半導体装置及び半導体装置の製造方法
【目的】、配線層とその下層のプラグ層との配線抵抗を抑えながら下層のプラグの埋め込み性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置は、Ｃｕ配線１０と、Ｃｕ配線１０の下層側でＣｕ配線１０と接触して接続されるＣｕプラグ２０と、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側に配置された、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０と、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内Ｃｕプラグ２０側に選択的に、かつＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に介在するように配置された、ＢＭ膜２４０よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高いＲｕ膜２４２と、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とに配置された、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４と、を備えたことを特徴とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置は、Ｃｕ配線１０と、Ｃｕ配線１０の下層側でＣｕ配線１０と接触して接続されるＣｕプラグ２０と、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側に配置された、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０と、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内Ｃｕプラグ２０側に選択的に、かつＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に介在するように配置された、ＢＭ膜２４０よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高いＲｕ膜２４２と、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とに配置された、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に係り、例えば、銅（Ｃｕ）配線層とプラグ層の構成およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、特に、デュアルダマシン構造と呼ばれる配線形成方法を用いることもできる。かかる方法では、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のヴィアホール（孔）及び上層配線用のトレンチ（配線溝）を形成した後に、ヴィアホールとトレンチに配線材料となるＣｕを同時に埋め込み、さらに、上層の不要なＣｕをＣＭＰにより除去し平坦化することにより埋め込み配線を形成する。また、多層配線の各層だけではなく、デバイス部分と配線層とを接続するコンタクトプラグについてもＣｕを材料として用いることが検討されている。
【０００３】
そして、Ｃｕを配線やプラグの材料として用いる際、多層配線の配線層やヴィアプラグ層やコンタクトプラグ層のいずれの層であっても、層間絶縁膜へのＣｕの拡散を防止するために、Ｃｕ膜と層間絶縁膜との間には、タンタル（Ｔａ）等のバリアメタル膜を形成することが必要となる。
【０００４】
ここで、特に、ヴィアホールやコンタクトホールはその径およびアスペクト比によってはＣｕを埋め込むことが難しい場合があり得る。そのため、Ｃｕを埋め込む開口部の内面はできるだけＣｕに対する濡れ性が高い材料で被覆されていることが望ましい。例えば、ルテニウム（Ｒｕ）等は、バリア性を重視したＴａ等の材料に比べてＣｕに対する濡れ性が高い材料である。しかし、一方で、Ｔａ等のバリアメタル膜やＣｕに対する濡れ性が高い材料膜といったＣｕ以外の膜の割合がトレンチやホール内で大きくなると、それだけ配線抵抗或いはホール抵抗が上昇してしまうといった問題があった。そのため、できるだけＣｕ以外の膜の割合は小さくする方が望ましい。
【０００５】
然るに、デュアルダマシン構造の場合はＣｕのみならず、バリアメタル膜等のＣｕ以外の膜をトレンチとホールに一緒に形成するので、Ｃｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合にはプラグ層だけではなく、上層の配線層にも同様に形成されてしまう。そのため、上層配線側に形成されたＣｕに対する濡れ性が高い材料膜の分だけ配線抵抗が上昇してしまう。
【０００６】
なお従来技術として、下層の配線層上にデュアルダマシン法でヴィアプラグと上層配線を接続する際、ヴィアプラグと下層の配線層との間のバリアメタル膜を除去した構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、かかる文献に記載の場合でもデュアルダマシン法で形成されたヴィアプラグと上層配線との間では同じバリアメタル膜が形成されることになる。よって、仮にＣｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合にはプラグ層だけではなく、上層の配線層にも同様に形成されてしまうことになる。したがって、Ｃｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合、かかる文献に記載の技術を用いても上層の配線層の配線抵抗を上昇させてしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２７３５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、上述したような従来の問題点を克服し、配線層とその下層のプラグ層との配線抵抗を抑えながら下層のプラグ層におけるプラグ材料の埋め込み性を向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様の半導体装置は、導電性材料を用いて形成された配線と、前記配線の下層側で前記配線と接触して接続される、前記導電性材料を用いて形成されたプラグと、前記プラグの少なくとも側面側に配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜と、前記配線と前記プラグとの内前記プラグ側に選択的に、かつ前記プラグと前記第１の膜との間に介在するように配置された、前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜と、前記配線と前記プラグとが接触する箇所を少なくとも除く前記配線の底面側と、前記配線の側面側とに配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部内に導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜を形成する工程と、前記第１の開口部内で前記第１の膜上に前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜を形成する工程と、前記第１の開口部と位置が重なるように前記絶縁膜に第２の開口部を前記第１の開口部の途中まで形成する工程と、少なくとも前記第１の開口部内の側面に連続膜として形成されないように、前記第２の開口部の側面及び底面に前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜を形成する工程と、前記第１と第２の開口部に前記導電性材料を堆積させる工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、配線層とその下層のプラグ層との配線抵抗を抑えながら下層のプラグ層におけるプラグ材料の埋め込み性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図２】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図３】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図４】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図５】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図６】実施の形態１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜の上面の関係を示す図である。
【図７】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図８】実施の形態１におけるスパッタ装置の構成を示す概念図である。
【図９】実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の一例を示す図である。
【図１０】実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の他の一例を示す図である。
【図１１】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図１２】実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図１３】図１２のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１において、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）と、絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）と、ホール形成工程（Ｓ１０６）と、バリアメタル（ＢＭ）膜形成工程（Ｓ１０８）と、ルテニウム（Ｒｕ）膜形成工程（Ｓ１１０）と、保護膜形成工程（Ｓ１１２）と、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜形成工程（Ｓ１１４）と、レジストパターン形成工程（Ｓ１１６）と、ＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）と、保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）と、絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）と、保護膜除去工程（Ｓ１３２）と、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）と、シード膜形成工程（Ｓ１３６）と、めっき及びアニール工程（Ｓ１３８）と、研磨工程（Ｓ１４０）という一連の工程を実施する。
【００１４】
図２は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図２では、図１のエッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）からＢＭ膜形成工程（Ｓ１０８）までを示している。
【００１５】
