(57)【要約】【課題】低誘電率膜に埋め込み配線を形成するに当たり、配線間のリーク電流の増加や、ＴＤＤＢ等の信頼性の劣化を抑制できる信頼性の高い埋め込み配線を形成する方法を提供する。【解決手段】本方法は、低誘電率膜３２を成膜し、低誘電率膜に配線溝を形成する工程と、基板全面にＣｕ膜を堆積して、配線溝を埋め込む工程と、ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上のＣｕ膜を除去すると共に、配線溝内にＣｕ配線４０を形成する工程と、低圧酸素プラズマ処理を施して、低誘電率膜の表層及びＣｕ配線の表層を酸化して、それぞれ、低誘電率膜の酸化膜、及びＣｕ酸化膜を生成する工程と、フッ酸系薬液を用いた表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜、及びＣｕ酸化膜を除去する工程と、Ｃｕ拡散防止膜としてＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜４２を基板全面に成膜する工程とを有する。【選択図】        図３
2004363516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低誘電率膜に配線溝を形成し、配線溝を金属膜で埋め込んで埋め込み配線を形成する方法であって、
低誘電率膜を成膜し、低誘電率膜に配線溝を形成する工程と、
基板全面に金属膜を堆積して、配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上の金属膜を除去すると共に、配線溝内に金属配線を形成する工程と、
低誘電率膜の表層を酸化して、低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする埋め込み配線の形成方法。
【請求項２】
低誘電率膜の酸化膜を生成する工程では、低圧酸素プラズマ処理を施し、低誘電率膜の表層を酸化して低誘電率膜の酸化膜を生成し、
低誘電率膜の酸化膜を除去する工程では、薬液による表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜を除去することを特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項３】
ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、ＣＶＤ−絶縁膜上に層間絶縁膜を成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、次いでコンタクトホールを第２の金属膜で埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
層間絶縁膜上に第２の低誘電率膜を成膜する工程と、
コンタクトプラグに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第３の金属膜を堆積して、第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第３の金属膜を除去して、コンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層を酸化して、第２の低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする請求項２に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項４】
ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、第２の低誘電率膜を上部に有する層間絶縁膜をＣＶＤ−絶縁膜上に成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、同時にコンタクトホールに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第２の金属膜を堆積して、コンタクトホール及び第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第２の金属膜を除去すると共に、コンタクトホール内にコンタクトプラグを、及びコンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して第２の低誘電率膜の表層を酸化し、第２の低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする請求項２に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項５】
低誘電率膜に配線溝を形成し、配線溝を金属膜で埋め込んで埋め込み配線を形成する方法であって、
低誘電率膜を成膜し、低誘電率膜に配線溝を形成する工程と、
基板全面に金属膜を堆積して、配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上の金属膜を除去すると共に、配線溝内に金属配線を形成する工程と、
低誘電率膜の表層及び金属配線の表層を酸化して、それぞれ、低誘電率膜の酸化膜及び金属酸化膜を生成する工程と、
表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする埋め込み配線の形成方法。
【請求項６】
