JP5014356B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、銅（Ｃｕ）などからなる配線と、配線上に設けられた金属拡散防止膜とを備えた半導体装置の製造方法に関する。
ＬＳＩ（大規模半導体集積回路）の微細化に伴い、半導体素子の更なる高速化、低消費電力化、及び高い信頼性の確保が求められている。そこで、配線抵抗を低減するためにアルミニウム（Ａｌ）に比べて抵抗の低いＣｕを配線材料として用いたり、配線間容量及び層間容量を低減するために、一般的にＬｏｗ−ｋ膜と呼ばれる低誘電率絶縁膜を配線間絶縁膜（以下、層間絶縁膜という）として用いたり、高い信頼性を確保するためにＣｕの拡散を防止する拡散防止膜を設けたりすることが検討されている。
Ｃｕ配線の形成方法としては、ダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法と呼ばれる方法が一般的に用いられる。この方法では、まず基板上に形成したＬｏｗ−ｋ材料からなる層間絶縁膜に凹部を形成した後、当該凹部の内面上及び層間絶縁膜の上面上にバリア金属膜を形成する。次いで、凹部を銅メッキで埋め込んだ後、ＣＭＰ（化学機械研磨）法によって余分な銅と、バリア金属膜のうち層間絶縁膜の上面上に設けられた部分とを除去し、凹部に埋め込まれたＣｕ配線を形成する。次に、層間絶縁膜上及び金属配線上に拡散防止膜を形成する。
特許文献１にはＳｉＮ膜を上述の拡散防止膜として用い、Ｌｏｗ−ｋ材料からなる層間絶縁膜へのＣｕの拡散の抑制を図る技術が提案されている。
特開平１１−３０７４７４号公報
しかしながら、上記の製造方法においてＳｉＮからなる拡散防止膜を形成する工程では、Ｃｕ配線の上面で粒界を核としてＳｉＮの成長が始まり、Ｃｕの結晶粒径の１／２程度以上の厚さを有する膜を形成しなければ、拡散防止膜にピンホールが形成される。その結果、Ｃｕの拡散防止性が低下してしまい、素子の信頼性を劣化させる場合がある。微細配線を形成する場合、層間容量の低減が必須であり、拡散防止膜の薄膜化が望まれる。しかし、拡散防止膜を薄膜化すると上述のように拡散防止膜にピンホールができてしまうため、半導体素子の高い信頼性を確保しつつ配線の微細化を図ることは困難である。
本発明は、上述の点に鑑み、配線材料の拡散を抑えながら、金属配線の微細化を図ることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に層間絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記層間絶縁膜に配線を形成する工程（ｂ）と、前記配線の上面及び前記層間絶縁膜の上面に有機溶液を供給する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）の後に、前記配線の上面及び前記層間絶縁膜の上面にシリル化溶液を供給する工程（ｄ）と、前記工程（ｄ）の後に、前記基板を加熱する工程（ｅ）と、少なくとも前記配線の上面上に第１のライナー絶縁膜を形成する工程（ｆ）とを備えている。
この方法によれば、有機溶液を配線上面に供給した後にシリル化溶液を配線上面に供給するので、配線上面にシリル化溶液が行き渡りやすくなっており、加熱後に配線上面の配線材料原子を均一にＳｉ−ＣＨｘ―ＮＨｙ基で終端化させることができる。そのため、ＳｉＣＮなどからなる第１のライナー絶縁膜をピンホールを生じることなく成長させることができる。従って、第１のライナー絶縁膜を従来の方法より薄く形成しても配線材料の上層への拡散等を抑えることができ、配線構造を微細化させつつ半導体装置の高い信頼性を実現することができる。
前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）とが連続して行われることでシリル化溶液を配線上面にくまなく行き渡らせることができるので、好ましい。さらに、前記工程（ｄ）と前記工程（ｅ）とが連続して行われることにより、配線上面に位置する配線材料のシリル化を均一且つ効果的に行うことができるので、好ましい。
