(57)【要約】【課題】接触抵抗の増大や配線ヒロックの発生などにより配線の信頼性が低下する問題を回避する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１０上に形成された層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトホール１３を形成する工程と、コンタクトホール１３を埋設するコンタクトプラグＣＰを形成する工程とを有する。コンタクトプラグＣＰの形成工程は、コンタクトホール１３を埋設すると共に層間絶縁膜１２の上面を覆う第１金属膜を形成する工程と、層間絶縁膜１２の上面に形成された第１金属膜を除去しコンタクトホール１３内に第１プラグ部１４を形成する工程と、層間絶縁膜１２の上面をエッチバックして第１プラグ部１４の上端部を層間絶縁膜１２の上面から上方に突出させる工程と、第１プラグ部１４の露出表面を覆うように第２金属膜を選択的に成長させ第１プラグ部１４の径よりも大きな径を有する第２プラグ部１８を形成する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを埋設するコンタクトプラグを形成する工程と、を有し、
前記コンタクトプラグを形成する工程は、
前記コンタクトホールを埋設すると共に前記絶縁膜の上面を覆う第１金属膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上面に形成された前記第１金属膜を除去し前記コンタクトホール内に第１プラグ部を形成する工程と、
前記絶縁膜の上面をエッチバックして前記第１プラグ部の上端部を前記絶縁膜の上面から上方に突出させる工程と、
前記第１プラグ部の露出表面を覆うように第２金属膜を選択的に成長させ前記第１プラグ部の径よりも大きな径を有する第２プラグ部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記コンタクトプラグの前記第２プラグ部に接触する上層導体を形成する工程をさらに有し、
前記上層導体は、前記コンタクトプラグよりも柔らかい材料からなる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜を形成する前に、前記半導体基板上に下層導体を形成する工程をさらに含み、
前記絶縁膜は前記下層導体を覆うように形成され、
前記コンタクトプラグの下端は前記下層導体に接触している、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記絶縁膜を形成する前に、前記半導体基板内に不純物拡散層を形成する工程をさらに含み、
前記絶縁膜は前記不純物拡散層を覆うように形成され、
前記コンタクトプラグの下端は前記不純物拡散層に接触している、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１プラグ部を形成する工程は、第１金属膜を形成する前に前記絶縁膜の上面及び前記コンタクトホール内に接着層を形成する工程を含み、
前記第２プラグ部を形成する工程は、第２金属膜を形成する前に前記絶縁膜の上面に接着層を形成する工程を含まない、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１及び第２金属膜はタングステンからなる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１及び第２金属膜を形成する工程は、原料ガスに六フッ化タングステン（ＷＦ６）、還元ガスに水素（Ｈ２）を用い、大気圧以下の雰囲気で、温度４５０℃のＣＶＤ法を用いる、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２プラグ部は、当該第２プラグ部の上面又は側面とは異なる傾斜を有するファセットを有するように形成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通するコンタクトホールを埋設するコンタクトプラグと、を備え、
前記コンタクトプラグは、
前記絶縁膜の上面より上方に位置する突出部と前記コンタクトホールの内部に位置し径方向の中央部にボイドホールを有する埋設部とで構成される第１プラグ部と、
前記第１プラグ部の露出表面を覆うと共に前記ボイドホールの開口を閉塞させる第２プラグ部とを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記コンタクトプラグの前記第２プラグ部に接触する上層導体をさらに備え、
前記上層導体は、前記コンタクトプラグよりも柔らかい材料からなる、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体基板上に形成された下層導体をさらに有し、
前記絶縁膜は前記下層導体を覆うように形成され、
