(57)【要約】【課題】応力マイグレーションを回避し、機械的強度が高い膜を形成し、及びエッチング処理を改善する、銅ダマシンデバイスを作成するための低炭素膜形成方法を与える。【解決手段】３つのハード層を使って半導体デバイス用の相互接続を形成する方法であって、金属相互接続用に形成された絶縁層上にエッチストップ層として機能する第１ハード層を形成する工程と、第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程と、第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層上に第３ハード層を形成する工程と、第３及び第２ハード層、絶縁層、並びに第１ハード層を通じて穴を形成する工程と、相互接続を確立するべく穴を金属で満たす工程とから成る。第２及び第３ハード層は、酸化還元ガスの流量の関数として第２ハード層中の炭素含有率を制御しながら、ソースガス及び酸化還元ガスから形成された炭素ドープ酸化シリコンから成る。【選択図】図２
2005340820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つのハード層を使用して半導体デバイス用の相互接続を形成するための方法であって、
(i)金属の相互接続用に形成された絶縁層上に、エッチストップ層として機能する第１ハード層を形成する工程と、
(ii)第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程と、
(iii)第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、
(iv)絶縁層上にハードキャップ層として機能する第３ハード層を形成する工程と、
(v)第３及び第２ハード層、絶縁層並びに第１ハード層を通じて穴を形成する工程と、
(vi)相互接続を確立するために金属で穴を満たす工程と、
から成る方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、絶縁層は下部絶縁層及び上部絶縁層から成り、穴は下部絶縁層に形成されたビア及び上部絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、穴は第２ハード層に形成されたビア及び絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、穴は絶縁層に形成されたビア及び第３ハード層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、工程(i)から(iv)は真空状態のまま同じ反応チャンバ内で実行される、ところの方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、工程(vi)で、穴は金属の銅で満たされる、ところの方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、第１ハード層はシリコンカーバイドから成る、ところの方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンから成る、ところの方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンの前駆体として使用されるソースガス、及び前駆体をプラズマ中で還元状態及び酸化状態にさらす酸化還元ガスにより蒸着される、ところの方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、酸化還元ガスは炭素及び酸素を含む、ところの方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、酸化還元ガスはCO2である、ところの方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、酸化還元ガスの流量はソースガス流量の少なくとも１０倍である、ところの方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法であって、ソースガスは化学式SiαOα−１R２α−β＋２（OCｎH2n+1）βを有し、ここでαは１〜３の整数、βは１〜３の整数、ｎは１〜３の整数及びRはSiに結合するC1-6炭化水素である、ところの方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は、約２７MHzと約４００kHzの混合周波数により生成されるプラズマを使って形成される、ところの方法。
【請求項１５】
請求項８に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は約１００℃から約４００℃の基板温度で形成される、ところの方法。
【請求項１６】
請求項８に記載の方法であって、酸化還元ガス及びソースガスは、酸化還元ガス及びソースガスが反応しない温度に制御された同一ガス管を通じて反応チャンバ内へ導入される、ところの方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、温度は約５０℃から約２４０℃である、ところの方法。
【請求項１８】
請求項８に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は不活性ガスを使用せずに形成される、ところの方法。
【請求項１９】
請求項８に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は約１００Paから約１０００Paの圧力で形成される、ところの方法。
【請求項２０】
３つのハード層を使用して半導体デバイス用の相互接続を形成するための方法であって、
(i)銅の相互接続用に形成された絶縁層上に、エッチストップ層として機能する第１ハード層を形成する工程であって、前記第１ハード層はシリコンカーバイドから成るところの工程と、
(ii)第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程であって、前記第２ハード層は炭素ドープ酸化シリコンから成るところの工程と、
(iii)第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、
(iv)絶縁層上にハードキャップ層として機能する第３ハード層を形成する工程であって、前記第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンから成り、工程(i)から(iv)は真空状態のまま同じ反応チャンバ内で実行される、ところの工程と、
(v)第３及び第２ハード層、絶縁層並びに第１ハード層を通じて穴を形成する工程と、
(vi)相互接続を確立するために銅で穴を満たす工程と、
から成る方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、絶縁層は下部絶縁層及び上部絶縁層から成り、穴は下部絶縁層に形成されたビア及び上部絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法であって、穴は第２ハード層に形成されたビア及び絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法であって、穴は絶縁層に形成されたビア及び第３ハード層に形成されたトレンチにより構成される、ところの方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンの前駆体として使用されるソースガス、及び前駆体をプラズマ中で還元状態及び酸化状態にさらす酸化還元ガスにより蒸着される、ところの方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、ソースガスはシリコン、炭素、水素、及び付加的な酸素を含み、酸化還元ガスは炭素及び酸素を含む、ところの方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、酸化還元ガスはCO2である、ところの方法。
【請求項２７】
請求項２０に記載の方法であって、酸化還元ガスの流量はソースガス流量の少なくとも１０倍である、ところの方法。
【請求項２８】
請求項２０に記載の方法であって、ソースガスは化学式SiαOα−１R２α−β＋２（OCｎH2n+1）βを有し、ここでαは１〜３の整数、βは１〜３の整数、ｎは１〜３の整数及びRはSiに結合するC1-6炭化水素である、ところの方法。
【請求項２９】
請求項２０に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は、約２７MHzと約４００kHzの混合周波数により生成されるプラズマを使って、約１００℃から約４００℃の基板温度で、かつ約１００Paから約１０００Paの圧力で形成される、ところの方法。
【請求項３０】
請求項２０に記載の方法であって、酸化還元ガス及びソースガスは約５０℃から約２４０℃の温度で反応チャンバ内に一緒に導入される、ところの方法。
【請求項３１】
請求項２０に記載の方法であって、第２及び第３ハード層は不活性ガスを使用せずに形成される、ところの方法。
【請求項３２】
３つのハード層を使用して半導体デバイス用の相互接続を形成するための方法であって、
