配線構造の製造方法
【課題】 銅を配線材として用いても、微細な配線構造の形成が可能で、製造の工程数が少なく、低コスト化が可能な配線構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 配線構造の製造方法が、半導体素子２０１の上にＷプラグ２０３（下層配線）が形成された基板上に、対電子線感光性を有する材料を含む第二層間絶縁膜２０４（絶縁膜）を形成する工程と、第二層間絶縁膜２０４に電子線を照射して、第二層間絶縁膜２０４を露光する工程と、第二層間絶縁膜２０４を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有する。
【解決手段】 配線構造の製造方法が、半導体素子２０１の上にＷプラグ２０３（下層配線）が形成された基板上に、対電子線感光性を有する材料を含む第二層間絶縁膜２０４（絶縁膜）を形成する工程と、第二層間絶縁膜２０４に電子線を照射して、第二層間絶縁膜２０４を露光する工程と、第二層間絶縁膜２０４を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるダマシン法を用いた配線構造とその製造方法であって、その工程数が少なく、また、配線材として銅を用いても、配線間での銅の拡散が生じない、信頼性の高いＬＳＩの配線構造とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、集積回路の配線材料にはアルミニウム（Ａｌ）もしくはＡｌ合金が用いられ、配線間および配線層間の層間絶縁膜にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）が広く用いられてきた。しかし、ＬＳＩの微細化の進行に伴い、配線における信号伝送の遅延を抑制、低減することが望まれており、配線抵抗の低減のために配線材には銅（Ｃｕ）が使用されるようになってきている。また、配線間容量の低減のために、配線間および配線層間の層間絶縁膜には誘電率の低い有機物や空孔を含んだシリコン酸化膜が使用されるようになってきている。しかし、銅は、シリコン（Ｓｉ）や、シリコン酸化膜をはじめとする層間絶縁膜中における拡散がアルミニウムよりも速い。そのため、トランジスタをはじめとするシリコンデバイス部への銅の侵入、配線間の絶縁耐圧劣化などを防いで信頼性を高めるために、銅の周囲に、銅の拡散を防止するバリア膜を形成することが必要である。
【０００３】従って、銅を用いた配線構造の製造においては、アルミニウムなどを配線材に用いたときにはなかった材料と工程が必要となる。そのため、工程の簡略化とプロセスコストダウンが必要であり、これまでにも、デュアルダマシン法の実用化や、感光性材料の提案などがされている。以下に、銅膜の下面および側面に銅の拡散防止（バリア）膜となる導体膜を形成する配線構造とその製造方法について説明する。
【０００４】［従来例１］図１１は、現在、一般的に用いられるダマシン構造の配線の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板１１０１上に酸化シリコン膜１１０２、ＳｉＯＮ膜１１０３、酸化シリコン膜１１０４を順次堆積し（図１１ａ）、その上にレジストパタン１１０５（図１１ｂ）を形成する。そしてレジストパターン１１０５をマスクに酸化シリコン膜１１０４を異方性エッチングし、レジストパターン１１０５を除去して配線溝を形成する（図１１ｃ）。次に、エッチングにより形成した表面に導体からなる導体バリア膜１１０６を形成後、銅膜１１０７を形成する（図１１ｄ）。続いて、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜１１０７を除去し、続いて同様に余剰なバリア膜１１０６を除去する（図１１ｅ）。その後、絶縁体からなる絶縁バリア膜１１０８を形成することで、銅膜１１０７の下面および側面が導体バリア膜１１０６で覆われ、銅膜１１０７の上面が絶縁バリア膜１１０８で覆われた配線構造が形成される（図１１ｆ）。
【０００５】この導体バリア膜１１０６には、銅の拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁物および銅配線部との密着性、プロセス上の熱的安定性などの理由から、高融点であるチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物、またはそれらにシリコンなどを添加した３元系もしくは４元系の窒化物、もしくはそれらを積層したものが用いられる。一方、上面の絶縁バリア膜１１０８には、導体バリア膜１１０６と同様に銅の拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁物および銅配線部との密着性、プロセス上の熱的安定性などの理由から、シリコンの窒化物（ＳｉＮ）もしくは炭化物（ＳｉＣ）などが用いられる。
【０００６】［従来例２］図１２は、現在、一般的に用いられるデュアルダマシン構造の配線の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板上に作製した銅配線１２１０上に窒化シリコン膜１２０１、第一の酸化シリコン膜１２０２、ＳｉＯＮ膜１２０３、第二の酸化シリコン膜１２０４を順次形成し（図１２ａ）、その上にビアレジストパターン１２０５を形成する（図１２ｂ）。そしてビアレジストパターン１２０５をマスクに異方性エッチングによって第一の酸化シリコン膜１２０２、ＳｉＯＮ膜１２０３、第二の酸化シリコン膜１２０４の順にエッチングした後、レジストパタン１２０５を除去してビアホール１２１２を形成する（図１２ｄ）。次に、ビアホール上に配線溝レジストパターン１２０６を形成し（図１２ｅ）、トレンチパターン１２０６をマスクに異方性エッチングを行って配線溝１２１３となる酸化シリコン膜１２０４の一部を除去する。そしてレジストパターン１２０６を除去後、ビアホール１２１２の底になっている窒化シリコン膜１２０１をエッチングによって除去し、底が銅配線１２１０となったビアホールおよび配線溝が形成される（図１２ｆ）。
【０００７】次に、エッチングによって形成した表面に導体からなる導体バリア膜１２０７を形成し（図１２ｇ）その後、銅膜２０８を形成する（図１２ｆ）。ＣＭＰによって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅１２０８を除去し（図１２ｇ）、同様に余剰な導体バリア膜１２０７を除去する。その後、絶縁バリア膜１２０９を形成することで、銅膜１２０８の下面および側面が導体バリア膜１２０７で覆われ、銅膜１２０８の上面が層間絶縁膜であるバリア層で覆われた銅配線１２１１が形成される（図１２ｈ）。
【０００８】［従来例３］図１３は、特開２０００−１３８２１９号公報などにより提案されている、銅配線を有し、感光性材料を層間絶縁膜に用いたダマシン法の配線構造の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板１３０１上に酸化シリコン膜１３０２を形成し（図１３ａ）、続いて感光性材料を塗布し、これをベークすることで感光性層間絶縁膜層１３０３を形成する（図１３ｂ）。この感光性層間絶縁膜層１３０３としては、ポリイミド、ポリアミド酸、ベンゾシクロブテン、ポリオキシベンゾール（ＰＢＯ；例えば、住友ベークライト株式会社製ＣＲＣ８３００）などを含むベース材料にポジ型感光材を添加した材料である。
【０００９】次に、図１３ｃに示すように、所望の配線溝を形成するため、感光性層間絶縁膜層１３０３に紫外線を露光し、潜像を形成する。このとき用いるフォトマスクは、合成石英などから構成された透明基板上にクロムなどの金属膜からなる遮光膜が所定のところに形成されたものでる。この方法では、ポジ型の感光性樹脂を用いているため、フォトマスクパターンは透過部で構成される。次に、現像を行うことで感光性層間絶縁膜層に配線溝を形成する（図１３ｄ）。現像にはアルカリ水溶液の現像液を用いる。次に配線溝が形成された層間絶縁膜を硬化するため、窒素雰囲気下で１５０℃で３０分加熱した後、３１０℃〜３２０℃の温度で３０分間加熱する。その後、図１３ｅに示すように硬化処理されて感光性が消失した層間絶縁膜１３０４に、導体からなる導体バリア膜１３０５を形成後、銅膜１３０６を形成する（図１３ｆ）。次いで、ＣＭＰによって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜１３０６を除去し、同時に余剰な層間絶縁膜１３０４とバリア膜１３０５とを除去し、平面にする。（図１３ｇ）。
【００１０】上記のように層間絶縁膜に感光性材料が用いられる他の従来技術としては、例えば、特開２０００−１８１０６９号公報に記載された、感光性ポリシラザン組成物をポジ型レジストとして用い、これを感光して層間絶縁膜に用いる例が挙げられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来の方法では、次に示すような問題点があった。従来例１では、銅の拡散を防止するバリア膜を形成する工程が増え、工程数が多くなり、結果的に製造装置も多くなりコストアップにつながっていた。また、層間絶縁膜に酸化シリコン膜を用いているが、より集積度を高めるためには、配線間をより近接にしなければならず、そのためにはより誘電率の低い層間絶縁膜を用いなければならない。また、従来例２では、層間絶縁膜にダマシン配線を形成する際には、層間絶縁膜中に配線を形成するための配線溝やビアホールを、レジストを用いたフォトリソグラフィとエッチングを用いた加工技術を用いて形成する。しかしながら、層間絶縁膜のエッチングとアッシングには加工上の課題が多く、微細な配線パターンを形成するには工程数が多くなり、加えて製造装置も多くなりコストアップにつながっていた。
【００１２】従来例３、特に特開２０００−１３８２１９号公報などに記載された配線構造の製造方法は、従来例１および２と異なり、有機感光材料を層間絶縁膜として用いることで、エッチング工程およびアッシング工程が不要である。しかしながら、有機感光性材料は第一に耐熱性が低いため、実用的な多層配線、特に配線材をＣｕとした場合における層間絶縁膜への適用は不可能である。第二にこれらの公報に開示された方法では、Ｃｕのバリア膜（バリアメタルおよびバリア絶縁膜）と感光性材料との組み合わせを想定していないため、微細な配線において、配線間でのＣｕの拡散が祖生じ、配線の信頼性が低下する。第三にＣｕおよび前述のバリア膜を含めた構造を得る場合には、実用的な多層配線のプロセス（条件や手法）としては不十分であった。
【００１３】また、特開２０００−１８１０６９号公報記載の感光性ポリシラザン組成物は、リソグラフィ時における、微細な配線溝パターンの形成、露光条件の大気安定性、焼成後の耐熱性が不十分であり、スループットが低く、実用的な多層配線に適用することができなかった。この感光性ポリシラザン組成物は、光の照射によってポリシラザンのＳｉ−Ｎ結合が開裂し、雰囲気中の水分が反応してシラノール（Ｓｉ−ＯＨ結合）を形成し、このシラノールが現像液に溶解することでパターンを形成することを特徴としている。具体的な課題としては、第一に、露光部において選択的にシラノール化反応を進めることが望ましいが、浸水処理では効果的に溶性を促進することができず、微細で良好なパターンを得ることが困難であり、そのための手法及び条件を見出すのは容易ではなかった。第二には加湿加熱処理時に露光部のシラノール化反応が進むことが望ましいが、未露光部が待機時間中に雰囲気中の水分によってシラノール化してしまうことで、所望の微細な寸法のパターニングが不可能であった。第三には未露光部について加熱を行うだけでは膜中に未反応のＳｉ−Ｎ結合が残存し、膜質の悪化、詳しくは誘電率の上昇と耐熱性の低下を招いていた。第４にＣｕおよび前述のバリア膜を含めた構造を得る場合には、実用的な多層配線のプロセス（特に処理手法や条件）としては不十分であった。例えば高い配線信頼性を有した下層ビアとの接続手法や、ミスアライメントが生じた場合の再生手法などである。
【００１４】そこで、本発明は、かかる課題を解決するため、銅を配線材として用いても、微細な配線構造の形成が可能で、工程数が少なく、低コスト化が可能な配線構造およびその製造方法を提供することを目的とする。また、配線間での銅の拡散が生じない配線構造およびその製造方法を提供することを目的とする。また、露光条件の大気安定性の高い配線構造の製造方法を提供することを目的とする。また、微細な配線構造を形成可能な現像処理条件およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の配線構造は、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間にはバリア絶縁膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むものである。前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることが好ましい。前記バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことが好ましい。
【００１６】また、本発明の配線構造の製造方法は、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程と、を有する方法である。絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜を形成する工程と絶縁膜を露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することが好ましい。
【００１７】絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を所定の湿度及び温度で、加湿と加熱同時処理する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜を紫外線照射を行う工程と、これに引き続き、所定の湿度及び温度で加湿と加熱同時に行う工程と、更に加熱を行う工程とを有することが好ましい。前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することが好ましい。配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することが好ましい。前記ビアホールと、ビアホールの上とビアホールが形成された絶縁膜との上に感光性を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することが好ましい。
【００１８】前記ビアホールは、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることが好ましい。配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成した平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを生じた際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の配線構造の例として、半導体装置の一例を図１に示す。この配線構造は、第一の層間絶縁膜となるシリコン酸化膜１０１と、配線材からなるＷプラグ１０２と、配線間を分離する絶縁膜１０３と、絶縁性バリアとなるバリア絶縁膜１０４と、Ｔａ／ＴａＮからなり銅の拡散を防ぐ導電性バリア膜１０５と、配線となる銅膜１０６とから概略構成されている。
【００２０】層間絶縁膜１０３は少なくとも一層は対電子線感光性を有する材料から形成されている。この対電子線感光性を有する材料は、ポリシラザンを主成分として含む組成物である。このポリシラザン組成物は、ポリメチルシラザンまたはフェニルシラザンと光酸発生材とを含むものであり、特開２０００−１８１０６９号公報に記載されているものも使用できる。本発明で用いるポリシラザンは、ポリシラザン単独、およびポリシラザンと他のポリマーの共重合体やポリシラザンと他の化合物の混合物でも利用できる。用いるポリシラザンの一般式は下記化学式にて示される。