低誘電率膜の酸化膜及び金属酸化膜を生成する工程では、低圧酸素プラズマ処理を施して低誘電率膜の表層及び金属配線の表層を酸化し、それぞれ、低誘電率膜の酸化膜及び金属酸化膜を生成し、
低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を除去する工程では、薬液による表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を除去することを特徴とする請求項５に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項７】
ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、ＣＶＤ−絶縁膜上に層間絶縁膜を成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、次いでコンタクトホールを第２の金属膜で埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
層間絶縁膜上に第２の低誘電率膜を成膜する工程と、
コンタクトプラグに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第３の金属膜を堆積して、第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第３の金属膜を除去して、コンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層及び上層金属配線の表層を酸化して、それぞれ、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層配線の金属酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層配線の金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする請求項６に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項８】
ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、第２の低誘電率膜を上部に有する層間絶縁膜をＣＶＤ−絶縁膜上に成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、同時にコンタクトホールに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第２の金属膜を堆積して、コンタクトホール及び第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第２の金属膜を除去すると共に、コンタクトホール内にコンタクトプラグを、及びコンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層及び上層金属配線の表層を酸化して、それぞれ、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴とする請求項６に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項９】
低圧酸素プラズマ処理では、圧力を３０Ｐａ以下に設定し、かつ深さ２０ｎｍ以上４０ｎｍの範囲の低誘電率膜の表層を酸化できる条件に酸素プラズマ処理条件を設定することを特徴とする請求項２から４及び６から８のうちのいずれか１項に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項１０】
薬液として、フッ酸系薬液を用いることを特徴とする請求項２から４及び６から８のうちのいずれか１項に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項１１】
金属膜として、Ｃｕ膜を成膜することを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項１２】
低誘電率膜として比誘電率が３以下の低誘電率膜を成膜することを特徴とする請求項１から１１のうちのいずれか１項に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項１３】
比誘電率が３以下の低誘電率膜として、ＳｉＯＣ膜、ＰＡＥ膜（ポリアリールエーテル膜）、及びポーラスシリカのいずれかを成膜することを特徴とする請求項１２に記載の埋め込み配線の形成方法。
【請求項１４】
ＣＶＤ−絶縁膜として、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜、及びＳｉＣＨのいずれかを成膜することを特徴とする請求項１から１３のうちのいずれか１項に記載の埋め込み配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低誘電率膜に配線溝を形成して埋め込み配線を形成する方法に関し、更に詳細には、従来に比べて、配線間リークが小さく、信頼性（ＴＺＤＢ）の高い埋め込み配線を低誘電率膜に形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダマシン法によるＣｕ埋め込み配線の形成では、従来、下層配線と上層配線との間の層間絶縁膜として、また配線間絶縁膜としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を使用している。
