(57)【要約】【課題】配線上にＳｉＣＮ膜を有する半導体装置において、ＳｉＣＮ膜から流出する不安定なＮによるレジストポイゾニングの発生を低減する。【解決手段】ＳｉＣＮ膜を有する半導体装置の製造方法において、ＳｉＣＮ膜成膜時に一部に有機基を有する原料ガスとＨｅの流量比を１：４．２以上にする。または原料ガスの流量×原料ガスの有機基との結合数とＨｅの流量比を１：１．４以上にする。その結果、ＳｉＣＮ膜中のＳｉＮＨ基の増加を抑制し、膜ストレス変化とポイゾニング不良の発生を合わせて抑制することが半導体装置を提供する。【選択図】図１
2006073569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にガスを供給することにより、ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記材料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
前記Ｓｉを含むガスと不活性ガスの流量比を、１：４．２以上にすることを特徴とする、膜の形成方法。
【請求項２】
基板上にガスを供給することにより、ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記原料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
前記原料ガスの流量×原料ガスの有機基との結合数、と前記不活性ガスの流量比が、１：１．４以上であることを特徴とする、膜の形成方法。
【請求項３】
複数のステップを用いてガスを基板上に供給することにより、ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記原料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
少なくとも最後のステップにおいて、前記Ｓｉを含むガスと不活性ガスの流量比を、１：４．２以上にすることを特徴とする、膜の形成方法。
【請求項４】
複数のステップを用いてガスを基板上に供給することにより、ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記原料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
少なくとも最後のステップにおいて、前記原料ガスの流量×原料ガスの有機基との結合数、と前記不活性ガスの流量比を１：１．４以上とすることを特徴とする、膜の形成方法。
【請求項５】
前記不活性ガスは、Ｈｅであることを特徴とする、請求項１から４記載の膜の形成方法。
【請求項６】
前記膜は、基板上に形成された銅配線表面上に形成されることを特徴とする、請求項１から４記載の膜の形成方法。
【請求項７】
基板上に第１の配線層を形成する工程と、
前記第１の配線層上にＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程と、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜上に低誘電率膜を堆積する工程と、
前記低誘電率膜内に第２の配線層を形成する前に、前記第１の配線層と第２の配線層を接続するための接続口を形成する工程と、
前記接続口に重なるように前記第２の配線層を形成する工程とを備え、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記材料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
前記Ｓｉを含むガスと不活性ガスの流量比を、１：４．２以上にすることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上に第１の配線層を形成する工程と、
前記第１の配線層上にＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程と、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜上に低誘電率膜を堆積する工程と、
前記低誘電率膜内に第２の配線層を形成する前に、前記第１の配線層と第２の配線層を接続するための接続口を形成する工程と、
前記接続口に重なるように前記第２の配線層を形成する工程とを備え、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜を形成する工程において、
前記ガスは少なくとも原料ガスと不活性ガスから構成され、
前記材料ガスの一つに有機基と部分的に結合したＳｉを含むガスを用い、
前記原料ガスの流量×原料ガスの有機基との結合数、と前記不活性ガスの流量比が、１：１．４以上であることを特徴とする、半導体装置の形成方法。
【請求項９】
