JP2000349153A

JP2000349153A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000349153A
Application number: JP2000069181A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Ikeda; 典弘池田; Shinichi Tanimoto; 伸一谷本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】比誘電率の低い層間絶縁膜を得て、特性の良
好な半導体装置を提供すること。【解決手段】単結晶シリコン基板１の上には、ライン
状の導電層２が形成されている。導電層２の上には、比
誘電率が小さい熱重合性炭化水素膜３が形成され、この
炭化水素膜３の上には比誘電率が比較的小さい改質ＳＯ
Ｇ膜マスク５が形成されている。この改質ＳＯＧ膜マス
ク５は、炭化水素膜３に、導電層２に通じるコンタクト
ホール（ビアホール）６を形成するためのエッチングマ
スクとして機能する。更に、改質ＳＯＧマスク５の上に
熱重合性炭化水素膜７が形成され、この炭化水素膜７に
は、コンタクトホール６に通じるトレンチ８が形成され
ている。そして、コンタクトホール６内及びトレンチ８
内には、導電層２と電気的に接続する上層金属配線９が
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係り、詳しくは、デバイス上に多層配線構
造を形成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の更なる高集積化
を実現するために、配線の微細化、多層化を進めること
が要求されている。配線を多層化するには、各配線間に
層間絶縁膜を設けるが、その層間絶縁膜の表面が平坦で
ないと、層間絶縁膜の上部に形成された配線に段差が生
じて断線などの故障が引き起こされる。

【０００３】従って、層間絶縁膜の表面（すなわち、デ
バイスの表面）は可能な限り平坦化されていなければな
らない。このように、デバイスの表面を平坦化する技術
は、平坦化技術と呼ばれ、配線の微細化、多層化に伴っ
てますます重要になっている。

【０００４】平坦化技術において、よく用いられる層間
絶縁膜としてＳＯＧ膜があり、特に、層間絶縁膜材料の
フロー特性を利用した平坦化技術において盛んな検討が
なされている。

【０００５】ＳＯＧとは、シリコン化合物を有機溶剤に
溶解した溶液及びその溶液から形成される二酸化シリコ
ンを主成分とする膜の総称である。

【０００６】ＳＯＧ膜を形成するには、まず、シリコン
化合物を有機溶剤に溶解した溶液を基板上に滴下して基
板を回転させる。すると、その溶液の被膜は、配線によ
って形成される基板上の段差に対して、その凹部には厚
く、凸部には薄く、段差を緩和するように形成される。
その結果、その溶液の被膜の表面は平坦化される。

【０００７】次に熱処理が施されると、有機溶剤が蒸発
すると共に重合反応が進行して、表面が平坦なＳＯＧ膜
が形成される。

【０００８】ＳＯＧ膜には、一般式（１）で表されるよ
うに、シリコン化合物中に有機成分を含まない無機ＳＯ
Ｇ膜と、一般式（２）で表されるように、シリコン化合
物中に有機成分を含む有機ＳＯＧ膜とがある。

【０００９】［ＳｉＯ₂］_n ・・・（１）［Ｒ_XＳｉ_YＯ_Z］_n ・・・（２）（ｎ，Ｘ，Ｙ，Ｚ：整数、Ｒ：アルキル基又はアリール
基）

【００１０】無機ＳＯＧ膜は、水分及び水酸基を多量に
含んでいる上に、ＣＶＤ法によって形成されたシリコン
酸化膜に比べて、熱処理時にクラックが発生しやすいと
いう欠点がある。

【００１１】一方、有機ＳＯＧ膜は、分子構造上、アル
キル基又はアリール基で結合が閉じている部分があるた
め、熱処理時におけるクラックの発生が抑制され、膜厚
の大きな層間絶縁膜を得ることができる。従って、有機
ＳＯＧ膜を用いれば、基板上の大きな段差に対しても十
分な平坦化が可能になる。

【００１２】また、有機ＳＯＧ膜は、層間絶縁膜として
よく用いられるＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜に比べて比誘電率が低く、配線間容量が低
減されて信号遅延等の問題が生じにくいという利点もあ
る。

【００１３】ところが、有機ＳＯＧ膜を層間絶縁膜とし
て用いた場合、この有機ＳＯＧ膜にコンタクトホールを
形成する際のエッチングマスクとして、通常のフォトレ
ジスト材を用いることが困難であるという欠点がある。
すなわち、有機ＳＯＧ膜もフォトレジストも共に有機系
成分を含むため、エッチング終了後にフォトレジストを
剥離するためのアッシング処理（例えば、酸素プラズマ
アッシング処理）によって、有機ＳＯＧ膜が浸食された
り特性が劣化したりする。

【００１４】このような問題を解消する技術として、特
開平８−１７９２８号には、有機ＳＯＧ膜にコンタクト
ホールを形成するに当たって、有機ＳＯＧ膜の上にシリ
コン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜に対し、フォ
トレジストをマスクとして異方性エッチングを行い、有
機ＳＯＧ膜に到達しない凹部を形成し、その後、フォト
レジストを除去してから凹部を有するシリコン酸化膜を
マスクとして、有機ＳＯＧ膜を異方性ドライエッチング
することが記載されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来例にあっては、マ
スクとして用いたシリコン酸化膜を除去しないで、この
シリコン酸化膜と有機ＳＯＧ膜とで、層間絶縁膜を構成
している。その結果、比誘電率の低い有機ＳＯＧ膜を用
いているにもかかわらず、比誘電率が相対的に高いシリ
コン酸化膜によって層間絶縁膜全体としての比誘電率が
上昇し、上述した配線間容量の低減効果を満足に享受す
ることができない問題がある。

