半導体装置、および半導体装置の製造方法
【課題】導電性が良好でありながらも銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線の埋め込み構造を備えた半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１絶縁膜１３に形成された配線溝１３ａ内、第２絶縁膜２２および第３絶縁膜に形成された配線溝２４ａと接続孔２２ａ内に、拡散防止層１５，２５を介して銅配線１７ａ，２６ａが埋め込まれた半導体装置２７において、拡散防止層１５，２５は、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（ＲｕＴａ）を用いて構成されたことを特徴とする。
【解決手段】第１絶縁膜１３に形成された配線溝１３ａ内、第２絶縁膜２２および第３絶縁膜に形成された配線溝２４ａと接続孔２２ａ内に、拡散防止層１５，２５を介して銅配線１７ａ，２６ａが埋め込まれた半導体装置２７において、拡散防止層１５，２５は、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（ＲｕＴａ）を用いて構成され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、層間絶縁膜に形成された接続孔や配線溝などの溝パターン内に銅含有の導電パターンが埋め込まれた半導体装置、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
０．１８μｍ世代以降のシリコンＬＳＩにおいては、トランジスタの高速化に対して配線のＣＲ成分による遅延が無視できなくなったため、従来のＡｌ（比抵抗3μΩ・ｃｍ）に代えて、より低抵抗なＣｕ（比抵抗１．７μΩ・ｃｍ）またはＣｕを主成分とする銅合金を配線材料に用いる検討が進んでいる。尚、本明細書においては、銅または銅合金からなる配線を銅配線と称する。
【０００３】
図５には、銅配線を用いた半導体装置の断面図を示す。この図に示す半導体装置においては、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１００上が下地絶縁膜１０１で覆われている。この下地絶縁膜１０１の表面側には、配線溝１０１ａが設けられており、この配線溝１０１ａ内には、バリアメタル層１０２を介して銅配線１０３が埋め込まれている。さらに、下地絶縁膜１０１上には、第１窒化シリコン膜１０４、第２絶縁膜１０５、第２窒化シリコン膜１０６、第３絶縁膜１０７がこの順に積層されて、第３絶縁膜１０７には配線溝１７ａが設けられている。また、第２窒化シリコン膜１０６、第２絶縁膜１０５、および第１窒化シリコン膜１０４には、配線溝１０７ａの底部から銅配線１０３に達する接続孔１０５ａが設けられている。そして、配線溝１０７ａと接続孔１０５ａ内には、バリアメタル層１０８を介して銅配線１０９が埋め込まれている。
【０００４】
以上の構成において、バリアメタル層１０２，１０８は、銅配線１０３，１０９を構成する銅が絶縁膜１０１，１０５，１０７中に拡散することを防止するための層であり、例えばタンタル（Ｔａ）などで構成されている。また近年においては、タンタルからなるバリアメタル層の酸化に起因する銅配線の抵抗の増大を防止ることを目的として、ルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）のような酸化されても導電性を失わない金属、またはこれらの金属酸化物を用いてバリアメタル層を形成する構成が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した半導体装置においては、バリアメタル層を構成するルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）の銅に対するバリア性が十分ではなかった。このため、配線の微細化がさらに進んだ場合には、バリアメタル層の更なる薄膜化が要求されることになるが、上述した金属や金属酸化物からなるバリアメタル層は、薄膜化によって銅の拡散を十分に防止することが困難になり、これが配線の微細化を妨げる要因ともなる。
【０００７】
そこで本発明は、導電性が良好でありながらも銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線の埋め込み構造を備えた半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するための本発明は、絶縁膜に形成された溝パターン内に、拡散防止層を介して銅含有の導電性パターンが埋め込まれた半導体装置において、拡散防止層は、ルテニウムシリサイド、ルテニウムカーバイト、またはルテニウム合金からなることを特徴としている。
【０００９】
また本発明は、上述した本発明構成の半導体装置の製造方法でもあり、先ず、絶縁膜に溝パターンを形成し、この溝パターンの内壁を覆う状態で絶縁膜上にルテニウムシリサイド、ルテニウムカラーバイト、またはルテニウム合金からなる拡散防止層を形成し、さらに拡散防止層を介して溝パターン内が埋め込まれるように銅含有の導電性材料膜を絶縁膜上に成膜し、次いで溝パターン内のみに導電性材料膜および前記拡散防止層を残すように、前記絶縁膜上における導電性材料膜おおび拡散防止層を研磨除去することを特徴としている。
【００１０】
このような構成の半導体装置においては、拡散防止層を構成するルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金は、導電性が良好であるとともに、非晶質または微結晶性の材料であるため銅等の金属材料に対するバリア性が良好である。
【発明の効果】
【００１１】
以上から本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、導電性および銅に対するバリア性が良好なルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いて拡散防止層を設けたことにより、導電性が良好でありながらも銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線構造が得られ、これにより銅配線構造の更なる微細化を達成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、半導体装置の製造方法とこれによって形成された半導体装置の順に説明を行う。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１および図２は、本発明の第１実施形態を説明する断面工程図である。以下、この図に基づいて、第１実施形態の製造方法とこれによって得られる半導体装置の詳細を説明する。
【００１４】
先ず、図１（１）に示すように、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１０上に、例えば酸化シリコン(ＳｉＯ2)からなる下地絶縁膜１１を成膜する。そして、この下地絶縁膜１１に、半導体基板１０に形成した素子に達する接続孔１１ａを形成し、この内部にタングステン（Ｗ）などからなるプラグ１２を形成する。
【００１５】
次に、プラグ１２および下地絶縁膜１１上に、炭素含有酸化シリコン(ＳｉＯＣ)、またはポリアリールエーテル等の有機材料のような、酸化シリコンよりも誘電率の低い材料からなる第１絶縁膜１３を成膜する。
【００１６】
そして、第１絶縁膜１３に、プラグ１２の上面を露出させる状態で、溝パターンとして配線溝１３ａを形成する。この際、例えば、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクにした第１絶縁膜１３のエッチングを行う。
【００１７】
