(57)【要約】【課題】比誘電率の低い層と銅拡散を防止する比誘電率が高い層を有しつつも、層間に十分な密着強度を持つ半導体装置をおよびその製造方法を提供する。【解決手段】多層構造を有する半導体装置において、第１の絶縁層１３と、第１の絶縁層に接する第２の絶縁層１２と、第１の絶縁層とは反対側で第２の絶縁層に接する第３の絶縁層１１とを含み、第２の絶縁層は、第１の絶縁層と接する第１の界面では第１の絶縁層と同じ組成をし、第３の絶縁層と接する第２の界面では第３の絶縁層と同じ組成をし、第２の絶縁層は第１の界面から第２の界面までの間で組成が連続的に変化している。【選択図】図２Ｂ
2007165395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造を有する半導体装置において、第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に接する第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層とは反対側で前記第２の絶縁層に接する第３の絶縁層とを含み、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層と接する第１の界面では前記第１の絶縁層と同じ組成をし、前記第３の絶縁層と接する第２の界面では前記第３の絶縁層と同じ組成をし、前記第２の絶縁層は前記第１の界面から前記第２の界面までの間で組成が連続的に変化していることを特徴とする多層構造を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁層は前記第３の絶縁層よりも誘電率が低いことを特徴とする請求項１に記載の多層構造を有する半導体装置。
【請求項３】
前記第１の絶縁層は、前記第３の絶縁層よりも線膨張係数が高く、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層に接する領域から前記第３の絶縁層に接する領域にかけて、線膨張係数が前記第１の絶縁層の線膨張係数から前記第３の絶縁層の線膨張係数に連続的に変化している１または２に記載の多層構造を有する半導体装置。
【請求項４】
前記第３の絶縁層は前記第１の絶縁層よりも機械的強度が高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置。
【請求項５】
前記第１の絶縁層は前記第２の絶縁層よりも酸素の濃度が高く、前記第２の絶縁層は前記第３の絶縁層よりも酸素の濃度が高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置。
【請求項６】
前記第３の絶縁層は前記第２の絶縁層よりも窒素または炭素または水素の濃度が高く、前記第２の絶縁層は前記第１の絶縁層よりも窒素または炭素または水素の濃度が高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置。
【請求項７】
複数の前記第１の絶縁層と複数の前記第３の絶縁層とが交互に配置され、前記第１の絶縁層と前記第３の絶縁層の間には前記第２の絶縁層を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の多層構造の半導体装置。
【請求項８】
積層された絶縁膜に形成された配線を有し、
前記配線の上面が前記第３の絶縁層にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の多層構造の半導体装置。
【請求項９】
前記配線から延在するビアを有し、
前記ビアの下面が前記第３の絶縁膜にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の多層構造の半導体装置。
【請求項１０】
基板に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成する工程（ｃ）とを含み、
前記工程（ｂ）では、初めは直前に形成した絶縁膜と同じ組成の絶縁膜を形成し、組成を変化させながら絶縁膜をさらに形成し、最後は直後に形成する絶縁膜と同じ組成の絶縁膜を形成することを特徴とする多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法によって前記第２の絶縁層を形成し、初めは直前の工程と同じ組成のガスを導入し、導入するガスの組成を連続的に変化させ、最後は直後の工程と同じ組成のガスを導入することを特徴とする請求項１０に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）とを交互に繰り返し行い、前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）との間に前記工程（ｂ）を行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ａ）では、ＣＶＤ法によって前記第１の