(57)【要約】【課題】層間絶縁膜中に膜密度が漸次的に変化する積層膜を設けることより、層間絶縁膜を構成する膜同士の密着性を改善する半導体装置を提供する。【解決手段】トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させたプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＣ膜２０３を３００ｎｍ成膜する。ここで、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させることにより、ＳｉＯＣ膜２０３の膜密度が次第に低下する。トリメチルシランは、メチル基を有するため、モノシラン等と比較して嵩高い分子構造を有する。このため、原料ガス中のトリメチルシラン量を増加させることにより、膜密度が減少するのである。【選択図】  図４
2005223012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に設けられた層間絶縁膜とを備え、
前記層間絶縁膜は、第一の絶縁膜と、該第一の絶縁膜よりも低い膜密度を有する第二の絶縁膜とを有する積層膜を含み、
前記第二の絶縁膜は、第一の絶縁膜の近傍を起点として第一の絶縁膜から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する第一の密度遷移領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第二の絶縁膜の下面または上面の側に前記第一の絶縁膜が設けられ、前記第二の絶縁膜が設けられた側と反対側の前記第二の絶縁膜の面に、前記第二の絶縁膜よりも高い膜密度を有する第三の絶縁膜が設けられ、
前記第二の絶縁膜は、前記第三の絶縁膜の近傍を起点として前記第三の絶縁膜から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する第二の密度遷移領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記第三の絶縁膜は、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜である半導体装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体装置において、
前記第二の密度遷移領域は、組成不連続面を含まない単層膜を構成することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の半導体装置において、
前記第二の密度遷移領域は、膜密度の異なる多層膜からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の絶縁膜は、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜である半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の密度遷移領域は、組成不連続面を含まない単層膜からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の密度遷移領域は、膜密度の異なる多層膜からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体装置において、
前記第二の絶縁膜は、珪素および炭素を必須成分として含む膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記第二の絶縁膜は、ＣＶＤ−ＳｉＯＣ膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体装置において、
前記第二の絶縁膜の誘電率が、３．０以下であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層間絶縁膜における層間密着性を改善した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高速動作性に対する要求に伴い、金属配線を銅により構成して配線抵抗の低抵抗化を図る技術が広く利用されている。こうした配線構造は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃｈａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程を含むダマシンプロセスにより形成される。
【０００３】
ダマシン銅配線を形成する場合、配線溝やスルーホールを形成するためのエッチング阻止膜や、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃｈａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程における層間絶縁膜の損傷を抑制するための保護膜を設けることが必要となる。ところが、こうしたエッチング阻止膜や保護膜は、他の絶縁膜との密着性が充分に得られないことがあり、改善の余地を有していた。
【０００４】
このような密着性の課題は、層間絶縁膜の材料として低誘電率絶縁材料を用いた場合、特に顕著となる。最近では、層間絶縁膜を従来のシリコン酸化膜（誘電率Ｋ＝４．３程度）から誘電率が３．０以下の低誘電率材料に変更し、配線間容量を低減する検討が精力的に行われている。このような低誘電率絶縁材料を層間絶縁膜に用いることで、配線間のクロストークを低減でき素子の高速動作を実現することが可能となるが、エッチング阻止膜や保護膜との密着性が充分に得られないことがある。かかる密着性の課題は、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＯＣ膜（以下、ＣＶＤ−ＳｉＯＣ膜という）や、ポーラス膜を用いた場合に顕著となる。
