(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料が埋め込まれている構造を有する半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域である層を有し、前記有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料が埋め込まれている構造を有する半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域である層を有し、前記有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域層が２５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料が埋め込まれている構造を有する半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域を有し、前記バリアメタルが、前記低誘電率膜側が窒化タンタル（ＴａＮ）、前記配線材料側がタンタル（Ｔａ）で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料が埋め込まれている構造を有する半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域である層を有し、前記有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であり、前記領域層が２５ｎｍ以下であり、前記バリアメタルが、前記低誘電率膜側が窒化タンタル（ＴａＮ）、前記配線材料側がタンタル（Ｔａ）で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層が２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であり、且つ２ａｔｍ％以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層がＳｉ−Ｈ結合を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記低誘電率膜が、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ又はＳｉＣＯＨ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、またはこれらの膜をポーラス化したもののいずれか一つからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１０】
有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料を埋め込む工程を含む半導体装置の製造方法において、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行い、前記バリアメタルを前記低誘電率膜上に窒化タンタル（ＴａＮ）を形成した後、タンタル（Ｔａ）を前記配線材料側になるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
配線パターンが形成された基板上に、少なくとも第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜とを順次形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜上に形成した第１のレジストパターンを用いて、前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、前記第１のレジストパターンを除去した後、前記第２の層間絶縁膜上に形成した第２のレジストパターンを用いて、前記第２の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチパターンを形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜と前記ビアホール及び前記トレンチパターン内壁とにバリアメタルを成膜する工程と、配線材料を堆積後、ＣＭＰ法により前記ビアホール及び前記トレンチパターン内部に前記配線材料を埋め込む工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法において、前記第１の層間絶縁膜又は前記第２の層間絶縁膜の少なくとも一方が有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜からなり、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
配線パターンが形成された基板上に、少なくとも第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜とハードマスク材料とを堆積する工程と、前記ハードマスク材料上に形成した第１のレジストパターンを用いて、前記ハードマスク材料をエッチングしてハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスク上に形成した第２のレジストパターンを用いて、前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、前記第２のレジストパターンを除去した後、前記ハードマスクを用いて前記第２の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチパターンを形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜上と前記ビアホール及び前記トレンチパターン内壁とにバリアメタルを成膜する工程と、配線材料を堆積後、ＣＭＰ法により前記ビアホール及び前記トレンチパターン内部に前記配線材料を埋め込む工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法において、前記第１の層間絶縁膜、前記第２の層間絶縁膜又は前記ハードマスクの少なくとも一つが有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜からなり、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記プラズマ処理と前記バリアメタルの成膜とを、同一の装置内又は真空を維持した状態で行うことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記プラズマ処理の前にＡｒガスを用いたスパッタ処理工程を有し、前記Ａｒスパッタと前記プラズマ処理と前記バリアメタルの成膜とを、同一の装置内又は真空を維持した状態で行うことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記低誘電率膜が、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ又はＳｉＣＯＨ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、またはこれらの膜をポーラス化したもののいずれか一つからなることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記プラズマ処理のガスとして水素と希ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記プラズマ処理のガスとして希ガス、または水素と希ガスとの混合ガスを用い、前記プラズマ処理に際してＲＦバイアスを印加することを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記希ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎのいずれか一を含むことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記プラズマ処理のガスとしてＨｅを用いる場合に、前記ＲＦバイアス・パワーを略２５０Ｗ以上、略４００Ｗ以下に設定することを特徴とする請求項１７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、半導体装置の構造及びその製造方法に関し、特に、ＭＳＱ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を用いたダマシンプロセスにおけるバリアメタルと前記低誘電率膜の界面構造およびその表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化及びチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が進められており、多層配線構造を形成する方法として、ビアホール及び配線トレンチパターンにＣｕを同時に埋め込み、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化して配線を形成する、いわゆるダマシンプロセスが一般的に行われている。このダマシンプロセスでは、配線パターンの高密度化が可能であるが、配線パターンが近接すると配線パターン間の寄生容量による配線遅延の問題が発生する。そこで、配線遅延を改善するために配線容量の低減が重要な課題となる。
