(57)【要約】【課題】Ｓｉ−Ｈ結合をもつ層間膜またはＣｕ配線上に吸湿ブロック耐性がない膜がある場合、吸湿により、配線間容量またはビア抵抗が上昇する。【解決手段】Ｓｉ−Ｈ結合を有する絶縁膜およびＣｕ配線上にシリコン炭化窒化膜が被覆形成されている。シリコン炭化窒化膜が吸湿ブロックの役割をして下層の絶縁膜およびＣｕ膜の吸湿に伴う劣化を防止する。特にシリコン炭化窒化膜中の窒素濃度が１０ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％未満であるとき極めて効果が大きい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を含んだ下地上に、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を有し、前記層間絶縁膜上にシリコン炭化窒化膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板を含んだ下地上に、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を有し、前記層間絶縁膜に形成された溝内にＣｕを主たる構成元素とする導電膜が埋設され、前記導電膜上にシリコン炭化窒化膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜上にシリコン炭化窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記層間絶縁膜および導電膜は各々複数層形成されており、前記シリコン炭化窒化膜は最上層の前記導電膜および層間絶縁膜を各々被覆するように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記シリコン炭化窒化膜の窒素濃度が１０ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記シリコン炭化窒化膜の窒素濃度が１５ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記シリコン炭化窒化膜のＳｉが２２ａｔｍ％以上２７ａｔｍ％以下、Ｃが２０ａｔｍ％以上２５ａｔｍ％以下、Ｈが３５ａｔｍ％以上４５ａｔｍ％以下の範囲の膜であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記シリコン炭化窒化膜は、さらにＯを０．５ａｔｍ％以上５ａｔｍ％未満構成元素として含有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜が梯子型水素化ポリシロキサン膜またはポーラス梯子型水素化ポリシロキサン膜であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記層間絶縁膜と前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜との間に金属窒化膜を有し、前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜と前記金属窒化膜との間に金属膜を有することを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜が、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｂｅ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、またはＳｎの少なくとも一つを含むＣｕアロイ膜であることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜が、Ｓｉを含むＣｕアロイ膜であり、Ｓｉ濃度が導電膜の上面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっていることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１３】
半導体基板上にＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を成膜する工程と、前記層間絶縁膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
半導体基板上にＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を成膜する第１の工程と、
前記層間絶縁膜を加工する第２の工程と、
バリアメタル膜を成膜する第３の工程と、
Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜を成膜する第４の工程と、
前記導電膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する第５の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の工程は、前記層間絶縁膜に溝を加工する工程であり、
前記第３の工程は、前記溝の側壁および底面にバリアメタル膜を成膜する工程であり、
前記第４の工程は、前記バリアメタルが成膜された溝内に前記導電膜を埋設する工程であり、
前記第５の工程は、前記層間絶縁膜および導電膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記シリコン炭化窒化膜の窒素濃度が１０ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％未満であることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記シリコン炭化窒化膜の窒素濃度が１５ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記シリコン炭化窒化膜のＳｉが２２ａｔｍ％以上２７ａｔｍ％以下、Ｃが２０ａｔｍ％以上２５ａｔｍ％以下、Ｈが３５ａｔｍ％以上４５ａｔｍ％以下の範囲の膜であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記シリコン炭化窒化膜は、さらにＯを０．５ａｔｍ％以上５ａｔｍ％未満構成元素として含有することを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜が梯子型水素化ポリシロキサン膜またはポーラス梯子型水素化ポリシロキサン膜であることを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第３の工程は、前記溝の側壁および底面に前記金属窒化膜が前記層間絶縁膜側となるようにバリアメタル膜を形成することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜が、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｂｅ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、またはＳｎの少なくとも一つを含むＣｕアロイ膜であることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜が、Ｃｕ膜にシラン処理を施されＳｉ含有膜であることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか一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、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に低誘電率層間絶縁膜および低誘電率バリア絶縁膜を用いた配線構造の信頼性の高い半導体装置および、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの信号処理の高速化の要求は年々増加している。