【０００５】
従来、層間絶縁膜における密着性を改善する検討が種々なされている。たとえば本出願人は、特許文献１において、膜材料を適宜に選択することにより密着性改善を図る技術を提案している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３２６２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、層間絶縁膜における層間密着性を改善する技術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】
従来、異種膜界面の密着性を向上させる手法として、材料を適宜に選択し、膜組成を好適に設計する手法が検討されてきた。しかしながら、この手法では、近年望まれている高い水準の密着性を得ることは必ずしも容易ではない。本発明者らは、半導体製造工程において受ける熱履歴により、膜間に熱応力が残存し、これが膜の密着性低下をもたらしているものと推察し、上記課題の解決を図った。かかる観点から鋭意検討を行った結果、本発明者らは、膜密度に着目した層間絶縁膜の設計が界面密着性改善に有効であることを見い出し、かかる新規な知見に基づいて本発明に到達した。
【０００９】
上記課題を解決する本発明によれば、半導体基板と、該半導体基板上に設けられた層間絶縁膜とを備え、前記層間絶縁膜は、第一の絶縁膜と、該第一の絶縁膜よりも低い膜密度を有する第二の絶縁膜とを有する積層膜を含み、前記第二の絶縁膜は、第一の絶縁膜の近傍を起点として第一の絶縁膜から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する第一の密度遷移領域を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明に係る半導体装置は、第一の絶縁膜の近傍を起点として第一の絶縁膜から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する第一の密度遷移領域を有する。このため、低誘電率でありながら、積層膜内部の密着性が良好な層間絶縁膜を実現することができる。上記のように、第一の絶縁膜の設けられた側で膜密度が漸次的に減少することにより、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜との間の界面における応力が徐々に緩和され、両者の間の密着性が顕著に改善される。これにより、ヒートサイクル耐性等が向上し、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。第二の絶縁膜は、第一の絶縁膜の設けられた側では上記構成の密度遷移領域を設ける関係で誘電率の設定に一定の条件が課せられることとなるが、それ以外の領域においては誘電率を任意に低く設定することができるので、第二の絶縁膜全体としては低誘電率化を図ることができる。
【００１１】
第一の絶縁膜は、たとえばエッチング阻止膜や保護膜であり、第二の絶縁膜は、たとえば配線間やビア間に埋設される絶縁膜とする。本発明によれば、こうした膜間の密着性が顕著に改善される。
【００１２】
ここで、膜密度の大小は、たとえば走査型電子顕微鏡（SEM: Scanning Electron Microscope）観察により確認することができる。測定試料の断面をＳＥＭ観察し、得られたＳＥＭ画像（二次電子像）の濃淡により密度の大小を確認することができる。
【００１３】
上記第一の密度遷移領域における膜密度プロファイルは、第一の絶縁膜近傍において第一の絶縁膜と略等しい膜密度とすることが好ましい。こうすることにより、両者の密着性をより顕著に向上させることができる。
【００１４】
本発明において、第二の絶縁膜の下面または上面の側に第一の絶縁膜が設けられ、第一の絶縁膜が設けられた側と反対側の第二の絶縁膜の面に、第二の絶縁膜よりも高い膜密度を有する第三の絶縁膜が設けられ、第二の絶縁膜は、第三の絶縁膜の近傍を起点として第三の絶縁膜から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する第二の密度遷移領域を有する構成としてもよい。こうすることにより、第二の絶縁膜と、その上部および下部に位置する他の絶縁膜との間の密着性が良好となり、一層、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００１５】
第二の絶縁膜および第三の絶縁膜は、たとえば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜とすることができる。
【００１６】
第一の密度遷移領域および第二の密度遷移領域は、組成不連続面を含まない単層膜を構成するものとしてもよい。ここで、組成不連続面を含まないとは、膜中に界面が生じていないことをいい、こうすることにより、膜中の安定な密着性が得られる。
【００１７】
第一の密度遷移領域および第二の密度遷移領域は、膜密度の異なる多層膜からなる構成としてもよい。こうすることにより、簡便な工程で、膜中の安定な密着性が得られる。
【００１８】
