JP2009010016A - 配線の形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ配線におけるストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション等を抑制して電気的信頼性の十分な向上を得る。
【解決手段】Ｃｕ配線２の表面に形成したＳｉ含有導電層３を複数回、例えば２回プラズマ処理し、Ｓｉ含有導電層３の組成状態を調節して固定化する。各プラズマ処理では、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとし、チャンバー内を、６．７×１０Ｐａ〜６．７×１０³Ｐａ程度の間で圧力制御する。投入パワーとして、５０Ｗ〜１５００Ｗ程度、好ましくは５０Ｗ〜６００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみ、又は当該高周波パワーと０Ｗ〜５００Ｗ程度の低周波パワーとを組み合わせ、プラズマ処理を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、いわゆるダマシン法による銅又は銅合金からなる配線の形成方法、及び当該形成方法を適用した半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置の高集積化及び高速化の要請に応えるべく、半導体装置の更なる微細化が進行しており、それに伴って配線の微細化が要求されている。
配線の微細化が進むにつれて配線間隔が狭くなり、配線間の寄生容量が増大する。この配線遅延を回避して伝搬速度を向上させるために、アルミニウム（Ａｌ）よりも抵抗の小さい銅（Ｃｕ）又はＣｕ合金を配線材料として、いわゆるダマシン法により層間絶縁膜に配線溝を形成し、この配線溝を充填することにより配線（Ｃｕ配線）を形成する技術が検討されている。ここで、Ｃｕ配線を形成するための層間絶縁層に関しては誘電率の低い材料が求められており、Ｃｕの拡散を防止するためのバリア絶縁膜に関しても同じく低誘電率化が進められている。

特開２００４−２１４２６７号公報 特開２００６−２８７０２２号公報 特開２００３−３４７２９９号公報 特開２００２−２４６３９１号公報

上記したように、近時の要請による配線の微細化を進めるに際して、ストレスマイグレーション、エレクトロマイグレーション等の電気的信頼性の向上を図ることが必須である。
しかしながら、微細化の進行するＣｕ配線にあっては、ストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション等を抑制して電気的信頼性の十分な向上を得ることは困難である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、Ｃｕ配線におけるストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション等を抑制して電気的信頼性の十分な向上を得ることを可能とする配線の形成方法、及び当該形成方法を適用して高信頼性の半導体装置を実現することを可能とする半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の配線の形成方法は、基板上に形成された第１の絶縁膜に、配線形状の溝を形成する工程と、前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程とを含み、前記シリコン含有導電層を形成する工程は、前記配線の前記上面を還元する工程と、前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成状態を調節する工程とを有する。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体素子を覆うように、又は前記半導体素子の上方に、第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜に、配線形状の溝を形成する工程と、前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程とを含み、前記シリコン含有導電層を形成する工程は、前記配線の前記上面を還元する工程と、前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成状態を調節する工程とを有する。

本発明によれば、Ｃｕ配線におけるストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション等を抑制して電気的信頼性の十分な向上を得ることができる。
更に、該形成方法を適用することにより、高信頼性の半導体装置を実現することが可能となる。

−本発明の基本骨子−
本発明者は、ダマシン法により形成されるＣｕ又はＣｕ合金を材料とする配線（Ｃｕ配線）において、ストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション等を抑制して電気的信頼性の十分な向上を得るべく鋭意検討した結果、以下に示す本発明に想到した。

本発明では、例えばダマシン法により第１の絶縁膜内に形成されたＣｕ配線の露出表面（上面）を還元した後、この上面にシリコン（Ｓｉ）含有導電層を形成してその組成状態を調節し、このＳｉ含有導電層及び第１の絶縁膜を覆うように、Ｃｕの拡散を防止するための第２の絶縁膜を形成する。

