JP4260764B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、フッ素添加カーボンからなる層を絶縁層として用いた半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路の高集積化を図るために、配線などのパターンの微細化や回路の多層化が進められている。その中の１つとして、配線を多層に構成する多層配線技術がある。この多層配線技術においては、上下の配線層間を所定の領域に配置された導電部で接続するとともに、その導電部以外の領域の層間は絶縁体からなる層間絶縁膜を配置して分離するようにしている。

この層間絶縁膜に用いる代表的な材料としては酸化シリコン（ＳｉＯ_２）があるが、近年集積回路の動作についてより一層の高速化を図るために、層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されている。すなわち、ＳｉＯ_２は比誘電率がε＝４程度であり、これよりも比誘電率が小さい材料の開発が盛んになされている。

そのＳｉＯ_２よりも比誘電率が小さい材料として、例えば炭素とフッ素とからなるフッ素添加カーボン膜がある。このフッ素添加カーボン膜は、例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いたプラズマ成膜処理により形成できる。

この成膜方法の説明をすると、図１０に示す成膜装置において、まず、プラズマ生成室８０１ａ内に，高周波電源部８０２より導波管８０２ａを介し，２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給する。それとともに、８７５ガウスの磁界を磁界コイル８０３，８０３ａにより印加し、導入管８０４より導入されているＡｒガスを電子サイクロトロン共鳴により高密度にプラズマ化する。

一方、Ｃ_４Ｆ_８ガスおよびＣ_２Ｈ_４ガスを、ガス導入管８０５ａ，８０５ｂを介してガス供給部８０５より成膜室８０１ｂ内に導入し、これらを上述した高密度プラズマにより活性化して活性種を形成する。そして、この活性種により、成膜室８０１ｂ内に配置された載置台８０６上のウエハ８０７表面に、密着性よく高硬度のフッ素添加カーボン膜８０８を形成する。なお、ウエハ８０７は、載置台８０６の静電チャック８０６ａにより固定されている。また、成膜室８０１ｂ内は、排気管８１０を介してこれに連通している図示していない真空排気手段により、所定の真空度に排気されている。

以上のことによりフッ素添加カーボン膜を形成することができる。しかし、このフッ素添加カーボン膜を層間絶縁膜として用いるためには、例えば、上下の配線層間を接続するための接続部を配置するホール部を形成するなどの微細加工が必要となる。

ここで、このフッ素添加カーボン膜の微細加工について説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、基体となる下層配線層９０１上に、上述したようにフッ素添加カーボン膜９０２を形成する。そして、このフッ素添加カーボン膜９０２上にＳｉＯ_２からなる無機膜９０３を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィ技術により、所定の箇所に開口部９０４ａを備えたレジストパターン９０４を、無機膜９０３上に形成する。

次に、レジストパターン９０４をマスクとして無機膜９０３を選択的にエッチングする。このことにより、図１１（ｃ）に示すように、開口部９０４ａに対応したところに開口部９０５ａを備えたハードマスク９０５を形成する。ここで、このエッチングでは、例えばＣＦ_４のプラズマによるドライエッチングを用いるようにすればよい。

次に、ハードマスク９０５をマスクとしてフッ素添加カーボン膜９０２を選択的にエッチングする。このことにより、図１１（ｄ）に示すように、フッ素添加カーボン膜９０２にホール部９０６を形成する。ここで、このエッチングでは、例えば、酸素ガスのプラズマによるドライエッチングを用いるようにすればよい。酸素ガスを用いるようにすれば、フッ素添加カーボン膜９０２とハードマスク９０５との間に大きなエッチング選択比（両者のエッチレート同士の比）をとることができる。また、酸素ガスのプラズマを用いれば、レジストパターン９０４も同時にエッチング除去できる。

ここで、ハードマスクを用いてフッ素添加カーボン膜を微細加工することに関して説明する。

微細加工においては、一般にフォトリソグラフィ技術で形成したレジストパターンをマスクとして選択的にエッチングするようにしている。このとき、レジストパターンは、その下層の加工対象の層に対するマスクとして、エッチングに耐性を持っている必要がある。加工対象の層が厚い場合は、レジストパターンのエッチング耐性が特に必要となる。このレジストパターンは、例えば感光性を有するフォトレジストを露光現像することで形成され、有機材料からなる。

