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JP2004247725A - シリコンカーバイド膜を形成する方法 - Google Patents

シリコンカーバイド膜を形成する方法 Download PDF

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JP2004247725A JP2004031571A JP2004031571A JP2004247725A JP 2004247725 A JP2004247725 A JP 2004247725A JP 2004031571 A JP2004031571 A JP 2004031571A JP 2004031571 A JP2004031571 A JP 2004031571A JP 2004247725 A JP2004247725 A JP 2004247725A
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Abstract

【課題】低比誘電率及び低リーク電流を示すと同時に、金属原子のマイグレーションを防止する点で有効なバリア層としてのシリコンカーバイド膜を製造する。
【解決手段】基板上にシリコンカーバイド層を蒸着するための方法はシリコン及び炭素ソースガス、及び不活性ガスを反応領域内に与える工程から成る。反応領域は基板を含む。当該方法はさらに反応領域内に電場を生成する工程から成る。該電場はRF電源によって生成される低及び高周波RFエネルギーを使って生成される。RF電源は反応領域内でプラズマ放電に使用される電力を電極表面に印加する。当該方法はさらに基板上にシリコンカーバイド膜を蒸着するためにシリコン及び炭素ソースガスを反応させる工程から成る。RF電源は処理時間中、高エネルギーRF電力及び低エネルギーRF電力を生成する。
【選択図】図３

Description

本願は２００３年２月１３日に出願された米国特許出願第１０／３６５９２４号の一部継続出願である。
本発明は、シリコンカーバイド層に関し、特に比誘電率が低くかつリーク電流が低いシリコンカーバイド層を形成する方法に関する。
集積回路は、ひとつの半導体チップ上で半導体デバイスの不連続層を電気的に相互接続するための複数レベルの金属層を含む複雑なデバイスに発展してきた。近年、集積回路部品の高集積化及び高密度化の進展に伴い、より高速なデータ転送が求められている。そのため、小さいRC遅延を与えるよう低リーク電流及び低比誘電率を有する絶縁膜が使用されている。
集積回路部品の寸法が緻密化するに従い、該部品を製造するのに使用される材料は該部品の電気的性能に影響を与える。相互接続配線及びビアのサイズを縮小するためのひとつの方法は、配線材料を従来のアルミニウムから電気抵抗が小さい銅配線へ変更することである。
しかし、多層銅配線を有する半導体デバイスを製造するために、層間絶縁膜として銅配線上に低比誘電率絶縁層が形成される。
また、相互接続材料としての銅の使用はさまざまな問題を有する。例えば、銅は銅配線から低比誘電率絶縁膜中に容易に拡散され、上層と下層配線間のリーク電流を増加させてしまう。
銅拡散バリア層としてシリコンカーバイド膜を使用する点は、以下の特許文献１に記載されている。この膜の比誘電率は約５であり、層間絶縁膜の比誘電率が３である１３０nmノードの大規模集積回路(LSI)技術用の銅拡散バリア層として使用される。
米国特許第5,800,878号明細書
次世代用の、１００nm／６５nmノードの超大規模集積回路(ULSI)技術では、消費電力だけでなく信号遅延を抑制するために相互接続容量の削減が重要である。２.５以下の比誘電率を有する層間絶縁膜が銅ダマシン構造と一緒に使用される。ピッチの小さい配線の実効誘電率を減少させるために、層間絶縁膜それ自身だけでなく、ハードマスク、エッチストップ層及び銅拡散バリア層のような補助絶縁膜に対しても比誘電率のさらなる削減が必要である。さらに、金属原子のマイグレーションを防止するために、１MV/cmでの該膜のリーク電流は１×１０−８A/cm2以下でなければならない。１MV/cmでのリーク電流が１×１０−８A/cm2以下であるような４.５以下の比誘電率を有するシリコンカーバイド膜が、当該膜として代替するのに適していると示唆されている。
窒素ドープシリコンカーバイド膜(SiCN)及び酸素ドープシリコンカーバイド膜(SiCO)を形成する方法が、米国特許出願公開２００１／００３０３６９、米国特許出願公開２００２／００２７２８６、米国特許出願公開２００１／００５１４４５、及び米国特許出願公開２００１／００３１５６３に開示されている。さらに、これらの膜は銅拡散バリア層として提案された。窒素ドープシリコンカーバイド層は低リーク電流を有する銅拡散バリア層として提案されたが、その比誘電率は４.５から５.０であり、その結果絶縁体スタック全体の実効誘電率が大きく増加してしまう。
