(57)【要約】窒化ケイ素膜の形成方法は、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を原料に使ったＣＶＤプロセスを含む。ＣＶＤプロセスは有機Ｓｉ原料中の有機シラザン結合が窒化ケイ素膜中において維持されるような条件で行われる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室中に半導体基板を導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において、前記半導体基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料から、Ｓｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とするＳｉＮＣＨ膜を、ＣＶＤ法により堆積する工程とを含むことを特徴とする窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項２】
前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基あるいはビニル基などより選ばれる基であり、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有することを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項３】
前記ＣＶＤ工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるように実行されることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項４】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項５】
前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記窒化ケイ素膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項６】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項７】
前記熱重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行されることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項８】
さらに前記反応室に、前記有機Ｓｉ化合物のほかに、Ｎを含む別の気相原料を供給する工程を含み、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項９】
基板上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜をパターニングし、開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングし、前記開口部に対応して前記層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
エッチングにより前記エッチングストッパ膜を、前記開口部のみ選択的に除去する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチングストッパ膜を堆積する工程は、
前記基板を処理装置の反応室中に導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において前記基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料からＳｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とするＳｉＮＣＨ膜を、前記エッチングストッパ膜として、ＣＶＤ法により堆積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１０】
前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基であり、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有することを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるように実行されることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記熱重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行され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】
さらに前記反応室に、前記有機Ｓｉ化合物のほかに、Ｎを含む別の気相原料を供給する工程を含み、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とを含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
さらに前記層間絶縁膜上に導体層を、前記開口部を介して前記凹部を充填するように形成する工程と、前記導体層のうち、前記層間絶縁膜上に位置する部分を化学機械研磨工程により除去する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記導体層はＣｕ層よりなることを特徴とする請求項１７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記層間絶縁膜は有機あるいは無機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記層間絶縁膜は有機シリコン酸化膜またはＦ（フッ素）ドープＳｉＯ２膜よりなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記凹部は配線溝およびコンタクトホールを含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
Ｓｉに結合した、ＣｎＨｍで表される任意の原子団を含む、Ｓｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とする窒化ケイ素膜。
【請求項２３】
前記原子団はアルキル基、環状炭化水素基およびビニル基よりなる群より選択されることを特徴とする請求項２２記載の窒化ケイ素膜。
【請求項２４】
基板と、
前記基板上に形成された多層配線構造とよりなる半導体装置において、
前記多層配線構造は、エッチングストッパ膜と、前記エッチングストッパ膜上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜中に形成された配線溝と、前記層間絶縁膜中に、前記配線溝に対応して形成されたコンタクトホールと、前記配線溝および前記コンタクトホールを充填する導体パターンとよりなり、
前記エッチングストッパ膜はＳｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とするＳｉＮＣＨ膜よりなり、Ｓｉに結合したＣｎＨｍで表される任意の原子団を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２５】
前記原子団は、アルキル基、フェニル基などの環状炭化水素基およびビニル基よりなる群より選択されることを特徴とする請求項２４記載の半導体装置。
【請求項２６】
前記ＳｉＮＣＨ膜は、膜中に有機シラザン結合を含むことを特徴とする請求項２４記載の半導体装置。
【請求項２７】
前記ＳｉＮＣＨ膜は、膜中に環状シラザン結合を有することを特徴とする請求項２６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は一般に半導体装置に係り、特に低い比誘電率絶縁膜を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
