半導体装置の製造方法および半導体装置
【課題】配線信頼性を向上させるとともに配線の高抵抗化を防ぐ半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】基板11上に下層側に酸素含有絶縁層21aを有する層間絶縁膜21を形成する。次に、層間絶縁膜21の上層側に配線溝22を形成し、酸素含有絶縁層21aに接続孔23を形成する。次いで、接続孔23の側壁が露出するように配線溝22の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜21上に、第１のバリア膜24を形成する。次に、配線溝22と接続孔23の内壁を覆う状態で、ＣｕＭｎ合金膜25を形成する。続いて、配線溝22と接続孔23とを埋め込む状態で、ＣｕＭｎ合金膜25上に銅を含む導電層26を形成する。その後、熱処理を行い、ＣｕＭｎ合金膜25中のＭｎを拡散させて、酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応させることで、接続孔23の側壁に、金属含有酸化物からなる第２のバリア膜27を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法および半導体装置である。
【解決手段】基板11上に下層側に酸素含有絶縁層21aを有する層間絶縁膜21を形成する。次に、層間絶縁膜21の上層側に配線溝22を形成し、酸素含有絶縁層21aに接続孔23を形成する。次いで、接続孔23の側壁が露出するように配線溝22の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜21上に、第１のバリア膜24を形成する。次に、配線溝22と接続孔23の内壁を覆う状態で、ＣｕＭｎ合金膜25を形成する。続いて、配線溝22と接続孔23とを埋め込む状態で、ＣｕＭｎ合金膜25上に銅を含む導電層26を形成する。その後、熱処理を行い、ＣｕＭｎ合金膜25中のＭｎを拡散させて、酸素含有絶縁層21a中の酸素と反応させることで、接続孔23の側壁に、金属含有酸化物からなる第２のバリア膜27を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法および半導体装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、さらに詳しくは、銅（Ｃｕ）配線を備えた多層配線構造を形成するのに好適な半導体装置の製造方法およびこれにより得られる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン（Ｓｉ）の半導体集積回路において、高速化と高集積化のために銅（Ｃｕ）配線と低誘電率絶縁膜とを用いたＣｕ配線構造が開発されている。このＣｕ配線構造を形成するために、一般的にＣｕのドライエッチングが容易でないことから、シングルダマシン法、デュアルダマシン法などのいわゆる溝配線法が有望視されている。特に、デュアルダマシン法は、基板上に設けられた絶縁膜に、配線溝とこの配線溝の底部に連通する接続孔を形成した後、同一工程で、配線溝と接続孔とをＣｕ層で埋め込む。これにより、配線とヴィアの形成を同一工程で行うことから、製造工程が簡略化できるため、注目されている。
【０００３】
しかし、Ｃｕ配線構造を実現する場合、集積回路の製造工程で行われる各種熱処理中において、配線中のＣｕが周辺の絶縁層中に拡散し易い。特に、上述したデュアルダマシン法等の溝配線法により配線構造を製造する場合には、絶縁膜に配線溝または接続孔を形成した後、Ｃｕ層を埋め込むため、絶縁膜中へのＣｕの拡散がより顕著となる。
【０００４】
このため、Ｃｕ層の形成に先立って、Ｃｕ層に接触する配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で、タンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）などのＣｕの拡散を防止するバリア膜が形成されている。バリア膜は、通常、スパッタリング法により、配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で形成される。
【０００５】
上述したＣｕ配線構造の信頼性を確保するためには、現状のプロセス技術では厚さ５ｎｍ程度のバリア膜が必要であるが、今後の配線幅の縮小化に伴う配線抵抗の低減化を図るために、バリア膜の厚さを世代毎に薄膜化することが要求されている。
【０００６】
一方、上記バリア膜の形成工程を一切省略したバリアレスプロセスが提案されている。バリアレスプロセスとしては、酸素を含む絶縁膜に凹部を形成し、この凹部に埋め込まれたＣｕ層に例えばマンガン（Ｍｎ）からなる合金元素を添加する。次いで、熱処理によって絶縁膜との界面にこの合金元素を拡散させ、酸素を含む絶縁層と反応させて金属酸化物からなる安定性の高い自己拡散バリア層を形成するという方法である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集，２００４年，ｐ．７１１,２ｐ−Ｍ−１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したデュアルダマシン法によるＣｕ配線構造において、スパッタリング法による従来のバリア膜の形成方法では、バリア膜を配線溝や接続孔の内壁に均一且つ均質に堆積することが難しい。特に、配線溝の底部に連通する接続孔の側壁には、成膜成分が到達し難く、バリア膜が形成され難い。このため、接続孔内に形成されるヴィアから絶縁膜にＣｕが拡散してしまうだけでなく、絶縁膜とヴィアとの密着性が悪いため、エレクトロマイグレーション耐性が確保できない、という配線信頼性上の問題が顕在化している。特に、接続孔が形成される絶縁膜が酸素を含有している場合には、ヴィアと接触することで絶縁層中の酸素によりＣｕが酸化されてしまい、配線抵抗が高くなる。
【０００９】
本発明は、配線信頼性を向上させるとともに配線の高抵抗化を防止する半導体装置の製造方法および半導体装置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】
上述したような目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜に、基板に達する凹部を形成する。次に、第２工程では、酸素含有絶縁層を部分的に露出するように凹部の内壁を覆う状態で、絶縁膜上に、導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜を形成する。次いで、第３工程では、第１のバリア膜が設けられた凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属との合金膜を形成する。続いて、第４工程では、凹部を埋め込む状態で、合金膜上に銅を含む導電層を形成するとともに、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、第１のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、導電層からの銅の拡散を防止する金属酸化物からなる第２のバリア膜を形成する。
【００１１】
このような半導体装置の製造方法によれば、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を拡散させて、凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させることで、第１のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、金属酸化物からなる第２のバリア膜が形成される。これにより、第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第２のバリア膜が形成されるため、絶縁膜と導電層との間に第１のバリア膜または第２のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたＣｕを含む導電層からのＣｕの拡散が防止される。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、絶縁膜に設けられた基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、絶縁膜と導電層との間に部分的に設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜と、酸素含有絶縁層と導電層との間に第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
