半導体装置およびその製造方法
【課題】絶縁耐性を向上することが可能な半導体装置の製造装置を提供する。
【解決手段】半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、前記層間絶縁膜上および前記Cu配線層上に形成された第2の拡散防止膜と、前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して前記第1の界面および前記第2の界面に形成された第2の反応層と、を備える。
【解決手段】半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、前記層間絶縁膜上および前記Cu配線層上に形成された第2の拡散防止膜と、前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して前記第1の界面および前記第2の界面に形成された第2の反応層と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Cu配線層を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、配線の微細化により、Alに代わる配線材料として、抵抗値が低いCuが用いられている。
【0003】
そして、この配線の微細化によるEM(Electro Migration)耐性の劣化や、層間絶縁膜に低誘電率膜(特にポーラスLow−k膜)を適用することによるCu配線層間のTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)特性の劣化が、問題となっている。
【0004】
ここで、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、CMPによるCu配線層の平坦化後、Cu配線層上に拡散防止膜(SiCN膜)を成膜する前に、還元性のガス(例えば、NH3)を用いたプラズマ処理によりCuに反応した酸素を還元する方法が採用されている。これにより、EM耐性を向上させる。
【0005】
しかし、この半導体装置の製造方法では、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)の表層部に、該プラズマ処理により、ダメージ層が形成される。このダメージ層とその上に形成される拡散防止膜との間の界面でリーク電流が流れ、絶縁耐性が劣化し得る。
【0006】
また、EM耐性を向上させる技術として、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、CoWPやCoWBをCu配線層上部に選択的に形成するものがある(例えば、特許文献1、2参照。)。このCoWPやCoWBが、Cu配線層とこのCu配線層上の層間絶縁膜との間に介在することにより、EM耐性を向上させることができる。
【0007】
しかし、このEM耐性向上のための半導体装置の製造方法においては、Cuが形成されている層間絶縁膜を形成した後に、Cu配線間の層間絶縁膜表面のCoWPやCoWBを除去することになるが、Cu配線層間の層間絶縁膜表面に残渣が発生する。この残渣により配線間のショートが生じ得る。
【0008】
このように、上記従来技術では、Cu配線層と拡散防止膜との界面(Cu/SiCN界面)、および低誘電率膜と拡散防止膜(SiCN膜)との界面における、絶縁耐圧の向上が困難であるという問題があった。
【特許文献1】特開2006−253666号公報
【特許文献2】特開2005−129808号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、絶縁耐性を向上することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置は、
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Cu配線層の上部に形成された第2の拡散防止膜と、
前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第1の反応層上に形成された第2の反応層と、を備えることを特徴とする。
【0011】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置の製造方法は、
層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちCu配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第1の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第1の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にCuを埋め込んでCu配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Cu配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Cu配線層上および前記層間絶縁膜上に、第2の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第2の拡散防止膜と前記Cu配線層との間の第1の界面、および前記第2の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第2の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第1の界面近傍および前第2の界面近傍に熱を加える工程と、備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。
【実施例1】
【0014】
図1は、本発明の一態様である実施例1に係る半導体装置100の構成の一例を示す断面図である。
【0015】
