(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被成膜基板上にバリア絶縁膜と比誘電率３．２以下の低誘電率を有する絶縁膜とをプラズマＣＶＤ法により形成する半導体装置の製造方法であって、
成膜ガスをプラズマ化する手段として、前記被成膜基板を保持する第１の電極と、該第１の電極と対向する第２の電極とからなる平行平板型の電極を準備する工程と、
少なくともシリコン含有ガスと酸素含有ガスとを含む第１の成膜ガスを前記第１の電極と第２の電極の間に導入する工程と、
１００kHz乃至１MHzの範囲の周波数ｆ１の電力を前記第１の電極に印加して、前記第１の成膜ガスをプラズマ化し、反応させて、前記被成膜基板上に前記バリア絶縁膜を形成する工程と、
少なくとも前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスとを含む第２の成膜ガスを前記第１の電極と第２の電極の間に導入する工程と、
前記第１の電極には電力を印加せずに、１MHz以上の周波数ｆ２の電力を前記第２の電極に印加して、前記第２の成膜ガスをプラズマ化し、反応させて、前記バリア絶縁膜上に前記低誘電率を有する絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記バリア絶縁膜を形成する際の成膜ガスのガス圧力を維持したまま引き続き前記バリア絶縁膜上に前記低誘電率を有する絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記バリア絶縁膜は比誘電率４以上を有することを特徴とする請求項１又は２の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の成膜ガス及び第２の成膜ガスのうち、前記シリコン含有ガスはシロキサン結合を有するアルキル化合物であり、前記酸素含有ガスはＮ2Ｏ，Ｈ2Ｏ又はＣＯ2のうち何れか一であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記シロキサン結合を有するアルキル化合物は、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ：(CH3)3Si-O-Si(CH3)3）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ：((CH3)2)4Si4O4
【化１】
0003926588.tif 000006
）、
又はテトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ：(CH3H)4Si4O4
【化２】
0003926588.tif 000007
）
のうち何れか一であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の成膜ガス又は第２の成膜ガスのうち少なくとも何れか一は、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ2）のうち何れか一を含むものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の成膜ガスは、前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスの他に、アンモニア（ＮＨ3）又は窒素（Ｎ2）のうち何れか一を含むものであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２の成膜ガスは、前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスの他に、メチルシクロヘキサン(CH3C6H11)又はシクロヘキサン（C6H12）のうち何れか一を含むものであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の成膜ガスと第２の成膜ガスとは、同じガスを含む混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記基板は、表面に銅膜を主とする配線が露出しているものであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記バリア絶縁膜と前記低誘電率を有する絶縁膜とは銅膜を主とする配線により挟まれた層間絶縁膜を構成していることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、銅膜を主とする配線を被覆してバリア絶縁膜と低誘電率を有する主絶縁膜とを順に形成する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置の高集積度化、高密度化とともに、データ転送速度の高速化が要求されている。このため、ＲＣディレイの小さい低誘電率を有する絶縁膜（以下、低誘電率絶縁膜と称する。）が用いられている。
このような低誘電率絶縁膜を形成するため、一つは、トリメチルシラン（SiH(CH3) 3）とＮ2Ｏを用いたプラズマＣＶＤ法が知られている。例えば、M.J.Loboda, J.A.Seifferly, R.F.Schneider, and C.M.Grove, Electrochem. Soc. Fall Meeting Abstracts, p.344(1998)等に記載されている。また、テトラメチルシラン（Si(CH3) 4）とＮ2Ｏを用いたプラズマＣＶＤ法は、例えば、J.Shi, M.A-Plano, T.Mountsier, and S.Nag, SEMICON Korea Technical Symposium 2000, p.279(2000)等に記載されている。