【００１６】本発明は、比誘電率の低い層間絶縁膜を得
て、特性の良好な半導体装置を提供することをその目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の局面によ
る半導体装置は、基板上に形成された第１絶縁膜と、こ
の第１絶縁膜に形成された第１開口部と、前記第１絶縁
膜の上に形成された前記第１開口部のエッチング用マス
クと、前記第１開口部内に設けられた第１導電層を備
え、前記エッチング用マスクは低誘電率膜からなること
をその要旨とする。

【００１８】このように、エッチング用マスクとして低
誘電率膜を用いることにより、このエッチング用マスク
を層間絶縁膜の一部として用いたときの層間絶縁膜全体
の比誘電率が低くなる。

【００１９】また、本発明の第２の局面による半導体装
置は、基板上に形成された第１絶縁膜と、この第１絶縁
膜に形成された第１開口部と、前記第１絶縁膜の上に形
成された前記第１開口部のエッチング用マスクと、前記
エッチング用マスクの上に形成された第３絶縁膜と、こ
の第３絶縁膜に形成され、前記第１開口部に連通し且つ
前記第１開口部の開口寸法よりも大きな開口寸法を有す
る第２開口部と、前記第１開口部及び第２開口部内に設
けられた第２導電層とを備え、前記エッチング用マスク
は低誘電率膜からなることをその要旨とする。

【００２０】すなわち、上記第１の局面による半導体装
置の作用に加え、第３絶縁膜を含めた層間絶縁膜全体の
比誘電率が低くなる。

【００２１】また、本発明の第１の局面による半導体装
置の製造方法は、基板上に第１絶縁膜を形成する第１工
程と、前記第１絶縁膜の上に低誘電率膜を形成する第２
工程と、前記第２絶縁膜をパターニングする第３工程
と、前記パターニングされた低誘電率膜をマスクとして
前記第１絶縁膜をエッチングする第４工程と、を含むこ
とをその要旨とする。

【００２２】このように、第１絶縁膜のエッチング用マ
スクとして低誘電率膜を用いることにより、この第１絶
縁膜とエッチング用マスクとで層間絶縁膜を構成したと
きの層間絶縁膜全体の比誘電率が低くなる。

【００２３】また、本発明の第２の局面による半導体装
置の製造方法は、基板上に第１絶縁膜を形成する第１工
程と、前記第１絶縁膜の上に低誘電率膜を形成する第２
工程と、前記低誘電率膜をパターニングする第３工程
と、前記第１絶縁膜及びパターニングされた低誘電率膜
の上に第３絶縁膜を形成する第５工程と、前記第３絶縁
膜の上に、前記パターニングされた低誘電率膜の開口部
の上方に位置し且つこの低誘電率膜の開口部よりも大き
な開口部を有するマスクパターンを形成する第６工程
と、前記マスクパターンをマスクとして、前記低誘電率
膜が露出するまで前記第３絶縁膜をエッチングして前記
第３絶縁膜に第２開口部を形成し、更に、前記パターニ
ングされた低誘電率膜をマスクとして前記第１絶縁膜を
エッチングして前記第１絶縁膜に第１開口部を形成する
第７工程と、前記第１及び第２開口部内に第２配線を設
ける第８工程と、を含むことをその要旨とする。

【００２４】すなわち、上記第２の局面による半導体装
置の製造方法の作用に加え、第３絶縁膜を含めた層間絶
縁膜全体の比誘電率が低くなる。

【００２５】ここで、上記第１及び第２の局面による半
導体装置並びに第１及び第２の局面による半導体装置の
製造方法においては、以下の構成であることが望まし
い。

【００２６】すなわち、（１）前記低誘電率膜は、不純物が導入された第２絶縁
膜からなり、この第２絶縁膜が、炭素を１重量％以上含
有するシリコン酸化物を含むことが望ましい。

【００２７】（２）前記第１絶縁膜が、低誘電率材料か
らなることにより、層間絶縁膜全体としての比誘電率は
更に低くなる。

【００２８】（３）前記第２配線が、前記基板上に形成
された導電層に接続された構成とすることにより、低誘
電率の層間絶縁膜を有する多層配線構造を得ることがで
きる。

【００２９】（４）前記第１絶縁膜及び低誘電率膜が、
有機系絶縁物を含むことが望ましい。このように、エッ
チング用マスク（低誘電率膜）と被エッチング膜（第１
絶縁膜）とが共に有機系絶縁物を含むことにより、両者
間の密着性が良くなる。

【００３０】また、この場合において、有機系絶縁物を
含む第１絶縁膜は耐熱性が低いが、前記低誘電率膜とし
て塗布膜を用いることにより、低誘電率膜を比較的低温
で形成することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明を具体
化した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。

【００３２】図１は本第１の実施形態における半導体装
置の断面図である。図１において、単結晶シリコン基板
１の上には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタ
ン（Ｔｉ）などの金属からなるライン状の導電層２が形
成されている。

【００３３】導電層２の上には有機ポリマー系塗布材料
である熱重合性炭化水素膜３が形成され、この炭化水素
膜３の上には改質ＳＯＧ膜マスク５が形成されている。
この改質ＳＯＧ膜マスク５は、炭化水素膜３に、導電層
２に通じるコンタクトホール（ビアホール）６を形成す
るためのエッチングマスクとして機能する。

【００３４】そして、コンタクトホール６内には、導電
層２と電気的に接続する導電プラグ９ａが形成され、改
質ＳＯＧ膜５上に上層金属配線９が形成されている。

【００３５】次に、本実施形態の半導体装置の製造方法
を図２に従って説明する。

【００３６】工程１（図２（ａ）参照）：（１００）ｐ
型（又はｎ型）単結晶シリコン基板１の上にスパッタ法
を用いて導電層２を形成する。尚、この導電層２をシリ
コン基板１の表面に形成したソース・ドレイン領域等の
不純物拡散層に置き換えても良い。