ＬＳＩの信号処理速度は主にトランジスタ自体の動作速度および配線での信号伝播遅延時間の大小で決まってくる。従来、大きく影響を及ぼしてきたトランジスタの動作速度はトランジスタを縮小化することで向上させてきた。しかし設計ルールが０．２５ミクロンよりも小さいＬＳＩでは後者の配線の信号伝播遅延に関する影響が大きく現れ始めている。特に配線層が多層化を有するＬＳＩデバイスにおいては、その影響は大きい。
【０００３】
そこで、配線の信号伝播遅延を改善する方法として、従来より用いてきたアルミ配線が銅配線に置き換わった。また従来から用いていたシリコン酸化膜を低誘電率層間絶縁膜に置き換える検討がされている。この低誘電率膜の中で比誘電率３．０以下が実現できる膜の１つの水素化ポリシロキサンはアルミ配線では量産化が実施されており、Ｃｕ配線でも量産化が検討されている。その中でも梯子型水素化ポリシロキサンであるＬ−Ｏｘ（ラダーオキサイド、商標名：Ladder Oxide）はＳｉ−Ｏ骨格にＳｉ−Ｈ結合を一部にもつもので、無機材料で構成されているため、有機材料より配線金属との密着性に優れ、また梯子型になっているため加工後のプラズマアッシングや有機剥離液に対する耐性がすぐれ、加工面での吸湿層などの劣化層が形成されない。
【０００４】
一方、Ｃｕダマシンプロセス用のＣｕの拡散防止兼エッチングのストッパー膜として機能するバリア絶縁膜にも低誘電率化が要求されており、従来の比誘電率が約７．０のシリコン窒化膜から比誘電率５．０以下のシリコン炭化膜（以下、ＳｉＣ膜と記載）系絶縁膜への置き換えの検討が行われている。一例として、トリメチルシランと不活性ガスによるプラズマＣＶＤで成膜する例が報告されている。特に微細化のＣｕ／Ｌｏｗ−ｋ（低誘電率層間絶縁膜）構造の信頼性まで保証するとなると、上記低誘電率層間絶縁膜およびバリア絶縁膜の組み合わせの最適化ができて初めて量産化が実現できる。
【０００５】
次に、従来の低誘電率層間絶縁膜およびバリア絶縁膜を使用した半導体装置の構造一例を図面を参照して説明する。図１４に示すように、下層絶縁膜５０１上にＣｕの拡散防止兼エッチングのストッパー膜として機能する第０のバリア絶縁膜５０２が形成されており、その上に第１の低誘電率膜５０３が形成されている。さらにその上に第１のＳｉＯ２膜５０４が形成されている。上記第０のバリア絶縁膜５０２、第１の低誘電率膜５０３、第１のＳｉＯ２膜５０４が積層されてなる層間絶縁膜には配線用溝が形成されており、この配線用溝には第１のバリアメタル膜５０５が形成されている。その内側に第１のＣｕ膜５０６により第１のＣｕ配線が埋め込み形成されている。このＣｕ配線の上に第１のバリア絶縁膜５０７、その上に同様に第２の低誘電率膜５０８、第２のＳｉＯ２膜５０９がそれぞれ形成されている。
【０００６】
上記第１のバリア絶縁膜５０７、第２の低誘電率膜５０８、第２のＳｉＯ２膜５０９が積層されてなる層間絶縁膜にはビア用溝が形成されており、このビア用溝には上記Ｃｕ配線同様に第２のバリアメタル膜５１０、その内側に第２のＣｕ膜５１１が埋め込み形成されている。さらにこのビアの上に第２のバリア絶縁膜５１２、その上に同様に第３の低誘電率膜５１３、第３のＳｉＯ２膜５１４がそれぞれ形成されている。同様に上記第２のバリア絶縁膜５１２、第３の低誘電率膜５１３、第３のＳｉＯ２膜５１４が積層されてなる配線層間絶縁膜中に第３のバリアメタル膜５１５、その内側に第３のＣｕ膜５１６が埋め込まれ第２のＣｕ配線が形成されている。この第２のＣｕ配線上に、第３のバリア絶縁膜５１７が形成されている。この構造をさらに必要に応じて繰り返し、最上層配線（本形態では第２のＣｕ溝配線に相当）上および最上層Ｌ−Ｏｘ膜（本形態では第３の低誘電率膜に相当）上にバリア絶縁膜が形成される。そして、最上層配線上にはバリア絶縁膜に設けた開口を介してＳｉＯ２膜５１８中に形成されたアルミボンディングパッド５２０（上下にＴｉＮ層５１９，５２１を有する）が接続され、このアルミボンディングパッド５２０の一部を除きＳｉＯ２膜５２２を介して吸湿ブロック性のあるカバー膜５２３（ＳｉＯＮ膜またはＳｉＮ膜）で被覆され多層配線構造が形成される。
【０００７】
次に、上記従来の半導体装置の製造方法を図１５から図１８を参照して説明する。まず、トランジスタを含む半導体基板上に形成された下層絶縁膜６０１上に、５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚の第０のバリア絶縁膜６０２をプラズマＣＶＤ法により形成した。続いて、第１の低誘電率膜６０３の塗布・焼成を行ない、１５０ｎｍ〜３５０ｎｍの成膜を行った。その上に、第１ＳｉＯ２膜６０４を５０ｎｍ〜２００ｎｍプラズマＣＶＤ法により成膜した（図１５（ａ））。
【０００８】
この構造体上に、最小寸法０．１４μｍレベルのフォトリソグラフィー技術を用い、反射防止膜としてＡＲＣ膜６０５を塗布後に、パターニングされたフォトレジストマスク６０６を形成した（図１５（ｂ））。これをマスクにして、ＡＲＣ膜６０５、第１のＳｉＯ２膜６０４、第１の低誘電率膜６０３をフロロカーボン系ガスを含んだガスによりエッチングし、第０のバリア絶縁膜６０２上でストップさせた。
【０００９】
その後、酸素プラズマアッシングにより、フォトレジストマスクを剥離後、弱アミンの有機剥離液などで残さ等を完全に除去した。その後、全面エッチバックにて、第０のバリア絶縁膜６０２を除去した。さらに有機剥離液による洗浄で残さを除去した。この結果、第１配線用の溝パターンを形成した（図１５（ｃ））。
【００１０】
次に、スパッタ装置にてデガス処理、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行なった後に第１のバリアメタル膜６０７を約３０ｎｍ形成し、真空を破ることなく、Ｃｕシード膜（図示省略）を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、Ｃｕめっき膜６０９を約６００ｎｍ形成した。その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成を行った（図１６（ａ））。
【００１１】
次にメタルＣＭＰ技術を用い、溝以外のメタルを除去し第１のＣｕ溝配線６０９を形成した（図１６（ｂ））。次に、プラズマＣＶＤ装置により、５０〜１００ｎｍの第１のバリア絶縁膜６１０を形成した。続いて、第２の低誘電率膜６１１、さらに第２のＳｉＯ２膜６１２を順次成膜した。第１のビア形成のためにフォトリソグラフィー技術を用い、ビアのパターンとして第２のＡＲＣ膜６１３上に第２のフォトレジストマスク６１４を形成した（図１６（ｃ））。
