(57)【要約】      （修正有）【課題】ダマシン法によるＣｕ配線構造の形成において、Ｃｕ−Ｍｎ合金をバリアメタル膜に組み合わせて欠陥の自己修復および密着性の向上を図る際に、Ｍｎの拡散によるＣｕ配線パターンの抵抗増加を抑制する配線の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜２１と、前記絶縁膜に形成された凹部２１Ｔと、凹部の内壁に形成された高融点金属膜２２と、高融点金属膜上に形成された銅とマンガンと窒素を含む金属膜２３と、金属膜上に形成され、凹部を充填する銅膜２４Ａと、を含む構造とする。【選択図】図７Ｄ
2010010250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部と、
前記凹部の内壁に形成された高融点金属膜と、
前記高融点金属膜上に形成された銅とマンガンと窒素を含む金属膜と、
前記金属膜上に形成され、前記凹部を充填する銅膜と、
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記金属膜は、単層または複数層よりなる請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属膜は、０．３ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚を有する請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記高融点金属膜は、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される少なくとも一つの元素を含む請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属膜は、前記銅膜の近傍の第１の側に、前記第１の側と反対の第２の側におけるよりも多くの窒素を含む請求項２〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁に高融点金属膜を形成する工程と、
前記高融点金属膜上に、銅とマンガンと窒素を含む金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を形成後、少なくとも前記凹部を埋める銅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７】
前記金属膜は、窒素含有雰囲気中にてスパッタリング法を用いて形成される請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記窒素含有雰囲気は、窒素ガスおよびアンモニアガスのいずれかを含む請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
さらに前記金属膜と前記銅膜との間に、銅からなるシード層を形成する工程を有する請求項６〜８のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
さらに前記絶縁膜上において前記銅膜の平坦化を行う工程を含む請求項６〜９のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に多層配線構造を有する半導体装置およびその製造に関する
【背景技術】
【０００２】
今日の半導体集積回路装置においては、共通基板上に莫大な数の半導体素子が形成されており、これらを相互接続するために、多層配線構造が使われている。
【０００３】
多層配線構造では、配線層を構成する配線パターンを埋設した層間絶縁膜が積層される。
このような多層配線構造では、下層の配線層と上層の配線層とが、層間絶縁膜中に形成されたビアコンタクトにより接続される。
【０００４】
特に最近の超微細化・超高速半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延（ＲＣ遅延）の問題を軽減するため、層間絶縁膜として低誘電率膜（いわゆるｌｏｗ−ｋ膜）が使われる。これと共に、配線パターンとして、低抵抗の銅（Ｃｕ）パターンが使われている。
【０００５】
このようにＣｕ配線パターンを低誘電率層間絶縁膜中に埋設した多層配線構造においては、Ｃｕ層のドライエッチングによるパターニングが困難であるため、層間絶縁膜中に予め配線溝あるいはビアホールを形成するいわゆるダマシン法あるいはデュアルダマシン法が使われる。ダマシン法あるいはデュアルダマシン法では、このようにして形成された配線溝あるいはビアホールをＣｕ層で充填し、その後、層間絶縁膜上の余剰なＣｕ層を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する。
