(57)【要約】【課題】配線幅の拡大の阻止を図ることができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記配線溝に配線を形成する工程とを具備し、前記配線溝を形成する際に、前記配線溝内に酸素ラジカルを吸収する酸素ラジカル吸収物質を形成する（ステップＳ１０４）。【選択図】図１
2011151156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝に配線を形成する工程とを具備し、
前記配線溝を形成する際に、前記配線溝内に酸素ラジカルを吸収する酸素ラジカル吸収物質を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記配線溝を形成する工程は、第１のエッチングを行う第１エッチング工程と、前記酸素ラジカル吸収物質を形成する酸素ラジカル吸収物質形成工程と、第２のエッチングを行う第２エッチング工程とを具備することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１エッチング工程と前記酸素ラジカル吸収物質形成工程と前記第２エッチング工程がこの順に連続して行われることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記酸素ラジカル吸収物質は、前記第２のエッチングで発生する酸素ラジカルと反応することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記酸素ラジカル吸収物質は、スパッタリング法により形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記酸素ラジカル吸収物質は希土類金属または遷移金属を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記酸素ラジカル吸収物質はセリウム、エルビウム、イッテルビウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅のうちの少なくとも一つからなる金属または窒化物であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記酸素ラジカル吸収物質の量は、１つの配線に対して１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか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、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ（大規模半導体集積回路）の微細化に伴い、素子の更なる高速化、低消費電力化、ならびに高信頼性が求められている。これらの要求に応じて、配線抵抗と配線間容量と層間容量の低減化を図るために、配線形成プロセスにおいて、アルミニウムに比べて抵抗の低い銅（Ｃｕ）配線を用いることや、配線間絶縁膜（以下、層間絶縁膜という）に、一般的にＬｏｗ−ｋ膜と呼ばれる低誘電率絶縁膜を用いることが検討されている。このＣｕ配線を用いた配線形成プロセスには、ダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が一般的に採用されている。
【０００３】
ここで、ダマシン法による一般的な配線形成プロセスについて、図４を参照しながら簡単に説明すると、まず、下地基板上に絶縁膜を堆積させる（ステップＳ２０１）。この際、層間絶縁膜としてＬｏｗ−ｋ膜を堆積させる。次に、絶縁膜上に、配線溝形成領域に開口部を有するレジスト膜をリソグラフィーにより形成する（ステップＳ２０２）。次に、エッチングにより配線溝を形成する（ステップＳ２０３）。この際、下地基板にもエッチングを行い、下地基板に配線溝の一部を形成する。エッチングガスには、層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）へのダメージを抑制するために、非酸化系ガスを用いる。次に、アッシングと洗浄により、絶縁膜上に残っているレジスト膜を除去する（ステップＳ２０４）。次に、バリア金属とＣｕめっきで配線溝を埋め込んだ後、表面の余分なＣｕ膜をＣＭＰ（化学機械研磨）により除去して、金属配線（Ｃｕ配線）を形成する（ステップＳ２０５）。この後、Ｃｕ拡散防止膜としてライナー絶縁膜を形成する（不図示）。
【０００４】
しかしながら、以上説明した一般的な配線形成プロセスでは、エッチングガスとして酸素を含まない非酸化系ガスを使用しても、下地（ＳｉＯ２）のエッチングによって、配線溝の内面に露出するＬｏｗ−ｋ膜にダメージ層が形成され、仕上がりの配線幅がターゲットよりも拡大してしまうことが報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Beol process integration with Cu/SiCOH (k=2.8) low-k interconnects at 65 nm groundrules 」  This paper appears in: Interconnect Technology Conference, 2005. Proceedings of the IEEE 2005 International  Publication Date: 6-8 June 2005  On page(s): 9-11
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した一般的な配線形成プロセスでは、仕上がりの配線幅がターゲットよりも拡大してしまうことから、従来よりも更に微細な配線溝をエッチングにより形成しなければ、所望の仕上がり幅の配線を実現できず、エッチング加工が困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、ダメージ層の形成を抑制して、配線幅の拡大の阻止を図ることが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】