酸素ドープシリコンカーバイドの場合、その比誘電率は５以下で比較的低いが、リーク電流の増加を大幅に抑制することができない。十分なレベルまでリーク電流を減少させるために、酸素がもっとシリコンカーバイド膜中に導入されなければならない。
しかし、そうすると、リーク電流は満足なレベルまで減少するにもかかわらず、銅配線表面が酸化され、バリア絶縁膜及び層間絶縁層が剥離しやすくなるという新しい問題が生じる。
シリコンカーバイド層は低比誘電率を有するので、集積回路上のバリア層としての使用も示唆された。
しかし、従来のシリコンカーバイド膜の比誘電率及び応力は空気に直接晒されると変動する。これはシリコンカーバイド膜の最表面が酸化するためである。シリコンカーバイドのような炭素含有材料の酸化をヘリウム(He)またはアルゴン(Ar)のような不活性ガスでもって最小にするための方法が、米国特許出願公開２００１／００６０５８４に開示されている。この不活性ガスプラズマ処理はシリコンカーバイド膜の最表面の酸化を最小にするのみで、膜特性の変化／改良は見られない。
さらに、比誘電率は、４.０と比較的低いが、従来のSiCバリア絶縁膜はリーク電流の増加を十分に抑制することができない。この場合、リーク電流を十分に抑制するために、低比誘電率及び低リーク電流を示すと同時に、金属原子のマイグレーションを防止する点で有効なバリア層を生成することが可能な新しい方法が所望される。
したがって、銅ダマシン構造が使用される、次世代の１００nm／６５nmノード超大規模集積回路(ULSI)技術で用いられるエッチストップ層及び銅拡散バリア層を形成するための新しい方法を開発することが所望される。
本発明のさまざまな態様を使って開発されたシリコンカーバイド膜(SiC)、窒素ドープシリコンカーバイド膜(SiCN)及び酸素ドープシリコンカーバイド膜(SiCO)のようなエッチストップ層及び銅拡散バリア層の主な特徴は以下の通りである。
Ａ）比誘電率が４.５以下である。
Ｂ）２０℃から３０℃の間の室温で空気に直接晒したときに、膜応力または膜比誘電率の変化のような膜特性の変化が観測されない。
Ｃ）１MV/cmでのリーク電流は１×１０−７A/cm2以下で非常に低い。
Ｄ）SiOC（中間誘電層）に対するSiC、SiOCに対するSiCN及びSiOCに対するSiCOのエッチ選択比が３以上である。
本発明のひとつの態様に従い、集積回路製造プロセスにおいて使用するための低比誘電率及び低リーク電流のシリコンカーバイド膜を形成する方法が与えられる。該シリコンカーバイド膜は、ジビニルジメチルシラン(Si(CH=CH2)2(CH3)2)、トリメチルシラン(SiH(CH3)3)またはテトラメチルシラン(Si(CH3)4)（以下、TMSと呼ぶ）のようなアルキルシリコン化合物、及びアルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、クリプトン(Kr)、ネオン(Ne)またはキセノン(Xe)のような不活性ガスを電場が存在するプラズマCVDリアクタ内に導入することによって、基板上に蒸着される。
ハードマスク、エッチストップ、または銅拡散バリア層用に好適なSiCN及びSiCOのようなシリコンカーバイドベース膜が、アルキルシリコン化合物を含む成膜ガス、及びNH3及びCO2のような添加ガスを使ったプラズマ強化CVD法によって形成される。さらに、O2、O3、CH3OH、C2H5OHまたはH2OがSiCO膜を形成する際に添加ガスとして使用されてもよい。通常、不活性ガスとしてHeまたはArが使用される。
高周波RF電力は１３.５６MHzから３０MHzの範囲にあり、低周波RF電力は２００kHzから５００kHzの範囲にあり、全電力に対する低周波電力の比率が約０.５以下であるように、混合した高及び低周波RF電力が電場を生成する。本発明に係るシリコンカーバイド層のリーク電流及び比誘電率は過剰な不活性ガスを導入しかつ蒸着中にRFジェネレータに対してパルス動作を生じさせることによって減少する。
ここに開示される、低比誘電率及び低リーク電流を有するシリコンカーバイド膜をCVDチャンバ内の基板上に蒸着するための方法は、基板を含む反応領域内にシリコンソース、炭素ソース及び不活性ガスを与える工程と、低比誘電率及び低リーク電流のシリコンカーバイド膜を基板上に蒸着するためにプラズマの存在下でシリコンソース及び炭素ソースを反応させる工程と、から成る。
全電力に対する低周波電力の比率が約０.５であるように高及び低周波RF電力を混合することにより電場が生成される。生成されたシリコンカーバイド膜のリーク電流及び比誘電率は、炭素濃度、導入された不活性ガスの量、及び蒸着中のRFジェネレータのパルス動作に直接関連する。
