JPH11135494A - プラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理方法

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JPH11135494A JP9316589A JP31658997A JPH11135494A JP H11135494 A JPH11135494 A JP H11135494A JP 9316589 A JP9316589 A JP 9316589A JP 31658997 A JP31658997 A JP 31658997A JP H11135494 A JPH11135494 A JP H11135494A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＦ膜を半導体デバイスの層間絶縁膜として
用いようとすると、タングステンの配線を形成するとき
に例えば４００℃〜４５０℃付近にまでＣＦ膜が加熱さ
れ、このときにＦ系のガスがＣＦ膜から抜け、配線の腐
食や膜減りに伴う種々の不都合が生じるので、これを抑
えるために熱安定性を高めること。 【解決手段】 ＣとＦの化合物ガス例えばＣ4 Ｆ8 ガス
と、炭化水素ガス例えばＣ2 Ｈ4 ガスとを成膜ガスとし
て用い、これらガスをプラズマ化して、その活性種によ
り半導体ウエハ１０上にＣＦ膜を成膜する。次いで水素
プラズマ生成用ガス例えばＨ2 ガスを導入してプラズマ
化し、Ｈのプラズマをウエハ１０に形成されたＣＦ膜上
に照射する。Ｈのプラズマの照射により、ＣＦ膜中に存
在する未反応のＦや弱い結合が除去されるので、結合が
強固となり、高温下でも結合が切れにくくなって、熱安
定性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体デバ
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
ボン膜の熱安定性を高める方法に関する。
【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Ｓｉ
Ｏ2 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 膜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Ｓ
ｉＯＦ膜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。このＣＦ膜の成膜に際し
ては、例えば熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいはプラズマＣＶＤが用
いられている。
【０００４】そこで本発明者は、電子サイクロトロン共
鳴によりプラズマを発生させるプラズマ装置を用い、例
えば炭素（Ｃ）及びフッ素（Ｆ）の化合物ガスと炭化水
素ガスとを含むガスを成膜ガスとし、種々のプロセス条
件を詰めて、密着性及び硬度の大きいＣＦ膜の製造の実
現化を図った。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらＣＦ膜に
はまだ以下のような課題がある。図８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、１
３、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。
【０００６】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。
【０００７】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、熱安定性の高
いＣＦ膜よりなる絶縁膜、例えば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を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理方
法は、水素プラズマ生成用ガスをプラズマ化して、水素
のプラズマを被処理基板上に形成されたフッ素添加カ−
ボン膜に照射することを特徴とする。また水素のプラズ
マを照射する工程は、炭素とフッ素との化合物ガスを含
む成膜ガスを分解し、化学的気相反応により被処理基板
上にフッ素添加カ−ボン膜を成膜する工程に続いて行う
ようにしてもよい。
【０００９】
【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。
【００１０】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で案内し
て、またはＴＥモ−ドにより案内されたマイクロ波を導
波管２５でＴＭモ−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。
【００１１】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、このガスノズル３１には図示しない
プラズマ生成用ガス源例えばＡｒガス源及び水素プラズ
マ生成用ガス源例えばＨ2 （水素）ガス源が接続されて
おり、第１の真空室２１内の上部にＡｒガスあるいはＨ
2 ガスをムラなく均等に供給し得るようになっている。
【００１２】前記第２の真空室２２内には、前記第１の
真空室２１と対向するように半導体ウエハ（以下「ウエ
ハ」という）１０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。
【００１３】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５が設けられており、この成膜ガス供給部５