図２（ａ）において、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板２００上に、化学気相成長（ＣＶＤ）法によってエッチングストッパ膜２１０を例えば２０〜５０ｎｍの膜厚で形成する。エッチングストッパ膜の材料として、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、或いは多孔質ではない炭酸化シリコン（ｄｅｎｓｅＳｉＣＯ）等が好適である。形成方法は、ＣＶＤ法に限るものではなくその他の方法で成膜しても構わない。また、基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。そして、コンタクトプラグ層とその上層配線層を形成する場合には、基板２００上に、デバイス部分等、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有する層が形成されていても構わない。また、多層配線構造におけるヴィアプラグ層とその上層配線層を形成する場合には、基板２００上に、デバイス部分、その他の金属配線またはヴィアプラグ等、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有する層が形成されていても構わない。或いは、その他の層が形成されていても構わない。ここでは、これらデバイス部分や下層配線等の図示は省略している。
【００１６】
図２（ｂ）において、絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）として、エッチングストッパ膜２１０上に、ＣＶＤ法を用いて絶縁膜２２０を例えば２００ｎｍの厚さで形成する。絶縁膜２２０の材料として、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる。絶縁膜２２０として、ＳｉＯ２膜の他に、例えば、低誘電率絶縁材料によるｌｏｗ−ｋ膜を用いても好適である。絶縁膜２２０として、ｌｏｗ−ｋ膜を形成することで、比誘電率ｋが２．５未満の絶縁膜を得ることができる。低誘電率絶縁材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、ＭＳＱの他に、例えば、ポリメチルシロキサン、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。かかる低誘電率絶縁材料を用いた絶縁膜２２０では、比誘電率が２．５未満の低誘電率を得ることができる。形成方法は、ＣＶＤ法や溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いても好適である。絶縁膜２２０は、上述したいずれかの材料による単層膜であっても上述した複数種の材料による積層膜であっても構わない。また、積層膜で形成される際には、最上部に、例えば、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、或いはｄｅｎｓｅＳｉＣＯ等によるキャップ膜が形成されていても好適である。
【００１７】
図２（ｃ）において、ホール形成工程（Ｓ１０６）として、図示しないレジストパターンをマスクとして、露出した絶縁膜２２０を異方性エッチング法によりエッチングすることにより、コンタクトホール或いはヴィアホールとなる開口部１５０を形成する。その際、エッチングストッパ膜２１０をエッチングストッパとしてエッチングする。その後、エッチングストッパ膜２１０をエッチングして、基板２００まで届くように開口部１５０を形成する。異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５０を形成すればよい。
【００１８】
図２（ｄ）において、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１０８）として、エッチングにより形成された開口部１５０内の側面（壁面）上並びに底面上及び絶縁膜２２０表面上にバリアメタル材料を用いたバリアメタル（ＢＭ）膜２４０（第１の膜）を形成する。スパッタ法を用いるスパッタリング装置内でタンタル（Ｔａ）膜を例えば膜厚５ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。バリアメタル材料の堆積方法としては、ＰＶＤ法に限らず、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法やＣＶＤ法などを用いることができる。ＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。ＢＭ膜２４０の材料としては、銅（Ｃｕ）等の導電性材料に対してバリア性を有する材料を用いる。ＢＭ膜２４０の材料としては、Ｔａの他、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）等の金属、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）等に代表されるこれらの金属の窒化物、或いはこれらの金属を含有するその他の材料を単独でまたは積層して用いることができる。
【００１９】
図３は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図３では、図１のＲｕ膜形成工程（Ｓ１１０）からＳＯＧ膜形成工程（Ｓ１１４）までを示している。
【００２０】
図３（ａ）において、Ｒｕ膜形成工程（Ｓ１１０）として、ＢＭ膜２４０が形成された開口部１５０内の側面（壁面）上並びに底面上及び開口部１５０外のＢＭ膜２４０表面上に、ＣＶＤ法を用いて、ＢＭ膜２４０よりもＣｕ等の導電性材料に対して濡れ性或いは密着性が高いＲｕ膜２４２（第２の膜）を例えば膜厚５ｎｍで形成する。ここでは、材料として、Ｒｕを用いているが、これに限るものではなく、ＢＭ膜２４０よりもＣｕ等の導電性材料に対して濡れ性或いは密着性が高い材料であればよい。形成方法は、ＣＶＤ法の他、原子層気相成長法やスパッタ法などを用いても好適である。
【００２１】
図３（ｂ）において、保護膜形成工程（Ｓ１１２）として、開口部１５０全体が埋まるように、Ｒｕ膜２４２が形成された開口部１５０内及び開口部１５０外のＲｕ膜２４２表面上に、保護膜２７０を形成する。保護膜２７０の材料としては、アッシングで除去することが可能なレジスト系材料が好適である。また、開口部１５０内に進入し易くするために粘性の少ないレジスト系材料が好適である。例えば、商品名：ＩＸ３７０Ｇ（ＪＳＲ社製）等を用いることができる。
【００２２】
図３（ｃ）において、ＳＯＧ膜形成工程（Ｓ１１４）として、保護膜２７０上に、ＳＯＧ法によりＳＯＧ膜２７２を例えば４５ｎｍに形成する。ＳＯＧ膜２７２は、後述するように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２にトレンチを形成する際のマスクとなる。ＳＯＧ膜２７２の材料としては、シリコーン骨格を有するものが望ましい。例えば、ジメチルシロキサン、ハイドロジェンシルセスキオキサン等が望ましい。
【００２３】
図４は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図４では、図１のレジストパターン形成工程（Ｓ１１６）からＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）までを示している。
【００２４】
図４（ａ）において、レジストパターン形成工程（Ｓ１１６）として、ＳＯＧ膜２７２上にレジスト材を塗布した後、図示しない露光及び現像工程等を経て、開口部１５０と重なる位置にトレンチパターンとなるレジストパターン２７４を形成する。
【００２５】
図４（ｂ）において、ＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）として、レジストパターンをマスクとして、露出したＳＯＧ膜２７２をエッチングする。
【００２６】
図５は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図５では、図１の保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）から絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）までを示している。
【００２７】
図５（ａ）において、保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）として、レジストパターン２７４とＳＯＧ膜２７２をマスクとして、露出した保護膜２７０をエッチング（エッチバック）する。その際、開口部１５０内の保護膜２７０が開口部１５０底部に残るようにエッチングする。開口部１５０内に残る保護膜２７０は、後に絶縁膜２２０に形成されるトレンチの深さｄ１よりも深い寸法ｄ２になるように形成する。また、レジストパターン２７４は、保護膜２７０をエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、レジストパターン２７４を除去する工程を省くことができる。
【００２８】
図５（ｂ）において、絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）として、レジストパターン２７４が除去されて表面が露出したＳＯＧ膜２７２及びＳＯＧ膜２７２下の保護膜２７０をマスクとして、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を開口部１５０の途中まで一緒にエッチングする。これにより、上層配線とプラグとのうちプラグ側だけに選択的にＲｕ膜２４２を配置させることができる。上層配線用のＢＭ膜は、後述する工程で別途形成される。ここでは、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にトレンチ（配線溝）となる開口部１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５２を形成すればよい。これにより、トレンチとなる開口部１５２が開口部１５０と位置が重なるように開口部１５０上に形成される。図５（ｂ）において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示されている。開口部１５０の底部に保護膜２７０を残しておいたので、かかる底部の保護膜２７０がエッチングの際に開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜となり、開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がエッチングされることを防止できる。また、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法で残していたので、トレンチ形成の際に不要となるトレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜としては作用せず、トレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を除去することができる。ここでは異方性エッチング法により下方に向かって除去するので、トレンチ深さｄ１よりも深い位置での開口部１５０の側面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は残すことができる。また、ＳＯＧ膜２７２は、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を同時にエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、ＳＯＧ膜２７２を除去する工程を省くことができる。
