JP2002118169A

JP2002118169A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2002118169A
Application number: JP2000311538A
Authority: JP
Inventors: Munehiro Tada; 宗弘多田; Masayuki Hiroi; 政幸廣井; Jun Kawahara; 潤川原; Yoshihiro Hayashi; 喜宏林
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁膜に形成された配線溝およびビアホール
に直接銅を主成分とする金属を埋め込んでも銅の拡散を
起こさないようにして、配線抵抗および接続抵抗と配線
容量の低減を図る。耐エレクトロマイグレーション性の
向上。【解決手段】Ｃｕ配線４０５上に、ＳｉＮ膜４０６、
ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）絶縁膜４０７、ＳｉＣ膜
４０８、ＢＣＢ絶縁膜４０９、ＳｉＣ膜４１０、ＳｉＯ
₂膜４１１を堆積し、選択的エッチングによりビアホー
ル４１３を開口し（ｄ）、配線溝４１４を開設する
（ｅ）。ＭＯＣＶＤ法によりＣｕシード膜４１５を堆積
し、これを電極としてメッキＣｕ膜４１６を形成する
（ｆ）。ＣＭＰにより余剰のＣｕ膜を除去して、ビアホ
ールを介してＣｕ配線４０５に接続されたＣｕ配線４１
７を形成した後、ＳｉＣ膜４１８を形成する（ｇ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置とその
製造方法に関し、さらに詳しくは、絶縁膜に有機高分子
絶縁膜を用いた配線構造を有する半導体装置とその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、集積回路の配線材料にはアルミニ
ウム（Ａｌ）もしくはＡｌ合金が、配線間および配線層
間の絶縁膜にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）が広く用い
られてきた。しかし、ＬＳＩの微細化の進行に伴い、配
線における信号伝送の遅延を抑制、低減するうえで、配
線抵抗の低減のために配線材には銅（Ｃｕ）が、配線間
容量の低減のために配線間および配線層間の絶縁膜には
誘電率の低い有機物や空孔を含んだシリコン酸化膜が使
用されるようになってきた。しかし、Ｃｕを主成分とす
る配線においては、シリコン（Ｓｉ）やＳｉＯ₂をはじ
めとする絶縁膜中におけるＣｕの拡散がＡｌよりも速
く、トランジスタをはじめとするシリコンデバイス部へ
の侵入、配線間の絶縁耐圧劣化等を防いで信頼性を確保
するために、Ｃｕの周囲に拡散を防止するバリア膜を形
成することが必要となる。

【０００３】［従来例１］以下に、Ｃｕ膜の下面および
側面をＣｕの拡散防止（バリア）膜となる導体膜で覆う
構造と製造方法について説明する。図７は、現在一般に
用いられるダマシン構造の配線の製造方法を示す工程順
の断面図である。シリコン基板５０１上にシリコン酸化
膜５０２、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）膜５０３、シ
リコン酸化膜５０４を順次堆積し、シリコン酸化膜５０
４、シリコン酸窒化膜５０３を選択的に除去して配線溝
を形成する。次に、全面に導電性のバリア膜５０５とＣ
ｕ膜を堆積し、化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅ
ｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によ
って余剰なＣｕ膜およびバリア膜５０５除去してＣｕ配
線５０６を形成する［図７（ａ）］。

【０００４】次に、下層のＣｕ配線５０６の埋め込まれ
たシリコン酸化膜５０４上に絶縁性のバリア膜５０７、
シリコン酸化膜５０８、シリコン酸窒化膜５０９、シリ
コン酸化膜５１０を順次堆積し［図７（ｂ）］、その上
にビアホール形成領域に開口を有するレジスト膜５１１
を形成する［図７（ｃ）］。そしてレジスト膜５１１を
マスクとして異方性エッチングによってシリコン酸化膜
５１０、シリコン酸窒化膜５０９、シリコン酸化膜５０
８を順にエッチングした後、レジスト膜５１１を除去す
ることでビアホール５１２を形成する［図７（ｄ）］。

【０００５】次に、シリコン酸化膜５１０上に配線溝形
成領域に開口を有するレジスト膜５１３を形成し［図７
（ｅ）］、レジスト膜５１３をマスクに異方性エッチン
グを行って配線溝５１４に相当するシリコン酸化膜５１
０を除去する。そして、レジスト膜５１３を除去した
後、ビアホール５１２の底にあるバリア膜５０７をエッ
チング除去して底部にＣｕが露出したビアホールを形成
する［図７（ｆ）］。次に、この全表面に、導電性のバ
リア膜５１５を成膜した後、スパッタ法によるＣｕシー
ド膜堆積しこれを電極として電解メッキ法にてＣｕを堆
積してＣｕ膜５１６を形成する［図７（ｇ）］。続い
て、ＣＭＰ法によって配線溝およびビアホール以外の余
剰なＣｕ膜５１６および余剰なバリア膜５１５を除去し
て、ビアホール内のＣｕプラグ５１７とこのＣｕプラグ
５１７によって下層のＣｕ配線５０６に接続されたＣｕ
配線５１８を形成する。そして、その上に絶縁性のバリ
ア膜５１９を成膜する［図７（ｈ）］。

【０００６】以上の工程により、下面、側面および上面
が全て導電性ないし絶縁性のバリア膜で覆われた、Ｃｕ
配線５０６と、Ｃｕプラグ５１７およびＣｕ配線５１８
が形成される。ところで、これらダマシンプロセスに用
いられるバリア膜のうち導電性のバリア膜には、Ｃｕの
拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁膜およびＣｕ
配線部との密着性が高いこと、およびプロセス上の熱的
安定性が高いことが要求され、これらを満たすものとし
て、比較的高融点であるチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔ
ａ）、タングステン（Ｗ）などの金属およびその窒化物
または珪化物若しくはそれらを積層したものがよく用い
られる。なお、このようなダマシン構造の銅配線を有す
る半導体装置は、例えば特開平１１−１８６２７４号公
報等により公知となっている。