シリコンカーバイド層形成
本発明の好適実施例において、シリコンカーバイド層は、シリコンソース、炭素ソース及び不活性ガスを含む混合ガスをプラズマ強化化学気相成長(PECVD)チャンバ内で反応させることによって形成される。処理装置の詳細は図１に示されている。
図１は好適実施例に従うプラズマCVD装置の一例の断面略示図である。半導体ウエハ9上または他の基板上に薄膜を形成するのに使用されるプラズマCVD装置1は、反応チャンバ2、半導体ウエハ9を載置するために該反応チャンバ内に与えられるサセプタ3、該サセプタ3に対面して配置され、半導体ウエハ9上に均一に反応ガスを噴出するのに使用されるシャワーヘッド4、反応ガス及び副産物を反応チャンバ2から排出するための排気口20、及び遠隔プラズマ放電チャンバ17から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ17は反応チャンバ2から離れて配置され、配管6及びバルブ7を介してシャワーヘッドへ結合されている。該遠隔プラズマ放電チャンバ17は、指定された周波数の高周波RFエネルギーを使って活性種を生成するという特徴を有し、配管6は該活性種によって腐食しない材料から成る。
反応チャンバ2内に設けられ、半導体ウエハ9を載置するのに使用されるサセプタ3は、アルミニウム合金の陽極酸化アルミニウムから成り、プラズマ放電の一方の電極を構成するべく接地27されている。図示された実施例の反応チャンバ2は現場（チャンバ内）プラズマ生成用に構成されたプラズマCVDチャンバである。図示された支持体5内部にはリング形状の加熱エレメント24が埋設され、半導体ウエハの温度は温度制御器26を使って所定の温度に制御される。支持体5は支持ピストン（図示せず）を通じて支持体5を上下に移動する駆動機構（図示せず）へ結合されている。
反応チャンバ2内部には、サセプタ3に対面する位置にシャワーヘッド4が設けられている。シャワーヘッド4には、反応ガスを半導体ウエハ9上へ噴射するために数千個の細孔が設けられている。該シャワーヘッドはマッチング回路10を介して高周波発振器8及び8’と電気的に接続され、プラズマ放電用のもう一方の電極を構成する。膜形成用に使用される反応ガスをシャワーヘッド4から導入するために、反応ガス管路12が配管6へ結合されている。ガス管路12の数はひとつに制限されない。反応ガスの種類に応じて、任意の数のガス管路がインストール可能である。ガス管路12の一端は、反応ガスを流入させるためのガス流入ポート13を構成し、他端は反応ガスをシャワーヘッドへ導入するためのガス導入ポート29を構成する。反応ガス管路12の途中には、質量流量制御器14及びバルブ(11,15)が配置されている。
反応チャンバ2の側壁には、排気口20が設けられている。該排気口20は配管19を通じて真空排気ポンプ（図示せず）へ結合されている。排気口20と真空ポンプとの間には、反応チャンバ2内部の圧力を調整するためにコンダクタンス制御バルブ21が設けられている。該コンダクタンス制御バルブ21は外部の調整器22と電気的に接続されている。付加的に、反応チャンバ2内部の圧力を測定するために圧力計23が与えられる。該圧力計23は調整器22と電気的に接続されている。
シリコン及び炭素ソースは、一般式SixCyHzを有するアルキルシリコン化合物であり、ここでｘは１から２の範囲であり、ｙは１から６の範囲であり、ｚは６から２０の範囲である。例えば、ジビニルジメチルシラン、トリメチルシラン及びテトラメチルシランがアルキルシリコン化合物としてとりわけ使用される。ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン及びキセノンが不活性ガスとして使用される。
２００mmのシリコンウエハ上にシリコンカーバイド膜を形成する処理工程が以下に説明される。概して、以下の蒸着処理パラメータはシリコンカーバイド層を形成するのに使用される。処理パラメータは、約２００℃から約４００℃（好適には３２０℃から３５０℃）の基板温度、約３００Paから１０００Paのチャンバ圧力、約１００sccmから１０００sccmのアルキルシリコン化合物流量、約２００sccmから５０００sccmの不活性ガス流量（ここでアルキルシリコン化合物に対する不活性ガスの流量比は約１：１から約１：１０の範囲内にあるようにする）、約１３MHzから３０MHz（高周波）の範囲の周波数及び約１００Wから２０００Wの範囲の電力を有する第１RF電力及び約１００kHzから５００kHz（低周波）の範囲の周波数及び約５０Wから５００Wの範囲の電力を有する第２RF電力を少なくとも有する混合周波数RF電力から成り、ここで全電力に対する低周波電力の比率が約０.５以下であり、RF電源は電場を生成する。好適には、第１RF電力は３００〜１０００Wの範囲にあり、第２RF電力は５０〜２５０Wの範囲にある。３００kHz〜４５０kHzの範囲の周波数を有する第２RF電力は好適には第１RF電力と組み合わせて使用される。
