JP2000243749A - 絶縁膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン−水素結合を有する絶縁膜の上に形
成されたレジストパターンを酸素プラズマにより除去す
るときに、該絶縁膜の露出部が変質することを防止する
改質層を、厚さが小さく、膜質の劣化を招くことなく且
つ厚さの制御性良く形成する。 【解決手段】 シリコン基板１００上の絶縁膜１０１の
上に、第１の金属配線層１０２、第１の酸化珪素膜１０
３、ＨＳＱ膜１０４、第２の酸化珪素膜１０５を順次堆
積した後、レジストパターン１０６をマスクとしてドラ
イエッチングを行なってコンタクトホール１０７を形成
する。水蒸気プラズマ１０８を用いて改質処理を行なっ
て、ＨＳＱ膜１０４におけるコンタクトホール１０７に
露出している部分に改質層１０９を形成する。酸素プラ
ズマ１１０を用いるアッシングによりレジストパターン
１０６を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明が属する技術分野】本発明は、絶縁膜、特に下層
の金属配線層と上層の金属配線層との間の層間絶縁膜の
形成方法に関するものである。

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化に伴っ
て、配線構造の多層化及び高密度化が進んでいる。配線
構造の高密度化による配線間容量の増大は、遅延時間の
増大、高消費電力化及びクロストーク等の原因となり、
半導体デバイスの動作性能に悪影響を与える。そこで、
配線間容量を低減するために、低誘電率の絶縁膜材料が
必要とされている。これに対して、現在、用いられてい
る典型的な絶縁膜材料としては、熱酸化法又はＣＶＤ法
（化学気相成長法）により形成されたシリコン酸化膜が
挙げられ、該シリコン酸化膜の比誘電率は３．９〜５．
０程度である。配線間容量の低減のためには、比誘電率
がより小さい絶縁膜が必要である。低誘電率の絶縁膜の
形成方法として、ＣＶＤ法又はスピンオングラス法（Ｓ
ＯＧ法）が広く用いられている。そこで、近年、比誘電
率が３．０程度である低誘電率の絶縁膜材料として、水
素化シルセスキオキサン（ＨＳＱ；Hydrogen Silsesqui
oxane 、以下、単にＨＳＱと称する。）が注目されてお
り、この材料に関するプロセスが開発されている。ＨＳ
Ｑについては、バランスらの論文（1992 VMIC Conferen
ce）や、プラマニクらの論文（1993 VMIC Conference）
に詳述されている。ＨＳＱは、立方体のポリマー構造を
有し、その一般式は（ＨＳｉＯ_1.5 ）_2n（但し、ｎ＝２
〜８）で表わされる。ＨＳＱ膜はＳＯＧ法により形成す
ることができる。すなわち、スピンコーターにより基板
上にＨＳＱ膜を塗布した後、該ＨＳＱ膜を４００℃程度
の温度下における窒素雰囲気中で焼成すると、ポリマー
同士が結合して薄膜が形成されるのである。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＨＳＱ
膜を、金属配線層に隣接する平坦な層間絶縁膜又は低誘
電率絶縁膜として用いる場合には、次のような問題があ
る。すなわち、ＨＳＱ膜をフォトリソグラフィー法によ
り微細加工する工程においてレジストパターンを酸素プ
ラズマによりアッシング（灰化）して除去する際に、Ｈ
ＳＱ膜における露出している部分が変質してＨＳＱ膜に
含まれる水分の量が増大するため、その後の半導体プロ
セスにおいて、ＨＳＱ膜に含まれる水分が放出され、金
属配線の不良原因となるという問題がある。以下、ＨＳ
Ｑ膜を有する従来の多層配線構造の形成方法及びその問
題点について、図１４及び図１５を参照しながら説明す
る。尚、説明の簡単のために、ここでは、２層配線構造
を示す。まず、図１４（ａ）に示すように、シリコン基
板１０上に形成された絶縁膜１１の上に、アルミニウム
又はアルミニウム合金等からなる第１の金属配線層１２
を形成した後、プラズマＣＶＤ法等により、第１の金属
配線層１２の上に全面に亘って第１の酸化珪素膜１３を
堆積する。尚、第１の酸化珪素膜１３は、第１の金属配
線層１２と該第１の金属配線層１２の上に堆積されるＨ
ＳＱ膜との密着性の向上等の役割を担う。次に、図１４
（ｂ）に示すように、スピンコーターにより、第１の酸
化珪素膜１３の上にＨＳＱ膜１４を塗布した後、４００
℃の温度下の窒素雰囲気中において６０分間のベークを
行なってＨＳＱ膜１４を焼成する。次に、図１４（ｃ）
に示すように、プラズマＣＶＤ法等により、ＨＳＱ膜１
４の上に全面に亘って第２の酸化珪素膜１５を堆積し
て、第１の酸化珪素膜１３、ＨＳＱ膜１４及び第２の酸
化珪素膜１５からなる３層構造の層間絶縁膜を形成す
る。次に、図１４（ｄ）に示すように、周知のフォトリ
ソグラフィ法により、第２の酸化珪素膜１５の上に、コ
ンタクトホール形成領域に開口部を有するレジストパタ
ーン１６を形成する。次に、図１５（ａ）に示すよう
に、レジストパターン１６をマスクとしてドライエッチ
ングを行なって、第１の酸化珪素膜１３、ＨＳＱ膜１４
及び第２の酸化珪素膜１５にコンタクトホール１７を形
成する。次に、図１５（ｂ）に示すように、酸素プラズ
マ１９を用いて、レジストパターン１６に対してアッシ
ングを行なって、レジストパターン１６を除去する。こ
のアッシング工程において、３層構造の層間絶縁膜は酸
素プラズマ１９に曝される。プラズマＣＶＤ法により堆
積された第１の酸化珪素膜１３及び第２の酸化珪素膜１
