JP3717073B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路におけるCu配線に係り、特に空孔を有する低誘電率膜(ポーラスLow−k膜)を層間絶縁膜として用いた半導体集積回路におけるCu配線の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化に伴い、メタル配線間のピッチが縮小し、メタル配線の信号遅延が深刻な問題となっている。
この問題を解決するため、配線材料にCuを用いて配線抵抗を低減し、層間絶縁膜に低誘電率膜を用いて静電容量を低減することが必要不可欠になっている。特に、次世代の半導体集積回路では、より一層の層間容量低減のため、絶縁膜中に複数の空孔を有する、いわゆる多孔性の低誘電率膜(以下「ポーラスLow−k膜」という。)の使用が検討されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−298241号公報 (第2−3頁、第10−11図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ポーラスLow−k膜は空孔を有しているため、ポーラスLow−k膜に形成された配線溝の側面に凹凸が形成されてしまう。この状態で、バリアメタル膜及びシード層を形成しても、それらをカバレージ良く形成できないという問題があった。
また、バリアメタル膜及びシード層が配線溝の側面から剥れてしまうという問題があった。すなわち、配線溝の側面と、バリアメタル膜及びシード層との密着性が低いという問題があった。
【0005】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、多孔性の低誘電率膜に形成された配線溝内に、カバレージ良く且つ高い密着性で導電体膜を形成することを目的とする。
【0006】
【課題を解決する為の手段】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に多孔性の低誘電率膜を形成する第1工程と、
プラズマエッチング装置において、プラズマエッチングにより前記低誘電率膜内に配線溝を形成すると同時に、堆積性を有するガスのプラズマを用いて前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に堆積膜を形成する第2工程と、
スパッタエッチングにより、前記配線溝の側面以外に形成された不要な前記堆積膜を除去する第3工程と、
前記配線溝内に導電体膜を形成する第4工程とを含むことを特徴とするものである。
【0007】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に多孔性の低誘電率膜を形成する第1工程と、
プラズマエッチング装置において、プラズマエッチングにより前記低誘電率膜内に配線溝を形成し、該プラズマエッチングに用いたガスを用いてプラズマを生成して前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に堆積膜を形成する第2工程と、
スパッタエッチングにより、前記配線溝の側面以外に形成された不要な前記堆積膜を除去する第3工程と、
前記配線溝内に導電体膜を形成する第4工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記第2工程は、前記プラズマエッチング装置の処理室内にプラズマを生成する第1サブステップと、
前記プラズマを用いて前記低誘電率膜を異方性エッチングすることにより、前記配線溝を形成する第2サブステップと、
前記第2サブステップのプラズマを継続して生成させながら、下部電極への高周波電力の印加を中止する第3サブステップと、
前記第3サブステップで継続して生成されたプラズマを用いて前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に前記堆積膜を形成する第4サブステップとを含み、
前記第1、第2、第3及び第4サブステップを同一の処理室内で連続して行うことが好適である。
【0008】
この発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第2工程と前記第3工程を、同一の処理室内で行うことができる。
【0009】
この発明に係る半導体装置の製造方法において、前記低誘電率膜は、ポーラスMSQ、ポーラスHSQ、メチル基と水素基の両方を含有するハイブリッド膜、カーボンを主成分とするポーラス有機膜の何れかである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【0011】
実施の形態1.