【００１２】
これをマスクにして、第２のＡＲＣ膜６１３、 第２のＳｉＯ２膜６１２、第２の低誘電率膜６１１をエッチングし、第１のバリア絶縁膜６１０上でエッチストップさせ、第１のビア用溝を開口した。その後、酸素プラズマアッシングにより、フォトレジストマスクを剥離後、アミン系の有機剥離液などで残さ等を完全に除去した。
【００１３】
その後、第１のビア用溝底部の第1のバリア絶縁膜６１０を除去し、第１のＣｕ溝配線との電気的な導通を取るため全面エッチバックをおこなった。さらに有機剥離液による洗浄で残さを除去し、第１のビア用の溝パターンを形成した。続いて、スパッタ装置にてデガスを行なった後、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行なった後に第２のバリアメタル膜６１５を約３０ｎｍ形成し、真空を破ることなく、Ｃｕシード膜（図示省略）を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、銅膜６１７を約３００ｎｍ形成した。その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成をおこなった。次にメタルＣＭＰ技術を用い、ビア部以外のメタルを除去しビア６１７を形成した（図１７（ａ））。
【００１４】
次に、プラズマＣＶＤ装置により、５０〜１００ｎｍの第２のバリア絶縁膜６１８を形成した。続いて、第３の低誘電率膜６１９、さらに第３のＳｉＯ２膜６２０を順次成膜した（図１７（ｂ））。
【００１５】
この構造体上に、最小Ｌ／Ｓ＝０．１４／０．１４μｍレベルのフォトリソグラフィー技術を用い、第３のＡＲＣ膜６２１塗布後に、パターニングされた第３のフォトレジストマスク６２２を形成した（図１８（ａ））。
【００１６】
これをマスクにして、第３のＡＲＣ膜６２１、第３のＳｉＯ２膜６２０、第３の低誘電率膜６１９をフロロカーボン系ガスを含むエッチングガスによりでエッチングし、第２のバリア絶縁膜６１８上でストップさせ、第２配線用の溝パターンを開口した。その後、酸素プラズマアッシングにより、フォトレジストマスクを剥離後、アミン系の有機剥離液などで残さ等を完全に除去した。
【００１７】
その後、全面エッチバックにて、第２配線用溝底部の第２のバリア絶縁膜６１８を除去した。さらに有機剥離液による洗浄で残さを除去した。この結果、第２溝配線パターンを形成した。次に、第１配線と同様にしてスパッタ装置にてデガス処理、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行なった後に第３のバリアメタル膜６２３を約３０ｎｍ形成し、真空を破ることなく、Ｃｕシード膜を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、Ｃｕ膜６２４を約６００ｎｍ形成した。その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成を行った。その後メタルＣＭＰを行い第２Ｃｕ溝配線を形成し、この第２Ｃｕ溝配線の上に第３のバリア絶縁膜６２５が形成されている（図１８（ｂ））。
【００１８】
その後第３のバリア絶縁膜６２５上に３００〜５００ｎｍのＳｉＯ２層間絶縁膜をプラズマＣＶＤ法により形成し、第３のバリア絶縁膜６２５およびＳｉＯ２層間絶縁膜にフォトリソグラフィー技術を用い第２Ｃｕ溝配線上に開口を設けるためのフォトレジストマスクを形成した。続いて露出したＳｉＯ２層間絶縁膜および第３のバリア絶縁膜６２５をエッチングして第２Ｃｕ溝配線とボンディングパッドとを接続するための開口部を形成した。フォトレジストマスク除去後スパッタリング法によりＴｉＮ膜５１９を１００〜２００ｎｍ，Ａｌ−Ｃｕ（０．５％)膜５２０を８００〜１０００ｎｍ、ＴｉＮ膜５２１を５０〜１００ｎｍを順次成膜した。続いて、フォトリソグラフィー技術を用いボンディングパッドを形成するためのフォトレジストマスクを形成し、エッチング工程によりボンディングパッドを形成後フォトレジストマスクを除去した。そして、ボンディングパッド上のＴｉＮ膜５２１を覆うようにＳｉＯ２膜５２２を１００〜２００ｎｍ、ＳｉＯＮ膜５２３を１００〜２００ｎｍプラズマＣＶＤ法により順次形成し、フォトリソグラフィー技術によりボンディングパッド上のＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ２膜およびＴｉＮ膜５２１の所定領域を開口しボンディングパッドを露出させ、図１４の半導体装置を得た。
【００１９】
上記従来の半導体装置の製造方法は、シングルダマシン法の一例であるが、デュアルダマシン法による製造方法も公知である。特許文献１には、低誘電率の層間絶縁膜としてフッ素をドーピングしたシリコンガラス（ＦＳＧ）、低誘電率のバリア膜としてＳｉＣ膜を用いたデュアルダマシン構造の半導体装置が記載されている。また、特許文献２には、低誘電率の層間絶縁膜として炭素をドーピングした酸化シリコン、エッチングストッパーを兼ねるバリア膜としてシリコン、炭素、窒素および水素を含有するアモルファス材料を用いた半導体装置が記載されている。
【特許文献１】特表２００２−５２６９１６号公報
【特許文献２】米国特許公報第６，４１７，０９２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上記２層配線構造の半導体装置を製造するにあたり、本発明者が低誘電率の層間絶縁膜としてＬ−Ｏｘ膜を、バリア絶縁膜としてＳｉＣ膜を使用したところ、製造プロセスに長時間を要することにより、電気特性上問題が発生した。また、絶縁膜の種類にかかわらず、Ｃｕ配線の表面および界面が酸化された。特に、ビア抵抗の上昇と配線間容量の増大が発生するという問題があった。
【００２１】
本発明は、長時間の製造プロセスを要しても配線間容量の上昇やＣｕ配線の酸化等が抑制された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の半導体装置は、半導体基板を含んだ下地上に、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を有し、上記層間絶縁膜上にシリコン炭化窒化膜が形成されていることを特徴とする。また、半導体基板を含んだ下地上に、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を有し、上記層間絶縁膜に形成された溝内にＣｕを主たる構成元素とする導電膜が埋設され、上記導電膜上にシリコン炭化窒化膜が形成されていることを特徴とする。上記層間絶縁膜および導電膜は各々複数層形成されており、上記シリコン炭化窒化膜は最上層の上記導電膜および層間絶縁膜を各々被覆するように形成されていることを特徴とする。このシリコン炭化窒化膜の窒素濃度は、１０ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％未満であり、より好ましくは１５ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％未満、また、その他の組成がＳｉが２２ａｔｍ％以上２７ａｔｍ％以下、Ｃが２０ａｔｍ％以上２５ａｔｍ％以下、Ｈが３５ａｔｍ％以上４５ａｔｍ％以下の範囲であることが好ましい。