半導体装置の製造方法
【課題】絶縁膜上での抵抗が十分に高く、且つ銅配線上での抵抗が十分に低いキャップ層を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】シリコン基板１上に第３の層間絶縁膜１０を形成する工程と、第３の層間絶縁膜１０に第１の配線溝１０ａを形成する工程と、第１の配線溝１０ａに銅を埋め込んで第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂにする工程と、第３の層間絶縁膜１０と第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂの上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層１３として窒化ジルコニウム層を形成する工程とを有し、第３の層間絶縁膜１０上に形成されるキャップ層１３は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成される半導体装置の製造方法による。
【解決手段】シリコン基板１上に第３の層間絶縁膜１０を形成する工程と、第３の層間絶縁膜１０に第１の配線溝１０ａを形成する工程と、第１の配線溝１０ａに銅を埋め込んで第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂにする工程と、第３の層間絶縁膜１０と第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂの上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層１３として窒化ジルコニウム層を形成する工程とを有し、第３の層間絶縁膜１０上に形成されるキャップ層１３は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成される半導体装置の製造方法による。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線構造を有するロジックデバイスでは、配線抵抗を低減するために、低抵抗金属である銅を材料として配線を形成することが実用化されている。
【０００３】
銅膜はアルミニウム膜に比べてパターニングするのが非常に困難であるため、銅膜のパターニングにより銅配線を形成するは極めて難しい。そこで、通常は、絶縁膜のホールや溝に銅膜を埋め込んで銅配線を形成するダマシン法を採用することになる。
【０００４】
上下の銅配線は銅よりなるビアによって互いに接続されるが、下層の銅配線の表面がプロセス中に汚染、腐食、或いは酸化されると、ビアと銅配線との間に接続不良が発生する恐れがある。そのため、銅配線を備えた半導体装置を作製する場合には、銅配線を保護するためのキャップ層が必要となる。
【０００５】
キャップ層の中でも、窒化ジルコニウム(ZrN)膜は、絶縁膜の上で絶縁性を呈し、且つ銅配線の上で導電性を呈するという特異な性質を有するので、キャップ層にホールを形成しなくても、キャップ層を介して上下の銅配線同士が電気的に接続されるという利点が得られる。
【０００６】
このように窒化ジルコニウム膜をキャップ層として形成する点については特許文献１に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、窒化ジルコニウム膜の成膜方法として、スパッタ法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられている。これらのうち、CVD法は、酸化シリコン膜のような絶縁膜の成膜方法としては広く普及しているものの、金属膜や窒化ジルコニウム膜のような導電性を呈する膜の成膜方法としては開発途上の段階にあり、成膜コストが高いという問題がある。
【０００８】
これに対し、スパッタ法は、導電膜の成膜方法として広く一般に普及しているため、CVD法と比較して成膜コストが安いという利点がある。
【０００９】
キャップ層として形成される窒化ジルコニウム層の抵抗は、隣接する銅配線同士が窒化ジルコニウム層を介して電気的に接続されないように、絶縁膜の上では十分に高い必要がある。一方、銅配線の上の窒化ジルコニウム層は、上下の銅配線同士の接続抵抗が高くならないように、十分に低い必要がある。
【００１０】
安価なスパッタ法を採用する場合にも、絶縁膜と銅配線の上で抵抗値が明確な選択性を有するように窒化ジルコニウム膜を形成することが望まれる。
【特許文献１】特開２００３−１７４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、絶縁膜上での抵抗が十分に高く、且つ銅配線上での抵抗が十分に低いキャップ層を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成される半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
このような比抵抗を有するキャップ層は、例えば、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用することで形成される。
【００１４】
この条件で形成されたキャップ層は、第１絶縁膜の上では測定限界を超えるような十分に高いシート抵抗を有するので、隣接する第１銅配線同士がキャップ層によって電気的に不必要に接続されることは無い。
【００１５】
一方、第１銅配線とキャップ層とを合わせたシート抵抗は、キャップ層を形成しない場合と殆ど変わらない程度に十分に低い。従って、第１銅配線の上に第２銅配線を形成する場合でも、第１銅配線と第２銅配線との間の電気抵抗がキャップ層によって上昇せず、これらの銅配線同士の接続抵抗を低いままに抑えることが可能となる。スパッタ法による膜の形成において、上記のような下地による電気抵抗の選択性が得られることは、本発明者により初めて見出された。
【００１６】
また、上記混合ガスの全流量に対する窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることで、スパッタのモードがターゲット窒化モードに移行し、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れたキャップ層を形成することが可能となる。
【００１７】
更に、キャップ層を形成する工程における基板温度を２５０℃以上にすることで、キャップ層が緻密化し、第１絶縁膜上でのキャップ層のシート抵抗が上昇して、第１絶縁膜上におけるキャップ層の絶縁性をより一層高めることが可能となる。
【００１８】
また、キャップ層を形成した後に、窒素含有雰囲気中において該キャップ層をアニールする工程を行っても良い。このようなアニールによりキャップ層の窒素濃度が高められ、キャップ層の銅拡散防止能力が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、チタン族元素の窒化物よりなるキャップ層の成膜条件として、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８W／cm2以下とする、のいずれかの条件を採用するので、絶縁膜上では抵抗が十分に高く、つまり、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上であり、且つ銅配線上では抵抗が十分に低いキャップ層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
図１は、本実施形態で使用される窒化ジルコニウム膜用のDCマグネトロンスパッタ装置の構成図である。
【００２２】
そのスパッタ装置は、Ar供給口１００ａ、窒素供給口１００ｂ、及びガス排出口１００ｃを備えたチャンバ１００を有する。Ar供給口１００ａは、スパッタガスであるアルゴンガスを供給するために設けられるが、スパッタガスはアルゴンガスに限定されず、アルゴンガス以外の希ガスをスパッタガスとして用いても良い。また、窒素供給口１００ｂは、ジルコニウムを窒化させる窒素ガスを供給するために設けられる。
【００２３】
チャンバ１００の中には、リング部材１０３によりフェイスダウンの状態でシリコン基板１を保持する基板保持部１０１が配されると共に、シリコン基板１と対向するようにZrターゲット１０４が配される。
【００２４】
そのZrターゲット１０４の平面形状は直径が３インチ（７．６２cm）の円形であり、ターゲット１０４におけるZrの組成比は９９．９９％である。更に、Zrターゲット１０４には、パワーが可変な直流電源１０５が電気的に接続される。そして、Zrターゲット１０４の下方には、該ターゲット１０４の中心に回転軸が一致する不図示の磁石が設けられており、その磁石が回転することによってチャンバ内に磁場が発生する。