微細化技術の進歩に伴い、今日の先端的な半導体集積回路装置では基板上に莫大な数の半導体素子が形成されている。かかる半導体集積回路装置では、基板上の半導体素子間を接続するのに一層の配線層では不十分であり、複数の配線層を層間絶縁膜を介して積層した、いわゆる多層配線構造が使われている。
【０００３】
特に最近では、いわゆるデュアルダマシン法による多層配線構造の研究がなされている。デュアルダマシン法では、層間絶縁膜中に配線層に対応した配線溝およびコンタクトホールを予め形成しておき、これを導体で埋めることにより配線層を形成する。かかるデュアルダマシン法では、エッチングストッパおよびメタル拡散バリアとなる絶縁膜の果たす役割が重要である。
【０００４】
背景技術
デュアルダマシン法には様々な変形が存在するが、図１１Ａ〜１１Ｆは、従来の典型的なデュアルダマシン法による、多層配線構造の形成方法を示す。
【０００５】
図１１Ａを参照するに、Ｓｉ基板１０はＣＶＤ−ＳｉＯ２などの層間絶縁膜１１により覆われており、前記層間絶縁膜１１上には配線パターン１２Ａが形成されている。Ｓｉ基板１０は、ＭＯＳトランジスタ等、図示しない半導体要素を担持している。
【０００６】
前記配線パターン１２Ａは、前記層間絶縁膜１１上に形成された次の層間絶縁膜１２Ｂ中に埋め込まれて配線層１２を形成し、前記配線層１２は、ＳｉＮ等のエッチングストッパ膜１３により覆われている。前記エッチングストッパ膜１３は、さらに次の層間絶縁膜１４により覆われている。
【０００７】
図１１Ａの工程では、前記層間絶縁膜膜１４上にフォトリソグラフィー工程により、所望のコンタクトホールに対応した開口部１８Ａを有するレジストパターン１８が形成され、前記レジストパターン１８をマスクに前記層間絶縁膜１４をドライエッチングにより除去し、前記コンタクトホールに対応した開口部１４Ａを形成する。
【０００８】
次に図１１Ｂの工程において前記レジストパターン１８を除去し、図１１Ｃの工程において、前記図１１Ｂの構造上にレジスト膜１９が、前記開口部１４Ａを埋めるように塗布される。これをフォトリソグラフィー法によりパターニングし、所望の配線パターンに対応したレジスト開口部１９Ａをレジスト膜１９中に形成する。
【０００９】
次に図１１Ｄの工程で、さらに前記レジスト膜１９をマスクに、前記レジスト開口部１９Ａにおいて露出した層間絶縁膜１４をドライエッチングによりパターニングし、その後前記レジスト膜１９を除去する。かかるパターニングの結果、図１１Ｄに示すように、前記層間絶縁膜１４中には所望の配線溝に対応する開口部１４Ｂおよび開口部１４Ａが形成される。前記開口部１４Ｂは、前記開口部１４Ａを含むように形成される。
【００１０】
さらに図１１Ｅの工程において、前記エッチングストッパ膜１３をＲＩＥ法によるドライエッチングにより除去し、前記配線パターン１２Ａを露出する。
【００１１】
次に図１１Ｆの工程において、前記配線溝１４Ｂおよび開口部１４ＡをＡｌあるいはＣｕ等の導電膜で充填し、さらにこれを化学機械研磨（ＣＭＰ）することにより、配線パターン１２Ａとコンタクトホール１４Ａで接続された配線パターン２０が得られる。
【００１２】
これらの工程をさらに繰り返すことにより、３層目、４層目の配線パターンを形成することが可能である。
【００１３】
このような半導体装置で使われる多層配線構造では、前記層間絶縁膜１２，１４として低い比誘電率の絶縁膜を使うことが、多層配線構造の寄生容量を低減し、半導体装置の動作速度を向上させる上で重要であり、従来より、前記層間絶縁膜１２，１４へのＦをドープしたＳｉＯ２膜（ＳｉＯＦ膜）や有機Ｓｉ絶縁膜（ＳｉＯＣＨ）膜の使用が研究されている。特に有機Ｓｉ絶縁膜を使った場合、３．０以下の低い比誘電率の値が実現される。
【００１４】
このようなデュアルダマシン法による多層配線構造の形成工程においては、先にも説明したようにエッチングストッパ膜１３の役割も重要である。従来より、かかるエッチングストッパ膜として、前記層間絶縁膜１４に対して大きなエッチング選択比が確保できる材料として、一般にＳｉＮ膜が使われている。デュアルダマシン法においては、前記エッチングストッパ膜１３は前記大きなエッチング選択比の他に、配線パターンを構成するＣｕ等の金属に対して有効な拡散障壁として作用すること、配線パターンおよび層間絶縁膜に対して優れた密着性を有すること、プラズマアッシング工程あるいはウェットエッチング工程に対して優れた耐性を有することなどが要求される。ＳｉＮ膜は効果的な拡散障壁として作用することが知られている。
【００１５】
一方、従来よりＳｉＮ膜はプラズマＣＶＤ法により形成されているが、このようにして形成されたＳｉＮ膜は約７〜８に達する大きな比誘電率を有する。このため前記多層配線構造において層間絶縁膜１２，１４において低誘電率絶縁膜を使って寄生容量を低減しても、エッチングストッパ膜１３としてＳｉＮ膜を使うと所望の寄生容量の低減は実質的に相殺されてしまう。
発明の開示
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【００１６】
本発明のより具体的な課題は、低い比誘電率を有する窒化ケイ素膜およびその形成方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の別の課題は、低い比誘電率を有する窒化ケイ素膜を有する多層配線構造の形成方法を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらに別の課題は、低い比誘電率を有する窒化ケイ素膜を有する半導体装置を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の課題は、
反応室中に半導体基板を導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において、前記半導体基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料から、Ｓｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とするＳｉＮＣＨ膜を、ＣＶＤ法により堆積する工程とを含むことを特徴とする窒化ケイ素膜の形成方法により解決する。
【００２０】
本発明によれば、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料としたＣＶＤ工程により、低密度で低い比誘電率のＳｉＮＣＨ膜（Ｓｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とする膜）を形成することが可能である。このようにして形成された低密度ＳｉＮＣＨ膜は下地膜に対して優れた密着性を有すると同時に、Ｃｕ等の金属原子に対して効果的な拡散障壁として作用する。またプラズマアッシング工程やドライエッチング工程、さらにウェットエッチング工程に対して優れた耐性を示す。
【００２１】
本発明において、前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有するのが好ましい。また前記ＣＶＤ工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるように実行されのが好ましい。前記有機Ｓｉ化合物として、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有する化合物を使うことにより、前記ＣＶＤ工程の際に原料化合物中の有機シラザン結合がＳｉＮＣＨ膜中においても保存され、その結果前記窒化ケイ素膜の密度が低下する。