また、シリコン炭化窒化膜は、さらにＯを０．５ａｔｍ％以上５ａｔｍ％未満含有することを特徴とする。Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜は、水素化シロキサンが梯子型水素化シロキサンまたはポーラス梯子型水素化シロキサンであることを特徴とする。上記Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜とＣｕを主たる構成元素とする導電膜との間に金属窒素化膜を有し、上記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜と上記金属窒化膜との間に金属膜を有することが好ましい。Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜は、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｂｅ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、またはＳｎの少なくとも一つを含むＣｕアロイ膜であることを特徴とする。また、上記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜が、Ｓｉを含むＣｕアロイ膜であり、Ｓｉ濃度が導電膜の上面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなっていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を成膜する工程と、上記層間絶縁膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする。また、半導体基板上にＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を成膜する第１の工程と、上記層間絶縁膜を加工する第２の工程と、バリアメタル膜を成膜する第３の工程と、Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜を成膜する第４の工程と、上記導電膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する第５の工程と、を含むことを特徴とする。上記第２の工程は、上記層間絶縁膜に溝を加工する工程であり、上記第３の工程は、上記溝の側壁および底面にバリアメタル膜を成膜する工程であり、上記第４の工程は、上記バリアメタル膜が成膜された溝内に上記導電膜を埋設する工程であり、上記第５の工程は、上記層間絶縁膜および導電膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜する工程であることを特徴とする。上記Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜は、Ｃｕ膜にシラン処理を施されたＳｉ含有膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明者は、従来の半導体装置を長時間製造プロセスにより製造した際に発生した配線間容量の上昇やＣｕ配線の酸化の原因を追求した結果、従来の半導体装置を構成するＬ−Ｏｘ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＣ膜のいずれも吸湿に対してブロック性をもたないためであることをつきとめた。即ち、吸湿により、配線間容量の上昇やＣｕ配線の酸化がもたらされたものであることをつきとめた。本発明では、Ｌ−Ｏｘ膜に代表される水素化ポリシロキサンのようなＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜の上層にシリコン炭化窒化膜を用いている。このシリコン炭化窒化膜は、吸湿のブロック性が有るため、下層に水素化ポリシロキサンのような耐吸湿性のない膜が存在しても、外部から湿気が耐吸湿性のない膜に浸透することを抑制し、そのため配線間容量の増大を抑制することができる。また、このシリコン炭化窒化膜は、Ｃｕを主たる構成元素とする導電膜上に形成されている。導電膜表面が耐吸湿性を有する膜に覆われているため、導電膜の酸化が抑制される。さらに、ビア抵抗上昇などの問題も発生しない。層間絶縁膜中のＳｉ−Ｈ結合が多いほど、上記効果は顕著に認められる。したがって、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を低誘電率膜として使用する場合、バリア絶縁膜としてシリコン炭化窒化膜を組合せて使用することが、湿度の影響による電気的特性の低下のない高い信頼性を有する半導体装置を提供するのに好適である。シリコン炭化窒化膜は、最上層の導電膜およびＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜を被覆するように形成することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の半導体装置の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の半導体装置の第１の実施形態を示す図である。図１に示すように、下層絶縁膜１０１上にエッチングストッパーを兼ねるバリア絶縁膜として第０のシリコン炭化窒化膜（Ｓｉ，Ｃ，Ｎ，Ｈを主たる構成元素として含有する絶縁膜）１０２が形成されており、その上に梯子型水素化ポリシロキサンである第１のＬ−Ｏｘ膜１０３が形成されている。その上に第１のＳｉＯ２膜１０４が形成されている。この第０のシリコン炭化窒化膜１０２、第１のＬ−Ｏｘ膜１０３、第１のＳｉＯ２膜１０４に形成された第１の配線用溝には第１のバリアメタル膜としてＴａ膜１０６／ＴａＮ膜１０５の積層膜（上層がＴａ膜、下層がＴａＮ膜）が形成されている。その内側に第１のＣｕ膜１０７が埋め込まれＣｕ配線が形成されている。この第１のＣｕ溝配線の上にバリア絶縁膜である第１のシリコン炭化窒化膜１０８、その上に同様に第２のＬ−Ｏｘ膜１０９、第２のＳｉＯ２膜１１０がそれぞれ積層形成され、これらにビア用溝が開口されている。
【００２６】
同様にビア部に第２のバリアメタル膜としてＴａ 膜１１２／ＴａＮ膜１１１、その内側に第２のＣｕ膜１１３が埋め込まれビアが形成されている。さらに、そのビアの上にバリア絶縁膜である第２のシリコン炭化窒化膜１１４、その上に同様に第３のＬ−Ｏｘ膜１１５、第３のＳｉＯ２膜１１６がそれぞれ積層形成されている。同様に第２のシリコン炭化窒化膜１１４、第３のＬ−Ｏｘ膜１１５、第３のＳｉＯ２膜１１６に形成された第２の配線用溝には第３のバリアメタル膜としてＴａ膜１１８／ＴａＮ膜１１７、その内側に第３のＣｕ膜１１９が埋め込まれ第２のＣｕ溝配線が形成されている。この第２のＣｕ溝配線上に、第３のシリコン炭化窒化膜１２０が形成されている。この構造をさらに必要に応じて繰り返し、最上層配線（本実施形態では第２のＣｕ溝配線に相当）上および最上層Ｌ−Ｏｘ膜（本実施形態では第３のＬ−Ｏｘ膜に相当）上にシリコン炭化窒化膜が形成される。そして、最上層配線上にはシリコン炭化窒化膜に設けた開口を介してアルミボンディングパッド１２３が接続され、このアルミボンディングパッド１２３（一例としてアルミの上下にバリアメタル膜としてＴｉＮ層１２２，１２４を有する構造を図示しているが、この構成に限定されるものではない）の一部を除きＳｉＯ２膜１２５を介して吸湿ブロック性のあるカバー膜１２６（ＳｉＯＮ膜またはＳｉＮ膜）で被覆され多層配線構造が形成される。得られた半導体装置は、従来の半導体装置で認められた配線間容量の増大やビア抵抗の上昇は認められなかった。
