半導体装置およびその製造方法
【課題】銅配線を用いて配線を行う半導体装置において、接続孔のバリアメタル層の除去の際に、上層配線溝におけるバリアメタル層の除去による層間絶縁膜への銅の拡散を抑えることができる半導体装置を得ること。
【解決手段】所定の形状にパターン形成された銅配線３６を有する第１の配線層３０と、所定の形状にパターン形成され、銅配線３６と電気的に接続される銅配線５７を有する第２の配線層５０と、を備える半導体装置において、第２の配線層５０は、所定の形状の配線溝６２に銅配線５７が埋め込まれた上部層間絶縁膜５４と、銅配線５７と銅配線３６とを接続する接続孔６１に銅配線５７が埋め込まれた下部層間絶縁膜５１と、上部層間絶縁膜５４の配線溝６２の下部と下部層間絶縁膜５１との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜５２と、を備える。
【解決手段】所定の形状にパターン形成された銅配線３６を有する第１の配線層３０と、所定の形状にパターン形成され、銅配線３６と電気的に接続される銅配線５７を有する第２の配線層５０と、を備える半導体装置において、第２の配線層５０は、所定の形状の配線溝６２に銅配線５７が埋め込まれた上部層間絶縁膜５４と、銅配線５７と銅配線３６とを接続する接続孔６１に銅配線５７が埋め込まれた下部層間絶縁膜５１と、上部層間絶縁膜５４の配線溝６２の下部と下部層間絶縁膜５１との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜５２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅配線構造を有する半導体装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置では、要求される動作速度を満たすために、銅（Ｃｕ）を配線材料として用いた銅ダマシン配線構造が用いられるようになってきている。図５−１〜図５−４は、銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である。ここでは、下層配線３３４を有する下層配線層上に、下部層間絶縁膜３５１と、上層配線溝３６２のエッチング時におけるエッチングストッパとして機能する配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３と、上層配線が形成される上部層間絶縁膜３５４と、が順に積層される構成を有する配線の製造方法について示す。
【０００３】
図５−１に示されるように、下層配線層の絶縁膜３３３の内の所定の位置に形成された溝内には、Ｔａ（タンタル）／ＴａＮ（窒化タンタル）などのバリアメタル層３３５と銅配線３３６が形成され、下層配線３３４を構成している。この下層配線層上には、下部層間絶縁膜３５１、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３、上部層間絶縁膜３５４が順に積層される。そして、上部層間絶縁膜３５４には、上層配線を形成するために所定の形状の上層配線溝３６２がエッチングにより形成され、上層配線と下層配線３３４を結ぶ下部層間絶縁膜３５１と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３上の位置には、銅配線３３６と電気的接続を取るための接続孔３６１がエッチングにより形成される。
【０００４】
ついで、図５−２に示されるように、上層配線を形成するために、接続孔３６１と上層配線溝３６２の内周面にはＴａ／ＴａＮなどのバリアメタル層３５６が形成される。その直後に、図５−３に示されるように、in-stiuにて物理的エッチング法（スパッタエッチング）を用いて接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を除去する。なお、この際、エッチング条件を調整することで、相対的に接続孔３６１の底部のエッチング速度を他の部分よりも早くして、上層配線溝３６２の底部などのバリアメタル層３５６は完全に除去されないようにしている。
【０００５】
その後、接続孔３６１と上層配線溝３６２内に銅のシード層を形成し、図５−４に示されるように、めっき法によって接続孔３６１と上層配線溝３６２内に配線材料となる銅を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などによって上部層間絶縁膜３５４上の不必要な材料を除去して、上層配線３５５を形成する。以上のようにして、配線層の形成処理が行われる。
【０００６】
半導体装置の微細化が進むにつれて、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションなどに対する信頼性の確保が重要な課題の１つとなっている。そこで、従来では、図５−３に示されるように、バリアメタル層３５６の成膜直後に、in-situにて物理エッチング法を用いて接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去することで、上記信頼性を向上する技術が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】G. B. Alers, et al., "Barrier-First Integration for Improved Reliability in Copper Dual Damascene Interconnects", IITC, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を物理エッチングする際のエッチング速度は、上層配線溝３６２または接続孔３６１の様々な構造や位置関係によって異なるために、ウェハ内のすべての接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去することと、上層配線溝３６２などにバリアメタル層３５６を確実に残すことを両立させることは困難である。したがって、実際には接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去した場合に、上層配線溝３６２などのバリアメタル層３５６が必要な部分も、図５−３に示されるように局所的にバリアメタル層３５６が除去される抜け部３６５が生じてしまい、下地の下部層間絶縁膜３５１が露出されることとなる。
【０００９】
そこで、このようなバリアメタル層３５６上の抜け部３６５を覆うために物理エッチング処理後にバリアメタル層３５６を成膜し直す方法も試みられている。通常、バリアメタル層３５６の成膜と物理エッチング処理はin-situで同一のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置用チャンバ内で行われるため、物理エッチング処理後にバリアメタル層３５６を再成膜する場合もＰＶＤ法によるものが主流となっている。
【００１０】
図６は、物理エッチング処理後にＰＶＤ法によってバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。図５−３に示されるように、上層配線溝３６２の底面に局所的に形成される抜け部３６５は、下部層間絶縁膜３５１にまで達する位にバリアメタル層３５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３がエッチングされ、その他の部位との間で凹凸を形成している。そのため、図６に示されるように、上層配線溝３６２のバリアメタル層３５６の抜け部３６５などはＰＶＤ法によるバリアメタル層３５６の再成膜を行っても、段差被覆性不足により十分に被覆することができない。その結果、図５−４に示されるように、その後に形成する銅配線３５７と下部層間絶縁膜３５１が直接触れる箇所３６５ａが発生し、銅の拡散による絶縁不良を引き起こして、デバイス特性の劣化を引き起こしてしまうという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、銅配線を用いて配線を行う半導体装置において、接続孔のバリアメタル層の除去の際に、上層配線溝におけるバリアメタル層の除去による層間絶縁膜への銅の拡散を抑えることができる半導体装置とその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、を備える半導体装置において、前記上層配線層は、所定の形状の配線溝に上層銅配線が埋め込まれた上部層間絶縁膜と、前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線が埋め込まれた下部層間絶縁膜と、前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、配線溝底部に銅拡散防止用絶縁膜を形成したので、接続孔底部のバリアメタル層を完全にエッチングした際に、配線溝底部のバリアメタル層下部が露出しても、その位置は銅拡散防止用絶縁膜中となり、配線溝内に埋め込まれる銅配線の銅の下部層間絶縁膜中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させることができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置とその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる半導体装置の構造の一例を示す一部断面図である。シリコンなどの基板１０の上面内には、シリコン酸化膜などからなる素子分離絶縁膜１１が形成されている。素子分離絶縁膜１１によって規定される素子形成領域内には、ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタ２０が形成されている。ＭＯＳトランジスタ２０は、ゲート酸化膜２２、ゲート電極２３およびサイドウォール２４からなるゲート構造２１と、ゲート構造２１の下方のチャネル領域を挟んで対を成すソース／ドレイン領域２５とを有している。
