半導体装置及びその製造方法
【課題】絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食を防止することができ、配線の信頼性向上をはる。
【解決手段】埋め込み配線を有する半導体装置であって、一部に配線用溝１１３が形成された配線間絶縁膜１１１，１１２と、配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内に埋め込み形成され、且つ配線用溝１１３の側壁面との間にギャップを有する金属配線層１１５と、配線層１１５の側壁面と上面を覆うように形成された耐水性バリア層１１８とを備えた。
【解決手段】埋め込み配線を有する半導体装置であって、一部に配線用溝１１３が形成された配線間絶縁膜１１１，１１２と、配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内に埋め込み形成され、且つ配線用溝１１３の側壁面との間にギャップを有する金属配線層１１５と、配線層１１５の側壁面と上面を覆うように形成された耐水性バリア層１１８とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＳＩ配線のプロセスシーケンスでは、まずＳｉ基板上に層間絶縁膜を成膜し、更に配線間絶縁膜としてバルク絶縁膜とキャップ絶縁膜を堆積させ、これらに配線形成用の溝を形成する。次いで、バリアメタルと配線材料を配線用溝に充填し、続いてＣＭＰ処理し、最後にＣｕ拡散防止膜を成膜して単層のＣｕ配線が形成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この構造では、配線材料が配線間絶縁膜に直接接触することになり、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食が生じるおそれがある。特に、配線間絶縁膜に溝形成のためのエッチングによるダメージがあると、配線メタルの腐食がより顕著となる。また、Ｃｕ配線上にＣｕＳｉＮキャップ膜を形成した構造も提案されている（特許文献２参照）。しかし、この構造の場合においても、配線間絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食を抑制することはできない。
【０００４】
このように従来、ＲＣ遅延の抑制のために低誘電率絶縁膜を用いると、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食が発生し、これが配線の信頼性を大きく低下させる要因となっていた。
【特許文献１】特開平１１−２０４５２３号公報
【特許文献２】特開平２００７−２７７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食を防止することができ、配線の信頼性向上をはかり得る半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係わる半導体装置は、配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、前記配線層の側壁面と上面の上に形成された耐水性バリア層と、前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記耐水性バリア層と前記配線層との間に形成されたギャップと、を具備してなることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置は、配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、前記配線用溝の側壁面に形成された、前記配線層を構成する金属とは異なる金属の酸化膜からなる第１のバリア層と、前記配線層の側壁面と上面の上に形成された、前記配線を構成する金属のシリサイドからなる第２のバリア層と、前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層との間に形成されたギャップと、を具備してなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に金属からなる配線層を埋め込み形成する工程と、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間に、前記配線層中の金属元素を有する金属酸化膜を形成する工程と、前記金属酸化膜を除去することにより、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間にギャップを形成する工程と、前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面に耐水性バリア層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に、メインの構成材料である金属Ｍ１とその他の金属Ｍ２からなる配線層を埋め込み形成する工程と、前記配線用溝の側壁部にＭ２の酸化膜からなる第１のバリア層を形成すると共に、前記配線層と前記第１のバリア層との界面にＭ１の酸化膜を形成する工程と、前記Ｍ１の酸化膜を除去することにより、前記配線用溝の側壁面に形成された第１のバリア層と前記配線層との間にギャップを形成する工程と、前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面にＭ１のシリサイドからなる第２のバリア層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁膜中の水分による配線金属の腐食を抑制することができ、これにより配線の信頼性向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。
【００１３】
Ｓｉ基板上１００上に、ＳｉＯＣやＳｉＯ2 からなる第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０が形成されている。ＩＬＤ膜１１０上には、第１の配線間絶縁膜として、バルク絶縁膜１１１とキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。バルク絶縁膜１１１は低誘電率の絶縁膜であり、例えばポーラスな有機膜である。キャップ絶縁膜１１２は、バルク絶縁膜１１１を保護するためものであり、例えばＳｉＯ2 膜である。
【００１４】
配線間絶縁膜１１１，１１２に配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられている。Ｃｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との界面、及び配線用溝１１３の側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１１６が形成され、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、ＳｉＯＣ等からなる拡散防止膜１１９が形成されている。
【００１５】
拡散防止膜１１９上には第２のＩＬＤ膜１２０が堆積され、その上に、第２の配線間絶縁膜としてバルク絶縁膜１２１とキャップ絶縁膜１２２が堆積されている。配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が形成されている。Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁との間にはギャップ２２が設けられている。Ｃｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との界面、及び配線用溝１２３の側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。また、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいて、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間にＣｕＯx 膜１２７が形成されている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９が形成されている。
【００１６】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図２〜図５を参照して説明する。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００上にＳｉＯＣやＳｉＯ2 からなる厚さ１００ｎｍの第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０を成膜する。続いて、埋め込み配線を作製するための配線間絶縁膜として、有機系材料からなる厚さ１００ｎｍのバルク絶縁膜１１１とＳｉＯＣからなる厚さ５０ｎｍのキャップ絶縁膜１１２を成膜する。
【００１８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチングにより配線用溝１１３を形成する。
【００１９】
次いで、図２（ｃ）に示すように、配線用溝１１３内にバリアメタルと配線材料を充填する。配線材料は一般的なＣｕであるが、バリアメタルとしては、従来一般的なＴａやＴｉに代えてＭｎを用いる。具体的には、例えばＭｎを含有するＣｕＭｎ膜１１４をスパッタにより薄く（例えば５０ｎｍ）形成した後、これをシードとして配線材料となるＣｕをメッキすることにより厚さ１０００ｎｍのＣｕ膜１１５’を形成する。