ところで、Ｃｕは、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜中を拡散する傾向が強いので、従来のＣｕ埋め込み配線の形成プロセスでは、配線溝に埋め込んだＣｕ膜のＣＭＰ加工後に、絶縁膜へのＣｕの拡散を防止するＣｕ拡散防止膜として、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、バリヤメタル膜などをＣｕ膜上に成膜してＣｕ配線をキャップする必要があった。
しかし、Ｃｕ拡散防止膜、特にＳｉＮ膜は、Ｃｕとの密着性が乏しいために、膜剥がれが生じ、電気抵抗の上昇や、配線間リークなどが生じやすかった。
【０００３】
そこで、従来は、例えば特開２００２−０３３３８５号公報にあるように、Ｃｕ埋め込み配線上にＣｕ拡散防止膜としてＣＶＤ−ＳｉＮ膜を形成する前に、希フッ酸等による酸処理によりＣｕ表面のみを酸化させ、次いでアノードイオン水処理を行って酸化膜を溶解する。これにより、Ｃｕ膜を改質、清浄化し、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜とＣｕとの密着性の向上を図ると共に、電気抵抗の上昇、配線間リークの増大を抑制していた。
【０００４】
ここで、図６及び前掲公報を参照して、ダマシン法による従来のＣｕ埋め込み配線の形成方法を説明する。図６（ａ）から（ｅ）は、従来のＣｕ埋め込み配線の形成方法の工程毎の基板断面図である。
先ず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板６２上にＴＥＯＳなどのシリコン酸化膜からなる絶縁膜６４を成膜する。次いで、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により、絶縁膜６４に配線溝６６を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜６４上にＣｕ膜６８を堆積させ、配線溝６６を埋め込む。
【０００５】
次いで、Ｃｕ膜６８にＣＭＰ法よる平坦化処理を施す。これにより、図６（ｃ）に示すように、絶縁膜６４上のＣｕ膜６８を研磨、除去し、配線溝６６を充填してなるＣｕ配線７０を形成する。
次に、１重量％ＤＨＦ（希フッ酸）などの酸処理により基板面を洗浄して、基板面に付着している金属不純物や基板面に形成されているＣｕＯやＣｕ２Ｏなどの酸化物７２を除去すると共に基板面が１重量％ＤＨＦ溶液で濡れている状態で０．０５％ＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）でリンス洗浄して防食処理を施し、続いて、リンス乾燥を行う。
【０００６】
次いで、酸化反応などの表面処理を基板面に施す。即ち、表面処理液として、０．１重量％ＴＭＡＨ＋アノードイオン水、又は０．５重量％ＫＯＨ溶液などを用いて基板面を洗浄し、防食処理で使用した基板面に残存する防食剤を除去すると共に、表面酸化を行い、更に乾燥処理を施す。続いて、ＮＨ３プラズマを放電して、または還元アニールさせて、図６（ｄ）に示すように、基板表面の改質を行ってＣｕ改質層７４を形成する。
続いて、図６（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜７６を絶縁膜６４及びＣｕ改質層７４上に成膜する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−０３３３８５号公報（第３頁、図１  ）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルールが縮小されてゆくに従って、配線間容量の増大が半導体装置の動作速度の低下を招くために、下層配線と上層配線との間の層間絶縁膜として、また配線間絶縁膜として低誘電率膜を使用し、配線間容量の増大を抑制するようになっている。
絶縁膜として低誘電率膜を使用しているために、Ｃｕ膜上にＣＶＤ膜をＣｕ拡散防止膜として成膜する前に、上述した従来の方法を適用して前処理を行っても、配線間のリーク電流の増加や、信頼性（ＴＺＤＢ（Ｔｉｍｅ  Ｚｅｒｏ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）等）の劣化を抑制する効果が、絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用したときに比べて、乏しかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、低誘電率膜に埋め込み配線を形成するに当たり、配線間のリーク電流の増加や、ＴＺＤＢ等の信頼性の劣化を抑制できる埋め込み配線を形成する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、層間絶縁膜また配線間絶縁膜として低誘電率膜を使用したときに、配線間のリーク電流が増加し、信頼性（ＴＺＤＢ等）が劣化する原因を研究した結果、低誘電率膜の表層がＣＭＰ工程で損傷して、ダングリングボンドなどのダメージ層が生成している。そして、このダメージ層が層間絶縁膜の表層に生成しているために、低誘電率膜の表層の誘電率が高くなり、配線間のリーク電流が増加し、ＴＺＤＢ等の信頼性が劣化することを見い出した。
【００１１】
