JP4891018B2 - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に、ダマシン(Damascene)法を用いた銅（Ｃｕ）配線の形成に適用して有効な技術に関する。

微細化、高集積化が進んだ近年の半導体集積回路装置の製造プロセスでは、例えば酸化シリコン膜と窒化シリコン膜のような異種の絶縁膜相互のエッチング速度差を利用することによって、シリコン基板に素子分離溝を形成したり、ＭＩＳＦＥＴ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極に対して自己整合（セルフアライン）でコンタクトホールを形成したりすることが行われている。

特開平１０−３２１８３８号公報（特許文献１）は、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサが形成されたゲート電極上に炭化シリコン（ＳｉＣ）膜を介して酸化シリコン膜を堆積することによって、ゲート電極に対して自己整合でコンタクトホールを形成する技術を開示している。ここで、酸化シリコン膜のドライエッチングには、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８などのハイドロフルオロカーボン系ガスまたはフルオロカーボン系ガスが使用されるが、これらのガスではエッチングされ難い炭化シリコン膜が、ゲート電極材料やサイドウォールスペーサ材料の削れを防ぐエッチングストッパとして機能する。一方、コンタクトホールの底部に露出した炭化シリコン膜を除去するには、ＣＦ_４と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いたプラズマ処理が用いられる。このプラズマ処理を行うと、混合ガス中の酸素の作用で炭化シリコン膜が酸化シリコン膜に改質され、混合ガス中のＣＦ_４から発生するフッ素ラジカルおよびイオンによって除去される。

特開平７−１６１６９０号公報（特許文献２）は、電極上に炭化シリコン基板を配置した真空チャンバ内にフッ素系ガス（例えばＳＦ_６、ＣＦ_４、ＮＦ_３）と酸素の混合ガスを供給し、上記電極と対向電極との間にプラズマを発生させて上記炭化シリコン基板をリアクティブイオンエッチングする際、上記基板を上記電極の面積と近似した大きさの石英ガラスまたはシリコンからなる皿に載せた状態で上記電極上に配置する技術を開示している。この方法によれば、基板に比べて面積の大きい電極が皿で覆われるので電極材料（例えばアルミニウム）のスパッタが防止され、このスパッタに伴うマイクロマスク現象（電極材料がスパッタされて基板表面に付着し、エッチングの進行を妨げる現象）を回避することができる。

特開２０００−３５５７７９号公報（特許文献３）は、エッチング装置の耐蝕部品に関するものであるが、塩素系またはフッ素系のプラズマガスのように、腐食性の強いエッチングガスに曝される部品の耐蝕効果を高める目的で、上記部品の表面を、３Ｃ結晶系の多結晶からなり、部品表面に対して平行に（１１１）面が配向した炭化シリコン膜で被覆する技術を開示している。

特開平６−２０８９７７号公報（特許文献４）は、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、アモルファスシリコン膜のような異種の膜を積層してなる多層膜をドライエッチングする際、異種膜相互間のエッチング速度差に起因するエッチング形状不良（逆テーパ、アンダーカットなど）を防止する対策として、ＣＦ_４と酸素との混合ガスを使って上記多層膜をドライエッチングした後、エッチング形状の不良を補正するために、ＳＦ_６ガスまたはこれに酸素を混合したガスを使って上記多層膜をさらにドライエッチングする技術を開示している。

特開平７−２３５５２５号公報（特許文献５）は、被処理基板を収容したドライエッチング装置の容器内に、別の領域で予め励起させたフッ素を含むガスを第１のガス導入口か導入し、フッ素以外のハロゲン元素を含むガスを第２のガス導入口から導入してエッチングを行うことにより、被処理基板上のシリコン窒化膜をシリコン酸化膜に対して高選択比でエッチングする技術を開示している。

特開平５−２３２６４９号公報（特許文献６）は、ＬＯＣＯＳ酸化の耐酸化マスクに用いる窒化シリコン膜のパターニングに際して、ＮＦ_３を主たるエッチャントとし、これにレジストおよび酸化シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比を高めるガス（例えばＨＢｒ、酸素など）を添加したエッチングガスを用いることによって、窒化シリコン膜の側面が順テーパ状となるのを防ぎ、ＬＯＣＯＳ酸化で問題となるフィールド絶縁膜端部のバーズビークを抑制する技術を開示している。

特開平５−２６７２４６号公報（特許文献７）は、レジストパターンをマスクに用いた反応性イオンエッチングでシリコン窒化膜をパターニングする際、エッチングの雰囲気ガスとしてＳＦ_６、ＨＢｒ、Ｈｅおよび酸素を混合した第１のエッチングガス、または上記第１のエッチングガスに少なくとも窒素、フロンガス、ＮＦ_３および不活性ガスのうちの一つを混合した第２のエッチングガスを用いることによって、レジストに対する窒化シリコン膜のエッチング選択比を大きくする技術を開示している。

特開２００１−２１０６２７号公報（特許文献８）は、アルミニウムや銅からなる配線の上部に、炭化シリコンなどからなるエッチングストッパ膜を介して形成したＳｉＣｘＨｙＯｚで表される有機無機ハイブリッド膜を良好にプラズマエッチングするために、フッ素、炭素および窒素を含むエッチングガスを用いる技術を開示している。
特開平１０−３２１８３８号公報 特開平７−１６１６９０号公報 特開平６−２０８９７７号公報 特開平６−２０８９７７号公報 特開平５−２３２６４９号公報 特開平５−２３２６４９号公報 特開平５−２６７２４６号公報 特開２００１−２１０６２７号公報

近年、ＬＳＩの高集積化による配線の微細化に伴って配線抵抗の増大が顕著となり、特に高性能なロジックＬＳＩにおいては、配線抵抗の増大がさらなる高性能化を阻害する大きな要因となっている。その対策として、シリコン基板上の層間絶縁膜に配線溝を形成し、次いで配線溝の内部を含む層間絶縁膜上にＣｕ膜を堆積した後、配線溝の外部の不要なＣｕ膜を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing ；ＣＭＰ）法で除去する、いわゆるダマシン(Damascene)法を用いた埋め込みＣｕ配線の導入が進められている。また、配線容量を低減することによってロジックＬＳＩの高性能化を推進する観点から、上記Ｃｕ配線の導入と並行して、酸化シリコン膜に比べて誘電率が低い有機ポリマー系絶縁膜材料を使った層間絶縁膜の導入が進められている。

上記有機ポリマー系絶縁膜材料を使った層間絶縁膜に配線溝を形成してその内部にＣｕ配線を形成する一般的なプロセスでは、まず、下層のＣｕ配線の上部に拡散バリア層を堆積し、次に拡散バリア層の上部に層間絶縁膜を堆積する。拡散バリア層は、下層のＣｕ配線中のＣｕが有機絶縁膜中に拡散するのを防止するために形成する。拡散バリア層は、例えば窒化シリコン膜で構成するが、配線容量を低減する観点からは、窒化シリコン膜（比誘電率＝７）よりも比誘電率が小さい炭化シリコン（比誘電率＝４．３〜４．５）を使用することが望ましい。

