JP2006319116A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程における機械的強度を強くするとともに、配線間絶縁膜を低誘電率化する。
【解決手段】 本発明の半導体装置の製造方法は、以下の手順を含む。まず高密度絶縁膜を形成する（Ｓ１０２）。つづいて、高密度絶縁膜にビアホールおよび配線溝を形成する（Ｓ１０４）。次いで、ビアホールおよび配線溝を埋め込むように、配線およびビア金属膜を形成する（Ｓ１０６）。その後、ＣＭＰにより、配線溝外部に露出した金属膜を除去する（Ｓ１０８）。つづいて、Ｈｅプラズマ照射またはエネルギー線照射により、高密度絶縁膜表面を低密度化する（Ｓ１１０）。その後、低密度化された絶縁膜上にエッチングストッパ膜（またはキャップ膜）を形成する（Ｓ１１２）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、半導体装置において、銅配線とその上に形成する絶縁膜との密着性を向上させるために、プラズマ雰囲気下で銅配線表面の酸化銅を還元する処理が行われている。特許文献１には、Ｈ_２やＮＨ_３を導入し、プラズマ雰囲気下でＣｕ配線の表面酸化層の還元を行う処理が開示されている。

また、近年、半導体装置の微細化および高速化に伴い、銅（Ｃｕ）配線とともにいわゆる低誘電率膜を用いることが要求されている。銅配線は、配線間絶縁膜に配線溝を形成した後、銅を埋め込み、その後配線溝外部の不要な部分の銅を化学機械研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により除去するダマシン法により形成される。
特開２００１−１６０５５８号公報

しかし、低誘電率膜は、一般的に、従来配線間絶縁膜として従来用いられてきたＳｉＯ_２膜に比べて薬液耐性および機械的強度が弱い。このため、配線間絶縁膜として低誘電率膜材料を用いた場合、ＣＭＰ工程で配線間絶縁膜も削られてしまい、配線抵抗の増大およびばらつきが発生するという課題があった。ＣＭＰ工程における配線間絶縁膜の損傷を防ぐためには、配線間絶縁膜の機械的強度を強くすることが好ましい。一方、配線間容量を低下させて、クロストークを防止するためには、配線間絶縁膜を低誘電率化することが好ましい。しかし、配線間絶縁膜を低誘電率化するとともに、機械的強度を強くするのは困難であった。

本発明によれば、
基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に配線形成用の凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜上全面に、前記凹部内を埋め込むように金属膜を形成する工程と、
前記凹部外部の不要な金属膜を除去して配線を形成する工程と、
前記絶縁膜の表面に、プラズマ照射またはエネルギー線照射を施して、少なくとも前記絶縁膜の上部を低密度化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

ここで、絶縁膜を低密度化するためには、適切なプラズマ照射条件を選択する必要がある。たとえば、プラズマ照射条件が弱すぎると、絶縁膜にプラズマ照射の作用を及ぼすことができず、絶縁膜を低密度化することができない。また、プラズマ照射条件が強すぎると、絶縁膜表面に保護膜が形成されてしまい、絶縁膜の内部にプラズマ照射の作用を及ぼすことができず、この場合も絶縁膜を低密度化することができなくなってしまう。

また、絶縁膜を低密度化するためには、プラズマ照射に用いるガスも適切に選択する必要がある。たとえば、プラズマ照射は、Ｈｅ（ヘリウム）プラズマ照射とすることができる。Ｈｅは、原子半径が小さいため、絶縁膜の膜中にまで浸透して、絶縁膜を効果的に低密度化することができる。これにより、絶縁膜の誘電率を低減することができる。また、条件を適宜設定することにより、絶縁膜をポーラス化することもでき、絶縁膜をより効果的に低誘電率化することができる。ただし、本発明者等の検討により、Ｈｅを用いた場合でも、プラズマ照射条件を適切に選択しないと、絶縁膜を低密度化することはできないことが示された。

特許文献１に記載されたように、従来、銅配線の表面酸化層を還元する目的で、Ｈ_２やＮＨ_３を用いたプラズマ処理が行われている。本発明者等の検討により、たとえばＮＨ_３を用いたプラズマ照射では、絶縁膜の低密度化を行うことができないことが示された。また、ＮＨ_３のような窒素を含む化合物を用いた場合、絶縁膜の表面が窒化されてしまい、プラズマ照射によりかえって絶縁膜が高密度化されて配線間容量が上昇することも示された。このように、絶縁膜を低密度化するためのプラズマ照射は、銅配線の表面酸化層を還元するためのプラズマ照射とは条件や適切なガスが異なり、適切な条件およびガスを選択する必要がある。

