成膜方法及び半導体装置
【課題】層間絶縁膜と配線金属との間に形成されるバリア膜について、配線金属を構成する元素や層間絶縁膜を構成する元素に対して高いバリア性を提供する。
【解決手段】処理容器内に基板を載置する載置台５１と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８２とを対向して設け、導波管からのマイクロ波を前記平面アンテナ部材を介して処理容器内に供給する。一方処理容器の上部からＡｒガスなどのプラズマ発生用のガスを供給すると共にこのガスの供給口とは異なる位置から原料ガスである例えばトリメチルシランガスと窒素ガスとを供給することでこれらガスをプラズマ化し、更に載置台５１の上面の単位面積当たりに供給されるバイアス用の高周波電力が０．０４８Ｗ／ｃｍ2以下となるようにバイアス用の高周波電力を印加する。
【解決手段】処理容器内に基板を載置する載置台５１と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８２とを対向して設け、導波管からのマイクロ波を前記平面アンテナ部材を介して処理容器内に供給する。一方処理容器の上部からＡｒガスなどのプラズマ発生用のガスを供給すると共にこのガスの供給口とは異なる位置から原料ガスである例えばトリメチルシランガスと窒素ガスとを供給することでこれらガスをプラズマ化し、更に載置台５１の上面の単位面積当たりに供給されるバイアス用の高周波電力が０．０４８Ｗ／ｃｍ2以下となるようにバイアス用の高周波電力を印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜をプラズマにより成膜する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化を図るための多層配線構造は、例えばデュアルダマシン工程を採用する場合、下層側の層間絶縁膜に配線埋め込み用のトレンチ及び下層側の配線と上層側の配線とを接続するための電極埋め込み用のビアホールを同時に形成し、トレンチ及びビアホールに配線用金属例えば銅を埋め込んで下層構造を形成し、このような構造を順次積層していくことにより作られていく。このような構造においては、配線用金属が層間絶縁膜中に拡散しないようにする必要があり、特に銅を用いた場合には拡散しやすいことからトレンチ及びビアホールを含む凹部の内壁に銅拡散防止のためのバリアメタルを介在させ、またトレンチ内の銅配線とその上層側の層間絶縁膜との間にバリア膜を介在させている。
【０００３】
図１７は、下層側の層間絶縁膜１０１のトレンチ内に銅配線１０２が形成され、その銅配線１０２の上に電極１０３が形成された構造の一部を模式的に示している。同図において１０４はトレンチ及びビアホールからなる凹部の内壁に成膜されたバリアメタルであり、１０５は銅配線１０２とその上層側の図示しない層間絶縁膜との間に介在するバリア膜である。ここでバリアメタル１０４は製造工程上、銅配線１０２の上面と電極１０３の下面との間に残るため導電性であることが必要であり、例えばタンタルやチタンなどを含む膜が用いられている。
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）。
【０００４】
ところで半導体デバイスの微細化に伴ってバリア膜１０５についてもより一層の薄膜化が要請されているが、あまり薄くするとその後の例えば４００℃程度のアニール工程において銅配線１０２中の銅が当該バリア膜１０５を突き抜けて層間絶縁膜中に拡散し、層間絶縁膜の絶縁性が悪くなって配線間のリーク電流の増大を招いてしまう。このようなことから薄膜化が進んでも高いバリア性が得られるようにバリア膜の緻密性をより一層向上させる要求が強まっている。
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。
【０００５】
特許文献２には、電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマ装置において、８インチウエハに対して５００Ｗ以上のバイアス電力をかけてフッ素添加カーボン膜の埋め込みを行う実験が記載されているが、本発明の課題については何ら言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９４８１６
【特許文献２】特開平１０−１４４６７５号公報：図１９、段落００４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜について、高いバリア性を得ることができる成膜方法を提供することにある。更に他の目的は本発明方法により成膜されたバリア膜を備えた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する方法において、
基板を処理容器内の載置部に載置する工程と、
前記処理容器内に、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、
前記処理容器内を真空排気する工程と、
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炭素を含む前記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、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい一例としては、プラズマ発生用のガスと成膜用のガスとは互いに異なる供給口から処理容器内に供給され、処理容器の上部に前記載置部と対向して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処理容器内にマイクロ波を供給することにより、処理容器内のガスをプラズマ化する手法を挙げることができる。基板の単位面積に供給されるバイアス用の高周波電力は、０．０４７Ｗ／ｃｍ2 以下であるが好ましい。
【００１０】
更に本発明に用いられるガスやバリア膜の例を以下に列挙する。
前記成膜用のガスは、シリコンの有機化合物のガスを含み、前記バリア膜はシリコンを含有する膜である。
前記バリア膜はＳｉＣＮ膜である。
前記バリア膜は、ＳｉＣ膜である。
前記バリア膜は、アモルファスカーボン膜である。この場合、前記成膜用のガスは例えばブチンガスである。また前記成膜用のガスは、ブチンガスに更にシラン系のガスを含み、前記アモルファスカーボン膜はシリコンを含む。
【００１１】
プラズマ発生用のガスはアルゴンガスである。
また層間絶縁膜としては、炭素及びフッ素の化合物であるフッ素添加カーボン膜を一例として挙げることができる。
【００１２】
他の発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する成膜装置において、
基板が載置される載置部が内部に設けられた気密な処理容器と、
この処理容器内に、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、を供給するガス供給手段と、
前記処理容器内を真空排気する手段と、
前記処理容器内のガスをプラズマ化するためのプラズマ発生手段と、
前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加する手段と、
前記処理容器内にプラズマ発生用のガスと有機化合物を含む成膜用のガスとを導入し、前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加しながらこれらガスをプラズマ化して基板上に炭素を含む薄膜を成膜するように各手段に制御指令を出力するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明の好ましい態様としては、前記ガス供給手段は、マイクロ波により励起されるプラズマ発生用のガスを処理容器内に供給する供給口と、成膜用のガスを供給するための前記供給口とは異なる供給口と、を備え、
前記プラズマ発生手段は、マイクロ波を前記処理容器の上部に導くための導波管と、この導波管からのマイクロ波を前記処理容器内に供給するために当該導波管に接続されると共に、前記載置部に対向して設けられ、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と、を備えた構成を挙げることができる。
【００１４】
更に他の発明は、成膜装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムは、請求項に記載の成膜方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。