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）ではＣＶＤ法によって、前記第３の絶縁層を形成し、前記工程（ａ）において導入するガスは前記工程（ｃ）において導入するガスよりも酸素の濃度が高いことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ａ）では、ＣＶＤ法によって前記第１の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）ではＣＶＤ法によって、前記第３の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）において導入するガスは前記工程（ａ）において導入するガスよりも窒素または炭素または水素の濃度が高いことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ｃ）の後に、絶縁膜に溝を形成し、前記溝を導電体を満たし、埋め込み配線を形成する工程（ｄ）を含むことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｄ）の前に、ビアホールを形成し、前記工程（ｄ）において、前記ビアホールも導電体で満たすことを特徴とする請求項１５に記載の多層構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｄ）において、前記導電体が銅または銅を含む合金であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の多層構造を有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、半導体装置およびその製造方法、特に配線形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、配線間隔が狭小化し、配線間に生じる電気寄生容量が増大してきている。高速動作が必要な半導体集積回路では、配線間の電気寄生容量を小さくすることが必要とされている。
【０００３】
従来の配線間の絶縁膜には、シリコン酸化膜（比誘電率３．９〜４．２）が多用されている。現在、配線間の電気寄生容量を低減させるために、配線間の絶縁膜の比誘電率を低減させる方法が実現され、一部の半導体集積回路では、配線間の絶縁膜として、比誘電率の小さい炭素含有シリコン酸化膜が用いられる。炭素含有シリコン酸化膜は、体積が大きなアルキル基やフェニル基として炭素を膜中に存在させることにより、シリコン酸化膜の密度を低減し、比誘電率を下げている。
【０００４】
図６は、従来の炭素含有シリコン酸化膜を配線間の絶縁膜として用いた半導体装置の配線構造図である。シリコン基板１１２に形成されたシリコン窒化膜からなる第１の絶縁膜１０１上に、タンタルナイトライドを有するバリアメタル層１０２ａおよび銅配線１０２ｂからなる第１の金属配線１０２が形成されている。第１の金属配線１０２間に、膜中炭素濃度が２０％の炭素含有シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１０３が形成されている。第２の絶縁膜１０３および第１の金属配線１０２の上方には、シリコン窒化膜からなる第３の絶縁膜１０４が形成されている。
【０００５】
第３の絶縁膜１０４上には、膜中炭素濃度が２０％の炭素含有シリコン酸化膜からなる第４の絶縁膜１０５が形成されている。第４の絶縁膜１０５中にはタンタルナイトライドを有するバリアメタル層１０６ａおよび銅配線１０６ｂからなる第２の金属配線１０６が形成されている。
【０００６】
第１の金属配線１０２と第２の金属配線１０６とは、第３の絶縁膜１０４および第４の絶縁膜１０５を介して多くの部分は分離されている。しかし、その一部は、第２の金属配線１０６から延在した導電体１０７（以下、第１のビアと称す）により物理的、電気的に接続されている。第４の絶縁膜１０５上方には、シリコン窒化膜からなる第５の絶縁膜１０８が形成されている。
【０００７】
第５の絶縁膜１０８上には、膜中炭素濃度が２０％の炭素含有シリコン酸化膜からなる第６の絶縁膜１０９が形成されている。第６の絶縁膜１０９中には、タンタルナイトライドを有するバリアメタル層１１０ａおよび銅配線１１０ｂからなる第３の金属配線１１０が形成されている。
【０００８】
第２の金属配線１０６と第３の金属配線１１０とは、第５の絶縁膜１０８および第６の絶縁膜１０９を介して多くの部分は分離されている。しかし、その一部は、第３の金属配線１１０から延在した導電体１１１（以下、第２のビアと称す）により物理的、電気的に接続されている。
【０００９】
第１の絶縁膜１０１、第３の絶縁膜１０４および第５の絶縁膜１０８であるシリコン窒化膜は、銅の酸化防止および銅拡散防止を目的とした高密度（約２．９ｇ／ｃｍ3）で酸素を含まない絶縁膜である。一方、第２の絶縁膜１０３、第４の絶縁膜１０５および第６の絶縁膜１０９である炭素含有シリコン酸化膜は、低誘電率化を目的とした低密度（約１．７ｇ／ｃｍ3）の絶縁膜である。