前記ＳｉとＣとＮを含む膜は、少なくとも２以上の層から構成され、そのうち少なくとも最上層は前記Ｓｉを含むガスと不活性ガスの流量比を、１：４．２以上にすることにより形成されていることを特徴とする、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ＳｉとＣとＮを含む膜は、少なくとも２以上の層から構成され、そのうち少なくとも最上層は前記原料ガスの流量×原料ガスの有機基との結合数、と前記不活性ガスの流量比が、１：１．４以上とすることにより形成されていることを特徴とする、請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
第１の配線層と、第１の配線層上に形成されたＳｉとＣとＮを含む膜と、前記ＳｉとＣとＮを含む膜上に形成された低誘電率膜と、前記低誘電率膜内に第２の配線層と、前記第１の配線層と第２の配線層を接続する接続部を有し、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜の膜密度が１．８８ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする、半導体装置。
【請求項１２】
第１の配線層と、第１の配線層上に形成されたＳｉとＣとＮを含む膜と、前記ＳｉとＣとＮを含む膜上に形成された低誘電率膜と、前記低誘電率膜内に第２の配線層と、前記第１の配線層と第２の配線層を接続する接続部を有し、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜が２以上の層から構成され、上部層におけるＳｉとＣとＮ膜のＳｉ−ＣＨ3組成比が下部層におけるＳｉとＣとＮ膜のＳｉ−ＣＨ3組成比より小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
第１の配線層と、第１の配線層上に形成されたＳｉとＣとＮを含む膜と、前記ＳｉとＣとＮを含む膜上に形成された低誘電率膜と、前記低誘電率膜内に第２の配線層と、前記第１の配線層と第２の配線層を接続する接続部を有し、
前記ＳｉとＣとＮを含む膜が２以上の層から構成され、上部層におけるＳｉとＣとＮ膜は下部層におけるＳｉとＣとＮ膜の膜密度より大きい膜密度を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記上部層におけるＳｉとＣとＮを含む膜の膜密度が、１．８８ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする、請求項１３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法、特にＳｉＣＮ膜を有する配線形成技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
０．２５μｍ以降の加工寸法を用いる半導体装置においては、配線間隔が狭くなってきたため、配線間に生じる電気寄生容量が増大してきている。この電気寄生容量の増大による電流速度の低下、つまりRC遅延による遅延時間がトランジスタのオンオフに必要な時間に比べ、無視できない値になってきた。そのため、微細化を進める上で、配線間の電気寄生容量の低減が必要とされている。
【０００３】
配線間の電気寄生容量を低減させるためには、同じ層内の配線間、または異なる配線層間の絶縁膜の比誘電率を低減させることが必要である。０．１３μｍデバイスからは配線金属をＡｌからＣｕに変更することにより、配線抵抗値の低減が行われている。ここでＣｕは熱拡散、電界拡散により、絶縁膜中を拡散するという特性を備えているため、配線間リークの発生を防ぐため、バリア膜でＣｕ配線の周りを覆いＣｕの拡散を防ぐ必要がある。Ｃｕ配線の形成方法としては、ダマシンプロセスが一般に用いられており、通常はＣｕ配線の側壁と底面部はＴａＮ及びＴａ等の導電性のバリアメタルが覆い、配線層表面上部は導電性が極めて低いＳｉＮからなる絶縁膜がバリア膜として用いられてきた。
【０００４】
しかしＳｉＮ膜の誘電率は比誘電率７．０と比較的高いため、次世代である０．０９μｍデバイス以降では、配線層表面上部のバリア膜の誘電率を下げる為、ＳｉＮ膜の代わりに、比誘電率４．５〜５．０程度のＳｉＣ膜や、ＳｉＣＮ膜の導入が進行中である。
【０００５】
図６は０．０９μｍデバイス以降の多層配線構造として検討されている従来の半導体装置の製造方法である。
【０００６】
まず図６（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）上に形成された例えば６００ｎｍの膜厚の第１の低誘電率膜１中にＴａＮからなるバリアメタル２、Ｃｕからなる深さが例えば３００ｎｍのトレンチ配線３が形成されている。このトレンチ配線３の上面には、第２の低誘電率膜５中にトレンチ配線３のＣｕが拡散するのを防ぐため、約５０ｎｍ膜厚の第１のＳｉＣＮ膜４が形成されている。第１のＳｉＣＮ膜４上には、上層配線とビアホールが形成される、例えば６００ｎｍ膜厚の第２の低誘電率膜５が形成されている。ここで、第１の低誘電率膜１と第２の低誘電率膜５には例えばＣ含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）が用いられる。さらに、この第２の低誘電率膜５中にビアホールパターンを形成する際には、フォトリソグラフィ時に下地となる配線からの反射光によるパターン形成不良を防ぐために、有機系材料からなる反射防止膜６が塗布される。その後、フォトレジスト７をマスクとして第２の低誘電率膜５中にビアホールパターンを形成する。