更にまた他の発明は、上記の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である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を基板上に成膜するにあたって、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、をプラズマ化して基板上に炭素を含むバリア膜を成膜しながら、基板を載置する載置部にバイアス用の高周波電力を印加しているため、プラズマ発生用のガスの活性種であるイオン例えばアルゴンイオンが基板に衝突しながら成膜され、この衝突に起因して緻密でバリア性の高い膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のＣＦ膜を含んだ半導体装置の製造手順を示した工程図である。本発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明のバリア膜を成膜するときの基板の様子を示す模式図である。
【図３】ウエハＷに高周波バイアスを印加したときの反応の推定メカニズムを示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に用いられるプラズマ成膜装置の一例を示す縦断側面図である。
【図５】上記のプラズマ成膜装置に用いられる第２のガス供給部を示す平面図である。
【図６】上記のプラズマ成膜装置に用いられるアンテナ部を一部断面で示す斜視図である。
【図７】実施例にかかる基板についての脱ガス量を示す特性図である。
【図８】実施例にかかる基板の深さ方向におけるフッ素及び酸素の含有量を示す特性図である。
【図９】実施例にかかるバリア膜の成膜速度と屈折率とを示す特性図である。
【図１０】実施例にかかるバリア膜とＣＦ膜との密着強度を示す特性図である。
【図１１】４ポイントベンディング法（強度試験）の測定法を示す説明図である。
【図１２】４ポイントベンディング法における特性データを示す説明図である。
【図１３】ＳｉＣＮ成膜時に印加したバイアス電力毎の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１４】ＣＦ膜の表面に対してバイアスプラズマ処理をした場合の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１５】ＣＦ膜の表面に対してバイアスプラズマ処理をした場合の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１６】実施例にかかるバリア膜とＣＦ膜との密着強度を評価するための過酷試験の結果を示す特性図である。
【図１７】一般的な多層配線構造の一部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の半導体装置に係る製造方法の実施の形態を図１を参照しながら説明する。図１（ａ）には、基板である例えば直径２００ｍｍ（８インチサイズ）のウエハＷ上に形成されたｎ番目（下段側）の回路層が示されており、この回路層は、層間絶縁膜であるフッ素添加カーボン膜（以下「ＣＦ膜」という）１０内に例えばＣｕなどからなる配線金属１１が埋め込まれている。このＣＦ膜１０と配線金属１１との間には、ＣＦ膜１０内に配線金属１１から例えば銅が拡散しないように、例えば窒化タンタル膜やタンタル膜などからなるバリアメタル膜１２が介在している。なお以下の説明ではｎ番目、（ｎ＋１）番目を夫々下層側、上層側配線と呼ぶことにする。
【００１８】
先ず、図１（ｂ）に示すように、この下層側の回路層の表面に、この下層側の回路層と上層側の回路層との間における脱ガス成分や金属の拡散を抑えるために、例えばＳｉＣＮなどの絶縁性化合物からなるバリア膜１３を成膜する。このバリア膜１３は、シリコンの有機化合物であるトリメチルシラン（（ＣＨ3）3ＳｉＨ）ガスと窒素（Ｎ2）ガスとからなる成膜ガスと、アルゴン（Ａｒ）ガスとを例えば後述の成膜装置にて記載するようにマイクロ波のエネルギーによりプラズマ化（活性化）し、このプラズマを例えば３５０℃に加熱されたウエハＷ上に供給することで成膜される。この例では、アルゴンガスは、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であり、Ａｒの代わりにＫｒ等の希ガスであってもよい。またＮ2の代わりにＮＨ3、Ｎ2Ｏ等を用いてもよい。
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。
【００１９】
そこで図３（ａ）に示すようにアルゴンガスのイオンがウエハＷ側に引き寄せられて、ウエハＷの表面の近傍に位置する、こうした活性種に衝突すると、活性種中における弱い結合例えばＣ−Ｈ結合が切断されて水素がこの活性種から脱離し、図３（ｂ）に示すように残った炭素と他の活性種の炭素との間において、あるいは成膜途中のバリア膜１３の表面に存在する炭素のダングリングボンド（未結合手）を介してその炭素との間において新たな結合が形成すると考えられる。
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。
【００２０】
また、アルゴンガスイオンがウエハＷの表面に衝突した場合には、ウエハＷの表面においても、同様に弱い結合であるＣ−Ｈ結合が切断され（図３（ａ））、ダングリングボンドが生成する（同図（ｂ））。このダングリングボンドの生成した部位では反応性が高くなるため、活性種の付着確率が高くなり、その結果バリア膜１３の成膜速度が速くなると推測される。こうしてバリア膜１３は、高周波バイアスを印加することで、高周波バイアスを印加しない場合に比べて、緻密でかつ強度が高くなり、成膜速度も速くなる。
【００２１】
次に図１に戻って同図（ｃ）に示すように、バリア膜１３の表面に層間絶縁膜であるＣＦ膜２０を成膜する。このＣＦ膜２０は、炭素とフッ素とを含む化合物の成膜ガスであるＣ5Ｆ8ガスをアルゴンガスと共にプラズマ化し、各々のガスの流量が例えば２００ｓｃｃｍと３００ｓｃｃｍ、容器内圧力が５５ｍＴｏｒｒの条件の下で、Ｃ5Ｆ8の活性種を含むプラズマを例えば３８０℃に加熱されたウエハ上に供給することで成膜される。
【００２２】
ここで重要なことは、成膜用のガスは例えば炭素とフッ素とからなるガスのように水素原子を含まず、またプラズマ中にも水素（原子、ラジカル、イオン等）を含まないことである。水素を含む環境下でＣＦ膜を成膜すると、膜中に水素が含まれ、この後工程で行われるアニールなどの工程において、膜中の成分であるフッ素と反応してＨＦガスとなって脱離するため、ＣＦ膜の上層であるバリア膜との密着性が低下したり、ＣＦ膜自体の強度も低下してしまう。
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））。
【００２３】
その後、凹部１４表面に例えば窒化タンタル膜やタンタル膜などの導電性のバリアメタル膜１５を成膜し（図２（ａ））、例えば銅からなる配線金属１６を凹部１４に埋め込んだ後（図２（ｂ））、ＣＭＰにより余分な配線金属１６と犠牲膜であるＳｉＣＯＨ膜２２及びＳｉＣＮ膜２１とを除去することによって、上層側の回路層が形成される（図２（ｃ））。このウエハＷの上層側に同様に順次回路層を積層して半導体装置が形成される。なお回路層の多層構造が構成された後、多層構造体に対して各膜中のダングリングボンドを低減させるために例えば４００℃のアニール処理が行われる。
【００２４】
次いで、本発明の成膜方法に用いられるプラズマ成膜装置の実施の形態及びこの成膜装置を用いて行う成膜方法の具体例について、図４〜図６を参照しながら説明する。このプラズマ成膜装置は、ラジアルラインスロットアンテナを用いてプラズマを発生させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置である。図４中５は例えば全体が筒状体に構成された処理容器（真空チャンバ）であり、この処理容器５の側壁や底部は、導体例えばアルミニウム添加ステンレススチール等により構成され、内壁面には酸化アルミニウムよりなる保護膜が形成されている。
【００２５】
処理容器５のほぼ中央には、基板例えばウエハＷを載置するための載置部である載置台５１が絶縁材５１ａを介して設けられている。この載置台５１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）もしくは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）より構成され、内部には冷却媒体を通流させる冷却ジャケット５１ｂが設けられている。また、この載置台５１内には、加熱手段であるヒータ５７が設けられており、このヒータ５７は電源５８に接続されている。載置台５１の載置面は静電チャックとして構成されている。また、載置台５１には、既述のように、周波数が例えばイオンが追随できる範囲である２ＭＨｚ以下で、例えば８００ｋＨｚのバイアス用高周波電源５２が接続されている。
【００２６】
前記処理容器５の天井部は開放されており、この部分にはＯリング等のシール部材（図示せず）を介して、載置台５１と対向するように、例えば平面形状が略円形状に構成された、第１のガス供給部６が設けられている。このガス供給部６は、例えば酸化アルミニウムにより構成され、載置台５１と対向する面にはガス供給孔６１の一端側と連通するガス流路６２が形成されており、このガス流路６２には第１のガス供給路６３の一端側が接続されている。一方、第１のガス供給路６３の他端側はプラズマ発生用のガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスやクリプトン（Ｋｒ）ガスなどの供給源６４が接続されており、このガスは、第１のガス供給路６３を介してガス流路６２に供給され、前記ガス供給孔６１を介して、第１のガス供給部６の下方側の空間に一様に供給される。