５は酸素プラズマ１９に対する耐性を持つため影響を受
けないが、ＨＳＱ膜１４は酸素プラズマ１９に対する耐
性が低いので、図１５（ｃ）に示すように、ＨＳＱ膜１
４におけるコンタクトホール１７に露出している部分に
おいては、膜の酸化により膜中成分が分解して膜の表面
が後退すると共に、膜質が劣化して変質層２０が形成さ
れる。次に、図１５（ｄ）に示すように、コンタクトホ
ール１７にタングステン等からなるプラグ２１を形成し
たり、第２の酸化珪素膜１５の上に第２の金属配線層２
２を堆積したりする工程において、変質層２０から水分
が放出されるため、プラグ２１及び第２の金属配線層２
２に形成不良が発生するので、断線及び高抵抗化の原因
になる。酸素プラズマによってＨＳＱ膜が変質して、含
有水分量が増大することは、Ahlburnらの論文（B.T.Ahl
burn, G.A.Brown, T.R.Seha, T.F.Zoes,"Hydrogen Sils
esquioxane-based Flowable Oxide As An Element In T
he Interlevel Dielectric For Sub 0.5 Micron ULSI C
ircuits", 1995 Proceedings Dielectrics for VLSI/UL
SI Multilevel Interconnection Conference P.36）等
において報告されている。Ahlburn らによれば、酸素プ
ラズマによってＨＳＱ膜中のＳｉ−Ｈ結合が酸化され
て、Ｓｉ−ＯＨ結合及びＨ−ＯＨ結合が生成され、ＯＨ
基が膜中水分となると共に、酸化によってＨＳＱ膜が収
縮して、膜後退の原因となる。また、ＨＳＱ膜１４の上
に第２の酸化珪素膜１５を堆積しない場合には、配線間
容量のフリンジ成分を低減できるため、より低容量化を
図ることはできるが、この場合には、ＨＳＱ膜１４上に
堆積したレジスト膜を露光した後に現像してレジストパ
ターン１６を形成する工程において、現像液（アルカリ
性溶液；テトラメチルアンモニウム水酸化物溶液等）の
影響により、ＨＳＱ膜１４にクラックが発生したり又は
不要なエッチング部分が発生したりするので、ＨＳＱ膜
１４がダメージを受けてしまうという問題も起きる。と
ころで、特開平１−３１９９４２号公報においては、酸
素ガスを主成分とする酸素雰囲気中において反応性プラ
ズマエッチング処理を行なって、シリコン樹脂を含む絶
縁膜を改質させることにより、半導体プロセスに耐える
絶縁膜を形成する方法も提案されている。しかしなが
ら、酸素ガスを主成分とする酸素雰囲気中において反応
性プラズマエッチング処理を行なって、シリコン樹脂を
含む絶縁膜を改質させる方法では、絶縁膜、特にＨＳＱ
膜のような無機質の絶縁膜においては、膜の変質及び劣
化が大きいと共に改質層の厚さの制御が困難であるとい
う問題がある。膜の変質及び劣化の程度が大きい場合並
びに改質層の厚さが大きい場合には、配線間容量の増加
及び配線間リーク電流の増大を招くという問題が発生
し、この問題は埋め込み配線の場合に特に顕著に現われ
る。従って、酸素ガスを主成分とする酸素雰囲気中にお
いて反応性プラズマエッチング処理を行なって絶縁膜を
改質させる方法は、採用が困難である。また、レジスト
パターンを酸素プラズマによりアッシングして除去する
際に、ＨＳＱ膜の変質を回避するために、下層の金属配
線の上にはＨＳＱ膜が残存しないようにＨＳＱ膜をエッ
チバックして、ＨＳＱ膜を、下層の金属配線の上に形成
されるコンタクトホールに露出させない方法も提案され
ている。ところが、この方法は、ＨＳＱ膜をエッチバッ
クする工程の制御が難しいこと、工程数の増加を招くこ
と、及び、ＨＳＱ膜を形成する際に配線間容量のフリン
ジ成分の低減ができないため容量を十分に低減できない
こと等の問題があるので、採用は困難である。前記に鑑
み、本発明は、シリコン−水素結合を有する絶縁膜の上
に形成されたレジストパターンを酸素プラズマにより除
去するときにＨＳＱ膜の露出部が変質することを防止す
る改質層を、厚さが小さく、膜質の劣化を招くことなく
且つ厚さの制御性良く形成できる方法を提供することを
目的とする。

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、シリコン−水素結合を有する絶縁膜にお
ける露出部を、水酸基の中性活性種を含むプラズマによ
り処理することによって改質層を形成するものである。
具体的には、本発明に係る絶縁膜の形成方法は、シリコ
ン−水素結合を有する絶縁膜の上にレジストパターンを
形成するレジストパターン形成工程と、絶縁膜に対して
レジストパターンをマスクとしてエッチングを行なっ
て、絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、絶縁
膜における開口部に露出している露出部に対して、水酸
基の中性活性種を含むプラズマにより処理を行なって、
露出部を緻密化させる改質処理工程とを備えている。本
発明に係る絶縁膜の形成方法によると、絶縁膜中のシリ
コン−水素結合は、プラズマ中に含まれ、酸化力が弱い
水酸基の中性活性種により酸化されるため、絶縁膜中に
含まれるシリコン−水素結合のうちの一部分のみが酸化
される。このため、露出部には、膜厚が小さく且つ膜質
に優れた、シリコン−水酸基結合を含む改質層が形成さ
れると共に、露出部における膜厚の減少は少ない。本発
明に係る絶縁膜の形成方法において、絶縁膜は、水素化