ところが、上述したフッ素添加カーボン膜などの有機膜を微細加工する場合、酸素のプラズマによるドライエッチングを用いることになる。この場合、マスクとして有機膜であるレジストパターンを用いると、それもエッチングされてしまうので選択的なエッチングができない。

これに対し、酸素ガスのプラズマでフッ素添加カーボン膜をエッチングするときに、ＳｉＯ_２などの無機材料からなるマスタパターンを用いれば、これは酸素のプラズマではほとんどエッチングされないので、選択的なエッチングが可能となる。このため、前述したように、フッ素添加カーボン膜の微細加工では、ＳｉＯ_２などからなるハードマスクを用いるようにしている。

ところで、このハードマスクを形成するためには、ＳｉＯ_２などの無機膜を加工することになるが、この加工は、ＣＦ_４やＣ_４Ｆ_８のプラズマによるドライエッチングを用いればよい。この場合、有機膜であるレジストパターンはほとんどエッチングされないので、前述したように、レジストパターンをマスクとした選択的なエッチングでハードマスクを形成することが可能となる。

ところが、有機膜を加工するために一般的に用いられるＳｉＯ_２や窒素化シリコン（ＳｉＮ）からなるハードマスクをフッ素添加カーボン膜の微細加工に用いると、次に示すような問題があり、フッ素添加カーボン膜を層間膜に用いた半導体装置の信頼性を低下させていた。

まず、ＳｉＯ_２やＳｉＮはフッ素を含んだ有機膜であるフッ素添加カーボン膜との密着性が低いため、ハードマスクがはがれやすいという問題がある。前述したように、ハードマスクとして絶縁材料を用いているので、ハードマスクも層間絶縁膜の一部として用いるようにしている。しかしながら、層間絶縁膜としてのフッ素添加カーボン膜を微細加工した後、配線電極用の金属膜をそれらの上に形成したときのように、後のプロセスにおいて応力が加わると、ハードマスクがフッ素添加カーボン膜よりはがれてしまうことがある。また、その配線電極用の金属膜を形成した後、化学的機械研磨法により平坦化しようとすれば、大きな応力が加わるので、ほぼ確実にハードマスクがフッ素添加カーボン膜よりはがれてしまう。

次に、フッ素添加カーボン膜の微細加工にＳｉＯ_２やＳｉＮからなるハードマスクを用いると、以下のようにエッチングの選択比が低下するという問題がある。フッ素添加カーボン膜の微細加工は、前述したように酸素ガスのプラズマによるドライエッチングを用いるようにしている。この点だけから考えると、ＳｉＯ_２やＳｉＮからハードマスクを構成すれば、大きな選択比がとれるはずである。

しかしながら、酸素ガスのプラズマでフッ素添加カーボン膜をエッチングしているときは、雰囲気にはフッ素添加カーボン膜が分解したことによりＦ（フッ素）やＣ（炭素）が発生し、プラズマによってこれらの活性種が発生することになる。この結果、活性種によってＳｉＯ_２やＳｉＮがエッチングされるので、従来のハードマスクでは、フッ素添加カーボン膜と同時にエッチングすると、選択比が低下して加工精度が劣化するという問題がある。

それと共に、半導体装置の高速化を図る観点からは、フッ素添加カーボン膜を用いた絶縁層の場合と同様、ハードマスクとして用いる絶縁層についても、できるだけ比誘電率の低い材料を用いることが求められている。

この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものである。すなわち本発明は、フッ素添加カーボンからなる絶縁層を備えた半導体装置において、高速化への対応を考慮しつつ、信頼性の向上を図ることができるような半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、
素子が形成された半導体基板上に配線層を形成する工程と、
その配線層上に、フッ素添加カーボンからなる第１の絶縁層を形成する工程と、
その第１の絶縁層上に、ＳｉＨ_４、炭素を含むガスおよび窒素を含むガスを原料ガスとした化学的気相成長法により、シリコンと炭素と窒素とからなる第２の絶縁層を前記第１の絶縁層に接して形成する工程と、
前記第１の絶縁層の表面が部分的に露出するまで前記第２の絶縁層を選択的にエッチングする工程と、
その選択的にエッチングした第２の絶縁層をマスクとして、前記第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程と、
前記第１の絶縁層を選択的にエッチングした後、前記第２の絶縁層上に新たな配線層を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供するものである。