【００２７】
この例では、供給源６４、第１のガス供給路６３、第１のガス供給部６によりプラズマ発生用のガスを処理容器５内に供給する手段が構成されている。
【００２８】
また前記処理容器５は、載置台５１と第１のガス供給部６との間に、例えばこれらの間を区画するように、例えば平面形状が略円形状に構成された第２のガス供給部７を備えている。この第２のガス供給部７は例えばマグネシウム（Ｍｇ）を含んだアルミニウム合金やアルミニウム添加ステンレススチール等の導電体により構成され、載置台５１と対向する面には多数の第２のガス供給孔７１が形成されている。このガス供給部７の内部には、例えば図５に示すように第２のガス供給孔７１の一端側と連通する格子状のガス流路７２が形成されており、このガス流路７２には第２のガス供給路７３の一端側が接続されている。また第２のガス供給部７には、当該ガス供給部７を上下に貫通するように、多数の開口部７４が形成されている。この開口部７４は、プラズマやプラズマ中の原料ガスを当該ガス供給部７の下方側の空間に通過させるためのものであり、例えば隣接するガス流路７２同士の間に形成されている。
【００２９】
ここで第２のガス供給部７は、例えば上記のバリア膜１３を成膜する時には、第２のガス供給路７３を介して成膜用のガスである窒素ガスの供給源７５及びトリメチルシラン（３ＭＳ）ガスの供給源７６に接続され、この窒素ガス及びトリメチルシランガスは、第２のガス供給路７３を介してガス流路７２に順次通流していき、前記ガス供給孔７１を介して第２のガス供給部７の下方側の空間に一様に供給される。この例では、供給源７５、７６、第２のガス供給路７３及び第２のガス供給部７により、原料ガスを処理容器５内に供給する手段が構成される。図２中Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はバルブ、１０１、１０２、１０３は夫々アルゴンガスガス、窒素ガス及びトリメチルシランガスの処理容器５内への供給量を調整するための流量調整手段である。尚、既述のＣＦ膜１０（２０）を成膜する場合には、この供給源７６としてはＣ5Ｆ8ガスが貯留されたガス源が用いられ、上記の原料ガスと同様に第２のガス供給路７３の下方側の空間に一様に供給される。
【００３０】
前記第１のガス供給部６の上部側には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）を介して、例えば酸化アルミニウムなどの誘電体により構成されたカバープレート５３が設けられ、このカバープレート５３の上部側には、当該カバープレート５３と密接するようにアンテナ部８が設けられている。このアンテナ部８は、図６に示すように、平面形状が円形の下面側が開口する扁平なアンテナ本体８１と、このアンテナ本体８１の前記下面側の開口部を塞ぐように設けられ、多数のスロットが形成された円板状の平面アンテナ部材（スロット板）８２とを備えており、これらアンテナ本体８１と平面アンテナ部材８２とは導体により構成され、扁平な中空の円形導波管を構成している。そして前記平面アンテナ部材８２の下面が前記カバープレート５３に接続されている。
【００３１】
また前記平面アンテナ部材８２とアンテナ本体８１との間には、例えば酸化アルミニウムや窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の低損失誘電体材料により構成された遅相板８３が設けられている。この遅相板８３はマイクロ波の波長を短くして前記円形導波管内の管内波長を短くするためのものである。この実施の形態では、これらアンテナ本体８１、平面アンテナ部材８２、遅相板８３によりラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna）が形成されている。
【００３２】
このように構成されたアンテナ部８は、前記平面アンテナ部材８２がカバープレート５３に密接するように図示しないシール部材を介して処理容器５に装着されている。そしてこのアンテナ部８は同軸導波管８４を介して外部のマイクロ波発生手段８５と接続され、例えば周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給されるようになっている。この際、同軸導波管８４の外側の導波管８４Ａはアンテナ本体８１に接続され、中心導体８４Ｂは遅相板８３に形成された開口部を介して平面アンテナ部材８２に接続されている。
【００３３】
前記平面アンテナ部材８２は、例えば厚さ１ｍｍ程度の銅板からなり、図６に示すように例えば円偏波を発生させるための多数のスロット８６が形成されている。このスロット８６は略Ｔ字状に僅かに離間させて配置した一対のスロット８６ａ，８６ｂを１組として、周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。このようにスロット８６ａとスロット８６ｂとを相互に略直交するような関係で配列しているので、２つの直交する偏波成分を含む円偏波が放射されることになる。この際スロット対８６ａ，８６ｂを遅相板８３により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で配列することにより、マイクロ波が平面アンテナ部材８２より略平面波として放射される。本発明では、マイクロ波発生手段８５、同軸導波管８４、アンテナ部８によりプラズマ発生手段が構成されている。
【００３４】
また処理容器５の底部には排気管５４が接続されており、この排気管５４は圧力調整手段をなす圧力調整部５５を介して真空排気手段である真空ポンプ５６に接続され、処理容器５内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【００３５】
ここで、上述のプラズマ成膜装置の、マイクロ波発生手段８５やバイアス用高周波電源５２への電力供給、プラズマガスや原料ガスを供給するためのバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉や、流量調整手段１０１、１０２、１０３、圧力調整部５５等はコンピュータからなる制御手段２００により、所定の条件で上記の各膜の成膜が行われるようにステップが組まれたプログラムに基づいて制御されるようになっている。このプログラムは、フレキシブルディスクやコンパクトディスク、フラッシュメモリ、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）等の記憶媒体２０１に格納されていて、制御手段２００にインストールされる。
【００３６】
続いてこの装置にて実施される本発明の成膜方法の一例として、既述のバリア膜１３を成膜する場合について説明する。先ず図示しないゲートバルブを介して例えば表面に下層側の配線層が形成された基板であるウエハＷを搬入して載置台５１上に載置する。続いて処理容器５の内部を所定の圧力まで真空引きし、第１のガス供給路６３を介して第１のガス供給部６にマイクロ波により励起されるプラズマ発生用ガス例えばアルゴンガスガスを所定の流量例えば流量例えば１０００ｓｃｃｍで供給する。一方第２のガス供給路７３を介して成膜用のガス供給部である第２のガス供給部７に成膜用のガスである窒素ガス及びトリメチルシランガスを夫々所定の流量例えば５０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍで供給する。そして処理容器５内を例えば１７．３Ｐａ（１３０ｍＴｏｒｒ）のプロセス圧力に維持し、載置台５１の表面温度を３８０℃に設定する。
【００３７】
一方マイクロ波発生手段から２．４５ＧＨｚ，２５００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給すると、このマイクロ波は、ＴＭモード或いはＴＥモード或いはＴＥＭモードで同軸導波管８４内を伝搬してアンテナ部８の平面アンテナ部材８２に到達し、同軸導波管の内部導体８４Ｂを介して、平面アンテナ部材８２の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対８６ａ，８６ｂからマイクロ波がカバープレート５３、第１のガス供給部６を介して当該ガス供給部６の下方側の処理空間に向けて放出される。
【００３８】
ここでカバープレート５３と第１のガス供給部６はマイクロ波が透過可能な材質例えば酸化アルミニウムにより構成されているので、マイクロ波透過窓として作用し、マイクロ波はこれらを効率よく透過していく。このとき既述のようにスリット対８６ａ，８６ｂを配列したので、円偏波が平面アンテナ部材８２の平面に亘って均一に放出され、この下方の処理空間の電界密度が均一化される。そしてこのマイクロ波のエネルギーにより、広い処理空間の全域に亘って高密度で均一なプラズマが励起される。そしてこのプラズマは、第２のガス供給部７の開口部７４を介して当該ガス供給部７の下方側の処理空間に流れ込んで行き、当該ガス供給部７からこの処理空間に供給される成膜用のガスを活性化させて、つまりプラズマ化して活性種を形成する。