シルセスキオキサンよりなることが好ましい。本発明に
係る絶縁膜の形成方法において、レジストパターン形成
工程は、絶縁膜の表面部に対して、水酸基の中性活性種
を含むプラズマにより処理を行なって表面部を緻密化し
た後に、絶縁膜の上にレジストパターンを形成する工程
を含むことが好ましい。本発明に係る絶縁膜の形成方法
において、プラズマは、水蒸気を含む雰囲気中において
発生させることが好ましい。本発明に係る絶縁膜の形成
方法において、プラズマは、水素ガスと酸素ガスとの混
合ガスを含む雰囲気中において発生させることが好まし
い。本発明に係る絶縁膜の形成方法において、プラズマ
は、水素ガスと水蒸気との混合ガスを含む雰囲気中にお
いて発生させる工程を含むことが好ましい。本発明に係
る絶縁膜の形成方法において、プラズマは、気体状のア
ルコール類、カルボン酸類及びフェノール類のうちの少
なくとも１つを含む雰囲気中において発生させることが
好ましい。本発明に係る絶縁膜の形成方法において、プ
ラズマは、励起状態の窒素分子をさらに含んでいること
が好ましい。この場合、プラズマは、水蒸気、水素ガス
と酸素ガスとの混合ガス及び水素ガスと水蒸気との混合
ガスのうちの少なくとも１つと、窒素ガス、一酸化二窒
素ガス、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス及びアンモニ
アガスのうちの少なくとも１つとを含む雰囲気中におい
て発生させることが好ましい。本発明に係る絶縁膜の形
成方法において、改質処理工程は、プラズマにより緻密
化された露出部に対して窒素プラズマにより窒化処理を
行なう工程を含むことが好ましい。この場合、窒素プラ
ズマは、窒素ガス、一酸化二窒素ガス、一酸化窒素ガ
ス、二酸化窒素ガス及びアンモニアガスのうちの少なく
とも１つを含む雰囲気中において発生させることが好ま
しい。

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施形態について、図１〜図３を参照しながら
説明する。まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基
板１００上に形成された絶縁膜１０１の上に、アルミニ
ウム又はアルミニウム合金等からなる第１の金属配線層
１０２を形成した後、プラズマＣＶＤ法等により、第１
の金属配線層１０２の上に全面に亘って第１の酸化珪素
膜１０３を堆積する。尚、第１の酸化珪素膜１０３は、
第１の金属配線層１０２と該第１の金属配線層１０２の
上に堆積されるＨＳＱ膜との密着性の向上等の役割を担
う。次に、図１（ｂ）に示すように、スピンコーターに
より、第１の酸化珪素膜１０３の上にＨＳＱ膜１０４を
塗布した後、４００℃の温度下の窒素雰囲気中において
６０分間のベークを行なってＨＳＱ膜１０４を焼成す
る。次に、図１（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ法
等により、ＨＳＱ膜１０４の上に全面に亘って第２の酸
化珪素膜１０５を堆積して、第１の酸化珪素膜１０３、
ＨＳＱ膜１０４及び第２の酸化珪素膜１０５からなる３
層構造の層間絶縁膜を形成する。次に、図２（ａ）に示
すように、周知のフォトリソグラフィ法により、第２の
酸化珪素膜１０５の上に、コンタクトホール形成領域に
開口部を有するレジストパターン１０６を形成する。次
に、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン１０６
をマスクとしてドライエッチングを行なって、第１の酸
化珪素膜１０３、ＨＳＱ膜１０４及び第２の酸化珪素膜
１０５にコンタクトホール１０７を形成する。次に、図
２（ｃ）に示すように、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）プラズマ１０
８を用いて改質処理を行なって、ＨＳＱ膜１０４におけ
るコンタクトホール１０７に露出している部分に改質層
１０９を形成する。この工程において、ＨＳＱ膜１０４
は改質されるが、第１の酸化珪素膜１０３及び第２の酸
化珪素膜１０５は水蒸気プラズマの影響を受けないので
変質しない。以下、水蒸気プラズマ１０８の発生方法に
ついて説明する。例えば反応性プラズマエッチング装置
のチャンバー内に水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を１００〜５００ｓ
ｃｃｍの流量で導入した後、チャンバー内の圧力を１０
ｍＴｏｒｒ〜２Ｔｏｒｒに保持し、この状態でチャンバ
ー内の電極に２．４５ＧＨｚの周波数を持つマイクロ波
を導入して水蒸気プラズマを発生させる。この場合、マ
イクロ波のパワーは０．５〜１．０ｋＷとし、シリコン
基板１００は１００〜３００℃程度に加熱しておく。次
に、図３（ａ）に示すように、酸素プラズマ１１０を用
いて、レジストパターン１０６に対してアッシングを行
なって、レジストパターン１０６を除去する。このアッ
シング工程において、改質層１０９は酸素プラズマ１１
０に曝されるが、改質層１０９の膜質は殆ど影響を受け
ないので、ＨＳＱ膜１０４の膜質は変化しない。次に、
図３（ｂ）に示すように、コンタクトホール１０７にタ
ングステン等からなるプラグ１１１を形成した後、第２
の酸化珪素膜１０５の上に第２の金属配線層１１２を形
成すると、２層の配線構造が得られる。図１２（ａ）
は、酸素ガスを主成分とする酸素雰囲気中において発生
させた酸素プラズマを用いてＨＳＱ膜を改質した場合の
