半導体装置の製造方法
【課題】銅配線を有する半導体装置において、銅配線の配線抵抗やコンタクトと抵抗を増加することなく信頼性を向上しうる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁膜に形成された開口部内に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜と、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜と、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜と、銅を主材料とする第４の膜とを含む配線層を形成した後、熱処理により、絶縁膜と第４の膜との間に、第１金属材料、第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する。
【解決手段】絶縁膜に形成された開口部内に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜と、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜と、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜と、銅を主材料とする第４の膜とを含む配線層を形成した後、熱処理により、絶縁膜と第４の膜との間に、第１金属材料、第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する。
【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係り、特に、銅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】
銅配線を有する半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延を軽減するため、層間絶縁膜としては低誘電率膜が用いられている。また、層間絶縁膜中への銅の拡散を防止するバリア膜としては、タンタル、チタンなどの高融点金属やその窒化物を含む金属膜が用いられている。
【０００３】
しかしながら、半導体装置の小型化に伴う配線溝やビアホールの微細化、層間絶縁膜の低誘電率化に伴い、バリア膜の溝部でのカバレッジの低下や、低誘電率膜によるバリア膜の酸化の影響により、バリア膜のバリア性が低下し信頼性の確保が難しくなっている。
このような背景において、近年、銅配線の信頼性を向上する技術として、銅を主体とするマンガン（Ｍｎ）を含む合金（Ｍｎ合金材）を用いてバリア膜を形成する方法が提案されている。Ｍｎ合金材を用いた新たなバリア化合物膜の形成技術は、配線層内に添加合金元素（Ｍｎ）を導入して熱処理を施すことで、自己修復的或いは自己整合的に導電部と層間絶縁膜との界面に拡散防止機能を有する層を形成するものである。これにより、界面における密着性とバリア性が確保され、銅配線の信頼性を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７３９０号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１７７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Haneda et al., "Self-Restored Barrier using Cu-Mn Alloy", ADMETA, Vol. 124, pp. 27-28, 2007
【非特許文献２】Kudo et al., "Further Enhancement of Electro-migration Resistance by Combination of Self-aligned Barrier and Copper Wiring Encapsulation Techniques for 32-nm Nodes and Beyond", International Interconnect Technology Conference, 2008, pp. 117-119
【非特許文献３】Kudo et al., "Copper Wiring Encapsulation at Semi-Global Level to Enhance Wiring and Dielectric Reliabilities for Next-Generation Technology Nodes", International Interconnect Technology Conference, 2009, pp. 188-190
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
配線層に添加されるＭｎは、配線層内を拡散し、層間絶縁膜との界面においてバリア膜の高融点金属材、層間絶縁膜からの酸素、及びＭｎを含む複合バリア化合物層を形成する反応によって配線層内から消費される。しかしながら、配線層内にＭｎを添加する上記方法では、複合バリア化合物層の形成反応に寄与しない余剰のＭｎが配線又はビア中に残留し、配線抵抗やコンタクト抵抗の増大することがあった。
【０００７】
本発明の目的は、銅配線を有する半導体装置において、銅配線の配線抵抗やコンタクトと抵抗を増加することなく信頼性を向上しうる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】
【０００８】
実施形態の一観点によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、前記第２の膜上に、銅と、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
また、実施形態の他の観点によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、前記第２の膜上に、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示の半導体装置の製造方法によれば、第１金属材料を含む第１の膜と、銅と第２金属材料とを含む第３の膜との間に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成するので、第２金属材料と酸素とが効率的に結合し、バリア層の形成を促進することができる。これにより、配線層中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層は、配線層と絶縁膜との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図５】図５は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図６】図６は、第１実施形態の変形例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】図７は、第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
第１実施形態による半導体装置の製造方法について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。図２乃至図５は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００１４】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図１を用いて説明する。
【００１５】
図示しない基板上には、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０が形成されている。配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上には、バリア層１４、低誘電率絶縁膜１６及びエッチングストッパ膜１８を含む層間絶縁膜２０が形成されている。層間絶縁膜２０には、配線層１２に達するビアホール２２と、ビアホール２２に接続された配線溝２４とが形成されている。
【００１６】
ビアホール２２及び配線溝２４の内壁及び底部には、単独で銅に対してバリア性を発揮する第１金属材料と、酸素と結合しやすい材料であって酸素と結合することにより銅に対してバリア性を発現する第２金属材料と、酸素とを含むバリア層３８が形成されている。バリア層３８が形成されたビアホール２２及び配線溝２４内には、銅を主材料とする配線材料３２が埋め込まれている。これにより、ビアホール２２及び配線溝２４内には、バリア層３８及び配線材料３２を含み、ビアホール２２を介して配線層１２に接続された配線層４０が形成されている。
【００１７】
配線層４０が埋め込まれた層間絶縁膜２０上には、更に上層に形成する層間絶縁膜（図示せず）の一部をなすエッチングストッパ膜３６が形成されている。
【００１８】
上述のように、本実施形態による半導体装置では、配線層４０のバリア層３８が、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む材料により形成されている。
【００１９】
ここで、第１金属材料は、単独で銅に対してバリア性を発揮する材料であり、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、Ｃｏ（コバルト）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）を含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む高融点金属材料である。第２金属材料は、酸素と結合しやすい材料であって酸素と結合することにより銅に対してバリア性を発現する材料であり、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む金属材料である。すなわち、バリア層３８の構成材料としては、ＴａＭｎＯ、ＴｉＭｎＯ、ＣｏＭｎＯ、ＺｒＭｎＯ、ＲｕＭｎＯ、ＴａＡｌＯ、ＴｉＡｌＯ、ＣｏＡｌＯ、ＺｒＡｌＯ、ＴａＴｉＯ、ＣｏＴｉＯ、ＺｒＴｉＯ、ＲｕＴｉＯ及びＲｕＡｌＯやこれらの混合物を含む材料が挙げられる。
【００２０】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２乃至図６を用いて説明する。
【００２１】
図示しない基板上には、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０が形成されている。ここで基板とは、半導体基板そのもののみならず、半導体基板上にトランジスタ等の素子や１層又は２層以上の配線層が形成された基板をも含むものである。本明細書では、層間絶縁膜１０をも含めて基板と呼ぶこともある。また、配線層１２は、特に限定されるものではないが、例えば、銅を主材料とする配線層である。この場合、配線層１２は、後述する配線層と同様の製造方法により形成してもよい。
