(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、
前記金属配線上に接して、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記下層窒化シリコン系絶縁膜に接して、該下層窒化シリコン系絶縁膜の組成よりＮリッチで化学量論組成に近い上層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する
電子装置の製造方法。
【請求項２】
低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、
前記金属配線上に接して、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記下層窒化シリコン系絶縁膜に接して、該下層窒化シリコン系絶縁膜の組成より、膜表面方向に向け漸次Ｎリッチとなり、最表層において化学量論組成に近くなる上層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する
電子装置の製造方法。
【請求項３】
前記低誘電率絶縁膜を、ＳｉＯＦ、キセロゲル（多孔質シリコン酸化膜）、有機ＳＯＧ（Spin On Glass）、ポリアリールエーテル、ポリイミド、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、フッ素樹脂のいずれか一つとする請求項１または２記載の電子装置の製造方法。
【請求項４】
前記金属配線が易酸化性金属より形成する請求項１または２記載の電子装置の製造方法。
【請求項５】
前記易酸化性金属をＣｕ、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇまたはこれらとバリアメタルとの積層構造として形成する請求項４記載の電子装置の製造方法。
【請求項６】
前記窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程においては、気相成長チャンバ内の酸素濃度を、１００ｐｐｂ以下に制御しつつ形成する請求項１または２記載の電子装置の製造方法。
【請求項７】
前記窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程に先立ち、前記金属配線表面を、非酸化性減圧雰囲気中で逆スパッタリングする請求項１または２記載の電子装置の製造方法。
【請求項８】
前記窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程に引き続き、前記窒化シリコン系絶縁膜表面を逆スパッタリングし、
この後、前記窒化シリコン系絶縁膜上に接してさらに絶縁膜を形成する請求項１または２記載の電子装置の製造方法。
【請求項９】
低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を有する電子装置であって、
前記金属配線上に接する、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜と、
前記下層窒化シリコン系絶縁膜に接する、該下層窒化シリコン系絶縁膜の組成よりＮリッチで化学量論組成に近い上層窒化シリコン系絶縁膜を有する
電子装置。
【請求項１０】
低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を有する電子装置であって、
前記金属配線上に接する、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜と、
前記下層窒化シリコン系絶縁膜に接する、該下層窒化シリコン系絶縁膜の組成より、膜表面方向に向け漸次Ｎリッチとなり、最表層において化学量論組成に近くなる上層窒化シリコン系絶縁膜を有する
電子装置。
【請求項１１】
前記低誘電率絶縁膜が、ＳｉＯＦ、キセロゲル（多孔質シリコン酸化膜）、有機ＳＯＧ（Spin On Glass）、ポリアリールエーテル、ポリイミド、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、フッ素樹脂のいずれか一つより成る請求項９または１０記載の電子装置。
【請求項１２】
前記金属配線が易酸化性金属より成る請求項９または１０記載の電子装置。
【請求項１３】
前記易酸化性金属がＣｕ、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇまたはこれらとバリアメタルとの積層構造とされる請求項１２記載の電子装置。
【請求項１４】
前記窒化シリコン系絶縁膜の厚さは、３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である請求項９または１０記載の電子装置。
【請求項１５】
前記窒化シリコン系絶縁膜の厚さは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項９または１０記載の電子装置。
【請求項１６】