【０００３】
配線容量の低減を図る方法としては、層間絶縁膜として、従来から使われているＳｉＯ2系の絶縁膜に代えて誘電率の低い材料を用いる方法が検討されている。ここで、層間絶縁膜として低誘電率膜を用いた従来のダマシンプロセスについて図面を参照して説明する。図１９乃至図２１は、従来のダマシンプロセスの一形態であるビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【０００４】
まず、図１９（ａ）に示すように、Ｃｕからなる下層配線６が形成された基板２上に、Ｃｕの拡散を防止し、ビアホールのエッチングストッパとなる第１エッチングストップ膜７、ＳｉＯ2からなる第１層間絶縁膜８、配線トレンチパターンのエッチングストッパとなる第２エッチングストップ膜９、ハイドロゲンシルセスキオキサン（hydrogen silsesquioxane：以下ＨＳＱという）、メチルシルセスキオキサン（methyl silsesquioxane：以下ＭＳＱという）等の低誘電率膜からなる第２層間絶縁膜１８を順次堆積する。そして、第２層間絶縁膜１８上に第１反射防止膜１１ａ、フォトレジストを順次塗布し、露光、現像によってビアホール３を形成するための第１レジストパターン１２ａを形成する。
【０００５】
次に、図１９（ｂ）に示すように、第１レジストパターン１２ａをマスクとして公知のドライエッチング技術を用いて、第１反射防止膜１１ａ、第２層間絶縁膜１８、第２エッチングストップ膜９、第１層間絶縁膜８を順次エッチングして、これらを貫通するビアホール３を形成する。
【０００６】
次に、第１レジストパターン１２ａ及び第１反射防止膜１１ａを除去した後、図１９（ｃ）に示すように、第２反射防止膜１１ｂ、フォトレジストを順次塗布し、露光、現像によって配線トレンチパターンをエッチングするための第２レジストパターン１２ｂを形成する。その後、公知のドライエッチング技術を用いて第２反射防止膜１１ｂ、第２層間絶縁膜１８を順次エッチングして配線トレンチパターン１３を形成する（図２０（ａ）参照）。
【０００７】
そして、図２０（ｂ）に示すように、下層配線６上部の第１エッチングストップ膜７を除去した後、図２０（ｃ）に示すように、配線材料の下地となるバリアメタル４を形成し、配線トレンチパターン１３及びビアホール３内部にＣｕ等の配線材料５を埋め込み、ＣＭＰ法によって表面を平坦化してデュアルダマシン構造を形成する（図２１（ａ）、（ｂ）参照）。
【０００８】
上述した従来のダマシンプロセスにおいて、第２層間絶縁膜１８としてＨＳＱを用いる場合には、ＨＳＱが無機系の低誘電率膜であるため、同じく無機系の材料であるバリアメタルやシリコン酸化膜、シリコン窒化膜との密着性はよく、ＨＳＱ界面でこれらの無機材料が剥がれるという問題はなかった。しかし、第２層間絶縁膜１８としてＭＳＱのような有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を用いる場合には、無機材料、特にバリアメタルとの密着性が悪く、図２１（ｂ）に示すように、ＣＭＰ時にバリアメタルがＭＳＱ系低誘電率膜から剥がれ、ＭＳＱ系低誘電率膜表面にスクラッチ２１が発生したり、多層化によってストレスが生じ、密着性の悪いバリアメタル／ＭＳＱ界面で剥がれる膜剥がれ２０が生じるという問題があった。ただＨＳＱと比較してＭＳＱ系低誘電率膜は誘電率が低いため、次世代層間膜として有望であるため、ＭＳＱ系低誘電率膜とバリアメタル界面の密着性の解決は非常に重要となる。
【０００９】
このようにバリアメタル４との密着性がＨＳＱとＭＳＱとで異なるのは、ＨＳＱはシリコン原子に酸素や水素が結合している構造であるのに対し、ＭＳＱは誘電率を下げるためにメチル基のような分子構造の大きい有機成分を含んでおり、ＭＳＱ界面の有機成分がタンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４とＳｉとの結合を妨げるためと考えられる。
【００１０】
そこで、このような剥離を防止するために、溝形成後に溝側壁を保護する構造が検討されている。例えば、特許文献１では、低誘電率層間膜に形成された溝パターンにＳｉ3Ｎ4やＳｉＯ2のサイドウォールを形成して側壁を保護する方法が開示されている。また、ＭＳＱ成膜後にオゾン処理、ＵＶオゾン処理又は酸素プラズマ処理を行う方法も検討されており、特許文献２には、酸素ガスをイオン化した荷電ビームを照射して、層間絶縁膜の表面を過剰シリコンを含有するシリコン酸化膜あるいは二酸化シリコン膜に改質する方法が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２８４６００公報（図１〜３）
【特許文献２】
特開２００１−２２３２６９号公報（図５〜７）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１の方法では、厚膜を形成した場合には誘電率の増加が、薄膜を形成した場合にはピンホールに伴う密着性の劣化が避けられない。  また、上記の低密着性による剥離を防止するために、ＭＳＱ成膜後、その表面に対して様々な表面処理を行い、密着性の向上を図る方法が検討されている。例えば、半導体装置の製造では様々な工程でＡｒガスを用いたスパッタによるクリーニングが行われており、配線トレンチパターン１３を形成後バリアメタル４成膜前に、ビアホール３底部の下層配線６表面を清浄化するためにＡｒスパッタ処理が行われる場合もあるが、Ａｒスパッタ処理では、被スパッタ材をエッチングするのみであるため、ＭＳＱ表面の改質効果は認められない。
【００１３】
一方、特許文献２等のオゾン処理、ＵＶオゾン処理又は酸素プラズマ処理を行う方法では、膜中に水分が侵入したり絶縁膜の誘電率が上昇する上、膜の表面があれて残さが生じるといった問題が発生する。
【００１４】
このように配線容量の低減を図るためにはＭＳＱのような有機成分を含む低誘電率膜を層間絶縁膜として用いることが必須であるが、前記低誘電率膜と無機材料、特にバリアメタルとの密着不良に起因する信頼性の低下が深刻であり、前記低誘電率膜とバリアメタルの密着性が向上できる構造、及び前記低誘電率膜の表面を改質することができるプロセスの開発が求められている。この問題は、上述したビアファーストデュアルダマシンプロセスに限らず、デュアルハードマスクプロセス、シングルダマシン等の他のダマシンプロセスや有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を用いる他のプロセスにおいても同様に生じる。
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ダマシンプロセスにおいてＭＳＱ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜とバリアメタルの界面での密着性を向上することができる半導体装置の構造及びその製造方法、特に上記低誘電率層間膜とバリアメタルの界面から有機成分を除去し、バリアメタル等の無機材料との密着性を向上させることができる半導体装置の構造、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の構造は、有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料を埋め込む工程を含む半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域である層を有し、前記低い濃度の領域層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明の半導体装置においては、前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層のカーボン（Ｃ）濃度が、７ａｔｍ％以下であり、且つ２ａｔｍ％以上ことが好ましい。