前記コンタクトプラグの下端は前記下層導体に接触している、請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体基板は不純物拡散層を含み、
前記絶縁膜は前記不純物拡散層を覆うように形成され、
前記コンタクトプラグの下端は前記不純物拡散層に接触している、請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記コンタクトプラグは、前記第１プラグ部と前記コンタクトホールの内面との間に形成された接着層をさらに含む、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１及び第２金属膜はタングステンからなる、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第２プラグ部は、当該第２プラグ部の上面又は側面とは異なる傾斜を有するファセットを有する、請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、コンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、下層配線と上層配線との層間接続にコンタクトプラグが用いられている（例えば特許文献１〜４参照）。コンタクトプラグは、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホールの内部を含む層間絶縁膜の全面にタングステンなどの金属膜を形成する工程と、層間絶縁膜の上面に形成された金属膜をエッチバックにより除去してコンタクトホール内に金属膜を残す工程とを順に実施することで形成される。
【０００３】
近年、半導体製造プロセスの微細化に伴い、コンタクトプラグ内のボイドホールが問題となっている。特許文献４の図２６にはコンタクトプラグにボイドホールが形成される例が開示されている。このようなボイドホールが形成された状態でコンタクトプラグ上面に上層配線を形成すると、接触抵抗の増大や配線ヒロックの発生などにより配線の信頼性が低下する問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６６１２６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３８８３３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８１７２９号公報
【特許文献４】特開２０１３−９３５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来のコンタクトプラグの問題について図７および図８を参照しながら詳細に説明する。コンタクトプラグＣＰの形成では、まず半導体基板１０上に形成された下層導体１１を覆う第１層間絶縁膜１２を形成する。次に、下層導体１１に接続されたコンタクトプラグＣＰを第１層間絶縁膜１２に形成する。コンタクトプラグＣＰは、第１層間絶縁膜１２にコンタクトホール１３を形成し、コンタクトホール１３を埋設するように全面に例えばタングステン膜を形成し、第１層間絶縁膜１２の上面に形成されたタングステン膜の全面をエッチバックにより除去し、コンタクトホール１３内にタングステン膜を残存させることにより形成される。
【０００６】
次に、第１層間絶縁膜１２の上面を含む全面に第２層間絶縁膜１９を形成し、第２層間絶縁膜１９を貫通するトレンチ２０を形成し、トレンチ２０内を含む全面にバリヤ膜２１を形成した後、メッキ法により銅（Ｃｕ）膜を形成する。次に、第２層間絶縁膜１９の上面に形成されたＣｕ膜およびバリヤ膜２１を除去してトレンチ２０内にＣｕ膜を残存させる。以上により、トレンチ２０に埋設され、コンタクトプラグＣＰに接続された上層配線２２が完成する。
【０００７】
以上のコンタクトプラグＣＰおよび上層配線２２の形成過程において、微細化されたコンタクトホール１３は、開口径に対してホールの深さが深くなるため、深さ方向の途中部分が幅方向に膨らむボーイング形状が発生しやすい。ボーイングした部分にはカバレージの良いＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法でタングステン膜を形成しても、形成段階でボイド２４（空洞）が発生し、開口部１５Ａが塞がれた状態となる。
【０００８】
その後、第１層間絶縁膜１２の上面の全面に形成されたタングステン膜をエッチバックすると、開口部を塞いでいるタングステン膜が除去され、ボイドに連続するボイドホール１５が形成されてしまう。このような状況でＡｌやＣｕなどの上層配線２２を形成する場合、開口部１５Ａを塞ぐように上層配線２２が形成されるものの、開口部１５Ａの内部にはボイド２４が残存してしまう。その後、第２層間絶縁膜１９の形成に伴う熱処理が実施されると、図８に示すように、ボイド２４Ａが膨張し、材質が柔らかいＡｌやＣｕがボイド２４Ａの膨張に起因して局所的に押し上げられ、第２層間絶縁膜１９の上面にヒロック２５（突き出し部）が形成される。ヒロック２５は、さらに上層に形成される配線とショートする原因となる。また、ボイド２４Ａの形成に伴って、上層配線２２とコンタクトプラグＣＰとの接触面積が縮小し、接触抵抗が増大する問題が発生する。