【００３７】次に、導電層２の上に、熱重合性炭化水素
膜３を形成する。熱重合性炭化水素膜３は主にＣ₆Ｈ₁₂
を含み、その膜厚は約１μｍである。

【００３８】熱重合性炭化水素膜３の形成方法は、ま
ず、前記組成のアルコール溶液をスピンコート法を用い
て塗布形成し、次に、Ｎ₂雰囲気中において、約４３０
℃の熱処理を施すと、アルコール系溶媒が蒸発すると共
に重合反応が進行して、表面が平坦な炭化水素膜３が形
成される。この炭化水素膜３は、比誘電率が２．６〜
２．８と非常に低いのが特徴である。尚、この炭化水素
膜３が本発明における「第１絶縁膜」に相当する。

【００３９】更に、炭化水素膜３の上に、有機ＳＯＧ膜
４を形成する。有機ＳＯＧ膜４の組成は［（ＣＨ₃）₂Ｓ
ｉ₄Ｏ₇］_nで、その膜厚は２００ｎｍである。

【００４０】有機ＳＯＧ膜４の形成方法は、まず、前記
組成のシリコン化合物のアルコール系溶液（例えば、Ｉ
ＰＡ＋アセトン）をスピンコート法を用いて塗布形成
し、次に、窒素雰囲気中において、約４３０℃で順次熱
処理を施すと、アルコール系溶媒が蒸発すると共に重合
反応が進行して、表面が平坦な有機ＳＯＧ膜４が形成さ
る。尚、有機ＳＯＧ膜４は、炭素を１重量％以上含有す
るシリコン酸化膜であり、本発明における「第２絶縁
膜」に相当する。

【００４１】工程２（図２（ｂ）参照）：有機ＳＯＧ膜
４に対し、アルゴンイオン（Ａｒ⁺）を加速エネルギ
ー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０¹⁵atoms／cm²の条
件でドープする。このように、有機ＳＯＧ膜４にアルゴ
ンイオンを導入することで、フルオロカーボンガスを使
用したドライエッチング条件のときに、炭化水素膜３に
比べてエッチング速度が非常に遅くなる。また、有機Ｓ
ＯＧ膜４は、イオンが注入されることによって、酸素プ
ラズマ耐性が高くなる。

【００４２】すなわち、有機ＳＯＧ膜４は、イオンが注
入されることによって、下地の炭化水素膜３に対するエ
ッチング選択性が高く且つ酸素プラズマ耐性が高いＳＯ
Ｇ膜（以下、改質ＳＯＧ膜という）５に変えられる。
尚、有機ＳＯＧ膜４の比誘電率が２．９であるのに対
し、改質ＳＯＧ膜５の比誘電率は３．５と、イオンを注
入することにより若干増加するが、例えばＣＶＤ法で形
成したシリコン酸化膜（比誘電率：４．０〜４．５）や
シリコン窒化膜（比誘電率：約７．０）に比べて非常に
低いことに変わりはない。この改質ＳＯＧ膜５が、本発
明における「低誘電率膜」に相当する。

【００４３】工程３（図２（ｃ）参照）：改質ＳＯＧ膜
５の上に、レジストパターン１０を形成する。

【００４４】工程４（図２（ｄ）（ｅ）参照）：レジス
トパターン８をマスクとして、ＲＩＥ法により、改質Ｓ
ＯＧ膜５をエッチングして開口部を形成することによ
り、改質ＳＯＧマスク５を形成した後、μ（マイクロ）
波ダウン・フロー処理（酸素プラズマアッシング処理）
を行い、レジストパターン１０を灰化させる（除去す
る）。尚、この改質ＳＯＧマスク５が、本発明における
「パターニングされた第２絶縁膜」に相当する。

【００４５】工程５（図２（ｆ）参照）：この改質ＳＯ
Ｇマスク５をマスクとして、酸素ガスに窒素ガスや塩素
ガスを混合したガスをエッチングガスとして用いる異方
性エッチングを行い、炭化水素膜３をエッチングする。
炭化水素膜３に、導電層２に通じるコンタクトホール６
が形成される。尚、コンタクトホール６が、本発明にお
ける「第１開口部」に相当する。

【００４６】工程６（図１参照）：不活性ガス（例えば
Ａｒ）を用いたスパッタエッチングによって、コンタク
トホール６内をクリーニングした後、コンタクトホール
６内を含む改質ＳＯＧ膜５の上に、マグネトロンスパッ
タ法やＣＶＤ法を用いて、密着層及びバリヤ層としての
ＴｉＮ膜を形成し、ブランケット−タングステンＣＶＤ
法を用いて、コンタクトホール６内を含みＴｉＮ膜上に
タングステン膜を形成する。

【００４７】この形成条件としては、温度：４５０℃、
圧力：１１９７０Ｐａ、使用ガス：６フッ化タングステ
ン（ＷＦ₆、流量７０ｓｃｃｍ）＋水素（Ｈ₂、流量４２
０ｓｃｃｍ）（ガス流量比：Ｈ₂／ＷＦ₆＝６）が適当で
あるが、温度は４２５℃〜４７５℃の範囲で、ガス流量
比：Ｈ₂／ＷＦ₆コは、５〜７０の範囲で適宜調整可能で
ある。

【００４８】そして、ＴｉＮ膜及び形成したタングステ
ン膜を改質ＳＯＧ膜５が露出するまで、異方性全面エッ
チバックし、タングステンが改質ＳＯＧ膜５とほぼ面一
になるように加工し、コンタクトホール６にタングステ
ンからなる導電プラグ９ａを形成する。尚、このエッチ
バック処理に代えて、ＣＭＰを用いてもよい。

【００４９】必要に応じて、不活性ガス（例えば，Ａ
ｒ）を用いたスパッタエッチングにより、導電プラグ９
ａ表面の酸化膜等を除去し、マグネトロンスパッタ法を
用いて、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ａｌ合金膜（Ａｌ−Ｓｉ
（１％）−Ｃｕ（０．５％）、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜を順次
形成する。そして、通常のリソグラフィ技術、ＲＩＥ等
のドライエッチング技術を用いて、これらの膜を所定の
形状にパターニングして上層金属配線９を形成する。な
お、導電プラグ９ａが本発明における「第１導体層」に
相当する。