コンタクトホール断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写
真の模写図であり、図１２（ｂ）は水蒸気プラズマを用
いてＨＳＱ膜を改質した場合の走査型電子顕微鏡写真の
模写図である。図１２（ａ）と図１２（ｂ）との対比か
ら明らかなように、水蒸気プラズマにより得られた改質
層の厚さは、酸素プラズマにより得られた改質層の厚さ
よりも小さい。このように、水蒸気プラズマによる改質
処理は、酸素プラズマによる改質処理に比べて、改質層
の厚さが薄いと共に厚さの制御性に優れている。また、
水蒸気プラズマは、原子状態の水素が含まれている還元
雰囲気であるため、ＨＳＱ膜に対する酸化力は非常に弱
い。この非常に弱い酸化力は、水蒸気プラズマに含まれ
る水酸基の中性活性種によって引き起こされると考えら
れる。従って、水蒸気プラズマ処理により得られた改質
層においては、ＨＳＱ膜中のＳｉ−Ｈ結合のうちの一部
分のみが水酸基の中性活性種により酸化されて、緻密な
膜になると考えられる。ところで、酸素プラズマ処理に
より得られた改質層の厚さが大きい理由は、酸素プラズ
マでは、処理条件を変えても酸化力が強いので、ＨＳＱ
膜が強く酸化されてしまうためであると考えられる。Ｈ
ＳＱ膜は強く酸化されると、ＨＳＱ膜中のＳｉ―Ｈ結合
の大部分が酸化されるため、ＨＳＱ膜の膜厚が大きく減
少すると共に、Ｓｉ―ＯＨ結合のほかにＨ−ＯＨ結合が
形成されるため、ＨＳＱ膜中の水分増大及び比誘電率の
増加等の膜質劣化を招くのである。これに対して、ＨＳ
Ｑ膜中のＳｉ−Ｈ結合は、水蒸気プラズマ中に含まれ
る、励起状態のＨ₂Ｏ、原子状態の水素（Ｈ）及び水酸
（ＯＨ）遊離基等の活性種に対しては反応しないので、
そのままの状態が保持されるためであると考えられる。
従って、水蒸気プラズマを用いる改質処理によると、Ｈ
ＳＱ膜の表面のごく浅い部分のみを酸化により改質して
緻密化できると共に、膜質劣化を殆ど招くことなく改質
することができる。このようなＨＳＱ膜の表面の緻密化
によって、その後に行なわれる半導体プロセス（酸素ア
ッシング、エッチング残渣を除去するための有機溶媒に
よる洗浄、又はレジスト膜に対する現像等）に対する耐
性を向上させることができる。 （第２の実施形態）以下、本発明の第２の実施形態につ
いて、図５及び図６を参照しながら説明する。まず、図
４（ａ）に示すように、スピンコーターにより、シリコ
ン基板２００の上に全面に亘ってＨＳＱ膜２０１を塗布
した後、４００℃の温度下の窒素雰囲気中において６０
分間のベークを行なってＨＳＱ膜２０１を焼成する。そ
の後、プラズマＣＶＤ法により、ＨＳＱ膜２０１の上に
第１の酸化珪素膜２０２を堆積した後、該第１の酸化珪
素膜２０２の上に、コンタクトホール形成領域に開口部
を有する第１のレジストパターン２０３を形成する。次
に、図４（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン
２０３をマスクとしてドライエッチングを行なって、Ｈ
ＳＱ膜２０１及び第１の酸化珪素膜２０２にコンタクト
ホール２０４を形成する。次に、図４（ｃ）に示すよう
に、水蒸気プラズマ２０５を用いて改質処理を行なっ
て、ＨＳＱ膜２０１におけるコンタクトホール２０４に
露出している部分に第１の改質層２０６を形成する。
尚、水蒸気プラズマ２０５の発生方法は第１の実施形態
と同様である。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の
酸化珪素膜２０２の上に、配線溝形成領域に開口部を有
する第２のレジストパターン２０７を形成する。この場
合、コンタクトホール２０４の側壁部はレジスト膜に対
する現像液に曝されるが、コンタクトホール２０４の側
壁部は第１の改質層２０６に覆われているので、ＨＳＱ
膜２０１の膜質が劣化することはない。次に、図５
（ａ）に示すように、第２のレジストパターン２０７を
マスクとしてドライエッチングを行なって、ＨＳＱ膜２
０１に配線溝２０８を形成した後、水蒸気プラズマ２０
９を用いて改質処理を行なって、配線溝２０８の側壁に
第２の改質層２１０を形成する。次に、図５（ｂ）に示
すように、酸素プラズマを用いて、第２のレジストパタ
ーン２０７に対してアッシングを行なって、第２のレジ
ストパターン２０７を除去する。このアッシング工程に
おいて、ＨＳＱ膜２０１におけるコンタクトホール２０
４及び配線溝２０８に露出している部分は酸素プラズマ
に曝されるが、第１の改質層２０６及び第２の改質層２
１０が形成されているので、ＨＳＱ膜２０１には酸素プ
ラズマによる膜質の劣化は起こらない。次に、図５
（ｃ）に示すように、コンタクトホール２０４及び配線
溝２０８の底面及び壁面に、窒化チタン膜とチタン膜と
の積層体からなるバリア層２１１を形成した後、バリア
層２１１の上にコンタクトホール２０４及び配線溝２０
８が埋め込まれるように銅膜２１２を堆積し、その後、
銅膜２１２におけるコンタクトホール２０４及び配線溝
２０８に露出している部分を例えばＣＭＰ法により除去
すると、銅膜２１２からなるデュアルダマシン構造を有
する埋め込み配線が得られる。図１３は、第２の実施形
態により得られる配線構造の配線間のリーク電流の測定
結果を示しており、配線間の距離は０．４μｍである。
図１３から分かるように、水蒸気プラズマを用いる処理
を行なった場合のリーク電流は、酸素プラズマを用いる
処理を行なった場合のリーク電流に比べて２桁以上小さ