【０００９】
ボイドホールの発生を防止するため、上記特許文献４には、コンタクトホールの内壁を構成する層間絶縁膜の上方ほどエッチング量が多くなるようにケミカルドライエッチングを施して内壁を傾斜させ、このコンタクトホール内にコンタクトプラグを形成する方法が記載されている。しかしながら、コンタクトホールの内壁は傾斜しているのが普通であり、そのような傾斜を有する場合であっても実際にはボイドホールは多発している。特に、微細なコンタクトホールの内壁の傾斜角度を制御することは非常に難しい。したがって、ボイドホールの発生を抑制する新たな方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールを埋設するコンタクトプラグを形成する工程と、を有し、前記コンタクトプラグを形成する工程は、前記コンタクトホールを埋設すると共に前記絶縁膜の上面を覆う第１金属膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上面に形成された前記第１金属膜を除去し前記コンタクトホール内に第１プラグ部を形成する工程と、前記絶縁膜の上面をエッチバックして前記第１プラグ部の上端部を前記絶縁膜の上面から上方に突出させる工程と、前記第１プラグ部の露出表面を覆うように第２金属膜を選択的に成長させ前記第１プラグ部の径よりも大きな径を有する第２プラグ部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による半導体装置は、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を貫通するコンタクトホールを埋設するコンタクトプラグと、を備え、前記コンタクトプラグは、前記絶縁膜の上面より上方に位置する突出部と前記コンタクトホールの内部に位置し径方向の中央部にボイドホールを有する埋設部とで構成される第１プラグ部と、前記第１プラグ部の露出表面を覆うと共に前記ボイドホールの開口を閉塞させる第２プラグ部とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１プラグ部の表面に第２金属膜を選択的に成長させ第２プラグ部を形成しているので、コンタクトホールの微細化に起因して第１プラグ部内にボイドホールが発生していたとしてもボイドホールの開口を閉塞させることができ、上層配線との接触面積を増加させることができる。したがって、接触抵抗の増大や配線ヒロックの発生などにより配線の信頼性が低下する問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図２は、図１に示したコンタクトプラグの製造工程を説明するための断面図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、図１に示したコンタクトプラグの製造工程を説明するための断面図である。
【図４】図４は、図１に示したコンタクトプラグの製造工程を説明するための断面図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、上記第１の実施形態のコンタクトプラグＣＰ上に銅（Ｃｕ）配線（上層配線）をダマシン法で形成する第２の実施形態について説明するための図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、上記第１の実施形態のコンタクトプラグＣＰ上にアルミニウム（Ａｌ）配線（上層配線）を形成する第３の実施形態について説明するための図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】図７は、従来のコンタクトプラグＣＰの構造を示す断面図である。
【図８】図８は、熱処理が実施されたときに膨張したコンタクトプラグＣＰ内のボイド２４Ａの状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の構成を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、半導体装置１は、半導体基板１０と、半導体基板上１０に設けられた下層導体１１と、下層導体１１を覆う第１層間絶縁膜１２と、第１層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトプラグＣＰとを備えている。
【００１７】
第１層間絶縁膜１２は下層導体１１が配置された半導体基板１０上に配置される。第１層間絶縁膜１２のＺ方向の厚さは１００〜２０００ｎｍの範囲となる。図１（ａ）において、下層導体１１は、下地絶縁膜１０ａ内に配置されたコンタクトプラグ１０ｂを介して半導体基板１０に接続される配線であるが、これに限るものではなく、半導体基板１０内に配置される不純物拡散層や、半導体基板１０上に配置されるコンタクトプラグやトランジスタのゲート電極などであっても良い。
