JP2006086545A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁膜に形成された凹部に保護膜を形成することで、凹部の側壁が後退することなく水素プラズマによる凹部底部のクリーニングを可能とする。
【解決手段】有機絶縁膜（低誘電率有機膜１７，１９）を備えた絶縁膜１６に形成された凹部２３の側壁に、窒素と、前記低誘電率有機膜１７，１９から解離された炭素との化合物からなる保護膜３１が形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、詳しくは接続孔の側壁に保護膜を備えた半導体装置に関するものである。

超ＬＳＩの微細化、高速化の要求が高まるにつれて、配線材料の低抵抗化、層間絶縁膜の低誘電率化が求められている。これにこたえ、配線材料としては、従来のアルミニウム合金に代えて銅が、また層間絶縁膜としては従来の酸化シリコンに代えて各種低誘電率材料が検討されている。

銅配線を形成する方法としては、銅のドライエッチングが一般的に困難であることから、いわゆるダマシン法が有望となっている。

一方、低誘電率有機膜の候補としては、ポリアリールエーテル等の有機絶縁膜が有望とされている。

ダマシン法により銅の多層配線を形成した場合の一例を図２によって説明する。図２に示すように、基板（図示せず）上に形成された絶縁膜１１１に溝配線構造の下層銅配線１１２を形成した後、絶縁膜１１１上に下層銅配線１１２を覆う層間絶縁膜１１３を形成する。そして既知のプロセスによって層間絶縁膜１１３に上層銅配線を形成するための溝１１４および下層銅配線１１２に達する接続孔１１５を形成する。

次いで、これから形成する上層銅配線と上記下層銅配線１１２との良好な電気的接続を得るために、接続孔１１５の底部に露出している下層銅配線１１２の表面に生成されている酸化膜等を、アルゴンスパッタリングによって、クリーニングして除去する。このアルゴンスパッタリングでは、酸化シリコン膜の膜厚換算で２５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の膜厚をスパッタリングするように行う。

次いでスパッタリングによって、上記溝１１４および接続孔１１５の内面にバリア層１１６を例えば窒化タンタルで形成する。その際、層間絶縁膜１１３上にもバリア層（図示せず）が形成される。さらにバリア層１１６の表面に銅シード層（図示せず）を形成した後、電解メッキ法によって接続孔１１５および溝１１４の内部に銅を埋め込む。その際、層間絶縁膜１１３上にも銅が堆積される。その後、化学的機械研磨法によって、層間絶縁膜１１３上の余分な銅およびバリア層を除去し、溝１１４および接続孔１１５の内部にバリア層１１６を介して銅を残し、プラグ１１７と上層銅配線１１８を形成する。

しかしながら、上記アルゴンスパッタリングによるクリーニング方法は、従来のアルミニウム合金配線において行われてきた方法であり、配線の微細化が進むにつれて、より微細な接続孔の底部を十分にクリーニングすることは困難となっている。また、銅配線の場合には、図３に示すように、接続孔１１５の底部に露出している下層銅配線１１２の表面から叩きだされた銅が接続孔１１５の側壁に再付着し、この再付着物１２１が層間絶縁膜１１３中に拡散して配線間リークを引き起こす。

そこで、銅配線プロセスでは、水素プラズマ法により接続孔の底部の酸化層を、還元反応を利用して除去する方法が有望となっている。しかしながら、この水素プラズマ法では、図４に示すように、層間絶縁膜１１３の一部の層を有機絶縁膜１１３ａ、１１３ｂで形成した場合に、有機絶縁膜１１３ａ、１１３ｂが水素プラズマによってエッチングされるため、接続孔１１５や溝１１４の側壁部分が後退する（例えば、非特許文献１参照。）。この問題は、 に開示されている。

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １９９９ ＩＩＴＣ（International Interconnect Technology Conference） ｐ．１９８ １９９９年

解決しようとする問題点は、有機絶縁膜のエッチングで側壁の後退を阻止できない点である。
本発明は、有機絶縁膜の側壁に保護膜を形成して、エッチング時の側壁の後退を阻止することを可能にすることを課題とする。

本発明の半導体装置は、有機絶縁膜を備えた絶縁膜に形成された凹部の側壁に、窒素と、前記有機絶縁膜から解離された炭素との化合物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置では、有機絶縁膜を備えた絶縁膜に形成された凹部の側壁に、窒素と、前記有機絶縁膜から解離された炭素との化合物からなる保護膜が形成されていることから、凹部の側壁が後退するのが防止される。

本発明の半導体装置は、絶縁膜が有機絶縁材料で形成されたものであっても、凹部の側壁を窒素と、前記有機絶縁膜から解離された炭素との化合物からなる保護膜が形成されているため、凹部の側壁が後退するのを防止することができるという利点がある。よって、低抵抗で信頼性の高い銅配線の提供を図ることができる。