図1に示すように、半導体装置100は、層間絶縁膜1と、第1の反応層1aと、第1の拡散防止膜2と、Cu配線層3と、合金層3aと、第2の拡散防止膜4と、第2の反応層4aと、層間絶縁膜5と、第3の拡散防止膜6と、Cu配線層7と、ビア9と、を備える。
【0016】
層間絶縁膜1は、半導体基板上(図示せず)に形成され、トレンチ1bが形成されている。層間絶縁膜1には、例えば、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)が選択される。この層間絶縁膜1は、例えば、SiOC膜である。
【0017】
第1の拡散防止膜2は、トレンチ1bの内面に成膜されている。この第1の拡散防止膜2は、Cu配線層3から層間絶縁膜1へのCuの拡散を防止する膜として機能する。この第1の拡散防止膜2には、例えば、TaあるいはTaN/Ta積層が選択される。
【0018】
Cu配線層3は、トレンチ1b内に第1の拡散防止膜2を介して埋め込まれている。このCu配線層3は、該半導体基板上に形成された素子等(図示せず)に電気的に接続されている。
【0019】
第2の拡散防止膜4は、層間絶縁膜1の上部およびCu配線層3の上部に形成されている。この第2の拡散防止膜4は、Cu配線層3から低誘電率膜からなる層間絶縁膜5へのCuの拡散を防止する膜として機能する。この第2の拡散防止膜4は、例えば、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。本実施例では、この第2の拡散防止膜4は、SiCN膜である。
【0020】
合金層3aは、Cu配線層3と第2の拡散防止膜4との間の第1の界面10に形成されている。この合金層3aは、Cuを主成分とし、Cu以外の合金層3aを構成する元素には、Mn、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれている。本実施例では、この合金層3aは、CuとMnの合金で構成されている。
【0021】
第1の反応層1aは、層間絶縁膜1と第2の拡散防止膜4との間の第2の界面11に形成されている。本実施例の第1の反応層1aにおいては、Cu以外の合金層3aを構成する元素と同じ種類の元素(Mn)が層間絶縁膜1の上層部と反応してSiOC−Mn反応層が形成されている。
【0022】
第2の反応層4aは、少なくとも第1の界面10および第2の界面11(すなわち合金層3a上および第1の反応層1a上に)に形成されている。この実施例の第2の反応層4aは、Cu以外の合金層を構成する元素と同じ種類の元素(Mn)が第2の拡散防止膜4の下層部と反応してSiCN−Mn反応層が形成されている。
【0023】
Cu配線層7は、第2の拡散防止膜4上に形成された層間絶縁膜5中に、形成されている。このCu配線層7は、Cuからなるビア9および合金層3aを介して、Cu配線層3と電気的に接続されている。
【0024】
なお、Cu配線層7およびビア9と、層間絶縁膜5と、の間には、第3の拡散防止膜6が形成されている。この第3の拡散防止膜6は、Cu配線層7およびビア9から層間絶縁膜5へのCuの拡散を防止する膜として、機能する。
【0025】
また、前述した合金層3a、第1の反応層1a、第2の反応層4a、第2の拡散防止層4と同様の構成(図示せず)が、層間絶縁膜5およびCu配線層7上に形成される。
【0026】
ここで、以上のような構成を有する半導体装置100を製造する方法、すなわち、層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための製造方法の一例について説明する。
【0027】
図2Aないし図2Fは、実施例1に係る半導体装置の製造方法の各工程の断面を示す断面図である。
【0028】
先ず、半導体基板(図示せず)上に形成された層間絶縁膜1をエッチングして、層間絶縁膜1のうちCu配線層3を形成する領域にトレンチ1bを形成する。そして、このトレンチ1bの内面および層間絶縁膜1上に、例えば、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)により層間絶縁膜1へのCuの拡散を防止するための第1の拡散防止膜2を成膜する(図2A)。
【0029】
なお、既述のように、層間絶縁膜1は、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)である。この層間絶縁膜1は、より具体的には、例えば、SiOC膜である。
【0030】
また、既述のように、第1の拡散防止膜2には、例えば、TaあるいはTaN/Ta積層が選択される。
【0031】
次に、第1の拡散防止膜2の表面にシード層(図示せず)を形成後さらにその表面に、例えば、電界メッキ等により、導電性材料としてCuを成膜させる。これにより、第1の拡散防止膜2が成膜されたトレンチ内に導電性材料であるCuを埋め込んでCu配線層3を形成する。
【0032】
さらに、例えば、CMPにより、Cu配線層3および第1の拡散防止膜2を研磨して、層間絶縁膜1の上面が露出するように平坦化する(図2B)。
【0033】
次に、還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、Cu配線層3の上面の酸化物(例えばCuOx等)を還元除去する。このとき、該プラズマ処理により、層間絶縁膜1が、例えば、SiOC膜である場合、該SiOC膜の表層部はメチル基が切れた準安定状態になる。
【0034】
すなわち、該プラズマ処理により、層間絶縁膜1の上層部にダメージ層101が形成される(図2C)。
【0035】
なお、該還元性のガスは、例えば、H2もしくはNH3を含む。
【0036】
次に、PECVDにより、Cu配線層3上および層間絶縁膜1上に、第2の拡散防止膜4を成膜する(図2D)。
【0037】
なお、既述のように、第2の拡散防止膜4は、例えば、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。
【0038】
次に、イオン注入により、第2の拡散防止膜4とCu配線層3との間の第1の界面10、および第2の拡散防止膜4と層間絶縁膜1との間の第2の界面11の深さまで、第2の拡散防止膜4を介して、元素(本実施例では、Mn)を注入する(図2E)。
