プラズマ処理方法
プラズマ反応処理を用いたフルオロカーボン層の形成方法は、マイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程を有する。前記マイクロ波出力及びRFバイアスは、20mTorr〜60mTorrの範囲の圧力下で印加される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス及び当該半導体デバイスの製造方法に関する。より詳細には、本発明は、フルオロカーボン(CFx)層の誘電率を低い値に維持しながら、CFx層と他の金属又は絶縁層との接合を改善するフルオロカーボン(CFx)形成処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多層配線構造が、半導体デバイスの高速動作及び小型化を実現するのに利用されてきた。しかしこれらの構造は、全体の配線抵抗及び配線層の寄生容量の増大に起因する、配線に係る遅延を生じさせてきた。
【０００３】
低抵抗配線材料−たとえば銅(Cu)−を相互接続体として用いることで配線抵抗は減少する。他方、寄生容量を減少させるのに低誘電率すなわちlow-k材料を用いることが可能である。具体的には、フッ素添加カーボン（フルオロカーボン：CFx）が、寄生容量を減少させて、半導体デバイスの動作速度を改善する絶縁層として用いることができる。
【０００４】
従来のプラズマ反応処理は、低誘電率のフルオロカーボン(CFx)層を形成するのに用いられる。プラズマ反応処理は、マイクロ波プラズマ処理装置を用いることによって実行される。前記マイクロ波プラズマ処理装置内では、外部マイクロ波源からのマイクロ波を用いて、プラズマガス−たとえばアルゴン(Ar)又はクリプトン(Kr)−を励起することによって、プラズマが生成される。CF系処理気体−たとえばC5F8又はC6F6気体が、少なくとも約50mTorrの圧力に維持されたプラズマ領域へ導入されるとき、堆積処理は、プラズマ化学気相成長(PE-CVD)法を用いて行われる。これにより、フルオロカーボン(CFx)層の形成について、エッチング速度よりも速い膜形成速度が供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、プラズマ励起源としてただ1つのエネルギー源−たとえばマイクロ波プラズマ−を用いることにより、上述の形成条件下で形成されるフルオロカーボン(CFx)は、CFx層の絶縁特性及び脱離気体特性に関して望ましくない結果を与える恐れがある。その結果、CFx層と他の層−たとえば金属又は絶縁層−の表面との接合は、堆積時に劣化する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題の観点から本発明が提案される。本発明は、低誘電率を維持しながら、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層を形成する方法を供する。
【０００７】
本発明の第1態様によると、フルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成する方法が供される。当該方法は、20mTorrよりも大きく60mTorr未満の圧力下でマイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程を有する。
【０００８】
本発明の第2態様によると、フルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成する方法が供される。当該方法は、マイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程であって、前記フルオロカーボン層は前記RFバイアスを印加しなければ堆積されず、かつ前記圧力は20mTorrよりも大きい、工程を有する。
【０００９】
本発明の第3態様によると、絶縁層としてフルオロカーボン層を有する半導体デバイスを製造する方法が供される。当該方法は、プラズマ反応処理を用いて基板全体にわたって前記フルオロカーボン層を形成する工程を有する。前記のフルオロカーボン層を形成する工程は、マイクロ波出力及びRFバイアスが20mTorr〜60mTorrの範囲の圧力下で印加されるときに実行される。
【００１０】
本発明の第4態様によると、プラズマ反応処理を用いてフルオロカーボン層を形成する方法が供される。当該方法は、マイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程、並びに、プラズマ励起気体及びCF系処理気体に加えて、酸素(O)を処理チャンバへ導入する工程を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】プラズマ処理反応において圧力の関数としての堆積速度の例を概略的に表している。
【図２】圧力の関数としてのフルオロカーボン(CFx)層の誘電率曲線を概略的に表している。
【図３】絶縁膜を形成する装置の実施例の概略図を表している。
【図４】目標の構造及び実験用試料をそのストレステストの結果と共に表している。
【図５】CF4試料の厚さ及び屈折率の測定に用いられる等高線図を表している。
【図６】表面モフォロジーの評価に用いられるCFxの実験用試料の断面図を表している。
【図７】様々な実験用試料について、印加された電場の関数としての漏れ電流を表している。
【図８】様々な実験用試料のTDS強度を表している。
【図９】様々な実験用試料のTDS強度を表している。
【図１０】様々な実験用試料について、RFバイアスの関数としての漏れ電流を表している。
【図１１】様々な実験用試料について、フルオロカーボン層の厚さの関数としての漏れ電流を表している。
【図１２】様々な実験用試料について、圧力の関数としての相対誘電率を表している。
【図１３】様々な実験用試料について、圧力の関数としての平均相対誘電率を表している。
【図１４】代替実施例の等高線図を表している。
【図１５】屈折率の関数としての様々な実験用試料の相対誘電率を表している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以降では、本発明の好適な典型的実施例が図示された添付図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００１３】
本開示は概して、半導体デバイス及び当該半導体デバイスの製造方法に関する。より具体的には、本開示は、フルオロカーボン(CFx)層の誘電率を低い値に維持しながら、CFx層と他の金属又は絶縁層との接合を改善する新たなフルオロカーボン(CFx)形成処理に関する。
【００１４】
本発明の実施例は、低誘電率（k:約2.3未満）を維持しながら、絶縁特性及び脱離気体特性が改善されたフルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成することで、前記CFx層の接合を改善する処理に関する。このことは、マイクロ波プラズマ出力によるRFバイアス印加がなければ前記フルオロカーボン(CFx)層を堆積できないような所定の処理条件を選ぶことによって実現される。このようにして、処理のエッチング速度を減少させながら、フルオロカーボンの堆積処理の形成速度が増大する。
【００１５】
前記所定の処理条件を選ぶことによって、反応副生成物−つまり前記マイクロ波出力によって生成される従来のフルオロカーボン(CFx)−の組成比が最小限に抑制される。それに加えて、前記所定の処理条件は、マイクロ波プラズマの多くが、プラズマ気体−たとえばアルゴン(Ar)気体−を励起し、及び前記プラズマ条件を維持することを可能にする。他方、前記RFバイアスが数百ワットの範囲内で印加される場合には、前記フルオロカーボン(CFx)絶縁層の相対誘電率は、前記RFバイアスの存在による有害な影響を受けない。
【００１６】
しかもフルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成するのに高周波(RF)バイアスが印加されるとき、炭素とフッ素との組成比は約0.9〜1.0である。このことは、炭素とフッ素との組成比は約1.1〜1.2となる、前記高周波(RF)バイアスが印加されることなく前記フルオロカーボン(CFx)層が形成される従来の結果とは対照的である。前記フルオロカーボン(CFx)絶縁層と、主として金属元素−たとえばチタン(Ti)−で構成されるバリア層との接合を考慮すると、本発明の前記フルオロカーボン(CFx)形成処理を用いることがより好ましい。
【００１７】
