(57)【要約】【目的】  配線間の絶縁耐圧を高めることを目的とする。【構成】  導電性材料としてＣｕを用いた複数のＣｕ配線となるＣｕ膜２６０と、前記複数のＣｕ配線となるＣｕ膜２６０の各側面に配置されたバリアメタル膜２４０と、前記複数のＣｕ配線となるＣｕ膜２６０の間に、前記バリアメタル膜２４０を介して配置されたｌｏｗ−ｋ膜２２０と、を備え、前記Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０の側面と前記バリアメタル膜２４０とが接触していない領域が２ｎｍ以上の距離存在することを特徴とする。【選択図】        図１
2005340602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面と前記バリアメタル膜とが接触していない領域が２ｎｍ以上の距離存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面と前記バリアメタル膜とが接触していない領域が前記導電部の高さの１／１００以上の距離存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面が前記バリアメタル膜の側面に対し５度以上傾斜して接触していない領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記領域は、前記導電部の側面上部に位置することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の半導体装置。
【請求項５】
前記導電部の上面は、前記バリアメタル膜と接触していない領域であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記導電性材料は、銅（Ｃｕ）を用いたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜の材料として、比誘電率３．５以下の材料を用いたことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の半導体装置。
【請求項８】
基体上に絶縁膜を形成する第１の絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部の表面にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程と、
前記バリアメタル膜が表面に形成された前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
前記導電性材料が堆積した基体表面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程により研磨された基体表面を、エッチング液を用いてエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程によりエッチングされた基体表面に絶縁膜を形成する第２の絶縁膜形成工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記エッチング工程において、前記エッチング液として、酸化剤と有機酸との混合液を用いることを特徴とする請求項８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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に係り、特にＣｕ配線を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ケミカル・メカニカル・ポリッシング：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、或いは埋め込み工程において頻繁に利用されている技術である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線技術を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗のＣｕ或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている（例えば、特許文献２参照）。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。
【０００４】
さらに、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率ｋが、約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）膜から比誘電率ｋが例えば３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。また、比誘電率ｋが２．５以下のｌｏｗ−ｋ膜材料の開発も進められており、これらは材料中に空孔が入ったポーラス材料となっているものが多い。このようなｌｏｗ−ｋ膜（若しくはポーラスｌｏｗ−ｋ膜）とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法は次のようなものである。
【０００５】
図１３は、従来のＬｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図１３では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図１３（ａ）において、シリコン基板による基体２００上に化学気相成長（ＣＶＤ）等の方法により第１の絶縁膜２２１を成膜する。
図１３（ｂ）において、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、Ｃｕ金属配線或いはＣｕコンタクトプラグを形成するための溝構造（開口部Ｈ）を第１の絶縁膜２２１に形成する。
図１３（ｃ）において、第１の絶縁膜２２１上にバリアメタル膜２４０、Ｃｕシード膜及びＣｕ膜２６０をかかる順序で形成して、１５０℃から４００℃の温度で約３０分間アニール処理する。