【００２９】
また、エッチングガスとしては、Ｃｌ２系ガスを用いることができる。ここで、同時にＲｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０をエッチングする際、エッチングレートがすべて略同一となるように調整されることが望ましいが、多少ずれてしまい段差が生じてしまうこともあり得る。このような条件最適化が困難な場合は、絶縁膜２２０についてはＣＦ４系ガス若しくはＣ４Ｆ８系ガス、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０に対してはＨＢｒ系ガスを添加する等して、各膜の高さを微調整しても好適である。
【００３０】
ここで、開口部１５０の上端部（肩部）のＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は、エッチング時に、幅及び膜厚が上部から少しずつ薄くなるファセットが生じてしまう場合もあり得る。これにより上端部（肩部）のＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がテーパー状に形成され得る。しかし、Ｃｕの埋め込み性の観点からは、開口部１５０の上端部までできるだけＲｕ膜２４２が残るように加工すると好適である。
【００３１】
図６は、実施の形態１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜の上面の関係を示す図である。図６（ａ）に示すように、できるだけエッチング後の開口部１５２の底部に該当する絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２の上面は同一高さとなることが望ましい。或いは、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０、Ｒｕ膜２４２の順に高さが低くなるようにしても好適である。これらにより、上層配線用のＢＭ膜２４４を形成する際、成膜漏れを防止することができる。以上のように図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す構造となる方が望ましいが、これらに限るものではなく、図６（ｃ）に示すように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０、Ｒｕ膜２４２の順に高さが高くなるようにしても構わない。かかる段差構造でもＢＭ膜２４０とＲｕ膜２４２の高さが逆転するよりは上層配線用のＢＭ膜２４４を形成する際にＢＭ膜２４４の成膜漏れを防止することができる。
【００３２】
図７は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図７では、図１の保護膜除去工程（Ｓ１３２）からシード膜形成工程（Ｓ１３６）までを示している。
【００３３】
図７（ａ）において、保護膜除去工程（Ｓ１３２）として、アッシングにより基板２００表面の保護膜２７０と開口部１５０の底部に残った保護膜２７０を同時に除去する。
【００３４】
図７（ｂ）において、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）として、少なくとも開口部１５０内の側面（壁面）に連続膜として形成されないように、開口部１５２の側面（壁面）及び底面にＣｕ等の導電性材料に対してバリア性を有するＢＭ膜２４４（第３の膜）を例えば５ｎｍの膜厚で形成する。ここでは上層配線用のバリアメタル膜を形成する。このように、ＢＭ膜２４４は、ＢＭ膜２４０とは別に形成される。
【００３５】
上述したようにコンタクトホール中或いはヴィアホール中にＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０が成膜され、また上層配線用のトレンチ（配線溝）が形成された状態にて、上層配線用のＢＭ膜２４４を成膜する。ＢＭ膜２４４の材料は、ＢＭ膜２４０と同様に一般的に高融点金属膜が使用されるが、まったく同じバリアメタル構造および膜厚を選択する必要はない。Ｃｕ等の導電性材料に対してバリア性を有していれば、その他は上層配線部のＣｕ埋め込み性及び配線抵抗上昇に問題が生じないよう適宜選択すればよい。ここでは、ＢＭ膜２４４の材料として、例えば、Ｔａを用いる。ＢＭ膜２４４の材料としては、Ｔａの他、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｎｂ等の金属、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ等に代表されるこれらの金属の窒化物、或いはこれらの金属を含有するその他の材料を単独でまたは積層して用いることができる。
【００３６】
また、上層配線用バリアメタルが下層の開口部１５０（ホール）側壁および底部に成膜されるとホール抵抗が上昇してしまうばかりか、Ｃｕ埋め込み性向上を狙ったＲｕ膜２４２が表面に露出しない問題が発生してしまう。そのため、開口部１５２の側壁および底面にＢＭ膜２４４が連続膜として形成される条件であって、開口部１５０内へはＢＭ膜２４４ができるだけ進入しないように開口部１５０内でのカバレッジが悪くなる条件で成膜する。
【００３７】
図８は、実施の形態１におけるスパッタ装置の構成を示す概念図である。チャンバ５０内には、基板３００が配置されるステージ５２とステージ５２に対向する位置にターゲット５４が配置される。基板３００には、図７（ａ）で示した状態までの工程が済んだものを用いる。そして、基板３００がステージ５２に配置され、ガス導入口６２からチャンバ５０内にアルゴン（Ａｒ）を例えば１．３４×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓ（８ｓｃｃｍ）供給する。また、排気口６４から真空ポンプ６６による排気によりチャンバ５０内圧力を例えば５．３×１０−２Ｐａ（０．４ｍｍＴｏｒｒ）に設定する。そして、ターゲット５４に例えばＤＣ１５Ｖの負電圧を印加し、基板３００側に高周波交流電源５８から高周波を印加し、チャンバ５０上部からマグネット６０により磁界を発生させることで、スパッタ法によりＢＭ膜２４４を成膜する。その際、基板バイアス無しの条件にする。
【００３８】
図９は、実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の一例を示す図である。上術したように、基板バイアス無しの条件にすることによりホールとなる開口部１５０の側壁にはＢＭ粒子３０が点在するようになり連続膜として存在しなくできる。これにより、開口部１５０の底部にはＢＭ粒子３２が連続膜として形成されてしまう場合があり得るが、少なくとも開口部１５０の側壁にはＲｕ膜２４２を表面に露出させることができ、Ｃｕ埋め込み性を向上させることができる。また、少なくとも開口部１５０の側壁にはＢＭ膜２４４が実質的に形成されないのでホール抵抗の上昇も抑えることができる。また、上層配線側の開口部１５２の側面（壁面）及び底面にはＢＭ膜２４４が連続膜として形成される。ここで連続膜として存在しない状態とは、複数の粒子がつながっている場合でも形成される面に実質的に膜として存在しない状態であればよい。
【００３９】
図１０は、実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の他の一例を示す図である。上述したスパッタ条件について、さらに、成膜時のチャンバ５０内圧力を上げることにより、スパッタ成分の直進性が少なくなりホール底部でも連続膜として存在しないようにできる。例えば、５．３×１０−２Ｐａ（０．４ｍｍＴｏｒｒ）を約３倍となる１．３３×１０−１Ｐａ（１ｍｍＴｏｒｒ）以上にすることで図１０に示すように開口部１５０の底部でも側壁と同様、ＢＭ粒子３４が点在するようになり連続膜として存在しなくできる。これにより、開口部１５０の側壁と底面の両方共にＲｕ膜２４２を表面に露出させることができ、Ｃｕ埋め込み性を向上させることができる。また、少なくとも開口部１５０内にはＢＭ膜２４４が実質的に形成されないのでホール抵抗の上昇も抑えることができる。
【００４０】
実施の形態１におけるＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）では、例えば、ホール径が１００ｎｍ以下、かつアスペクト比（Ａ／Ｒ）が２．５以上の場合に特に好適である。ここでのＡ／Ｒはホール及びトレンチを含む高さをホール径で割った値を示す。ホール径とはそのホール底部の径を指すものとする。
【００４１】
図７（ｃ）において、シード膜形成工程（Ｓ１３６）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０として開口部１５０内の側面（内壁）並びに底面、開口部１５２内の側面（内壁）並びに底面、及びＢＭ膜２４４が形成された基板２００表面に堆積（形成）させる。
【００４２】
図１１は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図１１では、図１のめっき及びアニール工程（Ｓ１３８）から研磨工程（Ｓ１４０）までを示している。
【００４３】
図１１（ａ）において、めっき及びアニール工程（Ｓ１３８）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法により導電性材料の一例となるＣｕ膜２６０をシード膜２５０が形成された開口部１５０、開口部１５２及び基板２００表面に堆積させる。このように、デュアルダマシン法によりホールとその上層のトレンチを同時に埋め込む。ここでは、例えば、膜厚４００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。
【００４４】
図１１（ｂ）において、研磨工程（Ｓ１４０）として、ＣＭＰ法によって、基板２００の表面を研磨して、開口部１５０，１５２以外に表面に堆積した配線層となるシード膜２５０を含むＣｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０，２４４及びＲｕ膜２４２を研磨除去する。その結果、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜２６０の表面と絶縁膜２２０の表面とが同一面となるように平坦化される。以上により、Ｃｕ配線１０と間にＢＭ膜を介さずにＣｕ配線１０と直接接触して接続される下層側のＣｕプラグ２０とを形成することができる。そして、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側には、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０が配置される。また、Ｒｕ膜２４２がＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に配置される。ここで、ＢＭ膜２４０よりＣｕに対し濡れ性が高いＲｕ膜２４２は、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内、Ｃｕプラグ２０側に選択的に配置される。そして、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とには、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４が配置される。
【００４５】