このように構成したので、配線層間において、フッ素添加カーボンからなる第１の絶縁層が、シリコンと炭素と窒素とからなる第２の絶縁層と接触した構造の半導体装置が得られる。このことにより、従来よりも第１の絶縁層と第２の絶縁層との間の密着性が向上し、はがれが抑制されるようになる。また、シリコンと炭素と窒素とからなる第２の絶縁層は、従来のものに比べてエッチングの選択比を大きく取ることができると共に、シリコンと窒素またはシリコンと炭素からなるものに比べれば誘電率を小さくできる。このため、半導体装置において、高速化への対応を考慮しつつ、信頼性の向上を図ることが可能となる。

この製造方法において、第２の絶縁層の比誘電率をより低くする観点から、第２の絶縁層にホウ素を添加する工程をさらに備えることが好ましい。

また、第２の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、炭素とフッ素とを含む化合物のガスのプラズマや、炭素と水素とを含む化合物のガスのプラズマを用いて行うようにすればよい。

また、第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、酸素を含むガスのプラズマを用いて行うようにすることで、第２の絶縁層や配線層がほとんどエッチングされなくなる。

また、第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、水素を含むガスのプラズマを用いて行うようにすることで、反応性イオンによるエッチングが支配的となり、より異方性の高いエッチングを行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。

［第１の実施形態］
はじめに、本発明の第１の実施形態としての半導体装置の製造方法に関して説明する。この実施の形態では、半導体装置を図１ａに示すように構成した。この構成に関して説明すると、まず、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタなどの素子（図示せず）を覆うように、絶縁膜１０１，例えばＳｉＯ_２膜が形成されている。この素子に電気的に接続されている、例えばＷからなる配線層（図示せず）と、これに接続された、例えば銅（Ｃｕ）からなる配線層１０２とが形成されている。

また、ＳｉＯ_２膜１０１上には、Ｃｕ層１０２を覆うように、第１の絶縁層としてのフッ素添加カーボン膜１０３が形成されている。このフッ素添加カーボン膜１０３には、溝部１０４ａおよびホール部１０４ｂが形成されている。これら溝部１０４ａ内およびホール部１０４ｂ内には、例えばＣｕからなる配線層１０４が形成され、これが前述のＣｕ層１０２と電気的に接続された構成となっている。ここで、フッ素添加カーボン膜１０３およびＣｕ層１０２と、Ｃｕ層１０４との接触面には、密着層１０４ｃが形成されている。

この密着層１０４ｃは、Ｃｕ層１０４とフッ素添加カーボン膜１０３との密着性向上のために、図１ｂに示すように、例えば、ＴｉＮ層１０４ｃ’とＴｉ層１０４ｃ”とから構成されている。なお、密着層１０４ｃは、このようなＴｉＮ／Ｔｉの積層構造のものには限られず、ＴａＮ／Ｔａや、ＷＮ／Ｗなど、高融点金属窒化物／高融点金属の積層構造のものを用いることが可能である。

そして、この第１の実施形態では、フッ素添加カーボン膜１０３上に第２の絶縁層としてのＳｉＣＮからなるハードマスク１０５が、膜厚１００ｎｍ程度に形成されている。このＳｉＣＮは、必ずしも化学組成・化学結合的にその構成となっていることを意味するものではなく、少なくとも、ＳｉとＣとＮとを成分として構成されているということである。

