JP3733106B2

JP3733106B2 - 半導体装置

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Publication number: JP3733106B2
Application number: JP2002328455A
Authority: JP
Inventors: 直輝松原; 秀樹水原; 隆後藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP2003234403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関し、特に、複数の配線層を含む半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化の進展に伴って、配線幅の減少による電気抵抗の増加と、配線ピッチの減少に伴う隣接する配線間の容量の増加とが顕著になってきているため、配線遅延が大きくなってきている。このため、半導体装置内部における配線遅延の低減が、半導体装置を高速動作させる上で重要になってきている。この配線遅延による遅延時間は、配線の抵抗成分と容量成分とによって決まる。したがって、配線遅延を低減するためには、配線材料として銅（Ｃｕ）などを用いることにより配線抵抗を低減するとともに、各配線間を絶縁する絶縁膜として低誘電率の材料を用いることにより配線間容量を低減するのが有効である。
【０００３】
従来、各配線間を絶縁する絶縁膜として用いる低誘電率材料としては、たとえば、有機ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）膜が知られている。この有機ＳＯＧ膜は、有機官能基を含むシリコン化合物をモノマとして、これを重合することによって得られる二酸化シリコンを主成分とする絶縁膜である。低誘電率材料である有機ＳＯＧ膜を、各配線層間を絶縁する絶縁膜として用いることにより、配線層間の容量が低減されるので、配線遅延が改善される。
【０００４】
図１０〜図１２は、従来の有機ＳＯＧ膜を各配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。この従来の半導体装置の製造方法としては、まず、図１０に示すように、半導体基板１００上に形成された層間絶縁膜１０１上に、所定の間隔を隔てて複数の下層配線１０２を形成する。層間絶縁膜１０１および下層配線１０２を覆うように、シリコン酸化膜１０３を形成する。その後、シリコン酸化膜１０３の上面上に、塗布法を用いて、下層配線１０２間に埋め込まれるとともに、上面がなだらかに平坦化された有機ＳＯＧ膜１０４を形成する。
【０００５】
次に、図１１に示すように、有機ＳＯＧ膜１０４上に、シリコン酸化膜１０６を堆積した後、そのシリコン酸化膜１０６の上面をＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いて研磨することにより平坦化する。
【０００６】
次に、図１２に示すように、通常のフォトリソグラフィー技術と異方性エッチング技術とを用いて、有機ＳＯＧ膜１０４およびシリコン酸化膜１０６に、下層配線１０２の上面に達するコンタクトホール１０８を形成する。そして、このコンタクトホール１０８内に、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を埋め込んだ後、その金属材料の表面をＣＭＰ法またはエッチバック法などを用いて平坦化することによって、プラグ１０９を形成する。
【０００７】
図１２に示した従来の構造では、下層配線１０２間に、低誘電率材料である有機ＳＯＧ膜１０４が埋め込まれているので、隣接する下層配線１０２間の容量が低減される。
【０００８】
ところで、有機ＳＯＧ膜１０４は、密度が低いため、基本的に水分を吸収しやすい性質を有している。また、有機ＳＯＧ膜１０４は、プラズマに対する耐性が低い。このため、コンタクトホール１０８を形成する際にマスクとして用いるレジスト（図示せず）を、プラズマエッチングを用いたアッシング処理により除去する際に、コンタクトホール１０８内の有機ＳＯＧ膜１０４の露出面において、有機ＳＯＧ膜１０４の有機成分が脱離してしまうという不都合がある。そして、有機成分が脱離した有機ＳＯＧ膜１０４の露出面は、水分の吸収が活発になるので、有機ＳＯＧ膜１０４の露出面に水分が吸収されることになる。この場合、下層配線１０２と接続されるプラグ１０９をコンタクトホール１０８内に形成する際に、有機ＳＯＧ膜１０４の露出部分から水分が放出されるため、その放出された水分に起因してプラグ１０９に空洞が形成されるいわゆるポイズンドビア（poisoned via）現象が発生するという不都合がある。そして、このポイズンドビア現象によるプラグ１０９の空洞によって、プラグ１０９の抵抗値が上昇したり、断線不良などが発生するという不都合がある。
