JP2006351769A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボラジン系化合物の絶縁膜を用いて、絶縁材料と配線材料との間の密着性や、機械強度等の特性が向上された半導体装置およびその製造方法を提供すること
【解決手段】 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層上に形成された第３の絶縁層と、第２の絶縁層と第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、層間の絶縁膜にボラジン系化合物を用いて、当該絶縁膜と、配線層、導体核酸防止層などの隣接層との密着性が向上された半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、半導体集積回路の高集積化にともない、配線間隔が縮小し、配線間の寄生容量が増大してきている。最先端の高速動作が必要な半導体集積回路では信号遅延を回避するため、この配線間寄生容量の低減が必要である。また、信号遅延を回避するためには配線材料の低抵抗化も同時に行う必要がある。半導体集積回路にはこれまでアルミニウム等が使用されてきたが、より抵抗値の低い銅が使用されるようになってきている。また、配線間寄生容量の低減には、配線間絶縁膜の比誘電率を低減させる方法が用いられている。

しかしながら、例えば９０ｎｍ世代で用いられる炭素含有シリコン酸化膜は比誘電率２．８前後の膜であり、硬度およびヤング率がそれぞれ１．８ＧＰａおよび１４ＧＰａであって、従来用いられてきたシリコン酸化膜の硬度およびヤング率である１０ＧＰａおよび８０ＧＰａに比べ非常に低い値となっており、機械的強度が弱いといった欠点が指摘されている。そのため、金属配線形成時のＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程やアセンブリ時のワイヤボンディング工程において、膜はがれやクラックの形成といった問題の発生が懸念されている。

さらに６５ｎｍ、４５ｎｍ世代での適用が予想されている比誘電率２．２前後の膜では、硬度およびヤング率がそれぞれ０．６ＧＰａおよび６ＧＰａとさらに低い値となることが予想される。

しかしながら、上述のように配線遅延の配線材料に銅が使用されるようになってきているが、半導体装置の微細化にともない、配線内に蓄積する電荷密度が上昇し、局所的な電流および熱ストレスの集中によるエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションが発生し、配線信頼性不良の原因となることが懸念される。このため、絶縁材料と配線材料間の密着性をより向上させておく必要がある。

ところで、下記特許文献では、Ｂ−Ｃ−Ｎ結合を含む層間絶縁膜を形成する方法が開示されており、低誘電率で高機械強度かつ高接着強度の膜の成膜が可能となっている。その成膜は下記化学式（１）で示されるボラジン骨格を有した化合物を単独または複合して原料として用い、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により成膜するものであり、硬度およびヤング率がそれぞれ２．０ＧＰａおよび４０ＧＰａと高い値が実現可能である。

（上式中、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子、アミノ基、炭素数１〜４のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、モノアルキルアミノ基またはジアルキルアミノ基、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｙ_３は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基または炭素数３〜１２のトリアルキルシリル基で、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｙ_１、Ｙ_２およびＹ_３の全てが水素原子ではない。）
特開２００４−１８６６４９号公報

本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ボラジン系化合物の絶縁膜を用いて、絶縁材料と配線材料との間の密着性や、機械強度等の特性が向上された半導体装置およびその製造方法を提供することである。

本発明の１つの局面によれば、凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層上に形成された第３の絶縁層と、第２の絶縁層と第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明の別の局面によれば、凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層の凹部に埋め込まれた第２の導体層と、第２の導体層と第２の絶縁層との間に形成された第３の絶縁層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明のさらに別の局面によれば、凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層とエッチングストッパー層との間に形成された第３の絶縁層と、第２の絶縁層と第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明のさらに別の局面によれば、凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層の凹部に埋め込まれた第２の導体層と、第２の絶縁層上、および第２の絶縁層とエッチングストッパー層および第２の導体層との間に形成された第３の絶縁層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明のさらに別の局面によれば、凹部に導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層上および第２の絶縁層とエッチングストッパー層との間に形成された第３の絶縁層と、第２の絶縁層と第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた導体層と、を含む半導体装置であって、第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする半導体装置が提供される。

好ましくは、第２の導体層の外周に、導体拡散防止層が形成されている。
本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかの半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、分子中の炭素含有量に差異のある原料を用いることにより、第３の絶縁層および第２の絶縁層の炭素含有率を調節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。

