JP2010093030A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅を主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置において、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止する。
【解決手段】第１の層間絶縁膜１０２に、金属シリサイド層１０１に到達するコンタクトホール１０３を形成する工程（ｃ）と、コンタクトホールの底面及び側壁に、高融点金属膜１０４を形成する工程（ｄ）と、高融点金属膜上に、銅を主成分とする金属膜１０６Ａを形成し、コンタクトホール内に、高融点金属膜を介して、金属膜が埋め込まれてなるコンタクトプラグ１０７を形成する工程（ｅ）と、第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグの上に、第２の層間絶縁膜１０８を形成する工程（ｆ）とを備え、工程（ｆ）は、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去する工程（ｆ１）と、工程（ｆ１）の後に、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｆ２）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、コンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路の高集積化、及びチップサイズの縮小化に伴い、半導体集積回路に含まれる半導体素子に電源、又は信号を供給するためのコンタクトプラグの微細化が進行している。コンタクトプラグの微細化が進行するに従い、コンタクト抵抗が高抵抗化するため、コンタクト抵抗の低抵抗化が要求されている。

以下に、タングステン（Ｗ）を主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置について、図３を参照しながら説明する（例えば特許文献１参照）。図３は、従来の半導体装置の構造を示す断面図である。

図３に示すように、半導体基板２００の上部に、金属シリサイド層２０１が形成されている。半導体基板２００及び金属シリサイド層２０１の上には、第１の層間絶縁膜２０２が形成されており、第１の層間絶縁膜２０２には、金属シリサイド層２０１に接続し、Ｗを主成分とするコンタクトプラグ２０３が形成されている。第１の層間絶縁膜２０２及びコンタクトプラグ２０３の上には、第２の層間絶縁膜２０４が形成されており、第２の層間絶縁膜２０４には、コンタクトプラグ２０３と接続する配線２０５が形成されている。

ここで、特許文献１には、コンタクトプラグ２０３、及び第２の層間絶縁膜２０４が、一般的な方法により形成されることが記載されている。

なお、図３には、上述の構成要素２００〜２０５の他に、素子分離領域２０６，ゲート絶縁膜２０７，ゲート電極２０８，サイドウォールスペーサ２０９，エクステンション領域２１０，ソースドレイン領域２１１を図示している。
特開２００７−５８４０号公報

しかしながら、従来の半導体装置では、コンタクト抵抗の低抵抗化の要求を充分に満たすことが困難である。そのため、コンタクトプラグの材料として、Ｗよりも比抵抗の低い材料を検討することが必要である。

そこで、本件発明者らは、Ｗよりも比抵抗の低い材料として、銅（Ｃｕ）に着目し、コンタクトプラグの材料としてＣｕを用いることを検討した。

ここで、Ｃｕを主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置を製造した場合、第２の層間絶縁膜の形成工程の際に、コンタクトプラグがコンタクトホール外に隆起することを、本件発明者らは見出した。ここで、第２の層間絶縁膜の形成工程とは、第２の層間絶縁膜形成装置のチャンバー内のステージヒーターに、第１の層間絶縁膜にコンタクトプラグが形成された半導体基板を設置する設置ステップと、設置ステップの後に、第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグの上に第２の層間絶縁膜を形成する形成ステップとを含む。

さらに、コンタクトプラグに隆起が発生する要因について、本件発明者らが鋭意検討を重ねたところ、第２の層間絶縁膜の形成工程の際に、コンタクトプラグが加熱されることにより、コンタクトプラグに隆起が発生することを見出した。ここで、コンタクトプラグに加えられる熱としては、具体的には例えば、ステージヒーターへの設置により、ステージヒーターからコンタクトプラグに伝播する熱等が挙げられる。

さらに、コンタクトプラグに隆起が発生する要因について、本件発明者らは鋭意検討を重ねた。具体的には、図４(a) に示すように、測定ポイント１〜６について、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＳ）による定量組成分析を実施したところ、図４(b) に示すように、測定ポイント３〜５は、測定ポイント６に比べて酸素強度が大きく、測定ポイント３〜５は、測定ポイント６に比べて酸素を多量に含むことが判る。従って、コンタクトプラグに隆起が発生する要因は、加熱されたコンタクトプラグに含まれるＣｕが酸化されて体積膨張することによるものと考えられる。なお、図４(a) は、ＥＤＳによる定量組成分析を実施した各測定ポイントを示すＳＴＥＭ写真であり、図４(b) は、各測定ポイントでの酸素強度を示すグラフである。