【０００９】
そこで、従来、上記した不都合を解消するために、有機ＳＯＧ膜にイオン注入することにより有機ＳＯＧ膜に含まれる有機成分を分解して高密度化する技術が提案されている（特許文献１、特許文献２および特許文献３）。このように有機成分を分解して高密度化することにより有機ＳＯＧ膜が改質される。
【００１０】
図１３〜図１６は、従来の改質された有機ＳＯＧ膜を各配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。この従来の提案された半導体装置の製造プロセスとしては、まず、図１３に示すように、半導体基板１１０上に形成された層間絶縁膜１１１上に、所定の間隔を隔てて複数の下層配線１１２を形成する。そして、下層配線１１２および層間絶縁膜１１１を覆うように、シリコン酸化膜１１３を形成する。そのシリコン酸化膜１１３上に、隣接する下層配線１１２間を埋め込むとともに上面が平坦化された有機ＳＯＧ膜１１４を塗布法により形成する。この後、有機ＳＯＧ膜１１４に、図１４に示すように、不純物をイオン注入することによって、改質された有機ＳＯＧ膜（改質ＳＯＧ膜）１１５が形成される。この改質ＳＯＧ膜１１５は、不純物のイオン注入により有機成分が分解されることによって高密度化されている。
【００１１】
次に、図１５に示すように、改質ＳＯＧ膜１１５上に、シリコン酸化膜１１６を形成した後、シリコン酸化膜１１６の上面をＣＭＰ法により研磨することにより平坦化する。そして、図１６に示すように、通常のフォトリソグラフィー技術および異方性エッチング技術を用いて、シリコン酸化膜１１６および改質ＳＯＧ膜１１５に、下層配線１１２の上面に達するコンタクトホール１１８を形成する。このコンタクトホール１１８内に、Ｗ、ＣｕまたはＡｌなどの金属材料を埋め込んだ後、その金属材料の表面をＣＭＰ法またはエッチバック法などを用いて、平坦化することによって、プラグ１１９を形成する。
【００１２】
図１６に示した従来の提案された製造方法を用いて形成された構造では、有機ＳＯＧ膜１１４を改質することにより高密度化された改質ＳＯＧ膜１１５を用いることによって、コンタクトホール１１８内には水分を吸収しにくい改質ＳＯＧ膜１１５が露出されるので、プラグ１１９の形成時にコンタクトホール１１８内に露出された改質ＳＯＧ膜１１５から水分が放出されるのが抑制される。これにより、コンタクトホール１１８内におけるプラグ１１９の抵抗値の上昇や断線不良などが発生するのを抑制することが可能となる。
【００１３】
【特許文献１】
特許第３０１５７１７号公報
【特許文献２】
特許第２９７５９３４号公報
【特許文献３】
特開平９−３１２３３９号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン注入などによって有機ＳＯＧ膜１１４が改質されることにより改質ＳＯＧ膜１１５が形成されると、有機ＳＯＧ膜１１４が本来有している比誘電率が増大してしまうという問題点があった。この場合、改質ＳＯＧ膜１１５を隣接する下層配線１１２間の絶縁膜として用いた場合には、図１２に示した有機ＳＯＧ膜１０４を隣接する下層配線１０２間の絶縁膜として用いる場合に比べて、配線間容量の低減効果が小さくなるという問題点があった。その結果、配線遅延の改善効果が小さくなってしまうという問題点があった。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、隣接する配線層間の容量を低減しながら、絶縁膜からの水分の放出に起因する導電性プラグの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することが可能な半導体装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明の第１の局面による半導体装置は、半導体基板上に所定の間隔を隔てて形成された複数の第１配線層と、複数の第１配線層を埋め込むように形成され、第１配線層に達する開口部を有する第１絶縁膜と、第１絶縁膜の開口部内に充填されるとともに、第１配線層に接触するように形成された導電性プラグとを備えている。そして、第１絶縁膜の第１配線層と導電性プラグとの接触面近傍における第１領域に、選択的に不純物が導入されることにより、第１絶縁膜の第１領域が選択的に改質されている。
【００１７】
この第１の局面による半導体装置では、上記のように、第１絶縁膜の第１配線層と導電性プラグとの接触面近傍における第１領域に、選択的に不純物を導入することにより、第１絶縁膜の第１領域を選択的に改質することによって、第１絶縁膜として比誘電率の小さい絶縁膜を用いれば、第１絶縁膜の比誘電率の小さい部分により、隣接する第１配線層間の容量を低減しながら、第１絶縁膜の改質された第１領域により、第１絶縁膜からの水分の放出に起因する導電性プラグの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００１８】
