半導体装置及びその製造方法
【課題】 機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ絶縁膜に対する密着性の高いバリアメタル膜を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】 基板（１）上に形成された絶縁膜（６）と、絶縁膜（６）中に形成された埋め込み金属配線（１０）と、絶縁膜（６）と金属配線（１０）との間に形成されたバリアメタル膜（Ａ１）とを備えた半導体装置において、バリアメタル膜（Ａ１）は、絶縁膜（６）が存在している側から金属配線（１０）が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜（７）、金属化合物膜（８）及び金属膜（９）よりなる。金属化合物膜（８）の弾性率は、金属酸化物膜（７）の弾性率よりも大きい。
【解決手段】 基板（１）上に形成された絶縁膜（６）と、絶縁膜（６）中に形成された埋め込み金属配線（１０）と、絶縁膜（６）と金属配線（１０）との間に形成されたバリアメタル膜（Ａ１）とを備えた半導体装置において、バリアメタル膜（Ａ１）は、絶縁膜（６）が存在している側から金属配線（１０）が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜（７）、金属化合物膜（８）及び金属膜（９）よりなる。金属化合物膜（８）の弾性率は、金属酸化物膜（７）の弾性率よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特にバリアメタル膜とその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置という。）の加工寸法の微細化に伴って、半導体装置の多層配線には、銅配線と誘電率が小さい絶縁膜、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜との組み合わせが採用されている。こうすることにより、ＲＣ遅延及び消費電力の低減を可能にする。さらに、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化を図るために、誘電率がより低いＬｏｗ−ｋ膜の採用が検討されている。
【０００３】
ところで、銅配線は、通常ダマシン法によって形成される。ダマシン法には、配線及びビアプラグを交互に形成するシングルダマシン法と、配線及びビアプラグを同時に形成するデュアルダマシン法とがある。
【０００４】
以下に、ダマシン法による多層配線の形成方法について、図５（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【０００５】
図５（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１の絶縁膜１０２を形成した後に、該第１の絶縁膜１０２中に第１のバリアメタル膜１０３を有する第１の銅配線１０４を形成する。なお、シリコン基板１０１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜１０２及び第１の銅配線１０４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜１０５及び第２の絶縁膜１０６を順に形成する。続いて、拡散防止膜１０５及び第２の絶縁膜１０６にビアホール１０６ａを形成すると共に、第２の絶縁膜１０６に配線溝１０６ｂを形成することにより、ビアホール１０６ａ及び配線溝１０６ｂよりなる凹部１０６ｃを形成する。続いて、凹部１０６ｃの壁面に沿うように、第２のバリアメタル膜１０７を形成する。なお、図５（ａ）では、上層のバリアメタル構造として、第２のバリアメタル膜１０７の単層構造よりなる場合について示しているが、図８（ｂ）に示すように、凹部１０６ｃの壁面に沿うように、第２のバリアメタル膜１０８及び第３のバリアメタル膜１０９の２層構造よりなる場合でもよい。
【０００６】
次に、図示していないが、図５（ａ）の場合であれば第２のバリアメタル膜１０７（なお、図５（ｂ）の場合であれば第３のバリアメタル膜１０９）の上に、銅シード層を形成した後に、該銅シード層を種に用いた銅めっきにより、凹部１０６ｃを埋め込むと共に第２の絶縁膜１０６の表面全体を覆うように銅膜を形成する。続いて、化学機械研磨（CMP：Chemical mechanical polishing）法により、銅膜における凹部１０６ｃの内側の部分以外であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分と、図５（ａ）の場合であれば第２のバリアバリアメタル膜１０７における凹部１０６ｃの内側の部分以外であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分（図５（ｂ）の場合であれば第３のバリアメタル膜１０９及び第２のバリアメタル膜１０８における凹部１０６ｃの内側の部分以外の部分であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分）を研磨除去する。これにより、配線、ビアプラグ又はこれら両方を形成することができる。以上の一連の動作を繰り返し行なうことにより、多層配線を形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一般に、銅は、熱又は電界によって容易にシリコン酸化膜などの絶縁膜中を拡散するので、これが原因となってトランジスタの特性劣化が生じやすい。また、銅は、絶縁膜との密着性が低い。したがって、銅配線を形成する際には、銅と絶縁膜との間に、タンタル膜又は窒化タンタル膜よりなるバリアメタル膜を形成することにより、銅が絶縁膜へ拡散することを防止すると共に絶縁膜及び銅との密着性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。例えば、バリアメタル膜の構造がタンタル膜又は窒化タンタル膜よりなる単層構造である場合が、図５（ａ）に示した構造となる一方、バリアメタル膜の構造がタンタル膜及び窒化タンタル膜よりなる２層構造である場合が、図５（ｂ）に示した構造となる。
【０００８】
しかしながら、例えば前述の例において、図５（ａ）に示す第２のバリアメタル膜１０７としてタンタルなどの高融点金属膜を用いた場合には、凹部１０６ｃを有する第２の絶縁膜１０６と高融点金属膜との密着性が悪いという問題がある。この密着性が悪いという問題に対しては、図５（ｂ）に示すように、例えば第３のバリアメタル膜１０９としてタンタル膜を用いる場合には、タンタル膜よりなる第３のバリアメタル膜１０９と第２の絶縁膜１０６との間に、第２のバリアメタル膜１０８としてタンタル窒化膜を形成することによって密着性の悪さを改善してきたが、十分な密着性が得られているわけではない。
【０００９】
また、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）として窒化タンタル膜を用いた場合には、窒化タンタル膜は酸化されることはないが、窒化タンタル膜は高抵抗であって、且つ銅との密着性が低いという問題を有している。
【００１０】
さらに、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）としてとしてチタン膜又は窒化チタン膜を用いた場合にも、それぞれ、前述したタンタル膜を用いた場合又は窒化タンタル膜を用いた場合と同様の問題が存在する。
【００１１】
ところで、前記の銅シード層の形成には、通常、物理気相成長法（PVD:Physical vvapor deposition）が用いられる。半導体装置の微細化に伴って、ビアホールのアスペクト比（ビアホールの深さと径との比）が高くなる傾向があるので、物理気相成長法を用いて銅シード層を形成する場合、銅シード層におけるビアホールの底部での膜厚の確保が難しくなってきている。ビアホールの底部での膜厚が薄くなると、電解めっきの電流が十分供給できないので、電解めっきの銅でビアホールを十分に埋め込むことができなくなる。例えば、前記図５（ａ）の場合では、ビアホール１０６ａ及び配線溝１０６ｂよりなる凹部１０６ｃを銅によって十分に埋め込むことができなくなる。これにより、製品歩留まりの劣化及び信頼性の低下を招くことになる。この点、銅シード層におけるビアホールの底部での膜厚を確保するために、化学気相成長法（CVD:Chemical vvapor deposition ）を用いて銅シード層を形成することも検討されているが、フッ素（Ｆ）等の銅を腐食させる物質が原料ガスに含まれる場合が多いので、実用化には至っていない。
【００１２】
一方で、銅シード層を用いることなく、電解めっきによってバリアメタル膜の上に直接銅配線を形成する試みも検討されている。
【００１３】
ところが、例えば前述の例において、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）としてタンタルなどの高融点金属膜を用いた場合には、電解めっきによって銅を形成する際に、タンタル膜は酸化されるので、高抵抗の酸化タンタル膜が形成されてしまう。このため、配線抵抗の上昇を避けることができないという問題を有している。
【００１４】
そこで、バリアメタル膜の低抵抗化を実現するために、酸化されても導電性を失わない金属及びその金属酸化物自体が低抵抗であるルテニウム又はイリジウムなどの金属をバリアメタル膜として用いることが注目されてきている（例えば、特許文献３及び４参照）。これらの金属は、タンタル又はタンタル窒化物よりも比抵抗が低抵抗であって、且つ酸化されても導電性を失わないので、銅シード層を用いることなく、バリアメタル膜の上に直接銅めっきを行なうことが可能となる。なお、一般にこれらの金属は原子層成長法又は化学気相成長法によって形成される。
【特許文献１】特開平１１−２２３７５５号公報
【特許文献２】特開２００２−４３４１９号公報
【特許文献３】特許第３４０９８３１号
【特許文献４】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記を考慮して、バリアメタル膜の低抵抗化を実現するために、ルテニウム又はイリジウムなどの金属をバリアメタル膜として絶縁膜上に直接形成する場合、これらの金属と絶縁膜との密着性が低いために、半導体製造工程において、バリアメタル膜が絶縁膜から剥離してしまうという問題がある。
【００１６】
この場合に、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性を増大させる方法として、絶縁膜が存在している側から順に形成された導電性を有する金属酸化物膜と酸化されても導電性を失わない金属膜よりなるバリアメタル膜を用いる方法が考えられる。このようにすると、絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いる場合、絶縁膜を構成する酸素と金属酸化物膜を構成する酸素とが同種の元素であるので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大すると考えられる。さらに、酸化されても導電性を失わない金属膜がバリアメタル膜の最表面に形成されている場合、酸化されても導電性を失わない金属膜が電解めっきの電極となるので、バリアメタル膜の抵抗を低下させることができる。これにより、絶縁膜との密着性が高く、低抵抗であるバリアメタル膜を実現することができると考えられる。
【００１７】
しかしながら、一般的に、金属酸化物の機械的強度は低いことが知られている。このため、前述したような酸化されても導電性を失わない金属膜と金属酸化物膜との積層膜をバリアメタル膜として用いた場合、例えば、図５（ｂ）に示した第２のバリアメタル膜１０８として金属酸化物膜を用い、第３のバリアメタル膜１０９としてルテニウム又はイリジウムなどの金属を用いた場合を仮定すると、半導体製造工程中の熱処理により、バリアメタル膜にクラックが発生し、ビア抵抗若しくは配線抵抗の高抵抗化、又はElectro-migration若しくはStress-migrationなどにより配線の信頼性が劣化するという問題が考えられる。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時に半導体装置に加わる応力により、バリアメタル膜にクラックが発生し、配線の信頼性が劣化するという問題が考えられる。
【００１８】
また、例えば、図５（ｂ）に示した第２のバリアメタル膜１０８として酸化ルテニウム又は酸化イリジウム等の金属酸化物を用いる場合には、低抵抗であって且つ絶縁膜に対する密着性に優れたバリアメタル膜を実現することができるが、バリアメタル膜の機械的強度が小さくなるという問題が考えられる。バリアメタル膜の機械的強度が小さいと、半導体製造工程の熱処理により、バリアメタル膜にクラックが発生し、配線抵抗の高抵抗化、又はElectro-migration若しくはStress-migrationなどにより配線の信頼性が劣化するという問題が発生する。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時にバリアメタル膜にクラックが発生するという問題が考えられる。
【００１９】
前記に鑑み、本発明の目的は、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ絶縁膜に対する密着性の高いバリアメタル膜を有する半導体装置及びそ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】
【００２０】
前記の課題を解決するために、本発明に係る第１の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、絶縁膜と配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から金属配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜よりなり、金属化合物膜の弾性率は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る第１の半導体装置によると、バリアメタル膜は、金属酸化物膜と金属膜との間に、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度の高い金属化合物膜を備えているので、金属膜と金属酸化物膜とを単に積層してなるバリアメタル膜に比べて、バリアメタル膜の機械的強度が飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２２】
