多層配線の形成方法
【課題】実効的な低配線間容量を維持しつつ、高密着性かつ高い配線間絶縁信頼性を有する多層配線の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る多層配線の形成方法は、シロキサン構造を含むビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を金属配線４１ａ上に形成する第一の工程（図１［１］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の一部に金属配線４１ａに達する凹部としてのデュアルダマシン溝４８を形成する第二の工程（図１［２］〜図２［２］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４とデュアルダマシン溝４８内で露出した金属配線４１ａとに水素プラズマ処理を施すことにより、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の表面に改質層４９を形成するとともに金属配線金属配線４１ａの表面を還元する第三の工程（図３［１］）と、を含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る多層配線の形成方法は、シロキサン構造を含むビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を金属配線４１ａ上に形成する第一の工程（図１［１］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の一部に金属配線４１ａに達する凹部としてのデュアルダマシン溝４８を形成する第二の工程（図１［２］〜図２［２］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４とデュアルダマシン溝４８内で露出した金属配線４１ａとに水素プラズマ処理を施すことにより、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の表面に改質層４９を形成するとともに金属配線金属配線４１ａの表面を還元する第三の工程（図３［１］）と、を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線の形成方法に関し、例えばＣｕを主成分とするダマシン配線の形成に用いられる多層配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを基板とする集積回路（以下「ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）」という。）において、従来、導電材料にはＡｌ（アルミニウム）又はＡｌ合金が広く用いられてきた。そして、ＬＳＩの製造方法の微細化の進行に伴い、配線における配線抵抗の低減化及び高信頼化のために、導電材料にＣｕ（銅）が使用されるようになってきた。ただし、Ｃｕには、シリコン酸化膜中に容易に拡散する性質がある。そこで、Ｃｕの拡散を防止するために、Ｃｕ配線の側面及び底面には導電性バリアメタル膜が用いられ、Ｃｕ配線の上面には絶縁性バリア膜が用いられている。
【０００３】
近年のＬＳＩの微細化の進展に伴って、配線寸法の微細化が更に進み、配線間容量の増大が問題となってきており、層間絶縁膜へ低誘電率膜の導入が進められている。これは、半導体素子に多層配線を用いることで高速かつ低電力で接続するために、微細化だけでなく、層間絶縁膜の低誘電率化が有効であり、これら双方を両立することが求められていたためである。
【０００４】
配線間の実効的な容量を低減するためには、層間絶縁膜（この場合シリコン酸化膜（比誘電率ｋ＝４．２））の低誘電率化が必要とされていた。低誘電率膜は、例えばＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane））膜、ＣＤＯ（カーボンドープトオキサイド（Carbon Doped Oxide））、有機膜などである。そして、これらの低誘電率膜は回転塗布法や気相法などにより形成される。
【０００５】
特許文献１では、有機シロキサン膜に対して、ＮＦ3プラズマ処理を行うことで改質層を形成し、密着性を向上する技術が記載されている。特許文献２では、有機シロキサン膜に対して、還元性処理によって改質層を形成し、有機シロキサン膜を保護する技術が記載されている。特許文献３では環状有機シロキサン原料を用いて多孔質絶縁膜を形成する技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０９１７３号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６４１号公報
【特許文献３】特表２００２−５２６９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
有機シロキサン膜の集積化技術としては、有機シロキサン膜に改質層を形成し、プロセス耐性を向上する手法が用いられる。しかしながら、改質層は、炭素が脱離して形成されるため、比誘電率が高くなって配線間の容量が上昇してしまう問題を有していた。したがって、改質層を利用する場合には、改質層の比誘電率を低く、かつ改質層を薄く形成することが望まれていた。
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、有機シロキサン膜表面をプラズマ処理することで改質層を形成し、特にＮＦ3プラズマで行う技術が記載されている。表面をＮＦ3プラズマ処理することで密着性を向上することができるが、逆に膜内部に取り込まれたフッ素によって耐熱性が劣化する問題を有していた。形成される改質層は安定である必要がある。
【０００９】
特許文献２に記載の技術では、有機シロキサン膜をプラズマ処理することで改質層を形成するが、比誘電率が２．５以下となるような有機シロキサン膜では改質層が厚く形成されてしまい、結果的に比誘電率が上昇し、配線間の容量が増加する問題を有していた。
【００１０】
一方、このように比誘電率２．５以下を実現することのできる低誘電率膜としては、特許文献３に記載のように、環状型の有機シロキサン原料を用いて低誘電率絶縁膜を形成することができる。しかしながら、低配線間容量を達成するべく配線層間絶縁膜に適用した場合、配線間リーク電流が増加してしまうという問題を有していた。すなわち、配線間の容量は低減することができるものの、配線間のリーク電流によるチップ全体の消費電力を上昇させてしまうとともに、配線間の絶縁信頼性を劣化させるため、実用上大きな課題となっていた。
【００１１】
このように、低配線間容量、高密着性及び高配線信頼性を全て実現できる多層配線が望まれていた。そこで、本発明は、実効的な低配線間容量を維持しつつ、高密着性かつ高い配線間絶縁信頼性を有する多層配線の形成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る多層配線の形成方法は、シロキサン構造を含む絶縁膜を金属配線上に形成する第一の工程と、前記絶縁膜の一部に前記金属配線に達する凹部を形成する第二の工程と、前記絶縁膜と前記凹部内で露出した前記金属配線とに水素プラズマ処理を施すことにより、当該絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに当該金属配線の表面を還元する第三の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、絶縁膜と露出した金属配線とに水素プラズマ処理を施して絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに金属配線の表面を還元することにより、絶縁膜の低誘電率化及び絶縁性の高信頼化と金属配線接続の高信頼化とを同時に達成し、かつ、高密着性を有することで、ひいては配線の性能を向上させ、高速かつ低消費電力なＬＳＩを高信頼性で形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
配線間の容量を低く維持し、かつ密着性と絶縁特性に優れる改質層を形成するためには、できだけ改質層を薄く形成する必要がある。そのためには改質処理方法のアプローチのみではなく、改質される有機シロキサン膜の構造・組成・材料からのアプローチが必要であり、双方を勘案したプロセスフロー設計を行う必要があった。
【００１５】
本発明者らが環状有機シロキサン原料を用いた多層配線の形成方法に関して検討を行った結果、絶縁膜の信頼性と銅配線接続信頼性の双方を満たす好適な改質層の形成方法を見出した。
【００１６】
すなわち、少なくとも環状有機シロキサンと不活性キャリアガスとを反応室に供給し、プラズマ気相成長法によって得られる絶縁膜であって、少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜において、金属配線と接する、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜部に、絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層を水素プラズマ処理によって形成することで、低配線間容量を維持したまま配線間のリーク電流を低減することができるようになる。
【００１７】
更に、デュアルダマシン溝に対して前記改質処理を行うことで、ビア底に露出した銅の還元処理と、絶縁膜表面の改質を同時に行うことができるようになる。
【００１８】
このような絶縁膜の信頼性の改善とビアＣｕ接続の信頼性との双方を同時に満たす製造方法は、本発明による水素プラズ処理による改質層が見出されるまでは、予想し得なかった効果である。
【００１９】
すなわち、デュアルダマシン溝におけるビアホール底が開口され、ビア底に銅が露出した状態で本発明による水素プラズマ処理を行うことが有効である。更に、本発明による水素プラズマ処理を行うことで、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜表面に、絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層を形成することで、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜と金属配線との密着性を向上することができるようになる。
【００２０】
特に、金属配線の主成分としては銅が用いられるが、銅の周囲を覆うバリアメタルと前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜との密着性が向上する。特に、バリアメタルとしては高融点金属の窒素化合物、例えば、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴｉＷＮ、などを用いる場合に、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜表面の炭素量を減少させることで飛躍的に密着性が向上する。
【００２１】
これは、好適な環状有機シロキサンを含む絶縁膜に好適な改質処理を行うことで、環状構造に起因した高密度なシロキサンユニットを連続的に結合させ、高密度な改質層が形成されること、及びこの改質層が密着性と絶縁特性に優れる層を形成するために、水素プラズマ処理が好適であることとを、本発明者らが見出したことによるものである。
【００２２】
すなわち、好適なシロキサン構造を含む絶縁膜に対して、好適な改質処理によって脱炭素を行い、高密度な改質層を薄く形成し、膜内部への改質が進まないようにすることが、本発明の特徴である。
【００２３】
特に、溝下面の改質については金属配線との密着性を維持する上で不可欠な要素となる。この場合、前記水素プラズマ処理は、基板バイアスを印加して行うことで溝側壁に比べて溝下面の改質を促進することが可能となり、密着性と低配線容量化の両立を行うことができるようになる。
【００２４】
少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜において、シリコン原子数よりも、炭素原子数の多い膜組成が好ましいのは、軽元素である炭素が増えることで絶縁膜自体の比誘電率が低いことに加えて、改質処理による急激な炭素の引き抜きを抑制しつつ緻密化反応が進むため、ナノレベル厚の高密度な改質層が形成できるようになることを、発明者らが見出したためである。
【００２５】
特に不飽和炭化水素基と炭素原子数が３以上の炭化水素基との双方を含んでいる膜であることで、不飽和炭化水素基の強い結合エネルギにより脱炭素速度を低下させ、かつ炭素数の多い炭化水素基によって膜内部の炭化水素成分を多く保つことができるようになる。
【００２６】
また、ランダム型シロキサン構造に比べて、環状シロキサン構造において膜の比誘電率が低いにも関わらず、高密度な改質層が形成できるのは、員数の少ない環状構造ほどＯ−Ｓｉ−Ｏの結合角度が小さいため、高密度なＳｉＯ構造が形成されやすいためである。
【００２７】
例えば、石英（６員環；２．６５ｇ／ｃｍ3）に対して、コーサイト（４員環；２．９２ｇ／ｃｍ3）が高密度であることが例として挙げられる。したがって、あらかじめ骨格として、高密度なＯ−Ｓｉ−Ｏ構造を形成しやすい、環状シロキサンが膜内部に含まれていることにより、炭素を置換した酸素が環状ユニットを連続的に結合させ、容易に高密度かつ薄い改質層が形成できる。
【００２８】
