JP2007194566A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上することのできる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。下部配線１４が形成された層間絶縁膜１１上に層間絶縁膜１を積層して形成する。下部配線１４に達する上部孔５を層間絶縁膜１に開口する。上部孔５に連通するトレンチ６を形成する。上部孔５内をウエットエッチングすることにより、下部孔１７を下部配線１４内に形成する。トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面と、下部孔１７の底面とにバリアメタル２を形成する。下部孔１７の底面に存在するバリアメタル２を物理的にエッチングすることにより、下部孔１７の側面１７ａに導電膜１５を形成する（エッチング工程）。エッチング工程の後に、Ｎなどの元素を含むプラズマを用いて層間絶縁膜１を形成する。トレンチ６内、上部孔５内および下部孔１７内を埋めるようにＣｕ膜４を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、ビアホール部分のエレクトロマイグレーションを改善することのできる半導体装置およびその製造方法に関する。

ＬＳＩ（Large‐Scale Integrated circuit）の微細化、高速化に伴ない、ＬＳＩの配線材料として従来用いられていたアルミニウムに代わり、電気抵抗の低いＣｕ（銅）が用いられている。ＬＳＩの配線材料としてＣｕを用いることにより、電気抵抗を低く抑えながら配線を微細化することができ、また、ＬＳＩの動作速度を向上することができる。Ｃｕ配線の形成方法としてはダマシン法が広く知られている。

しかし、ダマシン法で加工されたＣｕ配線には、信頼性について以下の３つ問題を有している。エレクトロマイグレーション（ＥＭ：Electromigration）の問題、ストレスマイグレーション（ＳＩＶ：Stress induced voiding）の問題、および時間依存性絶縁破壊（ＴＤＤＢ：Time-dependent dielectric breakdown）の問題である。ＥＭとは、金属配線中の金属原子とそこを流れる電子との相互作用によって配線の金属原子が拡散し、半断線または断線に至る現象である。ＳＩＶとは、熱的または機械的応力（ストレス）によって配線の金属原子が移動し、配線が半断線または断線に至る現象である。ＴＤＤＢとは、酸化膜に継続的に大きな電界を印加すると時間とともに酸化膜が破壊されやすくなる現象である。これら３つの問題のうち特にＥＭの問題は、配線の許容電流密度の設定に大きく影響を及ぼすため、配線の微細化を図る際の重要な問題となっている。

ＥＭに対する耐性を向上するための技術として、たとえばＣｕ配線の上部をキャップメタルで覆う技術や、Ｃｕに他の元素を添加した合金を配線材料として用いる技術などが知られている。しかし、前者の技術では、配線の全体積に占める高抵抗の部分の割合が増加し、配線の電気抵抗が増加するという難点がある。後者の技術では、添加する元素の電子散乱によって配線の電気抵抗が増加するという難点がある。なお、ダマシン法により形成された従来の配線の構造が、たとえば特開２００１−２２３２６９号公報（特許文献１）に記載されている。
特開２００１−２２３２６９号公報

Ｃｕ配線に関するＥＭの問題のうち特にビアホール部分のＥＭを改善する技術（以下、改善技術と記す）が提案されている。具体的には、内部に下部配線が形成された下層の層間絶縁膜上に、拡散防止膜および層間絶縁膜を積層して形成する。次に、下部配線に達する上部孔を拡散防止膜および層間絶縁膜に開口し、上部孔内を洗浄するためにウエットエッチングする。このとき、上部孔の底部に露出した下部配線がエッチングされ、上部孔の口径よりも大きな口径を有する下部孔が下部配線内に形成される。続いて、上部孔の側面と、下部孔の底部とに沿って導電膜を形成する。そして、下部孔の底部に存在する導電膜を物理的にエッチングすることにより、下部孔の側面に導電膜を付着させる。その後、上部孔および下部孔の側面および底面に沿ってバリアメタルを形成し、上部孔内および下部孔内を埋めるようにＣｕ膜を形成する。

従来、上部孔（ビアホール）内を洗浄する際に下部配線もエッチングされてしまい、その結果下部配線内に下部孔が形成され、下部孔の側面においてバリアメタルが途切れていた。そしてこのバリアメタルの途切れた部分から層間絶縁膜内へＣｕが拡散し、ビアホール部分のＥＭの原因になっていた。改善技術によれば、下部孔の底部に存在する導電膜および下部配線を削り取って下部孔の側面に付着させるので、下部孔の側面においてバリアメタルが途切れにくくなり、ビアホール底部における下部配線との接触面積を増加することができる。その結果、ビアホール部分のＥＭを改善することができる。

しかしながら、上部配線を有する構造の製造方法に上記改善技術を適用した場合には、半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。

当然のことながら、半導体装置の配線構造においては、ビアホールおよび下部配線の他に上部配線も形成されている。上部配線は、ビアホールに連通するトレンチを層間絶縁膜に形成し、このトレンチの内部にバリアメタルおよびＣｕ膜を形成することによって形成されている。上部配線を有する構造の製造方法に上記改善技術を適用した場合には、以下の方法によって半導体装置が製造される。層間絶縁膜内に上部孔と、上部孔に連通するトレンチとを形成する。そして、上部孔内を洗浄するためにウエットエッチングし、下部配線内に下部孔が形成される。次に、トレンチの側面および底面と、上部孔の側面と、下部孔の底部に沿って、導電膜を形成する。次に、下部孔の底部に存在する導電膜を物理的にエッチングすることにより、下部孔の内壁面に導電膜を付着させる。その後、トレンチの側面および底面と、上部孔および下部孔の側面および底面とにバリアメタルを形成し、トレンチ内、上部孔内、および下部孔内を埋めるようにＣｕ膜を形成する。

