(57)【要約】      （修正有）【課題】  多層配線構造における上層配線の下層配線に対する接続部の形成にあたり、その接続導体の接続部の清浄化処理において問題となる特性劣化を確実に回避する。【解決手段】  下層配線溝(第１配線溝)１１ｇ内の埋込み配線（第１埋込み配線）１１ｂに上層配線(第２埋込み配線)１２ｂが接続導体１２ｃを介して接続される構成において、接続導体１２ｃの形成時の第１埋込み配線１１ｂ表面の水素ラジカルないしは水素ブラズマによる清浄化に耐性を有する保護膜７を、この清浄化の雰囲気にさらされ侵食される第２埋込み配線１２ｂが埋め込まれる配線溝１２ｇ、接続導体１２ｃが充填される配線接続孔１２ｈの内表面に形成することによって、上述した清浄化に際して絶縁層が侵食されることを回避し、充分な洗浄を行うことができるようにして特性劣化の改善を図る。【選択図】        図１
2006032864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、
該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、
少なくとも上記第２絶縁層には、該第２絶縁層に形成された上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の上記第２埋込み配線と上記第１絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡って接続導体が充填された配線接続孔が形成され、
上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が、上記第２絶縁層の上記第２配線溝と上記配線接続孔の内側面を覆って形成されて成り、
上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造。
【請求項２】
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、
該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、
少なくとも上記第２絶縁層は、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層との積層構造を有し、
上記第２絶縁層において、上記上層絶縁層に上記第２埋込み配線が形成された第２配線溝が形成され、上記下層絶縁層の上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の第２埋込み配線と上記下層絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡る接続導体が充填された配線接続孔が形成され、
上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が少なくとも上記有機絶縁層による上層絶縁層の上記第２配線溝の内側面を覆って形成されて成り、
上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造。
【請求項３】
半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置であって、
上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、
該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、
少なくとも上記第２絶縁層には、該第２絶縁層に形成された上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の上記第２埋込み配線と上記第１絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡って接続導体が充填された配線接続孔が形成され、
上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が、上記第２絶縁層の上記第２配線溝と上記配線接続孔の内側面を覆って形成されて成り、
上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置。
【請求項４】
半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置であって、
上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、
該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、
少なくとも上記第２絶縁層は、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層との積層構造を有し、
上記第２絶縁層において、上記上層絶縁層に上記第２埋込み配線が形成された第２配線溝が形成され、上記下層絶縁層の上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の第２埋込み配線と上記下層絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡る接続導体が充填された配線接続孔が形成され、
上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が少なくとも上記有機絶縁層による上層絶縁層の上記第２配線溝の内側面を覆って形成されて成り、
上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置。
【請求項５】
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、
該第２絶縁層に、上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、