くなっていることが分かる。 （第３の実施形態）以下、本発明の第３の実施形態につ
いて、図６及び図７を参照しながら説明する。まず、図
６（ａ）に示すように、スピンコーターにより、シリコ
ン基板３００の上に全面に亘ってＨＳＱ膜３０１を塗布
した後、４００℃の温度下の窒素雰囲気中において６０
分間のベークを行なってＨＳＱ膜３０１を焼成する。そ
の後、プラズマＣＶＤ法により、ＨＳＱ膜３０１の上に
第１の酸化珪素膜３０２を堆積した後、該第１の酸化珪
素膜３０２の上に、配線溝形成領域に開口部を有する第
１のレジストパターン３０３を形成する。次に、図６
（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン３０３を
マスクとしてドライエッチングを行なって、ＨＳＱ膜３
０１及び第１の酸化珪素膜３０２に配線溝３０４を形成
する。次に、図６（ｃ）に示すように、水蒸気プラズマ
３０５を用いて改質処理を行なって、ＨＳＱ膜３０１に
おける配線溝３０４に露出している部分に第１の改質層
３０６を形成する。尚、水蒸気プラズマ３０５の発生方
法は第１の実施形態と同様である。次に、図６（ｄ）に
示すように、ＨＳＱ膜３０１及び第１の酸化珪素膜３０
２の上に、コンタクトホール形成領域に開口部を有する
第２のレジストパターン３０７を形成する。この場合、
配線溝３０４の側壁部はレジスト膜に対する現像液に曝
されるが、配線溝３０４の底部及び側壁部は第１の改質
層３０６に覆われているので、ＨＳＱ膜３０１の膜質が
劣化することはない。次に、図７（ａ）に示すように、
第２のレジストパターン３０７をマスクとしてドライエ
ッチングを行なって、ＨＳＱ膜３０１にコンタクトホー
ル３０８を形成した後、水蒸気プラズマ３０９を用いて
改質処理を行なって、コンタクトホール３０８の側壁に
第２の改質層３１０を形成する。次に、図７（ｂ）に示
すように、酸素プラズマを用いて、第２のレジストパタ
ーン３０７に対してアッシングを行なって、第２のレジ
ストパターン３０７を除去する。このアッシング工程に
おいて、ＨＳＱ膜３０１における配線溝３０４及びコン
タクトホール３０８に露出している部分は酸素プラズマ
に曝されるが、第１の改質層３０６及び第２の改質層３
１０が形成されているので、ＨＳＱ膜３０１には酸素プ
ラズマによる膜質の劣化は起こらない。次に、図７
（ｃ）に示すように、配線溝３０４及びコンタクトホー
ル３０８の底面及び壁面に、窒化チタン膜とチタン膜と
の積層体からなるバリア層３１１を形成した後、バリア
層３１１の上に配線溝３０４及びコンタクトホール３０
８が埋め込まれるように銅膜３１２を堆積し、その後、
銅膜３１２における配線溝３０４及びコンタクトホール
３０８に露出している部分を例えばＣＭＰ法により除去
すると、銅膜３１２からなるデュアルダマシン構造を有
する埋め込み配線が得られる。 （第４の実施形態）以下、本発明の第４の実施形態につ
いて、図８及び図９を参照しながら説明する。まず、図
８（ａ）に示すように、スピンコーターにより、シリコ
ン基板４００の上に全面に亘ってＨＳＱ膜４０１を塗布
した後、４００℃の温度下の窒素雰囲気中において６０
分間のベークを行なってＨＳＱ膜４０１を焼成する。そ
の後、水蒸気プラズマ４０２を用いて改質処理を行なっ
て、ＨＳＱ膜４０１の表面部に第１の改質層４０３を形
成する。尚、水蒸気プラズマ４０２の発生方法は第１の
実施形態と同様である。次に、図８（ｂ）に示すよう
に、第１の改質層４０３の上に、コンタクトホール形成
領域に開口部を有する第１のレジストパターン４０４を
形成する。次に、図８（ｃ）に示すように、第１のレジ
ストパターン４０４をマスクとしてドライエッチングを
行なって、ＨＳＱ膜４０１にコンタクトホール４０５を
形成する。次に、図８（ｄ）に示すように、水蒸気プラ
ズマ４０６を用いて改質処理を行なって、ＨＳＱ膜４０
１におけるコンタクトホール４０５に露出している部分
に第２の改質層４０７を形成する。次に、図９（ａ）に
示すように、第１の改質層４０３の上に、配線溝形成領
域に開口部を有する第２のレジストパターン４０８を形
成する。この場合、コンタクトホール４０５の側壁部は
レジスト膜に対する現像液に曝されるが、コンタクトホ
ール４０５の側壁部は第２の改質層４０７に覆われてい
るので、ＨＳＱ膜４０１の膜質が劣化することはない。
次に、図９（ａ）に示すように、第２のレジストパター
ン４０８をマスクとしてドライエッチングを行なって、
ＨＳＱ膜４０１に配線溝４０９を形成した後、水蒸気プ
ラズマ４１０を用いて改質処理を行なって、配線溝４０
９の側壁に第３の改質層４１１を形成する。次に、図９
（ｂ）に示すように、酸素プラズマを用いて、第２のレ
ジストパターン４０８に対してアッシングを行なって、
第２のレジストパターン４０８を除去する。このアッシ
ング工程において、ＨＳＱ膜４０１におけるコンタクト
ホール４０５及び配線溝４０９に露出している部分は酸
素プラズマに曝されるが、第２の改質層４０７及び第３
の改質層４１１が形成されているので、ＨＳＱ膜４０１
には酸素プラズマによる膜質の劣化は起こらない。次
に、図９（ｃ）に示すように、コンタクトホール４０５
及び配線溝４０９の底面及び壁面に、窒化チタン膜とチ
タン膜との積層体からなるバリア層４１２を形成した
後、バリア層４１２の上にコンタクトホール４０５及び
配線溝４０９が埋め込まれるように銅膜４１３を堆積
し、その後、銅膜４１３におけるコンタクトホール４０
５及び配線溝４０９に露出している部分を例えばＣＭＰ