前記工程（ａ）の後、前記工程（ｂ）の前に、前記層間絶縁膜にホールを形成する工程（ｇ）と、前記工程（ｇ）の後、前記工程（ｂ）の前に、平面視において前記ホールと一部が重なるトレンチを前記層間絶縁膜に形成する工程（ｈ）とを有していてもよい。なお、ここでいう「ホール」とは、一層目配線とトランジスタ等の半導体素子とを接続するコンタクトを形成するためのコンタクトホールと、二層目以上の配線と下層配線とを接続するビアを形成するためのビアホールとを含むものとする。
前記工程（ｂ）では、前記ホールに埋め込まれたプラグと、前記トレンチに埋め込まれ、前記プラグに接続された前記配線とを同時に形成することもできる。このような、いわゆるデュアルダマシンプロセスによれば、プラグと配線とを別個の工程で形成する場合に比べて工程数を少なくすることができるので、好ましい。
前記層間絶縁膜は、前記ホールが形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成され、前記トレンチが形成された第２の層間絶縁膜とを有し、前記第２の層間絶縁膜の上面と前記層間絶縁膜の上面とは同一面であり、前記工程（ｇ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記ホールに埋め込まれたプラグを形成する工程（ｉ）と、前記工程（ｉ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記プラグの上面及び前記第１の層間絶縁膜の上面に有機溶液を供給する工程（ｊ）と、前記工程（ｊ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記プラグの上面及び前記第１の層間絶縁膜の上面にシリル化溶液を供給する工程（ｋ）と、前記工程（ｋ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記基板を加熱する工程（ｌ）と、前記工程（ｈ）の前に、少なくとも前記プラグの上面上に第２のライナー絶縁膜を形成する工程（ｍ）とをさらに備えていてもよい。
前記有機溶液が前記シリル化溶液の溶媒と同一物質であってもよい。
前記有機溶液は、前記シリル化溶液に含まれるシリル化剤と反応しない溶媒であることが好ましい。
前記有機溶液は炭化水素類、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類のうちから選ばれた少なくとも一つを含むことが好ましい。
前記有機溶液がメタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、フェノールから選ばれた少なくとも一つを含むことが好ましい。
前記シリル化溶液に含まれる前記シリル化剤がシラザン結合を有するアルキル基を有すしていることが好ましい。
前記第１のライナー絶縁膜がＳｉＣＮ膜を有していれば、効果的に配線材料の拡散を抑えることができるので、好ましい。
前記工程（ｅ）において、前記基板を加熱する際には、段階的に加熱温度を上昇させてもよい。
前記工程（ｅ）において、前記基板の処理温度は１５０℃以上４５０℃以下であることが好ましい。
前記配線の主成分は銅であってもよい。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、Ｃｕ等の配線材料の拡散を防止する拡散防止膜（ライナー絶縁膜）を、ピンホールを発生させることなく成長させることができる。これにより、ライナー絶縁膜を従来よりも薄くしつつ、配線材料の上層への拡散を効率良く抑制することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
−半導体装置の製造方法−
図１（ａ）〜（ｅ）、図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。ここでは、プラグと金属配線とを同じ工程で形成するデュアルダマシン法を用いる場合の製造方法を説明する。なお、以下で説明する各層の構成材料、膜厚、膜の堆積方法等は一例であって、これらに限定されるものではない。
まず、図１（ａ）に示す工程で、所要の半導体素子（図示せず）を形成した基板１１を準備する。なお、図１（ａ）で示す基板１１には、シリコン等からなる半導体基板と、半導体基板上に形成され、半導体素子を埋め込む第１の層間絶縁膜とが含まれている。この第１の層間絶縁膜は、例えばＮＳＧ（Non-Silicate Glass）などで構成される。