図１３（ｄ）において、Ｃｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０をＣＭＰにより除去することにより、溝である開口部ＨにＣｕ配線を形成する。
図１３（ｅ）において、前記Ｃｕ膜２６０表面に還元性プラズマ処理を施した後に第２の絶縁膜２８１を成膜する。
さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第１の絶縁膜２２１と第２の絶縁膜２８１の大半がＬｏｗ−ｋ膜となる。
【０００６】
また、埋め込まれた金属配線の表面中央部分が等方的に腐食されて皿のように窪むディッシングや配線密度の高い部分で絶縁膜も研磨されて金属配線の厚みが薄くなるエロージョンの少ない埋め込み配線を形成するためのＣＭＰに関する技術が特許文献３に、ＣＭＰ後の還元性プラズマ処理に関する技術が特許文献４に開示されている。
【０００７】
また、埋め込まれた金属配線直上のみにキャップバリアを形成する技術が開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【特許文献１】米国特許番号４９４４８３６
【特許文献２】特開平２−２７８８２２号公報
【特許文献３】特開２００２−１９８３３３号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０６７９号公報
【特許文献５】特開平１１−１１１８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１４は、図１３の方法により積層された半導体装置の一例を示す断面図である。
図１４では、第１の絶縁膜として、ＳｉＣ膜２１２とｌｏｗ−ｋ膜２８０とＳｉＯ２膜２２２とが形成され、第２の絶縁膜として、ＳｉＣ膜２７５をＣｕ膜２６０上に形成後、ｌｏｗ−ｋ膜２８０を形成した例を示している。
かかる図１４で示すようなＣｕ配線をシリコンウエハ上に形成しても、Ｃｕ配線間のスペースが０．２ミクロン以下のような場合は、十分な絶縁耐圧を確保することが困難であった。
図１５は、絶縁破壊を説明するための図である。
図１５に示すように、特に、第２の絶縁膜を形成する前のＣｕ−ＣＭＰを行った際に、ＣＭＰスラリーに含まれる砥粒によって絶縁膜表面にマイクロスクラッチなどの微細なダメージが加わり、そこから絶縁破壊が誘発されるという問題があった。また、ＣＭＰ面となる絶縁膜にｌｏｗ−ｋ膜を用いている場合は、絶縁耐圧の劣化問題は深刻であった。これはｌｏｗ−ｋ膜の機械的強度が低く、ダメージを受けやすいからである。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を克服し、配線間の絶縁耐圧不良を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面と前記バリアメタル膜とが接触していない領域が２ｎｍ以上の距離存在することを特徴とする。
【００１１】
バリアメタル膜と導電部の間に２ｎｍ以上の深さの非接触領域（リセス）を設けることによって、導電部と絶縁膜表面のダメージ層との距離を離すことができる。
【００１２】
或いは、本発明の半導体装置が、
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面と前記バリアメタル膜とが接触していない領域が前記導電部の高さの１／１００以上の距離存在することを特徴とする。
【００１３】
バリアメタル膜と導電部の間に前記導電部の高さの１／１００以上の深さのリセスを設けることによって、導電部と絶縁膜表面のダメージ層との距離を離すことができる。
【００１４】
或いは、本発明の半導体装置が、
導電性材料を用いた複数の導電部と、
前記複数の導電部の各側面に配置されたバリアメタル膜と、
前記複数の導電部の間に、前記バリアメタル膜を介して配置された絶縁膜と、
を備え、
前記導電部の側面が前記バリアメタル膜の側面に対し５度以上傾斜して接触していない領域を有することを特徴とする。
【００１５】
バリアメタル膜と導電部の間に前記バリアメタル膜の側面に対し５度以上傾斜するリセスを設けることによって、導電部と絶縁膜表面のダメージ層との距離を離すことができる。
【００１６】
特に、前記領域は、前記導電部の側面上部に位置することを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記導電部の上面は、前記バリアメタル膜と接触していない領域であることを特徴とする。
【００１８】
絶縁破壊は、配線上端部で隣の配線との間の電位でドリフトするため、配線上端部と絶縁膜表面のダメージ層の距離を離すことが有効である。
【００１９】
また、前記導電性材料は、銅（Ｃｕ）を用いた。
【００２０】
配線の微細化に伴って、使用されるようになったＣｕ配線では、配線間の距離も小さく、かかる場合に特に有効である。
【００２１】
また、前記絶縁膜の材料として、比誘電率３．５以下の材料を用いた。
【００２２】
Ｃｕ配線と共に、配線の微細化に伴って、使用されるようになった低誘電率の材料では配線間の距離も小さく、絶縁膜の幅も小さくなる。絶縁膜の幅も小さくなるから絶縁破壊を起こし易い。よって、かかるような場合に特に有効である。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法は、
基体上に絶縁膜を形成する第１の絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部の表面にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程と、
前記バリアメタル膜が表面に形成された前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
前記導電性材料が堆積した基体表面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程により研磨された基体表面を、エッチング液を用いてエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程によりエッチングされた基体表面に絶縁膜を形成する第２の絶縁膜形成工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００２４】
