JP3559026B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【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係り、さらに詳しくは、多層配線技術に係る銅(Cu)配線層中のCuの拡散を防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIは、半導体基板上に電気的に分離して配置されたトランジスタやダイオード、キャパシタ、抵抗などの基本的な構成要素を配線で接続して製造される。
【0003】
この素子同士を高密度で接続する技術が多層配線技術であって、多層配線技術はLSIの高性能化を決定づける重要な技術である。多層配線の抵抗や容量などの寄生効果は、LSIの回路性能に大きな影響を与える。このような観点から、抵抗が低いCu(銅)配線と誘電率が低い材料を用いた層間絶縁膜とを組み合わせた多層配線が用いられるようになってきており、この製造方法として、埋め込み方式、いわゆるダマシン方式が採用されてきている。
【0004】
Cu配線層は、熱処理が施される工程などでCu配線層中のCuが層間絶縁膜などに拡散しやすという特性をもっており、層間絶縁膜中にCuが拡散すると層間絶縁膜のリーク電流が増加してしまうなどの不具合をもたらす。このため、Cu配線層と層間絶縁膜との間にCu拡散防止機能を備えたシリコン窒化膜などからなるCu拡散防止絶縁膜を形成してCu配線層中のCuの拡散を防止している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Cuの拡散を防止できる絶縁膜の誘電率(例えばε=5程度とする)は、低誘電率の絶縁膜の誘電率(例えばε=2.8程度とする)に比べてかなり高いので、たとえ、低誘電率の絶縁膜で層間絶縁膜の主要部を形成しても、Cu拡散防止絶縁膜の介在により多層配線のCu配線層間の寄生容量が実効的に増加してしまう。例えば、層間絶縁膜の全体膜厚を500nmと固定した場合において、そのうち100nmをCu拡散防止絶縁膜(ε=5程度)とし、残りを低誘電率の絶縁膜(ε=2.8程度)としたとき、層間絶縁膜の実効誘電率は3.02程度に上昇してしまう。これにより、LSIの多層配線の配線中を伝搬する電気信号の遅れ、いわゆる配線遅延が大きくなり、これが致命的な問題になる可能性がある。
【0006】
このため、Cu拡散防止絶縁膜の膜厚を薄くすることが検討されている。しかしながら、Cu配線層上にプラズマCVDによりCu拡散防止絶縁膜を形成する工程やその後の400〜450℃程度のアニールを行う工程などの影響によりCu配線層の表層部からCu突起が発生しやすく、この突起部分からCuが拡散してしまうという問題がある。
【0007】
また、従来、低誘電率の絶縁膜においては、Cuの拡散を防止できるCu拡散防止絶縁膜として使用するのは困難であり、このため、低誘電率で、かつCuの拡散を防止できる絶縁膜を形成する方法が切望されている。
【0008】
本発明は以上の問題点を鑑みて創作されたものであり、Cu配線層の突起の発生を防止してCu拡散防止絶縁膜の膜厚を薄くすること、並びに誘電率が低い絶縁膜をCu拡散防止絶縁膜として使用できるようにすることにより、多層配線の配線層間に係る容量を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は半導体装置の製造方法に係り、半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン含有絶縁膜を炭化水素系ガス(CXHY)の雰囲気又はプラズマに曝す工程とを有することを特徴とする。
【0010】
これにより、シリコン含有絶縁膜の表層に炭素含有層を形成することができる。炭素含有層は、シリコン含有絶縁膜のガス状或いは液状のエッチャントに対してエッチング耐性を有する。従って、簡単な処理により、このシリコン含有絶縁膜には銅配線の銅粒子に対するバリアの機能とともに、バリア絶縁膜上に形成される膜厚の厚い層間絶縁膜をエッチングする際にエッチングストッパの機能を付与することができる。
【0011】
また、本発明は半導体装置の製造方法に係り、半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガス、窒素と水素との混合ガス、CF4ガス、C2F6ガス及びNF3ガスの群から選択されるガスのプラズマに曝す工程と、前記銅(Cu)配線層の表面をエチレンジアミンガス、β−ジケトンガス、アンモニアガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガス及び窒素ガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスの群から選択されるガスの雰囲気又はプラズマに曝す工程と、前記銅(Cu)配線層の上にCu拡散防止絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0012】
本発明によれば、まず、非酸化性ガス雰囲気中で熱処理が施されたCu配線層の表面を例えばアンモニアガスなどのプラズマに曝してCu配線層の表面の自然酸化膜を除去する。
【0013】
その後、表面の自然酸化膜が除去された銅配線層の表面をエチレンジアミンガス、β−ジケトンガス、アンモニアガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガス及び窒素ガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスの群から選択されるガスの雰囲気又はプラズマに曝す。
【0014】
Cu配線層の表面の自然酸化膜が予め除去された状態でこのようなガスの雰囲気やプラズマでCu配線層の表面を処理することにより、Cu配線層の表層部にCuとこれらのガスに含まれる元素(N、H又はCなど)との化合物層(又は結合層)が形成される。処理ガスとしてエチレンジアミンガス、β−ジケトンガス又はこれらに類似した化合物のガスなどを使用すると、Cu配線層の表層部に錯体が形成される。
【0015】
