JP2009004633A - 多層配線構造および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状劣化やバリアメタルの薄膜化を防止して、適正な配線形状と、必要十分な膜厚のバリアメタルを備えた多層配線構造と、その製造方法を提供する。
【解決手段】多層配線構造の製造方法において、下層配線（１２）を被覆する低誘電率材料の絶縁膜に、前記下層配線に到達する溝（１９）を形成する。前記溝の内壁及び前記下層配線上に第１バリアメタル（２１）を形成する。前記溝の前記内壁に位置する前記第１バリアメタルを残して、前記下層配線上の前記第１バリアメタルを除去する。前記下層配線の表面をウェット処理し、前記第１バリアメタル上及び前記下層配線上に、第２のバリアメタル（２２）を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、広くは半導体装置とその製造方法に関し、特に、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料にダマシン配線を組み合わせた多層配線構造と、その製造方法に関する。

半導体集積回路（ＬＳＩ）等の電子デバイスにおいて、高集積化、高性能化を図るために多層配線構造が採用されている。しかし、ＬＳＩの微細化にともなって、配線間の寄生容量が顕著になり、ＬＳＩの動作速度低下の原因となっている。寄生容量が増大することで、配線のＲＣ遅延が増大し、半導体デバイスの高速化を阻害するからである。半導体デバイスの高速性、低消費電力化を実現するには、層間（寄生）容量の低減に加えて、配線抵抗の低減も必須である。

低抵抗、低容量の多層配線プロセスを実現する方法として、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材料の層間絶縁膜にダマシン配線を組み合わせる方法が一般に知られている。Ｌｏｗ−ｋ材料の中でも、内部に空孔（ポア）を有する低密度（又は多孔質）の低誘電率材料（以下、適宜「ポーラスＬｏｗ−ｋ」と称する）が、容量低減の観点から特に望ましい。また、配線の多層化を考えると、プロセス工程の削減が期待できるデュアルダマシン構造が望ましい。

図１は、従来の一般的なダマシン配線の製造工程を示す概略断面図である。図１（ａ）のように、Ｃｕ配線１０２が形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０１上に、エッチングストッパ膜１０３を介して、Ｌｏｗ−ｋ膜１０４とポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０５が積層されたハイブリッド構造の絶縁膜を加工して、Ｃｕ配線１０２に到達するデュアルダマシン溝１０９を形成する。絶縁膜を加工する際に、たとえば、ＳｉＣ系の膜１０６とＳｉＯ膜１０７をハードマスクとして用いる。層間絶縁膜に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０５にＬｏｗ−ｋ膜１０４を組み合わせているのは、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０５の強度を補うためである。

ダマシン溝１０９の形成後に、Ｃｕ配線１０２表面の酸化膜を除去するためにウェット処理を行うが、このとき、図１（ｂ）に示すように、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０５の中に水分（Ｈ2Ｏ）が取り込まれる。取り込まれた水分は、その後にダマシン溝１０９内に形成されるバリアメタルを酸化させ、バリア性能を劣化させるという問題がある。

そこで、図１（ｃ）に示すように、バリアメタル１１０の成膜に際して、ＬＴＳ（Long Throw Sputter：遠距離スパッタ）等の方法で、バリアメタル原子を垂直入射させ、カバレッジをよくすることが試みられている。しかし、矢印Ｘで示すように、ダマシン溝の側壁部分のバリアメタル１１０の膜厚は薄く、限界がある。

また、図１（ｄ）に示すように、ＬＴＳの後に、スパッタガス原子イオン、或いは、イオン化され、ある程度のエネルギーを持ったバリア原子を基板に入射させ、ダマシン溝１０９の底部のバリアメタル１１０をスパッタリングして叩き出し、側壁に再付着させることによって、側壁のバリアメタル１１０の膜厚を大きくする方法も提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。しかし、この方法では、絶縁膜もスパッタされため、矢印Ｙで示すように、形状が劣化するという問題がある。また、矢印Ｚで示すように、ダマシン溝内の傾斜部分のバリアメタルは薄くなり、信頼性の悪化につながる。

一方、図２に示すように、絶縁膜をポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１４，１１６のみで構成しつつ、強度を補うために、絶縁膜中に、中間エッチングストッパ膜１１５を挿入する構成も提案されている（例えば、特許文献４参照）。この文献では、図２（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１０２が形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０１上に、エッチングストッパ膜１０３を介して、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１４、中間エッチングストッパ膜１１５、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１６がこの順で積層される。絶縁膜を加工してダマシン溝１１９を形成する際に、ダマシン溝１１９の底部にはエッチングストッパ膜１０３ｂを残しておく。

次に、図２（ｂ）に示すように、バリアメタル１２０を形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、異方性プラズマエッチングでバリアメタル１２０をエッチングし、さらに、ダマシン溝１１９底部のエッチングストッパ膜１０３をエッチングして、Ｃｕ配線１０２の表面を露出させ、ウェット処理を行う。次に、図２（ｄ）に示すように、Ｃｕメッキに先立ち、密着性を上げるために接着層１２１を形成する。その後、図示はしないが、Ｃｕシード膜を形成してＣｕメッキでダマシン溝内を埋める。

