JPH11233501A - プラズマ成膜方法 - Google Patents

プラズマ成膜方法

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JPH11233501A
JPH11233501A JP4287298A JP4287298A JPH11233501A JP H11233501 A JPH11233501 A JP H11233501A JP 4287298 A JP4287298 A JP 4287298A JP 4287298 A JP4287298 A JP 4287298A JP H11233501 A JPH11233501 A JP H11233501A
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gas
film
plasma
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sccm
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JP4287298A
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Yoshihiro Kato
良裕 加藤
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Tokyo Electron Ltd
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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】 成膜ガスとして、CとFの化合物ガスで
あるC4 8 ガスと、炭化水素ガスであるC2 2 ガス
とを用いると共に、これらガスの流量比を、4/7≦C
4 8 ガス/C2 2 ガス≦1とし、これらのガスをプ
ラズマ化してその活性種により半導体ウエハ10上にC
F膜を成膜する。このようにするとC2 2 ガスは3重
結合を有するので立体構造を持つC−F結合が形成され
やすく、この結果C−F結合が強固となり、高温下でも
結合が切断さ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熱安定性の高い
フッ素添加カーボン膜を成膜する方法に関する。
【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
2 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6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】このため本発明のプラズ
マ成膜方法は、C4 8 ガスとアセチレンガスとを含む
成膜ガスをプラズマ化し、このプラズマにより被処理基
板上にフッ素添加カ−ボン膜を成膜することを特徴とす
る。この際C4 8 ガスとアセチレンガスとの流量比
は、4/7≦C4 8 ガス/アセチレンガス≦1とする
ことが好ましい。
【0009】また本発明は、成膜ガスとしてC4 8
スとアセチレンガスと水素ガスとを用い、C4 8 ガス
とアセチレンガスとの流量比を、0.7≦C4 8 ガス
/アセチレンガス≦4/3とし、かつC4 8 ガスとア
セチレンガスとの混合ガスと水素ガスとの流量比を、1
≦前記混合ガス/水素ガス≦3としてもよい。
【0010】
【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。
【0011】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。
【0012】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ガス源が接続されてお
り、第1の真空室21内の上部にArガスをムラなく均
等に供給し得るようになっている。
【0013】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。
【0014】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。
【0015】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。
【0016】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
法について説明する。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
電吸着する。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、ガスノズル31から第1の真空室2
1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。
【0017】ここで本実施の形態では成膜ガスに特徴が
あり、成膜ガスとしては、CとFとを含むガスとしてC
4 8 ガス、炭化水素ガスとしてアセチレンガス(C2
2ガス)が用いられ、これらのガスは夫々ガス導入管
51、52から成膜ガス供給部5を通じて真空容器内に
供給される。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。
【0018】一方高周波電源部24からの2.45GH
z、2000W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。
【0019】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A
r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2
2内に流れ込んで行き、ここに供給されているC4 8
ガス、C2 2 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。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】このような方法で形成されたCF膜は強固