【００５０】また、上層金属配線９は、上記以外に、
銅、金、銀、シリサイド、高融点金属、ドープドポリシ
リコン、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステンチタン
（ＴｉＷ）又はそれらの積層構造で形成することもでき
る。

【００５１】図３は、有機ＳＯＧ膜の表面層にアルゴン
イオンを注入することにより改質ＳＯＧ膜を形成した状
態（Ar impla.）で、酸素プラズマ処理した場合（Ar im
pla.+O2 plasma）の有機ＳＯＧ膜の赤外吸収スペクトル
をＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を示している。尚、同図
において、（No treatment）は、改質していない有機Ｓ
ＯＧ膜の測定結果を示している。

【００５２】酸素プラズマ処理した場合（Ar impla.+O2
plasma）において、改質ＳＯＧ膜の下の有機ＳＯＧ膜
の有機成分（Ｓｉ−ＣＨ₃）がその他の場合と変化して
いないことから、改質ＳＯＧ膜は、その下の有機ＳＯＧ
膜に対し酸素プラズマ処理の影響を遮断する酸素プラズ
マ耐性に優れた膜であることが分かる。尚、図９の実験
に用いた酸素プラズマ処理は、一般にμ波ダウン・フロ
ーと言われているレジストのアッシング処理のことであ
る。

【００５３】尚、上記図３に関する記述を含め、有機Ｓ
ＯＧ膜にアルゴン等のイオンを導入することで、酸素プ
ラズマ耐性を向上させることは、本出願人において公表
済みである（例えば、特開平９−３１２３３９号公報参
照）。

【００５４】以上、本第１の実施形態にあっては、以下
の通りの作用効果を奏する。

【００５５】（１）ＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜
等に比べて比誘電率が低い改質ＳＯＧ膜５を炭化水素膜
３のエッチング用マスクとして用い、それを層間絶縁膜
の一部として用いているので、層間絶縁膜全体としての
比誘電率の上昇を抑制することができる。その結果、配
線間容量が小さくなって、信号遅延等の問題が発生しに
くい。

【００５６】（３）改質ＳＯＧ膜５と共に層間絶縁膜を
構成する絶縁膜として、比誘電率の低い炭化水素膜３を
用いているので、層間絶縁膜全体の比誘電率を更に小さ
く抑えることができる。

【００５７】（５）炭化水素膜３のような有機系ポリマ
ー塗布材料は、比較的耐熱性が低いが、その上に形成す
る膜として、有機ＳＯＧ膜のように比較的低温（約４３
０℃）で形成することのできる塗布膜材料を用いている
ので、炭化水素膜３が高温で劣化したりする心配がな
い。

【００５８】（第２の実施形態）本発明を具体化した第
２の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、本第２の
実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、熱重
合型炭化水素膜３に代えてシリコン酸化膜３０を用い、
それ以外の構成は同一であるので、ここでは同一符号を
用いその詳細な説明を省略する。

【００５９】以下、本第２の実施形態の半導体装置の製
造方法を図４に従って説明する。

【００６０】工程１０（図４（ａ）参照）：単結晶シリ
コン基板１の上に導電層２を形成する。

【００６１】次に、導電層２の上に、シリコン酸化膜３
０を形成する。

【００６２】シリコン酸化膜３０は、プラズマＣＶＤ法
により形成する。反応ガスとしては、モノシランと亜酸
化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）、モノシランと酸素（ＳｉＨ
₄＋Ｏ₂）、ＴＥＯＳ（Tetra-ethoxy-silane）と酸素
（ＴＥＯＳ＋Ｏ₂）などを用い、成膜温度は３００〜９
００℃である。

【００６３】また、シリコン酸化膜３０は、プラズマＣ
ＶＤ法以外の方法（常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、ＴＥＯＳ−ＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法など）によって形成してもよい。例え
ば、常圧ＣＶＤ法で用いられるガスはモノシランと酸素
（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）であり、成膜温度は４００℃以下であ
る。また、減圧ＣＶＤ法で用いられるガスはモノシラン
と亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）であり、成膜温度は９
００℃以下である。尚、このシリコン酸化膜３０が本発
明における「第１絶縁膜」に相当する。

【００６４】更に、シリコン酸化膜３０の上に、有機Ｓ
ＯＧ膜４を形成する。

【００６５】工程１１（図４（ｂ）参照）：有機ＳＯＧ
膜４に対し、アルゴンイオンを導入して改質ＳＯＧ膜５
に変成させる。

【００６６】工程１２（図４（ｃ）参照）：改質ＳＯＧ
膜５の上に、レジストパターン１０を形成する。

【００６７】工程１３（図４（ｄ）（ｅ）参照）：レジ
ストパターン１０をマスクとして、ＲＩＥ法により、改
質ＳＯＧ膜５をエッチングして開口部を形成することに
より、改質ＳＯＧマスク５を形成した後、レジストパタ
ーン１０を除去する。

【００６８】工程１４（図４（ｆ）参照）：改質ＳＯＧ
５をマスクとして、フロロカーボン系のガスをエッチン
グガスとして用いる異方性エッチングを行い、シリコン
酸化膜３０に、導電層２に通じるコンタクトホール６が
形成される。

【００６９】工程１５（図４（ｆ）参照）：不活性ガス
（例えばＡｒ）を用いたスパッタエッチングによって、
コンタクトホール６内をクリーニングした後、上記した
同様の方法により、コンタクトホール６内にタングステ
ンからなる導電プラグ９ａを形成し、さらに、上層金属
配線９を形成する。