【００２２】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積するＣＶＤ工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むのが好ましく、前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中のシラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されるのが好ましい。その結果、前記ＳｉＮＣＨ膜の密度および比誘電率を効果的に低減することができる。前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程により実行してもよいが、その際には、前記熱重合工程を、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行する必要がある。
【００２３】
また、本発明において前記有機Ｓｉ化合物に、Ｎ２，ＮＨ３などのＮを含む別の気相原料を供給する工程を加え、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程を、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とにより実行してもよい。かかる工程によれば、前記有機Ｓｉ化合物に印加されるプラズマパワーはわずかであり、前記有機Ｓｉ化合物気相原料中に存在していた有機シラザン構造が、形成される窒化珪素膜中に効果的に保存される。
【００２４】
また本発明において、原料中、あるいは副原料から発生する酸素を含んだＳｉＯＮＣＨ系の窒化酸化ケイ素を形成することもできるが、酸素量が４０％程度以下であれば前記窒化ケイ素膜に近い性能を得ることができる。
【００２５】
本発明の他の課題は、
基板上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜をパターニングし、開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングし、前記開口部に対応して前記層縁膜中に凹部を形成する工程と、
エッチングにより前記エッチングストッパ膜を前記開口部のみ選択的に除去する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチングストッパ膜を堆積する工程は、
前記基板を処理装置の反応室中に導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において前記基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料からＳｉＮＣＨ膜を、前記エッチングストッパ膜として、ＣＶＤ法により堆積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により、解決する。
【００２６】
本発明によれば、デュアルダマシン法による多層配線構造の形成工程において、エッチングストッパ膜として、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物原料よりＣＶＤ工程により形成されたＳｉＮＣＨ膜が形成される。かかる窒化ケイ素膜は膜中に炭化水素基を含む有機シラザン結合を保持しているため低密度・低比誘電率であり、このような低誘電率窒化ケイ素膜をエッチングストッパに使うことにより、多層配線構造の寄生容量を実質的に低減することができ、半導体装置の動作速度を向上させることができる。また、かかる低誘電率窒化ケイ素膜はエッチング耐性に優れており、デュアルダマシン工程で使われるドライエッチング工程において効果的なエッチングストッパ膜あるいはハードマスク膜として機能する。
【００２７】
本発明において、前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２、（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有するのが好ましい。また前記ＣＶＤ工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記窒化ケイ素膜中に実質的に保存されるように実行されのが好ましい。前記有機Ｓｉ化合物として、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２、（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有する化合物を使うことにより、前記ＣＶＤ工程の際に原料化合物中の炭化水素基を含む有機シラザン結合がＳｉＮＣＨ膜中においても保存され、その結果前記ＳｉＮＣＨ膜の密度が低下する。
【００２８】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積するＣＶＤ工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むのが好ましく、前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されるのが好ましい。その結果、前記ＳｉＮＣＨ膜の密度および比誘電率を効果的に低減することができる。前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程により実行してもよいが、その際には、前記熱重合工程を、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行する必要がある。
【００２９】
また、本発明において、前記有機Ｓｉ化合物に、Ｎ２，ＮＨ３などのＮを含む別の気相原料を供給する工程を加え、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程を、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とにより実行してもよい。かかる工程によれば、前記有機Ｓｉ化合物に印加されるプラズマパワーはわずかであり、前記有機Ｓｉ化合物気相原料中に存在していた有機シラザン構造が、形成される窒化ケイ素膜中に効果的に保存される。
【００３０】
また本発明において、前記層間絶縁膜上に導体層を、前記開口部を介して前記凹部を充填するように形成し、前記導体層のうち、前記層間絶縁膜上に位置する部分を化学機械研磨工程により除去する工程を行ってもよい。その際、前記導体層はＣｕ層よりなるのが好ましい。前記窒化ケイ素膜はＣｕに対して優れた拡散障壁として作用するため、Ｃｕ層から隣接する層間絶縁膜へのＣｕの拡散を効果的に抑制することができる。また、前記窒化ケイ素エッチングストッパ膜は優れたリーク電流特性を有する。
【００３１】
前記層間絶縁膜として有機絶縁膜、あるいは、Ｆ（フッ素）ドープＳｉＯ２膜を使用することにより、層間絶縁膜の容量が減少し、多層配線構造全体の寄生容量を低減することが可能になる。前記凹部を配線溝およびコンタクトホールを含むように形成することにより、複雑な配線パターンを形成することができる。
【００３２】
また本発明は上記の課題を、Ｓｉに結合した、ＣｎＨｍで表される任意の原子団を含む、ＳｉＮＣＨ系の窒化ケイ素膜により、解決する。
【００３３】
本発明によれば、前記窒化ケイ素膜は膜中に炭化水素基を含む有機シラザン結合を含み、その結果、膜の密度が低下し、膜の比誘電率が低下する。前記原子団としては、アルキル基、環状炭化水素基あるいはビニル基を使うことができる。また本発明の窒化ケイ素膜は密着性に優れ、プラズマアッシング、ドライエッチング、あるいはウェットエッチングに対する優れた耐性を有する特徴を有する。さらに窒化ケイ素膜は金属元素の拡散に対して効果的な拡散バリアとして作用し、リーク電流が少ない特徴を有する。
【００３４】
また本発明は上記の課題を、
基板と、
前記基板上に形成された多層配線構造とよりなる半導体装置において、
前記多層配線構造は、エッチングストッパ膜と、前記エッチングストッパ膜上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜中に形成された配線溝と、前記層間絶縁膜中に、前記配線溝に対応して形成されたコンタクトホールと、前記配線溝および前記コンタクトホールを充填する導体パターンとよりなり、
