説明

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耐性及び信頼性に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をエッチングして配線溝を形成する工程と、前記配線溝内に銅膜を形成し、銅配線を形成する工程と、前記銅配線及び前記絶縁膜の表面を平坦化する工程と、平坦化された前記銅配線及び絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、酸素を含んだ雰囲気中で加熱を行うことにより前記銅配線上の前記金属膜と前記銅配線とを選択的に反応させて合金膜を形成するとともに前記絶縁膜上の前記金属膜を酸化して絶縁性の膜に変化させる工程と、前記合金膜及び前記絶縁性の膜上にブロック膜を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施の形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、半導体装置において、半導体基板上に形成された半導体装置の配線材料として、アルミニウムが主に使用されてきた。しかし、半導体集積回路の高集積化及び高速化の進展により、アルミニウムよりも低抵抗である銅が、配線材料として用いられるようになっている。
【0003】
銅配線を形成する場合には、ドライエッチングによる加工が困難であるため、一般にダマシン法が用いられている。このダマシン法においては、半導体基板上に形成された絶縁膜上に溝を形成し、その溝に銅層を埋設し、配線溝以外の余剰な銅層を研磨することで銅配線を形成する。
【0004】
この銅配線を用いた半導体装置において、エレクトロマイグレーションによる銅配線中の銅原子の拡散を抑制するため、銅配線上に、タングステン、コバルトタングステンボロンまたは、コバルトタングステンリンといったバリア性を有するメタルキャップ膜を形成する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
しかし、バリア性を有するメタルキャップ膜はリークの原因となるため銅配線上に選択的に精度良く形成する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−32807
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
エレクトロマイグレーション耐性及び信頼性に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様による半導体装置は、基板と、前記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銅配線と、前記銅配線上に選択的に形成された合金層と、前記絶縁膜上に形成され、前記合金層に含まれる金属元素と同じ金属元素を含む絶縁層と、前記合金層及び絶縁層上に形成されたブロック層とを有することを特徴とする。
【0009】
また、本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をエッチングして配線溝を形成する工程と、前記配線溝内に銅膜を形成し、銅配線を形成する工程と、前記銅配線及び前記絶縁膜の表面を平坦化する工程と、平坦化された前記銅配線及び絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、酸素を含んだ雰囲気中で加熱を行うことにより前記銅配線上の前記金属膜と前記銅配線とを選択的に反応させて合金膜を形成するとともに前記絶縁膜上の前記金属膜を酸化して絶縁性の膜に変化させる工程と、前記合金膜及び前記絶縁性の膜上にブロック膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態にかかる半導体装置を模式的に示した断面図である。
【図2】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図3】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図4】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図5】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図6】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図7】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【図8】本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法の一工程を模式的に示した断面面である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0012】
図1は本発明の実施形態による半導体装置を模式的に示した断面図である。
【0013】
基板上(図示せず)に形成された下層配線層1及び第一の層間絶縁膜2上にVia3を介して銅からなる配線層4、及び第二の層間絶縁膜5が形成されている。第二の層間絶縁膜5は、例えば、有機シリカ(SiOCH)等からなる。本実施形態では配線層4はVia3と配線を同時に形成するデュアルダマシン法で形成した形状を図示しているがこれに限らない。また、配線層4と下層配線層1及び第二の層間絶縁膜5との間にはタンタル、タンタルナイトライド、チタンナイトライド等からなるバリアメタルが形成されていても構わない。
【0014】
配線層4及び第二の層間絶縁膜5上には、配線層4上に選択的にメタルキャップ膜となるアルミニウム銅合金膜(Al)6が形成されており、その他の領域には第一の絶縁キャップ膜となる酸化アルミニウム膜(Al)7が形成されている。メタルキャップ膜は、エレクトロマイグレーションによる銅配線中の銅原子の拡散を抑制する効果を有している。また、アルミニウム銅合金膜6及び酸化アルミニウム膜7上には、例えば、シリコン窒化膜からなるブロック膜8が形成されている。
【0015】
次に図1乃至図8を用いて本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を説明する。図1乃至図8は本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。
【0016】
まず、図2に示すように、半導体基板(図示せず)上に下層配線層1及び第一の層間絶縁膜2を形成し、表面の平坦化を行う。続いて、図3に示すように、下層配線層1及び第一の層間絶縁膜2上に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いて有機シリカ(SiOCH)等からなる第二の層間絶縁膜5を形成する。第二の層間絶縁膜にはシリコン酸化膜と比較して誘電率の低い材料が用いられることが望ましい。誘電率の低い材料を用いることによって配線遅延を抑制することができる。