【００２７】
第２の実施の形態による半導体装置の構造を図２に示す。第１の実施の形態との違いはビア層間絶縁膜をＳｉＯ２単層にしたことである。製造のＴＡＴが非常に長い場合に電気特性の安定、信頼性の安定にこの構造はメリットがあった。その理由は、ビア工程での吸湿が電気特性や信頼性に影響を与えているためと推定される。
【００２８】
この半導体装置は下層絶縁膜２０１上に第０のシリコン炭化窒化膜２０２が形成されており、その上に梯子型水素化ポリシロキサンである第１のＬ−Ｏｘ膜２０３が形成されている。その上に第１のＳｉＯ２膜２０４が形成されている。第０のシリコン炭化窒化膜２０２、第１のＬ−Ｏｘ膜２０３、第１のＳｉＯ２膜２０４に形成された配線溝には第１のバリアメタル膜としてＴａ膜２０６／ＴａＮ膜２０５の積層膜（上層がＴａ膜、下層がＴａＮ膜）が形成されている。その内側にＣｕ膜が埋め込まれた第１のＣｕ溝配線２０７が形成されている。この第１のＣｕ溝配線の上にバリア絶縁膜である第１のシリコン炭化窒化膜２０８、その上に第２のＳｉＯ２膜２０９が形成されている。第１のシリコン炭化窒化膜２０８および第２のＳｉＯ２膜２０９にはビア用溝が形成されており、同様にビア部に第２のバリアメタル膜としてＴａ膜２１１／ＴａＮ膜２１０、その内側に第２のＣｕ膜２１２が埋め込まれビアが形成されている。
【００２９】
さらにそのビアの上にバリア絶縁膜である第２のシリコン炭化窒化膜２１３、その上に同様に第３のＬ−Ｏｘ膜２１４、第３のＳｉＯ２膜２１５がそれぞれ積層形成されている。同様に第２のシリコン炭化窒化膜２１３、第３のＬ−Ｏｘ膜２１４、第３のＳｉＯ２膜２１５に第３のバリアメタル膜としてＴａ膜２１７／ＴａＮ膜２１６、その内側に第３のＣｕ膜２１８が埋め込まれ第２のＣｕ溝配線が形成されている。この第２のＣｕ溝配線上に、第３のシリコン炭化窒化膜２１９が形成されている。この構造をさらに必要に応じて繰り返し、最上層配線（本実施形態では第２のＣｕ溝配線に相当）上および最上層Ｌ−Ｏｘ膜（本実施形態では第３のＬ−Ｏｘ膜に相当）上にシリコン炭化窒化膜が形成される。そして、最上層配線上にはシリコン炭化窒化膜に設けた開口を介してアルミボンディングパッド２２２が接続され、このアルミボンディングパッド２２２（一例としてアルミの上下にバリアメタル膜としてＴｉＮ層２２１，２２３を有する構造を図示しているが、この構成に限定されるものではない）の一部を除きＳｉＯ２膜２２４を介して吸湿ブロック性のあるカバー膜２２５（ＳｉＯＮ膜またはＳｉＮ膜）で被覆され多層配線構造が形成される。得られた半導体装置は、従来の半導体装置で認められた配線間容量の増大やビア抵抗の上昇は認められなかった。
【００３０】
第３の実施の形態の半導体装置を図３に示す。第１の実施の形態と異なり、デュアルダマシン(Dual Damascene)配線構造をとっている。この構造を用いることにより、製造の工程数が削減でき、製品のコスト低減が実現できた。また、ビアのＣＭＰをなくすことができるため、コストとして非常に高いＣＭＰ工程を削減できるという大きなコストメリットがあった。この半導体装置は、下層絶縁膜３０１上に第０のシリコン炭化窒化膜３０２が形成されており、その上に梯子型水素化ポリシロキサンである第１のＬ−Ｏｘ膜３０３が形成されている。さらにその上に第１のＳｉＯ２膜３０４が形成されている。第０のシリコン炭化窒化膜３０２、第１のＬ−Ｏｘ膜３０３、第１のＳｉＯ２膜３０４には第１配線用溝が形成され、この配線溝には第１のバリアメタル膜としてＴａ膜３０６／ＴａＮ膜３０５の積層膜（上層がＴａ膜、下層がＴａＮ膜）が形成されている。
【００３１】
その内側に第１Ｃｕ膜３０７か埋め込まれ第１のＣｕ溝配線が形成されている。この第１のＣｕ溝配線の上にバリア絶縁膜である第１のシリコン炭化窒化膜３０８、その上に同様に第２のＬ−Ｏｘ膜３０９、第２のＳｉＯ２膜３１０が形成されている。さらにその上に第２の配線用溝のエッチングストッパーとして、第２のシリコン炭化窒化膜３１１、その上に第３のＬ−Ｏｘ膜３１２、第３のＳｉＯ２膜３１３が積層形成されている。第１のＣｕ溝配線との電気的な接続を行なうビアと第２のＣｕ配線は一体となっており、第２のＴａＮ膜３１４上に第２のＴａ膜３１５、その内側に第２のＣｕ膜３１６が埋め込まれビアと第２のＣｕ溝配線が一体形成されており、この第２のＣｕ溝配線の上に第３のシリコン炭化窒化膜３１７が形成されている。この構造をさらに必要に応じて繰り返し、最上層配線（本実施形態では第２のＣｕ溝配線に相当）上および最上層Ｌ−Ｏｘ膜（本実施形態では第３のＬ−Ｏｘ膜に相当）上にシリコン炭化窒化膜が形成される。そして、最上層配線上にはシリコン炭化窒化膜に設けた開口を介してアルミボンディングパッド３２０が接続され、このアルミボンディングパッド３２０（一例としてアルミの上下にバリアメタル膜としてＴｉＮ層３１９，３２１を有する構造を図示しているが、この構成に限定されるものではない）の一部を除きＳｉＯ２膜３２２を介して吸湿ブロック性のあるカバー膜３２３（ＳｉＯＮ膜またはＳｉＮ膜）で被覆され多層配線構造が形成される。得られた半導体装置は、従来の半導体装置で認められた配線間容量の増大やビア抵抗の上昇は認められなかった。
【００３２】
上記第１から第３の実施の形態では、配線およびビア用としてＣｕ膜を用いたが、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｂｅ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、またはＳｎのすくなくとも一つを含むＣｕアロイ膜を用いた場合の方が、Ｃｕよりも濡れ性が良好であるため、Ｃｕアロイ膜を用いるメリットがある。特にＳｉを含有する場合、シリコン炭化窒化膜との密着性が優れ、Ｓｉ濃度が導電膜の上面で最も高く、底面方向に深くなるにつれて低くなる分布とするとその効果は大きい。このような分布は、例えばＣｕ膜に原料ガスとしてＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６，ＳｉＨ２Ｃｌ２等の無機シランガスを用い、プラズマＣＶＤ装置で２５０〜４００℃で処理することにより得ることができる。
【００３３】
次に第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を図４〜図７を参照して説明する。まず、トランジスタが形成された半導体基板を含む下層絶縁膜４０１上に、５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚の第０のシリコン炭化窒化膜４０２をプラズマＣＶＤ法により形成した。続いて、第１のＬ−Ｏｘ膜４０３の塗布・焼成を行ない、１５０ｎｍ〜３５０ｎｍの膜厚に成膜した。その上に、第１のＳｉＯ２膜４０４を５０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚にプラズマＣＶＤ法により成膜した（図４（ａ））。この構造体上に反射防止膜として第１のＡＲＣ膜４０５を塗布した後に、最小Ｌ／Ｓ＝０．１４／０．１４μｍレベルのフォトリソグラフィー技術を用いパターニングされた第１のフォトレジストマスク４０６を形成した（図４（ｂ））。
