半導体装置の製造方法
【課題】配線中に残留した不純物金属の濃度が少ない半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上に絶縁膜を形成し、絶縁膜に凹部を形成し、凹部の形成された絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成し、前駆体膜上に配線形成膜を堆積させ、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前駆体膜と絶縁膜を反応させ、その境界面に所定の金属元素と絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の所定の金属元素を配線形成膜内に拡散移動させて配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、未反応金属酸化膜として析出させ、未反応金属酸化膜を除去し、未反応金属酸化膜を除去する工程の後、配線形成膜上に、配線形成膜と同一の材料を堆積させて、配線形成膜を積み増した後、凹部外の絶縁膜が露出するまで配線形成膜を平坦化して配線構造を形成する。
【解決手段】半導体基板上に絶縁膜を形成し、絶縁膜に凹部を形成し、凹部の形成された絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成し、前駆体膜上に配線形成膜を堆積させ、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前駆体膜と絶縁膜を反応させ、その境界面に所定の金属元素と絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の所定の金属元素を配線形成膜内に拡散移動させて配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、未反応金属酸化膜として析出させ、未反応金属酸化膜を除去し、未反応金属酸化膜を除去する工程の後、配線形成膜上に、配線形成膜と同一の材料を堆積させて、配線形成膜を積み増した後、凹部外の絶縁膜が露出するまで配線形成膜を平坦化して配線構造を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己整合的に形成されるバリア膜により被覆された配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の製造方法として、Ｃｕを主成分とする配線本体層と層間絶縁膜との間にＣｕの拡散を防止するためのバリア膜が自己整合的に形成された配線構造を有する半導体装置の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このバリア膜は、Ｍｎ等の所定の金属元素と層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とする。この所定の金属元素は、酸化物を形成し易く且つこの酸化物は層間絶縁膜との濡れ性に富むため、この半導体装置は、配線本体層と層間絶縁膜との間に均質で超薄肉の安定なバリア膜を有する。
【０００４】
この半導体装置の製造方法によると、層間絶縁膜に形成した配線溝内に例えばＭｎとＣｕの合金膜を形成し、その上に配線の材料であるＣｕ膜を堆積させる。そこで熱処理を施すことにより、バリア膜が形成されると同時に、ＭｎがＣｕ膜内を拡散移動して、Ｃｕ膜表面にＭｎ酸化物を主成分とする絶縁膜として析出する。この絶縁膜を除去することにより、ＭｎをＣｕ膜から取り除くことができる。
【０００５】
しかし、この半導体装置の製造方法によると、Ｃｕ膜を０．８〜１．０μｍの厚さで堆積させるため、Ｃｕ膜表面にＭｎの酸化物を主成分とする絶縁膜を析出させる際に、ＭｎがＣｕ膜表面まで移動しきれずにＣｕ膜内に残留してしまうおそれがある。残留したＭｎは、不純物金属として配線の比抵抗を上昇させる原因となる。
【０００６】
また、この半導体装置の製造方法によると、ＭｎとＣｕの合金膜上にＣｕ膜を堆積させる前に熱処理を行い、バリア膜を形成する方法を用いることもできる。しかし、この方法によると、バリア膜が形成される際にバリア膜の表面に形成されるＣｕ膜が凝集し、その上に堆積させるＣｕ膜が剥がれてしまうおそれがある。
【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】
【０００７】
本発明の一態様は、配線中に残留した不純物金属の濃度が少ない半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜上に配線形成膜を堆積させる工程と、
熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程と、
前記自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程の後、前記凹部外の前記絶縁膜が露出するまで前記配線形成膜を平坦化する工程と、
前記配線形成膜を平坦化する工程の後、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記配線形成膜内に拡散した前記所定の金属元素を前記配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、前記反応を前記自己形成バリア膜内まで進めることにより、前記配線形成膜の上面、および上面付近の側面に未反応金属酸化膜を析出させ、前記配線形成膜の上面端部を丸めて配線構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
以下に記す本発明の各実施の形態において、配線およびビアを自己形成バリア膜で被膜したデュアルダマシン配線構造を有する半導体装置について説明する。
【００１０】
配線は、Ｃｕを主成分（全体の５０原子％以上）とする材料からなり、自己形成バリア膜は、所定の金属元素αを含むαＳｉｘＯｙ、αＣｘＯｙ、およびαＦｘＯｙ（ｘ、ｙは実数）の内のいずれかを主成分とする材料からなる。ここで、所定の金属元素αは、Ｍｎ、Ｍｎ、Ｖ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｙ、Ｔｃ、およびＲｅの内のいずれかである。
【００１１】
また、自己形成バリア膜を形成するための前駆体膜として、所定の金属αを含む膜が用いられる。
【００１２】
なお、所定の金属元素αがＭｎ、自己形成バリア膜がＭｎＳｉｘＯｙ、前駆体膜がＣｕＭｎ合金であることが好ましい。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
【００１４】
図１Ａ（ａ）〜（ｃ）、図１Ｂ（ｄ）〜（ｅ）、図１Ｃ（ｆ）〜（ｇ）、図１Ｄ（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００１５】
まず、図１Ａ（ａ）に示すように、自己形成バリア膜１２で側面および底面を覆われた第１の配線１１が形成された第１の層間絶縁膜２、およびキャップ層３の上に、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３を順次積層する。
【００１６】
ここで、第１の層間絶縁膜２はＰＡｒ（ポリアリーレンエーテル）等の誘電率の低い有機絶縁膜を用いることができる。第２のバリア膜６上の第１の層間絶縁膜２は、例えば、５０ｎｍの厚さを有する。
【００１７】
キャップ層３は、例えば、厚さ５０〜８０ｎｍのＳｉＯ２等の無機絶縁膜を用いることができる。
【００１８】
第１のバリア膜４は、例えば、厚さ１０〜３０ｎｍのＳｉＣＮ、ＳｉＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。なお、第１のバリア膜４は、第１の配線１１のＣｕの拡散を防止し、また、配線形成時のエッチングストッパとして働く。
【００１９】
第２の層間絶縁膜５は、例えば、厚さ５０ｎｍのＳｉＯＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。
【００２０】
第２のバリア膜６は、例えば、厚さ１０ｎｍのＳｉＯＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。なお、第２のバリア膜６は、配線形成時のエッチングストッパとして働く。
【００２１】
なお、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３は、自己形成バリア膜１２がαＳｉｘＯｙである場合はそれぞれＳｉを含む絶縁膜であればよく、また、自己形成バリア膜１２がαＣｘＯｙ、またはαＦｘＯｙである場合はＣ、またはＦを含む絶縁膜であればよい。