【００２０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、アニールを行い、Ｃｕ膜１１５’とＩＬＤ膜１１０との界面及び配線溝１１３の側壁面に第１のバリア層１１６を形成する。続いて、ＣＰＭでＣｕ配線１１５を研磨することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成すると共に、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３との間にギャップ２０を形成する。
【００２１】
ここで、図２（ｃ）から（ｄ）に示す工程を、図５を参照して更に詳しく説明する。図５（ａ）は、図２（ｃ）と同様に配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内にＣｕ膜１１５’を埋め込んだ状態である。
【００２２】
図５（ｂ）に示すように、この状態でアニールを行うことでＣｕＭｎ合金１１４中のＭｎが絶縁膜中のＯ，Ｓｉと結合しＭｎＳｉx Ｏy 若しくはＭｎＯx がバリア層１１６として形成され、且つ絶縁膜中の水分によるＯがＣｕ膜１１５’方向に拡散することでバリア層１１６とＣｕ膜１１５’との界面にＣｕＯx 膜１１７も形成される。ＭｎＳｉx Ｏy ，ＭｎＯx の形成に寄与しなかった余剰Ｍｎは、Ｃｕ膜１１５’内に拡散する。これにより、配線側壁の膜構成は、Ｃｕ／ＣｕＯx ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）という膜構成をとる。
【００２３】
そして、図５（ｃ）に示すように、配線溝上部の余剰なバリア層及び配線材料のＣｕをＣＭＰで除去することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成する。このＣＭＰの際に酸系のスラリーを用いることにより、Ｃｕ側壁のＣｕＯx 膜１１７が溶出し、Ｃｕ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）界面に約１０ｎｍのギャップ２０が形成される。ここで、ＣＭＰの際にＣｕＯx 膜１１７を除去せず、ＣＭＰ後にＣｕＯx 膜１１７を除去しても良い。
【００２４】
次いで、図２（ｅ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１１８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。具体的には、ＳｉＨ4 処理によるＣｕ配線１１５のシリサイド化後にＮＨ3 処理による窒化を行うことにより、極めて薄い（２〜３ｎｍ）ＣｕＳｉＮ膜１１８を形成する。本構造における特徴は、Ｃｕ配線がＣｕ／ＣｕＳｉＮ／ギャップ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）構造をとり、ＣｕＳｉＮ，ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）の二重の絶縁膜バリアに覆われていることであり、非常に耐水性の高い配線であることが利点である。
【００２５】
次いで、図３（ｆ）に示すように、第１層目の配線層が作製された基板上に、エッチングストッパとして機能するＳｉＮ若しくはＳｉＣからなる拡散防止膜１１９を３０ｎｍの厚さに成膜する。続いて、拡散防止膜１１９上に、第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１２０を形成し、更に第１層目の配線間絶縁膜１１１，１１２と同様に、配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１２１及びキャップ絶縁膜１２２を成膜する。
【００２６】
次いで、図３（ｇ）に示すように、第１層目と同様に、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行い配線用溝１２３を形成する。このとき、ＩＬＤ膜１２０にも配線用溝１２３と繋がるコンタクトホールを形成する。
【００２７】
次いで、図３（ｈ）に示すように、第１層目と同様に、配線用溝１２３内にＣｕＭｎ膜１２４とＣｕ膜１２５’を形成する。
【００２８】
次いで、図４（ｉ）に示すように、アニールを行うことにより、第１層目と同様に、第１のバリア層１２６とＣｕＯx 膜１２７を形成する。
【００２９】
次いで、図４（ｊ）に示すように、ＣＰＭでＣｕ膜１２５’を研磨することにより、第１層目と同様に、配線用溝１２３内にＣｕ配線１２５を埋め込み形成すると共に、Ｃｕ配線１２５と配線溝１２３との間にギャップ２２を形成する。
【００３０】
次いで、図４（ｋ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第１層目と同様に、第２のバリア層１２８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。
【００３１】
これ以降は、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９を形成することにより、前記図１に示す構造を有する半導体装置が作製される。
【００３２】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２中の水分によるＣｕ配線１１５の腐食を防止することができる。同様に、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１２５の腐食を防止することができる。
【００３３】
しかも、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８を形成し、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にも同様のバリア層１２８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分による配線腐食を更に抑制することができる。また、配線用溝１１３，１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１１６，１２６を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２からＣｕ配線１１５への水分の浸透を防止することができ、配線腐食をより確実に抑制することができる。さらに、Ｃｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との境界にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１１６を形成し、更にはＣｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との境界にも同様のバリア層１２６を形成しているので、配線層１１５，１２５とＩＬＤ膜１１０，１２０との反応を防止することもできる。従って、埋め込み配線としての高い信頼が得られる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３５】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１層目の配線層の下層に拡散防止膜２１９を設けると共に、バリア層１１６を省略したことにある。
【００３６】
即ち、第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０上に拡散防止膜２１９が形成され、その上に第１の実施形態と同様に、第１の配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１１１及びキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。さらに第１の実施形態と同様に、配線間絶縁膜１１１，１１２には配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられ、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８が形成されている。但し、第１の実施形態で形成したバリア層１１６は形成されていない。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。
【００３７】
２層目は第１の実施形態と同様である。即ち、拡散防止膜１１９上に第２のＩＬＤ膜１２０及び第２の配線間絶縁膜１２１，１２２が堆積され、配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が形成され、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁との間にはギャップ２２が設けられている。
【００３８】
Ｃｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との界面、及び配線用溝１２３の側壁面にはＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。また、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいて、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間にＣｕＯx 膜１２７が形成されている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１２９が形成されている。
【００３９】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
【００４０】
まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００上に第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０を成膜し、その上にＳｉＮ若しくはＳｉＣからなる拡散防止膜２１９を形成する。この拡散防止膜２１９上に、埋め込み配線を作製するための配線間絶縁膜として、有機系材料からなるバルク絶縁膜１１１とＳｉＯＣからなるキャップ絶縁膜１１２を成膜する。なお、各部の膜厚は基本的に第１の実施形態と同じである。
【００４１】
次いで、図７（ｂ）に示すように、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行うことで配線用溝１１３を形成する。
【００４２】
次いで、図７（ｃ）に示すように、配線用溝１１３内に配線材料を充填する。配線材料はＣｕであり、メッキにより形成する。具体的には、シードとなるＣｕをスパッタした後に、配線材料となるＣｕメッキを行うことによりＣｕ膜１１５’を形成する。
【００４３】
次いで、図７（ｄ）に示すように、アニール処理を行った後、ＣＰＭでＣｕ膜１１５’を研磨することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成すると共に、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３との間にギャップ２０を形成する。
【００４４】
ここで、図７（ｃ）から（ｄ）に示す工程を、図８を参照して更に詳しく説明する。図８（ａ）は、図７（ｃ）と同様に配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内にＣｕ膜１１５’を埋め込んだ状態である。
【００４５】
図８（ｂ）に示すように、この状態でアニールを行うことで、絶縁膜中の多量の水分がＣｕ膜１１５’の方向に拡散し、絶縁膜１１１，１１２とＣｕ膜１１５’との界面にＣｕＯx 膜１１７が形成される。これにより、配線側壁の膜構成は、Ｃｕ／ＣｕＯx となる。
【００４６】
そして、図８（ｃ）に示すように、配線溝上部の余剰なＣｕをＣＭＰで除去することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成する。このＣＭＰの際に酸系のスラリーを用いることにより、Ｃｕ側壁のＣｕＯx が溶出し、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間に約１０ｎｍのギャップ２０が形成される。なお、ＣｕＯx 膜１１７はＣＭＰ後に除去しても良い。
【００４７】
次いで、図７（ｅ）に示すように、第１の実施形態と同様に、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１１８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。本構造における特徴は、Ｃｕ配線がＣｕ／ＣｕＳｉＮ／ギャップ／絶縁膜の構造をとり、配線上部及び側壁がＣｕＳｉＮの絶縁膜バリアに覆われていることであり、非常に耐水性の高い配線であることが利点である。
【００４８】
これ以降は、図には示さないが、第１層目の配線層の形成と同様に、拡散防止膜１１９の形成、第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１２０の成膜、第２の配線間絶縁膜１２１，１２２の成膜、配線用溝１２３の形成、Ｃｕ配線１２５の形成を行う。ここで、第２層目においては第１層目と異なり、第１の実施形態と同様に、ＣｕＭｎ膜１２４をシードとしてＣｕ膜１１５’を形成し、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成する。その後、ＣｕＳｉＮバリア層１２８の形成、更にはＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９の形成を行うことにより、第２層目の配線層が形成され、前記図６に示す構造の半導体装置が作製される。
【００４９】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設け、更にＣｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１１５，１２５の腐食を防止することができる。
【００５０】
しかも、Ｃｕ配線１１５，１２５の上面及び側壁面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８，１２８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるメタル腐食を更に抑制することができる。また、Ｃｕ配線１１５の下地として拡散防止膜２１９を形成しているので、バリア層１１６を設けなくてもＣｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との反応が生じることはない。さらに、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成しているので、メタルの腐食をより確実に抑制することができる。従って、配線としての高い信頼性が得られる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５２】
本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、Ｃｕ配線を保護するためのバリア層としてＣｕＳｉＮの代わりにＡｌＯを用いたことにある。
【００５３】
即ち、第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０上に拡散防止膜２１９が形成され、その上に第１の配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１１１及びキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。第１の実施形態と同様に、配線間絶縁膜１１１，１１２には配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられ、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面、更には配線用溝１１３の側壁面にはＡｌＯからなるバリア層３１８が形成されている。
【００５４】
第２の実施形態では、シリサイドによるバリア層１１８はＣｕ配線１１５の露出表面しか形成されていないが、本実施形態ではＡｌＯバリア層３１８が露出面全体に形成されている。即ち、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面、配線用溝１１３の上面及び側壁面、更には拡散防止膜１２９の露出面にＡｌＯバリア層３１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。２層目の構成は、第１及び第２の実施形態と同様である。
【００５５】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図１０を参照して説明する。
【００５６】
図１０（ａ）〜（ｄ）に示す工程までは、前記図７（ａ）〜（ｄ）に示す工程と同様である。次いで、図１０（ｅ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、薄膜Ａｌを成膜した後、アニールすることで、アルミナ膜（ＡｌＯ）からなるバリア層３１８を形成する。このとき、バリア層３１８はＣｕ配線１１５の上面及び側壁面のみではなく、配線用溝１１３の上面及び側壁面にも形成される。なお、Ａｌの成膜には例えばＡＬＤ法を用い、その膜厚は２ｎｍである。
【００５７】
本構造の特徴は、配線がＣｕ／ＡｌＯx ／ギャップ／ＡｌＯx ／絶縁膜の構造をとることであり、配線上部及び側壁がＡｌＯx の絶縁膜バリアに覆われ、非常に耐水性の高い配線である点である。
【００５８】
これ以降は、図には示さないが、第１及び第２の実施形態と同様にして、前記図９に示す構造の半導体装置が作製される。
【００５９】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設け、更にＣｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１１５，１２５の腐食を防止することができる。
【００６０】
しかも、Ｃｕ配線１１５の上面及び側面、更には配線用溝１１３の側壁面にＡｌＯからなるバリア層３１８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２中の水分によるメタル腐食を更に抑制することができる。また、Ｃｕ配線１２５の上面及び側面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１２８を形成し、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成しているので、メタルの腐食をより確実に抑制することができる。さらに、Ｃｕ配線１１５の下地として拡散防止膜２１９を形成しているので、バリア層１１６を設けなくてもＣｕ配線とＩＬＤ膜１１０との反応が生じることはない。従って、配線としての高い信頼性が得られる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６２】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、第２層目の配線層においても、Ｃｕ配線１１５と層間絶縁膜１２０との接触を避けるようにしたことである。
