(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子を含む半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する工程、前記層間絶縁膜にスルーホールを形成する工程、前記層間絶縁膜および前記スルーホールの表面にバリア層を形成する工程、および前記バリア層の表面に導電膜を形成する工程、を含み、前記層間絶縁膜を形成する工程は、
（ａ）シリコン化合物と過酸化水素とを化学気相成長法によって反応させて第１のシリコン酸化膜を形成する工程と、
（ｂ）シリコン化合物、酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種、および不純物としてのリンを含む化合物を、温度が３００〜４５０℃、周波数が２００〜６００ｋＨｚの条件下でプラズマ化学気相成長法によって反応させて、リンを２〜６重量％の割合で含む第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、
（ｃ）６００〜８５０℃の温度でアニール処理を行う工程と、
（ｄ）シリコン化合物、および酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種を化学気相成長法によって反応させて第３のシリコン酸化膜を形成する工程と、および
（ｅ）前記第３のシリコン酸化膜を化学機械的研磨によって平坦化する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、前記工程（ｃ）において第１のシリコン酸化膜から発生するガス成分が放出できる多孔性の第２のシリコン酸化膜を形成する工程であることを含み、
少なくとも前記工程（ａ）〜（ｅ）を順に行う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において、
前記工程（ｂ）で用いられる前記酸素を含む化合物は一酸化二窒素である半導体装置の製造方法。
【請求項３】
素子を含む半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する工程、前記層間絶縁膜にスルーホールを形成する工程、前記層間絶縁膜および前記スルーホールの表面にバリア層を形成する工程、および前記バリア層の表面に導電膜を形成する工程、を含み、前記層間絶縁膜を形成する工程は、
（ａ）シリコン化合物と過酸化水素とを化学気相成長法によって反応させて第１のシリコン酸化膜を形成する工程と、
（ｂ）シリコン化合物、オゾン、および不純物としてのリンを含む化合物を、温度が４００〜５００℃の条件下で常圧化学気相成長法によって反応させて、リンを３〜６重量％の割合で含む第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、
（ｃ）６００〜８５０℃の温度でアニール処理を行う工程と、
（ｄ）シリコン化合物、および酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種を化学気相成長法によって反応させて第３のシリコン酸化膜を形成する工程と、および
（ｅ）前記第３のシリコン酸化膜を化学機械的研磨によって平坦化する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、前記工程（ｃ）において第１のシリコン酸化膜から発生するガス成分が放出できる多孔性の第２のシリコン酸化膜を形成する工程であることを含み、
少なくとも前記工程（ａ）〜（ｅ）を順に行う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３において、
前記工程（ｂ）で、前記第２のシリコン酸化膜を成膜する前に、前記第１のシリコン酸化膜をオゾン雰囲気にさらす半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記工程（ａ）で用いられるシリコン化合物は、モノシラン、ジシラン、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＦ４を含む無機シラン化合物、およびトリプロピルシラン、テトラエトキシシランを含む有機シラン化合物から選択される少なくとも１種である半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記工程（ａ）は、前記シリコン化合物が無機シラン化合物であって、０〜２０℃の温度条件下で減圧化学気相成長法によって行われる半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記工程（ａ）は、前記シリコン化合物が有機シラン化合物であって、１００〜１５０℃の温度条件下で減圧化学気相成長法によって行われる半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
前記工程（ａ）の前に、シリコン化合物、および酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種を化学気相成長法によって反応させてベース層となる第４のシリコン酸化膜を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかにおいて、
前記工程（ｃ）におけるアニール処理は、連続的あるいは断続的に温度を上昇することによって行われる半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかにおいて、
前記スルーホールは、その上端部から底部に向かって徐々に口径が小さくなるテーパ状である半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかにおいて、
前記バリア層の表面に導電膜を形成する工程は、２００℃以下の温度で、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなる第１のアルミニウム膜を形成する工程と、
前記第１のアルミニウム膜上に、３００℃以上の温度で、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなる第２のアルミニウム膜を形成する工程と、を備え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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にハーフミクロン以下の微細化が可能であって、層間絶縁膜を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
ＬＳＩなどの半導体装置においては、素子の微細化，高密度化および多層化に伴い、層間絶縁膜の成膜温度の低温下並びに平坦化と、金属配線の形成技術とが重要な課題となっている。
【０００３】
層間絶縁膜は、例えば、素子が形成された基板上に、まず低温で化学気相成長法によってシリコン酸化膜を成長させ、その後、シラン化合物、酸素あるいはオゾンと、リンあるいはホウ素などの不純物を含むガスを気相反応させてＢＰＳＧ膜を数百ｎｍ〜１μｍ程度の厚みで成膜する。その後、窒素雰囲気中で高温でアニールする、いわゆる高温フローにより、ＢＰＳＧ膜を流動化させてその平坦化を行う。このようにして形成された層間絶縁膜にスルーホール（コンタクトホール）を形成し、チタンやチタンナイトライドからなるバリア層を形成した後、金属配線層を形成する。
【０００４】
このようなＢＰＳＧ膜を用いた層間絶縁膜の平坦化は、ＢＰＳＧ膜の高温フロー特性を利用して行われ、ＢＰＳＧ膜中の不純物濃度とアニール温度が高いほど、平坦化は進む。そして、ＢＰＳＧ膜が十分な平坦性と緻密性を得るためには、アニール温度は８５０℃以上であることが要求される。
【０００５】
しかし、微細化されたＭＯＳトランジスタのパンチスルーの発生を防止するためには、アニールよる過剰なソース，ドレイン不純物層の広がりを抑制することが重要であり、例えばそのためには８５０℃以下で処理することが望まれる。また、ＭＯＳトランジスタを構成するソース，ドレイン不純物層の表面にチタンなどのシリサイド層を形成する場合には、高温アニールでは、シリサイド層の領域が必要以上に拡大し、接合特性を劣化させる要因になっている。このような理由から、層間絶縁膜を低温で形成する技術の開発が要求されている。
【０００６】
