半導体装置とその製造方法
【課題】 相互接続配線とその上方のキャップ層との接着力を向上することが可能な半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板１０１上の誘電体層３０５中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線３１０を形成し、誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層４０５を形成し、第１のキャップ層４０５上に絶縁体である第２のキャップ層４１０形成し、自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する。
【解決手段】 半導体基板１０１上の誘電体層３０５中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線３１０を形成し、誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層４０５を形成し、第１のキャップ層４０５上に絶縁体である第２のキャップ層４１０形成し、自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、エレクトロマイグレーションの信頼性を改善するため、銅を主成分とする相互接続の上方に形成されたマンガンを主成分とするキャップ層を有する半導体装置を形成するための半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化のため、金属相互接続配線に沿った信号伝送の効率は、半導体装置の性能の要因になりつつある。銅は高導電率であるため、アルミニウムに代わって使用されつつあり、相応して銅により信号伝送が効率化されている。銅を主成分とする相互接続配線は、誘電体層内の一連のトレンチ及び／又はビアにパターン化されて形成される。銅は、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）構造の誘電体層内に形成された凹所を充填するためのダマシン（又はインレイド（inlaid））技術を通して相互接続配線を形成するために典型的に配置される。多層の相互接続配線は、トレンチやビアが形成される誘電体材料の堆積に先立ってキャップ層を配置することにより、形成することができる。キャップ層は、上層の誘電体層のパターニングの間、エッチングストッパーとして機能する。このようにして、多層金属層を形成することができる。
【０００３】
銅は、良好な導電性を示すが、銅は半導体装置の製造を複雑にする様々な障害となる場合がある。銅は、周囲の誘電体材料へ拡散する能力を有している。誘電体層内に僅かに銅が拡散しても、誘電体層を汚染し、予測不能の挙動を導く。したがって、銅の拡散から誘電体層を守るため、トレンチ及び／又はビアにバリア材料が用いられる。同様に、銅を主成分とする相互接続配線上に配置されたキャップ層は、上層の誘電体層へ銅が拡散することを防止する役割を果たしている。さらに、銅は酸化に対して鋭敏であり、半導体構造の製造中で行われる多数の熱処理工程において、容易に酸化銅の膜を形成する。最終的な半導体構造において、銅を主成分とする相互接続配線は、時間経過に対して酸化を防ぐため、キャップ層の機能によって酸素や水分から十分に保護されなければならない。
【０００４】
半導体構造の中の銅を主成分とするコンポーネントの酸化は、いくつかの顕著な効果に結びつく場合がある。例えば酸化銅フィルムは、誘電体材料、銅拡散バリアとして使用される材料、及びキャップ層材料のような包囲材料に対して不十分な接着を示す。キャップ層に対する不十分な接着の問題を解決するため、プラズマ・ガス処理、及び／又はプラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）がよく使用される。これにより酸化銅フィルムが除去され、良好な粘着を備えたキャップ層が提供される。半導体構造の容積の縮小に伴い、ｌｏｗ−ｋ材料は、近接した相互接続配線間の寄生容量を低減するため、シリコン酸化物に代えてしばし使用される。新たなｌｏｗ−ｋ材料は、酸化銅を除去し、接着力を向上するために使用されるプラズマ処理からダメージを受け易い。
【０００５】
金属相互接続配線の断面が小さくなるに従い、金属相互接続配線による電流密度が増加する。個々の金属相互接続配線の質量の減少は、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）からの複雑を生じさせる。高電流密度において、個々の電子の増加した運動エネルギーは、金属相互接続配線内の個々の金属原子へ多大な運動量を伝播する場合がある。時間とともに、電子移動の方向において質量移動が、高電流密度の結果起こる場合がある。低ＥＭ信頼度は、銅を主成分とする相互接続配線を含む任意の金属を主成分とする相互接続配線と、周囲の材料との間の高品質の接着によって緩和することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１６４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
相互接続配線とその上方のキャップ層との接着力を向上することが可能な半導体装置とその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上の誘電体層中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線を形成し、前記誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層を形成し、前記第１のキャップ層上に絶縁体である第２のキャップ層を形成し、前記自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】単一の炭化シリコンを主成分とするキャップ層を有する従来の半導体装置を示す断面図。
【図２】エレクトロマイグレーションによって生じた欠陥を有する従来の半導体装置を示す断面図。
【図３】本実施形態に適用される酸化された表面を有する半導体装置を示す断面図。
【図４】本実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図５】本実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図６】本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１１】
キャップ層は、銅やプラズマあるいはプラズマ堆積処理を使用しない銅合金により形成された相互接続配線を有する誘電体層の上方に形成される。銅を含む相互接続配線の表面は、自然に酸化する傾向があり、それはキャップ層と酸化した銅領域との接着力を著しく低下させる。低接着力のキャップ層は製造された半導体装置のエレクトロマイグレーション及び低信頼性を招くことがある。プラズマ・ガスを用いた酸化銅領域の除去は、誘電体層にダメージを与えることがある。
【００１２】
