(57)【要約】【課題】配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合に、ビアホールの開口径に依らず、その加工制御性を十分に得て、下層Ｃｕ配線の表面の組成のバラツキを十分に抑制する。【解決手段】下層Ｃｕ配線３上に形成されている積層構造２０は、シリコンと炭素を含有するキャップ絶縁膜４と、キャップ絶縁膜４上に形成されている配線絶縁膜５としてのＳｉＯＣＨ膜を有する。積層構造２０にビアホール８、９を形成する工程は、第１及び第２ドライエッチングを組み合わせて行う。第１ドライエッチングでは開口径が小さいビアホール９のエッチングレートが、開口径が大きいビアホール８のエッチングレートよりも大きくなるようにＯ２濃度が設定された第１混合ガスを用いる。第２ドライエッチングではビアホール８のエッチングレートがビアホール９のエッチングレートよりも大きくなるようにＯ２濃度が設定された第２混合ガスを用いる。【選択図】図１
2011009556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層Ｃｕ配線上に形成されている積層構造に、第１及び第２開口径のビアホールを含む複数のビアホールを形成するビアホール形成工程を有し、
前記積層構造は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜と、前記キャップ絶縁膜上に形成されている配線絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有し、
前記ビアホール形成工程では、第１混合ガスをエッチングガスとして用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスをエッチングガスとして用いる第２ドライエッチングと、を組み合わせることによって、前記配線絶縁膜に前記複数のビアホールを形成し、
前記第１及び第２混合ガスの各々は、ＣＦ系ガスとＣＨＦ系ガスとのうちの少なくとも一方のガスと、Ｏ２ガスと、を含有し、
前記第１混合ガスのＯ２濃度は、前記第１及び第２開口径のうち相対的に小さい第１開口径のビアホールのエッチングレートが、相対的に大きい第２開口径のビアホールのエッチングレートよりも大きくなるように設定され、
前記第２混合ガスのＯ２濃度は、前記第２開口径のビアホールのエッチングレートが、前記第１開口径のビアホールのエッチングレートよりも大きくなるように設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ビアホール形成工程では、前記第１ドライエッチングと前記第２ドライエッチングとをこの順に行い、
前記第１ドライエッチングは、前記第１開口径のビアホールが、前記キャップ絶縁膜に達するか、又は、前記キャップ絶縁膜の近傍に達する段階まで行い、
前記第２ドライエッチングは、各ビアホールにおいて前記キャップ絶縁膜に対するオーバーエッチングが生じる段階まで行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記配線絶縁膜としての前記ＳｉＯＣＨ膜は、該ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が前記キャップ絶縁膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であ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の製造方法。
【請求項４】
前記第１混合ガスにおけるＯ２濃度は１．２体積％未満であり、
前記第２混合ガスにおけるＯ２濃度は１．２体積％以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１及び第２混合ガスの各々は、ＡｒとＮ２のうちの少なくとも一方のガスを含有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ＳｉＯＣＨ膜は複数の空孔を有し、
前記空孔の径の平均が０．８ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記ＳｉＯＣＨ膜の前記空孔は互いに独立に配置されてい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】
前記キャップ絶縁膜は、ＳｉＣＮ膜とＳｉＣ膜との何れかであるか、又は、これらの積層膜であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記キャップ絶縁膜は、
不飽和炭化水素膜とアモルファスカーボン膜とを有するシリカカーボン複合膜、
前記シリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜又はＳｉＣ膜と、の積層膜、
或いは、前記シリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜及びＳｉＣ膜と、の積層膜であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ＳｉＯＣＨ膜は、下記一般式（式１）に示す環状有機シリカ構造を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【化１】
2011009556.tif 000007
ここで、Ｒ１、Ｒ２はビニル基を含有する不飽和炭素化合物又はアルキル基を含有する飽和炭素化合物であり、前記ビニル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかであり、前記アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかであり、Ｒ１とＲ２とは互いに同一であっても互いに異なっていても良い。
【請求項１２】
前記環状有機シリカ構造は、下記式（式２）又は（式３）に示す構造を有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【化２】
2011009556.tif 000008
【化３】
2011009556.tif 000009
【請求項１３】
下層Ｃｕ配線と、
前記下層Ｃｕ配線上に形成されている積層構造と、
を有し、
前記積層構造は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜と、前記キャップ絶縁膜上に形成されている配線絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有し、
前記ＳｉＯＣＨ膜は、該ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が前記キャップ絶縁膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であり、
前記積層構造には、互いに開口径が異なるビアホールを含む複数のビアホールが、前記積層構造を貫通して前記下層Ｃｕ配線に達する深さに形成され、各ビアホール内には前記下層Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線が形成され、
各Ｃｕデュアルダマシン配線に接する前記下層Ｃｕ配線の表面組成が、各ビアホールの開口径に依存することなく均質であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜は複数の空孔を有し、
