成膜方法、成膜裝置、存儲介質以及半導體裝置的制作方法

文檔序號：6900105閱讀：212來源：國知局

專利名稱：成膜方法、成膜裝置、存儲介質以及半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用等離子體將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜進行成膜的技術。
背景技術：
用于謀求半導體裝置的高集成化的多層配線構造通過如下方法制成在采用例如雙大馬士革工序的情況下，在下層側的層間絕緣膜上同時形成配線埋入用的槽(trench)以及用于連接下層側的配線與上層側的配線的電極埋入用的導通孔(via hole )，將配線用金屬例如銅埋入到槽以及導通孔中形成下層構造，并依次層壓該構造。在該構造中，必須不能使配線用金屬擴散到層間絕緣膜中，特別是在采用了銅的情況下由于其容易擴散，因此使用于防止銅擴散的阻擋金屬介于含有槽和導通孔的凹部的內壁中，另外還^f吏阻擋膜介于槽內的銅配線與其上層側的層間絕緣膜之間。圖17是示意地表示在下層側的層間絕緣膜101的槽內形成有銅配線102、并在該銅配線102上形成有電極103的構造的一部分。在該圖中，104是在由槽以及導通孔構成的凹部的內壁上成膜的阻擋金屬，105是介于銅配線102與其上層側的未圖示的層間絕緣膜之間的阻擋膜。在此，阻擋金屬104在制造工序上、由于殘留在銅配線102的上表面與電極103的下表面之間，因此必須具有導電性，可以采用含有例如鉭、鈦等的膜。電極103的部分之外的整面，因此阻擋膜105可通過介于下層側的層間絕緣膜與上層側的層間絕緣膜之間來防止銅自銅配線 102擴散到未圖示的上層側的層間絕緣膜中。另外為了利用該阻擋膜105來防止層間絕緣膜整體的介電常數上升，作為阻擋膜105可以采用例如由硅(Si )、碳(C )以及氮(N )構成的 SiCN膜、SiC膜或無定形碳等，并采用例如三甲基硅烷氣體和氮氣、通過等離子CVD (Chemical Vapor Deposition,化學氣相沉淀)進行成膜(專利文獻l)。但是，隨著半導體裝置的微細化，也要求阻擋膜105更加薄膜化，但若過薄，在之后進行的例如40crc左右的退火工序中，銅配線102中的銅會穿透該阻擋膜105而擴散到層間絕緣膜中，使層間絕緣膜的絕緣性能變差，從而導致配線間的漏電電流增大。出于上述情況，即使薄膜化得到進步，但為了獲得高阻擋性也強烈要求使阻擋膜的致密性進一步得到提高。另外最近，作為層間絕緣膜研究采用能夠確保例如2.5以下的低比介電常數、作為碳(C)以及氟(F)的化合物的氟添加碳膜(碳氟化合物膜)。但是由于氟添加碳膜中的氟在加熱時容易脫離，因此在進行阻擋膜的薄膜化操作時，在進行上述退火工序時，構成阻擋膜10 5的上層側的層間絕緣膜的氟添加碳膜中的氟會穿透該阻擋膜105而擴散到銅配線102中，導致配線電阻的增大。在專利文獻2中記載了在采用了電子回旋共振的等離子裝置中，通過對8英寸晶圓附加500W以上的偏壓電力來埋入氟添加碳膜的實驗，但是關于本發明的問題沒有任何記載。專利文獻l:曰本特開2006-294816專利文獻2:日本特開平10-144675號公報圖19，段落 004
發明內容
本發明是鑒于上述問題而做成的，其目的在于提供關于介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜，能夠獲得高阻擋性的成膜方法、成膜裝置、以及存儲用于實施上述方法的程序的存儲介質。并且本發明的另一目的在于提供一種具有利用本發明的方法進行成膜后得到的阻擋膜的半導體裝置。本發明提供一種將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜進行成膜的方法，其特征在于，該方法包纟舌如下工序將基板載置到處理容器內的載置部的工序；向上述處理容器內供給含有有機化合物的成膜用氣體、和用于促進成膜用氣體的等離子體化的等離子體產生用氣體的工序；對上述處理容器內進行真空排氣的工序；將上述處理容器內的等離子體產生用氣體和成膜用氣體等離子體化，利用該等離子體在基板上成膜含有碳的上述阻擋膜的工序；在進行上述工序期間，將偏壓用的高頻電力施加給上述載置部的工序。作為本發明優選的一例可以舉出如下方法將等離子體產生用氣體與成膜用氣體自互相不同的供給口供給到處理容器內，將微波自與上述載置部相對地設置在處理容器的上部、并沿周向形成有許多個隙縫的平面天線構件供給到處理容器內，從而將處理容器內的氣體等離子體化。供給到基板的單位面積上的偏壓用高頻電力優選在0.047W/cn^以下。下面再列舉出本發明所用的氣體、阻擋膜的例子。上述成膜用氣體含有硅的有機化合物的氣體，上述阻擋膜
