(57)【要約】【課題】低低誘電率膜に覆われた金属配線を有する半導体装置において、金属配線からの拡散を防止する金属拡散防止膜と低誘電率膜との界面における密着性を向上させ、低誘電率膜と金属拡散防止膜とが剥離しにくい信頼性が高い半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】基板の上に第１の絶縁膜２１と、第２の絶縁膜２３Ａと、第３の絶縁膜２３Ｂと、ＳｉＯＣからなる第４の絶縁膜２４と、第５の絶縁膜２５が順次形成されている。第２の絶縁膜２３Ａは、Ｏと比べてＮの原子百分率の値が高いＳｉＯＣＮ膜であり、第３の絶縁膜２３ＢはＮと比べてＯの原子百分率の値が高いＳｉＯＣＮ膜である。第３の絶縁膜２３Ｂの上面には、第３の絶縁膜２３Ｂの底面と比べてＳｉに対するＯの組成比が５％以上高い表面層２３ａが形成されている【選択図】  図１
2006216809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１の溝部を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に形成された比誘電率が３以下の第３の絶縁膜と、
前記第１の溝部に形成された第１の配線とを備えた半導体装置であって、
前記第２の絶縁膜はシリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなり、且つ、前記第２の絶縁膜の上面におけるシリコンに対する酸素の組成比は、前記第２の絶縁膜の底面におけるシリコンに対する酸素の組成比と比べて５％以上高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間に形成された、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第４の絶縁膜をさらに備え、
前記第２の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて高い化合物からなり、
前記第４の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて低い化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第３の絶縁膜は、炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第３の絶縁膜に設けられた第２の溝部に充填された導電性材料からなる第２の配線をさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
少なくとも前記第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を貫通して形成され且つ前記第１の配線と前記第２の配線とを電気的に接続するプラグをさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第３の絶縁膜の上に、第３の絶縁膜を保護する第５の絶縁膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板の上に第１の絶縁膜を形成した後、該第１の絶縁膜に第１の溝部を形成し、該第１の溝部に導電性材料を充填することにより第１の配線を形成する工程（ａ）と、
前記第１の絶縁膜の上に前記下層配線を覆う、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記第２の絶縁膜の上面に、該第２の絶縁膜の底面と比べて、シリコンに対する酸素の組成比が５％以上高い表面層を形成する工程（ｃ）と、
前記第２の絶縁膜の上に比誘電率が３以下の第３の絶縁膜を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第３の絶縁膜は、炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｃ）は、前記第２の絶縁膜の上面をヘリウムの単体ガス又はヘリウムを含む混合ガスのプラズマに曝す工程であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記プラズマは、酸素及び二酸化炭素の少なくとも一方を含む混合ガスのプラズマであることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｃ）は、前記第２の絶縁膜の上面に、該第２の絶縁膜の底面と比べて、シリコンに対する酸素の組成比が５％以上高い表面層を堆積する工程であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）において前記第２の絶縁膜を形成する際に用いたチャンバと同一のチャンバを用い、前記第２の絶縁膜を大気中に暴露することなく連続的に処理する工程であることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｂ）よりも前に、前記第１の絶縁膜の上に、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第４の絶縁膜を形成する工程（ｅ）をさらに備え、
前記第２の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて高い化合物からなり、
