(57)【要約】【課題】銅配線層を、その上に形成されたＡｌなどの配線層と、アスペクト比が１．２５を超える微細なタングステンプラグを介して接続し、多層配線構造を形成する際に、バリアメタル膜あるいは銅配線層における欠陥の発生を抑制する。【解決手段】バリアメタル膜を窒化膜のみにより形成し、バリアメタル膜中における金属膜あるいは金属部分に形成を抑制する。さらにタングステン膜のＣＶＤプロセスによりビアホールを充填する際に、タングステンの気相原料と同時に水素ガスを供給する。【選択図】          図６
2004207281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅配線パターンを含む第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第２の配線層と、
前記層間絶縁膜中に前記銅配線パターンを露出するように形成されたビアホールと、
前記ビアホール中に形成され、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続するタングステンプラグとよりなる多層配線構造であって、
前記ビアホールは、深さ／径比が１．２５以上の値を有し、
前記タングステンプラグの外壁面と前記ビアホールの内壁面との間には、前記タングステンプラグの外壁面に接する内壁面と、前記ビアホールの内壁面に接する外壁面とにより画成された導電性窒化物膜が形成されていることを特徴とする多層配線構造。
【請求項２】
前記導電性窒化膜は、ＴａＮ膜を含むことを特徴とする請求項１記載の多層配線構造。
【請求項３】
前記導電性窒化膜は、第１の窒化物膜と、前記第１の窒化物膜の内側に積層された第２の窒化物膜とよりなることを特徴とする請求項１または２記載の多層配線構造。
【請求項４】
銅配線パターンを含む第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に、前記銅配線パターンを露出するようにビアホールを形成する工程と、
前記被処理基板を反応性スパッタ装置中に導入し、前記反応性スパッタ装置中において前記層間絶縁膜上に、前記ビアホール内壁面を覆うように窒化物膜を反応性スパッタリングにより形成する工程と、
前記窒化物膜の形成工程の後、前記ビアホールを充填するように前記層間絶縁膜上にタングステンプラグを形成する工程と、
前記タングステンプラグ形成工程の後、前記層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程とよりなる多層配線構造の形成方法であって、
前記窒化物膜を形成する工程の後、前記タングステンプラグを形成する工程より前に、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置中に設けられたスパッタターゲットから隔離する工程を含み、
前記窒化物膜を形成する工程の後、前記被処理基板を前記スパッタターゲットから隔離した状態で、前記反応性スパッタ装置中において前記スパッタターゲット表面をクリーニングすることを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項５】
前記クリーニング工程は、前記スパッタターゲット表面の窒化膜が除去され前記スパッタターゲットを構成する金属の表面が露出するように実行されることを特徴とする請求項４記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項６】
前記被処理基板を隔離する工程は、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置から外部に取り出す工程よりなることを特徴とする請求項４または５記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項７】
前記タングステンプラグを形成する工程は、タングステンのフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法により、前記ビアホールを、前記窒化物膜を介してタングステン膜で充填する工程を含み、前記ビアホールを前記タングステン膜で充填する工程は、水素ガスを前記被処理基板表面に供給しながら実行されることを特徴とする請求項４〜６のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項８】
前記タングステンプラグを形成する工程は、前記ビアホールの表面に、タングステンのフッ化物気相原料と、前記フッ化物気相原料を分解する反応性ガスとを交互に、間にパージ工程を挟みながら供給し、前記ビアホールの内壁面を覆う窒化物膜上にタングステンのパッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜上にタングステン膜をＣＶＤ法により堆積する工程とよりなり、少なくとも前記パッシベーション膜を形成する工程は、水素ガスを前記被処理基板表面に供給しながら実行されることを特徴とする請求項４〜７のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項９】
基板と、前記基板上に形成された多層配線構造とを含む半導体装置であって、前記多層配線構造は、
銅配線パターンを含む第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第２の配線層と、
前記層間絶縁膜中に前記銅配線パターンを露出するように形成されたビアホールと、
前記ビアホール中に形成され、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続するタングステンプラグとよりなる多層配線構造であって、
前記ビアホールは、深さ／径比が１．２５以上の値を有し、
前記タングステンプラグの外壁面と前記ビアホールの内壁面との間には、前記タングステンプラグの外壁面に接する内壁面と、前記ビアホールの内壁面に接する外壁面とにより画成された導電性窒化物膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に多層配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置を微細化することにより、スケーリング則に沿った半導体装置の動作速度の高速化が図られている。一方最近の半導体集積回路装置では、基板上に形成された莫大な数の半導体装置を相互接続するために多層配線構造が使用されるが、かかる多層配線構造では、配線の総延長が増大し、深刻な配線遅延の問題が生じる。
【０００３】
そこで前記多層配線構造中における配線遅延の問題を解決すべく、多層配線構造中で層間絶縁膜を構成する絶縁膜に、従来使われているＳｉＯ2系の絶縁膜の代わりに比誘電率の小さい無機絶縁膜あるいは有機絶縁膜を使い、また配線パターンに、従来使われているアルミニウムの代わりにより低抵抗で原子量の大きい銅を使うことが研究されている。配線パターンに銅を使う場合、従来使われていたドライエッチング工程によるパターニングが困難であるため、銅配線パターンはダマシン法により形成される。
【０００４】
しかしながら、ダマシン法による銅配線パターンの形成は工程数が多く、またストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションなど、様々な課題も残っている。
【０００５】
このような事情から、銅配線を使う超微細化半導体集積回路装置においても、配線遅延の問題が厳しい下層部にはダマシン法により形成された銅配線パターンを使い、配線遅延の問題がそれ程厳しくない上層部の配線には、従来通りのアルミニウム多層配線構造を使うことがある。銅配線パターンを有する多層配線構造上にアルミニウム配線パターンを有する多層配線構造を形成する場合には、下層の銅配線パターンと上層のアルミニウム配線パターンとを導電性プラグにより接続する必要がある。従来、このような導電性プラグとしては微細なビアホールをＣＶＤ法により、優れたステップカバレッジで充填できるタングステンが一般に使われている。
【０００６】
図１は、このような下層の銅配線を上層のアルミニウム配線と、層間絶縁膜中に形成されたタングステンプラグを介して接続する従来の接続構造１０を示す。
【０００７】
図１を参照するに、従来の接続構造１０では層間絶縁膜１１中にバリアメタル膜１１Ａにより側壁面および底面が覆われた配線溝１１Ｇが形成されており、前記配線溝１１Ｇはダマシン法あるいはデュアルダマシン法により形成された銅配線パターン１１Ｃｕにより充填されている。ダマシン法に伴うＣＭＰプロセスの結果、前記層間絶縁膜１１と銅配線パターン１１Ｃｕとは同一の、一致する上主面を有し、かかる上主面上にはＳｉＮなどよりなるバリア膜１２Ｎを介して次の層間絶縁膜１２が形成されている。
【０００８】
