半導体装置及びその製造方法
【課題】エレクトロマイグレーションの抑制が図られた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体素子の形成された半導体基板と、半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層とを有する。
【解決手段】半導体装置は、半導体素子の形成された半導体基板と、半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層とを有する。
【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し、特に、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の銅多層配線において、エレクトロマイグレーションによる不良が問題となっている。エレクトロマイグレーションの一要因は、銅配線を覆う絶縁膜と銅配線との密着不足である。
【０００３】
配線の微細化に伴い、信号遅延を抑制するため、層間絶縁膜に誘電率の低い低誘電率材料（いわゆるＬｏｗ−ｋ材料）が適用されている。空孔を有するポーラス構造とすることにより、絶縁膜の低誘電率化が図られるが、配線材料が絶縁膜に拡散しやすくなる。特に銅は、Ｓｉ−Ｏを含む絶縁膜に拡散しやすい。
【０００４】
このような拡散を防ぐため、銅配線の下地としてバリアメタル層が形成される（バリアメタル層について、例えば、特開２００８−４７６７５号公報、特開２００７−２５１１６４号公報等参照）。バリアメタル層として、一般には、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等が用いられているが、これらは銅よりも抵抗が高い。銅の比抵抗が１．７×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、例えばＴａ、Ｔｉの比抵抗はそれぞれ１５×１０−６Ω・ｃｍ、８０×１０−６Ω・ｃｍである。
【０００５】
配線の微細化が進み、配線に占めるバリアメタル層の割合が高くなると、配線全体の抵抗が上昇する。なお、ＩＴＲＳ２００６が示すテクノロジーロードマップによれば、ｈｐ３２ｎｍ世代（配線ピッチ６４ｎｍ）の配線の比抵抗は４．８３×１０−６Ω・ｃｍとされている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４７６７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２５１１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一目的は、エレクトロマイグレーションの抑制が図られた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】
【０００８】
本発明の一観点によれば、半導体素子の形成された半導体基板と、前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層とを有する半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によれば、半導体基板に半導体素子を形成する工程と、前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、前記シード層上に、銅層を形成する工程と、前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面上に形成された金属酸化物層により、銅配線と銅拡散防止絶縁膜との密着性向上が図られ、エレクトロマイグレーション抑制が図られる。
【００１１】
銅拡散防止絶縁膜の成膜時の熱により、層間絶縁膜から第１及び第２のバリアメタル層を通ってシード層に達した水分が、シード層の銅中に含有された金属と反応して金属酸化物を生成し、さらに、生成した金属酸化物が移動して銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面に到達することで、このような金属酸化物層を形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。
【００１３】
図１は、実施例の半導体装置を示す概略断面図である。シリコン基板である半導体基板１に、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）による素子分離絶縁膜２が形成されている。素子分離絶縁膜２で囲まれた活性領域内に、ＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、ソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄ、及びゲート電極３Ｇを含んで形成される。ＭＯＳトランジスタ３は、公知の方法により形成することができる。
【００１４】
ＭＯＳトランジスタ３を覆って、半導体基板１上に、例えば、リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）により厚さ１．５μｍの層間絶縁膜５を化学気相堆積（ＣＶＤ）で形成する。層間絶縁膜５に、ビアホール４Ｓ、４Ｄが形成され、ビアホール４Ｓ、４Ｄに、それぞれ導電性プラグ６Ｓ、６Ｄが充填されている。ＭＯＳトランジスタ３のソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄが、それぞれ導電性プラグ６Ｓ、６Ｄに電気的に接続される。
【００１５】
導電性プラグ６Ｓ、６Ｄは、例えば、ＴｉＮによるバリアメタル層とＷ層の積層構造で形成され、ＴｉＮ層とＷ層を基板全面に堆積した後、不要なＷ層、ＴｉＮ層を化学機械研磨（ＣＭＰ）で除去して形成される。
【００１６】
層間絶縁膜５上に、エッチングストッパ膜１１が形成されている。エッチングストッパ膜１１は、例えば、シリコンオキシカーバイドにより形成され厚さ３０ｎｍである。エッチングストッパ膜のシリコンオキシカーバイドの比誘電率は３．６である。
【００１７】
エッチングストッパ膜１１の上に、比誘電率２．６以下の低誘電率材料でポーラス構造を有する層間絶縁膜１２が形成されている。ポーラス構造の空孔内に水分が存在する。層間絶縁膜１２は、例えばＣＶＤで形成されるＳｉＯＣ膜である。このような絶縁材料として、例えば、ＡＭＡＴ社のＢｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ、ノベラスシステム社のＣｏｒａｌ、ＡＳＭ社のＡｕｒｏｌａＵＬＫ（いずれも各社商品名）等が挙げられる。
【００１８】
比誘電率２．６以下でポーラス構造のＳｉＯＣ膜材料として、シルセスキオキサン、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ、およびＨの原子を含むＣドープ酸化物、または熱硬化性のポリアレーン・エーテルを用いることができる。