金属相互接続配線は、半導体基板の上方に設けられた誘電体層中に形成された少なくとも１つ以上のトレンチ及び／又はビア内に形成される。マンガンは少なくとも金属相互接続配線が形成された誘電体層の一部をカバーするため、及び少なくとも金属製相互接続配線の一部に第１のキャップ層を形成するために堆積される。マンガンは、従来のプラズマを主体とするプロセスや誘電体層とプラズマ・ガスとの接触なしで堆積される。堆積されたマンガンは第１のキャップ層を形成し、第１のキャップ層を形成するマンガンの少なくとも一部は、相互接続配線の表面上の酸化された銅領域が還元する間に、酸化マンガンを形成するために酸化する。炭化シリコンと窒素リッチの炭化シリコンから選択された１以上は、その後、第１のキャップ層の上方に第２のキャップ層を形成するために堆積される。
【００１３】
相互接続配線は、誘電体層中のトレンチ及び／又はビアのパターンへ銅又は他の金属材料をはめ込むことにより形成される。図１に示すように、複数の銅を主成分とする相互接続配線１０５が誘電体層（絶縁層）１１０内に形成される。簡単化のため、相互接続配線１０５は、個々のトレンチ１０５として示している。当業者であれば、ここに示す実施形態がより複雑なパターンのトレンチ及びビアに容易に適用可能であることを理解可能である。銅は周囲の誘電体層１１０中へ拡散する性質があるため、銅を主成分とする相互接続配線トレンチ及び／又はビアは、一般にバリアメタル層（図示せず）を有している。バリアメタル層を形成する材料は、タンタル、タンタル窒化物、チタン、窒化チタン、及びこれらの組み合わせのうちから１つ以上を含んでいる。バリアメタル層は、スパッタ堆積、ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）などの周知技術を使用して形成できる。相互接続配線１０５は、周知の電気メッキ及びダマシン技術によって形成される。相互接続配線１０５及び誘電体層は、トランジスタ、コンデンサ、及び／又は他のデバイス構造が形成される半導体基板１０１上に形成される。
【００１４】
一実施例において、相互接続配線１０５の幅は約２５ｎｍから約６０ｎｍである。他の実施例において、相互接続配線の幅は約３０ｎｍから約５５ｎｍである。また、他の実施例において、相互接続配線の幅は約３０ｎｍから約５０ｎｍある。
【００１５】
半導体装置の処理中、銅を主成分とする相互接続配線１０５の表面は、酸化され易く、銅酸化物の膜がその上に形成される。銅を主成分とする相互接続配線１０５を酸化から保護するため、キャップ層１３５が、銅を主成分とする相互接続配線１０５上に配置される。キャップ層は、酸化の原因となる水及び酸素の拡散の両方を防ぐバリアとして、また、キャップ層１３５の上方に形成される第２の誘電体層１４０中への銅の拡散を防止するバリアとして機能する。キャップ層は、相互接続配線の追加のレベルを形成するために使用することができる。
【００１６】
キャップ層１３５は、窒素リッチの炭化シリコン（ＳｉＣＮ）から形成されるが、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を使用することも可能である。ＳｉＣＮ、及びＳｉＮを主成分とするキャップ層は、少なくとも相互接続配線の表面の一部及びキャップ層上に酸化された銅がある銅相互接続配線に対して接着力が弱い。図２に示すように、キャップ層１３５と銅配線１０５との接着力が弱い場合、低ＥＭ信頼度の結果、ボイド２０５及び／又はヒロック２１０が生じる。図２において、矢印は、電子流の方向を示している。図２は、銅配線１０５に沿った半導体装置の断面を示しており、誘電体層１１０は示していない。接着力が弱い場合、キャップ層１３５と相互接続配線１０５との間の接着バリアが高電流密度により銅原子の運動量移動に十分対抗できないため、電子流の上流にヒロック２１０が形成されることがある。また、質量が電子流の上流に転送されることにより、ボイド２０５が下流に形成される場合がある。
【００１７】
銅配線１０５とキャップ層１３５との間の接着力は、銅配線１０５の表面（例えば上面）上の酸化銅を除去することにより改善できる。銅配線１０５の表面に存在する酸化物層は、大気中の酸素に相互接続配線１０５が露出されることによって形成された自然酸化物層である。自然酸化物層は故意に形成されない。換言すれば、自然酸化物層は、半導体装置の処理において、大気中の酸素へ銅配線１０５がやむを得ず露出された結果である。
【００１８】
典型的には、銅を主成分とする材料は、電気メッキあるいは他の適切な技術により誘電体層１１０内に形成されたトレンチ及び／又はビアに形成される。その後、電気メッキされた銅を主成分とする材料は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を用いて平坦化される。これにより新たな銅表面が露出される。しかし、銅配線１０５の表面は、水分、酸素、フッ素及びトレース・ガスに容易に反応し、酸化銅あるいは他の酸化した銅種（copper species）が銅配線１０５の表面に形成される。キャップ層１３５の堆積に先立って、銅酸化物及び他の酸化された銅種を除去するため、洗浄技術がしばしば使用される。
【００１９】
典型的な洗浄工程としてプラズマに基づいた処理が、キャップ層１３５の堆積に先立って酸化された銅種を除去するため、銅配線１０５の表面に適用される。一般的なプラズマ処理は、高周波数によるプラズマ点弧を有するアンモニア及び窒素ガスである。さらに、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、あるいは他の適切なキャップ層材料は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）を使用して堆積される。ここで、トリメチルシランのような前駆体ガス及びアンモニアは組み合わせられ、キャップ層１３５を形成するための炭化シリコンを堆積することが可能なプラズマを形成するために適切な高周波数が印加される。キャップ層１３５の材料は、絶縁体であり炭化シリコン、あるいは、窒素リッチの炭化シリコン以外の材料とすることが可能である。キャップ層１３５の材料は固有材料に限定されるものではない。
【００２０】
多くのｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマから損傷を受ける高い感受性を有している。相互接続配線を洗浄プラズマ、及び／又はＰＥＣＶＤに晒す処理において、プラズマは相互接続配線、及びｌｏｗ−ｋ材料により形成された縁誘電体層の両方に接触する。ｌｏｗ−ｋ材料は、シリコン酸化物の誘電率未満の誘電率を有する任意の誘電材料として定義される。ｌｏｗ−ｋ材料は、相互接続配線１０５の配置が減少するデバイス・サイズにより接近するに伴い、隣接した相互接続配線間のキャパシタンスを低減するために使用される。プラズマへｌｏｗ−ｋ材料を晒すことは、材料の誘電率を増加させる顕著な作用があり、それにより、キャパシタンスの低減においてｌｏｗ−ｋ材料の有効性が低減する。
【００２１】