前記第４の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて低い化合物からなることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｅ）と前記工程（ｂ）とは、同一の真空チャンバー内で連続して行うことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｄ）よりも後に、前記第３の絶縁膜の上部に第２の溝部を形成し、該第２の溝部に導電性材料を充填することにより第２の配線を形成する工程（ｆ）をさらに備えていることを特徴とする請求項７から１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｆ）は、前記第３の絶縁膜における前記第２の溝部の形成領域に含まれる位置に前記第１の配線を露出させるビアホールを形成し、
前記ビアホールに導電性材を充填することにより前記第１の配線と前記第２の配線とを電気的に接続するプラグを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は銅等からなる金属配線と低誘電率の層間絶縁膜とを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い配線パターンが高密度化し、配線間に生じる寄生容量が増大してきている。寄生容量が増大すると信号の配線遅延が生じるため、高速動作が必要な半導体集積回路においては配線間の寄生容量の低減が重要課題となっている。現在、配線間の寄生容量を低減させるために、配線間及び層間絶縁膜の比誘電率の低減が行われている。
【０００３】
従来、配線間の絶縁膜にはシリコン酸化（ＳｉＯ2）膜（比誘電率３．９〜４．２）が多用されてきた。また、一部の半導体集積回路においては、従来のＳｉＯ2膜と比べて比誘電率を低減できる配線間の絶縁膜として、フッ素（Ｆ）を含有するＳｉＯ2膜（比誘電率３．５〜３．８）が用いられている。さらに現在、配線間の電気的寄生容量をより低減するために、比誘電率が３以下の炭素含有シリコン酸化（ＳｉＯＣ）膜からなる低誘電率膜を配線間の絶縁膜として用いる半導体装置が提案されている。
【０００４】
図８は従来のＳｉＯＣ膜を配線間の絶縁膜として用いた半導体装置における配線の構造を示している。シリコンからなる基板（図示せず）の上に形成されたＳｉＯ2膜からなる第１の絶縁膜１に、窒化タンタル（ＴａＮ）からなるバリアメタル２ａ及び銅（Ｃｕ）からなる導電膜２ｂによって第１の金属配線２が形成されている。第１の絶縁膜１の上には、第１の金属配線２を覆うように炭素及び窒素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）からなり、金属拡散防止膜として機能する第２の絶縁膜３が形成されている。第２の絶縁膜３上には、低誘電率のＳｉＯＣからなる第３の絶縁膜４が形成されている。さらに第３の絶縁膜４上には、ＳｉＯ2からなる第４の絶縁膜５が形成されている。ここで、第３の絶縁膜４及び第４の絶縁膜５には、ＴａＮからなるバリアメタル６ａ及びＣｕからなる導電膜６ｂによって第２の金属配線６が形成されている。また、第２の絶縁膜３及び第３の絶縁膜４には、第１の金属配線２と第２の金属配線６とを接続する金属ビア７が形成されている。
【０００５】
次に、従来の炭素含有Ｓｉ酸化膜を配線間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造方法について説明する。図９は従来の半導体装置の製造方法の各工程における断面状態を工程順に示している。
【０００６】
まず、図９（ａ）に示すように、基板（図示せず）の上に形成されたＳｉＯ2からなる第１の絶縁膜１に、金属配線溝パターンをフォトリソグラフィ法により形成する。その後、ドライエッチング法により絶縁膜１を選択的にエッチングして配線溝を形成する。続いて、配線溝を埋め込むようにＴａＮからなるバリアメタル２ａ及びＣｕからなる導電膜２ｂを堆積した後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により余分なＣｕを除去し第１の金属配線２を形成する。
【０００７】
次に、図９（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１の上に第１の金属配線２を覆うようにＳｉＣＯＮからなる第２の絶縁膜３を５０ｎｍ堆積する。続いて、ＳｉＯＣからなる低誘電率の第３の絶縁膜４を、第２の絶縁膜３の上に５００ｎｍ堆積し、さらにＳｉＯ2からなる第４の絶縁膜５をプラズマＣＶＤ法により５０ｎｍ堆積する。
【０００８】
次に、図９（ｃ）に示すように第４の絶縁膜５の上に、ホールパターンをフォトリソグラフィにより形成した後、ドライエッチング法により第２の絶縁膜３、第３の絶縁膜４及び第４の絶縁膜５を選択的にエッチングして第１の金属配線２を露出させるスルーホール７ａを形成する。
【０００９】
次に、図９（ｄ）に示すように第４の絶縁膜５の上にマスクを形成した後、ドライエッチング法により第３の絶縁膜４及び第４の絶縁膜５を選択的にエッチングして、所望の配線溝を形成する。続いて、配線溝及びスルーホール７ａの壁面及び底面にバリアメタル６ａ及び導電膜６ｂを堆積した後、ＣＭＰ法により余分な銅を除去して第２の金属配線６及びビア７を形成する。
【００１０】
以上のように、ＳｉＯＣからなる第３の絶縁膜４の上にはＳｉＯ2からなる第４の絶縁膜５を形成している。これは、ＳｉＯＣからなる第３の絶縁膜４は機械強度が弱いため、ＣＭＰ工程において物理的ダメージを受けることを防止するためである。また、第３の絶縁膜４の上に直接レジストパターンを形成すると、レジストパターンを除去するアッシング処理により、低誘電率膜が変質し、逆に誘電率が増大する問題が発生するためである。
【００１１】