最初に図1を参照すると、プラズマ反応処理における圧力の関数としての堆積速度の例が図示されている。図1に図示されているように、2つのエネルギー源について、圧力の関数としての堆積速度が図示されている。前記2つのエネルギー源とは、1)プラズマ励起源−たとえばマイクロ波出力源−及び2)高周波(RF)出力源である。プラズマ励起源−たとえばマイクロ波源−が唯一のエネルギー源として用いられるときには、プラズマ気体の圧力が約30mTorr（付近）に維持されるときに堆積が起こることに留意して欲しい。図1に図示されているように、この圧力領域は大雑把に2つの領域に分けられる。前記2つの領域とは、1)20mTorr〜30mTorrの範囲の圧力を有する第1領域、及び2)30mTorr〜60mTorrの範囲の圧力を有する第2領域である。前記第1領域−「エッチングプラズマ領域」とも呼ばれる−は、マイクロ波出力源と共に高周波(RF)出力を印加しなければ堆積が起こりえない領域である。前記第2領域は、高周波(RF)出力を印加せずに、唯一のエネルギー源としてマイクロ波出力源を用いることによって堆積が起こりうる領域である。しかし高周波(RF)源を加えることで、低誘電率を維持しながら、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層の形成が可能となる。これらの好ましい結果は、エッチングプラズマ領域（20mTorr〜30mTorrの圧力）でフルオロカーボン(CFx)層を形成するときにも与えられる。
【００１８】
上述の圧力領域でフルオロカーボン(CFx)層を形成するとき、フルオロカーボン形成速度の増大に加えて、フルオロカーボン(CFx)エッチング速度を減少させることができる。プラズマ反応処理における形成速度とエッチング速度は、マイクロ波出力源に直接相関するので、マイクロ波出力源は、2.45GHzの周波数で約1kW〜3.5kWの範囲のマイクロ波出力を発生させるように設定される。
【００１９】
さらに前述したように、上述の圧力領域で形成されたフルオロカーボン(CFx)層は、好ましい絶縁特性及び脱離気体特性を供する。これらの好ましい結果を実現するため、RF出力源は、約400kHzの周波数で、約20W〜120Wの範囲のRF出力で用いられる。
【００２０】
本発明の一の態様によると、フルオロカーボン(CFx)層の相対誘電率は、RFバイアス源の存在によって有害な影響を受けない。しかし後述するように、相対誘電率が約2.3未満のフルオロカーボン(CFx)層は、圧力領域が所定の範囲に限定されるときに実現される。
【００２１】
次に図2を参照すると、圧力の関数としてのフルオロカーボン(CFx)層の誘電率曲線が概略的に表されている。プラズマ気体の圧力が60mTorr以下に維持されるとき、本発明の実施例によるフルオロカーボン(CFx)絶縁層は、マイクロ波出力源に加えてRF出力源を用いることによって堆積可能である。しかし図2に図示されているように、CFx層の相対誘電率は、圧力があまりに低いときに増加する傾向にある。このことは主として、プラズマ気体の圧力及びマイクロ波出力が低いときに、生成されたプラズマと反応する処理気体−たとえばCF系気体−の量は相対的に増大するという事実に起因する。その結果、フルオロカーボン(CFx)層の相対誘電率は、プラズマの圧力があまりに低いときに増大する。
【００２２】
本発明の処理によって形成されるCFx絶縁層の相対誘電率の増大を回避するためには、プラズマ気体の圧力は、所定の範囲内に維持されることが好ましい。好適実施例では、圧力の所定範囲は、20mTorr〜60mTorrの範囲内に設定される。この範囲は、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層を得るのに用いられる圧力範囲と同一である。
【００２３】
本発明の好適実施例によるフルオロカーボン(CFx)絶縁層は、絶縁層形成装置を用いて形成される。図3は、絶縁層形成装置30の実施例の概略図を表している。図3に図示されているように、絶縁層形成装置30は、処理容器50、半径ラインスロットアンテナ62、及び載置台51を有する。
【００２４】
処理容器50の内部は、ラジアルラインスロットアンテナ62側のプラズマ生成領域R1と、載置台51側の膜形成領域R2に区分けされている。外部マイクロ波源66は、所定周波数−たとえば2.45GHz−のマイクロ波出力をラジアルラインスロットアンテナ62へ供する。マイクロ波源66からのマイクロ波は、気体供給ポート７０からプラズマ生成領域R1へ放出されるプラズマ気体一たとえばアルゴン(Ar)気体−の励起を引き起こす。プラズマ気体は、プラズマ気体供給源71から、気体リング７２を介して気体供給ボート７０へ供給される。続いてプラズマ気体は、プラズマ生成領域R１へ放出される。
【００２５】
絶縁層形成装置３０は、シャワープレートとも呼ばれる処理気体供給構造８０をさらに有する。処理気体供給構造８０の上面もまた図３に図示されている。処理気体供総構造８０は処理気体パイプ８１を有する。処理気体パイプ８１は、載置台５１上に載置された基板Ｗに対向するグリッドとして、プラズマ生成領域Ｒ１と膜形成領域Ｒ２との間に設けられている。処理気体供給パイプ８１は、環状パイプ８１aとグリッドパイプ８１ｂを有して良い。環状パイプ８１ａは、処理気体供給構造８０の外郷周辺部にて輪を形成するように設けられている。グリッドパイプ８1bは、複数のマトリックスパイプが環状パイプ８１aの内面で互いに直交するように設けられている。
【００２６】
処理気体供給構造８０の下面では、多数の処理気体供給ボート８３が、基板Ｗ全体にわたって均一に形戒されている。処理気体供給源84は、気体パイプ８５を介して処理気体供給パイプ８１と接続する。この実施例では、処理気体供給源８４は、希釈気体として、アルゴン（Ar）気体とＣＦ系気体−たとえばＣ５Ｆ８−の混合気体を、気体パイプ８５を介して処理気体供給パイプ８１へ供する。続いて希釈気体は、各処理気体供給ポート８３から膜形成領域Ｒ２へ向かって下方に放出される。気体−たとえばＣＦ系気体−の流速は、シャワープレート８０上の処理気体供給ボート８３の位置に依存して、２つの速度に分類することがでぎる。２つの速度とは、１）”sh-c”流速と、２）”sh-e”流速である。”sh-c”流速は、シャワープレート８０の中央部に位置する処理気体供給ポード８３での流速を指称する。”sh-e”流速は、シャワープレート８Ｏの端部に位置する処理気体供給ポート８３での流速を指称する。
【００２７】
［実験用試料］
フルオロカーボン（ＣＦｘ）絶縁層の絶縁特性、接合、及び信頼性のある動作を評価するため、本開示に記載された処理に従って複数の実験用試料が作製された。続いて上述の特性を評価するため、実験用試料は様々なテストを受けた。各実験用試料では、フルオロカーボン（ＣＦｘ4）絶縁層は、高周波ＨＦ出力及びマイクロプラズマ源を用いることによって形成される。以降では明示的に記載されない限り、以下のフルオロカーボン層を形成するのに以下の設定条件が用いられた。具体的には、１）ＣＦｘ４層：周波数２．４５ＧＨｚで約１ｋＷ〜３．５ｋＷのマイクロ波出力、周波数ユ００ｋＩＩｚで約２ＯＷ〜１２ＯＷの高周波ＲＦ出力、２）ＣＦｘ２層：周波数２．１５ＧＨｚで約１．５ｋＷのマイクロ波出力、高周波ＲＦバイアスは印加されず、３ＯmTorr未満の低圧で形成、及び３）ＣＦｘ層：周波数２４５GHzで約３ｋＷのマイクロ波出力、高周波ＲＦバイアスは印加されず、５０ｍＴｏｒｒ未満の低圧で形成、である。様々なフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する全ての実験用試料は、約３３０℃〜４００℃の基板温度で形成された。以降では、これらの評価結果について詳細に説明する。
【００２８】
図４を参照すると、標的構造、並びに、ストレステスト、テープテスト、及び、ブリスターテストを実行するのに用いられる実験用試料の上面図が図示されている。これらの評価に用いられる構造は、第１アモルファスカーボン層、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層、第２アモルファスカーボン層、及び密閉キャップ層を有する。第１アモルファスカーボン層はバルクのシリコン（Ｓｉ）基板上に形成される一方で、第２アモルファスカーボン層はフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層全体にわたって形成される。いずれのアモルファスカーボン層も、約10nmの厚さを有し、かっエッチングプラズマ領域内に形成される。エッチングプラズマ領域内では、外部RF電源８３からの高周波（RＦ）バイアスが、絶縁層形成装置３０の載置台５１上に載置された基板Ｗに印加される。ＲＦバイアスは、約１２０ＷのRＦ出力で１００ｋHｚの周波数を有する。フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層もまた、エッチングプラズマ領域と同一の形成条件下で形成される。従ってアモルファスカーボン層の形成に用いられたＲＦバイアス源と同一のものが、基板Ｗに用いられる。密閉キャップ層は、CFｘ４層から生成された脱離気体と反応するように形成される。
【００２９】