Ｓｉ含有導電層を形成する際には、Ｃｕ配線の上面にＳｉ系ガス、ここでは有機シラン系（例えば４ＭＳ（テトラメチルシラン））ガス又は無機シラン系（例えばＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂等）ガスを晒すことにより、露出するＣｕ配線の表面をシリサイド化（Ｃｕ−Ｓｉ化）することで形成する。
Ｓｉ含有導電層の形成時の処理温度としては、例えば３００℃〜４００℃程度とする。この処理温度は、第２の絶縁膜を形成する際の処理温度と同一に設定し、連続処理として実行することが望ましい。この理由としては、両者の処理温度が異なるようにすると、処理装置及び環境を変えなければならず、配線形成プロセスの増加、処理時間の増大等の生産性に与える影響が大きいからである。

形成されたＳｉ含有導電層の組成状態を調節する際には、シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、Ｓｉ含有導電層の組成状態を最適化する。当該組成としては、配線材料であるＣｕ（又はＣｕ合金）に加え、Ｓｉ，Ｏ，Ｎや、Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｃ、及びＳｉ，Ｏ，Ｃ等が好適である。この場合、本発明では、Ｓｉに対するＮ，Ｃの割合等の組成状態を調節する。

複数回のプラズマ処理により、Ｃｕ配線の上面と後に形成する第２の絶縁膜との密着性が適宜向上し、配線の電気的信頼性を改善することができる。これは、配線と第２の絶縁膜との密着性と、配線の電気的信頼性とが密接な関係にあることに起因する。当該密着性は、Ｃｕ配線の上面における酸素原子量に相関があるものと考えられる。従って、複数回のプラズマ処理により、この酸素原子量を制御することで電気的信頼性を向上させることができる。

ここで、各プラズマ処理を、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとして用いて行う。

ここで、例えば２回のプラズマ処理を行う場合では、１回目のプラズマ処理にＮＨ₃ガスを、２回目のプラズマ処理にＨ₂ガスをソースガスとして用いる態様、１回目のプラズマ処理にＮＨ₃／Ｎ₂／Ｈｅガスを、２回目のプラズマ処理にＨ₂／Ｈｅガスをソースガスとして用いる態様等の処理態様が考えられる。

例えば、１回目のプラズマ処理にＮＨ₃ガスを、２回目のプラズマ処理にＨ₂ガスをソースガスとして用いる態様では、１回目の窒素を含むプラズマ処理により、Ｃｕ配線表面のＣｕ−Ｓｉが固定化し、Ｓｉ−Ｎを含むＳｉ含有導電層が形成される。続く２回目の水素プラズマ処理により、Ｓｉ−Ｎを含むＳｉ含有導電層中の過剰な窒素が除去され、Ｓｉ含有導電層の組成状態（Ｓｉに対するＮの割合）が最適化される。

プラズマ処理において、その投入パワーとして、５０Ｗ〜１５００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみ、又は当該高周波パワーと０Ｗ〜５００Ｗ程度の低周波パワーとを組み合わせて処理を実行する。ここで、「高周波」とは１．６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚ程度、「低周波」とは８０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度のものとする。

例えば、上記の２回のプラズマ処理を行う場合（１回目のプラズマ処理にＮＨ₃ガスを、２回目のプラズマ処理にＨ₂ガスをソースガスとして用いる態様）では、以下のように実行する。
１回目のプラズマ処理では、５０Ｗ〜６００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみで実行する。これにより、更に電気的信頼性を向上することができる。この場合、プラズマによるイオン衝撃によりＣｕ配線の表面に荒れが生じて電気的信頼性の低下が懸念されること、加えて既に形成されている低誘電率材料の部分に対してプラズマによるダメージが懸念されることから、比較的短時間で低パワーの高周波単体によるプラズマ処理が好ましい。このプラズマ照射時間としては、３秒間〜６０秒間程度、ここでは２０秒間以下とすることが望ましい。

続く２回目のプラズマ処理は、Ｓｉ−Ｎを含むＳｉ含有導電層中の過剰な窒素の確実な除去に寄与する。この場合には、その投入パワーとして、５０Ｗ〜１５００Ｗ程度、好ましくは５０Ｗ〜６００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみ、又は当該高周波パワーと０Ｗ〜５００Ｗ程度の低周波パワーとを組み合わせて、３秒間〜６０秒間程度、好ましくは２０秒間以下の処理時間でプラズマ処理を実行する。