(i)金属の相互接続用に形成された絶縁層上に、エッチストップ層として機能する第１ハード層を形成する工程と、
(ii)第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程であって、前記第２ハード層は、酸化還元ガスの流量の関数として第２ハード層中の炭素含有率を制御しながら、ソースガス及び酸化還元ガスから形成された炭素ドープ酸化シリコンから成るところの工程と、
(iii)第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、
(iv)絶縁層上に第３ハード層を形成する工程であって、前記第３ハード層は、酸化還元ガスの流量の関数として第３ハード層中の炭素含有率を制御しながら、ソースガス及び酸化還元ガスから形成された炭素ドープ酸化シリコンから成るところの工程と、
(v)第３及び第２ハード層、絶縁層並びに第１ハード層を通じて穴を形成する工程と、
(vi)相互接続を確立するために金属で穴を満たす工程と、
から成る方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法であって、工程(ii)及び(iv)で、酸化還元ガスの流量はソースガス流量の少なくとも１０倍である、ところの方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法であって、工程(ii)及び(iv)で、不活性ガスは使用されない、ところの方法。
【請求項３５】
半導体デバイスの相互接続構造であって、
銅充填絶縁層と、
銅充填絶縁層上に形成され、エッチストップ層として機能する第１ハード層と、
第１ハード層上に形成された第２ハード層と、
第２ハード層上に形成された絶縁層と、
絶縁層上に形成され、ハードキャップ層として機能する第３ハード層と、
第３及び第２ハード層、絶縁層、並びに第１ハード層を通じて形成された穴に満たされた銅相互接続と、
から成る相互接続構造。
【請求項３６】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、絶縁層は下部絶縁層及び上部絶縁層から成り、穴は下部絶縁層に形成されたビア及び上部絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの相互接続構造。
【請求項３７】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、穴は第２ハード層に形成されたビア及び絶縁層に形成されたトレンチにより構成される、ところの相互接続構造。
【請求項３８】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、穴は絶縁層に形成されたビア及び第３ハード層に形成されたトレンチにより構成される、ところの相互接続構造。
【請求項３９】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第１ハード層と第２ハード層との間の付着力は１０J/m2以上である、ところの相互接続構造。
【請求項４０】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第１、第２及び第３ハード層並びに絶縁層は厚さの合計が約１００nmから約２００００nmである、ところの相互接続構造。
【請求項４１】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第３ハード層の厚さは絶縁層の厚さの約２％から約２０％である、ところの相互接続構造。
【請求項４２】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第１ハード層は圧縮応力を有し、第２ハード層は引張応力を有する、ところの相互接続構造。
【請求項４３】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層の炭素含有率は２０％以下である、ところの相互接続構造。
【請求項４４】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層の誘電率は約３.５またはそれ以下である、ところの相互接続構造。
【請求項４５】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層の屈折率は約１.２から約１.７である、ところの相互接続構造。
【請求項４６】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層は１９３nmまたはそれ以下の波長で非屈折である、ところの相互接続構造。
【請求項４７】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層は、約２.０GPaから約４.０GPaの硬度及び約１０GPaから約３０GPaの弾性率を有する、ところの相互接続構造。
【請求項４８】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第３ハード層の研摩速度は、絶縁層の研摩速度の約１／５から約１／１０である、ところの相互接続構造。
【請求項４９】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、穴は層面に関して実質的に９０°で形成された周辺壁を有する、ところの相互接続構造。
【請求項５０】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、絶縁層は約４５MPaから約８０MPaの引張応力を有する、ところの相互接続構造。
【請求項５１】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層はSi-Oに対するSi-CH3の面積比がFTIRスペクトルで約１.５から約２.５である、ところの相互接続構造。
【請求項５２】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層はSi-C/Si-Oの面積比がFTIRスペクトルで約７から約１５である、ところの相互接続構造。
【請求項５３】
請求項３５に記載の相互接続構造であって、第２及び第３ハード層は-C-H/Si-Oの面積比がFTIRスペクトルで約０.５から約１.５である、ところの相互接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素ドープシリコン酸化膜及びそれを使ったダマシン構造に関し、特に、酸化還元ガスにより形成された低炭素ドープシリコン酸化膜及び、低炭素ドープシリコン酸化膜により構成された二層のハード膜を使ったダマシン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路はさまざまなコンポーネント（例えば、単一チップ上のSRAM（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）トランジスタ、MIM（メタル・インシュレータ・メタル）、RFIC（高周波集積回路）及び単一チップ上の論理回路）を含む複雑なデバイスに発展してきた。チップ設計の発展は回路速度及び信頼性に対して継続的な改良を要求する。これはより高速なトランジスタ速度を達成するためにデバイスをより高密度でパッキングする必要性を与える。にも拘わらず、デバイスの縮小化はチップ製造者にとって常に好ましい訳ではない。準原子レベルまで密度を増せば、RC（抵抗容量）遅延が生じ、トランジスタ性能が低下する。したがって、従来のシリコン酸化膜の代わりに低誘電率の金属間絶縁体（IMD）膜を使用する必要がある。
【０００３】
その用途に適していると考えられる材料は炭素ドープシリコン酸化膜である。金属配線を分けるのにこの材料を使用することで、伝播遅延、クロストーク及び電力消費が減少したデバイスがもたらされる。この膜は二酸化珪素膜の代わりとして完璧のようであるが、二酸化珪素膜と比較できない他の膜特性が存在する。例えば、二酸化珪素膜を替えると、他の集積モジュールに悪影響を及ぼすかもしれない。ある不可避的な永年の問題は、炭素ドープシリコン酸化膜のエッチングである。膜から遊離した余分な炭素副生成物のためにエッチングプロファイルが逸脱する。また、膜から生じた過剰炭素はエッチングを妨害し、所望の深さに到達する前にエッチングを停止させ、ビアチェーン内のエッチングが不完全となる可能性が高くなる。不完全なエッチングは銅配線に開回路を生じさせる。この問題に加え、炭素含量はエッチング処理で調節不可能な過剰なマイクロ負荷（孤立したトレンチと密なトレンチとの間でのエッチング速度の差）を生じさせる。一般に、炭素含有率の高い膜は、ｋ値を減少させることを除けば所望されない。したがって、膜中の炭素レベルは許容可能なレベルまで制御する必要がある。
【０００４】
これらの問題に加え、より小さいサイズの配線において応力マイグレーションが主な問題となってきた。この問題は、従来の酸化膜の代わりに弱いIMD膜を使用する際に生じる。低ｋ膜が銅配線と共存できるように、この変数を改善するべく集積技術の新しい開発が要求される。よって、本発明は、銅配線の信頼性を強化するべくIMD膜の前にビアの底にそれぞれ配置される２つのハード層の使用に関連する。
【０００５】