【００１９】
なお、本実施例でエッチングストッパ膜、層間絶縁膜ともＳｉ、Ｏ、Ｃを含む膜を用いているが、層間絶縁膜はポーラス構造を取り、両者で密度が違うことにより、エッチング選択比の差が生じている。
【００２０】
エッチングストッパ膜１１及び層間絶縁膜１２に、配線溝１３が形成されている。配線溝１３の内面にバリアメタル層１４が形成され、バリアメタル層１４の上に、銅が充填されて銅配線１５が形成されている。下層の導電性プラグが、銅配線１５に電気的に接続される。銅配線１５を覆って層間絶縁膜１２上に、エッチングストッパ膜２１が形成されている。
【００２１】
ここで、銅配線１５の製造工程について詳しく説明する。
【００２２】
図２Ａ〜図２Ｇは、銅配線１５の製造工程を示す概略断面図である。ただし、銅配線１５が上下層の配線に接続されていない部分の断面を示す。
【００２３】
図２Ａに示すように、エッチングストッパ膜１１上に層間絶縁膜１２が形成される。
【００２４】
次に、図２Ｂに示すように、層間絶縁膜１２に配線溝１３を形成する。
【００２５】
次に、図２Ｃに示すように、配線溝１３の内面を覆って層間絶縁膜１２上に、非晶質のＲｕにより第１のバリアメタル層１４ａが形成される。次に、第１のバリアメタル層１４ａの上に、多結晶のＲｕにより第２のバリアメタル層１４ｂが形成される。実施例のバリアメタル層１４は、第１及び第２のバリアメタル層１４ａ、１４ｂの積層で形成される。
【００２６】
Ｒｕを用いることにより、比抵抗の抑えられたバリアメタル層が得られる。例えば、従来用いられているバリアメタル層材料Ｔａ、Ｔｉの比抵抗が１５×１０−６Ω・ｃｍ、８０×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、非晶質Ｒｕ、多結晶Ｒｕの比抵抗は９×１０−６Ω・ｃｍ、７×１０−６Ω・ｃｍ程度であり低い。非晶質Ｒｕは、多結晶Ｒｕよりもやや比抵抗が高い。
【００２７】
非晶質の第１のバリアメタル層１４ａは、バリアメタル層１４ａ中の欠陥が水分を程よく透過させる程度の厚さであることが望ましい。厚さは、例えば配線溝１３の底のラフネスと同程度以下であり、０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度（例えば３ｎｍ）が望ましい。
【００２８】
第１のバリアメタル層１４ａは、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）等で成膜可能である。スパッタリングの成膜条件として、例えば、Ｒｕターゲットを用い、プロセスガスをＡｒとＮ２との混合ガスとし、ガス流量をＡｒ／Ｎ２＝１０／７０ｓｃｃｍ程度とし、スパッタリング雰囲気の圧力を３０００ｍＴｏｒｒとし、ＤＣパワーを８００Ｗとすることができる。非晶質Ｒｕを得るために、成膜時のＮ２流量を１０ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ程度とすることが望ましい。
【００２９】
多結晶の第２のバリアメタル層１４ｂは、多数の粒界を有し、粒界が、水分子を通す程度の孔となる。第２のバリアメタル層１４ｂの厚さは、３ｎｍ〜１５ｎｍ程度が望ましい。第２のバリアメタル層１４ｂも、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ、ＡＬＤ等で成膜可能である。スパッタリングの成膜条件として、非晶質とした第１のバリアメタル層１４ａの成膜条件においてＮ２を抜くことにより、多結晶膜を得ることができる。
【００３０】
次に、図２Ｄに示すように、第２のバリアメタル層１４ｂの上に、例えばＴｉを２％含有した銅によりシード層１５ａが形成される。シード層１５ａは、例えば厚さが３０ｎｍであり、シード層１５ａの所望の組成のターゲットを用いてスパッタリングで形成することができる。
【００３１】
次に、図２Ｅに示すように、シード層１５ａの上に、めっき等により銅層１５ｂを形成する。
【００３２】
次に、図２Ｆに示すように、層間絶縁膜１２上の不要な銅層１５ｂ、シード層１５ａ、第２のバリアメタル層１４ｂ、及び第１のバリアメタル層１４ａがＣＭＰで除去される。シード層１５ａと銅層１５ｂが、銅配線１５を形成する。
【００３３】
次に、図２Ｇに示すように、銅配線１５を覆って層間絶縁膜１２上に、エッチングストッパ膜２１が形成される。エッチングストッパ膜２１は、例えば、シリコンオキシカーバイドにより形成され厚さ３０ｎｍである。エッチングストッパ膜２１は、銅配線１５から上方の層間絶縁膜に銅が拡散するのを抑制する銅拡散防止絶縁膜として機能する。
【００３４】
エッチングストッパ膜２１は、例えば、原料ガスとしてテトラメチルシラン及び炭酸ガスを用いたＣＶＤにより形成することができる。成膜条件は、例えば、温度４００℃、テトラメチルシランの流量５００ｓｃｃｍ、炭酸ガスの流量１５０ｓｃｃｍ、圧力約６００Ｐａ（４．５Ｔｏｒｒ）、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力６００Ｗ、４００ｋＨｚのＲＦ電力１０Ｗである。なお、実施例に用いた試料基板は直径が３００ｍｍであり、ＲＦ電力を投入するための平行平板電極の面積は、基板面積とほぼ等しい。
【００３５】
実施例のバリアメタル層１４は、第１及び第２のバリアメタル層１４ａ、１４ｂの積層構造を有し、バリアメタル層１４ａ、１４ｂは、ともに、層間絶縁膜１２中の水を通す孔を有する。
【００３６】
バリアメタル層１４を、多結晶膜である第２のバリアメタル層１４ｂのみとすると、粒界の孔が、層間絶縁膜１２側から銅配線１５側に水を通すとともに、銅配線１５側から層間絶縁膜１２側に銅を通しやすい。非晶質膜である第１のバリアメタル層１４ａを適当な厚さに形成することにより、欠陥の孔が層間絶縁膜１２側から銅配線１５側には水を通しやすいが、銅配線１５側から層間絶縁膜１２側には銅を通しにくくできる。なお、バリアメタル層１４を非晶質膜のみとすると、バリアメタル層として適当な厚さまで厚くしたとき、水分を十分に通すことが難しくなる。
【００３７】
エッチングストッパ膜２１の成膜時に、加熱された温度雰囲気下で、層間絶縁膜１２中の水がバリアメタル層１４ａ、１４ｂを通り銅シード層１５ａ中に含有させたＴｉと反応して、ＴｉＯ２が生成する。さらに、生成したＴｉＯ２は自己拡散して、銅配線１５とエッチングストッパ膜２１との界面にも分布し、金属酸化物層１６を形成すると考えられる。金属酸化物層１６が介在することにより、銅配線１５とエッチングストッパ膜２１との密着性が高まると考えられる。なお、ＴｉＯ２の拡散は、銅配線１５とそれに接する部材との界面で主に生じているものと推測される（ＴｉＯ２の、界面に沿った拡散を、自己拡散と呼んでいる）。なお、銅配線１５の底部にも、ＴｉＯ２が分布すると考えられる。
【００３８】