本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかの半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、炭素を含むガスを添加して、前記絶縁層中の炭素含有量を調節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。

本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかの半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、プラズマ化したガス中で第２の絶縁層表面を処理することにより絶縁膜中の炭素含有率を調整して第３の絶縁層を形成することにより、絶縁層中の炭素含有率を調節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。

本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法で形成される絶縁材料は誘電率が２．５以下と低いため、高速動作が必要な半導体集積回路求められる信号遅延を回避するための配線間寄生容量の低減に有効である。

また、当該絶縁膜のヤング率は２０ＧＰａ以上であり、同等の誘電率が得られる酸化炭化シリコン系絶縁材料に比べて機械強度に優れるため、ＣＭＰ工程やパッケージング工程において、多層配線構造部分に強い応力がかかる工程において層間剥離や絶縁膜の割れなどの不具合を起こしにくくすることが可能である。

また、絶縁膜中の炭素含有率を小さくすることにより、これに隣接するエッチストッパ層、ハードマスク層、導体層、導体拡散防止層との密着性を向上することができる。

（実施形態１）
本発明の半導体装置は、凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に形成された第３の絶縁層と、該第２の絶縁層と該第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする。

上記本発明の半導体装置によれば、第２および第３の絶縁膜が炭素含有ボラジン化合物を用いて化学的気相反応成長法で形成されているので配線間寄生容量を低減することができ、また機械強度に優れ、密着性を向上させることができる。

特に、当該第２および第３の絶縁膜の密着性を向上させることができる点で優れている。密着性を向上させることができる理由として、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８巻、１４２８頁、（１９９９年）には、絶縁材料中の炭素含有率の増加が表面エネルギーの低下をもたらすことが記載されているが、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法で形成される絶縁材料には膜中に炭素が含まれているため、これらの含有量を調節することにより、密着性を向上させることができる。

ここで、本発明の半導体装置について図１を用いて説明する。図１は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図１において、本発明の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４上に形成された第３の絶縁層７と、該第２の絶縁層４と該第３の絶縁層７との凹部に埋め込まれた第２の導体層５とを備え、必要に応じて、キャップ層８が設けられる。

ここで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層７の炭素含有率が、前記第２の絶縁層４の炭素含有率よりも小さい。これにより、密着性を向上させることができる。

次いで、図１の構造の半導体装置の製造方法について説明する。まず、当該分野で公知の方法により第１の絶縁層１の凹部中に第１の導体層２を埋め込む。次いで、当該第１の絶縁層１上に当該分野で公知の方法により、エッチングストッパー層３を形成する。

その後、エッチングストッパー層３上に、炭素含有ボラジン化合物を原料として、化学的気相反応成長法（以下、ＣＶＤ）により、第２の絶縁膜４を形成する。次いで、同様に炭素含有ボラジン化合物を用いてＣＶＤにより第３の絶縁膜７を第２の絶縁膜４上に形成する。ここで、第２の絶縁膜４に用いる炭素含有ボラジン化合物中の炭素含有率は、第３の絶縁膜７に用いる炭素含有ボラジン化合物中の炭素含有率より大きい。

次いで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７中にフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、金属配線パターンを形成し、ＣＭＰ法により第２の導体層５を形成する。次いで、第３の絶縁層７上にキャップ層８を形成し、図１の半導体装置を製造することができる。

本発明において、半導体装置の絶縁膜を形成するに際し用いる炭素含有ボラジン化合物は、化学式（１）で示される構造を有する。

（上式中、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子、アミノ基、炭素数１〜４のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、モノアルキルアミノ基またはジアルキルアミノ基、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｙ_３は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基または炭素数３〜１２のトリアルキルシリル基で、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｙ_１、Ｙ_２およびＹ_３の全てが水素原子ではない。）
ここで、化学式（１）で示される化合物としては、ボラジン（Ｂ_３Ｎ_３Ｈ_６）中水素のうち少なくとも一つは炭素を含んだ基で置換されているものを用いることができる。具体的にはＢ，Ｂ，Ｂ−トリメチルボラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエチルボラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリエチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリプロピルボラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリプロピルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリブチルボラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリブチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエチル−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリプロピル−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエテニルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエテニル−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエチニルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリエチニル−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリアミノボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリアミノ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリスメチルアミノボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリスメチルアミノ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリスジメチルアミノボラジン、Ｂ，Ｂ，Ｂ−トリスジメチルアミノ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジン等を用いることができる。これらは単独で用いても混合させて用いても良い。