また、層間絶縁膜の平坦化をさらに進めるために、ＢＰＳＧ膜をアニールした後、さらに化学気相成長法によりシリコン酸化膜を１〜２μｍ程度積層し、その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦化処理を施す方法も行われつつある。しかし、この方法では、研磨によってＢＰＳＧ膜の一部が露出すると、最上層のシリコン酸化膜とＢＰＳＧ膜との研磨速度が異なるために、膜厚と平坦性の制御が困難である。さらに、上層のシリコン酸化膜を残した状態でスルーホールを形成すると、このシリコン酸化膜とＢＰＳＧ膜とのエッチング速度が異なるために良好な形状のスルーホールを形成することが困難であり、バリア層やスルーホールへの導電膜の良好な埋め込みが達成できないという問題がある。
【０００７】
例えば、特開平７−８６２８４号公報においては、層間絶縁膜の平坦化を図るために、図７（ａ）〜（ｃ）に示す方法が開示されている。この技術においては、半導体基板１の絶縁膜２上に第１の配線層３を形成し、この上に第１の層間絶縁膜４を形成する。その上にＳＯＧ層（スピン  オン  グラス層）５を塗布して、第１の配線層３の間の段差を緩和し、その上に第１の配線層３よりも厚く第２の層間絶縁膜６を形成する。そして、第２の層間絶縁膜６の表面をＣＭＰ法によって平坦化する（図７（ａ）参照）。その後、前記第２の層間絶縁膜６、ＳＯＧ層５および第１の層間絶縁膜４にスルーホール７を形成し（図７（ｂ）参照）、さらに、その上に第２の金属配線層８を形成する（図７（ｃ）参照）。この技術においては、ＳＯＧ層５を第２の層間絶縁膜６の下層に設けることで、層間絶縁膜に凹溝が生ずることを防止している。
【０００８】
しかしながら、最上の第２の層間絶縁膜６とその下位のＳＯＧ層５では研磨速度が異なるために、良好な平坦性を得るためには第２の層間絶縁膜６中で研磨処理をストップさせる必要があり、研磨処理のコントロールが困難であるだけでなく、第２の層間絶縁膜６の厚みを大きくする必要があり、コスト並びにスループットの点で不利である。また、スルーホール７を形成する際に、第２の層間絶縁膜６とＳＯＧ層５とではエッチング速度やポリマーの発生量が異なり、スルーホール７の側面に段差やくびれが形成される。その結果、スルーホール７内でのバリア層並びに金属配線層８の付きまわりが悪くなり、特にスパッタによるアルミニウムの埋め込みよる配線の形成が困難であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のＢＰＳＧ膜を用いた層間絶縁膜に比べて低温での成膜が可能であり、平坦性に優れ、かつ信頼性の高いコンタクト構造の形成が可能な、半導体基板上の層間絶縁膜を含む半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、素子を含む半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する工程、前記層間絶縁膜にスルーホールを形成する工程、前記層間絶縁膜および前記スルーホールの表面にバリア層を形成する工程、および前記バリア層の表面に導電膜を形成する工程を含み、前記層間絶縁膜を形成する工程は、少なくとも以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含むことを特徴とする。
【００１１】
（ａ）シリコン化合物と過酸化水素とを化学気相成長法によって反応させて第１のシリコン酸化膜を形成する工程、
（ｂ）シリコン化合物、酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種、および不純物を含む化合物を化学気相成長法によって反応させて、多孔性の第２のシリコン酸化膜を形成する工程、
（ｃ）６００〜８５０℃の温度でアニール処理を行う工程、
（ｄ）シリコン化合物、および酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種を化学気相成長法によって反応させて第３のシリコン酸化膜を形成する工程、および
（ｅ）前記第３のシリコン酸化膜を化学機械的研磨によって平坦化する工程。
【００１２】
この半導体装置の製造方法によれば、工程（ａ）によって、シリコン化合物と過酸化水素とを化学気相成長法によって反応させて第１のシリコン酸化膜を形成することにより、平坦性の優れた層を形成することができる。すなわち、この工程（ａ）で形成される第１のシリコン酸化膜は、それ自体で高い流動性を有し、優れた自己平坦化特性を有する。そのメカニズムは、シリコン化合物と過酸化水素とを化学気相成長法によって反応させると、気相中においてシラノールが形成され、このシラノールがウエハ表面に堆積することにより流動性のよい膜が形成されることによると考えられる。
【００１３】
例えば、シリコン化合物としてモノシランを用いた場合には、下記式（１），（１）’などで示される反応でシラノールが形成される。
【００１４】
式（１）
ＳｉＨ4＋２Ｈ2Ｏ2  →  Ｓｉ（ＯＨ）4＋２Ｈ2
式（１）’
ＳｉＨ4＋３Ｈ2Ｏ2  →  Ｓｉ（ＯＨ）4＋２Ｈ2Ｏ＋Ｈ2
そして、式（１），（１）’で形成されたシラノールは、下記式（２）で示される重縮合反応で水が脱離することにより、シリコン酸化物となる。
【００１５】
式（２）
Ｓｉ（ＯＨ）4  →  ＳｉＯ2＋２Ｈ2Ｏ
前記シリコン化合物としては、例えばモノシラン、ジシラン、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＦ4、ＣＨ3ＳｉＨ3などの無機シラン化合物、およびトリプロピルシラン、テトラエトキシシランなどの有機シラン化合物などを例示することができる。
【００１６】
また、前記工程（ａ）の成膜工程は、前記シリコン化合物が無機シリコン化合物の場合には、０〜２０℃の温度条件下で、前記シリコン化合物が有機シリコン化合物の場合には、１００〜１５０℃の温度条件下で、減圧化学気相成長法によって行われることが望ましい。この成膜工程で、温度が前記上限値より高いと、前記式（２）の重縮合反応が進みすぎることにより、第１のシリコン酸化膜の流動性が低くなり、良好な平坦性が得られにくい。また、温度が前記下限値より低いと、チャンバー内での分解水分の吸着およびチャンバー外での結露が発生し、成膜装置のコントロールが困難となる不都合がある。
【００１７】
前記工程（ａ）で形成される第１のシリコン酸化膜は、シリコン基板表面の段差を十分にカバーできる程度の膜厚で形成されることが望ましい。第１のシリコン酸化膜の膜厚は、その下限値は素子を含むシリコン基板表面の凹凸の高さに依存するが、好ましくは３００〜１０００ｎｍである。第１のシリコン酸化膜の膜厚が前記上限値を超えると、膜自体のストレスでクラックを生ずることがある。
【００１８】
前記工程（ｂ）で、シリコン化合物、酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種、および不純物を含む化合物を化学気相成長法によって反応させて、前記第１のシリコン酸化膜の上に多孔性の第２のシリコン酸化膜を形成する。
【００１９】
この第２のシリコン酸化膜は、キャップ層として機能するだけでなく、多孔性であって、後の工程（ｃ）のアニール処理において、第１のシリコン酸化膜から発生するガス成分を徐々に外部に放出できる。さらに、この第２のシリコン酸化膜は、多孔性であることに加え、該膜にリン、ボロンなどの不純物、好ましくはリンを添加することにより、該膜を構成するシリコン酸化物のＳｉ−Ｏ分子間結合力を弱めることで該膜の応力を緩和することができ、いわば適度に柔らかく更に割れにくい層を構成できる。また、前記第２のシリコン酸化膜の重要な役割として、該シリコン酸化膜に含まれるリンなどの不純物がアルカリイオンなどの素子の信頼特性に悪影響を及ぼす可動イオンのゲッターとしての機能がある。第２のシリコン酸化膜に含まれる不純物の濃度は、前述したゲッタリング機能や膜の応力緩和の点を考慮すると、好ましくは１〜６重量％である。
【００２０】
また、第２のシリコン酸化膜は、１００〜６００ＭＰａの圧縮ストレスを有しているため、第１のシリコン酸化膜が重縮合する際に引張ストレスが増大してクラックが入るのを防止する機能がある。さらに、第２のシリコン酸化膜は、第１のシリコン酸化膜の吸湿を防止する機能も有する。
【００２１】
前記工程（ｂ）は、３００〜４５０℃の温度条件下で、１ＭＨｚ以下の高周波によるプラズマ化学気相成長法によって行われることが望ましい。この温度条件で成膜を行うことにより、工程（ｃ）のアニールでガス成分がアニール初期段階で抜けやすくなり、デバイスの信頼性が向上する。
【００２２】
また、前記工程（ｂ）で用いられる、酸素を含む化合物は、一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）であることが望ましい。反応ガスとして一酸化二窒素を用いることにより、プラズマ状態の一酸化二窒素は第１のシリコン酸化膜を構成するシリコン化合物の水素ボンド（−Ｈ）と反応しやすいので、第２のシリコン酸化膜を成膜中にも第１のシリコン酸化膜のガス化成分（水素、水）の脱離を促進することができる。