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。
【００３９】
こうしてバリア膜１３を成膜した後、プラズマ発生用のガスと成膜用のガスとの供給を停止して、処理容器５内を真空排気する。そして、成膜用のガスをＣ5Ｆ8ガスに切り替えて、プラズマ発生用のガスとＣ5Ｆ8ガスとを処理容器５内に供給しながら処理容器５内を所定の真空雰囲気に維持し、マイクロ波発生手段からら２．４５ＧＨｚ，例えば２７５０Ｗの高周波を供給することにより、既述のＣＦ膜２０が成膜される。その後、ＣＦ膜２０の成膜されたウエハＷは、図示しないゲートバルブを介して処理容器５から搬出される。以上において、処理容器５内にウエハＷを搬入し、所定の条件にて処理を行い、処理容器５から搬出されるまでの一連の動作は、既述のように制御手段２００がプログラムを読み出しながら実行される。
【００４０】
上述の実施の形態によれば、アルゴンガス、窒素ガス及びトリメチルシランガスをプラズマ化してこのプラズマにより、下層側の回路層の上にＳｉＣＮ膜からなるバリア膜１３を成膜するにあたり、ウエハＷに対してバイアス用の高周波電力を供給している。このためプラズマ中のアルゴンイオンがウエハＷ側に引き込こまれてトリメチルシランの活性種やウエハＷの表面に衝突し、その衝突に起因して、バリア膜１３の緻密性が高くなり、その結果高いバリア性が得られる。その推定メカニズムとしては既に記載したとおりである。従って多層配線構造を形成した後に例えば４００℃程度の加熱雰囲気でその構造体をアニールするときに、配線金属１１から当該金属である例えば銅が上層側の層間絶縁膜であるＣＦ膜２０（図２（ｃ）参照）へ拡散することを抑止し、また逆にＣＦ膜２０からの脱ガス成分であるフッ素が配線金属１１に拡散することを抑止する効果が大きい。
【００４１】
従って、バリア膜１３をより薄くしながら、層間絶縁膜中への金属の拡散に基づくリーク電流の上昇を抑えると共に、配線金属１１へのフッ素の拡散に基づく配線抵抗の上昇を抑えることができ、今後の半導体デバイスの微細化、高集積化に対して有効な技術である。特に比誘電率が低いことで層間絶縁膜の材料として着目されているＣＦ膜は、加熱時にフッ素の脱ガスが問題となっていることから、本発明はＣＦ膜による層間絶縁膜の実現化という観点からも極めて有効である。
【００４２】
なお本発明により製造される半導体装置に使用される層間絶縁膜としては、ＣＦ膜に限るものではなく、シリコン、酸素、水素及び炭素等からなるＳｉＣＯ膜、ＳｉＣＯＨ膜、シリコン酸化膜にフッ素を添加したＳｉＯＦ膜、あるいはシリコン酸化膜などであっても良い。
【００４３】
ここでバリア膜１３の成膜中の高周波のバイアス電力の大きさについては、後述の実施例から、バイアス電力が大きくなる程バリア膜１３のバリア性能が向上すると考えられるが、２０Ｗでは外観上の不具合が確認されたことから、１５Ｗ以下であること、つまりウエハＷへの単位面積あたりのバイアス供給電力値は０．０４８Ｗ／ｃｍ2（２００ｍｍサイズのウエハＷの表面積３１４．１６ｃｍ2に対する電力値）以下であることが好ましい。
【００４４】
また上記のバリア膜１３としては、ＳｉＣＮ膜だけでなく、例えば窒素ガスを用いずにトリメチルシランガスを成膜用のガスとして用いることにより成膜されるＳｉＣ膜であってもよい。
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。
【実施例】
【００４５】
（実験例１：昇温脱離ガスの比較テスト）
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。
【００４６】
（実験例２：ウエハの深さ方向の元素の浸透試験）
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。
【００４７】
（実験例３：成膜速度と屈折率）
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。
【００４８】
（実験例４：外観と密着性）
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。
【００４９】
（実験例５：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験１）
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。
【００５０】
（実験例６：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験２）
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。
【００５１】
（実験例７：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験３）
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。
【００５２】
また膜がイオンにより叩かれるため膜表面にダングリングボンドが形成され、この部分にその後に成膜されるＳｉＣＮ膜用のプリカーサが結合するため、より密着性が向上するとも考えた。この考えに基づき既述の方法でＣＦ膜を成膜後、図１４、図１５に示す組合せでウエハにバイアスプラズマ処理を施し、この後ＳｉＣＮ膜をバイアス電力の印加なしの条件で成膜して積層し、４ポイントベンディング法により密着性を評価した。図１４はＮ２によるバイアスプラズマ処理した結果であり、図１５はＡｒによるバイアスプラズマ処理した結果である。なお結果の数値の１０以上については四捨五入している。
【００５３】
これによれば、若干窒素プラズマ処理したほうがその数値が高いとも思われるが両者とも明確な優劣はなく、何れの値も従来の技術である比較例４の６．０Ｊ／ｍ２の値を上回っている。特にアルゴン、窒素何れのバイアスプラズマ処理においても従来値の２倍を超える値を示すものが見られるが、１５Ｗに近づくにつれその値は減少傾向を示している。従ってＣＦ膜のバイアスプラズマ処理時のバイアス電力値は、３Ｗ〜１５Ｗ（０．００９５〜０．０４７Ｗ／ｃｍ２）が好ましいといえる。図１４、図１５中にはＣＦ膜のバイアスプラズマ処理と共にＳｉＣＮ膜の成膜時にバイアス電力を印加するものに関するデータは記載されていないが、別途の実験によりアルゴン、窒素何れのプラズマによってＣＦ膜をバイアスプラズマ処理しても、ほぼ１１．３Ｊ／ｍ２の値を得ている。従ってＣＦ膜の表面をバイアスプラズマ処理しておけば、その後のＳｉＣＮ膜の成膜方法如何にかかわらず、ＣＦ膜とＳｉＣＮ膜との間の密着性を向上させることができる。
【００５４】
また本発明者らは更に過酷な試験を実施した。これはＣＦ膜をバイアスプラズマ処理した後ＳｉＣＮ膜（成膜中のバイアスなし）を積層し、さらにこの上にＳｉＯ２膜を積層した積層体を作成し、この試験ウエハを４００℃、６０分間アニールするものである。この後、試験ウエハを表面観察およびテープテストを実施した。表面観察は、ＣＦ膜からの脱ガスの痕跡であるブリスター（気泡）の数をカウントし、テープテストは既述の方法で行った。その結果を図１６に示す。
【００５５】
ここでテープテストの結果である、○は５ｍｍ角の小片が１つも剥がれなかったものであり、△はウエハ全面から半分くらい剥がれたものであり、××は全面剥がれてしまったものであり、×は△と××の中間くらいが剥がれたものである。この試験は、実際の半導体デバイスを作成する過程で経るサーマルバジェット（熱履歴）を超える過酷なものであることから、○と△を良品とすると、バイアスプラズマ処理時のバイアス電力値は、上記３Ｗ〜１５Ｗの内、さらに好ましくは８〜１２Ｗ（０．０２５〜０．０３８Ｗ／ｃｍ２）であるといえる。このように高くても１５Ｗという低バイアスでＣＦ膜表面を処理することにより、ＣＦ膜にダメージを与えることなく、膜の極く表面のみのフッ素を脱離させることにより密着性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
５ 処理容器
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜をプラズマにより成膜する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化を図るための多層配線構造は、例えばデュアルダマシン工程を採用する場合、下層側の層間絶縁膜に配線埋め込み用のトレンチ及び下層側の配線と上層側の配線とを接続するための電極埋め込み用のビアホールを同時に形成し、トレンチ及びビアホールに配線用金属例えば銅を埋め込んで下層構造を形成し、このような構造を順次積層していくことにより作られていく。このような構造においては、配線用金属が層間絶縁膜中に拡散しないようにする必要があり、特に銅を用いた場合には拡散しやすいことからトレンチ及びビアホールを含む凹部の内壁に銅拡散防止のためのバリアメタルを介在させ、またトレンチ内の銅配線とその上層側の層間絶縁膜との間にバリア膜を介在させている。
【０００３】