【００６３】
即ち、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられている。Ｃｕ配線１１５の上面及び側面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。
【００６４】
拡散防止膜１１９上には第２のＩＬＤ膜１２０と第２の配線間絶縁膜１２１，１２２が堆積されている。配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。ここで、配線用溝１２３の幅はコンタクトホールの径と同じに設定され、配線用溝１２３及びコンタクトホールが連続するようになっている。
【００６５】
配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が埋め込み形成され、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁及びコンタクトホールの側壁との間にはギャップ２４が設けられている。配線用溝１２３の側壁面及びコンタクトホールの側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。ここで、本実施形態においては、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいても、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間のＣｕＯx 膜１２７が除去されてギャップ２４となっている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１２９が形成されている。
【００６６】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図１２及び図１３を参照して説明する。
【００６７】
図１２（ａ）は前記図３（ｆ）と同様であり、本実施形態でも図３（ｆ）に示す工程までは第１の実施形態と同様である。
【００６８】
本実施形態ではこれに続き、図１２（ｂ）に示すように、第１層目と同様に、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行い、配線溝１２３及びＩＬＤ膜１２０に配線溝１２３と繋がるコンタクトホールを形成する。ここで、配線用溝１２３の幅をコンタクトホールの径と同じにし、配線用溝１２３及びコンタクトホールが連続するようにする。
【００６９】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、第１層目と同様に、配線溝１２３内にＣｕＭｎ膜１２４とＣｕ膜１２５’を形成する。
【００７０】
次いで、図１３（ｄ）に示すように、アニールを行うことにより、バリア層１２６とＣｕＯx 膜１２７を形成する。
【００７１】
次いで、図１３（ｅ）に示すように、ＣＭＰでＣｕ膜１２５’を研磨することにより、配線用溝１２３及びコンタクトホール内にＣｕ配線１２５を埋め込み形成すると共に、Ｃｕ配線１２５と配線溝１２３及びコンタクトホールとの間にギャップ２４を形成する。このとき、配線溝１２３の側壁面とコンタクトホールの側壁面が連続しているため、コンタクトホールにおいてもＣｕＯx 膜１２７を確実に除去することができ、連続するギャップが形成される。
【００７２】
次いで、図１３（ｆ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１２８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。配線溝１２３とコンタクトホール部分で連続したギャップが形成されているため、第２層目の配線層としてのＣｕ配線膜１２５が絶縁膜１２０，１２１，１２２に接触することはない。
【００７３】
これ以降は、第１の実施形態と同様に、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９を形成することにより、前記図１１に示す構造の半導体装置が作製される。
【００７４】
このように本実施形態では、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ビア部分においてもＣｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との接触を防止することができ、この部分のメタルの腐食を抑制することができる。従って、２層目の配線においても、より確実に腐食を抑制することができ、配線の更なる信頼性向上をはかることができる。
【００７５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。第１の実施形態では、シード層としてＣｕＭｎ合金を用いたが、Ｍｎの代わりに他の金属、例えばＭｇを用いることも可能である。この場合、アニール処理によりＭｇＯが第１のバリア層として形成されることになる。
【００７６】
第３の実施形態では、バリア層としてＡｌ酸化膜を形成したが、他の金属の酸化膜を形成することも可能である。具体的には、薄膜で成膜することができ、酸化により確実に絶縁膜となり、耐湿性が十分に高いものであればよく、Ｔｉ酸化膜を用いることも可能である。
【００７７】
また、配線は必ずしもＣｕに限るものではなく、Ａｌその他の金属材料を用いることも可能である。さらに、実施形態では第１層目と第２層目で同じ構造を採用したが、各実施形態を適宜組み合わせて異なる層で異なる構造を採用してもよい。
【００７８】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図４】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５】第１の実施形態におけるバリア層及びギャップ形成のメカニズムを説明するための模式図。
【図６】第２の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図８】第２の実施形態におけるギャップ形成のメカニズムを説明するための模式図。
【図９】第３の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図１０】第３の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１１】第４の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図１２】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１３】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００８０】
２０，２２，２４…ギャップ、１００…Ｓｉ基板、１１０，１２０…第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）、１１１，１２１…バルク絶縁膜、１１２，１２２…キャップ絶縁膜、１１３，１２３…配線用溝、１１４…ＣｕＭｎ膜、１１５，１２５…Ｃｕ配線、１１５’，１２５’…Ｃｕ膜、１１６，１２６…ＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx バリア層（第１のバリア層）、１１７，１２７…ＣｕＯx 膜、１１８，１２８…ＣｕＳｉＮバリア層（第２のバリア層）、１１９，１２９，２１９…拡散防止膜、１２０…第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）、１２４…コンタクトホール、３１８…ＡｌＯバリア層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＳＩ配線のプロセスシーケンスでは、まずＳｉ基板上に層間絶縁膜を成膜し、更に配線間絶縁膜としてバルク絶縁膜とキャップ絶縁膜を堆積させ、これらに配線形成用の溝を形成する。次いで、バリアメタルと配線材料を配線用溝に充填し、続いてＣＭＰ処理し、最後にＣｕ拡散防止膜を成膜して単層のＣｕ配線が形成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この構造では、配線材料が配線間絶縁膜に直接接触することになり、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食が生じるおそれがある。特に、配線間絶縁膜に溝形成のためのエッチングによるダメージがあると、配線メタルの腐食がより顕著となる。また、Ｃｕ配線上にＣｕＳｉＮキャップ膜を形成した構造も提案されている（特許文献２参照）。しかし、この構造の場合においても、配線間絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食を抑制することはできない。
【０００４】
このように従来、ＲＣ遅延の抑制のために低誘電率絶縁膜を用いると、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食が発生し、これが配線の信頼性を大きく低下させる要因となっていた。
【特許文献１】特開平１１−２０４５２３号公報