是含有硅的膜。上述阻擋膜是SiCN膜。上述阻擋膜是SiC膜。上述阻擋膜是無定形碳膜。在該情況下，上述成膜用氣體是例如丁炔氣體。另外上述成膜用氣體還在丁炔氣體中含有硅烷系氣體，上述無定形碳膜含有硅。等離子體產生用的氣體是氬氣。另外作為層間絕緣膜，可以舉出作為碳以及氟的化合物的氟添加碳膜為一例。本發明的另一發明提供一種成膜裝置，該裝置將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜進行成膜，其特征在于，該裝置具有如下部件氣密的處理容器，其在內部設有用于載置基板的載置部；氣體供給部件，其將含有有機化合物的成膜用氣體、和用于促進成膜用氣體的等離子體化的等離子體產生用氣體供給到該處理容器內；對上述處理容器內進行真空排氣的部件；等離子產生部件，其用于將上述處理容器內的氣體等離子體化；向上述載置部施加偏壓用高頻電力的部件；控制部件，其用于向各部件輸出控制命令將含有等離子體產生用氣體和有機化合物的成膜用氣體導入上述處理容器內，一邊將偏壓用高頻電力施加給上述載置部一邊將上述氣體等離子體化，從而在基板上成膜含有碳的薄膜。作為本發明的優選形態可以舉出如下結構上述氣體供給部件包括將由微波激發的等離子體產生用氣
體供給到處理容器內的供給口、和與用于供給成膜用氣體的上述供給口不同的供給口；上述等離子產生部件包括用于將微波導入到上述處理容器的上部的波導管、和為了將來自該波導管的微波供給到上述處理容器內而與該波導管相連接、并與上述載置部相對地設置、且沿著周向形成有許多個隙縫的平面天線部件。并且本發明的另一發明提供一種存儲介質，該存儲介質用在成膜裝置中，存儲有在計算機上進行工作的計算機程序，其特征在于，上述計算才幾程序為了實施4支術方案中記載的成膜方法而編有步驟。并且本發明的另一方明提供一種半導體裝置，其特征在于，具有利用上述成膜方法進行成膜而得到的阻擋膜。采用本發明，在將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜在基板上進行成膜時，由于一邊將含有有機化合物的成膜用氣體、和用于促進成膜用氣體的等離子體化的等離子體產生用氣體等離子體化從而在基板上成膜含有碳的阻擋膜，一邊將偏壓用高頻電力施加給用于載置基板的載置部，因此可以一邊使作為等離子體產生用氣體的活性種的離子例如氬離子碰撞基板一邊進行成膜，通過該碰撞可獲得致密且高阻擋性的膜。

圖l是表示含有本發明的CF膜的半導體裝置的制造方法的工序圖，是表示本發明實施方式的半導體裝置的剖視圖。圖2是表示成膜本發明的阻擋膜時的基板的樣子的示意圖。
圖3是表示將高頻偏壓施加給晶圓W時的反應的推斷機理的說明圖。圖4是表示本發明實施方式所用的等離子成膜裝置的一例的縱剖側視圖。圖5是表示上述等離子成膜裝置所用的第2氣體供給部的俯視圖。圖6是用局部截面表示上述等離子成膜裝置所用的天線部的立體圖。圖7是表示關于實施例的基板的脫氣量的特性圖。圖8是表示實施例的基板的深度方向的氟以及氧的含有量的特性圖。圖9是表示實施例的阻擋膜的成膜速度與折射率的特性圖。圖IO是表示實施例的阻擋膜與CF膜的粘合強度的特性圖。圖ll是表示四點彎曲(four point bending)法(強度試驗)的測量法的說明圖。圖12是表示四點彎曲法中的特性數據的說明圖。圖13是表示在SiCN成膜時施加的每個偏壓電力的上述強度試驗的結果的說明圖。圖14是表示在CF膜的表面進行偏壓等離子體處理的情況下的上述強度試驗的結果的說明圖。圖15是表示在CF膜的表面進行偏壓等離子體處理的情況下的上述強度試驗的結果的說明圖。圖16是表示用于評價實施例的阻擋膜與CF膜的粘合強度的嚴酷試驗的結果的特性圖。圖17是表示通常的多層配線構造的一部分的立體圖。
具體實施例方式
一邊參照圖l一邊說明本發明的半導體裝置的制造方法的實施方式。在圖1 ( a)中表示有形成在作為基板的例如直徑 200mm ( 8英寸大小)的晶圓W上的第n層(下段側)的電路層，該電路層在作為層間絕緣膜的氟添加碳膜(以下稱作"CF膜") 10內夾入有由例如Cu等形成的配線金屬ll。為了不使例如銅自配線金屬11擴散到CF膜10內，將由例如氮化鉭膜、鉭膜等形成的阻擋金屬膜12介于該CF膜10與配線金屬ll之間。另外在下面的說明中，分別將第n層、第(n+l )層稱作下層側配線、上層側配線。首先，如圖l(b)所示，為了抑制該下層側的電路層與上層側的電路層之間的脫氣成分、金屬的擴散，在該下層側的電路層的表面成膜由例如S i C N等的絕緣性化合物構成的阻擋膜 13。如下成膜該阻擋膜13:如同例如后述的成膜裝置中記載的那樣利用微波的能量將由作為硅的有機化合物的三甲基硅烷 ((CH3) 3SiH)氣體和氮(N2)氣構成的成膜氣體、和氬(Ar) 氣等離子體化(活性化)，將該等離子體供給到加熱到例如350 。