上記の製造方法では、トレンチの側面および底面にバリアメタルが形成された状態で導電膜のエッチングが行なわれるので、特にトレンチの端部（側面と底面との境界部分）において、エッチングの成分が集中してバリアメタルのエッチングが過剰に進行し、バリアメタルが途切れやすくなる。その結果、バリアメタルの途切れた箇所から上部配線内のＣｕが層間絶縁膜内に拡散し、半導体装置の信頼性が低下する。

ここで、露出したトレンチの端部がバリアメタルによって覆われるように、バリアメタルの膜厚を厚くする方法も考えられる。しかし、バリアメタルを厚くすると、ビアホール内におけるバリアメタルの占める割合が大きくなり、ビアホール内におけるＣｕの埋め込み不良や抵抗の増加を招く。このため、バリアメタルの膜厚を厚くすることはできなかった。

したがって、本発明の目的は、信頼性を向上することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することである。

本発明の一の局面に従う半導体装置は、第１絶縁膜と、第１絶縁膜内に形成された配線と、第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜とを備えている。配線に下部孔が開口しており、第２絶縁膜には下部孔に繋がる上部孔が開口している。下部孔の口径は上部孔の口径よりも大きくなっており、第２絶縁膜には上部孔に繋がる溝が形成されている。半導体装置はさらに、下部孔の側面に形成された下部導電膜と、溝の側面および底面と、上部孔の側面とに沿って形成された上部導電膜と、溝内、上部孔内、および下部孔内を埋めるように形成された銅を含む導電膜とを備えている。下部導電膜は上部導電膜と同じ物質を含んでおり、かつ第２絶縁膜はＮ（窒素）が偏在している部分を有している。

本発明の他の局面に従う半導体装置は、第１絶縁膜と、第１絶縁膜内に形成された配線と、第１絶縁膜上に形成されたＳｉＯ₂（酸化ケイ素）よりなる第２絶縁膜とを備えている。配線に下部孔が開口しており、第２絶縁膜には下部孔に繋がる上部孔が開口している。下部孔の口径は上部孔の口径よりも大きくなっており、第２絶縁膜には上部孔に繋がる溝が形成されている。半導体装置はさらに、下部孔の側面に形成された下部導電膜と、溝の側面および底面と、上部孔の側面とに沿って形成された上部導電膜と、溝内、上部孔内、および下部孔内を埋めるように形成された銅を含む導電膜とを備えている。下部導電膜は上部導電膜と同じ物質を含んでおり、かつ第２絶縁膜はＨ（水素）が偏在している部分を有している。

本発明の一の局面に従う半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。内部に配線が形成された第１絶縁膜上に第２絶縁膜を積層して形成する。配線に達する上部孔を第２絶縁膜に開口する。上部孔に連通する溝を第２絶縁膜に形成する。上部孔内をウエットエッチングすることにより、上部孔の口径よりも大きな口径を有する下部孔を配線内に形成する。溝の側面および底面と、上部孔の側面と、下部孔の底面とに上部導電膜を形成する。下部孔の底面に存在する上部導電膜を物理的にエッチングすることにより、下部孔の側面に下部導電膜を形成する（エッチング工程）。エッチング工程の後に、Ｎ、Ｈｅ（ヘリウム）、およびＨからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むプラズマを用いて第２絶縁膜を処理する。溝内、上部孔内および下部孔内を埋めるように銅を含む導電膜を形成する。

本発明の他の局面に従う半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。内部に配線が形成された第１絶縁膜上にＳｉＯＣ（酸窒化シリコン）よりなる第２絶縁膜を積層して形成する。配線に達する上部孔を第２絶縁膜に開口する。上部孔に連通する溝を第２絶縁膜に形成する。上部孔内をウエットエッチングすることにより、上部孔の口径よりも大きな口径を有する下部孔を配線内に形成する。溝の側面および底面と、上部孔の側面と、下部孔の底面とに上部導電膜を形成する。下部孔の底面に存在する上部導電膜を物理的にエッチングすることにより、下部孔の側面に下部導電膜を形成する（エッチング工程）。エッチング工程の後に、第２絶縁膜をアルキルシランガス雰囲気に保持する。溝内、上部孔内および下部孔内を埋めるように銅を含む導電膜を形成する。

本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、信頼性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ部の拡大図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態の半導体装置は、第１絶縁膜としての層間絶縁膜１１と、配線としての下部配線１４と、エッチングストッパ膜としての拡散防止膜１６と、第２絶縁膜としての層間絶縁膜１とを主に備えている。

層間絶縁膜１１の上部にはトレンチ１２が形成されている。トレンチ１２は平面的に見て、図１中縦方向に延びる長方形の形状を有している。トレンチ１２の側面および底面に沿ってバリアメタル１３が形成されており、トレンチ１２の内部を埋めるようにＣｕよりなる下部配線１４が形成されている。このようにして下部配線１４は層間絶縁膜１１内に形成されている。層間絶縁膜１１、バリアメタル１３、および下部配線１４の各々は同一表面を有している。