しかし、ＳｉＯＣ膜はＳｉＯ2膜との密着性が弱いため、半導体装置の製造工程中に印加される機械的ストレス（例えばＣＭＰ処理中）により、ＳｉＯＣ膜とＳｉＯ2膜とが界面において剥離するという問題が新たに発生する。
【００１２】
ＳｉＯＣ膜とＳｉＯ2膜とが界面において剥離するという問題に対しては、ＳｉＯＣ膜の表面を改質してＳｉＯ2との界面における密着性を向上させる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２５３７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、ＳｉＯＣ膜の剥離はＳｉＯ2膜との界面だけでなく金属拡散防止膜との界面においても発生する。ＳｉＯＣ膜と金属拡散防止膜との界面における剥離は、ウェハダイシングの際や、パッケージ化した後に発生することが多いため、より大きな問題となる。
【００１４】
本発明は前記従来の問題を解決し、低誘電率膜に覆われた金属配線を有する半導体装置において、金属配線からの拡散を防止する金属拡散防止膜と低誘電率膜との界面における密着性を向上させ、低誘電率膜と金属拡散防止膜とが剥離しにくく且つ信頼性が高い半導体装置及びその製造方法を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置を、金属拡散防止膜の最上層が下層と比べて酸素の原子百分率の値が高い膜からなる構成とする。
【００１６】
具体的に本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成された第１の溝部を有する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜の上に形成された比誘電率が３以下の第３の絶縁膜と、第１の溝部に形成された第１の配線とを備えた半導体装置を対象とし、第２の絶縁膜はシリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなり、且つ、第２の絶縁膜の上面におけるシリコンに対する酸素の組成比は、第２の絶縁膜の底面におけるシリコンに対する酸素の組成比と比べて５％以上高いことを特徴とする。
【００１７】
本発明の半導体装置によれば、第２の絶縁膜の上面におけるシリコンに対する酸素の組成比は、第２の絶縁膜の底面におけるシリコンに対する酸素の組成比と比べて５％以上高いため、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜との間の密着性が高いので、半導体装置を製造する際及び実使用の際に第２の絶縁膜と第３の絶縁膜とが剥離することはなく、信頼性の高い半導体装置が実現できる。
【００１８】
本発明の半導体装置において、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との間に形成された、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第４の絶縁膜をさらに備え、第２の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて高い化合物からなり、第４の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて低い化合物からなることが好ましいこのような構成とすることにより、金属拡散の防止機能を保持しつつ、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜との間の密着性を確実に向上させることができる。また、配線溝を形成する際に不良が発生することを防止することができる。
【００１９】
本発明の半導体装置において、第３の絶縁膜は、炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体装置は、第３の絶縁膜に設けられた第２の溝部に充填された導電性材料からなる第２の配線をさらに備えていることが好ましい。この場合において、少なくとも第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を貫通して形成され且つ第１の配線と第２の配線とを電気的に接続するプラグとをさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、配線遅延がなく且つ第２の絶縁膜と第３の絶縁膜との剥離が生じない、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００２１】
本発明の半導体装置において、第３の絶縁膜の上に、第３の絶縁膜を保護する第５の絶縁膜をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、第３の絶縁膜が物理的ダメージを受けることを防止すると共に、第３の絶縁膜の誘電率が上昇することを確実に防止できる。
【００２２】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に第１の絶縁膜を形成した後、該第１の絶縁膜に第１の溝部を形成し、該第１の溝部に導電性材料を充填することにより第１の配線を形成する工程（ａ）と、第１の絶縁膜の上に下層配線を覆う、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、第２の絶縁膜の上面に、該第２の絶縁膜の底面と比べて、シリコンに対する酸素の組成比が５％以上高い表面層を形成する工程（ｃ）と、第２の絶縁膜の上に比誘電率が３以下の第３の絶縁膜を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第２の絶縁膜の上面に、シリコンに対する酸素の組成比が、第２の絶縁膜の底面おけるシリコンに対する酸素の組成比と比べて５％以上高い表面層を形成する工程を備えているため、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜との間の密着性が向上するので、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜とが剥離することを防止でき、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００２４】