【００２２】
次に、図１Ａ（ｂ）に示すように、エッチングにより、後述する第２の配線１７、およびビア１８を形成するための配線溝（凹部）１３を形成する。
【００２３】
次に、図１Ａ（ｃ）に示すように、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３の配線溝１３により露出した部分を覆うように前駆体膜１４をスパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成する。
【００２４】
ここで、前駆体膜１４は、例えば、厚さ２０〜９０ｎｍのＣｕＭｎ合金（Ｍｎ濃度は４〜１０原子％）である。
【００２５】
次に、図１Ｂ（ｄ）に示すように、前駆体膜１４をシード層としためっき、またはＣＶＤ法等により、前駆体膜１４上に配線形成膜１５を堆積させる。
【００２６】
ここで、配線形成膜１５は、例えば、キャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍのＣｕである。
【００２７】
次に、図１Ｂ（ｅ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、前駆体膜１４が第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３と反応し、自己形成バリア膜１２が自己整合的に形成される。このとき、配線形成膜１５のキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０ｎｍ以上である場合、熱処理による配線形成膜１５の凝集が生じにくい。
【００２８】
一方、前駆体膜１４中の未反応の所定の金属元素αが配線形成膜１５内を拡散移動し、未反応金属酸化膜１６として表面に析出する。このとき、配線形成膜１５のキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１１０ｎｍを超える場合、未反応の所定の金属元素αの配線形成膜１５の表面までの移動距離が増えるため、析出が進まずに配線形成膜１５内に多量に残留してしまうおそれがある。
【００２９】
前駆体膜１４がＣｕＭｎ合金、自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、前駆体膜１４に含まれるＭｎと、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、キャップ層３等に含まれるＳｉ、Ｏにより、厚さ２〜１０ｎｍ程度のＭｎＳｉｘＯｙが自己形成バリア膜１２として形成される。なお、前駆体膜１４中のＣｕは配線形成膜１５内に拡散する。
【００３０】
また、未反応金属酸化膜１６は、前駆体膜１４中の未反応のＭｎが配線形成膜１５内を拡散移動し、表面にＭｎＯｘ（ｘは実数）として析出したものである。この場合、Ｃｕ配線となる配線形成膜１５内には、約０．０４原子％のＭｎが含まれ、Ｍｎが全く含まれない場合と比較して、比抵抗が約０．１４μΩ／ｃｍ上昇する。この比抵抗の上昇値は、実際の使用上ほとんど問題にならない。なお、約０．０５原子％以下のＭｎが含まれる場合、比抵抗の上昇が問題にならない一方、ＭｎがＣｕの移動を妨げるため、エレクトロマイグレーションやストレスボイドに対する高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
次に、図１Ｃ（ｆ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去し、続く工程でＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を施すための十分な厚さ、例えば０．８〜１．５μｍまで、めっき、ＣＶＤ法等により配線形成膜１５を積み増す。
【００３２】
次に、図１Ｃ（ｇ）に示すように、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化し、第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８を形成する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００３３】
次に、図１Ｄ（ｈ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００３４】
（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、配線形成膜１５をキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍとなるように形成した後に、未反応金属酸化膜１６を析出させることにより、未反応の所定の金属元素αの配線形成膜１５への残留量を低く抑え、第２の配線１７の比抵抗をほとんど上昇させず、且つエレクトロマイグレーションやストレスボイドに対する高い信頼性を得ることができる。
【００３５】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００３６】
〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態は、ＣＭＰによる配線形成膜１５の平坦化を行った後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第１の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００３７】
図２Ａ（ａ）〜（ｂ）、図２Ｂ（ｃ）〜（ｄ）、図２Ｃ（ｅ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００３８】
まず、第１の実施の形態において図１Ａ（ｃ）で示した、前駆体膜１４を形成するまでの工程を行う。
【００３９】
次に、図２Ａ（ａ）に示すように、前駆体膜１４をシード層としためっき、またはＣＶＤ法等により、前駆体膜１４上に配線形成膜１５を堆積させる。ここで、配線形成膜１５は、続く工程でＣＭＰを施すための十分な厚さ、例えばキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１〜１．５μｍとなるように形成する。
【００４０】
次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、前駆体膜１４が第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３と反応し、自己形成バリア膜１２となる。なお、この時点で、前駆体膜１４中の未反応の所定の金属元素αは配線形成膜１５内に拡散した状態であり、まだ未反応金属酸化膜１６として析出しない。
【００４１】
次に、図２Ｂ（ｃ）に示すように、ＣＭＰにより配線形成膜１５を途中の厚さまで後退させる。例えば、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍになるまで削る。
【００４２】
次に、図２Ｂ（ｄ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の表面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。
【００４３】
次に、図２Ｃ（ｅ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去した後、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化し、第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８を形成する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００４４】
なお、このとき、酸性のＣＭＰスラリーを用いることにより、ＣＭＰにより未反応金属酸化膜１６の除去と配線形成膜１５の平坦化を連続して行うことができる。
【００４５】
次に、図２Ｃ（ｆ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００４６】
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態によれば、異なる製造方法により、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態は、配線形成膜１５にキャップ層３の表面の高さまでＣＭＰを施した後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第２の実施の形態と異なる。
