(57)【要約】【課題】高温環境下における配線層内でのボイドの発生を抑制して配線層の導通不良を抑制し、多層配線構造を有する半導体装置の信頼性を向上しうる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】層間絶縁膜３４に、配線溝３８を形成する工程と、配線溝３８内に、Ｃｕを主材料とする配線層４４を形成する工程と、配線溝３８内に埋め込まれた配線層４４の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う工程とを有する。【選択図】  図７
2005183814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記開口部内に、Ｃｕを主材料とする配線層を形成する工程と、
前記開口部内に埋め込まれた前記配線層の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素二流体処理を行う工程の後に、前記絶縁膜及び前記配線層上に、Ｃｕの拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記拡散防止膜は、ＳｉＣ膜又はシリコン窒化膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素二流体処理を行う工程の後に、前記絶縁膜の表面及び前記配線層の表面に対して水素プラズマを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部を形成する工程では、ビアホールと、前記ビアホールを含む領域に形成された配線溝とを有する前記開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素二流体処理を行う工程において前記窒素ガスと同時に吹き付ける前記水は、炭酸水又はオゾン水である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、配線層の主材料に銅を用いた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の大規模集積化に伴い、配線の設計ルールも世代とともに縮小化されている。従来、配線層は、配線材料を堆積した後、リソグラフィー及びドライエッチングを用いてパターニングすることにより、形成されていたが、世代が進むにつれ、技術的な限界が生じ始めている。このため、従来の配線形成プロセスに変わる新たな形成プロセスとして、層間絶縁膜に溝パターンやホールパターンを形成した後、この溝やホールに配線材料を埋め込む、いわゆるダマシンプロセスと呼ばれる手法が利用されつつある。また、配線形成プロセスの移行に伴い、配線材料には、従来から配線材料として用いられていたアルミニウムよりも比抵抗が低くエレクトロマイグレーション耐性に優れた銅（Ｃｕ）が用いられるようになってきている。
【０００３】
このような配線形成プロセスを用いてトランジスタ等の半導体素子を高集積化した多層配線構造を有する半導体装置の開発が急速に進められている。これにあわせて、配線層におけるエレクトロマイグレーションを抑制すること等により半導体装置の信頼性を向上することを目的とする手法がこれまでに数多く報告されている（例えば、特許文献１乃至３を参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２３４７６号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６３９１号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の動作時には、装置自身が発熱して温度が上昇する。従来から、このような動作時の温度上昇や配線形成後のプロセス等により、多層配線構造が高温環境下にさらされると、配線層のＣｕ原子や配線層内に形成されている空孔が移動して配線層内に巨大なボイドが発生し、このボイドにより配線層の導通不良が発生することが知られている。
【０００５】
配線層の幅が１μｍ以上の世代においては、配線層内に生じるボイドのサイズに対して配線層の幅が充分に大きくなっている。このため、ボイドによる導通不良が半導体装置の動作特性や信頼性に与える影響は大きくなかった。
【０００６】
しかしながら、配線層の幅が０．５μｍ以下の世代となると、配線層内に生じたボイドによる配線抵抗の上昇が半導体装置の動作特性や信頼性に与える影響が無視できないものとなってくる。特に、今後０．２μｍ以下の幅を有する配線層のような微小な配線層を形成する場合、ボイドによる導通不良の発生を抑制することが不可欠となる。