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記配線溝に配線を形成する工程とを具備し、前記配線溝を形成する際に、前記配線溝内に酸素ラジカルを吸収する酸素ラジカル吸収物質を形成することを特徴とする。
【０００９】
上記した本発明の半導体装置の製造方法において、前記配線溝を形成する工程は、第１のエッチングを行う第１エッチング工程と、前記酸素ラジカル吸収物質を形成する酸素ラジカル吸収物質形成工程と、第２のエッチングを行う第２エッチング工程とを具備することが好ましい。また、前記第１エッチング工程と前記酸素ラジカル吸収物質形成工程と前記第２エッチング工程がこの順に連続して行われることが好ましい。更に、前記酸素ラジカル吸収物質が前記第２のエッチングで発生する酸素ラジカルと反応することが好ましい。
【００１０】
また、上記した本発明の半導体装置の製造方法において、前記酸素ラジカル吸収物質は、スパッタリング法により形成することが好ましい。
【００１１】
また、上記した本発明の半導体装置の製造方法において、前記酸素ラジカル吸収物質は、希土類金属または遷移金属を含むことが好ましい。特に、セリウム、エルビウム、イッテルビウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅のうちの少なくとも一つからなる金属または窒化物であることが好ましい。
【００１２】
また、上記した本発明の半導体装置の製造方法において、前記酸素ラジカル吸収物質の量は、１つの配線に対して１ｗｔ％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の好ましい形態によれば、配線幅を拡大する要因を抑制して、配線幅の拡大の阻止を図ることができる。よって、所望の幅の微細配線を効率よく形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の流れを示す図
【図２】本発明の実施の形態における半導体装置の製造工程の一部を示す工程断面図
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の製造工程の一部を示す工程断面図
【図４】従来の配線形成プロセスの流れを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図１ないし図３を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の流れを示す図であり、配線形成プロセスの流れを示している。図２、図３は本発明の実施の形態における半導体装置の製造工程を示す工程断面図であり、配線形成プロセスの各工程における断面を示している。この実施の形態では、多層配線構造の配線をダマシン法により形成する場合について説明する。
【００１６】
まず、下地基板１上に絶縁膜を堆積させる（ステップＳ１０１）。この実施の形態では、下地基板１は、所要の半導体素子が形成された半導体基板である。また絶縁膜として、図２（ａ）に示すように、第１のＴＥＯＳ膜３、ＳｉＯＣ膜４、第２のＴＥＯＳ膜５をこの順に形成している。ＳｉＯＣ膜４は層間絶縁膜の一例であり、第２のＴＥＯＳ膜５はキャップ膜の一例である。なお、図２（ａ）にはコンタクト２以外の半導体素子の要素については図示していない。
【００１７】
次に、絶縁膜上に、配線溝形成領域に開口部を有するレジスト膜をリソグラフィーにより形成する（ステップＳ１０２）。この実施の形態では、下層レジスト６、中間層レジスト７、上層レジスト８をこの順にレジスト塗布した後、パターンを転写して配線溝パターン９を形成している（図２（ｂ））。なお、無論、レジストの種類および組み合わせは、これに限定されるものではない。
【００１８】
次に、第１のエッチングにより配線溝を形成する（ステップＳ１０３）。この実施の形態では、図２（ｃ）に示すように、第１のＴＥＯＳ膜３とＳｉＯＣ膜４の界面までエッチングを行う。また、この第１のエッチングにより、上層レジスト８が除去される。エッチングガスには、層間絶縁膜であるＳｉＯＣ膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）へのダメージを抑制するために、非酸化系ガスを用いる。
【００１９】
次に、たとえば図２（ｄ）に示すように、配線溝内に、酸素ラジカルを吸収する酸素ラジカル吸収物質１０を形成する（ステップＳ１０４）。この実施の形態では、配線溝の底面および一部側壁、ならびに中間層レジスト７の表面に酸素ラジカル吸収物質１０を堆積させる。
【００２０】
次に、第２のエッチングにより第１のＴＥＯＳ膜３にも配線溝を形成する（ステップＳ１０５）。この実施の形態では、図３（ａ）に示すように、下地基板１にもエッチングを行い、下地基板１に配線溝の一部を形成する。また、この第２のエッチングにより中間層レジスト７が除去される。エッチングガスには、層間絶縁膜であるＳｉＯＣ膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）へのダメージを抑制するために、非酸化系ガスを用いる。
【００２１】
次に、アッシングと洗浄により、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜上に残っている下層レジスト６を除去する（ステップＳ１０６）。
【００２２】
続いて、バリア膜（バリア金属）とＣｕめっきで配線溝を埋め込んだ後、表面の余分なＣｕ膜をＣＭＰ（化学機械研磨）により除去して、金属配線（Ｃｕ配線）を形成する（ステップＳ１０７）。この実施の形態では、図３（ｃ）に示すように、まず、バリア膜１１として例えばＴａとＴａＮの積層膜をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により堆積した後、その堆積したバリア膜１１上に、シード膜１２として例えばＣｕシード膜を形成する。次に、図３（ｄ）に示すようにＣｕめっき膜１３を形成する。次に、Ｃｕめっき膜１３をファーネスによりアニール処理した後、Ｃｕめっき膜１３の改質を行う（図省略）。その後、ＣＭＰプロセスにより平坦化を行うことで、配線溝以外に形成されたＣｕ膜を除去する。また、図示しないが、この後、Ｃｕ拡散防止膜としてライナー絶縁膜を形成する。