次に、図１（ｂ）に示す工程で、第１の層間絶縁膜にリソグラフィー及びエッチングなどにより第１の凹部３０を形成した後、公知の方法により、バリア金属膜及びＣｕ膜を有し、第１の凹部３０に埋め込まれた下地金属配線１２を形成する。なお、下地金属配線のＣｕ膜に代えてＣｕにＡｌなどの金属を添加した金属膜を設けてもよい。
次に、本実施形態の製造方法では、基板１１及び下地金属配線１２の上面に有機溶液を塗布し、その後シリル化溶液を塗布する。続いて、有機溶剤によって濡れた基板１１の上面が乾かないうちに、基板１１を加熱する。Ｃｕの拡散を防止する拡散防止膜を形成する前の以上のような前処理については後に詳述する。
次に、図１（ｃ）に示す工程で、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより、例えばＳｉＣ（またはＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ）から構成された膜厚が６０ｎｍ程度の第１のライナー絶縁膜（第１の拡散防止膜）１３を形成する。第１のライナー絶縁膜１３は、後にビアホール（ホール）の形成を行う際のエッチングストパーとして機能するだけでなく、下地金属配線１２から第２の層間絶縁膜１４にＣｕが拡散するのを防ぐ。次に、スピンコート法などによって、第１のライナー絶縁膜１３上に第２の層間絶縁膜１４を形成する。第２の層間絶縁膜１４としては低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が用いられ、その膜厚は例えば３００ｎｍとする。
Ｌｏｗ−ｋ膜は、ｋ値がおよそ２．７以下のものが好ましい。ｋ値がこのようなものだと、Ｌｏｗ−ｋ膜は一般に空孔を持った多孔質膜になる。本工程では、液状のＬｏｗ−ｋ膜材料を基板（作製中の半導体装置）上に塗布した後、溶剤を蒸発させること等によって第２の層間絶縁膜１４を形成する。なお、第２の層間絶縁膜１４は、スピンコート法に限らず、ＣＶＤ法など多孔質膜を形成できる方法によって形成されてもよい。第２の層間絶縁膜１４としてＬｏｗ−ｋ膜を用いることで、配線を微細化する場合でも配線間容量や層間容量の増加を抑えることができる。また、第２の層間絶縁膜１４をＬｏｗ−ｋ膜で構成する場合、機械的強度を強化するためにＵＶビームや電子ビームを第２の層間絶縁膜１４に照射する改質処理（キュア処理）を行うことが望ましい。
次いで、図１（ｅ）に示す工程では、例えば、第２の層間絶縁膜１４の上面にレジストを塗布してからリソグラフィー処理をすることでビアパターンを形成し、このビアパターンを用いて第２の層間絶縁膜１４をエッチングしてビアホール３２を形成する。続いて、ビアパターン形成用のレジストを除去した後、レジストをビアホール３２内に埋め込むとともに第２の層間絶縁膜１４の上面上に形成しリソグラフィーを実行してトレンチパターンを形成する。このトレンチパターンを用いてエッチングを行った後、アッシング等によってレジストを除去し、基板を洗浄することで配線形成用のトレンチ３４を形成する。なお、ビアホール３２やトレンチ３４を形成するためのエッチングの際には、レジスト上に設けたハードマスクを用いてもよい。また、本工程では、トレンチ３４を形成してからビアホール３２を形成してもよい。以下の説明では、ビアホール３２とトレンチ３４を合わせて「第２の凹部３６」と呼ぶものとする。
次に、図２（ａ）に示す工程で、リソグラフィ及びエッチングを実施して第１のライナー絶縁膜１３のうちビアホール３２の底部に位置する部分を選択的に除去し、下地金属配線１２を露出させる。その後、エッチングに用いたレジストをアッシング等により除去し、基板を洗浄する。
次に、図２（ｂ）に示す工程で、第２の層間絶縁膜１４の上面上及び第２の凹部３６の内面上にバリア金属膜３８を形成する。本工程では、例えばバリア金属膜３８としてＴａ／ＴａＮ膜を、Ａｔｏｍｉｃ ＬＡＳＥＲ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法等により２６ｎｍ程度の厚さで堆積させる。
