JP4492949B2

JP4492949B2 - 電子デバイスの製造方法

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Publication number: JP4492949B2
Application number: JP2004317717A
Authority: JP
Inventors: 栄一曽田; 均石森
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-11-01
Also published as: US20060094221A1; US7541281B2; JP2006128541A

Description

本発明は、電子デバイスの製造方法に係り、詳しくは、層間絶縁膜に設けた溝に配線材料膜を埋設するデュアルダマシン配線の形成に適用して有効な技術に関する。

近年、半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部における配線抵抗と配線間の寄生容量に起因する信号伝搬速度の低下による伝送遅延が問題となってきている。こうした問題は、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅および配線間隔の微細化につれて配線抵抗が上昇し且つ寄生容量が増大するので、益々顕著となる傾向にある。そこで、配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来のアルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われると共に、層間絶縁膜に低誘電率膜（以下、Ｌｏｗ−ｋ膜ともいう）を用いることが試みられてきた。ここで、低誘電率膜とは二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜の比誘電率３．９以下の絶縁膜のことである。

上記銅配線の形成方法として（シングル）ダマシン法によるものがある。これは、銅（Ｃｕ）がアルミニウム（Ａｌ）に比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅はエッチングせずに配線を形成する技術、すなわち層間絶縁膜に配線用溝（トレンチ）あるいは接続孔（ビアホール）をドライエッチングにより形成し、このトレンチあるいはビアホールに銅あるいは銅合金を埋め込むダマシン配線（溝配線）技術である。

そして、上記トレンチとビアホールとが互いに連結した溝（デュアルダマシン配線用溝）を上記層間絶縁膜に設けた後、このトレンチおよびビアホールに配線材料膜を一体にして埋め込む、いわゆるデュアルダマシン配線技術は、特に精力的にその実用化に向けた種々の形成方法が行われている（例えば、特許文献１参照）。このデュアルダマシン配線の形成方法は、上記デュアルダマシン配線用溝の形成方法の違いにより、ビアファースト方法、トレンチファースト方法、デュアルハードマスク方法に大別される。ここで、ビアファースト方法とトレンチファースト方法は共にレジストマスクを用いた層間絶縁膜のドライエッチングによりデュアルダマシン配線用溝を形成するものである。そして、ビアファースト方法では、初めにビアホールを形成した後でトレンチを形成し、トレンチファースト方法では、その逆でトレンチを形成後にビアホールを形成する。これに対して、上記デュアルハードマスク方法は、ハードマスクを用いた層間絶縁膜のドライエッチングにより一括してデュアルダマシン配線用溝を形成するものである。

上記デュアルダマシン配線技術の中で、上記ビアファースト方法は、他の方法に比べて次のような利点を有する。すなわち、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程においてシングルダマシン法との互換性が高く転用し易く、またダマシン配線間のリーク電流の低減が容易になる等である。このために、最近では、上記ビアファースト方法について幅広くその実用化検討がなされている。

以下、上記ビアファースト方法について図５乃至７を参照して説明する。ここで、図５〜７は上記方法でデュアルダマシン配線を形成する場合の工程別素子断面図である。

先ず、図５（ａ）に示すように、銅配線である下層配線１０１の上に絶縁性バリア層として炭化シリコン（ＳｉＣ）膜あるいは炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で成るビアエッチストッパー層１０２を成膜する。そして、この上に第１低誘電率膜１０３、トレンチエッチストッパー層１０４、第２低誘電率膜１０５およびキャップ層１０６を積層して形成する。ここで、第１低誘電率膜１０３および第２低誘電率膜１０５はＬｏｗ−ｋ膜で構成される。Ｌｏｗ−ｋ膜は、比誘電率が３以下になる、例えば化学気相成長（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）法により成膜する炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）、塗布法を用いて形成しその膜組成が例えば［ＣＨ₃ ＳｉＯ_3/2 ］ｎとなるメチルシルセスキオキサン(ＭＳＱ：Methyl Silsesquioxane)膜等である。あるいは、比誘電率を２．５以下に低減させる場合には、例えば多孔質のＭＳＱ膜（ｐ−ＭＳＱ膜）のように多孔質化した絶縁膜が使用される。そして、トレンチエッチストッパー層１０４は、少なくとも第２低誘電率膜１０５およびビアエッチストッパー層１０２とは異種の絶縁膜であって、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜あるいは窒化シリコン（ＳｉＮ）膜等が使用され、キャップ層１０６にはＳｉＯ_２膜等が用いられるが、このキャップ層１０６は必須のものではない。このようにして、ビアエッチストッパー層１０２、第１低誘電率膜１０３、トレンチエッチストッパー層１０４、第２低誘電率膜１０５、キャップ層１０６から成る層間絶縁膜が形成される。