前記層間絶縁膜１２中には前記バリア膜１２Ｎを貫通して前記銅配線パターン１１Ｃを露出するビアホール１２Ｖが形成されており、前記ビアホール１２Ｖの側壁面および底面は、ＴａＮ膜１２ａおよびＴａ膜１２ｂを順次積層した構成のバリアメタル膜１２Ａと、ＴｉＮよりなるバリアメタル膜１２Ｂとにより順次覆われており、このようにバリアメタル膜１２Ａ，１２Ｂにより覆われたビアホール１２Ｖ中には前記ビアホール１２Ｖ中の空間を充填するようにタングステンプラグ１２Ｗが、ＣＶＤ法およびこれに引き続くＣＭＰ工程により形成されている。
【０００９】
さらにこのようにしてタングステンプラグ１２Ｗを形成された層間絶縁膜１２上にはＴｉよりなる密着膜１３ＡおよびＴｉＮよりなるバリアメタル膜１３Ｂを介して、アルミニウムあるいはアルミニウム銅などのアルミニウム合金よりなるアルミニウム配線パターン１３が形成されている。
【００１０】
図示の例では、アルミニウム配線パターン１３の表面には、通常どおり、ＴｉＮよりなる別のバリアメタル膜１３Ｃがさらに形成されている。
【００１１】
また従来、このようなタングステンプラグにより、上下の銅配線パターンを接続することも提案されている。
【００１２】
図２（Ａ）〜図４（Ｅ）は、図１の接続構造を形成する工程を示す。
【００１３】
図２（Ａ）を参照するに、図示を省略したダマシン法により銅配線パターン１１Ｃｕを埋め込まれた層間絶縁膜１１上には前記ＳｉＮ膜１２ＮがプラズマＣＶＤ法により堆積され、次に図２（Ｂ）の工程において前記ＳｉＮ膜１２Ｎ上に層間絶縁膜１２がプラズマＣＶＤ法などにより形成される。図２（Ｂ）の工程では、さらに前記層間絶縁膜１２中に、前記ＳｉＮ膜１２Ｎを貫通して前記銅配線パターン１１Ｃｕを露出するようにビアホール１２Ｖが形成される。
【００１４】
次に図３（Ｃ）の工程において図２（Ｂ）の露出された銅配線パターン１１Ｃｕに対して高周波プラズマ中において１５ｎｍ程度の深さでドライエッチングを行い、前記ビアホール１２Ｖの上部においてビア径を多少広げた後、前記図２（Ｂ）の構造上に前記ビアホール１２Ｖを含むように反応性スパッタリングにより、前記ＴａＮ膜１２ａとＴａ膜１２ｂとが堆積され、前記バリアメタル膜１２Ａが形成される。さらに図３（Ｃ）の工程においては前記バリアメタル膜１２Ａ上に前記ＴｉＮ膜１２Ｂが、次のバリアメタル膜として、同じく反応性スパッタリングにより形成される。
【００１５】
典型的な例では前記ＴａＮ膜１２ａおよびＴａ膜１２ｂはそれぞれ２０ｎｍおよび３０ｎｍの膜厚に形成され、また前記ＴｉＮ膜１２Ｂは５０ｎｍの膜厚に形成される。このような構成では、前記バリアメタル膜１２Ａおよび１２Ｂは、ＴａＮ／Ｔａ／ＴｉＮ積層構造を形成する。あるいはバリアメタル膜１２Ａ中においてＴａＮ膜１２ａおよびＴａ膜１２ｂを繰り返し積層し、ＴａＮ／Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ／ＴｉＮ構造を形成する場合もある。この場合にはＴａＮ膜を１０ｎｍの膜厚に、またＴａ膜を１５ｎｍの膜厚に形成することができる。
【００１６】
さらに図３（Ｄ）の工程において図３（Ｃ）の構造上に、ＷＦ6を気相原料としたＣＶＤ法により、前記ビアホール１２Ｖを充填するようにタングステン膜１２が堆積され、さらにＣＭＰ法により前記層間絶縁膜１２上のタングステン膜１２およびバリアメタル膜１２Ｂ，１２Ａを順次除去することにより、図４（Ｅ）の構造が得られる。
【００１７】
このようにして得られた図４（Ｅ）の構造上に通常の工程に従ってバリアメタル膜１３Ａ，１３Ｂおよびアルミニウム配線パターン１３を形成することにより、図１の構造が得られる。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１１−８７５３
【００１９】
【特許文献２】
特開２００１−９３９７６
【００２０】
【特許文献３】
特開平７−９４６１０
【００２１】
【特許文献４】
特開２００１−９３９７６
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが本発明の発明者は本発明の基礎となる研究において、図１のコンタクト構造を微細化しビアホール１２Ｖのアスペクト比（深さ／径比）が１．２５を超えるようになった場合、図５（Ａ），（Ｂ）に示すようにビアホール１２Ｖの側壁面を覆うＴａ膜１２ｂに腐食１２Ｘが生じ、また銅配線パターン１１Ｃｕ中にも腐食１１Ｘが生じやすいことを見出した。ただし図５（Ａ）はビアプラグ断面の概略図を、また図５（Ｂ）は実際のビアプラグ断面のＳＥＭ写真を示す。図５（Ｂ）の写真は、アスペクト比が１・４のビアプラグについてのものである。
【００２３】
ビアプラグの側壁面あるいは銅配線パターンのビアプラグとのコンタクト部にこのような腐食による欠陥が生じると、コンタクト抵抗が増大するのみならず、エレクトロマイグレーションあるいはストレスマイグレーションに対する耐性が劣化し、半導体装置の歩留まりおよび信頼性が大きく低下してしまう。
【００２４】
そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な多層配線構造およびその形成方法、さらにかかる多層配線構造を有する半導体装置を提供することを概括的課題とする。
【００２５】
本発明のより具体的な課題は、銅配線層と上層の配線層とを、銅配線層と前記上層の配線層との間に介在する層間絶縁膜中に形成された微細なコンタクトホールにより接続する多層配線構造において、前記微細なコンタクトホール中に形成されたタングステンプラグを囲むバリアメタル膜に生じる腐食の問題、および前記銅配線層に生じる腐食の問題を解決することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、銅配線パターンを含む第１の配線層と、前記第１の配線層上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された第２の配線層と、前記層間絶縁膜中に前記銅配線パターンを露出するように形成されたビアホールと、前記ビアホール中に形成され、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続するタングステンプラグとよりなる多層配線構造であって、前記ビアホールは、深さ／径比が１．２５以上の値を有し、前記タングステンプラグの外壁面と前記ビアホールの内壁面との間には、前記タングステンプラグの外壁面に接する内壁面と、前記ビアホールの内壁面に接する外壁面とにより画成された導電性窒化物膜が形成されていることを特徴とする多層配線構造、およびかかる多層配線構造を有する半導体装置により解決する。
【００２７】
本発明はまた上記の課題を、銅配線パターンを含む第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜中に、前記銅配線パターンを露出するようにビアホールを形成する工程と、前記被処理基板を反応性スパッタ装置中に導入し、前記反応性スパッタ装置中において前記層間絶縁膜上に、前記ビアホール内壁面を覆うように窒化物膜を反応性スパッタリングにより形成する工程と、前記窒化物膜の形成工程の後、前記ビアホールを充填するように前記層間絶縁膜上にタングステンプラグを形成する工程と、前記タングステンプラグ形成工程の後、前記層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程とよりなる多層配線構造の形成方法であって、前記窒化物膜を形成する工程の後、前記タングステンプラグを形成する工程より前に、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置中に設けられたスパッタターゲットから隔離する工程を含み、前記窒化物膜を形成する工程の後、前記被処理基板を前記スパッタターゲットから隔離した状態で、前記反応性スパッタ装置中において前記スパッタターゲット表面をクリーニングすることを特徴とする多層配線構造の形成方法により、解決する。
［作用］
本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において図５（Ａ），（Ｂ）に示す欠陥１１Ｘおよび１２Ｘの発生機構について検討したところ、欠陥１２Ｘは図３（D）の工程においてW層１２を、WF6を気相原料としたＣＶＤ法により形成する際に、ＷＦ6ガスがＴａ膜１２ｂと反応し、空洞を形成することにより生じることが解明された。またこのようなＷＦ6ガスとＴａ膜１２ｂとの反応は、半導体装置の微細化に伴いビアホール１２Ｖのアスペクト比が増大することにより、ビアホール１２Ｖ内における前記Ｔａ膜１２ｂを覆うＴｉＮ膜１２Ｂのステップカバレッジが劣化し、特にビアホール１２Ｖの底部近傍においてＴａ膜１２ｂが露出することの結果、生じるものであることが解明された。
【００２８】