低誘電率膜にダメージ層が生じるのは、低誘電率膜の機械的強度が低いために、ＣＭＰ法で研磨剤として使用するスラリー等によって、低誘電率膜の表層が機械的、化学的なダメージを容易に受けてしまうためである。
尚、このダメージ層はＳｉ−Ｃ結合を有すために、前掲公報による薬液処理では、溶解、除去することが出来なかった。
【００１２】
そこで、低誘電率膜のダメージ層を除去することを着想し、低圧の酸素プラズマ照射を行って、低誘電率膜表面を酸化させて酸化膜を生成させ、続いて酸化膜を除去することにより、ダメージ層を除去できることを実験により確認して、本発明方法を発明するに到った。実験では、ダメージを受けていると思われる低誘電率膜の表層は、表面から３０ｎｍ程度の深さまでであった。
【００１３】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る埋め込み配線の形成方法は、低誘電率膜に配線溝を形成し、配線溝を金属膜で埋め込んで埋め込み配線を形成する方法であって、
低誘電率膜を成膜し、低誘電率膜に配線溝を形成する工程と、
基板全面に金属膜を堆積して、配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上の金属膜を除去すると共に、配線溝内に金属配線を形成する工程と、
低誘電率膜の表層を酸化して、低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴としている。
【００１４】
本発明方法では、低圧の酸素プラズマ照射を行って、低誘電率膜の表層を酸化させて酸化膜を生成させ、続いて薬液による表面処理により酸化膜を除去することにより、ダメージ層を除去している。
【００１５】
つまり、低誘電率膜の酸化膜を生成する工程では、低圧酸素プラズマ処理を施し、低誘電率膜の表層を酸化して低誘電率膜の酸化膜を生成し、
低誘電率膜の酸化膜を除去する工程では、薬液による表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜を除去する。
【００１６】
本発明方法は、上述の単段のシングル埋め込み配線の形成に加えて、シングルダマシン構造を使った多段配線構造の形成にも適用でき、また、デュアル埋め込み配線の形成にも適用できる。
シングルダマシン構造を使った多段配線構造の形成の際には、ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、ＣＶＤ−絶縁膜上に層間絶縁膜を成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、次いでコンタクトホールを第２の金属膜で埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
層間絶縁膜上に第２の低誘電率膜を成膜する工程と、
コンタクトプラグに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第３の金属膜を堆積して、第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第３の金属膜を除去して、コンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層を酸化して、第２の低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有する。
【００１７】
デュアル埋め込み配線構造を形成する際の本発明方法は、上述のＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、第２の低誘電率膜を上部に有する層間絶縁膜をＣＶＤ−絶縁膜上に成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、同時にコンタクトホールに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第２の金属膜を堆積して、コンタクトホール及び第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第２の金属膜を除去すると共に、コンタクトホール内にコンタクトプラグを、及びコンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して第２の低誘電率膜の表層を酸化し、第２の低誘電率膜の酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有する。
【００１８】
層間絶縁膜は低誘電率膜でも通常のシリコン酸化膜でも良い。第２の低誘電率膜は、下層の低誘電率膜と同じものでも、異なるものでも良く、第２のＣＶＤ−絶縁膜は、下層のＣＶＤ−絶縁膜と同じものでも、異なるものでも良い。
金属拡散防止膜は、Ｃｕ拡散防止のためには、例えばＳｉＣＮ（水素を含有する）膜、シリコン窒化膜、ベンゾシクロブテン膜などを成膜しても良い。
【００１９】
また、低誘電率膜の酸化と同時に、金属配線の表層を酸化して、金属酸化膜を生成し、低誘電率膜の薬液による表面処理と同時に、薬液による表面処理を施して金属酸化膜を除去することにより、金属配線の表層を清浄化することもできる。尚、金属配線の同時酸化及び同時表面処理は、必ずしも、必要ではない。
低誘電率膜と共に金属配線の表層を酸化し、次いで除去する際には、本発明方法は、低誘電率膜に配線溝を形成し、配線溝を金属膜で埋め込んで埋め込み配線を形成する方法であって、