本発明の半導体装置の製造方法において、第３の絶縁膜は、炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）は、第２の絶縁膜の上面をヘリウムの単体ガス又はヘリウムを含む混合ガスのプラズマに曝す工程であることが好ましい。このような構成とすることにより、第２の絶縁膜の上面に、第２の絶縁膜の底面おけるシリコンに対する酸素の組成比と比べて５％以上高い表面層を確実に形成できる。この場合において、プラズマは、酸素及び二酸化炭素の少なくとも一方を含む混合ガスのプラズマであることが好ましい。このような構成とすることにより、第２の絶縁膜の上面における酸素の組成比を確実に高くすることができる。
【００２６】
本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）は、工程（ｂ）において第２の絶縁膜を形成する際に用いたチャンバと同一のチャンバを用い、第２の絶縁膜を大気中に暴露することなく連続的に処理する工程であることが好ましい。このような構成とすることにより、プラズマに曝す時間を短縮することができるので、半導体装置に与えるダメージを小さくすることができる。
【００２７】
本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）は、第２の絶縁膜の上面に、該第２の絶縁膜の底面と比べてシリコンに対する酸素の組成比が５％以上高い表面層を堆積する工程であることを特徴とする。このような構成においても、表面層を確実に形成することが可能である。
【００２８】
本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）は、工程（ｂ）において第２の絶縁膜を形成する際に用いたチャンバと同一のチャンバを用い、第２の絶縁膜を大気中に暴露することなく連続的に処理する工程であることが好ましい。このような構成とすることにより、第２の絶縁膜にダメージを与えることなく、第２の絶縁膜の表面を改質することができる。
【００２９】
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｂ）よりも前に、第１の絶縁膜の上に、シリコン、酸素、炭素及び窒素を含む化合物からなる第４の絶縁膜を形成する工程（ｅ）をさらに備え、第２の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて高い化合物からなり、第４の絶縁膜は、酸素の原子百分率の値が窒素の原子百分率の値と比べて低い化合物からなることが好ましい。このような構成とすることにより、配線溝の形成不良を防止することが可能となる。この場合において工程（ｅ）と工程（ｂ）とは、同一の真空チャンバー内で連続して行うことが好ましい。
【００３０】
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｄ）よりも後に、第３の絶縁膜に第２の溝部を形成し、該第２の溝部に導電性材料を充填することにより第２の配線を形成する工程（ｆ）をさらに備えていることが好ましい。また、この場合において、工程（ｄ）は、第３の絶縁膜における第２の溝部の形成領域に含まれる位置に第１の配線を露出させるビアホールを形成し、ビアホールに導電性材を充填することにより第１の配線と第２の配線とを電気的に接続するプラグを形成する工程を含むことが好ましい。このような構成とすることにより、低誘電率の第３の絶縁膜に確実に金属配線を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、低誘電率膜に覆われた金属配線を有する半導体装置において、金属配線からの拡散を防止する金属拡散防止膜と低誘電率膜との界面における密着性を向上させ、低誘電率膜と金属拡散防止膜とが剥離しにくく且つ信頼性が高い半導体装置及びその製造方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図を参照して説明する。図１は本実施形態に係る半導体装置の配線部分の断面構造を示している。図１に示すようにＳｉからなる基板（図示せず）の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１の絶縁膜２１に、窒化タンタル（ＴａＮ）からなるバリアメタル２２ａと銅（Ｃｕ）からなる導電膜２２ｂとによって第１の金属配線２２が形成されている。第１の絶縁膜２１の上には、第１の金属配線２２を覆うように炭素及び窒素を含有する酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）からなり金属拡散防止膜として機能する第２の絶縁膜２３Ａ及び第３の絶縁膜２３Ｂが順次形成されている。
【００３３】
