JP2010103329A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【目的】ＴＤＤＢ寿命を長くすることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程（Ｓ１０４）と、前記絶縁膜上に、ポアが形成されるキャップ膜を形成する工程（Ｓ１０６）と、前記キャップ膜と前記絶縁膜に開口部を形成する工程（Ｓ１１０）と、前記開口部内に導電性材料を堆積させる工程（Ｓ１１６）と、前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後に、前記ポアの一部を残しながら一部が前記キャップ膜中に食い込むように、前記キャップ膜上に前記導電性材料の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程（Ｓ１２２）と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に係り、例えば、銅（Ｃｕ）配線層の層間絶縁膜の構成およびその製造方法に関する。
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のヴィアホール（孔）を形成して、プラグ材料となるＣｕを埋め込み、さらに、上層の配線へとつなげていくことになる。
そして、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低い低誘電率材料膜（ｌｏｗ−ｋ膜）を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率ｋが、約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）膜から比誘電率ｋが２．６以下の低誘電率材料膜（ｌｏｗ−ｋ膜）を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。特に、低誘電率化のために絶縁膜中に微細な空孔を有する、いわゆる多孔性絶縁膜を用いたプロセスが開発されている。
そして、通常、ダマシン法を用いるＬＳＩ金属配線構造においては、低誘電率絶縁膜の上に緻密なキャップ膜層を積層する。これは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法やＣＭＰ法を用いて絶縁膜を加工する際に密度が低く強度に乏しい低誘電率絶縁膜層を直接加工することが困難であるためである。そのため、緻密なキャップ膜層で低誘電率絶縁膜上を覆った状態で低誘電率絶縁膜層の加工が行われる場合が多い。
しかしながら、加工性に優れる緻密なキャップ膜層は結果として低誘電率絶縁膜より高い比誘電率を持ち、その比誘電率の高さが多層配線構造における各配線層での低誘電率化の妨げとなるといった問題があった。そのため、各配線層において、キャップ膜層に起因する層間絶縁膜全体での比誘電率上昇を少なくとも抑制すると共に、層間絶縁膜全体でのさらなる低誘電率化を図ることが試みられている。
例えば、比誘電率が高いキャップ膜層で低誘電率絶縁膜上を覆った状態でＣＭＰ加工を行い、その後、キャップ膜層だけを除去する。これにより、キャップ膜の膜厚分だけ低誘電率絶縁膜の表面よりもＣｕ配線が出っ張った状態となる。そして、低誘電率絶縁膜上と出っ張ったＣｕ配線表面とを覆うように拡散防止膜をキャップ膜より薄い膜厚で形成し、残りの出っ張ったＣｕ配線部分は、上層の低誘電率絶縁膜で覆うといった手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、Ｃｕ配線の上端部は、拡散防止膜と上層（ビアプラグ層等）の低誘電率絶縁膜との積層膜で絶縁され、Ｃｕ配線の残りの部分は、元々の低誘電率絶縁膜で絶縁され、Ｃｕ配線の上端部をキャップ膜で絶縁するよりは低誘電率化を図り得ることが期待される。しかしながら、かかる手法では、一般に比誘電率が高い拡散防止膜がＣｕ配線間に存在するので、かかる配線層全体での層間絶縁膜の比誘電率ｋは、通常、元々の低誘電率絶縁膜の比誘電率ｋの値よりも高くなってしまう。
また、その他の手法として、例えば、比誘電率が高いキャップ膜層で低誘電率絶縁膜上を覆った状態でＣＭＰ加工を行い、その際、キャップ膜層が除去されるまで研磨を進めれば、Ｃｕ配線は、元々の低誘電率絶縁膜で側面全体が絶縁されることになり、キャップ膜層に起因する比誘電率上昇を抑制することができる。しかし、かかる手法では、層間絶縁膜上端部の比誘電率ｋ値は低誘電率絶縁膜のｋ値と同等にしかならず、さらなる低誘電率化を図ることが困難である。
さらに、キャップ膜層の位置するＣｕ配線上端部は特に同層での隣り合う配線間に生じる電界が最も集中する部分である。このような電界が集中するＣｕ配線上端部では、Ｃｕイオンドリフトが起こりやすい。その結果として、ＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命が短くなってしまうといった問題があった。かかるＣｕダマシン配線におけるＴＤＤＢ寿命等に関連する記載が文献に開示されている（例えば、非特許文献１，２参照）。ＴＤＤＢ寿命を延ばすためには、Ｃｕイオンドリフトの抑制が望まれる。しかしながら、従来、かかる問題を十分に解決できる手法が確立されていない状況であった。
特開２００５−３１１１２３号公報 "ＴＤＤＢ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｃｕ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｂｉａｓ Ｓｔｒｅｓｓ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２０００，Ｐ．３３９ "Ｂｕｌｋ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００４，Ｐ．４１１