本発明に係る第１の半導体装置において、絶縁膜と金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、金属膜と金属配線とは接合して形成されていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、金属酸化物膜と絶縁膜とが接合していることにより、金属膜と絶縁膜とが接合している場合と比べて、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、金属酸化物膜と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大する。また、金属膜と金属配線とが接合していることにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００２４】
本発明に係る第１の半導体装置において、金属酸化物膜は、導電性を有することが好ましい。
【００２５】
このようにすると、金属酸化物膜と絶縁膜との密着性を増大させることができることに加えて、低抵抗のバリアメタル膜を実現することができる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２６】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、絶縁膜と金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から金属配線が存在している側に向かって順に積層されている第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜よりなり、金属化合物膜の弾性率は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きいことを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る第２の半導体装置によると、バリアメタル膜は、第１の金属酸化物膜と金属膜との間に金属化合物膜を備えていると共に、金属膜と金属化合物膜との間に第２の金属酸化物膜を備えており、金属化合物膜は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有するので、機械的強度に優れたバリアメタル膜を実現することができる。これにより、単に金属膜と金属酸化物膜を積層してなるバリアメタル膜に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。また、金属化合物膜と第１及び第２の金属酸化物膜のそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、バリアメタル膜の熱膨張が全体的に均一化されて熱的機械的強度に優れたバリアメタル膜の構造を実現することができる。さらに、バリアメタル膜は、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜及び第２の金属酸化物膜が順に積層された構造を有するので、金属酸化物膜に加わる応力が２層に分散するので、バリアメタル膜全体の機械的強度が飛躍的に増大する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２８】
本発明に係る第２の半導体装置において、絶縁膜と第１の金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、金属膜と金属配線とは接合して形成されていることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、第１の金属酸化物膜と絶縁膜とが接合していることにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と第１の金属酸化物膜との密着性が増大する。また、金属膜と金属配線とが接合していることにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００３０】
本発明に係る第２の半導体装置において、第１の金属酸化物膜及び第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方は、導電性を有することが好ましい。
【００３１】
このようにすると、第１及び第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方と絶縁膜との密着性が増大することに加えて、低抵抗のバリアメタル膜を実現することができる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３２】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜を構成する金属は、高融点金属であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、金属配線を形成した後に、さらに上層配線を形成する半導体製造工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられても、金属化合物膜が変成することがないので、バリアメタル膜にクラックが発生することを抑制できる。また、高融点金属よりなる金属化合物膜の機械的強度は高いので、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時にストレスが加わっても、バリアメタル膜にクラックが発生することを抑制できる。したがって、機械的強度に優れた信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００３４】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属膜を構成する金属は、酸化されても導電性を失わない金属であることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、金属膜が酸化されても導電性を失わない金属よりなるため、配線めっきの際に金属膜の表面が酸化されても導電性が低下することがないので、高性能の配線めっきが可能となる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３６】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属窒化物膜よりなることが好ましい。
【００３７】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属窒化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３８】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属炭化物膜よりなることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属炭化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４０】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属ケイ化物膜よりなることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属ケイ化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４２】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４３】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との間に、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度に優れる金属化合物膜を備えたバリアメタル膜を形成するので、金属膜と金属酸化物膜とを単に積層してなるバリアメタル膜を形成する場合に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。また、金属酸化物膜と絶縁膜とを接合するように形成することにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性を向上させることができる。また、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、金属酸化物膜と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大する。さらに、金属膜と金属配線とを接合するように形成することにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００４４】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有する金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４５】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、第１の金属酸化物膜と金属膜との間に金属化合物膜を備えると共に、金属膜と金属化合物膜との間に第２の金属酸化物膜を備えたバリアメタル膜を形成し、金属化合物膜を第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率とすることにより、機械的強度に優れたバリアメタル膜を実現することができる。これにより、単に金属膜と金属酸化物膜とを積層してなるバリアメタル膜を形成する場合に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。また、金属化合物膜と第１及び第２の金属酸化物膜のそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、バリアメタル膜の熱膨張が全体的に均一化されて熱的機械的強度に優れたバリアメタル膜の構造を実現することができる。さらに、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜及び第２の金属酸化物膜が順に積層された構造を有するバリアメタル膜を形成するので、金属酸化物膜に加わる応力が２層に分散するので、バリアメタル膜全体の機械的強度を飛躍的に増大させることができる。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。また、第１の金属酸化物膜と絶縁膜とが接合するように形成することにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と第１の金属酸化物膜との密着性が増大する。さらに、金属膜と金属配線とを接合するように形成することにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００４６】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置の製造方法において、バリアメタル膜を形成する工程よりも後であって埋め込み金属配線を形成する工程よりも前に、バリアメタル膜の上にシード層を形成する工程をさらに備え、埋め込み金属配線を形成する工程は、凹部を埋め込むように、シード層の上に埋め込み金属配線を形成する工程を含むことが好ましい。
【００４７】
このようにすると、配線用のめっきのプロセスウインドウが拡大するので、シード層を形成することなく埋め込み金属配線を形成する場合と比べて、埋め込み金属配線を形成する工程の最適化を容易にできる。このため、製造歩留まりが向上すると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を安定的に製造することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１（ａ）及び（ｂ）並びに図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００５０】
図１（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００５１】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１上には第１の絶縁膜２が形成されており、該第１の絶縁膜２には第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４が形成されている。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上には、銅の拡散を防止する拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６が順に形成されている。拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６にはビアホール６ａが形成されていると共に、第２の絶縁膜６には配線溝６ｂが形成されている。このように、ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃが形成されている。
【００５２】
また、図１（ａ）に示すように、凹部６ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ１が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１は、凹部６ｃに沿うように第２の絶縁膜６の上に形成された金属酸化物膜７、該金属酸化物膜７の上に形成された金属化合物膜８、及び該金属化合物膜８の上に形成された金属膜９よりなる。ここで、金属化合物膜８の弾性率は、金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい。なお、金属膜９の少なくとも一部は酸化されていてもよい。
【００５３】
さらに、図１（ａ）に示された凹部６ｃを埋め込むように、銅めっきによって金属膜９の上に銅膜を形成した後に、銅膜及び第２のバリアメタル膜Ａ１における凹部６ｃの内部以外の部分であって第２の絶縁膜６の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去し、第２の銅配線１０及びその一部であるビアプラグを形成することで、図１（ｂ）に示す構造を有する半導体装置が形成されている。なお、第２の銅配線１０は、配線、ビアプラグ、又はこれらの両方のいずれかであればよい。ここで、第２の銅配線１０は、純銅又は銅以外の成分（例えば、微量のＳｉ、Ａｌ、Ｍｏ又はＳｃなど）を含む銅合金よりなる場合であってもよい。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程が繰り返されることで多層配線が形成される。