なお、他の部分の構成等、第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００４８】
図３Ａ（ａ）〜（ｂ）、図３Ｂ（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００４９】
まず、第２の実施の形態において図２Ａ（ｂ）で示した、自己形成バリア膜１２を形成し、未反応の所定の金属元素αを配線形成膜１５内に拡散させるまでの工程を行う。
【００５０】
次に、図３Ａ（ａ）に示すように、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施し、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００５１】
次に、図３Ａ（ｂ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の表面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。このとき、自己形成バリア膜１２は所定の金属αと酸素を含むため、自己形成バリア膜１２にまで未反応金属酸化膜１６の生成反応が進み、未反応金属酸化膜１６の外縁部はキャップ層３に沿って下方に延びた形状となる。
【００５２】
未反応金属酸化膜１６がＭｎＯｘ、自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合、自己形成バリア膜１２にＭｎ、Ｏが含まれるため、ＭｎＯｘの生成反応が自己形成バリア膜１２内にまで進む。これにより、上面端部が丸まった形状を有する第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８が形成される。
【００５３】
次に、図３Ｂ（ｃ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去する。
【００５４】
次に、図３Ｂ（ｄ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００５５】
なお、未反応金属酸化膜１６は絶縁膜であるため、除去しなくてもよい。その場合、未反応金属酸化膜１６の上に第１のバリア膜４を形成する。
【００５６】
（第３の実施の形態の効果）
この第３の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面端部を丸まった形状とすることにより、電界集中を抑えることができる。また、第２の配線１７上面とキャップ層３上面の高さを変えることにより、リーク電流を軽減することができる。
【００５７】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００５８】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る配線構造のリーク電流特性を表すグラフである。同図中の、下側の曲線が、第３の実施の形態に係る上面端部が丸まった配線の特性を表し、上側の曲線が、従来の上面端部が丸まっていない配線の特性を表す。それぞれ、隣接した２つの配線間に所定の大きさの電界（図４横軸）を発生させたときに発生するリーク電流の大きさ（図４縦軸）を表す。
【００５９】
図４より、従来の上面端部が丸まっていない配線では、電界の大きさが約３．８ＭＶ／ｃｍを超えた辺りで絶縁破壊が生じ、リーク電流の大きさが跳ね上がることがわかる。一方、第３の実施の形態に係る上面端部が丸まった配線では、従来の配線構造よりも全体的にリーク電流が小さく、また、測定範囲内では絶縁破壊が生じないことがわかる。
【００６０】
〔第４の実施の形態〕
本発明の第４の実施の形態は、配線形成膜１５上に第１のバリア膜４を形成した後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００６１】
図５（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００６２】
まず、第３の実施の形態において図３Ａ（ａ）で示した、キャップ層３をストッパとして配線形成膜１５にＣＭＰを施すまでの工程を行う。
【００６３】
次に、図５（ａ）に示すように、配線形成膜１５、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。
【００６４】
次に、図５（ｂ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の上面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。このとき、自己形成バリア膜１２は未反応金属酸化膜１６を構成する金属と酸素を含むため、自己形成バリア膜１２にまで未反応金属酸化膜１６の生成反応が進み、未反応金属酸化膜１６の外縁部はキャップ層３に沿って下方に延びた形状となる。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００６５】
（第４の実施の形態の効果）
この第４の実施の形態によれば、異なる製造方法により、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
〔第５の実施の形態〕
本発明の第５の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第１、または第２の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１、または第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００６７】
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００６８】
まず、第１の実施の形態において図１Ｄ（ｈ）、または第２の実施の形態において図２Ｃ（ｆ）で示した、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００６９】
次に、図６に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７と、第２の配線１７上の第１のバリア膜４との間に反応が生じ、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７０】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に残留していたＭｎと、第１のバリア膜４に含まれるＳｉ、Ｏにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７１】
さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００７２】
（第５の実施の形態の効果）
この第５の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第１、または第２の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００７３】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００７４】
〔第６の実施の形態〕
本発明の第６の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００７５】
図７は、本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
まず、第３の実施の形態において図３Ｂ（ｄ）で示した第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００７７】
次に、図７に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７と、第２の配線１７上の第１のバリア膜４との間に反応が生じ、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７８】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に残留していたＭｎと、第１のバリア膜４に含まれるＳｉ、Ｏにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７９】
さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００８０】
（第６の実施の形態の効果）
この第６の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第３の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００８１】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００８２】
〔第７の実施の形態〕
本発明の第７の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第１、または第２の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１、または第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００８３】
図８（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００８４】
まず、第１の実施の形態において図１Ｃ（ｇ）、または第２の実施の形態において図２Ｃ（ｅ）で示した、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００８５】
次に、図８（ａ）に示すように、減圧下でアンモニア等を用いたプラズマ処理を施して、第２の配線１７上面のＣｕ酸化膜（図示しない）を除去した後、第２の配線１７上面を還元性ガスとシランガスに暴露する。これにより、第２の配線１７上面の極表面にのみＳｉが進入する。そこで、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００８６】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に含まれるＭｎ、Ｓｉと、雰囲気中に含まれるＯにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００８７】
次に、図８（ｂ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００８８】
（第７の実施の形態の効果）
この第７の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第１、または第２の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００８９】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００９０】
〔第８の実施の形態〕
本発明の第８の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００９１】
図９（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第８の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００９２】
まず、第３の実施の形態において図３Ｂ（ｃ）で示した、未反応金属酸化膜１６を除去するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００９３】
次に、図９（ａ）に示すように、減圧下でアンモニア等を用いたプラズマ処理を施して、第２の配線１７上面のＣｕ酸化膜（図示しない）を除去した後、第２の配線１７上面を還元性ガスとシランガスに暴露する。これにより、第２の配線１７上面の極表面にのみＳｉが進入する。そこで、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００９４】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に含まれるＭｎ、Ｓｉと、雰囲気中に含まれるＯにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００９５】
次に、図９（ｂ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００９６】
（第８の実施の形態の効果）
この第８の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第３の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００９７】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００９８】
〔他の実施の形態〕
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、本発明は、上記各実施の形態において示したようなデュアルダマシン構造以外の配線構造にも適用することができ、例えば、自己形成バリア膜で被膜した配線／ビアからなる配線構造を個別に形成する際に適用されてもよい。
【００９９】
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｂ】（ｄ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｃ】（ｆ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｄ】（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ａ】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】（ｅ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図３Ａ】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図３Ｂ】（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る配線構造のリーク電流特性を表すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第８の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 半導体装置
２ 第１の層間絶縁膜
３ キャップ層
４ 第１のバリア膜
５ 第２の層間絶縁膜
６ 第２のバリア膜
１１ 第１の配線
１２ 自己形成バリア膜
１３ 配線溝
１４ 前駆体膜
１５ 配線形成膜
１６ 未反応金属酸化膜
１７ 第２の配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己整合的に形成されるバリア膜により被覆された配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の製造方法として、Ｃｕを主成分とする配線本体層と層間絶縁膜との間にＣｕの拡散を防止するためのバリア膜が自己整合的に形成された配線構造を有する半導体装置の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このバリア膜は、Ｍｎ等の所定の金属元素と層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とする。この所定の金属元素は、酸化物を形成し易く且つこの酸化物は層間絶縁膜との濡れ性に富むため、この半導体装置は、配線本体層と層間絶縁膜との間に均質で超薄肉の安定なバリア膜を有する。
【０００４】
この半導体装置の製造方法によると、層間絶縁膜に形成した配線溝内に例えばＭｎとＣｕの合金膜を形成し、その上に配線の材料であるＣｕ膜を堆積させる。そこで熱処理を施すことにより、バリア膜が形成されると同時に、ＭｎがＣｕ膜内を拡散移動して、Ｃｕ膜表面にＭｎ酸化物を主成分とする絶縁膜として析出する。この絶縁膜を除去することにより、ＭｎをＣｕ膜から取り除くことができる。
【０００５】
しかし、この半導体装置の製造方法によると、Ｃｕ膜を０．８〜１．０μｍの厚さで堆積させるため、Ｃｕ膜表面にＭｎの酸化物を主成分とする絶縁膜を析出させる際に、ＭｎがＣｕ膜表面まで移動しきれずにＣｕ膜内に残留してしまうおそれがある。残留したＭｎは、不純物金属として配線の比抵抗を上昇させる原因となる。
【０００６】
また、この半導体装置の製造方法によると、ＭｎとＣｕの合金膜上にＣｕ膜を堆積させる前に熱処理を行い、バリア膜を形成する方法を用いることもできる。しかし、この方法によると、バリア膜が形成される際にバリア膜の表面に形成されるＣｕ膜が凝集し、その上に堆積させるＣｕ膜が剥がれてしまうおそれがある。
