JP2003068850A

JP2003068850A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2003068850A
Application number: JP2001260181A
Authority: JP
Inventors: Emi Murakawa; 惠美村川; Minoru Matsushita; 実松下; Akinori Ozaki; 成則尾▲崎▼
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-03-07
Also published as: TWI300597B; EP1432023A4; TWI297518B; TW200802609A; US20050003660A1; EP1432023A1; CN1539165A; KR20040031013A; CN101165876A; CN100365796C; KR100619470B1; WO2003019650A1

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置の製造方法および半
導体製造装置を提供する。【解決手段】エッチングにより、多孔質シリコン酸化
膜からなる第２絶縁層１３および第３絶縁層１４を貫通
して、接続孔２１の一部となる孔を形成する。さらに、
第２ストッパ膜２０を用いて、第３絶縁層１４に、第２
の溝２３をエッチングにより形成する。さらに、接続孔
２１および第２の溝２３の側壁に、ＲＬＳＡ型のプラズ
マ処理装置を用いたシリコン酸化膜の直接窒化を施し、
ＳｉＮ膜からなるバリヤ層２５を形成する。ここで、第
２ストッパ膜２０も、バリヤ層２５と同様の直接窒化に
より形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信頼性の高い半導
体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）の高性能化の
ために、信号処理の一層の高速化が必要とされている。
信号処理の高速化は、回路の微細化及び配線の信号遅延
の低減によって図ることができる。近年、微細化が進
み、ＬＳＩの設計ルールは０．１３ミクロン程度に達
し、このようなＬＳＩでは配線遅延の低減が特に重要で
ある。

【０００３】上記した配線遅延の低減には、配線抵抗の
低減が有効な手段である。配線抵抗を低減させるため、
従来より一般に用いられているアルミニウムに代わり、
エレクトロマイグレーション耐性に優れ、低抵抗な銅が
用いられるようになっている。銅配線を使用する場合、
従来のエッチングプロセスによる加工が困難であるた
め、銅をエッチングせずに多層配線を実現する方法とし
て、所謂デュアルダマシン法が用いられている。

【０００４】以下、図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、多
層配線層を備える半導体装置２０１を、デュアルダマシ
ン法を用いて製造する工程について説明する。まず、配
線層２０２が埋め込まれた、酸化シリコン等からなる第
１絶縁層２０３上に、窒化シリコン等からなるキャップ
層２０４を形成する。配線層２０２は、銅からなる導体
層２０５と、導体層２０５を包囲し、窒化タンタル等か
らなるバリヤ層２０６から構成されている。次いで、キ
ャップ層２０４上に酸化シリコン等からなる第２絶縁層
２０７を形成する。さらに、第２絶縁層２０７上に、窒
化シリコン等からなるストッパ膜２０８を形成し、その
上に、酸化シリコン等からなる第３絶縁層２０９を積層
する。これにより、図７（ａ）に示すような結果物が得
られる。

【０００５】続いて、図７（ｂ）に示すように、第３絶
縁層２０９上にレジストパターン２１０を形成し、エッ
チングにより導体層２０５を底とする孔２１１を形成す
る。このとき、エッチングは、第２および第３絶縁膜２
０７、２０９と、ストッパ膜２０８と、キャップ層２０
４と、がともにエッチングされる条件で行われる。エッ
チング後、レジストパターン２１０をアッシング等によ
り除去する。

【０００６】続いて、図７（ｃ）に示すように、第３絶
縁膜２０９上にレジストパターン２１２を形成し、孔２
１１と重なり、かつ、ストッパ膜２０８を底とする配線
溝２１３を第３絶縁膜２０９にエッチングにより形成す
る。これにより、配線溝２１３と、配線溝２１３と配線
層２０２とを接続する接続孔２１４と、が形成される。
ここで、エッチングは、第３絶縁膜２０９はエッチング
されるが、ストッパ膜２０８はエッチングされない条件
で行われる。このため、エッチングはストッパ膜２０８
の所でストップされる。エッチング後、レジストパター
ン２１２をアッシング等により除去する。

【０００７】続いて、配線溝２１３および接続孔２１４
の内壁に窒化タンタル等からなるバリヤ層２１５をＣＶ
Ｄ等により形成する。さらに、メッキ法により、配線溝
２１３および接続孔２１４の内部を埋め込んだ後、ＣＭ
Ｐにより余分な銅を除去する。以上の工程により、図７
（ｄ）に示すような、プラグ層２１６と、プラグ層２１
６により導体層２０５に接続された導体層２１７と、が
形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記デュアルダマシン
法により形成された半導体装置２０１において、バリヤ
層２１５は、配線材料である銅の拡散を防ぐために設け
られている。銅は、拡散性が高く、半導体の特性を劣化
させやすいため、バリヤ層２１５は銅からなる配線層の
形成に不可欠なものである。特に、近年、誘電率の低さ
から好適に用いられる多孔質膜は、内部に多数の孔を有
するため、銅原子が侵入（拡散）しやすい。

【０００９】バリヤ層２１５は、一般に、窒化チタン、
窒化タンタル等の金属材料から単独であるいは積層され
て構成され、ＣＶＤ等により形成される。しかし、微細
化の進行に伴い、図７（ｃ）に示すような接続孔２１４
がさらに微細化すると、接続孔２１４の内壁全体に信頼
性の高いバリヤ層２１５を形成することは難しくなる。