前記空孔の径の平均が０．８ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記ＳｉＯＣＨ膜の前記空孔は互いに独立に配置されていることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記キャップ絶縁膜は、ＳｉＣＮ膜とＳｉＣ膜との何れかであるか、又は、これらの積層膜であることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化と集積化の進展にともない、シリコン基板に形成されたトランジスタの上層に形成される多層配線の微細化が急速に進展している。この多層配線は、水平方向にトランジスタ素子を接続する複数層のトレンチ配線と、これらトレンチ配線を垂直方向に接続するビアと、を有する。６５ｎｍノード以降は、配線材料として銅（Ｃｕ）を用い、また配線絶縁膜材料として低誘電率のシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）を主成分とするＳｉＯＣＨ膜を用いることが一般的となっている。銅による配線パターンを形成する方法としては、トレンチ配線とビアとを同時に作りこむデュアルダマシン加工法が最も普及している。
【０００３】
デュアルダマシン加工法のうち、ビアホールから先に形成するビアファーストデュアルダマシン加工法では、銅配線上のキャップ絶縁膜でエッチングをストップさせ、そのまま一定時間エッチングプロセスを継続する、いわゆるオーバーエッチングを行う。これにより、配線絶縁膜の膜厚の面内バラツキや、エッチングレートの面内バラツキ等に依らず、各ビアホールをキャップ絶縁膜に達する深さに形成する。
【０００４】
一般に、キャップ絶縁膜としては、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を主成分とするシリコン炭化膜（ＳｉＣ）が使われているが、窒素を添加したシリコン炭窒化膜ＳｉＣＮや酸素を添加したシリカカーボン複合膜（ＳＣＣ：Ｓｉｌｉｃａ−ｃａｒｂｏｎ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）も用いられている。
【０００５】
このようなキャップ絶縁膜により下層Ｃｕ配線を保護した後で、該下層Ｃｕ配線の上層にビアホールを形成することにより、ビアに接続される下層Ｃｕ配線層の酸化などの表面変質の度合いのバラツキに起因する接続抵抗のバラツキや信頼性劣化を抑制している。
【０００６】
そのため、キャップ絶縁膜のエッチングストップ性は非常に重要であり、キャップ絶縁膜に十分な膜厚を持たせるとともに、キャップ絶縁膜に配線絶縁膜とのエッチング選択比を十分に持たせることがこれまで一般的であった。
【０００７】
近年、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の微細化に対応し、配線絶縁膜として比誘電率が３．０以下の単一のＳｉＯＣＨ膜が用いられるようになってきた。しかし、ビア配線形成工程において、配線絶縁膜中のＣ濃度が大きい、すなわち配線絶縁膜中のＣとＳｉとの濃度比（Ｃ／Ｓｉ）が大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜を用いた場合、エッチングストッパであるキャップ絶縁膜と配線絶縁膜であるＳｉＯＣＨ膜との組成の差が小さくなり、キャップ絶縁膜と配線絶縁膜でのエッチングの選択性が小さくなってしまうことが顕在化してきている。
【０００８】
図８は配線絶縁膜（ＳｉＯＣＨ膜）とキャップ絶縁膜との炭素濃度比（横軸）と、キャップ絶縁膜と配線絶縁膜とのエッチング選択比（縦軸）と、の関係を示す図である。図８に示すように、配線絶縁膜（ＳｉＯＣＨ膜）の炭素濃度がキャップ絶縁膜の炭素濃度に対して相対的に高まるほど（図８における左側に向かうほど）、キャップ絶縁膜に対する配線絶縁膜のエッチング選択比は低下する。図８に示すように、配線絶縁膜として、配線絶縁膜中のＣとＳｉとの濃度比（Ｃ／Ｓｉ）がキャップ絶縁膜中のＣとＳｉとの濃度比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜を用いた場合においては（図８中の（Ｃ／Ｓｉ）キャップ絶縁膜／（Ｃ／Ｓｉ）ＳｉＯＣＨ膜が２未満の範囲においては）、キャップ絶縁膜に対する配線絶縁膜のエッチング選択比の低下が顕著となる（例えば、１０以下となる）。
【０００９】
このような選択比の低下により、ビアホールの加工制御性が悪化する。このため、ビアホールの底の下層Ｃｕ配線の表面の酸化状態のバラツキ（表面の組成のバラツキ）が生じることにより、下層Ｃｕ配線とビアとの接続抵抗のバラツキが生じ、多層配線構造を有する半導体装置の歩留りや信頼性に悪影響を及ぼすことがある。
【００１０】
このような問題に対して、例えば特許文献１には、配線絶縁膜として、シリコンを含まない有機膜を用いた構造が開示されている。特許文献１の技術では、有機膜の炭素濃度がキャップ絶縁膜よりも高濃度であることに注目して、主なエッチングガスとしてＯ２ガスを用いて有機膜をエッチングし、ビアホールを形成する。特許文献１の技術では、主なエッチングガスとしてＯ２ガスを用いることにより、キャップ絶縁膜に対する配線絶縁膜（有機膜）の高いエッチング選択性を確保し、キャップ絶縁膜でエッチングを停止させることができる。
【００１１】
一方、特許文献２、３のように、配線絶縁膜であるＳｉＯＣＨ膜を微細加工する技術では、マイクロローディング効果等に代表されるエッチングレートのパターンサイズ依存性が生じる。その対策として、ＳｉＯＣＨ膜をエッチングするエッチャントガスに、フロロカーボン（ＣＨｘＦｙ）系ガスやＣ４Ｆ６ガスのような堆積物を多く生成するガス（デポジション性ガス）を添加する方法が知られている。この方法によれば、エッチングレートが大きい箇所では、エッチャントガスの消費速度が大きいため、エッチングに直接関与しないデポジションガスの濃度が相対的に高まり、その箇所に炭化水素系（ＣＨｘ）の堆積物が選択的に堆積されやすくなる。その結果、その箇所のＳｉＯＣＨ膜のエッチングレートが低下し、エッチングレートのパターンサイズ依存性（ビアホールの開口径への依存性）を低減する方向に作用する。特に、特許文献３のようにエッチング工程を２つのステップに分け、この２つのステップでデポジション性ガスの添加量を異ならせることにより、ビアホールの開口径に依らず、ビアホールを均一に加工する手法が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３４５３８０号公報
【特許文献２】特開平７−７４１５６号公報
【特許文献３】特開２００８−１９８６５９号公報
【特許文献４】国際公開第２００８／０７８６４９号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２００７／１３２８７９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
シリコンを含有するＳｉＯＣＨ膜は、Ｏ２ガスのみによってエッチングすることはできないので、酸素ガスによるエッチングを行う特許文献１の技術をＳｉＯＣＨ膜のエッチングに適用することはできない。
【００１４】
また、特許文献１に記載された酸素ガスをエッチャントとして用いる場合、エッチングレートのパターン間差を吸収できるほどキャップ絶縁膜に対する高いエッチング選択比が要求される。その要求を満たせないと、ビアホール下のキャップ絶縁膜がエッチングされて下地Ｃｕ配線が現れ、その表面を酸化してしまうからである。ビアホール底のＣｕが酸化されると、ビアと下層Ｃｕ配線との接続抵抗の増大や信頼性の劣化を引き起こしてしまう。特許文献１の技術では、キャップ絶縁膜に対する有機膜のエッチング選択比１００を確保できているが、ＳｉＯＣＨ膜は、キャップ絶縁膜と同様にＳｉを含む。このため、配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合、配線絶縁膜が有機膜の場合とは異なり、キャップ絶縁膜に対するＳｉＯＣＨ膜のエッチング選択比１００を確保することができない。
【００１５】
このため、配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合に、マイクロローディング効果に起因するビアホールパターンの開口率の違いによるエッチングレート差を吸収するには、キャップ絶縁膜を厚くする必要が生じる。しかし、キャップ絶縁膜は一般に配線層間絶縁膜と比較して比誘電率が高いため、その膜厚を厚くすると実効誘電率が上昇し、ＬＳＩの高性能化及び低消費電力化を阻害してしまう。よって、キャップ絶縁膜を厚くすることは現実的ではない。