そして、配線溝１３ａの形成後には、不活性な雰囲気、例えばアルゴン（Ａｒ）雰囲気内または真空雰囲気内において、３００℃で６０秒間の脱ガス処理を行う。
【００１８】
次いで、図１（２）に示すように、配線溝１３ａの内壁を覆う状態で、第１絶縁膜１３上に、本発明に特徴的な拡散防止層１５を成膜する。この拡散防止層１５は、ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。ここでは特に、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造であることとする。尚、Ｒｕ合金としては、例えばルテニウムとタンタルとの合金（ＲｕxＴａy）、ルテニウムとチタンとの合金（ＲｕxＴｉy）、ルテニウムとジルコニウムの合金（ＲｕxＺｒy）、ルテニウムとタングステンとの合金（ＲｕxＷy）、ルテニウムとバナジウムとの合金（ＲｕxＶy）などが例示される。
【００１９】
これら材料からなる拡散防止層１５は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはその他のＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００２０】
ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層１５の成膜は次のように行う。先ず、成膜処理を行う半導体基板を洗浄して成膜チャンバ内に収納し、成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００２１】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００２２】
次に、第２ステップとして、成膜チャンバ内に、アンモニア（ＮＨ3）ガス、アンモニアガスプラズマ、水素ガスプラズマ、水素ラジカルを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を有る程度残し、不必要な有機成分を除去する。
【００２３】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層１５を成膜する。この際、拡散防止層１５として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。また、第２ステップにおいての窒素ガスに対する成膜表面の暴露時間を調整することにより、ルテニウム（Ｒｕ）中の炭素（Ｃ）量を制御する。
【００２４】
ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第２ステップにおいて、窒素ガス等に換えてシラン（ＳｉＨ4）ガスを流し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分をシリコン（Ｓｉ）で十分に置換する。そして、第１ステップと、シラン（ＳｉＨ4）ガスを流す第２ステップとを繰り返し行えば良い。
【００２５】
またこの他にも、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第２ステップにおいてＲｕプリカーサ中の有機成分を十分に除去した後に、第３ステップとしてシラン（ＳｉＨ4）ガスを流す工程を行うことでＲｕの単分子膜にシリコン（Ｓｉ）を結合させる。そして、第１ステップ〜第３ステップを繰り返し行う方法でも良い。
【００２６】
ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第１ステップで、Ｒｕプリカーサと共にタンタル（Ｔａ）などの金属を含有する有機金属化合物（すなわちＴａプリカーサ）を成膜チャンバ内に供給すれば良い。そして、ＲｕプリカーサとＴａプリカーサとを流す第1ステップと、プリカーサ中の有機成分を除去する第２ステップとを繰り返し行えば良い。
【００２７】
またこの他にも、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜におけるＲｕプリカーサを流す第１ステップおよびその後の第２ステップを行った後、Ｔａプリカーサを流す第１ステップおよびその後の第２ステップを行い、これらを交互に繰り返し行う方法でも良い。
【００２８】
尚、ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述した原子層蒸着（ＡＬＤ）法による成膜に限定されることはなく、ＣＶＤ法のような他の成膜方法を適用しても良い。
【００２９】
以上の後、図1（３）に示すように、スパッタ法により、拡散防止層１５上に銅膜からなる銅シード層１６を成膜する。次いで、電解めっき法にて、配線溝１３ａ内を完全に埋め込む状態で、銅シード層１６上に銅めっき層１７を成膜する。尚、配線溝１３ａを形成した後の脱ガス処理から銅シード層１６の形成までは、半導体基板１０を大気開放することなく連続して管理された雰囲気内で行うこととする。
【００３０】
次に、銅めっき層１７における結晶粒を成長させるために、銅めっき層１７に対して熱処理（例えば１５０℃程度の温度下で１時間程度）を行う。またこれにより、銅シード層１６と銅めっき層１７とを一体化させる。尚、銅シード層１６を設けずに、拡散防止層１５上に直接、電解めっき法にて銅めっき層１７を成膜しても良い。
【００３１】
次に、図１（４）に示すように、例えば化学的機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）により、銅めっき層１７（一体化した銅シード層１６を含む）を上面側から研磨除去し、さらに拡散防止層１５を研磨除去して第１絶縁膜１３を露出させ、配線溝１３ａ内のみに拡散防止層１５および銅めっき層１７を残す。これにより、配線溝１３ａの底部に露出させたプラグ１２に接続させて、拡散防止層１５を介して銅めっき層１７からなる第１銅配線１７ａを形成する。
【００３２】
その後、図２（５）に示すように、第１銅配線１７ａ上を含む第１絶縁膜１３上に、第１窒化シリコン膜２１、第２絶縁膜２２、第２窒化シリコン膜２３、および第３絶縁膜２４を順次堆積成膜する。ここで、第２絶縁膜２２および第３絶縁膜２４は、第１絶縁膜１３と同様に、炭素含有酸化シリコン(ＳｉＯＣ)、またはポリアリールエーテル等の有機材料のような、酸化シリコンよりも誘電率の低い材料からなる。また、第１窒化シリコン膜２１および第２窒化シリコン膜２３は、銅に対するバリア性が得られる程度の膜厚を有していれば良いこととする。
【００３３】
次に、第３絶縁膜２４に、溝パターンとして配線溝２４ａを形成する。また、第２窒化シリコン膜２３、第２絶縁膜２２、および第１窒化シリコン膜２１には、配線溝２４ａの底部から第１銅配線１７ａの上部を露出させる状態で、溝パターンとして接続孔２２ａを形成する。
【００３４】
これらの配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの形成は、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクにしたエッチングによって行われ、配線溝２４ａと接続孔２２ａとはどちらを先に形成しても良い。
【００３５】
次いで、図２（６）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの内壁を覆う状態で、第３絶縁膜２４上に、本発明に特徴的な拡散防止層２５を成膜する。この拡散防止層２５は、先に図１（２）を用いて説明した拡散防止層１５と同様に、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。このような拡散防止層２５の形成は、拡散防止層１５の形成と同様に行われる。尚、拡散防止層１５と拡散防止層２５とは、同じ材料で構成されていることに限定されることはない。
【００３６】
