(57)【要約】【課題】生産性の低下を抑制しつつ、配線部分の抵抗の増大を抑制することができるとともに、電気的なリークの発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】層間絶縁膜としてポーラス状の低誘電率膜を有する半導体装置を基板上に形成する半導体装置の製造方法であって、前記基板に前記低誘電率膜を形成する低誘電率膜形成工程と、エッチングにより前記低誘電率膜にトレンチ又はホールを形成するエッチング工程と、前記トレンチ又はホール内に、ニトロ化合物のプラズマを作用させて前記低誘電率膜のエッチングにより露出された面を改質する改質工程と、前記トレンチ又はホール内に導体を充填する導体形成工程と、を具備している。【選択図】図１
2012015411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜としてポーラス状の低誘電率膜を有する半導体装置を基板上に形成する半導体装置の製造方法であって、
前記基板に前記低誘電率膜を形成する低誘電率膜形成工程と、
エッチングにより前記低誘電率膜にトレンチ又はホールを形成するエッチング工程と、
前記トレンチ又はホール内に、ニトロ化合物のプラズマを作用させて前記低誘電率膜のエッチングにより露出された面を改質する改質工程と、
前記トレンチ又はホール内に導体を充填する導体形成工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
前記ニトロ化合物が、ニトロメタンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法であって、
前記低誘電率膜の下層に、銅からなる配線層が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
前記改質工程において前記基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
内部に前記基板を収容可能とされた処理チャンバーと、
前記処理チャンバー内に配置され、前記基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、
前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配置された上部電極と、
前記上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するための高周波電源と、
を具備したプラズマ処理装置によって、前記改質工程を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
層間絶縁膜としてポーラス状の低誘電率膜を有する半導体装置であって、
エッチングにより前記低誘電率膜に形成された配線導体埋め込み用のトレンチ又はホールの内壁に、ニトロ化合物のプラズマを作用させる改質処理によって形成された改質層が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置であって、
前記ニトロ化合物が、ニトロメタンであることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の製造分野では、層間絶縁膜等の絶縁膜として、ＳｉＣＨＯ系等の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が使用されている。このようなＳｉＣＨＯ系の低誘電率膜等は、気孔を形成させポーラス状にし、その気孔率をさらに増加させることによって、誘電率のさらなる低下を図ることが考えられている。
【０００３】
上記のようなポーラス状の低誘電率膜では、プラズマエッチング等によってトレンチ又はホールを形成した場合、プラズマに晒されたトレンチ又はホールの内壁部等がダメージを受けて変質する。このため、例えば、ハイドロカーボンからなる回復剤を接触させてダメージを回復する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、上記のようにポーラス状の低誘電率膜にトレンチ又はホールを形成した場合、そのトレンチ又はホールの内壁部では、気孔（ｐｏｒｅ）が露出した状態となる。このため、内壁部のラフネスが増加し、ここに埋め込まれるバリアメタル或いは銅配線の抵抗上昇の原因となる場合がある。また、特に気孔が独立気孔ではなく連続気孔である場合、この連続気孔を伝わって配線用の金属が低誘電率膜の内部にまで拡散して電気的なリークの発生原因となる場合もある。このため、低誘電率膜の露出部にＣＶＤ等によってシーリング層を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１０７７４号公報
【特許文献２】特開２００８−５０９５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のとおり、半導体装置にポーラス状の低誘電率膜を用いた場合、配線金属を埋め込むためのトレンチ又はホールを低誘電率膜に形成すると、そのトレンチ又はホール内の側壁に気孔が露出した状態となる。このため、気孔内に金属が拡散して電気的なリークが発生し易くなるという問題や、側壁部のラフネスが増大して配線抵抗が増大する等の問題があった。このような問題は、気孔率を増大させて低誘電率化を図った場合、さらに深刻化する懸念がある。
【０００７】
また、このような問題を回避するためにＣＶＤ等によりシーリング層を形成する方法では、トレンチ又はホールの底部に露出している下層の銅配線の上にもシーリング層が形成されてしまうため、この銅配線上のシーリング層を除去するためのシーリング層除去工程が必要になり、工程増加による生産性の低下が生じるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、生産性の低下を抑制しつつ、配線部分の抵抗の増大を抑制することができるとともに、電気的なリークの発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、層間絶縁膜としてポーラス状の低誘電率膜を有する半導体装置を基板上に形成する半導体装置の製造方法であって、前記基板に前記低誘電率膜を形成する低誘電率膜形成工程と、エッチングにより前記低誘電率膜にトレンチ又はホールを形成するエッチング工程と、前記トレンチ又はホール内に、ニトロ化合物のプラズマを作用させて前記低誘電率膜のエッチングにより露出された面を改質する改質工程と、前記トレンチ又はホール内に導体を充填する導体形成工程と、を具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の一態様は、層間絶縁膜としてポーラス状の低誘電率膜を有する半導体装置であって、エッチングにより前記低誘電率膜に形成された配線導体埋め込み用のトレンチ又はホールの内壁に、ニトロ化合物のプラズマを作用させる改質処理によって形成された改質層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、生産性の低下を抑制しつつ、配線部分の抵抗の増大を抑制することができるとともに、電気的なリークの発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す図。