超小型電子機器内で所望の性質を有するダマシン構造を形成するために、超小型電子機器製造分野でさまざまなダマシン方法が開示されてきた。
【０００６】
ダマシン方法としては、(1)Zhaoらによる米国特許第6,100,184号がある。これは、下に形成された銅含有導体層と接触するよう、比較的低誘電率材料から形成される絶縁層を通じて形成された対応するビアを有する対応する連続トレンチ内に銅含有の連続パターン導体配線及びパターン導体スタッド層を形成するためのデュアルダマシン方法であり、その下に形成された銅含有導体層の頂面のみを選択的に不動態化して形成された導体バリア／エッチストップ層を使用する。他に(2)Grillらによる米国特許第6,140,226号がある。これは、比較的低誘電率材料から形成される絶縁層を通じて形成された対応するビアを有する対応する連続トレンチ内に連続パターンの導体配線及びパターン導体スタッド層を形成するためのデュアルダマシン方法であり、ビアと連続形成する際にトレンチの側壁を横方向エッチングから保護するために側壁ライナ層を使用する。他に(3)Huangによる米国特許第6,177,364号がある。これは、比較的低誘電率のフルオロシリケートガラス（FSG）誘電材料から形成される絶縁層を通じて形成された対応するビアを有する対応する連続トレンチ内に連続パターンの導体配線及びパターン導体スタッド層を形成するためのデュアルダマシン方法であり、連続パターンの導体配線及びパターン導体スタッド層を形成する前に、対応するビアを有する対応する連続トレンチ内の絶縁層の側壁面を不動態化するために水素-窒素プラズマ処理を使用する。他に(4)Tangらによる米国特許第6,211,092号がある。これは、デュアルダマシン方法で使用されるデュアルダマシンアパーチャを絶縁層を通じて形成する際に使用される座ぐり型の絶縁体エッチング方法であり、絶縁層を通じてビアを最初に形成する際に複数のエッチング工程を使用する。
【特許文献１】米国特許第6,100,184号明細書
【特許文献２】米国特許第6,140,226号明細書
【特許文献１】米国特許第6,177,364号明細書
【特許文献１】米国特許第6,211,092号明細書
【０００７】
超小型電子製造分野で所望されるのは、比較的低誘電率材料で形成されたパターン化超小型電子絶縁層間に挿入される、超小型電子絶縁層へのダメージを減衰させるべく形成されたパターン化超小型電子導体層を与えるために、超小型電子製造分野で使用される付加的なダマシン処理及び材料である。
【０００８】
これは、現在商業的に入手可能なすべての低誘電率膜に対してあてはまる。これらの膜はMTSナノインデンターで測定された１０GPa以下の弾性率を有する。よって、これはデュアルダマシン構造を強化するための新しいアプローチを要求する。
【０００９】
そのような膜のアプリケーションをさらに説明するために、従来の集積化方法が以下に示される。トレンチを形成する前にビアが形成されるところの従来のデュアルダマシン技術を実行する際、第１絶縁層の上下にエッチストップ層が形成され、金属層を覆うように作用する。典型的に、エッチストップ層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、炭化シリコンから形成され、エッチストップ層の上にその後蒸着される第２絶縁層に対して高いエッチング選択性を有するものとして選択される。その後、フォトレジストマスクが第２絶縁層上に形成され、第１及び第２絶縁層を通じるビアを形成するために異方性エッチングが実行され、それはエッチストップ層の底で止まる。続けて、ビアを充填するBarc（バリア反射防止コーティング）により、トレンチパターンが第２絶縁層上に形成される。フォトレジストによるトレンチの異方性エッチングはトレンチを形成するために実行され、エッチストップ層の中間で止まる。最後に、フォトレジストは従来の灰化処理により除去され、銅金属被覆が開始される。
【００１０】
米国特許第6,531,398号B1を参照すると、ダマシン構造内に形成されるべき金属配線間の容量結合を減少させるのに有機シリケート膜を使用する技術が記載されており、その膜のｋ値は３.０以下である。しかし、上記発明はIMDのようなオプションを有するキャップ層として低炭素膜を使用するが、そのｋ値は３.０より大きい。膜の目的はアプリケーションにより幾分異なる。そのような層の使用は下層膜をCMPから保護するためのものであり、エッチングレシピの調整が要求される場合、付加的にエッチングプロファイルを守る。また、上記発明は、好適にSiCであるハード層及びビアの底に形成するための低炭素ハード膜を必要とする。概して、上記発明のアプローチは、電気的というより物理的な集積処理の見地に基づくものである。
【００１１】
約０.２５ミクロンまたはそれ以下、例えば約０.１ミクロンまたはそれ以下の幅を有する金属配線のように、金属配線のサイズが小さくなることにより小型化が急速に進みに従い、エッチストップ層の誘電率を含めIDL（層間絶縁体）の誘電率が益々重要になる。したがって、高い寸法精度を有しかつ有効ｋ値が低い、金属配線等の金属体を形成することができる相互接続方法が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記において、酸化膜がCDO（炭素ドープ酸化）膜に置換された場合、結果は異なるであろう。第１に、CDO膜の強度は従来の酸化膜の１／５しかない。これは、電気回路の寿命を減少させるさまざまな不所望な欠陥を生じさせる。例えば、銅の熱膨張率はIMD膜の熱膨張率に比べ異なる。IMD、Ta/TaN、及び銅シードの垂直インターフェース間の第２金属層の上角において、IMD層の強度は３層間の結合を維持するために重要な役割を果たす。IMD層が弱いと、銅シードは制限無く自由に広がる。したがって、ウエットクリーニング、CMP等のウエット処理中に、インターフェースに応力腐食クラックが発生する。また、膜の炭素含有率が妥当な量以内に制限されない場合、CMP炭素残留物が吸湿性を増加させ、それによりインターフェースでの腐食可能性が増加する。よって、IMD層が軟らかい場合、銅トレンチラインの一体性を維持するためにハードキャップが必要である。一方、ビアの下側部分に配置される２つのハード層は、銅バルクが上方に移動し、銅ビアと銅配線インターフェースとの間にボイドを形成させるような銅の膨張を抑制する。よって、スタック形成において、本発明は、IMD層の機械的強度を改善することができる。
【００１３】
炭素ドープ酸化膜の使用は金属間絶縁体として周知であり、従来の二酸化珪素膜と置換される。そのような膜を蒸着するために、気孔サイズを制御しながら所望の鎖状重合体を形成するのに液体の前駆体が必要とされる。炭素ドープ酸化膜中の炭素含有率をさらに制御するために、液体前駆体と同時に酸化還元ガスが導入される。酸化還元ガスは膜中の炭素を燃焼させるために過剰な酸素を与える。したがって、炭素含有率は減少する。そのような技術により、改良された膜は、上記したような硬度、低炭素量及び低ｋ値の厳しい集積化要求を満たすことができる。より低い誘電率膜がRC遅延を減少するのに所望される。最終的な接着及びCMP処理に対して硬い膜が要求される。結局、クリーニング及びエッチング処理に対して、より低い炭素含有率の膜が所望される。
【００１４】
上記の点を鑑み、デュアルダマシン構造に対し、３つのハード膜構造を適用する方法が本発明の実施例において導入される。膜はシリコンカーバイド膜及び酸化膜により構成される。膜形成方法及びスタック形成方法は実施例において詳細に説明される。
【００１５】
膜は、炭素の過剰ドープ、応力マイグレーション等に関連するさまざまなCVD後集積処理の問題を回避するためのハードマスクとして使用されてもよい。膜表面は、CMP処理を容易にするべく疎水性から親水性へ改変される。
【００１６】
本発明の目的は、これに限定されないが、(i)応力マイグレーションの回避、(ii)BEOL（バック・エンド・オブ・ライン）のバルク中の弱いIMDを補償するべく機械的強度が高い膜の形成、及び／またはエッチング処理を改良する銅ダマシンデバイスを作成するための低炭素含有率膜の形成を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
ある実施例において、本発明は３つのハード層を使用して半導体デバイス用の相互接続を形成する方法を与える。当該方法は、(i)エッチストップ層として機能する第１ハード層を金属相互接続用に形成された絶縁層上に形成する工程と、(ii)第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程と、(iii)第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、(iv)ハードキャップ層として機能する第３ハード層を絶縁層上に形成する工程と、(v)第３及び第２ハード層、並びに第１ハード層を通じる穴を形成する工程と、(vi)相互接続を確立させるために穴を金属で満たす工程と、から成る。
【００１８】
上記実施例は、これに限定されないが、以下の実施例を含む。絶縁層は、下部絶縁層及び上部絶縁層から成り、下部絶縁層に形成されたビア及び上部絶縁層に形成されたトレンチにより穴が構成されている。穴は第２ハード層に形成されたビア及び絶縁層に形成されたトレンチにより構成される。穴は絶縁層に形成されたビア及び第３ハード層に形成されたトレンチにより構成される。