な結合を有し、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。ここで上述の方法により形
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30sccm、C4 8 ガスを40sc
cm、C2 2 ガスを30sccmの流量で導入してウ
エハ10上にCF膜を成膜し、形成されたCF膜につい
て高温下例えば425℃における重量変化をN2ガス雰
囲気中で425℃の温度に2時間維持して電子天秤によ
り調べた。この重量変化は薄膜の熱安定性の指標であ
り、重量変化の値が小さい程、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。なおマイクロ波
電力及びバイアス電力は夫々2000W、1500Wと
した。
【0021】また比較例として、C2 2 ガスの代わり
に炭化水素ガスとしてC2 4 ガスを30sccmの流
量で導入して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。この際CF膜を成膜するときの条件
は全て上述の実施例と同様とした。
【0022】この結果、CF膜の重量変化は、C2 2
ガスを用いた場合は2.68%であるのに対し、C2
4 ガスを用いた場合は4.3%であることから、C4
8 ガスとC2 2 ガスとの組み合わせにより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が認められた。
【0023】この理由については次のように推察され
る。つまりC2 2 ガスは炭素−炭素間に3重結合を有
しており、プラズマ化されると図2に示すように3重結
合、2重結合、単結合等の分解生成物が生じ、これらが
4 8 の分解生成物と結合して3重結合、2重結合を
有する立体構造物を作る。一方C2 4 ガスは2重結合
を有するガスであるため、C2 4 とC4 8 の分解生
成物が結合し、2重結合を有する立体構造物を作る。結
合力は単結合、2重結合、3重結合と多重結合になるほ
ど強くなり、熱による切断も起こりにくくCF膜から脱
ガスしにくい。したがって、2重結合、3重結合を有す
るC2 2 ガスを用いて生成されたCF膜は熱安定性が
良いと推定される。またC2 2 ガスから分離したHは
膜中で弱く結合しているFと結合してHFガスが生成さ
れ、CF膜から脱離する。膜中で弱く結合したFは熱に
より脱離しやすいため、このようなFが取り除かれるこ
とによっても熱安定性が向上するものと推定される。
【0024】続いて本発明者らはC4 8 ガスとC2
2 ガスとの流量比の最適化を図るために次のような実験
を行った。図1に示すプラズマ処理装置を用い、Arガ
スを30sccm、C4 8 ガスを40sccmの流量
で導入し、C2 2 ガスを30sccmから70scc
mの範囲で流量を変えて導入してウエハ10上にCF膜
を成膜し、形成されたCF膜について上述の方法で重量
変化を調べた。この際マイクロ波電力及びバイアス電力
は夫々2000W、1500Wとした。
【0025】この結果を図3に示すが、これによりC2
2 ガスの流量が35sccm以下のときにはCF膜の
重量変化が2.7%付近であるのに対し、C2 2 ガス
の流量が40sccm以上になると重量変化が1.7%
付近であって小さくなることが認められた。ただしC2
2 ガスの流量が75sccmを越えると膜剥がれが起
こる。
【0026】これによりC4 8 ガスとC2 2 ガスの
流量比には最適な条件が存在し、C4 8 ガスの流量が
40sccmのときには、C2 2 ガスの流量は40s
ccm〜70sccmであることが好ましいこと、つま
り40sccm/70sccm≦C4 8 ガス/C2
2 ガス≦40sccm/40sccm(4/7≦C4
8 ガス/C2 2 ガス≦1)にすれば、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が確認された。
【0027】この理由については、流量比がC4 8
ス/C2 2 ガス≧1となると、成膜ガス中のC2 2
ガスの量が少なくなってしまうので前記立体構造が作り
にくくなり、これによってCF膜中の強固なC−F結合
の割合が小さくなるためと考えられる。
【0028】続いて本発明の他の例について説明する
が、この例は成膜ガスとしてC4 8ガスとC2 2
スとH2 ガスとを用いることを特徴としており、このよ
うな組み合わせの成膜ガスを用いてもCF膜の熱安定性
を高めることができる。またこれら成膜ガスは上述のプ
ラズマ処理装置において成膜ガス供給部5を介して導入
される。
【0029】ここでこの方法の効果を確認するために実
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30sccm、C4 8 ガスを40s
ccm、C2 2 ガスを30sccm、H2 ガスを25
sccmの流量で導入してウエハ10上にCF膜を成膜
し、形成されたCF膜について上述の方法で重量変化を
調べた。この際マイクロ波電力及びバイアス電力は夫々
2000W、1500Wとした。
【0030】この結果CF膜の重量変化は1.89%で
あり、上述の比較例のようにC4 8 ガスとC2 4
スとの組み合わせでCF膜を形成した場合の重量変化
(4.3%)よりも小さいことから、C4 8 ガス、C
2 2 ガスとH2 ガスの組み合わせにより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が認められた。
【0031】続いて本発明者らは以下の方法で、C4
8 ガス、C2 2 ガス、H2 ガスの流量比の最適化を試
みた。先ずC4 8 ガスとC2 2 ガスとの混合ガス
(以下「混合ガス」という)とH2 ガスとの流量比の最
適化を図るために次のような実験を行った。
【0032】図1に示すプラズマ処理装置を用い、Ar
ガスを30sccmの流量で導入すると共に、混合ガス
の流量比をC4 8 ガス/C2 2 ガス=4/6に設定
し、かつ混合ガスとH2 ガスの総量を100sccmと
して、H2 ガスを10sccm〜60sccmの範囲で
流量を変えて導入してウエハ10上にCF膜を成膜し、
形成されたCF膜について上述の方法で重量変化を調べ
