(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、炭素を含有し低誘電率材料からなる第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に、Ｎ2で希釈されたＨ2ガス、ＣＯ、ＣＯ2、およびＮＨ3からなる群から選択される少なくとも１種の還元性を有するガスを用いたプラズマによる処理を施して前記第１の絶縁膜の表層の炭素濃度を低減し、表層を低炭素濃度層に変化させる工程と、
前記低炭素濃度層の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１および第２の絶縁膜に金属埋め込み用の溝を形成する工程と、
前記絶縁膜に形成された溝に金属を埋め込む工程と、
前記埋め込まれた金属の表面を研磨して金属配線を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜は、シロキサン骨格を有する膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜はメチル基含有ポリシロキサンを主成分とすることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２の絶縁膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯＰ、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、およびＳｉＯＣＨからなる群から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記低炭素濃度層の表面における炭素濃度は、前記第１の絶縁膜における炭素濃度が低減されていない部分の５分の１以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記低炭素濃度層は、前記第１の絶縁膜の厚さの１０％以下の厚さで形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に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係り、特に、低誘電率絶縁膜を層間膜材料として用いたダマシン配線構造の多層配線を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＵＬＳＩの高密度化に伴なって配線の伝播遅延が問題となりつつあり、この問題を解決する方法として、層間絶縁膜の低誘電率化、および配線材料の低抵抗化が知られている。層間絶縁膜の低誘電率化は、比誘電率が３．０以下の低誘電率の層間絶縁膜材料を用いることにより達成することができ、こうした材料としてはポリシロキサン膜が有効である。また、配線材料の低抵抗化を図るためには、銅配線が注目されている。
【０００３】
配線材料の低抵抗化には有利なものの銅配線は微細加工が非常に難しいため、銅配線を用いた多層配線構造を形成する場合には、一般にダマシン法が用いられている。ダマシン法においては、まず層間絶縁膜を形成して、所望される配線と同一の幅の溝を設け、その溝に配線材料を埋め込む。次いで、ＣＭＰ法により余分な金属を層間絶縁膜表面から取り除くことによって、多層配線構造が形成される。
【０００４】
層間絶縁膜として例えばメチルポリシロキサンなどのポリシロキサンを用いる場合には、ドライエッチング（プラズマ）耐性、ＣＭＰ耐性などを高めるために、図１（ａ）に示すようにＣＶＤ法によるシリコン酸化膜１６をメチルポリシロキサン膜１５上に積層して用いることがある。こうした積層構造からなる層間絶縁膜には、接続孔１３および配線溝１７を設けてバリアメタル１８および配線材料となる金属を埋め込み、ＣＭＰ処理を施して図１（ｂ）に示すように上層配線１９が形成される。しかしながら、ＣＭＰ加工や熱処理などのプロセス中に、ＣＶＤシリコン酸化膜１６のハガレ２０が生じることがあり、半導体装置の信頼性の低下を引き起こしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、層間絶縁膜の低誘電率化および配線材料の低抵抗化を図る半導体装置においては、層間絶縁膜に生じるハガレを防止することが求められている。
【０００６】
そこで本発明は、低誘電率絶縁膜を用いた信頼性の高い半導体装置をダマシン法により製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板上に、炭素を含有し低誘電率材料からなる第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜に、Ｎ2で希釈されたＨ2ガス、ＣＯ、ＣＯ2、およびＮＨ3からなる群から選択される少なくとも１種の還元性を有するガスを用いたプラズマによる処理を施して、前記第１の絶縁膜の表層の炭素濃度を低減し、表層を低炭素濃度層に変化させる工程と、前記低炭素濃度層の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第１および第２の絶縁膜に金属埋め込み用の溝を形成する工程と、前記絶縁膜に形成された溝に金属を埋め込む工程と、前記埋め込まれた金属の表面を研磨して金属配線を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１１】