【００１６】
ＭＯＳトランジスタ２０が形成される基板１０上には、複数の配線層が形成されており、図１の例では、基板１０上に第１と第２の配線層３０，５０の２層の配線層が形成される場合が示されている。第１の配線層３０は、ＭＯＳトランジスタ２０を有する基板１０上に形成される下部層間絶縁膜３１と、第１層配線３４が形成される上部層間絶縁膜３３と、を含む。下部層間絶縁膜３１内には、ＭＯＳトランジスタ２０のソース／ドレイン領域２５に接続された複数のプラグ３２が形成されている。また、第１層配線３４は、上部層間絶縁膜３３内の所定の位置に、バリアメタル層３５と銅配線３６とが積層されて構成される。そして、この第１層配線３４は、下部層間絶縁膜３１に形成されたプラグ３２に接続され、下層のソース／ドレイン領域２５と電気的に接続される。
【００１７】
第２の配線層５０は、第１の配線層３０上に形成され、下部層間絶縁膜５１と、銅拡散防止用絶縁膜５２と、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３と、上部層間絶縁膜５４と、これらの各絶縁膜５１〜５４内に所定の形状にパターン形成され、第１の配線層３０の第１層配線３４と電気的に接続される第２層配線５５と、を含む。第２層配線５５は、上部層間絶縁膜５４内の所定の形状に形成された上層配線溝６２内と、銅拡散防止用絶縁膜５２、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３および下部層間絶縁膜５１中に上層配線溝６２と下層の第１層配線３４とを結ぶように形成された接続孔６１内に、バリアメタル層５６と銅配線５７とが積層されて構成される。
【００１８】
下部層間絶縁膜５１と上部層間絶縁膜５４は、従来から使用されている酸化膜などの層間絶縁膜を用いることができる。また、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３は、上部層間絶縁膜５４に形成される上層配線溝６２の底部に相当する部分に形成され、上部層間絶縁膜５４に配線溝形成時のエッチングストッパとして機能する絶縁膜である。
【００１９】
銅拡散防止用絶縁膜５２は、上層配線溝６２に作製される銅配線５７の銅が下部層間絶縁膜５１中に拡散することを防止する機能を有する膜であり、たとえば、ＳｉＮ，ＳｉＣＯ、その他テフロン（登録商標）などの電気的に絶縁性能を有する材料を用いることができる。この銅拡散防止用絶縁膜５２は、接続孔６１底部のバリアメタル層５６のエッチングの際に発生する上層配線溝６２底部の局所的なエッチング深さの最大値が、この銅拡散防止用絶縁膜５２の厚さ内に収まるように形成される。この厚さは、予め実験にて求めておく必要がある。
【００２０】
このように、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３で、接続孔６１の底部のバリアメタル層５６の完全な除去の際における上層配線溝６２底部のバリアメタル層５６の一部が下部層間絶縁膜５１まで除去されることを防止し、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３を貫通するようにその一部が除去されたとしても、さらに下部の銅拡散防止用絶縁膜５２によって、その後に形成される銅配線５７の銅の下部層間絶縁膜５１への拡散を防止する。
【００２１】
つぎに、この発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２−１〜図２−７は、この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である。ただし、以下の説明では、この実施の形態１の特徴となる配線層を形成する手順のみを示す。また、配線層は複数層形成されることもあるので、基板を含む下層に形成される配線（以下、下層配線層という。図１の第１の配線層３０に対応する。）１３０上に、上層の配線（以下、上層配線層という。図１の第２の配線層５０に対応する。）１５０を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００２２】
まず、図２−１に示されるように、下層配線層１３０が形成された基板を用意する。ここでは、たとえば図示しない半導体基板上の層間絶縁膜１３３の所定の位置に形成された下層配線溝１４２の側壁部と底部を覆うようにＴａ／ＴａＮなどの銅の拡散を防止するバリアメタル層１３５が形成され、さらにその内部を下層銅配線１３６で埋めた下層配線１３４が用意される。
【００２３】
ついで、図２−２に示されるように、この下層配線層１３０上に、４層積層構造の層間絶縁膜１５１〜１５４を形成する。つまり、下層配線層１３０上に、下部層間絶縁膜１５１、銅拡散防止用絶縁膜１５２、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３、および上部層間絶縁膜１５４を順に積層させる。配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３は、後の工程で上部層間絶縁膜１５４における上層配線溝１６２形成時のエッチングストッパとして機能させるために、上層配線溝１６２の底部に相当する部分に形成される。なお、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３と銅拡散防止用絶縁膜１５２の厚さと、後の工程で形成されるバリアメタル層１５６の厚さの合計は、バリアメタル層１５６のエッチングの際に発生する局所的なエッチング深さの最大値よりも大きくなるように設計される。
【００２４】
ついで、図２−３に示されるように、リソグラフィ技術とエッチング技術によって、上部層間絶縁膜１５４上にフォトレジストを塗布した後、上層配線溝１６２を形成する部分のフォトレジストを除去し、上記フォトレジストをマスクとして上部層間絶縁膜１５４をエッチングする。このとき、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３が、上部層間絶縁膜１５４のエッチング時のストッパとして働く。これにより、上層配線溝１６２が形成される。その後、上部層間絶縁膜１５４と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３上にフォトレジストを塗布した後、下層銅配線１３６と上層配線溝１６２とを接続する接続孔１６１を形成する部分のフォトレジストを除去し、上記フォトレジストをマスクとして配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３、銅拡散防止用絶縁膜１５２および下部層間絶縁膜１５１をエッチングする。このときの、上層配線溝１６２の底部が下層銅配線１３６に到達する位置まで下部層間絶縁膜１５１をエッチングする。これにより、接続孔１６１が形成される。
【００２５】
接続孔１６１のエッチングに使用したフォトレジストを除去した後、図２−４に示されるように、銅の拡散防止の役目を果たすバリアメタル層１５６を形成する。ここでは、バリアメタル層１５６として、たとえばＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ法にて成膜したものとする。このバリアメタル層１５６は、上部層間絶縁膜１５４の上面、上層配線溝１６２の側面と底面、および接続孔１６１の側面と底面に形成される。
【００２６】
