(57)【要約】【課題】機械的強度が十分でない低誘電率の絶縁膜材料を用いて、配線間の容量を低減しつつも、十分な機械的強度を持つ半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】シリコン基板上に、第１の絶縁膜を堆積し、その第１の絶縁膜中に、配線溝１４を形成する。次に酸素プラズマを用いて、第１の絶縁膜の表面を改質することにより、改質層１５を形成する。その後、配線溝１４に金属膜１６を埋め込み、金属配線を形成する。続いて、改質層１５をウェットエッチングにより除去しスリット１７を形成し、そこに第３の絶縁膜を埋め込み、配線構造を形成する。その結果、配線の隣接部分には低誘電率膜を備え、かつ配線間隔が広い部分には機械的強度のある絶縁膜を備えるため、配線構造全体の機械的強度を維持しつつ、配線間容量を低減することが出来る。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第１の絶縁膜中に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝の側壁に改質層を形成する工程と、
前記配線溝に金属膜を埋め込む工程と、
前記改質層を除去し、スリットを形成する工程と、
前記スリットに、前記第１の絶縁膜よりも比誘電率が小さい、第２の絶縁膜を埋め込む工程と、を備えた半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記改質層は、前記第１の絶縁膜を表面改質させることによって形成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】
前記改質層は、ウェットエッチングによって除去可能な材料からな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４】
前記改質層は、配線が密である領域においては配線間部分に存在し、
配線が疎である領域においては、配線の側壁部分を含む一部分に存在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５】
前記第１の絶縁膜が、炭素含有シリコン酸化膜もしくは炭素含有シリコン窒化膜である、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上の配線層において、
配線が密である領域においては、配線間部分に第２の絶縁膜が存在し、
配線が疎である領域においては、配線に隣接した側壁部分に第２の絶縁膜が存在し、
前記第２の絶縁膜は、第１の絶縁膜より低誘電率の膜であり、
前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より機械的強度が高い膜であることを特徴とする、半導体装置。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜が、炭素含有シリコン酸化膜もしくは炭素含有シリコン窒化膜である、請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線形成技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、配線間隔が狭小化し、配線間に生じる電気寄生容量が増大してきている。高速動作が必要な半導体集積回路では、配線間の電気寄生容量を小さくすることが必要とされている。
【０００３】
そこで、配線間の電気寄生容量を低減させるために、配線間の絶縁膜の比誘電率を低減させる方法が開発されて来た。例えば、特開２００２−９３９０３号公報に記載されている方法がある。以下に、この半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【０００４】
まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板１００の上に全面に亘って、第１の絶縁材料からなる絶縁膜１０７を形成した後、絶縁膜１０７に対して選択的にエッチングを行う。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁膜１０７における信号遅延防止領域（信号配線が形成される領域）に凹部１１２を形成する。この場合、エッチング時間を制御することにより、凹部１１２の下に絶縁膜１０７を残存させることができる。