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の構造は、有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料を埋め込む工程を含む半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域である層を有し、前記低い濃度の領域層が２５ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
【００２０】
また本発明の半導体装置においては、前記有機成分濃度が前記低誘電率層間膜より相対的に低い濃度である層がＳｉ−Ｈ結合を有することを特徴とすることもできる。
【００２１】
また本発明の半導体装置においては、前記低誘電率膜が、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ又はＳｉＣＯＨ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、またはこれらの膜をポーラス化したもののいずれか一つからなることが好ましい。
【００２２】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の構造は、有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料を埋め込む工程を含む半導体装置において、前記低誘電率膜の前記バリアメタルと接する領域に、前記低誘電率層間膜内部より有機成分濃度が相対的に低い濃度の領域を有し、前記バリアメタルが、前記低誘電率膜側が窒化タンタル（ＴａＮ）、前記配線材料側がタンタル（Ｔａ）で形成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
また本発明の半導体装置の製造方法は、有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層に形成されるビアホール、又は配線溝にバリアメタルを介して配線材料を埋め込む工程を含む半導体装置の製造方法において、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行い、前記バリアメタルを前記低誘電率膜上に窒化タンタル（ＴａＮ）を形成した後、タンタル（Ｔａ）を前記配線材料側になるように形成するものである。
【００２４】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、配線パターンが形成された基板上に、少なくとも第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜とを順次形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜上に形成した第１のレジストパターンを用いて、前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、前記第１のレジストパターンを除去した後、前記第２の層間絶縁膜上に形成した第２のレジストパターンを用いて、前記第２の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチパターンを形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜と前記ビアホール及び前記トレンチパターン内壁とにバリアメタルを成膜する工程と、配線材料を堆積後、ＣＭＰ法により前記ビアホール及び前記トレンチパターン内部に前記配線材料を埋め込む工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法において、前記第１の層間絶縁膜又は前記第２の層間絶縁膜の少なくとも一方が有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜からなり、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行うものである。
【００２５】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、配線パターンが形成された基板上に、少なくとも第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜とハードマスク材料とを堆積する工程と、前記ハードマスク材料上に形成した第１のレジストパターンを用いて、前記ハードマスク材料をエッチングしてハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスク上に形成した第２のレジストパターンを用いて、前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、前記第２のレジストパターンを除去した後、前記ハードマスクを用いて前記第２の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチパターンを形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜上と前記ビアホール及び前記トレンチパターン内壁とにバリアメタルを成膜する工程と、配線材料を堆積後、ＣＭＰ法により前記ビアホール及び前記トレンチパターン内部に前記配線材料を埋め込む工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法において、前記第１の層間絶縁膜、前記第２の層間絶縁膜又は前記ハードマスクの少なくとも一つが有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜からなり、前記バリアメタル成膜前に、露出した前記低誘電率膜表面の有機成分からなる基の少なくとも一部を水素に置換可能なガス、又は、前記有機成分からなる基の少なくとも一部を分解してダングリングボンドを形成可能なガスを用いたプラズマ処理を行うものである。
【００２６】
本発明においては、前記プラズマ処理と前記バリアメタルの成膜とを、同一の装置内又は真空を維持した状態で行う、又は、前記プラズマ処理の前にＡｒガスを用いたスパッタ処理工程を有し、前記Ａｒスパッタと前記プラズマ処理と前記バリアメタルの成膜とを、同一の装置内又は真空を維持した状態で行う構成とすることができる。
【００２７】
また、本発明においては、前記低誘電率膜が、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、メチレーテッドハイドロシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ又はＳｉＣＯＨ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、またはこれらの膜をポーラス化したもののいずれか一つからなることが好ましい。
【００２８】
また、本発明においては、前記プラズマ処理のガスとして水素と希ガスとの混合ガスを用いる構成、又は、前記プラズマ処理のガスとして希ガスを用い、前記プラズマ処理に際してＲＦバイアスを印加する構成とすることが好ましい。
【００２９】
また、本発明においては、前記希ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎのいずれか一を含むことが好ましい。
【００３０】
また、本発明においては、前記プラズマ処理のガスとしてＨｅを用いる場合に、前記ＲＦバイアス・パワーを略２５０Ｗ以上、略４００Ｗ以下に設定する構成とすることもできる。
【００３１】
このように、本発明は、ＭＳＱ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層を有するダマシンプロセスにおいて、前記低誘電率膜とバリアメタルの間の密着性を確保できる構造を提供することにより、ＣＭＰ時にバリアメタルが剥がれて前記低誘電率膜にスクラッチが発生するという問題や、多層化によるストレスに起因するバリアメタル／低誘電率膜界面での膜剥がれを防止することができ、前記低誘電率膜を用いたダマシンプロセスの信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また本発明は、ＭＳＱ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を含む絶縁層にトレンチパターンやビアホールを形成後、バリアメタルを成膜する前工程として、Ｈ2とＨｅとの混合ガスやＨｅガス等を用いたプラズマ処理を実施することにより、低誘電率膜の表面の有機成分（ＭＳＱの場合はメチル基）を水素に置換したり、有機成分を分解してダングリングボンドを形成し、低誘電率膜とバリアメタルとの密着性を向上させることができる。これにより、ＣＭＰ時にバリアメタルが剥がれて前記低誘電率膜表面にスクラッチが発生するという問題や、多層化によるストレスに起因するバリアメタル／低誘電率膜界面での膜剥がれを防止することができ、前記低誘電率膜を用いたダマシンプロセスの信頼性を向上させることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