次に、上記有機絶縁膜およびその下層の拡散バリア層をドライエッチングすることにより、その底部に下層のＣｕ配線が露出する配線溝を形成する。続いて、配線溝の内部を含む有機絶縁膜上にＣｕ膜を堆積した後、有機絶縁膜上の不要なＣｕ膜を化学機械研磨法で除去することにより、配線溝の内部にＣｕ配線が形成される。

ところが、本発明者らが上記拡散バリア層を構成する炭化シリコン膜をドライエッチングする際に、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８などのハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）とＡｒと酸素の混合ガスを用いたところ、配線溝の底部に露出した下層のＣｕ配線の表面に絶縁性の反応物が付着すると共に、配線溝の側壁に露出した炭化シリコン膜や有機絶縁膜がサイドエッチングされるという不良が発生した。

本発明の目的は、炭化シリコン膜と有機絶縁膜とを含む層間絶縁膜をドライエッチングして下層のＣｕ配線の上部に配線溝を形成する際、配線溝の底部に露出した下層のＣｕ配線の表面に絶縁性の反応物が付着したり、配線溝の側壁に露出した炭化シリコン膜や有機絶縁膜がサイドエッチングされるという不具合を抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
（１）本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）ＣＨＦ_３またはＣＦ_４のいずれかを含むガスとＮ_２とからなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
（２）本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）ＣＨＦ_３およびＣＦ_４の少なくとも一方とＮ_２とからなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
（３）本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）ＳＦ_６、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＣＨＦ_３およびＣＦ_４からなる群より選択された少なくとも一種の第１エッチングガスと、Ｎ_２、ＮＨ_３およびＮ_２Ｈ_４からなる群より選択された少なくとも一種の第２エッチングガスとの混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
（４）本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
（ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）ＣＨＦ_３、ＣＦ_４およびＮ_２からなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

銅を主成分として含む導電層の上部の炭化シリコンを主成分として含む第１絶縁膜をドライエッチングする際、第１絶縁膜を異方的にエッチングすることができる。

また、導電層の表面に堆積物や反応物が生成する不具合を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

なお、以下の実施の形態では、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

さらに、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示したときおよび原理的に明らかに特定の数に限定されるときを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップなどを含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。

また、その構成要素（ガス、元素、分子、材料等）は、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでない場合を除き、その他の要素を排除するものではない。従って、例えばウエハを処理するガス雰囲気について、エッチャントまたはエッチングガスとして特定のガスの組み合わせに言及して、その他のガスに言及しない場合においても、その他のエッチングガス、アルゴン、ヘリウムなどの希釈ガス、その他の添加、調整用ガスの存在を排除するものではない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合を除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、本願において半導体集積回路装置というときは、特に単結晶シリコン基板上に作られるものだけでなく、特にそうでない旨が明示された場合を除き、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板やＴＦＴ(Thin Film Transistor)液晶製造用基板などといった他の基板上に作られるものを含むものとする。また、ウエハとは半導体集積回路装置の製造に用いる単結晶シリコン基板（一般にほぼ円盤形）、ＳＯＳ基板、ガラス基板その他の絶縁、半絶縁または半導体基板などやそれらを複合した基板をいう。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態であるＣＭＯＳ−ＬＳＩの製造方法を図１〜図１５を用いて工程順に説明する。

本発明の実施の形態であるＣＭＯＳ−ＬＳＩの製造方法を図１〜図１５を用いて工程順に説明する。

まず、図１に示すように、例えば１〜１０Ωcm程度の比抵抗を有するｐ型の単結晶シリコンからなる半導体基板（以下、基板またはウエハという）１に素子分離溝２を形成する。素子分離溝２を形成するには、素子分離領域の基板１をエッチングして溝を形成した後、溝の内部を含む基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜３を堆積し、続いて溝の外部の酸化シリコン膜３を化学機械的に研磨することによって除去する。

次に、基板１の一部にホウ素をイオン注入し、他の一部にリンをイオン注入することによって、ｐ型ウエル４およびｎ型ウエル５を形成した後、基板１をスチーム酸化することによって、ｐ型ウエル４およびｎ型ウエル５のそれぞれの表面にゲート酸化膜６を形成する。

次に、図２に示すように、ｐ型ウエル４およびｎ型ウエル５のそれぞれの上部にゲート電極７を形成する。ゲート電極７を形成するには、例えばゲート酸化膜６の上部にＣＶＤ法で多結晶シリコン膜を堆積した後、ｐ型ウエル４の上部の多結晶シリコン膜にリンをイオン注入し、ｎ型ウエル５の上部の多結晶シリコン膜にホウ素をイオン注入した後、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで多結晶シリコン膜をパターニングする。

次に、ｐ型ウエル４にリンまたはヒ素をイオン注入することによって低不純物濃度のｎ^-型半導体領域８を形成し、ｎ型ウエル５にホウ素をイオン注入することによって低不純物濃度のｐ^-型半導体領域９を形成する。

次に、図３に示すように、基板１上にＣＶＤ法で窒化シリコン膜を堆積し、続いてこの窒化シリコン膜を異方的にエッチングすることによって、ゲート電極７の側壁にサイドウォールスペーサ１０を形成した後、ｐ型ウエル４にリンまたはヒ素をイオン注入することによって高不純物濃度のｎ⁺型半導体領域１１（ソース、ドレイン）を形成し、ｎ型ウエル５にホウ素をイオン注入することによって高不純物濃度のｐ⁺型半導体領域１２（ソース、ドレイン）を形成する。

次に、基板１の表面を洗浄した後、ゲート電極７、ｎ⁺型半導体領域１１（ソース、ドレイン）およびｐ⁺型半導体領域１２（ソース、ドレイン）のそれぞれの表面にシリサイド層１３を形成する。シリサイド層１３を形成するには、基板１上にスパッタリング法でＣｏ（コバルト）膜を堆積し、次いで窒素ガス雰囲気中で熱処理を行って基板１およびゲート電極７とＣｏ膜とを反応させた後、未反応のＣｏ膜をウェットエッチングで除去する。ここまでの工程で、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎおよびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐが完成する。

次に、図４に示すように、基板１上にＣＶＤ法で窒化シリコン膜１５および酸化シリコン膜１６を堆積し、続いてｎ⁺型半導体領域１１（ソース、ドレイン）およびｐ⁺型半導体領域１２（ソース、ドレイン）のそれぞれの上部の酸化シリコン膜１６および窒化シリコン膜１５をドライエッチングしてコンタクトホール１７を形成した後、コンタクトホール１７の内部にメタルプラグ１８を形成する。酸化シリコン膜１６をエッチングするときは、下層の窒化シリコン膜１５のエッチング速度を小さくするために、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３（炭素数が２以下の低炭素数の非環状フルオロカーボン、またはフッ素系エッチャント）、Ｃ_４Ｆ_８（炭素数が３以上の高炭素数の環状フルオロカーボン、環状フッ素系エッチャント、非環状フルオロカーボン、または鎖状フルオロカーボンフッ素系エッチャントなども使用可能である）などのハイドロフルオロカーボン系ガスまたはフルオロカーボン系ガスを使用する。また、窒化シリコン膜１５をエッチングするときは、ハイドロフルオロカーボン系ガス（ＣＨＦ_３やＣＨ_２Ｆ_２など）に酸素とＡｒ（希釈ガス）とを加えた混合ガスを使用する。メタルプラグ１８を形成するには、コンタクトホール１７の内部を含む酸化シリコン膜１６上にＣＶＤ法でＴｉＮ（窒化チタン）膜とＷ（タングステン）膜とを堆積し、続いて酸化シリコン膜１６の上部の不要なＴｉＮ膜およびＷ膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）法またはエッチバック法によって除去する。なお、酸化シリコン膜１６は、モノシラン（ＳｉＨ_４）をソースガスに用いた通常のＣＶＤ法で形成される酸化シリコン膜の他、ＢＰＳＧ(Boron-doped Phospho Silicate Glass)膜、あるいはスピン塗布法によって形成されるＳＯＧ(Spin On Glass)膜などで構成してもよい。

