(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線構造を有する半導体デバイスの製造方法において、層間絶縁膜の成膜処理の際、炭素及びフッ素の化合物ガスを含む成膜ガスを分解し、フッ素添加カーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成する成膜工程と、
次に該フッ素添加カーボン膜を不活性ガス雰囲気中にてアニールし当該膜の成分の一部を脱離させる熱処理工程と、
を備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
多層配線構造を有する半導体デバイスの製造方法において、層間絶縁膜の成膜処理の際、炭素及びフッ素の化合物ガスを含む成膜ガスを分解し、フッ素添加カーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成する成膜工程と、
次に該フッ素添加カーボン膜を水素ガス雰囲気中にてアニールし当該膜の成分の一部を脱離させる熱処理工程と、
を備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
多層配線構造を有する半導体デバイスの製造方法において、層間絶縁膜の成膜処理の際、炭素及びフッ素の化合物ガスを含む成膜ガスを分解し、フッ素添加カーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成する成膜工程と、
次に該フッ素添加カーボン膜をフッ素ガス雰囲気中にてアニールし当該膜の成分の一部を脱離させる熱処理工程と、
を備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記成膜工程は、プラズマＣＶＤにより前記フッ素添加カーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は層間絶縁膜を備えた多層配線構造を有する半導体デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化を図るために、パターンの微細化、回路の多層化といった工夫が進められており、そのうちの一つとして配線を多層化する技術がある。多層配線構造をとるためには、ｎ層目の配線層と（ｎ＋１）番目の配線層の間を導電層で接続すると共に、導電層以外の領域は層間絶縁膜と呼ばれる薄膜が形成される。
【０００３】
この層間絶縁膜の代表的なものとしてＳｉＯ２  膜があるが、近年デバイスの動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されており、層間絶縁膜の材質についての検討がなされている。即ちＳｉＯ２  は比誘電率がおよそ４であり、これよりも小さい材質の発掘に力が注がれている。そのうちの一つとして比誘電率が３．５であるＳｉＯＦの実現化が進められているが、本発明者は比誘電率が更に小さいフッ素添加カーボン膜（以下「ＣＦ膜」という）に注目している。
【０００４】
そこで本発明者は、電子サイクトロトン共鳴によりプラズマを発生させるプラズマ装置を用い、例えば炭素及びフッ素の化合物ガスと炭化水素ガスとを含むガスを成膜ガスとし、種々のプロセス条件を詰めて、密着性及び硬度の大きいＣＦ膜の製造の実現化を図った。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらＣＦ膜にはまだ以下のような課題がある。図８はウエハに形成された回路部分の一部であり、１１、１２はＣＦ膜、１３、１４はＷ（タングステン）よりなる導電層、１５はＡｌ（アルミニウム）よりなる導電層、１６は、Ｐ、ＢをドープしたＳｉＯ２  膜、１７はｎ形半導体領域である。ところでＷ層１３を形成するときのプロセス温度は４００〜４５０℃であり、このときＣＦ膜１１、１２はそのプロセス温度まで加熱される。ＣＦ膜は、このような高温に加熱されると一部のＣ−Ｆ結合が切れて、主としてＦ（フッ素）系ガスが脱離してしまう。このＦ系ガスとしてはＦ、ＣＦ、ＣＦ２  などが挙げられる。
【０００６】
このようにＦ系ガスが脱離すると、次のような問題が起こる。
ａ）アルミニウムやタングステンなどの金属配線が腐食する。
ｂ）絶縁膜はアルミニウム配線を押え込んでアルミニウムのうねりを防止する機能をも有しているが、脱ガスにより絶縁膜による押え込みが弱まり、この結果アルミニウム配線がうねり、エレクトロマイグレーションと呼ばれる電気的欠陥が発生しやすくなってしまう。