続いて、図２−５に示されるように、バリアメタル層１５６を成膜した装置と同一装置内にて、リスパッタなどのエッチング処理を行い、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６を完全に除去し、接続孔１６１の底部に存在する不純物などを除去する。このとき、発明が解決しようとする課題でも述べたように、上層配線溝１６２底部のバリアメタル層１５６も除去され、下地の絶縁膜が露出してしまう抜け部１６５が局所的に発生する。しかし、この実施の形態１では、バリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３と銅拡散防止用絶縁膜１５２を合わせた膜厚は、この接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のエッチング時に除去される最大厚さよりも厚くしているため、上層配線溝１６２上で局所的にバリアメタル層１５６が除去される部分でも、下部層間絶縁膜１５１まで除去（露出）されることはない。つまり、上層配線溝１６２底部で最も除去された部分でも、銅拡散防止用絶縁膜１５２が露出される状態となる。
【００２７】
ついで、図２−６に示されるように、上層銅配線１５７の銅と下部層間絶縁膜１５１との直接の接触や、接続孔１６１底部での上層銅配線１５７の銅と下層銅配線１３６の銅同士の直接の接触を防ぐために、バリアメタル層１５６のエッチング処理を行った装置と同一装置内において再度ＰＶＤ法でＴａ／ＴａＮの積層膜などからなるバリアメタル層１５６を成膜する。これにより、上層配線溝１６２底部のバリアメタル層１５６の下地が露出した部分がバリアメタル層１５６で被覆される。
【００２８】
引き続いて、接続孔１６１および上層配線溝１６２に上層銅配線１５７を形成するための図示しない銅シード層を成膜し、めっき法によって上層配線溝１６２内と接続孔１６１内の銅シード層上に銅膜を埋め込んで上層銅配線１５７を形成し、ＣＭＰなどによる研磨処理などを行って、図２−７に示されるように、上層配線１５５が形成される。以上により、半導体装置の下層配線層１３０上に上層配線層１５０が作製される。
【００２９】
この実施の形態１によれば、上層配線溝１６２底部に銅拡散防止用絶縁膜１５２を形成したので、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を完全にエッチングした際に生じる上層配線溝１６２の下部の絶縁膜の露出（エッチング）が最大深さまで行われたとしても、その位置は銅拡散防止用絶縁膜１５２中となる。そのため、接続孔１６１のエッチング処理後のＰＶＤ法によるバリアメタル層１５６の再成膜で、上層配線溝１６２底部の抜け部１６５について、十分な段差被覆が得られなかった場合、つまり下地が露出した部分を完全に埋めることができなかった場合でも、上層配線溝１６２内に埋め込まれる上層銅配線１５７の銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させることができるという効果を有する。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態１の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）の銅拡散防止用絶縁膜１５２として、実施の形態１の銅拡散防止用絶縁膜１５２に電子線キュアなどの改質処理を行って、銅の拡散を防止するとともにプラズマダメージ耐性をもたせた材料を用いることもできる。
【００３１】
この実施の形態２によれば、銅拡散防止機能とプラズマダメージ耐性のある材料を銅拡散防止用絶縁膜１５２として使用するようにしたので、バリアメタル層１５６のカバレッジが不足している部分から銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止されるとともに、エッチング処理時のプラズマによる絶縁膜の誘電率上昇を防ぎ、配線間容量の増加による配線の遅延時間の増加を抑制することができるという効果を有する。
【００３２】
実施の形態３．
図３は、この発明にかかる半導体装置の配線層の実施の形態３の構造を模式的に示す断面図である。この実施の形態３では、実施の形態１の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）の銅拡散防止用絶縁膜１５２に代えて、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のin-situエッチングに対してエッチング耐性のあるin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を用いた構造を有している。このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として、ＳｉＮ，ＳｉＣＮやテフロン（登録商標）などのin-situエッチングに対する耐性を有し、電気的に絶縁性能を有する材料を用いることができる。
【００３３】
このような構造の半導体装置の配線層は、銅拡散防止用絶縁膜１５２の代わりにin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を形成する点を除いて、実施の形態１で説明した製造方法と同様の手順で作成されるので、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
図４−１は、接続孔底部のバリアメタル層をin-situエッチングで除去した状態を模式的に示す断面図であり、図４−２は、in-situエッチングで除去後にバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。図４−１に示されるように、このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を用いることで、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を除去する工程では、上層配線溝１６２の底部の一部ではバリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３がエッチングされ、局所的に抜け部１６５が発生してしまうが、in-situエッチングに耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８ではその削れ（エッチング）が抑制される。そのため、銅拡散防止用絶縁膜１５２まで削れていた（エッチングされていた）実施の形態１，２の場合と比較して、上層配線溝１６２底部の一部でエッチングの際に発生する段差が低減される。これにより、図４−２に示されるように、in-situエッチング後にＰＶＤ法によって再成膜するバリアメタル層１５６の段差被覆性が改善され、バリアメタル層１５６の抜け部１６５がなくなる。この結果、バリアメタル層１５６の抜け部１６５からの銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性が向上する。
【００３５】
この実施の形態３によれば、上層配線溝１６２の底部にin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を形成したので、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を完全に除去するin-situエッチング時に生じる上層配線溝１６２の底部の局所的なエッチングが、このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８で止められる。そのため、エッチングされるのはバリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３のみとなり、その段差（エッチング量）を実施の形態１，２の場合と比して小さくすることができる。その結果、in-situエッチング後に成膜するバリアメタル層１５６の再成膜において段差被覆性が改善されるという効果を有する。
【００３６】
実施の形態４．
実施の形態３の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）のin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として、実施の形態３の銅拡散防止用絶縁膜１５８に電子線キュアなどの改質処理を行って、in-situエッチングに対するエッチング耐性を有するとともにプラズマダメージ耐性をもたせた材料を用いることもできる。
【００３７】
この実施の形態４によれば、in-situエッチング耐性とプラズマダメージ耐性のある材料をin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として使用することで、バリアメタル層１５６のin-situエッチング時に発生する絶縁膜の削れ（エッチング）を抑制するとともに、in-situエッチング処理時のプラズマによる絶縁膜の誘電率上昇を防ぎ、配線間容量の増加による配線の遅延時間の増加を抑制することができるという効果を有する。