このような半導体装置によれば、酸素含有絶縁層と凹部に埋め込まれたＣｕを含む導電層との間に第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第２のバリア膜が設けられていることから、絶縁膜と導電層との間に第１のバリア膜または第２のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたＣｕを含む導電層からのＣｕの拡散が防止される。
【発明の効果】
【００１４】
以上、説明したように、本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、凹部内に埋め込まれた導電層からのＣｕの拡散が防止されることから、凹部が配線溝または接続孔である場合に、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーションを確保できるとともに配線信頼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】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。各実施形態においては、半導体装置の構成を製造工程順に説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態の一例を、図１〜図２の製造工程断面図によって説明する。ここでは、例えばデュアルダマシン法により、Ｃｕの多層配線構造を製造する例について説明する。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、トランジスタ等の半導体素子が形成された基板１１上には、酸化シリコンからなる下地絶縁膜１２を介して、例えばメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）からなる層間絶縁膜１３ａと例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる層間絶縁膜１３ｂとが順次積層されている。層間絶縁膜１３ａ、１３ｂには配線溝１４が設けられており、配線溝１４内にはバリア膜１５を介して銅からなる下層配線１６が設けられていることとする。また、この下層配線１６上を含む層間絶縁膜１３ｂ上を覆う状態で、例えばＳｉＯＣＮからなる保護絶縁膜１７が１０ｎｍ〜３５ｎｍの膜厚で設けられている。ここまでの構成が請求項の基板に相当する。
【００１８】
続いて、保護絶縁膜１７上に、層間絶縁膜２１を形成する。ここで、この層間絶縁膜２１の最下層側となる配線層間絶縁膜として、酸素を含む絶縁層（酸素含有絶縁層）２１ａを７０ｎｍ〜１２０ｎｍの膜厚で形成する。酸素含有絶縁層２１ａとしては、例えば、ＭＳＱ、ハイドロシルセスキオキサン（ＨＳＱ）およびこれらを多孔質化したポーラスＭＳＱ、ポーラスＨＳＱ等のＳｉＯ2よりも誘電率の低い無機材料膜が用いられることとする。後述するように、この酸素含有絶縁層２１ａには、接続孔が形成される。
【００１９】
次いで、酸素含有絶縁層２１ａ上に、配線間絶縁膜として、酸素を含まない絶縁層（酸素非含有絶縁層）２１ｂを６０ｎｍ〜１２０ｎｍの膜厚で形成する。酸素非含有絶縁層２１ｂとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン等の有機系ポリマーおよびこのポーラス膜等の有機材料膜、またはα−カーボン膜およびこのポーラス膜等の無機材料膜からなるＳｉＯ2よりも誘電率の低い低誘電率膜が用いられることとする。この酸素非含有絶縁層２１ｂには、後工程で配線溝が形成されることとする。
【００２０】
次に、酸素非含有絶縁層２１ｂ上に、例えばＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃを１００ｎｍ〜１４０ｎｍの膜厚で形成する。この保護絶縁層２１ｃは、後工程で、酸素含有絶縁層２１ａ、酸素非含有絶縁層２１ｂおよび保護絶縁層２１ｃが順次積層された層間絶縁膜２１に、配線溝と配線溝の底部に連通する接続孔を形成し、これらを導電層で埋め込んだ後、ＣＭＰ法により研磨する際にＣＭＰ耐性の低い酸素非含有絶縁層２１ｂの保護膜として形成されるものである。よって、この保護絶縁層２１ｃにも、配線溝が形成される。以上のようにして、ハイブリッド構造の層間絶縁膜２１を形成する。
【００２１】
次いで、多段階のドライエッチングを行うことにより、保護絶縁層２１ｃ、酸素非含有絶縁層２１ｂに配線溝２２を形成するとともに、酸素含有絶縁層２１ａおよび保護絶縁膜１７に配線溝２２の底部に連通し、下層配線１６に達する接続孔２３を形成する。
【００２２】
次いで、図１（ｂ）に示すように、例えば遠距離スパッタリング法等の物理的気相成長（Physical Vapor Deposition(ＰＶＤ)）法により、第１のバリア膜２４を形成する。この際、スパッタリング法により形成するため、配線溝２２の底部に連通する接続孔２３の側壁には、成膜成分が到達し難く、接続孔２３の側壁を露出するように配線溝２２の内壁を覆う状態で、保護絶縁層２１ｃ上に第１のバリア膜２４が形成される。この際、接続孔２３の底部にも第１のバリア膜２４は形成される。
【００２３】
ここで、後工程で形成される第２のバリア膜は、層間絶縁膜２１中の酸素と反応させて形成されるため、この第１のバリア膜２４は、酸素非含有絶縁層２１ｂが露出される配線溝２２の内壁を十分に覆う状態で、例えば５ｎｍ程度の膜厚で形成されることとする。この際、配線溝２２の側壁の下層側が十分に覆われるように第１のバリア膜２４を形成する。
【００２４】
なお、ここでは、通常の遠距離スパッタリング法により第１のバリア膜２４を形成するが、スパッタリング法により、基板１１の法線方向よりも傾斜させた状態の浅い角度から成膜成分を配線溝２２に入射して、配線溝２２の内壁のみに第１のバリア膜２４を形成することが好ましい。この場合には、接続孔２３の側壁を確実に露出させることができるとともに、接続孔２３の底部に第１のバリア膜２４はほとんど形成されない。
【００２５】
ここで、後述するように、配線溝２２内にはＣｕ配線が形成されることから、上記第１のバリア膜２４には、Ｃｕの拡散を防止するとともにＣｕとの密着性に優れた材料が用いられる。このような材料としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンシリサイド（ＴｉＳｉＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）などが適用できる。また、これらの膜を２種以上組み合わせた積層膜で第１のバリア膜２４を形成してもよい。
【００２６】
なお、ここでは、遠距離スパッタリング法により第１のバリア膜２４を形成することとしたが、イオン化スパッタリング法、遠距離イオン化スパッタリング法、高圧イオン化スパッタリング法等の他のＰＶＤ法により形成してもよい。
【００２７】
続いて、図１（ｃ）に示すように、上記第１のバリア膜２４が設けられた配線溝２２と接続孔２３との内壁を覆う状態で、Ｃｕとマンガン（Ｍｎ）との合金膜（ＣｕＭｎ合金膜）２５を形成する。ここで、Ｃｕとの合金膜を形成する金属材料としては、Ｃｕ中の拡散速度がＣｕより速く、その酸化物がＣｕの拡散防止効果を有するとともにＣｕとの密着性の高い金属材料を用いることとする。これにより、後工程で、配線溝２２および接続孔２３にＣｕ層を埋め込んだ後の熱処理により、Ｃｕが接続孔２３の側壁に露出された酸素含有絶縁層２１ａに拡散される前に、Ｍｎが拡散される。そして、Ｍｎが酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応することで、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜が形成される。