全混合周波数電力に対する第２RF電力の比率は好適には約０.５から１.０以下である。上記処理パラメータは、蒸着チャンバ内で２００mm基板上に蒸着する際、約１００nm/minから３５０nm/minの範囲のシリコンカーバイド層の蒸着速度を与える。
さらに、膜形成工程の間、RF電力はパルスエネルギーとして印加される。
膜形成工程、パラメータ及びパルスエネルギーとして印加されるRF電力の詳細は以下に説明される。
SiCN膜形成
本発明に従い基板上にSiCN膜を成長させるための処理例として、表１から３に記載されたパラメータを使用した。
Figure 2004247725
Figure 2004247725
Figure 2004247725
SiCO膜形成
本発明に従い基板上にSiCO膜を成長させるための処理例として、表４から６に記載されたパラメータを使用した。
Figure 2004247725
Figure 2004247725
Figure 2004247725
SiC膜形成
本発明に従い基板上にSiC膜を成長させるための処理例として、表７から９に記載されたパラメータを使用した。
Figure 2004247725
Figure 2004247725
Figure 2004247725
膜形成条件／シーケンス
２００mmウエハ上にSiCN層を蒸着するために、テトラメチルシラン(TMS)のような反応ガスソース及びアンモニア(NH3)のような実質的な窒素ソースが反応領域内に導入される。ヘリウムが不活性ガスとして使用される。表１から３のガス流量を参照。チャンバは好適には約３００から７００Pa、より好適には６００Paに維持される。２７.１２MHz及び４００kHzの混合周波数RF電源は好適には、それぞれ少なくとも約１００Wから２０００W及び少なくとも約５０Wから５００Wの電力を給電する。より好適には、２７.１２MHzで５７５WのRF電力及び４００kHzで１００WのRF電力が膜形成用に印加される。
図３に示されるように、TMS、NH3、Heを流しかつRF電力を印加することにより基板上にベース膜が形成される（TMS＝250sccm、NH3＝250sccm、He＝2.5slm、27.12MHzが500W、400kHzが75W、基板温度＝365℃、チャンバ圧力＝600Pa）。
上で蒸着されたSiCN膜の基本膜特性が表１０に示されている。また、２０℃から３０℃の室温において空気に晒された際にもこの膜の比誘電率または応力に大きな変化は観測されなかった。
SiCO膜形成条件／シーケンス
２００mmウエハ上にSiCO層を蒸着するために、テトラメチルシラン(TMS)のような反応ガスソース及び二酸化炭素(CO2)のような実質的な酸素ソースが反応領域内に導入される。ヘリウムのような不活性ガスもまたチャンバ内に流入される。ガス流量については表４から６を参照。チャンバは好適には約３００から７００Paに維持され、より好適には５３３Paに維持される。２７.１２MHz及び４００kHzの混合周波数のRF電源は、好適にはそれぞれ少なくとも約１００Wから２０００W及び少なくとも５０Wから５００Wを給電する。より好適には、２７.１２MHzで４５０WのRF電力及び４００kHzで１００WのRF電力が膜形成用に印加される。
図４に示されるように、TMS、CO2、Heを流しかつRF電力を印加することにより基板上にベース膜が形成される（TMS＝300sccm、He＝2.5slm、CO2＝1.9slm、27.12MHzが450W、400kHzが100W、基板温度＝365℃、チャンバ圧力＝533Pa）。
上で蒸着されたSiCO膜の基本膜特性が表１０に示されている。また、２０℃から３０℃の室温において空気に晒された際にもこの膜の比誘電率または応力に大きな変化は観測されなかった。
SiC膜形成条件／シーケンス
２００mmウエハ上にSiC層を蒸着するために、テトラメチルシラン(TMS)のような反応ガスソースが反応領域内に導入される。不活性ガスとしてヘリウムが使用される。ガス流量については表７から９を参照。チャンバは好適には約３００から７００Paに維持され、より好適には６００Paに維持される。２７.１２MHz及び４００kHzの混合周波数のRF電源は、好適にはそれぞれ少なくとも約１００Wから２０００W及び少なくとも５０Wから５００Wを給電する。より好適には、２７.１２MHzで４００WのRF電力及び４００kHzで１５０WのRF電力が膜形成用に印加される。