また、このハードマスク１０５上には、前述と同様な構成で、第１の絶縁層としてのフッ素添加カーボン膜１０６、溝部１０７ａおよびホール部１０７ｂ内に埋め込まれたＣｕ層１０７，密着層１０７ｃ、およびＳｉＣＮからなるハードマスク１０８が形成されている。すなわち、フッ素添加カーボン膜１０６上にも、ＳｉＣＮからなるハードマスク１０８が、膜厚１００ｎｍ程度に形成されているように構成した。なお、Ｃｕ層１０４とＣｕ層１０７は同一の材料から構成しているので、その接触界面にバリア膜などを形成する必要はない。

以上示したように、この第１の実施形態では、フッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜１０３，１０６上に、ＳｉＣＮからなるハードマスク１０５，１０８を設けるように構成した。その結果、例えば、フッ素添加カーボン膜１０３とフッ素添加カーボン膜１０６との間には、ＳｉＣＮからなるハードマスク１０５があるので、従来のようにハードマスクにＳｉＯ_２などを用いる場合に比較して、それら各層間の密着力を向上させることができる。

なお、ハードマスク１０８およびＣｕ層１０７上に、同様の積層構造を設けることで半導体装置としてもよい。すなわち、同様の積層構造を任意の段数だけ繰り返し積層した構成の半導体装置としてもよい。

次に、上述した配線構造の製造方法に関して説明する。なお、以下では、図１に示したＣｕ層１０４およびハードマスク１０５までは形成されている状態から説明する。

まず、図２ａに示すように、Ｃｕ層１０４およびＳｉＣＮからなるハードマスク１０５の上に、フッ素添加カーボン膜２０６を膜厚７００ｎｍ程度に形成する。このフッ素添加カーボン膜２０６の形成は、前述したように、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いてＣ_４Ｆ_８ガスおよびＣ_２Ｈ_４ガスを原料ガスとしたプラズマ成膜処理により行う。

次に、図２ｂに示すように、まず、フッ素添加カーボン膜２０６上にＳｉＣＮからなる絶縁膜２０８を形成する。これは、例えばＳｉＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｎ_２を原料ガスとした化学的気相成長法（ＣＶＤ）により行えばよい。また、この絶縁膜２０８上に、所定箇所にホール部２１１ａの設けられたレジストパターン２１１を形成する。このレジストパターン２１１の形成は、公知のフォトリソグラフィ技術を用いればよい。

次に、そのレジストパターン２１１をマスクとして絶縁膜２０８をエッチング加工して、図２ｃに示すような、ホール部２０８ａの設けられたハードマスク１０８を形成する。このエッチングには、例えば、Ｃ_４Ｆ_８のプラズマによるドライエッチングを用いればよい。

次に、今度は、ホール部２０８ａの設けられたハードマスク１０８をマスクとして、その下層のフッ素添加カーボン膜２０６をエッチング加工する。このエッチングには、酸素ガスのプラズマによる反応性イオンエッチングを用いればよい。前述したように、ハードマスク１０８はＳｉＣＮから構成されているので、酸素ガスのプラズマではほとんどエッチングされない。一方、フッ素添加カーボン膜２０６は酸素ガスのプラズマによりエッチング（アッシング）される。その結果、このエッチング処理により、図２ｄに示すように、フッ素添加カーボン膜２０６にホール部２０６ａを形成することができる。そして、このとき酸素ガスのプラズマを用いているので、有機膜であるレジストパターン２１１も同時に除去される。

ここで、フッ素添加カーボン膜とＳｉＣＮからなるハードマスクについての、酸素ガスのプラズマによるドライエッチングにおける選択比について説明する。以下に、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの各ハードマスク材料を、酸素ガスのプラズマを用いて、フッ素添加カーボン膜とともにドライエッチングした場合のエッチングレート（ｎｍ／分）を示す。

フッ素添加カーボン膜…１５３８
ＳｉＮ… ３７
ＳｉＣ… ４５
ＳｉＯ_２… ４２
ＳｉＣＮ… １５
以上に示したように、フッ素添加カーボン膜と同時に処理した場合、他のハードマスク材料に比べてＳｉＣＮは、酸素ガスのプラズマによるエッチングレートが非常に小さい。したがって、この第１の実施形態のように、ハードマスクにＳｉＣＮを用いれば、フッ素添加カーボン膜のエッチングにおいて大きな選択比を得ることができるので、より加工精度を向上させることが可能となる。