該配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、
上記第２絶縁層の上記配線接続孔と上記第２配線溝との内側面に保護膜を形成する工程と、
その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、
その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、
上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造の製造方法。
【請求項６】
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層とを順次成膜して第２絶縁層を形成する工程と、
該第２絶縁層の少なくとも下層絶縁層の上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、
上記第２絶縁層の上記上層絶縁層に限定的に上記配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、
少なくとも上記第２絶縁層の上記第２配線溝に臨む上記上層絶縁層の内側面に保護膜を形成する工程と、
その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、
その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、
上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造の製造方法。
【請求項７】
上記絶縁膜による保護膜の形成工程が、上記配線接続孔及び上記第２配線溝の内面に、上記絶縁膜を形成する工程と、
反応性イオンエッチングによる異方性エッチングによって上記配線接続孔及び上記第２配線溝の深さ方向と交叉する上記配線接続孔の底面の上記絶縁膜を除去して上記第１埋込み配線を露呈する工程とを有することを特徴とする請求項５または６に記載の多層配線構造の製造方法。
【請求項８】
上記バリアメタル層による保護膜の形成工程が、上記配線接続孔及び上記第２配線溝の内面に、スパッタリング及び逆スパッタリングによって上記配線接続孔及び上記第２配線溝の深さ方向と交叉する上記配線接続孔の底面の上記バリアメタル層を除去して上記第１埋込み配線を露呈する工程を有することを特徴とする請求項５または６に記載の多層配線構造の製造方法。
【請求項９】
半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
上記多層配線構造が、
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、
該第２絶縁層に、上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、
該配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、
上記第２絶縁層の上記配線接続孔と上記第２配線溝との内側面に保護膜を形成する工程と、
その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、
その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、
上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
上記多層配線構造が、
第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層とを順次成膜して第２絶縁層を形成する工程と、
該第２絶縁層の少なくとも下層絶縁層の上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、
上記第２絶縁層の上記上層絶縁層に限定的に上記配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、
少なくとも上記第２絶縁層の上記第２配線溝に臨む上記上層絶縁層の内側面に保護膜を形成する工程と、
その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、
その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、
上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線構造と多層配線構造を有する半導体装置とこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体集積回路装置において、益々高速性、低消費電力化、小型密実化、高集積密度化が求められ、これに応じて、より高精度、より多層化が求められ、配線の低抵抗化、配線相互の寄生容量の低減化が求められる。
【０００３】
配線の低抵抗化を図るために、通常の配線におけるＡｌに代えて、低比抵抗のＣｕ配線とすることがなされる。しかし、Ｃｕは、Ａｌにおけるように、パターンエッチング等の加工性に劣ることから、層間絶縁層に配線溝を形成し、この配線溝内にメッキ、スパッタリング等によってＣｕを埋め込んで埋込み配線によるＣｕ配線の形成がなされる。
【０００４】
そして、配線層における隣接配線間の寄生容量の低減化は、層間絶縁層を、無機絶縁層による第１絶縁層と、有機絶縁層による低誘電率の第２絶縁層との積層によるハイブリッド絶縁層構造とし、低誘電率の第２絶縁層に、上述したＣｕ配線を形成し、このＣｕ配線と下層の他の配線との電気的接続を、第１絶縁層に形成した透孔による配線接続孔、いわゆるヴィアホール内に、上述したＣｕ配線と同時にＣｕの接続導電層を充填するデュアルダマシン構造によってなされる。
【０００５】