【０００６】
その後、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜１０７の上に第２の絶縁材料からなる低誘電率絶縁膜１０６を凹部１１２が充填されるように形成する。
【０００７】
続いて、図６（ａ）に示すように、低誘電率絶縁膜１０６における絶縁膜１０７の上に形成されている部分を例えばＣＭＰにより除去して、低誘電率絶縁膜１０６の表面と絶縁膜１０７の表面とを面一にする。
【０００８】
次に、低誘電率絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７にそれぞれ配線溝を形成した後、低誘電率絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７の上に全面に亘って、銅又は銅合金からなる金属膜を堆積し、その後、金属膜における低誘電率絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７の上に形成されている部分を、例えばＣＭＰにより除去する。
【０００９】
続いて、図６（ｂ）に示すように、低誘電率絶縁膜１０６の配線溝に信号配線１０３を形成すると共に、絶縁膜１０７における配線溝に電源配線１０１を形成する。
【００１０】
最後に、図６（ｃ）に示すように、電源配線１０１、信号配線１０３、低誘電率絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７の上に全面に亘って、銅の拡散を防止する拡散防止層１０８を形成する。
【００１１】
その結果、配線遅延を生じさせたくない領域に選択的に低誘電率膜を形成することが出来、かつ機械的強度を維持した半導体装置を提供することが出来る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法において、配線間隔が密であり、配線自体の機械的強度によって配線層全体の強度を保てる場合には、配線間に低誘電率の絶縁膜を使用出来るが、配線間隔が疎な場合は、配線自体の有する強度では配線層全体の機械的強度を維持することが出来ない。
【００１３】
また、従来方法に従うと、それぞれ種類の異なる膜を堆積するためには、その都度マスク工程が必要である。更に、低誘電率膜に対してマスクを用いて、より微細なパターン形成を行うことは困難である。
【００１４】
そこで、本発明においては、配線の側壁部分に低誘電率膜を形成することにより、配線間容量を低減し、かつ十分な機械的強度を持つ、半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、半導体基板上に、第１の絶縁膜を堆積する工程と、第１の絶縁膜中にホールを形成する工程と、ホールの側壁に改質層を形成する工程と、ホールに金属膜を埋め込む工程と、改質層を除去し、スリットを形成する工程と、スリットに第２の絶縁膜を埋め込む工程と、を備えた半導体装置の製造方法を提供する。
【００１６】
その結果、金属配線に隣接する部分に、非常に低い比誘電率を有する第２の絶縁膜を形成することが出来るため、配線間容量の低減効果は極めて大きく、かつ、それ以外の領域においては強度のある絶縁膜を用いるので、配線全体において、ＣＭＰ工程でも耐えうる十分な機械的強度を得ることが出来る。
【００１７】
また、改質層をエッチングにより選択的に除去し、スリットを形成するので、新たに工程を追加することなく、微細な配線構造を形成することが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）上にシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１１を３００ｎｍの厚さで堆積し、続いて、膜硬度が１．５ＧＰａで比誘電率が３．０の炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）からなる第２の絶縁膜１２を、プラズマＣＶＤ法を用いて３５０ｎｍ堆積する。
【００２１】
次に、第２の絶縁膜１２上にレジストを塗布した後、ＫｒＦもしくはＡｒＦエキシマレーザを用いたリソグラフィー法を用いてレジストパターン１３を形成する。その後、ＣＦ系を主成分とするガス、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３、アルゴン、酸素等を含むプラズマを用いたドライエッチング法により第２の絶縁膜１２をエッチング除去し、配線溝１４となるホールを形成する。