なお、銅配線１５と第２のバリアメタル層１４ａとの界面に留まったＴｉＯ２は、ＴｉＯ２生成後は粒界の孔を塞ぐように機能して、層間絶縁膜１２から銅配線１５への水の移動、及び銅配線１５から層間絶縁膜１２への銅の移動を抑制し、バリア性を高めると考えられる。
【００３９】
このように、水分を含んだ層間絶縁膜中の銅配線において、バリアメタル層を非晶質膜と多結晶膜の積層で形成し、銅シード層を、金属酸化物を作る金属を含有させて形成することにより、配線を覆うエッチングストッパ膜（銅拡散防止絶縁膜）の成膜時に、層間絶縁膜中の水と銅シード層中に含有させた金属が反応して金属酸化物が生成され、生成した金属酸化物が拡散して銅配線とエッチングストッパ膜との界面にも分布する。銅配線とエッチングストッパ膜との間に金属酸化物層が介在することにより、銅配線とエッチングストッパ膜との密着性が高められ、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００４０】
図１に戻って説明を続ける。エッチングストッパ膜２１の上に、下から順に、層間絶縁膜２２、ミドルストッパ膜２３、及び層間絶縁膜２４が形成されている。層間絶縁膜２２、２４はそれぞれ、層間絶縁膜１２と同様に、ポーラス構造を含む低誘電率絶縁膜であり、厚さは例えば１５０ｎｍである。ミドルストッパ膜２３は、例えば、シリコンオキシカーバイド膜であり厚さ３０ｎｍである。
【００４１】
層間絶縁膜２４に配線溝２６が形成され、ミドルストッパ膜２３、層間絶縁膜２２、及びエッチングストッパ膜２１にビアホール２５が形成されている。ビアホール２５及び配線溝２６の内面に、バリアメタル層２７が形成され、バリアメタル層２７の上に、銅が充填されて配線２８が形成されている。エッチングストッパ膜２１から層間絶縁膜２４までの絶縁膜と、バリアメタル層２７、及び銅配線２８が、１層分の配線層を構成する。なお、配線溝２６の底にミドルストッパ膜２３を残す構造を例示しているが、ミドルストッパ膜２３を残さない構造として、さらに低誘電率化を図ることもできる。
【００４２】
ビアホール２５及び配線溝２６内のバリアメタル層２７及び銅配線２８は、上述した配線溝１３内のバリアメタル層１４及び銅配線１５と同様に形成することができる。すなわち、非晶質Ｒｕによる第１のバリアメタル層と多結晶Ｒｕによる第２のバリアメタル層との積層でバリアメタル層２７を形成し、Ｔｉを含有させた銅シード層の上に、めっき等で銅層を形成することにより銅配線２８を形成する。銅配線１５の形成がシングルダマシン工程であるのに対し、銅配線２８の形成はデュアルダマシン工程となる。
【００４３】
銅配線２８を覆って層間絶縁膜２４上に、エッチングストッパ膜３１が形成されている。エッチングストッパ膜３１は、例えばエッチングストッパ膜２１と同様にシリコンオキシカーバイド膜である。下層の銅配線１５の場合と同様に、エッチングストッパ膜３１の成膜時に生成し、エッチングストッパ膜３１と銅配線２８との界面に拡散した酸化チタンにより、エッチングストッパ膜３１と銅配線２８との密着性向上が図られる。
【００４４】
同様にして、上方にさらに配線層が形成される。最上層の配線層の上に、シリコンオキシカーバイドによりエッチングストッパ膜５１が形成され、その上にＣＶＤで形成されたＳｉＯＣにより層間絶縁膜５２が形成されている。エッチングストッパ膜５１及び層間絶縁膜５２にビアホール５３が形成され、ビアホール５３内にＷを用いた導電性プラグ５４が充填されている。下層の配線４９が、導電性プラグ５４に電気的に接続される。
【００４５】
アルミニウムで形成されたパッド５５が、層間絶縁膜５２の上に形成され、導電性プラグ５４に接続されている。層間絶縁膜５２及びパッド５５を覆って、シリコンナイトライドにより保護膜５６が形成されている。保護膜５６は、パッド５５上面に開口を有し、開口内にパッド５５が露出している。以上のようにして、実施例の半導体装置が作製される。
【００４６】
実施例と同様な方法で形成した銅配線の試料を作製し、エレクトロマイグレーション試験を行った。
【００４７】
図３は、エレクトロマイグレーション試験に用いた試料の配線パターンを示す概略断面図である。配線パターンは、第１層の配線部６１と第２層の配線部６２とが、端部をビア部６３で接続されて交互に並んだチェーン形状である。第１層の配線部６１、第２層の配線部６２の各々は、幅７０ｎｍ、長さ２００ｎｍ、厚さ１００ｎｍであり、各ビア部は、直径７０ｎｍ、高さ１００ｎｍである。配線パターンの両端が、それぞれパッドに接続されている。
【００４８】
このような配線パターンを有する試料を１００チップ用意し、温度１５０℃、電流０．２ｍＡで２００時間のエレクトロマイグレーション試験を行った。なお、比較例の試料も用意し、同様な試験を行った。比較例の試料では、バリアメタル層は単層の多結晶Ｒｕ層とし、シード層は他の金属を含有させず銅のみとした。
【００４９】
実施例の試料は、１００チップ中オープン不良となったものが０個であったのに対し、比較例の試料は、１００チップ中オープン不良となったものが２５個であった。このように、実施例の配線形成方法によりエレクトロマイグレーションが抑制されることがわかった。
【００５０】
なお、上記実施例では、銅シード層に含有させる金属がＴｉの場合を説明したが、Ｍｎを含有させる場合についても、エレクトロマイグレーション試験で同様な効果を確認している。
【００５１】
銅配線を覆うエッチングストッパ膜の成膜に伴う適当な加熱状態下で、層間絶縁膜からバリアメタル層を越えて水分が移動し、銅シード層に含有された金属が酸化され、生成した金属酸化物が拡散すると考えられる。このときの適当な温度は、上記の４００℃に限られず、２５０℃〜４５０℃の範囲が好適である。これは、銅シード層に含有させる金属がＴｉ、Ｍｎの場合ともに同様である。
【００５２】
なお、銅配線を覆うエッチングストッパ膜（銅拡散防止絶縁膜）として、上記実施例ではシリコンオキシカーバイドを用いたが、エッチングストッパ膜はシリコンオキシカーバイド（ＳｉＯＣ）膜に限られない。その他、銅のバリア性に優れる膜として、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜等を使うこともできる。
【００５３】
なお、銅シード層への含有に適した金属は、Ｔｉ、Ｍｎに限られないと考えられる。例えば、特に、ＴｉまたはＭｎと周期律表で同族または隣接する族の遷移金属は、Ｔｉ、Ｍｎと似た挙動を示すと考えられ、銅シード層に含有させる金属として好適であろう。具体的には、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａが挙げられる。さらに、他の金属として、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ等も利用できると思われる。
【００５４】
なお、銅シード層膜厚は２ｎｍ〜５０ｎｍ程度が望ましく、銅に含有させる金属の含有率は０．５％〜５％程度が望ましい。
【００５５】