次に、図２ｅに示すように、ハードマスク１０８上に溝部２１２ａを備えたレジストパターン２１２を形成する。このレジストパターン２１２の形成は、公知のフォトリソグラフィ技術を用いればよい。ここで、溝部２１２ａは、その一部がホール部２０６ａ上に重なるように形成する。

そして、そのレジストパターン２１２をマスクとしてハードマスク２０８をエッチング加工し、ハードマスク１０８に溝部１０８ａが形成された状態とする。このエッチングは、例えば、Ｃ_４Ｆ_８のプラズマによるドライエッチングを用いればよい。このＣ_４Ｆ_８のプラズマによるドライエッチングでは、フッ素添加カーボン膜２０６もほとんどエッチングされないので、ハードマスク１０８の選択的なエッチングが可能となる。

次に、溝部１０８ａが形成されたハードマスク１０８をマスクとしてフッ素添加カーボン膜２０６をエッチング加工し、図２ｆに示すように、深さ４００ｎｍ程度に溝部１０７ａが形成されたフッ素添加カーボン膜１０６を形成する。ここでも、酸素ガスのプラズマによる反応性イオンエッチングを用いればよい。そして、酸素ガスのプラズマを用いているので、ハードマスク１０８上のレジストパターン２１２も同時に除去される。そして、フッ素添加カーボン膜２０６に形成されていたホール部２０６ａによるスルーホール１０７ｂが、フッ素添加カーボン膜１０６の溝部１０７ａ形成領域に配置された状態となる。

次に、図２ｇに示すように、まず、ハードマスク１０８上やスルーホール１０７ｂ、溝部１０７ａおよび１０８ａの表面を覆うように、ＴｉＮ層とＴｉ層からなる密着層である薄い金属膜２０７ａを形成する。そして、その金属膜２０７ａを介して、スルーホール１０７ｂや溝部１０７ａおよび１０８ａを充填するように、ハードマスク１０８上に銅からなる金属膜２０７を形成する。この金属膜２０７は、例えば、無電解メッキ法やスパッタ法など、よく知られた金属膜の形成方法により形成すればよい。

そして、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により金属膜２０７および２０７ａを表面より研磨する。このことにより、図２ｈに示すように、ハードマスク１０８の表面を露出させれば、Ｃｕ層１０４上にフッ素添加カーボン膜１０６を介してＣｕ層１０７が配置され、そのフッ素添加カーボン膜１０６とＣｕ層１０７とが、ＴｉＮ／Ｔｉ構成の密着層１０７ｃを介して接触した状態が得られる。なお、上記では省略したフッ素添加カーボン膜１０３からＣｕ層１０４までの形成も、上述したのとほぼ同様にして行えることはいうまでもない。

ここで、上述のようにハードマスク材料としてＳｉＣＮを用いた場合と、従来のようにＳｉＯ_２を用いた場合とで、形成されたハードマスクと、それと積層されたフッ素添加カーボン膜との密着性を比較した。この場合、「フッ素添加カーボン膜／ハードマスク／フッ素添加カーボン膜」の３層構造における密着力をそれぞれ比較した。なお、参考として、ハードマスク材料としてＳｉＮを用いた場合も調べた。

その密着力は、次に示すようにして測定する。まず、図３に示すように、基板６０１上にフッ素添加カーボン膜６０２，ハードマスク６０３，フッ素添加カーボン膜６０４を順次積層形成したサンプルを作製し、そのフッ素添加カーボン膜６０４上に所定の接着剤で試験棒６０５を固定する。そして、基板６０１を固定した状態で、その基板６０１から離れる方向の荷重を試験棒６０５に加える。そして、いずれかの膜が剥離したときの荷重（Ｋｐｓｉ）を密着力とする。

以上に説明した密着力の測定結果を図４に示す。この図４から明らかなように、ハードマスクの材料としてＳｉＣＮを用いることで、フッ素添加カーボン膜との密着力が格段に向上する。このように、５Ｋｐｓｉ以上の密着力がフッ素添加カーボン膜との間に得られれば、ハードマスクを層間膜の一部としてそのまま残すようにしても、電極形成時の化学的機械研磨でハードマスク部分がはがれることが抑制されるようになる。