以上のように、実施の形態１では、プラグ層ではホール内にＢＭ膜２４０とＣｕに対する濡れ性が高いＲｕ膜２４２とをＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層ではトレンチ内にＲｕ膜２４２無しにＢＭ膜２４４をＣｕ以外の膜として形成することが可能となる。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。さらに、デュアルダマシン法を用いることで、Ｃｕ配線１０と下層側のＣｕプラグ２０との間にはバリアメタル膜が介在しないのでその分だけ配線抵抗或いはホール抵抗を小さくすることができる。
【００４６】
すなわち、配線層とその下層のプラグ層とを別々に形成するシングルダマシン法を用いても、プラグ層にだけＴａ等のバリアメタル膜とＣｕに対する濡れ性が高い材料膜をＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層にはＴａ等のバリアメタル膜だけをＣｕ以外の膜として形成することは可能である。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。しかしながら、かかる方法では、Ｃｕ配線の底面全体にＴａ等のバリアメタル膜が形成されるので、Ｃｕ配線と下層側のプラグとの間にバリアメタル膜が介在することになってしまう。よって、バリアメタル膜が介在する分だけ配線抵抗或いはホール抵抗が上昇してしまう。
【００４７】
これに対し実施の形態１においては、デュアルダマシン法を用いることでＣｕ配線と下層側のプラグとの間にバリアメタル膜を介在させることなく、埋め込むことが比較的易しいトレンチにはＣｕに対する濡れ性が高い材料を形成せず、埋め込むことが比較的難しいホールの内面にだけＣｕに対する濡れ性が高い材料膜が形成することが可能となる。
【００４８】
実施の形態２．
実施の形態１では、トレンチを形成する際、絶縁膜２２０とＢＭ膜２４０とＲｕ膜２４２とを同時にエッチングしたが、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを同時に行なうことが難しい場合、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを分けた２段ステップにより加工しても好適である。実施の形態２では、２段ステップにより加工する場合について説明する。
【００４９】
図１２は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１２において、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、図１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）の代わりに、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）と絶縁膜エッチング工程（Ｓ１２８）とを追加した点以外は、図１と同様である。よって、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）から保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。よって、図５（ａ）の状態以降について説明する。
【００５０】
図１３は、図１２のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図１３では、図１２のＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）を示している。
【００５１】
図１３において、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）として、レジストパターン２７４が除去されて表面が露出したＳＯＧ膜２７２をマスクとして、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を開口部１５０の途中まで一緒にエッチングする。これにより、上層配線とプラグとのうちプラグ側だけに選択的にＲｕ膜２４２を配置させることができる。上層配線用のＢＭ膜は、後述する工程で別途形成される点は実施の形態１と同様である。ここでは、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にエッチングすることができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いればよい。エッチングガスとしては、ＨＢｒ系ガス或いは、ＨＢｒ系ガスとＣｌ２系ガスとの混合ガスを用いることができる。
【００５２】
図１３において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示すトレンチの深さに合わせればよい。開口部１５０の底部に保護膜２７０を残しておいたので、開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がエッチングされることを防止することができる点は実施の形態１と同様である。また、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法に残してあるので、トレンチ形成の際に不要となるトレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜としては作用せず、トレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を除去することができる。ここでは異方性エッチング法により下方に向かって除去するので、トレンチ深さｄ１よりも深い位置での開口部１５０の側面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は残すことができる。
【００５３】
また、実施の形態１では、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法に残したが、実施の形態２では、トレンチ深さｄ１に残すようにしても構わない。特に、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチング制御が難しい場合には、これにより保護膜２７０をエッチングストッパとして作用させることもできる。
【００５４】
そして、絶縁膜エッチング工程（Ｓ１２８）として、表面が露出しているＳＯＧ膜２７２及びＳＯＧ膜２７２下の保護膜２７０をマスクとして、図５（ｂ）に示したように、絶縁膜２２０を開口部１５０の途中までエッチングする。ここでは、絶縁膜２２０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にトレンチ（配線溝）となる開口部１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５２を形成すればよい。これにより、トレンチとなる開口部１５２が開口部１５０と位置が重なるように開口部１５０上に形成される。図５（ｂ）において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示している。また、ＳＯＧ膜２７２は、絶縁膜２２０をエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、ＳＯＧ膜２７２を除去する工程を省くことができる。エッチングガスとしては、ＣＦ４系ガス若しくはＣ４Ｆ８系ガス等のフルオロカーボン系のガスを用いることができる。
【００５５】
そして、以下のＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）から研磨工程（Ｓ１４０）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。よって、研磨工程（Ｓ１４０）後は、図１１（ｂ）に示したように、Ｃｕ膜２６０の表面と絶縁膜２２０の表面とが同一面となるように平坦化される。以上により、Ｃｕ配線１０と間にＢＭ膜を介さずにＣｕ配線１０と直接接触して接続される下層側のＣｕプラグ２０とを形成することができる。そして、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側には、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０が配置される。また、Ｒｕ膜２４２がＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に配置される。ここで、ＢＭ膜２４０よりＣｕに対し濡れ性が高いＲｕ膜２４２は、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内、Ｃｕプラグ２０側に選択的に配置される。そして、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とには、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４が配置される。
【００５６】
以上のようにトレンチ形成の際、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを分けた２段ステップにより加工することで、エッチング制御を容易にすることができる。また、実施の形態２の方法で加工しても、実施の形態１と同様、プラグ層にだけＢＭ膜２４０とＣｕに対する濡れ性が高いＲｕ膜２４２をＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層にはＢＭ膜２４４だけをＣｕ以外の膜として形成することが可能となる。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。さらに、デュアルダマシン法を用いることで、Ｃｕ配線１０と下層側のＣｕプラグ２０との間にはバリアメタル膜が介在しないのでその分だけ配線抵抗或いはホール抵抗を小さくすることができる。
【００５７】
以上の説明において、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００５９】
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
【００６０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００６１】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１０ Ｃｕ配線、２０ Ｃｕプラグ、３０，３２，３４ ＢＭ粒子、１５０，１５２ 開口部、２００ 基板、２２０ 絶縁膜、２４０，２４４ ＢＭ膜、２４２ Ｒｕ膜、２６０ Ｃｕ膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に係り、例えば、銅（Ｃｕ）配線層とプラグ層の構成およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、特に、デュアルダマシン構造と呼ばれる配線形成方法を用いることもできる。かかる方法では、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のヴィアホール（孔）及び上層配線用のトレンチ（配線溝）を形成した後に、ヴィアホールとトレンチに配線材料となるＣｕを同時に埋め込み、さらに、上層の不要なＣｕをＣＭＰにより除去し平坦化することにより埋め込み配線を形成する。また、多層配線の各層だけではなく、デバイス部分と配線層とを接続するコンタクトプラグについてもＣｕを材料として用いることが検討されている。