C的晶圓W上。在該例子中，氬氣是用于促進成膜用氣體等離子體化的等離子體產生用氣體，也可以使用Kr等稀有氣體替代 Ar。另外也可以使用NHs、 N20等替代N2。在正在成膜該阻擋膜13時，自后述的偏壓用高頻電源52以例如IOW左右的電力將作為能夠追蹤例如等離子體中的離子的頻率的范圍的例如在2MHz以下、例如800KHz的高頻供給到晶圓上，從而可使等離子體中的氬離子靠近到晶圓W側。這樣通過將高頻偏壓施加到晶圓W上，可如后述那樣地提高阻擋膜 13的阻擋性。推測出這是由于阻擋膜13變得致密的緣故，因此一邊參照圖3 ( a)、 (b) —邊說明成膜阻擋膜13的推斷機理。首先在使三甲基硅烷氣體活性化時，形成有三曱基硅烷的分子
中的碳(C)與氬(H)的鍵的一部分切斷了的狀態、硅與碳或硅與氫的鍵切斷了的狀態等的活性種。于是氬氣的離子如圖3 (a)所示地靠近到晶圓W側，在與位于晶圓W的表面附近的上述活性種碰撞時，活性種中的弱鍵例如C-H鍵被切斷從而氬氣脫離該活性種，如圖3(b)所示地在殘留的碳與其他活性種的碳之間，或借助存在于成膜中途的阻擋膜13的表面的碳的懸掛鍵(懸鍵，dangling bond)在上述碳之間形成新的^t。另一方面，從活性種脫離出的氫成為氫氣，未進入到阻擋膜13中而是自處理氣氛中排出。由于在晶圓W的表面依次進行上述反應，因此在該阻擋膜13中形成許多個例如碳-碳鍵的網絡，該鍵為網眼狀(交聯狀)，因而推測出膜變得致密，并且膜的強度增加。另外，在氬氣離子碰撞晶圓W的表面的情況下，在晶圓W 的表面也同樣地、作為弱鍵的C-H鍵被切斷(圖3 ( a)),生成懸掛鍵(圖3(b))。由于在生成該懸掛鍵的部位上反應性增高，因此活性種的附著概率增大，結果可以推測出阻擋膜13的成膜速度變快。這樣通過施加高頻偏壓，相比未施加高頻偏壓的情況，阻擋膜13變得致密且強度增大，成膜速度也變快。接下來回到圖l,如圖l(c)所示，在阻擋膜13的表面成膜作為層間絕緣膜的CF膜20。如下成膜該CF膜20:將作為含有碳與氟的化合物的成膜氣體的C5Fs氣體與氬氣同時等離子體化，并在各氣體的流量是例如200sccm和300sccm、容器內壓力是55mTorr的條件下，將含有CsF8的活性種的等離子體供給到加熱到例如380°C的晶圓上。在此重要的是成膜用氣體并不是如同由例如碳和氟構成的氣體那樣地含有氫原子、另外在等離子體中也沒有氫(原子、自由基、離子等)。當在含有氫的環境下成膜CF膜時，在膜中會含有氬，在其后工序中進行的退火等的工序中，該氫與作為膜中的成分的氟進行反應從而生成HF氣體進而脫離膜，因此與作為C F膜的上層的阻擋膜的密合性降低，且C F膜本身的強度也降低。于是，在該CF膜20的表面依次層壓用作替代膜的例如 SiCN膜21和SiCOH膜22 (圖1 ( c))。接下來，在SiCOH膜22 上形成未圖示的抗蝕劑掩模，采用該抗蝕劑掩模和上述替代膜等，通過含有例如卣化物的活性種的等離子體來進行蝕刻，在 CF膜20上形成由相當于導通孔的凹部14a、和相當于上層側的電路的配線埋入區域(槽)的凹部14b構成的凹部14(圖l( d))。之后，在凹部14的表面成膜例如氮化鉭膜、鉭膜等的導電性的阻擋金屬膜15 (圖2 ( a))，在將由例如銅構成的配線金屬 16埋入到凹部14中之后(圖2 ( b ))，通過CMP除去多余的配線金屬16、和作為替代膜的SiCOH膜22以及SiCN膜21,從而形成上層側的電路層(圖2 (c))。在該晶圓W的上層側同樣地依次層壓電路層從而形成半導體裝置。另外，在構成電路層的多層構造之后，為了減少各膜中的懸掛鍵，對多層構造體進行例如40(TC的退火處理。接下來，一邊參照圖4 圖6—邊說明本發明的成膜方法所用的等離子成膜裝置的實施方式以及采用該成膜裝置進行的成膜方法的具體例子。該等離子成膜裝置是通過采用徑向縫天線 (Radial Line Slot Antenna )來產生等離子體的CVD (Chemical Vapor Deposition,化學氣相沉淀)裝置。圖4中的5是例如整體構成為筒狀體的處理容器(真空腔)，該處理容器5的側壁、底部由導體例如鋁添加不銹鋼等構成，并且在內壁表面上形成有由氧化鋁構成的保護膜。