上記第１の局面による半導体装置において、好ましくは、導電性プラグは、第１配線層の上面に接触するように形成されており、第１絶縁膜は、第１配線層と導電性プラグとの接触面近傍において改質された第１領域と、第１領域以外の改質されていない第２領域とを含み、第１絶縁膜の第１領域と第２領域との境界面が、第１配線層の上面よりも下方に位置する。このように構成すれば、確実に、第１絶縁膜からの水分の放出に起因する導電性プラグの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００１９】
上記第１の局面による半導体装置において、第１絶縁膜は、第１配線層に直接接触するように形成されていてもよい。このように構成すれば、第１配線層と第１絶縁膜との間に第１絶縁膜よりも比誘電率の大きい他の絶縁膜を介在させる場合に比べて、隣接する第１配線層間の容量をより低減することができる。
【００２０】
上記第１の局面による半導体装置において、好ましくは、第１絶縁膜に選択的に導入された不純物は、ホウ素である。このように構成すれば、ホウ素は絶縁膜に導入される不純物として広く使用されているので、容易に、かつ、制御性よく第１絶縁膜に不純物を導入することができる。
【００２１】
上記第１の局面による半導体装置において、好ましくは、第１絶縁膜は、有機ＳＯＧ膜を含む。このように構成すれば、比誘電率の小さい第１絶縁膜を得ることができる。
【００２２】
上記第１の局面による半導体装置において、第１配線層は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜の上面に接触するように形成されていてもよい。
【００２３】
上記第１の局面による半導体装置において、好ましくは、第１絶縁膜の開口部は、第１配線層の上面および側面を露出させるとともに、第１絶縁膜の改質された第１領域下に位置する領域を露出させるように形成されており、開口部内に露出された第１領域下に位置する第１絶縁膜の領域には、改質領域が形成されている。このように構成すれば、第１配線層に対する開口部の位置ずれに起因して第１絶縁膜の改質された第１領域以外の領域が開口部内で露出された場合にも、第１絶縁膜からの水分の放出に起因する導電性プラグの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体装置を示した断面図である。まず、図１を参照して、第１実施形態による半導体装置の構造について説明する。この第１実施形態による半導体装置では、半導体基板１０上に形成された層間絶縁膜１１上に、所定の間隔を隔てて複数の下層配線１２が形成されている。なお、下層配線１２は、本発明の「第１配線層」の一例である。この下層配線１２は、約５４０ｎｍの厚みを有するように形成されている。また、複数の下層配線１２の配線面積の密度（層間絶縁膜１１の開口率）は、約５０％である。また、下層配線１２の側面および上面上と、層間絶縁膜１１の上面上とには、約５０ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜１３が形成されている。このシリコン酸化膜１３は、本発明の「第２絶縁膜」の一例である。なお、シリコン酸化膜１３は、後述する有機ＳＯＧ膜１４の層間絶縁膜１１および下層配線１２への密着性を改善するなどのために形成されている。すなわち、シリコン酸化膜１３は、有機ＳＯＧ膜１４に比べて、層間絶縁膜１１および下層配線１２に対する密着性に優れている。
【００３５】
また、シリコン酸化膜１３上には、有機ＳＯＧ膜１４および改質ＳＯＧ膜１５が形成されている。なお、有機ＳＯＧ膜１４は、本発明の「第１絶縁膜」および「第２領域」の一例であり、改質ＳＯＧ膜１５は、本発明の「改質された第１絶縁膜」および「第１領域」の一例である。有機ＳＯＧ膜１４は、各下層配線１２間を埋め込むように約３９０ｎｍの厚みで形成されている。また、改質ＳＯＧ膜１５は、有機ＳＯＧ膜１４上に、約３００ｎｍの厚みで形成されている。この改質ＳＯＧ膜１５は、有機ＳＯＧ膜１４の表面近傍にホウ素イオンをイオン注入することにより有機ＳＯＧ膜１４の表面近傍における特性が改質されて形成されたものである。有機ＳＯＧ膜１４と改質ＳＯＧ膜１５との境界面２６は、下層配線１２の上面から約１００ｎｍだけ下方に位置するように配置されている。
また、改質ＳＯＧ膜１５上には、約１０００ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜１６が形成されている。シリコン酸化膜１６には、下層配線１２の上面２０に達するコンタクトホール１８ａおよび１８ｂが形成されている。コンタクトホール１８ａおよび１８ｂ内には、Ｔｉ層とＴｉＮ層とのバリア層（図示せず）と、そのバリア層を介して形成されたタングステン（Ｗ）とを含むプラグ１９ａおよび１９ｂがそれぞれ形成されている。プラグ１９ａおよび１９ｂの上面に接触するように、上層配線２７が形成されている。なお、コンタクトホール１８ａおよび１８ｂは、本発明の「開口部」の一例であり、プラグ１９ａおよび１９ｂは、本発明の「導電性プラグ」の一例である。また、上層配線２７は、本発明の「第２配線層」の一例である。