【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】
【０００７】
本発明の一態様は、配線中に残留した不純物金属の濃度が少ない半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜上に配線形成膜を堆積させる工程と、
熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程と、
前記自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程の後、前記凹部外の前記絶縁膜が露出するまで前記配線形成膜を平坦化する工程と、
前記配線形成膜を平坦化する工程の後、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記配線形成膜内に拡散した前記所定の金属元素を前記配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、前記反応を前記自己形成バリア膜内まで進めることにより、前記配線形成膜の上面、および上面付近の側面に未反応金属酸化膜を析出させ、前記配線形成膜の上面端部を丸めて配線構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
以下に記す本発明の各実施の形態において、配線およびビアを自己形成バリア膜で被膜したデュアルダマシン配線構造を有する半導体装置について説明する。
【００１０】
配線は、Ｃｕを主成分（全体の５０原子％以上）とする材料からなり、自己形成バリア膜は、所定の金属元素αを含むαＳｉｘＯｙ、αＣｘＯｙ、およびαＦｘＯｙ（ｘ、ｙは実数）の内のいずれかを主成分とする材料からなる。ここで、所定の金属元素αは、Ｍｎ、Ｍｎ、Ｖ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｙ、Ｔｃ、およびＲｅの内のいずれかである。
【００１１】
また、自己形成バリア膜を形成するための前駆体膜として、所定の金属αを含む膜が用いられる。
【００１２】
なお、所定の金属元素αがＭｎ、自己形成バリア膜がＭｎＳｉｘＯｙ、前駆体膜がＣｕＭｎ合金であることが好ましい。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
【００１４】
図１Ａ（ａ）〜（ｃ）、図１Ｂ（ｄ）〜（ｅ）、図１Ｃ（ｆ）〜（ｇ）、図１Ｄ（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００１５】
まず、図１Ａ（ａ）に示すように、自己形成バリア膜１２で側面および底面を覆われた第１の配線１１が形成された第１の層間絶縁膜２、およびキャップ層３の上に、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３を順次積層する。
【００１６】
ここで、第１の層間絶縁膜２はＰＡｒ（ポリアリーレンエーテル）等の誘電率の低い有機絶縁膜を用いることができる。第２のバリア膜６上の第１の層間絶縁膜２は、例えば、５０ｎｍの厚さを有する。
【００１７】
キャップ層３は、例えば、厚さ５０〜８０ｎｍのＳｉＯ２等の無機絶縁膜を用いることができる。
【００１８】
第１のバリア膜４は、例えば、厚さ１０〜３０ｎｍのＳｉＣＮ、ＳｉＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。なお、第１のバリア膜４は、第１の配線１１のＣｕの拡散を防止し、また、配線形成時のエッチングストッパとして働く。
【００１９】
第２の層間絶縁膜５は、例えば、厚さ５０ｎｍのＳｉＯＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。
【００２０】
第２のバリア膜６は、例えば、厚さ１０ｎｍのＳｉＯＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。なお、第２のバリア膜６は、配線形成時のエッチングストッパとして働く。
【００２１】
なお、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３は、自己形成バリア膜１２がαＳｉｘＯｙである場合はそれぞれＳｉを含む絶縁膜であればよく、また、自己形成バリア膜１２がαＣｘＯｙ、またはαＦｘＯｙである場合はＣ、またはＦを含む絶縁膜であればよい。
【００２２】
次に、図１Ａ（ｂ）に示すように、エッチングにより、後述する第２の配線１７、およびビア１８を形成するための配線溝（凹部）１３を形成する。
【００２３】
次に、図１Ａ（ｃ）に示すように、第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３の配線溝１３により露出した部分を覆うように前駆体膜１４をスパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成する。
【００２４】
ここで、前駆体膜１４は、例えば、厚さ２０〜９０ｎｍのＣｕＭｎ合金（Ｍｎ濃度は４〜１０原子％）である。
【００２５】
次に、図１Ｂ（ｄ）に示すように、前駆体膜１４をシード層としためっき、またはＣＶＤ法等により、前駆体膜１４上に配線形成膜１５を堆積させる。
【００２６】
ここで、配線形成膜１５は、例えば、キャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍのＣｕである。
【００２７】
次に、図１Ｂ（ｅ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、前駆体膜１４が第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３と反応し、自己形成バリア膜１２が自己整合的に形成される。このとき、配線形成膜１５のキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０ｎｍ以上である場合、熱処理による配線形成膜１５の凝集が生じにくい。
【００２８】
一方、前駆体膜１４中の未反応の所定の金属元素αが配線形成膜１５内を拡散移動し、未反応金属酸化膜１６として表面に析出する。このとき、配線形成膜１５のキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１１０ｎｍを超える場合、未反応の所定の金属元素αの配線形成膜１５の表面までの移動距離が増えるため、析出が進まずに配線形成膜１５内に多量に残留してしまうおそれがある。
【００２９】
前駆体膜１４がＣｕＭｎ合金、自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、前駆体膜１４に含まれるＭｎと、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、キャップ層３等に含まれるＳｉ、Ｏにより、厚さ２〜１０ｎｍ程度のＭｎＳｉｘＯｙが自己形成バリア膜１２として形成される。なお、前駆体膜１４中のＣｕは配線形成膜１５内に拡散する。
【００３０】
また、未反応金属酸化膜１６は、前駆体膜１４中の未反応のＭｎが配線形成膜１５内を拡散移動し、表面にＭｎＯｘ（ｘは実数）として析出したものである。この場合、Ｃｕ配線となる配線形成膜１５内には、約０．０４原子％のＭｎが含まれ、Ｍｎが全く含まれない場合と比較して、比抵抗が約０．１４μΩ／ｃｍ上昇する。この比抵抗の上昇値は、実際の使用上ほとんど問題にならない。なお、約０．０５原子％以下のＭｎが含まれる場合、比抵抗の上昇が問題にならない一方、ＭｎがＣｕの移動を妨げるため、エレクトロマイグレーションやストレスボイドに対する高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
次に、図１Ｃ（ｆ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去し、続く工程でＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を施すための十分な厚さ、例えば０．８〜１．５μｍまで、めっき、ＣＶＤ法等により配線形成膜１５を積み増す。
【００３２】
次に、図１Ｃ（ｇ）に示すように、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化し、第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８を形成する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００３３】