さらに、ｌｏｗ−ｋ材料を有する誘電体層に配置された銅を主成分とする相互接続配線を使用して形成されたデバイスは、ＴＤＤＢ(Time Dependent Dielectric Breakdown)が弱い。銅を主成分とする相互接続配線は、誘電体層への銅の拡散を防ぐために、バリアメタル層かライナーによって誘電体層から分離されている。ＴＤＤＢは、時間経過にわたって拡散を防止するためバリアメタル層やライナーの信頼性を測定することである。誘電体層、バリアメタル層、及び／又は相互接続配線をプラズマへ晒すことは、デバイス中のＴＤＤＢの割合を増加させる。すなわち、酸化物の除去、及び／又は相互接続配線が形成された誘電体層にキャップ層を堆積することにおけるプラズマに基づくプロセスの使用は、誘電体層中への金属の拡散速度を増加させる。さらに、プラズマに基づくプロセスの使用は、リーク電流の発生の原因となる。そのため、酸化物を除去するためのプラズマに基づく洗浄プロセスの使用、及び／又はＰＥＣＶＤのようなプラズマに基づく堆積工程は、半導体装置の機能的な寿命を短縮させる。ＴＤＤＢの割合の増加は、望ましくない酸化物の除去や誘電体層上にキャップ層を配置する前に、誘電体層及び／又は相互接続配線をプラズマ・ガスへ晒すことなくキャップ層を配置するによって回避できる。
【００２２】
一実施例において、半導体装置の誘電体層を形成するｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマダメージにより増加されない誘電率を有している。別の実施例において、半導体装置の誘電体層を形成するｌｏｗ−ｋ材料は、そのｌｏｗ−ｋ材料本来の誘電率特性とほぼ等しい誘電率を有している。すなわち、ｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマダメージの影響を示さない。
【００２３】
以下、本実施形態について説明する。本実施形態は、いかなるプラズマも使用しない半導体装置の金属層間の１つ以上のキャップ層の配置を開示する。ここで定義されるように、プラズマは、プラズマが電磁界に応答するように、部分的にイオン化されたガスである。一例において、プラズマは少なくとも約０．１％以上イオン化されている。別の例において、プラズマはイオン化されたアンモニア・ガスで構成される。
【００２４】
当業者は、堆積材料、マスキング、フォトリソグラフィ、エッチング、及びインプラントを含む周知の半導体製造技術が、上記デバイスや構造を形成ために有用であることを認識している。半導体装置を形成するための材料の堆積は、ＬＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）及び類似のものにより行うことができる。
【００２５】
「の上」「の上方」、「の下方」及び「の上に」のような用語は、半導体基板の表面によって定義された平面に関して定義される。用語「の上で」「上記の」、「の上に」など、主題要素が別の要素が参照したより半導体基板の平面から遠ざかっていることを示す。用語「下方に」また、同類項は、他の要素が参照したより半導体基板の平面に主題要素が接近していることを示す。空間の参照として、用語「の上」「の上方」、「の下方」及び「の上に」などは、相対的な空間的関係を単に示し、どんな特別の要素も物理的接触であることを必ずしも示さない。この定義は本明細書全体に適用される。
【００２６】
図３は、誘電体層を有する半導体装置の実施形態を示している。誘電体層３０５は、半導体基板３０１上方に形成されている。図３に示す断面構造は、誘電体層３０５内の多数の個別の金属相互接続配線３１０を示している。相互接続配線３１０は、周知のダマシン、デュアルダマシン、及び／又は電気メッキ技術によって形成される。一実施例において、相互接続配線３１０は、重量において少なくとも約５０％の銅を含んでいる。
【００２７】
銅は、自然に酸化する傾向を有している。銅の酸化は、半導体の製造に行なわれる多くの熱処理によって促進される。相互接続配線３１０の表面３１５上の酸化した銅の形成は、意図的又は好ましい結果ではない。むしろ、酸化した銅の形成は、従来の半導体製造技術の不必要な副産物である。
【００２８】
銅は、＋１及び／又は＋２酸化状態に酸化することができる。ここで定義されるように、酸化した銅はＣｕ＋又はＣｕ＋２を含む任意のコンパウンドである。一実施例において、相互接続配線３１０の表面３１５の一部は、酸化銅（ＣｕＯ）の膜を有している。別の実施例において、相互接続配線３１０の表面３１５に存在することができる酸化した銅は、銅のハロゲン化物のような、ＣｕＯ以外の酸化した銅の形である。
【００２９】
上記のように、キャップ層１３５に対応するキャップ層３２５は、酸化によるさらなるダメージから相互接続配線３１０を保護する相互接続配線３１０を含む誘電体層３０５の上方に配置される。酸化は、空気や水分とのコンタクトによって促進され、上方に積層される任意の誘電体層から誘電体層３０５を分離する。上述したように、相互接続配線３１０の表面３１５上の酸化した銅の膜の存在は、弱いＥＭ信頼度を招くキャップ層と銅相互接続配線３１０との間の接着に悪影響を及す。
【００３０】
図４において、マンガン４０５の層は、気相化学堆積、及び／又は熱気相化学堆積のような周知の技術によって誘電体層３０５及び相互接続配線３１０の上方に堆積される。マンガンはマンガンの還元元素として堆積される。当業者であれば、ここに示す効果を達成するために気相化学堆積以外の堆積技術を使用可能であることは明らかである。堆積されたマンガン元素は、還元剤として働くことができ、そこにおいて、他の種を還元する間にマンガンは酸化される。そのため、堆積されたマンガン４０５の一部は、相互接続配線３１０の表面３１５にある酸化した銅フィルムを還元する。酸化した銅が相互接続配線３１０の表面３１５に存在する場合、堆積されたマンガン４０５の一部はＭｎＯｘに酸化される。ここで、Ｏは、相互接続配線３１０の表面３１５に現在する酸化膜に由来し、ｘは、約１から約３．５である。別の実施例において、ｘは約１〜約２である。すなわち、堆積されたマンガン４０５の一部を酸化させる間に、銅の元素を再生成するため、及び少なくとも酸化銅膜を除去するために、還元／酸化反応が、相互接続配線３１０の表面３１５上に堆積されたマンガン４０５と酸化した銅の膜との間で行われる。
【００３１】
少なくとも堆積されたマンガン４０５と相互接続配線３１０の界面の一部は、銅又は酸化マンガン（ＭｎＯｘ）を有する層を具備し、酸化した銅の膜がない銅合金の接触であることを特徴とする。堆積されたマンガン４０５は、誘電体層３０５上方のキャップ層を形成し、第１のキャップ層４０５はＭｎＯｘを含んでいる。ＭｎＯｘと銅又は銅合金の界面はＥＭ信頼度を向上させる強い接着力を有している。このため、第１のキャップ層４０５は誘電体層３０５いかなるプラズマの使用や、第１のキャップ層４０５を形成するマンガンの堆積の従来技術の誘電体層３０５とプラズマとの間のコンタクトも用いることなく誘電体層３０５の上方に形成される。そのため、誘電体層３０５は、いかなるプラズマダメージも受けず、誘電体層３０５を形成するｌｏｗ−ｋ材料も、プラズマダメージにより増加されないｌｏｗ−ｋ材料固有の誘電率を有している。
【００３２】