なお、測定ポイント３は、コンタクトプラグのうちコンタクトホール外に隆起する部分（以下、「コンタクトプラグの隆起部分」と称す）の表面に位置する点であり、測定ポイント４は、コンタクトプラグの隆起部分中に位置する点であり、測定ポイント５は、コンタクトプラグのうちコンタクトホールの上端に形成された部分中に位置する点であり、測定ポイント６は、コンタクトプラグのうちコンタクトホールの中央領域に形成された部分中に位置する点である。一方、測定ポイント１，２は、第２の層間絶縁膜のうちコンタクトプラグの隆起部分の上に堆積された部分中に位置する点である。

このように、コンタクトプラグがコンタクトホール外に隆起すると、コンタクトプラグ上に配線を精度良く形成することができず、コンタクトプラグと配線間に導通不良が発生する。

前記に鑑み、本発明の目的は、銅を主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置において、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止することである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上部に金属シリサイド層を形成する工程（ａ）と、半導体基板及び金属シリサイド層の上に、第１の層間絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、第１の層間絶縁膜に、金属シリサイド層に到達するコンタクトホールを形成する工程（ｃ）と、コンタクトホールの底面及び側壁に、高融点金属膜を形成する工程（ｄ）と、高融点金属膜上に、銅を主成分とする金属膜を形成し、コンタクトホール内に、高融点金属膜を介して、金属膜が埋め込まれてなるコンタクトプラグを形成する工程（ｅ）と、第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグの上に、第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｆ）とを備え、工程（ｆ）は、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去する工程（ｆ１）と、工程（ｆ１）の後に、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｆ２）とを含むことを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法によると、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去した後、第２の層間絶縁膜を形成する。そのため、第２の層間絶縁膜の形成工程の際にコンタクトプラグが加熱されることがあっても、コンタクトプラグに含まれる銅（Ｃｕ）が、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスにより酸化されて体積膨張することを防止できる。即ち、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ１）の後で工程（ｆ２）の前に、コンタクトプラグの表面にプラズマ処理を施す工程（ｆ３）をさらに含むことが好ましい。

このようにすると、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去した後、コンタクトプラグの表面に酸素ガスが残留することがあっても、この酸素ガスを除去することができる。従って、コンタクトプラグに隆起が発生することをさらに防止できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ）は、大気が遮断された状態で行われることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ）の後に、第２の層間絶縁膜に、コンタクトプラグに到達する配線溝を形成する工程（ｇ）と、配線溝の底面及び側壁に、配線用高融点金属膜を形成する工程（ｈ）と、配線用高融点金属膜上に、配線用金属膜を形成し、配線溝内に、配線用高融点金属膜を介して、配線用金属膜が埋め込まれてなる配線を形成する工程（ｉ）とをさらに備えていることが好ましい。

このようにすると、既述の通り、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止できるので、コンタクトプラグと配線間に導通不良が発生することを防止できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｇ）は、還元雰囲気中、配線溝を形成する工程であり、工程（ｈ）は、還元雰囲気中、配線用高融点金属膜を形成する工程であり、工程（ｇ）において、配線溝内に露出するコンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去され、工程（ｈ）において、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、配線用高融点金属膜が形成されることが好ましい。

このようにすると、配線溝内に露出するコンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去した後、配線用高融点金属膜を形成する。そのため、配線溝及び配線用高融点金属膜の形成工程の際にコンタクトプラグが加熱されることがあっても、コンタクトプラグに含まれるＣｕが、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスにより酸化されて体積膨張することを防止できる。従って、コンタクトプラグに隆起が発生することをさらに防止できるので、コンタクトプラグと配線間に導通不良が発生することをさらに防止できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ１）は、コンタクトプラグの表面に還元ガスを導入し、コンタクトプラグの表面の雰囲気を還元雰囲気に置換することにより行うことが好ましく、還元ガスは、アンモニアガス、水素ガス、又はこれらの混合ガスであることが好ましい。具体的には例えば、工程（ｆ１）は、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、チャンバー内のステージヒーターに半導体基板を設置する工程であることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ１）において、コンタクトプラグ表面が還元ガス雰囲気に曝露された状態で、ステージヒーターに半導体基板が設置されることにより、コンタクトプラグの表面に還元処理が施されることが好ましい。

このようにすると、コンタクトプラグに含まれるＣｕが酸化されてＣｕの酸化物が形成されていることがあっても、還元ガスと、ステージヒーターから伝播する熱とをＣｕの酸化物に供給し、Ｃｕの酸化物を還元し、Ｃｕと副生成物とを形成する（即ち、Ｃｕの酸化物をＣｕに戻す）ことができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、高融点金属膜は、第１の高融点金属膜と該第１の高融点金属膜上に形成された第２の高融点金属膜とを含み、第２の高融点金属膜は、ルテニウム、又はタンタルを主成分とすることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、金属膜は、第１の金属膜と該第１の金属膜上に形成された第２の金属膜とを含み、第１の金属膜は、アルミニウムを含有する銅合金からなり、第２の金属膜は、銅からなることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２の層間絶縁膜は、第１の層間絶縁膜に比べて酸素含有量が少ないことが好ましく、具体的には例えば、第２の層間絶縁膜は、シリコン窒化膜、又はカーボンを含有するシリコン窒化膜であることが好ましい。