次に、図１Ｄ（ｈ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００３４】
（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、配線形成膜１５をキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍとなるように形成した後に、未反応金属酸化膜１６を析出させることにより、未反応の所定の金属元素αの配線形成膜１５への残留量を低く抑え、第２の配線１７の比抵抗をほとんど上昇させず、且つエレクトロマイグレーションやストレスボイドに対する高い信頼性を得ることができる。
【００３５】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００３６】
〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態は、ＣＭＰによる配線形成膜１５の平坦化を行った後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第１の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００３７】
図２Ａ（ａ）〜（ｂ）、図２Ｂ（ｃ）〜（ｄ）、図２Ｃ（ｅ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００３８】
まず、第１の実施の形態において図１Ａ（ｃ）で示した、前駆体膜１４を形成するまでの工程を行う。
【００３９】
次に、図２Ａ（ａ）に示すように、前駆体膜１４をシード層としためっき、またはＣＶＤ法等により、前駆体膜１４上に配線形成膜１５を堆積させる。ここで、配線形成膜１５は、続く工程でＣＭＰを施すための十分な厚さ、例えばキャップ層３上の前駆体膜１４表面からの厚さが１〜１．５μｍとなるように形成する。
【００４０】
次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、前駆体膜１４が第１のバリア膜４、第２の層間絶縁膜５、第２のバリア膜６、第１の層間絶縁膜２、キャップ層３と反応し、自己形成バリア膜１２となる。なお、この時点で、前駆体膜１４中の未反応の所定の金属元素αは配線形成膜１５内に拡散した状態であり、まだ未反応金属酸化膜１６として析出しない。
【００４１】
次に、図２Ｂ（ｃ）に示すように、ＣＭＰにより配線形成膜１５を途中の厚さまで後退させる。例えば、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２表面からの厚さが１０〜１１０ｎｍになるまで削る。
【００４２】
次に、図２Ｂ（ｄ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の表面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。
【００４３】
次に、図２Ｃ（ｅ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去した後、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化し、第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８を形成する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００４４】
なお、このとき、酸性のＣＭＰスラリーを用いることにより、ＣＭＰにより未反応金属酸化膜１６の除去と配線形成膜１５の平坦化を連続して行うことができる。
【００４５】
次に、図２Ｃ（ｆ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００４６】
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態によれば、異なる製造方法により、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態は、配線形成膜１５にキャップ層３の表面の高さまでＣＭＰを施した後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第２の実施の形態と異なる。
なお、他の部分の構成等、第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００４８】
図３Ａ（ａ）〜（ｂ）、図３Ｂ（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００４９】
まず、第２の実施の形態において図２Ａ（ｂ）で示した、自己形成バリア膜１２を形成し、未反応の所定の金属元素αを配線形成膜１５内に拡散させるまでの工程を行う。
【００５０】
次に、図３Ａ（ａ）に示すように、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施し、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化する。また、キャップ層３上の自己形成バリア膜１２はＣＭＰにより除去される。
【００５１】
次に、図３Ａ（ｂ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の表面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。このとき、自己形成バリア膜１２は所定の金属αと酸素を含むため、自己形成バリア膜１２にまで未反応金属酸化膜１６の生成反応が進み、未反応金属酸化膜１６の外縁部はキャップ層３に沿って下方に延びた形状となる。
【００５２】
未反応金属酸化膜１６がＭｎＯｘ、自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合、自己形成バリア膜１２にＭｎ、Ｏが含まれるため、ＭｎＯｘの生成反応が自己形成バリア膜１２内にまで進む。これにより、上面端部が丸まった形状を有する第２の配線１７、および第１の配線１１と第２の配線１７を接続するビア１８が形成される。
【００５３】
次に、図３Ｂ（ｃ）に示すように、未反応金属酸化膜１６を塩酸等の酸を用いて除去する。
【００５４】
次に、図３Ｂ（ｄ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００５５】
なお、未反応金属酸化膜１６は絶縁膜であるため、除去しなくてもよい。その場合、未反応金属酸化膜１６の上に第１のバリア膜４を形成する。
【００５６】
（第３の実施の形態の効果）
この第３の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面端部を丸まった形状とすることにより、電界集中を抑えることができる。また、第２の配線１７上面とキャップ層３上面の高さを変えることにより、リーク電流を軽減することができる。
【００５７】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００５８】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る配線構造のリーク電流特性を表すグラフである。同図中の、下側の曲線が、第３の実施の形態に係る上面端部が丸まった配線の特性を表し、上側の曲線が、従来の上面端部が丸まっていない配線の特性を表す。それぞれ、隣接した２つの配線間に所定の大きさの電界（図４横軸）を発生させたときに発生するリーク電流の大きさ（図４縦軸）を表す。
【００５９】
図４より、従来の上面端部が丸まっていない配線では、電界の大きさが約３．８ＭＶ／ｃｍを超えた辺りで絶縁破壊が生じ、リーク電流の大きさが跳ね上がることがわかる。一方、第３の実施の形態に係る上面端部が丸まった配線では、従来の配線構造よりも全体的にリーク電流が小さく、また、測定範囲内では絶縁破壊が生じないことがわかる。
【００６０】
〔第４の実施の形態〕
本発明の第４の実施の形態は、配線形成膜１５上に第１のバリア膜４を形成した後に未反応金属酸化膜１６を析出させる点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００６１】
図５（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００６２】
