(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上にバリア絶縁膜及び空孔を含有した第１の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第１の多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の配線構造において、
前記第１の多孔質層間絶縁膜に第２の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は前記第１の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいが、１ｎｍ以下に制約され、
前記第２の多孔質層間絶縁膜は前記第１の多孔質層間絶縁膜の側壁に前記金属配線材料を取り囲む支柱として形成されており、
前記第２の多孔質層間絶縁膜と前記金属配線材料との間には、バリアメタルが形成されており、
前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径の増大に伴うアンカー効果により前記第２の多孔質層間絶縁膜と前記バリアメタルとの間の密着性を向上させることを特徴とする配線構造。
【請求項２】
請求項１に記載の配線構造において、
前記第１の多孔質層間絶縁膜の構成元素は、前記第２の多孔質層間絶縁膜の構成元素と同一であることを特徴とする配線構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の配線構造において、
前記第１および第２の多孔質層間絶縁膜は炭素と水素を含有したシリコン酸化膜からなることを特徴とする配線構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記第２の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は前記第１の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率よりも小さく、かつ前記第２の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率は前記第１の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率よりも大きいことを特徴とする配線構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記金属配線材料を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜の側壁に形成される前記第２の多孔質層間絶縁膜の膜厚は５ｎｍ以上であることを特徴とする配線構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項記載の配線構造において、
前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に第３の多孔質層間絶縁膜が形成され、
前記第３の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、前記第１の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、かつ、
前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、１ｎｍ以下で、前記第３の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする配線構造。
【請求項７】
請求項６に記載の配線構造において、
前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成される前記第３の多孔質層間絶縁膜は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする配線構造。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の配線構造において、
前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成された５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の前記第３の多孔質層間絶縁膜と、前記金属配線材料を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜の側壁に５ｎｍ以上の前記第２の多孔質層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする配線構造。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記配線溝および前記ビアホールの開口径が上方から下方に向けて小さくなるテーパー形状であることを特徴とする配線構造。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記配線側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜が環状ＳｉＯ結合を含む材料からなり、かつ前記環状ＳｉＯ結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする配線構造。
【請求項１１】
請求項１０記載の配線構造において、
前記環状ＳｉＯ結合は６員環もしくは８員環を形成していることを特徴とする配線構造。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の配線構造が複数層構造を形成し、該複数層配線構造にトランジスタが実装されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
複数層構造の配線に実装されたトランジスタを有する半導体装置を製造する方法であって、
半導体素子上にバリア絶縁膜及びＳｉＯＣＨ組成の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の製造工程において、
前記多孔質層間絶縁膜をエッチングして、前記多孔質層間絶縁膜内に開口部を形成する工程と、
前記開口部を形成した後に、前記開口部の側壁に電子線もしくは紫外線を照射することにより、前記側壁に多孔質変質層を形成する工程と、
前記多孔質変質層を形成した後に、前記バリア絶縁膜を開口する工程を有し、
前記多孔質変質層に含有される空孔の径は、前記電子線もしくは紫外線を照射する前に前記多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、
前記電子線を照射する工程における電子の到達エネルギーは０．２５ｋｅＶ以上２０ｋｅＶ以下であり、
前記紫外線を照射する工程における紫外光の波長は１５０ｎｍから２７５ｎｍであり、
前記電子線もしくは紫外線を照射する工程時の前記半導体装置の基板温度は、２００℃から４５０℃に設定され、
前記電子線もしくは前記紫外線を照射する工程時に、前記半導体装置の基板を傾斜し、かつ回転させながら、照射を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する工程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】
請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、前記配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する第１の照射工程と、
前記配線層間絶縁膜および前記ビア層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、前記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する第２の照射工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
少なくとも前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜は、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜よりも空孔径が小さい絶縁膜、もしくは前記ビア層間絶縁膜よりもシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は、空孔径が０．５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率が３以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は環状ＳｉＯ結合を含む材料からなり、かつ前記環状ＳｉＯ結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の半導体装置の製造方法において、