図１７は、下層側の層間絶縁膜１０１のトレンチ内に銅配線１０２が形成され、その銅配線１０２の上に電極１０３が形成された構造の一部を模式的に示している。同図において１０４はトレンチ及びビアホールからなる凹部の内壁に成膜されたバリアメタルであり、１０５は銅配線１０２とその上層側の図示しない層間絶縁膜との間に介在するバリア膜である。ここでバリアメタル１０４は製造工程上、銅配線１０２の上面と電極１０３の下面との間に残るため導電性であることが必要であり、例えばタンタルやチタンなどを含む膜が用いられている。
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）。
【０００４】
ところで半導体デバイスの微細化に伴ってバリア膜１０５についてもより一層の薄膜化が要請されているが、あまり薄くするとその後の例えば４００℃程度のアニール工程において銅配線１０２中の銅が当該バリア膜１０５を突き抜けて層間絶縁膜中に拡散し、層間絶縁膜の絶縁性が悪くなって配線間のリーク電流の増大を招いてしまう。このようなことから薄膜化が進んでも高いバリア性が得られるようにバリア膜の緻密性をより一層向上させる要求が強まっている。
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。
【０００５】
特許文献２には、電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマ装置において、８インチウエハに対して５００Ｗ以上のバイアス電力をかけてフッ素添加カーボン膜の埋め込みを行う実験が記載されているが、本発明の課題については何ら言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９４８１６
【特許文献２】特開平１０−１４４６７５号公報：図１９、段落００４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜について、高いバリア性を得ることができる成膜方法を提供することにある。更に他の目的は本発明方法により成膜されたバリア膜を備えた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する方法において、
基板を処理容器内の載置部に載置する工程と、
前記処理容器内に、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、
前記処理容器内を真空排気する工程と、
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炭素を含む前記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、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい一例としては、プラズマ発生用のガスと成膜用のガスとは互いに異なる供給口から処理容器内に供給され、処理容器の上部に前記載置部と対向して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処理容器内にマイクロ波を供給することにより、処理容器内のガスをプラズマ化する手法を挙げることができる。基板の単位面積に供給されるバイアス用の高周波電力は、０．０４７Ｗ／ｃｍ2 以下であるが好ましい。
【００１０】
更に本発明に用いられるガスやバリア膜の例を以下に列挙する。
前記成膜用のガスは、シリコンの有機化合物のガスを含み、前記バリア膜はシリコンを含有する膜である。
前記バリア膜はＳｉＣＮ膜である。
前記バリア膜は、ＳｉＣ膜である。
前記バリア膜は、アモルファスカーボン膜である。この場合、前記成膜用のガスは例えばブチンガスである。また前記成膜用のガスは、ブチンガスに更にシラン系のガスを含み、前記アモルファスカーボン膜はシリコンを含む。
【００１１】
プラズマ発生用のガスはアルゴンガスである。
また層間絶縁膜としては、炭素及びフッ素の化合物であるフッ素添加カーボン膜を一例として挙げることができる。
【００１２】
他の発明は、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する成膜装置において、
基板が載置される載置部が内部に設けられた気密な処理容器と、
この処理容器内に、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、を供給するガス供給手段と、
前記処理容器内を真空排気する手段と、
前記処理容器内のガスをプラズマ化するためのプラズマ発生手段と、
前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加する手段と、
前記処理容器内にプラズマ発生用のガスと有機化合物を含む成膜用のガスとを導入し、前記載置部にバイアス用の高周波電力を印加しながらこれらガスをプラズマ化して基板上に炭素を含む薄膜を成膜するように各手段に制御指令を出力するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明の好ましい態様としては、前記ガス供給手段は、マイクロ波により励起されるプラズマ発生用のガスを処理容器内に供給する供給口と、成膜用のガスを供給するための前記供給口とは異なる供給口と、を備え、
前記プラズマ発生手段は、マイクロ波を前記処理容器の上部に導くための導波管と、この導波管からのマイクロ波を前記処理容器内に供給するために当該導波管に接続されると共に、前記載置部に対向して設けられ、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と、を備えた構成を挙げることができる。
【００１４】
更に他の発明は、成膜装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムは、請求項に記載の成膜方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。
更にまた他の発明は、上記の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である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体装置における配線金属と層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を基板上に成膜するにあたって、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、をプラズマ化して基板上に炭素を含むバリア膜を成膜しながら、基板を載置する載置部にバイアス用の高周波電力を印加しているため、プラズマ発生用のガスの活性種であるイオン例えばアルゴンイオンが基板に衝突しながら成膜され、この衝突に起因して緻密でバリア性の高い膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のＣＦ膜を含んだ半導体装置の製造手順を示した工程図である。本発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明のバリア膜を成膜するときの基板の様子を示す模式図である。
【図３】ウエハＷに高周波バイアスを印加したときの反応の推定メカニズムを示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に用いられるプラズマ成膜装置の一例を示す縦断側面図である。
【図５】上記のプラズマ成膜装置に用いられる第２のガス供給部を示す平面図である。
【図６】上記のプラズマ成膜装置に用いられるアンテナ部を一部断面で示す斜視図である。
【図７】実施例にかかる基板についての脱ガス量を示す特性図である。
【図８】実施例にかかる基板の深さ方向におけるフッ素及び酸素の含有量を示す特性図である。
【図９】実施例にかかるバリア膜の成膜速度と屈折率とを示す特性図である。
【図１０】実施例にかかるバリア膜とＣＦ膜との密着強度を示す特性図である。
【図１１】４ポイントベンディング法（強度試験）の測定法を示す説明図である。
【図１２】４ポイントベンディング法における特性データを示す説明図である。
【図１３】ＳｉＣＮ成膜時に印加したバイアス電力毎の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１４】ＣＦ膜の表面に対してバイアスプラズマ処理をした場合の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１５】ＣＦ膜の表面に対してバイアスプラズマ処理をした場合の前記強度試験の結果を示す説明図である。
【図１６】実施例にかかるバリア膜とＣＦ膜との密着強度を評価するための過酷試験の結果を示す特性図である。
【図１７】一般的な多層配線構造の一部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の半導体装置に係る製造方法の実施の形態を図１を参照しながら説明する。図１（ａ）には、基板である例えば直径２００ｍｍ（８インチサイズ）のウエハＷ上に形成されたｎ番目（下段側）の回路層が示されており、この回路層は、層間絶縁膜であるフッ素添加カーボン膜（以下「ＣＦ膜」という）１０内に例えばＣｕなどからなる配線金属１１が埋め込まれている。このＣＦ膜１０と配線金属１１との間には、ＣＦ膜１０内に配線金属１１から例えば銅が拡散しないように、例えば窒化タンタル膜やタンタル膜などからなるバリアメタル膜１２が介在している。なお以下の説明ではｎ番目、（ｎ＋１）番目を夫々下層側、上層側配線と呼ぶことにする。