その際、Ｃｕ配線パターンが層間絶縁膜に直接に接すると、Ｃｕ原子が層間絶縁膜中に拡散し、短絡などの問題を惹起するため、Ｃｕ配線パターンが形成される配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を、導電性の拡散バリア、いわゆるバリアメタル膜により覆い、Ｃｕ層を、かかるバリアメタル膜上に堆積することが一般になされている。バリアメタル膜としては、一般的にタンタル（Ｔａ）やチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などの高融点金属、あるいはこれら高融点金属の導電性窒化物が用いられる。
【０００６】
一方、最近の４５ｎｍ世代あるいはそれ以降の超微細化・超高速半導体装置では、微細化に伴い層間絶縁膜中に形成される配線溝あるいはビアホールの大きさが著しく縮小されてきている。
【０００７】
これに伴って、このような比抵抗の大きなバリアメタル膜を使って所望の配線抵抗の低減を実現しようとすると、これら微細な配線溝あるいはビアホールに形成されるバリアメタル膜の膜厚を可能な限り減少させる必要がある。
【０００８】
一方、バリアメタル膜は、配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を連続的に覆う必要がある。
【０００９】
このような事情に関連して特許文献１は、層間絶縁膜中に形成された配線溝あるいはビアホールを、銅マンガン合金層（Ｃｕ−Ｍｎ合金層）により直接に覆っている。
【００１０】
この特許文献１では、かかるＣｕ−Ｍｎ合金層と層間絶縁膜との界面に、厚さが２〜３ｎｍで組成がＭｎＳｉxＯyのマンガンシリコン酸化物層を、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎと層間絶縁膜中のＳｉおよび酸素との自己形成反応により、拡散バリア膜として形成する技術が記載されている。
【００１１】
しかしこの技術では、自己形成される層がＭｎＳｉxＯyの組成を有し、膜中に含まれる金属元素、すなわちマンガン（Ｍｎ）の濃度が低いことに起因して、Ｃｕ膜に対する密着性が不十分である問題が認識されている。
【００１２】
このため特許文献２には、Ｃｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせた構成の構造が記載されている。
【００１３】
このようにＣｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせた構造では、以下のような事情で、耐酸化性が向上する好ましい特徴も得られる。
【００１４】
近年、信号遅延（ＲＣ遅延）を回避する目的で、層間絶縁膜を構成する低誘電率材料として、多孔質低誘電率膜の使用が提案されている。しかし、このような多孔質低誘電率材料は密度が低く、製造時にプラズマ処理を行うとダメージを受けやすい問題を有している。ダメージを受けた膜は、その表面や内部に水分を吸着しやすくなる。
【００１５】
このためこのような多孔質低誘電率膜上に形成されたバリアメタル膜は、多孔質誘電体膜中に吸着された水分の影響を受けて酸化しやすく、拡散バリアとしての性能、およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する密着性が劣化しやすい。
【００１６】
ところが、先に説明したＣｕ−Ｍｎ合金層をこのような構造において用いると、Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎが、バリアメタル膜の酸化部分と反応し、拡散バリアとしての性能およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する高い密着性を維持することが可能となる。そこで、このようなＣｕ−Ｍｎ合金層を用いたダマシン法あるいはデュアルダマシン法によるＣｕ配線層あるいはビアプラグの形成が研究されている。
【特許文献１】特開2005-277390
【特許文献２】特開2007-27259
【非特許文献１】Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene InterconnectTechnology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer., T. Usui, et al.,proceeding of IEEE IITC, 2005, p188
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、このようなＣｕ−Ｍｎ合金層を用いた構造よりなるダマシン法あるいはデュアルダマシン法においては、前記合金層中のＭｎ原子が実質的に全てバリアメタル膜の酸化部分と反応すれば、形成されるＣｕ配線層あるいはＣｕビアプラグ中の残留Ｍｎ濃度は低くなり、確実に低い抵抗値を実現できる。しかし、前記合金層中に多量のＭｎが残留した場合には、前記合金層からＭｎがＣｕ配線層あるいはビアプラグに拡散し、抵抗値の上昇が生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