次に、図２（ｃ）に示す工程では、互いに一体的に形成され、第２の凹部３６を埋めるプラグ４０及びＣｕ配線４２とを形成する。具体的には、まずスパッタ法等によりバリア金属膜３８の全体上にＣｕシード膜（図示せず）を形成する。Ｃｕシード膜の厚さは例えば６００ｎｍである。続いて、めっき法によりＣｕシード膜上に、少なくともビアホール３２及びトレンチ３４を埋め込んだ状態でＣｕ膜１７を形成した後、ファーネスにより４００℃、３０分間の熱アニールを実施してＣｕ膜１７等の改質を行う。次に、Ｃｕ膜１７（及びＣｕシード膜）、及びバリア金属膜３８のうちトレンチ３４の外部に設けられた不要な部分をＣＭＰ法等によって除去するとともに、Ｃｕ膜１７の上面を平坦化する。バリア金属膜３８、Ｃｕシード膜、及びＣｕ膜１７のうちビアホール３２内に形成された部分がプラグ４０となり、トレンチ３４内に形成された部分がＣｕ配線（金属配線）４２となる。なお、Ｃｕ膜１７に他の金属が添加されていてもよい他、金属配線の主材料として用いられる金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなど、抵抗がＣｕと同じかそれより低い金属を用いてもよい。
次に、第１のライナー絶縁膜１３の形成前と同様に、第２の層間絶縁膜１４及びＣｕ配線４２の上面に有機溶液を塗布し、その後シリル化溶液を塗布する。続いて、有機溶剤によって濡れた基板１１の上面が乾かないうちに、基板１１を加熱する。
その後、図２（ｄ）に示す工程で、第２の層間絶縁膜１４及びＣｕ配線４２の上に第２の拡散防止膜（第２のライナー絶縁膜）１８を形成する。以上のようにして、銅などを主成分とする金属配線を形成することができる。
本実施形態の半導体装置の製造方法の特徴は、金属の拡散防止膜を形成するための前処理として、図１（ｂ）や図２（ｃ）に示す工程で、有機溶液の塗布、シリル化溶液の塗布、及び基板の加熱を連続的に行うことにある。図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法において、拡散防止膜を形成するための前処理工程を示す断面図である。
図３（ａ）に示すように、層間絶縁膜に埋め込まれた金属配線を形成した後、真空チャック機能を有するスピンドル１の上面上に基板２（基板１１を含む作製中の半導体装置）をセットし、この状態でノズル３から有機溶液４を基板２の上面に供給する。有機溶液４の供給後、スピンドル１は例えば１０００ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）程度で回転させておき、余分な有機溶液４をスピンドル１上から振り払った後に回転を停止させる。
次に、図３（ｂ）に示すように、供給された有機溶液４が乾かないうちに、有機溶液の塗布と同様、基板２の上面にシリル化溶液５を供給し、スピンドル１を回転させる。従って、本工程は図３（ａ）に示す工程と連続的に行うことが好ましい。
その後、図３（ｃ）に示すように、基板２を例えば１２０℃、２３０℃、４００℃で各々１分づつ加熱処理６をし、金属配線のシリル化を行う。このように段階的に加熱温度を上昇させてもよいし、加熱温度を連続的に上昇させてもよい。段階的に加熱温度を上昇させる場合には、水分の除去、溶媒の除去、最終反応などをより適切な温度で行うことができるという利点がある。
この手順によって、図１（ｂ）に示す工程では下地金属配線１２の上面が、図２（ｃ）に示す工程ではＣｕ配線４２の上面が、それぞれシリル化される。なお、基板温度は１５０℃以上とすることが好ましく、１８０℃以上とすることがより好ましいが、製造上のサーマルバジェットが許容範囲を超えないように基板温度の上限としては４５０℃以下とすることが好ましい。本工程は図３（ｂ）に示す工程と連続的に行うことが好ましい。
−本実施形態の半導体装置の製造方法の効果−
次に、本実施形態の製造方法における上記処理の効果について、従来の製造方法と比較しながら説明する。図４は、比較例に係る方法で第２の拡散防止膜を堆積した後の半導体装置のＣｕ配線構造を示す断面図（上図）及びＣｕ配線と第２の拡散防止膜との界面部の拡大図（下図）であり、図５は、本実施形態の方法で第２の拡散防止膜を堆積した後の半導体装置のＣｕ配線構造を示す断面図（上図）及びＣｕ配線と第２の拡散防止膜との界面部の拡大図（下図）である。なお、図４に示す比較例の半導体装置は、図３（ａ）〜（ｃ）に示す処理を行わないことを除けば本実施形態の半導体装置と同様の工程を経て作製されるものとする。