【００１８】
先ず、図１（ｂ）に示すように、この下層側の回路層の表面に、この下層側の回路層と上層側の回路層との間における脱ガス成分や金属の拡散を抑えるために、例えばＳｉＣＮなどの絶縁性化合物からなるバリア膜１３を成膜する。このバリア膜１３は、シリコンの有機化合物であるトリメチルシラン（（ＣＨ3）3ＳｉＨ）ガスと窒素（Ｎ2）ガスとからなる成膜ガスと、アルゴン（Ａｒ）ガスとを例えば後述の成膜装置にて記載するようにマイクロ波のエネルギーによりプラズマ化（活性化）し、このプラズマを例えば３５０℃に加熱されたウエハＷ上に供給することで成膜される。この例では、アルゴンガスは、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であり、Ａｒの代わりにＫｒ等の希ガスであってもよい。またＮ2の代わりにＮＨ3、Ｎ2Ｏ等を用いてもよい。
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。
【００１９】
そこで図３（ａ）に示すようにアルゴンガスのイオンがウエハＷ側に引き寄せられて、ウエハＷの表面の近傍に位置する、こうした活性種に衝突すると、活性種中における弱い結合例えばＣ−Ｈ結合が切断されて水素がこの活性種から脱離し、図３（ｂ）に示すように残った炭素と他の活性種の炭素との間において、あるいは成膜途中のバリア膜１３の表面に存在する炭素のダングリングボンド（未結合手）を介してその炭素との間において新たな結合が形成すると考えられる。
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。
【００２０】
また、アルゴンガスイオンがウエハＷの表面に衝突した場合には、ウエハＷの表面においても、同様に弱い結合であるＣ−Ｈ結合が切断され（図３（ａ））、ダングリングボンドが生成する（同図（ｂ））。このダングリングボンドの生成した部位では反応性が高くなるため、活性種の付着確率が高くなり、その結果バリア膜１３の成膜速度が速くなると推測される。こうしてバリア膜１３は、高周波バイアスを印加することで、高周波バイアスを印加しない場合に比べて、緻密でかつ強度が高くなり、成膜速度も速くなる。
【００２１】
次に図１に戻って同図（ｃ）に示すように、バリア膜１３の表面に層間絶縁膜であるＣＦ膜２０を成膜する。このＣＦ膜２０は、炭素とフッ素とを含む化合物の成膜ガスであるＣ5Ｆ8ガスをアルゴンガスと共にプラズマ化し、各々のガスの流量が例えば２００ｓｃｃｍと３００ｓｃｃｍ、容器内圧力が５５ｍＴｏｒｒの条件の下で、Ｃ5Ｆ8の活性種を含むプラズマを例えば３８０℃に加熱されたウエハ上に供給することで成膜される。
【００２２】
ここで重要なことは、成膜用のガスは例えば炭素とフッ素とからなるガスのように水素原子を含まず、またプラズマ中にも水素（原子、ラジカル、イオン等）を含まないことである。水素を含む環境下でＣＦ膜を成膜すると、膜中に水素が含まれ、この後工程で行われるアニールなどの工程において、膜中の成分であるフッ素と反応してＨＦガスとなって脱離するため、ＣＦ膜の上層であるバリア膜との密着性が低下したり、ＣＦ膜自体の強度も低下してしまう。
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））。
【００２３】
その後、凹部１４表面に例えば窒化タンタル膜やタンタル膜などの導電性のバリアメタル膜１５を成膜し（図２（ａ））、例えば銅からなる配線金属１６を凹部１４に埋め込んだ後（図２（ｂ））、ＣＭＰにより余分な配線金属１６と犠牲膜であるＳｉＣＯＨ膜２２及びＳｉＣＮ膜２１とを除去することによって、上層側の回路層が形成される（図２（ｃ））。このウエハＷの上層側に同様に順次回路層を積層して半導体装置が形成される。なお回路層の多層構造が構成された後、多層構造体に対して各膜中のダングリングボンドを低減させるために例えば４００℃のアニール処理が行われる。
【００２４】
次いで、本発明の成膜方法に用いられるプラズマ成膜装置の実施の形態及びこの成膜装置を用いて行う成膜方法の具体例について、図４〜図６を参照しながら説明する。このプラズマ成膜装置は、ラジアルラインスロットアンテナを用いてプラズマを発生させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置である。図４中５は例えば全体が筒状体に構成された処理容器（真空チャンバ）であり、この処理容器５の側壁や底部は、導体例えばアルミニウム添加ステンレススチール等により構成され、内壁面には酸化アルミニウムよりなる保護膜が形成されている。
【００２５】
処理容器５のほぼ中央には、基板例えばウエハＷを載置するための載置部である載置台５１が絶縁材５１ａを介して設けられている。この載置台５１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）もしくは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）より構成され、内部には冷却媒体を通流させる冷却ジャケット５１ｂが設けられている。また、この載置台５１内には、加熱手段であるヒータ５７が設けられており、このヒータ５７は電源５８に接続されている。載置台５１の載置面は静電チャックとして構成されている。また、載置台５１には、既述のように、周波数が例えばイオンが追随できる範囲である２ＭＨｚ以下で、例えば８００ｋＨｚのバイアス用高周波電源５２が接続されている。
【００２６】
前記処理容器５の天井部は開放されており、この部分にはＯリング等のシール部材（図示せず）を介して、載置台５１と対向するように、例えば平面形状が略円形状に構成された、第１のガス供給部６が設けられている。このガス供給部６は、例えば酸化アルミニウムにより構成され、載置台５１と対向する面にはガス供給孔６１の一端側と連通するガス流路６２が形成されており、このガス流路６２には第１のガス供給路６３の一端側が接続されている。一方、第１のガス供給路６３の他端側はプラズマ発生用のガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスやクリプトン（Ｋｒ）ガスなどの供給源６４が接続されており、このガスは、第１のガス供給路６３を介してガス流路６２に供給され、前記ガス供給孔６１を介して、第１のガス供給部６の下方側の空間に一様に供給される。
【００２７】
この例では、供給源６４、第１のガス供給路６３、第１のガス供給部６によりプラズマ発生用のガスを処理容器５内に供給する手段が構成されている。
【００２８】
また前記処理容器５は、載置台５１と第１のガス供給部６との間に、例えばこれらの間を区画するように、例えば平面形状が略円形状に構成された第２のガス供給部７を備えている。この第２のガス供給部７は例えばマグネシウム（Ｍｇ）を含んだアルミニウム合金やアルミニウム添加ステンレススチール等の導電体により構成され、載置台５１と対向する面には多数の第２のガス供給孔７１が形成されている。このガス供給部７の内部には、例えば図５に示すように第２のガス供給孔７１の一端側と連通する格子状のガス流路７２が形成されており、このガス流路７２には第２のガス供給路７３の一端側が接続されている。また第２のガス供給部７には、当該ガス供給部７を上下に貫通するように、多数の開口部７４が形成されている。この開口部７４は、プラズマやプラズマ中の原料ガスを当該ガス供給部７の下方側の空間に通過させるためのものであり、例えば隣接するガス流路７２同士の間に形成されている。
【００２９】
ここで第２のガス供給部７は、例えば上記のバリア膜１３を成膜する時には、第２のガス供給路７３を介して成膜用のガスである窒素ガスの供給源７５及びトリメチルシラン（３ＭＳ）ガスの供給源７６に接続され、この窒素ガス及びトリメチルシランガスは、第２のガス供給路７３を介してガス流路７２に順次通流していき、前記ガス供給孔７１を介して第２のガス供給部７の下方側の空間に一様に供給される。この例では、供給源７５、７６、第２のガス供給路７３及び第２のガス供給部７により、原料ガスを処理容器５内に供給する手段が構成される。図２中Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はバルブ、１０１、１０２、１０３は夫々アルゴンガスガス、窒素ガス及びトリメチルシランガスの処理容器５内への供給量を調整するための流量調整手段である。尚、既述のＣＦ膜１０（２０）を成膜する場合には、この供給源７６としてはＣ5Ｆ8ガスが貯留されたガス源が用いられ、上記の原料ガスと同様に第２のガス供給路７３の下方側の空間に一様に供給される。
【００３０】