本発明は、第二の絶縁膜が、珪素および炭素を必須成分として含む膜、特にＣＶＤ−ＳｉＯＣ膜である場合、特に顕著な効果を奏する。誘電率が３．０以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、層間絶縁膜中に膜密度が漸次的に変化する積層膜を有するため、層間絶縁膜を構成する膜同士の密着性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明をダマシン銅配線構造に適用した例について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。
【００２１】
第一の実施形態
図１は、本実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置は、シリコン基板上に層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜中に銅配線およびビアからなる多層配線構造が設けられた構造を有する。図示した構造は、こうした多層配線構造の一部を示すものであり、Ｃｕ膜２０９からなる下層配線が銅プラグ２２８を介して、Ｃｕ膜２２３からなる上層配線に接続された構成を有している。
【００２２】
Ｃｕ膜２０９からなる下層配線は、下地絶縁膜２０１、ＳｉＣＮ膜２０２、ＳｉＯＣ膜２０３およびＳｉＯ２膜２０４からなる積層膜中に形成されている。Ｃｕ膜２０９の側面と底面はＴａ／ＴａＮ膜２０８（Ｃｕ膜側からＴａ、ＴａＮの順に積層。以下同様）に覆われている。
【００２３】
銅プラグ２２８は、ＳｉＣＮ膜２１１およびＳｉＯ２膜２１２からなる積層膜に形成されたビアホールに設けられており、その側面と底面はＴａ／ＴａＮ膜２２６に覆われている。
【００２４】
Ｃｕ膜２２３からなる上層配線は、ＳｉＣＮ膜２１３、ＳｉＯＣ膜２１６およびＳｉＯ２膜２１７からなる積層膜に形成されている。Ｃｕ膜２２３の側面と底面はＴａ／ＴａＮ膜２２０に覆われている。Ｃｕ膜２２３の上部には、ＳｉＣＮ膜２２２が設けられている。
【００２５】
図１中、ＳｉＣＮ膜２０２、ＳｉＣＮ膜２１１およびＳｉＣＮ膜２１３は、ドライエッチングによりビアホール乃至配線溝を形成する際のエッチング阻止膜である。ＳｉＯ２膜２０４およびＳｉＯ２膜２１７は、ダマシン工程において銅膜をＣＭＰにより研磨する際の保護膜である。また、「ＳｉＯＣ膜」とは、ＣＶＤ法により形成されたシリコン、酸素、炭素および水素を必須元素とする膜であり、「ＳｉＯＣＨ膜」と表記されることもある。また、「ＳｉＣＮ膜」とは、ＣＶＤ法により形成されたシリコン、炭素、窒素および水素を必須元素とする膜であり、「ＳｉＣＮＨ膜」と表記されることもある。
【００２６】
図１において、ＳｉＣＮ膜２０２およびＳｉＯＣ膜２０３からなる積層膜は、エッチング阻止膜となるＳｉＣＮ膜２０２と、これよりも膜密度の低いＳｉＯＣ膜２０３が積層した構造を有する。ＳｉＯＣ膜２０３は、ＳｉＣＮ膜２０２と接しており、その接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向（積層方向上部に向かう方向）に膜密度が漸次的に減少する膜密度プロファイルを有する。また、このような膜密度とした結果、弾性率、硬さの膜内分布も、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に減少するプロファイルとなる。さらに、膜応力は、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に増大するプロファイルとなる。すなわち、上記接触面近傍では、膜応力はＳｉＣＮ膜２０２の膜応力に近い圧縮モードの値をとり、ＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に向かって引っ張りモードの応力が増大する分布となる。
【００２７】
ここで、弾性率とはヤング率のことであり、硬さとはビッカース硬度のことである。また、膜応力は、シリコン基板上に単層膜を形成した場合に観測される応力の値を示す。
【００２８】
本実施形態に係る半導体装置は、上記のような構成の積層膜を設けるため、ＳｉＣＮ膜２０２とＳｉＯＣ膜２０３との間の界面に発生する熱応力が徐々に緩和され、両者の間の密着性が顕著に改善される。これにより、ヒートサイクル耐性等が向上し、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２９】
ＳｉＯＣ膜２０３の誘電率プロファイルに注目すると、中央部は低い誘電率を有し、ＳｉＣＮ膜２０２近傍では高い誘電率となる。したがって、ＳｉＯＣ膜２０３全体としては低い誘電率となり、優れた層間密着性および低誘電率を兼ね備えた層間絶縁膜が実現される。
【００３０】
上記のように、膜内に膜密度分布を有するＳｉＯＣ膜２０３は、たとえば、ＣＶＤ成膜時の成膜ガスを変化させることにより形成することができる。具体的には、炭素源となるトリメチルシラン（ＴＭＳ）の流量をＳｉＣＮ膜２０２の近傍では低くし、次第にその流量が高くなるように設定し、成膜条件を適宜に設定することで上記構成の膜を形成できる。トリメチルシランは、メチル基を有するため、モノシラン等と比較して嵩高い分子構造を有する。このため、原料ガス中のトリメチルシラン量を増加させることにより、膜密度が減少する。詳細な製造方法については後述する。
【００３１】
以上、ＳｉＯＣ膜２０３の構成について説明したが、同様の構成を、ＳｉＯＣ膜２１６に適用してもよい。すなわち、ＳｉＯＣ膜２１６が、ＳｉＣＮ膜２１３から遠ざかる方向に膜密度が漸次的に減少する膜密度プロファイルを有する構成としてもよい。
【００３２】
