半導体装置およびその製造方法
【課題】配線を低抵抗化するとともに、配線材料と層間絶縁膜との密着性を向上させる。
【解決手段】半導体装置１００は、基板（不図示）上に形成された第１の銅含有導電膜１２４と、第１の銅含有導電膜１２４上に形成され、第１の銅含有導電膜１２４に達する凹部が形成された絶縁膜（１０８、１１０、１１２、１１４）と、これら絶縁膜の凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成された第２のバリア絶縁膜１２８と、凹部の底面で第１の銅含有導電膜１２４に接するとともに凹部の側壁で第２のバリア絶縁膜１２８に接して凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との第２の接着合金膜１３０と、銅を主成分として含み、第２の接着合金膜１３０上に第２の接着合金膜１３０に接して凹部を埋め込んで形成された第２の銅含有導電膜１３２とを含む。
【解決手段】半導体装置１００は、基板（不図示）上に形成された第１の銅含有導電膜１２４と、第１の銅含有導電膜１２４上に形成され、第１の銅含有導電膜１２４に達する凹部が形成された絶縁膜（１０８、１１０、１１２、１１４）と、これら絶縁膜の凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成された第２のバリア絶縁膜１２８と、凹部の底面で第１の銅含有導電膜１２４に接するとともに凹部の側壁で第２のバリア絶縁膜１２８に接して凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との第２の接着合金膜１３０と、銅を主成分として含み、第２の接着合金膜１３０上に第２の接着合金膜１３０に接して凹部を埋め込んで形成された第２の銅含有導電膜１３２とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは多層配線構造を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置において、特性の向上および機能あたりのコスト低減を目的として、素子や配線の微細化や配線の多層化が行われている。トランジスタなどの素子は、微細化および種々の対策によって、電気的特性が改善されている。一方、配線では、微細化によって配線抵抗の増加や配線間容量の増加が顕著になっている。配線での信号伝搬の遅延定数は、配線抵抗と配線間容量との積で表されるので、微細化による配線抵抗や配線間容量が増加することにより、近年の半導体集積回路においては、配線での信号伝搬の遅延が回路動作を律速するようになってきている。そのため、回路動作を高速化する目的で、層間絶縁膜には従来のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）よりも比誘電率の小さい低誘電率材料が、配線には比抵抗値の小さい銅（Ｃｕ）が用いられるようになっている。
【０００３】
配線材料として銅を用いた多層配線は、以下のようなダマシン法（damascene process）で形成される。まず、層間絶縁膜に配線溝やビアホール等の凹部を形成し、当該凹部内に銅膜と層間絶縁膜との密着性改善、および銅の拡散を防止するためのバリアメタル膜を堆積する。つづいて、凹部を銅膜で埋め込んだ後、凹部外部に露出した銅膜およびバリアメタル膜をＣＭＰ（化学機械研磨法：chemical mechanical polishing）で除去することにより銅配線または銅ビアが形成される。
【０００４】
このような銅配線または銅ビアにおいて、バリアメタル膜は、たとえばＴｉＮ膜やＷ系の膜等により構成される。バリアメタル膜の比抵抗は銅に比べて１〜２桁以上高い。そのため、配線寸法を微細化するに伴い、配線中のバリアメタル膜の寄与が大きくなり、配線抵抗が上昇してしまうという問題があった。
【０００５】
銅配線において、バリアメタル膜を用いない構成も検討されている。特許文献１（特開１１−４０６７１号公報）には、パターニングされた絶縁層の一部を障壁膜に変換する段階、障壁膜の上に接着層を被覆する段階、接着層の上に導電性金属含有層を形成する段階、を含む半導体装置の製造方法が開示されている。障壁膜は、低誘電率材料により構成された酸化膜である絶縁層にプラズマ窒化ステップを行うことにより形成されたシリコンオキシナイトライドである。接着層は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を含む。また、接着層は、マグネシウム、チタン等を含むことができる。
【０００６】
非特許文献１には、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２により構成された絶縁膜の凹部内にＣｕ−Ｍｎ膜を形成し、この膜をシード膜としてめっきにより銅を形成する技術が開示されている。銅膜を形成した後、アニールを行い、Ｃｕ−Ｍｎ膜とＴＥＯＳ−ＳｉＯ２とを反応させて、ＭｎＳｉｘＯｙバリア層を形成している。
【特許文献１】特開１１−４０６７１号公報
【非特許文献１】T. Usui et. al; "Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene Interconnect Technology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer"; Proceedings of the IEEE 2005 International Interconnect Technology Conference (IEEE Cat. No. 05TH8780C); IEEE , Piscataway, NJ, USA , 2005 , 242 Pages; 6-8 June 2005; Page 188-90
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の技術では、銅膜と接着層との界面や界面近傍において、銅の結晶粒界に高濃度のシリコン等の金属が偏在するため、配線抵抗が増大してしまい、配線を低抵抗化できないという問題がある。
【０００８】
また、非特許文献１に記載の技術では、バリア膜を確実に形成するために、Ｃｕ−Ｍｎ膜の膜厚を厚くする必要がある。そのため、銅配線中のＭｎ濃度が高くなり、配線抵抗が高くなるという問題も生じる。また、Ｍｎを銅膜表面に拡散させるためには、高温でのアニールを長時間行う必要があり、半導体装置の製造安定性が劣化するとともに、処理時間がかかるという問題もある。加えて、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２に代わり多孔質の低誘電率膜が用いられる場合、バリア膜の膜質は多孔質を反映して低密度となるため、バリア性や密着性が低下するという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、
基板上に形成された下層導電膜と、
前記下層導電膜上に形成され、前記下層導電膜に達する凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜と、
前記凹部の底面で前記下層導電膜に接するとともに前記凹部の側壁で前記バリア絶縁膜に接して前記凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との合金膜と、
銅を主成分として含み、前記合金膜上に当該合金膜に接して前記凹部を埋め込んで形成された上層導電膜と、を含む半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明によれば、
半導体基板上に形成された下層導電膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記下層導電膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部底面の前記下層導電膜と接する領域の前記バリア絶縁膜を除去して前記下層導電膜を露出させる工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜を形成する工程と、
前記凹部内に、銅を主成分として含む上層導電膜を前記合金膜に接して形成し、前記凹部を埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
ここで、下層導電膜および上層導電膜は、それぞれ銅を主成分として含む配線またはビアとすることができる。本発明によれば、従来のバリアメタル膜にかえてバリア絶縁膜を設けている。そのため、導電膜側方に抵抗の高い導電材料が設けられず、導電膜の抵抗を低下することができる。
【００１２】