【００１０】すなわち、例えば、接続孔２１４が非常に
微細であると、バリヤ層２１５の前駆体分子（有機金属
等）の接続孔２１４の下方への侵入は物理的に阻害さ
れ、接続孔２１４の下方では成膜速度が上方よりも遅く
なる。これにより、接続孔２１４の下方では、十分な厚
さのバリヤ層２１５が形成されず、バリヤ性が低下す
る。さらに、バリヤ層２１５の厚さが不均一となると、
後の銅の埋め込み工程において、ボイドが発生しやすく
なる。

【００１１】このとき、層間絶縁膜２０７、２０９に多
孔質絶縁膜を用いている場合には、バリヤ層２１５をＣ
ＶＤにより形成する際に、前駆体分子が絶縁膜内の空孔
に侵入してしまう。これらは、エッチングの際にエッチ
ングガスと反応するなどし、絶縁膜の劣化の原因とな
る。

【００１２】また、微細化に伴い、バリヤ層２１５自体
の厚さも薄くなり、配線溝２１３および接続孔２１４の
表面に対する密着性は低下する。これにより、バリヤ層
２１５の剥離等が起こりやすくなり、バリヤ層２１５ひ
いては半導体装置２０１の信頼性が低下する。このよう
に、高度に微細化された（アスペクト比の高い）溝また
は孔の内壁に、信頼性の高いバリヤ層を形成することは
困難となってきている。

【００１３】一方、上述したように、デュアルダマシン
法では、エッチングのストッパ膜２０８を用いる。図７
（ｄ）に示すように、ストッパ膜２０８は配線溝２１３
の底部を形成する。微細化の進行に伴い、ストッパ膜２
０８にも薄膜化が求められている。従って、上記バリヤ
層２１５と同様に、ＣＶＤ等により形成した薄膜のスト
ッパ膜２０８を用いた場合には、第２絶縁膜２０７との
密着性が低下し、剥離等が起こりやすくなる。ストッパ
膜２０８が剥離等した場合には、その上に積層されるバ
リヤ層２１５は不均一な、信頼性の低いものとなる。

【００１４】このように、従来の、ＰＶＤやＣＶＤによ
り形成されたバリヤ層およびストッパ膜は、微細な配線
溝および接続孔の内壁に信頼性高く形成することが難し
く、配線材料の拡散等により半導体装置の信頼性が低下
するおそれがあった。

【００１５】上記事情を鑑みて、本発明は、信頼性の高
い半導体装置およびその製造方法を提供することを目的
とする。また、本発明は、信頼性の高いバリヤ層を備え
た半導体装置およびその製造方法を提供することを目的
とする。さらに、本発明は、信頼性の高いストッパ膜を
備えた半導体装置およびその製造方法を提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の観点にかかる半導体装置の製造方法
は、一面側に溝を備えるとともに、前記溝の底から他面
側に貫通する孔を備え、シリコンを主成分として構成さ
れる絶縁層を形成する工程と、窒素を含むガスのプラズ
マに、前記溝および前記孔の内壁の表面を曝露し、前記
溝および前記孔の内壁の表面領域にシリコン窒化膜から
構成されるバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程と、前
記バリヤ層を介した、前記溝および前記孔の内側に、導
体材料からなる配線層を埋め込む工程と、を備える、こ
とを特徴とする。

【００１７】上記構成においては、配線材料（特に、
銅）が埋め込まれる配線溝および接続孔の内壁に、シリ
コン窒化膜からなるバリヤ層が形成される。バリヤ層を
構成するシリコン窒化膜は、シリコン系膜からなる絶縁
層の表面領域を、窒素ガスのプラズマにより改すること
により形成される。このように、絶縁層の表面を直接改
質することにより、微細な、アスペクト比の高い溝およ
び孔の内壁に、薄いバリヤ層を信頼性高く形成すること
ができる。これにより、配線材料の拡散等が低減され
た、信頼性の高い半導体装置の提供が可能となる。

【００１８】上記構成において、前記バリヤ層形成工程
は、窒素を含むガスのプラズマに、前記溝および前記孔
の内壁の表面を曝露することにより、前記溝および前記
孔の表面領域を窒化する工程を備えることが望ましい。
このように、バリヤ層を絶縁層の直接窒化により形成す
ることにより、剥離等の少ない、薄いバリヤ層を形成す
ることができる。

【００１９】上記構成において、前記窒素を含むガスの
プラズマは、窒素を含むガスに複数のスリットを備える
平面アンテナからマイクロ波を照射して生成することが
望ましい。これにより、薄いバリヤ層を、他の膜表面に
与えるダメージを低減しつつ形成することができる。

【００２０】上記構成において、前記絶縁層は、多孔質
の誘電体膜から構成されてもよい。バリヤ層の形成には
有機金属等の金属前駆体を用いておらず、絶縁層に多孔
質膜を用いた場合でも、絶縁層中の空孔に金属前駆体等
が侵入することはない。このため、空孔中の金属前駆体
とエッチングガスとの反応等に起因する絶縁層の劣化は
防止され、信頼性の高い半導体装置が得られる。