以上の後には、図１（３）および図１（４）を用いて説明したと同様に、拡散防止層２５上に、銅シード層および銅めっき層を形成し、銅めっき層における結晶粒を成長させるための熱処理を行う。この際、銅シード層を設けずに電解めっき法にて銅めっき層のみを成膜しても良い。次に、銅めっき層および拡散防止層２５を研磨除去して第３絶縁膜２４を露出させ、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内のみに拡散防止層２５および銅めっき層を残す。
【００３７】
以上により、図２（７）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に、拡散防止層２５を介して銅めっき層を埋め込んでなる第２銅配線２６ａを形成する。この第２銅配線２６ａは、拡散防止層２５を介して第１銅配線１７ａに接続されたものとなる。
【００３８】
そして以上により、配線溝１３ａ内に拡散防止層１５を介して第１銅配線１７ａが埋め込まれ、またこの第１銅配線１７ａ上の配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に拡散防止層２５を介して第２銅配線２６ａが埋め込まれた半導体装置２７が得られる。そして特に、拡散防止層１５，２５が、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造として構成されたものとなる。
【００３９】
このような構成の半導体装置２７においては、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造の拡散防止層１５，２５を介して銅配線１７ａ，２６ａが設けられている。拡散防止層１５，２５を構成するこれらの材料は、導電性が良好である。
【００４０】
また、これらルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）は、非晶質または微結晶性の材料であるため銅等の金属材料に対するバリア性が良好である。このため、例えば、図２（５）を用いて説明した工程において、拡散防止層１５および第１窒化シリコ膜２１は、第２絶縁膜２２とこれよりも上層の膜２３，２４を成膜する際の熱処理（例えば４００℃程度）の際に、第１絶縁膜１３や第２絶縁膜２２に対して第１銅配線１７ａを構成する銅原子が拡散することを十分に防止することができる。
【００４１】
したがって、拡散防止層１５，２５による配線の高抵抗化が防止されて導電性を良好に維持できると共に、薄膜化した拡散防止層１５，２５によっても絶縁膜１３，２２，２４への銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線構造を得ることが可能である。
【００４２】
以上の結果、上述した本発明の第１実施形態によれば、銅配線構造の更なる微細化を達成することが可能になる。
【００４３】
また特に、拡散防止層１５,２５を構成するルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）などの膜は、上述したようにＡＬＤ法やＣＶＤ法を適用して成膜することが可能である。したがって、スパッタ法などで成膜した場合と比較して、複雑な工程制御を必要とすることなく、均一な膜厚で配線溝や接続孔などの溝パターンの側壁にも拡散防止層１５，２５を成膜することができる。これにより、銅めっき層の埋め込み不良が防止できる。またこれにより、溝パターン側壁における拡散防止層１５，２５の膜厚不足に起因して、絶縁膜からの脱ガスによる拡散防止層の酸化抵抗上昇を防止することができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図３および図４は、本発明の第２実施形態を説明する断面工程図である。これらの図に示す第２実施形態が、先に説明した第１実施形態と異なるところは、拡散防止層の上下層の構成であり、その他の構成は同様である。したがって、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
先ず、図３（１）に示すように、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１０上に、下地絶縁膜１１を成膜し、この下地絶縁膜１１に形成した接続孔１１ａ内にプラグ１２を形成する。次に、下地絶縁膜１１上に、低誘電率の第１絶縁膜１３を成膜し、これに配線溝１３ａを形成する。
【００４６】
次いで、図３（２）に示すように、配線溝１３ａの内壁を覆う状態で、第１絶縁膜１３上に、本発明に特徴的な拡散防止層１５を成膜する。つまり、この拡散防止層１５は、先に図１（２）を用いて説明した拡散防止層１５と同様に、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。
【００４７】
また本第２実施形態に特徴的な構成として、この拡散防止層１５上に、ルテニウム層３１を形成する。ルテニウム層３１の成膜は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはガスフロー中に還元ガスを一定間隔で流すパルス−ＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００４８】
先ず、拡散防止層１５の成膜に引き続き、成膜処理を行う成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００４９】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００５０】
次に、第２ステップとして、アンモニア（ＮＨ3）ガス、アンモニアガスプラズマ、水素ガスプラズマ、水素ラジカルを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を十分に除去する。
【００５１】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウム層３１を成膜する。この際、ルテニウム層３１として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。
【００５２】
尚、ルテニウム層３１の成膜は、上述した原子層蒸着（ＡＬＤ）法による成膜に限定されることはなく、ＣＶＤ法のような他の成膜方法を適用しても良い。
【００５３】
以上の後には、第１実施形態と同様の工程を行い、第１銅配線を形成する。
【００５４】
すなわち先ず、図３（３）に示すように、ルテニウム層３１上に、銅シード層１６および銅めっき層１７を形成し、銅めっき層１７における結晶粒を成長させるための熱処理を行う。尚、銅シード層１６を設けずに、拡散防止層１５上に直接、電解めっき法にて銅めっき層１７を成膜しても良い。
【００５５】
次いで、図３（４）に示すように、銅めっき層１７（銅シード層１６を含む）、ルテニウム層３１、および拡散防止層１５を研磨除去して第１絶縁膜１３を露出させ、配線溝１３ａ内のみに、拡散防止層１５、ルテニウム層１７、および銅めっき層１７を残す。これにより、配線溝１３ａの底部に露出させたプラグ１２に接続させて、配線溝１３ａ内に、拡散防止層１５およびルテニウム層１７を介して銅めっき層１７からなる第１銅配線１７ａを形成する。
【００５６】
その後、図４（５）に示すように、第１銅配線１７ａ上を含む第１絶縁膜１３上に、第１窒化シリコン膜２１、第２絶縁膜２２、第２窒化シリコン膜２３、および第３絶縁膜２４を順次堆積成膜する。次に、第３絶縁膜２４に配線溝２４ａを形成し、さらに配線溝２４ａの底部から第１銅配線１７ａの上部を露出させる状態で接続孔２２ａを形成する。
【００５７】