また、通常、銅は絶縁膜に対する密着性が悪いという問題がある。これは、銅の表面エネルギーが充分に大きくないこと、および絶縁膜を構成する元素との生成エンタルピーが高いこと等が原因だと考えられる。そのため、従来、銅と絶縁膜との間にバリアメタル膜を形成し、銅とバリアメタル膜の界面に強い金属結合を形成することにより、銅の密着性を向上させていた。本発明において、バリア絶縁膜と導電膜との間に銅と異種元素との合金膜が設けられる。合金膜中の異種元素として、絶縁膜を構成する元素と強い結合を組む元素を選択することにより、導電膜の密着性を高めることができる。異種元素としては、銅よりも表面エネルギーが大きい元素、バリア絶縁膜を構成する元素、絶縁膜を構成する他の元素との生成エンタルピーが、銅と当該他の元素との生成エンタルピーよりも低い元素等が好ましく用いられる。
【００１３】
図４は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、ＺｒおよびＣｕの表面エネルギーの温度依存性を計算した結果を示す図である（出展：改訂４版 金属データブック）。図示したように、同温度において、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒは、いずれもＣｕに比べて、高い表面張力を示している。
【００１４】
また、金属と他の元素との生成エンタルピーを、金属酸化物を例として説明する。図５は、金属酸化物と金属１ｍｏｌ当たりの生成エンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を示す図である（ＭｘＯｙの生成エンタルピーがΔＨｋＪ／ｍｏｌであれば、金属１ｍｏｌ当りの生成エンタルピーは、ΔＨ／ｘｋＪ／ｍｏｌとなる、（出展：CRC HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS 86TH ED. 2005-2006））。図示したように、ＣｕＯは他の金属（Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ）の酸化物やＳｉＯ２に比べて生成エンタルピーが著しく高い。ここでは、酸化物を例として示したが、たとえば窒化物でも同様の傾向を示し、銅と他の元素との生成エンタルピーは高くなる傾向にある。また、他の金属の中でも、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ等はとくに他の元素との生成エンタルピーが低くなる傾向にある。そのため、このような金属と銅との合金膜を用いることにより、絶縁膜との密着性が向上すると考えられる。以上のように、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒは、表面張力（表面エネルギー）および生成エンタルピー（結合エネルギー）の両方の観点から、銅よりも絶縁膜に対する密着性が高くなると考えられる。
【００１５】
また、合金膜が銅を含むため、合金膜の抵抗を低く保つことができる。本発明によれば、導電膜と合金膜との間、および合金膜とバリア絶縁膜との界面においても、銅と異種元素との合金が形成されている。そのため銅の結晶粒界に高濃度の異種元素が偏在することなく、合金膜の抵抗を低く保つことができる。さらに、下層導電膜と上層導電膜との間には、合金膜のみが設けられる。そのため、これらの間の抵抗も低減することができる。
【００１６】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、配線を低抵抗化するとともに、配線材料と層間絶縁膜との密着性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態において、デュアルダマシン構造の配線が形成される。
半導体装置１００は、トランジスタ等の素子が表面に形成された半導体基板（不図示）、半導体基板上に形成された第１の層間絶縁膜１０２、第１のエッチング阻止膜１０４、第２の層間絶縁膜１０６、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４を含む。
【００２０】
半導体装置１００は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６中に形成された第１のバリア絶縁膜１２０および下層配線１２６（下層導電膜）と、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４中に形成された第２のバリア絶縁膜１２８および上層配線１３４とを含む。下層配線１２６は、第１の接着合金膜１２２および第１の銅含有導電膜１２４により構成される。上層配線１３４は、第２の接着合金膜１３０（合金膜）および第２の銅含有導電膜１３２により構成される。第１の銅含有導電膜１２４および第２の銅含有導電膜１３２は、たとえば微量のＡｌやＡｇ等の銅以外の金属を含むことができるが、銅を主成分として含む材料により構成される。本実施の形態において、第１の銅含有導電膜１２４および第２の銅含有導電膜１３２は、銅膜とすることができる。
【００２１】
第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、銅の拡散を防止する材料により構成される。第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、実質的に酸素を含まない材料により構成される。これにより、合金膜とバリア絶縁膜との間の密着性を向上させることができる。とくに、絶縁膜が酸素を含む場合、絶縁膜と銅膜との密着性が劣化するという問題がある。これは、銅膜が絶縁膜中の酸素により酸化されるためだと考えられる。しかし、本実施の形態において、バリア絶縁膜が酸素を実質的に含まないので、合金膜が界面に銅を含む場合でも、密着性を良好にすることができる。また、このような密着性の劣化を防ぐことにより、バリア絶縁膜の拡散防止機能を向上させることができる。さらに、バリア絶縁膜が酸素を実質的に含まないので、合金膜が酸化されるのを防ぐことができる。これにより、上記のように密着性を良好にすることができるとともに、配線を低抵抗化することができる。さらに、配線容量を設計通りに保つことができる。第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、たとえばＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）またはＳｉＣＮ膜により構成することができる。
【００２２】
本実施の形態において、第１の接着合金膜１２２および第２の接着合金膜１３０は、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜により構成される。ここで、接着合金膜中の異種元素の含有量は、たとえば、接着合金膜を構成する材料に対する異種元素の含有率が０．１質量％以上とすることができる。また、接着合金膜中の異種元素の含有量は、たとえば、接着合金膜を構成する材料に対する異種元素の含有率が３０質量％以下とすることができる。第１の接着合金膜１２２は、第１のバリア絶縁膜１２０および第１の銅含有導電膜１２４の間にこれらに接して設けられる。第１の接着合金膜１２２は、銅を含むため、第１の銅含有導電膜１２４に対して良好な接着性を示す。同様に、第２の接着合金膜１３０は、第２のバリア絶縁膜１２８および第２の銅含有導電膜１３２の間にこれらに接して設けられる。第２の接着合金膜１３０は、銅を含むため、第２の銅含有導電膜１３２に対して良好な接着性を示す。また、第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、それぞれ、バリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８に対して良好な接着性を有する材料により構成することができる。
【００２３】
以下、第２の接着合金膜１３０を例として説明する。第１の接着合金膜１２２も第２の接着合金膜１３０と同様の構成とすることができる。第２の接着合金膜１３０において、第２の銅含有導電膜１３２と接する界面から第２のバリア絶縁膜１２８と接する界面にわたって、銅と異種元素の組成が略均一となるようにすることができる。本実施の形態において、第２の接着合金膜１３０は、比抵抗の低い銅を含むとともに、銅と異種元素との合金により構成される。これにより、第２の接着合金膜１３０を低抵抗化することができる。また、第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素との化合物により構成することもできる。これにより、第２の接着合金膜１３０をさらに低抵抗化することができる。
【００２４】
第２の接着合金膜１３０に含まれる異種元素は、第２のバリア絶縁膜１２８を構成する少なくとも一の元素とすることができる。たとえば、第２のバリア絶縁膜１２８がＳｉを含む場合、異種元素は、Ｓｉとすることができる。第２の接着合金膜１３０は、銅シリサイド層により構成することができる。
【００２５】