このようにすると、第２の層間絶縁膜の形成工程の際に発生する酸素ガス量を減少させることができるため、コンタクトプラグに隆起が発生することをさらに防止できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ２）は、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｆ）は、１００度以上５００度以下で行うことが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、コンタクトホールの径は、０．１μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法によると、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去した後、第２の層間絶縁膜を形成する。そのため、第２の層間絶縁膜の形成工程の際にコンタクトプラグが加熱されることがあっても、コンタクトプラグに含まれる銅（Ｃｕ）が、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスにより酸化されて体積膨張することを防止できる。即ち、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止できる。従って、コンタクトプラグと配線間に導通不良が発生することを防止できる。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施形態に記載の材料及び数値等は、単に好ましい材料及び数値等を記載したに過ぎず、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、本発明の実施形態は、本発明の効果を奏する範囲内において、種々の形態に変形可能である。

（一実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１(a) 〜(d) を参照しながら説明する。図１(a) 〜(d) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部工程断面図である。

まず、図１(a) に示すように、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶からなる半導体基板１００の上部に、素子分離領域（図示せず）を形成する。その後、半導体基板１００における素子分離領域に囲まれた領域に、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子（図示せず）を形成する。

その後、半導体基板１００の上部に、例えばニッケルシリサイドからなる金属シリサイド層１０１を形成する。ここで、金属シリサイド層１０１は、半導体基板１００の上部のうち、半導体素子が形成された領域内に形成される。具体的には例えば、半導体素子がＭＩＳＦＥＴの場合、金属シリサイド層は、ＭＩＳＦＥＴのソースドレイン領域、及びゲート領域の上部に形成される。

その後、半導体基板１００及び金属シリサイド層１０１の上に、第１の層間絶縁膜１０２を形成する。ここで、第１の層間絶縁膜１０２の材料としては、例えば半導体素子間のギャップ（具体的には例えば、半導体素子がＭＩＳＦＥＴの場合、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極間のギャップ）が狭いパターンでもボイドフリーな埋め込み特性を持つシリコン酸化膜等を用いることが好ましい。その具体例としては、Ｏ₃−ＴＥＯＳ系ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されたシリコン酸化膜、又はＳＯＤ（Spin on Dielectric）法により形成されたシリコン酸化膜等が挙げられる。Ｏ₃−ＴＥＯＳ系ＣＶＤ法、又はＳＯＤ法により形成されたシリコン酸化膜は、カバレッジの高い膜であるため、半導体装置の微細化が進行することがあっても、半導体素子間のギャップ（具体的には例えば、半導体素子がＭＩＳＦＥＴの場合、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極間のギャップ）に、ボイドを発生させることなく第１の層間絶縁膜１０２を埋め込むことができる。

次に、例えばリソグラフィー及びエッチングにより、第１の層間絶縁膜１０２に、金属シリサイド層１０１に到達するコンタクトホール１０３を形成する。ここで、コンタクトホール１０３の径は、例えば０．１μｍ以下であることが好ましく、さらに、微細化の観点からは、例えば０．０８μｍ以下であることがより好ましい。

次に、例えばエッチングにより、コンタクトホール１０３内の汚染物（具体的には例えば、金属シリサイド層１０１上に形成された酸化膜、又は炭素系膜等）を除去する。その後、第１の層間絶縁膜１０２上、並びにコンタクトホール１０３の底面及び側壁に、第１の高融点金属膜１０４ａを形成する。ここで、第１の高融点金属膜１０４ａの材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化タンタル（ＴａＮ）を用いることが好ましい。第１に例えば、第１の高融点金属膜１０４ａの材料としてＴｉ又はＴａを用いる場合には、その形成を、例えばアルゴン（Ａｒ）を含む雰囲気中，高指向性のスパッタ法により行うことが好ましい。第２に例えば、第１の高融点金属膜１０４ａの材料としてＴｉＮ又はＴａＮを用いる場合には、その形成を、例えばＡｒ及び窒素（Ｎ₂）を含む雰囲気中，高指向性のスパッタ法により行うことが好ましい。第３に例えば、第１の高融点金属膜１０４ａの材料としてＴｉを用いる場合には、その形成方法として、ＣＶＤ法を用いてもよい。その場合、ＣＶＤ法として、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いることが好ましく、具体的には例えば、４５０度の下、原料ガスとして塩素化チタンガス及び水素ガスを用いたＰＥ−ＣＶＤ法を用いる。またここで、第１の高融点金属膜１０４ａのうち、金属シリサイド層１０１上に形成された部分の膜厚は、例えば２ｎｍ以上であることが好ましい。