【００７０】（第３の実施形態）上記した第１および第
２の実施形態は、導電プラグを用いた多層配線構造に本
発明を適用したが、第３の実施形態は、デュアルダマシ
ン構造に本発明を適用したものである。デュアルダマシ
ン構造に本発明を適用した第３の実施形態を図面に基づ
いて説明する。

【００７１】図５は本第３の実施形態における半導体装
置の断面図である。図５において、単結晶シリコン基板
１の上には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタ
ン（Ｔｉ）などの金属からなるライン状の導電層２が形
成されている。

【００７２】導電層２の上には有機ポリマー系塗布材料
である熱重合性炭化水素膜３が形成され、この炭化水素
膜３の上には改質ＳＯＧ膜マスク５が形成されている。
この改質ＳＯＧ膜マスク５は、炭化水素膜３に、導電層
２に通じるコンタクトホール（ビアホール）６を形成す
るためのエッチングマスクとして機能する。

【００７３】更に、改質ＳＯＧマスク５の上に熱重合性
炭化水素膜７が形成され、この炭化水素膜７には、コン
タクトホール６に通じるトレンチ８が形成されている。

【００７４】そして、コンタクトホール６内及びトレン
チ８内には、導電層２と電気的に接続する上層金属配線
１１が形成されている。

【００７５】次に、本第３の実施形態の半導体装置の製
造方法を図５〜図６従って説明する。

【００７６】工程１（図６（ａ）参照）：（１００）ｐ
型（又はｎ型）単結晶シリコン基板１の上にスパッタ法
を用いて導電層２を形成する。尚、この導電層２をシリ
コン基板１の表面に形成したソース・ドレイン領域等の
不純物拡散層に置き換えても良い。

【００７７】次に、導電層２の上に、熱重合性炭化水素
膜３を形成する。熱重合性炭化水素膜３は主にＣ₆Ｈ₁₂
を含み、その膜厚は約１μｍである。

【００７８】熱重合性炭化水素膜３の形成方法は、ま
ず、前記組成のアルコール溶液をスピンコート法を用い
て塗布形成し、次に、Ｎ₂雰囲気中において、約４３０
℃の熱処理を施すと、アルコール系溶媒が蒸発すると共
に重合反応が進行して、表面が平坦な炭化水素膜３が形
成される。この炭化水素膜３は、比誘電率が２．６〜
２．８と非常に低いのが特徴である。尚、この炭化水素
膜３が本発明における「第１絶縁膜」に相当する。

【００７９】更に、炭化水素膜３の上に、有機ＳＯＧ膜
４を形成する。有機ＳＯＧ膜４の組成は［（ＣＨ₃）₂Ｓ
ｉ₄Ｏ₇］_nで、その膜厚は２００ｎｍである。

【００８０】有機ＳＯＧ膜４の形成方法は、まず、前記
組成のシリコン化合物のアルコール系溶液（例えば、Ｉ
ＰＡ＋アセトン）をスピンコート法を用いて塗布形成
し、次に、窒素雰囲気中において、約４３０℃で順次熱
処理を施すと、アルコール系溶媒が蒸発すると共に重合
反応が進行して、表面が平坦な有機ＳＯＧ膜４が形成さ
る。尚、有機ＳＯＧ膜４は、炭素を１重量％以上含有す
るシリコン酸化膜であり、本発明における「第２絶縁
膜」に相当する。

【００８１】工程２（図６（ｂ）参照）：有機ＳＯＧ膜
４に対し、アルゴンイオン（Ａｒ⁺）を加速エネルギ
ー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０¹⁵atoms／cm²の条
件でドープする。このように、有機ＳＯＧ膜４にアルゴ
ンイオンを導入することで、フルオロカーボンガスを使
用したドライエッチング条件のときに、炭化水素膜３に
比べてエッチング速度が非常に遅くなる。また、有機Ｓ
ＯＧ膜４は、イオンが注入されることによって、酸素プ
ラズマ耐性が高くなる。

【００８２】すなわち、有機ＳＯＧ膜４は、イオンが注
入されることによって、下地の炭化水素膜３に対するエ
ッチング選択性が高く且つ酸素プラズマ耐性が高いＳＯ
Ｇ膜（以下、改質ＳＯＧ膜という）５に変えられる。
尚、有機ＳＯＧ膜４の比誘電率が２．９であるのに対
し、改質ＳＯＧ膜５の比誘電率は３．５と、イオンを注
入することにより若干増加するが、例えばＣＶＤ法で形
成したシリコン酸化膜（比誘電率：４．０〜４．５）や
シリコン窒化膜（比誘電率：約７．０）に比べて非常に
低いことに変わりはない。この改質ＳＯＧ膜５が、本発
明における「低誘電率膜」に相当する。

【００８３】工程３（図６（ｃ）参照）：改質ＳＯＧ膜
５の上に、レジストパターン１０を形成する。

【００８４】工程４（図６（ｄ）参照）：レジストパタ
ーン１０をマスクとして、ＲＩＥ法により、改質ＳＯＧ
膜５をエッチングすることにより、改質ＳＯＧマスク５
を形成した後、μ（マイクロ）波ダウン・フロー処理
（酸素プラズマアッシング処理）を行い、レジストパタ
ーン１０を灰化させる（除去する）。尚、この改質ＳＯ
Ｇマスク５が、本発明における「パターニングされた第
２絶縁膜」に相当する。

【００８５】工程５（図７（ｅ）参照）：改質ＳＯＧマ
スク５及び炭化水素膜３の上に、膜厚６００ｎｍの熱重
合性炭化水素膜７を形成する。この炭化水素膜７の形成
方法は、炭化水素膜３と同様である。尚、この炭化水素
膜７は、本発明における「第３絶縁膜」に相当する。