【００１８】
第１層間絶縁膜１２内にはコンタクトホール１３が配置されている。図１（ｂ）に示すように、平面視においてコンタクトホール１３は円形で構成される。コンタクトホール１３を埋設するコンタクトプラグＣＰは、下層導体１１の上面に接するように配置されている。コンタクトプラグＣＰは、タングステン（Ｗ）からなる第１プラグ部１４と、第１プラグ部１４の表面を覆い同じくタングステンからなる第２プラグ部１８と、で構成される。
【００１９】
第１プラグ部１４は、第１層間絶縁膜１２内に位置し、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａより下に位置する埋設部１４ａと、上面１２ａから上方に突出する突出部１４ｂとで構成される。
【００２０】
埋設部１４ａは、コンタクトホール１３の側面に接する外側面１４ｃと、ボイドホール１５を構成する内側面１４ｄを有する。ボイドホール１５は、開口１５Ａを有する。
【００２１】
突出部１４ｂは、上面１４ｂａ、外側面１４ｂｂおよび内側面１４ｄを有している。ここでは、上面１４ｂａの外径Ｗ１を５０ｎｍとする。ボイドホール１５の開口１５Ａの直径Ｗ２は１０ｎｍとする。突出部１４ｂの上面１４ｂａの幅（Ｗ１−Ｗ２）／２は２０ｎｍとなる。第１層間絶縁膜１２の上面１２ａに対する突出部１４ｂの上面１４ｂａの突出高さＴ１は１０〜３０ｎｍであることが好ましい。ここでは、突出高さＴ１を例えば２０ｎｍとする。
【００２２】
第２プラグ部１８は、厚さが例えば１０ｎｍのタングステンで構成される。ボイドホールの開口１５Ａの直径は１０ｎｍとしているので、開口１５Ａは第２プラグ部１８で完全に閉塞される。すなわち、第２プラグ部１８の厚さは、ボイドホールの開口１５Ａの直径Ｗ２の１／２より大きいことが必要である。
【００２３】
第２プラグ部１８は、突出部１４ｂの上面１４ｂａ、外側面１４ｂｂおよび内側面を覆うように配置される。これにより、ボイドホール１５は第２プラグ部１８で埋設される。第２プラグ部１８の外径Ｗ３は、突出部１４ｂの上面１４ｂａの外径Ｗ１に突出部１４ｂの厚さの２倍分を加えた大きさを有している。したがって、上層配線との接触面積が増大し、接触抵抗を低減できる。さらに、突出部１４ｂは突出高さＴ１を有しており、突出高さＴ１の分だけさらに接触面積が拡大し、接触抵抗の低減に寄与している。
【００２４】
第２プラグ部１８は、上面１８ａや側面１８ｂとは異なる傾斜を有するファセット（平坦結晶面）を有する。肩部にはファセットｆａ１を有し、第１層間絶縁膜１２との境界部にはファセットｆａ２を有する。特に、ファセットｆａ２は、選択成長法で形成する第２プラグ部１８に特有のファセットとなる。
【００２５】
上記のように、本実施形態の半導体装置１は、半導体基板１０上の第１絶縁膜１２に設けられるコンタクトホール１３と、コンタクトホール１３を埋設するコンタクトプラグＣＰとを備え、コンタクトプラグＣＰは、コンタクトホール１３を埋設するように配置され上面１４ｂａが第１層間絶縁膜１２の上面１２ａより上方に位置する突出部１４ｂおよびコンタクトホール１３の幅方向の中央部に位置するボイドホール１５を有する埋設部１４ａで構成される第１プラグ部１４と、第１プラグ部１４の表面を覆うと共に前記ボイドホール１５の開口１５Ａを閉塞させる第２プラグ部１８を有する。この構成によれば、コンタクトホール１３の微細化に起因して第１プラグ部１４内にボイドホール１５が発生していたとしてもボイドホール１５の開口１５Ａを閉塞させることができ、上層配線との接触面積を増加させることができる。したがって、接触抵抗の増大や配線ヒロックの発生などにより配線の信頼性が低下する問題を回避することができる。
【００２６】
次に、図２〜図４および図１を用いて半導体装置１の製造方法について説明する。
【００２７】
半導体装置１の製造では、まず図２に示すように、半導体基板１０上に下地絶縁膜１０ａ、コンタクトプラグ１０ｂ、および下層導体１１を周知の方法で形成する。下層導体１１の材料としては例えばタングステンを用いることができる。
【００２８】
次に、下層導体１１を覆う第１層間絶縁膜１２を形成し、さらに第１層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトホール１３を形成する。第１層間絶縁膜１２は例えば厚さ８００ｎｍのシリコン酸化膜からなり、ＣＶＤ法により形成することができる。またコンタクトホール１３は、リソグラフィ法とドライエッチング法により形成することができる。コンタクトホール１３は平面視で円形であり、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａにおけるコンタクトホール１３の開口径Ｗ１を例えば５０ｎｍとする。