【００３４】
これをマスクにして、第１のＡＲＣ膜４０５、 第１のＳｉＯ２膜４０４、第１のＬ−Ｏｘ膜４０３をフロロカーボン系ガスを含んだエッチングガスにより順次エッチングし、第０のシリコン炭化窒化膜４０２上でストップさせるように第１の配線用溝を開口した。その後、酸素プラズマアッシングにより、フォトレジストマスクを剥離後、アミン系の有機剥離液などで残さ等を完全に除去した。その後、全面エッチバックにて、第１の配線用溝底部の第０のシリコン炭化窒化膜を除去した。さらに有機剥離液による洗浄で残さを除去した。この結果、第１の配線用溝パターンを形成した（図４（ｃ））。
【００３５】
次に、スパッタ装置にてデガス処理、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行なった後に第１のバリアメタル膜としてＴａＮ膜４０７を約１０ｎｍ形成し、続いてＴａ膜４０８を２０ｎｍを溝内部（側壁および底面）を含めて基板（第１のＳｉＯ２膜４０４）表面に成膜した。真空を破ることなく、Ｃｕシード膜（図示省略）を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、銅膜４０９を約６００ｎｍ形成した（図５（ａ））。
【００３６】
その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成を行った。次にメタルＣＭＰ技術を用い、溝以外のメタルを除去し溝内にＣｕが埋め込まれた第１Ｃｕ溝配線を形成した（図５（ｂ））。次に、プラズマＣＶＤ装置により、５０〜１０００ｎｍの第１のシリコン炭化窒化膜４１０を形成した。続いて、１５０〜３５０ｎｍの第２のＬ−Ｏｘ膜４１１、さらに、５０〜２００ｎｍの第２のＳｉＯ２膜４１２を順次成膜した。第１のビア形成のためにフォトリソグラフィー技術を用い、０．１４μｍ径のビアのパターンとして第２のＡＲＣ膜４１３上に第２のフォトレジストマスク４１４を形成した（図５（ｃ））。
【００３７】
これをマスクにして、第２のＡＲＣ膜４１３、第２のＳｉＯ２膜４１２、第２のＬ−Ｏｘ膜４１１を順次エッチングし、第１のシリコン炭化窒化膜４１０上でエッチストップさせたビア用溝を開口した。次にフォトレジストマスクと第２のＡＲＣ膜をプラズマアッシングにより除去し、有機剥離液で残渣を除去した。その後、ビア用溝底部の第1のシリコン炭化窒化膜４１０を除去し第１のＣｕ溝配線との電気的な導通を採るため、全面エッチバックを行った。その後、有機剥離液を行って残渣を除去した。続いて、スパッタ装置にて、デガスを行なった後、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行なった後にビア用溝内部（側壁および底面）を含めて基板（第２のＳｉＯ２膜４１２）表面に第２のバリアメタル膜としてＴａＮ膜４１５の膜厚約１０ｎｍ形成に引き続きＴａ膜４１６を２０ｎｍ形成し、真空を破ることなく、Ｃｕシード膜（図示省略）を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、銅膜４１７を約３００ｎｍ形成した。その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成を行った。次にメタルＣＭＰ技術を用い、ビア以外のメタルを除去し溝内にＣｕが埋め込まれたビアを形成した（図６（ａ））。
【００３８】
次に、プラズマＣＶＤ装置により、５０〜１００ｎｍの第２のシリコン炭化窒化膜４１８を形成した。続いて、１５０〜３５０ｎｍの第３のＬ−Ｏｘ膜４１９、さらに５０〜２００ｎｍの第３のＳｉＯ２膜４２０を順次成膜した（図６（ｂ））。
【００３９】
この構造体上に反射防止膜として第３のＡＲＣ膜４２１を塗布後に、最小Ｌ／Ｓ＝０．１４／０．１４μｍレベルのフォトリソグラフィー技術を用いパターニングされた第３のフォトレジストマスク４２２を形成した（図７（ａ））。
【００４０】
これをマスクにして、第３のＡＲＣ膜４２１、第３のＳｉＯ２膜４２０、第３のＬ−Ｏｘ膜４１９をフロロカーボン系ガスを含むエッチングガスにより順次エッチングし、第２のシリコン炭化窒化膜４１８上でストップさせるように第２の配線用溝を開口した。その後、酸素プラズマアッシングにより、フォトレジストマスクを剥離後、アミン系の有機剥離液などで残さ等を完全に除去した。その後、全面エッチバックにて、第２の配線用溝底部の第２のシリコン炭化窒化膜４１８を除去した。さらに有機剥離液による洗浄で残さを除去した。続いて、スパッタ装置にて、デガスを行なった後、ＡｒイオンによるＲＦエッチを行った後に第３のバリアメタル膜としてＴａＮ膜４２３の膜厚約１０ｎｍ形成に引き続きＴａ膜４２４を２０ｎｍ形成し、真空を破ることなく、Ｃｕシード膜（図示省略）を約１００ｎｍ形成した。次にＣｕめっきにて、銅膜４２５を約６００ｎｍ形成した。その後、縦型炉アニールにて２００〜４００℃で焼成を行った。次にメタルＣＭＰ技術を用い、溝以外のメタルを除去し溝内にＣｕが埋め込まれた第２Ｃｕ溝配線を形成した。次に、プラズマＣＶＤ装置により、５０〜１００ｎｍの第３のシリコン炭化窒化膜４２６を形成した（図７（ｂ））。
【００４１】
その後第３のシリコン炭化窒化膜４２６（図１の第３のシリコン炭化窒化膜１２０に相当）上に３００〜５００ｎｍのＳｉＯ２層間絶縁膜１２１をプラズマＣＶＤ法により形成し、第３のシリコン炭化窒化膜４２６およびＳｉＯ２層間絶縁膜１２１にフォトリソグラフィー技術を用い第２Ｃｕ溝配線上に開口を設けるためのフォトレジストマスクを形成した。続いて露出したＳｉＯ２層間絶縁膜１２１および第３のシリコン炭化窒化膜４２６をエッチングして第２Ｃｕ溝配線とボンディングパッドとを接続するための開口部を形成した。フォトレジストマスク除去後スパッタリング法によりＴｉＮ膜１２２を１００〜２００ｎｍ，Ａｌ−Ｃｕ（０．５％)膜１２３を８００〜１０００ｎｍ、ＴｉＮ膜１２４を５０〜１００ｎｍを順次成膜した。続いて、フォトリソグラフィー技術を用いボンディングパッドを形成するためのフォトレジストマスクを形成し、エッチング工程によりボンディングパッドを形成後フォトレジストマスクを除去した。そして、ボンディングパッド上のＴｉＮ膜１２４を覆うようにＳｉＯ２膜１２５を１００〜２００ｎｍ、ＳｉＯＮ膜１２６を１００〜２００ｎｍをプラズマＣＶＤ法により順次形成し、フォトリソグラフィー技術によりボンディングパッド１２３上のＳｉＯＮ膜１２６およびＳｉＯ２膜１２５の所定領域を開口しボンディングパッドを露出させた。
【００４２】
以上により、図１に示す２層配線構造を有する半導体装置が得られた。この２層配線構造を形成するにあたり、ＣＭＰでは剥がれは発生せず、また、測定した０．１４μｍスペースでの配線間容量は目標どおりの値を得られ、さらにビア抵抗も歩留まり劣化なく、かつビア抵抗の上昇が発生することもなかった。
【００４３】
