JP5304759B2 - 成膜方法及び半導体装置 - Google Patents
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Description
一方バリア膜105は銅配線102の上において電極103の形成部分を除いて全面に形成されるため、下層側の層間絶縁膜と上層側の層間絶縁膜と間に介在し銅配線102から図示しない上層側の層間絶縁膜中へ銅が拡散することを防止している。またこのバリア膜105の存在により層間絶縁膜全体の誘電率が上昇するのを避けるためにバリア膜105としては例えばシリコン(Si)、炭素(C)及び窒素(N)からなるSiCN膜、SiC膜あるいはアモルファスカーボンなどが用いられており、例えばトリメチルシランガスと窒素ガスとを用いてプラズマCVDにより成膜することが行われている(特許文献1)。
また最近において、層間絶縁膜として例えば2.5以下もの低比誘電率を確保することができる炭素(C)及びフッ素(F)の化合物であるフッ素添加カーボン膜(フロロカーボン膜)を採用することが検討されている。しかしながらフッ素添加カーボン膜はフッ素が加熱時に脱離しやすいことから、バリア膜の薄膜化が進むと、上記のアニール時にバリア膜105の上層側の層間絶縁膜をなすフッ素添加カーボン膜からのフッ素が当該バリア膜105を突き抜けて銅配線102中に拡散し、配線抵抗の増大を招いてしまう懸念がある。
処理容器内に、有機化合物を含む成膜用のガスと、成膜用のガスのプラズマ化を促進するためのプラズマ発生用のガスと、を供給する工程と、
基板が載置される載置部と対向して前記処理容器の上部に設けられると共に周方向に沿って多数のスリットが形成された平面アンテナ部材から前記処理容器内にマイクロ波を供給することにより、前記処理容器内のプラズマ発生用のガスと成膜用のガスとをプラズマ化し、そのプラズマにより基板上にシリコンと炭素とを含むバリア膜を成膜する工程と、
この工程が行われている間に、前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加する工程と、を備え、
基板に供給される単位面積当たりのバイアス用の高周波電力は、0.025〜0.038W/cm2であり、
前記バリア膜は、半導体装置における下層側の回路層と上層側の回路層との間にて、これら上層側の回路層及び下層側の回路層の一方の回路層のフッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜と他方の回路層の配線金属との間における元素の拡散を抑制するために形成されることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記いずれか一つに記載された成膜方法により成膜されたバリア膜を備えたことを特徴とする。
このバリア膜13を成膜している時にウエハWに対して後述のバイアス用高周波電源52から例えばプラズマ中のイオンが追随できる周波数の範囲である例えば2MHz以下、例えば800kHzの高周波を例えば10W程度の電力で供給することにより、プラズマ中のアルゴンイオンがウエハW側に引き寄せられる。このように高周波バイアスをウエハWに印加することにより、後述のようにバリア膜13のバリア性が向上する。このことはバリア膜13が緻密になったことに起因していると推測され、そのためバリア膜13の成膜の推定メカニズムを図3(a)、(b)を参照しながら説明しておく。先ずトリメチルシランガスが活性化されると、トリメチルシランの分子において炭素(C)と水素(H)との結合の一部が切断された状態、シリコンと炭素あるいは水素との結合が切断された状態などになった活性種が形成されると考えられる。
一方活性種から脱離した水素は水素ガスとなり、バリア膜13中には取り込まれずに処理雰囲気から排出される。ウエハWの表面ではこのような反応が順次進行して行くので、このバリア膜13中には、例えば炭素−炭素結合のネットワークが多数形成されていき、この結合が網目状(クロスリンク状)となり、従って膜が緻密になり、また膜の硬度が増加すると推察される。
そして、このCF膜20の表面に、犠牲膜として用いられる例えばSiCN膜21とSiCOH膜22とをこの順に積層する(図1(c))。続いて、SiCOH膜22の上に図示しないレジストマスクを形成し、このレジストマスクと上記の犠牲膜などとを用いて、例えばハロゲン化物の活性種を含むプラズマによりエッチングを行い、CF膜20にビアホールに相当する凹部14aと上層側の回路の配線埋め込み領域(トレンチ)に相当する凹部14bとからなる凹部14を形成する(図1(d))。
そしてこの活性種がウエハWの表面に輸送されるが、載置台51にはバイアス用高周波電源52から例えば10W程度の電力が印加されており、この電力によるエネルギーを受けながら活性種が堆積してバリア膜13であるSiCN膜が成膜される。
また例えば2−ブチンガス(C4H6)を成膜用のガスとして成膜したアモルファスカーボン膜であってもよい。この場合2−ブチンガスが好ましいが、1−ブチンガスであってもよいしエチレンガスやアセチレンガスなどであってもよい。そしてこのような炭化水素ガスに更にシリコンを含むガス例えばシラン系のガスを加えてシリコンを添加したアモルファスカーボン膜をバリア膜としてもよい。この場合のシラン系のガスとしては、モノシランガス、ジシランガスあるいはトリメチルシランガスなどを用いることができる。