また、金属配線及び接続プラグの周囲を囲むように改質層を形成するためには、金属配線及び接続プラグと接する配線層間絶縁膜、ハードマスク膜、ビア層間絶縁膜のいずれもが少なくともシリコン、酸素、炭素からなるシロキサン構造を含む絶縁膜とし、かついずれも炭素数３以上の側鎖とビニル基の双方を含む原料から形成した絶縁膜構造とする。
【００２９】
例えば、原料分圧をプラズマ励起中に変化させることで、低分圧条件にてビア層間絶縁膜を形成し、高分圧条件にて配線層間絶縁膜を形成し、低圧条件にて比較的に密着性と膜強度に優れるハードマスク膜とビア層間絶縁膜を形成することができる。
【００３０】
または、炭素数３以上の側鎖とビニル基の双方を含むシロキサン原料を２種類以上用いて比率を変化させて成膜することで、ビア層間絶縁膜はＣ／Ｓｉ比が１．４程度で比誘電率２．７、配線層間絶縁膜はＣ／Ｓｉ比が２．９程度で比誘電率２．４、ハードマスク膜はＣ／Ｓｉ比１．２で比誘電率３．０としたＳｉＯＣＨ膜をそれぞれ形成することで、いずれの絶縁膜にも本発明による改質層を形成することができるようになる。この場合、改質層は配線の上面を除いて、配線を囲むように形成され、より密着性の改善ができるようになる。
【００３１】
一般に絶縁膜内の炭素量が多いと金属配線との密着性は低下する傾向にあるが、本発明における絶縁膜を用い、更に水素プラズマ処理を用いることで、絶縁膜の低誘電率化、リーク電流の低減、密着性の向上を達成することができるようになる。
【００３２】
前記シロキサン構造が、絶縁膜内部の単位体積あたりの炭素原子数が酸素原子数よりも多いことを特徴とする。また、炭素原子の結合状態としては、少なくとも炭素数３個以上を有する炭化水素基と不飽和炭化水素基の双方を含むことを特徴とする。
【００３３】
前記シロキサン構造が、酸素原子とシリコン原子とからなる環状シロキサン構造を含むことが好ましい。前記環状シロキサンが３員環構造であり、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ3以下であることを特徴とする。
【００３４】
このような絶縁膜から形成される、好適な改質層としては、少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなるシロキサン構造を含む絶縁膜である多層配線において、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜と金属配線との界面の少なくとも一部に、環状シロキサン構造を含む絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層が形成されていることを特徴とする。
【００３５】
前記界面部分が、金属配線との界面であることを特徴とする。前記改質層は炭素原子数よりも酸素原子数が多いことを特徴とする。前記改質層は炭素原子数よりも酸素原子数と窒素原子数の和数が多いことを特徴とする。前記改質層の厚さは２０ｎｍ以下であることを特徴とする。前記改質層の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする。
【００３６】
前記絶縁膜が、配線部位のハードマスク膜と、配線部位の配線層間絶縁膜と、ビアプラグ部位のビア層間絶縁膜とからなる前記多層配線において、前記ハードマスク膜と、前記配線層間絶縁膜と、前記ビア層間絶縁膜とのいずれもが、シリコン、酸素、炭素、からなるシロキサン構造を含む絶縁膜であり、前記絶縁膜内部よりも炭素原子数が、配線層間絶縁膜＞ビア層間絶縁膜＞ハードマスク膜、の順に少ない多層配線において、前記ハードマスク膜、前記配線層間絶縁膜及び前記層間ビア絶縁膜のいずれにも、前記金属との界面に前記改質層が形成され、該改質層の組成が、それぞれ対応する前記絶縁膜内部よりも、単位体積あたりの炭素原子数が少なくかつ酸素原子数が多いことを特徴とする。
【００３７】
このような好適な改質層の形成方法としては、前記絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し溝パターニングする工程と、前記レジストをマスクにドライエッチングによって前記ハードマスク膜内に溝を形成する工程と、第一の酸素アッシングによって前記フォトレジストを除去させる工程と、前記ハードマスク膜をマスクにドライエッチングによって前記絶縁膜内に溝を形成する工程と、前記溝に対して改質処理を行うことにより改質層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００３８】
前記改質処理が脱炭素化処理であることを特徴とする。前記脱炭素処理が水素プラズマであることを特徴とする。前記改質処理を行う水素プラズマは、水素とＡｒ、又は水素とＨｅの混合ガスであることを特徴とする。前記改質処理を行うプラズマは、基板バイアスを印加して行うことを特徴とする。前記処理を水素雰囲気中で行うことを特徴とする。前記改質処理を水素アニールにより行うことを特徴とする。前記ドライエッチングのエッチングガスが、少なくともＡｒ、Ｏ2、ＣＦ4の混合ガスであることを特徴とする。
【００３９】
本願発明を詳細に説明する前に、本願における用語の意味を説明する。
【００４０】
低誘電率絶縁膜とは、例えば配線材を絶縁分離する膜（層間絶縁膜）であり、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減するため、シリコン酸化膜（比誘電率４．２）よりも比誘電率の低い材料を指す。特に、多孔質絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜を多孔化して、比誘電率を小さくした材料や、ＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane））膜、又はＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＣ（例えば、Ｂｌａｃｋ ＤｉａｍｏｎｄTM、ＣＯＲＡＬTM、ＡｕｒｏｒａTM）などを多孔化して、比誘電率を小さくした材料などがある。これらの膜の更なる低誘電率化を進めるため、環状シロキサン原料を用いた成膜技術などが検討されつつあるところである。
【００４１】
環状シロキサンとは、Ｓｉ−Ｏを１ユニットとした数えた環状のユニットとした場合、例えば３員環とは（ＳｉＯ）3からなる６角形分子構造を意味する。４員環とは（ＳｉＯ）4からなる８角形分子構造を意味する。環状有機シロキサンとは、前記環状シロキサン構造の側鎖に、炭化水素基を有する分子構造を意味する。炭化水素基の例としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ビニル基、などがある。このような環状シロキサン原料は、多孔質な絶縁膜を形成するのに有効であるが、本発明においては、必ずしも多孔質膜に限定するわけではない。なお、絶縁膜の組成は、単位体積あたりに含まれる原子数の比とする。
【００４２】
プラズマ気相成長法とは、例えば、気体状の原料を減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギによって、分子を励起状態にし、気相反応、又は基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。原料分子にあらかじめ、ビニル基のような反応性の高い側鎖を導入することでモノマーの反応性を向上させる場合を、プラズマ重合法と呼ぶ場合もある。
【００４３】
ダマシン配線とは、あらかじめ形成された層間絶縁膜の溝に、金属配線を埋め込み、溝内以外の余剰な金属を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などにより除去することで形成される埋め込み配線をさす。Ｃｕによりダマシン配線を形成する場合には、Ｃｕ配線の側面及び外周をバリアメタルで覆い、Ｃｕ配線の上面を絶縁性バリア膜で覆う配線構造が一般に用いられる。ダマシン配線には、接続孔に金属のコンタクトプラグを形成した後に配線溝を形成する「シングルダマシン配線法」と、接続孔及び配線溝を形成した後に金属を一度に埋め込む「デュアルダマシン配線法」とがある。
【００４４】
金属配線とは、例えばＣｕを主成分とする。金属配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。
【００４５】
ＣＭＰ法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。ダマシン法による配線形成においては、特に、配線溝又はビアホールに対し金属を埋設した後に、余剰の金属部分を除去し、平坦な配線表面を得るために用いる。
【００４６】
バリアメタルとは、配線を構成する金属元素が層間絶縁膜や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜を示す。例えば、配線がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タイタン（ＷＴｉ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜が使用される。
【００４７】
絶縁性バリア膜とは、Ｃｕ配線の上面に形成され、Ｃｕの酸化や絶縁膜中へのＣｕの拡散を防ぐ機能、及び加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜などが用いられている。
【００４８】
半導体基板とは、半導体装置が構成された基板であり、特に単結晶シリコン基板上に作られたものだけでなく、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板やＴＦＴ（Thin film transistor）液晶製造用基板などの基板も含む。
【００４９】
ハードマスクとは、層間絶縁膜の低誘電率化による強度低下により、直接ＣＭＰを行うのが困難な場合に、層間絶縁膜上に積層し、保護する役割の絶縁膜をさす。
【００５０】
パッシベーション膜とは、半導体素子の最上層に形成され、外部からの水分などから半導体素子を保護する役割を有する。本発明では、プラズマＣＶＤ法で形成したシリコン酸窒素化膜（ＳｉＯＮ）や、ポリイミド膜などが用いられる。
【００５１】
ＰＶＤ法とは、通常のスパッタリング法でもよいが、埋め込み特性の向上や、膜質の向上や、膜厚のウェハ面内均一性を図る上では、例えばロングスロースパッタリング法やコリメートスパッタリング法、イオナイズドスパッタリング法、などの指向性の高いスパッタリング法を用いることもできる。合金をスパッタする場合には、あらかじめ金属ターゲット内に主成分以外の金属を固溶限以下で含有させることで、成膜された金属膜を合金膜とすることができる。本発明中では、主にダマシンＣｕ配線を形成する際のＣｕシード層や、バリアメタル膜を形成する際に使用することができる。
【００５２】
ＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown）寿命とは、絶縁破壊に至るまでの時間を加速試験によって予測する手法である。例えば、配線間のＴＤＤＢ寿命を測定する場合には、櫛形のＴＥＧ（Test Element Group）を用い、所定の温度（例えば１２５℃）の測定条件で配線間に１〜４ＭＶ／ｃｍ程度の比較的高い電界を印加し、配線間に流れるリーク電流をモニタする。電界印加開始時間から絶縁破壊までの時間を計測することで、ＴＤＤＢ寿命の優劣を比較することができる。
【００５３】
ｍ−ＥＬＴ（modified Edge Liftoff Test）試験とは、試料にエポキシ層を塗布し、１２０℃程度で硬化処理を行った後、試料を冷却する。冷却により生じたエポキシ層の残留の応力によって、試料の各層の端面に引き剥がし力が加わり、剥離箇所を画像処理で検出しその時の温度を記録する。剥離時の温度からエポキシ層の残留応力値がわかるので、剥離時に放出されるエネルギがエポキシ層に保存された弾性エネルギにほぼ等しいと仮定し、テスト薄膜に加えられる応力強度（剥離強度）を計算する手法である。値が大きいほど密着性に優れると判断できる。
【００５４】
（第一実施形態）
本発明においては、層間絶縁膜として好適な低誘電率絶縁膜を、少なくとも環状有機シロキサン原料を反応室に供給し、プラズマ気相成長法によって絶縁膜を形成する環状シロキサン構造を含む絶縁膜に対して、好適な改質層を形成することで、配線間容量の低減と、絶縁信頼性確保を両立することができる。本発明にて形成した配線構造として、半導体素子が形成された半導体基板上の多層配線に用いた場合の配線構造について、詳しく説明する。
【００５５】
概要を説明すると、本実施形態の多層配線の形成方法は、ともにシロキサン構造を含むビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を金属配線４１ａ上に形成する第一の工程（図１［１］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の一部に金属配線４１ａに達する凹部としてのデュアルダマシン溝４８を形成する第二の工程（図１［２］〜図２［２］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４とデュアルダマシン溝４８内で露出した金属配線４１ａとに水素プラズマ処理を施すことにより、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の表面に改質層４９を形成するとともに金属配線金属配線４１ａの表面を還元する第三の工程（図３［１］）と、を含むことを特徴とする。以下に、各工程について詳しく説明する。
【００５６】