【特許文献２】特開平２００７−２７７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、絶縁膜中の水分による配線メタルの腐食を防止することができ、配線の信頼性向上をはかり得る半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係わる半導体装置は、配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、前記配線層の側壁面と上面の上に形成された耐水性バリア層と、前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記耐水性バリア層と前記配線層との間に形成されたギャップと、を具備してなることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置は、配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、前記配線用溝の側壁面に形成された、前記配線層を構成する金属とは異なる金属の酸化膜からなる第１のバリア層と、前記配線層の側壁面と上面の上に形成された、前記配線を構成する金属のシリサイドからなる第２のバリア層と、前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層との間に形成されたギャップと、を具備してなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に金属からなる配線層を埋め込み形成する工程と、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間に、前記配線層中の金属元素を有する金属酸化膜を形成する工程と、前記金属酸化膜を除去することにより、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間にギャップを形成する工程と、前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面に耐水性バリア層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、前記配線間絶縁膜の配線用溝内に、メインの構成材料である金属Ｍ１とその他の金属Ｍ２からなる配線層を埋め込み形成する工程と、前記配線用溝の側壁部にＭ２の酸化膜からなる第１のバリア層を形成すると共に、前記配線層と前記第１のバリア層との界面にＭ１の酸化膜を形成する工程と、前記Ｍ１の酸化膜を除去することにより、前記配線用溝の側壁面に形成された第１のバリア層と前記配線層との間にギャップを形成する工程と、前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面にＭ１のシリサイドからなる第２のバリア層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁膜中の水分による配線金属の腐食を抑制することができ、これにより配線の信頼性向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。
【００１３】
Ｓｉ基板上１００上に、ＳｉＯＣやＳｉＯ2 からなる第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０が形成されている。ＩＬＤ膜１１０上には、第１の配線間絶縁膜として、バルク絶縁膜１１１とキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。バルク絶縁膜１１１は低誘電率の絶縁膜であり、例えばポーラスな有機膜である。キャップ絶縁膜１１２は、バルク絶縁膜１１１を保護するためものであり、例えばＳｉＯ2 膜である。
【００１４】
配線間絶縁膜１１１，１１２に配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられている。Ｃｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との界面、及び配線用溝１１３の側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１１６が形成され、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、ＳｉＯＣ等からなる拡散防止膜１１９が形成されている。
【００１５】
拡散防止膜１１９上には第２のＩＬＤ膜１２０が堆積され、その上に、第２の配線間絶縁膜としてバルク絶縁膜１２１とキャップ絶縁膜１２２が堆積されている。配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が形成されている。Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁との間にはギャップ２２が設けられている。Ｃｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との界面、及び配線用溝１２３の側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。また、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいて、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間にＣｕＯx 膜１２７が形成されている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９が形成されている。
【００１６】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図２〜図５を参照して説明する。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００上にＳｉＯＣやＳｉＯ2 からなる厚さ１００ｎｍの第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０を成膜する。続いて、埋め込み配線を作製するための配線間絶縁膜として、有機系材料からなる厚さ１００ｎｍのバルク絶縁膜１１１とＳｉＯＣからなる厚さ５０ｎｍのキャップ絶縁膜１１２を成膜する。
【００１８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチングにより配線用溝１１３を形成する。
【００１９】
次いで、図２（ｃ）に示すように、配線用溝１１３内にバリアメタルと配線材料を充填する。配線材料は一般的なＣｕであるが、バリアメタルとしては、従来一般的なＴａやＴｉに代えてＭｎを用いる。具体的には、例えばＭｎを含有するＣｕＭｎ膜１１４をスパッタにより薄く（例えば５０ｎｍ）形成した後、これをシードとして配線材料となるＣｕをメッキすることにより厚さ１０００ｎｍのＣｕ膜１１５’を形成する。
【００２０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、アニールを行い、Ｃｕ膜１１５’とＩＬＤ膜１１０との界面及び配線溝１１３の側壁面に第１のバリア層１１６を形成する。続いて、ＣＰＭでＣｕ配線１１５を研磨することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成すると共に、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３との間にギャップ２０を形成する。
【００２１】
ここで、図２（ｃ）から（ｄ）に示す工程を、図５を参照して更に詳しく説明する。図５（ａ）は、図２（ｃ）と同様に配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内にＣｕ膜１１５’を埋め込んだ状態である。
【００２２】
図５（ｂ）に示すように、この状態でアニールを行うことでＣｕＭｎ合金１１４中のＭｎが絶縁膜中のＯ，Ｓｉと結合しＭｎＳｉx Ｏy 若しくはＭｎＯx がバリア層１１６として形成され、且つ絶縁膜中の水分によるＯがＣｕ膜１１５’方向に拡散することでバリア層１１６とＣｕ膜１１５’との界面にＣｕＯx 膜１１７も形成される。ＭｎＳｉx Ｏy ，ＭｎＯx の形成に寄与しなかった余剰Ｍｎは、Ｃｕ膜１１５’内に拡散する。これにより、配線側壁の膜構成は、Ｃｕ／ＣｕＯx ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）という膜構成をとる。
【００２３】
そして、図５（ｃ）に示すように、配線溝上部の余剰なバリア層及び配線材料のＣｕをＣＭＰで除去することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成する。このＣＭＰの際に酸系のスラリーを用いることにより、Ｃｕ側壁のＣｕＯx 膜１１７が溶出し、Ｃｕ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）界面に約１０ｎｍのギャップ２０が形成される。ここで、ＣＭＰの際にＣｕＯx 膜１１７を除去せず、ＣＭＰ後にＣｕＯx 膜１１７を除去しても良い。
【００２４】
次いで、図２（ｅ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１１８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。具体的には、ＳｉＨ4 処理によるＣｕ配線１１５のシリサイド化後にＮＨ3 処理による窒化を行うことにより、極めて薄い（２〜３ｎｍ）ＣｕＳｉＮ膜１１８を形成する。本構造における特徴は、Ｃｕ配線がＣｕ／ＣｕＳｉＮ／ギャップ／ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）構造をとり、ＣｕＳｉＮ，ＭｎＳｉx Ｏy（ＭｎＯx ）の二重の絶縁膜バリアに覆われていることであり、非常に耐水性の高い配線であることが利点である。
【００２５】