【００３６】
なお、図１に示した第１実施形態の構造では、コンタクトホール１８ｂは、適正な位置からずれて形成されている。このため、コンタクトホール１８ｂは、下層配線１２の上面および側面を露出させるとともに、改質ＳＯＧ膜１５下に位置する有機ＳＯＧ膜１４の領域を露出させるように形成されている。第１実施形態では、コンタクトホール１８ｂの底部の有機ＳＯＧ膜１４が露出された領域に、有機ＳＯＧ膜１４を低圧プラズマ処理することにより形成された改質ＳＯＧ領域２１が設けられている。この改質ＳＯＧ領域２１は、本発明の「改質領域」の一例である。
【００３７】
第１実施形態による半導体装置では、上記のように、有機ＳＯＧ膜１４の下層配線１２とプラグ１９ａおよび１９ｂとの接触面近傍に選択的にホウ素を導入することにより改質ＳＯＧ膜１５を形成することによって、比誘電率の小さい有機ＳＯＧ膜１４により、隣接する下層配線１２間の容量を低減しながら、改質ＳＯＧ膜１５により、有機ＳＯＧ膜１４からの水分の放出に起因するプラグ１９ａおよび１９ｂの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００３８】
すなわち、有機ＳＯＧ膜１４と改質ＳＯＧ膜１５との境界面２６を、下層配線１２とプラグ１９ａおよび１９ｂとが接触する下層配線１２の上面２０よりも下方にくるようにすることによって、下層配線１２間には比誘電率の小さい有機ＳＯＧ膜１４が充填されるとともに、下層配線１２とプラグ１９ａおよび１９ｂとの接触面近傍には改質ＳＯＧ膜１５が配置されることになる。これにより、下層配線１２間の配線間容量を低減しながら、有機ＳＯＧ膜１４からの水分の放出に起因してプラグ１９ａおよび１９ｂに空洞が発生するポイズンドビア現象を抑制することができる。その結果、下層配線１２間の配線間容量を低減しながら、ポイズンドビア現象に起因するプラグ１９ａおよび１９ｂの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００３９】
また、第１実施形態による半導体装置では、上記のように、有機ＳＯＧ膜１４と、層間絶縁膜１１および下層配線１２との間に、密着性に優れたシリコン酸化膜１３を介在させることによって、有機ＳＯＧ膜１４の層間絶縁膜１１および下層配線１２に対する密着性を向上させることができる。
【００４０】
また、第１実施形態では、プラグ１９ｂの下面と有機ＳＯＧ膜１４との間にも、改質ＳＯＧ領域２１を形成することによって、開口部１８ｂの位置がずれた場合にも、改質ＳＯＧ領域２１により有機ＳＯＧ膜１４からの水分の放出に起因するプラグ１９ｂの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制することができる。
【００４１】
図２〜図７は、図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図２〜図７を参照して、第１実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。
【００４２】
まず、図２に示すように、半導体基板１０上に、下地としての平坦化された層間絶縁膜１１を形成する。層間絶縁膜１１の上面に接触するように、所定の間隔を隔てて複数のアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料からなる下層配線１２を約５４０ｎｍ（Ｔ１）の厚みで形成する。この場合、下層配線１２が形成される領域Ｒ１における層間絶縁膜１１の開口率（配線面積の密度）が約５０％になるように、下層配線１２を形成する。その後、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、層間絶縁膜１１の上面と、下層配線１２の側面および上面とを覆うように、シリコン酸化膜１３を約５０ｎｍ（Ｔ２）の厚みで形成する。このシリコン酸化膜１３の形成時のプラズマＣＶＤ法で用いるガスは、モノシランと亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）、モノシランと酸素（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）、または、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−ｅｔｈｏｘｙ−ｓｉｌａｎｅ）と酸素（ＴＥＯＳ＋Ｏ₂）などを用いる。また、シリコン酸化膜１３の成膜温度は、約２００℃〜約５００℃である。
【００４３】