また、上記した２回のプラズマ処理に加え、更に１回以上のプラズマ処理を行うことにより、更にきめ細かく配線と第２の絶縁膜との密着性を制御することができ、配線の電気的信頼性を適宜最適化することが可能となる。

ここで、特許文献１には、プラズマＣＶＤ法により、ソースガスをＳｉＨ₄ガス及びＮ₂ガスとしてＣｕ配線の表面にプラズマを晒し、当該表面にシリコン含有層を形成する技術が開示されている。また、特許文献２，３には、ソースガスをＮＨ₃ガス又はＨ₂ガスとしてＣｕ配線の表面にプラズマを晒した後、有機又は無機シランを用いた表面処理を行う技術が開示されている。また、特許文献４には、ソースガスをＮＨ₃ガス及びＮ₂ガスとしてＣｕ配線の表面にプラズマを晒した後、配線上にＣｕ拡散防止のための絶縁膜を形成する際に、ＳｉＨ₄ガスを用いて処理する技術が開示されている。
しかしながらこれらの技術では、組成状態が調節されたシリコン含有層を得ることはできず、Ｃｕ配線の十分な電気的信頼性を実現することは困難である。

−本発明を適用した好適な諸実施形態−
以下、本発明を適用した好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる配線（Ｃｕ配線）の形成方法を開示する。なお、本実施形態ではＣｕ配線を例示するが、本発明は、例えばタングステン（Ｗ）又はＷ合金からなる配線（Ｗ配線）等を同様にダマシン法により形成する場合にも適用できる。
図１及び図２は、本実施形態によるＣｕ配線の形成方法を工程順に示す概略断面図である。

初めに、図１（ａ）に示すように、ダマシン法により、第１の絶縁膜１内にＣｕ配線２を形成する。
詳細には、ここでは以下のようにシングルダマシン法を実行する。
先ず、半導体基板（不図示）の上方に、例えばＣＶＤ法により低誘電率絶縁膜、例えば商品名ＮＣＳ（触媒化成製のポーラスシリカ）、商品名ＡＬＣＡＰ−Ｓ（旭化成製のポーラスシリカ）、商品名Ｓｉｌｋ（ダウケミカル社製のポリアリエルエーテル）、商品名ＦＬＡＲＥ（アライドシグナル社製のポリアリエルエーテル）等、ここではＮＣＳを例えば膜厚１００ｎｍ程度に堆積し、第１の絶縁膜１を形成する。

次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第１の絶縁膜１に配線形状の配線溝１１を形成する。
次に、例えばスパッタ法により、配線溝１１の内壁面を覆うように第１の絶縁膜１上に、例えばＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｗ，ＷＮ，Ｚｒ，ＺｒＮ，又はこれらの積層膜、ここではＴａを膜厚１０ｎｍ程度に堆積し、バリアメタル膜１２を形成する。
次に、例えばスパッタ法により、バリアメタル膜１２を覆うように薄いＣｕ（不図示）を堆積する。

次に、所定のメッキ法により、Ｃｕをシードとして配線溝１１を埋め込む膜厚にＣｕ又はＣｕ合金であるメッキ金属１３を堆積する。
そして、第１の絶縁膜１の表面が露出するまでメッキ金属１３及びバリアメタル膜１２を化学機械研磨法（Chemical-Mechanical Polishing：ＣＭＰ法）により研磨平坦化する。
以上により、第１の絶縁膜１の配線溝１１をバリアメタル膜１２を介してメッキ金属１３で充填してなるＣｕ配線２を形成する。

続いて、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕ配線２の露出表面（上面）を還元処理する。
詳細には、先ず、チャンバー（不図示）内に半導体基板を搬入し、所定のヒータにより後述するＳｉ含有導電層３を形成する際の処理温度とほぼ同一温度となるように、ここでは半導体基板の温度を３００℃〜４３０℃程度の所定温度とする。
そして、ＣＭＰ法により平坦化した際にＣｕ配線２の上面に付着等する有機物や、Ｃｕ配線２の上面が自然酸化して形成された薄い酸化膜を、例えばＨ₂又はＮＨ₃を処理ガスとしたプラズマにより還元処理して除去する。当該還元処理の後、チャンバー内の処理ガスをパージする。