次に、フォトリソグラフィ技術により、キャップ層１０６表面に第１反射防止膜１０７とビア開口１０８を有する第１レジストマスク１０９を形成し、図５（ｂ）に示すように、第１レジストマスク１０９をドライエッチングのマスクにした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、第１反射防止膜１０７、キャップ層１０６、第２低誘電率膜１０５、トレンチエッチストッパー層１０４、第１低誘電率膜１０３を順次にドライエッチングしビアホール１１０を形成する。ここで、ビアエッチストッパー層１０２はエッチングしない。

次に、第１レジストマスク１０９および第１反射防止膜１０７をアッシング除去し化学薬液での洗浄処理を施し、図５（ｃ）に示すように、層間絶縁膜のビアエッチストッパー層１０２表面まで貫通したビアホール１１０が形成される。
そして、図６（ａ）に示すように、スピン塗布法によりビアホール１１０を埋設するように樹脂膜１１１を形成し、１００〜２２５℃の温度で熱処理を施し樹脂膜１１１をキュアーする。ここで、樹脂膜１１１には例えばノボラック型フェノール樹脂等が用いられる。

次に、図６（ｂ）に示すように、キャップ層１０６表面にある樹脂膜１１１をエッチバックで除去し、ビアホール１１０を充填するようにダミープラグ１１２を形成する。このエッチバックは、酸素（Ｏ_２）ガスあるいはその混合ガスをプラズマ励起したものをエッチングガスとしたドライエッチングにより行う。ここで、通常ではアルゴン（Ａｒ）ガスあるいはＣＦ_４、ＣＨＦ_３等のフルオロカーボンガスが上記Ｏ_２ガスに添加され混合される。

次に、図６（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術により、キャップ層１０６表面およびダミープラグ１１２を被覆するように第２反射防止膜１１３とトレンチ開口１１４を有する第２レジストマスク１１５を形成する。そして、図７（ａ）に示すように、第２レジストマスク１１５をドライエッチングのマスクにしたＲＩＥにより、第２反射防止膜１１３、キャップ層１０６、第２低誘電率膜１０５を順次にドライエッチングし、配線パターン状のトレンチ１１６を形成する。ここで、ダミープラグ１１２はビアエッチストッパー層１０２を上記ＲＩＥから保護し、トレンチエッチストッパー層１０４は上記ＲＩＥに対する第１低誘電率膜１０３の保護マスクになる。

次に、第２レジストマスク１１５、第２反射防止膜１１３およびダミープラグ１１２をアッシング除去し、キャップ層１０６をハードマスクにしたドライエッチングにおいて、エッチングの原料ガス（エッチング用ガス）としてＣＨＦ₃／Ａｒ／Ｎ_２混合ガス、ＣＦ₄／Ａｒ／Ｎ_２混合ガスなどを用いプラズマ励起してビアエッチストッパー層１０２をドライエッチングし、下層配線１０１表面に達するデュアルダマシン配線用溝１１７を形成する。そして、化学薬液での洗浄処理を施す。

次に、図７（ｃ）に示すように、スパッタ法等によるタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタルの成膜およびＣｕシード形成、そしてＣｕメッキ成膜を行って配線材料膜を形成した後、化学機械研磨（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing）法によりキャップ層１０６表面の不要部分の配線材料膜を研磨除去する。このようにして、上記デュアルダマシン配線用溝１１７内に、下層配線１０１に接続するバリア層１１８と共にデュアルダマシン配線１１９を形成する。
特開２００４−１１１９５０号公報

しかしながら、従来の技術では樹脂膜１１１のエッチバックの工程において、少なくとも酸素を含むガスをプラズマ励起し上記樹脂膜１１１をドライエッチングしている。この場合には、図６（ｂ）に示すように、ビアホール１１０の側壁部の樹脂膜のエッチングが進行し易く、エッチバック後のダミープラグ１１２には突起部１１２ａが形成されるようになる。