層間絶縁膜１１、バリアメタル１３、および下部配線１４の各々の上には拡散防止膜１６を介して層間絶縁膜１が形成されている。層間絶縁膜１の上部にはトレンチ６（溝）が形成されている。トレンチ６は平面的に見て図１に示すような正方形の形状を有している。また、層間絶縁膜１および拡散防止膜１６にはトレンチ６に連通する上部孔５（ビアホール）が開口している。上部孔５は平面的に見て、図１中横方向に延びる長方形の形状を有している。さらに、下部配線１４には上部孔５に連通する下部孔１７が開口している。上部孔５との境界部分付近の下部孔１７の口径ｄ₂は、下部孔１７との境界部分付近の上部孔５の口径ｄ₁よりも大きくなっている。

また、本実施の形態の半導体装置は、下部導電膜としての導電膜１５と、上部導電膜としてのバリアメタル２と、被覆導電膜としてのバリアメタル３と、Ｃｕ膜４とをさらに備えている。導電膜１５は下部孔１７の側面全面に形成されており、バリアメタル２と同じ物質を含んでいる。バリアメタル２は、トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面とに沿って形成されている。バリアメタル２上にはバリアメタル３が形成されている。バリアメタル３はトレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面と、導電膜１５の側面と、下部孔１７の底部とに沿って形成されている。特に図３に示すように、バリアメタル２はトレンチ６の端部６ａ（側面と底面との境界部分）において途切れている。そして、バリアメタル３は、トレンチ６の端部６ａにおいて層間絶縁膜１に接するように形成されている。Ｃｕ膜４は、トレンチ６内、上部孔５内、および下部孔１７内を埋めるように形成されている。トレンチ６内のＣｕ膜４によって上部配線が形成されている。

図３を参照して、本実施の形態の半導体装置においては、層間絶縁膜１におけるたとえばトレンチ６の端部６ａ付近（図中Ａに示される部分）にＮまたはＨが偏在していることがある。これについては後述する。

拡散防止膜１６は、下部配線１４に含まれているＣｕが層間絶縁膜１内に拡散するのを防止する役割を果たしている。また、後述する上部孔５形成の際のエッチングストッパとしての役割を果たしている。

なお、層間絶縁膜１および１１は、たとえばＳｉＯＣ、ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）、またはＳｉＯ₂（酸化シリコン）などの低誘電率膜よりなっている。拡散防止膜１６は、たとえばＳｉＣＮ、ＳｉＣＯ、またはＳｉＣなどよりなっている。バリアメタル２、３、および１３はたとえばＴａ（タンタル）窒化物、Ｔａ珪化物、Ｔａ炭化物、Ｔａ，Ｔａ／ＴａＮの積層構造，Ｔｉ（チタン）窒化物、Ｔｉ珪化物、Ｔｉ炭化物、Ｗ（タングステン）窒化物、Ｗ珪化物、Ｗ炭化物、Ｒｕ（ルテニウム）、またはＲｕ酸化物などよりなっている。下部配線１４はたとえばＣｕよりなっている。

続いて、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図４〜図１９を用いて説明する。

始めに、図４を参照して、層間絶縁膜１１内にトレンチ１２を形成する。次に、層間絶縁膜１１上と、トレンチ１２の側面および底面とに、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やスパッタ法などによりバリアメタル１３を積層して形成する。次に、トレンチ１２内を埋め、層間絶縁膜１１を覆うように、たとえばＣＶＤ法やメッキ法などにより下部配線１４となるＣｕ膜を形成する。このＣｕ膜はたとえば２５０ｎｍの厚さで形成される。次に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法により、層間絶縁膜１１上の余分なバリアメタル１３と、余分な導電膜とを除去する。これにより、下部配線１４が層間絶縁膜１１の内部に形成される。

次に、図５を参照して、下部配線１４を覆うように層間絶縁膜１１上に拡散防止膜１６を形成する。続いて、拡散防止膜１６上に層間絶縁膜１を形成する。層間絶縁膜１はたとえば５００ｎｍの厚さで形成される。

次に、図６を参照して、所定形状にパターニングされたレジスト５１を層間絶縁膜１上に形成し、レジスト５１をマスクとして層間絶縁膜１をエッチングする。このエッチングは拡散防止膜１６で止まるような条件で行なわれる。これにより、層間絶縁膜１に孔５ａが形成される。孔５ａは上部孔５（図２）の一部である。

次に、図６および図７を参照して、レジスト５１を除去し、層間絶縁膜１上および孔５ａ内にレジスト５２を形成する。

次に、図８を参照して、レジスト５２をエッチバックすることにより層間絶縁膜１の上面を露出させ、レジスト５２を孔５ａ内にのみ残す。

次に、図９を参照して、所定形状にパターニングされたレジスト５３を層間絶縁膜１上に形成する。そして、レジスト５３をマスクとして層間絶縁膜１およびレジスト５２をエッチングすることにより、層間絶縁膜１にトレンチ６を形成する。トレンチ６は孔５ａに連通するように形成される。なお、孔５ａ内にはレジスト５２が形成されているので、トレンチ６の形成の際に孔５ａの底部は保護される。