【０００３】
その他、フェニ−ルシラン等を用いたプラズマＣＶＤ法も知られている。例えば、遠藤和彦，篠田啓介，辰巳徹，第４６回春応用物理学会（1999），p.897、松下信雄，森貞佳紀，内藤雄一，松野下綾，第６０回秋応用物理学会（1999），1p-ZN-9(1999)、内田恭敬，松澤剛雄，菅野聡，松村正清，第４回春応用物理学会，p.897(1999)等に記載されている。
【０００４】
これらの低誘電率絶縁膜を銅膜を主とする配線上に形成する場合、まず銅膜を主とする配線上に銅の拡散を防止するため窒化膜からなるバリア絶縁膜を形成し、そのバリア絶縁膜上に低誘電率絶縁膜を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、銅膜を主とする配線上に窒化膜からなるバリア絶縁膜と低誘電率を有する主絶縁膜とをＣＶＤ法により形成するときに、窒素含有ガスで窒化膜を形成した後、シリコン含有ガスに切り換えて低誘電率を有する絶縁膜を形成している。成膜ガスを切り換えるのに合わせてガス流量等も適宜調整している。このように、銅膜を主とする配線上にバリア絶縁膜とその上の主絶縁膜とを順に形成しようとした場合、ガスの切替作業や、ガス流量の調整作業等が必要である。その上、ガスの切替後にチャンバ内を成膜ガスで置換させるために相当の時間を要し、スループットが上がらない。
【０００６】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、銅膜を主とする配線上にバリア絶縁膜とその上の主絶縁膜とを順に形成する場合、スループットの向上を図りつつ、銅の拡散を防止するために十分な性能を有するバリア絶縁膜と、十分に低誘電率を有する主絶縁膜とを形成することができる半導体装置の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第１の発明は、半導体装置の製造方法に係り、被成膜基板上にバリア絶縁膜と比誘電率３．２以下の低誘電率を有する絶縁膜とをプラズマＣＶＤ法により形成する半導体装置の製造方法であって、成膜ガスをプラズマ化する手段として、前記被成膜基板を保持する第１の電極と、該第１の電極と対向する第２の電極とからなる平行平板型の電極を準備する工程と、少なくともシリコン含有ガスと酸素含有ガスとを含む第１の成膜ガスを前記第１の電極と第２の電極の間に導入する工程と、１００kHz乃至１MHzの範囲の周波数ｆ１の電力を前記第１の電極に印加して、前記第１の成膜ガスをプラズマ化し、反応させて、前記被成膜基板上に前記バリア絶縁膜を形成する工程と、少なくとも前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスとを含む第２の成膜ガスを前記第１の電極と第２の電極の間に導入する工程と、前記第１の電極には電力を印加せずに、１MHz以上の周波数ｆ２の電力を前記第２の電極に印加して、前記第２の成膜ガスをプラズマ化し、反応させて、前記バリア絶縁膜上に前記低誘電率を有する絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の半導体装置の製造方法に係り、前記バリア絶縁膜を形成する際の成膜ガスのガス圧力を維持したまま引き続き前記バリア絶縁膜上に前記低誘電率を有する絶縁膜を形成することを特徴とし、
第３の発明は、第１又は第２の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記バリア絶縁膜は比誘電率４以上を有することを特徴とし、
第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記第１の成膜ガス及び第２の成膜ガスのうち、前記シリコン含有ガスはシロキサン結合を有するアルキル化合物であり、前記酸素含有ガスはＮ2Ｏ，Ｈ2Ｏ又はＣＯ2のうち何れか一であることを特徴とする。
【０００８】
第５の発明は、第４の発明の半導体装置の製造方法に係り、前記シロキサン結合を有するアルキル化合物は、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ：(CH3)3Si-O-Si(CH3)3）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ：((CH3)2)4Si4O4
【０００９】
【化３】
0003926588.tif 000002
【００１０】
）、
又はテトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ：(CH3H)4Si4O4
【００１１】
【化４】
0003926588.tif 000003
【００１２】
）
のうち何れか一であることを特徴とし、
第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記第１の成膜ガス又は第２の成膜ガスのうち少なくとも何れか一は、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ2）のうち何れか一を含むものであることを特徴とし、
第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記第１の成膜ガスは、前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスの他に、アンモニア（ＮＨ3）又は窒素（Ｎ2）のうち何れか一を含むものであることを特徴とし、