本発明の一態様は、上述したような従来の問題点を克服し、低誘電率化を図ること或いはＴＤＤＢ寿命を長くすることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、ポアが形成されるキャップ膜を形成する工程と、前記キャップ膜と前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、前記開口部内に導電性材料を堆積させる工程と、前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後に、前記ポアの一部を残しながら一部が前記キャップ膜中に食い込むように、前記キャップ膜上に前記導電性材料の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の他の態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、ポロジェン成分を含有する材料を用いて前記ポロジェン成分を残すようにキャップ膜を形成する工程と、前記キャップ膜と前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、前記開口部内に導電性材料を堆積させる工程と、前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後に、前記キャップ膜中から前記ポロジェン成分を除去して前記絶縁膜よりも低い比誘電率を有する多孔質のキャップ膜を得る工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様の半導体装置は、基体上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された、前記絶縁膜の比誘電率よりも低い比誘電率のキャップ膜と、前記キャップ膜と前記絶縁膜とが側面に位置するように配置された配線と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、Ｃｕイオンドリフトを抑制することができる。よって、ＴＤＤＢ寿命を長くすることができる。また、本発明の他の態様によれば、低誘電率化を図るとともに、Ｃｕイオンドリフトを抑制することができる。よって、ＴＤＤＢ寿命を長くすることができる。
実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１において、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）と、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程（Ｓ１０４）と、ポロジェン含有キャップ膜形成工程（Ｓ１０６）と、開口部形成工程（Ｓ１１０）と、バリアメタル膜形成工程（Ｓ１１２）と、シード膜形成工程（Ｓ１１４）と、めっき及びアニール工程（Ｓ１１６）と、研磨工程（Ｓ１１８）と、ポロジェン除去工程（Ｓ１２０）と、拡散防止膜形成工程（Ｓ１２２）という一連の工程を実施する。
図２は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図２では、図１のエッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）から開口部形成工程（Ｓ１１０）までを示している。
図２（ａ）において、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板２００上に、化学気相成長（ＣＶＤ）法によってエッチングストッパ膜２１０を例えば２０〜４０ｎｍの膜厚で形成する。エッチングストッパ膜の材料として、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、或いは多孔質ではない炭酸化シリコン（ｄｅｎｓｅＳｉＣＯ）等が好適である。形成方法は、ＣＶＤ法に限るものではなくその他の方法で成膜しても構わない。また、基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。ここでは、コンタクトプラグ層やデバイス部分等の図示は省略している。そして、基板２００上には、その他の金属配線またはヴィアプラグ等、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有する層が形成されていても構わない。或いは、その他の層が形成されていても構わない。