【００２５】
また、基板保持部１０１にはランプ１０２が内蔵されており、そのランプ１０２の輻射熱によりシリコン基板１が所定の温度に加熱される。
【００２６】
更に、その基板保持部１０１には、チャンバ１０１内にプラズマを発生させるための周波数が１３．５６ＭHzの高周波電源１０７が電気的に接続される。
【００２７】
成膜に際しては、供給口１００ａ、１００ｂからチャンバ１００内にアルゴンガスと窒素ガスとが供給されると共に、不図示の排気ポンプに接続されたガス排出口１００ｃからガスが排気されてチャンバ１００内が所定の圧力に維持される。これと同時に、直流電源１０５と高周波電源１０７のそれぞれからチャンバ１００内の雰囲気に所定の電力が印加され、反応性スパッタ法により窒化ジルコニウム膜が形成される。
【００２８】
本願発明者は、このようなスパッタ装置を用い、窒化ジルコニウム膜の最適な成膜条件を以下のようにして求めた。なお、以下では、高周波電源１０７のパワーは５０Wに固定している。
【００２９】
図２は、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜の絶縁膜上でのシート抵抗を表す図である。この調査では、成膜圧力、N2流量比、直流電源１０５のパワー、及び成膜時間を図示のように変化させた。なお、このうちN2流量比とは、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの全流量に占める窒素ガスの流量の割合のことである。
【００３０】
また、この調査では、図中に示されるように、シリコン基板の上に絶縁膜として厚さ１００nnの熱酸化膜を形成し、その上に反応性スパッタ法により窒化ジルコニウムを形成した。
【００３１】
図２に示されるように、熱酸化膜上でシート抵抗が測定限界（４×１０9Ω／□）以上の∞（比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上）となるのは、次の条件(i)、(ii)のいずれかを採用したときである。
【００３２】
(i)成膜圧力が１．３３Pa以下
(ii)直流電源１０５のパワーが３００W以下
これらの条件の少なくとも一つを採用すれば、絶縁膜上での窒化ジルコニウム膜を十分に高めることができる。
【００３３】
なお、(ii)におけるパワーが３００W以下なる条件は、該パワーをZrターゲット１０４の面積（４５．５８cm2≒３．１４×３．８１2cm2）で割ってパワー密度に換算すると、６．５８W／cm2以下なる条件に相当する。
【００３４】
また、(i)のように成膜圧力を１．３３Pa以下にすることでシート抵抗が高められるのは、圧力が低いほどスパッタ粒子の平均自由工程が長くなり、同じパワーであれば膜が緻密化することが原因であると考えられる。
【００３５】
このような膜の緻密化によるシート抵抗の上昇は、窒化ジルコニウム膜を成膜するときの基板温度を高めることによっても実現することができる。実際、本願発明者が行った別の実験によれば、基板温度を２５０℃とした場合、絶縁膜上における窒化ジルコニウム膜のシート抵抗が∞になった。よって、基板温度を２５０℃以上としても、絶縁膜上におけるシート抵抗が∞になる窒化ジルコニウム膜が形成できると期待できる。
【００３６】
図３は、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の成膜速度との関係を調査して得られたグラフである。
【００３７】
同図に示されるように、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、成膜速度が大きく低下することが分かる。これは、窒素ガスの流量比の百分率が５０％未満の場合には、Zrターゲット１０４から飛来したZr原子がプラズマ雰囲気中で窒化して基板上に堆積するのに対し、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、Zrターゲット１０４の表面が窒化しながらスパッタがゆっくり進行するターゲット窒化モードになるためである。
【００３８】
ターゲット窒化モードでは、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れた窒化ジルコニウム膜を成膜することができる。図３の結果から、窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることで、ターゲット窒化モードのスパッタ法により窒素濃度の高い窒化ジルコニウム膜を形成できることが明らかになった。
【００３９】
図４は、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の窒素濃度との関係をXPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)法により調査して得られたグラフである。
【００４０】
図４に示されるように、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、窒化ジルコニウム膜の窒素濃度が飽和する。
【００４１】
ところで、窒化ジルコニウム膜は、図２の調査で判明した成膜条件を採用することで絶縁膜上において抵抗を十分に高めることができるが、銅膜上ではその抵抗が十分に低くなければならない。
【００４２】
そこで、本願発明者は、様々な成膜条件で銅膜上に窒化ジルコニウム膜を形成し、その銅膜と窒化ジルコニウム膜とを合わせたシート抵抗を四端子法で測定した。
【００４３】
その結果を図５に示す。なお、この調査では、シリコン基板上に厚さ１００nmの熱酸化膜、厚さ１０nmのTa（タンタル）バリア膜、及び厚さ６０nmの銅膜を形成し、この銅膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成した。また、図５におけるZrN膜形成前の銅膜上のシート抵抗とは、上記の銅膜単体でのシート抵抗である。
【００４４】
図５に示されるように、成膜条件を様々に変化させても、窒化ジルコニウム膜を形成した後のシート抵抗（最右欄）に大きな変化は見られず、いずれの条件でも絶縁膜や抵抗値が数kΩの高抵抗膜にはなっていない。このように、銅膜上に形成された窒化ジルコニウム膜は、絶縁膜上（図２）に比べて成膜条件による膜質の差が発生し難く、比較的低抵抗な膜になる。従って、図２で明らかとなった絶縁膜上での抵抗値が十分に高くなる成膜条件(i)、(ii)を採用しても、銅膜上での窒化ジルコニウムの抵抗が実使用に耐えない程高くなることは無い。
【００４５】
このように、既述の(i)、(ii)の成膜条件を採用することで、絶縁膜上での抵抗値が十分に高く、且つ銅膜上での抵抗値が十分に低い窒化ジルコニウム膜を形成することができる。
【００４６】
なお、上記では窒化ジルコニウム膜について詳述したが、ジルコニウムと同じチタン族元素であるチタンやハフニウムもジルコニウムに類似の化学的性質を有するので、これらの窒化膜を形成する場合にも上記の(i)、(ii)の成膜条件を採用することで、絶縁膜上と銅膜上とで抵抗値に明確な選択性を有する膜が形成されると期待できる。
【００４７】
（２）第２実施形態
第１実施形態で説明したような抵抗値に明確な選択性がある窒化ジルコニウム膜は、銅配線上に形成されるキャップ層として特に有用である。
【００４８】
そこで、本実施形態では、銅配線を形成するダマシンプロセスに対し、第１実施形態で説明した窒化ジルコニウム膜の成膜条件(i)、(ii)を適用する。
【００４９】
図６〜図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
【００５０】
まず、図６（ａ）に示す断面構造について説明する。
【００５１】
ｐ型のシリコン（半導体）基板１の上には、能動素子領域を囲む素子分離絶縁層２が形成されている。その能動素子領域にはＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３ａを介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの両側のシリコン基板１内に形成されたLDD(Lightly Doped Drain)構造の第１、第２のｎ型不純物拡散層３ｃ、３ｄを有している。また、ゲート電極３ｂの側面には絶縁性サイドウォール３ｅが形成されている。
【００５２】
シリコン基板１上には、ＭＯＳトランジスタ３を覆う酸化シリコン（SiO2）よりなる第１の層間絶縁膜４が形成されている。第１の層間絶縁膜４のうち、第１のｎ型不純物拡散層３ｃと第２のｎ型不純物拡散層３ｄの上にはそれぞれ第１のコンタクトホール４ａと第２のコンタクトホール４ｂが形成されている。
【００５３】