また、ここで、エネルギー線照射は、ＵＶ照射または電子ビーム照射とすることができる。この場合も、絶縁膜を低密度化するためには、適切な照射条件を選択する必要がある。本発明者等の検討により、たとえばＵＶ照射を行う場合、最初は照射時間が長くなるにつれ絶縁膜の膜密度が低下するが、照射時間が長くなり過ぎると、絶縁膜の収縮が生じてかえって絶縁膜の膜密度が高くなることが示された。以上のように、エネルギー線照射を行う場合も、照射条件を最適化する必要がある。

本発明によれば、ＣＭＰを行って配線を形成した後に、絶縁膜の表面から絶縁膜を低密度化する処理を行う。これにより、配線側方の絶縁膜を低誘電率化することができる。また、ＣＭＰを行うまでは、絶縁膜の密度を高くすることができるので、ＣＭＰ時の絶縁膜の機械的強度を保つことができる。さらに、絶縁膜の表面から低密度化処理を行うので、配線側方の絶縁膜を低誘電率化することができるとともに、その下方の絶縁膜の密度を高く保つことができ、半導体装置の強度を高めることもできる。

上述したように、本発明の絶縁膜の上部を低密度化する工程におけるプラズマ照射またはエネルギー線照射は、絶縁膜を低密度化できるような条件で行われる。ただし、本発明の半導体装置の製造方法も、従来技術に示されたのと同様、配線表面を還元処理するためのプラズマ処理等を行う工程を含むこともでき、その後に、絶縁膜を低密度化できる条件で別途プラズマ照射またはエネルギー線照射を行うこともできる。配線表面を還元処理するためのプラズマ処理等は、絶縁膜表面に窒化膜等が形成される等、絶縁膜を低密度化する処理の妨げとならないような条件で行うことができる。

また、本発明の絶縁膜の上部を低密度化する工程におけるプラズマ照射またはエネルギー線照射は、絶縁膜を低密度化することを目的として行われる。そのため、絶縁膜の上部を低密度化する工程におけるプラズマ照射またはエネルギー線照射は、配線の表面に選択的に保護膜が形成されている構成の半導体装置に対しても適用することができる。ここで、保護膜は、たとえばキャップメタル膜とすることができる。

本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成された配線と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記配線の側方において上方に向かうにつれ密度が低くなる領域を有する低密度領域を含むことを特徴とする半導体装置が提供される。

このような構成とすることにより、配線間容量を効果的に低減することができるとともに、半導体装置の強度も高めることができる。ここで、低密度領域は、上方に向かうにつれ密度が漸次的に低くなる構成とすることができる。

本発明によれば、製造工程における機械的強度を強くするとともに、配線間絶縁膜を低誘電率化することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第一の実施の形態）
図１は、本実施の形態における半導体装置の層間絶縁膜および配線を形成する手順を示すフローチャートである。

本実施の形態において、まず、基板（不図示）上に高密度絶縁膜（絶縁膜）を形成する（Ｓ１０２）。つづいて、高密度絶縁膜にビアホールおよび配線溝（配線形成用の凹部）を形成する（Ｓ１０４）。次いで、ビアホールおよび配線溝を埋め込むように、配線およびビア金属膜を形成する（Ｓ１０６）。その後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、配線溝外部に露出した金属膜を除去する（Ｓ１０８）。つづいて、プラズマ照射またはエネルギー線照射により、高密度絶縁膜表面を低密度化する（Ｓ１１０）。本実施の形態において、プラズマ照射は、Ｈｅプラズマ照射とすることができる。また、絶縁膜は、密度が低いほど、比誘電率が低くなる。その後、低密度化された絶縁膜上にエッチングストッパ膜（またはキャップ膜）を形成する（Ｓ１１２）。

このようにすれば、ＣＭＰ時に高密度で強度を保ち、後に低密度化して比誘電率を低くすることができる。これにより、ＣＭＰ工程において、絶縁膜が損傷されるのを防ぐとともに、配線間容量を低下させてクロストークを防止することができる。