次に、図９および図１０を参照して、レジスト５２および５３を除去する。そして、孔５ａの底部に露出した拡散防止膜１６をエッチングすることにより除去する。これにより、層間絶縁膜１および拡散防止膜１６に下部配線１４に達する上部孔５が開口する。拡散防止膜１６のエッチングの際には、上部孔５の底部に露出した下部配線１４までエッチングしないようにする。

上部孔５の開口後、上部孔５内にはレジストの残渣や、拡散防止膜１６の残渣（ポリマー）が残留している。これらの残渣を除去するために、次に、上部孔５内をウエットエッチングする。また、必要に応じてウエットエッチングの他に、Ａｒ（アルゴン）ガスや、Ｈｅ（ヘリウム）とＡｒとの混合ガスなどを用いたスパッタエッチングや、Ｈ₂（水素）を数％から１００％含有した雰囲気でのアニール（たとえば温度１００℃〜３５０℃、１０秒〜１８０秒）や、（リモート）プラズマ処理などを行なってもよい。

ここで、ウエットエッチングは物質を等方的にエッチングする性質を有している。このため、上部孔５内をウエットエッチングすると、残渣と共に下部配線１４もエッチングされ、半円の断面形状の下部孔１７が形成される。拡散防止膜１６と下部配線１４との境界部分付近の下部孔１７の口径ｄ₂は、上部孔５の口径ｄ₁よりも大きくなる。すなわち、下部孔１７の側面が上部孔５の側面よりも外周側（図１０中横方向）に削られる。なお、図では下部孔１７が実際のスケールよりも大きく示されている。

次に、図１１を参照して、たとえばスパッタ法を用いて、層間絶縁膜１の上面と、トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面と、下部孔１７の底部とを覆うように、バリアメタル２（図２）となる導電膜２ａ（上部導電膜）を形成する。バリアメタル２は配線金属が層間絶縁膜１へ拡散するのを防止する役割を果たす。ここで、上述のように、下部孔１７の側面１７ａは上部孔５の側面よりも外周側に削られているので、下部孔１７の側面１７ａには導電膜２ａが形成されない。導電膜２ａは、たとえば以下の方法により形成される。

まず、スパッタ装置などの成膜装置内のロードロックチャンバにウエハを設置し、チャンバ内の圧力を１ｍＴｏｒｒ（＝１．３×１０^-1Ｐａ）程度に保ち、ＤＣパワー３０ｋＷ、バイアス３００Ｗの条件で、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）／ＴａＮ（厚さ５ｎｍ）の導電膜２ａを形成する。また、チャンバ内の圧力を０．１ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（＝１．３×１０^-2Ｐａ〜６．７×１０Ｐａ）に保ち、ＤＣパワー１ｋＷ〜５０ｋＷ、バイアス０〜１ｋＷの条件で導電膜２ａを形成してもよい。

次に、図１２を参照して、下部孔１７の底部に存在する導電膜２ａをＡｒ（アルゴン）を用いてリスパッタ（エッチング）する。これにより、導電膜２ａが下部孔１７の側面１７ａへ飛散し、下部孔１７の側面１７ａに付着する。その結果、図１４に示すように、下部孔１７の側面１７ａの側面全面に導電膜１５が形成される。導電膜１５は導電膜２ａと同じ物質を含んでいる。なお、このとき、上部孔５の側面や、トレンチ１２の側面および底面や、層間絶縁膜１の上面にも導電膜２ａを飛散させ、これらの箇所にまで導電膜１５を形成してもよい。また、導電膜２ａの下部に存在する下部配線１４までリスパッタを進めてもよい。

導電膜１５は、たとえばチャンバ内の圧力を２ｍＴｏｒｒ（＝２．６×１０^-1Ｐａ）程度に保ち、ＤＣパワー１ｋＷ、バイアス３００Ｗ、２０秒間の条件で導電膜２ａをリスパッタすることにより形成される。また導電膜１５は、チャンバ内の圧力を０．１ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒに保ち、ＤＣパワー０．１ｋＷ〜５ｋＷ、バイアス１００〜２ｋＷの条件で導電膜２ａをリスパッタすることにより形成されてもよい。

導電膜２ａのリスパッタ直後の半導体装置の構造を図１３〜図１５に示す。図１３〜図１５を参照して、導電膜２ａのリスパッタの際には、下部孔１７の底部に存在する導電膜２ａの他に、たとえばトレンチ６の端部６ａに存在する導電膜２ａもリスパッタされやすくなる。これは、エッチング成分がトレンチ６の端部６ａに集中しやすいためである。その結果、導電膜２ａのリスパッタ直後には、特に図１５に示すようにトレンチ６の端部６ａにおいて導電膜２ａが途切れ、層間絶縁膜１の表面が荒れた状態で露出する。

次に、図１６および図１７を参照して、Ｎ、Ｈｅ、およびＨからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むプラズマを用いて層間絶縁膜１を処理する。これにより、層間絶縁膜１に含まれる水分（ウエットエッチング時に層間絶縁膜１に付着したエッチング液など）がガスとして除去される。したがって、後工程である導電膜３ａ（図１８）の形成の際に露出した層間絶縁膜１からガスが噴出すことがなくなり、導電膜３ａの被覆性が向上する。また、トレンチ６の端部６ａに露出した層間絶縁膜１の表面が図１７に示すように平坦化されるので、層間絶縁膜１の膜質が改善される。

