JP2003031580A

JP2003031580A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003031580A
Application number: JP2001218528A
Authority: JP
Inventors: Renpei Nakada; 錬平中田; Takashi Yoda; 孝依田; Hiroshi Ikegami; 浩池上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】性能および品質が劣化し難く、信頼性が損なわ
れ難い半導体装置を製造できる半導体装置の製造方法を
提供する。【解決手段】基板２上にワニス状のメチルポリシロキサ
ンを塗布し、加熱処理して第１層間絶縁膜３を形成す
る。絶縁膜３に第１層配線用溝７を形成する。溝７に第
１層TaN膜８および第１層Cu配線４を形成する。膜３お
よび配線４の表層部に、プラズマ状態のCH₄ガスを用い
て３０秒間プラズマ処理を施す。膜３の上に、SiH₄ガス
およびNH₃ガスを用いてプラズマＣＶＤ法により第１層S
iN膜５を形成する。膜５の上に、絶縁膜３と同質の絶縁
膜９を形成し、第２層配線用溝１０および層間接続配線
用孔１１を形成する。配線４上の酸化膜をウェット・エ
ッチングにより除去する。溝１０および孔１１に第２層
Cu配線１２、層間接続用Cu配線１３、第２層TaN膜１４
を形成し、半導体装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に層間絶縁膜およびこの層間絶縁膜に形
成された銅配線の表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体装置、例えば多層配線構造
の半導体装置においては、一般に、層間絶縁膜には、そ
の比誘電率κが4.1程度であるシリコン酸化膜が多く用
いられていた。それとともに、この多層配線構造に形成
される配線は、アルミニウム（Al）配線が殆どであっ
た。

【０００３】ところが、近年の半導体装置においては、
これが具備するデバイスの微細化、高性能化に伴って、
Al配線およびシリコン酸化膜の組み合わせよりも配線抵
抗値を低減できる、銅（Cu）配線およびシリコン酸化膜
の組み合わせを用いた多層配線構造の半導体装置の実用
化が進んでいる。さらには、配線抵抗値だけでなく配線
容量も低減できるように、Cu配線と有機シリコン酸化
膜、あるいはCu配線と有機膜とを組み合わせて用いる多
層配線構造の半導体装置の実用化も検討されつつある。
有機シリコン酸化膜および有機膜は、それらの比誘電率
κが3.0未満と、シリコン酸化膜と比較して十分に低
く、いわゆる低誘電率絶縁膜の材料として期待されてい
る。

【０００４】Cu配線は、Al配線と比較して酸化され易
い。酸化されたCuは、これに電位が印加されるとイオン
化して絶縁膜中に拡散し易い。これは配線抵抗値および
配線容量が増大する原因となる。また、Cu配線が形成さ
れた層間絶縁膜の表面上には、一般に、拡散防止膜と称
される層間絶縁膜とは別の絶縁膜が形成される。この拡
散防止膜としては、例えばSiN膜あるいはSiCH膜等がＣ
ＶＤ法によって形成される。ところが、酸化されたCu
は、それらSiN膜あるいはSiCH膜等の拡散防止膜との密
着性を良好な状態に保持され難い。

【０００５】このように、Cu配線は酸化され易く、酸化
されたCuは、半導体装置のような繊細な電子部品にとっ
て好ましくない性質を有している。一般には、プラズマ
状態のNH₃ガス、あるいは同じくプラズマ状態のH₂ガス
などを用いて、Cu配線の表面に所定のプラズマ処理（表
面処理、還元処理）を施すことにより、Cu配線の表面の
酸化を抑制する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、層間
絶縁膜の表面付近に形成されたCu配線には、プラズマ処
理が施される。

【０００７】ところが、層間絶縁膜として有機シリコン
酸化膜あるいは有機膜などの低誘電率絶縁膜を用いた場
合、前記プラズマ処理によって、Cu配線を囲んでいる有
機シリコン酸化膜あるいは有機膜の表層から、炭素
（C、カーボン）を始めとする有機成分が抜け出してし
まう。有機成分が抜け出した後の有機シリコン酸化膜あ
るいは有機膜の表層には、脆弱な層（変質層）が形成さ
れる。この変質層ができると、有機シリコン酸化膜ある
いは有機膜と、それらの表面上に形成されるSiN膜ある
いはSiCH膜等の拡散防止膜との密着性が損なわれる。す
ると、例えば、拡散防止膜を形成した後の各種熱処理工
程において、有機シリコン酸化膜あるいは有機膜から拡
散防止膜が剥離するなどの、好ましくない事態が生じ
る。

【０００８】また、変質層は水分を吸着し易い。一般
に、絶縁膜は、水分を吸収すると誘電率が上昇する。半
導体装置においては、誘電率が上昇した低誘電率絶縁膜
は、これを使用した価値が殆ど無いに等しい。また、変
質層が水分を吸着した状態の絶縁膜は、前記各種熱処理
工程において、変質層からガスを放出するので、拡散防
止膜の剥離を促進させてしまうおそれがある。