図１４は、ハイブリッドデュアルダマシン構造による多層配線構造の要部の概略断面図を示す。図１４においては、第１層絶縁層１０１に形成された第１配線溝１０２内に、Ｃｕの絶縁層中への拡散を阻止する例えばＴａ膜より成るバリアメタル層１０３を介して、Ｃｕを埋め込んでＣｕ配線による第１埋込み配線１０４が形成される。
そして、この上に、多層配線構造のエッチングのストッパとしての機能と上述したバリアメタル層としての機能を有するキャップ層１０５が形成され、この上に無機絶縁層による下層絶縁層１０６と、その上に、低誘電率(いわゆるLow-k)の有機絶縁層による上層絶縁層１０７の積層によるいわゆるハイブリッド構造による第２絶縁層１０８が形成される。上層絶縁層１０７には、上層配線層のパターンに応じたパターンを有する第２配線溝１０９が貫通形成され、下層絶縁層１０６に、配線接続孔１１０が貫通形成される。
そして、これら第２配線溝１０９と配線接続孔１１０の内壁面に、例えばＴａ膜より成るバリアメタル層１１１の形成、Ｃｕメッキの下地導電層として例えばＣｕのシード膜（図示せず）の形成、その後のＣｕの電気メッキを行って第２配線溝１０９と配線接続孔１１０とにＣｕの埋込みが同時になされて、第２埋込み配線１１２と接続導体１１３との形成が同時になされる。
【０００６】
このようにして、Ｃｕ配線による第２埋め込み配線１１２の所要部が、接続導体１１３を介して同様にＣｕ配線による第１埋込み配線１０４に電気的に接続された多層配線構造（図１４においては第１及び第２の１対の配線１０４及び１１２との２層のみが示されている）が形成される。  
【０００７】
そして、デュアルダマシン構造の多層配線構造の製造方法は、多く提案されているところである(例えば特許文献１参照)。
しかし、いずれの方法による場合も、信頼性に問題が生じている。
【０００８】
すなわち、図１４の構成において、その第２配線溝１０９及び配線接続孔１１０の形成は、例えば図１５Ａに示すように、第１埋込み配線１０４が形成された第１絶縁層１０１上に、上述したキャップ層１０５と、下層絶縁層１０６と、上層絶縁層１０７を成膜して後、上層絶縁層１０７上に、例えばＳｉＯ２によるエッチングマスク層１１４を形成し、これにフォトリソグラフィ技術を適用したエッチングによって、図１４で説明した第２配線溝１０９のパターンに対応するパターンの開口１１４Ｗを形成し、この上にフォトレジスト層１１５を塗布して、フォトリソグラフィにより、図１３で説明した配線接続孔１１０のパターンに対応するパターンの開口１１５Ｗを形成する。
【０００９】
そして、まず、開口１１５Ｗを通じて第２絶縁層１０８を構成する上層絶縁層１０７、下層絶縁層１０６、キャップ層１０５をエッチングして、下層絶縁層１０６に配線接続孔１１０を形成する。この場合、キャップ層１０５が、いわばエッチングストッパとなって、このエッチングの深さを規定することができる。
【００１０】
その後、図１５Ｂに示すように、図１５Ａのフォトレジスト層１１５を除去し、エッチングマスク層１１４の開口１１４Ｗを通じて上層絶縁層１０７をドライエッチングによる異方性エッチングを行うことによって第２配線溝１０９を形成する。
【００１１】
その後、Ｃｕの埋込み作業がなされる。この埋込み作業は、配線接続孔１１０及び第１配線溝１０９の内周面に対し、図１４で示したバリアメタル層１１１と、Ｃｕのメッキを行うための下地導電層となるＣｕのシード膜（図示せず）とを形成し、その後電気メッキによって配線接続孔１１０及び第２配線溝１０９を充分埋め込むことのできる厚さにＣｕメッキ層を一旦厚く形成し（図示せず）、このメッキ層をその表面からＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨し、第２配線溝１０３の形成部以外の第２絶縁膜１０７上に形成されたＣｕ層を除去して図１４で示したように、配線接続孔１１０及び配線溝１０９内に限定的にＣｕの埋込みを行う。
【００１２】
ところで、上述した配線接続孔１１０及び配線溝１０９に対するＣｕの埋込み作業に先立ってこのＣｕが、良好に第１埋込み配線１０４に、機械的及び電気的に良好にコンタクトすることができるように、配線接続孔１１０の底面すなわち第１埋込み配線の表面に対する清浄化処理、すなわちクリーニングがなされる。
このクリーニングの良否、例えば上述したドライエッチングにおける残渣の排除等の良否が、多層配線構造の電気的及び機械的特性、すなわち信頼性に大きく影響する。
【００１３】
このクリーニング方法は、第１の方法として、フッ酸や有機酸水溶液によるクリーニング法があり、第２の方法として、アルゴンイオンによる物理的スパッタクリーニング、いわゆる逆スパッタによるクリーニング法があり、第３の方法として、高温の水素による酸化物の還元による方法があり、さらには、これらの組み合わせによる方法がある。
【００１４】
しかし、第１の方法におけるフッ酸によるときは、このクリーニングにおいて、ドライエッチングに際して生じたダメージ層を除去することにより、配線幅の変化すなわち設計幅からのずれ、いわゆるＣＤ（Change Dimension）が生じる。また、有機系水溶液を用いるときはエッチング残渣の除去能力に問題がある。
【００１５】
また、第２の逆スパッタによる方法では、いわば物理的に叩くという方法であるために、図１６に示すように、開口側に向かって、配線溝１０８が幅広になる、前述したと同様のＣＤが発生する。
そして、このように配線溝１０８が幅広化されると、隣接する配線間が近接し、寄生容量が高まるとか、ショートの原因となり、信頼性の低下を来たす。
【００１６】
更に、上述した第３の方法の水素による還元法によるときは、レジスト残渣が存在している場合、Ｃｕの還元が不十分となる。
これに対し、水素Ｈラジカルによるクリーニングを行う場合、Ｃｕの還元が良好に行われる。しかしながら、この場合、上述したハイブリッド構造による場合、その有機絶縁層例えばＰＡＥ（ポリアリ−ルエーテル）による上層絶縁層１０７の侵食が生じ、図１７に模式的に示すように、第２配線溝１０９に広がりが生じ、前述したと同様に配線間が近接し、寄生容量が高まるとか、ショートを発生しやすくなるなど信頼性の低下を来たす。