図２は、本実施の形態における半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
半導体装置１００は、たとえばシリコン基板である半導体基板（不図示）と、下地絶縁膜１０１と、第１のエッチングストッパ膜１０４と、第１の層間絶縁膜１０６と、第２のエッチングストッパ膜１１２と、第２の層間絶縁膜１１６とがこの順で形成された構成を有する。半導体装置１００は、さらに、第１の層間絶縁膜１０６中に形成され、配線金属膜１０８およびバリアメタル膜１１０により構成された下層配線１１１と、第２の層間絶縁膜１１６中に形成され、配線金属膜１２２とバリアメタル膜１２０により構成された第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃとを含む。

本実施の形態において、下地絶縁膜１０１は、下地高密度絶縁膜１０２と、下層配線１１１が形成された領域の下方以外の領域上部に形成され、下地高密度絶縁膜１０２よりも密度の低い下地低密度絶縁膜１０３とを含む。また、第１の層間絶縁膜１０６は、下地高密度絶縁膜１０２よりも密度の低い低密度絶縁膜により構成される。ここで、第１の層間絶縁膜１０６は、下地低密度絶縁膜１０３よりも密度が低くなるように形成することができる。このように、下層配線１１１が設けられている第１の層間絶縁膜１０６の密度を低くすることにより、下層配線１１１周囲の絶縁膜の誘電率を低くすることができ、配線間のクロストークを効果的に低減することができる。

さらに、第２の層間絶縁膜１１６は、高密度絶縁膜１１４と、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃの側方に形成され、高密度絶縁膜１１４よりも密度の低い低密度絶縁膜１１５とを含む。

本実施の形態において、下地絶縁膜１０１、第１の層間絶縁膜１０６、および第２の層間絶縁膜１１６は、密度が低いほど比誘電率が低くなる材料により構成することができる。下地絶縁膜１０１、第１の層間絶縁膜１０６、および第２の層間絶縁膜１１６は、たとえば、炭素を含む炭素含有膜とすることができる。また、これらは、たとえば、比誘電率が３．３以下、より好ましくは２．９以下の低誘電率膜とすることができる。これらは、たとえば、ＳｉＯＣ（ＳｉＯＣＨ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、水素化メチルシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）、有機ポリシロキサンまたはこれらの膜をポーラス化したもの等の炭素含有材料により構成することができる。

本実施の形態において、配線の側方に形成された層間絶縁膜の密度を低くする、すなわち比誘電率を低くすることにより、配線間の容量を低下させて、クロストークを防止することができる。一方、層間絶縁膜の下部の密度を高くすることにより、層間絶縁膜の強度を保つことができ、半導体装置１００の機械的強度を強くすることができる。

本実施の形態において、第１のエッチングストッパ膜１０４および第２のエッチングストッパ膜１１２は、たとえば、ＳｉＣＮ膜、またはＳｉＣ膜とすることができる。これらは、同じ材料により構成されてもよく、異なる材料により構成されてもよい。

なお、本実施の形態において、下地低密度絶縁膜１０３、第１の層間絶縁膜１０６、および低密度絶縁膜１１５は、上方に向かうにつれ、膜密度が低くなる領域を有するようにすることができる。

なお、図示していないが、半導体基板上にはトランジスタ等の素子およびそれを覆う絶縁膜が形成され、下地絶縁膜１０１は、その上に形成することができる。

図３および図４は、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。

以下、下地絶縁膜および層間絶縁膜がＳｉＯＣ膜、エッチングストッパ膜がＳｉＣＮ膜である場合を例として説明する。

まず、半導体基板（不図示）上に、下地絶縁膜１０１、第１のエッチングストッパ膜１０４、および第１の層間絶縁膜１０６をこの順で形成する。これらの膜は、プラズマＣＶＤ法により形成することができる。なお、この段階では、下地絶縁膜１０１および第１の層間絶縁膜１０６は、高密度絶縁膜により構成される。

つづいて、既知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第１の層間絶縁膜１０６上に所定形状にパターニングされたレジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクとして、第１の層間絶縁膜１０６および第１のエッチングストッパ膜１０４に配線溝を形成する。