【０００７】
上記特許文献１乃至３においては、半導体装置の信頼性の向上を目的とする手法が開示されている。しかしながら、これらは、配線層におけるエレクトロマイグレーションに対する耐性を向上することにより信頼性の向上を図ったものである。これまで、高温放置時に生じるボイドによる配線層の導通不良に関する対策は充分になされていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、高温環境下における配線層内でのボイドの発生を抑制して配線層の導通不良を抑制し、多層配線構造を有する半導体装置の信頼性を向上しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記開口部内に、Ｃｕを主材料とする配線層を形成する工程と、前記開口部内に埋め込まれた前記配線層の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以上の通り、本発明によれば、絶縁膜に、開口部を形成する工程と、開口部内に、Ｃｕを主材料とする配線層を形成する工程と、開口部内に埋め込まれた前記配線層の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う工程とを有するので、高温環境下における配線層のＣｕ原子の移動が抑制され、配線層の導通不良の発生率を低減することができる。これにより、ストレスマイグレーション耐性に優れた信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を提供することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、窒素二流体処理を行う工程の後に、絶縁膜の表面及び配線層の表面に対して水素プラズマを照射する工程を更に有するので、絶縁膜の表面及び配線層の表面が清浄化され、絶縁膜及び配線層上に、配線材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜として機能する拡散防止膜を高い密着性で形成することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明による半導体装置の製造方法の原理について図１乃至図４を用いて説明する。図１は配線層上に拡散防止膜を形成した後の表面を二次イオン質量分析法によって分析した結果を示すグラフ、図２は本発明による半導体装置の製造方法によりボイドの発生が抑制される機構を説明する概略図、図３及び図４は配線層上に形成された拡散防止膜の表面粗さを測定した結果を示すグラフである。
【００１３】
本発明による半導体装置の製造方法は、絶縁膜に、開口部を形成する工程と、開口部内に、Ｃｕを主材料とする配線層を形成する工程と、開口部内に埋め込まれた配線層の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う工程とを有することに主たる特徴がある。
【００１４】
ダマシンプロセスにおいてＣＭＰ法による平坦化を行った後に露出したＣｕを主材料とする配線層の表面は、純Ｃｕに近い状態となっている。従来、ＣＭＰ法による平坦化の後、直ちに配線材料であるＣｕの拡散を防止するＳｉＣ膜等よりなる拡散防止膜が形成されていた。このような従来の工程により形成された多層配線が高温環境下にさらされると、配線材料であるＣｕ原子や配線層中の空孔が移動し、配線層内にボイドが発生していた。このようなボイドは、配線層の導通不良の原因のひとつとなるものである。
【００１５】
一方、本願発明者等は、層間絶縁膜の配線溝内に配線層を埋め込んでＣＭＰ法による平坦化を行った後、配線材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜を形成する前に、配線層の表面に対して、窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行うことにより、多層配線が高温環境下にさらされた場合であっても、配線層の導通不良の発生率が極めて低くなることを発見した。
【００１６】
図１は、ダマシンプロセスによりＣｕを主材料とする配線層を形成した後、配線層が埋め込まれた層間絶縁膜上に拡散防止膜としてＳｉＣ膜を形成した半導体装置の表面近傍を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。図１に示すグラフＡは、配線層を形成した後、窒素二流体処理を行ってから配線層が埋め込まれた層間絶縁膜上にＳｉＣ膜を形成した場合の結果を示している。グラフＢは、配線層を形成した後、窒素二流体処理を行わずに、直ちに、配線層が埋め込まれた層間絶縁膜上にＳｉＣ膜を形成した場合の結果を示している。