前記研磨工程により研磨された基体表面を、エッチング液を用いてエッチングすることで、前記開口部に堆積した導電性材料にリセスを形成することができる。リセスを形成することで導電部となる導電性材料と絶縁膜表面のダメージ層との距離を離すことができる。
【００２５】
前記エッチング工程において、前記エッチング液として、酸化剤と有機酸との混合液を用いることを特徴とする。
【００２６】
前記エッチング液として、酸化剤と有機酸との混合液を用いることにより効率よく所望するリセスを形成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
導電部と絶縁膜表面のダメージ層との距離を離すことができるので、導電部による配線間の絶縁耐圧を高めることができる。配線間の絶縁耐圧を高めることができるので、配線間の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
実施の形態１．
本実施の形態１では、ダマシンＣｕ配線の側壁上部において、Ｃｕ膜とバリアメタル膜が接触していない領域の距離を確保することによって、狭ピッチＣｕ配線間の絶縁耐圧劣化の問題を解決する方法を説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の一例を示す断面図である。
図１において、基体２００上には、ＳｉＯ２膜２１０が形成され、ＳｉＯ２膜２１０上に第１の絶縁膜が形成されている。第１の絶縁膜としては、下地膜となるＳｉＣ膜２１２とＳｉＣ膜２１２上にｌｏｗ−ｋ膜２２０、ｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＳｉＯ２膜２２２が形成される。第１の絶縁膜には、導電性材料としてＣｕを用いた高さＲの複数のＣｕ配線となるＣｕ膜２６０と各Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０側面及び下面を覆うバリアメタル膜２４０が形成される。ここで、前記Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０の側面上端部と前記バリアメタル膜とが接触していない非接触領域としてリセス２７０が深さ方向にｒの距離存在する。或いは／及び、リセス２７０として、前記Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０の側面が前記バリアメタル膜２４０の側面に対し角度θ傾斜して接触していない領域を形成する。ＳｉＯ２膜２２２、バリアメタル膜２４０の上端部、及びＣｕ配線となるＣｕ膜２６０上面には、ＳｉＣ膜２７５が形成され、ＳｉＣ膜２７５は、リセス２７０を埋めている。ＳｉＣ膜２７５上には、多層配線のために次のｌｏｗ−ｋ膜２８０が形成される。
【００２９】
上記の狭ピッチＣｕ配線となるＣｕ膜２６０間の絶縁耐圧劣化の問題は、ダマシンＣｕ配線の側壁上部にリセス２７０を設け、このリセス２７０によってＣｕ膜とバリアメタル膜の表面が接触していない距離を確保し、比誘電率が３．５のｌｏｗ−ｋ膜２２０の場合、その距離ｒが２ｎｍ以上であることにより解決される。さらに、リセス２７０の深さ方向の距離ｒが５ｎｍ以上であれば、比誘電率が２．９のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても絶縁耐圧が高く、１０ｎｍ以上であれば、比誘電率が２．５のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても高い絶縁耐圧を確保することが可能となる。
【００３０】
若しくは、ダマシンＣｕ配線となるＣｕ膜２６０の側壁上部にリセス２７０を設けることによって、比誘電率が３．５のｌｏｗ−ｋ膜２２０の場合、前記Ｃｕ膜とバリアメタル膜の表面が、Ｃｕ配線の高さＲの１／１００以上の距離ｒだけ接触していないことにより解決される。さらに、リセスの深さの距離ｒがＣｕ配線の高さＲの１／５０以上の距離だけ離れていれば、比誘電率が２．９のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても絶縁耐圧が高く、リセスの深さの距離ｒがＣｕ配線の高さＲの１／１０以上の距離だけ離れていれば、比誘電率が２．５のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても高い絶縁耐圧を確保することが可能となる。
【００３１】
若しくは、ダマシンＣｕ配線となるＣｕ膜２６０の側壁上部において、比誘電率が３．５のｌｏｗ−ｋ膜２２０の場合、Ｃｕ膜表面とバリアメタル膜表面の角度θが５度以上の角度を有して離れていることが望ましい。さらに、１０度以上の角度θを有して離れていれば、比誘電率が２．９のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても絶縁耐圧が高く、２５度以上の角度θを有して離れていれば、比誘電率が２．５のｌｏｗ−ｋ膜がＣＭＰ面に露出していても高い絶縁耐圧を確保することが可能となる。かかる角度θと前記接触していない深さ方向の距離ｒとを両方備えていれば、なおよい。
【００３２】
以下、図１の半導体装置の製造方法を説明する。
図２は、図１の半導体装置の構成のうち、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
【００３３】
図２（ａ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、基体２００上にＣＶＤ法によって、例えば、膜厚２００ｎｍの下地ＳｉＯ２膜を堆積し、ＳｉＯ２膜２１０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。基体２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウエハを用いる。ここでは、デバイス部分の形成を省略している。
【００３４】
