(57)【要約】【課題】  銅を含む配線の腐食の進行を抑制する半導体装置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、頂面３ａを有し、銅を含む下部配線３を形成する工程と、頂面３ａを覆うように拡散防止膜４を形成する工程と、フロロカーボン系ガスを含むエッチャントを用いて拡散防止膜４の一部をエッチング処理し、頂面３ａに達するコンタクトホール８を拡散防止膜４に形成する工程と、コンタクトホール８を形成する工程の後、窒素、アルゴンおよび水素からなる群より選ばれた少なくとも一種を含むガスを用いて、コンタクトホール８から露出する下部配線３をプラズマ処理する工程とを備える。【選択図】        図３
2005303191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有し、銅を含む配線を形成する工程と、
前記表面を覆うように拡散防止膜を形成する工程と、
フロロカーボン系ガスを含むエッチャントを用いて前記拡散防止膜の一部をエッチング処理し、前記表面に達する孔を前記拡散防止膜に形成する工程と、
前記孔を形成する工程の後、窒素、アルゴンおよび水素からなる群より選ばれた少なくとも一種を含むガスを用いて、前記孔から露出する前記配線をプラズマ処理する工程とを備える、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記拡散防止膜は、ＳｉＣ、ＳｉＣＮおよびＳｉＮからなる群より選ばれた少なくとも一種を含み、前記エッチャントは、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２およびＣＨ３Ｆからなる群より選ばれた少なくとも一種を含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記孔を形成する工程と前記プラズマ処理する工程との間において、エッチング処理された前記配線を大気雰囲気から遮断した状態に保持する、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記孔を形成する工程は、所定の処理室内でエッチング処理する工程を含み、
前記プラズマ処理する工程は、前記所定の処理室内でプラズマ処理する工程を含む、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、ダマシン法を用いて銅配線を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化や高速化に伴って、近年、配線材料として電気抵抗の低い銅が用いられようとしている。ダマシン法を利用して銅配線を作製する場合、たとえば、銅配線膜、拡散防止膜、有機低誘電率膜およびＳｉＯ２膜を順次、基板上に堆積する。ＳｉＯ２膜上に所定位置に開口を有するレジスト膜を形成し、そのレジスト膜をマスクとして、ＳｉＯ２膜および有機低誘電率膜をエッチングする。レジスト膜を除去した後、ＳｉＯ２膜をマスクとして、さらに拡散防止膜をエッチングすることで、銅配線膜に達するコンタクトホールを形成する。そのコンタクトホールを導電膜で充填し、銅配線膜に接続されるコンタクトプラグを形成する。
【０００３】
また別に、特開２００３−３０３８１１号公報には、上述の拡散防止膜として設けられたバリア膜のエッチング処理時に、塩素成分あるいは臭素成分を含むガスと、酸素ガスと、還元性ガスとを含む混合ガスをエッチングガスとして用いるプラズマエッチング処理方法が開示されている（特許文献１）。また、特開平１１−２９７６７８号公報には、チタンを含むバリアメタル膜およびタングステン膜をエッチングする際に、不要な生成物の再付着を防止することを目的した半導体装置の製造方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁膜上に形成されたバリアメタル膜およびタングステン膜をエッチングした後、エッチング装置内にアルゴン等の不活性ガスを導入し、半導体基板をプラズマに晒す。
【０００４】
さらに、特開平４−２７３４４２号公報には、Ｃｕ系材料層のドライエッチング後において、形成されたパターンの酸化を防止することを目的した配線形成方法が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された配線形成方法によれば、ＮＯ２ガスを用いたドライエッチングによりＣｕ電極パターンを作製した後、Ｃｕ電極パターンの側壁部に形成された酸素含有層を、ＮＨ３ガス等を用いたプラズマ処理により還元除去する。
【特許文献１】特開２００３−３０３８１１号公報
【特許文献２】特開平１１−２９７６７８号公報