【００１０】
次に、上記従来の半導体装置の製造方法について、図７Ａ〜Ｈを参照しながら詳細に述べる。まず、図７Ａに示すように、シリコン基板１１２上に、モノシランとアンモニアおよび窒素を原材料として、４００℃下においてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、シリコン窒化膜からなる第１の絶縁膜１０１を５０ｎｍ堆積する。次に、トリメチルシランとヘリウムおよび酸素を原材料として、４００℃下においてプラズマＣＶＤ法により、炭素含有シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１０３を２５０ｎｍ堆積する。
【００１１】
次に、所望の配線溝パターンのレジスト（図示せず）を形成し、図７Ｂに示すように、レジストをマスクとして第２の絶縁膜１０３をエッチング除去し、第２の絶縁膜１０３に配線溝１２３を形成する。次に、図７Ｃに示すように、配線溝１２３の壁面に、スパッタ法によりタンタルナイトライドを堆積し、続いて電界めっき法により銅を堆積する。続いて、ＣＭＰ法により第２の絶縁膜１０３上端面よりも上方に位置するタンタルナイトライドおよび銅を除去し、バリアメタル層１０２ａおよび銅配線１０２ｂを規定する。
【００１２】
次に、図７Ｄに示すように、第２の絶縁膜１０３および第１の金属配線１０２上に、モノシランとアンモニアおよび窒素を原材料として、プラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜からなる第３の絶縁膜１０４を厚さ５０ｎｍで形成する。続いて、トリメチルシランとヘリウムおよび酸素を原材料に用いて炭素含有シリコン酸化膜からなる第４の絶縁膜１０５を５００ｎｍ堆積する。
【００１３】
次に、レジスト（図示せず）を所望のビアホールパターンに形成し、図７Ｅに示すように、第４の絶縁膜１０５をエッチング除去し、第４の絶縁膜１０５内に凹部１１３（以下、ビアホールと称す）を形成する。この際、第３の絶縁膜１０４はエッチング除去せずに残したままにエッチング加工を行う。
【００１４】
次に、図７Ｆに示すように、レジスト（図示せず）を所望の配線溝パターンに形成し、第４の絶縁膜１０５をエッチング除去し、配線溝１１４を形成する。この際、ビアホール１１３の下部に位置する第３の絶縁膜１０４も同時にエッチング除去し、第１の金属配線１０２の上端面を露出させる。
【００１５】
次に、図７Ｇに示すように、ビアホール１１３および配線溝１１４が形成された第４の絶縁膜１０５に、スパッタ法によりタンタルナイトライドを、続いて電界めっき法により銅を堆積する。続いて、ＣＭＰ法により第４の絶縁膜１０５上端面よりも上方に位置する銅およびタンタルナイトライドを除去し、バリアメタル層１０６ａおよび銅配線１０６ｂからなる第２の金属配線１０６および、第１の金属配線１０２と第２の金属配線１０６とを物理的，電気的に接続する第１のビア１０７を規定する。
【００１６】
さらに、図７Ｈに示すように、第６の絶縁膜１０９に第３の金属配線層１１０を形成する場合は、図７Ｄ〜図７Ｇの工程を繰り返す。
【特許文献１】特開２００３−１７５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図６に示す半導体装置には、シリコン窒化膜と炭素含有シリコン酸化膜が形成されている。シリコン窒化膜と炭素含有シリコン酸化膜は、その使用目的が大きく異なる為ため、膜物性が大きく異なる。
【００１８】
図６（ｂ）は、従来の半導体装置のＢ−Ｂ断面における線膨張係数を示す図である。ここで、炭素含有シリコン酸化膜の線膨張係数は１１ｐｐｍ／℃であり、シリコン窒化膜は２ｐｐｍ／℃である。半導体装置の製造工程では、種々の工程の処理温度が大きく異なり、配線形成工程では室温から４００℃程度の熱履歴が生じる。そのため、異種膜間の線膨張係数が大きく異なる場合、既形成界面には後の製造工程での熱履歴により、大きな内部応力が生じる。この応力に対し、異種界面間の密着性が十分である場合には、この線膨張係数差は製造工程において問題にならない。しかし、炭素含有シリコン酸化膜は他の絶縁膜との密着性が強固ではないために、炭素含有シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の界面は、線膨張係数の差に起因した、界面形成後の熱履歴による応力により密着性が劣化する。その結果、半導体装置に大きな物理的な力が加わる、組み立て工程（樹脂封じ工程）において、炭素含有シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の界面が剥離し、製造不良を引き起こす。この際、剥離界面は最も大きな熱履歴を受けている下端すなわち、製造工程のなかで初期に形成された炭素含有シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の界面（シリコン窒化膜からなる第１の絶縁膜１０１上と炭素含有シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１０３との界面もしくは、第２の絶縁膜１０３とシリコン炭化膜からなる第３の絶縁膜１０４との界面）となる場合が多い。