ｃ）絶縁膜にクラックが入り、配線間の絶縁性が悪くなるし、またその程度が大きいと次段の配線層を形成することができなくなる。
ｄ）Ｆの抜けが多いと比誘電率が上がる。
【０００７】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、強固な結合を有し、分解しにくいＣＦ膜よりなる層間絶縁膜を備えた半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体デバイスの製造方法は、多層配線構造を有する半導体デバイスの製造方法において、層間絶縁膜の成膜処理の際、炭素及びフッ素の化合物ガスを含む成膜ガスを分解し、フッ素添加カーボン膜よりなる層間絶縁膜を形成する成膜工程と、次に該フッ素添加カーボン膜を不活性ガス雰囲気中にてアニールし当該膜の成分の一部を脱離させる熱処理工程と、を備えたことを特徴とする。この発明においてアニールする工程は、不活性ガス雰囲気に代えて、水素ガスまたはフッ素ガス雰囲気であってもよい。また成膜工程は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかる半導体デバイスの製造方法は、炭素及びフッ素の化合物ガスを含む成膜ガスをプラズマ化して、このプラズマにより半導体ウェハ等の被処理基板上にフッ素添加カーボン膜を成膜し、次いでそのフッ素添加カーボン膜を不活性ガス雰囲気中、水素ガス雰囲気中またはフッ素ガス雰囲気中にてアニール処理することにより、フッ素添加カーボン膜の成分の一部を脱離させるようにしたものである。
【００１０】
先ずフッ素添加カーボン膜の成膜方法について説明する。本発明の実施の形態に用いられるプラズマ処理装置は、図１にその一例を示すように、例えばアルミニウム等により形成された真空容器２を有しており、この真空容器２は上方に位置してプラズマを発生させる筒状の第１の真空室２１と、この下方に連通させて連結され、第１の真空室２１よりは口径の大きい筒状の第２の真空室２２とからなる。  なおこの真空容器２は接地されてゼロ電位になっている。
【００１１】
この真空容器２の上端は、開口されてこの部分にマイクロ波を透過する部材例えば石英等の材料で形成された透過窓２３が気密に設けられており、真空容器２内の真空状態を維持するようになっている。この透過窓２３の外側には、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する高周波電源部２４に接続された導波管２５が設けられており、高周波電源部２４にて発生したマイクロ波を例えばＴＥモードにより導波管２５で案内して、またはＴＥモードにより案内されたマイクロ波を導波管２５でＴＥモードに変換して、透過窓２３から第１の真空室２１内へ導入し得るようになっている。
【００１２】
第１の真空室２１を区画する側壁には例えばその周方向に沿って均等に配置したガスノズル３１が設けられると共にこのノズル３１には、図示しないガス源、例えばＡｒガス源が接続されており、第１の真空室２１内の上部にＡｒガスをムラなく均等に供給し得るようになっている。
【００１３】
前記第２の真空室２２内には、前記第１の真空室２１と対向するようにウエハの載置台４が設けられている。この載置台４は表面部に静電チャック４１を備えており、この静電チャック４１の電極には、ウエハを吸着する直流電源（図示せず）の他、ウエハにイオンを引き込むためのバイアス電圧を印加するように高周波電源部４２が接続されている。
【００１４】
一方前記第２の真空室２２の上部即ち第１の真空室２１と連通している部分にはリング状の成膜ガス供給部５１が設けられており、この成膜ガス供給部５１は、例えばガス供給管５２、５３から例えば２種類の成膜ガスが供給され、その混合ガスを内周面のガス穴５４から真空容器２内に供給するように構成されている。
【００１５】
前記第１の真空室２１を区画する側壁の外周には、これに接近させて磁場形成手段として例えばリング状の主電磁コイル２６が配置されると共に、第２の真空室２２の下方側にはリング状の補助電磁コイル２７が配置されている。また第２の真空室２２の底部には例えば真空室２２の中心軸に対称な２個所の位置に各々排気管２８が接続されている。
【００１６】
上述の装置を用いて被処理基板であるウエハＷ上にＣＦ膜よりなる層間絶縁膜を形成する方法について説明する。先ず、真空容器２の側壁に設けた図示しないゲートバルブを開いて図示しない搬送アームにより、例えば表面にアルミニウム配線が形成されたウエハＷを図示しないロードロック室から搬入して載置台４上に載置し、静電チャック４１によりウエハＷを静電吸着する。