【００１９】
実施例において、工程(i)から(iv)は真空状態のまま同一の反応チャンバ内で実行される。
【００２０】
好適には、工程(vi)において、穴は金属である銅で満たされ、第１ハード層はシリコンカーバイドから成り、第２及び第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンから成る。上記において、第２及び第３ハード層は、炭素ドープ酸化シリコンの前駆体として使用されるソースガス、及びプラズマ中で前駆体を酸化状態及び還元状態にさらす酸化還元ガスにより蒸着される。酸化還元ガスは炭素及び酸素を含み、好適にはCO2を含む。ケトン蒸気またはSO3が酸化還元ガスとして使用されてもよい。酸化還元ガスの流量はソースガスの流量の少なくとも１０倍である。実施例において、ソースガスは化学式SiαOα−１R２α−β＋２（OCｎH2n+1）βを有し、ここでαは１〜３の整数、βは１〜３の整数、ｎは１〜３の整数及びRはSiに結合するC1-6炭化水素である。
【００２１】
以下を含むさまざまな条件が本発明に適応される。しかし、本発明はこれらの条件に限定されない。第２及び第３ハード層は、約１００℃から約４００℃の基板温度、及び約１００Paから約１０００Paの圧力で、約２７MHz及び約４００kHzの混合周波数により生成されたプラズマを使って形成される。また、酸化還元ガス及びソースガスは、酸化還元ガスとソースガスが反応しない温度に制御された同一のガス管を通じて反応チャンバ内に導入される。その温度は約５０℃から約２４０℃である。ある実施例において、第２及び第３ハード層は不活性ガスを使用せずに形成されてもよい。
【００２２】
他の態様において、本発明は３つのハード層を使って半導体デバイス用の相互接続を形成する方法を与える。当該方法は、(i)エッチストップ層として機能する第１ハード層を銅相互接続用に形成された絶縁層上に形成し、該第１ハード層はシリコンカーバードから成る工程と、(ii)第１ハード層上に炭素ドープ酸化シリコンから成る第２ハード層を形成する工程と、(iii)第２ハード層上に絶縁層を形成する工程と、(iv)ハードキャップ層として機能する第３ハード層を絶縁層上に形成する工程であって、該第３ハード層は炭素ドープ酸化シリコンから成り、工程(i)から(iv)が真空状態のまま同じ反応チャンバ内で実行される、ところの工程と、(v)第２及び第３ハード層、絶縁層並びに第１ハード層を通じる穴を形成する工程と、(vi)相互接続を達成するべく穴を銅で満たす工程と、から成る。上記において、ひとつまたはそれ以上の上述エレメントで使用されるあらゆるエレメントが上記実施例において交換可能に使用される。
【００２３】
また他の態様において、本発明は３つのハード層を使って半導体デバイスの相互接続を形成する方法を与える。当該方法は、(i)エッチストップ層として機能する第１ハード層を金属相互接続用に形成された絶縁層上に形成する工程と、(ii)第１ハード層上に第２ハード層を形成する工程であって、第２ハード層は酸化還元ガスの流量の関数として第２ハード層中の炭素含有率を制御しながらソースガス及び酸化還元ガスから形成された炭素ドープ酸化シリコンから成る、ところの工程と、 (iii)絶縁層を第２ハード層上に形成する工程と、(iv)絶縁層上に第３ハード層を形成する工程であって、第３ハード層は酸化還元ガスの流量の関数として第３ハード層中の炭素含有率を制御しながらソースガス及び酸化還元ガスから形成された炭素ドープ酸化シリコンから成る、ところの工程と、(v)第３及び第２ハード層、絶縁層、第１ハード層を通じる穴を形成する工程と、(vi)相互接続を確立するべく金属で穴を満たす工程と、から成る。上記において、ひとつまたはそれ以上の上述エレメント内で使用される任意のエレメントは上記実施例において交換可能に使用される。
【００２４】
さらに他の態様において、本発明は半導体デバイス用の相互接続構造を与える。当該構造は、(a)銅が充填された絶縁層と、(b)銅が充填された絶縁層上に形成された、エッチストップ層として機能する第１ハード層と、(c)第１ハード層上に形成された第２ハード層と、(d)第２ハード層上に形成された絶縁層と、(e)絶縁層上に形成された、ハードキャップ層として機能する第３ハード層と、(f)第３及び第２ハード層、絶縁層並びに第１ハード層を通じて形成される穴に満たされた銅の相互接続と、から成る。
【００２５】
上記実施例は、これに限定されないが、以下の実施例を含む。
【００２６】
絶縁層は下部絶縁層及び上部絶縁層から成り、下部絶縁層に形成されたビア及び上部絶縁層に形成されたトレンチにより穴が構成される。穴は第２ハード層に形成されたビア及び絶縁層に形成されたトレンチにより構成される。穴は絶縁層に形成されたビア及び第３ハード層に形成されたトレンチにより構成されてもよい。
【００２７】
また、第１ハード層と第２ハード層との間の付着力は約１０J/ｍ2である。第１、第２及び第３ハード層並びに絶縁層の厚さはそれぞれ、約５０nmから約２００nm、約１００nmから約２００００nm、約１００nmから約２００００nmである（これら３つの層の厚さの合計は、好適には約１００nmから約２００００nmである）。第３ハード層の厚さは絶縁層の厚さの約２％から約２０％である。第１ハード層は圧縮応力を有し、第２ハード層は引張応力を有する。第２及び第３ハード層はそれぞれ２０％以下の炭素含有率を有する。第２及び第３ハード層はそれぞれ約３.５またはそれ以下の誘電率を有する。第２及び第３ハード層はそれぞれ約１.２から約１.７の屈折率（R.I.）を有する。第２及び第３ハード層はそれぞれ１９３nmまたはそれ以下の波長で非屈折である。第２及び第３ハード層の硬度は約２.０GPaから約４.０GPaであり、弾性率は約１０GPaから約３０GPaである。第３ハード層は絶縁層の約１／５から約１／１０の研摩速度を有する。穴は層面に関して実質的に９０°で形成された周辺壁を有する。絶縁層は約４５MPaから約８０MPaの引張応力を有する。第２及び第３ハード層は、Si-Oに対するSi-CH3の面積比がFTIRスペクトルで約１.５から２.５である。第２及び第３ハード層は、Si-C/Si-Oの面積比がFTIRスペクトルで約７から約１５である。第２及び第３ハード層はC-H/Si-Oの面積比がFTIRスペクトルで約０.５から約１.５である。
【００２８】
発明及び従来技術に対して達成される利点を要約する目的で、発明のいくつかの目的及び利点が上記された。むろん、これらすべての目的または利点が本発明の特定の実施例にしたがって必ずしも達成されるものではない。したがって、発明はここに教示されまたは示唆されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなくここに教示された一つまたは複数の利点を達成しまたは最適化する方法で実施されまたは実行されることは当業者の知るところである。
【００２９】
本発明の他の態様、特徴及び利点は以下の好適実施例の詳細な説明より明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は特定の実施例を参照して説明されるが、発明はこれに限定されるものではない。以下の実施例は図面を参照しながら説明される。しかし、本発明は図面に限定されない。
【００３１】
実施例において、本発明は、銅デュアルダマシン構造において、ビアの上部にキャップとして有機シリケート層を適用し、かつビアの底に２つのハード層を適用することに関連する。特定の実施例において、キャップ層107の厚さは約５０nmと約１００nmの間である。実施例において、エッチストップ層103の厚さは１０nmから２００nmの範囲である。ボトム層104の厚さはビア109の高さまで変化することができる。すなわち、層104は層105全体と置換可能である。したがって、実施例において、層104の厚さは約１０nmから約５００nmの範囲である。図面において、層207及び307は層107に対応し、層203及び303は層103に対応し、層304は層104に対応する。上記において、エッチストップ層103及び層104はハード層であり、すなわち、２つのハード層がビア109の底に形成される。
【００３２】
ある態様において、本発明はダマシン構造内に３つのハード層を与える。ひとつはトレンチまたはビアの上部のキャップ層であり、あと２つはビアの底のハード層であり、キャップ層及び上部ハード層は炭素ドープ酸化シリコンにより構成され、下部ハード層はシリコンカーバイド、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化窒化シリコン（好適には、シリコンカーバイド）等により構成される。炭素ドープ酸化シリコンは炭素含有率が減少しており、その結果そのエッチング速度は他の絶縁層のエッチング速度よりも小さい。実施例において、キャップ層、上部ハード層及び下部ハード層（エッチストップ層）は同様の方法で形成される。
【００３３】
実施例において、膜中の炭素含有率が減少した炭素ドープシリコン酸化膜は酸化還元ガス、好適にはCO2を使うことによって達成される。
【００３４】
他の変形例の詳細は、図２及び４に実施例として説明されている。
【００３５】