この現象について図８を用いて更に説明する。ここで、図８は試験用に作製したＴＥＧ（Test of Experimental Ｇroup）のＳＥＭ写真である。図８において図６に対応する箇所は同一符号を付し、エッチバック工程では、図８（ａ）が図６（ａ）に図８（ｃ）が図６（ｂ）にそれぞれ対応している。そして、図８（ｂ）はエッチバック工程のエッチング途中（中間）の状態であり、キャップ層１０６表面には樹脂膜１１１が残存している。図８（ｂ）に示すように、酸素を含むガス（Ｏ_２／Ａｒ混合ガス）をプラズマ励起しそれをエッチングガスとしたエッチバックでは、エッチバックの工程において、樹脂膜１１１の表面荒れが生じ易くエッチバックの均一性が悪くなる。また、図８（ｃ）に示すようにビアホール１１０の側壁部の樹脂膜がエッチングされ易く、上述した突起部１１２ａが形成されるようになる。

このように、エッチバック工程において、上述したような突起部１１２ａが形成されると、この領域において、図６（ｃ）で説明した第２反射防止膜１１３が均一に形成できなくなり、その膜厚に大きなバラツキが生じて反射防止効果にムラが発生する。そして、フォトリソグラフィ工程において形成するトレンチ開口１１４のパターン寸法にバラツキが生じてくる。また、一定の配線ピッチで形成されトレンチ開口１１４を有するレジストパターンのパターン倒れが生じる。これらの問題は、ダマシン配線の寸法が微細化すると更に顕著になってくる。

また、エッチバックにおいて樹脂膜の表面荒れが生じてくると、プラズマ発光強度変化の計測による終点検出方法を用いたエッチバック時間の終点制御が難しくなり、ダミープラグ１１２の高さのバラツキが半導体ウエハ上で大きくなる。そして、エッチバック量が大きくなり、図６（ｂ）に示したようにダミープラグ１１２が後退してその高さが低下しビアホール１１０側壁において第２低誘電率膜１０５が露出してくると、その側壁部が酸素プラズマに曝されるようになり第２低誘電率膜１０５の有機成分が酸素と置換してその比誘電率が増大してしまう。
ここで、第２低誘電率膜１０５が多孔質膜で形成されている場合には、その側壁部が酸素プラズマに曝されると、第２低誘電率膜１０５内にボイド等の損傷が生じ層間絶縁膜の信頼性の低下およびダマシン配線間のリーク電流の増加等が引き起こされるようになる。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、電子デバイスに製造においてビアファースト方法を用いて基板上にデュアルダマシン配線を形成する場合に、樹脂膜のエッチバックの終点制御を容易にすると共に樹脂膜から成るダミープラグをビアホール内に高精度に充填することを目的とする。

上記課題を解決するために、電子デバイスの製造方法にかかる第１の発明は、基板上に形成した層間絶縁膜にビアホールと配線用溝とを一体に設け前記ビアホールおよび前記配線用溝に導電体膜を埋め込む電子デバイスの製造方法であって、前記層間絶縁膜に前記ビアホールを形成する工程と、前記ビアホールを埋め込む樹脂膜を前記層間絶縁膜上に形成する工程と、水素活性種を含むエッチングガスにより前記樹脂膜をエッチングすることにより、前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去すると共に前記ビアホール内に均一に充填された前記樹脂膜から成るダミープラグを形成する工程と、前記ダミープラグの上及び前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜の上に配線用の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する工程と、前記レジストマスクをエッチングマスクとして前記反射防止膜と、前記層間絶縁膜と、前記ダミープラグとに対してドライエッチングを行い、前記ビアホールと接続する前記配線用溝を形成する工程と、を有する構成となっている。

そして、電子デバイスの製造方法にかかる第２の発明は、基板上に形成した層間絶縁膜にビアホールと配線用溝とを一体に設け前記ビアホールおよび前記配線用溝に導電体膜を埋め込む電子デバイスの製造方法であって、前記層間絶縁膜に前記ビアホールを形成する工程と、前記ビアホールを埋め込む樹脂膜を前記層間絶縁膜上に形成する工程と、酸素活性種を含むエッチングガスにより前記樹脂膜を途中までエッチングする工程と、水素活性種を含むエッチングガスにより前記層間絶縁膜上に残存する前記樹脂膜をエッチング除去すると共に前記ビアホール内に均一に充填された前記樹脂膜から成るダミープラグを形成する工程と、前記ダミープラグの上及び前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜の上に配線用の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する工程と、前記レジストマスクをエッチングマスクとして前記反射防止膜と、前記層間絶縁膜と、前記ダミープラグとに対してドライエッチングを行い、前記ビアホールと接続する前記配線用溝を形成する工程と、を有する構成となっている。