は、例えばガス供給管５１、５２から例えば２種類の成
膜ガス、例えばＣとＦとの化合物ガスであるＣ4 Ｆ8 ガ
スと炭化水素ガスであるＣ2 Ｈ4 ガスとが供給され、そ
の混合ガスを内周面のガス穴５３から真空容器２内に供
給するように構成されている。
【００１４】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。
【００１５】次に上述の装置を用いて被処理基板である
ウエハ１０上にＣＦ膜よりなる層間絶縁膜を形成する方
法について図２により説明する。先ず図２（ａ）に示す
ように、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１０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１０を静電吸着する。
【００１６】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、図２（ｂ）に示すように、ガスノズ
ル３１から第１の真空室２１内へＡｒガスを所定の流量
で導入すると共に、成膜ガス供給部５から第２の真空室
２２内へ成膜ガスを所定の流量で導入する。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３００℃に設定する。
【００１７】一方高周波電源部２４からの２．４５ＧＨ
ｚ、２７００Ｗ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。また真空
容器２内には主電磁コイル２６及び補助電磁コイル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、例えば第１の真空室２１
の下部付近にて磁場の強さが８７５ガウスとなる。こう
して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。発生したプラズマ流は、
第１の真空室２１より第２の真空室２２内に流れ込んで
行き、ここに供給されているＣ4 Ｆ8 ガス、Ｃ2 Ｈ4 ガ
スを活性化（プラズマ化）して活性種（プラズマ）を形
成し、ウエハ１０上にＣＦ膜を成膜する。
【００１８】こうしてウエハ１０上にＣＦ膜を成膜した
後、図２（ｃ）に示すように、当該ウエハ１０にＨのプ
ラズマを照射する。つまり載置台４にウエハ１０を載置
したまま、ガスノズル３１からＨ2 ガスを所定の流量で
導入して、マイクロ波電力（高周波電源部２４）５００
０Ｗ、バイアス電力（高周波電源部４２）０Ｗの下、上
述の電子サイクロトロン共鳴によりＨ2 ガスをプラズマ
化し、これにより生じたＨのプラズマをウエハ１０上の
ＣＦ膜に照射する。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。
【００１９】このような方法で形成された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安
定性が大きい、つまり高温になってもＦ系ガスの抜けが
少ない。その理由については次のように考えられる。即
ち成膜ガスとしてＣＦ系ガスと炭化水素ガスとを組み合
わせてＣＦ膜を成膜すると、このＣＦ膜中には、図３
（ａ）に示すようにＣ−Ｃ結合やＣ−Ｆ結合、Ｃ−Ｈ結
合の他に未反応のＦやＦイオン（Ｆ- ）等が存在すると
考えられる。
【００２０】ここで本実施の形態のようにＣＦ膜にＨの
プラズマを照射すると、Ｈは微小であるので、図４に示
すようにＣＦ膜の内部に表面側から入り込んでいく。し
かしながらＣＦ膜の深層部まで到達できるＨはかなり少
ないので、ＣＦ膜中の水素濃度は図５に示すように、深
層部では小さく、表層部に近くなるほど大きくなってい
くと推察される。
【００２１】ところでＣＦ膜に入り込んだＨは、図３
（ｂ）に示すようにＣＦ膜中の未反応のＦと反応してＨ
Ｆを生成したり、結合力の弱いＣ−Ｆ結合を切断してＨ
ＦやＣＨＦを生成して、ＣＦ膜の外へ飛散していくと考
えられる。この際ＣＦ膜では深層部まで入り込んだＨに
より、内部の未反応のＦ等の一部が除去される。一方表
層部では水素濃度が大きく、未反応のＦ等と反応できる
Ｈの存在量が多いので、未反応のＦ等が十分に除去さ
れ、この結果強い結合が残り、膜が強固となる。
【００２２】ここでＦ系ガスの抜けは、未反応のＦや、
高温の熱処理時に熱によってＣ−Ｃ結合が切断されるこ
とにより生じたＦやＣＦ、ＣＦ2 がガスとなって飛散し
ていくことにより起こる。従ってＨのプラズマにより未
反応のＦが予め除去されれば、Ｆガスの抜けは抑えられ
る。
【００２３】また既述のように表層部が強固になると、
この部分では高温下でもＣ−Ｃ結合が切断されにくくな
り、表層部からのＦ系ガスの抜けが防止される。さらに
仮に内部で未反応のＦが残存したり、弱いＣ−Ｃ結合が
切断されたとしても、表層部の強固な膜がバリヤとなっ
てこれらＦ系ガスの通り抜けを阻止するので、高温の熱
処理時においても、結果としてこれらのガスの脱ガスが
防止され、これによりＣＦ膜の熱安定性が向上すると考
えられる。
【００２４】続いて本発明方法により形成されたＣＦ膜
の熱安定性を調べるために行った実験例について説明す
る。図１に示すプラズマ処理装置を用い、Ａｒガスを１
５０ｓｃｃｍ、Ｃ4 Ｆ8 ガスを４０ｓｃｃｍ、Ｃ2 Ｈ4
ガスを３０ｓｃｃｍ導入して、ウエハ１０上に２μｍの
ＣＦ膜を成膜した。このときマイクロ波電力及びバイア
ス電力は夫々２７００Ｗ、１５００Ｗとし、載置台４表
面の温度は３００℃、プロセス圧力は０．２Ｐａとし
た。次いでＨ2 ガスを３００ｓｃｃｍ導入してプラズマ
化し、ウエハ１０上のＣＦ膜にＨのプラズマを１５秒間
照射した。このときマイクロ波電力及びバイアス電力は
夫々５０００Ｗ、０Ｗとし、載置台４表面の温度は３０
０℃、プロセス圧力は１Ｐａとした（実施例１）。