上記の他に、発明は、３.５以下の低誘電率を有しかつオリジナルのCDO膜より炭素含有率が５％少ない絶縁膜を蒸着する方法に関する。当該膜はCMP処理用の犠牲膜として特に有用である。３.５以下の誘電率を有する低誘電率膜は、TEOS酸化膜のような３.９の誘電率を有する従来の二酸化シリコンハードマスクに比べより大きな利点を有する。ここでオリジナル膜とは前駆体及び不活性ガスから単独で蒸着された低ｋ膜を言う。
【００３６】
SiCO膜がシリコン基板上に形成される際、Si(OCH3)2(CH3)2及びヘリウムの混合ガスが供給される。Si(OCH3)2(CH3)2に対するHeのガス流量比は設定値でのSi(OCH3)2(CH3)2の０％から２００％に調節される。それに加えて、酸化還元ガスが導入される。プラズマエネルギーを印加することにより、基板上に薄膜が形成される。テトラメチルシラン（Si(CH3)4）またはトリメチルシラン（SiH(CH3)3）がSiCO膜形成のために適用される。
【００３７】
好適実施例において、膜形成用の条件は以下の通りである。
Si(OCH3)2(CH3)2に対するヘリウムの比率  ：  ０％から２００％
酸化還元ガス：Si(OCH3)2(CH3)2の流量の１０倍以上
RF電力：２７.１２MHzで１４００〜１８００W、または４００kHzとの組合せ
圧力：５６０Pa
電極ギャップ：２４mm
基板温度：３７０〜３８０℃
【００３８】
実施例における本発明の特徴は、デュアルダマシン構造の形成シーケンスにある。図２を参照して、例えば、層101は、BEOL（バック・エンド・オブ・ライン）形成用のタングステンプラグと嵌合するように構成されたFEOL（フロント・エンド・オブ・ライン）である。基板は膜102の形成のためにプラズマCVDリアクタ（図１）内部へ搬送される。膜102は低ｋ膜またはSiO2膜である。その後、基板はDUVレジストでコーティングされかつ露光されて、第１金属トレンチが形成される。その後、基板はトレンチ108のエッチングのために送られる。膜102の膜特性に依存して、C4F8、C4F6等のようなさまざまなガスがエッチング剤として使用され、酸素または窒素が原料として使用される。エッチング処理の後、レジスト除去及びクリーニング後に銅メタライゼーションが開始される。従来の銅技術において、タンタルまたは窒化タンタルが銅拡散用のライナとして使用されている。続いて、銅シードがIMP（イオン・メタル・プラズマ）またはPVD（フィジカル・スパッタリング・デポジション）処理を使って形成される。次に、ECD（エレクトロ-ケミカル・デポジション）及びCMP（ケミカル・メカニカル・ポリシング）が続く。CMPの後、金属トレンチ108が完成する。
【００３９】
トレンチ108の形成後、基板は膜103の形成のためにCVDリアクタへ送られる。膜103はシリコンカーバイドまたはその誘導体（例えば、SiCN、SiCO等）により構成される。次に、ハード層104の形成が続く。この膜の形成については以下で詳細に説明される。
【００４０】
続いて層105及び106が膜形成処理される。層105及び106が同じ材料により構成される場合において、ひとつのステップ処理が使用される。最後に、ハード層107が層106の上に形成される。
【００４１】
その後、基板はビア109のパターンを露光するためにフォトリソグラフィー装置内へ送られる。層104の硬度は層105の硬度よりも大きいため層104は層105と103との間のエッチング選択性を高めることができ、エッチング速度はビア109の底に近づくと遅くなる。よって、層103を貫通せずにエッチングを停止できる可能性が高くなる。
【００４２】
基板は、トレンチ110のパターニング前に無酸素プラズマ中でレジスト後除去に晒される。層106のステップ高さが所定レベルまで達するまでに、トレンチエッチングが時間制御されて開始される。ビア109の底の層103のみがソフトプラズマにより除去される前に、ウエハ基板はクリーニングされる。
【００４３】
基板はデュアルダマシン銅メタライゼーションの準備が整った。IMPまたはPVDリアクタにおいて、トレンチ108とビア109との間の結合を強化するのにスパッタクリーニングが使用される。TaまたはTaNが銅シード形成前にスパッタされる。CMPの前にECD処理が続く。層107はCMP処理の犠牲ハード膜として機能する。層107の炭素含有率は小さいので、CMP後に残留物が形成される可能性が減少する。
【００４４】
基板は銅配線形成処理においてさまざまな熱サイクルに晒される。この熱サイクルは熱膨張及び収縮を生じさせる。硬い膜104の機能は、ビア109内の銅の横方向への膨張を回避することである。これは、結合を維持しかつビア109とトレンチ108との間でのボイド形成を防止する。
【００４５】
他の集積化方法において、図３を参照して、層201は、例えばBEOL形成用のタングステンプラグと嵌合するように構成されたFEOLである。基板は膜202の形成のためにプラズマCVDリアクタ内に送られる。膜202は低ｋ膜またはSiO2膜である。その後、基板はDUVレジストでコーティングされ、第１金属トレンチを形成するべく露光される。基板はトレンチ208のエッチングのために送られる。膜202の膜特性に依存して、C4F8、C4F6等のようなさまざまなガスがエッチング剤として使用され、酸素または窒素が原料として使用される。エッチング処理の後、レジスト除去及びクリーニング後に銅メタライゼーションが開始される。従来の銅技術において、タンタルまたは窒化タンタルが銅拡散用のライナとして使用されている。続いて、銅シードがIMPまたはPVD処理を使って形成される。次に、ECD及びCMPが続く。CMPの後、金属トレンチ208が完成する。
【００４６】
トレンチ208の形成後、基板は膜203の形成のためにCVDリアクタへ送られる。膜203はシリコンカーバイドまたはその誘導体（例えば、SiCN、SiCO等）により構成される。続いて、ハード層204が形成される。この膜の形成については以下で詳細に説明される。
【００４７】
続いて層206が膜形成処理される。最後に、ハード層207が層206の上に形成される。
【００４８】
その後、基板はビア209のパターンを露光するためにフォトリソグラフィー装置内へ送られる。続いて、ビアエッチングが実行される。層204は膜203に対するエッチング選択性を強化することができる。
【００４９】
基板はトレンチ210のパターニング前に好適には無酸素プラズマ中でレジスト後除去に晒される。層206のステップ高さが所定レベルに達するまでに、トレンチエッチングが時間制御されて開始される。層206と204との間での硬度及び炭素含有率の違いにより、ビア209の頂部のトレンチ肩部はトレンチ210の形成の最終工程の間制御される。ビア209の底部の層203のみがソフトプラズマにより除去される前に、ウエハ基板はクリーニングされる。
【００５０】
基板はデュアルダマシン銅メタライゼーションの準備が整った。IMPまたはPVDリアクタにおいて、トレンチ208とビア209との間の結合を強化するのにスパッタクリーニングが使用される。TaまたはTaNが銅シード形成前にスパッタされる。CMPの前にECD処理が続く。層207はCMP処理の犠牲ハード膜として機能する。層207の炭素含有率は小さいので、CMP後に残留物が形成される可能性が減少する。
【００５１】
基板は銅配線形成処理においてさまざまな熱サイクルに晒される。この熱サイクルは熱膨張及び収縮を生じさせる。硬い膜204の機能は、ビア209内の銅の横方向への膨張を回避することである。これは、結合を維持しかつビア209とトレンチ208との間でのボイド形成を防止する。
【００５２】
他の集積化方法において、図４を参照して、層301は、例えばBEOL形成用のタングステンプラグと嵌合するように構成されたFEOLである。基板は膜302の形成のためにプラズマCVDリアクタ内に送られる。膜302は低ｋ膜またはSiO2膜である。その後、基板はDUVレジストでコーティングされ、第１金属トレンチを形成するべく露光される。その後、基板はトレンチ308のエッチングのために送られる。膜302の膜特性に依存して、C4F8、C4F6等のようなさまざまなガスがエッチング剤として使用され、酸素または窒素が原料として使用される。エッチング処理の後、レジスト除去及びクリーニング後に銅メタライゼーションが開始される。従来の銅技術において、タンタルまたは窒化タンタルが銅拡散用のライナとして使用されている。続いて、銅シードがIMPまたはPVD処理を使って形成される。次に、ECD及びCMPが続く。CMPの後、金属トレンチ308が完成する。
【００５３】
トレンチ308の形成後、基板は膜303の形成のためにCVDリアクタへ送られる。膜303はシリコンカーバイドまたはその誘導体（例えば、SiCN、SiCO等）により構成される。続いて、ハード層304が形成される。この膜の形成については以下で詳細に説明される。
【００５４】
続いて層305及び307が膜形成処理される。層307は層305に比べ炭素含有率の少ない上記ハード膜である。
【００５５】
その後、基板はビア309のパターンを露光するためにフォトリソグラフィー装置内へ送られる。続いて、ビアエッチングが実行される。層304の硬度は層305の硬度よりも大きいため、層304は層305と層303との間のエッチング選択性を高めることができ、エッチング速度はビア309の底に近づくと遅くなる。よって、層303を貫通せずにエッチングを停止できる可能性が高くなる。