低誘電率膜を成膜し、低誘電率膜に配線溝を形成する工程と、
基板全面に金属膜を堆積して、配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上の金属膜を除去すると共に、配線溝内に金属配線を形成する工程と、
低誘電率膜の表層及び金属配線の表層を酸化して、それぞれ、低誘電率膜の酸化膜及び金属酸化膜を生成する工程と、
表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有することを特徴としている。
【００２０】
シングルダマシン構造を使った多段配線構造の形成の際には、ＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、ＣＶＤ−絶縁膜上に層間絶縁膜を成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、次いでコンタクトホールを第２の金属膜で埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
層間絶縁膜上に第２の低誘電率膜を成膜する工程と、
コンタクトプラグに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第３の金属膜を堆積して、第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第３の金属膜を除去して、コンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層及び上層金属配線の表層を酸化して、それぞれ、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有する。
【００２１】
デュアル埋め込み配線構造を形成する際の本発明方法は、上述のＣＶＤ法によりＣＶＤ−絶縁膜を成膜する工程に続いて、第２の低誘電率膜を上部に有する層間絶縁膜をＣＶＤ−絶縁膜上に成膜する工程と、
層間絶縁膜及びＣＶＤ−絶縁膜を貫通して前記金属配線（以下、下層金属配線と言う）に連通するコンタクトホールを形成し、同時にコンタクトホールに連通する第２の配線溝を第２の低誘電率膜に形成する工程と、
基板全面に第２の金属膜を堆積して、コンタクトホール及び第２の配線溝を埋め込む工程と、
ＣＭＰ処理を施して第２の低誘電率膜上の第２の金属膜を除去すると共に、コンタクトホール内にコンタクトプラグを、及びコンタクトプラグを介して下層金属配線に接続する上層金属配線を第２の配線溝内に形成する工程と、
低圧酸素プラズマ処理を施して、第２の低誘電率膜の表層及び上層金属配線の表層を酸化して、それぞれ、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を生成する工程と、
薬液による表面処理を施して、第２の低誘電率膜の酸化膜、及び上層金属配線の金属酸化膜を除去する工程と、
金属拡散防止膜としてＣＶＤ法により第２のＣＶＤ−絶縁膜を基板全面に成膜する工程と
を有する。
【００２２】
本発明方法では、金属膜の膜種、組成には制約はないが、実際的には金属膜としてＣｕ膜を成膜する。Ｃｕ膜の成膜に際して、配線溝には、先ず、バリヤメタル層として、Ｔａ層、ＴａＮ層、ＷＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＮ層などのいずれか、又はそれらの複数層を成膜し、次いでシードＣｕ層、及びメッキＣｕ層を堆積させる。
【００２３】
本発明方法では、低誘電率膜として比誘電率が３以下の低誘電率膜を成膜して、配線間容量の低減を図っている。比誘電率が３以下の低誘電率膜として、例えばＳｉＯＣ膜、ＰＡＥ膜（ポリアリールエーテル膜）、及びポーラスシリカのいずれかを成膜する。
また、低誘電率膜の成膜材料として、ハイドロゲンシルセキオサン（ＨＳＱ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）に代表される無機系材料などの比誘電率２．７前後の低誘電率膜が挙げられる。更に、それらを多孔質化させて比誘電率を２．２前後とした低誘電率材料の適用も試みられている。
【００２４】
低圧酸素プラズマ処理では、圧力を３０Ｐａ以下に設定し、深さ２０ｎｍ以上４０ｎｍの範囲の低誘電率膜の表層を酸化できる条件に酸素プラズマ処理条件を設定する。低誘電率膜の表層は、深さ２０ｎｍ以上４０ｎｍの範囲でＣＭＰ処理により損傷しているので、その範囲の深さの低誘電率膜を酸化する。
酸素プラズマ処理の圧力条件を低圧に設定することにより、酸化膜の生成を低誘電率膜の表層及び金属配線の表層に限定している。また、低圧酸素プラズマ処理では、ＣＶＤ−ＳｉＯＣ膜等の低誘電率膜の表層が酸化されて、緻密な膜質の酸化膜を生成するので、自己拡散防止効果により、それ以上の深さに酸化が進行しない。更には、金属配線の酸化進行が抑制され、金属配線の表層のみが酸化される。
【００２５】
本発明方法では、ＣＶＤ−絶縁膜として、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜、及びＳｉＣＨのいずれかを成膜する。