前記環状ＳｉＯ結合は６員環もしくは８員環を形成していることを特徴とする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、半導体装置及びその製造方法に関し、特に多層配線（複数層配線）を構成する配線構造並びに半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体素子の高集積化および微細化に伴って、従来のシリコン酸化膜に比べて低い誘電率を有する絶縁膜を配線層間絶縁膜（以下、層間絶縁膜と称する）として用いた半導体装置が開発されている。例えば、シリコン酸化膜中に含まれる酸素原子の一部を、フッ素や水素、もしくはメチル基等の炭素と水素を含有した化学種に置換した層間絶縁膜や、それらに微細な空孔を設け、低誘電率化を実現した層間絶縁膜が開発されている。特に、微細な空孔を層間絶縁膜中に導入した多孔質層間絶縁膜は、低誘電率化に極めて有効であることから、多層配線における寄生容量を低減することが可能である。そのため、多孔質層間絶縁膜を導入した多層配線は、高速演算スピードが要求されるスーパーコンピュータやデジタル家電および低消費電力が要求される携帯電話等のモバイル機器等の多岐に渡って、その適用が期待されている。
図３０は、多孔質層間絶縁膜を用いた従来技術による多層配線の製造方法を示す。予め形成されたＣｕ配線層上（図示せず）に、ＳｉＣＮ等のＣｕに対する拡散バリア性を有するバリア絶縁膜１、ビア層間絶縁膜２、ＳｉＯ２等のエッチングストッパー３、配線層間絶縁膜４、ＳｉＯ２等のハードマスク５を順次積層する（図３０（ａ））。次いで、図３０（ｂ）に示すように、フォトレジストと反応性エッチングを用いて、配線溝６とビアホール７からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用のトレンチ溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝を先に開口し、開口した配線溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがある。次に、図３０（ｃ）に示すように、ビアホール７の底のバリア絶縁膜１をエッチバックした後、開口部内壁およびハードマスク表面５の全面に渡ってＴａ／ＴａＮ等のバリアメタル１０を堆積し、その後、その上層に電界めっき法によってＣｕ膜１１を堆積する。ハードマスク上に堆積した余分なバリアメタルとＣｕ膜は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程によって除去および平坦化される（図３０（ｄ））。
多孔質層間絶縁膜を用いた多層配線構造では、プロセスおよびデバイス信頼性に関する様々な課題が顕在化しており、これらを克服するための多くの提案がなされている。
例えば、図３１に示すように、多孔質層間絶縁膜をエッチング後、開口部を形成した後の多孔質層間絶縁膜２３（ビア層間絶縁膜２または配線層間絶縁膜４）の側壁は、露出した空孔部１９の影響でバリアメタル１０の被覆性および密着性が低下してしまう。このため、水分や種々のプロセスガス、Ｃｕの拡散により、デバイス特性が劣化する要因になる。この問題に対して、特開２００４−１９３３２６号公報（特許文献１）では、エッチング後の配線溝側壁に露出した空孔を非孔質ポリアニルエーテルにて閉塞し、バリアメタルの被覆性を改善することで、多孔質層間絶縁膜中へのＣｕ拡散を抑制している。同様に、特開２００１−８５５２２号公報（特許文献２）では、エッチング後の多孔質層間絶縁膜の側壁に露出した空孔内に水酸基よりも嵩高い原子団を含侵させて空孔を通じたメタルや水分、ガスの膜中への流入を抑制している。
特開２０００−１８３０５２号公報（特許文献３）には、層間絶縁膜と下地基板との密着性を強化するための手法として、層間絶縁膜の下層基板に対して逆スパッタリングという物理的衝撃を与えることで、下地基板表面にダングリングボンドを形成し、その上に形成される層間絶縁膜との密着性を向上させるという製造方法が記載されている。また、同じく特許文献３には、密着性改善方法として、層間絶縁膜と下地基板との間に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を密着層として挿入する方法が記載されている。
特開２００５−７９３０７号公報（特許文献４）には、多孔質層間絶縁膜の高強度化を目的として、電子線を照射しながら塗膜を焼成する多孔質層間絶縁膜の製造方法が開示されている。上記特許文献４では、１．５ｎｍ程度の空孔径を有した多孔質層間絶縁膜において、１５ＧＰａの膜強度（弾性率）を達成している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの従来技術によって形成される半導体装置は、以下のような課題を有している。
第１の課題は、多孔質層間絶縁膜中への水分やエッチングガス、メタルの拡散である。水は分極率が極めて高い分子（比誘電率が約７０）であるため、空孔を介して膜中に取り込まれた場合には誘電率が大幅に増加する。また、フッ素系のエッチングガスが膜中に浸透した場合には、膜中の水分等と反応してフッ化水素を形成し、多孔質層間絶縁膜中に大きなボイドが形成されたり、配線形成後にそれらが再放出してＣｕ等の金属配線材料を腐食させる要因になる。さらに、Ｃｕ等のメタルが空孔を介して層間絶縁膜中に拡散した場合には、リーク電流増大等の配線信頼性の劣化要因になる。
特許文献１および２はこれらの課題を解決するために考案されたものである。特許文献１に記載の従来技術では、エッチング後のトレンチ側壁に露出した空孔を非孔質ポリアニルエーテルにて閉塞するため、バリアメタルの被覆性を改善することに対して有効である。しかし、これらの埋め込み材料はバリアメタルとの密着性が弱いため、プロセス中の熱サイクル履歴が多くなるに従って、剥離が発生し、ピンホールが発生する。特に、多層配線形成プロセスでは同一プロセスを複数回繰り返すため、下層に予め形成した配線部は配線層数に比例した熱履歴を受け、ピンホールがより発生しやすくなる。
特許文献２では、エッチング後に露出した多孔質層間絶縁膜側壁の空孔に対して、Ｓｉ（ＮＣＯ）４等のＯＨ基よりも嵩高い原子団を供給しうる化合物を、気体状にて２０℃の温度で供給し、閉塞させている。しかし、これらの空孔内に進入した原子団は膜の内部まで空孔を介して進入する可能性がある。つまり、誘電率を低下させるために導入した空孔の多くが、高い分極率を有するシリコンや酸素、窒素の結合体で満たされることになり、この結果、層間絶縁膜の誘電率を大幅に増加させる要因になる。また、これらの嵩高い原子団は周辺材料と比較して化学的に不安定であるため、多層配線プロセス中に脱離し、再び水分やガスの供給経路になる可能性がある。さらに、上記特許文献１および２は、膜中に吸蔵したエッチングガスを除去しない状態で側壁の空孔を閉塞させる。このため、膜中に残存したフッ素は多孔質層間絶縁膜にボイドを発生させたり、多層配線プロセス中で再放出し、配線材料を腐食する要因になる。
第２の課題は、多孔質層間絶縁膜と隣接膜との密着性の劣化である。トランジスタの微細化と集積化に対応した配線構造の多層化は、積層膜を構成する異種材料界面での応力集中が増大する。このため、特に多孔質層間絶縁膜とこれに隣接する膜との密着性は劣化する傾向にある。プロセスの観点からは、ＣＭＰ工程でのハードマスクと多孔質層間絶縁膜との密着性が重要である。また、ダイシングやパッケージング、ワイヤボンディングなどの半導体素子の実装工程でも大きな応力が負荷されるため、密着強度の改善は重要な課題である。
特許文献３はこれらの課題を解決するために考案されたものであるが、特許文献３記載の従来技術では、密着層としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を下地と層間絶縁膜の界面に挿入している。しかし、これらの密着層は誘電率が極めて高い材料であるため、結果的に配線構造全体の実効的な誘電率を大幅に増加させることになる。また、下地上にシリコンのダングリングボンドを形成するプロセスも開示している。しかし、ダングリングボンド形成後は層間絶縁膜を形成するために基板を大気中に開放するため、結果的に下地表面にはシリコン酸化膜が形成され、誘電率を増加させることになる。
第３の課題は、膜強度の劣化である。多孔質層間絶縁膜は膜中に空孔を導入しているため、必然的に膜強度が劣化する。先述したように、配線多層化とボンディング等の実装工程では強い応力や機械的な衝撃が配線構造内に加わる。このため、機械的に脆弱な多孔質層間絶縁膜は膜破壊を発生する。特許文献４はこれらの課題を解決するために考案されたものである。特許文献４記載の従来技術は、電子線照射により塗膜の焼成時間を大幅に短縮し、かつ高強度化を実現している。しかし、塗膜による空孔形成は空孔の核となる揮発性分子を焼成段階で揮発させる。このため、空孔は貫通孔になりやすく、空孔径制御が困難であるという欠点がある。つまり、ガスが水分、メタルの拡散効果が大きい。したがって、膜強度の改善と空孔に起因した拡散現象の抑制を両立することが困難となる。
以上のように、空孔起因の拡散現象の抑制、密着性の改善、膜強度の改善、の３つの課題を同時に満たす配線構造並びに半導体装置及びその製造方法は提案されていなかった。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置の実効的な誘電率を上昇させることなく、多孔質層間絶縁膜の空孔が起因する拡散現象、隣接膜との密着性、および膜強度の劣化を回避した高信頼性の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する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明の配線構造は、半導体素子上にバリア絶縁膜及び空孔を含有した第１の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第１の多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の配線構造において、前記第１の多孔質層間絶縁膜の少なくとも一部に第２の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は前記第１の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は１ｎｍ以下であることを特徴とする。また、上記配線構造において、前記第１の多孔質層間絶縁膜の構成元素は、前記第２の多孔質層間絶縁膜の構成元素と同一であることを特徴とする。さらに、上記配線構造において、前記第１および第２の多孔質層間絶縁膜は炭素と水素を含有したシリコン酸化膜からなることを特徴とする。