しかし、図２の方法は、中間ストッパ層のない、いわゆるＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｋ膜構造やハイブリッド構造には適用することができない。これを、図３を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、全体がＬｏｗ−ｋ膜またはポーラスＬｏｗ−ｋ膜で構成される低誘電率の絶縁膜１２４を加工してダマシン溝１２９を形成する。このダマシン溝１２９は、上部配線溝（トレンチ）１２９ｂとビア孔１２９ａを含むデュアルダマシン溝である。ビア孔１２９ａの底部にはエッチングストッパ膜（ボトムエッチングストッパ）１０３ｂを残しておき、上部トレンチ１２９ｂのドライエッチングには、たとえばＳｉＯとＳｉＣ系の膜から成るハードマスク１２７を用いる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ダマシン溝１２９内にバリアメタル１２０を形成し、次いで、図３（ｃ）に示すように、バリアメタル１２０とボトムエッチングストッパ１０３ｂを、順次エッチングする。バリアメタル１２０のエッチング過程で、ハードマスク１２７上のバリアメタル１２０と、トレンチ１２９ｂの底面に堆積されたバリアメタル１２０が除去され、ダマシン溝１２９側壁のバリアメタルも一部除去される。続いて、ボトムエッチングストッパ１０３ｂをエッチングするときに、トレンチ１２９ｂの底面も削れて後退し、サークルＡで示すように配線形状が劣化する。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜を用いた場合は、さらに、Ｃｕ配線１０２の表面洗浄時にポーラスＬｏｗ−ｋ膜１２５４の露出、後退した部分から水分が入り込むという問題もある。

この状態で、図３（ｄ）に示すように接着層１２１を形成すると、ダマシン溝１２９を構成するトレンチ１２９ｂの底面には接着層１２１しか存在せず、また側壁のバリア層も薄いままで溝内が埋め込まれることになる。
特開２００４−１５３１６２号公報 ＵＳＰ６，６０７，９７７号 ＵＳＰ６，７６４，９４０号 特開２００３−３１６５３２号公報

そこで本発明は、低誘電率材料を用いた絶縁膜にダマシンプロセスにより多層配線を形成する際に、形状劣化やバリアメタルの薄膜化を防止して、適正な配線形状と、必要十分な膜厚のバリアメタルを備えた多層配線構造、およびその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、配線溝の内壁に位置するバリアメタルを第１バリアメタルと第２バリアメタルの二層構造とし、配線溝底部の下層配線上に位置するバリアメタルを第２バリアメタル単層で構成する。第１バリアメタルは、ウェット処理に先立って形成する。

具体的には、第１の側面では、多層配線構造の製造方法は、
(a) 下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜に、前記下層配線に到達する溝を形成し、
(b) 前記溝の内壁及び前記下層配線上に第１バリアメタルを形成し、
(c) 前記溝の前記内壁に位置する前記第１バリアメタルを残して、前記下層配線上の前記第１バリアメタルを除去し、
(d) 前記下層配線の表面をウェット処理し、
(e) 前記第１バリアメタル上及び前記下層配線上に、第２のバリアメタルを形成する
工程を含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法。

良好な実施例では、前記第１バリアメタルを、たとえばタンタル（Ｔａ）で形成する。

また、別の実施例として、前記絶縁膜を、ポーラスＬｏｗ−ｋ材料で形成し、前記溝は、ＣxＦy系のガス、またはＣxＦyＨz系のガスを用いたドライエッチングで形成し、前記第１バリアメタルとしてタンタル（Ｔａ）膜を成膜する。

第２の側面では、多層配線構造は、
(a) 下層配線と、
(b) 前記下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜と、
(c) 前記絶縁膜に形成され、前記下層配線に電気的に接続される上層配線と、
を含み、前記上層配線は、前記絶縁膜との界面全面に、第１バリアメタルと、当該第１バリアメタルと異なる種類の第２バリアメタルとで構成される２層構造のバリアメタルを有し、前記下層配線との界面に、前記第２のバリアメタルから成る単層構造のバリアメタルを有する。

一例として、前記第１バリアメタルはα-Ｔａであり、前記第２バリアメタルはβ−Ｔａである。

上述した構成および方法により、ダマシン溝の形状劣化を防止し、必要十分な膜厚のバリアメタルを設けることができる。また、低誘電率絶縁膜への水分の侵入を防止することができる。その結果、デバイスの信頼性が向上する。

以下、添付図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
<第１実施形態>
図４は、本発明の第１実施形態に係るダマシン配線形成の基本概念を示す図である。このダマシン配線は、多層配線構造を有する半導体装置に適用することができる。第１実施形態では、Ｌｏｗ−ｋ膜とポーラスＬｏｗ−ｋ膜で構成されるハイブリッド構造の絶縁膜に、デュアルダマシンプロセスにより、Ｃｕ多層配線を形成する。