前記エッチングストッパ膜はＳｉＮＣＨ膜よりなり、Ｓｉに結合したＣｎＨｍで表される任意の原子団を含むことを特徴とする半導体装置により、解決する。
【００３５】
本発明によれば、前記窒化ケイ素膜は膜中に炭化水素基を含む有機シラザン結合をもち、その結果、膜の密度が低下し、膜の比誘電率が低下する。このため、かかるエッチングストッパ膜を使った多層配線構造では、寄生容量が低下し、半導体装置の動作速度が向上する。前記原子団としては、水素、アルキル基、環状炭化水素基あるいはビニル基を使うことができる。また本発明の窒化ケイ素膜は密着性に優れ、プラズマアッシング、ドライエッチング、あるいはウェットエッチングに対する優れた耐性を有する特徴を有する。また窒化ケイ素膜は、さらに金属元素の拡散に対して効果的な拡散バリアとして作用し、リーク電流が少ない特徴を有する。
【００３６】
本発明の他の課題および特徴は、図面を参照しながら以下に行う詳細な説明より明らかとなろう。
【００３７】
発明を実施する最良の態様
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例において使われるプラズマＣＶＤ装置３０の構成を示す。
【００３８】
図１を参照するに、プラズマＣＶＤ装置３０は排気口３１Ａおよびトラップ３１Ｂを介してポンプ３１Ｃにより排気される反応室３１を有し、前記反応室３１中には被処理基板３２Ａを保持する試料保持台３２が設けられる。
【００３９】
前記反応室３１中には前記試料保持台３２に対向してシャワーヘッド３３が設けられ、前記シャワーヘッド３３にはＨｅにより加圧された原料容器３４中に保持された有機Ｓｉ液体原料が、液体流量コントローラ（ＬＭＦＣ）３４Ａおよび気化器３４Ｂを順次通った後、ライン３４Ｃを介して供給されるＡｒキャリアガスと共に、第１の気相原料として供給される。
【００４０】
前記シャワーヘッド３３にはさらにＮＨ３あるいはＮ２が、ライン３５を介して第２の気相原料として供給され、前記第１および第２の気相原料は高周波源３６からの４５０ｋＨｚ〜６０ＭＨｚの高周波により励起され、プラズマを形成する。
【００４１】
かかるプラズマの形成に伴い、前記反応室３１中においては前記シャワーヘッド３３から放出されたプラズマ化した原料物質がプラズマ重合を生じ、前記基板３２Ａの表面に窒化ケイ素膜の堆積を生じる。
【００４２】
また図１の構成において、前記ポンプ３１Ｃの排気は、除害装置３１Ｄを通って環境中に排出される。
【００４３】
図２Ａ，２Ｂは、前記原料容器３４中に保持される有機Ｓｉ原料の構造式の一例を示す。このうち図２Ａの例では、前記有機Ｓｉ原料として１，１，３，３，５，５，７，７−オクタメチルシクロテトラシラザンが使われ、Ｒ１はメチル基、Ｒ２はＨで、Ｓｉ４Ｃ８Ｈ２８Ｎ４で表される化学式を有する。一方、図２Ｂの例では、ヘキサメチルジシラザン（Ｓｉ２Ｃ６Ｈ１９Ｎ）が使われるが、これらは有機シラザン結合を含む代表的な有機Ｓｉ原料の例である。シラザン結合とは、Ｓｉ−Ｎ−Ｓｉ結合を有する化合物の総称であるが、この結合にメチル基やエチル基などのアルキル基、フェニール基などの環状炭化水素基、あるいはビニル基などを付加することで、有機シラザン化合物となる。
【００４４】
有機シラザン化合物の代表的な例を表１にまとめて示す。
【００４５】
【表１】
2004507108.tif 000003
図２Ａ，２Ｂを参照するに、前記有機Ｓｉ原料はメチル基Ｍｅを有する有機シラザン結合を含み、一般式（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２あるいは（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎ（ｎは１以上の整数）で表される組成を有する。ただしＲ１，Ｒ２は一般式ＣｍＨ２ｍ＋１（ｍは０以上の整数）で表され、水素、アルキル基、フェニル基などの環状炭化水素基、ビニル基等よりなる。
【００４６】
図１のＣＶＤ装置３０においてかかる有機Ｓｉ原料を使い、前記被処理基板３２Ａとして８インチＳｉウェハを使い、前記Ｓｉウェハ上に窒化ケイ素膜の堆積を行った。ただし、前記窒化ケイ素膜の堆積の際に基板温度は２００〜４００°Ｃに設定し、またプラズマパワーを２７ＭＨｚの周波数で１００〜１０００Ｗに設定した。その他の条件を以下の表２にまとめて示す。
【００４７】
【表２】
2004507108.tif 000004
このようにして得られた窒化ケイ素膜は、実際にはＳｉＮＣＨ膜であり、３．５〜５．５の比誘電率の値を示した。
【００４８】
前記窒化ケイ素膜の比誘電率の値は、通常のプラズマＳｉＮ膜の比誘電率の値が約７〜８であることを考えると半分にまで減少している。前記堆積工程においてプラズマパワーを１００〜３００Ｗと小さく設定していくと前記シャワーヘッド３３に供給される気化した有機Ｓｉ原料が完全には分解せず、図３に示す元の有機シラザン結合が窒化ケイ素膜中により多く保存され、比誘電率が低くなる傾向にある。
【００４９】
図３Ａは、このようにして形成された窒化珪素膜の構造をＦＴ−ＩＲ法で見たものである。
【００５０】
図３Ａを参照するに、形成された窒化珪素膜中には、図２Ａ，２Ｂの有機シラザン結合に起因する炭化水素構造Ｓｉ−ＣＨ３およびＣＨ３が保存されており、その結果膜の密度が減少したと考えられる。プラズマパワーが１０００Ｗの場合と１００Ｗの場合を比較すると、ＳｉＮピークに対するＳｉ−ＣＨ３ピークの大きさは１００Ｗのほうが大きくなっており、膜中により多くのＳｉ−ＣＨ３が含まれていることがわかる。従って、前記比誘電率の低下は、かかる膜密度の減少に伴うものと考えられる。
【００５１】
図３Ｂは膜構造の一例の模式図であるが、ＳｉＮ構造に加えてＳｉ−ＣＨ３，Ｎ−Ｈ，Ｓｉ−Ｈ結合などが網目構造をなしている。このような有機シラザン原料を用いて、適切なプラズマパワーなどの条件を選ぶことで、形成可能となる。
【００５２】
このようにして得られたＳｉＮＣＨ膜は、下地膜に対して優れた密着性を有し、また優れたプラズマアッシング耐性、ドライエッチング耐性およびウェットエッチング耐性を有する。このため、本発明によるＳｉＮＣＨ膜は多層配線構造に対して適用が可能である。
【００５３】
なお、表２の条件はあくまでも代表的な例に過ぎず、本発明のＳｉＮＣＨ膜は、プラズマパワーを５０Ｗ〜２０００Ｗの範囲に設定し、基板温度を室温から５００°Ｃ位の範囲に設定し、反応室内圧を１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）〜１．３３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）の範囲に設定し、前記液体有機Ｓｉ原料の供給量を０．００１〜１０ｃｃ／ｍｉｎの範囲に設定することによっても形成することができる。
【００５４】
さらに、前記ＳｉＮＣＨ膜は、図２のプラズマＣＶＤ装置３０において、前記高周波源３５を駆動することなく、熱ＣＶＤ工程により形成することも可能である。
【００５５】
この場合には、基板温度をプラズマＣＶＤ工程におけるよりも高く設定する必要があるが、前記有機Ｓｉ原料中に含まれる有機シラザン結合が形成されるＳｉＮＣＨ膜中に効率よく残留するように、６００°Ｃ以下に保持する必要がある。
［第２実施例］
図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の第２実施例による多層配線構造を有する半導体装置の製造工程を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
図４Ａは先に説明した図１１Ａの工程に対応し、同様な積層構造が形成されているが、従来のＳｉＮよりなるエッチングストッパ膜１３の代わりに、図２のプラズマＣＶＤ装置を使い、先の図２Ａの有機Ｓｉ原料から出発して表２の条件下で形成したＳｉＮＣＨ膜をエッチングストッパ膜２３として使う。
【００５７】