次に、図３に示すように、塗布法を用いて、シリコン酸化膜１３の上面上に、有機ＳＯＧ膜１４ａを約４００ｎｍの厚みで形成する。具体的には、化学式：ＣＨ₃Ｓｉ（ＯＨ）₃を持つシリコン化合物のアルコール系溶液（たとえば、イソプロピルアルコール＋アセトンなど）をシリコン酸化膜１３が形成された半導体基板１０の表面に滴下して、その半導体基板１０を回転させる。この時の半導体基板１０の回転条件は、回転速度：約５０００回転／分で約２０秒間である。これにより、アルコール系溶液の被膜は、下層配線１２が形成される領域Ｒ１において、凹部には厚く、凸部には薄く、段差を緩和するように形成される。その結果、アルコール系溶液の被膜の表面はなだらかに平坦化される。
【００４４】
その後、窒素雰囲気中において、約１００℃で約１分間の熱処理と、約２００℃で約１分間の熱処理と、約２５０℃で約１分間の熱処理と、約２２℃で約１分間の熱処理と、約４００℃で約３０分間の熱処理とを順次施す。これにより、上記したアルコール系溶液が蒸発するとともに、重合反応が進行して、表面がなだらかに平坦化された有機ＳＯＧ膜１４ａが形成される。上記の条件によって形成された有機ＳＯＧ膜１４ａは、下層配線１２が形成されていない領域Ｒ２において、約６９０ｎｍ（Ｔ３）の厚みで形成される。また、下層配線１２が存在する領域Ｒ３においては、下層配線１２の上面上に形成された約５０ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜１３上に、約１５０ｎｍ（Ｔ４）の厚みで有機ＳＯＧ膜１４ａが形成される。
【００４５】
次に、図４に示すように、イオン注入法を用いて、ホウ素イオン（Ｂ⁺）を、加速エネルギ：約８０ｋｅＶ、ドーズ量：約２×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²の条件下で、有機ＳＯＧ膜１４ａ（図３参照）に注入する。これにより、有機ＳＯＧ膜１４ａのうちのホウ素イオンが注入された部分は、有機成分が含まれず、かつ、水分および水酸基がわずかしか含まれない高密度化された改質ＳＯＧ膜１５に改質される。
【００４６】
ここで、有機ＳＯＧ膜１４ａの改質深さである改質ＳＯＧ膜１５とイオン注入がなされなかった有機ＳＯＧ膜１４との境界面２６は、イオン注入の加速エネルギによって決定される。第１実施形態では、図４に示すように、境界面２６が、プラグ１９ａおよび１９ｂ（図１参照）との接触面となる下層配線１２の上面２０よりも下方に形成されるような条件で、イオン注入を行う。上記したイオン注入条件では、有機ＳＯＧ膜１４ａは、有機ＳＯＧ膜１４ａの上面から約３００ｎｍ（Ｔ５）までの深さ部分が改質される。これにより、下層配線１２が形成されている領域Ｒ３では、下層配線１２の上面２０から、（Ｔ５−（Ｔ２＋Ｔ４））＝約１００ｎｍの深さ（Ｄ）までが改質されて改質ＳＯＧ膜１５になる。
【００４７】
このように、有機ＳＯＧ膜１４と改質ＳＯＧ膜１５との境界面２６を、下層配線１２の上面２０よりも下方に位置するようにイオン注入を行うことによって、適正に位置合わせされたプラグ１９ａ（図１参照）と下層配線１２との接触面近傍が、改質ＳＯＧ膜１５と隣接することが保証される。これにより、適正に位置合わせされたプラグ１９ａと下層配線１２との接触面近傍において、有機ＳＯＧ膜１４から水分が放出されるのが抑制されるので、有機ＳＯＧ膜１４からの水分の放出に起因してプラグ１９ａに空洞が発生するポイズンドビア現象を抑制することができる。これにより、ポイズンドビア現象に起因してプラグ１９ａの抵抗値の上昇や断線不良などが発生するのを抑制することができる。
【００４８】
次に、図５に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、改質ＳＯＧ膜１５の上面上に、シリコン酸化膜１６を約１０００ｎｍの厚みで形成する。なお、シリコン酸化膜１６の形成条件は、シリコン酸化膜１３の形成条件と同じである。そして、シリコン酸化膜１６の上面を、ＣＭＰ法を用いて研磨することにより平坦化する。
【００４９】
次に、図６に示すように、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、シリコン酸化膜１６上の所定領域に、パターン化されたレジスト１７を形成する。そして、このレジスト１７をマスクとして、通常の異方性エッチング技術を用いて、コンタクトホール１８ａおよび１８ｂを形成する。この時、下層配線１２に対する位置合わせが適正なコンタクトホール１８ａと、下層配線１２に対する位置合わせが不適正なコンタクトホール１８ｂとが形成される。すなわち、半導体装置の微細化効果が進展するに伴って、適正に位置合わせするのが困難になってきているため、図６に示すような下層配線１２に対して位置合わせが不適正なコンタクトホール１８ｂが形成される場合がある。このような位置合わせの不適正なコンタクトホール１８ｂの底部１８ｃには、有機ＳＯＧ膜１４が露出することになる。このような場合にも、有機ＳＯＧ膜１４からの水分の放出に起因するプラグ１９ｂの抵抗値の上昇や断線不良などを抑制するのが好ましい。