【００５６】
基板はトレンチ310のパターニング前に好適には無酸素プラズマ中でレジスト後除去に晒される。層307のステップ高さが所定レベルに達するまでに、トレンチエッチングが時間制御されて開始される。
【００５７】
上記において、層307は層305より機械的強度が高い。したがって、物理的衝撃エッチングレシピが適応された場合、層307の底部でエッチングを停止させかつ層305への貫通を防止することは困難である。しかし、比較的低いRF電力（以下で説明）とともに化学的エッチングレシピが適応された場合、層305よりも炭素含有率が少ない層307は、硬さとは無関係に層305よりも速くエッチングされる。例えば、フッ素キャリア（例えば、C4F8またはC2F6）を使用するエッチングレシピ内の酸素含有率を変更することにより、エッチング速度は制御され、層307のようなハード膜は、その炭素含有率がより少ない限り、層305のような軟らかい膜よりも速くエッチングされる。
【００５８】
ビア308の底部の層303がソフトプラズマにより除去される前に、ウエハ基板はクリーニングされる。
【００５９】
基板はデュアルダマシン銅メタライゼーションの準備が整った。IMPまたはPVDリアクタにおいて、トレンチ308とビア309との間の結合を強化するのにスパッタクリーニングが使用される。TaまたはTaNが銅シード形成前にスパッタされる。CMPの前にECD処理が続く。層307はハードマスク及びトレンチIMDとして機能する。層307の炭素含有率は小さいので、CMP後に残留物が形成される可能性が減少し、均一な平坦化をもたらす。
【００６０】
基板は銅配線形成処理においてさまざまな熱サイクルに晒される。この熱サイクルは熱膨張及び収縮を生じさせる。硬い膜304の機能は、ビア309内の銅の横方向への膨張を回避することである。これは、結合を維持しかつビア309とトレンチ308との間でのボイド形成を防止する。
【００６１】
以下に、膜104、204、304、107、207及び307の形成の実施例の詳細を示す。これらすべての膜は同じ特性を有する。
【００６２】
好適実施例において、CVD装置内に反応チャンバから離れて遠隔プラズマ放電チャンバが与えられ、配管により遠隔プラズマ放電エネルギーが反応チャンバへ結合される。これは図１を参照して説明される。
【００６３】
図１はこの実施例に従うプラズマCVD装置の略示断面図である。半導体ウエハ9または他の基板上に薄膜を形成するために使用されるプラズマCVD装置30は、反応チャンバ2、半導体ウエハ9を支持するべく反応チャンバ2内に設けられた支持体3、該支持体3と対向して配置されかつ半導体ウエハ9上に反応ガスを均一に噴射するのに使用されるシャワーヘッド4、反応ガス及び副生成物を反応チャンバ2から排気するために使用される排気口20、及び遠隔プラズマ放電チャンバ13から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ13は反応チャンバ2から離れて配置され、配管14及びバルブ15を介してシャワーヘッドへ結合されている。遠隔プラズマ放電チャンバ13は指定された周波数で高周波発振する出力エネルギーを使って活性種を生成する特徴を有し、配管14は活性種により腐食しない材用から成る。
【００６４】
反応チャンバ2内に与えられかつ半導体ウエハ9を配置するのに使用される支持体3は陽極酸化されたアルミニウム合金により構成され、プラズマ放電用の一方の電極として機能するべく接地27される。図示された実施例の反応チャンバ2はその場（チャンバ内）プラズマ生成用に構成されている。図示された支持体3内部には、リング状の加熱エレメント26が埋設されており、半導体ウエハの温度は温度制御器（図示せず）を使って所定の温度に制御される。支持体3は支持ピストン29により支持体3を上下移動する駆動機構25に結合されている。
【００６５】
反応チャンバ2内部には、支持体3と対向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上へ放出するための数千個の細孔が設けられている。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に電気的に接続され、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、反応ガス導管11が配管14に結合されている。ガス導管11の数はひとつに限定されない。反応ガスの種類により、必要数のガス導管が設置される。ガス導管11の一端は反応ガスを流入させるためのガス流入口5を構成し、他端はガスをシャワーヘッド4へ流出させるための反応ガス流出口31を構成する。反応ガス導管11の中間には、質量流量制御器（図示せず）及びバルブ6が配置されている。
【００６６】
反応チャンバ2の側壁には、排気口20が設けられている。排気口20は配管17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のコンダクタンス制御バルブ21が設けられている。コンダクタンス制御バルブ21は外部のレギュレータと電気的に接続されている。
【００６７】
付加的に、圧力計28aが反応チャンバ2内部の圧力を測定するために設けられている。この圧力計はレギュレータ28と電気的に接続されている。
【００６８】
続いて、本発明の実施例における、ウエハ9上への低ｋ高弾性率膜の形成について説明される。
【００６９】
まず、反応チャンバ内部2が排気口20を通じて外部真空ポンプ（図示せず）により真空排気される。反応チャンバ内部の圧力はコンダクタンス制御バルブ21の開度により５００Paから７００Paまでの範囲で調整可能である。次に、加熱エレメント26により加熱された支持体3は、温度制御器（図示せず）を使って、好適には２００℃から３７５℃の指定された温度に半導体ウエハ9を制御する。
【００７０】
続いて、例えばDMDMOS（ジメチルジメトキシシラン(Si(OCH3)2(CH3)2)）のような液体ソースガスの約４０％の比率で不活性ガスが反応チャンバ内に導入される。DMDMOSの流量が１００sccmの場合、不活性ガスの流量は０sccmであるが、好適には１００sccm（DMDOMS流量の７０％）以上である。２００mmの半導体基板を処理するには、DMDMOS流量は５０sccm以上、好適には１００sccm以上、より好適には１００sccmから２００sccmである。同時に、好適にはDMDMOS流量の１０倍の量の酸化還元ガスが流される。
【００７１】
He、Ar、NeまたはKrが不活性ガスとして成膜に使用される。HeまたはArは弾性率のより高い膜を蒸着するのに好適である。He及び酸化還元ガスの混合により、膜の炭素含有率の制御並びに硬度及び弾性率の強化がもたらされる。ガスはバルブ6を通過後、ガス流出口31を通過し、シャワーヘッド4に導入される前にガス導入口32で予め混合される。２７MHzの高周波電力または２７MHz及び４００kHzを組み合わせた高周波電力が高周波エネルギーソース8によりシャワーヘッド4へ印加される。例えば、反応チャンバ内にプラズマ放電を生成するために、２７MHzの高周波電力が、１０００W（2.63W/cm2）から３０００W(7.90W/cm2)、好適には１５００W(3.95W/cm2)から２０００W(5.26W/cm2)でシャワーヘッド4へ印加される。他の実施例において、１３.５６MHzの高周波電力、１３.５６MHzと３５０kHz〜５００kHzの混合高周波電力、または２７.１２MHzと３５０kHzから５００kHzの混合高周波電力がプラズマ生成用に使用される。２７.１２MHzと４００kHzの混合高周波電力が上部電極に印加される場合、２７.１２MHzの電力は５００Wから３０００Wであり、４００kHzの電力は１００Wから１０００Wであり、好適には２７.１２MHzの電力は１０００Wから２０００Wであり、４００kHzの電力は１５０Wから５００Wである。１３.５６MHzと４００kHzの混合高周波電力が上部電極に印加される場合、１３.５６MHzの電力は５００Wから２０００Wであり、４００kHzの電力は１００Wから１０００Wであり、好適には、１３.５６MHzの電力は７５０Wから１５００Wであり、４００kHzの電力は２００Wから５００Wである。１３.５６MHzの周波数がプラズマ生成用として単独で使用される場合、その高周波電力は５００Wから３０００W、好適には７５０Wから１５００Wに設定される。
【００７２】
各パラメータは基板のサイズ及び反応チャンバのサイズに応じて最適化される。
【００７３】
結果として、反応チャンバ2内部にその場プラズマを生成するための一方の電極として機能するシャワーヘッド4と、もう一方の電極として機能する支持体3との間の空間内に、プラズマ反応領域が形成される。反応領域内での反応ガス分子はプラズマエネルギーにより活性化されかつイオン化される。イオン化された分子は半導体基板9上に化学反応を生じさせ、それにより硬い低ｋ膜が形成される。
【００７４】
例えば、膜は以下のような性質を有する。
【００７５】
典型的な従来のCDO（炭素ドープ酸化）低ｋ膜の特性は以下の通りである。
硬度：２.０GPaから３.０GPa
弾性率：１１GPaから１５GPa
ｋ値：２.８から３.０
炭素含有率：約２３％（ラザフォード後方散乱分光法）
本発明の好適実施例において、改良された膜の特性は以下の通りである。
