(57)【要約】【課題】  ダマシン配線のトレンチあるいはビアホールの側壁部でのダメージ層の生成および多孔質のＬｏｗ−ｋ膜中でのボイドの発生を抑制する。【解決手段】  下層配線１上に第１エッチングストッパー層２ａ、多孔質の第１低誘電率膜２ｂおよび第１キャップ層２ｃの積層した第１層間絶縁膜２を形成し、Ｃ４Ｆ８のような炭素含有量が多いフルオロカーボンガスを用いレジストマスク３を使用したドライエッチングによりビアホール４を形成する。次に、第１キャップ層２ｃをハードマスクにし、エッチングガスとしてＣＦ４／Ａｒ／Ｎ２混合ガスあるいはＣＨＦ３／Ａｒ／Ｎ２混合ガスを用い、上記エッチングガスの圧力を０．１Ｐａ〜６．０Ｐａ範囲にして第１エッチングストッパー層２ａをエッチング除去し、ビアホール４を下層配線１表面に達するように貫通させる。【選択図】  図１
2006041039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成した多孔質の絶縁膜を少なくとも一部に有する層間絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を設け前記ビアホールあるいは配線用溝に導電体膜を埋め込んで配線を形成する半導体装置の製造方法において、
（ａ）素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を介して銅を主成分とする導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１の絶縁膜上に多孔質の第２の絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記第２の絶縁膜上に該第2の絶縁膜とは別種の第３の絶縁膜を形成する工程、
（ｅ）前記第３の絶縁膜と前記第２の絶縁膜を順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成する工程、
（ｆ）前記第３の絶縁膜をエッチングマスクにし、フッ素化合物ガスと窒素含有ガスとを含む混合ガスをエッチングガスに用い、エッチング処理室における前記混合ガスの圧力を０．１Ｐａ〜６．０Ｐａの範囲に制御したドライエッチングにより、前記第１の絶縁膜の一部を除去し前記ビアホールあるいは配線用溝を前記導電層の表面まで貫通させる工程、
（ｇ）前記ビアホールあるいは配線用溝内に導電体膜を充填する工程、
を含んでなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成した多孔質の絶縁膜を少なくとも一部に有する層間絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を設け前記ビアホールあるいは配線用溝に導電体膜を埋め込んで配線を形成する半導体装置の製造方法において、
（ａ）素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を介して銅を主成分とする導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１の絶縁膜上に多孔質の第２の絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記第２の絶縁膜上に該第2の絶縁膜とは別種の第３の絶縁膜を形成する工程、
（ｅ）前記第３の絶縁膜と前記第２の絶縁膜を順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成する工程、
（ｆ）フッ素化合物ガスと窒素含有ガスとを含む混合ガスをプラズマ励起し前記第３の絶縁膜をエッチングマスクにしたドライエッチングにより、前記第１の絶縁膜の一部をエッチング除去すると共に、前記プラズマ励起で生成するイオンにより前記第１の絶縁膜をスパッタリングし該スパッタリングで生じる飛散物あるいは反応生成物を前記ビアホールあるいは配線用溝の側壁に付着させて、前記ビアホールあるいは配線用溝を前記導電層の表面まで貫通させると共に、前記ビアホールあるいは配線用溝の側壁に側壁保護層を形成する工程、
（ｇ）前記ビアホールあるいは配線用溝内に導電体膜を充填する工程、
を含んでなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の前記（ｄ）工程において、前記第３の絶縁膜上に炭化シリコンを主成分として含む第４の絶縁膜を形成し、前記（ｅ）工程においては、前記第４の絶縁膜と第３の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と第３の絶縁膜と第４の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成し、前記（ｆ）工程において、前記混合ガスのプラズマ励起で生成するイオンにより前記第１の絶縁膜と共に前記第４の絶縁膜表面をスパッタリングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の前記（ｆ）工程において、前記フッ素化合物ガスは、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＳＦ６、ＮＦ３からなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４記載の前記（ｆ）工程において、前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ４からなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし４記載の前記（ｅ）工程において、前記第２の絶縁膜のドライエッチングは、ＣｘＨｙＦｚの化学式（ｘ、ｙ、ｚは、ｘ≧４、ｙ≧０、ｚ≧１を満たす整数）で表されるフルオロカーボンガスからなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の前記フルオロカーボンガスは、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８あるいはＣ５Ｆ８ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし６記載の前記（ｅ）工程あるいは（ｆ）工程のドライエッチングにおいて、エッチングガスに不活性ガスが添加されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１又は請求項２記載の前記（ｂ）工程において、炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜は、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＨ膜からなる群より選択された少なくとも一種の絶縁膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項３記載の炭化シリコンを主成分として含む第４の絶縁膜は、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＨ膜からなる群より選択された少なくとも一種の絶縁膜であることを特徴と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、半導体装置の製造方法に係り、詳しくは、多孔質の絶縁膜を層間絶縁膜に用いたダマシン配線の形成に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部における配線抵抗と配線間の寄生容量に起因する信号伝搬速度の低下による伝送遅延が問題となってきている。こうした問題は、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅および配線間隔の微細化につれて配線抵抗が上昇し且つ寄生容量が増大するので、益々顕著となる傾向にある。そこで、配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来のアルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われると共に、層間絶縁膜に低誘電率の絶縁膜（以下、Ｌｏｗ−ｋ膜という）を用いることが試みられてきた。ここで、低誘電率膜とは二酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）膜の比誘電率３．９以下の絶縁膜のことである。