在處理容器5的大致中央處隔著絕緣材料51a設有作為用于載置基板例如晶圓W的載置部的載置臺51 。該載置臺51由例如氮化鋁(A1N)或氧化鋁(A1203 )構成，在其內部設有流通冷卻介質的冷卻套51b。另外，在該載置臺51內設有作為加熱部件的加熱器57,該加熱器57與電源58相連接。載置臺51的載置面構成為靜電卡盤(chuck)。另外，在載置臺51上如上所述地連接有頻率在作為能夠追蹤例如離子的范圍的2MHz以下、例如800kHz的偏壓用高頻電源52。上述處理容器5的頂部是開放的，在該部分借助O型密封環等密封構件(未圖示)、與載置臺51相對地設有例如平面形狀構成為大致圓形的第l氣體供給部6。該氣體供給部6由例如氧化鋁構成，在與載置臺51相對的面上形成有與氣體供給孔61的一端相連通的氣體流路62,在該氣體流路62上連接有第l氣體供給通路63的一端。另一方面，第l氣體供給通路63的另一端連接有作為等離子體產生用氣體的氬(Ar)氣、氪(Kr)氣等的供給源64,該氣體經由第l氣體供給通路63被供給到氣體流路62中，經由上述氣體供給孔61均勻地被供給到第l氣體供給部6的下方側的空間中。在該例子中，通過供給源64、第1氣體供給通路63、第l 氣體供給部6構成將等離子體產生用氣體供給到處理容器5內的部件。另外，上述處理容器5在載置臺51與第l氣體供給部6之間、例如劃分上述空間地具有例如平面形狀構成為大致圓形的第2 氣體供給部7。該第2氣體供給部7由含有例如鎂(Mg)的鋁合金、鋁添加不銹鋼等導電體構成，在與載置臺51相對的面上形成有許多個第2氣體供給孔71。在該氣體供給部7的內部形成有例如如圖5所示地與第2氣體供給孔71的一端相連通的格子狀
的氣體流路72,在該氣體流路72上連接有第2氣體供給通路73 的一端。另外在第2氣體供給部7上上下貫穿該氣體供給部7地形成有許多個開口部74。該開口部74用于使等離子體、等離子體中的原料氣體通過該氣體供給部7的下方側的空間，形成在例如相鄰的氣體流^各72;f皮此之間。在此，在成膜例如上述阻檔膜13時，第2氣體供給部7借助第2氣體供給通路73與作為成膜用氣體的氮氣的供給源75以及三甲基硅烷(3MS)氣體的供給源76相連接，該氮氣以及三甲基硅烷氣體依次經由第2氣體供給通路73流通到氣體流路72 中，經由上述氣體供給孔71均勻地被供給到第2氣體供給部7的下方側的空間中。在該例子中，通過供給源75、 76、第2氣體供給通路73以及第2氣體供給部7構成將原料氣體供給到處理容器5內的部件。圖2中V1、 V2、 V3是閥，101、 102、 103分別是用于調整供給到處理容器5內的氬氣、氮氣以及三曱基硅烷氣體的量的流量調整部件。另外，在成膜上述CF膜IO ( 20) 的情況下，該供給源76用作貯存有C5Fs氣體的氣體源，C5F8 氣體與上述的原料氣體同樣地、均勻地被供給到第2氣體供給通路73的下方側的空間中。構件(未圖示)設有由例如氧化鋁等電介質構成的蓋板(cover plate) 53，在該蓋板53的上部側、與該蓋板53密接地設有天線部8。如圖6所示，該天線8包括平面形狀是圓形的下表面側呈開口狀態的、扁平的天線主體81、和以堵塞該天線主體81的上述下表面側的開口部的方式設置、形成有許多個隙縫的圓板狀的平面天線構件(隙縫板)82,上述天線主體81和平面天線構件82由導體構成，并構成扁平的空心的圓形波導管。上述平面天線構件82的下表面與上述蓋板53相連接。
另外在上述平面天線構件82與天線主體81之間設有由例如氧化鋁、氮化硅(Si3N4)等的低損失電介質材料構成的滯相板83。該滯相板83通過使微波的波長縮短而使上述圓形波導管內的管內波長縮短。在該實施方式中，通過上述天線主體81、平面天線構件82、滯相^反83形成徑向纟逢天線 (Radial Line Slot Antenna )。密接地、借助未圖示的密封構件安裝在處理容器5中。然后該天線部8借助同軸波導管84與外部的微波產生部件85相連接，供給例如頻率是2.45GHz或8.3GHz的微波。此時，同軸波導管 84的夕卜側的波導管84A與天線主體8l相連接，中心導體84B借助形成在滯相板8 3上的開口部與平面天線構件8 2相連接。上述平面天線構件82由例如厚度lmm左右的銅板構成，如圖6所示地形成有許多個用于產生例如圓偏^振波的隙縫86。該隙縫86使稍微離開成大致T字狀地配置的一對的隙縫86a 、 86b 作為一組，沿著周向形成為例如同心圓狀、渦旋狀。這樣由于以互相大致正交的關系排列隙縫86a與隙縫86b，因此可以放射出含有2條正交的偏振波成分的圓偏振波。此時使隙縫對8 6 a 、 86b對應于利用滯相板83壓縮后得到的微波的波長的間隔地將它們排列起來，從而通過平面天線構件82使微波放射成為大致平面波。在本發明中，通過微波產生部件85、同軸波導管84、天線部8構成等離子產生部件。另外在處理容器5的底部連接有排氣管54，該排氣管54借助形成壓力調整部件的壓力調整部55與作為真空排氣部件的真空泵56相連接，可將處理容器5內一直抽真空到規定的壓力。在此，上述的等離子成膜裝置的、用于向微波產生部件85、偏壓用高頻電源52中供給電力、等離子氣體、原料氣體的閥VI、V2、 V3的開閉、流量調整部件101、 102、 103、壓力調整部55 等通過由計算機構成的控制部件200、根據以可在規定的條件下成膜上述各膜的方式編有步驟的程序進行控制。