従来のメチルポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面におけるハガレについて鋭意検討した結果、本発明者らは、ＣＶＤシリコン酸化膜のハガレは、ＣＶＤシリコン酸化膜とメチルポリシロキサン膜との密着性の低さが原因となっていること、さらには、それはメチルポリシロキサン膜中に存在するメチル基（−ＣＨ3）の炭素原子に起因することを見出した。
【００１２】
ここで、図１（ａ）の状態におけるメチルポリシロキサン膜１５とＣＶＤシリコン酸化膜１６との界面のデプスプロファイル（ＳＩＭＳ分析）を図２に示す。図２に示されるように、メチルポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面においては、炭素濃度が急峻に変化している。本発明者らの研究によれば、ＣＶＤシリコン酸化膜の表面は親水性を有しているものの、膜中に含有されている炭素濃度が増加するにしたがって疎水性に変化する。すなわち、メチルポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面における炭素濃度の急峻な変化が、ＣＶＤシリコン酸化膜のハガレを引き起こしていた。
【００１３】
本発明者らは、メチルポリシロキサン膜等のメチル基含有ポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面において炭素濃度が急激に変化するのを避けるよう、炭素濃度プロファイルを制御するのが有効であるという知見を得た。こうした知見に基づいて、ＣＶＤシリコン酸化膜等の第２の絶縁膜を堆積する前に、メチル基含有ポリシロキサン膜等の第１の絶縁膜の表層の炭素濃度を低減させて、その表層を低炭素濃度層に変化させるという本発明をなすに至った。
【００１４】
図３および図４には、炭素を含有し低誘電率の第１の絶縁膜としてのメチル基含有ポリシロキサン膜と、第２の絶縁膜としてのＣＶＤシリコン酸化膜との積層構造を有する層間絶縁膜を本発明の方法により形成し、この層間絶縁膜に配線およびビアプラグを埋め込んで多層配線構造を作製する工程を示す。
【００１５】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｃｕからなる下層配線３１が絶縁膜３０を介して予め形成された半導体基板３２上に、シリコン窒化膜３３を形成した。シリコン窒化膜３３は、配線材料のＣｕが積層膜中に拡散するのを防止し、プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００１６】
シリコン窒化膜３３上には、炭素を含有し低誘電率材料からなる第１の絶縁膜としてのメチル基含有ポリシロキサン膜３４を以下のような手法により成膜した。まず、室温に制御されたステージを速度２５００ｒｐｍで回転しながらメチルシロキサンの溶液を塗布した後、８０℃の大気中で１分間加熱した。さらに、２００℃の大気雰囲気で１分間加熱して、ＰＧＰＥ（プロピレン・グリコール・モノプロピル・エーテル）などの溶媒を揮発させた。次いで、４００℃のＮ2雰囲気中で３０分間の脱水縮合を行なって、膜厚５００ｎｍ程度のメチル基含有ポリシロキサン膜３４を得た。
【００１７】
本実施例においては、このメチル基含有ポリシロキサン膜３４上に第２の絶縁膜としてのシリコン酸化膜をＣＶＤ法により形成する前に、メチル基含有ポリシロキサン膜に表面処理を施して、メチル基含有ポリシロキサン膜３４の表層の炭素濃度を低減する。ここでは、還元性のあるガスを用いて図３（ｂ）に示されるようにプラズマ処理を行なって、低炭素濃度層３６を形成した。
【００１８】
プラズマ処理に当たっては、まず、メチル基含有ポリシロキサン膜３４が成膜された半導体基板３２を、真空に排気された容器内に導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加可能な試料台に設置した。その後、試料台に設けられた冷却機構により半導体基板を２５℃〜２０℃に保持した。次いで、この容器にＮ2で３％に希釈されたＨ2ガスを１５０ｓｃｃｍ導入しながら、容器内の圧力を１５０ｍにＴｏｒｒに保ちつつ、高周波電力を５５０Ｗ印加し、プラズマによってメチル基含有ポリシロキサン膜の表面処理を６０秒間行なった。
【００１９】
このときのイオンエネルギー（Ｖｄｃ）は、約１２０Ｖであった。
【００２０】