次いで、配線溝の形成に用いたレジスト膜を除去し、配線溝内にスパッタリング法によりバリアメタル膜１１０を形成する。バリアメタル膜１１０は、たとえば、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、またはＴａＳｉＮ等とすることができる。その後、バリアメタル膜１１０膜上において、配線溝を埋め込むように、たとえば電解めっき法により配線金属膜１０８を形成する。配線金属膜１０８は、たとえばＣｕ（銅）やＡｇ（銀）、またはこれらの合金とすることができる。つづいて、配線溝外部に形成された不要な配線金属膜１０８およびバリアメタル膜１１０をＣＭＰにより除去する。これにより、下層配線１１１が形成される。

次いで、第１の層間絶縁膜１０６上の全面から、プラズマ照射またはエネルギー線照射を施して、第１の層間絶縁膜１０６および下地絶縁膜１０１の上部を低密度化する。これにより、図３（ａ）に示した構造体が得られる。この処理は、後述する第２の層間絶縁膜１１６に低密度絶縁膜１１５を形成する処理と同様である。

その後、第１の層間絶縁膜１０６上に第２のエッチングストッパ膜１１２および第２の層間絶縁膜１１６を、それぞれプラズマＣＶＤ法により形成する（図３（ｂ））。ここで、第２の層間絶縁膜１１６は、高密度絶縁膜１１４により構成される。

つづいて、既知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第２の層間絶縁膜１１６にビアホールを形成する（図３（ｃ））。次いで、既知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第２の層間絶縁膜１１６に、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃを形成するための配線溝をそれぞれ形成する（図３（ｄ））。これらの配線溝を形成する際に、第２のエッチングストッパ膜１１２も選択的に除去して下層配線１１１の上部を露出させる。なお、ビアホールおよび配線溝の形成手順は、ここで示したものに限られず、たとえばトレンチファースト、ビアファースト等種々の手順で形成することができる。

その後、配線溝およびビアホール内部をバリアメタル膜１２０および配線金属膜１２２で埋め込む（図４（ｅ））。つづいて、配線溝外部の不要な配線金属膜１２２およびバリアメタル膜１２０をＣＭＰにより除去する。これにより第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃが形成される（図４（ｆ））。

つづいて、第２の層間絶縁膜１１６の表面からＨｅプラズマ照射、ＵＶ照射、または電子ビーム照射を行うことにより、第２の層間絶縁膜１１６の上部を低密度化する（図４（ｇ））。これにより、図２に示した構成の半導体装置１００が得られる。

ここで、低密度化は、以下の条件により行うことができる。また、低密度化の条件を制御することにより、第２の層間絶縁膜１１６において、低密度化される領域の深さを制御することができる。

（１）Ｈｅプラズマ照射
圧力：０．５ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、より好ましくは１０〜１００ｍＴｏｒｒ
高周波出力：０．０１〜１０Ｗ／ｃｍ^２、より好ましくは０．１〜１Ｗ／ｃｍ^２
温度：１５０〜４５０℃、より好ましくは３００℃〜３５０℃
時間：１５〜１８００秒、より好ましくは４５秒〜６０秒

たとえば、圧力５０ｍＴｏｒｒ、高周波出力１Ｗ／ｃｍ^２、温度３５０℃とし、Ｈｅプラズマを約４５秒間照射することにより、ＳｉＯＣ膜により構成された第２の層間絶縁膜１１６の少なくとも上部を低密度化することができ、低密度絶縁膜１１５が形成される。この例において、高周波出力、温度、または時間を適宜制御することにより、第２の層間絶縁膜１１６において、低密度化される領域の深さを制御することができる。

また、Ｈｅプラズマとともに、Ｈ_２プラズマも併用することができる。これにより、化学反応性の高い水素ラジカルや水素イオンの作用により、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）等の層間絶縁膜材料が分解され、低密度化が促進される。

（２）ＵＶ照射
ＵＶランプの波長：５０〜６００ｎｍ、より好ましくは１００〜４００ｎｍ
圧力：０．５Ｔｏｒｒ〜常圧（７６０Ｔｏｒｒ）、より好ましくは１Ｔｏｒｒ〜常圧（７６０Ｔｏｒｒ）
ＵＶ出力：１０〜１０００ｍＷ／ｃｍ^２、より好ましくは１０〜１００ｍＷ／ｃｍ^２
温度：１５０〜４５０℃、より好ましくは３００〜３５０℃
時間：０〜６００秒、より好ましくは０〜２５０秒以下