【００２３】
前記工程（ｂ）は、プラズマ化学気相成長法の代わりに、３００〜５５０℃の温度条件下で常圧化学気相成長法によって行われてもよい。この場合、前記工程（ｂ）で用いられる前記酸素を含む化合物はオゾンであることが望ましい。
【００２４】
さらに、前記工程（ｂ）で、前記第２のシリコン酸化膜を成膜する前に、前記第１のシリコン酸化膜をオゾン雰囲気にさらすことが望ましい。この工程を経ることにより、オゾンが第１のシリコン酸化膜を構成するシリコン化合物の水素ボンド（−Ｈ）や水酸基（−ＯＨ）と反応しやすいので、第１のシリコン酸化膜中の水素や水の脱離を促進することができる。
【００２５】
また、第２のシリコン酸化膜の膜厚は、平坦性、クラックの防止の点を考慮すると、好ましくは１００ｎｍ以上である。
【００２６】
前記工程（ｃ）で、６００〜８５０℃の温度でアニール処理を行うことにより、前記工程（ａ）および（ｂ）で形成された第１および第２のシリコン酸化膜は緻密化され、絶縁性ならびに耐湿性が向上する。
【００２７】
つまり、第１のシリコン酸化膜についてみると、このアニール処理の初期において、前述した式（２）による重縮合反応が完了し、この反応に伴って生じる水や水素は第２のシリコン酸化膜の孔を介して外部に放出され、第１のシリコン酸化膜は、十分にガス化成分が除去された状態で緻密に形成される。また、第２のシリコン酸化膜は、アニール処理によって、多孔質から緻密な膜になる。
【００２８】
このアニール処理において、温度を６００℃以上とすることにより、第１および第２のシリコン酸化膜を十分に緻密にすることができるとともに、例えばＭＯＳ素子を構成するソース，ドレイン拡散層の不純物の活性化を十分に行うことができる。また、アニール温度を８５０℃以下とすることにより、従来のＢＰＳＧ膜で必要とされている温度よりも低い温度で層間絶縁膜の平坦化が可能であるとともに、第１および第２のシリコン酸化膜を十分に緻密化できる。また、アニール温度を８５０℃を越える温度で行うと、ソース，ドレイン拡散層が必要以上に拡大してパンチスルー等の問題を起こし、素子の微細化が困難となる。
【００２９】
第１のシリコン酸化膜上に多孔性の第２のシリコン酸化膜を形成しておくことにより、工程（ｃ）でのアニール処理において、ウエハを６００〜８５０℃の温度下に直接置いた場合のように急激な温度変化があっても、前記第２のシリコン酸化膜が適度な柔らかさを有し、第１のシリコン酸化膜の応力を吸収できるので、該第１のシリコン酸化膜にクラックを生じることなく、アニール処理を行うことができる。
【００３０】
前記工程（ｃ）におけるアニール処理は、第１のシリコン酸化膜にクラックが生ずることをより確実に防止するために、連続的あるいは断続的に温度を上昇させるランピングアニールによって行われることが望ましい。
【００３１】
さらに、前記工程（ｃ）のアニール処理に続き、工程（ｄ）で、化学気相成長法によって第３のシリコン酸化膜を形成し、さらに、工程（ｅ）で、前記第３のシリコン酸化膜を化学機械的研磨によって平坦化する。
【００３２】
この平坦化工程では、前記第１，２および３のシリコン酸化膜はほぼ同一の研磨速度を有するため、最終研磨面において複数のシリコン酸化膜が部分的に存在する場合であっても平坦性がよい層間絶縁膜が得られ、しかも研磨量の管理が容易である。
【００３３】
本発明においては、前記工程（ａ）の前に、シリコン化合物、および酸素および酸素を含む化合物の少なくとも１種を化学気相成長法によって反応させて、ベース層となる第４のシリコン酸化膜を形成することが望ましい。このベース層は、その下層であるシリコン基板に第１のシリコン酸化膜から水分や余分な不純物が移動しないパッシベーション機能、およびシリコン基板と第１のシリコン酸化膜との密着性を高める機能を有する。
【００３４】
また、本発明に係る製造方法においては、上述した製造方法で得られた層間絶縁膜において、上端部から底部に向かって徐々に口径が小さくなるテーパ状のスルーホールが得られる。つまり、前記第１のシリコン酸化膜は第２のシリコン酸化膜に比べてエッチング速度がわずかに小さく、また、第１のシリコン酸化膜と第２のシリコン酸化膜とは両者の界面で良好に接しているので、段差がなく適度な直線状テーパを有するスルーホールが形成される。このようなテーパ状のスルーホールでは、例えばスパッタによってアルミニウム膜あるいはアルミニウム合金膜を埋め込むことができ、導電性が優れたコンタクト構造を形成することができる。
【００３５】
前記スルーホールは、異方性のドライエッチングによって形成されたものの他に、等方性のウエットエッチングと異方性のドライエッチングとを組み合わせてスルーホールの上端部をさらに湾曲したテーパ状に形成させたものであってもよい。
【００３６】
また、前記スルーホール内には、まず、２００℃以下の温度で、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなる第１のアルミニウム膜を形成し、その後、３００℃以上の温度で、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなる第２のアルミニウム膜を形成することが望ましい。
【００３７】
前記アルミニウムを主成分とする合金としては、銅、シリコン、ゲルマニウム、マグネシウム、コバルト、ベリリウムなどから選択される少なくとも１種との、２元あるいは３元以上の合金を例示することができる。
【００３８】
以上の製造方法によって形成された半導体装置は、素子を含む半導体基板、前記半導体基板の上に形成された層間絶縁膜、前記層間絶縁膜に形成されたスルーホール、前記層間絶縁膜および前記スルーホールの表面に形成されたバリア層、および前記バリア層の上に形成された導電膜を含み、
前記層間絶縁膜は、
シリコン化合物と過酸化水素との重縮合反応によって形成された第１のシリコン酸化膜、
前記第１のシリコン酸化膜の上に形成され、不純物を含有する第２のシリコン酸化膜、および
前記第２のシリコン酸化膜の上に形成され、化学機械的研磨により平坦化された第３のシリコン酸化膜、を含む。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の一実施の形態を説明するための概略断面図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）および図２（Ａ），（Ｂ）は第１層の配線領域Ｌ１を、図３（Ａ），（Ｂ）および図４（Ａ），（Ｂ）は第２層の配線領域Ｌ２を製造するための工程を示す。
【００４０】
以下に、半導体装置の製造方法の一例を示す。
【００４１】
（Ａ）図１（Ａ）に示す工程について説明する。
【００４２】
（素子の形成）
まず、一般的に用いられる方法によって、シリコン基板１１にＭＯＳ素子が形成される。具体的には、例えば、シリコン基板１１上に選択酸化によってフィールド絶縁膜１２が形成され、アクティブ領域にゲート酸化膜１３が形成される。チャネル注入により、しきい値電圧を調整した後、ＳｉＨ4を熱分解して成長させたポリシリコン膜の上にタングステンシリサイドをスパッタし、さらにシリコン酸化膜１８を積層し、さらに所定パターンにエッチングすることにより、ゲート電極１４が形成される。このとき、必要に応じて、フィールド絶縁膜１２上にポリシリコン膜およびタングステンシリサイド膜からなる配線層３７が形成される。
【００４３】
次いで、リンをイオン注入することによりソース領域あるいはドレイン領域の低濃度不純物層１５が形成される。次いで、ゲート電極１４のサイドにシリコン酸化膜からなる側壁スペーサ１７が形成された後、ヒ素をイオン注入し、ハロゲンランプを用いたアニール処理によって不純物の活性化を行うことにより、ソース領域あるいはドレイン領域の高濃度不純物層１６が形成される。
【００４４】
次に、１００ｎｍ以下の気相成長シリコン酸化膜を形成し、該膜をＨＦとＮＨ4Ｆの混合水溶液で選択的にエッチングすることにより、所定のシリコン基板領域を露出させる。続いて、例えばチタンを３０〜１００ｎｍ程度の膜厚でスパッタし、酸素を５０ｐｐｍ以下に制御した窒素雰囲気中において６５０〜７５０℃の温度で数秒〜６０秒程度の瞬間アニールを行うことにより、開口したシリコン基板表面にチタンのモノシリサイド層が、シリコン酸化膜１８上にはチタンリッチのチタンナイトライド（ＴｉＮ）層が形成される。次いで、ＮＨ4ＯＨとＨ2Ｏ2の混合水溶液中に浸漬すると、前記チタンナイトライド層はエッチング除去されてシリコン基板表面のみにチタンのモノシリサイド層が残る。さらに、７５０〜８５０℃のランプアニールを行って、前記モノシリサイド層をダイシリサイド化させて、高濃度不純物層１６の表面に自己整合的にチタンシリサイド層１９が形成される。
