半導体装置の製造方法
【課題】溝の側面上における金属膜の膜剥がれの発生を防止することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減させることができる、半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１配線５上に、ＳｉおよびＯを含む第２絶縁層６が形成された後、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。次に、スパッタ法により、溝の内面およびビアホールの内面に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。このとき、第２溝１１の内面およびビアホール１２の側面には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込み、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成される。そして、金属膜１８におけるビアホール１２の底面に形成された部分が除去された後、ビアホール１２にビア１５が埋設されるとともに、第２溝１１に第２配線１４が埋設される。
【解決手段】第１配線５上に、ＳｉおよびＯを含む第２絶縁層６が形成された後、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。次に、スパッタ法により、溝の内面およびビアホールの内面に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。このとき、第２溝１１の内面およびビアホール１２の側面には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込み、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成される。そして、金属膜１８におけるビアホール１２の底面に形成された部分が除去された後、ビアホール１２にビア１５が埋設されるとともに、第２溝１１に第２配線１４が埋設される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃｕ（銅）を主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積化された半導体装置において、配線の材料として、Ａｌ（アルミニウム）よりも導電性の高いＣｕを採用したものがある。Ｃｕからなる配線は、Ｃｕがドライエッチングによる微細なパターニングが困難であることから、ダマシン法により、半導体基板上の絶縁膜（層間絶縁膜）に形成された微細な溝に埋設される。
絶縁膜の材料としては、通常、ＳｉＯ２が採用される。ところが、Ｃｕは、ＳｉＯ２への拡散性が高い。そのため、ＳｉＯ２からなる絶縁膜に形成された溝の内面とＣｕからなる配線とが直に接すると、Ｃｕが絶縁膜中に拡散し、これにより絶縁膜の絶縁耐圧が低下する。したがって、絶縁膜とＣｕからなる配線との間には、Ｃｕの絶縁膜への拡散を防止するためのバリア膜が必要となる。
【０００３】
バリア膜を形成する手法として、ＣｕとＭｎ（マンガン）との合金（ＣｕＭｎ合金）を用いた自己形成プロセスが知られている（たとえば、特許文献１参照）。この自己形成プロセスでは、配線の形成に先立ち、スパッタ法により、溝の内面を含む絶縁膜の表面上に、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜が形成される。次いで、めっき法により、合金膜上に、Ｃｕからなるめっき層が形成される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜中のＭｎが絶縁膜中のＳｉ（シリコン）およびＯ（酸素）と結合し、溝の内面上にＭｎｘＳｉｙＯｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数。以下、単に「ＭｎＳｉＯ」と記載する。）からなるバリア膜が形成される。
【特許文献１】特開２００５−２７７３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎは、Ｃｕからなるめっき層中に拡散する。Ｍｎのめっき層中への拡散量が多いと、そのめっき層を平坦化して形成されるＣｕ配線中にＭｎが残留し、配線の抵抗が増大する。そのため、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜は、バリア膜の形成に必要十分な厚さに形成されることが好ましい。
しかし、スパッタ法では、溝の底面と比べてその側面にＣｕＭｎ合金が付着しにくいため、溝の底面上における合金膜の厚さがバリア膜の形成に必要十分な厚さとなるように、合金膜が全体的に薄く形成されると、合金膜における溝の側面上に形成される部分が薄くなりすぎる。その結果、合金膜と溝の側面との密着性が低下し、溝の側面上で合金膜の膜剥がれが生じるおそれがある。膜剥がれが生じると、その部分に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が良好に形成されない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、バリア膜を良好に形成することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる、半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、スパッタ法により、前記溝の内面にＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数）からなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程とを含む、半導体装置の製造方法である。
【０００７】
この方法によれば、まず、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層に、溝が形成される。次に、スパッタ法により、溝の内面（溝が凹状に形成される場合、その溝の側面および底面）に、ＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数、以下、単に「ＭｎＯ」と記載する。）からなる金属膜が被着される。このとき、溝の内面、つまり絶縁層における溝に臨む部分には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜中のＭｎＯが入り込む。これにより、絶縁層中のＳｉおよびＯと金属膜中のＭｎＯとが結合して、溝の内面に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。その後、金属膜（バリア膜）上に、Ｃｕを主成分とするＣｕ配線が形成される。
【０００８】
ＭｎＯは、ＣｕＭｎ合金と比較して、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料に対する密着性が高い。そのため、ＭｎＯからなる金属膜は、所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な程度の小さい厚さに形成されても、溝の側面からの膜剥がれを生じにくい。したがって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成することができる。また、溝の内面に金属膜を被着させる際に、スパッタリングのエネルギーによってＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成することができるので、バリア膜を形成するための熱処理を行う必要がない。
【０００９】