【００３８】
なお、上述した実施の形態１〜４の説明では、バリアメタル層１５６として、ＰＶＤ法で作製したＴａ／ＴａＮの積層膜を用いたが、いずれかの単層でバリアメタル層１５６を構成してもよい。また、他の材料として、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）などの高融点金属、もしくはそれらの窒化物、窒化珪化物、またはこれらの積層膜を用いてもよい。
【００３９】
さらに、上述した実施の形態１〜４の説明では、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のエッチング後に、ＰＶＤ法によるＴａ／ＴａＮの積層膜を用いてバリアメタル層１５６を再形成していたが、この場合にも、いずれかの単層膜をバリアメタル層１５６として再形成してもよいし、Ｔｉ，Ｗなどの高融点金属、もしくはそれらの窒化物、窒化珪化物、炭化窒化物などの他の材料でバリアメタル層１５６を再形成してもよい。また、上述した説明では、銅配線の配線層の場合を説明したが、銅を含む材料によって構成される配線の場合にも同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、この発明にかかる半導体装置は、銅配線を有する半導体装置に有用であり、特に、ダマシンプロセスによって銅配線を用いた多層配線を有する半導体装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明による半導体装置の構造の一例を示す一部断面図である。
【図２−１】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図２−４】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図２−５】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図２−６】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その６）。
【図２−７】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その７）。
【図３】この発明による半導体装置の配線層の実施の形態３の構造を模式的に示す断面図である。
【図４−１】接続孔の底部のバリアメタル層をin-situエッチングで除去した状態を模式的に示す断面図である。
【図４−２】in-situエッチングで除去後にバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。
【図５−１】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その１）。
【図５−２】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その２）。
【図５−３】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その３）。
【図５−４】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その４）。
【図６】物理エッチング処理後にＰＶＤ法によってバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 基板
１１ 素子分離絶縁膜
２０ ＭＯＳトランジスタ
２１ ゲート構造
２２ ゲート絶縁膜
２３ ゲート電極
２４ サイドウォール
２５ ソース／ドレイン領域
３０ 第１の配線層
３１，５１，１５１ 下部層間絶縁膜
３２ プラグ
３３，５４，１３３，１５４ 上部層間絶縁膜
３４ 第１層配線
３５，５６，１３５，１５６ バリアメタル層
３６，５７，１３６，１５７ 銅配線
５０ 第２の配線層
５２，１５２ 銅拡散防止用絶縁膜
５３，１５３ 配線溝エッチングストッパ用絶縁膜
５５ 第２層配線
１３０ 下部配線層
１３３ 層間絶縁膜
１３４ 下層配線層
１４２ 配線溝
１５０ 上部配線層
１５５ 上層配線層
１５８ in-situエッチングストッパ用絶縁膜
１６１ 接続孔
１６２ 上層配線溝
１６５ 抜け部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅配線構造を有する半導体装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置では、要求される動作速度を満たすために、銅（Ｃｕ）を配線材料として用いた銅ダマシン配線構造が用いられるようになってきている。図５−１〜図５−４は、銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である。ここでは、下層配線３３４を有する下層配線層上に、下部層間絶縁膜３５１と、上層配線溝３６２のエッチング時におけるエッチングストッパとして機能する配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３と、上層配線が形成される上部層間絶縁膜３５４と、が順に積層される構成を有する配線の製造方法について示す。
【０００３】
図５−１に示されるように、下層配線層の絶縁膜３３３の内の所定の位置に形成された溝内には、Ｔａ（タンタル）／ＴａＮ（窒化タンタル）などのバリアメタル層３３５と銅配線３３６が形成され、下層配線３３４を構成している。この下層配線層上には、下部層間絶縁膜３５１、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３、上部層間絶縁膜３５４が順に積層される。そして、上部層間絶縁膜３５４には、上層配線を形成するために所定の形状の上層配線溝３６２がエッチングにより形成され、上層配線と下層配線３３４を結ぶ下部層間絶縁膜３５１と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３上の位置には、銅配線３３６と電気的接続を取るための接続孔３６１がエッチングにより形成される。
【０００４】
ついで、図５−２に示されるように、上層配線を形成するために、接続孔３６１と上層配線溝３６２の内周面にはＴａ／ＴａＮなどのバリアメタル層３５６が形成される。その直後に、図５−３に示されるように、in-stiuにて物理的エッチング法（スパッタエッチング）を用いて接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を除去する。なお、この際、エッチング条件を調整することで、相対的に接続孔３６１の底部のエッチング速度を他の部分よりも早くして、上層配線溝３６２の底部などのバリアメタル層３５６は完全に除去されないようにしている。
【０００５】
その後、接続孔３６１と上層配線溝３６２内に銅のシード層を形成し、図５−４に示されるように、めっき法によって接続孔３６１と上層配線溝３６２内に配線材料となる銅を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などによって上部層間絶縁膜３５４上の不必要な材料を除去して、上層配線３５５を形成する。以上のようにして、配線層の形成処理が行われる。
【０００６】
半導体装置の微細化が進むにつれて、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションなどに対する信頼性の確保が重要な課題の１つとなっている。そこで、従来では、図５−３に示されるように、バリアメタル層３５６の成膜直後に、in-situにて物理エッチング法を用いて接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去することで、上記信頼性を向上する技術が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】G. B. Alers, et al., "Barrier-First Integration for Improved Reliability in Copper Dual Damascene Interconnects", IITC, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を物理エッチングする際のエッチング速度は、上層配線溝３６２または接続孔３６１の様々な構造や位置関係によって異なるために、ウェハ内のすべての接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去することと、上層配線溝３６２などにバリアメタル層３５６を確実に残すことを両立させることは困難である。したがって、実際には接続孔３６１の底部のバリアメタル層３５６を完全に除去した場合に、上層配線溝３６２などのバリアメタル層３５６が必要な部分も、図５−３に示されるように局所的にバリアメタル層３５６が除去される抜け部３６５が生じてしまい、下地の下部層間絶縁膜３５１が露出されることとなる。