続いて事前評価アニーリングが、約３５０℃で２４時間行われた。事前評価アニーリングの実行後、実験用試料はそれぞれ、ストレステスト、ブリスターテスト、及びテープテストを受けた。ストレステストは、約４００℃で２時間行われた。この実験用試料は、すべての堆積層、アモノシファスカーボン層、及びＣＦｘ４層でのストレステストに合格した。スコッチテープを実験用試料の表面に貼り付けた後の実験朗試料の上面図もまた図４に図示されている。ストレステストと同様に、ＲＦバイアスが印加されたエッチングプラズマ領域内で形成されたすべての層は、ブリスターテストとテープテストに合格した。このことは、この試料については、層の気泡及び剥離が観測されなかったことを意味する。
【００３０】
以降では、本発明の処理に従って形成されたフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の屈折率及び厚さについて調査した。この日的のため、複数の実験用試料が作製された．しかし現時点での最高であるＣＦｘ４試料だけを、この評価に用いられるものとして選んだ。図５は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の屈折率及び厚さを測定するのに用いられる現時点での最高の実験用試料の等高線図を表している。表１は、実験用試料の厚さ及び屈折率についての等高線図から得られた平均値、最小値、最大値、及び不均一値をまとめたものである。
【００３１】
【表１】
図５に図示され、また表１にまとめられているように、フルオロカーボン（ＣＦ系）試料の厚さと屈折率に関する不均一性の問題は、新たなフルオロカーボン形成処理でも依然として存在する。しかし屈折率及び相対誘電率は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）実験用試料全体で低いまま（ｋ＜〜２．３）である。
続いて、本発明の処理に従って形成されたフルオロカーボン（ＣＦｘ）絶縁層の表面モフォロジーを調査した。この目的のため、各異なるフルオロカーボン（ＣＦｘとＣＦｘ４）層を有する２つの実験用試料が、バルクシリコン基板全体にわたって形戒された。ＣＦｘ試料とＣＦｘ４試料のいずれも、絶縁層形成装置３０を用いることによって、［0026］に記載された設定条件と同一の設定条件で形成される。
【００３２】
次に図６を参照すると、各ウェハの中央に対して様々な点からとられた２つの実験用試料の断面像が図示されている。両実験用試料の断面像が、図６の上側と下側に図示されている。ＣＦｘ実験用試料については、１）Ａ（０，０）と２）Ｂ（−１３５，０）の座標で表される２つの点で断面像がとられた。他方、ＣＦｘ実験用試料の断面像は３点でとられた。最初の２点はＣＦｘ実験用試料について用いられた座標と同一で、第３点はＣ（−１５０，０）の座標を有する。図６に図示されているように、ＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料は、ＣＦｘ絶縁層を有する実験用試料と比較して凹凸が少ない。従ってＣＦｘ４絶縁層の表面モフォロジーは、ＣＦｘ層の場合と比較して改善されている。その結果、ＣＦｘ４絶縁層についてはより滑らかな表面が得られた。
図７を参照すると、様々な実験用試料にっいて、印加電圧の関数としての漏れ電流が図示されている。漏れ電流は、約４００℃の温度で２時間の熱処理が行われる熱応力の地点で測定された。この評価のため、３つの実験用試料ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４が形成された。ＣＦｘ絶縁層とＣＦｘ２絶縁層のいずれも、高周波ＲＦバイアスを印加することなく形成される。ＣＦｘ絶縁層は約５０ｍＴｏｒｒの圧力下で形成される一方で、ＣＦｘ２絶縁層は低圧（３０ｍＴｏｒｒ未満）下で形成される。［００２６］に記載された条件と同一の条件でＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料を形成するため、高周波RＦバイアスが印加される。
【００３３】
図７に図示されているように、印加電圧が約−２ＭＶ／ｃｍ〜−０．５ＭＶ／ｃｍの範囲内であるときには、ＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料の漏れ電流は小さい。表２は、印加電場が約１．５ＭＶ／ｃｍであるときの各実験用試料にっいての漏れ電流（Jg@1.5MV/cm）の値をまとめたものである。表２に示されているように、１．５ＭＶ／ｃｍでのＣＦｘ４絶縁層の漏れ電流の値は小さい。
【００３４】
【表２】
３つの実験用試料（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）は、本発明のフルオロカーボン形成処理に従って形成され、かっ熱脱離分光（ＴＤＳ）測定力直行われた．この実験は、各実験用試料でのフッ素（Ｆ）の分子量又は原子量を検出するように行われる。各試料の熱脱離分光測定が行われ、かっその結果が図８に図示されている。縦軸は、質量が１９の揚合（Ｍ／ｚ＝１９）でのフッ素（Ｆ）気体測定された強度値である。横軸は、温度が所定の速度で上昇する間の処理時聞である。この実験では、質量１９のフッ素（Ｆ）気体が検出された。図８に図示されたスペクトルでは、２つのピークＰ１とＰ２が存在する。表３は、各実験用試料の両ピークの強度をまとめたものである。図８と表３でも示されているように、質量が１９の場合（Ｍ／ｚ＝１９）でのＣＦｘ絶縁層の脱ガス速度は低い。
【００３５】
【表３】
次の実験では、分子量が８５（Ｍ／ｚ＝８５）のＳｉＦ３に属する脱ガス又は脱離気体を調査した。この目的のため、３つの実験用試料（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）熱脱離分光が測定された。その結果が図９に図示されている。図８で示された先の実験と同様に、縦軸は、質量が８５の場合（Ｍ／ｚ＝８５）でのフッ素（Ｆ）気体測定された強度値である。横軸は、温度が所定の速度で上昇する間の処理時間である。この実験では、質量が８５のＳｉＦ３気体が検出された。図９のスペクトル中に一のピークが観測された。表４は、各実験用試料についてのピーク強度をまとめたものである。図９と表４で示されているように、ＣＦｘ４絶縁層ではＳｉＦ３ピークは観測されなかった．従ってＣＦｘ４層のＳｉＦ３に属する脱ガス量は、３つの実験用試料の中で最小である。
【００３６】
【表４】
以降では、現時点で最高のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）実験用試料を形成するのに用いられる設定条件について詳述する。表５は、現時点で最高のＣＦｘ４試料を形成するための設定条件をまとめたものである．
【００３７】
【表５】
現時点で最高のＣＦｘ４絶縁層の実験結果は表６にまとめられている．
【００３８】
【表６】
次に図１０を参照すると、４つの実験用試料について、ＲFバイアスの関数としでの漏れ電流が図示されている。すべての実験用試料は、［００２６］で述べた設定条件で、本発明の膜形成処理を用いることによって作製された。ＣＦｘ４絶縁層を有する３つの実験用試料は、RＦバイアスがそれぞれ、０Ｗ、６０Ｗ、及び１２０Ｗに設定された状態で形成された。第４の実験用試料は、絶縁層としてＣＦｘ層を有する．この試料について、RＦ出力は0Ｗに設定された．図１０に図示されたように、RＦバイアス電力が増大することで、漏れ電流は減少する傾向にある。印加電圧が１ＭＶ／ｃｍ（Ｊｇ＠１ＭＶ／ｃｍ）に設定されるときに漏れ電流値力測定されたことに留意して欲しい。
【００３９】
図１１は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さの関数としでの漏れ電流を表している。この目的のため、３組の実験用試料が作製された。各組では、ほぼ同一のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さを有する５つの実験用試料が形成された、第１組、第２組、及び第３組の実験用試料のフルオロカーボン絶縁層の平均厚さはそれぞれ、８５．４９ｎｍ、１３７．１１ｎｍ、及び１９０．２６nmである。図１１に図示されているように、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さが大きくなればなるほど、漏れ電流の値は小さくなる。印加電圧力が１ＭＶ／ｃｍ（Ｊｇ＠１MＶ／ｃｍ）に設定されるときに漏れ電流値が測定されたことに留意して欲しい。
【００４０】
次に図１２を参照すると、圧力の関数としてのフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の相対誘電率が示されている。この評価のため、２組の実験用試料が、絶縁層形成装置３０を用いて形成された。各組では、３組の実験用試料が以下の条件で形成された。具体的には、２５ｍＴｏｒｒ、３０ｍＴｏｒｒ及び３５ｍＴｏｒｒである。第１及び第２組でのＲＦバイアスはそれぞれ９０Ｗと１２０Ｗに設定された。図１２に図示されているように、圧力についての設定条件が大きければ大きいほど、相対誘電率の値は大きくなる。線形回帰分析を用いることによって、各データ組についての最善の線形近似フィッティングが計算される。図１２に図示されているように、各実験用試料の組について非常に良好な相関が得られた（ＲＦバイアス：９０Ｗ→R２＝０．９７及びＲＦバイアス：１２０Ｗ→R２＝０．９８）。