【００１９】
本発明は、上記問題点を解決するために、比誘電率の低い層と銅拡散を防止する比誘電率が高い層を有しつつも、層間に十分な密着強度を持つ半導体装置を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】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、多層構造を有する半導体装置において、第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に接する第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層とは反対側で前記第２の絶縁層に接する第３の絶縁層とを含み、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層と接する第１の界面では前記第１の絶縁層と同じ組成をし、前記第３の絶縁層と接する第２の界面では前記第３の絶縁層と同じ組成をし、前記第２の絶縁層は前記第１の界面から前記第２の界面までの間で組成が連続的に変化していることを特徴とする。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成する工程（ｃ）とを含み、前記工程（ｂ）では、初めは直前に形成した絶縁膜と同じ組成の絶縁膜を形成し、組成を変化させながら絶縁膜をさらに形成し、最後は直後に形成する絶縁膜と同じ組成の絶縁膜を形成することを特徴とする多層構造を有する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、比誘電率の低い層と銅拡散を防止する比誘電率が高い層を有しつつも、層間に十分な密着強度を持つ半導体装置をおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
上記本発明の半導体装置において、前記第１の絶縁層は前記第３の絶縁層よりも誘電率が低い構成にすることもできる。
【００２４】
また、前記第１の絶縁層は、前記第３の絶縁層よりも線膨張係数が高く、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層に接する領域から前記第３の絶縁層に接する領域にかけて、線膨張係数が前記第１の絶縁層の線膨張係数から前記第３の絶縁層の線膨張係数に連続的に変化している構成にすることもできる。
【００２５】
また、前記第３の絶縁層は前記第１の絶縁層よりも機械的強度が高い構成にすることもできる。
【００２６】
また、前記第１の絶縁層は前記第２の絶縁層よりも酸素の濃度が高く、前記第２の絶縁層は前記第３の絶縁層よりも酸素の濃度が高い構成にすることもできる。
【００２７】
また、前記第３の絶縁層は前記第２の絶縁層よりも窒素または炭素または水素の濃度が高く、前記第２の絶縁層は前記第１の絶縁層よりも窒素または炭素または水素の濃度が高い構成にすることもできる。
【００２８】
また、複数の前記第１の絶縁層と複数の前記第３の絶縁層とが交互に配置され、前記第１の絶縁層と前記第３の絶縁層の間には前記第２の絶縁層を含む構成にすることもできる。
【００２９】
また、積層された絶縁膜に形成された配線を有し、前記配線の上面が前記第３の絶縁層にある構成にすることもできる。
【００３０】
また、前記配線から延在するビアを有し、前記ビアの下面が前記第３の絶縁膜にある構成にすることもできる。
【００３１】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、前記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法によって前記第２の絶縁層を形成し、初めは直前の工程と同じ組成のガスを導入し、導入するガスの組成を連続的に変化させ、最後は直後の工程と同じ組成のガスを導入することもできる。
【００３２】
また、前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）とを交互に繰り返し行い、前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）との間に前記工程（ｂ）を行うこともできる。
【００３３】
また、前記工程（ａ）では、ＣＶＤ法によって前記第１の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）ではＣＶＤ法によって、前記第３の絶縁層を形成し、前記工程（ａ）において導入するガスは前記工程（ｃ）において導入するガスよりも酸素の濃度を高くすることもできる。
【００３４】