図４に示すように、Ｃｕ配線７０の形成後に特段の処理を行わずに例えばＳｉＣＮからなる第２の拡散防止膜７２をＣＶＤ法等で形成した場合、第２の拡散防止膜７２形成の初期段階では、ＳｉＮがＣｕ配線７０上面の結晶粒界５０に埋め込まれる形で第２の拡散防止膜７２の成長が開始される。すなわち、第２の拡散防止膜７２を構成するＳｉＮは初期段階では部位選択的にＣｕ配線７０上面に堆積する。そのため、ＳｉＮはＣｕ配線７０の上面上に均一に成長せず、結果としてＣｕ配線７０と第２の拡散防止膜７２との密着性が弱くなるとともに、第２の拡散防止膜７２中にピンホール１６が形成されてしまう。Ｃｕ配線７０と第２の拡散防止膜７２との密着性が弱くなったり、第２の拡散防止膜７２中にピンホール１６が形成されると配線の信頼性が低下してしまう。
第２の拡散防止膜７２を厚くすればピンホール１６の影響を低減させることができるものの、Ｃｕに対する拡散防止機能の劣化を抑えるために、第２の拡散防止膜７２の膜厚はＣｕ配線７０（Ｃｕ膜１７）を構成するＣｕの粒径の１／２程度必要となる。例えばＣｕ配線７０の幅が６０ｎｍの場合にはＣｕの粒径は最大で６０ｎｍ程度となるので、第２の拡散防止膜７２の膜厚は少なくとも３０ｎｍ以上であることが要求される。一方で層間容量やプラグ間の容量を抑制するために第２の拡散防止膜７２の膜厚は６０ｎｍ以下程度であることが求められる。そのため、製造上の誤差を含めると比較例の方法において許容される第２の拡散防止膜７２の膜厚範囲は非常に狭くなる。今後、Ｃｕ配線がさらに微細化される場合にはさらに第２の拡散防止膜７２の設計自由度は小さくなる。
これに対し、本実施形態の製造方法では、図６に示すように、Ｃｕ配線４２の形成（ステップＳ１、Ｓ２）の後、基板２の上面に、例えばＳｉ−ＣＨｘ―ＮＨｙ基を分子中に含むシリル化溶液を塗布し（ステップＳ４）、基板２を加熱する（ステップＳ５）。この後、ステップＳ６でＣｕの第２の拡散防止膜１８を形成する。これにより、図５の下図に示すようにＣｕ膜１７の上面全体に均一にＳｉ−Ｎ結合を付加することができるため、例えばＳｉＣＮ等からなる第２の拡散防止膜１８をピンホールを発生させることなく成長させることができる。この場合、ＣｕＳｉＮ分子はＣｕ配線４２の結晶粒界上以外の上面にも均一に配置され、その上にＳｉＮ分子を挟んでＳｉＣＮ層が形成される。
さらに、本実施形態の方法では、基板２上面に有機溶液４を供給し（ステップＳ３）、有機溶液４で基板２を濡らした状態でシリル化溶液を供給するので、シリル化溶液の基板２上での濡れ性が向上し、Ｃｕ原子のシリル化反応をより効率的に進めることができる。このため、第２の拡散防止膜１８の膜厚を例えば約１０ｎｍ程度まで薄くしてもＣｕに対する拡散防止機能を十分に発揮させることができる。このため、第２の拡散防止膜１８の設計の自由度を大幅に向上させることができ、Ｃｕ配線が微細化しても層間容量等を増やすことなくＣｕの拡散防止を図ることが可能となるので、信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。なお、Ｃｕ配線４２の幅が６０ｎｍの場合、第２の拡散防止膜１８の好ましい膜厚の上限は先に説明したように６０ｎｍ程度であるので、第２の拡散防止膜１８の好ましい膜厚範囲は１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下となっている。第２の拡散防止膜１８の膜厚は、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である場合、さらなる金属配線の微細化に対応できるので、より好ましい。
本実施形態の製造方法で用いられるシリル化溶液としては、シラザン結合（Ｓｉ−Ｎ）を構成するＳｉが三つのアルキル基（例えばメチル基）と結合しているもの（例えばＨＭＤＳあるいはＴＭＳＤＭＡ）を２−ヘプタノン溶媒に混合した溶液が望ましいが、シリル化が進めば他のシリル化溶液を用いてもかまわない。