【００２１】上記目的を達成するため、本発明の第２の
観点にかかる半導体装置の製造方法は、シリコンを主成
分として構成される第１の絶縁層を形成する工程と、窒
素を含むガスのプラズマに、前記第１の絶縁層の表面を
曝露し、前記第１の絶縁層の表面領域にシリコン窒化膜
から構成されるストッパ膜を形成する工程と、前記スト
ッパ膜上に第２の絶縁層を形成する工程と、前記第１の
絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通する貫通孔を形成
する工程と、前記ストッパ膜をエッチングのストッパと
して、前記第２の絶縁層に、前記貫通孔と重なる孔また
は溝を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

【００２２】上記構成によれば、シリコン窒化膜からな
るストッパ膜をプラズマにより表面改質により形成して
いる。形成されたストッパ膜は、表面ダメージの少な
い、品質の高い膜である。これにより、配線溝の底部を
構成するストッパ膜を信頼性高く形成することができ
る。

【００２３】上記構成において、前記ストッパ膜を形成
する工程は、窒素を含むガスプラズマに、前記第１の絶
縁層の表面を曝露することにより、前記第１の絶縁層の
表面領域を窒化する工程を備えることが望ましい。この
ように、ストッパ膜を絶縁膜の直接窒化により形成する
ことにより、剥離等の少ない、薄いストッパ膜を、表面
ダメージを抑えつつ形成することができる。

【００２４】上記構成において、前記第１および第２の
絶縁層は、多孔質の誘電体膜から構成されてもよい。

【００２５】上記構成において、前記導体材料として、
銅を主成分として材料を用いてもよい。すわなち、シリ
コン窒化膜は、銅に対するバリヤ性を有し、バリヤ層と
して有効に機能する。

【００２６】上記構成において、前記ガスとして、さら
に、水素を含むガスを用いてもよい。これにより、シリ
コン窒化膜の形成と同時に、絶縁層の表面領域に存在す
るシリコンのダングリングボンドに水素を結合させて、
膜を安定化させることができる。

【００２７】上記構成において、前記バリヤ層の形成
を、室温〜６００℃の温度で行うことが望ましい。この
ように、比較的低温で処理を行うことにより、不純物の
拡散等が防がれ、デバイス特性の劣化を防止できる。

【００２８】上記構成において、前記バリヤ層を、１ｎ
ｍ〜２０ｎｍの厚さで形成してもよい。また、前記スト
ッパ膜を、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成してもよい。

【００２９】上記目的を達成するため、本発明の第３の
観点にかかる半導体装置は、一面側に溝を備えるととも
に、前記溝の底部から他面側に貫通する孔を備え、シリ
コンを主成分として構成される絶縁層と、前記溝および
前記孔に埋め込まれた、導体材料からなる配線層と、前
記絶縁層と前記配線層との界面に設けられ、前記導体材
料の前記絶縁層への拡散を防ぐ、シリコン窒化膜から構
成されるバリヤ層と、を備える、ことを特徴とする。

【００３０】上記構成によれば、バリヤ層としてシリコ
ン窒化膜を用いることにより、金属系のバリヤ膜を形成
した場合のように、バリヤ膜形成時に金属前駆体が絶縁
膜内部の孔に侵入することなどは実質的にない。従っ
て、エッチング等の後の工程における絶縁層破壊、劣化
は避けられ、信頼性の高い半導体装置が得られる。

【００３１】上記目的を達成するため、本発明の第４の
観点にかかる半導体装置は、一面側に溝を備えるととも
に、前記溝の底部から他面側に貫通する孔を備え、シリ
コン主成分として構成される絶縁層と、前記溝および前
記孔に埋め込まれた、導体材料からなる配線層と、前記
絶縁層と前記配線層との界面に設けられ、前記導体材料
の前記絶縁層への拡散を防ぐバリヤ層と、を備え、前記
バリヤ層は、窒素を含むガスに、複数のスリットを備え
る平面アンテナからマイクロ波を照射して生成したプラ
ズマに、前記絶縁層の表面を曝露し、前記絶縁膜の表面
領域にシリコン窒化膜を形成することにより形成され
る、ことを特徴とする。

【００３２】上記構成においては、配線材料（特に、
銅）が埋め込まれる配線溝および接続孔の内壁に、シリ
コン窒化膜からなるバリヤ層が形成される。バリヤ層を
構成するシリコン窒化膜は、シリコン系膜からなる絶縁
層の表面領域に、ラジアルラインスロットアンテナ（Ｒ
ＬＳＡ）を用いたマイクロ波プラズマにより形成され
る。このように、ＲＬＳＡプラズマを用いることによ
り、微細な、アスペクト比の高い溝および孔の内壁に、
薄いバリヤ層を信頼性高く形成することができる。これ
により、配線材料の拡散等が低減された、信頼性の高い
半導体装置の提供が可能となる。

【００３３】上記目的を達成するため、本発明の第５の
観点にかかる半導体装置は、貫通孔を備え、シリコンを
主成分として構成される第１の絶縁層と、前記第１の絶
縁層上に設けられ、前記貫通孔と重なる開口を備えるス
トッパ膜と、前記ストッパ膜上に設けられ、前記開口と
重なるとともに前記開口よりも大径の孔または溝を備え
る第２の絶縁層と、を備え、前記ストッパ膜は、窒素を
含むガスに、複数のスリットを備える平面アンテナから
マイクロ波を照射して生成したプラズマに、前記第１の
絶縁層の一面を曝露し、前記第１の絶縁層の表面領域に
シリコン窒化膜を形成することにより形成される、こと
を特徴とする。