図４に示すように、第２のキャップ層４１０は、マンガン堆積の後に第１のキャップ層４０５の上方に形成される。一実施例において、第２のキャップ層は、一般的なＳｉＣ及び／又は周知技術により形成することが可能なＳｉＣＮ材料を含んでいる。第１、第２のキャップ層の両方は、相互接続配線３１０中の銅の酸化の防止、及び上層の誘電体層４３０への銅の拡散の防止の両方のバリア特性を有している。２つのキャップ層を用いることにより、優れた接着力が第１のキャップ層中のＭｎＯｘによって提供される一方、ＳｉＣ又はＳｉＣＮのような従来材料の優れたバリア特性の効果を利用することができる。自然酸化物層、及び／又は相互接続配線３１０の表面にある酸化した銅３１５との反応が、第２のキャップ層４１０が形成される前に生じることがある。あるいは、自然酸化物層、及び／又は相互接続配線３１０の表面にある酸化した銅３１５との反応が生じ、これが第２のキャップ層４１０の形成後にも生じ続けることがある。
【００３３】
一実施例において、第２のキャップ層の平均の厚さは、約１０ｎｍから約５０ｎｍである。別の実施例において、第２のキャップ層４１０の平均の厚さは、約１５ｎｍから約４０ｎｍである。一実施例において、第１のキャップ層４０５は、約１ｎｍから約１０ｎｍの平均の厚さを有している。別の実施例において、別の具体化では、第１のキャップ層４０５は、約１ｎｍから約５ｎｍの平均の厚さを有している。
【００３４】
図５は、別の実施形態を示している。図５に示すように、マンガンは、相互接続配線３１０及び誘電材料３０５の両方の上に第１のキャップ層４０５を形成するために堆積される。誘電材料３０５は、ｌｏｗ−ｋ材料かシリコン酸化物が可能である。上記のように、相互接続配線３１０の表面は、その上に形成された酸化銅フィルムを有している。相互接続配線３１０上方のＭｎの堆積に際して、堆積されたマンガンと、相互接続配線３１０の表面の酸化銅フィルムとの間で、ＭｎＯｘ５１０を有する第１のキャップ層４０５の領域を形成するための反応が生じる。酸化銅フィルムから由来するＭｎＯｘ５１０の領域を形成する酸素原子又はイオンは、相互接続配線３１０の表面上に存在する。
【００３５】
堆積されたマンガンは、さらに誘電体層３０５のｌｏｗ−ｋの材料に反応する。誘電体層３０５上に堆積されたマンガンは、ＭｎＳｉｙＯｚ（マンガン・シリコン酸化物）５１５を有する第１のキャップ層４０５の領域を形成する。ここで、ｙは約１から約３であり、ｚは約３から約５である。ＭｎＳｉｙＯｚは、堆積されたマンガンと誘電体層３０５のｌｏｗ−ｋ材料との反応により形成される。Ｓｉ原子又はイオン、及びＭｎＳｉｙＯｚを形成する酸素原子又はイオンは、誘電体層３０５の材料から由来する。Ｍｎ堆積の結果として、第１のキャップ層４０５の領域５１０は、ＭｎＯｘを含み、第１のキャップ層４０５の他の領域５１５は、ＭｎＳｉｙＯｚを含んでいる。すなわち、第１のキャップ層４０５の異なる領域は、相互接続配線３１０の上方に堆積されたか、相互接続配線３１０間の誘電体層３０５材料の上方に堆積されたかに依存して異なる酸化したマンガン種を含むことができる。ＭｎＳｉｙＯｚと、銅又は相互接続配線３１０の銅合金との界面は、ＭｎＯｘと銅又は銅合金との界面と同様に優れた接着特性を示す。
【００３６】
上記第１、第２のキャップ層を有する半導体構造は、様々な機能の半導体装置に組み込むことが可能である。当業者であれば、上述した第１、第２のキャップ層を使用する場合、多くの半導体装置が金属化された誘電体層上にキャップ層を適用することを認識できる。本実施形態は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）及びＮＯＲやＮＡＮＤフラッシュメモリを含む半導体記憶装置の製造に適用可能である。
【００３７】
図６は、上記実施形態に係るプラズマを使用せずに高接着度を有するキャップ層を形成するための方法を示している。ステップ６０２において、シリコン酸化物やｌｏｗ−ｋ誘電体を有する誘電体層が、半導体基板上に形成される。ステップ６０４において、１以上のビア及び／又はトレンチが誘電体層中に形成され、銅を有する材料が充填される。周知の金属バリア層及び／又は接着層が、銅材料を充填する前にビア及び／又はトレンチ内に形成される。ビア及び／又はトレンチを充填した後、意図せぬ酸化プロセスが銅の材料の表面に酸化銅フィルムを形成する場合がある。ステップ６０６において、マンガンの第１のキャップ層が、誘電体層、及びビア及び／又はトレンチを充填した銅の上方に堆積される。第１のキャップ層の少なくとも一部がＭｎＯｘを有するように、マンガンは、ビア及び／又はトレンチを充填した銅の表面に存在する酸化した銅と反応する。すなわち、第１のキャップ層と相互接続配線との界面の少なくとも一部はＭｎＯｘにより形成される。ステップ６０８において、炭化シリコン（ＳｉＣ）及び／又は窒素リッチの炭化シリコン（ＳｉＣＮ）を有する第２のキャップ層が、第１のキャップ層の上方に堆積される。ステップ６１０において、第２のキャップ層の上方に第２の誘電体層が任意に堆積される。
【００３８】
与えられた特性のための任意の図あるいは数値の範囲に関して、１つの範囲からの図あるいはパラメーターは、数値の範囲を生成するために別の図あるいは同じ特性のための異なる範囲からのパラメーターと結合してもよい。
【００３９】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
３０１…基板、３０５…誘電体層、３１０…金属の相互接続配線、４０５…第１のキャップ層、４１０…第２のキャップ層、５１５…ＭｎＳｉｙＯｚ（マンガン・シリコン酸化物）、５１０…ＭｎＯｘ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、エレクトロマイグレーションの信頼性を改善するため、銅を主成分とする相互接続の上方に形成されたマンガンを主成分とするキャップ層を有する半導体装置を形成するための半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化のため、金属相互接続配線に沿った信号伝送の効率は、半導体装置の性能の要因になりつつある。銅は高導電率であるため、アルミニウムに代わって使用されつつあり、相応して銅により信号伝送が効率化されている。銅を主成分とする相互接続配線は、誘電体層内の一連のトレンチ及び／又はビアにパターン化されて形成される。銅は、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）構造の誘電体層内に形成された凹所を充填するためのダマシン（又はインレイド（inlaid））技術を通して相互接続配線を形成するために典型的に配置される。多層の相互接続配線は、トレンチやビアが形成される誘電体材料の堆積に先立ってキャップ層を配置することにより、形成することができる。キャップ層は、上層の誘電体層のパターニングの間、エッチングストッパーとして機能する。このようにして、多層金属層を形成することができる。
【０００３】
銅は、良好な導電性を示すが、銅は半導体装置の製造を複雑にする様々な障害となる場合がある。銅は、周囲の誘電体材料へ拡散する能力を有している。誘電体層内に僅かに銅が拡散しても、誘電体層を汚染し、予測不能の挙動を導く。したがって、銅の拡散から誘電体層を守るため、トレンチ及び／又はビアにバリア材料が用いられる。同様に、銅を主成分とする相互接続配線上に配置されたキャップ層は、上層の誘電体層へ銅が拡散することを防止する役割を果たしている。さらに、銅は酸化に対して鋭敏であり、半導体構造の製造中で行われる多数の熱処理工程において、容易に酸化銅の膜を形成する。最終的な半導体構造において、銅を主成分とする相互接続配線は、時間経過に対して酸化を防ぐため、キャップ層の機能によって酸素や水分から十分に保護されなければならない。