図２（ｂ）において、ＳｉＣ膜形成工程として、ＳｉＯ２膜２１０の上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＣを用いた膜厚３０ｎｍの下地ＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜２１２を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。ＳｉＣ膜２１２は、エッチングストッパとしての機能も有する。ＳｉＣ膜を生成するのは難しいためＳｉＣ膜の代わりにＳｉＯＣ膜を用いても構わない。或いは、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜を用いることができる。
【００３５】
図２（ｃ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、基体２００の上に形成された前記ＳｉＣ絶縁膜形成工程により形成されたＳｉＣ膜２１２の上に多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２２０を２００ｎｍの厚さで形成する。ｌｏｗ−ｋ膜２２０を形成することで、比誘電率ｋが３．５よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ  ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、その形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｄｉｅｌｅｃｔｉｃ  ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いることができる。ここでは、スピナーの回転数は９００ｍｉｎ−１（９００ｒｐｍ）で成膜した。このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中２５０℃の温度でベークを行い、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中４５０℃の温度で１０分間のキュアを行った。ＭＳＱの材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。例えば、密度が０．７ｇ／ｃｍ３で比誘電率ｋが１．８となる。ｌｏｗ−ｋ膜のＳｉとＯとＣの組成比は、Ｓｉが２５から３５％の範囲、Ｏが４５から５７％の範囲、Ｃが１３から２４％の範囲にある物性値を有するＬｏｗ−ｋ膜２２０が得られる。そして、Ｈｅプラズマ処理工程として、このｌｏｗ−ｋ膜２２０表面をＣＶＤ装置内でヘリウム（Ｈｅ）プラズマ照射によって表面改質する。Ｈｅプラズマ照射によって表面が改質されることで、ｌｏｗ−ｋ膜２２０とｌｏｗ−ｋ膜２２０上に形成する後述するキャップ膜としてのＣＶＤ−ＳｉＯ２膜２２２との接着性を改善することができる。ガス流量は１．７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）、ガス圧力は１０００Ｐａ、高周波パワーは５００Ｗ、低周波パワーは４００Ｗ、温度は４００℃とした。キャップＣＶＤ膜をｌｏｗ−ｋ膜上に成膜する際は、ｌｏｗ−ｋ膜表面にプラズマ処理を施すことがキャップＣＶＤ膜との接着性を改善する上で有効である。プラズマガスの種類としてはアンモニア（ＮＨ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、水素（Ｈ２）、Ｈｅ、酸素（Ｏ２）、シラン（ＳｉＨ４）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などがあり、これらの中でもＨｅプラズマはｌｏｗ−ｋ膜へのダメージが少ないために特に有効である。また、プラズマガスはこれらのガスを混合したものでも良い。例えば、Ｈｅガスは他のガスと混合して用いると効果的である。
【００３６】
図２（ｄ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、前記Ｈｅプラズマ処理を行った後、キャップ膜として、ＣＶＤ法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＳｉＯ２を膜厚５０ｎｍ堆積することで、ＳｉＯ２膜２２２を形成する。ＳｉＯ２膜２２２を形成することで、直接リソグラフィを行うことができないｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護し、ｌｏｗ−ｋ膜２２０にパターンを形成することができる。かかるキャップＣＶＤ膜は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜などがあるが、ダメージ低減の観点からはＳｉＯ２膜が優れ、低誘電率化の観点からはＳｉＯＣ膜が、耐圧向上の観点からはＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜が優れている。さらに、ＳｉＯ２膜とＳｉＣ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＯ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＮ膜の積層膜を用いることができる。さらにキャップＣＶＤ膜の一部、もしくは全てが後述する平坦化工程においてＣＭＰにより除去されても良い。キャップ膜を除去することで誘電率をさらに低減することができる。キャップ膜の厚さとしては１０ｎｍから１５０ｎｍが良く、１０ｎｍから５０ｎｍが実効的な比誘電率を低減する上で効果的である。
【００３７】
以上の説明において、下層配線における層間絶縁膜は、比誘電率が３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜でなくても構わないが、ｌｏｗ−ｋ膜を含む場合に特に有効である。なぜならば、ｌｏｗ−ｋ膜は絶縁耐圧が低い材料が多いだけでなく、ＣＭＰプロセスによりダメージを受けやすいからである。
【００３８】