次いで、図３（ｆ）に示すように、第１層目の配線層が作製された基板上に、エッチングストッパとして機能するＳｉＮ若しくはＳｉＣからなる拡散防止膜１１９を３０ｎｍの厚さに成膜する。続いて、拡散防止膜１１９上に、第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１２０を形成し、更に第１層目の配線間絶縁膜１１１，１１２と同様に、配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１２１及びキャップ絶縁膜１２２を成膜する。
【００２６】
次いで、図３（ｇ）に示すように、第１層目と同様に、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行い配線用溝１２３を形成する。このとき、ＩＬＤ膜１２０にも配線用溝１２３と繋がるコンタクトホールを形成する。
【００２７】
次いで、図３（ｈ）に示すように、第１層目と同様に、配線用溝１２３内にＣｕＭｎ膜１２４とＣｕ膜１２５’を形成する。
【００２８】
次いで、図４（ｉ）に示すように、アニールを行うことにより、第１層目と同様に、第１のバリア層１２６とＣｕＯx 膜１２７を形成する。
【００２９】
次いで、図４（ｊ）に示すように、ＣＰＭでＣｕ膜１２５’を研磨することにより、第１層目と同様に、配線用溝１２３内にＣｕ配線１２５を埋め込み形成すると共に、Ｃｕ配線１２５と配線溝１２３との間にギャップ２２を形成する。
【００３０】
次いで、図４（ｋ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第１層目と同様に、第２のバリア層１２８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。
【００３１】
これ以降は、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９を形成することにより、前記図１に示す構造を有する半導体装置が作製される。
【００３２】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２中の水分によるＣｕ配線１１５の腐食を防止することができる。同様に、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１２５の腐食を防止することができる。
【００３３】
しかも、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８を形成し、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にも同様のバリア層１２８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分による配線腐食を更に抑制することができる。また、配線用溝１１３，１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１１６，１２６を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２からＣｕ配線１１５への水分の浸透を防止することができ、配線腐食をより確実に抑制することができる。さらに、Ｃｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との境界にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１１６を形成し、更にはＣｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との境界にも同様のバリア層１２６を形成しているので、配線層１１５，１２５とＩＬＤ膜１１０，１２０との反応を防止することもできる。従って、埋め込み配線としての高い信頼が得られる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３５】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１層目の配線層の下層に拡散防止膜２１９を設けると共に、バリア層１１６を省略したことにある。
【００３６】
即ち、第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０上に拡散防止膜２１９が形成され、その上に第１の実施形態と同様に、第１の配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１１１及びキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。さらに第１の実施形態と同様に、配線間絶縁膜１１１，１１２には配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられ、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８が形成されている。但し、第１の実施形態で形成したバリア層１１６は形成されていない。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。
【００３７】
２層目は第１の実施形態と同様である。即ち、拡散防止膜１１９上に第２のＩＬＤ膜１２０及び第２の配線間絶縁膜１２１，１２２が堆積され、配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が形成され、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁との間にはギャップ２２が設けられている。
【００３８】
Ｃｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との界面、及び配線用溝１２３の側壁面にはＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側壁面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。また、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいて、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間にＣｕＯx 膜１２７が形成されている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１２９が形成されている。
【００３９】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
【００４０】
まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００上に第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０を成膜し、その上にＳｉＮ若しくはＳｉＣからなる拡散防止膜２１９を形成する。この拡散防止膜２１９上に、埋め込み配線を作製するための配線間絶縁膜として、有機系材料からなるバルク絶縁膜１１１とＳｉＯＣからなるキャップ絶縁膜１１２を成膜する。なお、各部の膜厚は基本的に第１の実施形態と同じである。
【００４１】
次いで、図７（ｂ）に示すように、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行うことで配線用溝１１３を形成する。
【００４２】
次いで、図７（ｃ）に示すように、配線用溝１１３内に配線材料を充填する。配線材料はＣｕであり、メッキにより形成する。具体的には、シードとなるＣｕをスパッタした後に、配線材料となるＣｕメッキを行うことによりＣｕ膜１１５’を形成する。
【００４３】
次いで、図７（ｄ）に示すように、アニール処理を行った後、ＣＰＭでＣｕ膜１１５’を研磨することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成すると共に、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３との間にギャップ２０を形成する。
【００４４】
ここで、図７（ｃ）から（ｄ）に示す工程を、図８を参照して更に詳しく説明する。図８（ａ）は、図７（ｃ）と同様に配線間絶縁膜１１１，１１２の配線用溝１１３内にＣｕ膜１１５’を埋め込んだ状態である。
【００４５】
図８（ｂ）に示すように、この状態でアニールを行うことで、絶縁膜中の多量の水分がＣｕ膜１１５’の方向に拡散し、絶縁膜１１１，１１２とＣｕ膜１１５’との界面にＣｕＯx 膜１１７が形成される。これにより、配線側壁の膜構成は、Ｃｕ／ＣｕＯx となる。
【００４６】
そして、図８（ｃ）に示すように、配線溝上部の余剰なＣｕをＣＭＰで除去することにより、配線用溝１１３内のみにＣｕ配線１１５を形成する。このＣＭＰの際に酸系のスラリーを用いることにより、Ｃｕ側壁のＣｕＯx が溶出し、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間に約１０ｎｍのギャップ２０が形成される。なお、ＣｕＯx 膜１１７はＣＭＰ後に除去しても良い。
【００４７】
次いで、図７（ｅ）に示すように、第１の実施形態と同様に、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１１８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。本構造における特徴は、Ｃｕ配線がＣｕ／ＣｕＳｉＮ／ギャップ／絶縁膜の構造をとり、配線上部及び側壁がＣｕＳｉＮの絶縁膜バリアに覆われていることであり、非常に耐水性の高い配線であることが利点である。
【００４８】