【００４１】
様々な実験用試料について、圧力の関数としての平均誘電率が図１３に図示されている。図１３に図示されているように、圧力が２２ｍToｒｒでは２．３８の最小平均値が得られる一方で、圧力が２８ｍToｒｒでは２．６２の最大平均値が得られる。この結果によると、２２ｍToｒｒの圧力値は最低値の相対誘電率を供する。このことは、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層の形成に用いられる圧力の最善値が約２２ｍＴｏｒｒであることを意味している。
【００４２】
以降では、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層の特性をさらにより改善する代替実施例が評価される。この代替実施例では、絶縁層形成装置３０の気体リング７２を介して、処理容器５０へ酸素（Ｏ）が導入される。この代替実施例の有効性を評価するため、厳密に同一の設定条件−ただし酸素（Ｏ）は除く−を有する２つの実験用試料（＃１と＃２）が作製された。表７は、両実験用試料についての設定条件をまとめたものである。前述したように、”sh-c”と”sh-e”はそれぞれ、シャワープレート８０の中心部と端部での流速を表す一方で、”gr”は気体リング７２での気体の流速を表す。
【００４３】
【表７】
図１４を参照すると、屈折率の測定に用いられた両実験用試料の等高線図が図示されている。図１４に図示されているように、酸素（Ｏ）が処理容器５０の雰囲気に加えられた実験用試料＃２の屈折率の最大値、最小値、及び平均値は低い。この結果、第２実験用試料の誘電率は低く（ｌｏｗ−ｋと）なる。表８は、両実験用試料の厚さ、屈折率、及び相対誘電率をまとめたものである．表８に示されているように、酸素が雰囲気中に導入されるときには、厚さの値と相対誘電率（ｋ）もまた低くなる。この評価は、酸素（Ｏ）を用いることによって低い値の誘電率を得ることができることを確認した。
【００４４】
【表８】
続いで、フルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）の動作信頼性を調査した。この目的のため、各々が異なるフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する３組の実験用試料が作製された。各組では、同様のフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する３つの同一試料が、シリコン（Ｓｉ）バルク基板全体にわたって形成される。
【００４５】
各実験用試料の組でのフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を形成するための設定条件が表９にまとめられている。
【００４６】
【表９】
フルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）の動作信頼性を評価するため、各組の実験用試料は、評価用の「霧浴（ｍｉｓｔ ｂａｔｈ）」とも呼ばれる加速試験を受けた。従って各組のフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層の形成後、各組の実験用試料は、高湿度−たとえば８５％（Ｈ２０）−の浴で一定温度−たとえば８０℃−の状態に置かれる。その実験を実行するため、各組の第１試料は加速試験を受けないことにする。よって、実験用試料を霧浴へ１〜１０分間置くことによって、各組の第２試料が加速試験を受けることになる。各組の最後の実験用試料もまた、１００分間加速試験を受ける。
【００４７】
図１５は、各実験用試料の組について、屈折率の関数としての相対誘電率（ｋ値）を表している。高湿度環境中で一定温度に保たれた状態での絶縁層の屈折率変化が小さければ小さいほど、その絶縁層の絶縁特性ひいては全体的な信頼性力が良好になる。
【００４８】
図１５に図示されているように、第３組の実験用試料で、屈折率変化、ひいては相対誘電率の変化が最小となる．表９に示されているように、第３組の実験用試料のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層は、ＲＦバイアスの印加、さらには窒素（Ｈ２）気体を雰囲気中にカロえることによって形成される。窪素（Ｎ２）気体を雰屈気中に加えることによって、窒素（Ｎ２）原子ば励起され、ＣＦ蕊恕絶縁層の表面へ向かって発光する。この結果、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層への硬化すなわち改質効果が生じる．これにより、屈折率ひいては相対誘電率の変化が小さくなる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス及び当該半導体デバイスの製造方法に関する。より詳細には、本発明は、フルオロカーボン(CFx)層の誘電率を低い値に維持しながら、CFx層と他の金属又は絶縁層との接合を改善するフルオロカーボン(CFx)形成処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多層配線構造が、半導体デバイスの高速動作及び小型化を実現するのに利用されてきた。しかしこれらの構造は、全体の配線抵抗及び配線層の寄生容量の増大に起因する、配線に係る遅延を生じさせてきた。
【０００３】
低抵抗配線材料−たとえば銅(Cu)−を相互接続体として用いることで配線抵抗は減少する。他方、寄生容量を減少させるのに低誘電率すなわちlow-k材料を用いることが可能である。具体的には、フッ素添加カーボン（フルオロカーボン：CFx）が、寄生容量を減少させて、半導体デバイスの動作速度を改善する絶縁層として用いることができる。
【０００４】
従来のプラズマ反応処理は、低誘電率のフルオロカーボン(CFx)層を形成するのに用いられる。プラズマ反応処理は、マイクロ波プラズマ処理装置を用いることによって実行される。前記マイクロ波プラズマ処理装置内では、外部マイクロ波源からのマイクロ波を用いて、プラズマガス−たとえばアルゴン(Ar)又はクリプトン(Kr)−を励起することによって、プラズマが生成される。CF系処理気体−たとえばC5F8又はC6F6気体が、少なくとも約50mTorrの圧力に維持されたプラズマ領域へ導入されるとき、堆積処理は、プラズマ化学気相成長(PE-CVD)法を用いて行われる。これにより、フルオロカーボン(CFx)層の形成について、エッチング速度よりも速い膜形成速度が供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、プラズマ励起源としてただ1つのエネルギー源−たとえばマイクロ波プラズマ−を用いることにより、上述の形成条件下で形成されるフルオロカーボン(CFx)は、CFx層の絶縁特性及び脱離気体特性に関して望ましくない結果を与える恐れがある。その結果、CFx層と他の層−たとえば金属又は絶縁層−の表面との接合は、堆積時に劣化する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題の観点から本発明が提案される。本発明は、低誘電率を維持しながら、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層を形成する方法を供する。
【０００７】
本発明の第1態様によると、フルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成する方法が供される。当該方法は、20mTorrよりも大きく60mTorr未満の圧力下でマイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程を有する。
【０００８】
本発明の第2態様によると、フルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成する方法が供される。当該方法は、マイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程であって、前記フルオロカーボン層は前記RFバイアスを印加しなければ堆積されず、かつ前記圧力は20mTorrよりも大きい、工程を有する。
【０００９】
本発明の第3態様によると、絶縁層としてフルオロカーボン層を有する半導体デバイスを製造する方法が供される。当該方法は、プラズマ反応処理を用いて基板全体にわたって前記フルオロカーボン層を形成する工程を有する。前記のフルオロカーボン層を形成する工程は、マイクロ波出力及びRFバイアスが20mTorr〜60mTorrの範囲の圧力下で印加されるときに実行される。