【0039】
なお、このイオン注入は、例えば、加速エネルギ:1〜100keV、注入量:1×1014/cm2〜1×1017/cm2の条件で実施される。
【0040】
また、該元素には、Mnに代えて、例えば、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれていてもよい。
【0041】
ここで、図3Aは、図2Eに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。また、図3Bは、図2Eに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【0042】
上述のように、Mnをイオン注入することにより、第1の界面10の近傍に、イオン注入層8が形成される(図3A)。これにより、CuおよびSiCNを構成する分子の結合は切れ、Cu/SiCN界面はミキシングされる。
【0043】
また、上述のように、Mnをイオン注入することにより、第2の界面11の近傍にも、イオン注入層8が形成される(図3B)。これにより、ダメージ層101と層間絶縁膜(SiCN膜)4との第2の界面11についても、同様にミキシングが起こる。
【0044】
ここで、図4Aは、図2Fに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。また、図4Bは、図2Fに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【0045】
該イオン注入の後、第1の界面近傍および第2の界面近傍を、加熱(例えば、250℃、60分)する。
【0046】
これにより、第1の界面10のうち、Cu配線層3側には、Cu-Mnからなる合金層3aが形成され、第2の拡散防止層4側には、SiCN-Mnからなる第2の反応層4aが形成される(図2F、図4A)。
【0047】
また、第2の界面11のうち、層間絶縁膜1側には、SiOC-Mnからなる第1の反応層1aが形成され、第2の拡散防止層4側には、SiCN-Mnからなる第2の反応層4aが形成される(図2F、図4B)。
【0048】
CuとMnの合金は、Cu単体に比べて、EM耐性は高い。そこで、上述のように、Cuのマイグレーションが最も起こり易いCu配線層3と第2の拡散防止膜4との間の第1の界面10に、合金層3aを形成し、EM耐性を向上させる。
【0049】
また、ダメージ層101および第2の拡散防止膜4の切れたボンドが、加熱処理によりMnと再結合する。これにより、第2の界面11の絶縁耐性がより向上される。さらに、第2の界面11の近傍において、異種材料による不連続界面が存在しなくなるため、第2の界面11における界面リークが抑制される。
【0050】
なお、上述の加熱処理のために、必ずしも別途工程を設ける必要はなく、例えば、拡散層を形成するための加熱処理や層間絶縁膜を形成するための加熱処理等が実施されればよい。すなわち、この加熱処理は、必ずしもイオン注入後すぐに実施される必要はなく、例えば、後述の多層配線が形成される途中、またはその後に、実施されてもよい。
【0051】
次に、例えばPECVDにより、第2の拡散防止膜4上に層間絶縁膜5を形成する。その後、層間絶縁膜5の内部にトレンチ・コンタクトホールを形成した後、第3の拡散防止膜6を成膜し、さらに、例えば、デュアルダマシン法により、Cu配線層7およびビア9をそれぞれ形成する。これにより、図1に示す半導体装置100の構成が形成される。
【0052】
なお、必要に応じて、以上の工程を適宜繰り返すことにより、多層配線層を形成することができる。
【0053】
以上の工程により、Cu配線層と第2の拡散防止膜との界面に合金層を形成してEM耐性を向上させるとともに、第2の拡散防止膜の成膜時に層間絶縁膜に形成されたダメージ層を改質し、TDDB耐性を向上させることができる。
【0054】
以上のように、本実施例に係る半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明の一態様である実施例1に係る半導体装置100の構成の一例を示す断面図である。
【図2A】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の工程の断面を示す断面図である。
【図2B】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Aに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2C】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Bに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2D】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Cに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2E】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Dに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2F】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Eに続く工程の断面を示す断面図である。
【図3A】図2Eに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。
【図3B】図2Eに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【図4A】図2Fに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。
【図4B】図2Fに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0056】
1 層間絶縁膜
1a 第1の反応層