【００１７】
また、上述した例えばＰＡＥによる有機絶縁層が用いられたハイブリッド構造によらないデュアルダマシン構造の積層配線構造においても、例えばその第２絶縁層としてＳｉＣＯＨなどのアルキル含有のＳｉＯ２が用いられる場合、水素ラジカルによるクリーニングにおいて、そのアルキルが引き出され、この絶縁層の電気的、機械的特性の劣化を来たす。
【特許文献１】特開２００１−４４１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、多層配線構造、また、この多層配線構造を有する半導体装置において、上述した、クリーニングすなわち清浄化処理に伴う特性劣化を確実に回避するようにした多層配線構造と多層配線構造を有する半導体装置とこれらの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による多層配線構造は、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、少なくとも上記第２絶縁層には、該第２絶縁層に形成された上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の上記第２埋込み配線と上記第１絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡って接続導体が充填された配線接続孔が形成され、上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が、上記第２絶縁層の上記第２配線溝と上記配線接続孔の内側面を覆って形成されて成り、上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２０】
本発明による多層配線構造は、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、少なくとも上記第２絶縁層は、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層との積層構造を有し、上記第２絶縁層において、上記上層絶縁層に上記第２埋込み配線が形成された第２配線溝が形成され、上記下層絶縁層の上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の第２埋込み配線と上記下層絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡る接続導体が充填された配線接続孔が形成され、上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が少なくとも上記有機絶縁層による上層絶縁層の上記第２配線溝の内側面を覆って形成されて成り、上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置であって、上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、少なくとも上記第２絶縁層には、該第２絶縁層に形成された上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の上記第２埋込み配線と上記第１絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡って接続導体が充填された配線接続孔が形成され、上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が、上記第２絶縁層の上記第２配線溝と上記配線接続孔の内側面を覆って形成されて成り、上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置であって、上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層と、該第１絶縁層上に第２配線溝内に第２埋込み配線が形成された第２絶縁層とを少なくとも有し、少なくとも上記第２絶縁層は、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層との積層構造を有し、上記第２絶縁層において、上記上層絶縁層に上記第２埋込み配線が形成された第２配線溝が形成され、上記下層絶縁層の上記第２配線溝下に、該第２配線溝内の第２埋込み配線と上記下層絶縁層の上記第１埋込み配線とに差し渡る接続導体が充填された配線接続孔が形成され、上記配線接続孔への上記接続導体の形成に先立ってなされる水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理による清浄処理に耐性を有する保護膜が少なくとも上記有機絶縁層による上層絶縁層の上記第２配線溝の内側面を覆って形成されて成り、上記保護膜が、絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２３】
本発明による多層配線構造の製造方法は、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、該第２絶縁層に、上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、該配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、上記第２絶縁層の上記配線接続孔と上記第２配線溝との内側面に保護膜を形成する工程と、その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２４】