図４Ｂの工程において、前記レジストパターン１８をマスクに、前記層間絶縁膜１４をドライエッチングし、前記レジスト開口部１８Ａに対応した開口部を形成する。ただし前記レジスト開口部１８Ａは、前記多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応している。さらに、前記レジストパターン１８を除去する。
【００５８】
次に図４Ｃの工程において、図４Ｂの構造上にレジスト膜１９を新たに塗布し、これをフォトリソグラフィー工程によりパターニングし、前記多層配線構造中に形成したい配線溝に対応して、レジスト開口部１９Ａを形成する。
【００５９】
次に、図４Ｄの工程において、前記レジスト膜１９をマスクに、前記レジスト開口部１９Ａにより露出された前記祖間絶縁膜１４をドライエッチングし、その後前記レジスト膜１９を除去する。かかるドライエッチングとレジスト膜除去により、前記開口部１４Ａ底部においてＳｉＮＣＨ膜２３が露出する。
【００６０】
図４Ｅの工程では、このようにして得られた構造に対してドライエッチングを行い、ＳｉＮＣＨ膜２３に、前記開口部１４Ａに対応した開口部１４Ｂを形成する。
【００６１】
さらに、図４Ｆの工程において、前記開口部１４Ｂよりなる配線溝および前記開口部１４ＡよりなるコンタクトホールをはじめにＴａ，ＴａＮ，Ｔａ／ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のバリアメタル層（図示せず）により覆った後、Ｃｕ等の導体層により充填し、さらに前記層間絶縁膜１４上の導体層をＣＭＰ法により除去することにより、図６Ｆに示すような、前記下側配線パターン１４Ｂとコンタクトホール１４Ａにおいてコンタクトした導体パターン２０が得られる。
【００６２】
前記層間絶縁膜１４としては、ＦドープＳｉＯ２膜、ＳｉＯＨ等のＨＳＱ膜、あるいは多孔質膜等の無機低誘電率絶縁膜、あるいは有機ＳＯＧ，あるいは芳香族系の低誘電率有機絶縁膜を使うのが望ましい。勿論、従来より使われている、ＣＶＤ−ＳｉＯ２膜やＳＯＧ膜を、前記層間絶縁膜１４として使うことも可能である。しかし、特に前記層間絶縁膜１４として低い比誘電率の無機あるいは有機絶縁膜を使った場合、本実施例による多層配線構造は、全体的な誘電率を低下させることが可能になり、半導体装置の高速動作に寄与する。
【００６３】
また、本実施例において前記ＳｉＮＣＨ膜２３は前記低い比誘電率と、優れた密着性、さらに優れたドライエッチング耐性の他、Ｃｕに対する優れた拡散障壁作用および低いリーク電流値を特徴とし、このため高速半導体装置の多層配線構造への適用に特に好都合である。
［第３実施例］
図５Ａ〜５Ｅは、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６４】
図５Ａを参照するに、この工程は先の図４Ａの工程と実質的に同じであるが、層間絶縁膜１６およびＳｉＮＣＨ膜２５，２７を付加している。Ｓｉ基板１０上の層間絶縁膜１１上に形成された配線層１２上に、ＳｉＮＣＨ膜２３，層間絶縁膜１４，ＳｉＮＣＨ膜２５，層間絶縁膜１６およびＳｉＮＣＨ膜２７を積層した構成の積層構造体を含み、前記積層構造体上には、レジスト開口部１８Ａを有するレジストパターン１８が形成されている。先の実施例と同様に、前記レジスト開口部１８Ａは、多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応している。
【００６５】
次に図５Ｂの工程において、まず前記ＳｉＮＣＨ膜２７を前記レジストパターン１８をマスクにドライエッチングし、前記レジスト開口部１８Ａに対応した開口部（図示せず）を形成する。
【００６６】
このようにして形成された開口部はその下の層間絶縁膜１６を露出し、次にこのように露出された層間絶縁膜１６をドライエッチングし、前記層間絶縁膜１６中に、その下のＳｉＮＣＨ膜２５を露出するように、前記レジスト開口部１８Ａに対応した開口部を形成する。さらに前記露出されたＳｉＮＣＨ膜２５に対してドライエッチングを行い、その下の層間絶縁膜１４を露出する開口部を、前記レジスト開口部１８Ａに対応して形成する。
【００６７】
さらに前記露出された層間絶縁膜１４に対してドライエッチングを行い、開口部１４Ａを層間絶縁膜１４中に、前記レジスト開口部１８Ａに対応して形成する。このようにして形成された開口部１４Ａは、前記ＳｉＮＣＨ膜２７、層間絶縁膜１６、さらにＳｉＮＣＨ膜２５および層間絶縁膜１４を貫通して延在し、前記ＳｉＮＣＨ膜２３を底部において露出する。
【００６８】
次に図５Ｃの工程において前記レジスト膜１８を除去し、図５Ｂの構造上に新たにレジスト膜１９を、前記レジスト膜１９が前記開口部１４Ａを埋めるように塗布し、図５Ｄの工程において前記レジスト膜１９をフォトリソグラフィー法によりパターニングし、前記多層配線構造中に形成したい配線溝に対応したレジスト開口部１９Ａを前記レジスト膜１９中に形成する。
【００６９】
次に図５Ｅの工程において前記レジスト開口部１９Ａを形成されたレジスト膜１９よりなるレジストパターンをマスクに、前記レジスト開口部１９Ａにより露出されたＳｉＮＣＨ膜２７に対してドライエッチングを行い、前記露出されたＳｉＮＣＨ膜２７中に、前記レジスト開口部１９Ａに対応した開口部を、層間絶縁膜１６をエッチング後前記ＳｉＮＣＨ膜２５が露出するように形成する。さらに前記レジストパターン１９を除去することで、前記層間絶縁膜１６中に、前記レジスト開口部１９Ａに対応した、すなわち多層配線構造中に形成したい配線溝に対応した開口部１６Ａを形成する。
【００７０】
前記開口部１６Ａを形成するドライエッチングは前記ＳｉＮＣＨ膜２５が露出した時点で停止するが、この後で露出したＳｉＮＣＨ膜２７，２５および２３を除去し、前記開口部１６Ａおよび１４ＡをＣｕ等の導体層により充填することにより、先に図４Ｆで説明した多層配線構造が得られる。
【００７１】
本実施例においても、前記層間絶縁膜１４および１６として、ＦドープＳｉＯ２膜、ＳｉＯＨ等のＨＳＱ膜、あるいは多孔質膜等の無機低誘電率絶縁膜、あるいは有機ＳＯＧ、あるいは芳香族系の低誘電率有機絶縁膜を使うことができ、その結果本実施例による多層配線構造では、全体的な誘電率が低下し、これにより半導体装置の動作速度が向上する。
【００７２】
本実施例においても、前記ＳｉＮＣＨ膜２３，２５，２７は前記低い比誘電率と、優れた密着性、さらに優れたドライエッチング耐性の他、Ｃｕに対する優れた拡散障壁作用および低いリーク電流値を特徴とし、このため本発明のＳｉＮＣＨ膜は高速半導体装置の多層配線構造への適用に特に好都合である。
［第４実施例］
図６Ａ〜６Ｅは、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７３】
図６Ａを参照するに、この工程は先の図５Ａの工程と実質的に同じであり、Ｓｉ基板１０上の層間絶縁膜１１上に形成された配線層１２上に、ＳｉＮＣＨ膜２３，層間絶縁膜１４，ＳｉＮＣＨ膜２５，層間絶縁膜１６およびＳｉＮＣＨ膜２７を積層した構成の積層構造体を含む。ただし本実施例では前記積層構造体上に、前記多層配線構造中に形成したい配線溝に対応したレジスト開口部２８Ａを有するレジストパターン２８が形成されている。
【００７４】
次に図６Ｂの工程において、まず前記ＳｉＮＣＨ膜２７を前記レジストパターン２８をマスクにドライエッチングし、前記レジスト開口部２８Ａに対応した開口部（図示せず）を形成する。このようにして形成された開口部はその下の層間絶縁膜１６を露出し、次にこのように露出された層間絶縁膜１６をドライエッチングし、前記層間絶縁膜１６中に、その下のＳｉＮＣＨ膜２５を露出するように、前記レジスト開口部２８Ａに対応した、すなわち形成したい配線溝に対応した開口部１６Ａを形成する。
【００７５】
次に図６Ｃの工程において前記レジスト膜２８を除去し、図６Ｂの構造上に新たにレジスト膜２９を、前記レジスト膜２９が前記開口部１６Ａを埋めるように塗布し、図６Ｄの工程において前記レジスト膜２９をフォトリソグラフィー法によりパターニングし、前記多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応したレジスト開口部２９Ａを前記レジスト膜２９中に形成する。
【００７６】