また、本実施形態においては、ＳｉＯＣ膜２０３の膜密度が、ＳｉＣＮ膜２０２から離れるにしたがって連続的に単調に減少する例について説明したが、途中、膜密度が一定となっている領域があってもよい。要は、ＳｉＯＣ膜２０３とＳｉＣＮ膜２０２との間の熱応力が緩和される膜密度分布になっていればよい。本実施形態のように膜密度が連続的に変化する構成とすれば、膜中の応力が、より好適に分散され、顕著な密着性改善効果が安定的に得られる。
【００３３】
また、本実施形態では上記膜密度分布を有する密度遷移領域をＳｉＯＣ膜２０３の全体にわたって設けたが、ＳｉＯＣ膜２０３の一部にのみ密度遷移領域を設けてもよい。この場合、密度遷移領域の上部の膜密度プロファイルは任意に設定することができ、低誘電率化の観点から、ポーラス膜で構成する等して、たとえば比誘電率２．７以下の膜とすることができる。
【００３４】
こうした密度遷移領域は、ＳｉＯＣ膜２０３のＳｉＣＮ膜２０２側だけでなく、ＳｉＯ２膜２０４の側に設けても良い。すなわち、ＳｉＯ２膜２０４から離れるにしたがって膜密度が漸次的に減少する膜密度分布を設けても良い。これにより、ＳｉＣＮ膜２０２側にくわえ、ＳｉＯ２膜２０４側の密着性も向上する。
【００３５】
本実施形態においては、第一の絶縁膜としてＳｉＣＮ膜を用いた場合について説明したが、その他にたとえばＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜等とすることができる。また、第二の絶縁膜としてＳｉＯＣ膜を用いた場合について説明したが、その他に炭素を含む物質、たとえば、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）等の塗布膜や、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のＣＶＤ膜、またはこれらの膜をポーラス化したものとしてもよい。
【００３６】
また、本実施形態においては、シングルダマシン構造において、本発明を適用した形態について説明したが、デュアルダマシン構造について本発明を適用してもよい。この場合には、図２に示す構造のＳｉＯＣ膜２０３とＳｉＯＣ膜２１６を、本実施形態において説明されたＣＶＤ成膜時の成膜ガスを変化させる方法で形成することにより、所望の膜密度分布を得ることができ、優れた層間密着性および低誘電率を兼ね備えた層間絶縁膜が実現される。
【００３７】
第二の実施形態
図３は、本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置は、シリコン基板上に層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜中に銅配線およびビアからなる多層配線構造が設けられた構造を有する。図示した構造は、こうした多層配線構造の一部を示すものであり、Ｃｕ膜２０９からなる下層配線が銅プラグ２２８を介して、Ｃｕ膜２２３からなる上層配線に接続された構成を有している。
【００３８】
銅プラグ２２８は、ＳｉＣＮ膜２１１、ＳｉＯＣ膜２３０、およびＳｉＯ２膜２１２からなる積層膜に形成されたビアホールに設けられており、その側面と底面はＴａ／ＴａＮ膜２２６に覆われている。
【００３９】
図３において、ＳｉＣＮ膜２１１およびＳｉＯＣ膜２３０からなる積層膜は、エッチング阻止膜となるＳｉＣＮ膜２１１と、これよりも膜密度の低いＳｉＯＣ膜２３０が積層した構造を有する。ＳｉＯＣ膜２３０は、ＳｉＣＮ膜２１１と接しており、その接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２１１から遠ざかる方向（積層方向上部に向かう方向）に膜密度が漸次的に減少する膜密度プロファイルを有する。また、このような膜密度とした結果、弾性率、硬さの膜内分布も、ＳｉＣＮ膜２１１との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２１１から遠ざかる方向に漸次的に減少するプロファイルとなる。さらに、膜応力は、ＳｉＣＮ膜２１１との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２１１から遠ざかる方向に漸次的に増大するプロファイルとなる。すなわち、上記接触面近傍では、膜応力はＳｉＣＮ膜２１１の膜応力に近い圧縮モードの値をとり、ＳｉＣＮ膜２１１から遠ざかる方向に向かって引っ張りモードの応力が増大する分布となる。
【００４０】
ここで、弾性率とはヤング率のことであり、硬さとはビッカース硬度のことである。また、膜応力は、シリコン基板上に単層膜を形成した場合に観測される応力の値を示す。
【００４１】
本実施形態に係る半導体装置は、上記のような構成の積層膜を設けるため、ＳｉＣＮ膜２１１とＳｉＯＣ膜２３０との間の界面に発生する熱応力が徐々に緩和され、両者の間の密着性が顕著に改善される。これにより、ヒートサイクル耐性等が向上し、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４２】
ＳｉＯＣ膜２３０の誘電率プロファイルに注目すると、中央部は低い誘電率を有し、ＳｉＣＮ膜２１１近傍では高い誘電率となる。したがって、ＳｉＯＣ膜２３０全体としては低い誘電率となり、優れた層間密着性および低誘電率を兼ね備えた層間絶縁膜が実現される。
【００４３】
上記のように、膜内に膜密度分布を有するＳｉＯＣ膜２３０は、たとえば、ＣＶＤ成膜時の成膜ガスを変化させることにより形成することができる。具体的には、炭素源となるトリメチルシラン（ＴＭＳ）の流量をＳｉＣＮ膜２１１の近傍では低くし、次第にその流量が高くなるように設定し、成膜条件を適宜に設定することで上記構成の膜を形成できる。トリメチルシランは、メチル基を有するため、モノシラン等と比較して嵩高い分子構造を有する。このため、原料ガス中のトリメチルシラン量を増加させることにより、膜密度が減少する。詳細な製造方法については後述する。