図２（ｂ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程（Ｓ１０４）として、エッチングストッパ膜２１０上に、多孔質の低誘電率絶縁材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２２０を例えば１００ｎｍの厚さで形成する。ｌｏｗ−ｋ膜２２０を形成することで、比誘電率ｋが２．４〜３．０程度の絶縁膜を得ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜２２０は、１層分の配線層の層間絶縁膜における主たる絶縁膜となる。ここでは、一例として、ＣＶＤ法を用いて比誘電率が２．５未満の低誘電率絶縁材料となる多孔質のＳｉＯＣＨ膜を形成する。形成方法は、ＣＶＤ法に限るものではなく、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いても好適である。ＳＯＤ法で形成するｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、ＭＳＱの他に、例えば、ポリメチルシロキサン、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。かかるｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料では、比誘電率が２．５未満の低誘電率を得ることができる。ＳＯＤ法では、例えば、スピナーで成膜し、このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中でのベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中ベーク温度よりも高温でキュアを行なうことにより形成することができる。ｌｏｗ−ｋ材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。
図２（ｃ）において、ポロジェン含有キャップ膜形成工程（Ｓ１０６）として、ｌｏｗ−ｋ膜２２０上に、ポロジェン成分１０を含有する材料を用いてキャップ膜２３０を例えば２０〜４０ｎｍの厚さで形成する。例えば、ＣＶＤ法を用いてキャップ膜２３０を形成する。キャップ膜２３０は、膜厚が、ｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも薄く形成される。キャップ膜２３０の材料としては、ポロジェン成分１０を含有すると共に、水素を含む炭酸化シリコン（ＳｉＯＣＨ）が好適である。ポロジェン成分１０としては、例えば、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）を含有するポリマー、一例として、Ｃ１０Ｈ１６等が好適である。
形成方法として、例えば、メチルジエトキシシラン（Ｍｅｔｈｙｌ−ｄｉ−ｅｔｈｏｘｙ−ｓｉｌａｎｅ）、アルファターピネン（ａｌｐｈａ−ｔｅｒｐｉｎｅｎｅ：Ｃ１０Ｈ１６）、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）からなる混合ガスを図示しないチャンバ内に流入し、チャンバ内の圧力を例えば１．３×１０３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下に維持した状態で、ｌｏｗ−ｋ膜２２０が成膜された基板２００を例えば２５０℃に加熱し、チャンバ内の下部電極及び上部電極に高周波電力を供給し、プラズマを発生させる。メチルジエトキシシランは主骨格成分形成用のガスであり、アルファターピネンはポロジェン成分形成用ガスである。これにより、ｌｏｗ−ｋ膜２２０上に有機シロキサンを主骨格成分とするＳｉＯＣＨ膜によるキャップ膜２３０が形成される。このとき、混合ガスに含まれるアルファターピネンがプラズマによって重合し、有機高分子が形成される。この有機高分子がポロジェン成分１０であり、ＳｉＯＣＨ膜中に均一に取り込まれる。
なお、主骨格成分形成用の有機シリコンガスとしては、ジメチルシラン（Ｄｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）、トリメチルシラン（Ｔｒｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）、テトラメチルシラン（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）、ジメチルフェニルシラン（Ｄｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｓｉｌａｎｅ）、トリメチルシリルアセチレン（Ｔｒｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｓｉｌｙｌ−Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ）、モノメチルジエトキシシラン（Ｍｏｎｏ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｄｉ−Ｅｔｈｏｘｙ−Ｓｉｌａｎｅ）、ジメチルジエトキシシラン（Ｄｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｄｉ−Ｅｔｈｏｘｙ−Ｓｉｌａｎｅ）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｃｙｃｌｏ−Ｔｅｔｒａ−Ｓｉｌｏｘａｎｅ）、及びオクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｏｃｔａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ｃｙｃｌｏ−Ｔｅｔｒａ−Ｓｉｌｏｘａｎｅ）の少なくとも１つを用いることができる。
一方、ポロジェン成分形成用ガスとしては、メタン（Ｍｅｔｈａｎｅ）、エチレン（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）、プロピレン（Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、アルファターピネン（Ａｌｐｈａ−Ｔｅｒｐｉｎｅｎｅ）、ガンマターピネン（Ｇａｍｍａ−Ｔｅｒｐｉｎｅｎｅ）、及びリモーネン（Ｌｉｍｏｎｅｎｅ）の少なくとも１つを用いることができる。