【０００３】
そして、Ｃｕを配線やプラグの材料として用いる際、多層配線の配線層やヴィアプラグ層やコンタクトプラグ層のいずれの層であっても、層間絶縁膜へのＣｕの拡散を防止するために、Ｃｕ膜と層間絶縁膜との間には、タンタル（Ｔａ）等のバリアメタル膜を形成することが必要となる。
【０００４】
ここで、特に、ヴィアホールやコンタクトホールはその径およびアスペクト比によってはＣｕを埋め込むことが難しい場合があり得る。そのため、Ｃｕを埋め込む開口部の内面はできるだけＣｕに対する濡れ性が高い材料で被覆されていることが望ましい。例えば、ルテニウム（Ｒｕ）等は、バリア性を重視したＴａ等の材料に比べてＣｕに対する濡れ性が高い材料である。しかし、一方で、Ｔａ等のバリアメタル膜やＣｕに対する濡れ性が高い材料膜といったＣｕ以外の膜の割合がトレンチやホール内で大きくなると、それだけ配線抵抗或いはホール抵抗が上昇してしまうといった問題があった。そのため、できるだけＣｕ以外の膜の割合は小さくする方が望ましい。
【０００５】
然るに、デュアルダマシン構造の場合はＣｕのみならず、バリアメタル膜等のＣｕ以外の膜をトレンチとホールに一緒に形成するので、Ｃｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合にはプラグ層だけではなく、上層の配線層にも同様に形成されてしまう。そのため、上層配線側に形成されたＣｕに対する濡れ性が高い材料膜の分だけ配線抵抗が上昇してしまう。
【０００６】
なお従来技術として、下層の配線層上にデュアルダマシン法でヴィアプラグと上層配線を接続する際、ヴィアプラグと下層の配線層との間のバリアメタル膜を除去した構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、かかる文献に記載の場合でもデュアルダマシン法で形成されたヴィアプラグと上層配線との間では同じバリアメタル膜が形成されることになる。よって、仮にＣｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合にはプラグ層だけではなく、上層の配線層にも同様に形成されてしまうことになる。したがって、Ｃｕに対する濡れ性が高い材料膜を形成する場合、かかる文献に記載の技術を用いても上層の配線層の配線抵抗を上昇させてしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２７３５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、上述したような従来の問題点を克服し、配線層とその下層のプラグ層との配線抵抗を抑えながら下層のプラグ層におけるプラグ材料の埋め込み性を向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様の半導体装置は、導電性材料を用いて形成された配線と、前記配線の下層側で前記配線と接触して接続される、前記導電性材料を用いて形成されたプラグと、前記プラグの少なくとも側面側に配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜と、前記配線と前記プラグとの内前記プラグ側に選択的に、かつ前記プラグと前記第１の膜との間に介在するように配置された、前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜と、前記配線と前記プラグとが接触する箇所を少なくとも除く前記配線の底面側と、前記配線の側面側とに配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部内に導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜を形成する工程と、前記第１の開口部内で前記第１の膜上に前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜を形成する工程と、前記第１の開口部と位置が重なるように前記絶縁膜に第２の開口部を前記第１の開口部の途中まで形成する工程と、少なくとも前記第１の開口部内の側面に連続膜として形成されないように、前記第２の開口部の側面及び底面に前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜を形成する工程と、前記第１と第２の開口部に前記導電性材料を堆積させる工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、配線層とその下層のプラグ層との配線抵抗を抑えながら下層のプラグ層におけるプラグ材料の埋め込み性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図２】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図３】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図４】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図５】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図６】実施の形態１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜の上面の関係を示す図である。
【図７】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図８】実施の形態１におけるスパッタ装置の構成を示す概念図である。
【図９】実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の一例を示す図である。
【図１０】実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の他の一例を示す図である。
【図１１】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図１２】実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図１３】図１２のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１において、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）と、絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）と、ホール形成工程（Ｓ１０６）と、バリアメタル（ＢＭ）膜形成工程（Ｓ１０８）と、ルテニウム（Ｒｕ）膜形成工程（Ｓ１１０）と、保護膜形成工程（Ｓ１１２）と、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜形成工程（Ｓ１１４）と、レジストパターン形成工程（Ｓ１１６）と、ＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）と、保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）と、絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）と、保護膜除去工程（Ｓ１３２）と、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）と、シード膜形成工程（Ｓ１３６）と、めっき及びアニール工程（Ｓ１３８）と、研磨工程（Ｓ１４０）という一連の工程を実施する。
【００１４】
図２は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図２では、図１のエッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）からＢＭ膜形成工程（Ｓ１０８）までを示している。
【００１５】
図２（ａ）において、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板２００上に、化学気相成長（ＣＶＤ）法によってエッチングストッパ膜２１０を例えば２０〜５０ｎｍの膜厚で形成する。エッチングストッパ膜の材料として、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、或いは多孔質ではない炭酸化シリコン（ｄｅｎｓｅＳｉＣＯ）等が好適である。形成方法は、ＣＶＤ法に限るものではなくその他の方法で成膜しても構わない。また、基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。そして、コンタクトプラグ層とその上層配線層を形成する場合には、基板２００上に、デバイス部分等、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有する層が形成されていても構わない。また、多層配線構造におけるヴィアプラグ層とその上層配線層を形成する場合には、基板２００上に、デバイス部分、その他の金属配線またはヴィアプラグ等、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有する層が形成されていても構わない。或いは、その他の層が形成されていても構わない。ここでは、これらデバイス部分や下層配線等の図示は省略している。
【００１６】
図２（ｂ）において、絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）として、エッチングストッパ膜２１０上に、ＣＶＤ法を用いて絶縁膜２２０を例えば２００ｎｍの厚さで形成する。絶縁膜２２０の材料として、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる。絶縁膜２２０として、ＳｉＯ２膜の他に、例えば、低誘電率絶縁材料によるｌｏｗ−ｋ膜を用いても好適である。絶縁膜２２０として、ｌｏｗ−ｋ膜を形成することで、比誘電率ｋが２．５未満の絶縁膜を得ることができる。低誘電率絶縁材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、ＭＳＱの他に、例えば、ポリメチルシロキサン、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。かかる低誘電率絶縁材料を用いた絶縁膜２２０では、比誘電率が２．５未満の低誘電率を得ることができる。形成方法は、ＣＶＤ法や溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いても好適である。絶縁膜２２０は、上述したいずれかの材料による単層膜であっても上述した複数種の材料による積層膜であっても構わない。また、積層膜で形成される際には、最上部に、例えば、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、或いはｄｅｎｓｅＳｉＣＯ等によるキャップ膜が形成されていても好適である。
【００１７】
図２（ｃ）において、ホール形成工程（Ｓ１０６）として、図示しないレジストパターンをマスクとして、露出した絶縁膜２２０を異方性エッチング法によりエッチングすることにより、コンタクトホール或いはヴィアホールとなる開口部１５０を形成する。その際、エッチングストッパ膜２１０をエッチングストッパとしてエッチングする。その後、エッチングストッパ膜２１０をエッチングして、基板２００まで届くように開口部１５０を形成する。異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５０を形成すればよい。