また本実施形態の方法で用いられる有機溶液は、シリル化溶液の溶媒と同一のもの、もしくは、シリル化溶液の溶媒と相溶性を有し、且つ、シリル化溶液中のシリル化剤に対して反応性がないものであれば特に限定はされない。有機溶液は、具体的には、炭化水素類、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類のうちから選ばれた少なくとも一つであってもよい。より具体的には、トルエン、キシレン、ｐ-キシレン、ｍ−キシレン、メシチレン、ソルベントナフサＨ、ソルベントナフサＡ、ペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、ノナン、オクタン、ドデカン、２−メチルブタン、ヘキサデカン、トリデカン、ペンタデカン、シクロペンタン、２，２，４−トリメチルペンタン、ベンゼン、１，２−ジメチルベンゼン、１，２，４−トリメチルベンゼン、ミネラルスピリット、灯油、イソブチルベンゼン、メチルナフタレン、エチルトルエン、リグロイン、アセトン、３−ペンタノン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、２−プロパノール、３−プロパノール、アセトン、エチレンオキシド、ベンゼン、トルエン、シクロヘキサノン、ブチロラクトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、アニソール、オクタン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、フェノールのうちから選ばれた少なくとも一つを有機溶媒として用いることができる。特に、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、フェノールは分子量が比較的小さいためシリル化剤との相性が良いので、これらのうち少なくとも一つを有機溶液として用いることが望ましい。ただし、ここで挙げた溶液以外の液体を有機溶液として用いてもよい。
なお、ここではＣｕ配線４２の形成後に図６のステップＳ３〜Ｓ６を行う場合の効果について説明したが、Ｃｕを含む下地金属配線１２の形成後にステップＳ３〜Ｓ６までの処理を行う場合もＣｕ配線４２の形成後にこれらの処理を行う場合と同様に、第１のライナー絶縁膜１３（第１の拡散防止膜）の膜厚を薄くしつつ、Ｃｕの第２の層間絶縁膜１４への拡散を抑制することができる。
なお、上述の第１のライナー絶縁膜１３及び第２の拡散防止膜１８は、Ｃｕ等の配線材料の拡散を抑制する機能を有する材料で構成することができる。例えば、第１のライナー絶縁膜１３及び第２の拡散防止膜１８はＳｉＮ膜やＳｉＣＮ膜の他、ＳｉＣＮ膜とＳｉＣＯ膜をこの順番に積層した積層膜であってもよい。
また、本実施形態では有機溶液及びシリル化溶液をスピンドルを用いて基板上面に塗布する方法を説明したが、有機溶液やシリル化溶液に基板上面を浸漬させる等、これ以外の方法で基板上面に有機溶液及びシリル化溶液を供給してもよい。
なお、有機溶液、シリル化溶液を用いて、基板の加熱を行う処理を、二層目以上の金属配線及びその直下のプラグの形成後に行う例を説明したが、当該処理を一層目のＣｕ配線及びこれと半導体素子とを接続するコンタクトを形成した後に行っても上記と同様の効果がある。
（第２の実施の形態）
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態の製造方法は、第１の実施形態で説明した図３（ａ）〜（ｃ）、図６に示す処理方法をいわゆるシングルダマシンプロセスに適用したものである。
図７（ａ）に示すように、基板１１上部の第１の層間絶縁膜内に埋め込まれたプラグ１９を形成後、第１のライナー絶縁膜１３を第１の層間絶縁膜上及びプラグ１９の上に形成する。次いで、第１のライナー絶縁膜１３の上にＬｏｗ−ｋ材料からなる第２の層間絶縁膜１４を形成した後、第２の層間絶縁膜１４及び第１のライナー絶縁膜１３をエッチングしてプラグ１９の上面と第１の層間絶縁膜の上面の一部とに達するトレンチ２０を形成する。次いで、バリア金属膜をトレンチ２０の内面及び第２の層間絶縁膜１４の上面上に形成後、Ｃｕからなるシード膜を形成し、めっき法によりシード膜上に少なくともトレンチ２０を埋め込む厚さでＣｕ膜を形成する。続いて、ＣＭＰ法により第２の層間絶縁膜１４の上面が露出するまでＣｕ膜及びバリア金属膜を研磨することにより、プラグ１９に接続された金属配線５８を形成する。