【００５４】
ここで、拡散防止膜５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、シリコン炭化酸化膜、シリコン炭化膜、又はこれらの膜を組み合わせてなる積層膜を用いるとよい。拡散防止膜５は、第１の銅配線４の銅が第２の絶縁膜６中に拡散することを防止する働きを有する。
【００５５】
また、第２の絶縁膜６には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜を用いるとよい。これらの膜は、化学気相成長法にて形成される膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されるＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。
【００５６】
また、金属酸化物膜７は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する金属酸化物膜７について具体的に説明する。
【００５７】
金属酸化物膜７の金属には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、又はパラジウム（Ｐｄ）などの酸化されても導電性を失わない金属の酸化膜を用いるとよい。なお、金属酸化物膜７の金属は、酸化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。
【００５８】
また、金属化合物膜８を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１０を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって金属化合物膜８がクラック等の発生によって変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００５９】
さらに、金属化合物膜８には、高融点金属の窒化膜を用いるとよい。
【００６０】
具体的には、金属化合物膜８の金属には、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はバナジウム（Ｖ）などの機械的強度に優れると共に窒化されても導電性を失わない金属の窒化膜を用いるとよい。なお、金属化合物膜７の金属は、機械的強度に優れると共に窒化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６１】
また、金属化合物膜８には、高融点金属の炭化膜を用いることもできる。
【００６２】
具体的には、金属化合物膜８の金属には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はタングステン（Ｗ）などの機械的強度に優れると共に炭化されても導電性を失わない金属の炭化膜を用いてもよい。なお、金属化合物膜８の金属は、機械的強度に優れると共に炭化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６３】
また、金属化合物膜８には、高融点金属のケイ化膜を用いることもできる。
【００６４】
具体的には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はタングステン（Ｗ）など機械的強度に優れると共にケイ化されても導電性を失わない金属のケイ化膜を用いることもできる。なお、金属化合物膜８の金属は、機械的強度に優れると共にケイ化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６５】
金属膜９には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はバナジウム（Ｖ）などの酸化されても導電性を失わない金属を用いるとよい。なお、金属膜９の金属は、酸化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。
【００６６】
なお、図示していないが、デュアルダマシン配線溝（ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃ）における第２の絶縁膜６の表面と金属酸化物膜７との間に、シリコン酸化膜（例えば、ＳｉＯ２ 、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯ、若しくはＳｉＯＮなど）、シリコン窒化膜（例えばＳｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、若しくはＳｉＣＮなど）、又はシリコン炭化膜（例えばＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＣ、若しくはＳｉＣＮなど）などの絶縁膜が形成されていてもよい。
【００６７】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００６８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【００６９】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に第１の絶縁膜２を形成した後に、該第１の絶縁膜２中に第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４を形成する。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６を順に形成する。続いて、拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６に、下端が第１の銅配線４に到達するビアホール６ａを形成すると共に、第２の絶縁膜６に、ビアホール６ａに連通する配線溝６ｂを形成する。このようにして、デュアルダマシン用のビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃを形成する。ここで、ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、例えば特開２００２−７５９９４号公報などに開示されているデュアルダマシン形成方法によって形成すればよい。
【００７０】
次に、図２（ｂ）に示すように、凹部６ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６の上に金属酸化物膜７を形成する。続いて、金属酸化物膜７の上に、金属化合物膜８を形成する。続いて、金属化合物膜８の上に金属膜９を形成する。ここで、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９は、原子層成長法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）、化学気相成長法（CVD：Chemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（PVD：PPhysical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。このようにして、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９よりなる第２のバリアメタル膜Ａ１が形成される。
【００７１】
次に、図２（ｃ）に示すように、凹部６ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部６ｃの内部を含む金属膜９の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜９、金属化合物膜８、及び金属酸化物膜７における凹部６ａの内部以外の部分であって第２の絶縁膜６の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去し、第２の銅配線１０及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図２（ｃ）に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、金属膜９の上に、銅シード層を形成した後に、凹部６ｃが埋め込まれるように、銅シード層の上に、銅めっきによって銅膜を形成した後に、前述の図１（ｂ）を用いた説明と同様にしてＣＭＰを行なって、第２の銅配線１０を形成してもよい。この場合は、銅シード層を形成する工程を備えたことにより、より安定的に銅めっきを行なうことができる。すなわち、例えば、仮に金属膜９の表面が部分的又は全体的に酸化された場合であっても、銅シード層を形成することにより、より安定的に銅めっきを可能にする。また、埋め込み金属配線としての第２の銅配線１０の代わりに、銅以外の材料よりなる埋め込み配線を形成する場合には、その材料に応じたシード層の材料を適宜選択するとよい。
【００７２】
ここで、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法による効果について、以下に説明する。
【００７３】
バリアメタル膜として、金属膜及び金属酸化物膜よりなるバリアメタル膜を用いる場合には、金属酸化物膜の機械的強度が弱いために、半導体製造工程における熱処理により、金属酸化物膜にクラックが発生する。このようにバリアメタル膜にクラックが発生すると、エレクトロマイグレーション又はストレスマイグレーション等による配線の信頼性を劣化させる。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディングの際に加わるストレスによってバリアメタル膜にクラックが発生し、配線の信頼性が劣化する。
【００７４】
一方、本実施形態における第２のバリアメタル膜Ａ１は、金属酸化物膜７と金属膜９との間に、金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度に優れると共に金属化合物膜８を備えていることにより、金属膜９及び金属酸化物膜７を単に積層してなるバリアメタル膜に比べて、第２のバリアメタル膜Ａ１の機械的強度は飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７５】
さらに、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とが接合して形成されていると共に、金属膜９と第２の銅配線１２とが接合して形成されている。このため、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とが接合しているので、第２の絶縁膜６と金属膜９とが接合する場合と比べて、第２のバリアメタル膜Ａ１と第２の絶縁膜６との密着性が向上する。さらに、第２の絶縁膜６の最表面が酸化物である場合には、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とに共通の元素である酸素が存在するので、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７との密着性が増大する。また、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合しているため、金属めっきを行なう際に、金属化合物膜８又は金属酸化物膜７よりも抵抗が小さい金属が電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜８又は金属酸化物膜７が第２のバリアメタル膜Ａ１の表面にある場合と比べて、膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００７６】
また、金属膜９を構成する金属として酸化されても導電性を失わない金属を用いる場合には、銅めっき層を第２のバリアメタル膜Ａ１の上に直接堆積する際に、めっき膜厚を均一にできると共に、銅めっきによってビアホールをボイドなしに埋め込むことが可能となる。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ基板材料との密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７７】
このように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、金属酸化物膜、該金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する金属化合物膜及び金属膜を積層してなるバリアメタル膜を用いることにより、バリアメタル膜の機械的強度が向上するので、半導体製造工程における熱処理又は組み立て工程におけるストレスなどによってもクラックが発生しないバリアメタル膜を実現することができる。さらに、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性を高めることができる。また、バリアメタル膜上に直接銅めっきを行なう場合であっても、均一な膜厚を有するバリアメタル膜を得ることができる。また、ボイドを形成することなくビアホールに銅を埋め込むことが可能となる。したがって、信頼性の高い銅配線を提供することができる。
【００７８】
以下に、本実施形態に示した金属及び金属化合物の比抵抗の一例を示す。
【００７９】
ルテニウムの比抵抗は７．５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウムの比抵抗は６．５（μΩ・ｃｍ）である。また、ルテニウム酸化膜の比抵抗は３５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウム酸化膜の比抵抗は３０（μΩ・ｃｍ）である。一方、現在標準的に使用されているタンタル膜の比抵抗は６０〜１８０（μΩ・ｃｍ）であり、タンタル窒化膜の比抵抗は２５０（μΩ・ｃｍ）である。
【００８０】