【００１６】
また、特許文献１に記載されている酸素を主成分とするエッチングガスの場合、エッチングレートを低減しているのはＣＨｘ系の堆積物である。この堆積物は、レジストアッシング等のＯ２プラズマにより除去されてしまう。従って、エッチャントガスである酸素ガスに対して、特許文献２、３に記載されているようなデポジション性ガスを添加したとしても、堆積物自体が酸素ガスですぐにエッチングされてしまい、エッチングレートのパターンサイズ依存性を低減する効果は損なわれてしまう。また、酸素ガスで除去されないほどの堆積物を生成すれば、エッチング中にビアホールにおいて目詰まりを起こし、その目詰まりしたビアホールは未開口パターンとなってしまう。
【００１７】
このため、特許文献１に記載の酸素ガスを主成分とするエッチングと、特許文献２や特許文献３に記載のフロロカーボン系の堆積物でマイクロローディング効果を抑制する技術を単に組み合わせただけであれば、ＳｉＯＣＨ膜に対するエッチングレートのパターンサイズ依存性を回避することができず、ビアホールの加工制御性を十分に確保することができない。
【００１８】
このように、配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合に、ビアホールの開口径に依らずビアホールの加工制御性を十分に確保して、下層Ｃｕ配線の表面の組成のバラツキを十分に抑制することは困難だった。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、下層Ｃｕ配線上に形成されている積層構造に、第１及び第２開口径のビアホールを含む複数のビアホールを形成するビアホール形成工程を有し、前記積層構造は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜と、前記キャップ絶縁膜上に形成されている配線絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有し、前記ビアホール形成工程では、第１混合ガスをエッチングガスとして用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスをエッチングガスとして用いる第２ドライエッチングと、を組み合わせることによって、前記配線絶縁膜に前記複数のビアホールを形成し、前記第１及び第２混合ガスの各々は、ＣＦ系ガスとＣＨＦ系ガスとのうちの少なくとも一方のガスと、Ｏ２ガスと、を含有し、前記第１混合ガスのＯ２濃度は、前記第１及び第２開口径のうち相対的に小さい第１開口径のビアホールのエッチングレートが、相対的に大きい第２開口径のビアホールのエッチングレートよりも大きくなるように設定され、前記第２混合ガスのＯ２濃度は、前記第２開口径のビアホールのエッチングレートが、前記第１開口径のビアホールのエッチングレートよりも大きくなるように設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００２０】
この半導体装置の製造方法によれば、第１混合ガスを用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスを用いる第２ドライエッチングと、を適宜に組み合わせてビアホール形成工程を行うことによって、相対的に小さい第１開口径のビアホールと、相対的に大きい第２開口径のビアホールと、のエッチング深さを揃えることができる。つまり、第１ドライエッチングと第２ドライエッチングとを適宜に組み合わせて行うことによって、配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合におけるビアホールの加工制御性を、ビアホールの開口径に依らず十分に確保することができる。これにより、ビアホールの下層に位置する下層Ｃｕ配線の表面の組成のバラツキを低減することができる。よって、ビアと下層Ｃｕ配線との接続抵抗のバラツキを抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明は、下層Ｃｕ配線と、前記下層Ｃｕ配線上に形成されている積層構造と、を有し、前記積層構造は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜と、前記キャップ絶縁膜上に形成されている配線絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有し、前記ＳｉＯＣＨ膜は、該ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が前記キャップ絶縁膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であり、前記積層構造には、互いに開口径が異なるビアホールを含む複数のビアホールが、前記積層構造を貫通して前記下層Ｃｕ配線に達する深さに形成され、各ビアホール内には前記下層Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線が形成され、各Ｃｕデュアルダマシン配線に接する前記下層Ｃｕ配線の表面組成が、各ビアホールの開口径に依存することなく均質であることを特徴とする半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、配線絶縁膜としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合に、ビアホールの開口径に依らず、ビアホールの加工制御性を十分に得て、その結果として、下層Ｃｕ配線の表面の組成のバラツキを十分に抑制することを、容易になしうる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるビアホール形成工程を説明するための切断端面図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるビアホール形成工程のメカニズムを説明するための切断端面図である。
【図３】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を説明するための切断端面図である。
【図４】実施形態に係る半導体装置の製造方法で用いる成膜装置の模式図である。
【図５】エッチングガス中のＯ２の流量に応じたエッチングレートのパターン依存性を示す図である。
【図６】実施形態による効果（パターン依存性の解消）を説明するための図である。
【図７】エッチングガス中のＣＦ４の流量に応じたエッチングレートを示す図である。
【図８】配線絶縁膜（ＳｉＯＣＨ膜）とキャップ絶縁膜との炭素濃度比と、エッチング選択比と、の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００２５】
〔第１の実施形態〕
図１は実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるビアホール形成工程を説明するための、半導体装置の要部の切断端面である。図２は実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるビアホール形成工程のメカニズムを説明するための、半導体装置の要部の切断端面図である。図３は実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を説明するための、半導体装置の要部の断面端面図である。図４は実施形態に係る半導体装置の製造方法で用いるＳｉＯＣＨ膜等の成膜装置の模式図である。図５はエッチングガス中のＯ２の流量に応じたエッチングレートのパターン依存性を示す図、図６は実施形態による効果（パターン依存性の解消）を説明するための図、図７はエッチングガス中のＣＦ４の流量に応じたエッチングレートを示す図である。