【００３４】上記構成によれば、シリコン窒化膜からな
るストッパ膜をＲＬＳＡプラズマにより形成している。
ＲＬＳＡプラズマにより形成されたストッパ膜は、表面
ダメージの少ない、品質の高い膜である。これにより、
配線溝の底部を構成するストッパ膜を信頼性高く形成す
ることができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本実施の形態にかかる半導
体装置について、図面を参照して説明する。本実施の形
態の半導体装置は、半導体基板に設けられたトランジス
タ、メモリ等の素子と、これに接続された多層配線層
と、を備える半導体装置である。

【００３６】図１は、本実施の形態の半導体装置１１の
最上層の多層配線を示す部分断面図である。図１に示す
ように、半導体装置１１は、第１絶縁層１２と、第２絶
縁層１３と、第３絶縁層１４と、パッシベーション膜１
５と、を備える。

【００３７】第１絶縁層１２は、所定の多孔度を有して
形成された、低誘電率酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜から
構成される。第１絶縁層１２は第１の溝１６を備え、第
１の溝１６には、銅からなる第１の配線層１７が埋め込
まれている。また、第１絶縁層１２の表面には、窒化シ
リコン（ＳｉＮ）からなる膜１８が設けられている。

【００３８】第２絶縁層１３は第１絶縁層１２の上に配
置されている。第２絶縁層１３は、多孔質化された、低
誘電率酸化シリコンから構成される。第２絶縁層１３
は、第１絶縁層１２との接触面およびその反対側の表面
に、ＳｉＮからなる第１および第２ストッパ膜１９、２
０を備える。第１および第２ストッパ膜１９、２０は、
例えば、１０〜３０ｎｍの厚さで設けられている。

【００３９】第１の溝１６の上方の、第２絶縁層１３に
は、接続孔２１が第２絶縁層１３を貫通して設けられて
いる。接続孔２１には、銅からなるプラグ層２２が埋め
込まれている。

【００４０】第３絶縁層１４は、第２絶縁層１３の上に
設けられている。第３絶縁層１４は、多孔質化された、
低誘電率酸化シリコンから構成される。接続孔２１の上
の、第３絶縁層１４には、第２の溝２３が第３絶縁層１
４を貫通して設けられている。第２の溝２３には、銅か
らなる第２の配線層２４が埋め込まれている。

【００４１】このように、第１の配線層１７と、プラグ
層２２と、第２の配線層２４と、により、多層配線層が
形成されている。また、第１の溝１６、接続孔２１およ
び第２の溝２３の内壁には、バリヤ層２５が形成されて
いる。バリヤ層２５は、ＳｉＮから構成され、例えば、
５〜１０ｎｍの厚さで形成されている。バリヤ層２５
は、配線材料である銅の拡散を防ぐために設けられてい
る。

【００４２】ここで、ＳｉＮからなる第１および第２ス
トッパ膜１９、２０と、バリヤ膜２５とは、後述するＲ
ＬＳＡ型プラズマ処理装置を用いたシリコン酸化膜の直
接窒化により形成されている。

【００４３】第３絶縁層１４の表面には、ＳｉＮ膜２６
が設けられている。また、第３絶縁層１４の上には、Ｓ
ｉＮ膜２７を介して、パッシベーション膜１５が積層さ
れている。パッシベーション膜１５は、酸化シリコン、
ＦＳＧ等から構成され、半導体装置１１の保護膜として
機能する。また、パッシベーション膜１５と第３絶縁層
１４とを隔てるＳｉＮ層２７は、配線材料である銅の拡
散を防止する。

【００４４】以下、上記半導体装置１１の、バリヤ層２
５の形成に用いるプラズマ処理装置について図面を参照
して説明する。バリヤ層２５の形成に用いるプラズマ処
理装置は、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）型の
プラズマ処理装置である。プラズマ処理装置は、マイク
ロ波エネルギーを用いて処理ガスのプラズマを発生さ
せ、このプラズマにより、被処理体（シリコン系材料）
の表面を改質する。

【００４５】図２に、プラズマ処理装置１００の断面構
成を示す。図２に示すように、プラズマ処理装置１００
は、略円筒形のチャンバ１０１を備える。チャンバ１０
１は、アルミニウム等から構成されている。

【００４６】チャンバ１０１内部の中央には、被処理体
である半導体ウェハ（以下、ウェハＷ）の載置台１０２
が配置されている。載置台１０２には、図示しない温調
部が内蔵されており、温調部により、ウェハＷは所定温
度、例えば、室温〜６００℃に加熱される。

【００４７】チャンバ１０１の底部には、排気管１０３
の一端が接続されており、他端は、真空ポンプ等の排気
装置１０４に接続されている。排気装置１０４等によ
り、チャンバ１０１内は、所定の圧力、例えば、４．０
Ｐａ〜０．１３ｋＰａ（３０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）
に設定される。

【００４８】チャンバ１０１の側部上方には、ガス供給
管１０５が設けられている。ガス供給管１０５は、窒素
（Ｎ_２）ガス源１０６、水素（Ｈ_２）ガス源１０７およ
びアルゴン（Ａｒ）ガス源１０８に接続されている。ガ
ス供給管１０５は、チャンバ１０１の側壁の周方向に沿
って、例えば、１６カ所に均等に配置されている。この
ように配置されることにより、ガス供給管１０５から供
給されるガスは、載置台１０２上のウェハＷの上方に均
等に供給される。