【００２２】
次いで、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上に、キャップ膜１４を形成する。
【００２３】
キャップ膜１４は、主として、配線層１２の構成材料が層間絶縁膜中に拡散するのを防止するためのものである。キャップ膜１４は、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料としたＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法によるＴＥＯＳ酸化膜（ＳｉＯ）により形成することができる。或いは、キャップ膜１４は、オルガノシラン系材料やシランガスを原料としたＰＥＣＶＤ法による炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等により形成することもできる。
【００２４】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のキャップ膜１４を形成する。ＳｉＣ膜は、例えばテトラメチルシラン（４ＭＳ）を原料としたＰＥＣＶＤ法により、基板温度を３００〜４５０℃、例えば４００℃で形成することができる。
【００２５】
次いで、キャップ膜１４上に、層間絶縁膜の主要部分をなす絶縁膜１６を形成する。
【００２６】
絶縁膜１６は、ＴＥＯＳやシランガスを原料としたＰＥＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜（ＳｉＯ）、ＰＥＣＶＤ法や塗布法により形成される無機或いは有機の、いわゆるｌｏｗ−ｋ膜と呼ばれる低誘電率膜等により形成することができる。無機低誘電率膜としては、例えば、オルガノシラン系材料による酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）などの低誘電率膜、オルガノシロキサン系材料膜、水素化シロキサン系材料膜、ポーラスシリカ系材料のナノクラスタリングシリカ膜等を適用することができる。オルガノシラン系の材料としては、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ジエトキシメチルシラン（ＤＥＭＳ）、ジメチルジメトキシシラン（ＤＭＤＭＯＳ）、トリメチルメトキシシラン（ＴＭ−ＭＯＳ）等を用いることができる。有機低誘電率膜としては、例えば、ダウケミカル社製の「ＳｉＬＫ」（登録商標）、ハネウェル社製の「ＦＬＡＲＥ」（登録商標）などの芳香族ポリエーテル膜等を適用することができる。
【００２７】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３００ｎｍのＳｉＯＣ膜を堆積し、ＳｉＯＣ膜の絶縁膜１６を形成する。ＳｉＯＣ膜は、原料として例えばＴＭ−ＭＯＳを用い、基板温度を３００〜４５０℃、例えば３５０℃で形成することができる。
【００２８】
次いで、絶縁膜１６上に、エッチングストッパ膜１８を形成する。
【００２９】
エッチングストッパ膜１８は、上層及び／又は下層に形成する絶縁膜に対するエッチング選択性を有する材料により形成する。エッチングストッパ膜１８としては、例えば、ＰＥＣＶＤ法によるＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜等を適用することができる。
【００３０】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のエッチングストッパ膜１８を形成する。ＳｉＣ膜は、原料として例えば４ＭＳを用い、基板温度を３５０〜４００℃、例えば４００℃で形成する。
【００３１】
こうして、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上に、キャップ膜１４、絶縁膜１６及びエッチングストッパ膜１８を有する層間絶縁膜２０を形成する（図２（ａ））。
【００３２】
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜２０に、配線層１２に接続されるビアホール２２と、ビアホール２２に接続された配線溝２４とを形成する（図２（ｂ））。配線溝２４の幅は、特に限定されるものではないが、例えば５０〜３００００ｎｍとする。ビアホールの径は、特に限定されるものではないが、例えば７０ｎｍとする。ビア高さは、特に限定されるものではないが、例えば１５０ｎｍとする。
【００３３】
ビアホール２２及び配線溝２４は、一般的なデュアルダマシンプロセスを用いて形成することができる。絶縁膜１６の中間部分に、配線溝２４のエッチングを停止するための中間ストッパ層を設けるようにしてもよい。
【００３４】
次いで、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ））。バリア層２６は、第１金属材料、すなわち、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む高融点金属材料により形成する。バリア層２６は、単層構造でもよいし積層構造としてもよい。例えば、金属層と金属元素の窒化膜との積層構造として、例えばＴａ／ＴａＮ、Ｔｉ／ＴｉＮや、金属層同士の積層構造として、例えばＣｏ／Ｔａ、Ｃｏ／Ｔｉ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔａなどでもよい。
【００３５】
ここでは、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚３〜１０ｎｍのＴａ膜を堆積し、Ｔａ膜のバリア層２６を形成する。Ｔａ膜の成膜条件は、放電用ガスを例えばアルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ２）とし、ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２とする。
【００３６】
次いで、バリア層２６上に、例えばスパッタリング法により、酸素を含有する銅層（以下、「酸素含有銅層」という）２８を形成する（図３（ｂ））。酸素含有銅層２８の形成条件は、例えば、放電用ガスとして例えば酸素（Ｏ２）を添加したＡｒを用い、銅ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２とする。
【００３７】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量は、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが望ましい。１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素を含有するのは、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の酸素含有量では、酸素を添加することによる効果を十分に得られないからである。酸素含有量を１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とするのは、配線層４０内にバリア層３８の形成に寄与しない余剰の酸素が残留した場合にも、配線層４０の抵抗や配線層１２に対するコンタクト抵抗の増大を防止できるからである。なお、一般的な純銅シード及び銅めっきを用いた場合の銅配線中における平均酸素濃度は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、この程度の酸素含有量であれば、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗に与える影響は十分に小さい。
【００３８】
また、酸素含有銅層２８の膜厚は、以後に説明する合金層３０の形成の際に、最大の配線幅を有する配線溝２４の底部に形成される合金層３０中に含有される第２金属材料の量相当以上の酸素量を含有する膜厚とすることが望ましい。かかる観点から、酸素含有銅層２８の膜厚は、少なくとも０．５ｎｍ以上、好ましくは０．５〜５ｎｍの膜厚で形成することが望ましい。これにより、バリア層３８を形成する際の熱処理において、合金層３０中の第２金属材料と酸素含有銅層２８中の酸素との反応によって第２金属材料を効率よく消費することができ、配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができる。
【００３９】
なお、酸素含有銅層２８として、金属の酸化物層、例えば銅酸化物層を用いると、コンタクト抵抗の上昇や密着性の低下が生じる虞がある。酸素含有銅層２８は、膜中に酸素を含有する銅層であることが望ましい。
【００４０】
また、酸素含有銅層２８は、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。バリア層２６の形成後、酸素含有銅層２８の形成前に大気暴露を行うと、反応化合物層と導電部との間の密着性が低下し信頼性が劣化する虞があるからである。
【００４１】
次いで、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ））。合金層３０としては、例えば、ＣｕＭｎ、ＣｕＴｉ、ＣｕＡｌ等を適用することができる。
【００４２】
ここでは、合金層３０として、例えば膜厚０．５〜６０ｎｍのＣｕＭｎ層を形成する。ＣｕＭｎ層は、例えばスパッタリング法により、０．１〜１０ａｔｏｍ％のＭｎを含有した銅ターゲットを用い、放電用ガスとしてＡｒを用い、ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２、雰囲気圧力を例えば１０−５〜１０Ｐａとして形成する。このとき、基板に５〜１５ｍＷ／ｍｍ２のバイアス電力を印加してもよい。
【００４３】
次いで、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、例えば膜厚５００ｎｍのＣｕを主材料とする配線材料３２を形成する（図４（ｂ））。
【００４４】
Ｃｕを主材料とする配線材料３２は、例えば、電解銅めっき法により形成することができる。この場合、銅めっき用の電極となる銅膜（図示せず）を、予め合金層３０上に形成しておいてもよい。配線材料３２は、例えば、所定の濃度に調整された硫酸銅溶浴を用い、電流密度を例えば３ｍＡ／ｃｍ２〜５５ｍＡ／ｃｍ２とし、膜厚を例えば２００ｎｍ〜５０００ｎｍとする。
【００４５】
Ｃｕを主材料とする配線材料３２は、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳ（Trimethylvinylsilyl hexafluoroacetylacetonate Cu(I)）を用いたＣＶＤ法により形成することもできる。この場合の成膜条件は、例えば、主原料の流量を０．３ｇ〜０．５ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を６００ｓｃｃｍ、基板温度を１６０〜２００℃、成膜圧力を１５０〜８００Ｐａとすることができる。