次いで、図４（６）に示すように、本第２実施形態に特徴的な構成として、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの内壁を覆う状態で、第３絶縁膜２４上に、ルテニウム層３２を成膜し、次いで拡散防止層２５を成膜し、さらにルテニウム層３３を成膜する。ルテニウム層３２，３３の成膜は、先に図３（２）を用いて説明したと同様に行われる。また、拡散防止層２５は、本発明に特徴的な拡散防止層２５であり、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されている。尚、拡散防止層１５と拡散防止層２５とは、同じ材料で構成されていることに限定されることはない。
【００５８】
以上の後には、図３（３）および図３（４）を用いて説明したと同様に、ルテニウム層３３上に、銅シード層および銅めっき層を形成し、銅めっき層における結晶粒を成長させるための熱処理を行い、さらに銅めっき層および拡散防止層２５を研磨除去して第３絶縁膜２４を露出させ、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内のみに拡散防止層２５および銅めっき層を残す。
【００５９】
以上により、図４（７）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に、ルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して銅めっき層を埋め込んでなる第２銅配線２６ａを形成する。この第２銅配線２６ａは、ルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して第１銅配線１７ａに接続されたものとなる。
【００６０】
そして以上により、配線溝１３ａ内に拡散防止層１５およびルテニウム層３１を介して第１銅配線１７ａが埋め込まれ、またこの第１銅配線１７ａ上の配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内にルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して第２銅配線２６ａが埋め込まれた半導体装置３４が得られる。
【００６１】
このような構成の半導体装置３４においては、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造の拡散防止層１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの間にルテニウム層３１，３２，３３が設けられている。ルテニウム層３１，３２，３３は、拡散防止層１５，２５を構成する材慮と比較して、金属材料（特に銅）との密着性が良好な膜である。このため、拡散防止層１５，２５によって、絶縁膜１３，２２，２４への銅の拡散を十分に防止しつつも、拡散防止疎１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの密着性を確実にしてストレスｍａｉグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性の向上が図られた銅配線構造を得ることができる。
【００６２】
またルテニウム層３１，３２，３３も、上述したようにＡＬＤ法やＣＶＤ法を適用して成膜することが可能である。したがって、銅めっき層の埋め込み不良やルテニウム層３１，３２，３３の膜厚不足に起因して、絶縁膜からの脱ガスによる拡散防止層の酸化抵抗上昇を防止することができる。
【００６３】
尚、本第２実施形態においては、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成された拡散防止層１５，２５における銅配線１７ａ，２６ａ側にルテニウム層３１，３２，３３を設けた構成を説明した。しかしながら、本第２実施形態の他の例として、拡散防止層１５，２５をルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）で構成し、この拡散防止層１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの間にルテニウム層３１，３２，３３を設けた構成を例示することもできる。
【００６４】
ルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）からなる拡散防止層の成膜は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはその他のＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００６５】
先ず、成膜処理を行う成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００６６】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００６７】
次に、第２ステップとして、成膜チャンバ内に酸素（Ｏ2）ガスを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を十分に酸素で除去・置換する。
【００６８】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）からなる拡散防止層を成膜する。この際、拡散防止層として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。
【００６９】
以上のような他の例であっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態を説明するための断面工程図（その１）である。
【図２】第１実施形態を説明するための断面工程図（その２）である。
【図３】第２実施形態を説明するための断面工程図（その１）である。
【図４】第２実施形態を説明するための断面工程図（その２）である。
【図５】従来技術を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１３…第１絶縁膜、１３ａ，２３ａ…配線溝（溝パターン）、１５，２５…拡散防止層、１７ａ…第１銅配線（導電性パターン）、２１…第１窒化シリコン膜、２２…第２絶縁膜、２２ａ…接続孔（溝パターン）、２３…第２窒化シリコン膜、２４…第３絶縁膜、２６ａ…第２銅配線、２７，３４…半導体装置、３１，３２，３３…ルテニウム層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層間絶縁膜に形成された接続孔や配線溝などの溝パターン内に銅含有の導電パターンが埋め込まれた半導体装置、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
０．１８μｍ世代以降のシリコンＬＳＩにおいては、トランジスタの高速化に対して配線のＣＲ成分による遅延が無視できなくなったため、従来のＡｌ（比抵抗3μΩ・ｃｍ）に代えて、より低抵抗なＣｕ（比抵抗１．７μΩ・ｃｍ）またはＣｕを主成分とする銅合金を配線材料に用いる検討が進んでいる。尚、本明細書においては、銅または銅合金からなる配線を銅配線と称する。
【０００３】
図５には、銅配線を用いた半導体装置の断面図を示す。この図に示す半導体装置においては、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１００上が下地絶縁膜１０１で覆われている。この下地絶縁膜１０１の表面側には、配線溝１０１ａが設けられており、この配線溝１０１ａ内には、バリアメタル層１０２を介して銅配線１０３が埋め込まれている。さらに、下地絶縁膜１０１上には、第１窒化シリコン膜１０４、第２絶縁膜１０５、第２窒化シリコン膜１０６、第３絶縁膜１０７がこの順に積層されて、第３絶縁膜１０７には配線溝１７ａが設けられている。また、第２窒化シリコン膜１０６、第２絶縁膜１０５、および第１窒化シリコン膜１０４には、配線溝１０７ａの底部から銅配線１０３に達する接続孔１０５ａが設けられている。そして、配線溝１０７ａと接続孔１０５ａ内には、バリアメタル層１０８を介して銅配線１０９が埋め込まれている。