法により除去すると、銅膜４１３からなるデュアルダマ
シン構造を有する埋め込み配線が得られる。ところで、
第１〜第３の実施形態によると、プラズマＣＶＤ法によ
り、ＨＳＱ膜の上にキャップ膜としての酸化珪素膜を形
成したが、プラズマＣＶＤにより堆積された酸化珪素膜
の比誘電率は約４．３であって大きいため、配線間の実
効的な容量が増大してしまうという問題がある。これに
対して、第４の実施形態によると、ＨＳＱ膜４０１の表
面部には、酸化珪素膜に代えて、厚さが小さく且つ比誘
電率が低い第１の改質層４０３を形成したため、配線間
の容量を低減することができる。つまり、プラズマＣＶ
Ｄ法により堆積された酸化珪素膜の比誘電率が約４．３
程度であるのに対して、第１の改質層４０３の比誘電率
は３．０〜４．０程度である。 （第５の実施形態）以下、本発明の第５の実施形態につ
いて図１０及び図１１を参照しながら説明する。まず、
図１０（ａ）に示すように、スピンコーターにより、シ
リコン基板５００の上に全面に亘ってＨＳＱ膜５０１を
塗布した後、４００℃の温度下の窒素雰囲気中において
６０分間のベークを行なってＨＳＱ膜５０１を焼成す
る。その後、プラズマＣＶＤ法により、ＨＳＱ膜５０１
の上に酸化珪素膜５０２を堆積した後、該酸化珪素膜５
０２の上に、コンタクトホール形成領域に開口部を有す
る第１のレジストパターン５０３を形成する。次に、図
１０（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン５０
３をマスクとしてドライエッチングを行なって、ＨＳＱ
膜５０１及び酸化珪素膜５０２にコンタクトホール５０
４を形成する。次に、図１０（ｃ）に示すように、水蒸
気プラズマ５０５を用いて改質処理を行なって、ＨＳＱ
膜５０１におけるコンタクトホール５０４に露出してい
る部分に第１の改質層５０６を形成する。尚、水蒸気プ
ラズマ５０５の発生方法は第１の実施形態と同様であ
る。次に、図１０（ｄ）に示すように、酸化珪素膜５０
２の上に、配線溝形成領域に開口部を有する第２のレジ
ストパターン５０７を形成する。この場合、コンタクト
ホール５０４の側壁部はレジスト膜に対する現像液に曝
されるが、コンタクトホール５０４の側壁部は第１の改
質層５０６に覆われているので、ＨＳＱ膜５０１の膜質
が劣化することはない。次に、図１１（ａ）に示すよう
に、第２のレジストパターン５０７をマスクとしてドラ
イエッチングを行なって、ＨＳＱ膜５０１に配線溝５０
８を形成した後、水蒸気プラズマ５０９を用いて改質処
理を行なって、配線溝５０８の側壁に第２の改質層５１
０を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、酸素
プラズマを用いて、第２のレジストパターン５０７に対
してアッシングを行なって、第２のレジストパターン５
０７を除去する。このアッシング工程において、ＨＳＱ
膜５０１におけるコンタクトホール５０４及び配線溝５
０８に露出している部分は酸素プラズマに曝されるが、
第１の改質層５０６及び第２の改質層５１０が形成され
ているので、ＨＳＱ膜５０１には酸素プラズマによる膜
質の劣化は起こらない。次に、図１１（ｃ）に示すよう
に、反応性プラズマエッチング装置のチャンバー内にお
いてアンモニアを用いて発生させたアンモニアプラズマ
５１１によって、第１の改質層５０６及び第２の改質層
５１０を窒化処理して、窒化した改質層５１２を形成す
る。次に、図１１（ｃ）に示すように、コンタクトホー
ル５０４及び配線溝５０８が埋め込まれるように銅膜５
１３を堆積し、その後、銅膜５１３におけるコンタクト
ホール５０４及び配線溝５０８に露出している部分を例
えばＣＭＰ法により除去すると、銅膜５１３からなるデ
ュアルダマシン構造を有する埋め込み配線が得られる。
ところで、第１〜第４の実施形態においては、銅膜が絶
縁膜中に拡散して絶縁膜の絶縁性が低下するのを防止す
るべく、銅膜と絶縁膜との間にバリア層を形成したが、
埋め込み配線においては、アスペクト比が高いコンタク
トホールにバリア層を被覆性良く形成することは困難な
場合が多い。ところが、第５の実施形態のように、第１
の改質層５０６及び第２の改質層５１０に対して窒化処
理を行なって窒化した改質層５１２を形成するため、窒
化した改質層５１２は銅膜５１３がＨＳＱ膜５０１に拡
散する事態を防止する。この場合、ＨＳＱ膜５０１の表
面は直接に窒化し難いため、ＨＳＱ膜５０１を膜質が劣
化しない程度に薄く酸化しておいてから窒化する方法が
有効である。第５の実施形態においては、窒化した改質
層５１２を形成する方法として、ＨＳＱ膜５０１を水蒸
気プラズマにより改質した後、アンモニアプラズマ処理
により窒化したが、これに代えて、水蒸気及びアンモニ
アガスが同時に導入されているチャンバー内にプラズマ
を発生させることによって、ＨＳＱ膜５０１の表面に、
窒化した改質層５１２を形成してもよいし、尚、第１〜
第５の実施形態においては、２層の配線構造であった
が、これに代えて、１層の配線構造又は３層以上の配線
構造であってもよいのは当然である。また、第１〜第５
の実施形態においては、ＨＳＱ膜に対して水蒸気プラズ
マによる改質処理を行なったが、水蒸気プラズマによる
改質処理方法は、膜中にＳｉ−Ｈ結合を含む膜、例えば
膜中にＳｉ−Ｈ結合を含むような有機膜、Ｓｉ−Ｈ結合
を含み且つメチル基等の有機成分も含む有機無機混合膜
等に対しても有効である。また、プラズマを発生させる
ためのガス種は、水蒸気に限られるものではなく、水酸