図１［１］に示すように、半導体素子が形成された半導体基板５０上にバリアメタル膜４０ａ、金属配線４１ａ、絶縁性バリア膜４２が積層されており、その上に、ビア層間絶縁膜４３、配線層間絶縁膜４４、ハードマスク膜４５ａ，４５ｂが形成されている。請求項１に記載の（第一の）絶縁膜は配線層間絶縁膜４４であり、（第二の）絶縁膜はビア層間絶縁膜４３である。ここで、ビア層間絶縁膜４３と配線層間絶縁膜４４とを分けて示したが、同一の材料から構成しても良い。
【００５７】
配線層間絶縁膜４４は、３員環又は４員環からなる環状有機シロキサン構造の原料を用い、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｒｎなどからなる不活性キャリアガスを用いて反応室に供給し、高周波電力を引加することで成膜を行うことができる。
【００５８】
例えば、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４は、少なくともシリコン、酸素、炭素、水素からなる環状有機シロキサン原料を用い、本発明に係る方法にて形成した低誘電率絶縁膜である。そのような原料としては、例えば［化３］又は［化４］で示される環状有機シロキサンであることが好ましい。これらの原料は構造中に不飽和炭化水素基を含むため、成膜プラズマ中での炭素の側鎖炭素の脱離を抑制し、絶縁膜内に多くの炭素を取り込むことができるようになる。
【００５９】
【化３】
【００６０】
【化４】
【００６１】
それらの膜厚は５０〜２００ｎｍ程度が良い。原料分圧をプラズマ励起中に変化させることで、密着性に優れる層などを挿入しても良い。
【００６２】
ビア層間絶縁膜４３は、成膜条件や混合ガス原料を追加したり、入れ替えたりすることで、配線層間絶縁膜４４よりも炭素成分の少ないＳｉＯＣＨ層としても良い。ハードマスク膜４５ａは、配線層間絶縁膜４４の成膜条件を変更したり、混合ガス原料を追加したり、入れ替えたりすることで、配線層間絶縁膜４４よりも炭素成分の少ないＳｉＯＣＨ層としてもよい。
【００６３】
例えば、配線層間絶縁膜４４としては、［化３］からなる原料を気化し、プラズマ気相成長法を用いて形成した環状シロキサンを含む絶縁膜を用い、ビア層間絶縁膜４３及びハードマスク膜４５ａとしては、［化５］からなる原料を気化し、プラズマ気相成長法を用いて形成したシロキサンを含む絶縁膜を選択し、これらを連続成長させることもできる。
【００６４】
【化５】
【００６５】
このような不飽和炭化水素と炭素分子量３以上のアルキル基を有する原料を用いて形成した絶縁膜を用いることで、水素プラズマ処理によって絶縁膜と金属との界面に好適な改質層を形成することが容易となる。
【００６６】
ハードマスク膜４５ｂは、シリコン酸化膜とする。必要に応じてハードマスク４５ｂを削除しても良い。
【００６７】
金属配線４１ａは、Ｃｕを主成分とし、金属配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。金属配線４１ａとしては、Ｃｕターゲットを用いたスパッタ法や、ＣＶＤ法、又は、それらの方法で形成したＣｕ膜を電極として用いた電解めっき法などにより形成することができる。また、主成分以外の金属元素としては、アルミニウム、錫、チタン、タングステン、銀、ジルコニウム、インジウム、及びマグネシウムの中から少なくとも一つを選択し、添加することも有効である。また、Ｃｕ以外の金属、例えば、タングステン（Ｗ）や、ＣｏＷＰなどの化合物を密着層として、又はＣｕ配線と絶縁性バリア膜の間に挿入することも有効である。
【００６８】
バリアメタル膜４０ａは、スパッタ法やＣＶＤ法や、ＡＬＣＶＤ（Atomic Layer Chemical Vapor Deposition）法などを用いて形成することができる。例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タイタン（ＷＴｉ）、窒化タイタン（ＷＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜が使用される。特に、Ｔａ／ＴａＮ（＝上層／下層）の積層膜を用いることが好ましい。
【００６９】
絶縁性バリア膜４２は、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ膜などからなり、その膜厚が２０〜５０ｎｍであり、プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００７０】
ハードマスク膜４５ａ，４５ｂは、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、などを用いることができ、膜厚は５０〜２００ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００７１】
ここでは、３員環状有機シロキサン［化３］を用いて形成した配線層間絶縁膜４４を例に説明する。以上のビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を形成する工程が、特許請求の範囲における第一の工程に相当する。
【００７２】
続いて、図１［２］に示すように、フォトレジストを用いたパターニングとドライエッチングによって、ビアホール４６を形成する。そして、その上に、有機膜５１、低温酸化膜５２、ＡＲＣ（Antireflective Coatings）５３、フォトレジスト５４を順次積層し、フォトレジスト５４をパターニングする。
【００７３】
続いて、図２［１］に示すように、フォトレジスト５４をマスクにしてドライエッチングを施すことによって、ハードマスク４５ａ，４５ｂ内に配線溝であるハードマスク溝４７を転写形成する。このとき、フォトレジスト５４の灰化プロセスにはＯ2プラズマアッシングを用いて、効率的かつ完全にフォトレジスト５４を除去することができる。その時点では配線層間絶縁膜４４はほとんどエッチングされていないため、後に形成される配線溝の側壁はＯ2プラズマに暴露されていない。
【００７４】
続いて、図２［２］に示すように、ハードマスク膜４５ａ，４５ｂをマスクにしてドライエッチングを施すことによって、配線層間絶縁膜４４内に配線溝であるデュアルダマシン溝４８を形成する。
【００７５】
このときの配線層間絶縁膜４４のドライエッチング方法に関して詳しく説明する。例えば、テトラフルオロカーボン（ＣＦ4）とアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）とを任意の割合で混合したものをエッチングガスとして用い、平行平板型のドライエッチング装置を用いてエッチングを行うことができる。
【００７６】
具体的には、平行平板型の８インチ用エッチング装置を用い、ガス流量比Ａｒ／Ｎ2／ＣＦ4／Ｏ2＝３００／１００／２５／６ｓｃｃｍにて、基板間距離（ＧＡＰ）＝３５ｍｍ、圧力５０ｍＴｏｒｒ（６．６５Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー１０００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて行うことができる。
【００７７】
このとき、ハードマスク４５ｂをマスクにエッチングを行うことによって、フォトレジスト５４をマスクに加工する場合と比べて溝のライン・エッジ・ラフネスを改善できる利点がある。以上の図１［２］〜図２［２］の工程が特許請求の範囲における第二の工程に相当する。
【００７８】
続いて、図３［１］に示すように、エッチング後の側壁の改質処理を行うことで改質層４９を形成する。この時点では既に溝パターニング用のフォトレジスト５４は完全に除去されているため、改質に好ましい条件で改質処理を行うことができる。
【００７９】
このとき、好ましい改質処理条件としては、Ｈ2プラズマ処理を行うのが良い。処理時間はプラズマ条件にもよるが、５〜３０秒程度にすることが好ましい。過剰なプラズマ処理は、溝側壁及び溝底の脱炭化を促進するため好ましくない。
【００８０】
具体的には、Ｈ2プラズマ照射は、平行平板型のｉｎ−ｓｉｔｕエッチング装置を用い、基板間距離（ＧＡＰ）＝３０ｍｍ、圧力１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー６００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて水素ガスのみで５秒間処理を行うことができる。
【００８１】
このとき、Ｈ2プラズマ照射を行うガス系は、Ｈ2／Ａｒ、Ｈ2／Ｈｅなどの混合ガスを用いても良い。
【００８２】
具体的には、プラズマ照射は、平行平板型のｉｎ−ｓｉｔｕアッシング装置を用い、ガス流量比はＨ2／Ｈｅ＝２００／３００ｓｃｃｍ、基板間距離（ＧＡＰ）＝４０ｍｍ、圧力２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー５００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて処理を行うことができる。
【００８３】
なお、Ｈ2プラズマ処理を行う装置はｉｎ−ｓｉｔｕエッチング装置に限定するものではなく、バリアメタルを成膜するスパッタチャンバ等に併設されたチャンバで行うことも可能である。
【００８４】
このとき、典型的な例として配線層間絶縁膜４４の側壁と溝下面に改質層４９が形成されるが、それ以外の部分に改質層が形成されていても良い。例えば、溝底のビア層間絶縁膜４３や、ビアホール４６の側壁などにも改質層４９が形成されていても良い。
【００８５】
例えば、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４に環状シロキサンを含む絶縁膜を用いていた場合には、溝側壁、溝下面、ビア側壁、の改質層４９は密度が高く２０ｎｍ以下にて形成される。一方、ビア層間絶縁膜４３にそれ以外のＳｉＯＣＨ絶縁膜を用いた場合には、ビア側壁及び溝下面には３０〜５０ｎｍの改質層４９が形成される場合がある。
【００８６】
このようにして、金属配線４１ｂのとの接続界面に改質層４９が形成されることで、金属配線４１ｂと配線層間絶縁膜４４又はビア層間絶縁膜４３との密着性を向上することができるようになる。これは、改質層に対するバリアメタルの密着性が、改質層無しの構造に比べて向上するためである。これは、改質層の組成において、酸素数が炭素数よりも多いために、バリアメタルとの密着が向上したためである。
【００８７】
このとき、ビア下のＣｕが露出した状態で改質処理を行うため、水素プラズマ処理を行うことで、ビア下の酸化Ｃｕの還元と、絶縁膜表面（溝側壁、溝下面、ビア側面）の脱炭素による改質を同時に行うことができるようになる。以上の図３［１］の工程が特許請求の範囲における第三の工程に相当する。
【００８８】
最後に、図３［２］に示すように、デュアルダマシン溝４８内に、バリアメタル膜４０ｂ及び金属配線４１ｂを埋め込み、ＣＭＰ法によって余剰の配線を除去し、デュアルダマシン配線が形成される。
【００８９】
このようにして作製した多層配線の配線間リーク電流を、すなわちライン／スペース＝１００ｎｍ／１００ｎｍ、対向長５ｃｍのＴＥＧにおける室温での配線間リーク電流を測定したところ、改質層無しと比較して約３桁、配線間のリーク電流が低減できていることを確認した。
【００９０】
すなわち、酸素数よりも炭素数の多い環状型ＳｉＯＣＨ膜においては、リーク電流の低減が必須であり、本発明による好適な改質層の形成によって、配線性能を維持したまま、絶縁信頼性を確保できるようになる。
【００９１】
このようにして作製した多層配線の配線間の組成分析をＴＥＭ−ＥＥＬＳにて行った結果、水素プラズマ処理によって改質層を形成した場合には絶縁膜表面（溝側壁、溝下面、ビア側面）に１５ｎｍ以下の改質層が形成されていることを確認した。改質層の組成は炭素に比べて酸素が多いことがわかる。
【００９２】
シリコン基板上に配線層間絶縁膜を形成し、擬似的に水素プラズマ処理を行い、表面に形成された改質層の評価をＸＲＲを用いて行ったところ、改質層の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であることを確認した。
【００９３】
このとき、配線層間絶縁膜内部は、少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜であり、ＴＥＭ−ＥＥＬＳの結果から、前記絶縁膜の炭素原子量が酸素原子量の２倍以上であることがわかる。１５ｎｍ以下の改質層において炭素量と酸素量が逆転していることが本発明の特徴である。
【００９４】
したがって、本発明に係る製造方法を用いることにより、層間絶縁膜の低誘電率化と高絶縁信頼化を同時に達成し、かつ、高密着性を有することで、ひいては配線の性能を向上させ、高速かつ低消費電力のＬＳＩを高信頼性で形成することが可能となる。
【００９５】
（第二実施形態）
図４に示すように、半導体基板１１上に半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ１０が形成され、ＴｉＮ膜３２を介してシリコン酸化膜１２ａ及び接続プラグとしてタングステン３３が形成されている。その上には、第一実施形態と同様に、バリアメタル膜としてＴａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｅ、金属配線としてＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅ、絶縁性バリア膜としてＳｉＣＮ膜２８ａ〜２８ｅ、配線層間絶縁膜として環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅ、改質層４９ａ〜４９ｅなどが形成され、多層配線構造となっている。更にその上には、Ｔａ／ＴａＮ膜３１ｆ、ＣｕＡｌ膜３０ｆ、ＳｉＣＮ膜２８ｆ，２８ｇ、シリコン酸化膜１２ｂ，１３、シリコン酸窒化膜３４、Ｔｉ／ＴｉＮ膜３５ａ，３５ｂ、ＡｌＣｕ膜３６などが形成されている。