【００４４】
また、本実施形態においては、ＳｉＯＣ膜２３０の膜密度が、ＳｉＣＮ膜２１１から離れるにしたがって連続的に単調に減少する例について説明したが、途中、膜密度が一定となっている領域があってもよい。要は、ＳｉＯＣ膜２３０とＳｉＣＮ膜２１１との間の熱応力が緩和される膜密度分布になっていればよい。本実施形態のように膜密度が連続的に変化する構成とすれば、膜中の応力が、より好適に分散され、顕著な密着性改善効果が安定的に得られる。
【００４５】
また、本実施形態では上記膜密度分布を有する密度遷移領域をＳｉＯＣ膜２３０の全体にわたって設けたが、ＳｉＯＣ膜２３０の一部にのみ密度遷移領域を設けてもよい。この場合、密度遷移領域の上部の膜密度プロファイルは任意に設定することができ、低誘電率化の観点から、ポーラス膜で構成する等して、たとえば比誘電率２．７以下の膜とすることができる。
【００４６】
こうした密度遷移領域は、ＳｉＯＣ膜２３０のＳｉＣＮ膜２１１側だけでなく、ＳｉＯ２膜２１３の側に設けても良い。すなわち、ＳｉＯ２膜２１３から離れるにしたがって膜密度が漸次的に減少する膜密度分布を設けても良い。これにより、ＳｉＣＮ膜２１１側にくわえ、ＳｉＯ２膜２１３側の密着性も向上する。
【００４７】
また、本実施形態では、ＳｉＯＣ膜２３０のみが密度遷移領域を有する形態について説明したが、密度遷移領域を有するＳｉＯＣ膜２０３およびＳｉＯＣ膜２１６と組み合わせてもよい。これにより、ＳｉＯＣ膜２３０の密着性にくわえ、ＳｉＯＣ膜２０３およびＳｉＯＣ膜２１６の密着性も向上する。
【００４８】
本実施形態においては、第一の絶縁膜としてＳｉＣＮ膜を用いた場合について説明したが、その他にたとえばＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜等とすることができる。また、第二の絶縁膜としてＳｉＯＣ膜を用いた場合について説明したが、その他に炭素を含む物質、たとえば、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）等の塗布膜や、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のＣＶＤ膜、またはこれらの膜をポーラス化したものとしてもよい。
【００４９】
第三の実施形態
本実施形態では、第一の実施形態で示した半導体装置の製造方法の一例を示す。以下、図４を参照して説明する。
【００５０】
はじめに、図４（ａ）に示す構造を作製する。まず、半導体素子を形成した基板（不図示）上に下地絶縁膜２０１を設け、その上に、配線溝形成時のエッチング阻止膜となるＳｉＣＮ膜２０２をプラズマＣＶＤ法により５０ｎｍ成膜する。
【００５１】
次に、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させたプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＣ膜２０３を３００ｎｍ成膜する。ここで、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させることにより、ＳｉＯＣ膜２０３の膜密度が次第に低下する。トリメチルシランは、メチル基を有するため、モノシラン等と比較して嵩高い分子構造を有する。このため、原料ガス中のトリメチルシラン量を増加させることにより、膜密度が減少するのである。
【００５２】
ここで、図５の工程ブロック図に示すように、ＣＶＤ反応装置内に導入されたトリメチルシランガスは、すべてが導入された時にプラズマＣＶＤ法による成膜に用いられるのではなく、ＣＶＤ法による成膜に用いられなかった未反応ガスもＣＶＤ反応装置内に存在する。このため、ＣＶＤ反応装置内の未反応ガスとＣＶＤ反応装置内に新たに導入されたトリメチルシランガスとが混合されたガスが次の成膜に用いられることとなる。
【００５３】
したがって、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させたとしても、ＳｉＯＣ膜２０３の成膜に用いられるガス中の炭素含有率は連続的に増加されることとなる。この結果、成膜されたＳｉＯＣ膜２０３の膜密度、弾性率、熱応力は段階的な数値になるのではなく、連続的に変化する数値となる。
【００５４】
その後、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜２０４を１００ｎｍ成膜して図４（ａ）の構造体を得る。
【００５５】
その後、不図示のレジストマスクを用いてＳｉＯ２膜２０４とＳｉＯＣ膜２０３を選択的にドライエッチングし、配線溝２０７を形成する（図４（ｂ））。
【００５６】
次に、ＳｉＣＮを除去するため、エッチバックを行う。その後、バリアメタルとしてＴａ／ＴａＮ膜２０８（上層がＴａ、下層がＴａＮの積層膜。以下同様。）を３０ｎｍ程度、スパッタリング法により成膜した後、その上にシード層となるＣｕ膜をスパッタリング法により成膜する。その後、配線溝２０７を埋め込むように、電解メッキ法によりＣｕ膜２０９を成膜する（図４（ｃ））。このＣｕ膜２０９をＮ２雰囲気で４００℃、３０分間アニールし、結晶化させる。次に、ＳｉＯ２膜２０４上のＣｕ膜２０９およびＴａ／ＴａＮ膜２０８をＣＭＰにより除去して配線溝２０７外部の銅を除去する。ＣＭＰは、ＳｉＯ２膜２０４表面が露出するまで行う。これにより銅配線が形成される（図４（ｄ））。
【００５７】
図４（ｄ）の後、さらに、層間絶縁膜を形成し、同様の工程を実施して多層配線構造を得ることができる。また、図では単一の銅配線の断面のみを示したが、他の領域に複数の配線を同時に設けてもよい。