【００２８】
なお、ここでは、合金膜を構成するＣｕ以外の金属材料としてＭｎを用いることとするが、Ｃｕ中の拡散速度がＣｕより速く、その酸化物がＣｕの拡散防止効果を有するとともにＣｕとの密着性が高い金属材料であれば、これに限定されるものではない。このような金属材料としては、上記Ｍｎの他に、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、イットリウム（Ｙ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）等が挙げられる。
【００２９】
このＣｕＭｎ合金膜２５は、後述する電界メッキのシード層としても機能するため、膜厚は配線寸法に応じて埋め込み配線達成に適当な厚さ５ｎｍ〜８０ｎｍに調整する。ここでは、６０ｎｍの膜厚のＣｕＭｎ合金膜２５を形成することとする。この際、接続孔２３の側壁は覆われるように、ＣｕＭｎ合金膜２５を形成する。ただし、後工程で、熱処理によりＣｕＭｎ合金膜２５中のＭｎを拡散させて、酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させることで、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜を形成するため、接続孔２３の内壁を覆うＣｕＭｎ合金膜２５は均一な膜厚でなくてもよい。
【００３０】
ここでは、Ｃｕ中にＭｎを原子濃度０．５％〜２０％となるように添加したＣｕＭｎ合金ターゲットを用いて、スパッタリング法により成膜する。上記範囲の原子濃度でＭｎをＣｕＭｎ合金ターゲット中に含有させることで、Ｃｕ中にＭｎを固溶状態で存在させることができる。また、上記範囲内でＭｎが高濃度で含有される方が、微細化にともないシード層が薄くなった場合にも、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜を確実に形成できるため、好ましい。ここでは、例えば２ａｔｍ％Ｍｎターゲットを用いることとする。なお、ここではスパッタリング法によりＣｕＭｎ合金膜２５を形成することとしたが、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition（ＣＶＤ））法または原子層蒸着（Atomic Layer Deposition（ＡＬＤ）)法により形成してもよい。
【００３１】
次いで、図２（ｄ）に示すように、電解メッキ法により、配線溝２２および接続孔２３を埋め込む状態で、０．５μｍ〜１．２μｍのＣｕからなる導電層２６を堆積する。なお、ここでは、Ｃｕからなる導電層２６を形成することとするが、導電層２６はＣｕのＣｕ以外の金属との合金膜であってもよく、Ｃｕ以外の金属としては、Ｃｕ中に含有させても配線が高抵抗化しない材料を用いることとする。
【００３２】
次いで、図２（ｅ）に示すように、２００℃〜４００℃で５分〜３０分、例えば３００℃で５分の熱処理を行う。この際、この熱処理を酸素を含む不活性ガス雰囲気下で、行うことが好ましく、ここでは、酸素を体積比で１ｐｐｍ〜１０％含む窒素雰囲気下で熱処理を行うこととする。
【００３３】
これにより、ＣｕＭｎ合金膜２５（前記図２（ｄ）参照）からＭｎが拡散されて、接続孔２３の内壁に露出する酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応する。そして、第１のバリア膜２４から露出した接続孔２３の側壁に、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７が２ｎｍ〜４ｎｍの膜厚で形成される。ここでは、酸素含有絶縁層２１ａがＭＳＱで形成されており、ＭｎがＳｉとも反応するため、上記第２のバリア膜２７を構成するＭｎ含有酸化物の組成は、ＭｎxＳｉyＯz（ｘ：ｙ：ｚが１：１：３乃至１：３：５）で表される。
【００３４】
また、上記熱処理を酸素を含む雰囲気下で行うことで、第２のバリア膜２７の形成に必要なＭｎ以外の過剰なＭｎは、導電層２６の表面で雰囲気中の酸素と反応し、ＭｎＯ膜２７’が形成される。このＭｎＯ膜２７’は後工程で除去されるため、配線またはヴィア中にＭｎが残存することによる高抵抗化が防止される。
【００３５】
その後、図２（ｆ）に示すように、例えば化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing(ＣＭＰ)）法により、保護絶縁層２１ｃの中程まで、ＭｎＯ膜２７’（前記図２（ｅ）参照）、導電層２６（前記図２（ｅ）参照）、第１のバリア膜２４および保護絶縁層２１ｃを研磨して除去することで、配線溝２２および接続孔２３にＣｕからなる配線２８とヴィア２９とをそれぞれ形成する。以上説明した図１（ａ）〜図２（ｆ）までの工程を繰り返すことで、Ｃｕの多層配線構造を完成させる。
【００３６】
このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置によれば、熱処理を行い、ＣｕＭｎ合金膜中２５のＭｎを拡散させて、接続孔２３の側壁に露出した酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させる。これにより、第１のバリア膜２４から露出した接続孔２３の側壁を覆う状態で、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７が形成される。よって、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、配線２８およびヴィア２９からのＣｕの拡散が防止されるとともに、Ｃｕの酸化が防止される。したがって、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーション耐性を確保し、配線信頼性を向上させることができるとともに、配線の高抵抗化を防ぐことができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、ＭｎＯからなる第２のバリア膜２７とＣｕからなる配線２８およびヴィア２９との密着性が高いことから、これによってもエレクトロマイグレーション耐性を確保することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、図２（ｅ）を用いて説明したように、ＣｕＭｎ合金膜が設けられた配線溝２２および接続孔２３を導電層２６で埋め込んだ後、熱処理を行い、第２のバリア膜２７を形成する例について説明したが、ＣｕＭｎ合金膜を形成した後、配線溝２２および接続孔２３を導電層２６で埋め込む前に熱処理を行い、Ｍｎを接続孔２３の側壁に露出した酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させて、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７を形成してもよい。ただし、この場合には、熱処理によりシード層が凝集して、その後の埋め込み不良を起こさないように、熱処理の温度および時間を調整することが好ましい。
【００３９】
また、本実施形態では、層間絶縁膜２１が酸素非含有絶縁層２１ｂを含む例について説明したが、層間絶縁膜２１が酸素を含有する絶縁層のみで形成されていても本発明は適用可能である。
【００４０】
また、本実施形態では、下層配線１６上よりも上層の配線２８およびヴィア２９の形成方法を例にとって説明したが、同様の方法により、下層配線１６とその底部に連通するヴィア（図示省略）を形成することも可能である。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図３〜図４の製造工程断面図を用いて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の番号を付して説明し、第１のバリア膜２４を形成するまでの工程は同様に行なわれることとする。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、配線溝２２の内壁と接続孔２３の底部を覆う状態で、保護絶縁層２１ｃ上に第１のバリア膜２４を形成する。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）を用いた逆スパッタリング法、または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、接続孔２３の底部に設けられた第１のバリア膜を除去する。これにより、後工程で接続孔２３の内部に形成するヴィアと下層配線１６との間に第１のバリア膜２４が介在しないため、第１実施形態と比較して配線の低抵抗化を図ることができるため、好ましい。