【００９６】
ＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅと接する環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅに、環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅよりも炭素原子量が少なく酸素原子量が多い改質層４９ａ〜４９ｅが形成されている。改質層４９ａ〜４９ｅの厚さは１０〜２０ｎｍ程度に制御されている。
【００９７】
ここで、金属配線材は、Ｃｕを主成分とし、金属配線材の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。ＰＶＤ法により成膜した厚さ４０ｎｍのＣｕ層をシード層として、電解めっき法によりＣｕを形成した。ＰＶＤ法によって形成されＣｕ層には、内部に１．２ａｔｍ％以下のＡｌを含む。絶縁性バリア膜としてのＳｉＣＮ膜２８ａ〜２８ｇは、膜厚が３０ｎｍであり、プラズマＣＶＤ法により形成した。
【００９８】
配線層間絶縁膜としての環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅは、環状有機シロキサン原料［化３］を用いて、プラズマ気相成長法により形成したものであり、比誘電率が２．４であり、厚さがビア層間部分も含めて２５０ｎｍである。このような層間絶縁膜としての環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅから構成されるデュアルダマシン溝内に、金属配線としてのＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅ及びバリアメタル膜としてのＴａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｅが埋め込まれている。Ｔａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｆは、ＰＶＤ法で形成したＴａ（１５ｎｍ）／ＴａＮ（５ｎｍ）（＝上層／下層）の積層膜を用いた。
【００９９】
金属配線材としては、１．２ａｔｍ％のＡｌを含むＣｕターゲットを用いてＰＶＤ法によりシード層を形成した後、めっき法によりＣｕを形成した。各配線層の高さは、ＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅを１７０ｎｍ、ＣｕＡｌ膜３０ｆを３００ｎｍとした。また、Ｃｕ−ＣＭＰ時に、配線層間絶縁膜の表面を保護するために、ハードマスク膜などを挿入した構造としても良い。ハードマスク膜としては、シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン炭素窒素膜、などであり、配線層間絶縁膜よりも比誘電率が高く、機械強度に優れることが好ましい。そのため、比誘電率３．０程度のＳｉＯＣＨ膜などを用いて良い。
【０１００】
上層の配線にはＡｌを用いており、ＰＶＤ法によってＴｉ／ＴｉＮ３５ａ、Ａｌ−Ｃｕ３６、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ｂを形成した。各金属膜の厚さは、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ａが０．３μｍ程度、Ａｌ−Ｃｕ３６が１．５μｍ、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ｂが０．３μｍとした。このとき、溝状ビアホール内には金属を連続的に埋め込んだ。その上層はパッシベーション膜としてのシリコン酸窒化膜３４によって覆った。
【０１０１】
以上の配線構造を用いると、改質層の導入によって、配線間の容量と絶縁信頼性の両立することができるようになる。また、配線間隔７０ｎｍの櫛形のＴＥＧを用いて配線間のＴＤＤＢ試験を行ったところ、１２５℃にて２．５ＭＶ／ｃｍ電界を印加したところ、絶縁寿命は１２０時間以上となり、十分なＴＤＤＢ耐性を有することを確認した。
【０１０２】
また、このようなデバイスを形成後、ウェハをダイシングし、チップを切り出したのち、セラミックパッケージ上にマウント、樹脂封止を行った。チップサイズは２５ｍｍ□とし、−６５℃〜１５０℃の温度サイクル試験を１０００サイクルまで行ったところ、本発明による改質層によって密着性が向上し、５０チップ中、一つも剥がれが観察されなかったのに対して、改質層を形成しない条件では、密着性に劣るためチップの角から若干の剥がれが生じるサンプルが２チップ発生することを確認した。
【０１０３】
なお、本実施形態はデュアルダマシン構造に関して詳しく説明したが、シングルダマシン配線に関しても同様に適用できる。また、本発明は、改質層の形成によって、低配線間容量と高絶縁信頼性を両立し、かつ密着性の向上が必要な多層配線の配線構造とその製造方法に関するものであれば、あらゆるものに適用することが可能であり、その利用の可能性において何ら限定するものではない。更に、幾つかの好適な実施の形態に関連付けして本発明を説明したが、これら実施の形態は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではないことが理解できる。
【０１０４】
例えば本発明者によってなされた発明の背景となった利用分野であるＣＭＯＳ回路を有する半導体製造装置技術に関して詳しく説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭ（Ferro Electric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、抵抗変化型メモリ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、又はそれらを同時に掲載した混載型の半導体製品にも適用することができる。また、本発明は、少なくとも一部に埋め込み型合金配線構造を有する半導体装置、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシンなどにも適用することができる。
【０１０５】
また、でき上がりからも本発明による改質層の形成を確認することができる。具体的には、配線層間膜はＴＥＭ−ＥＥＬＳ測定により、金属配線周囲の配線層間絶縁膜を分析することで改質層の組成を確認することができる。ビア層間絶縁膜と配線層間絶縁膜との界面を分析することで確認することができる。
【０１０６】
また、半導体製造装置内部に記憶された、マイクロコンピュータの制御プログラムを確認することでも、本発明による改質層の形成を確認することができる。例えば、環状型ＳｉＯＣＨ膜のエッチング中にレジスト灰化シーケンスとは別に水素プラズマ処理シーケンスが含まれるように組まれたプログラムを用いているか、又はそのプログラムが記憶されているかどうかで、特定を行うことができる。又は、配線形成工程フローにて、エッチングでの溝加工後に改質させる工程が工程フローに記載されているかどうかで、特定を行うことができる。
【０１０７】
本明細書を読んだ後であれば、当業者にとって等価な構成要素や技術による数多くの変更及び置換が容易であることが明白であるが、このような変更及び置換は、添付の請求項の真の範囲及び精神に該当するものであることは明白である。以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【０１０８】
なお、本発明は、次のように表現することもできる。（１）半導体基板上の絶縁膜に配線溝及びビアホールが形成され、該配線溝及び該ビアホールに金属を充填させた配線及び接続プラグが複数積層され、前記絶縁膜の少なくとも一部が、第一の絶縁膜から構成された多層配線において、少なくとも１層以上の前記第一の絶縁膜が、シリコン、酸素、炭素からなるシロキサン構造を含む絶縁膜であり、前記第一の絶縁膜内部のシロキサン構造は炭素原子数がシリコン原子数よりも多く、前記第一の絶縁膜と前記金属との界面に、前記第一の絶縁膜内部よりも炭素原子数が少なく、かつ酸素原子数が多い改質層が形成されていることを特徴とする半導体装置の形成方法において、前記シロキサン構造を含む絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し溝パターニングする工程と、前記フォトレジストをマスクにドライエッチングによって前記ハードマスク膜内に溝を形成する工程と、酸素アッシングによって前記フォトレジスト膜を除去する工程と、前記ハードマスク膜をマスクにドライエッチングによって前記シロキサン構造を含む絶縁膜内に溝を形成する工程と、前記溝の水素プラズマ処理によって改質処理を行う工程と、を有することを特徴とする多層配線の形成方法。（２）前記水素プラズマ処理が、水素とヘリウムの混合ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする前記（１）に記載の多層配線の形成方法。（３）前記水素プラズマ処理が、水素とアルゴンの混合ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする前記（１）に記載の多層配線の形成方法。（４）前記水素プラズマ処理は、基板バイアスを印加して行うことを特徴とする前記（１）〜（３）記載の多層配線の形成方法。（５）前記シロキサン構造を含む絶縁膜が、少なくとも前記［化３］又は［化４］の原料を用いたプラズマ重合法によって形成することを特徴とする前記（１）〜（４）に記載の多層配線の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施形態を示す断面図（その１）である。
【図２】本発明の第一実施形態を示す断面図（その２）である。
【図３】本発明の第一実施形態を示す断面図（その３）である。
【図４】本発明の第二実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ ＭＯＳＦＥＴ
１１、５０ 半導体基板
１２ａ、１２ｂ、１３ シリコン酸化膜
２８a、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆ、２８ｇ ＳｉＣＮ膜
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ 環状型ＳｉＯＣＨ膜（絶縁膜）
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ ＣｕＡｌ膜（金属配線）
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ Ｔａ／ＴａＮ膜
３２ ＴｉＮ膜
３３ タングステン
３４ シリコン酸窒化膜
３５ａ、３５ｂ Ｔｉ／ＴｉＮ膜
３６ ＡｌＣｕ膜
４０ａ、４０ｂ バリアメタル膜
４１ａ、４１ｂ 金属配線
４２ 絶縁性バリア膜
４３ ビア層間絶縁膜（絶縁膜）
４４ 配線層間絶縁膜（絶縁膜）
４５ａ、４５ｂ ハードマスク膜
４６ ビアホール
４７ ハードマスク溝
４８ デュアルダマシン溝
４９、４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ 改質層
５１ 有機膜
５２ 低温酸化膜
５３ ＡＲＣ
５４ フォトレジスト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線の形成方法に関し、例えばＣｕを主成分とするダマシン配線の形成に用いられる多層配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを基板とする集積回路（以下「ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）」という。）において、従来、導電材料にはＡｌ（アルミニウム）又はＡｌ合金が広く用いられてきた。そして、ＬＳＩの製造方法の微細化の進行に伴い、配線における配線抵抗の低減化及び高信頼化のために、導電材料にＣｕ（銅）が使用されるようになってきた。ただし、Ｃｕには、シリコン酸化膜中に容易に拡散する性質がある。そこで、Ｃｕの拡散を防止するために、Ｃｕ配線の側面及び底面には導電性バリアメタル膜が用いられ、Ｃｕ配線の上面には絶縁性バリア膜が用いられている。
【０００３】
近年のＬＳＩの微細化の進展に伴って、配線寸法の微細化が更に進み、配線間容量の増大が問題となってきており、層間絶縁膜へ低誘電率膜の導入が進められている。これは、半導体素子に多層配線を用いることで高速かつ低電力で接続するために、微細化だけでなく、層間絶縁膜の低誘電率化が有効であり、これら双方を両立することが求められていたためである。
【０００４】
配線間の実効的な容量を低減するためには、層間絶縁膜（この場合シリコン酸化膜（比誘電率ｋ＝４．２））の低誘電率化が必要とされていた。低誘電率膜は、例えばＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane））膜、ＣＤＯ（カーボンドープトオキサイド（Carbon Doped Oxide））、有機膜などである。そして、これらの低誘電率膜は回転塗布法や気相法などにより形成される。
【０００５】