【０００７】［従来例２］上述したように、ダマシン構
造のＣｕ膜を形成するには、導電性のバリア膜上にスパ
ッタ法によって銅シード膜を形成した後これを電極とし
て電解メッキ法にＣｕを堆積していたが、ビアホール径
が０．１μｍにまで微細化が進行すると、スパッタ法に
よる銅シード膜を配線溝やビアホールの表面に均一かつ
連続に成膜することが困難となる。

【０００８】

【化１】

【０００９】かかる微細開口部への埋め込みを改善する
方法として、ＭＯＣＶＤ法によるＣｕ成膜も検討されて
いる。このＭＯＣＶＤ法によるＣｕ成膜の反応式を化１
に示す（但し、係数は省略）。このＣｕ成長方法では、
ヘキサフルオロアセチルアセトンジハイドレート［hexa
fluoro-acetylacetone dihydrate(Hhfacs)］とトリメチ
ルビニルシラン［tri-methylvinylsilane (tmvs)］とか
らなる添加剤(Hhfac・tmvs)が添加された、ヘキサフル
オロアセチルアセトネート銅［hexafluoro-acetylaceto
nate copper;Cu(hfac)］とトリメチルビニルシラン［tr
i-methylvinylsilane (tmvs)］からなる有機銅錯体Cu(h
fac)tmvsを気化し、窒素キャリアガスにより真空チャン
バー内の２００℃程度に加熱された基板上に導入する。
そこで、Cu(hfac)tmvsの熱化学反応により、Ｃｕを遊
離させ、基板上にＣｕ膜を析出させる。

【００１０】［従来例３］上述したように、層間の絶縁
膜として用いられる低誘電率材料には、有機物が用いら
れているが、中でもベンゾシクロブテン（ Benzocyclob
utene ：ＢＣＢ）モノマーを出発原料として得られる有
機高分子絶縁膜が有望視されている。図８は、ＢＣＢ絶
縁膜を形成するために従来より一般的に用いられている
熱重合法の反応過程を説明する図である。この熱重合法
では、基板上に塗布されたベンゾシクロブテン・モノマ
ー膜を３００℃程度に加熱することで炭素４員環の開環
反応を起こさせ、これにより得られるビニル基とジビニ
ル基とに熱重合反応を生じさせてＢＣＢ絶縁膜を得る。
この熱重合法により得られるＢＣＢ膜の比誘電率は２．
７程度（シリコン酸化膜の比誘電率は３．８程度）で、
また耐熱性は３５０℃程度である。

【００１１】特開平８−２６４９６２号公報には、熱重
合法を用いたＢＣＢ絶縁膜上に導電性バリア膜を介する
ことなくＣｕ配線を形成する技術が開示されている。す
なわち、基板上に層間絶縁膜となるベンゾシクロブテン
樹脂をコーティングし熱硬化法を用いて硬化させた後、
必要に応じてビアホールを形成しスパッタ法により若し
くはスパッタ法とメッキ法を併用してＢＣＢ樹脂膜上に
直接Ｃｕ膜を形成しこれをパターニングしてＣｕ配線を
得る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来例１にて説明した
ように、シリコン酸化膜を層間絶縁膜としてＣｕ配線を
形成する場合、Ｃｕ配線やＣｕプラグの下面と側面は導
電性のバリア膜にて被覆する必要があり、配線の断面に
おけるＣｕ膜の面積が狭められる。而して、バリアメタ
ルによってＣｕの拡散を防止するためにはある一定以上
の厚さが必要となるため、ＬＳＩの設計ルールの縮小化
に伴い、配線幅、ビアホール径が共に０．１μｍ以下に
微細化されると、配線全体に占めるバリアメタルの割合
が大きくなる。そして、多くのバリアメタルの抵抗率は
約２００μΩ・ｃｍ以上でありＣｕの抵抗率約２μΩ・
ｃｍに比較して２桁以上大きいため、銅配線の抵抗が増
大する。また、下層のＣｕ配線と上層のＣｕプラグとの
接合は、抵抗の高いバリア膜を挟み込む構成となるた
め、配線抵抗を低く抑えることが困難となる。そのた
め、配線遅延が増大し配線材料に低比抵抗のＣｕを採用
したことの効果が阻害される。さらに、導電性のバリア
膜が高抵抗であることにより配線温度が上昇し、エレク
トロマイグレーション（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｉｇｒａｔ
ｉｏｎ）に対する耐性が低くなるという問題が生じる。

【００１３】従来例２で説明した、ＭＯＣＶＤ法によっ
てＣｕ膜を形成する方法では、熱化学反応は下地膜が
導電性バリア膜の場合、例えばＴａやＴａＮの場合、有
機銅錯体であるCu(hfac)tmvsに含まれるフッ素とＴａが
反応して、Ｃｕ/ＴａあるいはＣｕ/ＴａＮ界面にＴａＦ
₅等のフッ化物が形成されてしまう。これら導電性バリ
ア膜とのフッ化物は抵抗が非常に高く、また３００℃以
上でフッ素を放出し、密着性を劣化させる。このこと
が、微細な開口部への埋め込み性に優れているＭＯＣＶ
Ｄ法によるＣｕ成膜の実用化を阻む要因となっていた。