まず、図４（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１２が形成されているポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上に、エッチングストッパ膜１３を介してＬｏｗ−ｋ膜１４とポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５が積層された絶縁膜を加工して、Ｃｕ配線１２に到達するデュアルダマシン溝１９を形成する。Ｃｕ配線１２が配置されるポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１の表面に位置する膜２３は、Ｃｕ配線１２の加工時にハードマスクの一部として用いられたＳｉＣ系の絶縁膜である。デュアルダマシン溝１９は、上部配線溝（トレンチ）１９ｂと、ビア孔１９ｂを含む。デュアルダマシン溝１９の加工には、たとえば、ＳｉＣ系の膜１６とＳｉＯ膜１７をハードマスクとして用いる。デュアルダマシン溝１９の加工プロセスの詳細については後述するが、この加工工程で、エッチングストッパ膜１３もドライエッチングで除去して、Ｃｕ配線１２の表面を露出させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、ウェット処理に先立って、デュアルダマシン溝１９内に、第１バリアメタル２１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、異方性プラズマエッチングで第１バリアメタル２１をエッチングして、再度Ｃｕ配線１２の表面を露出させる。このとき、デュアルダマシン溝１９の側壁の第１バリアメタル２１の膜厚が減少する。また、サークルＢで示すように、トレンチ１９ｂの底面の第１バリアメタル２１も除去され、Ｌｏｗ−ｋ膜１４が露出する。もっとも、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜と異なり、第１バリアメタル２１のエッチングによるＬｏｗ−ｋ膜１４の後退はそれほど顕著ではなく、配線形状を維持することができる。Ｃｕ配線１２が露出したら、ウェット処理により、Ｃｕ配線１２の表面を洗浄する。このときも、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜と異なり、Ｌｏｗ−ｋ膜１４への水分の侵入は少ない。

次に、図４（ｄ）に示すように、デュアルダマシン溝内１９に第２バリアメタル２２を形成する。これにより、デュアルダマシン溝１９の側壁に位置して低誘電率材料と接する部分のバリアメタルは、第２バリアメタル２１と第２バリアメタル２２の２層構造となり、側壁での膜厚や密着性が確保される。Ｃｕ配線１２上のバリアメタルは、第２バリアメタル２２の１層である。この後、後述するようにＣｕシード層を成膜してＣｕメッキを行い、下層のＣｕ配線１２に接続するビアコンタクト（図４では不図示）と上部配線（図４では不図示）を同時に形成する。

第１バリアメタル２１と第２バリアメタル２２は、同じ種類であっても異なる種類であってもよい。同じ種類を用いる場合は、Ｔａ、Ｔｉ，ＴｉＮ、Ｒｕなどを用いることができる。第１バリアメタル２１と第１バリアメタル２２の膜厚は、たとえば、それぞれ１０ｎｍとすることができるが、第１バリアメタルと第２バリアメタルの膜厚比を変えることも可能である。

異なる種類のバリアメタルを形成する場合は、第１バリアメタル２１／第２バリアメタル２２の組み合わせを、Ｔａ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ｔａ、Ｔａ／Ｒｕ、ＴａＮ／Ｔａ等とすることができる。ビア抵抗は第２バリアメタルで決まるため、第２バリアメタル２２が第１バリアメタルよりも低抵抗であることが望ましい。

オプションで、図４（ｃ）の第１バリアメタル２１の異方性エッチングの後に、続けてプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことで、ビアまわりの配線の信頼性が向上する。プラズマ処理とは、Ｈ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらを１種類以上含む混合ガスを用いて、加工形状を変化させない程度の低バイアスで行うプラズマ処理である。これにより、異方性エッチング中にビア孔１９ａ内に生じた異物（酸化Ｃｕ等のエッチング生成物）を取り除くことができる。また、図４（ｂ）で第１バリアメタル２１を形成する前に、ドライエッチング後のプラズマ処理を行うことも有効である。

デュアルダマシン溝１９の加工から、第１バリアメタル２１成膜の過程において、エッチング後、ウェーハを大気にさらさないで第１バリアメタル２１を形成することが望ましい。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５は、大気中の水分を吸収するからである。これを実現するため、図５のように、エッチング装置とバリアメタル成膜装置を一体にした処理装置５−を使用する。図５の例では、処理装置５０は、ロードロック室５１，カセットステージ５２ａ、５２ｂ、第１エッチングチャンバ５３、第２エッチングチャンバ５４、第１バリアメタル成膜チャンバ５５、第２バリアメタル成膜チャンバ５６を有する。カセットステージ５２上のウェーハは、図示しない搬送ロボット（アーム）により、ロードロック室５１からエッチングチャンバ５３又は５４に搬入されて、ダマシン溝１９が形成される（図４（ａ））。場合に応じて、前述したプラズマ処理を行ってから、真空密封下でバリアメタル成膜チャンバ５５又は５６に移動され、第１バリアメタル２１が形成される。

図６〜８は、第１実施形態のデュアルダマシン多層配線の製造工程の具体例である。まず、図６（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１２が形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上に、ＳｉＣＨエッチングストッパ膜１３をプラズマＣＶＤにて厚さ３０ｎｍに成膜する。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上には、Ｃｕ配線１２の形状を加工する際にハードマスクの一部として用いられたＳｉＣＨ膜２３が、絶縁膜の一部として残されている。エッチングストッパ膜１３上に、Ｌｏｗ−ｋ膜１４としてＳｉＯＣＨを膜厚２００ｎｍに成膜し、さらにその上に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５として、ナノクラスタリングシリカ（ＮＣＳ）を膜厚１５０ｎｍに成膜する。ＳｉＯＣＨ膜１４はプラズマＣＶＤで形成し、ＮＣＳ膜１５は、塗布後にキュアして形成する。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５上に、ハードマスク用に膜厚３０ｎｍのＳｉＣＨ膜１６と、膜厚２００ｎｍのＳｉＯ膜１７をプラズマＣＶＤにて順次形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ膜１７上に、ビア孔の形状に対応する開口パターンのレジストマスク（不図示）を形成して、レジストマスクで、エッチングストッパ膜１３に到達するビア孔を形成し、アッシングを行う。続いて、ビア孔の中に樹脂６１を充填する。その後、アッシングによりエッチバックして平坦にする。全面に反射防止膜６２とレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィおよびエッチングで、ダマシン溝のトレンチ形状に対応する開口パターンのレジストマスク６３を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、レジストマスク６３を用いて、ハードマスク１８ＶのＳｉＯ膜１７をドライエッチングし、上部配線用のトレンチの形状に対応する開口パターン６４を形成する。このとき、ハードマスク１８ＶのＳｉＣＨ膜１６は、エッチングストッパの役割を果たす。このドライエッチングで、反射防止膜６２も除去される。その後、アッシングによりレジストマスク６３と、埋め込み樹脂６１を除去する。この段階では、ビア孔６５の底部に、エッチングストッパ膜１３が残っている。

