形成できる。エッチング層は絶縁体として機能し、エッチング停止層はマスクとして機能する。よって、前記エッチング停止層形成工程は、エッチング停止層の比誘電率を３．０以下に調整する条件下で実施されることが好ましい。
上記態様では、好ましくは、前記プラズマエネルギーは、上部及び下部電極としてそれぞれ機能するシャワーヘッドとサセプターとの間にそれぞれ印加され、前記基板はサセプター上に実装されている。さらに、前記反応ガスは、反応ガスを反応室に導入する工程に先立って、遠隔プラズマ室内でプラズマエネルギーを使用して励起される。
好ましくは、前記原料ガス流量は、５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲内にある。
上記方法は、さらに、ホールを形成するために、エッチング停止層以外のエッチング層をエッチングし、このホールを銅で埋める工程を有することが望ましい。
本発明の他の態様では、絶縁膜の集積方法が提供される。本態様の方法は、（i）シリコン、炭素、酸素及び水素を含む原料ガスから成る第１の反応ガスを第１の原料ガス流量で使用する一方で、第１の不活性ガスを第１の不活性ガス流量で使用して、基板上に第１の絶縁層を堆積し、第１の不活性ガス流量は第１の原料ガス流量の４０％以下であり、第１の反応ガスはプラズマエネルギーで励起されており、（ii）続いて、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む原料ガスから成る第２の反応ガスを第２の原料ガス流量で使用する一方、第２の不活性ガスを第２の不活性ガス流量で使用して、第１の絶縁層上に第２の絶縁層を堆積し、第２の不活性ガス流量は第２の原料ガス流量の４０％以上であり、第２の反応ガスはプラズマエネルギーで励起される工程を有する。本態様では、前記原料ガスは、アルキル・オーガニック・シリケートであることが好ましい。さらに、好ましくは、前記第１及び第２の絶縁層は、炭素含有酸化シリコンから成る。
第１の絶縁層は、層間絶縁体（ＩＭＤ）層として機能する。第２の絶縁層は、ＩＭＤエッチング停止層又は化学機械研磨（ＣＭＰ）キャップ層として機能する。
上記態様によれば、前記第１及び第２の絶縁層は、１２ＧＰａもしくはそれ以下及び１３ＧＰａもしくはそれ以上の弾性率をそれぞれ有することが望ましい。さらに、前記第１及び第２の絶縁層は、２．０ＧＰａもしくはそれ以下及び２．０ＧＰａもしくはそれ以上の硬度をそれぞれ有することが望ましい。従って、第１及び第２の絶縁層は、絶縁体及びエッチングストッパーとしてそれぞれ効果的に機能する。
絶縁層は、好ましくは、アモルファス構造を有する。この構造では、Ｓｉ−Ｏ結合のＳｉはそれに結合されたＣを有し、Ｃはそれに結合されたＨを有する。
本発明の前記第１の態様と同様に、前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程は、同じ室内で真空状態を維持したまま、あるいは、少なくとも基板を反応室からアンロードすることなく連続して実施されることが好ましい。本態様では、集積方法はＣＶＤ室で行われるのが好ましい。さらに、好ましくは、前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程は、同じ原料ガス及び不活性ガスを使用する。第１及び第２の原料ガス流量は、それぞれ、５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲内にある。好ましくは、前記第２の絶縁層形成工程は、第２の絶縁層の比誘電率を３．０以下に調整する条件下で実施される。
他の態様では、前記第１及び第２の反応ガスは、基板が処理される反応室の上流側に配置された遠隔プラズマ室で、プラズマエネルギーを使用して最初に励起されることが好ましい。
従来技術では達成できない効果を説明するために、上述のように、本発明の目的及び効果についての説明が成された。もちろん、本発明の特別の実施例によっては、上記のすべての目的及び効果が必ずしも達成されるとは限らない。従って、本発明に係る技術分野の当業者ならば、本願明細書で教示又は示唆されている他の目的及び効果が必ずしも達成されなくても、本明細書中で教示されている効果を達成するように本発明を実施することは可能である。