【００１４】一方、低誘電率膜であるＢＣＢ膜にＣｕ膜
を形成する場合には、その耐熱性が問題となる。ビアホ
ールを埋め込んで成長した銅膜は結晶粒が小さいため、
結晶化のために４００℃程度のアニールが必要となる。
ところが、熱重合法によって形成したＢＣＢ絶縁膜では
耐熱性が３５０℃であり、十分な結晶成長ができないと
いう課題があった。さらに、熱重合法によるＢＣＢ絶縁
膜では、ＭＯＣＶＤ法によりＣｕ膜を直接成長させる際
に、原料ガスがＢＣＢと反応を起こし、ＢＣＢ絶縁膜中
にＣｕが拡散してしまうという問題が起こる。

【００１５】本発明の課題は上述した従来技術の問題点
を解決することであって、その目的は、低誘電率膜であ
るＢＣＢ膜に直接銅膜をＭＯＣＶＤ法によって形成でき
るようにして、配線抵抗の低減と配線容量の低減を図る
と共に、Ｃｕ膜に対する結晶化のための熱処理を行い得
るようにすることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、半導体素子が形成された基板上の
有機高分子絶縁膜に形成された配線溝およびビアホール
に銅を主成分とする金属配線材を充填して形成された配
線および接続プラグを有する半導体装置において、前記
有機高分子絶縁膜がプラズマ重合法にて作製されたジビ
ニルシロキサンベンゾシクロブテンあるいはその誘導体
を骨格とする有機高分子絶縁膜であり、かつ、少なくと
も１層の配線とこれに連なる接続プラグとは前記有機高
分子膜に直接接触して形成されていることを特徴とする
半導体装置、が提供される。また、上記の目的を達成す
るため、本発明によれば、半導体素子が形成された基板
上の有機高分子絶縁膜に銅を主成分とする金属配線材か
らなる配線埋設されている半導体装置において、前記有
機高分子絶縁膜がプラズマ重合法にて作製されたジビニ
ルシロキサンベンゾシクロブテンあるいはその誘導体を
骨格とする有機高分子絶縁膜であり、かつ、前記配線の
側面は前記有機高分子膜に直接接触して形成されている
ことを特徴とする半導体装置、が提供される。そして、
好ましくは、前記有機高分子絶縁膜の層間に無機バリア
絶縁膜が介在している。また、好ましくは、前記配線と
前記接続プラグは、少なくとも底面および外周部分がＭ
ＯＣＶＤ法により形成される。

【００１７】また、上記の目的を達成するため、本発明
によれば、（１）半導体素子が形成されその上に下層配
線が形成された基板上に、気化したベンゾシクロブテン
・モノマーを用いプラズマ重合法によりベンゾシクロブ
テン若しくはその誘導体を骨格として含む有機高分子絶
縁膜を形成する工程と、（２）前記有機高分子絶縁膜を
選択的にエッチング除去して、該有機高分子絶縁膜に、
配線溝、および／または、ビアホール、を開設する工程
と、（３）前記有機高分子絶縁膜に直接接触するよう
に、銅を主成分とする金属配線材を堆積する工程と、を
有することを特徴とする半導体装置の製造方法、が提供
される。そして、好ましくは、前記ベンゾシクロブテン
はジビニルシロキサンベンゾシクロブテンである。ま
た、好ましくは、前記第（３）の工程においては、少な
くとも該工程の初期において有機銅錯体を出発原料とす
るＭＯＣＶＤ法によって銅を主成分とする金属配線材を
堆積する。

【００１８】

【発明の実施の形態】特別なバリア材を用いずにＣｕを
配線材料として使用するためには、Ｃｕの拡散係数が小
さくかつＣｕとの密着性の高い絶縁膜を用いる必要があ
る。そのような有機絶縁膜としては、ＢＣＢ絶縁膜が知
られている。本発明においては、このＢＣＢ絶縁膜を形
成する方法として、ジビニルシロキサンベンゾシクロブ
テン・モノマーを気化させて、気化したこのモノマーを
Ｈｅ等のプラズマ中に導入して重合ＢＣＢ膜を得るプラ
ズマ重合法が用いられる。なお、プラズマ重合法を用い
たＢＣＢ膜の形成方法は、特開２０００−１００８０３
号公報に開示されている。

【００１９】プラズマ重合法では、例えば、０．１ｇ／
ｍｉｎで供給されるＢＣＢモノマーの気化温度を２００
℃とし、流量５００ｓｃｃｍのＨｅキャリアガスで反応
室に送り、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワーの印加された
シャワーヘッドからＨｅプラズマ中にＢＣＢモノマーガ
スを供給し、４００℃に加熱した基板上にプラズマ重合
ＢＣＢ絶縁膜を成長させる。このプラズマ重合ＢＣＢ絶
縁膜の比誘電率は２．５〜２．６であり、前記熱重合Ｂ
ＣＢ絶縁膜よりも小さい。

【００２０】図５に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜と熱重
合法で得たＢＣＢ絶縁膜（熱重合ＢＣＢ絶縁膜）に対す
るフーリエ変換赤外線分光スペクトルを示す。この図か
ら、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜の構造は熱重合ＢＣＢ絶
縁膜とは完全には一致していないが、その基本骨格は保
たれていることが確認される。プラズマ重合ＢＣＢ絶縁
膜の構造は化２に示されるように、一部のベンゼン環あ
るいは炭素６員環の一部が開環した分子鎖状ポアを含む
構造を有しているものと推定されている。このプラズマ
重合ＢＣＢ絶縁膜では４００℃以上の耐熱性が得られる
と共に化学的安定性の向上が図られ、さらに機械的強度
も十分であることが確認されている。