【０００３】
上記銅配線の形成方法として（デュアル）ダマシン法によるものがある。これは、銅がアルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅はエッチングせずに配線を形成する技術、すなわち層間絶縁膜に配線用溝（トレンチ）あるいは接続孔（ビアホール）をドライエッチングにより形成し、このトレンチあるいはビアホールに銅あるいは銅合金を埋め込むダマシン配線（溝配線）技術である。そして、多層の銅配線では、たとえば、下層の銅配線の上に絶縁性バリア層（あるいはエッチングストッパー層という）として比誘電率の小さいＳｉＣ（炭化シリコン）膜、Ｌｏｗ−ｋ膜として有機系絶縁膜、そしてキャップ膜としてＳｉＯ２  膜をこの順に成膜した積層膜を形成した後、上記積層膜をドライエッチングして下層配線の上部にビアホールあるいはデュアルダマシン構造のトレンチを形成し、ビアホールあるいはトレンチ内にバリアメタル、銅あるいは銅合金材で成る配線材料膜を埋め込むことによってビアプラグあるいは上層の銅配線を形成する。配線材料膜の埋め込みは、スパッタ法、原子層気相成長（ＡＬＤ；Atomic Layer Deposition）法、Ｃｕメッキ法等によりトレンチ等に埋設するようにして配線材料膜を形成した後、トレンチ等の内部にのみ配線材料膜を残すように化学的機械研磨（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing）法を用いて表面を平坦化することによって行われる。
【０００４】
しかし、Ｌｏｗ−ｋ膜を層間絶縁膜としたダマシン法によるビアプラグあるいは銅配線を実用化しようとすると、以下のような２つの大きな問題が生じ、それに対する解決手法が必須となる。その第１の問題は、上記積層膜のドライエッチングにおいて、エッチングで露出する下層の銅配線の表面が酸化され易いためにその表面に絶縁性の反応物が付着すると共に、上記積層膜に形成するビアホールあるいはトレンチの側壁がサイドエッチングされ易く、上記銅配線を有する半導体装置の製造歩留まりが向上しにくいことである。ここで、上記絶縁性の反応物の付着は下層および上層の銅配線間の電気接続不良を引き起こす。また、上記側壁のサイドエッチングはビアホールあるいはトレンチへの配線材料膜の埋め込み不良を引き起こす。そこで、上記積層膜、特に絶縁性バリア層のＳｉＣ膜のドライエッチングにおいて使用するエッチングガスに対して種々の検討がなされ、エッチングガスに酸素含有ガスを添加しないで、窒素含有ガスを用いることが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。しかし、この解決手法はＬｏｗ−ｋ膜が緻密な絶縁膜の場合には有効であるが、Ｌｏｗ−ｋ膜が多孔質の絶縁膜である場合には適用できない。
【０００５】
そして、その第２の問題は、特にＬｏｗ−ｋ膜として多孔質の低誘電率膜を使用する場合に生じる問題であり、上記ビアホールあるいはトレンチの側壁に多数の空孔（ポア）が製造プロセス中に露出し、このポアを通ってＬｏｗ−ｋ膜内に水分、配線材料膜のＣｕあるいはそのバリアメタルであるたとえばタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等が侵入し、層間絶縁膜の信頼性の低下および比誘電率の上昇、配線間のリーク電流の増加等が引き起こされることである。そこで、上記トレンチあるいはビアホールの側壁に側壁保護膜として緻密な膜質の無機絶縁膜（ポアシール）を設けることが提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。しかし、上述した従来の側壁保護膜は、比誘電率が約４近くのＳｉＯ２  膜のような絶縁膜あるいはそれ以上の金属酸化物層で構成されており、比誘電率が２．５程度あるいはそれ以下となる低誘電率膜に比べて極めて高くなる。このために、上述した従来の側壁保護膜は、それをダマシン法による銅配線の形成にそのまま適用しても、層間絶縁膜全体の誘電率が上昇し銅配線間の寄生容量の低減が難しくなる。
【０００６】
以下、上記問題点の詳細を明らかにするために、多孔質絶縁膜から成るＬｏｗ−ｋ膜を層間絶縁膜としたダマシン法によるビアプラグ形成について、図１２〜１４を参照して少し詳細に説明する。ここで、図１２〜１４は下層配線上の絶縁性バリア層をＳｉＣ膜で形成し、Ｌｏｗ−ｋ膜を多孔質の低誘電率膜で形成してダマシン法で配線層間のビアホールおよびビアプラグを形成する場合の工程別素子断面図である。
【０００７】
先ず、図１２（ａ）に示すように、銅配線である下層配線２０１の上にＳｉＣ膜で成る第１エッチングストッパー層２０２を成膜する。そして、この上にＬｏｗ−ｋ膜２０３を成膜する。ここで、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３は、たとえば比誘電率が２．５以下になる多孔質のメチルシルセスキオキサン(ｐ−ＭＳＱ：Porous Methyl Silsesquioxane)膜である。
【０００８】
次に、上記Ｌｏｗ−ｋ膜２０３上にキャップ層２０４を成膜する。キャップ層２０４は、レジストマスク形成のリワーク時にレジスト膜のＯ２プラズマアッシング耐性を高め、また、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３の吸湿による誘電率上昇を防止し、さらにＣｕメッキ後のＣＭＰの研磨ストッパー等の目的で形成される。このキャップ層２０４は、たとえばシリコン酸化膜で形成される。そして、キャップ層２０４上に公知のフォトリソグラフィ技術により反射防止膜であるＡＲＣ膜（不図示）とレジストマスク２０５を形成する。ここで、レジストマスク２０５にはビアホールパターン２０６を形成する。
【０００９】
次に、図１２（ｂ）に示すように、キャップ層２０４及びＬｏｗ−ｋ膜２０３をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）のエッチング装置内で順次にドライエッチングしビアホール２０７を形成する。このドライエッチングの時、エッチングガスとして、フルオロカーボン／Ａｒ／Ｎ２の混合ガス系を用いる。このガス系を用いることで、Ｌｏｗ−ｋ膜３に対する膜ダメージが少なくなる。ここで、エッチング装置は、チャンバ内に対向して設けられた上部電極／下部電極の平行平板電極を有しており、高周波電源がこの上部電極あるいは被処理基板（半導体ウエハ）の載置される下部電極に接続されている。そして、チャンバ内に上記エッチングガスが導入され上記高周波によりプラズマ励起される。上記フルオロカーボンガスは、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８のようなガスであり、ドライエッチング中のガス圧力は通常のエッチング圧力である１０Ｐａ〜４０Ｐａに設定される。
【００１０】
以上のようにして、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３を含む層間絶縁膜にビアホール２０７を形成した後、図１２（ｃ）に示すように、レジストマスク２０５を高温Ｈ２／Ｈｅプラズマ、低温Ｎ２／Ｈ２プラズマなどを用いて膜ダメージなく除去し、キャップ層２０４を露出させる。
【００１１】
