JPH11154672A - プラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理方法

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JPH11154672A JP9336294A JP33629497A JPH11154672A JP H11154672 A JPH11154672 A JP H11154672A JP 9336294 A JP9336294 A JP 9336294A JP 33629497 A JP33629497 A JP 33629497A JP H11154672 A JPH11154672 A JP H11154672A
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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。次いでスパ
ッタ用ガスとしてＡｒガスを導入してプラズマ化し、Ａ
ｒのプラズマによりウエハ１０に形成されたＣＦ膜をス
パッタする。成膜処理とスパッタとを交互に繰り返して
行うと、スパッタによりＣＦ膜中に存在する弱い結合が
叩き出されるので、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。
【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５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】このため本発明は、スパ
ッタ用ガスをプラズマ化して、こ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
を含むことを特徴とする。また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と、
次いでスパッタ用ガスをプラズマ化して、このプラズマ
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、を含み、前記成膜工程とスパッタ工程と
を交互に繰り返して行うことを特徴とする。
【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及びスパッタ用ガス源が接続され
ており、第１の真空室２１内の上部にプラズマ生成用ガ
ス或いはスパッタ用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場
合の一連のプロセスについて説明するが、本発明のプロ
セスはＣＦ膜の成膜処理とスパッタとを交互に繰り返し
て行うことに特徴がある。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
を静電吸着して、図２（ａ）に示すように当該ウエハ１
０に対してＣＦ膜の成膜処理を行なう。
【００１６】つまり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
度まで真空引きして真空容器２内を所定のプロセス圧に
維持した状態で、ガスノズル３１から第１の真空室２１
内へプラズマ生成用ガス例えば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２
２内へ成膜ガスを所定の流量で導入する。そして高周波
電源部２４から２．４５ＧＨｚ、２７００Ｗの高周波
（マイクロ波）を供給し、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。
【００１７】このようにすると高周波電源部２４からの
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２
６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】こうして成膜処理を行った後、図２（ｂ）
に示すようにスパッタ処理を行う。このスパッタ処理
は、スパッタ用のガス例えばＡｒガスをプラズマ化して
このプラズマによりウエハ１０に形成されたＣＦ膜をス
パッタすることにより行われる。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Ａｒ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）２７００Ｗ、バイアス電力（高周波電源部４２）
１５００Ｗの下、上述の電子サイクロトロン共鳴により
Ａｒガスをプラズマ化し、これにより生じたＡｒのプラ
ズマをウエハ１０上のＣＦ膜に照射する。
【００１９】次いで上述の成膜処理とスパッタ処理とを
所定回数繰り返して行い（図２（ｃ），図２（ｄ））、
例えば最後に成膜処理を行って（図２（ｅ））、一連の
プロセスを終了する。ここで１回の成膜処理は例えば４
２秒程度であり、１回のスパッタ処理は例えば２８秒程