【００４９】チャンバ１０１の上部には、開口１０９が
設けられている。開口１０９の内側には、窓１１０が設
けられている。窓１１０は、透過性材料、例えば、石
英、ＳｉＯ_２系のガラス、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＮａＣｌ、ＫＣ
ｌ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ _２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ
Ｎ、ＭｇＯなどの無機物、また、ポリエチレン、ポリエ
ステル、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポ
リプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、
ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミドなどの有機物の
フィルム、シート、から構成されている。

【００５０】窓１１０の上には、例えば、ラジアルライ
ンスロットアンテナ（以下、ＲＬＳＡ）１１１が設けら
れている。ＲＬＳＡ１１１の上には、高周波電源部１１
２に接続された導波路１１３が設けられている。導波路
１１３は、ＲＬＳＡ１１１に下端が接続された扁平な円
形導波管１１４と、円形導波管１１４の上面に一端が接
続された円筒型導波管１１５と、円筒型導波管１１５の
上面に接続された同軸導波変換器１１６と、同軸導波変
換器１１６の側面に直角に一端が接続され、他端が高周
波電源部１１２に接続された矩形導波管１１７と、から
構成されている。ＲＬＳＡ１１１および導波路１１３
は、銅板から構成されている。

【００５１】円筒形導波管１１４の内部には、同軸導波
管１１８が配置されている。同軸導波管１１８は、導電
性材料よりなる軸部材からなり、その一端がＲＬＳＡ１
１１の上面のほぼ中央に接続され、他端が円形導波管１
１４の上面に同軸状に接続されている。

【００５２】図３にＲＬＳＡ１１１の平面図を示す。図
３に示すように、ＲＬＳＡ１１１は、同心円上に設けら
れた複数のスロット１１１ａ，１１１ａ，…を表面に備
える。各スロット１１１ａは略方形の貫通した溝であ
り、隣接するスロット１１１ａどうしは互いに直交して
略Ｔの文字を形成するように配設されている。スロット
１１１ａの長さや配列間隔は、高周波電源部１１２より
発生した高周波の波長に応じて決定されている。

【００５３】高周波電源部１１２は、例えば、５００Ｗ
〜５ｋＷの電力で、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ
波を発生する。高周波電源部１１２から発生したマイク
ロ波は、矩形導波管１１７内を矩形モードで伝送され
る。さらに、マイクロ波は、同軸導波変換器１１６にて
矩形モードから円形モードに変換され、円形モードで円
筒型導波管１１５に伝送される。マイクロ波は、さら
に、円形導波管１１４にて拡げられた状態で伝送され、
ＲＬＳＡ１１１のスロット１１１ａより放射される。放
射されたマイクロ波は、窓１１０を透過してチャンバ１
０１に導入される。

【００５４】チャンバ１０１内は、所定の真空圧力にさ
れており、ガス供給管１０５から、Ａｒ、Ｎ_２およびＨ
_２の混合ガスが、例えば、Ａｒ／Ｎ_２／Ｈ_２＝１０：
１：１で、チャンバ１０１内に供給される。窓１１０を
透過したマイクロ波により、チャンバ１０１内の混合ガ
スに高周波エネルギーが伝達され、高周波プラズマが発
生する。この際、マイクロ波をＲＬＳＡ１１１の多数の
スロット１１１ａから放射しているので、高密度のプラ
ズマが生成される。

【００５５】生成された高密度プラズマにより、ウェハ
Ｗ表面の直接窒化が行われる。すなわち、生成したプラ
ズマ中の、窒素（Ｎ）ラジカルが、ウェハＷ上に形成さ
れた、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の表面に作用し、
ＳｉとＯとの結合を切り、Ｏに置き換わる。このように
して、シリコン酸化膜の表面を数ｎｍ程度が改質されて
ＳｉＮとなる。このとき、ウェハＷの温度は、室温〜６
００℃とされ、チャンバ１０１内の圧力は、４．０Ｐａ
〜０．１３ｋＰａとされている。

【００５６】この際、混合ガス中のＡｒは、希釈ガスと
して働き、反応の制御性をよくする。また、Ｈ_２から発
生するＨラジカルは、Ｓｉのダングリングボンドと結合
し、改質により形成されるＳｉＮ膜を安定化させ、膜質
を向上させる。

【００５７】以下、上述した半導体装置１１の製造方法
について、図面を参照して説明する。本実施の形態で
は、バリヤ層２５を備えた半導体装置１１をデュアルダ
マシン法を用いて製造する。図４（ａ）〜（ｄ）、図５
（ｅ）〜（ｇ）および図６（ｈ）に、半導体装置１１の
配線層の形成工程を示す。

【００５８】まず、第１の溝１６を備え、この第１の溝
１６に銅からなる第１の配線層１７が埋め込まれた第１
絶縁層１２を用意する。第１絶縁層１２は、酸化シリコ
ンからなり、半導体基板上に設けられている。また、第
１の溝１６の周囲には、ＳｉＮからなるバリヤ層２５が
設けられ、また、第１絶縁層１２の表面には、ＳｉＮか
らなる絶縁膜が形成されている。これらの第１の溝１
６、バリヤ層２５ａ等は、後述するデュアルダマシン法
によって形成されたものである。