従来技術において示したように、半導体装置の製造に際して、Ａｒガスを用いたスパッタは表面層のクリーニングとして広く利用されており、Ａｒスパッタ処理により被スパッタ材表面に付着した不純物や異物を除去することができるが、ＭＳＱ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜にＡｒスパッタ処理を施しても低誘電率膜とバリアメタルとの密着性は改善されない。
【００３４】
この原因は、スパッタに用いるＡｒのサイズが大きく、またＲＦバイアスにより大きなエネルギーを持っているため、ＭＳＱ表面を覆うメチル基のみならすＭＳＱ分子そのものをスパッタしてしまい、スパッタ面には新たなＭＳＱ分子が出現し、そのメチル基が再び表面を覆うためと考えられる。従って、ＭＳＱのメチル基のみを有効に除去するためには、原子量が小さく、また、メチル基との置換反応性のあるガスを用いればよいと考えられる。そこで、ガス種の代表として反応性の高いガスと希ガスとの混合ガス又は希ガス単体（具体的には、Ｈ２とＨｅとの混合ガス及びＨｅガス）を用いて以下の実験を行った。
【００３５】
まず、ＭＳＱ膜上に、スパッタ法を用いてバリアメタルとしてタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）層とＣｕ層を成膜したサンプルを作製した。膜構造は、Ｃｕ１００ｎｍ／Ｔａ１５ｎｍ／ＴａＮ１５ｎｍ／ＭＳＱ３００ｎｍであり、プリクリーニングチャンバにて以下に示すクリーニングプロセスを行った後、バリアメタル用のＰＶＤチャンバにてＴａ、ＴａＮ層を成膜し、次に、Ｃｕ用のＰＶＤチャンバにてＣｕ層の成膜を行った。なお、各チャンバ間のウエハの搬送は真空中（１０−７ｔｏｒｒ以下）で行い、ＭＳＱ表面の汚染を防止した。
【００３６】
クリーニングプロセスとしては、Ａｒガスを用いたエッチングのみを行うプロセスと、Ａｒガスを用いたエッチング後に、同一のチャンバにてＨｅ／Ｈ2の混合ガスを用いたプラズマ処理を行うプロセスと、Ａｒガスを用いたエッチング後に、同一のチャンバにてＨｅガスを用いたプラズマ処理を行うプロセスの３種類を行い、各々のプロセスでクリーニングを行ったサンプルに対して、粘着テープを用いたテープテストを行った。その結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１より、ＡｒエッチングのみのプロセスやＡｒエッチング後にＨｅプラズマ処理を行うプロセスではバリアメタル／ＭＳＱ界面の密着性は十分ではなく、全てのサンプルでバリアメタル層とＣｕ層がバリアメタル／ＭＳＱ界面で剥離したが、Ａｒエッチング後にＨｅ／Ｈ2プラズマ処理を行うプロセスではバリアメタル／ＭＳＱ界面の密着性は改善され、剥離は生じなかった。この結果から、Ｈ2を含むガスを用いたプラズマ処理がＭＳＱの密着性改善に効果があることが分かる。
【００３９】
ここで、ＨｅはＨ2とは異なり反応性は低いが、Ａｒに比べて原子量は小さいため、条件によってはＭＳＱのメチル基のみを除去できる可能性がある。そこで、Ｈｅプラズマ処理に際してＲＦバイアスを徐々に印加して、Ｈｅプラズマのエネルギー大きくしてクリーニングを行ったサンプルを作製し、同様にテープテストを行った。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
0003768480.tif 000003
【００４１】
表２より、ＲＦバイアスを印加しない処理では密着性改善効果は認められないが、ＲＦバイアスを２５０Ｗ以上印加すると剥離が生じなくなっていることから密着性が改善されていることがわかる。これは、ＲＦバイアスを印加しない状態ではＨｅプラズマのエネルギーが小さく、メチル基を分解するには至っていないからと考えられ、反応性のない又は低いガス種を用いた場合でもＲＦバイアスを印加して適度のエネルギーを与えることによってメチル基の分解が可能であることを示している。なお、Ａｒの場合は、ＲＦバイアスを印加しても密着性は改善されないことから、適切なガスを選択しなければ効果が得られないことが分かる。
【００４２】
表１及び表２の結果から、ガス種として反応性の高いガスを含む混合ガス（Ｈｅ／Ｈ2）又は希ガス（Ｈｅ）を用いることにより、ＭＳＱとバリアメタル界面の密着性が改善されることは分かるが、上記改善効果がＭＳＱ表面のメチル基の除去に起因しているかどうかは不明である。一般に、メチル基は疎水性であり、水素基やダングリングボンドは親水性であることから、メチル基有効に除去されればＭＳＱ表面の親水性の度合いが高まって濡れ性が向上し、接触角が低下することが予想される。そこで、表１と同様のプロセスでクリーニングを行ったサンプルを作製し、ＭＳＱ表面の水との接触角を測定した。その結果を表３及び表４に示す。
【００４３】
【表３】
0003768480.tif 000004
【００４４】
【表４】
0003768480.tif 000005
【００４５】
表３より、テープテストでは差が明確ではなかったが、Ａｒエッチングのみのプロセスに比べて、Ａｒエッチング後にＨｅプラズマ処理（ＲＦバイアスなし）を行うプロセスは接触角がわずかに低下しており、Ｈｅプラズマ処理自体に密着性改善効果があることが分かる。また、Ａｒエッチング後にＨｅ／Ｈ2プラズマ処理を行うプロセスでは更に接触角が低下しており、Ｈ2ガスの表面改質効果が高いことが分かる。また、表４より、Ｈｅプラズマ処理でもＲＦバイアスを印加することにより接触角が徐々に小さくなっており、特にＲＦバイアス・パワー２５０Ｗ以上ではＨｅ／Ｈ2プラズマ処理よりも表面改質効果が高いことを示している。
【００４６】
このプラズマ処理による効果を図１を用いて説明すると、未処理の状態ではＭＳＱ表面はメチル基に覆われているが、例えば、ＭＳＱ表面をＨ2プラズマに曝すことにより、図１（ａ）に示すようにＭＳＱ表面のＳｉ-ＣＨ3結合がＳｉ-Ｈ結合に置き換わり、分子構造の大きいメチル基が水素に置換されることによってＳｉとバリアメタル金属との距離が短くなり結合力が向上するためと考えられる。また、Ｈｅプラズマ処理の場合は、ＲＦバイアスが大きくなるに従い、図１（ｂ）に示すように、ＭＳＱ表面のＳｉ-ＣＨ3結合が破壊されてダングリングボンドとなり、Ｓｉとバリアメタルとの結合力が向上するためと考えられる。
【００４７】
以上の実験結果より、本発明の密着性改善効果を得るためには、ガス種としてメチル基を分子構造の小さい基、例えば水素に置換可能な反応性の高いガスを含有する混合ガス、又はＭＳＱを分子ごと分解することなく表面を覆うメチル基のみを分解可能なガスを用いればよく、Ｈｅ、Ｈｅ／Ｈ2の他に、Ｈ2とＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ等の希ガスとの混合ガス、アンモニアを含むガス等を用いることができる。
【００４８】
なお、Ｈｅ／Ｈ2プラズマ処理においてもＲＦバイアスを印加する方法が考えられるが、この場合、水素原子がプラズマに曝される物質の内部にまで浸透してしまい、特に配線材料であるＣｕが露出している状態ではＣｕが脆弱化するという問題が生じるため、水素ガスを用いる場合はＲＦバイアスを最適化する必要がある。
【００４９】
また、Ｈ2ガスと希ガスの成分比は、Ｈ2ガスの割合が大きくなると反応性が高くなって制御が困難になり、表面層のみならず内部までメチル基の置換反応が進行してＭＳＱの誘電率が大きくなる恐れがあることから、Ｈ2等の反応性の高いガスを１〜１０％程度含む成分比（一例として、Ｈ2とＨｅの場合はＨ2：４％、Ｈｅ：９６％程度）とすることが好ましい。また、メチル基との反応性を考慮するとアンモニアガスも考えられるが、この場合はアンモニアにより配線材料であるＣｕが窒化されて配線信頼性への影響が懸念されるため、アンモニア濃度、ＲＦバイアス、処理時間等を最適化する必要がある。
【００５０】