更にまた本発明におけるガスのプラズマ化方式としてはマイクロ波を利用することに限らず例えば平行平板型プラズマ発生装置を用いてもよい。
実験には200mmサイズ(8インチサイズ)のシリコンウエハを用いた。先ず、既述のプラズマ成膜装置を用いて、ウエハ上にCF膜を成膜し、更にこの上に厚さ30nmのSiCN膜を成膜した。これらの膜の成膜条件としては、既述の条件を用いた。SiCN膜を成膜する時のバイアス電力としては、以下に示すように設定した。
(バイアス電力)
実施例1:30W
比較例1:なし
この2種類のウエハを加熱すると共に、これらのウエハから脱離するガス(HF、F)の量を昇温ガス脱離法により測定した。この結果を図7に示す。どちらのウエハについても、加熱温度を上げていくことによって、徐々にウエハからの脱ガス量が増えていくことが分かった。ところがバイアス電力を供給してSiCN膜を成膜した実施例1のウエハについては、HF及びFの脱ガスが極めて少なくなっていることが分かった。この脱ガスは、SiCN膜の下層側のCF膜から当該SiCN膜を抜け出してきたガスだと考えられる。このことから、バイアス電力を供給してSiCN膜を成膜することによって、SiCN膜に接している膜からの成分に対するSiCN膜のバリア性能が高まっていることが分かる。
上記の実験例1と同様にして積層体を作製した。なおバイアス電力については以下のように設定した。
(バイアス電力)
実施例2−1:5W
実施例2−2:10W
比較例2:なし
これらのウエハに対して、400℃の加熱雰囲気にて60分間アニールを行い、その後SIMS法により表層からの深さ方向に対するフッ素及び酸素の濃度プロファイルを調べたところ、図8に示す結果が得られた。この結果から分かるように、SiCN膜中にはフッ素及び酸素が含まれているが、その含有量は比較例、実施例2−1、2−2の順に少なくなっている。ここでSiCN膜中のフッ素については、成膜時及びアニール時の両工程中にSiCN膜の下層側のCF膜から拡散してきたもの、及びCF成膜時に処理容器の内壁に付着したフッ素がSiCN膜を成膜するときに飛散して混入したものと考えられる。従ってSiCN膜の成膜時においてもまたアニールを行うときにおいても、前記バイアス電力を大きくする程、CF膜から脱離したフッ素に対するSiCN膜のバリア性が高く、またSiCN膜の成膜時におけるフッ素の混入量が少なくなるということがいえる。
一方酸素については、SiCN膜の成膜時において処理容器5の内壁から飛散したものと考えられ、前記バイアス電力を大きくする程、SiCN膜の成膜時における酸素の混入量が少なくなっている。
CF膜から脱離したフッ素に対するSiCN膜のバリア性が高い理由としては、既述のようにアルゴンガスのイオンの衝撃によりSiCN膜が緻密化するためと考えられる。またSiCN膜の成膜時における雰囲気からのフッ素や酸素の取り込み量が少ない理由としては、アルゴンガスのイオンの衝撃によりこれら元素が飛散していくものと考えられる。
上記の実験例1と同様にして積層体を作製し、SiCN膜の成膜時間は各ウエハ間で一定とした。なおバイアス電力については以下のように設定した。
(バイアス電力)
実施例3−1:5W
実施例3−2:10W
比較例3:なし
これらのウエハに成膜されたSiCN膜の膜厚から、SiCN膜の成膜速度を計算した。また、このSiCN膜の表面の屈折率を測定した。その結果、図9に示すように、バイアス電力を増やすほど成膜速度及び屈折率が向上していた。既述のように、アルゴンガスのイオンの衝撃によりSiCN膜の表面にはダングリングボンドが生成し、これにより基板の表面に対する活性種の付着確率が高まり、その結果成膜速度が向上していると考えられる。また、屈折率と膜密度とは共に増減する相関関係があることから、屈折率の向上によりSiCN膜の膜密度についても増加していると推測できる。
以上の実験から、バイアス電力を増やすにつれてSiCN膜のバリア性能が向上することが分かったが、このようにバイアス電力を増やしても他の特性において問題が出ないかを確認するために次のような試験を行った。まず上記の実験例1と同様にして積層体を作成した。そして試験としては、膜の外観の確認とSiCN膜の密着性の確認とを行った。膜の外観確認には、SEMを用いて積層体の断面を観察することによって行った。また、SiCN膜の密着性にはテープテスト、即ちウエハをダイヤモンドカッターにより5mm角となるように溝入れした後、ウエハ全面に粘着テープを貼りこのウエハに貼った粘着テープを剥がすことによって、SiCN膜の密着強度を評価した。この評価を行うにあたり、SiCN膜を成膜するときの加熱温度とバイアス電力とのプロセス条件を以下のように種々変えて、上記の積層構造のウエハを作製した。
(プロセス条件)
加熱温度(℃):150、200、250、300、340、380、420℃
バイアス電力(W):0、5、10、15、20
結果は図10に示すとおりである。この結果から、SiCN膜の成膜時の加熱温度が低くなるにつれて、外観及びSiCN膜の密着性が共に悪化していた。また、バイアス電力が20W以上では、積層体断面にボイドが発生していた。これらのことから、SiCN膜を成膜するときのバイアス電力としては、15W以下、つまり0.048W/cm2(200mmサイズのウエハの表面積314.16cm2に対する電力値)とすることが好ましいことが分かった。また、SiCN膜を成膜するときのウエハの加熱温度としては、340℃以上が好ましいことが分かった。