【０００７】
続いて、図６（ｂ）に示すように、例えば、ＣＦ4、Ａｒ、Ｎ2を含む混合ガスにより形成されるプラズマを用いて、第２の低誘電率膜５に対し、第１のＳｉＣＮ膜４上までドライエッチングを行い、ビアホール８を開口する。第１のＳｉＣＮ膜４でドライエッチングを止めるのは、その後で行われるレジスト除去のためのアッシングやポリマー除去洗浄においてＣｕ膜表面にダメージが入るのを防ぐためである。このとき、アッシングガスには低圧のＯ2からなるプラズマやアンモニアからなるプラズマが用いられる。また、ポリマーを除去する工程においては、一般にアミンを含んだ溶液が用いられている。このようなプロセスは、有機基を有する低誘電率膜５、ＳｉＣＮ膜４中に含まれる、Ｓｉと結合している有機基（例えばＣＨ3等）にできるだけダメージを与えないように設計されている。しかし、例えばＳｉＣＮ膜中に空気中のＮ2やＨ2Ｏが取り込まれ、膜のストレスが変化する。又は上層の第２の低誘電率膜をドライエッチングする際にＳｉＣＮ膜中に添加された窒素成分（Ｎ）や、ドライエッチング後のＳｉＣＮ膜露出面をＮＨ3アッシングする際の窒素成分（Ｎ）、同じくドライエッチング後のＳｉＣＮ膜露出面をアミンベースのポリマー除去液により洗浄する際に除去液に含まれる窒素成分（Ｎ）が、ＳｉＣＮ膜内に吸蔵される可能性がある。
【０００８】
ここで、図７は従来のＳｉＣＮ膜のストレスの経時変化を示している。Ｓｉ基板上に例えば２００ｎｍの膜厚からなるＳｉＣＮ膜を堆積し、クリーンルーム中に放置しただけで、ストレス値が変化していることがわかる。この現象は、後藤ら（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＩＴＣ，２００３，ｐ．６）等によりすでに報告されている。このように膜のストレスが安定しない膜では、Ｃｕ配線にかかるストレスが変化しやすく、信頼性試験でストレスマイグレーション不良が発生したり、ウェハープロセス中に膜剥がれが発生したりする可能性がある。
【０００９】
また、ＳｉＣＮ膜中の窒素成分（Ｎ）については以下のような問題がある。
【００１０】
ＳｉＣＮ膜は、以前用いていたＳｉＣ膜のリーク電流を減らすために、膜形成時の原料ガスの構成ガスの一つとして通常ＮＨ3等を用い、Ｎを添加している。そのためＳｉＣＮ膜４中に窒素成分（Ｎ）が含まれる。この際にＳｉＣＮ膜４の中に不安定なＮが含まれた場合、図６（ｃ）のように第２層配線のパターン形成する際において、第２の有機反射防止膜１０上に形成された第２のフォトレジスト１１を解像すると、ビアホールの上部でポイゾニング１２と呼ばれるレジスト解像残りという不良が発生することが知られている（Ｍ．Ｆａｙｏｌｌｅ ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００１，ｐ．５０９）。これは、露光工程において、ＳｉＣＮ膜中に含まれる、結合の強くない不安定な窒素成分（Ｎ）が、塩基となり（図ではＮ−Ｈで示した。アミンが発生するとも言われている）がビアホールを通じてフォトレジストに入り、レジスト内の露光による発生した酸を中和してしまい、レジストパターンを形成する際の化学増幅作用を弱めるためと考えられている。
【００１１】
以上のようなポイゾニング１２が発生すると、次工程の配線溝エッチング工程（図６（ｄ））でビアホールの周りの絶縁膜（第２の低誘電率膜５）を所望の形状にエッチングすることが出来ず、配線溝１３とビアホール８の間に絶縁膜が残ることになる（図６（ｅ））。あるいは、レジストパターンが所望の値より細く解像され、配線の幅が細くなる場合もある。
【００１２】
その後、マスクを形成せずに全面エッチバックを行い、ビアホール底の約５０ｎｍの膜厚のＳｉＣＮ膜４をエッチングし、トレンチ配線３の表面を露出させる（図６（ｆ））。
【００１３】
次に、スパッタ法とメッキ法を組み合わせることにより、ビアホール８と配線溝１３内に第２のバリアメタル（ＴａＮ）１４と第２の配線（Ｃｕ）１５を埋め込む（図６（ｇ））。
【００１４】
その後、Ｃｕ−ＣＭＰ、ＴａＮ−ＣＭＰを行い、配線溝１３とビアホール８以外の第２の配線（Ｃｕ）１５と第２のバリアメタル（ＴａＮ）１４を除去する。その後、第２のＳｉＣＮ膜１７を第２の配線１５上面に約５０ｎｍ堆積する（図６（ｈ））。
【００１５】
以上のような製造工程（図６（ａ）〜（ｈ））を繰り返し、配線材料の一部にＳｉＣＮ膜を有するＣｕ多層配線からなる半導体装置を形成していた。