そして、金属膜をそのような小さい厚さ（所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な厚さ）に形成することにより、バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減することができる。これにより、バリア膜上に形成されるＣｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。
よって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載のように、前記絶縁層の下層に、前記Ｃｕ配線と電気的に接続される下配線が形成されていてもよい。この場合、前記溝形成工程後であって前記金属膜被着工程の前に、前記溝から前記下配線に向けて延び、前記絶縁層を厚さ方向に貫通するビアホールを形成するビアホール形成工程が行われ、前記金属膜被着工程後に、前記ビアホールにＣｕを主成分とするビアを形成するビア形成工程が行われることにより、下配線とＣｕ配線との電気的な接続を達成することができる。また、前記金属膜被着工程では、前記溝の内面に加えて、前記ビアホールの側面および前記下配線の表面における前記ビアホールに臨む部分に前記金属膜が被着されることにより、ビアホールの側面に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成することができる。
【００１１】
金属膜の材料であるＭｎＯは、Ｃｕと比較して電気抵抗が高い。そのため、下配線の表面におけるビアホールに臨む部分上にＭｎＯからなる金属膜が存在していると、ビアと下配線との間の電気抵抗が高くなる。
そこで、請求項３に記載のように、前記ビア形成工程に先立ち、水素還元処理により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分からＯを除去する工程を含むことが好ましい。Ｏが除去されることにより、ＭｎＯがＭｎに還元される。そして、Ｍｎがビアなどに拡散することにより、下配線上から金属膜が消失する。
【００１２】
また、その工程に代えて、請求項４に記載のように、前記ビア形成工程に先立ち、逆スパッタ法により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分を選択的に除去する工程が行われてもよい。逆スパッタ法は、スパッタ法と同一のスパッタリング装置で実施することができる。そのため、金属膜における下配線の表面に接する部分を除去する工程で逆スパッタ法が用いられることにより、同一のスパッタリング装置において、金属膜被着工程に連続して、その金属膜の部分的な除去の工程を行うことができる。さらに、Ｃｕ配線がめっき法により形成される場合には、スパッタ法により、金属膜上にシード膜が形成される。この場合、金属膜被着工程およびその金属膜の部分的な除去の工程に加えて、そのシード膜を形成する工程を同一のスパッタリング装置で連続して行うことができる。そのため、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、前記配線形成工程は、スパッタ法により、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とが含まれていてもよい。
ただし、めっき層は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき法により第２配線およびビアが形成される場合には、請求項
６に記載のように、前記配線形成工程後、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含むことが好ましい。これにより、めっき層の結晶構造が均一化（結晶化）されるので、そのめっき層からなるＣｕ配線およびビアの比抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
半導体装置１は、半導体基板（図示せず）上に、Ｃｕを配線材料として用いた多層配線構造を有している。
半導体基板は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板からなる。半導体基板の表層部には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの機能素子が作り込まれている。
【００１５】
半導体基板上には、ＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる第１絶縁層２が積層されている。
第１絶縁層２の表層部には、所定の配線パターンに対応した微細な第１溝３が形成されている。第１溝３の内面（側面および底面）には、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成されている。そして、第１溝３内には、第１バリア膜４を介して、Ｃｕを主成分とする金属材料からなる第１配線５が埋設されている。
【００１６】
第１絶縁層２上には、第２絶縁層６が積層されている。第２絶縁層６は、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０を、第１絶縁層２側からこの順に積層した構造を有している。
拡散防止膜７は、たとえば、ＳｉＣ（炭化シリコン）およびＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）を積層した構造を有している。第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。エッチングストッパ膜９は、たとえば、ＳｉＣからなる。
【００１７】
第２絶縁層６の表層部には、所定の配線パターンに対応した第２溝１１が形成されている。また、第２絶縁層６には、第１配線５と第２溝１１とが対向する部分に、ビアホール１２が貫通して形成されている。
第２溝１１およびビアホール１２の内面には、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成されている。そして、第２溝１１およびビアホール１２内には、第２バリア膜１３を介して、それぞれＣｕを主成分とする金属材料からなる第２配線１４およびビア１５が埋設されている。第２配線１４およびビア１５は、一体をなしている。
【００１８】
図２Ａ〜２Ｇは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図２Ａに示すように、第１バリア膜４および第１配線５が埋設された第１絶縁層２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０がこの順に積層される。これにより、第１絶縁層２上に、第２絶縁層６が形成される。
【００１９】
その後、図２Ｂに示すように、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。具体的には、まず、第２絶縁層６上に、ビアホール１２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８がドライエッチングされる。このとき、適当なタイミングで反応ガス（エッチャント）を切り換えることにより、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。次に、第２絶縁層６上からマスクが除去された後、第２絶縁層６上に、第２溝１１が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有する新たなマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０がドライエッチングされる。その後、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９の露出した部分が除去されることにより、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。
【００２０】