【００２１】

【化２】

【００２２】図６に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜の低Ｃ
ｕ拡散性を示すＳＩＭＳプロファイルを示す。Ｓｉ基板
上にプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜を０．３μｍの膜厚に成
膜した後、有機銅錯体Cu(hfac)tmvsを用いたＭＯＣＶＤ
法によりＣｕ膜を０．２μｍ厚に成膜し、４００℃にて
７時間の熱処理を行った。得られた試料についてＳｉ基
板側からＳＩＭＳ測定を行った。比較のためにＳｉＯ₂
上にＣｕを成膜した試料の測定結果をも示す。絶縁膜中
のＣｕの濃度は１０¹⁶（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）以下であ
ることが望まれるところ、ＳｉＯ₂の場合には、この濃
度に変化するまでの深さが０．１５μｍ程度であるのに
対して、プラズマ法によるＢＣＢ絶縁膜の場合には０．
０３μｍ程度である。このことから、プラズマ重合ＢＣ
Ｂ絶縁膜では、ＭＯＣＶＤによるＣｕの成膜時に絶縁膜
中に取り込まれるＣｕの量が少なくかつＣｕの熱拡散に
対する高い耐性を有していることが分かる。

【００２３】残る課題は銅と有機膜との密着性の問題で
あり、この問題をクリアできるならば配線間容量が小さ
く、かつ比抵抗の小さい銅配線によるＬＳＩの実現が可
能である。ＣｕとＢＣＢ絶縁膜との密着性について評価
を行うため、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜上にＭＯＣＶＤ
法にてＣｕを成膜し、住友３Ｍ社製スコッチテープ（Ｓ
ｃｏｔｃｈＢｒａｎｄＴａｐｅＮｏ．５６）を用
いてＣｕ/ＢＣＢ界面の密着性を評価した。１ｍｍ×１
ｍｍのメッシュを切り出した部分１００個に対してテー
プテスト評価を行った結果、いずれの試料においても剥
がれは確認されず、Ｃｕ/ＢＣＢ界面は強固な密着性を
有することが確認された。

【００２４】これらの結果はＣｕ上にＢＣＢ絶縁膜を成
膜した場合にも同様の結果が得られた。さらに、プラズ
マ重合ＢＣＢ絶縁膜に作製した配線溝パターンに対し
て、ＭＯＣＶＤ法を用いてＣｕの埋め込みを行い、４０
０℃で３０分結晶化アニールした後、ＣＭＰ法で研磨を
行うことで、ＢＣＢ/Ｃｕ配線を作製したところ、Ｃｕ
バリア膜を用いることなく配線の作製が可能であり、Ｃ
ｕ/ＢＣＢ界面の密着性はデバイス作製プロセスに耐え
得る十分な強度を有していることが確認された。さら
に、かかる配線を４００℃で１０時間アニールしても配
線間リーク電流の増大は見られず、１０^-9Ａ／ｃｍ²程
度の十分な絶縁耐性を確保していた。

【００２５】ＭＯＣＶＤ法による銅膜とプラズマ重合Ｂ
ＣＢ絶縁膜との密着性が改善されたことの原因として、
まず出発原料であるCu(hfac)tmvsに含まれるフッ素と反
応する金属あるいはその窒化物が下地に存在しないこと
が挙げられる。さらに、Cu(hfac)tmvsの構造をみれば明
らかなように、Ｃｕ原子はビニル基に見られるような炭
素のπ電子との親和性がよい。このことは、ベンゼン環
やビニル基といった炭素原子の不飽和結合、すなわちπ
電子を有する有機高分子絶縁膜に対して、ＭＯＣＶＤ−
Ｃｕ膜は密着性がよいことを意味し、これは実験によっ
ても確認された。

【００２６】以上説明したように、プラズマ重合ＢＣＢ
絶縁膜とＭＯＣＶＤ−Ｃｕ膜とを組み合わせることによ
って、バリアメタルの使用を排除できるＣｕに対する高
い耐拡散性と、０．１μｍ以下といった微細パターンに
対する銅膜の埋め込みと、バリア膜を排除したことによ
る低抵抗化と、配線間容量の低減という技術課題を同時
に解決することができる。

【００２７】

【実施例】次に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜とＭＯＣＶ
Ｄ−Ｃｕ膜とを組み合わせた本発明の実施例について、
図面を参照して詳細に説明する。［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例の配線
構造の製造方法を示す工程順の断面図である。素子を形
成した半導体基板上に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜１０
１を０．６μｍ厚に堆積する。ここでは、０．１ｇ／ｍ
ｉｎで供給されるＢＣＢモノマーの気化温度を２００℃
とし、流量５００ｓｃｃｍのＨｅキャリアガスで反応室
に送り、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワーの印加されたシ
ャワーヘッドからＨｅプラズマ中にＢＣＢモノマーガス
を供給し、４００℃に加熱した基板上にプラズマ重合Ｂ
ＣＢ絶縁膜を成長させた。

【００２８】その上面に、トリメチルシランを原料とす
るプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣ膜１０２を０．０３μ
ｍ厚に成膜する。このＳｉＣ膜は、プラズマ重合ＢＣＢ
絶縁膜に配線溝を形成する際のエッチストップ膜として
機能する。さらに、０．４μｍ厚のプラズマ重合ＢＣＢ
絶縁膜１０３とエッチングハードマスクとなる膜厚０．
０３μｍのＳｉＣ膜１０４を成膜する。これらＳｉＣ膜
１０２および１０４をＳｉＮ膜に変更することも可能で
ある［図１（ａ）］。