【００４６】
次いで、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のために、Ｈ２／Ｎ２雰囲気下において、温度１５０℃〜３５０℃、例えば２５０℃、時間９０秒〜９０分、例えば９０秒間の熱処理を行う。
【００４７】
次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去する。こうして、ビアホール２２及び配線溝２４内に埋め込まれた配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６により、ビアホール２２を介して配線層１２に接続された配線層３４を形成する（図５（ａ））。
【００４８】
次いで、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００４９】
キャップ膜３６は、キャップ膜１４と同様、主として、配線層１２の構成材料が層間絶縁膜２０中に拡散するのを防止するためのものである。キャップ膜３６は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ等により形成することもできる。
【００５０】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のキャップ膜３４を形成する。ＳｉＣ膜は、例えばＰＥＣＶＤ法により、原料として４ＭＳを、キャリアガスとしてＣＯ２を用い、基板温度３００〜４５０℃、例えば４００℃で形成することができる。
【００５１】
この後、３００〜４５０℃程度、例えば４００℃の熱処理を行う。この熱処理により、合金層３０に含まれる第２金属材料は配線層３４内を拡散し、配線層３４と層間絶縁膜２０との界面において、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む化合物層（バリア層３８）を形成する。これにより配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を含む配線層３４は、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０となる（図５（ｂ））。
【００５２】
このバリア層３８は、バリア層２６、酸素含有銅層２８、及び合金層３０の反応によって形成されたものであり、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む化合物層である。例えば、第１金属材料であるＴａのバリア層２６と、第２金属材料であるＭｎを含むＣｕＭｎの合金層３０とを用いた上述の例では、ＴａＭｎＯのバリア層３８が形成される。
【００５３】
なお、バリア層３８を形成する際の反応では、層間絶縁膜２０（例えば絶縁膜１６）から酸素が供給されることもある。また、バリア層３８中に層間絶縁膜２０の構成材料であるシリコン（Ｓｉ）が含まれることもある。
【００５４】
バリア層３８を形成するための熱処理は、個別の熱処理工程を追加してもよいし、バックエンドプロセスで行われる３００℃以上の熱負荷を利用してもよい。上述の製造方法では、例えば、キャップ膜３６を形成する際の４００℃の熱負荷を利用することができる。バリア層３８を形成するための熱処理は、配線材料３２を堆積後であれば、ＣＭＰによる研磨前に行ってもよい。
【００５５】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【００５６】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、バリア層２６と配線材料３２との間に酸素含有銅層２８及び合金層３０を形成している。これにより、バリア層２６のカバレッジが悪くバリア性の低下している部分が存在するような場合にも、その部分において合金層３０中の第２金属材料と酸素含有銅層２８中の酸素とが反応し、銅に対してバリア性の高い化合物を自己修復的に形成することができる。これにより、低下しているバリア層２６のバリア性を補うことができ、配線の信頼性を向上することができる。
【００５７】
また、酸素含有銅層２８を形成することにより、バリア層３８の形成の際に合金層３０中の第２金属材料を効率的に消費することができ、配線材料３２中に残留する第２金属材料に起因する配線層４０の抵抗の増加や配線層１２に対するコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。特に、酸素含有銅層２８中の酸素含有量を、最大の配線幅を有する配線溝２４の底部に形成される合金層３０中に含有される第２金属材料の量相当以上にすることで、バリア層３８を形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を大幅に低減することができる。
【００５８】
酸素含有銅層２８を形成することは、配線溝２４の底部にキャップ膜やエッチングストッパ膜が露出しているような場合に、特に効果的である。
【００５９】
例えば、中間ストッパ層を用いたデュアルダマシンプロセスでは、例えば図６（ａ）に示すように、配線溝２４の底部にはエッチングストッパ膜４２が露出する。また、シングルダマシンプロセスでは、例えば図６（ｂ）に示すように、配線溝２４の底部にはキャップ膜４４が露出する。エッチングストッパ膜４２やキャップ膜４２としては、ＳｉＣ膜やＳｉＮ膜など、酸素含有量の少ない絶縁膜が用いられることが多い。この場合、酸素含有銅層２８が存在しないと、配線溝２４の側壁部分では絶縁膜１６から酸素が供給されるが、配線溝２４の底部ではバリア層３８の形成の際に下層の層間絶縁膜から十分に酸素を供給することができず、合金層３０中に含有される第２金属材料を効率的に消費できない。この結果、バリア層３８の形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度が増加し、ひいては配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗が増加してしまう。
【００６０】
バリア層２６と合金層３０との間に酸素含有銅層２８を設けることにより、配線溝２４の底部にエッチングストッパ膜４２やキャップ膜４４が露出しているような場合にも、合金層３０中の第２金属材料を酸素含有銅層２８中の酸素によって効率的に消費することができる。これにより、配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を大幅に減らすことができる。
【００６１】
酸素含有銅層２８を形成することの効果は、線幅の太い配線層において特に大きい。
【００６２】
バリア層３８の形成反応は、半導体装置の構造、溝部側壁及び底部の絶縁膜の種類、第２金属材料の導入量、反応温度等の影響を受ける。基本的には、層間絶縁膜（絶縁膜１６）による第１金属材料の酸化が起こりやすい微細溝の側壁部分での反応が最も起こりやすく、配線幅が太くなるに従って相対的に起こりにくくなる。
【００６３】
線幅の太い配線層では、アスペクト比の違いに起因して、線幅の細い配線層の場合よりも、配線溝の底部に堆積される合金層３０の膜厚が厚くなる傾向にある。また、スパッタリング法などのＰＶＤ法を用いた場合、配線溝２４の底部に比べ側壁で相対的に膜が薄く形成されるため、細幅配線ほどバリア層３８の形成反応が起こりやすい。これらのことは、線幅の太い配線層において、配線溝２４の底部領域に堆積される第２金属材料の量が増加し、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗への影響が大きくなることを意味している。酸素含有銅層２８を形成することにより、線幅の太い配線層においても、バリア層３８の形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を効率的に低下することができる。
【００６４】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００６５】
［第２実施形態］
第２実施形態による半導体装置の製造方法について図２乃至図５を参照して説明する。第１実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００６６】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、酸素含有銅層２８の形成方法が異なるほかは、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様である。
【００６７】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０に、ビアホール２２及び配線溝２４を形成する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。
【００６８】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ）参照）。
【００６９】
次いで、バリア層２６上に、例えばＣＶＤ法により、酸素含有銅層２８を形成する（図３（ｂ）参照）。酸素含有銅層２８の形成条件は、例えば、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用い、主原料の流量を例えば０．０５ｇ／ｍｉｎ〜０．２ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を例えば６００ｓｃｃｍ、基板温度を例えば１７０℃、成膜圧力を例えば１５０Ｐａとする。低温でデポレートを低下して堆積することにより、銅膜中に酸素を含有させることができる。
【００７０】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量及び酸素含有銅層２８の膜厚は、第１実施形態の場合と同様である。
【００７１】
なお、ＣＶＤ法による酸素含有銅層２８の形成に、ここでは原料としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用いているが、所定量の酸素を含有する銅層を形成できるものであれば、他の公知の材料や条件を用いてもよい。
【００７２】
また、酸素含有銅層２８は、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。
【００７３】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ）参照）。
【００７４】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、配線材料３２を形成する（図４（ｂ）参照）。
【００７５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のための熱処理を行う。
