半導体装置の製造方法
【課題】高温化下でも安定な高信頼性を有する配線を容易に精度良く形成する方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁層に複数の溝を形成し、溝の底面及び側壁下部を覆う部分が溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、溝のバリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、第１の絶縁層を除去して、隣り合う複数の配線の間に配線に接するような空隙を形成し、複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜又は窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、複数の配線の上面を覆い、且つ、複数の配線間に空隙が形成されるように、第２の絶縁層を形成する。
【解決手段】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁層に複数の溝を形成し、溝の底面及び側壁下部を覆う部分が溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、溝のバリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、第１の絶縁層を除去して、隣り合う複数の配線の間に配線に接するような空隙を形成し、複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜又は窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、複数の配線の上面を覆い、且つ、複数の配線間に空隙が形成されるように、第２の絶縁層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端の半導体装置で用いられる微細化された多層配線において、配線のついてのＲＣ時定数を低減する施策、すなわち配線間の容量を低減する施策として配線間にエアギャップを形成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６５８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高温化下でも安定な高信頼性を有する配線を容易に精度良く形成する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、前記複数の溝であって、前記バリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、前記キャップ膜を形成した後、前記複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その１）である。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その２）である。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その３）である。
【図４】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その４）である。
【図５】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その５）である。
【図６】第１の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図７】第２の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図８】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その１）である。
【図９】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その２）である。
【図１０】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。ただし、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。なお、全図面にわたり共通する部分には、共通する符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、図面は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置とは異なる個所もあるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【０００８】
エアギャップ（空隙）の形成方法としては主に２つ挙げられる。一つは、犠牲膜として誘電率の比較的低い酸化膜を用い、酸化膜に形成した溝に金属膜を埋め込むことにより配線を形成し、さらにリソグラフィプロセスにより酸化膜をエッチングして、配線間にエアギャップを形成する方法である。もう一つは、熱、紫外線（Ultra Violet）、又は、電子線（Electron Beam）により気化する材料を犠牲膜として用いることにより、配線間にエアギャップを形成する方法である。
【０００９】
いずれの方法においても、金属配線の両隣にエアギャップが接する構造が形成される。このような構造においては、金属配線の熱膨張を抑制する膜が無いがために、例えばエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションといった不良が起きやすくなることが懸念される。
【００１０】
さらに、犠牲膜として酸化膜を用いたエアギャップの形成方法によれば、配線に隣接する酸化膜から配線に水分が吸収され、配線を劣化させる恐れがある。よって、このような配線の劣化を防止するために、厚い金属膜で配線を覆う必要がある。また、この酸化膜を用いた形成方法においては、配線を形成する際に酸化膜中にダメージが生じ、この酸化膜のうちのダメージを受けた部分を選択的にエッチングすることによりエアギャップを形成している。従って、自由にエアギャップの大きさを制御して、配線間容量を所望のものとして形成することは難しい。さらに、この形成方法においては、酸化膜に形成された溝に金属膜を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）を行うことにより形成する、すなわち、ダマシンプロセスにより配線を形成しているが、酸化膜はＣＭＰを行う際の削りしろを有する必要であり、言い換えると、酸化膜を所望の厚さよりも削りしろの分だけ厚く形成する必要がある。よって、厚く形成された酸化膜の溝は高アスペクト比を有し、このような高いアスペクト比を持つ溝に金属膜を埋め込むことは難しい。
【００１１】
また、もう一つのエアギャップ形成方法である、気化する材料を犠牲膜として用いる方法によれば、気化する材料は高価なものであるため、半導体装置の製造コストを上昇させることとなる。
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置の製造方法を図１から図５に示す。ここでは、例として銅を用いた配線の間にエアギャップを形成する場合を説明するが、本発明においては、配線の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等、配線に使用することができる各種の材料を用いることができる。