【０００９】さらに、拡散防止膜を塗布法により形成す
る場合、Cu配線の表面の還元処理と拡散防止膜形成とを
真空中で連続的に行うことが困難である。このため、Cu
配線の表面が再び酸化されて、Cu配線の表面上に酸化膜
が形成され易かった。Cu配線の表面上に酸化膜が形成さ
れると、Cu配線の表面抵抗値が上昇するので、その配線
抵抗値が上昇する。それとともに、配線容量も増大す
る。すると、導電性の高いCuを用いて配線を形成する意
味が殆ど無くなってしまう。

【００１０】このように、Cu配線および低誘電率絶縁膜
が劣化すると、強度が弱くなったり、あるいは配線抵抗
値や配線容量が増大したりするので、それらを用いて形
成された半導体装置の価値が無くなるおそれがある。

【００１１】本発明は、以上説明したような課題を解決
するためになされたものであり、その目的とするところ
は、性能および品質が劣化し難く、信頼性が損なわれ難
い半導体装置を製造できる半導体装置の製造方法を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、炭素を含む
第１の絶縁膜が設けられた半導体基板上に銅配線を形成
する工程と、前記銅配線、および少なくとも前記銅配線
の周囲の前記第１の絶縁膜に対し、炭素および水素を含
みプラズマ状態に設定されたガスを用いて、所定のプラ
ズマ処理を施す工程と、このプラズマ処理が施された後
の前記銅配線および前記第１の絶縁膜の上に第２の絶縁
膜を形成する工程と、を含むことを特徴とするものであ
る。

【００１３】この半導体装置の製造方法においては、銅
配線が形成された、炭素を含む第１の絶縁膜の上に第２
の絶縁膜を形成する前に、銅配線、および少なくとも銅
配線の周囲の第１の絶縁膜に対して、炭素および水素を
含み、プラズマ状態に設定されたガスを用いて、所定の
プラズマ処理を施す。これにより、第１の絶縁膜および
銅配線のそれぞれの表面付近（表層部）に炭素を添加し
て、炭素をはじめとする有機成分が第１の絶縁膜から抜
け出すのを抑制できるとともに、銅配線の表面を還元し
たり、あるいは銅配線の耐水性を向上させたりできる。
したがって、第１の絶縁膜に脆弱な変質層が形成される
のを抑制できるとともに、銅配線の表面に酸化膜が形成
されたり、あるいは銅配線が水分により腐食されたりし
て表面抵抗値が増加するのを抑制できる。すなわち、第
１の絶縁膜および銅配線の劣化を抑制できる。

【００１４】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
を実施するにあたり、その工程の一部を、以下に述べる
ような設定としても構わない。

【００１５】前記第１の絶縁膜を、有機シリコン酸化膜
によって形成する。

【００１６】前記有機シリコン酸化膜を、メチルポリシ
ロキサンによって形成する。

【００１７】前記第１の絶縁膜を、有機膜によって形成
する。

【００１８】前記第２の絶縁膜を、有機膜によって形成
する。

【００１９】前記有機膜を、ポリアリーレンによって形
成する。

【００２０】前記第２の絶縁膜を、塗布法により成膜す
る。

【００２１】前記第２の絶縁膜を、窒素雰囲気下で成膜
する。

【００２２】前記銅配線、前記第１の絶縁膜、および前
記第２の絶縁膜からなる層構造を、２層以上に積層して
設ける。

【００２３】本発明に係る半導体装置の製造方法を実施
するにあたり、その工程の一部を、以上述べたような各
種設定とすることにより、所望する半導体装置の性能な
どに応じて、第１の絶縁膜や第２の絶縁膜を、適正な材
料を用いて、適正な成膜環境で形成できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１および第２の
実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図１（ａ）
〜（ｇ）および図２（ａ）〜（ｃ）に基づいて、各実施
形態ごとに説明する。

【００２５】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図１
（ａ）〜（ｇ）に基づいて説明する。

【００２６】本発明の第１の実施の形態について、図面
を参照しつつ詳細に説明する。

【００２７】この第１実施形態の半導体装置の製造方法
は、炭素を含む第１の絶縁膜３が設けられた半導体基板
２上に銅配線４を形成する工程と、銅配線４、および少
なくとも銅配線４の周囲の第１の絶縁膜３に対し、炭素
および水素を含みプラズマ状態に設定されたガスを用い
て、所定のプラズマ処理を施す工程と、このプラズマ処
理が施された後の銅配線４および第１の絶縁膜３の上に
第２の絶縁膜５を形成する工程と、を含むことを前提と
するものである。