図３は、配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図３（ａ）において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０をＳｉＯ２膜２２２とｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＳｉＣ膜２１２内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てＳｉＯ２膜２２２の上にレジスト膜が形成された基体２００に対し、露出したＳｉＯ２膜２２２とその下層に位置するｌｏｗ−ｋ膜２２０を、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去し、その後、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングして開口部１５０を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基体２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。
【００３９】
図３（ｂ）において、バリアメタル膜形成工程として、前記開口部形成工程により形成された開口部１５０及びＳｉＯ２膜２２２表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内で窒化タンタル（ＴａＮ）を膜厚２ｎｍ、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ法、あるいは、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ法）によりタンタル（Ｔａ）膜を膜厚１ｎｍ堆積し、さらにその上にスパッタ法によるＴａ膜を膜厚２ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。ＴａＮ膜とＴａ膜とを積層することで、ＴａＮ膜によりＣｕのｌｏｗ−ｋ膜２２０への拡散防止を図り、Ｔａ膜によりＣｕの密着性向上を図ることができる。バリアメタル材料の堆積方法としては、ＡＬＤ法、ＡＬＣＶＤ法やＣＶＤ法などを用いることでＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、もしくはその積層膜であることが望ましい。前記バリアメタル膜の成膜方法は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法であることが被覆性の観点から望ましいが、上述したスパッタ法などのＰＶＤ法であっても有効である。
【００４０】
図３（ｃ）において、シード膜形成工程として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０内壁及び基体２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５０を膜厚７５ｎｍ堆積させた。
【００４１】
図３（ｄ）において、めっき工程として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０を開口部１５０及び基体２００表面に堆積させる。ここでは、膜厚３００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を２５０℃の温度で３０分間行った。
【００４２】
図４は、平坦化する研磨工程から図１に示す第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
【００４３】
図４（ａ）において、研磨工程として、ＣＭＰ法によってＳｉＯ２膜２２２の表面に堆積された導電部としての配線層となるＣｕ膜２６０、シード膜２５０、及びバリアメタル膜２４０を研磨除去することにより、図４（ａ）に表したような埋め込み構造を形成する。ここでは、一例として、ＣＭＰ装置はオービタル方式で、ノベラスシステムズ社のＭｏｍｅｎｔｕｍ３００を用いた。ＣＭＰ荷重は１．０３×１０４Ｐａ（１．５ｐｓｉ）、オービタル回転数は６００ｍｉｎ−１（６００ｒｐｍ）、ヘッド回転数は２４ｍｉｎ−１（２４ｒｐｍ）、スラリー供給速度は０．３Ｌ／ｍｉｎ（３００ｃｃ／分）、研磨パッドは発泡ポリウレタン製の単層パッド（ロデール社のＩＣ１０００）、ＣＭＰスラリーはＣｕ用に砥粒フリースラリー（日立化成工業製のＨＳ−Ｃ４３０−ＴＵ）、バリアメタル用にコロイダルシリカ砥粒スラリー（日立化成工業製のＨＳ−Ｔ６０５−８）を用いた。上述の条件でＣＭＰを行い、溝外部のＣｕ膜とバリアメタル膜を除去してダマシンＣｕ配線を形成した。
【００４４】
図４（ｂ）において、エッチング工程として、前記研磨工程により研磨された基体表面を、エッチング液を用いてエッチングし、リセス２７０を形成する。ＣＭＰ工程後、かつ後洗浄工程に入る直前に、エッチング液として、０．１％クエン酸と９％過酸化水素と０．５％ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）が混合された水溶液を用いてリンスをＣＭＰプラテン上において行なう。これにより図４（ｂ）のようなＣｕ配線の上端部にリセス２７０を形成する。例えば、３０秒間リンスを行なうことにより、Ｃｕ配線の上端部に深さ方向の距離ｒが１０ｎｍのリセスを形成した。Ｃｕ膜２６０表面とバリアメタル膜２４０表面のリセス２７０部における角度θは、３０度離れている。リンスを行わなかったウエハ（図１３）も、比較試料（レファレンス）として、リンスを行ったウエハと電気特性を比較するため用意した。
【００４５】
図５は、リセスを形成する装置の構成を説明するための概念図である。
図５（ａ）に示すように、ＣＭＰプロセスのステップの一部として、ロータリ型のＣＭＰ装置において、プラテン５２０上に配置された研磨パッド５２５上に、研磨面を下に向けて基板３００をキャリア５１０が保持する。そして、スラリーを用いた研磨工程が終了後、研磨パッド５２５上のスラリーを純水にて流し、置換した後、前記エッチング液を供給液５４０として、供給ノズル５３０から供給する。図５（ｂ）に示すように、キャリア５１０を図に示すように回転することで基板３００を回転させ、プラテン５２０も回転させる。プラテン５２０の回転方向先に位置する基板３００の手前（図５（ｂ）の５４０に示す位置）に供給液５４０を供給することで、供給液５４０が基板３００面内に供給される。