また、本実施形態に示した第２のバリアメタル膜Ａ１を実際の半導体装置に組み込む場合には、金属酸化物膜７の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成し、金属化合物膜８の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成し、さらに、金属膜９の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成するとよい。この場合に、第２のバリアメタル膜Ａ１の全体の膜厚は、６５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、２０ｎｍ〜３０ｎｍとなるように形成されるとよい。また、４５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、全体の膜厚として、厚くてもおよそ１５ｎｍ以下にする必要があると予測される。また、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９の膜厚比は成膜方法及び用途に応じて任意に最適化するとよい。
【００８１】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によると、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００８２】
なお、第２の絶縁膜６と第２の銅配線１０との間に、第２のバリアメタル膜Ａ１を複数層積層される構成にしてよい。
【００８３】
また、金属酸化物膜７と金属化合物膜８との密着性を損なわない限りにおいて、金属酸化物膜７と金属化合物膜８との間に、他の１層以上の膜を設けてもよいし、金属化合物膜８と金属膜９との密着性を損なわない限りにおいて、金属化合物膜８と金属膜９との間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態においては、デュアルダマシン構造が採用されている場合について説明したが、シングルダマシン構造を採用する場合であっても、デュアルダマシン構造を採用する場合と同様の効果が得られることはいうまでもない。シングルダマシン構造を採用する場合には、配線とビアプラグとがそれぞれ別工程において形成されることになるが、この場合の配線及びビアプラグは、本実施形態における第２の銅配線１０である埋め込み配線に含まれる。
【００８５】
また、本実施形態においては、第２の銅配線１０である埋め込み配線の材料として、銅又は銅合金を用いた場合について説明したが、より好ましい本実施形態としては、銅よりも低い抵抗率を有するＡｇ、Ａｕ、若しくはＰｔなどの金属又はこれらの金属の合金を埋め込み配線の材料として用いるとよい。
【００８６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８７】
まず、図３（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００８８】
図３（ａ）及び（ｂ）において、第１の実施形態に係る半導体装置と異なる点は、凹部６ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ２が形成されており、ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２は、凹部６ｃに沿うように第２の絶縁膜６の上に形成された第１の金属酸化物膜７ａ、該金属酸化物膜７ａの上に形成された金属化合物膜８、該金属化合物膜８の上に形成された第２の金属酸化物膜７ｂ、及び該第２の金属酸化物膜７ｂの上に形成された金属膜９よりなる点である。ここで、金属化合物膜８の弾性率は、第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きい。
【００８９】
第１の金属酸化物膜７ａの金属及び第２の金属酸化物膜７ｂの金属には、第１の実施形態で説明した金属酸化物７を構成する金属の種類のうちから選択される金属を用いるとよい。第１の金属酸化物膜７ａと第２の金属酸化物膜７ｂとは、それぞれ同一種類の金属から構成されてもよいし、異なる種類の金属から構成されてもよい。
【００９０】
また、金属化合物膜８は、第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きい弾性率を有するように、第１の実施形態で説明した金属化合物膜８を構成する金属の種類から選択する必要がある。
【００９１】
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００９２】
図４（ａ）〜（ｃ）において、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なる点は、図４（ｂ）において、第２のバリアメタル膜Ａ２を形成する点である。具体的には、図４（ｂ）に示すように、凹部６ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６の上に第１の金属酸化物膜７ａを形成する。続いて、第１の金属酸化物膜７ａの上に、金属化合物膜８を形成する。続いて、金属化合物膜８の上に、第２の金属酸化物膜７ｂを形成する。続いて、第２の金属酸化物膜７ｂの上に、金属膜９を形成する。ここで、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、第２の金属酸化物膜７ｂ、及び金属膜９は、原子層成長法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）、化学気相成長法（CVD：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（PVD：PPhysical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。このようにして、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、第２の金属酸化物膜７ｂ、及び金属膜１１よりなる第２のバリアメタル膜Ａ２が形成される。
【００９３】
ここで、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法による効果について、以下に説明する。
【００９４】
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法によると、前述した第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法による効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００９５】
第２のバリアメタル膜Ａ２は、第１の金属酸化物膜７ａと金属膜９との間に、金属化合物膜８を備え、金属膜９と金属化合物膜８との間に、第２の金属酸化物膜７ｂを備えると共に、金属化合物膜８の弾性率が第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きいので、機械的強度に優れた第２のバリアメタル膜Ａ２を実現することができる。これにより、金属膜と金属酸化物膜とが単に積層されてなるバリアメタル膜に比べて、第２のバリアメタル膜Ａ２の機械的強度は飛躍的に向上している。さらに、金属化合物膜８の熱膨張率と第１の金属酸化物膜７ａ及び第２の金属酸化物膜７ｂのそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、第２のバリアメタル膜Ａ２の熱膨張は全体的に均一化されるので、熱的機械的強度に優れた第２のバリアメタル膜Ａ２の構造を実現できる。さらに、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、及び第２の金属酸化物膜７ｂの順に積層して第２のバリアメタル膜Ａ２を形成するので、第１の金属酸化物膜７ａに加わる応力が２層に分散するので、第２のバリアメタル膜Ａ２全体の機械的強度が飛躍的に増大する。特に、第１の金属酸化物膜７ａと第２の金属酸化物膜７ｂとが、それぞれ同一の金属材料から構成されている場合には、その機械的強度はさらに増大する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９６】
さらに、第２の絶縁膜６と第１の金属酸化物膜７ａとが接合して形成されていると共に、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合して形成されている。このため、第１の金属酸化物膜７ａと第２の絶縁膜６とが接合していることにより、金属膜９と第２の絶縁膜６とが接合する場合と比べて、第２のバリアメタル膜Ａ２と第２の絶縁膜６との密着性が向上する。さらに、第２の絶縁膜６の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物膜７ａと第２の絶縁膜６とに共通の元素である酸素が存在するので、第２の絶縁膜６と第１の金属酸化物膜７ａとの密着性が増大する。また、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合していることにより、金属化合物膜８、第１の金属酸化物膜７ａ、又は第２の金属酸化物膜７ｂよりも抵抗が小さい金属が、金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜８、第１の金属酸化物膜７ａ又は第２の金属酸化物膜７ｂが、第２のバリアメタル膜Ａ２の表面に形成されている場合に比べて、膜厚均一性により優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００９７】
なお、第２の絶縁膜６と第２の銅配線１０との間に、第２のバリアメタル膜Ａ２を複数層積層される構成にしてもよい。
【００９８】
また、第１の金属酸化物膜７ａと金属化合物膜８との密着性を損なわない限りにおいて、第１の金属酸化物膜７ａと金属化合物膜８との間に、他の１層以上の膜を設けてもよいし、第２の金属酸化物膜７ｂと金属膜９との密着性を損なわない限りにおいて、第２の金属酸化物膜７ｂと金属膜９との間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。また、金属化合物膜８と第２の金属酸化物膜７ｂとの密着性を損なわない限りにおいて、金属化合物膜８と第２の金属酸化物膜７ｂとの間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上説明したように、本発明は、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ高密着性を実現するバリアメタル膜を備えた半導体装置及びその製造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、従来例に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ シリコン基板
２ 第１の絶縁膜
３ 第１のバリアメタル膜
４ 第１の銅配線
５ 拡散防止膜
６ 第２の絶縁膜
６ａ ビアホール
６ｂ 配線溝
６ｃ 凹部
７ 金属酸化物膜
７ａ 第１の金属酸化物膜
７ｂ 第２の金属酸化物膜
８ 金属化合物膜
９ 金属膜
１０ 第２の銅配線
Ａ１、Ａ２ 第２のバリアメタル膜
１０１ シリコン基板
１０２ 第１の絶縁膜
１０３ 第１のバリアメタル膜
１０４ 第１の銅配線
１０５ 拡散防止膜
１０６ 第２の絶縁膜
１０６ａ ビアホール
１０６ｂ 配線溝
１０６ｃ 凹部
１０７、１０８ 第２のバリアメタル膜
１０９ 第３のバリアメタル膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特にバリアメタル膜とその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置という。）の加工寸法の微細化に伴って、半導体装置の多層配線には、銅配線と誘電率が小さい絶縁膜、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜との組み合わせが採用されている。こうすることにより、ＲＣ遅延及び消費電力の低減を可能にする。さらに、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化を図るために、誘電率がより低いＬｏｗ−ｋ膜の採用が検討されている。
【０００３】
ところで、銅配線は、通常ダマシン法によって形成される。ダマシン法には、配線及びビアプラグを交互に形成するシングルダマシン法と、配線及びビアプラグを同時に形成するデュアルダマシン法とがある。
【０００４】
以下に、ダマシン法による多層配線の形成方法について、図５（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【０００５】
図５（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１の絶縁膜１０２を形成した後に、該第１の絶縁膜１０２中に第１のバリアメタル膜１０３を有する第１の銅配線１０４を形成する。なお、シリコン基板１０１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜１０２及び第１の銅配線１０４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜１０５及び第２の絶縁膜１０６を順に形成する。続いて、拡散防止膜１０５及び第２の絶縁膜１０６にビアホール１０６ａを形成すると共に、第２の絶縁膜１０６に配線溝１０６ｂを形成することにより、ビアホール１０６ａ及び配線溝１０６ｂよりなる凹部１０６ｃを形成する。続いて、凹部１０６ｃの壁面に沿うように、第２のバリアメタル膜１０７を形成する。なお、図５（ａ）では、上層のバリアメタル構造として、第２のバリアメタル膜１０７の単層構造よりなる場合について示しているが、図８（ｂ）に示すように、凹部１０６ｃの壁面に沿うように、第２のバリアメタル膜１０８及び第３のバリアメタル膜１０９の２層構造よりなる場合でもよい。
【０００６】