【００２２】
その後、図１（ｂ）に示すように、酸素プラズマを用いたドライエッチングにより、レジスト１３を除去する。このとき、第２の絶縁膜１２も、同時に酸素プラズマに暴露される。ここで、第２の絶縁膜１２は炭素含有シリコン酸化膜からなるために、酸素プラズマにより第２の絶縁膜１２の表面部分は容易に酸化される。酸化された結果、第２の絶縁膜１２の上表面及び形成した配線溝１４の側壁部分に、炭素含有シリコン酸化膜は炭素が除去され、通常の熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜（約２．３ｇ／ｃｍ３）に比べ密度の低い（約１．２〜１．３ｇ／ｃｍ３）シリコン酸化膜からなる改質層１５が形成される。この工程が、本実施形態の特徴であり、大きな効果を示すものである。この点については、後で詳述する。
【００２３】
続いて、図１（ｃ）に示すように、電界メッキ法により配線溝１４が完全に埋め込まれるように金属膜１６を堆積し、ＣＭＰ法により、第２の絶縁膜１２の表面が完全に露出するように配線層表面を平坦化する。
【００２４】
次に、図１（ｄ）に示すように、金属配線１６が形成された基板を弗酸含有の薬液を用いてウェットエッチングを行い、金属配線１６側壁に形成されている改質層１５のみを選択的に除去する。その結果、金属配線１６間が最小配線間隔となっている部分（領域Ａ）については、金属配線１６の間はスリット１７のみとなり、配線間隔が比較的広くなっている部分（領域Ｂ）は、金属配線１６と第２の絶縁膜の間にスリット１７が形成される。
【００２５】
ここで、図１（ｂ）の効果により、シリコン酸化膜である改質層１５は密度が低いため、炭素含有シリコン酸化膜である第２の絶縁膜１２、金属膜１６、通常のシリコン酸化膜である第１の絶縁膜と比較して、弗酸によるエッチング速度が極端に速い。よって、改質層１５のみを選択的に除去することが出来る。なお、第２の絶縁膜１２の材料は、プラズマによる改質によって隣接する膜と比較して、ウェットエッチング等で除去しやすい性質に変化させることが出来るものであれば、炭素含有シリコン酸化膜以外の膜でもよい。
【００２６】
その後、図１（ｅ）に示すように、金属配線１６およびスリット１７が形成された基板上に、炭素を含むシリケートグラス膜を堆積し、スリット１７の内部を完全に埋め込む。
【００２７】
続いて、炭素を含むシリケートグラス膜を４００℃程度で加熱し架橋させ、比誘電率が２．０の第３の絶縁膜１８を形成する。この第３の絶縁膜１８は、比較的強度の高い第２の絶縁膜１２若しくは金属膜１６に隣接しているので、第３の絶縁膜１８自体には、特に大きな機械的強度は必要ではない。
【００２８】
次に、図１（ｆ）に示すように、ＣＭＰ法により、金属配線１６および第２の絶縁膜１２上にある第３の絶縁膜１８を除去し、金属配線層表面を平坦化する。その結果、第３の絶縁膜１８は、金属配線１６と第２の絶縁膜１２の間、及び金属配線１６間に存在する構造が形成される。
【００２９】
最後に、第２の絶縁膜１２、金属配線１６、第３の絶縁膜１８上に、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン炭化膜からなる第４の絶縁膜１９を５０ｎｍ堆積し、配線構造を完成する。
【００３０】
その結果、マスクを使用することなく、配線に隣接する部分に比誘電率の小さい第３の絶縁膜１８を形成することが出来る。よって、配線間容量を低減し、かつ十分な機械的強度を持つ、半導体装置の製造方法を提供することが出来る。
【００３１】
ここで、本実施形態の特徴である、改質層１５の形成について説明する。
【００３２】
図１（ｂ）に示したように、改質層１５は、酸素プラズマによってレジスト１３を除去する際に、同時に第２の絶縁膜１２の表面を改質することによって形成される。
【００３３】
改質層１５の膜厚は、酸素プラズマ暴露条件および時間で制御することができるので、例えば最小配線溝間隔の約１／２以上になるように制御する。
【００３４】
その結果、最小配線間隔となっている部分（領域Ａ）において、配線間に存在する第２の絶縁膜１２を全て、密度の低いシリコン酸化膜からなる改質層１５に改質することが出来る。一方、最小配線間隔以外の部分（領域Ｂ）においては、第２の絶縁膜１２を、配線溝１４から一定幅で、密度の低いシリコン酸化膜からなる改質層１５に改質することが出来る。