次に、図６（ｄ）に示すように、トレンチパターンを有するＳｉＯ膜１７をハードマスクとし、エッチングガスとしてＣＦ4／ＣＨＦ3混合ガスを使用してポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５をエッチングし、ビア孔６５につながる上部配線用のトレンチ６７を形成する。このとき、同時にビア孔６５底部のエッチングストッパ膜１３も除去される。この状態が、図４（ａ）に対応する状態である。このエッチングの後に、露出したＣｕ配線の表面をＨ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらのガスを１種類以上含む混合ガスで、プラズマ処理してもよい。

次に、図７（ｅ）に示すように、異方性の高いＬＴＳ（Long Throw Sputter）法により、第１バリアメタル２１として、ＴａＮ膜２１を膜厚１０ｎｍに成膜する。この状態が、図４（ｂ）に対応する。

次に、図７（ｆ）に示すように、ＴａＮ第１バリアメタル２１を、ＣＦ4系のガス若しくはＣｌ2系のガスを用いて異方性のドライエッチングを行い、トレンチ６７およびビア孔６５の側壁のＴａＮ膜２１のみを残し、下層のＣｕ配線１２の表面を露出する。ここでは、Ｃｌ2／ＢＣｌ3の混合ガスで、１５ｍＴの低圧でドライエッチングを行った。第１バリアメタル２１のドライエッチングの後に、表面処理としてＨ2／Ｎ2プラズマ処理を行い、その後、ウェット処理を行って、Ｃｕ配線１２の表面の酸化銅を除去する。この状態が、図４（ｃ）に対応する。

次に、図７（ｇ）に示すように、ＬＴＳ法により第２バリアメタル２２として、膜厚１０ｎｍのＴａ膜２２を成膜する。これにより、ダマシン溝側壁では、第１バリアメタル２１と第２バリアメタル２２の２層構造となり、ダマシン溝底面では、第２バリアメタル２２が１層存在することになる。この状態が図４（ｄ）に対応する。

次に、図７（ｈ）に示すように、図示しないＣｕシード膜を全面に形成して、電界メッキ等により、ダマシン溝内および基板表面にＣｕ膜６６を形成する。

次に、図８（ｉ）に示すように、ＣＭＰによりハードマスク１６が露出するまでＣｕ膜６６を研磨して平坦化し、Ｃｕ配線６８を形成する。ハードマスク１６はストッパの役割を果たす。

次に、図８（ｊ）に示すように、全面にエッチングストッパ膜６９を形成し、図６（ａ）からの工程を繰り返して、さらに上層のダマシン配線を形成して、ダマシン多層構造１０が完成する。なお、第１バリアメタルと第２バリアメタルの組み合わせとしては、第１バリアメタルにＴｉ（Ｔａ）、第２バリアメタルにＴａ（Ｒｕ）を用いてもよい。

このようなデュアルダマシンＣｕ配線を半導体装置に適用する場合は、たとえば、下層のＣｕ配線１２は、半導体基板上に形成されたトランジスタ等の図示しない素子に電気的に接続され、Ｃｕ配線１２は、コンタクトビアと上部配線から成るダマシン配線６８に電気的に接続される。Ｃｕ配線１２と接続されるダマシン配線は、低誘電率膜（たとえばＬｏｗ−ｋ膜１４やポーラスＬｏｗ−ｋ膜１５）との境界に必要かつ十分な膜厚のカバレッジの良好なバリアメタルを有するので、半導体装置の信頼性が向上する。
<第２実施形態>
次に、図９〜図１５を参照して、本発明の第２実施形態におけるダマシン配線の形成を説明する。第２実施形態では、ＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｋ膜構造にデュアルダマシン配線を適用する。

ＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｌ膜構造は、配線間容量を低減できるのでデバイス性能が向上し、工程数を削減できるので低コスト化が実現するという利点がある。ただし、第１実施形態で述べたダマシン配線の形成法、すなわち、Ｃｕ配線表面を露出させたダマシン溝内へのウェット処理前の第１バリアメタルの形成と、底部バリアメタルのドライエッチングおよびウェット処理後の第２バリアメタルの形成を、そのままＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｋ構造に適用すると、若干問題となる点が生じる。

すなわち、図９（ａ）に示すように、ハードマスク１６および１７を用いて、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４に、Ｃｕ配線１２に到達するデュアルダマシン溝１９を形成し（溝底部のエッチングストッパ膜１３も除去してＣｕ配線１２の表面を露出する）、図９（ｂ）のように、溝１９内に第１バリアメタル２１を形成し、図９（ｃ）のように、溝１９の側壁にのみ第１バリアメタル２１を残すようにドライエッチングして、Ｃｕ配線１２を再度露出し、ウェット処理を行う。