【特許文献３】特開平４−２７３４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
銅配線膜上に形成された拡散防止膜をエッチングする場合、そのエッチングによって露出した銅配線膜がエッチャントに晒される。この際、銅配線膜を構成する銅の腐食が進行するため、銅配線の抵抗が増大したり、銅配線とコンタクトプラグとのコンタクト抵抗が増大するという問題が生じる。
【０００６】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、銅を含む配線の腐食の進行を抑制する半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に従った半導体装置の製造方法は、表面を有し、銅を含む配線を形成する工程と、その表面を覆うように拡散防止膜を形成する工程と、フロロカーボン系ガスを含むエッチャントを用いて拡散防止膜の一部をエッチング処理し、配線の表面に達する孔を拡散防止膜に形成する工程と、孔を形成する工程の後、窒素、アルゴンおよび水素からなる群より選ばれた少なくとも一種を含むガスを用いて、孔から露出する配線をプラズマ処理する工程とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に従えば、銅を含む配線の腐食の進行を抑制する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、この発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を用いて作製された半導体装置を示す断面図である。図１を参照して、半導体装置は、頂面１ａを有する層間絶縁膜１と、層間絶縁膜１に形成された下部配線３と、頂面１ａ上に順次堆積された拡散防止膜４および層間絶縁膜５と、層間絶縁膜５に形成され、下部配線３に接続されたコンタクトプラグ１０とを備える。
【００１１】
層間絶縁膜１には、図１を示す紙面の奥行き方向に延びる溝１２が形成されている。溝１２には、その内壁を覆うように拡散防止膜２が形成されている。拡散防止膜２は、たとえば、タンタル（Ｔａ）と窒化タンタル（ＴａＮ）との積層体から形成されている。拡散防止膜２上には、溝１２の内部を充填するように下部配線３が形成されている。下部配線３は、銅（Ｃｕ）から形成されており、層間絶縁膜１の頂面１ａと同一平面上に連なる頂面３ａを有する。
【００１２】
頂面１ａおよび３ａ上には、拡散防止膜４が形成されており、拡散防止膜４上には、さらに層間絶縁膜５が形成されている。拡散防止膜４は、たとえば、ＳｉＣ、ＳｉＣＮまたはＳｉＮなどから形成されている。層間絶縁膜１および５は、たとえば、シリコン酸化膜、ＴＥＯＳ（tetra etyle ortho silicate）、ＳｉＯＦおよびＳＯＧ（スピン・オン・グラス）などから形成されている。また、低誘電率材料（Low-k材料）から形成されていても良い。
【００１３】
層間絶縁膜５および拡散防止膜４には、層間絶縁膜５が有する頂面５ａ側に開口し、下部配線３の頂面３ａに達するコンタクトホール８が形成されている。コンタクトホール８には、その内壁を覆うように拡散防止膜６が形成されている。拡散防止膜６は、たとえば、タンタルと窒化タンタルとの積層体から形成されている。拡散防止膜６上には、コンタクトホール８の内部を充填するようにコンタクトプラグ１０が形成されている。コンタクトプラグ１０は、銅から形成されている。なお、コンタクトホール８に替えてトレンチが形成されていても良い。
【００１４】
続いて、本実施の形態における半導体装置の製造方法により、図１中の半導体装置を製造する工程について説明を行なう。図２および図３は、図１中の半導体装置を製造する方法の各工程を示す断面図である。
【００１５】
図２を参照して、通常のダマシン法により、層間絶縁膜１に、拡散防止膜２および下部配線３からなる下部配線層を形成する。次に、層間絶縁膜１の頂面１ａ上に、拡散防止膜４および層間絶縁膜５を順次形成する。
【００１６】
図３を参照して、層間絶縁膜５の頂面５ａ上に図示しないレジスト膜を形成する。その図示しないレジスト膜をマスクとして層間絶縁膜５をエッチングし、その後、レジスト膜を除去する。続いて、半導体装置を所定の処理室内に配置し、エッチングされた層間絶縁膜５をマスクとして、拡散防止膜４をエッチングする。これにより、層間絶縁膜５および拡散防止膜４に、下部配線３の頂面３ａに達するコンタクトホール８を形成する。この際、拡散防止膜４のエッチングには、フロロカーボン系ガスであるＣＦ４ガスをエッチャントとして用いる。また、ＣＦ４ガスの他、ＣＨＦ３ガス、ＣＨ２Ｆ２ガスおよびＣＨ３Ｆガスや、これらの混合ガスを用いることもできる。ＳｉＣ、ＳｉＣＮまたはＳｉＮなどから形成されている拡散防止膜４のエッチングにこれらのガスを用いた場合、エッチングレートやエッチングの形状制御性を向上させることができる。