度である。こうして１回の成膜処理で１０００オングス
トロ−ム程度のＣＦ膜が形成され、成膜処理全体で例え
ば２μｍ程度のＣＦ膜が形成される。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。
【００２０】ここで一連のプロセスは上述のように成膜
処理により終了しても、またスパッタ処理により終了し
てもよいが、スパッタ処理で終了する場合のシ−クエン
スを図３に示すと、実際のプロセスでは、先ずＡｒガス
が導入された後マイクロ波電力が供給され、続いて成膜
ガスの導入とバイアス電力の供給が同時に行われて成膜
処理が開始される。次いで成膜ガスの導入が停止されて
スパッタ処理が行われ、この後成膜処理とスパッタ処理
とが所定回数繰り返される。そしてスパッタ処理を行っ
て一連の処理を終了する時には、先ず成膜ガスの導入を
停止した後、バイアス電力の供給を停止し、次いでマイ
クロ波電力の供給を停止して、最後にＡｒガスの導入を
停止する。
【００２１】一方最後に成膜処理を行って一連の処理を
終了する場合には、成膜ガスの導入とバイアス電力の供
給を同時に停止した後、マイクロ波電力の供給を停止し
て、最後にＡｒガスの導入を停止する。このようにこの
一連の処理では、マイクロ波電力とバイアス電力が供給
され、かつ成膜ガスとＡｒガスが導入されている期間が
成膜処理時となり、成膜ガスの導入を停止している期間
即ちマイクロ波電力とバイアス電力が供給され、かつＡ
ｒガスが導入されている期間がスパッタ処理時になる。
【００２２】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４
（ａ）に示すようにＣ−Ｃ結合やＣ−Ｆ結合等が存在す
ると考えられる。
【００２３】ここで本実施の形態のようにＣＦ膜にＡｒ
のプラズマ（Ａｒ* ）によりスパッタを行うと、図２
（ｂ）に示すようにＣＦ膜は表面からＡｒのプラズマに
より叩かれ、膜厚が減少するが、この際膜中ではＣＦ膜
の堆積中に形成された弱い結合例えばＣ−ＣＦ3 結合、
Ｃ−Ｆ結合やＣＦ高分子部分がスパッタにより物理的に
叩き切られ、切断されたＣＦ3 やＦが膜外に飛散してい
くという現象が起こっていると考えられる。そしてＣＦ
3 やＦが切断されたＣに別のＣが結合して新たなＣ−Ｃ
結合ができ、これによりＣ−Ｃ結合が立体構造を作り、
この結果ＣＦ膜を構成する結合が強固になっていると推
察される。
【００２４】従って成膜処理とスパッタ処理とを交互に
行うと、ＣＦ膜は図２（ｅ）に示すように、スパッタ処
理により結合が強固となった層を途中に含みながら積層
されていくが、このように形成されたＣＦ膜では、膜全
体を通して見るとスパッタ処理を行わずに形成されたＣ
Ｆ膜に比べて弱い結合が少なくなる。ここでＦ系ガスの
抜けは、高温の熱処理時に熱によってＣ−Ｃ結合やＣ−
Ｆ結合が切断されることにより生じたＦやＣＦ、Ｃ
Ｆ2 、ＣＦ3 がガスとなって飛散していくことにより起
こるが、予めスパッタにより弱い結合を叩き出しておけ
ば、熱によって切断される結合が少なくなるのでＦ系ガ
スの抜けが抑えられる。
【００２５】またＣＦ膜は結合が強固な層を何層か途中
に含んでいるので、この層では高温下でもＣ−Ｃ結合が
切断されにくくなる。従って仮にこの層の下方側で弱い
結合が切断されて脱ガスが生じたとしても、中間部の強
固な膜がバリヤとなってＦ系ガスの通り抜けが阻止され
る。このようなことから上述のプロセスで形成されたＣ
Ｆ膜は、高温の熱処理時においてもＦ系ガスの脱ガスが
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。
【００２６】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、成膜処理を４２秒間行っ
た。このときマイクロ波電力及びバイアス電力は夫々２
７００Ｗ、１５００Ｗとし、プロセス圧力は０．２３Ｐ
ａとした。次いでＡｒガスを１５０ｓｃｃｍ導入してプ
ラズマ化し、スパッタ処理を２８秒間行った。このとき
マイクロ波電力及びバイアス電力は夫々２７００Ｗ、１
５００Ｗとした。この成膜処理とスパッタ処理とを２０
回繰り返し、最後に成膜処理を行って、ウエハ１０上に
２μｍ程度のＣＦ膜を成膜した（実施例１）。
【００２７】こうして形成されたＣＦ膜について、４２
５℃で２時間アニ−ル処理を行って、アニ−ル処理前後
の重量変化を電子天秤により調べた。この重量変化は薄
膜の熱安定性の指標であり、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。
【００２８】また成膜処理の時間を８２秒程度、スパッ
タ処理の時間を２８秒程度とし、成膜処理とスパッタ処
理との繰り返し回数を１０回とした場合（実施例２）
と、途中にスパッタ処理を行わずにウエハ１０上に２μ
ｍ程度のＣＦ膜を成膜した場合についても同様に重量変
化を測定した（比較例）。実施例２及び比較例は、Ａｒ
ガスや成膜ガスの流量、マイクロ波電力やバイアス電力
等の条件は全て実施例１と同じとした。