このとき、ダマシン溝１９底面のエッチングストッパ膜１３を除去する必要がないので、図９（ｃ）のサークルＤで示すように、第１バリアメタルのドライエッチング後も、ダマシン溝１９の形状は維持されている。ただし、ダマシン溝１９のトレンチ部分でポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４が露出し、ウェット処理の際に水分が侵入する可能性がある。

その後、図９（ｄ）のように第２バリアメタル２２を形成して、ダマシン溝１９の側壁部分のバリアメタルの膜厚を十分に確保できるが、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４内に入り込んだ水分により、バリアメタル２１、２２が酸化されるおそれがある。

そこで、第２実施形態では、第１バリアメタルとしてα-Ｔａを、第２バリアメタルとしてβ-Ｔａを採用し、特定ガスに対するα-Ｔａとβ-Ｔａのエッチング比を利用して、改善されたダマシン配線の構成および製造方法を提供する。

図１０は、第２実施形態のダマシン配線形成の基本概念を説明する図である。このダマシン配線も、多層配線構造を有する半導体装置に適用することができる。まず、図１０（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１２が形成されているポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上に、エッチングストッパ膜１３を介してポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４を加工して、Ｃｕ配線１２に到達するデュアルダマシン溝１９を形成する。Ｃｕ配線１２が配置されるポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１の表面に位置する膜２３は、Ｃｕ配線１２の加工時にハードマスクの一部として用いられたＳｉＣ系の絶縁膜である。デュアルダマシン溝１９の加工には、たとえば、ＳｉＣ系の膜１６とＳｉＯ膜１７をハードマスクとして用いる。デュアルダマシン溝１９の加工プロセスの詳細については後述するが、この加工工程で、エッチングストッパ膜１３もドライエッチングで除去して、Ｃｕ配線１２の表面を露出させる。なお、露出したＣｕ配線の表面をＨ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらのガスを１種類以上含む混合ガスで、プラズマ処理してもよい。

次に、図１０（ｂ）に示すように、第１バリアメタル３１としてタンタル（Ｔａ）膜３１を形成する。後述するように、Ｔａ膜３１は、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４の表面では、体心立方晶のα−Ｔａ膜３１ａとなり、それ以外の表面では正方晶のβ−Ｔａ膜３１となる。すなわち、配向性の異なる２種類のＴａ膜３１ａ、３１ｂが選択的に成膜される。

次に、図１０（ｃ）に示すように、異方性プラズマエッチングでＴａ第１バリアメタル２１をエッチングする。α-Ｔａ膜３１ａとβ-Ｔａ膜３１ｂは、特定のガスに対するエッチングレートが異なる。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４上には、エッチングレートの低いα-Ｔａ膜３１ａが位置するため、Ｃｕ配線１２上およびハードマスク１７上のβ-Ｔａ膜３１ｂが優先的にエッチングされる。Ｃｕ配線１２の表面が露出する時点では、ダマシン溝１９の上部トレンチの底面にはいまだα-Ｔａ膜３１ａが残存し、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４はすべて第１バリアメタル３１（α-Ｔａ膜３１ａ）で覆われている。エッチングガスとしては、α-Ｔａ膜３１ａとβ-Ｔａ膜３１ｂに対する選択比が高いＣｌ2系のガスや、ＨＢｒ系のガスを使用するのが望ましい。また、第１バリアメタル３１のエッチング後に、露出したＣｕ配線１２の表面をＨ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらのガスを１種類以上含む混合ガスで、プラズマ処理してもよい。

次に、図１０（ｄ）に示すように、ウェット処理でＣｕ配線１２の表面を洗浄し、第２バリアメタル３２を形成する。第２バリアメタルは、Ｔａであってもよいし、それ以外の低抵抗の導電材料であってもよい。第２バリアメタルをＴａで形成するときは、Ｃｕ配線１２上に成膜されるＴａ膜はβ-Ｔａ膜となる。

以下で、下地材料に依存するＴａ膜の結晶配向の相異と、α-Ｔａとβ-Ｔａのエッチングレートの相異について説明する。

図１１（ａ）は、ドライエッチング後の種々のベタ膜上にＴａ膜を形成したときの面内Ｘ線回折（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ）測定結果を示すグラフ、図１１（ｂ）は面内Ｘ線回折の模式図である。

図１１（ａ）のグラフで、実線はポーラスＬｏｗ−ｋ膜（ＮＣＳ）をハーフエッチした面上に形成したＴａ膜のＸＲＤプロファイル、太い実線は、ＳｉＯ2膜をハーフエッチした面上に形成したＴａ膜のＸＲＤプロファイル、点線は、Ｌｏｗ−ｋ膜（ＳｉＯＣ）をハーフエッチした面上に形成したＴａ膜のＸＲＤプロファイル、一点鎖線は、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜（ＮＣＳ）をアッシングした面上に形成したＴａ膜のＸＲＤプロファイルである。このグラフから、エッチング処理したポーラスＬｏｗ−ｋ膜上では、α-Ｔａのピークが観察されるが、それ以外の材料のベタ膜上や、アッシング処理したポーラスＬｏｗ−ｋ膜上では、β-Ｔａが形成されることがわかる。