基の中性活性種を発生できるガス種であればよい。例え
ば、水素ガスと酸素ガスとの混合ガス、水素ガスと水蒸
気との混合ガス、メタノール若しくはエタノール等のア
ルコール類、ギ酸若しくは酢酸等のカルボン酸、フェノ
ール類、又はこれらを含む混合ガス等が挙げられる。ま
た、窒化処理を行なうためのガス種は、アンモニアに限
られるものではなく、窒素ガス（Ｎ₂ ）、一酸化二窒素
ガス（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、二酸化窒素
ガス（ＮＯ₂ ）及びアンモニアガス（ＮＨ₃ ）のうちの
少なくとも１つを含むものが挙げられる。

【発明の効果】本発明に係る絶縁膜の形成方法による
と、絶縁膜中に含まれるシリコン−水素結合のうちの一
部分のみが酸化されるため、露出部に、厚さが小さくて
膜質に優れたシリコン−水酸基結合を含む改質層を、厚
さの制御性に優れ、且つ露出部における膜厚の減少を招
くことなく形成することができると共に、後に行なわれ
る酸素プラズマによるアッシング等の半導体プロセスに
対する耐性を向上させることができる。本発明に係る絶
縁膜の形成方法において、絶縁膜が水素化シルセスキオ
キサンよりなると、比誘電率の低い絶縁膜を実現するこ
とができる。本発明に係る絶縁膜の形成方法において、
絶縁膜の表面部に対して水酸基の中性活性種を含むプラ
ズマにより処理を行なった後に、絶縁膜の上にレジスト
パターンを形成すると、絶縁膜の表面部に全面に亘って
改質層が形成されるので、レジストパターンの除去工程
において、絶縁膜が劣化する事態を確実に防止すること
ができる。本発明に係る絶縁膜の形成方法において、プ
ラズマを、水蒸気を含む雰囲気中、水素ガスと酸素ガス
との混合ガスを含む雰囲気中、水素ガスと水蒸気との混
合ガスを含む雰囲気中、又は気体状のアルコール類、カ
ルボン酸類及びフェノール類のうちの少なくとも１つを
含む雰囲気中において発生させると、プラズマは原子状
態の水素を含む還元性雰囲気になるため、絶縁膜中に含
まれるシリコン−水素結合の酸化をより抑制できるの
で、改質層の厚さをより小さくすることができる。本発
明に係る絶縁膜の形成方法において、プラズマが励起状
態の窒素分子を含んでいると、改質層を窒化することが
できるので、より緻密化された改質層を得ることができ
る。この場合、プラズマを、水蒸気、水素ガスと酸素ガ
スとの混合ガス及び水素ガスと水蒸気との混合ガスのう
ちの少なくとも１つと、窒素ガス、一酸化二窒素ガス、
一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス及びアンモニアガスの
うちの少なくとも１つとを含む雰囲気中において発生さ
せると、改質層を確実に窒化することができる。本発明
に係る絶縁膜の形成方法において、改質処理工程が、プ
ラズマにより緻密化された露出部に対して窒素プラズマ
により窒化処理を行なう工程を含むと、改質層を窒化す
ることができるので、より緻密化された改質層を得るこ
とができる。この場合、窒素プラズマは、窒素ガス、一
酸化二窒素ガス、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス及び
アンモニアガスのうちの少なくとも１つを含む雰囲気中
において発生させると、改質層を確実に窒化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係
る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に
係る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施形態に
係る絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図１２】（ａ）は従来の絶縁膜の方法により形成した
改質層を示す顕微鏡写真の模写図であり、（ｂ）は本発
明の第１の実施形態の方法により形成した改質層を示す
顕微鏡写真の模写図である。

【図１３】従来及び本発明の第１の実施形態の方法によ
り得られた改質層における、配線間リーク電流の測定結
果を示す図である。

【図１４】（ａ）〜（ｄ）は従来の絶縁膜の形成方法の
各工程及びその問題点を説明する断面図である。

【図１５】（ａ）〜（ｄ）は従来の絶縁膜の形成方法の
各工程及びその問題点を説明する断面図である。

【符号の説明】

１００ シリコン基板 １０１ 絶縁膜 １０２ 第１の金属配線層 １０３ 第１の酸化珪素膜 １０４ ＨＳＱ膜 １０５ 第２の酸化珪素膜 １０６ レジストパターン １０７ コンタクトホール １０８ 水蒸気プラズマ １０９ 改質層 １１０ 酸素プラズマ １１１ プラグ １１２ 第２の金属配線層 ２００ シリコン基板 ２０１ ＨＳＱ膜 ２０２ 第１の酸化珪素膜 ２０３ 第１のレジストパターン ２０４ コンタクトホール ２０５ 水蒸気プラズマ ２０６ 第１の改質層 ２０７ 第２のレジストパターン ２０８ 配線溝 ２０９ 水蒸気プラズマ ２１０ 第２の改質層 ２１１ バリア層 ２１２ 銅膜 ３００ シリコン基板 ３０１ ＨＳＱ膜 ３０２ 第１の酸化珪素膜 ３０３ 第１のレジストパターン ３０４ 配線溝 ３０５ 水蒸気プラズマ ３０６ 第１の改質層 ３０７ 第２のレジストパターン ３０８ コンタクトホール ３０９ 水蒸気プラズマ ３１０ 第２の改質層 ３１１ バリア層 ３１２ 銅膜 ４００ シリコン基板 ４０１ ＨＳＱ膜 ４０２ 