該程序存儲在軟盤、光盤、閃存器、MO ( Magneto-Optical Disk,光磁盤)等存儲介質201中，該存儲介質安裝在控制部件200上。接下來，作為用該裝置實施的本發明的成膜方法的一例，說明成膜上述阻擋膜13的情況。首先借助未圖示的閘閥將作為例如在表面形成有下層側的配線層的基板即晶圓W搬入并將其載置到載置臺51上。接下來將處理容器5的內部抽真空到規定的壓力，將利用微波激發的等離子體產生用氣體例如氬氣、以規定的流量例如1000sccm、經由第l氣體供給通路63供給到第 l氣體供給部6中。另一方面將作為成膜用氣體的氮氣以及三曱基硅烷氣體、分別以規定的流量例如50sccm、 40sccm、經由第2氣體供給通路73供給到作為成膜用氣體供給部的第2氣體供給部7中。然后將處理容器5內維持在例如17.3Pa (130mTorr)的工作壓力，并將載置臺51的表面溫度設定成 380°C 。另一方面在自微波產生部件供給2.45GHz、 2500W的高頻 (微波)時，在該微波以TM模式或TE模式或TEM模式傳播到同軸波導管84內進而到達天線部8的平面天線構件82處、并自平面天線構件82的中心部經由同軸波導管的內部導體84B以i文射狀朝向周緣區域進行傳播的期間，微波自隙縫對86a、 86b 經由蓋板53、第l氣體供給部6朝向該氣體供給部6的下方側的處理空間》文射出。在此，由于蓋板53和第l氣體供給部6由可使微波透過的材質例如氧化鋁構成，因此可作為微波透過窗發揮作用，使微波高效地透過它們。此時由于如上所述地^徘列隙縫對86a、 86b, 因此可使圓并使其下方的處理空間的電場密度均勻化。然后利用該微波的能量遍及廣闊的處理空間的整個領域地激發出高密度且均勻的等離子體。然后該等離子體經由第2氣體供給部7的開口部74流入到該氣體供給部7的下方側的處理空間中，使自該氣體供給部7供給到該處理空間的成膜用氣體活性化、即等離子體化后形成活性種。然后將該活性種輸送到晶圓W的表面，將例如10W左右的電力自偏壓用高頻電源52施加到載置臺51上，一邊接受該電力的能量一邊使活性種堆積從而成膜作為阻擋膜13的S i C N膜。這樣，在成膜出阻擋膜13之后，停止供給等離子體產生用氣體和成膜用氣體，對處理容器5內進行真空排氣。然后將成膜用氣體切換成C5Fs氣體，一邊將等離子體產生用氣體和CsF8 氣體供給到處理容器5內一邊將處理容器5內維持在規定的真空氣氛，自微波產生部件供給2.45GHz、例如2750W的高頻波，從而成膜上述CF膜20。之后，將成膜有CF膜20的晶圓W自處理容器5經由未圖示的閘閥搬出。在上述操作中，一邊如上所述地由控制部件200讀取程序一邊執行將晶圓W4般入到處理容器5內、在規定條件下進行處理、自處理容器5將晶圓搬出這一系列的動作。采用上述實施方式，在將氬氣、氮氣以及三曱基硅烷氣體等離子體化后、利用該等離子體在下層側的電路層上成膜由 SiCN膜構成的阻擋膜13時、將偏壓用高頻電力供給到晶圓W 上。因此等離子體中的氬離子被引入到晶圓W側從而碰撞三甲基硅烷的活性種、晶圓W的表面，由于該碰撞，使阻擋膜13的致密性提高，其結果是可以獲得高阻擋性。作為其推斷機理如上所述。因而在形成多層配線構造之后，在例如400。C左右的
加熱氣氛下退火該構造體時，能夠防止作為該金屬的例如銅自配線金屬1 l擴散到作為上層側的層間絕緣膜的CF膜20(參照圖2(c))中，另外相反還可以較大效果地抑制來自CF膜20的作為脫氣成分的氟擴散到配線金屬ll中。因而，能夠一邊使阻擋膜13變得更薄、一邊抑制由于金屬向層間絕緣膜中的擴散而導致的漏電流的上升，并且能夠抑制由于氟向配線金屬11的擴散而導致的配線電阻的上升，從而對于今后的半導體裝置的微細化、高集成化是有效的技術。特別是由于解決了因介電常數低而作為層間絕緣膜的材料受到關注的CF膜在加熱時氟發生脫氣的這一問題，因此出于實現利用 CF膜制作層間絕緣膜的這一觀點，本發明也是極其有效的。另外作為利用本發明制造的半導體裝置所用的層間絕緣膜，并不限定于CF膜，也可以使用在由硅、氧、氫以及碳等構成的SiCO膜、SiCOH膜、在硅氧化膜中添加了氟的SiOF膜、或硅氧化膜等。在此，關于在成膜阻擋膜13的過程中的高頻偏壓電力的大小，從后述的實施例中可以得知偏壓電力越大阻擋膜13的阻擋性能越好，但是由于確認出在20W的情況下會導致外觀上的不良，因此優選在15W以下、即供給到晶圓W的每單位面積上的偏壓電力的值在0.048W/cm2 (相對于200mm大小的晶圓W的表面積314.16cm2的電力值)以下。另外作為上述阻擋膜13，不僅可以采用SiCN膜，也可以采用例如不使用氮氣、而是使用三甲基硅烷氣體為成膜用氣體從而成膜的SiC膜。另外還可以使用將例如2-丁炔氣體(C4H6)作為成膜用氣體進行成膜的無定形碳膜。在該情況下優選2-丁炔氣體，但也可以使用1-丁炔氣體，還可以使用乙烯氣體、乙炔氣體等。還