たとえば、ＵＶランプの波長１００〜４００ｎｍ、圧力１０Ｔｏｒｒ、ＵＶ出力５０ｍＷ／ｃｍ^２、温度３５０℃とし、ＵＶ照射を約１００秒間行うことにより、ＳｉＯＣ膜により構成された第２の層間絶縁膜１１６の少なくとも上部を低密度化することができ、低密度絶縁膜１１５が形成される。この例において、ＵＶ出力、温度、または時間を適宜制御することにより、第２の層間絶縁膜１１６において、低密度化される領域の深さを制御することができる。

（３）電子ビーム照射
圧力：０．１ｍＴｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ
電子線の加速電圧：０．１〜５０ｋｅＶ
雰囲気：Ｈｅまたは真空
温度：１５０〜４５０℃、より好ましくは３００〜３５０℃
時間：０〜６００秒、より好ましくは０〜３００秒

たとえば、圧力１Ｔｏｒｒ、電子線の加速電圧１０ｋｅＶ、Ｈｅ雰囲気、温度３５０℃とし、電子ビーム照射を約６００秒行うことにより、ＳｉＯＣ膜により構成された第２の層間絶縁膜１１６の少なくとも上部を低密度化することができ、低密度絶縁膜１１５が形成される。この例において、加速電圧を適宜制御することにより、第２の層間絶縁膜１１６において、低密度化される領域の深さを制御することができる。

Ｈｅプラズマ照射、ＵＶ照射、または電子ビーム照射により、第２の層間絶縁膜１１６を低密度化する場合、照射が行われた箇所が等方的に低密度化される。そのため、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃ等の配線の底面の深さよりも深い領域まで低密度化すると、これらの配線下方角部において、回り込みが生じ、配線下部の第２の層間絶縁膜１１６の一部に低密度領域が形成される。これにより、配線の下方角部の周囲が低密度領域により覆われる。配線下方角部では、電界集中が生じやすいが、このような構成とすることにより、配線下方角部に生じる電界集中を緩和することができる。これにより、半導体装置１００の耐性を高めることができる。

また、本実施の形態において、第２の層間絶縁膜１１６の表面からＨｅプラズマ照射、ＵＶ照射、または電子ビーム照射を行うことにより、第２の層間絶縁膜１１６が低密度化され、低密度絶縁膜１１５が形成される。そのため、低密度絶縁膜１１５は、下方に向かうにつれ密度が高くなる領域を含む。このような構成とすることにより、低密度絶縁膜１１５を低誘電率化するとともに、低密度絶縁膜１１５の強度をある程度保つことができる。

図５および図６は、本実施の形態における半導体装置１００の他の例を示す断面図である。本実施の形態において、上述したように、低密度化の条件を適宜制御することにより、低密度化の度合いを制御することができる。

図５は、低密度化条件を制御して、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃの底面の深さよりも浅い深さまで、低密度化を行った場合の構成を示す。このような構成としても、配線の側方に低密度絶縁膜１１５が形成されているため、配線間容量を低減することができる。また、配線の下方には、高密度絶縁膜１１４が形成されているので、半導体装置１００の強度を保つこともできる。

図６は、低密度化条件を制御して、細幅配線である第２の上層配線１２４ｂの直下全体に低密度絶縁膜１１５が形成されるとともに、太幅配線である第３の上層配線１２４ｃの直下の一部には、高密度絶縁膜１１４が残された構成を示す。太幅配線においては、熱収縮が大きいため、配線直下の層間絶縁膜に大きなストレスがかかる。このような構成とすると、ストレスが大きい太幅配線直下には高密度絶縁膜１１４が形成されて機械的強度が保たれるとともに、細幅配線は低密度絶縁膜１１５により囲まれた構成とすることができ、配線間容量を低減することができる。また、本実施の形態において、ビアが設けられたビア層の上部には、高密度絶縁膜１１４と低密度絶縁膜１１５が交互に配置された構成となる。これにより、機械的強度を保ちつつ、より低誘電率化できる。ここで、ビア層とは、ビアと同水準に設けられた絶縁膜の層のことをいう。

以上のように、本実施の形態における半導体装置１００の製造方法によれば、製造工程における機械的強度を強くするとともに、配線間絶縁膜を低誘電率化することができる。また、本実施の形態における半導体装置１００によれば、半導体装置１００の機械的強度を高めるとともに、配線間絶縁膜を低誘電率化することができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態において、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃをデュアルダマシン法で形成する例を示したが、本実施の形態では、上層配線をシングルダマシン法で形成する点で、第１の実施の形態と異なる。