次に、第１の高融点金属膜１０４ａ上に、第２の高融点金属膜１０４ｂを形成する。ここで、第２の高融点金属膜１０４ｂの材料としては、銅（Ｃｕ）と濡れ性の高い材料を用いることが好ましく、その具体例としては、例えばルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）を含有するルテニウム（Ｒｕ）合金、又はタンタル（Ｔａ）が挙げられる。またここで、第２の高融点金属膜１０４ｂの形成方法としては、例えばスパッタ法又はＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いることが好ましい。またここで、第２の高融点金属膜１０４ｂのうち、コンタクトホール１０３の底面及び側壁に第１の高融点金属膜１０４ａを介して形成された部分の膜厚は、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。

このようにして、図１(a) に示すように、コンタクトホール１０３の底面及び側壁に、第１の高融点金属膜１０４ａと、第１の高融点金属膜１０４ａ上に形成された第２の高融点金属膜１０４ｂとからなる高融点金属膜１０４を形成する。

次に、高融点金属膜１０４上に、アルミニウム（Ａｌ）を含有する銅（Ｃｕ）合金からなるシード膜（第１の金属膜）１０５を形成する。ここで、シード膜１０５は、例えばＡｒを含む雰囲気中，高指向性のスパッタ法により形成されることが好ましい。またここで、シード膜１０５のうち、第１の層間絶縁膜１０２上に高融点金属膜１０４を介して形成された部分の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。その後、電解めっき法により、シード膜１０５上に、銅（Ｃｕ）からなる第２の金属膜１０６を形成し、コンタクトホール１０３内に、高融点金属膜１０４及びシード膜１０５を順次介して、第２の金属膜１０６を埋め込む。ここで、第２の金属膜１０６の形成後、第２の金属膜１０６の比抵抗を低減させることを目的に、例えば窒素雰囲気中，５０度以上５００度以下の下９０分間、第２の金属膜１０６にアニール処理を施してもよい。

このようにして、図１(a) に示すように、高融点金属膜１０４上に、シード膜（第１の金属膜）１０５とシード膜１０５上に形成された第２の金属膜１０６とからなる金属膜１０６Ａを形成する。

次に、図１(b) に示すように、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、高融点金属膜１０４、及び金属膜１０６Ａのうち、コンタクトホール１０３外に形成された部分を除去する。これにより、コンタクトホール１０３内に、高融点金属膜１０４を介して、Ｃｕを主成分とする金属膜１０６Ａが埋め込まれてなるコンタクトプラグ１０７を形成する。なお、コンタクトプラグ１０７は、金属シリサイド層１０１を介して、半導体素子と電気的に接続している。

次に、第２の層間絶縁膜（図１(c)：１０８参照）形成装置（図示せず）のチャンバー内に、例えば流量が５．０×１０^-6ｍ³／ｓのアンモニア（ＮＨ₃）ガス、及び流量が１．７×１０^-6ｍ³／ｓのヘリウム（Ｈｅ）ガスを導入しながら、例えば１００度以上５００度以下に加熱されたチャンバー内のステージヒーターに、図１(b) に示す構成の半導体基板１００を設置する。このようにして、コンタクトプラグ１０７の表面に還元ガスを導入し、コンタクトプラグ１０７の表面の雰囲気を還元雰囲気に置換する。これにより、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去する。ここで、還元ガスとしては、ＮＨ₃ガスに代えて、水素（Ｈ₂）ガス、又はＮＨ₃ガスとＨ₂ガスとの混合ガスを用いてもよい。

このとき、コンタクトプラグ１０７表面が還元ガス雰囲気に曝露された状態で、ステージヒーターに半導体基板１００が設置されるため、コンタクトプラグ１０７の表面に還元処理が施される。これにより、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕが酸化されてＣｕの酸化物が形成されていることがあっても、還元ガス（例えばＮＨ₃ガス）と、ステージヒーターから伝播する熱とをＣｕの酸化物に供給し、Ｃｕの酸化物を還元し、Ｃｕと副生成物（例えば銅アンモニウム等）とを形成することができる。このように、ステージヒーターから伝播する熱を利用して、還元雰囲気中に含まれる還元ガスとＣｕの酸化物との還元反応を起こし、Ｃｕの酸化物をＣｕに戻すことができる。