【００２６】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、下層Ｃｕ配線３上に形成されている積層構造２０に、第１及び第２開口径のビアホール８、９を含む複数のビアホール８、９を形成するビアホール形成工程を有する。積層構造２０は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜４と、キャップ絶縁膜４上に形成されている配線絶縁膜５としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有する。ビアホール形成工程では、第１混合ガスをエッチングガスとして用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスをエッチングガスとして用いる第２ドライエッチングと、を組み合わせることによって、配線絶縁膜５に複数のビアホール８、９を形成する。第１及び第２混合ガスの各々は、ＣＦ系ガスとＣＨＦ系ガスとのうちの少なくとも一方のガスと、Ｏ２ガスと、を含有している。第１混合ガスのＯ２濃度は、第１及び第２開口径のうち相対的に小さい第１開口径のビアホール９のエッチングレートが、相対的に大きい第２開口径のビアホール８のエッチングレートよりも大きくなるように設定されている。第２混合ガスのＯ２濃度は、第２開口径のビアホール８のエッチングレートが、第１開口径のビアホール９のエッチングレートよりも大きくなるように設定されている。
また、本実施形態に係る半導体装置は、下層Ｃｕ配線３と、下層Ｃｕ配線３上に形成されている積層構造２０と、を有している。積層構造２０は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜４と、キャップ絶縁膜４上に形成されている配線絶縁膜５としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有している。ＳｉＯＣＨ膜は、該ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）がキャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜である。積層構造２０には、互いに開口径が異なるビアホール８、９を含む複数のビアホール８、９が、積層構造２０を貫通して下層Ｃｕ配線３に達する深さに形成されている。各ビアホール８、９内には下層Ｃｕ配線３に接続されたＣｕデュアルダマシン配線（金属層１４）が形成され、各Ｃｕデュアルダマシン配線に接する下層Ｃｕ配線３の表面組成が、各ビアホール８、９の開口径に依存することなく均質である。
【００２７】
図５は、エッチングガス中のＯ２の流量に応じたＳｉＯＣＨ膜に対するエッチングレートのパターン依存性を示す。図５に示すように、ＳｉＯＣＨ膜に対するエッチングレートはエッチングガス中のＯ２濃度に依存する。換言すれば、ＳｉＯＣＨ膜に対するエッチングレートはプラズマ中のＯ濃度に依存する。しかも、ドライエッチングにより形成するビアホール８、９（図１参照）の開口径に応じたエッチングレートは、エッチングガス中のＯ２濃度に依存して逆転する（図５の例ではＯ２流量が約１５ｓｃｃｍのところを境として、開口径が相対的に大きいビアホール８のエッチングレート（図５中の開口径大）と、開口径が相対的に小さいビアホール９のエッチングレート（図５中の開口径小）とが逆転している）。本実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、このような依存性を利用して、ビアホール８、９をドライエッチングにより均一な深さに形成する。
【００２８】
ここで、エッチングの際には、エッチングによりＳｉＯＣＨ膜から発生する酸素も、エッチャントとして利用する。図２に示すように、微細パターン（開口径が小さいパターン）ほど側壁の間隔が狭く、発生したＯ（図２の活性酸素２１）が密集する。つまり、開口径が相対的に大きいビアホール８（図２（ａ））と、開口径が相対的に小さいビアホール９（図２（ｂ））との比較では、後者の方が、エッチングにより発生した活性酸素（酸素イオンまたは酸素ラジカル）２１がビアホール８内に密集する。このため、微細パターンの方が、ビア底とビア側壁より発生する活性酸素２１によるエッチングが多く進行する。
【００２９】
開口径の大きいパターン（ビアホール８）に対するエッチャントガスからの活性酸素（酸素イオンまたは酸素ラジカル）２２の供給量をＡとした場合、微細パターン（ビアホール９）では開口径が小さいためこの活性酸素２２の供給量がＡよりも小さく、αＡ（α＜１）となるが、ＳｉＯＣＨ膜のエッチング生成物である活性酸素２１もエッチャントとして利用することにより、微細パターン（ビアホール９）ではエッチングに使用できる活性酸素２１、２２の量が供給量Ａよりも多くなり（αＡ＋βとなり）、エッチングレートが向上する。
【００３０】
また、パターン内部で発生するエッチャントを使用するため、同一開口面積のパターンであればパターンの粗密差に関わらず、エッチングレートを一定にできる。
【００３１】
本実施形態の場合、例えば、第１ドライエッチング（図１（ａ））と第２ドライエッチング（図１（ｂ））とをこの順に行うことによって、ビアホール８、９を形成する（ビアホール形成工程を行う）。
【００３２】
このうち第１ドライエッチング（図１（ａ））では、エッチングガス中のＯ２流量を減らし、開口径の小さいパターンでエッチャントとして利用される活性酸素２１、２２の単位体積当たりの量を、開口径の大きいパターンでエッチャントとして利用される活性酸素２１、２２の単位体積当たりの量よりも多くすることにより、開口径の小さいパターンでのエッチングレートを開口径の大きいパターンにおけるそれよりも大きくさせる。これにより、マイクロローディング効果によるエッチングレートのパターン間差を制御させる。第１ドライエッチングでは、ＳｉＯＣＨ膜の膜厚分布やマイクロローディング効果によるエッチングレート分布を考慮せず、相対的に開口径の小さいビアホール９が、キャップ絶縁膜４に達するか、又は、キャップ絶縁膜４の近傍に達する段階まで行う。
【００３３】
これに対して、第２ドライエッチング（図１（ｂ））では第１ドライエッチングよりもＯ２流量を増大させて、開口径の大きいパターンでエッチャントとして利用される活性酸素２１、２２の単位体積当たりの量を、開口径の小さいパターンでエッチャントとして利用される活性酸素２１、２２の単位体積当たりの量よりも大きくさせることにより、開口径の大きいパターンでのエッチングレートを開口径の小さいパターンにおけるそれよりも大きくさせる。このため、第２ドライエッチングを行うことにより、開口径の大きいパターンでのエッチングの方が、開口径の小さいパターンでのエッチングよりも速く進行し、開口径の大きいパターンでのエッチング深さが開口径の小さいパターンでのエッチング深さに追いつく。
【００３４】
換言すれば、第２ドライエッチングで発生するエッチングレートの不均衡を予め第１ドライエッチングによって補正した後で、第２ドライエッチングを実施することにより、第２ドライエッチング後のエッチング深さを開口径に依らず同程度に揃えることができる。
【００３５】
このように、第１ドライエッチングと第２ドライエッチングとを組み合わせることにより、パターン差を相殺することが可能となり、加工制御性と均一性を両立させることができる。
【００３６】
なお、エッチングガス（第１混合ガス及び第２混合ガス）は、Ｏ２ガスの他に、ＣＦ系ガス（例えば、ＣＦ４）とＣＨＦ系ガス（例えば、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２）とのうちの少なくとも一方のガス）を含有する。更に、エッチングガス（第１混合ガス及び第２混合ガス）は、例えば、ＡｒとＮ２とのうちの少なくとも何れか一方のガスを含有する。エッチングガスは、より具体的には、例えば、Ａｒ及びＮ２を主成分とし、さらにＣＦ４とＯ２を含む混合ガスとすることができる。Ｎ２、ＣＦ４、Ｏ２の各ガスによりＳｉＯＣＨ膜を構成するＳｉ、Ｃ、Ｈをエッチングし、ビアホール８、９を形成することができる。
【００３７】