【００２１】
【化１】
【００２２】（上記化学式中でＲ1、Ｒ2、Ｒ3 はそれぞれ単独に水素原子、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、これらの基以外でケイ素又は水素に直結する部分が炭素である基、アルキルシリル基、アルキルアミノ基を表す。）
【００２３】バリア絶縁膜１０４は、絶縁性を有するものが選ばれるが、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの混合物（ＳｉＣＮ）を含むものが好ましい。
【００２４】このような配線構造にあっては、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜１０３が多層形成され、絶縁膜１０３に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜１０３の層間にはバリア絶縁膜１０４を有し、前記金属配線剤は銅を含むものため、微細な配線パターンを形成でき、また、エッチングや（エッチング後の）アッシング工程を省略できる。また、層間絶縁膜１０３の層間に有するバリア絶縁膜１０４により、銅の拡散を抑制できる。また、配線が銅であるため配線抵抗が小さい。また、前記層間絶縁膜１０３がポリシラザン組成物を主成分として含むので、層間絶縁膜１０３の誘電率が低い。
【００２５】次に、本発明の配線構造の製造方法の実施の形態について図２〜１０を参照して詳細に説明する。
［第一実施形態］本発明の配線構造の製造方法の第一実施形態は、配線部上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形成する、いわゆるシングルダマシン（ＳｉｎｇｌｅＤａｍａｓｃｅｎｅ）と呼ばれる手法の場合についての実施の形態である。以下、その実施形態について図２を参照して詳細に説明する。半導体素子が形成された基板上２０１に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化物を含む第一層間絶縁膜２０２を形成する。この第一層間絶縁膜２０２にＷプラグ２０３を形成し（図２ａ）、これらの上に、スピンコーティング法により配線層間膜となる第二層間絶縁膜２０４を、回転数と溶液の粘度を調節して塗布膜厚を制御しながら形成する（図２ｂ）。第二層間絶縁膜２０４は対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の材料を含むものである。このような材料の例として、クラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物が挙げられる。
【００２６】第二層間絶縁膜２０４を塗布後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート／プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥ）を用いてエッジ・バックリンスを行う。続いて、溶媒を蒸発させるため、４０℃〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。この条件より高温では感光性が消失し、低温では下地との密着性が不十分となる場合がある。次に、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜２０５をコーティングする（図２ｃ）。保護膜２０５を使用しない場合には、大気放置時間が長いと、パターン形成が不可能な場合がある。なお、保護膜２０５は、現像と同時あるいは前後に除去することが必要である。
【００２７】次に、電子線リソグラフィーによるパターニングを行い（図２ｄ）、その後、所望の現像特性を得るために加湿と加熱同時処理を行う。この時の条件は、膜厚や溶剤、露光量などにもよるが、湿度が２５〜１００％、かつ温度が室温〜８０℃であることが好ましく、特に４５〜９５％、かつ３０〜８０℃であることが好ましい。加湿と加熱とを同時に行わないと、微細な配線、特に０．６μｍピッチ以下の微細配線パターンにおいて膜剥がれが生じる場合がある。次に、露光部を、アルカリ水溶性の現像液であるテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を現像液として用い、図２ｅに示すように第二層間絶縁膜２０４に配線溝を形成する。次に、ウェハの全面に紫外線照射を４分程度行い、感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃であることが好ましい。この加湿加熱同時処理によって、未露光部におけるＳｉ−Ｎ結合を消失させることが可能となり、層間絶縁膜の耐熱性を高く、かつ比誘電率を低くすることができる。
【００２８】これを図８および図９により説明する。図８は、最終的に得られた膜に温度を加えたときの、脱離ガススペクトルを示す。湿度８０％／温度５０℃および湿度６０％／温度７０℃で加湿加熱処理を行った場合にはガス量が少ないのに対し、湿度６０％／温度９０℃で加湿加熱処理を行った場合には、ガス量が非常に多い。図９は比誘電率と４００℃までの総脱ガス量（温度５０℃／湿度８０％を１とした相対量）とをプロットしたグラフである。このように、脱ガス量が多いと、比誘電率は高くなる。硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱する。好ましくは、後に行う銅アニール処理と同一条件である４００℃、３０分加熱する。この時、ウェハ全面への紫外線照射を行わないと、加熱処理後に得られる膜の耐熱性が劣化する場合がある。このことを図１０の脱離ガススペクトルを用いて説明する。紫外線照射処理を行った場合には、脱離ガスが発生しないが、紫外線照射処理を行わない場合には３００℃付近で多量の脱離ガスが発生する。従って、膜の耐熱性を向上させるためには紫外線照射処理が非常に有効であることがわかる。これら一連の手法によって、４５０℃以上の耐熱性を有する低誘電率層間絶縁膜を得ることができる。また、下地のＷプラグ２０３と作製した溝パターンにミスアライメントが生じた場合には、シラノール化反応とその溶解特性を利用し、パターンの再生を行うことが可能である。ウェハの全面に紫外線照射を１分〜４分程度行った後、アルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させて、ミスアライメントパターンを除去することにより、再び対電子線感光性を有する層間絶縁膜２０４を形成することが可能である。
【００２９】次に、この全表面に、図２ｆに示すように導電性バリア膜２０６を成膜した後、スパッタ法により銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜２０７を形成する。この時、導電性バリア膜２０６は銅の拡散を阻止できる、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物もしくはそれらをを含有したものが良く、好ましくはタンタル／窒化タンタルを含有したものが良い。この導電性バリア膜１０６の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。また、銅シード膜の厚さは５０〜２００ｎｍであることが好ましい。その後、２００℃〜４００℃の温度範囲で、１０〜３０分の銅膜の結晶化アニールを行う。特に４００℃、３０分程度の加熱が最適であるが、これは銅の結晶性が促進されるためである。ここで、ＮＨ3などの窒素を含むガス中でプラズマ照射することで、溝側壁部を窒化し、Ｃｕの拡散耐性を向上させることも可能である。
【００３０】続いて、図２ｇに示すようにＣＭＰ法によって、配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜２０７と第二層間絶縁膜２０４と導電性バリア膜２０６とを除去して、銅配線２０８を形成する。次に、図２ｈに示すように、ＣＭＰ法によって形成された平面の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）およびそれらの混合物（ＳｉＣＮ）などからなる絶縁性バリア膜２０９を形成する。この時、絶縁性バリア膜２０９の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましく、特に好ましくは１０ｎｍ程度が良い。薄すぎると銅の拡散バリア性が不十分となり、厚すぎると配線間容量が増大したり、ビアホール開口時におけるエッチングに負荷がかかる場合がある。また、これら絶縁性のバリア膜の成膜直前にＮＨ3やＨｅなどを含むガス中のプラズマ照射によってＣｕおよび絶縁膜の表面処理を行うことで、配線の信頼性を向上させることも可能である。一方、絶縁性のバリア膜を用いない場合には、Ｃｕ上に選択的に高融点の金属、たとえばＣｕ合金（シリコン、タンタル、タングステン、などとの合金）やそれらの化合物などを成長させ、Ｃｕの拡散を防ぐことが必要である。
【００３１】［第二実施形態］本発明の配線構造の製造方法の第二の実施形態は、上層の配線層および下層と接続するビアホール層を形成した後両者に配線材を埋め込んで研磨を行う、いわゆるデュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法の実施の形態であり、ポリシラザン組成物を層間絶縁膜として用いる第一実施形態と同様の手法をデュアルダマシンに適用したものである。以下、その実施形態について図３を参照して詳細に説明する。ポリシラザンの加熱条件や加湿条件、その目的および効果は、基本的には第一実施形態に示すものと同一である。図３ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板３０１の上に第一層間絶縁膜３０２とＷプラグ３０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜３０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材３０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮからなるバリア絶縁膜膜３０６が形成されている。
【００３２】なお、図３ａの下層配線構造においては、上記の材料に限定されるものではなく、層間絶縁膜３０２および３０４はＳｉＯ2 、ハイドロゲンシルセキオサン（ＨＳＱ）、メチルシルセキオサン（ＭＳＱ）および芳香族を含む有機ポリマー、例えばジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などでもよい。また、配線材３０５は銀、アルミニウム、ニッケル、コバルト、タングステン、シリコン、チタン、タンタルおよびそれらの化合物などでもよい。
【００３３】図３ａに示した下層配線構造の上に、図３ｂに示すように、第三層間絶縁膜３０７を形成する。この第三層間絶縁膜３０７は、対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の、例えばクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザンを含むものが用いられる。この時、第三層間絶縁膜３０７は、回転する基板に溶液を塗布するスピンコーティング法などにより形成される。塗布後、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥなどを用いて行う。続いて、溶媒を蒸発させるため、４０〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。次に、図３ｃに示すように、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜３０８をコーティングする。この保護膜３０８は、現像と同時、あるいは前後に除去することが必要である。
【００３４】次に、図３ｄに示すように電子線リソグラフィによるパターニングを行い、その後、所望の現像特性を得るために加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度は２５％以上、かつ温度は室温〜８０℃であることが好ましい。特に４５〜９５％、かつ３０〜８０℃であることが好ましい。この条件では０．２μｍピッチ以下の微細配線パターンの剥がれは観察されない。また、形状も良好である。次に露光部を現像し、図３ｅに示すように感光性層間絶縁膜にビアパターン３０９を形成する。この時現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いる。次に、ウェハの全面に紫外線照射を１分〜５分程度行い、感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃の範囲であることが好ましい。その後、硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱して、第三層間絶縁膜３１０を形成する。
【００３５】なお、配線材３０５と作製したビアホール３０９にミスアライメントが生じた場合には、ウェハの全面に紫外線照射を１分〜４分程度行い、加湿加熱同時処理を行った後、現像に用いたものと同一のアルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させて、ミスアライメントパターンを除去することにより、再び対電子線感光性を有する層間絶縁膜３０７を形成することが可能である。
【００３６】次に、図３ｆに示すように、この感光性が消失して形成されたビアパターン３０９およびその上に、スピンコーティング法などによって感光性を有する第四層間絶縁膜３１１を形成し、その後、エッジ・バックリンスを行う。次に、前述の温度範囲にて加熱処理を行い、電子線リソグラフィーによる配線溝パターニングを行う。この時、ビアパターン３０９はすでに感光特性を消失しているため、露光処理による影響は全く受けない。その後、ビアホールパターンと同様にウェハの全面に紫外線処理を１〜５分程度行い、引き続いて、加湿加熱処理を行う。この時の条件は湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃の範囲であることが好ましい。続いて、硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱する。次に、露光部を現像し、図３ｇに示すように第三層間絶縁膜上に配線溝パターン形成する。この時現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いるが、ビアパターン３０９が形成されている第三層間絶縁膜３１０はすでに硬化処理を行っているため、現像処理による影響は全く受けない。次に、図３ｈに示すように、反応性イオンエッチング法、あるいはスパッタリング法などにより、ビアホール底面になっているバリア膜３０６を除去する。この時のエッチングガスは第四層間絶縁膜３１１に対して選択比の高い条件が望ましく、例えばＣＨＦ3／Ａｒ系ガスやＣＦ4／Ａｒ系ガスが挙げられる。