次に、図１３（ａ）に示すように、キャップ層２０４をハードマスクにしたドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてＣＨＦ3／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、ＣＦ4／Ａｒ／Ｎ２混合ガスなどを用いて第１エッチングストッパー層２０２をドライエッチングし、ビアホール２０７を下層配線２０１表面に達するように貫通させる。ここで、エッチング装置は上述したＲＩＥのエッチング装置であり、エッチングガスの圧力は通常の圧力である１０Ｐａ〜４０Ｐａに設定される。
【００１２】
次に、図１３（ｂ）に示すように、スパッタ法によるＴａ、ＴａＮ等のバリアメタルの成膜およびＣｕシード形成、そしてＣｕメッキ成膜を行って配線材料膜２０９を下層配線２０１に接続してビアホール２０７に埋め込むように形成する。次に、配線材料膜２０９に対して、図１３（ｃ）に示すようにＣｕアニールを１５０℃〜３５０℃で行う。さらに、図１４（ａ）に示すように、キャップ層２０４を研磨ストッパーとしその上の配線材料膜２０９の不要部分をＣＭＰにより研磨除去し、下層配線２０１に接続するビアプラグ２１１を形成する。そして、図１４（ｂ）に示すように、ビアプラグ２１１の表面部およびキャップ層２０４を被覆するように第２エッチングストッパー層２１２をＳｉＣ膜等で形成する。
【特許文献１】特開２００３−１２４２００号公報
【特許文献２】特開２００２−１１０６４４号公報
【特許文献３】特開２００３−１９７７４２号公報
【特許文献４】特開２０００−２９４６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
半導体装置の開発では、その設計基準が６５ｎｍから４５ｎｍへと構成素子の微細化が進んでいる。そして、ダマシン配線に用いる低誘電率膜の比誘電率は２．０程度あるいはそれ以下の値が強く求められてきている。このためにＬｏｗ−ｋ膜としては多孔質化した低誘電率膜が必須になっている。
【００１４】
しかしながら、上記図１２〜１４を参照して説明した従来例の場合では、Ｌｏｗ−ｋ膜として多孔質の低誘電率膜を用いるために、特に第１エッチングストッパー層２０２であるＳｉＣ膜のドライエッチングにおいて、図１３（ａ）に示したようにビアホール２０８のＬｏｗ−ｋ膜２０３の側壁近傍にダメージ層２０８が形成されるようになる。このダメージ層２０８は、上記ｐ−ＭＳＱ膜の場合では、メチル基が解離し除去され改質した状態になっている。そして、このダメージ層２０８を通ってＬｏｗ−ｋ膜２０３内に水分、配線材料膜のＣｕあるいはそのバリアメタルであるたとえばＴａＮ等が侵入し、層間絶縁膜の絶縁性の低下および比誘電率の上昇、配線間のリーク電流の増加等が引き起こされるという問題の生じることが判明した。これは、ドライエッチング時のプラズマ励起により生成されるフッ素のラジカル成分により上記側壁が改質されるためである。また、第１エッチングストッパー層２０２のドライエッチングにおいて、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３とキャップ層２０４の界面領域にもダメージ層２０８が形成されることも判ってきた。この領域でのダメージ層は、ＣＭＰ法による配線材料膜２０９の研磨工程においてＬｏｗ−ｋ膜２０３あるいは配線材料膜２０９の膜剥がれを生じる。
【００１５】
更に、図１３（ｃ）に示すようにＣｕアニールの工程後に、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３中にボイド（空洞）２１０が無制御に発生するという問題の生じることが明らかになった。このボイド２１０が生じると、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３の機械的強度が低下し、この場合もＣＭＰ法による配線材料膜２０９の研磨工程において上記膜剥がれが発生し易くなる。このボイド２１０の発生は以下のようである。すなわち、図１３（ａ）でダメージ層２０８を生成させた上記フッ素ラジカルがＬｏｗ−ｋ膜２０３中に取り込まれ、図１３（ｂ）のＣｕメッキ工程でＬｏｗ−ｋ膜２０３中に取り込まれた水分と、図１３（ｃ）のＣｕアニール工程において反応し、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３中にフッ化水素酸（ＨＦ）が生成する。そして、このＨＦがＬｏｗ−ｋ膜２０３を局部的にエッチングし、Ｌｏｗ−ｋ膜２０３中にボイド２１０を生成する。
【００１６】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、トレンチあるいはビアホールの側壁部でのダメージ層の生成および多孔質のＬｏｗ−ｋ膜中でのボイドの発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、多孔質化した絶縁膜を層間絶縁膜に用いてダマシン配線構造体を形成する場合に、下層配線上の絶縁性バリア層であるエッチングストッパー層をエッチング除去する工程において生じる、上記ビアホールあるいはトレンチの側壁部のダメージ層および多孔質絶縁膜内へのフッ素侵入は、上述したドライエッチングでのエッチングガスのプラズマ励起において、フッ素のラジカル成分を低減させると共に直進性の高い窒素イオンあるいはフッ素イオンを多く生成することにより、大幅に低減あるいは抑制できることを見出した。本発明は、この新知見に基づいてなされている。
【００１８】
すなわち、上記課題を解決するために、半導体装置の製造方法にかかる第１の発明は、半導体基板上に形成した多孔質の絶縁膜を少なくとも一部に有する層間絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を設け前記ビアホールあるいは配線用溝に導電体膜を埋め込んで配線を形成する半導体装置の製造方法において、（ａ）素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を介して銅を主成分とする導電層を形成する工程、（ｂ）前記導電層の上部に炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜を形成する工程、（ｃ）前記第１の絶縁膜上に多孔質の第２の絶縁膜を形成する工程、（ｄ）前記第２の絶縁膜上に該第2の絶縁膜とは別種の第３の絶縁膜を形成する工程、（ｅ）前記第３の絶縁膜と前記第２の絶縁膜を順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成する工程、（ｆ）前記第３の絶縁膜をエッチングマスクにし、フッ素化合物ガスと窒素含有ガスとを含む混合ガスをエッチングガスに用い、エッチング処理室における前記混合ガスの圧力を０．１Ｐａ〜６．０Ｐａの範囲に制御したドライエッチングにより、前記第１の絶縁膜の一部を除去し前記ビアホールあるいは配線用溝を前記導電層の表面まで貫通させる工程、（ｇ）前記ビアホールあるいは配線用溝内に導電体膜を充填する工程、を有する構成となっている。
【００１９】
そして、半導体装置の製造方法にかかる第２の発明は、半導体基板上に形成した多孔質の絶縁膜を少なくとも一部に有する層間絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を設け前記ビアホールあるいは配線用溝に導電体膜を埋め込んで配線を形成する半導体装置の製造方法において、（ａ）素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を介して銅を主成分とする導電層を形成する工程、（ｂ）前記導電層の上部に炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜を形成する工程、（ｃ）前記第１の絶縁膜上に多孔質の第２の絶縁膜を形成する工程、（ｄ）前記第２の絶縁膜上に該第2の絶縁膜とは別種の第３の絶縁膜を形成する工程、（ｅ）前記第３の絶縁膜と前記第２の絶縁膜を順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成する工程、（ｆ）フッ素化合物ガスと窒素含有ガスとを含む混合ガスをプラズマ励起し前記第３の絶縁膜をエッチングマスクにしたドライエッチングにより、前記第１の絶縁膜の一部をエッチング除去すると共に、前記プラズマ励起で生成するイオンにより前記第１の絶縁膜をスパッタリングし該スパッタリングで生じる飛散物あるいは反応生成物を前記ビアホールあるいは配線用溝の側壁に付着させて、前記ビアホールあるいは配線用溝を前記導電層の表面まで貫通させると共に、前記ビアホールあるいは配線用溝の側壁に側壁保護層を形成する工程、（ｇ）前記ビアホールあるいは配線用溝内に導電体膜を充填する工程、を有する構成になっている。