【図２】改質処理によるシート抵抗値の相違を調べた結果を示すグラフ。
【図３】改質処理によるリーク電流値の相違を調べた結果を示すグラフ。
【図４】改質処理によるＸＰＳの結果の相違を示すグラフ。
【図５】改質処理に使用するプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置製造方法の工程を説明するための半導体ウエハＷの要部断面概略構成を示す図である。本実施形態では、図１に示すように、下層の銅配線１０１等が形成された半導体ウエハＷ上に、ポーラス状の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）１０２を形成する（図１（ａ））。
【００１４】
上記ポーラス状の低誘電率膜１０２としては、例えば、Black Diamond（登録商標：Applied Materials社製）、或いはAurora（登録商標：ＡＳＭ社製）等を使用することができる。
【００１５】
次に、ポーラス状の低誘電率膜１０２の所定部位に、下層の銅配線１０１の所定部位が露出するように、トレンチ（又はホール）１０３を形成する（図１（ｂ））。この工程は、所定形状にパターニングしたフォトレジスト等をマスクとしたプラズマエッチング等によって行う。この工程が終了した状態では、トレンチ（又はホール）１０３内の内壁部分の気孔が露出した状態となっており、したがってこの部分のラフネス（roughness）も大きな状態となっている。
【００１６】
次に、上記したトレンチ（又はホール）１０３内の内壁部分の露出された面を改質して改質層１０４を形成する改質工程（気孔を塞ぐシーリング工程）を行う（図１（ｃ））。この工程では、トレンチ（又はホール）１０３内の内壁部分の露出された面に、強い電子吸引性を有するニトロ基を有するニトロ化合物のプラズマを作用させる。この工程で使用するニトロ化合物としては、ニトロメタンを好適に使用することができるが、ニトロエタン、ニトロプロパン等であってもよい。この工程の詳細については、後述する。
【００１７】
この後、内壁部分の露出面を改質したトレンチ（又はホール）１０３内に、配線金属としての銅を充填、又はバリア層を形成した後銅を充填して、下層の銅配線１０１と電気的に接続された配線層１０５を形成する（図１（ｄ））。
【００１８】
上記のように本実施形態では、ニトロ化合物のプラズマを作用させ、低誘電率膜１０２の内壁部分の露出面に改質層１０４を形成して内壁面の気孔を塞いだ状態、つまりこの部分のラフネスを低減した状態で、配線層１０５を形成するための銅等を充填している。このため、配線層１０５の抵抗を低減することができ、また、低誘電率膜１０２の気孔内に配線のための金属が拡散して電気的なリークが発生することを防止することができる。
【００１９】
図２は、縦軸をシート抵抗（ｏｈｍ／ｓｑ）としたグラフであり、図中左側端部が改質処理等を行わなかった場合、右側端部が温度１６０℃でニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合、右側端部から２番目が温度１２０℃でニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合のシート抵抗値を示している。なお、シート抵抗値の測定及び後述するリーク電流の測定は、ＣＦ系ガスでエッチング、ＣＯガスでアッシングしたブランケットのポーラス状の低誘電率膜に、バリアメタルを形成して行った。また、図２中、左側端部から２，３，４番目は、夫々プラズマを用いずに、ニトロメタン雰囲気中で、温度１００℃、１２０℃、１６０℃の熱処理を行った場合のシート抵抗値を示している。
【００２０】
同図に示すように、ニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合、改質処理を行わなかった場合に比べて、明らかにシート抵抗値が低減していることが分かる。この際、処理温度が１６０℃の場合より１２０℃の方が、シート抵抗値の低減効果が大きくなっている。また、プラズマを使用せずに、単にニトロメタン雰囲気中で熱処理を行った場合、温度１２０℃では若干シート抵抗値の低減効果が見られるが、他の温度ではほとんど効果がない。したがって、シート抵抗値の低減のためには、ニトロメタンのプラズマによる改質処理を行うことが好ましい。
【００２１】
図３は、縦軸を１ＭＶ／ｃｍの電圧を印加した際のリーク電流（Ａ／ｃｍ２）としたグラフであり、図中左側端部が改質処理等を行わなかった場合、右側端部が温度１６０℃でニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合、右側端部から２番目が温度１２０℃でニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合のリーク電流値を示している。
【００２２】
同図に示すように、ニトロメタンのプラズマによる改質処理を行った場合、改質処理を行わなかった場合に比べて、明らかにリーク電流値が低減していることが分かる。この際、処理温度が１６０℃の場合より１２０℃の方が、リーク電流値の低減効果が大きくなっている。また、プラズマを使用せずに、単にニトロメタン雰囲気中で熱処理を行った場合（左端から２〜４番目）、温度１２０℃、１６０℃では若干リーク電流値の低減効果が見られるが、１００℃ではほとんど効果がなく、またプラズマを用いた場合より効果が低くなっている。したがって、リーク電流の低減のためにも、ニトロメタンのプラズマによる改質処理を行うことが好ましい。
【００２３】
上記のような改質処理によるシート抵抗値の低減効果、リーク電流の低減効果は、ニトロ化合物以外の物質、例えばアセトニトリル、或いは１，１，１−トリフルオロ−２−ヨードエタン等のプラズマを用いた場合も得ることができる。しかし、これらの物質を使用すると、下層の銅配線の上に堆積物が生じるので、このような堆積物を除去する必要が生じる。
【００２４】
図４は、縦軸を強度、横軸を結合エネルギーとして、上記のニトロメタン、アセトニトリル、１，１，１−トリフルオロ−２−ヨードエタンのプラズマを用いて改質処理を行った場合と改質処理前のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）の結果を示すグラフである。同図に符号Ｂ−Ｌ、Ｂ−Ｈで示す曲線は、ニトロメタンを用いた場合を示している。これらの曲線Ｂ−Ｌ、Ｂ−Ｈで示されるように、ニトロメタンを用いた場合、ＸＰＳの結果は改質処理前（図中のイニシャルの曲線）とほとんど変わらない。一方、アセトニトリル（図中曲線Ａ−Ｌ、Ａ−Ｈで示す）を用いた場合、１，１，１−トリフルオロ−２−ヨードエタン（図中曲線Ｃ−Ｌ、Ｃ−Ｈで示す）を用いた場合、銅の検出ピークの値が改質処理前と比べて明らかに低下しており、銅の上に何らかの堆積物が生じていることがわかる。したがって、配線金属を充填する前に、この堆積物を除去するための除去プロセスを行う必要がある。なお、符号Ｂ−Ｌ等のＬは、プラズマソース電力が低い３０Ｗの場合を示し、符号Ｂ−Ｈ等のＨは、プラズマソース電力が高い１５０Ｗの場合を示している。