次に、図示していないが、図５（ａ）の場合であれば第２のバリアメタル膜１０７（なお、図５（ｂ）の場合であれば第３のバリアメタル膜１０９）の上に、銅シード層を形成した後に、該銅シード層を種に用いた銅めっきにより、凹部１０６ｃを埋め込むと共に第２の絶縁膜１０６の表面全体を覆うように銅膜を形成する。続いて、化学機械研磨（CMP：Chemical mechanical polishing）法により、銅膜における凹部１０６ｃの内側の部分以外であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分と、図５（ａ）の場合であれば第２のバリアバリアメタル膜１０７における凹部１０６ｃの内側の部分以外であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分（図５（ｂ）の場合であれば第３のバリアメタル膜１０９及び第２のバリアメタル膜１０８における凹部１０６ｃの内側の部分以外の部分であって第２の絶縁膜１０６の上に形成されている部分）を研磨除去する。これにより、配線、ビアプラグ又はこれら両方を形成することができる。以上の一連の動作を繰り返し行なうことにより、多層配線を形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一般に、銅は、熱又は電界によって容易にシリコン酸化膜などの絶縁膜中を拡散するので、これが原因となってトランジスタの特性劣化が生じやすい。また、銅は、絶縁膜との密着性が低い。したがって、銅配線を形成する際には、銅と絶縁膜との間に、タンタル膜又は窒化タンタル膜よりなるバリアメタル膜を形成することにより、銅が絶縁膜へ拡散することを防止すると共に絶縁膜及び銅との密着性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。例えば、バリアメタル膜の構造がタンタル膜又は窒化タンタル膜よりなる単層構造である場合が、図５（ａ）に示した構造となる一方、バリアメタル膜の構造がタンタル膜及び窒化タンタル膜よりなる２層構造である場合が、図５（ｂ）に示した構造となる。
【０００８】
しかしながら、例えば前述の例において、図５（ａ）に示す第２のバリアメタル膜１０７としてタンタルなどの高融点金属膜を用いた場合には、凹部１０６ｃを有する第２の絶縁膜１０６と高融点金属膜との密着性が悪いという問題がある。この密着性が悪いという問題に対しては、図５（ｂ）に示すように、例えば第３のバリアメタル膜１０９としてタンタル膜を用いる場合には、タンタル膜よりなる第３のバリアメタル膜１０９と第２の絶縁膜１０６との間に、第２のバリアメタル膜１０８としてタンタル窒化膜を形成することによって密着性の悪さを改善してきたが、十分な密着性が得られているわけではない。
【０００９】
また、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）として窒化タンタル膜を用いた場合には、窒化タンタル膜は酸化されることはないが、窒化タンタル膜は高抵抗であって、且つ銅との密着性が低いという問題を有している。
【００１０】
さらに、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）としてとしてチタン膜又は窒化チタン膜を用いた場合にも、それぞれ、前述したタンタル膜を用いた場合又は窒化タンタル膜を用いた場合と同様の問題が存在する。
【００１１】
ところで、前記の銅シード層の形成には、通常、物理気相成長法（PVD:Physical vvapor deposition）が用いられる。半導体装置の微細化に伴って、ビアホールのアスペクト比（ビアホールの深さと径との比）が高くなる傾向があるので、物理気相成長法を用いて銅シード層を形成する場合、銅シード層におけるビアホールの底部での膜厚の確保が難しくなってきている。ビアホールの底部での膜厚が薄くなると、電解めっきの電流が十分供給できないので、電解めっきの銅でビアホールを十分に埋め込むことができなくなる。例えば、前記図５（ａ）の場合では、ビアホール１０６ａ及び配線溝１０６ｂよりなる凹部１０６ｃを銅によって十分に埋め込むことができなくなる。これにより、製品歩留まりの劣化及び信頼性の低下を招くことになる。この点、銅シード層におけるビアホールの底部での膜厚を確保するために、化学気相成長法（CVD:Chemical vvapor deposition ）を用いて銅シード層を形成することも検討されているが、フッ素（Ｆ）等の銅を腐食させる物質が原料ガスに含まれる場合が多いので、実用化には至っていない。
【００１２】
一方で、銅シード層を用いることなく、電解めっきによってバリアメタル膜の上に直接銅配線を形成する試みも検討されている。
【００１３】
ところが、例えば前述の例において、第２のバリアメタル膜１０７（図５（ａ）の場合）又は第３のバリアメタル膜１０９（図５（ｂ）の場合）としてタンタルなどの高融点金属膜を用いた場合には、電解めっきによって銅を形成する際に、タンタル膜は酸化されるので、高抵抗の酸化タンタル膜が形成されてしまう。このため、配線抵抗の上昇を避けることができないという問題を有している。
【００１４】
そこで、バリアメタル膜の低抵抗化を実現するために、酸化されても導電性を失わない金属及びその金属酸化物自体が低抵抗であるルテニウム又はイリジウムなどの金属をバリアメタル膜として用いることが注目されてきている（例えば、特許文献３及び４参照）。これらの金属は、タンタル又はタンタル窒化物よりも比抵抗が低抵抗であって、且つ酸化されても導電性を失わないので、銅シード層を用いることなく、バリアメタル膜の上に直接銅めっきを行なうことが可能となる。なお、一般にこれらの金属は原子層成長法又は化学気相成長法によって形成される。
【特許文献１】特開平１１−２２３７５５号公報
【特許文献２】特開２００２−４３４１９号公報
【特許文献３】特許第３４０９８３１号
【特許文献４】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記を考慮して、バリアメタル膜の低抵抗化を実現するために、ルテニウム又はイリジウムなどの金属をバリアメタル膜として絶縁膜上に直接形成する場合、これらの金属と絶縁膜との密着性が低いために、半導体製造工程において、バリアメタル膜が絶縁膜から剥離してしまうという問題がある。
【００１６】
この場合に、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性を増大させる方法として、絶縁膜が存在している側から順に形成された導電性を有する金属酸化物膜と酸化されても導電性を失わない金属膜よりなるバリアメタル膜を用いる方法が考えられる。このようにすると、絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いる場合、絶縁膜を構成する酸素と金属酸化物膜を構成する酸素とが同種の元素であるので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大すると考えられる。さらに、酸化されても導電性を失わない金属膜がバリアメタル膜の最表面に形成されている場合、酸化されても導電性を失わない金属膜が電解めっきの電極となるので、バリアメタル膜の抵抗を低下させることができる。これにより、絶縁膜との密着性が高く、低抵抗であるバリアメタル膜を実現することができると考えられる。
【００１７】
しかしながら、一般的に、金属酸化物の機械的強度は低いことが知られている。このため、前述したような酸化されても導電性を失わない金属膜と金属酸化物膜との積層膜をバリアメタル膜として用いた場合、例えば、図５（ｂ）に示した第２のバリアメタル膜１０８として金属酸化物膜を用い、第３のバリアメタル膜１０９としてルテニウム又はイリジウムなどの金属を用いた場合を仮定すると、半導体製造工程中の熱処理により、バリアメタル膜にクラックが発生し、ビア抵抗若しくは配線抵抗の高抵抗化、又はElectro-migration若しくはStress-migrationなどにより配線の信頼性が劣化するという問題が考えられる。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時に半導体装置に加わる応力により、バリアメタル膜にクラックが発生し、配線の信頼性が劣化するという問題が考えられる。
【００１８】
また、例えば、図５（ｂ）に示した第２のバリアメタル膜１０８として酸化ルテニウム又は酸化イリジウム等の金属酸化物を用いる場合には、低抵抗であって且つ絶縁膜に対する密着性に優れたバリアメタル膜を実現することができるが、バリアメタル膜の機械的強度が小さくなるという問題が考えられる。バリアメタル膜の機械的強度が小さいと、半導体製造工程の熱処理により、バリアメタル膜にクラックが発生し、配線抵抗の高抵抗化、又はElectro-migration若しくはStress-migrationなどにより配線の信頼性が劣化するという問題が発生する。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時にバリアメタル膜にクラックが発生するという問題が考えられる。
【００１９】
前記に鑑み、本発明の目的は、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ絶縁膜に対する密着性の高いバリアメタル膜を有する半導体装置及びそ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】
【００２０】
前記の課題を解決するために、本発明に係る第１の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、絶縁膜と配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から金属配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜よりなり、金属化合物膜の弾性率は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る第１の半導体装置によると、バリアメタル膜は、金属酸化物膜と金属膜との間に、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度の高い金属化合物膜を備えているので、金属膜と金属酸化物膜とを単に積層してなるバリアメタル膜に比べて、バリアメタル膜の機械的強度が飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２２】
本発明に係る第１の半導体装置において、絶縁膜と金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、金属膜と金属配線とは接合して形成されていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、金属酸化物膜と絶縁膜とが接合していることにより、金属膜と絶縁膜とが接合している場合と比べて、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、金属酸化物膜と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大する。また、金属膜と金属配線とが接合していることにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００２４】
本発明に係る第１の半導体装置において、金属酸化物膜は、導電性を有することが好ましい。
【００２５】
このようにすると、金属酸化物膜と絶縁膜との密着性を増大させることができることに加えて、低抵抗のバリアメタル膜を実現することができる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２６】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、絶縁膜と金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から金属配線が存在している側に向かって順に積層されている第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜よりなり、金属化合物膜の弾性率は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きいことを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る第２の半導体装置によると、バリアメタル膜は、第１の金属酸化物膜と金属膜との間に金属化合物膜を備えていると共に、金属膜と金属化合物膜との間に第２の金属酸化物膜を備えており、金属化合物膜は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有するので、機械的強度に優れたバリアメタル膜を実現することができる。これにより、単に金属膜と金属酸化物膜を積層してなるバリアメタル膜に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。また、金属化合物膜と第１及び第２の金属酸化物膜のそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、バリアメタル膜の熱膨張が全体的に均一化されて熱的機械的強度に優れたバリアメタル膜の構造を実現することができる。さらに、バリアメタル膜は、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜及び第２の金属酸化物膜が順に積層された構造を有するので、金属酸化物膜に加わる応力が２層に分散するので、バリアメタル膜全体の機械的強度が飛躍的に増大する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２８】
本発明に係る第２の半導体装置において、絶縁膜と第１の金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、金属膜と金属配線とは接合して形成されていることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、第１の金属酸化物膜と絶縁膜とが接合していることにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と第１の金属酸化物膜との密着性が増大する。また、金属膜と金属配線とが接合していることにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００３０】
本発明に係る第２の半導体装置において、第１の金属酸化物膜及び第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方は、導電性を有することが好ましい。
【００３１】