続いて、図１（ｃ）に示すように、Ｃｕ配線２の上面にＳｉ含有導電層３を形成する。
詳細には、還元処理されてメッキ金属面（上面）が露出するＣｕ配線２の当該上面に、Ｓｉ系ガスである有機シラン系（例えば４ＭＳ（テトラメチルシラン））ガス又は無機シラン系（例えばＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂等）ガス、ここではＳｉＨ₄／Ｎ₂／ＮＨ₃の混合ガスを晒す。

ここで先ず、Ｓｉ系ガスをチャンバー内に導入するに該たって、そのガス流量を安定化させるために、チャンバー内ではなく捨てガスラインにＳｉ系ガスを例えば３秒間〜５秒間程度流して安定化させる。

このとき、Ｓｉ系ガスの圧力調整を兼ねた希釈ガスとしてＮ₂，ＮＨ₃，Ｈ₂，Ａｒ，Ｈｅ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）等のガスを単体又はこれらを２種類以上組み合わせたガスを、Ｓｉ系ガスと共に捨てガスラインに流す。このとき、チャンバー内を、６．７×１０Ｐａ〜６．７×１０³Ｐａ（０．５Torr〜５０Torr）程度の間で圧力制御する。例えば、Ｓｉ系ガスとしてＳｉＨ₄ガスを用いる場合、ＳｉＨ₄／Ｎ₂／ＮＨ₃＝４０sccm／９０００sccm／６０００sccmとし、チャンバー内の圧力を２×１０²Ｐａ（１．５Torr）とする。

次に、捨てガスラインからチャンバーへラインを切り替え、チャンバー内へ流量が安定化したＳｉ系ガスを希釈ガスと混合して導入する。この処理により、Ｃｕ配線２の上面がシリサイド化（Ｃｕ−Ｓｉ化）され、膜厚０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度、好ましくは膜厚１．０ｎｍ〜１０ｎｍ程度のＳｉ含有導電層３が形成される。このときの処理時間は、１秒間〜６０秒間程度、好ましくは４秒間程度である。
当該処理の後、チャンバー内の処理ガスをパージする。このときの処理時間は、１秒間〜６０秒間程度、好ましくは１０秒間程度である。

続いて、Ｓｉ含有導電層３を複数回、ここでは２回プラズマ処理し、Ｓｉ含有導電層３の組成状態を調節して固定化する。
先ず、図２（ａ）に示すように、１回目のプラズマ処理を行う。
詳細には、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとし、当該ソースガスと共にその圧力調整を兼ねた希釈ガスとしてＮ₂，ＮＨ₃，Ｈ₂，Ａｒ，Ｈｅ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）等のガスを単体又はこれらを２種類以上組み合わせたガスをチャンバー内に導入する。このとき、チャンバー内を、６．７×１０Ｐａ〜６．７×１０³Ｐａ（０．５Torr〜５０Torr）程度の間で圧力制御する。ここでは、ソースガスにＮＨ₃ガスを、希釈ガスにＮ₂をそれぞれ用い、ＮＨ₃／Ｎ₂＝４０００sccm／１６００sccmとし、チャンバー内の圧力を３．１×１０²Ｐａ（２．３Torr）とする。

なお、ソースガス、希釈ガスとしてＮ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂等の酸化性ガスを用いる場合には、チャンバー内に他のガス種を導入して電圧印加した後に、当該酸化性ガスをチャンバー内に導入することが望ましい。

チャンバー内の圧力の安定が確認された後、投入パワーとして、５０Ｗ〜１５００Ｗ程度、好ましくは５０Ｗ〜６００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみ、又は当該高周波パワーと０Ｗ〜５００Ｗ程度の低周波パワーとを組み合わせ、プラズマ処理を実行する。この場合、プラズマによるイオン衝撃によりＣｕ配線２の表面に荒れが生じて電気的信頼性の低下が懸念されること、加えて既に形成されている低誘電率材料の部分に対してプラズマによるダメージが懸念されることから、比較的短時間で低パワーの高周波単体によるプラズマ処理が好ましい。プラズマ照射時間としては、３秒間〜６０秒間程度、ここでは２０秒間以下とすることが望ましい。
当該処理の後、チャンバー内の処理ガスをパージする。