【００２９】
シリコン酸化膜にコンタクトホールを形成する場合、フッ素（Ｆ）含有プラズマによる異方性ドライエッチング法を用いるが、アスペクト比（ホールの深さに対する開口径の比）が大きくなるほどボーイングが発生しやすくなる。すなわち、深さ方向の途中のホール径が開口径よりも膨らむ現象が発生しやすくなる。例えば、開口径５０ｎｍに対して途中のホール径が６０ｎｍに膨らむ状態をボーイングと呼んでいる。
【００３０】
次に、接着層となる図示しない窒化チタン膜をＣＶＤ法により形成する。第１層間絶縁膜１２を構成するシリコン酸化膜とＣＶＤ法で形成するタングステンとは接着性が悪く、形成したタングステンが剥がれる問題がある。これを回避するために第１層間絶縁膜１２を含む全面に窒化チタン膜を形成する。窒化チタン膜の形成には、原料ガスに、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）とアンモニア（ＮＨ３）を用いる大気圧以下の雰囲気で、温度４５０℃のＣＶＤ法を用いる。接着層の厚さは３ｎｍとする。
【００３１】
次に、第１プラグ部１４となるタングステン膜１４Ａ（第１金属膜）をＣＶＤ法により形成する。タングステン膜１４Ａの形成には、原料ガスに六フッ化タングステン（ＷＦ６）、還元ガスに水素（Ｈ２）を用いる大気圧以下の雰囲気で、温度４５０℃のＣＶＤ法を用いる。タングステン膜１４Ａの厚さは４０ｎｍとする。開口径Ｗ１が５０ｎｍのコンタクトホール１３に厚さ４０ｎｍのタングステン膜１４Ａを形成しているので、コンタクトホール１３の開口部１３Ａはタングステン膜１４Ａで閉塞される。この時、前述のように、コンタクトホール１３がボーイングしていると、コンタクトホール１３内にボイド１５Ｂが形成される。この場合、ボイド１５ＢのＸ方向の最大幅は１０ｎｍとなる。
【００３２】
次に、図３（ａ）に示すように、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａに形成された窒化チタン膜を含むタングステン膜１４Ａをエッチバックして除去する。このエッチバックには、塩素（Ｃｌ２）含有プラズマによる等方性ドライエッチング法を用いる。これにより、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａが露出する。また、上面１２ａと同一面となる上面１４ｂａを有する第１プラグ部１４が形成される。この第１プラグ部１４の形成工程では、種々のプロセスばらつきの総和として、図３（ｂ）に示すように、ボイド１５Ｂの上端が開口し、開口１５Ａを有するボイドホール１５が形成される場合もある。すなわち、ボイド１５Ｂの上端が開口していない図３（ａ）の状態からボイド１５Ｂの上端が完全に開口する図３（ｂ）の状態までの間の状態を取りうる。開口１５Ａの開口径Ｗ２は最大１０ｎｍとなる。
【００３３】
次に、図４に示すように、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａを突出高さＴ１となるようにエッチバックする。このエッチバックには、フッ素含有プラズマによる異方性ドライエッチング法を用いる。例えば、エッチングガスに、オクタフロロシクロブタン（Ｃ４Ｆ8）と、アルゴン（Ａｒ）と、酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いる。
【００３４】
フッ素含有プラズマによる異方性ドライエッチング法では、基本的にタングステンもエッチングが進行する。ここでは、シリコン酸化膜のエッチング速度がタングステンのエッチング速度の５０倍（選択比５０）となるエッチング条件を用いることができる。すなわち、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａが２０ｎｍエッチングされる間に、第１プラグ部１４の上面１４ｂａは０．４ｎｍしかエッチングされない。したがって、タングステンのエッチング量は実質的に無視できる。これにより、突出高さＴ１は約２０ｎｍとなる。この結果、第１層間絶縁膜１２内に位置し、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａより下方に位置する埋設部１４ａと、上面１２ａから上方に突出する突出部１４ｂと、からなる第１プラグ部１４が形成される。
【００３５】
次に、図１に示すように、第１プラグ部１４の露出表面（１４ｂａ、１４ｂｂ、１４ｄ）を覆うように第２プラグ部１８を形成する。第２プラグ部１８はタングステン膜（第２金属膜）で形成される。第２プラグ部１８の形成にはタングステンの選択成長法を用いる。原料ガスに、六フッ化タングステン（ＷＦ６）還元ガスに水素（Ｈ２）を用いる大気圧以下の雰囲気で、温度４５０℃のＣＶＤ法を用いる。この条件は、第１プラグ部１４となるタングステン膜の形成条件と同じであるが、ここでは成膜される材料の違いを利用して選択成長を発現させる。すなわち、ＷＦ６をＨ２で還元するタングステンの成膜は、金属膜上には成膜されるが、絶縁膜上には成膜されない特徴を有する。