【００１３】
まず、下層配線層（不図示）と接続するコンタクト層１０を形成する。詳細には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁層２０に、導電材料としてタングステンや銅を用いたコンタクト２１を形成する。その上に、シリコンナイトライドカーバイド（Ｓｉ（Ｃ）Ｎ）、窒化ボロン（ＢＮ）等からなる拡散防止層１１と、窒化チタン（ＴｉＮ）層（第１の絶縁層）１２とを順次形成し、その上に例えば光リソグラフィやＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）のようなパターニング形成を行うための積層構造３０を堆積する。なお、拡散防止層１１は、窒化チタン層１２をエッチングする際にエッチングストッパとしての役割を持ち、さらに、後の工程で形成される拡散防止膜と一体となって配線を均一に覆い、配線の膨張・拡散を防ぐための膜としての役割を有する。また、この積層構造３０は、下地膜３１とレジスト膜３２とからなるものとすることができ、例えば下地膜３１としてはカーボンを含むＣＶＤ（chemical vapor deposition）膜や塗布による有機膜を用いることができる。また、下地膜３１とレジスト膜３２との間にシリコンを含有する有機膜（不図示）を形成しても良い。
【００１４】
そして、図１（ａ）に示されるように、レジスト膜３２にパターニングを行う。
【００１５】
図１（ｂ）に示されるように、パターニングされたレジスト膜３２に従って、下地膜３１と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とを、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等を用いてパターニングを行い、溝４０を形成する。窒化チタン層１２をＲＩＥでエッチングする場合は、Ｃｌ２とＡｌを含むガスを用いることが好ましく、Ｓｉ（Ｃ）Ｎからなる拡散防止層１１をエッチングする場合はフッ素を含む例えばフッ化炭素（ＣＦ４）のようなガスを用いることが好ましい。さらに、下地膜３１を除去し、溝４０の側壁に堆積した残渣を除去するために例えば希フッ酸のような薬液にて洗浄を行うことが好ましい。
【００１６】
次に、窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対するパターニングにより形成された溝４０に、銅膜１４を埋め込むことにより配線を形成する。先に述べたように、配線の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等を用いることができる。
【００１７】
詳細には、図２（ｃ）に示されるように、拡散防止層１１及び窒化チタン層１２に設けられた溝４０の底面及び側壁を覆うように、例えばタンタル、マンガン、ルテニウムやそれら窒化物、またはそれらの組み合わせからなる金属をバリアメタル１３として成膜する。この際、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等の方法を用いて成膜することが好ましい。なお、バリアメタル１３は、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。また、窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線が劣化する恐れがないため、バリアメタル１３を用いて配線の窒化チタン層１２からの水分の吸収を防止する必要はない。従って、バリアメタル１３の溝４０の側壁上部を覆う部分の膜厚は、言い換えると、バリアメタル１３の窒化チタン層１２と配線との間に位置する部分の膜厚は、限定されず、例えば、この箇所においてはバリアメタル１３が不均一であったり、不連続なものであったり、膜厚が２ｎｍ以下のものであってもかまわない。
【００１８】
次いで、図２（ｄ）に示されるように、例えばＰＶＤ、ＣＶＤ、ＥＣＤ（Electro Chemical Deposition）等により銅膜１４を成膜し、アニールにより粒成長を促して、拡散防止層１１及び窒化チタン層１２に設けられた溝４０に銅膜１４を埋め込む。なお、バリアメタル１３を成膜せずに、銅膜１４を埋め込んでも良い。バリアメタル１３を成膜せずに、溝４０にマンガンを含む銅膜１４をＰＶＤにより成膜した場合には、その後に行われるアニールなどの熱履歴により、ＭｎＳｉｘＯｙ（０＜Ｘ, ｙ＜１）のような材料が配線の表面に析出されることとなる。この表面に析出した材料は、この後に行われる窒化チタン層１２の除去時の配線の保護膜として機能することができる。
【００１９】
この後、図３（ｅ）に示されるように、ＣＭＰを用いて余剰な銅膜１４を除去し、配線１５を形成する。この際、例えば渦電流を測定するような制御機器をＣＭＰプロセス装置に組み込む事により、銅膜１４と窒化チタン層１２との界面を検知させＣＭＰの制御精度を向上させることができる。なお、窒化チタン層１２と銅膜１４とはＣＭＰの選択比が高いため、窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、溝４０のアスペクト比は小さくなることから、銅膜１４の埋め込み性が向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００２０】
続いて、図３（ｆ）に示されるように、窒化チタン層１２をエッチングにより除去して、隣り合う配線１５の間に、配線１５に接するようなエアギャップ１９を形成する。この際、窒化チタン層１２をエッチングする薬液としては、配線１５及びバリアメタル１３を溶解しないような薬液を選択することが好ましく、例えば過酸化水素水を主体する薬液を用いて、窒化チタン層１２を酸化除去する。
【００２１】
次に、図４（ｇ）に示されるように、配線１５の上面に、銅シリコンナイトライド（ＣｕＳｉＮ）、コバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）、コバルトタングステンホウ素（ＣｏＷＢ）、コバルト、ルテニウムといった、この後に形成するＳｉ（Ｃ）Ｎ等からなる拡散防止膜と反応しない金属からなるキャップ膜１６をＣＶＤ、ＡＬＤ又は無電界めっき等により成膜する。このキャップ膜１６により、この後に配線１５を覆うように形成される拡散防止膜１７と配線１５との密着性を高めることができる。このキャップ膜１６は、配線１５を構成する銅となじみが良い材料からなるものであるため、配線１５の側壁において、バリアメタル１３が不連続であるため配線１５の表面が露出している箇所に、キャップ膜１６の材料が付着し、配線１５の露出箇所を覆うことができる。
【００２２】
詳細には、ＣｕＳｉＮからなるキャップ膜１６を形成する場合は、例えば、配線１５の上面を前処理した後、シリコン膜を形成し、アンモニア（ＮＨ３）を用いてシリコン膜に対してプラズマ処理をすることにより形成する。ＣｏＷＰ又はＣｏＷＢからなるキャップ膜１６を形成する場合は、無電解めっきにより行うことが好ましい。さらに、コバルトからなるキャップ膜１６を形成する場合は、ＣＶＤにより行うことが好ましく、ルテニウムからなるキャップ膜１６を形成する場合には、ＣＶＤ又はＡＬＤにより行うことが好ましい。なお、無電解めっきを用いる場合には、先に説明したように、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２の除去の後に、図４（ｇ）に示される無電解めっきによるキャップ膜１６の形成を行っても良いし、順番を入れ替えて、無電解めっきによるキャップ膜１６の形成の後に、窒化チタン層１２の除去を行っても良い。後者の場合、キャップ膜１６は、窒化チタン層１２の除去時の配線１５の保護膜として機能することができる。