【００１７】
図１に示す二次イオン質量分析法による分析結果から、窒素二流体処理を行った場合には、Ｃｕを主材料とする配線層とＳｉＣ膜との界面付近に僅かであるが窒素が検出されていることが分かる。この結果から、窒素二流体処理を行った場合には、図２に示すように、Ｃｕを主材料とする配線層１の表面に、窒素２が吸着していると考えられる。図２は、配線層の表面に吸着した窒素を示す概略図である。
【００１８】
このように、窒素二流体処理によりＣｕを主材料とする配線層の表面に窒素が付着すると考えられ、次のような機構により、高温環境下にさらされた場合であっても配線層の導通不良の発生率が低く抑えられると考えられる。すなわち、Ｃｕを主材料とする配線層の表面に窒素が吸着した状態でＣｕの拡散を防止する拡散防止膜を形成すると、窒素の存在により、高温環境下にさらされた場合において配線層のＣｕ原子の移動が困難となる。この結果、配線層内におけるボイドが抑制され、配線層の導通不良の発生率が低く抑えられ配線層のストレスマイグレーション耐性が向上されると考えられる。
【００１９】
また、窒素二流体処理により吹き付けられた水も、高温環境下にさらされた場合の導通不良の発生の抑制に寄与していると考えられる。すなわち、配線層の表面に吹き付けられた水は、その表面を清浄化するとともに、Ｃｕを主材料とする配線層の表面に存在する水酸基と、ＳｉＣよりなる拡散防止膜の有する水素基との間を結合する。これにより、拡散防止膜が配線層上に高い密着性で形成されるため、高温環境下にさらされた場合において配線層のＣｕ原子の移動が困難となる。この結果、配線層内におけるボイドが抑制され、配線層の導通不良の発生率が低く抑えられ配線層のストレスマイグレーション耐性が向上されると考えられる。
【００２０】
窒素二流体処理により高温環境下における配線層のＣｕ原子の移動が抑制されることは、配線層上に形成された拡散防止膜の平均粗さを測定した図３及び図４に示す結果から確認されている。
【００２１】
図３は、ダマシンプロセスにより配線層が埋め込まれた層間絶縁膜上に形成されたＳｉＣ膜の表面の平均粗さを測定した結果を示すグラフである。窒素二流体処理を行った場合と窒素二流体処理を行わない場合のそれぞれについて、堆積後初期のＳｉＣ膜、２００℃の温度で５０４時間放置したＳｉＣ膜、及び熱処理後初期のＳｉＣ膜の表面の平均粗さを測定した。表面の平均粗さの測定には、原子間力顕微鏡を用いた。
【００２２】
図３に示すグラフから、窒素二流体処理を行った場合が、窒素二流体処理を行っていない他の場合と比較して、全体的に表面の平均粗さが小さく、また、表面の平均粗さの熱処理による変化量が小さく抑えられていることが分かる。このように配線層上に形成された拡散防止膜の表面の平均粗さの熱処理による変化量が小さく抑えられていることから、窒素二流体処理によって、熱処理による配線層のＣｕ原子の移動が困難となっており、配線層のボイドの発生が抑制されるといえる。
【００２３】
また、図４は、ダマシンプロセスにより配線層が埋め込まれた層間絶縁膜上に窒素二流体処理を行ってから形成されたＳｉＣ膜の表面の平均粗さと、窒素二流体処理に代えて他の処理を行ってから形成されたＳｉＣ膜の表面の平均粗さとを比較したグラフである。窒素二流体処理を行った場合のほか、窒素二流体処理に代えて、水素プラズマ処理を行った場合と、アンモニアプラズマ処理を行った場合について、ＳｉＣ膜の表面の平均粗さを測定した。いずれの場合においても、堆積後に熱処理等を行っていない未処理の状態のＳｉＣ膜について表面の平均粗さを測定した。表面の平均粗さの測定には、原子間力顕微鏡を用いた。
【００２４】
図４に示すグラフから、窒素二流体処理を行った場合が、水素プラズマ処理を行った場合及びアンモニアプラズマ処理を行った場合のいずれの場合よりも、ＳｉＣ膜の表面の平均粗さが小さくなっていることが分かる。
【００２５】
上述したように、本発明による半導体装置の製造方法によれば、配線溝内にＣｕを主材料とする配線層を埋め込みＣＭＰ法により平坦化した後、Ｃｕの拡散防止膜を形成する前に、窒素二流体処理を行うことにより、高温環境下において配線層のＣｕ原子の移動が抑制され、配線層内でのボイドの発生が抑制され、配線層のストレスマイグレーション耐性に優れた高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【００２６】
本発明による半導体装置の製造方法における窒素二流体処理の処理条件等の詳細は以下の通りである。