前記窒化シリコン系絶縁膜上に接して、さらに絶縁膜を有する請求項９または１０記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子装置およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、易酸化性の金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を形成する際の金属配線の酸化を防止し、密着性を向上した電子装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＬＳＩ(Ultra Large Scale Integrated Circuits) 等の半導体装置の高集積度化が進展するに伴い、配線幅および配線ピッチの微細化が必要となっている。これら配線幅および配線ピッチの縮小は、同時に配線断面のアスペクト比および配線間スペースのアスペクト比を増大する。この結果、微細で高アスペクト比の配線を加工するエッチング技術や、同じく微細で高アスペクト比の配線間スペースを層間絶縁層で埋め込む技術等に負担が集中し、製造工程の複雑化や工程数の増大を招いている。
【０００３】
また微細化と同時に、特に高速ロジック系の半導体装置をはじめとする各種半導体装置の低消費電力化、動作速度の高速化等の要求に応えるためには、低誘電率の層間絶縁膜材料とともに、低抵抗な電極配線材料の選択およびそのプロセス技術が要素技術として重要性を増している。これは、半導体装置以外の各種高周波微細電子装置においても同様に重要な問題である。
【０００４】
従来より半導体装置等の電極配線材料として、比較的低抵抗なＡｌ−ＳｉやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等のアルミニウム系金属が用いられてきた。しかしながら、次世代の電極配線材料としては、Ａｌより比抵抗が小さく、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性にも優れるＣｕが有力視されている。Ｃｕの比抵抗は１．７２μΩ−ｃｍであり、Ａｌの比抵抗２．７μΩ−ｃｍの約６０％である。Ｃｕの成膜方法は、スパッタリング法やＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition)法等の他に、電解めっき法も適用できる。
【０００５】
一方の低誘電率層間絶縁膜として、従来のＳｉＯ2 （比誘電率４）にフッ素を導入したＳｉＯＦが知られている。ＳｉＯＦは、ＳｉＯ2 を構成するＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合をＦ原子により終端することで、その密度が低下すること、およびＳｉ−Ｆ結合やＯ−Ｆ結合の分極率が小さいこと等により、ＳｉＯ2 より低誘電率が達成される。このＳｉＯＦは、その成膜やエッチングのプロセスが従来のＳｉＯ2 に類似したものであるので、現用の製造装置でも容易に採用できる。また無機系材料であるので耐熱性にも優れる。しかしながら、ＳｉＯＦの比誘電率は３．７〜３．２程度にとどまる。
【０００６】
低誘電率層間絶縁層として、炭素原子を含む有機系絶縁膜材料も知られている。すなわち、有機ＳＯＧ（Spin On Glass)、ポリアリールエーテル、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商標名パリレン）、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン等、比誘電率が２．５〜３．５程度の有機高分子材料である。これらの材料は炭素原子を含有することでその密度が低減され、また分子（モノマ）自体の分極率を小さくすることで低誘電率を達成している。またシロキサン結合、イミド結合、あるいはベンゼン環やナフタレン環を導入することにより、ある程度の耐熱性を得ている。
【０００７】
これら炭化水素系の有機系材料に、さらにフッ素原子を導入したフロロカーボンポリマは、比誘電率が１．５〜２．５程度と一層の低誘電率化と耐熱性の向上が得られる。かかるフッ素系樹脂の有機系材料としては、パーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリアリールエーテル、テフロン（商標名）あるいはフレア（商標名）等が知られている。これら有機低誘電率材料は、例えば「日経マイクロデバイス」誌１９９５年７月号１０５〜１１２頁に紹介されている。
【０００８】
有機系低誘電率層間絶縁膜は、従来の酸化シリコン系層間絶縁膜とは膜質が大きく異なる。特に０．１８μｍの最小デザインルールの半導体装置に導入が検討されている比誘電率２．５以下の有機系低誘電率層間絶縁膜は、下地層との密着性の向上が求められている。
【０００９】
さて、これら低抵抗の電極配線材料を、望ましくは低誘電率の層間絶縁膜と組み合わせて高集積度半導体装置等に適用する際のプロセスとして、Damascene あるいは Dual Damascene と呼称される方法がある。これらは、層間絶縁膜に予め形成した配線溝、あるいは配線溝および接続孔に、金属配線材料をリフロースパッタリング法や電解めっき法等で埋め込み、ＣＭＰ (Chemical mechanical polishing)法により表面を平坦化する技術である。Damascene あるいは Dual Damascene プロセスは、高アスペクト比の配線をエッチングでパターニングする必要も、配線間のスペースを層間絶縁膜で埋め込む必要もない。したがって、このプロセスは、配線アスペクト比が大きくなるほど、また配線の層数が増加するほど、製造工程数の低減率に寄与するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