本発明において、上記ボラジン化合物を用いて第２および第３の絶縁膜を形成するに際し、当該ボラジン化合物を気化させて、真空チャンバ内に輸送して成膜することができる。成膜の方法としては、熱、紫外線、電子線やプラズマ場等をボラジン化合物の活性化方法として用いて成膜することができる。特にプラズマ場を利用してボラジン化合物を活性化させるために、ヘリウム、アルゴン、窒素、酸素、水素、一酸化窒素、アンモニア、二酸化炭素、メタン、アセチレン等のガスを併用して成膜することができる。

本発明において、第３の絶縁層の炭素含有率を、第２の絶縁層よりも少なくするためには、第３の絶縁層を形成するに際し、第２の絶縁層を形成する際に用いたボラジン化合物よりも分子中の炭素原子数が少ないボラジン化合物を用いる方法、第２の絶縁層をボラジン化合物と同時に二酸化炭素、メタン、アセチレンなどの炭素原子を含んだガスを添加して膜を形成しておき、第３の絶縁層を形成する際には同一のボラジン化合物を用いるが炭素を含んだ上記ガスを添加せずに膜を形成する方法、あるいは第２の絶縁層を形成した後、酸素、窒素、一酸化窒素、アンモニア等のプラズマガスで表面処理を行う方法により形成することができる。

第２の絶縁層は誘電率、機械強度他の特性を鑑みて組成が決定されるが、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）法から求められる炭素含有率は元素比で５〜４０％である。これに対して第２の絶縁層よりも炭素含有量の少ない第３の絶縁層の炭素含有量は１〜３５％、望ましくは２〜３０％であることが望ましい。

本発明の半導体装置に関して、その大きさについては特に制限されるものではないが炭素成分の少ない第３の絶縁層の厚さは第２の絶縁層に対して２割以下であることが望ましい。たとえば配線間隔１００ｎｍの配線構造を例にとるならば第２および第３の絶縁層を含む絶縁層厚さは約３５０ｎｍであり、このときの第３の絶縁層厚さは５〜５０ｎｍの範囲であることが望ましい。５ｎｍ以下であると一部において第３の絶縁層が形成されていない部分が存在し、層間剥離等の不具合を起こす可能性があり、５０ｎｍ以上であると絶縁層全体の誘電率が上昇してしまうためである。

また第２の絶縁層と第３の絶縁層の炭素成分が連続的に変化させた構造をしていてもよい。連続的に炭素成分を変化させるためには、ＣＶＤ原料である炭素を含むボラジン化合物分子中の炭素成分の異なる原料を用いて連続的にその供給量を変化させることにより達成することができる。

次に、図１の構造の半導体装置の製造方法について具体例を挙げて説明する。エッチングストップ法を形成するまでについては上述のとおりである。まず、第２の絶縁層を形成するに際して用いる炭素含有ボラジン化合物の一例として、Ｂ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料とし、ＣＶＤ法により第２の絶縁層を形成する。

次いで、ボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第３の絶縁層を形成する。これら絶縁層中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。その後、導体層として銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた導体層を形成する。次にＳｉＣ膜をキャップ層として成膜して図１に示される配線構造を形成する。

ここで、炭素を含むボラジン化合物を原料としてＣＶＤ法により形成される第２の絶縁膜の形成方法についてさらに詳しく示す。プラズマＣＶＤを用いた場合、キャリアガスとしてヘリウムガスを用いて、Ｂ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを加熱された導入管を通じて基板が置かれた反応容器中に導入する。反応容器中は周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦを２００Ｗで稼動させて反応ガスをプラズマ化させる。基板温度を３００℃に加熱し、Ｂ，Ｂ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンの蒸気温度は１５０℃とすることにより誘電率２．２１、硬度４．３ＧＰａ、ヤング率３５ＧＰａの膜の成膜が可能となる。