第２の絶縁膜２３Ａは、膜中の酸素原子（Ｏ）の原子百分率の値が窒素原子（Ｎ）の原子百分率の値と比べて低いＳｉＯＣＮからなる膜であり、第３の絶縁膜２３Ｂは、膜中のＯの原子百分率の値がＮの原子百分率の値と比べて高いＳｉＯＣＮからなる膜である。本実施形態においては、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）法により求めた各原子の原子百分率の値は、第２の絶縁膜２３ＡではＳｉ＝４１、Ｏ＝１、Ｃ＝３６、Ｎ＝２２であり、第３の絶縁膜２３ＢではＳｉ＝３８、Ｏ＝２５、Ｃ＝３６、Ｎ＝１である。
【００３４】
また、第３の絶縁膜２３Ｂの上面には、Ｏの原子百分率の値をＳｉの原子百分率の値で割った値であるＳｉに対するＯの組成比が第２の絶縁膜２３Ｂの内部（２５／３８＝０．６６）と比べて５％以上高い表面層２３ａが形成されている。
【００３５】
第３の絶縁膜２３Ｂの上には、比誘電率が３以下の炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなる第４の絶縁膜２４と、ＳｉＯ2からなる第５の絶縁膜２５とが順次形成されている。なお、第４の絶縁膜２４と第５絶縁膜２５との間の密着性を向上させるために、第４の絶縁膜２４と第５の絶縁膜２５との界面に、ごく薄いＯの存在比率が高いＳｉＯＣの層を設けてもよい。
【００３６】
第４の絶縁膜２４及び第５の絶縁膜２５に設けられた溝部には、ＴａＮからなるバリアメタル２６ａとＣｕからなる導電膜２６ｂとによって第２の金属配線２６が形成されており、第１の金属配線２２と第２の金属配線２６とは第２の絶縁膜２３Ａ、第３の絶縁膜２３Ｂ及び第４の絶縁膜２４を貫通するビア２７を介して電気的に接続されている。
【００３７】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２は本実施形態の半導体装置の配線部分の各製造工程における断面状態を工程順に示している。
【００３８】
まず、図２（ａ）に示すように、基板（図示せず）の上にＳｉＯ2からなる第１の絶縁膜２１を形成した後、第１の絶縁膜２１の上にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いて配線溝のパターンを形成する。次に、このパターンをマスクとしてドライエッチングにより配線溝を形成した後、アッシングによりレジストを除去して、第１の絶縁膜２１に配線溝を形成する。続いて、配線溝にＴａＮからなるバリアメタル２２ａをスパッタリングにより形成し、Ｃｕからなる導電膜２２ｂを電気メッキ法により埋め込む。その後、配線溝からはみ出した余分なバリアメタル２２ａ及び導電膜２２ｂを化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により除去し、バリアメタル２２ａと導電膜２２ｂとからなる第１の金属配線２２を形成する。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜２１上に第１の金属配線２２を覆うように、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を用いてＳｉＯＣＮからなる第２の絶縁膜２３Ａ及び第３の絶縁膜２３Ｂを順次形成する。まず初めに少なくともＮを含有するガスを用いたプラズマ雰囲気中で、Ｏの原子百分率の値と比べてＮの原子百分率の値が高い第２の絶縁膜２３Ａを形成する。続いて、少なくともＯを含有するガスを用いたプラズマ雰囲気中で、Ｎの原子百分率の値と比べてＯの原子百分率の値が高い第３の絶縁膜２３Ｂを形成する。さらに第３の絶縁膜２３Ｂの表面を、ヘリウム（Ｈｅ）の単体ガスを用いたプラズマ雰囲気中に曝す。これにより、第３の絶縁膜２３Ｂの表面が改質され、Ｓｉに対するＯの組成比が第３の絶縁膜２３Ｂの内部と比べ高い表面層２３ａが形成される。
【００４０】
本実施形態においては、第２の絶縁膜をＯの原子百分率の値と比べてＮの原子百分率の値が高い第２の絶縁膜２３Ａと、Ｎの原子百分率の値と比べてＯの原子百分率の値が高い第３の絶縁膜２３Ｂとが積層されている。第２の絶縁膜の下に形成されている第１の絶縁膜にＳｉ−Ｏ−ＣＨ3結合及びＳｉ−ＣＨ3結合を含むＣ含有Ｓi酸化膜を用いている場合、第１の絶縁膜がプラズマにより損傷を受けると、Ｃ含有Ｓｉ酸化膜中のＳｉ−Ｏ−ＣＨ3結合及びＳｉ−ＣＨ3結合が破壊されて、ＯＨ-及びＣＨ３-等の塩基が形成される。このような塩基はリソグラフィー工程においてスルーホールを通ってレジスト中に拡散するため、レジスト中の塩基の濃度が上昇する。これにより、アクリル系化学増幅型レジストによる溝パターン形成時に現像不良を生じ、第１の金属配線と第２の金属配線とが正常に接続されない問題の原因となる。本実施形態のように、Ｎに対するＯ濃度の高い第３の絶縁膜２３Ｂを第２の絶縁膜２３Ａの上に積層することにより、塩基の拡散を防止することができるため、配線溝パターンの形成不良を防止することが可能となる。
【００４１】
第３の絶縁膜２３Ｂの表面を改質して表面層２３ａを形成した後、第３の絶縁膜２３Ｂの上に、比誘電率が３以下のＳｉＯＣからなる第４の絶縁膜２４をＣＶＤ法により形成する。続いて、第４の絶縁膜２４の上に、Ｓｉ酸化膜からなる第５の絶縁膜２５を、同じくＣＶＤ法を用いて形成する。なお、第４の絶縁膜２４の表面を、例えばＯを含むガスを用いたプラズマ雰囲気中に曝した後、第５の絶縁膜２５を堆積することにより、第４の絶縁膜２４と第５の絶縁膜２５との間の密着性を向上させることができる。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示すように第５の絶縁膜２５の表面にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いてビアホールのパターンを形成する。その後、このパターンをマスクとしてドライエッチング及びアッシングを行い、第２の絶縁膜２３Ａ、第３の絶縁膜２３Ｂ、第４の絶縁膜２４及び第５の絶縁膜２５を貫通するビアホール２７ａを形成する。