また、前記工程（ａ）では、ＣＶＤ法によって前記第１の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）ではＣＶＤ法によって、前記第３の絶縁層を形成し、前記工程（ｃ）において導入するガスは前記工程（ａ）において導入するガスよりも窒素または炭素または水素の濃度を高くすることもできる。
【００３５】
また、前記工程（ｃ）の後に、絶縁膜に溝を形成し、前記溝を導電体を満たし、埋め込み配線を形成する工程（ｄ）を含むこともできる。
【００３６】
また、前記工程（ｄ）の前に、ビアホールを形成し、前記工程（ｄ）において、前記ビアホールも導電体で満たすこともできる。
【００３７】
また、前記工程（ｄ）において、前記導電体が銅または銅を含む合金であってもよい。
【００３８】
以下、本発明の半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の配線構造を示す断面図である。シリコン基板１上には第１の絶縁膜２が形成され、第１の絶縁膜２の上には第２の絶縁膜３ａが形成され、第２の絶縁膜３ａの上には第３の絶縁膜４ａが形成されている。第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜３ａおよび第３の絶縁膜４ａは、厚さは異なるものの、それぞれ後述するような同様の積層構造である。
【００４０】
第１の絶縁膜２内には、銅配線５ｂをタンタルナイトライドを有するバリアメタル層５ａにより囲んで形成された金属配線５が埋め込まれて形成されている。第１の金属配線５の上端面は、第１の絶縁膜２の上端面と同一平面内に位置している。
【００４１】
第２の絶縁膜３ａ内には、銅配線６ｂをタンタルナイトライドを有するバリアメタル層６ａにより囲んで形成された金属配線６が埋め込まれている。第２の金属配線６の上端面は、第２の絶縁膜３ａの上端面と同一平面内に位置している。第１の金属配線５と第２の金属配線６は、多くの部分が第２の絶縁膜３ａにより分離されている。しかし、その一部は、タンタルナイトライドおよび銅からなり、第２の金属配線６に接続された導電体７（以下、第１のビアと称す）により物理的、電気的に接続されている。
【００４２】
第３の絶縁膜４ａ内には、銅配線８ｂをタンタルナイトライドを有するバリアメタル層８ａにより囲んで形成された金属配線８が埋め込まれて形成されている。第３の金属配線８の上端面は、第３の絶縁膜４ａの上端面と同一平面内に位置している。第２の金属配線６と第３の金属配線８は、多くの部分が第３の絶縁膜４ａにより分離されている。しかし、その一部は、タンタルナイトライドおよび銅からなり、第３の金属配線８に接続された導電体９（以下、第２のビアと称す）により物理的、電気的に接続されている。
【００４３】
図２Ａは、第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜３ａおよび第３の絶縁膜４ａのそれぞれの構成を示す断面図である。下部シリコン炭窒化膜領域１１（下端領域）上には、下部遷移領域１２を介して炭素含有シリコン酸化膜領域１３（中間領域）が形成されている。炭素含有シリコン酸化膜領域１３の上には、上部遷移領域１４を介して上部シリコン炭窒化膜領域１５（上端領域）が形成されている。下部シリコン炭窒化膜領域１１は、シリコン炭窒化膜で構成される。シリコン炭窒化膜は、Ｃｕの拡散を防止する目的に用いられている膜であり、線膨張係数が小さい（線膨張係数：３ｐｐｍ／℃）。炭素含有シリコン酸化膜領域１３は、炭素含有シリコン酸化膜で構成され、炭素含有シリコン酸化膜は、低誘電率の層間絶縁膜であり、線膨張係数が大きい（線膨張係数：１１ｐｐｍ／℃）。
【００４４】
下部遷移領域１２は、下部シリコン炭窒化膜領域１１の組成から炭素含有シリコン酸化膜領域１３の組成へ連続して単調に変化する。上部遷移領域１４は、炭素含有シリコン酸化膜領域１３の組成から上部シリコン炭窒化膜領域１５の組成へ連続して単調に変化する。
【００４５】
図２Ｂは、第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜３ａおよび第３の絶縁膜４ａの膜組成プロファイルの一例を示すグラフである。横軸は膜の位置を示し、縦軸は組成（ａｔｍ％）を示す。線３１ａは水素、線３２ａはシリコン、線３３ａは炭素、線３４ａは窒素、線３５ａは酸素の絶縁膜中の割合を示す。なお、第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜３ａおよび第３の絶縁膜４ａは必ずしも同じ厚さとは限らないので、横軸の値を付さない。
【００４６】
図１（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体装置のＡ−Ａ断面における絶縁膜の縦方向の線膨張係数を示すグラフである。図１（ｂ）に示す線膨張係数は、材料間の密着性を決定する重要な膜特性の一つである。
【００４７】