【００７６】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＣＭＰ法により層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去し、配線層３４を形成する（図５（ａ）参照）。
【００７７】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００７８】
この後、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、バリア層３８を形成するための熱処理を行い、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０を形成する（図５（ｂ）参照）。
【００７９】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【００８０】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００８１】
［第３実施形態］
第３実施形態による半導体装置の製造方法について図７を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１及び第２実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００８２】
図７は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００８３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、酸素含有銅層２８の形成方法が異なるほかは、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様である。
【００８４】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０に、ビアホール２２及び配線溝２４を形成する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。
【００８５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ）参照）。
【００８６】
次いで、バリア層２６上に、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法により、例えば膜厚０．５ｎｍ〜５ｎｍの銅層２８ａを形成する（図７（ａ））。
【００８７】
スパッタリング法による銅層２８ａの形成条件は、例えば、銅ターゲットを用い、放電用ガスとして例えばＡｒを用い、銅ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２、雰囲気圧力を例えば１０−５Ｐａ〜１０Ｐａとする。このとき、基板に５〜１５ｍＷ／ｍｍ２のバイアス電力を印加してもよい。
【００８８】
ＣＶＤ法による銅層２８ａの形成条件は、例えば、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用い、主原料の流量を例えば０．３ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を例えば６００ｓｃｃｍ、基板温度を例えば１８０℃、成膜圧力を例えば１００Ｐａとする。この条件で形成される銅層２８ａの酸素含有量は、３×１０１８ｃｍ−３程度となる。
【００８９】
なお、ＣＶＤ法による銅層２８ａの形成に、ここでは原料としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用いているが、他の公知の材料や条件を用いてもよい。
【００９０】
また、銅層２８ａは、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。
【００９１】
次いで、銅層２８ａの表面側を薄く酸化し、酸素含有銅層２８を形成する（図７（ｂ））。酸素含有銅層２８は、例えば、酸化剤として酸素ガスを用い、２００℃より低い温度で酸化の処理を行うことにより形成することができる。例えば、処理室内を酸素を含む減圧雰囲気とし、８０℃〜１５０℃の熱処理を行う。
【００９２】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量は、第１実施形態の場合と同様である。
【００９３】
なお、銅層２８ａの酸化は、銅層２８ａの形成後、大気暴露を行わずに連続して行うことが望ましい。
【００９４】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ）参照）。
【００９５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、配線材料３２を形成する（図４（ｂ）参照）。
【００９６】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のための熱処理を行う。
【００９７】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＣＭＰ法により層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去し、配線層３４を形成する（図５（ａ）参照）。
【００９８】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００９９】
この後、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、バリア層３８を形成するための熱処理を行い、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０を形成する（図５（ｂ）参照）。
【０１００】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【０１０１】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【０１０２】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１０３】
例えば、上記実施形態では、デュアルダマシンプロセスによって配線層４０を形成する場合を示したが、シングルダマシンプロセスによって配線層４０を形成するようにしてもよい。
【０１０４】
また、上記実施形態では、絶縁膜１６をＳｉＯＣ膜により形成したが、絶縁膜１６を形成する材料は、これに限定されるものではない。バリア層３８の形成を促進する観点からは、酸素を含む材料であることが望ましい。また、半導体プロセスに対する整合性の観点からは、シリコン系の絶縁材料であることが望ましい。なお、本明細書においてシリコン系の絶縁材料とは、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化炭化シリコン、炭化窒化シリコン等、又はこれらを含む絶縁膜である。
【０１０５】
また、上記実施形態では、第１金属材料としてＴａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む材料を、第２金属材料としてＭｎ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む材料を例示したが、これらと同様の物性を有する他の材料を適用してもよい。
【０１０６】
また、上記実施形態に記載の製造条件は、本願発明者が用いた装置における好適な条件であり、開示の半導体装置の製造方法は、上記実施形態に記載の製造条件に限定されるものではない。本発明の効果を実現しうる範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０，２０…層間絶縁膜
１２，３４，４０…配線層
１４，３６，４４…キャップ膜
１６…絶縁膜
１８，４２…エッチングストッパ膜
２２…ビアホール
２４…配線溝
２６，３８…バリア層
２８ａ…銅層
２８…酸素含有銅層
３０…合金層
３２…配線材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、銅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】
銅配線を有する半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延を軽減するため、層間絶縁膜としては低誘電率膜が用いられている。また、層間絶縁膜中への銅の拡散を防止するバリア膜としては、タンタル、チタンなどの高融点金属やその窒化物を含む金属膜が用いられている。
【０００３】
しかしながら、半導体装置の小型化に伴う配線溝やビアホールの微細化、層間絶縁膜の低誘電率化に伴い、バリア膜の溝部でのカバレッジの低下や、低誘電率膜によるバリア膜の酸化の影響により、バリア膜のバリア性が低下し信頼性の確保が難しくなっている。
このような背景において、近年、銅配線の信頼性を向上する技術として、銅を主体とするマンガン（Ｍｎ）を含む合金（Ｍｎ合金材）を用いてバリア膜を形成する方法が提案されている。Ｍｎ合金材を用いた新たなバリア化合物膜の形成技術は、配線層内に添加合金元素（Ｍｎ）を導入して熱処理を施すことで、自己修復的或いは自己整合的に導電部と層間絶縁膜との界面に拡散防止機能を有する層を形成するものである。これにより、界面における密着性とバリア性が確保され、銅配線の信頼性を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７３９０号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１７７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Haneda et al., "Self-Restored Barrier using Cu-Mn Alloy", ADMETA, Vol. 124, pp. 27-28, 2007
【非特許文献２】Kudo et al., "Further Enhancement of Electro-migration Resistance by Combination of Self-aligned Barrier and Copper Wiring Encapsulation Techniques for 32-nm Nodes and Beyond", International Interconnect Technology Conference, 2008, pp. 117-119
【非特許文献３】Kudo et al., "Copper Wiring Encapsulation at Semi-Global Level to Enhance Wiring and Dielectric Reliabilities for Next-Generation Technology Nodes", International Interconnect Technology Conference, 2009, pp. 188-190