【００２０】
上記第２の発明において、前記（ｄ）工程で、前記第３の絶縁膜上に炭化シリコンを主成分として含む第４の絶縁膜を形成し、前記（ｅ）工程において、前記第４の絶縁膜と第３の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順にドライエッチングして、前記第２の絶縁膜と第３の絶縁膜と第４の絶縁膜にビアホールあるいは配線用溝を形成し、前記（ｆ）工程において、前記混合グガスのプラズマ励起で生成するイオンにより前記第１の絶縁膜と共に前記第４の絶縁膜表面をスパッタリングすることが好適となる。
【００２１】
上記発明において、前記フッ素化合物ガスは、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＳＦ６、ＮＦ３からなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスであることが好適である。また、前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ４からなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスであることが好適である。
【００２２】
上記発明において、前記第２の絶縁膜のドライエッチングは、ＣｘＨｙＦｚの化学式（ｘ、ｙ、ｚは、ｘ≧４、ｙ≧０、ｚ≧１を満たす整数）で表されるフルオロカーボンガスからなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスを用いて行われることが好適である。ここで、前記フルオロカーボンガスは、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８あるいはＣ５Ｆ８ガスであることが好ましい。そして、前記（ｅ）工程あるいは（ｆ）工程のドライエッチングにおいて、エッチングガスに不活性ガスが添加される。
【００２３】
上記発明において、前記炭化シリコンを主成分として含む第１の絶縁膜あるいは第４の絶縁膜は、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＨ膜からなる群より選択された少なくとも一種の絶縁膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の構成により、多孔質の低誘電率膜が配線間の層間絶縁膜として実用レベルで適用できるようになり、高い信頼性を有し高速動作が可能な半導体装置が具現化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態の幾つかについて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１〜４は、本発明の実施の形態１にかかる銅埋め込みのダマシン配線構造体の製造工程別素子断面図である。
【００２６】
シリコン基板上に化学気相成長（ＣＶＤ）法でシリコン酸化膜を堆積させ、下地絶縁膜（不図示）を形成する。そして、周知のダマシン配線の形成方法により導電層であるＣｕ膜で成る下層配線１を形成する。続いて、第１の絶縁膜である第１エッチングストッパー層２ａとして膜厚が２５ｎｍ程度であり、比誘電率が３．５程度のＳｉＣ膜を成膜する。次に、たとえば、図５に示すようなメチル基を含有する膜組成のＭＳＱ膜に空孔が形成され多孔質化したｐ−ＭＳＱ膜を、スピン塗布法を用いて成膜することにより、第２の絶縁膜として、比誘電率が２．５程度、膜厚が２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度になる第１低誘電率膜２ｂを形成する。ここで、第１低誘電率膜２ｂの空孔の含有比率は３０〜４０％程度である。この空孔の含有比率とは、（多孔質でない緻密なＭＳＱ膜バルクの密度）−（多孔質のＭＳＱ膜の密度）の（多孔質でない緻密なＭＳＱ膜バルクの密度）に対する比率である。
【００２７】
次に、上記第１低誘電率膜２ｂ表面に、第３の絶縁膜として、ＣＶＤ法で成膜した膜厚、比誘電率がそれぞれ１００ｎｍ程度、２．５〜３程度の炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）から成る第１キャップ層２ｃを形成する。このようにして、第１エッチングストッパー層２ａ、第１低誘電率膜２ｂおよび第１キャップ層２ｃからなる層間絶縁膜２が形成される。ここで、第１低誘電率膜２ｂと第１キャップ層２ｃ間の密着性を高めるために、第１低誘電率膜２ｂの表面をプラズマに暴露することが好ましい。このようにしてから、ビアホールの開口パターンを有するレジストマスク３をエッチングマスクにして、上記第１キャップ層２ｃ、第１低誘電率膜２ｂを順次にＲＩＥでドライエッチングし口径が８０ｎｍ程度のビアホール４を形成する。ここで、第１エッチングストッパー層２ａはエッチングしないままにする（図１（ａ））。
【００２８】
この第１キャップ層２ｃ、第１低誘電率膜２ｂのドライエッチングでは、エッチングガスとして例えばＣ４Ｆ８／Ａｒの混合ガス、Ｃ５Ｆ８／Ａｒの混合ガスあるいはＯ２添加あるいはＮ２添加の混合ガスを用い、エッチング装置としては図６で後述するＲＩＥ装置を使用する。ここで、上記エッチングガスの処理室でのガス圧力は後述する通常の２０Ｐａ程度に設定される。上記のような炭素原子の結合量が多いフルオロカーボンガスを含むエッチングガスでは、第１エッチングストッパー層２ａのエッチングはほとんど進まない。そして、このドライエッチングでは、反応生成物として有機ポリマーが多く生成され、その反応生成物がビアホール４の側壁に保護膜として付着して側壁をフッ素のラジカルによるエッチングから保護するために、上記側壁部の近傍において従来の技術で説明したダメージ層２０８が生成されることは無い。このようなフルオロカーボンとして、一般式がＣｘＨｙＦｚの化学式（ｘ、ｙ、ｚは、ｘ≧４、ｙ≧０、ｚ≧１を満たす整数）で表されるフルオロカーボンガスからなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスを用いればよい。
【００２９】
次に、上記レジストマスクをＨ２  ガス、Ｈｅガス等のプラズマで除去する。このレジスト除去で、第１キャップ層２ｃ上の有機材料であるレジストマスクと共に同じ有機材料である上記側壁部の有機ポリマーも除去される。（図１（ｂ））。
【００３０】
次に、上記第１キャップ層２ｃをいわゆるハードマスクにして上記エッチングしないで残っていた第１エッチングストッパー層２ａをエッチング除去する。このドライエッチングの方法について具体例で説明する。
【００３１】
図６は、層間絶縁膜２にビアホールあるいはトレンチの形成に用いるＲＩＥ装置１００の模式的な略断面図である。
【００３２】
チャンバ１０１内には互いに対向する平行平板電極構造の上部電極１０２と下部電極１０３が取付けられ、その間がエッチング処理室であるプラズマ生成空間１０４になっている。そして、上部電極１０２は、シャワーヘッド構造になっており、ガス導入口１０５が設けられガス供給配管１０６に連通し、エッチングガスがプラズマ生成空間１０４に吐出するようになっている。また、上部電極１０２には第１高周波電源１０７が第１整合器１０８を介して接続されており５０ＭＨｚ程度の高周波が印加される。同様に、下部電極１０３は第２高周波電源１０９に第２整合器１１０を介して接続され、１ＭＨｚ程度の周波数の高周波電力が供給される。そして、下部電極１０３上面には、被処理基板である半導体ウエハ１１１が、図示しない静電チャック機構により吸着され固定して載置される。ここで、第１高周波電源１０７は主にエッチングガスをプラズマ励起し、第２高周波電源１０９は上記プラズマから半導体ウエハ１１１へのイオン入射エネルギーを制御する。