【００２７】
窒素二流体処理において窒素ガスと水とを同時に吹き付けるためのスプレー装置としては、例えば、大日本スクリーン製造株式会社製のソフトスプレー、ナノスプレー等の窒素二流体スプレーや、東芝メカトロニクス株式会社製の窒素二流体スプレー等を用いることができる。
【００２８】
窒素二流体処理において吹き付ける水としては、半導体装置の製造プロセスに使用可能な純度を有するものであればよく、脱イオン水等を用いることができる。水は、例えば、比抵抗１８．２ＭΩ・ｃｍ以上、粒径０．５μｍ未満のパーティクル数が数個／ｍＬレベルの純水であればよい。また、このような水に炭酸ガスを溶存させた炭酸水を用いることができる。炭酸水は、静電気の発生を抑止する効果があるとされている。さらに、炭酸水のほか、水にオゾンを溶存させたオゾン水、所定の濃度の水素イオンを含有する水素機能水等を用いることもできる。オゾン水、水素機能水は、基板の表面に付着した有機汚染物、金属汚染物を除去するのに有用である。また、窒素二流体処理において吹き付ける水の流量は、所望の値に適宜設定することができるが、例えば、５０〜３００ｍＬ／ｍｉｎに設定することができる。
【００２９】
窒素二流体処理において吹き付ける窒素ガスの流量は、所望の値に適宜設定することができるが、例えば、５〜２００Ｌ／ｍｉｎ、より好ましくは３０〜１００Ｌ／ｍｉｎに設定することができる。これは、流量が小さすぎると窒素二流体処理による後述の効果が充分に得られない一方で、流量が大きすぎるとパターン倒れを招く虞があるからである。
【００３０】
また、窒素二流体処理において窒素ガスと水とを吹き付ける時間についても、吹き付ける水の種類、水の流量、窒素ガスの流量等の諸条件に応じて適宜設定することができるが、例えば、５〜３００ｓｅｃ程度に設定することができる。
【００３１】
また、本発明による半導体装置の製造方法は、上記の窒素二流体処理の後、拡散防止膜を形成する前に、配線層が埋め込まれた層間絶縁膜の表面に対して水素プラズマを照射する水素プラズマ処理を行うことにも特徴がある。層間絶縁膜の表面及び配線層の表面に対して水素プラズマ処理を行うことにより、これら表面が清浄化されるため、高い密着性で拡散防止膜を形成することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、図１に示す二次イオン質量分析の結果は、窒素二流体処理の後に水素プラズマ処理を行ったもののについて得られたものである。この結果から、水素プラズマ処理を経ても、窒素二流体処理により配線層の表面に吸着した窒素が残留していることが分かる。
【００３２】
以下、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法について図５乃至図１２を用いて説明する。図５乃至図１２は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００３３】
まず、素子分離膜１２が形成されたシリコン基板１０に、例えば、通常のＭＯＳトランジスタの製造方法と同様にして、ゲート電極１４及びソース／ドレイン拡散層１６を有するＭＯＳトランジスタを形成する（図５（ａ）を参照）。なお、シリコン基板１０上には、ＭＯＳトランジスタのみならず、種々の半導体素子を形成することができる。
【００３４】
次いで、ＭＯＳトランジスタが形成されたシリコン基板１０上に、例えば化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により、例えば膜厚０．１μｍのシリコン窒化膜１８を形成する。
【００３５】
次いで、シリコン窒化膜１８上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚１．５μｍのＰＳＧ（Phosphorous Silicate Glass）膜２０を形成する。ＰＳＧ膜２０の成膜時の基板温度は、例えば６００℃に設定する。
【００３６】
次いで、例えば化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法により、ＰＳＧ膜２０の膜厚が例えば２００ｎｍとなるまでＰＳＧ膜２０の表面を研磨し、ＰＳＧ膜２０の表面を平坦化する。
【００３７】
次いで、ＰＳＧ膜２０上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのＳｉＣ膜２２を形成する（図５（ｂ）を参照）。このＳｉＣ膜２２は、パッシベーション膜として機能するものである。
【００３８】
こうして、シリコン窒化膜１８と、ＰＳＧ膜２０と、ＳｉＣ膜２２とが順次積層されてなる層間絶縁膜２４を形成する。