次に、基板（製造中の半導体装置）の上面に第１の実施形態の方法と同様に有機溶液を塗布し、続いてシリル化溶液を塗布する。次いで、有機溶液で濡れた状態で基板を加熱して金属配線５８上面のＣｕ原子をＳｉ−ＣＨｘ―ＮＨｙ基で終端化させる。次に、第２の層間絶縁膜１４及び金属配線５８上に第２の拡散防止膜１８を形成する。
このように、シングルダマシンプロセスで形成された金属配線５８上においても、ピンホールを含まない第２の拡散防止膜１８を形成することができる。このため、第２の拡散防止膜１８を薄くしてもＣｕの拡散を防止することができるので、層間容量や配線間容量の低減と配線材料の拡散防止とを両立させることができる。さらに、プラグ１９の形成後、第１のライナー絶縁膜１３を形成する前に上述の有機溶液及びシリル化溶液による処理と基板１１の熱処理とを行ってもよい。
また、図７（ｂ）に示すように、シングルダマシンプロセスでプラグ６０を形成した後に図６のステップＳ３〜Ｓ６に示す処理を行うこともできる。
すなわち、基板１１の上部に形成された第１の層間絶縁膜（図示せず）に埋め込まれた下地金属配線２１を形成した後、基板１１（第１の層間絶縁膜）及び下地金属配線２１上に第１のライナー絶縁膜１３及びＬｏｗ−ｋ材料からなる第２の層間絶縁膜１４を順次形成する。次いで、第２の層間絶縁膜１４及び第１のライナー絶縁膜１３をエッチングして下地金属配線２１の上面に達するビアホール２２を形成する。次いで、ビアホール２２内にバリア金属膜及びＣｕ膜で構成されたプラグ６０を形成する。次いで、基板（製造中の半導体装置）の上面に有機溶液を塗布し、続いてシリル化溶液を塗布する。次いで、有機溶液で濡れた状態で基板を加熱してプラグ６０上面のＣｕ原子をＳｉ−ＣＨｘ―ＮＨｙ基で終端化させる。次に、第２の層間絶縁膜１４及びプラグ６０上に第２の拡散防止膜１８Ａを形成する。このような場合でも、第２の拡散防止膜１８Ａにおけるピンホールの発生を抑えることができる。また、金属配線上に拡散防止膜を形成する前とプラグ上に拡散防止膜を形成する前の両方でシリル化処理を行う場合には、半導体装置の信頼性の劣化をさらに効果的に抑えることができる。すなわち、以上の方法によれば、基板上部にトレンチやビアホールなどの凹部が形成されたシングルダマシン構造を有する半導体装置の信頼性の劣化を抑えることができる。
以上に説明したように、本発明は、埋め込み金属配線を備えた半導体装置の製造に好ましく利用できる。
（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、拡散防止膜を形成するための前処理工程を示す断面図である。 比較例に係る方法で第２の拡散防止膜を堆積した後の半導体装置のＣｕ配線構造を示す断面図（上図）及びＣｕ配線と第２の拡散防止膜との界面部の拡大図（下図）である。 第１の実施形態に係る方法で第２の拡散防止膜を堆積した後の半導体装置のＣｕ配線構造を示す断面図（上図）及びＣｕ配線と第２の拡散防止膜との界面部の拡大図（下図）である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、凹部の形成から拡散防止膜の形成までの工程を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
１ スピンドル
２ 基板
３ ノズル
４ 有機溶液
５ シリル化溶液
６ 加熱処理
１１ 基板
１２ 下地金属配線
１３ 第１のライナー絶縁膜
１４ 第２の層間絶縁膜
１６ ピンホール
１７ Ｃｕ膜
１８、１８Ａ 第２の拡散防止膜
１９、４０、６０ プラグ
２０ トレンチ
２１ 下地金属配線
２２ ビアホール
３０ 第１の凹部
３２ ビアホール
３４ トレンチ
３６ 第２の凹部
３８ バリア金属膜
４２、７０ Ｃｕ配線
５０ 結晶粒界
５８ 金属配線
７０ Ｃｕ配線
７２ 第２の拡散防止膜

Claims (12)

  1. 基板上に層間絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
    前記層間絶縁膜に、主成分が銅である配線を形成する工程（ｂ）と、
    前記配線の上面及び前記層間絶縁膜の上面に有機溶液を供給する工程（ｃ）と、
    前記工程（ｃ）の後に連続して行われ、前記配線の上面及び前記層間絶縁膜の上面にシリル化溶液を供給する工程（ｄ）と、