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
配線層に添加されるＭｎは、配線層内を拡散し、層間絶縁膜との界面においてバリア膜の高融点金属材、層間絶縁膜からの酸素、及びＭｎを含む複合バリア化合物層を形成する反応によって配線層内から消費される。しかしながら、配線層内にＭｎを添加する上記方法では、複合バリア化合物層の形成反応に寄与しない余剰のＭｎが配線又はビア中に残留し、配線抵抗やコンタクト抵抗の増大することがあった。
【０００７】
本発明の目的は、銅配線を有する半導体装置において、銅配線の配線抵抗やコンタクトと抵抗を増加することなく信頼性を向上しうる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】
【０００８】
実施形態の一観点によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、前記第２の膜上に、銅と、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
また、実施形態の他の観点によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、前記第２の膜上に、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示の半導体装置の製造方法によれば、第１金属材料を含む第１の膜と、銅と第２金属材料とを含む第３の膜との間に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成するので、第２金属材料と酸素とが効率的に結合し、バリア層の形成を促進することができる。これにより、配線層中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層は、配線層と絶縁膜との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図５】図５は、第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図６】図６は、第１実施形態の変形例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】図７は、第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
第１実施形態による半導体装置の製造方法について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。図２乃至図５は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００１４】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図１を用いて説明する。
【００１５】
図示しない基板上には、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０が形成されている。配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上には、バリア層１４、低誘電率絶縁膜１６及びエッチングストッパ膜１８を含む層間絶縁膜２０が形成されている。層間絶縁膜２０には、配線層１２に達するビアホール２２と、ビアホール２２に接続された配線溝２４とが形成されている。
【００１６】
ビアホール２２及び配線溝２４の内壁及び底部には、単独で銅に対してバリア性を発揮する第１金属材料と、酸素と結合しやすい材料であって酸素と結合することにより銅に対してバリア性を発現する第２金属材料と、酸素とを含むバリア層３８が形成されている。バリア層３８が形成されたビアホール２２及び配線溝２４内には、銅を主材料とする配線材料３２が埋め込まれている。これにより、ビアホール２２及び配線溝２４内には、バリア層３８及び配線材料３２を含み、ビアホール２２を介して配線層１２に接続された配線層４０が形成されている。
【００１７】
配線層４０が埋め込まれた層間絶縁膜２０上には、更に上層に形成する層間絶縁膜（図示せず）の一部をなすエッチングストッパ膜３６が形成されている。
【００１８】
上述のように、本実施形態による半導体装置では、配線層４０のバリア層３８が、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む材料により形成されている。
【００１９】
ここで、第１金属材料は、単独で銅に対してバリア性を発揮する材料であり、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、Ｃｏ（コバルト）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）を含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む高融点金属材料である。第２金属材料は、酸素と結合しやすい材料であって酸素と結合することにより銅に対してバリア性を発現する材料であり、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む金属材料である。すなわち、バリア層３８の構成材料としては、ＴａＭｎＯ、ＴｉＭｎＯ、ＣｏＭｎＯ、ＺｒＭｎＯ、ＲｕＭｎＯ、ＴａＡｌＯ、ＴｉＡｌＯ、ＣｏＡｌＯ、ＺｒＡｌＯ、ＴａＴｉＯ、ＣｏＴｉＯ、ＺｒＴｉＯ、ＲｕＴｉＯ及びＲｕＡｌＯやこれらの混合物を含む材料が挙げられる。
【００２０】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２乃至図６を用いて説明する。
【００２１】
図示しない基板上には、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０が形成されている。ここで基板とは、半導体基板そのもののみならず、半導体基板上にトランジスタ等の素子や１層又は２層以上の配線層が形成された基板をも含むものである。本明細書では、層間絶縁膜１０をも含めて基板と呼ぶこともある。また、配線層１２は、特に限定されるものではないが、例えば、銅を主材料とする配線層である。この場合、配線層１２は、後述する配線層と同様の製造方法により形成してもよい。
【００２２】
次いで、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上に、キャップ膜１４を形成する。
【００２３】
キャップ膜１４は、主として、配線層１２の構成材料が層間絶縁膜中に拡散するのを防止するためのものである。キャップ膜１４は、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料としたＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法によるＴＥＯＳ酸化膜（ＳｉＯ）により形成することができる。或いは、キャップ膜１４は、オルガノシラン系材料やシランガスを原料としたＰＥＣＶＤ法による炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等により形成することもできる。
【００２４】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のキャップ膜１４を形成する。ＳｉＣ膜は、例えばテトラメチルシラン（４ＭＳ）を原料としたＰＥＣＶＤ法により、基板温度を３００〜４５０℃、例えば４００℃で形成することができる。
【００２５】
次いで、キャップ膜１４上に、層間絶縁膜の主要部分をなす絶縁膜１６を形成する。
【００２６】
絶縁膜１６は、ＴＥＯＳやシランガスを原料としたＰＥＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜（ＳｉＯ）、ＰＥＣＶＤ法や塗布法により形成される無機或いは有機の、いわゆるｌｏｗ−ｋ膜と呼ばれる低誘電率膜等により形成することができる。無機低誘電率膜としては、例えば、オルガノシラン系材料による酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）などの低誘電率膜、オルガノシロキサン系材料膜、水素化シロキサン系材料膜、ポーラスシリカ系材料のナノクラスタリングシリカ膜等を適用することができる。オルガノシラン系の材料としては、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ジエトキシメチルシラン（ＤＥＭＳ）、ジメチルジメトキシシラン（ＤＭＤＭＯＳ）、トリメチルメトキシシラン（ＴＭ−ＭＯＳ）等を用いることができる。有機低誘電率膜としては、例えば、ダウケミカル社製の「ＳｉＬＫ」（登録商標）、ハネウェル社製の「ＦＬＡＲＥ」（登録商標）などの芳香族ポリエーテル膜等を適用することができる。
【００２７】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３００ｎｍのＳｉＯＣ膜を堆積し、ＳｉＯＣ膜の絶縁膜１６を形成する。ＳｉＯＣ膜は、原料として例えばＴＭ−ＭＯＳを用い、基板温度を３００〜４５０℃、例えば３５０℃で形成することができる。
【００２８】
次いで、絶縁膜１６上に、エッチングストッパ膜１８を形成する。
【００２９】
エッチングストッパ膜１８は、上層及び／又は下層に形成する絶縁膜に対するエッチング選択性を有する材料により形成する。エッチングストッパ膜１８としては、例えば、ＰＥＣＶＤ法によるＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜等を適用することができる。
【００３０】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のエッチングストッパ膜１８を形成する。ＳｉＣ膜は、原料として例えば４ＭＳを用い、基板温度を３５０〜４００℃、例えば４００℃で形成する。
【００３１】
こうして、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上に、キャップ膜１４、絶縁膜１６及びエッチングストッパ膜１８を有する層間絶縁膜２０を形成する（図２（ａ））。
【００３２】
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜２０に、配線層１２に接続されるビアホール２２と、ビアホール２２に接続された配線溝２４とを形成する（図２（ｂ））。配線溝２４の幅は、特に限定されるものではないが、例えば５０〜３００００ｎｍとする。ビアホールの径は、特に限定されるものではないが、例えば７０ｎｍとする。ビア高さは、特に限定されるものではないが、例えば１５０ｎｍとする。
【００３３】
ビアホール２２及び配線溝２４は、一般的なデュアルダマシンプロセスを用いて形成することができる。絶縁膜１６の中間部分に、配線溝２４のエッチングを停止するための中間ストッパ層を設けるようにしてもよい。