【００５８】
以上のプロセスを経ることにより、図１に示した銅配線を形成することができる。
【００５９】
したがって、ＳｉＯＣ膜２０３は、ＳｉＣＮ膜２０２と接しており、その接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向（積層方向上部に向かう方向）に膜密度が漸次的に減少する膜密度プロファイルを有する。また、このような膜密度とした結果、弾性率、硬さの膜内分布も、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に減少するプロファイルとなる。さらに、膜応力は、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に増大するプロファイルとなる。すなわち、上記接触面近傍では、膜応力はＳｉＣＮ膜２０２の膜応力に近い圧縮モードの値をとり、ＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に向かって引っ張りモードの応力が増大する分布となる。
【００６０】
ここで、弾性率とはヤング率のことであり、硬さとはビッカース硬度のことである。また、膜応力は、シリコン基板上に単層膜を形成した場合に観測される応力の値を示す。
【００６１】
本実施形態に係る半導体装置は、上記のような構成の積層膜を設けるため、ＳｉＣＮ膜２０２とＳｉＯＣ膜２０３との間の界面に発生する熱応力が徐々に緩和され、両者の間の密着性が顕著に改善される。これにより、ヒートサイクル耐性等が向上し、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００６２】
ＳｉＯＣ膜２０３の誘電率プロファイルに注目すると、中央部は低い誘電率を有し、ＳｉＣＮ膜２０２近傍では高い誘電率となる。したがって、ＳｉＯＣ膜２０３全体としては低い誘電率となり、優れた層間密着性および低誘電率を兼ね備えた層間絶縁膜が実現される。
【００６３】
なお、本実施形態においては、ＳｉＯＣ膜２０３の膜密度が、ＳｉＣＮ膜２０２から離れるにしたがって連続的に単調に減少する例について説明したが、途中、膜密度が一定となっている領域があってもよい。要は、ＳｉＯＣ膜２０３とＳｉＣＮ膜２０２との間の熱応力が緩和される膜密度分布になっていればよい。
【００６４】
また、本実施形態では上記膜密度分布を有する密度遷移領域をＳｉＯＣ膜２０３の全体にわたって設けたが、ＳｉＯＣ膜２０３の一部にのみ密度遷移領域を設けてもよい。この場合、密度遷移領域の上部の膜密度プロファイルは任意に設定することができ、低誘電率化の観点から、ポーラス膜で構成する等して、たとえば比誘電率２．７以下の膜とすることができる。
【００６５】
こうした密度遷移領域は、ＳｉＯＣ膜２０３のＳｉＣＮ膜２０２側だけでなく、ＳｉＯ２膜２０４の側に設けても良い。すなわち、ＳｉＯ２膜２０４から離れるにしたがって膜密度が漸次的に減少する膜密度分布を設けても良い。これにより、ＳｉＣＮ膜２０２側にくわえ、ＳｉＯ２膜２０４側の密着性も向上する。
【００６６】
この場合には、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させた後、一定の流量で成膜をした後、流量を段階的に減少させるプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＣ膜２０３を３００ｎｍ成膜する。ここで、トリメチルシランガスの流量を段階的に増加させた後、一定の流量で成膜をした後、流量を段階的に減少させることにより、ＳｉＯＣ膜２０３の膜密度が次第に低下した後、膜密度が一定になり、その後ふたたび膜密度が次第に上昇する。トリメチルシランは、メチル基を有するため、モノシラン等と比較して嵩高い分子構造を有する。このため、原料ガス中のトリメチルシラン量を増加させることにより、膜密度が減少するのである。
【００６７】
本実施形態においては、第一の絶縁膜としてＳｉＣＮ膜を用いた場合について説明したが、その他にたとえばＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ２膜等とすることができる。また、第二の絶縁膜としてＳｉＯＣ膜を用いた場合について説明したが、その他に炭素を含む物質、たとえば、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）等の塗布膜や、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のＣＶＤ膜、またはこれらの膜をポーラス化したものとしてもよい。
【実施例】
【００６８】
実施例１
本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣＮ膜の上に下面に向かって膜密度を高くしたＳｉＯＣ膜を成膜した。
【００６９】
図６は本実施例に用いたプラズマＣＶＤ装置の概略図であり、成膜室３００、ヒーター３０１、上部電極３０２、ＲＦ発振器３０４、マスフローコントローラー３０５、排気ポンプ３０６から構成され、ヒーター３０１上にシリコン基板３０３を設置する。ＳｉＯＣ膜の成膜条件は図７に示すとおりである。温度：３５０℃、圧力：４Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー：６００Ｗ、Ｏ２：５００ｓｃｃｍ、Ｈｅ：３００ｓｃｃｍは成膜段階にかかわらず固定し、トリメチルシランの流入量を変化させる。ここで、図７（ｃ）に示すように、トリメチルシランの流量を一定にする成膜段階を設けずに成膜することもできる。