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法をより詳細に説明する。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、シリコン基板（図示略）上に下層Ｃｕ配線３を例えばシングルダマシン法によって形成する。すなわち、シリコン基板上にＳｉＯＣＨ配線層間膜１を形成し、このＳｉＯＣＨ配線層間膜１に形成した溝内に、バリアメタル２と下層Ｃｕ配線３とを形成した後、ＣＭＰにより余剰のバリアメタル２及び下層Ｃｕ配線３を除去する。
【００３９】
その後、下層Ｃｕ配線３を覆うキャップ絶縁膜４を形成する。キャップ絶縁膜４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とする。すなわち、キャップ絶縁膜４は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを、例えば合計で２０ａｔｏｍｉｃ％以上含有する。キャップ絶縁膜４は、具体的には、例えば、ＳｉＣＮ膜とすることができる。ただし、キャップ絶縁膜４は、この例に限らず、ＳｉＣ膜であっても良いし、ＳｉＣＮ膜とＳｉＣ膜との積層膜であっても良い。更に、キャップ絶縁膜４は、不飽和炭化水素膜とアモルファスカーボン膜とを有するシリカカーボン複合膜であっても良いし、このシリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜又はＳｉＣ膜と、の積層膜であっても良いし、或いは、このシリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜及びＳｉＣ膜と、の積層膜であっても良い。
【００４０】
次に、図３（ｂ）に示すように、キャップ絶縁膜４上に、上層Ｃｕ配線形成用の配線絶縁膜５を形成する。この配線絶縁膜５は、例えば、該配線絶縁膜５を構成するＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）がキャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜である。次に、配線絶縁膜５上にはＳｉＯ２ハードマスク６を形成する。これらキャップ絶縁膜４、配線絶縁膜５及びＳｉＯ２ハードマスク６は、例えば、ＣＶＤ法により順次に形成することができる。
【００４１】
ここで、キャップ絶縁膜４を構成するＳｉＣＮの原子組成比は、例えば、Ｓｉ：Ｃ：Ｎ＝１：０．４５：１．５８とすることができ、配線絶縁膜５を構成する炭素リッチＳｉＯＣＨ膜の原子組成比は、例えば、Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝１：２．７：０．９とすることができる。従って、この場合、配線絶縁膜５中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）は２．７であり、キャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）は０．４５であるため、「ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）がキャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい」という条件を満たす。さらに、この場合、ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きいという条件も満たす。
【００４２】
ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きい場合、すなわち、配線絶縁膜５中のＣ含有率が大きい場合、その配線絶縁膜５は、酸素ガスに対するエッチング反応が顕著となるため、エッチング生成物である酸素を利用したエッチングレートの制御が容易となる。このため、ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きいことが好ましい。
【００４３】
また、ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きくなる範囲では、ＳｉＯＣＨ膜（配線絶縁膜５）中のＣ濃度を高めるほど、キャップ絶縁膜４と配線絶縁膜５との組成の差が大きくなるため、配線絶縁膜５とキャップ絶縁膜４とのエッチング選択性が向上し、加工選択性が向上する。
【００４４】
また、このような配線絶縁膜５を構成するＳｉＯＣＨ膜としては、複数の空孔を有するＳｉＯＣＨ膜（ポーラスＳｉＯＣＨ膜）であって、これら空孔の径の平均が０．８ｎｍ未満である膜が挙げられる。なお、それぞれの空孔は、互いに独立に配置されていることが好ましい。
【００４５】
このような配線絶縁膜５の成膜は、例えば、図４に示す成膜装置を用いて、プラズマＣＶＤ法により行うことができる。この成膜装置の構成のうち、リザーバー１０１は配線絶縁膜５を構成するモノマー原料を供給する容器である。原料圧送部１０２はリザーバー１０１内のモノマー原料を送り出すため圧送ガスによる加圧を行う。この圧送ガスとしては、例えばＨｅが用いられる。液体マスフローコントローラー１０４はリザーバー１０１から供給されるモノマー原料の流量を制御する装置である。気化器１０６はリザーバー１０１から液体マスフローコントローラー１０４を介して供給されるモノマー原料を気化する装置である。キャリアガス供給部１０３は、気化器１０６により気化されたモノマー原料（原料ガス）を輸送するキャリアガス（例えばＨｅ）を供給する。ガスマスフローコントローラー１０５は、キャリアガス供給部１０３から気化器１０６に供給するキャリアガスの流量を制御する装置である。反応容器（リアクター）１０７は、原料ガスをプラズマ重合させることにより、配線絶縁膜５を構成する炭素リッチＳｉＯＣＨ膜を基板１０８上に成膜させる容器である。ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１０９は原料ガスとキャリアガスをプラズマ化する電力を供給する装置である。基板１０８は化学気相成長により成膜される半導体基板（半導体ウェハ（以下、ウェハ））である。排気ポンプ１１０は反応容器１０７から原料ガスとキャリアガスを排気する装置である。
【００４６】
以下、図４の成膜装置を用いて炭素リッチＳｉＯＣＨ膜を成膜するプロセスを説明する。モノマー原料としては、例えば、下記一般式（式１）に示す環状有機シリカ構造を有する原料を用いる。ここで、Ｒ１、Ｒ２はビニル基を含有する不飽和炭素化合物又はアルキル基を含有する飽和炭素化合物であり、ビニル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかであり、アルキル基も、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかである。また、Ｒ１、Ｒ２は互いに同一であっても互いに異なっていても良い。
【００４７】
【化１】
2011009556.tif 000003
【００４８】
この環状有機シリカ構造は、より具体的には、例えば、下記式（式２）又は（式３）に示す構造であることが挙げられる。
【００４９】
【化２】
2011009556.tif 000004
【００５０】
【化３】
2011009556.tif 000005
【００５１】
原料圧送部１０２から圧送される圧送ガスによりリザーバー１０１からモノマー原料が送り出され、その流量は液体マスフローコントローラー１０４により制御される。一方、キャリアガス供給部１０３からはキャリアガスが供給され、その流量はガスマスフローコントローラー１０５によって制御される。モノマー原料とキャリガスは、例えば、気化器１０６の直前で互いに混合された後、気化器１０６内に導入される。気化器１０６内には加熱されたヒータブロック（図示せず）が存在し、液体のモノマー原料は、このヒータブロックにおいて気化され反応容器１０７に導入される。反応容器１０７内では例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力により、気化したモノマー原料とキャリアガスはプラズマ化し、プラズマ重合により基板１０８上に炭素リッチＳｉＯＣＨ膜が成膜される。原料モノマーの供給量は０．１ｇ／ｍｉｎ以上１０ｇ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、２ｇ／ｍｉｎ以下であることがさらに好ましい。キャリアガスであるＨｅの供給量は５０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下であることが好ましく、２０００ｓｃｃｍ以下であることがさらに好ましい。反応容器１０７内の圧力は１３３〜１３３３Ｐａであることが好ましい。ＲＦ電源１０９の出力は２０００Ｗ以下であることが好ましく、１０００Ｗ以下であることがさらに好ましい。