【００４５】
なお、ゲート電極１４をポリシリコンのみで形成して選択エッチングで露出させた場合には、ゲート電極とソース，ドレイン領域の両者が側壁スペーサで分離されたチタンサリサイド構造になる。
【００４６】
なお、サリサイド構造は、チタンシリサイドの代わりに、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドから構成されていてもよい。
【００４７】
（Ｂ）次に、図１（Ｂ）に示す工程について説明する。
【００４８】
（第１の層間絶縁膜Ｉ１の形成）
第１の層間絶縁膜Ｉ１は、４層のシリコン酸化膜、つまり、下から順に、第４のシリコン酸化膜２０、第１のシリコン酸化膜２２、第２のシリコン酸化膜２４および第３のシリコン酸化膜２６から構成されている。
【００４９】
ａ．第４のシリコン酸化膜２０の形成
まず、テトラエトキシラン（ＴＥＯＳ）と酸素とを３００〜５００℃でプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法で反応させることにより、膜厚１００〜２００ｎｍの第４のシリコン酸化膜２０が形成される。このシリコン酸化膜２０は、シリサイド層１９の酸化やカスピングもなく、ＳｉＨ4から成長させた膜より絶縁性も高くフッ化水素の水溶液に対するエッチング速度も遅く、緻密な膜となる。
【００５０】
ここでは、チタンシリサイド層１９上に直接シリコン酸化膜２０を形成させるが、このときの成膜温度が高いと成膜初期に酸化性ガスとチタンシリサイドとが反応してクラックや剥離を生じ易いため、処理温度は好ましくは６００℃以下、より好ましくは２５０〜４００℃で行うことが望ましい。そして、シリコン酸化膜がチタンシリサイド層１９上に１００ｎｍ程度の膜厚で前述した比較的低温で形成された後は、水蒸気以外の酸化雰囲気にさらされるアニールや気相酸化処理であれば、温度を９００℃位まで上げても問題とならない。
【００５１】
ｂ．第１のシリコン酸化膜２２の形成
次に、好ましくは２．５×１０2Ｐａ以下、より好ましくは０．３×１０2〜２．０×１０2Ｐａの減圧下において、窒素ガスをキャリアとして、ＳｉＨ4およびＨ2Ｏ2をＣＶＤ法により反応させることにより、第１のシリコン酸化膜２２を形成する。第１のシリコン酸化膜２２は、少なくとも、下層の第４のシリコン酸化膜２０の段差より大きい膜厚を有し、つまり該段差を十分にカバーする膜厚で成膜される。また、第１のシリコン酸化膜２２の膜厚の上限は、該膜中にクラックが生じない程度に設定される。具体的には、第１のシリコン酸化膜２２の膜厚は、より良好な平坦性を得るために、下層の段差より厚いことが望ましく、好ましくは３００〜１０００ｎｍに設定される。
【００５２】
第１のシリコン酸化膜２２の成膜温度は、該膜の成膜時の流動性に関与し、成膜温度が高いと膜の流動性が低下して平坦性を損なうので、成膜時の温度は好ましくは０〜２０℃、より好ましくは０〜１０℃に設定される。
【００５３】
また、Ｈ2Ｏ2の流量は特に制限されないが、ＳｉＨ4の２倍以上の流量であることが好ましく、膜の均一性並びにスループットの点から、例えばガス換算で１００〜１０００ＳＣＣＭの流量範囲に設定されることが望ましい。
【００５４】
この工程で形成される第１のシリコン酸化膜２２は、シラノールポリマーの状態にあり、流動性がよく、高い自己平坦化特性を有する。また、第１のシリコン酸化膜２２は、多くの水酸基（−ＯＨ）を含むために吸湿性も高い状態にある。
【００５５】
ｃ．第２のシリコン酸化膜２４の形成
次に、ＳｉＨ4、ＰＨ3およびＮ2Ｏの存在下において、温度３００〜４５０℃で２００〜６００ｋＨｚの高周波数でプラズマＣＶＤ法によってガスを反応させることにより、膜厚１００〜６００ｎｍのＰＳＧ膜（第２のシリコン酸化膜）２４が形成される。この第２のシリコン酸化膜２４は、前記第１のシリコン酸化膜２２の吸湿性が高いことを考慮して、前記第１のシリコン酸化膜２２の形成に続いて連続的に形成されるか、あるいは第１のシリコン酸化膜２２が水分を含まない雰囲気中で保存された後に形成されることが望ましい。
【００５６】
また、第２のシリコン酸化膜２４は、後に行われるアニール処理によって前記第１のシリコン酸化膜２２中に含まれる水、水素などのガス化成分の脱離が容易かつ十分に行われることを考慮して、ポーラス（多孔性）であることが必要である。そのためには、第２のシリコン酸化膜２４は、例えば温度が好ましくは４５０℃以下、より好ましくは３００〜４００℃、好ましくは１ＭＨｚ以下、より好ましくは２００〜６００ｋＨｚのプラズマＣＶＤ法によって成膜され、かつリンなどの不純物を含むことが望ましい。第２のシリコン酸化膜２４にこのような不純物が含まれることにより、第２のシリコン酸化膜２４は、よりポーラスな状態となって膜に対するストレスを緩和できるだけでなく、アルカリイオン等に対するゲッタリング効果も持ち合わせることができる。このような不純物の濃度は、ゲッタリング効果、耐ストレス性などの点を考慮して設定される。例えば、不純物がリンの場合には、２〜６重量％の割合で含まれることが望ましい。
【００５７】
また、プラズマＣＶＤにおいて、酸素を含む化合物としてＮ2Ｏを用いることにより、第１のシリコン酸化膜２２中の水素ボンドの脱離が促進される。その結果、第１のシリコン酸化膜２２に含まれる水分および水素などのガス化成分をより確実に除去することができる。
【００５８】
この第２のシリコン酸化膜２４の膜厚は、必要とされる層間絶縁膜の厚みを調整する役割と、Ｎ2Ｏプラズマが水素ボンドを脱離する機能を考慮して、好ましくは１００ｎｍ以上、より好ましくは１００〜６００ｎｍに設定される。
【００５９】
ｄ．アニール処理
次に、窒素雰囲気中で、温度６００〜８５０℃でアニール処理を行う。このアニール処理によって、前記第１のシリコン酸化膜２２および第２のシリコン酸化膜２４は緻密化され、良好な絶縁性並びに耐水性を有する。すなわち、アニール温度を６００℃以上に設定することにより、第１のシリコン酸化膜２２でのシラノールの縮重合反応がほぼ完全に行われ、該膜中に含まれる水および水素が十分に放出されて緻密な膜を形成することができる。また、アニール温度を８５０℃以下に設定することにより、ＭＯＳトランジスタを構成するソース領域あるいはドレイン領域の拡散層にパンチスルーや接合リークなどの悪影響を与えることがなく、素子の微細化を達成することができる。
【００６０】
アニール処理においては、第１のシリコン酸化膜２２に対する熱ひずみの影響を小さくするために、段階的にもしくは連続的にウエハの温度を上げる、ランピングアニールを行うことが望ましい。例えば、ウエハを約４００℃で保温した後、アニール温度（６００〜８５０℃）に昇温する場合、第２のシリコン酸化膜２４の不純物濃度をかなり低くすることができる。例えば、不純物がリンの場合、可動性イオンのゲッタリング効果を別にして、リンの濃度が２重量％以下でも、第１のシリコン酸化膜２２にクラックが生じないことを確認している。
【００６１】
ｅ．第３のシリコン酸化膜２６の形成
次に、ＴＥＯＳと酸素とを用い、３５０〜４００℃でプラズマＣＶＤ法により膜厚１０００〜１５００ｎｍの第３のシリコン酸化膜２６を形成する。
【００６２】
プラズマＣＶＤ法を用いたＴＥＯＳ−酸素のシリコン酸化膜は、アニールを行わない場合でも、高温アニールした前記第１のシリコン酸化膜２２および第２のシリコン酸化膜２４と同程度かあるいは少し速いドライエッチング速度を有している。このことは、後述するコンタクトホールの形成においてホール側面にくびれや段差を生ずることなく、良好な形状のコンタクトホールを得る要因となる。
【００６３】
（Ｃ）次に、図１（Ｃ）に示す工程について説明する。
【００６４】
（ＣＭＰによる平滑化）
次いで、前記第３のシリコン酸化膜２６、および必要に応じて前記第２のシリコン酸化膜２４および第１のシリコン酸化膜２２を、ＣＭＰ法によって所定の膜厚を研磨し、平滑化する。そして、前記第１のシリコン酸化膜２２、第２のシリコン酸化膜２４および第３のシリコン酸化膜２６は、研磨速度がほとんど同じことから、研磨によって第２のシリコン酸化膜２４あるいは第１のシリコン酸化膜２２の一部が表面に露出したとしても、平坦な表面を得ることができ、したがって研磨量の管理が容易である。
【００６５】
例えば、本発明者らの研究によれば、各シリコン酸化膜の研磨速度は以下の様であった。
【００６６】
第１のシリコン酸化膜（アニール温度８００℃）  ；２５０ｎｍ／分
第２のシリコン酸化膜（アニール温度８００℃）  ；２５０ｎｍ／分
第３のシリコン酸化膜（アニールなし）          ；２５０ｎｍ／分
比較のためのＢＰＳＧ膜（アニール温度９００℃）；３５０ｎｍ／分