【０００９】
そこで、このようなバリアメタル層３５６上の抜け部３６５を覆うために物理エッチング処理後にバリアメタル層３５６を成膜し直す方法も試みられている。通常、バリアメタル層３５６の成膜と物理エッチング処理はin-situで同一のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置用チャンバ内で行われるため、物理エッチング処理後にバリアメタル層３５６を再成膜する場合もＰＶＤ法によるものが主流となっている。
【００１０】
図６は、物理エッチング処理後にＰＶＤ法によってバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。図５−３に示されるように、上層配線溝３６２の底面に局所的に形成される抜け部３６５は、下部層間絶縁膜３５１にまで達する位にバリアメタル層３５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜３５３がエッチングされ、その他の部位との間で凹凸を形成している。そのため、図６に示されるように、上層配線溝３６２のバリアメタル層３５６の抜け部３６５などはＰＶＤ法によるバリアメタル層３５６の再成膜を行っても、段差被覆性不足により十分に被覆することができない。その結果、図５−４に示されるように、その後に形成する銅配線３５７と下部層間絶縁膜３５１が直接触れる箇所３６５ａが発生し、銅の拡散による絶縁不良を引き起こして、デバイス特性の劣化を引き起こしてしまうという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、銅配線を用いて配線を行う半導体装置において、接続孔のバリアメタル層の除去の際に、上層配線溝におけるバリアメタル層の除去による層間絶縁膜への銅の拡散を抑えることができる半導体装置とその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、を備える半導体装置において、前記上層配線層は、所定の形状の配線溝に上層銅配線が埋め込まれた上部層間絶縁膜と、前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線が埋め込まれた下部層間絶縁膜と、前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、配線溝底部に銅拡散防止用絶縁膜を形成したので、接続孔底部のバリアメタル層を完全にエッチングした際に、配線溝底部のバリアメタル層下部が露出しても、その位置は銅拡散防止用絶縁膜中となり、配線溝内に埋め込まれる銅配線の銅の下部層間絶縁膜中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させることができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置とその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる半導体装置の構造の一例を示す一部断面図である。シリコンなどの基板１０の上面内には、シリコン酸化膜などからなる素子分離絶縁膜１１が形成されている。素子分離絶縁膜１１によって規定される素子形成領域内には、ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタ２０が形成されている。ＭＯＳトランジスタ２０は、ゲート酸化膜２２、ゲート電極２３およびサイドウォール２４からなるゲート構造２１と、ゲート構造２１の下方のチャネル領域を挟んで対を成すソース／ドレイン領域２５とを有している。
【００１６】
ＭＯＳトランジスタ２０が形成される基板１０上には、複数の配線層が形成されており、図１の例では、基板１０上に第１と第２の配線層３０，５０の２層の配線層が形成される場合が示されている。第１の配線層３０は、ＭＯＳトランジスタ２０を有する基板１０上に形成される下部層間絶縁膜３１と、第１層配線３４が形成される上部層間絶縁膜３３と、を含む。下部層間絶縁膜３１内には、ＭＯＳトランジスタ２０のソース／ドレイン領域２５に接続された複数のプラグ３２が形成されている。また、第１層配線３４は、上部層間絶縁膜３３内の所定の位置に、バリアメタル層３５と銅配線３６とが積層されて構成される。そして、この第１層配線３４は、下部層間絶縁膜３１に形成されたプラグ３２に接続され、下層のソース／ドレイン領域２５と電気的に接続される。
【００１７】
第２の配線層５０は、第１の配線層３０上に形成され、下部層間絶縁膜５１と、銅拡散防止用絶縁膜５２と、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３と、上部層間絶縁膜５４と、これらの各絶縁膜５１〜５４内に所定の形状にパターン形成され、第１の配線層３０の第１層配線３４と電気的に接続される第２層配線５５と、を含む。第２層配線５５は、上部層間絶縁膜５４内の所定の形状に形成された上層配線溝６２内と、銅拡散防止用絶縁膜５２、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３および下部層間絶縁膜５１中に上層配線溝６２と下層の第１層配線３４とを結ぶように形成された接続孔６１内に、バリアメタル層５６と銅配線５７とが積層されて構成される。
【００１８】
下部層間絶縁膜５１と上部層間絶縁膜５４は、従来から使用されている酸化膜などの層間絶縁膜を用いることができる。また、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３は、上部層間絶縁膜５４に形成される上層配線溝６２の底部に相当する部分に形成され、上部層間絶縁膜５４に配線溝形成時のエッチングストッパとして機能する絶縁膜である。
【００１９】
銅拡散防止用絶縁膜５２は、上層配線溝６２に作製される銅配線５７の銅が下部層間絶縁膜５１中に拡散することを防止する機能を有する膜であり、たとえば、ＳｉＮ，ＳｉＣＯ、その他テフロン（登録商標）などの電気的に絶縁性能を有する材料を用いることができる。この銅拡散防止用絶縁膜５２は、接続孔６１底部のバリアメタル層５６のエッチングの際に発生する上層配線溝６２底部の局所的なエッチング深さの最大値が、この銅拡散防止用絶縁膜５２の厚さ内に収まるように形成される。この厚さは、予め実験にて求めておく必要がある。
【００２０】
このように、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３で、接続孔６１の底部のバリアメタル層５６の完全な除去の際における上層配線溝６２底部のバリアメタル層５６の一部が下部層間絶縁膜５１まで除去されることを防止し、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜５３を貫通するようにその一部が除去されたとしても、さらに下部の銅拡散防止用絶縁膜５２によって、その後に形成される銅配線５７の銅の下部層間絶縁膜５１への拡散を防止する。
【００２１】
つぎに、この発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２−１〜図２−７は、この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である。ただし、以下の説明では、この実施の形態１の特徴となる配線層を形成する手順のみを示す。また、配線層は複数層形成されることもあるので、基板を含む下層に形成される配線（以下、下層配線層という。図１の第１の配線層３０に対応する。）１３０上に、上層の配線（以下、上層配線層という。図１の第２の配線層５０に対応する。）１５０を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００２２】
まず、図２−１に示されるように、下層配線層１３０が形成された基板を用意する。ここでは、たとえば図示しない半導体基板上の層間絶縁膜１３３の所定の位置に形成された下層配線溝１４２の側壁部と底部を覆うようにＴａ／ＴａＮなどの銅の拡散を防止するバリアメタル層１３５が形成され、さらにその内部を下層銅配線１３６で埋めた下層配線１３４が用意される。
【００２３】