本実施の形態に係る半導体装置は、絶縁膜（特に絶縁膜界面）において線膨張係数の不連続面が生じていない。すなわち、配線形成工程で加えられる室温から４００℃の間の熱履歴により生じる内部応力が絶縁膜の界面に集中せずに、絶縁膜の組成が変化する遷移領域内で分散する。そのため、本発明の半導体装置は、従来の半導体装置の配線構造に比べ、異なる組成の絶縁膜界面の密着性が著しく向上する。その結果、線膨張係数の大きな低誘電率絶縁膜である炭素含有シリコン酸化膜を用いつつも、密着性を十分確保することができる。
【００４８】
以上のような構成の半導体装置について、その製造方法を、図３Ａ〜３Ｇを参照しながら説明する。図３Ａ〜３Ｇは、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００４９】
まず、図３Ａに示すように、シリコン基板１上に、第１の絶縁膜２を形成する。第１の絶縁膜２の形成方法について、以下に述べる。まず、シリコン基板１上にプラズマＣＶＤ法を用いて、下部シリコン炭窒化膜領域１１（線膨張係数：小）（図２参照）を形成する。具体的には、テトラメチルシラン、アンモニアおよびヘリウムをそれぞれ、５００ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍ、５０００ｓｃｃｍの流量で成膜チャンバー内に供給し、４００℃のステージ上において、高周波電力を印加する。厚さ５０ｎｍの下部シリコン炭窒化膜領域１１を形成した後、放電を維持したまま、アンモニア流量を徐々に０ｓｃｃｍに変化させて行くと同時に、新たなガスとして酸素を７００ｓｃｃｍまで徐々に増加させる。この遷移状態において、厚み方向にＳｉＣＮＯの組成が変化する下部遷移領域１２を厚さ２０ｎｍ程度で形成する。
【００５０】
アンモニアと酸素の置換が完了した後に、さらに放電を維持して炭素含有シリコン酸化膜領域１３（線膨張係数：大、誘電率：低）を厚さ２００ｎｍで形成する。その後、酸素流量を徐々に０ｓｃｃｍに変化させると同時に、新たなガスとしてアンモニアを０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍまで徐々に増加する。この遷移状態において、上述の下部遷移領域１２と反対に組成が変化する上部遷移領域１４を厚さ２０ｎｍ程度で形成する。酸素とアンモニアの置換が完了した後に、上部シリコン炭窒化膜領域１５（線膨張係数：小）を厚さ５０ｎｍで形成する。上記の工程により第１の絶縁膜２を形成する。
【００５１】
次に、所望の配線溝パターン形状のレジスト（図示せず）を形成し、第１の絶縁膜２をエッチング除去し、レジストを取り除き、第１の絶縁膜２に配線溝を形成する。続いて、図３Ｂに示すように、この配線溝の側壁にスパッタ法によりタンタルナイトライドを形成し、続いて電界めっき法により銅を埋める。続いて、ＣＭＰ法により第１の絶縁膜２の上端面よりも上方に形成された銅およびタンタルナイトライドを除去し、タンタルナイトライドを有するメタルバリア層５ａおよび銅配線５ｂからなる第１の金属配線５を規定する。
【００５２】
次に、図３Ｃに示すように、第２の絶縁膜３を形成する。第２の絶縁膜３の形成方法は、第１の絶縁膜２の形成方法における炭素含有シリコン酸化膜領域１３を、厚さ５４０ｎｍに形成する以外は同様の方法である。
【００５３】
次に、図３Ｄに示すように、所望のビアホールのパターン形状のレジスト（図示せず）を形成し、第２の絶縁膜３ａをエッチング除去し、レジストを取り除き、第２の絶縁膜３ａ内に凹部２１（以下、ビアホールと称す）を形成する。この際、第２の絶縁膜３ａの下部シリコン炭窒化膜層領域１１を除去しないようにエッチング加工する。
【００５４】
次に、図３Ｅに示すように、所望の配線溝のパターン形状のレジスト（図示せず）を形成し、第２の絶縁膜３ａをエッチング除去し、レジストを取り除き、第２の絶縁膜３ａに配線溝２２を形成する。この際、ビアホール２１の下部に位置する第２の絶縁膜３ａの下部シリコン炭窒化膜１１も同時にエッチング除去し、第１の金属配線５の上端面を露出させる。
【００５５】
次に、図３Ｆに示すように、配線溝２２の側壁にスパッタ法によりタンタルナイトライドを形成し、続いて電界めっき法により配線溝２２に銅を埋める。次に、ＣＭＰ法により第２の絶縁膜３ａの上端面よりも上方に形成された銅およびタンタルナイトライドを除去する。これにより、タンタルナイトライドを有するメタルバリア層６ａおよび銅配線６ｂからなる第２の金属配線６および、第１の金属配線５と第２の金属配線６とを物理的、電気的に接続する第１のビア７を規定する。
【００５６】
さらに、図３Ｇに示すように、第３の絶縁膜４ａを形成し、第３の絶縁膜４ａ内に、第３の金属配線８および第２の金属配線６と第３の金属配線８を物理的、電気的に接続する第２のビア９を図３Ｃ〜図３Ｆに示す工程を行うことにより形成する。また、必要に応じて、図３Ｃ〜図３Ｆに示す工程をさらに繰り返し、金属配線を備えた絶縁膜を形成する。
【００５７】
以上のように本実施の形態に係る半導体装置は、第１の絶縁膜２と第２の絶縁膜３ａとの界面は同一膜特性（シリコン炭窒化膜）で接触する。同様に、第２の絶縁膜３ａと第３の絶縁膜４ａとの界面も同一膜特性（シリコン炭窒化膜）で接触する。