【００５９】次いで、図４（ａ）に示すように、第１絶
縁層１２の上に、ＣＶＤ法等により、ＳｉＮからなる第
１ストッパ膜１９を成膜する。また、さらに、第１スト
ッパ膜１９の上に、ＣＶＤ法等により、酸化シリコンか
らなる第２絶縁層１３を形成する。ここで、第２絶縁層
１３の厚さは、接続孔２１の高さとなるように設定され
ている。

【００６０】続いて、図４（ｂ）に示すように、ＲＬＳ
Ａ型プラズマ処理装置１００を用いて窒化を行い、第２
絶縁層１３の表面にＳｉＮからなる第２ストッパ膜２０
を形成する。さらに、図４（ｃ）に示すように、第２ス
トッパ膜２０の上に、酸化シリコンからなる第３絶縁層
１４を形成する。ここで、第３絶縁層１４の厚さは、第
２の溝２３の高さと等しいように設定されている。

【００６１】続いて、図４（ｄ）に示すように、第３絶
縁層１４上にレジストパターン３０を形成し、第１およ
び第２ストッパ膜１９、２０と、第３絶縁層１４と、
が、ほぼ同じ速度でエッチングされる条件で異方性エッ
チングする。上記エッチングは、例えば、ＣＦ_４とＯ_２
との混合ガスを用いて行うことができる。レジストパタ
ーン３０を用いたエッチングにより、接続孔２１を構成
する孔３１が形成される。

【００６２】レジストパターン３０をアッシング等によ
り除去した後、図５（ｅ）に示すように、第３絶縁層１
４上にレジストパターン３２を形成し、第３絶縁層１４
はエッチングされるが、第２ストッパ膜２０はエッチン
グされない条件で異方性エッチングを行う。上記エッチ
ングは、例えば、Ｃ_４Ｆ_８とＣＯとの混合ガスを用いる
ことにより行うことができる。レジストパターン３２を
用いたエッチングにより、第２の溝２３が形成される。

【００６３】レジストパターン３２をアッシング等によ
り除去した後、図５（ｆ）に示すように、接続孔２１お
よび第２の溝２３の側壁を含めた、表面全体の窒化を行
う。窒化は、上述したＲＬＳＡ型プラズマ処理装置１０
０を用いて行われ、シリコン酸化膜の表面全体に、薄く
ＳｉＮ膜３３が形成される。接続孔２１および第２の溝
２３に形成されたＳｉＮ膜３３は、配線材料のバリヤ層
２５ｂおよびＳｉＮ層２６を構成する。

【００６４】続いて、ＰＶＤ等により、銅からなるシー
ド層を薄く形成した後、銅によるメッキ処理を行う。メ
ッキにより、接続孔２１および第２の溝２３の内部を銅
により完全に埋め込んだ後、ＣＭＰ（Chemical Mechani
cal Polishing）により、上面の不要な金属膜を除去す
る。これにより、図５（ｇ）に示すような、第１の配線
層１７および第２の配線層２４が、プラグ層２２によっ
て接続された２層配線が形成される。

【００６５】上記した一連の工程を所定回数繰り返すこ
とにより、２層以上の多層配線層を形成することができ
る。

【００６６】最後に、半導体装置１１の表面上にＣＶＤ
等により、銅の拡散を防ぐＳｉＮ膜２７を形成する。次
いで、図６（ｈ）に示すように、ＳｉＮ膜の上に、Ｓｉ
Ｏ_２、ＦＳＧ等からなるパッシベーション膜１５をＣＶ
Ｄ等により形成する。なお、さらに、パッシベーション
膜１５の上に、ＳｉＮ膜等の保護膜を形成してもよい。
このように、多層配線層上に保護層を形成し、半導体装
置１１の製造工程は終了する。

【００６７】以上説明したように、上記実施の形態の半
導体装置１１においては、配線材料の拡散を抑えるバリ
ヤ層２５を、ＲＬＳＡ型プラズマ処理装置１００を用い
た絶縁層の直接窒化により形成している。これにより、
微細な配線溝１６、２３および接続孔２１の側壁に、薄
くかつ剥離の起こりにくいバリヤ層２５が形成される。
さらに、バリヤ層２５は、絶縁層の直接窒化により形成
されるので、形成された膜による溝の閉塞等はなく、ア
スペクト比の高い溝にもバリヤ層２５を、埋め込み特性
を劣化させることなく形成することができる。

【００６８】また、同様に、エッチングストッパ膜であ
る、第１および第２のストッパ膜１９、２０を、ＲＬＳ
Ａ型プラズマ処理装置１００を用いて形成している。こ
れにより、薄くかつ剥離の起こりにくいストッパ膜を、
層間絶縁膜中に設けることができる。

【００６９】このように、バリヤ層２５と、第１および
第２ストッパ膜１９、２０とを、ＲＬＳＡ型プラズマ処
理装置１００を用いたシリコン系膜の直接窒化により形
成することにより、信頼性の高い半導体装置１１が得ら
れる。

【００７０】また、ＲＬＳＡ型プラズマ処理装置１００
では、室温〜６００℃という比較的低い温度で窒化処理
を行う。従って、生成するプラズマ中の活性種の電子温
度は１．５ｅＶ程度と低い。これにより、膜の表面への
ダメージが抑えるとともに、素子中の不純物の差異拡散
等による素子特性の劣化を防止しつつ、バリヤ層２５お
よびストッパ膜１９、２０の形成を行うことができる。
従って、素子特性の劣化が防止された、信頼性の高い半
導体装置１１が得られる。