上記発明において、前記水素活性種は、水素ガスあるいは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ励起により生成した水素プラズマあるいは水素ラジカルであることが好ましい。

上記発明において、前記酸素活性種は、酸素ガスあるいは酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ励起により生成した酸素プラズマあるいは酸素ラジカルであることが好ましい。

上記発明において、前記不活性ガスはヘリウムガスあるいはアルゴンガスを含んでいることが好ましい。

本発明の構成により、微細構造であって高品質のデュアルダマシン配線を高い制御性の下に形成できるようになり、デュアルダマシン配線を備えた電子デバイスの製造歩留まりが向上する。

以下に、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。図１と図２は、本発明の実施の形態にかかるデュアルダマシン配線の製造工程別素子断面図である。なお、図５で説明した工程は本実施の形態において同じである。
本発明の特徴は、従来の技術で説明した図６の樹脂膜のエッチバックの工程において、エッチングガスに水素（Ｈ_２）活性種を用いるところにある。以下、図５、図１および図２を参照して本発明の実施の形態を具体的に説明し発明の効果を明確にする。

図５（ａ）に示すように、Ｃｕ配線から成る下層配線１０１表面にビアエッチストッパー層１０２として、例えば膜厚が２５ｎｍ程度であり、比誘電率が３．５程度のＳｉＣ膜を成膜し、スピン塗布法を用いたｐ−ＭＳＱ膜の成膜により比誘電率が２．５程度であり、膜厚が２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度になる第１低誘電率膜１０３を形成する。そして、上記第１低誘電率膜１０３上に積層して、ＣＶＤ法で成膜した膜厚、比誘電率がそれぞれ１００ｎｍ程度、２〜３程度のＳｉＯＣ膜から成るトレンチエッチストッパー層１０４を形成する。更に、トレンチエッチストッパー層１０４上に第２低誘電率膜１０５を形成する。この第２低誘電率膜１０５は、第１低誘電率膜１０３と同様にスピン塗布法を用いたｐ−ＭＳＱ膜の成膜により比誘電率が２．５程度であり、膜厚が５００ｎｍ程度になるようにして形成する。そして、第２低誘電率膜１０５上に膜厚が１００ｎｍ程度のキャップ層１０６をトレンチエッチストッパー層１０４と同じになるように形成する。これらの積層した多層の絶縁膜で層間絶縁膜が構成される。

次に、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて第１反射防止膜１０７および口径が例えば８０ｎｍ程度のビア開口１０８を有する第１レジストマスク１０９を形成し、図５（ｂ）に示したように、ドライエッチング技術により上記層間絶縁膜に口径が８０ｎｍ程度のビアホール１１０を形成する。ここで、使用するエッチングの原料ガス（エッチング用ガス）は、第１反射防止膜１０７、キャップ層１０６およびトレンチエッチストッパー層１０４のドライエッチングでは、例えばＣ_４Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２のフルオロカーボン系ガスを用い、第２低誘電率膜１０５および第１低誘電率膜１０３のドライエッチングでは例えばＣ_５Ｆ_８／Ａｒのフルオロカーボン系ガスを用いる。そして、図５（ｃ）に示した従来の技術で説明したように第１レジストマスク１０９および第１反射防止膜１０７をアッシング除去する。