このようにすると、第１及び第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方と絶縁膜との密着性が増大することに加えて、低抵抗のバリアメタル膜を実現することができる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３２】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜を構成する金属は、高融点金属であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、金属配線を形成した後に、さらに上層配線を形成する半導体製造工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられても、金属化合物膜が変成することがないので、バリアメタル膜にクラックが発生することを抑制できる。また、高融点金属よりなる金属化合物膜の機械的強度は高いので、組み立て工程におけるワイヤーボンディング時にストレスが加わっても、バリアメタル膜にクラックが発生することを抑制できる。したがって、機械的強度に優れた信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００３４】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属膜を構成する金属は、酸化されても導電性を失わない金属であることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、金属膜が酸化されても導電性を失わない金属よりなるため、配線めっきの際に金属膜の表面が酸化されても導電性が低下することがないので、高性能の配線めっきが可能となる。このため、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３６】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属窒化物膜よりなることが好ましい。
【００３７】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属窒化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３８】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属炭化物膜よりなることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属炭化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４０】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、金属化合物膜は、金属ケイ化物膜よりなることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、金属膜と金属酸化物膜との間に、金属酸化物膜よりも機械的強度に優れる金属ケイ化物膜が存在しているので、バリアメタル膜全体の機械的強度が増大する。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００４２】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４３】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との間に、金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度に優れる金属化合物膜を備えたバリアメタル膜を形成するので、金属膜と金属酸化物膜とを単に積層してなるバリアメタル膜を形成する場合に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。また、金属酸化物膜と絶縁膜とを接合するように形成することにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性を向上させることができる。また、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、金属酸化物膜と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性が増大する。さらに、金属膜と金属配線とを接合するように形成することにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００４４】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有する金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４５】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、第１の金属酸化物膜と金属膜との間に金属化合物膜を備えると共に、金属膜と金属化合物膜との間に第２の金属酸化物膜を備えたバリアメタル膜を形成し、金属化合物膜を第１の金属酸化物膜の弾性率及び第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率とすることにより、機械的強度に優れたバリアメタル膜を実現することができる。これにより、単に金属膜と金属酸化物膜とを積層してなるバリアメタル膜を形成する場合に比べて、機械的強度が飛躍的に向上する。また、金属化合物膜と第１及び第２の金属酸化物膜のそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、バリアメタル膜の熱膨張が全体的に均一化されて熱的機械的強度に優れたバリアメタル膜の構造を実現することができる。さらに、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜及び第２の金属酸化物膜が順に積層された構造を有するバリアメタル膜を形成するので、金属酸化物膜に加わる応力が２層に分散するので、バリアメタル膜全体の機械的強度を飛躍的に増大させることができる。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。また、第１の金属酸化物膜と絶縁膜とが接合するように形成することにより、金属膜と絶縁膜とが接合する場合と比べて、バリアメタル膜と絶縁膜との密着性が向上する。さらに、絶縁膜の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物と絶縁膜とに共通の元素である酸素が存在するので、絶縁膜と第１の金属酸化物膜との密着性が増大する。さらに、金属膜と金属配線とを接合するように形成することにより、金属化合物膜又は金属酸化物膜よりも抵抗が小さい金属が金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜又は金属酸化物膜がバリアメタル膜の表面に形成されている場合よりも膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００４６】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置の製造方法において、バリアメタル膜を形成する工程よりも後であって埋め込み金属配線を形成する工程よりも前に、バリアメタル膜の上にシード層を形成する工程をさらに備え、埋め込み金属配線を形成する工程は、凹部を埋め込むように、シード層の上に埋め込み金属配線を形成する工程を含むことが好ましい。
【００４７】
このようにすると、配線用のめっきのプロセスウインドウが拡大するので、シード層を形成することなく埋め込み金属配線を形成する場合と比べて、埋め込み金属配線を形成する工程の最適化を容易にできる。このため、製造歩留まりが向上すると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を安定的に製造することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１（ａ）及び（ｂ）並びに図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００５０】
図１（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００５１】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１上には第１の絶縁膜２が形成されており、該第１の絶縁膜２には第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４が形成されている。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上には、銅の拡散を防止する拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６が順に形成されている。拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６にはビアホール６ａが形成されていると共に、第２の絶縁膜６には配線溝６ｂが形成されている。このように、ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃが形成されている。
【００５２】
また、図１（ａ）に示すように、凹部６ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ１が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１は、凹部６ｃに沿うように第２の絶縁膜６の上に形成された金属酸化物膜７、該金属酸化物膜７の上に形成された金属化合物膜８、及び該金属化合物膜８の上に形成された金属膜９よりなる。ここで、金属化合物膜８の弾性率は、金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい。なお、金属膜９の少なくとも一部は酸化されていてもよい。
【００５３】
さらに、図１（ａ）に示された凹部６ｃを埋め込むように、銅めっきによって金属膜９の上に銅膜を形成した後に、銅膜及び第２のバリアメタル膜Ａ１における凹部６ｃの内部以外の部分であって第２の絶縁膜６の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去し、第２の銅配線１０及びその一部であるビアプラグを形成することで、図１（ｂ）に示す構造を有する半導体装置が形成されている。なお、第２の銅配線１０は、配線、ビアプラグ、又はこれらの両方のいずれかであればよい。ここで、第２の銅配線１０は、純銅又は銅以外の成分（例えば、微量のＳｉ、Ａｌ、Ｍｏ又はＳｃなど）を含む銅合金よりなる場合であってもよい。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程が繰り返されることで多層配線が形成される。
【００５４】
ここで、拡散防止膜５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、シリコン炭化酸化膜、シリコン炭化膜、又はこれらの膜を組み合わせてなる積層膜を用いるとよい。拡散防止膜５は、第１の銅配線４の銅が第２の絶縁膜６中に拡散することを防止する働きを有する。
【００５５】
また、第２の絶縁膜６には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜を用いるとよい。これらの膜は、化学気相成長法にて形成される膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されるＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。
【００５６】
また、金属酸化物膜７は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する金属酸化物膜７について具体的に説明する。
【００５７】
金属酸化物膜７の金属には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、又はパラジウム（Ｐｄ）などの酸化されても導電性を失わない金属の酸化膜を用いるとよい。なお、金属酸化物膜７の金属は、酸化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。
【００５８】
また、金属化合物膜８を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１０を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって金属化合物膜８がクラック等の発生によって変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００５９】
さらに、金属化合物膜８には、高融点金属の窒化膜を用いるとよい。
【００６０】
具体的には、金属化合物膜８の金属には、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はバナジウム（Ｖ）などの機械的強度に優れると共に窒化されても導電性を失わない金属の窒化膜を用いるとよい。なお、金属化合物膜７の金属は、機械的強度に優れると共に窒化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６１】
また、金属化合物膜８には、高融点金属の炭化膜を用いることもできる。
【００６２】
具体的には、金属化合物膜８の金属には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はタングステン（Ｗ）などの機械的強度に優れると共に炭化されても導電性を失わない金属の炭化膜を用いてもよい。なお、金属化合物膜８の金属は、機械的強度に優れると共に炭化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６３】
また、金属化合物膜８には、高融点金属のケイ化膜を用いることもできる。
【００６４】
具体的には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はタングステン（Ｗ）など機械的強度に優れると共にケイ化されても導電性を失わない金属のケイ化膜を用いることもできる。なお、金属化合物膜８の金属は、機械的強度に優れると共にケイ化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。但し、前記の金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有するように、金属化合物膜８の金属を選択する必要がある。
【００６５】
金属膜９には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はバナジウム（Ｖ）などの酸化されても導電性を失わない金属を用いるとよい。なお、金属膜９の金属は、酸化されても導電性を失わない金属であれば、前記に示した金属以外の金属であってもよい。
【００６６】