【００３３】
上記ＲＩＥ装置では、下部電極１０３に半導体ウエハ１１１を載置した後、後述する所望のエッチングガスが、ガス導入配管１０６を通してガス導入口１０５よりプラズマ生成空間１０４に吐出され、上部電極１０２と下部電極１０３間に第１高周波電源１０７と第２高周波電源１０９によりそれぞれ１ｋＷ（ワット）程度の高周波電力が供給される。そして、プラズマ生成空間１０４に上記エッチングガスのプラズマが生成され、このときプラズマ生成空間１０４は、ガス排気口１１２に連通する真空ポンプ等の排気機構（不図示）により適度の圧力に制御される。
【００３４】
上記ＲＩＥ装置１００を用い、第１キャップ層２ｃをハードマスクにして第１エッチングストッパー層２ａをエッチング除去するには、エッチングガスとしてＣＦ４／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、あるいはＣＨＦ３／Ａｒ／Ｎ２混合ガスを用いる。そして、上記エッチングガスをプラズマ励起しプラズマ生成空間１０４のガス圧力を好適な範囲である０．１Ｐａ〜６．０Ｐａになるように圧力制御する。このようなエッチング条件で第１エッチングストッパー層２ａをエッチング除去し、ビアホール４を下層配線１表面に達するように貫通させる。（図１（ｃ））。
【００３５】
図１３（ａ）で説明したように、従来の技術ではＣＨＦ3／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、ＣＦ4／Ａｒ／Ｎ２混合ガスのエッチングガスの圧力は、通常の１０Ｐａ〜４０Ｐａであるのに対して、本発明ではガス圧力が上記のように１桁ほど低圧領域に設定される。このようなガス圧力により、フッ素のイオン量が増加しフッ素のラジカル量が低下するようになる。そして、特にエッチングガス中の窒素が第１エッチングストッパー層２ａを構成するＳｉＣ膜の分解を促進させる。同時に窒素あるいはフッ素等の直進性のあるイオンが、上記ＳｉＣ膜をスパッタリングする。そして、このスパッタリングされた飛散物あるいは炭素が窒素と化学結合した反応生成物がビアホール４の側壁に再付着し露出する第１低誘電率膜２ｂ表面に薄い側壁保護層が形成される。ここで、この側壁保護層が形成される詳細および反応生成物の構造については未だ明らかではないが、上記イオンのボンバードメント（イオン衝撃）による第１キャップ層２ｃ表面のスパッタリングおよび第１エッチングストッパー層２ａのスパッタリングに大きく関係しており、その膜厚は薄く比誘電率の小さい（３程度）ものであることは判っている。そして、この側壁に生成された側壁保護層が、上記フッ素ラジカルが第１低誘電率膜２ｂ内に侵入するのを阻止するようになる。このような効果については、図６、図７を参照して後述する。
【００３６】
次に、導電性バリア膜として、膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍになるＴａ膜、ＴａＮ膜をスパッタ（ＰＶＤ）法あるいはＡＬＤ法で成膜し、下層配線１に接続する第１バリアメタル膜５を第１キャップ層２ｃ上を被覆しビアホール４に埋め込むように堆積させる。更に、配線材料として、スパッタによるＣｕシード層形成とＣｕメッキ法とを用いて膜厚が２００ｎｍ〜５００ｎｍの第１Ｃｕ膜６をビアホール４に埋め込むように形成する（図２（ａ））。そして、窒素雰囲気において１５０〜３５０℃程度の熱処理を施す。このＣｕアニールにより、第１Ｃｕ膜６の結晶化を行うと共に、第１バリアメタル膜５と第１Ｃｕ膜６との接着性を高める。
【００３７】
そして、ＣＭＰ法を用いて、第１キャップ層２ｃを研磨ストッパーとしてその上の不要な部分のＣｕ膜および第１バリアメタル膜５を順次に研磨除去し、ビアホール４内の第１バリア層７を介し、導電層であるビアプラグ８を充填して形成する（図２（ｂ））。
【００３８】
このようにした後、第１キャップ層２ｃ、第１バリア層７の上部およびビアプラグ８を被覆するように、全面に膜厚が２５ｎｍ程度のＳｉＣ膜から成る第２エッチングストッパー層９ａ（第１の絶縁膜）、ｐ−ＭＳＱ膜から成る比誘電率が２．０程度、膜厚が２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度になる第２低誘電率膜９ｂ（第２の絶縁膜）を形成する。そして、上記第２低誘電率膜９ｂ表面に、たとえば膜厚が１００ｎｍのＳｉＯＣ膜から成る第２キャップ層９ｃ（第３の絶縁膜）を形成して、これらの積層した第２層間絶縁膜９を形成する（図２（ｃ））。
【００３９】
そして、トレンチ１０の開口パターンを有するレジストマスク１１をエッチングマスクにして、上記第２キャップ層９ｃ、第２低誘電率膜９ｂを順次にＲＩＥでドライエッチングし幅寸法が１００ｎｍ程度のトレンチ１０を形成する。ここで、第２エッチングストッパー層９ａはエッチングしない（図３（ａ））。この第２キャップ層９ｃ、第２低誘電率膜９ｂのドライエッチングでは、ＲＩＥ装置１００において、図１（ａ）で説明したのと同様にＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２の混合ガス、Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２の混合ガス、Ｃ５Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２等の混合ガス、Ｃ５Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２等の混合ガスをエッチングガスに用いて行う。この場合でも、上記エッチングガスでは、第２エッチングストッパー層９ａのエッチングはほとんど進まない。そして、反応生成物として有機ポリマーが多く生成され、その反応生成物がトレンチ１０の側壁に保護膜として付着して側壁をフッ素のラジカルによるエッチングから保護する。
【００４０】
次に、図１（ｂ）で説明したのと同様にして上記レジストマスク１１をプラズマで除去した後、残渣物を除去する洗浄処理を施して、第２キャップ層９ｃ、第２低誘電率膜９ｂにトレンチ１０を形成する（図３（ｂ））。
【００４１】
次に、上記ＲＩＥ装置１００を用い、第２キャップ層９ｃをハードマスクにして第２エッチングストッパー層９ａをエッチング除去する。このドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてＣＦ４／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、あるいはＣＨＦ３／Ａｒ／Ｎ２混合ガスを用い、処理室であるプラズマ生成空間１０４のガス圧力を好適な範囲である０．１Ｐａ〜６．０Ｐａになるように圧力制御してプラズマ励起する。このようなエッチング条件で第２エッチングストッパー層９ａをエッチング除去し、トレンチ１０をビアプラグ８に達するように貫通させる（図３（ｃ））。この場合も、図１（ｃ）で説明したのと同様の効果が生じる。この効果については、まとめて図６、図７を参照して後で説明する。
【００４２】
次に、トレンチ１０の側壁および底面、第２キャップ層９ｃ表面を被覆するように、膜厚がそれぞれ５ｎｍ〜１０ｎｍになるＴａ膜／ＴａＮ膜をＰＶＤ法でこの順に堆積させて第２バリアメタル膜１２を全面に成膜する。そして、更に、Ｃｕメッキ法等を用いて膜厚が５００ｎｍ〜１μｍのＣｕ膜を成膜し、第２Ｃｕ膜１３を第２バリアメタル膜１２に積層しトレンチ１０に埋め込むように堆積させる（図４（ａ））。ここで、第２バリアメタル膜１２は第１バリア層７およびビアプラグ８に接続している。そして、ＣＭＰ法を用いて、第２キャップ層９ｃを研磨ストッパーとしてその上の不要な部分の第２Ｃｕ膜１３および第２バリアメタル膜１２を研磨除去する。このようにして、実効的な比誘電率が２．０〜２．５程度になる第２層間絶縁膜９に設けられたトレンチ１０内に第２バリア層１４を介して銅配線から成る上層配線１５が形成される。ここで、上層配線１５は、実効的な比誘電率が２．５〜３．０程度になる第１層間絶縁膜２に形成されたビアプラグ８を通して下層配線１に電気接続され、ダマシン配線構造体の２層配線が完成する（図４（ａ））。