なお、上記実施例では、層間絶縁膜側の第１のバリアメタル層を非晶質、銅配線側の第２のバリアメタル層を多結晶としたが、層間絶縁膜側を多結晶、銅配線側を非晶質としても、適当な水分の透過性及び銅のバリア性が得られるであろう。ただし、銅配線側が多結晶である方が、Ｃｕとの濡れ性が良好なグレイン部が配線凹部内に露出するため、銅配線とバリアメタル層との密着性が良好となり、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００５６】
第１及び第２のバリアメタル層として、上記実施例ではＲｕを用いたが、その他の金属を用いることもでき、（例えばＴａに比べて）低抵抗な金属として、例えばＣｏ（比抵抗６．２×１０−６Ω・ｃｍ）が挙げられる。
【００５７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５８】
以上説明した実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体素子の形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、
前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、
前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、
前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、
前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層と
を有する半導体装置。
（付記２）
前記第１のバリアメタル層が非晶質、前記第２のバリアメタル層が多結晶の結晶性を有する付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記第１のバリアメタル層の厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にある付記２に記載の半導体装置。
（付記４）
前記第２のバリアメタル層の厚さが３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲にある付記２または３に記載の半導体装置。
（付記５）
前記金属酸化物層は、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａのうち少なくとも１つの酸化物を含む付記１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記６）
前記第１及び第２のバリアメタル層は、ＲｕまたはＣｏを含む付記１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記７）
前記層間絶縁膜は、ポーラス構造を含む付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記８）
半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、
前記シード層上に、銅層を形成する工程と、
前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記第１のバリアメタル層を形成する工程は、非晶質の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成し、前記第２のバリアメタル層を形成する工程は、多結晶の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記シード層を形成する工程において、該シード層中に含有させる前記金属の含有率が０．５％〜５％の範囲にある付記８または９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記銅拡散防止絶縁膜を形成する工程において、該銅拡散防止絶縁膜の成膜温度が２５０〜４５０℃の範囲にある付記８〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の実施例による半導体装置を示す概略断面図である。
【図２−１】図２Ａ〜図２Ｄは、実施例の半導体装置の銅配線の形成工程を示す断面図である。
【図２−２】図２Ｅ〜図２Ｇは、図２Ａ〜図２Ｄに引き続き、実施例の半導体装置の銅配線の形成工程を示す断面図である。
【図３】図３は、エレクトロマイグレーション試験に用いた試料の配線パターンを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
５、１２ 層間絶縁膜
１１、２１ エッチングストッパ膜
１３ 配線溝
１４ａ 第１のバリアメタル層
１４ｂ 第２のバリアメタル層
１４ バリアメタル層
１５ａ 銅シード層
１５ｂ 銅層
１５ 銅配線
１６ 金属酸化物層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の銅多層配線において、エレクトロマイグレーションによる不良が問題となっている。エレクトロマイグレーションの一要因は、銅配線を覆う絶縁膜と銅配線との密着不足である。
【０００３】
配線の微細化に伴い、信号遅延を抑制するため、層間絶縁膜に誘電率の低い低誘電率材料（いわゆるＬｏｗ−ｋ材料）が適用されている。空孔を有するポーラス構造とすることにより、絶縁膜の低誘電率化が図られるが、配線材料が絶縁膜に拡散しやすくなる。特に銅は、Ｓｉ−Ｏを含む絶縁膜に拡散しやすい。
【０００４】
このような拡散を防ぐため、銅配線の下地としてバリアメタル層が形成される（バリアメタル層について、例えば、特開２００８−４７６７５号公報、特開２００７−２５１１６４号公報等参照）。バリアメタル層として、一般には、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等が用いられているが、これらは銅よりも抵抗が高い。銅の比抵抗が１．７×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、例えばＴａ、Ｔｉの比抵抗はそれぞれ１５×１０−６Ω・ｃｍ、８０×１０−６Ω・ｃｍである。
【０００５】
配線の微細化が進み、配線に占めるバリアメタル層の割合が高くなると、配線全体の抵抗が上昇する。なお、ＩＴＲＳ２００６が示すテクノロジーロードマップによれば、ｈｐ３２ｎｍ世代（配線ピッチ６４ｎｍ）の配線の比抵抗は４．８３×１０−６Ω・ｃｍとされている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４７６７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２５１１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一目的は、エレクトロマイグレーションの抑制が図られた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】