【００２９】リソグラフィによって配線溝形状に開口を
有するフォトレジスト膜を形成し、これをマスクとして
フッ素系エッチングガス、例えばＣＦ₄/Ａｒ/Ｏ₂ガスに
てＳｉＣ膜１０４を異方性エッチングし、さらにエッチ
ングガスをＮ₂/Ｏ₂系に切り替えてフォトレジスト膜を
除去しながら、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜１０３をエッ
チングして配線溝１０７を形成する。ここで、Ｎ₂/Ｏ₂
系ガスでは、ＳｉＣ膜１０２および１０４はエッチング
されないため、フォトレジストが完全に除去されるまで
オーバーエッチングを行っても配線溝深さは一定に保た
れる［図１（ｂ）］。

【００３０】この全表面に、ＭＯＣＶＤ法によりＣｕ膜
１０５を０．６μｍ厚に成膜する。ここでは、基板温度
を１９５℃としてＭＯＣＶＤ−Ｃｕ膜を成長させた［図
１（ｃ）］。４００℃、２０分のＣｕ膜の結晶化アニー
ルを行った後、ＣＭＰによって配線溝以外の余剰なＣｕ
を除去し、Ｃｕ配線１０８を形成する。このＣＭＰで
は、シリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とする研磨剤に過酸化
水素（Ｈ₂Ｏ₂）を混合した研磨溶液（スラリー）を用い
た。ここで、ＣｕのＣＭＰにおいて、プラズマ重合にて
作製されたＢＣＢ絶縁膜とＭＯＣＶＤ−Ｃｕとの密着性
は十分高く、剥がれ等が起こらないことが確認された
［図１（ｄ）］。次に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜１０
６を０．４μｍの厚さに成膜することで、Ｃｕ配線側面
および上面がプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜で覆われるＣｕ
配線１０８を得る［図１（ｅ）］。

【００３１】以上の工程により間隔０．２８μｍで隣接
する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間
のアニールを行った後に配線間リーク電流を測定したと
ころ１０^-9Ａ／ｃｍ²程度と低く、アニール後にも十分
な絶縁耐性を確保していることが確認された。さらに、
導電性バリア膜である０．０３μｍ厚のＴａ／ＴａＮ膜
を用いた場合と配線抵抗を比較した結果、配線抵抗率は
２．５μΩ・ｃｍから２．０μΩ・ｃｍへと約２５％低
減することも確認された。

【００３２】［第２の実施例］第１の実施例は、下層の
配線部上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形
成する、すなわちシングルダマシン（ＳｉｎｇｌｅＤ
ａｍａｓｃｅｎｅ）法と呼ばれる手法に係るものであっ
たが、層間絶縁膜に上層の配線溝および下層の配線と接
続するビアホールを形成した後両者に配線材を埋め込ん
で研磨を行う、デュアルダマシン（ＤｕａｌＤａｍａ
ｓｃｅｎｅ）法に関しても同様に本発明を適用すること
ができる。以下にその実施例について図面を参照して詳
細に説明する。図２は、本発明の第２の実施例の配線構
造の製造方法を示す工程順の断面図である。図２は図１
と同様の手法をデュアルダマシン法に適用したものであ
る。

【００３３】シングルダマシン法により、図１（ｄ）ま
での工程によりＣｕ配線１０８を形成する［図２
（ａ）］。プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０１を０．６μ
ｍ厚、エッチストップ膜であるＳｉＣ膜２０２を０．０
３μｍ厚に成膜し、さらにプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２
０３を０．３μｍ厚、エッチングハードマスクとなるＳ
ｉＣ膜２０４を０．０３μｍ厚に成膜する［図２
（ｂ）］。リソグラフィによって形成すべきビアホール
のパターンの開口を有するフォトレジスト膜（図示せ
ず）を形成した後、ＣＦ₄/Ａｒ/Ｏ₂ガスにて、ＳｉＣ膜
２０４とプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０３とエッチスト
ップ膜であるＳｉＣ膜２０２を異方性エッチングし、さ
らにエッチングガスをＮ₂/Ｏ₂ガスに切り替えてフォト
レジストを除去しながらプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０
１にビアホール２０７を形成する［図２（ｃ）］。

【００３４】続いて、リソグラフィによって形成すべき
配線溝のパターン形状の開口を有するフォトレジスト膜
（図示なし）を形成した後、Ｎ₂/Ｏ₂ガスを用いた異方
性エッチングによって、ＳｉＣ膜２０４上のフォトレジ
ストを除去しながらプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０３に
配線溝２０８を形成する［図２（ｄ）］。有機洗浄で残
留するフォトレジストを完全に除去した後、この全表面
にＭＯＣＶＤ法により０．８μｍ厚のＣｕ膜２０５を成
膜する。この際、ビアホール底には下地配線のＣｕが存
在するため、このＣｕを触媒としてＭＯＣＶＤ−Ｃｕが
成長することから、ビアホール底部では清浄なＣｕ/Ｃ
ｕ界面が形成される［図２（ｅ）］。４００℃、２０分
の結晶化アニールを行った後、ＣＭＰによって配線溝２
０８およびビアホール２０７以外の余剰なＣｕを除去し
てＣｕ配線２０９、Ｃｕプラグ２１０を形成する［図２
（ｆ）］。