【００３４】
次いで、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ））。バリア層２６は、第１金属材料、すなわち、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の金属元素を含む高融点金属材料により形成する。バリア層２６は、単層構造でもよいし積層構造としてもよい。例えば、金属層と金属元素の窒化膜との積層構造として、例えばＴａ／ＴａＮ、Ｔｉ／ＴｉＮや、金属層同士の積層構造として、例えばＣｏ／Ｔａ、Ｃｏ／Ｔｉ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔａなどでもよい。
【００３５】
ここでは、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚３〜１０ｎｍのＴａ膜を堆積し、Ｔａ膜のバリア層２６を形成する。Ｔａ膜の成膜条件は、放電用ガスを例えばアルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ２）とし、ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２とする。
【００３６】
次いで、バリア層２６上に、例えばスパッタリング法により、酸素を含有する銅層（以下、「酸素含有銅層」という）２８を形成する（図３（ｂ））。酸素含有銅層２８の形成条件は、例えば、放電用ガスとして例えば酸素（Ｏ２）を添加したＡｒを用い、銅ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２とする。
【００３７】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量は、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが望ましい。１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素を含有するのは、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の酸素含有量では、酸素を添加することによる効果を十分に得られないからである。酸素含有量を１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とするのは、配線層４０内にバリア層３８の形成に寄与しない余剰の酸素が残留した場合にも、配線層４０の抵抗や配線層１２に対するコンタクト抵抗の増大を防止できるからである。なお、一般的な純銅シード及び銅めっきを用いた場合の銅配線中における平均酸素濃度は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、この程度の酸素含有量であれば、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗に与える影響は十分に小さい。
【００３８】
また、酸素含有銅層２８の膜厚は、以後に説明する合金層３０の形成の際に、最大の配線幅を有する配線溝２４の底部に形成される合金層３０中に含有される第２金属材料の量相当以上の酸素量を含有する膜厚とすることが望ましい。かかる観点から、酸素含有銅層２８の膜厚は、少なくとも０．５ｎｍ以上、好ましくは０．５〜５ｎｍの膜厚で形成することが望ましい。これにより、バリア層３８を形成する際の熱処理において、合金層３０中の第２金属材料と酸素含有銅層２８中の酸素との反応によって第２金属材料を効率よく消費することができ、配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができる。
【００３９】
なお、酸素含有銅層２８として、金属の酸化物層、例えば銅酸化物層を用いると、コンタクト抵抗の上昇や密着性の低下が生じる虞がある。酸素含有銅層２８は、膜中に酸素を含有する銅層であることが望ましい。
【００４０】
また、酸素含有銅層２８は、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。バリア層２６の形成後、酸素含有銅層２８の形成前に大気暴露を行うと、反応化合物層と導電部との間の密着性が低下し信頼性が劣化する虞があるからである。
【００４１】
次いで、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ））。合金層３０としては、例えば、ＣｕＭｎ、ＣｕＴｉ、ＣｕＡｌ等を適用することができる。
【００４２】
ここでは、合金層３０として、例えば膜厚０．５〜６０ｎｍのＣｕＭｎ層を形成する。ＣｕＭｎ層は、例えばスパッタリング法により、０．１〜１０ａｔｏｍ％のＭｎを含有した銅ターゲットを用い、放電用ガスとしてＡｒを用い、ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２、雰囲気圧力を例えば１０−５〜１０Ｐａとして形成する。このとき、基板に５〜１５ｍＷ／ｍｍ２のバイアス電力を印加してもよい。
【００４３】
次いで、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、例えば膜厚５００ｎｍのＣｕを主材料とする配線材料３２を形成する（図４（ｂ））。
【００４４】
Ｃｕを主材料とする配線材料３２は、例えば、電解銅めっき法により形成することができる。この場合、銅めっき用の電極となる銅膜（図示せず）を、予め合金層３０上に形成しておいてもよい。配線材料３２は、例えば、所定の濃度に調整された硫酸銅溶浴を用い、電流密度を例えば３ｍＡ／ｃｍ２〜５５ｍＡ／ｃｍ２とし、膜厚を例えば２００ｎｍ〜５０００ｎｍとする。
【００４５】
Ｃｕを主材料とする配線材料３２は、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳ（Trimethylvinylsilyl hexafluoroacetylacetonate Cu(I)）を用いたＣＶＤ法により形成することもできる。この場合の成膜条件は、例えば、主原料の流量を０．３ｇ〜０．５ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を６００ｓｃｃｍ、基板温度を１６０〜２００℃、成膜圧力を１５０〜８００Ｐａとすることができる。
【００４６】
次いで、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のために、Ｈ２／Ｎ２雰囲気下において、温度１５０℃〜３５０℃、例えば２５０℃、時間９０秒〜９０分、例えば９０秒間の熱処理を行う。
【００４７】
次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去する。こうして、ビアホール２２及び配線溝２４内に埋め込まれた配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６により、ビアホール２２を介して配線層１２に接続された配線層３４を形成する（図５（ａ））。
【００４８】
次いで、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００４９】
キャップ膜３６は、キャップ膜１４と同様、主として、配線層１２の構成材料が層間絶縁膜２０中に拡散するのを防止するためのものである。キャップ膜３６は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ等により形成することもできる。
【００５０】
ここでは、例えばＰＥＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜のキャップ膜３４を形成する。ＳｉＣ膜は、例えばＰＥＣＶＤ法により、原料として４ＭＳを、キャリアガスとしてＣＯ２を用い、基板温度３００〜４５０℃、例えば４００℃で形成することができる。
【００５１】
この後、３００〜４５０℃程度、例えば４００℃の熱処理を行う。この熱処理により、合金層３０に含まれる第２金属材料は配線層３４内を拡散し、配線層３４と層間絶縁膜２０との界面において、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む化合物層（バリア層３８）を形成する。これにより配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を含む配線層３４は、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０となる（図５（ｂ））。
【００５２】
このバリア層３８は、バリア層２６、酸素含有銅層２８、及び合金層３０の反応によって形成されたものであり、第１金属材料と第２金属材料と酸素とを含む化合物層である。例えば、第１金属材料であるＴａのバリア層２６と、第２金属材料であるＭｎを含むＣｕＭｎの合金層３０とを用いた上述の例では、ＴａＭｎＯのバリア層３８が形成される。
【００５３】
なお、バリア層３８を形成する際の反応では、層間絶縁膜２０（例えば絶縁膜１６）から酸素が供給されることもある。また、バリア層３８中に層間絶縁膜２０の構成材料であるシリコン（Ｓｉ）が含まれることもある。
【００５４】
バリア層３８を形成するための熱処理は、個別の熱処理工程を追加してもよいし、バックエンドプロセスで行われる３００℃以上の熱負荷を利用してもよい。上述の製造方法では、例えば、キャップ膜３６を形成する際の４００℃の熱負荷を利用することができる。バリア層３８を形成するための熱処理は、配線材料３２を堆積後であれば、ＣＭＰによる研磨前に行ってもよい。
【００５５】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【００５６】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、バリア層２６と配線材料３２との間に酸素含有銅層２８及び合金層３０を形成している。これにより、バリア層２６のカバレッジが悪くバリア性の低下している部分が存在するような場合にも、その部分において合金層３０中の第２金属材料と酸素含有銅層２８中の酸素とが反応し、銅に対してバリア性の高い化合物を自己修復的に形成することができる。これにより、低下しているバリア層２６のバリア性を補うことができ、配線の信頼性を向上することができる。
【００５７】
また、酸素含有銅層２８を形成することにより、バリア層３８の形成の際に合金層３０中の第２金属材料を効率的に消費することができ、配線材料３２中に残留する第２金属材料に起因する配線層４０の抵抗の増加や配線層１２に対するコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。特に、酸素含有銅層２８中の酸素含有量を、最大の配線幅を有する配線溝２４の底部に形成される合金層３０中に含有される第２金属材料の量相当以上にすることで、バリア層３８を形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を大幅に低減することができる。