上記配線構造において、前記第２の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は前記第１の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率よりも小さく、かつ前記第２の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率は前記第１の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記第２の多孔質層間絶縁膜は前記金属配線材料を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜の側壁に形成されることを特徴とし、前記第２の多孔質層間絶縁膜の膜厚は５ｎｍ以上であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に第３の多孔質層間絶縁膜が形成されることを特徴とする。また、前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成される前記第３の多孔質層間絶縁膜は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成された５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の前記第３の多孔質層間絶縁膜と、前記金属配線材料を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜の側壁に５ｎｍ以上の前記第２の多孔質層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
上記配線構造において、前記第３の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、前記第１の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、かつ、前記第２の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、１ｎｍ以下で、前記第３の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記配線溝および前記ビアホールの開口径が上方から下方に向けて小さくなるテーパー形状であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の全体もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の全体、またはその両方に、第４の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第４の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は前記第１の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記配線側面を取り囲む前記第１の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜が環状ＳｉＯ結合を含む材料からなり、かつ前記環状ＳｉＯ結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする。また、前記環状ＳｉＯ結合は６員環もしくは８員環を形成していることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上述の配線構造が複数層構造を形成し、該複数層配線構造にトランジスタが実装されたことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、複数層構造の配線に実装されたトランジスタを有する半導体装置を製造する方法であって、半導体素子上にバリア絶縁膜及び多孔質層間絶縁膜が形成され、前記多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の製造工程において、前記バリア絶縁膜を開口する前に前記多孔質層間絶縁膜の少なくとも一部に電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
前記半導体装置の製造方法において、前記多孔質層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、上記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
また、前記半導体装置の製造方法において、ビアプラグ側面を取り囲む層間絶縁膜（以下、ビア層間絶縁膜）の成膜後、もしくは、配線側面を取り囲む層間絶縁膜（以下、配線層間絶縁膜）の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
さらに、前記半導体装置の製造方法において、ビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する第１の照射工程と、上記配線層間絶縁膜およびビア層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、上記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する第２の照射工程と、を含むことを特徴とする。
前記半導体装置の製造方法において、前記電子線を照射する工程における、電子の到達エネルギーは０．２５ｋｅＶ以上２０ｋｅＶ以下であり、紫外線を照射する工程における、紫外光の波長は１５０から２７５ｎｍであることを特徴とする。
また、前記半導体装置の製造方法において、前記電子線もしくは紫外線を照射する工程時の半導体装置の基板温度は、２００℃から４５０℃に設定することを特徴とし、さらに、前記半導体装置の製造方法において、電子線もしくは紫外線を照射する工程時に、半導体装置の基板を傾斜し、かつ回転させながら、照射を行うことを特徴とする。
さらに、前記半導体装置の製造方法において、少なくとも前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜は、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜よりも空孔径が小さい絶縁膜、もしくは前記ビア層間絶縁膜よりもシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することを特徴とする。前記配線層間絶縁膜は、空孔径は０．５ｎｍ以下であること、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率は３以上であることを特徴とする。また、前記配線層間絶縁膜は環状ＳｉＯ結合を含む材料からなり、かつ前記環状ＳｉＯ結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする。前記環状ＳｉＯ結合は６員環もしくは８員環を形成していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、層間絶縁膜開口部側壁に低誘電率かつ高強度の多孔質変質層を形成することで、配線構造の機械的強度および密着性を改善することができる。また、本発明によれば、開口部側壁に吸着したエッチングガス等を効果的に除去可能であるため、金属配線材料の腐食等の問題がなく、信頼性の高い配線特性を実現することができる。さらに、本発明によれば、多孔質変質層の空孔径を１ｎｍ以下に制御するため、ガスや薬液、金属等の拡散を効果的に抑制することができる。したがって、半導体装置の性能を劣化させることなく、力学的負荷に対する耐性を向上させることができるため、半導体装置の高性能化、高信頼性化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図２は電子線および紫外線照射装置の概略図である。
図３は多孔質絶縁膜の比誘電率と膜強度の紫外線照射時間依存性を示すグラフである。
図４は電子線照射および紫外線照射後の比誘電率と膜強度の関係を示すグラフである。
図５は電子線照射および紫外線照射後の密着性評価結果を示すグラフである。
図６は電子線照射および紫外線照射後の膜強度と密着強度の比誘電率依存性を示すグラフである。
図７はＦＴＩＲスペクトルの紫外線照射時間依存性を示すグラフである。
図８は電子線照射および紫外線照射による平均空孔径の膜強度依存性を示すグラフである。
図９は多孔質膜の高強度化機構を示した概略図である。
図１０は多孔質絶縁膜中に拡散する水の吸蔵量と誘電率増加量の平均空孔径依存性を示すグラフである。
図１１は本発明の第１の実施の形態を示す断面構造図である。
図１２は本発明の第１の実施の形態を示す断面構造の拡大図である。
図１３は本発明の第１の実施の形態を示す断面構造図（垂直開口形状）である。
図１４は本発明の第１の実施の形態を示す断面構造図（テーパー形状）である。
図１５は本発明の第１の実施の形態を示す断面構造図（傾斜回転）である。
図１６は電子エネルギーと相互作用の関係を示すグラフである。