【００７０】
上記の方法で成膜したＳｉＯＣ膜の物性値は図８に示すとおりである。図８（ａ）より、トリメチルシランガスの流量を増加させるにつれて膜密度および誘電率が減少することがわかる。
【００７１】
ここで、成膜したＳｉＯＣ膜とＳｉＣＮ膜との密着性について、ｍ−ＥＬＴ法を用いて測定した。ｍ−ＥＬＴ法とは、サンプルの上にエポキシを塗布し、冷却によりエポキシを収縮させて、その収縮による剥離度によって密着性を測定するものである。このｍ−ＥＬＴ法を用いてＳｉＯＣ膜とＳｉＣＮ膜との密着性を測定したところ、図８（ａ）に示すように、ＳｉＯＣ膜の膜密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上であればＳｉＣＮ膜との剥離が観察されなかったので、ＳｉＣＮ膜上にＳｉＯＣ膜を成膜する場合、ＳｉＣＮ膜と接する最下層には膜密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上のＳｉＯＣ層を形成するのが好ましい。
【００７２】
ここで、図８（ｂ）は、上記の方法で成膜したＳｉＯＣ膜を連続膜とし、トリメチルシランガスの流量を一定にして成膜したＳｉＯＣ膜を単層膜とした時の密着力の差を示すものであり、連続膜のほうが単層膜よりも密着力に優れていることがわかる。
【００７３】
また、図８（ｃ）は、連続膜と単層膜それぞれについての、製品での耐久試験の歩留まり評価の結果である。これにより、連続膜のほうが単層膜よりも密着力に優れていることがわかる。
【００７４】
ここで、ＳｉＣＮ膜の膜密度は１．５ｇ／ｃｍ３である。したがって、本実施例より、密着性が安定的に改善されるためには、ＳｉＯＣ膜とＳｉＣＮ膜との膜密度の差異は０．７ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましいことがわかる。
【００７５】
また、ＳｉＯ２膜の膜密度は２．２ｇ／ｃｍ３である。したがって、本実施例より、密着性が安定的に改善されるためには、ＳｉＯＣ膜とＳｉＯ２膜との膜密度の差異は０．７ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましいことがわかる。
【００７６】
また、上記の方法で成膜した場合には、このような膜密度となる結果、弾性率、硬さの膜内分布も、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に減少するプロファイルとなる。さらに、膜応力は、ＳｉＣＮ膜２０２との接触面を起点としてＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に漸次的に増大するプロファイルとなる。すなわち、上記接触面近傍では、膜応力はＳｉＣＮ膜２０２の膜応力に近い圧縮モードの値をとり、ＳｉＣＮ膜２０２から遠ざかる方向に向かって引っ張りモードの応力が増大する分布となる。
【００７７】
実施例２
本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣＮ膜の上に、下面および上面に向かって膜密度を高くしたＳｉＯＣ膜を成膜した。
【００７８】
図６は本実施例に用いたプラズマＣＶＤ装置の概略図であり、成膜室３００、ヒーター３０１、上部電極３０２、ＲＦ発振器３０４、マスフローコントローラー３０５、排気ポンプ３０６から構成され、ヒーター３０１上にシリコン基板３０３を設置する。ＳｉＯＣ膜の成膜条件は図９に示すとおりである。温度：３５０℃、圧力：４Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー：６００Ｗ、Ｏ２：５００ｓｃｃｍ、Ｈｅ：３００ｓｃｃｍは成膜段階にかかわらず固定し、トリメチルシランの流入量を変化させる。
【００７９】
上記の方法で成膜したＳｉＯＣ膜の物性値は図８に示すとおりである。トリメチルシランガスの流量を増加させるにつれて膜密度および誘電率が減少し、流量を減少させるにつれて膜密度および誘電率が増加することがわかる。
【００８０】
実施例３
本実施例では、スピンコート法を用いて、ＳｉＣＮ膜の上に下面に向かって膜密度を高くしたＳｉＯＣ膜を成膜した。
【００８１】
図１０に示すように、ＳｉＯＣ膜４１０の成膜は、ＳｉＯ２膜４０１の上に成膜されたＳｉＣＮ膜４０２の上に密度が高い第一のＳｉＯＣを回転塗布し、１５０℃から２５０℃で５分程度キュアし溶媒を飛ばして、第一のＳｉＯＣ膜４０４を成膜する。次に、密度が中間の第二のＳｉＯＣを回転塗布し、１５０℃から２５０℃で５分程度キュアし溶媒を飛ばして、第二のＳｉＯＣ膜４０６を成膜する。その次に、密度が低い第三のＳｉＯＣを回転塗布し、１５０℃から２５０℃で５分程度キュアし溶媒を飛ばして、第三のＳｉＯＣ膜４０８を成膜する。その後、４００℃で１時間焼成し、添加剤を除去して膜密度の異なるＳｉＯＣ膜４１０を成膜する。
【００８２】
ここで、回転塗布に用いた塗布液は、ＳｉＯＣ膜の材料と添加剤を混合したものであり、添加剤は高温焼成時に揮発する性質を有することが必要であり、たとえば、1,2-ジクロロエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、トルエン、アセトンなどの有機化合物が好ましく用いられる。 
【００８３】
本実施例で説明したように、スピンコート法によるＳｉＯＣ膜の成膜においても、ＳｉＣＮ膜４０２との界面での密着性が安定的に改善される。
【００８４】
本実施例において、ＳｉＯＣの密度の高低はポロシティの高低によって定まるので、成膜されたＳｉＯＣ膜は膜密度が段階的に変化するポーラス膜であり、ポロシティが低いほど膜密度は高くなる。