【００８６】工程６（図７（ｆ）参照）：炭化水素膜７
の上に、レジストパターン１１を形成する。このレジス
トパターン１１の開口部は、改質ＳＯＧマスク５の開口
部を含み、その面積も、改質ＳＯＧマスク５のそれより
も大きい。尚、このレジストパターン１１が、本発明に
おける「マスクパターン」に相当する。

【００８７】工程７（図７（ｇ）参照）：レジストパタ
ーン１１をマスクとして、酸素ガスに窒素ガスや塩素ガ
スを混合したガスをエッチングガスとして用いる異方性
エッチングを行い、炭化水素膜７及び炭化水素膜３をエ
ッチングする。この場合、まずレジストパターン１１を
マスクとして炭化水素膜７がエッチングされ、改質ＳＯ
Ｇマスク５に到達した時点で炭化水素膜７のエッチング
が終了し、まず、炭化水素膜７にトレンチ８が形成され
る。続いて、改質ＳＯＧマスク５をマスクとして、炭化
水素膜３がエッチングされ、炭化水素膜３に、導電層２
に通じるコンタクトホール６が形成される。尚、コンタ
クトホール６が、本発明における「第１開口部」に相当
し、トレンチ８が本発明における「第２開口部」に相当
する。

【００８８】このように、改質ＳＯＧ膜５をエッチング
ストッパとして利用することにより、トレンチ８とコン
タクトホール６とを一度のエッチングで形成することが
できる。

【００８９】工程８（図５参照）：不活性ガス（例えば
Ａｒ）を用いたスパッタエッチングによって、トレンチ
８及びコンタクトホール６内をクリーニングした後、ト
レンチ８及びコンタクトホール６内を含む炭化水素膜７
の上に、マグネトロンスパッタ法やＣＶＤ法を用いて、
密着層及びバリヤ層としてのＴｉＮ膜を形成し、その上
に、ＣＶＤ法又はメッキ法を用いて、Ｃｕ膜を形成し、
更に、ＣＭＰ法を用いて、Ｃｕ膜の表面を研磨し、最終
的にトレンチ８及びコンタクトホール６内にＴｉＮとＣ
ｕからなる上層金属配線９を埋め込み形成する。尚、こ
の上層金属配線９が、本発明における「第１配線又は第
２配線」に相当する。

【００９０】以上、本第３の実施形態にあっては、以下
の通りの作用効果を奏する。

【００９１】（１）ＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜
等に比べて比誘電率が低い改質ＳＯＧ膜５を下層の炭化
水素膜３のエッチング用マスクとして用い、それを層間
絶縁膜の一部として用いているので、層間絶縁膜全体と
しての比誘電率の上昇を抑制することができる。その結
果、配線間容量が小さくなって、信号遅延等の問題が発
生しにくい。

【００９２】（２）ＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜
等に比べて比誘電率が低い改質ＳＯＧ膜５を上層の炭化
水素膜７のエッチングストッパとして利用し、それを層
間絶縁膜の一部として用いているので、層間絶縁膜全体
としての比誘電率の上昇を抑制することができる。その
結果、配線間容量が小さくなって、信号遅延等の問題が
発生しにくい。

【００９３】（３）改質ＳＯＧ膜５と共に層間絶縁膜を
構成する絶縁膜として、比誘電率の低い炭化水素膜３，
７を用いているので、層間絶縁膜全体の比誘電率を更に
小さく抑えることができる。

【００９４】（４）改質ＳＯＧ膜５と炭化水素膜３，７
とは共に本来有機系絶縁膜であるため、両者間の密着性
が良く、層間絶縁膜としての信頼性が高い。

【００９５】（５）炭化水素膜３のような有機系ポリマ
ー塗布材料は、比較的耐熱性が低いが、その上に形成す
る膜として、有機ＳＯＧ膜のように比較的低温（約４３
０℃）で形成することのできる塗布膜材料を用いている
ので、炭化水素膜３が高温で劣化したりする心配がな
い。

【００９６】（第４の実施形態）本発明を具体化した第
４の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、本第４の
実施形態が上記第３の実施形態と異なるところは、熱重
合型炭化水素膜３に代えてシリコン酸化膜３０を用い、
熱重合型炭化水素膜７に代えてシリコン酸化膜３１を用
いたことのみであり、それ以外の構成は同一であるの
で、ここでは同一符号を用いその詳細な説明を省略す
る。

【００９７】以下、本第３の実施形態の半導体装置の製
造方法を図８〜図９に従って説明する。

【００９８】工程１０（図８（ａ）参照）：単結晶シリ
コン基板１の上に導電層２を形成する。

【００９９】次に、導電層２の上に、シリコン酸化膜３
０を形成する。

【０１００】シリコン酸化膜２０は、プラズマＣＶＤ法
により形成する。反応ガスとしては、モノシランと亜酸
化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）、モノシランと酸素（ＳｉＨ
₄＋Ｏ₂）、ＴＥＯＳ（Tetra-ethoxy-silane）と酸素
（ＴＥＯＳ＋Ｏ₂）などを用い、成膜温度は３００〜９
００℃である。

【０１０１】また、シリコン酸化膜３０は、プラズマＣ
ＶＤ法以外の方法（常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、ＴＥＯＳ−ＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法など）によって形成してもよい。例え
ば、常圧ＣＶＤ法で用いられるガスはモノシランと酸素
（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）であり、成膜温度は４００℃以下であ
る。また、減圧ＣＶＤ法で用いられるガスはモノシラン
と亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）であり、成膜温度は９
００℃以下である。尚、このシリコン酸化膜２０が本発
明における「第１絶縁膜」に相当する。