このようにした後に、図１（ａ）に示すように、スピン塗布法により、キャップ層１０６上およびビアホール１１０を埋設するように膜厚が１５０ｎｍ程度の樹脂膜１１を形成する。ここで、樹脂膜１１には例えば日産化学工業（株）社製のＮＣＡ２１３１（商品名）を使用した。そして、２００℃程度の温度でベーク処理を施し樹脂膜１１をキュアーする。この樹脂膜には、その他に熱硬化性があり種々の組成物を有する有機ポリマーを用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、キャップ層１０６表面にある樹脂膜１１をエッチバックで除去し、ビアホール１１０を充填するようにダミープラグ１２を形成する。このエッチバックは、水素ガス、あるいは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ励起し、水素活性種である水素プラズマ１３を樹脂膜１１表面に照射するドライエッチングにより行う。ここで、不活性ガスとしてＡｒガスあるいはヘリウム（Ｈｅ）ガスが好適である。上記水素プラズマは、例えば上部電極と下部電極とにそれぞれ６０ＭＨｚ、２ＭＨｚの高周波を印加する２周波プラズマ励起の平行平板型ＲＩＥ装置を用いて生成する高密度プラズマ（ＨＤＰ）である。ここで、上記不活性ガスは、水素ガスのプラズマ励起を促進させ解離し易くする働きを有する。

本発明の水素プラズマ照射によるエッチバックの具体的な２例について図３および図４を参照して説明する。ここで、図３，４は従来の技術で説明したのと同様に作製したＴＥＧ（Test of Experimental Ｇroup）のＳＥＭ写真である。図３，４において図１に対応する箇所は同一符号を付し、エッチバック工程では、図３（ａ）、図４（ａ）が図１（ａ）に対応しており、図３（ｃ）、図４（ｃ）が図１（ｂ）に対応している。そして、図３（ｂ）、４（ｂ）がエッチバック工程のエッチング途中（中間）の状態であり、キャップ層１０６表面に樹脂膜１１が残存している状態を示している。

図３に示す例は、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスをプラズマ励起し、これをエッチングガスとして樹脂膜１１をエッチバックした１例である。ここで、混合ガスのプラズマ励起には上記２周波プラズマ励起の平行平板型ＲＩＥ装置を用い、プラズマ処理室の圧力を２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）とし、６０ＭＨｚの高周波電力を１ｋＷ（ワット）／２ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗにし、Ｈ_２ガス流量を５００ｓｃｃｍとしＡｒガス流量を５００ｓｃｃｍとして水素プラズマを生成した。図３（ｂ）に示すように、エッチバックの工程において、従来の技術で説明した（図８（ｂ））樹脂膜１１の表面荒れは全く見られなくなり、その表面は高い平滑性を有するようになる。また、このような水素プラズマ照射によるエッチバックでは、半導体ウエハ面内で非常に均一な樹脂膜１１のエッチングが可能になる。そして、図３（ｃ）から明らかなように、ビアホール１１０内を均一に充填するダミープラグ１２が形成されるようになる。従来の技術で説明した（図８（ｃ））ダミープラグ１１２の突起部１１２ａが形成されることは皆無である。

図４に示す例は、樹脂膜１１のエッチバックを２ステップで行う場合の１例を示す。一般的に、水素プラズマによる樹脂膜のエッチング速度は酸素プラズマによるエッチング速度より小さくなる。このために、図３に示した例ではエッチバックの処理能力が従来の技術に比べて低下する。そこで、図４の例では、第１ステップにおいて、エッチングガスとしてＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスをプラズマ励起して生成した酸素活性種を用い、樹脂膜１１を途中まで例えばキャップ層１０６が露出する直前まで酸素プラズマによりドライエッチングする。次に、第２ステップとして上記水素プラズマによるドライエッチングを終点まで行いダミープラグ１２を形成する。ここで、第１ステップの処理は予め指定した時間内で行い、第２ステップの処理はプラズマ発光強度の計測による終点検出方法を用いて行う。また、ドライエッチング装置としては、上述した２周波プラズマ励起の平行平板型ＲＩＥ装置を用い、第１ステップと第２ステップのエッチバック処理を連続的に行ってもよいし、第１ステップ用と第２ステップ用の異なるエッチング装置によりエッチバック処理を行うようにしてもよい。あるいは、マルチチャンバーのエッチング装置を用いてそれぞれ異なるチャンバー内で第１ステップと第２ステップを連続処理するようにしてもよい。

図４（ｂ）は、第１ステップのエッチバック処理における中間時点での樹脂膜１１の表面状態を示している。このエッチバックの工程において、従来の技術で説明した（図８（ｂ））のと同様の樹脂膜１１の表面荒れが見られる。しかし、第２ステップのエッチバック処理の終点時点では、上記表面荒れは無くなり、図４（ｃ）から明らかなように、図３で示した例の場合と同様にビアホール１１０内を均一に充填するダミープラグ１２が形成されるようになる。この場合も、従来の技術で説明した（図８（ｃ））ダミープラグ１１２の突起部１１２ａが形成されることは皆無になる。そして、図４に示した例では、エッチバック処理の時間は、図３で示した例のエッチバック処理時間の１／３になり、大幅に処理時間が短縮するようになる。このために、エッチバックの処理能力は従来のそれと略同程度になる。