【００３６】
図２でタングステン膜１４Ａを形成した場合には、下地に接着層として窒化チタン（金属膜）を全面に形成しているので、タングステン膜１４Ａは全面に成膜される。しかし、図１の場合、第１プラグ部１４の周囲にはシリコン酸化膜からなる第１層間絶縁膜１２の上面１２ａが露出している。したがって、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａにはタングステン膜が成膜されず、第１プラグ部１４の表面にのみ選択的に成膜される。この場合、気相反応で形成されたタングステン粒子が基板上に降り積もる通常のＣＶＤ法と異なり、下地の第１プラグ部１４を種として下から成長する形態となるため、全体として均一な膜厚を有するタングステン膜が形成される。
【００３７】
選択成長させるタングステン膜の厚さは１０ｎｍとすることが好ましい。ボイドホール１５の開口径Ｗ２は１０ｎｍとなっているので、タングステン膜を５ｎｍ成長させた段階でボイドホール１５の開口１５Ａは閉塞される。これにより、第１プラグ部１４の表面を覆う第２プラグ部１８が形成される。第２プラグ部１８の外径Ｗ３は約Ｗ１＋２０ｎｍとなり、ここでは７０ｎｍとなる。すなわち、第１プラグ部１４の外径Ｗ１よりも拡大された外径Ｗ３となり平面面積を拡大できる。したがって、上層配線との接触抵抗を低減できる。また、突出高さＴ１を有する突出部が存在することにより、第２プラグ部１８のＺ方向の面積も拡大することができ、接触抵抗のさらなる低減を図ることができる。
【００３８】
前述のエッチバック工程で図３（ａ）の状態で第１プラグ部１４が形成された場合には第２プラグ部１８を形成した後もボイド１５Ｂが残存することとなる。しかし、ボイド１５Ｂの上方はタングステンからなる第２プラグ部１８で完全に覆われる。これにより、後の工程でボイド１５Ｂが膨張しようとしても、硬いタングステン膜の存在により、上層配線への影響をブロックすることができる。
【００３９】
前述のように、第２プラグ部１８は、第１プラグ部１４を種結晶とするエピタキシャル成長で形成される。４５０℃で形成された第１プラグ部１４は、通常（１００）面を有する結晶で構成される。したがって、第２プラグ部１８は基本的に（１００）面の結晶を引き継いで成長する。しかし、成長後の第２プラグ部１８の肩部には例えば（３１１）面などからなるファセットｆａ１が発生する。また、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａと接する第２プラグ部１８には、選択成長特有のファセットｆａ２が発生する。ファセットｆａ２は絶縁膜上にタングステン膜が成長しないことに起因して上面１２ａ上のＸ方向の成長速度が他の部分に比べて小さくなるためと考えられる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の半導体装置１の製造方法は、半導体基板１０上に第１層間絶縁膜１２を形成する工程と、第１層間絶縁膜１２に第１の径Ｗ１を有するコンタクトホール１３を形成する工程と、コンタクトホール１３を埋設するコンタクトプラグＣＰを形成する工程と、を有し、コンタクトプラグＣＰを形成する工程は、コンタクトホール１３を埋設すると共に第１層間絶縁膜１２の上面１２ａを覆う第１金属膜１４Ａを形成する工程と、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａに形成された第１金属膜１４Ａを除去しコンタクトホール１３内に第１プラグ部１４を形成する工程と、第１層間絶縁膜１２の上面１２ａをエッチバックして第１層間絶縁膜１２の上面１２ａから上方に突き出る突出部１４ｂとコンタクトホール１３内を埋設する埋設部１４ａとからなる第１プラグ部１４を形成する工程と、第１プラグ部１４の露出表面を覆うように第２金属膜を選択的に成長させ第１プラグ部１４の径Ｗ１を拡幅する第２プラグ部１８を形成する工程とを有する。
【００４１】
第２プラグ部１８は、エッチバックによりタングステン膜１４Ａにボイドホール１５が形成された段階で、コンタクトホール１３内に埋設されたタングステン膜１４Ａを種として、同じ材料のタングステン膜を選択成長法により形成することにより形成される。この場合の「選択成長」は、同じ材料であるタングステン上には成長するが、絶縁膜上、特にシリコン酸化膜上には成長しない形態の成長を意味する。タングステンを選択成長することにより、ボイドホールの開口は再びタングステンで塞がれる。また、上記の選択成長なので、タングステンは第１層間絶縁膜１２上には成長せず、コンタクトホールの周囲にのみ成長膜厚の分だけ横方向に成長した形状で形成される。タングステンを選択成長した場合でも、コンタクトホール内部にはボイドが残存する場合があるが、タングステンは硬いためにボイドの膨張を回避できる。したがって、本発明によれば、後述するＡｌやＣｕにおけるヒロックの発生防止やコンタクト抵抗増大防止の効果がある。