【０００８】
本発明の一観点によれば、半導体素子の形成された半導体基板と、前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層とを有する半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によれば、半導体基板に半導体素子を形成する工程と、前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、前記シード層上に、銅層を形成する工程と、前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面上に形成された金属酸化物層により、銅配線と銅拡散防止絶縁膜との密着性向上が図られ、エレクトロマイグレーション抑制が図られる。
【００１１】
銅拡散防止絶縁膜の成膜時の熱により、層間絶縁膜から第１及び第２のバリアメタル層を通ってシード層に達した水分が、シード層の銅中に含有された金属と反応して金属酸化物を生成し、さらに、生成した金属酸化物が移動して銅配線と銅拡散防止絶縁膜との界面に到達することで、このような金属酸化物層を形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。
【００１３】
図１は、実施例の半導体装置を示す概略断面図である。シリコン基板である半導体基板１に、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）による素子分離絶縁膜２が形成されている。素子分離絶縁膜２で囲まれた活性領域内に、ＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、ソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄ、及びゲート電極３Ｇを含んで形成される。ＭＯＳトランジスタ３は、公知の方法により形成することができる。
【００１４】
ＭＯＳトランジスタ３を覆って、半導体基板１上に、例えば、リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）により厚さ１．５μｍの層間絶縁膜５を化学気相堆積（ＣＶＤ）で形成する。層間絶縁膜５に、ビアホール４Ｓ、４Ｄが形成され、ビアホール４Ｓ、４Ｄに、それぞれ導電性プラグ６Ｓ、６Ｄが充填されている。ＭＯＳトランジスタ３のソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄが、それぞれ導電性プラグ６Ｓ、６Ｄに電気的に接続される。
【００１５】
導電性プラグ６Ｓ、６Ｄは、例えば、ＴｉＮによるバリアメタル層とＷ層の積層構造で形成され、ＴｉＮ層とＷ層を基板全面に堆積した後、不要なＷ層、ＴｉＮ層を化学機械研磨（ＣＭＰ）で除去して形成される。
【００１６】
層間絶縁膜５上に、エッチングストッパ膜１１が形成されている。エッチングストッパ膜１１は、例えば、シリコンオキシカーバイドにより形成され厚さ３０ｎｍである。エッチングストッパ膜のシリコンオキシカーバイドの比誘電率は３．６である。
【００１７】
エッチングストッパ膜１１の上に、比誘電率２．６以下の低誘電率材料でポーラス構造を有する層間絶縁膜１２が形成されている。ポーラス構造の空孔内に水分が存在する。層間絶縁膜１２は、例えばＣＶＤで形成されるＳｉＯＣ膜である。このような絶縁材料として、例えば、ＡＭＡＴ社のＢｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ、ノベラスシステム社のＣｏｒａｌ、ＡＳＭ社のＡｕｒｏｌａＵＬＫ（いずれも各社商品名）等が挙げられる。
【００１８】
比誘電率２．６以下でポーラス構造のＳｉＯＣ膜材料として、シルセスキオキサン、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ、およびＨの原子を含むＣドープ酸化物、または熱硬化性のポリアレーン・エーテルを用いることができる。
【００１９】
なお、本実施例でエッチングストッパ膜、層間絶縁膜ともＳｉ、Ｏ、Ｃを含む膜を用いているが、層間絶縁膜はポーラス構造を取り、両者で密度が違うことにより、エッチング選択比の差が生じている。
【００２０】
エッチングストッパ膜１１及び層間絶縁膜１２に、配線溝１３が形成されている。配線溝１３の内面にバリアメタル層１４が形成され、バリアメタル層１４の上に、銅が充填されて銅配線１５が形成されている。下層の導電性プラグが、銅配線１５に電気的に接続される。銅配線１５を覆って層間絶縁膜１２上に、エッチングストッパ膜２１が形成されている。
【００２１】
ここで、銅配線１５の製造工程について詳しく説明する。
【００２２】
図２Ａ〜図２Ｇは、銅配線１５の製造工程を示す概略断面図である。ただし、銅配線１５が上下層の配線に接続されていない部分の断面を示す。
【００２３】
図２Ａに示すように、エッチングストッパ膜１１上に層間絶縁膜１２が形成される。
【００２４】
次に、図２Ｂに示すように、層間絶縁膜１２に配線溝１３を形成する。
【００２５】
次に、図２Ｃに示すように、配線溝１３の内面を覆って層間絶縁膜１２上に、非晶質のＲｕにより第１のバリアメタル層１４ａが形成される。次に、第１のバリアメタル層１４ａの上に、多結晶のＲｕにより第２のバリアメタル層１４ｂが形成される。実施例のバリアメタル層１４は、第１及び第２のバリアメタル層１４ａ、１４ｂの積層で形成される。
【００２６】
Ｒｕを用いることにより、比抵抗の抑えられたバリアメタル層が得られる。例えば、従来用いられているバリアメタル層材料Ｔａ、Ｔｉの比抵抗が１５×１０−６Ω・ｃｍ、８０×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、非晶質Ｒｕ、多結晶Ｒｕの比抵抗は９×１０−６Ω・ｃｍ、７×１０−６Ω・ｃｍ程度であり低い。非晶質Ｒｕは、多結晶Ｒｕよりもやや比抵抗が高い。
【００２７】
非晶質の第１のバリアメタル層１４ａは、バリアメタル層１４ａ中の欠陥が水分を程よく透過させる程度の厚さであることが望ましい。厚さは、例えば配線溝１３の底のラフネスと同程度以下であり、０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度（例えば３ｎｍ）が望ましい。
【００２８】
第１のバリアメタル層１４ａは、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）等で成膜可能である。スパッタリングの成膜条件として、例えば、Ｒｕターゲットを用い、プロセスガスをＡｒとＮ２との混合ガスとし、ガス流量をＡｒ／Ｎ２＝１０／７０ｓｃｃｍ程度とし、スパッタリング雰囲気の圧力を３０００ｍＴｏｒｒとし、ＤＣパワーを８００Ｗとすることができる。非晶質Ｒｕを得るために、成膜時のＮ２流量を１０ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ程度とすることが望ましい。