次に図６Ｅの工程において前記レジスト開口部２９Ａを形成されたレジスト膜２９よりなるレジストパターンをマスクに、前記レジスト開口部２９Ａにより露出されたＳｉＯＣＨ膜２５に対してドライエッチングを行い、前記露出されたＳｉＮＣＨ膜２５中に、前記レジスト開口部２９Ａに対応した開口部を、その下の層間絶縁膜１４が露出するように形成する。さらに前記レジストパターン２９を除去した後、前記ＳｉＮＣＨ膜２７および２５をハードマスクに、前記層間絶縁膜１４をドライエッチングし、前記層間絶縁膜１４中に、前記レジスト開口部２９Ａに対応した、すなわち多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応した開口部１４Ａを形成する。
【００７７】
前記開口部１４Ａを形成するドライエッチングは前記ＳｉＮＣＨ膜２３が露出した時点で停止するが、この後で露出したＳｉＮＣＨ膜２７，２５および２３を除去し、前記開口部１６Ａおよび１４ＡをＣｕ等の導体層により充填することにより、先に図６Ｆで説明した多層配線構造が得られる。
【００７８】
本実施例においても、前記層間絶縁膜１４および１６として、ＦドープＳｉＯ２膜、ＳｉＯＨ等のＨＳＱ膜、あるいは多孔質膜等の無機低誘電率絶縁膜、あるいは有機ＳＯＧ、あるいは芳香族系の低誘電率有機絶縁膜を使うことができ、その結果本実施例による多層配線構造では、全体的な誘電率が低下し、これにより半導体装置の動作速度が向上する。
【００７９】
本実施例においても前記ＳｉＮＣＨ膜２３，２５，２７は前記低い比誘電率と、優れた密着性、さらに優れたドライエッチング耐性の他、Ｃｕに対する優れた拡散障壁作用および低いリーク電流値を特徴とし、このため本発明のＳｉＮＣＨ膜は高速半導体装置の多層配線構造への適用に特に好都合である。
［第５実施例］
図７Ａ〜７Ｅは、本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
図７Ａを参照するに、前記Ｓｉ基板１０上の層間絶縁膜１１上に形成された配線層１２上には、ＳｉＮＣＨ膜２３，層間絶縁膜１４およびＳｉＮＣＨ膜２５が順次堆積されており、さらに前記ＳｉＮＣＨ膜２５上には前記多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応したレジスト開口部４１Ａを有するレジストパターン４１が形成されている。
【００８１】
前記レジスト開口部４１Ａにおいては前記ＳｉＮＣＨ膜２５が露出されており、前記露出されたＳｉＮＣＨ膜２５はドライエッチングされる。その結果、前記レジスト開口部４１Ａに対応して開口部２５Ａが形成される。
【００８２】
図７Ｂの工程では、さらに前記ＳｉＮＣＨ膜２５上に前記開口部２５Ａを埋めるように層間絶縁膜１６を堆積し、さらに前記層間絶縁膜１６上にＳｉＮＣＨ膜２７を堆積する。
【００８３】
次に図７Ｃの工程において前記ＳｉＮＣＨ膜２７上にレジスト膜４２を塗布し、さらに図７Ｄの工程において前記レジスト膜４２をフォトリソグラフィー工程によりパターニングし、前記多層配線構造中に形成したい配線溝に対応した開口部４２Ａを形成する。
【００８４】
さらに図７Ｅの工程において前記レジスト膜４２をマスクに、前記開口部４２Ａにより露出されたＳｉＮＣＨ膜２７をドライエッチングし、その下の層間絶縁膜１６を露出する。
【００８５】
次に、前記層間絶縁膜１６をドライエッチングすることにより、前記層間絶縁膜１６中に、前記レジスト開口部４２Ａに対応した、すなわち形成したい配線溝に対応した開口部１６Ａが形成される。前記層間絶縁膜１６のエッチングは前記ＳｉＮＣＨ膜２５が形成されている部分では、前記ＳｉＮＣＨ膜２５の露出と同時に停止するが、膜２５中に前記開口部２５Ａが形成されている部分では、ドライエッチングは前記開口部２５Ａを通ってその下の層間絶縁膜１４中に侵入し、その結果前記層間絶縁膜１４中に前記開口部２５Ａに対応した、すなわち前記多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応した開口部１４Ａが形成される。
【００８６】
前記開口部１４Ａを形成するドライエッチングは前記ＳｉＮＣＨ膜２３が露出した時点で停止するが、この後で露出したＳｉＮＣＨ膜２７，２５および２３を除去し、前記開口部１６Ａおよび１４ＡをＣｕ等の導体層により充填することにより、先に図６Ｆで説明した多層配線構造が得られる。
【００８７】
本実施例においても、前記層間絶縁膜１４および１６として、ＦドープＳｉＯ２膜、ＳｉＯＨ等のＨＳＱ膜、あるいは多孔質膜等の無機低誘電率絶縁膜、あるいは有機ＳＯＧ、あるいは芳香族系の低誘電率有機絶縁膜を使うことができ、その結果本実施例による多層配線構造では、全体的な誘電率が低下し、これにより半導体装置の動作速度が向上する。
【００８８】
本実施例においても、前記ＳｉＮＣＨ膜２３，２５，２７は低い比誘電率と、優れた密着性、さらに優れたドライエッチング耐性の他、Ｃｕに対する優れた拡散障壁作用および低いリーク電流値を特徴とし、このため本発明のＳｉＮＣＨ膜は高速半導体装置の多層配線構造への適用に特に好都合である。
［第６実施例］
図８Ａ〜８Ｅは、いわゆるクラスタードハードマスクを使った、本発明の第６実施例による多層配線構造を有する半導体装置の製造工程を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８９】
本実施例では前記配線パターン１２Ａを含む配線層１２上にＳｉＮＣＨ膜２３，層間絶縁膜１４，ＳｉＮＣＨ膜２５，層間絶縁膜１６，およびＳｉＮＣＨ膜２７が他の実施例と同様に順次積層され、さらに前記ＳｉＮＣＨ膜２７上にＳｉＯ２膜４３がプラズマＣＶＤ法により、あるいはスピンコーティングにより形成され、前記ＳｉＯ２膜４３上には、多層配線構造中に形成したいコンタクトホールに対応したレジスト開口部１８Ａを有するレジスト膜１８が形成される。前記ＳｉＮＣＨ膜２７およびＳｉＯ２膜４３は、いわゆるクラスタードハードマスク構成を形成する。
【００９０】
図８Ａの工程では、さらに前記ＳｉＯ２膜４３に対してレジスト膜１８をマスクとしてドライエッチングが施され、その結果前記ＳｉＯ２膜４３中に前記レジスト開口部１８Ａに対応してその下のＳｉＮＣＨ膜２７を露出する開口部が形成される。さらに前記露出されたＳｉＮＣＨ膜２７をドライエッチングすることにより、前記ＳｉＮＣＨ膜２７中には、図８Ｂに示すように前記レジスト開口部１８Ａに対応して前記層間絶縁膜１６を露出する開口部２７Ａが形成される。
【００９１】
図８Ｂの工程では、さらに前記ＳｉＯ２膜４３上に、前記多層配線構造中に形成したい配線溝に対応したレジスト開口部１９Ａを有するレジスト膜１９が、前記ＳｉＯ２膜４３を露出するように形成されており、図８Ｃの工程において前記露出したＳｉＯ２膜４３が、前記レジスト膜１９をマスクにドライエッチングすることにより、除去される。その際前記ＳｉＮＣＨ膜２７がエッチングストッパとして作用し、その結果図８Ｃに示すように、前記ＳｉＯ２膜４３中には、前記レジスト開口部１９Ａに対応した開口部４３Ａが、前記ＳｉＮＣＨ膜２７を露出するように形成される。
【００９２】
図８Ｃの工程では、前記ＳｉＯ２膜４３のドライエッチングと同時に、前記開口部２７Ａにおいて前記層間絶縁膜１６のドライエッチングも進行し、その結果、前記層間絶縁膜１６中に、前記開口部２７Ａに対応した開口部１６Ａが形成される。この工程では、前記ＳｉＮＣＨ膜２７がハードマスクとして使われる。前記開口部１６ＡにおいてはＳｉＮＣＨ膜２５が露出される。
【００９３】
次に、図８Ｄの工程において前記開口部４３Ａにおいて露出しているＳｉＮＣＨ膜２７および前記開口部１６Ａにおいて露出しているＳｉＮＣＨ膜２５をドライエッチングにより除去し、前記開口部４３Ａにおいて層間絶縁膜１６を、また前記開口部１６Ａにおいて層間絶縁膜１４を露出する。
【００９４】
さらに図８Ｅの工程において前記開口部４３Ａにおいて露出している層間絶縁膜１６および前記開口部１６Ａにおいて露出している層間絶縁膜１４をドライエッチングにより除去し、前記層間絶縁膜１６中に、前記レジスト開口部１９Ａに対応した、すなわち形成したい配線溝に対応した開口部１６Ｂを、また前記層間絶縁膜１４中に前記レジスト開口部１４Ａに対応した、すなわち形成したいコンタクトホールに対応した開口部１４Ａを形成する。