さらに前記銅配線パターン１１Ｃｕ中に生じる欠陥１１Ｘも、このようなバリアメタル中に形成された空洞を介してＷＦ6などのタングステンの気相原料が銅配線パターン１１Ｃｕと反応することにより生じることが解明された。
【００２９】
従来のバリアメタル膜１２ＡではＴａ膜１２ｂは実際にはバリアメタル膜１２Ａの性能には関係しておらず、ＴａＮ膜２２ａをＴａターゲットを使った反応性スパッタにより形成する際に、ＴａＮ膜の堆積を継続した場合に生じる発塵の問題を回避するために、ＴａＮ膜の堆積後Ｔａターゲットの表面をクリーニングする過程で生じるものである。
【００３０】
そこで、本発明は上記の知見に基づき、特にアスペクト比が１．２５以上の微細なビアホールにおいてバリアメタル膜を反応性スパッタにより形成する際に、窒化膜の堆積に引き続くスパッタターゲットのクリーニング工程の際に、被処理基板をターゲットから隔離することにより、バリアメタル層中におけるＴａ膜などの金属層あるいは金属部分の形成を抑制することを提案する。その結果、本発明によれば微細なビアホールを覆うバリアメタル膜が導電性窒化膜のみにより形成され、ビアホールをタングステンのＣＶＤ工程により充填する場合に気相原料によるバリアメタル膜の腐食反応を確実に回避することが可能になる。なお、本発明では導電性窒化膜は必ずしも化学量論組成の窒化膜である必要はなく、タングステンの気相原料と反応しない程度の窒素を含んでいればよい。
【００３１】
本発明によれば、タングステンプラグを覆うバリアメタル膜を全て窒化膜とすることにより、ビアホールのアスペクト比が大きくなりビアホール内においてバリアメタル膜を構成する導電性窒化物膜のステップカバレッジが劣化した場合でも、Ｔａなどの金属膜が露出することがない。このため、ＷＦ6など反応性の大きなフッ化物原料を使ってタングステン膜を堆積した場合にもバリアメタル膜が腐食されることがなく、コンタクト構造における欠陥の発生を効果的に抑制できる。反応性スパッタにより形成されるバリアメタル膜を、金属膜を含ないように形成するために、本発明ではＴａＮなどの窒化物バリアメタル膜の反応性スパッタによる堆積の後で発塵を抑制するために行われるスパッタターゲットのクリーニングプロセスを、窒化物膜が形成された被処理基板が前記スパッタターゲットから隔離された状態で行うため、クリーニングプロセスの間に窒化物バリアメタル膜上に金属膜が堆積することがなく、後でこのように窒化物バリアメタル膜を形成されたビアホールをＷＦ6などのフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法によりタングステン膜で充填しても、バリアメタル膜に腐食が生じることがない。特に枚葉処理装置を使い、前記クリーニングプロセスの間に被処理基板を次の処理室に送ることにより、クリーニングプロセスと平行して次のプロセスを実行することが可能になり、多層配線構造形成の際のスループットを向上させることができる。
【００３２】
また本発明によれば、バリアメタル膜が形成されたビアホールを、ＷＦ6などフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法によりタングステン膜により充填する場合、堆積プロセスを、水素ガスを供給しながら行うことにより、あるいは堆積に先立って下地構造を水素を含むガスのプラズマにより処理することにより、フッ化物気相原料と銅配線パターンとの間の反応が抑制され、銅配線パターンの腐食の問題を効果的に抑制することが可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図６は、本発明の第１実施例による多層配線構造を示す図である。
【００３４】
図６を参照するに、層間絶縁膜２１中には配線溝２１Ｇが形成されており、前記配線溝２１Ｇはバリアメタル膜２１Ａにより覆われ、さらにダマシン法により銅配線パターン２１Ｃｕを形成されている。なお前記層間絶縁膜２１は図示を省略したシリコン基板上に形成されており、層間絶縁膜２１上にはＳｉＮバリア膜２２Ｎを介して層間絶縁膜２２が形成されている。前記層間絶縁膜２２中には、前記バリア膜２２Ｎを貫通して前記銅配線パターン２１Ｃｕを露出するビアホール２２Ｖが、１．２５以上のアスペクト比、例えば２．４のアスペクト比で形成されている。
【００３５】
一例では前記層間絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により１１００ｎｍの厚さに形成されたＳｉＯ2膜をＣＭＰ法により７３０ｎｍの膜厚まで研磨することにより形成されており、前記ビアホール２２Ｖはアスペクト比１．４に形成されている。また前記バリア膜２２ＮはプラズマＣＶＤ法により７０ｎｍの膜厚に形成されており、銅配線パターン２１Ｃｕは４５０ｎｍの厚さに形成されている。
【００３６】
本実施例では前記ビアホール２２Ｖの内壁面および底面は連続的に２５ｎｍの膜厚のＴａＮバリアメタル膜２２ａにより覆われており、さらに前記ＴａＮバリアメタル膜２２ａは膜厚が７５ｎｍのＴｉＮ膜２２Ｂにより覆われている。すなわち本実施例では、ビアホール２２Ｖにおいてバリアメタル膜２２Ａ中に金属膜あるいは金属部分が含まれない。
【００３７】
また前記ビアホール２２Ｖにおいて前記ＴｉＮ膜２２Ｂ内側の空間はタングステンプラグ２２Ｗにより充填されており、さらにＣＭＰ法による研磨を行うことにより、前記タングステンプラグ２２Ｗは、前記層間絶縁膜２２の表面に一致する表面を有する。
【００３８】
このようにしてタングステンプラグ２２Ｗが形成された層間絶縁膜２２上には、Ｔｉ密着膜２３ＡおよびＴｉＮバリア膜２３Ｂを介してアルミニウムあるいはアルミニウム合金よりなる配線層２３が形成されている。また図示の例では前記アルミニウム配線層２３上には別のＴｉＮバリア膜２３Ｃが形成されている。
【００３９】
図７（Ａ）〜図８（Ｄ）は、図６の多層配線構造の形成工程を示す。
【００４０】
図７（Ａ）を参照するに、前記層間絶縁膜２２中には前記ビアホール２２Ｖが前記銅配線パターン２１Ｃｕを露出するように形成されており、前記露出された銅配線パターン２１ＣｕをＲＦプラズマ中において約２５ｎｍの深さまでドライエッチングした後、図７（Ａ）の構造が図７（Ｂ）の工程において図９に示す反応性スパッタ装置１００中に導入される。
【００４１】
図９を参照するに、反応性スパッタ装置１００は図示を省略した真空系により真空排気される処理室１０１と、前記処理室１０１中に設けられ被処理基板１０２を保持する基板保持台１０３とを含み、さらに前記処理室１０１中には前記被処理基板１０２に対面するように金属Ｔａよりなるスパッタターゲット１０４が設けられている。
【００４２】
そこで前記処理室１０１を真空排気した後Ａｒなどの希ガスを導入し、直流電源１０５より前記ターゲット１０４に直流バイアスを、また交流電源１０６より前記被処理基板１０２に交流バイアスを印加することにより、前記処理室１０１中には前記ターゲット１０４と基板１０２との間にプラズマ１０７が形成され、プラズマ１０７によりターゲット１０４からスパッタされた粒子が前記基板１０２の表面に堆積する。
【００４３】
このようなスパッタプロセスの際に前記処理室１０１に窒素ガスを導入することにより、前記被処理基板１０２の表面にはＴａＮ膜が堆積する。ただし堆積されるＴａＮ膜は一般にはＴａＮxで表される非化学量論組成を有することが多い。
【００４４】
一方、このように前記処理室１０１中に窒素ガスを導入した状態でスパッタを継続すると前記スパッタターゲット１０４の表面には厚いＴａＮ膜が形成されてしまい、このようなＴａＮ膜を形成されたスパッタターゲット１０４をスパッタした場合、発塵が生じてしまい、前記被処理基板表面に発塵に伴うダストパーティクルによる欠陥が生じてしまう。
【００４５】
そこで従来は、上記反応性スパッタ装置中における発塵の問題を回避するために、図７（B）の工程において図９の反応性スパッタ装置１００中において図１０（Ａ）に示すように、ＴａＮ膜を堆積した後、前記処理室１０１への窒素ガスの供給を遮断し、堆積されたＴａＮ膜上にＴａ膜をさらに堆積することが行われていた。ただし図１０（Ａ）は、反応性スパッタ装置１００で使われていた従来のスパッタレシピの例を示す。
【００４６】
図１０（Ａ）を参照するに、前記処理室１０１中に被処理基板が導入された後、最初に前記処理室１０１中にＡｒガスが２０ＳＣＣＭの流量で導入され、さらに直流バイアス電力および交流バイアス電力が、前記スパッタターゲット１０４および前記被処理基板１０３に、それぞれ２４ｋＷおよび３００Ｗのパワーで供給され、プラズマ１０７が形成される。
【００４７】
図１０（Ａ）のレシピでは、前記プラズマ１０７の形成と同時に前記処理室１０１中には窒素ガスが例えば８０ＳＣＣＭの流量で導入され、前記被処理基板１０２の表面にＴａＮ膜が堆積される。
【００４８】