【００２８】また、この第１実施形態の半導体装置の製
造方法においては、次に述べる特徴を備えるものとす
る。

【００２９】第１の絶縁膜３を、有機シリコン酸化膜と
なるメチルポリシロキサンによって形成する。プラズマ
処理に用いるガスを、メタンガスとする。第２の絶縁膜
５を、けい素を含んでいる材料によって形成する。

【００３０】まず、図１（ａ）に示すように、半導体基
板２上に第１の絶縁膜（第１層間絶縁膜）としての第１
層有機シリコン酸化膜３を形成する。以下に、この第１
層有機シリコン酸化膜３の形成方法を簡潔に説明する。

【００３１】まず、第１層有機シリコン酸化膜３の主成
分となるメチルポリシロキサンを所定の溶剤（溶媒）に
溶かし、ワニス状にする。このワニス状のメチルポリシ
ロキサンを、図示しないコータを用いて塗布法の一種で
あるスピン・コート法により半導体基板２上に塗布す
る。続けて、このワニス状のメチルポリシロキサンに、
半導体基板とともに８０℃で約１分間、２００℃で約１
分間、さらに４２０℃で約３０分間、順次加熱処理を施
す。これにより、ワニス状のメチルポリシロキサンから
溶剤などを揮発（蒸発）させて、メチルポリシロキサン
を半導体基板２上に固着させて成膜する。

【００３２】本発明者らが行った実験によれば、ワニス
状のメチルポリシロキサンに対して、前述した３回の段
階的な加熱処理を施すことにより、ワニス中の溶媒等、
成膜に必要なポリメチルシロキサン以外の成分をむらな
く揮発させる（飛ばす）ことができることが明らかにさ
れている。これにより、第１層有機シリコン酸化膜３を
適正な状態で成膜できる。

【００３３】また、この加熱処理を施す際、ワニス状の
メチルポリシロキサンは、これが塗布された半導体基板
２とともに、窒素（N₂）ガスの雰囲気下に配置される。
これにより、ワニス状のメチルポリシロキサンは、これ
に加熱処理が施される際に、大気中の他の成分と結合す
ることを抑制される。したがって、第１層有機シリコン
酸化膜３はメチルポリシロキサンを主骨格とする適正な
状態で成膜される。すなわち、本実施形態の第１層有機
シリコン酸化膜３は、第１層メチルポリシロキサン膜３
と称することができる。

【００３４】メチルポリシロキサンから形成された絶縁
膜３は、その比誘電率κが3.0未満である。これは、半
導体業界において、一般に低誘電率絶縁膜と称される絶
縁膜の物性的なおおよその目安を満たしている。すなわ
ち、メチルポリシロキサンから形成された、第１層間絶
縁膜としての第１層有機シリコン酸化膜、すなわち第１
層メチルポリシロキサン膜３は、低誘電率絶縁膜として
形成されている。

【００３５】次に、第１層メチルポリシロキサン膜３の
上に図示しない反射防止膜（ＡＲＬ）およびフォト・レ
ジストを塗布して現像し、続けてＲＩＥによって第１層
目の配線用の溝７を形成するための加工を行う。続け
て、酸素を用いたO₂−ＲＩＥによって反射防止膜（ＡＲ
Ｌ）およびフォト・レジストを除去して、第１層メチル
ポリシロキサン膜３に、図１（ｂ）に示すように、第１
層配線用溝７を形成する。

【００３６】次に、第１層配線用溝７にスパッタ処理お
よびめっき処理を施してバリア・メタルとしてのTaN、
および配線用金属としてのCuを埋め込む。その後、ＣＭ
Ｐ法により第１層配線用溝７の外部に形成された図示し
ない余分なTaNおよびCuを除去する。これにより、図１
（ｃ）に示すように、TaN膜（バリア・メタル膜、バリ
ア金属膜）８および第１層目のCu配線４を形成する。

【００３７】次に、第１層Cu配線４および第１層TaN膜
８が形成された第１層メチルポリシロキサン膜３の表面
に、プラズマ状態のCH₄ガスを用いて３０秒間プラズマ
処理を施す。

【００３８】その後、プラズマ状態のSiH₄ガスおよびNH
₃ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を連続して行う。これ
により、図１（ｄ）に示すように、１層目の第２絶縁膜
である第１層拡散防止膜としての第１層SiN膜５を、第
１層Cu配線４および第１層TaN膜８が形成された第１層
メチルポリシロキサン膜３の表面上に形成する。

【００３９】さらに、第１層間絶縁膜としての第１層メ
チルポリシロキサン膜３を形成したのと同様の形成方法
により、図１（ｅ）に示すように、第１層SiN膜５の上
に、新たに別の第１絶縁膜（第２層間絶縁膜）としての
第２層有機シリコン酸化膜９を形成する。この第２層有
機シリコン酸化膜９もメチルポリシロキサンから形成さ
れており、第２層メチルポリシロキサン膜９と称するこ
とができる。また、この第２層メチルポリシロキサン膜
９も低誘電率絶縁膜であるのはもちろんである。