本発明のさらなる態様、特徴及び効果は、後述の好適な実施例の詳細な記載から明らかになるであろう。
本発明によれば、一連の低ｋ膜のみがデュアルダマシン構造に使用される一方で、層のｋ値は従来構造のエッチング停止膜（エッチングストッパー）に比べて非常に小さい。さらに、絶縁膜及びエッチング停止膜は、単一のＣＶＤ室で連続した手順で形成される。本発明では、エッチング停止膜のエッチング率は、絶縁膜のエッチング率の１／１０以下である。
以下、図面を参照し、本発明の最良の実施形態を説明する。上述のように、本発明は、種々の応用が可能である。
本発明の一実施例では、３．０未満の低比誘電率と、それぞれ１２ＧＰａ及び２．１ＧＰａより大きい弾性率と硬度とを有する絶縁膜を堆積する方法を提供する。この膜は、デュアルダマシン構造の形成におけるエッチング停止膜として特に有益である。３．５未満の低比誘電率膜は、炭化シリコン膜のようなｋ値が４．９の従来のエッチング停止膜よりも多大な利点を有する。
一実施例では、ＳｉＣＯ膜がシリコン基板上に形成されているとき、Ｓｉ（ＯＣＨ３）２（ＣＨ３）２とヘリウムの混合ガスが供給される。Ｓｉ（ＯＣＨ３）２（ＣＨ３）２とヘリウムガスの比は、例えば、混合ガス中のＳｉ（ＯＣＨ３）２（ＣＨ３）２の４０％を超えた目標値を使用して調整される。プラズマエネルギーによって、薄膜が基板上に形成される。他の実施例では、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）やトリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ３）３））がＳｉＣＯ膜の形成に対して適用され得る。
例えば、一実施例では、膜形成は、以下の条件の下で実施される。
ヘリウム：４０％を超えるＳｉ（ＯＣＨ３）２（ＣＨ３）２比
２７．１２ＭＨｚ＝１４００−１８００Ｗ又は４００ｋＨｚのＲＦ電力の組合せ
圧力＝５６０Ｐａ
電極ギャップ＝２４ｍｍ
基板温度＝３７０−３８０℃
好ましい実施例のＣＶＤ装置では、チャンバーは反応室から離れた位置に備えられ、遠隔プラズマ放電エネルギーで反応室とパイプにより連結されている。これは、図１を参照して説明される。
図１は、本発明の一実施例による典型的なプラズマＣＶＤ装置の概略断面図である。プラズマＣＶＤ装置１は、半導体ウェハーのような基板上に薄膜を形成するような使用され、反応室２と、半導体ウェハー９を支持するように反応室内に備えられた支持部３と、支持部３と対向するように位置しかつ半導体ウェハー９に反応ガスを均等に噴出するように使用されるシャワーヘッド４と、処理された反応ガスと反応室２からの生成物を排出する排出口２０と、遠隔プラズマ放電室１３とを有する。遠隔プラズマ放電室１３は、反応室２から遠隔に位置し、パイプ１４とバルブ１５を介してシャワーヘッド４に連結されている。遠隔プラズマ放電室１３は、指定された周波数の出力エネルギーを発振する高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用して活性種を発生する特性を有し、パイプ１４は活性種により腐食されない材料で形成されている。
反応室２内に設けられ、半導体ウェハー９を搭載するように使用される支持部３は、アルミニウム合金の陽極酸化アルミニウムから形成され、プラスマ放電電極の一方側を構成するように接地２７されている。図示された実施例の反応室２は、ｉｎ ｓｉｔｕブラズマ発生（室内で同時にプラズマを発生）のために構成されたブラズマＣＶＤ室である。図示された支持部３内には、リング状の加熱素子２６が埋め込まれており、半導体ウェハーの温度が温度制御装置（図示せず）を使用して、予め定められた温度に制御される。支持部３は、支持ピストン２９を使用して支持部３を上下に移動させる駆動機構２５に接続されている。
反応室２内には、シャワーヘッド４が支持部３と直面する位置に設けられている。シャワーヘッド４内には、数千の微細穴が半導体ウェハー９上に反応ガスを噴射するように設けられている。シャワーヘッド４は、整合回路１０を介して高周波（ＲＦ）発振器８に接続され、プラズマ放電の他方の電極を構成する。シャワーヘッド４から膜形成に使用される反応ガスを導入するために、反応ガス導管１１がパイプ１４に接続されている。ガス導管１１の数は、１つに限定されない。反応ガスの種類に応じて、必要な数のガス導管が設置可能である。ガス導管１１の一端は、反応ガスをシャワーヘッド４内に流すようにガス導入ポート５を構成し、他端は、反応ガスをシャワーヘッド４の外に流すように反応ガス排出ポート７を構成する。反応ガス導管１１の中間には、質量流量制御装置（図示せず）とバルブ６が設けられている。