ついで、図２−２に示されるように、この下層配線層１３０上に、４層積層構造の層間絶縁膜１５１〜１５４を形成する。つまり、下層配線層１３０上に、下部層間絶縁膜１５１、銅拡散防止用絶縁膜１５２、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３、および上部層間絶縁膜１５４を順に積層させる。配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３は、後の工程で上部層間絶縁膜１５４における上層配線溝１６２形成時のエッチングストッパとして機能させるために、上層配線溝１６２の底部に相当する部分に形成される。なお、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３と銅拡散防止用絶縁膜１５２の厚さと、後の工程で形成されるバリアメタル層１５６の厚さの合計は、バリアメタル層１５６のエッチングの際に発生する局所的なエッチング深さの最大値よりも大きくなるように設計される。
【００２４】
ついで、図２−３に示されるように、リソグラフィ技術とエッチング技術によって、上部層間絶縁膜１５４上にフォトレジストを塗布した後、上層配線溝１６２を形成する部分のフォトレジストを除去し、上記フォトレジストをマスクとして上部層間絶縁膜１５４をエッチングする。このとき、配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３が、上部層間絶縁膜１５４のエッチング時のストッパとして働く。これにより、上層配線溝１６２が形成される。その後、上部層間絶縁膜１５４と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３上にフォトレジストを塗布した後、下層銅配線１３６と上層配線溝１６２とを接続する接続孔１６１を形成する部分のフォトレジストを除去し、上記フォトレジストをマスクとして配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３、銅拡散防止用絶縁膜１５２および下部層間絶縁膜１５１をエッチングする。このときの、上層配線溝１６２の底部が下層銅配線１３６に到達する位置まで下部層間絶縁膜１５１をエッチングする。これにより、接続孔１６１が形成される。
【００２５】
接続孔１６１のエッチングに使用したフォトレジストを除去した後、図２−４に示されるように、銅の拡散防止の役目を果たすバリアメタル層１５６を形成する。ここでは、バリアメタル層１５６として、たとえばＴａ／ＴａＮの積層膜をＰＶＤ法にて成膜したものとする。このバリアメタル層１５６は、上部層間絶縁膜１５４の上面、上層配線溝１６２の側面と底面、および接続孔１６１の側面と底面に形成される。
【００２６】
続いて、図２−５に示されるように、バリアメタル層１５６を成膜した装置と同一装置内にて、リスパッタなどのエッチング処理を行い、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６を完全に除去し、接続孔１６１の底部に存在する不純物などを除去する。このとき、発明が解決しようとする課題でも述べたように、上層配線溝１６２底部のバリアメタル層１５６も除去され、下地の絶縁膜が露出してしまう抜け部１６５が局所的に発生する。しかし、この実施の形態１では、バリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３と銅拡散防止用絶縁膜１５２を合わせた膜厚は、この接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のエッチング時に除去される最大厚さよりも厚くしているため、上層配線溝１６２上で局所的にバリアメタル層１５６が除去される部分でも、下部層間絶縁膜１５１まで除去（露出）されることはない。つまり、上層配線溝１６２底部で最も除去された部分でも、銅拡散防止用絶縁膜１５２が露出される状態となる。
【００２７】
ついで、図２−６に示されるように、上層銅配線１５７の銅と下部層間絶縁膜１５１との直接の接触や、接続孔１６１底部での上層銅配線１５７の銅と下層銅配線１３６の銅同士の直接の接触を防ぐために、バリアメタル層１５６のエッチング処理を行った装置と同一装置内において再度ＰＶＤ法でＴａ／ＴａＮの積層膜などからなるバリアメタル層１５６を成膜する。これにより、上層配線溝１６２底部のバリアメタル層１５６の下地が露出した部分がバリアメタル層１５６で被覆される。
【００２８】
引き続いて、接続孔１６１および上層配線溝１６２に上層銅配線１５７を形成するための図示しない銅シード層を成膜し、めっき法によって上層配線溝１６２内と接続孔１６１内の銅シード層上に銅膜を埋め込んで上層銅配線１５７を形成し、ＣＭＰなどによる研磨処理などを行って、図２−７に示されるように、上層配線１５５が形成される。以上により、半導体装置の下層配線層１３０上に上層配線層１５０が作製される。
【００２９】
この実施の形態１によれば、上層配線溝１６２底部に銅拡散防止用絶縁膜１５２を形成したので、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を完全にエッチングした際に生じる上層配線溝１６２の下部の絶縁膜の露出（エッチング）が最大深さまで行われたとしても、その位置は銅拡散防止用絶縁膜１５２中となる。そのため、接続孔１６１のエッチング処理後のＰＶＤ法によるバリアメタル層１５６の再成膜で、上層配線溝１６２底部の抜け部１６５について、十分な段差被覆が得られなかった場合、つまり下地が露出した部分を完全に埋めることができなかった場合でも、上層配線溝１６２内に埋め込まれる上層銅配線１５７の銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させることができるという効果を有する。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態１の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）の銅拡散防止用絶縁膜１５２として、実施の形態１の銅拡散防止用絶縁膜１５２に電子線キュアなどの改質処理を行って、銅の拡散を防止するとともにプラズマダメージ耐性をもたせた材料を用いることもできる。
【００３１】
この実施の形態２によれば、銅拡散防止機能とプラズマダメージ耐性のある材料を銅拡散防止用絶縁膜１５２として使用するようにしたので、バリアメタル層１５６のカバレッジが不足している部分から銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止されるとともに、エッチング処理時のプラズマによる絶縁膜の誘電率上昇を防ぎ、配線間容量の増加による配線の遅延時間の増加を抑制することができるという効果を有する。
【００３２】
実施の形態３．
図３は、この発明にかかる半導体装置の配線層の実施の形態３の構造を模式的に示す断面図である。この実施の形態３では、実施の形態１の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）の銅拡散防止用絶縁膜１５２に代えて、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のin-situエッチングに対してエッチング耐性のあるin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を用いた構造を有している。このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として、ＳｉＮ，ＳｉＣＮやテフロン（登録商標）などのin-situエッチングに対する耐性を有し、電気的に絶縁性能を有する材料を用いることができる。
【００３３】
このような構造の半導体装置の配線層は、銅拡散防止用絶縁膜１５２の代わりにin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を形成する点を除いて、実施の形態１で説明した製造方法と同様の手順で作成されるので、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