また、薬液としてフッ酸系薬液を用いる。ＤＨＦ或いはＢＨＦ等のフッ酸系薬液による表面処理により、低誘電率膜の酸化膜及び金属配線の金属酸化膜を容易に除去することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す半導体装置の種類、絶縁膜の成膜方法、組成及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は本発明に係るダマシン法による埋め込み配線の形成方法の実施形態の一例であって、図１、図２（ａ）から（ｃ）、及び図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。図２（ａ）から（ｃ）、及び図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図１の左側に図示の３列の配線を拡大した拡大図である。
本実施形態例は、シングルダマシン法により埋め込み配線を形成する方法であって、先ず、図１に示すように、通常の方法によって、ＳＴＩ１４により素子分離されたシリコン基板１２のｐ−ウエル１６及びｎ−ウエル１８に、それぞれ、ｎＭＯＳ２０及びｐＭＯＳ２２に形成してＣＭＯＳ２４を作製する。
【００２７】
次に、ＣＭＯＳ２４上に第１のシリコン酸化膜２６、及び第２のシリコン酸化膜２８を形成し、続いて、第２のシリコン酸化膜２８及び第１のシリコン酸化膜２６を貫通してＣＭＯＳ２４のゲート電極に接続するコンタクトプラグ３０を形成する。
【００２８】
次いで、第２のシリコン酸化膜２８上に低誘電率膜３２を成膜する。続いて、コンタクトプラグ３０上に配線溝３４を形成する。また、図２（ａ）に示すように、配線溝３４の横に別の３列の配線溝３６Ａ〜Ｃを形成する。本実施形態例では、低誘電率膜３２としてＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している）を成膜している。
ＳｉＯＣ膜は、一般に、メチルシラン（ＳｉＨｎＣＨ３）ｍ：ｎ＋ｍ＝４）と酸素を原料にしてＣＶＤ法により成膜している。他に、シクロメチルシロキサン（ＳｉｍＯｎＣＨ３）ｏ：ｍ＝４、５、６、ｎ＝４、５、６、ｏ＝ｍ、２ｍ）などを用いても成膜できる。
ＳｉＯＣ膜の他に、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）などの有機化合物膜を用いても良い。代表的には、ダウケミカルが製造、販売しているＳｉＬＫが挙げられる。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板全面にバリヤメタル層４０ａを成膜し、続いて、図２（ｃ）に示すように、バリヤメタル層４０ａ上にＣｕ膜４０ｂを堆積させる。
本実施形態例では、バリアメタル層４０ａとして、Ｔａ層を成膜している。Ｔａ層以外にも、ＴａＮ層、ＷＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＮ層などをバリヤメタル層とすることができる。成膜する際には、一般には、スパッタ装置を用いるが、カバレージが必要な１００ｎｍ以下の溝幅の配線溝には、ＣＶＤ法によって成膜する方が望ましい。
【００３０】
Ｃｕ膜４０ｂの成膜に際しては、一般には、スパッタ装置を用いて、先ず、シードＣｕ膜を堆積させる。このとき、Ｃｕに微量の不純物、たとえば、Ａｌ、Ａｇ等を数％以下含んでいても構わない。次いで、メッキ法によりメッキＣｕ膜をシードＣｕ膜上に堆積させる。シードＣｕ膜と同様に、メッキＣｕ中に微量の不純物を含んでいても構わない。
本実施形態例では、シードＣｕ及びメッキＣｕは、双方とも、９９％以上の純度を持つ材料を用いている。
【００３１】
続いて、ＣＭＰ法により低誘電率膜３２上のＣｕ膜４０ｂ及びバリヤメタル層４０ａを除去して、図１及び図３（ｄ）に示すように、配線溝３４及び配線溝３６Ａ〜Ｃを埋め込んだＣｕ配線３８及びＣｕ配線４０Ａ〜Ｃを形成する。
【００３２】
ＣＭＰ処理により、図３（ａ）に示すように、研磨剤による研磨により損傷したダメージ層３２ａが低誘電率膜３２の表層に生成する。
そこで、本実施形態例では、低誘電率膜３２の内部まで酸化しないように、３０Ｐａ以下という低圧酸素プラズマ処理を施して、低誘電率膜３２のダメージ層３２ａを酸化する。ダメージ層は酸化によりＳｉ−Ｃ成分となる。
また、同時に、Ｃｕ配線２８、３０Ａ〜Ｃの表層も酸素プラズマ処理により酸化され、例えば、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ等が生成する。
【００３３】
低圧下で酸素プラズマ処理することにより、過剰な酸素を低誘電率膜３２へ供給しないようにすることと、活性なラジカルを供給し低誘電率膜３２の表層で確実に酸素を消費させることにより、低誘電率膜３２の内部にまで酸素を到達させないようにすることができる。
本実施形態例では、ダメージを受けていると思われる３０ｎｍ程度の深さまで酸化させるように、プラズマ処理条件を設定している。具体的には、酸素流量を１００ｓｃｃｍ、プラズマパワーを１００Ｗ、圧力を２０Ｐａとした。プラズマ処理装置としては、市販のプラズマエッチング装置を用いることができる。
プラズマ処理条件は、プラズマ装置によってラジカル密度やガスの排気速度等が異なるので、プラズマ装置毎に条件設定を行う必要がある。
【００３４】
次いで、酸素プラズマ処理により酸化した低誘電率膜３２の表層３２ａをフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄して除去する。低誘電率膜３２の酸化した表層３２ａは、カーボン濃度が減少しているので、フッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により容易に除去できる。