反応室２の側壁には、排出口２０が設けられている。排出口２０は、パイプ１７を介して真空排気ポンプ（図示せず）に接続されている排出口２０と真空ポンプとの間には、コンダクタンス制御バルブ２１が反応室２内の圧力を規制するように設けられている。コンダクタンス制御バルブ２１は、外部のレギュレーター２８に電気的に接続されている。
さらに、圧力ゲージ２８ａが反応室２内の圧力を測定するために設けられるのが好ましい。この圧力ケージ２８ａは、レギュレーター２８に電気的に接続されている。
米国出願Ｎｏ．０９／７６４．５２３（２００１，１．１８出願）に開示されているＣＶＤ装置は、本発明に使用可能である。
次に、ウェハー９上に形成された低ｋ高硬度膜の膜形成の本発明の一実施例について図示する。
最初に、反応室２の内部が、出口２０を介して、外部真空ポンプ（図示せず）により、真空排気される。反応室２内の圧力は、コンダクタンス制御バルブ２１の開口の程度により、５００Ｐａから７００Ｐａ（５００から６００Ｐａの範囲を含む）の範囲内に規制され得る。次に、加熱素子２６により加熱された支持部３は、温度制御装置（図示せず）を使用して、３００℃から４５０℃、好ましくは、３２５℃から３７５℃の範囲内で、半導体ウェハー９の温度を指定された温度（基板温度として測定される）に制御する。
その後、不活性ガスが、ジメチル ジメトキシ シラン（ＤＭＤＭＯＳ），Ｓｉ（ＯＣＨ３）２（ＣＨ３）２）のような液体原料ガスの４０％以上の割合で、反応室に流される。例えば、ＤＭＤＭＯＳの流量が１００ｓｃｃｍのとき、不活性ガスの流量は、４０ｓｃｃｍ以上、好ましくは、７０ｓｃｃｍ以上（ＤＭＤＭＯＳ流量の７０％以上）である。上述の一実施例では、直径２００ｍｍの半導体基板を処理するにあたって、ＤＭＤＭＯＳ流量は、５０Ｓｃｃｍ以上、好ましくは、１００ｓｃｃｍ以上（３００ｓｃｃｍを含む）、より好ましくは、１００ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲内である。３００ｍｍのような大きな直径を有する基板が処理される場合には、原料ガス流量は、適宜増加する（例えば、直径の増加に比例する）。
一実施例では、高硬度層に対する不活性ガス流量は、原料ガス流量の４０％以上であり、不活性ガス流量は、例えば、４５％，５０％，５５％，６０％，６５％，７０％，７５％，８０％，９０％，１００％，１１０％，１２０％，１５０％，１７０％，２００％，２５０％，３００％及び上記いずれかの値の中間の範囲を含む。
高硬度層を従来の絶縁層と組み合わせたとき、従来の絶縁層に対する不活性ガス流量は４０％未満であり、不活性ガス流量は、例えば、３５％，３０％，２５％，２０％，１５％，１０％，５％，０％及び上記いずれかの値の中間の範囲を含む。
原料ガスとして、その分子構造においてＳｉ，Ｃ，Ｈ及びＯを有するガスを含むものであれば、低ｋ膜に対する好ましい材料として使用可能である。例えば、化学式ＳｉαＯα−１Ｒ２α−β＋２（ＯＣｎＨ２ｎ＋１）βを有するシリコン含有炭化水素が使用できる。ここで、αは１−３の整数であり、βは１−３の整数であり、ＲはＳｉに付着したＣ１−６炭化水素である。低ｋ膜は、ノンドープシリコンガラス（ＮＳＧ），リン酸塩含有シリコンガラス（ＰＳＧ），ボロンリン酸塩含有シリコンガラス（ＢＰＳＧ），フッ素含有シリコンガラス（ＦＳＧ），シリコン含有炭素化合物，有機シリコン，又はシロキサン重合体などにより形成される。シロキサン重合体は、米国特許Ｎｏ．６，４５５，４４５（２００２，９．２４発行）、米国特許Ｎｏ．６，３５２，９４５（２００２，３．５発行）、米国特許Ｎｏ．６，３８３，９５５（２００２，５．７発行）、米国特許Ｎｏ．６，４１０，４６３（２００２，６．２５発行）、米国特許Ｎｏ．６，４３２，８４６（２００２，８．１３発行）に開示されているように、効果的に使用でき、本発明にも使用可能な材料ガスを開示している。