さらに、本発明者の実験ではＣｕ配線およびＣｕビア上に用いているシリコン炭化窒化膜の窒素濃度が吸湿のブロック性に対して大きな鍵であることを突き止めた。図８にシリコン炭化窒化膜中のＲＢＳ(ラザフォード後方散乱分光法：Backscattering Spectroscopy)で測定した窒素濃度を横軸、実施の形態１を用いた場合のライン／スペース＝０．１４／０．１４μｍ間隔での配線間容量の値を縦軸とした両者の関係を示した。シリコン炭化窒化膜中の窒素濃度の上昇に伴い配線間容量は低下し、約１０ａｔｍ％（原子％）以上の窒素濃度では飽和している。窒素濃度が０の場合は１０ａｔｍ％以上の場合と比較し、１５％程度配線間容量が大きいことが確認された。
【００４４】
また、図９に示すように、膜の組成で窒素濃度が約３５ａｔｍ％以上のシリコン炭化窒化膜はその膜単独の比誘電率が５．８以上と急激に値が上がってしまいそれ以下の５．０以下の領域での低誘電率化のメリットはなくなってきてしまう。以上より、シリコン炭化窒化膜の窒素濃度は１０ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％未満であることが望ましく、膜質の安定性の点から１５ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下であることがより望ましい。
【００４５】
シリコン炭化窒化膜中の窒素濃度以外の他の組成はＳｉが２２〜２７ａｔｍ％、Ｃが２０〜２５ａｔｍ％、Ｈが３５〜４５ａｔｍ％の範囲の膜で特性が良好であることが確認されており、この範囲内では、上記の関係は成立するものと考えられる（Ｈ濃度以外はＲＢＳ、 ＨはＨＦＳ(水素前方散乱分析:Hydrogen Front Scattering Spectroscopy）で測定)。
【００４６】
また、図１０は下層のＣｕ配線に対する耐性を示したものである。シリコン炭化窒化膜中の窒素濃度を横軸、第３の実施形態の場合のビアチェーン抵抗値を縦軸として両者の相関を示す。シリコン炭化窒化膜中の窒素濃度の上昇に伴い抵抗値は下がっていき、約１０ａｔｍ％以上の窒素濃度ではビアの抵抗値は飽和領域に入っていることが確認された。窒素濃度が０ａｔｍ％の場合は、１０ａｔｍ％以上の場合と比較し、剥がれが発生してビアチェーンの歩留まりが悪く、ビアがオープンでないものの平均値では約３０％抵抗値が高いことが確認された。
【００４７】
ここでは水素化ポリシロキサンを用いているが、ＳｉＯ２層間絶縁膜を用いても配線間容量の上昇は明確に確認できなかったもののビア抵抗の上昇は確認でき、層間絶縁膜によらず、Ｃｕ配線上にシリコン炭化窒化膜がある場合膜中の窒素濃度が少なくなると信頼性は低下する傾向があることも確認された。シリコン炭化窒化膜中の窒素濃度以外の他の組成はＳｉが２２〜２７ａｔｍ％、Ｃが２０〜２５ａｔｍ％、Ｈが３５〜４５ａｔｍ％の範囲の膜で特性が良好であることが確認されており、この範囲内では、上記の関係は成立するものと考えられる。
【００４８】
また、低誘電率化の観点では、本絶縁膜中にさらに酸素が含まれている方が好ましい。Ｏが１ａｔｍ%で、無しの場合と比較し比誘電率が０．２程度の低減できる。Ｏが５ａｔｍ%未満であれば、上記配線間容量の上昇抑制効果に差がないことが確認できている。しかしながら、５ａｔｍ%以上では上記効果は急激に低下するため、Ｏの含有量は５ａｔｍ%未満とすることが好ましく、０．５ａｔｍ％から２ａｔｍ％の範囲とすることがさらに好ましい。なお、水素濃度について記載すると、水素が入っていることによりＣｕ酸化膜の還元効果があり、Ｃｕ配線の酸化を防止できるという効果がある。水素濃度が３５ａｔｍ％未満の場合はＣｕ酸化膜が形成されやすく、抵抗値は上昇する傾向になる。
【００４９】
上記シリコン炭化窒化膜を有する効果がこの膜の有する吸湿のブロック性に起因することを確認するため、膜の吸湿ブロック性のテストを行った。サンプルとしては、全面成膜のＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜した。吸湿がブロックできない場合は、ＦＴＩＲスペクトルを確認すれば、下層のＰＳＧ膜中のＰ＝Ｏ結合の赤外線吸収ピークが消失する。膜の吸湿ブロック性のテストとして、ＰＣＴ（Pressure Cooker Test）条件１２５℃、２気圧、湿度１００％で保管した前後のＦＴＩＲ(フーリエ変換赤外分光法:Fourier Transform Infrared Spectroscopy)スペクトルを比較した。
【００５０】
参考の為、図１１に示すように、明らかに吸湿ブロック性がないプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ２膜をＰＳＧ膜上に成膜したサンプルのＰＣＴ前後のＦＴＩＲスペクトルを比較した。約１３３０ｃｍ−１の波数に存在するＰ＝Ｏ結合はＰＣＴ前には確認されたが、ＰＣＴ９６時間経過後のＦＴＩＲスペクトルでは消失し、確認できなかった。すなわち、吸湿ブロック性は本方法で確認できることが確認できた。
【００５１】
この方法でＰＳＧ膜上にシリコン炭化窒化膜を成膜したサンプルを用い、窒素濃度をかえた場合の試験をおこなった。図１２はＳｉＣ／ＰＳＧ構造での、すなわち、窒素濃度＝０ａｔｍ％の場合のＰＣＴ前後のスペクトル比較である。ＰＣＴ前に存在するＰ＝Ｏ結合は９６時間のＰＣＴ後では消失している。すなわち、吸湿のブロック性はない。また、図１３にシリコン炭化窒化膜／ＰＳＧ構造（上層がシリコン炭化窒化膜、下層がＰＳＧ）の結果を示す。このシリコン炭化窒化膜の窒素濃度は１３．８ａｔｍ％であった。このときにはＰＣＴ前に存在するＰ＝Ｏ結合はＰＣＴ後でもほぼすべて残っていることが確認でき、すなわち、吸湿ブロック性が確認できた。
【００５２】
表１にシリコン炭化窒化膜中の窒素濃度とＰＣＴ後にＰ＝Ｏ結合が存在するかの判定結果を示す。窒素濃度が１０ａｔｍ％では、Ｐ＝Ｏ結合がほぼ残っておりこの領域では吸湿のブロック性はあると判断できる。また、約８ａｔｍ％では、ややＰ＝Ｏの結合のピークの減少はみられたが、存在することは確認できた。また、それ以下の窒素濃度の水準では、Ｐ＝Ｏ結合はＰＣＴ後に確認できなかった。すなわち、吸湿ブロック性はない。
【００５３】
【表１】
2004253780.tif 000003
【００５４】
この吸湿ブロック性と前記電気特性の結果は対応し、すなわち、シリコン炭化窒化膜の吸湿ブロック性が電気特性を支配していると推察できる。
【００５５】
次にバリアメタル膜と低誘電率膜である水素化ポリシロキサンとの関係を説明する。表２にバリアメタル膜として、Ｔａ／ＴａＮ（上層がＴａ：２０ｎｍ、下層がＴａＮ：１０ｎｍ）を使用した場合のＴａＮの窒素濃度とメタルＣＭＰでのはがれの有無およびＴａＮスパッタ時のゴミ検査での欠陥数との関係を示した。
【００５６】
【表２】
2004253780.tif 000004
【００５７】