その後、チャンバー内を大気開放させることなく、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、図１(c) に示すように、第１の層間絶縁膜１０２及びコンタクトプラグ１０７の上に、第２の層間絶縁膜１０８を形成する。ここで、第２の層間絶縁膜１０８としては、酸素含有量の比較的少ない膜を用いることが好ましく、さらに、酸素を含有しない膜を用いることがより好ましい。例えば、第２の層間絶縁膜１０８は、第１の層間絶縁膜１０２に比べて酸素含有量が少ないことが好ましい。第２の層間絶縁膜１０８の具体例としては、例えばシリコン窒化膜、又は炭素（Ｃ）を含有するシリコン窒化膜が挙げられる。またここで、第２の層間絶縁膜１０８は、ＣＶＤ法により形成されることが好ましい。またここで、第２の層間絶縁膜１０８の膜厚は、例えば５０ｎｍであることが好ましい。

このようにして、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程を行う。ここで、「第２の層間絶縁膜１０８の形成工程」は、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去する除去ステップと、除去ステップの後に、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、第２の層間絶縁膜を形成する形成ステップとを含む。さらに詳細には、「除去ステップ」とは、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板１００を設置することにより、コンタクトプラグ１０７の表面の雰囲気を還元雰囲気に置換する置換ステップである。

次に、図１(d) に示すように、還元雰囲気中、第２の層間絶縁膜１０８に、コンタクトプラグ１０７に到達する配線溝（即ち、コンタクトプラグ１０７の表面を露出する配線溝）１０９を形成する。このように、還元雰囲気中、配線溝１０９を形成することにより、配線溝１０９内に露出するコンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去する。

その後、引き続き還元雰囲気中、コンタクトプラグ１０７の表面に還元処理を施す。具体的には例えば、Ｈ₂ガス雰囲気中、２８０度の下６０秒間、コンタクトプラグ１０７の表面を曝露し、コンタクトプラグ１０７の表面に還元処理を施す。これにより、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕが酸化されてＣｕの酸化物が形成されていることがあっても、還元ガス（例えばＨ₂ガス）と、熱（例えば２８０度の熱）とをＣｕの酸化物に供給し、Ｃｕの酸化物を還元し、Ｃｕと副生成物とを形成する（即ち、Ｃｕの酸化物をＣｕに戻す）ことができる。

その後、引き続き還元雰囲気中、配線溝１０９の底面及び側壁に、例えば高融点金属からなるバリアメタル膜（配線用高融点金属膜）１１０を形成する。このように、還元雰囲気中、バリアメタル膜１１０を形成することにより、配線溝１０９内に露出するコンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、バリアメタル膜１１０を形成する。その後、バリアメタル膜１１０上に、例えば銅からなる配線用金属膜１１１を形成する。このようにして、配線溝１０９内に、バリアメタル膜１１０を介して、配線用金属膜１１１が埋め込まれてなる配線１１２を形成する。

以上のようにして、本実施形態に係る半導体装置、即ち、Ｃｕを主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置を製造することができる。

本実施形態によると、コンタクトプラグ１０７の形成（図１(b) 参照）後、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに図１(b) に示す構成の半導体基板１００を設置した後（即ち、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後）、第２の層間絶縁膜１０８を形成する。そのため、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程の際にコンタクトプラグ１０７が加熱される（例えばステージヒーターの熱がコンタクトプラグ１０７に伝播する）ことがあっても、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕが、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスにより酸化されて体積膨張することを防止できる。即ち、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを防止できる。従って、コンタクトプラグ１０７と配線１１２間に導通不良が発生することを防止できる。

さらに、還元雰囲気中、配線溝１０９を形成した（即ち、配線溝１０９内に露出するコンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスが除去された）後、引き続き還元雰囲気中、バリアメタル膜１１０を形成する。そのため、配線溝１０９及びバリアメタル膜１１０の形成工程の際にコンタクトプラグ１０７が加熱されることがあっても、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕが、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスにより酸化されて体積膨張することを防止できる。即ち、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを防止できる。従って、コンタクトプラグ１０７と配線１１２間に導通不良が発生することをさらに防止できる。

ここで、本件発明者らが鋭意検討を重ねたところ、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程の際に発生する酸素ガスの供給源としては、以下に示す１）〜３）が考えられる。

１）第２の層間絶縁膜１０８の形成時に発生する酸素ガス
２）第１の層間絶縁膜１０２に含有される水分
３）チャンバー内に残留する酸素ガス
そこで、上記１）の対策として、第２の層間絶縁膜１０８として、第１の層間絶縁膜１０２に比べて酸素含有量の少ない膜を用いることにより、第２の層間絶縁膜１０８の形成時に発生する酸素ガス量を減少させて、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程の際に発生する酸素ガス量を減少させることができるため、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することをさらに防止できる。