【００５０】
そこで、第１実施形態では、レジスト１７を除去するためのアッシング処理時に、コンタクトホール１８ｂの底部１８ｃに露出された有機ＳＯＧ膜１４の部分を改質するように、以下に示す２つの条件の酸素プラズマを段階的に照射する。
【００５１】
（第１段階：低圧プラズマ処理）
温度：０℃
圧力：０．６６Ｐａ
酸素流量：１２０ｓｃｃｍ
（第２段階：高圧プラズマ処理）
温度：２７０℃
圧力：１３３Ｐａ
酸素流量：４５００ｓｃｃｍ
なお、単位ｓｃｃｍは、０℃、１気圧において１分間に流れる流体の体積（ｃｃ）を意味する。
【００５２】
上記した第１段階の低圧プラズマ照射は、位置ずれしたコンタクトホール１８ｂの底部１８ｃにおける有機ＳＯＧ膜１４の露出面を改質することによって、改質ＳＯＧ領域２１を形成する効果を有する。ただし、この第１段階の低圧プラズマ処理ではレジスト１７を十分に除去することができないため、第２段階の高圧プラズマ照射を行う。これにより、レジスト１７が完全に除去される。
【００５３】
ここで、上記した２段階の酸素プラズマ照射による有機ＳＯＧ膜１４の露出面に対する改質効果を裏付ける実験結果について、図８を参照して説明する。図８には、プラズマ照射前の有機ＳＯＧ膜の膜表面（Ｃ１）と、上記した第１段階の低圧プラズマ照射および第２段階の高圧プラズマ照射の両方を行った後の膜表面（Ｃ２）と、上記第２段階の高圧プラズマ照射を行った後の膜表面（Ｃ３）との赤外吸収スペクトルを測定した結果が示されている。図８において、横軸には、波数（ｃｍ^-1）が示されており、縦軸には、赤外線の吸収率の大きさが相対的に示されている。
【００５４】
図８を参照して、スペクトルＣ１およびＣ２には、メチル基（−ＣＨ₃）の存在を示す１３５０ｃｍ^-1の吸収ピークＰ１が確認された。また、スペクトルＣ１およびＣ２には、水酸基（−ＯＨ）の存在を示す３８００ｃｍ^-1〜３４００ｃｍ^-1付近の吸収ピークＰ２は確認されなかった。その一方、第２段階の高圧プラズマ照射のみを行った試料のスペクトルＣ３には、メチル基の存在を示す吸収ピークＰ１は確認されず、水酸基の存在を示す吸収ピークＰ２のみが確認された。
【００５５】
上記の結果から、第２段階の高圧プラズマ処理のみを行った場合（Ｃ３）には、水分の吸収により比誘電率が増大するとともに、膜内に吸収された水分によって電気特性の劣化が引き起こされると考えられる。また、この場合、膜内に吸収された水分は、プラグ１９ｂが形成される際にコンタクトホール１８ｂから放出されるので、プラグ１９ｂに空洞が形成されるポイズンドビア現象が生じる。このため、下層配線１２との接続品質の低下を招く要因にもなる。その一方、第１段階の低圧プラズマ照射および第２段階の高圧プラズマ照射の両方を行った場合（Ｃ２）には、膜の内部に有機成分（メチル基）が残存して膜内への水分の吸収が抑制される。これにより、位置ずれが生じたコンタクトホール１８ｂにプラグ１９ｂを形成する際に、水分が放出されないため、プラグ１９ｂに空洞が形成されるポイズンドビア現象を抑制することができる。その結果、下層配線１２とプラグ１９ｂとの良好な接続が得られる。
【００５６】
上記のことから、第１段階の低圧プラズマ照射がレジスト１７をアッシングする際に、膜内への水分吸収の抑制に対して有効に作用していることがわかる。つまり、第１段階の低圧プラズマ照射が、有機ＳＯＧ膜１４の露出面に対して改質効果を付与することを示している。
【００５７】
なお、第１段階の低圧の酸素プラズマ照射によって有機ＳＯＧ膜１４の露出面が改質される効果は、プラズマ圧力を約２Ｐａ以下にすることで得られることが本願発明者らの実験によって確認されている。
【００５８】
上記した２段階のプラズマ照射を行うことによって、下層配線１２に対する位置合わせが不適正なコンタクトホール１８ｂについても、底部１８ｃにおける有機ＳＯＧ膜１４の露出面に改質ＳＯＧ領域２１が形成されるので、プラグ１９ｂと有機ＳＯＧ膜１４とが直接接触することがない。
【００５９】
上記のように、レジスト１７のアッシング処理を行った後、コンタクトホール１８ａおよび１８ｂ内に、プラグ１９ａおよび１９ｂをそれぞれ形成する。プラグ１９ａおよび１９ｂは、スパッタ法によりチタン（Ｔｉ）を形成した後、ＣＶＤ法により窒化チタン（ＴｉＮ）を形成し、さらに、ブランケットタングステンＣＶＤ法によりタングステン（Ｗ）を堆積する。そして、表面を、ＣＭＰ法を用いてシリコン酸化膜１６の上面が露出するまで研磨する。これにより、図７に示すような、下層配線１２と接続されるプラグ１９ａおよび１９ｂが形成される。
【００６０】
最後に、シリコン酸化膜１６の上面上と、プラグ１９ａおよび１９ｂの上面上とに、金属膜（図示せず）を堆積した後、通常のフォトリソグラフィー技術および異方性エッチング技術を用いてその金属膜をパターニングすることによって、図1に示したような、上層配線２７を形成する。このようにして、第１実施形態による半導体装置が完成される。