【００４３】
次に、図２（ｄ）に示すように再度第５の絶縁膜２５の表面にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いて配線溝のパターンを形成する。その後、このパターンをマスクとして、ドライエッチ及びアッシングを行い、第４の絶縁膜２４及び第５の絶縁膜２５に配線溝を形成する。その後、配線溝にＴａＮからなるバリアメタル２６ａをスパッタリングにより形成した後、Ｃｕからなる導電膜２６ｂを電気メッキ法により形成する。続いて、配線溝からはみ出した余分なバリアメタル２６ａ及び導電膜２６ｂをＣＭＰ法により除去し、バリアメタル２６ａ及び導電膜２６ｂからなる第２の金属配線２６及びビア２７を形成する。
【００４４】
以下に、第３の絶縁膜２３Ｂの表面層２３ａにおけるＳｉに対するＯの組成比が第３の絶縁膜２３Ｂと第４の絶縁膜２４との密着性に及ぼす影響について説明する。
【００４５】
図１に示す構造における第３の絶縁膜２３Ｂと第４の絶縁膜２４の界面は、詳細には次のように形成される。まず、Ｏの原子百分率の値と比べてＮの原子百分率の値が高い第２の絶縁膜２３Ａと、Ｎの原子百分率の値と比べてＯの原子百分率の値が高い第３の絶縁膜２３ＢとをＣＶＤ法により順次堆積する。引き続き第２の絶縁膜２３Ａ及び第３の絶縁膜２３Ｂの堆積に用いたのと同一の真空チャンバー内にＨｅガスを１５００ｓｃｃｍの流量で供給してチャンバ内の圧力を５００Ｐａ、温度を３５０℃とし、３００ＷのＲＦパワーを印加することにより、第３の絶縁膜２３Ｂをプラズマに曝す。これにより、第３の絶縁膜２３Ｂの表面が改質され、第３の絶縁膜２３Ｂの内部と比べてＳｉに対するＯの組成比が５％以上高い表面層２３ａが第３の絶縁膜２３Ｂの上に形成される。
【００４６】
図３はプラズマ照射時間と表面層２３ａにおけるＯの組成比との関係を示している。ここで、Ｏの組成比は次のようにして求めた値を用いている。第３の絶縁膜２３Ｂに所定の時間プラズマを照射した後、第３の絶縁膜２３Ｂの表層に形成された表面層２３ａのＳｉ、Ｏ、Ｃ及びＮの原子百分率の値をＸＰＳ法により測定する。得られたＯの原子百分率の値をＳｉの原子百分率の値で割ることによりＳｉに対するＯの組成比を求めた。なお、図３において横軸はプラズマ照射時間を示し、縦軸は表面層２３ａにおけるＯの組成比を第３の絶縁膜２３Ｂの内部におけるＯの組成比で割った値を示している。
【００４７】
図３に示すようにプラズマ照射時間が、長くなるに従い、第３の絶縁膜２３Ｂの表面が改質され表面層２３ａにおけるＯの組成比が高くなる。
【００４８】
図４はプラズマ照射時間と、第３の絶縁膜２３Ｂと第４の絶縁膜２４との界面における密着強度との関係を示している。図４において横軸はプラズマ照射時間を示し、縦軸は密着強度比率を示している。ここで密着強度比率には、ｍＥＬＴ法（modified Edge Lift Off test）により測定して得られた結果を用いている。図４に示すようにプラズマを数秒照射すると、密着強度が急激に向上している。また、最初にプラズマを１０秒程度照射した後は、さらに２０秒、３０秒とプラズマを照射しても、密着強度比率は１．５５程度を保ち、大きく変化していない。
【００４９】
図３及び図４に示した結果を総合すると、第３の絶縁膜２３Ｂの表面を改質した表面層２３ａにおけるＯの組成比が高くなると第４の絶縁膜２４との密着性が向上することが明らかである。また、密着強度比率が一定になる１０秒程度の時間プラズマを照射した場合の第３の絶縁膜２３Ｂの内部に対する表面層２３ａにおけるＯの組成比の増加率は１．０５程度である。従って、第３の絶縁膜２３ＢにおけるＯの組成比が５％以上増加すると表面改質された表面層２３ａが第４の絶縁膜２４と充分な密着性を発揮できることがわかる。
【００５０】
次に、この効果を確認するために、実際の膜における剥離の発生について調べた。表１はプラズマ照射時間と膜の剥離との関係を示している。なお、この場合の剥離の有無は、図２（ｄ）に示す不要なバリアメタル２６ｂと導電膜２６ａを研磨して第２の金属配線２６を形成するＣＭＰ工程の直後に観察した。
【００５１】
【表１】
2006216809.tif 000003
【００５２】
表１に示すようにプラズマ照射時間が０の場合には、剥離が発生したが、３秒以上の照射を行った場合には膜の剥離は認められず、本発明により第３の絶縁膜２３Ｂと第４の絶縁膜２４との間の密着性が向上し、半導体装置の製造工程中における不良の発生を防止できるので、信頼性の高い半導体装置を実現できることが確認できた。
【００５３】
なお、本実施形態においては、第２の絶縁膜２３Ｂの表面を改質してＯの組成比が高い表面層２３ａを形成するために、Ｈｅの単体ガスのプラズマ雰囲気中において処理を行ったが、Ｏ2やＣＯ2などのＯを含むガスをＨｅと混合した混合ガスのプラズマ雰囲気中に曝す方法を用いても同様の効果を得ることができる。
【００５４】
以下に、表面層２３ａのＳｉに対するＯの組成比の基準について説明する。以上説明したように、表面層２３ａにおけるＯの組成比は、第３の絶縁２３Ｂの内部におけるＯの組成比と比べて５％以上高い。この場合、第３の絶縁膜２３Ｂの内部におけるＳｉに対するＯの組成比は、第３の絶縁膜２３Ｂが第２の絶縁膜２３Ａと接する底面におけるＳｉに対するＯの組成比を用いている。
【００５５】