【００４３】
上記実施の形態１で生じる効果について図７、図８に基づいて説明する。ここで、図７（ａ）は、図１（ｃ）あるいは図３（ｃ）で説明した第１キャップ層２ｃあるいは第２キャップ層９ｃをハードマスクにして、第１エッチングストッパー層２ａあるいは第２エッチングストッパー層９ａのＳｉＣ膜をドライエッチングした工程後の断面ＳＥＭ写真である。図７（ｂ）は、図１３（ａ）で説明した従来の技術の場合での同じ工程後の断面ＳＥＭ写真である。上記写真では写真映像が明確になるように、表面のコーティング被膜処理がなされ、ＨＦ溶液への浸漬によるレリーフ処理が施されている。そして、図８（ａ）は、図２（ａ）あるいは図４（ａ）で説明した３５０℃のＣｕアニール工程後の断面ＳＥＭ写真である。図８（ｂ）は、図１３（ｃ）で説明した従来の技術の場合での同じ工程後の断面ＳＥＭ写真である。
【００４４】
図７（ａ）から明らかなように、絶縁性バリア層であるＳｉＣ膜のドライエッチング工程において、ビアホールあるいはトレンチの側壁で露出する多孔質の低誘電率膜表面にダメージ層は全く生じていない。また、キャップ層と低誘電率膜の界面領域にもダメージ層は全く生成されない。これに対して、従来の技術では、図７（ｂ）から明らかなように、ビアホールあるいはトレンチの側壁で露出する多孔質の低誘電率膜表面にダメージ層が生成され、さらにキャップ層と低誘電率膜の界面領域にもダメージ層が生成される。
【００４５】
また、図８（ａ）から明らかなように、ＳｉＣ膜で成るエッチングストッパー層をドライエッチングし、下層配線あるいはビアプラグまで貫通したビアホールあるいはトレンチにバリアメタル膜およびＣｕ膜を埋め込み、そして３５０℃のＣｕアニールを施しても、低誘電率膜には損傷は全く生じていない。これに対して、従来の技術では、図８（ｂ）から明らかなように、低誘電率膜中に多数の上述したところのボイドが発生する。
【００４６】
上述したように、従来の技術では、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、ＣＦ4／Ａｒ／Ｎ２混合ガスのプラズマ生成空間１０４におけるガス圧力は、通常の１０Ｐａ〜４０Ｐａであるのに対して、本発明におけるガス圧力は０．１Ｐａ〜６．０Ｐａである。従来の技術の場合には、上記エッチングガスのプラズマ励起で生成される活性種の中でイオンに較べてラジカル成分が増加し、この増加した窒素あるいはフッ素のラジカル成分は、等方的な熱運動をすることでビアホールあるいはトレンチの側壁で露出する低誘電率膜に多くの損傷を与え、上記ダメージ層を生成するようになる。同時に、上記フッ素ラジカルは、上記ダメージ層から低誘電率膜中の空孔を通って内部に深く侵入し、エッチングストッパー層のドライエッチング工程後であってバリアメタル膜の成膜工程前に行われる洗浄工程あるいはＣｕメッキ工程で侵入した水分と反応しＨＦとなって、シロキサン骨格の低誘電率膜を局部的にエッチングする。そして、上述したような多数のボイドを発生させる。
【００４７】
これに対して、上記エッチングガスの圧力が１０Ｐａ未満に、特に、本発明の場合のように上記エッチングガスの圧力が６．０Ｐａ以下になると、上記エッチングガスのプラズマ励起により窒素およびフッ素のイオン量が大幅に増加し、それらのラジカル量が減少するようになる。また、同時に、特にエッチングガス中の窒素イオンが第１エッチングストッパー層２ａを構成するＳｉＣ膜の分解を促進させ、窒素、フッ素あるいはアルゴン等の直進性のあるイオンが、上記ＳｉＣ膜をスパッタリングするようになる。そして、このスパッタリングされた炭素が窒素と化学結合した反応生成物がビアホール４およびトレンチ１０の側壁に再付着し、露出する第１低誘電率膜２ｂおよび第２低誘電率膜９ｂ表面に薄い側壁保護層が形成される。この側壁保護層の生成は、上記イオン衝撃による第１エッチングストッパー層２ａあるいは第２エッチングストッパー層９ａおよび第１キャップ層２ｃ表面あるいは第２キャップ層９ｃ表面のスパッタリングに関係する。この側壁に生成された側壁保護層が、上記フッ素ラジカルが低誘電率膜の内部に侵入するのを阻止することにより、従来の技術の場合に生成したダメージ層およびボイド発生が抑止されるようになる。
【００４８】
上記スパッタリングは、上記エッチングガスの圧力が下がると共に増大する。しかし、上記ガス圧力が０．１Ｐａよりも低くなると、今度は上記イオンが、上記エッチングストッパー層を除去して露出した下層配線１表面あるいはビアプラグ８および第１バリア層７の表面もスパッタリングするようになる。そして、このスパッタリングで銅あるいはバリアメタルは、ビアホール４あるいはトレンチ１０の側壁に再付着し、多孔質の低誘電率膜の内部に侵入し、層間絶縁膜の絶縁性の低下あるいは配線層間のリーク電流の増加を引き起こす。このような理由から、上記エッチングガスの圧力は、０．１Ｐａ〜６．０Ｐａの範囲に設定するのが好適になる。
【００４９】
上記エッチングガスに用いるフッ素化合物ガスは、ＣＦ４、ＣＨＦ３のようなフルオロカーボンガスの他に、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆのようなハイドロフルオロカーボンガスを用いてもよい。更には、フッ素化合物ガスとしてＳＦ６、ＮＦ３のガスも同様に使用することができる。また、窒素含有ガスとしては、窒素ガス以外にもＮＨ３、Ｎ２Ｈ４のようなガスを同様にして使用することができる。
【００５０】
また、上記層間絶縁膜あるいは絶縁性バリア層であるエッチングストッパー層のドライエッチングにおいて、エッチングガスにアルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスを添加しているが、その他に添加ガスとして、クリプトン（Ｋｒ）、ネオン（Ｎｅ）等の不活性ガスも同様に使用できる。
【００５１】
上記実施の形態においては、第１の絶縁膜である第１エッチングストッパー層２ａおよび第２エッチングストッパー層９ａは、絶縁性バリア層として、ＳｉＣ膜の他に炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で形成しても、同様なドライエッチングを施すことで全く同様な効果を奏することができる。また、炭化シリコンに水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）窒素（Ｎ）の１原子あるいは複数原子を含有する膜を用いても同様に適用できる。更に、上記エッチングストッパー層に極薄の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を適用することもできる。ここで、ＳｉＮ膜の比誘電率は７程度と高いためにできるだけ薄くすることが好ましい。そして、上記絶縁性バリア層の複数膜を堆積させた積層膜にしてもよい。
【００５２】
上記の実施の形態において、層間絶縁膜を構成する多孔質構造の第１低誘電率膜２ｂあるいは第２低誘電率膜９ｂの空孔の含有比率は３０〜５０％が好適である。空孔の含有比率が５０％を超えると、層間絶縁膜の機械的強度が低下し上記ＣＭＰにおいてバリアメタル膜、Ｃｕ膜あるいは層間絶縁膜の膜剥がれの生じる頻度が高くなる。また、空孔の含有比率が３０％より小さくなると、その比誘電率を２．５以下にすることが難しくなる。
【００５３】