【００５８】
酸素含有銅層２８を形成することは、配線溝２４の底部にキャップ膜やエッチングストッパ膜が露出しているような場合に、特に効果的である。
【００５９】
例えば、中間ストッパ層を用いたデュアルダマシンプロセスでは、例えば図６（ａ）に示すように、配線溝２４の底部にはエッチングストッパ膜４２が露出する。また、シングルダマシンプロセスでは、例えば図６（ｂ）に示すように、配線溝２４の底部にはキャップ膜４４が露出する。エッチングストッパ膜４２やキャップ膜４２としては、ＳｉＣ膜やＳｉＮ膜など、酸素含有量の少ない絶縁膜が用いられることが多い。この場合、酸素含有銅層２８が存在しないと、配線溝２４の側壁部分では絶縁膜１６から酸素が供給されるが、配線溝２４の底部ではバリア層３８の形成の際に下層の層間絶縁膜から十分に酸素を供給することができず、合金層３０中に含有される第２金属材料を効率的に消費できない。この結果、バリア層３８の形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度が増加し、ひいては配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗が増加してしまう。
【００６０】
バリア層２６と合金層３０との間に酸素含有銅層２８を設けることにより、配線溝２４の底部にエッチングストッパ膜４２やキャップ膜４４が露出しているような場合にも、合金層３０中の第２金属材料を酸素含有銅層２８中の酸素によって効率的に消費することができる。これにより、配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を大幅に減らすことができる。
【００６１】
酸素含有銅層２８を形成することの効果は、線幅の太い配線層において特に大きい。
【００６２】
バリア層３８の形成反応は、半導体装置の構造、溝部側壁及び底部の絶縁膜の種類、第２金属材料の導入量、反応温度等の影響を受ける。基本的には、層間絶縁膜（絶縁膜１６）による第１金属材料の酸化が起こりやすい微細溝の側壁部分での反応が最も起こりやすく、配線幅が太くなるに従って相対的に起こりにくくなる。
【００６３】
線幅の太い配線層では、アスペクト比の違いに起因して、線幅の細い配線層の場合よりも、配線溝の底部に堆積される合金層３０の膜厚が厚くなる傾向にある。また、スパッタリング法などのＰＶＤ法を用いた場合、配線溝２４の底部に比べ側壁で相対的に膜が薄く形成されるため、細幅配線ほどバリア層３８の形成反応が起こりやすい。これらのことは、線幅の太い配線層において、配線溝２４の底部領域に堆積される第２金属材料の量が増加し、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗への影響が大きくなることを意味している。酸素含有銅層２８を形成することにより、線幅の太い配線層においても、バリア層３８の形成後に配線材料３２中に残留する第２金属材料の濃度を効率的に低下することができる。
【００６４】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００６５】
［第２実施形態］
第２実施形態による半導体装置の製造方法について図２乃至図５を参照して説明する。第１実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００６６】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、酸素含有銅層２８の形成方法が異なるほかは、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様である。
【００６７】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０に、ビアホール２２及び配線溝２４を形成する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。
【００６８】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ）参照）。
【００６９】
次いで、バリア層２６上に、例えばＣＶＤ法により、酸素含有銅層２８を形成する（図３（ｂ）参照）。酸素含有銅層２８の形成条件は、例えば、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用い、主原料の流量を例えば０．０５ｇ／ｍｉｎ〜０．２ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を例えば６００ｓｃｃｍ、基板温度を例えば１７０℃、成膜圧力を例えば１５０Ｐａとする。低温でデポレートを低下して堆積することにより、銅膜中に酸素を含有させることができる。
【００７０】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量及び酸素含有銅層２８の膜厚は、第１実施形態の場合と同様である。
【００７１】
なお、ＣＶＤ法による酸素含有銅層２８の形成に、ここでは原料としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用いているが、所定量の酸素を含有する銅層を形成できるものであれば、他の公知の材料や条件を用いてもよい。
【００７２】
また、酸素含有銅層２８は、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。
【００７３】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ）参照）。
【００７４】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、配線材料３２を形成する（図４（ｂ）参照）。
【００７５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のための熱処理を行う。
【００７６】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＣＭＰ法により層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去し、配線層３４を形成する（図５（ａ）参照）。
【００７７】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００７８】
この後、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、バリア層３８を形成するための熱処理を行い、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０を形成する（図５（ｂ）参照）。
【００７９】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【００８０】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００８１】
［第３実施形態］
第３実施形態による半導体装置の製造方法について図７を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１及び第２実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００８２】
図７は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００８３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、酸素含有銅層２８の形成方法が異なるほかは、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様である。
【００８４】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０に、ビアホール２２及び配線溝２４を形成する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。
【００８５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜２０上、並びにビアホール２２及び配線溝２４の側壁及び底部に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、バリア層２６を形成する（図３（ａ）参照）。
【００８６】
次いで、バリア層２６上に、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法により、例えば膜厚０．５ｎｍ〜５ｎｍの銅層２８ａを形成する（図７（ａ））。
【００８７】
スパッタリング法による銅層２８ａの形成条件は、例えば、銅ターゲットを用い、放電用ガスとして例えばＡｒを用い、銅ターゲット投入電力を例えば１６０ｍＷ／ｍｍ２〜６４０ｍＷ／ｍｍ２、雰囲気圧力を例えば１０−５Ｐａ〜１０Ｐａとする。このとき、基板に５〜１５ｍＷ／ｍｍ２のバイアス電力を印加してもよい。
【００８８】
ＣＶＤ法による銅層２８ａの形成条件は、例えば、主原料として例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用い、主原料の流量を例えば０．３ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ２／Ｈｅ混合ガスの流量を例えば６００ｓｃｃｍ、基板温度を例えば１８０℃、成膜圧力を例えば１００Ｐａとする。この条件で形成される銅層２８ａの酸素含有量は、３×１０１８ｃｍ−３程度となる。
【００８９】
なお、ＣＶＤ法による銅層２８ａの形成に、ここでは原料としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用いているが、他の公知の材料や条件を用いてもよい。
【００９０】
また、銅層２８ａは、バリア層２６の形成後、大気暴露を行わずに連続して形成することが望ましい。
【００９１】
次いで、銅層２８ａの表面側を薄く酸化し、酸素含有銅層２８を形成する（図７（ｂ））。酸素含有銅層２８は、例えば、酸化剤として酸素ガスを用い、２００℃より低い温度で酸化の処理を行うことにより形成することができる。例えば、処理室内を酸素を含む減圧雰囲気とし、８０℃〜１５０℃の熱処理を行う。
【００９２】
酸素含有銅層２８中の酸素含有量は、第１実施形態の場合と同様である。
【００９３】
なお、銅層２８ａの酸化は、銅層２８ａの形成後、大気暴露を行わずに連続して行うことが望ましい。