1b トレンチ
2 第1の拡散防止膜
3 Cu配線層
3a 合金層
4 第2の拡散防止膜
4a 第2の反応層
5 層間絶縁膜
6 第3の拡散防止膜
7 Cu配線層
8 イオン注入層
9 ビア
10 第1の界面
11 第2の界面
13 第4の拡散防止膜
100 半導体装置
101 ダメージ層
【技術分野】
【0001】
本発明は、Cu配線層を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、配線の微細化により、Alに代わる配線材料として、抵抗値が低いCuが用いられている。
【0003】
そして、この配線の微細化によるEM(Electro Migration)耐性の劣化や、層間絶縁膜に低誘電率膜(特にポーラスLow−k膜)を適用することによるCu配線層間のTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)特性の劣化が、問題となっている。
【0004】
ここで、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、CMPによるCu配線層の平坦化後、Cu配線層上に拡散防止膜(SiCN膜)を成膜する前に、還元性のガス(例えば、NH3)を用いたプラズマ処理によりCuに反応した酸素を還元する方法が採用されている。これにより、EM耐性を向上させる。
【0005】
しかし、この半導体装置の製造方法では、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)の表層部に、該プラズマ処理により、ダメージ層が形成される。このダメージ層とその上に形成される拡散防止膜との間の界面でリーク電流が流れ、絶縁耐性が劣化し得る。
【0006】
また、EM耐性を向上させる技術として、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、CoWPやCoWBをCu配線層上部に選択的に形成するものがある(例えば、特許文献1、2参照。)。このCoWPやCoWBが、Cu配線層とこのCu配線層上の層間絶縁膜との間に介在することにより、EM耐性を向上させることができる。
【0007】
しかし、このEM耐性向上のための半導体装置の製造方法においては、Cuが形成されている層間絶縁膜を形成した後に、Cu配線間の層間絶縁膜表面のCoWPやCoWBを除去することになるが、Cu配線層間の層間絶縁膜表面に残渣が発生する。この残渣により配線間のショートが生じ得る。
【0008】
このように、上記従来技術では、Cu配線層と拡散防止膜との界面(Cu/SiCN界面)、および低誘電率膜と拡散防止膜(SiCN膜)との界面における、絶縁耐圧の向上が困難であるという問題があった。
【特許文献1】特開2006−253666号公報
【特許文献2】特開2005−129808号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、絶縁耐性を向上することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置は、
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Cu配線層の上部に形成された第2の拡散防止膜と、
前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第1の反応層上に形成された第2の反応層と、を備えることを特徴とする。
【0011】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置の製造方法は、
層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちCu配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第1の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第1の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にCuを埋め込んでCu配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Cu配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Cu配線層上および前記層間絶縁膜上に、第2の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第2の拡散防止膜と前記Cu配線層との間の第1の界面、および前記第2の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第2の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第1の界面近傍および前第2の界面近傍に熱を加える工程と、備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。
【実施例1】
【0014】
図1は、本発明の一態様である実施例1に係る半導体装置100の構成の一例を示す断面図である。
【0015】
図1に示すように、半導体装置100は、層間絶縁膜1と、第1の反応層1aと、第1の拡散防止膜2と、Cu配線層3と、合金層3aと、第2の拡散防止膜4と、第2の反応層4aと、層間絶縁膜5と、第3の拡散防止膜6と、Cu配線層7と、ビア9と、を備える。
【0016】
層間絶縁膜1は、半導体基板上(図示せず)に形成され、トレンチ1bが形成されている。層間絶縁膜1には、例えば、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)が選択される。この層間絶縁膜1は、例えば、SiOC膜である。
【0017】
第1の拡散防止膜2は、トレンチ1bの内面に成膜されている。この第1の拡散防止膜2は、Cu配線層3から層間絶縁膜1へのCuの拡散を防止する膜として機能する。この第1の拡散防止膜2には、例えば、TaあるいはTaN/Ta積層が選択される。