また、ここでは、ＣＶＤ法でＳｉＯＣＨ膜を形成しているが、形成方法はこれに限るものではない。例えば、ポロジェン材料を含有する溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ法を用いても好適である。ＳＯＤ法で形成する低誘電率のキャップ膜２３０の材料としては、例えば、ＭＳＱを用いることができる。また、ＭＳＱの他に、例えば、ポリメチルシロキサン、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。ＳＯＤ法では、例えば、スピナーで成膜し、このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中でのベークを行なうことでポロジェン成分１０が均一に含有された例えば有機シロキサンを主骨格成分とするＳｉＯＣＨ膜のキャップ膜２３０を形成することができる。いずれの低誘電率絶縁膜の材料を用いても、最終的に、比誘電率ｋがｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも低い、例えば２．０以下の低誘電率を得ることができる。
実施の形態１では、キャップ膜２３０中のポロジェン成分１０を膜形成後直ちには除去せずに、ここでは主骨格形成を行うに留める。例えば、ｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＣＶＤ法或いはＳＯＤ法により膜を形成した後、２００〜３００℃で加熱処理を行うことで主骨格を形成することができる。かかる状態では、ポロジェン成分１０が残ったままで除去されていないので膜中にポア（空孔）が形成されておらず、膜が緻密な状態となっており、そのため機械的強度もｌｏｗ−ｋ膜２２０のようなポーラス膜に比べて強い状態を維持することができる。
図２（ｄ）において、開口部形成工程（Ｓ１１０）として、図示しないレジストパターンをマスクとして、露出したキャップ膜２３０とその下層のｌｏｗ−ｋ膜２２０を異方性エッチング法により実質的に同じ幅で続けてエッチングすることにより、配線溝或いはヴィアホールとなる開口部１５０を形成する。その際、エッチングストッパ膜２１０をエッチングストッパとしてエッチングする。その後、エッチングストッパ膜２１０をエッチングして、基板２００まで届くように開口部１５０を形成する。異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５０を形成すればよい。エッチングの際、機械的強度の強いキャップ膜２３０がｌｏｗ−ｋ膜２２０のマスクとなるのでｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護することができる。
図３は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図３では、図１のバリアメタル膜形成工程（Ｓ１１２）からめっき及びアニール工程（Ｓ１１６）までを示している。
図３（ａ）において、バリアメタル膜形成工程（Ｓ１１２）として、エッチングにより形成された開口部１５０内面上及びキャップ膜２３０表面上に導電性材料の一例となるバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。スパッタ法を用いるスパッタリング装置内でＴａＮ膜を例えば膜厚５ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。バリアメタル材料の堆積方法としては、ＰＶＤ法に限らず、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法やＣＶＤ法などを用いることができる。ＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。バリアメタル膜２４０の材料としては、ＴａＮの他、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）等の金属、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）等に代表されるこれらの金属の窒化物、或いはこれらの金属を含有するその他の材料を単独でまたは積層して用いることができる。
図３（ｂ）において、シード膜形成工程（Ｓ１１４）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０内壁及び基板２００表面に堆積（形成）させる。
図３（ｃ）において、めっき及びアニール工程（Ｓ１１６）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法により導電性材料の一例となるＣｕ膜２６０をシード膜２５０が形成された開口部１５０及び基板２００表面に堆積させる。ここでは、例えば、膜厚２００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。
図４は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図４では、図１の研磨工程（Ｓ１１８）から拡散防止膜形成工程（Ｓ１２２）までを示している。
図４（ａ）において、研磨工程（Ｓ１１８）として、ＣＭＰ法によって、基板２００の表面を研磨して、開口部以外に表面に堆積した配線層となるシード膜２５０を含むＣｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０を研磨除去する。その結果、図４（ａ）に示すように、Ｃｕ膜２６０の表面とキャップ膜２３０の表面とが同一面となるように平坦化される。以上によりＣｕ配線を形成することができる。研磨の際、機械的強度の強いキャップ膜２３０がｌｏｗ−ｋ膜２２０上に形成されているのでｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護することができる。