また、上記２）の対策として、既述の通り、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板１００を設置した後、第２の層間絶縁膜１０８を形成する。これにより、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程の際に、第１の層間絶縁膜１０２に含有される水分が加熱分解されて酸素ガスを発生させることがあっても、この酸素ガスを還元ガス流に乗せて除去することができるため、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを防止できる。即ち、第１の層間絶縁膜１０２が水分を含有する場合、本発明の効果を有効に発揮できる。

特に、第１の層間絶縁膜１０２として、Ｏ₃−ＴＥＯＳ系ＣＶＤ法、又はＳＯＤ法により形成されたシリコン酸化膜を用いる場合、これらの膜は吸湿性が高いため、これらの膜には比較的多量の水分が含有される。そのため、この場合、本発明の効果をさらに有効に発揮できる。

また、上記３）の対策として、既述の通り、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板１００を設置する。これにより、チャンバー内に残留する酸素ガスを還元ガス流に乗せて除去することができる。

特に、チャンバーとして、酸素ガスを用いてクリーニングされたチャンバーを用いる場合、チャンバー内には比較的多量の酸素ガスが残留する。そのため、この場合、チャンバー内に残留する酸素ガスを還元ガス流に乗せて効果的に除去することができる。

ここで、一般に、ＣＶＤ装置を用いたＣＶＤ法により膜を形成する場合、ＣＶＤ装置用チャンバー内の真空度は、比較的低い真空度に設定される。

そのため、ＣＶＤ法により、第２の層間絶縁膜を形成した場合、ＣＶＤ装置用チャンバー内の真空度が比較的低い、言い換えれば、ＣＶＤ装置用チャンバー内の酸素ガス量が比較的多いため、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガス量は比較的多い。

しかしながら、第２の層間絶縁膜１０８をＣＶＤ法により形成する場合（即ち、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガス量が比較的多い場合）であっても、既述の通り、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後、第２の層間絶縁膜１０８を形成するため、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを防止できる。即ち、第２の層間絶縁膜１０８をＣＶＤ法により形成する場合、本発明の効果を有効に発揮できる。

またここで、露出する表面積が比較的小さい銅膜（以下、単に「銅膜Ａ」と称す）と、露出する表面積が比較的大きい銅膜（以下、単に「銅膜Ｂ」と称す）とのそれぞれを、酸素ガス量が同一の雰囲気中のステージヒーターに設置した場合、銅膜の表面積に対する酸素ガス量の割合は、銅膜Ｂに比べて、銅膜Ａは高く、そのため、銅膜に含まれるＣｕが酸化される割合は、銅膜Ｂに比べて、銅膜Ａは高い。即ち、露出する銅膜の表面積が小さくなるに連れて、銅膜の表面積に対する酸素ガス量の割合が高く、銅膜に含まれるＣｕが酸化される割合が高くなる。

そのため、コンタクトプラグの径が比較的小さい（例えば０．１μｍ以下の）場合、即ち、コンタクトプラグの表面積が比較的小さい場合、コンタクトプラグの表面積が比較的大きい場合に比べて、コンタクトプラグに含まれるＣｕが酸化される割合が高い。

しかしながら、コンタクトプラグ１０７の径が例えば０．１μｍ以下の場合であっても、既述の通り、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後、第２の層間絶縁膜１０８を形成するため、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを防止できる。即ち、コンタクトプラグ１０７の径が０．１μｍ以下の場合、本発明の効果を有効に発揮できる。特に、コンタクトプラグ１０７の径が０．０８μｍ以下の場合、より顕著な本発明の効果が期待できる。それは、コンタクトプラグ１０７の表面積がより小さくなるためである。

また、コンタクトプラグ１０７の形成工程の後、第２の層間絶縁膜１０８の形成工程を速やかに（例えば３日以内）に行うことにより、コンタクトプラグ１０７の表面を速やかに第２の層間絶縁膜１０８で覆うことができるため、コンタクトプラグ１０７の表面が露出される期間を短くし、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することを効果的に防止できる。

また、第２の高融点金属膜１０４ｂ（即ち、高融点金属膜１０４のうちシード膜１０５と接する膜）の材料として、Ｃｕと濡れ性の高い材料（具体的には例えば、Ｒｕ又はＴａを主成分とする材料）を用いることにより、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕ原子が移動することを抑制できる。

また、シード膜（第１の金属膜）１０５の材料として、Ｒｕ又はＴａを主成分とする第２の高融点金属膜１０４ｂと濡れ性の高い材料（具体的には例えば、Ａｌを含有するＣｕ合金）を用いることにより、コンタクトプラグ１０７に含まれるＣｕ原子が移動することを抑制できる。