【0018】
Cu配線層3は、トレンチ1b内に第1の拡散防止膜2を介して埋め込まれている。このCu配線層3は、該半導体基板上に形成された素子等(図示せず)に電気的に接続されている。
【0019】
第2の拡散防止膜4は、層間絶縁膜1の上部およびCu配線層3の上部に形成されている。この第2の拡散防止膜4は、Cu配線層3から低誘電率膜からなる層間絶縁膜5へのCuの拡散を防止する膜として機能する。この第2の拡散防止膜4は、例えば、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。本実施例では、この第2の拡散防止膜4は、SiCN膜である。
【0020】
合金層3aは、Cu配線層3と第2の拡散防止膜4との間の第1の界面10に形成されている。この合金層3aは、Cuを主成分とし、Cu以外の合金層3aを構成する元素には、Mn、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれている。本実施例では、この合金層3aは、CuとMnの合金で構成されている。
【0021】
第1の反応層1aは、層間絶縁膜1と第2の拡散防止膜4との間の第2の界面11に形成されている。本実施例の第1の反応層1aにおいては、Cu以外の合金層3aを構成する元素と同じ種類の元素(Mn)が層間絶縁膜1の上層部と反応してSiOC−Mn反応層が形成されている。
【0022】
第2の反応層4aは、少なくとも第1の界面10および第2の界面11(すなわち合金層3a上および第1の反応層1a上に)に形成されている。この実施例の第2の反応層4aは、Cu以外の合金層を構成する元素と同じ種類の元素(Mn)が第2の拡散防止膜4の下層部と反応してSiCN−Mn反応層が形成されている。
【0023】
Cu配線層7は、第2の拡散防止膜4上に形成された層間絶縁膜5中に、形成されている。このCu配線層7は、Cuからなるビア9および合金層3aを介して、Cu配線層3と電気的に接続されている。
【0024】
なお、Cu配線層7およびビア9と、層間絶縁膜5と、の間には、第3の拡散防止膜6が形成されている。この第3の拡散防止膜6は、Cu配線層7およびビア9から層間絶縁膜5へのCuの拡散を防止する膜として、機能する。
【0025】
また、前述した合金層3a、第1の反応層1a、第2の反応層4a、第2の拡散防止層4と同様の構成(図示せず)が、層間絶縁膜5およびCu配線層7上に形成される。
【0026】
ここで、以上のような構成を有する半導体装置100を製造する方法、すなわち、層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための製造方法の一例について説明する。
【0027】
図2Aないし図2Fは、実施例1に係る半導体装置の製造方法の各工程の断面を示す断面図である。
【0028】
先ず、半導体基板(図示せず)上に形成された層間絶縁膜1をエッチングして、層間絶縁膜1のうちCu配線層3を形成する領域にトレンチ1bを形成する。そして、このトレンチ1bの内面および層間絶縁膜1上に、例えば、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)により層間絶縁膜1へのCuの拡散を防止するための第1の拡散防止膜2を成膜する(図2A)。
【0029】
なお、既述のように、層間絶縁膜1は、低誘電率膜(特に、ポーラスLow−k膜)である。この層間絶縁膜1は、より具体的には、例えば、SiOC膜である。
【0030】
また、既述のように、第1の拡散防止膜2には、例えば、TaあるいはTaN/Ta積層が選択される。
【0031】
次に、第1の拡散防止膜2の表面にシード層(図示せず)を形成後さらにその表面に、例えば、電界メッキ等により、導電性材料としてCuを成膜させる。これにより、第1の拡散防止膜2が成膜されたトレンチ内に導電性材料であるCuを埋め込んでCu配線層3を形成する。
【0032】
さらに、例えば、CMPにより、Cu配線層3および第1の拡散防止膜2を研磨して、層間絶縁膜1の上面が露出するように平坦化する(図2B)。
【0033】
次に、還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、Cu配線層3の上面の酸化物(例えばCuOx等)を還元除去する。このとき、該プラズマ処理により、層間絶縁膜1が、例えば、SiOC膜である場合、該SiOC膜の表層部はメチル基が切れた準安定状態になる。
【0034】
すなわち、該プラズマ処理により、層間絶縁膜1の上層部にダメージ層101が形成される(図2C)。
【0035】
なお、該還元性のガスは、例えば、H2もしくはNH3を含む。
【0036】
次に、PECVDにより、Cu配線層3上および層間絶縁膜1上に、第2の拡散防止膜4を成膜する(図2D)。
【0037】
なお、既述のように、第2の拡散防止膜4は、例えば、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。
【0038】
次に、イオン注入により、第2の拡散防止膜4とCu配線層3との間の第1の界面10、および第2の拡散防止膜4と層間絶縁膜1との間の第2の界面11の深さまで、第2の拡散防止膜4を介して、元素(本実施例では、Mn)を注入する(図2E)。
【0039】
なお、このイオン注入は、例えば、加速エネルギ:1〜100keV、注入量:1×1014/cm2〜1×1017/cm2の条件で実施される。
【0040】
また、該元素には、Mnに代えて、例えば、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれていてもよい。
【0041】
ここで、図3Aは、図2Eに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。また、図3Bは、図2Eに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【0042】