まず、第３の実施の形態において図３Ａ（ａ）で示した、キャップ層３をストッパとして配線形成膜１５にＣＭＰを施すまでの工程を行う。
【００６３】
次に、図５（ａ）に示すように、配線形成膜１５、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。
【００６４】
次に、図５（ｂ）に示すように、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、配線形成膜１５の上面に未反応金属酸化膜１６を析出させる。このとき、自己形成バリア膜１２は未反応金属酸化膜１６を構成する金属と酸素を含むため、自己形成バリア膜１２にまで未反応金属酸化膜１６の生成反応が進み、未反応金属酸化膜１６の外縁部はキャップ層３に沿って下方に延びた形状となる。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００６５】
（第４の実施の形態の効果）
この第４の実施の形態によれば、異なる製造方法により、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
〔第５の実施の形態〕
本発明の第５の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第１、または第２の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１、または第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００６７】
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００６８】
まず、第１の実施の形態において図１Ｄ（ｈ）、または第２の実施の形態において図２Ｃ（ｆ）で示した、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００６９】
次に、図６に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７と、第２の配線１７上の第１のバリア膜４との間に反応が生じ、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７０】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に残留していたＭｎと、第１のバリア膜４に含まれるＳｉ、Ｏにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７１】
さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００７２】
（第５の実施の形態の効果）
この第５の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第１、または第２の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００７３】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００７４】
〔第６の実施の形態〕
本発明の第６の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００７５】
図７は、本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
まず、第３の実施の形態において図３Ｂ（ｄ）で示した第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００７７】
次に、図７に示すように、望ましくは還元雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７と、第２の配線１７上の第１のバリア膜４との間に反応が生じ、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７８】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に残留していたＭｎと、第１のバリア膜４に含まれるＳｉ、Ｏにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００７９】
さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００８０】
（第６の実施の形態の効果）
この第６の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第３の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００８１】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００８２】
〔第７の実施の形態〕
本発明の第７の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第１、または第２の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第１、または第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００８３】
図８（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００８４】
まず、第１の実施の形態において図１Ｃ（ｇ）、または第２の実施の形態において図２Ｃ（ｅ）で示した、キャップ層３をストッパとしてＣＭＰを施すことにより、キャップ層３が露出するまで配線形成膜１５を平坦化するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００８５】
次に、図８（ａ）に示すように、減圧下でアンモニア等を用いたプラズマ処理を施して、第２の配線１７上面のＣｕ酸化膜（図示しない）を除去した後、第２の配線１７上面を還元性ガスとシランガスに暴露する。これにより、第２の配線１７上面の極表面にのみＳｉが進入する。そこで、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００８６】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に含まれるＭｎ、Ｓｉと、雰囲気中に含まれるＯにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００８７】
次に、図８（ｂ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００８８】
（第７の実施の形態の効果）
この第７の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第１、または第２の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００８９】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００９０】
〔第８の実施の形態〕
本発明の第８の実施の形態は、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成する点において第３の実施の形態と異なる。なお、他の部分の構成等、第３の実施の形態と同様の点については、説明を省略する。
【００９１】
図９（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第８の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【００９２】
まず、第３の実施の形態において図３Ｂ（ｃ）で示した、未反応金属酸化膜１６を除去するまでの工程を行う。ただし、本実施の形態においては、第２の配線１７内に、第２の配線１７の上面に自己形成バリア膜１２を形成することができるだけの所定の金属αが残留しているものとする。
【００９３】
次に、図９（ａ）に示すように、減圧下でアンモニア等を用いたプラズマ処理を施して、第２の配線１７上面のＣｕ酸化膜（図示しない）を除去した後、第２の配線１７上面を還元性ガスとシランガスに暴露する。これにより、第２の配線１７上面の極表面にのみＳｉが進入する。そこで、酸化雰囲気下で熱処理を例えば２００〜４００℃で５〜６０分間施すことにより、第２の配線１７上面に自己形成バリア膜１２が形成される。