【００１７】
続いて、ゲートバルブを閉じて内部を密閉した後、排気管２８より内部雰囲気を排気して所定の真空度まで真空引きし、プラズマガスノズル３１から第１の真空室２１内へプラズマ発生用ガス例えばＡｒガスを導入すると共に成膜ガス供給部５１から第２真空室２２内へ成膜ガスを所定の流量で導入する。
【００１８】
成膜ガスとしては例えば環状構造のＣ４  Ｆ８  ガス及び炭化水素ガス例えばＣ２  Ｈ４  ガス（エチレンガス）が用いられ、Ｃ４  Ｆ８  ガス及びＣ２  Ｈ４  ガスは夫々ガス導入管５２、５３から成膜ガス供給部５１内を通じて真空容器２内に供給される。そして真空容器２内を所定のプロセス圧に維持し、かつ高周波電源部４２により載置台４に１３．５６ＭＨｚ、１５００Ｗのバイアス電圧を印加すると共に、載置台４の表面温度を所定温度例えば４００℃に設定する。
【００１９】
高周波電源部２４からの２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）は、導波管２５を通って真空容器２の天井部に至り、ここの透過窓２３を透過して第１の真空室２１内へ導入される。一方真空容器２内には電磁コイル２６、２７により第１の真空室２１の上部から第２の真空室２２の下部に向かう磁場が形成される。例えば第１の真空室２１の下部付近にて磁場の強さが８７５ガウスとなり、磁場とマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴が生じ、この共鳴によりＡｒガスがプラズマ化され、且つ高密度化される。第１の真空室２１より第２の真空室２２内に流れ込んだプラズマ流は、ここに供給されているＣ４  Ｆ８  ガス及びＣ２  Ｈ４  ガスを活性化して活性種を形成し、ウエハＷ上にＣＦ膜を成膜する。
【００２０】
次に、上述する成膜方法により得られたＣＦ膜のアニール処理について説明する。本発明の実施の形態に用いられるアニール用の熱処理装置としては、例えば図２に示すように縦型のバッチ炉が挙げられる。このバッチ炉に関して簡単に述べると、反応管６はマニホールド６０の上に設けられていて、上端が閉じられると共に下端が開口している外管６ａと、この外管６ａ内に設けられ両端が開口している内管６ｂとからなり、この反応管１の周囲には加熱炉６１が設けられている。
【００２１】
外管６ａの下部には排気管６３が連通接続されると共に、内管６ｂの内側には下方からガス供給管６４が挿入されており、Ｎ２  ガス（窒素ガス）等の不活性ガス、Ｈ２  ガスまたはＦ２  ガスが内管６ｂの下方側から導入され得るように構成されている。
【００２２】
上述のアニール装置を用いてウエハＷ上に成膜されたＣＦ膜をアニールする方法について説明する。まず、ウエハボート６２にＣＦ膜が被着された多数枚のウエハＷを棚状に保持させて反応管６内に搬入する。そして、反応管６内を外管６ａと内管６ｂとの間から排気管６３により排気して所定の圧力雰囲気に維持しながら、ガス供給管６４を介して不活性ガス、Ｈ２  ガス（水素ガス）またはＦ２  ガス（フッ素ガス）を５０ｓｃｃｍ〜１０ｓｌｍの流量で内管６ｂの下方側から導入し、例えば２００℃〜５００℃のアニール温度に制御しながら、例えば１０分〜２時間保持してアニールを行う。Ｎ２  ガス（窒素ガス）、Ｈ２  ガス及びＦ２  ガスを用いた場合のアニール時の圧力は、例えば夫々０．１Ｐａ〜１ＭＰａ、０．１Ｐａ〜１００ＫＰａ及び０．１Ｐａ〜１ＭＰａに設定される。
【００２３】
更にウエハをアニールする手法としてはバッチ式の縦型炉に限らず例えば図３に示すような枚葉式の熱処理炉を用いてもよい。この熱処理炉について簡単に述べると、７は縦型の反応管、７１は断熱炉、７２は抵抗発熱体、７３は均熱体、７４はガス供給管、７５は排気管、７６はウエハ保持具である。ウエハ保持具７６には移載室７７にて図示しない搬送手段により１枚のウエハＷは載置され、ウエハ保持具７６が所定位置まで上昇した後、シャッター７８が閉じられる。そしてウエハＷは抵抗発熱体７２により所定の熱処理温度で加熱されると共に、ガス供給管７４から不活性ガス、Ｈ２  ガスあるいはＦ２  ガスが反応管７内に供給される。
【００２４】
なお実際のデバイスを製造する場合には、その後このＣＦ膜に対して所定のパターンでエッチングを行い、既述の図８に示すように溝部に例えばＷ（タングステン）膜あるいはＡｌ（アルミニウム）膜を埋め込んで配線が形成される。
【００２５】