一方、図１２（ａ）は、ライン側壁に形成されたＴａ膜のＸＲＤ測定結果を示すグラフ、図１２（ｂ）は、側壁でのＸ線回折の模式図である。第２実施形態では、ダマシン溝の側壁にＴａバリアメタルを形成するため、図１２（ｂ）に示すように、ラインパターンの側壁でのＸＲＤ測定も行った。図１２（ａ）で実線は、ポーラスＬｏｗ−ｋラインパターンの側壁に形成したＴａ膜のＸＲＤプロファイル、太線は、ＳｉＯ2ラインパターンの側壁に形成したＴａ膜でのＸＲＤプロファイルである。このグラフから、側壁においても、下地の絶縁膜材料によってＴａの結晶配向性が異なり、また、その配向性は、ベタ膜上のＴａ膜の配向性と一致することがわかる。

図１３は、α-Ｔａとβ-Ｔａの所定のガスに対するエッチングレートの違いを示すグラフである。α-Ｔａとβ-Ｔａのそれぞれについて、左側（白ブロック）がＣＦ4に対するエッチングレート、右側（グレイのブロック）がＣｌ2とＢＣｌ2の混合ガスに対するエッチングレートである。ＣＦ4に対しては、α-Ｔａとβ-Ｔａのエッチング比に相異はないが、
Ｃｌ2系のガス（この例ではＣｌ2とＢＣｌ2の混合ガス）に対しては、エッチングレートが大きく異なる。したがって、Ｃｌ2系のガスでバリアメタルのドライエッチングを行うことによって、大きなエッチング選択比でβ-Ｔａを選択除去することができる。ＨＢｒガスもα-Ｔａとβ-Ｔａに対する大きなエッチング選択比を得ることができる。

図１４（ａ）は、ポーラスＬｏｗ−ｋ表面のＯ（酸素）／Ｃ（炭素）比率と、ポーラスＬｏｗ−ｋ上に形成されたＴａ膜の抵抗の関係を示すグラフ、図１４（ｂ）は、ポーラスＬｏｗ−ｋエッチング後の状態を示す概略断面図である。

ポーラスＬｏｗ−ｋ表面のＯ／Ｃ比率が小さいと（すなわちカーボンリッチの状態では）、ポーラスＬｏｗ−ｋ上のＴａ膜は、体心立方晶のα-Ｔａとなり、その電気抵抗は小さいが、Ｏ／Ｃ比率が大きくなると（２:１を越えると）、正方晶のβ-Ｔａとなり、α-Ｔａと比較して抵抗が高くなる。

図１４（ｂ）に示すように、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４をＣxＦy系のガス（ＣＦ4など）やＣxＦyＨz系のガス3など）でドライエッチングすると、その表面部分２４ｓで、ポア２４ａ内にフルオロカーボンが吸着して、カーボンリッチの状態になる。この状態で、第１バリアメタル３１としてＴａ膜を成膜すると、α-Ｔａ膜３１ａとなる。一方、ポーラスＬｏｗ−ｋをＯ2アッシングしたときは、表面のＯ／Ｃ比率が高くなり、その上に成膜されたＴａはβ-Ｔａとなる。

したがって、図１０（ａ）でダマシン溝１９を形成するためにＣＦ4系のガスでドライエッチングしたポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４の露出面は、カーボンリッチな状態になっており、この状態で第１バリアメタルとしてのＴａ膜３１を成膜すると、図１０（ｂ）に示すように、ダマシン溝１９の側壁上ではα-Ｔａ膜３１ａとなり、それ以外の膜上（Ｃｕ配線２１やＳｉＯ／ＳｉＣＨハードマスク１７、１６上）では、β-Ｔａ膜３１ｂとなる。そして、Ｃｌ2系のガスでＴａ膜３１をエッチングすると、エッチング選択比により、図１０（ｃ）のように、平面上のβ-Ｔａ膜３１ｂが選択的に除去される。

図１５〜図１７は、第２実施形態のデュアルダマシン多層配線の製造工程の具体例である。まず、図１５（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１２が形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上に、ＳｉＣＨエッチングストッパ膜１３をプラズマＣＶＤにて厚さ３０ｎｍに成膜する。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１上には、Ｃｕ配線１２の形状を加工する際にハードマスクの一部として用いられたＳｉＣＨ膜２３が、絶縁膜の一部として残されている。エッチングストッパ膜１３上に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４として、ナノクラスタリングシリカ（ＮＣＳ）を膜厚３００ｎｍに成膜する。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４上に、ハードマスク用に膜厚３０ｎｍのＳｉＣＨ膜１６と、膜厚２００ｎｍのＳｉＯ膜１７を順次形成する。

次に、図１５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ膜１７上に、ビア孔の形状に対応する開口パターンのレジストマスク（不図示）を形成して、レジストマスクで、エッチングストッパ膜１３に到達するビア孔を形成し、アッシングを行う。続いて、ビア孔の中に樹脂７１を充填する。その後、アッシングによりエッチバックして平坦にする。全面に反射防止膜７２とレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィおよびエッチングで、ダマシン溝のトレンチ形状に対応する開口パターンのレジストマスク７３を形成する。

次に、図１５（ｃ）に示すように、レジストマスク７３を用いて、ハードマスク１８ＶのＳｉＯ膜１７をドライエッチングし、上部配線用のトレンチの形状に対応する開口パターン７４を形成する。このとき、ハードマスク１８ＶのＳｉＣＨ膜１６は、エッチングストッパの役割を果たす。このドライエッチングで、反射防止膜７２も除去される。その後、アッシングによりレジストマスク７３と、埋め込み樹脂７１を除去する。この段階では、ビア孔７５の底部に、エッチングストッパ膜１３が残っている。