【００２９】
多結晶の第２のバリアメタル層１４ｂは、多数の粒界を有し、粒界が、水分子を通す程度の孔となる。第２のバリアメタル層１４ｂの厚さは、３ｎｍ〜１５ｎｍ程度が望ましい。第２のバリアメタル層１４ｂも、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ、ＡＬＤ等で成膜可能である。スパッタリングの成膜条件として、非晶質とした第１のバリアメタル層１４ａの成膜条件においてＮ２を抜くことにより、多結晶膜を得ることができる。
【００３０】
次に、図２Ｄに示すように、第２のバリアメタル層１４ｂの上に、例えばＴｉを２％含有した銅によりシード層１５ａが形成される。シード層１５ａは、例えば厚さが３０ｎｍであり、シード層１５ａの所望の組成のターゲットを用いてスパッタリングで形成することができる。
【００３１】
次に、図２Ｅに示すように、シード層１５ａの上に、めっき等により銅層１５ｂを形成する。
【００３２】
次に、図２Ｆに示すように、層間絶縁膜１２上の不要な銅層１５ｂ、シード層１５ａ、第２のバリアメタル層１４ｂ、及び第１のバリアメタル層１４ａがＣＭＰで除去される。シード層１５ａと銅層１５ｂが、銅配線１５を形成する。
【００３３】
次に、図２Ｇに示すように、銅配線１５を覆って層間絶縁膜１２上に、エッチングストッパ膜２１が形成される。エッチングストッパ膜２１は、例えば、シリコンオキシカーバイドにより形成され厚さ３０ｎｍである。エッチングストッパ膜２１は、銅配線１５から上方の層間絶縁膜に銅が拡散するのを抑制する銅拡散防止絶縁膜として機能する。
【００３４】
エッチングストッパ膜２１は、例えば、原料ガスとしてテトラメチルシラン及び炭酸ガスを用いたＣＶＤにより形成することができる。成膜条件は、例えば、温度４００℃、テトラメチルシランの流量５００ｓｃｃｍ、炭酸ガスの流量１５０ｓｃｃｍ、圧力約６００Ｐａ（４．５Ｔｏｒｒ）、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力６００Ｗ、４００ｋＨｚのＲＦ電力１０Ｗである。なお、実施例に用いた試料基板は直径が３００ｍｍであり、ＲＦ電力を投入するための平行平板電極の面積は、基板面積とほぼ等しい。
【００３５】
実施例のバリアメタル層１４は、第１及び第２のバリアメタル層１４ａ、１４ｂの積層構造を有し、バリアメタル層１４ａ、１４ｂは、ともに、層間絶縁膜１２中の水を通す孔を有する。
【００３６】
バリアメタル層１４を、多結晶膜である第２のバリアメタル層１４ｂのみとすると、粒界の孔が、層間絶縁膜１２側から銅配線１５側に水を通すとともに、銅配線１５側から層間絶縁膜１２側に銅を通しやすい。非晶質膜である第１のバリアメタル層１４ａを適当な厚さに形成することにより、欠陥の孔が層間絶縁膜１２側から銅配線１５側には水を通しやすいが、銅配線１５側から層間絶縁膜１２側には銅を通しにくくできる。なお、バリアメタル層１４を非晶質膜のみとすると、バリアメタル層として適当な厚さまで厚くしたとき、水分を十分に通すことが難しくなる。
【００３７】
エッチングストッパ膜２１の成膜時に、加熱された温度雰囲気下で、層間絶縁膜１２中の水がバリアメタル層１４ａ、１４ｂを通り銅シード層１５ａ中に含有させたＴｉと反応して、ＴｉＯ２が生成する。さらに、生成したＴｉＯ２は自己拡散して、銅配線１５とエッチングストッパ膜２１との界面にも分布し、金属酸化物層１６を形成すると考えられる。金属酸化物層１６が介在することにより、銅配線１５とエッチングストッパ膜２１との密着性が高まると考えられる。なお、ＴｉＯ２の拡散は、銅配線１５とそれに接する部材との界面で主に生じているものと推測される（ＴｉＯ２の、界面に沿った拡散を、自己拡散と呼んでいる）。なお、銅配線１５の底部にも、ＴｉＯ２が分布すると考えられる。
【００３８】
なお、銅配線１５と第２のバリアメタル層１４ａとの界面に留まったＴｉＯ２は、ＴｉＯ２生成後は粒界の孔を塞ぐように機能して、層間絶縁膜１２から銅配線１５への水の移動、及び銅配線１５から層間絶縁膜１２への銅の移動を抑制し、バリア性を高めると考えられる。
【００３９】
このように、水分を含んだ層間絶縁膜中の銅配線において、バリアメタル層を非晶質膜と多結晶膜の積層で形成し、銅シード層を、金属酸化物を作る金属を含有させて形成することにより、配線を覆うエッチングストッパ膜（銅拡散防止絶縁膜）の成膜時に、層間絶縁膜中の水と銅シード層中に含有させた金属が反応して金属酸化物が生成され、生成した金属酸化物が拡散して銅配線とエッチングストッパ膜との界面にも分布する。銅配線とエッチングストッパ膜との間に金属酸化物層が介在することにより、銅配線とエッチングストッパ膜との密着性が高められ、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００４０】
図１に戻って説明を続ける。エッチングストッパ膜２１の上に、下から順に、層間絶縁膜２２、ミドルストッパ膜２３、及び層間絶縁膜２４が形成されている。層間絶縁膜２２、２４はそれぞれ、層間絶縁膜１２と同様に、ポーラス構造を含む低誘電率絶縁膜であり、厚さは例えば１５０ｎｍである。ミドルストッパ膜２３は、例えば、シリコンオキシカーバイド膜であり厚さ３０ｎｍである。
【００４１】
層間絶縁膜２４に配線溝２６が形成され、ミドルストッパ膜２３、層間絶縁膜２２、及びエッチングストッパ膜２１にビアホール２５が形成されている。ビアホール２５及び配線溝２６の内面に、バリアメタル層２７が形成され、バリアメタル層２７の上に、銅が充填されて配線２８が形成されている。エッチングストッパ膜２１から層間絶縁膜２４までの絶縁膜と、バリアメタル層２７、及び銅配線２８が、１層分の配線層を構成する。なお、配線溝２６の底にミドルストッパ膜２３を残す構造を例示しているが、ミドルストッパ膜２３を残さない構造として、さらに低誘電率化を図ることもできる。
【００４２】
ビアホール２５及び配線溝２６内のバリアメタル層２７及び銅配線２８は、上述した配線溝１３内のバリアメタル層１４及び銅配線１５と同様に形成することができる。すなわち、非晶質Ｒｕによる第１のバリアメタル層と多結晶Ｒｕによる第２のバリアメタル層との積層でバリアメタル層２７を形成し、Ｔｉを含有させた銅シード層の上に、めっき等で銅層を形成することにより銅配線２８を形成する。銅配線１５の形成がシングルダマシン工程であるのに対し、銅配線２８の形成はデュアルダマシン工程となる。
【００４３】
銅配線２８を覆って層間絶縁膜２４上に、エッチングストッパ膜３１が形成されている。エッチングストッパ膜３１は、例えばエッチングストッパ膜２１と同様にシリコンオキシカーバイド膜である。下層の銅配線１５の場合と同様に、エッチングストッパ膜３１の成膜時に生成し、エッチングストッパ膜３１と銅配線２８との界面に拡散した酸化チタンにより、エッチングストッパ膜３１と銅配線２８との密着性向上が図られる。
【００４４】