【００４４】
この後の工程は、第１実施形態と同様の方法により行うこととする。すなわち、図３（ｃ）に示すように、上記第１のバリア膜２４が設けられた配線溝２２と接続孔２３との内壁を覆う状態で、Ｃｕとマンガン（Ｍｎ）との合金膜（ＣｕＭｎ合金膜）２５を形成する。次いで、図４（ｄ）に示すように、電解メッキ法により、配線溝２２および接続孔２３を埋め込む状態で、Ｃｕからなる導電層２６を堆積する。続いて、図４（ｅ）に示すように、熱処理を行うことで、酸素含有絶縁層２１ａが露出された接続孔２３の側壁を覆う状態で、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７を形成する。その後、図４（ｆ）に示すように、保護絶縁層２１ｃの途中までを研磨により除去することで、配線溝２２および接続孔２３に配線２８とヴィア２９とをそれぞれ形成する。Ｃｕの多層配線構造を完成させる。
【００４５】
このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、下層配線１６とヴィア２９との間に第１のバリア膜２４が介在しないため、配線を低抵抗化できる。
【００４７】
（変形例１）
第２実施形態の変形例１として、図５に示すように、酸素含有絶縁層２１ａと酸素非含有絶縁層２１ｂとの間に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）からなるエッチングストッパー膜３１を形成し、エッチングストッパー膜３１と酸素含有絶縁層２１ａと保護絶縁膜１７に下層配線１６に達する接続孔２３を形成した構成であってもよい。
【００４８】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、ＳｉＯ2よりも比誘電率の高いＳｉＮまたはＳｉＣからなるエッチングストッパー膜３１が設けられることにより、配線間容量は増大するものの、加工制御性よく、配線溝２２と接続孔２３とを形成することができる。
【００４９】
（変形例２）
第２実施形態の変形例２として、変形例１と同様に、酸素含有絶縁層２１ａと酸素非含有絶縁層２１ｂとの間に、ＳｉＮまたはＳｉＣからなるエッチングストッパー膜３１を形成し、配線２８が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層２１ｂのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層２１ｂにＣＭＰ耐性の高い材料が用いられることとする。
【００５０】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、変形例１の半導体装置と比較して、比誘電率が比較的高いＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃ（前記図５参照）が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。
【００５１】
（変形例３）
第２実施形態の変形例３として、配線２８が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層２１ｂのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層２１ｂにＣＭＰ耐性の高い材料が用いられることとする。
【００５２】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態の半導体装置と比較して、ＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃ（前記図２（ｆ）参照が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その１）である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その２）である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施形態を説明するための製造工程断面図（その１）である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施形態を説明するための製造工程断面図（その２）である。
【図５】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例１を説明するための断面図である。
【図６】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例２を説明するための断面図である。
【図７】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例３を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１…基板、２１…層間絶縁膜、２１ａ…酸素含有絶縁層、２１ｂ…酸素非含有絶縁層、２２…配線溝、２３…接続孔、２４…第１のバリア膜、２５…ＣｕＭｎ合金膜、２７…第２のバリア膜、２８…配線、２９…ヴィア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、さらに詳しくは、銅（Ｃｕ）配線を備えた多層配線構造を形成するのに好適な半導体装置の製造方法およびこれにより得られる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン（Ｓｉ）の半導体集積回路において、高速化と高集積化のために銅（Ｃｕ）配線と低誘電率絶縁膜とを用いたＣｕ配線構造が開発されている。このＣｕ配線構造を形成するために、一般的にＣｕのドライエッチングが容易でないことから、シングルダマシン法、デュアルダマシン法などのいわゆる溝配線法が有望視されている。特に、デュアルダマシン法は、基板上に設けられた絶縁膜に、配線溝とこの配線溝の底部に連通する接続孔を形成した後、同一工程で、配線溝と接続孔とをＣｕ層で埋め込む。これにより、配線とヴィアの形成を同一工程で行うことから、製造工程が簡略化できるため、注目されている。
【０００３】
しかし、Ｃｕ配線構造を実現する場合、集積回路の製造工程で行われる各種熱処理中において、配線中のＣｕが周辺の絶縁層中に拡散し易い。特に、上述したデュアルダマシン法等の溝配線法により配線構造を製造する場合には、絶縁膜に配線溝または接続孔を形成した後、Ｃｕ層を埋め込むため、絶縁膜中へのＣｕの拡散がより顕著となる。
【０００４】
このため、Ｃｕ層の形成に先立って、Ｃｕ層に接触する配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で、タンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）などのＣｕの拡散を防止するバリア膜が形成されている。バリア膜は、通常、スパッタリング法により、配線溝および接続孔の内壁を覆う状態で形成される。
【０００５】
上述したＣｕ配線構造の信頼性を確保するためには、現状のプロセス技術では厚さ５ｎｍ程度のバリア膜が必要であるが、今後の配線幅の縮小化に伴う配線抵抗の低減化を図るために、バリア膜の厚さを世代毎に薄膜化することが要求されている。
【０００６】