【００３５】さらに、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０６
を成膜することで、Ｃｕ配線２０９およびＣｕプラグ２
１０の周囲がプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜で覆われるＣｕ
配線構造が形成される。但し、この場合Ｃｕ配線２０９
の底面には、エッチストップ膜であるＳｉＣ膜２０２が
存在するが、ＳｉＣ膜も優れたＣｕ拡散バリア性を有し
ていることから、Ｃｕ拡散の恐れはない。すなわち、こ
の配線構造によって、ビアホール接続部と配線底面およ
び配線側面にＴａ/ＴａＮ膜等の高抵抗の導電性バリア
膜の存在しないＣｕ配線構造が形成される［図２
（ｇ）］。

【００３６】以上の工程により間隔０．２８μｍで隣接
する１０ｍｍ長の配線対を形成し、４００℃で１０時間
のアニール行った後配線間リーク電流を測定したところ
１０ ^-9Ａ／ｃｍ²程度であり、長時間のアニール後にお
いても十分な絶縁耐性を確保していることが確認され
た。さらに、導電性のバリア膜である０．０３μｍ厚の
Ｔａ／ＴａＮ膜を用いた場合と配線抵抗を比較した結
果、配線抵抗率は２．５μΩ・ｃｍから２．０μΩ・ｃ
ｍへと約２５％低減し、ビアホール接続抵抗は１Ω程度
から０．１Ω以下に低減することも確認された。

【００３７】図３に、半導体素子の形成された基板上に
本実施例を適用した例を示す。素子を形成した半導体基
板上に、ＳｉＯ₂膜３０１を成膜し、リソグラフィと異
方性エッチングによって半導体素子との接合部となるコ
ンタクトホールを開口して、半導体素子と上部多層配線
とを接続するＷコンタクトプラグ３０２を形成する。そ
の後、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜３０３およびＳｉＣ膜
３０４を堆積し、リソグラフィと異方性エッチングによ
って半導体素子との接合部となる配線溝を開口する。表
面全面にＴａ/ＴａＮ積層バリア膜３０５を計０．０４
μｍ厚に成膜する。バリアメタル膜を用いるのは最下層
の第一配線のみである。これは、最下層配線の下には、
ＳｉＯ₂膜３０１が存在するためである。

【００３８】次に、ＭＯＣＶＤ法によってＣｕ膜３０６
を０．６μｍ厚に成膜して配線溝にＣｕを埋め込み、Ｃ
ＭＰによって余剰のＣｕ膜を除去して第１層Ｃｕ配線を
形成する。第２層配線以降では、プラズマ重合ＢＣＢ絶
縁膜とＳｉＣ膜の積層膜を堆積した後配線溝とビアホー
ルとを形成し、ＭＯＣＶＤ法で直接Ｃｕを堆積しＣＭＰ
を行ってＣｕ配線とＣｕプラグを形成する工程を繰り返
すことにより多層配線を形成する。本発明の実施例にお
いては、Ｃｕ成膜前の配線溝部の側面およびビアホール
の側面および底面に導電性バリア膜が存在しないことが
重要であり、配線溝とビアホールの形成工程手順は必ず
しも実施例通りである必要はない。例えば図２（ｃ）か
ら図２（ｄ）に至るまでの工程においても、まず配線溝
を形成した後にビアホールを形成するようにしてもよ
い。また、ハードマスクやエッチストップ膜となる無機
膜は省略することもできる。

【００３９】［第３の実施例］図４は、本発明の第３の
実施例の配線構造の製造方法を示す工程順の断面図であ
る。第３の実施例では、Ｃｕ配線上面にカバー膜となる
バリア絶縁膜層を挿入しておくことで、エッチングやア
ッシングなどの加工性時にＣｕ上面を保護するようにし
た。また、有機高分子膜のエッチングにダブルハードマ
スクを用い、さらにＣｕの埋め込みにＭＯＣＶＤ法と電
解メッキ法とを組み合わせた。まず、素子を形成した半
導体基板上に、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４０１を０．
６μｍの厚さに堆積する。その上面に、トリメチルシラ
ンを原料とするプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣ膜４０２
を０．０３μｍ厚に成膜する。このＳｉＣ膜は、プラズ
マ重合ＢＣＢ絶縁膜に形成される配線溝のエッチストッ
プ膜として作用する。

【００４０】さらに、０．４μｍ厚のプラズマ重合ＢＣ
Ｂ絶縁膜４０３とエッチングハードマスクとなるＳｉＣ
膜４０４を０．０３μｍ厚に成膜する。リソグラフィと
異方性エッチングとによりプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４
０３に配線溝を形成し、ＭＯＣＶＤ法によりＣｕを０．
６μｍ厚に成膜し、さらにＣＭＰによって配線溝以外の
余剰なＣｕを除去することで、Ｃｕ配線４０５を形成す
る。その後、Ｃｕ配線上面にカバー膜となるバリア絶縁
膜層として０．０３μｍ厚のＳｉＣ膜４０６を成膜する
［図４（ａ）］。

【００４１】プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４０７を０．６
μｍ厚、エッチストップ膜であるＳｉＣ膜４０８を０．
０３μｍ厚に成膜し、さらにプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜
４０９を０．３μｍ厚、下層ハードマスクであるＳｉＣ
膜４１０を０．０３μｍ厚に成膜し、さらに上層ハード
マスクとしてシリコン酸化膜４１１を０．０６μｍ厚に
成膜する［図４（ｂ）］。フォトリソグラフィとＣＦ₄/
Ａｒガスによる異方性エッチングによって上層ハードマ
スクに配線溝パターン４１２を形成し、酸素プラズマ処
理でフォトレジストを除去する［図４（ｃ）］。