【００２３】
なお、マンガンを含むバリアメタル１３を形成した場合には、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２を除去した際、キャップ膜１６として、マンガンを含む絶縁膜が配線１５の上面に形成されることとなる。また、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２の除去の際にバリアメタル１３が溶解した場合は、バリアメタル１３を構成する金属を含む酸化膜が、キャップ膜１６として配線１５の上面に形成されることとなる。
【００２４】
次に、図４（ｈ）に示されるように、圧縮応力を持ち、且つ、銅の拡散防止として働く、例えば、Ｓｉ（Ｃ）ＮやＢＮのような拡散防止膜１７を、配線１５の上面及び側壁を覆うように、さらに、配線１５の間にある拡散防止層１１の上面を覆うように、ＣＶＤ、ＡＬＤ、又は、塗布により形成する。この拡散防止膜１７は、拡散防止層１１と一体の膜となり、配線１５を支えつつ、配線１５からの銅の拡散を防止し、圧縮応力を有することから配線１５の熱膨張を抑える働きを有する。
【００２５】
そして、図５（ｉ）に示されるように、配線１５の上面を覆い、且つ、所望の位置にエアギャップ１９が残存するように、配線１５の上方に、例えばシランガス（ｐ−ＳｉＨ４）を主原料として用いたＣＶＤにより酸化シリコン膜を成膜することにより、絶縁層（第２の絶縁層）１８を形成する。または、高粘性の塗布膜を用いて酸化シリコン膜又はシリコンオキシカーバイド膜（ＳｉＣＯＨ膜）を成膜することにより、絶縁層１８を形成する。
【００２６】
このようにして、図６（ａ）に示されるような断面を有する半導体装置を形成することができる。この半導体装置は、配線１５の間のうち所望の位置に、配線１５と接するようなエアギャップ１９を有する。
【００２７】
さらに、図６（ｂ）に示される配線１５の断面の拡大図からわかるように、配線１５はバリアメタル１３に覆われている。配線１５を覆うバリアメタル１３は、詳細には、拡散防止膜１１と接する面と、絶縁層２０と接する面とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚を有していることが好ましい。それ以外の配線１５の側壁を覆う部分については、先に述べたようにバリアメタル１３の膜厚は限定されない。また、配線１５の上面には、ＣｕＳｉＮ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢ、コバルト、ルテニウム、酸化マンガン等からなるキャップ膜１６を有し、配線１５を覆うように形成される拡散防止膜１７と配線１５との密着性を高める。さらに、バリアメタル１３及びキャップ膜１６を介して配線１５の上面及び側壁を覆うように、Ｓｉ（Ｃ）Ｎ、ＢＮ等からなる拡散防止膜１７が形成されている。この拡散防止膜１７は、配線１５を支えつつ、配線１５からの銅の拡散を防止し、配線１５の熱膨張を抑える働きを有する。
【００２８】
本実施形態によれば、配線１５がエアギャップ１９に接していても、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制し、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションといった不良が生じることを避けることができる。すなわち、高温化下でも安定な高信頼性を有する配線を形成することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いている。窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがない。また、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いため窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、窒化チタン層１２中に形成される配線１５を埋め込むための溝４０のアスペクト比は小さくなり、埋め込み性は向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、犠牲膜として気化するような材料を用いていないことから、半導体装置の製造コストの上昇を避けることができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、拡散防止層１１をコンタクト層１０の上に形成していたが、本実施形態においては、コンタクト層１０を絶縁層２０と拡散防止層１１とで形成し、コンタクト２１を絶縁層２０及び拡散防止層１１を貫くように形成する。このようにすることにより、隣り合う配線１５間に拡散防止層１１を有することなくエアギャップ１９を配置することができ、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。本実施形態による半導体装置の断面図を図７（ａ）に示す。
【００３２】
また、本実施形態の変形例として、拡散防止層１１の上に、酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる絶縁層２２を形成した後、拡散膜１７を形成しても良い。このようにすることで、図７（ｂ）の断面図に示されるような半導体装置を得ることができる。このように、隣り合う配線１５間に存在する絶縁層２２と拡散防止膜１７とエアギャップ１９との分量を制御することにより、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。
【００３３】
なお、本実施形態及び本実施形態の変形例においては、第１の実施形態と同様に、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、絶縁層２２と接する部分と、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制することができる。さらに、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いていることから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがなく、加えて、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いことから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。さらに、本実施形態によれば、隣り合う配線１５間に位置する各層の分量を制御することにより、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。
【００３５】
（第３の実施形態）
本実施形態においては、拡散防止層１１の上に酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる酸化膜２３を形成し、その上から窒化チタン層１２を形成する点が、第１の実施形態と異なる点である。このようにすることにより、酸化膜２３は容易に薬液に溶解するため、より確実にその上に形成された窒化チタン層１２を除去、すなわち、より確実にリフトオフすることができる。従って、配線１５間に窒化チタン層１２が残存することがないことから、隣り合う配線１５間の容量を所望のものとすることができる。