ここで、図４（ａ）に示す状態では、キャップ膜２３０中にポロジェン成分１０が残ったままの状態であり、比誘電率ｋがｌｏｗ−ｋ膜２２０に比べて高い状態なので、ポロジェン成分１０を次の工程で除去する。
図４（ｂ）において、ポロジェン除去工程（Ｓ１２０）として、表面が露出したキャップ膜２３０中からポロジェン成分１０を除去する。ポロジェン成分１０は、例えば電子線（ＥＢ）照射によるキュアを行って除去する。具体的には、キャップ膜２３０の表面が露出した基板２００を図示しないチャンバ内部で例えば１．３×１０３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下に維持した状態で、例えば３５０〜４００℃に加熱する。次に、このチャンバ内部にアルゴン（Ａｒ）ガスを流入し、チャンバ内部の圧力を一定に維持する。圧力が一定になった後、電子線１７０をキャップ膜２３０に照射する。例えば、加速エネルギーが１０〜２０ｋｅＶの条件で電子線１７０を照射する。電子線照射により気泡となったポロジェン成分１０を除去することで、キャップ膜２３０中にポア１２が形成される。これにより、ｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも低い、例えば２．０以下の比誘電率ｋを有する、全体に均一なポア１２が散りばめられた多孔質のキャップ膜２３０を得ることができる。言い換えると、ポロジェン成分１０を除去することで、例えば、キャップ膜２３０とｌｏｗ−ｋ膜２２０とが同じＳｉＯＣＨ膜であれば、キャップ膜２３０の密度が、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の密度よりも小さくなる。例えば、密度が１．２〜１．４ｇ／ｃｍ３のｌｏｗ−ｋ膜２２０に対して、密度が１．０〜１．２ｇ／ｃｍ３のキャップ膜２３０を形成することができる。
或いは、電子線照射の代わりに紫外線照射によるキュアを行ってポロジェン成分１０の除去を行っても好適である。具体的には、キャップ膜２３０の表面が露出した基板２００を図示しないチャンバ内部で例えば１．３×１０３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下に維持した状態で、例えば３５０〜４００℃に加熱する。次に、このチャンバ内部にＡｒガスを流入し、チャンバ内部の圧力を一定に維持する。圧力が一定になった後、紫外線をキャップ膜２３０に照射する。ここでは、例えば２００ｎｍから３００ｎｍの波長領域を持つ紫外線をキャップ膜２３０に照射する。これにより、ポロジェン成分１０が気泡となって除去される。これにより、ｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも低い、例えば２．０以下の比誘電率を有する、全体に均一なポア１２が散りばめられた多孔質のキャップ膜２３０（ポーラスＳｉＯＣＨ膜）を得ることができる。同様に、例えば、キャップ膜２３０とｌｏｗ−ｋ膜２２０とが同じＳｉＯＣＨ膜であれば、キャップ膜２３０の密度が、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の密度よりも小さくなる。例えば、密度が１．２〜１．４ｇ／ｃｍ３のｌｏｗ−ｋ膜２２０に対して、密度が１．０〜１．２ｇ／ｃｍ３のキャップ膜２３０を形成することができる。
また、キャップ膜２３０中からポロジェン成分１０を除去する際、ｌｏｗ−ｋ膜２２０ではポロジェン成分は存在しないので、キャップ膜２３０中からポロジェン成分１０を除去する際にｌｏｗ−ｋ膜２２０の膜収縮が起こらない。このように、実施の形態１では、ｌｏｗ−ｋ膜２２０、キャップ膜２３０をともに多孔質に形成する場合でもｌｏｗ−ｋ膜２２０の膜収縮のリスクを回避できる。
図４（ｃ）において、拡散防止膜形成工程（Ｓ１２２）として、ＣＶＤ法を用いて、キャップ膜２３０のポア１２の一部を残しながら、一部がキャップ膜２３０中に食い込むように、キャップ膜２３０上にＣｕの拡散を防止する拡散防止膜２７０（バリア膜）を形成する。例えば、キャップ膜２３０上に２０〜４０ｎｍの膜厚で形成する。拡散防止膜２７０の材料として、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、或いは多孔質ではない炭酸化シリコン（ｄｅｎｓｅＳｉＣＯ）等が好適である。また、形成方法は、ＣＶＤ法に限るものではなくその他の方法で成膜しても構わない。拡散防止膜２７０は、上層のＣｕ配線層、ヴィアプラグ層、或いは上層のＣｕ配線とヴィアプラグを一体で形成するデュアルダマシン配線層を形成する場合に、かかる上層の層間絶縁膜に開口部を形成する際のエッチングストッパ膜としても機能する。
図５は、実施の形態１における拡散防止膜がキャップ膜に食い込んだ状態を示す概念図である。図５に示すように、キャップ膜２３０には、ポロジェン１０が揮発する際の通路となるガス抜き穴１４やポロジェン１０が含有されていた位置にポア１２が形成される。すなわち、キャップ膜２３０の表面全体には均一にガス抜き穴１４が空いている。拡散防止膜２７０は、その一部がキャップ膜２３０の表面全体に空いたガス抜き穴１４やその下のポア１２に食い込むように形成される。例えば、キャップ膜２３０の表面に空いたガス抜き穴１４のサイズが２〜４ｎｍの場合に、拡散防止膜２７０を形成する際のＣＶＤガスのサイズは１ｎｍ以下となり、ガス抜き穴１４に進入することができる。