前記第１のガス供給部６の上部側には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）を介して、例えば酸化アルミニウムなどの誘電体により構成されたカバープレート５３が設けられ、このカバープレート５３の上部側には、当該カバープレート５３と密接するようにアンテナ部８が設けられている。このアンテナ部８は、図６に示すように、平面形状が円形の下面側が開口する扁平なアンテナ本体８１と、このアンテナ本体８１の前記下面側の開口部を塞ぐように設けられ、多数のスロットが形成された円板状の平面アンテナ部材（スロット板）８２とを備えており、これらアンテナ本体８１と平面アンテナ部材８２とは導体により構成され、扁平な中空の円形導波管を構成している。そして前記平面アンテナ部材８２の下面が前記カバープレート５３に接続されている。
【００３１】
また前記平面アンテナ部材８２とアンテナ本体８１との間には、例えば酸化アルミニウムや窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の低損失誘電体材料により構成された遅相板８３が設けられている。この遅相板８３はマイクロ波の波長を短くして前記円形導波管内の管内波長を短くするためのものである。この実施の形態では、これらアンテナ本体８１、平面アンテナ部材８２、遅相板８３によりラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna）が形成されている。
【００３２】
このように構成されたアンテナ部８は、前記平面アンテナ部材８２がカバープレート５３に密接するように図示しないシール部材を介して処理容器５に装着されている。そしてこのアンテナ部８は同軸導波管８４を介して外部のマイクロ波発生手段８５と接続され、例えば周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給されるようになっている。この際、同軸導波管８４の外側の導波管８４Ａはアンテナ本体８１に接続され、中心導体８４Ｂは遅相板８３に形成された開口部を介して平面アンテナ部材８２に接続されている。
【００３３】
前記平面アンテナ部材８２は、例えば厚さ１ｍｍ程度の銅板からなり、図６に示すように例えば円偏波を発生させるための多数のスロット８６が形成されている。このスロット８６は略Ｔ字状に僅かに離間させて配置した一対のスロット８６ａ，８６ｂを１組として、周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。このようにスロット８６ａとスロット８６ｂとを相互に略直交するような関係で配列しているので、２つの直交する偏波成分を含む円偏波が放射されることになる。この際スロット対８６ａ，８６ｂを遅相板８３により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で配列することにより、マイクロ波が平面アンテナ部材８２より略平面波として放射される。本発明では、マイクロ波発生手段８５、同軸導波管８４、アンテナ部８によりプラズマ発生手段が構成されている。
【００３４】
また処理容器５の底部には排気管５４が接続されており、この排気管５４は圧力調整手段をなす圧力調整部５５を介して真空排気手段である真空ポンプ５６に接続され、処理容器５内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【００３５】
ここで、上述のプラズマ成膜装置の、マイクロ波発生手段８５やバイアス用高周波電源５２への電力供給、プラズマガスや原料ガスを供給するためのバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉や、流量調整手段１０１、１０２、１０３、圧力調整部５５等はコンピュータからなる制御手段２００により、所定の条件で上記の各膜の成膜が行われるようにステップが組まれたプログラムに基づいて制御されるようになっている。このプログラムは、フレキシブルディスクやコンパクトディスク、フラッシュメモリ、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）等の記憶媒体２０１に格納されていて、制御手段２００にインストールされる。
【００３６】
続いてこの装置にて実施される本発明の成膜方法の一例として、既述のバリア膜１３を成膜する場合について説明する。先ず図示しないゲートバルブを介して例えば表面に下層側の配線層が形成された基板であるウエハＷを搬入して載置台５１上に載置する。続いて処理容器５の内部を所定の圧力まで真空引きし、第１のガス供給路６３を介して第１のガス供給部６にマイクロ波により励起されるプラズマ発生用ガス例えばアルゴンガスガスを所定の流量例えば流量例えば１０００ｓｃｃｍで供給する。一方第２のガス供給路７３を介して成膜用のガス供給部である第２のガス供給部７に成膜用のガスである窒素ガス及びトリメチルシランガスを夫々所定の流量例えば５０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍで供給する。そして処理容器５内を例えば１７．３Ｐａ（１３０ｍＴｏｒｒ）のプロセス圧力に維持し、載置台５１の表面温度を３８０℃に設定する。
【００３７】
一方マイクロ波発生手段から２．４５ＧＨｚ，２５００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給すると、このマイクロ波は、ＴＭモード或いはＴＥモード或いはＴＥＭモードで同軸導波管８４内を伝搬してアンテナ部８の平面アンテナ部材８２に到達し、同軸導波管の内部導体８４Ｂを介して、平面アンテナ部材８２の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対８６ａ，８６ｂからマイクロ波がカバープレート５３、第１のガス供給部６を介して当該ガス供給部６の下方側の処理空間に向けて放出される。
【００３８】
ここでカバープレート５３と第１のガス供給部６はマイクロ波が透過可能な材質例えば酸化アルミニウムにより構成されているので、マイクロ波透過窓として作用し、マイクロ波はこれらを効率よく透過していく。このとき既述のようにスリット対８６ａ，８６ｂを配列したので、円偏波が平面アンテナ部材８２の平面に亘って均一に放出され、この下方の処理空間の電界密度が均一化される。そしてこのマイクロ波のエネルギーにより、広い処理空間の全域に亘って高密度で均一なプラズマが励起される。そしてこのプラズマは、第２のガス供給部７の開口部７４を介して当該ガス供給部７の下方側の処理空間に流れ込んで行き、当該ガス供給部７からこの処理空間に供給される成膜用のガスを活性化させて、つまりプラズマ化して活性種を形成する。
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。
【００３９】
こうしてバリア膜１３を成膜した後、プラズマ発生用のガスと成膜用のガスとの供給を停止して、処理容器５内を真空排気する。そして、成膜用のガスをＣ5Ｆ8ガスに切り替えて、プラズマ発生用のガスとＣ5Ｆ8ガスとを処理容器５内に供給しながら処理容器５内を所定の真空雰囲気に維持し、マイクロ波発生手段からら２．４５ＧＨｚ，例えば２７５０Ｗの高周波を供給することにより、既述のＣＦ膜２０が成膜される。その後、ＣＦ膜２０の成膜されたウエハＷは、図示しないゲートバルブを介して処理容器５から搬出される。以上において、処理容器５内にウエハＷを搬入し、所定の条件にて処理を行い、処理容器５から搬出されるまでの一連の動作は、既述のように制御手段２００がプログラムを読み出しながら実行される。
【００４０】
上述の実施の形態によれば、アルゴンガス、窒素ガス及びトリメチルシランガスをプラズマ化してこのプラズマにより、下層側の回路層の上にＳｉＣＮ膜からなるバリア膜１３を成膜するにあたり、ウエハＷに対してバイアス用の高周波電力を供給している。このためプラズマ中のアルゴンイオンがウエハＷ側に引き込こまれてトリメチルシランの活性種やウエハＷの表面に衝突し、その衝突に起因して、バリア膜１３の緻密性が高くなり、その結果高いバリア性が得られる。その推定メカニズムとしては既に記載したとおりである。従って多層配線構造を形成した後に例えば４００℃程度の加熱雰囲気でその構造体をアニールするときに、配線金属１１から当該金属である例えば銅が上層側の層間絶縁膜であるＣＦ膜２０（図２（ｃ）参照）へ拡散することを抑止し、また逆にＣＦ膜２０からの脱ガス成分であるフッ素が配線金属１１に拡散することを抑止する効果が大きい。
【００４１】
従って、バリア膜１３をより薄くしながら、層間絶縁膜中への金属の拡散に基づくリーク電流の上昇を抑えると共に、配線金属１１へのフッ素の拡散に基づく配線抵抗の上昇を抑えることができ、今後の半導体デバイスの微細化、高集積化に対して有効な技術である。特に比誘電率が低いことで層間絶縁膜の材料として着目されているＣＦ膜は、加熱時にフッ素の脱ガスが問題となっていることから、本発明はＣＦ膜による層間絶縁膜の実現化という観点からも極めて有効である。
【００４２】
なお本発明により製造される半導体装置に使用される層間絶縁膜としては、ＣＦ膜に限るものではなく、シリコン、酸素、水素及び炭素等からなるＳｉＣＯ膜、ＳｉＣＯＨ膜、シリコン酸化膜にフッ素を添加したＳｉＯＦ膜、あるいはシリコン酸化膜などであっても良い。
【００４３】