次に本発明に係る実施の形態により得られたＣＦ膜の安定性を調べる実験を行った。その結果について説明する。図１に示すプラズマ処理装置を用いたＣＦ膜の成膜処理条件は以下の通りであった。Ｃ４  Ｆ８  ガス、Ｃ２  Ｈ４  ガス及びＡｒガスの各流量はそれぞれ４０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍであり、プロセス温度及びプロセス圧はそれぞれ４００℃及び０．１Ｐａであり、マイクロ波パワーは２７００Ｗであった。また図２に示す熱処理装置を用いたアニール処理の条件は以下の４つであった。すなわち、
（１）Ｎ２  ガス流量が３０ＳＬＭで圧力１０１０００Ｐａ（１ａｔｍ）のＮ２  雰囲気でアニール温度４２５℃において１時間のアニール、
（２）Ｎ２  ガス流量が３０ＳＬＭで圧力１０１０００Ｐａ（１ａｔｍ）のＮ２  雰囲気でアニール温度４２５℃において２時間のアニール、
（３）Ｈ２  ガス流量が６００ｓｃｃｍで圧力５３２ＰａのＨ２  雰囲気でアニール温度４２５℃において１時間のアニール、
（４）Ｆ２  ガス流量が６００ｓｃｃｍで圧力５３２ＰａのＦ２  雰囲気でアニール温度４２５℃において１時間のアニールを行った。比較のため、（５）としてＣＦ膜を成膜したままでアニールをしていない（Ａｓ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）試料を用意した。
【００２６】
上記（１）〜（５）の試料について、図４に示す測定装置を用いて薄膜の熱的安定性の指標である高温下での重量変化を調べた。図４において８１は真空容器、８２はヒータ、８３は軽量天びん機構のビームに吊り下げられたるつぼ、８４は重量測定部である。測定方法については、ウエハ上のＣＦ膜を削り落としてるつぼ８３内に入れ、真空雰囲気下でるつぼ８３内の温度を４２０℃まで昇温させ、そのまま２時間加熱して重量測定部８４で重量変化を調べた。得られた結果を図５に示す。なお重量変化とは、熱を加える前のるつぼ内の薄膜の重量をＡ、熱を加えた後のるつぼ内の薄膜の重量をＢとすると  ｛（Ａ−Ｂ）／Ａ｝  ×１００で表される値である。
【００２７】
図５から分かるように１時間のＮ２  アニール（１）では重量変化は２．４％であり、２時間のＮ２  アニール（２）では重量変化は０．６％であり、１時間のＨ２  アニール（３）では重量変化は１．２％であり、１時間のＦ２  アニール（４）では重量変化は１．３％であった。それに対してアニールをしていない（５）の試料では重量変化は３．８％であった。従って、本発明の実施の形態に係るアニール処理を行うことによって、ＣＦ膜の熱的安定性が大きくて脱ガスが少ないことが理解される。
【００２８】
これは、次のような理由によると考えられる。アニールにより熱を加えた際にＣＦ膜中の弱いＣ−Ｆ結合が切れてＦ、ＣＦ、ＣＦ２  及びＣＦ３  などの脱離が起こり、その脱離によって未結合手が残る。そしてＣＦ膜は加熱されているので原子がある程度動くことができ、このため図６に示すように未結合手同士が再結合する。このとき再結合してできた結合は高温下で形成されているので、熱的安定性が大きく、結果としてＣＦ膜の熱的安定性が向上すると推測される。
【００２９】
また１時間のＮ２  アニール（１）よりも２時間のＮ２  アニール（２）の方がＣＦ膜中の重量変化が小さい理由は、弱い結合の離脱及び未結合手同士の再結合というプロセスがより一層進むことからであると推測される。従って実プロセスにおいては、ＣＦ膜の安定性の程度とスループットとの両方の観点からアニール時間を決定すればよい。
【００３０】
そして、アニール時間が同じ１時間であっても（１）のＮ２  アニールよりも（３）のＨ２  アニール及び（４）のＦ２  アニールの方が重量変化が少ないのは、（１）のＮ２  アニールと同様にＣＦ膜中の弱いＣ−Ｆ結合が離脱することに加え、（３）及び（４）の雰囲気中のＨやＦが、ＣＦ膜中に存在するＦやＣＦ系の浮遊原子や分子と例えば以下に示すように化学反応を起こして結合し、それらの脱離を促進すると考えられる。
（膜中のＦ）＋（雰囲気中のＨ）→ＨＦ（ｇａｓ）
（膜中のＣＦ３  ）＋（雰囲気中のＨ）→ＣＨＦ３  （ｇａｓ）
（膜中のＦ）＋（雰囲気中のＦ）→Ｆ２  （ｇａｓ）
（膜中のＣＦ３  ）＋（雰囲気中のＦ）→ＣＦ４  （ｇａｓ）
従って、アニール処理時の処理ガスとしてＮ２  ガス等の不活性ガスを用いるよりもＨ２  ガスやＦ２  ガスを用いた方がアニール時間の短縮を図ることができる。
【００３１】