上述のように、Mnをイオン注入することにより、第1の界面10の近傍に、イオン注入層8が形成される(図3A)。これにより、CuおよびSiCNを構成する分子の結合は切れ、Cu/SiCN界面はミキシングされる。
【0043】
また、上述のように、Mnをイオン注入することにより、第2の界面11の近傍にも、イオン注入層8が形成される(図3B)。これにより、ダメージ層101と層間絶縁膜(SiCN膜)4との第2の界面11についても、同様にミキシングが起こる。
【0044】
ここで、図4Aは、図2Fに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。また、図4Bは、図2Fに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【0045】
該イオン注入の後、第1の界面近傍および第2の界面近傍を、加熱(例えば、250℃、60分)する。
【0046】
これにより、第1の界面10のうち、Cu配線層3側には、Cu-Mnからなる合金層3aが形成され、第2の拡散防止層4側には、SiCN-Mnからなる第2の反応層4aが形成される(図2F、図4A)。
【0047】
また、第2の界面11のうち、層間絶縁膜1側には、SiOC-Mnからなる第1の反応層1aが形成され、第2の拡散防止層4側には、SiCN-Mnからなる第2の反応層4aが形成される(図2F、図4B)。
【0048】
CuとMnの合金は、Cu単体に比べて、EM耐性は高い。そこで、上述のように、Cuのマイグレーションが最も起こり易いCu配線層3と第2の拡散防止膜4との間の第1の界面10に、合金層3aを形成し、EM耐性を向上させる。
【0049】
また、ダメージ層101および第2の拡散防止膜4の切れたボンドが、加熱処理によりMnと再結合する。これにより、第2の界面11の絶縁耐性がより向上される。さらに、第2の界面11の近傍において、異種材料による不連続界面が存在しなくなるため、第2の界面11における界面リークが抑制される。
【0050】
なお、上述の加熱処理のために、必ずしも別途工程を設ける必要はなく、例えば、拡散層を形成するための加熱処理や層間絶縁膜を形成するための加熱処理等が実施されればよい。すなわち、この加熱処理は、必ずしもイオン注入後すぐに実施される必要はなく、例えば、後述の多層配線が形成される途中、またはその後に、実施されてもよい。
【0051】
次に、例えばPECVDにより、第2の拡散防止膜4上に層間絶縁膜5を形成する。その後、層間絶縁膜5の内部にトレンチ・コンタクトホールを形成した後、第3の拡散防止膜6を成膜し、さらに、例えば、デュアルダマシン法により、Cu配線層7およびビア9をそれぞれ形成する。これにより、図1に示す半導体装置100の構成が形成される。
【0052】
なお、必要に応じて、以上の工程を適宜繰り返すことにより、多層配線層を形成することができる。
【0053】
以上の工程により、Cu配線層と第2の拡散防止膜との界面に合金層を形成してEM耐性を向上させるとともに、第2の拡散防止膜の成膜時に層間絶縁膜に形成されたダメージ層を改質し、TDDB耐性を向上させることができる。
【0054】
以上のように、本実施例に係る半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明の一態様である実施例1に係る半導体装置100の構成の一例を示す断面図である。
【図2A】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の工程の断面を示す断面図である。
【図2B】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Aに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2C】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Bに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2D】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Cに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2E】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Dに続く工程の断面を示す断面図である。
【図2F】実施例1に係る半導体装置100の製造方法の図2Eに続く工程の断面を示す断面図である。
【図3A】図2Eに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。
【図3B】図2Eに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【図4A】図2Fに示す第1の界面10を含む領域Xを拡大した構成を示す断面図である。
【図4B】図2Fに示す第2の界面11を含む領域Yを拡大した構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0056】
1 層間絶縁膜
1a 第1の反応層
1b トレンチ
2 第1の拡散防止膜
3 Cu配線層
3a 合金層
4 第2の拡散防止膜
4a 第2の反応層
5 層間絶縁膜
6 第3の拡散防止膜
7 Cu配線層
8 イオン注入層
9 ビア
10 第1の界面
11 第2の界面
13 第4の拡散防止膜
100 半導体装置
101 ダメージ層
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Cu配線層の上部に形成された第2の拡散防止膜と、
前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第1の反応層上に形成された第2の反応層と、を備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
Cu以外の前記合金層を構成する元素には、Mn、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれる
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】
前記第2の拡散防止膜は、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記層間絶縁膜は、Low−k膜であることを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の半導体装置。
【請求項5】
層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちCu配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第1の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第1の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にCuを埋め込んでCu配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Cu配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Cu配線層上および前記層間絶縁膜上に、第2の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第2の拡散防止膜と前記Cu配線層との間の第1の界面、および前記第2の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第2の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第1の界面近傍および前第2の界面近傍に熱を加える工程と、備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項1】
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第1の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第1の拡散防止膜を介して埋め込まれたCu配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Cu配線層の上部に形成された第2の拡散防止膜と、
前記Cu配線層と前記第2の拡散防止膜との間の第1の界面に形成され、Cuを主成分とする合金層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第2の拡散防止膜との間の第2の界面に形成された前記第1の反応層と、
Cu以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第2の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第1の反応層上に形成された第2の反応層と、を備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
Cu以外の前記合金層を構成する元素には、Mn、Al、Mg、Ni、Co、W、Si、およびCの少なくとも何れか1つの元素が含まれる
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】
前記第2の拡散防止膜は、SiN、SiON、SiCN、またはSiCの何れかを主成分とする絶縁膜からなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記層間絶縁膜は、Low−k膜であることを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の半導体装置。
【請求項5】
層間絶縁膜中にCu配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちCu配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第1の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第1の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にCuを埋め込んでCu配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Cu配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Cu配線層上および前記層間絶縁膜上に、第2の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第2の拡散防止膜と前記Cu配線層との間の第1の界面、および前記第2の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第2の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第1の界面近傍および前第2の界面近傍に熱を加える工程と、備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【公開番号】特開2010−45161(P2010−45161A)
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−207821(P2008−207821)
【出願日】平成20年8月12日(2008.8.12)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年8月12日(2008.8.12)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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