上述した水素活性種として、水素イオンを除いた水素ラジカルを用いてもよい。この水素ラジカルの生成は、いわゆる水素ガスのリモートプラズマ生成装置あるいはμ波ダウンストリーム型のプラズマ装置を用いて行うとよい。これ等の装置について具体的にみると種々の構造のものがあるが、その基本構造は、水素を含むガスをプラズマ励起し、水素活性種として水素原子イオン（プロトン）、水素分子イオンおよび水素中性ラジカルを生成させるプラズマ生成室と、このプラズマ生成室から離間し、寿命の比較的長い水素中性ラジカルのみが導入されるエッチング処理室とを有している。

ここで、水素活性種の生成としては、上述したようなＲＩＥの方法の他に、Ｈ_２／不活性ガスのヘリコン波プラズマ励起、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ励起、μ波プラズマ励起、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマ励起の方法、更には光励起の方法を用いてもよい。

また、上記酸素活性種としては酸素プラズマの他に酸素ラジカルを用いてもよい。この酸素活性種の生成としては、上述したようなＲＩＥの方法の他に、Ｏ_２／不活性ガスのヘリコン波プラズマ励起、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ励起、μ波プラズマ励起、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマ励起の方法、更には光励起の方法を用いてもよい。ここで、酸素ラジカルは上記酸素のリモートプラズマによる方法、上記μ波ダウンストリームプラズマの方法により生成できる。

以上説明したダミープラグ１２を形成した後の工程は従来の技術で説明したのと同様である。すなわち図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術により、キャップ層１０６表面およびダミープラグ１２を被覆する第２反射防止膜１１３とトレンチ開口１１４を有する第２レジストマスク１１５とを形成する。ここで、第２レジストマスク１１５の膜厚は５００ｎｍ程度であり、トレンチ開口１１４の幅は１００ｎｍ程度である。このためレジストマスク１１５のパターンアスペクト比は５程度になる。次に、図２（ａ）に示すように、第２レジストマスク１１５をドライエッチングのマスクにしたＲＩＥにより、第２反射防止膜１１３、キャップ層１０６、第２低誘電率膜１０５を順次にドライエッチングして配線パターン状のトレンチ１１６を形成する。ここで、エッチング用ガスとしては、例えばＣ_４Ｆ_８／ＡｒあるいはＣ_５Ｆ_８／Ａｒのフルオロカーボン系ガスを用いる。その他に、このようなエッチング用ガスとしては、一般式がＣｘＨｙＦｚの化学式（ｘ、ｙ、ｚは、ｘ≧４、ｙ≧０、ｚ≧１を満たす整数）で表されるフルオロカーボンガスからなる群より選択された少なくとも一種の原料ガスを用いることができる。このドライエッチングにおいて、ダミープラグ１２はビアエッチストッパー層１０２を上記ＲＩＥから保護し、トレンチエッチストッパー層１０４は第１低誘電率膜１０３を上記ＲＩＥから保護する。

次に、図２（ｂ）に示すように、第２レジストマスク１１５、第２反射防止膜１１３およびダミープラグ１２をアッシング除去し、キャップ層１０６をハードマスクにしたドライエッチングにおいて、エッチング用ガスとしてＣＨＦ₃／Ａｒ／Ｎ_２混合ガス、ＣＦ₄／Ａｒ／Ｎ_２混合ガスなどを用い、プラズマ励起してビアエッチストッパー層１０２をドライエッチングし、下層配線１０１表面に達するデュアルダマシン配線用溝１１７を形成する。そして、化学薬液での洗浄処理を施す。