一方、上記バリア膜の形成工程を一切省略したバリアレスプロセスが提案されている。バリアレスプロセスとしては、酸素を含む絶縁膜に凹部を形成し、この凹部に埋め込まれたＣｕ層に例えばマンガン（Ｍｎ）からなる合金元素を添加する。次いで、熱処理によって絶縁膜との界面にこの合金元素を拡散させ、酸素を含む絶縁層と反応させて金属酸化物からなる安定性の高い自己拡散バリア層を形成するという方法である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集，２００４年，ｐ．７１１,２ｐ−Ｍ−１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したデュアルダマシン法によるＣｕ配線構造において、スパッタリング法による従来のバリア膜の形成方法では、バリア膜を配線溝や接続孔の内壁に均一且つ均質に堆積することが難しい。特に、配線溝の底部に連通する接続孔の側壁には、成膜成分が到達し難く、バリア膜が形成され難い。このため、接続孔内に形成されるヴィアから絶縁膜にＣｕが拡散してしまうだけでなく、絶縁膜とヴィアとの密着性が悪いため、エレクトロマイグレーション耐性が確保できない、という配線信頼性上の問題が顕在化している。特に、接続孔が形成される絶縁膜が酸素を含有している場合には、ヴィアと接触することで絶縁層中の酸素によりＣｕが酸化されてしまい、配線抵抗が高くなる。
【０００９】
本発明は、配線信頼性を向上させるとともに配線の高抵抗化を防止する半導体装置の製造方法および半導体装置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】
上述したような目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜に、基板に達する凹部を形成する。次に、第２工程では、酸素含有絶縁層を部分的に露出するように凹部の内壁を覆う状態で、絶縁膜上に、導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜を形成する。次いで、第３工程では、第１のバリア膜が設けられた凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属との合金膜を形成する。続いて、第４工程では、凹部を埋め込む状態で、合金膜上に銅を含む導電層を形成するとともに、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、第１のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、導電層からの銅の拡散を防止する金属酸化物からなる第２のバリア膜を形成する。
【００１１】
このような半導体装置の製造方法によれば、熱処理を行い、合金膜中の銅以外の金属を拡散させて、凹部の内壁に露出した酸素含有絶縁層中の酸素と反応させることで、第１のバリア膜から露出した凹部の内壁を覆う状態で、金属酸化物からなる第２のバリア膜が形成される。これにより、第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第２のバリア膜が形成されるため、絶縁膜と導電層との間に第１のバリア膜または第２のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたＣｕを含む導電層からのＣｕの拡散が防止される。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、絶縁膜に設けられた基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、絶縁膜と導電層との間に部分的に設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜と、酸素含有絶縁層と導電層との間に第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
このような半導体装置によれば、酸素含有絶縁層と凹部に埋め込まれたＣｕを含む導電層との間に第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で第２のバリア膜が設けられていることから、絶縁膜と導電層との間に第１のバリア膜または第２のバリア膜が確実に介在する。よって、凹部内に埋め込まれたＣｕを含む導電層からのＣｕの拡散が防止される。
【発明の効果】
【００１４】
以上、説明したように、本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、凹部内に埋め込まれた導電層からのＣｕの拡散が防止されることから、凹部が配線溝または接続孔である場合に、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーションを確保できるとともに配線信頼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】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。各実施形態においては、半導体装置の構成を製造工程順に説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態の一例を、図１〜図２の製造工程断面図によって説明する。ここでは、例えばデュアルダマシン法により、Ｃｕの多層配線構造を製造する例について説明する。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、トランジスタ等の半導体素子が形成された基板１１上には、酸化シリコンからなる下地絶縁膜１２を介して、例えばメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）からなる層間絶縁膜１３ａと例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる層間絶縁膜１３ｂとが順次積層されている。層間絶縁膜１３ａ、１３ｂには配線溝１４が設けられており、配線溝１４内にはバリア膜１５を介して銅からなる下層配線１６が設けられていることとする。また、この下層配線１６上を含む層間絶縁膜１３ｂ上を覆う状態で、例えばＳｉＯＣＮからなる保護絶縁膜１７が１０ｎｍ〜３５ｎｍの膜厚で設けられている。ここまでの構成が請求項の基板に相当する。
【００１８】
続いて、保護絶縁膜１７上に、層間絶縁膜２１を形成する。ここで、この層間絶縁膜２１の最下層側となる配線層間絶縁膜として、酸素を含む絶縁層（酸素含有絶縁層）２１ａを７０ｎｍ〜１２０ｎｍの膜厚で形成する。酸素含有絶縁層２１ａとしては、例えば、ＭＳＱ、ハイドロシルセスキオキサン（ＨＳＱ）およびこれらを多孔質化したポーラスＭＳＱ、ポーラスＨＳＱ等のＳｉＯ2よりも誘電率の低い無機材料膜が用いられることとする。後述するように、この酸素含有絶縁層２１ａには、接続孔が形成される。
【００１９】
次いで、酸素含有絶縁層２１ａ上に、配線間絶縁膜として、酸素を含まない絶縁層（酸素非含有絶縁層）２１ｂを６０ｎｍ〜１２０ｎｍの膜厚で形成する。酸素非含有絶縁層２１ｂとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン等の有機系ポリマーおよびこのポーラス膜等の有機材料膜、またはα−カーボン膜およびこのポーラス膜等の無機材料膜からなるＳｉＯ2よりも誘電率の低い低誘電率膜が用いられることとする。この酸素非含有絶縁層２１ｂには、後工程で配線溝が形成されることとする。
【００２０】
次に、酸素非含有絶縁層２１ｂ上に、例えばＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃを１００ｎｍ〜１４０ｎｍの膜厚で形成する。この保護絶縁層２１ｃは、後工程で、酸素含有絶縁層２１ａ、酸素非含有絶縁層２１ｂおよび保護絶縁層２１ｃが順次積層された層間絶縁膜２１に、配線溝と配線溝の底部に連通する接続孔を形成し、これらを導電層で埋め込んだ後、ＣＭＰ法により研磨する際にＣＭＰ耐性の低い酸素非含有絶縁層２１ｂの保護膜として形成されるものである。よって、この保護絶縁層２１ｃにも、配線溝が形成される。以上のようにして、ハイブリッド構造の層間絶縁膜２１を形成する。
【００２１】
次いで、多段階のドライエッチングを行うことにより、保護絶縁層２１ｃ、酸素非含有絶縁層２１ｂに配線溝２２を形成するとともに、酸素含有絶縁層２１ａおよび保護絶縁膜１７に配線溝２２の底部に連通し、下層配線１６に達する接続孔２３を形成する。