また、上記ガスを用いたプラズマ処理により密着性の改善が可能な材料としては、有機成分を含む材料や分子構造の大きい基を含む材料であればよく、ＭＳＱの他に、メチレーテッドハイドロゲンシルセスキオキサン（methylated hydrogen silsesquioxane：ＭＨＳＱ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ又はＳｉＣＯＨ）等でもよく、これらの膜をポーラス化したものであってもよい。また、これらの膜を成膜する方法は問わず、ＣＶＤ法、塗布法等、任意の方法を用いることができる。
【００５１】
ＭＳＱ表面のＳｉ-ＣＨ3結合をＳｉ-Ｈ結合に置き換えることが可能な上記プラズマ処理をダマシンプロセスに適用した場合の概略工程を図２に示す。基板２上に成膜したＭＳＱ１を含む絶縁層にビアホール３を形成すると、表面やビアホール３内壁のＭＳＱ露出面は図２（ａ）に示すようにメチル基で覆われており、ここでＨｅ／Ｈ2の混合ガスを用いたプラズマ処理を施すと、図２（ｂ）に示すようにメチル基が水素に置換されて表面が親水性になり、無機材料との密着性が向上する。この状態で図２（ｃ）に示すようにバリアメタル４を成膜すればＭＳＱ１とバリアメタル４とは強く結合し、ＣＭＰ法により配線金属をビアホール３内に埋め込んでもＭＳＱ表面やビアホール３内壁のバリアメタル４は剥がれることはなく、多層配線の接続信頼性を向上させることができる。
なお、Ｈｅ／Ｈ2の混合ガスやＨｅガスを用いたプラズマ処理自体は公知であるが、このプラズマ処理により、ＭＳＱ等の低誘電率膜のメチル基を水素に置換したりメチル基を分解してダングリングボンドを生成し、バリアメタルとの密着性を改善できるという効果は、本願発明者の知見によって得られた新規な事実である。
【００５２】
ＭＳＱ表面のＳｉ-ＣＨ3結合が破壊されてダングリングボンドを形成することが可能な上記プラズマ処理をダマシンプロセスに適用した場合の概略工程を図３に示す。基板２上に成膜したＭＳＱ１を含む絶縁層に配線トレンチパターン１３を形成すると、表面や配線トレンチパターン１３内壁のＭＳＱ露出面は図３（ａ）に示すようにメチル基で覆われており、ここでＨｅガスを用いてＲＦバイアスを印加したプラズマ処理を施すと、図３（ｂ）に示すようにＳｉ-ＣＨ3結合が破壊されてダングリングボンド層２５が形成される。
【００５３】
前記ダングリングボンド層２５はプラズマ処理条件により、Ｃの脱離度及びその厚さを変えることができる。そこで図３（ｃ）に示すように、配線トレンチパターン１３にバリアメタル４及び配線材料５であるＣｕを形成したサンプルを準備して、Ｃの脱離度及びその厚さを変化させた場合の、ＣＭＰ法による剥がれ起因のスクラッチを調査した。表５に局所ＥＤＸ法により測定した前記ダングリングボンド層２５のＣ濃度と膜厚に対するスクラッチ欠陥数及び配線間容量の結果を示した。
【００５４】
【表５】
0003768480.tif 000006
【００５５】
表５より、ダングリングボンド層２５のＣ濃度が低下すると顕著に密着性起因のスクラッチ欠陥が減少することが確認された。特にＣ濃度が７ａｔｍ％以下では良好な結果が得られている。ただ前記ダングリングボンド層２５の膜厚が４１ｎｍでは、配線間容量が上昇していることが確認されており、前記ダングリングボンド層２５のＣ濃度は２ａｔｍ％以上であり、膜厚は２５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
前記ダングリングボンド層２５が形成された配線溝にバリアメタル４としてＴａ単層、ＴａＮ単層、Ｔａ／ＴａＮ積層を形成したサンプルを準備して上記と同様の評価を行なった。表６に各バリアメタルに対するスクラッチ欠陥数の結果を示した。
【００５７】
【表６】
0003768480.tif 000007
【００５８】
表６より、ダングリングボンド層２５のＣ濃度が７ａｔｍ％の場合では、スクラッチ欠陥数はすべてのバリアメタル構造で良好であるのに対して、ダングリングボンド層２５のＣ濃度が１０ａｔｍ％の場合では、Ｔａ単層のみスクラッチ欠陥数が多く、ダングリングボンド層２５と接するバリアメタル材はＴａＮであることが好ましい。Ｃｕとの濡れ性及び密着性はＴａの方が良好であることから、バリアメタルはＴａ／ＴａＮの積層構造であることが好ましい。
【００５９】
なお、Ｔａ／ＴａＮ積層構造のバリアメタル自体は公知であるが、有機成分からなる基とＳｉとの結合をもつ低誘電率膜を用いたダマシンプロセスにおいて、ダングリングボンド層を形成した配線溝或いはビアホールにバリアメタルを形成する際にＴａ／ＴａＮ積層構造が最適であるという事実は、本願発明者の知見によって得られた新規な事実である。
【００６０】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明構造及びプラズマ処理を適用したダマシンプロセスの具体的な実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
まず、本発明の第１の実施例に係るデュアルダマシンプロセスについて、図４乃至図６を参照して説明する。図４乃至図６は、本発明の構造及びプラズマ処理を適用したビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図であり、作図の都合上分図したものである。
【００６１】
まず、図４（ａ）に示すように、公知の方法により、基板２上にＣｕ、Ｃｕ合金等からなる下層配線６を形成した後、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、第１エッチングストップ膜７、第１層間絶縁膜８、第２エッチングストップ膜９、第２層間絶縁膜１０を順次、所定の膜厚で形成する。なお、本発明のプラズマ処理の効果が得られる膜としては、メチル基を含むＭＳＱのように分子構造が大きく疎水性を呈する基を含む低誘電率膜であればよく、ＭＨＳＱ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ等やこれらの膜をポーラス化した膜であってもよい。また、この低誘電率膜はＣＶＤや塗布等、どのような方法で成膜された膜であってもよい。
【００６２】
以下の説明では、第２層間絶縁膜１０としてＭＳＱを用いる場合について説明するが、第１層間絶縁膜８又はその両方に上記低誘電率膜を用いてもよい。また、低誘電率膜以外の膜の材料は特に限定されず、エッチングの選択比が得られる材料の組み合わせであればよく、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等の中から適宜選択することができる。また、第２層間絶縁膜１０としてＳｉＯ2以外の材料を用いた場合は、配線のＣＭＰ工程で問題が生じる場合もあるため、その場合は第２層間絶縁膜１０上にキャップ絶縁膜を形成してもよい。
【００６３】
その後、第２層間絶縁膜１０の上に、露光の光の反射を抑制するための反射防止膜１１ａを５０ｎｍ程度堆積した後、ビアホールパターンを形成するための化学増幅型レジストを６００ｎｍ程度塗布し、ＫｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第１レジストパターン１２ａを形成する。
【００６４】
次に、図４（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより反射防止膜１１ａ、第２層間絶縁膜１０、第２エッチングストップ膜９、第１層間絶縁膜８を順次エッチングして、それらを貫通するビアホール３を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ａと反射防止膜１１ａとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【００６５】
次に、図４（ｃ）に示すように、反射防止膜１１ｂを５０ｎｍ程度堆積した後、その上に化学増幅型レジストを６００ｎｍ程度塗布し、ベークを行った後、ＫｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像により配線トレンチパターン形成用の第２レジストパターン１２ｂを形成し、ドライエッチング法により露出した第２反射防止膜１１ｂを除去する。
【００６６】
次に、第２エッチングストップ膜９をエッチングストッパとして第２層間絶縁膜１０をエッチングして配線トレンチパターン１３を形成し、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理により第２レジストパターン１２ｂと第２反射防止膜１１ｂとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する（図５（ａ）参照）。
【００６７】
次に、図５（ｂ）に示すように、露出した第１エッチングストップ膜７をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、ビアホール３底部の下層配線６表面のクリーニングを行う。