次に、図５に示すように、酸化シリコン膜１６の上部に有機絶縁膜１９および酸化シリコン１４を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにして酸化シリコン膜１４および有機絶縁膜１９をドライエッチングすることにより、コンタクトホール１７の上部に配線溝２０を形成する。

有機絶縁膜１９は、配線容量を低減するために、酸化シリコン（比誘電率＝４．７）よりも比誘電率が小さい絶縁材料で構成する。このような低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）の絶縁材料としては、例えば「ＳｉＬＫ」（米国The Dow Chemical社製芳香族ポリマー：比誘電率＝２．７）、あるいは「ＦＬＡＲＥ」（米国Honeywell Electronic Materials社製ポリアリルエーテル（ＰＡＥ）：比誘電率＝２．８）など、スピン塗布法で成膜する有機塗布膜（完全有機型絶縁膜）が例示される。また、酸化シリコン１４は、エッチングストッパ層として機能する。

次に、図６に示すように、配線溝２０の内部に第１層目のＣｕ配線２１を形成する。Ｃｕ配線２１は、バリアメタル膜とＣｕ膜との積層膜で構成し、次のような方法で形成する。まず、配線溝２０の内部を含む酸化シリコン膜１４上にバリアメタル膜とＣｕ膜とを堆積し、続いて非酸化性雰囲気（例えば水素雰囲気）中で熱処理（リフロー）を施してＣｕ膜を配線溝２０の内部に隙間なく埋め込んだ後、配線溝２０の外部の不要なＣｕ膜とバリアメタル膜とを化学機械研磨法で除去する。Ｃｕ膜とバリアメタル膜とを研磨するには、例えばアルミナなどの砥粒と過酸化水素水または硝酸第二鉄水溶液などの酸化剤とを主成分とし、これらを水に分散または溶解させた研磨スラリを使用する。

上記バリアメタル膜は、Ｃｕ配線２１中のＣｕが有機絶縁膜１９中に拡散するのを防止する機能、Ｃｕ配線２１と有機絶縁膜１９との接着性を向上させる機能および上記Ｃｕ膜をリフローする際の濡れ性を向上させる機能を有している。このような機能を持ったバリアメタル膜としては、例えばスパッタリング法で堆積したＴｉＮ膜、ＷＮ（窒化タングステン）膜、ＴａＮ（窒化タンタル）などの高融点金属窒化物からなる膜や、これらの積層膜などが例示される。

上記Ｃｕ膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、メッキ法（電解メッキ法または無電解メッキ法）のいずれかの方法で形成する。メッキ法でＣｕ膜を形成する場合は、あらかじめバリアメタル膜の表面にスパッタリング法などを用いて薄いＣｕ膜からなるシード層を形成し、次に、このシード層の表面にＣｕ膜を成長させる。また、スパッタリング法でＣｕ膜を形成する場合は、ロングスロースパッタリング法やコリメートスパッタリング法のような指向性の高いスパッタリング法を用いることが好ましい。Ｃｕ膜は、単体のＣｕの他、Ｃｕを主成分として含むＣｕ合金で構成してもよい。

次に、図７に示すように、Ｃｕ配線２１の上部に炭化シリコン膜２２、有機絶縁膜２３、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２６および炭化シリコン膜２７を順次堆積する。酸化シリコン膜２４、２６は、ＣＶＤ法で堆積し、有機絶縁膜２３、２５は、配線容量を低減するために、前述した「ＳｉＬＫ」や「ＦＬＡＲＥ」のような、酸化シリコンよりも比誘電率が小さい絶縁材料をスピン塗布法で堆積する。炭化シリコン膜２２、２７は、例えば「ＢＬＯｋ」（米国Applied Materials社製炭化シリコン：比誘電率＝４．３）を使用する。「ＢＬＯｋ」は、トリメチルエトキシシランと窒素の混合ガスをソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法で堆積する。

Ｃｕ配線２１と有機絶縁膜２３との間に介在する炭化シリコン膜２２は、Ｃｕ配線２１中のＣｕが有機絶縁膜２３中に拡散するのを防止する拡散バリア層として機能する。Ｃｕの拡散を防ぐバリア層としては、窒化シリコン膜を使用することもできるが、窒化シリコン（比誘電率＝７）に比べて比誘電率が小さい炭化シリコンを使用することにより、配線容量を低減することができる。酸化シリコン膜２４、２６は、有機絶縁膜２３、２５に配線溝を形成する際のエッチングストッパ層として機能する。また、最上層の炭化シリコン膜２７は、酸化シリコン膜２４をエッチングする際に上層の酸化シリコン膜２６がエッチングされるのを防ぐハードマスクとして機能する。なお、上記エッチングストッパ層は、酸化シリコン膜２４、２６に代えて、後述するシロキサン（ＳｉＯ）系の絶縁膜、あるいは炭化シリコン膜を使用することもできる。

次に、上記炭化シリコン膜２７、酸化シリコン膜２６、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２３および炭化シリコン膜２２からなる積層膜をドライエッチングして配線溝を形成し、続いてこの配線溝の内部に、第１層目のＣｕ配線２１と電気的に接続される第２層目のＣｕ配線を形成する。

本発明者らは、上記積層膜をドライエッチングするに際して、次のような実験を行った。

まず、酸化シリコン膜のエッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガス、有機絶縁膜のエッチングガスとして窒素と水素を含む混合ガス、炭化シリコン膜のエッチングガスとしてＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８などのハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）とＡｒと酸素の混合ガスをそれぞれ用い、上記積層膜をドライエッチングしてＣｕ配線２１の上部に配線溝を形成することを試みた。

ところが、上記ハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）とＡｒと酸素の混合ガスを用いて最下層の炭化シリコン膜２２をドライエッチングした際、配線溝の底部に露出したＣｕ配線２１の表面に絶縁性の反応物が付着すると共に、配線溝の側壁に露出した炭化シリコン膜２２や有機絶縁膜２３、２５がサイドエッチングされるという不良が発生した。

Ｃｕ配線２１の表面に付着した上記反応物は、Ｃｕの酸化物が主成分であったことから、この反応物の生成は、エッチングガス中に含まれる酸素によってＣｕ配線２１の表面が酸化されたことが主な原因であると予測された。そこで次に、上記混合ガスから酸素を取り除いたガス、すなわちハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）とＡｒの混合ガスを用いて炭化シリコン膜２２をドライエッチングしたところ、Ｃｕ配線２１の酸化は防止できたが、配線溝の底部に露出したＣｕ配線２１の表面や配線溝の側壁にフルオロカーボン系の有機物を主成分とする堆積物が多量に付着した。