【００３９】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、ＳｉＣ膜２２、ＰＳＧ膜２０及びシリコン窒化膜１８に、シリコン基板１０に達するコンタクトホール２６を形成する。
【００４０】
次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚１５ｎｍのＴｉ（チタン）膜と、例えば膜厚１５ｎｍのＴｉＮ（窒化チタン）膜と、例えば３００ｎｍのＷ（タングステン）膜とを順次形成する。
【００４１】
次いで、例えばＣＭＰ法により、層間絶縁膜２４の表面が露出するまで、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、及びＴｉ膜を研磨し、層間絶縁膜２４上のＷ膜、ＴｉＮ膜、及びＴｉ膜に除去する。こうして、コンタクトホール２６内に埋め込まれ、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、及びＷ膜よりなるコンタクトプラグ２８を形成する（図５（ｃ）を参照）。
【００４２】
次いで、コンタクトプラグ２８が埋め込まれた層間絶縁膜２４のＳｉＣ膜２２上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚１５０ｎｍのＳｉＯＣ膜３０を形成する。
【００４３】
次いで、ＳｉＯＣ膜３０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜３２を形成する。
【００４４】
こうして、ＳｉＣ膜２２上に、ＳｉＯＣ膜３０と、シリコン酸化膜３２とが順次積層されてなる層間絶縁膜３４を形成する（図５（ｄ）を参照）。
【００４５】
次いで、層間絶縁膜３４に形成される配線溝の形成予定領域を露出するフォトレジスト膜３６を形成する（図６（ａ）を参照）。
【００４６】
次いで、フォトレジスト膜３６をマスクとして及びＳｉＣ膜３０をストッパとして、シリコン酸化膜３２及びＳｉＯＣ膜３０を順次エッチングする。こうして、シリコン酸化膜３２及びＳｉＯＣ膜３０に配線溝３８を形成する。配線溝３８を形成した後、マスクとして用いたフォトレジスト膜３６を除去する（図６（ｂ）を参照）。
【００４７】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＴａＮ膜よりなるバリアメタル層４０と、例えば膜厚３０ｎｍのＣｕ膜とを連続して堆積する。
【００４８】
次いで、バリアメタル層４０上に形成されたＣｕ膜をシードとして、電解メッキにより更にＣｕ膜を堆積し、例えばトータル膜厚１μｍのＣｕ膜４２を形成する（図６（ｃ）を参照）。
【００４９】
次いで、ＣＭＰ法により、シリコン酸化膜３２が露出するまで、Ｃｕ膜４２及びバリアメタル層４０を研磨し、シリコン酸化膜３２上のＣｕ膜４２及びバリアメタル層４０を除去する。こうして、配線溝３８内に埋め込まれ、ＴａＮ膜よりなりＣｕの拡散を防止するバリアメタル層４０と配線層の主要部をなすＣｕ膜４２とを有する配線層４４を形成する（図７（ａ）を参照）。
【００５０】
ＣＭＰ法により配線層４４を埋め込んだ後、層間絶縁膜３４の表面及び配線層４４の表面に対して窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う。窒素二流体処理においては、例えば、層間絶縁膜３４の表面及び配線層４４の表面に近接して配置したスプレー装置のノズル４６から、窒素ガスと水とを層間絶縁膜３４の表面及び配線層４４の表面に対して同時に吹き付ける（図７（ｂ）を参照）。このとき、ノズル４６の位置を適宜変更し、各位置において窒素ガスと水とを吹き付ける。或いは、ノズル４６を適宜移動しながら窒素ガスと水とを吹き付ける。これにより、配線溝４４に埋め込まれた配線層４４の表面の全体に均一に窒素ガスと水とを吹き付ける。窒素二流体処理を行うことにより、高温環境下に半導体装置がさらされた場合において配線層４４のＣｕ原子の移動が抑制され、配線層４４内でのボイドの発生を抑制することができる。この結果、配線層４４における導通不良の発生を抑制することができる。
【００５１】
窒素二流体処理を行った後、層間絶縁膜３４の表面及び配線層４４の表面に対して水素プラズマを照射する。水素プラズマを照射することにより、層間絶縁膜３４の表面及び配線層４４の表面が清浄化され、層間絶縁膜３４及び配線層４４上に拡散防止膜を高い密着性で形成することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００５２】