【０００４】
以上の構成において、バリアメタル層１０２，１０８は、銅配線１０３，１０９を構成する銅が絶縁膜１０１，１０５，１０７中に拡散することを防止するための層であり、例えばタンタル（Ｔａ）などで構成されている。また近年においては、タンタルからなるバリアメタル層の酸化に起因する銅配線の抵抗の増大を防止ることを目的として、ルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）のような酸化されても導電性を失わない金属、またはこれらの金属酸化物を用いてバリアメタル層を形成する構成が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した半導体装置においては、バリアメタル層を構成するルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）の銅に対するバリア性が十分ではなかった。このため、配線の微細化がさらに進んだ場合には、バリアメタル層の更なる薄膜化が要求されることになるが、上述した金属や金属酸化物からなるバリアメタル層は、薄膜化によって銅の拡散を十分に防止することが困難になり、これが配線の微細化を妨げる要因ともなる。
【０００７】
そこで本発明は、導電性が良好でありながらも銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線の埋め込み構造を備えた半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するための本発明は、絶縁膜に形成された溝パターン内に、拡散防止層を介して銅含有の導電性パターンが埋め込まれた半導体装置において、拡散防止層は、ルテニウムシリサイド、ルテニウムカーバイト、またはルテニウム合金からなることを特徴としている。
【０００９】
また本発明は、上述した本発明構成の半導体装置の製造方法でもあり、先ず、絶縁膜に溝パターンを形成し、この溝パターンの内壁を覆う状態で絶縁膜上にルテニウムシリサイド、ルテニウムカラーバイト、またはルテニウム合金からなる拡散防止層を形成し、さらに拡散防止層を介して溝パターン内が埋め込まれるように銅含有の導電性材料膜を絶縁膜上に成膜し、次いで溝パターン内のみに導電性材料膜および前記拡散防止層を残すように、前記絶縁膜上における導電性材料膜おおび拡散防止層を研磨除去することを特徴としている。
【００１０】
このような構成の半導体装置においては、拡散防止層を構成するルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金は、導電性が良好であるとともに、非晶質または微結晶性の材料であるため銅等の金属材料に対するバリア性が良好である。
【発明の効果】
【００１１】
以上から本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、導電性および銅に対するバリア性が良好なルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いて拡散防止層を設けたことにより、導電性が良好でありながらも銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線構造が得られ、これにより銅配線構造の更なる微細化を達成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、半導体装置の製造方法とこれによって形成された半導体装置の順に説明を行う。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１および図２は、本発明の第１実施形態を説明する断面工程図である。以下、この図に基づいて、第１実施形態の製造方法とこれによって得られる半導体装置の詳細を説明する。
【００１４】
先ず、図１（１）に示すように、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１０上に、例えば酸化シリコン(ＳｉＯ2)からなる下地絶縁膜１１を成膜する。そして、この下地絶縁膜１１に、半導体基板１０に形成した素子に達する接続孔１１ａを形成し、この内部にタングステン（Ｗ）などからなるプラグ１２を形成する。
【００１５】
次に、プラグ１２および下地絶縁膜１１上に、炭素含有酸化シリコン(ＳｉＯＣ)、またはポリアリールエーテル等の有機材料のような、酸化シリコンよりも誘電率の低い材料からなる第１絶縁膜１３を成膜する。
【００１６】
そして、第１絶縁膜１３に、プラグ１２の上面を露出させる状態で、溝パターンとして配線溝１３ａを形成する。この際、例えば、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクにした第１絶縁膜１３のエッチングを行う。
【００１７】
そして、配線溝１３ａの形成後には、不活性な雰囲気、例えばアルゴン（Ａｒ）雰囲気内または真空雰囲気内において、３００℃で６０秒間の脱ガス処理を行う。
【００１８】
次いで、図１（２）に示すように、配線溝１３ａの内壁を覆う状態で、第１絶縁膜１３上に、本発明に特徴的な拡散防止層１５を成膜する。この拡散防止層１５は、ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。ここでは特に、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造であることとする。尚、Ｒｕ合金としては、例えばルテニウムとタンタルとの合金（ＲｕxＴａy）、ルテニウムとチタンとの合金（ＲｕxＴｉy）、ルテニウムとジルコニウムの合金（ＲｕxＺｒy）、ルテニウムとタングステンとの合金（ＲｕxＷy）、ルテニウムとバナジウムとの合金（ＲｕxＶy）などが例示される。
【００１９】
これら材料からなる拡散防止層１５は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはその他のＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００２０】
ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層１５の成膜は次のように行う。先ず、成膜処理を行う半導体基板を洗浄して成膜チャンバ内に収納し、成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００２１】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００２２】
次に、第２ステップとして、成膜チャンバ内に、アンモニア（ＮＨ3）ガス、アンモニアガスプラズマ、水素ガスプラズマ、水素ラジカルを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を有る程度残し、不必要な有機成分を除去する。
【００２３】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層１５を成膜する。この際、拡散防止層１５として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。また、第２ステップにおいての窒素ガスに対する成膜表面の暴露時間を調整することにより、ルテニウム（Ｒｕ）中の炭素（Ｃ）量を制御する。
【００２４】
ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第２ステップにおいて、窒素ガス等に換えてシラン（ＳｉＨ4）ガスを流し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分をシリコン（Ｓｉ）で十分に置換する。そして、第１ステップと、シラン（ＳｉＨ4）ガスを流す第２ステップとを繰り返し行えば良い。
【００２５】
またこの他にも、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第２ステップにおいてＲｕプリカーサ中の有機成分を十分に除去した後に、第３ステップとしてシラン（ＳｉＨ4）ガスを流す工程を行うことでＲｕの単分子膜にシリコン（Ｓｉ）を結合させる。そして、第１ステップ〜第３ステップを繰り返し行う方法でも良い。
【００２６】
ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜における第１ステップで、Ｒｕプリカーサと共にタンタル（Ｔａ）などの金属を含有する有機金属化合物（すなわちＴａプリカーサ）を成膜チャンバ内に供給すれば良い。そして、ＲｕプリカーサとＴａプリカーサとを流す第1ステップと、プリカーサ中の有機成分を除去する第２ステップとを繰り返し行えば良い。
【００２７】
またこの他にも、上述したルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）からなる拡散防止層の成膜におけるＲｕプリカーサを流す第１ステップおよびその後の第２ステップを行った後、Ｔａプリカーサを流す第１ステップおよびその後の第２ステップを行い、これらを交互に繰り返し行う方法でも良い。
【００２８】
尚、ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる拡散防止層１５の成膜は、上述した原子層蒸着（ＡＬＤ）法による成膜に限定されることはなく、ＣＶＤ法のような他の成膜方法を適用しても良い。
【００２９】
以上の後、図1（３）に示すように、スパッタ法により、拡散防止層１５上に銅膜からなる銅シード層１６を成膜する。次いで、電解めっき法にて、配線溝１３ａ内を完全に埋め込む状態で、銅シード層１６上に銅めっき層１７を成膜する。尚、配線溝１３ａを形成した後の脱ガス処理から銅シード層１６の形成までは、半導体基板１０を大気開放することなく連続して管理された雰囲気内で行うこととする。
【００３０】
次に、銅めっき層１７における結晶粒を成長させるために、銅めっき層１７に対して熱処理（例えば１５０℃程度の温度下で１時間程度）を行う。またこれにより、銅シード層１６と銅めっき層１７とを一体化させる。尚、銅シード層１６を設けずに、拡散防止層１５上に直接、電解めっき法にて銅めっき層１７を成膜しても良い。
【００３１】
次に、図１（４）に示すように、例えば化学的機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）により、銅めっき層１７（一体化した銅シード層１６を含む）を上面側から研磨除去し、さらに拡散防止層１５を研磨除去して第１絶縁膜１３を露出させ、配線溝１３ａ内のみに拡散防止層１５および銅めっき層１７を残す。これにより、配線溝１３ａの底部に露出させたプラグ１２に接続させて、拡散防止層１５を介して銅めっき層１７からなる第１銅配線１７ａを形成する。
【００３２】
その後、図２（５）に示すように、第１銅配線１７ａ上を含む第１絶縁膜１３上に、第１窒化シリコン膜２１、第２絶縁膜２２、第２窒化シリコン膜２３、および第３絶縁膜２４を順次堆積成膜する。ここで、第２絶縁膜２２および第３絶縁膜２４は、第１絶縁膜１３と同様に、炭素含有酸化シリコン(ＳｉＯＣ)、またはポリアリールエーテル等の有機材料のような、酸化シリコンよりも誘電率の低い材料からなる。また、第１窒化シリコン膜２１および第２窒化シリコン膜２３は、銅に対するバリア性が得られる程度の膜厚を有していれば良いこととする。
【００３３】
次に、第３絶縁膜２４に、溝パターンとして配線溝２４ａを形成する。また、第２窒化シリコン膜２３、第２絶縁膜２２、および第１窒化シリコン膜２１には、配線溝２４ａの底部から第１銅配線１７ａの上部を露出させる状態で、溝パターンとして接続孔２２ａを形成する。
【００３４】
これらの配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの形成は、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクにしたエッチングによって行われ、配線溝２４ａと接続孔２２ａとはどちらを先に形成しても良い。
【００３５】
次いで、図２（６）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの内壁を覆う状態で、第３絶縁膜２４上に、本発明に特徴的な拡散防止層２５を成膜する。この拡散防止層２５は、先に図１（２）を用いて説明した拡散防止層１５と同様に、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。このような拡散防止層２５の形成は、拡散防止層１５の形成と同様に行われる。尚、拡散防止層１５と拡散防止層２５とは、同じ材料で構成されていることに限定されることはない。
【００３６】
以上の後には、図１（３）および図１（４）を用いて説明したと同様に、拡散防止層２５上に、銅シード層および銅めっき層を形成し、銅めっき層における結晶粒を成長させるための熱処理を行う。この際、銅シード層を設けずに電解めっき法にて銅めっき層のみを成膜しても良い。次に、銅めっき層および拡散防止層２５を研磨除去して第３絶縁膜２４を露出させ、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内のみに拡散防止層２５および銅めっき層を残す。
【００３７】
以上により、図２（７）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に、拡散防止層２５を介して銅めっき層を埋め込んでなる第２銅配線２６ａを形成する。この第２銅配線２６ａは、拡散防止層２５を介して第１銅配線１７ａに接続されたものとなる。
【００３８】
そして以上により、配線溝１３ａ内に拡散防止層１５を介して第１銅配線１７ａが埋め込まれ、またこの第１銅配線１７ａ上の配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に拡散防止層２５を介して第２銅配線２６ａが埋め込まれた半導体装置２７が得られる。そして特に、拡散防止層１５，２５が、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造として構成されたものとなる。
【００３９】
このような構成の半導体装置２７においては、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造の拡散防止層１５，２５を介して銅配線１７ａ，２６ａが設けられている。拡散防止層１５，２５を構成するこれらの材料は、導電性が良好である。
【００４０】
また、これらルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）は、非晶質または微結晶性の材料であるため銅等の金属材料に対するバリア性が良好である。このため、例えば、図２（５）を用いて説明した工程において、拡散防止層１５および第１窒化シリコ膜２１は、第２絶縁膜２２とこれよりも上層の膜２３，２４を成膜する際の熱処理（例えば４００℃程度）の際に、第１絶縁膜１３や第２絶縁膜２２に対して第１銅配線１７ａを構成する銅原子が拡散することを十分に防止することができる。
【００４１】