第１及び第２のコンタクトホール４ａ、４ｂ内には、それぞれ第１の導電性プラグ５ａと第２の導電性プラグ５ｂが埋め込まれている。第１及び第２の導電性プラグ５ａ、５ｂは、それぞれ窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有している。
【００５４】
第１の層間絶縁膜４の上には、第２の導電性プラグ５ｂに接続されるアルミニウムよりなる一層目配線７が形成されている。また、第１の層間絶縁膜４と一層目配線７の上には、酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ等のいずれかからなる第２の層間絶縁膜８が形成されている。第２の層間絶縁膜８のうち第１の導電性プラグ５ａの上には、コンタクトホール８ａが形成され、その中には窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有する第３の導電性プラグ９が埋め込まれている。
【００５５】
第２の層間絶縁膜８と第３の導電性プラグ９は、膜厚３５０nmの酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０に覆われている。そして、第３の層間絶縁膜１０には第１の配線溝１０ａと第２の配線溝１０ｂが形成されている。
【００５６】
第１の配線溝１０ａは、その一部が第３の導電性プラグ９に重なる形状を有している。第１の配線溝１０ａの中にはタンタル、窒化タンタル、窒化チタンなどのバリアメタル層１１ａと銅層１１ｂからなる多層構造を有する第１の銅配線１２ａが形成されている。また、第２の配線溝１０ｂ内には、第１の銅配線１２ａと同じ層構造を有する第２の銅配線１２ｂが形成されている。
【００５７】
次に、図６（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００５８】
まず、図１で説明したスパッタ装置の基板保持部１０１に、図６（ａ）に示す構造が作成されたシリコン基板１を保持させる。次いで、第１実施形態で説明したように、(i)成膜圧力が１．３３Pa以下、及び(ii)直流電源１０５のパワーが３００W以下のいずれかの条件を採用して厚さ約１０nmの窒化ジルコニウム膜を形成し、それをキャップ層１３とする。なお、キャップ層１３の膜厚は１０nmに限定されず、０nmより大きく２０nm以下の厚さであってもよい。
【００５９】
そのZrNキャップ層１３は、第１、第２配線１２ａ、１２ｂに接する領域では比抵抗値が約３００μΩ・cm以下の低抵抗層１３ａとなり、酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０に接する領域では比抵抗値が１×１０9μΩ・ｃｍ以上の高抵抗層１３ｂとなる。
【００６０】
なお、窒化ジルコニウム膜に代えて、チタン又はハフニウムの窒化膜をキャップ層１３として形成してもよい。
【００６１】
次に、図７（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００６２】
まず、スパッタ装置から図６（ｂ）に示す構造の作成されたシリコン基板１を取り出し、不図示の窒素アニールチャンバ内にシリコン基板１を入れる。
【００６３】
そして、そのチャンバ内に窒素を導入し、基板温度を約４００℃とする条件でZrNキャップ層１３をアニールする。これにより、ZrNキャップ層１３の膜中に窒素が取り込まれ、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れたZrNキャップ層１３が得られる。そのアニールの際、窒素雰囲気の圧力は１kPa〜１MPa、例えば１００kPaとされる。なお、大気圧よりも高い圧力でこの窒素アニールを行う場合は、加圧チャンバを用いてアニールを行えばよい。
【００６４】
また、この窒素アニールにおいて、基板温度が低すぎると、窒素とZrNキャップ層１３との反応性が低くなり、ZrNキャップ層１３に窒素が取り込まれ難くなる。そのため、窒素アニールの基板温度は２００℃以上とするのが好ましい。
【００６５】
次に、図７（ｂ）に示すように、膜厚３００nmの酸化シリコンよりなる第４の層間絶縁膜１４と膜厚５０nmのシリコン窒化膜１５と膜厚３５０nmの酸化シリコンよりなる第５の層間絶縁膜１６をCVD法によりZrNキャップ層１３の上に順に形成する。なお、シリコン窒化膜１５の代わりに膜厚２０nm以下の窒化ジルコニウム膜を使用してもよい。
【００６６】
続いて、図８（ａ）に示すように、第５の層間絶縁膜１６をパターニングすることにより、第１銅配線１２ａに一部が重なる第３配線溝１６ａを形成し、同時に第２銅配線１２ｂに一部が重なる第４の配線溝１６ｂを形成する。また、第４の層間絶縁膜１４をパターニングすることにより、第３配線溝１６ａと第１銅配線１２ａが重なる部分に第１のビアホール１４ａを形成し、同時に第４配線溝１６ｂと第２銅配線１２ｂが重なる部分に第２のビアホール１４ｂを形成する。
【００６７】
第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂの形成と第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂの形成の順序はどちらが先であってもよく、第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂを形成する際にシリコン窒化膜１５はエッチングストップ層として機能する。また、第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂを形成する場合にはZrNキャップ層１３はエッチングストップ層として機能する。
【００６８】
それらのビアホール１４ａ、１４ｂは、それぞれ一層目の銅配線１２ａ、１２ｂ上に形成され、ZrNキャップ層１３の低抵抗層１３ａ（図６（ｂ）参照）を露出させる。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂと第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂのそれぞれの内周面及び底面、及び第５の層間絶縁膜１６の上面の上にバリアメタル層１７を５〜１０nmの厚さに形成する。バリアメタル層１７は、スパッタ法により形成され、例えばタンタル、窒化タンタル(TaN)若しくはこれらの積層膜のいずれか、又は窒化チタン(TiN)から構成される。
【００７０】
さらに、バリアメタル層１７の上に銅シード層１８をスパッタ法により３０〜１００nmの厚さに形成する。
【００７１】
次に、電解メッキ法により銅層１９を銅シード層１８上に形成し、これにより第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂと第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂを完全に埋め込む。ここで、銅シード層１８は銅層１９の一部となる。
【００７２】
この後に、図９に示すように、第５の層間絶縁膜１６の上面に形成された銅層１９、バリアメタル層１７をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去する。これにより第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂのそれぞれの中に残った銅層１９、銅シード層１８、バリアメタル層１７を第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂとして使用し、また、第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂのそれぞれの中に残った銅層１９、バリアメタル層１７を第３及び第４の銅配線２１ａ、２１ｂとして使用する。
【００７３】
第３の銅配線２１ａは、第１のビア２０ａとZrNキャップ層１３を介して第１の銅配線１２ａに電気的に接続される。また、第４の銅配線２１ｂは、第２のビア２０ｂとZrNキャップ層１３を介して第２の銅配線１２ｂに電気的に接続される。
【００７４】
更に、第３及び第４の銅配線２１ａ、２１ｂと第５の層間絶縁膜１６の上に上記したZrNキャップ層１３と同じ材料からなる膜厚２０nm以下の二層目のキャップ層（不図示）を形成した後に、上記した工程に従って層間絶縁膜、銅配線及びビアの形成を繰り返すことにより、第２の層間絶縁膜８の上には多層構造の銅配線が形成されることになる。
【００７５】
ここで、第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂは、ZrNキャップ層１３の低抵抗層１３ａ（図６（ｂ）参照）を介して第１及び第２の銅配線１２ａ、１２ｂにそれぞれ電気的に接続される。