【００３７】次に、エッチングにより形成された表面に、図３ｉに示すように導電性バリア膜３１２を形成する。その後、スパッタ法による銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜３１３を形成する。この時、導電性バリア膜３１２は銅の拡散を阻止できる材料、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物若しくはそれらを含有したものが好ましい。また導電性バリア膜３１２の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。続いて、図３ｊに示すようにＣＭＰ法によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜３１３と第四層間絶縁膜３１０と導電性バリア膜３１２とを除去して、銅配線を形成する。そして、図３ｋに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上にＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮなどからなる絶縁性バリア膜３１４を形成する。この絶縁性バリア膜３１４の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００３８】［第三実施形態］第三実施形態は、感光性層間絶縁膜に、従来のフォトレジスト工程とエッチング工程とを組み合わせた配線構造の製造方法である。以下、その実施形態について図４を参照して詳細に説明する。ポリシラザンの加熱条件や加湿条件、その目的および効果は、基本的には第一実施形態および第二実施形態に示すものと同一である。図４ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板４０１の上に第一層間絶縁膜４０２とＷプラグ４０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜４０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材４０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮからなるバリア膜４０６が形成されている。なお、図４ａの下層配線構造においては、上記の材料に限定されるものではなく、層間絶縁膜４０２および４０４はＳｉＯ2 、ＨＳＱ、ＭＳＱおよび芳香族を含む有機ポリマーなどでもよい。また、配線材４０５は銀、アルミニウム、ニッケル、コバルト、タングステン、シリコン、チタン、タンタルおよびそれらの化合物などでもよい。また、バリア膜４０６はＳｉＣ，ＳｉＮなどでもよい。
【００３９】次に、図４ａの下層配線構造の上に、図４ｂに示すように、第三層間絶縁膜４０７を形成する。この第三層間絶縁膜４０７は対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の、例えばクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザンを含むものである。この時、第三層間絶縁膜４０７は、回転する基板に溶液を塗布するスピンコーティング法などにより形成する。塗布後、エッジ・バックリンスを、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥなどを用いて行う。次に、溶媒を蒸発させるため、４０℃〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。この時、高温の処理では感光性が消失し、逆に低温の処理では下地との密着性が不十分となる。次に、図４ｃに示すように、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜４０８をコーティングする。この保護膜４０８は、現像時に除去することが必要である。
【００４０】次に、図４ｄに示すように、電子線リソグラフィによるパターニングを行う。その後、所望の現像特性を得るために加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度は、２５〜１００％、かつ温度は室温〜８０℃であることが好ましい。特に８０％、４０℃の条件が好ましく、この条件では、０．２μｍピッチ以下の微細配線パターンの剥がれは観察されない。次に、露光部を現像し、図４ｅに示すように、第三層間絶縁膜４０７にビアホールパターン４０９を形成する。この時、現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いる。次に、ウェハの全面に紫外線照射を１〜５分程度行い、感光材料の感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５〜１００％、かつ温度が室温〜８０℃の範囲で行うことが好ましい。続いて、硬化処理として３００℃〜４００℃の温度で３０分加熱する。
【００４１】なお、配線材４０５と作製したビアホール４０９にミスアライメントが生じた場合には、ウェハの全面に紫外線照射を１〜４分程度行った後、加湿加熱同時処理を行い、現像に用いたものと同一のアルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させることで、容易にミスアライメントパターンを除去し、再び対電子線感光性を有する第三層間絶縁膜４０７を形成することが可能である。
【００４２】次に、第三層間絶縁膜４０７の上に、フォトレジストを塗布する。そして、配線溝パターンを露光現像し、所望の配線溝パターンを有するフォトレジストパターン４１０を形成する（図４ｆ）。次に、そのフォトレジストパターン４１０をマスクとして第三層間絶縁膜４０７とフォトレジストを同時にエッチングし、第三層間絶縁膜に溝パターンを形成する（図４ｇ）。次に、図４ｈに示すように、ビアホールの底面になっているバリア膜４０６を反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法などにより除去する。この時のエッチングガスは感光性層間絶縁膜に対して選択比の高いものが好ましい。なお、感光性を有する第三層間絶縁膜４０７をフォトレジストとして使用し、同様の手法によってエッチングを行うことも可能である。
【００４３】次に、エッチングまたはスパッタリングにより形成された表面に導電性バリア膜４１１を形成した後、スパッタリング法による銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜４１２を形成する。この時、導電性バリア膜４１１は銅の拡散を阻止できる材料、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物若しくはそれらを含有したものが好ましい。またバリア膜４１１の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。続いて、図４ｉに示すようにＣＭＰ法によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜４１２と第三層間絶縁膜４０７と導電性バリア膜４１１とを除去して、銅配線を形成する。そして、図４ｊに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上に、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮなどからなる絶縁性バリア膜４１３を形成する。この絶縁性バリア膜４１３の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００４４】第三実施形態では、第二実施形態にはなかった、フォトレジスト工程および溝エッチング工程が追加される。しかしながら、あらかじめ形成されたビアパターンに重なって配線溝パターンを形成するため、露光の際にミスアライメントが生じても、配線の信頼性を確保できる構造となる。
【００４５】なお、上記実施形態では、銅の成膜方法としてメッキ法を用いたが、これに限定するものではなく、例えばＭＯＣＶＤ法やスピンコーティング法などによる銅成膜も可能である。また、感光性層間絶縁膜を使用する範囲はＷプラグの上、銅配線の上に限定するものではなく、いわゆるコンタクトホールの層間膜として適用することも可能である。
【００４６】上述した第一〜第三実施形態の配線構造の製造方法にあっては、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に、その上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有するので、工程数を少なくすることができる。また、微細な配線パターンを形成できる。また、前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有するので、絶縁膜の下地への密着性がよくなる。また、層間絶縁膜を形成する工程と層間絶縁膜を露光する工程との間に、層間絶縁膜の上に保護膜を塗布し、層間絶縁膜を露光する工程の後に、保護膜を除去するので、リソグラフィ時の大気安定性を高くすることができる。また、層間絶縁膜を露光する工程と層間絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理するので、露光部の溶解性を高め、良好なパターンを得ることができる。また、層間絶縁膜を現像した後に、層間絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱処理を行い、加熱する工程を有しているので、層間絶縁膜の耐熱性を高め、さらに比誘電率を低くすることができる。また、配線溝を形成後に、溝底のバリア絶縁膜を選択的に除去するので、Ｃｕを配線材とした多層配線を形成することができる。
【００４７】
【実施例】［実施例１］この実施例は、下層の配線部上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形成する、いわゆるシングルダマシン（Ｓｉｎｇｌｅ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法に関する例である。以下、この実施例について図５を参照して詳細に説明する。図５ａに示すように、半導体素子が形成された基板上５０１に第一層間絶縁膜５０２を形成した。この第一層間絶縁膜にＷプラグ５０３を形成し、その後、これらの上に、スピンコーティング法により配線層間膜となる第二層間絶縁膜５０４を厚さ０．３μｍ形成した（図５ｂ）。この第二層間絶縁膜５０４は、対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下であるクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物である。その後、エッジ・バックリンスを、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行い、続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を確保するため、８０℃での加熱を１分間行なって、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜を０．１μｍコーティングした（図５ｃ）。次に、電子線を用いたパターニングを行い、その後、湿度８０％、温度４０℃での加湿加熱同時処理を１分間行った（図５ｄ）。
【００４８】次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像し、続いて、ウェハの全面に紫外線照射を４分行い、感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、硬化処理を４００℃の温度で２０分間加熱することにより行い、配線溝パターンを得た（図５ｅ）。この時、硬化処理における膜厚の減少は膜厚方向のみであり、その減少割合は１０％以下であった。次に、形成された配線溝パターン表面に、図５ｆに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導線性バリア膜５０６を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法による銅シード膜を１００ｎｍ形成した。これを電極として電解メッキ法により銅膜を５００ｎｍ形成し、計７００ｎｍの銅膜５０７を形成した。
【００４９】次に、２０分の銅膜５０７の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第二層間絶縁膜５０４と導電性バリア膜５０６とを除去して、銅配線５０８を形成した（図５ｇ）。なお、ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。この時、第二層間絶縁膜５０４とバリア膜５０６との界面および第二層間絶縁膜５０４と第一層間絶縁膜５０２との界面のいずれにおいても剥がれなどは起こらなかった。次に、図５ｈに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上にＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜５０９を２５ｎｍ形成した。
【００５０】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、層間絶縁膜の誘電率が下がり、配線間容量もシリコン酸化膜を層間絶縁膜とした場合と比較して約３０％低減した。
【００５１】［実施例２］この実施例は、上層の配線層および下層と接続するビアホール層を形成した後両者に配線材を埋め込んで研磨を行う、デュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法に関する例である。以下、その実施例について図６を参照して詳細に説明する。図６ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板６０１の上に第一層間絶縁膜６０２とＷプラグ６０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜６０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材６０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮ膜６０６が厚さ２５ｎｍ形成されている。
【００５２】次に、図６ｂに示すように、対電子線感光性を有しかつ比誘電率が２．７のクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物からなる第三層間絶縁膜６０７をスピンコーティング法により０．７μｍ形成した。その後、エッジ・バックリンスをＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行った。続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を有するために、４０℃での加熱を１分間行い、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に第三層間絶縁膜６０７の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜６０８を０．１μｍコーティングした（図６ｃ）。
【００５３】次に、電子線を用いたビアパターニングを行い、その後、湿度８０％、温度４０℃での加湿加熱同時処理を３分間行った（図６ｄ）。次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像した後、ウェハの全面に紫外線照射を４分間行い、感光材料の感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、続いて４００℃の温度で３０分加熱して硬化処理を行った（図６ｅ）。次に、ビアパターン６０９内およびビアパターン６０９が形成された第三層間絶縁膜６０７の上に、スピンコーティング法によって再び感光性ポリシラザン組成物を塗布し、塗布後にエッジ・バックリンスを行い、ポリシラザン膜６１０を形成した（図６ｆ）。
【００５４】次に、前述の温度範囲で加熱処理を行い、電子線リソグラフィーによる配線溝パターニングを行った。この時、第三層間絶縁膜６０７はすでに感光特性を消失しているため、露光処理による影響は全く受けなかった。その後、ビアホールパターンと同様にして加湿加熱処理を湿度８０％、温度６０℃の条件で行い、続いて硬化処理として３００〜４００℃で３０分加熱した。これにより、ポリシラザンは硬化し、第四層間絶縁膜となった。次に、露光部を現像し、図６ｇに示すように第二層間絶縁膜および配線材上に配線溝およびビアホールを形成した。現像液にはアルカリ水溶性の現像液ＴＭＡＨを用いたが、ビアパターン６０９は硬化処理を行っているため、現像処理による影響は全くなかった。