上記プラズマとしてたとえばＮを含むプラズマを用いた場合には、上記の効果に加えて、不対電子対（ダングリングボンド）を有するＮ原子が層間絶縁膜１に組み込まれ、Ｎ原子のクーロンポテンシャルによってＣｕをトラップすることができるので、層間絶縁膜１への配線金属の拡散を防止することができる。Ｎを含むプラズマを用いて処理した場合、処理後の半導体装置においては、たとえば層間絶縁膜１の図３におけるＡ部分（トレンチ６の端部６ａ）にＮが偏在しているのが確認される。

Ｎを含むプラズマとしてはＮＨ₃（アンモニア）プラズマを用いることができる。ＮＨ₃プラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を６００Ｐａ程度に保ち、ＮＨ₃の流量２００ｓｃｃｍ、ＲＦ（Radio Frequency）電力４００Ｗ、２０秒間の条件で処理を行なう。また、チャンバ内の圧力を５００〜１０００Ｐａに保ち、ＮＨ₃の流量１００〜５００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力２００〜８００Ｗの条件で処理を行なってもよい。

また、Ｎを含むプラズマとしてＮ₂プラズマを用いてもよい。Ｎ₂プラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を１００〜６００Ｐａに保ち、Ｎ₂の流量１００〜２００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力１００〜４００Ｗの条件で処理を行なってもよい。

また、Ｎを含むプラズマとしてＮ₂／Ｈ₂プラズマを用いてもよい。Ｎ₂／Ｈ₂プラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を１００〜６００Ｐａに保ち、Ｎ₂の流量１００〜２００ｓｃｃｍ、Ｈ₂の流量１０〜１００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力１００〜４００Ｗの条件で処理を行なってもよい。

さらに、Ｎを含むプラズマとして、アミノ酸、ジメチルアミン、トリメチルアミン、または尿素などのプラズマを用いて処理してもよい。

上記プラズマとしてたとえばＨｅを含むプラズマを用いた場合、Ｈｅを含むプラズマとしてＨｅ／Ｈ₂プラズマを用いることができる。Ｈ₂／Ｈｅプラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を１００〜３００Ｐａに保ち、Ｈ₂の流量１０〜１００ｓｃｃｍ、Ｈｅの流量５００〜１０００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力１００〜１ｋＷの条件で処理を行なってもよい。

また、Ｈｅを含むプラズマとしてＨｅプラズマを用いてもよい。Ｈｅプラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を３００〜５００Ｐａに保ち、Ｈｅの流量１００〜２００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力１００〜５００Ｗの条件で処理を行なってもよい。

上記プラズマとしてたとえばＨを含むプラズマを用いた場合には、上記の効果に加えて、ＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１の表面をＨ原子で終端させることができる。すなわち、ＳｉＯＣ膜の表面はＨやＣＨ₃で終端されていることが知られているが、層間絶縁膜１がＳｉＯＣよりなる場合には、ＳｉＯＣ膜の表面を終端しているＨやＣＨ₃が導電膜２ａのリスパッタの際に除去されることがある。その結果、層間絶縁膜１の表面に荒れが乗じる。そこで、Ｈを含むプラズマを用いて層間絶縁膜１を処理することで、ＳｉＯＣ膜の表面にＨを供給し、Ｈで終端させることができる。その結果、層間絶縁膜１の表面の荒れが改善される。Ｈを含むプラズマを用いてＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１を処理した場合、処理後の半導体装置においては、ＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１のたとえば図３中に示されるＡ部分にＨが偏在しているのが確認される。

Ｈを含むプラズマとしてはＨ₂プラズマを用いることができる。Ｈ₂プラズマを用いる場合、チャンバ内の圧力を３００Ｐａ程度に保ち、Ｈ₂の流量１００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力４００Ｗ、１０秒間の条件で処理を行なう。また、チャンバ内の圧力を１００〜３００Ｐａに保ち、Ｈ₂の流量１０〜１００ｓｃｃｍ、ＲＦ電力１００〜５００Ｗの条件で処理を行なってもよい。その他、Ｈを含むプラズマとして上記のＮ₂／Ｈ₂プラズマや、Ｈｅ／Ｈ₂プラズマを用いてもよい。

次に、図１８を参照して、たとえばスパッタ法やＣＶＤ法などを用いて、バリアメタル３（図２）となる導電膜３ａを１ｎｍ〜９ｎｍの膜厚で導電膜２ａ上に形成する。導電膜３ａはたとえばＴａよりなっており、バリアメタル２と同じ材料であってもよい。層間絶縁膜１の膜質は改善されているので、導電膜３ａはトレンチ６の端部６ａにおいて途切れず、層間絶縁膜１に接するように形成される。

次に、図１９を参照して、導電膜３ａ上にＣｕのシード膜（図示なし）を形成した後、トレンチ６内、上部孔５内、および下部孔１７内を埋めるようにＣｕ膜４ａを形成する。Ｃｕ膜４ａは、たとえばＣＶＤ法やメッキ法などを用いて形成される。

その後、図１を参照して、層間絶縁膜１上の余分なＣｕ膜４ａ、導電膜３ａ、および導電膜２ａをＣＭＰ法により除去する。これにより、バリアメタル２、バリアメタル３、およびＣｕ膜４の各々が形成される。以上の工程により、本実施の形態における半導体装置が完成する。