次いで、表面処理されたCu配線層上にCu拡散防止絶縁膜を形成する。このとき、Cu配線層の表層部には上記した化合物層が形成されているので、Cu拡散防止絶縁膜の成膜時やその後の熱処理が施される工程でCu配線層の表層部からの突起の発生を抑制することができる。これにより、Cu拡散防止絶縁膜の膜厚を薄くしてもCuの拡散を防止することができるようになる。
【0016】
さらには、Cu配線層の表層部(化合物層)がCu拡散防止膜としても機能するので、Cu拡散防止膜として、誘電率は低いがCuの拡散防止能力が高くない絶縁膜を使用してもCuの拡散を防止することができるようになる。
【0017】
これにより、Cu配線周辺の寄生容量が増加するのを防止することができるので、配線遅延が小さい高性能LSIの多層配線を製造することができるようになる。
【0018】
また、上記問題を解決するため、本発明は、半導体装置の製造方法に係り、半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガスのプラズマに曝す工程と、銅(Cu)配線層の上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、シリコン含有絶縁膜を、アンモニアガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスの雰囲気若しくはプラズマ、及び窒素ガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスの雰囲気若しくはプラズマからなる群から選択されるものに曝す工程とを有することを特徴とする。
【0019】
本発明によれば、まず、Cu配線層の表面をアンモニアガスのプラズマに曝してCu配線層の表層部の自然酸化膜を除去する。
【0020】
その後、このCu配線層上にシリコン含有絶縁膜を成膜する。このとき、例えば、Cu配線周辺の寄生容量を減少させるため、誘電率が比較的低いシリコン含有絶縁膜を形成する。なお、この時点では、このシリコン含有絶縁膜はCu拡散防止能力が高くない絶縁膜である。
【0021】
続いて、このCu拡散防止膜を上記したガス、例えば、アンモニアガスと炭化水素系ガス(CXHY)との混合ガスなどのガス雰囲気又はプラズマに曝す。
【0022】
この工程は、次のような2ステップで処理を行ってもよい。すなわち、シリコン含有絶縁膜を、まず、アンモニアガスの雰囲気若しくはプラズマ、又は窒素ガスのプラズマに曝し、次いで、炭化水素系ガス(CXHY)のプラズマに曝す。又は上記した工程を逆にして、シリコン含有絶縁膜を、まず、炭化水素系ガス(CXHY)のプラズマに曝し、次いで、アンモニアガスの雰囲気若しくはプラズマ、又は窒素ガスのプラズマに曝すようにしてもよい。
【0023】
このように、誘電率は低いがCu拡散防止能力が高くないシリコン含有絶縁膜を上記したようなガスの雰囲気又はそのプラズマに曝すことにより、シリコン含有絶縁膜をCu拡散防止能力が高い絶縁膜に改質することができる。従って、誘電率が低い絶縁膜をCuの拡散を防止できるCu拡散防止絶縁膜として使用することができるようになる。これにより、Cu配線層中のCuの拡散を防止できるとともに、Cu配線周辺の寄生容量が増加するのを防止することができるので、配線遅延の小さい高性能LSIの多層配線を製造することができるようになる。
【0024】
しかも、Cu配線層の表層部の自然酸化膜をアンモニアガスのプラズマにより除去した後に、シリコン含有絶縁膜を成膜することでCu配線層とシリコン含有絶縁膜との密着性を向上させることができるので、多層配線の信頼性を向上させることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【0026】
(本実施形態の半導体装置の製造方法で用いられる半導体製造装置の説明)
図1は本発明の実施形態で用いられるプラズマCVD装置を示す概略断面図である。
【0027】
本実施形態の半導体装置の製造方法で用いる半導体製造装置は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置であって、図1に示すように、半導体基板上に成膜やプラズマ処理を行うためのチャンバ10とチャンバ10にガスを供給するガス供給系11とチャンバ10内を減圧するガス排気系13とで基本的に構成されている。このチャンバ10内には2つの電極、すなわち下部電極18と上部電極12とが備えられている。下部電極18の下部には半導体基板14を加熱するためのヒータ22が配置されている。また、下部電極18の上部及び側部には半導体基板14が載置される筒状のサセプタ16が配置されている。
【0028】
下部電極18にはLF(Low Frequency)である380kHzの高周波電源20が接続され、一方、上部電極12にはRF(Radio Frequency)である13.56MHzの高周波電源26が接続されている。これらの高周波電源(20,26)のいずれか一方、又は両方を用いてチャンバ10内のガスに高周波電力を供給することにより、該ガスをプラズマ化することができる。
【0029】
上部電極12はガスをチャンバ10内に供給するためのシャワーヘッドを兼ねており、このシャワーヘッドにはガス供給配管17が接続されている。ガス供給配管17には、HMDSO((Si(CH3)3)2O)ガスライン28、CH4又はC2H2ガスライン30、NH3ガスライン32、N2Oガスライン34、NF3ガスライン36及びN2ライン38が接続されている。そして、これらのガスライン(28,30,32,34,36,38)にはそれぞれマスフローメータ37及びガス供給バルブ39,39aが備えられている。
【0030】
N2ガスライン38は、他のガスライン(28,30,32,34,36)のマスフロー37とガス供給バルブ39との間にガスバルブを介して接続されている。これにより、N2ガスをパージガスとして他のガスライン(28,30,32,34,36)にも供給することができる。
【0031】
上記したガスラインは、一例として示したものであって、所望のガスを供給するため適宜変更することができることはもちろんである。
【0032】
チャンバ10に接続された排気系13には排気バルブ23と排気ポンプ24が備えられている。
【0033】