【００５８】
また、異種組成膜領域間の界面において、組成が連続して変化する遷移領域を設ける。このことにより、線膨張係数の差により生じる応力を分散できるため、絶縁層が剥離することを防止することができる。
【００５９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。図４（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図４（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置のＢ−Ｂ断面における絶縁膜の縦方向のヤング率を示すグラフである。図５Ａは、本実施形態の第２の絶縁膜３ｂまたは第３の絶縁膜４ｂの構成を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、第２の絶縁膜３ｂ、および第３の絶縁膜４ｂの構成が第１の実施形態に係る半導体装置の第２の絶縁膜３ａ、および第３の絶縁膜４ａと異なる。その他の構成は、第１の実施形態に係る半導体装置と同一の構成であり、同一の構成要素に対して同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図５Ａは、第２の絶縁膜３ｂまたは第３の絶縁膜４ｂの構成を示す断面図である。第２の絶縁膜３ｂおよび第３の絶縁膜４ｂは、図２Ａに示す第１の実施の形態における第２の絶縁膜３ａの炭素含有シリコン酸化膜領域１３に、図５Ａに示すように、下部挿入遷移領域１６（下部中間領域）、挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７（挿入領域）および上部挿入遷移領域１８（上部中間領域）を設けた構成である。
【００６１】
図５Ｂは、第２の絶縁膜３ｂおよび第３の絶縁膜４ｂの縦方向における膜組成を示すグラフである。線３１ｂは水素、線３２ｂはシリコン、線３３ｂは炭素、線３４ｂは窒素、線３５ｂは酸素の絶縁膜の組成割合を示す。
【００６２】
下部遷移領域１２は、下部シリコン炭窒化膜領域１１の組成から下部炭素含有シリコン酸化膜領域１３ａの組成へ連続して単調に変化する。下部挿入遷移領域１６は、下部炭素含有シリコン酸化膜領域１３ａの組成から挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７の組成へ連続して単調に変化する。上部挿入遷移領域１８は、挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７の組成から上部炭素含有シリコン酸化膜領域１３ｂの組成へ連続して単調に変化する。下部遷移領域１４は、上部炭素含有シリコン炭窒化膜領域１３ｂの組成から上部炭素含有シリコン酸化膜領域１５の組成へ連続して単調に変化する。
【００６３】
挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７は、第２の金属配線６の下端面に接して形成される。
【００６４】
ここで、シリコン炭窒化膜は銅の拡散防止をする目的に用いられている膜であり、図４（ｂ）に示すように、機械強度が強く（ヤング率：８５ＧＰａ）、図１（ｂ）に示すように、線膨張係数が小さい（線膨張係数：３ｐｐｍ／℃）。また、炭素含有シリコン酸化膜は低誘電率の層間絶縁膜であり、機械強度が弱く（ヤング率１０ＧＰａ）、線膨張係数が大きい（線膨張係数：１１ｐｐｍ／℃）。
【００６５】
本実施の形態に係る半導体装置は、機械強度の小さい下部炭素含有シリコン酸化膜領域１３ａ（ヤング率１０ＧＰａ）および上部炭素含有シリコン酸化膜領域１３ｂ間に挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７（ヤング率８５ＧＰａ）を設けている。このことにより、挿入領域１７を設けない場合に比べて、図４（ｂ）に示すように、ヤング率が高い領域が増え、全体として、従来の半導体装置の配線に比べ機械強度の大きくすることができる。
【００６６】
以上のように本実施形態に係る半導体装置は、炭素含有シリコン酸化膜領域に、機械強度の大きい炭素含有シリコン炭窒化膜領域１７を設ける。このことにより、機械強度を向上することができる。
【００６７】
また、第１の絶縁膜２と第２の絶縁膜３ｂとの界面は同一膜特性（シリコン炭窒化膜）である。同様に、第２の絶縁膜３ｂと第３の絶縁膜４ｂとの界面も同一膜特性（シリコン炭窒化膜）で接触する。このことにより、界面における剥離を防ぐことができる。
【００６８】
また、異種組成膜領域間の界面において、組成が連続して変化する遷移領域を設けることにより、線膨張係数の差により生じる応力を分散できるため、層間において剥離することを防止することができる。従って、従来の半導体装置に比べて絶縁膜界面の密着性が著しく向上する。
【００６９】