また、第２の接着合金膜１３０に含まれる異種元素は、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＺｒから選択される少なくとも一の金属元素とすることができる。このような金属元素は、銅よりも表面張力が大きく、銅を主成分とする膜に比べて絶縁膜に対する密着性が良好になる。
【００２６】
第１のバリア絶縁膜１２０は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６に形成された凹部側壁を覆うように形成される。第１の接着合金膜１２２は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６に形成された凹部内壁を覆うように、第１のバリア絶縁膜１２０に接して形成される。第１の銅含有導電膜１２４は、第１の接着合金膜１２２上に第１の接着合金膜１２２に接して凹部を埋め込んで形成される。
【００２７】
第２のバリア絶縁膜１２８は、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、および第２のエッチング阻止膜１１２に形成された凹部側壁を覆うように形成される。第２の接着合金膜１３０は、凹部の底面で第１の銅含有導電膜１２４に接するとともに凹部の側壁で第２のバリア絶縁膜１２８に接して凹部内壁を覆うように形成される。第２の銅含有導電膜１３２は、第２の接着合金膜１３０上に第２の接着合金膜１３０に接して凹部を埋め込んで形成される。
【００２８】
なお、ここでは、凹部底部全面に第１のバリア絶縁膜１２０が形成された例を示すが、下層配線１２６がさらにその下層の配線等と接続される場合、第２のバリア絶縁膜１２８と同様、接続箇所には第１のバリア絶縁膜１２０が形成されないようにすることができる。
【００２９】
次に、半導体装置１００の製造手順を説明する。図２および図３は、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
ここでは、下層配線１２６が形成された状態からの手順を説明する。下層配線１２６を形成後、下層配線１２６上に、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４をこの順で積層する。
【００３０】
第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、ＳｉおよびＯを含む材料により構成することができる。本実施の形態において、第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、低誘電率膜により構成することができる。第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、たとえば、ＳｉＯＣにより構成することができる。第２の層間絶縁膜１０６も、第３の層間絶縁膜１１０等と同様の材料により構成することができる。第１の層間絶縁膜１０２は、たとえばＳｉＯ２により構成することができる。
【００３１】
第２のエッチング阻止膜１１２は、たとえば、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、またはＳｉＯＮ等により構成することができる。第１のエッチング阻止膜１０４も第２のエッチング阻止膜１１２と同様の材料により構成することができる。第１のキャップ絶縁膜１０８は、たとえばＳｉＣＮにより構成することができる。
【００３２】
つづいて、第４の層間絶縁膜１１４、第２のエッチング阻止膜１１２、第３の層間絶縁膜１１０および第１のキャップ絶縁膜１０８をエッチングして、第１の銅含有導電膜１２４に達するデュアルダマシン配線溝１４０を形成する。これにより、デュアルダマシン配線溝１４０の底部に、第１の銅含有導電膜１２４の表面が露出する（図２（ａ））。
【００３３】
次いで、デュアルダマシン配線溝１４０内壁を覆うように、第２のバリア絶縁膜１２８を形成する（図２（ｂ））。第２のバリア絶縁膜１２８は、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により堆積させて形成することができる。ここで、第２のバリア絶縁膜１２８は、ＳｉＮ膜とすることができる。このように、第２のバリア絶縁膜１２８をＣＶＤ法等により、堆積させて形成することにより、第２のバリア絶縁膜１２８の構成材料が第３の層間絶縁膜１１０や第４の層間絶縁膜１１４の構成材料に依存しないようにすることができる。これにより、たとえば第３の層間絶縁膜１１０や第４の層間絶縁膜１１４が酸素を含む場合でも、第２のバリア絶縁膜１２８が酸素を実質的に含まない構成とすることができる。これにより、上述したように、第２の接着合金膜１３０との密着性を向上させたり、銅の拡散防止機能を向上させたり、第２の接着合金膜１３０の酸化を防ぐことができる。
【００３４】
その後、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第１の銅含有導電膜１２４と接する領域に形成された第２のバリア絶縁膜１２８（膜厚約１〜２０ｎｍ）を選択的に除去して、第１の銅含有導電膜１２４を露出させる（図２（ｃ））。図２（ｂ）に示したように、デュアルダマシン配線溝１４０内にＣＶＤ法で第２のバリア絶縁膜１２８を形成した場合、第２のバリア絶縁膜１２８は、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第１の銅含有導電膜１２４と接する領域において、他の領域よりも膜厚が薄く形成される。そのため、本実施の形態において、第２のバリア絶縁膜１２８を全面的にドライエッチングすることにより、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第２のバリア絶縁膜１２８を選択的に除去することができる。
【００３５】
つづいて、デュアルダマシン配線溝１４０内壁を覆うように、第２の接着合金膜１３０（膜厚約１〜２０ｎｍ）を形成する（図３（ａ））。異種元素がＳｉの場合、第２の接着合金膜１３０は、たとえば銅を含む原料とＳｉを含む原料とを用いたＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により形成することができる。また、スパッタ法やＡＬＤ法により銅膜を形成した後、Ｓｉを含む分子のクラスタイオンを用いたガスクラスタイオンビームを銅膜に照射する方法により形成することもできる。また、第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素との合金をターゲットとして用いて、スパッタリング法により形成することもできる。
【００３６】
次いで、第２の接着合金膜１３０に接するとともに、デュアルダマシン配線溝１４０を埋め込む第２の銅含有導電膜１３２を形成する（図３（ｂ））。第２の銅含有導電膜１３２の製造方法はとくに制限されず、たとえば、無電解めっき法、電解めっき法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または超臨界流体法等により形成することができる。第２の銅含有導電膜１３２を電解めっき法で形成する場合、第２の接着合金膜１３０をシード膜として用いることができる。これにより、シード膜を形成する工程を省略することができる。ただし、第２の接着合金膜１３０の膜厚が薄い等の場合、第２の接着合金膜１３０上に銅を含むシード膜を形成し、当該シード膜を用いてめっき法により第２の銅含有導電膜１３２を形成することもできる。
【００３７】
その後、デュアルダマシン配線溝１４０外部に露出した第２の銅含有導電膜１３２、第２の接着合金膜１３０、および第２のバリア絶縁膜１２８をＣＭＰで除去する。これにより、図１に示した構成の半導体装置１００が形成される。
【００３８】
また、図３（ｃ）に示すように、第２のバリア絶縁膜１２８はＣＭＰで除去せず、デュアルダマシン配線溝１４０外部に残したままで上層を形成することもできる。このようにすれば、第２のバリア絶縁膜１２８をＣＭＰ時に第４の層間絶縁膜１１４を保護する保護膜として機能させることができる。
【００３９】
従来のように配線に、ＴｉＮやＷ系の膜等のバリアメタル膜が形成された場合、銅含有導電膜をＣＭＰで除去する工程につづいて、配線溝外部に露出したバリアメタル膜をＣＭＰで除去していた。この場合、銅含有導電膜とバリアメタル膜とでは、ＣＭＰ用研磨液が異なるため、別工程でＣＭＰを行う必要があった。しかし、本実施の形態においては、配線にバリアメタル膜が形成されない。第１の接着合金膜１２２は、第１の銅含有導電膜１２４と同様に銅を含む材料により構成される。そのため、第１の銅含有導電膜１２４および第１の接着合金膜１２２を同時にＣＭＰで除去することができ、工程を簡略化することができる。
【００４０】