次いで、図２Ｃに示すように、スパッタ法により、第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域、ならびに第１配線５の表面におけるビアホール１２に臨む部分に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。金属膜１８は、第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の厚さ（たとえば、１〜１０ｎｍ）に形成される。このとき、金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分（第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域）には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込む。これにより、第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと金属膜１８中のＭｎＯとが結合して、第２溝１１およびビアホール１８の内面を含む第２絶縁層６の表面全域に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜１３が形成される。金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失し、第１配線５上にのみ金属膜１８が残る。
【００２１】
その後、水素還元処理が行われる。この水素還元処理により、図２Ｄに示すように、第１配線５上に残された金属膜１８が還元されて、その金属膜１８がＭｎからなるＭｎ膜１９に変質する。水素還元処理は、たとえば、水素雰囲気中での熱処理であってもよいし、水素プラズマ処理であってもよい。
次いで、図２Ｅに示すように、スパッタ法により、第２バリア膜１３の表面全域およびＭｎ膜１９の表面を被覆するように、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜２０が形成される。
【００２２】
その後、図２Ｆに示すように、めっき法により、シード膜２０上にＣｕからなるめっき層２１が形成される。めっき層２１は、ビアホール１２および第２溝１１を埋め尽くす厚さに形成される。
めっき層２１は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき成長後には、めっき層２１を結晶化（結晶構造の均一化）するための熱処理が行われる。このとき、図２Ｇに示すように、Ｍｎ膜１９中のＭｎは、めっき層２１中を移動し、めっき層２１の表面に析出する。したがって、Ｍｎ膜１９は、この結晶化のための熱処理時に消失する。
【００２３】
次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、めっき層２１および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、めっき層２１および第２バリア膜１３における第２溝１１外に形成されている不要部分がすべて除去されて、第２絶縁層６（第２層間絶縁膜１０）が露出し、その第２絶縁層６の露出した表面と第２溝１１内のめっき層２１の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００２４】
ＭｎＯからなる金属膜１８は、ＳｉＯ２からなる第２層間絶縁膜１０に対する密着性が比較的高い。そのため、金属膜１８が所望する厚さの第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の小さい厚さに形成されても、第２溝１１の側面からの（第２層間絶縁膜１０に対する）金属膜１８の膜剥がれを生じにくい。したがって、第２溝１１の内面上に第２バリア膜１３を良好に形成することができる。また、第２溝１１の内面に金属膜１８を被着させる際に、スパッタリングのエネルギーによって第２バリア膜１３を形成することができるので、第２バリア膜１３を形成するための熱処理を行う必要がない。
【００２５】
また、水素還元処理により、金属膜１８における第１配線５の表面に接する部分からＯが除去されて、その部分がＭｎからなるＭｎ膜１９に還元される。このＭｎ膜１９は、ビア１５などに拡散することによって消失する。Ｍｎは、Ｃｕよりも電気抵抗が高いので、こうして第１配線５上から金属膜１８（Ｍｎ膜１９）が除去されることにより、第１配線５とビアとの間にＭｎＯからなる金属膜１８が残された構成と比較して、第１配線５と第２配線１４との間の電気抵抗を低減することができる。
【００２６】
また、めっき成長により形成されるめっき層２１は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。めっき層２１の形成後に、めっき層２１の結晶化のための熱処理が行われることにより、めっき層２１の結晶構造が均一化（結晶化）されるので、そのめっき層２１からなる第２配線１４およびビア１５の比抵抗を低減することができる。
【００２７】
図３Ａ〜３Ｇは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図３Ａに示すように、第１バリア膜４および第１配線５が埋設された第１絶縁層２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０がこの順に積層される。これにより、第１絶縁層２上に、第２絶縁層６が形成される。
【００２８】
その後、図３Ｂに示すように、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。具体的には、まず、第２絶縁層６上に、ビアホール１２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８がドライエッチングされる。このとき、適当なタイミングで反応ガス（エッチャント）を切り換えることにより、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。次に、第２絶縁層６上からマスクが除去された後、第２絶縁層６上に、第２溝１１が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有する新たなマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０がドライエッチングされる。その後、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９の露出した部分が除去されることにより、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。
【００２９】
次いで、図３Ｃに示すように、スパッタ法により、第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域、ならびに第１配線５の表面におけるビアホール１２に臨む部分に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。金属膜１８は、第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の厚さ（たとえば、１〜１０ｎｍ）に形成される。このとき、金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分（第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域）には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込む。これにより、第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと金属膜１８中のＭｎＯとが結合して、第２溝１１およびビアホール１８の内面を含む第２絶縁層６の表面全域に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜１３が形成される。金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失し、第１配線５上にのみ金属膜１８が残る。