一の側面によれば半導体装置は、半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された凹部と、前記凹部の内壁に形成された高融点金属膜と、前記高融点金属膜上に形成された銅とマンガンと窒素を含む金属膜と、前記金属膜上に形成され、前記凹部を充填する銅膜とを含む。
【００１９】
他の側面によれば半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の内壁に高融点金属膜を形成する工程と、前記高融点金属膜上に、銅とマンガンと窒素を含む金属膜を形成する工程と、前記金属膜を形成後、少なくとも前記凹部を埋める銅膜を形成する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００２０】
前記高融点金属膜上に形成される金属膜が、銅とマンガンと窒素を含むことにより、前記金属膜から前記凹部を充填する銅膜中へのマンガンの拡散を抑制することが可能となり、前記銅膜の抵抗値の増大を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
［第１の実施形態］
最初に本発明の関連技術を説明する。
【００２２】
図１は、図２に示すダマシン法により形成したＣｕ配線パターン１４Ｂについて、Ｐｕｒｅ−Ｃｕ条件に対するＣｕ−Ｍｎ合金適応時の配線抵抗上昇率について示す図であり、配線幅を様々に変化させている。ただし図２のＣｕ−Ｍｎ合金適応時のＣｕ配線パターン１４Ｂは、本発明の関連技術に係る図３Ａ〜３Ｄのプロセスにより形成される。
【００２３】
図３Ａを参照するに、ＳｉＯ2などの絶縁膜１１中には配線溝やビアプラグなどの凹部１１Ｔが形成されている。以下の説明では前記凹部１１Ｔは配線溝であるとして説明するが、孤立したビアプラグなどであってもよい。また前記絶縁膜１１の表面は、前記凹部１１Ｔの表面および底面を含め、Ｔａなどの高融点金属あるいはその導電性窒化物よりなるバリアメタル膜１２により覆われている。前記バリアメタル膜１２は、前記凹部１１Ｔを、その断面形状に整合した断面形状で覆う。
【００２４】
次に図３Ｂに示すように、前記図３Ａの構造上に前記バリアメタル膜１２を覆ってＣｕ−Ｍｎ合金よりなるＣｕ−Ｍｎ合金層１３が、前記凹部１１Ｔの断面形状に整合した断面形状で形成される。
【００２５】
次に図３Ｃに示すように、前記図３Ｂの構造上にＣｕ層１４が、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３上に電解メッキ法により、前記凹部１１Ｔを充填するように形成される。
【００２６】
次に図３Ｄに示すように、前記絶縁膜１１上のバリアメタル膜１２，Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３およびＣｕ層が、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨される。前記図３Ｄの化学機械研磨は、前記絶縁膜１１の表面が露出するまで継続される。その結果、図３Ｄに示すように前記絶縁膜１１表面の凹部１１Ｔを、バリアメタル膜１２、Ｃｕ-Ｍｎ合金層１３を介して充填するＣｕパターン１４Ａが形成される。
【００２７】
さらに図３Ｄの構造は例えば４００℃の温度で熱処理される。これにより、図３Ｅに示すように、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３中のＭｎ(マンガン)原子が前記バリアメタル膜１２表面の酸化物と反応し、例えば組成がＴａｘＭｎｙＯｚで概略的に表されるＭｎ酸化物が形成される。またその際、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３とＣｕパターン１４Ａは連続した単一のＣｕ配線パターン１４Ｂに変化する。
【００２８】
さて再び図１を参照するに、図３Ｄの状態から図３Ｅの状態へと移行する際の抵抗値の上昇率は、配線幅Ｗが狭い場合に小さく、大きい場合には大きいことがわかる。これは、図４に示すように、前記配線幅Ｗが狭い場合には領域ＩにおけるようにＣｕ−Ｍｎ合金層１３を含むＣｕ配線パターン１４Ｂの体積に対するバリアメタル膜１２の表面積の比率が比較的大きいことに起因すると考えられる。すなわち、領域Ｉにおいては前記バリアメタル膜１２とＣｕ配線パターン１４Ｂとの界面の面積が、前記Ｃｕ配線パターン１４Ｂの体積に比較して領域ＩＩにおけるよりも大きい。このため、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３中のＭｎ原子は実質的に全て、図３Ｅの熱処理の際に前記バリアメタル膜１２表面の酸化物と反応する。その結果、前記Ｃｕ配線パターン１４Ｂ中のＭｎ濃度が効率的に低下する。これに対し領域ＩＩにおいては、Ｃｕ配線パターン１４Ｂの体積に対する前記バリアメタル膜１２の表面積の比が小さい。このため、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３中のＭｎ原子の一部のみが前記バリアメタル膜１２表面の酸化物と反応するが、未反応のＭｎ原子がＣｕ配線パタ―ン１４Ｂ中に残留してしまう。このため、図３Ｅの熱処理工程に伴い、図１に示すように大きな配線抵抗率の上昇が生じるものと考えられる。