また、底面における組成比を測定することが困難な場合には、第３の絶縁膜２３Ｂにおける各原子の存在比率の深さ方向のプロファイルが一定になる領域におけるＳｉに対するＯの組成比としてもよい。例えば、ＣＶＤ法により厚さが６０ｎｍの第３の絶縁膜２３Ｂを堆積した後、プラズマ照射を行った場合には、プラズマ照射時間に応じて、第３の絶縁膜２３Ｂの上面から１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の領域が改質され表面層２３ａとなる。従って、これより深い領域においてはＳｉに対するＯの組成比は一定であり、この領域におけるＳｉのＯに対する組成比を第３の絶縁膜２３Ｂの内部におけるＯの組成比とすればよい。
【００５６】
本実施形態においては、Ｎの原子百分率の値がＯの原子百分率の値と比べて高い第２の絶縁膜２３Ａと、Ｏの原子百分率の値がＮの原子百分率の値と比べて高い第３の絶縁膜２３Ｂとを堆積した後、第３の絶縁膜２３Ｂの表面を改質して表面層２３ａを形成する構成とした。これを、第２の絶縁膜２３ＡにはＯをほとんど含まないＳｉＣＮ膜を用い、第３の絶縁膜２３ＢにはＮをほとんど含まないＳｉＯＣ膜を用いてもよい。
【００５７】
また、第３の絶縁膜２３Ｂの表面をプラズマに曝す代わりに、第３の絶縁膜２３Ｂを形成した後、第３の絶縁膜２３Ｂの上に第３の絶縁膜２３Ｂと比べてＳｉに対するＯの組成比が５％以上高い薄膜をＣＶＤ法により堆積することにより表面層２３ａを形成してもよい。
【００５８】
また、第１の絶縁膜２１にはＳｉＯ2を用い、第４の絶縁膜２４にはＳｉＯＣを用いたが、いずれも層間絶縁膜として機能すればよく、第１の絶縁膜２１及び第４の絶縁膜２４を共にＳｉＯＣにより形成してもよい。また、ポーラス膜等の他の低誘電率膜を用いてもよい。
【００５９】
次に、表面層２３ａの形成を第３の絶縁膜２３Ｂの成膜後に、第３の絶縁膜２３Ｂを大気に曝すことなく引き続き同一の真空チャンバー内にて行うことの効果を説明する。
【００６０】
図５は第３の絶縁膜２３Ｂを成膜した基板を真空チャンバから取り出し常温、常圧の環境に放置し、その後再び真空チャンバ内に戻してプラズマ照射を行った場合の、プラズマ照射時間とＳｉに対するＯの組成比との関係を示している。なお、プラズマ照射条件及びＯの組成比の測定方法は、図３に示した連続的にプラズマ照射を行った場合と同一とした。図５において横軸はプラズマ照射時間を示し、縦軸は表面層２３ａにおけるＯの組成比を第３の絶縁膜２３Ｂの内部におけるＯの組成比で割った値を示している。
【００６１】
図５に示すようにプラズマ照射時間が長くなるほど、Ｏの組成比が上昇している。しかし、図３と比べるとＳｉに対するＯの組成比の上昇が遅いことがわかる。つまり、第３の絶縁膜を大気開放した場合は、大気開放しない場合と比べて長時間Ｈｅプラズマ雰囲気においてプラズマ処理する必要がある。これは、第３の絶縁膜２３Ｂを成膜した後、真空チャンバーから取り出し大気開放すると、第３の絶縁膜２３Ｂの表面に大気中の水分や気体が吸着するため、真空チャンバーに再導入してプラズマ処理した際の初期段階においては、吸着した水分や気体の除去が行われるので、第３の絶縁膜の表面におけるＯの組成比を高めるのに要する時間が長くなるものと考えられる。
【００６２】
絶縁膜を長時間プラズマ雰囲気中に曝すことは、プラズマダメージ増加や比誘電率の上昇など膜の変質の原因となり望ましくないため、表面層２３ａの形成は第３の絶縁膜２３Ｂを形成した後、チャンバを大気開放することなく連続的に行うことが好ましい。
【００６３】
（一変形例）
本発明の一変形例に係る半導体装置について、図を参照して説明する。図６は本変形例に係る半導体装置の配線部分の断面構造を示している。図６に示すようにＳｉからなる基板（図示せず）の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１の絶縁膜３１に、窒化タンタル（ＴａＮ）からなるバリアメタル３２ａと銅（Ｃｕ）からなる導電膜３２ｂとによって第１の金属配線３２が形成されている。第１の絶縁膜３１の上には、第１の金属配線３２を覆うように炭素及び窒素を含有する酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）からなり金属拡散防止膜として機能する第２の絶縁膜３３が形成されている。
【００６４】
第２の絶縁膜３３の上面には、Ｏの原子百分率の値をＳｉの原子百分率の値で割った値であるＳｉに対するＯの組成比が第２の絶縁膜３３の内部と比べて５％以上高い表面層３３ａが形成されている。
【００６５】
第２の絶縁膜３３の上には、比誘電率が３以下の炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなる第３の絶縁膜３４と、ＳｉＯ2からなる第４の絶縁膜３５が順次形成されている。なお、第３の絶縁膜３４と第４絶縁膜３５との間の密着性を向上させるために、第３の絶縁膜３４と第４の絶縁膜３５との界面に、ごく薄いＯの存在比率が高いＳｉＯＣの層を設けてもよい。
【００６６】
第３の絶縁膜３４及び第４の絶縁膜３５には、ＴａＮからなるバリアメタル３６ａとＣｕからなる導電膜３６ｂとによって第２の金属配線３６が形成されている。第１の金属配線３２と第２の金属配線３６とは、第２の絶縁膜３３及び第３の絶縁膜３４を貫通するビア３７を介して電気的に接続されている。
【００６７】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図７は本実施形態の半導体装置の配線部分の各製造工程における断面状態を工程順に示している。
【００６８】