【００６１】
第１実施形態による半導体装置の製造プロセスでは、上記のように、有機ＳＯＧ膜１４ａを改質するために、ホウ素イオンをイオン注入することによって、ホウ素は絶縁膜にイオン注入される不純物として広く使用されているので、容易に、かつ、制御性よく有機ＳＯＧ膜１４ａに不純物をイオン注入することができる。これにより、容易に、かつ、制御性よく有機ＳＯＧ膜１４ａを改質することができる。
【００６２】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による半導体装置を示した断面図である。図９を参照して、この第２実施形態では、図１に示した第１実施形態による半導体装置の構造において、シリコン酸化膜１３が省略された構造を有する。第２実施形態のその他の構造は、第１実施形態と同様である。
【００６３】
この第２実施形態では、隣接する下層配線１２間に、比誘電率の大きいシリコン酸化膜１３が存在しないため、図１に示した第１実施形態の構造に比べて、隣接する下層配線１２間における配線間容量をより低減することができる。
【００６４】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記した第１実施形態と同様である。
【００６５】
また、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６６】
たとえば、上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜１４ａの上層部を選択的に改質する際に、ホウ素イオンを加速エネルギ：約８０ｋｅＶで注入する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の注入条件を用いてイオン注入を行ってもよい。すなわち、イオン注入条件は、下層配線１２の厚み、下層配線１２の開口率（配線面積の密度）、または、有機ＳＯＧ膜１４ａの膜厚などに応じて、適宜変更するのが好ましい。これにより、下層配線１２の上面２０が改質ＳＯＧ膜１５と確実に隣接する構造を形成することができる。
【００６７】
また、上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜１４ａを改質するためにイオン注入する不純物として、ホウ素イオンを用いたが、本発明はこれに限らず、アルゴンイオンや窒素イオンなどを用いてもよい。
【００６８】
また、以下のようなものを注入することによっても、有機ＳＯＧ膜１４ａを改質することができる。
【００６９】
（ｉ）アルゴン以外の不活性ガスイオンを用いてもよい。すなわち、ヘリウムイオン、ネオンイオン、クリプトンイオン、キセノンイオンまたはラドンイオンを用いることができる。これらの不活性ガスは、有機ＳＯＧ膜と反応しないため、イオン注入による膜特性への悪影響が生じる恐れが全くない。
【００７０】
（ｉｉ）ホウ素、窒素以外の元素周期表３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂまたは７ｂの各族の元素単体のイオンまたはこれらの化合物イオンを用いてもよい。特に、酸素、アルミニウム、イオウ、塩素、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、臭素、アンチモン、ヨウ素、インジウム、スズ、テルル、鉛またはビスマスの元素単体イオンまたはこれらの化合物イオンを用いることができる。
【００７１】
（ｉｉｉ）元素周期表４ａまたは５ａの各族の元素単体のイオンまたはこれらの化合物イオンを用いることもできる。特に、チタン、バナジウム、ニオブ、ハフニウムまたはタンタルの元素単体イオンまたはこれらの化合物イオンを用いることができる。
【００７２】
（ｉｖ）上記各イオンの複数種類の組み合わせも用いることができる。この場合、上記各イオンの相乗効果によりさらに優れた効果を得ることができる。
【００７３】
（ｖ）その他、上記各イオンの他、有機ＳＯＧ膜を改質することが可能な、運動エネルギを有して注入される原子、分子またはその他の粒子も用いることができる。
【００７４】
また、上記実施形態では、シリコン酸化膜１３および１６を、プラズマＣＶＤ法を用いて形成したが、本発明はこれに限らず、シリコン酸化膜１３および１６を他の方法を用いて形成してもよい。たとえば、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法、または、ＰＶＤ法などを用いてシリコン酸化膜を形成してもよい。このうち、常圧ＣＶＤ法を用いる場合には、モノシランと酸素（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）を反応ガスとして、成膜温度を約４００℃以下とすることが好ましい。また、減圧ＣＶＤ法を用いる場合には、モノシランと亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）を反応ガスとして、成膜温度を約９００℃以下とすることが好ましい。