【００６８】
この状態では、第２層間絶縁膜（ＭＳＱ）１０表面や配線トレンチパターン１３、ビアホール３の側壁はメチル基で覆われており、その上にバリアメタルを形成しても良好な密着性が得られない。そこで、図５（ｃ）に示すように、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理としては、Ｈｅ／Ｈ2の混合ガスを用いたプラズマ処理や、Ｈｅガスを用い所定のＲＦバイアスを印加したプラズマ処理が好ましく、例えば、Ｈｅ／Ｈ2の混合ガスを用いたプラズマ処理を施すと、表面及びトレンチ側壁に露出したＭＳＱのメチル基が水素に置換されて、バリアメタルとの密着性が向上する。
【００６９】
上記Ａｒスパッタ処理、Ｈｅ／Ｈ2プラズマ処理、Ｈｅプラズマ処理としては下記に示す条件で行うことが好ましい。
【００７０】
［Ａｒプラズマ処理の条件］
ガス圧：約０．２〜５ｍＴｏｒｒ
ガス種：アルゴン１００％
ＲＦパワーソース：約２００Ｗ〜６００Ｗ
ＲＦバイアスソース：約２００Ｗ〜４００Ｗ
時間：約６０秒
【００７１】
［Ｈ2／Ｈｅプラズマ処理の条件］
ガス圧：約２０〜１００ｍＴｏｒｒ
ガス種：水素とヘリウムの混合ガス、好ましくは水素４％ヘリウム９６％の混合比を用いる
ＲＦパワーソース：約２００Ｗ〜６００Ｗ
時間：約６０秒
【００７２】
［Ｈｅプラズマ処理の条件］
ガス圧：約２０〜１００ｍＴｏｒｒ
ガス種：ヘリウム１００％
ＲＦパワーソース：約２００Ｗ〜６００Ｗ
ＲＦバイアスソース：約２００Ｗ〜４００Ｗ
時間：約６０秒
【００７３】
上記プラズマ処理でＭＳＱ表面を改質した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図６（ａ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【００７４】
その後、図６（ｂ）に示すように、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成して配線トレンチパターン１３、ビアホール３内をＣｕで埋設した後、図６（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、デュアルダマシン構造が完成する。
【００７５】
上記方法で形成した半導体装置では、従来例で示したようなＭＳＱ界面でのバリアメタルの剥がれやＭＳＱ表面のスクラッチは認められず、本発明の構造及びプラズマ処理がＭＳＱを用いたプロセスに効果があることを確認した。
［実施例２］
次に、本発明の第２の実施例に係るデュアルダマシンプロセスについて、図７乃至図１０を参照して説明する。図７乃至図１０は、本発明の構造及びプラズマ処理を適用したデュアルハードマスクプロセスの手順を示す工程断面図であり、作図の都合上分図したものである。
【００７６】
まず、図７（ａ）に示すように、前記した第１の実施例と同様に、公知の方法により、基板２上にＣｕ、Ｃｕ合金等からなる下層配線６を形成した後、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、第１エッチングストップ膜７、第１層間絶縁膜８、第２エッチングストップ膜９、第２層間絶縁膜１０を順次形成する。次に、本実施例では、その上に配線トレンチパターンのエッチングマクスとなる第１ハードマスク膜１６及び第２ハードマスク膜１７を堆積する。
【００７７】
なお、本実施例でも、第２層間絶縁膜１０としてＭＳＱを用いる場合について説明するが、第２層間絶縁膜１０に代えて、又は第２層間絶縁膜１０と共に、第１層間絶縁膜８、第１ハードマスク膜１６、第２ハードマスク膜１７の少なくとも一つにＭＳＱやＭＨＳＱ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ等の有機成分からなる基とＳｉとの結合を含む低誘電率膜を用いてもよい。
【００７８】
その後、第２ハードマスク膜１７上に、反射防止膜１１ａを５０ｎｍ程度、化学増幅型レジストを６００ｎｍ程度塗布し、ＫｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第１レジストパターン１２ａを形成する。
【００７９】
次に、図７（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより、第１レジストパターン１２ａを用いて第１反射防止膜１１ａおよび第２ハードマスク膜１７をエッチングして、配線トレンチパターンをエッチングするための開口を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ａと反射防止膜１１ａとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【００８０】
次に、図７（ｃ）に示すように、第２反射防止膜１１ｂを５０ｎｍ程度、化学増幅型レジストを６００ｎｍ程度塗布し、ベークを行った後、ＫｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像により、第２ハードマスク膜１７のエッチング領域内側に開口を有するビアホール形成用の第２レジストパターン１２ｂを形成する。
【００８１】
次に、図８（ａ）に示すように、第２レジストパターン２ｂをマスクとして公知のドライエッチングにより、第２反射防止膜１１ｂ、第１ハードマスク膜１６、第２層間絶縁膜１０、第２エッチングストップ膜９、第１層間絶縁膜８をエッチングし、それらを貫通するビアホール３を形成する。
【００８２】
その後、図８（ｂ）に示すように、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理により、第２レジストパターン１２ｂと第２反射防止膜１１ｂとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【００８３】
次に、図８（ｃ）に示すように、第２ハードマスク膜１７をマスクとして公知のドライエッチング法を用いて、第１ハードマスク膜１６及び第２層間絶縁膜１０をエッチングして、配線トレンチパターン１３を形成する。
【００８４】
次に、図９（ａ）に示すように、露出した第１エッチングストップ膜７をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、ビアホール３底部の下層配線６表面のクリーニングを行い、続いて、図９（ｂ）に示すように、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理の方法、条件、ガス種等は前記した第１の実施例と同様である。
【００８５】
上記プラズマ処理でＭＳＱ表面を改質した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図９（ｃ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【００８６】
その後、図１０（ａ）に示すように、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成し、配線トレンチパターン１３及びビアホール３内をＣｕで埋設した後、図１０（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、デュアルダマシン構造が完成する。
【００８７】
なお、層間絶縁膜を全て有機膜で形成した場合には、図８（ａ）の工程で第２レジストパターン１２ｂを用いて、第２反射防止膜１１ｂ、第１ハードマスク膜１６、第２層間絶縁膜１０、第２エッチングストップ膜９までエッチングし、図８（ｃ）の工程で、第２ハードマスク膜１７を用いて、第１ハードマスク膜１６、第２層間絶縁膜１０をエッチングして配線トレンチパターン１３を形成すると同時に、第１層間絶縁膜８をエッチングして第１エッチングストップ膜７まで貫通するビアホール３を形成する構成とすることもできる。
【００８８】
このようにして形成した半導体装置は、前記した第１の実施例と同様に、ＭＳＱ界面でのバリアメタルの剥がれやＭＳＱ表面のスクラッチは認められず、本発明の構造及びプラズマ処理がＭＳＱを用いたプロセスに効果があることを確認した。
［実施例３］
まず、本発明の第３の実施例に係るシングルダマシンプロセスについて、図１１乃至図１４を参照して説明する。図１１乃至図１４は、本発明の構造及びプラズマ処理を適用したシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図であり、作図の都合上分図したものである。
【００８９】