【００３６】
本実施形態にかかる半導体装置の製造方法を図８から図１０を用いて説明する。ここでは、第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。
【００３７】
まず、第１の実施形態と同様に、下層配線層（不図示）と接続するコンタクト層１０を形成し、その上に拡散防止層１１を形成する。さらに、その上に、酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる酸化膜２３を形成し、窒化チタン層１２を順次形成する。そして、窒化チタン層１２の上に、下地膜３１とレジスト膜３２からなる積層構造３０を堆積し、図８（ａ）に示されるように、レジスト膜３２にパターニングを行う。
【００３８】
図８（ｂ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、パターニングされたレジスト膜３２に従って、下地膜３１と酸化膜２３と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対してパターニングを行い、溝４０を形成する。さらに、下地膜３１を除去する。
【００３９】
図９（ｃ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、溝４０の底面及び側壁を覆うように、バリアメタル１３を成膜する。なお、バリアメタル１３は、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、酸化膜２３と接する部分と、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。また、窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線が窒化チタン層１２からの水分を吸収し、配線が劣化する恐れがないため、バリアメタル１３を用いて、配線の窒化チタン層１２からの水分の吸収を防止する必要はない。従って、窒化チタン層１２と配線１５との間に位置するバリアメタル１３の膜厚は限定されず、例えば、この箇所においてはバリアメタル１３が不均一であったり、不連続なものであったり、膜厚が２ｎｍ以下のものであってもかまわない。
【００４０】
次に、図９（ｄ）にしめされるように、第１の実施形態と同様に、絶縁膜２３と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対するパターニングにより形成された溝４０に、バリアメタル１３を介して銅膜１４を埋め込む。先に述べたように、配線１５の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等を用いることができる。
【００４１】
この後、図１０（ｅ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、ＣＭＰを用いて余剰な銅膜１４を除去し、配線１５を形成する。なお、窒化チタン層１２と銅膜１４とはＣＭＰの選択比が高いため、窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、銅膜１４を埋め込む溝４０のアスペクト比は小さくなり、銅膜１４の埋め込み性は向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００４２】
続いて、図１０（ｆ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、窒化チタン層１２を除去する。窒化チタン層１２が残存した場合であっても、フッ酸系薬液（ＤＨＦ）による処理を追加することにより、酸化膜２３にまで液が到達し溶解することから、その上に形成された窒化チタン層１２をより確実にリフトオフすることができる。この後の工程については、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する（図４及び図５参照）。
【００４３】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制することができる。さらに、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いていることから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがなく、加えて、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いことから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。さらに、本実施形態によれば、より確実に窒化チタン層１２を除去することができることから、隣り合う配線１５間の容量を所望のものとすることができる。
【００４４】
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１０ コンタクト層
１１ 拡散防止層
１２ 窒化チタン層（第１の絶縁層）
１３ バリアメタル
１４ 銅膜
１５ 配線
１６ キャップ膜
１７ 拡散防止膜
１８ 絶縁層（第２の絶縁層）
２０、２２ 絶縁層
１９ エアギャップ（空隙）
２１ コンタクト
２３ 酸化膜
３０ 積層構造
３１ 下地膜
３２ レジスト膜
４０ 溝
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端の半導体装置で用いられる微細化された多層配線において、配線のついてのＲＣ時定数を低減する施策、すなわち配線間の容量を低減する施策として配線間にエアギャップを形成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６５８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高温化下でも安定な高信頼性を有する配線を容易に精度良く形成する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、前記複数の溝であって、前記バリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、前記キャップ膜を形成した後、前記複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その１）である。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その２）である。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その３）である。
【図４】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その４）である。
【図５】第１の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その５）である。
【図６】第１の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図７】第２の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図８】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その１）である。