【００９５】
さらに図８Ｅの構造において露出したＳｉＮＣＨ膜２７，２５および２３を除去し、前記開口部１６Ａおよび１４ＡをＣｕ等の導体層により充填することにより、先に図６Ｆで説明した多層配線構造が得られる。
【００９６】
本実施例においても、前記ＳｉＮＣＨ膜２３，２５，２７は前記低い比誘電率と、優れた密着性、さらに優れたドライエッチング耐性の他、Ｃｕに対する優れた拡散障壁作用および低いリーク電流値を特徴とし、このため本発明のＳｉＮＣＨ膜は、高速半導体装置の多層配線構造への適用に特に好都合である。
［第７実施例］
図９は、本発明の第７実施例による半導体装置５０の構成を示す。
【００９７】
図９を参照するに、前記半導体装置５０は図示しない能動素子を形成されたＳｉ基板５１と、前記Ｓｉ基板５１上に前記能動素子を覆うように形成された絶縁膜５２と、前記絶縁膜５２上に形成された第１層目の配線パターン５３Ａと、前記絶縁膜５２上に前記配線パターン５３Ａを覆うように形成された層間絶縁膜５３と、前記層間絶縁膜５３上に形成された第２層目の配線パターン５４Ａと、前記層間絶縁膜５３上に前記配線パターン５４Ａを覆うように形成された層間絶縁膜５４とよりなり、前記層間絶縁膜５４の表面は窒化ケイ素パッシベーション膜５５により覆われている。
【００９８】
図１０は、前記窒化ケイ素パッシベーション膜５５の形成工程を示す。
【００９９】
図１０を参照するに、前記半導体装置５０はステップ１において前記層間絶縁膜５４が形成された時点でスピンコーター装置中に導入され、前記層間絶縁膜５４の表面に、前記パッシベーション膜５５に対応して、例えば組成が（（ＳｉＨ２ＮＨ）ｎ、ｎは１以上の整数）の有機シラザン化合物のスピンコート膜を形成する。さらにステップ１では、このようにして形成されたスピンコート膜を１００°Ｃ以下の温度でベーク処理することにより溶媒を除去し、安定した窒化ケイ素膜を形成する。
【０１００】
ただし、図１０のステップ１の工程で形成された窒化ケイ素膜は一般にＯを含むことが避けられず、本実施例ではステップ２の工程において前記半導体装置５０を例えば図２のプラズマＣＶＤ装置のようなプラズマ処理装置中に導入し、ＮＨ３，Ｎ２，Ｈ２など、ＮとＨとを含むプラズマガスにより、前記窒化ケイ素膜５５の表面を処理し、膜中のＯを部分的にＮで置換する。その際、本実施例においては、前記スピンコート膜５５中において重合が完了するよりも前にステップ２のプラズマ処理を行う。
【０１０１】
かかるプラズマ処理の結果、前記窒化ケイ素膜５５はＳｉＮＣＨあるいはＳｉＯＮＣＨで表される化学式を有し、優れた耐熱性，耐薬品性を有する膜に変化する。
【０１０２】
従来はステップ１の工程の後、Ｎ２雰囲気中において熱処理を行うことにより、所望の酸窒化ケイ素膜を得ることができるが、かかる工程では表面の十分改質に４００°Ｃを超える高い温度が必要であった。また、かかる高い温度にもかかわらず、改質の効果が不十分であった。
【０１０３】
これに対し、本実施例では前記スピンコート膜５５中の重合反応が完了するよりも前にステップ２のプラズマ処理を行うため、効果的な表面改質反応を低温で行うことが可能になる。かかるプラズマ処理は、例えばＮＨ３とＳｉＨ４とをプラズマガスに使い、基板温度を３５０°Ｃ以下に設定し、プラズマパワーを１００〜１０００Ｗ程度に設定して実行するのが好ましい。前記プラズマ処理の条件は、膜５５中のＯＨ基が減少し、Ｎの結合が増加するように設定するのが好ましい。
【０１０４】
また、本実施例では、ステップ２の工程がスピンコート膜５５中の重合反応が完了するよりも前に実行されるように、ステップ１のベーク工程を１００°Ｃ以下の温度において行っている。またステップ１およびステップ２の工程は、連続して行うことができるように、枚葉式の処理装置により行うのが好ましい。
【０１０５】
さらに、ステップ２の工程は、プラズマ処理に限定されるものではなく、ＮおよびＨを含む雰囲気中における熱処理工程により行ってもよい。例えばＮＨ３あるいはＮ２およびＨ２を含む雰囲気中において前記ステップ２の熱処理工程を、４００°Ｃ以上の温度で行うことができる。
【０１０６】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において、様々な変形・変更が可能である。
【０１０７】
産業上の利用可能性
本発明によれば、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を原料としたＣＶＤ工程により、窒化ケイ素膜を、膜中に原料中の有機シラザン結合が実質的に保存されるような条件で形成することにより、低密度で低い比誘電率を有し、優れた密着性とエッチング耐性を有し、Ｃｕ等の金属元素に対して効果的な拡散障壁として作用するＳｉＮＣＨ系の窒化ケイ素膜が得られる。また、かかる窒化ケイ素膜を使って、寄生容量の小さい多層配線構造を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例で使われるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施例で使われる有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物の構造例を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施例で使われる有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物の構造例を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施例で得られる窒化ケイ素膜の構造の一例を示す概略図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施例で得られる窒化ケイ素膜の構造の一例を示す概略図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４Ｅ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４Ｆ】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５Ｅ】本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６Ｅ】本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７Ｅ】本発明の第５実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８Ａ】本発明の第６実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の第６実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の第６実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８Ｄ】本発明の第６実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８Ｅ】本発明の第６実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図９】本発明の第７実施例による半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第７実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ａ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ｂ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ｃ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ｄ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ｅ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１Ｆ】従来の半導体装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０，５１　Ｓｉ基板