【００５５】次に、ＣＨＦ3 ／Ａｒ系のガスを用いて反応性イオンエッチング法により、ビアホール底面になっていたＳｉＣＮ膜６０６を除去した（図６ｈ）。次に、図６ｉに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導電性バリア膜６１２を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法により銅シード膜を１００ｎｍ形成し、これを電極として電解メッキ法により銅を堆積して銅膜６１３を７００ｎｍ形成した。その後、４００℃、２０分間、銅膜６１３の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第四層間絶縁膜６１１の一部と導電性バリア膜６１２の一部とを除去した（図６ｊ）。ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。ＣＭＰの際、第四層間絶縁膜６１１と導電性バリア膜６１２との界面、および第一層間絶縁膜６０２と第二層間絶縁膜６０４との界面のいずれにおいても剥がれ等は起きなかった。次に、図６ｋに示すように、ＣＭＰによって形成された平面の上に、ＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜６１４を２５ｎｍ形成した。
【００５６】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、配線材の埋め込みについてビア部と配線部を同時に行ったため、工程数を減少させることができた。
【００５７】［実施例３］この実施例ではビアホール部と上層配線部の感光性層間絶縁膜を堆積し、電子線リソグラフィーによってビアパターンを形成した後、フォトレジストとエッチングを用いて配線溝パターンを形成する例である。以下、その実施例について図７を参照して詳細に説明する。図７ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板７０１の上に第一層間絶縁膜７０２とＷプラグ７０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜７０４と、銅およびＴａ／ＴａＮが積層した導電性バリア膜からなる配線材７０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮ膜７０６が厚さ２５ｎｍ形成されている。
【００５８】図７ｂに示すように、対電子線感光性を有しかつ比誘電率が２．７のクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物をスピンコーティング法により１．０μｍ塗布し、第三層間絶縁膜７０７を形成した。塗布後、エッジ・バックリンスをＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行った。続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を持たせるために、４０℃での加熱を１分間行い、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に第三層間絶縁膜７０７の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜７０８を０．１μｍコーティングした（図７ｃ）。次に、電子線を用いたビアパターニングを行った後、湿度８０％、温度６０℃での加湿加熱同時処理を３分間行った（図７ｄ）。
【００５９】次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像し、次にウェハの全面に紫外線照射を４分間行い、感光材料の感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、硬化処理を４００℃の温度で３０分加熱することにより行い、第三層間絶縁膜７１１を硬化させた（図７ｅ）。次に、形成されたビアパターン７０９上に、フォトレジストを塗布し、配線溝パターンを露光現像し、所望の配線溝パターンを有するフォトレジストパターン７１０を形成した。次に、そのフォトレジストパターン７１０をマスクとして、第三層間絶縁膜７１１を同時にエッチングして、第三層間絶縁膜７１１に溝パターンを形成した。
【００６０】次に、ＣＨＦ3 ／Ａｒ系のガスを用いて反応性イオンエッチング法により、ビア底のＳｉＣＮ膜７０６を除去した（図７ｇ）。次に、図７ｈに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導電性バリア膜７１２を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法により銅シード膜を１００ｎｍ形成し、これを電極として電解メッキ法により銅を堆積して銅膜７１３を７００ｎｍ形成した。その後、４００℃、２０分間、銅膜７１３の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第三層間絶縁膜７１１の一部と導電性バリア膜７１２の一部とを除去した（図７ｉ）。ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。ＣＭＰの際、第三層間絶縁膜７１１とバリア膜７１２との界面、および第一層間絶縁膜７０２と第二層間絶縁膜７０４との界面のいずれにおいても剥がれ等は起きなかった。次に、図７ｊに示すように、ＣＭＰによって形成された平面の上に、ＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜７１４を２５ｎｍ形成した。
【００６１】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、ビアとその上層の配線溝間にミスアライメントが生じた場合にも、良好な配線信頼性を維持した。実施例３では、実施例２にはなかったフォトレジスト工程および溝エッチング工程が追加された。しかしながら、あらかじめ形成されたビアパターンに重なって配線溝パターンを形成したため、露光の際にミスアライメントが生じても、配線の信頼性が向上する構造になった。
【００６２】
【発明の効果】本発明の配線構造は、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間にはバリア絶縁膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むものである。このため、配線抵抗、配線間容量が低く、微細な配線構造が可能で、信頼性の高いＬＳＩの製造が可能となる。前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることにより、配線構造を形成するための工程数を少なくでき、コストを低くすることができる。前記バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことにより、配線に用いた銅の拡散を防止することができる上に、熱安定性も高くすることができる。
【００６３】また、本発明の配線構造の製造方法によれば、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有する方法であるため、配線溝のドライエッチングや、アッシングを用いることなく、微細は配線構造の形成が可能となる。また、配線工程が簡略化されており、コストを低くすることができる。前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、前記絶縁膜を加熱する工程を有することにより、感光特性および密着性を高めることができる。前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することにより、露光特性を安定化させることができる。
【００６４】絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理する工程を有することにより、露光部の溶解性を高め、微細な配線パターンを所望の寸法にて得ることができる。前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱同時処理し、加熱する工程を有することにより、感光性材料の感光性を消失させ、感光性材料が用いられた絶縁膜を硬化し、耐熱性を高め、低い比誘電率を得ることができる。前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することにより、絶縁膜間の絶縁性が高くなるので、多層構造の半導体装置の信頼性を高めることができる。配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することにより、配線構造の多層化を行うことができる。前記ビアホールと、ビアホールとビアホールが形成された絶縁膜との上に、感光性を有する絶縁膜を新たに形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することにより、露光の際のミスアライメントが生じても、配線の信頼性を低下させることがない。
【００６５】前記ビアホールは、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることにより、配線構造の製造工程を少なくすることができる。配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成された平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することにより、銅の拡散のない多層配線構造を形成することができる。前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを有している際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することにより、再び絶縁膜を形成し、この絶縁膜にビアホールパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の配線構造の一例を示す断面図である。
【図２】 本発明における第一実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】 本発明における第二実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】 本発明における第三実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】 本発明における実施例１の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】 本発明における実施例２の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図７】 本発明における実施例３の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】 露光工程後に行う加湿加熱処理工程の条件を変えたときの脱離ガススペクトルを示す図である。
【図９】 ４００℃でウェハから発生した脱離ガス量と比誘電率とをプロットしたグラフである。
【図１０】 対電子線感光性を有する材料から形成された層間絶縁膜に、紫外線照射を行う前と後における脱離ガススペクトルを示す図である。
【図１１】 従来例１の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】 従来例２の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１３】 従来例３の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１０３ 層間絶縁膜
１０４ バリア絶縁膜
１０５ 導電性バリア膜
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるダマシン法を用いた配線構造とその製造方法であって、その工程数が少なく、また、配線材として銅を用いても、配線間での銅の拡散が生じない、信頼性の高いＬＳＩの配線構造とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、集積回路の配線材料にはアルミニウム（Ａｌ）もしくはＡｌ合金が用いられ、配線間および配線層間の層間絶縁膜にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）が広く用いられてきた。しかし、ＬＳＩの微細化の進行に伴い、配線における信号伝送の遅延を抑制、低減することが望まれており、配線抵抗の低減のために配線材には銅（Ｃｕ）が使用されるようになってきている。また、配線間容量の低減のために、配線間および配線層間の層間絶縁膜には誘電率の低い有機物や空孔を含んだシリコン酸化膜が使用されるようになってきている。しかし、銅は、シリコン（Ｓｉ）や、シリコン酸化膜をはじめとする層間絶縁膜中における拡散がアルミニウムよりも速い。そのため、トランジスタをはじめとするシリコンデバイス部への銅の侵入、配線間の絶縁耐圧劣化などを防いで信頼性を高めるために、銅の周囲に、銅の拡散を防止するバリア膜を形成することが必要である。
【０００３】従って、銅を用いた配線構造の製造においては、アルミニウムなどを配線材に用いたときにはなかった材料と工程が必要となる。そのため、工程の簡略化とプロセスコストダウンが必要であり、これまでにも、デュアルダマシン法の実用化や、感光性材料の提案などがされている。以下に、銅膜の下面および側面に銅の拡散防止（バリア）膜となる導体膜を形成する配線構造とその製造方法について説明する。
【０００４】［従来例１］図１１は、現在、一般的に用いられるダマシン構造の配線の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板１１０１上に酸化シリコン膜１１０２、ＳｉＯＮ膜１１０３、酸化シリコン膜１１０４を順次堆積し（図１１ａ）、その上にレジストパタン１１０５（図１１ｂ）を形成する。そしてレジストパターン１１０５をマスクに酸化シリコン膜１１０４を異方性エッチングし、レジストパターン１１０５を除去して配線溝を形成する（図１１ｃ）。次に、エッチングにより形成した表面に導体からなる導体バリア膜１１０６を形成後、銅膜１１０７を形成する（図１１ｄ）。続いて、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜１１０７を除去し、続いて同様に余剰なバリア膜１１０６を除去する（図１１ｅ）。その後、絶縁体からなる絶縁バリア膜１１０８を形成することで、銅膜１１０７の下面および側面が導体バリア膜１１０６で覆われ、銅膜１１０７の上面が絶縁バリア膜１１０８で覆われた配線構造が形成される（図１１ｆ）。
【０００５】この導体バリア膜１１０６には、銅の拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁物および銅配線部との密着性、プロセス上の熱的安定性などの理由から、高融点であるチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物、またはそれらにシリコンなどを添加した３元系もしくは４元系の窒化物、もしくはそれらを積層したものが用いられる。一方、上面の絶縁バリア膜１１０８には、導体バリア膜１１０６と同様に銅の拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁物および銅配線部との密着性、プロセス上の熱的安定性などの理由から、シリコンの窒化物（ＳｉＮ）もしくは炭化物（ＳｉＣ）などが用いられる。