特許文献１では、有機シロキサン膜に対して、ＮＦ3プラズマ処理を行うことで改質層を形成し、密着性を向上する技術が記載されている。特許文献２では、有機シロキサン膜に対して、還元性処理によって改質層を形成し、有機シロキサン膜を保護する技術が記載されている。特許文献３では環状有機シロキサン原料を用いて多孔質絶縁膜を形成する技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０９１７３号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６４１号公報
【特許文献３】特表２００２−５２６９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
有機シロキサン膜の集積化技術としては、有機シロキサン膜に改質層を形成し、プロセス耐性を向上する手法が用いられる。しかしながら、改質層は、炭素が脱離して形成されるため、比誘電率が高くなって配線間の容量が上昇してしまう問題を有していた。したがって、改質層を利用する場合には、改質層の比誘電率を低く、かつ改質層を薄く形成することが望まれていた。
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、有機シロキサン膜表面をプラズマ処理することで改質層を形成し、特にＮＦ3プラズマで行う技術が記載されている。表面をＮＦ3プラズマ処理することで密着性を向上することができるが、逆に膜内部に取り込まれたフッ素によって耐熱性が劣化する問題を有していた。形成される改質層は安定である必要がある。
【０００９】
特許文献２に記載の技術では、有機シロキサン膜をプラズマ処理することで改質層を形成するが、比誘電率が２．５以下となるような有機シロキサン膜では改質層が厚く形成されてしまい、結果的に比誘電率が上昇し、配線間の容量が増加する問題を有していた。
【００１０】
一方、このように比誘電率２．５以下を実現することのできる低誘電率膜としては、特許文献３に記載のように、環状型の有機シロキサン原料を用いて低誘電率絶縁膜を形成することができる。しかしながら、低配線間容量を達成するべく配線層間絶縁膜に適用した場合、配線間リーク電流が増加してしまうという問題を有していた。すなわち、配線間の容量は低減することができるものの、配線間のリーク電流によるチップ全体の消費電力を上昇させてしまうとともに、配線間の絶縁信頼性を劣化させるため、実用上大きな課題となっていた。
【００１１】
このように、低配線間容量、高密着性及び高配線信頼性を全て実現できる多層配線が望まれていた。そこで、本発明は、実効的な低配線間容量を維持しつつ、高密着性かつ高い配線間絶縁信頼性を有する多層配線の形成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る多層配線の形成方法は、シロキサン構造を含む絶縁膜を金属配線上に形成する第一の工程と、前記絶縁膜の一部に前記金属配線に達する凹部を形成する第二の工程と、前記絶縁膜と前記凹部内で露出した前記金属配線とに水素プラズマ処理を施すことにより、当該絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに当該金属配線の表面を還元する第三の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、絶縁膜と露出した金属配線とに水素プラズマ処理を施して絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに金属配線の表面を還元することにより、絶縁膜の低誘電率化及び絶縁性の高信頼化と金属配線接続の高信頼化とを同時に達成し、かつ、高密着性を有することで、ひいては配線の性能を向上させ、高速かつ低消費電力なＬＳＩを高信頼性で形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
配線間の容量を低く維持し、かつ密着性と絶縁特性に優れる改質層を形成するためには、できだけ改質層を薄く形成する必要がある。そのためには改質処理方法のアプローチのみではなく、改質される有機シロキサン膜の構造・組成・材料からのアプローチが必要であり、双方を勘案したプロセスフロー設計を行う必要があった。
【００１５】
本発明者らが環状有機シロキサン原料を用いた多層配線の形成方法に関して検討を行った結果、絶縁膜の信頼性と銅配線接続信頼性の双方を満たす好適な改質層の形成方法を見出した。
【００１６】
すなわち、少なくとも環状有機シロキサンと不活性キャリアガスとを反応室に供給し、プラズマ気相成長法によって得られる絶縁膜であって、少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜において、金属配線と接する、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜部に、絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層を水素プラズマ処理によって形成することで、低配線間容量を維持したまま配線間のリーク電流を低減することができるようになる。
【００１７】
更に、デュアルダマシン溝に対して前記改質処理を行うことで、ビア底に露出した銅の還元処理と、絶縁膜表面の改質を同時に行うことができるようになる。
【００１８】
このような絶縁膜の信頼性の改善とビアＣｕ接続の信頼性との双方を同時に満たす製造方法は、本発明による水素プラズ処理による改質層が見出されるまでは、予想し得なかった効果である。
【００１９】
すなわち、デュアルダマシン溝におけるビアホール底が開口され、ビア底に銅が露出した状態で本発明による水素プラズマ処理を行うことが有効である。更に、本発明による水素プラズマ処理を行うことで、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜表面に、絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層を形成することで、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜と金属配線との密着性を向上することができるようになる。
【００２０】
特に、金属配線の主成分としては銅が用いられるが、銅の周囲を覆うバリアメタルと前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜との密着性が向上する。特に、バリアメタルとしては高融点金属の窒素化合物、例えば、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴｉＷＮ、などを用いる場合に、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜表面の炭素量を減少させることで飛躍的に密着性が向上する。
【００２１】
これは、好適な環状有機シロキサンを含む絶縁膜に好適な改質処理を行うことで、環状構造に起因した高密度なシロキサンユニットを連続的に結合させ、高密度な改質層が形成されること、及びこの改質層が密着性と絶縁特性に優れる層を形成するために、水素プラズマ処理が好適であることとを、本発明者らが見出したことによるものである。
【００２２】
すなわち、好適なシロキサン構造を含む絶縁膜に対して、好適な改質処理によって脱炭素を行い、高密度な改質層を薄く形成し、膜内部への改質が進まないようにすることが、本発明の特徴である。
【００２３】
特に、溝下面の改質については金属配線との密着性を維持する上で不可欠な要素となる。この場合、前記水素プラズマ処理は、基板バイアスを印加して行うことで溝側壁に比べて溝下面の改質を促進することが可能となり、密着性と低配線容量化の両立を行うことができるようになる。
【００２４】
少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜において、シリコン原子数よりも、炭素原子数の多い膜組成が好ましいのは、軽元素である炭素が増えることで絶縁膜自体の比誘電率が低いことに加えて、改質処理による急激な炭素の引き抜きを抑制しつつ緻密化反応が進むため、ナノレベル厚の高密度な改質層が形成できるようになることを、発明者らが見出したためである。
【００２５】
特に不飽和炭化水素基と炭素原子数が３以上の炭化水素基との双方を含んでいる膜であることで、不飽和炭化水素基の強い結合エネルギにより脱炭素速度を低下させ、かつ炭素数の多い炭化水素基によって膜内部の炭化水素成分を多く保つことができるようになる。
【００２６】
また、ランダム型シロキサン構造に比べて、環状シロキサン構造において膜の比誘電率が低いにも関わらず、高密度な改質層が形成できるのは、員数の少ない環状構造ほどＯ−Ｓｉ−Ｏの結合角度が小さいため、高密度なＳｉＯ構造が形成されやすいためである。
【００２７】
例えば、石英（６員環；２．６５ｇ／ｃｍ3）に対して、コーサイト（４員環；２．９２ｇ／ｃｍ3）が高密度であることが例として挙げられる。したがって、あらかじめ骨格として、高密度なＯ−Ｓｉ−Ｏ構造を形成しやすい、環状シロキサンが膜内部に含まれていることにより、炭素を置換した酸素が環状ユニットを連続的に結合させ、容易に高密度かつ薄い改質層が形成できる。
【００２８】
また、金属配線及び接続プラグの周囲を囲むように改質層を形成するためには、金属配線及び接続プラグと接する配線層間絶縁膜、ハードマスク膜、ビア層間絶縁膜のいずれもが少なくともシリコン、酸素、炭素からなるシロキサン構造を含む絶縁膜とし、かついずれも炭素数３以上の側鎖とビニル基の双方を含む原料から形成した絶縁膜構造とする。
【００２９】
例えば、原料分圧をプラズマ励起中に変化させることで、低分圧条件にてビア層間絶縁膜を形成し、高分圧条件にて配線層間絶縁膜を形成し、低圧条件にて比較的に密着性と膜強度に優れるハードマスク膜とビア層間絶縁膜を形成することができる。
【００３０】
または、炭素数３以上の側鎖とビニル基の双方を含むシロキサン原料を２種類以上用いて比率を変化させて成膜することで、ビア層間絶縁膜はＣ／Ｓｉ比が１．４程度で比誘電率２．７、配線層間絶縁膜はＣ／Ｓｉ比が２．９程度で比誘電率２．４、ハードマスク膜はＣ／Ｓｉ比１．２で比誘電率３．０としたＳｉＯＣＨ膜をそれぞれ形成することで、いずれの絶縁膜にも本発明による改質層を形成することができるようになる。この場合、改質層は配線の上面を除いて、配線を囲むように形成され、より密着性の改善ができるようになる。
【００３１】
一般に絶縁膜内の炭素量が多いと金属配線との密着性は低下する傾向にあるが、本発明における絶縁膜を用い、更に水素プラズマ処理を用いることで、絶縁膜の低誘電率化、リーク電流の低減、密着性の向上を達成することができるようになる。
【００３２】
前記シロキサン構造が、絶縁膜内部の単位体積あたりの炭素原子数が酸素原子数よりも多いことを特徴とする。また、炭素原子の結合状態としては、少なくとも炭素数３個以上を有する炭化水素基と不飽和炭化水素基の双方を含むことを特徴とする。
【００３３】
前記シロキサン構造が、酸素原子とシリコン原子とからなる環状シロキサン構造を含むことが好ましい。前記環状シロキサンが３員環構造であり、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ3以下であることを特徴とする。
【００３４】
このような絶縁膜から形成される、好適な改質層としては、少なくとも１層以上の前記絶縁膜が少なくともシリコン、酸素、炭素、からなるシロキサン構造を含む絶縁膜である多層配線において、前記環状シロキサン構造を含む絶縁膜と金属配線との界面の少なくとも一部に、環状シロキサン構造を含む絶縁膜内部よりも炭素原子量が少なく、酸素原子量が多い改質層が形成されていることを特徴とする。
【００３５】
前記界面部分が、金属配線との界面であることを特徴とする。前記改質層は炭素原子数よりも酸素原子数が多いことを特徴とする。前記改質層は炭素原子数よりも酸素原子数と窒素原子数の和数が多いことを特徴とする。前記改質層の厚さは２０ｎｍ以下であることを特徴とする。前記改質層の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする。
【００３６】
前記絶縁膜が、配線部位のハードマスク膜と、配線部位の配線層間絶縁膜と、ビアプラグ部位のビア層間絶縁膜とからなる前記多層配線において、前記ハードマスク膜と、前記配線層間絶縁膜と、前記ビア層間絶縁膜とのいずれもが、シリコン、酸素、炭素、からなるシロキサン構造を含む絶縁膜であり、前記絶縁膜内部よりも炭素原子数が、配線層間絶縁膜＞ビア層間絶縁膜＞ハードマスク膜、の順に少ない多層配線において、前記ハードマスク膜、前記配線層間絶縁膜及び前記層間ビア絶縁膜のいずれにも、前記金属との界面に前記改質層が形成され、該改質層の組成が、それぞれ対応する前記絶縁膜内部よりも、単位体積あたりの炭素原子数が少なくかつ酸素原子数が多いことを特徴とする。
【００３７】
このような好適な改質層の形成方法としては、前記絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し溝パターニングする工程と、前記レジストをマスクにドライエッチングによって前記ハードマスク膜内に溝を形成する工程と、第一の酸素アッシングによって前記フォトレジストを除去させる工程と、前記ハードマスク膜をマスクにドライエッチングによって前記絶縁膜内に溝を形成する工程と、前記溝に対して改質処理を行うことにより改質層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００３８】