Damascene あるいは Dual Damascene プロセスを含め、Ｃｕ等の易酸化性金属配線形成プロセスにおいて問題となるのは、金属配線上に絶縁膜を形成する際の酸化による配線抵抗値の増大、および絶縁膜との密着性の低下の問題である。特にＣｕ配線は不動態被膜を形成しないため、酸化の進行を防止できない。したがって、金属配線上に絶縁膜を形成する工程においては、下地の金属配線の酸化を極力防止する必要があり、また絶縁膜形成後も、絶縁膜を透過する酸素による酸化に配慮する必要がある。
【００１１】
金属配線上に絶縁膜をＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法で形成する場合、通常２００℃以上に被処理基体温度を設定するが、この温度範囲での金属配線の酸化反応速度は、常温の１０倍以上と極めて酸化し易い。また通常のＣＶＤ装置に付随するドライポンプの到達真空度は１×１０-3Ｔｏｒｒ程度である。仮に、大気中に酸素が２０％含まれているとして、その分圧比のまま１×１０-3Ｔｏｒｒに真空引きすると、酸素濃度は約２６０ｐｐｂとなる。このように微量酸素濃度となっても、２００℃以上ではＣｕ配線の酸化の進行を防止することはできない。スパッタリング装置の場合には、排気量が大きく到達真空度も１×１０-7Ｔｏｒｒ以下となるクライオポンプが使用でき、この真空度では酸素濃度も低く、金属配線の酸化防止が可能である。しかしながら、ＣＶＤ装置では反応ガスを用いる関係、あるいは副反応生成物の関係でクライオポンプは使用できない。
【００１２】
このように、Ｃｕをはじめとする易酸化性金属配線上のＣＶＤ法による絶縁膜形成は、酸素ガスを導入して酸化シリコン系絶縁膜を形成することはもちろん不都合であり、酸素ガスを用いない、窒化シリコン系絶縁膜を形成する際にも、注意が必要である。
【００１３】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたものである。すなわち、本発明の課題は、Ｃｕ等、易酸化性の金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を形成するに際し、金属配線の酸化および密着性の低下を防止しうる方法を提供することである。
【００１４】
また本発明の別の課題は、かかる方法により製造された、低抵抗配線を有する信頼性の高い高集積度半導体装置をはじめとする電子装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明の電子装置の製造方法は、低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、この金属配線上に接して、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程と、この下層窒化シリコン系絶縁膜に接して、この下層窒化シリコン系絶縁膜の組成よりＮリッチで化学量論組成に近い上層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の別の電子装置の製造方法は、低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に気相成長法により窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、この金属配線上に接して、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程と、この下層窒化シリコン系絶縁膜に接して、この下層窒化シリコン系絶縁膜の組成より、膜表面方向に向け漸次Ｎリッチとなり、最表層において化学量論組成に近くなる上層窒化シリコン系絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１７】
いずれの電子装置の製造方法においても、この窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程においては、
気相成長チャンバ内の酸素濃度を、１００ｐｐｂ (parts per billion)以下に制御しつつ形成することが望ましい。
【００１８】
さらに、この窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程に先立ち、
下地の金属配線表面を、非酸化性減圧雰囲気中で逆スパッタリングすることが望ましい。非酸化性減圧雰囲気とは、Ｈ2 等の還元性ガスあるいはＡｒ等の不活性ガスの減圧雰囲気のことである。
【００１９】
さらに、この窒化シリコン系絶縁膜を気相成長法により形成する工程に引き続き、
形成されたこの窒化シリコン系絶縁膜表面を逆スパッタリングし、
この後、この窒化シリコン系絶縁膜上に接してさらに絶縁膜を形成することが望ましい。
いずれの段階における逆スパッタリング処理も、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ−ＣＶＤ装置、あるいはヘリコン波プラズマＣＶＤ装置のように、１〜１０ｍＴｏｒｒ台の高真空でのプラズマＣＶＤが可能な装置で窒化シリコン系絶縁膜の成膜をおこなう場合には、残留酸素濃度が低い条件であるので、必ずしも必要としない。逆に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン系絶縁膜の成膜をおこなう場合には、残留酸素濃度が比較的多いので、逆スパッタリング処理を施すことが望ましい。この場合、窒素等の不活性ガスでチャンバ内をパージした後に、逆スパッタリングを施すことがさらに望ましい。
【００２０】