図７および図８は、本実施の形態における、半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
本実施の形態においても、第一の実施の形態において、図３（ａ）を参照して説明したのと同様の手順で、半導体基板（不図示）上に、下地絶縁膜１０１、第１のエッチングストッパ膜１０４、第１の層間絶縁膜１０６、および下層配線１１１が形成される（図７（ａ））。

その後、第１の層間絶縁膜１０６上に第２のエッチングストッパ膜１１２および第３の層間絶縁膜１３０を、それぞれプラズマＣＶＤ法により形成する（図７（ｂ））。ここで、第３の層間絶縁膜１３０は、高密度絶縁膜により構成される。

つづいて、既知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第３の層間絶縁膜１３０にビアホールを形成する（図７（ｃ））。次いで、第２のエッチングストッパ膜１１２も選択的に除去して、下層配線１１１の上部を露出させる。その後、ビアホール内部をバリアメタル膜１３４およびビア金属膜１３２で埋め込み、ビアホール外部の不要なビア金属膜１３２およびバリアメタル膜１３４をＣＭＰにより除去する。これにより、下層配線１１１に接続されたビア１３５が形成される（図７（ｄ））。

つづいて、第３の層間絶縁膜１３０上に第３のエッチングストッパ膜１３６および第４の層間絶縁膜１３８を、それぞれプラズマＣＶＤ法により形成する（図８（ｅ））。次いで、既知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第４の層間絶縁膜１３８に、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃを形成するための配線溝をそれぞれ形成する（８（ｆ））。これらの配線溝を形成する際に、第２のエッチングストッパ膜１１２も選択的に除去して下層配線１１１の上部を露出させる。

その後、配線溝内部をバリアメタル膜１４２および配線金属膜１４０で埋め込み、配線溝外部の不要な配線金属膜１４０およびバリアメタル膜１４２をＣＭＰにより除去する。これにより第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃが形成される。つづいて、第４の層間絶縁膜１３８の表面からＨｅプラズマ照射、ＵＶ照射、または電子ビーム照射を行うことにより、第４の層間絶縁膜１３８の上部を低密度化する。低密度化の条件は、第１の実施の形態で説明したのと同様にすることができる。これにより、第４の層間絶縁膜１３８が低密度絶縁膜１３９に変換される（図８（ｇ））。

なお、本実施の形態においても、低密度化の条件を制御することにより、第３の層間絶縁膜１３０の上部を低密度化することもできる。この場合も、第１の実施の形態で説明したのと同様、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃ等の配線の底面の深さよりも深い領域まで低密度化すると、これらの配線下方角部において、回り込みが生じ、配線下部の第３の層間絶縁膜１３０の一部に低密度領域が形成される。このような構成とすることにより、配線下方角部に生じる電界集中を緩和することができる。これにより、半導体装置１００の耐性を高めることができる。このように、第１の上層配線１２４ａとビア１３５との間に第３のエッチングストッパ膜１３６が形成された場合でも、低密度化の条件を制御することにより、低密度化される深さを適宜設定することができる。

また、第４の層間絶縁膜１３８の上部のみを低密度化することもできる。

本実施の形態においても、第１の実施の形態における半導体装置１００と同様の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図９は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を示す断面図である。
図９（ａ）に示すように、本実施の形態における半導体装置１００は、第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃの配線金属膜１２２表面に選択的に形成された保護膜１２３をさらに含む。本実施の形態における半導体装置１００は、保護膜１２３を含む点で、第１の実施の形態における半導体装置１００と異なる。

保護膜１２３は、たとえばコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）等により構成されたキャップメタル膜とすることができる。保護膜１２３は、ＣＭＰにより第１の上層配線１２４ａ、第２の上層配線１２４ｂ、および第３の上層配線１２４ｃを形成した後、選択性の無電解成膜プロセスにより形成することができる。

つづいて、第２の層間絶縁膜１１６の表面からＨｅプラズマ照射、ＵＶ照射、または電子ビーム照射を行うことにより、第２の層間絶縁膜１１６の上部を低密度化する（図９（ｂ））。低密度化の条件は、第１の実施の形態で説明したのと同様にすることができる。これにより、第２の層間絶縁膜１１６が低密度絶縁膜１１５に変換される（図９（ｃ））。