また、ＳｉＣＮからなるハードマスクに対する下地膜による密着力の違いを、Ａ，Ｂ，Ｃの３種類の下地膜について調べた結果が、図５のグラフに示されている。この場合、下地膜Ａは上記のフッ素添加カーボン膜、下地膜Ｂは「ＳｉＣＯ(Ｈ)膜（(Ｈ)はＣ_ｘＨ_ｙ基中のＨ）」、下地膜ＣはＳＯＤ（Spin On Dilectric)膜である。また、密着力の測定方法は上記と同様である。なお、上記ＳｉＣＯ(Ｈ)膜は、例えばＳｉＨ_ｘ（ＣＨ_３）_ｙで表されるメチルシランまたはアルコキシシランを原料とし、それ単独、若しくは酸素系ガス（Ｏ_２、Ｎ_２Ｏ等）を使用し、プラズマＣＶＤ法にて形成される。また、この場合、上記ＳＯＤ膜としては、例えば有機ポリマであるＳｉＬＫが用いられる。

ここで、上述したように、ハードマスクは配線層間の層間絶縁膜の一部として用いられる。したがって、ハードマスクの膜厚がフッ素添加カーボン膜の部分より薄いとしても、その誘電率はなるべく低い方がよい。そこで、図６のグラフに示すように、各種のハードマスク材料の比誘電率εを比較すると、本実施形態で用いるＳｉＣＮはε＝５．５程度と、ε＝４程度のＳｉＯ_２よりは高いものの、ε＝８前後のＳｉＮやＳｉＣに比べればかなり低くなっている。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施形態では、上述したような理由で、ハードマスク材料の誘電率をさらに低下させる観点から、ＳｉＣＮからなるハードマスクにホウ素（Ｂ）を添加するようにした。上述したようにＳｉＣＮ自体の比誘電率はε＝５．５程度であるが、このＳｉＣＮにホウ素を添加すると、その誘電率をε＝５．１程度まで低下させることができる。なお、その他の構成は、上記第１の実施形態と全く同様である。

そのホウ素の添加は、例えば図２ｂに示したＳｉＣＮからなる絶縁膜２０８の形成時に、化学的気相成長法における原料ガスとして、ＳｉＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｎ_２に加えてＢＦ_３も用いるようにすればよい。また、原料ガスの組み合わせとして、ＳｉＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，ＢＦ_３や、ＳｉＨ_４，ＢＦ_３，Ｎ_２を用いてもよい。また、ＢＦ_３の代わりにＢ_２Ｆ_６を用いるようにしてもよい。このようにすることで、形成された絶縁膜は、ホウ素が添加されたＳｉＣＮやＳｉＣ，ＳｉＮ（ＳｉＢＣＮやＳｉＢＣ，ＳｉＢＮ）から構成されることになる。

なお、そのホウ素の添加は、すでに形成された絶縁膜に対するイオン注入で行うようにしてもよい。

ここで、ＳｉＮ，ＳｉＣおよびＳｉＣＮにホウ素を添加した場合の比誘電率の変化を調べた結果が、図７のグラフに示されている。図７に示すように、ＳｉＮ，ＳｉＣおよびＳｉＣＮの比誘電率εが、それぞれε＝８．２，７．９および５．５程度であるのに対して、これらにホウ素を添加したＳｉＢＮ，ＳｉＢＣおよびＳｉＢＣＮの比誘電率εは、それぞれε＝５．９，５．５および５．１程度まで低下している。

［その他の実施形態］
なお、以上の実施形態では、ＳｉＣＮからなるハードマスクを、「ＳｉＨ_４＋Ｃ_２Ｈ_４＋Ｎ_２」を原料ガスとした製法で形成しているが、他の原料ガスを用いた製法で形成するようにしてもよい。