第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記第２の成膜ガスは、前記シリコン含有ガスと前記酸素含有ガスの他に、メチルシクロヘキサン(CH3C6H11)又はシクロヘキサン（C6H12）のうち何れか一を含むものであることを特徴とし、
第９の発明は、第１乃至第８の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記第１の成膜ガスと第２の成膜ガスとは、同じガスを含む混合ガスであることを特徴とし、
第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れか一の半導体装置の製造方法に係り、前記基板は、表面に銅膜を主とする配線が露出しているものであることを特徴とし、
第１１の発明は、第１０の発明の半導体装置の製造方法に係り、前記バリア絶縁膜と前記低誘電率を有する絶縁膜とは銅膜を主とする配線により挟まれた層間絶縁膜を構成していることを特徴としている。
【００１３】
以下に、上記本発明の構成により奏される作用を説明する。
ところで、１ＭＨｚ未満の低い周波数、例えば３８０ｋＨｚの電力によりシリコン含有ガスと酸素含有ガスを含む成膜ガスをプラズマ化し、反応させて成膜すると、緻密な絶縁膜を形成することができ、従って銅の拡散を阻止することができる。また、１ＭＨｚ以上の高い周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの電力により成膜ガスをプラズマ化し、反応させて成膜すると、低誘電率を有する主絶縁膜を形成することができる。これは、低周波では陰極降下電圧が大きいため、イオン等が加速され易く、いわゆるボンバードメント効果により膜が緻密になるのに対して、高周波では陰極降下電圧が小さいため、いわゆるボンバードメント効果は弱く、緻密性では低周波に比較して劣るが、低誘電率を有するようになるからである。従って、同じ成膜ガスで形成しても、上記の異なる性能を有する絶縁膜を形成することが可能である。
【００１４】
この発明では、シリコン含有ガスと酸素含有ガスを含む、原則的に同じ第１及び第２の成膜ガスを用いて、バリア絶縁膜と低誘電率を有する主絶縁膜を形成している。即ち、バリア絶縁膜を形成するとき、第１の周波数ｆ１を有する電力を第１の成膜ガスに印加し、第１の成膜ガスをプラズマ化してバリア絶縁膜を形成し、第１の周波数ｆ１よりも高い第２の周波数ｆ２を有する電力を第２の成膜ガスに印加し、第２の成膜ガスをプラズマ化して低誘電率を有する主絶縁膜を形成している。例えば、第１の周波数ｆ１を周波数１００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ未満とし、第２の周波数ｆ２を周波数１ＭＨｚ以上とする。
【００１５】
従って、プラズマ化するための電力の周波数を調整するだけで、原則として同じ第１及び第２の成膜ガスを用いて銅膜を主とする配線等の上に層間絶縁膜として必要な特性を有する多層の絶縁膜を連続して成膜することができる。このため、スループットの向上を図ることができる。
シリコン含有ガスと酸素含有ガスの好ましい組み合わせとして、シロキサン結合を有するアルキル化合物とＮ2Ｏ，Ｈ2Ｏ又はＣＯ2のうち何れか一の組み合わせを用いることができる。
【００１６】
さらに、バリア絶縁膜を成膜するための第１の成膜ガスとして、シリコン含有ガスと酸素含有ガスに、特にアンモニア（ＮＨ3）又は窒素（Ｎ2）等の窒素含有ガスのうち何れか一を加えたものを用いると、成膜された絶縁膜について銅に対するバリア性を向上させることができる。また、低誘電率を有する主絶縁膜を成膜するための第２の成膜ガスとして、シリコン含有ガスと酸素含有ガスに、特にメチルシクロヘキサン(CH3C6H11)又はシクロヘキサン（C6H12）のうち何れか一を含むものを加えると、成膜された絶縁膜についてより低誘電率化を図ることができる。
【００１７】
或いは、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ2）等の不活性ガスを用いることで、銅膜を主とする配線やバリア絶縁膜との間の密着力を低下させることなく成膜ガスを希釈することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる平行平板型のプラズマ成膜装置１０１の構成を示す側面図である。
【００１９】
このプラズマ成膜装置１０１は、プラズマガスにより被成膜基板２１上に絶縁膜を形成する場所である成膜部１０１Ａと、成膜ガスを構成する複数のガスの供給源を有する成膜ガス供給部１０１Ｂとから構成されている。
成膜部１０１Ａは、図１に示すように、減圧可能なチャンバ１を備え、チャンバ１は排気配管４を通して排気装置６と接続されている。排気配管４の途中にはチャンバ１と排気装置６の間の導通／非導通を制御する開閉バルブ５が設けられている。チャンバ１にはチャンバ１内の圧力を監視する不図示の真空計などの圧力計測手段が設けられている。
【００２０】