一方、先に述べた発塵の問題を回避するため、図１０（Ａ）のレシピでは所定時間経過後、前記窒素ガスの供給は遮断され、その結果、前記ＴａＮ膜上にはＴａ膜が成膜される。先に図１で説明した従来の多層配線構造中において使われているＴａ膜１２ｂは、このような理由で形成されているものである。
【００４９】
これに対し本発明では先の図７（Ｂ）の工程において図１０（Ｂ）のレシピを使い、図７（Ａ）の構造上にＴａＮ膜２２Ａを堆積した後、前記被処理基板１０２を前記処理室１０１から取り出し、この状態において前記Ｔａターゲット１０４表面をＡｒプラズマ雰囲気中でスパッタすることにより、前記ＴａＮ膜２２Ａ上へのＴａ膜の堆積を抑制すると同時に、反応性スパッタ装置１００中における発塵の問題を回避している。すなわち、本発明では前記ＴａＮ膜２２Ａの堆積後、被処理基板をスパッタ装置外に退避させ、前記Ｔａターゲット１０４の表面をＡｒプラズマ雰囲気によりクリーニングしている。
【００５０】
図１０（Ｂ）は、本発明において図９の反応性スパッタ装置１００で使われるスパッタレシピの例を示す。
【００５１】
図１０（Ｂ）を参照するに、本実施例では図７（Ａ）の構造が図９の処理室１０１に前記被処理基板１０２として導入された後、最初に前記処理室１０１中にＡｒガスと窒素ガスとをそれぞれ２０ＳＣＣＭおよび８０ＳＣＣＭの流量で導入し、次に前記ターゲット１０４および基板１０２に直流バイアスおよび交流バイアスを、それぞれ２４ｋＷおよび３００Ｗのパワーで供給する。これにより、図７（Ａ）の構造上には前記層間絶縁膜２２の表面および前記ビアホール２２Ｖの側壁面および底面を連続的に覆うように、厚さが約２０ｎｍのＴａＮ膜がバリアメタル膜２２Ａとして形成される。
【００５２】
本実施例では、図１０（Ｂ）中に矢印で示したタイミングにおいて前記直流バイアスおよび交流バイアスが遮断され、同時にＡｒガスおよび窒素ガスの前記処理室１０１への供給が遮断される。これにより、前記処理室１０１中においてプラズマ１０７は消滅し、前記被処理基板１０２は前記処理室１０１から外部に取り出される。
【００５３】
前記矢印のタイミングで被処理基板１０２が取り出された後、前記処理室１０１にはＡｒガスのみが供給され、さらにスパッタターゲット１０４に直流バイアスを印加することによりターゲット１０４のクリーニングが実行される。このターゲットクリーニング工程では、基板保持台１０３への交流バイアスの供給は遮断される。
【００５４】
図１１は、図１０（Ｂ）のターゲットクリーニング工程中における反応性スパッタ装置１００の状態を示す。
【００５５】
図１１を参照するに、クリーニング工程においては前記基板保持台１０３とスパッタターゲット１０４との間に典型的にはステンレスよりなるシャッタ１０８が挿入され、ターゲット１０４からスパッタされた粒子が基板保持台１０３上に堆積するのが防止される。このようなシャッタ１０８としては、スパッタ装置において標準的に使われているものを使うことができる。
【００５６】
再び図１０（Ｂ）を参照するに、このようなクリーニング工程により前記Ｔａターゲット１０４の表面に形成されていたＴａＮ膜が除去されるが、クリーニング工程の最後の段階で短時間窒素ガスを導入することにより、ターゲット１０４の表面に薄いＴａＮ膜を形成しておく。これにより、次のスパッタ工程において被処理基板表面にＴａリッチな膜が堆積するのが抑制される。
【００５７】
このようにして図７（Ｂ）に示すようにＴａＮバリアメタル膜２２Ａが形成された後、図８（Ｂ）の工程において図７（Ｂ）の構造上にＴｉをターゲットとした反応性スパッタによりＴｉＮバリアメタル膜２２Ｂが形成され、さらに図８（Ｄ）の工程において前記ＴｉＮ膜２２Ｂ上にタングステン膜２２ＷがＷＦ6をタングステンの気相原料として使うＣＶＤ法により、前記ビアホール２２Ｖを充填するように堆積される。図８（Ｂ）のタングステン膜２２Ｗの堆積工程の詳細については、次の実施例において説明する。
【００５８】
さらに図８（Ｄ）の構造において前記層間絶縁膜２２上に堆積しているタングステン膜２２Ｗ，ＴｉＮバリアメタル膜２２ＢおよびＴａＮバリアメタル膜２２ＡをＣＭＰ法により順次研磨・除去し、さらに密着膜２３Ａ，バリアメタル膜２３Ｂ，２３Ｃおよびアルミニウム配線パターン２３を形成することにより、先に図６で説明した多層配線構造が得られる。
【００５９】
本実施例によれば、腐食性のＷＦ6を気相原料として実行される図８（Ｄ）のタングステン膜２２Ｗの堆積工程において、ビアホール２２Ｖの側壁および底面がＴａＮ膜２２ＡおよびＴｉＮ膜２２Ｂにより連続的に覆われているため、またバリアメタル膜２２Ａ中に金属膜が含まれないため、半導体装置の微細化の結果、ビアホール２２Ｖのアスペクト比が増大し、前記ＴｉＮ膜２２Ｂの前記ビアホール２２Ｖにおけるステップカバレッジが劣化しても、バリアメタル膜２２Ａに、先に図５（Ａ），（Ｂ）で説明したような欠陥が生じることがない。
【００６０】
先にも説明したようにバリアメタル膜２２Ａを構成するＴａＮ膜は必ずしも化学量論組成を有するとは限らないが、膜中にＷＦ6との反応を抑制するに十分な窒素を含んでいれば、非化学量論組成を有するものであってもかまわない。
［第２実施例］
図１２は、先の図８（D）のW膜２２Wの堆積工程で使われるプロセス圧シーケンスを、また図１３（Ａ），（Ｂ）は、図１２のシーケンスに対応した、図８（Ｄ）の工程のより詳細なプロセスフローを示す。
【００６１】
本発明の発明者は本発明の基礎となる研究において、図８（Ｄ）のタングステン膜２２Ｗの成膜工程を、水素ガスを供給しながら実行すると、タングステン膜堆積時におけるバリアメタル膜２２Ａあるいは銅配線パターン２１Ｃｕの欠陥発生が抑制されることを見出した。
【００６２】
図１２を参照するに、本実施例では図８（Ｃ）の構造を最初に水素を含む雰囲気中において所定温度に加熱し（段階１）、次に前記水素ガスの供給を続けたまま、図８（Ｃ）のＴｉＮ下地層２２Ｂ上に、図１３（Ａ）に示すようにタングステン核生成層（パッシベーション膜）２３Ｗ1を、ＡＬＤ（atomic layer deposition）法により８ｎｍ程度の膜厚に形成する（段階２）。
【００６３】
さらに段階３において図１３（Ｂ）に示すように水素ガスの供給を継続しながら、前記タングステン核生成層２３Ｗ1上にタングステン膜２３Ｗを、前記ビアホール２２Ｖを充填するように堆積する。
【００６４】
このようにしてＴｉＮ膜２２Ｂ上にタングステン核生成層２３Ｗ1を形成することにより、タングステン膜２３Ｗを形成する際のインキュベーション時間が減少し、成膜工程のスループットが向上する。
【００６５】
図１４は、図１２の段階２、すなわち図１３（Ａ）の工程においてタングステン核生成層２３Ｗ1を形成する際のプロセスシーケンスを示す。
【００６６】
図１４を参照するに、本実施例ではプロセス圧を１ｋＰａ（７．５Ｔｏｒｒ），基板温度を３５０℃に設定した状態でＡｒガスおよび窒素ガスをキャリアガスとして、図示を省略したＣＶＤ装置中にそれぞれ２０００ＳＣＣＭおよび９００ＳＣＣＭの流量で連続的に供給するが、その際に本実施例ではさらに水素ガスがこれらのキャリアガスに加えて、１２００ＳＣＣＭの流量で、やはり連続的に供給されている。
【００６７】
図１４のプロセスシーケンスではこの状態でＷＦ6ガスとＳｉＨ4ガスとが被処理基板表面に交互に供給される。ＷＦ6ガスを供給することにより、ＷＦ6分子がＴｉＮ膜２２Ｂ表面に１分子層だけ化学吸着され、このようにして化学吸着したＷＦ6分子がＳｉＨ4ガスにより分解され、その結果、前記ＴｉＮ膜２２Ｂ上にはタングステン膜が１原子層ずつ積層される。例えばＷＦ6ガスは各サイクルにおいて３０ＳＣＣＭの流量で５秒間だけ供給され、またＳｉＨ4ガスは各サイクルにおいて１８ＳＣＣＭの流量で５秒間だけ供給される。また各サイクルにおいてＷＦ6ガスの供給とＳｉＨ4ガスの供給との間には図中に矢印で示すインターバルが設けられ、この間に被処理基板表面のプロセス空間に残留していた過剰な処理ガスが、連続的に供給されているＡｒガスあるいは窒素ガスによりパージされる。
【００６８】
図１５（Ａ），（Ｂ）は、本実施例によるＡＬＤプロセスにより、それぞれアスペクト比が１．３８および１．５５のビアホール内壁にタングステン核生成層２３Ｗ1を８ｎｍの膜厚で形成した場合の、ステップカバレッジの様子を示す。
図１５（Ａ），（Ｂ）のいずれにおいても、バリアメタル膜２２ＡはＴａＮ膜より構成されており、Ｔａ膜は形成されていない。
【００６９】
図１５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、明るく見えるタングステン核生成層２３Ｗ1はＴｉＮ膜に密着しており、隙間などの欠陥は生じていないことが確認される。
【００７０】
これに対し図１５（Ｃ），（Ｄ）は、先のタングステン核生成層２３Ｗ1のＡＬＤ法による形成の際に、水素ガスの供給を省略した場合、すなわち従来小さなアスペクト比を有するビアホールに対して適用されているＡＬＤ法を使って、このような微細なビアホール側壁面にタングステン核生成層２３Ｗ1を形成した場合の結果を示す。ただし図１５（Ｃ）はビアホール２２Ｖのアスペクト比が１．３８（ビア径が０．６５μｍ）の場合を、また図１５（Ｄ）はビアホール２２Ｖのアスペクト比が１．５５（ビア径が０．５８μｍ）の場合を示す。また図１５（Ｃ），（Ｄ）のいずれの場合にも、バリアメタル膜２２ＡはＴａ膜を含まないＴａＮ膜により構成されている。