【００４０】この第２層メチルポリシロキサン膜９に
も、図１（ｆ）に示すように、第２層目のCu配線１２が
設けられる第２層目の配線用溝１０を形成する。この第
２層配線用溝１０は、第１層配線用溝７を形成したのと
同様の方法により形成される。それとともに、同じく図
１（ｆ）に示すように、第２層メチルポリシロキサン膜
９および第１層SiN膜５に、それらを積層方向に沿って
貫通するように、層間接続配線用孔１１を形成する。こ
の層間接続配線用孔１１も、第１層配線用溝７を形成し
たのと同様の方法により形成される。この層間接続配線
用孔１１には、第２層Cu配線１２と第１層Cu配線４と
を、積層方向に沿って電気的に接続するための、銅の層
間接続用配線（層間接続用Cu配線）１３が設けられる。

【００４１】第２層配線用溝１０および層間接続配線用
孔１１を形成するエッチング工程を行った際に、層間接
続配線用孔１１の下方に位置している第１層Cu配線４の
表面には、図示しない酸化膜が形成されることがある。
この酸化膜を所定のウェット処理液を用いてウェット・
エッチングすることにより除去する。

【００４２】その後、第１層TaN膜８および第１層Cu配
線４を形成した場合と同様に、図１（ｇ）に示すよう
に、第２層配線用溝１０および層間接続配線用孔１１に
スパッタ処理およびめっき処理を施して、TaNおよびCu
を埋め込む。続けて、ＣＭＰ法を施して、第２層Cu配線
１２、層間接続用Cu配線１３、および第２層TaN膜１４
を形成する。

【００４３】以後、設計段階において予め決められてい
る積層数分、前記各工程を繰り返して行うことにより、
Cu配線が形成されたメチルポリシロキサン膜およびSiN
膜からなる層構造６を、所望する積層数分だけ設ける。
この際、メチルポリシロキサン膜に銅の埋め込み配線を
形成した後、拡散防止膜としてのSiN膜を形成する前
に、CH₄プラズマガスを用いてメチルポリシロキサン膜
およびCu配線の表面にプラズマ処理を施す。これによ
り、所望する積層構造の半導体装置１を得ることができ
る。

【００４４】以上説明した、この第１実施形態の半導体
装置の製造方法においては、第１層Cu配線４が形成され
た第１層メチルポリシロキサン膜３に対して、その上に
第１層SiN膜５を形成するのに先立って、NH₃プラズマガ
スではなく、CH₄プラズマガスを用いてプラズマ処理
（表面処理）を施す。これにより、第１層Cu配線４の表
面付近を還元処理するとともに、炭素を添加（注入）す
る。それとともに、第１層メチルポリシロキサン膜３の
表面および内部、すなわち表層部にも炭素を添加（注
入）する。

【００４５】これにより、第１層メチルポリシロキサン
膜３の表層部からの、炭素（カーボン）をはじめとする
有機成分の抜け出し（カーボン抜け）を抑制できる。し
たがって、第１層メチルポリシロキサン膜３の表層部か
らのカーボン抜け、および酸化によって、第１層メチル
ポリシロキサン膜３の表層部に、図示しない脆弱な変質
層が形成されることを抑制できる。これにより、第１層
メチルポリシロキサン膜３と第１層SiN膜５との密着性
を向上できる。ひいては、その後の各種熱処理工程にお
いて、第１層メチルポリシロキサン膜３と第１層SiN膜
５とが剥離するおそれを抑制できる。また、変質層が水
分を吸着することに起因する第１層メチルポリシロキサ
ン膜３の誘電率の上昇や、あるいは水分を含んだ変質層
が熱処理工程においてガスを放出して第１層メチルポリ
シロキサン膜３と第１層SiN膜５との剥離が促進された
りするおそれも抑制できる。すなわち、第１層メチルポ
リシロキサン膜３および第１層SiN膜５を主な構造体と
して形成される半導体装置１は、その強度が損なわれ難
い。

【００４６】特に、本実施形態においては、第１層間絶
縁膜３をメチルポリシロキサンなどの誘電率の低い材料
によって低誘電率絶縁膜として形成している。前述した
ように、第１層間絶縁膜３に変質層が形成されると、第
１層間絶縁膜３の誘電率が上昇する。すると、第１層間
絶縁膜３を低誘電率絶縁膜によって形成する利点が損な
われるおそれがある。ところが、本実施形態の第１層間
絶縁膜である第１層メチルポリシロキサン膜３は、前述
したように変質層が形成され難いので、低誘電率絶縁膜
の利点が損なわれるおそれが殆どない。