【００２９】
図５は、前記図２のＣｕ配線パターン１４Ｂについて、図３Ｅの熱処理条件を、「Ａｓ−ｄｅｐｏ」，「ＡＮＬ１」，「ＡＮＬ２」，「ＡＮＬ３」，「ＡＮＬ４」と、様々に変化させた場合の、純粋なＣｕに対する抵抗値の上昇率のシミュレーション結果を示す。ただし「Ａｓ−ｄｅｐｏ」は、熱処理なしを示し、「ＡＮＬ１」、「ＡＮＬ２」、「ＡＮＬ３」、「ＡＮＬ４」と数字が大きくなるにつれ、大きな熱負荷がかかっていることを示す。なお簡単のため、合金元素は他物質と反応し析出しないとしている。
【００３０】
図５を参照するに、熱処理が進行するにつれてＣｕ配線パターン１４Ｂの抵抗値が増大しているのがわかる。実際の配線においては熱負荷に伴う、合金元素とバリアメタル,絶縁膜との反応によるＣｕ配線からの合金元素排出、結晶粒粗大化、合金元素の粒界偏析などによる抵抗の低減が起こるため、図５には従わない。図５はあくまで合金元素の拡散現象のみに着目したものである。
【００３１】
図５に関連して、図６は、前記図２の構造において、前記図３Ｅの熱処理工程の際の線Ａ−Ｂに沿った合金元素原子の拡散をシミュレートした結果を示す。
【００３２】
図６を参照するに、合金元素原子が熱処理の進行と共に前記図３Ｄに示すＣｕ合金層１３からＣｕパターン１４Ａへと拡散しているのがわかる。図６のシミュレーション結果を勘案すると、前記図５のＣｕ配線パターン１４Ｂの熱処理に伴う抵抗値の増大は、このようなＭｎ原子の拡散に起因するものであると考えられる。
【００３３】
このように、ダマシン法により、バリアメタル膜にＣｕ−Ｍｎ合金層を組み合わせて形成したＣｕ配線パターンでは、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎ原子をバリアメタル膜の酸化部分や欠陥などと反応させて欠陥を自己修復させる際に、残留Ｍｎ原子がＣｕ配線パターン中に拡散するのを抑制することが、配線抵抗を低減させる上で大きな課題となる。
本発明では、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層を使うことにより、Ｍｎ原子のＣｕ配線層中への拡散を効果的に抑制する。
【００３４】
図７Ａ〜図７Ｅは、本発明の第１の実施形態によるＣｕ配線パタ―ンのダマシン法による形成工程を示す図である。
【００３５】
図７Ａを参照するに、絶縁膜２１中には配線溝などの凹部２１Ｔが形成されている。また前記絶縁膜２１の表面は、前記凹部２１Ｔの表面および底面を含め、ＴａやＴｉ，Ｗなどの高融点金属、あるいはその導電性窒化物よりなる、厚さが１ｎｍ〜１０ｎｍのバリアメタル膜２２により覆われている。ここで前記絶縁膜２１は、Ｍｎとの反応により酸化物を形成できるように酸素を含むものであるのが好ましい。例えば前記絶縁膜２１はＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜などであってもよい。また前記絶縁膜２１は、ＳｉＯＣ膜など、シリコン酸化膜をベースとする低誘電率膜であってもよい。さらに前記絶縁膜は、塗布工程やプラズマＣＶＤ工程により形成される有機あるいは無機の、いわゆるｌｏｗ−Ｋ膜とよばれる低誘電率膜であってもよい。このような無機低誘電率膜としては、上記ＳｉＯＣ膜の他に、オルガノシロキサン系材料膜や水素化シロキサン系材料膜などが挙げられる。有機低誘電率膜としては、例えばダウケミカル社のＳｉＬＫ（商品名）やハネウェル社のＦＬＡＲＥ（商品名）などの芳香族ポリエーテル膜などを使うことができる。
【００３６】
前記バリアメタル膜２２は、所々に前記絶縁膜２１を露出する欠陥を有するものであってもよい。また前記バリアメタル膜２２は所々に酸化膜を有するものであってもよい。前記バリアメタル膜２２は、前記凹部２１Ｔを、その断面形状に整合した断面形状で覆う。前記バリアメタル膜２２は、典型的には前記高融点金属のターゲットを使ったスパッタ法により形成されるが、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ（atomic layer deposition）法により形成されてもよい。前記バリアメタル膜は前記高融点金属膜と導電性窒化物膜の積層膜であってもよい。
【００３７】