【００２５】
以上のように、ニトロメタン等のニトロ化合物を用いて改質処理を行った場合、メタン等と窒素酸化物のガスのみが副生成物となり、銅配線上に堆積物が堆積することがないので、別に堆積物の除去プロセスを行うことなく、配線金属の充填又はバリア層の形成を行うことができる。したがって、生産性が低下することを抑制することができる。
【００２６】
次に、上記のニトロ化合物のプラズマによる改質処理を行うためのプラズマ処理装置の構成例について説明する。図５は上記の改質処理に使用することのできるプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置）の断面概略構成を模式的に示す図である。
【００２７】
プラズマ処理装置１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー（処理容器）２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。処理チャンバー２内の底部にはセラミックスなどの絶縁板３を介して、被処理物、例えば半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。さらに、このサセプタ支持台４の上には、下部電極を兼ねたサセプタ（載置台）５が設けられている。このサセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２８】
サセプタ支持台４の内部には、温調媒体室７が設けられており、この温調媒体室７には、温調媒体が導入管８を介して導入されて循環し排出管９から排出される。そして、その温調媒体の熱がサセプタ５を介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。
【００２９】
サセプタ５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２を配置して構成されている。そして、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷを静電吸着する。
【００３０】
絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００３１】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されている。
【００３２】
サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ５との対向面を形成する。
【００３３】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理のための処理ガスが供給される。
【００３４】
処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開いた状態で、半導体ウエハＷを隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送する。
【００３５】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、１３．５６〜１００ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。
【００３６】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理基板である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば１〜１０ＭＨｚの範囲が好ましい。
【００３７】
図５に示すように、上記構成のプラズマ処理装置１は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマ処理装置１の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。
【００３８】
ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
【００３９】
記憶部６３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマ処理装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能な記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００４０】
上記構成のプラズマ処理装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマ処理を行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００４１】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定の処理ガス（例えば、ニトロメタン＋Ａｒ）が、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図５の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。
【００４２】
そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）、所定の電力（例えば３０Ｗ）の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。
【００４３】
本実施形態におけるプラズマ処理（改質処理）では、第２の高周波電源５０からの高周波電力の印加は行わないが、必要に応じて第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチング処理等の異方性が高められる。
【００４４】
そして、所定のプラズマ処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０１……下層の銅配線、１０２……ポーラス状の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）、１０３……トレンチ（又はホール）、１０４……改質層、１０５……配線層、Ｗ……半導体ウエハ。
【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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