本実施の形態における半導体装置は、層間絶縁膜１１と、層間絶縁膜１１内に形成された下部配線１４と、層間絶縁膜１１上に形成された層間絶縁膜１とを備えている。下部配線１４に下部孔１７が開口しており、層間絶縁膜１には下部孔１７に繋がる上部孔５が開口している。下部孔１７の口径ｄ₁は上部孔５の口径ｄ₂よりも大きくなっており、層間絶縁膜１には上部孔５に繋がるトレンチ６が形成されている。半導体装置はさらに、下部孔１７の側面１７ａに形成された導電膜１５と、トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面とに沿って形成されたバリアメタル２と、トレンチ６内、上部孔５内、および下部孔１７内を埋めるように形成されたＣｕ膜４とをさらに備えている。導電膜１５はバリアメタル２と同じ物質を含んでおり、かつ層間絶縁膜１はＮが偏在している部分を有している。

また、本実施の形態における半導体装置は、層間絶縁膜１１と、層間絶縁膜１１内に形成された下部配線１４と、層間絶縁膜１１上に形成されたＳｉＯ₂よりなる層間絶縁膜１とを備えている。下部配線１４に下部孔１７が開口しており、層間絶縁膜１には下部孔１７に繋がる上部孔５が開口している。下部孔１７の口径ｄ₁は上部孔５の口径ｄ₂よりも大きくなっており、層間絶縁膜１には上部孔５に連通するトレンチ６が形成されている。半導体装置はさらに、下部孔１７の側面１７ａに形成された導電膜１５と、トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面とに沿って形成されたバリアメタル２と、トレンチ６内、上部孔５内、および下部孔１７内を埋めるように形成されたＣｕ膜４とをさらに備えている。導電膜１５はバリアメタル２と同じ物質を含んでおり、かつ層間絶縁膜１はＨが偏在している部分を有している。

さらに、本実施の形態における半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。内部に下部配線１４が形成された層間絶縁膜１１上に層間絶縁膜１を積層して形成する。下部配線１４に達する上部孔５を層間絶縁膜１に開口する。上部孔５に連通するトレンチ６を層間絶縁膜１に形成する。上部孔５内をウエットエッチングすることにより、上部孔５の口径ｄ₁よりも大きな口径ｄ₂を有する下部孔１７を下部配線１４内に形成する。トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面と、下部孔１７の底面とに導電膜２ａを形成する。下部孔１７の底面に存在する導電膜２ａを物理的にエッチングすることにより、下部孔１７の側面１７ａに導電膜１５を形成する（エッチング工程）。エッチング工程の後に、Ｎ、Ｈｅ、およびＨからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むプラズマを用いて層間絶縁膜１を形成する。トレンチ６内、上部孔５内および下部孔１７内を埋めるようにＣｕ膜４ａを形成する。

本実施の形態における半導体装置およびその製造方法によれば、導電膜２ａのエッチングの後で、Ｎなどの元素を含むプラズマを用いて層間絶縁膜１が処理されるので、プラズマ処理によって層間絶縁膜１に含まれる水分がガスとして除去される。また、導電膜２ａのエッチングの際に露出した層間絶縁膜１の表面が平坦化される。これにより、層間絶縁膜１の膜質が改善される。その結果、Ｃｕ原子が層間絶縁膜１へ拡散することを抑止することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。

ここで、図２０および図２１を参照して、特許文献１の技術では導電膜２ａのリスパッタ後にプラズマ処理を行なわないので、トレンチ６の端部６ａに露出した層間絶縁膜１の表面の膜質は改善されない。このため、トレンチ６の端部６ａにおいてバリアメタル３が途切れ、トレンチ６の端部６ａから層間絶縁膜１へＣｕが拡散する。その結果、半導体装置の信頼性が低下する。本実施の形態によればこのような問題を解決することができる。

なお、本実施の形態の製造方法においてＮを含むプラズマを用いた場合には、得られる半導体装置において、層間絶縁膜１にはＮが偏在している部分が存在している。また、本実施の形態の製造方法においてＨを含むプラズマを用いてＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１を処理した場合には、得られる半導体装置において、層間絶縁膜１にはＨが偏在している部分が存在している。

また、導電膜２ａがトレンチ６の端部６ａにおいて途切れている場合にＮまたはＨを含むプラズマ処理を行なった場合には、層間絶縁膜１におけるトレンチ６の端部６ａにＮまたはＨが偏在している。

また、本実施の形態の半導体装置は、トレンチ６の端部６ａにおいて層間絶縁膜１に接するように形成されたバリアメタル３をさらに備えている。これにより、トレンチ６の端部６ａにおいてＣｕの拡散を一層確実に抑止することができる。本実施の形態では、導電膜２ａのエッチングの際に露出した層間絶縁膜１は、プラズマ処理によってその膜質が改善されるので、導電膜３ａの形成の際に層間絶縁膜１からガスが放出されない。その結果、バリアメタル３を途切れさせることなく形成することができる。

さらに、上記製造方法におけるエッチング工程においては、トレンチ６の端部６ａに層間絶縁膜１が露出しやすい。しかし、露出した層間絶縁膜１の膜質はプラズマ処理によって改善される。その結果、トレンチ６の端部６ａからＣｕ原子が層間絶縁膜１へ拡散することを抑止することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態における半導体装置の製造方法は、導電膜２ａのリスパッタ後における層間絶縁膜１の処理方法において実施の形態１の処理方法と異なっている。