次に、図１５（ｄ）に示すように、トレンチパターンを有するＳｉＯ膜１７をハードマスクとし、エッチングガスとしてＣＦ4／ＣＨＦ3混合ガスを使用して、ＳｉＣＨ膜１６とポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４をエッチングして、ビア孔７５につながる上部配線用のトレンチ７７を形成する。このとき、同時にビア孔７５底部のエッチングストッパ膜１３も除去される。この状態が、図１０（ａ）に対応する状態である。

次に、図１６（ｅ）に示すように、ＬＴＳ（Long Throw Sputter）法により、第１バリアメタル３１として、Ｔａ膜３１を膜厚１０ｎｍに成膜する。このとき、ドライエッチング後のポーラスＬｏｗ−ｋ膜（すなわち、トレンチ７７とビア孔７５の側壁）２４上には、α-Ｔａ膜３１ａが形成され、それ以外の面上にはβ-Ｔａ膜３１ｂが形成される。この状態が、図１０（ｂ）に対応する。

次に、図１６（ｆ）に示すように、Ｔａ第１バリアメタル３１を、α−Ｔａとβ-Ｔａに対するエッチング選択性の高いＣｌ2／ＢＣｌ3の混合ガスを用いて、ドライエッチングする。これにより、β-Ｔａ膜３１ｂが選択的に除去されてＣｕ配線１２の表面が露出し、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４上には、α-Ｔａ膜３１ａが残る。ドライエッチングの後に、表面処理としてＨ2／Ｎ2プラズマ処理を行い、その後、ウェット処理を行って、Ｃｕ配線１２の表面の酸化銅を除去する。エッチング選択比により、トレンチ７７の底面にもα-Ｔａ膜３１ａが残り、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜２４全面が露出することなく被覆されているので、ウェット処理を行っても、水分の侵入を防止することができる。この状態が、図１０（ｃ）に対応する。

次に、図１６（ｇ）に示すように、ＬＴＳ法により第２バリアメタル３２として、膜厚１０ｎｍのＴａ膜３２を成膜する。第２バリアメタル３２は、β-Ｔａ膜である。第２バリアメタル３２はＴａ膜に限定されず、Ｔａ以外の低抵抗金属で形成してもよい。これにより、ダマシン溝側壁では、第１バリアメタル３１（より具体的にはα-Ｔａ膜３１ａ）と第２バリアメタル３２の２層構造となり、ダマシン溝底面では、第２バリアメタル３２が１層存在することになる。この状態が図１０（ｄ）に対応する。

次に、図１６（ｈ）に示すように、図示しないＣｕシード膜を全面に形成して、電界メッキ等により、ダマシン溝内および基板表面にＣｕ膜６６を形成する。

次に、図１７（ｉ）に示すように、ＣＭＰによりハードマスク１６が露出するまでＣｕ膜６６を研磨して平坦化し、Ｃｕ配線６８を形成する。ハードマスク１６はストッパの役割を果たす。

次に、図１７（ｊ）に示すように、全面にエッチングストッパ膜６９を形成し、図１５（ａ）からの工程を繰り返して、さらに上層のダマシン配線を形成して、ダマシン多層配線構造２０が完成する。さらに上層のダマシン配線を形成する場合は、第１バリアメタルと第２バリアメタルの組み合わせとしては、α-Ｔａとβ-Ｔａの組み合わせ以外に、第１実施形態のように、第１バリアメタルとして、ＴａやＴｉを用い、第２バリアメタルとしてＴａやＲｕを用いてもよい。

第１実施形態と同様に、このようなダマシン配線は、半導体装置の多層配線構造に良好に適用することができる。

以上述べたように、本発明は、ハイブリッド構造の絶縁膜に適用する場合でも、ＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｋ構造の絶縁膜に適用する場合でも、ダマシン配線の形状を適正に維持するとともに、ダマシン溝の側壁に必要かつ十分な膜厚のバリアメタルを確保することができ、デバイスの信頼性を向上することができる。