チャンバ１内には対向する一対の上部電極（第２の電極）２と下部電極（第１の電極）３とが備えられ、下部電極３に第１の周波数（ｆ１）１００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ未満、此の実施の形態の場合には周波数３８０ｋＨｚの低周波電力を供給する低周波電力供給電源８が接続され、上部電極２に第１の周波数（ｆ１）よりも高い第２の周波数（ｆ２）１ＭＨｚ以上、この実施の形態の場合には周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電力供給電源（ＲＦ電源）７が接続されている。これらの電源７、８から上部電極２及び下部電極３に電力を供給して、成膜ガスをプラズマ化する。上部電極２、下部電極３及び電源７、８が成膜ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段を構成する。
【００２１】
上部電極２は成膜ガスの分散具を兼ねている。上部電極２には複数の貫通孔が形成され、下部電極３との対向面における貫通孔の開口部が成膜ガスの放出口（導入口）となる。この成膜ガス等の放出口は成膜ガス供給部１０１Ｂと配管９ａで接続されている。また、場合により、上部電極２には図示しないヒータが備えられることもある。成膜中に上部電極２を温度凡そ１００乃至２００℃程度に加熱することにより、成膜ガス等の反応生成物からなるパーティクルが上部電極２に付着するのを防止するためである。
【００２２】
下部電極３は被成膜基板２１の保持台を兼ね、また、保持台上の被成膜基板２１を加熱するヒータ１２を備えている。
成膜ガス供給部１０１Ｂには、シロキサン結合を有するアルキル化合物の供給源と、シクロヘキサン（Ｃ6Ｈ12）又はメチルシクロヘキサン（CH3C6H11）のうち何れか一の供給源と、酸素含有ガスの供給源と、アンモニア（ＮＨ3）の供給源と、希釈ガスの供給源と、窒素（Ｎ2）の供給源とが設けられている。
【００２３】
これらのガスは適宜分岐配管９ｂ乃至９ｇ及びこれらすべての分岐配管９ｂ乃至９ｇが接続された配管９ａを通して成膜部１０１Ａのチャンバ１内に供給される。分岐配管９ｂ乃至９ｇの途中に流量調整手段１１ａ乃至１１ｆや、分岐配管９ｂ乃至９ｇの導通／非導通を制御する開閉手段１０ｂ乃至１０ｍが設置され、配管９ａの途中に配管９ａの閉鎖／導通を行う開閉手段１０ａが設置されている。
【００２４】
また、Ｎ2ガスを流通させて分岐配管９ｂ乃至９ｅ内の残留ガスをパージするため、Ｎ2ガスの供給源と接続された分岐配管９ｇとその他の分岐配管９ｂ乃至９ｅの間の導通／非導通を制御する開閉手段１０ｎ、１０ｐ乃至１０ｒが設置されている。なお、Ｎ2ガスは分岐配管９ｂ乃至９ｅ内のほかに、配管９ａ内及びチャンバ１内の残留ガスをパージする。他に、希釈ガスとして用いることもある。
【００２５】
以上のような成膜装置１０１によれば、シリコン含有化合物の供給源と、酸素含有ガスの供給源とを備え、さらに成膜ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段として、下部電極３と、下部電極３に接続された第１の周波数（ｆ１）１００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ未満の低周波電力を供給する低周波電源8と、上部電極２と、上部電極２に接続された第１の周波数（ｆ１）よりも高い第２の周波数（ｆ２）1MHz以上の高周波電力を供給する高周波電源７とを備えている。
【００２６】
これにより、下記の実施の形態に示すように、プラズマＣＶＤ法により低い誘電率を有する絶縁膜であって、かつ銅配線と密着強度の高い絶縁膜を形成することができる。
バリア絶縁膜と主絶縁膜を形成する際に、上部電極２及び下部電極３に電力を印加する方法は、以下の通りである。
【００２７】
即ち、バリア絶縁膜を形成する工程において、下部電極３のみに第１の周波数（ｆ１）１００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ未満の低周波電力を印可し、低誘電率を有する主絶縁膜を形成する工程において、上部電極２のみに第１の周波数（ｆ１）よりも高い第２の周波数（ｆ２）１ＭＨｚ以上の高周波電力を印加する。
次に、本発明が適用される成膜ガスであるシロキサン結合を有するアルキル化合物、酸素含有ガス、及び希釈ガスについては、代表例として以下に示すものを用いることができる。
【００２８】
（ｉ）シロキサン結合を有するアルキル化合物
ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ：(CH3)3Si-O-Si(CH3)3）
オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ：((CH3)2)4Si4O4
【００２９】
【化５】
0003926588.tif 000004
【００３０】
）、
テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ：(CH3H)4Si4O4
【００３１】
【化６】
0003926588.tif 000005
【００３２】
)
（ii）酸素含有ガス
一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）
水（Ｈ2Ｏ）
炭酸ガス（ＣＯ2）
（iii）希釈ガス
ヘリウム（Ｈｅ）
アルゴン（Ａｒ）
窒素（Ｎ2）
次に、本願発明者の行なった実験について説明する。
【００３３】
以下の成膜条件により、プラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によりＳｉ基板上にシリコン酸化膜を成膜した。シロキサン結合を有するアルキル化合物としてＨＭＤＳＯを用い、酸素含有ガスとしてＮ2Ｏを用い、希釈ガスとしてＨｅを用いた。なお、成膜においては、ガス導入から成膜開始(プラズマ励起)までのチャンバ内のガスの置換に必要な時間（安定化期間）を１分３０秒間とり、上部電極２への反応生成物の付着を防止するため上部電極２を１００℃で加熱している。