前記改質処理が脱炭素化処理であることを特徴とする。前記脱炭素処理が水素プラズマであることを特徴とする。前記改質処理を行う水素プラズマは、水素とＡｒ、又は水素とＨｅの混合ガスであることを特徴とする。前記改質処理を行うプラズマは、基板バイアスを印加して行うことを特徴とする。前記処理を水素雰囲気中で行うことを特徴とする。前記改質処理を水素アニールにより行うことを特徴とする。前記ドライエッチングのエッチングガスが、少なくともＡｒ、Ｏ2、ＣＦ4の混合ガスであることを特徴とする。
【００３９】
本願発明を詳細に説明する前に、本願における用語の意味を説明する。
【００４０】
低誘電率絶縁膜とは、例えば配線材を絶縁分離する膜（層間絶縁膜）であり、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減するため、シリコン酸化膜（比誘電率４．２）よりも比誘電率の低い材料を指す。特に、多孔質絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜を多孔化して、比誘電率を小さくした材料や、ＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane））膜、又はＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＣ（例えば、Ｂｌａｃｋ ＤｉａｍｏｎｄTM、ＣＯＲＡＬTM、ＡｕｒｏｒａTM）などを多孔化して、比誘電率を小さくした材料などがある。これらの膜の更なる低誘電率化を進めるため、環状シロキサン原料を用いた成膜技術などが検討されつつあるところである。
【００４１】
環状シロキサンとは、Ｓｉ−Ｏを１ユニットとした数えた環状のユニットとした場合、例えば３員環とは（ＳｉＯ）3からなる６角形分子構造を意味する。４員環とは（ＳｉＯ）4からなる８角形分子構造を意味する。環状有機シロキサンとは、前記環状シロキサン構造の側鎖に、炭化水素基を有する分子構造を意味する。炭化水素基の例としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ビニル基、などがある。このような環状シロキサン原料は、多孔質な絶縁膜を形成するのに有効であるが、本発明においては、必ずしも多孔質膜に限定するわけではない。なお、絶縁膜の組成は、単位体積あたりに含まれる原子数の比とする。
【００４２】
プラズマ気相成長法とは、例えば、気体状の原料を減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギによって、分子を励起状態にし、気相反応、又は基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。原料分子にあらかじめ、ビニル基のような反応性の高い側鎖を導入することでモノマーの反応性を向上させる場合を、プラズマ重合法と呼ぶ場合もある。
【００４３】
ダマシン配線とは、あらかじめ形成された層間絶縁膜の溝に、金属配線を埋め込み、溝内以外の余剰な金属を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などにより除去することで形成される埋め込み配線をさす。Ｃｕによりダマシン配線を形成する場合には、Ｃｕ配線の側面及び外周をバリアメタルで覆い、Ｃｕ配線の上面を絶縁性バリア膜で覆う配線構造が一般に用いられる。ダマシン配線には、接続孔に金属のコンタクトプラグを形成した後に配線溝を形成する「シングルダマシン配線法」と、接続孔及び配線溝を形成した後に金属を一度に埋め込む「デュアルダマシン配線法」とがある。
【００４４】
金属配線とは、例えばＣｕを主成分とする。金属配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。
【００４５】
ＣＭＰ法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。ダマシン法による配線形成においては、特に、配線溝又はビアホールに対し金属を埋設した後に、余剰の金属部分を除去し、平坦な配線表面を得るために用いる。
【００４６】
バリアメタルとは、配線を構成する金属元素が層間絶縁膜や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜を示す。例えば、配線がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タイタン（ＷＴｉ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜が使用される。
【００４７】
絶縁性バリア膜とは、Ｃｕ配線の上面に形成され、Ｃｕの酸化や絶縁膜中へのＣｕの拡散を防ぐ機能、及び加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜などが用いられている。
【００４８】
半導体基板とは、半導体装置が構成された基板であり、特に単結晶シリコン基板上に作られたものだけでなく、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板やＴＦＴ（Thin film transistor）液晶製造用基板などの基板も含む。
【００４９】
ハードマスクとは、層間絶縁膜の低誘電率化による強度低下により、直接ＣＭＰを行うのが困難な場合に、層間絶縁膜上に積層し、保護する役割の絶縁膜をさす。
【００５０】
パッシベーション膜とは、半導体素子の最上層に形成され、外部からの水分などから半導体素子を保護する役割を有する。本発明では、プラズマＣＶＤ法で形成したシリコン酸窒素化膜（ＳｉＯＮ）や、ポリイミド膜などが用いられる。
【００５１】
ＰＶＤ法とは、通常のスパッタリング法でもよいが、埋め込み特性の向上や、膜質の向上や、膜厚のウェハ面内均一性を図る上では、例えばロングスロースパッタリング法やコリメートスパッタリング法、イオナイズドスパッタリング法、などの指向性の高いスパッタリング法を用いることもできる。合金をスパッタする場合には、あらかじめ金属ターゲット内に主成分以外の金属を固溶限以下で含有させることで、成膜された金属膜を合金膜とすることができる。本発明中では、主にダマシンＣｕ配線を形成する際のＣｕシード層や、バリアメタル膜を形成する際に使用することができる。
【００５２】
ＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown）寿命とは、絶縁破壊に至るまでの時間を加速試験によって予測する手法である。例えば、配線間のＴＤＤＢ寿命を測定する場合には、櫛形のＴＥＧ（Test Element Group）を用い、所定の温度（例えば１２５℃）の測定条件で配線間に１〜４ＭＶ／ｃｍ程度の比較的高い電界を印加し、配線間に流れるリーク電流をモニタする。電界印加開始時間から絶縁破壊までの時間を計測することで、ＴＤＤＢ寿命の優劣を比較することができる。
【００５３】
ｍ−ＥＬＴ（modified Edge Liftoff Test）試験とは、試料にエポキシ層を塗布し、１２０℃程度で硬化処理を行った後、試料を冷却する。冷却により生じたエポキシ層の残留の応力によって、試料の各層の端面に引き剥がし力が加わり、剥離箇所を画像処理で検出しその時の温度を記録する。剥離時の温度からエポキシ層の残留応力値がわかるので、剥離時に放出されるエネルギがエポキシ層に保存された弾性エネルギにほぼ等しいと仮定し、テスト薄膜に加えられる応力強度（剥離強度）を計算する手法である。値が大きいほど密着性に優れると判断できる。
【００５４】
（第一実施形態）
本発明においては、層間絶縁膜として好適な低誘電率絶縁膜を、少なくとも環状有機シロキサン原料を反応室に供給し、プラズマ気相成長法によって絶縁膜を形成する環状シロキサン構造を含む絶縁膜に対して、好適な改質層を形成することで、配線間容量の低減と、絶縁信頼性確保を両立することができる。本発明にて形成した配線構造として、半導体素子が形成された半導体基板上の多層配線に用いた場合の配線構造について、詳しく説明する。
【００５５】
概要を説明すると、本実施形態の多層配線の形成方法は、ともにシロキサン構造を含むビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を金属配線４１ａ上に形成する第一の工程（図１［１］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の一部に金属配線４１ａに達する凹部としてのデュアルダマシン溝４８を形成する第二の工程（図１［２］〜図２［２］）と、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４とデュアルダマシン溝４８内で露出した金属配線４１ａとに水素プラズマ処理を施すことにより、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４の表面に改質層４９を形成するとともに金属配線金属配線４１ａの表面を還元する第三の工程（図３［１］）と、を含むことを特徴とする。以下に、各工程について詳しく説明する。
【００５６】
図１［１］に示すように、半導体素子が形成された半導体基板５０上にバリアメタル膜４０ａ、金属配線４１ａ、絶縁性バリア膜４２が積層されており、その上に、ビア層間絶縁膜４３、配線層間絶縁膜４４、ハードマスク膜４５ａ，４５ｂが形成されている。請求項１に記載の（第一の）絶縁膜は配線層間絶縁膜４４であり、（第二の）絶縁膜はビア層間絶縁膜４３である。ここで、ビア層間絶縁膜４３と配線層間絶縁膜４４とを分けて示したが、同一の材料から構成しても良い。
【００５７】
配線層間絶縁膜４４は、３員環又は４員環からなる環状有機シロキサン構造の原料を用い、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｒｎなどからなる不活性キャリアガスを用いて反応室に供給し、高周波電力を引加することで成膜を行うことができる。
【００５８】
例えば、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４は、少なくともシリコン、酸素、炭素、水素からなる環状有機シロキサン原料を用い、本発明に係る方法にて形成した低誘電率絶縁膜である。そのような原料としては、例えば［化３］又は［化４］で示される環状有機シロキサンであることが好ましい。これらの原料は構造中に不飽和炭化水素基を含むため、成膜プラズマ中での炭素の側鎖炭素の脱離を抑制し、絶縁膜内に多くの炭素を取り込むことができるようになる。
【００５９】
【化３】
【００６０】
【化４】
【００６１】
それらの膜厚は５０〜２００ｎｍ程度が良い。原料分圧をプラズマ励起中に変化させることで、密着性に優れる層などを挿入しても良い。
【００６２】
ビア層間絶縁膜４３は、成膜条件や混合ガス原料を追加したり、入れ替えたりすることで、配線層間絶縁膜４４よりも炭素成分の少ないＳｉＯＣＨ層としても良い。ハードマスク膜４５ａは、配線層間絶縁膜４４の成膜条件を変更したり、混合ガス原料を追加したり、入れ替えたりすることで、配線層間絶縁膜４４よりも炭素成分の少ないＳｉＯＣＨ層としてもよい。
【００６３】
例えば、配線層間絶縁膜４４としては、［化３］からなる原料を気化し、プラズマ気相成長法を用いて形成した環状シロキサンを含む絶縁膜を用い、ビア層間絶縁膜４３及びハードマスク膜４５ａとしては、［化５］からなる原料を気化し、プラズマ気相成長法を用いて形成したシロキサンを含む絶縁膜を選択し、これらを連続成長させることもできる。
【００６４】
【化５】
【００６５】
このような不飽和炭化水素と炭素分子量３以上のアルキル基を有する原料を用いて形成した絶縁膜を用いることで、水素プラズマ処理によって絶縁膜と金属との界面に好適な改質層を形成することが容易となる。
【００６６】
ハードマスク膜４５ｂは、シリコン酸化膜とする。必要に応じてハードマスク４５ｂを削除しても良い。
【００６７】
金属配線４１ａは、Ｃｕを主成分とし、金属配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。金属配線４１ａとしては、Ｃｕターゲットを用いたスパッタ法や、ＣＶＤ法、又は、それらの方法で形成したＣｕ膜を電極として用いた電解めっき法などにより形成することができる。また、主成分以外の金属元素としては、アルミニウム、錫、チタン、タングステン、銀、ジルコニウム、インジウム、及びマグネシウムの中から少なくとも一つを選択し、添加することも有効である。また、Ｃｕ以外の金属、例えば、タングステン（Ｗ）や、ＣｏＷＰなどの化合物を密着層として、又はＣｕ配線と絶縁性バリア膜の間に挿入することも有効である。
【００６８】
バリアメタル膜４０ａは、スパッタ法やＣＶＤ法や、ＡＬＣＶＤ（Atomic Layer Chemical Vapor Deposition）法などを用いて形成することができる。例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タイタン（ＷＴｉ）、窒化タイタン（ＷＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜が使用される。特に、Ｔａ／ＴａＮ（＝上層／下層）の積層膜を用いることが好ましい。
【００６９】
絶縁性バリア膜４２は、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ膜などからなり、その膜厚が２０〜５０ｎｍであり、プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００７０】