本実施形態で使用するプラズマCVD装置15はこのような構成になっている。そして、まず、ガス排気系13により減圧されながら所定のガスがガス供給配管17からチャンバ10内に供給され、チャンバ10内が所定の圧力に設定される。続いて、下部電極や上部電極に高周波電圧が印加されてガスがプラズマ化される。このように、ガスがプラズマ化されることに基づいて半導体基板に対して各種の膜を成膜したり、プラズマ処理をしたりすることができる。また、ガスをプラズマ化しないで半導体基板をガスの雰囲気で処理することもできることはもちろんである。
(本実施形態の半導体装置の製造方法)
1.第1の実施の形態
図2は本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【0034】
本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法は、まず、図2(a)に示すような半導体基板40を用意する。すなわち、この半導体基板40には所定の半導体素子(図示せず)が形成され、半導体基板40の上方には絶縁膜42の配線溝42aに埋め込まれて形成されたCu(銅)配線層44が形成され、Cu配線44と半導体素子とが電気的に接続されている。
【0035】
Cu配線層44は、例えばTiN層やTaN層などからなるバリアメタル層44aを介して配線溝42a内に埋め込まれている。バリアメタル層44aやCu配線層44は、配線溝42a内及び絶縁膜42上に成膜されたものが化学機械研磨(CMP)法により除去されて配線溝42a内に埋め込まれたものである。このCu配線層44は、成膜後又はCMPにより配線溝42aに埋め込まれた後に、非酸化性ガス(例えば水素ガス)の雰囲気で熱処理が施されている。
【0036】
その後、上述したプラズマCVD装置15のチャンバ10内に半導体基板40を搬送し、半導体基板40上のCu配線層44の表面をNH3(アンモニア)ガスのプラズマ、N2(窒素)とH2(水素)との混合ガスのプラズマ、CF4ガスのプラズマ、C2F6ガスのプラズマ又はNF3ガスのプラズマに曝す。この工程により、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜が除去される。
【0037】
次いで、同じチャンバ10内又は同一装置内の他のチャンバ内で、Cu配線層44の表面を例えばNH3(アンモニア)ガスやCXHYガス(炭化水素系ガス)などを含むガスの雰囲気又はプラズマに曝す。これにより、図2(b)に示すように、Cu配線層44の表層部のCuと上記したガスのN、H又はCなどの元素とが化合又は結合することにより、Cu配線層44の表層部に化合物層(又は結合層)44bが形成される。
【0038】
この工程で使用するガスの具体例として、NH3(アンモニア)ガス、エチレンジアミンガス、β−ジケトンガス、NH3(アンモニア)ガスとCXHYガス(炭化水素系ガス)との混合ガス、又はN2(窒素)ガスとCXHYガス(炭化水素系ガス)との混合ガスなどを使用することができる。なお、CXHYガスとして、CH4(メタン)、C2H2(アセチレン)、C2H4(エチレン)、C3H8(プロパン)、C4H8(ブチレン)、C4H10(ブタン)、C6H6(ベンゼン)、C6H12(シクロヘキサン)及びC7H14(メチルシクロヘキサン)のうち、いずれかを使用することができる。
【0039】
これらのガスの中で、エチレンジアミンガス、β−ジケトンガス又はこれらに類似した化合物のガスなどを使用すると、Cu配線層44の表層部に錯体が形成される。β−ジケトンの一例としては、ヘキサフルオロアセチルアセトン(C5H2O2F6)を使用することができる。
【0040】
次いで、表面処理されたCu配線層44上に、プラズマCVDによりシリコン窒化膜などからなるCu拡散防止絶縁膜46を形成する。このとき、Cu配線層44の表層部には化合物層44bが形成されているので、Cu配線層44の表層部からのCu突起の発生を抑制することができ、これにより、Cu拡散防止絶縁膜46の膜厚を薄くしてもCuの拡散を防止することができるようになる。
【0041】
また、後の熱処理が施される工程においても、Cu配線層44の表層部に形成された化合物層44aがCu配線層44の表層部からの突起の発生を抑制する。
【0042】
さらには、Cu配線層44の表層部に形成された化合物層44aがCu拡散防止膜としても機能するようになるので、Cu拡散防止絶縁膜として、誘電率は低いがCuの拡散防止能力が高くない絶縁膜、例えば誘電率が4程度のシリコン含有絶縁膜を使用してもCuの拡散を防止することができるようになる。
【0043】
これにより、Cu配線層44間における容量の増加を防止することができるので、配線遅延が小さい高性能LSIの多層配線を製造することができるようになる。
【0044】
(1)第1例
次に、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法の第1例を示す。前述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0045】
(第1ステップ)
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
サセプタ16(半導体基板40)の温度・・・375℃
13.56MHzの高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・10秒
第1ステップにおいては、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜が除去される。
【0046】
(第2ステップ)
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
処理時間・・・60秒
その後、プラズマCVD装置15の同じチャンバ又は他のチャンバ内で一例として次の成膜条件により膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0047】
HMDSO流量・・・50sccm
N2O流量・・・100sccm
NH3流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
380kHz高周波電源20のパワー・・・150W