【0017】
次に、図4に示すように、第二の層間絶縁膜5内にフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を使用して配線溝9及びコンタクトホール10となる開口部を形成する。続いて、図5に示すように、開口部内を含む第二の層間絶縁膜5表面にバリアメタル(図示せず)を形成し、銅膜を配線溝及び配線孔に埋め込むように形成する。銅膜の形成方法には、例えば、電界めっき法が用いられる。銅膜を形成した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により銅膜及び第二の層間絶縁膜5の表面を平坦化し、配線層4を形成する。
【0018】
次いで、図6に示すように、平坦化された配線層4及び第二の層間絶縁膜5上にアルミニウム膜11を形成する。アルミニウム膜11は、例えば、ALD(Atomic Layer
Dposition)法を用いて形成される。アルミニウム膜11をスパッタリング法によって形成しても構わないが、ALD法の方がより薄い膜を形成出来るため望ましい。
【0019】
アルミニウム膜11形成後、図7に示すように、微量酸化雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理によって、配線層4上に形成されたアルミニウム膜11は配線層4の銅と反応してアルミニウム銅合金膜6となる。一方、第二の層間絶縁膜5上に形成されたアルミニウム膜11は酸素と反応することで絶縁物である酸化アルミニウム膜7となる。アルミニウム銅合金膜6はエレクトロマイグレーションによる銅配線中の銅原子の拡散を抑制する効果を有する。エレクトロマイグレーションによる銅配線中の銅原子の拡散を抑制する効果を有するメタルキャップ膜は通常金属膜である。金属膜が層間絶縁膜上にも存在すると、配線ショートの原因となるため従来の方法では配線層4上にメタルキャップ膜を選択的に形成するために層間絶縁膜上の残った未反応の金属膜を除去する必要が生じる。 これに対し、本実施形態では、不要な膜を除去する工程を必要としないためエッチング工程等による層間絶縁膜等へのダメージを抑制することができる。
【0020】
酸化アルミニウムはシリコン酸化膜と比較して誘電率が高いが、膜厚を薄く形成することによって誘電率への影響を抑えることができる。特に、ALD法を用いて成膜することで非常に薄い膜厚のアルミニウム膜を形成することができるため望ましい。より詳しくは、1nm以下であることが望ましい。なお、配線層4上に形成されたメタルキャップ膜であるアルミニウム銅合金膜6は、非常に薄い膜厚であってもエレクトロマイグレーションによる銅配線中の銅原子の拡散を抑制する効果を有する。
【0021】
本発明の実施形態による半導体装置の製造方法においては、第二の層間絶縁膜5上残ったアルミニウム膜11はメタルキャップ膜形成の際の熱処理工程で同時に絶縁物である酸化アルミニウム膜7へ変化するため工程数を増やすことなく選択的にメタルキャップ膜を形成することができる
その後、図8に示すように、アルミニウム銅合金膜6及び酸化アルミニウム膜7上に、例えば、シリコン窒化膜からなるブロック膜8を形成する。
【0022】
配線層の層間絶縁膜に用いられる有機シリカ(SiOCH)等の誘電率の低い層間絶縁膜は一般的に吸湿性を示すため、疎水化処理等を行うことが多い。しかし、本発明の実施形態における半導体装置は、第二の層間絶縁膜5上に耐水性の高い酸化アルミニウム膜7を形成しているためより効果的に半導体装置の耐水性を向上させることができる。
【0023】
また、副次的な効果として従来のタングステン等を用いたメタルキャップ膜と比べて製造コストを低減することができる。
【0024】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。例えば、本実施形態においてアルミニウム膜を用いて説明を行ったが、同様の効果を得られる金属であれば他のものを用いても構わない。例えば、マンガン、マグネシウム、チタン等の金属膜を用いることができる。
【符号の説明】
【0025】
1 下層配線層
2 第一の層間絶縁膜
3 Via
4 配線層
5 第二の層間絶縁膜
6 アルミニウム銅合金膜
7 酸化アルミニウム膜
8 ブロック膜
9 配線溝
10 コンタクトホール
11 アルミニウム膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をエッチングして配線溝を形成する工程と、
前記配線溝内に銅膜を形成し、銅配線を形成する工程と、
前記銅配線及び前記絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
平坦化された前記銅配線及び絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
酸素を含んだ雰囲気中で加熱を行うことにより前記銅配線上の前記金属膜と前記銅配線とを選択的に反応させて合金膜を形成するとともに前記絶縁膜上の前記金属膜を酸化して絶縁性の膜に変化させる工程と、
前記合金膜及び前記絶縁性の膜上にブロック膜を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記金属膜はALD法によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記金属膜の厚さは1nm以下であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記金属膜はアルミニウム、マンガン、マグネシウム、チタンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
基板と、
前記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銅配線と、
前記銅配線上に選択的に形成された合金層と、
前記絶縁膜上に形成され、前記合金層に含まれる金属元素と同じ金属元素を含む絶縁層と、
前記合金層及び絶縁層上に形成されたブロック層とを有することを特徴とする半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2013−73981(P2013−73981A)
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−209998(P2011−209998)
【出願日】平成23年9月26日(2011.9.26)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】