【００３５】
次に、酸素プラズマの条件について説明する。
【００３６】
図３は、横軸に酸素プラズマ圧力（単位ｍＴｏｒｒ）を、縦軸にプラズマによる改質により形成されるシリコン酸化膜の膜厚（単位ｎｍ）を示し、プラズマ圧力に応じて、形成されるシリコン酸化膜の膜厚の値を表わしている。図３より、プラズマ圧力１００ｍＴｏｒｒ以下であれば、圧力と膜厚はほぼ正比例の関係にあることが分かる。よってこの関係から、プラズマをある圧力に設定した際の、シリコン酸化膜の膜厚値について比較的正確に予測できるため、プラズマ圧力１００ｍＴｏｒｒ以下の任意の圧力で行うことにより、シリコン酸化膜の膜厚を制御することができる。
【００３７】
以上より、本実施形態によると、第２の絶縁膜１２の表面に対して、酸素プラズマを用いることにより、所望の幅で改質させることが出来る。この改質層１５は、ウェットエッチングにより容易に除去することが出来るため、マスクを使用することなく、スリット１７を形成することが出来る。このスリット１７の幅は、先の工程で形成した改質層１５の幅に依存し、改質層１５の幅はプラズマ圧力の調整により任意に設定出来るので、所望の幅を持つスリットを形成することが出来る。つまり、マスクの限界以上の微細な幅を持つ、スリットの形成も可能である。なお、配線幅が１００ｎｍ以下の非常に狭い領域において、より効果的である。
【００３８】
その結果、金属配線１６の両脇の側壁部分に、もしくは、金属配線１６の配線間隔が狭い領域では配線間に、非常に低い比誘電率を有する第３の絶縁膜を形成することが出来るため、配線間容量の低減効果は極めて大きい。
【００３９】
また、それ以外の領域、つまり金属配線１６の配線間隔が比較的広い領域においては、配線間に一部、より強度のある絶縁膜を用いるので、配線全体において、ＣＭＰ工程でも耐えうる十分な機械的強度を得ることが出来る。
【００４０】
更に、改質層１５をエッチングにより除去しスリット１７を形成するので、新たにマスクを使用することなく、微細な配線構造を形成することが出来る。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の配線構造について、図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図２に示すように、シリコン基板（図示せず）上に形成された、第１の絶縁膜（シリコン酸化膜）２１の上には、銅からなる金属配線２５が形成されている。
【００４３】
金属配線２５の側壁には、膜硬度が０．１ＧＰａで比誘電率が２．０の炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜２３（幅５０ｎｍ）が存在し、金属配線２５の側壁にある第３の絶縁膜の間には、膜硬度が１．５ＧＰａで比誘電率が３．０の炭素含有シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜２２（幅５０ｎｍ）が形成されている。また、金属配線２５、第２の絶縁膜２２、及び第３の絶縁膜２３からなる配線層の上面には、シリコン炭化膜からなる第４の絶縁膜２４が形成されている。
【００４４】
但し、金属配線２５の配線間が狭い領域Ａ（１００ｎｍ以下）では、金属配線２５間には比誘電率が２．０の炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜２３のみが形成されている。
【００４５】
以上より、本発明に係る配線構造は、配線間隔が狭く配線自体の持つ機械的強度により配線構造自体の機械的強度が維持出来る領域においては、配線間に存在する絶縁膜として特に低誘電率の膜２３のみを使用する。一方、配線間隔が比較的広く、配線自体の持つ機械的強度だけでは配線構造自体の機械的強度を維持できない領域においては、配線の側壁部分にのみ特に低誘電率の絶縁膜２３を使用し、配線の両脇の側壁部分を除く配線間の絶縁膜には、機械的強度の大きい絶縁膜２２を使用する。
【００４６】
ここで、本発明の配線構造が有する３つの効果について、説明する。
【００４７】
まず、本発明に係る配線構造では、配線間容量を低下させることが出来る。
【００４８】
配線間隔が狭く、配線が密に存在する領域では、低誘電率の絶縁膜２３を使用し、さらに配線間隔が比較的広く、配線が疎に存在する領域においても、少なくとも配線の側壁部分にある絶縁膜は、密な領域と同様に低誘電率の絶縁膜２３より形成されている。