【００９４】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、酸素含有銅層２８上に、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法により、Ｃｕと第２金属材料とを含む合金層３０を形成する（図４（ａ）参照）。
【００９５】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、合金層３０上に、ビアホール２０及び配線溝２２を埋め込むように、配線材料３２を形成する（図４（ｂ）参照）。
【００９６】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、Ｃｕを主材料とする配線材料３２の結晶の安定化のための熱処理を行う。
【００９７】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＣＭＰ法により層間絶縁膜２０上の余剰の配線材料３２、合金層３０、酸素含有銅層２８、及びバリア層２６を除去し、配線層３４を形成する（図５（ａ）参照）。
【００９８】
次いで、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、配線層３４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、キャップ膜３６を形成する。
【００９９】
この後、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、バリア層３８を形成するための熱処理を行い、バリア層３８と配線材料３２とを含む配線層４０を形成する（図５（ｂ）参照）。
【０１００】
この後、所望のバックエンドプロセスを経て、本実施形態による半導体装置を完成する。
【０１０１】
このように、本実施形態によれば、第１金属材料を含むバリア層２６と第２金属材料を含む合金層３０との間に、酸素含有銅層２８を形成するので、第２金属材料と酸素とを効率的に結合させることができ、バリア層３８の形成を促進することができる。これにより、配線層４０中に残留する第２金属材料の濃度を低減することができ、配線層４０の抵抗やコンタクト抵抗の増加を防止することができる。また、バリア層３８は、配線層４０と絶縁膜２０との間に自己修復的に形成することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【０１０２】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１０３】
例えば、上記実施形態では、デュアルダマシンプロセスによって配線層４０を形成する場合を示したが、シングルダマシンプロセスによって配線層４０を形成するようにしてもよい。
【０１０４】
また、上記実施形態では、絶縁膜１６をＳｉＯＣ膜により形成したが、絶縁膜１６を形成する材料は、これに限定されるものではない。バリア層３８の形成を促進する観点からは、酸素を含む材料であることが望ましい。また、半導体プロセスに対する整合性の観点からは、シリコン系の絶縁材料であることが望ましい。なお、本明細書においてシリコン系の絶縁材料とは、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化炭化シリコン、炭化窒化シリコン等、又はこれらを含む絶縁膜である。
【０１０５】
また、上記実施形態では、第１金属材料としてＴａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む材料を、第２金属材料としてＭｎ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む材料を例示したが、これらと同様の物性を有する他の材料を適用してもよい。
【０１０６】
また、上記実施形態に記載の製造条件は、本願発明者が用いた装置における好適な条件であり、開示の半導体装置の製造方法は、上記実施形態に記載の製造条件に限定されるものではない。本発明の効果を実現しうる範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０，２０…層間絶縁膜
１２，３４，４０…配線層
１４，３６，４４…キャップ膜
１６…絶縁膜
１８，４２…エッチングストッパ膜
２２…ビアホール
２４…配線溝
２６，３８…バリア層
２８ａ…銅層
２８…酸素含有銅層
３０…合金層
３２…配線材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜上に、銅と、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、
前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、
前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜上に、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、
前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、
前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する
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又は２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３の膜を形成する工程は、銅膜を形成する工程と、前記銅膜の表面を酸化する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３の膜中の酸素濃度は、１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である
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１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、３００℃以上の前記熱処理を行う
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１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜は、酸素を含むシリコン系絶縁膜を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において
前記第１金属材料は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２金属材料は、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜上に、銅と、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、
前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、
前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜の開口部の内壁及び底部に、銅に対して拡散防止作用を有する第１金属材料を含む第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜上に、酸素を含有する銅膜を含む第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜上に、銅と、酸素と結合することにより銅に対して拡散防止作用を有する第２金属材料とを含む第３の膜を形成する工程と、
前記第３の膜上に、前記第１の膜、前記第２の膜、及び前記第３の膜が形成された前記開口部内を埋め込むように、銅を含有する第４の膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記第４の膜、前記第３の膜、前記第２の膜、及び前記第１の膜を除去し、前記開口部内に埋め込まれた配線層を形成する工程とを有し、
前記第４の膜を形成する工程よりも後に、熱処理により、前記絶縁膜と前記第４の膜との間に、前記第１金属材料、前記第２金属材料及び酸素を含むバリア層を形成する工程を更に有する
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又は２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３の膜を形成する工程は、銅膜を形成する工程と、前記銅膜の表面を酸化する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３の膜中の酸素濃度は、１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である
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１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、３００℃以上の前記熱処理を行う
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１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜は、酸素を含むシリコン系絶縁膜を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において
前記第１金属材料は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＲｕを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２金属材料は、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを含む群から選択される少なくとも１種類の元素を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【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２０１１−１２９８４０（Ｐ２０１１−１２９８４０Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８９５８２（Ｐ２００９−２８９５８２）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３０８０１４３４１）富士通セミコンダクター株式会社 (2,507)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３０８０１４３４１）富士通セミコンダクター株式会社 (2,507)
【Ｆターム（参考）】
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