本発明の半導体装置に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、基板１１上に形成した半導体素子、配線等（図示せず）を覆う絶縁膜１２に溝１３が形成され、その溝１３の内部にバリア層１４を介して導電体材料（例えば銅）を埋め込んだ、いわゆる溝配線構造の第１の配線１５が形成されている。上記絶縁膜１２上には第１の配線１５を覆う絶縁膜１６が、例えば低誘電率有機膜１７、酸化シリコン膜１８、低誘電率有機膜１９、酸化シリコン膜２０を順に積層して形成されている。上記低誘電率有機膜１７、１９は、例えばポリアリールエーテルが用いられている。

上記絶縁膜１６の酸化シリコン膜２０と低誘電率有機膜１９とには上層銅配線を形成するための溝２１が形成されていて、上記酸化シリコン膜１８と低誘電率有機膜１７とには第１の配線１５に達する接続孔２２が形成されている。したがって、上記溝２１とこの溝２１の底部に形成された接続孔２２によって凹部２３が構成されている。

上記凹部２３の側壁には、窒素と、上記有機絶縁膜である低誘電率有機膜１７、１９から解離された炭素との化合物からなる保護膜３１が形成されている。

上記保護膜３１は、水素と窒素とを含むガスを用いたプラズマ処理時に形成される。すなわち、凹部２３が形成された後、凹部２３の底部の酸化層を、還元反応を利用して除去する目的で、上記プラズマ処理が行われる。このプラズマ処理は、例えばヘリコン型プラズマ発生装置を用い、処理ガスには水素（例えば供給流量は１００ｃｍ³／ｍｉｎ）と窒素（例えば供給流量は１００ｃｍ³／ｍｉｎ）との混合ガスを用い、その処理条件は一例として、プラズマ処理雰囲気の圧力を１Ｐａ、バイアスパワーを２００Ｗ、ソースパワーを３ｋＷに設定される。または、例えばヘリコン型プラズマ発生装置を用い、処理ガスにはアンモニア（ＮＨ₃）（例えば供給流量は２００ｃｍ³／ｍｉｎ）を用い、その処理条件は一例として、プラズマ処理雰囲気の圧力を１Ｐａ、バイアスパワーを２００Ｗ、ソースパワーを３ｋＷに設定される。これらのプラズマ処理では、有機絶縁膜である低誘電率有機膜１７、１９から解離された炭素と、プラズマ処理に用いた窒素ガスもしくはアンモニアガスの窒素との化合物からなる上記保護膜３１が形成される。このため、凹部２３の側壁が後退するのが防止されている。

さらに上記溝２１および接続孔２２の内面にはバリア層２４が例えば窒化タンタルで形成されている。さらに上記溝２１および接続孔２２の内部に配線、上記バリア層２４を介して銅を残し、プラグ２５と第２の配線２６が形成されている。

上記説明では、配線材料に銅を用いたが、銅ジルコニウムのような銅合金を用いることも可能である。また、バリア層には、窒化タンタルの他に、タンタル、窒化ケイ化タンタル、タングステン、窒化タングステン、窒化ケイ化タングステン、窒化チタン等を用いることも可能である。

また、上記半導体装置においては、上記水素プラズマ処理を行う前にアルゴンスパッタリングを行うことにより、接続孔２２の底部に付着している有機物等の汚染物質をさらに効果的に除去することができ、水素プラズマ処理のみを行う場合より、クリーニング効果を高めることができる。

上記半導体装置では、有機絶縁膜の低誘電率有機膜１７、１９を備えた絶縁膜１６に形成された凹部２３の側壁に、窒素と、低誘電率有機膜１７、１９から解離された炭素との化合物からなる保護膜３１が形成されていることから、凹部２３の底部を還元作用によりクリーニングする水素プラズマ処理を、凹部２３の側壁が後退するのを防止しつつできるという利点がある。よって、低抵抗で信頼性の高い銅配線の提供を図ることができる。

半導体装置に係る一実施の形態の一例を示した概略構成断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す概略構成断面図である。 アルゴンスパッタリングによる接続孔底部のクリーニングの問題を説明する概略構成断面図である。 水素プラズマ処理による接続孔底部のクリーニングの問題を説明する概略構成断面図である。

符号の説明

１６…絶縁膜、１７，１９…低誘電率有機膜、２３…凹部、３１…保護膜

Claims (1)

1. 有機絶縁膜を備えた絶縁膜に形成された凹部の側壁に、窒素と、前記有機絶縁膜から解離された炭素との化合物からなる保護膜が形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
   

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