【００７１】
図１５（Ｃ），（Ｄ）を参照するに、いずれの場合にもビアホールの側壁面とタングステン核生成層２３Ｗ1との間には、矢印で示す隙間ないし欠陥が発生しているのがわかる。
【００７２】
図１５（Ｃ），（Ｄ）に示す欠陥は、従来はビアホール２２Ｖのアスペクト比が１．２５以上になると生じていたものであり、従って従来は、このような微細なビアホールをタングステンプラグにより、欠陥を生じることなく充填することが出来なかった。
【００７３】
本実施例においては、このようにバリアメタル膜２２Ａを金属膜あるいは金属層を含まないＴａＮ膜とし、さらにタングステン膜２２Ｗ1および２２Ｗを水素ガスを供給しながら形成することにより、ビアホールのアスペクト比が１．２５以上になってもビアホール内をタングステンプラグにより、欠陥を生じることなく充填することが可能になる。特に図１４のＡＬＤプロセスにおいて水素ガスの流量を１２００ＳＣＣＭまで増加させることにより、アスペクト比が３．０のビアホール中をタングステンプラグにより、欠陥を生じることなく充填することができるのが確認されている。
【００７４】
このように本発明は微細なビアホールをタングステンプラグで充填する場合に一般的に必須とされる技術であるが、特にタングステンプラグ下層の配線パターンがＷＦ6などのフッ化物原料に侵食されやすい銅配線パターンである場合に特に効果的である。
【００７５】
図１６（Ａ）は、シリコンウェハ上に上記第１実施例および第２実施例の方法により多数のビアコンタクトを形成した場合のチェーン抵抗の分布を示すヒストグラムである。また図１６（Ｂ）は従来の方法、すなわちバリアメタル膜をＴａＮ膜とＴａ膜の積層構造とし、さらにタングステンプラグ形成時に水素ガスの供給を行わないプロセスで形成したビアコンタクトについてのチェーン抵抗の分布を示す。
【００７６】
図１６（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本発明によりビアプラグのチェーン抵抗が実質的に低減され、しかも従来は３５％程度あった不良コンタクトがゼロになっているのがわかる。従来は、ウェハの外周部に沿って図１６（Ｂ）に見られる非常に高いチェーン抵抗を有する欠陥ビアプラグが形成されるのが見られた。
【００７７】
このように、本発明により、タングステンビアコンタクト形成時に１００％の歩留まりを実現することが可能になる。
【００７８】
なお、本実施例においてはＴａＮバリアメタル膜２２Ａ上に、タングステン膜の成膜下地としてＴｉＮ膜２２Ｂを形成しているが、本発明ではバリアメタル膜２２Ａがフッ化物と反応しない窒化膜より形成されるため、ＴｉＮ膜２２Ｂは省略することが可能である。この場合には、タングステン膜２３Ｗあるいは２３Ｗ1は、前記バリアメタル膜２２Ａ上に直接に形成される。また本実施例において、前記バリアメタル膜２２を、全てＴｉＮ膜２２Ｂにより形成することも可能である。
【００７９】
本実施例においてはタングステン膜２３Ｗ1あるいは２３Ｗの堆積時に水素ガスを被処理基板表面に供給しているが、その代わりにタングステン膜の堆積前に図８（Ｃ）の構造の表面を水素を含むプラズマで処理することも可能である。
【００８０】
図１７は、図８（Ｃ）の構造に対してタングステン核生成層２３Ｗ1の形成前に施されるプラズマ処理の例を示す。
【００８１】
図１７を参照するに、この実施例では図８（Ｃ）の構造をプラズマＣＶＤ装置の処理容器中に導入し、基板温度を３５０℃に設定し、処理ガスとしてＮＨ3を２２５ＳＣＣＭの流量で導入し、処理容器内の圧力を約５３０Ｐａ（４Ｔｏｒｒ）に設定して３４０Ｗの高周波パワーでプラズマを励起し、前記ＴｉＮ膜２２Ｂの表面をＮＨ3プラズマで３０秒間程度処理する。
【００８２】
このような表面処理を行っても、先に説明したビアホールとタングステンプラグとの間における欠陥の発生を抑制することができる。
［第３実施例］
図１８は、クラスタ型基板処理装置２００を使った本発明の第３実施例による多層配線構造の形成方法を示す。
【００８３】
図１８を参照するに、クラスタ型基板処理装置２００においては真空基板搬送室２０１にロードロック室２００Ａ、先に図９で説明したＴａターゲット１０４を備えＴａＮの堆積を行う反応性スパッタ装置１００を有するスパッタ室２００Ｂ、ＴｉＮ膜の堆積を行う反応性スパッタ装置を有するスパッタ室２００Ｃ、およびタングステン膜２３Ｗ1あるいは２３Ｗの堆積を行うＣＶＤ室２００Ｄが結合されている。
【００８４】
そこでロードロック室２００Ａには図７（Ａ）の状態の被処理基板が導入され、先に図１０（Ｂ）で説明したレシピにより、ＴａＮ膜２２Ａが堆積される。
【００８５】
図１０（Ｂ）のレシピでは、前記ＴａＮ膜２２Ａの堆積後、Ｔａターゲット１０４のクリーニングが行われるが、本実施例では被処理基板はＴａＮ膜２２Ａの堆積後、前記処理室２００Ｂから直ちに処理室２００Ｃに送られ、ＴｉＮ膜２２Ｂの堆積が行われる。従って、ＴｉＮ膜２２Ｂの堆積は、前記Ｔａターゲット１０４のクリーニングと同時に実行される。
【００８６】
さらに処理室２００ＣにおけるＴｉＮ膜２２Ｂの堆積の終わった図８（Ｃ）の状態の被処理基板はＣＶＤ室２００Ｄに送られ、タングステン核生成層２３Ｗ1あるいはタングステン膜２３Ｗの堆積が行われる。勿論、図１８のクラスタ型処理装置２００において、ＡＬＤプロセスにより行われるタングステン核生成層２３Ｗ1の形成と通常のＣＶＤ法で行われるタングステン膜２３Ｗの形成とを別の処理室において行うことも可能である。
【００８７】
図１８のクラスタ型基板処理装置２００を使うことにより、処理室２００ＢにおけるＴａターゲット１０４のクリーニングの際に被処理基板が次の処理室２００Ｃに送られているため被処理基板がクリーニング工程において汚染されることがなく、またプロセススループットを向上させることができる。
［第４実施例］
次に、本発明の多層配線構造をデュアルダマシン法で形成された銅配線パターンを有する多層配線構造上に設けた、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を、図１９（Ａ）〜図２７（Ｌ）を参照しながら説明する。
【００８８】
図１９（Ａ）を参照するに、シリコン基板（図示せず）上の絶縁膜３０１上にはＳｉＮ膜３０２を介してＳｉＯ2などよりなる層間絶縁膜３０３が形成されており、前記層間絶縁膜３０３上には、所望の配線パターンに対応したレジストパターンＲ１が形成されている。
【００８９】
次に図１９（Ｂ）の工程において前記層間絶縁膜３０３が前記レジストパターンＲ１をマスクにパターニングされ、前記層間絶縁膜３０３中には所望の配線パターニングに対応した配線溝が形成される。さらにこのようにパターニングされた層間絶縁膜３０３をＴａバリアメタル膜３０４で覆った後、銅層３０５が前記配線溝を充填するように電解めっきなどにより形成される。
【００９０】
さらに図２０（Ｃ）の工程において前記銅層３０５およびその下のバリアメタル膜３０４が、前記層間絶縁膜３０３の表面が露出するまでＣＭＰ法により研磨・除去され、さらにこのようにして形成された構造上にＳｉＮバリア膜３０５を介してＳｉＯ2などよりなる次の層間絶縁膜３０６が形成される。
【００９１】
図２０（Ｃ）の工程ではさらに前記層間絶縁膜３０６上にＳｉＮバリア膜３０７を介してＳｉＯ2などよりなる次の層間絶縁膜３０８が形成されており、さらに前記層間絶縁膜３０８上には所望のコンタクトホールに対応したレジストパターンＲ２が形成されている。
【００９２】
次に図２０（Ｄ）の工程において前記レジストパターンＲ２をマスクに前記層間絶縁膜３０８，バリア膜３０７および層間絶縁膜３０６を順次パターニングしてコンタクトホール３０８Ｃを前記ＳｉＮバリア膜３０５が低部において露出するように形成した後、非感光性樹脂膜を塗布することにより、前記コンタクトホール３０８Ｃを前記樹脂膜により充填する。さらに前記層間絶縁膜３０８上の樹脂膜を溶解除去することにより、前記コンタクトホール３０８Ｃ中に樹脂保護部３０８Ｒを残す。
【００９３】
さらに図２０（Ｄ）の工程では、前記層間絶縁膜３０８上に、前記層間絶縁膜３０８中に形成したい配線溝に対応したレジストパターンＲ３を形成する。
【００９４】
次に図２１（Ｅ）の工程において前記樹脂保護部３０８Ｒによりコンタクトホール３０８Ｃの内壁面を保護した状態で前記レジストパターンＲ３をマスクに前記層間絶縁膜３０８を前記ＳｉＮバリア膜３０７が露出するまでパターニングし、前記層間絶縁膜３０８中に所望の配線溝３０８Ｇを形成する。
【００９５】