ここで、ＳｉＣＮからなるハードマスクを異なる製法（原料ガス）で形成した場合の比誘電率の違いを、Ａ，Ｂ，Ｃの３種類の製法（原料ガス）について調べた結果が、図８のグラフに示されている。この場合、製法Ａは上記の製法と同様、「ＳｉＨ_４＋（炭素を含む原料ガス）＋（窒素を含む原料ガス）」を原料ガスとして用いたものである。また、製法ＢおよびＣは、製法ＡのＳｉＨ_４を、それぞれＳｉＨ_ｘ(ＣＨ_３)_ｙおよびアルコキシシラン（Silicon alkoxides）に置き換えた原料ガスを用いたものである。

なお、炭素を含む原料ガスとしては、上記のＣ_２Ｈ_４の他に、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_２Ｈ_２等を用いることができる。また、窒素を含む原料ガスとしては、上記のＮ_２の他に、例えばＮＦ_３，Ｎ_２Ｏ，ＮＯ_２，Ｎ_２Ｏ_４，ＮＯ，ＮＨ_８等を用いることができる。

そして、図８に示すように、上記の本実施形態で用いた製法Ａでは比誘電率がε＝５．５程度であったものが、製法Ｂおよび製法Ｃではε＝４．２〜４．３程度まで低下している。すなわち、上記の製法Ｂまたは製法Ｃによれば、上記第２の実施形態のようにホウ素を添加する場合に比べても、さらに比誘電率を低下させることができる。

また、以上の実施形態では、フッ素添加カーボン膜のエッチング加工に、酸素ガスのプラズマを用いるようにしたが、水素ガスとアルゴンガスや窒素ガスとの混合ガスのプラズマを用いるようにしてもよい。この場合、例えば、混合ガスに対するアルゴンガスの流量比（Ａｒ／（Ｎ_２＋Ｈ_２＋Ａｒ））を、実質的に０．７〜０．８程度とすればよい。さらに水素ガスと窒素ガスの流量比（Ｈ_２／（Ｎ_２＋Ｈ_２））を、実質的に０．２〜０．９にすればよい。また、プラズマを生成する雰囲気の真空度は、５〜１５ｍＴｏｒｒ程度とすればよい。

この場合でも、以下に示すように、酸素ガスを用いた場合と同様、フッ素添加カーボン膜と同時に処理した場合のエッチングレート（ｎｍ／分）は、ＳｉＣＮの方が他のハードマスク材料に比較して非常に小さい。

フッ素添加カーボン膜…１８２６
ＳｉＮ… ５８
ＳｉＣ… ８８
ＳｉＯ_２… ９５
ＳｉＣＮ… １８
ここで、上述のようにエッチングに水素ガスを用いる場合の特徴に関して説明する。水素ガスとアルゴンガスや窒素ガスとの混合ガスのプラズマによる反応性イオンエッチングを用いて、フッ素添加カーボン膜のエッチング加工を行う場合、酸素ガスを用いた場合よりも異方性の高いエッチングが可能となる。

ドライエッチングにおいては、プラズマを生成することで、エッチング活性種として反応性イオンとラジカルが生成されるものと考えられている。その中でも、電界を利用して主に反応イオンをエッチング対象に飛行させる反応性イオンエッチングでは、垂直異方性の高い状態で加工するようにしている。

しかしながら、雰囲気中にはプラズマが生成しているため、電界により引き寄せられていないラジカルもいずれはエッチング対象に到達し、エッチング反応に関与することになる。そして、そのラジカルによるエッチング反応が起これば、例えばマスタパターンの下部分までエッチングされるサイドエッチングが発生する。そのような機構の中で、酸素ガスのプラズマによる反応性イオンエッチング方法では、酸素のラジカルは有機化合物に対して反応性が高いため、この酸素ラジカルがエッチング反応に必要以上に関与してしまい、フッ素添加カーボン膜のエッチング加工形状の制御性を低下させている。

一方、上述した水素ガスとアルゴンガスや窒素ガスとの混合ガスを用いた場合、フッ素添加カーボン膜に対するエッチング活性種は、主に水素の反応性イオンとラジカルとになる。ところが、水素のラジカルは、有機化合物に対してあまり反応性が高くない。このため、それらの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングの場合、フッ素添加カーボン膜に対するエッチング活性種は、ほぼ水素の反応性イオンだけとなる。すなわち、この場合は、方向性を持たないラジカルによっては、ほとんどエッチングが進行しないことになる。