（Ｄ）次に、図２（Ａ）に示す工程について説明する。
【００６７】
（コンタクトホールの形成）
次いで、ＣＨＦ3とＣＦ4とを主ガスとした反応性イオンエッチャーで第１の層間絶縁膜Ｉ１を構成するシリコン酸化膜２０、２２、２４および２６を選択的に異方性エッチングすることにより、口径が０．２〜０．５μｍのコンタクトホール３２が形成される。
【００６８】
このコンタクトホール３２は、上端部から底部に向かって直線的に口径が小さくなるテーパー状を成す。テーパーの角度θは、エッチング条件などによって一概には規定できないが、たとえば、５〜１５度の傾斜を有する。このようなテーパー状のスルーホールが得られる理由としては、第１に、シリコン酸化膜２０、２２、２４および２６は、基本的にはほぼ同じエッチング速度を有し、さらに第１のシリコン酸化膜２２は第２のシリコン酸化膜２４に比べてエッチング速度がわずかに小さいこと、第２に、各シリコン酸化膜の界面が極めて良好に密着していることにある。このようなテーパ状のコンタクトホール３２内では、後述するように、アルミニウム膜の良好な堆積が可能である。
【００６９】
以下に、本願発明者らが測定した各シリコン酸化膜のドライエッチング速度を記載する。なお、ドライエッチングは、パワー；８００Ｗ、気圧；２０Ｐａ、エッチャントガス；ＣＦ4：ＣＨＦ3：Ｈｅ＝１：２：９の条件で行った。
【００７０】
第１のシリコン酸化膜（アニール温度８００℃）  ；５２５ｎｍ／分
第２のシリコン酸化膜（アニール温度８００℃）  ；５５０ｎｍ／分
第３のシリコン酸化膜（アニールなし）          ；５６５ｎｍ／分
比較のためのＢＰＳＧ膜（アニール温度９００℃）；７５０ｎｍ／分
（Ｅ）次に、図２（Ｂ）に示す工程について説明する。
【００７１】
（脱ガス処理）
まず、脱ガス工程を含む熱処理ついて説明する。
【００７２】
ランプチャンバで、１．５×１０-4Ｐａ以下のベース圧力、１５０〜２５０℃の温度で３０〜６０秒間のランプ加熱（熱処理Ａ）を施す。次いで、別のチャンバで１×１０-1〜１５×１０-1Ｐａの圧力でアルゴンガスを導入し、１５０〜５５０℃の温度で、３０〜１２０秒間の熱処理（脱ガス工程；熱処理Ｂ）を行うことによって、脱ガス処理を行う。
【００７３】
この工程においては、まず、熱処理Ａにおいて、主として、ウエハの裏面および側面を含むウエハ全体を加熱処理することにより、ウエハに付着している水分などを除去できる。
【００７４】
さらに、熱処理Ｂにおいて、主として、第１の層間絶縁膜Ｉ１を構成する第１のシリコン酸化膜２２中のガス化成分（Ｈ，Ｈ2Ｏ）を除去することができる。その結果、次工程のバリア層およびアルミニウム膜の形成時に、第１の層間絶縁膜Ｉ１からのガス化成分の発生が防止できる。
【００７５】
本実施の形態においては、バリア層３３は、バリア機能を有するバリア膜と、導電膜とからなる多層膜によって構成される。導電膜は、バリア膜とシリコン基板に形成された不純物拡散層、つまりソース領域あるいはドレイン領域との導電性を高めるために、バリア膜と不純物拡散層との間に形成される。バリア膜としては、一般的な物質、例えばチタンナイトライドやチタンタングステンを好ましく用いることができる。また、導電膜としては、チタン，コバルト，タングステンなどの高融点金属を用いることができる。これらのチタン，コバルト，タングステンは基板を構成するシリコンと反応してシリサイドとなる。
【００７６】
バリア層、例えばＴｉＮ膜／Ｔｉ膜は数十原子％のガス化成分（Ｏ，Ｈ，Ｈ2Ｏ，Ｎ）を固溶することから、これらの膜を形成する前に、第１の層間絶縁膜Ｉ１中のガス化成分を除去することが、コンタクトホール内でのアルミニウム膜の成膜を良好に行う上で、極めて有効である。バリア層の下位の第１の層間絶縁膜Ｉ１中のガス化成分を十分に除去しておかないと、バリア層の形成時の温度（通常、３００℃以上）で、第１の層間絶縁膜Ｉ１中のガス化成分が放出され、このガスがバリア層中に取り込まれる。さらに、このガスがアルミニウム膜の成膜時にバリア層から離脱してバリア層とアルミニウム膜との界面に出てくるため、アルミニウム膜の密着性や流動性に悪影響を与える。
【００７７】
（バリア層の成膜）
スパッタ法により、バリア層３３を構成する導電膜として、チタン膜を２０〜７０ｎｍの膜厚で形成し、次いで、別のチャンバで、バリア膜としてＴｉＮ膜を３０〜１５０ｎｍの膜厚で形成する。スパッタの温度は、膜厚に応じて、２００〜４５０℃の範囲で選択される。
【００７８】
次に、０．１×１０2〜１．５×１０2Ｐａの圧力で酸素プラズマ中に１０〜１００秒間さらし、４５０〜７００℃の窒素または水素雰囲気中で１０〜６０分間にわたってアニール処理することにより、バリア層中に酸化チタンを島状に形成することができる。この処理によりバリア層のバリア性を向上させることができることを確認している。
【００７９】
また、このアニール処理は、少なくとも数百ｐｐｍ〜数％の酸素を含むランプアニール炉における４００〜８００℃の熱処理によっても行うことができ、同様にバリア層のバリア性を向上させることができる。
【００８０】
なお、図示はしないが、バリア層３３の表面に、後述するアルミニウム膜に対する濡れ性を向上させる目的で、チタン、コバルト、シリコンなどで構成されるウェッテング層を形成してもよい。このようなウェッテング層を設けることにより、第１のアルミニウム膜の流動性を上げることができる。ウェッテング層の膜厚は、通常数十ｎｍ以上あればよい。
【００８１】
（アルミニウム膜の成膜前の脱ガス処理およびウエハの冷却）
まず、ウエハの冷却を行う前に、ランプチャンバ内において、１．５×１０-4Ｐａ以下のベース圧力、１５０〜２５０℃の温度で３０〜６０秒間の熱処理（熱処理Ｃ）を行い、基板に付着した水などの物質を除去する。その後、アルミニウム膜を成膜する前に、基板温度を１００℃以下、好ましくは常温〜５０℃の温度に下げる。この冷却工程は、上記熱処理Ｃにより上昇した基板温度を下げるために重要なもので、例えば水冷機能を有するステージ上にウエハを載置して該ウエハ温度を所定温度まで下げる。
【００８２】
このようにウエハの冷却を行うことにより、第１のアルミニウム膜を成膜する際に、第１の層間絶縁膜Ｉ１およびバリア層３３、さらにウエハ全面から放出されるガス量を極力少なくすることができる。その結果、バリア層３３と第１のアルミニウム膜３４との界面に吸着する、カバレッジ性や密着性に有害なガスの影響を防ぐことができる。
【００８３】
（アルミニウム膜の成膜）
まず、２００℃以下、より好ましくは３０〜１００℃の温度で、０．２〜１．０重量％の銅を含むアルミニウムを膜厚１５０〜３００ｎｍでスパッタによって高速度で成膜し、第１のアルミニウム膜３４が形成される。続いて、同一チャンバ内で基板温度４２０〜４６０℃に加熱して、同様に銅を含むアルミニウムをスパッタにより低速度で成膜し、膜厚３００〜６００ｎｍの第２のアルミニウム膜３５が形成される。ここで、アルミニウム膜の成膜において、「高速度」とは、成膜条件や製造されるデバイスの設計事項によって一概に規定できないが、おおよそ１０ｎｍ／秒以上のスパッタ速度を意味し、「低速度」とは、おおよそ３ｎｍ／秒以下のスパッタ速度を意味する。
【００８４】
図５に、第１および第２のアルミニウム膜３４，３５を成膜するためのスパッタ装置の一例を示す。このスパッタ装置は、チャンバ５０内に、電極をかねるターゲット５１およびステージをかねる電極５２を有し、電極５２上には処理される基板（ウエハ）Ｗが設置されるように構成されている。チャンバ５０には、第１のガス供給路５３が接続され、電極５２には、第２のガス供給路５４が接続されている。ガス供給路５３，５４からは、いずれもアルゴンガスが供給される。そして、第２のガス供給路５４から供給されるガスによって、ウエハＷの温度が制御される。なお、チャンバ５０内のガスを排出するための手段は図示しない。
【００８５】
このようなスパッタ装置を用いて基板温度をコントロールした一例を図６に示す。図６において、横軸は経過時間を示し、縦軸は基板（ウエハ）温度を示す。また、図６において、符号ａで示すラインはスパッタ装置のステージ５２の温度を３５０℃に設定したときの基板温度変化を示し、符号ｂで示すラインは第２のガス供給路５４を通して高温のアルゴンガスをチャンバ内に供給することによってステージ５２の温度を高めていったときの基板温度の変化を示している。
【００８６】
例えば、基板の温度制御は以下のように行われる。まず、ステージ５２の温度は、予め、第２のアルミニウム膜を形成するための温度（３５０〜５００℃）に設定されている。第１のアルミニウム膜を形成する際には、第２のガス供給路５４からのガスの供給はなく、基板温度はステージ５２による加熱によって、図６の符号ａで示すように徐々に上昇する。第２のアルミニウム膜を形成する際には、第２のガス供給路５４を介して加熱されたガスが供給されることによって図６の符号ｂで示すように、基板温度は急激に上昇し、所定の温度で一定になるように制御される。