    前記工程（ｄ）の後に連続して行われ、前記基板を加熱する工程（ｅ）と、
    少なくとも前記配線の上面上であって、少なくとも前記配線と接する部分にＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜を有する第１のライナー絶縁膜を形成する工程（ｆ）とを備えている半導体装置の製造方法。
  2. 前記工程（ａ）の後、前記工程（ｂ）の前に、前記層間絶縁膜にホールを形成する工程（ｇ）と、
    前記工程（ｇ）の後、前記工程（ｂ）の前に、平面視において前記ホールと一部が重なるトレンチを前記層間絶縁膜に形成する工程（ｈ）とを有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記工程（ｂ）では、前記ホールに埋め込まれたプラグと、前記トレンチに埋め込まれ、前記プラグに接続された前記配線とを同時に形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記層間絶縁膜は、前記ホールが形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成され、前記トレンチが形成された第２の層間絶縁膜とを有し、
    前記第２の層間絶縁膜の上面と前記層間絶縁膜の上面とは同一面であり、
    前記工程（ｇ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記ホールに埋め込まれたプラグを形成する工程（ｉ）と、
    前記工程（ｉ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記プラグの上面及び前記第１の層間絶縁膜の上面に有機溶液を供給する工程（ｊ）と、
    前記工程（ｊ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記プラグの上面及び前記第１の層間絶縁膜の上面にシリル化溶液を供給する工程（ｋ）と、
    前記工程（ｋ）の後、前記工程（ｈ）の前に、前記基板を加熱する工程（ｌ）と、
    前記工程（ｈ）の前に、少なくとも前記プラグの上面上に第２のライナー絶縁膜を形成する工程（ｍ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記有機溶液が前記シリル化溶液の溶媒と同一物質であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記有機溶液は、前記シリル化溶液に含まれるシリル化剤と反応しない溶媒であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記有機溶液は炭化水素類、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類のうちから選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記有機溶液がメタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、フェノールから選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記シリル化溶液に含まれる前記シリル化剤がシラザン結合を有するアルキル基を有していることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第１のライナー絶縁膜は、ＳｉＣＮ膜を有していることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記工程（ｅ）において、前記基板を加熱する際には、段階的に加熱温度を上昇させることを特徴とする１〜１０のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記工程（ｅ）において、前記基板の処理温度は１５０℃以上４５０℃以下であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
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