【図９】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その２）である。
【図１０】第３の実施形態にかかる半導体装置の製造工程を説明するための断面図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。ただし、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。なお、全図面にわたり共通する部分には、共通する符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、図面は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置とは異なる個所もあるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【０００８】
エアギャップ（空隙）の形成方法としては主に２つ挙げられる。一つは、犠牲膜として誘電率の比較的低い酸化膜を用い、酸化膜に形成した溝に金属膜を埋め込むことにより配線を形成し、さらにリソグラフィプロセスにより酸化膜をエッチングして、配線間にエアギャップを形成する方法である。もう一つは、熱、紫外線（Ultra Violet）、又は、電子線（Electron Beam）により気化する材料を犠牲膜として用いることにより、配線間にエアギャップを形成する方法である。
【０００９】
いずれの方法においても、金属配線の両隣にエアギャップが接する構造が形成される。このような構造においては、金属配線の熱膨張を抑制する膜が無いがために、例えばエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションといった不良が起きやすくなることが懸念される。
【００１０】
さらに、犠牲膜として酸化膜を用いたエアギャップの形成方法によれば、配線に隣接する酸化膜から配線に水分が吸収され、配線を劣化させる恐れがある。よって、このような配線の劣化を防止するために、厚い金属膜で配線を覆う必要がある。また、この酸化膜を用いた形成方法においては、配線を形成する際に酸化膜中にダメージが生じ、この酸化膜のうちのダメージを受けた部分を選択的にエッチングすることによりエアギャップを形成している。従って、自由にエアギャップの大きさを制御して、配線間容量を所望のものとして形成することは難しい。さらに、この形成方法においては、酸化膜に形成された溝に金属膜を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）を行うことにより形成する、すなわち、ダマシンプロセスにより配線を形成しているが、酸化膜はＣＭＰを行う際の削りしろを有する必要であり、言い換えると、酸化膜を所望の厚さよりも削りしろの分だけ厚く形成する必要がある。よって、厚く形成された酸化膜の溝は高アスペクト比を有し、このような高いアスペクト比を持つ溝に金属膜を埋め込むことは難しい。
【００１１】
また、もう一つのエアギャップ形成方法である、気化する材料を犠牲膜として用いる方法によれば、気化する材料は高価なものであるため、半導体装置の製造コストを上昇させることとなる。
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置の製造方法を図１から図５に示す。ここでは、例として銅を用いた配線の間にエアギャップを形成する場合を説明するが、本発明においては、配線の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等、配線に使用することができる各種の材料を用いることができる。
【００１３】
まず、下層配線層（不図示）と接続するコンタクト層１０を形成する。詳細には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁層２０に、導電材料としてタングステンや銅を用いたコンタクト２１を形成する。その上に、シリコンナイトライドカーバイド（Ｓｉ（Ｃ）Ｎ）、窒化ボロン（ＢＮ）等からなる拡散防止層１１と、窒化チタン（ＴｉＮ）層（第１の絶縁層）１２とを順次形成し、その上に例えば光リソグラフィやＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）のようなパターニング形成を行うための積層構造３０を堆積する。なお、拡散防止層１１は、窒化チタン層１２をエッチングする際にエッチングストッパとしての役割を持ち、さらに、後の工程で形成される拡散防止膜と一体となって配線を均一に覆い、配線の膨張・拡散を防ぐための膜としての役割を有する。また、この積層構造３０は、下地膜３１とレジスト膜３２とからなるものとすることができ、例えば下地膜３１としてはカーボンを含むＣＶＤ（chemical vapor deposition）膜や塗布による有機膜を用いることができる。また、下地膜３１とレジスト膜３２との間にシリコンを含有する有機膜（不図示）を形成しても良い。
【００１４】
そして、図１（ａ）に示されるように、レジスト膜３２にパターニングを行う。
【００１５】
図１（ｂ）に示されるように、パターニングされたレジスト膜３２に従って、下地膜３１と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とを、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等を用いてパターニングを行い、溝４０を形成する。窒化チタン層１２をＲＩＥでエッチングする場合は、Ｃｌ２とＡｌを含むガスを用いることが好ましく、Ｓｉ（Ｃ）Ｎからなる拡散防止層１１をエッチングする場合はフッ素を含む例えばフッ化炭素（ＣＦ４）のようなガスを用いることが好ましい。さらに、下地膜３１を除去し、溝４０の側壁に堆積した残渣を除去するために例えば希フッ酸のような薬液にて洗浄を行うことが好ましい。
【００１６】
次に、窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対するパターニングにより形成された溝４０に、銅膜１４を埋め込むことにより配線を形成する。先に述べたように、配線の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等を用いることができる。
【００１７】
詳細には、図２（ｃ）に示されるように、拡散防止層１１及び窒化チタン層１２に設けられた溝４０の底面及び側壁を覆うように、例えばタンタル、マンガン、ルテニウムやそれら窒化物、またはそれらの組み合わせからなる金属をバリアメタル１３として成膜する。この際、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等の方法を用いて成膜することが好ましい。なお、バリアメタル１３は、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。また、窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線が劣化する恐れがないため、バリアメタル１３を用いて配線の窒化チタン層１２からの水分の吸収を防止する必要はない。従って、バリアメタル１３の溝４０の側壁上部を覆う部分の膜厚は、言い換えると、バリアメタル１３の窒化チタン層１２と配線との間に位置する部分の膜厚は、限定されず、例えば、この箇所においてはバリアメタル１３が不均一であったり、不連続なものであったり、膜厚が２ｎｍ以下のものであってもかまわない。