可以在這樣的碳化氫氣體中添加含有硅的氣體例如硅烷系氣體從而將添加了硅的無定形碳膜作為阻擋膜。作為該情況下的硅烷系氣體，可以采用單硅烷氣體、二硅烷或三甲基硅烷氣體等。并且另外作為本發明中的氣體的等離子體化方式，并不限定于利用微波，也可以釆用例如平行平板型等離子體產生裝置。實施例實施例1:升溫脫離氣體的比較測試實驗中采用的是200mm大小(8英寸大小)的硅晶圓。首先，采用上述的等離子體成膜裝置，在晶圓上成膜CF膜，并且在CF膜上成膜厚度30nm的SiCN膜。作為上述膜的成膜條件，采用的是如上所述的條件。作為成膜SiCN膜時的偏壓電力，如下所示地進行i殳定。偏壓電力實施例l: 30W比4交例1:無加熱上述2種晶圓，并利用升溫氣體脫離法測量出脫離上述晶圓的氣體(HF、 F)的量。其結果如圖7所示。得知通過提高加熱溫度，兩方晶圓的、來自晶圓的脫氣量都在逐漸增加。但是關于通過供給偏壓電力來成膜SiCN膜的實施例1的晶圓，得知HF以及F的脫氣變得極少。該脫氣是自SiCN膜的下層側的CF膜穿過該SiCN膜而出來的氣體。由此得知，通過供給偏壓電力地成膜SiCN膜，可以提高SiCN膜對來自與SiCN膜相接觸的膜的成分的阻擋性能。實施例2:晶圓的深度方向的元素的浸透試一驗與上述實施例l同樣地制作層壓體。另外如下所述地設定偏壓電力。偏壓電力實施例2_1: 5W 實施例2-2: 10W 比專交例2: 無在400。C的加熱氣氛下對上述晶圓進行60分鐘的退火處理，之后利用SIMS法調整氟以及氧在表層以下的深度方向上的濃度曲線，獲得如圖8所示的結果。由該結果得知，在SiCN 膜中含有氟以及氧，其含有量按照比較例、實施例2-1、 2-2的順序依次減少。在此，SiCN膜中的氟，是在成膜時以及退火時的兩工序過程中自SiCN膜的下層側的CF膜中擴散出來的、以及在CF成膜時附著在處理容器的內壁上的氟在成膜SiCN膜時飛散而混入到SiCN膜中的。因而可以說在成膜SiCN膜時、另外在進行退火時，越加大上述偏壓電力，SiCN膜對于脫離CF 膜的氟的阻擋性能越好，并且在成膜SiCN膜時的氟的混入量也越少。另一方面，氧是在成膜SiCN膜時自處理容器5的內壁中飛散出來的，上述偏壓電力越大，成膜SiCN膜時的氧的混入量越少。SiCN膜對于脫離CF膜的氟的阻擋性變好的理由在于通過如上所述地氬氣離子的碰撞而使SiCN膜變得致密化。另外來自成膜SiCN膜時的氣氛的氟以及氧的混入量變少的理由在于上述元素因氬氣離子的碰撞而飛散。實施例3:成膜速度與折射率與上述實施例l同樣地制作層壓體，將在各晶圓間的SiCN 膜的成膜時間設為恒定。另外如下所述地設定偏壓電力。偏壓電力實施例3-1: 5W 實施例3-2: 10W
比專交例3:無根據在上述晶圓上成膜的SiCN膜的膜厚計算出SiCN膜的成膜速度。另外，測量出該SiCN膜的表面的折射率。其結果是，如圖9所示，偏壓電力越大越能提高成膜速度以及折射率。如上所述，由于氬氣離子的碰撞而在SiCN膜表面生成懸掛鍵，從而提高活性種在基板的表面上的附著概率，其結果是提高了成膜速度。另外，由于折射率與膜的密度是共同增減的相關關系，由此可以推測出折射率的提高帶動SiCN膜的膜的密度的增加。實施例4:外觀與粘合性從上述實驗得知SiCN膜的阻擋性能隨著偏壓電力的加大而提高。但是為了確認是否即使是如上所述地加大偏壓電力也不會導致在其他特性上產生問題，而進行了下述試驗。首先與上述實施例1同樣地制作層壓體。然后作為試驗進行了膜的外觀的確認和SiCN膜的粘合性的確認。在膜的外觀確認方面，通過采用SEM觀察層壓體的截面來進行。另外，在SiCN膜的粘合性的確認方面進行了帶測試、即利用金剛石切割器以形成 5mm見方地在晶圓上挖出槽后，在晶圓整面粘貼粘合帶，再剝去粘在該晶圓上的粘合帶，從而評價SiCN膜的粘合強度。在進行該評價時，對成膜S i C N膜時的加熱溫度和偏壓電力的工藝條件做如下所述地各種變更，制作上述層壓構造的晶圓。工藝條件加熱溫度(。C ): 150、 200、 250、 300、 340、 380、 420。c偏壓電力(W): 0、 5、 10、 15、 20結果如圖IO所示。從該結果得知隨著降低成膜SiCN膜時的加熱溫度，外觀以及SiCN膜的密合性都在惡化。另外，偏壓電力在20W以上時，在層壓體截面上產生氣泡。從上述情況得