【００１０】
本発明の第4態様によると、プラズマ反応処理を用いてフルオロカーボン層を形成する方法が供される。当該方法は、マイクロ波出力及びRFバイアスを印加する工程、並びに、プラズマ励起気体及びCF系処理気体に加えて、酸素(O)を処理チャンバへ導入する工程を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】プラズマ処理反応において圧力の関数としての堆積速度の例を概略的に表している。
【図２】圧力の関数としてのフルオロカーボン(CFx)層の誘電率曲線を概略的に表している。
【図３】絶縁膜を形成する装置の実施例の概略図を表している。
【図４】目標の構造及び実験用試料をそのストレステストの結果と共に表している。
【図５】CF4試料の厚さ及び屈折率の測定に用いられる等高線図を表している。
【図６】表面モフォロジーの評価に用いられるCFxの実験用試料の断面図を表している。
【図７】様々な実験用試料について、印加された電場の関数としての漏れ電流を表している。
【図８】様々な実験用試料のTDS強度を表している。
【図９】様々な実験用試料のTDS強度を表している。
【図１０】様々な実験用試料について、RFバイアスの関数としての漏れ電流を表している。
【図１１】様々な実験用試料について、フルオロカーボン層の厚さの関数としての漏れ電流を表している。
【図１２】様々な実験用試料について、圧力の関数としての相対誘電率を表している。
【図１３】様々な実験用試料について、圧力の関数としての平均相対誘電率を表している。
【図１４】代替実施例の等高線図を表している。
【図１５】屈折率の関数としての様々な実験用試料の相対誘電率を表している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以降では、本発明の好適な典型的実施例が図示された添付図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００１３】
本開示は概して、半導体デバイス及び当該半導体デバイスの製造方法に関する。より具体的には、本開示は、フルオロカーボン(CFx)層の誘電率を低い値に維持しながら、CFx層と他の金属又は絶縁層との接合を改善する新たなフルオロカーボン(CFx)形成処理に関する。
【００１４】
本発明の実施例は、低誘電率（k:約2.3未満）を維持しながら、絶縁特性及び脱離気体特性が改善されたフルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成することで、前記CFx層の接合を改善する処理に関する。このことは、マイクロ波プラズマ出力によるRFバイアス印加がなければ前記フルオロカーボン(CFx)層を堆積できないような所定の処理条件を選ぶことによって実現される。このようにして、処理のエッチング速度を減少させながら、フルオロカーボンの堆積処理の形成速度が増大する。
【００１５】
前記所定の処理条件を選ぶことによって、反応副生成物−つまり前記マイクロ波出力によって生成される従来のフルオロカーボン(CFx)−の組成比が最小限に抑制される。それに加えて、前記所定の処理条件は、マイクロ波プラズマの多くが、プラズマ気体−たとえばアルゴン(Ar)気体−を励起し、及び前記プラズマ条件を維持することを可能にする。他方、前記RFバイアスが数百ワットの範囲内で印加される場合には、前記フルオロカーボン(CFx)絶縁層の相対誘電率は、前記RFバイアスの存在による有害な影響を受けない。
【００１６】
しかもフルオロカーボン(CFx)絶縁層を形成するのに高周波(RF)バイアスが印加されるとき、炭素とフッ素との組成比は約0.9〜1.0である。このことは、炭素とフッ素との組成比は約1.1〜1.2となる、前記高周波(RF)バイアスが印加されることなく前記フルオロカーボン(CFx)層が形成される従来の結果とは対照的である。前記フルオロカーボン(CFx)絶縁層と、主として金属元素−たとえばチタン(Ti)−で構成されるバリア層との接合を考慮すると、本発明の前記フルオロカーボン(CFx)形成処理を用いることがより好ましい。
【００１７】
最初に図1を参照すると、プラズマ反応処理における圧力の関数としての堆積速度の例が図示されている。図1に図示されているように、2つのエネルギー源について、圧力の関数としての堆積速度が図示されている。前記2つのエネルギー源とは、1)プラズマ励起源−たとえばマイクロ波出力源−及び2)高周波(RF)出力源である。プラズマ励起源−たとえばマイクロ波源−が唯一のエネルギー源として用いられるときには、プラズマ気体の圧力が約30mTorr（付近）に維持されるときに堆積が起こることに留意して欲しい。図1に図示されているように、この圧力領域は大雑把に2つの領域に分けられる。前記2つの領域とは、1)20mTorr〜30mTorrの範囲の圧力を有する第1領域、及び2)30mTorr〜60mTorrの範囲の圧力を有する第2領域である。前記第1領域−「エッチングプラズマ領域」とも呼ばれる−は、マイクロ波出力源と共に高周波(RF)出力を印加しなければ堆積が起こりえない領域である。前記第2領域は、高周波(RF)出力を印加せずに、唯一のエネルギー源としてマイクロ波出力源を用いることによって堆積が起こりうる領域である。しかし高周波(RF)源を加えることで、低誘電率を維持しながら、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層の形成が可能となる。これらの好ましい結果は、エッチングプラズマ領域（20mTorr〜30mTorrの圧力）でフルオロカーボン(CFx)層を形成するときにも与えられる。
【００１８】
上述の圧力領域でフルオロカーボン(CFx)層を形成するとき、フルオロカーボン形成速度の増大に加えて、フルオロカーボン(CFx)エッチング速度を減少させることができる。プラズマ反応処理における形成速度とエッチング速度は、マイクロ波出力源に直接相関するので、マイクロ波出力源は、2.45GHzの周波数で約1kW〜3.5kWの範囲のマイクロ波出力を発生させるように設定される。
【００１９】
さらに前述したように、上述の圧力領域で形成されたフルオロカーボン(CFx)層は、好ましい絶縁特性及び脱離気体特性を供する。これらの好ましい結果を実現するため、RF出力源は、約400kHzの周波数で、約20W〜120Wの範囲のRF出力で用いられる。
【００２０】
本発明の一の態様によると、フルオロカーボン(CFx)層の相対誘電率は、RFバイアス源の存在によって有害な影響を受けない。しかし後述するように、相対誘電率が約2.3未満のフルオロカーボン(CFx)層は、圧力領域が所定の範囲に限定されるときに実現される。
【００２１】
次に図2を参照すると、圧力の関数としてのフルオロカーボン(CFx)層の誘電率曲線が概略的に表されている。プラズマ気体の圧力が60mTorr以下に維持されるとき、本発明の実施例によるフルオロカーボン(CFx)絶縁層は、マイクロ波出力源に加えてRF出力源を用いることによって堆積可能である。しかし図2に図示されているように、CFx層の相対誘電率は、圧力があまりに低いときに増加する傾向にある。このことは主として、プラズマ気体の圧力及びマイクロ波出力が低いときに、生成されたプラズマと反応する処理気体−たとえばCF系気体−の量は相対的に増大するという事実に起因する。その結果、フルオロカーボン(CFx)層の相対誘電率は、プラズマの圧力があまりに低いときに増大する。
【００２２】
本発明の処理によって形成されるCFx絶縁層の相対誘電率の増大を回避するためには、プラズマ気体の圧力は、所定の範囲内に維持されることが好ましい。好適実施例では、圧力の所定範囲は、20mTorr〜60mTorrの範囲内に設定される。この範囲は、優れた絶縁特性及び脱離気体特性を有するフルオロカーボン(CFx)層を得るのに用いられる圧力範囲と同一である。
【００２３】
本発明の好適実施例によるフルオロカーボン(CFx)絶縁層は、絶縁層形成装置を用いて形成される。図3は、絶縁層形成装置30の実施例の概略図を表している。図3に図示されているように、絶縁層形成装置30は、処理容器50、半径ラインスロットアンテナ62、及び載置台51を有する。
【００２４】
処理容器50の内部は、ラジアルラインスロットアンテナ62側のプラズマ生成領域R1と、載置台51側の膜形成領域R2に区分けされている。外部マイクロ波源66は、所定周波数−たとえば2.45GHz−のマイクロ波出力をラジアルラインスロットアンテナ62へ供する。マイクロ波源66からのマイクロ波は、気体供給ポート７０からプラズマ生成領域R1へ放出されるプラズマ気体一たとえばアルゴン(Ar)気体−の励起を引き起こす。プラズマ気体は、プラズマ気体供給源71から、気体リング７２を介して気体供給ボート７０へ供給される。続いてプラズマ気体は、プラズマ生成領域R１へ放出される。