【００４６】
或いは、次のようにリセスを形成してもよい。
図６は、リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
図６において、ＣＭＰ直後のリンスプロセスのステップとして、回転テーブル７２０上に配置された４つの保持具７１０にて基板３００を保持する。そして、回転軸７６０の回転により回転テーブル７２０が回転することで、基板３００を回転させながら供給口７３０から供給液７４０を供給する。例えば、供給液７４０として、リンス洗浄として純水を１５秒、その後、エッチング液を１５秒、再度リンス洗浄として純水を３０秒流す。エッチング液供給の際には、回転数２００ｍｉｎ−１（２００ｒｐｍ）で５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（３００ｓｃｃｍ）流す。
【００４７】
或いは、次のようにリセスを形成してもよい。
図７は、リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
図７において、ＣＭＰ後洗浄プロセスのステップの一部として、回転テーブル６２０上に配置された４つの保持具６１０にて研磨された研磨面を上にして基板３００を保持する。そして、回転軸６６０の回転により回転テーブル６２０が回転することで、基板３００を回転させながら供給口６３０から供給液６４０を供給する。基板３００表面は、回転軸６５６にて揺動可能なアーム６５４の先端部に配置された回転軸６５２により回転するブラシ６５０でブラシスクラブされる。例えば、供給液６４０として、リンス洗浄として純水を１５秒、その後、エッチング液を１５秒、再度エッチング液の洗浄として純水を３０秒流す。エッチング液供給の際には、回転数１００ｍｉｎ−１（１００ｒｐｍ）で５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（３００ｓｃｃｍ）流す。
【００４８】
或いは、次のようにリセスを形成してもよい。
図８は、リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
ＣＭＰ後洗浄プロセスのステップの一部として、図８（ｂ）に示す保持具７１０にて研磨された研磨面を上にして基板３００を保持する。そして、図示しない回転軸の回転により基板３００を回転させながら供給口７３０は上面に向かって供給液７４０を供給し、供給口７３２は下面に向かって供給液７４２を供給する。図８（ａ）、（ｂ）に示すように基板３００表面は、自転するブラシ７５０とブラシ７５２とで挟持されブラシスクラブされる。例えば、図７と同様、供給液６４０として、リンス洗浄として純水を１５秒、その後、エッチング液を３０秒、再度リンス洗浄として純水を３０秒流す。エッチング液供給の際には、回転数１００ｍｉｎ−１（１００ｒｐｍ）で５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（３００ｓｃｃｍ）流す。ここでは、研磨面（リセスを形成する面）を上向きにしているが、下向きにしても構わない。その場合は、供給液７４２として、エッチング液を流せばよい。
【００４９】
或いは、次のようにリセスを形成してもよい。
図９は、リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
図９（ａ）に示すように、ＣＭＰプロセスのステップの一部として、オービタル回転型のＣＭＰ装置において、プラテン８２０上に配置された研磨パッド８２５上に、研磨面を下に向けて基板３００をキャリア８１０が保持する。そして、スラリーを用いた研磨工程が終了後、研磨パッド８２５上のスラリーを純水にて流し、置換した後、プラテン８２０を図に示すようにオービタル回転させながら、図９（ｂ）に示すように、前記エッチング液を供給液８４０として、研磨パッド８２５の下側から供給する。供給液８４０を研磨パッド８２５の下側から供給することで、供給液８４０が基板３００面内に供給される。供給された供給液８４０は、プラテン８２０の回転に伴い、外周部から排出される。
【００５０】
以上のように、これらのリセス構造を形成は、ＣＭＰプロセスのステップの一部、ＣＭＰ直後のリンスプロセスのステップ、ＣＭＰ後洗浄プロセスのステップの一部にエッチング剤を用いることによって達成できる。図５や図９に示すように、ＣＭＰプラテン上でエッチング液を流しながら研磨面をリンスすることによっても可能であるし、図７や図８に示すように後洗浄プロセスにおいてブラシスクラブをしながらエッチング液を流すことによっても可能である。単に、エッチング液に浸漬させても可能である。エッチング液は酸化剤と有機酸の混合水溶液が望ましい。酸化剤としては過酸化水素、有機酸としてはヒドロキシ酸（ＯＨ基を含む有機酸）もしくはカルボン酸（ＣＯＯＨ基を含む有機酸）が望ましく、ヒドロキシカルボン酸（ＯＨ基とＣＯＯＨ基を一分子中に含む有機酸）が最も望ましい。例えば、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、酒石酸、フタル酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、乳酸、ピメリン酸、アジピン酸、グルタル酸、シュウ酸、サリチル酸、グルコール酸、安息香酸、酪酸、吉草酸、プロピオン酸、酢酸、ギ酸などが挙げられる。薬品の濃度は前述の距離、角度になるように最適化することが可能である。有機酸の濃度としては０．０１から１％の範囲内で最適化ができる。酸化剤の濃度としては１から３０％の範囲内で最適化できる。
エッチングの深さを制御するために、さらに防食剤や界面活性剤を添加することは有効である。防食剤としてはベイゾトリアゾール（ＢＴＡ）やイミダゾール、もしくはその誘導体が望ましい。界面活性剤としては、ポリアクリル酸もしくはポリアクリル酸アンモニウムが望ましい。防食剤の濃度としては０．０１から０．５％の範囲内で最適化ができる。界面活性剤の濃度としては０．００１から１％の範囲内で最適化できる。