さらに第３の絶縁膜はＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料とする以外は第２の絶縁膜と同様の方法で作成できる。ここで得られた第３の絶縁膜は誘電率２．３１、硬度３．１ＧＰａ、ヤング率２９ＧＰａであった。これら第２および第３の絶縁膜中の炭素含有率をＸＰＳで求めたところそれぞれ３２％、２５％であった。このことから本発明の半導体装置は密着性に優れ、層間剥離等の配線信頼性を劣化させる不具合を生じ難くなる。

ここではキャップ層としてＳｉＣを使用したが、この他にＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣなどを使用することができる。

本発明において、必要に応じてこれらの工程を繰り返すことにより、多層配線を形成する。これにより低誘電率の絶縁材料を配線構造に使用した配線構造が形成できる。この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層とキャップ層の密着性が高いために、ＣＰＭ工程やワイヤボンディング工程などで配線構造に強い応力が掛かる工程でも絶縁層内の破壊や層間の剥離が生じにくくなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

また、図１の半導体装置の製造方法の別の具体例について説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３上に、炭素含有ボラジン化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。次に第２の絶縁層４の表面を酸素プラズマで処理することにより第２の絶縁層４の上に第３の絶縁層７を形成する。これら第２および第３の絶縁膜中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。その後、第２の導体層５として銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた導体層を形成する。次にＳｉＯ_２膜をキャップ層８として成膜して図２に示される配線構造を形成する。

ここで第３の絶縁層７を形成するためには、窒素、酸素、一酸化窒素等のガスを１３．５６ＭＨｚのＲＦを５０Ｗから３００Ｗの間で稼動させて、ガスをプラズマ化して、これを第２の絶縁膜４の側壁を処理することで形成することが可能である。プラズマガスに酸素を用いて２００Ｗで１分間処理した場合、処理前後での膜中炭素含有率は３２％から１１％まで低下した。このことから本発明の半導体装置は密着性に優れ、層間剥離等の配線信頼性を劣化させる不具合を生じ難くなる。

（実施形態２）
次に、図２に示す構造の半導体装置について説明する。図２は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図２の半導体装置は、第２の導体層５の外周に第３の絶縁層が形成されている以外は、図１の半導体装置と同一である。

すなわち、図２に示す構造の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層１と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４の凹部に埋め込まれた第２の導体層５と、該第２の導体層５と前記第２の絶縁層４との間に形成された第３の絶縁層７と、を含む。

ここで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層７の炭素含有率が、第２の絶縁層４の炭素含有率よりも小さい。

次いで、図２の半導体装置の製造方法の具体例について説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３上に、炭素含有化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。第２の絶縁膜４中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。第２の絶縁膜４のドライエッチング後、フォトレジストを剥離する前にドラエッチングにより形成された凹部の側壁を酸素プラズマで処理することにより第２の絶縁層４と第２の絶縁層４中に埋め込まれる第２の導体層５との間に第３の絶縁層７を形成することができる。

その後、第２の導体層５を形成するために、銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた第２の導体層５を形成する。次にＳｉＯ_２膜をキャップ層として成膜して図２に示される配線構造を形成する。

ここで第３の絶縁層を形成するためには、実施の形態２で示された第３の絶縁層を形成するのと同様の方法で形成することが可能である。ここではプラズマガスに窒素を用いて３００Ｗで１分間処理した場合、処理前後での膜中炭素含有率は３２％から１８％まで低下することをＸＰＳ分析により確認した。このことから本発明の半導体装置は密着性に優れ、層間剥離等の配線信頼性を劣化させる不具合を生じ難くなる。

必要に応じてこれらの工程を繰り返すことにより、多層配線を形成する。これにより低誘電率の絶縁材料を配線構造に使用した配線構造が形成できる。この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層と導体層の密着性が高いために、銅が熱や電流集中によって拡散し難くなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

（実施形態３）
次に、図３に示す構造の半導体装置について説明する。図３は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図３の半導体装置は、第２の導体層５がエッチングストップ層３上に形成されている以外は、図１の半導体装置と同一である。