【特許文献１】特開２００４−７９７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ビアホールを配線溝よりも先に形成する、従来方法で形成したＳｉＣＮ膜を有するＣｕ多層配線からなる半導体装置においては、［従来の技術］で説明したように図６（ｃ）に示す工程で、ＳｉＣＮ膜中に残留した不安定な窒素成分（Ｎ）が放出され、レジスト現像不良であるポイゾニング１２が発生する場合がある。この場合、図６（ｈ）に示すように、ビアホール周辺に配線溝中の絶縁膜残り１８が発生し、ビアホール８と配線溝１３の電気的接続がとれないという問題がある。加えて、レジストパターンが所望の値より細く解像され、配線の幅が細り、断線する等の課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明では、ＳｉＣＮ膜成膜時において、シラン構造の一部に有機基を有する原料ガスと、不活性ガスであるＨｅの流量比を１：４．２以上にする、または原料ガスの流量と原料ガスの有機基の結合数と、不活性ガスであるＨｅの流量比を１：１．４以上にすることを特徴とする。これにより、ＳｉＣＮ膜中のＳｉ−ＣＨ3、Ｓｉ−Ｈ結合のうち空気中成分と結合しやすいＳｉの結合手をなくし、ストレスの経時変化を抑制する。この膜は配線形成プロセス中におけるＮ，Ｈの取り込みによるＳｉ−ＮＨ基の増加をさせにくいため、ＳｉＣＮ膜からアミンが放出されにくくなり、ポイゾニング不良も抑制できる。
【００１８】
また、ＳｉＣＮ膜形成ステップを２段階とし、後半のステップにおいてＳｉＣＮ膜成膜時のシラン構造の一部に有機基を有する原料ガスとＨｅの流量比を、１：４．２以上にする、または原料ガスの流量と原料ガスの有機基の結合数、Ｈｅの流量比を１：１．４以上にすることにより、上層に形成されるやや高い比誘電率とストレスを、下層に形成される低い比誘電率及び膜ストレスをもつ構造によって補う２層構造とすることにより、ＳｉＣＮ膜の全体として膜厚の均一性、比誘電率、ストレスを低い値に抑えようというものである。この場合、上部ＳｉＣＮ膜のＳｉ−ＣＨ3組成比が下部ＳｉＣＮ膜のそれより小さいことが半導体装置としての特徴となる。
【００１９】
その結果本発明は、上記ポイゾニングの発生を抑制し、パターン不良を低減した、ＳｉＣＮ膜を有する半導体装置とその製造方法を提供する。また、本発明ではＳｉＣＮ膜のストレス経時変化の低減、Ｃｕ配線のストレスマイグレーション抑制、さらに配線形成プロセス中での配線層剥がれの問題を低減することが出来る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の製造方法によりＳｉＣＮ膜は、ＳｉＣＮ膜成膜時のシラン構造の一部に有機基を有する原料ガスとＨｅの流量比を１：４．２以上にする、または原料ガスの流量と原料ガスの有機基との結合数、Ｈｅの流量比を１：１．４以上にすることにより、Ｈｅプラズマの割合を高め、膜中に空気中の成分と反応しやすいＳｉ結合手を低減することにより、膜ストレスの経時変化を抑制し、合わせてポイゾニング不良を抑制することが出来る。
【００２１】
また、ＳｉＣＮ膜を２層化し、Ｈｅ流量を上げたときの膜厚均一性低下分を下層の性質で吸収することにより、アンテナダメージの発生を回避する。具体的には、本実施形態で示す例えば下層４０ｎｍ／上層１０ｎｍという膜厚比からなるＳｉＣＮ膜では膜厚均一性も１．８７％となり、１種類の方法で形成したＳｉＣＮ膜の均一性（例えば３．０５％）より向上する。ストレスについても、上層ＳｉＣＮ膜２２がＮ2，Ｈ2Ｏ等と反応しないため、下層ＳｉＣＮ膜２１は成膜当初の低いストレス−２４０ＭＰａ、低い誘電率４．６を経時変化なく維持できるので、上層ＳｉＣＮ膜２２のストレス−２９０ＭＰａ、比誘電率５．０との合成で、この２層ＳｉＣＮ膜のストレスは−２５０ＭＰａ、比誘電率は４．７と第１の実施形態よりも低くできる。すなわち本実施形態では、アンテナダメージが少なく、ポイゾニング、ストレスの経時変化もなく、かつ第１の実施形態より膜厚均一性がよく、ストレスの絶対値及び比誘電率の小さい半導体装置とその製造方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置とその製造方法とについて、図１を参照しながら説明する。
【００２３】
まず図１（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）に形成された例えば６００ｎｍ膜厚のＳｉＯＣ膜１（Ｃ含有シリコン酸化膜）中にＴａＮからなるバリアメタル２、深さ３００ｎｍのＣｕからなるトレンチ配線３が形成されている。本実施形態では、低誘電率膜として、比誘電率２．７程度のＳｉＯＣ膜を用いる。この配線の上部は、第２のＳｉＯＣ膜５中にＣｕが拡散するのを防ぐため、例えば５０ｎｍ膜厚のＳｉＣＮ膜からなるキャップ層１９でカバーされる。このキャップ膜１９を成膜する際に、例えば平行平板型のＣＶＤ装置を用い、温度３３０℃、圧力３．０Ｔｏｒｒ、上部電極に１３．５６ＭＨｚにて電力を印加し、ウェハを下部電極側に設置する。ガスとしては３ＭＳ（ＴＭＳともいう。トリメチルシランＳｉ（ＣＨ3）3Ｈの略）／ＮＨ3／Ｈｅを流すが、本発明者は、３ＭＳ／ＮＨ3を１７５／３３０ｓｃｃｍに固定し、Ｈｅ流量を４７０ｓｃｃｍから増やしていき、膜ストレスの経時変化が安定する点を見出した。