つぎに本発明の電子装置は、低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を有する電子装置であって、この金属配線上に接する、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜と、この下層窒化シリコン系絶縁膜に接する、この下層窒化シリコン系絶縁膜の組成よりＮリッチで化学量論組成に近い上層窒化シリコン系絶縁膜を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明の別の電子装置は、低誘電率絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれた金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を有する電子装置であって、この金属配線上に接する、Ｓｉ３Ｎ４の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜と、この下層窒化シリコン系絶縁膜に接する、この下層窒化シリコン系絶縁膜の組成より、膜表面方向に向け漸次Ｎリッチとなり、最表層において化学量論組成に近くなる上層窒化シリコン系絶縁膜を有することを特徴とする。
【００２２】
いずれの電子装置においても、窒化シリコン系絶縁膜の厚さは、３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが望ましく、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがさらに望ましい。
【００２３】
またいずれの電子装置においても、窒化シリコン系絶縁膜上に接して、さらに絶縁膜を有することが望ましい。
【００２４】
本発明が対象とする電子装置は、Ｃｕ等の易酸化性金属配線を用いる高集積度半導体装置をはじめ、薄膜磁気ヘッド装置、薄膜コイル、薄膜インダクタあるいはマイクロマシン等が例示される。
【００２５】
（作用）
金属配線上に形成する絶縁膜として窒化シリコン系絶縁膜を採用し、成膜雰囲気から可及的に酸素を排除することにより、金属配線の酸化を防止する。この際、成膜装置に付随する真空ポンプとしてタ−ボ分子ポンプを採用することにより、金属配線の酸化をより効果的に防止することができる。タ−ボ分子ポンプの到達真空度は１×１０-6Ｔｏｒｒ以下であり、理論的には１ｐｐｂ以下の酸素濃度とすることができる。
【００２６】
このような低酸素濃度として窒化シリコン系絶縁膜を成膜しても、なお金属配線が酸化される可能性は残る。この場合には、基板バイアスを印加できる成膜装置を用い、金属配線表面の酸化膜を逆スパッタリングで除去してから窒化シリコン系絶縁膜を成膜すれば、金属配線の酸化は一層効果的に防止できる。
【００２７】
金属配線に接する窒化シリコン系絶縁膜は、両者の密着性に影響を与える。このため、この部分の窒化シリコン系絶縁膜は、Ｓｉ3 Ｎ4 の化学量論組成よりＳｉリッチな組成としておくことにより、反応活性が高まり密着性の向上が図れる。上層の窒化シリコン系絶縁膜は、絶縁性等の確保の観点から、Ｓｉ3 Ｎ4 の化学量論組成とすることが望ましい。下層と上層の窒化シリコン系絶縁膜は、界面で急峻に組成が変化しても、傾斜組成でなめらかに変動してもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、電子装置の一例として高集積度半導体装置を採りあげ、Damascene プロセスにより形成されたＣｕ金属配線上に窒化シリコン系絶縁膜を含む層間絶縁膜を形成する方法を例にとり説明する。なお電子装置としては、半導体装置に限らず、薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置、特に低抵抗のＣｕ配線を採用したものに適用することができる。
【００２９】
図１は本発明の電子装置の一例として、高集積度半導体装置の要部を示す概略断面図である。
すなわち、Ｓｉ等の半導体基体１上の層間絶縁膜２には、配線溝３が形成され、この配線溝３内には金属配線４が埋め込まれている。この金属配線４上には、窒化シリコン系絶縁膜５および絶縁膜６が形成されている。
なお図１に示す構造は、本発明に関連する要部のみを示してあり、半導体基体１に形成されているＭＯＳトランジスタや素子分離領域、あるいはさらに上層の配線等は図示を省略している。また各構成部分の寸法は、実際の半導体装置に比例したものではない。
【００３０】
層間絶縁膜２は、一般的には酸化シリコン系絶縁膜で構成される。酸化シリコン系絶縁膜は、例えばＳｉＨ4 とＯ2 ガスを原料ガスとする減圧ＣＶＤ法や、ＴＥＯＳ (Tetraethyl Orthosilicate) を原料ガスとするプラズマＣＶＤ法等で形成される。層間絶縁膜２は、低誘電率絶縁膜や、低誘電率絶縁膜とＳｉＯ2 等の無機絶縁膜の積層で構成してもよい。無機絶縁膜との積層構造とすることにより、一般的に機械強度が小さい低誘電率絶縁膜を補強し、半導体装置の信頼性を高めることができる。もちろん、低誘電率絶縁膜の採用により、配線間容量を低減することができる。
【００３１】
低誘電率絶縁膜としては、ＳｉＯＦやキセロゲル（多孔質シリコン酸化膜）等の無機系絶縁膜の他に、有機ＳＯＧ、ポリアリールエーテル、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商標名パリレン）、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、フッ素樹脂等を用いることができる。