【００１７】
上述のエッチング処理工程が完了後、エッチング処理工程を実施した処理室と同一の処理室内において、窒素（Ｎ２）ガスを用いたプラズマ処理を実施する。この際、プラズマ処理条件を、窒素ガスの流量：２００ｓｃｃｍから８００ｓｃｃｍ、処理雰囲気の圧力：３Ｐａから１０Ｐａ、イオンエネルギー：５０ｅＶから５００ｅＶとする。なお、単位ｓｃｃｍとは、標準状態（１０１３ｈＰａ、２７３Ｋ）におけるガスの流量（ｃｍ３／ｍｉｎ）を表わす。
【００１８】
フロロカーボン系ガスを用いたエッチング処理により、コンタクトホール８から露出した下部配線３の頂面３ａ上には、フッ素（Ｆ）が残留する。そこで、窒素ガスを用いたプラズマ処理を実施することによって、頂面３ａ上に残留するフッ素の濃度を低減させ、頂面３ａ上を洗浄することができる。これにより、下部配線３を構成する銅とフッ素とが反応してＣｕＦ２等が形成されることを防止できる。なお、頂面３ａ上のフッ素濃度は、１０原子％以下とされていることが好ましい。
【００１９】
さらに本実施の形態では、エッチング処理工程と同一処理室内でプラズマ処理工程が実施されるため、エッチング処理工程とプラズマ処理工程との間において、半導体装置が大気中に晒されるということがない。これにより、下部配線３を構成する銅や銅とフッ素との反応物が、大気中に存在する酸素（Ｏ２）や水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応して、Ｃｕ２Ｏ等が形成されることを防止できる。また、プラズマ処理工程とエッチング処理工程とを、同一処理室内で実施した場合には、これらの工程間において半導体装置を移動させる必要がないため、半導体装置の生産効率を向上させることができる。
【００２０】
図１を参照して、次に、コンタクトホール８の内壁から層間絶縁膜５の頂面５ａに渡る範囲を覆うように、拡散防止膜６を形成する。さらに、その拡散防止膜６上に、コンタクトホール８の内部を充填するように、銅膜を形成する。ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により、頂面５ａ上の銅膜および拡散防止膜を除去し、コンタクトホール８の内部にコンタクトプラグ１０を形成する。以上の工程により、図１中に示す半導体装置が完成する。
【００２１】
なお、上述の製造工程では、プラズマ処理時に窒素ガスを用いたが、これに限定されず、アルゴン（Ａｒ）ガスや水素（Ｈ２）ガスを用いても良い。
【００２２】
また、エッチング処理する処理室とプラズマ処理する処理室とが同一でない場合であっても、これらの工程の間において、半導体装置を大気中に晒さない状態に保持できる方法がある。図４は、図１中の半導体装置を製造するための半導体製造装置を示す平面図である。図４を参照して、半導体製造装置は、半導体ウェハが収容されたカセットをセッティングするロードポート２３と、エッチング処理を実施するための処理室２１と、プラズマ処理を実施するための処理室２２と、これらの部屋の間に設けられたバッファ室２４とを備える。バッファ室２４には、搬送用のロボットが配置されており、その室内は、真空状態に保持されている。このようなバッファ室２４が設けられた半導体製造装置により、処理室２１でエッチング処理工程が終了した半導体装置を、大気中に晒すことなく、プラズマ処理が行なわれる処理室２２に搬送することができる。
【００２３】
この発明に従った半導体装置の製造方法は、表面としての頂面３ａを有し、銅を含む配線としての下部配線３を形成する工程と、頂面３ａを覆うように拡散防止膜４を形成する工程と、フロロカーボン系ガスを含むエッチャントを用いて拡散防止膜４の一部をエッチング処理し、頂面３ａに達する孔としてのコンタクトホール８を拡散防止膜４に形成する工程と、コンタクトホール８を形成する工程の後、窒素、アルゴンおよび水素からなる群より選ばれた少なくとも一種を含むガスを用いて、コンタクトホール８から露出する下部配線３をプラズマ処理する工程とを備える。
【００２４】
なお、半導体装置に実施するプラズマ処理は、平行平板型の容量結合方式のプラズマ処理装置のほか、これ以外のプラズマ処理装置、たとえば、有磁場電磁波放射放電方式のプラズマ処理装置や誘導結合型のプラズマ処理装置など他の放電方式を利用したプラズマ処理装置に適用することも可能である。
【００２５】
続いて、本発明における半導体装置の製造方法の実施例について説明を行なう。なお、半導体装置のプラズマ処理には、平行平板型の容量結合方式のプラズマ処理装置を用いた。