図１７は電子進入深さの電子エネルギー依存性を示すグラフである。
図１８は本発明の第２の実施の形態を示す半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図１９は本発明の第２の実施の形態を示す断面構造の拡大図である。
図２０は本発明の第２の実施の形態を示す断面構造図である。
図２１は本発明の第３の実施の形態を示す半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図２２は本発明の第３の実施の形態を示す断面構造図である。
図２３は本発明の第３の実施の形態を示す断面構造図である。
図２４は本発明の第４の実施の形態を示す断面構造である。
図２５は膜Ａおよび膜Ｂの膜収縮率の電子線照射時間依存性である。
図２６は膜Ａおよび膜Ｂの膜収縮率の上層膜厚依存性である。
図２７は膜Ａおよび膜Ｂの高強度化機構を示した概略図である。
図２８は膜Ａおよび膜ＢのＦＴＩＲスペクトルのＵＶ波長依存性である。
図２９は膜Ａおよび膜ＢのＵＶ照射時の脱ガス特性である。
図３０は従来技術による半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図３１は従来技術による配線断面構造の拡大図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の構造図は全て本発明の実施の形態を模式的に示すものであり、構成要素の図面上の比率により本発明による構造の寸法を規定するものではない。
（第１の実施の形態）
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態として半導体装置の製造方法に関する断面図が示されている。図１（ａ）に示すように、まず、Ｃｕに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜１上に、ビア層間絶縁膜２、エッチングストッパー３、配線層間絶縁膜４、ハードマスク５を順次堆積する。ここで、バリア絶縁膜１は、Ｃｕに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、ＳｉＣＮやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ベンゾシクロブテン等が望ましい。
また、ビア層間絶縁膜２および配線層間絶縁膜４は、平均的な空孔径が１ｎｍ未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜（ＳｉＯＣＨ）を用いる。なお、ビアおよび配線層間絶縁膜は上記条件を満たしていれば異種材料であっても良い。層間絶縁膜の形成方法は、塗布法とＣＶＤ法の２種類が一般的である。塗布法は、膜の骨格となる主たるモノマー中に、空孔の核となる揮発性分子を含有させてスピンコートした後に揮発性分子を焼成段階で揮発させるため、空孔は通常１ｎｍ以上の不均一な貫通孔になりやすく、空孔径制御が困難であることが特徴である。一方、ＣＶＤ法によって形成される層間絶縁膜は１ｎｍ未満の均一な空孔制御が可能である。したがって、ビアおよび配線層間絶縁膜には、ＣＶＤ法による絶縁膜を用いることが好適である。なお、ここでは、０．６ｎｍの平均空孔径を含有する多孔質膜を用いた。
エッチングストッパー３については、多孔質層間絶縁膜に対してエッチング選択比の高い材料を用いる。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられるが、配線構造の実効誘電率を低減するためには、できるだけ誘電率の低い材料を選択することが望ましい。また、ハードマスク５はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）耐性に優れた材料を用いる（例えばＳｉＯ２、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられる）。
次いで、図１（ｂ）に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール７および配線溝６からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用の配線溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝（トレンチ）を先に開口し、開口した配線溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図１（ｃ）に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、５ｎｍ以上の多孔質変質層９を形成する。上記多孔質変質層９は、電子線および紫外線照射前に層間絶縁膜中に含まれる空孔径よりも大きく、１ｎｍ以下であることを特徴とする。
次に、図１（ｄ）に示すように、ビアホール底のバリア絶縁膜１をエッチバックした後、多孔質変質層９で覆われたビアホール７および配線溝６、そしてハードマスク表面５の全面に渡ってバリアメタル１０としてＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、それぞれ形成する。バリアメタル１０は、上記の他に、Ｔｉ等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはＰＶＤ以外に、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を採用することも可能である。バリアメタル形成後は、大気中に暴露することなく連続してスパッタリング法にてＣｕシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりＣｕ膜１１を堆積する。このようにして、ビアホール７に金属配線材料が埋設されてビアプラグが形成され、配線溝６に金属配線材料が埋設されて配線が形成される。
次に、図１（ｅ）に示すように、ハードマスク５上に堆積した余分なバリアメタルとＣｕ膜は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程によって除去および平坦化される（図１（ｄ））。なお、Ｃｕ膜には必要に応じてＴｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｇ等の異種金属を含有したＣｕ合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜２及び配線層間絶縁膜３は、本発明の第１の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における多孔質変質層９は、本発明の第２の多孔質層間絶縁膜に相当する。ビア層間絶縁膜２及び配線層間絶縁膜３に紫外線又は電子線を照射して多孔質変質層９を形成しているため、ビア層間絶縁膜２と多孔質変質層９、配線層間絶縁膜４と多孔質変質層９、の構成元素は同一である。このような層間絶縁膜は、半導体素子上に形成される。また、本発明における上下、上方等の語は、図１に示すような製造状態における上下等を示す。
次に、本発明の特徴である電子線もしくは紫外線照射による多孔質変質層の形成法と効果およびその機構について、基礎的な実験データに基に説明する。図２は電子線もしくは紫外線照射装置１２の概略図である。電子線８および紫外線８は、サンプル１５の上方に設置される電子線源もしくは紫外線源から照射窓１３を介して半導体素子上に形成された層間絶縁膜に照射される。半導体基板はヒータステージ１４によって加熱可能である。また、装置内は真空ポンプ１６によって排気される。また、装置内はガス導入口１７から不活性ガス等を導入することが可能である。電子線および紫外線の照射エネルギー、照射量、照射時間は適宜調整することが可能である。
上記構成の装置にて、図１（ｃ）のビアホールおよび配線溝の開口部側壁に電子線もしくは紫外線を照射し、５ｎｍ以上の多孔質改質層を形成する。
開口部側壁に形成される上記多孔質変質層の特徴は、以下の通りである。第１に、多孔質変質層の機械的強度が高いことである。第２に、多孔質変質層と隣接膜との密着性が高いことである。第３に、多孔質変質層中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率が減少し、かつシリコン原子数に対する酸素原子数比率が増加するように制御されていることである。第４に、多孔質変質層に含有する平均空孔径が１ｎｍ以下であり、かつ層間絶縁膜の平均空孔径よりも大きくなるように制御されていることである。第５に、ビアホールおよび配線溝の側壁近傍に吸着したエッチングガスが効果的に除去されていることである。
以下では、上記の特徴を裏付ける基礎的な実験結果を基に多孔質変質層導入による本発明の効果を詳細に説明する。
第１の特徴に関して、図３は、紫外線を照射した際の多孔質絶縁膜の比誘電率と膜強度の照射時間依存性である。ここでは、シリコン基板上に、先述したＣＶＤ法によって形成したカーボンと水素を含むＳｉＯＣＨ膜を２００ｎｍ形成したサンプルを用いた。平均空孔径は０．６ｎｍである。誘電率は紫外線の照射時間が３分間程度の場合にはほとんど依存せずに一定であるが、３分以上の照射時間では徐々に増加する傾向を示した。一方、膜強度は照射時間とともに大きく増加した。
図４は、図３の結果をもとに比誘電率と膜強度の関係をプロットしたグラフである。なお、図４には電子線照射による結果も合わせて示している。紫外線と電子線照射による誘電率の膜強度依存性は良く対応しており、同一の効果が得られることを示している。図中の黒丸（●）は電子線および紫外線照射を行っていない比誘電率３．１のＳｉＯＣＨ組成の絶縁膜である。同一膜強度（１３ＧＰａ）にて、これらの絶縁膜を比較した場合、電子線もしくは紫外線を照射した多孔質絶縁膜の比誘電率は２．７程度であり、大幅な低誘電率化を達成することが可能になる。したがって、電子線もしくは紫外線の照射は、低誘電率を維持しながら多孔質絶縁膜の機械的強度を大幅に向上することができる。