【００１８】
図２（ｄ）において、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１０８）として、エッチングにより形成された開口部１５０内の側面（壁面）上並びに底面上及び絶縁膜２２０表面上にバリアメタル材料を用いたバリアメタル（ＢＭ）膜２４０（第１の膜）を形成する。スパッタ法を用いるスパッタリング装置内でタンタル（Ｔａ）膜を例えば膜厚５ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。バリアメタル材料の堆積方法としては、ＰＶＤ法に限らず、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法やＣＶＤ法などを用いることができる。ＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。ＢＭ膜２４０の材料としては、銅（Ｃｕ）等の導電性材料に対してバリア性を有する材料を用いる。ＢＭ膜２４０の材料としては、Ｔａの他、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）等の金属、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）等に代表されるこれらの金属の窒化物、或いはこれらの金属を含有するその他の材料を単独でまたは積層して用いることができる。
【００１９】
図３は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図３では、図１のＲｕ膜形成工程（Ｓ１１０）からＳＯＧ膜形成工程（Ｓ１１４）までを示している。
【００２０】
図３（ａ）において、Ｒｕ膜形成工程（Ｓ１１０）として、ＢＭ膜２４０が形成された開口部１５０内の側面（壁面）上並びに底面上及び開口部１５０外のＢＭ膜２４０表面上に、ＣＶＤ法を用いて、ＢＭ膜２４０よりもＣｕ等の導電性材料に対して濡れ性或いは密着性が高いＲｕ膜２４２（第２の膜）を例えば膜厚５ｎｍで形成する。ここでは、材料として、Ｒｕを用いているが、これに限るものではなく、ＢＭ膜２４０よりもＣｕ等の導電性材料に対して濡れ性或いは密着性が高い材料であればよい。形成方法は、ＣＶＤ法の他、原子層気相成長法やスパッタ法などを用いても好適である。
【００２１】
図３（ｂ）において、保護膜形成工程（Ｓ１１２）として、開口部１５０全体が埋まるように、Ｒｕ膜２４２が形成された開口部１５０内及び開口部１５０外のＲｕ膜２４２表面上に、保護膜２７０を形成する。保護膜２７０の材料としては、アッシングで除去することが可能なレジスト系材料が好適である。また、開口部１５０内に進入し易くするために粘性の少ないレジスト系材料が好適である。例えば、商品名：ＩＸ３７０Ｇ（ＪＳＲ社製）等を用いることができる。
【００２２】
図３（ｃ）において、ＳＯＧ膜形成工程（Ｓ１１４）として、保護膜２７０上に、ＳＯＧ法によりＳＯＧ膜２７２を例えば４５ｎｍに形成する。ＳＯＧ膜２７２は、後述するように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２にトレンチを形成する際のマスクとなる。ＳＯＧ膜２７２の材料としては、シリコーン骨格を有するものが望ましい。例えば、ジメチルシロキサン、ハイドロジェンシルセスキオキサン等が望ましい。
【００２３】
図４は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図４では、図１のレジストパターン形成工程（Ｓ１１６）からＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）までを示している。
【００２４】
図４（ａ）において、レジストパターン形成工程（Ｓ１１６）として、ＳＯＧ膜２７２上にレジスト材を塗布した後、図示しない露光及び現像工程等を経て、開口部１５０と重なる位置にトレンチパターンとなるレジストパターン２７４を形成する。
【００２５】
図４（ｂ）において、ＳＯＧ膜エッチング工程（Ｓ１２０）として、レジストパターンをマスクとして、露出したＳＯＧ膜２７２をエッチングする。
【００２６】
図５は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図５では、図１の保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）から絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）までを示している。
【００２７】
図５（ａ）において、保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）として、レジストパターン２７４とＳＯＧ膜２７２をマスクとして、露出した保護膜２７０をエッチング（エッチバック）する。その際、開口部１５０内の保護膜２７０が開口部１５０底部に残るようにエッチングする。開口部１５０内に残る保護膜２７０は、後に絶縁膜２２０に形成されるトレンチの深さｄ１よりも深い寸法ｄ２になるように形成する。また、レジストパターン２７４は、保護膜２７０をエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、レジストパターン２７４を除去する工程を省くことができる。
【００２８】
図５（ｂ）において、絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）として、レジストパターン２７４が除去されて表面が露出したＳＯＧ膜２７２及びＳＯＧ膜２７２下の保護膜２７０をマスクとして、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を開口部１５０の途中まで一緒にエッチングする。これにより、上層配線とプラグとのうちプラグ側だけに選択的にＲｕ膜２４２を配置させることができる。上層配線用のＢＭ膜は、後述する工程で別途形成される。ここでは、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にトレンチ（配線溝）となる開口部１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５２を形成すればよい。これにより、トレンチとなる開口部１５２が開口部１５０と位置が重なるように開口部１５０上に形成される。図５（ｂ）において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示されている。開口部１５０の底部に保護膜２７０を残しておいたので、かかる底部の保護膜２７０がエッチングの際に開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜となり、開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がエッチングされることを防止できる。また、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法で残していたので、トレンチ形成の際に不要となるトレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜としては作用せず、トレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を除去することができる。ここでは異方性エッチング法により下方に向かって除去するので、トレンチ深さｄ１よりも深い位置での開口部１５０の側面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は残すことができる。また、ＳＯＧ膜２７２は、Ｒｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０を同時にエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、ＳＯＧ膜２７２を除去する工程を省くことができる。
【００２９】
また、エッチングガスとしては、Ｃｌ２系ガスを用いることができる。ここで、同時にＲｕ膜２４２、ＢＭ膜２４０及び絶縁膜２２０をエッチングする際、エッチングレートがすべて略同一となるように調整されることが望ましいが、多少ずれてしまい段差が生じてしまうこともあり得る。このような条件最適化が困難な場合は、絶縁膜２２０についてはＣＦ４系ガス若しくはＣ４Ｆ８系ガス、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０に対してはＨＢｒ系ガスを添加する等して、各膜の高さを微調整しても好適である。
【００３０】
ここで、開口部１５０の上端部（肩部）のＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は、エッチング時に、幅及び膜厚が上部から少しずつ薄くなるファセットが生じてしまう場合もあり得る。これにより上端部（肩部）のＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がテーパー状に形成され得る。しかし、Ｃｕの埋め込み性の観点からは、開口部１５０の上端部までできるだけＲｕ膜２４２が残るように加工すると好適である。
【００３１】
図６は、実施の形態１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜の上面の関係を示す図である。図６（ａ）に示すように、できるだけエッチング後の開口部１５２の底部に該当する絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２の上面は同一高さとなることが望ましい。或いは、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０、Ｒｕ膜２４２の順に高さが低くなるようにしても好適である。これらにより、上層配線用のＢＭ膜２４４を形成する際、成膜漏れを防止することができる。以上のように図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す構造となる方が望ましいが、これらに限るものではなく、図６（ｃ）に示すように、絶縁膜２２０、ＢＭ膜２４０、Ｒｕ膜２４２の順に高さが高くなるようにしても構わない。かかる段差構造でもＢＭ膜２４０とＲｕ膜２４２の高さが逆転するよりは上層配線用のＢＭ膜２４４を形成する際にＢＭ膜２４４の成膜漏れを防止することができる。
【００３２】
図７は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図７では、図１の保護膜除去工程（Ｓ１３２）からシード膜形成工程（Ｓ１３６）までを示している。
【００３３】
図７（ａ）において、保護膜除去工程（Ｓ１３２）として、アッシングにより基板２００表面の保護膜２７０と開口部１５０の底部に残った保護膜２７０を同時に除去する。
【００３４】
図７（ｂ）において、ＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）として、少なくとも開口部１５０内の側面（壁面）に連続膜として形成されないように、開口部１５２の側面（壁面）及び底面にＣｕ等の導電性材料に対してバリア性を有するＢＭ膜２４４（第３の膜）を例えば５ｎｍの膜厚で形成する。ここでは上層配線用のバリアメタル膜を形成する。このように、ＢＭ膜２４４は、ＢＭ膜２４０とは別に形成される。