【００３０】
その後、図３Ｄに示すように、逆スパッタ法により、第１配線５上に残された金属膜１８が除去される。具体的には、金属膜１８に対して、ほぼ鉛直方向（第２絶縁層６の積層方向に沿う方向）からガス粒子（たとえば、アルゴンガス粒子）を衝突させることにより、第１配線５上に形成された部分が除去される。第２バリア膜１３は、第２絶縁層６と強く結合しているため、この逆スパッタ法によって除去されない。
【００３１】
次いで、図３Ｅに示すように、スパッタ法により、第２バリア膜１３の表面全域および第１配線５におけるビアホール１２を介して露出する部分を被覆するように、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜２０が形成される。
その後、図３Ｆに示すように、めっき法により、シード膜２０上にＣｕからなるめっき層２１が形成される。めっき層２１は、ビアホール１２および第２溝１１を埋め尽くす厚さに形成される。
【００３２】
次に、めっき層２１を結晶化（結晶構造の均一化）するための熱処理が行われる。
そして、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、めっき層２１および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、めっき層２１および第２バリア膜１３における第２溝１１外に形成されている不要部分がすべて除去されて、第２絶縁層６（第２層間絶縁膜１０）が露出し、その第２絶縁層６の露出した表面と第２溝１１内のめっき層２１の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００３３】
この実施形態に係る製造方法によっても、第１の実施形態に係る製造方法（図２Ａ〜図２Ｇ）と同様の効果を奏することができる。また、この実施形態では、逆スパッタ法によって、第２バリア膜１３の形成後に、第１配線５上に残された金属膜が除去される。これにより、第１配線５と第２配線１４との間の電気抵抗を低減することができる。
また、スパッタ法および逆スパッタ法は、同一のスパッタリング装置で実施することができるので、金属膜１８におけるビアホール１２の底面上に形成された部分を除去するために逆スパッタ法が用いられることにより、同一のスパッタリング装置において、金属膜１８を形成する工程に連続して、その金属膜１８の部分的な除去の工程を行うことができる。さらに、金属膜１８の除去の工程に連続して、シード膜２０を形成する工程を行うことができる。したがって、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置１の製造に要する時間を短縮することができる。
【００３４】
なお、第１バリア膜４および第１配線５の形成手法については、その説明を省略したが、第１バリア膜４および第１配線５は、第２バリア膜１３および第２配線１４の形成手法と同様な手法で形成することができる。すなわち、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第１絶縁層２にその表面から掘り下がった形状の第１溝３が形成された後、スパッタ法により、ＭｎＯからなる金属膜が第１溝３の側面および底面に被着される。このとき、スパッタリングのエネルギーによって第１絶縁層２中のＳｉおよびＯと、金属膜中のＭｎＯとが結合し、第１溝３の側面および底面上に、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成される。その後、第１バリア膜４上に、めっき法により、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜およびＣｕからなるめっき層が順に形成される。そして、ＣＭＰ法により、そのめっき層の不要部分（第１溝３外の部分）が除去される。これにより、第１溝３内に、第１バリア膜４および第１配線５が得られる。
【００３５】
以上、本発明の２つの実施形態を説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、拡散防止膜７は、ＳｉＣおよびＳｉＣＮを積層した構造を有しているとした。しかし、拡散防止膜７は、Ｃｕの拡散に対するバリア性を有していればよく、たとえば、ＳｉＣのみからなる構造であってもよい。
【００３６】
また、第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、ＳｉＯ２からなるとした。しかし、第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０の材料は、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料であればよく、その材料として、ＳｉＯ２以外に、たとえば、ＳｉＯＣ（炭素が添加された酸化シリコン）、またはＳｉＯＦ（フッ素が添加された酸化シリコン）などを例示することができる。
【００３７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、図２Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、図２Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１に示す半導体装置の他の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、図３Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、図３Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 半導体装置
６ 第２絶縁層（絶縁層）
１１ 第２溝（溝）
１２ ビアホール
１３ 第２バリア膜（バリア膜）
１４ 第２配線（Ｃｕ配線）
１５ ビア
１８ 金属膜
１９ Ｍｎ膜
２０ シード膜
２１ めっき層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃｕ（銅）を主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積化された半導体装置において、配線の材料として、Ａｌ（アルミニウム）よりも導電性の高いＣｕを採用したものがある。Ｃｕからなる配線は、Ｃｕがドライエッチングによる微細なパターニングが困難であることから、ダマシン法により、半導体基板上の絶縁膜（層間絶縁膜）に形成された微細な溝に埋設される。
絶縁膜の材料としては、通常、ＳｉＯ２が採用される。ところが、Ｃｕは、ＳｉＯ２への拡散性が高い。そのため、ＳｉＯ２からなる絶縁膜に形成された溝の内面とＣｕからなる配線とが直に接すると、Ｃｕが絶縁膜中に拡散し、これにより絶縁膜の絶縁耐圧が低下する。したがって、絶縁膜とＣｕからなる配線との間には、Ｃｕの絶縁膜への拡散を防止するためのバリア膜が必要となる。
【０００３】
バリア膜を形成する手法として、ＣｕとＭｎ（マンガン）との合金（ＣｕＭｎ合金）を用いた自己形成プロセスが知られている（たとえば、特許文献１参照）。この自己形成プロセスでは、配線の形成に先立ち、スパッタ法により、溝の内面を含む絶縁膜の表面上に、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜が形成される。次いで、めっき法により、合金膜上に、Ｃｕからなるめっき層が形成される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜中のＭｎが絶縁膜中のＳｉ（シリコン）およびＯ（酸素）と結合し、溝の内面上にＭｎｘＳｉｙＯｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数。以下、単に「ＭｎＳｉＯ」と記載する。）からなるバリア膜が形成される。