ＴａＮのＸＰＳ(Ｘ線光電子分光法:X-ray Photoelectron Spectroscopy)で求めた窒素濃度が約１０ａｔｍ％以上の膜では、第３の実施形態で行った場合では剥がれが発生しなかったが、それ以下ではＣｕ膜のＣＭＰで剥がれが発生した。特に５ａｔｍ％以下の膜では、目視でも剥がれが確認できた。約８ａｔｍ％程度では目視では確認できなかったものの、光学顕微鏡で剥がれが確認できた。ちなみに層間絶縁膜がＳｉＯ２の場合ではいずれの窒素濃度のＴａＮでも剥がれが発生していないことより、水素化ポリシロキサンの水素がＴａＮに吸蔵しているものと推定できる。また、ＴａＮをスパッタしたときの８インチウエハ上でのゴミカウント数を示す。ゴミの粒径は０．１８μｍ以上のものをカウントした。ＴａＮの窒素濃度が４０ａｔｍ％未満のレベルでは２０個以下であったが、４０ａｔｍ％を超えると２００００個以上の個数を示し、オーバーフローした。
【００５８】
また表３にバリアメタルの構造による、０．１４μｍ径の高さ０．４μｍのビアへのＣｕ埋設性およびメタルＣＭＰ時の剥がれの関係を示す。
【００５９】
【表３】
2004253780.tif 000005
【００６０】
Ｔａ単層３０ｎｍの膜上に１００ｎｍのＣｕシード層を成膜し、その上に３００ｎｍのＣｕめっきを埋設し、加速試験として４５０℃で１２時間過熱したときの埋設を確認したところ、埋設不良は確認できなかった。Ｔａ（２０ｎｍ）／ＴａＮ（１０ｎｍ）の場合（その上のＣｕは同じ条件）でも問題はなかったが、３０ｎｍのＴａＮ単層では埋設不良が確認された。この原因はＣｕ膜の濡れ性の下地依存性で説明できる。Ｔａ膜へのＣｕ膜の濡れ性はよいが、ＴａＮへのＣｕ膜の濡れ性は悪い。これはＣｕ濡れ性と窒素がなんらかの関係があると思われる。またビアＣｕのＣＭＰでの剥がれは、ＴａＮ単層の場合と、Ｔａ／ＴａＮの積層の場合は問題がなかったが、Ｔａ単層の場合は剥がれが確認された。この原因は水素化ポリシロキサンの水素が、Ｔａに吸蔵し、メタルの脆弱が発生しているものと推定される。Ｔａに窒素が含まれると水素の吸蔵が抑えられ、バリアメタル脆弱化が防止できると考えられる。
【００６１】
バリアメタル膜はＴａ／ＴａＮの積層構造に限定されるものではない。層間絶縁膜としてＳｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜のＨがバリアメタル膜に吸蔵しメタルの脆弱化をもたらさないような構成とすればよい。即ち、Ｓｉ−Ｈ結合を有する層間絶縁膜と水素吸蔵性を有するバリアメタル膜を用いる場合、両者間に層間絶縁膜のＨのバリアメタル膜への吸蔵を抑制する層を設ける構成とすればよい。水素吸蔵性を有するバリマタルとしては、Ｔａ以外にＴｉが挙げられる。ＴａＮ同様ＴｉＮも水素の吸蔵が抑えられ、バリアメタル脆弱化が防止できると考えられる。したがって、Ｔａ／ＴａＮ以外にＴａ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴａＮ、Ｔｉ／ＴｉＮの組合せも可能である。
【００６２】
上記実施形態では、梯子型水素化ポリシロキサンであるＬ−Ｏｘを低誘電率層間絶縁膜として使用した例を示したが、かご型の水素化ポリシロキサンの１種である籠型水素化シルセスキオキサンを用いてもよい。但し、梯子型水素化ポリシロキサンを用いた場合より水素吸蔵抑制層を介在させる効果はやや小さい。また比誘電率２．４のポーラス梯子型水素化ポリシロキサン（ポーラスＬ−Ｏｘ）を用いた場合も同等の効果が確認された。梯子型水素化ポリシロキサンまたはポーラス梯子型水素化ポリシロキサンであることが好ましい。また効果としては水素化ポリシロキサンよりも少ないがＣＶＤ法で形成した水素化オルガノポリシロキサン、即ち、Ｓｉ−Ｈ結合とＳｉ−ＣＨ３結合をともにもっている絶縁膜（この結合はＦＴＩＲスペクトルなどで確認できる）でもよい。たとえば商品名であれば、Black Diamond(商標名)、Coral(商標名)、Aurora(商標名)などでも同様な結果が得られる。塗布法で形成したＭＨＳＱなどでも同様な結果が得られた。上記効果の程度の差は、Ｓｉ−ＣＨ３結合のＨがＳｉ−Ｈ結合のＨよりも解離し難いことに基因すると考えられる。即ち、Ｓｉ−Ｈ結合を多く有する絶縁膜材料を使用するほど水素吸蔵抑制層を介在させる効果は大きく認められた。
【００６３】
本発明によれば、配線およびバリアメタル膜との良好な密着性を有するＳｉ−Ｈ結合を有する低誘電率層間絶縁膜と好ましい組成のシリコン炭化窒化膜の組合せにより本発明の第１から第３の実施形態の９層配線構造の多層配線構造を１０ヶ月かけて製造しても配線間容量が増加することはなかった。また、ビア抵抗が上昇することがなく、かつ膜剥がれも発生せずに製造できた。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかる半導体装置を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる半導体装置を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態でのシリコン炭化窒化膜の窒素濃度と配線間容量との関係を示す図である。
【図９】シリコン炭化窒化膜の窒素濃度と比誘電率との関係を示す図である。
【図１０】シリコン炭化窒化膜の窒素濃度と本発明の第３の実施の形態でのビア抵抗との関係を示す図である。
【図１１】ＳｉＯ２膜／ＰＳＧ膜のＰＣＴ前後のＦＴＩＲスペクトルを示す図である。
【図１２】ＳｉＣ膜／ＰＳＧ膜のＰＣＴ前後のＦＴＩＲスペクトルを示す図である。
【図１３】シリコン炭化窒化膜／ＰＳＧ膜のＰＣＴ前後のＦＴＩＲスペクトルを示す図である。
【図１４】従来の実施の形態にかかる半導体装置を示す図である。
【図１５】従来の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１６】従来の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１７】従来の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１８】従来の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・・下地絶縁膜
１０２，１０８，１１４，１２０，２０２，２０８，２１３，２１９，３０２，３０８，３１１，３１７，４０２，４１０，４１８，４２６・・・シリコン炭化窒化膜
１０３，１０９，１１５，２０３，２１４，３０３，３０９，３１２，４０３，４１１，４１９・・・Ｌ−Ｏｘ膜
１０４，１１０，１１６，１２１，１２５，２０４，２０９，２１５，３０４，３１０，３１３，４０４，４１２，４２０，５０４，５０９，５１４，６０４，６１２，６２０・・・ＳｉＯ２膜
１０５，１１１，１１７，２０５，２１０，２１６，３０５，３１４，４０７，４１５，４２３・・・ＴａＮ膜
１０６，１１２，１１８，２０６，２１１，２１７，３０６，３１５，４０８，４１６，４２４・・・Ｔａ膜
１０７，１１３，１１９，２０７，２１１，２１８，３０７，３１６，４０９，４１７，４２５，５０６，５１１，５１６，６０９，６１７，６２４・・・Ｃｕ膜
１２２，１２４・・・ＴｉＮ膜
１２３・・・Ａｌ−Ｃｕ膜
１２６・・・ＳｉＯＮ膜
５０２，５０７，５１２，５１７，６０２，６０９，６１６，６２３・・・バリア絶縁膜５０３，５０８，５１３，６０３，６１１，６１９・・・低誘電率膜
５０５，５１０，５１５，６０７，６１５，６２３・・・バリアメタル膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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