(2)第2例
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の第2例を示す。上述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0048】
(第1ステップ)
第1例と同様な条件で処理することにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0049】
(第2ステップ)
NH3流量・・・200sccm
CH4流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHzの高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
その後、第1例と同様な方法により、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0050】
(3)第3例
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の第3例を示す。上述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0051】
(第1ステップ)
第1例と同様な条件で処理することにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0052】
(第2ステップ)
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
処理時間・・・60秒
その後、第1例と同様な方法により、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0053】
(4)第4例
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の第4例を示す。上述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0054】
(第1ステップ)
第1例と同様な条件で処理することにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0055】
(第2ステップ)
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
その後、第1例と同様な方法により、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0056】
(5)第5例
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の第5例を示す。上述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0057】
(第1ステップ)
第1例と同様な条件で処理することにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0058】
(第2ステップ)
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
その後、第1例の製造方法と同様な方法により、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0059】
(後処理)
次いで、後処理として、以下の条件でシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)の表面処理を行う。
【0060】
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
処理時間・・・60秒
(6)第6例
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の第6例を示す。上述したプラズマCVD装置15を用いて、まず、次のような2ステップの条件下で半導体基板40上のCu配線層44の表面処理を行う。
【0061】
(第1ステップ)
第1例と同様な条件で処理することにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0062】
(第2ステップ)
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
その後、第1例と同様な製造方法により、膜厚が例えば100nmのシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜する。
【0063】
(後処理)
後処理として、以下の条件でシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)の表面処理を行う。
【0064】
エチレンジアミン流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源パワー・・・100W
処理時間・・・60秒
第5例及び第6例のように、シリコン含有絶縁膜46を成膜した後に、シリコン含有絶縁膜46の表面をエチレンジアミンのガスの雰囲気又はプラズマに曝すことにより、Cuの拡散をさらに防止することができる。
【0065】
(本願発明者の調査)
本願発明者らは、前述した第1実施形態の半導体装置の製造方法の効果を確認した。
【0066】
(1)基準サンプルの作成
まず、本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を確認するため基準サンプルを作成した。すなわち、半導体基板40上のCu配線層44の表面に対して何も処理せずに、Cu配線層44上にシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)を成膜した。このシリコン含有絶縁膜46として、例えば450℃で4時間アニールすることにより、Cu配線層44中のCuが容易に拡散するCu拡散防止能力が低い膜特性のものを用いた。その成膜条件として、以下に示すように、第1例のCu拡散防止絶縁膜の成膜条件において、ガスとしてHMDSOのみを使用した条件を用いた。