【特許文献１】特開２００５−２７７３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎは、Ｃｕからなるめっき層中に拡散する。Ｍｎのめっき層中への拡散量が多いと、そのめっき層を平坦化して形成されるＣｕ配線中にＭｎが残留し、配線の抵抗が増大する。そのため、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜は、バリア膜の形成に必要十分な厚さに形成されることが好ましい。
しかし、スパッタ法では、溝の底面と比べてその側面にＣｕＭｎ合金が付着しにくいため、溝の底面上における合金膜の厚さがバリア膜の形成に必要十分な厚さとなるように、合金膜が全体的に薄く形成されると、合金膜における溝の側面上に形成される部分が薄くなりすぎる。その結果、合金膜と溝の側面との密着性が低下し、溝の側面上で合金膜の膜剥がれが生じるおそれがある。膜剥がれが生じると、その部分に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が良好に形成されない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、バリア膜を良好に形成することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる、半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、スパッタ法により、前記溝の内面にＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数）からなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程とを含む、半導体装置の製造方法である。
【０００７】
この方法によれば、まず、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層に、溝が形成される。次に、スパッタ法により、溝の内面（溝が凹状に形成される場合、その溝の側面および底面）に、ＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数、以下、単に「ＭｎＯ」と記載する。）からなる金属膜が被着される。このとき、溝の内面、つまり絶縁層における溝に臨む部分には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜中のＭｎＯが入り込む。これにより、絶縁層中のＳｉおよびＯと金属膜中のＭｎＯとが結合して、溝の内面に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。その後、金属膜（バリア膜）上に、Ｃｕを主成分とするＣｕ配線が形成される。
【０００８】
ＭｎＯは、ＣｕＭｎ合金と比較して、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料に対する密着性が高い。そのため、ＭｎＯからなる金属膜は、所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な程度の小さい厚さに形成されても、溝の側面からの膜剥がれを生じにくい。したがって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成することができる。また、溝の内面に金属膜を被着させる際に、スパッタリングのエネルギーによってＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成することができるので、バリア膜を形成するための熱処理を行う必要がない。
【０００９】
そして、金属膜をそのような小さい厚さ（所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な厚さ）に形成することにより、バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減することができる。これにより、バリア膜上に形成されるＣｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。
よって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載のように、前記絶縁層の下層に、前記Ｃｕ配線と電気的に接続される下配線が形成されていてもよい。この場合、前記溝形成工程後であって前記金属膜被着工程の前に、前記溝から前記下配線に向けて延び、前記絶縁層を厚さ方向に貫通するビアホールを形成するビアホール形成工程が行われ、前記金属膜被着工程後に、前記ビアホールにＣｕを主成分とするビアを形成するビア形成工程が行われることにより、下配線とＣｕ配線との電気的な接続を達成することができる。また、前記金属膜被着工程では、前記溝の内面に加えて、前記ビアホールの側面および前記下配線の表面における前記ビアホールに臨む部分に前記金属膜が被着されることにより、ビアホールの側面に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成することができる。
【００１１】
金属膜の材料であるＭｎＯは、Ｃｕと比較して電気抵抗が高い。そのため、下配線の表面におけるビアホールに臨む部分上にＭｎＯからなる金属膜が存在していると、ビアと下配線との間の電気抵抗が高くなる。
そこで、請求項３に記載のように、前記ビア形成工程に先立ち、水素還元処理により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分からＯを除去する工程を含むことが好ましい。Ｏが除去されることにより、ＭｎＯがＭｎに還元される。そして、Ｍｎがビアなどに拡散することにより、下配線上から金属膜が消失する。
【００１２】
また、その工程に代えて、請求項４に記載のように、前記ビア形成工程に先立ち、逆スパッタ法により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分を選択的に除去する工程が行われてもよい。逆スパッタ法は、スパッタ法と同一のスパッタリング装置で実施することができる。そのため、金属膜における下配線の表面に接する部分を除去する工程で逆スパッタ法が用いられることにより、同一のスパッタリング装置において、金属膜被着工程に連続して、その金属膜の部分的な除去の工程を行うことができる。さらに、Ｃｕ配線がめっき法により形成される場合には、スパッタ法により、金属膜上にシード膜が形成される。この場合、金属膜被着工程およびその金属膜の部分的な除去の工程に加えて、そのシード膜を形成する工程を同一のスパッタリング装置で連続して行うことができる。そのため、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、前記配線形成工程は、スパッタ法により、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とが含まれていてもよい。
ただし、めっき層は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき法により第２配線およびビアが形成される場合には、請求項
６に記載のように、前記配線形成工程後、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含むことが好ましい。これにより、めっき層の結晶構造が均一化（結晶化）されるので、そのめっき層からなるＣｕ配線およびビアの比抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