この結果、水素ガスとアルゴンガスや窒素ガスとの混合ガスを用いた場合は、より高い異方性が得られてサイドエッチングなどが抑制されるため、寸法制御性などの加工精度を向上させることができる。

ところで、上述した実施形態では、フッ素添加カーボン膜からなる層間膜に溝を形成してそこに配線層を埋め込むようにしたが、これに限るものではない。例えば、図９に示すように構成してもよい。この構成に関して説明すると、まず、フッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜７０１上にＳｉＣＮからなるハードマスク７０２が形成され、その上に配線層７０３が形成されている。また、配線層７０３は、層間絶縁膜７０１およびハードマスク７０２に形成されたスルーホールを介して、図示していない下層の配線層に接続されている。

また、ハードマスク７０２上には、配線層７０３を覆うように、フッ素添加カーボン膜からなる層間絶縁膜７０４が形成されている。その層間絶縁膜７０４上に、ＳｉＣＮからなるハードマスク７０５が形成され、その上に配線層７０６が形成されている。また、配線層７０６は、層間絶縁膜７０４およびハードマスク７０５に形成されたスルーホールを介して、下層の配線層７０３に接続されている。

この場合、ハードマスク７０２，７０５は、配線層間を接続するためのスルーホール形成に用いられる。したがって、この場合、例えばハードマスク７０５および層間絶縁膜７０４の微細加工は１回となる。ただし、例えば、配線層７０６は、ハードマスク７０５上に金属膜を形成し、この金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術により微細加工して形成することになる。

また、上述した実施形態では、配線層にＣｕを用いるようにしたが、これに限るものではなく、アルミニウム（Ａｌ）や他の導電性材料を用いるようにしても同様である。

本発明の実施形態としての製造方法による半導体装置の構造を示した部分縦断面図。 図１ａに示した構造の一部を拡大して示す図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 本発明の実施形態としての半導体装置の製造方法を工程順に示した模式的縦断面図。 密着力の測定方法を説明するための模式的縦断面図。 ハードマスク材料による密着力の違いを示すグラフ。 ハードマスクに対する下地膜による密着力の違いを示すグラフ。 ハードマスク材料による比誘電率の違いを示すグラフ。 ホウ素を含むハードマスク材料の比誘電率の違いを示すグラフ。 製法によるハードマスクの比誘電率の違いを示すグラフ。 本発明の他の実施形態としての製造方法による半導体装置の構造を示した部分縦断面図。 フッ素添加カーボン膜を形成するためのプラズマ成膜処理装置の構成を示す概略的な縦断面図。 従来の半導体装置の製造方法を（ａ）〜（ｄ）の工程順に示した模式的縦断面図。

符号の説明

１０２，１０４，１０７ Ｃｕ層（配線層）
１０３，１０６ フッ素添加カーボン膜（第１の絶縁層）
１０５，１０８ ハードマスク（第２の絶縁層）

Claims (5)

1. 素子が形成された半導体基板上に配線層を形成する工程と、
   その配線層上に、フッ素添加カーボンからなる第１の絶縁層を形成する工程と、
   その第１の絶縁層上に、ＳｉＨ_４、炭素を含むガスおよび窒素を含むガスを原料ガスとした化学的気相成長法により、シリコンと炭素と窒素とからなる第２の絶縁層を前記第１の絶縁層に接して形成する工程と、
   前記第１の絶縁層の表面が部分的に露出するまで前記第２の絶縁層を選択的にエッチングする工程と、
   その選択的にエッチングした第２の絶縁層をマスクとして、前記第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程と、
   前記第１の絶縁層を選択的にエッチングした後、前記第２の絶縁層上に新たな配線層を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２の絶縁層にホウ素を添加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. 前記第２の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、炭素とフッ素とを含む化合物のガスのプラズマを用いて行われることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、酸素を含むガスのプラズマを用いて行われることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１の絶縁層を選択的にエッチングする工程は、水素を含むガスのプラズマを用いて行われることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。

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