【0067】
HMDSO流量・・・50sccm
圧力・・・1Torr
380kHz高周波電源20のパワー・・・150W
(2)実験サンプルの作成
次に、以下のような方法で実験サンプルを作成した。
【0068】
まず、上述したプラズマCVD装置15を用いて、半導体基板40上のCu配線層44の表面をNH3プラズマに曝して表層部の自然酸化膜を除去し、その後、NH3ガスとC7H14(メチルシクロヘキサン)との混合ガスのRFプラズマ(圧力:2.0Torr)によりCu配線層44の表面処理を行った。次いで、上記した基準サンプルの成膜条件と同じ条件でCu配線層44上にシリコン含有絶縁膜46を成膜した。
【0069】
(3)実験方法及び結果
まず、基準サンプル及び実験サンプルについて、シリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)の電流(I)−電圧(V)特性をHgプローブ法によりそれぞれ調査した。その後、基準サンプル及び実験サンプルに対して450℃で4時間アニールした後、シリコン含有絶縁膜の電流(I)−電圧(V)特性をそれぞれHgプローブ法により再度調査した。
【0070】
図3は基準サンプルのアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図4は基準サンプルのアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図5は実験サンプルのアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図6は同じく実験サンプルのアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。これらの図の横軸が電界強度を示し、縦軸がリーク電流を示している。
【0071】
基準サンプルのシリコン含有絶縁膜46を成膜した後(アニール前)のI−V特性によれば、図3に示すように、半導体基板内の場所によって多少のばらつきがあるが、所定の絶縁耐圧をもっていた。そして、この基準サンプルを450℃で4時間アニールすると、図3と図4との比較から明らかなように、半導体基板内の場所によってはシリコン含有絶縁膜46に低い電界強度で多くのリーク電流が流れるようになり、アニールすることにより絶縁耐圧が劣化する傾向にあることが確認された。
【0072】
すなわち、本実施形態とは違って、Cu配線層44の表面に所定の処理を行わない場合、Cu配線層44中のCuがアニールによりCuの拡散防止能力が低くしたCu拡散防止絶縁膜(シリコン含有絶縁膜)中に容易に拡散することを意味している。
【0073】
実験サンプルは、NH3ガス+C7H14(メチルシクロヘキサン)ガスとの混合ガスを用いてCu配線層44の表面に対してRFプラズマ処理(13.56MHz)を行ったものである。図5と図6との比較から明らかなように、アニールを行ってもシリコン含有絶縁膜46の絶縁耐圧の劣化はみられず、アニール前と比較して同等以上であることが確認された。
【0074】
以上のように、本実施形態の半導体装置の製造方法を用いてCu配線層44の表面処理をすることにより、Cu配線層44上のシリコン含有絶縁膜46(Cu拡散防止絶縁膜)のアニール前後での電流(I)−電圧(V)特性に基づく絶縁耐圧が同等以上であり、Cu配線層44中のCuがシリコン含有絶縁膜に拡散するのを防止することができることを確認することができた。
【0075】
2.第2の実施の形態
図7(a)及び(b)は第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【0076】
第2実施形態の半導体装置の製造方法は、Cu配線層の表層部に形成された自然酸化膜を除去した後、Cu配線層上に誘電率が比較的低いシリコン含有絶縁膜を成膜し、このシリコン含有絶縁膜に対して所定の処理を行うことで、シリコン含有絶縁膜をCu拡散防止能力が高いCu拡散防止絶縁膜に改質してCuの拡散を防止するものである。
【0077】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、まず、図7(a)に示すような第1実施形態と同様なCu配線層44を備えた半導体基板40を用意する。
【0078】
その後、上述したプラズマCVD装置15のチャンバ10内に半導体基板40を搬送し、半導体基板40上のCu配線層44の表面をNH3(アンモニア)ガスのプラズマに曝すことにより、Cu配線層44の表層部に形成された自然酸化膜を除去する。
【0079】
次いで、図7(b)に示すように、同じチャンバ10又は同一装置内の他のチャンバ内で、表面の自然酸化膜が除去されたCu配線層44上にシリコン含有絶縁膜46aを成膜する。このとき、シリコン含有絶縁膜46aをHMDSOを含む反応ガスを用いるなどして成膜することにより、その誘電率が3.5〜4程度のものを成膜する。なお、このシリコン含有絶縁膜46aは、Cu拡散防止能力がさほど高くない絶縁膜である。シリコン含有絶縁膜46aとして、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜などを使用することができる。
【0080】
次いで、同じチャンバ10又は他のチャンバ内で、シリコン含有絶縁膜46aを、NH3(アンモニア)ガスとCXHY(炭化水素系)ガスとの混合ガスの雰囲気若しくはプラズマ、N2(窒素)ガスとCXHY(炭化水素系)ガスとの混合ガスの雰囲気若しくはプラズマ、N2(窒素)ガスのプラズマ、又はNH3(アンモニア)ガスの雰囲気に曝す。
【0081】
NH3ガスとCXHYガスとの混合ガスのプラズマ、N2ガスとCXHYガスとの混合ガスのプラズマ及びN2ガスのプラズマとして、13.56MHzのRFプラズマ又は380KHzのLFプラズマを用いることが好ましい。
【0082】
この工程においては、次のような2ステップで処理を行ってもよい。すなわち、シリコン含有絶縁膜48を、まず、NH3ガスの雰囲気若しくはプラズマ、又はN2ガスプラズマに曝し、次いで、CXHYガスの雰囲気又はプラズマに曝してもよい。又は、上記した2ステップの工程を逆にして、シリコン含有絶縁膜48をまず、CXHYガスの雰囲気又はプラズマにし、次いで、NH3ガスの雰囲気若しくはプラズマ、又はN2ガスプラズマに曝してもよい。