また、従来のバリアメタル膜は、標準電極電位が銅含有導電膜よりも高く、銅含有導電膜とバリアメタル膜とが接した状態でＣＭＰ用研磨液にさらされると、両者の標準電極電位の差異により局部電池が形成される。そのため、両者に電流が流れ、バリアメタル膜のガルバニック腐食が生じるという問題もあった。しかし、本実施の形態においては、配線にバリアメタル膜が形成されない。第１の接着合金膜１２２に含まれる異種元素は銅よりも標準電極電位が低いため、接着合金膜１２２は、銅を主成分として含む第１の銅含有導電膜１２４よりも低い標準電極電位を取る。そのため、バリアメタル膜を用いた場合に問題となるガルバニック腐食を防ぐこともできる。
【００４１】
また、第１の接着合金膜１２２に銅が含まれるため、第１の接着合金膜１２２と第１の銅含有導電膜１２４との標準電極電位が近くなる。そのため、第１の銅含有導電膜１２４をめっき法で形成する際に、第１の接着合金膜１２２をシード膜として用いることができ、シード膜を別途形成する必要がなく、工程をさらに簡略化することができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態において、バリア絶縁膜と銅含有導電膜との間に接着合金膜が設けられているので、バリア絶縁膜と銅含有導電膜との密着性を良好にすることができる。また、第１の銅含有導電膜１２４と第２の銅含有導電膜１３２とは、第２の接着合金膜１３０を介して電気的に接続される。第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素の合金により構成されるので、従来のバリアメタル膜に比べて抵抗を低くすることができる。これにより、配線抵抗を低減することができる。
【００４３】
また、第２の銅含有導電膜１３２の側面に、従来のバリアメタル膜のような高抵抗の導電性材料が形成されていると、配線の抵抗が高くなるとともに、配線容量が低下してしまう。とくに、半導体装置が微細化されると、バリアメタル膜が配線に占める割合が高くなり、このような問題が顕著となる。本実施の形態においては、第２の銅含有導電膜１３２の側面にも、従来のバリアメタル膜にかえて、第２の接着合金膜１３０が形成される。そのため、配線の抵抗を低くすることができるとともに、配線容量の低下を防ぐことができる。
【００４４】
また、本実施の形態において、第２の銅含有導電膜１３２が層間絶縁膜と接する領域には、第２の接着合金膜１３０を介してバリア絶縁膜が形成されている。第２の銅含有導電膜１３２の銅が層間絶縁膜に拡散するのを防ぐ拡散防止機能は、バリア絶縁膜により実現される。そのため、第２の接着合金膜１３０に拡散防止機能を持たせる必要がないため、第２の接着合金膜１３０の膜厚を薄くすることができる。これにより、配線抵抗をより低抵抗化することができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態において、合金膜は、比抵抗の低い銅を含むとともに、銅と異種元素との合金により構成される。合金膜が銅含有導電膜と接する界面からバリア絶縁膜と接する界面にわたって、銅と異種元素の組成が略均一となるように形成される。これにより、合金膜を低抵抗化することができる。このように、合金膜がバリア絶縁膜との界面においても銅を含むような構成の場合、合金膜を低抵抗化することができる。
【００４６】
さらに、バリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない構成とすることができる。これにより、合金膜との密着性や銅の拡散防止機能を向上させたり、合金膜および銅含有導電膜の酸化を防ぐことができる。本実施の形態における半導体装置１００によれば、銅を主成分として構成された銅含有導電膜との間に合金膜が形成されていること、およびバリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない構成であることから、合金膜の酸化を防ぐことができ、合金膜とバリア絶縁膜との密着性を高めることができる。
【実施例】
【００４７】
銅膜と絶縁膜との密着性を調べた。ここで、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜を形成し、ＴａＮ膜およびＴａ膜により構成されたバリアメタル膜を形成し、Ｃｕ膜を堆積した。つづいて、Ｃｕ膜上に絶縁膜を形成した。ここで、絶縁膜は、（ｉ）ＳｉＯ２膜、（ｉｉ）ＳｉＮ膜とした。このようなサンプルの表面にダイヤモンドペンで１０×１０の升目をけがいて、テープテストを行った。表１に同様の処理を５回実施した平均の結果を示す。絶縁膜がＳｉＮ膜の場合、剥がれが生じなかった。一方、絶縁膜がＳｉＯ２膜の場合、全升目が剥がれた。これは、絶縁膜中に酸素が含まれると、銅膜が絶縁膜との界面で酸化されるために、銅膜と絶縁膜との密着性が劣化するためだと考えられる。
【００４８】
【表１】
【００４９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００５０】
以上の実施の形態においては、デュアルダマシン構造の配線を例として説明した。デュアルダマシン構造の配線の場合、デュアルダマシン配線溝にバリア絶縁膜を形成する際に、底部のバリア絶縁膜の膜厚が薄く形成される傾向にある。そのため、マスク等を用いることなく、配線溝底部のバリア絶縁膜を選択的に除去することができるという利点がある。しかし、本発明は、シングルダマシン構造に適用することももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図４】Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、ＺｒおよびＣｕの表面エネルギーの温度依存性を計算した結果を示す図である。
【図５】金属酸化物と金属１ｍｏｌ当たりの生成エンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００ 半導体装置
１０２ 第１の層間絶縁膜
１０４ 第１のエッチング阻止膜
１０６ 第２の層間絶縁膜
１０８ 第１のキャップ絶縁膜
１１０ 第３の層間絶縁膜
１１２ 第２のエッチング阻止膜
１１４ 第４の層間絶縁膜
１２０ 第１のバリア絶縁膜
１２２ 第１の接着合金膜
１２４ 第１の銅含有導電膜
１２６ 下層配線
１２８ 第２のバリア絶縁膜
１３０ 第２の接着合金膜
１３２ 第２の銅含有導電膜
１３４ 上層配線
１４０ デュアルダマシン配線溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは多層配線構造を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置において、特性の向上および機能あたりのコスト低減を目的として、素子や配線の微細化や配線の多層化が行われている。トランジスタなどの素子は、微細化および種々の対策によって、電気的特性が改善されている。一方、配線では、微細化によって配線抵抗の増加や配線間容量の増加が顕著になっている。配線での信号伝搬の遅延定数は、配線抵抗と配線間容量との積で表されるので、微細化による配線抵抗や配線間容量が増加することにより、近年の半導体集積回路においては、配線での信号伝搬の遅延が回路動作を律速するようになってきている。そのため、回路動作を高速化する目的で、層間絶縁膜には従来のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）よりも比誘電率の小さい低誘電率材料が、配線には比抵抗値の小さい銅（Ｃｕ）が用いられるようになっている。
【０００３】
配線材料として銅を用いた多層配線は、以下のようなダマシン法（damascene process）で形成される。まず、層間絶縁膜に配線溝やビアホール等の凹部を形成し、当該凹部内に銅膜と層間絶縁膜との密着性改善、および銅の拡散を防止するためのバリアメタル膜を堆積する。つづいて、凹部を銅膜で埋め込んだ後、凹部外部に露出した銅膜およびバリアメタル膜をＣＭＰ（化学機械研磨法：chemical mechanical polishing）で除去することにより銅配線または銅ビアが形成される。
【０００４】
このような銅配線または銅ビアにおいて、バリアメタル膜は、たとえばＴｉＮ膜やＷ系の膜等により構成される。バリアメタル膜の比抵抗は銅に比べて１〜２桁以上高い。そのため、配線寸法を微細化するに伴い、配線中のバリアメタル膜の寄与が大きくなり、配線抵抗が上昇してしまうという問題があった。
【０００５】
銅配線において、バリアメタル膜を用いない構成も検討されている。特許文献１（特開１１−４０６７１号公報）には、パターニングされた絶縁層の一部を障壁膜に変換する段階、障壁膜の上に接着層を被覆する段階、接着層の上に導電性金属含有層を形成する段階、を含む半導体装置の製造方法が開示されている。障壁膜は、低誘電率材料により構成された酸化膜である絶縁層にプラズマ窒化ステップを行うことにより形成されたシリコンオキシナイトライドである。接着層は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を含む。また、接着層は、マグネシウム、チタン等を含むことができる。