【００３４】
成膜条件
成膜ガス
ＨＭＤＳＯ流量：５０  SCCM
Ｎ2Ｏ流量（パラメータ）：５０，２００，４００，８００  SCCM
ガス圧力（パラメータ）：０．３，０．５，０．７，０．８，０．９，１．０  Torr
プラズマ励起条件
下部電極（第１の電極）
低周波電力（周波数３８０ｋＨｚ）：１５０Ｗ
上部電極（第２の電極）
高周波電力（周波数１３．５６ＭＨｚ）：２５０Ｗ
基板加熱条件：３７５℃
図４は調査用資料について示す断面図である。図中、２１は被成膜基板であるＳｉ基板、２２はこの発明の成膜方法である低周波電力により成膜ガスをプラズマ化して形成されたPE-CVDSiOCH膜、２３はこの発明の成膜方法である高周波電力により成膜ガスをプラズマ化して形成されたPE-CVD SiOCH膜、２４は水銀プローブを用いた電極である。電極２４とPE-CVDSiOCH膜２２又は２３との接触面積は０．０２３０ｃｍ2である。なお、SiOCH膜とは、Si、O、C、Hを含む膜のことをいう。
【００３５】
（ａ）成膜ガス中のＮ2Ｏ流量と成膜の比誘電率及び屈折率の関係
図４は、この調査に用いられた調査用絶縁膜であるPE-CVD SiOCH膜２２を有する調査用試料を示す。調査用絶縁膜２２は、上記成膜条件のパラメータのうち、Ｎ2Ｏ流量５０，２００，４００，８００sccmの４条件で、かつ下部電極３に印加する周波数３８０ｋＨｚの低周波電力１５０Ｗの１条件で成膜した。上部電極２には高周波電力を印加していない。また、他のバラメータであるガス圧力は１Torr一定としている。
【００３６】
図２は、低周波電力を下部電極３に印加したときの、成膜ガス中のＮ2Ｏ流量(sccm)とＳｉ基板２１上に形成したPE-CVD SiOCH膜２２の比誘電率及び屈折率の関係を示す図である。左側の縦軸は線型目盛りで表したPE-CVD SiOCH膜２２の比誘電率を示し、右側の縦軸は線形目盛りで表したPE-CVD SiOCH膜２２の屈折率を示し、横軸は線形目盛りで表したＮ2Ｏ流量(sccm)を示す。
【００３７】
比誘電率は、Ｓｉ基板２１と電極２４の間に直流電圧を印加し、その直流電圧に周波数１ＭＨｚの信号を重畳したＣ−Ｖ測定法によりPE-CVD SiOCH膜２２の容量値を測定し、その容量値から算出した。また、屈折率は、エリプソメータで６３３８オングストロームのＨｅ−Ｎｅレーザを用いて測定した。
図２によれば、Ｎ2Ｏ流量５０乃至８００sccmの全調査範囲において、Ｎ2Ｏ流量の増加とともに比誘電率約４から約４．３まで漸増する。屈折率はＮ2Ｏ流量５０sccmのとき、約１．６８であり、以降Ｎ2Ｏ流量が増すにつれて漸減し、Ｎ2Ｏ流量８００sccmのとき、約１．６２となる。なお、PE-CVD SiOCH膜２２の屈折率は高いほどPE-CVD SiOCH膜２２が緻密であることを示す。
【００３８】
（ｂ）ガス圧力と成膜の比誘電率及び屈折率の関係
図４は、この調査に用いられた調査用絶縁膜であるPE-CVD SiOCH膜２３を有する調査用試料を示す。調査用絶縁膜２３は、上記成膜条件のパラメータのうち、成膜ガスのガス圧力０．３，０．５，０．７，０．８，０．９，１．０Torrの６条件で、かつ上部電極２に印加する周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力２５０Ｗの１条件で成膜した。下部電極３には低周波電力を印加していない。他のパラメータであるＮ2Ｏ流量は２００sccm一定とした。
【００３９】
図３は、高周波電力を上部電極２に印加したときの、ガス圧力とＳｉ基板２１上に形成したPE-CVD SiOCH膜２３の比誘電率の関係を示す図である。左側の縦軸は線形目盛りで表したPE-CVD SiOCH膜２３の比誘電率を示し、右側の縦軸は線形目盛りで表したPE-CVD SiOCH膜２３の屈折率を示し、横軸は線形目盛りで表したチャンバ１内の成膜ガスのガス圧力（Torr）を示す。
【００４０】
比誘電率及び屈折率は上記（ａ）と同様にして測定した。
図３によれば、ガス圧力０．３Torrのとき、比誘電率は３．２で、ガス圧力の増加とともに漸減し、ガス圧力１．０Torrのとき、比誘電率は２．６程度となる。屈折率はガス圧力０．３Torrのとき、約１．５となり、以降ガス圧力が増すにつれて漸減し、ガス圧力１Torrのとき、約１．３９となる。
【００４１】
上記実験結果に示すように、低周波電力による成膜ガスのプラズマを用いると緻密なPE-CVD SiOCH膜２３を形成することができ、高周波電力による成膜ガスのプラズマを用いると低誘電率を有するPE-CVD SiOCH膜２３を形成することができたが、その理由は、以下の通り推定される。即ち、低周波では陰極降下電圧が大きいため、イオン等が加速され易く、いわゆるボンバードメント効果により膜が緻密になるのに対して、高周波では陰極降下電圧が小さいため、いわゆるボンバードメント効果は弱く、緻密性では低周波に比較して劣るが、低誘電率を有するようになるからである。
【００４２】
（ｃ）膜のリーク電流
銅に対するバリア性、即ち膜の緻密性を調査するため、アニール前後の膜のリーク電流を測定した結果について説明する。