【００７６】
この場合、第１のZrNキャップ層１３は、既述の成膜条件(i)、(ii)を用いて形成されたため、酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０上では抵抗値が測定限界を超えるような十分に高い高抵抗層１３ｂとなり、隣接する第１の銅配線１２ａと第２の銅配線１２ｂが第１のZrNキャップ層１３を介して短絡することはない。
【００７７】
一方、第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂとZrNキャップ層１３とを合わせたシート抵抗は、第１実施形態の図５に示されるように、ZrNキャップ層１３を形成しない場合と略同じ程度に十分に低い。よって、第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂと第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂとの間の抵抗がZrNキャップ層１３によって上昇することは無い。
【００７８】
しかも窒化ジルコニウムは化学的に安定であって銅に比べて酸化され難いので、ビアホールや配線溝を通して露出することによって酸化したり腐食したりするおそれはなく、銅配線や銅ビアの酸化や腐食を防止する導電性／絶縁性の保護膜となる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。例えば、第２実施形態では第３の層間絶縁膜１０に配線溝１０ａ、１０ｂのみを形成したが、第３の層間絶縁膜１０にビアホールを形成し、銅配線１２ａ、１２ｂをそのビアホール内にも形成するようにしてもよい。
【００８０】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【００８１】
（付記１） 半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、
前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、
前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００８２】
（付記２） 前記キャップ層を形成する工程は、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用することを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
【００８３】
（付記３）前記混合ガスの全流量に対する前記窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８４】
（付記４） 前記キャップ層を形成する工程において、基板温度を２５０℃以上に設定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８５】
（付記５） 前記キャップ層を形成する工程の後に、窒素含有雰囲気中において該キャップ層をアニールする工程を有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８６】
（付記６） 前記キャップ層をアニールする工程は、前記窒素含有雰囲気の圧力を１kPa以上１MPa以下として行われることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【００８７】
（付記７） 前記キャップ層をアニールする工程は、２００℃以上の基板温度で行われることを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【００８８】
（付記８） 前記チタン族元素は、ジルコニウム、チタン、及びハフニウムのいずれかであることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８９】
（付記９） 前記キャップ層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜のうち前記第１銅配線の上方に第２溝又は第２ホールを形成する工程と、
前記第２溝又は前記第２ホールに銅を埋め込むことにより、前記キャップ層を介して前記第１銅配線に電気的に接続された第２銅配線を形成する工程とを更に有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００９０】
（付記１０） 基板と、
前記基板の上方に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜に形成された第１溝又は第１ホールと、
前記第１溝又は第１ホール内に形成された第１銅配線と、
前記第１絶縁膜及び前記第１銅配線上に形成されたキャップ層と、を有し、
前記第１絶縁膜上に形成されたキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本発明の各実施形態で使用されるスパッタ装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態において、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜の絶縁膜上でのシート抵抗を表す図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態において、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の成膜速度との関係を調査して得られたグラフである。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態において、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の窒素濃度との関係をXPS法により調査して得られたグラフである。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態において、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜と銅膜とを合わせたシート抵抗を表す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【符号の説明】
【００９２】
１…シリコン基板、２…素子分離絶縁層、３…MOSトランジスタ、３ａ…ゲート絶縁膜、３ｂ…ゲート電極、３ｃ、３ｄ…第１、第２のｎ型不純物拡散層、３ｅ…絶縁性サイドウォール、４…第１の層間絶縁膜、４ａ、４ｂ…第１及び第２のコンタクトホール、５ａ、５ｂ…第１及び第２の導電性プラグ、７…一層目配線、８…第２の層間絶縁膜、９…第３の導電性プラグ、１０…第３の層間絶縁膜、１２ａ、１２ｂ…第１、第２の銅配線、１３…キャップ層、１３ａ…低抵抗層、１３ｂ…高抵抗層、１４…第４の層間絶縁膜、１４ａ、１４ｂ…第１、第２のビアホール、１５…シリコン窒化膜、１６…第５の層間絶縁膜、１６ａ、１６ｂ…第３、第４の配線溝、１７…バリアメタル層、１８…銅シード層、１９…銅層、２０ａ、２０ｂ…第１及び第２のビア、２１ａ、２１ｂ…第３及び第４の銅配線、１００…チャンバ、１００ａ…Ar供給口、１００ｂ…窒素供給口、１００ｃ…ガス排出口、１０１…基板保持部、１０２…ランプ、１０３…リング部材、１０４…Zrターゲット、１０５…直流電源、１０７…高周波電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線構造を有するロジックデバイスでは、配線抵抗を低減するために、低抵抗金属である銅を材料として配線を形成することが実用化されている。
【０００３】
銅膜はアルミニウム膜に比べてパターニングするのが非常に困難であるため、銅膜のパターニングにより銅配線を形成するは極めて難しい。そこで、通常は、絶縁膜のホールや溝に銅膜を埋め込んで銅配線を形成するダマシン法を採用することになる。
【０００４】
上下の銅配線は銅よりなるビアによって互いに接続されるが、下層の銅配線の表面がプロセス中に汚染、腐食、或いは酸化されると、ビアと銅配線との間に接続不良が発生する恐れがある。そのため、銅配線を備えた半導体装置を作製する場合には、銅配線を保護するためのキャップ層が必要となる。
【０００５】
キャップ層の中でも、窒化ジルコニウム(ZrN)膜は、絶縁膜の上で絶縁性を呈し、且つ銅配線の上で導電性を呈するという特異な性質を有するので、キャップ層にホールを形成しなくても、キャップ層を介して上下の銅配線同士が電気的に接続されるという利点が得られる。
【０００６】