【００１８】
次いで、図２（ｄ）に示されるように、例えばＰＶＤ、ＣＶＤ、ＥＣＤ（Electro Chemical Deposition）等により銅膜１４を成膜し、アニールにより粒成長を促して、拡散防止層１１及び窒化チタン層１２に設けられた溝４０に銅膜１４を埋め込む。なお、バリアメタル１３を成膜せずに、銅膜１４を埋め込んでも良い。バリアメタル１３を成膜せずに、溝４０にマンガンを含む銅膜１４をＰＶＤにより成膜した場合には、その後に行われるアニールなどの熱履歴により、ＭｎＳｉｘＯｙ（０＜Ｘ, ｙ＜１）のような材料が配線の表面に析出されることとなる。この表面に析出した材料は、この後に行われる窒化チタン層１２の除去時の配線の保護膜として機能することができる。
【００１９】
この後、図３（ｅ）に示されるように、ＣＭＰを用いて余剰な銅膜１４を除去し、配線１５を形成する。この際、例えば渦電流を測定するような制御機器をＣＭＰプロセス装置に組み込む事により、銅膜１４と窒化チタン層１２との界面を検知させＣＭＰの制御精度を向上させることができる。なお、窒化チタン層１２と銅膜１４とはＣＭＰの選択比が高いため、窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、溝４０のアスペクト比は小さくなることから、銅膜１４の埋め込み性が向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００２０】
続いて、図３（ｆ）に示されるように、窒化チタン層１２をエッチングにより除去して、隣り合う配線１５の間に、配線１５に接するようなエアギャップ１９を形成する。この際、窒化チタン層１２をエッチングする薬液としては、配線１５及びバリアメタル１３を溶解しないような薬液を選択することが好ましく、例えば過酸化水素水を主体する薬液を用いて、窒化チタン層１２を酸化除去する。
【００２１】
次に、図４（ｇ）に示されるように、配線１５の上面に、銅シリコンナイトライド（ＣｕＳｉＮ）、コバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）、コバルトタングステンホウ素（ＣｏＷＢ）、コバルト、ルテニウムといった、この後に形成するＳｉ（Ｃ）Ｎ等からなる拡散防止膜と反応しない金属からなるキャップ膜１６をＣＶＤ、ＡＬＤ又は無電界めっき等により成膜する。このキャップ膜１６により、この後に配線１５を覆うように形成される拡散防止膜１７と配線１５との密着性を高めることができる。このキャップ膜１６は、配線１５を構成する銅となじみが良い材料からなるものであるため、配線１５の側壁において、バリアメタル１３が不連続であるため配線１５の表面が露出している箇所に、キャップ膜１６の材料が付着し、配線１５の露出箇所を覆うことができる。
【００２２】
詳細には、ＣｕＳｉＮからなるキャップ膜１６を形成する場合は、例えば、配線１５の上面を前処理した後、シリコン膜を形成し、アンモニア（ＮＨ３）を用いてシリコン膜に対してプラズマ処理をすることにより形成する。ＣｏＷＰ又はＣｏＷＢからなるキャップ膜１６を形成する場合は、無電解めっきにより行うことが好ましい。さらに、コバルトからなるキャップ膜１６を形成する場合は、ＣＶＤにより行うことが好ましく、ルテニウムからなるキャップ膜１６を形成する場合には、ＣＶＤ又はＡＬＤにより行うことが好ましい。なお、無電解めっきを用いる場合には、先に説明したように、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２の除去の後に、図４（ｇ）に示される無電解めっきによるキャップ膜１６の形成を行っても良いし、順番を入れ替えて、無電解めっきによるキャップ膜１６の形成の後に、窒化チタン層１２の除去を行っても良い。後者の場合、キャップ膜１６は、窒化チタン層１２の除去時の配線１５の保護膜として機能することができる。
【００２３】
なお、マンガンを含むバリアメタル１３を形成した場合には、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２を除去した際、キャップ膜１６として、マンガンを含む絶縁膜が配線１５の上面に形成されることとなる。また、図３（ｆ）で示される窒化チタン層１２の除去の際にバリアメタル１３が溶解した場合は、バリアメタル１３を構成する金属を含む酸化膜が、キャップ膜１６として配線１５の上面に形成されることとなる。
【００２４】
次に、図４（ｈ）に示されるように、圧縮応力を持ち、且つ、銅の拡散防止として働く、例えば、Ｓｉ（Ｃ）ＮやＢＮのような拡散防止膜１７を、配線１５の上面及び側壁を覆うように、さらに、配線１５の間にある拡散防止層１１の上面を覆うように、ＣＶＤ、ＡＬＤ、又は、塗布により形成する。この拡散防止膜１７は、拡散防止層１１と一体の膜となり、配線１５を支えつつ、配線１５からの銅の拡散を防止し、圧縮応力を有することから配線１５の熱膨張を抑える働きを有する。
【００２５】
そして、図５（ｉ）に示されるように、配線１５の上面を覆い、且つ、所望の位置にエアギャップ１９が残存するように、配線１５の上方に、例えばシランガス（ｐ−ＳｉＨ４）を主原料として用いたＣＶＤにより酸化シリコン膜を成膜することにより、絶縁層（第２の絶縁層）１８を形成する。または、高粘性の塗布膜を用いて酸化シリコン膜又はシリコンオキシカーバイド膜（ＳｉＣＯＨ膜）を成膜することにより、絶縁層１８を形成する。
【００２６】
このようにして、図６（ａ）に示されるような断面を有する半導体装置を形成することができる。この半導体装置は、配線１５の間のうち所望の位置に、配線１５と接するようなエアギャップ１９を有する。
【００２７】
さらに、図６（ｂ）に示される配線１５の断面の拡大図からわかるように、配線１５はバリアメタル１３に覆われている。配線１５を覆うバリアメタル１３は、詳細には、拡散防止膜１１と接する面と、絶縁層２０と接する面とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚を有していることが好ましい。それ以外の配線１５の側壁を覆う部分については、先に述べたようにバリアメタル１３の膜厚は限定されない。また、配線１５の上面には、ＣｕＳｉＮ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢ、コバルト、ルテニウム、酸化マンガン等からなるキャップ膜１６を有し、配線１５を覆うように形成される拡散防止膜１７と配線１５との密着性を高める。さらに、バリアメタル１３及びキャップ膜１６を介して配線１５の上面及び側壁を覆うように、Ｓｉ（Ｃ）Ｎ、ＢＮ等からなる拡散防止膜１７が形成されている。この拡散防止膜１７は、配線１５を支えつつ、配線１５からの銅の拡散を防止し、配線１５の熱膨張を抑える働きを有する。
【００２８】