本発明による多層配線構造の製造方法は、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層とを順次成膜して第２絶縁層を形成する工程と、該第２絶縁層の少なくとも下層絶縁層の上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、上記第２絶縁層の上記上層絶縁層に限定的に上記配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、少なくとも上記第２絶縁層の上記第２配線溝に臨む上記上層絶縁層の内側面に保護膜を形成する工程と、その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２５】
上述した本発明による多層配線構造の各製造方法にあって、上記絶縁膜による保護膜の形成工程が、上記配線接続孔及び上記第２配線溝の内面に、上記絶縁膜を形成する工程と、反応性イオンエッチングによる異方性エッチングによって上記配線接続孔及び上記第２配線溝の深さ方向と交叉する上記配線接続孔の底面の上記絶縁膜を除去して上記第１埋込み配線を露呈する工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
上述した本発明による多層配線構造の各製造方法にあって、上記バリアメタル層による保護膜の形成工程が、上記配線接続孔及び上記第２配線溝の内面に、スパッタリング及び逆スパッタリングによって上記配線接続孔及び上記第２配線溝の深さ方向と交叉する上記配線接続孔の底面の上記バリアメタル層を除去して上記第１埋込み配線を露呈する工程を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明は、半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、該第２絶縁層に、上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、該配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、上記第２絶縁層の上記配線接続孔と上記第２配線溝との内側面に保護膜を形成する工程と、その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２８】
本発明は、半導体素子が形成された少なくとも半導体層を有する半導体基体上に多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、上記多層配線構造が、第１配線溝内に第１埋込み配線が形成された第１絶縁層上に、無機絶縁層による下層絶縁層と、低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層とを順次成膜して第２絶縁層を形成する工程と、該第２絶縁層の少なくとも下層絶縁層の上記第１埋込み配線の所定部上において配線接続孔を形成する工程と、上記第２絶縁層の上記上層絶縁層に限定的に上記配線接続孔に連通する第２配線溝を形成する工程と、少なくとも上記第２絶縁層の上記第２配線溝に臨む上記上層絶縁層の内側面に保護膜を形成する工程と、その後、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理によって上記配線接続孔の底面における上記第１配線上を清浄化する清浄化工程と、その後、上記配線接続孔内と上記第２配線溝内に、上記第１埋込み配線に連接する接続導体と第２埋込み配線を形成する金属埋込み工程とを有し、上記保護膜が、水素プラズマ処理ないしは水素ラジカル処理に耐性を有する絶縁膜あるいは上記接続導体及び第２埋込み配線に対するバリアメタル層によることを特徴とする。
【００２９】
尚、本発明において、第１及び第２絶縁層、第１及び第２配線溝、第１及び第２埋込み配線の呼称は、多層配線構造において、各層において、積層方向に隣り合う下層側を第１、上層側を第２と呼称するものであって、３層以上の配線において積層方向に隣り合う下層側を第１、上層側を第２と呼称するものである。
【発明の効果】
【００３０】
上述したように、本発明による多層配線構造においては、保護膜の存在により、第２絶縁層が、例えばＳｉＣＯＨなどのアルキル含有のＳｉＯ２によって構成される場合であっても、配線接続孔に接続導体を充填するに先立って配線接続孔の底面に臨む下層の第１の埋込み配線表面を清浄化するための水素ラジカルあるいは水素ブラズマによる清浄化処理に際して第２絶縁層が侵食されたりする不都合が回避される。
【００３１】
したがって、充分に清浄化された第１埋込み配線上に配線接続孔を通じて接続導体を形成することができることから、低抵抗コンタクトを図ることができる。
また、第２絶縁層の内側面が侵食されることが回避されるので、上述したＣＤの発生、すなわち配線幅の変動を回避でき、安定した信頼性にすぐれ目的とする高密度の埋込み配線による高速性にすぐれた多層配線構造を構成することができるものである。
【００３２】
また、本発明による多層配線構造において、少なくとも第２の絶縁層が、埋込み配線が形成される上層絶縁層が、接続導体が充填される配線接続孔が形成される下層絶縁層に比して誘電率が低い有機絶縁層が形成されるハイブリッド構成とされ、例えば前述のＰＡＥによる有機絶縁層を用いた場合においても、上述したように配線溝内に臨む有機絶縁層に保護膜を形成したことから、同様に、内側面が侵食されることが回避されるので、上述したＣＤの発生、すなわち配線幅の変動を回避でき、安定した信頼性にすぐれ目的とする高密度の埋込み配線による高速性にすぐれた多層配線構造を構成することができるものである。
【００３３】
そして、本発明による半導体装置によれば、その多層配線構造部を、上述した本発明構成による多層配線構造としたことから、高速性にすぐれ、信頼性の高い半導体装置を構成することができるものである。