ここでバリア膜１３の成膜中の高周波のバイアス電力の大きさについては、後述の実施例から、バイアス電力が大きくなる程バリア膜１３のバリア性能が向上すると考えられるが、２０Ｗでは外観上の不具合が確認されたことから、１５Ｗ以下であること、つまりウエハＷへの単位面積あたりのバイアス供給電力値は０．０４８Ｗ／ｃｍ2（２００ｍｍサイズのウエハＷの表面積３１４．１６ｃｍ2に対する電力値）以下であることが好ましい。
【００４４】
また上記のバリア膜１３としては、ＳｉＣＮ膜だけでなく、例えば窒素ガスを用いずにトリメチルシランガスを成膜用のガスとして用いることにより成膜されるＳｉＣ膜であってもよい。
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。
【実施例】
【００４５】
（実験例１：昇温脱離ガスの比較テスト）
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。
【００４６】
（実験例２：ウエハの深さ方向の元素の浸透試験）
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。
【００４７】
（実験例３：成膜速度と屈折率）
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。
【００４８】
（実験例４：外観と密着性）
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。
【００４９】
（実験例５：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験１）
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。
【００５０】
（実験例６：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験２）
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。
【００５１】
（実験例７：ＳｉＣＮ膜とＣＦ膜との密着強度の試験３）
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。
【００５２】
また膜がイオンにより叩かれるため膜表面にダングリングボンドが形成され、この部分にその後に成膜されるＳｉＣＮ膜用のプリカーサが結合するため、より密着性が向上するとも考えた。この考えに基づき既述の方法でＣＦ膜を成膜後、図１４、図１５に示す組合せでウエハにバイアスプラズマ処理を施し、この後ＳｉＣＮ膜をバイアス電力の印加なしの条件で成膜して積層し、４ポイントベンディング法により密着性を評価した。図１４はＮ２によるバイアスプラズマ処理した結果であり、図１５はＡｒによるバイアスプラズマ処理した結果である。なお結果の数値の１０以上については四捨五入している。
【００５３】
これによれば、若干窒素プラズマ処理したほうがその数値が高いとも思われるが両者とも明確な優劣はなく、何れの値も従来の技術である比較例４の６．０Ｊ／ｍ２の値を上回っている。特にアルゴン、窒素何れのバイアスプラズマ処理においても従来値の２倍を超える値を示すものが見られるが、１５Ｗに近づくにつれその値は減少傾向を示している。従ってＣＦ膜のバイアスプラズマ処理時のバイアス電力値は、３Ｗ〜１５Ｗ（０．００９５〜０．０４７Ｗ／ｃｍ２）が好ましいといえる。図１４、図１５中にはＣＦ膜のバイアスプラズマ処理と共にＳｉＣＮ膜の成膜時にバイアス電力を印加するものに関するデータは記載されていないが、別途の実験によりアルゴン、窒素何れのプラズマによってＣＦ膜をバイアスプラズマ処理しても、ほぼ１１．３Ｊ／ｍ２の値を得ている。従ってＣＦ膜の表面をバイアスプラズマ処理しておけば、その後のＳｉＣＮ膜の成膜方法如何にかかわらず、ＣＦ膜とＳｉＣＮ膜との間の密着性を向上させることができる。
【００５４】
また本発明者らは更に過酷な試験を実施した。これはＣＦ膜をバイアスプラズマ処理した後ＳｉＣＮ膜（成膜中のバイアスなし）を積層し、さらにこの上にＳｉＯ２膜を積層した積層体を作成し、この試験ウエハを４００℃、６０分間アニールするものである。この後、試験ウエハを表面観察およびテープテストを実施した。表面観察は、ＣＦ膜からの脱ガスの痕跡であるブリスター（気泡）の数をカウントし、テープテストは既述の方法で行った。その結果を図１６に示す。
【００５５】
ここでテープテストの結果である、○は５ｍｍ角の小片が１つも剥がれなかったものであり、△はウエハ全面から半分くらい剥がれたものであり、××は全面剥がれてしまったものであり、×は△と××の中間くらいが剥がれたものである。この試験は、実際の半導体デバイスを作成する過程で経るサーマルバジェット（熱履歴）を超える過酷なものであることから、○と△を良品とすると、バイアスプラズマ処理時のバイアス電力値は、上記３Ｗ〜１５Ｗの内、さらに好ましくは８〜１２Ｗ（０．０２５〜０．０３８Ｗ／ｃｍ２）であるといえる。このように高くても１５Ｗという低バイアスでＣＦ膜表面を処理することにより、ＣＦ膜にダメージを与えることなく、膜の極く表面のみのフッ素を脱離させることにより密着性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
５ 処理容器
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置における配線金属とフッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する方法において、
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、０．０４７Ｗ／ｃｍ2以下であることを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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、０．００９５Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
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であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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７】
請求項１ないし６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。
【請求項１】
半導体装置における配線金属とフッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜との間に介在するバリア膜を成膜する方法において、
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、０．０４７Ｗ／ｃｍ2以下であることを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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、０．００９５Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
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であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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７】
請求項１ないし６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。
【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１６】
【図１７】
【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１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−７１５１０（Ｐ２０１１−７１５１０Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６８０７（Ｐ２０１０−２０６８０７）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【分割の表示】特願２００７−２５６３３０（Ｐ２００７−２５６３３０）の分割
【原出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【分割の表示】特願２００７−２５６３３０（Ｐ２００７−２５６３３０）の分割
【原出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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