調査用試料１は、Ｃｕ膜上に、この発明に係る第１の成膜ガスとして、この発明が適用されるＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏの混合ガスを用いて膜厚約１００ｎｍのPE-CVD SiOCH膜を積層し、さらにPE-CVD SiOCH膜上に電極を形成することにより作成した。調査用絶縁膜は、上記成膜条件のパラメータのうちＮ2Ｏ流量を０，２００，８００sccmとし、下部電極３に印加する周波数３８０ｋＨｚの低周波電力１５０Ｗの１条件で成膜した。上部電極２には高周波電力を印加していない。また、他のパラメータであるガス圧力を１Torr一定としている。
【００４３】
また、第１の成膜ガスとしてＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏを用いる代わりに、この発明が適用されるＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏ＋ＮＨ3を用いたＰＥ−ＣＶＤ法により膜厚約１００ｎｍのPE-CVD SiOCHN膜を積層した調査用試料２を作成した。なお、SiOCHN膜とは、Si、O、C、H、Nを含む膜のことをいう。上記成膜条件のパラメータのうちＮ2Ｏ流量を２００sccm一定とし、かつ下部電極３に印加する周波数３８０ｋＨｚの低周波電力１５０Ｗの１条件で成膜した。上部電極２には高周波電力を印加していない。新たに加えたＮＨ3流量に関して、０，２００，６００sccmの３条件とした。
【００４４】
また、比較のため、ＨＭＤＳＯ＋ＮＨ3の混合ガスを用いたＰＥ−ＣＶＤ法により膜厚約１００ｎｍのPE-CVD SiN膜を成膜した比較試料を作成した。上記成膜条件のパラメータのうちＮ2Ｏ流量を０sccmとし、かつ下部電極３に印加する周波数３８０ｋＨｚの低周波電力１５０Ｗの１条件で成膜した。上部電極２には高周波電力を印加していない。ＮＨ3流量に関して、０，５０，１００，２００，４００，６００sccmの６条件とした。
【００４５】
また、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜（ｐ−ＳｉＮ膜）を成膜した比較試料２についても作成した。
これらの調査用試料や比較試料について、成膜直後とアニール（窒素中、４５０℃で４時間）後にそれぞれ、以下のようにしてリーク電流を測定した。即ち、銅膜と電極との間に電圧を印加し、銅膜と電極との間に流れるリーク電流を測定した。銅膜を接地し、電極に負の電圧を印加する。
【００４６】
その結果を図５乃至７に示す。図５は、この発明に係る第１の成膜ガスにより成膜したPE-CVD SiOCH膜（調査用試料１）及び比較試料２について成膜直後とアニール後とにおけるリーク電流の測定結果を示すグラフである。図中、実線は成膜直後のリーク電流の測定値を示し、点線はアニール後のリーク電流の測定値を示す。
【００４７】
図６は調査用試料２及び比較試料２について成膜直後とアニール後とにおけるリーク電流の測定結果を示すグラフである。図中、実線は成膜直後のリーク電流の測定値を示し、点線はアニール後のリーク電流の測定値を示す。
図７は比較試料１についてアニール後におけるリーク電流の測定結果を示すグラフである。
【００４８】
図５乃至図７において、それぞれ、縦軸は線形目盛りで表したリーク電流密度（Ａ／ｃｍ2）を示し、横軸は線形目盛りで表した電界強度（ＭＶ／ｃｍ）を示す。
アニール前後でのリーク電流の変動は膜中の銅の移動を示しており、図５乃至図７によれば、成膜直後のリーク電流に関し、及びアニール後のリーク電流の増加を抑制することに関して、比較試料２であるｐ−ＳｉＮ膜は非常に良好な結果を示している。
【００４９】
また、Ｎ2ＯやＮＨ3を含む成膜ガスを用いれば、アニール後のリーク電流の増加を抑制することができることがわかった。即ち、膜の緻密性を向上させるのに有効であることがわかった。
一方、成膜直後のリーク電流の大きさについては、図６の調査用試料２が一番小さく、図５、図７の順になっている。即ち、図６の試料以外は、シリコン含有ガス（ＨＭＤＳＯ）にＮＨ3を加えたもの（図７に示す比較試料１）でも必ずしも良い結果を示さなかった。シリコン含有ガス（ＨＭＤＳＯ）と酸素含有ガス（Ｎ2Ｏ）との混合ガスにＮＨ3を加えると、成膜直後のリーク電流を低減させるのに有効であることがわかった。
【００５０】
以上のように、第１の実施の形態によれば、成膜ガスに印加する高低２つの周波数の電力に関しては、下部電極３への電力の印加に対応する低い周波数の電力を成膜ガスに印加した方が、PE-CVD SiOCH膜２２の比誘電率は高いが、緻密であることが分かった。さらに、成膜ガス、特に酸素含有ガスを含む成膜ガスにＮＨ3を加えると、緻密さが増すことがわかった。
【００５１】
また、上部電極２への電力の印加に対応する高い周波数の電力を成膜ガスに印加した方が、PE-CVD SiOCH膜２３の比誘電率は小さいが、緻密性の点では、低い周波数の電力を成膜ガスに印加した場合よりも劣ることが分かった。
従って、銅膜を主とする配線と接するバリア絶縁膜を形成する場合は、成膜ガスに印加する電力の周波数を低い周波数（第１の周波数（ｆ１））とする。バリア絶縁膜上の低誘電率を有する主絶縁膜を形成する場合は、同じ成膜ガスに印加する電力の周波数を高い周波数（第２の周波数（ｆ２））とする。
【００５２】
これにより、成膜ガスに印加する電力の周波数を調整するだけで、銅膜を主とする配線等の上に層間絶縁膜である一連の絶縁膜を連続して成膜することができる。このため、スループットの向上を図ることができる。
（第２の実施の形態）
次に、図８（ａ）乃至（ｄ）を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法を説明する。
【００５３】