【００２４】
ここで、図２（ａ）にＳｉＣＮ膜２００ｎｍをＳｉ基板上に成膜し、クリーンルーム雰囲気中で放置したときのストレスの経時変化を示している。図２（ａ）は、横軸に時間（日数）、縦軸に膜ストレス（ＭＰａ）を示し、Ｈｅ流量７４０ｓｃｃｍでストレスが−２９０ＭＰａで安定することがわかる。ストレス値自体はＨｅ：４７０ｓｃｃｍでは当初−２４０ＭＰａと低いが、図２（ａ）に示すように７日後には−３００ＭＰａを超え、結果的にはＨｅ流量７４０ｓｃｃｍの膜ストレス−２９０ＭＰａよりも大きくなる。このストレスの経時変化は空気中の成分を吸収したためと考えられ、このような不安定な膜を半導体プロセス中で用いることは、配線にかかるストレスが大きくなるため、適切ではない。特に、Ｃｕ配線のストレスマイグレーション、エレクトロマイグレーション特性が低下するという問題が考えられる。また、吸収された成分が後工程で放出され悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２５】
また、比誘電率についても同じことが考えられ、図２（ｂ）に示すように、Ｈｅ流量７４０ｓｃｃｍで比誘電率は５程度で安定するが、従来条件によると、Ｈｅ：４７０ｓｃｃｍで４．６と当初は低いが経時変化して最後は比誘電率５程度になる。この原因も従来の条件で成膜したＳｉＣＮ膜では、空気中の水分やＮを吸収したため比誘電率が増加したと考えられる。
【００２６】
実際、従来条件Ｈｅ：４７０ｓｃｃｍで成膜したＳｉＣＮ膜を図６に示した従来方法による多層配線に適用した際に、図６（ｄ）にあたる工程で０．１４μｍ径ビアホールチェーンの配線の溝パターンを解析した結果を図３に示す。
【００２７】
図３（ａ）より、従来方法によりパターニングされた縞状の配線溝パターンは、一部分が細い形状で形成されるため断線の恐れがあることがわかる。これは、図７を用いて説明した従来方法の課題であるレジストポイゾニング不良が発生したものと考えられる。
【００２８】
一方本発明の方法である、Ｈｅ流量７４０ｓｃｃｍ以上の条件を用いてＳｉＣＮ膜を形成した場合、図３（ｂ）に示すように、ポイゾニング不良の発生を効果的に抑制出来ることがわかる。なお、Ｈｅ流量７４０ｓｃｃｍは本実施形態における具体的条件に合わせると、Ｈｅ／３ＭＳの流量比で４．２にあたり、３ＭＳはトリメチルシランＳｉ（ＣＨ3）3Ｈである。ここで、トリメチルシランは３個のＳｉ−ＣＨ3基を持つので、ＳｉＣＮ膜形成時において原料ガスのＳｉ−ＣＨ3基の数に対して流量比で４．２／３＝１．４以上のＨｅガスを供給すれば、例えば図３（ｂ）に示すような安定な膜を得ることが出来る。
【００２９】
また、図３（ａ）で示したようなポイゾニング不良の原因を調べるため、ＳｉＣＮ膜中のＳｉ−Ｃ基に対するＳｉ−ＮＨ基の量を調べたところ、成膜条件Ｈｅ：４７０ｓｃｃｍの膜ではＳｉ−Ｃ基に対するＳｉ−ＮＨ基の比率が７．５日放置後で０．８４→１．１９と増加していたが、成膜条件Ｈｅ:７４０ｓｃｃｍの膜では、Ｓｉ−Ｃ基に対するＳｉ−ＮＨ基の比率が０．７４→０．７３と増加していないことがわかった。この現象はＨｅプラズマによりＳｉＣＮ膜中のＳｉ結合手の内、空気中Ｎ2，Ｈ2Ｏ成分と結合しやすいＳｉの結合手を低減することが出来たためではないかと考えられる。
【００３０】
【表１】
2006073569.tif 000003
【００３１】
実際、表１は、従来方法または本発明の方法により形成されたＳｉＣＮ膜のＦＴ−ＩＲ分析結果を示すものであり、具体的にはＳｉ−Ｃ結合に対して今日にあげた結合がどのような比率で存在するか、を示している。
【００３２】
本発明の場合ではＳｉ−Ｃ結合に対するＳｉ−ＣＨ3、Ｓｉ−Ｈ基の比率が、従来の方法による場合に比べ減少している。Ｓｉ−ＣＨ3，Ｓｉ−Ｈ基のいずれか、特に差が大きいＳｉ−ＣＨ3の方がストレスの経時変化抑制に効いているのではないかと考えられる。つまりＳｉ−ＣＨ3の中に、空気中のＮ2やＨ2Ｏを取り込んでＳｉ−ＮＨ結合となるような弱い基はある程度存在するが、これがＨｅ流量を大きくした条件下ではＨｅプラズマによる膜の改質が進み、このような不安定なＳｉの結合手が本来のＳｉ−Ｃ−Ｓｉネットワーク等に変換されたのではないかと考えられる。
【００３３】
また、表２は、本発明の方法により形成されたＳｉＣＮ膜の元素の組成分析結果を示している。表２より、Ｓｉに対するＣの組成比が従来方法によって形成された膜の０．７８５から０．７７０に低下していることがわかる。更に、Ｎの含有量も０．５６３から０．５５０に減少している。これは従来方法により形成した膜では不安定なＳｉ−ＣＨ3基の一部が既にＮＨと結合してしまったためと考えられる。いずれの場合においても、Ｈｅの流量をシランベースの有機原料ガスに対して一定の比率以上にすると、ＳｉＣＮ膜中の空気中成分と容易に結合できるような結合手が減少し、膜を安定化することが出来る。