【００７５】
また、上記実施形態では、シリコン酸化膜１３および１６を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、シリコン酸化膜１３および１６に代えて、他の絶縁膜を用いてもよい。たとえば、水分や水酸基を遮断する性質に加えて機械的強度が高い他の絶縁膜を用いてもよい。このような他の絶縁膜としては、たとえば、シリコン窒化膜、シリケートガラス、または、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜などが考えられる。この場合、これらの絶縁膜は、ＣＶＤ法やＰＶＤ法など、どのような方法によって形成してもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では、下層配線１２の下地として、層間絶縁膜１１を用いたが、本発明はこれに限らず、半導体基板の上方に形成された絶縁性の任意の表面を下層配線１２の下地として用いることができる。たとえば、半導体基板の表面上に形成されたＭＯＳトランジスタなどの素子を含む構造において、ゲート絶縁膜を下地として形成されるゲート電極配線間を絶縁するための絶縁膜に、本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による半導体装置を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による半導体装置の効果を説明するための特性図である。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体装置を示した断面図である。
【図１０】従来の有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１１】従来の有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１２】従来の有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】従来の改質された有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】従来の改質された有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】従来の改質された有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】従来の改質された有機ＳＯＧ膜を配線層間の絶縁膜として用いた半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０半導体基板
１１層間絶縁膜
１２下層配線（第１配線層）
１３シリコン酸化膜
１４、１４ａ有機ＳＯＧ膜（第１絶縁膜）
１５改質ＳＯＧ膜
１６シリコン酸化膜
１８ａ、１８ｂコンタクトホール（開口部）
１９ａ、１９ｂプラグ（導電性プラグ）
２１改質ＳＯＧ領域（改質領域）
２７上層配線（第２配線層）

Claims

半導体基板上に所定の間隔を隔てて形成された複数の第１配線層と、
前記複数の第１配線層を埋めるように形成され、前記第１配線層に達する開口部を有する第１絶縁膜と、
前記開口部内に充填されるとともに、前記第１配線層に接触するように形成された導電性プラグとを備え、
前記第１絶縁膜は、有機ＳＯＧ膜に不純物を導入することにより改質された第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを含み、
前記第１領域と前記第２領域との境界面が、第１配線層の上面よりも下方に位置し、
前記第１絶縁膜の開口部は、前記第１配線層の上面および側面を露出させるとともに、前記第２領域を露出させるように形成され、
前記開口部内に露出された前記第２領域には、前記有機ＳＯＧ膜に２Ｐａ以下の圧力で酸素プラズマを照射して改質された第３領域が形成され、
前記第２領域のうち、前記第３領域以外の領域は前記有機ＳＯＧ膜からなる、半導体装置。
前記第１絶縁膜は、前記第１配線層に直接接触するように形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１絶縁膜に選択的に導入された不純物は、ホウ素である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記第１配線層は、前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜の上面に接触するように形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。