【００３２】
金属配線４は、溝配線であっても、半導体基体１に形成されている不純物拡散層（不図示）とのコンタクトプラグであってもよい。また溝配線とコンタクトプラグを一体化した構造であってもよい。なおコンタクトプラグの場合は、不図示の下層配線に臨むビアコンタクトプラグであってもよい。
金属配線４は、バリアメタル構造でもよく、この場合はＴａＮとＣｕの積層構造、ＴａとＣｕの積層構造、あるいはＴｉＮとＡｌ−Ｃｕ合金との積層構造等が採用される。Ｃｕを用いれば低抵抗配線となり、Ａｌ−Ｃｕ合金を用いれば比較的低抵抗でしかも低コストの配線を提供できる。金属配線４の材料としては、Ｗ、ＭｏあるいはＡｇ等を採用してもよい。
バリアメタルの材料としては、この他にＷ2 Ｎ，Ｔａ2 ＮあるいはＭｏ2 Ｎ等を採用してもよい。すなわち、高融点金属の低次窒化物であり、その中でも柱状あるいは粒状の結晶組織を形成せず、アモルファスあるいはアモルファス状態に近い微結晶として成膜されるものが望ましい。
バリアメタルはスパッタリング法や反応性スパッタリング法の他、ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法でも形成される。この場合採用される原料ガスとしては、ＷＦ6 ，ＷＣｌ6 ，ＴａＢｒ5 ，ＭｏＦ6 ，ＭｏＣｌ5 等の比較的蒸気圧が高く気化しやすいフッ化物、塩化物あるいは臭化物等の金属ハロゲン化物や、有機金属化合物が採用される。混合して用いられる窒化剤ガスとしては、Ｎ2 ，ＮＨ3 あるいはＮ2 Ｈ2 等が例示される。
【００３３】
金属配線４は、スパッタリング法、ＣＶＤ法あるいは電解めっき法等で形成することができる。いずれの方法によっても、層間絶縁膜２上にも形成された余分の配線材料をＣＭＰ (Chemical Mechanical Polishing)法により除去し、その表面は平坦に形成される。
【００３４】
さて、窒化シリコン系絶縁膜５は２層で構成されており、これらはＳｉ3 Ｎ4 の化学量論組成よりＳｉリッチな下層窒化シリコン系絶縁膜５ａと、この下層窒化シリコン系絶縁膜５ａよりＮリッチな上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂとから構成される。上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂは、表面に向けて漸次Ｎリッチとなる傾斜組成であってもよい。窒化シリコン系絶縁膜５は、本発明方法により製造されたものである。
【００３５】
下層窒化シリコン系絶縁膜５ａの膜厚は１０ｎｍ以上であることが望ましい。１０ｎｍ未満の膜厚では、上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂを形成する際に金属配線４が窒化し、両者の密着性が低下する虞がある。窒化シリコン系絶縁膜５の全厚は、３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下が望ましく、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がさらに望ましい。３０ｎｍに満たないと、金属配線４中の金属の拡散を防止する効果が乏しい。特にＣｕは拡散しやすく、金属配線４に採用する場合には、その拡散を確実に抑制する必要がある。逆に１５０ｎｍを超えると、配線間容量の増大を招き、デバイス特性を劣化させる。
【００３６】
窒化シリコン系絶縁膜５の形成方法は、低温度で形成できるプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等の気相成長法が採用される。スパッタリング法は、窒化シリコンをターゲットとする方法の他、シリコンをターゲットとし、ＡｒにＮ2 やＮＨ3 を添加した反応性スパッタリング法が採用される。このとき、Ｎ2 やＮＨ3 の添加量を制御することにより、窒化シリコン系絶縁膜５の組成を制御することができる。
【００３７】
窒化シリコン系絶縁膜５は、プラズマＣＶＤ法によっても形成できる。プラズマ発生源として、１×１０10／ｃｍ3 程度以上の電子密度が得られる高密度プラズマ発生源を有するプラズマＣＶＤ装置の使用が特に好ましい。高密度プラズマＣＶＤ装置は、１×１０-3Ｔｏｒｒ程度の高真空度でのプラズマ生成が可能であり、ターボ分子ポンプの到達真空度（１×１０-6Ｔｏｒｒ程度）との整合性がよい。これら高密度プラズマＣＶＤ装置としては、ＥＣＲ (Electron Cyclotron Resonance) プラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ (Inductively Coupled Plasma) ＣＶＤ装置、ヘリコン波プラズマＣＶＤ装置等が例示される。さらにプラズマ生成用の電源と、基板バイアス印加用の電源を独立に制御しうるプラズマＣＶＤ装置の使用が望ましい。これにより、同一の成膜チャンバ内で逆スパッタリングを施すことができる。
【００３８】
プラズマＣＶＤ装置として、通常の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いることもできる。平行平板型プラズマＣＶＤ装置は、１×１０-2Ｔｏｒｒ程度の真空度でのプラズマ生成であるので、成膜チャンバを高純度窒素等の残留酸素が少ない不活性ガスでパージ後に真空引きを行い、１００ｐｐｂ以下の酸素濃度としてから窒化シリコン系絶縁膜を成膜することが望ましい。
【００３９】