【００９４】
自己形成バリア膜１２がＭｎＳｉｘＯｙである場合は、第２の配線１７内に含まれるＭｎ、Ｓｉと、雰囲気中に含まれるＯにより第２の配線１７の上面の自己形成バリア膜１２が形成される。
【００９５】
次に、図９（ｂ）に示すように、第２の配線１７、およびキャップ層３上に第１のバリア膜４を形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１を形成する。
【００９６】
（第８の実施の形態の効果）
この第８の実施の形態によれば、第２の配線１７の上面にも自己形成バリア膜１２を形成することにより、第３の実施の形態よりもさらにリーク電流を低減することができる。
【００９７】
なお、当然であるが、第１の配線１１を第２の配線１７と同様の方法で形成することができる。
【００９８】
〔他の実施の形態〕
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、本発明は、上記各実施の形態において示したようなデュアルダマシン構造以外の配線構造にも適用することができ、例えば、自己形成バリア膜で被膜した配線／ビアからなる配線構造を個別に形成する際に適用されてもよい。
【００９９】
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｂ】（ｄ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｃ】（ｆ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図１Ｄ】（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ａ】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】（ｅ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図３Ａ】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図３Ｂ】（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る配線構造のリーク電流特性を表すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第８の実施の形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 半導体装置
２ 第１の層間絶縁膜
３ キャップ層
４ 第１のバリア膜
５ 第２の層間絶縁膜
６ 第２のバリア膜
１１ 第１の配線
１２ 自己形成バリア膜
１３ 配線溝
１４ 前駆体膜
１５ 配線形成膜
１６ 未反応金属酸化膜
１７ 第２の配線
【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、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜上に配線形成膜を堆積させる工程と、
熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程と、
前記自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程の後、前記凹部外の前記絶縁膜が露出するまで前記配線形成膜を平坦化する工程と、
前記配線形成膜を平坦化する工程の後、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記配線形成膜内に拡散した前記所定の金属元素を前記配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、前記反応を前記自己形成バリア膜内まで進めることにより、前記配線形成膜の上面、および上面付近の側面に未反応金属酸化膜を析出させ、前記配線形成膜の上面端部を丸めて配線構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記配線構造を形成する工程の後、前記配線形成膜上にバリア膜を形成する工程と、
熱処理を施すことにより、前記バリア膜と前記配線形成膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記バリア膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成する工程と、
をさらに含む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３】
前記配線構造を形成する工程の後、前記配線形成膜を少なくともシランガスに暴露する工程と、
酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記シランガスに暴露した配線形成膜を雰囲気中の酸素と反応させて、前記配線形成膜の上面に前記所定の金属元素とＳｉを含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の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、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜上に配線形成膜を堆積させる工程と、
熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程と、
前記自己形成バリア膜を形成し、未反応の前記所定の金属元素を前記配線形成膜内に拡散させる工程の後、前記凹部外の前記絶縁膜が露出するまで前記配線形成膜を平坦化する工程と、
前記配線形成膜を平坦化する工程の後、酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記配線形成膜内に拡散した前記所定の金属元素を前記配線形成膜表面で雰囲気中の酸素と反応させ、前記反応を前記自己形成バリア膜内まで進めることにより、前記配線形成膜の上面、および上面付近の側面に未反応金属酸化膜を析出させ、前記配線形成膜の上面端部を丸めて配線構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記配線構造を形成する工程の後、前記配線形成膜上にバリア膜を形成する工程と、
熱処理を施すことにより、前記バリア膜と前記配線形成膜を反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記バリア膜の構成元素を含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成する工程と、
をさらに含む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３】
前記配線構造を形成する工程の後、前記配線形成膜を少なくともシランガスに暴露する工程と、
酸化雰囲気下で熱処理を施すことにより、前記シランガスに暴露した配線形成膜を雰囲気中の酸素と反応させて、前記配線形成膜の上面に前記所定の金属元素とＳｉを含む化合物を主成分とする自己形成バリア膜を形成する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１５６５３２（Ｐ２０１２−１５６５３２Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６８１６８（Ｐ２０１２−６８１６８）
【出願日】平成２４年３月２３日（２０１２．３．２３）
【分割の表示】特願２００６−３４０５０６（Ｐ２００６−３４０５０６）の分割
【原出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１１９９）東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 (376)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２３日（２０１２．３．２３）
【分割の表示】特願２００６−３４０５０６（Ｐ２００６−３４０５０６）の分割
【原出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１１９９）東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 (376)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]