次に、本発明者らは、上記実験結果に基づいて、炭化シリコン膜のエッチングに最適なガス種の検討を行った。

Ｃｕ配線の表面を覆う炭化シリコン膜をドライエッチングする際に要求される条件としては、
（ａ）配線溝の側壁を異方的にエッチングできること、すなわち配線溝の側壁が垂直にエッチングされること、および、
（ｂ）配線溝の底部に露出するＣｕ配線の表面に堆積物や反応物が生じ難いことが挙げられる。

前述した実験から、Ｃｕ配線の表面に反応物が生じるのを防ぐためには、実質的に酸素を含まないエッチングガスを選択することが要求される。酸素を含んだエッチングガスは、Ｃｕ配線の表面を酸化して絶縁性の反応物を生じ、配線溝の内部に形成されるＣｕ配線と下層のＣｕ配線との接続不良を引き起こす。

また、配線溝の側壁を異方的にエッチングしたり、Ｃｕ配線の表面に堆積物が付着しないようにするためには、配線溝の側壁に堆積物を生成するガス種と、この側壁堆積物をエッチングするガス種とを共に含んだエッチングガスを選択することが要求される。すなわち、エッチングの過程で配線溝の側壁に堆積物が生成しない場合は、側壁に露出した有機絶縁膜や炭化シリコン膜がガスに曝されてサイドエッチングされるため、側壁の加工形状が垂直にならない。他方、側壁に堆積物が生成しても、この堆積物をエッチングするガスが存在しない場合は、エッチングの進行につれて堆積物の膜厚が厚くなるために、側壁の加工形状がテーパ状になったり、Ｃｕ配線の表面に堆積物が過剰に堆積したりする。

本発明者らは、多数のガス種について、その分解によって生じるイオンやラジカルの吸着特性を密度汎関数理論に基づく分子軌道計算によって算出した結果、ＳＦ_６、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＣＦ_４のうちの少なくとも一種からなる第１エッチングガスと、Ｎ_２とＨ_２の混合ガス、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４のうちの少なくとも一種からなる第２エッチングガスの混合ガスが、上記した条件（ａ）、（ｂ）を満たすエッチングガスとして最適であるという結論を得た。

上記第１エッチングガスは、いずれも分子中にハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）を含んだガスである。このことから、これらのガスの分解によって生じるハロゲンイオンやハロゲンラジカルが炭化シリコン分子中のシリコンと結合して蒸気圧の低い化合物を生成したり、配線溝の側壁に付着する堆積物をエッチングしたりするものと想定される。一方、第２エッチングガスは、いずれも分子中に窒素と水素を含んでいることが特徴である。このことから、これらのガスの分解によって生じるイオンやラジカルが炭化シリコン分子中の炭素と結合して炭素、窒素、水素を含んだ有機系の化合物を生成し、これが配線溝の側壁に堆積物として付着するものと推定される。また、上記第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスは、酸素を含んでいないことから、Ｃｕ配線の表面に酸化物が形成される虞れもない。さらに、フルオロカーボンポリマーを生成するＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８などのハイドロフルオロカーボン系ガスやフルオロカーボン系ガスを含んでいないことから、配線溝の側壁やＣｕ配線の表面に過剰の堆積物が形成される虞れもない。

上記第１エッチングガスのうち、ＳＦ_６とＣＦ_４は、最も毒性が少ないので扱いが容易であるが、ＣＦ_４は炭素を含んでいるので堆積物が生じやすい。従って、第１エッチングガスの中では、ＳＦ_６が最も扱いやすい。ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３は、この順で毒性が弱くなる。一方、第２エッチングガスのうち、ＮＨ_３はＮ_２Ｈ_４よりも毒性が弱く、扱いやすい。また、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスは毒性はないが、Ｈ_２に爆発性がある。従って、第２エッチングガスの中では、ＮＨ_３が最も扱いやすい。以上のことから、Ｃｕ配線の表面を覆う炭化シリコン膜をドライエッチングする際に用いるガスとしては、ＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスが最も取扱い易いといえる。

炭化シリコン膜をドライエッチングする際に用いるガスとしては、上記第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスに、前記条件（ａ）、（ｂ）が満たされる範囲内で第３のガスを添加したものも含まれる。例えば上記第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスに、その濃度や流量などを調整する目的でＡｒなどの不活性ガスを添加することも可能である。但し、この場合は、不活性ガスの添加量が増加するにつれてエッチング速度が低下する。また、第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスに水を添加すると、酸化シリコン膜に対する炭化シリコン膜のエッチング選択比が向上する効果がある。但し、この場合は、水分子に含まれる酸素がＣｕ配線の表面を酸化する虞れがあるため、水の添加量は、Ｃｕ配線の表面を実質的に酸化しない程度の量とすることが好ましい。さらに、第２エッチングガスとしてＮＨ_３またはＮ_２Ｈ_４を使用する場合は、水素または窒素を添加することによって、ＮとＨの流量比を微調整することも可能である。

次に、前記炭化シリコン膜２７、酸化シリコン膜２６、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２３および炭化シリコン膜２２からなる積層膜をドライエッチングして配線溝を形成する方法の具体例を説明する。

図８は、配線溝の形成に用いるドライエッチング装置１００を示す概略図である。

高周波電源１０１から生成される３００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚの高周波は、アンテナ（対向電極）１０２を通じて処理室１０４内に導入される。この高周波は、アンテナ１０２とその近傍のアンテナアース１０３との間で共鳴し、効率よく処理室１０４内に伝播される。この高周波は、処理室１０４の周囲に配置されたソレノイドコイル１０５が生成するＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)またはそれ以上の軸方向磁界と相互作用し、高密度（１×１０^１７／ｍ^３以上）のプラズマを０．３Ｐａ程度の低圧力領域で生成する。

処理室１０４の中央に設置されたステージ１０６の上面には、図示しない静電チャック機構によってウエハ（基板）１が吸着、固定される。ステージ１０６の上面に固定されたウエハ１とアンテナ１０２との間隔は、２０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲内で任意に設定される。ステージ１０６には、第２の高周波電源１０７から生成される４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波が印加され、プラズマの生成とは独立にウエハ１へのイオン入射エネルギーが制御される。エッチングガスは、ガス流量コントローラ１０８で流量が最適化された後、ガス導入口１０９を通じて処理室１０４内に導入され、前記プラズマによって分解される。また、排ガスは、排気ポンプ１１０によって処理室１０４の外部に排気される。処理室１０４の内部の圧力は、排気系に設置された調整バルブ１１１の開閉によって調整される。処理室１０４の内壁、ステージ１０６、ガス導入口１０９など、プラズマと接する各部の温度は、図示しない温調器によって制御される。

上記エッチング装置を用いて配線溝を形成するには、まず図９に示すように、フォトレジスト膜２８をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の炭化シリコン膜２７を除去する。このとき、エッチングガスとしてＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスを用いることにより、炭化シリコン膜２７が異方的にエッチングされると共に、下地の酸化シリコン膜２６でエッチングが停止される。

次に、フォトレジスト膜２８を除去した後、図１０に示すように、フォトレジスト膜２９をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の一部の酸化シリコン膜２６を除去する。このとき、エッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスを用いることにより、酸化シリコン膜２６が異方的にエッチングされると共に、下地の有機絶縁膜２５でエッチングが停止される。