このように窒化ジルコニウム膜をキャップ層として形成する点については特許文献１に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、窒化ジルコニウム膜の成膜方法として、スパッタ法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられている。これらのうち、CVD法は、酸化シリコン膜のような絶縁膜の成膜方法としては広く普及しているものの、金属膜や窒化ジルコニウム膜のような導電性を呈する膜の成膜方法としては開発途上の段階にあり、成膜コストが高いという問題がある。
【０００８】
これに対し、スパッタ法は、導電膜の成膜方法として広く一般に普及しているため、CVD法と比較して成膜コストが安いという利点がある。
【０００９】
キャップ層として形成される窒化ジルコニウム層の抵抗は、隣接する銅配線同士が窒化ジルコニウム層を介して電気的に接続されないように、絶縁膜の上では十分に高い必要がある。一方、銅配線の上の窒化ジルコニウム層は、上下の銅配線同士の接続抵抗が高くならないように、十分に低い必要がある。
【００１０】
安価なスパッタ法を採用する場合にも、絶縁膜と銅配線の上で抵抗値が明確な選択性を有するように窒化ジルコニウム膜を形成することが望まれる。
【特許文献１】特開２００３−１７４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、絶縁膜上での抵抗が十分に高く、且つ銅配線上での抵抗が十分に低いキャップ層を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成される半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
このような比抵抗を有するキャップ層は、例えば、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用することで形成される。
【００１４】
この条件で形成されたキャップ層は、第１絶縁膜の上では測定限界を超えるような十分に高いシート抵抗を有するので、隣接する第１銅配線同士がキャップ層によって電気的に不必要に接続されることは無い。
【００１５】
一方、第１銅配線とキャップ層とを合わせたシート抵抗は、キャップ層を形成しない場合と殆ど変わらない程度に十分に低い。従って、第１銅配線の上に第２銅配線を形成する場合でも、第１銅配線と第２銅配線との間の電気抵抗がキャップ層によって上昇せず、これらの銅配線同士の接続抵抗を低いままに抑えることが可能となる。スパッタ法による膜の形成において、上記のような下地による電気抵抗の選択性が得られることは、本発明者により初めて見出された。
【００１６】
また、上記混合ガスの全流量に対する窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることで、スパッタのモードがターゲット窒化モードに移行し、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れたキャップ層を形成することが可能となる。
【００１７】
更に、キャップ層を形成する工程における基板温度を２５０℃以上にすることで、キャップ層が緻密化し、第１絶縁膜上でのキャップ層のシート抵抗が上昇して、第１絶縁膜上におけるキャップ層の絶縁性をより一層高めることが可能となる。
【００１８】
また、キャップ層を形成した後に、窒素含有雰囲気中において該キャップ層をアニールする工程を行っても良い。このようなアニールによりキャップ層の窒素濃度が高められ、キャップ層の銅拡散防止能力が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、チタン族元素の窒化物よりなるキャップ層の成膜条件として、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８W／cm2以下とする、のいずれかの条件を採用するので、絶縁膜上では抵抗が十分に高く、つまり、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上であり、且つ銅配線上では抵抗が十分に低いキャップ層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
図１は、本実施形態で使用される窒化ジルコニウム膜用のDCマグネトロンスパッタ装置の構成図である。
【００２２】
そのスパッタ装置は、Ar供給口１００ａ、窒素供給口１００ｂ、及びガス排出口１００ｃを備えたチャンバ１００を有する。Ar供給口１００ａは、スパッタガスであるアルゴンガスを供給するために設けられるが、スパッタガスはアルゴンガスに限定されず、アルゴンガス以外の希ガスをスパッタガスとして用いても良い。また、窒素供給口１００ｂは、ジルコニウムを窒化させる窒素ガスを供給するために設けられる。
【００２３】
チャンバ１００の中には、リング部材１０３によりフェイスダウンの状態でシリコン基板１を保持する基板保持部１０１が配されると共に、シリコン基板１と対向するようにZrターゲット１０４が配される。
【００２４】
そのZrターゲット１０４の平面形状は直径が３インチ（７．６２cm）の円形であり、ターゲット１０４におけるZrの組成比は９９．９９％である。更に、Zrターゲット１０４には、パワーが可変な直流電源１０５が電気的に接続される。そして、Zrターゲット１０４の下方には、該ターゲット１０４の中心に回転軸が一致する不図示の磁石が設けられており、その磁石が回転することによってチャンバ内に磁場が発生する。
【００２５】
また、基板保持部１０１にはランプ１０２が内蔵されており、そのランプ１０２の輻射熱によりシリコン基板１が所定の温度に加熱される。
【００２６】
更に、その基板保持部１０１には、チャンバ１０１内にプラズマを発生させるための周波数が１３．５６ＭHzの高周波電源１０７が電気的に接続される。
【００２７】
成膜に際しては、供給口１００ａ、１００ｂからチャンバ１００内にアルゴンガスと窒素ガスとが供給されると共に、不図示の排気ポンプに接続されたガス排出口１００ｃからガスが排気されてチャンバ１００内が所定の圧力に維持される。これと同時に、直流電源１０５と高周波電源１０７のそれぞれからチャンバ１００内の雰囲気に所定の電力が印加され、反応性スパッタ法により窒化ジルコニウム膜が形成される。
【００２８】
本願発明者は、このようなスパッタ装置を用い、窒化ジルコニウム膜の最適な成膜条件を以下のようにして求めた。なお、以下では、高周波電源１０７のパワーは５０Wに固定している。
【００２９】
図２は、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜の絶縁膜上でのシート抵抗を表す図である。この調査では、成膜圧力、N2流量比、直流電源１０５のパワー、及び成膜時間を図示のように変化させた。なお、このうちN2流量比とは、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの全流量に占める窒素ガスの流量の割合のことである。
【００３０】
また、この調査では、図中に示されるように、シリコン基板の上に絶縁膜として厚さ１００nnの熱酸化膜を形成し、その上に反応性スパッタ法により窒化ジルコニウムを形成した。
【００３１】
図２に示されるように、熱酸化膜上でシート抵抗が測定限界（４×１０9Ω／□）以上の∞（比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上）となるのは、次の条件(i)、(ii)のいずれかを採用したときである。
【００３２】
(i)成膜圧力が１．３３Pa以下
(ii)直流電源１０５のパワーが３００W以下
これらの条件の少なくとも一つを採用すれば、絶縁膜上での窒化ジルコニウム膜を十分に高めることができる。
【００３３】
なお、(ii)におけるパワーが３００W以下なる条件は、該パワーをZrターゲット１０４の面積（４５．５８cm2≒３．１４×３．８１2cm2）で割ってパワー密度に換算すると、６．５８W／cm2以下なる条件に相当する。
【００３４】
また、(i)のように成膜圧力を１．３３Pa以下にすることでシート抵抗が高められるのは、圧力が低いほどスパッタ粒子の平均自由工程が長くなり、同じパワーであれば膜が緻密化することが原因であると考えられる。
【００３５】
このような膜の緻密化によるシート抵抗の上昇は、窒化ジルコニウム膜を成膜するときの基板温度を高めることによっても実現することができる。実際、本願発明者が行った別の実験によれば、基板温度を２５０℃とした場合、絶縁膜上における窒化ジルコニウム膜のシート抵抗が∞になった。よって、基板温度を２５０℃以上としても、絶縁膜上におけるシート抵抗が∞になる窒化ジルコニウム膜が形成できると期待できる。