これ以降は、図には示さないが、第１層目の配線層の形成と同様に、拡散防止膜１１９の形成、第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１２０の成膜、第２の配線間絶縁膜１２１，１２２の成膜、配線用溝１２３の形成、Ｃｕ配線１２５の形成を行う。ここで、第２層目においては第１層目と異なり、第１の実施形態と同様に、ＣｕＭｎ膜１２４をシードとしてＣｕ膜１１５’を形成し、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成する。その後、ＣｕＳｉＮバリア層１２８の形成、更にはＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９の形成を行うことにより、第２層目の配線層が形成され、前記図６に示す構造の半導体装置が作製される。
【００４９】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設け、更にＣｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１１５，１２５の腐食を防止することができる。
【００５０】
しかも、Ｃｕ配線１１５，１２５の上面及び側壁面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１１８，１２８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるメタル腐食を更に抑制することができる。また、Ｃｕ配線１１５の下地として拡散防止膜２１９を形成しているので、バリア層１１６を設けなくてもＣｕ配線１１５とＩＬＤ膜１１０との反応が生じることはない。さらに、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成しているので、メタルの腐食をより確実に抑制することができる。従って、配線としての高い信頼性が得られる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５２】
本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、Ｃｕ配線を保護するためのバリア層としてＣｕＳｉＮの代わりにＡｌＯを用いたことにある。
【００５３】
即ち、第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）１１０上に拡散防止膜２１９が形成され、その上に第１の配線間絶縁膜としてのバルク絶縁膜１１１及びキャップ絶縁膜１１２が堆積されている。第１の実施形態と同様に、配線間絶縁膜１１１，１１２には配線用溝１１３が形成され、この溝１１３内にＣｕ配線１１５が形成されている。Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられ、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面、更には配線用溝１１３の側壁面にはＡｌＯからなるバリア層３１８が形成されている。
【００５４】
第２の実施形態では、シリサイドによるバリア層１１８はＣｕ配線１１５の露出表面しか形成されていないが、本実施形態ではＡｌＯバリア層３１８が露出面全体に形成されている。即ち、Ｃｕ配線１１５の上面及び側壁面、配線用溝１１３の上面及び側壁面、更には拡散防止膜１２９の露出面にＡｌＯバリア層３１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。２層目の構成は、第１及び第２の実施形態と同様である。
【００５５】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図１０を参照して説明する。
【００５６】
図１０（ａ）〜（ｄ）に示す工程までは、前記図７（ａ）〜（ｄ）に示す工程と同様である。次いで、図１０（ｅ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、薄膜Ａｌを成膜した後、アニールすることで、アルミナ膜（ＡｌＯ）からなるバリア層３１８を形成する。このとき、バリア層３１８はＣｕ配線１１５の上面及び側壁面のみではなく、配線用溝１１３の上面及び側壁面にも形成される。なお、Ａｌの成膜には例えばＡＬＤ法を用い、その膜厚は２ｎｍである。
【００５７】
本構造の特徴は、配線がＣｕ／ＡｌＯx ／ギャップ／ＡｌＯx ／絶縁膜の構造をとることであり、配線上部及び側壁がＡｌＯx の絶縁膜バリアに覆われ、非常に耐水性の高い配線である点である。
【００５８】
これ以降は、図には示さないが、第１及び第２の実施形態と同様にして、前記図９に示す構造の半導体装置が作製される。
【００５９】
このように本実施形態によれば、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁面との間にギャップ２０を設け、更にＣｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁面との間にギャップ２２を設けているので、配線容量の低下をはかると共に、絶縁膜１１１，１１２，１２１，１２２中の水分によるＣｕ配線１１５，１２５の腐食を防止することができる。
【００６０】
しかも、Ｃｕ配線１１５の上面及び側面、更には配線用溝１１３の側壁面にＡｌＯからなるバリア層３１８を形成しているので、絶縁膜１１１，１１２中の水分によるメタル腐食を更に抑制することができる。また、Ｃｕ配線１２５の上面及び側面にＣｕＳｉＮからなるバリア層１２８を形成し、配線用溝１２３の側壁面にＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx からなるバリア層１２６を形成しているので、メタルの腐食をより確実に抑制することができる。さらに、Ｃｕ配線１１５の下地として拡散防止膜２１９を形成しているので、バリア層１１６を設けなくてもＣｕ配線とＩＬＤ膜１１０との反応が生じることはない。従って、配線としての高い信頼性が得られる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６２】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、第２層目の配線層においても、Ｃｕ配線１１５と層間絶縁膜１２０との接触を避けるようにしたことである。
【００６３】
即ち、Ｃｕ配線１１５と配線用溝１１３の側壁との間にはギャップ２０が設けられている。Ｃｕ配線１１５の上面及び側面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１１８が形成されている。そして、第１層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１１９が形成されている。
【００６４】
拡散防止膜１１９上には第２のＩＬＤ膜１２０と第２の配線間絶縁膜１２１，１２２が堆積されている。配線間絶縁膜１２１，１２２には配線用溝１２３が形成され、ＩＬＤ膜１２０にコンタクトホールが形成されている。ここで、配線用溝１２３の幅はコンタクトホールの径と同じに設定され、配線用溝１２３及びコンタクトホールが連続するようになっている。
【００６５】
配線用溝１２３及びコンタクトホール内にはＣｕ配線１２５が埋め込み形成され、Ｃｕ配線１２５と配線用溝１２３の側壁及びコンタクトホールの側壁との間にはギャップ２４が設けられている。配線用溝１２３の側壁面及びコンタクトホールの側壁面には、ＭｎＯx 膜又はＭｎＳｉx Ｏy 膜からなる第１のバリア層１２６が形成され、Ｃｕ配線１２５の上面及び側面にはＣｕＳｉＮからなる第２のバリア層１２８が形成されている。ここで、本実施形態においては、ＩＬＤ膜１２０のコンタクトホールにおいても、Ｃｕ配線１２５とバリア層１２６との間のＣｕＯx 膜１２７が除去されてギャップ２４となっている。そして、第２層目の配線層を形成した基板上には、拡散防止膜１２９が形成されている。
【００６６】
次に、本実施形態に係わる半導体装置の製造方法について、図１２及び図１３を参照して説明する。
【００６７】
図１２（ａ）は前記図３（ｆ）と同様であり、本実施形態でも図３（ｆ）に示す工程までは第１の実施形態と同様である。
【００６８】
本実施形態ではこれに続き、図１２（ｂ）に示すように、第１層目と同様に、レジストパターニングを行い、リアクティブイオンエッチング処理を行い、配線溝１２３及びＩＬＤ膜１２０に配線溝１２３と繋がるコンタクトホールを形成する。ここで、配線用溝１２３の幅をコンタクトホールの径と同じにし、配線用溝１２３及びコンタクトホールが連続するようにする。
【００６９】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、第１層目と同様に、配線溝１２３内にＣｕＭｎ膜１２４とＣｕ膜１２５’を形成する。
【００７０】
次いで、図１３（ｄ）に示すように、アニールを行うことにより、バリア層１２６とＣｕＯx 膜１２７を形成する。
【００７１】
次いで、図１３（ｅ）に示すように、ＣＭＰでＣｕ膜１２５’を研磨することにより、配線用溝１２３及びコンタクトホール内にＣｕ配線１２５を埋め込み形成すると共に、Ｃｕ配線１２５と配線溝１２３及びコンタクトホールとの間にギャップ２４を形成する。このとき、配線溝１２３の側壁面とコンタクトホールの側壁面が連続しているため、コンタクトホールにおいてもＣｕＯx 膜１２７を確実に除去することができ、連続するギャップが形成される。
【００７２】
次いで、図１３（ｆ）に示すように、Ｃｕの露出表面を保護するために、第２のバリア層１２８としてのＣｕＳｉＮ膜を成膜する。配線溝１２３とコンタクトホール部分で連続したギャップが形成されているため、第２層目の配線層としてのＣｕ配線膜１２５が絶縁膜１２０，１２１，１２２に接触することはない。