【００３４】
その他、ＮＨ3の流量を減らすことにより膜ストレスを低減させることも考えられるが、単にＮＨ3の流量を減らすとＳｉＣ膜に近づくため膜のリーク電流が大きくなるという問題も考えられる。例えば、ＮＨ3の流量を３００，２７０ｓｃｃｍと減少させ膜を形成すると、ストレス経時変化の抑制効果が低減した。つまり、単に反応性自由度の高いＮの量を低減させるどのような手段を用いても所望の膜が形成されるのではなく、Ｈｅ流量と反応性ガスの状態を制御することにより、安定した膜が得られると共にデバイス全体として有用な膜を構成することが出来る。
【００３５】
以上より、ＳｉＣＮ膜１９の成膜条件は、例えば温度３３０℃、圧力３．０Ｔｏｒｒ、上部電極に電力０．５３Ｗ／ｃｍ2を印加、半導体装置は下部電極側に設置され、３ＭＳ:Ｈｅ流量比＝１:４．２になるように３ＭＳ／ＮＨ3／Ｈｅを１７５／３３０／７４０ｓｃｃｍの条件を選び、膜を５０ｎｍ成膜する。その後、上層配線とビアホールを形成するためにＳｉＯＣ膜からなる、６００ｎｍ厚の第２の低誘電率膜５が形成される。この第２の低誘電率膜５中にビアホールパターンを形成する際には、フォトリソグラフィ時の下地配線からの反射光によるパターン形成不良を防ぐために、有機反射防止膜６が例えば１００ｎｍ塗布される。続いてビアホールパターンを、厚さ６００ｎｍのフォトレジスト７で形成する。
【００３６】
次に図１（ｂ）に示すように、例えば、ＣＦ4＋Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2のような混合ガスのプラズマで第２の低誘電率膜５のドライエッチングをＳｉＣＮ膜１９の表面上まで行い、ビアホール８を開口する。このとき、ＳｉＣＮ膜１９の表面がフォトレジストを完全に除去するため、１００ｍＴ程度の低圧のＯ2プラズマアッシングにさらされる。その際に、ドライエッチングでプラズマの暴露によりダメージの入ったＳｉＣＮ膜１９が空気にさらされることになる。しかしこの場合においても、本発明のＳｉＣＮ膜１９は安定であり、ＳｉＣＮ膜中にＮ等と結合できる結合手の割合が低いため、空気中からのＮ2，Ｈ2Ｏ等の取り込みが抑制される。
【００３７】
次に、図１（ｃ）に示すように、第２の有機反射防止膜１０を１００ｎｍ厚で塗布し、第２層配線のパターン形成を行うために、第２のフォトレジスト１１を６００ｎｍ厚で塗布し、ＡｒＦ露光機を用いて露光する。この時、従来方法の場合では第１のＳｉＣＮ膜１９中に混入していたＮがビアホール部から放出され、ビアパターン上部でポイゾニングを発生させる。しかし本発明では、大気に放置してもそこからＮ、Ｈの成分を取り込みにくい安定なＳｉＣＮ膜を用いている為、Ｎの拡散が抑制され、ポイゾニングの発生が大きく低減される。以上のような理由から、図１（ｃ）で示すように、本実施形態ではポイゾニング発生を抑制できる。
【００３８】
次に、図１（ｄ）〜（ｆ）は図６で示したのと同じ工程であるが、ポイゾニング不良が抑制される為、正常に第２のバリアメタル１４、第２のＣｕ１５からなる上層配線とビアホール層が形成される（図１（ｇ））。その後、ＳｉＣＮ膜１９の形成方法と同様の条件を用いて、上層配線表面上にＳｉＣＮ膜２０を形成する（図１（ｈ））。
【００３９】
以上のような製造工程（図１（ａ）〜（ｈ））を繰り返し、ポイゾニング不良による配線パターン歩留まり低下の小さい、ＳｉＣＮ膜を有する半導体装置の製造方法が得られる。このＳｉＣＮ膜はストレスの経時変化が小さいため、ＳｉＣＮ露出状態で長期クリーンルーム内において保管した場合においても半導体装置がポイゾニング不良で損なわれる、又は応力が増加して膜剥がれを起こす、又はＣｕ配線に対して高いストレスがかかり配線のストレス、エレクトロマイグレーション耐性が劣化するという問題が大幅に低減される。さらに、本発明では原料ガスに３ＭＳを用いたが、テトラメチルシラン（４ＭＳ：Ｓｉ（ＣＨ3）4）を用いてもよい。このときはＳｉに対するＣＨ3結合手は４つなので、例えば１７５ｓｃｃｍの４ＭＳに対しては１７５×４×１．４＝９８０ｓｃｃｍ以上のＨｅ流量とすればよい。
【００４０】
また本実施形態では、ＳｉＣＮ膜をＣｕ配線上に成膜する場合に必要なＣｕ表面のアンモニアプラズマ還元処理について特に記さなかったが、このような前処理を行ってから本発明のＳｉＣＮ膜の堆積方法を用いてもよい。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置とその製造方法とについて、図５を参照しながら説明する。
【００４２】
まず図５（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）に形成された６００ｎｍ厚の第１の低誘電率膜１中にＴａＮバリアメタル２、Ｃｕ３からなる深さ３００ｎｍのトレンチ配線が形成されている。本実施形態でも、第１の低誘電率膜１として、比誘電率２．７程度のＳｉＯＣ膜を用いる。この配線の上部を、第２の低誘電率膜５中にＣｕが拡散するのを防ぐため、５０ｎｍ厚のＳｉＣＮ膜を堆積する。この時、本実施形態では、ＳｉＣＮ膜の成膜ステップを２Ｓｔｅｐとする。