このプラズマ処理により、Ｃｕ−ＳｉからなるＳｉ含有導電層３には窒素が導入され、Ｓｉ含有導電層３は、例えば膜厚０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度、好ましくは膜厚１．０ｎｍ〜１０ｎｍ程度のＳｉ−Ｎを含有する層とされる。
なお、このプラズマ処理において、ソースガスの一部に炭素の化合物ガス（ＣＯ₂，Ｃ_xＨ_y等）を用いた場合には、Ｓｉ含有導電層３はＣｕ，Ｓｉ，Ｃの含有層、又はＣｕ，Ｓｉ，Ｎ，Ｃの含有層とされる。

先ず、図２（ｂ）に示すように、２回目のプラズマ処理を行う。
詳細には、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとし、当該ソースガスと共にその圧力調整を兼ねた希釈ガスとしてＮ₂，ＮＨ₃，Ｈ₂，Ａｒ，Ｈｅ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）等のガスを単体又はこれらを２種類以上組み合わせたガスをチャンバー内に導入する。このとき、チャンバー内を、６．７×１０Ｐａ〜６．７×１０³Ｐａ（０．５Torr〜５０Torr）程度の間で圧力制御する。ここでは、ソースガスにＨ₂ガスを、希釈ガスにＨｅをそれぞれ用い、Ｈ₂／Ｈｅ＝９５００sccm／５０００sccmとし、チャンバー内の圧力を３．０×１０²Ｐａ（２．２５Torr）とする。

なお、ソースガス、希釈ガスとしてＮ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂等の酸化性ガスを用いる場合には、チャンバー内に他のガス種を導入して電圧印加した後に、当該酸化性ガスをチャンバー内に導入することが望ましい。

チャンバー内の圧力の安定が確認された後、投入パワーとして、５０Ｗ〜１５００Ｗ程度、好ましくは５０Ｗ〜６００Ｗ程度の弱い高周波パワーのみ、又は当該高周波パワーと０Ｗ〜５００Ｗ程度の低周波パワーとを組み合わせ、プラズマ処理を実行する。この場合、１回目のプラズマ処理と同様に、プラズマによるイオン衝撃によりＣｕ配線２の表面に荒れが生じて電気的信頼性の低下が懸念されること、加えて既に形成されている低誘電率材料の部分に対してプラズマによるダメージが懸念されることから、比較的短時間で低パワーの高周波単体によるプラズマ処理が好ましい。プラズマ照射時間としては、３秒間〜６０秒間程度、ここでは２０秒間以下とすることが望ましい。
当該処理の後、チャンバー内の処理ガスをパージする。

このプラズマ処理により、Ｓｉ−Ｎを含有する層とされたＳｉ含有導電層３中の過剰な窒素が除去され、Ｓｉ含有導電層３の組成状態が最適化される。
なお、１回目のプラズマ処理において、ソースガスの一部に炭素の化合物ガス（ＣＯ₂，Ｃ_xＨ_y等）を用いた場合には、Ｓｉ−Ｃを含有する層又はＳｉ−Ｎ，Ｓｉ−Ｃを含有する層とされたＳｉ含有導電層３中の過剰な炭素、又は過剰な窒素及び炭素が除去され、組成状態（Ｓｉに対するＣ又はＣ，Ｎの割合）が最適化されることになる。

続いて、図２（ｃ）に示すように、Ｃｕ配線２のＣｕ拡散を防止すべく、第２の絶縁膜４を形成する。
詳細には、例えばＣＶＤ法により、ソースガスとして４ＭＳ又はＴＭＳＡ（エチニルトリメチルシラン：(ＣＨ₃)₃ＳｉＣＣＨ）等を用い、低誘電率絶縁膜であるＳｉＣＯ，ＳｉＣＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＳｉＯＣ，ＢＮ等、好ましくはＳｉＣＯ，ＳｉＣＮ，ＳｉＣ，ＳｉＯＣ，ＢＮ、ここではＳｉＣＯを例えば膜厚５ｎｍ〜７０ｎｍ程度、好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度に堆積する。これにより、Ｓｉ含有導電層３を介してＣｕ配線２を覆うように、第１の絶縁膜１上に第２の絶縁膜４が形成される。