図1を参照して、本発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法を説明するための図である。詳細には、図1(a)はポーラスMSQ上にSiCマスクを形成した後の状態を示す図であり、図1(b)はポーラスMSQ内に配線溝を形成した後の状態を示す図であり、図1(c)は基板全面に堆積膜を形成した状態を示す図であり、図1(d)は不要な堆積膜をスパッタエッチングした後の状態を示す図である。
【0012】
先ず、図1(a)に示すように、シリコン基板等の基板1上に、複数の空孔21を有する多孔性低誘電率膜(以下「ポーラスLow−k膜」という。)2としてポーラスMSQを形成する。ポーラスMSQ(2)の空孔21の大きさは、数Å〜数百Å程度である。次に、ポーラスMSQ(2)上に、ハードマスク3としてSiCマスクを形成する。
【0013】
次に、図1(b)に示すように、SiCマスク(3)をマスクとしてポーラスMSQ(2)をプラズマエッチングする。ここで、プラズマエッチング装置として、処理室(チャンバ)内に基板を載置する下部電極とそれに対向する上部電極とを備えた2周波励起平行平板型RIE(reactive ion etching)装置を用いた(図示省略)。
ポーラスMSQ(2)のプラズマエッチングについて詳述すると、先ず、上部電極に対向する下部電極上にシリコン基板1を配置する。シリコン基板1の温度は、熱交換器等を用いて約25℃に保っておく。次に、チャンバ内にプロセスガスとしてC4F8/N2/Arをそれぞれ10/225/1400sccmの流量で導入して、排気機構を用いてチャンバ内の圧力を150mTorrに保つ。そして、上部電極に周波数60MHz、出力1000WのRF電力(高周波電力)を印加し、下部電極に周波数13.56MHz、出力1400WのRF電力を印加すると、チャンバ内にプラズマ4が発生する。このプラズマ4でポーラスMSQ(2)を異方性エッチングすることにより、ポーラスMSQ(2)内に配線溝5が形成される。エッチング終了後は、配線溝5の側面が、ポーラスMSQ(2)の空孔21により凹凸形状となる。
なお、本発明において、配線溝は、導電体膜を埋め込むための溝又は孔を意味する。
【0014】
次に、図1(c)に示すように、同一のチャンバ内で、下部電極へのRF電力印加のみを中止し、その他の条件は変えずに、プラズマ6を継続して生成する。この結果、C4F8から解離したCxFy(x=1〜4,y=1〜8)分子が配線溝5の側面を含むシリコン基板1全面に堆積する。すなわち、配線溝5の側面を含むシリコン基板1全面に堆積膜7としてCxFy膜を形成する。これにより、配線溝5の側面に露出する空孔21が塞がれ、上記凹凸形状が緩和される。
なお、上記堆積膜7の組成、膜厚及びカバレージは、上部電極に印加するRF電力、混合ガスC4F8/N2/Arの流量比、プロセス圧力、基板温度等のパラメータを適宜調整することにより、最適化が可能である。
【0015】
次に、図1(d)に示すように、同一のチャンバ内で、下部電極にRF電力を再度印加し、C4F8及びN2ガスの導入を中止し、その他の条件は変えずに、Arプラズマ8を継続して生成する。このArプラズマ8によるスパッタエッチングにより、配線溝5の側面以外に形成された不要な堆積膜7を除去する。
以上のようにして、ポーラスMSQ(2)内に形成された配線溝5の側面にのみ堆積膜7が形成される。
【0016】
その後、図示しないが、配線溝5内に導電体膜を形成する。詳細には、バリアメタル膜及びシード層を順次形成した後、Cu等の金属を堆積させ、不要な金属をCMPにより除去して平坦化する。
【0017】
以上説明したように、本実施の形態1では、ポーラスMSQ(2)内に配線溝5を形成した後、この配線溝5の側面に堆積膜7を形成し、その後、配線溝5内に導電体膜を形成した。本実施の形態1によれば、導電体膜を形成する際、配線溝5側面の空孔21は堆積膜7により覆われており、凹凸形状は緩和されている。従って、配線溝5内にカバレージ良く且つ高い密着性で導電体膜を形成することができる。
【0018】
また、本実施の形態1では、堆積膜7をプラズマエッチング装置で形成している。すなわち、配線溝5の形成と、堆積膜7の形成と、不要な堆積膜7のスパッタ除去とを、エッチング装置の同一チャンバ内で連続して(In−situで)行っている。よって、半導体製造装置間で半導体装置を搬送する時間を大幅に短縮することができる。
【0019】
なお、本実施の形態1では、ポーラスLow−k膜としてメチル基を含有するポーラスMSQ(2)を用いたが、水素基を含有するポーラスHSQ(ポーラスシリカ)、メチル基と水素基の両方を含有するハイブリッド膜、カーボンを主成分とするポーラス有機膜を用いてもよい。この場合も、上述した本実施の形態1で得られる効果と同様の効果が得られる。
【0020】
また、本実施の形態1では、プラズマエッチング装置として2周波励起平行平板型RIE装置を用いたが、マグネトロン型RIE装置、誘導結合プラズマエッチング装置、ECRエッチング装置等を用いてもよい。
【0021】
実施の形態2.