【０００６】［従来例２］図１２は、現在、一般的に用いられるデュアルダマシン構造の配線の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板上に作製した銅配線１２１０上に窒化シリコン膜１２０１、第一の酸化シリコン膜１２０２、ＳｉＯＮ膜１２０３、第二の酸化シリコン膜１２０４を順次形成し（図１２ａ）、その上にビアレジストパターン１２０５を形成する（図１２ｂ）。そしてビアレジストパターン１２０５をマスクに異方性エッチングによって第一の酸化シリコン膜１２０２、ＳｉＯＮ膜１２０３、第二の酸化シリコン膜１２０４の順にエッチングした後、レジストパタン１２０５を除去してビアホール１２１２を形成する（図１２ｄ）。次に、ビアホール上に配線溝レジストパターン１２０６を形成し（図１２ｅ）、トレンチパターン１２０６をマスクに異方性エッチングを行って配線溝１２１３となる酸化シリコン膜１２０４の一部を除去する。そしてレジストパターン１２０６を除去後、ビアホール１２１２の底になっている窒化シリコン膜１２０１をエッチングによって除去し、底が銅配線１２１０となったビアホールおよび配線溝が形成される（図１２ｆ）。
【０００７】次に、エッチングによって形成した表面に導体からなる導体バリア膜１２０７を形成し（図１２ｇ）その後、銅膜２０８を形成する（図１２ｆ）。ＣＭＰによって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅１２０８を除去し（図１２ｇ）、同様に余剰な導体バリア膜１２０７を除去する。その後、絶縁バリア膜１２０９を形成することで、銅膜１２０８の下面および側面が導体バリア膜１２０７で覆われ、銅膜１２０８の上面が層間絶縁膜であるバリア層で覆われた銅配線１２１１が形成される（図１２ｈ）。
【０００８】［従来例３］図１３は、特開２０００−１３８２１９号公報などにより提案されている、銅配線を有し、感光性材料を層間絶縁膜に用いたダマシン法の配線構造の製造方法を工程順に示す図である。まず、シリコン基板１３０１上に酸化シリコン膜１３０２を形成し（図１３ａ）、続いて感光性材料を塗布し、これをベークすることで感光性層間絶縁膜層１３０３を形成する（図１３ｂ）。この感光性層間絶縁膜層１３０３としては、ポリイミド、ポリアミド酸、ベンゾシクロブテン、ポリオキシベンゾール（ＰＢＯ；例えば、住友ベークライト株式会社製ＣＲＣ８３００）などを含むベース材料にポジ型感光材を添加した材料である。
【０００９】次に、図１３ｃに示すように、所望の配線溝を形成するため、感光性層間絶縁膜層１３０３に紫外線を露光し、潜像を形成する。このとき用いるフォトマスクは、合成石英などから構成された透明基板上にクロムなどの金属膜からなる遮光膜が所定のところに形成されたものでる。この方法では、ポジ型の感光性樹脂を用いているため、フォトマスクパターンは透過部で構成される。次に、現像を行うことで感光性層間絶縁膜層に配線溝を形成する（図１３ｄ）。現像にはアルカリ水溶液の現像液を用いる。次に配線溝が形成された層間絶縁膜を硬化するため、窒素雰囲気下で１５０℃で３０分加熱した後、３１０℃〜３２０℃の温度で３０分間加熱する。その後、図１３ｅに示すように硬化処理されて感光性が消失した層間絶縁膜１３０４に、導体からなる導体バリア膜１３０５を形成後、銅膜１３０６を形成する（図１３ｆ）。次いで、ＣＭＰによって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜１３０６を除去し、同時に余剰な層間絶縁膜１３０４とバリア膜１３０５とを除去し、平面にする。（図１３ｇ）。
【００１０】上記のように層間絶縁膜に感光性材料が用いられる他の従来技術としては、例えば、特開２０００−１８１０６９号公報に記載された、感光性ポリシラザン組成物をポジ型レジストとして用い、これを感光して層間絶縁膜に用いる例が挙げられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来の方法では、次に示すような問題点があった。従来例１では、銅の拡散を防止するバリア膜を形成する工程が増え、工程数が多くなり、結果的に製造装置も多くなりコストアップにつながっていた。また、層間絶縁膜に酸化シリコン膜を用いているが、より集積度を高めるためには、配線間をより近接にしなければならず、そのためにはより誘電率の低い層間絶縁膜を用いなければならない。また、従来例２では、層間絶縁膜にダマシン配線を形成する際には、層間絶縁膜中に配線を形成するための配線溝やビアホールを、レジストを用いたフォトリソグラフィとエッチングを用いた加工技術を用いて形成する。しかしながら、層間絶縁膜のエッチングとアッシングには加工上の課題が多く、微細な配線パターンを形成するには工程数が多くなり、加えて製造装置も多くなりコストアップにつながっていた。
【００１２】従来例３、特に特開２０００−１３８２１９号公報などに記載された配線構造の製造方法は、従来例１および２と異なり、有機感光材料を層間絶縁膜として用いることで、エッチング工程およびアッシング工程が不要である。しかしながら、有機感光性材料は第一に耐熱性が低いため、実用的な多層配線、特に配線材をＣｕとした場合における層間絶縁膜への適用は不可能である。第二にこれらの公報に開示された方法では、Ｃｕのバリア膜（バリアメタルおよびバリア絶縁膜）と感光性材料との組み合わせを想定していないため、微細な配線において、配線間でのＣｕの拡散が祖生じ、配線の信頼性が低下する。第三にＣｕおよび前述のバリア膜を含めた構造を得る場合には、実用的な多層配線のプロセス（条件や手法）としては不十分であった。
【００１３】また、特開２０００−１８１０６９号公報記載の感光性ポリシラザン組成物は、リソグラフィ時における、微細な配線溝パターンの形成、露光条件の大気安定性、焼成後の耐熱性が不十分であり、スループットが低く、実用的な多層配線に適用することができなかった。この感光性ポリシラザン組成物は、光の照射によってポリシラザンのＳｉ−Ｎ結合が開裂し、雰囲気中の水分が反応してシラノール（Ｓｉ−ＯＨ結合）を形成し、このシラノールが現像液に溶解することでパターンを形成することを特徴としている。具体的な課題としては、第一に、露光部において選択的にシラノール化反応を進めることが望ましいが、浸水処理では効果的に溶性を促進することができず、微細で良好なパターンを得ることが困難であり、そのための手法及び条件を見出すのは容易ではなかった。第二には加湿加熱処理時に露光部のシラノール化反応が進むことが望ましいが、未露光部が待機時間中に雰囲気中の水分によってシラノール化してしまうことで、所望の微細な寸法のパターニングが不可能であった。第三には未露光部について加熱を行うだけでは膜中に未反応のＳｉ−Ｎ結合が残存し、膜質の悪化、詳しくは誘電率の上昇と耐熱性の低下を招いていた。第４にＣｕおよび前述のバリア膜を含めた構造を得る場合には、実用的な多層配線のプロセス（特に処理手法や条件）としては不十分であった。例えば高い配線信頼性を有した下層ビアとの接続手法や、ミスアライメントが生じた場合の再生手法などである。
【００１４】そこで、本発明は、かかる課題を解決するため、銅を配線材として用いても、微細な配線構造の形成が可能で、工程数が少なく、低コスト化が可能な配線構造およびその製造方法を提供することを目的とする。また、配線間での銅の拡散が生じない配線構造およびその製造方法を提供することを目的とする。また、露光条件の大気安定性の高い配線構造の製造方法を提供することを目的とする。また、微細な配線構造を形成可能な現像処理条件およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の配線構造は、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間にはバリア絶縁膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むものである。前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることが好ましい。前記バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことが好ましい。
【００１６】また、本発明の配線構造の製造方法は、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程と、を有する方法である。絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜を形成する工程と絶縁膜を露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することが好ましい。
【００１７】絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を所定の湿度及び温度で、加湿と加熱同時処理する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜を紫外線照射を行う工程と、これに引き続き、所定の湿度及び温度で加湿と加熱同時に行う工程と、更に加熱を行う工程とを有することが好ましい。前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することが好ましい。配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することが好ましい。前記ビアホールと、ビアホールの上とビアホールが形成された絶縁膜との上に感光性を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することが好ましい。
【００１８】前記ビアホールは、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることが好ましい。配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成した平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することが好ましい。前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを生じた際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の配線構造の例として、半導体装置の一例を図１に示す。この配線構造は、第一の層間絶縁膜となるシリコン酸化膜１０１と、配線材からなるＷプラグ１０２と、配線間を分離する絶縁膜１０３と、絶縁性バリアとなるバリア絶縁膜１０４と、Ｔａ／ＴａＮからなり銅の拡散を防ぐ導電性バリア膜１０５と、配線となる銅膜１０６とから概略構成されている。
【００２０】層間絶縁膜１０３は少なくとも一層は対電子線感光性を有する材料から形成されている。この対電子線感光性を有する材料は、ポリシラザンを主成分として含む組成物である。このポリシラザン組成物は、ポリメチルシラザンまたはフェニルシラザンと光酸発生材とを含むものであり、特開２０００−１８１０６９号公報に記載されているものも使用できる。本発明で用いるポリシラザンは、ポリシラザン単独、およびポリシラザンと他のポリマーの共重合体やポリシラザンと他の化合物の混合物でも利用できる。用いるポリシラザンの一般式は下記化学式にて示される。
【００２１】
【化１】
【００２２】（上記化学式中でＲ1、Ｒ2、Ｒ3 はそれぞれ単独に水素原子、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、これらの基以外でケイ素又は水素に直結する部分が炭素である基、アルキルシリル基、アルキルアミノ基を表す。）
【００２３】バリア絶縁膜１０４は、絶縁性を有するものが選ばれるが、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの混合物（ＳｉＣＮ）を含むものが好ましい。
【００２４】このような配線構造にあっては、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜１０３が多層形成され、絶縁膜１０３に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜１０３の層間にはバリア絶縁膜１０４を有し、前記金属配線剤は銅を含むものため、微細な配線パターンを形成でき、また、エッチングや（エッチング後の）アッシング工程を省略できる。また、層間絶縁膜１０３の層間に有するバリア絶縁膜１０４により、銅の拡散を抑制できる。また、配線が銅であるため配線抵抗が小さい。また、前記層間絶縁膜１０３がポリシラザン組成物を主成分として含むので、層間絶縁膜１０３の誘電率が低い。
【００２５】次に、本発明の配線構造の製造方法の実施の形態について図２〜１０を参照して詳細に説明する。
［第一実施形態］本発明の配線構造の製造方法の第一実施形態は、配線部上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形成する、いわゆるシングルダマシン（ＳｉｎｇｌｅＤａｍａｓｃｅｎｅ）と呼ばれる手法の場合についての実施の形態である。以下、その実施形態について図２を参照して詳細に説明する。半導体素子が形成された基板上２０１に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化物を含む第一層間絶縁膜２０２を形成する。この第一層間絶縁膜２０２にＷプラグ２０３を形成し（図２ａ）、これらの上に、スピンコーティング法により配線層間膜となる第二層間絶縁膜２０４を、回転数と溶液の粘度を調節して塗布膜厚を制御しながら形成する（図２ｂ）。第二層間絶縁膜２０４は対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の材料を含むものである。このような材料の例として、クラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物が挙げられる。
【００２６】第二層間絶縁膜２０４を塗布後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート／プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥ）を用いてエッジ・バックリンスを行う。続いて、溶媒を蒸発させるため、４０℃〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。この条件より高温では感光性が消失し、低温では下地との密着性が不十分となる場合がある。次に、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜２０５をコーティングする（図２ｃ）。保護膜２０５を使用しない場合には、大気放置時間が長いと、パターン形成が不可能な場合がある。なお、保護膜２０５は、現像と同時あるいは前後に除去することが必要である。
【００２７】次に、電子線リソグラフィーによるパターニングを行い（図２ｄ）、その後、所望の現像特性を得るために加湿と加熱同時処理を行う。この時の条件は、膜厚や溶剤、露光量などにもよるが、湿度が２５〜１００％、かつ温度が室温〜８０℃であることが好ましく、特に４５〜９５％、かつ３０〜８０℃であることが好ましい。加湿と加熱とを同時に行わないと、微細な配線、特に０．６μｍピッチ以下の微細配線パターンにおいて膜剥がれが生じる場合がある。次に、露光部を、アルカリ水溶性の現像液であるテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を現像液として用い、図２ｅに示すように第二層間絶縁膜２０４に配線溝を形成する。次に、ウェハの全面に紫外線照射を４分程度行い、感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃であることが好ましい。この加湿加熱同時処理によって、未露光部におけるＳｉ−Ｎ結合を消失させることが可能となり、層間絶縁膜の耐熱性を高く、かつ比誘電率を低くすることができる。