次に、図１１に示すように、上記のエッチングで露出した有機絶縁膜２５とフォトレジスト膜２９とを同時にドライエッチングする。このとき、エッチングガスとしてＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４またはＮ_２とＨ_２の混合ガスなど、窒素と水素を含んだガスを用いることにより、有機絶縁膜２５が異方的にエッチングされると共に、有機絶縁膜２５の下地の酸化シリコン膜２４、およびフォトレジスト膜２９の下地の炭化シリコン膜２７、酸化シリコン膜２６でエッチングが停止される。

次に、図１２に示すように、上記のエッチングで露出した酸化シリコン膜２４、２６をドライエッチングする。このとき、エッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスを用いることにより、酸化シリコン膜２４、２６が異方的にエッチングされると共に、有機絶縁膜２３および炭化シリコン膜２７でエッチングが停止される。

次に、図１３に示すように、上記のエッチングで露出した有機絶縁膜２５、２３をドライエッチングする。このとき、エッチングガスとしてＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４またはＮ_２とＨ_２の混合ガスなど、窒素と水素を含んだガスを用いることにより、有機絶縁膜２５、２３が異方的にエッチングされると共に、有機絶縁膜２５の下地の酸化シリコン膜２４、および有機絶縁膜２３の下地の炭化シリコン膜２２でエッチングが停止される。

次に、図１４に示すように、上記のエッチングで露出した炭化シリコン膜２２をドライエッチングしてＣｕ配線２１の一部を露出させることにより、Ｃｕ配線２１の上部に配線溝３０を形成する。また、最上層の炭化シリコン膜２７を同時にドライエッチングして下層の酸化シリコン膜２６を露出させる。

このとき、炭化シリコン膜２２、２７のドライエッチングに用いるエッチングガスは、前述したＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスであり、エッチング条件は、一例として、ガス圧力＝４Ｐａ、流量比＝ＳＦ_６／ＮＨ_３：２５／２５（ｍｌ／分）、対向電極（１０２）に印加する高周波パワー＝６００Ｗ、ステージ（１０６）に印加する高周波パワー＝２００Ｗ、ステージ温度＝３０℃である。

上記の混合ガスを用いて炭化シリコン膜２２、２７をドライエッチングすることにより、配線溝３０の側壁が垂直に加工されると共に、有機絶縁膜２３および炭化シリコン膜２７でエッチングが停止され、しかも配線溝３０の底部に露出したＣｕ配線２１の表面に堆積物や反応物が付着する不具合も抑制された。

このように、炭化シリコン膜２７、酸化シリコン膜２６、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２３および炭化シリコン膜２２からなる積層膜をドライエッチングしてＣｕ配線２１の上部に配線溝３０を形成する際、前述した第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスを使って炭化シリコン膜２２、２７をエッチングすることにより、配線溝３０の側壁を異方的にエッチングできると共に、配線溝３０の底部に露出するＣｕ配線２１の表面に堆積物や反応物が生じる不具合を抑制することができる。

なお、配線溝３０の形成に使用するエッチング装置は、前記図８に示したドライエッチング装置１００以外のもの、例えばマグネトロンから発振される２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置、高周波誘導を利用したＴＣＰ(Transfer Coupled Plasma)方式のドライエッチング装置、ヘリコン波を利用したヘリコン波プラズマエッチング装置など、前述した第１エッチングガスと第２エッチングガスの混合ガスをプラズマ分解することが可能な各種ドライエッチング装置を使用することができる。また、上記混合ガスの圧力、流量比、エッチング温度なども上記した条件に限定されるものではなく、使用する装置に応じて適宜最適化することはいうまでもない。

次に、図１５に示すように、配線溝３０の内部に第２層目のＣｕ配線３１を形成する。第２層目のＣｕ配線３１は、前述した第１層目のＣｕ配線２１の形成方法（図６参照）に準じて形成すればよい。

図示は省略するが、その後、前述した工程を繰り返し、第２層目のＣｕ配線３１の上部に複数層のＣｕ配線を形成することにより、本実施形態のＣＭＯＳ−ＬＳＩが完成する。

（実施の形態２）
本実施の形態では、層間絶縁膜材料としてシロキサン（ＳｉＯ）系の低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）絶縁膜を使用し、拡散バリア層およびエッチングストッパ層として窒化シリコン膜を使用する場合について説明する。なお、ここでは、層間絶縁膜材料として比誘電率が３．５のＳｉＯＦ膜を使用するが、その他の無機または有機シロキサン系材料（有機ガラス系絶縁膜）、例えばＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane）、ＭＳＱ（methyl silsesquioxane）、ポーラスＨＳＱ、ポーラスＭＳＱなどを使用することもできる。

ＨＳＱ系材料としては、例えば「ＯＣＤ Ｔ−１２」（東京応化工業製、比誘電率＝３．４〜２．９）、「ＦＯｘ」（米Dow Corning社製、比誘電率＝２．９）、「ＯＣＬ Ｔ−３２」（東京応化工業製、比誘電率＝２．５）などがあり、ＭＳＱ系材料としては、例えば「ＯＣＤ Ｔ−９」（東京応化工業社製、比誘電率＝２．７）、「ＬＫＤ−Ｔ２００」（ＪＳＲ社製、比誘電率＝２．７〜２．５）、「ＨＯＳＰ」（米Honeywell Electronic Materials社製、比誘電率＝２．５）、「ＨＳＧ−ＲＺ２５」（日立化成工業社製、比誘電率＝２．５）、「ＯＣＬ Ｔ−３１」（東京応化工業社製、比誘電率＝２．３）、「ＬＫＤ−Ｔ４００」（ＪＳＲ社製、比誘電率＝２．２〜２、耐熱温度＝４５０℃）などがある。

ポーラスＨＳＱ系材料としては、例えば「ＸＬＫ」（米Dow Corning社製、比誘電率＝２．５〜２）、「ＯＣＬ Ｔ−７２」（東京応化工業社製、比誘電率＝２．２〜１．９）、「Ｎａｎｏｇｌａｓｓ」（米Honeywell Electronic Materials社製、比誘電率＝２．２〜１．８）、「ＭｅｓｏＥＬＫ」（米Air Productsand Chemicals社製、比誘電率＝２以下）などがあり、ポーラスＭＳＱ系材料としては、例えば「ＨＳＧ−６２１１Ｘ」（日立化成工業社製、比誘電率＝２．４）、「ＡＬＣＡＰ−Ｓ」（旭化成工業社製、比誘電率＝２．３〜１．８）、「ＯＣＬ Ｔ−７７」（東京応化工業社製、比誘電率＝２．２〜１．９）、「ＨＳＧ−６２１０Ｘ」（日立化成工業社製、比誘電率＝２．１）または「ｓｉｌｉｃａ ａｅｒｏｇｅｌ」（神戸製鋼所社製、比誘電率１．４〜１．１）などがある。

まず、図１６に示すように、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎおよびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐの上部に第１層目のＣｕ配線２１を形成する。ここまでの工程は、前記実施の形態１の図１〜図６に示した工程と同じである。