さらに図２１（Ｅ）の工程では前記層間絶縁膜３０８のパターニングの後、前記樹脂保護部３０８Ｒをアッシングプロセスにより除去する。
【００９６】
さらに図２１（Ｆ）の工程で、前記層間絶縁膜３０８を自己整合マスクに前記ＳｉＮバリア膜３０７および３０５を、それぞれ前記配線溝３０８Ｇおよびコンタクトホール３０８Ｃの底部から除去し、さらにこのようにして得られた構造の表面をＴａバリアメタル膜３０９で覆った後、前記コンタクトホール３０８Ｃおよび配線溝３０８Ｇを充填するように銅層３１０を電解めっきなどにより形成する。
【００９７】
次に図２２（Ｇ）の工程において図２１（Ｇ）の銅層３１０およびその下のＴａバリアメタル膜３０９を、前記層間絶縁膜３０８の表面が露出するまでＣＭＰ法により除去し、さらにこのようにして得られた構造上にＳｉＮバリア膜３１１とＳｉＯ2などよりなる層間絶縁膜３１２を形成する。
【００９８】
さらに図２２（Ｇ）の工程では前記層間絶縁膜３１２上に、前記層間絶縁膜３１２中に形成したいビアホールに対応したレジストパターンＲ４が形成されている。
【００９９】
さらに図２３（Ｈ）の工程において前記層間絶縁膜３１２およびその下のＳｉＮバリア膜３１１が前記レジストパターンＲ４をマスクにパターニングされ、前記層間絶縁膜３１２中に所望のビアホール３１２Ｖが形成される。
【０１００】
本実施例では、このようにしてビアホール３１２Ｖを形成された図２３（Ｈ）の構造が先に図９で説明した反応性スパッタ装置１００の処理室１０１中に導入され、先の実施例で説明したように金属Ｔａ膜を含まないＴａＮ膜よりなるバリアメタル層３１３が、前記層間絶縁膜３１２上に前記ビアホール３１２Ｖの側壁面および底面を連続して覆うように形成される。
【０１０１】
さらに図２４（Ｉ）の工程では前記ＴａＮバリアメタル膜３１３上にＴｉＮバリアメタル膜３１４がやはり反応性スパッタにより形成され、さらに図２５（Ｊ）の工程において前記図２４（Ｉ）の構造上にタングステン膜３１５をＣＶＤ法により、前記タングステン膜３１５が前記ビアホール３１２Ｖを充填するように形成する。図２５（Ｊ）の工程において前記タングステン膜３１５を堆積する際には、最初に先に説明したＡＬＤ法により、薄いタングステン核生成層３１５ａを形成し、その後で通常のＣＶＤ法によりタングステン膜３１５を堆積するのが好ましい。
【０１０２】
さらに図２６（Ｋ）の工程において前記タングステン膜３１５およびその下のＴｉＮ膜３１４、ＴａＮ３１３を前記層間絶縁膜３１２の表面が露出するまでＣＭＰ法により研磨・除去し、前記ビアホール３１２Ｖ中にタングステンビアプラグ３１５Ｗを形成する。
【０１０３】
さらに図２６（Ｋ）の工程では前記層間絶縁膜３１２上にＴｉＮバリアメタル膜３１６ａを介してアルミニウムあるいはアルミニウム−銅合金よりなる導体膜３１６ｂを形成し、さらに前記導体膜３１６ｂ上に別のＴｉＮバリアメタル膜３１６ｃを形成する。前記導体膜３１６ｂは、前記ＴｉＮバリアメタル膜３１６ａおよび３１６ｃとともに、配線層３１６を形成する。
【０１０４】
図２６（Ｋ）の状態では、さらに形成したい配線パターンに対応したレジストパターンＲ５が前記配線層３１６上に形成されており、図３７（Ｌ）の工程において前記配線層３１６が前記レジストパターンＲ５をマスクにドライエッチング等によりパターニングされ、配線パターン３１６Ａ，３１６Ｂが、前記タングステンプラグ３１５Ｗ上に形成される。
【０１０５】
さらに図２６（Ｋ）の工程では、前記層間絶縁膜３１２上に前記配線パターン３１６Ａ，３１６Ｂを覆うようにＳｉＯ2などの層間絶縁膜３１７が堆積され、前記層間絶縁膜３１７の表面にはＳｉＮなどのパッシベーション膜３１８が形成されている。
【０１０６】
本実施例においても図２４（Ｉ）の工程において前記ＴａＮバリアメタル膜３１３を形成する際、ターゲットクリーニングの間に被処理基板を次工程に送るなどして反応性スパッタ装置１００の外に退避させることにより、ＴａＮバリアメタル膜３１３の表面にＴａ金属膜が形成されるのが抑制され、バリアメタル膜３１３中における欠陥の発生が抑制される。
【０１０７】
また図２５（Ｊ）のタングステン膜３１５を堆積する工程、特にＴｉＮバリアメタル膜３１４表面へのＡＬＤプロセスを使った核生成層３１５ａの堆積工程において被処理基板の表面に水素ガスを供給することにより、前記タングステンプラグ３１５Ｗとコンタクトする銅配線パターンの腐食を抑制することができる。
［第５実施例］
図２８は、このようにして形成された多層配線構造を有する本発明の第５実施例による半導体装置の構成を示す図である。
【０１０８】
図２８を参照するに、シリコン基板４０１上にはＳＴＩ構造４０２により素子領域４０１Ａが画成されており、前記素子領域４０１Ａ中には前記シリコン基板４０１上にゲート電極４０３がゲート絶縁膜４０３Ａを介して形成されている。
【０１０９】
前記ゲート電極４０３の両側壁面上には側壁絶縁膜が形成されており、さらに前記シリコン基板４０１中には前記ゲート電極４０３の両側にＬＤＤ領域４０１ａ，４０１ｂが形成されている。また前記シリコン基板４０１中には前記側壁絶縁膜の外側にソース領域あるいはドレイン領域を形成する拡散領域４０１ｃ、４０１ｄが形成されている。また前記シリコン基板４０１の表面は、前記ゲート電極４０３およびその側壁絶縁膜の形成部分を除き、ＳｉＮ膜４０４により一様に覆われている。
【０１１０】
さらに前記ＳｉＮ膜４０４上には前記ゲート電極４０３および側壁絶縁膜を覆うようにＳｉＯ2などよりなる層間絶縁膜４０５が形成されており、前記層間絶縁膜４０５中には前記拡散領域４０１ｃ，４０１ｄを露出するコンタクトホール４０５Ａ，４０５Ｂが形成されている。
【０１１１】
前記コンタクトホール４０５Ａ，４０５Ｂの側壁面および底面はＴａＮ膜およびＴｉＮ膜を積層したバリアメタル膜４０６により覆われ、さらに前記コンタクトホール４０５Ａ，４０５Ｂは前記バリアメタル膜を介してタングステンプラグ４０７により充填されている。
【０１１２】
さらに前記層間絶縁膜４０５上には先の実施例で説明したようなダマシン法あるいはデュアルダマシン法により、層間絶縁膜中に銅配線パターンが埋め込まれた銅配線構造４０８，４０９，４１０が順次形成されており、前記銅配線構造４１０上には層間絶縁膜４１１中にＴａＮ膜とＴｉＮ膜とを積層した導電性窒化物膜よりなるバリアメタル膜４１２で側壁面および底面が連続的に覆われたビアホール中に、タングステンよりなる導電性プラグ４１３が形成されている。
【０１１３】
さらに前記層間絶縁膜４１１上にはアルミニウムあるいはアルミニウム合金よりなる導体膜をＴｉＮバリアメタル膜で狭持した構成の配線パターン４１４Ａ，４１４Ｂが形成されており、さらに前記層間絶縁膜４１１上には前記配線パターン４１４Ａ，４１４Ｂを覆うように層間絶縁膜４１５が形成されている。
【０１１４】
さらに前記層間絶縁膜４１５の表面は、ＳｉＮなどよりなるパッシベーション膜４１６により覆われている。
【０１１５】
本実施例においては、前記バリアメタル膜４０６あるいは４１２を金属膜あるいは金属部分を実質的に含まない窒化物膜とすることにより、ビアホールをタングステン膜で充填する際にバリアメタル膜に生じやすい欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
【０１１６】
また本実施例においても、前記タングステンプラグ４０７あるいは４１３を形成する際に、少なくとも核生成層部分をＡＬＤ法などにより形成する際に水素ガスを同時に供給することにより、タングステンプラグ下の銅配線パターンあるいはバリアメタル膜の腐食を抑制することが可能になる。
【０１１７】
なお、以上の説明では特にＴａを構成元素として含むバリアメタル膜を例に説明したが、本発明はＴａに限定されるものではなく、他の金属元素、例えばＴｉを構成元素として含むバリアメタル膜を使ってタングステンプラグを形成する場合にも適用可能である。すなわちこのような場合でも、バリアメタル膜はビアホールのアスペクト比が大きくなると、窒化膜のみにより形成するのが好ましい。
また以上では本発明をタングステンプラグの下層に設けられる導体パターンが銅配線パターンである場合について説明したが、Ａｌなど、他の配線パターンである場合においても有効である。
【０１１８】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【０１１９】
（付記１）  銅配線パターンを含む第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第２の配線層と、
前記層間絶縁膜中に前記銅配線パターンを露出するように形成されたビアホールと、
前記ビアホール中に形成され、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続するタングステンプラグとよりなる多層配線構造であって、
前記ビアホールは、深さ／径比が１．２５以上の値を有し、