ここで、上述した本実施形態により作製したＣｕ配線において、その電気的信頼性について調べた結果について、図３を用いて説明する。
以下の各実験では、本実施形態により、配線幅を２μｍ程度に作製した上部及び下部のＣｕ配線を、０．０９ｎｍ程度の径に形成したビア部で接続してなる配線構造を対象とする。

実験（１）
Ｃｕ配線の上面に形成されたＳｉ含有導電層に対して、ソースガスとしてＮＨ₃ガスを用いた１回目のプラズマ処理と、ソースガスとしてＨ₂ガスを用いた２回目のプラズマ処理とを順次施し、各プラズマ処理後におけるビア不良発生率（via fail rate：配線抵抗値に２０％の変動が確認された配線の割合）について調べた。ここで、対照実験として、当該プラズマ処理を施さないＣｕ配線（対照サンプル：図３中ではRefと記す。）の不良発生率についても調べた。

その結果、図３（ａ）に示すように、対照サンプルでは１１％程度のビア不良発生率が確認された。これに対して、１回目のプラズマ処理後ではビア不良発生率は２．５％程度となり、２回目のプラズマ処理後ではビア不良発生率は１％以下まで低減することが確認された。

実験（２）
Ｃｕ配線の上面に形成されたＳｉ含有導電層に対して、ソースガスとしてＮＨ₃ガスを用いた１回目のプラズマ処理と、ソースガスとしてＨ₂ガスを用いた２回目のプラズマ処理とを順次施し、各プラズマ処理後におけるビア抵抗値変動率（via resistance shift：）と正規確率（normal probability）との関係について調べた。ここで、対照実験として、当該プラズマ処理を施さないＣｕ配線（対照サンプル）についても調べた。

その結果、図３（ｂ）に示すように、対照サンプルでは、４０％程度のビア抵抗値変動率が確認された。これに対して、２回目のプラズマ処理後に、ビア抵抗値変動率は１０％以下まで低減することが確認された。

以上から、本実施形態によるＣｕ配線の形成方法によれば、ストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーションが大幅に改善され、Ｃｕ配線における電気的信頼性の向上が確認された。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態によるＣｕ配線の形成方法を適用した半導体装置の製造方法を開示する。本実施形態では、半導体装置としてＭＯＳトランジスタを例示する。なお本発明は、ＭＯＳトランジスタ以外の半導体装置、例えば各種不揮発性半導体メモリやキャパシタ構造を有する半導体メモリ等、種々の半導体装置に適用することができる。
図４及び図５は、本実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

先ず、図４（ａ）に示すように、素子分離構造２２を形成する。
詳細には、シリコン基板２１の表層に例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により素子分離構造２２を形成する。この素子分離構造２２により、シリコン基板２１で素子活性領域が確定される。

続いて、図４（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜２３、ゲート電極２４及びキャップ膜２５を形成する。
詳細には、素子活性領域に例えば熱酸化法により膜厚３．０ｎｍ程度の薄いゲート絶縁膜２３を形成し、ゲート絶縁膜２３上に例えばＣＶＤ法により膜厚１８０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜及び膜厚２９ｎｍ程度の例えばシリコン窒化膜を堆積する。そして、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜、及びゲート絶縁膜２３をリソグラフィー及びドライエッチングにより電極形状に加工することにより、素子活性領域においてゲート絶縁膜２３上にゲート電極２４を形成する。このとき同時に、各ゲート電極２４上にはシリコン窒化膜からなるキャップ膜２５が形成される。

続いて、図４（ｃ）に示すように、ＬＤＤ領域２６、サイドウォール絶縁膜２７、及びソース／ドレイン領域２８を順次形成する。

次に、全面に例えばシリコン酸化膜を例えばＣＶＤ法により堆積し、このシリコン酸化膜をいわゆるエッチバックすることにより、素子活性領域におけるゲート電極２４及びキャップ膜２５の側面のみにシリコン酸化膜を残して、サイドウォール絶縁膜２７を形成する。