ここで、拡散防止膜２７０がキャップ膜２３０に食い込む食い込み領域２０の深さｄは、キャップ膜２３０の全面に均一に食い込み領域２０が形成可能な深さであって、キャップ膜２３０の比誘電率ｋが主たる絶縁膜となるｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋを超えない範囲とするとよい。例えば、５〜１０ｎｍ食い込むように形成されると好適である。食い込み深さｄは、例えば、拡散防止膜２７０をＰＥ−ＣＶＤ法で形成する場合、バイアス電圧等を調整することで制御することができる。或いは、例えば、拡散防止膜２７０をＣＶＤ法で形成する場合、使用するプロセスガスの分子量で調整しても好適である。或いは、キャップ膜２３０に含有させておくポロジェン成分１０の量で調整してもよい。通常、ポロジェン成分１０は、複数の分子が一体となってキャップ膜２３０中に分散している。そのため、ポロジェン成分１０の量を少なくすれば形成されるポア１２のサイズやガス抜き穴１４のサイズも小さくなるのでガスの進入を抑制することができる。よって、食い込み深さを浅くすることができる。逆に、ポロジェン成分１０の量を増やせば形成されるポア１２のサイズやガス抜き穴１４のサイズも大きくなるのでガスの進入を促進することができる。よって、食い込み深さを深くすることができる。或いは、キャップ膜２３０に含有させておくポロジェン成分１０の分散率で調整してもよい。
以上のようにして、ｌｏｗ−ｋ膜２２０より比誘電率ｋが低いキャップ膜２３０とｌｏｗ−ｋ膜２２０とがＣｕ配線となるＣｕ膜２６０の側面に位置するように配置された図４（ｃ）に示すような一層分のＣｕ配線層を形成することができる。
図６は、実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、拡散防止膜とキャップ膜との界面での電界強度との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図６において、縦軸は拡散防止膜２７０とキャップ膜２３０との界面での電界強度、横軸はキャップ膜２３０の比誘電率を示している。また、電界強度の値は二次元の電磁界シミュレータを用いた。前提として、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋを２．７、拡散防止膜２７０の比誘電率ｋを３．７とし、Ｃｕ配線間の７０ｎｍ幅の絶縁膜スペースに１Ｖの電位差を掛けた場合を示している。シミュレーションした結果、図６に示すように、キャップ膜２３０の比誘電率ｋを小さくすることで、それに応じて界面の電界強度も弱まることがわかる。
図７は、実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、ＴＤＤＢ寿命との関係を示す予測図である。図７において、縦軸はＴＤＤＢ寿命、横軸はキャップ膜２３０の比誘電率を示している。図６での評価と同様の条件では、キャップ膜２３０の比誘電率ｋが２の場合、比誘電率ｋが４の場合の約７倍の長寿命化を見積もることができる。理由としては、図６で示した電界強度の緩和が以下に説明するようにＣｕイオンのドリフト量を減らしたためと考えられる。
図８は、実施の形態１のキャップ膜と従来のキャップ膜とにおける電界強度とＣｕドリフトとの関係を示す概念図である。従来のキャップ膜２３１は、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも十分大きい比誘電率ｋ２を有していた。かかる場合、図８（ａ）に示すように、Ｃｕ膜２６０で示す２つのＣｕ配線間では、比誘電率が大きいキャップ膜２３１、特に、その上部、すなわち、Ｃｕ配線上端部において、相対的に電界３０が密となり、最も電界強度が大きくなる。そのため、Ｃｕ配線上端部において、Ｃｕイオンのドリフトが生じやすくなる。これに対し、実施の形態１のキャップ膜２３０は、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも小さい比誘電率ｋ２を有している。かかる場合、図８（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜２６０で示す２つのＣｕ配線間では、電界３０が分散され、Ｃｕ配線上端部において、相対的に電界３０が疎となり、電界強度が小さくなる。そのため、Ｃｕ配線上端部において、Ｃｕイオンのドリフトを抑制することができる。また、Ｃｕ配線の上端部以外は、バリアメタル膜２４０で側面側および底面側が覆われており、元々Ｃｕイオンのドリフトが生じにくい。
以上のように、キャップ膜２３０の比誘電率ｋ２をｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも小さくすることで、Ｃｕイオンのドリフトを抑制することができる。その結果、ＴＤＤＢ寿命の長寿命化を図ることができる。
図９は、実施の形態１における拡散防止膜の食い込みの有無によるＣｕドリフトの様子を比較した概念断面図である。仮に、拡散防止膜２７０がキャップ膜２３０に食い込まずに、拡散防止膜２７０とキャップ膜２３０との界面が図９（ａ）に示すように平面のみであった場合、２つのＣｕ膜２６０による配線間において、電界強度が大きく生じればＣｕイオンのドリフトが生じることになる。これに対し、実施の形態１では、拡散防止膜２７０がキャップ膜２３０に食い込んでいるので、図９（ｂ）に示すように、電界強度が大きくＣｕイオンがドリフトを起こす場合でも、食い込み箇所が進行の障害となり、隣のＣｕ配線まで到達しにくくなる。このように、拡散防止膜２７０の一部をキャップ膜２３０に食い込ませて界面を平面ではなくすことでＣｕイオンのドリフトを抑制することができる。