第２の特徴に関して、図５は積層構造（エッチストッパー／多孔質絶縁膜／バリア絶縁膜）の電子線および紫外線照射による密着強度を評価した結果である。エッチスストッパーとしてＳｉＯ２を用い、バリア絶縁膜としてＳｉＣＮを用いた。なお、上層のＳｉＯ２は多孔質絶縁膜に電子線もしくは紫外線を照射した後に形成した。密着強度はｍ−ＥＬＴ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｅｄｇｅ  Ｌｉｆｔ−ｏｆｆ  Ｔｅｓｔ）にて評価した。剥離箇所は、全て多孔質絶縁膜／バリア絶縁膜界面であり、相対的にこの界面の密着性が低い。しかしながら、電子線および紫外線照射によって、多孔質絶縁膜／バリア絶縁膜界面の密着強度は１．５倍程度まで増加した。図６は膜強度と密着強度の比誘電率依存性である。図中の黒丸（●）は電子線および紫外線照射を行っていないＣＶＤ法によるＳｉＯＣＨ組成の絶縁膜である。電子線もしくは紫外線を照射することで、低誘電率にて膜強度と密着性の大幅な改善が確認された。
第３の特徴に関して、図７はＦＴＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）を用いた膜組成の紫外線照射時間依存性である。スペクトルは紫外線照射時間が増加するほど、上方にシフトさせて図示している。照射前のＦＴＩＲスペクトルには、カーボンと水素がメチル基（ＣＨ３）をなしてシリコン原子に結合するＳｉ−ＣＨ３ピーク（１２７０ｃｍ−１）と膜の主たる骨格であるＳｉＯ−Ｓｉ結合に帰属したピーク（１０００−１２００ｃｍ−１）が見られる。紫外線照射時間が増加すると、上記Ｓｉ−ＣＨ３ピークが減少して、新たにＳｉＨ結合に帰属するピーク（２２００ｃｍ−１）が増加する傾向を示す。つまり、紫外線の照射エネルギーによってメチル基が解離し脱離するとともに、解離した水素原子の一部がシリコンのダングリングボンドを終端していることを意味する。
また、図７中の挿入図に示すように、ＳｉＯ−Ｓｉの２つに分裂したピークは照射時間とともにケージ型の結合からネットワーク型のＳｉＯ−Ｓｉに変化する。この変化は、孤立した短距離ＳｉＯ−Ｓｉの結合がクロスリンクして強固な長距離のネットワークを形成することを示している。これらのメチル基の脱離とＳｉＯ−Ｓｉのネットワーク化は電子線照射の場合にも同様に見られた。また、光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）によって、照射後の多孔質変質層中の原子組成を評価した結果、表１に示すように、両照射共通にシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は減少し、かつシリコン原子数に対する酸素原子数比率が増加する傾向を示した。これらの原子組成比は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に搭載されるＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ）やＥＥＬＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等の手法を用いることで、微細配線構造内に形成された多孔質変質層の化学組成分析を行うことで確認することも可能である。
【表１】
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第４の特徴に関して、図８は小角Ｘ線散乱を用いた電子線および紫外線照射後の平均空孔径の膜強度依存性である。本明細書中で述べる平均空孔径は、図８の挿入図に示す空孔径分布曲線において分布面積が半分になる時の空孔径である。平均空孔径は両照射とも共通に、膜強度の増加とともに増加する傾向を示した。このような電子線および紫外線照射による平均空孔径の増大は、図９に示すように、空孔内に張り出した嵩高いメチル基の脱離によるものである。しかしながら、空孔の増大は水分やガス等の流入経路になるため、配線特性を劣化させる要因になる。図１０は昇温脱離法（ＴＤＳ）による多孔質絶縁膜中の水の吸蔵量と誘電率増加量の平均空孔径依存性である。平均空孔径を概ね１ｎｍ以下に制御することによって、水の吸蔵量を効果的に抑制し、かつ安定な低誘電率特性を実現することができる。したがって、電子線もしくは紫外線照射による多孔質変質層の形成は、空孔径を増加させる方向に作用するが、その平均径を１ｎｍ以下に制御することで、プロセス中での水分や薬液、ガスの急増を大幅に抑制し、高強度および高密着性化を実現することができる。
第５の特徴に関して、エッチング後の側壁近傍にはエッチングガスであるフッ素系のガスが吸着しているが、これらは５ｎｍ以上の多孔質変質層を形成する過程で効果的に除去することが可能である。このような除去効果の要因としては電子や紫外光による脱離のアシスト効果と空孔径が増加することによる脱離経路の増加が挙げられる。フッ素系エッチングガスの除去によって金属配線材料との反応による腐食等の問題を回避することができる。
以上、５つの特徴について説明したように、電子線もしくは紫外線照射による層間絶縁膜開口部の多孔質変質層の形成は、図１１にも示すように、低誘電率を維持しつつ配線材料１１を取り囲むように高強度化した変質層９が支柱のように形成される。このため、ワイヤボンディング等の機械的な衝撃に対して強い耐性を示す。なお、多孔質変質層の機械強度は、ガス拡散耐性の観点から、１ｎｍ以下の平均空孔径によって制約を受ける。即ち、図８に示したように約１７．５ＧＰａがその上限になる。従来と比較すると、３．５倍の機械強度を有する支柱が配線材料を取り囲んでいることになる。
また、密着性に関しては、図１１中の楕円領域１８で囲んでいる配線構造の領域全てが高密着性化する。図１２に多孔質変質層９付近の断面拡大図を示す。層間絶縁膜とバリアメタルとの密着性に関しては、多孔質変質層９を形成することで、変質層を形成しない場合と比較して、空孔１９の増大に伴う微細な凹凸が形成されるため、図１２に示すようなアンカー効果によってバリアメタル１０との密着性を改善することができる。また、本発明では多孔質変質層の平均空孔径を１ｎｍ以下に設定しているため、従来例（図３１）に示したようなバリアメタルの被覆性不良は生じることはない。また、ＣＭＰ工程における剥離箇所はバリアメタルに隣接したハードマスクと配線層間絶縁膜のエッジ部分であった。しかし、多孔質変質層を形成することで、この界面の密着性も大きく改善し、配線試作を行う上では充分なＣＭＰ耐性を確保することができる。また、層間絶縁膜とバリア絶縁膜との密着性は、先述したように縦方向の積層構造の中で最も密着性の低い界面であるが、およそ１．５倍の高強度化を達成することができる（図５）。
このように、本発明の効果は、低誘電率を維持しながら、高膜強化、高密着性化、空孔に起因した拡散現象の抑制、金属配線材料腐食等の問題を回避し、高信頼性の配線構造即ち半導体装置を形成することが可能である。
次に、上記効果を得るための最適な電子線および紫外線照射条件について説明する。微細かつアスペクト比の高い配線溝とビアホールの各側壁に多孔質変質層を形成するには、電子線および紫外線を上記側壁に対して効果的に照射する必要がある。紫外線は発散光であるため、垂直形状に形成された開口部側壁にも到達し、変質層の形成が容易である。電子線照射の場合は電子ビームの指向性は強いが、図１３に示すように絶縁膜であるハードマスク１５表面に電子２０がチャージアップする。このため、開口部近傍に入射した電子は軌道が曲げられ、開口部側壁にも到達し、８ｎｍ程度の多孔質変質層を形成することができる。ただし、より側壁への照射効果を高めるには、図１４に示すようなテーパー形状のビアホールおよび配線溝を形成することも可能である。また、図１５に示すように、半導体装置の基板を傾斜し、回転させながら電子線を照射することでも効果的に側壁部に多孔質変質層を形成すること、および制御することが可能である。例えば、配線溝の最小幅がビアホールの幅と同一の場合、ビアホール底からトレンチ溝上部までの高さをｈ、両者の溝幅をｗとすると、ｔａｎθ＞ｗ／ｈを満たす入射角θにて照射を行うことで、ビアホール底部にも充分な照射効果を得ることができる。なお、ここでは半導体装置の基板を傾斜させた場合を示したが、電子線源自体を傾斜させて照射しても良い。また、図１４および図１５に示した電子線の照射方法は紫外線照射時に適用しても良い。
電子線および紫外線の照射エネルギーは、多層膜絶縁膜中のメチル基の脱離とＳｉＯ−Ｓｉ結合の組み換えが生じるだけの充分なエネルギーを加える必要がある。ＳｉＯの結合エネルギーは、周辺の結合種の種類やそれらの結合状態によって変化するが、概ね４．５ｅＶから８．５ｅＶで、Ｓｉ−ＣＨ３の結合エネルギーよりも大きい。したがって、ＳｉＯの結合エネルギーに相当するエネルギーを実質的に与えれば、多孔質変質層を形成することができる。紫外線の場合は、上記ＳｉＯの結合エネルギーに相当する１５０から２７５ｎｍの波長を有する紫外光を照射することが望ましい。
一方、電子線照射エネルギーに関しては、電子ビームの指向性をある程度確保するために通常、数ｋｅＶ程度の高エネルギーになり、物質との相互作用は紫外線のような光照射の場合とは異なる。図１６は電子エネルギーを変化させた場合の電子と物質との相互作用の一般的な関係である。電子のエネルギーが増加するにしたがって相互作用は促進されるが、あるエネルギー以上では電子は物質と相互作用することなく、通過する。例えば、ＳｉＯＣＨ組成の多孔質絶縁膜の場合では、５０ｋｅＶ以上のエネルギーを持つ電子線照射では多孔質変質層が形成されないことを実験的に確認した。よって、電子エネルギーの上限は５０ｋｅＶとなる。