次に図７Ｂに示すように、前記図７Ａの構造上に前記バリアメタル膜２２を覆って、窒素（Ｎ）を含むＣｕ−Ｍｎ合金よりなるＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３が、前記凹部２１Ｔの断面形状に整合した断面形状で形成される。
【００３８】
より具体的には、Ｍｎを０．１〜１０原子％の濃度で含んだＣｕ−Ｍｎ合金をターゲットとして使い、全圧が１０-３Ｐａで窒素濃度が２０％のアルゴン（Ａｒ）／窒素混合ガス雰囲気中、−２０℃の基板で５ｋＷのパワーを投入してスパッタを行うことにより、Ｍｎを０．１原子％〜１０原子％の濃度で、またＮを２％以下の濃度で含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層が、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ層２３として、例えば５ｎｍ〜４０ｎｍ、好ましくは約１０ｎｍの膜厚に形成される。なお、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３は、スパッタ法以外にも、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法によっても形成することができる。また前記スパッタ法では、前記Ａｒガスに代えて他の希ガス、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスやクリプトン（Ｋｒ）ガスを使うことも可能である。
【００３９】
次に図７Ｃに示すように、前記図７Ｂの構造上にＣｕ層２４が、電解メッキ法などにより、前記凹部２１Ｔを充填するように形成される。
【００４０】
次に図７Ｄに示すように、前記絶縁膜２１上のＣｕ層２４，Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３およびバリアメタル膜２２が、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により順次研磨される。前記図７Ｄの化学機械研磨は、前記絶縁膜２１の表面が露出するまで継続される。その結果、図７Ｄに示すように前記絶縁膜２１表面の凹部２１Ｔを、バリアメタル膜２２およびＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３を介して充填するＣｕパターン２４Ａが形成される。
【００４１】
さらに図７Ｄの構造は例えば４００℃の温度で熱処理される。これにより、図７Ｅに示すように、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３中のＭｎが前記バリアメタル膜２２表面の酸化物あるいは欠陥において露出した絶縁膜２１と反応し、例えば組成がＴａｘＭｎｙＯｚあるいはＭｎＳｉxＯyで概略的に表されるＭｎ酸化物が形成される。これにより、前記バリアメタル膜２２中の欠陥などが修復される。またその際、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３とＣｕパターン２４Ａは連続したＣｕ配線パターン２４Ｂに変化する。また先にも説明したように、Ｍｎ原子がバリアメタル膜２２の酸化部分と反応することで、Ｃｕ配線パターン２４Ｂとバリアメタル膜２２との間に強固な結合が生じ、密着性が向上する。
【００４２】
図８は、前記図７Ｅの試料に対し線Ｃ−Ｄに沿って行ったＳＩＭＳ分析の結果を示す。ただし図８Ａ中、左の縦軸(対数軸)は、Ｎ，Ｏ（酸素），Ｍｎの濃度を、右の縦軸(対数軸)は、Ｃｕ（銅）の２次イオン強度を示す。図８Ａの実験では前記バリアメタル膜２２を省略しており、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３が直接にＳｉＯ2膜２１に接している。この実験の場合は、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３中のＭｎ原子がＳｉＯ2膜２１と反応して層２３と層２１の界面に形成されるマンガンシリコン酸化物がＣｕの拡散バリア膜として作用する。以下に説明する結果は、特定の幅Ｗや深さｔの場合に限定されるものではない。
【００４３】
図８を参照するに、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３がＮを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層である場合、図７Ｅの熱処理工程後においてもＭｎの分布の大部分は、前記Ｃｕ−Ｍｎ―Ｎ合金層２３の当初の位置に限定される。
【００４４】
これに対し図９は、前記Ｃｕ−Ｍｎ層２３として、窒素を含まないＣｕ−Ｍｎ合金層を形成した場合の、同様なＳＩＭＳプロファイルを示す。前記窒素を含まないＣｕ−Ｍｎ合金層２３は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金をターゲットとしたスパッタを、窒素を含まないＡｒ雰囲気中において実行することにより形成されている。