【００８５】
比較例
本比較例では、ＳｉＯＣ膜内の炭素濃度の違いによる密着性の違いと、ＳｉＯＣ膜の膜密度の違いによる密着性の違いについて比較する。
【００８６】
図１１（ａ）はＳｉＯＣ膜内の炭素濃度とＳｉＯＣ膜の密着強度との関係を示す図であり、図１１（ｂ）は、炭素濃度が１３〜１５％程度の場合のＳｉＯＣ膜の膜密度とＳｉＯＣ膜の密着強度との関係を示す図である。図１１（ａ）より、ＳｉＯＣ膜の密着強度は、ＳｉＯＣ膜内の炭素濃度には依存しないことが示される。また、図１１（ｂ）より、ＳｉＯＣ膜内の炭素濃度が１３〜１５％程度の場合には、ＳｉＯＣ膜の密着強度はＳｉＯＣ膜の膜密度に依存することが示される。
【００８７】
ここで、ＳｉＯＣ膜内の炭素濃度とＳｉＯＣ膜の膜密度との間には必ずしも相関関係があるわけではない。したがって、ＳｉＯＣ膜内の炭素濃度を調整してもＳｉＯＣ膜の膜密度は所望の密度には調整することは出来ず、他の成膜条件を調整することによって、ＳｉＯＣ膜の膜密度を所望の密着強度が得られる所望の膜密度に調整することが可能になる。
【００８８】
以上、実施の形態に基づいて本発明を説明したが、これらは例示であり、その構成やプロセスを適宜変更することができる。
【００８９】
たとえば、上記実施の形態では銅配線を用いたが、配線中にＡｌ、Ａｇ（銀）、Ｗ（タングステン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｐｃ（パラジウム）、Ｃｄ（カドミウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、Ｐｔ（白金）、Ｓｉ（シリコン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｓｎ（スズ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｄ（ネオジウム）およびＦｅ（鉄）といった異種元素のうち少なくとも一つと合金を形成した銅合金配線とすることもできる。
【００９０】
また、上記実施の形態ではバリアメタルにＴａ／ＴａＮ膜を用いたが、バリアメタルは、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、およびＴａＳｉＮのうち少なくとも一つ有する構成とすることもできる。
【００９１】
また、上記実施の形態ではプラズマＣＶＤ法による絶縁膜の成膜には原料ガスとしてトリメチルシランガスおよびＯ２ガスを用いたが、アルキルシランガスおよび酸化性ガスの混合ガスを用いてもよい。アルキルシランガスとしては、モノメチルシラン、ジメチルシラン、テトラメチルシラン等が挙げられ、これらを単独で使用、または２種以上を併用することができる。酸化性ガスとは、アルキルシランに対する酸化作用を示すガスであって、分子中に酸素元素を含むものが用いられる。たとえば、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２およびＯ２からなる群から選ばれる一または二以上のガスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】実施の形態における銅配線構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態における銅配線構造を示す断面図である。
【図３】実施の形態における銅配線構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態における銅配線形成プロセスを示す工程断面図である。
【図５】実施の形態における銅配線形成プロセスを示すブロック図である。
【図６】実施の形態におけるＣＶＤ装置の概略図である。
【図７】実施の形態における成膜条件を示す図である。
【図８】ＳｉＯＣ膜の物性データを示す図である。
【図９】実施の形態における成膜条件を示す図である。
【図１０】実施の形態における成膜プロセスを示す工程断面図である。
【図１１】密着強度と炭素濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
２００  半導体装置
２０１  下地絶縁膜
２０２  ＳｉＣＮ膜
２０３  ＳｉＯＣ膜
２０４  ＳｉＯ２膜
２０８  Ｔａ／ＴａＮ膜
２０９  Ｃｕ膜
２１３  ＳｉＣＮ膜
２１６  ＳｉＯＣ膜
２１７  ＳｉＯ２膜
２２０  Ｔａ／ＴａＮ膜
２２１  Ｃｕ膜
２２３  Ｃｕ膜
２２６  Ｔａ／ＴａＮ膜
２２７  Ｃｕ膜
２２８  銅プラグ
２３０  ＳｉＯＣ膜
３００  成膜室
３０１  ヒーター
３０２  上部電極
３０３  シリコン基板
３０４  ＲＦ発振器
３０５  マスフローコントローラー
３０６  排気ポンプ
４００  半導体装置
４０１  ＳｉＯ２膜
４０２  ＳｉＣＮ膜
４０４  ＳｉＯＣ膜
４０６  ＳｉＯＣ膜
４０８  ＳｉＯＣ膜
４１０  ＳｉＯＣ膜
５００  半導体装置
【図１】
2005223012.tif 000003
【図２】
2005223012.tif 000004
【図３】
2005223012.tif 000005
【図４】
2005223012.tif 000006
【図５】
2005223012.tif 000007
【図６】
2005223012.tif 000008
【図７】
2005223012.tif 000009
【図８】
2005223012.tif 000010
【図９】
2005223012.tif 000011
【図１０】
2005223012.tif 000012
【図１１】
2005223012.tif 000013