【００７１】さらにまた、バリヤ層２５を、窒化タンタ
ル、窒化チタン等の金属材料ではなく、ＳｉＮから構成
している。これにより、バリヤ層２５形成時の、多孔質
シリコン酸化膜１３、１４中への金属前駆体（有機金属
等）の浸透は実質的になく、金属前駆体と、エッチング
時に絶縁膜内部に浸透していたエッチング残さ（フッ素
等）との反応は避けられる。これにより、バリヤ層２５
の破壊、低誘電率膜の劣化は防止され、半導体装置１１
の一層高い信頼性が得られる。

【００７２】本発明は、上記の実施の形態に限られず、
種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可
能な上記の実施の形態の変形態様について、説明する。

【００７３】上記実施の形態では、ＲＬＳＡ１１１およ
び導波路１１３は、銅板から構成されるものとした。こ
こで、ＲＬＳＡ１１１および導波路１１３を構成する材
料は、マイクロ波の伝搬ロスを抑えるため、導電率の高
いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ／Ｃｕメッキしたステンレススチー
ルなどを好適に用いることができる。

【００７４】また、本発明に用いられる環状導波路１１
３への導入口の向きは、環状導波路１１３内のマイクロ
波伝搬空間に効率よくマイクロ波を導入できるものであ
れば、Ｈ面Ｔ分岐や接線導入のようにＨ面に平行にマイ
クロ波を導入できる向き、又は、Ｅ面Ｔ分岐のようにＨ
面に垂直に導入できる向きでもよい。また、マイクロ波
の進行方向のスロット間隔は、管内波長の１／２もしく
は１／４が最適である。

【００７５】上記実施の形態では、２．４５ＧＨｚの波
長のマイクロ波を用いて、高密度プラズマを発生させる
ものとした。しかし、これに限らず、マイクロ波周波数
は、０．８ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲から適宜選択する
ことができる。

【００７６】上記実施の形態では、配線を構成する材料
として銅を用いるものとした。しかし、銅に限らず、ア
ルミニウム等の金属またはその合金を用いることができ
る。また、特に、プラグとして、タングステン等の高融
点金属を用いてもよい。

【００７７】上記実施の形態では、第１、第２および第
３絶縁層１２、１３、１４は、所定の多孔度を有する、
低誘電率シリコン膜から構成されるものとした。しか
し、これに限らず、本発明は、シリコンを主成分とす
る、特に、低誘電率を有する膜であれば、いかなる絶縁
膜にも用いることができる。例えば、ＦＳＧ（Fuluorin
ated Silicate Glass）、ＳｉＣ系膜、ＳｉＣＮ系膜、
ＳｉＯＣＨ系膜等の、シリコン系膜に本発明を適用する
ことができる。

【００７８】上記実施の形態において、シリコン酸化膜
の直接窒化は、Ｎ_２と、Ｈ_２と、Ａｒと、からなるの混
合ガスを用いるものとした。しかし、窒化には、他のガ
スを用いてもよい。例えば、Ｎ_２の代わりに、ＮＨ_３、
Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２等の窒素含有ガスを用い、また、
Ａｒの代わりに、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等の他の希ガスを用
いてもよい。しかし、活性化されたＡｒの有するエネル
ギーは、膜表面のダメージを防ぎつつ、シリコン（Ｓ
ｉ）を活性化可能な、ちょうどよいエネルギーであり、
好ましい。

【００７９】また、上記混合ガスの混合比も、上記のも
の（Ａｒ／Ｎ_２／Ｈ_２＝１０：１：１）に限らず、例え
ば、Ｎ_２、Ｈ_２の存在比をそれぞれ、０．０５〜５の範
囲内で変化させてもよい。さらに、ウェハ温度、反応圧
力等の反応条件に関しても、上記例に限らず、高品質の
ＳｉＮ膜が形成可能であれば、いかなるものであっても
よい。

【００８０】上記半導体装置１１において、第１および
第２のストッパ膜１９、２０をＲＬＳＡ型プラズマ処理
装置１００で形成せず、ＣＶＤ、ＰＶＤ等により形成し
てもよい。この場合、ストッパ膜１９、２０をＳｉＮ以
外のＳｉＣ、ＳｉＣＮ等で形成してもよい。しかし、バ
リヤ膜２５および第１および第２ストッパ膜１９、２０
を、同様にＲＬＳＡ型プラズマ処理装置１００で形成す
ることが生産性の点から望ましいことは勿論である。

【００８１】本発明に用いたＲＬＳＡ型プラズマ処理装
置１００は、ＣＶＤ装置、エッチング装置、シード層形
成用のスパッタ装置等と、組み合わせた、いわゆるクラ
スター装置として用いてもよい。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
信頼性の高い半導体装置およびその製造方法が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成
を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置
の構成を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかるＲＬＳＡの構成を
示す図である。

【図４】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造
工程を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造
工程を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造
工程を示す図である。