次に、図１７に示すように、Ｃｕ配線２１の上部にＣＶＤ法で窒化シリコン膜３２、ＳｉＯＦ膜３３、窒化シリコン膜３４、ＳｉＯＦ膜３５、窒化シリコン膜３６を順次堆積する。

次に、上記窒化シリコン膜３６、ＳｉＯＦ膜３５、窒化シリコン膜３４、ＳｉＯＦ膜３３、窒化シリコン膜３２を順次ドライエッチングして配線溝を形成するが、Ｃｕ配線２１を覆う窒化シリコン膜３２をドライエッチングする際に要求される条件は、前記実施の形態１と同様、
（ａ）配線溝の側壁を異方的にエッチングできること、すなわち配線溝の側壁が垂直にエッチングされること、および
（ｂ）配線溝の底部に露出するＣｕ配線の表面に堆積物や反応物が生じ難いことである。

本発明者らは、多数のガス種について、その分解によって生じるイオンやラジカルの吸着特性を密度汎関数理論に基づく分子軌道計算によって算出した結果、ＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２（またはＮ_２に代えてＮＨ_３）の混合ガスが、上記した条件（ａ）、（ｂ）を満たすエッチングガスとして最適であるという結論を得た。

上記混合ガスは、その分解によって生じるハロゲンイオンやハロゲンラジカルの一部が窒化シリコン分子中のシリコンと結合して配線溝の側壁に堆積物を生じると共に、他の一部がこの堆積物をエッチングし、Ｎ_２（またはＮＨ_３）の分解によって生じるイオンやラジカルが窒化シリコン分子中の窒素と結合して窒素ガスを生成するものと推定される。また、この混合ガスは、酸素を含んでいないことから、Ｃｕ配線の表面に酸化物が形成される虞れもない。さらに、フルオロカーボンポリマーを生成するＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８などのハイドロフルオロカーボン系ガスやフルオロカーボン系ガスを含んでいないことから、配線溝の側壁やＣｕ配線の表面に過剰の堆積物が形成される虞れもない。Ｎ_２とＮＨ_３はいずれを使用してもよいが、Ｎ_２は全く毒性がないという利点があるので、ＳＦ_６とＨＢｒとＮＨ_３の混合ガスよりは、ＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２の混合ガスの方が扱い易いといえる。

また、ドライエッチング装置は、前記図８に示したような装置や、マイクロ波プラズマエッチング装置、ＴＣＰ方式のドライエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置など、上記混合ガスをプラズマ分解することが可能な各種ドライエッチング装置を使用することができる。

例えば前記図８に示したドライエッチング装置を用いて配線溝を形成するには、まず図１８に示すように、フォトレジスト膜３７をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の窒化シリコン膜３６を除去する。このとき、エッチングガスとしてＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２の混合ガスを用いることにより、窒化シリコン膜３６が異方的にエッチングされると共に、下地のＳｉＯＦ膜３５でエッチングが停止される。

次に、フォトレジスト膜３７を除去した後、図１９に示すように、フォトレジスト膜３８をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の一部のＳｉＯＦ膜３５、窒化シリコン膜３４、ＳｉＯＦ膜３３を順次除去する。このとき、ＳｉＯＦ膜３５、３３のエッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスを用いることにより、ＳｉＯＦ膜３５、３３が異方的にエッチングされると共に、下地の窒化シリコン膜３４、３２でエッチングが停止される。また、窒化シリコン膜３４のエッチングガスとしてＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２の混合ガスを用いることにより、窒化シリコン膜３４が異方的にエッチングされると共に、下地のＳｉＯＦ膜３３でエッチングが停止される。

次に、フォトレジスト膜３８を除去した後、図２０に示すように、窒化シリコン膜３６、３４をマスクに用いたドライエッチングでＳｉＯＦ膜３５をエッチングする。ＳｉＯＦ膜３５のエッチングガスは、前述したＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスである。

次に、図２１に示すように、ＳｉＯＦ膜３５を覆う窒化シリコン膜３６、ＳｉＯＦ膜３３を覆う窒化シリコン膜３４およびＣｕ配線２１を覆う窒化シリコン膜３２をドライエッチングすることによって、Ｃｕ配線２１の上部に配線溝４０を形成する。

このとき、窒化シリコン膜３６、３４、３２のドライエッチングに用いるエッチングガスは、前述したＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２の混合ガスであり、エッチング条件は、一例として、ガス圧力＝４Ｐａ、流量比＝ＳＦ_６／ＨＢｒ／Ｎ_２：２５／１５／１０（ｍｌ／分）、対向電極（１０２）に印加する高周波パワー＝６００Ｗ、ステージ（１０６）に印加する高周波パワー＝２００Ｗ、ステージ温度＝３０℃である。

上記の混合ガスを用いて窒化シリコン膜３６、３４、３２をドライエッチングすることにより、配線溝４０の側壁が垂直に加工されると共に、配線溝４０の底部に露出したＣｕ配線２１の表面に堆積物や反応物が付着する不具合も抑制された。なお、上記混合ガスの圧力、流量比、エッチング温度などは、上記した条件に限定されるものではなく、使用する装置に応じて適宜最適化することはいうまでもない。

次に、図２２に示すように、配線溝４０の内部に第２層目のＣｕ配線４１を形成する。第２層目のＣｕ配線４１は、前述した第１層目のＣｕ配線２１の形成方法に準じて形成すればよい。図示は省略するが、その後、前述した工程を繰り返し、第２層目のＣｕ配線４１の上部に複数層のＣｕ配線を形成する。

（実施の形態３）
本実施の形態によるＣＭＯＳ−ＬＳＩの製造方法を図２３〜図３３を用いて工程順に説明する。

まず、図２３に示すように、基板１上にｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎおよびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐを形成した後、それらの上部に第１層目のＣｕ配線２１を形成する。ここまでの工程は、前記実施の形態１の図１〜図６に示した工程と同一である。

次に、図２４に示すように、Ｃｕ配線２１の上部に炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜４２、有機絶縁膜２３、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２６および炭化窒化シリコン膜４３を順次堆積する。酸化シリコン膜２４、２６は、ＣＶＤ法で堆積し、有機絶縁膜２３、２５は、前述した「ＳｉＬＫ」や「ＦＬＡＲＥ」など、酸化シリコンよりも比誘電率が小さい絶縁材料をスピン塗布法で堆積する。炭化窒化シリコン膜２２、２７は、例えば「ＢＬＯｋ」（米国Applied Materials社製：比誘電率＝４．３）を使用し、トリメチルシランとアンモニアの混合ガスをソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法で堆積する。

Ｃｕ配線２１と有機絶縁膜２３との間に介在する炭化窒化シリコン膜４２は、前記炭化シリコン膜２２と同様、Ｃｕ配線２１中のＣｕが有機絶縁膜２３中に拡散するのを防止する拡散バリア層として機能する。また、最上層の炭化窒化シリコン膜４３は、前記炭化シリコン膜２７と同様、酸化シリコン膜２４をエッチングする際に上層の酸化シリコン膜２６がエッチングされるのを防ぐハードマスクとして機能する。