【０００６】
非特許文献１には、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２により構成された絶縁膜の凹部内にＣｕ−Ｍｎ膜を形成し、この膜をシード膜としてめっきにより銅を形成する技術が開示されている。銅膜を形成した後、アニールを行い、Ｃｕ−Ｍｎ膜とＴＥＯＳ−ＳｉＯ２とを反応させて、ＭｎＳｉｘＯｙバリア層を形成している。
【特許文献１】特開１１−４０６７１号公報
【非特許文献１】T. Usui et. al; "Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene Interconnect Technology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer"; Proceedings of the IEEE 2005 International Interconnect Technology Conference (IEEE Cat. No. 05TH8780C); IEEE , Piscataway, NJ, USA , 2005 , 242 Pages; 6-8 June 2005; Page 188-90
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の技術では、銅膜と接着層との界面や界面近傍において、銅の結晶粒界に高濃度のシリコン等の金属が偏在するため、配線抵抗が増大してしまい、配線を低抵抗化できないという問題がある。
【０００８】
また、非特許文献１に記載の技術では、バリア膜を確実に形成するために、Ｃｕ−Ｍｎ膜の膜厚を厚くする必要がある。そのため、銅配線中のＭｎ濃度が高くなり、配線抵抗が高くなるという問題も生じる。また、Ｍｎを銅膜表面に拡散させるためには、高温でのアニールを長時間行う必要があり、半導体装置の製造安定性が劣化するとともに、処理時間がかかるという問題もある。加えて、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２に代わり多孔質の低誘電率膜が用いられる場合、バリア膜の膜質は多孔質を反映して低密度となるため、バリア性や密着性が低下するという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、
基板上に形成された下層導電膜と、
前記下層導電膜上に形成され、前記下層導電膜に達する凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜と、
前記凹部の底面で前記下層導電膜に接するとともに前記凹部の側壁で前記バリア絶縁膜に接して前記凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との合金膜と、
銅を主成分として含み、前記合金膜上に当該合金膜に接して前記凹部を埋め込んで形成された上層導電膜と、を含む半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明によれば、
半導体基板上に形成された下層導電膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記下層導電膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部底面の前記下層導電膜と接する領域の前記バリア絶縁膜を除去して前記下層導電膜を露出させる工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜を形成する工程と、
前記凹部内に、銅を主成分として含む上層導電膜を前記合金膜に接して形成し、前記凹部を埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
ここで、下層導電膜および上層導電膜は、それぞれ銅を主成分として含む配線またはビアとすることができる。本発明によれば、従来のバリアメタル膜にかえてバリア絶縁膜を設けている。そのため、導電膜側方に抵抗の高い導電材料が設けられず、導電膜の抵抗を低下することができる。
【００１２】
また、通常、銅は絶縁膜に対する密着性が悪いという問題がある。これは、銅の表面エネルギーが充分に大きくないこと、および絶縁膜を構成する元素との生成エンタルピーが高いこと等が原因だと考えられる。そのため、従来、銅と絶縁膜との間にバリアメタル膜を形成し、銅とバリアメタル膜の界面に強い金属結合を形成することにより、銅の密着性を向上させていた。本発明において、バリア絶縁膜と導電膜との間に銅と異種元素との合金膜が設けられる。合金膜中の異種元素として、絶縁膜を構成する元素と強い結合を組む元素を選択することにより、導電膜の密着性を高めることができる。異種元素としては、銅よりも表面エネルギーが大きい元素、バリア絶縁膜を構成する元素、絶縁膜を構成する他の元素との生成エンタルピーが、銅と当該他の元素との生成エンタルピーよりも低い元素等が好ましく用いられる。
【００１３】
図４は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、ＺｒおよびＣｕの表面エネルギーの温度依存性を計算した結果を示す図である（出展：改訂４版 金属データブック）。図示したように、同温度において、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒは、いずれもＣｕに比べて、高い表面張力を示している。
【００１４】
また、金属と他の元素との生成エンタルピーを、金属酸化物を例として説明する。図５は、金属酸化物と金属１ｍｏｌ当たりの生成エンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を示す図である（ＭｘＯｙの生成エンタルピーがΔＨｋＪ／ｍｏｌであれば、金属１ｍｏｌ当りの生成エンタルピーは、ΔＨ／ｘｋＪ／ｍｏｌとなる、（出展：CRC HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS 86TH ED. 2005-2006））。図示したように、ＣｕＯは他の金属（Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ）の酸化物やＳｉＯ２に比べて生成エンタルピーが著しく高い。ここでは、酸化物を例として示したが、たとえば窒化物でも同様の傾向を示し、銅と他の元素との生成エンタルピーは高くなる傾向にある。また、他の金属の中でも、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ等はとくに他の元素との生成エンタルピーが低くなる傾向にある。そのため、このような金属と銅との合金膜を用いることにより、絶縁膜との密着性が向上すると考えられる。以上のように、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒは、表面張力（表面エネルギー）および生成エンタルピー（結合エネルギー）の両方の観点から、銅よりも絶縁膜に対する密着性が高くなると考えられる。
【００１５】
また、合金膜が銅を含むため、合金膜の抵抗を低く保つことができる。本発明によれば、導電膜と合金膜との間、および合金膜とバリア絶縁膜との界面においても、銅と異種元素との合金が形成されている。そのため銅の結晶粒界に高濃度の異種元素が偏在することなく、合金膜の抵抗を低く保つことができる。さらに、下層導電膜と上層導電膜との間には、合金膜のみが設けられる。そのため、これらの間の抵抗も低減することができる。
【００１６】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、配線を低抵抗化するとともに、配線材料と層間絶縁膜との密着性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態において、デュアルダマシン構造の配線が形成される。
半導体装置１００は、トランジスタ等の素子が表面に形成された半導体基板（不図示）、半導体基板上に形成された第１の層間絶縁膜１０２、第１のエッチング阻止膜１０４、第２の層間絶縁膜１０６、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４を含む。
【００２０】