【００２２】
次いで、図１（ｂ）に示すように、例えば遠距離スパッタリング法等の物理的気相成長（Physical Vapor Deposition(ＰＶＤ)）法により、第１のバリア膜２４を形成する。この際、スパッタリング法により形成するため、配線溝２２の底部に連通する接続孔２３の側壁には、成膜成分が到達し難く、接続孔２３の側壁を露出するように配線溝２２の内壁を覆う状態で、保護絶縁層２１ｃ上に第１のバリア膜２４が形成される。この際、接続孔２３の底部にも第１のバリア膜２４は形成される。
【００２３】
ここで、後工程で形成される第２のバリア膜は、層間絶縁膜２１中の酸素と反応させて形成されるため、この第１のバリア膜２４は、酸素非含有絶縁層２１ｂが露出される配線溝２２の内壁を十分に覆う状態で、例えば５ｎｍ程度の膜厚で形成されることとする。この際、配線溝２２の側壁の下層側が十分に覆われるように第１のバリア膜２４を形成する。
【００２４】
なお、ここでは、通常の遠距離スパッタリング法により第１のバリア膜２４を形成するが、スパッタリング法により、基板１１の法線方向よりも傾斜させた状態の浅い角度から成膜成分を配線溝２２に入射して、配線溝２２の内壁のみに第１のバリア膜２４を形成することが好ましい。この場合には、接続孔２３の側壁を確実に露出させることができるとともに、接続孔２３の底部に第１のバリア膜２４はほとんど形成されない。
【００２５】
ここで、後述するように、配線溝２２内にはＣｕ配線が形成されることから、上記第１のバリア膜２４には、Ｃｕの拡散を防止するとともにＣｕとの密着性に優れた材料が用いられる。このような材料としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンシリサイド（ＴｉＳｉＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）などが適用できる。また、これらの膜を２種以上組み合わせた積層膜で第１のバリア膜２４を形成してもよい。
【００２６】
なお、ここでは、遠距離スパッタリング法により第１のバリア膜２４を形成することとしたが、イオン化スパッタリング法、遠距離イオン化スパッタリング法、高圧イオン化スパッタリング法等の他のＰＶＤ法により形成してもよい。
【００２７】
続いて、図１（ｃ）に示すように、上記第１のバリア膜２４が設けられた配線溝２２と接続孔２３との内壁を覆う状態で、Ｃｕとマンガン（Ｍｎ）との合金膜（ＣｕＭｎ合金膜）２５を形成する。ここで、Ｃｕとの合金膜を形成する金属材料としては、Ｃｕ中の拡散速度がＣｕより速く、その酸化物がＣｕの拡散防止効果を有するとともにＣｕとの密着性の高い金属材料を用いることとする。これにより、後工程で、配線溝２２および接続孔２３にＣｕ層を埋め込んだ後の熱処理により、Ｃｕが接続孔２３の側壁に露出された酸素含有絶縁層２１ａに拡散される前に、Ｍｎが拡散される。そして、Ｍｎが酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応することで、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜が形成される。
【００２８】
なお、ここでは、合金膜を構成するＣｕ以外の金属材料としてＭｎを用いることとするが、Ｃｕ中の拡散速度がＣｕより速く、その酸化物がＣｕの拡散防止効果を有するとともにＣｕとの密着性が高い金属材料であれば、これに限定されるものではない。このような金属材料としては、上記Ｍｎの他に、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、イットリウム（Ｙ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）等が挙げられる。
【００２９】
このＣｕＭｎ合金膜２５は、後述する電界メッキのシード層としても機能するため、膜厚は配線寸法に応じて埋め込み配線達成に適当な厚さ５ｎｍ〜８０ｎｍに調整する。ここでは、６０ｎｍの膜厚のＣｕＭｎ合金膜２５を形成することとする。この際、接続孔２３の側壁は覆われるように、ＣｕＭｎ合金膜２５を形成する。ただし、後工程で、熱処理によりＣｕＭｎ合金膜２５中のＭｎを拡散させて、酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させることで、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜を形成するため、接続孔２３の内壁を覆うＣｕＭｎ合金膜２５は均一な膜厚でなくてもよい。
【００３０】
ここでは、Ｃｕ中にＭｎを原子濃度０．５％〜２０％となるように添加したＣｕＭｎ合金ターゲットを用いて、スパッタリング法により成膜する。上記範囲の原子濃度でＭｎをＣｕＭｎ合金ターゲット中に含有させることで、Ｃｕ中にＭｎを固溶状態で存在させることができる。また、上記範囲内でＭｎが高濃度で含有される方が、微細化にともないシード層が薄くなった場合にも、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜を確実に形成できるため、好ましい。ここでは、例えば２ａｔｍ％Ｍｎターゲットを用いることとする。なお、ここではスパッタリング法によりＣｕＭｎ合金膜２５を形成することとしたが、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition（ＣＶＤ））法または原子層蒸着（Atomic Layer Deposition（ＡＬＤ）)法により形成してもよい。
【００３１】
次いで、図２（ｄ）に示すように、電解メッキ法により、配線溝２２および接続孔２３を埋め込む状態で、０．５μｍ〜１．２μｍのＣｕからなる導電層２６を堆積する。なお、ここでは、Ｃｕからなる導電層２６を形成することとするが、導電層２６はＣｕのＣｕ以外の金属との合金膜であってもよく、Ｃｕ以外の金属としては、Ｃｕ中に含有させても配線が高抵抗化しない材料を用いることとする。
【００３２】
次いで、図２（ｅ）に示すように、２００℃〜４００℃で５分〜３０分、例えば３００℃で５分の熱処理を行う。この際、この熱処理を酸素を含む不活性ガス雰囲気下で、行うことが好ましく、ここでは、酸素を体積比で１ｐｐｍ〜１０％含む窒素雰囲気下で熱処理を行うこととする。
【００３３】
これにより、ＣｕＭｎ合金膜２５（前記図２（ｄ）参照）からＭｎが拡散されて、接続孔２３の内壁に露出する酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応する。そして、第１のバリア膜２４から露出した接続孔２３の側壁に、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７が２ｎｍ〜４ｎｍの膜厚で形成される。ここでは、酸素含有絶縁層２１ａがＭＳＱで形成されており、ＭｎがＳｉとも反応するため、上記第２のバリア膜２７を構成するＭｎ含有酸化物の組成は、ＭｎxＳｉyＯz（ｘ：ｙ：ｚが１：１：３乃至１：３：５）で表される。
【００３４】
また、上記熱処理を酸素を含む雰囲気下で行うことで、第２のバリア膜２７の形成に必要なＭｎ以外の過剰なＭｎは、導電層２６の表面で雰囲気中の酸素と反応し、ＭｎＯ膜２７’が形成される。このＭｎＯ膜２７’は後工程で除去されるため、配線またはヴィア中にＭｎが残存することによる高抵抗化が防止される。
【００３５】
その後、図２（ｆ）に示すように、例えば化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing(ＣＭＰ)）法により、保護絶縁層２１ｃの中程まで、ＭｎＯ膜２７’（前記図２（ｅ）参照）、導電層２６（前記図２（ｅ）参照）、第１のバリア膜２４および保護絶縁層２１ｃを研磨して除去することで、配線溝２２および接続孔２３にＣｕからなる配線２８とヴィア２９とをそれぞれ形成する。以上説明した図１（ａ）〜図２（ｆ）までの工程を繰り返すことで、Ｃｕの多層配線構造を完成させる。
【００３６】
このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置によれば、熱処理を行い、ＣｕＭｎ合金膜中２５のＭｎを拡散させて、接続孔２３の側壁に露出した酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させる。これにより、第１のバリア膜２４から露出した接続孔２３の側壁を覆う状態で、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７が形成される。よって、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、配線２８およびヴィア２９からのＣｕの拡散が防止されるとともに、Ｃｕの酸化が防止される。したがって、この方法により形成された半導体装置のエレクトロマイグレーション耐性を確保し、配線信頼性を向上させることができるとともに、配線の高抵抗化を防ぐことができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、ＭｎＯからなる第２のバリア膜２７とＣｕからなる配線２８およびヴィア２９との密着性が高いことから、これによってもエレクトロマイグレーション耐性を確保することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、図２（ｅ）を用いて説明したように、ＣｕＭｎ合金膜が設けられた配線溝２２および接続孔２３を導電層２６で埋め込んだ後、熱処理を行い、第２のバリア膜２７を形成する例について説明したが、ＣｕＭｎ合金膜を形成した後、配線溝２２および接続孔２３を導電層２６で埋め込む前に熱処理を行い、Ｍｎを接続孔２３の側壁に露出した酸素含有絶縁層２１ａ中の酸素と反応させて、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７を形成してもよい。ただし、この場合には、熱処理によりシード層が凝集して、その後の埋め込み不良を起こさないように、熱処理の温度および時間を調整することが好ましい。
【００３９】
また、本実施形態では、層間絶縁膜２１が酸素非含有絶縁層２１ｂを含む例について説明したが、層間絶縁膜２１が酸素を含有する絶縁層のみで形成されていても本発明は適用可能である。
【００４０】
また、本実施形態では、下層配線１６上よりも上層の配線２８およびヴィア２９の形成方法を例にとって説明したが、同様の方法により、下層配線１６とその底部に連通するヴィア（図示省略）を形成することも可能である。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図３〜図４の製造工程断面図を用いて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の番号を付して説明し、第１のバリア膜２４を形成するまでの工程は同様に行なわれることとする。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、配線溝２２の内壁と接続孔２３の底部を覆う状態で、保護絶縁層２１ｃ上に第１のバリア膜２４を形成する。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）を用いた逆スパッタリング法、または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、接続孔２３の底部に設けられた第１のバリア膜を除去する。これにより、後工程で接続孔２３の内部に形成するヴィアと下層配線１６との間に第１のバリア膜２４が介在しないため、第１実施形態と比較して配線の低抵抗化を図ることができるため、好ましい。
【００４４】
この後の工程は、第１実施形態と同様の方法により行うこととする。すなわち、図３（ｃ）に示すように、上記第１のバリア膜２４が設けられた配線溝２２と接続孔２３との内壁を覆う状態で、Ｃｕとマンガン（Ｍｎ）との合金膜（ＣｕＭｎ合金膜）２５を形成する。次いで、図４（ｄ）に示すように、電解メッキ法により、配線溝２２および接続孔２３を埋め込む状態で、Ｃｕからなる導電層２６を堆積する。続いて、図４（ｅ）に示すように、熱処理を行うことで、酸素含有絶縁層２１ａが露出された接続孔２３の側壁を覆う状態で、Ｍｎ含有酸化物からなる第２のバリア膜２７を形成する。その後、図４（ｆ）に示すように、保護絶縁層２１ｃの途中までを研磨により除去することで、配線溝２２および接続孔２３に配線２８とヴィア２９とをそれぞれ形成する。Ｃｕの多層配線構造を完成させる。
【００４５】
このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られた半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、下層配線１６とヴィア２９との間に第１のバリア膜２４が介在しないため、配線を低抵抗化できる。
【００４７】
（変形例１）
第２実施形態の変形例１として、図５に示すように、酸素含有絶縁層２１ａと酸素非含有絶縁層２１ｂとの間に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）からなるエッチングストッパー膜３１を形成し、エッチングストッパー膜３１と酸素含有絶縁層２１ａと保護絶縁膜１７に下層配線１６に達する接続孔２３を形成した構成であってもよい。
【００４８】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、ＳｉＯ2よりも比誘電率の高いＳｉＮまたはＳｉＣからなるエッチングストッパー膜３１が設けられることにより、配線間容量は増大するものの、加工制御性よく、配線溝２２と接続孔２３とを形成することができる。
【００４９】
（変形例２）
第２実施形態の変形例２として、変形例１と同様に、酸素含有絶縁層２１ａと酸素非含有絶縁層２１ｂとの間に、ＳｉＮまたはＳｉＣからなるエッチングストッパー膜３１を形成し、配線２８が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層２１ｂのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層２１ｂにＣＭＰ耐性の高い材料が用いられることとする。
【００５０】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、変形例１の半導体装置と比較して、比誘電率が比較的高いＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃ（前記図５参照）が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。
【００５１】
（変形例３）
第２実施形態の変形例３として、配線２８が形成される配線間絶縁膜を酸素非含有絶縁層２１ｂのみで形成する構成であってもよい。この場合には、酸素非含有絶縁層２１ｂにＣＭＰ耐性の高い材料が用いられることとする。
【００５２】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、層間絶縁膜２１と配線２８およびヴィア２９の間に第１のバリア膜２４または第２のバリア膜２７が確実に介在するため、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態の半導体装置と比較して、ＳｉＯ2からなる保護絶縁層２１ｃ（前記図２（ｆ）参照が設けられていないことから、配線間容量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その１）である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その２）である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施形態を説明するための製造工程断面図（その１）である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施形態を説明するための製造工程断面図（その２）である。
【図５】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例１を説明するための断面図である。