【００５１】
図４（ｃ）において、還元性プラズマ処理工程として、ＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ３）プラズマ処理を行なう。この処理により図４（ａ）における平坦化工程でのＣｕ−ＣＭＰの際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体を還元し、キャップＳｉＯ２膜上に存在する残留有機物を除去することができる。この処理によりＣｕ−ＣＭＰの際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体が還元され、キャップＳｉＯ２膜上にある残留有機物も除去されることから絶縁耐圧は改善される。前記還元性のプラズマはアンモニアプラズマ、もしくは水素（Ｈ２）プラズマが効果的であり、特にアンモニアプラズマが処理装置内におけるガスの扱い易さから好ましい。
【００５２】
還元性プラズマ処理工程では、図示していないＣＶＤ装置内におけるチャンバの内部にて、下部電極を兼ねた温度が４００℃に制御された基板ホルダの上に基体２００となる半導体基板を設置する。そして、チャンバの内部に上部電極内部からガスを供給する。供給するガス流量は１１．８Ｐａ・ｍ３／ｓ（７０００ｓｃｃｍ）とした。真空ポンプにより２３３Ｐａのガス圧力になるように真空引きされたチャンバの内部の上記上部電極と下部電極との間に高周波電源を用いてプラズマを生成させる。高周波パワーは５６０Ｗ、低周波パワーは２５０Ｗ、処理時間は１０秒とした。
【００５３】
そして、次の層における第２の絶縁膜形成工程の一部であるＳｉＣ膜形成工程として、還元性プラズマ処理した同じＣＶＤ装置内で４００℃の温度で３０ｎｍの膜厚のＳｉＣ膜２７５を形成する。ＳｉＣ膜２７５は、リセス２７０にも埋め込まれる。ＳｉＣ膜２７５は拡散防止膜の働きがあり、このＳｉＣ膜２７５を形成することで、Ｃｕの拡散を防止することができる。かかるＣＶＤ法で形成されるＳｉＣ膜２７５の他に、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜を用いることができる。
【００５４】
図４（ｄ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、図２（ｃ）で説明した工程と同様に、ＳｉＣ膜２７５の上にＳｉＣ膜２７５よりも比誘電率の低い低誘電率膜である、多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２８０を形成する。以降、多層配線を必要に応じ順次形成する。
【００５５】
これらリセスを形成したウエハと形成していないウエハとの２種類のウエハに保護膜とパッド電極を形成して、Ｃｕ配線間の絶縁耐圧試験を行った。前述の２種類のウエハにおいて、Ｃｕ配線の幅が０．１３マイクロメートル、配線間のスペースが０．１３マイクロメートルの構造において絶縁耐圧を調べた。その結果、本発明のリンス処理を行ったウエハでは絶縁耐圧の劣化はほとんど見られなかった。９９％以上の歩留りで、２ＭＶ／ｃｍ以上の耐圧があった。これに対して、前述のリンス処理（リセス形成）を行っていないウエハでは同一配線構造の絶縁耐圧が５０％まで低下した。劣化したＣｕ配線をＴＥＭで観察した結果、図１５に示すような破壊が見られた。すなわち、Ｃｕ上端部から絶縁破壊が起こっていた。一方、リンス処理（リセス形成）を行ったウエハでは絶縁破壊が見つからなかった。つまり、リンス処理されたウエハでは配線上端部におけるＣｕの電界拡散が防止され、絶縁破壊電圧の低下を抑制することができたものと考えられる。
【００５６】
図１０は、ＣＭＰのダメージ層とＣｕ膜の上端部の距離がリセスによって離れることを説明するための概念図である。
絶縁破壊電圧の低下を抑制することができたのは、図１０に示すように、ＣＭＰのダメージ層とＣｕ膜の上端部の距離がリセスによって離れることで、Ｃｕの電界拡散が抑制されたものと考えられる。
図１１は、リセスの深さと絶縁耐圧の関係を調べた結果を示す図である。
リセスの深さと絶縁耐圧の関係を調べた結果、リセスの深さが２ｎｍ以上あると有効であることがわかった。さらに５ｎｍ以上あれば効果が絶大であった。リセスが２０ｎｍ以上になると、絶縁耐性の効果は高くなるが、配線抵抗の増加が無視できなくなるという問題があることから、リセスの深さがＣｕ配線の高さの１／１００以上、１／５以下であることが望ましい。Ｃｕ配線の上端部にある場合は、Ｃｕ膜表面とバリアメタル膜表面が５度以上の角度を有して離れていることが望ましい。
本実験をデバイスが搭載されたウエハで実施しても同様の効果を確認することができた。１層目のＣｕ配線層だけでなく、２層目のＣｕ配線層においても有効であり、さらに３層目以上のＣｕ配線層でも有効な結果が得られた。
ｌｏｗ−ｋ材料としては、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）やポリマー、ＣＶＤで形成されたＳｉＯＣ膜を用いても同様の結果が得られた。
【００５７】
実施の形態２．
図１２は、実施の形態２における半導体装置の一例を示す断面図である。
図１２に示すように、リセス２７０の形状は、Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０の上端部であっても、Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０の表面全体に及んでいても良い。
【００５８】
前記各実施の形態において、比誘電率ｋが２．６以下の場合、ｌｏｗ−ｋ膜の側壁が、２０ｎｍ以下の膜厚のＣＶＤ膜で被覆されていることが望ましい。その理由は、比誘電率が２．６以下の場合はポーラス膜であることが多く、ポアシーリングをＣｕ配線の側壁で行う必要があるからである。特に、前述のＡＬＤ法やＣＶＤ法によってバリアメタル膜を成膜する場合は必要である。ポアシーリング用のＣＶＤ膜の種類としては、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜が望ましい。特に、低誘電率の観点からＳｉＣ膜が最適である。
【００５９】