実施の形態１では、キャップ膜２３０の比誘電率ｋ２をｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも小さくすることに加えて、さらに、拡散防止膜２７０の一部をキャップ膜２３０に食い込ませて界面を平面ではなくすことで、Ｃｕイオンのドリフトをより抑制することができる。
図１０は、実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、配線層一層分全体での実効的な比誘電率との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図１０において、縦軸は配線層全体での実効的な比誘電率、横軸はキャップ膜２３０の比誘電率を示している。実効誘電率は二次元電磁界シミュレーションにより求めた。ここでも前提として、ｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋを２．７、拡散防止膜２７０の比誘電率ｋを３．７とし、配線部分と絶縁部分とが１４０ｎｍピッチの密集配線構造の線間容量を計算して結果を求めた。その結果、図１０に示すように、キャップ膜２３０を低誘電率化することにより、実効誘電率の低減を図ることができる。
以上のように、実施の形態１では、キャップ膜２３０の比誘電率ｋ２をｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも小さくすることで、配線層全体として、従来よりもさらなる低誘電率化を図ることができる。
実施の形態２．
実施の形態１では、ポア１２やガス抜き穴１４によってポーラスな状態になったキャップ膜２３０上に拡散防止膜２７０を形成することで拡散防止膜２７０の一部を食い込ませる構成について説明した。しかし、キャップ膜２３０は、ポーラス膜に限るものではない。実施の形態２では、ポーラス膜ではないキャップ膜の場合について説明する。
図１１は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１１において、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、ポロジェン含有キャップ膜形成工程（Ｓ１０６）の代わりに、低誘電率キャップ膜形成工程（Ｓ１０８）を加えた点と、ポロジェン除去工程（Ｓ１２０）が無くなった点以外は、図１と同様である。エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）からｌｏｗ−ｋ膜形成工程（Ｓ１０４）までの各工程の内容は、実施の形態１と同様である。
図１２は、図１１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図１２では、図１１の低誘電率キャップ膜形成工程（Ｓ１０８）から開口部形成工程（Ｓ１１０）までと拡散防止膜形成工程（Ｓ１２２）とを示している。
図１２（ａ）において、低誘電率キャップ膜形成工程（Ｓ１０８）として、ｌｏｗ−ｋ膜２２０上に、低誘電率材料を用いてキャップ膜２３２を例えば２０〜４０ｎｍの厚さで形成する。例えば、ＳＯＤ法を用いてキャップ膜２３２を形成する。キャップ膜２３２は、膜厚が、ｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも薄く形成される。キャップ膜２３２の材料としては、後工程としてポロジェン除去の必要がなく、内部にポアが無くとも比誘電率がｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも低い材料が用いられる。上述したＳｉＯＣＨ系ではなく、例えば、炭素（Ｃ）を含有するポリマー材料が好適である。例えば、フッ化炭素（ＣＦ）を含むポリマー材料がより好適である。かかる材料により、ｌｏｗ−ｋ膜２２０よりも比誘電率が低い、比誘電率ｋが、１．５〜２．０の低誘電率キャップ膜２３２を得ることができる。形成方法は、ＳＯＤ法に限らず、ＣＶＤ法を用いても構わない。
図１２（ｂ）において、開口部形成工程（Ｓ１１０）として、図示しないレジストパターンをマスクとして、露出したキャップ膜２３２とその下層のｌｏｗ−ｋ膜２２０を異方性エッチング法により選択的にエッチングして、配線溝或いはヴィアホールとなる開口部１５０を形成する。その際、エッチングストッパ膜２１０をエッチングストッパとしてエッチングする。その後、エッチングストッパ膜２１０をエッチングして、基板２００まで届くように開口部１５０を形成する。その他の内容は、実施の形態１と同様である。例えば、一例として、ＲＩＥ法により開口部１５０を形成する場合には、バイアス電圧等を調整することで、機械的強度が弱いキャップ膜２３２とその下のｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護すればよい。その後のバリアメタル膜形成工程（Ｓ１１２）から研磨工程（Ｓ１１８）までの各工程は、実施の形態１と同様である。研磨工程（Ｓ１１８）の際には、研磨荷重やスラリの調整により機械的強度が弱いキャップ膜２３２を保護すればよい。
図１２（ｃ）において、拡散防止膜形成工程（Ｓ１２２）として、ＣＶＤ法を用いて、キャップ膜２３２上にＣｕの拡散を防止する拡散防止膜２７０（バリア膜）を形成する。例えば、キャップ膜２３２上に２０〜４０ｎｍの膜厚で形成する。ここでは、キャップ膜２３２にポアが存在しないので、拡散防止膜２７０がキャップ膜２３２中に食い込まずにキャップ膜２３２上に堆積することになる。その他の内容は、実施の形態１と同様である。