【００４９】
ここで、図４は、横軸にシリコン酸化膜中炭素濃度（ａｔｍ％）を、縦軸に、膜硬度（Ｇｐａ）及び比誘電率を表わしている。この図４より、シリコンの終端基がメチル基である最も一般的な炭素含有シリコン酸化膜において、膜中炭素濃度が高くなる程、膜強度は小さくなり、比誘電率も低下することが分かる。従って、炭素濃度が高い膜は誘電率が低く、機械的強度も小さい。
【００５０】
よって、本発明の配線構造によると、配線の両脇にある絶縁膜は、すべて低誘電率膜２３であるので、配線間容量を低下させることが出来る。
【００５１】
次に、配線構造の強度を維持することが出来る。
【００５２】
図２より、金属配線２５の配線間隔が狭い、つまり配線が密に存在する領域Ａにおいて、第３の絶縁膜２３は、膜硬度０．１ＧＰａで、比誘電率が２．０の炭素含有シリコン酸化膜からなる低誘電率膜から形成されるものである。しかし、金属配線２５が密に存在しており、配線自体の機械的強度が比較的大きいため、配線構造全体では、配線形成過程におけるＣＭＰ工程や、形成後において外からの物理的な要因で配線がつぶれない等、必要な機械的強度は維持することが出来る。
【００５３】
一方、金属配線２５の配線間隔が比較的広い、つまり配線が疎に存在する領域では、配線間が広いため、配線間に全て低誘電率膜を使用すると、金属配線２５の有する機械的強度のみでは、配線構造全体の機械的強度を十分維持出来ない。そこで、配線の両脇にある配線側壁部分の絶縁膜には、配線間容量を低下させるために低誘電率の絶縁膜を使用するが、それ以外の部分、つまり配線の側壁部分ではない配線間の絶縁膜においては、比較的機械的強度を有する、具体的には膜硬度が１．５ＧＰａで比誘電率が３．０の炭素含有シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜２２を一部用いることにより、配線構造全体の機械的強度を維持することが出来る。
【００５４】
最後に、膜自体の性質を考慮して、配線構造の信頼性を高めることが出来る。
【００５５】
配線の側壁には、低誘電率で強度の小さい第３の絶縁膜２３が存在する。この膜は金属配線２５と比較して軟らかい膜であるので、金属配線２５の持つ引っ張り応力、第２の絶縁膜２２が持つ圧縮応力等をある程度吸収し、緩衝膜として機能することが出来る。
【００５６】
よって、金属配線２５へのストレスが減少するため、時間経過と共に金属配線２５が塑性変形してしまうことを防ぎ、配線の信頼性を高めることが出来る。
【００５７】
【発明の効果】
以上本発明によると、金属配線に隣接する部分に、もしくは、金属配線の配線間隔が狭い領域では配線間に、非常に低い比誘電率を有する絶縁膜を形成する。また、金属配線の配線間隔が比較的広い領域においては、配線間に一部、より機械的強度のある絶縁膜を用いる。
【００５８】
その結果、配線間容量の低減を図ると共に、ＣＭＰ工程等でも耐えうる十分な機械的強度を有する配線構造を形成することが出来る。
【００５９】
更に、改質層をエッチングにより除去しスリットを形成するので、工程数を増加させることなく、微細な配線構造を形成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る工程断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図
【図３】酸素プラズマ下における圧力と炭素含有シリコン酸化膜表面のシリコン酸化膜膜厚の関係を示す図
【図４】炭素含有シリコン酸化膜中炭素濃度と膜硬度および比誘電率の関係を示す図
【図５】従来半導体の製造方法の工程断面図
【図６】従来半導体の製造方法の工程断面図
【符号の説明】
１１　第１の絶縁膜
１２　第２の絶縁膜
１３　レジスト
１４　配線溝
１５　改質層
１６　金属配線
１７　スリット
１８　第３の絶縁膜
１９　第４の絶縁膜
２１　第１の絶縁膜
２２　第２の絶縁膜
２３　第３の絶縁膜
２４　第４の絶縁膜
２５　金属配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004023031.tif 000005
【図４】
2004023031.tif 000006
【図５】
2004023031.tif 000007
【図６】
2004023031.tif 000008