不活性ガスとしては、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒこれらの二つ以上の混合物が使用可能である。Ｈｅ又はＡｒは、高硬度膜を堆積するのに好ましい。ＨｅとＡｒの混合物は、より高い硬度値を有する低ｋ膜を得るのに効果的である。これらのガスは、ガス排出ポート７を介してシャワーヘッド４に流れる前であってバルブ６を通過後に、導入ポート５に先立ってあるいは導入ポート５で予め混合される。この混合は、液状又はガス状で実施され得る。
２７ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を有する電力又は２７ＭＨｚと４００ｋＨｚの間の混合電力が、例えば、高周波（ＲＦ）源８によって、シャワーヘッド４に印加される。例えば、反応室内にプラズマ放電を発生させるためには、２７ＭＨｚＲＦ電力がシャワーヘッド４に印加され、その電力は、ほぼ１０００Ｗ（２．６３Ｗ／ｃｍ２）から３０００Ｗ（７．９０Ｗ／ｃｍ２）、好ましくは、１５００Ｗ（３．９５Ｗ／ｃｍ２）から２０００Ｗ（５．２６Ｗ／ｃｍ２）である。他の実施例では、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力、１３．５６ＭＨｚと３５０ｋＨｚ−５００ｋＨｚの混合電力又は２７．１２ＭＨｚと３５０ｋＨｚ−５００ｋＨｚの混合電力がプラズマを発生させるために使用され得る。一実施例では、２７．１２ＭＨｚと４００ｋＨｚの混合ＲＦ電力が上部電極に印加されるとき、２７．１２ＭＨｚの電力が５００Ｗから３０００Ｗの範囲内にあり、４００ｋＨｚの電力が１００Ｗから１０００Ｗの範囲内にある。他の実施例では、２７．１２ＭＨｚの電力が１０００Ｗから２０００Ｗの範囲内にあり、４００ｋＨｚの電力が１５０Ｗから５００Ｗの範囲内にある。さらに、一実施例では、１３．５６ＭＨｚと４００ｋＨｚの混合ＲＦ電力が上部電極に印加されるとき、１３．５６ＭＨｚの電力が５００Ｗから２０００Ｗの範囲内にあり、４００ｋＨｚの電力が１００Ｗから１０００Ｗの範囲内にある。他の実施例では、１３．５６ＭＨｚの電力が７５０Ｗから１５００Ｗの範囲内にあり、４００ｋＨｚの電力が２００Ｗから５００Ｗの範囲内にある。さらに、１３．５６ＭＨｚがプラズマの発生に単独で使用されるとき、そのＲＦ電力は５００Ｗから３０００Ｗの範囲内、好ましくは、７５０Ｗから１５００Ｗの範囲内に設定される。上記電力は可変であり、上記値には限定されず、反応ガスの種類、基板の大きさ、ＣＶＤ装置の種類及びプラズマ処理の条件に依存する。
低ｋ膜は、プラズマＣＶＤ（ＲＰ−ＣＶＤ（Ｒｅｍｏｔｅ ｐｌａｓｍａ ＣＶＤ）及びＰＥＣＶＤを含む）及び熱ＣＶＤ等を含む好適な方法によって堆積される。これらの方法は、前述の米国特許に開示されており、本発明においても使用可能である。
各パラメーターは、種々の大きさの基板又は反応室に堆積するように最適化される。
この結果、プラズマ反応領域は、反応室２内でｉｎ ｓｉｔｕプラズマを発生するための一電極として作用するシャワーヘッド４と、他の電極として作用する支持部３との間の空間に形成される。その領域内の反応ガスの分子は、プラズマエネルギーにより活性化されイオン化される。イオン化された分子は、半導体基板９上で化学反応を起こし、高硬度を有する低ｋ膜が形成される。
ＣＤＯ(炭素ドープ酸化物)低ｋ膜（従来の膜、すなわち不十分な硬度を有する）の一実施例は、以下の特性を有する。
硬度<２．０ＧＰａ（１．７から２．０ＧＰａの範囲を含む）
弾性率<１１Ｇｐａ（９から１１ＧＰａの範囲を含む）
ｋ値<２．９（２．７から２．９の範囲を含む）
低ｋのハード膜の一実施例は、以下の特性を有する。
硬度>２．０ＧＰａ（２．０から２．５ＧＰａの範囲を含む）
弾性率>１２Ｇｐａ（１１から１５ＧＰａの範囲を含む）
ｋ値<３．０（２．８から３．０の範囲を含む）
上述のように、硬度はダイヤモンド押込法により測定される。弾性率はダイヤモンド押込法により測定される。
本発明では、ＣＤＯ低ｋ膜と低ｋのハード膜の両方の厚さの均一性は、１σで３％未満であり、これは、ＬＳＩデバイスの要求を満足している。