以下に、本発明の効果を有効に説明するために、従来のコンタクトプラグと、本発明のコンタクトプラグとを比較する。図２(a) 〜(b) は、表面側から観察された各コンタクトプラグの走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）写真であり、図２(a) は、従来のコンタクトプラグのＳＥＭ写真であり、図２(b) は、本発明のコンタクトプラグのＳＥＭ写真である。

ここで、「従来のコンタクトプラグ」とは、例えば４００度に加熱されたステージヒーターに設置された状態で、表面がＮＨ₃ガス等の還元雰囲気中に曝露されていないコンタクトプラグである。一方、「本発明のコンタクトプラグ」とは、例えば４００度に加熱されたステージヒーターに設置された状態で、表面がＮＨ₃ガスからなる還元雰囲気中に曝露されたコンタクトプラグである。

図２(a) に示すように、従来のコンタクトプラグは、コンタクトホール外に隆起して形成されるのに対し、図２(b) に示すように、本発明のコンタクトプラグは、コンタクトホール外に隆起することなく、コンタクトホール内に精度良く形成される。

なお、本実施形態では、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板１００を設置することにより、コンタクトプラグ１０７の表面の雰囲気を還元雰囲気に置換しコンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去するのに加えて、コンタクトプラグ１０７の表面に還元処理を施す場合を具体例に挙げて説明した。即ち、本実施形態では、コンタクトプラグ１０７表面が還元ガス雰囲気に曝露された状態で、ステージヒーターに半導体基板１００を設置することにより、コンタクトプラグ１０７にＣｕの酸化物が形成されていることがあっても、Ｃｕの酸化物を還元する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、本実施形態のようにコンタクトプラグ表面が還元ガス雰囲気に曝露された状態で、ステージヒーターに半導体基板を設置しても、コンタクトプラグ１０７に還元されるべきＣｕの酸化物が形成されていない場合もある。

また、本実施形態では、還元雰囲気中、配線溝１０９を形成した後、配線溝１０９内に露出するコンタクトプラグ１０７の表面に還元処理を施し、その後、バリアメタル膜１１０を形成する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、還元雰囲気中、配線溝を形成した後、コンタクトプラグの表面に還元処理を施さずに、バリアメタル膜を形成してもよい。

また、本実施形態では、高融点金属膜１０４の構成が、第１の高融点金属膜１０４ａと第２の高融点金属膜１０４ｂとの２膜が積層された積層構成の場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、高融点金属膜の構成は、単層構成、又は３膜以上が積層された積層構成でもよい。

また、本実施形態では、本発明を、銅を主成分とするコンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法に適用する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、銅を含む電極が加熱された状態で、電極の表面が酸素ガスを含む雰囲気中に曝される工程を含む半導体装置の製造方法に、本発明を有効に適用できる。

（一実施形態の変形例）
以下に、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法について、簡単に説明する。なお、本変形例では、一実施形態と相違する点についてのみ説明し、一実施形態と共通する点の説明は省略する。

一実施形態と本変形例との相違点は、以下に示す点である。

一実施形態では、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板１００を設置した後（即ち、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後）、第２の層間絶縁膜１０８を形成する。

これに対し、本変形例では、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後、第２の層間絶縁膜１０８を形成する前に、コンタクトプラグ１０７の表面にプラズマ処理を施す。具体的には例えば、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、ステージヒーターに半導体基板を設置した後、チャンバー内を大気開放することなく、例えば２０秒以上２００秒以下の間、例えばＮＨ₃等のガスからなるプラズマを、コンタクトプラグの表面に照射する。その後、チャンバー内を大気開放することなく、チャンバー内に還元ガスを導入しながら、第２の層間絶縁膜を形成する。

このようにすると、コンタクトプラグ１０７の表面に存在する酸素ガスを除去した後、コンタクトプラグ１０７の表面に酸素ガスが残留することがあっても、この酸素ガスを除去することができる。従って、一実施形態に比べて、コンタクトプラグ１０７に隆起が発生することをさらに防止できる。

以上のように、本件発明者らによって成された発明を、上述の一実施形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々の形態に変形可能である。ここで、本明細書中に登場する「コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去する」とは、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止できる程度にまで、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去することを意味する。即ち、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを完全に除去するという意味に限定されるものではなく、酸素ガスを上記程度にまで除去するという意味も含む。なお、本発明の効果を有効に得るには、コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを完全に除去することが好ましいことはいうまでもない。

以上説明したように、本発明は、コンタクトプラグに隆起が発生することを防止できるため、コンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法に有用である。