【０００４】
半導体構造の中の銅を主成分とするコンポーネントの酸化は、いくつかの顕著な効果に結びつく場合がある。例えば酸化銅フィルムは、誘電体材料、銅拡散バリアとして使用される材料、及びキャップ層材料のような包囲材料に対して不十分な接着を示す。キャップ層に対する不十分な接着の問題を解決するため、プラズマ・ガス処理、及び／又はプラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）がよく使用される。これにより酸化銅フィルムが除去され、良好な粘着を備えたキャップ層が提供される。半導体構造の容積の縮小に伴い、ｌｏｗ−ｋ材料は、近接した相互接続配線間の寄生容量を低減するため、シリコン酸化物に代えてしばし使用される。新たなｌｏｗ−ｋ材料は、酸化銅を除去し、接着力を向上するために使用されるプラズマ処理からダメージを受け易い。
【０００５】
金属相互接続配線の断面が小さくなるに従い、金属相互接続配線による電流密度が増加する。個々の金属相互接続配線の質量の減少は、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）からの複雑を生じさせる。高電流密度において、個々の電子の増加した運動エネルギーは、金属相互接続配線内の個々の金属原子へ多大な運動量を伝播する場合がある。時間とともに、電子移動の方向において質量移動が、高電流密度の結果起こる場合がある。低ＥＭ信頼度は、銅を主成分とする相互接続配線を含む任意の金属を主成分とする相互接続配線と、周囲の材料との間の高品質の接着によって緩和することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１６４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
相互接続配線とその上方のキャップ層との接着力を向上することが可能な半導体装置とその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上の誘電体層中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線を形成し、前記誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層を形成し、前記第１のキャップ層上に絶縁体である第２のキャップ層を形成し、前記自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】単一の炭化シリコンを主成分とするキャップ層を有する従来の半導体装置を示す断面図。
【図２】エレクトロマイグレーションによって生じた欠陥を有する従来の半導体装置を示す断面図。
【図３】本実施形態に適用される酸化された表面を有する半導体装置を示す断面図。
【図４】本実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図５】本実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図６】本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１１】
キャップ層は、銅やプラズマあるいはプラズマ堆積処理を使用しない銅合金により形成された相互接続配線を有する誘電体層の上方に形成される。銅を含む相互接続配線の表面は、自然に酸化する傾向があり、それはキャップ層と酸化した銅領域との接着力を著しく低下させる。低接着力のキャップ層は製造された半導体装置のエレクトロマイグレーション及び低信頼性を招くことがある。プラズマ・ガスを用いた酸化銅領域の除去は、誘電体層にダメージを与えることがある。
【００１２】
金属相互接続配線は、半導体基板の上方に設けられた誘電体層中に形成された少なくとも１つ以上のトレンチ及び／又はビア内に形成される。マンガンは少なくとも金属相互接続配線が形成された誘電体層の一部をカバーするため、及び少なくとも金属製相互接続配線の一部に第１のキャップ層を形成するために堆積される。マンガンは、従来のプラズマを主体とするプロセスや誘電体層とプラズマ・ガスとの接触なしで堆積される。堆積されたマンガンは第１のキャップ層を形成し、第１のキャップ層を形成するマンガンの少なくとも一部は、相互接続配線の表面上の酸化された銅領域が還元する間に、酸化マンガンを形成するために酸化する。炭化シリコンと窒素リッチの炭化シリコンから選択された１以上は、その後、第１のキャップ層の上方に第２のキャップ層を形成するために堆積される。
【００１３】
相互接続配線は、誘電体層中のトレンチ及び／又はビアのパターンへ銅又は他の金属材料をはめ込むことにより形成される。図１に示すように、複数の銅を主成分とする相互接続配線１０５が誘電体層（絶縁層）１１０内に形成される。簡単化のため、相互接続配線１０５は、個々のトレンチ１０５として示している。当業者であれば、ここに示す実施形態がより複雑なパターンのトレンチ及びビアに容易に適用可能であることを理解可能である。銅は周囲の誘電体層１１０中へ拡散する性質があるため、銅を主成分とする相互接続配線トレンチ及び／又はビアは、一般にバリアメタル層（図示せず）を有している。バリアメタル層を形成する材料は、タンタル、タンタル窒化物、チタン、窒化チタン、及びこれらの組み合わせのうちから１つ以上を含んでいる。バリアメタル層は、スパッタ堆積、ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）などの周知技術を使用して形成できる。相互接続配線１０５は、周知の電気メッキ及びダマシン技術によって形成される。相互接続配線１０５及び誘電体層は、トランジスタ、コンデンサ、及び／又は他のデバイス構造が形成される半導体基板１０１上に形成される。
【００１４】
一実施例において、相互接続配線１０５の幅は約２５ｎｍから約６０ｎｍである。他の実施例において、相互接続配線の幅は約３０ｎｍから約５５ｎｍである。また、他の実施例において、相互接続配線の幅は約３０ｎｍから約５０ｎｍある。
【００１５】
半導体装置の処理中、銅を主成分とする相互接続配線１０５の表面は、酸化され易く、銅酸化物の膜がその上に形成される。銅を主成分とする相互接続配線１０５を酸化から保護するため、キャップ層１３５が、銅を主成分とする相互接続配線１０５上に配置される。キャップ層は、酸化の原因となる水及び酸素の拡散の両方を防ぐバリアとして、また、キャップ層１３５の上方に形成される第２の誘電体層１４０中への銅の拡散を防止するバリアとして機能する。キャップ層は、相互接続配線の追加のレベルを形成するために使用することができる。
【００１６】