前記タングステンプラグの外壁面と前記ビアホールの内壁面との間には、前記タングステンプラグの外壁面に接する内壁面と、前記ビアホールの内壁面に接する外壁面とにより画成された導電性窒化物膜が形成されていることを特徴とする多層配線構造。
【０１２０】
（付記２）  前記導電性窒化膜は、ＴａＮ膜を含むことを特徴とする付記１記載の多層配線構造。
【０１２１】
（付記３）  前記導電性窒化膜は、第１の窒化物膜と、前記第１の窒化物膜の内側に積層された第２の窒化物膜とよりなることを特徴とする付記１または２記載の多層配線構造。
【０１２２】
（付記４）  前記第１の窒化物膜はＴａＮ膜よりなり、前記第２の窒化物膜はＴｉＮ膜よりなることを特徴とする付記３記載の多層配線構造。
【０１２３】
（付記５）  前記窒化物膜は、前記タングステンプラグを形成する際に使われるタングステンのフッ化物気相原料に対して腐食耐性を示すような組成を有することを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の多層配線構造。
【０１２４】
（付記６）  前記第２の配線層はアルミニウム配線パターンを含むことを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の多層配線構造。
【０１２５】
（付記７）  銅配線パターンを含む第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に、前記銅配線パターンを露出するようにビアホールを形成する工程と、
前記被処理基板を反応性スパッタ装置中に導入し、前記反応性スパッタ装置中において前記層間絶縁膜上に、前記ビアホール内壁面を覆うように窒化物膜を反応性スパッタリングにより形成する工程と、
前記窒化物膜の形成工程の後、前記ビアホールを充填するように前記層間絶縁膜上にタングステンプラグを形成する工程と、
前記タングステンプラグ形成工程の後、前記層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程とよりなる多層配線構造の形成方法であって、
前記窒化物膜を形成する工程の後、前記タングステンプラグを形成する工程より前に、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置中に設けられたスパッタターゲットから隔離する工程を含み、
前記窒化物膜を形成する工程の後、前記被処理基板を前記スパッタターゲットから隔離した状態で、前記反応性スパッタ装置中において前記スパッタターゲット表面をクリーニングすることを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【０１２６】
（付記８）  前記クリーニング工程は、前記スパッタターゲット表面の窒化膜が除去され前記スパッタターゲットを構成する金属の表面が露出するように実行されることを特徴とする付記７記載の多層配線構造の形成方法。
【０１２７】
（付記９）  前記クリーニング工程は、前記スパッタターゲット表面に前記金属表面が露出した後、窒化膜の反応性スパッタを行うことで終了されることを特徴とする付記８記載の多層配線構造の形成方法。
【０１２８】
（付記１０）  前記被処理基板を隔離する工程は、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置から外部に取り出す工程よりなることを特徴とする付記７または８記載の多層配線構造の形成方法。
【０１２９】
（付記１１）  前記スパッタ装置は、前記スパッタ装置に結合された真空搬送室および前記真空搬送室に結合された別の処理室と共に枚葉式処理装置を構成し、前記被処理基板を前記スパッタ装置から外部に取り出す工程は、前記被処理基板を前記真空搬送室を介して前記別の処理室に移動させる工程を含むことを特徴とする付記１０記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３０】
（付記１２）  前記別の処理室は、タングステン膜成膜を行うＣＶＤ装置を含むことを特徴とする付記１１記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３１】
（付記１３）  前記被処理基板を隔離する工程は、前記反応性スパッタ装置内において前記被処理基板と前記スパッタターゲットとの間にシャッタを導入する工程を含むことを特徴とする付記７〜９のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３２】
（付記１４）  前記窒化物膜を形成する工程は、前記被処理基板を前記反応性スパッタ装置内に導入した後、プラズマを発生させるに先立って、前記被処理基板表面に窒素ガスを導入する工程を含むことを特徴とする付記７〜１３のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３３】
（付記１５）  前記タングステンプラグを形成する工程は、タングステンのフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法により、前記ビアホールを、前記窒化物膜を介してタングステン膜で充填する工程を含み、前記ビアホールを前記タングステン膜で充填する工程は、水素ガスを前記被処理基板表面に供給しながら実行されることを特徴とする付記７〜１４のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３４】
（付記１６）  前記タングステンプラグを形成する工程は、前記ビアホールの表面に、タングステンのフッ化物気相原料と、前記フッ化物気相原料を分解する反応性ガスとを交互に、間にパージ工程を挟みながら供給し、前記ビアホールの内壁面を覆う窒化物膜上にタングステンのパッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜上にタングステン膜をＣＶＤ法により堆積する工程とよりなり、少なくとも前記パッシベーション膜を形成する工程は、水素ガスを前記被処理基板表面に供給しながら実行されることを特徴とする付記７〜１４のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３５】
（付記１７）  前記タングステンプラグを形成する工程は、タングステン膜の堆積に先立って前記ビアホールの表面を、水素を含むガスのプラズマにより処理する工程を含むことを特徴とする付記７〜１６のうち、いずれか一項記載の多層配線構造の形成方法。
【０１３６】
（付記１８）  基板と、前記基板上に形成された多層配線構造とを含む半導体装置であって、前記多層配線構造は、
銅配線パターンを含む第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第２の配線層と、
前記層間絶縁膜中に前記銅配線パターンを露出するように形成されたビアホールと、
前記ビアホール中に形成され、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続するタングステンプラグとよりなる多層配線構造であって、
前記ビアホールは、深さ／径比が１．２５以上の値を有し、
前記タングステンプラグの外壁面と前記ビアホールの内壁面との間には、前記タングステンプラグの外壁面に接する内壁面と、前記ビアホールの内壁面に接する外壁面とにより画成された導電性窒化物膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【０１３７】
【発明の効果】
本発明によれば、タングステンプラグを覆うバリアメタル膜を全て窒化膜とすることにより、ビアホールのアスペクト比が大きくなりビアホール内においてバリアメタル膜を構成する導電性窒化物膜のステップカバレッジが劣化した場合でも、Ｔａなどの金属膜が露出することがない。このため、ＷＦ6など反応性の大きなフッ化物原料を使ってタングステン膜を堆積した場合にもバリアメタル膜が腐食されることがなく、コンタクト構造における欠陥の発生を効果的に抑制できる。反応性スパッタにより形成されるバリアメタル膜を、金属膜を含ないように形成するために、本発明ではＴａＮなどの窒化物バリアメタル膜の反応性スパッタによる堆積の後で発塵を抑制するために行われるスパッタターゲットのクリーニングプロセスを、窒化物膜が形成された被処理基板が前記スパッタターゲットから隔離された状態で行うため、クリーニングプロセスの間に窒化物バリアメタル膜上に金属膜が堆積することがなく、後でこのように窒化物バリアメタル膜を形成されたビアホールをＷＦ6などのフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法によりタングステン膜で充填しても、バリアメタル膜に腐食が生じることがない。特に枚葉処理装置を使い、前記クリーニングプロセスの間に被処理基板を次の処理室に送ることにより、クリーニングプロセスと平行して次のプロセスを実行することが可能になり、多層配線構造形成の際のスループットを向上させることができる。