次に、上記炭化窒化シリコン膜４３、酸化シリコン膜２６、有機絶縁膜２５、酸化シリコン膜２４、有機絶縁膜２３および炭化窒化シリコン膜４２からなる積層膜をドライエッチングして配線溝を形成する。この積層膜をドライエッチングする方法は、最下層の炭化窒化シリコン膜４２をエッチングする際に使用するガスを変更する以外は、前記実施の形態１の図９〜図１４に示したドライエッチング方法と同じでよい。

すなわち、上記積層膜が堆積された基板１を前記図８に示すエッチング装置１００の処理室１０４に搬入し、まず図２５に示すように、フォトレジスト膜２８をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の炭化窒化シリコン膜４３を除去する。このとき使用するエッチングガスは、前述したＳＦ_６、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＣＦ_４のうちの少なくとも一種からなる第１エッチングガスと、Ｎ_２とＨ_２の混合ガス、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４のうちの少なくとも一種からなる第２エッチングガスの混合ガス、特にＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスである。この混合ガスを使用した炭化窒化シリコン膜４３のエッチング条件は、炭化シリコン膜をエッチングするときの条件とほぼ同じである。

次に、フォトレジスト膜２８を除去した後、図２６に示すように、フォトレジスト膜２９をマスクに用いたドライエッチングで配線溝形成領域の一部の酸化シリコン膜２６を除去する。このとき使用するエッチングガスは、Ｃ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスである。

次に、図２７に示すように、上記のエッチングで露出した有機絶縁膜２５とフォトレジスト膜２９とを同時にドライエッチングする。このとき使用するエッチングガスは、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４またはＮ_２とＨ_２の混合ガスなど、窒素と水素を含んだガスである。

次に、図２８に示すように、上記のエッチングで露出した酸化シリコン膜２４、２６をドライエッチングする。このとき使用するエッチングガスは、Ｃ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスである。

次に、図２９に示すように、上記のエッチングで露出した有機絶縁膜２５、２３をドライエッチングする。このとき、エッチングガスとしてＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４またはＮ_２とＨ_２の混合ガスなど、窒素と水素を含んだガスを用いることにより、有機絶縁膜２５、２３が異方的にエッチングされると共に、有機絶縁膜２５の下地の酸化シリコン膜２４の表面、および有機絶縁膜２３の下地の炭化窒化シリコン膜４２の表面でエッチングが停止される。

次に、図３０に示すように、上記のエッチングで露出した炭化窒化シリコン膜４２をドライエッチングしてＣｕ配線２１の一部を露出させることにより、Ｃｕ配線２１の上部に配線溝３０を形成する。また、最上層の炭化窒化シリコン膜４３を同時にドライエッチングして下層の酸化シリコン膜２６を露出させる。

このとき、炭化窒化シリコン膜４２、４３のエッチングに使用するガスは、前記実施の形態１で炭化シリコン膜のエッチングに使用したＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスでもよいが、本実施の形態では、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを使用する。

前記実施の形態１で説明したように、ＣＨＦ_３のようなハイドロフルオロカーボン系ガスとＡｒの混合ガスを使用して炭化シリコン膜をドライエッチングした場合は、Ｃｕ配線２１の表面や配線溝の側壁にフルオロカーボン系の有機物を主成分とする堆積物が多量に付着した。従って、化学組成が炭化シリコン膜に類似した炭化窒化シリコン膜４２、４３のエッチングにＣＨＦ_３とＡｒの混合ガスを使用した場合は、Ｃｕ配線２１の表面や配線溝の側壁にフルオロカーボン系の有機物を主成分とする堆積物が多量に付着することが予想される。

ところが、本発明者らの実験によると、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガス、およびこの混合ガスにさらにＡｒを加えた混合ガスをそれぞれ使用して炭化窒化シリコン膜４２、４３をドライエッチングしたところ、配線溝の側壁を異方的にエッチングできること、すなわち配線溝の側壁が垂直にエッチングされること、および配線溝の底部に露出するＣｕ配線２１の表面に堆積物や反応物がほとんど生じないことが判明した。また、これらの混合ガスを使用して炭化シリコン膜をドライエッチングした場合も、Ｃｕ配線２１の表面に堆積物や反応物がほとんど生じないことが判明した。さらに、これらの混合ガスは、酸素を含んでいないので、Ｃｕ配線２１の表面が酸化されることもなかった。

また、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスに代えてＣＨ_２Ｆ_２とＮ_２の混合ガス、およびＣＦ_４とＮ_２の混合ガスをそれぞれ使用して炭化窒化シリコン膜および炭化シリコン膜をそれぞれドライエッチングしたところ、ＣＨ_２Ｆ_２とＮ_２の混合ガスを使用した場合は、エッチングが途中で停止してしまった。これは、水素（Ｈ）の組成比が高いハイドロフルオロカーボン系ガスを使用すると、Ｃｕ配線２１の表面に堆積物が多く生じるためと考えられる。一方、分子中に水素を含まないＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを使用した場合は、エッチングが速やかに進行し、Ｃｕ配線２１の表面の堆積物も、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを使用した場合よりさらに少なかった。しかし、この混合ガスを使用した場合は、配線溝の側壁に付着する堆積物も減少するため、側壁に若干のサイドエッチングが生じた。

従って、Ｃｕ配線２１を覆う炭化シリコン膜または炭化窒化シリコン膜をドライエッチングしてＣｕ配線２１の表面を露出させる際に使用できるエッチングガスのうち、ハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）を含むエッチングガスとしては、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスとＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを挙げることができ、特にＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスが使いやすさの面で優れている。また、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスに適量のＣＦ_４を加えることによって、エッチング特性の微調整を行うこともできる。

さらに、ＣＨＦ_３やＣＦ_４のようなハイドロフルオロカーボン系ガス（またはフルオロカーボン系ガス）は、従来から広く使用されているエッチングガスであることから、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスやＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを使用する場合は、新規の設備導入が必要ないという利点があり、かつ毒性がないので取り扱いも容易である。

ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを使用して炭化窒化シリコン膜または炭化シリコン膜をドライエッチングする場合、ＣＨＦ_３とＮ_２の適切な流量比は、ＣＨＦ_３：Ｎ_２＝１：０．１〜２００の範囲であり、好ましくはＣＨＦ_３：Ｎ_２＝１：０．２〜２０の範囲、より好ましくはＣＨＦ_３：Ｎ_２＝１：０．５〜１０の範囲である。

また、この混合ガスに、その濃度や流量などを調整する目的でＡｒなどの不活性ガスを添加することも可能である。例えば、排気能力が高いエッチング装置を使用する場合は、Ａｒなどの不活性ガスで希釈した混合ガスを処理室内に多量に供給し、エッチングによって生成した反応生成物を速やかに排出してやることにより、基板１の表面に堆積物が付着し難くなる。

また、上記混合ガスは、Ｃｕ配線２１の表面の酸化を防ぐために、酸素の含有量を実質的に０にしたものを処理室内に供給すべきである。ただし、処理室内に供給された混合ガスには、石英ガラス製の器材などから発生する微量の酸素が１〜２％程度混入することがある。しかし、この場合でも混合ガス中の酸素の含有率は、最大でも３％以下、好ましくは１．５％以下に抑える必要がある。