一実施例では、上述のように、ＣＤＯ低ｋ膜は、最初に、Ｈｅを液体原料ガスに原料ガスの４０％未満の割合で流すことによって形成される。膜が処理時間に応じて所望の厚さに達すると、ヘリウム流がさらに４０％以上の割合に増加して、これにより、従来の低ｋ膜上に高硬度膜が形成される。このようにして、ハードマスクが、真空状態を維持したまま、ｉｎ ｓｉｔｕで形成される。不活性ガスの流量が、原料ガスの流量の４０％以上であるとき、膜密度は増加して、硬度の増加につながる。積層構造は、集積化スキームに応じて変化し、意図する使用に好適な構造が形成される。ＣＤＯ低ｋ膜は、金属線の間に形成される絶縁体として使用され、高硬度膜は、ビアホールのようなホールを積層構造中に形成するときに使用されるエッチングストッパーとして用いられる。しかし、各膜に対する意図する使用は、上述の場合に限定されず、ＣＤＯ低ｋ膜は、マルチレベルＩＭＤ（層間金属絶縁体）として使用され、一方、高硬度膜は、例えば、ＣＭＰキャップと中間エッチングストッパーとして使用される。
薄膜形成処理の終了時に、バルブ６が閉められ、同時に、ゲートバルブ１８が開けられる。自動移動ロボット（図示せず）が、開口１９を介して、処理された半導体ウェハー９を隣の移動室（図示せず）に運ぶ。反応室２が真空排気された後には、未処理の半導体ウェハーは移動室から内部に運ばれ、ゲートバルブ１８が閉じて、上記手順が繰り返される。
さらに、本発明は、種々の膜形成処理に適用され得る。
図２において、層２０１は下地層である。層２０１は、Ｓｉ基板であっても良いし、タングステンプラグと誘電体酸化物とにより構成されるＦＥＯＬ（Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｏｆ Ｌｉｎｅ）デバイスであっても良い。層２０１上には、ハード膜層２０２が０．０２から０．０９ミクロン（０．０５から０．０７ミクロンの範囲を含む）の厚さで堆積されている。その後、従来の低ｋ膜、例えば、層２０３（ＣＤＯ膜）が、０．３から０．８ミクロン（０．４から０．６ミクロンの範囲を含む）の厚さに堆積されている。第２のハード膜層２０４が、エッチング停止層として、０．０２から０．１０ミクロン（０．０４から０．０５ミクロンの範囲を含む）の厚さに堆積されている。最後に、従来の低ｋ膜２０５が、０．３から０．５ミクロン（０．４ミクロンを含む）の厚さに堆積され、続いて、第３のハード膜層２０６が、０．０２から０．１ミクロン（０．０５から０．０７ミクロンの範囲を含む）の厚さに堆積されている。このようにして、堆積工程が完了する。第１のハード膜層２０２、第２のハード膜層２０４、第３のハード膜層２０６の製法は、同じであっても異なっていても良い。例えば、各ハード膜層の厚さは、堆積が進む過程で不活性ガスの流量率を単に減少させることにより変化し、一方、第１のハード膜層２０２は、第３のハード膜層２０６よりも硬い。ハード膜層の数は１つに限定されずに、半導体デバイスの意図された使用に応じて、２又は３、あるいは３を超えても良い。さらに、積層構造は、本実施例に限定されずに、層が互いにその上に積層された上記実施例のようなマルチレベルＤＤ（デュアルダマシン）構造を含む。
すべての膜は、処理ガス流又はＲＦ電力を変化させることにより、単一のＣＶＤ室に堆積され、ＣＶＤ室からアンロードすることなく連続して堆積される。さらに、従来の低ｋ膜がハード膜層に対するものと同じ原料ガスから形成されれば、デュアルダマシン構造が不活性ガス流を変化させることにより容易に形成できる。
例えば、層２０１，２０２，２０３，２０４，２０５及び２０６は、ウェハーをアンロードすることなく、単一のローディングで順次形成される。これは、マルチ工程の堆積法を使用することにより達成される。
これは、装置のスループットを向上させ、ガス消費を減少させる。
図３を参照して、ハード膜の機能をさらに説明する。デュアルダマシン構造を形成する過程で、ビアファーストエッチング法を使用するのならば、例えば、ビア２０７は、ＲＩＥ（リアクティブ イオン エッチング）によって形成される。これにより、ハード膜２０２は、エッチング処理の間、エッチング停止層として作用する。ビア２０７は、トレンチファースト法によっても形成可能である。ビア２０７の幅は、０．０９から０．２５ミクロンの範囲内（０．１３から０．１８ミクロンの範囲を含む）である。