次に、キャップ膜２５及びサイドウォール絶縁膜２７をマスクとして、素子活性領域に不純物をイオン注入し、ＬＤＤ領域２６と重畳されるソース／ドレイン領域２８を形成する。
このとき、半導体素子として、シリコン基板２１上でゲート絶縁膜１３を介して形成されたゲート電極２４と、その両側に形成された一対のＬＤＤ領域２６及びソース／ドレイン領域２８とを有するトランジスタ構造２０が完成する。

続いて、図４（ｄ）に示すように、層間絶縁膜２９を形成する。
詳細には、トランジスタ構造２０を覆うように、例えばＣＶＤ法により例えばＳｉＮを膜厚５０ｎｍ程度に堆積し、層間絶縁膜２９を形成する。

続いて、図５（ａ）に示すように、ゲート電極２４及びソース／ドレイン領域２８とそれぞれ接続される導電プラグ３１を形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜２９及びキャップ膜２５に、ゲート電極２４の表面の一部を露出させるコンタクト孔３１ａを形成するとともに、層間絶縁膜２９にソース／ドレイン領域２８の表面の一部を露出させるコンタクト孔３１ｂを形成する。
次に、コンタクト孔３１ａ，３１ｂの内壁面を覆うように、層間絶縁膜２９上に不図示のバリアメタル膜を形成した後、このバリアメタル膜を介してコンタクト孔３１ａ，３１ｂを埋め込むように、導電材料、例えばＷを例えばＣＶＤ法により堆積する。
そして、層間絶縁膜２９の表面が露出するまでＷ及びバリアメタル膜をＣＭＰ法により研磨平坦化し、コンタクト孔３１ａ，３１ｂ内をバリアメタル膜を介して充填する導電プラグ３１を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態で説明したＣｕ配線２を形成する。
詳細には、先ず、導電プラグ３１を覆うように、層間絶縁膜２９上に第１の絶縁膜１を形成する。
次に、各導電プラグ３１の表面を露出するように配線溝１１を形成し、バリアメタル膜１２を形成した後、メッキ法及びＣＭＰ法等を実行して、第１の絶縁膜１の配線溝１１をバリアメタル膜１２を介してメッキ金属１３で充填し、導電プラグ３１と電気的に接続されてなるＣｕ配線２を形成する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、第１の実施形態で説明した図１（ｂ）〜図２（ｃ）の各工程を経て、Ｃｕ配線２の表面に最適化されたＳｉ含有導電層３が形成され、このＳｉ含有導電層３を介してＣｕ配線２を覆う第２の絶縁膜４が形成される。

しかる後、更なる層間絶縁膜の形成、上層のＣｕ配線の形成等を経て、本実施形態によるＭＯＳトランジスタを完成させる。

本実施形態によれば、第１の実施形態によるＣｕ配線の形成方法を、ＭＯＳトランジスタの製造方法に適用することにより、電気的信頼性に優れたＭＯＳトランジスタを実現することが可能となる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）基板上に形成された第１の絶縁膜に、溝を形成する工程と、
前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、
露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、
前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と
を含み、
前記シリコン含有導電層を形成する工程は、
前記配線の前記上面を還元する工程と、
前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、
前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成を制御する工程と
を有することを特徴とする配線の形成方法。

（付記２）前記各プラズマ処理を、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとして用いて行うことを特徴とする付記１に記載の配線の形成方法。

（付記３）前記各プラズマ処理を、５０Ｗ以上１５００Ｗ以下の高周波パワーのみで、又は５０Ｗ以上１５００Ｗ以下の高周波パワーと０Ｗ以上５００Ｗ以下の低周波パワーとを組み合わせて行うことを特徴とする付記１又は２に記載の配線の形成方法。

（付記４）前記各プラズマ処理を、３秒間以上６０秒間以下の処理時間で行うことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の配線の形成方法。

（付記５）前記各プラズマ処理を、６．７×１０Ｐａ以上６．７×１０³Ｐａ以下の処理圧力で行うことを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の配線の形成方法。

（付記６）前記プラズマ処理は、
ＮＨ₃を含むガスをソースガスとして用いる第１のプラズマ処理と、
Ｈ₂を含むガスをソースガスとして用いる第２のプラズマ処理と
を有することを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の配線の形成方法。