水素プラズマを照射した後、層間絶縁膜３４及び配線層４４上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのＳｉＣ膜４８を形成する（図７（ｃ）を参照）。ＳｉＣ膜４８は、配線層材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜として機能する。
【００５３】
次いで、ＳｉＣ膜４８上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚４５０ｎｍのＳｉＯＣ膜５４を形成する。
【００５４】
次いで、ＳｉＯＣ膜５４上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜５６を形成する。
【００５５】
次いで、シリコン酸化膜５６上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜５８を形成する。
【００５６】
こうして、配線溝３８に配線層４４が埋め込まれた層間絶縁膜３４上に、ＳｉＣ膜４８と、ＳｉＯＣ膜５４と、シリコン酸化膜５６と、シリコン窒化膜５８とが順次積層されてなる層間絶縁膜６０が形成される（図８（ａ）を参照）。
【００５７】
次いで、フォトリソグラフィーにより、シリコン窒化膜５８上に、シリコン酸化膜５６及びＳｉＯＣ膜５８に形成される配線層の形成予定領域を露出するフォトレジスト膜６２を形成する（図８（ｂ）を参照）。
【００５８】
次いで、フォトレジスト膜６２をマスクとして、シリコン窒化膜５８を異方性エッチングする。シリコン窒化膜５８をエッチングした後、マスクとして用いたフォトレジスト膜６２を除去する（図９（ａ）を参照）。
【００５９】
次いで、シリコン窒化膜５８及びシリコン窒化膜５８のエッチングにより露出したシリコン酸化膜５６上に、フォトリソグラフィーにより、ビアホールの形成予定領域を露出するフォトレジスト膜６４を形成する（図９（ｂ）を参照）。
【００６０】
次いで、フォトレジスト膜６４をマスクとして、シリコン酸化膜５６及ＳｉＯＣ膜５４をエッチングする。このエッチングでは、ＳｉＯＣ膜５４の中央部付近においてエッチングが停止するように、エッチング時間を制御する。エッチング終了後、マスクとして用いたフォトレジスト膜６４を除去する（図１０（ａ）を参照）。
【００６１】
次いで、シリコン窒化膜５８をハードマスクとして、シリコン酸化膜５６、ＳｉＯＣ膜５４、及びＳｉＣ膜４８をエッチングする。これにより、シリコン酸化膜５４及びＳｉＣ膜４８に配線層のビア部を埋め込むためのビアホール６６を形成し、ビアホール６６を含む領域のシリコン酸化膜５６及びＳｉＯＣ膜５４に、配線層を埋め込むための配線溝６８を形成する（図１０（ｂ）を参照）。
【００６２】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＴａＮ膜よりなるバリアメタル層７０と、例えば膜厚３０ｎｍのＣｕ膜とを連続して堆積する。
【００６３】
次いで、バリアメタル層７０上に形成されたＣｕ膜をシードとして、電解メッキにより更にＣｕ膜を堆積し、例えばトータル膜厚１μｍのＣｕ膜７２を形成する（図１１（ａ）を参照）。
【００６４】
次いで、ＣＭＰ法により、シリコン窒化膜５８が露出するまで、Ｃｕ膜７２及びＴａＮ膜よりなるバリアメタル層７０を研磨し、シリコン窒化膜５８上のＣｕ膜７２及びバリアメタル層７０を除去する。こうして、ビアホール６６内及び配線溝６８内に埋め込まれ、ＴａＮ膜よりなりＣｕの拡散を防止するバリアメタル層７０と配線層の主要部をなすＣｕ膜７２とを有する配線層７４を形成する（図１１（ｂ）を参照）。
【００６５】
ＣＭＰ法により配線層７４を埋め込んだ後、配線層４４を形成した場合と同様にして、層間絶縁膜６０表面及び配線層７４表面に対して窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行う（図１２（ａ）を参照）。窒素二流体処理を行うことにより、配線層７４についても、高温環境下にさらされた場合に、配線層７４のＣｕ原子の移動が抑制され、配線層７４内でのボイドの発生を抑制することができる。この結果、配線層７４における導通不良の発生を抑制することができる。
【００６６】
窒素二流体処理を行った後、配線層４４の場合と同様にして、層間絶縁膜６０の表面及び配線層７４の表面に対して水素プラズマを照射する。水素プラズマを照射することにより、層間絶縁膜６０の表面及び配線層７４の表面が清浄化され、層間絶縁膜６０及び配線層７４上に拡散防止膜を高い密着性で形成することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００６７】