以上では、保護膜１２３として、ＣｏＷＰを例示したが、保護膜１２３は、配線金属膜１２２のエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを向上させるための保護膜、配線金属膜１２２の酸化を防ぐための保護膜、配線金属膜１２２が他層に拡散するのを防ぐ保護膜等として機能する種々の材料により構成することができる。保護膜１２３は、たとえばシリサイド膜等とすることもできる。

また、第２の実施の形態で説明したように、第１の上層配線１２４ａ等をシングルダマシン法により形成した構成において、保護膜１２３を含むようにすることもできる。また、下層配線１１１の表面にも選択的に保護膜を設けてもよい。

本実施の形態においても、第１の実施の形態における半導体装置１００と同様の効果が得られる。

（プラズマ照射）
第１の実施の形態で説明したのと同様の手順で半導体装置を製造し、配線間容量を測定した。図１０に、プラズマ照射の条件およびその結果を示す。ここで、例１〜例４のＨｅの流量は１００ｓｃｃｍ、例５のＨｅおよびＨ_２の流量はそれぞれ８０ｓｃｃｍおよび２０ｓｃｃｍ、例６のＮＨ_３の流量は２００ｓｃｃｍとした。

例１〜例４に示したように、Ｈｅプラズマ照射を行った場合、配線間容量が低減することが示された。配線間容量が低減した例１〜例４の半導体装置の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したところ、プラズマ照射後、密度が低下することが確認された。また、ＴＥＭの観察結果から、配線の側方において、上方に向かうにつれ密度が低くなる領域が認められた。配線間容量が低減した例１〜例４において、ＦＴ−ＩＲにより測定したところ、Ｓｉ−ＣＨ_３ピーク強度に基づき、プラズマ照射後に炭素組成が減少していることが示された。これらの要因により、配線間容量の低減効果が得られたと考えられる。

また、Ｈｅプラズマ照射を行った場合でも、高周波出力および温度が低い例５では、配線間容量の低下が見られなかった。また、Ｈｅプラズマ照射を行った場合でも、条件を適切に制御しないと、絶縁膜表面に保護膜が形成されてしまい、絶縁膜が低誘電率化できないことも示された。以上から、Ｈｅプラズマ照射を行った場合でも、条件を最適化しなければ、絶縁膜を低密度化できないことが示された。なお、本発明の半導体装置において、各低密度絶縁膜は、配線側方において上部における膜密度が、下部における膜密度よりも低くなる領域を有していれば、たとえば最上面に膜密度が高い領域を有していてもよい。

一方、例６に示したように、ＮＨ_３プラズマ照射を行った場合、配線間容量が増加することが示された。これは、ＮＨ_３プラズマ照射により、絶縁膜の表面が窒化されたためと考えられる。ＮＨ_３プラズマ照射やＮ_２プラズマ照射を行った場合、圧力、高周波出力、および温度をＨｅプラズマ照射の例１〜例４と同様にしても、配線間容量が低減されなかった。ＮＨ_３プラズマ照射を行った半導体装置の断面をＴＥＭで観察したところ、プラズマ照射後も密度が変化しなかった。

（例７：ＵＶ照射）
第１の実施の形態で説明したのと同様の手順で半導体装置を製造し、配線間容量を測定した。本実施例では、図４（ｇ）を参照して説明した工程において、ＵＶ照射を行った。ＵＶ照射は以下の条件で行った。

ＵＶランプの波長：１００〜４００ｎｍ
ＵＶ出力：５０ｍＷ／ｃｍ^２
圧力：１０Ｔｏｒｒ
温度：３５０℃

図１１に、ＵＶ照射時間と、得られた半導体装置の配線間容量との関係を示す。図示したように、約１００秒までは、照射時間が長くなるほど配線間容量が低下した。しかし、その後、照射時間が長くなるにつれて配線間容量が増加してきた。ＵＶ照射により、絶縁膜の膜密度を低減するためには、条件に応じて、適切な処理時間を選択する必要があることが示された。本実施例においては、照射時間が約５０秒〜２００秒くらいの間で、配線間容量が効果的に低減した。

ＵＶ照射時間を約１００秒として製造した半導体装置の断面をＴＥＭで観察したところ、ＵＶ照射後、密度が低下していることが示された。また、ＴＥＭの観察結果から、配線の側方において、上方に向かうにつれ密度が低くなる領域が認められた。同じ半導体装置について、ＦＴ−ＩＲにより測定したところ、Ｓｉ−ＣＨ_３ピーク強度に基づき、プラズマ照射後に炭素組成が減少していることが示された。これらの要因により、配線間容量の低減効果が得られたと考えられる。