具体的には、始めに図４〜図１５に示す実施の形態１の製造方法と同様の製造工程を経る。続いて、図１６および図１７を参照して、実施の形態１のプラズマ処理の代わりに、ＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１をアルキルシランガス雰囲気（プラズマではない雰囲気）に保持する。これにより、ＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１の表面をＣＨ₃で終端させることができる。すなわち、ＳｉＯＣ膜の表面はＨやＣＨ₃で終端されていることが知られているが、層間絶縁膜１がＳｉＯＣよりなる場合には、ＳｉＯＣ膜の表面を終端しているＨやＣＨ₃が導電膜２ａのリスパッタの際に除去されることがある。その結果、層間絶縁膜１の表面に荒れが乗じる。そこで、Ｈを含むプラズマを用いて層間絶縁膜１を処理することで、ＳｉＯＣ膜の表面にＣＨ₃を供給し、ＣＨ₃で終端させることができる。また、層間絶縁膜１の緻密化を図ることができる。その結果、層間絶縁膜１の膜質が改善される。

アルキルシランガスとしてたとえばＳｉＨ_m（ＣＨ₃）_nガスを用いた場合には、チャンバ内の圧力を２００Ｐａに保ち、ＳｉＨ_m（ＣＨ₃）_nガスを１００ｓｃｃｍの流量で層間絶縁膜１へ１０秒間導入する。また、チャンバ内の圧力を５０〜５００Ｐａに保ち、ＳｉＨ_m（ＣＨ₃）_nガスを１０〜２００ｓｃｃｍの流量で層間絶縁膜１へ導入してもよい。

その後、図１７〜図１９に示す実施の形態１の製造方法と同様の製造工程を経て、図１〜図３に示す実施の形態１と同様の構造を有する半導体装置が完成する。

本実施の形態における半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。内部に下部配線１４が形成された層間絶縁膜１１上にＳｉＯＣよりなる層間絶縁膜１を積層して形成する。下部配線１４に達する上部孔５を層間絶縁膜１に開口する。上部孔５に連通するトレンチ６を層間絶縁膜１に形成する。上部孔５内をウエットエッチングすることにより、上部孔５の口径ｄ₁よりも大きな口径ｄ₂を有する下部孔１７を下部配線１４内に形成する。トレンチ６の側面および底面と、上部孔５の側面と、下部孔１７の底面とに導電膜２ａを形成する。下部孔１７の底面に存在する導電膜２ａを物理的にエッチングすることにより、下部孔１７の側面１７ａに導電膜１５を形成する（エッチング工程）。エッチング工程の後に、層間絶縁膜１をアルキルシランガス雰囲気に保持する。トレンチ６内、上部孔５内および下部孔１７内を埋めるようにＣｕ膜４ａを形成する。

本実施の形態における半導体装置の製造方法によれば、導電膜２ａのエッチングの後でＳｉＯＣ膜の表面にＣＨ₃が供給されるので、層間絶縁膜１の表面をＣＨ₃で終端させることができる。また、層間絶縁膜１の緻密化を図ることができる。これにより、層間絶縁膜１の膜質が改善される。その結果、Ｃｕ原子が層間絶縁膜１へ拡散することを抑止することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。

（実施の形態３）
図２を参照して、実施の形態１では、上部孔５を形成してからトレンチ６を形成する製造方法（ビアファーストプロセス）について説明したが、本実施の形態においては、トレンチ６を形成してから上部孔５を形成する製造方法（トレンチファーストプロセス）について説明する。

具体的には、始めに図４および図５に示す実施の形態１の製造方法と同様の製造工程を経る。続いて、図２２を参照して、たとえばＳｉＣよりなるハードマスク２１を層間絶縁膜１上に形成する。なお、ハードマスク２１としてはＳｉＣの他にＳｉＮやＴＥＯＳなどを用いることもできる。

次に、図２３を参照して、通常の写真製版技術およびエッチング技術により、トレンチ６（図２）を形成する部分の真上のハードマスク２１を除去し、ハードマスク２１に孔２１ａを形成する。

次に、図２４を参照して、ハードマスク２１および孔２１ａを覆うようにレジスト５３を形成する。そして、上部孔５（図２）を形成する部分の真上のレジスト５３を除去し、レジスト５３に孔５３ａを形成する。

次に、図２５を参照して、レジスト５３をマスクとして層間絶縁膜１をエッチングすることにより、層間絶縁膜１に孔５ａを形成する。このエッチングは拡散防止膜１６で止まるような条件で行なわれる。

次に、図２５および図２６を参照して、レジスト５３を除去する。その結果、層間絶縁膜１上にはハードマスク２１のみが残る。

次に、図２７を参照して、ハードマスク２１をマスクとして層間絶縁膜１をエッチングすることにより、孔５ａに連通するトレンチ６を層間絶縁膜１に形成する。その後、半導体装置の全面をエッチバックすることにより、ハードマスク２１と、孔５ａの底部の拡散防止膜１６とを除去する。これにより、層間絶縁膜１に上部孔５が形成される。その後、上部孔５の内部をウエットエッチングし、図１０に示す構造が得られる。