まず、図７（ａ）に示すように、基板（図示せず）の上にＳｉＯ2からなる第１の絶縁膜３１を形成した後、第１の絶縁膜３１の上にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いて配線溝のパターンを形成する。次に、このパターンをマスクとしてドライエッチングにより配線溝を形成した後、アッシングによりレジストを除去して、第１の絶縁膜３１に配線溝を形成する。続いて、配線溝にＴａＮからなるバリアメタル３２ａをスパッタリングにより形成し、Ｃｕからなる導電膜３２ｂを電気メッキ法により埋め込む。その後、配線溝からはみ出した余分なバリアメタル３２ａ及び導電膜３２ｂを化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により除去し、バリアメタル３２ａと導電膜３２ｂとからなる第１の金属配線３２を形成する。
【００６９】
次に、図７（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜３１上に第１の金属配線３２を覆うように、ＣＶＤ（化学気相堆積）法を用いてＳｉＯＣＮからなる第２の絶縁膜３３を形成する。第２の絶縁膜３３を形成した後、第２の絶縁膜３３の表面を、ヘリウム（Ｈｅ）の単体ガスを用いたプラズマ雰囲気中に曝す。これにより、第２の絶縁膜３３の表面が改質され、Ｓｉに対するＯの組成比が、第２の絶縁膜３３の内部と比べ高い表面層３３ａが形成される。
【００７０】
第２の絶縁膜３３の表面を改質して表面層３３ａを形成した後、第２の絶縁膜３３の上に、比誘電率が３以下のＳｉＯＣからなる第３の絶縁膜３４をＣＶＤ法により形成する。続いて、第３の絶縁膜３４上に、Ｓｉ酸化膜からなる第４の絶縁膜３５を、同じくＣＶＤ法を用いて形成する。なお、第３の絶縁膜３４の表面を、例えばＯを含むガスを用いたプラズマ雰囲気中に曝した後、第３の絶縁膜３５を堆積することにより、第３の絶縁膜３４と第４の絶縁膜３５との間の密着性を向上させることができる。
【００７１】
次に、図７（ｃ）に示すように第４の絶縁膜３５の表面にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いてビアホールのパターンを形成する。その後、このパターンをマスクとしてドライエッチング及びアッシングを行い、第２の絶縁膜３３、第３の絶縁膜３４及び第４の絶縁膜３５を貫通するビアホール３７ａを形成する。
【００７２】
次に、図７（ｄ）に示すように再度第４の絶縁膜３５の表面にレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いて配線溝のパターンを形成する。その後、このパターンをマスクとして、ドライエッチ及びアッシングを行い、第３の絶縁膜３４及び第４の絶縁膜３５に配線溝を形成する。その後、配線溝にＴａＮからなるバリアメタル３６ａをスパッタリングにより形成した後、Ｃｕからなる導電膜３６ｂを電気メッキ法により形成する。続いて、配線溝からはみ出した余分なバリアメタル３６ａ及び導電膜３６ｂをＣＭＰ法により除去し、バリアメタル３６ａ及び導電膜３６ｂからなる第２の金属配線３６及びビア３７を形成する。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、低誘電率膜に覆われた金属配線を有する半導体装置において、金属配線からの拡散を防止する金属拡散防止膜と低誘電率膜との界面における密着性を向上させ、低誘電率膜と金属拡散防止膜とが剥離しにくく且つ信頼性が高い半導体装置及びその製造方法を実現できるため、銅等からなる金属配線と低誘電率の層間絶縁膜とを備えた半導体装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の配線部分を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマ照射時間と膜表面の酸素の組成比との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマ照射時間と密着強度比率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態の別の例に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマ照射時間と膜表面の酸素の組成比との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一変形例に係る半導体装置の配線部分を示す断面図である。
【図７】本発明の一変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】従来例に係る半導体装置の配線部分を示す断面図である。
【図９】従来例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
２１    第１の絶縁膜
２２    第１の金属配線
２２ａ  バリアメタル
２２ｂ  導電膜
２３Ａ  第２の絶縁膜
２３Ｂ  第３の絶縁膜
２３ａ  表面層
２４    第４の絶縁膜
２５    第５の絶縁膜
２６    第２の金属配線
２６ａ  バリアメタル
２６ｂ  導電膜
３１    第１の絶縁膜
３２    第１の金属配線
３２ａ  バリアメタル
３２ｂ  導電膜
３３    第２の絶縁膜
３３ａ  表面層
３４    第３の絶縁膜
３５    第４の絶縁膜
３６    第２の金属配線
３６ａ  バリアメタル
３６ｂ  導電膜
【図１】
2006216809.tif 000004
【図２】
2006216809.tif 000005
【図３】
2006216809.tif 000006
【図４】
2006216809.tif 000007
【図５】
2006216809.tif 000008
【図６】
2006216809.tif 000009
【図７】
2006216809.tif 000010
【図８】
2006216809.tif 000011
【図９】
2006216809.tif 000012