キャップ層１３５は、窒素リッチの炭化シリコン（ＳｉＣＮ）から形成されるが、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を使用することも可能である。ＳｉＣＮ、及びＳｉＮを主成分とするキャップ層は、少なくとも相互接続配線の表面の一部及びキャップ層上に酸化された銅がある銅相互接続配線に対して接着力が弱い。図２に示すように、キャップ層１３５と銅配線１０５との接着力が弱い場合、低ＥＭ信頼度の結果、ボイド２０５及び／又はヒロック２１０が生じる。図２において、矢印は、電子流の方向を示している。図２は、銅配線１０５に沿った半導体装置の断面を示しており、誘電体層１１０は示していない。接着力が弱い場合、キャップ層１３５と相互接続配線１０５との間の接着バリアが高電流密度により銅原子の運動量移動に十分対抗できないため、電子流の上流にヒロック２１０が形成されることがある。また、質量が電子流の上流に転送されることにより、ボイド２０５が下流に形成される場合がある。
【００１７】
銅配線１０５とキャップ層１３５との間の接着力は、銅配線１０５の表面（例えば上面）上の酸化銅を除去することにより改善できる。銅配線１０５の表面に存在する酸化物層は、大気中の酸素に相互接続配線１０５が露出されることによって形成された自然酸化物層である。自然酸化物層は故意に形成されない。換言すれば、自然酸化物層は、半導体装置の処理において、大気中の酸素へ銅配線１０５がやむを得ず露出された結果である。
【００１８】
典型的には、銅を主成分とする材料は、電気メッキあるいは他の適切な技術により誘電体層１１０内に形成されたトレンチ及び／又はビアに形成される。その後、電気メッキされた銅を主成分とする材料は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を用いて平坦化される。これにより新たな銅表面が露出される。しかし、銅配線１０５の表面は、水分、酸素、フッ素及びトレース・ガスに容易に反応し、酸化銅あるいは他の酸化した銅種（copper species）が銅配線１０５の表面に形成される。キャップ層１３５の堆積に先立って、銅酸化物及び他の酸化された銅種を除去するため、洗浄技術がしばしば使用される。
【００１９】
典型的な洗浄工程としてプラズマに基づいた処理が、キャップ層１３５の堆積に先立って酸化された銅種を除去するため、銅配線１０５の表面に適用される。一般的なプラズマ処理は、高周波数によるプラズマ点弧を有するアンモニア及び窒素ガスである。さらに、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、あるいは他の適切なキャップ層材料は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）を使用して堆積される。ここで、トリメチルシランのような前駆体ガス及びアンモニアは組み合わせられ、キャップ層１３５を形成するための炭化シリコンを堆積することが可能なプラズマを形成するために適切な高周波数が印加される。キャップ層１３５の材料は、絶縁体であり炭化シリコン、あるいは、窒素リッチの炭化シリコン以外の材料とすることが可能である。キャップ層１３５の材料は固有材料に限定されるものではない。
【００２０】
多くのｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマから損傷を受ける高い感受性を有している。相互接続配線を洗浄プラズマ、及び／又はＰＥＣＶＤに晒す処理において、プラズマは相互接続配線、及びｌｏｗ−ｋ材料により形成された縁誘電体層の両方に接触する。ｌｏｗ−ｋ材料は、シリコン酸化物の誘電率未満の誘電率を有する任意の誘電材料として定義される。ｌｏｗ−ｋ材料は、相互接続配線１０５の配置が減少するデバイス・サイズにより接近するに伴い、隣接した相互接続配線間のキャパシタンスを低減するために使用される。プラズマへｌｏｗ−ｋ材料を晒すことは、材料の誘電率を増加させる顕著な作用があり、それにより、キャパシタンスの低減においてｌｏｗ−ｋ材料の有効性が低減する。
【００２１】
さらに、ｌｏｗ−ｋ材料を有する誘電体層に配置された銅を主成分とする相互接続配線を使用して形成されたデバイスは、ＴＤＤＢ(Time Dependent Dielectric Breakdown)が弱い。銅を主成分とする相互接続配線は、誘電体層への銅の拡散を防ぐために、バリアメタル層かライナーによって誘電体層から分離されている。ＴＤＤＢは、時間経過にわたって拡散を防止するためバリアメタル層やライナーの信頼性を測定することである。誘電体層、バリアメタル層、及び／又は相互接続配線をプラズマへ晒すことは、デバイス中のＴＤＤＢの割合を増加させる。すなわち、酸化物の除去、及び／又は相互接続配線が形成された誘電体層にキャップ層を堆積することにおけるプラズマに基づくプロセスの使用は、誘電体層中への金属の拡散速度を増加させる。さらに、プラズマに基づくプロセスの使用は、リーク電流の発生の原因となる。そのため、酸化物を除去するためのプラズマに基づく洗浄プロセスの使用、及び／又はＰＥＣＶＤのようなプラズマに基づく堆積工程は、半導体装置の機能的な寿命を短縮させる。ＴＤＤＢの割合の増加は、望ましくない酸化物の除去や誘電体層上にキャップ層を配置する前に、誘電体層及び／又は相互接続配線をプラズマ・ガスへ晒すことなくキャップ層を配置するによって回避できる。
【００２２】
一実施例において、半導体装置の誘電体層を形成するｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマダメージにより増加されない誘電率を有している。別の実施例において、半導体装置の誘電体層を形成するｌｏｗ−ｋ材料は、そのｌｏｗ−ｋ材料本来の誘電率特性とほぼ等しい誘電率を有している。すなわち、ｌｏｗ−ｋ材料は、プラズマダメージの影響を示さない。
【００２３】
以下、本実施形態について説明する。本実施形態は、いかなるプラズマも使用しない半導体装置の金属層間の１つ以上のキャップ層の配置を開示する。ここで定義されるように、プラズマは、プラズマが電磁界に応答するように、部分的にイオン化されたガスである。一例において、プラズマは少なくとも約０．１％以上イオン化されている。別の例において、プラズマはイオン化されたアンモニア・ガスで構成される。
【００２４】
当業者は、堆積材料、マスキング、フォトリソグラフィ、エッチング、及びインプラントを含む周知の半導体製造技術が、上記デバイスや構造を形成ために有用であることを認識している。半導体装置を形成するための材料の堆積は、ＬＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）及び類似のものにより行うことができる。
【００２５】
「の上」「の上方」、「の下方」及び「の上に」のような用語は、半導体基板の表面によって定義された平面に関して定義される。用語「の上で」「上記の」、「の上に」など、主題要素が別の要素が参照したより半導体基板の平面から遠ざかっていることを示す。用語「下方に」また、同類項は、他の要素が参照したより半導体基板の平面に主題要素が接近していることを示す。空間の参照として、用語「の上」「の上方」、「の下方」及び「の上に」などは、相対的な空間的関係を単に示し、どんな特別の要素も物理的接触であることを必ずしも示さない。この定義は本明細書全体に適用される。
【００２６】
図３は、誘電体層を有する半導体装置の実施形態を示している。誘電体層３０５は、半導体基板３０１上方に形成されている。図３に示す断面構造は、誘電体層３０５内の多数の個別の金属相互接続配線３１０を示している。相互接続配線３１０は、周知のダマシン、デュアルダマシン、及び／又は電気メッキ技術によって形成される。一実施例において、相互接続配線３１０は、重量において少なくとも約５０％の銅を含んでいる。