【００２３】
以上の工程により、Ｃｕ膜とバリア膜とからなり、下層配線に電気的に接続される配線を形成することができる。なお、この実施の形態では、金属配線の材料としてＣｕを使用する例を挙げたが、金属配線の材料はＣｕに限定されるものではなく、Ｃｕと抵抗が同等もしくはＣｕよりも抵抗が低い金属を用いればよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなどを用いてもよい。以降、所定の工程を経て半導体装置を製造することができる。
【００２４】
この実施の形態の特徴は、第１のエッチングと第２のエッチングの２段階で配線溝を形成し、第２のエッチング工程の前に酸素ラジカル吸収物質１０を形成することにある。これにより、配線幅を拡大する要因を抑制して、配線幅の拡大の阻止を図ることができる。以下、酸素ラジカル吸収物質１０について具体的に説明する。
【００２５】
第１のエッチング工程および第２のエッチング工程においては、層間絶縁膜へのダメージを抑制するために、非酸化系ガス、たとえばＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガスをエッチングガスとして用いる。なお、各々のエッチングにおいて、ガスの種類は異なっていてもよい。
【００２６】
第２のエッチング工程で第１のＴＥＯＳ膜３をエッチングする際に、そのＴＥＯＳ膜３に含まれる酸素が、エッチングにより、化学エネルギーの高い酸素ラジカルとなる。図４に示す一般的な配線形成プロセスでは、エッチングにより配線溝を形成する際に、第１のＴＥＯＳ膜がエッチングされて酸素ラジカルが発生し、その酸素ラジカルによって、配線溝に露出する層間絶縁膜（ＳｉＯＣ膜）にダメージ層が形成される。このダメージ層が、後工程のバリア膜およびシード膜の形成時に配線溝の寸法を拡大し、その結果、ＣＭＰ後の配線の仕上がり寸法が拡大していた。
【００２７】
この実施の形態では、第１のＴＥＯＳ膜３をエッチングする前に酸素ラジカル吸収物質１０を供給することにより、発生した酸素ラジカルを吸収して、ＳｉＯＣ膜へのダメージを抑制することができる。
【００２８】
酸素ラジカル吸収物質１０が酸素ラジカルを吸収する過程を説明すると、酸素ラジカル吸収物質１０は、電子の価数が変化しやすい材料からなり、化学エネルギーが高く反応性の高い酸素ラジカルが酸素ラジカル吸収物質１０の周囲に来ると、酸素ラジカル吸収物質１０は、酸素ラジカルを取り込んで自身の電子の価数を調整する。これにより、エッチング時のダメージを抑制することができる。
【００２９】
酸素ラジカル吸収物質１０の材料としては、電子の価数が変わりやすいという特徴を持つ希土類金属や遷移金属からなる材料が望ましい。単金属の状態であっても、窒化物または酸化物の状態であってもよいが、酸素ラジカルをより取り込みやすい単金属または窒化物の状態であることが好ましい。
【００３０】
希土類金属、遷移金属としては、電子の価数が変わりやすいという特徴が顕著なセリウム、エルビウム、イッテルビウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅がより望ましい。これらのうちの少なくとも１つを含めばよく、混合されていてもよい。また、窒化物、酸化物の場合、希土類金属、遷移金属の陽イオンの価数が小さい状態になる化合物状態が好ましい。
【００３１】
酸素ラジカル吸収物質１０の形成方法は特に限定されないが、たとえばスパッタリング法を用いれば、配線溝内に効率よく酸素ラジカル吸収物質を形成できる。この実施の形態では、ＲＦスパッタリング中にＤＣバイアス成分を大きくして酸素ラジカル吸収物質１０を効率よく配線溝内に形成している。
【００３２】
酸素ラジカル吸収物質１０の粒子の大きさは、酸素ラジカルを吸収する観点からは特に限定されないが、酸素ラジカル吸収物質１０が異物として配線溝に残ると配線の信頼性が劣化するという観点から、サブナノオーダー以下であることが好ましい。スパッタリング法は、サブナノオーダーの粒子状の形態の酸素ラジカル吸収物質１０を提供することに適している。
【００３３】
同様に、第２のエッチング、アッシング、洗浄によっても除去されずに残留した酸素ラジカル吸収物質が配線の信頼性を劣化させるという観点から、酸素ラジカル吸収物質の量は１つの配線に対して１ｗｔ％以下であることが望ましい。そうすることで洗浄後の酸素ラジカル吸収物質の残存量が１つの配線に対して０．００１ｗｔ％以下となり、配線の信頼性の劣化を許容し得る程度に留めることができる。なお、酸素ラジカル吸収物質は、洗浄後、主に配線溝の底部の隅の部分に残る。
【００３４】
この実施の形態によれば、酸素ラジカル吸収物質を供給しない場合に比べて配線幅の拡大を抑制することができ、所望の微細配線を効率よく形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明にかかる半導体装置の製造方法は、配線幅の拡大の阻止を図ることができ、微細配線が必要な半導体装置などに有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１      下地基板
２      コンタクト
３      第１のＴＥＯＳ膜
４      ＳｉＯＣ膜
５      第２のＴＥＯＳ膜
６      下層レジスト
７      中間層レジスト
８      上層レジスト
９      配線溝パターン
１０      酸素ラジカル吸収物質
１１      バリア膜
１２      シード膜
１３      Ｃｕめっき膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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