メチル基含有ポリシロキサン膜３４の表面処理後、図３（ｃ）に示すように第２の絶縁膜としてのＣＶＤシリコン酸化膜３５を堆積し、界面の状態を観察した。メチル基含有ポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面のデプスプロファイル（ＳＩＭＳ分析）を図５に示す。図５から明らかなように、炭素を含有し低誘電率の第１の絶縁膜であるメチル基含有ポリシロキサン膜においては、第２の絶縁膜であるＣＶＤシリコン酸化膜側の炭素濃度が低減して、低炭素濃度層が形成されている。この低炭素濃度層の厚さは、約１０ｎｍ程度であった。また、低炭素濃度層とＣＶＤシリコン酸化膜との界面における炭素濃度は、メチル基含有ポリシロキサン膜中における炭素濃度の約５分の１程度であった。低炭素濃度層の効果を充分に発揮させて、第２の絶縁膜であるＣＶＤシリコン酸化膜のハガレを防止するためには、低炭素濃度層の表面における炭素濃度は、第１の絶縁膜中の炭素濃度が低減されていない部分の炭素濃度の５分の１以下であることが望まれる。
【００２１】
次いで、メチル基含有ポリシロキサン膜３４、低炭素濃度層３６、およびＣＶＤシリコン酸化膜３５からなる絶縁膜中に、図４（ｄ）に示すように接続孔（ビアホール）４１および配線溝４２を形成する。接続孔４１の形成に当たっては、まず、ＣＶＤシリコン酸化膜３５上にレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとしＣ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2混合ガス系を用いて、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法により、絶縁膜に接続孔４１を形成する。この際のシリコン窒化膜のシリコン酸化膜に対するエッチング速度比は、１０〜１５である。
【００２２】
マスクとして用いられたレジストパターンは、酸素流量１５０ｓｃｃｍ、放電圧力０．１５Ｔｏｒｒ、基板温度２５℃に制御されたアッシング装置において酸素プラズマ処理することにより剥離する。
【００２３】
上層配線溝４２もまた、接続孔４１の場合と同様にレジストパターン（図示せず）をマスクとして用いてＲＩＥ法を用いて形成した。レジストパターンを剥離後、配線３１上のシリコン窒化膜３３をＲＩＥ法により加工することによって、デュアルダマシンに対応する加工を行なう。
【００２４】
形成された接続孔４１および上層配線溝４２内には、配線材料であるＣｕが層間絶縁膜中へ拡散するのを抑制するためのバリアメタル３７として、ＴａＮ／Ｔａをスパッタリング法により形成し、Ｃｕからなる埋め込み配線３８をめっき法により形成した。さらに、ＣＭＰ法により余分な金属部分を取り除くことによって、図４（ｅ）に示すような多層配線構造が得られた。
【００２５】
本実施例においては、第１の絶縁膜としてのメチル基含有ポリシロキサン膜３４とＣＶＤシリコン酸化膜３５との間には、メチル基含有ポリシロキサン膜３４の表層の炭素濃度を低減してなる低炭素濃度層３６が形成されている。メチル基含有ポリシロキサン膜３４とＣＶＤシリコン酸化膜３５との間の炭素濃度の変化は、この低炭素濃度層の存在により緩和されるので、従来のように急峻に変化することは避けられ、ＣＶＤシリコン酸化膜のハガレが生じることはない。したがって、半導体装置の信頼性が低下するのを防止することができる。
【００２６】
上述した実施例においては、還元性のガスとしてＮ2で３％に希釈されたＨ2ガスを用いてプラズマ処理を施したが、還元性ガスはこれに限定されるものではない。ＣＯ、ＣＯ2、およびＮＨ3からなる群から選択される少なくとも１種の還元性ガスを用いてプラズマ処理を施すことによって、第１の絶縁膜の表層における炭素濃度を低減して、低炭素濃度層を形成することができる。いずれの還元性ガスを用いて低炭素濃度層を形成した場合も、引き続いて行なわれるデュアルダマシンプロセスにおいて、メチル基含有ポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との間にハガレが生じることはなく、同様の効果が得られる。
【００２７】
ただし、低炭素濃度層としての効果を充分に発揮させるためには、その厚さは１０ｎｍ以上であることが望まれる。一方で、低誘電率というメチル基含有ポリシロキサン膜の効果を損なわないためには、低炭素濃度層の厚さは、第１の絶縁膜であるメチル基含有ポリシロキサン膜全体に対して１０％以下にとどめることが好ましく、具体的には１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
なお、酸化性のガス（例えばＯ2ガス）を用いて第１の絶縁膜であるメチル基含有ポリシロキサン膜にプラズマ処理を施した場合には、図６のグラフに示されるように、低炭素濃度層の厚さを制限することが困難となる。還元性のガスを用いたプラズマ処理によって、効果的な低炭素濃度層が形成可能であることは、本発明者らによって始めて見出されたものである。
【００２９】
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００３０】