(a) 〜(d) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す要部工程断面図である。 (a) は、従来のコンタクトプラグのＳＥＭ写真であり、(b) は、本発明のコンタクトプラグのＳＥＭ写真である。 従来の半導体装置の構造を示す断面図である。 (a) は、ＥＤＳによる定量組成分析を実施した各測定ポイントを示すＳＴＥＭ写真であり、(b) は、各測定ポイントでの酸素強度を示すグラフである。

符号の説明

１００ 半導体基板
１０１ 金属シリサイド層
１０２ 第１の層間絶縁膜
１０３ コンタクトホール
１０４ａ 第１の高融点金属膜
１０４ｂ 第２の高融点金属膜
１０４ 高融点金属膜
１０５ シード膜（第１の金属膜）
１０６ 第２の金属膜
１０６Ａ 金属膜
１０７ コンタクトプラグ
１０８ 第２の層間絶縁膜
１０９ 配線溝
１１０ バリアメタル膜（配線用高融点金属膜）
１１１ 配線用金属膜
１１２ 配線

Claims (16)

1. 半導体基板の上部に金属シリサイド層を形成する工程（ａ）と、
   前記半導体基板及び前記金属シリサイド層の上に、第１の層間絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記第１の層間絶縁膜に、前記金属シリサイド層に到達するコンタクトホールを形成する工程（ｃ）と、
   前記コンタクトホールの底面及び側壁に、高融点金属膜を形成する工程（ｄ）と、
   前記高融点金属膜上に、銅を主成分とする金属膜を形成し、前記コンタクトホール内に、前記高融点金属膜を介して、前記金属膜が埋め込まれてなるコンタクトプラグを形成する工程（ｅ）と、
   前記第１の層間絶縁膜及び前記コンタクトプラグの上に、第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｆ）とを備え、
   前記工程（ｆ）は、
   前記コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスを除去する工程（ｆ１）と、
   前記工程（ｆ１）の後に、前記コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、前記第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｆ２）とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記工程（ｆ１）の後で前記工程（ｆ２）の前に、前記コンタクトプラグの表面にプラズマ処理を施す工程（ｆ３）をさらに含む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。
3. 前記工程（ｆ）は、大気が遮断された状態で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記工程（ｆ）の後に、前記第２の層間絶縁膜に、前記コンタクトプラグに到達する配線溝を形成する工程（ｇ）と、
   前記配線溝の底面及び側壁に、配線用高融点金属膜を形成する工程（ｈ）と、
   前記配線用高融点金属膜上に、配線用金属膜を形成し、前記配線溝内に、前記配線用高融点金属膜を介して、前記配線用金属膜が埋め込まれてなる配線を形成する工程（ｉ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記工程（ｇ）は、還元雰囲気中、前記配線溝を形成する工程であり、
   前記工程（ｈ）は、還元雰囲気中、前記配線用高融点金属膜を形成する工程であり、
   前記工程（ｇ）において、前記配線溝内に露出する前記コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去され、
   前記工程（ｈ）において、前記コンタクトプラグの表面に存在する酸素ガスが除去された状態で、前記配線用高融点金属膜が形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記工程（ｆ１）は、前記コンタクトプラグの表面に還元ガスを導入し、前記コンタクトプラグの表面の雰囲気を還元雰囲気に置換することにより行うことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記還元ガスは、アンモニアガス、水素ガス、又はこれらの混合ガスであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記工程（ｆ１）は、チャンバー内に前記還元ガスを導入しながら、前記チャンバー内のステージヒーターに前記半導体基板を設置する工程であることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記工程（ｆ１）において、前記コンタクトプラグ表面が前記還元ガス雰囲気に曝露された状態で、前記ステージヒーターに前記半導体基板が設置されることにより、前記コンタクトプラグの表面に還元処理が施されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記高融点金属膜は、第１の高融点金属膜と該第１の高融点金属膜上に形成された第２の高融点金属膜とを含み、
    前記第２の高融点金属膜は、ルテニウム、又はタンタルを主成分とすることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記金属膜は、第１の金属膜と該第１の金属膜上に形成された第２の金属膜とを含み、
    前記第１の金属膜は、アルミニウムを含有する銅合金からなり、
    前記第２の金属膜は、銅からなることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記第２の層間絶縁膜は、前記第１の層間絶縁膜に比べて酸素含有量が少ないことを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記第２の層間絶縁膜は、シリコン窒化膜、又は炭素を含有するシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記工程（ｆ２）は、ＣＶＤ法により行うことを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記工程（ｆ）は、１００度以上５００度以下で行うことを特徴とする請求項１〜１４のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記コンタクトホールの径は、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。