【００２５】
絶縁層形成装置３０は、シャワープレートとも呼ばれる処理気体供給構造８０をさらに有する。処理気体供給構造８０の上面もまた図３に図示されている。処理気体供総構造８０は処理気体パイプ８１を有する。処理気体パイプ８１は、載置台５１上に載置された基板Ｗに対向するグリッドとして、プラズマ生成領域Ｒ１と膜形成領域Ｒ２との間に設けられている。処理気体供給パイプ８１は、環状パイプ８１aとグリッドパイプ８１ｂを有して良い。環状パイプ８１ａは、処理気体供給構造８０の外郷周辺部にて輪を形成するように設けられている。グリッドパイプ８1bは、複数のマトリックスパイプが環状パイプ８１aの内面で互いに直交するように設けられている。
【００２６】
処理気体供給構造８０の下面では、多数の処理気体供給ボート８３が、基板Ｗ全体にわたって均一に形戒されている。処理気体供給源84は、気体パイプ８５を介して処理気体供給パイプ８１と接続する。この実施例では、処理気体供給源８４は、希釈気体として、アルゴン（Ar）気体とＣＦ系気体−たとえばＣ５Ｆ８−の混合気体を、気体パイプ８５を介して処理気体供給パイプ８１へ供する。続いて希釈気体は、各処理気体供給ポート８３から膜形成領域Ｒ２へ向かって下方に放出される。気体−たとえばＣＦ系気体−の流速は、シャワープレート８０上の処理気体供給ボート８３の位置に依存して、２つの速度に分類することがでぎる。２つの速度とは、１）”sh-c”流速と、２）”sh-e”流速である。”sh-c”流速は、シャワープレート８０の中央部に位置する処理気体供給ポード８３での流速を指称する。”sh-e”流速は、シャワープレート８Ｏの端部に位置する処理気体供給ポート８３での流速を指称する。
【００２７】
［実験用試料］
フルオロカーボン（ＣＦｘ）絶縁層の絶縁特性、接合、及び信頼性のある動作を評価するため、本開示に記載された処理に従って複数の実験用試料が作製された。続いて上述の特性を評価するため、実験用試料は様々なテストを受けた。各実験用試料では、フルオロカーボン（ＣＦｘ4）絶縁層は、高周波ＨＦ出力及びマイクロプラズマ源を用いることによって形成される。以降では明示的に記載されない限り、以下のフルオロカーボン層を形成するのに以下の設定条件が用いられた。具体的には、１）ＣＦｘ４層：周波数２．４５ＧＨｚで約１ｋＷ〜３．５ｋＷのマイクロ波出力、周波数ユ００ｋＩＩｚで約２ＯＷ〜１２ＯＷの高周波ＲＦ出力、２）ＣＦｘ２層：周波数２．１５ＧＨｚで約１．５ｋＷのマイクロ波出力、高周波ＲＦバイアスは印加されず、３ＯmTorr未満の低圧で形成、及び３）ＣＦｘ層：周波数２４５GHzで約３ｋＷのマイクロ波出力、高周波ＲＦバイアスは印加されず、５０ｍＴｏｒｒ未満の低圧で形成、である。様々なフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する全ての実験用試料は、約３３０℃〜４００℃の基板温度で形成された。以降では、これらの評価結果について詳細に説明する。
【００２８】
図４を参照すると、標的構造、並びに、ストレステスト、テープテスト、及び、ブリスターテストを実行するのに用いられる実験用試料の上面図が図示されている。これらの評価に用いられる構造は、第１アモルファスカーボン層、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層、第２アモルファスカーボン層、及び密閉キャップ層を有する。第１アモルファスカーボン層はバルクのシリコン（Ｓｉ）基板上に形成される一方で、第２アモルファスカーボン層はフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層全体にわたって形成される。いずれのアモルファスカーボン層も、約10nmの厚さを有し、かっエッチングプラズマ領域内に形成される。エッチングプラズマ領域内では、外部RF電源８３からの高周波（RＦ）バイアスが、絶縁層形成装置３０の載置台５１上に載置された基板Ｗに印加される。ＲＦバイアスは、約１２０ＷのRＦ出力で１００ｋHｚの周波数を有する。フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層もまた、エッチングプラズマ領域と同一の形成条件下で形成される。従ってアモルファスカーボン層の形成に用いられたＲＦバイアス源と同一のものが、基板Ｗに用いられる。密閉キャップ層は、CFｘ４層から生成された脱離気体と反応するように形成される。
【００２９】
続いて事前評価アニーリングが、約３５０℃で２４時間行われた。事前評価アニーリングの実行後、実験用試料はそれぞれ、ストレステスト、ブリスターテスト、及びテープテストを受けた。ストレステストは、約４００℃で２時間行われた。この実験用試料は、すべての堆積層、アモノシファスカーボン層、及びＣＦｘ４層でのストレステストに合格した。スコッチテープを実験用試料の表面に貼り付けた後の実験朗試料の上面図もまた図４に図示されている。ストレステストと同様に、ＲＦバイアスが印加されたエッチングプラズマ領域内で形成されたすべての層は、ブリスターテストとテープテストに合格した。このことは、この試料については、層の気泡及び剥離が観測されなかったことを意味する。
【００３０】
以降では、本発明の処理に従って形成されたフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の屈折率及び厚さについて調査した。この日的のため、複数の実験用試料が作製された．しかし現時点での最高であるＣＦｘ４試料だけを、この評価に用いられるものとして選んだ。図５は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の屈折率及び厚さを測定するのに用いられる現時点での最高の実験用試料の等高線図を表している。表１は、実験用試料の厚さ及び屈折率についての等高線図から得られた平均値、最小値、最大値、及び不均一値をまとめたものである。
【００３１】
【表１】
図５に図示され、また表１にまとめられているように、フルオロカーボン（ＣＦ系）試料の厚さと屈折率に関する不均一性の問題は、新たなフルオロカーボン形成処理でも依然として存在する。しかし屈折率及び相対誘電率は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）実験用試料全体で低いまま（ｋ＜〜２．３）である。
続いて、本発明の処理に従って形成されたフルオロカーボン（ＣＦｘ）絶縁層の表面モフォロジーを調査した。この目的のため、各異なるフルオロカーボン（ＣＦｘとＣＦｘ４）層を有する２つの実験用試料が、バルクシリコン基板全体にわたって形戒された。ＣＦｘ試料とＣＦｘ４試料のいずれも、絶縁層形成装置３０を用いることによって、［0026］に記載された設定条件と同一の設定条件で形成される。
【００３２】
次に図６を参照すると、各ウェハの中央に対して様々な点からとられた２つの実験用試料の断面像が図示されている。両実験用試料の断面像が、図６の上側と下側に図示されている。ＣＦｘ実験用試料については、１）Ａ（０，０）と２）Ｂ（−１３５，０）の座標で表される２つの点で断面像がとられた。他方、ＣＦｘ実験用試料の断面像は３点でとられた。最初の２点はＣＦｘ実験用試料について用いられた座標と同一で、第３点はＣ（−１５０，０）の座標を有する。図６に図示されているように、ＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料は、ＣＦｘ絶縁層を有する実験用試料と比較して凹凸が少ない。従ってＣＦｘ４絶縁層の表面モフォロジーは、ＣＦｘ層の場合と比較して改善されている。その結果、ＣＦｘ４絶縁層についてはより滑らかな表面が得られた。
図７を参照すると、様々な実験用試料にっいて、印加電圧の関数としての漏れ電流が図示されている。漏れ電流は、約４００℃の温度で２時間の熱処理が行われる熱応力の地点で測定された。この評価のため、３つの実験用試料ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４が形成された。ＣＦｘ絶縁層とＣＦｘ２絶縁層のいずれも、高周波ＲＦバイアスを印加することなく形成される。ＣＦｘ絶縁層は約５０ｍＴｏｒｒの圧力下で形成される一方で、ＣＦｘ２絶縁層は低圧（３０ｍＴｏｒｒ未満）下で形成される。［００２６］に記載された条件と同一の条件でＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料を形成するため、高周波RＦバイアスが印加される。
【００３３】
図７に図示されているように、印加電圧が約−２ＭＶ／ｃｍ〜−０．５ＭＶ／ｃｍの範囲内であるときには、ＣＦｘ４絶縁層を有する実験用試料の漏れ電流は小さい。表２は、印加電場が約１．５ＭＶ／ｃｍであるときの各実験用試料にっいての漏れ電流（Jg@1.5MV/cm）の値をまとめたものである。表２に示されているように、１．５ＭＶ／ｃｍでのＣＦｘ４絶縁層の漏れ電流の値は小さい。