【００５２】
こうして、配線絶縁膜５を成膜することができる。なお、キャップ絶縁膜４、配線絶縁膜５及びＳｉＯ２ハードマスク６の成膜は、例えば、図４に示す成膜装置を用いて連続的に行うことができる。
【００５３】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２ハードマスク６上にレジストマスク７を所定のパターン形状に形成する。このレジストマスク７には、後工程で形成する各ビアホール８、９の開口径とそれぞれ対応する様々な内径の開口が形成されている。
【００５４】
次に、レジストマスク７を介して該レジストマスク７の下地膜（ＳｉＯ２ハードマスク６、配線絶縁膜５、及び、キャップ絶縁膜４）をドライエッチングすることによって、互いに開口径が異なるビアホール８、９を含む複数のビアホール８、９を形成する。
【００５５】
ビアホール８、９を形成するためのドライエッチングは、Ｏ２を含有する混合ガスをエッチングガスとして用いて行う。詳細には、このドライエッチングは、第１混合ガスを用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスを用いる第２ドライエッチングと、を組み合わせて行う。第１及び第２混合ガスのうち、第１混合ガスは、相対的に開口径が小さいビアホール９のエッチングレートが、相対的に開口径が大きいビアホール８のエッチングレートよりも大きくなるように、相対的に低いＯ２濃度に設定されている。逆に、第２混合ガスは、相対的に開口径が大きいビアホール８のエッチングレートが、相対的に開口径が小さいビアホール９のエッチングレートよりも大きくなるように、相対的に高いＯ２濃度に設定されている。
【００５６】
本実施形態の場合、例えば、図３（ｃ）に示すように、先ず、開口径が相対的に小さいビアホール９を優先的に形成できる第１ドライエッチングを行う。この第１ドライエッチングは、複数のビアホール８、９のうち最も開口径が小さいビアホール（例えば、ビアホール９）が、キャップ絶縁膜４に達するか、又は、キャップ絶縁膜４の近傍に達する段階まで行う。この段階では、ビアホール９よりも開口径が相対的に大きいビアホール８の底は、ビアホール９の底よりも上に（浅く）位置している。なお、図３（ｃ）には、最も開口径が小さいビアホール（例えば、ビアホール９）がキャップ絶縁膜４に達するまで第１ドライエッチングを行った状態を示す。
【００５７】
次に、例えば、図３（ｄ）に示すように、開口径が相対的に大きいビアホール８を優先的に形成できる第２ドライエッチングを行う。この第２ドライエッチングは、各ビアホール８、９のエッチングにおいて、キャップ絶縁膜４に達するオーバーエッチングが生じる段階まで（キャップ絶縁膜４の一部分もエッチングされるまで）行う。
【００５８】
第２ドライエッチングでは、開口径が大きいビアホール８のエッチングレートの方が、開口径が小さいビアホール９のエッチングレートよりも大きいことから、ビアホール９のオーバーエッチング中に、ビアホール８の深さをビアホール９と同程度の深さに追いつかせ、更に、ビアホール８のオーバーエッチングを行うことができる。その結果、図３（ｄ）に示すように、各ビアホール８、９のオーバーエッチング量を互いに同程度にすることができる。なお、このように第２ドライエッチング後における各ビアホール８、９のオーバーエッチング量を互いに同程度にするためには、第１及び第２混合ガスの組成（特にＯ２濃度）と、第１ドライエッチングを行う時間の長さと第２ドライエッチングを行う時間の長さとの比率と、を適宜に設定すると良い。
【００５９】
このように第１ドライエッチングと第２ドライエッチングとを組み合わせてビアホール８、９をエッチングすることにより、配線絶縁膜として低炭素濃度ＳｉＯＣＨ膜を用いる場合と同等の加工制御性及びパターン均一性を実現することができる。
【００６０】
ここで、炭素リッチＳｉＯＣＨ膜（例えば、該炭素リッチＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きい）をエッチングする場合には、エッチングガス中の酸素濃度が高いほど、キャップ絶縁膜４に対する配線絶縁膜５のエッチング選択比を高めることができる。このため、第２のドライエッチングでは、開口径が相対的に小さいビアホール９において行われるオーバーエッチングのエッチングレートは小さくできる一方で、開口径が相対的に大きいビアホール８において行われる炭素リッチＳｉＯＣＨ膜のエッチングレートは大きくできるため、好適に、各ビアホール８、９のオーバーエッチング量を互いに同程度にすることができる。この場合、第１ドライエッチングでは、炭素リッチＳｉＯＣＨ膜の膜厚分布やマイクロローディング効果によるエッチングレート分布を考慮せずにエッチング量を設定することができる。また、この場合の第２のドライエッチングは、ＳｉＯＣＨ膜の膜厚分布やマイクロローディング効果によるエッチングレート分布を補正するオーバーエッチングを行う工程を含むと言える。すなわち、第２ドライエッチングでは、例えば、開口径の小さいパターンにおいてオーバーエッチングを行っている間に、開口径の大きいパターンでのエッチングが進行し、開口径の大きいパターンでのエッチング深さが開口径の小さいパターンでのエッチング深さに追いつく。
【００６１】
換言すれば、第２ドライエッチングで発生するエッチングレートの不均衡を予め第１ドライエッチングによって補正した後で、第２ドライエッチングを実施することにより、第２ドライエッチング後のエッチング深さを開口径に依らず同程度に揃えることができる。
【００６２】
次に、第１及び第２混合ガスとは異なる組成のエッチングガスを用いたドライエッチングを行うことにより、キャップ絶縁膜４にキャップ開口部１１、１２（図３（ｅ））を形成する。ここで用いるエッチングガスは、ＳｉＯＣＨ膜に対するキャップ絶縁膜４のエッチング選択比が高くなるガスである。
【００６３】
このようにキャップ開口部１１、１２を形成することにより、キャップ絶縁膜４を介して下層Ｃｕ配線３の表面が露出した状態となる。ここで、キャップ開口部１１、１２の形成用のドライエッチングを行う前の段階では、ビアホール８、９の底に位置するキャップ絶縁膜４の残膜の厚さは、ビアホール８、９の開口径に依らず同等である。このため、開口径が大きいビアホール８の直下のキャップ開口部１１と、開口径が小さいビアホール９の直下のキャップ開口部１２は、ほぼ同時に開口される。よって、キャップ開口部１１、１２の形成用のドライエッチングによって下層Ｃｕ配線３が受けるオーバーエッチング量及びダメージも、ビアホール８、９の開口径に依らず同等となる。従って、下層Ｃｕ配線３の表面組成及び表面形状は、各ビアホール８、９の開口径に依存することなく均質となる。
【００６４】
次に、図３（ｅ）に示すように、レジストマスク７を除去した後、配線溝形成用のレジストマスク１０をフォトリソグラフィー法により形成する。次に、図３（ｆ）に示すように、このレジストマスク１０を介して配線絶縁膜５をドライエッチングすることにより配線溝１６、１７を形成した後、レジストマスク１０を除去する。
【００６５】
次に、薬液処理により、ビアホール８、９及びキャップ開口部１１、１２を介して、下層Ｃｕ配線３の表面のＣｕ酸化物やエッチング生成物などを除去し、この表面を清浄にする。この薬液処理に用いる薬液は、フッ素を含有することが好ましい。上述のように、キャップ開口部１１、１２を介した下層Ｃｕ配線３のオーバーエッチング量は、ビアホール８、９の開口径及び密度に依らず、ウェハの全面において同等となる。このため、薬液処理による洗浄効果も、ビアホール８、９の開口径及び密度に依らずウェハの全面で同等である。よって、この段階でも、キャップ開口部１１、１２の直下の下層Ｃｕ配線３の表面組成及び表面形状は、ビアホール８、９の開口径及び密度に依らずウェハ面内で均質となる。