また、電子のＳｉＯＣＨ組成の絶縁膜への進入深さは、モンテカルロシュミレーションの結果から、図１７に示すように、電子エネルギーの増加とともに増加する。本発明にて効果が得られる５ｎｍ以上の多孔質変質層を形成するには、少なくとも電子の進入長を５ｎｍ以上にする必要がある。つまり、電子のエネルギーの下限は０．２５ｋｅＶに制御することが望ましい。したがって、半導体装置の基板（変質させる各絶縁膜）に到達する際の電子エネルギーは、０．２５ｋｅＶ以上で５０ｋｅＶ以下が適している。ただし、電子エネルギーが過度に増加すると、図１３に示したようなチャージアップによる開口部内での電子軌道の変化が生じにくくなる。このため、電子エネルギーの設定としては、０．２５ｋｅＶ以上２０ｋｅＶ以下がより望ましい。
なお、図１７にも示したように、上限エネルギーである２０ｋｅＶの電子線が照射された場合、電子は基板深くまで進入するが、多孔質変質層の形成過程ではメチル基の脱離が不可欠である。このため、メチル基が脱離しやすい開口部側壁、即ち多孔質絶縁膜が露出している配線溝およびビアホール側壁から選択的に変質層が形成されることになる。
紫外線照射の場合も同様な機構により、開口部側壁から多孔質変質層が形成される。多孔質変質層の膜厚は、電子線照射の場合はドーズ量や電子加速電圧、基板温度、処理時間を適宜制御することによって調整することができる。また、紫外線照射の場合には上記範囲内での波長、パワー密度、基板温度、処理時間を適宜制御することによって調整することができる。
また、電子線および紫外線照射時の基板温度の設定に関しては、解離したメチル基を膜中から脱離するために高温にする必要がある。処理時間の観点からは高温の方が短時間で処理が終了するため、スループットの向上になる。しかし、高温になりすぎると、多層配線構造における微細なビア中のＣｕが過度の熱ストレスを受けて断線する場合もあるため、温度の上限は４５０℃以下に制約される。以上のように、高スループット化と配線信頼性の観点から、基板温度は２００℃から４５０℃が好適である。また、照射時の雰囲気は真空でも良いが、基板からの脱ガスによる装置内壁への炭化水素等の堆積を軽減するために、ガス導入口からＡｒやＨｅ等の不活性ガスを導入することが望ましい。
【実施例１】
【０００８】
次に、本実施形態にかかる半導体装置の具体的な実施例を用いて、半導体装置が備える膜積層構造について説明する。なお、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。
図１（ａ）に示すように、まずＣｕに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜１として３０ｎｍのＳｉＣＮ上に、ＳｉＯＣＨ組成でかつ０．６ｎｍの平均空孔径を含有したビア層間絶縁膜２をＣＶＤ法にて１５０ｎｍ形成し、その上にエッチングストッパー３としてＳｉＯ２を３０ｎｍ形成する。その上層に、ＳｉＯＣＨ組成でかつ０．６ｎｍの平均空孔径を含有する配線層間絶縁膜４をＣＶＤ法にて１５０ｎｍ形成し、ハードマスク５としてＳｉＯ２を３０ｎｍ順次堆積する。ここでは、配線層間絶縁膜４とビア層間絶縁膜２は同一材料用いた。
次いで、図１（ｂ）に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスＣＦ４を用いた反応性イオンエッチングによるビアファーストプロセスを用いてビアホール７およびトレンチ溝６からなるデュアルダマシン溝を形成する。ビア径と配線幅は１００ｎｍである。
次に、図１（ｃ）に示すように基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、５ｎｍ以上の多孔質変質層９を開口部側壁に形成する。電子線照射を行う場合の条件は、電子のエネルギーを７ｋｅＶに制御し、５分間の処理を行った。また、紫外線照射を行う場合の条件は、中心波長が２２２ｎｍの紫外光を用いて５分間の処理を行った。両照射ともに、基板温度は３５０℃で、６６５０ＰａのＨｅガス中にて処理を行った。
次に、図１（ｄ）に示すように、ビアホール７の底のバリア絶縁膜ＳｉＣＮをエッチバックした後、多孔質変質層９で覆われたビアホール７および配線溝６、そしてハードマスク表面５の全面に渡ってバリアメタル１０としてＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、それぞれ１０ｎｍ、５ｎｍ形成する。バリアメタル形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いて厚さ５０ｎｍのＣｕシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりＣｕ膜１１を堆積する。
次に、図１（ｅ）に示すように、ハードマスク５上に堆積した余分なバリアメタルとＣｕ膜は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程によって除去および平坦化される（図１（ｄ））。
なお、本実施例では電子線照射工程もしくは紫外線照射工程をバリア絶縁膜ＳｉＣＮのエッチバック工程前に行っているが、上記照射工程はバリア絶縁膜のエッチバック工程後に行うことも可能である。ただし、前記照射工程をバリア絶縁膜のエッチバック後に行った場合には、照射工程時に発生するアウトガスがエッチバックにより開口されたバリア絶縁膜１の下層Ｃｕ膜（図示せず）表面に付着し、Ｃｕ表面を変質させる。さらに、照射工程をバリア絶縁膜のエッチバック後に行った場合には、バリア絶縁膜のエッチバック前にビア層間絶縁膜２と配線層間絶縁膜４の開口部側壁が高強度化されていない。このために、エッチバック時にこれらの側壁にサイドエッチングが入りやすくなり、寸法シフトが増大する。したがって、電子線照射工程もしくは紫外線照射工程はバリア絶縁膜ＳｉＣＮのエッチバック工程前に行うことが望ましい。
配線構造形成後の断面構造をＴＥＭにて観察した結果、ビアおよびトレンチ側壁には８ｎｍから１５ｎｍ程度の変質層９が観察された。この変質層９をより詳細に観察すると、０．８から１．０ｎｍの直径を有する空孔が確認された。また、ＥＥＬＳによって多孔質変質層９の化学組成分析を行った結果、多孔質変質層９は多孔質層間絶縁膜２、４中と比較して、Ｓｉのスペクトルに対する酸素のスペクトルが相対的に増加し、またシリコンのスペクトルに対するカーボンのスペクトルは相対的に減少することが確認された。また、上記配線構造を６層形成し、ＬＳＩデバイスとして実装したが、プロセス中の膜剥離等の不具合は見られず、従来に比べ歩留まりが３０％以上改善した。また、電気特性に関しても実効誘電率はほとんど変わらずに、安定した配線特性を示すことを確認した。
（第２の実施の形態）
図１８は本発明における第２の実施の形態を説明するための半導体装置製造方法に関する断面構造図である。
図１８（ａ）に示すように、まずＣｕに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜１上に、ビア層間絶縁膜２を形成する。バリア絶縁膜１は、Ｃｕに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、ＳｉＣＮやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ベンゾシクロブテン等が望ましい。ビア層間絶縁膜２は、平均的な空孔径が１ｎｍ未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜（ＳｉＯＣＨ）を用いる。ここでは、ＣＶＤ法によって形成した平均空孔径が０．６ｎｍの多孔質層間絶縁膜を用いた。
上記ビア層間絶縁膜２を形成後、図１８（ｂ）に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、ビア層間絶縁膜２全体にわたって第１の多孔質変質層２１を形成する。上記第１の多孔質変質層２１に含まれる空孔は、電子線および紫外線８照射前に多孔質層間絶縁膜中に元々含まれる空孔径よりも大きく、１ｎｍ未満であることを特徴とする。
次に、図１８（ｃ）に示すように、エッチングストッパー３、配線層間絶縁膜４、ハードマスク５を順次堆積する。エッチングストッパー３については、多孔質層間絶縁膜に対してエッチング選択比の高い材料を用いる。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等があるが、配線構造の実効誘電率を低減するためには、できるだけ、誘電率の低い材料を選択することが望ましい。ここでは、ＣＶＤ法によって形成したＳｉＯ２を用いた。また、配線層間絶縁膜４は、平均空孔径が１ｎｍ未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜（ＳｉＯＣＨ）を用いる。配線層間絶縁膜４は、上記条件を満たしていればビア層間絶縁膜と異なる材料であっても良い。ハードマスク５はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）耐性に優れた材料を用いる（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられる）。