【００４７】また、本実施形態の半導体装置の製造方法
によれば、第１層Cu配線４の表面に付着した酸化物を還
元処理して、第１層Cu配線４の表面に付着した酸化膜を
除去できる。すなわち、第１層Cu配線４の表面は酸化さ
れ難い。これにより、第１層Cu配線４に電位を印加した
際に、Cuがイオン化して第１層メチルポリシロキサン膜
３中に拡散するおそれを抑制できる。したがって、低配
線抵抗値および低配線容量が長所である、Cuによって形
成された本実施形態のCu配線の利点が損なわれるおそれ
は殆どない。

【００４８】また、第１層Cu配線４の表面上の酸化物を
還元（酸化膜を除去）する際に、第１層Cu配線４の表面
を炭素成分が添加された、酸化され難い状態に変質させ
ることができる。これにより、第１層拡散防止膜として
の第１層SiN膜５を形成する前に、第１層Cu配線４が形
成された状態の第１層メチルポリシロキサン膜３および
半導体基板２を、大気中に晒しても、それらの品質が劣
化するおそれが殆どない。これにより、第１層Cu配線４
の表面の還元処理、および第１層SiN膜５の形成作業
を、真空中で連続して行う必要がなくなる。

【００４９】それとともに、第１層Cu配線４の表面上に
酸化膜が形成されることに起因する第１層Cu配線４の導
電率の低下（表面抵抗値の増大）を抑制できる。ひいて
は、第１層Cu配線４の配線抵抗値および配線容量を低減
できる。したがって、本実施形態の半導体装置の製造方
法により製造された半導体装置１は、その性能、品質お
よび信頼性が向上されている。また、このような半導体
装置１は、一般に長寿命である。

【００５０】さらに、炭素成分が添加された第１層Cu配
線４の表面は、ウェット・エッチング処理に用いられる
ウェット処理液などに対する耐水性も向上されており、
腐食され難い。

【００５１】以上説明したように、本実施形態の半導体
装置の製造方法により製造された半導体装置１は、その
取り扱いが容易になるので、製造工程における品質管理
に掛かる労力や設備費などを抑制したり、あるいは製造
工程の一部を簡略化したりできる。

【００５２】したがって、この第１実施形態の半導体装
置の製造方法によれば、Cu配線４および低誘電率絶縁膜
３を具備する半導体装置１の性能、品質、および信頼性
を向上できる。それとともに、そのような半導体装置１
を低コストで容易に製造でき、さらには生産効率も向上
できる。このような効果は、Cu配線４，１２，１３およ
び低誘電率絶縁膜３、９が多層にわたって設けられてお
り、デバイスのさらなる微細化および多層化、ならびに
省電力化が進むことが予想される、多層配線構造の次世
代の半導体装置においてより有効である。

【００５３】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図２
（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。

【００５４】この第２実施形態の半導体装置の製造方法
は、第２の絶縁膜である第１層拡散防止膜２２の形成方
法および形成材料が、前述した第１実施形態の第２絶縁
膜である第１層拡散防止膜としての第１層SiN膜５の形
成方法および形成材料と異なっているだけで、その他の
構成、作用、および効果は同様である。よって、主にそ
の異なっている部分について説明するとともに、前述し
た第１実施形態と同一の構成部分については同一符号を
付してその説明を簡略化する。

【００５５】この第２実施形態の半導体装置の製造方法
は、前述した第１実施形態の半導体装置の製造方法と前
提を同じくするとともに、次に述べる特徴を備えるもの
とする。

【００５６】第２の絶縁膜２２を、炭素および水素を含
んでいる材料、特に、有機膜となるポリアリーレンによ
って形成する。第２の絶縁膜２２を、塗布法により成膜
する。第２の絶縁膜２２を、窒素雰囲気下で成膜する。

【００５７】まず、図２（ａ）に示すように、前述した
第１実施形態と同様の方法により、半導体基板２の上に
第１層間絶縁膜としての第１層有機シリコン酸化膜３、
すなわち第１層メチルポリシロキサン膜３を設ける。続
けて、この第１層メチルポリシロキサン膜３に第１層Ta
N膜８および第１層Cu配線４を形成する。

【００５８】次に、第１層TaN膜８および第１層Cu配線
４が形成された第１層メチルポリシロキサン膜３の表面
に、プラズマ状態のCH₄ガスを用いて３０秒間プラズマ
処理を施す。

【００５９】その後、図２（ｂ）に示すように、第１層
Cu配線４および第１層TaN膜８が形成された第１層メチ
ルポリシロキサン膜３の表面上に、第２絶縁膜である第
１層拡散防止膜としての第１層有機膜２２を形成する。
以下に、この第１層有機膜２２の形成方法を具体的かつ
詳細に説明する。