SiC膜蒸着工程は２つの工程に分かれる。第１工程で、図５に示されるように、TMS、Heを流しかつRF電力を印加することにより基板上にベース膜が形成される（TMS＝300sccm、He＝500slm、27.12MHzが400W、400kHzが150W、基板温度＝340℃、チャンバ圧力＝600Pa）。
第２工程で、活性プラズマ処理が実行される。ベース膜形成工程が終了後、続けて第２膜形成工程が実行される。この工程では、プラズマ放電を変更することなく、ヘリウム流量が増加されかつTMS流量が減少される。膜形成は活性プラズマ処理の間続行されることを考慮しなければならない（TMS＝0sccmへランプダウン、He＝2.5slmまでランプアップ、27.12MHzが400W、400kHzが150W、基板温度＝340℃、チャンバ圧力＝600Pa）。
上記工程を使って蒸着されたSiC膜の基本膜特性が表１０に示されている。
ベース膜形成工程のみにより蒸着されたSiC膜は不安定であり、室温で空気に晒されると膜応力及び比誘電率が変わる。これは表面層の酸化によるものである。SiCのような炭素含有膜の酸化を最小にする方法は、米国特許出願公開２００２／０５４９６２に開示されているが、膜特性の変化／改良は見られない。また、窒素雰囲気中で１０時間４００℃でアニールが実行されると、膜応力が大きく変化することが観測された。応力の変化は約４００MPaであり、その結果熱応力安定性が低下する。このため、バリア絶縁膜及び層間絶縁層が剥がれやすいという新しい問題が浮上する。
本発明における活性プラズマ処理がSiC膜に対して実行されると、膜応力及び比誘電率の不安定現象が解決される。また、比誘電率及びリーク電流が減少する。さらに、窒素雰囲気中で１０時間４００℃でアニールした後、膜応力のわずかな変化を除いて、膜特性の変化はほとんど観測されていない。上記実施例に従って蒸着されたSiC膜は良好な熱応力性質を有すると推測される。また、活性プラズマ処理はバリア絶縁膜と層間絶縁層との間に良好な接着性を与えると推測される。
ここで述べられたPECVD処理によって蒸着されたシリコンカーバイド膜は従来のシリコンカーバイドに比べ非常に低い比誘電率及び低いリーク電流を有する。シリコンカーバイド膜は高低の高周波を混合せずに蒸着することも可能である。しかし、高低の高周波の好適混合は、不活性ガスの分子によるシリコンカーバイド膜の衝撃によって生じる膜特性の悪化を補正する。膜中のSi-C結合の比率が増加すると、シリコンカーバイド膜に高い硬度及び高い弾性率がもたらされる。
以下は付加的実施例である。特に、以下の実施例は、優れた銅拡散バリア及びエッチストップ性質を有する窒素ドープシリコンカーバイド(SiCN)膜、酸素ドープシリコンカーバイド(SiCO)膜、及びシリコンカーバイド(SiC)膜の蒸着を示す。
SiCN成膜中にパルス化RF電力を使用
SiCN膜はテトラメチルシラン(TMS)、アンモニア(NH3)及び不活性ガスとしてのヘリウムを反応領域に導入することによって２００mmウエハ上に蒸着される。ガス流量については表１、２及び３を参照。チャンバは好適には３００から７００Pa、より好適には６００Paに維持される。基板はシャワーヘッドからほぼ１４から２０mmのサセプタ上に載置され、２７.１２MHzのパルス化高周波電力５０から５００W及び４００kHzの低周波電力５０から１００WがSiCN膜のプラズマ強化蒸着用にシャワーヘッドへ印加される。オン時間(t1)は０.１から２０秒で、オフ時間(t2)は０.１から１０秒である。より好適には、オン時間は０.１から１０秒であり、オフ時間は０.１から５秒である。オン−オフパルスシーケンス／時間間隔が図６Aに示されている。H-Lパルス動作モードがオン−オフ動作モードと同じ結果を得るために使用されても良い。Hは高位電力値(P1)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最高電力）を指し、Lは低位電力値(P2)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最低電力）を指す。H-Lパルスシーケンス／時間間隔が図６Bに示されている。比誘電率、１MV/cmでのリーク電流、膜応力のような蒸着されたSiCNの膜特性が表１０に示されている。
SiCO成膜中にパルス化RF電力を使用