【０１３８】
また本発明によれば、バリアメタル膜が形成されたビアホールを、ＷＦ6などフッ化物気相原料を使ったＣＶＤ法によりタングステン膜により充填する場合、堆積プロセスを、水素ガスを供給しながら行うことにより、あるいは堆積に先立って下地構造を水素を含むガスのプラズマにより処理することにより、フッ化物気相原料と銅配線パターンとの間の反応が抑制され、銅配線パターンの腐食の問題を効果的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タングステンプラグにＴａＮ／Ｔａ／ＴｉＮ積層構造を有するバリアメタル膜を使った従来の多層配線構造の構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、図１の多層配線構造の形成工程を示す図（その１）である。
【図３】（Ｃ），（Ｄ）は、図１の多層配線構造の形成工程を示す図（その２）である。
【図４】（Ｅ）は、図１の多層配線構造の形成工程を示す図（その５）である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、従来の問題点を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例による多層配線構造の構成を示す図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は、図６の多層配線構造の形成工程を示す図（その１）である。
【図８】（Ｃ），（Ｄ）は、図６の多層配線構造の形成工程を示す図（その２）である。
【図９】本発明で使われる反応性スパッタ装置の概略的構成を示す図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は、図９の反応性スパッタ装置において使われている従来のスパッタレシピの例、および本発明第１実施例によるスパッタレシピの例をそれぞれ示す図である。
【図１１】本発明のスパッタレシピに対応するスパッタ工程を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例によるタングステン膜の成膜工程の概要を示す図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例によるタングステン膜の堆積工程を示す図である。
【図１４】図１３（Ａ）の工程で使われるＡＬＤプロセスレシピの例を示す図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｄ）は、ＡＬＤプロセスによるタングステン核生成層形成時のプロセス条件を様々に変化させた場合のビアホール表面のバリアメタル膜およびタングステン核生成層によるステップカバレッジの状態を示す図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の多層配線構造におけるチェーン抵抗の分布を、従来技術により形成した多層配線構造のチェーン抵抗の分布と比較して示す図である。
【図１７】本発明第２実施例の一変形例による、タングステン膜堆積に先立って実行される前処理プラズマ工程のレシピを示す図である。
【図１８】本発明の第３実施例において使われるクラスタ型基板処理装置の構成を示す図である。
【図１９】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図２０】（Ｃ），（Ｄ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図２１】（Ｅ），（Ｆ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図２２】（Ｇ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図２３】（Ｈ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図２４】（Ｉ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図２５】（Ｊ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図２６】（Ｋ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図２７】（Ｌ）は、本発明の第４実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図２８】本発明の第５実施例による半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，２１  層間絶縁膜
１１Ａ，２１Ａ  バリアメタル膜
１１Ｃｕ，２１Ｃｕ  銅配線パターン
１１Ｇ，２１Ｇ  配線溝
１１Ｘ，１２Ｘ  欠陥
１２，２２  層間絶縁膜
１２Ａ，１２Ｂ，２２Ａ  バリアメタル膜
１２Ｎ，２２Ｎ  バリア膜
１２Ｖ，２２Ｖ  ビアホール
１２Ｗ，２２Ｗ  タングステン膜、タングステンプラグ
１２ａ，２２ａ  ＴａＮ膜
１２ｂ  Ｔａ膜
１３  タングステン膜
１３Ａ，２３Ａ  密着膜
１３Ｂ，２３Ｂ  バリアメタル膜
１３，２３  アルミニウム配線パターン
１３Ｃ，２３Ｃ  バリアメタル膜
２２ｂ  ＴｉＮ膜
２３Ｗ1  タングステン核生成層
１００  反応性スパッタ装置
１０１  処理室
１０２  被処理基板
１０３  基板保持台
１０４  ターゲット
１０５  直流バイアス電源
１０６  交流バイアス電源
１０７  プラズマ
１０８  シャッタ
２００  クラスタ型処理装置
２００Ａ  ロードロック室
２００Ｂ  ＴａＮ膜堆積室
２００Ｃ  ＴｉＮ膜堆積室
２００Ｄ  タングステン膜ＣＶＤ室
２０１  真空基板搬送室
３０１  絶縁膜
３０２，３０５，３０７  ＳｉＮ膜
３０３，３０６，３０８，３１２，３１７，４０５，４１１，４１５  層間絶縁膜
３０４，３０９  Ｔａバリアメタル膜
３０５，３１０  銅層
３０８Ｃ  コンタクトホール
３０８Ｇ  配線溝
３０８Ｒ  樹脂保護部
３１２Ｖ  ビアホール
３１３  ＴａＮバリアメタル膜
３１４  ＴｉＮバリアメタル膜
３１５  タングステン膜
３１５Ｗ  タングステンプラグ
３１６  配線層
３１６Ａ，３１６Ｂ，４１４Ａ，４１４Ｂ  アルミニウム配線パターン
３１６ａ，３１６ｃ  ＴｉＮバリアメタル膜
３１６ｂ  アルミニウム膜
３１８，４１６  パッシベーション膜
４０１  シリコン基板
４０１Ａ  素子領域
４０１ａ，４０１ｂ  ＬＤＤ構造
４０１ｃ，４０１ｄ  ソース・ドレイン拡散領域
４０２  素子分離構造
４０３  ゲート電極
４０３Ａ  ゲート絶縁膜
４０４  ＳｉＮ膜
４０５  絶縁膜
４０５Ａ，４０５Ｂ  コンタクトホール
４０６，４１２  ＴａＮ／ＴｉＮバリアメタル膜
４０７，４１３  タングステンプラグ
４０８〜４１０  銅配線層
Ｒ１〜Ｒ５  レジストパターン
【図１】
2004207281.tif 000003
【図２】
2004207281.tif 000004
【図３】
2004207281.tif 000005
【図４】
2004207281.tif 000006
【図５】
2004207281.tif 000007
【図６】
2004207281.tif 000008
【図７】
2004207281.tif 000009
【図８】
2004207281.tif 000010
【図９】
2004207281.tif 000011
【図１０】
2004207281.tif 000012
【図１１】
2004207281.tif 000013
【図１２】
2004207281.tif 000014
【図１３】
2004207281.tif 000015
【図１４】
2004207281.tif 000016
【図１５】
2004207281.tif 000017
【図１６】
2004207281.tif 000018
【図１７】
2004207281.tif 000019
【図１８】
2004207281.tif 000020
【図１９】
2004207281.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2004207281.tif 000023
【図２２】
2004207281.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2004207281.tif 000028
【図２７】
2004207281.tif 000029
【図２８】
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