【００６０】まず、第１層有機膜２２の主成分となるポ
リアリーレンを所定の溶剤（溶媒）に溶かし、ワニス状
にする。このワニス状のポリアリーレンを、図示しない
コータを用いて第１層メチルポリシロキサン膜３の表面
上にスピン・コート法により塗布する。続けて、このワ
ニス状のポリアリーレンに、半導体基板２および第１層
メチルポリシロキサン膜３とともに約８０℃で約１分
間、約２００℃で約１分間、さらに約４００℃で約３０
分間、順次加熱処理を施す。これにより、ワニス状のポ
リアリーレンから溶剤などを揮発させ（飛ばし）、ポリ
アリーレンを第１層メチルポリシロキサン膜３上に固着
させて成膜する。すなわち、第１層有機膜としての第１
層ポリアリーレン膜２２が、同じく有機系の膜である第
１層有機シリコン酸化膜３の表面上に形成される。

【００６１】この加熱処理を施す際、ワニス状のポリア
リーレンは、これが塗布された第１層メチルポリシロキ
サン膜３および半導体基板２とともに、窒素（N₂）ガス
の雰囲気下に配置される。これにより、ワニス状のポリ
アリーレンは、これに加熱処理が施される際に、大気中
の他の成分と結合することを抑制される。したがって、
第１層拡散防止膜としての第１層有機膜２２は、ポリア
リーレンを主骨格とする適正な状態で成膜される。すな
わち、本実施形態の第１層拡散防止膜２２は、第１層ポ
リアリーレン膜２２と称することができる。

【００６２】次に、図２（ｃ）に示すように、第２層間
絶縁膜としての第２層有機シリコン酸化膜９を、第１層
ポリアリーレン膜２２の上に形成する。この第２層有機
シリコン酸化膜９もメチルポリシロキサンから形成され
ており、第２層メチルポリシロキサン膜９と称すること
ができる。また、この第２層メチルポリシロキサン膜９
も低誘電率絶縁膜であるのはもちろんである。続けて、
この第２層メチルポリシロキサン膜９に図示しない第２
層配線用溝を形成するとともに、第２層メチルポリシロ
キサン膜９および第１層ポリアリーレン膜２２に同じく
図示しない層間接続配線用孔を形成する。これら第２層
メチルポリシロキサン膜９、第２層配線用溝、および層
間接続配線用孔は、すべて前述した第１実施形態と同様
の方法により形成される。

【００６３】続けて、第２層配線用溝および層間接続配
線用孔を形成するエッチング工程を行った際に、層間接
続配線用孔の下方に位置している第１層Cu配線４の表面
上に形成された酸化膜を、所定のウェット処理液を用い
てウェット・エッチングすることにより除去する。

【００６４】その後、第２層配線用溝および層間接続配
線用孔にスパッタ処理およびめっき処理を施してTaNお
よびCuを埋め込む。続けて、ＣＭＰ法を施して、第２層
Cu配線１２、層間接続用Cu配線１３、および第２層TaN
膜１４を形成する。これら第２層Cu配線１２、層間接続
用Cu配線１３、および第２層TaN膜１４は、すべて前述
した第１実施形態と同様の方法により形成される。

【００６５】以後、設計段階において予め決められてい
る積層数分、前記各工程を繰り返して行うことにより、
Cu配線が形成されたメチルポリシロキサン膜およびポリ
アリーレン膜からなる層構造２３を、所望する積層数分
だけ設ける。この際、メチルポリシロキサン膜に銅の埋
め込み配線を形成した後、拡散防止膜としてのポリアリ
ーレン膜を形成する前に、CH₄プラズマガスを用いてメ
チルポリシロキサン膜およびCu配線の表面にプラズマ処
理を施す。これにより、所望する積層構造の半導体装置
２１を得ることができる。

【００６６】この第２実施形態の半導体装置の製造方法
は、以上説明した点以外は、第１実施形態の半導体装置
の製造方法と同じであり、本発明が解決しようとする課
題を解決できるのはもちろんである。その上で、前述し
たように、第２絶縁膜である第１層拡散防止膜２２を、
ポリアリーレンを材料として塗布法により設けたこの第
２実施形態の半導体装置の製造方法は、以下の点で優れ
ている。

【００６７】一般に、第１層Cu配線４の表面上に第１層
ポリアリーレン膜（第１層有機膜）２２を直接塗布した
場合、塗布後の熱処理によって、ポリアリーレン膜２２
の内部において、その構成成分であるポリアリーレン分
子同士の間の重合反応（脱水重合）が進む。すると、反
応副生成物として生じるH₂Oにより、第１層Cu配線４が
酸化されるおそれがある。ところが、本実施形態の半導
体装置の製造方法によれば、第１層Cu配線４の表面付近
にも炭素を添加できる。

【００６８】本発明者らが行った実験によれば、CH₄ガ
スを用いてプラズマ処理を施した第１層Cu配線４の表面
付近を分析した結果、炭素の濃度（含有量）は原子パー
セントで単位面積当たり約３８（atm%）であった。ま
た、それらの炭素は、殆どが単独の炭素原子（C）、も
しくは水素原子と結合（C-H）した状態で第１層Cu配線
４内に存在していた。