た。この際マイクロ波電力及びバイアス電力は夫々20
00W、1500Wとした。
【0033】この結果を図4に示すが、CF膜の重量変
化は、H2 ガスの流量が20sccm以下のときには
2.8%付近であるのに対し、H2 ガスの流量が25s
ccm〜50sccmのときには1.7%付近であって
小さくなることが認められた。なおH2 ガスの流量が5
5sccm以上になると膜剥がれが起こる。
【0034】これにより混合ガスとH2 ガスとの流量比
には最適な条件が存在し、最適な流量比を混合ガス/H
2 ガスで示すとすると、混合ガス/H2 ガスの下限値は
50sccm/50sccmであり、混合ガス/H2
スの上限値は75sccm/25sccmであること、
つまり1≦混合ガス/H2 ガス≦3であることが確認さ
れた。
【0035】次いで前記混合ガスの混合比の最適化を図
るために次のような実験を行った。図1に示すプラズマ
処理装置を用い、Arガスを30sccm、H2 ガスを
30sccmの流量で導入すると共に、混合ガスを、混
合比を0.6≦C4 8 ガス/C2 2 ガス≦1.6の
範囲で変えて導入してウエハ10上にCF膜を成膜し、
形成されたCF膜について上述の方法で重量変化を調べ
た。この際マイクロ波電力及びバイアス電力は夫々20
00W、1500Wとした。
【0036】この結果を図5に示すが、CF膜の重量変
化は、混合比が1.4より大きいときには2.9%以上
であるのに対し、混合比が0.7〜4/3の場合には
1.7%〜2%程度であって小さくなることが認められ
た。なお混合比が0.65よりも小さいと膜剥がれが起
こる。これにより混合ガスの混合比には最適な条件が存
在し、混合比の最適値は0.7≦C4 8 ガス/C2
2 ガス≦4/3であることが確認された。
【0037】これらの実験により、成膜ガスとしてC4
8 ガスとC2 2 ガスとH2 ガスとを用いた場合に
は、これらのガスの最適な流量比は、0.7≦C4 8
ガス/C2 2 ガス≦4/3であって、かつ1≦混合ガ
ス/H2 ガス≦3であることが認められ、このような流
量比にすれば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が確認
された。
【0038】また成膜ガスとしてC4 8 ガスとC2
2 ガスとを用いた場合には、最適な流量比は4/7≦C
4 8 ガス/C2 2 ガス≦1であるのに対して、これ
らのガスにH2 ガスを添加した場合には、最適な流量比
の上限が4/3となって上限値が高くなることつまりC
2 2 ガスの下限流量が小さくなることが確認された。
【0039】この理由については、H2 ガスを混入する
とH2 ガスのプラズマ化により生成されたHが、膜中で
弱く結合しているFと結合してHFガスが生成され、C
F膜から脱離する。膜中で弱く結合したFは熱により脱
離しやすいため、このようなFを取り除くことにより熱
安定性が向上するものと推定される。よってH2 を混入
した時にC2 2 の下限流量が小さくなる。
【0040】以上において本発明ではプラズマはECR
によりプラズマを生成することに限られず、例えばIC
P(Inductive Coupled Plasu
ma)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13.56
MHz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。
【0041】
【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】本発明方法の作用を説明するための模式図であ
る。
【図3】C4 8 ガスとC2 2 ガスの流量比と重量変
化との関係を示す特性図である。
【図4】C4 8 ガスとC2 2 ガスとの混合ガスとH
2 ガスの流量比と重量変化との関係を示す特性図であ
る。
【図5】H2 ガスの流量を一定とした場合の、C4 8
ガスとC2 2 ガスの流量比と重量変化との関係を示す
特性図である。
【図6】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】 C4 8 ガスとアセチレンガスとを含む
    成膜ガスをプラズマ化し、このプラズマにより被処理基
    板上にフッ素添加カ−ボン膜を成膜することを特徴とす
    るプラズマ成膜方法。
  2. 【請求項2】 C4 8 ガスとアセチレンガスとの流量
    比が、4/7≦C48 ガス/アセチレンガス≦1であ
    ることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
  3. 【請求項3】 C4 8 ガスとアセチレンガスと水素ガ
    スとを含む成膜ガスをプラズマ化し、このプラズマによ
    り被処理基板上にフッ素添加カ−ボン膜を成膜するプラ
    ズマ成膜方法において、C4 8 ガスとアセチレンガス
    との流量比が、0.7≦C4 8 ガス/アセチレンガス
    ≦4/3であり、かつC4 8 ガスとアセチレンガスと
    の混合ガスと水素ガスとの流量比が、1≦前記混合ガス
    /水素ガス≦3であることを特徴とする成膜方法。
JP4287298A 1997-11-20 1998-02-09 プラズマ成膜方法 Pending JPH11233501A (ja)

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EP98954753A EP1033746A4 (en) 1997-11-20 1998-11-19 PLASMA DEPOSITION OF A FILM
TW087119197A TW430882B (en) 1997-11-20 1998-11-19 Plasma film forming method
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012531741A (ja) * 2009-06-26 2012-12-10 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理方法

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