次に、図２（ｃ）に示すように、例えば原子層気相成長（ＡＬＤ；Atomic Layer Deposition）法によるＴａ、ＴａＮ等のバリアメタルの成膜およびＣｕシード形成、そしてＣｕメッキ成膜を行って配線材料膜を形成した後、ＣＭＰ法によりキャップ層１０６表面の不要部分の配線材料膜を研磨除去する。このようにして、下層配線１０１に接続する膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍになるＴａ膜／ＴａＮ膜の積層構造のバリア層１１８を介して、上記デュアルダマシン配線用溝１１７内に線幅が１００ｎｍ程度のデュアルダマシン配線１１９を形成する。このようにして、下層配線１０１に接続する上層配線として、実効的な比誘電率が３．０以下になる層間絶縁膜に設けられたデュアルダマシン配線が形成され、デュアルダマシン配線構造体を有する２層配線が完成する。

上記実施の形態においては、ダミープラグ１２はビアホール１１０を均一に充填する。このために、第２反射防止膜１１３の膜厚は均一に形成できるようになり、第２レジストマスク１１５の形成において一様な反射防止効果が得られ、第２レジストマスク１１５のトレンチ開口１１４のパターン寸法が一様にしかも高精度に形成できる。また、配線ピッチで形成されるトレンチ開口１１４のレジストパターンが微細化し、上記実施形態のようにそのアスペクト比が５以上になっても、従来の技術で生じていたレジストパターンが倒れるというような問題は皆無になる。上記効果はダマシン配線の寸法が微細化してより顕著になる。

また、上述したようにエッチバックにおいて樹脂膜の表面は平滑になる。そして、プラズマ発光強度変化の計測による終点検出方法を用いたエッチバック時間の終点制御が非常に容易になり、半導体ウエハ面内においてダミープラグ１２の高さのバラツキが小さくなる。更には、終点検出時点での樹脂膜のエッチング速度は従来の場合に比して小さい。これ等のために、終点検出後からのオーバーエッチング時間の設定およびそのエッチング制御が容易になり、キャップ層１０６表面における樹脂膜１１残りは大幅に低減し半導体装置の歩留まりが向上する。

また、例えダミープラグ１２がエッチバックで後退し第２低誘電率膜１０５がビアホール１１０で露出し水素プラズマに曝されても、その比誘電率の増大することは全くない。このために、本実施の形態のエッチバック方法を用いるとそのプロセス余裕度が非常に高くなり、デュアルダマシン配線構造体を有する半導体装置の製造コストが低減するようになる。
そして、第２低誘電率膜１０５が多孔質膜で形成されている場合には、その側壁部が例え水素プラズマに曝されても、第２低誘電率膜１０５内にボイドが形成されたり、あるいは孔が大きくなるような損傷は生じることはない。特に水素活性種として水素ラジカルを用いると、上記第２低誘電率膜の損傷は皆無になる。このために、多孔質化したＬｏｗ−ｋ膜であっても、従来の技術で生じたような層間絶縁膜の信頼性の低下およびダマシン配線間のリーク電流の増加等の生じることはなく、層間絶縁膜の更なる誘電率低下が可能になり、半導体装置の動作の高速化が促進される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、Ｌｏｗ−ｋ膜としては、上述したＳｉＯＣ膜、ＭＳＱ膜と同様に、シロキサン骨格を有する他の絶縁膜あるいは有機高分子を主骨格とした絶縁膜、あるいはそれらを多孔質化した絶縁膜を用いることができる。なお、上記シロキサン骨格を有する絶縁膜には、シルセスキオキサン類の絶縁膜であるＳｉ−ＣＨ_３結合、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−Ｆ結合のうち少なくとも１つの結合を含むシリカ膜があり、有機高分子を主骨格とした絶縁膜には、有機ポリマーで成るＳｉＬＫ（登録商標）がある。そして、シルセスキオキサン類の絶縁膜としてよく知られた絶縁材料には、ハイドロゲンシルセスキオキサン（ＨＳＱ：Hydrogen Silsesquioxane)、メチレーテッドハイドロゲンシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ：Methylated Hydrogen Silsesquioxane）等があり、更にＣＶＤ法により成膜するＳｉＯＣＨ膜も同様に使用することができる。

また、上述したビアエッチストッパー層としてはＳｉＮ膜を用いてもよい。また、キャップ層にはＳｉＯ_２膜を用いてもよい。また、上述した銅埋め込みのダマシン配線においてバリア層となる導電性バリア膜としては、Ｗ膜、ＷＮ膜、ＷＳｉＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜を用いてもよい。