SiCO膜はテトラメチルシラン、二酸化炭素及び不活性ガスとしてのヘリウムを反応領域に導入することによって２００mmウエハ上に蒸着される。ガス流量については表４、５及び６を参照。チャンバは好適には３００から７００Pa、より好適には５３３Paに維持される。基板はシャワーヘッドからほぼ１４から２０mmのサセプタ上に載置され、２７.１２MHzのパルス化高周波電力５０から５００W及び４００kHzの低周波電力５０から１００WがSiCO膜のプラズマ強化蒸着用にシャワーヘッドへ印加される。オン時間(t1)は０.１から２０秒で、オフ時間(t2)は０.１から１０秒である。より好適には、オン時間は０.１から１０秒であり、オフ時間は０.１から５秒である。オン−オフパルスシーケンス／時間間隔が図６Aに示されている。H-Lパルス動作モードがオン−オフ動作モードと同じ結果を得るために使用されても良い。Hは高位電力値(P1)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最高電力）を指し、Lは低位電力値(P2)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最低電力）を指す。H-Lパルスシーケンス／時間間隔が図６Bに示されている。比誘電率、１MV/cmでのリーク電流、膜応力のような蒸着されたSiCOの膜特性が表１０に示されている。
SiC成膜中にパルス化RF電力を使用
SiC膜はテトラメチルシラン及び不活性ガスを反応領域に導入することによって２００mmウエハ上に蒸着される。ガス流量については表７、８及び９を参照。チャンバは好適には３００から１０００Pa、より好適には６００Paに維持される。基板はシャワーヘッドからほぼ１４から２０mmのサセプタ上に載置され、２７.１２MHzのパルス化高周波電力５０から５００W及び４００kHzの低周波電力５０から１００WがSiC膜のプラズマ強化蒸着用にシャワーヘッドへ印加される。オン時間(t1)は０.１から２０秒で、オフ時間(t2)は０.１から１０秒である。より好適には、オン時間は０.１から１０秒であり、オフ時間は０.１から５秒である。オン−オフパルスシーケンス／時間間隔が図６Aに示されている。H-Lパルス動作モードがオン−オフ動作モードと同じ結果を得るために使用されても良い。Hは高位電力値(P1)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最高電力）を指し、Lは低位電力値(P2)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最低電力）を指す。H-Lパルスシーケンス／時間間隔が図６Bに示されている。比誘電率、１MV/cmでのリーク電流、膜応力のような蒸着されたSiCの膜特性が表１０に示されている。
図２はシリコンカーバイド層が使用されるところのデュアルダマシン構造を示す。銅(Cu)層(1)は、まずシリコンカーバイド絶縁拡散バリア(DDB)(2)に覆われる。DDBを蒸着する前に、Cu表面は、該表面に残っているあらゆる銅酸化物を除去することによって改良される。典型的に、DDB(2)の蒸着前に水素(H2)、アンモニア(NH3)またはメタン(CH4)プラズマベース還元が使用される。CMP残留物を除去するための銅表面還元はPECVDチャンバ内で実行される。
Cu(1)の表面上にシリコンカーバイドDDB層(2)が蒸着される。DDB層(2)の蒸着後、中間レベル絶縁体（この場合、SiOC層(3)）が蒸着される。SiOC層(3)の厚さはほぼビア(4)の高さである。SiOC層(3)はパターン化され、ビアホールを作成するべくエッチングされる。ビアホール上のDDB層(2)の部分もまた下層の金属配線を露出するためにエッチングされる。シリコンカーバイドエッチストップ層(5)がSiOC層(3)上に蒸着される。ここでSiOC層(3)の厚さはほぼビア(4)の高さである。SiOC層(3)はパターン化され、ビアホールを作成するためにエッチングされる。ビアホール上のDDB層(2)の部分もまた下層の金属配線を露出させるためにエッチングされる。シリコンカーバイドエッチストップ層(5)がSiOC層上に蒸着される。その後、第２のSiOC層(6)が蒸着される。第２のSiOC層(6)をエッチングしかつパターニングすることで、トレンチを作成する。シリコンカーバイドエッチストップ層(5)は、第２のSiOC層(6)のエッチングが第１のSiOC層(3)内に進行するのを防止する。
シリコンカーバイド層はまたデバイスをスクラッチから保護するための不動態層（図示せず）として蒸着されてもよい。シリコンカーバイド絶縁拡散バリア(DDB)層は、銅がSiOC層内に拡散するのを有効に防止するのに重要である。
１MV/cmでの従来のシリコンカーバイドバリア層のリーク電流の量は、ここで説明されるように製造されたシリコンカーバイドバリア層における約１×１０−９A/cm2と比べ、約1×１０−７A/cm2である。よって、ここで説明されるように製造されたシリコンカーバイド層に対面して従来のシリコンカーバイドバリア層を使用することで、２MV/cmの電場でも、銅拡散防止効果を維持することができる。また、合成されたシリコンカーバイド層は、蒸着中に生成される全周波数電力に対する低周波電力の混合比率、及びシリコンカーバイドを形成するのに使用されるガスの比率に依存して、典型的に約３.５から４.０という比較的低い比誘電率を有する。