以上の説明において、前記各実施の形態は、配線ピッチが３００ｎｍ以下であると特に有効である。２００ｎｍ以下であるとさらに有効である。配線ピッチが小さくなるほど絶縁破壊の問題は大きくなり、前記各実施の形態は、配線ピッチが小さくなるほど有効となる。
【００６０】
以上の説明において、バリアメタルとして、Ｔａ、ＴａＮに限らず、ＴａＣＮ（炭化窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）、ＷＣＮ（炭化窒化タングステン）、ＴｉＮ（窒化チタン）等の高融点金属の窒化膜或いは窒化炭素膜であっても構わない。或いはチタン（Ｔｉ）、ＷＳｉＮ等であっても構わない。
【００６１】
ここで、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いて同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、多層配線構造などを形成する場合には、各図において基体２００は、下層の配線層と絶縁膜とが形成されたものである。
【００６３】
上記各実施の形態においては、多孔質絶縁膜の材料としては、多孔質誘電体薄膜材料としてのＭＳＱに限らず、他の多孔質無機絶縁体膜材料、多孔質有機絶縁体膜材料を用いても同様の効果を得ることができる。
特に、多孔質の低誘電率材料に上記各実施の形態を適用した場合には、上述の如く顕著な効果が得られる。上記各実施の形態において多孔質絶縁膜の材料として用いることができるものとしては、例えば、各種のシルセスキオキサン化合物、ポリイミド、炭化フッ素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）、ベンゾシクロブテンをはじめとする各種の絶縁性材料を挙げることができる。
【００６４】
以上、具体例を参照しつつ各実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００６５】
例えば、各実施の形態で層間絶縁膜が形成された基体２００は、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有するものとすることができる。また、半導体基板ではなく、層間絶縁膜と配線層とを有する配線構造の上に、さらに層間絶縁膜を形成してもよい。開口部も半導体基板が露出するように形成してもよいし、配線構造の上に形成してもよい。
【００６６】
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
【００６７】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００６８】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施の形態１における半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置の構成のうち、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。
【図３】配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。
【図４】平坦化する研磨工程から図１に示す第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
【図５】リセスを形成する装置の構成を説明するための概念図である。
【図６】リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
【図７】リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
【図８】リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
【図９】リセスを形成する別の装置の構成を説明するための概念図である。
【図１０】ＣＭＰのダメージ層とＣｕ膜の上端部の距離がリセスによって離れることを説明するための概念図である。
【図１１】リセスの深さと絶縁耐圧の関係を調べた結果を示す図である。
【図１２】実施の形態２における半導体装置の一例を示す断面図である。
【図１３】従来のＬｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１４】図１３の方法により積層された半導体装置の一例を示す断面図である。
【図１５】絶縁破壊を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１５０  開口部
２００  基体
２１０，２２２  ＳｉＯ２膜
２１２，２７５  ＳｉＣ膜
２２０，２８０  ｌｏｗ−ｋ膜
２２１，２８１  絶縁膜
２４０  バリアメタル膜
２５０  シード膜
２６０  Ｃｕ膜
２７０  リセス
３００  基板
５１０，８１０  キャリア
５２０，８２０  プラテン
５２５，８２５  研磨パッド
５３０  供給ノズル
５４０，６４０，７４０，７４２，８４０  供給液
６１０，７１０  保持具
６２０，７２０  回転テーブル
６３０，７３０  供給口
６５０，７５０，７５２  ブラシ
６５２，６５６，６６０，７６０  回転軸
６５４  アーム
【図１】
2005340602.tif 000003
【図２】
2005340602.tif 000004
【図３】
2005340602.tif 000005
【図４】
2005340602.tif 000006
【図５】
2005340602.tif 000007
【図６】
2005340602.tif 000008
【図７】
2005340602.tif 000009
【図８】
2005340602.tif 000010
【図９】
2005340602.tif 000011
【図１０】
2005340602.tif 000012
【図１１】
2005340602.tif 000013
【図１２】
2005340602.tif 000014
【図１３】
2005340602.tif 000015
【図１４】
2005340602.tif 000016
【図１５】
2005340602.tif 000017