また、上記ビアホールあるいはトレンチに銅あるいは銅合金を埋め込む代わりに他の導電体膜を埋め込んだダマシン配線を形成してもよい。ここで、導電体膜としてＷ膜等の高融点金属膜あるいは金（Ａｕ）膜を用いてもよい。

上記実施の形態では、配線間の層間絶縁膜としてＬｏｗ−ｋ膜を用いる場合について説明しているが、本発明はこのような絶縁膜に限定されるものではなく、層間絶縁膜がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはシリコン酸窒化膜等の絶縁膜で形成される場合にも全く同様に適用できるものである。

そして、本発明は、シリコン半導体基板、化合物半導体基板等の半導体基板上にデュアルダマシン配線を形成する場合に限定されるものではない。その他に、表示デバイスを形成する液晶表示基板、プラズマディスプレイ基板上にデュアルダマシン配線を形成する場合にも同様に適用できる。

本発明の好適な実施形態にかかるデュアルダマシン配線の製造方法を示す工程別素子断面図である。図１に示す工程の続きの工程別素子断面図である。本発明の実施の形態で奏する効果を説明するための断面ＳＥＭ写真である。本発明の実施の形態で奏する効果を説明するための断面ＳＥＭ写真である。デュアルダマシン配線の製造方法を示す工程別素子断面図である。従来の技術を説明するための図５に示す工程の続きの工程別素子断面図である。従来の技術を説明するための図６に示す工程の続きの工程別素子断面図である。従来の技術における課題を説明するための断面ＳＥＭ写真である。

符号の説明

１１樹脂膜
１２ダミープラグ
１３水素プラズマ
１０１下層配線
１０２ビアエッチストッパー層
１０３第１低誘電率膜
１０４トレンチエッチストッパー層
１０５第２低誘電率膜
１０６キャップ層
１０７第１反射防止膜
１０８ビア開口
１０９第１レジストマスク
１１０ビアホール
１１３第２反射防止膜
１１４トレンチ開口
１１５第２レジストマスク
１１６トレンチ
１１７デュアルダマシン配線用溝
１１８バリア層
１１９デュアルダマシン配線

Claims

基板上に形成した層間絶縁膜にビアホールと配線用溝とを一体に設け前記ビアホールおよび前記配線用溝に導電体膜を埋め込む電子デバイスの製造方法であって、
前記層間絶縁膜に前記ビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールを埋め込む樹脂膜を前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
水素活性種を含むエッチングガスにより前記樹脂膜をエッチングすることにより、前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去すると共に前記ビアホール内に均一に充填された前記樹脂膜から成るダミープラグを形成する工程と、
前記ダミープラグの上及び前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上に配線用の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する工程と、
前記レジストマスクをエッチングマスクとして前記反射防止膜と、前記層間絶縁膜と、前記ダミープラグとに対してドライエッチングを行い、前記ビアホールと接続する前記配線用溝を形成する工程と、
を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
基板上に形成した層間絶縁膜にビアホールと配線用溝とを一体に設け前記ビアホールおよび前記配線用溝に導電体膜を埋め込む電子デバイスの製造方法であって、
前記層間絶縁膜に前記ビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールを埋め込む樹脂膜を前記層間絶縁膜上に形成する工程と、
酸素活性種を含むエッチングガスにより前記樹脂膜を途中までエッチングする工程と、
水素活性種を含むエッチングガスにより前記層間絶縁膜上に残存する前記樹脂膜をエッチング除去すると共に前記ビアホール内に均一に充填された前記樹脂膜から成るダミープラグを形成する工程と、
前記ダミープラグの上及び前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上に配線用の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する工程と、
前記レジストマスクをエッチングマスクとして前記反射防止膜と、前記層間絶縁膜と、前記ダミープラグとに対してドライエッチングを行い、前記ビアホールと接続する前記配線用溝を形成する工程と、
を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
前記酸素活性種は、酸素ガスあるいは酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ励起することにより生成した酸素プラズマあるいは酸素ラジカルであることを特徴とする請求項２に記載の電子デバイスの製造方法。
前記水素活性種は、水素ガスあるいは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ励起することにより生成した水素プラズマあるいは水素ラジカルであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電子デバイスの製造方法。
前記不活性ガスはヘリウムガスあるいはアルゴンガスを含んでいることを特徴とする請求項３又は４に記載の電子デバイスの製造方法。