また、実施形態では、デュアルダマシン溝を形成したが、シングルダマシン溝にも本発明の構成及び手法を適用することができる。

最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）
下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜に、前記下層配線に到達する溝を形成し、
前記溝の内壁及び前記下層配線上に第１バリアメタルを形成し、
前記溝の前記内壁に位置する前記第１バリアメタルを残して、前記下層配線上の前記第１バリアメタルを除去し、
前記下層配線の表面をウェット処理し、
前記第１バリアメタル上及び前記下層配線上に、第２のバリアメタルを形成する
工程を含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法。
（付記２）
前記第１バリアメタルと前記第２バリアメタルを、同一または異なる材料で形成することを特徴とする付記１又は２に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記３）
前記第２バリアメタルを、前記第１バリアメタルよりも電気抵抗の小さい材料で形成することを特徴とする付記１又は２に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記４）
前記第１バリアメタルをタンタル（Ｔａ）で形成することを特徴とする付記１に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記５）
前記絶縁膜を、ポーラスＬｏｗ−ｋ材料で形成し、
前記溝は、ＣxＦy系のガス、またはＣxＦyＨz系のガスを用いたドライエッチングで形成し、
前記第１バリアメタルとしてタンタル（Ｔａ）膜を成膜する、
ことを特徴とする付記１に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記６）
塩素（Ｃｌ2）を含む混合ガス又はＨＢｒを含む混合ガスを用いて、前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜上の前記Ｔａ膜が残るように、前記下層配線上の前記Ｔａ膜を選択的に除去することを特徴とする付記５に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記７）
前記ダマシン溝形成後に、Ｈ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらのガスを１種類以上含む混合ガスで、前記下層配線の表面をプラズマ処理する工程を、
さらに含むことを特徴とする付記１に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記８）
前記第１バリアメタルの除去後に、Ｈ2、Ｏ2、Ｎ2、Ａｒ、またはこれらのガスを１種類以上含む混合ガスで、前記下層配線の表面をプラズマ処理する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記９）
前記絶縁膜の加工から前記第１バリアメタルの形成までの工程を、大気を遮断した状態で行うことを特徴とする請求項１〜９に記載の多層配線構造の製造方法。
（付記１０）
下層配線と、
前記下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成され、前記下層配線に電気的に接続される上層配線と、
を含み、前記上層配線は、前記絶縁膜との界面全面に、第１バリアメタルと、当該第１バリアメタルと異なる種類の第２バリアメタルとで構成される２層構造のバリアメタルを有し、前記下層配線との界面に、前記第２のバリアメタルから成る単層構造のバリアメタルを有することを特徴とする多層配線構造。
（付記１１）
前記第２バリアメタルの電気抵抗は、前記第１バリアメタルの電気抵抗よりも低いことを特徴とする付記１２に記載の多層配線構造。
（付記１２）
前記第１バリアメタルはα-Ｔａであり、前記第２バリアメタルはβ−Ｔａであることを特徴とする付記１０に記載の多層配線構造。
（付記１３）
前記第１バリアメタルと前記第２バリアメタルの組み合わせは、Ｔａ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ｔａ、Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔａ、ＴａＮ／Ｔａを含むことを特徴とする付記１２に記載の多層配線構造。
（付記１４）
前記絶縁膜は、Ｌｏｗ−ｋ膜とポーラスＬｏｗ−ｋ膜を含むハイブリッド構造であることを特徴とする付記１０に記載の多層配線構造。
（付記１５）
前記絶縁膜は、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜の単層構造であることを特徴とする付記１０に記載の多層配線構造。

従来のダマシン配線の問題点を説明するための図である。 図１の問題を解決するために提案されている公知のダマシン配線形成方法を示す図である。 図２の公知方法の問題点を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の基本概念を説明するための図である。 図４のダマシン多層配線構造の製造に用いられる処理装置の概略構成図である。 第１実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その１）である。 第１実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その２）である。 第１実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その３）である。 第１実施形態のプロセスをＦｕｌｌポーラスＬｏｗ−ｋ構造に適用した場合のダマシン多層配線の形成を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の基本概念を説明するための図である。 下地の種類に応じたＴａベタ膜の配向の違いを説明するための 下地の種類に応じた側壁上のＴａ膜の配向の違いを説明するための図である。 特定のエッチングガスに対するα-Ｔａとβ-Ｔａのエッチングレートの相異を説明するための図である。 ポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面状態を説明するための図である。 第２実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その１）である。 第２実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その２）である。 第２実施形態のダマシン多層配線構造の製造工程図（その３）である。

符号の説明

１０、２０ ダマシン多層配線構造
１１、１５，２４ ポーラスＬｏｗ−ｋ膜（低誘電率の絶縁膜）
１２ 下層配線
１３ エッチングストッパ膜
１４ Ｌｏｗ−ｋ膜（低誘電率の絶縁膜）
１６、１７ ハードマスク
１９ ダマシン溝
１９ａ、６５、７５ ビア孔
１９ｂ、６７、７７ 上部配線トレンチ
２１、３１ 第１バリアメタル
２２、３２ 第２バリアメタル
３１ａ α-Ｔａ
３１ｂ β-Ｔａ

Claims (5)

1. 下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜に、前記下層配線に到達する溝を形成し、
   前記溝の内壁及び前記下層配線上に第１バリアメタルを形成し、
   前記溝の前記内壁に位置する前記第１バリアメタルを残して、前記下層配線上の前記第１バリアメタルを除去し、
   前記下層配線の表面をウェット処理し、
   前記第１バリアメタル上及び前記下層配線上に、第２のバリアメタルを形成する
   工程を含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法。
2. 前記第１バリアメタルをタンタル（Ｔａ）で形成することを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造の製造方法。
3. 前記絶縁膜を、ポーラスＬｏｗ−ｋ材料で形成し、
   前記溝は、ＣxＦy系のガス、またはＣxＦyＨz系のガスを用いたドライエッチングで形成し、
   前記第１バリアメタルとしてタンタル（Ｔａ）膜を成膜する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造の製造方法。
4. 下層配線と、
   前記下層配線を被覆する低誘電率材料の絶縁膜と、
   前記絶縁膜に形成され、前記下層配線に電気的に接続される上層配線と、
   を含み、前記上層配線は、前記絶縁膜との界面全面に、第１バリアメタルと、当該第１バリアメタルと異なる種類の第２バリアメタルとで構成される２層構造のバリアメタルを有し、前記下層配線との界面に、前記第２のバリアメタルから成る単層構造のバリアメタルを有することを特徴とする多層配線構造。
5. 前記第１バリアメタルはα-Ｔａであり、前記第２バリアメタルはβ−Ｔａであることを特徴とする請求項４に記載の多層配線構造。

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