【００２９】この結果ＣＦ膜の重量変化は、実施例１で
は２．５５％、実施例２では３．１０％であり、比較例
では３．６２％であった。これによりスパッタ処理を行
った場合には、スパッタ処理を行わない場合に比べて重
量変化が小さく、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が認められた。さらに同じ厚さのＣ
Ｆ膜を成膜する場合でも、成膜処理とスパッタ処理の繰
り返し回数が多くなる程、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確認された。
【００３０】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。
【００３１】さらにスパッタ用ガスとしては、Ａｒガス
の他、ＨｅガスやＮｅガス，Ｘｅガス，Ｈ2 ガス，ＮＨ
3 ガス，ＣＦ4 ガス，Ｃ2 Ｆ6 ガス，Ｃ4 Ｆ8 ガス等を
用いることができる。これらのスパッタ用ガスは単独で
用いてもよいし、数種を組み合わせて用いるようにして
もよい。この際上述の実施の形態ではスパッタ用ガスを
ガスノズル３１から導入するようにしたが、成膜ガス供
給部５から導入するようにしてもよい。
【００３２】また上述の実施の形態では、スパッタ用の
ガスとしてプラズマ生成用ガスを用いたので図３に示す
プロセスシ−ケンスとしたが、スパッタ用ガスとして例
えばＨｅガス等のプラズマ生成用ガスとは種類の異なる
ガスを用いる場合には、スパッタ処理を行うときには成
膜ガスの導入を停止すると共に、スパッタ用ガスを導入
する。
【００３３】さらにスパッタ用ガスとして例えばＣ4 Ｆ
8 ガス等の成膜ガスと同種類のガスを用いる場合には、
スパッタ処理を行うときにはスパッタ用ガスとしては用
いない炭化水素ガスを停止する。このようにスパッタ用
ガスとして成膜ガスやプラズマ生成用ガスと同種類のガ
スを用いれば、スパッタ処理を行う際に不要なガスの導
入を停止すればよいので操作が容易である。
【００３４】さらにまた本発明では、ＣＦ膜をプラズマ
ＣＶＤで成膜することに限らず、熱ＣＶＤにより成膜す
るようにしてもよい。またプラズマＣＶＤにより成膜す
る場合には、プラズマはＥＣＲにより生成することに限
らず例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ 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や、ヘリコ
ン波やマグネトロンを利用し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。
【００３５】さらに本発明では成膜工程を行わず、スパ
ッタ工程から開始してもよいし、成膜工程とスパッタ工
程との繰り返し回数を何回にしてもよい。また一連のプ
ロセスは成膜工程で終了してもスパッタ工程で終了して
もよいが、スパッタを行うとＣＦ膜の表面がプラズマに
より叩かれて荒れてしまうので、スパッタ工程で終了す
る場合には、この工程の後に別の装置においてＣＭＰ工
程を行うことが望ましい。
【００３６】またＣＦ膜の熱安定性は、ＴＤＳスペクト
ル（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ）による脱ガス量の測定や熱処理に置
ける膜厚の変化、ＴＧＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇｒａｖｉ
ｍｅｔｒｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による重量変化等によ
っても調べることができる。
【００３７】
【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】本発明方法のプロセスシ−ケンスを示す図であ
る。
【図４】本発明方法の作用を示す模式図である。
【図５】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 (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スパッタ用ガスをプラズマ化して、この
    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を含む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、 次いでスパッタ用ガスをプラズマ化して、このプラズマ
    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、 を含み、前記成膜工程とスパッタ工程とを交互に繰り返
    して行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
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