同じ方法は、窒素ドープシリコンカーバイド及び酸素ドープシリコンカーバイドを蒸着するのに使用される。結果として、本発明におけるPECVD処理によって蒸着された窒素ドープシリコンカーバイド及び酸素ドープシリコンカーバイドは、従来の窒素ドープシリコンカーバイド及び従来の酸素ドープシリコンカーバイドに比べそれぞれ低いリーク電流を有する。シリコンカーバイド膜と同様に、生成された窒素ドープシリコンカーバイド膜及び酸素ドープシリコンカーバイド膜のリーク電流は、炭素濃度、導入される不活性ガスの量及び蒸着中のRFジェネレータのパルス動作に関連する。
こうして蒸着されたシリコンカーバイド層は４.０以下の比誘電率及び１MV/cmで１×１０−９A/cm2のリーク電流を有するため、集積回路内での絶縁材料としての使用に適している。シリコンカーバイド層の比誘電率は調節可能であり、それは混合周波RF電力の比の関数として変化する。特に、全混合電力に対する低周波RF電力の比が減少するに従い、シリコンカーバイド層の比誘電率もまた減少する。
シリコンカーバイド層の比誘電率はまた層形成中のガス混合物の組成の関数として調節可能である。ガス混合物中の炭素濃度が増加するに従い、蒸着されるシリコンカーバイド層の炭素含有量が増加し、それがシリコンカーバイド膜の密度を減少させかつ比誘電率を低下させる。また、シリコンカーバイド層の炭素濃度が増加するに従い、その疎水性が増加し、集積回路内で水分バリアとしての使用に適するようになる。
さらに、本発明に係るシリコンカーバイド層のリーク電流及び比誘電率はRF電力にパルス動作を生じさせることにより減少した。オン時間(t1)は０.１から２０秒でありオフ時間(t2)は０.１から１０秒である。最も好適にはオン時間は０.１から１０秒であり、オフ時間は０.１から５秒である。オン−オフパルスシーケンス／時間間隔は図６Aに示されている。H-Lパルス動作モードがオン−オフパルス動作モードと同じ結果を得るのに使用されてもよい。Hは高位電力値(P1)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最高電力）を指し、Lは低位電力値(P2)（成膜中プラズマ放電電極に負荷される最低電力）を指す。H-Lパルスシーケンス／時間間隔が図６Bに示されている。比誘電率、１MV/cmでのリーク電流、膜応力のような蒸着されたSiCの膜特性が表１０に示されている。
また、不連続蒸着方法を導入することによって同様の結果が得られる。不連続蒸着方法とは、図７に示されるようにRF電力のオン及びオフを調節することによってプラズマのオン及びオフをランダムに調節することを指す。
さらに、蒸着されたシリコンカーバイド層は酸素を含有しない。そのような無酸素シリコンカーバイド層は金属拡散を最小化しかつバリア層特性を改善すると思われる。例えば、シリコンカーバイド層は１MV/cmで約１×１０−９A/cm2の電流ブロック能力を有し、それは集積回路相互接続構造間のクロストークを最小化するのに適している。
シリコンカーバイド、窒素ドープシリコンカーバイド及び酸素ドープシリコンカーバイド材料のエッチング性能は、ここでSiOCとここで述べたシリコンカーバイドとの間のRIE（反応イオンエッチング）エッチングモードに基づくエッチ選択比が５から１５であったことを示している。SiOCとここで述べた窒素ドープシリコンカーバイドとの間のエッチ選択比は４から５であった。SiOCとここで述べた酸素ドープシリコンカーバイドとの間のエッチ選択比は４から１０であった。SiCN、SiCO及びSiCに対して、優れたエッチ選択比が存在する。
Figure 2004247725
図１は、プラズマCVD装置の断面略示図である。 図２は、シリコンカーバイド膜が使用されるところのデュアルダマシン構造を示す。 図３は、SiCN膜を形成するためのシーケンスの例（蒸着レシピ）を示す。 図４は、SiCO膜を形成するためのシーケンスの例（蒸着レシピ）を示す。 図５は、SiC膜を形成するためのシーケンスの例（蒸着レシピ）を示す。 図６Aは、SiC、SiCN及びSiCO膜の形成中の使用に適したオン−オフパルスのRF電力サイクルを示す。 図６Bは、SiC、SiCN及びSiCO膜の形成中の使用に適したH-LパルスのRF電力サイクルを示す。 図７は、SiC膜の形成に使用される不連続蒸着技術を示す。
符号の説明
１ プラズマＣＶＤ装置
２ 反応チャンバ
３ サセプタ
４ シャワーヘッド
５ 支持体
６ 配管
７ バルブ
８、８’ 高周波発振器
９ 半導体ウエハ
１０ マッチング回路
１１ バルブ
１２ ガス管路
１３ ガス流入ポート