半導体装置１は、半導体基板（図示せず）上に、Ｃｕを配線材料として用いた多層配線構造を有している。
半導体基板は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板からなる。半導体基板の表層部には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの機能素子が作り込まれている。
【００１５】
半導体基板上には、ＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる第１絶縁層２が積層されている。
第１絶縁層２の表層部には、所定の配線パターンに対応した微細な第１溝３が形成されている。第１溝３の内面（側面および底面）には、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成されている。そして、第１溝３内には、第１バリア膜４を介して、Ｃｕを主成分とする金属材料からなる第１配線５が埋設されている。
【００１６】
第１絶縁層２上には、第２絶縁層６が積層されている。第２絶縁層６は、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０を、第１絶縁層２側からこの順に積層した構造を有している。
拡散防止膜７は、たとえば、ＳｉＣ（炭化シリコン）およびＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）を積層した構造を有している。第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。エッチングストッパ膜９は、たとえば、ＳｉＣからなる。
【００１７】
第２絶縁層６の表層部には、所定の配線パターンに対応した第２溝１１が形成されている。また、第２絶縁層６には、第１配線５と第２溝１１とが対向する部分に、ビアホール１２が貫通して形成されている。
第２溝１１およびビアホール１２の内面には、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成されている。そして、第２溝１１およびビアホール１２内には、第２バリア膜１３を介して、それぞれＣｕを主成分とする金属材料からなる第２配線１４およびビア１５が埋設されている。第２配線１４およびビア１５は、一体をなしている。
【００１８】
図２Ａ〜２Ｇは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図２Ａに示すように、第１バリア膜４および第１配線５が埋設された第１絶縁層２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０がこの順に積層される。これにより、第１絶縁層２上に、第２絶縁層６が形成される。
【００１９】
その後、図２Ｂに示すように、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。具体的には、まず、第２絶縁層６上に、ビアホール１２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８がドライエッチングされる。このとき、適当なタイミングで反応ガス（エッチャント）を切り換えることにより、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。次に、第２絶縁層６上からマスクが除去された後、第２絶縁層６上に、第２溝１１が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有する新たなマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０がドライエッチングされる。その後、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９の露出した部分が除去されることにより、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。
【００２０】
次いで、図２Ｃに示すように、スパッタ法により、第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域、ならびに第１配線５の表面におけるビアホール１２に臨む部分に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。金属膜１８は、第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の厚さ（たとえば、１〜１０ｎｍ）に形成される。このとき、金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分（第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域）には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込む。これにより、第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと金属膜１８中のＭｎＯとが結合して、第２溝１１およびビアホール１８の内面を含む第２絶縁層６の表面全域に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜１３が形成される。金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失し、第１配線５上にのみ金属膜１８が残る。
【００２１】
その後、水素還元処理が行われる。この水素還元処理により、図２Ｄに示すように、第１配線５上に残された金属膜１８が還元されて、その金属膜１８がＭｎからなるＭｎ膜１９に変質する。水素還元処理は、たとえば、水素雰囲気中での熱処理であってもよいし、水素プラズマ処理であってもよい。
次いで、図２Ｅに示すように、スパッタ法により、第２バリア膜１３の表面全域およびＭｎ膜１９の表面を被覆するように、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜２０が形成される。
【００２２】
その後、図２Ｆに示すように、めっき法により、シード膜２０上にＣｕからなるめっき層２１が形成される。めっき層２１は、ビアホール１２および第２溝１１を埋め尽くす厚さに形成される。
めっき層２１は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき成長後には、めっき層２１を結晶化（結晶構造の均一化）するための熱処理が行われる。このとき、図２Ｇに示すように、Ｍｎ膜１９中のＭｎは、めっき層２１中を移動し、めっき層２１の表面に析出する。したがって、Ｍｎ膜１９は、この結晶化のための熱処理時に消失する。
【００２３】
次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、めっき層２１および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、めっき層２１および第２バリア膜１３における第２溝１１外に形成されている不要部分がすべて除去されて、第２絶縁層６（第２層間絶縁膜１０）が露出し、その第２絶縁層６の露出した表面と第２溝１１内のめっき層２１の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００２４】
ＭｎＯからなる金属膜１８は、ＳｉＯ２からなる第２層間絶縁膜１０に対する密着性が比較的高い。そのため、金属膜１８が所望する厚さの第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の小さい厚さに形成されても、第２溝１１の側面からの（第２層間絶縁膜１０に対する）金属膜１８の膜剥がれを生じにくい。したがって、第２溝１１の内面上に第２バリア膜１３を良好に形成することができる。また、第２溝１１の内面に金属膜１８を被着させる際に、スパッタリングのエネルギーによって第２バリア膜１３を形成することができるので、第２バリア膜１３を形成するための熱処理を行う必要がない。