また、本発明による多層配線構造の製造方法、及び多層配線構造を有する半導体装置の製造方法によれば、上述した保護膜の形成によって、接続導体の形成に先立って充分にこの接続導体がコンタクトされるべき第１埋込み配線の表面を水素ラジカル、水素ブラズマによって清浄化することができることから、高い歩留まりをもってすぐれた特性を有する多層配線構造、多層配線構造を有する半導体装置を構成することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、本発明は、この形態例に限定されるものではない。
【００３５】
［多層配線構造とこの多層配線構造を有する半導体装置の実施の形態例］
図１は、本発明によるハイブリッドデュアルダマシン構造の多層配線構造による半導体装置１の一実施形態例の要部の概略断面図で、図２は、その多層配線構造１の更に要部を模式的に示した断面図ある。
多層配線構造１は、ダマシン構造によるものであるが、この実施の形態例においては、図１において、第１埋込み配線１１ｂを、最下層のシングルダマシン構造の配線とし、この上の配線を第２の埋込み配線１２ｂとし、この第２の配線１２ｂを含めてこれより上層の全配線がハイブリッド構造のデュアルダマシン構造とされた場合である。
【００３６】
本発明による半導体装置１は、半導体素子例えば絶縁ゲート形電界効果トランジスタＭＯＳが配列形成された少なくとも半導体層を有す構成の半導体基体２上に、本発明構成による多層配線構造３を有して成る。
図１の例では、半導体基体２上には、半導体素子と接続された所要のパターンを有する通常の金属層より成る配線４が形成され、例えばボロンりんシリケートガラスによる平坦化絶縁層５によって埋め込まれる。そして、配線４の所定部が例えばタングステンプラグによる接続導体６によって、多層配線構造３の後述する下層の第１埋込み配線１１ｂに電気的に接続される。
【００３７】
多層配線構造３は、下層の例えばＳｉＯＣの無機絶縁層よりなる第１絶縁層１１ｉに、配線パターンに応じたパターンを有する第１配線溝１１ｇが彫りこまれ、この第１配線溝１１ｇ内に、電気伝導性が高い例えばＣｕによる第１埋込み配線１１ｂが形成されて成る。
また、その上層の第２絶縁層１２ｉは、比較的誘電率が高い例えばＳｉＯＣによる下層絶縁層１２ｉ１と、低誘電率の有機物絶縁層例えばＰＡＥ（ポリアリ−ルエーテル）による上層絶縁層１２ｉ２との積層構造とされ、上層絶縁層１２ｉ２に、配線パターンに対応するパターンの第２配線溝１２ｇがその全厚さに渡って掘り込まれ、これに同様に例えばＣｕによる第２埋込み配線１２ｂが形成される。
【００３８】
第２絶縁層１２ｉの下層絶縁層１２ｉ１には、第１埋込み配線１１ｂと第２埋込み配線１１ｂとの互いの接続部間に配線接続孔１２ｈが穿設され、これに同様のＣｕによる接続導体１２ｃが充填される。
上述した例えばＷプラグによる接続導体６と第２埋込み配線１２ｂとは、上述した例えばＣｕを同時に埋め込んで一体的に形成することができる。
【００３９】
そして、本発明においては、少なくともこのハイブリッド構造の第２の絶縁層１２ｉの上層絶縁層１２ｉ２を構成する有機絶縁層の内側面を覆って保護膜７を被着形成する。
この保護膜７は、図2に示すように、例えば配線接続孔１１ｃと配線溝１２ｂの内側面に渡って形成することができる。
この保護膜７は、配線接続孔１２ｈへの接続導体６の形成に先立って、配線接続孔１２ｈの底面に臨む下層の埋込み配線１１ｂの清浄化処理における水素ラジカル、水素ブラズマに耐性を有する例えば厚さ２ｎｍ〜３ｎｍのＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＣＯＨによって構成することができる。
次に、上述した本発明による多層配線構造の製造方法の実施の形態例を、図３〜図１０を参照して説明する。各図は、各製造過程における目的とする多層配線構造３の要部の断面図を示す。
【００４０】
［多層配線構造の製造方法の第１の実施の形態例］
先ず、図３に示すように、前述したように、半導体基体２上の平坦化絶縁層５（何れも図示せず）上に、例えばＳｉＯＣによる第１絶縁層１１ｉをＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhance ―Chemical Vapor Deposition）法によって形成する。この第１絶縁層１１ｉに、上述した第１配線溝１１ｇを、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって形成する。
この第１配線溝１１ｇの内面にＳｉＮ，ＳｉＣ等によるバリアメタル層８を例えばスパッタリングによって成膜し、このバリアメタル層８を介して、低抵抗金属の例えばＣｕによる第１埋込み配線１１ｂを形成する。この埋込み配線１１ｂの形成は、配線溝１１ｇの深さより充分厚く例えばＣｕをスパッタリングあるいはメッキ等によって形成し、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polish)によって表面から研磨して配線溝１１ｇ内に、埋込み配線１１ｂの表面と絶縁層１１ｉの表面と一平面に平坦化する。
【００４１】
この平坦化面上に第２埋込み配線１２ｂの拡散を抑制するバリアメタル層及び後述するエッチング等のストッパとなるキャップ層９を例えばＳｉＮ，ＳｉＣ等をＰＥ−ＣＶＤ法によって全面的に被着形成する。
続いて、このキャップ層９上に全面的に第２絶縁層１２ｉを形成する。この第２絶縁層１２ｉは、例えば下層絶縁層１２ｉ１としてＳｉＯＣをＰＥ−ＣＶＤ等によって成膜し、続いて、この上に低誘電率の有機絶縁層による上層絶縁層１２ｉ２として例えばＰＥＡを成膜する。
【００４２】
これら上層絶縁層１２ｉ２及び１２ｉ１に、上述した第２配線溝１２ｇと、これに連通する配線接続孔１２ｈを形成する。
これら第２配線溝１２ｇ及び配線接続孔１２ｈの形成は、例えば周知のトリプルハードマスク法によって形成することによって高い精度に形成することができる。
この場合は、図３に示すように、上層絶縁層１２ｉ２上に、例えばＳｉＯ２による後述するエッチングのマスク層となる絶縁層２１と、例えばＳｉＮによる中間マスク層２２と、例えばＳｉＯ２による上層マスク層２３を順次スパッタリング等によって成膜する。
【００４３】