下層窒化シリコン系絶縁膜５ａを形成するに先立ち、金属配線４表面に形成される酸化膜（不図示）を逆スパッタリングにより除去することが望ましい。逆スパッタリングは、Ｈｅ，Ａｒ，Ｘｅ，ＫｒあるいはＮｅ等の希ガスが用いられる。これら希ガスにＨ2 あるいはＳｉＨ4 等の還元性ガスを添加してもよい。
逆スパッタリングは、窒化シリコン系絶縁膜の形成装置の同一成膜チャンバ内で施してもよいが、逆スパッタリング専用の前処理チャンバを設け、ここで施してもよい。この場合は、前処理チャンバと成膜チャンバとを真空ゲートバルブで連接し、搬送途中での再酸化を防止する。
【００４０】
絶縁膜６は、窒化シリコン系絶縁膜５の膜厚が薄い場合に必要に応じて形成する。絶縁膜６の材料は酸化シリコンや、前述した低誘電率絶縁膜が採用される。酸化シリコンは信頼性に問題はないが誘電率の点で問題がある。低誘電率絶縁膜はその逆で、信頼性が低下する可能性がある。
絶縁膜６を形成する前に、下地の上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂ表面を逆スパッタリングしてもよい。この際の逆スパッタリングは、絶縁膜６の密着性を向上するために施される。
【００４１】
窒化シリコン系絶縁膜５あるいは絶縁膜６上に、必要に応じてさらに層間絶縁膜や上層の金属配線を形成し、最終的にパシベーション膜を形成して半導体装置を完成する。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の電子装置の製造方法につき、高集積度半導体装置の製造方法を例にとり、図２〜図３を参照しつつ実施例によりさらに詳しく説明を加える。ただしこの実施例は単なる例示であり、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００４３】
〔実施例１〕
本実施例は、金属配線上の下層窒化シリコン系絶縁膜５ａとしてＳｉ3 Ｎ4 の化学量論組成よりＳｉリッチな窒化シリコンを、また上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂとして、この下層窒化シリコン系絶縁膜５ａよりＮリッチな窒化シリコンを形成した例である。
【００４４】
図２（ａ）：  Ｓｉ等の半導体基体１上に層間絶縁膜２をＳｉＯ2 等で形成し、この層間絶縁膜２に、半導体基体１に作り込まれたＭＯＳトランジスタ等所定の素子の不純物拡散層（不図示）に臨む配線溝３を形成した状態を示す。
【００４５】
層間絶縁膜２はＳｉＨ4 とＯ2 を原料ガスとするＣＶＤ法で形成した。
配線溝３の形成工程は、まず層間絶縁膜２上にフォトレジストをコーティングし、配線溝の開口形状にパタ−ニングしてレジストマスク（不図示）を形成する。この被エッチング基板を例えばマグネトロンＲＩＥ装置に搬入し、つぎのエッチング条件でパタ−ニングした。
配線溝形成のエッチング条件
Ｃ4 Ｆ8       １４  ｓｃｃｍ
ＣＯ        ２５０  ｓｃｃｍ
Ａｒ        １００  ｓｃｃｍ
Ｏ2             ２  ｓｃｃｍ
圧力        ５．３  Ｐａ
ＲＦパワー  １．６  ｋＷ
温度          ２０  ℃
なお配線溝３はコンタクトプラグ用の接続孔の他に、単なる溝配線形成用のものでも、またビアコンタクトプラグ用のものであってもよい。
配線溝３の形状は、例えばその開口径が０．２μｍ、深さが１．０μｍ、アスペクト比は５である。
【００４６】
図２（ｂ）：  図２（ａ）に示す被処理基体をＥＣＲプラズマ処理装置に搬入し、ＴａＮからなるバリアメタルを形成する。
原料ガスとしてはＴａＢｒ5 およびＮ2 の混合ガスを導入した。ＴａＢｒ5 はｍｐ＝２６５℃、ｂｐ＝３４８．８℃の常温では固体であるので、加熱気化してプラズマ生成室に導入する。
ＴａＢｒ5         ２〜１０  ｓｃｃｍ
Ｎ2               ５〜２０  ｓｃｃｍ
Ｈ2         １００〜３００  ｓｃｃｍ
Ａｒ        １００〜２００  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
温度        ２００〜４００  ℃
バリアメタル形成前に、被処理基体表面を逆スパッタリングしてもよい。
【００４７】
この後、Ｃｕを電解めっき法等により形成し、金属配線４とする。金属配線４は層間絶縁膜２上にも形成される。この層間絶縁膜２上の金属配線４は不要である。
【００４８】
図２（ｃ）：  そこで、層間絶縁膜２上の金属配線４を公知のＣＭＰ (Chemical Mechanical Polishing)法あるいは全面エッチバック法により除去して平坦化し、配線溝３内に埋め込む。
【００４９】
図２（ｃ）に示す被処理基体をＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に搬入し、逆スパッタリングを施す。このＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、ターボ分子ポンプにより到達真空度が１×１０-6Ｔｏｒｒ以下が達成できるものである。この真空度まで真空引きし、この後処理ガス導入および被処理基体を加熱する。
Ｈ2         ２００〜５００  ｓｃｃｍ
Ａｒ        １００〜３００  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
バイアスパワー      ５００  Ｗ
温度        ２００〜４００  ℃