【００２５】
また、水素還元処理により、金属膜１８における第１配線５の表面に接する部分からＯが除去されて、その部分がＭｎからなるＭｎ膜１９に還元される。このＭｎ膜１９は、ビア１５などに拡散することによって消失する。Ｍｎは、Ｃｕよりも電気抵抗が高いので、こうして第１配線５上から金属膜１８（Ｍｎ膜１９）が除去されることにより、第１配線５とビアとの間にＭｎＯからなる金属膜１８が残された構成と比較して、第１配線５と第２配線１４との間の電気抵抗を低減することができる。
【００２６】
また、めっき成長により形成されるめっき層２１は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。めっき層２１の形成後に、めっき層２１の結晶化のための熱処理が行われることにより、めっき層２１の結晶構造が均一化（結晶化）されるので、そのめっき層２１からなる第２配線１４およびビア１５の比抵抗を低減することができる。
【００２７】
図３Ａ〜３Ｇは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図３Ａに示すように、第１バリア膜４および第１配線５が埋設された第１絶縁層２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０がこの順に積層される。これにより、第１絶縁層２上に、第２絶縁層６が形成される。
【００２８】
その後、図３Ｂに示すように、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。具体的には、まず、第２絶縁層６上に、ビアホール１２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８がドライエッチングされる。このとき、適当なタイミングで反応ガス（エッチャント）を切り換えることにより、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。次に、第２絶縁層６上からマスクが除去された後、第２絶縁層６上に、第２溝１１が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有する新たなマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０がドライエッチングされる。その後、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９の露出した部分が除去されることにより、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。
【００２９】
次いで、図３Ｃに示すように、スパッタ法により、第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域、ならびに第１配線５の表面におけるビアホール１２に臨む部分に、ＭｎＯからなる金属膜１８が被着される。金属膜１８は、第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の厚さ（たとえば、１〜１０ｎｍ）に形成される。このとき、金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分（第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域）には、スパッタリングのエネルギーによって、金属膜１８中のＭｎＯが入り込む。これにより、第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと金属膜１８中のＭｎＯとが結合して、第２溝１１およびビアホール１８の内面を含む第２絶縁層６の表面全域に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜１３が形成される。金属膜１８における第２絶縁層６に接する部分は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失し、第１配線５上にのみ金属膜１８が残る。
【００３０】
その後、図３Ｄに示すように、逆スパッタ法により、第１配線５上に残された金属膜１８が除去される。具体的には、金属膜１８に対して、ほぼ鉛直方向（第２絶縁層６の積層方向に沿う方向）からガス粒子（たとえば、アルゴンガス粒子）を衝突させることにより、第１配線５上に形成された部分が除去される。第２バリア膜１３は、第２絶縁層６と強く結合しているため、この逆スパッタ法によって除去されない。
【００３１】
次いで、図３Ｅに示すように、スパッタ法により、第２バリア膜１３の表面全域および第１配線５におけるビアホール１２を介して露出する部分を被覆するように、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜２０が形成される。
その後、図３Ｆに示すように、めっき法により、シード膜２０上にＣｕからなるめっき層２１が形成される。めっき層２１は、ビアホール１２および第２溝１１を埋め尽くす厚さに形成される。
【００３２】
次に、めっき層２１を結晶化（結晶構造の均一化）するための熱処理が行われる。
そして、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、めっき層２１および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、めっき層２１および第２バリア膜１３における第２溝１１外に形成されている不要部分がすべて除去されて、第２絶縁層６（第２層間絶縁膜１０）が露出し、その第２絶縁層６の露出した表面と第２溝１１内のめっき層２１の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００３３】
この実施形態に係る製造方法によっても、第１の実施形態に係る製造方法（図２Ａ〜図２Ｇ）と同様の効果を奏することができる。また、この実施形態では、逆スパッタ法によって、第２バリア膜１３の形成後に、第１配線５上に残された金属膜が除去される。これにより、第１配線５と第２配線１４との間の電気抵抗を低減することができる。
また、スパッタ法および逆スパッタ法は、同一のスパッタリング装置で実施することができるので、金属膜１８におけるビアホール１２の底面上に形成された部分を除去するために逆スパッタ法が用いられることにより、同一のスパッタリング装置において、金属膜１８を形成する工程に連続して、その金属膜１８の部分的な除去の工程を行うことができる。さらに、金属膜１８の除去の工程に連続して、シード膜２０を形成する工程を行うことができる。したがって、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置１の製造に要する時間を短縮することができる。
【００３４】
なお、第１バリア膜４および第１配線５の形成手法については、その説明を省略したが、第１バリア膜４および第１配線５は、第２バリア膜１３および第２配線１４の形成手法と同様な手法で形成することができる。すなわち、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第１絶縁層２にその表面から掘り下がった形状の第１溝３が形成された後、スパッタ法により、ＭｎＯからなる金属膜が第１溝３の側面および底面に被着される。このとき、スパッタリングのエネルギーによって第１絶縁層２中のＳｉおよびＯと、金属膜中のＭｎＯとが結合し、第１溝３の側面および底面上に、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成される。その後、第１バリア膜４上に、めっき法により、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜およびＣｕからなるめっき層が順に形成される。そして、ＣＭＰ法により、そのめっき層の不要部分（第１溝３外の部分）が除去される。これにより、第１溝３内に、第１バリア膜４および第１配線５が得られる。