【００２５】こうして形成されたＣＦ膜について、図６
に示す測定装置を用いて薄膜の熱安定性の指標である高
温下での重量変化を調べた。図６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、Ｈｅ雰囲気下でるつぼ６３内の温度を４
２５℃まで昇温させ、そのまま２時間加熱して重量測定
部６４で重量変化を調べる方法を採った。
【００２６】ここで重量変化とは、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
される値であり、この値が小さい程Ｆ系ガスの抜けが少
なく、熱安定性が高いことを示している。
【００２７】また実施例１と同様の条件でウエハ１０上
にＣＦ膜を成膜し、次いで実施例１と同様の条件でＨ2
ガスをプラズマ化し、次いでウエハ１０上のＣＦ膜にＨ
のプラズマを３０秒間照射した場合（実施例２）と、実
施例１と同様の条件でウエハ１０上にＣＦ膜を成膜し、
Ｈのプラズマの照射を行わない場合（比較例）について
も同様に重量変化を測定した。なお熱安定性は、ＴＤＳ
スペクトル（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｓｏｒｐｔｉｏｎ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による脱ガス量の測定や熱
処理における膜厚の変化等によっても調べることができ
る。
【００２８】この結果を図７に示すが、これによりＨの
プラズマの照射によってＣＦ膜の重量変化が小さくな
り、Ｆ系ガスの抜けが少なくなって熱安定性が大きくな
ること、及びＨのプラズマの照射時間が長い程、ＣＦ膜
の重量変化が小さくなり、熱安定性が大きくなることが
理解される。
【００２９】以上において成膜ガスとしては、ＣとＦと
の化合物ガスとしてはＣＦ4 ガス、Ｃ2 Ｆ6 ガス、Ｃ3
Ｆ8 ガス、Ｃ5 Ｆ8 ガス、Ｃ6 Ｆ6 ガス等を用いること
ができ、ＣとＦのみならずＣとＦとＨとを含むガス例え
ばＣＨＦ3 ガス等を用いることもできる。また炭化水素
ガスとしてはＣＨ4 ガスやＣ2 Ｈ2 ガス、Ｃ2 Ｈ6 ガ
ス、Ｃ3 Ｈ8 ガス、Ｃ4 Ｈ8 ガス等を用いることができ
るが、炭化水素ガスの代りに水素ガスを用いるようにし
てもよい。さらに水素プラズマ生成用ガスとしては、Ｈ
2 ガスやＮＨ3 ガス等のＨのプラズマを生成でき、しか
もウエハが成膜されないガスを用いることができる。
【００３０】さらにまた本発明はＣＦ膜はプラズマＣＶ
Ｄで成膜することに限られず、熱ＣＶＤにより成膜する
ようにしてもよい。またＥＣＲによりプラズマを生成す
ることに限られず、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｕｍａ）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
場合にも適用できる。さらにヘリコン波プラズマなどと
呼ばれている例えば１３．５６ＭＨｚのヘリコン波と磁
気コイルにより印加された磁場との相互作用によりプラ
ズマを生成する場合や、マグネトロンプラズマなどと呼
ばれている２枚の平行なカソ−ドにほぼ平行をなすよう
に磁界を印加することによってプラズマを生成する場
合、平行平板などと呼ばれている互いに対向する電極間
に高周波電力を印加してプラズマを生成する場合にも適
用することができる。
【００３１】さらにまた本発明では成膜工程を行わず、
水素のプラズマの照射工程のみを行うようにしてもよい
し、成膜工程と水素のプラズマの照射工程とを繰り返し
て行うようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、熱的安定
性が大きく、Ｆ系のガスの脱離が小さいＣＦ膜を得るこ
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】本発明方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明方法の作用を説明するための模式図であ
る。
【図４】ＣＦ膜にＨが入り込む様子を示す模式図であ
る。
【図５】ＣＦ膜の深さと水素濃度との関係を示す特性図
である。
【図６】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７】Ｈのプラズマ照射とＣＦ膜の重量変化との関係
を示す特性図である。
【図８】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】
１０ 半導体ウエハ 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 ガスノズル ４ 載置台 ５ 成膜ガス供給部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素プラズマ生成用ガスをプラズマ化し
    て、水素のプラズマを被処理基板上に形成されたフッ素
    添加カ−ボン膜に照射することを特徴とするプラズマ処
    理方法。
  2. 【請求項２】 炭素とフッ素との化合物ガスを含む成膜
    ガスを分解し、化学的気相体反応により被処理基板上に
    フッ素添加カ−ボン膜を成膜する工程と、 次いで水素プラズマ生成用ガスをプラズマ化して、水素
    のプラズマを被処理基板上に形成されたフッ素添加カ−
    ボン膜に照射する工程と、 を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 【請求項３】 成膜ガスは炭化水素ガスを含むことを特
    徴とする請求項２記載のプラズマ処理方法。
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