Ａｒのみによる逆スパッタリングも可能であるが、この場合は還元作用はないので化学反応による自然酸化膜除去、あるいは残留酸素濃度低減効果は期待できず、処理時間は長くなる。Ｈ2 ガス単体では、プラズマを安定して生成および持続することが困難である。
【００５０】
この逆スパッタリング処理は金属配線４表面の自然酸化膜を除去し、また後工程の下層窒化シリコン系絶縁膜形成時のチャンバ内残留酸素濃度を低減するために施す。これにより、下層窒化シリコン系絶縁膜の密着性も向上する。この逆スパッタリング処理は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置のように１〜１０ｍＴｏｒｒの高真空でのプラズマＣＶＤが可能な場合には必ずしも施さなくてもよい。ただし平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用する場合には、施すことが望ましい。
【００５１】
図３（ｄ）：  この後、清浄化された金属配線４上に下層窒化シリコン系絶縁膜５ａを１０ｎｍ形成する。
ＳｉＨ4         ２５〜５０  ｓｃｃｍ
Ｎ2             ２５〜５０  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
温度        ２００〜４００  ℃
この成膜条件はＳｉＨ4 とＮ2 の流量比が１であり、Ｓｉ3 Ｎ4 の化学量論組成よりＳｉ量が多い窒化シリコン系絶縁膜が形成される。成膜レートは１００ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、膜厚制御は比較的容易である。
【００５２】
図３（ｅ）：  続けて、上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂを連続的に形成する。
ＳｉＨ4         ２５〜５０  ｓｃｃｍ
Ｎ2           ５０〜１５０  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
温度        ２００〜４００  ℃
この成膜条件はＳｉＨ4 とＮ2 の流量比が２以上であり、下地の下層窒化シリコン系絶縁膜５ａよりＮリッチな、すなわちＳｉ3 Ｎ4 の化学量論組成に近い窒化シリコン系絶縁膜が形成される。上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂは、７０ｎｍの膜厚とした。したがって、窒化シリコン系絶縁膜５の全厚は８０ｎｍである。
【００５３】
窒化剤ガスとしてＮ2 に換えてＮＨ3 を用いることも可能であるが、ＮＨ3 は窒化作用が強いので金属配線４を窒化する虞がある。したがって、下層窒化シリコン系絶縁膜５ａの膜厚が薄い場合は窒化剤ガスとしてＮ2 を用いることが望ましい。
【００５４】
この後、同じＥＣＲプラズマＣＶＤ装置内で上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂ表面の逆スパッタリング処理を施す。この逆スパッタリングはＡｒガス単体で施してよい。また逆スパッタリングは、窒化シリコン系絶縁膜５上にさらに絶縁膜を形成する際にその密着性を高めるために施す。特に、有機系の低誘電率膜や、ＳＯＧ等を塗布法で形成する際には逆スパッタリングを施すことが望ましい。
この逆スパッタリング処理も、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置のように１〜１０ｍＴｏｒｒの高真空でのプラズマＣＶＤが可能な場合には必ずしも施さなくてもよい。ただし平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用する場合には、施すことが望ましい。
【００５５】
図３（ｆ）：  窒化シリコン系絶縁膜５上に、必要に応じてさらに絶縁膜６を形成する。この絶縁膜６は、窒化シリコン系絶縁膜５の膜厚が薄く、層間絶縁膜としての絶縁耐圧の不足や配線容量が増大する場合には必要である。
絶縁膜としては、層間絶縁膜２の材料と同じくＳｉＯ2 や各種低誘電率膜が採用され、その成膜方法も前述した層間絶縁膜２の成膜方法に準じてよい。
【００５６】
この後の工程は、さらに上層の金属配線構造を形成する場合には、図２（ａ）に戻って図２（ａ）〜図３（ｆ）の工程を反復すればよい。最終的にファイナルパシベーション膜の形成およびパッド電極の形成等を経て、半導体装置を完成する。
【００５７】
〔実施例２〕
窒化シリコン系絶縁膜５を構成する上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂは、表面に向け漸次Ｎリッチとなる傾斜組成としてもよい。本実施例ではこの窒化シリコン系絶縁膜５の形成工程のみを、同じ図２〜図３を参照して説明する。
【００５８】
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す金属配線の形成工程からＣＭＰ工程までは前実施例１と同様であり重複する説明は省略する。
【００５９】
図３（ｄ）：  この後、清浄化された金属配線４上に下層窒化シリコン系絶縁膜５ａを１０ｎｍ形成する。
ＳｉＨ4               ３０  ｓｃｃｍ
Ｎ2                   ３０  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
温度        ２００〜４００  ℃