【００２６】
図５は、プラズマ処理時間とフッ素濃度との関係を示すグラフである。ガス流量を４００ｓｃｃｍ、処理雰囲気の圧力を５．３Ｐａ、イオンエネルギーを５００ｅＶとして、窒素ガスを用いたプラズマ処理を実施し、下部配線３の頂面３ａ上に残留するフッ素濃度を測定した。この際、処理時間を変化させることによって、プラズマ処理時間とフッ素濃度との関係を求めた。図５を参照して分かるように、短時間のプラズマ処理で、フッ素濃度を１０原子％以下の水準まで低減させることができた。また、処理時間が１０秒の段階で、下部配線３に腐食が発生しないことを確認できた。
【００２７】
図６は、イオンエネルギーの大きさとフッ素濃度との関係を示すグラフである。ガス流量を４００ｓｃｃｍ、処理雰囲気の圧力を５．３Ｐａ、処理時間を６０秒として、窒素ガスを用いたプラズマ処理を実施し、下部配線３の頂面３ａ上に残留するフッ素濃度を測定した。この際、イオンエネルギーの大きさを変化させることによって、イオンエネルギーの大きさとフッ素濃度との関係を求めた。図６を参照して分かるように、イオンエネルギーが高い方が、フッ素濃度を効果的に低減させることができた。
【００２８】
図７は、イオンエネルギーが高すぎた場合の、プラズマ処理後における半導体装置を示す断面図である。図７を参照して、上述のように、フッ素濃度の低減に関して言えば、イオンエネルギーを高くした方が有利であるが、イオンエネルギーが高すぎた場合には、層間絶縁膜５の頂面５ａからコンタクトホール８の内壁にかけての肩部８ｍが大きく削れたり、コンタクトホール８の底面８ｎが下部配線３の内側深くに形成されてしまうおそれが生じる。この場合、隣接する配線間で短絡が起こったり、配線の信頼性が低下するという問題が発生する。したがって、低イオンエネルギーでプラズマ処理するのが好ましく、たとえば、５００ｅＶ未満のイオンエネルギーでプラズマ処理するのが好ましい。
【００２９】
図８は、異なる処理ガスを用いた場合の残留するフッ素濃度を示すグラフである。ガス流量を４００ｓｃｃｍ、イオンエネルギーを５００ｅＶ、処理雰囲気の圧力を５．３Ｐａ、処理時間を６０秒として、窒素ガスを用いたプラズマ処理を実施し、下部配線３の頂面３ａ上に残留するフッ素濃度を測定した。この際、窒素ガス、アルゴンガスおよび水素ガスの３種類の処理ガスを用い、それぞれの処理ガスでプラズマ処理した場合に残留するフッ素濃度を求めた。図８を参照して分かるように、窒素ガスを用いた場合に、フッ素濃度を最も低減させることができた。また、プラズマ処理しなかった場合には、配線上に腐食が観察されたが、プラズマ処理すると、いずれの処理ガスを用いて場合であっても、腐食は認められなかった。
【００３０】
このように構成された半導体装置の製造方法によれば、エッチング処理工程の後に所定のガスを用いたプラズマ処理を実施することにより、エッチング処理によって露出した下部配線３の頂面３ａ上において、フッ化が進行することを抑制できる。また、これらの工程の間に半導体装置を大気に晒されない状態に保持することによって、下部配線３の頂面３ａ上で酸化が進行することをさらに抑制できる。これらフッ化および酸化の進行の抑制により、下部配線３が腐食することを防止できる。これによって、下部配線３の電気抵抗が増大することを防止し、下部配線３とコンタクトプラグ１０とのコンタクト抵抗が増大することを防止できる。
【００３１】
今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を用いて作製された半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１中の半導体装置を製造する方法の第１工程を示す断面図である。
【図３】図１中の半導体装置を製造する方法の第２工程を示す断面図である。
【図４】図１中の半導体装置を製造するための半導体製造装置を示す平面図である。
【図５】プラズマ処理時間とフッ素濃度との関係を示すグラフである。
【図６】イオンエネルギーの大きさとフッ素濃度との関係を示すグラフである。
【図７】イオンエネルギーが高すぎた場合の、プラズマ処理後における半導体装置を示す断面図である。
【図８】異なる処理ガスを用いた場合の残留するフッ素濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１，５  層間絶縁膜、１ａ，３ａ  頂面、３  下部配線、４  拡散防止膜、８  コンタクトホール、１０  コンタクトプラグ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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