すなわち、図３に示す構造の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層１と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４と前記エッチングストッパー層３との間に形成された第３の絶縁層７と、該第２の絶縁層４と該第３の絶縁層７との凹部に埋め込まれた第２の導体層５と、を含む。

ここで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層７の炭素含有率が、第２の絶縁層４の炭素含有率よりも小さい。

次いで、図３の半導体装置の製造方法の具体例について説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３上に、炭素含有ボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第３の絶縁層７を形成する。次いでボラジン化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。

これら層中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。その後、第２の導体層５として銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた第２の導体層５を形成する。次にＳｉＣ膜をキャップ層８として成膜して図３に示される配線構造を形成する。

この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層とキャップ層の密着性が高いために、ＣＰＭ工程やワイヤボンディング工程などで配線構造に強い応力が掛かる工程でも絶縁層内の破壊や層間の剥離が生じにくくなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

（実施形態４）
次に、図４に示す構造の半導体装置について説明する。図４は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図４の半導体装置は、第２の導体層５の構造が図１〜図３を組み合わせた構造である。

すなわち、図４に示す構造の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層１と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４の凹部に埋め込まれた第２の導体層５と、該第２の絶縁層５上、および該第２の絶縁層５と前記エッチングストッパー層４および第２の導体層４との間に形成された第３の絶縁層７と、を含む。

ここで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層７の炭素含有率が、第２の絶縁層４の炭素含有率よりも小さい。

次いで、図４の半導体装置の製造方法の具体例について説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層４上に炭素を含むボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法にり第３の絶縁層７を形成する。次いでボラジン化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。これら層中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチングにより形成する。第２および第３の絶縁膜中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。絶縁膜のドライエッチング後、フォトレジストを剥離する前にドラエッチングにより形成された凹部の側壁を酸素プラズマで処理することにより第２の絶縁層４と第２の絶縁層４中に埋め込まれる第２の導体層５との間に第３の絶縁層７を形成することができる。

その後、第２の導体層を形成するための銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた第２の導体層５を形成する。次にＳｉＣ膜をキャップ層８として成膜して図４に示される配線構造を形成する。

この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層とキャップ層の密着性が高いために、ＣＰＭ工程やワイヤボンディング工程などで配線構造に強い応力が掛かる工程でも絶縁層内の破壊や層間の剥離が生じにくくなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

（実施形態５）
次に、図５に示す構造の半導体装置について説明する。図５は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図５の半導体装置は、第２の導体層５の構造が図１および図３を組み合わせた構造である。

すなわち、図５に示す構造の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層１と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４上および該第２の絶縁層４と前記エッチングストッパー層３との間に形成された第３の絶縁層７と、該第２の絶縁層４と該第３の絶縁層７との凹部に埋め込まれた第２の導体層５と、を含む。

ここで、第２の絶縁層４および第３の絶縁層７は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、第３の絶縁層７の炭素含有率が、第２の絶縁層４の炭素含有率よりも小さい。

次いで、図５の半導体装置の製造方法について具体的に説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３上に、炭素含有ボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第３の絶縁層７を形成する。

次いでボラジン化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。さらにこの上に再びボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第３の絶縁層７を形成する。これら層中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。

その後、第２の導体層５形成するための銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた導体層を形成する。次にＳｉＣ膜をキャップ層８として成膜して図５に示される配線構造を形成する。

この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層とキャップ層の密着性が高いために、ＣＰＭ工程やワイヤボンディング工程などで配線構造に強い応力が掛かる工程でも絶縁層内の破壊や層間の剥離が生じにくくなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

（実施形態６）
次に、図６に示す構造の半導体装置について説明する。図６は、本発明の半導体装置の概略断面図である。図６の半導体装置は、第２の導体層５の周囲に導体拡散層６が形成されている以外は、図１と同一である。

すなわち、図６に示す構造の半導体装置は、凹部に第１の導体層２が埋め込まれた第１の絶縁層１と、該第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３と、該エッチングストッパー層３上に形成された第２の絶縁層４と、該第２の絶縁層４上に形成された第３の絶縁層７と、該第２の絶縁層４と該第３の絶縁層７との凹部に埋め込まれた第２の導体層５と、第２の導体層５の周囲に形成された導体拡散層６を含む。