【００４３】
例えば、温度３３０℃、圧力３．０Ｔｏｒｒ、上部電極に電力０．５３Ｗ／ｃｍ2を印加、半導体装置は下部電極側に配置する。Ｓｔｅｐ１では従来方法の成膜条件３ＭＳ／ＮＨ3／Ｈｅを１７５／３３０／４７０ｓｃｃｍの条件で４０ｎｍ成膜する。続いてＳｔｅｐ２では、本発明の第１の実施形態で述べた成膜条件、３ＭＳ／ＮＨ3／Ｈｅを１７５／３３０／７４０ｓｃｃｍの条件で１０ｎｍ成膜する。このように２層の膜にすると以下のような利点がある。
【００４４】
Ｈｅ流量を上げた場合、膜厚の均一性が十分得られない。例えば、ウェハのエッジカット部分３ｍｍにおいてエリプソメトリ法により測定したＳｉＣＮ膜はＨｅ:７４０ｓｃｃｍではＲａｎｇｅで３．０５％だが、Ｈｅ:４７０ｓｃｃｍ膜では１．５８％になる。またこの場合６３３ｎｍの波長を膜に照射した際の膜の屈折率は、それぞれ１．８８４と１．８５２であった。このように均一性が十分ではない膜は、所望の膜均一性を得られず、トランジスタに長い配線をつけたパターンにおいて、ゲート酸化膜のリーク電流の増大を起こすアンテナダメージの問題も懸念される。そのため、成膜初期は経時変化を生じやすいが均一性のよい膜を堆積する。その後、続いて最終的に最上層となる膜を形成する工程では、膜が空気中のＮ2，Ｈ2Ｏ等と反応しないよう、膜厚均一性はやや低下するものの、空気中のＮ2，Ｈ2Ｏ等を通しにくい膜を形成することにより、アミン拡散による後工程におけるポイゾニングの発生を抑制することが出来る。
【００４５】
また、本実施形態に示すように、４０／１０ｎｍという膜厚比では膜厚均一性が１．８７％となり、第１の実施形態の３．０５％より向上する。ストレスについても、上層ＳｉＣＮ膜２２がＮ2，Ｈ2Ｏ等と反応しにくいため、下層ＳｉＣＮ膜２１は成膜当初の低いストレス−２４０ＭＰａ、誘電率４．６を経時変化を抑制した状態で維持できる。つまり、上層ＳｉＣＮ膜２２のストレス−２９０ＭＰａ、比誘電率５．０との合成で、この２層ＳｉＣＮ膜のストレスは−２５０ＭＰａ、比誘電率は４．７となるため、本実施形態では、アンテナダメージが少なく、ポイゾニング、ストレスの経時変化を抑制し、かつ単一層を用いる場合と比べると、容易に膜厚均一性を安定させ、ストレスの絶対値及び比誘電率を小さい値に制御することができる。
【００４６】
なお、ＳｉＣＮ膜が２層構造を有し、上部ＳｉＣＮ膜のＳｉ−ＣＨ3組成比が下部ＳｉＣＮ膜のそれより小さいことを特徴とする半導体装置と定義したが、屈折率の違いで２層の膜質の違いを定義することも出来る。
【００４７】
ここで、図４は、成膜時のＨｅ流量と屈折率、もしくは膜の堆積レートの関係をグラフ化したものである。このグラフから、Ｈｅ流量が高くなるほど、膜の屈折率が大きくなり、逆に膜の堆積レートはＨｅ流量が高くなるほど遅くなることがわかる。したがって、図４に示す屈折率の違いからわかるように、上部ＳｉＣＮ膜の例えば６３３ｎｍでの屈折率が下部ＳｉＣＮ膜のそれより大きく１．８８４以上であることを特徴とする半導体装置と定義してもよい。あるいは、堆積レートがＨｅ流量を上げると遅くなることから、Ｈｅ流量を上げると、より膜密度の高い膜を形成できると考えられる。その観点から考察すると、本発明を、上部ＳｉＣＮ膜の密度が下部ＳｉＣＮ膜の密度より大きいことを特徴とする半導体装置と定義してもよい。膜の密度が向上すると、その分膜中に含まれるＮが周りの分子とより強い相互作用を構成するようになり、Ｎ原子が容易に膜内から放出されにくくなるためである。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
具体的には、Ｎの放出を防ぐことが出来る原子構造を形成する上部層の膜密度としては１．８８ｇ／ｃｍ3以上の密度を有していることが好ましく、表２より、上部ＳｉＣＮ膜のＣ、Ｎ組成比が下部ＳｉＣＮ膜のそれより小さいことを特徴とする半導体装置と定義することも可能である。
【００５０】
ＳｉＣＮ膜の成膜後、６００ｎｍ厚の第２の低誘電率膜５が形成される。この第２の低誘電率膜５中にビアホールパターンを形成する際には、フォトリソグラフィ時の下地となる配線層からの反射光によるパターン形成不良を防ぐために、有機反射防止膜６が１００ｎｍ塗布される。次に、ビアホールパターンを厚さ６００ｎｍのフォトレジスト７をマスクとして形成する。
【００５１】
次に図５（ｂ）に示すように、例えば、ＣＦ4＋Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2のような混合ガスからなるプラズマで第２の低誘電率膜５のドライエッチングをＳｉＣＮ膜２２の上まで行い、ビアホール８を開口する。このとき、ＳｉＣＮ膜２２の表面がフォトレジスト除去のための１００ｍＴ程度の低圧のＯ2プラズマアッシングにさらされる。またドライエッチでダメージの入ったＳｉＣＮ膜２２が空気に触れることとなる。この場合でも、本発明のＳｉＣＮ膜２２は安定であり、空気中からのＮ2，Ｈ2Ｏ等を取り込むことがない。