したがって、拡散防止層１５，２５による配線の高抵抗化が防止されて導電性を良好に維持できると共に、薄膜化した拡散防止層１５，２５によっても絶縁膜１３，２２，２４への銅の拡散を十分に防止することが可能な銅配線構造を得ることが可能である。
【００４２】
以上の結果、上述した本発明の第１実施形態によれば、銅配線構造の更なる微細化を達成することが可能になる。
【００４３】
また特に、拡散防止層１５,２５を構成するルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）などの膜は、上述したようにＡＬＤ法やＣＶＤ法を適用して成膜することが可能である。したがって、スパッタ法などで成膜した場合と比較して、複雑な工程制御を必要とすることなく、均一な膜厚で配線溝や接続孔などの溝パターンの側壁にも拡散防止層１５，２５を成膜することができる。これにより、銅めっき層の埋め込み不良が防止できる。またこれにより、溝パターン側壁における拡散防止層１５，２５の膜厚不足に起因して、絶縁膜からの脱ガスによる拡散防止層の酸化抵抗上昇を防止することができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図３および図４は、本発明の第２実施形態を説明する断面工程図である。これらの図に示す第２実施形態が、先に説明した第１実施形態と異なるところは、拡散防止層の上下層の構成であり、その他の構成は同様である。したがって、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
先ず、図３（１）に示すように、ＭＯＳトランジスタやその他の半導体素子を形成した半導体基板１０上に、下地絶縁膜１１を成膜し、この下地絶縁膜１１に形成した接続孔１１ａ内にプラグ１２を形成する。次に、下地絶縁膜１１上に、低誘電率の第１絶縁膜１３を成膜し、これに配線溝１３ａを形成する。
【００４６】
次いで、図３（２）に示すように、配線溝１３ａの内壁を覆う状態で、第１絶縁膜１３上に、本発明に特徴的な拡散防止層１５を成膜する。つまり、この拡散防止層１５は、先に図１（２）を用いて説明した拡散防止層１５と同様に、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されていることが特徴的である。
【００４７】
また本第２実施形態に特徴的な構成として、この拡散防止層１５上に、ルテニウム層３１を形成する。ルテニウム層３１の成膜は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはガスフロー中に還元ガスを一定間隔で流すパルス−ＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００４８】
先ず、拡散防止層１５の成膜に引き続き、成膜処理を行う成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００４９】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００５０】
次に、第２ステップとして、アンモニア（ＮＨ3）ガス、アンモニアガスプラズマ、水素ガスプラズマ、水素ラジカルを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を十分に除去する。
【００５１】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウム層３１を成膜する。この際、ルテニウム層３１として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。
【００５２】
尚、ルテニウム層３１の成膜は、上述した原子層蒸着（ＡＬＤ）法による成膜に限定されることはなく、ＣＶＤ法のような他の成膜方法を適用しても良い。
【００５３】
以上の後には、第１実施形態と同様の工程を行い、第１銅配線を形成する。
【００５４】
すなわち先ず、図３（３）に示すように、ルテニウム層３１上に、銅シード層１６および銅めっき層１７を形成し、銅めっき層１７における結晶粒を成長させるための熱処理を行う。尚、銅シード層１６を設けずに、拡散防止層１５上に直接、電解めっき法にて銅めっき層１７を成膜しても良い。
【００５５】
次いで、図３（４）に示すように、銅めっき層１７（銅シード層１６を含む）、ルテニウム層３１、および拡散防止層１５を研磨除去して第１絶縁膜１３を露出させ、配線溝１３ａ内のみに、拡散防止層１５、ルテニウム層１７、および銅めっき層１７を残す。これにより、配線溝１３ａの底部に露出させたプラグ１２に接続させて、配線溝１３ａ内に、拡散防止層１５およびルテニウム層１７を介して銅めっき層１７からなる第１銅配線１７ａを形成する。
【００５６】
その後、図４（５）に示すように、第１銅配線１７ａ上を含む第１絶縁膜１３上に、第１窒化シリコン膜２１、第２絶縁膜２２、第２窒化シリコン膜２３、および第３絶縁膜２４を順次堆積成膜する。次に、第３絶縁膜２４に配線溝２４ａを形成し、さらに配線溝２４ａの底部から第１銅配線１７ａの上部を露出させる状態で接続孔２２ａを形成する。
【００５７】
次いで、図４（６）に示すように、本第２実施形態に特徴的な構成として、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａの内壁を覆う状態で、第３絶縁膜２４上に、ルテニウム層３２を成膜し、次いで拡散防止層２５を成膜し、さらにルテニウム層３３を成膜する。ルテニウム層３２，３３の成膜は、先に図３（２）を用いて説明したと同様に行われる。また、拡散防止層２５は、本発明に特徴的な拡散防止層２５であり、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成されている。尚、拡散防止層１５と拡散防止層２５とは、同じ材料で構成されていることに限定されることはない。
【００５８】
以上の後には、図３（３）および図３（４）を用いて説明したと同様に、ルテニウム層３３上に、銅シード層および銅めっき層を形成し、銅めっき層における結晶粒を成長させるための熱処理を行い、さらに銅めっき層および拡散防止層２５を研磨除去して第３絶縁膜２４を露出させ、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内のみに拡散防止層２５および銅めっき層を残す。
【００５９】
以上により、図４（７）に示すように、配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内に、ルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して銅めっき層を埋め込んでなる第２銅配線２６ａを形成する。この第２銅配線２６ａは、ルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して第１銅配線１７ａに接続されたものとなる。
【００６０】
そして以上により、配線溝１３ａ内に拡散防止層１５およびルテニウム層３１を介して第１銅配線１７ａが埋め込まれ、またこの第１銅配線１７ａ上の配線溝２４ａおよび接続孔２２ａ内にルテニウム層３２，３３で狭持された拡散防止層２５を介して第２銅配線２６ａが埋め込まれた半導体装置３４が得られる。
【００６１】
このような構成の半導体装置３４においては、ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、またはルテニウム合金（Ｒｕ合金）からなる単層構造の拡散防止層１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの間にルテニウム層３１，３２，３３が設けられている。ルテニウム層３１，３２，３３は、拡散防止層１５，２５を構成する材慮と比較して、金属材料（特に銅）との密着性が良好な膜である。このため、拡散防止層１５，２５によって、絶縁膜１３，２２，２４への銅の拡散を十分に防止しつつも、拡散防止疎１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの密着性を確実にしてストレスｍａｉグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性の向上が図られた銅配線構造を得ることができる。