【図７】デュアルダマシン法の工程を示す図である。

【符号の説明】

１１半導体装置１２第１絶縁層１３第２絶縁層１４第３絶縁層１５パッシベーション膜１６、２３配線溝１７、２４配線層１８、２６、２７ＳｉＮ膜１９、２０ストッパ膜２１接続孔２２プラグ層２５バリヤ層１００プラズマ処理装置１０１チャンバ１０２載置台１０５ガス供給管１１０窓１１１ＲＬＳＡ１１１ａスロット１１２高周波電源部１１３導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/318 Ｈ０１Ｌ 21/90 Ｂ 21/3205 21/88 Ｍ (72)発明者尾▲崎▼ 成則東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 JJ01 JJ08 JJ09 JJ11 JJ19 KK08 KK09 KK11 MM01 MM02 MM12 MM13 MM15 NN05 NN07 PP14 PP27 PP28 PP33 QQ09 QQ10 QQ16 QQ25 QQ37 QQ48 QQ90 RR01 RR04 RR06 RR11 RR29 SS00 SS07 SS11 TT02 TT07 WW02 WW03 XX01 XX03 XX04 XX12 XX24 XX27 XX28 5F058 BA05 BC08 BD01 BD04 BD10 BD15 BF02 BF11 BF74 BH16 BJ02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一面側に溝を備えるとともに、前記溝の底
から他面側に貫通する孔を備え、シリコンを主成分とし
て構成される絶縁層を形成する工程と、窒素を含むガスのプラズマに、前記溝および前記孔の内
壁の表面を曝露し、前記溝および前記孔の内壁の表面領
域にシリコン窒化膜から構成されるバリヤ層を形成する
バリヤ層形成工程と、前記バリヤ層を介した、前記溝および前記孔の内側に、
導体材料からなる配線層を埋め込む工程と、を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記バリヤ層形成工程は、窒素を含むガス
のプラズマに、前記溝および前記孔の内壁の表面を曝露
することにより、前記溝および前記孔の表面領域を窒化
する工程を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記窒素を含むガスのプラズマは、窒素を
含むガスに複数のスリットを備える平面アンテナからマ
イクロ波を照射して生成する、ことを特徴とする請求項
１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記絶縁層は、多孔質の誘電体膜から構成
される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】シリコンを主成分として構成される第１の
絶縁層を形成する工程と、窒素を含むガスのプラズマに、前記第１の絶縁層の表面
を曝露し、前記第１の絶縁層の表面領域にシリコン窒化
膜から構成されるストッパ膜を形成する工程と、前記ストッパ膜上に第２の絶縁層を形成する工程と、前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通する貫
通孔を形成する工程と、前記ストッパ膜をエッチングのストッパとして、前記第
２の絶縁層に、前記貫通孔と重なる孔または溝を形成す
る工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記ストッパ膜を形成する工程は、窒素を
含むガスのプラズマに、前記第１の絶縁層の表面を曝露
することにより、前記第１の絶縁層の表面領域を窒化す
る工程を備える、ことを特徴とする請求項５に記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項７】前記窒素を含むガスのプラズマは、窒素を
含むガスに複数のスリットを備える平面アンテナからマ
イクロ波を照射して生成する、ことを特徴とする請求項
５または６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第１および第２の絶縁層は、多孔質の
誘電体膜から構成される、ことを特徴とする請求項５乃
至７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記導体材料として、銅を主成分として材
料を用いる、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
か１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記ガスとして、さらに、水素を含むガ
スを用いる、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれ
か１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記バリヤ層の形成を、室温〜６００℃
の温度で行う、ことを特徴とする請求項１乃至４のいず
れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】前記バリヤ層を、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚
さで形成する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいず
れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】前記ストッパ膜を、１ｎｍ〜２０ｎｍの
厚さで形成する、ことを特徴とする請求項５乃至７のい
ずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】一面側に溝を備えるとともに、前記溝の
底部から他面側に貫通する孔を備え、シリコンを主成分
として構成される絶縁層と、前記溝および前記孔に埋め込まれた、導体材料からなる
配線層と、前記絶縁層と前記配線層との界面に設けられ、前記導体
材料の前記絶縁層への拡散を防ぐ、シリコン窒化膜から
構成されるバリヤ層と、を備える、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】一面側に溝を備えるとともに、前記溝の
底部から他面側に貫通する孔を備え、シリコン主成分と
して構成される絶縁層と、前記溝および前記孔に埋め込まれた、導体材料からなる
配線層と、前記絶縁層と前記配線層との界面に設けられ、前記導体
材料の前記絶縁層への拡散を防ぐバリヤ層と、を備え、前記バリヤ層は、窒素を含むガスに、複数のスリットを
備える平面アンテナからマイクロ波を照射して生成した
プラズマに、前記絶縁層の表面を曝露し、前記絶縁層の
表面領域にシリコン窒化膜を形成することにより形成さ
れる、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】貫通孔を備え、シリコンを主成分として
構成される第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に設けられ、前記貫通孔と重なる開
口を備えるストッパ膜と、前記ストッパ膜上に設けられ、前記開口と重なるととも
に前記開口よりも大径の孔または溝を備える第２の絶縁
層と、を備え、前記ストッパ膜は、窒素を含むガスに、複数のスリット
を備える平面アンテナからマイクロ波を照射して生成し
たプラズマに、前記第１の絶縁層の一面を曝露し、前記
第１の絶縁層の表面領域にシリコン窒化膜を形成するこ
とにより形成される、ことを特徴とする半導体装置。