【００５２】
次に、図５（ｃ）に示すように、第２の有機反射防止膜１０を１００ｎｍ厚で塗布し、第２層配線のパターン形成を行うために、第２のフォトレジスト１１を６００ｎｍ厚で塗布し、ＡｒＦ露光機を用いて露光する。この時、従来方法の場合は第１のＳｉＣＮ膜２１中にＮが混入し、ビアホール部からＮが放出されてビアパターン上部でポイゾニングを発生させていたが、本発明では、その上層に安定なＳｉＣＮ膜２２を用いている為、Ｎの拡散が抑制され、ポイゾニングが発生することはない。以上のような理由から、図５（ｃ）で示すように、本実施形態ではポイゾニング発生を抑制できる。
【００５３】
次に、図５（ｄ）〜（ｆ）は図６で示したのと同じ工程であるが、ポイゾニング不良が抑制されるため、正常に第２のバリアメタル１４、第２のＣｕ１５からなる上層配線とビアホール層が形成することが出来る（図５（ｇ））。その後、ＳｉＣＮ膜２１及びＳｉＣＮ膜２２の形成方法と同様の条件を用いて、上層配線表面上にＳｉＣＮ膜２３及びＳｉＣＮ膜２４を形成する（図５（ｈ））。
【００５４】
以上のような製造工程（図５（ａ）〜（ｈ））を繰り返し、ポイゾニング不良による配線パターン歩留まり低下のない、ＳｉＣＮ膜を有する半導体装置とその製造方法が得られる。
【００５５】
このＳｉＣＮ膜はストレスの経時変化が大幅に抑制されているため、ＳｉＣＮ露出状態で長期クリーンルーム内に保管しても半導体装置がポイゾニング不良で損なわれる、応力が増加して膜剥がれが発生する、Ｃｕ配線に対して高いストレスがかかり配線のストレス、エレクトロマイグレーション耐性が劣化する、等の問題が発生しにくい。また、上記の第１の実施形態での利点に加え、アンテナダメージが少なく、ポイゾニング、ストレスの経時変化がさらに抑制され、膜厚均一性の高い、ストレスの絶対値や比誘電率を小さく抑えた半導体装置とその製造方法が提供できる。
【００５６】
なお、本実施形態では原料ガスに３ＭＳを用いたが、テトラメチルシラン（４ＭＳ：Ｓｉ（ＣＨ3）4）を用いてもよい。このときはＳｉに対するＣＨ3結合手は４つなので、例えば１７５ｓｃｃｍの４ＭＳに対しては１７５×４×１．４＝９８０ｓｃｃｍ以上のＨｅ流量とすればよい。また、本実施形態ではＳｉＣＮ膜をＣｕ配線上に成膜する場合に必要なＣｕ表面のアンモニアプラズマ還元処理について特に記さなかったが、このような前処理を行ってから本発明のＳｉＣＮ膜の堆積方法を用いてもよい。また、第２の実施形態において、ＳｉＣＮ層、つまりＳｉ，Ｃ，Ｎを含む層が２層膜から構成される旨を説明したが、少なくとも膜質を優先した膜構造と、Ｎなどの不純物を含みにくい膜を有する膜を形成することを優先した膜を最上層に備えておけば、２以上の複数層から構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上より本発明は、デュアルダマシン構造を有するＣｕ配線の形成方法及び配線構造において、ポイゾニングを抑制し、精度よく配線構造を形成する方法及び構造の提供等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図
【図２】（ａ）本発明のＳｉＣＮ膜のストレス経時変化を示す図、（ｂ）本発明のＳｉＣＮ膜の比誘電率経時変化を示す図
【図３】（ａ）従来方法によるパターン解析図、（ｂ）本発明の方法によるパターン解析図
【図４】本発明のＳｉＣＮ膜の屈折率と堆積レートを示す図
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図
【図６】従来半導体装置の製造方法の工程断面図
【図７】従来のＳｉＣＮ膜のストレス経時変化を示す図
【符号の説明】
【００５９】
１  第１の低誘電率膜
２  TaNバリアメタル
３  Cuトレンチ配線
４  第１のSiCN膜
５  第２の低誘電率膜
６  有機反射防止膜
７  フォトレジスト
８  ビアホール
１０  第２の有機反射防止膜
１１  第２のフォトレジスト
１２  ポイゾニング
１３  配線溝
１４  第２のTaNバリアメタル
１５  第２のCu
１７  第２のSiCN膜
１８  配線溝中絶縁膜残り
１９  第１の3MS:He流量比1:4.2で成膜したSiCN膜
２０  第２の3MS:He流量比1:4.2で成膜したSiCN膜
２１  第１の従来の方法で成膜したSiCN膜
２２  第１の3MS:He流量比1:4.2で成膜したSiCN膜
２３  第２の従来の方法で成膜したSiCN膜
２４  第２の3MS:He流量比1:4.2で成膜したSiCN膜
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図５】
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