次いで、図１８（ｄ）に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール７および配線溝６からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用の配線溝（トレンチ）を形成するビアファーストプロセスと、配線用トレンチ溝を先に開口し、開口したトレンチ溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図１８（ｅ）に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、５ｎｍ以上の第２の多孔質変質層９を開口部側壁に形成する。上記第２の多孔質変質層２１は、第１の多孔質変質層９に含まれる平均空孔径よりも大きく、かつ１ｎｍ以下であることを特徴とする。上記多孔質変質層９の形成工程では、図１４および図１５に示したテーパー形状の開口部の適用や傾斜回転法を用いることで、より照射効果を高めることができる。
次に、図１８（ｆ）に示すように、ビアホール７の底のバリア絶縁膜１をエッチバックした後、多孔質変質層で覆われたビアホール７およびトレンチ溝６、そしてハードマスク表面５の全面に渡ってバリアメタル１０としてＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、それぞれ形成する。バリアメタル１０は、上記の他に、Ｔｉ等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはＰＶＤ以外に、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を採用することも可能である。バリアメタル１０形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いてＣｕシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりＣｕ膜１１を堆積する。
次に、図１８（ｇ）に示すように、ハードマスク上５に堆積した余分なバリアメタルとＣｕ膜は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程によって除去および平坦化される。なお、Ｃｕ膜には必要に応じてＴｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｇ等の異種金属を含有したＣｕ合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜２及び配線層間絶縁膜３は、本発明の第１の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における第２の多孔質変質層９は、本発明の第２の多孔質層間絶縁膜に相当する。また、ビア層間絶縁膜２の全体に形成される第１の多孔質変質層２１は、本発明の第４の多孔質変質層に相当する。
本実施の形態と先述した第１の実施の形態との違いは、多孔質変質層がビアおよびトレンチ開口部側面だけではなくビア層間絶縁膜２１全体にも形成されている点である。このようなビア層間絶縁膜２１全体に渡る電子線および紫外線の照射は、バリア絶縁膜とビア層間絶縁膜とのとの密着性をより強化することができる。第１の実施の形態では、図１１に示したように、ビア層間絶縁膜２とバリア絶縁膜１との密着性を確保する領域がビア層間絶縁膜２底部周辺のごく一部に限られたが、本実施の形態ではビア層間絶縁膜２とバリア絶縁膜１の全界面に拡張している。ビア層間絶縁膜２とバリア絶縁膜１の界面は、多孔質層間絶縁膜に隣接する界面の中で最も弱いため、配線多層化や実装工程における過度の膜ストレスによって剥離が発生する主要箇所である。特に、スーパーコンピュータ用のＭＰＵ素子等では１０層以上の積層配線とチップサイズの増加により、ビア層間絶縁膜２とバリア絶縁膜１の界面にはより大きな力学的負荷が生じる。本実施の形態を適用することにより、上記ハイエンドデバイスにおいても充分な信頼性を有する多層配線構造を提供することが可能になる。また、多孔質変質層を施したビア層間絶縁膜２１上層に形成されるエッチストッパーとの界面についても、図１９に示すように多孔質変質層２１を形成することで、空孔１９の平均径が増加する。このため、変質層２１を形成しない場合と比較して、多孔質層間絶縁膜２１上に微細凹凸が形成される。したがって、アンカー効果によってエッチストッパー３とビア層間絶縁膜（多孔質変質層）２１との密着性も改善することができる。さらに、ハードマスク５と配線層間絶縁膜４の密着性は第１の実施の形態で述べたように、側壁に形成される多孔質変質層９によって強化されるため、充分なＣＭＰ耐性も確保することができる。以上のように、多孔質変質層９、２１はデバイスの種類や用途に応じて層間絶縁膜の一部もしくは全体に形成しても良く、例えば、図２０に示すようにビア層間絶縁膜２に加えて配線層間絶縁膜４全体に多孔質変質層２１を形成しても良い。
（第３の実施の形態）
図２１は本発明における第３の実施の形態を説明するための半導体装置製造方法に関する断面構造図である。
図２１（ａ）に示すように、まずＣｕに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜１上に、ビア層間絶縁膜２を形成する。バリア絶縁膜１は、Ｃｕに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、ＳｉＣＮやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ベンゾシクロブテン等が望ましい。ビア層間絶縁膜２は、平均的な空孔径が１ｎｍ未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜（ＳｉＯＣＨ）を用いる。ここでは、ＣＶＤ法によって形成した平均空孔径が０．６ｎｍの多孔質層間絶縁膜を用いた。
上記ビア層間絶縁膜２を形成後、図２１（ｂ）に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、前記ビア層間絶縁膜２の表面に第１の多孔質変質層２１を形成する。上記第１の多孔質変質層２１は、膜厚が５ｎｍ以上で３０ｎｍ以下であり、多孔質層間絶縁膜２中に元々含まれる空孔径よりも大きく、１ｎｍ未満であることを特徴とする。
次に、図２１（ｃ）に示すように、配線層間絶縁膜４を堆積する。配線層間絶縁膜４は、ＣＶＤ法によって形成した１ｎｍ未満の平均空孔径を含有するＳｉＯＣＨ組成の多孔質絶縁膜である。なお、配線層間絶縁膜４は、上記条件を満たしていれば、ビア層間絶縁膜２と異なる材料であっても良い。次に、上記配線層間絶縁膜４の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、前記配線層間絶縁膜４の表面に第２の多孔質変質層２２を形成する。上記第２の多孔質変質層２２は、第１の多孔質変質層２１と同様に、膜厚が５ｎｍ以上で３０ｎｍ以下であり、多孔質層間絶縁膜中に元々含まれる空孔径よりも大きく、１ｎｍ未満であることを特徴とする。
次いで、図２１（ｄ）に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール７および配線溝６からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用のトレンチ溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝（トレンチ）を先に開口し、開口したトレンチ溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図２１（ｅ）に示すように基板の上方から電子線もしくは紫外線８を照射し、ビアホール７および配線溝６の開口部側壁に５ｎｍ以上の第３の多孔質変質層９を形成する。上記第３の多孔質変質層９は、第１および第２の多孔質変質層に含まれる平均空孔径よりも大きく、かつ１ｎｍ以下であることを特徴とする。上記、第１、第２、第３の多孔質変質層の形成工程では、図１４および図１５に示したテーパー形状の開口部の適用や傾斜回転法を用いることで、より照射効果を高めることもできる。
次に、図２１（ｆ）に示すように、ビアホール７の底のバリア絶縁膜１０をエッチバックした後、多孔質変質層で覆われたビアホール７および配線溝６、そして第２の多孔質変質層２２が形成された配線層間絶縁膜４の全面に渡ってバリアメタル１０としてＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、それぞれ形成する。バリアメタル１０は、上記の他に、Ｔｉ等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはＰＶＤ以外に、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を採用することも可能である。バリアメタル１０形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いてＣｕシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりＣｕ膜１１を堆積する。
次に、図２１（ｇ）に示すように、第２の多孔質変質層２２が形成された配線層間絶縁膜４上に堆積した余分なバリアメタルとＣｕ膜は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程によって除去および平坦化される。なお、Ｃｕ膜には必要に応じてＴｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｇ等の異種金属を含有したＣｕ合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜２及び配線層間絶縁膜３は、本発明の第１の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における第３の多孔質変質層９は、本発明の第２の多孔質層間絶縁膜に相当する。また、ビア層間絶縁膜２の表面に形成される第１の多孔質変質層２１及び配線層間絶縁膜４の表面に形成される第２の多孔質変質層２２は、本発明の第３の多孔質変質層に相当する。