まず、図１１（ａ）に示すように、下層配線６上に、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、第１エッチングストップ膜７、第１層間絶縁膜８を順次、所定の膜厚で形成する。その後、第１層間絶縁膜８の上に、露光の光の反射を抑制するための反射防止膜１１ａを５０ｎｍ程度堆積した後、ビアホールパターンを形成するための化学増幅型レジストを５００ｎｍ程度塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第１レジストパターン１２ａを形成する。
【００９０】
なお、本発明のプラズマ処理の効果が得られる膜としては、メチル基を含むＭＳＱのように分子構造が大きく疎水性を呈する基を含む低誘電率膜であればよく、ＭＨＳＱ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ等やこれらの膜をポーラス化した膜であってもよい。また、この低誘電率膜はＣＶＤや塗布等、どのような方法で成膜された膜であってもよい。
【００９１】
以下の説明では、第１層間絶縁膜８及び第２層間絶縁膜１０としてＭＳＱを用いる場合について説明するが、第１層間絶縁膜８又はその両方に上記低誘電率膜を用いてもよい。また、低誘電率膜以外の膜の材料は特に限定されず、エッチングの選択比が得られる材料の組み合わせであればよく、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ等の中から適宜選択することができる。
【００９２】
次に、図１１（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより反射防止膜１１ａ、第１層間絶縁膜８を順次エッチングして、それらを貫通するビアホール３を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ａと反射防止膜１１ａとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【００９３】
次に、図１１（ｃ）に示すように、露出した第１エッチングストップ膜７をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、ビアホール３底部の下層配線６表面のクリーニングを行った後、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理の方法、条件、ガス種等は前記した第１及び２の実施例と同様である。
【００９４】
本実施例ではＨｅプラズマ処理を適用した場合について説明する。Ｈｅプラズマ処理でＭＳＱ表面にダングリングボンド層を形成した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図１２（ａ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【００９５】
その後、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成して、ビアホール３内をＣｕで埋設した後、図１２（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、ビアプラグが完成する。その後、図１２（ｃ）に示すように上層配線用として第２エッチングストップ膜９、第２層間絶縁膜１０を所定の膜厚で順次形成する。
次に図１３（ａ）に示すように、第２層間絶縁膜１０の上に、露光の光の反射を抑制するための反射防止膜１１ｂを５０ｎｍ程度堆積した後、ビアホールパターンを形成するための化学増幅型レジストを４００ｎｍ程度塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第２レジストパターン１２ｂを形成する。
【００９６】
次に、図１３（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより反射防止膜１１ｂ、第２層間絶縁膜１０を順次エッチングして、それらを貫通する配線トレンチパターン１３を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ｂと反射防止膜１１ｂとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【００９７】
次に、図１４（ａ）に示すように、露出した第２エッチングストップ膜９をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、配線トレンチパターン１３底部のビアパターン表面のクリーニングを行った後、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理の方法、条件、ガス種等は前記したビアプラグ形成時と同様である。
【００９８】
本実施例ではＨｅプラズマ処理を適用した場合について説明する。Ｈｅプラズマ処理でＭＳＱ表面にダングリングボンド層を形成した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図１４（ｂ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタルＴａＮ等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【００９９】
その後、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成して、配線トレンチパターン１３内をＣｕで埋設した後、図１４（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、シングルダマシン構造を完成する。
【０１００】
このようにして形成した半導体装置は、前記した第１及び２の実施例と同様に、ＭＳＱ界面でのバリアメタルの剥がれやＭＳＱ表面のスクラッチは認められず、本発明の構造及びプラズマ処理がＭＳＱを用いたプロセスに効果があることを確認した。
［実施例４］
まず、本発明の第４の実施例に係るシングルダマシンプロセスについて、図１５乃至図１８を参照して説明する。図１５乃至図１８は、本発明の構造及びプラズマ処理を適用したシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図であり、作図の都合上分図したものである。
【０１０１】
まず、図１５（ａ）に示すように、下層配線６上に、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、第１エッチングストップ膜７、第１層間絶縁膜８、第１キャップ絶縁膜２３を順次、所定の膜厚で形成する。その後、第１キャップ絶縁膜２３の上に、露光の光の反射を抑制するための反射防止膜１１ａを５０ｎｍ程度堆積した後、ビアホールパターンを形成するための化学増幅型レジストを５００ｎｍ程度塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第１レジストパターン１２ａを形成する。
【０１０２】
なお、本発明のプラズマ処理の効果が得られる膜としては、メチル基を含むＭＳＱのように分子構造が大きく疎水性を呈する基を含む低誘電率膜であればよく、ＭＨＳＱ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ等やこれらの膜をポーラス化した膜であってもよい。また、この低誘電率膜はＣＶＤや塗布等、どのような方法で成膜された膜であってもよい。
【０１０３】
本実施例では、第１層間絶縁膜８及び第２層間絶縁膜１０としてＳｉＯＣを用いる場合について説明するが、第１層間絶縁膜８又はその両方に上記低誘電率膜を用いてもよい。また、低誘電率膜以外の膜の材料は特に限定されず、エッチングの選択比が得られる材料の組み合わせであればよく、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ等の中から適宜選択することができる。
【０１０４】
次に、図１５（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより反射防止膜１１ａ、第1キャップ絶縁膜２３、第１層間絶縁膜８を順次エッチングして、それらを貫通するビアホール３を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ａと反射防止膜１１ａとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【０１０５】