同様にして、上方にさらに配線層が形成される。最上層の配線層の上に、シリコンオキシカーバイドによりエッチングストッパ膜５１が形成され、その上にＣＶＤで形成されたＳｉＯＣにより層間絶縁膜５２が形成されている。エッチングストッパ膜５１及び層間絶縁膜５２にビアホール５３が形成され、ビアホール５３内にＷを用いた導電性プラグ５４が充填されている。下層の配線４９が、導電性プラグ５４に電気的に接続される。
【００４５】
アルミニウムで形成されたパッド５５が、層間絶縁膜５２の上に形成され、導電性プラグ５４に接続されている。層間絶縁膜５２及びパッド５５を覆って、シリコンナイトライドにより保護膜５６が形成されている。保護膜５６は、パッド５５上面に開口を有し、開口内にパッド５５が露出している。以上のようにして、実施例の半導体装置が作製される。
【００４６】
実施例と同様な方法で形成した銅配線の試料を作製し、エレクトロマイグレーション試験を行った。
【００４７】
図３は、エレクトロマイグレーション試験に用いた試料の配線パターンを示す概略断面図である。配線パターンは、第１層の配線部６１と第２層の配線部６２とが、端部をビア部６３で接続されて交互に並んだチェーン形状である。第１層の配線部６１、第２層の配線部６２の各々は、幅７０ｎｍ、長さ２００ｎｍ、厚さ１００ｎｍであり、各ビア部は、直径７０ｎｍ、高さ１００ｎｍである。配線パターンの両端が、それぞれパッドに接続されている。
【００４８】
このような配線パターンを有する試料を１００チップ用意し、温度１５０℃、電流０．２ｍＡで２００時間のエレクトロマイグレーション試験を行った。なお、比較例の試料も用意し、同様な試験を行った。比較例の試料では、バリアメタル層は単層の多結晶Ｒｕ層とし、シード層は他の金属を含有させず銅のみとした。
【００４９】
実施例の試料は、１００チップ中オープン不良となったものが０個であったのに対し、比較例の試料は、１００チップ中オープン不良となったものが２５個であった。このように、実施例の配線形成方法によりエレクトロマイグレーションが抑制されることがわかった。
【００５０】
なお、上記実施例では、銅シード層に含有させる金属がＴｉの場合を説明したが、Ｍｎを含有させる場合についても、エレクトロマイグレーション試験で同様な効果を確認している。
【００５１】
銅配線を覆うエッチングストッパ膜の成膜に伴う適当な加熱状態下で、層間絶縁膜からバリアメタル層を越えて水分が移動し、銅シード層に含有された金属が酸化され、生成した金属酸化物が拡散すると考えられる。このときの適当な温度は、上記の４００℃に限られず、２５０℃〜４５０℃の範囲が好適である。これは、銅シード層に含有させる金属がＴｉ、Ｍｎの場合ともに同様である。
【００５２】
なお、銅配線を覆うエッチングストッパ膜（銅拡散防止絶縁膜）として、上記実施例ではシリコンオキシカーバイドを用いたが、エッチングストッパ膜はシリコンオキシカーバイド（ＳｉＯＣ）膜に限られない。その他、銅のバリア性に優れる膜として、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜等を使うこともできる。
【００５３】
なお、銅シード層への含有に適した金属は、Ｔｉ、Ｍｎに限られないと考えられる。例えば、特に、ＴｉまたはＭｎと周期律表で同族または隣接する族の遷移金属は、Ｔｉ、Ｍｎと似た挙動を示すと考えられ、銅シード層に含有させる金属として好適であろう。具体的には、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａが挙げられる。さらに、他の金属として、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ等も利用できると思われる。
【００５４】
なお、銅シード層膜厚は２ｎｍ〜５０ｎｍ程度が望ましく、銅に含有させる金属の含有率は０．５％〜５％程度が望ましい。
【００５５】
なお、上記実施例では、層間絶縁膜側の第１のバリアメタル層を非晶質、銅配線側の第２のバリアメタル層を多結晶としたが、層間絶縁膜側を多結晶、銅配線側を非晶質としても、適当な水分の透過性及び銅のバリア性が得られるであろう。ただし、銅配線側が多結晶である方が、Ｃｕとの濡れ性が良好なグレイン部が配線凹部内に露出するため、銅配線とバリアメタル層との密着性が良好となり、エレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００５６】
第１及び第２のバリアメタル層として、上記実施例ではＲｕを用いたが、その他の金属を用いることもでき、（例えばＴａに比べて）低抵抗な金属として、例えばＣｏ（比抵抗６．２×１０−６Ω・ｃｍ）が挙げられる。
【００５７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５８】
以上説明した実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体素子の形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、
前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、
前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、
前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、
前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層と
を有する半導体装置。
（付記２）
前記第１のバリアメタル層が非晶質、前記第２のバリアメタル層が多結晶の結晶性を有する付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記第１のバリアメタル層の厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にある付記２に記載の半導体装置。
（付記４）
前記第２のバリアメタル層の厚さが３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲にある付記２または３に記載の半導体装置。
（付記５）
前記金属酸化物層は、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、及びＴａのうち少なくとも１つの酸化物を含む付記１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記６）
前記第１及び第２のバリアメタル層は、ＲｕまたはＣｏを含む付記１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記７）
前記層間絶縁膜は、ポーラス構造を含む付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記８）