【００７３】
これ以降は、第１の実施形態と同様に、ＳｉＯＣ等の拡散防止膜１２９を形成することにより、前記図１１に示す構造の半導体装置が作製される。
【００７４】
このように本実施形態では、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ビア部分においてもＣｕ配線１２５とＩＬＤ膜１２０との接触を防止することができ、この部分のメタルの腐食を抑制することができる。従って、２層目の配線においても、より確実に腐食を抑制することができ、配線の更なる信頼性向上をはかることができる。
【００７５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。第１の実施形態では、シード層としてＣｕＭｎ合金を用いたが、Ｍｎの代わりに他の金属、例えばＭｇを用いることも可能である。この場合、アニール処理によりＭｇＯが第１のバリア層として形成されることになる。
【００７６】
第３の実施形態では、バリア層としてＡｌ酸化膜を形成したが、他の金属の酸化膜を形成することも可能である。具体的には、薄膜で成膜することができ、酸化により確実に絶縁膜となり、耐湿性が十分に高いものであればよく、Ｔｉ酸化膜を用いることも可能である。
【００７７】
また、配線は必ずしもＣｕに限るものではなく、Ａｌその他の金属材料を用いることも可能である。さらに、実施形態では第１層目と第２層目で同じ構造を採用したが、各実施形態を適宜組み合わせて異なる層で異なる構造を採用してもよい。
【００７８】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図４】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５】第１の実施形態におけるバリア層及びギャップ形成のメカニズムを説明するための模式図。
【図６】第２の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図８】第２の実施形態におけるギャップ形成のメカニズムを説明するための模式図。
【図９】第３の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図１０】第３の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１１】第４の実施形態に係わる半導体装置の素子構造、特に配線構造を示す断面図。
【図１２】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１３】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００８０】
２０，２２，２４…ギャップ、１００…Ｓｉ基板、１１０，１２０…第１の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）、１１１，１２１…バルク絶縁膜、１１２，１２２…キャップ絶縁膜、１１３，１２３…配線用溝、１１４…ＣｕＭｎ膜、１１５，１２５…Ｃｕ配線、１１５’，１２５’…Ｃｕ膜、１１６，１２６…ＭｎＳｉx Ｏy 又はＭｎＯx バリア層（第１のバリア層）、１１７，１２７…ＣｕＯx 膜、１１８，１２８…ＣｕＳｉＮバリア層（第２のバリア層）、１１９，１２９，２１９…拡散防止膜、１２０…第２の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）、１２４…コンタクトホール、３１８…ＡｌＯバリア層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、
前記配線層の側壁面と上面の上に形成された耐水性バリア層と、
前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記耐水性バリア層と前記配線層との間に形成されたギャップと、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、
前記配線用溝の側壁面に形成された、前記配線層を構成する金属とは異なる金属の酸化膜からなる第１のバリア層と、
前記配線層の側壁面と上面の上に形成された、前記配線を構成する金属のシリサイドからなる第２のバリア層と、
前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層との間に形成されたギャップと、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記配線層はＣｕ、前記第１のバリア層はＭｎＯx 又はＭｎＳｉx Ｏy であり、前記第２のバリア層はＣｕＳｉＮであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に金属からなる配線層を埋め込み形成する工程と、
前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間に、前記配線層中の金属元素を有する金属酸化膜を形成する工程と、
前記金属酸化膜を除去することにより、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間にギャップを形成する工程と、
前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面に耐水性バリア層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に、メインの構成材料である金属Ｍ１とその他の金属Ｍ２からなる配線層を埋め込み形成する工程と、
前記配線用溝の側壁部にＭ２の酸化膜からなる第１のバリア層を形成すると共に、前記配線層と前記第１のバリア層との界面にＭ１の酸化膜を形成する工程と、
前記Ｍ１の酸化膜を除去することにより、前記配線用溝の側壁面に形成された第１のバリア層と前記配線層との間にギャップを形成する工程と、
前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面にＭ１のシリサイドからなる第２のバリア層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、
前記配線層の側壁面と上面の上に形成された耐水性バリア層と、
前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記耐水性バリア層と前記配線層との間に形成されたギャップと、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
配線用溝が形成された配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に形成された金属配線層と、
前記配線用溝の側壁面に形成された、前記配線層を構成する金属とは異なる金属の酸化膜からなる第１のバリア層と、
前記配線層の側壁面と上面の上に形成された、前記配線を構成する金属のシリサイドからなる第２のバリア層と、
前記配線層の側壁面と前記配線用溝の側壁面との間であって、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層との間に形成されたギャップと、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記配線層はＣｕ、前記第１のバリア層はＭｎＯx 又はＭｎＳｉx Ｏy であり、前記第２のバリア層はＣｕＳｉＮであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に金属からなる配線層を埋め込み形成する工程と、
前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間に、前記配線層中の金属元素を有する金属酸化膜を形成する工程と、
前記金属酸化膜を除去することにより、前記配線層と前記配線用溝の側壁面との間にギャップを形成する工程と、
前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面に耐水性バリア層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
配線用溝を有する配線間絶縁膜を形成する工程と、
前記配線間絶縁膜の配線用溝内に、メインの構成材料である金属Ｍ１とその他の金属Ｍ２からなる配線層を埋め込み形成する工程と、
前記配線用溝の側壁部にＭ２の酸化膜からなる第１のバリア層を形成すると共に、前記配線層と前記第１のバリア層との界面にＭ１の酸化膜を形成する工程と、
前記Ｍ１の酸化膜を除去することにより、前記配線用溝の側壁面に形成された第１のバリア層と前記配線層との間にギャップを形成する工程と、
前記ギャップの形成により露出した前記配線層の側壁面及び上面にＭ１のシリサイドからなる第２のバリア層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２７２５６３（Ｐ２００９−２７２５６３Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２３９０３（Ｐ２００８−１２３９０３）
【出願日】平成２０年５月９日（２００８．５．９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月９日（２００８．５．９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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