ハードマスク膜４５ａ，４５ｂは、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、などを用いることができ、膜厚は５０〜２００ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００７１】
ここでは、３員環状有機シロキサン［化３］を用いて形成した配線層間絶縁膜４４を例に説明する。以上のビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４を形成する工程が、特許請求の範囲における第一の工程に相当する。
【００７２】
続いて、図１［２］に示すように、フォトレジストを用いたパターニングとドライエッチングによって、ビアホール４６を形成する。そして、その上に、有機膜５１、低温酸化膜５２、ＡＲＣ（Antireflective Coatings）５３、フォトレジスト５４を順次積層し、フォトレジスト５４をパターニングする。
【００７３】
続いて、図２［１］に示すように、フォトレジスト５４をマスクにしてドライエッチングを施すことによって、ハードマスク４５ａ，４５ｂ内に配線溝であるハードマスク溝４７を転写形成する。このとき、フォトレジスト５４の灰化プロセスにはＯ2プラズマアッシングを用いて、効率的かつ完全にフォトレジスト５４を除去することができる。その時点では配線層間絶縁膜４４はほとんどエッチングされていないため、後に形成される配線溝の側壁はＯ2プラズマに暴露されていない。
【００７４】
続いて、図２［２］に示すように、ハードマスク膜４５ａ，４５ｂをマスクにしてドライエッチングを施すことによって、配線層間絶縁膜４４内に配線溝であるデュアルダマシン溝４８を形成する。
【００７５】
このときの配線層間絶縁膜４４のドライエッチング方法に関して詳しく説明する。例えば、テトラフルオロカーボン（ＣＦ4）とアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）とを任意の割合で混合したものをエッチングガスとして用い、平行平板型のドライエッチング装置を用いてエッチングを行うことができる。
【００７６】
具体的には、平行平板型の８インチ用エッチング装置を用い、ガス流量比Ａｒ／Ｎ2／ＣＦ4／Ｏ2＝３００／１００／２５／６ｓｃｃｍにて、基板間距離（ＧＡＰ）＝３５ｍｍ、圧力５０ｍＴｏｒｒ（６．６５Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー１０００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて行うことができる。
【００７７】
このとき、ハードマスク４５ｂをマスクにエッチングを行うことによって、フォトレジスト５４をマスクに加工する場合と比べて溝のライン・エッジ・ラフネスを改善できる利点がある。以上の図１［２］〜図２［２］の工程が特許請求の範囲における第二の工程に相当する。
【００７８】
続いて、図３［１］に示すように、エッチング後の側壁の改質処理を行うことで改質層４９を形成する。この時点では既に溝パターニング用のフォトレジスト５４は完全に除去されているため、改質に好ましい条件で改質処理を行うことができる。
【００７９】
このとき、好ましい改質処理条件としては、Ｈ2プラズマ処理を行うのが良い。処理時間はプラズマ条件にもよるが、５〜３０秒程度にすることが好ましい。過剰なプラズマ処理は、溝側壁及び溝底の脱炭化を促進するため好ましくない。
【００８０】
具体的には、Ｈ2プラズマ照射は、平行平板型のｉｎ−ｓｉｔｕエッチング装置を用い、基板間距離（ＧＡＰ）＝３０ｍｍ、圧力１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー６００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて水素ガスのみで５秒間処理を行うことができる。
【００８１】
このとき、Ｈ2プラズマ照射を行うガス系は、Ｈ2／Ａｒ、Ｈ2／Ｈｅなどの混合ガスを用いても良い。
【００８２】
具体的には、プラズマ照射は、平行平板型のｉｎ−ｓｉｔｕアッシング装置を用い、ガス流量比はＨ2／Ｈｅ＝２００／３００ｓｃｃｍ、基板間距離（ＧＡＰ）＝４０ｍｍ、圧力２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）、上部電極周波数６０ＭＨｚ、上部電極パワー５００Ｗ、下部電極周波数１３．５６ＭＨｚ、下部電極パワー１００Ｗにて処理を行うことができる。
【００８３】
なお、Ｈ2プラズマ処理を行う装置はｉｎ−ｓｉｔｕエッチング装置に限定するものではなく、バリアメタルを成膜するスパッタチャンバ等に併設されたチャンバで行うことも可能である。
【００８４】
このとき、典型的な例として配線層間絶縁膜４４の側壁と溝下面に改質層４９が形成されるが、それ以外の部分に改質層が形成されていても良い。例えば、溝底のビア層間絶縁膜４３や、ビアホール４６の側壁などにも改質層４９が形成されていても良い。
【００８５】
例えば、ビア層間絶縁膜４３及び配線層間絶縁膜４４に環状シロキサンを含む絶縁膜を用いていた場合には、溝側壁、溝下面、ビア側壁、の改質層４９は密度が高く２０ｎｍ以下にて形成される。一方、ビア層間絶縁膜４３にそれ以外のＳｉＯＣＨ絶縁膜を用いた場合には、ビア側壁及び溝下面には３０〜５０ｎｍの改質層４９が形成される場合がある。
【００８６】
このようにして、金属配線４１ｂのとの接続界面に改質層４９が形成されることで、金属配線４１ｂと配線層間絶縁膜４４又はビア層間絶縁膜４３との密着性を向上することができるようになる。これは、改質層に対するバリアメタルの密着性が、改質層無しの構造に比べて向上するためである。これは、改質層の組成において、酸素数が炭素数よりも多いために、バリアメタルとの密着が向上したためである。
【００８７】
このとき、ビア下のＣｕが露出した状態で改質処理を行うため、水素プラズマ処理を行うことで、ビア下の酸化Ｃｕの還元と、絶縁膜表面（溝側壁、溝下面、ビア側面）の脱炭素による改質を同時に行うことができるようになる。以上の図３［１］の工程が特許請求の範囲における第三の工程に相当する。
【００８８】
最後に、図３［２］に示すように、デュアルダマシン溝４８内に、バリアメタル膜４０ｂ及び金属配線４１ｂを埋め込み、ＣＭＰ法によって余剰の配線を除去し、デュアルダマシン配線が形成される。
【００８９】
このようにして作製した多層配線の配線間リーク電流を、すなわちライン／スペース＝１００ｎｍ／１００ｎｍ、対向長５ｃｍのＴＥＧにおける室温での配線間リーク電流を測定したところ、改質層無しと比較して約３桁、配線間のリーク電流が低減できていることを確認した。
【００９０】
すなわち、酸素数よりも炭素数の多い環状型ＳｉＯＣＨ膜においては、リーク電流の低減が必須であり、本発明による好適な改質層の形成によって、配線性能を維持したまま、絶縁信頼性を確保できるようになる。
【００９１】
このようにして作製した多層配線の配線間の組成分析をＴＥＭ−ＥＥＬＳにて行った結果、水素プラズマ処理によって改質層を形成した場合には絶縁膜表面（溝側壁、溝下面、ビア側面）に１５ｎｍ以下の改質層が形成されていることを確認した。改質層の組成は炭素に比べて酸素が多いことがわかる。
【００９２】
シリコン基板上に配線層間絶縁膜を形成し、擬似的に水素プラズマ処理を行い、表面に形成された改質層の評価をＸＲＲを用いて行ったところ、改質層の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であることを確認した。
【００９３】
このとき、配線層間絶縁膜内部は、少なくともシリコン、酸素、炭素、からなる環状シロキサン構造を含む絶縁膜であり、ＴＥＭ−ＥＥＬＳの結果から、前記絶縁膜の炭素原子量が酸素原子量の２倍以上であることがわかる。１５ｎｍ以下の改質層において炭素量と酸素量が逆転していることが本発明の特徴である。
【００９４】
したがって、本発明に係る製造方法を用いることにより、層間絶縁膜の低誘電率化と高絶縁信頼化を同時に達成し、かつ、高密着性を有することで、ひいては配線の性能を向上させ、高速かつ低消費電力のＬＳＩを高信頼性で形成することが可能となる。
【００９５】
（第二実施形態）
図４に示すように、半導体基板１１上に半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ１０が形成され、ＴｉＮ膜３２を介してシリコン酸化膜１２ａ及び接続プラグとしてタングステン３３が形成されている。その上には、第一実施形態と同様に、バリアメタル膜としてＴａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｅ、金属配線としてＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅ、絶縁性バリア膜としてＳｉＣＮ膜２８ａ〜２８ｅ、配線層間絶縁膜として環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅ、改質層４９ａ〜４９ｅなどが形成され、多層配線構造となっている。更にその上には、Ｔａ／ＴａＮ膜３１ｆ、ＣｕＡｌ膜３０ｆ、ＳｉＣＮ膜２８ｆ，２８ｇ、シリコン酸化膜１２ｂ，１３、シリコン酸窒化膜３４、Ｔｉ／ＴｉＮ膜３５ａ，３５ｂ、ＡｌＣｕ膜３６などが形成されている。
【００９６】
ＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅと接する環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅに、環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅよりも炭素原子量が少なく酸素原子量が多い改質層４９ａ〜４９ｅが形成されている。改質層４９ａ〜４９ｅの厚さは１０〜２０ｎｍ程度に制御されている。
【００９７】
ここで、金属配線材は、Ｃｕを主成分とし、金属配線材の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良く、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕの上面や側面などに形成されていても良い。ＰＶＤ法により成膜した厚さ４０ｎｍのＣｕ層をシード層として、電解めっき法によりＣｕを形成した。ＰＶＤ法によって形成されＣｕ層には、内部に１．２ａｔｍ％以下のＡｌを含む。絶縁性バリア膜としてのＳｉＣＮ膜２８ａ〜２８ｇは、膜厚が３０ｎｍであり、プラズマＣＶＤ法により形成した。
【００９８】
配線層間絶縁膜としての環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅは、環状有機シロキサン原料［化３］を用いて、プラズマ気相成長法により形成したものであり、比誘電率が２．４であり、厚さがビア層間部分も含めて２５０ｎｍである。このような層間絶縁膜としての環状型ＳｉＯＣＨ膜２９ａ〜２９ｅから構成されるデュアルダマシン溝内に、金属配線としてのＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅ及びバリアメタル膜としてのＴａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｅが埋め込まれている。Ｔａ／ＴａＮ膜３１ａ〜３１ｆは、ＰＶＤ法で形成したＴａ（１５ｎｍ）／ＴａＮ（５ｎｍ）（＝上層／下層）の積層膜を用いた。
【００９９】
金属配線材としては、１．２ａｔｍ％のＡｌを含むＣｕターゲットを用いてＰＶＤ法によりシード層を形成した後、めっき法によりＣｕを形成した。各配線層の高さは、ＣｕＡｌ膜３０ａ〜３０ｅを１７０ｎｍ、ＣｕＡｌ膜３０ｆを３００ｎｍとした。また、Ｃｕ−ＣＭＰ時に、配線層間絶縁膜の表面を保護するために、ハードマスク膜などを挿入した構造としても良い。ハードマスク膜としては、シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン炭素窒素膜、などであり、配線層間絶縁膜よりも比誘電率が高く、機械強度に優れることが好ましい。そのため、比誘電率３．０程度のＳｉＯＣＨ膜などを用いて良い。
【０１００】
上層の配線にはＡｌを用いており、ＰＶＤ法によってＴｉ／ＴｉＮ３５ａ、Ａｌ−Ｃｕ３６、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ｂを形成した。各金属膜の厚さは、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ａが０．３μｍ程度、Ａｌ−Ｃｕ３６が１．５μｍ、Ｔｉ／ＴｉＮ３５ｂが０．３μｍとした。このとき、溝状ビアホール内には金属を連続的に埋め込んだ。その上層はパッシベーション膜としてのシリコン酸窒化膜３４によって覆った。
【０１０１】
以上の配線構造を用いると、改質層の導入によって、配線間の容量と絶縁信頼性の両立することができるようになる。また、配線間隔７０ｎｍの櫛形のＴＥＧを用いて配線間のＴＤＤＢ試験を行ったところ、１２５℃にて２．５ＭＶ／ｃｍ電界を印加したところ、絶縁寿命は１２０時間以上となり、十分なＴＤＤＢ耐性を有することを確認した。
【０１０２】