【０１０２】更に、シリコン酸化膜３０の上に、有機Ｓ
ＯＧ膜４を形成する。

【０１０３】工程１１（図８（ｂ）参照）：有機ＳＯＧ
膜４に対し、アルゴンイオンを導入して改質ＳＯＧ膜５
に変成させる。

【０１０４】工程１２（図８（ｃ）参照）：改質ＳＯＧ
膜５の上に、レジストパターン１０を形成する。

【０１０５】工程１３（図８（ｄ）参照）：レジストパ
ターン１０をマスクとして、ＲＩＥ法により、改質ＳＯ
Ｇ膜５をエッチングすることにより、改質ＳＯＧマスク
５を形成した後、レジストパターン１０を除去する。

【０１０６】工程１４（図９（ｅ）参照）：改質ＳＯＧ
マスク５及びシリコン酸化膜２０の上に、膜厚６００ｎ
ｍのシリコン酸化膜３１を形成する。このシリコン酸化
膜３１の形成方法は、シリコン酸化膜３０と同様であ
る。尚、このシリコン酸化膜３１は、本発明における
「第３絶縁膜」に相当する。

【０１０７】工程１５（図９（ｆ）参照）：シリコン酸
化膜３１の上に、レジストパターン１２を形成する。

【０１０８】工程１６（図９（ｇ）参照）：レジストパ
ターン１２をマスクとして、フロロカーボン系のガスを
エッチングガスとして用いる異方性エッチングを行い、
シリコン酸化膜３０及びシリコン酸化膜３１をエッチン
グする。この場合、まずレジストパターン１２をマスク
としてシリコン酸化膜３１がエッチングされ、改質ＳＯ
Ｇマスク５に到達した時点でシリコン酸化膜３１のエッ
チングが終了し、まず、シリコン酸化膜３１にトレンチ
８が形成される。続いて、改質ＳＯＧマスク５をマスク
として、シリコン酸化膜３０がエッチングされ、シリコ
ン酸化膜３０に、導電層２に通じるコンタクトホール６
が形成される。

【０１０９】工程１７（図９（ｈ）参照）：不活性ガス
（例えばＡｒ）を用いたスパッタエッチングによって、
トレンチ８及びコンタクトホール６内をクリーニングし
た後、トレンチ８及びコンタクトホール６内に上層金属
配線１１を埋め込み形成する。

【０１１０】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、以下のように実施しても同様の作用効果を得
ることができる。

【０１１１】（１）第１の実施形態における熱重合性炭
化水素膜３、第３の実施形態における熱重合性炭化水素
膜３，７に代えて、以下に示すいずれかの材料膜を用い
る。以下のいずれの膜も比誘電率が３．０以下と低く、
熱重合性炭化水素膜３，７を用いた場合と同等の作用効
果を得ることができる。

【０１１２】（シロキサン系塗布材料）：ケージ型ＨＳ
Ｑ，ラダー型ＭＳＱ（有機ＳＯＧ），水素化アルキルＳ
Ｑ（有機ポリマー塗布材料）：ポリアリーレンエーテル，
パーフロロ炭化水素，ポリキノリン，フッ素化ポリイミ
ド（多孔質塗布材料）：キセロゲル，表面変性シリカコロ
イド（ＣＶＤポリマー）：フロロカーボン系ポリマー，芳香
族炭化水素系ポリマー（２）シリコン酸化膜３０に代えて、シリコン酸化膜、
シリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜を用いる。

【０１１３】（３）配線材料としてのＣｕに代えて、ア
ルミ、金、銀、シリサイド、高融点金属、ドープドポリ
シリコン、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステンチタン
（ＴｉＷ）又はそれらの積層構造で形成する。

【０１１４】（４）密着層及びバリヤ層としてのＴｉＮ
を、Ｔｉ，ＴａＮ，Ｔａ等との積層構造にする。又は、
ＴｉＮに代えて、Ｔｉ，ＴａＮ，Ｔａ等を用いる。

【０１１５】（５）上記各実施形態では、有機ＳＯＧ膜
に注入するイオンとしてアルゴンイオンを用いたが、結
果として有機ＳＯＧ膜を改質するものであればどのよう
なイオンを用いてもよい。

【０１１６】具体的には、アルゴンイオン、ホウ素イオ
ン、窒素イオンなどの質量の比較的小さいイオンが適し
ているが、これら以外にも以下に示すイオンも十分に効
果が期待できる。

【０１１７】アルゴン以外の不活性ガスイオン（ヘリウ
ムイオン、ネオンイオン、クリプトンイオン、キセノン
イオン、ラドンイオン）。不活性ガスは有機ＳＯＧ膜と
反応しないため、イオン注入によって悪影響が生じる恐
れが全くない。

【０１１８】ホウ素及び窒素以外のIII b,IV b,Ｖ b,VI
b,VII bの各族の元素単体イオン及びそれらの化合物イ
オン。特に、酸素、アルミ、イオウ、塩素、ガリウム、
ゲルマニウム、ヒ素、セレン、臭素、アンチモン、ヨウ
素、インジウム、スズ、テルル、鉛、ビスマスの元素単
体イオン及びそれらの化合物イオン。

【０１１９】IVa族,Ｖa族の元素単体イオン及びそれら
の化合物イオン。特に、チタン、バナジウム、ニオブ、
ハフニウム、タンタルの元素単体イオン及びそれらの化
合物イオン。

【０１２０】各イオンを複数種類組み合わせて用いる。
この場合、各イオンの相乗作用により更に優れた効果を
得ることができる。

【０１２１】（６）上記各実施形態では、有機ＳＯＧ膜
にイオンを注入しているが、イオンに限らず、原子、分
子、粒子であればよい（本発明ではこれらを総称して不
純物とする）。

【０１２２】（７）単結晶シリコン基板（半導体基板）
に代えて、導電性基板やガラス等の絶縁性基板を用い
る。すなわち、以上の実施形態にあっては、単結晶シリ
コン基板上に絶縁膜を形成する例を示しているが、例え
ばＬＣＤのように絶縁性基板の上に絶縁膜を形成するデ
バイスに対しても十分に適用が可能であり、このような
絶縁性基板上に絶縁膜を形成したものであっても本発明
における「半導体装置」の概念に属するものとする。