そして、図示しないがフォトレジスト層を用いたフォトリソグラフィによって最終的に形成する第２配線溝１２ｇのパターンに対応する開口を有する、エッチングマスクを形成し、このフォトレジストの開口を通じて例えばＳｉＯ２による上層マスク層２３開口２３Ｗを形成する。
次に、開口２３Ｗを一旦閉塞するようにフォトレジスト２４を塗布し、フォトリソグラフィによって開口２３Ｗ内の一部の最終的に形成する前述した配線接続孔１２ｈの開口に対応する開口２４Ｗ形成する。そして、この開口２４Ｗを通じて、順次、ＳｉＮ中間マスク層２２及びＳｉＯ２絶縁層２１に対するエッチング行なって開口を形成する。
【００４４】
そして、図４に示すように、この開口を通じて選択性が高いＲＩＥによって例えばＰＡＥによる第２絶縁層１２ｉの上層絶縁層１２ｉ２をエッチングし、凹部２５を形成する。
【００４５】
図５に示すように、ＳｉＯ２による上層マスク層２３をマスクとして、その開口２３Ｗを通じて、エッチング選択比を有するＲＩＥによってエッチングし、中間マスク層２２に開口２２Ｗを形成する。このとき下層絶縁層１２ｉ１が一部エッチングされる。
【００４６】
次に、図６に示すように、中間マスク層２２をマスクとしてその開口２２Ｗを通じて例えばＳｉＯ２による絶縁層２１を、これに対しエッチング選択性を有するＲＩＥによってエッチングして開口２１Ｗを形成する。このとき、第２絶縁層１２ｉの下層のＳｉＯ２による上層マスク層２３がエッチング除去される。
【００４７】
次に、図７に示すように、第２絶縁層１２ｉの例えばＰＡＥによる上層絶縁層１２ｉ２を、キャップ層９をエッチングストッパとする深さまでＲＩＥエッチングする。
このようにして、第２配線溝１２ｇとこれに連通する配線接続孔１２ｈが形成される。
【００４８】
次に、図８に示すように、これら配線接続孔１２ｈと第２配線溝１２ｇの内面にＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＣＯＨ等の絶縁膜を例えばＰＥ−ＣＶＤによって２ｎｍ〜３ｎｍ程度の厚さに被着形成して保護膜７を形成する。
例えばＳｉＯ２のＰＥ−ＣＶＤは、例えばシランとヘリウムガスの混合ガスを用いて、酸化作用を有するラジカル、イオン、原子、分子等の反応種が支配的に存在するプラズマ環境下で成膜する。
【００４９】
その後、図９に示すように、ＲＩＥによって配線接続孔１２ｈの底面の絶縁膜による保護膜７及びキャップ層９を除去し、第１埋込み配線１１ｂの表面を露呈させる。このとき、第２配線溝１２ｇの底面の保護膜７も同時に除去される。
次に、ＲＩＥにおけるエッチング残渣や、第１埋込み配線１１ｂ表面酸化物や異物等の排除を例えば有機系洗浄剤によって洗浄する。
【００５０】
その後、水素ラジカル処理ないしは水素プラズマ処理による清浄化処理を行って、配線接続孔１２ｈの底面の第１埋込み配線１１ｂ、例えばＣｕの表面の酸化物の還元、レジスト残渣等の分解除去を行う。
この清浄化処理の水素ラジカル処理ないしは水素プラズマ処理は、例えば３００℃に過熱したタングステンワイヤに水素を吹き付けることによって水素ラジカルを発生させ、これによる清浄化処理方法によることができる。
この清浄化処理に際して、保護膜７すなわち絶縁膜ライナーの存在によって低誘電率の例えばＰＡＥによる第２絶縁層１２の上層絶縁層１２ｉ２のダメージ層の保護がなされる。そして、接続孔の貫通後におけるＤＨＦ（バッファ−ド  フッ酸）処理が可能になるものである。
【００５１】
次に、図１０に示すように、例えばＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＷＮ等によるバリアメタル層１８をスパッタリング等によって形成する。
次に、電気メッキの通電層となり、良好なメッキ成膜を行うことができる下地層となる例えばＣｕのシード層１９を、スパッタリング等によって形成する。
そして、このシード層１９上に、例えばＣｕを全面的に例えば１μｍ程度に厚く電気メッキし、その表面からＣＭＰによって平坦に研磨して、図１１に示すように、配線接続孔１２ｈ及び第２配線溝１２ｇ内にＣｕによる接続胴体１２ｃを充填すると同時に第２埋込み配線１２ｂを形成し、この第２埋込み配線１２ｂの表面と、ＳｉＯ２２１の表面を平坦化する。
このようにして、第１埋込み配線１１ｂと第２埋込み配線１２ｂとが、接続導体１２ｃによって電気的にコンタクトされた２層配線が構成される。
【００５２】
尚、上述した製造方法において、水素ラジカルないしは水素プラズマによる清浄処理は、その次工程の上述しバリアメタル１８及びシード層１９の成膜装置、例えばスパッタリング装置内で行い、その清浄処理の後に、この真空装置内で、外部に取り出すことなく、半導体基体を上述したバリアメタル層１８及びシード層１９の成膜作業行うことができる。
また、上述した保護膜７の形成は、例えば単原子層吸着による成膜のＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)よって形成することができ、この場合、極薄の保護膜７を形成することができ、よりＣＤすなわち埋込み配線１２ｂの幅変動を良好に回避することができる。
【００５３】
上述したように、第２埋込み配線１２ｂの形成と、この第２埋込み配線１２ｂの第１埋込み配線１１ｂとの接続導体１２ｃの形成の後、これを第１埋込み配線とみたてて、順次繰り返すことによって、図１に示した３層以上の多層配線構造１を構成することができるものである。
【００５４】
［多層配線構造の製造方法の第２の実施の形態例］
この実施の形態例においては、その保護膜７をバイメタル層18によって構成した場合である。この場合、図３〜図８までの工程は、前述したと同様の方法を採ることができる。
そして、この場合、上述した絶縁層による保護膜７の形成に代えて、バリアメタルのスパッタ装置内において例えばＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＷＮ等をスパッタリングし、図１２に示すように、バリアメタル層１８を成膜する。