本実施形態によれば、配線１５がエアギャップ１９に接していても、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制し、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションといった不良が生じることを避けることができる。すなわち、高温化下でも安定な高信頼性を有する配線を形成することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いている。窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがない。また、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いため窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、窒化チタン層１２中に形成される配線１５を埋め込むための溝４０のアスペクト比は小さくなり、埋め込み性は向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、犠牲膜として気化するような材料を用いていないことから、半導体装置の製造コストの上昇を避けることができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、拡散防止層１１をコンタクト層１０の上に形成していたが、本実施形態においては、コンタクト層１０を絶縁層２０と拡散防止層１１とで形成し、コンタクト２１を絶縁層２０及び拡散防止層１１を貫くように形成する。このようにすることにより、隣り合う配線１５間に拡散防止層１１を有することなくエアギャップ１９を配置することができ、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。本実施形態による半導体装置の断面図を図７（ａ）に示す。
【００３２】
また、本実施形態の変形例として、拡散防止層１１の上に、酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる絶縁層２２を形成した後、拡散膜１７を形成しても良い。このようにすることで、図７（ｂ）の断面図に示されるような半導体装置を得ることができる。このように、隣り合う配線１５間に存在する絶縁層２２と拡散防止膜１７とエアギャップ１９との分量を制御することにより、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。
【００３３】
なお、本実施形態及び本実施形態の変形例においては、第１の実施形態と同様に、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、絶縁層２２と接する部分と、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制することができる。さらに、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いていることから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがなく、加えて、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いことから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。さらに、本実施形態によれば、隣り合う配線１５間に位置する各層の分量を制御することにより、配線１５間を所望の容量を持つものとして制御することができる。
【００３５】
（第３の実施形態）
本実施形態においては、拡散防止層１１の上に酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる酸化膜２３を形成し、その上から窒化チタン層１２を形成する点が、第１の実施形態と異なる点である。このようにすることにより、酸化膜２３は容易に薬液に溶解するため、より確実にその上に形成された窒化チタン層１２を除去、すなわち、より確実にリフトオフすることができる。従って、配線１５間に窒化チタン層１２が残存することがないことから、隣り合う配線１５間の容量を所望のものとすることができる。
【００３６】
本実施形態にかかる半導体装置の製造方法を図８から図１０を用いて説明する。ここでは、第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。
【００３７】
まず、第１の実施形態と同様に、下層配線層（不図示）と接続するコンタクト層１０を形成し、その上に拡散防止層１１を形成する。さらに、その上に、酸化シリコン膜又はＳｉＣＯＨ膜からなる酸化膜２３を形成し、窒化チタン層１２を順次形成する。そして、窒化チタン層１２の上に、下地膜３１とレジスト膜３２からなる積層構造３０を堆積し、図８（ａ）に示されるように、レジスト膜３２にパターニングを行う。
【００３８】
図８（ｂ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、パターニングされたレジスト膜３２に従って、下地膜３１と酸化膜２３と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対してパターニングを行い、溝４０を形成する。さらに、下地膜３１を除去する。
【００３９】
図９（ｃ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、溝４０の底面及び側壁を覆うように、バリアメタル１３を成膜する。なお、バリアメタル１３は、溝４０の底面及び側壁下部を覆う部分、詳細には、酸化膜２３と接する部分と、拡散防止層１１と接する部分と、コンタクト層１０の絶縁層２０と接する部分とにおいては、これらの層からの水分が配線１５に吸収されることを防ぐために、２ｎｍ以上の膜厚が確保できるように成膜することが好ましい。また、窒化チタン層１２は水分を含まないことから、配線が窒化チタン層１２からの水分を吸収し、配線が劣化する恐れがないため、バリアメタル１３を用いて、配線の窒化チタン層１２からの水分の吸収を防止する必要はない。従って、窒化チタン層１２と配線１５との間に位置するバリアメタル１３の膜厚は限定されず、例えば、この箇所においてはバリアメタル１３が不均一であったり、不連続なものであったり、膜厚が２ｎｍ以下のものであってもかまわない。
【００４０】
次に、図９（ｄ）にしめされるように、第１の実施形態と同様に、絶縁膜２３と窒化チタン層１２と拡散防止層１１とに対するパターニングにより形成された溝４０に、バリアメタル１３を介して銅膜１４を埋め込む。先に述べたように、配線１５の材料は銅に限られるものではなく、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ルテニウム、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド等を用いることができる。
【００４１】
この後、図１０（ｅ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、ＣＭＰを用いて余剰な銅膜１４を除去し、配線１５を形成する。なお、窒化チタン層１２と銅膜１４とはＣＭＰの選択比が高いため、窒化チタン層１２の界面の検出は容易であることから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。従って、銅膜１４を埋め込む溝４０のアスペクト比は小さくなり、銅膜１４の埋め込み性は向上することとなる。さらに、ＣＭＰの選択性が高いことから、タッチアップＣＭＰ等の工程は不要となり、工程を削減することができる。
【００４２】