半導体装置１００は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６中に形成された第１のバリア絶縁膜１２０および下層配線１２６（下層導電膜）と、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４中に形成された第２のバリア絶縁膜１２８および上層配線１３４とを含む。下層配線１２６は、第１の接着合金膜１２２および第１の銅含有導電膜１２４により構成される。上層配線１３４は、第２の接着合金膜１３０（合金膜）および第２の銅含有導電膜１３２により構成される。第１の銅含有導電膜１２４および第２の銅含有導電膜１３２は、たとえば微量のＡｌやＡｇ等の銅以外の金属を含むことができるが、銅を主成分として含む材料により構成される。本実施の形態において、第１の銅含有導電膜１２４および第２の銅含有導電膜１３２は、銅膜とすることができる。
【００２１】
第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、銅の拡散を防止する材料により構成される。第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、実質的に酸素を含まない材料により構成される。これにより、合金膜とバリア絶縁膜との間の密着性を向上させることができる。とくに、絶縁膜が酸素を含む場合、絶縁膜と銅膜との密着性が劣化するという問題がある。これは、銅膜が絶縁膜中の酸素により酸化されるためだと考えられる。しかし、本実施の形態において、バリア絶縁膜が酸素を実質的に含まないので、合金膜が界面に銅を含む場合でも、密着性を良好にすることができる。また、このような密着性の劣化を防ぐことにより、バリア絶縁膜の拡散防止機能を向上させることができる。さらに、バリア絶縁膜が酸素を実質的に含まないので、合金膜が酸化されるのを防ぐことができる。これにより、上記のように密着性を良好にすることができるとともに、配線を低抵抗化することができる。さらに、配線容量を設計通りに保つことができる。第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、たとえばＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）またはＳｉＣＮ膜により構成することができる。
【００２２】
本実施の形態において、第１の接着合金膜１２２および第２の接着合金膜１３０は、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜により構成される。ここで、接着合金膜中の異種元素の含有量は、たとえば、接着合金膜を構成する材料に対する異種元素の含有率が０．１質量％以上とすることができる。また、接着合金膜中の異種元素の含有量は、たとえば、接着合金膜を構成する材料に対する異種元素の含有率が３０質量％以下とすることができる。第１の接着合金膜１２２は、第１のバリア絶縁膜１２０および第１の銅含有導電膜１２４の間にこれらに接して設けられる。第１の接着合金膜１２２は、銅を含むため、第１の銅含有導電膜１２４に対して良好な接着性を示す。同様に、第２の接着合金膜１３０は、第２のバリア絶縁膜１２８および第２の銅含有導電膜１３２の間にこれらに接して設けられる。第２の接着合金膜１３０は、銅を含むため、第２の銅含有導電膜１３２に対して良好な接着性を示す。また、第１のバリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８は、それぞれ、バリア絶縁膜１２０および第２のバリア絶縁膜１２８に対して良好な接着性を有する材料により構成することができる。
【００２３】
以下、第２の接着合金膜１３０を例として説明する。第１の接着合金膜１２２も第２の接着合金膜１３０と同様の構成とすることができる。第２の接着合金膜１３０において、第２の銅含有導電膜１３２と接する界面から第２のバリア絶縁膜１２８と接する界面にわたって、銅と異種元素の組成が略均一となるようにすることができる。本実施の形態において、第２の接着合金膜１３０は、比抵抗の低い銅を含むとともに、銅と異種元素との合金により構成される。これにより、第２の接着合金膜１３０を低抵抗化することができる。また、第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素との化合物により構成することもできる。これにより、第２の接着合金膜１３０をさらに低抵抗化することができる。
【００２４】
第２の接着合金膜１３０に含まれる異種元素は、第２のバリア絶縁膜１２８を構成する少なくとも一の元素とすることができる。たとえば、第２のバリア絶縁膜１２８がＳｉを含む場合、異種元素は、Ｓｉとすることができる。第２の接着合金膜１３０は、銅シリサイド層により構成することができる。
【００２５】
また、第２の接着合金膜１３０に含まれる異種元素は、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＺｒから選択される少なくとも一の金属元素とすることができる。このような金属元素は、銅よりも表面張力が大きく、銅を主成分とする膜に比べて絶縁膜に対する密着性が良好になる。
【００２６】
第１のバリア絶縁膜１２０は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６に形成された凹部側壁を覆うように形成される。第１の接着合金膜１２２は、第１のエッチング阻止膜１０４および第２の層間絶縁膜１０６に形成された凹部内壁を覆うように、第１のバリア絶縁膜１２０に接して形成される。第１の銅含有導電膜１２４は、第１の接着合金膜１２２上に第１の接着合金膜１２２に接して凹部を埋め込んで形成される。
【００２７】
第２のバリア絶縁膜１２８は、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、および第２のエッチング阻止膜１１２に形成された凹部側壁を覆うように形成される。第２の接着合金膜１３０は、凹部の底面で第１の銅含有導電膜１２４に接するとともに凹部の側壁で第２のバリア絶縁膜１２８に接して凹部内壁を覆うように形成される。第２の銅含有導電膜１３２は、第２の接着合金膜１３０上に第２の接着合金膜１３０に接して凹部を埋め込んで形成される。
【００２８】
なお、ここでは、凹部底部全面に第１のバリア絶縁膜１２０が形成された例を示すが、下層配線１２６がさらにその下層の配線等と接続される場合、第２のバリア絶縁膜１２８と同様、接続箇所には第１のバリア絶縁膜１２０が形成されないようにすることができる。
【００２９】
次に、半導体装置１００の製造手順を説明する。図２および図３は、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
ここでは、下層配線１２６が形成された状態からの手順を説明する。下層配線１２６を形成後、下層配線１２６上に、第１のキャップ絶縁膜１０８、第３の層間絶縁膜１１０、第２のエッチング阻止膜１１２、および第４の層間絶縁膜１１４をこの順で積層する。
【００３０】
第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、ＳｉおよびＯを含む材料により構成することができる。本実施の形態において、第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、低誘電率膜により構成することができる。第３の層間絶縁膜１１０および第４の層間絶縁膜１１４は、たとえば、ＳｉＯＣにより構成することができる。第２の層間絶縁膜１０６も、第３の層間絶縁膜１１０等と同様の材料により構成することができる。第１の層間絶縁膜１０２は、たとえばＳｉＯ２により構成することができる。
【００３１】
第２のエッチング阻止膜１１２は、たとえば、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、またはＳｉＯＮ等により構成することができる。第１のエッチング阻止膜１０４も第２のエッチング阻止膜１１２と同様の材料により構成することができる。第１のキャップ絶縁膜１０８は、たとえばＳｉＣＮにより構成することができる。
【００３２】
つづいて、第４の層間絶縁膜１１４、第２のエッチング阻止膜１１２、第３の層間絶縁膜１１０および第１のキャップ絶縁膜１０８をエッチングして、第１の銅含有導電膜１２４に達するデュアルダマシン配線溝１４０を形成する。これにより、デュアルダマシン配線溝１４０の底部に、第１の銅含有導電膜１２４の表面が露出する（図２（ａ））。
【００３３】
次いで、デュアルダマシン配線溝１４０内壁を覆うように、第２のバリア絶縁膜１２８を形成する（図２（ｂ））。第２のバリア絶縁膜１２８は、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により堆積させて形成することができる。ここで、第２のバリア絶縁膜１２８は、ＳｉＮ膜とすることができる。このように、第２のバリア絶縁膜１２８をＣＶＤ法等により、堆積させて形成することにより、第２のバリア絶縁膜１２８の構成材料が第３の層間絶縁膜１１０や第４の層間絶縁膜１１４の構成材料に依存しないようにすることができる。これにより、たとえば第３の層間絶縁膜１１０や第４の層間絶縁膜１１４が酸素を含む場合でも、第２のバリア絶縁膜１２８が酸素を実質的に含まない構成とすることができる。これにより、上述したように、第２の接着合金膜１３０との密着性を向上させたり、銅の拡散防止機能を向上させたり、第２の接着合金膜１３０の酸化を防ぐことができる。