【００３６】
図３は、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の成膜速度との関係を調査して得られたグラフである。
【００３７】
同図に示されるように、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、成膜速度が大きく低下することが分かる。これは、窒素ガスの流量比の百分率が５０％未満の場合には、Zrターゲット１０４から飛来したZr原子がプラズマ雰囲気中で窒化して基板上に堆積するのに対し、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、Zrターゲット１０４の表面が窒化しながらスパッタがゆっくり進行するターゲット窒化モードになるためである。
【００３８】
ターゲット窒化モードでは、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れた窒化ジルコニウム膜を成膜することができる。図３の結果から、窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることで、ターゲット窒化モードのスパッタ法により窒素濃度の高い窒化ジルコニウム膜を形成できることが明らかになった。
【００３９】
図４は、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の窒素濃度との関係をXPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)法により調査して得られたグラフである。
【００４０】
図４に示されるように、窒素ガスの流量比の百分率が５０％以上になると、窒化ジルコニウム膜の窒素濃度が飽和する。
【００４１】
ところで、窒化ジルコニウム膜は、図２の調査で判明した成膜条件を採用することで絶縁膜上において抵抗を十分に高めることができるが、銅膜上ではその抵抗が十分に低くなければならない。
【００４２】
そこで、本願発明者は、様々な成膜条件で銅膜上に窒化ジルコニウム膜を形成し、その銅膜と窒化ジルコニウム膜とを合わせたシート抵抗を四端子法で測定した。
【００４３】
その結果を図５に示す。なお、この調査では、シリコン基板上に厚さ１００nmの熱酸化膜、厚さ１０nmのTa（タンタル）バリア膜、及び厚さ６０nmの銅膜を形成し、この銅膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成した。また、図５におけるZrN膜形成前の銅膜上のシート抵抗とは、上記の銅膜単体でのシート抵抗である。
【００４４】
図５に示されるように、成膜条件を様々に変化させても、窒化ジルコニウム膜を形成した後のシート抵抗（最右欄）に大きな変化は見られず、いずれの条件でも絶縁膜や抵抗値が数kΩの高抵抗膜にはなっていない。このように、銅膜上に形成された窒化ジルコニウム膜は、絶縁膜上（図２）に比べて成膜条件による膜質の差が発生し難く、比較的低抵抗な膜になる。従って、図２で明らかとなった絶縁膜上での抵抗値が十分に高くなる成膜条件(i)、(ii)を採用しても、銅膜上での窒化ジルコニウムの抵抗が実使用に耐えない程高くなることは無い。
【００４５】
このように、既述の(i)、(ii)の成膜条件を採用することで、絶縁膜上での抵抗値が十分に高く、且つ銅膜上での抵抗値が十分に低い窒化ジルコニウム膜を形成することができる。
【００４６】
なお、上記では窒化ジルコニウム膜について詳述したが、ジルコニウムと同じチタン族元素であるチタンやハフニウムもジルコニウムに類似の化学的性質を有するので、これらの窒化膜を形成する場合にも上記の(i)、(ii)の成膜条件を採用することで、絶縁膜上と銅膜上とで抵抗値に明確な選択性を有する膜が形成されると期待できる。
【００４７】
（２）第２実施形態
第１実施形態で説明したような抵抗値に明確な選択性がある窒化ジルコニウム膜は、銅配線上に形成されるキャップ層として特に有用である。
【００４８】
そこで、本実施形態では、銅配線を形成するダマシンプロセスに対し、第１実施形態で説明した窒化ジルコニウム膜の成膜条件(i)、(ii)を適用する。
【００４９】
図６〜図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
【００５０】
まず、図６（ａ）に示す断面構造について説明する。
【００５１】
ｐ型のシリコン（半導体）基板１の上には、能動素子領域を囲む素子分離絶縁層２が形成されている。その能動素子領域にはＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３ａを介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの両側のシリコン基板１内に形成されたLDD(Lightly Doped Drain)構造の第１、第２のｎ型不純物拡散層３ｃ、３ｄを有している。また、ゲート電極３ｂの側面には絶縁性サイドウォール３ｅが形成されている。
【００５２】
シリコン基板１上には、ＭＯＳトランジスタ３を覆う酸化シリコン（SiO2）よりなる第１の層間絶縁膜４が形成されている。第１の層間絶縁膜４のうち、第１のｎ型不純物拡散層３ｃと第２のｎ型不純物拡散層３ｄの上にはそれぞれ第１のコンタクトホール４ａと第２のコンタクトホール４ｂが形成されている。
【００５３】
第１及び第２のコンタクトホール４ａ、４ｂ内には、それぞれ第１の導電性プラグ５ａと第２の導電性プラグ５ｂが埋め込まれている。第１及び第２の導電性プラグ５ａ、５ｂは、それぞれ窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有している。
【００５４】
第１の層間絶縁膜４の上には、第２の導電性プラグ５ｂに接続されるアルミニウムよりなる一層目配線７が形成されている。また、第１の層間絶縁膜４と一層目配線７の上には、酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ等のいずれかからなる第２の層間絶縁膜８が形成されている。第２の層間絶縁膜８のうち第１の導電性プラグ５ａの上には、コンタクトホール８ａが形成され、その中には窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有する第３の導電性プラグ９が埋め込まれている。
【００５５】
第２の層間絶縁膜８と第３の導電性プラグ９は、膜厚３５０nmの酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０に覆われている。そして、第３の層間絶縁膜１０には第１の配線溝１０ａと第２の配線溝１０ｂが形成されている。
【００５６】
第１の配線溝１０ａは、その一部が第３の導電性プラグ９に重なる形状を有している。第１の配線溝１０ａの中にはタンタル、窒化タンタル、窒化チタンなどのバリアメタル層１１ａと銅層１１ｂからなる多層構造を有する第１の銅配線１２ａが形成されている。また、第２の配線溝１０ｂ内には、第１の銅配線１２ａと同じ層構造を有する第２の銅配線１２ｂが形成されている。
【００５７】
次に、図６（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００５８】
まず、図１で説明したスパッタ装置の基板保持部１０１に、図６（ａ）に示す構造が作成されたシリコン基板１を保持させる。次いで、第１実施形態で説明したように、(i)成膜圧力が１．３３Pa以下、及び(ii)直流電源１０５のパワーが３００W以下のいずれかの条件を採用して厚さ約１０nmの窒化ジルコニウム膜を形成し、それをキャップ層１３とする。なお、キャップ層１３の膜厚は１０nmに限定されず、０nmより大きく２０nm以下の厚さであってもよい。
【００５９】
そのZrNキャップ層１３は、第１、第２配線１２ａ、１２ｂに接する領域では比抵抗値が約３００μΩ・cm以下の低抵抗層１３ａとなり、酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０に接する領域では比抵抗値が１×１０9μΩ・ｃｍ以上の高抵抗層１３ｂとなる。
【００６０】
なお、窒化ジルコニウム膜に代えて、チタン又はハフニウムの窒化膜をキャップ層１３として形成してもよい。
【００６１】
次に、図７（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００６２】
まず、スパッタ装置から図６（ｂ）に示す構造の作成されたシリコン基板１を取り出し、不図示の窒素アニールチャンバ内にシリコン基板１を入れる。
【００６３】