【０１２３】

【発明の効果】本発明にあっては、比誘電率の低い層間
絶縁膜を得て、特性の良好な半導体装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した第１の実施形態に係る半導
体装置の概略断面図である。

【図２】本発明を具体化した第１の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【図３】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。

【図４】本発明を具体化した第２の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【図５】本発明を具体化した第３の実施形態に係る半導
体装置の概略断面図である。

【図６】本発明を具体化した第３の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【図７】本発明を具体化した第３の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【図８】本発明を具体化した第４の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【図９】本発明を具体化した第４の実施形態に係る半導
体装置の製造過程を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板３，７熱重合性炭化水素膜４有機ＳＯＧ膜５改質ＳＯＧ膜６コンタクトホール８トレンチ９上層金属配線１１上層金属配線１０、１２レジストパターン２０、２１シリコン酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F004 AA04 DA04 DA23 DA25 DA26 DB23 EA03 EA06 EB01 EB03 5F033 HH09 HH11 HH18 HH33 JJ01 JJ19 JJ33 KK08 KK11 KK18 MM02 NN06 NN07 NN31 PP06 PP15 PP27 QQ08 QQ09 QQ10 QQ13 QQ23 QQ31 QQ37 QQ48 QQ60 QQ61 QQ92 RR04 RR21 RR25 SS02 SS04 SS15 SS22 TT03 TT04 WW09 XX23 XX27 5F058 AA10 AD01 AD07 AD09 AF04 AG01 AG04 AG06 AH02 AH05 BA20 BD04 BD06 BD19 BF46 BH01 BH12 BJ02 BJ05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された第１絶縁膜と、この
第１絶縁膜に形成された第１開口部と、前記第１絶縁膜
の上に形成された前記第１開口部のエッチング用マスク
と、前記第１開口部内に設けられた第１導電層とを備
え、前記エッチング用マスクは低誘電率膜からなること
を特徴とした半導体装置。
【請求項２】前記第1開口部はコンタクトホールであ
り、前記第１導電層は導電プラグであることを特徴とす
る請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】基板上に形成された第１絶縁膜と、この
第１絶縁膜に形成された第１開口部と、前記第１絶縁膜
の上に形成された前記第１開口部のエッチング用マスク
と、前記エッチング用マスクの上に形成された第３絶縁
膜と、この第３絶縁膜に形成され、前記第１開口部に連
通し且つ前記第１開口部の開口寸法よりも大きな開口寸
法を有する第２開口部と、前記第１開口部及び第２開口
部内に設けられた第２導電層とを備え、前記エッチング
用マスクは低誘電率膜からなることを特徴とした半導体
装置。
【請求項４】前記低誘電率膜が、炭素を１重量％以上
含有するシリコン酸化物を含む第２絶縁膜に、不純物が
導入されて構成されることを特徴とした請求項１ないし
３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】前記第１絶縁膜が、低誘電率膜からなる
ことを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の
半導体装置。
【請求項６】前記第２導電層は、前記基板上に形成さ
れた導電層に接続されていることを特徴とした請求項３
に記載の半導体装置。
【請求項７】前記第１絶縁膜及び低誘電率膜が、有機
系絶縁物を含むことを特徴とした請求項１ないし３のい
ずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】前記低誘電率膜が、塗布膜であることを
特徴とした請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】基板上に第１絶縁膜を形成する第１工程
と、前記第１絶縁膜の上に低誘電率膜を形成する第２工程
と、前記第２絶縁膜をパターニングする第３工程と、前記パターニングされた低誘電率膜をマスクとして前記
第１絶縁膜をエッチングする第４工程と、を含むことを
特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項１０】基板上に第１絶縁膜を形成する第１工
程と、前記第１絶縁膜の上に低誘電率膜を形成する第２工程
と、前記第２絶縁膜をパターニングする第３工程と、前記パターニングされた低誘電率膜をマスクとして前記
第１絶縁膜をエッチングして開口部を形成する第４工程
と、前記開口部内に第１導電層を設ける第４工程と、を含む
ことを特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項１１】基板上に第１絶縁膜を形成する第１工
程と、前記第１絶縁膜の上に低誘電率膜を形成する第２工程
と、前記低誘電率膜をパターニングする第３工程と、前記第１絶縁膜及びパターニングされた低誘電率膜の上
に第３絶縁膜を形成する第５工程と、前記第３絶縁膜の上に、前記パターニングされた低誘電
率膜の開口部の上方に位置し且つこの低誘電率膜の開口
部よりも大きな開口部を有するマスクパターンを形成す
る第６工程と、前記マスクパターンをマスクとして、前記低誘電率膜が
露出するまで前記第３絶縁膜をエッチングして前記第３
絶縁膜に第２開口部を形成し、更に、前記パターニング
された低誘電率膜をマスクとして前記第１絶縁膜をエッ
チングして前記第１絶縁膜に第１開口部を形成する第７
工程と、前記第１及び第２開口部内に第２導電層を設ける第８工
程と、を含むことを特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項１２】前記低誘電率膜は、炭素を１重量％以
上含有するシリコン酸化物を含む第２絶縁膜に、不純物
を導入することにより形成することを特徴とした請求項
９ないし１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１３】前記第１絶縁膜が、低誘電率材料から
なることを特徴とした請求項９ないし１１のいずれかに
記載の半導体装置。
【請求項１４】前記第２導電層は、前記基板上に形成
された導電層に接続されていることを特徴とした請求項
１１に記載の半導体装置。
【請求項１５】前記第１絶縁膜及び低誘電率膜が、有
機系絶縁物を含むことを特徴とした請求項９ないし１１
のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１６】前記低誘電率膜が、塗布膜であること
を特徴とした請求項１５に記載の半導体装置。