なお、図示していないが、デュアルダマシン配線溝（ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃ）における第２の絶縁膜６の表面と金属酸化物膜７との間に、シリコン酸化膜（例えば、ＳｉＯ２ 、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＯ、若しくはＳｉＯＮなど）、シリコン窒化膜（例えばＳｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、若しくはＳｉＣＮなど）、又はシリコン炭化膜（例えばＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＣ、若しくはＳｉＣＮなど）などの絶縁膜が形成されていてもよい。
【００６７】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００６８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【００６９】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に第１の絶縁膜２を形成した後に、該第１の絶縁膜２中に第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４を形成する。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６を順に形成する。続いて、拡散防止膜５及び第２の絶縁膜６に、下端が第１の銅配線４に到達するビアホール６ａを形成すると共に、第２の絶縁膜６に、ビアホール６ａに連通する配線溝６ｂを形成する。このようにして、デュアルダマシン用のビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃを形成する。ここで、ビアホール６ａ及び配線溝６ｂよりなる凹部６ｃは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、例えば特開２００２−７５９９４号公報などに開示されているデュアルダマシン形成方法によって形成すればよい。
【００７０】
次に、図２（ｂ）に示すように、凹部６ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６の上に金属酸化物膜７を形成する。続いて、金属酸化物膜７の上に、金属化合物膜８を形成する。続いて、金属化合物膜８の上に金属膜９を形成する。ここで、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９は、原子層成長法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）、化学気相成長法（CVD：Chemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（PVD：PPhysical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。このようにして、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９よりなる第２のバリアメタル膜Ａ１が形成される。
【００７１】
次に、図２（ｃ）に示すように、凹部６ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部６ｃの内部を含む金属膜９の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜９、金属化合物膜８、及び金属酸化物膜７における凹部６ａの内部以外の部分であって第２の絶縁膜６の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去し、第２の銅配線１０及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図２（ｃ）に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、金属膜９の上に、銅シード層を形成した後に、凹部６ｃが埋め込まれるように、銅シード層の上に、銅めっきによって銅膜を形成した後に、前述の図１（ｂ）を用いた説明と同様にしてＣＭＰを行なって、第２の銅配線１０を形成してもよい。この場合は、銅シード層を形成する工程を備えたことにより、より安定的に銅めっきを行なうことができる。すなわち、例えば、仮に金属膜９の表面が部分的又は全体的に酸化された場合であっても、銅シード層を形成することにより、より安定的に銅めっきを可能にする。また、埋め込み金属配線としての第２の銅配線１０の代わりに、銅以外の材料よりなる埋め込み配線を形成する場合には、その材料に応じたシード層の材料を適宜選択するとよい。
【００７２】
ここで、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法による効果について、以下に説明する。
【００７３】
バリアメタル膜として、金属膜及び金属酸化物膜よりなるバリアメタル膜を用いる場合には、金属酸化物膜の機械的強度が弱いために、半導体製造工程における熱処理により、金属酸化物膜にクラックが発生する。このようにバリアメタル膜にクラックが発生すると、エレクトロマイグレーション又はストレスマイグレーション等による配線の信頼性を劣化させる。さらに、組み立て工程におけるワイヤーボンディングの際に加わるストレスによってバリアメタル膜にクラックが発生し、配線の信頼性が劣化する。
【００７４】
一方、本実施形態における第２のバリアメタル膜Ａ１は、金属酸化物膜７と金属膜９との間に、金属酸化物膜７の弾性率よりも大きい弾性率を有する機械的強度に優れると共に金属化合物膜８を備えていることにより、金属膜９及び金属酸化物膜７を単に積層してなるバリアメタル膜に比べて、第２のバリアメタル膜Ａ１の機械的強度は飛躍的に向上する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７５】
さらに、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とが接合して形成されていると共に、金属膜９と第２の銅配線１２とが接合して形成されている。このため、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とが接合しているので、第２の絶縁膜６と金属膜９とが接合する場合と比べて、第２のバリアメタル膜Ａ１と第２の絶縁膜６との密着性が向上する。さらに、第２の絶縁膜６の最表面が酸化物である場合には、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７とに共通の元素である酸素が存在するので、第２の絶縁膜６と金属酸化物膜７との密着性が増大する。また、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合しているため、金属めっきを行なう際に、金属化合物膜８又は金属酸化物膜７よりも抵抗が小さい金属が電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜８又は金属酸化物膜７が第２のバリアメタル膜Ａ１の表面にある場合と比べて、膜厚均一性に優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００７６】
また、金属膜９を構成する金属として酸化されても導電性を失わない金属を用いる場合には、銅めっき層を第２のバリアメタル膜Ａ１の上に直接堆積する際に、めっき膜厚を均一にできると共に、銅めっきによってビアホールをボイドなしに埋め込むことが可能となる。したがって、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ基板材料との密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７７】
このように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、金属酸化物膜、該金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する金属化合物膜及び金属膜を積層してなるバリアメタル膜を用いることにより、バリアメタル膜の機械的強度が向上するので、半導体製造工程における熱処理又は組み立て工程におけるストレスなどによってもクラックが発生しないバリアメタル膜を実現することができる。さらに、バリアメタル膜の絶縁膜に対する密着性を高めることができる。また、バリアメタル膜上に直接銅めっきを行なう場合であっても、均一な膜厚を有するバリアメタル膜を得ることができる。また、ボイドを形成することなくビアホールに銅を埋め込むことが可能となる。したがって、信頼性の高い銅配線を提供することができる。
【００７８】
以下に、本実施形態に示した金属及び金属化合物の比抵抗の一例を示す。
【００７９】
ルテニウムの比抵抗は７．５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウムの比抵抗は６．５（μΩ・ｃｍ）である。また、ルテニウム酸化膜の比抵抗は３５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウム酸化膜の比抵抗は３０（μΩ・ｃｍ）である。一方、現在標準的に使用されているタンタル膜の比抵抗は６０〜１８０（μΩ・ｃｍ）であり、タンタル窒化膜の比抵抗は２５０（μΩ・ｃｍ）である。
【００８０】
また、本実施形態に示した第２のバリアメタル膜Ａ１を実際の半導体装置に組み込む場合には、金属酸化物膜７の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成し、金属化合物膜８の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成し、さらに、金属膜９の膜厚が数ｎｍ〜２５ｎｍ程度となるように形成するとよい。この場合に、第２のバリアメタル膜Ａ１の全体の膜厚は、６５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、２０ｎｍ〜３０ｎｍとなるように形成されるとよい。また、４５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、全体の膜厚として、厚くてもおよそ１５ｎｍ以下にする必要があると予測される。また、金属酸化物膜７、金属化合物膜８及び金属膜９の膜厚比は成膜方法及び用途に応じて任意に最適化するとよい。
【００８１】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によると、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ密着性が高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００８２】
なお、第２の絶縁膜６と第２の銅配線１０との間に、第２のバリアメタル膜Ａ１を複数層積層される構成にしてよい。
【００８３】
また、金属酸化物膜７と金属化合物膜８との密着性を損なわない限りにおいて、金属酸化物膜７と金属化合物膜８との間に、他の１層以上の膜を設けてもよいし、金属化合物膜８と金属膜９との密着性を損なわない限りにおいて、金属化合物膜８と金属膜９との間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態においては、デュアルダマシン構造が採用されている場合について説明したが、シングルダマシン構造を採用する場合であっても、デュアルダマシン構造を採用する場合と同様の効果が得られることはいうまでもない。シングルダマシン構造を採用する場合には、配線とビアプラグとがそれぞれ別工程において形成されることになるが、この場合の配線及びビアプラグは、本実施形態における第２の銅配線１０である埋め込み配線に含まれる。
【００８５】
また、本実施形態においては、第２の銅配線１０である埋め込み配線の材料として、銅又は銅合金を用いた場合について説明したが、より好ましい本実施形態としては、銅よりも低い抵抗率を有するＡｇ、Ａｕ、若しくはＰｔなどの金属又はこれらの金属の合金を埋め込み配線の材料として用いるとよい。
【００８６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８７】
まず、図３（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００８８】
図３（ａ）及び（ｂ）において、第１の実施形態に係る半導体装置と異なる点は、凹部６ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ２が形成されており、ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２は、凹部６ｃに沿うように第２の絶縁膜６の上に形成された第１の金属酸化物膜７ａ、該金属酸化物膜７ａの上に形成された金属化合物膜８、該金属化合物膜８の上に形成された第２の金属酸化物膜７ｂ、及び該第２の金属酸化物膜７ｂの上に形成された金属膜９よりなる点である。ここで、金属化合物膜８の弾性率は、第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きい。
【００８９】
第１の金属酸化物膜７ａの金属及び第２の金属酸化物膜７ｂの金属には、第１の実施形態で説明した金属酸化物７を構成する金属の種類のうちから選択される金属を用いるとよい。第１の金属酸化物膜７ａと第２の金属酸化物膜７ｂとは、それぞれ同一種類の金属から構成されてもよいし、異なる種類の金属から構成されてもよい。
【００９０】
また、金属化合物膜８は、第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きい弾性率を有するように、第１の実施形態で説明した金属化合物膜８を構成する金属の種類から選択する必要がある。
【００９１】
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００９２】