【００３４】
【表２】
３つの実験用試料（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）は、本発明のフルオロカーボン形成処理に従って形成され、かっ熱脱離分光（ＴＤＳ）測定力直行われた．この実験は、各実験用試料でのフッ素（Ｆ）の分子量又は原子量を検出するように行われる。各試料の熱脱離分光測定が行われ、かっその結果が図８に図示されている。縦軸は、質量が１９の揚合（Ｍ／ｚ＝１９）でのフッ素（Ｆ）気体測定された強度値である。横軸は、温度が所定の速度で上昇する間の処理時聞である。この実験では、質量１９のフッ素（Ｆ）気体が検出された。図８に図示されたスペクトルでは、２つのピークＰ１とＰ２が存在する。表３は、各実験用試料の両ピークの強度をまとめたものである。図８と表３でも示されているように、質量が１９の場合（Ｍ／ｚ＝１９）でのＣＦｘ絶縁層の脱ガス速度は低い。
【００３５】
【表３】
次の実験では、分子量が８５（Ｍ／ｚ＝８５）のＳｉＦ３に属する脱ガス又は脱離気体を調査した。この目的のため、３つの実験用試料（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）熱脱離分光が測定された。その結果が図９に図示されている。図８で示された先の実験と同様に、縦軸は、質量が８５の場合（Ｍ／ｚ＝８５）でのフッ素（Ｆ）気体測定された強度値である。横軸は、温度が所定の速度で上昇する間の処理時間である。この実験では、質量が８５のＳｉＦ３気体が検出された。図９のスペクトル中に一のピークが観測された。表４は、各実験用試料についてのピーク強度をまとめたものである。図９と表４で示されているように、ＣＦｘ４絶縁層ではＳｉＦ３ピークは観測されなかった．従ってＣＦｘ４層のＳｉＦ３に属する脱ガス量は、３つの実験用試料の中で最小である。
【００３６】
【表４】
以降では、現時点で最高のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）実験用試料を形成するのに用いられる設定条件について詳述する。表５は、現時点で最高のＣＦｘ４試料を形成するための設定条件をまとめたものである．
【００３７】
【表５】
現時点で最高のＣＦｘ４絶縁層の実験結果は表６にまとめられている．
【００３８】
【表６】
次に図１０を参照すると、４つの実験用試料について、ＲFバイアスの関数としでの漏れ電流が図示されている。すべての実験用試料は、［００２６］で述べた設定条件で、本発明の膜形成処理を用いることによって作製された。ＣＦｘ４絶縁層を有する３つの実験用試料は、RＦバイアスがそれぞれ、０Ｗ、６０Ｗ、及び１２０Ｗに設定された状態で形成された。第４の実験用試料は、絶縁層としてＣＦｘ層を有する．この試料について、RＦ出力は0Ｗに設定された．図１０に図示されたように、RＦバイアス電力が増大することで、漏れ電流は減少する傾向にある。印加電圧が１ＭＶ／ｃｍ（Ｊｇ＠１ＭＶ／ｃｍ）に設定されるときに漏れ電流値力測定されたことに留意して欲しい。
【００３９】
図１１は、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さの関数としでの漏れ電流を表している。この目的のため、３組の実験用試料が作製された。各組では、ほぼ同一のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さを有する５つの実験用試料が形成された、第１組、第２組、及び第３組の実験用試料のフルオロカーボン絶縁層の平均厚さはそれぞれ、８５．４９ｎｍ、１３７．１１ｎｍ、及び１９０．２６nmである。図１１に図示されているように、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の厚さが大きくなればなるほど、漏れ電流の値は小さくなる。印加電圧力が１ＭＶ／ｃｍ（Ｊｇ＠１MＶ／ｃｍ）に設定されるときに漏れ電流値が測定されたことに留意して欲しい。
【００４０】
次に図１２を参照すると、圧力の関数としてのフルオロカーボン（ＣＦｘ４）層の相対誘電率が示されている。この評価のため、２組の実験用試料が、絶縁層形成装置３０を用いて形成された。各組では、３組の実験用試料が以下の条件で形成された。具体的には、２５ｍＴｏｒｒ、３０ｍＴｏｒｒ及び３５ｍＴｏｒｒである。第１及び第２組でのＲＦバイアスはそれぞれ９０Ｗと１２０Ｗに設定された。図１２に図示されているように、圧力についての設定条件が大きければ大きいほど、相対誘電率の値は大きくなる。線形回帰分析を用いることによって、各データ組についての最善の線形近似フィッティングが計算される。図１２に図示されているように、各実験用試料の組について非常に良好な相関が得られた（ＲＦバイアス：９０Ｗ→R２＝０．９７及びＲＦバイアス：１２０Ｗ→R２＝０．９８）。
【００４１】
様々な実験用試料について、圧力の関数としての平均誘電率が図１３に図示されている。図１３に図示されているように、圧力が２２ｍToｒｒでは２．３８の最小平均値が得られる一方で、圧力が２８ｍToｒｒでは２．６２の最大平均値が得られる。この結果によると、２２ｍToｒｒの圧力値は最低値の相対誘電率を供する。このことは、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層の形成に用いられる圧力の最善値が約２２ｍＴｏｒｒであることを意味している。
【００４２】
以降では、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層の特性をさらにより改善する代替実施例が評価される。この代替実施例では、絶縁層形成装置３０の気体リング７２を介して、処理容器５０へ酸素（Ｏ）が導入される。この代替実施例の有効性を評価するため、厳密に同一の設定条件−ただし酸素（Ｏ）は除く−を有する２つの実験用試料（＃１と＃２）が作製された。表７は、両実験用試料についての設定条件をまとめたものである。前述したように、”sh-c”と”sh-e”はそれぞれ、シャワープレート８０の中心部と端部での流速を表す一方で、”gr”は気体リング７２での気体の流速を表す。
【００４３】
【表７】
図１４を参照すると、屈折率の測定に用いられた両実験用試料の等高線図が図示されている。図１４に図示されているように、酸素（Ｏ）が処理容器５０の雰囲気に加えられた実験用試料＃２の屈折率の最大値、最小値、及び平均値は低い。この結果、第２実験用試料の誘電率は低く（ｌｏｗ−ｋと）なる。表８は、両実験用試料の厚さ、屈折率、及び相対誘電率をまとめたものである．表８に示されているように、酸素が雰囲気中に導入されるときには、厚さの値と相対誘電率（ｋ）もまた低くなる。この評価は、酸素（Ｏ）を用いることによって低い値の誘電率を得ることができることを確認した。
【００４４】
【表８】
続いで、フルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）の動作信頼性を調査した。この目的のため、各々が異なるフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する３組の実験用試料が作製された。各組では、同様のフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を有する３つの同一試料が、シリコン（Ｓｉ）バルク基板全体にわたって形成される。
【００４５】
各実験用試料の組でのフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層を形成するための設定条件が表９にまとめられている。
【００４６】
【表９】
フルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）の動作信頼性を評価するため、各組の実験用試料は、評価用の「霧浴（ｍｉｓｔ ｂａｔｈ）」とも呼ばれる加速試験を受けた。従って各組のフルオロカーボン（ＣＦｘ、ＣＦｘ２、及びＣＦｘ４）絶縁層の形成後、各組の実験用試料は、高湿度−たとえば８５％（Ｈ２０）−の浴で一定温度−たとえば８０℃−の状態に置かれる。その実験を実行するため、各組の第１試料は加速試験を受けないことにする。よって、実験用試料を霧浴へ１〜１０分間置くことによって、各組の第２試料が加速試験を受けることになる。各組の最後の実験用試料もまた、１００分間加速試験を受ける。
【００４７】
図１５は、各実験用試料の組について、屈折率の関数としての相対誘電率（ｋ値）を表している。高湿度環境中で一定温度に保たれた状態での絶縁層の屈折率変化が小さければ小さいほど、その絶縁層の絶縁特性ひいては全体的な信頼性力が良好になる。
【００４８】