図３に示された工程に続き、図４に示されているようなトレンチ２０８が形成される。トレンチ２０８の幅は、０．１０から０．２８ミクロンの範囲内（０．０１から０．１８ミクロンの範囲を含む）である。この処理において、層２０４は、トレンチＲＩＥ（リアクティブ イオン エッチング）に対するエッチング停止層として部分的に作用する。ハード膜２０４は、角２０９に急激な傾きが生じるのを防止し、これにより、良好なデュアルダマシン構造が形成される。図４において、ハード膜２０６の目的は以下の通りである。デュアルダマシン構造の形成後、銅による処理がＣＭＰの最終工程として実施される。層２０６は、ＣＭＰ処理における銅の過剰研磨の間に生じる絶縁膜の過剰な損失を防止するための犠牲層として作用する。上述のエッチング処理は、好適な方法により実施される。
図５において、銅２０１の最終構造は、層２０６が除去されたデュアルダマシン構造である。上述のように、層２０６を犠牲層として利用することにより、銅のディッシング２１１が最小化される。これにより、過剰研磨の間に、ＣＭＰ処理のより好適な制御が行える。さらに、犠牲層２０６は、傷、層剥離及びパーティクルのようなＣＭＰ欠陥からデバイスを保護する。
ちなみに、以下の文献には、本発明に関連する技術が開示されている。
米国特許２００２／００１１２１０Ａ１，”セルフクリーニングのための遠隔プラズマ源を備えた半導体処理装置”
米国特許 ６３５０６７０Ｂ１，”炭素含有酸化絶縁層を有する半導体デバイスの製造方法”
米国特許 ６３１６０６３Ｂ１，”炭素含有酸化絶縁層の製法”
米国特許 ６３４８７２５Ｂ２，”低比誘電率膜を堆積するためのプラズマ処理”
米国特許 ６４４０８３８，”積層された中間エッチング停止層を使用したデュアンダマシン構造”
米国特許 ６４４０８６１，”デュアンダマシン構造の形成方法”
本発明の技術思想の範囲内で、その分野の当業者ならば多くのかつ種々の変更が可能である。それゆえ、本発明の範囲は、図示されたものに限定されないことは明らかである。
本発明に使用可能なＣＶＤ装置の概略図である。 基板上に形成された積層構造を図示した本発明の一実施例の断面図である。 積層構造中のビアホールの形成を図示した本発明の一実施例の断面図である。 積層構造中のトレンチの形成を図示した本発明の一実施例の断面図である。 銅で埋められたトレンチを示す本発明の一実施例の断面図である。
符号の説明
１ プラズマＣＶＤ装置
２ 反応室
３ 支持部
４ シャワーヘッド
５ 導入ポート
６ バルブ
７ ガス排出ポート
８ 高周波（ＲＦ）源
９ 半導体ウェハー
１０ 整合回路
１１ 反応ガス導管
１３ 遠隔プラズマ放電室
１４ パイプ
１５ バルブ
１７ パイプ
１８ ゲートバルブ
１９ 開口
２０ 排出口
２１ コンダクタンス制御バルブ
２５ 駆動機構
２６ 熱素子
２７ 接地
２８ａ 圧力ゲージ
２９ 支持ピストン

Claims (14)

  1. 基板上にエッチングされるべき層（エッチング層）とエッチング停止層とを有する積層構造を形成する方法であって、
    反応室中に、シリコンとカーボンとを含む原料ガスから成る反応ガスを原料ガス流量で導入する一方、不活性ガスを原料ガス流量の４０％以上の不活性ガス流量で導入し、
    加熱された基板支持部材上に取り付けられた基板の上流側であってかつ反応ガスが存在する空間に、プラズマエネルギーを印加し、
    ブラズマエネルギーを使用して、反応ガスから基板上にエッチング停止層を形成し、
    基板上に少なくとも一つのエッチング層を形成することにより積層構造を形成し、
    前記原料ガスは、ジメチル ジメトキシ シランであり、
    前記エッチング停止層形成工程及び前記エッチング層形成工程は、同じ室内で、真空状態を維持したまま連続して実施され、
    前記エッチング停止層形成工程及び前記エッチング層形成工程は、同じ原料ガス及び不活性ガスを使用し、
    前記エッチング停止層形成工程における不活性ガス流量は、前記エッチング層形成工程における不活性ガス流量より大きく、
    前記エッチング層形成工程において、不活性ガス流量は原料ガス流量の４０％以下であることを特徴とする積層構造体の形成方法。
  2. 前記積層構造は、デュアルダマシン構造であることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