図４（ａ）〜（ｃ）において、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なる点は、図４（ｂ）において、第２のバリアメタル膜Ａ２を形成する点である。具体的には、図４（ｂ）に示すように、凹部６ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６の上に第１の金属酸化物膜７ａを形成する。続いて、第１の金属酸化物膜７ａの上に、金属化合物膜８を形成する。続いて、金属化合物膜８の上に、第２の金属酸化物膜７ｂを形成する。続いて、第２の金属酸化物膜７ｂの上に、金属膜９を形成する。ここで、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、第２の金属酸化物膜７ｂ、及び金属膜９は、原子層成長法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）、化学気相成長法（CVD：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（PVD：PPhysical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。このようにして、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、第２の金属酸化物膜７ｂ、及び金属膜１１よりなる第２のバリアメタル膜Ａ２が形成される。
【００９３】
ここで、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法による効果について、以下に説明する。
【００９４】
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法によると、前述した第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法による効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００９５】
第２のバリアメタル膜Ａ２は、第１の金属酸化物膜７ａと金属膜９との間に、金属化合物膜８を備え、金属膜９と金属化合物膜８との間に、第２の金属酸化物膜７ｂを備えると共に、金属化合物膜８の弾性率が第１の金属酸化物膜７ａの弾性率及び第２の金属酸化物膜７ｂの弾性率よりも大きいので、機械的強度に優れた第２のバリアメタル膜Ａ２を実現することができる。これにより、金属膜と金属酸化物膜とが単に積層されてなるバリアメタル膜に比べて、第２のバリアメタル膜Ａ２の機械的強度は飛躍的に向上している。さらに、金属化合物膜８の熱膨張率と第１の金属酸化物膜７ａ及び第２の金属酸化物膜７ｂのそれぞれの熱膨張率とが異なる場合であっても、第２のバリアメタル膜Ａ２の熱膨張は全体的に均一化されるので、熱的機械的強度に優れた第２のバリアメタル膜Ａ２の構造を実現できる。さらに、第１の金属酸化物膜７ａ、金属化合物膜８、及び第２の金属酸化物膜７ｂの順に積層して第２のバリアメタル膜Ａ２を形成するので、第１の金属酸化物膜７ａに加わる応力が２層に分散するので、第２のバリアメタル膜Ａ２全体の機械的強度が飛躍的に増大する。特に、第１の金属酸化物膜７ａと第２の金属酸化物膜７ｂとが、それぞれ同一の金属材料から構成されている場合には、その機械的強度はさらに増大する。したがって、機械的強度に優れた多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９６】
さらに、第２の絶縁膜６と第１の金属酸化物膜７ａとが接合して形成されていると共に、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合して形成されている。このため、第１の金属酸化物膜７ａと第２の絶縁膜６とが接合していることにより、金属膜９と第２の絶縁膜６とが接合する場合と比べて、第２のバリアメタル膜Ａ２と第２の絶縁膜６との密着性が向上する。さらに、第２の絶縁膜６の最表面が酸化物である場合には、第１の金属酸化物膜７ａと第２の絶縁膜６とに共通の元素である酸素が存在するので、第２の絶縁膜６と第１の金属酸化物膜７ａとの密着性が増大する。また、金属膜９と第２の銅配線１０とが接合していることにより、金属化合物膜８、第１の金属酸化物膜７ａ、又は第２の金属酸化物膜７ｂよりも抵抗が小さい金属が、金属めっきを行なう際の電極兼めっき下地となるので、金属化合物膜８、第１の金属酸化物膜７ａ又は第２の金属酸化物膜７ｂが、第２のバリアメタル膜Ａ２の表面に形成されている場合に比べて、膜厚均一性により優れためっき膜を形成することができる。このため、高性能な金属めっきを実現することができる。
【００９７】
なお、第２の絶縁膜６と第２の銅配線１０との間に、第２のバリアメタル膜Ａ２を複数層積層される構成にしてもよい。
【００９８】
また、第１の金属酸化物膜７ａと金属化合物膜８との密着性を損なわない限りにおいて、第１の金属酸化物膜７ａと金属化合物膜８との間に、他の１層以上の膜を設けてもよいし、第２の金属酸化物膜７ｂと金属膜９との密着性を損なわない限りにおいて、第２の金属酸化物膜７ｂと金属膜９との間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。また、金属化合物膜８と第２の金属酸化物膜７ｂとの密着性を損なわない限りにおいて、金属化合物膜８と第２の金属酸化物膜７ｂとの間に、他の１層以上の膜を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上説明したように、本発明は、機械的強度に優れると共に、低抵抗であって且つ高密着性を実現するバリアメタル膜を備えた半導体装置及びその製造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、従来例に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ シリコン基板
２ 第１の絶縁膜
３ 第１のバリアメタル膜
４ 第１の銅配線
５ 拡散防止膜
６ 第２の絶縁膜
６ａ ビアホール
６ｂ 配線溝
６ｃ 凹部
７ 金属酸化物膜
７ａ 第１の金属酸化物膜
７ｂ 第２の金属酸化物膜
８ 金属化合物膜
９ 金属膜
１０ 第２の銅配線
Ａ１、Ａ２ 第２のバリアメタル膜
１０１ シリコン基板
１０２ 第１の絶縁膜
１０３ 第１のバリアメタル膜
１０４ 第１の銅配線
１０５ 拡散防止膜
１０６ 第２の絶縁膜
１０６ａ ビアホール
１０６ｂ 配線溝
１０６ｃ 凹部
１０７、１０８ 第２のバリアメタル膜
１０９ 第３のバリアメタル膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、前記絶縁膜と前記金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記金属配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜よりなり、
前記金属化合物膜の弾性率は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜と前記金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、
前記金属膜と前記金属配線とは接合して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属酸化物膜は、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、前記絶縁膜と前記金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記金属配線が存在している側に向かって順に積層されている第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜よりなり、
前記金属化合物膜の弾性率は、前記第１の金属酸化物膜の弾性率及び前記第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁膜と前記第１の金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、
前記金属膜と前記金属配線とは接合して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の金属酸化物膜及び前記第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方は、導電性を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属化合物膜を構成する金属は、高融点金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属膜を構成する金属は、酸化されても導電性を失わない金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属化合物膜は、金属窒化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記金属化合物膜は、金属炭化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記金属化合物膜は、金属ケイ化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、金属化合物膜、及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する前記金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜、及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記第１の金属酸化物膜の弾性率及び前記第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有する前記金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記バリアメタル膜を形成する工程よりも後であって前記埋め込み金属配線を形成する工程よりも前に、前記バリアメタル膜の上にシード層を形成する工程をさらに備え、
前記埋め込み金属配線を形成する工程は、前記凹部を埋め込むように、前記シード層の上に前記埋め込み金属配線を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、前記絶縁膜と前記金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記金属配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、金属化合物膜及び金属膜よりなり、
前記金属化合物膜の弾性率は、金属酸化物膜の弾性率よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜と前記金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、
前記金属膜と前記金属配線とは接合して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属酸化物膜は、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み金属配線と、前記絶縁膜と前記金属配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記金属配線が存在している側に向かって順に積層されている第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜及び金属膜よりなり、
前記金属化合物膜の弾性率は、前記第１の金属酸化物膜の弾性率及び前記第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁膜と前記第１の金属酸化物膜とは接合して形成されていると共に、
前記金属膜と前記金属配線とは接合して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の金属酸化物膜及び前記第２の金属酸化物膜のうちの少なくとも一方は、導電性を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属化合物膜を構成する金属は、高融点金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属膜を構成する金属は、酸化されても導電性を失わない金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属化合物膜は、金属窒化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記金属化合物膜は、金属炭化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記金属化合物膜は、金属ケイ化物膜よりなることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、金属化合物膜、及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記金属酸化物膜の弾性率よりも大きい弾性率を有する前記金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、第１の金属酸化物膜、金属化合物膜、第２の金属酸化物膜、及び金属膜がこの順に形成されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み金属配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記第１の金属酸化物膜の弾性率及び前記第２の金属酸化物膜の弾性率のそれぞれよりも大きい弾性率を有する前記金属化合物膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記バリアメタル膜を形成する工程よりも後であって前記埋め込み金属配線を形成する工程よりも前に、前記バリアメタル膜の上にシード層を形成する工程をさらに備え、
前記埋め込み金属配線を形成する工程は、前記凹部を埋め込むように、前記シード層の上に前記埋め込み金属配線を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２又は１３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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１９３２５（Ｐ２００６−１９３２５Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９２６５３（Ｐ２００４−１９２６５３）
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]