（付記７）半導体基板の上方に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体素子を覆うように、又は前記半導体素子の上方に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、
露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、
前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と
を含み、
前記シリコン含有導電層を形成する工程は、
前記配線の前記上面を還元する工程と、
前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、
前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成を制御する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記８）前記各プラズマ処理を、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとして用いて行うことを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。

（付記９）前記各プラズマ処理を、５０Ｗ以上１５００Ｗ以下の高周波パワーのみで、又は５０Ｗ以上１５００Ｗ以下の高周波パワーと０Ｗ以上５００Ｗ以下の低周波パワーとを組み合わせて行うことを特徴とする付記７又は８に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１０）前記各プラズマ処理を、３秒間以上６０秒間以下の処理時間で行うことを特徴とする付記７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１１）前記各プラズマ処理を、６．７×１０Ｐａ以上６．７×１０³Ｐａ以下の処理圧力で行うことを特徴とする付記７〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１２）前記プラズマ処理は、
ＮＨ₃を含むガスをソースガスとして用いる第１のプラズマ処理と、
Ｈ₂を含むガスをソースガスとして用いる第２のプラズマ処理と
を有することを特徴とする付記７〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

第１の実施形態によるＣｕ配線の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 図１に引き続き、第１の実施形態によるＣｕ配線の形成方法を工程順に示す概略断面図である。 第１の実施形態により作製したＣｕ配線において、その電気的信頼性について調べた結果を示す特性図である。 第２の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図４に引き続き、第２の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

符号の説明

１ 第１の絶縁膜
２ Ｃｕ配線
３ Ｓｉ含有導電層
４ 第２の絶縁膜
１１ 配線溝
１２ バリアメタル膜
１３ メッキ金属
２１ シリコン基板
２２ 素子分離構造
２３ ゲート絶縁膜
２４ ゲート電極
２５ キャップ膜
２６ ＬＤＤ領域
２７ サイドウォール絶縁膜
２８ ソース／ドレイン領域
２９ 層間絶縁膜
３１ 導電プラグ
３１ａ，３１ｂ コンタクト孔

Claims (6)

1. 基板上に形成された第１の絶縁膜に、溝を形成する工程と、
   前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
   前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、
   露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、
   前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と
   を含み、
   前記シリコン含有導電層を形成する工程は、
   前記配線の前記上面を還元する工程と、
   前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、
   前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成を制御する工程と
   を有することを特徴とする配線の形成方法。
2. 前記各プラズマ処理を、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとして用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の配線の形成方法。
3. 前記プラズマ処理は、
   ＮＨ₃を含むガスをソースガスとして用いる第１のプラズマ処理と、
   Ｈ₂を含むガスをソースガスとして用いる第２のプラズマ処理と
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の配線の形成方法。
4. 半導体基板の上方に半導体素子を形成する工程と、
   前記半導体素子を覆うように、又は前記半導体素子の上方に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１の絶縁膜に溝を形成する工程と、
   前記溝内を埋め込むように前記第１の絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
   前記金属膜を平坦化し、前記溝内を前記金属で充填する配線を形成する工程と、
   露出する前記配線の上面にシリコン含有導電層を形成する工程と、
   前記シリコン含有導電層及び前記第１の絶縁膜を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と
   を含み、
   前記シリコン含有導電層を形成する工程は、
   前記配線の前記上面を還元する工程と、
   前記配線の前記上面にシリコン系ガスを晒して前記シリコン含有導電層を形成する工程と、
   前記シリコン含有導電層を複数回プラズマ処理し、前記シリコン含有導電層の組成を制御する工程と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記各プラズマ処理を、Ｎ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｏ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｃ_xＨ_y（ｘ：１以上の自然数、ｙ：２以上の自然数）から選択された１種又は２種以上のガスをソースガスとして用いて行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記プラズマ処理は、
   ＮＨ₃を含むガスをソースガスとして用いる第１のプラズマ処理と、
   Ｈ₂を含むガスをソースガスとして用いる第２のプラズマ処理と
   を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。

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