【００２８】これを図８および図９により説明する。図８は、最終的に得られた膜に温度を加えたときの、脱離ガススペクトルを示す。湿度８０％／温度５０℃および湿度６０％／温度７０℃で加湿加熱処理を行った場合にはガス量が少ないのに対し、湿度６０％／温度９０℃で加湿加熱処理を行った場合には、ガス量が非常に多い。図９は比誘電率と４００℃までの総脱ガス量（温度５０℃／湿度８０％を１とした相対量）とをプロットしたグラフである。このように、脱ガス量が多いと、比誘電率は高くなる。硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱する。好ましくは、後に行う銅アニール処理と同一条件である４００℃、３０分加熱する。この時、ウェハ全面への紫外線照射を行わないと、加熱処理後に得られる膜の耐熱性が劣化する場合がある。このことを図１０の脱離ガススペクトルを用いて説明する。紫外線照射処理を行った場合には、脱離ガスが発生しないが、紫外線照射処理を行わない場合には３００℃付近で多量の脱離ガスが発生する。従って、膜の耐熱性を向上させるためには紫外線照射処理が非常に有効であることがわかる。これら一連の手法によって、４５０℃以上の耐熱性を有する低誘電率層間絶縁膜を得ることができる。また、下地のＷプラグ２０３と作製した溝パターンにミスアライメントが生じた場合には、シラノール化反応とその溶解特性を利用し、パターンの再生を行うことが可能である。ウェハの全面に紫外線照射を１分〜４分程度行った後、アルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させて、ミスアライメントパターンを除去することにより、再び対電子線感光性を有する層間絶縁膜２０４を形成することが可能である。
【００２９】次に、この全表面に、図２ｆに示すように導電性バリア膜２０６を成膜した後、スパッタ法により銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜２０７を形成する。この時、導電性バリア膜２０６は銅の拡散を阻止できる、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物もしくはそれらをを含有したものが良く、好ましくはタンタル／窒化タンタルを含有したものが良い。この導電性バリア膜１０６の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。また、銅シード膜の厚さは５０〜２００ｎｍであることが好ましい。その後、２００℃〜４００℃の温度範囲で、１０〜３０分の銅膜の結晶化アニールを行う。特に４００℃、３０分程度の加熱が最適であるが、これは銅の結晶性が促進されるためである。ここで、ＮＨ3などの窒素を含むガス中でプラズマ照射することで、溝側壁部を窒化し、Ｃｕの拡散耐性を向上させることも可能である。
【００３０】続いて、図２ｇに示すようにＣＭＰ法によって、配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜２０７と第二層間絶縁膜２０４と導電性バリア膜２０６とを除去して、銅配線２０８を形成する。次に、図２ｈに示すように、ＣＭＰ法によって形成された平面の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）およびそれらの混合物（ＳｉＣＮ）などからなる絶縁性バリア膜２０９を形成する。この時、絶縁性バリア膜２０９の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましく、特に好ましくは１０ｎｍ程度が良い。薄すぎると銅の拡散バリア性が不十分となり、厚すぎると配線間容量が増大したり、ビアホール開口時におけるエッチングに負荷がかかる場合がある。また、これら絶縁性のバリア膜の成膜直前にＮＨ3やＨｅなどを含むガス中のプラズマ照射によってＣｕおよび絶縁膜の表面処理を行うことで、配線の信頼性を向上させることも可能である。一方、絶縁性のバリア膜を用いない場合には、Ｃｕ上に選択的に高融点の金属、たとえばＣｕ合金（シリコン、タンタル、タングステン、などとの合金）やそれらの化合物などを成長させ、Ｃｕの拡散を防ぐことが必要である。
【００３１】［第二実施形態］本発明の配線構造の製造方法の第二の実施形態は、上層の配線層および下層と接続するビアホール層を形成した後両者に配線材を埋め込んで研磨を行う、いわゆるデュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法の実施の形態であり、ポリシラザン組成物を層間絶縁膜として用いる第一実施形態と同様の手法をデュアルダマシンに適用したものである。以下、その実施形態について図３を参照して詳細に説明する。ポリシラザンの加熱条件や加湿条件、その目的および効果は、基本的には第一実施形態に示すものと同一である。図３ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板３０１の上に第一層間絶縁膜３０２とＷプラグ３０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜３０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材３０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮからなるバリア絶縁膜膜３０６が形成されている。
【００３２】なお、図３ａの下層配線構造においては、上記の材料に限定されるものではなく、層間絶縁膜３０２および３０４はＳｉＯ2 、ハイドロゲンシルセキオサン（ＨＳＱ）、メチルシルセキオサン（ＭＳＱ）および芳香族を含む有機ポリマー、例えばジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などでもよい。また、配線材３０５は銀、アルミニウム、ニッケル、コバルト、タングステン、シリコン、チタン、タンタルおよびそれらの化合物などでもよい。
【００３３】図３ａに示した下層配線構造の上に、図３ｂに示すように、第三層間絶縁膜３０７を形成する。この第三層間絶縁膜３０７は、対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の、例えばクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザンを含むものが用いられる。この時、第三層間絶縁膜３０７は、回転する基板に溶液を塗布するスピンコーティング法などにより形成される。塗布後、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥなどを用いて行う。続いて、溶媒を蒸発させるため、４０〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。次に、図３ｃに示すように、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜３０８をコーティングする。この保護膜３０８は、現像と同時、あるいは前後に除去することが必要である。
【００３４】次に、図３ｄに示すように電子線リソグラフィによるパターニングを行い、その後、所望の現像特性を得るために加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度は２５％以上、かつ温度は室温〜８０℃であることが好ましい。特に４５〜９５％、かつ３０〜８０℃であることが好ましい。この条件では０．２μｍピッチ以下の微細配線パターンの剥がれは観察されない。また、形状も良好である。次に露光部を現像し、図３ｅに示すように感光性層間絶縁膜にビアパターン３０９を形成する。この時現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いる。次に、ウェハの全面に紫外線照射を１分〜５分程度行い、感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃の範囲であることが好ましい。その後、硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱して、第三層間絶縁膜３１０を形成する。
【００３５】なお、配線材３０５と作製したビアホール３０９にミスアライメントが生じた場合には、ウェハの全面に紫外線照射を１分〜４分程度行い、加湿加熱同時処理を行った後、現像に用いたものと同一のアルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させて、ミスアライメントパターンを除去することにより、再び対電子線感光性を有する層間絶縁膜３０７を形成することが可能である。
【００３６】次に、図３ｆに示すように、この感光性が消失して形成されたビアパターン３０９およびその上に、スピンコーティング法などによって感光性を有する第四層間絶縁膜３１１を形成し、その後、エッジ・バックリンスを行う。次に、前述の温度範囲にて加熱処理を行い、電子線リソグラフィーによる配線溝パターニングを行う。この時、ビアパターン３０９はすでに感光特性を消失しているため、露光処理による影響は全く受けない。その後、ビアホールパターンと同様にウェハの全面に紫外線処理を１〜５分程度行い、引き続いて、加湿加熱処理を行う。この時の条件は湿度が２５％以上、かつ温度が室温〜８０℃の範囲であることが好ましい。続いて、硬化処理として３００〜４００℃の温度で３０分加熱する。次に、露光部を現像し、図３ｇに示すように第三層間絶縁膜上に配線溝パターン形成する。この時現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いるが、ビアパターン３０９が形成されている第三層間絶縁膜３１０はすでに硬化処理を行っているため、現像処理による影響は全く受けない。次に、図３ｈに示すように、反応性イオンエッチング法、あるいはスパッタリング法などにより、ビアホール底面になっているバリア膜３０６を除去する。この時のエッチングガスは第四層間絶縁膜３１１に対して選択比の高い条件が望ましく、例えばＣＨＦ3／Ａｒ系ガスやＣＦ4／Ａｒ系ガスが挙げられる。
【００３７】次に、エッチングにより形成された表面に、図３ｉに示すように導電性バリア膜３１２を形成する。その後、スパッタ法による銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜３１３を形成する。この時、導電性バリア膜３１２は銅の拡散を阻止できる材料、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物若しくはそれらを含有したものが好ましい。また導電性バリア膜３１２の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。続いて、図３ｊに示すようにＣＭＰ法によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜３１３と第四層間絶縁膜３１０と導電性バリア膜３１２とを除去して、銅配線を形成する。そして、図３ｋに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上にＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮなどからなる絶縁性バリア膜３１４を形成する。この絶縁性バリア膜３１４の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００３８】［第三実施形態］第三実施形態は、感光性層間絶縁膜に、従来のフォトレジスト工程とエッチング工程とを組み合わせた配線構造の製造方法である。以下、その実施形態について図４を参照して詳細に説明する。ポリシラザンの加熱条件や加湿条件、その目的および効果は、基本的には第一実施形態および第二実施形態に示すものと同一である。図４ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板４０１の上に第一層間絶縁膜４０２とＷプラグ４０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜４０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材４０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮからなるバリア膜４０６が形成されている。なお、図４ａの下層配線構造においては、上記の材料に限定されるものではなく、層間絶縁膜４０２および４０４はＳｉＯ2 、ＨＳＱ、ＭＳＱおよび芳香族を含む有機ポリマーなどでもよい。また、配線材４０５は銀、アルミニウム、ニッケル、コバルト、タングステン、シリコン、チタン、タンタルおよびそれらの化合物などでもよい。また、バリア膜４０６はＳｉＣ，ＳｉＮなどでもよい。
【００３９】次に、図４ａの下層配線構造の上に、図４ｂに示すように、第三層間絶縁膜４０７を形成する。この第三層間絶縁膜４０７は対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下の、例えばクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザンを含むものである。この時、第三層間絶縁膜４０７は、回転する基板に溶液を塗布するスピンコーティング法などにより形成する。塗布後、エッジ・バックリンスを、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥなどを用いて行う。次に、溶媒を蒸発させるため、４０℃〜１５０℃の範囲で加熱処理を行う。この時、高温の処理では感光性が消失し、逆に低温の処理では下地との密着性が不十分となる。次に、図４ｃに示すように、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面に保護膜４０８をコーティングする。この保護膜４０８は、現像時に除去することが必要である。
【００４０】次に、図４ｄに示すように、電子線リソグラフィによるパターニングを行う。その後、所望の現像特性を得るために加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度は、２５〜１００％、かつ温度は室温〜８０℃であることが好ましい。特に８０％、４０℃の条件が好ましく、この条件では、０．２μｍピッチ以下の微細配線パターンの剥がれは観察されない。次に、露光部を現像し、図４ｅに示すように、第三層間絶縁膜４０７にビアホールパターン４０９を形成する。この時、現像液はアルカリ水溶性の現像液であるＴＭＡＨなどを用いる。次に、ウェハの全面に紫外線照射を１〜５分程度行い、感光材料の感光特性を消失させた後、再び加湿加熱処理を行う。この時の条件は、湿度が２５〜１００％、かつ温度が室温〜８０℃の範囲で行うことが好ましい。続いて、硬化処理として３００℃〜４００℃の温度で３０分加熱する。
【００４１】なお、配線材４０５と作製したビアホール４０９にミスアライメントが生じた場合には、ウェハの全面に紫外線照射を１〜４分程度行った後、加湿加熱同時処理を行い、現像に用いたものと同一のアルカリ水溶液、例えば、ＴＭＡＨなどに溶解させることで、容易にミスアライメントパターンを除去し、再び対電子線感光性を有する第三層間絶縁膜４０７を形成することが可能である。
【００４２】次に、第三層間絶縁膜４０７の上に、フォトレジストを塗布する。そして、配線溝パターンを露光現像し、所望の配線溝パターンを有するフォトレジストパターン４１０を形成する（図４ｆ）。次に、そのフォトレジストパターン４１０をマスクとして第三層間絶縁膜４０７とフォトレジストを同時にエッチングし、第三層間絶縁膜に溝パターンを形成する（図４ｇ）。次に、図４ｈに示すように、ビアホールの底面になっているバリア膜４０６を反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法などにより除去する。この時のエッチングガスは感光性層間絶縁膜に対して選択比の高いものが好ましい。なお、感光性を有する第三層間絶縁膜４０７をフォトレジストとして使用し、同様の手法によってエッチングを行うことも可能である。