とする。
【００５５】
その後、このスパッタ装置のチャンバー内で、アルゴンの導入と、基体２に対する印加電圧の制御によって第２配線溝１２ｇ及び配線接続孔１２ｈの内側面のバリアメタル層１８を残し、この深さ方向と交叉する面に対する逆スパッタを強め、此処におけるバリアメタル層１８除去することができ、配線接続孔１２ｈの底面の第１埋込み配線１１ｂの表面を露呈させることができる。
その後は、上述した方法におけると同様に、上述した水素ラジカルないしは水素プラズマによる清浄、シード膜１９の形成、第２埋込み配線１２ｂ及び接続導体１２ｃの形成処理等を行う。
【００５６】
上述した各製造方法の実施の形態において、バリアメタル層１８あるいは保護膜７としてのバリアメタル層１８の形成、例えばＴａＮ膜の成膜条件は、例えば
ＤＣ（直流）パワー：６ｋＷ
Ｎ２流量：１２ｓｃｃｍ→０ｓｃｃｍ（成膜中停止）。
プロセスガス：Ａｒを８ｓｃｃｍ→０ｓｃｃｍ（成膜中一時停止）→１２ｓｃｃｍ。
圧力」：０．４Ｐａ
成膜温度：１００℃
基体バイアス：０Ｗから３５０Ｗへ。
【００５７】
また、例えばＴａの成膜条件は、例えば
ＤＣ（直流）パワー：６ｋＷ
プロセスガス：Ａｒを８ｓｃｃｍ→０ｓｃｃｍ（成膜中一時停止）→１２ｓｃｃｍ。
圧力」：０．４Ｐａ
成膜温度：１００℃
基体バイアス：０Ｗ
とする。
【００５８】
上述した本発明製造方法によれば、配線幅の変動ＣＤの改善を図って安定した機械的、化学的特性にすぐれた多層配線構造及び多層配線構造を有する半導体装置を製造することができるものである。
【００５９】
尚上述した実施の形態例においては、ハイブリッド構造の多層配線構造について説明したが、第２絶縁層１２ｉが、単層の絶縁層、特に、冒頭に述べた例えばＳｉＣＯＨなどのアルキル含有のＳｉＯ２が用いられる場合において、水素ラジカルないしは水素プラズマによるクリーニングに先立って、その第２配線溝１２ｇの内側面に前述した本発明製造方法の各実施の形態例に於けると同様の方法によって、保護膜７を形成することにより、そのアルキルが引き出されることによる絶縁層の電気的、機械的特性の劣化を回避することができる。
【００６０】
また、図示した例では、最下層の第１絶縁層１１ｉを単層とし、シングルダマシン構造とした場合であるが、これをデュアルダマシン構造とするとか、ハイブリッド構造とすることもできる。また、第２絶縁層１２ｉとこれより上層の各絶縁層をハイブリッド構造とした場合であるが、これらを単層絶縁層による構成とすることもできるなど、上述した例に限定されることなく、種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による多層配線構造と、この多層配線構造を有する半導体装置の一例の概略断面図である。
【図２】図１の要部の断面図である。
【図３】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図４】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図５】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図６】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図７】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図８】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図９】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図１０】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図１１】本発明製造方法の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図１２】本発明製造方法の他の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図１３】本発明製造方法の他の一例の一工程における要部の概略断面図である。
【図１４】従来の多層配線構造の一部を示す断面図である。
【図１５】Ａ及びＢは、それぞれ従来の多層配線構造の一例の一部製造工程における断面図である。
【図１６】従来の多層配線構造の製造方法における配線接続孔のクリーニング後の断面図である。
【図１７】従来の多層配線構造の製造方法における配線接続孔のクリーニング後の断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・半導体装置、２・・・基体、３・・・多層配線構造、４・・・配線、５・・・平坦化絶縁層、６・・・接続導体、７・・・保護膜、８，１８・・・バリアメタル層、９・・・キャップ層、１１ｉ・・・第１絶縁層、１１ｇ・・・第１配線溝、１１ｂ・・・第１埋込み配線、１２ｈ・・・配線接続孔、１２ｃ・・・接続導体、１２ｉ・・・第２絶縁層、１２ｉ１下層絶縁層、１２ｉ１上層絶縁層、１２ｇ・・・第２配線溝、１２ｂ・・・第２埋込み配線、１９・・・シード膜、２１・・・絶縁層、２２・・・ＳｉＮ層、２３・・・ＳｉＯ２層、２４・・・フォトレジスト、１０１・・・・・・第１絶縁層、１０２・・・第１配線溝、１０３・・・バリアメタル層、１０４・・・第１埋込み配線、１０５・・・キャップ層、１０６・・・下層絶縁層、１０７・・・上層絶縁層、１０８・・・第２絶縁層、１０９・・・第２配線溝、１１０・・・配線接続孔、１１１・・・バリアメタル層、１１２・・・第２埋込み配線、１１３・・・接続導体、１１４・・・エッチングマスク層、１１５・・・フォトレジスト層、１１４Ｗ，１１５Ｗ・・・開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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