【００４２】
次に、図５（ａ）、（ｂ）を用いて、上記第１の実施形態のコンタクトプラグＣＰ上に銅（Ｃｕ）配線（上層配線）をダマシン法で形成する第２の実施形態について説明する。
【００４３】
第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、第１層間絶縁膜１２にタングステン膜からなるコンタクトプラグＣＰを形成する。その後、例えば厚さ４００ｎｍのシリコン酸化膜からなる第２層間絶縁膜１９をＣＶＤ法で全面に形成する。第２層間絶縁膜１９を形成する前にシリコン窒化膜からなるエッチングストッパーを形成しても良い。
【００４４】
次に、第２層間絶縁膜１９の表面をＣＭＰ法により平坦化した後、リソグラフィとドライエッチング法により、Ｙ方向に延在するトレンチ２０を形成する。
【００４５】
次に、窒化タンタル膜からなるバリヤ膜２１をスパッタ法により形成し、さらにトレンチ２０を埋設するようにＣｕ膜を電解メッキ法により全面に形成する。その後、第２層間絶縁膜１９上に形成されたＣｕ膜およびバリヤ膜２１をＣＭＰ法により除去してＣｕ膜からなる上層配線２２（上層導体）を形成する。
【００４６】
本実施形態によれば、高硬度のタングステン膜からなる第１プラグ部１４内にボイドが残存していた場合であっても、第１プラグ部１４の開口部が同じくタングステン膜からなる第２プラグ部１８で閉塞されているので、ボイドの膨張に起因して低硬度のＣｕ膜からなる上層配線２２が膨張して接触抵抗が高くなる問題を回避できる。また、第２プラグ部１８を形成することにより上層配線２２が接触するコンタクトプラグＣＰの表面積を拡大できるので接触抵抗を低減できる。
【００４７】
次に、図６（ａ）、（ｂ）を用いて、上記第１の実施形態のコンタクトプラグＣＰ上にアルミニウム（Ａｌ）膜からなる上層配線を形成する第３の実施形態について説明する。
【００４８】
第３の実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、第１層間絶縁膜１２にタングステン膜からなるコンタクトプラグＣＰを形成する。次に、例えば厚さ５００ｎｍのＡｌ膜をスパッタ法により全面に形成する。Ａｌ膜の上面にはＡｌ膜自体のマイグレーションを防止するための窒化チタン膜などが形成されていても良い。その後、リソグラフィとドライエッチング法によりＡｌ膜をエッチングし、Ａｌ膜からなる上層配線２３（上層導体）を形成する。
【００４９】
本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、低硬度のＡｌ膜からなる上層配線２３が膨張して接触抵抗が高くなる問題を回避できる。また、第２プラグ部１８を形成することにより上層配線２３が接触するコンタクトプラグＣＰの表面積を拡大できるので接触抵抗を低減できる。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５１】
例えば、上記実施形態においては、コンタクトプラグの材料としてタングステンを挙げたが、本発明はタングステンに限定されず、種々の導電材料を用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１    半導体装置
１０    半導体基板
１０ａ    下地絶縁膜
１０ｂ    コンタクトプラグ
１１    下層導体
１２    第１層間絶縁膜
１２ａ    第１層間絶縁膜の上面
１３    コンタクトホール
１３Ａ    コンタクトホールの開口部
１４    第１プラグ部
１４    タングステン膜
１４    第１プラグ部
１４Ａ    第１金属膜（タングステン膜）
１４ａ    第１プラグ部の埋設部
１４ｂ    第１プラグ部の突出部
１４ｂａ    第１プラグ部の突出部の上面
１４ｂｂ    第１プラグ部の突出部の外側面
１４ｃ    第１プラグ部の埋設部の外側面
１４ｄ    第１プラグ部の埋設部の内側面（突出部の内側面）
１５    ボイドホール
１５Ａ    ボイドホールの開口
１５Ｂ    ボイド
１８    第２プラグ部
１８ａ    第２プラグ部の上面
１８ｂ    第２プラグ部の側面
１９    層間絶縁膜
２０    トレンチ
２１    バリヤ膜
２２    上層配線
２３    上層配線
２４Ａ    ボイド
２５    ヒロック（突起）
ＣＰ    コンタクトプラグ
ｆａ１    ファセット
ｆａ２    ファセット
Ｗ１    第１プラグの外径（コンタクトホールの開口径）
Ｗ２    ボイドホールの開口径
Ｗ３    第２プラグの外径
【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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