水素プラズマを照射した後、層間絶縁膜６０及び配線層７４上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのＳｉＣ膜７６を形成する（図１２（ｂ）を参照）。ＳｉＣ膜７６は、配線層材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜として機能する。
【００６８】
以後、図８（ａ）乃至図１２（ｂ）に示す工程と同様の工程を適宜繰り返すことにより、ＭＯＳトランジスタが形成されたシリコン基板１０上に、複数の配線層を有する多層配線構造が形成される。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、層間絶縁膜の配線溝やビアホール等の開口部に配線層となるＴａＮ膜及びＣｕ膜を埋め込んでＣＭＰ法により平坦化した後、配線材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜として機能するＳｉＣ膜を形成する前に、配線層の表面に対して窒素ガスと水とを同時に吹き付ける窒素二流体処理を行うので、高温環境下において配線層のＣｕ原子の移動を抑制し、配線層内でのボイドの発生を抑制することができるので、配線層のストレスマイグレーション耐性に優れた高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、窒素二流体処理を行った後、層間絶縁膜の表面及び配線層の表面に対して水素プラズマを照射するので、層間絶縁膜の表面及び配線層の表面が清浄化され、層間絶縁膜及び配線層上に、配線材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜として機能するＳｉＣ膜を高い密着性で形成することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００７１】
（評価結果）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法の評価結果について説明する。本実施形態による半導体装置の製造方法により製造された多層配線構造を有する半導体装置について、高温放置実験を行い、導通不良の発生率を測定した。
【００７２】
高温放置実験は、本実施形態による半導体装置の製造方法により、５層の配線層を形成した後、シリコン酸化膜を層間絶縁膜としてアルミニウムよりなる電極パットを形成した半導体装置について行った。ここで、窒素二流体処理を３０秒間行った実施例１と、６０秒間行った実施例２とについて高温放置実験を行った。実施例１、２のいずれの場合においても、窒素二流体処理では、窒素と同時に吹き付ける水として比抵抗０．２ＭΩ・ｃｍの炭酸水を用い、炭酸水の流量を１５０ｍＬ／ｍｉｎ、窒素ガスの流量を５０Ｌ／ｍｉｎとした。
【００７３】
高温放置実験では、半導体装置を放置する温度を２００℃に設定し、放置時間７０時間、１７０時間、３４０時間、及び５００時間の場合についてそれぞれ導通不良の発生率を測定した。
【００７４】
比較例として、窒素二流体処理を行わない以下の従来の場合についても、同様の高温放置実験を行った。比較例１は、配線溝内に配線層を埋め込みＣＭＰ法により平坦化した後、直ちに拡散防止膜を形成した場合である。比較例２は、配線溝内に配線層を埋め込みＣＭＰ法により平坦化した後、比抵抗０．２ＭΩ・ｃｍの炭酸水を流量１５０ｍＬ／ｍｉｎ、吐出圧１５ｋｇｆ／ｃｍ２で吹き付けるウォータージェット処理を行ってから拡散防止膜を形成した場合である。比較例３は、配線溝内に配線層を埋め込みＣＭＰ法により平坦化した後、アンモニアプラズマ処理を行ってから拡散防止膜を形成した場合である。なお、比較例１〜３のいずれの場合においても、窒素二流体処理を行わず、また、所定の処理を行う点を除いては、実施例１、２による場合と同様に半導体装置を製造した。
【００７５】
比較例１、実施例１、実施例２、比較例２、及び比較例３についての高温放置実験の結果は以下のようになった。
【００７６】
比較例１の場合、放置時間７０時間、１７０時間、３４０時間、５００時間での導通不良の発生率は、それぞれ８％、２７％、４６％、５２％であった。
【００７７】
実施例１の場合、放置時間７０時間、１７０時間、３４０時間、５００時間での導通不良の発生率は、それぞれ１％、５％、１１％、１６％であった。
【００７８】
実施例２の場合、放置時間７０時間、１７０時間、３４０時間、５００時間での導通不良の発生率は、いずれも０％であった。
【００７９】