【００３５】
以上、本発明の２つの実施形態を説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、拡散防止膜７は、ＳｉＣおよびＳｉＣＮを積層した構造を有しているとした。しかし、拡散防止膜７は、Ｃｕの拡散に対するバリア性を有していればよく、たとえば、ＳｉＣのみからなる構造であってもよい。
【００３６】
また、第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、ＳｉＯ２からなるとした。しかし、第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０の材料は、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料であればよく、その材料として、ＳｉＯ２以外に、たとえば、ＳｉＯＣ（炭素が添加された酸化シリコン）、またはＳｉＯＦ（フッ素が添加された酸化シリコン）などを例示することができる。
【００３７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、図２Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、図２Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１に示す半導体装置の他の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、図３Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、図３Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 半導体装置
６ 第２絶縁層（絶縁層）
１１ 第２溝（溝）
１２ ビアホール
１３ 第２バリア膜（バリア膜）
１４ 第２配線（Ｃｕ配線）
１５ ビア
１８ 金属膜
１９ Ｍｎ膜
２０ シード膜
２１ めっき層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、
スパッタ法により、前記溝の内面にＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数）からなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、
前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程とを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁層の下層には、前記Ｃｕ配線と電気的に接続される下配線が形成されており、
前記溝形成工程後であって前記金属膜被着工程の前に、前記溝から前記下配線に向けて延び、前期絶縁層を厚さ方向に貫通するビアホールを形成するビアホール形成工程と、
前記金属膜被着工程後に、前記ビアホールにＣｕを主成分とするビアを形成するビア形成工程とを含み、
前記金属膜被着工程では、前記溝の内面に加えて、前記ビアホールの側面および前記下配線の表面における前記ビアホールに臨む部分に前記金属膜が被着される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ビア形成工程に先立ち、水素還元処理により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分からＯを除去する工程を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ビア形成工程に先立ち、逆スパッタ法により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分を選択的に除去する工程を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記配線形成工程は、
スパッタ法により、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、
めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記配線形成工程後、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含む、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、
スパッタ法により、前記溝の内面にＭｎＯｘ（ｘ：零よりも大きい数）からなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、
前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程とを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁層の下層には、前記Ｃｕ配線と電気的に接続される下配線が形成されており、
前記溝形成工程後であって前記金属膜被着工程の前に、前記溝から前記下配線に向けて延び、前期絶縁層を厚さ方向に貫通するビアホールを形成するビアホール形成工程と、
前記金属膜被着工程後に、前記ビアホールにＣｕを主成分とするビアを形成するビア形成工程とを含み、
前記金属膜被着工程では、前記溝の内面に加えて、前記ビアホールの側面および前記下配線の表面における前記ビアホールに臨む部分に前記金属膜が被着される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ビア形成工程に先立ち、水素還元処理により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分からＯを除去する工程を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ビア形成工程に先立ち、逆スパッタ法により、前記金属膜における前記下配線の表面に接する部分を選択的に除去する工程を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記配線形成工程は、
スパッタ法により、前記金属膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、
めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記配線形成工程後、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含む、請求項５に記載の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２Ｇ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【公開番号】特開２０１０−４０７７１（Ｐ２０１０−４０７７１Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０２１３８（Ｐ２００８−２０２１３８）
【出願日】平成２０年８月５日（２００８．８．５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月５日（２００８．８．５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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