１４ 質量流量制御器
１５ バルブ
１７ 遠隔プラズマ放電チャンバ
１９ 配管
２０ 排気口
２１ コンダクタンス制御バルブ
２２ 調整器
２３ 圧力計
２４ 加熱エレメント
２６ 温度制御器
２７ 接地
２９ ガス導入ポート

Claims (20)

  1. シリコンカーバイド層を基板上に蒸着するための方法であって、
    基板を含む反応領域内にシリコン及び炭素ソースガス、及び不活性ガスを導入する工程と、
    前記反応領域内に電場を生成する工程であって、前記電場はRF電源により生成された低及び高周波RFエネルギーを使って生成され、前記RF電源は反応領域内のプラズマ放電用に使用される電極表面に電力を生成するところの工程と、
    前記基板上にシリコンカーバイド層を蒸着するべく前記シリコン及び炭素ソースガスを反応させる工程と、
    から成り、
    前記RF電源は処理時間中、高周波RF電力及び低周波RF電力を生成する、ところの方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記高周波RF電力は１３MHzと３０MHzとの間の周波数を有し、２００Wと１０００Wとの間の電力を有し、
    前記低周波RF電力は１００kHzと５００kHzとの間の周波数を有し、５０Wと５００Wとの間の電力を有する、
    ところの方法。
  3. 請求項２に記載の方法であって、前記低周波RF電力は３００kHzと４５０kHzとの間の周波数を有する、ところの方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、全RF電力に対する低周波RF電力の比率が０.５以下である、ところの方法。
  5. 請求項１に記載の方法であって、前記電極表面の電力は実質的に一定である、ところの方法。
  6. 請求項１に記載の方法であって、前記電極表面の電力はパルス化される、ところの方法。
  7. 請求項６に記載の方法であって、前記電極表面の電力はオン状態とオフ状態との間でパルス化され、オン状態は０.１秒から２０秒の間隔を有し、オフ状態は０.１秒から１０秒の間隔を有する、ところの方法。
  8. 請求項６に記載の方法であって、前記電極表面の電力は高位及び低位との間でパルス化され、高位の電力は２００Wから１０００Wとの間にあり、低位の電力は高位の電力の２０％またはそれ以下である、ところの方法。
  9. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコン及び炭素ソースガスは、トリメチルシラン、テトラメチルシランまたはジビニルジメチルシランのいずれかである、ところの方法。
  10. 請求項１に記載の方法であって、前記不活性ガスは、ヘリウム、アルゴンまたはクリプトンのいずれかである、ところの方法。
  11. 請求項１に記載の方法であって、前記不活性ガスに対する前記シリコン及び炭素ソースガスの比率は１：１から１：１.５の間である、ところの方法。
  12. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコン及び炭素ソースガスは２００sccmと５００sccmとの間の流量で反応領域内に導入される、ところの方法。
  13. 請求項１に記載の方法であって、前記基板は２００℃と４００℃の間の温度に加熱される、ところの方法。
  14. 請求項１３に記載の方法であって、前記基板は３２０℃と３５０℃との間の温度に加熱される、ところの方法。
  15. 請求項１に記載の方法であって、前記反応領域は３００Paと１０００Paとの間の圧力に維持される、ところの方法。
  16. 請求項１５に記載の方法であって、前記反応領域は５００Paと７００Paとの間の圧力に維持される、ところの方法。
  17. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコンカーバイド層は４.０以下の比誘電率を有する、ところの方法。
  18. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコンカーバイド層は酸素がドープされ、酸素ドープシリコンカーバイド層は４.５以下の比誘電率を有する、ところの方法。
  19. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコンカーバイド層は窒素がドープされ、窒素ドープシリコンカーバイド層は４.５以下の比誘電率を有する、ところの方法。
  20. 請求項１に記載の方法であって、前記シリコンカーバイド層は圧縮膜応力を有する、ところの方法。
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