【００６９】このため、加熱による脱水重合でポリアリ
ーレン分子間の架橋反応が進むことがあるポリアリーレ
ン膜２２を第１層Cu配線４の上に直接塗布して形成して
も、第１層Cu配線４の表面付近の酸化を抑制できる。し
たがって、第１層Cu配線４の配線抵抗値（表面抵抗値）
は上昇し難い。

【００７０】また、第１層有機シリコン酸化膜である第
１層メチルポリシロキサン膜３からの炭素抜けが抑制さ
れるため、第１層メチルポリシロキサン膜３と、その上
に形成された第１層拡散防止膜である第１層ポリアリー
レン膜２２との密着性が適正な状態に保持され易い。特
に、この第２実施形態においては、第１層拡散防止膜２
２は、第１層メチルポリシロキサン膜３と同じ有機系の
材料であるポリアリーレンによって形成されているの
で、それらの間の密着性はより向上されている。

【００７１】このように、本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、前述した第１実施形態と同様に、第１
層Cu配線４の表面の還元処理、および第１層拡散防止膜
２２の形成作業を真空中で連続して処理行う必要がな
い。それとともに、第１層拡散防止膜としての第１層ポ
リアリーレン膜２２を、ＣＶＤ法に比べて設備費や処理
時間を抑制できる塗布法によって、第１層Cu配線４の上
に直接塗布して形成することができる。したがって、性
能および品質が劣化し難く、信頼性が損なわれ難い半導
体装置２１をより低コスト、かつより容易に製造でき
る。さらには、その生産効率もより向上できる。

【００７２】以上説明したように、この第２実施形態の
半導体装置の製造方法によれば、下層配線である第１層
Cu配線４と上層配線である第２層Cu配線１２との接触抵
抗値を低減できるとともに、より信頼性の高い半導体装
置２１を製造できる。したがって、Cu配線４，１２，１
３および低誘電率絶縁膜３，９が多層にわたって設けら
れた、多層配線構造の次世代の半導体装置を製造する際
に、その性能、品質、および信頼性を向上し易い。

【００７３】なお、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、前述した第１および第２の実施形態には制約されな
い。本発明の主旨を逸脱しない範囲において、それらの
工程などの一部を種々様々な設定に変更したり、あるい
は各種設定を組み合わせて用いたりして実施することが
できる。

【００７４】例えば、前述した第１実施形態の半導体装
置の製造方法においては、これを実施する際に、第１層
間絶縁膜３を、低誘電率絶縁膜のうちの一つであるメチ
ルポリシロキサンからなる有機シリコン酸化膜３によっ
て塗布法により形成した。一方、有機シリコン酸化膜３
を、トリメチルシランガス（(CH₃)₃SiHガス）あるいは
テトラメチルシランガス（(CH₃)₄Siガス）と、O₂または
N₂O等の酸化性ガスとを用いてプラズマＣＶＤ法により
形成した場合においても、同等の効果が得られることが
分かった。

【００７５】また、本発明者らが行った実験によれば、
有機シリコン酸化膜の代わりに、ポリアリーレン、ポリ
アリーレンエーテル、ポリイミド等の主骨格に炭素（カ
ーボン、C）を含む有機膜を用いて第１層間絶縁膜３を
形成した場合においても、同等の効果が得られることが
分かった。

【００７６】また、第１実施形態においては、第１層Cu
配線４を形成した後の第１層間絶縁膜３にプラズマ処理
を施す際に、メタンガス（CH₄ガス）を用いた。このCH₄
ガスの代わりに、エタンガス（C₂H₆ガス）、あるいはプ
ロパンガス（C₃H₈ガス）等の炭素および水素が含まれて
いるガスであれば、これを用いることによって同等の効
果を得ることができることが分かった。

【００７７】さらに、第１実施形態においては、第２絶
縁膜である第１層拡散防止膜５を、SiH₄ガスおよびNH₃
ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、第１層SiN膜
５で形成した。このSiH₄ガスおよびNH₃ガスを用いる代
わりに、トリメチルシランガス（(CH₃)₃SiHガス）ある
いはテトラメチルシランガス（(CH₃)₄Siガス）、さらに
は所定の酸化性ガスを適宜用いてプラズマＣＶＤ法を行
うことにより、第１層拡散防止膜をSiCH膜やSiCHO膜で
形成しても同等の効果が得られることが分かった。

【００７８】同様に、前述した第２実施形態の半導体装
置の製造方法においては、これを実施する際に、第１層
間絶縁膜３を、第１実施形態と同様に低誘電率絶縁膜の
うちの一つであるメチルポリシロキサンからなる有機シ
リコン酸化膜３によって塗布法により形成した。一方、
有機シリコン酸化膜３を、トリメチルシランガス（(C
H₃)₃SiHガス）あるいはテトラメチルシランガス（(CH₃)
₄Siガス）と、O₂またはN ₂O等の酸化性ガスとを用いてプ
ラズマＣＶＤ法により形成した場合においても、同等の
効果が得られることが分かった。