以上のようにして、キャップ膜２３２の比誘電率ｋ２をｌｏｗ−ｋ膜２２０の比誘電率ｋ１よりも小さくした一層分の配線層を形成することができる。かかる場合でも図６〜８で説明したように、Ｃｕイオンのドリフトを抑制することができる。その結果、ＴＤＤＢ寿命の長寿命化を図ることができる。また、図１０で説明したように、かかるＣｕ配線層全体でのさらなる低誘電率化を図ることができる。
以上の説明において、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いても同様の効果が得られる。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、上述した例では、シングルダマシン法により一層分の配線層を形成する場合について説明したが、デュアルダマシン法により配線とヴィアプラグとを同時に形成する場合の主たる絶縁膜となるｌｏｗ−ｋ膜と配線上部側面側に位置することになるキャップ膜とについても同様に成り立つ。また、デュアルダマシン法でのキャップ膜とその上に形成される拡散防止膜とについても同様に成り立つ。
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 実施の形態１における拡散防止膜がキャップ膜に食い込んだ状態を示す概念図である。 実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、拡散防止膜とキャップ膜との界面での電界強度との関係をシミュレーションした結果を示す図である。 実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、ＴＤＤＢ寿命との関係を示す予測図である。 実施の形態１のキャップ膜と従来のキャップ膜とにおける電界強度とＣｕドリフトとの関係を示す概念図である。 実施の形態１における拡散防止膜の食い込みの有無によるＣｕドリフトの様子を比較した概念断面図である。 実施の形態１におけるキャップ膜の比誘電率と、配線層一層分全体での実効的な比誘電率との関係をシミュレーションした結果を示す図である。 実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。 図１１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
符号の説明
１０ ポロジェン成分、１２ ポア、１４ ガス抜き穴、１５０ 開口部、１７０ 電子線、２００ 基板、２２０ ｌｏｗ−ｋ膜、２３０，２３１，２３２ キャップ膜、２４０ バリアメタル膜、２６０ Ｃｕ膜、２７０ 拡散防止膜

Claims (5)

  1. 基体上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に、ポアが形成されるキャップ膜を形成する工程と、
    前記キャップ膜と前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
    前記開口部内に導電性材料を堆積させる工程と、
    前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後に、前記ポアの一部を残しながら一部が前記キャップ膜中に食い込むように、前記キャップ膜上に前記導電性材料の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記キャップ膜を形成する際に、ポロジェン成分を含有する材料を用いて、前記ポロジェン成分を残すように前記キャップ膜が形成され、
    前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後であって前記拡散防止膜が形成される前に、前記キャップ膜中から前記ポロジェン成分を除去する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 基体上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に、ポロジェン成分を含有する材料を用いて前記ポロジェン成分を残すようにキャップ膜を形成する工程と、
    前記キャップ膜と前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
    前記開口部内に導電性材料を堆積させる工程と、
    前記開口部内に前記導電性材料が堆積させられた後に、前記キャップ膜中から前記ポロジェン成分を除去して前記絶縁膜よりも低い比誘電率を有する多孔質のキャップ膜を得る工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 基体上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成された、前記絶縁膜の比誘電率よりも低い比誘電率のキャップ膜と、
    前記キャップ膜と前記絶縁膜とが側面に位置するように配置された配線と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  5. 一部が前記キャップ膜中に食い込むように前記配線及び前記キャップ膜上に形成された前記配線の材料の拡散を防止する拡散防止膜をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
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