本実施形態例では、０．５重量％のフッ酸を用いて、低誘電率膜の表層酸化膜を容易に除去することが出来た。また、酸素プラズマ処理により酸化されたＣｕ配線２８、３０Ａ〜Ｃの表層も低誘電率膜の表層酸化膜と同時に除去することができる。
以上のフッ酸処理により、図３（ｅ）に示すように、低誘電率膜３２のダメージ層３２ａ及びＣｕ配線４０の酸化膜を除去することできる。
【００３５】
次に、図３（ｄ）に示すように、Ｃｕ拡散防止膜としてバリア絶縁膜４２を成膜する。本実施形態例では、バリヤ絶縁膜として、メチルシラン（ＳｉＨｎ（ＣＨ３）ｍ：ｎ＋ｍ＝４）とアンモニア（ＮＨ３）を原料ガスとしたＣＶＤ法により、ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜４２を成膜している。
バリヤ絶縁膜として、例示したＳｉＣＮ（水素を含有する）膜以外に、例えばシリコン窒化膜、ベンゾシクロブテン膜などを成膜しても良い。
尚、ＣＶＤ成膜前には、水素ラジカルを含むプラズマ処理により、フッ酸洗浄後に生成した酸化膜（ＣｕＯ）を除去する工程を設けてもよい。
【００３６】
本実施形態例では、低誘電率膜３２のダメージ層３２ａ及びＣｕ配線４０の表層を低圧酸素プラズマ処理により酸化し、次いでフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄、除去しているので、低誘電率膜３２の表層の誘電率が高くなることもなく、またＣｕ拡散防止膜４２とＣｕ配線４０との密着性が向上しているので、配線間リーク電流を減少させて信頼性（ＴＺＤＢ）を向上させ、信頼性の高い埋め込み配線構造を形成することができる。
【００３７】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係るダマシン法による埋め込み配線の形成方法の実施形態の別の例であって、図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。
本実施形態例では、実施形態例１の方法により形成した４０Ａ〜Ｃに接続する上層Ｃｕ埋め込み配線をシングルダマシン法により形成する。
先ず、図４（ａ）に示すように、ＳｉＣＮ膜４２上に、層間絶縁膜としてＳｉＯ２膜４４を成膜し、次いでＳｉＯ２膜４４及びＳｉＣＮ膜４２を貫通してＣｕ配線４０に連通するコンタクトホールを形成し、続いてコンタクトホールを例えばＷ膜で埋め込んで、コンタクトプラグ４６を形成する。
【００３８】
次いで、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜４４上に第２の低誘電率膜４８、例えばＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している）を成膜し、コンタクトプラグ４６に連通する配線溝をＳｉＯＣ膜４８に形成する。
次いで、実施形態例１と同様に、基板全面にバリヤメタル層５０ａ及びＣｕ膜５０ｂを堆積させ、続いて、ＣＭＰ法により低誘電率膜４８上のＣｕ膜５０ｂ及びバリヤメタル層５０ａを除去して、図４（ｂ）に示すように、配線溝を埋め込んだＣｕ配線５０Ａ〜Ｃを形成する。
【００３９】
ＣＭＰ処理によりダメージ層がＳｉＯＣ膜４８の表層に生成しているので、実施形態例１と同様の低圧酸素プラズマ処理によりダメージ層を酸化する。
次いで、実施形態例１と同様にして、酸素プラズマ処理により酸化したＳｉＯＣ膜４８の表層をフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄して除去する。また、同時に、Ｃｕ配線５０の酸化膜を除去する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、実施形態例１と同様に、Ｃｕ拡散防止膜としてＳｉＣＮ（水素を含有する）膜５２をＣｕ配線５０及びＳｉＯＣ膜４８上に成膜する。
【００４１】
本実施形態例では、実施形態例１と同様に、低誘電率膜４８のダメージ層及びＣｕ配線５０の表層を低圧酸素プラズマ処理により酸化し、次いでフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄、除去しているので、低誘電率膜４２の表層の誘電率が高くなることもなく、またＣｕ拡散防止膜５２とＣｕ配線５０との密着性が向上しているので、配線間リーク電流が減少し、信頼性（ＴＺＤＢ）が向上し、信頼性の高い多段のＣｕ埋め込み配線構造を形成することができる。
【００４２】
実施形態例３
本実施形態例は本発明に係るダマシン法による埋め込み配線の形成方法の実施形態の更に別の例であって、図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってデュアルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。
本実施形態例では、実施形態例１の方法により形成した４０Ａ〜Ｃに接続する上層Ｃｕ埋め込み配線をデュアルダマシン法により形成する。
【００４３】
先ず、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜としてＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している）５４をＳｉＣＮ膜４２上に成膜し、次いでＳｉＯＣ膜５４及びＳｉＣＮ膜４２を貫通してＣｕ配線４０に連通するコンタクトホールを形成し、続いてコンタクトホールに連通する配線溝をＳｉＯＣ膜５４に形成する。