図４−１は、接続孔底部のバリアメタル層をin-situエッチングで除去した状態を模式的に示す断面図であり、図４−２は、in-situエッチングで除去後にバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。図４−１に示されるように、このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を用いることで、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を除去する工程では、上層配線溝１６２の底部の一部ではバリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３がエッチングされ、局所的に抜け部１６５が発生してしまうが、in-situエッチングに耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８ではその削れ（エッチング）が抑制される。そのため、銅拡散防止用絶縁膜１５２まで削れていた（エッチングされていた）実施の形態１，２の場合と比較して、上層配線溝１６２底部の一部でエッチングの際に発生する段差が低減される。これにより、図４−２に示されるように、in-situエッチング後にＰＶＤ法によって再成膜するバリアメタル層１５６の段差被覆性が改善され、バリアメタル層１５６の抜け部１６５がなくなる。この結果、バリアメタル層１５６の抜け部１６５からの銅の下部層間絶縁膜１５１中への拡散が防止され、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する信頼性が向上する。
【００３５】
この実施の形態３によれば、上層配線溝１６２の底部にin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８を形成したので、接続孔１６１底部のバリアメタル層１５６を完全に除去するin-situエッチング時に生じる上層配線溝１６２の底部の局所的なエッチングが、このin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８で止められる。そのため、エッチングされるのはバリアメタル層１５６と配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３のみとなり、その段差（エッチング量）を実施の形態１，２の場合と比して小さくすることができる。その結果、in-situエッチング後に成膜するバリアメタル層１５６の再成膜において段差被覆性が改善されるという効果を有する。
【００３６】
実施の形態４．
実施の形態３の配線溝エッチングストッパ用絶縁膜１５３の下（下部層間絶縁膜１５１の上）のin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として、実施の形態３の銅拡散防止用絶縁膜１５８に電子線キュアなどの改質処理を行って、in-situエッチングに対するエッチング耐性を有するとともにプラズマダメージ耐性をもたせた材料を用いることもできる。
【００３７】
この実施の形態４によれば、in-situエッチング耐性とプラズマダメージ耐性のある材料をin-situエッチングストッパ用絶縁膜１５８として使用することで、バリアメタル層１５６のin-situエッチング時に発生する絶縁膜の削れ（エッチング）を抑制するとともに、in-situエッチング処理時のプラズマによる絶縁膜の誘電率上昇を防ぎ、配線間容量の増加による配線の遅延時間の増加を抑制することができるという効果を有する。
【００３８】
なお、上述した実施の形態１〜４の説明では、バリアメタル層１５６として、ＰＶＤ法で作製したＴａ／ＴａＮの積層膜を用いたが、いずれかの単層でバリアメタル層１５６を構成してもよい。また、他の材料として、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）などの高融点金属、もしくはそれらの窒化物、窒化珪化物、またはこれらの積層膜を用いてもよい。
【００３９】
さらに、上述した実施の形態１〜４の説明では、接続孔１６１の底部のバリアメタル層１５６のエッチング後に、ＰＶＤ法によるＴａ／ＴａＮの積層膜を用いてバリアメタル層１５６を再形成していたが、この場合にも、いずれかの単層膜をバリアメタル層１５６として再形成してもよいし、Ｔｉ，Ｗなどの高融点金属、もしくはそれらの窒化物、窒化珪化物、炭化窒化物などの他の材料でバリアメタル層１５６を再形成してもよい。また、上述した説明では、銅配線の配線層の場合を説明したが、銅を含む材料によって構成される配線の場合にも同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、この発明にかかる半導体装置は、銅配線を有する半導体装置に有用であり、特に、ダマシンプロセスによって銅配線を用いた多層配線を有する半導体装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明による半導体装置の構造の一例を示す一部断面図である。
【図２−１】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図２−４】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図２−５】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図２−６】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その６）。
【図２−７】この発明による半導体装置の配線層の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その７）。
【図３】この発明による半導体装置の配線層の実施の形態３の構造を模式的に示す断面図である。
【図４−１】接続孔の底部のバリアメタル層をin-situエッチングで除去した状態を模式的に示す断面図である。
【図４−２】in-situエッチングで除去後にバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。
【図５−１】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その１）。
【図５−２】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その２）。
【図５−３】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その３）。
【図５−４】銅ダマシン配線を有する半導体装置の配線層の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その４）。
【図６】物理エッチング処理後にＰＶＤ法によってバリアメタル層を再成膜した状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 基板
１１ 素子分離絶縁膜
２０ ＭＯＳトランジスタ
２１ ゲート構造
２２ ゲート絶縁膜
２３ ゲート電極
２４ サイドウォール
２５ ソース／ドレイン領域
３０ 第１の配線層
３１，５１，１５１ 下部層間絶縁膜
３２ プラグ
３３，５４，１３３，１５４ 上部層間絶縁膜
３４ 第１層配線
３５，５６，１３５，１５６ バリアメタル層
３６，５７，１３６，１５７ 銅配線
５０ 第２の配線層
５２，１５２ 銅拡散防止用絶縁膜
５３，１５３ 配線溝エッチングストッパ用絶縁膜
５５ 第２層配線
１３０ 下部配線層
１３３ 層間絶縁膜
１３４ 下層配線層
１４２ 配線溝
１５０ 上部配線層
１５５ 上層配線層
１５８ in-situエッチングストッパ用絶縁膜
１６１ 接続孔
１６２ 上層配線溝
１６５ 抜け部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、
所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、
を備える半導体装置において、
前記上層配線層は、
所定の形状の配線溝に上層銅配線が埋め込まれた上部層間絶縁膜と、
前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線が埋め込まれた下部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記銅拡散防止用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、
所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、
を備える半導体装置において、
前記上層配線層は、
所定の形状の配線溝に上層銅配線がバリアメタル層を介して埋め込まれた上部層間絶縁膜と、
前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線がバリアメタル層を介して埋め込まれた下部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、前記バリアメタル層のエッチングに対するエッチング耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記in-situエッチングストッパ用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