この成膜条件はＳｉＨ4 とＮ2 の流量比が１であり、Ｓｉ3 Ｎ4 の化学量論組成よりＳｉ量が多い窒化シリコン系絶縁膜が形成される。成膜レートは同じく１００ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、膜厚制御は比較的容易である。
【００６０】
図３（ｅ）：  続けて、上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂを連続的に形成する。
ＳｉＨ4               ３０  ｓｃｃｍ
Ｎ2           ３０→１００  ｓｃｃｍ
圧力              １〜１０  ｍＴｏｒｒ
μ波パワー          １〜３  ｋＷ
温度        ２００〜４００  ℃
この成膜条件は、Ｎ2 流量を徐々に高め、最終的にはＳｉＨ4 とＮ2 の流量比を２以上とするものである。これにより、表面に向けＮ濃度が漸増し、最表層においてはＳｉ3 Ｎ4 の化学量論組成に近い上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂが形成される。上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂは、７０ｎｍの膜厚とした。したがって、窒化シリコン系絶縁膜５の全厚は８０ｎｍである。
上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂの傾斜組成は、上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂの全厚にわたって傾斜していても、上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂの下方の一部のみであってもよい。
【００６１】
上層窒化シリコン系絶縁膜５ｂを傾斜組成とすることにより、窒化シリコン系絶縁膜５全体としては界面での急峻な組成変動が排除でき、密着性の向上、膜応力の低減等の効果が得られる。
この後の工程は前実施例１に準じてよい。
【００６２】
本実施例においても、窒化シリコン系絶縁膜５成膜前後の逆スパッタリング処理は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置のように１〜１０ｍＴｏｒｒの高真空でのプラズマＣＶＤが可能な場合には必ずしも施さなくてもよい。ただし平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用する場合には、施すことが望ましい。
【００６３】
以上本発明を２例の実施例により説明したが、窒化シリコン系絶縁膜の形成工程はＥＣＲプラズマＣＶＤ法の他に各種プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法、あるいは反応性スパッタリング法等を採用することができる。いずれの方法においても、成膜前および成膜中の気相成長チャンバ内の酸素濃度を、１００ｐｐｂ以下に制御することが望ましい。
【００６４】
本発明は、金属配線として易酸化性のＣｕ等を採用した電子装置に特に好適に適用されるが、Ａｌ合金や高融点金属、あるいはＡｇ等の金属配線を用いた電子装置に適用しても好結果を納めることができる。
【００６５】
また密着性が問題となる、低誘電率の絶縁膜あるいは層間絶縁膜と窒化シリコン系絶縁膜とを組み合わせた電子装置における適合性に優れる。かかる有機高分子材料としては、ポリアリールエーテル、ポリイミド、有機ＳＯＧ、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、ポリパラキシリレン、テフロン（商標名）、サイトップ（商標名）等が例示される。これらはいずれも高集積度の電子装置の絶縁膜として望ましい低誘電率材料である。
【００６６】
本発明の電子装置およびその製造方法は、高集積度の半導体装置の多層配線等に好適に用いられるが、配線間容量や配線抵抗の低減が望まれる、高周波信号処理対応の薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置の製造方法に適用できる。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電子装置の製造方法によれば、金属配線の不所望の酸化を防止し、配線抵抗の低減および密着性の向上等の効果を奏する。
【００６８】
また本発明の電子装置によれば、Ｃｕ等易酸化性の金属配線本来の低抵抗性能を有効に実現でき、また密着性が問題となる有機低誘電率絶縁膜と組み合わせることにより、密着性を向上し、信頼性の高い各種電子装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子装置の一例である、高集積度半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】本発明の電子装置の一例である、高集積度半導体装置の製造工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の電子装置の一例である、高集積度半導体装置の製造工程を示す概略断面図であり、図２に続く工程を示す。
【符号の説明】
１…半導体基体、２…層間絶縁膜、３…配線溝、４…金属配線、５…窒化シリコン系絶縁膜、５ａ…下層窒化シリコン系絶縁膜、５ｂ…上層窒化シリコン系絶縁膜、６…絶縁膜
【図１】
0004200568.tif 000002
【図２】
0004200568.tif 000003
【図３】
0004200568.tif 000004