【００８７】
図６に示す例では、ステージ温度が３５０℃に設定され、そして、基板温度が１２５〜１５０℃に設定されている間に第１のアルミニウム膜３４が成膜され、その後すぐに第２のアルミニウム膜３５の成膜が行われる。
【００８８】
アルミニウム膜の成膜においては、成膜速度および基板温度制御とともに、スパッタ装置に印加されるパワーの制御も重要である。つまり、成膜速度とも関連するが、第１のアルミニウム膜３４の成膜は高いパワーで行われ、第２のアルミニウム膜３５は低いパワーで行われ、さらに高いパワーから低いパワーに切り換える際にパワーをゼロにしないことが重要である。パワーをゼロにすると、減圧下においても第１のアルミニウム膜の表面に酸化膜が形成され、第１のアルミニウム膜に対する第２のアルミニウム膜の濡れ性が低下し、両者の密着性が悪くなる。言い換えれば、パワーを常に印加することにより、成膜中のアルミニウム膜の表面に活性なアルミニウムを供給し続けることができ、酸化膜の形成を抑制できる。なお、パワーの大きさは、スパッタ装置や成膜条件などに依存し一概に規定できないが、例えば図６に示す温度条件の場合、高パワーが５〜１０ｋＷ、低パワーが３００Ｗ〜１ｋＷに設定されることが望ましい。
【００８９】
このように、同一チャンバ内で第１のアルミニウム膜３４および第２のアルミニウム膜３５を連続的に成膜することにより、温度およびパワーの制御を厳密に行うことができ、従来よりも低温でかつ安定したアルミニウム膜を効率よく形成することが可能となる。
【００９０】
前記第１のアルミニウム膜３４の膜厚は、良好なステップカバレッジで連続層を形成することができること、並びに該アルミニウム膜３４より下層のバリア層３３および第１の層間絶縁膜Ｉ１からのガス化成分の放出を抑制できることなどを考慮して、適正な範囲が選択されるが、例えば２００〜４００ｎｍが望ましい。また、第２のアルミニウム膜３５は、コンタクトホールの大きさ並びにそのアスペクト比などによって決定されるが、例えばアスペクト比が３程度で０．５μｍ以下のホールを埋めるためには、３００〜１０００ｎｍの膜厚が必要である。
【００９１】
（反射防止膜の成膜）
さらに、別のスパッタチャンバで、スパッタによりＴｉＮを堆積することにより、膜厚３０〜８０ｎｍの反射防止膜３６が形成される。その後、Ｃｌ2とＢＣｌ3のガスを主体とする異方性ドライエッチャーで前記バリア層３３、第１のアルミニウム膜３４、第２のアルミニウム膜３５および反射防止膜３６からなる堆積層を選択的にエッチングして、第１の金属配線層４０のパターニングを行う。
【００９２】
このようにして形成された金属配線層４０では、アスペクト比が０．５〜３で、口径が０．２〜０．８μｍのコンタクトホール内において、ボイドを発生させることなく良好なステップカバレッジでアルミニウムが埋め込まれることが確認された。
【００９３】
（Ｆ）次に、図３（Ａ）に示す工程について説明する。
【００９４】
（第２の層間絶縁膜Ｉ２の形成）
第２の層間絶縁膜Ｉ２は、基本的には前記第１の層間絶縁膜Ｉ１と同様の構成を有する。すなわち、第２の層間絶縁膜Ｉ２は、４層のシリコン酸化膜、つまり、下から順に、第８のシリコン酸化膜７０、第５のシリコン酸化膜７２、第６のシリコン酸化膜７４および第７のシリコン酸化膜７６から構成されている。そして、これらのシリコン酸化膜７０，７２，７４および７６は、アニール処理以外は、前記シリコン酸化膜２０，２２，２４および２６と同様な方法で成膜される。以下に主要な部分を説明するが、共通する事項については記載を省略する。
【００９５】
ａ．第８のシリコン酸化膜７０の形成
まず、テトラエトキシラン（ＴＥＯＳ）と酸素とを３００〜５００℃でプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法で反応させることにより、膜厚５０〜２００ｎｍの第８のシリコン酸化膜７０が形成される。
【００９６】
ｂ．第５のシリコン酸化膜７２の形成
次に、好ましくは２．５×１０2Ｐａ以下、より好ましくは０．３×１０2〜２×１０2Ｐａの減圧下において、窒素ガスをキャリアとして、ＳｉＨ4およびＨ2Ｏ2を０〜１０℃の温度でＣＶＤ法により反応させることにより、第５のシリコン酸化膜７２を形成する。第５のシリコン酸化膜７２は、前記第１のシリコン酸化膜２２と同様に、少なくとも、下層の第８のシリコン酸化膜７０の段差より大きい膜厚を有し、つまり該段差を十分にカバーする膜厚で成膜される。また、第５のシリコン酸化膜７２の膜厚の上限は、該膜中にクラックが生じない程度に設定される。具体的には、第５のシリコン酸化膜７２の膜厚は、より良好な平坦性を得るために、下層の段差より厚いことが望ましく、好ましくは５００〜１０００ｎｍに設定される。
【００９７】
第５のシリコン酸化膜７２の成膜温度は、好ましくは０〜２０℃、より好ましくは０〜１０℃に設定される。
【００９８】
この工程で形成される第５のシリコン酸化膜７２は、高い流動性を有し、平坦化特性に優れる。
【００９９】
ｃ．第６のシリコン酸化膜７４の形成
次に、ＳｉＨ4、ＰＨ3およびＮ2Ｏの存在下において、温度３００〜４５０℃で２００〜６００ｋＨｚの高周波数でプラズマＣＶＤ法によって反応させることにより、膜厚１００〜６００ｎｍのＰＳＧ膜（第６のシリコン酸化膜）７４が形成される。
【０１００】
また、第６のシリコン酸化膜７４は、前記第２のシリコン酸化膜２４と同様に、後に行われるアニール処理によって前記第５のシリコン酸化膜７２中に含まれる水などのガス化成分の脱離が容易かつ十分に行われることを考慮して、ポーラス（多孔性）であることが必要である。そのためには、第６のシリコン酸化膜７４は、例えば温度が好ましくは４５０℃以下、より好ましくは３００〜４００℃、好ましくは１ＭＨｚ以下、より好ましくは２００〜６００ｋＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法によって成膜され、リンなどの不純物が含まれることが望ましい。第２のシリコン酸化膜７４にこのような不純物が含まれることにより、第２のシリコン酸化膜７４は、よりポーラスな状態となって膜に対するストレスを緩和できる。このような不純物の濃度は、耐ストレス性、ゲッタリング効果などの点を考慮して設定される。例えば、不純物がリンの場合には、１〜６重量％の割合で含まれることが望ましい。
【０１０１】
また、プラズマＣＶＤにおいて、酸素を含む化合物としてＮ2Ｏを用いることにより、第５のシリコン酸化膜７２中の水素ボンドの脱離が促進される。その結果、第５のシリコン酸化膜７２に含まれる水分などのガス化成分をより確実に除去することができる。
【０１０２】
この第６のシリコン酸化膜７４の膜厚は、好ましくは１００ｎｍ以上、より好ましくは２００〜６００ｎｍに設定される。
【０１０３】
ｄ．アニール処理
次に、温度３５０〜４５０℃でアニール処理を行う。このアニール処理によって、前記第５のシリコン酸化膜７２および第６のシリコン酸化膜７４は緻密化され、良好な絶縁性並びに耐水性を有する。すなわち、アニール温度を３５０℃以上に設定することにより、第５のシリコン酸化膜７２でのシラノールの縮重合反応がほぼ完全に行われ、該膜中に含まれる水分が十分に放出されて緻密な膜を形成することができる。また、アニール温度を４５０℃以下に設定することにより、第１の配線層４０を構成するアルミニウム膜に悪影響を与えることがない。
【０１０４】
ｅ．第７のシリコン酸化膜７６の形成
次に、ＴＥＯＳと酸素とを用い、３５０〜４００℃でプラズマＣＶＤ法により膜厚１０００〜１５００ｎｍの第３のシリコン酸化膜７６を形成する。
【０１０５】
（Ｇ）次に、図３（Ｂ）に示す工程について説明する。
【０１０６】
（ＣＭＰによる平滑化）
前記第７のシリコン酸化膜７６、および必要に応じて前記第６のシリコン酸化膜７４および第５のシリコン酸化膜７２を、ＣＭＰ法によって所定の膜厚で研磨し、平滑化する。この平滑化処理により、研磨によって第７のシリコン酸化膜７４あるいは第５のシリコン酸化膜７２の一部が表面に露出したとしても、平坦な表面を得ることができ、したがって研磨量の管理が容易である。
【０１０７】
（Ｈ）次に、図４（Ａ）に示す工程について説明する。
【０１０８】
（ビアホールの形成）
ＣＨＦ3とＣＦ4とを主ガスとした反応性イオンエッチャーで第２の層間絶縁膜Ｉ２および反射防止膜３６を選択的に異方性エッチングすることにより、口径が０．３〜０．５μｍのビアホール６２が形成される。
【０１０９】
このビアホール６２は、前記コンタクトホール３２と同様に、上端部から底部に向かって徐々に口径が小さくなるテーパー状を成す。テーパーの角度θは、エッチング条件などによって一概には規定できないが、たとえば、５〜１５度の傾斜を有する。