【００６６】
本実施形態では、このようにキャップ開口部１１、１２の直下の下層Ｃｕ配線３の表面組成及び表面形状が均質となるような制御ができるので、ビア（後述する金属層１４の一部分）と下層Ｃｕ配線３との接続部における抵抗のバラツキを抑制することが可能である。
【００６７】
次に、図３（ｇ）に示すように、ウェハ表面の全面にイオン化スパッタ法によってＴａＮ膜とＴａ膜との積層構造のバリアメタル１３を形成し、更に、このバリアメタル１３上にＣｕ薄膜（図示略）を形成する。次に、このＣｕ薄膜を電極として電界めっき法によってＣｕまたはＣｕ合金により構成される金属層１４を埋め込む。その後、Ｃｕ粒成長のための熱処理を行った後、図３（ｈ）に示すように、余剰の金属層１４、バリアメタル１３及びＳｉＯ２ハードマスク６をＣＭＰにより除去し、配線絶縁膜５の表面を露出させる。こうして、ビア及び上層Ｃｕ配線を形成することができる。すなわち、金属層１４のうち、ビアホール８、９内に埋め込まれた部分がビアを構成し、配線溝１６、１７内に埋め込まれた部分が上層Ｃｕ配線を構成する。
【００６８】
次に、図３（ｉ）に示すように、金属層１４上及び配線絶縁膜５上にキャップ絶縁膜１５を形成する。このキャップ絶縁膜１５は、キャップ絶縁膜４と同様の材料により構成することができ、例えば、ＳｉＣＮ膜とすることができる。こうして、下層Ｃｕ配線３と上層Ｃｕ配線（配線溝１６、１７内の金属層１４）との２層の配線層を有する半導体装置を製造することができる。
【００６９】
ここで、ビアホール８、９の下の下層Ｃｕ配線３の表層の状態として、組成、酸化状態、炭素などの不純物濃度については、ＴＥＭ−ＥＥＬＳ（透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）及び電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ−Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））などにより観測することができる。本実施形態の製造方法によって製造された半導体装置に対して、このような観測を行った場合には、スリットビアやリングシールといった開口径が大きなビアホール８も含め、各々のビアホール８、９の直下の下層Ｃｕ配線３の表層の組成がほぼ均一であることを観測することができる。
【００７０】
以下、上述したような本実施形態に係る半導体装置の製造方法のより具体的な例を説明する。
【００７１】
先ず、配線絶縁膜５としての炭素リッチＳｉＯＣＨ膜は、上記式（式２）に示す環状有機シリカ構造を含む原料を用いて、膜厚２００ｎｍとなるように、上述した成膜装置（図４）を用いたプラズマＣＶＤ法により形成する。炭素リッチＳｉＯＣＨ膜の比誘電率は、２．５である。このように配線絶縁膜５を形成した後は、引き続き、同一の成膜装置（図４）内で処理時間１５〜３０秒のＨｅプラズマ処理を行う。このＨｅプラズマ処理は、配線絶縁膜５の表層に表面改質層を形成することを目的として行う。更に、引き続き、同一の成膜装置（図４）内でＳｉＯ２ハードマスク６として厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜をＳｉＨ４をソースガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により成膜する。或いは、このＳｉＯ２膜の成膜にはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）をソースガスに用いても良い。なお、Ｈｅプラズマ処理による表面改質層の形成と、ＳｉＯ２ハードマスク６の成膜とは別の成膜装置で行っても良い。次に、フォトリソグラフィーによりビアホール加工用のレジストマスク７を形成する（図３（ｂ））。
【００７２】
次に、ドライエッチングによりビアホール８、９を形成する（ビアホール形成工程を行う）。
【００７３】
このビアホール形成工程では、先ず、低酸素流量（第２ドライエッチングよりも酸素流量が少ない条件）で第１ドライエッチングを行い、エッチングレートが大きいビアホール９をキャップ絶縁膜４に達するまで形成する。なお、図３（ｃ）では、ビアホール８、９はそれぞれ孤立した疎パターンになっているが、複数のビアホール８、９が密集した密パターンとなっていても良い。第１ドライエッチングのエッチング条件は、例えば、Ａｒ：４００〜８００ｓｃｃｍ、Ｎ２：１００〜５００ｓｃｃｍ、ＣＦ４：２０〜６０ｓｃｃｍ、Ｏ２：５〜１５ｓｃｃｍ、圧力：１５〜３０ｍｔｏｒｒ、ＲＦパワー：５００〜１５００Ｗ、時間：１０〜６０秒に設定することが好ましい。この第１ドライエッチングで用いるエッチンガス中のＯ２濃度は１．２体積％未満とする。
【００７４】
次に、高酸素流量（第１ドライエッチングよりも酸素流量が多い条件）での第２ドライエッチングを、各ビアホール８、９の底部においてキャップ絶縁膜４が例えば５〜１５ｎｍ程度オーバーエッチングされるまで行う（図３（ｄ））。ここで、高酸素流量のエッチング条件の方が、低酸素流量のエッチング条件よりも、ＳｉＯＣＨ膜とキャップ絶縁膜４でのエッチングの選択比が大きい。つまり、キャップ絶縁膜４よりもＳｉＯＣＨ膜の方が優先的にエッチングされる。このため、図３（ｃ）の工程とは反対に、開口径が大きいビアホール８のエッチングレートが大きい。この結果、互いに開口径が異なるビアホール８とビアホール９のエッチング深さが揃う。第２ドライエッチングのエッチング条件は、例えば、Ａｒ：４００〜８００ｓｃｃｍ、Ｎ２：１００〜５００ｓｃｃｍ、ＣＦ４：２０〜６０ｓｃｃｍ、Ｏ２：１６〜３０ｓｃｃｍ、圧力：１５〜３０ｍｔｏｒｒ、ＲＦパワー：５００〜１５００Ｗ、時間：１０〜６０秒に設定することが好ましい。この第２ドライエッチングで用いるエッチンガス中のＯ２濃度は１．２体積％以上とする。
【００７５】
ここで、キャップ絶縁膜４は、例えば、ＳｉＣＮ膜とＳｉＣ膜との何れかであるか、又は、これらの積層膜であることが挙げられる。或いは、キャップ絶縁膜４は、不飽和炭化水素膜とアモルファスカーボン膜とを有するシリカカーボン複合膜（ＳＣＣ：Ｓｉｌｉｃａ−ｃａｒｂｏｎ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）であっても良いし、このシリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜又はＳｉＣ膜と、の積層膜であっても良いし、或いは、このシリカカーボン複合膜と、ＳｉＣＮ膜及びＳｉＣ膜と、の積層膜であっても良い。ここで、ＳＣＣ膜とは、下記一般式（式４）に示す直鎖状有機シリカ原料をプラズマ重合して得られる膜であり、Ｓｉ：Ｏ：Ｃ＝１：１：１．２である。
【００７６】
【化４】
2011009556.tif 000006
ここで、Ｒは、アルキル基を含有する飽和炭素化合物であり、具体的には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基などである。
【００７７】
次に、キャップ絶縁膜４にキャップ開口部１１、１２を形成して下層Ｃｕ配線３の表面を露出させた後、レジストマスク１０を形成し、このレジストマスク１０を介したドライエッチングにより配線絶縁膜５に配線溝１６、１７を形成する（図３（ｅ）、図３（ｆ））。
【００７８】
次に、フッ素を含む薬液を用いた薬液処理により、ビアホール８、９及びキャップ開口部１１、１２を介して、下層Ｃｕ配線３の表面を清浄にする。
【００７９】
次に、ウェハ表面の全面にイオン化スパッタ法によってＴａＮ膜とＴａ膜のバリアメタル１３及びＣｕ薄膜（図示略）を形成し、このＣｕ膜を電極として電界めっき法によってＣｕまたはＣｕ合金により構成される金属層１４を埋め込む（図３（ｇ））。
【００８０】