【００４３】次に、エッチングまたはスパッタリングにより形成された表面に導電性バリア膜４１１を形成した後、スパッタリング法による銅シード膜を形成し、これを電極として電解メッキ法により銅膜４１２を形成する。この時、導電性バリア膜４１１は銅の拡散を阻止できる材料、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの金属およびその窒化物またはケイ化物若しくはそれらを含有したものが好ましい。またバリア膜４１１の成膜厚さは５〜４０ｎｍであることが好ましい。続いて、図４ｉに示すようにＣＭＰ法によって配線溝およびビアホール以外の余剰な銅膜４１２と第三層間絶縁膜４０７と導電性バリア膜４１１とを除去して、銅配線を形成する。そして、図４ｊに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上に、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮなどからなる絶縁性バリア膜４１３を形成する。この絶縁性バリア膜４１３の厚さは５〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００４４】第三実施形態では、第二実施形態にはなかった、フォトレジスト工程および溝エッチング工程が追加される。しかしながら、あらかじめ形成されたビアパターンに重なって配線溝パターンを形成するため、露光の際にミスアライメントが生じても、配線の信頼性を確保できる構造となる。
【００４５】なお、上記実施形態では、銅の成膜方法としてメッキ法を用いたが、これに限定するものではなく、例えばＭＯＣＶＤ法やスピンコーティング法などによる銅成膜も可能である。また、感光性層間絶縁膜を使用する範囲はＷプラグの上、銅配線の上に限定するものではなく、いわゆるコンタクトホールの層間膜として適用することも可能である。
【００４６】上述した第一〜第三実施形態の配線構造の製造方法にあっては、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に、その上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有するので、工程数を少なくすることができる。また、微細な配線パターンを形成できる。また、前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有するので、絶縁膜の下地への密着性がよくなる。また、層間絶縁膜を形成する工程と層間絶縁膜を露光する工程との間に、層間絶縁膜の上に保護膜を塗布し、層間絶縁膜を露光する工程の後に、保護膜を除去するので、リソグラフィ時の大気安定性を高くすることができる。また、層間絶縁膜を露光する工程と層間絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理するので、露光部の溶解性を高め、良好なパターンを得ることができる。また、層間絶縁膜を現像した後に、層間絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱処理を行い、加熱する工程を有しているので、層間絶縁膜の耐熱性を高め、さらに比誘電率を低くすることができる。また、配線溝を形成後に、溝底のバリア絶縁膜を選択的に除去するので、Ｃｕを配線材とした多層配線を形成することができる。
【００４７】
【実施例】［実施例１］この実施例は、下層の配線部上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形成する、いわゆるシングルダマシン（Ｓｉｎｇｌｅ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法に関する例である。以下、この実施例について図５を参照して詳細に説明する。図５ａに示すように、半導体素子が形成された基板上５０１に第一層間絶縁膜５０２を形成した。この第一層間絶縁膜にＷプラグ５０３を形成し、その後、これらの上に、スピンコーティング法により配線層間膜となる第二層間絶縁膜５０４を厚さ０．３μｍ形成した（図５ｂ）。この第二層間絶縁膜５０４は、対電子線感光性を有し、かつ比誘電率が３．０以下であるクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物である。その後、エッジ・バックリンスを、ＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行い、続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を確保するため、８０℃での加熱を１分間行なって、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に感光性材料の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜を０．１μｍコーティングした（図５ｃ）。次に、電子線を用いたパターニングを行い、その後、湿度８０％、温度４０℃での加湿加熱同時処理を１分間行った（図５ｄ）。
【００４８】次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像し、続いて、ウェハの全面に紫外線照射を４分行い、感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、硬化処理を４００℃の温度で２０分間加熱することにより行い、配線溝パターンを得た（図５ｅ）。この時、硬化処理における膜厚の減少は膜厚方向のみであり、その減少割合は１０％以下であった。次に、形成された配線溝パターン表面に、図５ｆに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導線性バリア膜５０６を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法による銅シード膜を１００ｎｍ形成した。これを電極として電解メッキ法により銅膜を５００ｎｍ形成し、計７００ｎｍの銅膜５０７を形成した。
【００４９】次に、２０分の銅膜５０７の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第二層間絶縁膜５０４と導電性バリア膜５０６とを除去して、銅配線５０８を形成した（図５ｇ）。なお、ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。この時、第二層間絶縁膜５０４とバリア膜５０６との界面および第二層間絶縁膜５０４と第一層間絶縁膜５０２との界面のいずれにおいても剥がれなどは起こらなかった。次に、図５ｈに示すように、ＣＭＰ法により形成された平面の上にＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜５０９を２５ｎｍ形成した。
【００５０】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、層間絶縁膜の誘電率が下がり、配線間容量もシリコン酸化膜を層間絶縁膜とした場合と比較して約３０％低減した。
【００５１】［実施例２］この実施例は、上層の配線層および下層と接続するビアホール層を形成した後両者に配線材を埋め込んで研磨を行う、デュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法に関する例である。以下、その実施例について図６を参照して詳細に説明する。図６ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板６０１の上に第一層間絶縁膜６０２とＷプラグ６０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜６０４と、銅および導電性Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜からなる配線材６０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮ膜６０６が厚さ２５ｎｍ形成されている。
【００５２】次に、図６ｂに示すように、対電子線感光性を有しかつ比誘電率が２．７のクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物からなる第三層間絶縁膜６０７をスピンコーティング法により０．７μｍ形成した。その後、エッジ・バックリンスをＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行った。続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を有するために、４０℃での加熱を１分間行い、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に第三層間絶縁膜６０７の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜６０８を０．１μｍコーティングした（図６ｃ）。
【００５３】次に、電子線を用いたビアパターニングを行い、その後、湿度８０％、温度４０℃での加湿加熱同時処理を３分間行った（図６ｄ）。次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像した後、ウェハの全面に紫外線照射を４分間行い、感光材料の感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、続いて４００℃の温度で３０分加熱して硬化処理を行った（図６ｅ）。次に、ビアパターン６０９内およびビアパターン６０９が形成された第三層間絶縁膜６０７の上に、スピンコーティング法によって再び感光性ポリシラザン組成物を塗布し、塗布後にエッジ・バックリンスを行い、ポリシラザン膜６１０を形成した（図６ｆ）。
【００５４】次に、前述の温度範囲で加熱処理を行い、電子線リソグラフィーによる配線溝パターニングを行った。この時、第三層間絶縁膜６０７はすでに感光特性を消失しているため、露光処理による影響は全く受けなかった。その後、ビアホールパターンと同様にして加湿加熱処理を湿度８０％、温度６０℃の条件で行い、続いて硬化処理として３００〜４００℃で３０分加熱した。これにより、ポリシラザンは硬化し、第四層間絶縁膜となった。次に、露光部を現像し、図６ｇに示すように第二層間絶縁膜および配線材上に配線溝およびビアホールを形成した。現像液にはアルカリ水溶性の現像液ＴＭＡＨを用いたが、ビアパターン６０９は硬化処理を行っているため、現像処理による影響は全くなかった。
【００５５】次に、ＣＨＦ3 ／Ａｒ系のガスを用いて反応性イオンエッチング法により、ビアホール底面になっていたＳｉＣＮ膜６０６を除去した（図６ｈ）。次に、図６ｉに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導電性バリア膜６１２を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法により銅シード膜を１００ｎｍ形成し、これを電極として電解メッキ法により銅を堆積して銅膜６１３を７００ｎｍ形成した。その後、４００℃、２０分間、銅膜６１３の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第四層間絶縁膜６１１の一部と導電性バリア膜６１２の一部とを除去した（図６ｊ）。ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。ＣＭＰの際、第四層間絶縁膜６１１と導電性バリア膜６１２との界面、および第一層間絶縁膜６０２と第二層間絶縁膜６０４との界面のいずれにおいても剥がれ等は起きなかった。次に、図６ｋに示すように、ＣＭＰによって形成された平面の上に、ＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜６１４を２５ｎｍ形成した。
【００５６】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、配線材の埋め込みについてビア部と配線部を同時に行ったため、工程数を減少させることができた。
【００５７】［実施例３］この実施例ではビアホール部と上層配線部の感光性層間絶縁膜を堆積し、電子線リソグラフィーによってビアパターンを形成した後、フォトレジストとエッチングを用いて配線溝パターンを形成する例である。以下、その実施例について図７を参照して詳細に説明する。図７ａはデュアルダマシン法の下層配線構造を示す図である。この構造は、半導体素子が形成された基板７０１の上に第一層間絶縁膜７０２とＷプラグ７０３とが形成されており、これらの上に対電子線感光特性を有する層間絶縁膜から形成されている第二層間絶縁膜７０４と、銅およびＴａ／ＴａＮが積層した導電性バリア膜からなる配線材７０５とが形成されている。さらに、その上にＳｉＣＮ膜７０６が厚さ２５ｎｍ形成されている。
【００５８】図７ｂに示すように、対電子線感光性を有しかつ比誘電率が２．７のクラリアントジャパン株式会社製のポリシラザン組成物をスピンコーティング法により１．０μｍ塗布し、第三層間絶縁膜７０７を形成した。塗布後、エッジ・バックリンスをＰＧＭＥＡ／ＰＧＭＥを用いて行った。続いて、感光性特性を維持し、良好な密着性を持たせるために、４０℃での加熱を１分間行い、溶媒を蒸発させた。次に、大気安定性を確保するために、露光前に第三層間絶縁膜７０７の表面にフッ素樹脂を主成分とした保護膜７０８を０．１μｍコーティングした（図７ｃ）。次に、電子線を用いたビアパターニングを行った後、湿度８０％、温度６０℃での加湿加熱同時処理を３分間行った（図７ｄ）。
【００５９】次に、露光部をＴＭＡＨを用いて現像し、次にウェハの全面に紫外線照射を４分間行い、感光材料の感光特性を消失させた。その後、湿度８０％、温度６０℃で加湿加熱処理を行い、硬化処理を４００℃の温度で３０分加熱することにより行い、第三層間絶縁膜７１１を硬化させた（図７ｅ）。次に、形成されたビアパターン７０９上に、フォトレジストを塗布し、配線溝パターンを露光現像し、所望の配線溝パターンを有するフォトレジストパターン７１０を形成した。次に、そのフォトレジストパターン７１０をマスクとして、第三層間絶縁膜７１１を同時にエッチングして、第三層間絶縁膜７１１に溝パターンを形成した。
【００６０】次に、ＣＨＦ3 ／Ａｒ系のガスを用いて反応性イオンエッチング法により、ビア底のＳｉＣＮ膜７０６を除去した（図７ｇ）。次に、図７ｈに示すように、ＴａＮ／Ｔａを積層した導電性バリア膜７１２を４０ｎｍ形成した後、スパッタ法により銅シード膜を１００ｎｍ形成し、これを電極として電解メッキ法により銅を堆積して銅膜７１３を７００ｎｍ形成した。その後、４００℃、２０分間、銅膜７１３の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰ法によって配線溝以外の余剰な銅と第三層間絶縁膜７１１の一部と導電性バリア膜７１２の一部とを除去した（図７ｉ）。ＣＭＰ法はシリカを主成分とする研磨剤に過酸化水素を混合した研磨溶液（スラリー）を用いて行った。ＣＭＰの際、第三層間絶縁膜７１１とバリア膜７１２との界面、および第一層間絶縁膜７０２と第二層間絶縁膜７０４との界面のいずれにおいても剥がれ等は起きなかった。次に、図７ｊに示すように、ＣＭＰによって形成された平面の上に、ＳｉＣＮからなる絶縁性バリア膜７１４を２５ｎｍ形成した。