そして、そのチャンバ内に窒素を導入し、基板温度を約４００℃とする条件でZrNキャップ層１３をアニールする。これにより、ZrNキャップ層１３の膜中に窒素が取り込まれ、窒素濃度が高く銅の拡散防止能力に優れたZrNキャップ層１３が得られる。そのアニールの際、窒素雰囲気の圧力は１kPa〜１MPa、例えば１００kPaとされる。なお、大気圧よりも高い圧力でこの窒素アニールを行う場合は、加圧チャンバを用いてアニールを行えばよい。
【００６４】
また、この窒素アニールにおいて、基板温度が低すぎると、窒素とZrNキャップ層１３との反応性が低くなり、ZrNキャップ層１３に窒素が取り込まれ難くなる。そのため、窒素アニールの基板温度は２００℃以上とするのが好ましい。
【００６５】
次に、図７（ｂ）に示すように、膜厚３００nmの酸化シリコンよりなる第４の層間絶縁膜１４と膜厚５０nmのシリコン窒化膜１５と膜厚３５０nmの酸化シリコンよりなる第５の層間絶縁膜１６をCVD法によりZrNキャップ層１３の上に順に形成する。なお、シリコン窒化膜１５の代わりに膜厚２０nm以下の窒化ジルコニウム膜を使用してもよい。
【００６６】
続いて、図８（ａ）に示すように、第５の層間絶縁膜１６をパターニングすることにより、第１銅配線１２ａに一部が重なる第３配線溝１６ａを形成し、同時に第２銅配線１２ｂに一部が重なる第４の配線溝１６ｂを形成する。また、第４の層間絶縁膜１４をパターニングすることにより、第３配線溝１６ａと第１銅配線１２ａが重なる部分に第１のビアホール１４ａを形成し、同時に第４配線溝１６ｂと第２銅配線１２ｂが重なる部分に第２のビアホール１４ｂを形成する。
【００６７】
第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂの形成と第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂの形成の順序はどちらが先であってもよく、第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂを形成する際にシリコン窒化膜１５はエッチングストップ層として機能する。また、第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂを形成する場合にはZrNキャップ層１３はエッチングストップ層として機能する。
【００６８】
それらのビアホール１４ａ、１４ｂは、それぞれ一層目の銅配線１２ａ、１２ｂ上に形成され、ZrNキャップ層１３の低抵抗層１３ａ（図６（ｂ）参照）を露出させる。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂと第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂのそれぞれの内周面及び底面、及び第５の層間絶縁膜１６の上面の上にバリアメタル層１７を５〜１０nmの厚さに形成する。バリアメタル層１７は、スパッタ法により形成され、例えばタンタル、窒化タンタル(TaN)若しくはこれらの積層膜のいずれか、又は窒化チタン(TiN)から構成される。
【００７０】
さらに、バリアメタル層１７の上に銅シード層１８をスパッタ法により３０〜１００nmの厚さに形成する。
【００７１】
次に、電解メッキ法により銅層１９を銅シード層１８上に形成し、これにより第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂと第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂを完全に埋め込む。ここで、銅シード層１８は銅層１９の一部となる。
【００７２】
この後に、図９に示すように、第５の層間絶縁膜１６の上面に形成された銅層１９、バリアメタル層１７をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去する。これにより第１及び第２のビアホール１４ａ、１４ｂのそれぞれの中に残った銅層１９、銅シード層１８、バリアメタル層１７を第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂとして使用し、また、第３及び第４の配線溝１６ａ、１６ｂのそれぞれの中に残った銅層１９、バリアメタル層１７を第３及び第４の銅配線２１ａ、２１ｂとして使用する。
【００７３】
第３の銅配線２１ａは、第１のビア２０ａとZrNキャップ層１３を介して第１の銅配線１２ａに電気的に接続される。また、第４の銅配線２１ｂは、第２のビア２０ｂとZrNキャップ層１３を介して第２の銅配線１２ｂに電気的に接続される。
【００７４】
更に、第３及び第４の銅配線２１ａ、２１ｂと第５の層間絶縁膜１６の上に上記したZrNキャップ層１３と同じ材料からなる膜厚２０nm以下の二層目のキャップ層（不図示）を形成した後に、上記した工程に従って層間絶縁膜、銅配線及びビアの形成を繰り返すことにより、第２の層間絶縁膜８の上には多層構造の銅配線が形成されることになる。
【００７５】
ここで、第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂは、ZrNキャップ層１３の低抵抗層１３ａ（図６（ｂ）参照）を介して第１及び第２の銅配線１２ａ、１２ｂにそれぞれ電気的に接続される。
【００７６】
この場合、第１のZrNキャップ層１３は、既述の成膜条件(i)、(ii)を用いて形成されたため、酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０上では抵抗値が測定限界を超えるような十分に高い高抵抗層１３ｂとなり、隣接する第１の銅配線１２ａと第２の銅配線１２ｂが第１のZrNキャップ層１３を介して短絡することはない。
【００７７】
一方、第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂとZrNキャップ層１３とを合わせたシート抵抗は、第１実施形態の図５に示されるように、ZrNキャップ層１３を形成しない場合と略同じ程度に十分に低い。よって、第１及び第２のビア２０ａ、２０ｂと第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂとの間の抵抗がZrNキャップ層１３によって上昇することは無い。
【００７８】
しかも窒化ジルコニウムは化学的に安定であって銅に比べて酸化され難いので、ビアホールや配線溝を通して露出することによって酸化したり腐食したりするおそれはなく、銅配線や銅ビアの酸化や腐食を防止する導電性／絶縁性の保護膜となる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。例えば、第２実施形態では第３の層間絶縁膜１０に配線溝１０ａ、１０ｂのみを形成したが、第３の層間絶縁膜１０にビアホールを形成し、銅配線１２ａ、１２ｂをそのビアホール内にも形成するようにしてもよい。
【００８０】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【００８１】
（付記１） 半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、
前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、
前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００８２】
（付記２） 前記キャップ層を形成する工程は、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用することを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
【００８３】
（付記３）前記混合ガスの全流量に対する前記窒素ガスの流量比の百分率を５０％以上にすることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８４】
（付記４） 前記キャップ層を形成する工程において、基板温度を２５０℃以上に設定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８５】
（付記５） 前記キャップ層を形成する工程の後に、窒素含有雰囲気中において該キャップ層をアニールする工程を有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８６】
（付記６） 前記キャップ層をアニールする工程は、前記窒素含有雰囲気の圧力を１kPa以上１MPa以下として行われることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【００８７】