硬度：２.２GPaから３.５GPa
弾性率：１２GPaから２０GPa
ｋ値：２.９から３.５
炭素含有率：１７％未満（ラザフォード後方散乱分光法）
【００７６】
上記好適範囲及び値は、層構造、ソースガス、酸化還元ガス及び他の添加ガスの種類、層の厚さ、膜形成条件等に依存して変化し、本発明は上記範囲及び値に限定されない。
【００７７】
本発明の実施例において、低ｋ膜（改良された膜または従来の膜）の厚さ均一性は１σにおいて３％以下であり、LSIデバイスの設計要求を満たす。
【００７８】
上記に加え、従来のCDO（炭素ドープ酸化）膜は液体ソースガスの４０％以下の流量でHeを流すことにより、まず形成される。膜厚が処理時間により判断される所望の目標値に達すると、酸化還元ガスはソースガスの流量の１０倍またはそれ以上の流量でリアクタ内に流される。よって、炭素含有率の少ない膜が従来の低ｋ膜の上に形成されるが、本発明はそれに限定されない。したがって、ハードマスクが真空状態のままその場で形成される。
【００７９】
薄膜形成処理の終了と同時に、バルブ6は閉じられ、同時にゲートバルブ18が開かれる。自動搬送ロボット（図示せず）が開口19を通じて隣接する搬送チャンバ（図示せず）へ処理済みの半導体ウエハ9を搬送する。反応チャンバ2が真空排気された後、未処理の半導体ウエハが搬送チャンバから運ばれ、ゲートバルブ18が閉じられ、上記シーケンスが繰り返される。
【００８０】
【表１】
2005340820.tif 000003
【００８１】
上記実施例は、これに限定されないが、さらに以下の実施例を含む。実施例で使用されるエレメントはその応用が実行可能である限り他の実施例において交換可能である。
【００８２】
１）集積化方法は以下を含む。エッチストップ層103はシリコンカーバイドまたはその誘導体により構成され、銅層の上に形成される。第１絶縁層104は低炭素ドープ酸化シリコンにより構成され、層104はエッチストップ層103上に蒸着される。第２及び第３絶縁層105及び106が第１絶縁層104上に形成され、それらは第１絶縁層104より機械的強度が低い。その後ハードキャップ107が第３絶縁層106の上に形成される。
【００８３】
２）他の実施例において、集積化方法は以下を含む。エッチストップ層203はシリコンカーバイドまたはその誘導体により構成され、銅層の上に形成される。第１絶縁層204は低炭素ドープ酸化シリコンにより構成され、層204はエッチストップ層の上に蒸着される。第２絶縁層206は第１絶縁層204の上に形成され、第１絶縁層204より機械的強度が低い。その後ハードキャップ207が第２絶縁層206の上に形成される。
【００８４】
３）さらに他の実施例において、集積化方法は以下を含む。エッチストップ層303はシリコンカーバイドまたはその誘導体により構成され、銅層の上に形成される。第１絶縁層304は低炭素ドープ酸化シリコンにより構成され、層304はエッチストップ層の上に蒸着される。第２絶縁層305が形成され、続いてハード膜307が形成される。膜307は膜305より機械的強度が高い。
【００８５】
４）改良された膜である層103、203、303、107、207及び307の形成方法は、シリコン及び炭素を含むソースガス流量のソースガス（シリコン及び炭素含有ガス流量の０％から２００％、例えば１０％、５０％、１００％、１５０％及び上記任意の２数間の範囲の不活性ガス流量）及び添加ガス流量の酸化還元ガスから成る反応ガスをリアクタ内に導入する工程から成る。加熱された基板支持部材上に載置された半導体基板上にガスが供給される。プラズマエネルギーが高周波ソースから電極間、すなわち基板支持部材とガス拡散部材（シャワーヘッド）との間に印加される。プラズマ放電領域が半導体基板上に生成される。酸化ケイ素炭素膜が半導体ウエハ上に形成される。酸化ケイ素炭素膜はCu集積デバイス内で金属間絶縁(IMD)層として使用される。酸化還元ガスはソースガス流量の少なくとも３倍、好適には５倍、１０倍、１５倍、２０倍、３０倍、及びそれらの任意の２数間の範囲で導入される。
【００８６】
５）項目１に従う方法において、層103と104との間の付着力は１０J/m2以上（好適には、１０J/m2から３０J/m2）である。付着力は四点曲げ方法（例えば、 “Adhesion Tester Ensures Robust CMP”, Semiconductor International, 7/1/2001に記載されている。）を使って、クラック伝播のエネルギーまたは膜間の接合エネルギーとして測定される。例えば、四点曲げ方法において、上部シリコン基板と下部シリコン基板との間にサンドイッチされた標本は４本のオフセットピンの組によって押圧され、内側ピンの間に一定の曲げモーメントが生成される。クラック開始の点を与えるべく上部基板を通じるようにノッチが切断される。曲げ力の影響の下で、クラックは他方のピンの方向へインターフェースに沿って外側へ伝播する。この技術の利点はエネルギー開放速度がクラックの長さにより変化せず、データ取得及び試験解析が単純であることである。四点曲げ実験の間に生成されるクラック拡張力（G）はほぼ以下の通りである。
【００８７】
【数１】
2005340820.tif 000004
ここで、νはシリコンのポアソン比、lは負荷点間の距離（３〜５mm）、Eはシリコンの弾性係数、Bはサンプル幅、ｈはサンプルの高さ（０.７mm〜０.８mm）、Pcはグラフの平坦部分に対応する負荷を示す。エネルギー開放はGcにより与えられる。典型的な負荷とクラック伝播の関係を示すグラフがPcを得るのに使用される。
【００８８】
６）項目２に従う方法において、層203と204との間の付着力は１０J/m2以上（好適には、１０J/m2から３０J/m2）である。
【００８９】
７）項目３に従う方法において、層303と304との間の付着力は１０J/m2以上（好適には、１０J/m2から３０J/m2）である。
【００９０】
８）項目１に従う方法において、層103、104、105、106及び107の合計厚さは約１００nmから約２００００nm（２００nm、５００nm、１０００nm、５０００nm、１００００nm、１５０００nm及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９１】
９）項目２に従う方法において、層203、204、205、206及び207の合計厚さは約１００nmから約２００００nm（２００nm、５００nm、１０００nm、５０００nm、１００００nm、１５０００nm及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９２】
１０）項目３に従う方法において、層303、304、305、306及び307の合計厚さは約１００nmから約２００００nm（２００nm、５００nm、１０００nm、５０００nm、１００００nm、１５０００nm及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９３】
１１）項目１に従う方法において、キャップ層107は層105及び106の合計厚さの約２〜２０％（５％、１０％、１５％及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９４】
１２）項目２に従う方法において、キャップ層207は層204及び206の合計厚さの約２〜２０％（５％、１０％、１５％及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９５】
１３）項目３に従う方法において、層307は層305の厚さの約２〜２０％（５％、１０％、１５％及びこれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【００９６】
１４）項目１に従う方法において、層103の応力は圧縮であり、層104の応力は引張である。
【００９７】
１５）項目２に従う方法において、層203の応力は圧縮であり、層204の応力は引張である。
【００９８】
１６）項目３に従う方法において、層303の応力は圧縮であり、層304の応力は引張である。
【００９９】
１７）項目４に従う方法において、酸化還元ガスはソースガスに関して１０：１（酸化還元ガス：ソースガス）の比で導入される。
【０１００】
１８）項目４に従う方法において、酸化還元ガスは炭素及び酸素原子から成る。
【０１０１】
１９）項目１７に従う方法において、プラズマは酸化還元ガスにより形成され、それは同時に酸化及び還元状態を生成する。CO2のような酸化還元ガスがプラズマ中で使用される場合、ガスはまずOが解離され、CO及びOが生成され、続いてC及びOに分解される。COは還元性を有し、プラズマ中の液体前駆体の酸化速度を制御するよう反応において重要な役割を果たす。
【０１０２】
２０）項目１７に従う方法において、酸化還元ガスは好適にはCO2である。CO2に加え、ケトン蒸気またはSO3が酸化還元ガスとして使用される。
【０１０３】
２１）項目４に従う方法において、膜中の炭素含有率（％）は酸化還元ガスを使うとオリジナルの炭素含有率より５ポイント以上少ない。例えば、酸化還元ガスを使用せずに形成された膜の炭素含有率は２３％であれば、酸化還元ガスを使って形成された膜の炭素含有率は１８％またはそれ以下（例えば、１７％、１６％、１５％、１４％、１３％、１２％）である。
【０１０４】