実施の形態１では、第１層間絶縁膜２に設けられるビアホール４の側壁で露出する多孔質の第１低誘電率膜２ｂに上述したように側壁保護層を形成しながら、第１エッチングストッパー層２ａをエッチング除去する。あるいは、第２層間絶縁膜９に設けられるトレンチ８の側壁において露出する多孔質の第２低誘電率膜９ｂに側壁保護層を形成しながら、第２エッチングストッパー層９ａをエッチング除去する。このため、従来の技術で生じていた、ダマシン構造のビアホールおよびトレンチ側壁のサイドエッチングにより生じるボーイング形状は皆無になる。また、第１エッチングストッパー層２ａおよび第２エッチングストッパー層９ａのドライエッチングでは、エッチングガスに酸素含有ガスを添加しないで窒素含有ガスを添加しているために、下層配線１表面の酸化は抑制される。このようにして、微細なダマシン配線構造体においても、配線材料の埋め込み性は高くなると共に配線層間の電気接続不良も大幅に低減して、半導体装置の製造歩留まりは向上する。
【００５４】
そして、上述したような多孔質の低誘電率膜である第１低誘電率膜２ｂおよび第２低誘電率膜９ｂに形成した、ダマシン構造のビアホールおよびトレンチの側壁が、上述したように薄い低誘電率の側壁保護層でコーティングされ、その結果上記側壁近傍にダメージ層が全く形成されなくなるために、層間絶縁膜内への水分あるいは配線材料膜のＣｕあるいはそのバリアメタルであるたとえばＴａあるいはＴａＮ等の侵入が完全に防止されるようになる。このようにして、従来の技術におけるポアシールの形成で生じていたような層間絶縁膜の実効的な誘電率の上昇はなくなり、ダマシン配線構造体の層間絶縁膜は高い信頼性を有し、しかも配線層間のリーク電流の増加およびビアホール部での導通不良等の問題は皆無になる。
【００５５】
また、上記側壁保護層は、フッ素ラジカルが多孔質の低誘電率膜に侵入するのを阻止するために、上述したように、Ｃｕアニールの工程後に、層間絶縁膜を構成する低誘電率膜中にボイドが発生しなくなり、従来の技術において生じていたＣＭＰ工程での層間絶縁膜あるいは配線材料膜の膜剥がれが皆無になる。
【００５６】
そして、半導体装置においてダマシン配線の多層化も容易になり、実用レベルにおいて、高い信頼性を有し微細なダマシン配線構造体が半導体装置に形成できるようになる。このようにして、信頼性が高く高速動作が可能な半導体装置が具現化される。
【００５７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図９〜１１を参照して以下に説明する。この場合の特徴は、本発明が銅（合金）埋め込みのデュアルダマシン配線に適用されているところである。ここで、図９〜１１は、上層配線をビアプラグとダマシン配線とを一体に形成したデュアルダマシン配線構造体の製造工程別素子断面図である。
【００５８】
シリコン基板上にＣＶＤ法でシリコン酸化膜を堆積させ、下地絶縁膜（不図示）を形成する。そして、周知のアルミニウム銅合金膜の成膜とその加工とにより下層配線２１を形成する。続いて、エッチングストッパー層２２ａ（第１の絶縁膜）として膜厚が２５ｎｍ程度であり、比誘電率が３．５程度のＳｉＣ膜を成膜し、スピン塗布法を用いたｐ−ＭＳＱ膜の成膜により比誘電率が２．０以下、膜厚が２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度になる第１低誘電率膜２２ｂ（第２の絶縁膜）を形成する。ここで、第１低誘電率膜２２ｂの空孔の含有比率は５０％程度である。そして、上記第１低誘電率膜２２ｂ上に積層して、ＣＶＤ法で成膜した膜厚、比誘電率がそれぞれ１００ｎｍ程度、２〜３程度のＳｉＯＣ膜から成るミッドストッパー層２２ｃを形成する。更に、ミッドストッパー層２２ｃ上に第２低誘電率膜２２ｄ（第２の絶縁膜）を形成する。この第２低誘電率膜２２ｄは第１低誘電率膜２２ｂと同様にして形成する。但し、その膜厚は第１低誘電率膜２２ｂより厚くなるようにする。そして、第２低誘電率膜２２ｄ上にキャップ層２２ｅ（第３の絶縁膜）をミッドストッパー層２２ｃと同じになるように形成する。これらの多層に積層した絶縁膜で層間絶縁膜２２が構成される。ここで、キャップ層２２ｅは後述するように第１ハードマスク層になる。そして、このキャップ層２２ｅ上に膜厚がたとえば２５ｎｍ程度のＳｉＣ膜から成る第２ハードマスク層２３（第４の絶縁膜）を形成する（図９（ａ））。
【００５９】
次に、公知のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、それぞれレジストマスクを用いて上記第２ハードマスク層２３およびキャップ層２２ｅをエッチング加工しそれぞれにパターン転写する。たとえば口径が８０ｎｍの開口を有する第１ハードマスク層２２ｅ、そして、たとえば幅寸法が１００ｎｍの開口を有する第２ハードマスク２３を形成する。そして、実施の形態１で説明方法により上記レジストマスクを除去する（図９（ｂ））。
【００６０】
次に、第１ハードマスク層２２ｅをエッチングマスクに用いたＲＩＥにより、第２低誘電率膜２２ｄをドライエッチングし、ミッドストッパー層２２ｃ表面に達するビアパターンを転写する。ここで、使用するエッチングガスは、たとえばＣ５Ｆ８／Ａｒのフルオロカーボン系ガスである（図９（ｃ））。
【００６１】
次に、第２ハードマスク層２３をエッチングマスクに用いたＲＩＥにより、第１ハードマスク層２２ｅをドライエッチングし、第２ハードマスク層２３のトレンチパターンを第１ハードマスク層２２ｅに転写する。同時に、ミッドストッパー層２２ｃをエッチングしビアパターン転写を行う。ここで、使用するエッチングガスは、たとえばＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２あるいはＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２のフルオロカーボン系ガスである（図１０（ａ））。
【００６２】
このようにした後、図６で示したＲＩＥ装置１００を用いて、第１ハードマスク層２３をエッチングマスクにして第２低誘電率膜２２ｄをエッチング加工し、トレンチパターンを第２低誘電率膜２２ｄに加工転写する。同時に、ミッドストッパー層２２ｃをエッチングマスクにして、第１低誘電率膜２２ｂをエッチング加工し、ビアパターンを第１低誘電率膜２２ｂに加工転写する。ここで使用するエッチングガスは、Ｃ４Ｆ８／ＡｒあるいはＣ５Ｆ８／Ａｒのフルオロカーボン系ガスである。このようなエッチングガスとしては、その他に、一般式がＣｘＨｙＦｚの化学式（ｘ、ｙ、ｚは、ｘ≧４、ｙ≧０、ｚ≧１を満たす整数）で表されるフルオロカーボンガスからなる群より選択された少なくとも一種のエッチングガスを用いることができる。そして、上記エッチングガスをプラズマ励起しプラズマ生成空間１０４のガス圧力を２０Ｐａ程度になるように圧力制御する。このようにして、デュアルダマシン構造のビアホール２４が第１低誘電率膜２２ｂとミッドストッパー層２２ｃに形成され、同じくデュアルダマシン構造のトレンチ２５が第２低誘電率膜２２ｄとキャップ層２２ｅに形成される。ここで、エッチングストッパー層２２ａはエッチングしないままである。そして、洗浄処理を施して、デュアルダマシン構造になるビアホール２４とトレンチ２５の側壁等の残渣物を除去する（図１０（ｂ））。
【００６３】
次に、ＲＩＥ装置１００を用い、キャップ層２２ｅおよびミッドストッパー層２２ｃをハードマスクにしてエッチングストッパー層２２ａの露出部をエッチング除去する。ここで、エッチングガスとしてＣＦ４／Ａｒ／Ｎ２混合ガス、あるいはＣＨＦ３／Ａｒ／Ｎ２混合ガスを用い、上記エッチングガスをプラズマ励起しプラズマ生成空間１０４のガス圧力を好適な範囲である０．１Ｐａ〜６．０Ｐａになるように圧力制御する。このようなエッチング条件でエッチングストッパー層２２ａをエッチング除去し、デュアルダマシン構造になるビアホール２４を下層配線２１表面に達するように貫通させる。（図１０（ｃ））。
【００６４】