絶縁膜内に所定の形状にパターン形成された下層銅配線を有する下層配線層上に下部層間絶縁膜、銅の前記下部層間絶縁膜への拡散を防止する銅拡散防止用絶縁膜、および上部層間絶縁膜を含む絶縁膜を順に積層させる絶縁膜形成工程と、
前記上部層間絶縁膜に上層銅配線を形成するための配線溝を、その底部が前記上部層間絶縁膜の下面とほぼ同じ深さとなるように形成する配線溝形成工程と、
前記配線溝の底部の所定の位置に、前記下層銅配線に達する接続孔を形成する接続孔形成工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程と、
前記接続孔の底部の前記バリアメタル層を完全に除去するバリアメタル層除去工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を再形成するバリアメタル層再形成工程と、
前記バリアメタル層が形成された前記配線溝と前記接続孔内に、上層銅配線を形成する銅配線形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜形成工程で、前記銅拡散防止用絶縁膜は、銅の前記下部層間絶縁膜への拡散を防止する機能に加えて、プラズマダメージ耐性を有する材料によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
絶縁膜内に所定の形状にパターン形成された下層銅配線を有する下層配線層上に下部層間絶縁膜、接続孔の底部のバリアメタル層の除去時におけるエッチング耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜、および上部層間絶縁膜を含む絶縁膜を順に積層させる絶縁膜形成工程と、
前記上部層間絶縁膜に上層銅配線を形成するための配線溝を、その底部が前記上部層間絶縁膜の下面とほぼ同じ深さとなるように形成する配線溝形成工程と、
前記配線溝の底部の所定の位置に、前記下層銅配線に達する接続孔を形成する接続孔形成工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程と、
前記接続孔の底部の前記バリアメタル層を完全に除去するバリアメタル層除去工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を再形成するバリアメタル層再形成工程と、
前記バリアメタル層が形成された前記配線溝と前記接続孔内に、上層銅配線を形成する銅配線形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁膜形成工程で、前記in-situエッチングストッパ用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有する材料によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、
所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、
を備える半導体装置において、
前記上層配線層は、
所定の形状の配線溝に上層銅配線が埋め込まれた上部層間絶縁膜と、
前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線が埋め込まれた下部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、銅の拡散を防止する所定の厚さの銅拡散防止用絶縁膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記銅拡散防止用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
所定の形状にパターン形成された銅を含む材料によって構成される下層銅配線を有する下層配線層と、
所定の形状にパターン形成され、前記下層銅配線と電気的に接続され、銅を含む材料によって構成される上層銅配線を有する上層配線層と、
を備える半導体装置において、
前記上層配線層は、
所定の形状の配線溝に上層銅配線がバリアメタル層を介して埋め込まれた上部層間絶縁膜と、
前記上層銅配線と前記下層配線層の前記下層銅配線とを接続する接続孔に前記上層銅配線がバリアメタル層を介して埋め込まれた下部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜の前記配線溝の下部と前記下部層間絶縁膜との間に、前記バリアメタル層のエッチングに対するエッチング耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記in-situエッチングストッパ用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
絶縁膜内に所定の形状にパターン形成された下層銅配線を有する下層配線層上に下部層間絶縁膜、銅の前記下部層間絶縁膜への拡散を防止する銅拡散防止用絶縁膜、および上部層間絶縁膜を含む絶縁膜を順に積層させる絶縁膜形成工程と、
前記上部層間絶縁膜に上層銅配線を形成するための配線溝を、その底部が前記上部層間絶縁膜の下面とほぼ同じ深さとなるように形成する配線溝形成工程と、
前記配線溝の底部の所定の位置に、前記下層銅配線に達する接続孔を形成する接続孔形成工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程と、
前記接続孔の底部の前記バリアメタル層を完全に除去するバリアメタル層除去工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を再形成するバリアメタル層再形成工程と、
前記バリアメタル層が形成された前記配線溝と前記接続孔内に、上層銅配線を形成する銅配線形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜形成工程で、前記銅拡散防止用絶縁膜は、銅の前記下部層間絶縁膜への拡散を防止する機能に加えて、プラズマダメージ耐性を有する材料によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
絶縁膜内に所定の形状にパターン形成された下層銅配線を有する下層配線層上に下部層間絶縁膜、接続孔の底部のバリアメタル層の除去時におけるエッチング耐性を有するin-situエッチングストッパ用絶縁膜、および上部層間絶縁膜を含む絶縁膜を順に積層させる絶縁膜形成工程と、
前記上部層間絶縁膜に上層銅配線を形成するための配線溝を、その底部が前記上部層間絶縁膜の下面とほぼ同じ深さとなるように形成する配線溝形成工程と、
前記配線溝の底部の所定の位置に、前記下層銅配線に達する接続孔を形成する接続孔形成工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程と、
前記接続孔の底部の前記バリアメタル層を完全に除去するバリアメタル層除去工程と、
前記配線溝と前記接続孔にバリアメタル層を再形成するバリアメタル層再形成工程と、
前記バリアメタル層が形成された前記配線溝と前記接続孔内に、上層銅配線を形成する銅配線形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁膜形成工程で、前記in-situエッチングストッパ用絶縁膜は、プラズマダメージ耐性をさらに有する材料によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図２−４】
【図２−５】
【図２−６】
【図２−７】
【図３】
【図４−１】
【図４−２】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図５−４】
【図６】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図２−４】
【図２−５】
【図２−６】
【図２−７】
【図３】
【図４−１】
【図４−２】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図５−４】
【図６】
【公開番号】特開２００７−８１２８４（Ｐ２００７−８１２８４Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６９９３６（Ｐ２００５−２６９９３６）
【出願日】平成１７年９月１６日（２００５．９．１６）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１６日（２００５．９．１６）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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