（付記７） 前記キャップ層をアニールする工程は、２００℃以上の基板温度で行われることを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【００８８】
（付記８） 前記チタン族元素は、ジルコニウム、チタン、及びハフニウムのいずれかであることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００８９】
（付記９） 前記キャップ層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜のうち前記第１銅配線の上方に第２溝又は第２ホールを形成する工程と、
前記第２溝又は前記第２ホールに銅を埋め込むことにより、前記キャップ層を介して前記第１銅配線に電気的に接続された第２銅配線を形成する工程とを更に有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００９０】
（付記１０） 基板と、
前記基板の上方に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜に形成された第１溝又は第１ホールと、
前記第１溝又は第１ホール内に形成された第１銅配線と、
前記第１絶縁膜及び前記第１銅配線上に形成されたキャップ層と、を有し、
前記第１絶縁膜上に形成されたキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本発明の各実施形態で使用されるスパッタ装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態において、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜の絶縁膜上でのシート抵抗を表す図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態において、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の成膜速度との関係を調査して得られたグラフである。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態において、窒素ガスの流量比と窒化ジルコニウム膜の窒素濃度との関係をXPS法により調査して得られたグラフである。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態において、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜と銅膜とを合わせたシート抵抗を表す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【符号の説明】
【００９２】
１…シリコン基板、２…素子分離絶縁層、３…MOSトランジスタ、３ａ…ゲート絶縁膜、３ｂ…ゲート電極、３ｃ、３ｄ…第１、第２のｎ型不純物拡散層、３ｅ…絶縁性サイドウォール、４…第１の層間絶縁膜、４ａ、４ｂ…第１及び第２のコンタクトホール、５ａ、５ｂ…第１及び第２の導電性プラグ、７…一層目配線、８…第２の層間絶縁膜、９…第３の導電性プラグ、１０…第３の層間絶縁膜、１２ａ、１２ｂ…第１、第２の銅配線、１３…キャップ層、１３ａ…低抵抗層、１３ｂ…高抵抗層、１４…第４の層間絶縁膜、１４ａ、１４ｂ…第１、第２のビアホール、１５…シリコン窒化膜、１６…第５の層間絶縁膜、１６ａ、１６ｂ…第３、第４の配線溝、１７…バリアメタル層、１８…銅シード層、１９…銅層、２０ａ、２０ｂ…第１及び第２のビア、２１ａ、２１ｂ…第３及び第４の銅配線、１００…チャンバ、１００ａ…Ar供給口、１００ｂ…窒素供給口、１００ｃ…ガス排出口、１０１…基板保持部、１０２…ランプ、１０３…リング部材、１０４…Zrターゲット、１０５…直流電源、１０７…高周波電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、
前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、
前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記キャップ層を形成する工程は、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用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】
前記チタン族元素は、ジルコニウム、チタン、及びハフニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記キャップ層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜のうち前記第１銅配線の上方に第２溝又は第２ホールを形成する工程と、
前記第２溝又は前記第２ホールに銅を埋め込むことにより、前記キャップ層を介して前記第１銅配線に電気的に接続された第２銅配線を形成する工程とを更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の製造方法。
【請求項５】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜に形成された第１溝又は第１ホールと、
前記第１溝又は第１ホール内に形成された第１銅配線と、
前記第１絶縁膜及び前記第１銅配線上に形成されたキャップ層と、を有し、
前記第１絶縁膜上に形成されたキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
半導体基板の上方に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜に第１溝又は第１ホールを形成する工程と、
前記第１溝又は前記第１ホールに銅を埋め込んで第１銅配線を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第１銅配線の上に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いる反応性スパッタ法により、キャップ層としてチタン族元素の窒化物よりなる層を形成する工程とを有し、
前記第１絶縁膜上に形成されるキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上となるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記キャップ層を形成する工程は、(i)成膜雰囲気の圧力を１．３３Pa以下にする、及び(ii)ターゲットに印加する電力のパワー密度を６．５８Ｗ／ｃｍ2以下とする、のいずれかの条件を採用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】
前記チタン族元素は、ジルコニウム、チタン、及びハフニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記キャップ層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜のうち前記第１銅配線の上方に第２溝又は第２ホールを形成する工程と、
前記第２溝又は前記第２ホールに銅を埋め込むことにより、前記キャップ層を介して前記第１銅配線に電気的に接続された第２銅配線を形成する工程とを更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の製造方法。
【請求項５】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜に形成された第１溝又は第１ホールと、
前記第１溝又は第１ホール内に形成された第１銅配線と、
前記第１絶縁膜及び前記第１銅配線上に形成されたキャップ層と、を有し、
前記第１絶縁膜上に形成されたキャップ層は、比抵抗が１×１０9μΩ・ｃｍ以上である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８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２４２９２６（Ｐ２００７−２４２９２６Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６４００３（Ｐ２００６−６４００３）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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