水蒸気プラズマ ４０３ 第１の改質層 ４０４ 第１のレジストパターン ４０５ コンタクトホール ４０６ 水蒸気プラズマ ４０７ 第２の改質層 ４０８ 第２のレジストパターン ４０９ 配線溝 ４１０ 水蒸気プラズマ ４１１ 第３の改質層 ４１２ バリア層 ４１３ 銅膜 ５００ シリコン基板 ５０１ ＨＳＱ膜 ５０２ 酸化珪素膜 ５０３ 第１のレジストパターン ５０４ コンタクトホール ５０５ 水蒸気プラズマ ５０６ 第１の改質層 ５０７ 第２のレジストパターン ５０８ 配線溝 ５０９ 水蒸気プラズマ ５１０ 第２の改質層 ５１１ アンモニアプラズマ ５１２ 窒化した改質層 ５１３ 銅膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青井 信雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 BB02 BB03 BB04 BB14 BB18 BB30 DD08 DD16 DD19 DD22 EE09 EE12 EE15 FF17 FF22 FF27 GG13 HH09 HH20 5F033 HH11 HH18 HH33 JJ01 JJ11 JJ18 JJ19 JJ33 KK01 KK08 KK09 MM02 MM08 MM12 NN01 NN06 NN07 QQ09 QQ10 QQ11 QQ12 QQ26 QQ28 QQ37 QQ48 QQ74 QQ76 QQ78 QQ89 QQ90 QQ92 RR04 RR09 SS15 SS22 TT04 TT07 XX00 XX14 XX25 5F058 AA04 AA10 AD02 AD05 AD10 AF04 AG07 AH02 AH05

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン−水素結合を有する絶縁膜の上
   にレジストパターンを形成するレジストパターン形成工
   程と、 前記絶縁膜に対して前記レジストパターンをマスクとし
   てエッチングを行なって、前記絶縁膜に開口部を形成す
   る開口部形成工程と、 前記絶縁膜における前記開口部に露出している露出部に
   対して、水酸基の中性活性種を含むプラズマにより処理
   を行なって、前記露出部を緻密化させる改質処理工程と
   を備えていることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
2. 【請求項２】 前記絶縁膜は、水素化シルセスキオキサ
   ンよりなることを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の
   形成方法。
3. 【請求項３】 前記レジストパターン形成工程は、前記
   絶縁膜の表面部に対して、水酸基の中性活性種を含むプ
   ラズマにより処理を行なって前記表面部を緻密化した後
   に、前記絶縁膜の上に前記レジストパターンを形成する
   工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の
   形成方法。
4. 【請求項４】 前記プラズマは、水蒸気を含む雰囲気中
   において発生させることを特徴とする請求項１に記載の
   絶縁膜の形成方法。
5. 【請求項５】 前記プラズマは、水素ガスと酸素ガスと
   の混合ガスを含む雰囲気中において発生させることを特
   徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
6. 【請求項６】 前記プラズマは、水素ガスと水蒸気との
   混合ガスを含む雰囲気中において発生させる工程を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
7. 【請求項７】 前記プラズマは、気体状のアルコール
   類、カルボン酸類及びフェノール類のうちの少なくとも
   １つを含む雰囲気中において発生させることを特徴とす
   る請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
8. 【請求項８】 前記プラズマは、励起状態の窒素分子を
   さらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の絶
   縁膜の形成方法。
9. 【請求項９】 前記プラズマは、水蒸気、水素ガスと酸
   素ガスとの混合ガス及び水素ガスと水蒸気との混合ガス
   のうちの少なくとも１つと、窒素ガス、一酸化二窒素ガ
   ス、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス及びアンモニアガ
   スのうちの少なくとも１つとを含む雰囲気中において発
   生させることを特徴とする請求項８に記載の絶縁膜の形
   成方法。
10. 【請求項１０】 前記改質処理工程は、前記プラズマに
    より緻密化された前記露出部に対して窒素プラズマによ
    り窒化処理を行なう工程を含むことを特徴とする請求項
    １に記載の絶縁膜の形成方法。
11. 【請求項１１】 前記窒素プラズマは、窒素ガス、一酸
    化二窒素ガス、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス及びア
    ンモニアガスのうちの少なくとも１つを含む雰囲気中に
    おいて発生させることを特徴とする請求項１０に記載の
    絶縁膜の形成方法。