【００３５】
上述したようにコンタクトホール中或いはヴィアホール中にＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０が成膜され、また上層配線用のトレンチ（配線溝）が形成された状態にて、上層配線用のＢＭ膜２４４を成膜する。ＢＭ膜２４４の材料は、ＢＭ膜２４０と同様に一般的に高融点金属膜が使用されるが、まったく同じバリアメタル構造および膜厚を選択する必要はない。Ｃｕ等の導電性材料に対してバリア性を有していれば、その他は上層配線部のＣｕ埋め込み性及び配線抵抗上昇に問題が生じないよう適宜選択すればよい。ここでは、ＢＭ膜２４４の材料として、例えば、Ｔａを用いる。ＢＭ膜２４４の材料としては、Ｔａの他、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｎｂ等の金属、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ等に代表されるこれらの金属の窒化物、或いはこれらの金属を含有するその他の材料を単独でまたは積層して用いることができる。
【００３６】
また、上層配線用バリアメタルが下層の開口部１５０（ホール）側壁および底部に成膜されるとホール抵抗が上昇してしまうばかりか、Ｃｕ埋め込み性向上を狙ったＲｕ膜２４２が表面に露出しない問題が発生してしまう。そのため、開口部１５２の側壁および底面にＢＭ膜２４４が連続膜として形成される条件であって、開口部１５０内へはＢＭ膜２４４ができるだけ進入しないように開口部１５０内でのカバレッジが悪くなる条件で成膜する。
【００３７】
図８は、実施の形態１におけるスパッタ装置の構成を示す概念図である。チャンバ５０内には、基板３００が配置されるステージ５２とステージ５２に対向する位置にターゲット５４が配置される。基板３００には、図７（ａ）で示した状態までの工程が済んだものを用いる。そして、基板３００がステージ５２に配置され、ガス導入口６２からチャンバ５０内にアルゴン（Ａｒ）を例えば１．３４×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓ（８ｓｃｃｍ）供給する。また、排気口６４から真空ポンプ６６による排気によりチャンバ５０内圧力を例えば５．３×１０−２Ｐａ（０．４ｍｍＴｏｒｒ）に設定する。そして、ターゲット５４に例えばＤＣ１５Ｖの負電圧を印加し、基板３００側に高周波交流電源５８から高周波を印加し、チャンバ５０上部からマグネット６０により磁界を発生させることで、スパッタ法によりＢＭ膜２４４を成膜する。その際、基板バイアス無しの条件にする。
【００３８】
図９は、実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の一例を示す図である。上術したように、基板バイアス無しの条件にすることによりホールとなる開口部１５０の側壁にはＢＭ粒子３０が点在するようになり連続膜として存在しなくできる。これにより、開口部１５０の底部にはＢＭ粒子３２が連続膜として形成されてしまう場合があり得るが、少なくとも開口部１５０の側壁にはＲｕ膜２４２を表面に露出させることができ、Ｃｕ埋め込み性を向上させることができる。また、少なくとも開口部１５０の側壁にはＢＭ膜２４４が実質的に形成されないのでホール抵抗の上昇も抑えることができる。また、上層配線側の開口部１５２の側面（壁面）及び底面にはＢＭ膜２４４が連続膜として形成される。ここで連続膜として存在しない状態とは、複数の粒子がつながっている場合でも形成される面に実質的に膜として存在しない状態であればよい。
【００３９】
図１０は、実施の形態１における基板バイアス無しでＢＭ膜を成膜した場合の成膜状況の他の一例を示す図である。上述したスパッタ条件について、さらに、成膜時のチャンバ５０内圧力を上げることにより、スパッタ成分の直進性が少なくなりホール底部でも連続膜として存在しないようにできる。例えば、５．３×１０−２Ｐａ（０．４ｍｍＴｏｒｒ）を約３倍となる１．３３×１０−１Ｐａ（１ｍｍＴｏｒｒ）以上にすることで図１０に示すように開口部１５０の底部でも側壁と同様、ＢＭ粒子３４が点在するようになり連続膜として存在しなくできる。これにより、開口部１５０の側壁と底面の両方共にＲｕ膜２４２を表面に露出させることができ、Ｃｕ埋め込み性を向上させることができる。また、少なくとも開口部１５０内にはＢＭ膜２４４が実質的に形成されないのでホール抵抗の上昇も抑えることができる。
【００４０】
実施の形態１におけるＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）では、例えば、ホール径が１００ｎｍ以下、かつアスペクト比（Ａ／Ｒ）が２．５以上の場合に特に好適である。ここでのＡ／Ｒはホール及びトレンチを含む高さをホール径で割った値を示す。ホール径とはそのホール底部の径を指すものとする。
【００４１】
図７（ｃ）において、シード膜形成工程（Ｓ１３６）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０として開口部１５０内の側面（内壁）並びに底面、開口部１５２内の側面（内壁）並びに底面、及びＢＭ膜２４４が形成された基板２００表面に堆積（形成）させる。
【００４２】
図１１は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図１１では、図１のめっき及びアニール工程（Ｓ１３８）から研磨工程（Ｓ１４０）までを示している。
【００４３】
図１１（ａ）において、めっき及びアニール工程（Ｓ１３８）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法により導電性材料の一例となるＣｕ膜２６０をシード膜２５０が形成された開口部１５０、開口部１５２及び基板２００表面に堆積させる。このように、デュアルダマシン法によりホールとその上層のトレンチを同時に埋め込む。ここでは、例えば、膜厚４００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。
【００４４】
図１１（ｂ）において、研磨工程（Ｓ１４０）として、ＣＭＰ法によって、基板２００の表面を研磨して、開口部１５０，１５２以外に表面に堆積した配線層となるシード膜２５０を含むＣｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０，２４４及びＲｕ膜２４２を研磨除去する。その結果、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜２６０の表面と絶縁膜２２０の表面とが同一面となるように平坦化される。以上により、Ｃｕ配線１０と間にＢＭ膜を介さずにＣｕ配線１０と直接接触して接続される下層側のＣｕプラグ２０とを形成することができる。そして、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側には、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０が配置される。また、Ｒｕ膜２４２がＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に配置される。ここで、ＢＭ膜２４０よりＣｕに対し濡れ性が高いＲｕ膜２４２は、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内、Ｃｕプラグ２０側に選択的に配置される。そして、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とには、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４が配置される。
【００４５】
以上のように、実施の形態１では、プラグ層ではホール内にＢＭ膜２４０とＣｕに対する濡れ性が高いＲｕ膜２４２とをＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層ではトレンチ内にＲｕ膜２４２無しにＢＭ膜２４４をＣｕ以外の膜として形成することが可能となる。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。さらに、デュアルダマシン法を用いることで、Ｃｕ配線１０と下層側のＣｕプラグ２０との間にはバリアメタル膜が介在しないのでその分だけ配線抵抗或いはホール抵抗を小さくすることができる。
【００４６】
すなわち、配線層とその下層のプラグ層とを別々に形成するシングルダマシン法を用いても、プラグ層にだけＴａ等のバリアメタル膜とＣｕに対する濡れ性が高い材料膜をＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層にはＴａ等のバリアメタル膜だけをＣｕ以外の膜として形成することは可能である。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。しかしながら、かかる方法では、Ｃｕ配線の底面全体にＴａ等のバリアメタル膜が形成されるので、Ｃｕ配線と下層側のプラグとの間にバリアメタル膜が介在することになってしまう。よって、バリアメタル膜が介在する分だけ配線抵抗或いはホール抵抗が上昇してしまう。
【００４７】
これに対し実施の形態１においては、デュアルダマシン法を用いることでＣｕ配線と下層側のプラグとの間にバリアメタル膜を介在させることなく、埋め込むことが比較的易しいトレンチにはＣｕに対する濡れ性が高い材料を形成せず、埋め込むことが比較的難しいホールの内面にだけＣｕに対する濡れ性が高い材料膜が形成することが可能となる。
【００４８】
実施の形態２．
実施の形態１では、トレンチを形成する際、絶縁膜２２０とＢＭ膜２４０とＲｕ膜２４２とを同時にエッチングしたが、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを同時に行なうことが難しい場合、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを分けた２段ステップにより加工しても好適である。実施の形態２では、２段ステップにより加工する場合について説明する。
【００４９】
図１２は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１２において、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、図１における絶縁膜、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング（トレンチ形成）工程（Ｓ１２４）の代わりに、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）と絶縁膜エッチング工程（Ｓ１２８）とを追加した点以外は、図１と同様である。よって、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）から保護膜エッチング工程（Ｓ１２２）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。よって、図５（ａ）の状態以降について説明する。
【００５０】
図１３は、図１２のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図１３では、図１２のＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）を示している。