【００３４】
その後、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第１の銅含有導電膜１２４と接する領域に形成された第２のバリア絶縁膜１２８（膜厚約１〜２０ｎｍ）を選択的に除去して、第１の銅含有導電膜１２４を露出させる（図２（ｃ））。図２（ｂ）に示したように、デュアルダマシン配線溝１４０内にＣＶＤ法で第２のバリア絶縁膜１２８を形成した場合、第２のバリア絶縁膜１２８は、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第１の銅含有導電膜１２４と接する領域において、他の領域よりも膜厚が薄く形成される。そのため、本実施の形態において、第２のバリア絶縁膜１２８を全面的にドライエッチングすることにより、デュアルダマシン配線溝１４０底部の第２のバリア絶縁膜１２８を選択的に除去することができる。
【００３５】
つづいて、デュアルダマシン配線溝１４０内壁を覆うように、第２の接着合金膜１３０（膜厚約１〜２０ｎｍ）を形成する（図３（ａ））。異種元素がＳｉの場合、第２の接着合金膜１３０は、たとえば銅を含む原料とＳｉを含む原料とを用いたＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により形成することができる。また、スパッタ法やＡＬＤ法により銅膜を形成した後、Ｓｉを含む分子のクラスタイオンを用いたガスクラスタイオンビームを銅膜に照射する方法により形成することもできる。また、第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素との合金をターゲットとして用いて、スパッタリング法により形成することもできる。
【００３６】
次いで、第２の接着合金膜１３０に接するとともに、デュアルダマシン配線溝１４０を埋め込む第２の銅含有導電膜１３２を形成する（図３（ｂ））。第２の銅含有導電膜１３２の製造方法はとくに制限されず、たとえば、無電解めっき法、電解めっき法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または超臨界流体法等により形成することができる。第２の銅含有導電膜１３２を電解めっき法で形成する場合、第２の接着合金膜１３０をシード膜として用いることができる。これにより、シード膜を形成する工程を省略することができる。ただし、第２の接着合金膜１３０の膜厚が薄い等の場合、第２の接着合金膜１３０上に銅を含むシード膜を形成し、当該シード膜を用いてめっき法により第２の銅含有導電膜１３２を形成することもできる。
【００３７】
その後、デュアルダマシン配線溝１４０外部に露出した第２の銅含有導電膜１３２、第２の接着合金膜１３０、および第２のバリア絶縁膜１２８をＣＭＰで除去する。これにより、図１に示した構成の半導体装置１００が形成される。
【００３８】
また、図３（ｃ）に示すように、第２のバリア絶縁膜１２８はＣＭＰで除去せず、デュアルダマシン配線溝１４０外部に残したままで上層を形成することもできる。このようにすれば、第２のバリア絶縁膜１２８をＣＭＰ時に第４の層間絶縁膜１１４を保護する保護膜として機能させることができる。
【００３９】
従来のように配線に、ＴｉＮやＷ系の膜等のバリアメタル膜が形成された場合、銅含有導電膜をＣＭＰで除去する工程につづいて、配線溝外部に露出したバリアメタル膜をＣＭＰで除去していた。この場合、銅含有導電膜とバリアメタル膜とでは、ＣＭＰ用研磨液が異なるため、別工程でＣＭＰを行う必要があった。しかし、本実施の形態においては、配線にバリアメタル膜が形成されない。第１の接着合金膜１２２は、第１の銅含有導電膜１２４と同様に銅を含む材料により構成される。そのため、第１の銅含有導電膜１２４および第１の接着合金膜１２２を同時にＣＭＰで除去することができ、工程を簡略化することができる。
【００４０】
また、従来のバリアメタル膜は、標準電極電位が銅含有導電膜よりも高く、銅含有導電膜とバリアメタル膜とが接した状態でＣＭＰ用研磨液にさらされると、両者の標準電極電位の差異により局部電池が形成される。そのため、両者に電流が流れ、バリアメタル膜のガルバニック腐食が生じるという問題もあった。しかし、本実施の形態においては、配線にバリアメタル膜が形成されない。第１の接着合金膜１２２に含まれる異種元素は銅よりも標準電極電位が低いため、接着合金膜１２２は、銅を主成分として含む第１の銅含有導電膜１２４よりも低い標準電極電位を取る。そのため、バリアメタル膜を用いた場合に問題となるガルバニック腐食を防ぐこともできる。
【００４１】
また、第１の接着合金膜１２２に銅が含まれるため、第１の接着合金膜１２２と第１の銅含有導電膜１２４との標準電極電位が近くなる。そのため、第１の銅含有導電膜１２４をめっき法で形成する際に、第１の接着合金膜１２２をシード膜として用いることができ、シード膜を別途形成する必要がなく、工程をさらに簡略化することができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態において、バリア絶縁膜と銅含有導電膜との間に接着合金膜が設けられているので、バリア絶縁膜と銅含有導電膜との密着性を良好にすることができる。また、第１の銅含有導電膜１２４と第２の銅含有導電膜１３２とは、第２の接着合金膜１３０を介して電気的に接続される。第２の接着合金膜１３０は、銅と異種元素の合金により構成されるので、従来のバリアメタル膜に比べて抵抗を低くすることができる。これにより、配線抵抗を低減することができる。
【００４３】
また、第２の銅含有導電膜１３２の側面に、従来のバリアメタル膜のような高抵抗の導電性材料が形成されていると、配線の抵抗が高くなるとともに、配線容量が低下してしまう。とくに、半導体装置が微細化されると、バリアメタル膜が配線に占める割合が高くなり、このような問題が顕著となる。本実施の形態においては、第２の銅含有導電膜１３２の側面にも、従来のバリアメタル膜にかえて、第２の接着合金膜１３０が形成される。そのため、配線の抵抗を低くすることができるとともに、配線容量の低下を防ぐことができる。
【００４４】
また、本実施の形態において、第２の銅含有導電膜１３２が層間絶縁膜と接する領域には、第２の接着合金膜１３０を介してバリア絶縁膜が形成されている。第２の銅含有導電膜１３２の銅が層間絶縁膜に拡散するのを防ぐ拡散防止機能は、バリア絶縁膜により実現される。そのため、第２の接着合金膜１３０に拡散防止機能を持たせる必要がないため、第２の接着合金膜１３０の膜厚を薄くすることができる。これにより、配線抵抗をより低抵抗化することができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態において、合金膜は、比抵抗の低い銅を含むとともに、銅と異種元素との合金により構成される。合金膜が銅含有導電膜と接する界面からバリア絶縁膜と接する界面にわたって、銅と異種元素の組成が略均一となるように形成される。これにより、合金膜を低抵抗化することができる。このように、合金膜がバリア絶縁膜との界面においても銅を含むような構成の場合、合金膜を低抵抗化することができる。
【００４６】
さらに、バリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない構成とすることができる。これにより、合金膜との密着性や銅の拡散防止機能を向上させたり、合金膜および銅含有導電膜の酸化を防ぐことができる。本実施の形態における半導体装置１００によれば、銅を主成分として構成された銅含有導電膜との間に合金膜が形成されていること、およびバリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない構成であることから、合金膜の酸化を防ぐことができ、合金膜とバリア絶縁膜との密着性を高めることができる。
【実施例】
【００４７】
銅膜と絶縁膜との密着性を調べた。ここで、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜を形成し、ＴａＮ膜およびＴａ膜により構成されたバリアメタル膜を形成し、Ｃｕ膜を堆積した。つづいて、Ｃｕ膜上に絶縁膜を形成した。ここで、絶縁膜は、（ｉ）ＳｉＯ２膜、（ｉｉ）ＳｉＮ膜とした。このようなサンプルの表面にダイヤモンドペンで１０×１０の升目をけがいて、テープテストを行った。表１に同様の処理を５回実施した平均の結果を示す。絶縁膜がＳｉＮ膜の場合、剥がれが生じなかった。一方、絶縁膜がＳｉＯ２膜の場合、全升目が剥がれた。これは、絶縁膜中に酸素が含まれると、銅膜が絶縁膜との界面で酸化されるために、銅膜と絶縁膜との密着性が劣化するためだと考えられる。
【００４８】