【００７９】また、本発明者らが行った実験によれば、
有機シリコン酸化膜の代わりに、ポリアリーレン、ポリ
アリーレンエーテル、ポリイミド等の主骨格に炭素を含
む有機膜を用いて第１層間絶縁膜３を形成した場合にお
いても、同等の効果が得られることが分かった。

【００８０】また、第２実施形態においては、第１層Cu
配線４を形成した後の第１層間絶縁膜３にプラズマ処理
を施す際に、第１実施形態と同様にメタンガス（CH₄ガ
ス）を用いた。このCH₄ガスの代わりに、エタンガス（C
₂H₆ガス）、あるいはプロパンガス（C₃H₈ガス）等の炭
素および水素が含まれているガスであれば、これを用い
ることによって同等の効果が得られることが分かった。

【００８１】さらに、第２実施形態においては、第２絶
縁膜である第１層拡散防止膜２２を、ポリアリーレンを
塗布法によって設け、これを焼成することによってポリ
アリーレン膜２２で形成した。このポリアリーレンを用
いる代わりに、ポリアリーレンエーテルや、その他の炭
素および水素を含んでいる材料を塗布法によって設け、
これを焼成することによって第１層拡散防止膜２２を形
成しても同等の効果が得られることが分かった。

【００８２】また、第１および第２実施形態において、
第１層間絶縁膜３をメチルポリシロキサンによって形成
する際の加熱温度および加熱時間、ならびに雰囲気の成
分など、諸々の設定は、本発明に係る半導体装置の製造
方法によって製造される半導体装置１，２１の性能を、
所望する水準に到達させることができるものであれば、
製造環境に応じて、種々様々な組み合わせに設定して構
わない。これは、第２実施形態において第１層拡散防止
膜２２をポリアリーレンによって形成する際においても
同様である。

【００８３】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置の製造方法によ
れば、半導体基板上に設けられた第１の絶縁膜、および
銅配線の劣化を抑制できる。したがって、性能および品
質が劣化し難く、信頼性が損なわれ難い半導体装置を提
供できる。

【００８４】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
を実施するにあたり、第１の絶縁膜や第２の絶縁膜を、
適正な材料を用いて、適正な成膜環境で形成できる。し
たがって、性能および品質がより劣化し難く、信頼性が
より損なわれ難い半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施の形態
に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す工程断面
図。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態
に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す工程断面
図。

【符号の説明】

１，２１…半導体装置２…半導体基板３…第１層メチルポリシロキサン膜（第１層間絶縁膜、
第１層有機シリコン酸化膜、第１絶縁膜）４…第１層Cu配線（銅配線）５…第１層SiN膜（第１層拡散防止膜、第２絶縁膜）６，２３…層構造２２…第１層ポリアリレーン膜（第１層拡散防止膜、第
１層有機膜、第２絶縁膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池上浩神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 5F033 HH11 HH21 HH32 JJ11 JJ21 JJ32 KK11 KK21 KK32 MM01 MM02 MM12 MM13 NN05 NN07 PP15 PP26 QQ00 QQ02 QQ09 QQ10 QQ13 QQ19 QQ37 QQ48 QQ94 RR04 RR06 RR21 RR22 SS03 SS15 SS22 TT04 XX10 XX12 XX20 XX24 5F058 AC03 AC10 AD02 AD05 AD10 AF04 AG07 AH01 AH02 BC08 BF07 BF23 BF30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素を含む第１の絶縁膜が設けられた半導
体基板上に銅配線を形成する工程と、前記銅配線、および少なくとも前記銅配線の周囲の前記
第１の絶縁膜に対し、炭素および水素を含みプラズマ状
態に設定されたガスを用いて、所定のプラズマ処理を施
す工程と、このプラズマ処理が施された後の前記銅配線および前記
第１の絶縁膜の上に第２の絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第１の絶縁膜を、有機シリコン酸化膜
によって形成することを特徴とする請求項１に記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項３】前記有機シリコン酸化膜を、メチルポリシ
ロキサンによって形成することを特徴とする請求項２に
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記第１の絶縁膜を、有機膜によって形成
することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項５】前記第２の絶縁膜を、有機膜によって形成
することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１
項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記有機膜を、ポリアリーレンによって形
成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項７】前記第２の絶縁膜を、塗布法により成膜す
ることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項
に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第２の絶縁膜を、窒素雰囲気下で成膜
することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項９】前記銅配線、前記第１の絶縁膜、および前
記第２の絶縁膜からなる層構造を、２層以上に積層して
設けることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか
１項に記載の半導体装置の製造方法。