知，作為成膜SiCN膜時的偏壓電力，優選在15W以下、即0.048W/cm2 (相對于200mm大小的晶圓的表面積314.16cm2的電力值)。另外還得知，作為成膜SiCN膜時的晶圓的加熱溫度，優選在340。C以上。實施例5: SiCN膜與CF膜的密合強度的試驗l與上述實施例l同樣地制作層壓體，并如下所述地設定偏壓電力。偏壓電力實施例5: 30W比舉交例5: 無通過對上述晶圓實施被稱作四點彎曲法的強度試驗，對晶圓的膜厚方向施加負荷一直到SiCN膜與CF膜的界面破裂，根據破裂時的載重的大小測量出SiCN膜與CF膜的密合強度(關于四點彎曲法的詳細內容，參照Journal of Applied Mechanics: MARCH 1989、 Vol56 Page77-82 )。具體而言，如圖l所示地將上述層壓構造的晶圓300與另一個棵晶圓301用環氧樹脂粘合后，在棵晶圓側挖出刻痕，制作樣品。將該樣品放置到左右并行排列的2根支承棒302上，分別利用2根按壓用的棒3 0 3按壓比樣品上表面的上述2根棒還要靠近左右外側的位置，從而對該晶圓施加載重。然后根據膜厚方向的變位的推移來判斷界面是否破裂。對各晶圓進行7次該試驗，將破裂時的載重平均后得到如圖12所示的結果。從該結果得知在實施例4中是7.7J/m2，在比較例4中是6.0J/m2。因而，得知通過一邊供給偏壓電力一邊成膜SiCN膜，可以提高SiCN膜與CF膜之間的密合強度。實驗例6: SiCN膜與CF膜的密合強度的試驗2 根據實驗例4和實驗例5的結果，進一步詳細調查了偏壓電
力為15W以下的區域。與上述實施例l同樣地制作層壓體，如下所述地設定偏壓電力。偏壓電力實施例6: 3W、 5W、 IOW、 15W 比專交例6:無通過對上述晶圓實施上述的4點法測量出SiCN膜與CF膜的密合強度。其結果是，如圖13所示，獲得將偏壓電力施加到 3W~ 15W ( 0.0095 - 0.047W/cm2)的全部區域上的效果。實施例7: SiCN膜與CF膜的密合強度的試驗3作為阻擋膜的SiCN膜與作為其下層的絕緣膜的CF膜的粘結力在某種意義上是制作層壓銅配線構造的半導體裝置的關鍵。因此為了謀求進一步提高密合力，本發明人想出改良CF 膜的表面的方法。具體而言，在成膜CF膜之后，一邊在晶圓上附加偏壓電力一邊使氮等離子體、氬氣等的稀有氣體等離子體作用在其表面，并將氮離子或氬離子照射到CF膜表面(以下將該處理稱作偏壓等離子體處理)。從而改良CF膜的表面，即由于利用離子使CF膜表面氟脫離、成為富含碳，因此在之后的熱處理時(成膜時、退火處理時等)脫離CF膜的氣體減少，另外使CF膜表面適度粗糙，利用錨固效應來提高密合性。另外由于受到離子的敲打，因此在膜表面上形成有懸掛鍵，并且在該部分上結合有之后成膜的SiCN膜用的前體，因此更加提高了密合性。根據該想法利用上述方法成膜CF膜之后，以如圖14、 15所示的組合對晶圓實施偏壓等離子體處理，之后在未施加偏壓電力的條件下成膜SiCN膜并將其層疊，通過四點彎曲法評價其粘合性。圖14是利用N2進行的偏壓等離子體處理的結果，圖15A是利用Ar進行的偏壓等離子體處理的結果。另外對數值在10以上的結果進行了四舍五入。
采用上述方法，得知實施氮氣等離子體處理的上述數值稍微高一些，但是兩者并沒有明顯的優劣分別，兩者的值都超過了作為以往技術的比較例4的6.0J/m2這一值。特別是圖中表示出實施氬氣、氮氣中任何一方的偏壓等離子體處理，其值都超過以往值的2倍，但是該值隨著接近15W而呈現出減少的傾向。因而可以說CF膜在偏壓等離子體處理時的偏壓電力值優選 3W ~ 15W ( 0.0095 ~ 0.047W/cm2 )。在圖14、圖15中雖未記載在C F膜在偏壓等離子體處理時且成膜S i C N膜時附加的偏壓電力涉及的數據。但是通過其他實驗利用氬氣、氮氣中任何一方的等離子體對CF膜進行偏壓等離子體處理，都能獲得大約 11.3J/m2的值。因而，在對CF膜的表面進行偏壓等離子體處理時，無論之后的SiCN膜的成膜方法如何，都能使CF膜與SiCN 膜之間密合性提高。另外本發明人進一步實施了嚴酷的試驗。對CF膜進行偏壓等離子體處理后，層疊SiCN膜(成膜過程中無偏壓)，并且在層壓產物上制作層疊了 Si02膜的層壓體，將該試驗晶圓進行 40CTC 、 60分鐘的退火處理。之后，對試-險晶圓實施表面觀察以及帶測試。表面觀察是數出作為來自CF膜的脫氣的痕跡的泡 (氣泡)的數量，帶測試用如上所述的方法進行。其結果如圖 16所示。在此作為帶測試的結果、0是5mm見方的小片全部保留下來，△ 是晶圓整面上有一半左右剝落，xx是整面全部剝落，x是有A與x x之間的程度剝落。該試驗由于是超過了在制作實際的半導體裝置的過程中經過的熱預算(thermal budget,由加熱溫度與加熱時間之積所表示熱處理量)(熱歷程)的嚴酷試驗，因此在將O與A視為合格品時，偏壓等離子體處理時的偏壓電力值優選在上述的3W 15W內，更優選在8W 12W (0.025~0.038W/cm2)。這樣即使熱平衡高，通過
以15W這樣的低偏壓來對CF膜表面進行處理，不會對CF膜造成損傷、而是只使膜的最表層的氟脫離就可提高粘合性。