【００６１】このような工程により形成された配線構造は、間隔０．２０μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リーク電流が１０-9Ａ／ｃｍ2 程度の十分な絶縁耐性を有していた。また、ビアとその上層の配線溝間にミスアライメントが生じた場合にも、良好な配線信頼性を維持した。実施例３では、実施例２にはなかったフォトレジスト工程および溝エッチング工程が追加された。しかしながら、あらかじめ形成されたビアパターンに重なって配線溝パターンを形成したため、露光の際にミスアライメントが生じても、配線の信頼性が向上する構造になった。
【００６２】
【発明の効果】本発明の配線構造は、半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間にはバリア絶縁膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むものである。このため、配線抵抗、配線間容量が低く、微細な配線構造が可能で、信頼性の高いＬＳＩの製造が可能となる。前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることにより、配線構造を形成するための工程数を少なくでき、コストを低くすることができる。前記バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことにより、配線に用いた銅の拡散を防止することができる上に、熱安定性も高くすることができる。
【００６３】また、本発明の配線構造の製造方法によれば、半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程とを有する方法であるため、配線溝のドライエッチングや、アッシングを用いることなく、微細は配線構造の形成が可能となる。また、配線工程が簡略化されており、コストを低くすることができる。前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、前記絶縁膜を加熱する工程を有することにより、感光特性および密着性を高めることができる。前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することにより、露光特性を安定化させることができる。
【００６４】絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理する工程を有することにより、露光部の溶解性を高め、微細な配線パターンを所望の寸法にて得ることができる。前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱同時処理し、加熱する工程を有することにより、感光性材料の感光性を消失させ、感光性材料が用いられた絶縁膜を硬化し、耐熱性を高め、低い比誘電率を得ることができる。前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することにより、絶縁膜間の絶縁性が高くなるので、多層構造の半導体装置の信頼性を高めることができる。配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することにより、配線構造の多層化を行うことができる。前記ビアホールと、ビアホールとビアホールが形成された絶縁膜との上に、感光性を有する絶縁膜を新たに形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することにより、露光の際のミスアライメントが生じても、配線の信頼性を低下させることがない。
【００６５】前記ビアホールは、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることにより、配線構造の製造工程を少なくすることができる。配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成された平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することにより、銅の拡散のない多層配線構造を形成することができる。前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを有している際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することにより、再び絶縁膜を形成し、この絶縁膜にビアホールパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の配線構造の一例を示す断面図である。
【図２】 本発明における第一実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】 本発明における第二実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】 本発明における第三実施形態の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】 本発明における実施例１の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】 本発明における実施例２の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図７】 本発明における実施例３の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】 露光工程後に行う加湿加熱処理工程の条件を変えたときの脱離ガススペクトルを示す図である。
【図９】 ４００℃でウェハから発生した脱離ガス量と比誘電率とをプロットしたグラフである。
【図１０】 対電子線感光性を有する材料から形成された層間絶縁膜に、紫外線照射を行う前と後における脱離ガススペクトルを示す図である。
【図１１】 従来例１の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】 従来例２の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１３】 従来例３の配線構造の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１０３ 層間絶縁膜
１０４ バリア絶縁膜
１０５ 導電性バリア膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間および配線間には対銅バリア膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むことを特徴とする配線構造。
【請求項２】 前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】 前記対銅バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
【請求項４】 半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に、その上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程と、を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項５】 請求項４に記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項６】 請求項４または５に記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程と前記絶縁膜を露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項７】 請求項４〜６のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項８】 請求項４〜７のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱処理し、加熱する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項９】 請求項４〜８のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１０】 請求項４〜９のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア絶縁膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１１】 請求項４〜１０のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記ビアホールと、ビアホールの上と、ビアホールが形成された絶縁膜との上に感光性を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１２】 前記ビアホールが、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の配線構造の製造方法。
【請求項１３】 請求項４〜１２のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成された平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１４】 請求項４〜１２のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを生じた際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１】 半導体素子が形成された基板上に絶縁膜が多層形成され、絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線剤が充填されて、配線および接続プラグが形成された配線構造において、前記絶縁膜のうち少なくとも一層が対電子線感光性を有する材料から形成されており、絶縁膜の層間および配線間には対銅バリア膜を有し、前記金属配線剤は銅を含むことを特徴とする配線構造。
【請求項２】 前記絶縁膜がポリシラザンを主成分として含む組成物から形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】 前記対銅バリア絶縁膜が、窒化ケイ素および／または炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
【請求項４】 半導体素子の上に下層配線が形成された基板上に、その上に対電子線感光性を有する材料を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して、前記絶縁膜を露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝および／またはビアホールおよび／またはコンタクトホールを形成する工程と、を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項５】 請求項４に記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程と露光する工程との間に、絶縁膜を加熱する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項６】 請求項４または５に記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程と前記絶縁膜を露光する工程との間に、前記絶縁膜の上に保護膜を塗布し、前記絶縁膜を露光する工程の後に、前記保護膜を除去することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項７】 請求項４〜６のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を露光する工程と絶縁膜を現像する工程との間に、露光した基板を加湿および加熱処理する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項８】 請求項４〜７のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜を現像した後に、前記絶縁膜に紫外線照射し、加湿および加熱処理し、加熱する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項９】 請求項４〜８のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜と金属から形成された配線の上にバリア絶縁膜を形成することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１０】 請求項４〜９のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、配線溝の底面またはビアホールの底面になっているバリア絶縁膜を、反応性イオンエッチング法またはスパッタリング法によって除去する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１１】 請求項４〜１０のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記ビアホールと、ビアホールの上と、ビアホールが形成された絶縁膜との上に感光性を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に電子線を照射して露光する工程と、前記絶縁膜を現像して未露光部を除去し、配線溝の形成とビアホールの再形成とを同時に行う工程とを有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１２】 前記ビアホールが、対電子線感光性を有する材料を含む材料から形成された絶縁膜に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の配線構造の製造方法。
【請求項１３】 請求項４〜１２のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、配線溝およびビアホールに金属配線剤を充填して配線を形成する工程と、この配線と絶縁膜とを化学機械研磨する工程と、これにより形成された平面の上に絶縁性バリア膜を形成する工程を有することを特徴とする配線構造の製造方法。
【請求項１４】 請求項４〜１２のいずれかに記載の配線構造の製造方法において、前記絶縁膜に形成された配線溝またはビアホールが下層配線との間にミスアライメントを生じた際には、前記絶縁膜を絶縁膜の現像を行う溶液と同じ溶液で溶解して除去することを特徴とする配線構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００２−１７０８８２（Ｐ２００２−１７０８８２Ａ）
【公開日】平成１４年６月１４日（２００２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−３６７０５８（Ｐ２０００−３６７０５８）
【出願日】平成１２年１２月１日（２０００．１２．１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（３９７０４０６０５）クラリアント ジャパン 株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年６月１４日（２００２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年１２月１日（２０００．１２．１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（３９７０４０６０５）クラリアント ジャパン 株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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