なお、Ｃｕの拡散を防止する拡散バリア層およびエッチングストッパ層としては、上記炭化窒化シリコン膜や炭化シリコン膜の他、前記実施の形態２で使用した窒化シリコン膜がある。また、窒化シリコン膜より誘電率が小さい炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜も一部で導入が検討されている。本実施の形態のエッチングガス（ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスおよびＣＦ_４とＮ_２の混合ガス）は、Ｃｕの拡散を防止する拡散バリア層およびエッチングストッパ層として、窒化シリコン膜または炭化酸化シリコン膜を使用する場合にも適用可能である。

図３１は、上記の方法で形成した配線溝３０の内部に第２層目のＣｕ配線３１を形成した状態を示している。Ｃｕ配線３１は、前記実施の形態１と同様の方法で形成することができる。

図３２は、第３層目のＣｕ配線を形成するために、第２層目のＣｕ配線３１の上部に複数の絶縁膜からなる積層膜を形成し、続いてこの積層膜をドライエッチングして配線溝４９を形成した状態を示している。

上記積層膜の最下層は、Ｃｕ配線３１の拡散バリア層として機能する炭化窒化シリコン膜４４である。Ｃｕ配線３１の拡散バリア層は、炭化シリコン膜で構成してもよい。

炭化窒化シリコン膜４４の上部には、層間絶縁膜である２層のＳｉＯＦ膜４５、４７とエッチングストッパ層である２層の窒化シリコン膜４６、４８が形成されている。層間絶縁膜は、ＳｉＯＦ膜の他、前記実施の形態２で例示したＨＳＱ、ＭＳＱなどの酸化シリコン系絶縁膜を使用することもできる。

配線溝４９の形成方法は、積層膜をドライエッチングするガスの種類が異なる他は、下層の配線溝３０の形成方法と同じである。ＳｉＯＦ膜４５、４７のエッチングには、前記実施の形態２で使用したＣ_４Ｆ_８とＡｒと酸素の混合ガスを使用し、窒化シリコン膜４６、４８のエッチングには、同じく前記実施の形態２で使用したＳＦ_６とＨＢｒとＮ_２の混合ガスを使用する。

Ｃｕ配線３１の拡散バリア層である炭化窒化シリコン膜４４のエッチングには、下層の炭化窒化シリコン膜４２をエッチングする際に使用したＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスやＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを使用することもできるが、これらの混合ガスは、炭素（Ｃ）を含んでいるために、酸化シリコン系のＳｉＯＦ膜４５、４７に対する選択比を確保することが難しい。すなわち、配線溝４９の側壁にＳｉＯＦ膜４５、４７が露出した状態で上記混合ガスを使用して炭化窒化シリコン膜４２をエッチングすると、混合ガスに含まれる炭素（Ｃ）とＳｉＯＦ膜４５、４７に含まれる酸素（Ｏ）が反応し、一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ_２）として排出されるため、配線溝４９の側壁がサイドエッチングされる。

従って、層間絶縁膜が酸化シリコン系絶縁膜で構成されている場合、Ｃｕ配線３１の拡散バリア層である炭化窒化シリコン膜４４のエッチングには、前記実施の形態１で使用したＳＦ_６とＮＨ_３の混合ガスを使用する方がよい。

図３３は、上記の方法で形成した配線溝４９の内部に第３層目のＣｕ配線５０を形成した状態を示している。Ｃｕ配線５０は、前記実施の形態１と同様の方法で形成することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、ダマシン(Damascene)法を用いてＣｕ配線を形成する半導体集積回路装置の製造に利用することができる。

本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態で用いるドライエッチング装置の概略図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板（ウエハ）
２ 素子分離溝
３ 酸化シリコン膜
４ ｐ型ウエル
５ ｎ型ウエル
６ ゲート酸化膜
７ ゲート電極
８ ｎ^-型半導体領域
９ ｐ^-型半導体領域
１０ サイドウォールスペーサ
１１ ｎ⁺型半導体領域（ソース、ドレイン）
１２ ｐ⁺型半導体領域（ソース、ドレイン）
１３ シリサイド層
１４ 酸化シリコン膜
１５ 窒化シリコン膜
１６ 酸化シリコン膜
１７ コンタクトホール
１８ メタルプラグ
１９ 有機絶縁膜
２０ 配線溝
２１ Ｃｕ配線
２２ 炭化シリコン膜
２３ 有機絶縁膜
２４ 酸化シリコン膜
２５ 有機絶縁膜
２６ 酸化シリコン膜
２７ 炭化シリコン膜
２８、２９ フォトレジスト膜
３０ 配線溝
３１ Ｃｕ配線
３２ 窒化シリコン膜
３３ ＳｉＯＦ膜
３４ 窒化シリコン膜
３５ ＳｉＯＦ膜
３６ 窒化シリコン膜
３７、３８ フォトレジスト膜
４０ 配線溝
４１ Ｃｕ配線
４２、４３、４４ 炭化窒化シリコン膜
４５ ＳｉＯＦ膜
４６ 窒化シリコン膜
４７ ＳｉＯＦ膜
４８ 窒化シリコン膜
４９ 配線溝
５０ Ｃｕ配線
１００ ドライエッチング装置
１０１ 高周波電源
１０２ アンテナ
１０３ アンテナアース
１０４ 処理室
１０５ ソレノイドコイル
１０６ ステージ
１０７ 高周波電源
１０８ ガス流量コントローラ
１０９ ガス導入口
１１０ 排気ポンプ
１１１ 調整バルブ
Ｑｎ ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ
Ｑｐ ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ

Claims (7)

1. 以下の工程を含む半導体集積回路装置の製造方法：
   （ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
   （ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
   （ｃ）ＣＨＦ_３またはＣＦ_４のいずれかを含むガスとＮ_２とからなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
2. 前記混合ガスは、ＣＨＦ_３またはＣＦ_４とＮ_２の流量比がＣＨＦ_３またはＣＦ_４：Ｎ_２＝１：０．１〜２００の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法。
3. 前記混合ガスは、ＣＨＦ_３またはＣＦ_４とＮ_２の流量比がＣＨＦ_３またはＣＦ_４：Ｎ_２＝１：０．２〜２０の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法。
4. 前記混合ガスは、ＣＨＦ_３またはＣＦ_４とＮ_２の流量比がＣＨＦ_３またはＣＦ_４：Ｎ_２＝１：０．５〜１０の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法。
5. 以下の工程を含む半導体集積回路装置の製造方法：
   （ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
   （ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
   （ｃ）ＣＨＦ_３およびＣＦ_４の少なくとも一方とＮ_２とからなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
6. 以下の工程を含む半導体集積回路装置の製造方法：
   （ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
   （ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
   （ｃ）ＳＦ_６、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＣＨＦ_３およびＣＦ_４からなる群より選択された少なくとも一種の第１エッチングガスと、Ｎ_２、ＮＨ_３およびＮ_２Ｈ_４からなる群より選択された少なくとも一種の第２エッチングガスとの混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。
7. 以下の工程を含む半導体集積回路装置の製造方法：
   （ａ）半導体基板の主面上に銅を主成分として含む導電層を形成する工程、
   （ｂ）前記導電層の上部に炭化窒化シリコンからなる第１絶縁膜を形成する工程、
   （ｃ）ＣＨＦ_３、ＣＦ_４およびＮ_２からなる混合ガスを用いて前記第１絶縁膜の一部をドライエッチングすることにより、その底部に前記導電層の表面が露出する開口を形成する工程。

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