【００２７】
銅は、自然に酸化する傾向を有している。銅の酸化は、半導体の製造に行なわれる多くの熱処理によって促進される。相互接続配線３１０の表面３１５上の酸化した銅の形成は、意図的又は好ましい結果ではない。むしろ、酸化した銅の形成は、従来の半導体製造技術の不必要な副産物である。
【００２８】
銅は、＋１及び／又は＋２酸化状態に酸化することができる。ここで定義されるように、酸化した銅はＣｕ＋又はＣｕ＋２を含む任意のコンパウンドである。一実施例において、相互接続配線３１０の表面３１５の一部は、酸化銅（ＣｕＯ）の膜を有している。別の実施例において、相互接続配線３１０の表面３１５に存在することができる酸化した銅は、銅のハロゲン化物のような、ＣｕＯ以外の酸化した銅の形である。
【００２９】
上記のように、キャップ層１３５に対応するキャップ層３２５は、酸化によるさらなるダメージから相互接続配線３１０を保護する相互接続配線３１０を含む誘電体層３０５の上方に配置される。酸化は、空気や水分とのコンタクトによって促進され、上方に積層される任意の誘電体層から誘電体層３０５を分離する。上述したように、相互接続配線３１０の表面３１５上の酸化した銅の膜の存在は、弱いＥＭ信頼度を招くキャップ層と銅相互接続配線３１０との間の接着に悪影響を及す。
【００３０】
図４において、マンガン４０５の層は、気相化学堆積、及び／又は熱気相化学堆積のような周知の技術によって誘電体層３０５及び相互接続配線３１０の上方に堆積される。マンガンはマンガンの還元元素として堆積される。当業者であれば、ここに示す効果を達成するために気相化学堆積以外の堆積技術を使用可能であることは明らかである。堆積されたマンガン元素は、還元剤として働くことができ、そこにおいて、他の種を還元する間にマンガンは酸化される。そのため、堆積されたマンガン４０５の一部は、相互接続配線３１０の表面３１５にある酸化した銅フィルムを還元する。酸化した銅が相互接続配線３１０の表面３１５に存在する場合、堆積されたマンガン４０５の一部はＭｎＯｘに酸化される。ここで、Ｏは、相互接続配線３１０の表面３１５に現在する酸化膜に由来し、ｘは、約１から約３．５である。別の実施例において、ｘは約１〜約２である。すなわち、堆積されたマンガン４０５の一部を酸化させる間に、銅の元素を再生成するため、及び少なくとも酸化銅膜を除去するために、還元／酸化反応が、相互接続配線３１０の表面３１５上に堆積されたマンガン４０５と酸化した銅の膜との間で行われる。
【００３１】
少なくとも堆積されたマンガン４０５と相互接続配線３１０の界面の一部は、銅又は酸化マンガン（ＭｎＯｘ）を有する層を具備し、酸化した銅の膜がない銅合金の接触であることを特徴とする。堆積されたマンガン４０５は、誘電体層３０５上方のキャップ層を形成し、第１のキャップ層４０５はＭｎＯｘを含んでいる。ＭｎＯｘと銅又は銅合金の界面はＥＭ信頼度を向上させる強い接着力を有している。このため、第１のキャップ層４０５は誘電体層３０５いかなるプラズマの使用や、第１のキャップ層４０５を形成するマンガンの堆積の従来技術の誘電体層３０５とプラズマとの間のコンタクトも用いることなく誘電体層３０５の上方に形成される。そのため、誘電体層３０５は、いかなるプラズマダメージも受けず、誘電体層３０５を形成するｌｏｗ−ｋ材料も、プラズマダメージにより増加されないｌｏｗ−ｋ材料固有の誘電率を有している。
【００３２】
図４に示すように、第２のキャップ層４１０は、マンガン堆積の後に第１のキャップ層４０５の上方に形成される。一実施例において、第２のキャップ層は、一般的なＳｉＣ及び／又は周知技術により形成することが可能なＳｉＣＮ材料を含んでいる。第１、第２のキャップ層の両方は、相互接続配線３１０中の銅の酸化の防止、及び上層の誘電体層４３０への銅の拡散の防止の両方のバリア特性を有している。２つのキャップ層を用いることにより、優れた接着力が第１のキャップ層中のＭｎＯｘによって提供される一方、ＳｉＣ又はＳｉＣＮのような従来材料の優れたバリア特性の効果を利用することができる。自然酸化物層、及び／又は相互接続配線３１０の表面にある酸化した銅３１５との反応が、第２のキャップ層４１０が形成される前に生じることがある。あるいは、自然酸化物層、及び／又は相互接続配線３１０の表面にある酸化した銅３１５との反応が生じ、これが第２のキャップ層４１０の形成後にも生じ続けることがある。
【００３３】
一実施例において、第２のキャップ層の平均の厚さは、約１０ｎｍから約５０ｎｍである。別の実施例において、第２のキャップ層４１０の平均の厚さは、約１５ｎｍから約４０ｎｍである。一実施例において、第１のキャップ層４０５は、約１ｎｍから約１０ｎｍの平均の厚さを有している。別の実施例において、別の具体化では、第１のキャップ層４０５は、約１ｎｍから約５ｎｍの平均の厚さを有している。
【００３４】
図５は、別の実施形態を示している。図５に示すように、マンガンは、相互接続配線３１０及び誘電材料３０５の両方の上に第１のキャップ層４０５を形成するために堆積される。誘電材料３０５は、ｌｏｗ−ｋ材料かシリコン酸化物が可能である。上記のように、相互接続配線３１０の表面は、その上に形成された酸化銅フィルムを有している。相互接続配線３１０上方のＭｎの堆積に際して、堆積されたマンガンと、相互接続配線３１０の表面の酸化銅フィルムとの間で、ＭｎＯｘ５１０を有する第１のキャップ層４０５の領域を形成するための反応が生じる。酸化銅フィルムから由来するＭｎＯｘ５１０の領域を形成する酸素原子又はイオンは、相互接続配線３１０の表面上に存在する。
【００３５】
堆積されたマンガンは、さらに誘電体層３０５のｌｏｗ−ｋの材料に反応する。誘電体層３０５上に堆積されたマンガンは、ＭｎＳｉｙＯｚ（マンガン・シリコン酸化物）５１５を有する第１のキャップ層４０５の領域を形成する。ここで、ｙは約１から約３であり、ｚは約３から約５である。ＭｎＳｉｙＯｚは、堆積されたマンガンと誘電体層３０５のｌｏｗ−ｋ材料との反応により形成される。Ｓｉ原子又はイオン、及びＭｎＳｉｙＯｚを形成する酸素原子又はイオンは、誘電体層３０５の材料から由来する。Ｍｎ堆積の結果として、第１のキャップ層４０５の領域５１０は、ＭｎＯｘを含み、第１のキャップ層４０５の他の領域５１５は、ＭｎＳｉｙＯｚを含んでいる。すなわち、第１のキャップ層４０５の異なる領域は、相互接続配線３１０の上方に堆積されたか、相互接続配線３１０間の誘電体層３０５材料の上方に堆積されたかに依存して異なる酸化したマンガン種を含むことができる。ＭｎＳｉｙＯｚと、銅又は相互接続配線３１０の銅合金との界面は、ＭｎＯｘと銅又は銅合金との界面と同様に優れた接着特性を示す。
【００３６】
上記第１、第２のキャップ層を有する半導体構造は、様々な機能の半導体装置に組み込むことが可能である。当業者であれば、上述した第１、第２のキャップ層を使用する場合、多くの半導体装置が金属化された誘電体層上にキャップ層を適用することを認識できる。本実施形態は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）及びＮＯＲやＮＡＮＤフラッシュメモリを含む半導体記憶装置の製造に適用可能である。