なお、本実施形態１および２において、上部遷移領域１４、下部遷移領域１２、上部挿入遷移領域１８および下部挿入遷移領域１６を組成が単調に変化するとしたが、必ずしも単調である必要はない。
【００７０】
また、銅配線５ｂ、６ｂ、８ｂ、第１のビア７および第２のビア９は、必ずしも銅で構成される必要はなく、例えば、銅を含む合金であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の半導体装置は、形成される絶縁膜間の線膨張係数の違いにより生じる応力により絶縁膜が剥離することを防ぐことができるという利点を有し、半導体回路として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）断面図、（ｂ）（ａ）の断面における線膨張係数を示すグラフ
【図２Ａ】同上半導体装置の絶縁膜の構成を示す断面図
【図２Ｂ】同上半導体装置の断面における組成を示すグラフ
【図３Ａ】同上半導体装置の製造工程を示す断面図
【図３Ｂ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図３Ｃ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図３Ｄ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図３Ｅ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図３Ｆ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図３Ｇ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）断面図、（ｂ）（ａ）の断面における線膨張係数を示すグラフ
【図５Ａ】同上半導体装置の第２絶縁膜の構成を示す断面図
【図５Ｂ】同上半導体装置の断面における組成を示すグラフ
【図６】従来の半導体装置の構成を示す（ａ）断面図、（ｂ）（ａ）の断面における線膨張係数を示すグラフ
【図７Ａ】従来の半導体装置の製造工程を示す断面図
【図７Ｂ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｃ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｄ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｅ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｆ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｇ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【図７Ｈ】同上半導体装置の次の工程を示す断面図
【符号の説明】
【００７３】
１  シリコン基板
２  第１の絶縁膜
３ａ、３ｂ  第２の絶縁膜
４ａ、４ｂ  第３の絶縁膜
５  第１の金属配線
５ａ、６ａ、８ａ  メタルバリア層
５ｂ、６ｂ、８ｂ  銅配線
６  第２の金属配線
７  第１のビア
８  第３の金属配線
９  第２のビア
１１  下部シリコン炭窒化膜領域
１２  下部遷移領域
１３  炭素含有シリコン酸化膜領域
１３ａ  下部炭素含有シリコン酸化膜領域
１３ｂ  上部炭素含有シリコン酸化膜領域
１４  上部遷移領域
１５  上部シリコン炭窒化膜領域
１６  下部挿入遷移領域
１７  挿入炭素含有シリコン炭窒化膜領域
１８  上部挿入遷移領域
２１  ビアホール
２２  配線溝
【図１】
2007165395.tif 000003
【図２Ａ】
2007165395.tif 000004
【図２Ｂ】
2007165395.tif 000005
【図３Ａ】
2007165395.tif 000006
【図３Ｂ】
2007165395.tif 000007
【図３Ｃ】
2007165395.tif 000008
【図３Ｄ】
2007165395.tif 000009
【図３Ｅ】
2007165395.tif 000010
【図３Ｆ】
2007165395.tif 000011
【図３Ｇ】
2007165395.tif 000012
【図４】
2007165395.tif 000013
【図５Ａ】
2007165395.tif 000014
【図５Ｂ】
2007165395.tif 000015
【図６】
2007165395.tif 000016
【図７Ａ】
2007165395.tif 000017
【図７Ｂ】
2007165395.tif 000018
【図７Ｃ】
2007165395.tif 000019
【図７Ｄ】
2007165395.tif 000020
【図７Ｅ】
2007165395.tif 000021
【図７Ｆ】
2007165395.tif 000022
【図７Ｇ】
2007165395.tif 000023
【図７Ｈ】
2007165395.tif 000024