【0083】
なお、CXHYガスとしては、第一実施形態で説明したものと同じガスを用いることができる。
【0084】
このようにして、上記したガスを用いてシリコン含有絶縁膜46を処理することにより、シリコン含有絶縁膜46aが改質されてCuの拡散を防止するCu拡散防止絶縁膜として機能するようになる。つまり、誘電率が低いシリコン含有絶縁膜46aをCuの拡散を防止できるCu拡散防止絶縁膜として使用することができるようになる。これにより、多層配線のCu配線周辺の寄生容量が増加するのを防止することができるので、配線遅延が小さい高性能LSIの多層配線を製造することができるようになる。
【0085】
また、Cu配線層44の表層部の自然酸化膜をNH3ガスのプラズマにより除去した後に、Cu配線層44上にシリコン含有絶縁膜46aを成膜することでCu配線層44とシリコン含有絶縁膜46aとの密着性を向上させることができるので、多層配線の信頼性を向上させることができる。
【0086】
(1)第1例
次に、第2実施形態の半導体装置の製造方法の第1例を示す。上述したプラズマCVD装置15のチャンバ10に半導体基板40を搬送し、まず、次のような条件下でCu配線層44の表層部の自然酸化膜を除去する。
【0087】
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
サセプタ16(半導体基板40)の温度・・・375℃
13.56MHzの高周波電源のパワー・・・100W
処理時間・・・10秒
続いて、同じチャンバ10又は他のチャンバ内で一例として次の成膜条件により、膜厚が例えば100nmのシリコン含有絶縁膜46aを成膜する。
【0088】
HMDSO流量・・・50sccm
N2O流量・・・100sccm
NH3流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
380kHz高周波電源20のパワー・・・150W
次いで、以下の条件でシリコン含有絶縁膜46aを処理する。
【0089】
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源20のパワー・・・なし(0W)
処理時間・・・60秒
(2)第2例
次に、第2実施形態の半導体装置の製造方法の第2例を示す。まず、第1例と同様な方法により、Cu配線層44の表層部の自然酸化膜を除去し、続いて、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46aを成膜する。
【0090】
次いで、以下の条件でシリコン含有絶縁膜46aを処理する。
【0091】
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
380KHz高周波電源20のパワー・・・100W
処理時間・・・60秒
(3)第3例
次に、第2実施形態の半導体装置の製造方法の第3例示す。まず、第1例と同様な方法により、Cu配線層44の表層部の自然酸化膜を除去し、続いて、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46aを成膜する。
【0092】
次いで、以下の条件でシリコン含有絶縁膜46aを処理する。
【0093】
NH3流量・・・200sccm
CH4流量・・・200sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源20のパワー・・・100W
処理時間・・・60秒
(4)第4例
次に、第2実施形態の半導体装置の製造方法の第4例を示す。まず、第1例と同様な方法により、Cu配線層44の表層部の自然酸化膜を除去し、続いて、膜厚が100nmのシリコン含有絶縁膜46aを成膜する。
【0094】
次いで、以下のような2ステップによりシリコン含有絶縁膜46aを処理する。
【0095】
(第1ステップ)
NH3流量・・・500sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源20のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
(第2ステップ)
CH4・・・500sccm
圧力・・・1Torr
13.56MHz高周波電源20のパワー・・・100W
処理時間・・・30秒
(本願発明者の調査)
本願発明者は、第2実施形態の第1例及び第4例の製造方法を基準にして、それぞれ実験サンプル1A及び2Aを作成した後、第1実施形態での調査と同様な方法でシリコン含有絶縁膜46aの電流(I)−電圧(V)特性を調査した。
【0096】
図8は実験サンプル1Aのアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図9は実験サンプル1Aのアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図10は実験サンプル2Aのアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すもの、図10は実験サンプル2Aのアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【0097】
実験サンプル1A(シリコン含有絶縁膜46aをNH3ガスの雰囲気で処理(圧力:0.5Torr))のシリコン含有絶縁膜46aの電流(I)−電圧(V)特性によれば、図8と図9との比較から明らかなように、アニールを行ってもシリコン含有絶縁膜46aの絶縁耐圧の劣化はみられず、アニール前と比べて同等以上であることが確認された。
【0098】
また、実験サンプル2A(シリコン含有絶縁膜46aをNH3ガスとCH4ガスとの混合ガスのプラズマで処理(圧力:4Torr))のシリコン含有絶縁膜46aの電流(I)−電圧(V)特性においても、図10と図11との比較から明かなように、アニールを行ってもシリコン含有絶縁膜46aの絶縁耐圧の劣化はみられず、アニール前と比べて同等以上であることが確認された。
【0099】