【００３７】
図６は、上記実施形態に係るプラズマを使用せずに高接着度を有するキャップ層を形成するための方法を示している。ステップ６０２において、シリコン酸化物やｌｏｗ−ｋ誘電体を有する誘電体層が、半導体基板上に形成される。ステップ６０４において、１以上のビア及び／又はトレンチが誘電体層中に形成され、銅を有する材料が充填される。周知の金属バリア層及び／又は接着層が、銅材料を充填する前にビア及び／又はトレンチ内に形成される。ビア及び／又はトレンチを充填した後、意図せぬ酸化プロセスが銅の材料の表面に酸化銅フィルムを形成する場合がある。ステップ６０６において、マンガンの第１のキャップ層が、誘電体層、及びビア及び／又はトレンチを充填した銅の上方に堆積される。第１のキャップ層の少なくとも一部がＭｎＯｘを有するように、マンガンは、ビア及び／又はトレンチを充填した銅の表面に存在する酸化した銅と反応する。すなわち、第１のキャップ層と相互接続配線との界面の少なくとも一部はＭｎＯｘにより形成される。ステップ６０８において、炭化シリコン（ＳｉＣ）及び／又は窒素リッチの炭化シリコン（ＳｉＣＮ）を有する第２のキャップ層が、第１のキャップ層の上方に堆積される。ステップ６１０において、第２のキャップ層の上方に第２の誘電体層が任意に堆積される。
【００３８】
与えられた特性のための任意の図あるいは数値の範囲に関して、１つの範囲からの図あるいはパラメーターは、数値の範囲を生成するために別の図あるいは同じ特性のための異なる範囲からのパラメーターと結合してもよい。
【００３９】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
３０１…基板、３０５…誘電体層、３１０…金属の相互接続配線、４０５…第１のキャップ層、４１０…第２のキャップ層、５１５…ＭｎＳｉｙＯｚ（マンガン・シリコン酸化物）、５１０…ＭｎＯｘ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の誘電体層中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線を形成し、
前記誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層を形成し、
前記第１のキャップ層上に絶縁体である第２のキャップ層を形成し、
前記自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のキャップ層中のマンガンは、前記金属の相互接続配線の表面上の酸化膜中にある酸化された銅の量を低減するか除去するため、前記酸化膜中の酸化された銅と反応することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
金属の相互接続配線が中に形成された半導体基板の上方に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の少なくとも一部の上方に形成され、マンガンにより構成された第１のキャップ層と、
炭化シリコンとマンガンリッチの炭化シリコンから選択された１つ以上により構成された誘電体層の上方に形成された第２のキャップ層と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
内部に銅の相互接続配線を有する誘電体層を半導体基板の上方に設け、
内部に前記銅を含む相互接続配線を有する誘電体層の一部を覆い、前記銅を含む相互接続配線の少なくとも一部に第１のキャップ層を形成するためマンガンを堆積し、
第２のキャップ層を形成するため、炭化シリコンと窒素リッチの炭化シリコンから選択された１つ以上を前記堆積されたマンガンキャップ層の上方に堆積し、
銅を含む相互接続配線と酸化マンガンを含む第１のキャップ層との界面の一部は、銅を含む相互接続配線の上面上の自然酸化膜と前記第１のキャップ層中のマンガンとの反応により、酸化マンガンが形成されることを特徴とする相互接続配線とキャップ層の間の接着力を増加させる方法。
【請求項５】
前記第１のキャップ層中のマンガンは、前記金属の相互接続配線の表面上の酸化膜中にある酸化された銅の量を低減するか除去するため、前記酸化膜中の酸化された銅と反応することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項１】
半導体基板上の誘電体層中にその上面に自然酸化膜を含む金属の相互接続配線を形成し、
前記誘電体層及び前記金属の相互接続配線の少なくとも一部を覆いマンガン原子又はイオンを含む第１のキャップ層を形成し、
前記第１のキャップ層上に絶縁体である第２のキャップ層を形成し、
前記自然酸化膜及び第１のキャップ層は、第１のキャップ層と相互接続配線との間に酸化マンガンを形成するために反応する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のキャップ層中のマンガンは、前記金属の相互接続配線の表面上の酸化膜中にある酸化された銅の量を低減するか除去するため、前記酸化膜中の酸化された銅と反応することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
金属の相互接続配線が中に形成された半導体基板の上方に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の少なくとも一部の上方に形成され、マンガンにより構成された第１のキャップ層と、
炭化シリコンとマンガンリッチの炭化シリコンから選択された１つ以上により構成された誘電体層の上方に形成された第２のキャップ層と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
内部に銅の相互接続配線を有する誘電体層を半導体基板の上方に設け、
内部に前記銅を含む相互接続配線を有する誘電体層の一部を覆い、前記銅を含む相互接続配線の少なくとも一部に第１のキャップ層を形成するためマンガンを堆積し、
第２のキャップ層を形成するため、炭化シリコンと窒素リッチの炭化シリコンから選択された１つ以上を前記堆積されたマンガンキャップ層の上方に堆積し、
銅を含む相互接続配線と酸化マンガンを含む第１のキャップ層との界面の一部は、銅を含む相互接続配線の上面上の自然酸化膜と前記第１のキャップ層中のマンガンとの反応により、酸化マンガンが形成されることを特徴とする相互接続配線とキャップ層の間の接着力を増加させる方法。
【請求項５】
前記第１のキャップ層中のマンガンは、前記金属の相互接続配線の表面上の酸化膜中にある酸化された銅の量を低減するか除去するため、前記酸化膜中の酸化された銅と反応することを特徴とする請求項４記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４９７９４（Ｐ２０１１−２４９７９４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０８２８５（Ｐ２０１１−１０８２８５）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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