続いて、図１０（ｆ）に示されるように、第１の実施形態と同様に、窒化チタン層１２を除去する。窒化チタン層１２が残存した場合であっても、フッ酸系薬液（ＤＨＦ）による処理を追加することにより、酸化膜２３にまで液が到達し溶解することから、その上に形成された窒化チタン層１２をより確実にリフトオフすることができる。この後の工程については、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する（図４及び図５参照）。
【００４３】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、配線１５は拡散防止膜１７に覆われているため、配線１５からの銅の拡散と配線１５の熱膨張とを抑制することができる。さらに、配線１５を形成するための犠牲層として窒化チタンからなる層を用いていることから、配線１５が窒化チタン層１２からの水分を吸収し配線１５が劣化する恐れがなく、加えて、窒化チタン層１２と配線１５の材料とはＣＭＰの選択比が高いことから、ＣＭＰによる削りしろを考慮して窒化チタン層１２を厚く形成する必要はない。さらに、本実施形態によれば、より確実に窒化チタン層１２を除去することができることから、隣り合う配線１５間の容量を所望のものとすることができる。
【００４４】
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１０ コンタクト層
１１ 拡散防止層
１２ 窒化チタン層（第１の絶縁層）
１３ バリアメタル
１４ 銅膜
１５ 配線
１６ キャップ膜
１７ 拡散防止膜
１８ 絶縁層（第２の絶縁層）
２０、２２ 絶縁層
１９ エアギャップ（空隙）
２１ コンタクト
２３ 酸化膜
３０ 積層構造
３１ 下地膜
３２ レジスト膜
４０ 溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、
前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、
前記複数の溝であって、前記バリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、
前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、
前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、
前記キャップ膜を形成した後、前記複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、
前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、
前記複数の溝に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、
前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、
前記複数の配線の上面及び側壁を覆うように拡散防止膜を形成し、
前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記拡散防止膜として、シリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜を用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記拡散防止層を形成する前に、前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成することを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属膜を埋め込む前に、前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成することを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の絶縁層を形成した後、前記第１の絶縁層の上に酸化膜を形成し、前記第１の絶縁層と前記酸化膜とに複数の溝を形成することを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、
前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成し、
前記複数の溝であって、前記バリアメタル上に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、
前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、
前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成し、
前記キャップ膜を形成した後、前記複数の配線の上面及び側壁を覆うようにシリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜からなる拡散防止膜を形成し、
前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上方に窒化チタンからなる第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に複数の溝を形成し、
前記複数の溝に金属膜を埋め込み、複数の配線を形成し、
前記第１の絶縁層を除去して、隣り合う前記複数の配線の間に前記配線に接するような空隙を形成し、
前記複数の配線の上面及び側壁を覆うように拡散防止膜を形成し、
前記複数の配線の上面を覆い、且つ、前記複数の配線間に前記空隙が形成されるように、前記複数の配線の上に第２の絶縁層を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記拡散防止膜として、シリコンナイトライドカーバイド膜、又は、窒化ボロン膜を用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記拡散防止層を形成する前に、前記複数の配線の上面に、金属又は酸化物からなるキャップ膜を形成することを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属膜を埋め込む前に、前記複数の溝の底面及び側壁下部を覆う部分が前記複数の溝の側壁上部を覆う部分よりも厚くなるように、前記複数の溝の底面及び側壁を覆うバリアメタルを形成することを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の絶縁層を形成した後、前記第１の絶縁層の上に酸化膜を形成し、前記第１の絶縁層と前記酸化膜とに複数の溝を形成することを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の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８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４７１６（Ｐ２０１３−４７１６Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４０４３（Ｐ２０１１−１３４０４３）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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