この場合も、上述したように従来の技術におけるエッチングガスの圧力は１０Ｐａ〜４０Ｐａであるのに対して、本発明ではガス圧力が上記のように１桁ほど低圧領域に設定される。このようなガス圧力により、フッ素のイオン量が増加しフッ素のラジカル量が低下するようになる。そして、特にエッチングガス中の窒素がエッチングストッパー層２２ａおよび第２ハードマスク層２３を構成するＳｉＣの分解を促進させ、窒素、フッ素等の直進性のあるイオンが、ビアホール２４の側壁およびトレンチ２５の側壁においてそれぞれ露出する第１低誘電率膜２２ｂおよび第２低誘電率膜２２ｄ表面に薄い側壁保護層を形成する。そして、これらの側壁に生成された側壁保護層が、上記フッ素ラジカルが第１低誘電率膜２２ｂ内および第２低誘電率膜２２ｄ内に侵入するのを阻止するようになる。
【００６５】
次に、膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍになるＴａ膜／ＴａＮ膜の積層構造のバリアメタル膜２６をＰＶＤ法あるいはＡＬＤ法により堆積させ、更に、Ｃｕメッキ法等を用いて膜厚が５００ｎｍ〜１μｍのＣｕ膜２７を積層してデュアルダマシン構造のビアホール２４およびトレンチ２５に埋め込むように成膜する（図１１（ａ））。ここで、バリアメタル膜２６は下層配線２１に接続している。そして、ＣＭＰ法を用いて、キャップ層２２ｅを研磨ストッパーとしその上の不要な部分のＣｕ膜および積層のバリアメタル膜を研磨除去する。このようにして、下層配線２１に接続して、実効的な比誘電率が２．０程度あるいはそれ以下になる層間絶縁膜２２に設けられたデュアルダマシン構造のビアプラグ２４およびトレンチ２５内にバリア層２８とデュアルダマシン配線構造の上層配線２９が形成され、デュアルダマシン配線構造体を有する２層配線が完成する（図１１（ｂ））。
【００６６】
上記実施の形態において、第４の絶縁膜である第２ハードマスク層２３は、ＳｉＣ膜の他に、絶縁性バリア層になるＳｉＣＮ膜で形成しても、同様なドライエッチングを施すことで全く同様な効果を奏することができる。また、炭化シリコンに水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）窒素（Ｎ）の１原子あるいは複数原子を含有する膜を用いても同様に適用できる。そして、上記絶縁性バリア層の複数膜を堆積させた積層膜にしてもよい。
【００６７】
上記実施の形態２においては、実施の形態１で説明したのと全く同様の効果が生じる。そして、この実施の形態では、第１の絶縁膜であるエッチングストッパー層２２ａのドライエッチングにおいて、プラズマ中のイオンによる第１の絶縁膜のスパッタリングの他に第４の絶縁膜表面のスパッタリングが加わるために、ビアホール２４の側壁およびトレンチ２５の側壁に容易に側壁保護層が形成できるようになる。また、この場合には、実施の形態１よりもダマシン配線構造体の製法が簡便になる。そして、層間絶縁膜に挿入する多孔質の低誘電率膜以外の絶縁層（エッチングストッパー層あるいはキャップ層）の一部を省くことができるようになり、層間絶縁膜の実効的な誘電率がさらに低減することが可能になる。そして、半導体装置の動作の高速化がさらに進む。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００６９】
例えば、本発明にかかる第２の絶縁膜である多孔質の絶縁膜としては、ｐ−ＭＳＱ膜と同様に、シロキサン骨格を有する他の絶縁膜あるいは有機高分子を主骨格とした絶縁膜を多孔質化した低誘電率膜を用いることができる。なお、上記シロキサン骨格を有する絶縁膜には、シルセスキオキサン類の絶縁膜であるＳｉ−ＣＨ3結合、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−Ｆ結合のうち少なくとも１つの結合を含むシリカ膜があり、有機高分子を主骨格とした絶縁膜には、有機ポリマーで成るＳｉＬＫ（登録商標）がある。そして、シルセスキオキサン類の絶縁膜としてよく知られた絶縁材料には、上記ＭＳＱの他、ハイドロゲンシルセスキオキサン（ＨＳＱ：Hydrogen Silsesquioxane)、メチレーテッドハイドロゲンシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ：Methylated Hydrogen Silsesquioxane）等がある。さらに、多孔質構造の低誘電率膜としては、ＣＶＤ法により成膜する多孔質のＳｉＯＣＨ膜、多孔質のＳｉＯＣ膜も同様に使用することができる。
【００７０】
また、上述した第３の絶縁膜としては、上記第２の絶縁膜と別種になるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を用いてもよい。
【００７１】
また、上述した銅埋め込みのダマシン配線においてバリア層となる導電性バリア膜としては、Ｗ膜、ＷＮ膜、ＷＳｉＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜を用いてもよい。
【００７２】
更には、上記ビアホールあるいはトレンチに銅あるいは銅合金を埋め込む代わりに他の導電体膜を埋め込んだダマシン配線を形成してもよい。ここで、導電体膜としてＷ膜等の高融点金属膜あるいは金（Ａｕ）膜を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるダマシン配線構造体の製造方法を示す工程別素子断面図である。
【図２】図１に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図３】図２に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図４】図３に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図５】低誘電率膜であるＭＳＱ膜の組成を示す構造図である。
【図６】本発明の実施の形態で使用するドライエッチング装置の略断面図である。
【図７】本発明の実施の形態で奏する効果を説明するための断面ＳＥＭ写真である。
【図８】本発明の実施の形態で奏する効果を説明するための断面ＳＥＭ写真である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかるデュアルダマシン配線構造体の製造方法を示す工程別素子断面図である。
【図１０】図９に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図１１】図１０に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図１２】従来の技術のダマシン配線構造体の製造方法を示す工程別素子断面図である。
【図１３】図１２に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【図１４】図１３に示す工程の続きの工程別素子断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１，２１  下層配線
２  第１層間絶縁膜
２ａ  第１エッチングストッパー層
２ｂ、２２ｂ  第１低誘電率膜
２ｃ  第１キャップ層
３，１１  レジストマスク
４，２４  ビアホール
５  第１バリアメタル膜
６  第１Ｃｕ膜
７  第１バリア層
８  ビアプラグ
９  第２層間絶縁膜
９ａ  第２エッチングストッパー層
９ｂ、２２ｄ  第２低誘電率膜
９ｃ  第２キャップ層
１０，２５  トレンチ
１２  第２バリアメタル膜
１３  第２Ｃｕ膜
１４  第２バリア層
１５，２９  上層配線
２２  層間絶縁膜
２２ａ  エッチングストッパー層
２２ｃ  ミッドストッパー層
２２ｅ  キャップ層（第１ハードマスク層）
２３  第２ハードマスク層
２６  バリアメタル膜
２７  Ｃｕ膜
２８  バリア層
【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７】
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【図８】
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