図１５に図示されているように、第３組の実験用試料で、屈折率変化、ひいては相対誘電率の変化が最小となる．表９に示されているように、第３組の実験用試料のフルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層は、ＲＦバイアスの印加、さらには窒素（Ｈ２）気体を雰囲気中にカロえることによって形成される。窪素（Ｎ２）気体を雰屈気中に加えることによって、窒素（Ｎ２）原子ば励起され、ＣＦ蕊恕絶縁層の表面へ向かって発光する。この結果、フルオロカーボン（ＣＦｘ４）絶縁層への硬化すなわち改質効果が生じる．これにより、屈折率ひいては相対誘電率の変化が小さくなる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ反応処理を用いることによってフルオロカーボン層を形成する方法であって、20ｍTorrよりも大きく60ｍTorr未満の圧力下でマイクロ波出力及びRＦバイアスを印加する工程を有する、方法。
【請求項２】
前記RＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて６０Ｗ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイクロ波出力は、１．０ｋＷよりも大きくて３．５ｋＷ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記RＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フルオロカーボン層がＣＦｘ４を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
プラズマ反応処理を用いることによってフルオロカーボン層を形成する方法であって、当該方法はマイクロ波出力及びＨＦバイアスを印加する工程を有し、前記フルオロカーボン層は前記ＲＦバイアスを印加しなければ堆積されず、かつ前記圧力は２０ｍＴｏｒｒよりも大きい、方法。
【請求項８】
前記RFバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記圧力は３０ｍＴｏｒｒ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロ波出力は、１．０ｋＷよりも大きくて３．５ｋＷ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記マイクロ波の周波数が２.４５ＧHｚである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＲＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記フルオロカーボン層がＣＦｘ４を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
絶縁層としてフルオロカーボン層を有する半導体デバイスを製造する方法であって、
当該方法はプラズマ反応処理を用いて基板全体にわたって前記フルオロカーボン層を形成する工程を有し、
前記のフルオロカーボン層を形成する工程中、マイクロ波出力及びＲＦバイアスが20mTorr〜60mTorrの範囲の圧力下で印加される、方法。
【請求項１５】
前記ＲＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項１４に記載の方法．
【請求項１６】
前記マイクロ波出力は、２．４５GHｚの周波数では１．０ｋｗよりも大きくて３．５ｋｗ未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記RＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマ反応処理を用いてフルオロカーボン層を形成する方法であって：
マイクロ波出力及びＲＦバイアスを印加する工程；並びに、
プラズマ励起気体及びＣＦ系処理気体に加えて、酸素（Ｏ）を処理チャンバへ導入する工程；
を有する方法。
【請求項１９】
前記RＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記マイクロ波出力及びＲＦバイアスは、20mTorrよりも大きく60mTorr未満の圧力下で印加される、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
プラズマ反応処理を用いることによってフルオロカーボン層を形成する方法であって、20ｍTorrよりも大きく60ｍTorr未満の圧力下でマイクロ波出力及びRＦバイアスを印加する工程を有する、方法。
【請求項２】
前記RＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて６０Ｗ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイクロ波出力は、１．０ｋＷよりも大きくて３．５ｋＷ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記RＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フルオロカーボン層がＣＦｘ４を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
プラズマ反応処理を用いることによってフルオロカーボン層を形成する方法であって、当該方法はマイクロ波出力及びＨＦバイアスを印加する工程を有し、前記フルオロカーボン層は前記ＲＦバイアスを印加しなければ堆積されず、かつ前記圧力は２０ｍＴｏｒｒよりも大きい、方法。
【請求項８】
前記RFバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記圧力は３０ｍＴｏｒｒ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロ波出力は、１．０ｋＷよりも大きくて３．５ｋＷ未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記マイクロ波の周波数が２.４５ＧHｚである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＲＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記フルオロカーボン層がＣＦｘ４を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
絶縁層としてフルオロカーボン層を有する半導体デバイスを製造する方法であって、
当該方法はプラズマ反応処理を用いて基板全体にわたって前記フルオロカーボン層を形成する工程を有し、
前記のフルオロカーボン層を形成する工程中、マイクロ波出力及びＲＦバイアスが20mTorr〜60mTorrの範囲の圧力下で印加される、方法。
【請求項１５】
前記ＲＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項１４に記載の方法．
【請求項１６】
前記マイクロ波出力は、２．４５GHｚの周波数では１．０ｋｗよりも大きくて３．５ｋｗ未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記RＦバイアスの周波数が４００ｋＨｚである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマ反応処理を用いてフルオロカーボン層を形成する方法であって：
マイクロ波出力及びＲＦバイアスを印加する工程；並びに、
プラズマ励起気体及びＣＦ系処理気体に加えて、酸素（Ｏ）を処理チャンバへ導入する工程；
を有する方法。
【請求項１９】
前記RＦバイアスの出力は、２０Ｗよりも大きくて１２０Ｗ未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記マイクロ波出力及びＲＦバイアスは、20mTorrよりも大きく60mTorr未満の圧力下で印加される、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２０１２−５１８２７６（Ｐ２０１２−５１８２７６Ａ）
【公表日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５０１３７（Ｐ２０１１−５５０１３７）
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０００４６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９６１７２
【国際公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０００４６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９６１７２
【国際公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]