炭素を含有し低誘電率材料からなる第１の絶縁膜としては、誘電率の低さの点からシロキサン骨格を有する膜が好ましく、メチル基を含有するポリシロキサンを主成分とする膜が特に好ましい。メチル基含有ポリシロキサンを主成分とする絶縁膜は、メチル基の存在により分子構造内に間隙を生じるため、通常、多孔質で形成される。こうした第１の絶縁膜としては、ＣＶＤ法により形成されたものであってもよく、例えば、アノードカップリング平行平板型ＣＶＤ装置を用い、以下の条件で成膜することによって第１の絶縁膜としてのメチル基含有ポリシロキサン膜を形成することもできる。ＣＶＤ法により形成されたこのような膜は、カーボン含有ＳｉＯ2膜と称される。
【００３１】
圧力：４．０Ｔｏｒｒ
ＲＦ電力：６００Ｗ
基板温度：３５０℃
酸素：１００ｓｃｃｍ
トリメチルシラン：６００ｓｃｃｍ
成膜速度：５００ｎｍ／ｍｉｎ
さらには、炭素を含有し低誘電率の第１の絶縁膜としては、シロキサン骨格を含まないものを用いることもでき、例えば比誘電率３．０以下の高分子膜やアモルファスカーボン膜（Ｆドープ）などが挙げられる。こうした材料からなる第１の絶縁膜も、前述と同様の表面処理を施すことによって同様の効果が得られる。
【００３２】
また、第１の絶縁膜の表層の炭素濃度を低減して、低炭素濃度層を形成するに当たっては、酸化性溶液でウェット処理を行なってもよい。具体的には、Ｈ2Ｏ2溶液、（Ｈ2Ｏ2＋Ｈ2ＳＯ4）溶液を用いて、メチル基含有ポリシロキサン膜等の第１の絶縁膜の表面を処理することによって炭素濃度を低減することができる。ただし、低炭素濃度層の膜厚を１００ｎｍ以下程度に抑えるためには、すでに説明したような還元性ガスを用いたプラズマ処理を行なうことが望まれる。
【００３３】
表面処理を施すことにより得られた低炭素濃度層の上に形成される第２の絶縁膜は、ＣＶＤ法または塗布法により形成されたＳｉＯ、ＳｉＯＰ、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、およびＳｉＯＣＨからなる群から選択される少なくとも１種を含有する絶縁膜、例えばＳｉＯ2膜とすることができる。特に、低誘電率絶縁膜を用いることが好ましい。
【００３４】
本発明において第１および第２の絶縁膜の形成に当たっては、塗布法およびＣＶＤ法を任意に組み合わせて採用することができる。すでに説明したように、第１の絶縁膜の表層の炭素濃度を低減して低炭素濃度層を形成するための表面処理としては、低炭素濃度層の厚さの点から還元性ガスを用いたプラズマ処理が好ましい。したがって、第２の絶縁膜をＣＶＤ法により形成する場合には、同一の装置内において、第１の絶縁膜の表面処理と、第２の絶縁膜の形成とを行なうことができ、プロセス的にも有利である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、低誘電率絶縁膜を用いた信頼性の高い半導体装置をダマシン法により製造する方法が提供される。
【００３６】
本発明は、多層配線構造、特にダマシン配線構造を有する半導体装置の製造に極めて有効に用いられ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図２】従来法により製造されたメチルポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面における炭素濃度プロファイル。
【図３】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一例を表わす工程断面図。
【図４】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一例を表わす工程断面図。
【図５】本発明の方法により製造されたメチル基含有ポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面における炭素濃度プロファイル。
【図６】メチル基含有ポリシロキサン膜とＣＶＤシリコン酸化膜との界面における炭素濃度プロファイル。
【符号の説明】
９，１０…絶縁膜
１１…下層配線
１２…半導体基板
１３…接続孔（ビアホール）
１４…シリコン窒化膜
１５…メチルポリシロキサン膜
１６…ＣＶＤシリコン酸化膜
１７…配線溝
１８…バリアメタル
１９…上層配線
２０…メチルポリシロキサン膜とシリコン酸化膜との界面のハガレ
２９，３０…絶縁膜
３１…下層配線
３２…半導体基板
３３…シリコン窒化膜
３４…メチル基含有ポリシロキサン膜
３５…ＣＶＤシリコン酸化膜
３６…メチル基含有ポリシロキサンとＣＶＤシリコン酸化膜との界面層
３７…バリアメタル
３８…上層配線
４０…プラズマ
４１…接続孔（ビアホール）
４２…配線溝
【図１】
0004160277.tif 000002
【図２】
0004160277.tif 000003
【図３】
0004160277.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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