上記の実験例1と同様にして積層体を作製し、以下のようにバイアス電力を設定した。
(バイアス電力)
実施例5:30W
比較例5:なし
これらのウエハに対して、4ポイントベンディング法と呼ばれる強度試験により、SiCN膜とCF膜の界面が破断するまでウエハの膜厚方向に対して荷重を加え、破断時における荷重の大きさから、SiCN膜とCF膜との密着強度を測定した(4ポイントベンディング法の詳細については、Journal of Applied Mechanics:MARCH 1989、Vol56 Page77−82参照)。具体的には、図11に示すように前記積層構造のウエハ300ともう一枚のベアウエハ301をエポキシ樹脂で接着した後、ベアウエハ側にノッチを掘りサンプルを作る。このサンプルを左右に並行に並べた2本の支持棒302の上に載せ、サンプルの上面における前記2本の棒よりも左右外側位置を夫々2本の押圧用の棒303により押圧して当該ウエハに荷重を加えている。そして界面が破断したか否かは、膜厚方向の変位の推移に基づいて判定している。
この試験を夫々のウエハに対して7回行い、破断時の荷重を平均したところ図12に示す結果が得られた。この結果から実施例4では7.7J/m2、比較例4では6.0J/m2となった。従って、バイアス電力を供給しながらSiCN膜を成膜することにより、SiCN膜とCF膜との間における密着強度が向上することが分かった。
実験例4と実験例5との結果から、バイアス電力が15W以下の領域をさらに詳細に調べた。上記の実験例1と同様にして積層体を作成し、以下のようにバイアス電力を設定した。
(バイアス電力)
実施例6:3W、5W、10W、15W
比較例6:なし
これらのウエハに対して、既述の4ポイントベンディング法によりSiCN膜とCF膜の密着強度を測定した。その結果、図13に示すように、3W〜15W(0.0095〜0.047W/cm2)の全領域に対して、バイアス電力を印加する効果が得られた。
バリア膜であるSiCN膜とこの下層の絶縁膜であるCF膜との密着力は、ある意味で積層銅配線構造の半導体デバイスを製作する上でキーポイントとなる。このため更なる密着力の向上を図るべく、本発明者らはCF膜の表面を改質する方法を考えた。具体的にはCF膜を成膜後、この表面に窒素プラズマやアルゴン等の希ガスプラズマを、ウエハにバイアス電力を印加しつつ作用させ、窒素イオンあるいはアルゴンイオンをCF膜表面に照射する(以後この処理をバイアスプラズマ処理と称す)ことである。これによりCF膜表面が改質され、つまりイオンによってCF膜表面のフッ素が脱離し、炭素リッチになるため、その後の熱処理時(成膜時やアニール処理時等)にCF膜から脱離するガスが減少し、またCF膜表面が適度に荒らされアンカー効果により密着性が向上すると考えた。
6 第1のガス供給部
7 第2のガス供給部
W ウエハ
10 CF膜
20 CF膜
15 凹部
16 バリアメタル膜
17 銅金属
51 載置台
52 バイアス用高周波電源
57 ヒータ
81 アンテナ本体
85 マイクロ波発生手段
Claims (5)
- 処理容器内に、有機化合物を含む成膜用のガスと、成膜用のガスのプラズマ化を促進するためのプラズマ発生用のガスと、を供給する工程と、
基板が載置される載置部と対向して前記処理容器の上部に設けられると共に周方向に沿って多数のスリットが形成された平面アンテナ部材から前記処理容器内にマイクロ波を供給することにより、前記処理容器内のプラズマ発生用のガスと成膜用のガスとをプラズマ化し、そのプラズマにより基板上にシリコンと炭素とを含むバリア膜を成膜する工程と、
この工程が行われている間に、前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加する工程と、を備え、
基板に供給される単位面積当たりのバイアス用の高周波電力は、0.025〜0.038W/cm2であり、
前記バリア膜は、半導体装置における下層側の回路層と上層側の回路層との間にて、これら上層側の回路層及び下層側の回路層の一方の回路層のフッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜と他方の回路層の配線金属との間における元素の拡散を抑制するために形成されることを特徴とする成膜方法。 - 前記バリア膜はSiCN膜であることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
- 前記バリア膜は、SiC膜であることを特徴とする請求項1に記載の成膜方法。
- 前記成膜用のガスは、ブチンガスとシラン系のガスとを含み、
前記バリア膜は、シリコンを含むアモルファスカーボン膜であることを特徴とする請求項1に記載の成膜方法。 - 請求項1ないし4のいずれか一つに記載された成膜方法により成膜されたバリア膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
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