半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、
前記シード層上に、銅層を形成する工程と、
前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記第１のバリアメタル層を形成する工程は、非晶質の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成し、前記第２のバリアメタル層を形成する工程は、多結晶の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記シード層を形成する工程において、該シード層中に含有させる前記金属の含有率が０．５％〜５％の範囲にある付記８または９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記銅拡散防止絶縁膜を形成する工程において、該銅拡散防止絶縁膜の成膜温度が２５０〜４５０℃の範囲にある付記８〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の実施例による半導体装置を示す概略断面図である。
【図２−１】図２Ａ〜図２Ｄは、実施例の半導体装置の銅配線の形成工程を示す断面図である。
【図２−２】図２Ｅ〜図２Ｇは、図２Ａ〜図２Ｄに引き続き、実施例の半導体装置の銅配線の形成工程を示す断面図である。
【図３】図３は、エレクトロマイグレーション試験に用いた試料の配線パターンを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
５、１２ 層間絶縁膜
１１、２１ エッチングストッパ膜
１３ 配線溝
１４ａ 第１のバリアメタル層
１４ｂ 第２のバリアメタル層
１４ バリアメタル層
１５ａ 銅シード層
１５ｂ 銅層
１５ 銅配線
１６ 金属酸化物層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、
前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、
前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、
前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、
前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層と
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第１のバリアメタル層が非晶質、前記第２のバリアメタル層が多結晶の結晶性を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、
前記シード層上に、銅層を形成する工程と、
前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記シード層を形成する工程において、該シード層中に含有させる前記金属の含有率が０．５％〜５％の範囲にある請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記銅拡散防止絶縁膜を形成する工程において、該銅拡散防止絶縁膜の成膜温度が２５０〜４５０℃の範囲にある請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体素子の形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上方に、水分を含み、凹部が形成された層間絶縁膜と、
前記凹部の内面上に形成され、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層と、
前記第１のバリアメタル層上に形成され、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層と、
前記第２のバリアメタル層上に形成された銅配線と、
前記銅配線を覆って前記層間絶縁膜上に形成された銅拡散防止絶縁膜と、
前記銅配線と前記銅拡散防止絶縁膜との界面に形成された金属酸化物層と
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第１のバリアメタル層が非晶質、前記第２のバリアメタル層が多結晶の結晶性を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に、水分を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面上に、非晶質及び多結晶の一方の結晶性を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第１のバリアメタル層上に、非晶質及び多結晶の他方の結晶性を有する第２のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第２のバリアメタル層上に、酸化物を形成する金属を含有する銅により、シード層を形成する工程と、
前記シード層上に、銅層を形成する工程と、
前記銅層を覆って前記層間絶縁膜上に、加熱状態で銅拡散防止絶縁膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記シード層を形成する工程において、該シード層中に含有させる前記金属の含有率が０．５％〜５％の範囲にある請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記銅拡散防止絶縁膜を形成する工程において、該銅拡散防止絶縁膜の成膜温度が２５０〜４５０℃の範囲にある請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図３】
【図２−１】
【図２−２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１２９６９３（Ｐ２０１０−１２９６９３Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０１３８４（Ｐ２００８−３０１３８４）
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（３０８０１４３４１）富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 (2,507)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（３０８０１４３４１）富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 (2,507)
【Ｆターム（参考）】
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