【０１１０】
（Ｉ）次に、図４（Ｂ）に示す工程について説明する。
【０１１１】
（脱ガス処理）
まず、脱ガス工程を含む熱処理ついて説明する。
【０１１２】
ランプチャンバで、１．５×１０-4Ｐａ以下のベース圧力、１５０〜２５０℃の温度で３０〜６０秒間のランプ加熱（熱処理Ｄ）を施す。次いで、別のチャンバで１×１０-1〜１５×１０-1Ｐａの圧力でアルゴンガスを導入し、３００〜５００℃の温度で、３０〜１２０秒間の熱処理（脱ガス工程；熱処理Ｅ）を行うことによって、脱ガス処理を行う。
【０１１３】
この工程においては、まず、熱処理Ｄにおいて、主として、ウエハの裏面および側面を含むウエハ全体を加熱処理することにより、ウエハに付着している水分などを除去できる。
【０１１４】
さらに、熱処理Ｅにおいて、主として、第２の層間絶縁膜Ｉ２中のガス化成分（Ｈ，Ｈ2Ｏ）を除去することができる。その結果、次工程のウェッテング層およびアルミニウム膜の形成時に、第２の層間絶縁膜Ｉ２からのガス化成分の発生が防止できる。
【０１１５】
本実施の形態においては、ウェッテング層、例えばＴｉ膜は数十原子％のガス化成分（Ｏ，Ｈ，Ｈ2Ｏ，Ｎ）を固溶することから、この膜を形成する前に、第２の層間絶縁膜Ｉ２中のガス化成分を除去することが、ビアホール内でのアルミニウム膜の成膜を良好に行う上で、極めて有効である。ウェッテング層の下位の第２の層間絶縁膜Ｉ２中のガス化成分を十分に除去しておかないと、ウェッテング層の形成時の温度（通常、３００℃以上）で、第２の層間絶縁膜Ｉ２中のガス化成分が放出され、このガスがウェッテング層中に取り込まれる。さらに、このガスがアルミニウム膜の成膜時にウェッテング層から離脱してウェッテング層とアルミニウム膜との界面に出てくるため、アルミニウム膜の密着性や流動性に悪影響を与える。
【０１１６】
（ウェッテング層の成膜）
スパッタ法により、ウェッテング層６３を構成する膜として、チタン膜を２０〜７０ｎｍの膜厚で形成する。スパッタの温度は、膜厚に応じて、２００〜４５０℃の範囲で選択される。
【０１１７】
（アルミニウム膜の成膜前の脱ガス処理およびウエハの冷却）
まず、ウエハの冷却を行う前に、ランプチャンバ内において、１．５×１０-4Ｐａ以下のベース圧力、１５０〜２５０℃の温度で３０〜６０秒間の熱処理（熱処理Ｆ）を行い、基板に付着した水などの物質を除去する。その後、アルミニウム膜を成膜する前に、基板温度を１００℃以下、好ましくは常温〜５０℃の温度に下げる。この冷却工程は、上記熱処理Ｆにより上昇した基板温度を下げるために重要なもので、例えば水冷機能を有するステージ上にウエハを載置して該ウエハ温度を所定温度まで下げる。
【０１１８】
このようにウエハの冷却を行うことにより、第１のアルミニウム膜を成膜する際に、第２の層間絶縁膜Ｉ２およびウェッテング層６３、さらにウエハ全面から放出されるガス量を極力少なくすることができる。その結果、ウェッテング層６３と第１のアルミニウム膜６４との界面に吸着する、カバレッジ性や密着性に有害なガスの影響を防ぐことができる。
【０１１９】
（アルミニウム膜の成膜）
まず、２００℃以下、より好ましくは３０〜１００℃の温度で、０．２〜１．０重量％の銅を含むアルミニウムを膜厚１５０〜３００ｎｍでスパッタによって高速度で成膜し、第１のアルミニウム膜６４が形成される。続いて、同一チャンバ内で基板温度４２０〜４６０℃に加熱して、同様に銅を含むアルミニウムをスパッタにより低速度で成膜し、膜厚３００〜６００ｎｍの第２のアルミニウム膜６５が形成される。
【０１２０】
スパッタ装置としては、図５に示す装置と同様のものを使用することができる。前記スパッタ装置の構成、ウェハの温度制御およびスパッタ時のパワーについては、第１の金属配線層４０の場合と同様なので、詳細な説明を省略する。
【０１２１】
同一チャンバ内で第１のアルミニウム膜６４および第２のアルミニウム膜６５を連続的に成膜することにより、温度およびパワーの制御を厳密に行うことができ、従来よりも低温でかつ安定したアルミニウム膜を効率よく形成することが可能となる。
【０１２２】
前記第１のアルミニウム膜６４の膜厚は、良好なステップカバレッジで連続層を形成することができること、並びに該アルミニウム膜６４より下層のウェッテング層６３および第２の層間絶縁膜Ｉ２からのガス化成分の放出を抑制できることなどを考慮して、適正な範囲が選択されるが、例えば１００〜３００ｎｍが望ましい。また、第２のアルミニウム膜６５は、ビアホール６２の大きさ並びにそのアスペクト比などによって決定されるが、例えばアスペクト比が３程度で０．５μｍ以下のホールを埋めるためには、３００〜８００ｎｍの膜厚が必要である。
【０１２３】
（反射防止膜の成膜）
さらに、別のスパッタチャンバで、スパッタによりＴｉＮを堆積することにより、膜厚３０〜８０ｎｍの反射防止膜６６が形成される。その後、Ｃｌ2とＢＣｌ3のガスを主体とする異方性ドライエッチャーで前記ウェッテング層６３、第１のアルミニウム膜６４、第２のアルミニウム膜６５および反射防止膜６６からなる堆積層を選択的にエッチングして、第２の金属配線層６０のパターニングを行う。
【０１２４】
このようにして形成された金属配線層６０では、アスペクト比が０．５〜３で、口径が０．２〜０．８μｍのビアホール内において、ボイドを発生させることなく良好なステップカバレッジでアルミニウムが埋め込まれることが確認された。
【０１２５】
以後、必要に応じて、第２の配線領域Ｌ２と同様にして第３、第４…の多層配線領域を形成することができる。
【０１２６】
本実施の形態において、第１および第２の層間絶縁膜Ｉ１，Ｉ２が優れた平坦性を有する理由としては、以下のことが考えられる。
【０１２７】
（ａ）図１（Ｂ）および図３（Ａ）に示す工程で形成される第１のシリコン酸化膜２２および第５のシリコン酸化膜７２は、シリコン化合物と過酸化水素との反応によって形成される、シラノールを含む反応生成物が高い流動性を有するため、ウエハ表面の凹凸がこれらの膜を形成した時点で高度に平坦化される。
【０１２８】
（ｂ）第１および第２の層間絶縁膜Ｉ１，Ｉ２を構成する各シリコン酸化膜、特に第１，第２および第３のシリコン酸化膜２２，２４，２６ならびに第５，第６および第７のシリコン酸化膜７２，７４，７６は、ＣＭＰにおいて同程度の研磨速度を有するため、表面に異なったシリコン酸化膜が部分的に共存した場合であっても、良好な平坦性が得られる。
【０１２９】
また、本実施の形態において、コンタクトホール３２およびビアホール６２に、第１および第２のアルミニウム膜３４，３５ならびに第１および第２のアルミニウム膜６４，６５がそれぞれ良好に埋め込まれた理由としては、以下のことが考えられる。
【０１３０】
（ａ）脱ガス工程を行うことにより、各層間絶縁膜Ｉ１、Ｉ２に含まれる水や窒素をガス化して充分に放出することにより、その後の第１のアルミニウム膜３４，６４および第２のアルミニウム３５，６５の成膜において、層間絶縁膜Ｉ１，Ｉ２やバリア層３３あるいはウェッテング層６３からのガスの発生を防止することで、バリア層３３と第１のアルミニウム膜３４、ならびにウェッテング層６３と第１のアルミニウム膜６４との密着性を高め、良好なステップカバレッジの成膜が可能であったこと。
【０１３１】
（ｂ）第１のアルミニウム膜３４，６４の成膜において、基板温度を２００℃以下の比較的低温に設定することにより、層間絶縁膜Ｉ１，Ｉ２およびバリア層３３ならびにウェッテング層６３に含まれる水分や窒素を放出させないようにして、前記脱ガス工程の効果に加えて第１のアルミニウム膜３４，６４の密着性を高めたこと。
【０１３２】
（ｃ）さらに、第１のアルミニウム膜３４，６４自体が、基板温度が上がった場合に下層からのガスの発生を抑制する役割を果たすため、次の第２のアルミニウム膜３５，６５の成膜を比較的高い温度で行うことができ、第２のアルミニウム膜の流動拡散を良好に行うことができること。
【０１３３】
以上の方法によって、本発明に係る半導体装置（図４（Ｂ）参照）を形成することができる。この半導体装置は、少なくともＭＯＳ素子を含むシリコン基板１１、および前記シリコン基板１１の上に形成された第１の配線領域Ｌ１を有する。
【０１３４】
前記第１の配線領域Ｌ１は、ベース層となる第４のシリコン酸化膜２０、シリコン化合物と過酸化水素との重縮合反応によって形成された第１のシリコン酸化膜２２、前記第１のシリコン酸化膜２２の上に形成され、リンなどの不純物を含有する第２のシリコン酸化膜２４、および前記第２のシリコン酸化膜２４の上に形成され、ＣＭＰにより平坦化された第３のシリコン酸化膜２６からなる第１の層間絶縁膜Ｉ１、前記層間絶縁膜Ｉ１に形成されたコンタクトホール３２、前記層間絶縁膜Ｉ１および前記コンタクトホール３２の表面に形成されたバリア層３３、および前記バリア層３３の上に形成された、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなるアルミニウム膜３４，３５、を有する。そして、前記アルミニウム膜３４は、バリア層３３を介してチタンシリサイド層１９に接続されている。