また、このようなデバイスを形成後、ウェハをダイシングし、チップを切り出したのち、セラミックパッケージ上にマウント、樹脂封止を行った。チップサイズは２５ｍｍ□とし、−６５℃〜１５０℃の温度サイクル試験を１０００サイクルまで行ったところ、本発明による改質層によって密着性が向上し、５０チップ中、一つも剥がれが観察されなかったのに対して、改質層を形成しない条件では、密着性に劣るためチップの角から若干の剥がれが生じるサンプルが２チップ発生することを確認した。
【０１０３】
なお、本実施形態はデュアルダマシン構造に関して詳しく説明したが、シングルダマシン配線に関しても同様に適用できる。また、本発明は、改質層の形成によって、低配線間容量と高絶縁信頼性を両立し、かつ密着性の向上が必要な多層配線の配線構造とその製造方法に関するものであれば、あらゆるものに適用することが可能であり、その利用の可能性において何ら限定するものではない。更に、幾つかの好適な実施の形態に関連付けして本発明を説明したが、これら実施の形態は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではないことが理解できる。
【０１０４】
例えば本発明者によってなされた発明の背景となった利用分野であるＣＭＯＳ回路を有する半導体製造装置技術に関して詳しく説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭ（Ferro Electric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、抵抗変化型メモリ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、又はそれらを同時に掲載した混載型の半導体製品にも適用することができる。また、本発明は、少なくとも一部に埋め込み型合金配線構造を有する半導体装置、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシンなどにも適用することができる。
【０１０５】
また、でき上がりからも本発明による改質層の形成を確認することができる。具体的には、配線層間膜はＴＥＭ−ＥＥＬＳ測定により、金属配線周囲の配線層間絶縁膜を分析することで改質層の組成を確認することができる。ビア層間絶縁膜と配線層間絶縁膜との界面を分析することで確認することができる。
【０１０６】
また、半導体製造装置内部に記憶された、マイクロコンピュータの制御プログラムを確認することでも、本発明による改質層の形成を確認することができる。例えば、環状型ＳｉＯＣＨ膜のエッチング中にレジスト灰化シーケンスとは別に水素プラズマ処理シーケンスが含まれるように組まれたプログラムを用いているか、又はそのプログラムが記憶されているかどうかで、特定を行うことができる。又は、配線形成工程フローにて、エッチングでの溝加工後に改質させる工程が工程フローに記載されているかどうかで、特定を行うことができる。
【０１０７】
本明細書を読んだ後であれば、当業者にとって等価な構成要素や技術による数多くの変更及び置換が容易であることが明白であるが、このような変更及び置換は、添付の請求項の真の範囲及び精神に該当するものであることは明白である。以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【０１０８】
なお、本発明は、次のように表現することもできる。（１）半導体基板上の絶縁膜に配線溝及びビアホールが形成され、該配線溝及び該ビアホールに金属を充填させた配線及び接続プラグが複数積層され、前記絶縁膜の少なくとも一部が、第一の絶縁膜から構成された多層配線において、少なくとも１層以上の前記第一の絶縁膜が、シリコン、酸素、炭素からなるシロキサン構造を含む絶縁膜であり、前記第一の絶縁膜内部のシロキサン構造は炭素原子数がシリコン原子数よりも多く、前記第一の絶縁膜と前記金属との界面に、前記第一の絶縁膜内部よりも炭素原子数が少なく、かつ酸素原子数が多い改質層が形成されていることを特徴とする半導体装置の形成方法において、前記シロキサン構造を含む絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し溝パターニングする工程と、前記フォトレジストをマスクにドライエッチングによって前記ハードマスク膜内に溝を形成する工程と、酸素アッシングによって前記フォトレジスト膜を除去する工程と、前記ハードマスク膜をマスクにドライエッチングによって前記シロキサン構造を含む絶縁膜内に溝を形成する工程と、前記溝の水素プラズマ処理によって改質処理を行う工程と、を有することを特徴とする多層配線の形成方法。（２）前記水素プラズマ処理が、水素とヘリウムの混合ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする前記（１）に記載の多層配線の形成方法。（３）前記水素プラズマ処理が、水素とアルゴンの混合ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする前記（１）に記載の多層配線の形成方法。（４）前記水素プラズマ処理は、基板バイアスを印加して行うことを特徴とする前記（１）〜（３）記載の多層配線の形成方法。（５）前記シロキサン構造を含む絶縁膜が、少なくとも前記［化３］又は［化４］の原料を用いたプラズマ重合法によって形成することを特徴とする前記（１）〜（４）に記載の多層配線の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施形態を示す断面図（その１）である。
【図２】本発明の第一実施形態を示す断面図（その２）である。
【図３】本発明の第一実施形態を示す断面図（その３）である。
【図４】本発明の第二実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ ＭＯＳＦＥＴ
１１、５０ 半導体基板
１２ａ、１２ｂ、１３ シリコン酸化膜
２８a、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆ、２８ｇ ＳｉＣＮ膜
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ 環状型ＳｉＯＣＨ膜（絶縁膜）
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ ＣｕＡｌ膜（金属配線）
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ Ｔａ／ＴａＮ膜
３２ ＴｉＮ膜
３３ タングステン
３４ シリコン酸窒化膜
３５ａ、３５ｂ Ｔｉ／ＴｉＮ膜
３６ ＡｌＣｕ膜
４０ａ、４０ｂ バリアメタル膜
４１ａ、４１ｂ 金属配線
４２ 絶縁性バリア膜
４３ ビア層間絶縁膜（絶縁膜）
４４ 配線層間絶縁膜（絶縁膜）
４５ａ、４５ｂ ハードマスク膜
４６ ビアホール
４７ ハードマスク溝
４８ デュアルダマシン溝
４９、４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ 改質層
５１ 有機膜
５２ 低温酸化膜
５３ ＡＲＣ
５４ フォトレジスト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シロキサン構造を含む絶縁膜を金属配線上に形成する第一の工程と、
前記絶縁膜の一部に前記金属配線に達する凹部を形成する第二の工程と、
前記絶縁膜と前記凹部内で露出した前記金属配線とに水素プラズマ処理を施すことにより、当該絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに当該金属配線の表面を還元する第三の工程と、
を含むことを特徴とする多層配線の形成方法。
【請求項２】
前記第二の工程は、
前記絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、
前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに溝のパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストをマスクにしてドライエッチングによって前記ハードマスク膜に溝を形成する工程と、
前記ドライエッチングの後に酸素アッシングによって前記フォトレジストを除去する工程と、
前記フォトレジストを除去した後に前記ハードマスク膜をマスクにしてドライエッチングによって前記絶縁膜に前記凹部としての溝を形成する工程とを含む、
ことを特徴とする請求項１記載の多層配線の形成方法。
【請求項３】
前記第三の工程では、前記水素プラズマ処理に水素とヘリウムとの混合ガスを用いる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の多層配線の形成方法。
【請求項４】
前記第三の工程では、前記水素プラズマ処理に水素とアルゴンとの混合ガスを用いる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の多層配線の形成方法。
【請求項５】
前記第三の工程では、前記絶縁膜及び前記金属配線が形成された基板にバイアス電圧を印加して前記水素プラズマ処理を施す、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項６】
前記第一の工程では、
次の［化１］及び［化２］で示される原料の少なくとも一方を用いたプラズマ重合法によって、
【化１】
【化２】
前記絶縁膜を形成する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項７】
前記金属配線は銅又は銅合金から成る、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項８】
前記シロキサン構造はシリコン、酸素及び炭素からなり、
前記絶縁膜内の前記シロキサン構造は炭素原子数がシリコン原子数よりも多く、
前記改質層は前記絶縁膜内よりも炭素原子数が少なく酸素原子数が多い、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項１】
シロキサン構造を含む絶縁膜を金属配線上に形成する第一の工程と、
前記絶縁膜の一部に前記金属配線に達する凹部を形成する第二の工程と、
前記絶縁膜と前記凹部内で露出した前記金属配線とに水素プラズマ処理を施すことにより、当該絶縁膜の表面に改質層を形成するとともに当該金属配線の表面を還元する第三の工程と、
を含むことを特徴とする多層配線の形成方法。
【請求項２】
前記第二の工程は、
前記絶縁膜上にハードマスク膜を形成する工程と、
前記ハードマスク膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに溝のパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストをマスクにしてドライエッチングによって前記ハードマスク膜に溝を形成する工程と、
前記ドライエッチングの後に酸素アッシングによって前記フォトレジストを除去する工程と、
前記フォトレジストを除去した後に前記ハードマスク膜をマスクにしてドライエッチングによって前記絶縁膜に前記凹部としての溝を形成する工程とを含む、
ことを特徴とする請求項１記載の多層配線の形成方法。
【請求項３】
前記第三の工程では、前記水素プラズマ処理に水素とヘリウムとの混合ガスを用いる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の多層配線の形成方法。
【請求項４】
前記第三の工程では、前記水素プラズマ処理に水素とアルゴンとの混合ガスを用いる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の多層配線の形成方法。
【請求項５】
前記第三の工程では、前記絶縁膜及び前記金属配線が形成された基板にバイアス電圧を印加して前記水素プラズマ処理を施す、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項６】
前記第一の工程では、
次の［化１］及び［化２］で示される原料の少なくとも一方を用いたプラズマ重合法によって、
【化１】
【化２】
前記絶縁膜を形成する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項７】
前記金属配線は銅又は銅合金から成る、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【請求項８】
前記シロキサン構造はシリコン、酸素及び炭素からなり、
前記絶縁膜内の前記シロキサン構造は炭素原子数がシリコン原子数よりも多く、
前記改質層は前記絶縁膜内よりも炭素原子数が少なく酸素原子数が多い、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の多層配線の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１２３８８６（Ｐ２００９−１２３８８６Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９５８３８（Ｐ２００７−２９５８３８）
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＦＲＡＭ
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＦＲＡＭ
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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