一方、ＵＶ照射時間を３００秒以上として製造した半導体装置の断面をＴＥＭで観察したところ、ＵＶ照射後も、密度が変化していなかった。これは、適切なＵＶ照射時間を過ぎた後、ＵＶ照射時間が長くなるにつれ、絶縁膜が収縮して密度が上がったためと考えられる。

以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明した。この実施の形態および実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の実施の形態における半導体装置の層間絶縁膜および配線を形成する手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一部を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 プラズマ照射の条件およびその結果を示す図である。 ＵＶ照射の結果を示す図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０１ 下地絶縁膜
１０２ 下地高密度絶縁膜
１０３ 下地低密度絶縁膜
１０４ 第１のエッチングストッパ膜
１０６ 第１の層間絶縁膜
１０８ 配線金属膜
１１０ バリアメタル膜
１１１ 下層配線
１１２ 第２のエッチングストッパ膜
１１４ 高密度絶縁膜
１１５ 低密度絶縁膜
１１６ 第２の層間絶縁膜
１２０ バリアメタル膜
１２２ 配線金属膜
１２３ 保護膜
１２４ａ 第１の上層配線
１２４ｂ 第２の上層配線
１２４ｃ 第３の上層配線
１３０ 第３の層間絶縁膜
１３２ ビア金属膜
１３４ バリアメタル膜
１３５ ビア
１３６ 第３のエッチングストッパ膜
１３８ 第４の層間絶縁膜
１３９ 第４の低密度絶縁膜
１４０ 配線金属膜
１４２ バリアメタル膜

Claims (12)

1. 基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に配線形成用の凹部を形成する工程と、
   前記絶縁膜上全面に、前記凹部内を埋め込むように金属膜を形成する工程と、
   前記凹部外部の不要な金属膜を除去して配線を形成する工程と、
   前記絶縁膜の表面に、プラズマ照射またはエネルギー線照射を施して、少なくとも前記絶縁膜の上部を低密度化する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体装置は、前記配線の下部に、ビアが設けられたビア層を含み、
   前記絶縁膜の上部を低密度化する工程において、前記ビア層の少なくとも一部を残して、他の領域が低密度となるように、前記絶縁膜を低密度化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜の上部を低密度化する工程において、Ｈｅプラズマ照射により、前記絶縁膜を低密度化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜は、炭素含有膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜の上部を低密度化する工程において、前記配線の上部から底面の深さよりも深い領域まで前記絶縁膜を低密度化するとともに、前記配線の下方角部の周囲の前記絶縁膜が低密度化されるように、前記配線下部の少なくとも一部も低密度化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記配線は、太幅配線と細幅配線とを含み、
   前記絶縁膜の上部を低密度化する工程において、前記細幅配線の直下全体を低密度化するとともに、前記太幅配線の直下の一部を残して、他の領域が低密度となるように、前記絶縁膜を低密度化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記配線を形成する工程の後、前記絶縁膜の上部を低密度化する工程の前に、前記配線の表面に選択的に保護膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜中に形成された配線と、
   を含み、
   前記絶縁膜は、前記配線の側方において上方に向かうにつれ密度が低くなる領域を有する低密度領域を含むことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項８に記載の半導体装置において、
   前記配線の下部に、ビアが設けられたビア層をさらに含み、
   前記ビア層は、少なくとも下部に、前記低密度領域よりも密度の高い高密度領域を有することを特徴とする半導体装置。
10. 請求項８または９に記載の半導体装置において、
    前記絶縁膜は、炭素含有膜であることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項８乃至１０いずれかに記載の半導体装置において、
    前記低密度領域は、前記配線の上部から底面の深さよりも深い領域まで形成されるとともに、前記配線の下方角部の周囲が前記低密度領域により覆われるように、前記配線下部の前記絶縁膜の少なくとも一部にも前記低密度領域が形成されたことを特徴とする半導体装置。
12. 請求項１１に記載の半導体装置において、
    前記配線は、太幅配線と細幅配線とを含み、
    前記細幅配線の直下全体に前記低密度領域が形成されるとともに、前記太幅配線の直下の一部には、前記低密度領域よりも密度が高い高密度領域が形成されたことを特徴とする半導体装置。
    

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