【表１】
【００４９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００５０】
以上の実施の形態においては、デュアルダマシン構造の配線を例として説明した。デュアルダマシン構造の配線の場合、デュアルダマシン配線溝にバリア絶縁膜を形成する際に、底部のバリア絶縁膜の膜厚が薄く形成される傾向にある。そのため、マスク等を用いることなく、配線溝底部のバリア絶縁膜を選択的に除去することができるという利点がある。しかし、本発明は、シングルダマシン構造に適用することももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図４】Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、ＺｒおよびＣｕの表面エネルギーの温度依存性を計算した結果を示す図である。
【図５】金属酸化物と金属１ｍｏｌ当たりの生成エンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００ 半導体装置
１０２ 第１の層間絶縁膜
１０４ 第１のエッチング阻止膜
１０６ 第２の層間絶縁膜
１０８ 第１のキャップ絶縁膜
１１０ 第３の層間絶縁膜
１１２ 第２のエッチング阻止膜
１１４ 第４の層間絶縁膜
１２０ 第１のバリア絶縁膜
１２２ 第１の接着合金膜
１２４ 第１の銅含有導電膜
１２６ 下層配線
１２８ 第２のバリア絶縁膜
１３０ 第２の接着合金膜
１３２ 第２の銅含有導電膜
１３４ 上層配線
１４０ デュアルダマシン配線溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下層導電膜と、
前記下層導電膜上に形成され、前記下層導電膜に達する凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜と、
前記凹部の底面で前記下層導電膜に接するとともに前記凹部の側壁で前記バリア絶縁膜に接して前記凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との合金膜と、
銅を主成分として含み、前記合金膜上に当該合金膜に接して前記凹部を埋め込んで形成された上層導電膜と、を含む半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜は、ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜である半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記合金膜は、前記異種元素として、前記バリア絶縁膜を構成する少なくとも一の元素を含む半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜および前記合金膜は、ケイ素を含む半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記合金膜は、銅シリサイド層である半導体装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記合金膜は、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＺｒから選択される少なくとも一の金属と銅との合金である半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、 前記合金膜は、前記上層導電膜と接する界面から前記バリア絶縁膜と接する界面にわたって、前記銅と前記異種元素の組成が略均一に構成された半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない材料により構成された半導体装置。
【請求項９】
基板上に形成された下層導電膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記下層導電膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部底面の前記下層導電膜と接する領域の前記バリア絶縁膜を除去して前記下層導電膜を露出させる工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜を形成する工程と、
前記凹部内に、銅を主成分として含む上層導電膜を前記合金膜に接して形成し、前記凹部を埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア絶縁膜を形成する工程において、化学気相成長法により、前記バリア絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された下層導電膜と、
前記下層導電膜上に形成され、前記下層導電膜に達する凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記凹部側壁を覆うように形成され、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜と、
前記凹部の底面で前記下層導電膜に接するとともに前記凹部の側壁で前記バリア絶縁膜に接して前記凹部内壁を覆うように形成された銅と銅とは異なる異種元素との合金膜と、
銅を主成分として含み、前記合金膜上に当該合金膜に接して前記凹部を埋め込んで形成された上層導電膜と、を含む半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜は、ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜である半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記合金膜は、前記異種元素として、前記バリア絶縁膜を構成する少なくとも一の元素を含む半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜および前記合金膜は、ケイ素を含む半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記合金膜は、銅シリサイド層である半導体装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記合金膜は、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＺｒから選択される少なくとも一の金属と銅との合金である半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、 前記合金膜は、前記上層導電膜と接する界面から前記バリア絶縁膜と接する界面にわたって、前記銅と前記異種元素の組成が略均一に構成された半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリア絶縁膜は、実質的に酸素を含まない材料により構成された半導体装置。
【請求項９】
基板上に形成された下層導電膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記下層導電膜に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅の拡散を防止する材料により構成されたバリア絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部底面の前記下層導電膜と接する領域の前記バリア絶縁膜を除去して前記下層導電膜を露出させる工程と、
前記凹部内壁を覆うように、銅と銅とは異なる異種元素との合金膜を形成する工程と、
前記凹部内に、銅を主成分として含む上層導電膜を前記合金膜に接して形成し、前記凹部を埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア絶縁膜を形成する工程において、化学気相成長法により、前記バリア絶縁膜を形成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２００７−２５８４５７（Ｐ２００７−２５８４５７Ａ）
【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２００６−８１０８４（Ｐ２００６−８１０８４）
【出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【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】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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