２２）項目４に従う方法において、プラズマは約２７MHzの高周波により生成される。
【０１０５】
２３）項目４に従う方法において、プラズマは約２７MHz及び約４００kHzの混合周波数により生成される。
【０１０６】
２４）項目４に従う方法において、基板温度は約１００℃から約４００℃である。
【０１０７】
２５）項目４に従う方法において、基板温度は好適には約２００℃から約３７５℃である。
【０１０８】
２６）項目４に従う方法において、液体前駆体はテトラメチルシランまたはジメチルジメトキシシランである。
【０１０９】
２７）項目４に従う方法において、酸化還元ガスのガス流量は液体前駆体蒸気流量の１０倍以上である。
【０１１０】
２８）項目４に従う方法において、酸化還元ガス及び液体前駆体は、それらがプラズマリアクタに入るまで未反応のまま残る。ガス（酸化還元ガス、ソースガス、及び必要により他の添加ガス）が反応チャンバに流入される前、それらのガスはリアクタの内部に達するまでに、混合バルブの下流において予め混合されかつ混合バルブの後のガス管内で共存しなければならない。実施例において、CO2のような酸化還元ガス及び前駆体（ソースガス）がプラズマに晒される前にガス管内で反応しないことが重要である。制御因子として、シャワーヘッド温度及び混合物内のガス同士の反応エネルギーが含まれる。例えば、酸化ガス（例えばO2）と前駆体との間の反応エネルギーが低ければ、反応は室温でも生じる。しかし、酸化還元ガス（例えば、CO2）と前駆体との間の反応エネルギーが高い場合、２４０℃でも反応は生じない。このことは、CO2またはO2のいずれもが使用されない場合に比べFTIRピークのスペクトル移動が存在しないという事実から簡単に確認できる。すなわち、CO2の場合、ピークは吸光増分のみを示し、波数cm−１のシフトは示さない。一方、O2の場合、FTIRピークは波数cm−１のシフトを示すが、大きな吸光シフトは示さない。図５を参照。
【０１１１】
２９）項目４に従う方法において、酸化還元ガス及び液体前駆体は、約５０℃と約２４０℃（好適には、１６０℃〜２４０℃）の間の温度で共通ガス管によりリアクタ内に分配される。
【０１１２】
３０）項目４に従う方法において、酸化還元ガス及び液体前駆体が不活性ガスなしでプラズマリアクタ内へ導入される。
【０１１３】
３１）項目４に従う方法において、リアクタの圧力は約１００Paと約１０００Paの間（好適には、２００Paから６００Pa）である。
【０１１４】
３２）項目４に従う方法において、反応空間は約１０mmと約３０mmの間である。
【０１１５】
３３）項目４に従う方法において、膜はCMP処理用の犠牲ハードマスクである。
【０１１６】
３４）項目４に従う方法において、膜の屈折率(RI)は酸化還元ガスの導入に従い変化しない。
【０１１７】
３５）項目４に従う方法において、膜の誘電率は約３.５以下（３.４、３.３、３.２、３.１、３.０、２.９、２.８、２.７、２.６、２.５及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１１８】
３６）項目４に従う方法において、膜の屈折率は約１.２と約１.７の間（１.３、１.４、１.５、１.６及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。RIは膜中のSiOの量を示すのに使用される。膜中のSiO含有率が高いと、緻密な膜の場合にRIは１.４６に近づく。一方、膜中のSi含有率が高いと、RIは２.１に近づく。しかし、炭素ドープ酸化膜の場合、CH3またはC含有率は膜の気孔率によりRIを変更する。気孔率が高いと、RIはより小さくなる。
【０１１９】
３７）項目４に従う方法において、膜は１９３nmまたはそれ以下の波長で非屈折である。
【０１２０】
３８）項目４に従う方法において、Si-Oに対するSi-CH3の面積比は２.２以下である。
【０１２１】
３９）項目４に従う方法において、膜の硬度及び弾性率はそれぞれ、約２.０GPaから約４GPaの範囲（２.５GPa、３.０GPa、３.５GPa及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）及び約１０GPaから約３０GPaの範囲（１５GPa、２０GPa、２５GPa及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１２２】
４０）項目４に従う方法において、ソースガスの化学式はSiαOα−１R２α−β＋２(OCｎH２ｎ＋１)βであり、ここでαは１〜３の整数、βは１〜３の整数、ｎは１〜３の整数、RはSiに結合するC１−６炭化水素である。ソースガスは上記に限定されない。本発明において使用可能なソースガス及び形成方法は、これらに限定されないが、ここに参考文献として組み込む米国特許第6,455,445号、米国特許第6,352,945号、米国特許第6,383,955号、米国特許第6,410,463号、米国特許第6,432,846号、米国特許第6,514,880号、米国特許公開第2003-0176030A1号、米国特許公開第2004-0087179A1号に開示されている。
【０１２３】
４１）項目１に従う方法において、ハード層107の研摩速度は下層膜の研摩速度の１／５から１／１０（１／６、１／７、１／８、１／９及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１２４】
４２）項目２に従う方法において、ハード層207の研摩速度は下層膜の研摩速度の１／５から１／１０（１／６、１／７、１／８、１／９及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１２５】
４３）項目３に従う方法において、ハード層307の研摩速度は膜305の研摩速度の１／５から１／１０（１／６、１／７、１／８、１／９及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１２６】
４４）項目１に従う方法において、ハード層107の炭素含有率はプラズマ蒸着中の酸化還元ガスの実際の流量により制御される。
【０１２７】
４５）項目２に従う方法において、ハード層207の炭素含有率はプラズマ蒸着中の酸化還元ガスの実際の流量により制御される。
【０１２８】
４６）項目３に従う方法において、ハード層307の炭素含有率はプラズマ蒸着中の酸化還元ガスの実際の流量により制御される。
【０１２９】
４７）項目２に従う方法において、層204に対して改良された膜が使用された場合、ビア209は層面に対し実質的に垂直（＞８９°）である。
【０１３０】
４８）項目４に従う方法において、改良された膜の応力は約４５MPaから約８０MPaの範囲の引張応力（５０MPa、６０MPa、７０MPa及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１３１】
４９）項目４８に従う方法において、酸化還元ガスを使用しないオリジナル膜に比べ、波数が２９４０〜３０５０cm−１、１２５０〜１３００cm−１、９５０〜１２５０cm−１及び７００〜８８０cm−１のFTIRピークはシフトしない。
【０１３２】
５０）項目４９に従う方法において、波数が２９４０〜３０５０cm−１、１２５０〜１３００cm−１、９５０〜１２５０cm−１及び７００〜８８０cm−１のFTIRピークは、それぞれC-H、Si-CH3、Si-O及びSiCである。
【０１３３】
５１）項目５０に従う方法において、Si-CH3／Si-Oの面積比は約１.５から約２.５の範囲（１.８、２.０、２.２及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１３４】
５２）項目５０に従う方法において、Si-C／Si-Oの面積比は約７から約１５の範囲（８、１０、１２及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１３５】
５３）項目５０に従う方法において、C-H／Si-Oの面積比は約０.５から約１.５の範囲（０.８、１.０、１.２及びそれらの任意の２数間の範囲を含む）である。
【０１３６】
本発明の思想から離れることなくさまざまな修正が可能であることは当業者の知るところである。したがって、本発明の形式は例示に過ぎず、発明の態様を制限するものではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】図１は、本発明の実施例で使用可能なプラズマCVD装置の略示図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に従うダマシン構造の略示断面図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施例に従うダマシン構造の略示断面図である。
【図４】図４は、本発明のさらに他の実施例に従うダマシン構造の略示断面図である。
【図５】図５は、標準膜、O2により形成された膜、及びCO2により形成された膜のFTIRスペクトルを示すグラフである。
【図１】
2005340820.tif 000005
【図２】
2005340820.tif 000006
【図３】
2005340820.tif 000007
【図４】
2005340820.tif 000008
【図５】
2005340820.tif 000009