この実験結果は、シリコン含有絶縁膜46aがCu配線層44からのCuの拡散を防止していることを意味している。このように、第2実施形態の製造方法を用いて、シリコン含有絶縁膜46aをNH3ガスの雰囲気に曝したり、NH3ガスとCH4ガスとの混合ガスのプラズマで処理したりすることにより、シリコン含有絶縁膜46aが高いCu拡散防止機能を備えることを確認することができた。
【0100】
3.第3の実施の形態
上記第2の実施の形態では、銅配線層44上のシリコン含有絶縁膜46に対してアンモニア処理とCxHy処理との2ステップ処理をしているが、場合により、図12(b)に示すように、銅配線層44上のシリコン含有絶縁膜46を炭化水素系ガス(CXHY)の雰囲気又はプラズマに曝す1ステップ処理を行ってもよい。例えば、
C2H2・・・50sccm
圧力・・・0.5Torr
13.56MHz高周波電源20のパワー・・・0W
380kHz高周波電源20のパワー・・・150W
基板温度・・・375℃
の処理を行い、層厚さ約5nmを有する炭素含有層46bを形成する。
【0101】
炭素含有層46bは、銅配線層44の銅粒子に対するバリア性とともに、シリコン含有絶縁膜のガス状或いは液状のエッチャントに対して十分なエッチング耐性を有する。
【0102】
従って、簡単な処理で、このシリコン含有絶縁膜46には、銅配線層44の銅粒子に対するバリアの機能とともに、図13(a)に示すように、シリコン含有絶縁膜46上に形成される膜厚の厚い層間絶縁膜48をエッチングして開口部48aを形成する際にエッチングストッパの機能を付与することができる。
【0103】
なお、炭化水素系ガス(CXHY)として、C2H2の他に、第1の実施の形態に記載された化合物を用いることができる。
【0104】
該処理を適用した例について、図12(a)乃至(c)、図13(a)、(b)を参照して以下に説明する。
【0105】
図12(a)乃至(c)、図13(a)、(b)は、第3の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。図7(b)の表面処理前までは、第2の実施の形態と同様にして、埋込み銅配線層44上にバリア絶縁膜となるシリコン含有絶縁膜46を形成する。この状態を図12(a)に示す。次いで、図12(b)に示すように、炭化水素系ガス(CXHY)の雰囲気又はプラズマを用いて上記の条件で表面処理を行う。次いで、図12(c)に示すように、層間絶縁膜48を形成した後、図13(a)に示すように、炭素含有層46bをエッチングストッパとして層間絶縁膜48をエッチングし、シリコン含有絶縁膜46が露出する開口部48aを形成する。続いて、開口部48aを通してシリコン含有絶縁膜46をエッチングして底部に銅膜44を主とする配線層が露出する開口部48bを形成する。その後、開口部48bを介して銅膜44を主とする配線層と接続する上部配線層などを形成する。
【0106】
なお、上記では、シリコン含有絶縁膜46を形成する前に銅膜44の表層に図2のような化合物層44bを形成していないが、図2のような化合物層44bを形成してもよい。
【0107】
以上、第1乃至第3の実施の形態により、この発明の詳細を説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明を逸脱しない要旨の範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【0108】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン含有絶縁膜を炭化水素系ガス(CXHY)の雰囲気又はプラズマに曝すことにより、簡単な処理で、銅配線の銅粒子に対するバリアの機能とともに、バリア絶縁膜上に形成される膜厚の厚い層間絶縁膜をエッチングする際にエッチングストッパの機能を有するシリコン含有絶縁膜を形成することができる。
【0109】
また、表面の自然酸化膜が除去された銅(Cu)配線層の表面を例えばアンモニアガス、エチレンジアミンガス、β−ジケトンガス、炭化水素系ガス(CXHY)などを含むガスの雰囲気又はそのプラズマに曝し、次いで、表面処理されたCu配線層上にCu拡散防止絶縁膜を形成する。これにより、Cu配線層の表層部には化合物層(又は結合層)が形成されることで、Cu拡散防止絶縁膜の成膜時やその後の熱処理を受ける工程でCu配線層の表層部からの突起の発生を抑制することができるので、Cu拡散防止絶縁膜の膜厚を薄くしてもCuの拡散を防止することができるようになる。
【0110】
従って、Cu配線周辺の寄生容量が増加するのを防止することができるので、配線遅延が小さい高性能LSIの多層配線を製造することができるようになる。
【0111】
また、本発明によれば、表面の自然酸化膜が除去されたCu配線層にシリコン含有絶縁膜を成膜し、次いで、このシリコン含有絶縁膜を例えばアンモニアガスや炭化水素系ガスなどを含む混合ガスの雰囲気若しくはプラズマ、又はアンモニアガスの雰囲気などに曝す。
【0112】
このような処理を行うことにより、誘電率は低いがCu拡散防止能力が高くないシリコン含有絶縁を、Cu拡散防止能力が高い絶縁膜に改質することができる。従って、Cu拡散防止絶縁膜として誘電率が低い絶縁膜を使用することができるようになるので、多層配線のCu配線周辺の寄生容量が増加するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法で用いるプラズマCVD装置を示す概略断面図である。