權利要求
1. 一種成膜方法，該方法將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜進行成膜，其特征在于，該方法包括如下工序將基板載置到處理容器內的載置部的工序；向上述處理容器內供給含有有機化合物的成膜用氣體、和用于促進成膜用氣體的等離子體化的等離子體產生用氣體的工序；將上述處理容器內進行真空排氣的工序；將上述處理容器內的等離子體產生用氣體和成膜用氣體等離子體化，利用該等離子體在基板上成膜含有碳的上述阻擋膜的工序；在進行上述工序期間，將偏壓用的高頻電力施加給上述載置部的工序。
2. 根據權利要求l所述的成膜方法，其特征在于，將等離子體產生用氣體與成膜用氣體自互相不同的供給口供給到處理容器內；將微波自與上述載置部相對地設置在處理容器的上部、并沿周向形成有許多個隙縫的平面天線構件供給到處理容器內，從而將處理容器內的氣體等離子體化。
3. 根據權利要求2所述的成膜方法，其特征在于，供給到基板的每單位面積上的偏壓用高頻電力在0.047W/cm2以下。
4. 根據權利要求1 3中任意一項所迷的成膜方法，其特征在于，上述成膜用氣體含有硅有機化合物氣體，上述阻擋膜是含有硅的膜。
5. 根據權利要求4所述的成膜方法，其特征在于，上述阻擋膜是SiCN膜。
6. 根據權利要求4所述的成膜方法，其特征在于，上述阻擋膜是SiC膜。
7. 根據權利要求1 3中任意一項所述的成膜方法，其特征在于，上述阻擋膜是無定形碳膜。
8. 根據權利要求7所述的成膜方法，其特征在于，上述成膜用氣體是丁炔氣體。
9. 根據權利要求8所述的成膜方法，其特征在于，上述成膜用氣體還在丁炔氣體中含有硅烷系氣體，上述無定形碳膜含有硅。
10. 根據權利要求1 9中任意一項所述的成膜方法，其特征在于，等離子體產生用氣體是氬氣。
11. 根據權利要求1 10中任意一項所述的成膜方法，其特征在于，層間絕緣膜是作為碳以及氟的化合物的氟添加碳膜。
12. —種成膜裝置，該裝置將介于半導體裝置中的配線金屬與層間絕緣膜之間的阻擋膜進行成膜，其特征在于，該裝置具有如下部件氣密的處理容器，其在內部設有用于載置基板的載置部；氣體供給部件，其將含有有機化合物的成膜用氣體、和用于促進成膜用氣體的等離子體化的等離子體產生用氣體供給到該處理容器內；對上述處理容器內進行真空排氣的部件；等離子產生部件，其用于將上述處理容器內的氣體等離子體化；向上述載置部附加偏壓用高頻電力的部件；控制部件，其用于向各部件輸出控制命令將含有等離子體產生用氣體和有機化合物的成膜用氣體導入上述處理容器內，一邊將偏壓用高頻電力施加給上述載置部一邊將上述氣體等離子體化，從而在基板上成膜含有碳的阻擋膜。
13. 根據權利要求12所述的成膜裝置，其特征在于，上述氣體供給部件包括將由微波激發的等離子體產生用氣體供給到處理容器內的供給口、和與用于供給成膜用氣體的上述供給口不同的供給口；上述等離子產生部件包括用于將微波導入到上述處理容器的上部的波導管、和為了將來自該波導管的微波供給到上述處理容器內而與該波導管相連接、并與上述載置部相對地設置、且沿著周向形成有許多個隙縫的平面天線部件。
14. 根據權利要求13所述的成膜裝置，其特征在于，供給到基板的每單位面積上的偏壓用高頻電力在0.047W/cn^以下。
15. —種存儲介質，該存儲介質用于成膜裝置，存儲有在計算機上進行動作的計算機程序，其特征在于，上述計算機程序為了實施權利要求1 10中任意一項所述的成膜方法而編有步驟。
16. —種半導體裝置，其特征在于，具有利用上述權利要求1 ~ 10中任意一項所述的成膜方法進行成膜而得到的阻擋膜。
全文摘要
本發明提供成膜方法、成膜裝置、存儲介質以及半導體裝置。可使形成在層間絕緣膜與配線金屬之間的阻擋膜獲得相對于構成配線金屬的元素、構成層間絕緣膜的元素的高阻擋性。其中，使在處理容器內載置基板的載置臺、與沿著周向形成有許多個隙縫的平面天線構件相對地設置，并將來自波導管的微波經由上述平面天線構件供給到處理容器內。另一方面自處理容器的上部供給Ar氣等的等離子體產生用氣體、并且自與該氣體供給口不同的位置供給作為原料氣體的例如三甲基硅烷氣體和氮氣，從而將上述氣體等離子體化，并且以供給到載置臺上表面的每單位面積上的偏壓用高頻電力在0.048W/cm<sup>2</sup>以下的方式、向上述載置部附加偏壓用高頻電力。
文檔編號H01L21/31GK101399169SQ200810148858
公開日2009年4月1日申請日期2008年9月27日優先權日2007年9月28日
發明者堀込正弘, 廣瀨繁和申請人:東京毅力科創株式會社

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