【００６２】
またルテニウム層３１，３２，３３も、上述したようにＡＬＤ法やＣＶＤ法を適用して成膜することが可能である。したがって、銅めっき層の埋め込み不良やルテニウム層３１，３２，３３の膜厚不足に起因して、絶縁膜からの脱ガスによる拡散防止層の酸化抵抗上昇を防止することができる。
【００６３】
尚、本第２実施形態においては、（ａ）ルテニウムカーバイト（ＲｕＣｘ）、（ｂ）ルテニウムシリサイド（ＲｕＳｉｘ）、または（ｃ）ルテニウム合金（Ｒｕ合金）を用いて構成された拡散防止層１５，２５における銅配線１７ａ，２６ａ側にルテニウム層３１，３２，３３を設けた構成を説明した。しかしながら、本第２実施形態の他の例として、拡散防止層１５，２５をルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）で構成し、この拡散防止層１５，２５と銅配線１７ａ，２６ａとの間にルテニウム層３１，３２，３３を設けた構成を例示することもできる。
【００６４】
ルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）からなる拡散防止層の成膜は、例えば原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって形成される。ＡＬＤ法であれば、熱ＡＬＤ法やプラズマＡＬＤ法、さらにはその他のＡＬＤ法が適用され、例えば次のように行われる。
【００６５】
先ず、成膜処理を行う成膜チャンバ内のガスを窒素に置換する。
【００６６】
次に、第１ステップとして、ルテニウム（Ｒｕ）を含有する有機金属化合物（すなわちＲｕプリカーサ）を、キャリアガスと共に成膜チャンバ内に供給し、これにより成膜表面にＲｕプリカーサを化学的に単分子吸着させる。Ｒｕプリカーサとしてはガス状で供給可能な材料として例えばＲｕ（ＥｔＣｐ）2［ルテニウムジエチルシプロエン］が用いられ、キャリアガスとしては例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。
【００６７】
次に、第２ステップとして、成膜チャンバ内に酸素（Ｏ2）ガスを導入し、成膜表面に吸着させたＲｕプリカーサ中の有機性分を十分に酸素で除去・置換する。
【００６８】
以降、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行うことにより、成膜表面にルテニウムオキサイド（ＲｕＯｘ）からなる拡散防止層を成膜する。この際、拡散防止層として所望の膜厚になるまで、第１ステップと第２ステップとを繰り返し行う。
【００６９】
以上のような他の例であっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態を説明するための断面工程図（その１）である。
【図２】第１実施形態を説明するための断面工程図（その２）である。
【図３】第２実施形態を説明するための断面工程図（その１）である。
【図４】第２実施形態を説明するための断面工程図（その２）である。
【図５】従来技術を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１３…第１絶縁膜、１３ａ，２３ａ…配線溝（溝パターン）、１５，２５…拡散防止層、１７ａ…第１銅配線（導電性パターン）、２１…第１窒化シリコン膜、２２…第２絶縁膜、２２ａ…接続孔（溝パターン）、２３…第２窒化シリコン膜、２４…第３絶縁膜、２６ａ…第２銅配線、２７，３４…半導体装置、３１，３２，３３…ルテニウム層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に形成された溝パターン内に、拡散防止層を介して銅含有の導電性パターンが埋め込まれた半導体装置において、
前記拡散防止層は、ルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いて構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記拡散防止層と前記導電性パターンとの間にルテニウム層が設けられた
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項1記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、ルテニウム層で狭持されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
絶縁膜に溝パターンを形成するする工程と、
前記溝パターンの内壁を覆う状態で前記絶縁膜上に、ルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いた拡散防止層を形成する工程と、
前記拡散防止層を介して前記溝パターン内が埋め込まれるように銅含有の導電性材料膜を前記絶縁膜上に成膜する工程と、
前記溝パターン内のみに導電性材料膜および前記拡散防止層を残すように、前記絶縁膜上における当該導電性材料膜および拡散防止層を研磨除去する工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記拡散防止層の成膜を原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
絶縁膜に形成された溝パターン内に、拡散防止層を介して銅含有の導電性パターンが埋め込まれた半導体装置において、
前記拡散防止層は、ルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いて構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記拡散防止層と前記導電性パターンとの間にルテニウム層が設けられた
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項1記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、ルテニウム層で狭持されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
絶縁膜に溝パターンを形成するする工程と、
前記溝パターンの内壁を覆う状態で前記絶縁膜上に、ルテニウムカーバイト、ルテニウムシリサイド、またはルテニウム合金を用いた拡散防止層を形成する工程と、
前記拡散防止層を介して前記溝パターン内が埋め込まれるように銅含有の導電性材料膜を前記絶縁膜上に成膜する工程と、
前記溝パターン内のみに導電性材料膜および前記拡散防止層を残すように、前記絶縁膜上における当該導電性材料膜および拡散防止層を研磨除去する工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記拡散防止層の成膜を原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２５８３９０（Ｐ２００７−２５８３９０Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７９９３０（Ｐ２００６−７９９３０）
【出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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