その後、図１１〜図１９に示す実施の形態１の製造方法と同様の製造工程と同様の製造工程を経て、図１〜図３に示す実施の形態１と同様の構造を有する半導体装置が完成する。また、実施の形態２の製造方法を用いてもよい。

本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、実施の形態１または２の製造方法と同様の効果を得ることができる。

以上に開示された実施の形態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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、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修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、デュアルダマシンのＣｕ配線を備えた半導体集積回路およびその製造方法に適している。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図２におけるＩＩＩ部の拡大図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第４工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第５工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第６工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第７工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第８工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第９工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１０工程を示す平面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。 図１３のＸＶ部の拡大図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１１工程を示す平面図である。 図１６のＸＶＩＩ部の拡大図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１２工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１３工程を示す平面図である。 特許文献１の技術を用いた半導体装置の構造を示す断面図である。 図２０のＸＸＩ部の拡大図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第１工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第２工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第３工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第４工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第５工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の第６工程を示す平面図である。

符号の説明

１，１１ 層間絶縁膜、２，３，１３ バリアメタル、２ａ，３ａ，１５ 導電膜、４，４ａ Ｃｕ膜、５ 上部孔、５ａ，２１ａ，５３ａ 孔、６，１２ トレンチ、６ａ トレンチの端部、１４ 下部配線、１６ 拡散防止膜、１７ 下部孔、１７ａ 下部孔の側面、２１ ハードマスク、５１〜５３ レジスト。

Claims (7)

1. 第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜内に形成された配線と、
   前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜とを備え、
   前記配線に下部孔が開口しており、前記第２絶縁膜には前記下部孔に繋がる上部孔が開口しており、前記下部孔の口径は前記上部孔の口径よりも大きくなっており、前記第２絶縁膜には前記上部孔に繋がる溝が形成されており、
   前記下部孔の側面に形成された下部導電膜と、
   前記溝の側面および底面と、前記上部孔の側面とに沿って形成された上部導電膜と、
   前記溝内、前記上部孔内、および前記下部孔内を埋めるように形成された銅を含む導電膜とをさらに備え、
   前記下部導電膜は前記上部導電膜と同じ物質を含んでおり、かつ前記第２絶縁膜はＮが偏在している部分を有することを特徴とする、半導体装置。
2. 第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜内に形成された配線と、
   前記第１絶縁膜上に形成されたＳｉＯ₂よりなる第２絶縁膜とを備え、
   前記配線に下部孔が開口しており、前記第２絶縁膜には前記下部孔に繋がる上部孔が開口しており、前記下部孔の口径は前記上部孔の口径よりも大きくなっており、前記第２絶縁膜には前記上部孔に繋がる溝が形成されており、
   前記下部孔の側面に形成された下部導電膜と、
   前記溝の側面および底面と、前記上部孔の側面とに沿って形成された上部導電膜と、
   前記溝内、前記上部孔内、および前記下部孔内を埋めるように形成された銅を含む導電膜とをさらに備え、
   前記下部導電膜は前記上部導電膜と同じ物質を含んでおり、かつ前記第２絶縁膜はＨが偏在している部分を有することを特徴とする、半導体装置。
3. 前記上部導電膜は前記溝の端部において途切れており、前記第２絶縁膜における前記溝の端部にＮまたはＨが偏在してい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。
4. 前記溝の端部において前記第２絶縁膜に接するように形成された被覆導電膜をさらに備える、請求項３に記載の半導体装置。
5. 内部に配線が形成された第１絶縁膜上に第２絶縁膜を積層して形成する工程と、
   前記配線に達する上部孔を前記第２絶縁膜に開口する工程と、
   前記上部孔に連通する溝を前記第２絶縁膜に形成する工程と、
   前記上部孔内をウエットエッチングすることにより、前記上部孔の口径よりも大きな口径を有する下部孔を前記配線内に形成する工程と、
   前記溝の側面および底面と、前記上部孔の側面と、前記下部孔の底面とに上部導電膜を形成する工程と、
   前記下部孔の底面に存在する前記上部導電膜を物理的にエッチングすることにより、前記下部孔の側面に下部導電膜を形成するエッチング工程と、
   前記エッチング工程の後に、Ｎ、Ｈｅ、およびＨからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むプラズマを用いて前記第２絶縁膜を処理する工程と、
   前記溝内、前記上部孔内および前記下部孔内を埋めるように銅を含む導電膜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。
6. 内部に配線が形成された第１絶縁膜上にＳｉＯＣよりなる第２絶縁膜を積層して形成する工程と、
   前記配線に達する上部孔を前記第２絶縁膜に開口する工程と、
   前記上部孔に連通する溝を前記第２絶縁膜に形成する工程と、
   前記上部孔内をウエットエッチングすることにより、前記上部孔の口径よりも大きな口径を有する下部孔を前記配線内に形成する工程と、
   前記溝の側面および底面と、前記上部孔の側面と、前記下部孔の底面とに上部導電膜を形成する工程と、
   前記下部孔の底面に存在する前記上部導電膜を物理的にエッチングすることにより、前記下部孔の側面に下部導電膜を形成するエッチング工程と、
   前記エッチング工程の後に、前記第２絶縁膜をアルキルシランガス雰囲気に保持する工程と、
   前記溝内、前記上部孔内および前記下部孔内を埋めるように銅を含む導電膜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。
7. 前記エッチング工程において前記溝の端部に前記第２絶縁膜を露出させ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。

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