次に、図１５（ｃ）に示すように、露出した第１エッチングストップ膜７をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、ビアホール３底部の下層配線６表面のクリーニングを行った後、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理の方法、条件、ガス種等は前記した第１及至３の実施例と同様である。
【０１０６】
本実施例ではＨｅプラズマ処理を適用した場合について説明する。Ｈｅプラズマ処理でＳｉＯＣの露出した側面にダングリングボンド層を形成した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図１６（ａ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【０１０７】
その後、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成して、ビアホール３内をＣｕで埋設した後、図１６（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、ビアプラグが完成する。その後、図１６（ｃ）に示すように上層配線用として第２エッチングストップ膜９、第２層間絶縁膜１０、第２キャップ絶縁膜２４を所定の膜厚で順次形成する。
次に図１７（ａ）に示すように、第２キャップ絶縁膜２４の上に、露光の光の反射を抑制するための反射防止膜１１ｂを５０ｎｍ程度堆積した後、ビアホールパターンを形成するための化学増幅型レジストを４００ｎｍ程度塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィーによる露光、現像を行い、第２レジストパターン１２ｂを形成する。
次に、図１７（ｂ）に示すように、公知のドライエッチングにより反射防止膜１１ｂ、第２キャップ絶縁膜２４、第２層間絶縁膜１０を順次エッチングして、それらを貫通する配線トレンチパターン１３を形成する。その後、酸素プラズマアッシング及び有機剥離液を用いたウェット処理によりレジストパターン１２ｂと反射防止膜１１ｂとを剥離し、ドライエッチングの残留物を除去する。
【０１０８】
次に、図１８（ａ）に示すように、露出した第２エッチングストップ膜９をドライエッチング法により除去した後、Ａｒガスを用いたスパッタにより、配線トレンチパターン１３底部のビアパターン表面のクリーニングを行った後、Ａｒスパッタと同一のチャンバ、装置内又は真空を維持した状態で本発明の特徴であるプラズマ処理を施す。このプラズマ処理の方法、条件、ガス種等は前記したビアプラグ形成時と同様である。
【０１０９】
本実施例ではＨｅプラズマ処理を適用した場合について説明する。Ｈｅプラズマ処理でＳｉＯＣの露出した側面にダングリングボンド層を形成した後、同一チャンバ、装置内又は真空を維持した状態で、図１８（ｂ）に示すように、配線材料の拡散を防止し、密着性の向上を図るためのタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタル４を、例えば３０ｎｍ程度の厚さで形成し、続いて、配線材料となるＣｕのめっき成長を容易にするためのＣｕのシードメタル１９を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この時、窒化タンタル（ＴａＮ）中の窒素濃度は１０ａｔｏｍ％〜５０ａｔｏｍ％に設定されていることが望ましい。
【０１１０】
その後、配線材料５となるＣｕをめっき法により形成して、配線トレンチパターン１３内をＣｕで埋設した後、図１８（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて余分なＣｕを研磨して表面を平坦化することにより、シングルダマシン構造を完成する。
【０１１１】
このようにして形成した半導体装置は、前記した第１及至３の実施例と同様に、ＳｉＯＣ界面でのバリアメタルの剥がれは認められず、本発明の構造及びプラズマ処理がＳｉＯＣを用いたプロセスに効果があることを確認した。
【０１１２】
なお、上記各実施例では、本発明の構造及びＨｅ／Ｈ2の混合ガス又はＨｅガスを用いたプラズマ処理を、デュアルダマシンプロセスであるビアファーストプロセスやデュアルハードマスクプロセス、及びシングルダマシンプロセスに適用した場合について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、メチル基等の分子構造の大きい基を含む低誘電率膜の露出面にバリアメタル等の金属膜の成膜を行う工程を含む任意の半導体プロセスに適用することができる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、ＭＳＱ、ＭＨＳＱ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ等の低誘電率膜を含む絶縁層に形成したトレンチやビアホールにバリアメタル等の金属膜を成膜する工程を含むダマシンプロセスにおいて、ＣＭＰ時にバリアメタルが剥がれて上記低誘電率絶縁膜表面にスクラッチが発生したり、多層化によるストレスに起因して、バリアメタル／低誘電率絶縁膜界面での膜剥がれが生じるという問題を回避することができる。
【０１１４】
その理由は、配線トレンチパターンやビアホール形成後、バリアメタルの成膜の前工程として、Ｈｅ／Ｈ2の混合ガスを用いたプラズマ処理やＨｅガスを用いＲＦバイアスを印加したプラズマ処理を実施し、本発明の構造を形成することにより、ＭＳＱ等の低誘電率膜表面のメチル基を水素に置換又は分解して親水性に改質し、無機材料との密着性を向上させることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理のメカニズムを模式的に示す図である。
【図２】本発明のプラズマ処理を含む製造工程の一部を示す工程断面図である。
【図３】本発明の構造及びプラズマ処理を含む製造工程の一部を示す工程断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係るビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係るビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係るビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係るデュアルハードマスクプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係るデュアルハードマスクプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係るデュアルハードマスクプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係るデュアルハードマスクプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施例に係るシングルダマシンプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図１９】従来のビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図２０】従来のビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【図２１】従来のビアファーストプロセスの手順を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１  ＭＳＱ
２  基板
３  ビアホール
４  バリアメタル
５  配線材料
６  下層配線
７  第１エッチングストップ膜
８  第１層間絶縁膜
９  第２エッチングストップ膜
１０  第２層間絶縁膜（ＭＳＱ）
１１ａ  第１反射防止膜
１１ｂ  第２反射防止膜
１２ａ  第１レジストパターン
１２ｂ  第２レジストパターン
１３  配線トレンチパターン
１４  Ａｒ
１５  Ｈｅ／Ｈ2プラズマ
１６  第１ハードマスク膜
１７  第２ハードマスク膜
１８  第２層間絶縁膜
１９  シードメタル
２０  剥がれ
２１  スクラッチ
２２  Ｈｅプラズマ
２３  第１キャップ絶縁膜
２４  第２キャップ絶縁膜
【図１】
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【図２】
0003768480.tif 000009
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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