次いで、図６の半導体装置の製造方法の具体例について説明する。まず、凹部が第１の導体層２で埋められている第１の絶縁層１上に形成されたエッチングストッパー層３上に炭素含有ボラジン化合物の一例としてＢ，Ｂ，Ｂ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−ヘキサメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第２の絶縁層４を形成する。

次いでボラジン化合物の一例としてＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルボラジンを原料としてＣＶＤ法により第３の絶縁層７を形成する。これら層中に金属配線パターンをフォトリソグラフィー法とドライエッチング法により形成する。その後、導体拡散防止層６としてＴａを形成した後、さらに第２の導体層を形成するために銅を成膜した後、ＣＭＰ法により第２および第３の絶縁膜に埋め込まれた第２の導体層５を形成する。次にＳｉＣ膜をキャップ層８として成膜して図６に示される配線構造を形成する。

ここでは導体拡散防止層としてＴａを使用したが、その他にＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ等を使用することができる。なお、この導体拡散防止層の厚さはたとえば５ｎｍである。

他に上記実施の形態１から６に記載の方法を用い、導体層を形成する前に導体拡散防止層を設ける工程を入れることにより図７から１０に示される配線構造を形成することができる。すなわち、図７は、図２の半導体装置の第２の導体層４の外周に導体拡散防止層６を設けた構造であり、図８は、図３の半導体装置の第２の導体層４の外周に導体拡散防止層６を設けた構造であり、図９は、図４の半導体装置の第２の導体層４の外周に導体拡散防止層６を設けた構造であり、図１０は、図５の半導体装置の第２の導体層４の外周に導体拡散防止層６を設けた構造である。

この配線構造は高い機械強度を有する絶縁膜を使用していると同時に絶縁層とキャップ層および導体層との密着性が高いために、ＣＰＭ工程やワイヤボンディング工程などで配線構造に強い応力が掛かる工程でも絶縁層内の破壊や層間の剥離が生じにくくなるため、配線信頼性の劣化のない半導体装置となる。

今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 第１の絶縁層、２ 第１の導体層、３ エッチングストッパー層、４ 第２の絶縁層、５ 第２の導体層、６ 導体拡散防止層、７ 第３の絶縁層、８ キャップ層。

Claims (9)

1. 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に形成された第３の絶縁層と、該第２の絶縁層と該第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、
   前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、
   前記第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
2. 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層の凹部に埋め込まれた第２の導体層と、該第２の導体層と前記第２の絶縁層との間に形成された第３の絶縁層と、を含む半導体装置であって、
   前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、
   前記第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
3. 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層と前記エッチングストッパー層との間に形成された第３の絶縁層と、該第２の絶縁層と該第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、
   前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、
   前記第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
4. 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層の凹部に埋め込まれた第２の導体層と、該第２の絶縁層上、および該第２の絶縁層と前記エッチングストッパー層および第２の導体層との間に形成された第３の絶縁層と、を含む半導体装置であって、
   前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、
   前記第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
5. 凹部に第１の導体層が埋め込まれた第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成されたエッチングストッパー層と、該エッチングストッパー層上に形成された第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上および該第２の絶縁層と前記エッチングストッパー層との間に形成された第３の絶縁層と、該第２の絶縁層と該第３の絶縁層との凹部に埋め込まれた第２の導体層と、を含む半導体装置であって、
   前記第２の絶縁層および第３の絶縁層は、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法によって形成され、
   前記第３の絶縁層の炭素含有率が、前記第２の絶縁層の炭素含有率よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
6. 前記第２の導体層の外周に、導体拡散防止層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、分子中の炭素含有量に差異のある原料を用いることにより、前記第３の絶縁層および前記第２の絶縁層の炭素含有率を調節することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、炭素を含むガスを添加して、前記絶縁層中の炭素含有量を調節することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
9. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、炭素含有ボラジン化合物を原料として化学的気相反応成長法により第２の絶縁層および第３の絶縁層を形成する工程において、プラズマ化したガス中で第２の絶縁層表面を処理することにより絶縁膜中の炭素含有率を調整して第３の絶縁層を形成することにより、前記絶縁膜中の炭素含有率を調節することを特徴とする、半導体装置の製造方法。

Images