【図2】図2(a)及び(b)は本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図3】図3は基準サンプルのアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図4】図4は基準サンプルのアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図5】図5は本発明の第1実施形態に係る実験サンプル(NH3+C7H14ガスプラズマで処理)のアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図6】図6は本発明の第1実施形態に係る実験サンプル(NH3+C7H14ガスプラズマで処理)のアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図7】図7(a)及び(b)は本発明の第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図8】図8は本発明の第2実施形態に係る実験サンプル1A(NH3ガス雰囲気で処理)のアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図9】図9は本発明の第2実施形態に係る実験サンプル1A(NH3ガス雰囲気で処理)のアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図10】図10は本発明の第2実施形態に係る実験サンプル2A(NH3+CH4ガスプラズマ処理)のアニール前の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図11】図11は本発明の第2実施形態に係る実験サンプル2A(NH3+CH4ガスプラズマ処理)のアニール後の電流(I)−電圧(V)特性を示すものである。
【図12】図12(a)乃至(c)は本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その1)である。
【図13】図13(a)乃至(b)は本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その2)である。
【符号の説明】
10・・・チャンバ
11・・・ガス供給系
12・・・上部電極
13・・・ガス排気系
14・・・半導体基板
15・・・プラズマCVD装置
16・・・サセプタ
17・・・ガス供給配管
18・・・下部電極
20・・・380KHz高周波電源
22・・・ヒータ
23・・・排気バルブ
24・・・排気ポンプ
26・・・13.56MHz高周波電源
28・・・HMDSOガスライン
30・・・CH4又はC2H2ガスライン
32・・・NH3ガスライン
34・・・N2Oガスライン
36・・・NF3ガスライン
38・・・N2ガスライン
40・・・半導体基板
42・・・絶縁膜
42a・・・配線溝
44・・・Cu配線層
44a・・・バリアメタル層
46,46a・・・シリコン含有絶縁膜(Cu拡散防止絶縁膜)
46b・・・炭素含有層
48・・・層間絶縁膜
48a、48b・・・開口部
Claims (8)
- 半導体基板の上方に形成された銅(Cu)膜を主とする配線層上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン含有絶縁膜を炭化水素ガス(CxHy)の雰囲気又はプラズマに曝す工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガス、窒素と水素との混合ガス、CF4ガス、C2F6ガス及びNF3ガスの群から選択されるガスのプラズマに曝す工程と、
前記銅(Cu)配線層の表面をエチレンジアミンガス、β−ジケトンガス、アンモニアガスと炭化水素ガス(C x H y )との混合ガス及び窒素ガスと炭化水素ガス(C x H y )との混合ガスの群から選択されるガスの雰囲気又はプラズマに曝す工程と、
前記銅(Cu)配線層の上にCu拡散防止絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガスのプラズマに曝す工程と、
前記銅(Cu)配線層の上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン含有絶縁膜を、アンモニアガスと炭化水素ガス(C x H y )との混合ガスの雰囲気若しくはプラズマ、及び窒素ガスと炭化水素ガス(C x H y )との混合ガスの雰囲気若しくはプラズマからなる群から選択されるものに曝す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記アンモニアガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスのプラズマ、窒素ガスと炭化水素ガス(CxHy)との混合ガスのプラズマ又は窒素ガスのプラズマは、LF(Low Frequency)プラズマ又はRF(Radio Frequency)プラズマであ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。
- 半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガスのプラズマに曝す工程と、
前記銅(Cu)配線層の上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン含有絶縁膜をアンモニアガスの雰囲気若しくはプラズマ、又は窒素ガスのプラズマに曝し、次いで、炭化水素ガス(CxHy)の雰囲気又はプラズマに曝す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の上方に形成された銅(Cu)配線層の表面をアンモニアガスのプラズマに曝す工程と、
前記銅(Cu)配線層の上にシリコン含有絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン含有絶縁膜を炭化水素ガス(CxHy)の雰囲気又はプラズマに曝し、次いで、アンモニアガスの雰囲気若しくはプラズマ、又は窒素ガスのプラズマに曝す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記炭化水素ガス(CxHy)が、メタン(CH)、アセチレン(CH)、エチレン(CH)、プロパン(CH)、ブチレン(CH)、ブタン(CH)、ベンゼン(CH)、シクロヘキサン(CH)及びメチルシクロヘキサン(CH)の群から選択されたものであることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン含有絶縁膜をガスの雰囲気又はプラズマに曝すことにより、前記シリコン含有絶縁膜にCu拡散防止機能を持たせることを特徴とする請求項3乃至7の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
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