【０１３５】
前記第１の配線領域Ｌ１上に形成された第２の配線領域Ｌ２は、ベース層となる第８のシリコン酸化膜７０、シリコン化合物と過酸化水素との重縮合反応によって形成された第５のシリコン酸化膜７２、前記第５のシリコン酸化膜７２の上に形成され、リンなどの不純物を含有する第６のシリコン酸化膜７４、および前記第６のシリコン酸化膜７４の上に形成され、ＣＭＰにより平坦化された第７のシリコン酸化膜７６からなる第２の層間絶縁膜Ｉ２、前記層間絶縁膜Ｉ２に形成されたビアホール６２、前記層間絶縁膜Ｉ２および前記ビアホール６２の表面に形成されたウェッテング層６３、および前記ウェッテング層６３の上に形成された、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金からなるアルミニウム膜６４，６５、を有する。
【０１３６】
以上のように、本実施の形態によれば、シリコン化合物と過酸化水素との気相反応によって得られる、シラノールを含むシリコン酸化膜を形成し、さらに最上層にＣＭＰによって平坦化されたシリコン酸化膜を形成することにより、極めて良好な平坦性を有する層間絶縁膜を形成することができる。特に、第１の層間絶縁膜は、従来のＢＰＳＧ膜に比べてかなり低温で成膜することができるため、パンチスルーや接合リークなどの点で特性を改善することができ、したがって、素子の微細化および信頼性の高いコンタクト構造を達成することができ、また製造プロセス上も有利である。また、層間絶縁膜が高度な平坦性を有することから、配線層の加工などを含めたプロセスマージンを増加させ、品質および歩留まりを向上させることができる。
【０１３７】
さらに、本実施の形態においては、アルミニウム膜のスパッタ前に少なくとも脱ガス工程と冷却工程を含み、さらに好ましくは同一チャンバ内で連続的にアルミニウム膜を成膜することにより、０．２μｍ程度までのコンタクトホールおよびビアホールをアルミニウムあるいはアルミニウム合金だけで埋め込むことが可能となり、信頼性および歩留まりの点で向上がはかれた。また、コンタクト部を構成するアルミニウム膜における銅等の偏析や結晶粒の異常成長もなく、マイグレーション等を含めた信頼性の点でも良好であることが確認された。
【０１３８】
（他の実施の形態）
本発明は上記実施の形態に限定されず、その一部を以下の手段で置き換えることができる。
【０１３９】
（ａ）前記実施の形態においては、第２のシリコン酸化膜２４のプラズマＣＶＤによる成膜時に、酸素を含む化合物として一酸化二窒素を用いたが、その代わりにオゾンを用いることもできる。そして、第２のシリコン酸化膜２４を形成する前に、ウエハをオゾン雰囲気にさらすことが望ましい。
【０１４０】
例えば、図８に示すベルト炉を用い、ヒーター８２によって４００〜５００℃に加熱された搬送ベルト８０上にウエハＷを載置して所定の速度で移動させる。このとき、第１のガスヘッド８６ａからオゾンを供給し、２〜８重量％のオゾン雰囲気中を前記ウエハＷを５分以上の時間をかけて通過させる。次いで、第２および第３のガスヘッド８６ｂ，８６ｃからオゾン、ＴＥＯＳおよびＴＭＰ（Ｐ（ＯＣＨ3）3）をほぼ常圧で供給し、リンの濃度が３〜６重量％のＰＳＧ膜（第２のシリコン酸化膜）２４を、膜厚１００〜６００ｎｍで成膜する。なお、図８において符号８４は、カバーを示す。
【０１４１】
このように一酸化二窒素の代わりにオゾンを用いることにより、常圧ＣＶＤによってＴＥＯＳによるシリコン酸化膜を形成することができる。また、ベルト炉を用いることにより、成膜を連続的に効率よく行うことができる。
【０１４２】
また、オゾン雰囲気中にウエハＷをさらすことにより、熱脱離スペクトル（ＴＤＳ）および赤外分光法（ＦＴＩＲ）によって、第１のシリコン酸化膜２２は吸湿性や水分が十分少ないこと、反応ガスとして一酸化二窒素を用いた場合と同様に層間絶縁膜Ｉ１の平坦性およびＭＯＳトランジスタの特性が良好であること、および第１のシリコン酸化膜２２にクラックが発生しないことが確認された。
【０１４３】
（ｂ）前記実施の形態では、第４のシリコン酸化膜２０として、プラズマＣＶＤによるＴＥＯＳを用いたシリコン酸化膜を用いたが、これに代わり他のシリコン酸化膜を用いてもよい。例えば、このような第４のシリコン酸化膜として、モノシランと一酸化二窒素を用いた減圧熱ＣＶＤ法によって形成した膜でもよい。このシリコン酸化膜は、下層のシリコン基板の表面形状に忠実に成膜され、カバレッジ性がよいだけでなく、緻密であるのでパッシベーション機能が高く、さらにアニール処理において急激に昇温しても第１のシリコン酸化膜２２にクラックが発生しにくい。また、熱ＣＶＤ法を用いるため、プラズマダメージがない利点がある。
【０１４４】
ただし、この方法による成膜は、ウエハ温度を７５０〜８００℃程度に設定する必要があるため、サリサイド構造としてチタンシリサイドのように酸化されやすい膜を用いた場合には使用できず、タングステンシリサイドあるいはモリブデンシリサイドを使用する必要がある。
【０１４５】
（ｃ）前記実施の形態では、第１の層間絶縁膜Ｉ１は、４層のシリコン酸化膜から構成されているが、これに限らず他のシリコン酸化膜を加えてもよい。例えば、第４のシリコン酸化膜２０と第１のシリコン酸化膜２２との間に、プラズマＣＶＤ法により形成された、膜厚１００〜３００ｎｍのＰＳＧ膜（リンの濃度；１〜６重量％）を形成してもよい。このＰＳＧ膜を入れることにより、可動イオンのゲッタリング機能がさらに向上して、トランジスタのしきい値特性および静止電流の変動が減少することが確認された。
【０１４６】
なお、上記実施の形態では、２層の配線領域を含む半導体装置について述べたが、本発明はもちろん３層以上の配線領域を含む半導体装置にも適用でき、また、Ｎチャネル型ＭＯＳ素子を含む半導体装置のみならず、Ｐチャネル型あるいはＣＭＯＳ型素子などの各種の素子を含む半導体装置に適用することができる。
【０１４７】
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の半導体装置の製造方法の一例を工程順に模式的に示す断面図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、図１に示す工程に続いて行われる半導体装置の製造方法の一例を工程順に模式的に示す断面図である。
【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、図２に示す工程に続いて行われる半導体装置の製造方法の一例を工程順に模式的に示す断面図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、図３に示す工程に続いて行われる半導体装置の製造方法の一例を工程順に模式的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態に用いられるスパッタ装置の一例を模式的に示す図である。
【図６】図５に示すスパッタ装置を用いて基板温度を制御したときの、時間と基板温度との関係を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図８】半導体装置の製造に用いられるベルト炉を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１１  シリコン基板
１２  フィールド絶縁膜
１３  ゲート酸化膜
１４  ゲート電極
１５  低濃度不純物層
１６  高濃度不純物層
１７  側壁スペーサ
１８  シリコン酸化膜
１９  チタンシリサイド層
２０  第４のシリコン酸化膜
２２  第１のシリコン酸化膜
２４  第２のシリコン酸化膜
２６  第３のシリコン酸化膜
３２  コンタクトホール
３３  バリア層
３４  第１のアルミニウム膜
３５  第２のアルミニウム膜
６２  ビアホール
６３  ウェッテング層
６４  第１のアルミニウム膜
６５  第２のアルミニウム膜
７０  第８のシリコン酸化膜
７２  第５のシリコン酸化膜
７４  第６のシリコン酸化膜
７６  第７のシリコン酸化膜
Ｉ１，Ｉ２  層間絶縁膜
Ｌ１，Ｌ２  配線領域
【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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