【００４２】フォトリソグラフィにより形成すべきビア
ホールのパターン状の開口を有するフォトレジスト膜
（図示なし）を形成し、これをマスクとして、ＣＦ₄/Ａ
ｒ/Ｏ₂ガスにて下層ハードマスクであるＳｉＣ膜４１
０、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４０９およびエッチスト
ップ膜であるＳｉＣ膜４０８を異方性エッチングし、そ
の後エッチングガスをＮ₂/Ｏ₂に切り替えて、フォトレ
ジストを除去しながらプラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４０７
を異方性エッチングすることで、ビアホール４１３を形
成する。この際、エッチングはビアホール底にあるＣｕ
配線４０５上に位置するカバー膜のＳｉＣ膜４０６で停
止する［図４（ｄ）］。

【００４３】さらに、配線溝パターン４１２が開孔され
た上層ハードマスクであるシリコン酸化膜４１１をマス
クとして、下層ハードマスクであるＳｉＣ膜４１０をＣ
Ｆ₄/Ａｒガスで、プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜４０９をＮ
₂/Ｏ₂ガスでエッチングすることでに配線溝パターン４
１４を形成し、最後にＣＦ₄/Ａｒガスでビアホール底に
存在するＳｉＣカバー膜４０６を除去する［図４
（ｅ）］。次に、有機洗浄した後、ＭＯＣＶＤ法により
０．２μｍ厚のＣｕシード膜４１５を成膜する。この
際、ビアホール底には下地配線のＣｕが存在するため、
このＣｕを触媒としてＭＯＣＶＤ−Ｃｕが成長すること
から、ビアホール底部では清浄なＣｕ/Ｃｕ界面が形成
される。また、ここではビアホール径を０．３μｍφと
したため、ビアホール４１３内はＭＯＣＶＤ−Ｃｕシー
ド膜で埋められる。すなわち、ＭＯＣＶＤ−Ｃｕシード
膜厚をビアホール半径以上とすることで、ビアホール内
を完全にＭＯＣＶＤ−Ｃｕ膜で埋め込むことができる。
その後、このＭＯＣＶＤ−Ｃｕシード膜を電極として電
解メッキ法によりメッキＣｕ膜４１６を堆積して残る配
線溝を埋める［図４（ｆ）］。

【００４４】４００℃、２０分の結晶化アニールを行っ
た後、ＣＭＰによって配線溝およびビアホール以外の余
剰なＣｕを除去してＣｕプラグとＣｕ配線４１７を形成
し、さらにＣｕ配線上面にカバー膜となるバリア絶縁膜
層として０．０３μｍ厚のＳｉＣ膜４１８を堆積する
［図４（ｇ）］。さらに、図４（ｂ）から図４（ｇ）ま
での工程を繰り返すことで３層以上の多層配線を形成す
ることができる。

【００４５】本実施例の製造方法においても、配線溝部
およびビアホールの側面および底面に導電性バリア膜が
存在しない銅配線構造を実現できる。このＭＯＣＶＤ−
Ｃｕシード膜と電解メッキＣｕ膜とを併用する方法は、
微細なビアホールをＭＯＣＶＤ−Ｃｕ膜で完全に埋め込
んで下地Ｃｕ配線とのＣｕ／Ｃｕ界面を保持し、かつ低
製造コストでかつ高スループットの電解メッキＣｕ膜で
配線部を形成できるという特徴を有する。以上の工程に
より間隔０．２８μｍで隣接する１０ｍｍ長の配線対を
形成し、４００℃で１０時間アニールしても配線間リー
ク電流は１０^-9Ａ／ｃｍ²程度であって十分な絶縁耐性
を確保していることが確認できた。さらに、導電性のバ
リア膜である０．０３μｍ厚のＴａ／ＴａＮ膜を用いた
場合と配線抵抗を比較した結果、配線抵抗率は２．５μ
Ω・ｃｍから２．０μΩ・ｃｍへと約２５％低減し、ビ
アホール接続部抵抗は１Ω程度から０．１Ω以下に低減
することも確認された。その結果、ビアホールに係るエ
レクトロマイグレーション耐性は１０倍以上向上した。

【００４６】以上、本発明の好ましい実施例について説
明したが、本発明は、これら実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲内にお
いて適宜の変更が可能なものである。例えば、実施例で
は、ジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテンを用い
た絶縁膜について説明したがそれに限定されることなく
その誘導体を骨格とする高分子絶縁膜であってもよい。
また、実施例ではＢＣＢ膜中にＣｕプラグを単独で形成
する工程については特に説明はしなかったが、ＢＣＢ絶
縁膜に埋め込まれたＣｕプラグを形成した後にその上に
ＢＣＢ絶縁膜に埋め込まれたＣｕ配線を形成し、この工
程を繰り返すことによって多層配線を形成することも可
能である。さらに、ＢＣＢ膜に接触するＣｕ膜を形成す
る際に埋め込み性が問題とならない場合にはＭＯＣＶＤ
法以外の成膜法例えばスパッタ法を用いることもでき
る。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、プラズ
マ重合法により形成したＢＣＢ絶縁膜上に直接Ｃｕ膜を
堆積するものであるので、低誘電率膜と低配線抵抗およ
び低ビアホール接続抵抗とを実現することができ、配線
遅延を抑制することができるとともにエレクトロマイグ
レーションに対する高い耐性を保持できる。また、Ｃｕ
膜に対する４００℃以上の熱処理が可能となるので、配
線の一層の低抵抗化を実現することができる。さらに、
ＢＣＢ絶縁膜上に直接ＭＯＣＶＤ−Ｃｕ膜を成膜するこ
とが可能となるので、０．１μｍ以下の微細な開口に対
しても信頼性の高い埋め込みを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による半導体装置の製
造方法を示す工程順の断面図。