比較例３の場合、放置時間７０時間、１７０時間、３４０時間、５００時間での導通不良の発生率は、それぞれ１０％、２０％、３５％、６０％であった。
【００８０】
上記の高温放置実験の結果から、本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、従来の場合と比較して、高温環境下にさらされた際の導通不良の発生率を大幅に低減することができることが確認された。また、実施例１の結果と実施例２の結果を比較すると、窒素二流体処理の処理時間が長い実施例２の方が、導通不良の発生率がより低減されていることが分かる。
【００８１】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００８２】
例えば、上記実施形態では、層間絶縁膜に、ＳｉＯＣ膜、シリコン酸化膜等を用いる場合について説明したが、層間絶縁膜はこれらに限定されるものではなく、種々の絶縁膜を用いることができる。
【００８３】
また、上記実施形態では、配線材料であるＣｕの拡散を防止する拡散防止膜としてＳｉＣ膜を形成する場合について説明したが、Ｃｕの拡散防止膜として形成する膜は、ＳｉＣ膜に限定されるものではない。Ｃｕの拡散防止膜として、ＳｉＣ膜のほか、例えば、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、ジルコニウムナイトライド膜等を形成してもよい。
【００８４】
また、上記実施形態では、配線層７４を形成するにあたっては、デュアルダマシンプロセスによりビアホール６６内及び配線溝６８内にＴａＮ膜７０及びＣｕ膜７２を同時に埋め込む場合について説明したが、シングルダマシンプロセスによりビアホール及び配線溝を別々に形成し、これらにＴａＮ膜及びＣｕ膜を別々に埋め込んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】配線層上に拡散防止膜を形成した後の表面を二次イオン質量分析法によって分析した結果を示すグラフである。
【図２】本発明による半導体装置の製造方法によりボイドの発生が抑制される機構を説明する概略図である。
【図３】配線層上に形成された拡散防止膜の表面粗さを測定した結果を示すグラフ（その１）である。
【図４】配線層上に形成された拡散防止膜の表面粗さを測定した結果を示すグラフ（その２）である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図８】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図９】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その５）である。
【図１０】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その６）である。
【図１１】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その７）である。
【図１２】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その８）である。
【符号の説明】
【００８６】
１…配線層
２…窒素
１０…シリコン基板
１２…素子分離膜
１４…ゲート電極
１６…ソース／ドレイン拡散層
１８…シリコン窒化膜
２０…ＰＳＧ膜
２２…ＳｉＣ膜
２４…層間絶縁膜
２６…コンタクトホール
２８…コンタクトプラグ
３０…ＳｉＯＣ膜
３２…シリコン酸化膜
３４…層間絶縁膜
３６…フォトレジスト膜
３８…配線溝
４０…バリアメタル層
４２…Ｃｕ膜
４４…配線層
４６…ノズル
４８…ＳｉＣ膜
５４…ＳｉＯＣ膜
５６…シリコン酸化膜
５８…シリコン窒化膜
６０…層間絶縁膜
６２…フォトレジスト膜
６４…フォトレジスト膜
６６…ビアホール
６８…配線溝
７０…バリアメタル層
７２…Ｃｕ膜
７４…配線層
７６…ＳｉＣ膜
【図１】
2005183814.tif 000003
【図２】
2005183814.tif 000004
【図３】
2005183814.tif 000005
【図４】
2005183814.tif 000006
【図５】
2005183814.tif 000007
【図６】
2005183814.tif 000008
【図７】
2005183814.tif 000009
【図８】
2005183814.tif 000010
【図９】
2005183814.tif 000011
【図１０】
2005183814.tif 000012
【図１１】
2005183814.tif 000013
【図１２】
2005183814.tif 000014