１１　ＣＶＤ膜
１２　配線層
１２Ａ，５３Ａ，５４Ａ　配線パターン
１２Ｂ　絶縁膜
１３，１５，１７，４３　エッチングストッパ膜
１４，１６，５２，５３，５４　層間絶縁膜
１４Ａ，１６Ａ，２５Ａ，４３Ａ　ハードマスク開口部
１８，１９，２８，２９，４１，４２　レジスト膜
１８Ａ，１９Ａ，２８Ａ，２９Ａ，４１Ａ，４２Ａ　レジスト開口部
２０　導体パターン
２３，２５，２７　ＳｉＮＣＨエッチングストッパ膜
５５　パッシベーション膜
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年6月24日(2002.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室中に半導体基板を導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において、前記半導体基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料から、Ｓｉ，Ｎ，Ｃ，Ｈを主なる含有元素とするＳｉＮＣＨ膜を、ＣＶＤ法により堆積する工程とよりなり、
前記ＣＶＤ工程は前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中において実質的に保たれるような条件下で実行されることを特徴とする窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項２】
前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基あるいはビニル基などより選ばれる基であり、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有することを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項３】
前記ＳｉＮＣＨ膜はＳｉ−Ｃ結合とＳｉ−Ｎ結合とを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項４】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項５】
前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記窒化ケイ素膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項６】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項７】
前記熱重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行されることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項８】
さらに前記反応室に、前記有機Ｓｉ化合物のほかに、Ｎを含む別の気相原料を供給する工程を含み、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素膜の形成方法。
【請求項９】
基板上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜をパターニングし、開口部を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチングストッパ膜を堆積する工程は、
前記基板を処理装置の反応室中に導入する工程と、
前記反応室中に、有機シラザン結合を有する有機Ｓｉ化合物を気相原料として供給する工程と、
前記反応室中において前記基板表面に、前記有機Ｓｉ化合物の気相原料からＳｉＮＣＨ膜を、前記エッチングストッパ膜として、ＣＶＤ法により堆積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１０】
前記有機Ｓｉ化合物は、Ｒ１，Ｒ２を水素、メチル基などのアルキル基、フェノール基などの環状炭化水素基、ビニル基より選ばれる基であり、ｎを１以上の整数として、（ＳｉＲ１）ｎＮＲ２，（ＳｉＲ１ＮＲ２）ｎあるいは（ＳｉＲ１（ＮＲ２）１．５）ｎで表される構造式を有することを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるように実行されることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物のプラズマ重合工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記プラズマ重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるようなプラズマパワーで実行されることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記有機Ｓｉ化合物の熱重合工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記熱重合工程は、前記有機Ｓｉ化合物中の有機シラザン結合が前記ＳｉＮＣＨ膜中に実質的に保存されるような温度で実行され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】
さらに前記反応室に、前記有機Ｓｉ化合物のほかに、Ｎを含む別の気相原料を供給する工程を含み、前記ＳｉＮＣＨ膜を堆積する工程は、前記別の気相原料のプラズマを形成する工程と、前記プラズマを前記反応室中に供給する工程とよりなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
さらに前記層間絶縁膜上に導体層を、前記開口部を介して前記凹部を充填するように形成する工程と、前記導体層のうち、前記層間絶縁膜上に位置する部分を化学機械研磨工程により除去する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記導体層はＣｕ層よりなることを特徴とする請求項１７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記層間絶縁膜は有機あるいは無機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記層間絶縁膜は有機シリコン酸化膜またはＦ（フッ素）ドープＳｉＯ２膜よりなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記凹部は配線溝およびコンタクトホールを含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
基板と、
前記基板上に形成された多層配線構造とよりなる半導体装置であって、
前記多層配線構造は、エッチングストッパ膜と、前記エッチングストッパ膜上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜中に形成された配線溝と、前記層間絶縁膜中に前記配線溝に対応して形成されたコンタクトホールと、前記配線溝および前記コンタクトホールを充填する導体パターンとよりなり、
前記エッチングストッパ膜はＳｉＮＣＨ膜よりなり、ＣｎＨｍで表される任意の原子団を含み、前記任意の原子団はＳｉ原子に結合されており、
前記ＳｉＮＣＨ膜は、膜中に環状シラザン結合を有することを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
2004507108.tif 000075