次に、Ｃｕ粒成長のために窒素雰囲気中で３５０℃、２分間の熱処理をした後、余剰の金属層１４をＣＭＰにより除去する。そして、スラリー及び研磨ヘッドを変えて、余剰のバリアメタル１３、及び、ＳｉＯ２ハードマスク６をＣＭＰにより除去し、配線絶縁膜５の表面を露出させる（図３（ｈ））。
【００８１】
次に、金属層１４上及び配線絶縁膜５上の全面にキャップ絶縁膜１５としてキャップ絶縁膜４と同様の材料の膜（例えば、ＳｉＣＮ膜）を形成する（図３（ｉ））。こうして、配線絶縁膜５として炭素リッチＳｉＯＣＨ膜を用い、下層Ｃｕ配線３と上層Ｃｕ配線（配線溝１６、１７内の金属層１４）との２層の配線層を有する半導体装置を製造することができる。
【００８２】
ここで、配線絶縁膜５を構成する炭素リッチＳｉＯＣＨ膜としてはＣの含有量が多いものが好ましい。具体的には、炭素リッチＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１以上であることが好ましい。Ｃ含有量の多い膜は酸素ガスに対するエッチング反応が顕著であり、エッチング生成物である酸素を利用したエッチングレートの制御が容易となる。また、キャップ絶縁膜４に対する炭素組成の相違が大きくなる。すなわち、配線絶縁膜５中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）＞＞キャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）×１／２となり、配線絶縁膜５とキャップ絶縁膜４とのエッチング選択性が向上するため加工選択性が向上する。
【００８３】
図５は開口径が互いに異なるビアホール８、９を同時にドライエッチングした場合のそれぞれのエッチングレートを示している。図５から、酸素流量が約１５ｓｃｃｍ以上では開口径大（ビアホール８）の方がエッチングレートが大きく、酸素流量が約１５ｓｃｃｍ未満では開口径小（ビアホール９）の方がエッチングレートが大きく、酸素流量が約１５ｓｃｃｍの部分で開口径大（ビアホール８）と開口径小（ビアホール９）のエッチングレートが入れ替わることが分かる。このときの酸素流量以外のエッチング条件は、例えば、Ａｒ：８００ｓｃｃｍ、Ｎ２：４００ｓｃｃｍ、ＣＦ４：６０ｓｃｃｍ、圧力：３０ｍｔｏｒｒ、ＲＦパワー：５００〜１２００Ｗである。この条件では、酸素流量１５ｓｃｃｍは全体の１．２体積％となる。また、図６は、この条件で、且つ、酸素流量を１５ｓｃｃｍとして、開口径が互いに異なるビアホールを同時にドライエッチングした場合の断面を示す写真である。図６から、ビアホールの開口径に関わらず、エッチングレートが同じであることが分かる。
【００８４】
次に、図７を参照して、上述した第１ドライエッチング（低酸素流量であり、開口径が小さいビアホール９のエッチングレートの方が、ビアホール８のエッチングレートよりも大きいドライエッチング）において、酸素流量を１０ｓｃｃｍとした場合について説明する。図７は、酸素流量を１０ｓｃｃｍに固定にし、ＣＦ４流量を変化させた場合の、ＳｉＯＣＨ膜のエッチングのレートを示している。酸素流量が固定された場合、ＣＦ４流量が基準値を超えた場合、エッチングレートが飽和することがわかる。ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１を超える場合、ＳｉＯＣＨ膜のエッチングにはＯとＦの両方が必要となり、どちらかが足りない場合、ＣやＳｉが残留してしまうためエッチングレートが上昇しなくなる。この現象を利用し、エッチング生成物であるＯを利用することにより、ビアホール中のＯの量を制御すれば、ＣＦ４の供給量にパターン間差があったとしてもエッチングレートはパターン間で変化しない。そのためパターンの開口径や粗密が異なる場合でも、ビアホール加工におけるエッチングレートの制御が可能となる。
【００８５】
以上のような実施形態によれば、第１混合ガスを用いる第１ドライエッチングと、第２混合ガスを用いる第２ドライエッチングと、を適宜に組み合わせてビアホール形成工程を行うことによって、相対的に小さい開口径のビアホール９と、相対的に大きい開口径のビアホール８と、のエッチング深さを揃えることができる。つまり、第１ドライエッチングと第２ドライエッチングとを適宜に組み合わせて行うことによって、配線絶縁膜５としてＳｉＯＣＨ膜を用いる場合におけるビアホール８、９の加工制御性を、ビアホール８、９の開口径に依らず十分に確保することができる。これにより、ビアホール８、９の下層に位置する下層Ｃｕ配線３の表面の組成のバラツキを低減することができる。よって、ビアと下層Ｃｕ配線３との接続抵抗のバラツキを抑制し、半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させることができる。
【００８６】
すなわち、例えば図３（ｄ）に示すように、ビアホール８、９に開口径の面内分布があっても、それらビアホール８、９の形成直後の段階では下層Ｃｕ配線３が確実にキャップ絶縁膜４で保護されることにより、ビアホール８、９の直下の下層Ｃｕ配線３への表面酸化や炭素によるコンタミネーションを好適に抑制できる。
【００８７】
特に、配線絶縁膜５を構成する炭素リッチＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）が１よりも大きい場合には、低消費電力かつ高信頼の半導体装置を高歩留まりで製造することができるとともに、キャップ絶縁膜４に対する配線絶縁膜５のエッチング選択性を高めることができる。
【００８８】
また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法により、下層Ｃｕ配線３と、下層Ｃｕ配線３上に形成されている積層構造２０と、を有し、積層構造２０は、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを含有するキャップ絶縁膜４と、キャップ絶縁膜４上に形成されている配線絶縁膜５としてのＳｉＯＣＨ膜と、を有し、このＳｉＯＣＨ膜は、該ＳｉＯＣＨ膜中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）がキャップ絶縁膜４中のＣとＳｉとの原子組成比（Ｃ／Ｓｉ）の１／２よりも大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であり、積層構造２０には、互いに開口径が異なるビアホール８、９を含む複数のビアホール８、９が、積層構造２０を貫通して下層Ｃｕ配線３に達する深さに形成され、各ビアホール８、９内には下層Ｃｕ配線３に接続されたＣｕデュアルダマシン配線（金属層１４）が形成され、各Ｃｕデュアルダマシン配線（金属層１４）に接する下層Ｃｕ配線３の表面組成が、各ビアホール８、９の開口径に依存することなく均質である半導体装置を製造することができる。逆に、このような特徴を有する半導体装置は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造された蓋然性が高いと言える。
【００８９】
また、上記の実施形態では、配線層が下層Ｃｕ配線と上層Ｃｕ配線との２層だけの例を説明したが、３層以上であっても良いのは勿論である。
【符号の説明】
【００９０】
１  ＳｉＯＣＨ配線層間膜
２  バリアメタル
３  下層Ｃｕ配線
４  キャップ絶縁膜
５  配線絶縁膜
６  ＳｉＯ２ハードマスク
７  レジストマスク
８  ビアホール
９  ビアホール
１０  レジストマスク
１１  キャップ開口部
１２  キャップ開口部
１３  バリアメタル
１４  金属層
１５  キャップ絶縁膜
１６  配線溝
１７  配線溝
２０  積層構造
２１  活性酸素
２２  活性酸素
１０１  リザーバー
１０２  原料圧送部
１０３  キャリアガス供給部
１０４  液体マスフローコントローラー
１０５  ガスマスフローコントローラー
１０６  気化器
１０７  反応容器
１０８  基板
１０９  ＲＦ電源
１１０  排気ポンプ
【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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