更にまた上記２時間のＮ２  アニール（２）及びアニールをしていない（５）の各試料について高温下での質量分析を行った。この測定は具体的には、所定量の薄膜を真空容器内に置き、この真空容器内を加熱して、真空容器に接続した質量分析計により行った。得られた結果を図７に示す。同図において縦軸はスペクトルの強度に対応する無次元量であり、ピークのある部分が各ガスの脱離を示している。また横軸は、経過時間である。なお同図にはその経過時間に対するウエハ温度の変化の様子が併せて示されている。
【００３２】
図７より明らかなように、ＣＦ膜から脱雛する浮遊原子等の量については本発明である（２）の方が比較例である（５）よりも格段に少ない。この質量分析の結果からも成膜後にアニール処理したＣＦ膜は、結合が強くて熱的に高い安定性をもっていることが伺える。なお本発明は、プラズマ処理により得られたＣＦ膜を熱処理して、予め弱い結合を取り除き、これにより熱的安定性を高めるものであり、熱処理するときに用いるガスは上述の例に限定されるものではない。
【００３３】
以上において成膜工程で用いるＣ及びＦの化合物ガスは、ＣとＦのみならずＣとＨとＦとを含むガス例えばＣＨＦ３  ガスであってもよく、また成膜ガスとしてＣＦ系のガスとともに用いるガスはＣ２  Ｈ４  ガスに限らずＣＨ４  ガスやＣ２  Ｈ６  ガスなどの炭化水素ガスでもよいし、あるいは炭化水素ガスの代りに水素ガスであってもよい。更に本発明はＥＣＲによりプラズマを生成することに限られず例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｕｍａ）  などと呼ばれている、ドーム状の容器に巻かれたコイルから電界及び磁界を処理ガスに与える方法などによりプラズマを生成する場合にも適用することができる。また既述の例では成膜工程は、プラズマＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行っているが、これに限らず例えば熱ＣＶＤで行ってもよい。。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱的安定性が大きく、Ｆ系のガスの脱離が小さいＣＦ膜を生成することができる。従ってこのＣＦ膜を半導体デバイスの層間絶縁膜に使用すれば、金属配線を腐食するおそれがなく、アルミニウム配線のうねりやクラックの発生も防止できる。半導体デバイスの微細化、高速化が要請されている中で、ＣＦ膜が比誘電率の小さい有効な絶縁膜として注目されていることから、本発明はＣＦ膜の絶縁膜としての実用化を図る上で有効な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するためのプラズマ処理装置の一例を示す縦断側面図である。
【図２】本発明方法を実施するためのアニール装置の一例を示す縦断側面図である。
【図３】本発明方法を実施するためのほかの例を示す縦断側面図である。
【図４】薄膜の重量変化を調べる測定装置を示す略解断面図てある。
【図５】本発明の実施の形態で成膜したＣＦ膜についてアニール雰囲気及びアニール時間と重量変化との関係を示す特性図である。
【図６】ＣＦ膜中のＣ−Ｆ結合が切れて再結合する様子を概念的に示す説明図である。
【図７】ＣＦ膜について高温下で質量分析を行ったときの結果を示す特性図てある。
【図８】半導体デハイスの構造の一例を示す構造図てある。
【符号の説明】
１        反応管
１ａ      外管
１ｂ      内管
１０      マニホールド
１１      加熱炉
１２      ウエハボート
１３      排気管
１４      ガス供給管
２        真空容器
２１      第１の真空室
２２      第２の真空室
２４      高周波電源部
２５      導波管
２６，２７    電磁コイル
２８      排気管
３１      プラズマガスノズル
４        載置台
Ｗ        半導体ウエハ
５１      成膜ガス供給部
【図１】
0003574734.tif 000002
【図２】
0003574734.tif 000003
【図３】
0003574734.tif 000004
【図４】
0003574734.tif 000005
【図５】
0003574734.tif 000006
【図６】
0003574734.tif 000007
【図７】
0003574734.tif 000008
【図８】
0003574734.tif 000009