【００５１】
図１３において、ＢＭ膜及びＲｕ膜エッチング工程（Ｓ１２６）として、レジストパターン２７４が除去されて表面が露出したＳＯＧ膜２７２をマスクとして、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を開口部１５０の途中まで一緒にエッチングする。これにより、上層配線とプラグとのうちプラグ側だけに選択的にＲｕ膜２４２を配置させることができる。上層配線用のＢＭ膜は、後述する工程で別途形成される点は実施の形態１と同様である。ここでは、Ｒｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にエッチングすることができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いればよい。エッチングガスとしては、ＨＢｒ系ガス或いは、ＨＢｒ系ガスとＣｌ２系ガスとの混合ガスを用いることができる。
【００５２】
図１３において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示すトレンチの深さに合わせればよい。開口部１５０の底部に保護膜２７０を残しておいたので、開口部１５０の底面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０がエッチングされることを防止することができる点は実施の形態１と同様である。また、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法に残してあるので、トレンチ形成の際に不要となるトレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０の保護膜としては作用せず、トレンチ深さｄ１までに存在するＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０を除去することができる。ここでは異方性エッチング法により下方に向かって除去するので、トレンチ深さｄ１よりも深い位置での開口部１５０の側面に形成されたＲｕ膜２４２及びＢＭ膜２４０は残すことができる。
【００５３】
また、実施の形態１では、保護膜２７０は、トレンチ深さｄ１よりも深いｄ２の寸法に残したが、実施の形態２では、トレンチ深さｄ１に残すようにしても構わない。特に、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチング制御が難しい場合には、これにより保護膜２７０をエッチングストッパとして作用させることもできる。
【００５４】
そして、絶縁膜エッチング工程（Ｓ１２８）として、表面が露出しているＳＯＧ膜２７２及びＳＯＧ膜２７２下の保護膜２７０をマスクとして、図５（ｂ）に示したように、絶縁膜２２０を開口部１５０の途中までエッチングする。ここでは、絶縁膜２２０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直にトレンチ（配線溝）となる開口部１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５２を形成すればよい。これにより、トレンチとなる開口部１５２が開口部１５０と位置が重なるように開口部１５０上に形成される。図５（ｂ）において、エッチング深さは絶縁膜２２０の上面からの深さｄ１で示している。また、ＳＯＧ膜２７２は、絶縁膜２２０をエッチングする際に一緒にすべてが除去される。よって、別途、ＳＯＧ膜２７２を除去する工程を省くことができる。エッチングガスとしては、ＣＦ４系ガス若しくはＣ４Ｆ８系ガス等のフルオロカーボン系のガスを用いることができる。
【００５５】
そして、以下のＢＭ膜形成工程（Ｓ１３４）から研磨工程（Ｓ１４０）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。よって、研磨工程（Ｓ１４０）後は、図１１（ｂ）に示したように、Ｃｕ膜２６０の表面と絶縁膜２２０の表面とが同一面となるように平坦化される。以上により、Ｃｕ配線１０と間にＢＭ膜を介さずにＣｕ配線１０と直接接触して接続される下層側のＣｕプラグ２０とを形成することができる。そして、図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕプラグ２０の底面側及び側面側には、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４０が配置される。また、Ｒｕ膜２４２がＣｕプラグ２０とＢＭ膜２４０との間に配置される。ここで、ＢＭ膜２４０よりＣｕに対し濡れ性が高いＲｕ膜２４２は、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０との内、Ｃｕプラグ２０側に選択的に配置される。そして、Ｃｕ配線１０とＣｕプラグ２０とが接触する箇所を少なくとも除くＣｕ配線１０の底面側と、Ｃｕ配線１０の側面側とには、Ｃｕに対してバリア性を有するＢＭ膜２４４が配置される。
【００５６】
以上のようにトレンチ形成の際、絶縁膜２２０のエッチングと、ＢＭ膜２４０及びＲｕ膜２４２のエッチングとを分けた２段ステップにより加工することで、エッチング制御を容易にすることができる。また、実施の形態２の方法で加工しても、実施の形態１と同様、プラグ層にだけＢＭ膜２４０とＣｕに対する濡れ性が高いＲｕ膜２４２をＣｕ以外の膜として形成し、上層の配線層にはＢＭ膜２４４だけをＣｕ以外の膜として形成することが可能となる。よって、プラグ層のホールへのＣｕの埋め込み性を向上させることが可能となり得る。さらに、デュアルダマシン法を用いることで、Ｃｕ配線１０と下層側のＣｕプラグ２０との間にはバリアメタル膜が介在しないのでその分だけ配線抵抗或いはホール抵抗を小さくすることができる。
【００５７】
以上の説明において、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００５９】
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
【００６０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００６１】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１０ Ｃｕ配線、２０ Ｃｕプラグ、３０，３２，３４ ＢＭ粒子、１５０，１５２ 開口部、２００ 基板、２２０ 絶縁膜、２４０，２４４ ＢＭ膜、２４２ Ｒｕ膜、２６０ Ｃｕ膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料を用いて形成された配線と、
前記配線の下層側で前記配線と接触して接続される、前記導電性材料を用いて形成されたプラグと、
前記プラグの少なくとも側面側に配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜と、
前記配線と前記プラグとの内前記プラグ側に選択的に、かつ前記プラグと前記第１の膜との間に介在するように配置された、前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜と、
前記配線と前記プラグとが接触する箇所を少なくとも除く前記配線の底面側と、前記配線の側面側とに配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２の膜の材料として、ルテニウム（Ｒｕ）が用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の膜と第３の膜は、別々に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
基体上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部内に導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜を形成する工程と、
前記第１の開口部内で前記第１の膜上に前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜を形成する工程と、
前記第１の開口部と位置が重なるように前記絶縁膜に第２の開口部を前記第１の開口部の途中まで形成する工程と、
少なくとも前記第１の開口部内の側面に連続膜として形成されないように、前記第２の開口部の側面及び底面に前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜を形成する工程と、
前記第１と第２の開口部に前記導電性材料を堆積させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の開口部を形成する際に、前記第１と第２の膜がエッチングされた後に、前記絶縁膜がエッチングされることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
導電性材料を用いて形成された配線と、
前記配線の下層側で前記配線と接触して接続される、前記導電性材料を用いて形成されたプラグと、
前記プラグの少なくとも側面側に配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜と、
前記配線と前記プラグとの内前記プラグ側に選択的に、かつ前記プラグと前記第１の膜との間に介在するように配置された、前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜と、
前記配線と前記プラグとが接触する箇所を少なくとも除く前記配線の底面側と、前記配線の側面側とに配置された、前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２の膜の材料として、ルテニウム（Ｒｕ）が用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の膜と第３の膜は、別々に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
基体上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部内に導電性材料に対してバリア性を有する第１の膜を形成する工程と、
前記第１の開口部内で前記第１の膜上に前記第１の膜よりも前記導電性材料に対して濡れ性が高い第２の膜を形成する工程と、
前記第１の開口部と位置が重なるように前記絶縁膜に第２の開口部を前記第１の開口部の途中まで形成する工程と、
少なくとも前記第１の開口部内の側面に連続膜として形成されないように、前記第２の開口部の側面及び底面に前記導電性材料に対してバリア性を有する第３の膜を形成する工程と、
前記第１と第２の開口部に前記導電性材料を堆積させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の開口部を形成する際に、前記第１と第２の膜がエッチングされた後に、前記絶縁膜がエッチングされることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１６５７６０（Ｐ２０１０−１６５７６０Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３１８（Ｐ２００９−５３１８）
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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