次いで、実施形態例１と同様に、基板全面にバリヤメタル層５６ａ及びＣｕ膜５６ｂを堆積させ、続いて、ＣＭＰ法によりＳｉＯＣ膜５４上のＣｕ膜５６ｂ及びバリヤメタル層５６ａを除去して、配線溝及びコンタクトホールを埋め込み、コンタクトプラグ５８、及びコンタクトプラグ５８を介して下層のＣｕ配線４０に導通するＣｕ配線５６Ａ〜Ｃを形成する。
【００４４】
ＣＭＰ処理により損傷したダメージ層がＳｉＯＣ膜５４の表層に生成しているので、実施形態例１と同様の低圧酸素プラズマ処理によりダメージ層を酸化する。
次いで、実施形態例１と同様にして、酸素プラズマ処理により酸化したＳｉＯＣ膜５４の表層をフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄して除去する。また、同時に、Ｃｕ配線５６の酸化膜を除去する
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示すように、実施形態例１と同様に、Ｃｕ拡散防止膜としてＳｉＣＮ（水素を含有する）膜６０をＣｕ配線５６及びＳｉＯＣ膜５４上に成膜する。
【００４６】
本実施形態例では、実施形態例１と同様に、低誘電率膜５４のダメージ層及びＣｕ配線５６の表層を低圧酸素プラズマ処理により酸化し、次いでフッ化水素水溶液（フッ酸）を含む溶液により洗浄、除去しているので、低誘電率膜５４の表層の誘電率が高くなることもなく、またＣｕ拡散防止膜６０とＣｕ配線５６との密着性が向上しているので、配線間リーク電流が減少し、信頼性（ＴＺＤＢ）が向上し、信頼性の高い配線構造を形成することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明方法によれば、低誘電率膜に配線溝を形成し、配線溝を金属膜で埋め込んで埋め込み配線を形成する際、ＣＭＰ処理を施して低誘電率膜上の金属膜を除去すると共に、配線溝内に金属配線を形成した後、低圧酸素プラズマ処理を施して、低誘電率膜の表層及び金属配線の表層を酸化して、それぞれ、低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を生成し、続いて薬液、例えばフッ酸系薬液による表面処理を施して、低誘電率膜の酸化膜、及び金属酸化膜を除去している。
これにより、低誘電率膜の表層の誘電率が高くなることもなく、また金属拡散防止膜と金属配線５６との密着性が向上しているので、配線間リーク電流が減少し、信頼性（ＴＺＤＢ）が向上し、信頼性の高い配線構造を形成することができる。
また、ダメージ層の除去に酸素ガスのラジカル酸化を用いることによって、低誘電率膜の表層だけを酸化することが可能になるので、フッ酸などの薬液処理とを組み合わせることで、良好な低誘電率膜を制御性良く、経済的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の基板断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図であって、図１の左側の３列の配線を拡大した拡大図である。
【図３】図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続いて、実施形態例１の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。
【図４】図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態例３の方法に従ってシングルダマシン法によりＣｕ配線を形成した際の工程毎の基板断面図である。
【図６】図６（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、従来の配線形成方法の工程毎の基板断面図である。
【符号の説明】
１２……シリコン基板、１４……ＳＴＩ、１６……ｐ−ウエル、１８……ｎ−ウエル、２０……ｎＭＯＳ、２２……ｐＭＯＳ、２４……ＣＭＯＳ、２６……第１のシリコン酸化膜、２８……第２のシリコン酸化膜、３０……コンタクトプラグ、３２……低誘電率膜（ＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している）、３４、３６……配線溝、３８、４０……Ｃｕ配線、４０ａ……バリヤメタル層、４０ｂ……Ｃｕ膜、４２……バリア絶縁膜（ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜）、４４……、ＳｉＯ２膜、４６……コンタクトプラグ、４８……第２の低誘電率膜（ＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している））、５０……Ｃｕ配線、５２……ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜、５４……ＳｉＯＣ膜（微量の水素を含有している）、５６……Ｃｕ配線、５８……コンタクトプラグ、６０……ＳｉＣＮ（水素を含有する）膜、６２……シリコン基板、６４……絶縁膜、６６……配線溝、６８……Ｃｕ膜、７０……Ｃｕ配線、７２……酸化物、７４……Ｃｕ改質層、７６……ＳｉＮ膜。
【図１】
2004363516.tif 000003
【図２】
2004363516.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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