  3. 前記エッチング停止層形成工程は、エッチング停止層の比誘電率を３．０以下に調整する条件下で実施されることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
  4. 前記プラズマエネルギーは、上部及び下部電極としてそれぞれ機能するシャワーヘッドとサセプターとの間にそれぞれ印加され、前記基板はサセプター上に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
  5. 前記反応ガスは、反応ガスを反応室に導入する工程に先立って、遠隔プラズマ室内でプラズマエネルギーを使用して励起されることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
  6. 前記原料ガス流量は、５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の形成方法。
  7. 請求項１において、さらに、
    ホールを形成するために、エッチング停止層以外のエッチング層をエッチングし、このホールを銅で埋めることを特徴とする形成方法。
  8. 絶縁膜の集積方法において、
    シリコン、炭素、酸素及び水素を含む原料ガスから成る第１の反応ガスを第１の原料ガス流量で使用する一方、第１の不活性ガスを第１の不活性ガス流量で使用して、基板上に第１の絶縁層を堆積し、第１の不活性ガス流量は第１の原料ガス流量の４０％以下であり、第１の反応ガスはプラズマエネルギーで励起されており、
    続いて、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む原料ガスから成る第２の反応ガスを第２の原料ガス流量で使用する一方、第２の不活性ガスを第２の不活性ガス流量で使用して、第１の絶縁層上に第２の絶縁層を堆積し、第２の不活性ガス流量は第２の原料ガス流量の４０％以上であり、第２の反応ガスはプラズマエネルギーで励起され、
    前記原料ガスは、ジメチル ジメトキシ シランであり、
    前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程は、同じチャンバー内で、真空状態を維持したまま連続して実施され、
    前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程は、同じ原料ガス及び不活性ガスを使用し、
    前記第１の絶縁層は絶縁体であり、前記第２の絶縁層はエッチングストッパーであることを特徴とする絶縁膜の集積方法。
  9. 前記第１及び第２の絶縁層は、炭素含有酸化シリコンから成ることを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
  10. 前記第１及び第２の絶縁層は、１２ＧＰａもしくはそれ以下及び１３ＧＰａもしくはそれ以上の弾性率をそれぞれ有することを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
  11. 前記第１及び第２の絶縁層は、２．０ＧＰａもしくはそれ以下及び２．０ＧＰａもしくはそれ以上の硬度をそれぞれ有することを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
  12. 前記第２の絶縁層形成工程は、第２の絶縁層の比誘電率を３．０以下に調整する条件下で実施されることを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
  13. 前記第１及び第２の反応ガスは、基板が処理される反応室の上流側に配置された遠隔プラズマ室で、プラズマエネルギーを使用して最初に励起されることを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
  14. 前記第１及び第２の原料ガス流量は、それぞれ５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の集積方法。
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