図８（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。配線層間絶縁膜３４の成膜ガスとしてＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏを用いている。
まず、図８（ａ）に示すように、基板（被成膜基板）３１上に、膜厚約１μｍのＳｉＯ2膜からなる下部配線埋込絶縁膜３２を形成する。
【００５４】
続いて、下部配線埋込絶縁膜３２をエッチングして配線溝を形成した後、配線溝３３の内面に銅拡散防止膜としてＴａＮ膜３４ａを形成する。次いで、ＴａＮ膜３４ａ表面に図示しない銅シード層をスパッタ法により形成した後、メッキ法により銅膜３４ｂを埋め込む。ＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polishing 法）により、配線溝３３から突出した銅膜及びＴａＮ膜３３ａを研磨して表面を平坦化する。これにより、銅配線３４ｂ及びＴａＮ膜３４ａからなる下部配線３４が形成される。
【００５５】
次に、ＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏを用いたプラズマ励起ＣＶＤ法により膜厚数５００ｎｍのPE-CVD SiOCH膜からなる配線層間絶縁膜３５を形成する。以下にその詳細を説明する。
即ち、配線層間絶縁膜３５を形成するには、まず、被成膜基板２１を成膜装置１０１のチャンバ１内に導入し、基板保持具３に保持する。続いて、被成膜基板２１を加熱し、温度３７５℃に保持する。ＨＭＤＳＯを流量５０sccmで、Ｎ2Ｏガスを流量２００sccmで、図１に示すプラズマ成膜装置１０１のチャンバ１内に導入し、圧力を１．５Torrに保持する。次いで、下部電極３に周波数３８０ｋＨｚの低周波電力１５０Ｗ（０．１８Ｗ／ｃｍ2に相当）を印加する。なお、上部電極２には高周波電力を印加しなくてもよいし、場合により、印加してもよい。
【００５６】
これにより、ＨＭＤＳＯとＮ2Ｏがプラズマ化する。この状態を所定時間保持して、図８（ｂ）に示すように、膜厚凡そ１００ｎｍのPE-CVD SiOCH膜からなるバリア絶縁膜３５ａを形成する。
引き続き、成膜ガスとして同じ反応ガスの組み合わせを用い、かつ同じガス流量及びガス圧力を保持し、上部電極２に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力２５０Ｗ（０．３Ｗ／ｃｍ2に相当）を印加する。なお、下部電極３には低周波電力を印加しない。ガス圧力を１．５Torrに調整し、同じプラズマ励起条件で成膜する。この状態を所定時間保持して、図８（ｃ）に示すように、膜厚約４００ｎｍのPE-CVD SiOCH膜からなる主絶縁膜３５ｂを形成する。
【００５７】
以上により、バリア絶縁膜３５ａと主絶縁膜３５ｂからなる配線層間絶縁膜３５が形成される。
次いで、SiOCH膜３２を形成したときと同じ方法により、図８（ｄ）に示すように、配線層間絶縁膜３５上に膜厚約１μｍのSiOCH膜からなる上部配線埋込絶縁膜３６を形成する。
【００５８】
次に、よく知られたデュアルダマシン法により銅膜３７ｂ、３８ｂを主とする接続導体３７と上部配線３８を形成する。なお、図中、符号３７ａ、３８ａはＴａＮ膜である。
次に、配線層間絶縁膜３５のバリア絶縁膜３５ａと同じ成膜条件を用いたＰＥ−ＣＶＤ法により全面にバリア絶縁膜３９を形成する。これにより、半導体装置が完成する。
【００５９】
以上のように、この第２の実施の形態によれば、下部配線３４が埋め込まれた下部配線埋込絶縁膜３２と上部配線３８が埋め込まれた上部配線埋込絶縁膜３６の間に配線層間絶縁膜３５を挟んでなる半導体装置の製造方法において、同じ成膜ガスを用い、プラズマ生成電力の周波数を変えてプラズマ励起ＣＶＤ法によりバリア絶縁膜３５ａと主絶縁膜３５ｂとをそれぞれ形成している。即ち、バリア絶縁膜３５ａを形成するとき、第１の周波数（ｆ１）３８０ｋＨｚを有する電力をＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏからなる成膜ガス（第１の成膜ガス）に印加し、成膜ガスをプラズマ化してバリア絶縁膜３５ａを形成し、第１の周波数（ｆ１）よりも高い第２の周波数（ｆ２）１３．５６ＭＨｚを有する電力を同じ成膜ガス（第２の成膜ガス）に印加し、その成膜ガスをプラズマ化して低誘電率を有する主絶縁膜３５ｂを形成している。
【００６０】
１ＭＨｚ未満の低い周波数の電力によりＨＭＤＳＯ＋Ｎ2Ｏからなる成膜ガスをプラズマ化し、反応させて成膜すると、緻密な絶縁膜を形成することができ、従って、銅の拡散を阻止することができる。また、１ＭＨｚ以上の高い周波数の電力により同じ成膜ガスをプラズマ化し、反応させて成膜すると、低誘電率を有する主絶縁膜を形成することができる。
【００６１】
従って、同じ成膜ガスを用いてプラズマ生成電力の周波数を調整するだけで、銅膜を主とする下部配線３４上の層間絶縁膜３５として必要な特性を有する多層の絶縁膜３５ａ、３５ｂを連続して形成することができる。即ち、下部配線３４上の層間絶縁膜３５の成膜時においてスループットの向上を図ることができる。以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００６２】
例えば、シリコン含有ガスとして、第２の実施の形態で用いたＨＭＤＳＯの代わりに、第１の実施の形態で記載した他のシロキサン結合を有するアルキル化合物を用いることができる。