【図６】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例２を説明するための断面図である。
【図７】本発明の半導体装置に係る第２実施形態の変形例３を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１…基板、２１…層間絶縁膜、２１ａ…酸素含有絶縁層、２１ｂ…酸素非含有絶縁層、２２…配線溝、２３…接続孔、２４…第１のバリア膜、２５…ＣｕＭｎ合金膜、２７…第２のバリア膜、２８…配線、２９…ヴィア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、
前記基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する前記絶縁膜に、前記基板に達する前記凹部を形成する第１工程と、
前記酸素含有絶縁層を部分的に露出するように、前記凹部の内壁を覆う状態で、前記絶縁膜上に、前記導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜を形成する第２工程と、
前記第１のバリア膜が設けられた前記凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金膜を形成する第３工程と、
前記凹部を埋め込む状態で、前記合金膜上に銅を含む前記導電層を形成するとともに、熱処理を行い、前記合金膜中の銅以外の金属を前記凹部の内壁に露出した前記酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、前記第１のバリア膜から露出した前記凹部の内壁に、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜を形成する第４工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属はマンガンである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第４工程では、前記導電層を形成した後、前記第２のバリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程の前に、基板上に少なくとも下層側が前記酸素含有絶縁層からなる前記絶縁膜を形成する工程を行い、
前記第１工程では、前記絶縁膜の上層側に配線溝を形成するとともに、前記下層側の前記酸素含有絶縁層に前記配線溝の底部に連通する接続孔を形成することで、前記配線溝と前記接続孔とからなる前記凹部を形成し、
前記第２工程では、前記接続孔の側壁を露出するように、前記配線溝の内壁を覆う状態で、前記第１のバリア膜を形成し、
前記第４工程では、前記第１のバリア膜から露出した前記接続孔の側壁に、第２のバリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程と前記第３工程との間に、
前記接続孔の底部に形成された前記第１のバリア膜を除去する工程を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜の上層側は、酸素非含有絶縁層を有している
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸素含有絶縁層は無機系材料で構成されており、
前記酸素非含有絶縁層は有機系材料で構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた前記基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、
前記絶縁膜と前記導電層との間に部分的に設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜と
前記酸素含有絶縁層と前記導電層との間に前記第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜とを備えた
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
基板上の絶縁膜に設けられた凹部に銅を含む導電層を埋め込む半導体装置の製造方法において、
前記基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する前記絶縁膜に、前記基板に達する前記凹部を形成する第１工程と、
前記酸素含有絶縁層を部分的に露出するように、前記凹部の内壁を覆う状態で、前記絶縁膜上に、前記導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜を形成する第２工程と、
前記第１のバリア膜が設けられた前記凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金膜を形成する第３工程と、
前記凹部を埋め込む状態で、前記合金膜上に銅を含む前記導電層を形成するとともに、熱処理を行い、前記合金膜中の銅以外の金属を前記凹部の内壁に露出した前記酸素含有絶縁層中の酸素と反応させて、前記第１のバリア膜から露出した前記凹部の内壁に、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜を形成する第４工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属はマンガンである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第４工程では、前記導電層を形成した後、前記第２のバリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程の前に、基板上に少なくとも下層側が前記酸素含有絶縁層からなる前記絶縁膜を形成する工程を行い、
前記第１工程では、前記絶縁膜の上層側に配線溝を形成するとともに、前記下層側の前記酸素含有絶縁層に前記配線溝の底部に連通する接続孔を形成することで、前記配線溝と前記接続孔とからなる前記凹部を形成し、
前記第２工程では、前記接続孔の側壁を露出するように、前記配線溝の内壁を覆う状態で、前記第１のバリア膜を形成し、
前記第４工程では、前記第１のバリア膜から露出した前記接続孔の側壁に、第２のバリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程と前記第３工程との間に、
前記接続孔の底部に形成された前記第１のバリア膜を除去する工程を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜の上層側は、酸素非含有絶縁層を有している
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸素含有絶縁層は無機系材料で構成されており、
前記酸素非含有絶縁層は有機系材料で構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上に設けられた酸素含有絶縁層を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた前記基板に達する凹部を埋め込む銅を含む導電層と、
前記絶縁膜と前記導電層との間に部分的に設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する第１のバリア膜と
前記酸素含有絶縁層と前記導電層との間に前記第１のバリア膜の未形成領域を補完する状態で設けられるとともに、前記導電層からの銅の拡散を防止する金属含有酸化物からなる第２のバリア膜とを備えた
ことを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−５９６６０（Ｐ２００７−５９６６０Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４３９４４（Ｐ２００５−２４３９４４）
【出願日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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