【図２】本発明の第２の実施例による半導体装置の製
造方法を示す工程順の断面図。

【図３】本発明の第２の実施例を用いて形成した半導
体装置の断面図。

【図４】本発明の第３の実施例による半導体装置の製
造方法を示す工程順の断面図。

【図５】プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜と熱重合ＢＣＢ絶
縁膜のＦＴＩＲスペクトル。

【図６】絶縁膜中のＣｕ濃度のＳＩＭＳプロファイ
ル。

【図７】従来の半導体装置の製造方法を示す工程順の
断面図。

【図８】熱重合法によるＢＣＢ絶縁膜の高分子化学反
応過程図。

【符号の説明】

１０１、１０３、１０６プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜１０２、１０４ＳｉＣ膜１０５Ｃｕ膜１０７配線溝１０８Ｃｕ配線２０１、２０３、２０６プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜２０２、２０４ＳｉＣ膜２０５Ｃｕ膜２０７ビアホール２０８配線溝２０９Ｃｕ配線２１０Ｃｕプラグ３０１ＳｉＯ₂膜３０２Ｗコンタクトプラグ３０３プラズマ重合ＢＣＢ絶縁膜３０４ＳｉＣ膜３０５Ｔａ／ＴａＮ積層バリア膜３０６Ｃｕ膜４０１、４０３、４０７、４０９プラズマ重合ＢＣＢ
絶縁膜４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１８Ｓ
ｉＣ膜４０５、４１７Ｃｕ配線４１１シリコン酸化膜４１２、４１４配線溝パターン４１３ビアホール４１５Ｃｕシード膜４１６メッキＣｕ膜５０１シリコン基板５０２、５０４、５０８、５１０シリコン酸化膜５０３、５０９シリコン酸窒化膜５０５、５１５導電性のバリア膜５０６、５１８Ｃｕ配線５０７、５１９絶縁性のバリア膜５１１、５１３レジスト膜５１２ビアホール５１４配線溝５１６Ｃｕ膜５１７Ｃｕプラグ５１８Ｃｕ配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川原潤東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者林喜宏東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 5F033 HH11 JJ01 KK11 MM01 MM02 NN01 PP11 PP27 QQ16 QQ21 QQ23 QQ37 QQ48 QQ73 RR01 RR21 SS03 SS15 TT04 WW02 XX05 5F058 AA10 AC03 AC10 AF02 AH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子が形成された基板上の有機高
分子絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに銅を
主成分とする金属配線材を充填して形成された配線およ
び接続プラグを有する半導体装置において、前記有機高
分子絶縁膜がプラズマ重合法にて作製されたジビニルシ
ロキサンベンゾシクロブテンあるいはその誘導体を骨格
とする有機高分子絶縁膜であり、かつ、少なくとも１層
の配線とこれに連なる接続プラグとは前記有機高分子膜
に直接接触して形成されていることを特徴とする半導体
装置。
【請求項２】半導体素子が形成された基板上の有機高
分子絶縁膜に銅を主成分とする金属配線材からなる配線
が埋設されている半導体装置において、前記有機高分子
絶縁膜がプラズマ重合法にて作製されたジビニルシロキ
サンベンゾシクロブテンあるいはその誘導体を骨格とす
る有機高分子絶縁膜であり、かつ、前記配線の側面は前
記有機高分子膜に直接接触して形成されていることを特
徴とする半導体装置。
【請求項３】前記有機高分子絶縁膜の層間に無機バリ
ア絶縁膜が介在していることを特徴とする請求項１記載
の半導体装置。
【請求項４】前記無機バリア絶縁膜が、ＳｉＮまたは
ＳｉＣのいずれかによって形成されていることを特徴と
する請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】前記配線および前記接続プラグ、また
は、前記配線は、少なくとも底面および外周部分がＭＯ
ＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法により形成されてい
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。
【請求項６】（１）半導体素子が形成されその上に下
層配線が形成された基板上に、気化したベンゾシクロブ
テン・モノマーを用いプラズマ重合法によりベンゾシク
ロブテン若しくはその誘導体を骨格として含む有機高分
子絶縁膜を形成する工程と、（２）前記有機高分子絶縁膜を選択的にエッチング除去
して、該有機高分子絶縁膜に、配線溝、および／また
は、ビアホール、を開設する工程と、（３）前記有機高分子絶縁膜に直接接触するように、銅
を主成分とする金属配線材を堆積する工程と、を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記ベンゾシクロブテンが、ジビニルシ
ロキサンベンゾシクロブテンであることを特徴とする請
求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第（３）の工程においては、少なく
とも該工程の初期において有機銅錯体を出発原料とする
ＭＯＣＶＤ法によって銅を主成分とする金属配線材を堆
積することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項９】前記第（３）の工程は、有機銅錯体を出
発原料とするＭＯＣＶＤ法によって銅を主成分とする第
１の金属配線材を堆積する前半の工程と、該前半の工程
で形成された前記第１の金属配線材を電極として行う電
解メッキ法によって銅を主成分とする第２の金属配線材
を堆積する後半の工程とを含んでいることを特徴とする
請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】ＭＯＣＶＤ法によって成膜される前記
金属配線材の膜厚を前記有機高分子絶縁膜に形成された
前記ビアホールの半径以上とすることを特徴とする請求
項８または９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記第（１）の工程の後、前記第
（２）の工程に先立って、前記有機高分子絶縁膜上に無
機絶縁膜を堆積する工程が付加されることを特徴とする
請求項６記載の半導体装置の製造方法。