さらに、特にバリア絶縁膜３５ａを成膜するための第１の成膜ガスとして、シリコン含有ガスと酸素含有ガスに、アンモニア（ＮＨ3）又は窒素（Ｎ2）等の窒素含有ガスのうち何れか一を加えたものを用いてもよい。これにより、成膜された絶縁膜について銅に対するバリア性を向上させることができる。
【００６３】
また、特に主絶縁膜３５ｂを形成するための第２の成膜ガスとして、シリコン含有ガスと酸素含有ガスに、メチルシクロヘキサン(CH3C6H11)又はシクロヘキサン（C6H12）のうち何れか一を加えたものを用いてもよい。これらを添加することにより、膜の多孔性が増加し、比誘電率を更に低下させることができる。
また、第１又は第２の成膜ガスの何れか一は、ヘリウム（Ｈｅ）の代わり
アルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ2）のうち何れか一を含む不活性ガスを加えてもよい。これにより、銅膜を主とする下部配線３４やバリア絶縁膜３５ａとの密着性を保持しつつ、成膜ガスを希釈することができる。
【００６４】
また、銅膜を主とする配線として、バリア膜としてのＴａＮ膜と、その上の主たる配線である銅膜とからなるものを用いているが、銅膜を主とする他の構造の配線や銅膜のみの配線を用いてもよい。
また、銅膜を主とする配線はダマシン法により形成されたものを用いているが、他の製造方法により作成されたものを用いてもよい。即ち、本発明は、銅膜を主とする配線を被覆する絶縁膜に、又は銅膜を主とする配線により挟まれた層間絶縁膜に適用することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、シリコン含有ガスと酸素含有ガスを含む同じ成膜ガスを用いてバリア絶縁膜と低誘電率を有する主絶縁膜とを形成している。即ち、バリア絶縁膜を形成するとき、第１の周波数（ｆ１）を有する電力を第１の成膜ガスに印加し、第１の成膜ガスをプラズマ化してバリア絶縁膜を形成し、第１の周波数（ｆ１）よりも高い第２の周波数（ｆ２）を有する電力を第１の成膜ガスと同じ第２の成膜ガスに印加し、第２の成膜ガスをプラズマ化して主絶縁膜を形成している。
【００６６】
即ち、成膜ガスをプラズマ化するための電力の周波数を調整するだけで、同じ成膜ガスを用いて銅の拡散を防止するために十分な性能を有するバリア絶縁膜と、十分に低誘電率を有する主絶縁膜とを連続して形成することができる。
このように、この発明によれば、スループットの向上を図りつつ、銅膜を主とする配線上の層間絶縁膜として必要な特性を有する多層の絶縁膜を形成するができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である半導体装置の製造方法に用いられるプラズマ成膜装置の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態である低周波電力による成膜ガスのプラズマを用いた成膜方法におけるＮ2Ｏ流量に対する成膜された絶縁膜の比誘電率及び屈折率の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施の形態である高周波電力による成膜ガスのプラズマを用いた成膜方法におけるガス圧力に対する成膜された絶縁膜の比誘電率及び屈折率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態である成膜方法により成膜された絶縁膜の特性を調査する試料について示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態である成膜ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成した絶縁膜についての成膜直後とアニール後のリーク電流を比較したグラフである。
【図６】本発明の第１の実施の形態である成膜ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成した絶縁膜についての成膜直後とアニール後のリーク電流を比較したグラフである。
【図７】比較例である成膜ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成した絶縁膜についてのアニール後のリーク電流の測定結果を示すグラフである。
【図８】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態である半導体装置及びその製造方法について示す断面図である。
【符号の説明】
１  チャンバ
２  上部電極
３  下部電極
４  排気配管
５  バルブ
６  排気装置
７  高周波電力供給電源（ＲＦ電源）
８  低周波電力供給電源
９ａ  配管
９ｂ〜９ｊ  分岐配管
１０ａ〜１０ｎ，１０ｐ〜１０ｚ  開閉手段
１１ａ〜１１ｉ  流量調整手段
１２  ヒータ
２１  被成膜基板
２２、２３  調査用絶縁膜
２４  電極
３１  基板
３２  下部配線埋込絶縁膜（SiO2膜）
３３  配線溝
３４  下部配線
３４ａ、３７ａ、３８ａ  ＴａＮ膜
３４ｂ、３７ｂ、３８ｂ  銅膜
３５  配線層間絶縁膜
３５ａ、３９  バリア絶縁膜（PE-CVD SiOCH膜）
３５ｂ  主絶縁膜（PE-CVD SiOCH膜）
３６  上部配線埋込絶縁膜（SiOCH膜）
３７  接続導体
３８  上部配線
１０１  成膜装置
１０１Ａ  成膜部
１０１Ｂ  成膜ガス供給部
【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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