本実施の形態の第１および第２の多孔質変質層の形成は、第１の実施の形態でも述べたように、電子線照射に関しては電子エネルギーを０．２５ｋｅＶから２０ｋｅＶに制御し、ドーズ量や基板温度、処理時間を適宜最適化することで所望の膜厚の多孔質変質層を形成することが可能である。また、紫外線照射に関しても波長やパワー密度、処理時間、基板温度を適宜最適化することで所望の膜厚の多孔質変質層を形成することが可能である。
本実施の形態と先述した第１実施の形態の違いは、エッチストッパー３とハードマスク５が多孔質変質層にて代用されている点である。エッチストッパー３やハードマスク５には、ＳｉＯ２やＳｉＣＮ、ＳｉＮ等の多孔質絶縁膜に対してエッチング選択比が確保できる材料およびＣＭＰ耐性を有する高強度な材料が適している。しかし、これらの材料は誘電率が高いため、配線構造全体の実効的な誘電率を増加させることになる。具体的に、ＳｉＯ２の誘電率は４．２、ＳｉＣＮは４９、ＳｉＮは７．５程度である。例えば、比誘電率が２．７（平均空孔径０．８ｎｍ、膜強度１５ＧＰａ）の多孔質変質層２１、２２をエッチストッパーとハードマスクとしてそれぞれ３０ｎｍ形成した場合、ＳｉＯ２をエッチストッパーとハードマスクに用いた場合と比較して、実効的な誘電率を約１１％低減させることが可能である。
このように、本実施の形態によれば、従来用いていた高誘電率のエッチストッパーやハードマスクを低誘電率でかつ高強度、高安定性の多孔質変質層で置き換えることにより、多層配線における寄生容量を大幅に低減することができる。したがって、本実施の形態による多層配線を、配線層数が少なく、かつチップサイズの小さい携帯電話やモバイル機器等のローパワーが要求される半導体デバイスに適用することで、高信頼性と高性能化を両立させることができる。
また、本実施の形態は、図２２や図２３に示すように、第２の実施の形態と組み合わせることも可能である。図２２は、ビア層間絶縁膜２の全体に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層２１とし、配線層間絶縁膜４の上部（表面）に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層２２を形成した例である。図２３は、ビア層間絶縁膜２の全体に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層２１とし、配線層間絶縁膜４の全体にも紫外線または電子線を照射して多孔質変質層２１とした例である。
（第４の実施の形態）
第１から第３の実施の形態では、１組のビアと配線部を有するデュアルダマシンプロセスについて述べたが、実際の多層配線構造では電子線もしくは紫外線を照射する際に、その下層にも配線構造が形成される。したがって、電子線もしくは紫外線照射時に電子や紫外光の深さ制御が不十分な場合には下層の層間絶縁膜に過度のキュア（オーバーキュア）を付加することになる。特に、ビア層間絶縁膜全体にわたって電子線や紫外線を照射し、ビア層間絶縁膜２とバリア絶縁膜１との密着性を改善する場合（図１８、図２２、図２３）には、図２４に示すようにあらかじめ形成した配線層間絶縁膜４にオーバーキュアの影響を及ぼす場合がある。先述したように、電子線もしくは紫外線の層間絶縁膜中への進入長は照射条件を適宜調整することで制御することが可能である。しかし、微細化の進行に伴う層間絶縁膜の薄膜化や層間絶縁膜のウェハー面均一性が劣化している場合には侵入長の制御が難しくなり下層へのオーバーキュアが問題となる。本実施の形態は上記オーバーキュアの影響を軽減するための手法である。
第１から第３の実施の形態では主に０．６ｎｍの空孔径を有するＳｉＯＣＨ組成の絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜として用いたが、キュアに対する感度の異なる２種類の絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜に適用することでオーバーキュアの影響を回避することができる。
【表２】
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表２は本発明において検討した複数の絶縁膜の中で最も効果的であった膜Ａ（ビア層間絶縁膜）と膜Ｂ（配線層間絶縁膜）の膜物性である。膜Ａは第１から第３の実施の形態で示した絶縁膜である。膜Ｂの特徴は膜Ａに比べて炭素含有量が５倍程度多く、かつ空孔径が小さいことが特徴である。また、膜ＡはＳｉＯの結合がランダムに配列しているのに対して、膜ＢはＳｉＯの結合が６員環を形成し、かつ多くのハイドロカーボンを介して結合していることも特徴である。
図２５は上記２つ膜表面に直接電子線を照射した場合の膜収縮率の処理時間依存性である。明らかに、配線層間絶縁膜用の膜Ｂの方が膜収縮が小さく、電子線に対する感度が低い。また、図２６は実際の配線形成プロセスを模擬して下層膜へのオーバーキュアの影響を評価した結果である。ここでは、図２５で示したように電子線を５分間照射した場合の下層膜（ＡもしくはＢ）の膜収縮をＸ線反射率測定によって評価した。膜Ａおよび膜Ｂに直接電子線を照射した場合の膜収縮率は先述したように、膜Ｂの方が膜収縮は小さい。次に、膜Ａおよび膜Ｂ上にバリア絶縁膜を３０ｎｍ形成し、その上層から電子線を照射した場合には、下層膜Ａはおよそ９．４％収縮するのに対して、膜Ｂはほとんど収縮しない。さらに、膜Ａおよび膜Ｂ上にバリア絶縁膜（３０ｎｍ）と膜Ａを形成し、電子線を照射した場合には最下層Ａの膜収縮は７．１％である。一方、最下層に膜Ｂを適用した場合にはほとんど膜収縮を生じないことがわかる。つまり、表２に示した２つの絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜に適用することでオーバーキュアの影響を効果的に低減することが可能である。この結果は紫外線を照射した場合にも同様に観察された。膜Ａと膜Ｂはいずれも紫外光の波長が短いほどキュアの効果は大きく、先述したように１５０から２７５ｎｍの波長、より望ましくは１５０から１８０ｎｍが適している。
上記カーボン原子含有量が多く、空孔径の小さな膜Ｂを配線層間絶縁膜に用いることでオーバーキュアが抑制される機構は図２７に示すように、６員環を有するＳｉＯ結合が多くのハイドロカーボンを介して局在する。このために、隣接するＳｉＯ結合間距離が大きく、ＳｉＯ−Ｓｉのクロスリンク化が膜Ａに比べて生じにくいことが挙げられる。図２８に示すように、ＳｉＯ−Ｓｉのクロスリンク化の指標となるＦＴＩＲのネットワーク型のＳｉＯ−Ｓｉピーク強度は膜Ａの方が短波長のＵＶ光を照射した場合に顕著に増加する。したがって、ハイドロカーボンの含有量が多いほどキュアに対する感度を低くすることができる。さらに、膜Ｂは空孔径が０．４ｎｍと極めて小さいために、高強度化（ＳｉＯ−Ｓｉクロスリンク化）で重要となるハイドロカーボンの空孔内への脱離を抑制することができる。
図２９は膜Ａおよび膜Ｂに直接ＵＶ光を照射した場合の脱ガス特性を評価した結果である。ＵＶキュアによって明らかに膜からのハイドロカーボンの脱離が検出される。具体的に、膜ＡからはＣＨ３（１５ｍ／ｅ）とＣＨ４（１６ｍ／ｅ）、膜ＢからはＣ２Ｈ４が主な脱離種として検出される。しかしながら、図２４にも示したようにビア層間絶縁膜２に電子線もしくは紫外線を照射する際には下層配線絶縁膜４は緻密なハードマスク５とバリア絶縁膜１によって外気と遮断されている。空孔径が比較的大きな膜Ａは膜中の空孔内にもハイドロカーボンを放出し、ＳｉＯ結合の組み換えを生じるが、膜Ｂは空孔径が小さいために空孔内へのガス放出は抑制されることになる。したがって、配線層間絶縁膜には空孔径が小さい、もしくはシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することでオーバーキュアの影響を回避しつつビア層間絶縁膜の高強度、高密着性化を実現することが可能である。
本発明の効果が得られる配線層間絶縁膜の空孔径およびシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は、各評価手法の誤差を考慮すると概ね、空孔径は０．５ｎｍ以下で、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率は３以上である。また、膜の材料はＳｉＯ結合を有し、膜中のＳｉＯ構造はランダムでも良いが、６員環や８員環等の環状構造を有することによってＳｉＯ結合をハイドロカーボンを介してより局在させることができる（ＳｉＯ−Ｓｉクロスリンク化を抑制できる）ため、本発明の効果が得られやすい。なお、上記特性を有する配線層間絶縁膜はビア層間絶縁膜Ａと比較して膜強度の改善効果は若干低下するが、エッチング開口部側壁の残留エッチングガスの除去、隣接膜との高密着性化等の本発明の効果を充分に達成することができる。
以上の結果から、配線層間絶縁膜とビア層間絶縁膜に膜特性（空孔径、カーボン含有量）の異なる絶縁膜を適用することで、更なる高信頼性と高性能化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明は、高速演算スピードが要求されるスーパーコンピュータやデジタル家電、および低消費電力が要求される携帯電話等のモバイル機器等に適用することができる。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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