前述した実施の形態1では、ポーラスMSQ(2)内に配線溝5を形成するサブステップと、配線溝5の側面を含むシリコン基板1全面に堆積膜7を形成するサブステップと、を同一チャンバ内で連続して行った。本実施の形態2では、この2つのサブステップを同時に行うことを特徴とする。なお、それ以外の工程については、実施の形態1と同様であるため、簡単に説明する。
【0022】
先ず、実施の形態1と同様の方法(図1(a)参照)で、シリコン基板1上にポーラスMSQ(2)を形成し、その上にSiCマスク3を形成する。
【0023】
次に、図1(b)に示す工程において、下記(a)〜(e)に記載した改良のうち1つを行うか、複数を組み合わせて行う。
(a)シリコン基板1の温度をマイナス10℃以下に下げる。
(b)C4F8流量を数sccm増大させる。
(c)チャンバ内の圧力を数十mTorr増大させる。
(d)下部電極に印加するRF電力を数百W低下させる。
(e)N2ガスの流量を数十sccm低下させる。
【0024】
以上のような方法により、ポーラスMSQ(2)内に配線溝5が形成されると同時に、図1(c)に示すように配線溝5の側面を含むシリコン基板1全面に堆積膜7が形成される。
【0025】
次に、実施の形態1と同様の方法(図1(d)参照)で、配線溝5の側面以外に形成された不要な堆積膜7を除去する。これにより、ポーラスMSQ(2)内に形成された配線溝5の側面にのみ堆積膜7が形成される。
【0026】
その後、配線溝5内に導電体膜を形成する。詳細には、バリアメタル及びシード層を順次形成した後、Cu等の金属を堆積させ、不要な金属をCMPにより除去して平坦化する。
【0027】
以上説明したように、本実施の形態2では、前述した実施の形態1において、図1(b)に示す配線溝5の形成工程と、図1(c)に示す堆積膜7の形成工程とを同時に行うこととした。従って、本実施の形態2によれば、実施の形態1で得られた効果に加えて、処理工程数を減らすことができ、スループットを向上させることができるという効果が得られる。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、多孔性の低誘電率膜に形成された配線溝内に、カバレージ良く且つ高い密着性で導電体膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1 基板(シリコン基板)
2 多孔性低誘電率膜(ポーラスMSQ)
3 ハードマスク(SiCマスク)
4 プラズマ
5 配線溝
6 プラズマ
7 堆積膜(CxFy膜)
8 プラズマ(Arプラズマ)
21 空孔
Claims (4)
- 基板上に多孔性の低誘電率膜を形成する第1工程と、
プラズマエッチング装置において、プラズマエッチングにより前記低誘電率膜内に配線溝を形成すると同時に、堆積性を有するガスのプラズマを用いて前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に堆積膜を形成する第2工程と、
スパッタエッチングにより、前記配線溝の側面以外に形成された不要な前記堆積膜を除去する第3工程と、
前記配線溝内に導電体膜を形成する第4工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板上に多孔性の低誘電率膜を形成する第1工程と、
プラズマエッチング装置において、プラズマエッチングにより前記低誘電率膜内に配線溝を形成し、該プラズマエッチングに用いたガスを用いてプラズマを生成して前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に堆積膜を形成する第2工程と、
スパッタエッチングにより、前記配線溝の側面以外に形成された不要な前記堆積膜を除去する第3工程と、
前記配線溝内に導電体膜を形成する第4工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記第2工程は、前記プラズマエッチング装置の処理室内にプラズマを生成する第1サブステップと、
前記プラズマを用いて前記低誘電率膜を異方性エッチングすることにより、前記配線溝を形成する第2サブステップと、
前記第2サブステップのプラズマを継続して生成させながら、下部電極への高周波電力の印加を中止する第3サブステップと、
前記第3サブステップで継続して生成されたプラズマを用いて前記配線溝の側面を含む前記基板の全面に前記堆積膜を形成する第4サブステップとを含み、
前記第1、第2、第3及び第4サブステップを同一の処理室内で連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の製造方法において、
前記第2工程と前記第3工程を、同一の処理室内で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から3の何れかに記載の製造方法において、
前記低誘電率膜は、ポーラスMSQ、ポーラスHSQ、メチル基と水素基の両方を含有するハイブリッド膜、カーボンを主成分とするポーラス有機膜の何れかであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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