【００４５】
図９を参照するに、図７Ｅの熱処理後には前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎ原子がＣｕ配線層２４Ｂの奥深くまで拡散しており、例えばＣｕ配線層２４Ｂの表面で比較した場合、Ｍｎ濃度が１００倍ないし１０００倍も増大していることがわかる。
【００４６】
図８，９より、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３としてＮを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層を使うことにより、Ｍｎ原子のＣｕ配線層２４Ｂ中への拡散を効果的に抑制できることが確認された。先の図５，図６の関係を勘案すると、Ｃｕ配線パターン２４Ｂ中においてＭｎ原子の拡散を抑制することにより、Ｍｎ濃度の増加に起因するＣｕ配線パターン２４Ｂの抵抗値の増大を効果的に抑制できることがわかる。
【００４７】
なお前記図８においては、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３とＣｕ層２４との界面近傍に酸素の濃集が見られ、これに対応して図７Ｅの構造では、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３とＣｕパターン２４Ａとの界面であった部分に、酸素濃集部２３Ｏｘが生じていることに注意すべきである。これは前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３が形成された際に表面に結合していた雰囲気中の残留酸素の痕跡を示している。
【００４８】
図１０は、前記図７Ｂの工程でＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３を形成する際の、Ａｒ／窒素混合雰囲気中における窒素の濃度（分圧）と、Ｃｕ配線パターン２４Ｂのシート抵抗との関係を示す。ただし図１０においてシート抵抗は、窒素を含まないＣｕ−Ｍｎ合金層を前記層２３として使った場合を１００％として規格化してある。図１０の結果は、前記Ｃｕ配線パターン２４Ｂの幅Ｗが３μｍ、深さｔが１５０ｎｍの場合についてのものである。
【００４９】
図１０を参照するに、スパッタの際に７％以上の濃度で窒素ガスをＡｒガスに混合しておくことで、得られるＣｕ配線パターン２４Ｂのシート抵抗を１０％近く低減することができるのがわかる。
【００５０】
なお図７Ｃに示すＣｕ層２４の形成を、図１１Ａ，１１Ｂに示すように、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３上に別にＣｕシード層２４Ｓをスパッタ法やＭＯＣＶＤ法、あるいはＡＬＤ法などにより形成し、前記Ｃｕシード層２４Ｓを電極に前記Ｃｕ層２４の電解メッキを行うようにすることも可能である。この場合には、Ｃｕ層２４の電解メッキが、抵抗値の低いＣｕシード層２４Ｓを電極にして実行されるため、成膜のスループットを向上させることができる。この場合、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３に対して熱処理を行うと、前記Ｃｕシード層２４ＳとＣｕ層２４の区別は消失し、図７Ｅと同一の構成のＣｕ配線パターン２４Ｂが得られる。
【００５１】
本実施形態では、前記Ｃｕパターン２４Ａ，２４ＢはＣｕ配線パターンを形成するものとして説明したが、上記の説明は、これらがＣｕビアプラグであった場合でも成立する。
［第２の実施形態］
図１２Ａ〜１２Ｆは本発明の第２の実施形態によるＣｕ配線パターンのダマシン法による形成工程を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図１２Ａは前記図７Ａに対応しており、前記絶縁膜２１中に形成された凹部２１Ｔの側壁面および底面が、ＴａやＴｉなどの高融点金属膜あるいはその導電性窒化物膜よりなるバリアメタル膜２２により覆われている。先の実施形態と同様に、前記バリアメタル膜２２は、高融点金属膜とその導電性窒化物膜の積層膜であってもよい。また前記バリアメタル膜２２は、所々に酸化物や、絶縁膜２１を露出する欠陥を有するものであってもよい。
【００５３】
次に図１２Ｂに示すように前記図１２Ａの構造上にＣｕ−Ｍｎ合金をターゲットとしたスパッタをＡｒ雰囲気中で実行することにより、Ｎを含まないＣｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍが、前記バリアメタル膜２２を覆って、前記凹部２１Ｔの断面形状に整合した断面形状で、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３の例えば半分の５ｎｍの膜厚で形成される。
【００５４】
次に図１２Ｃに示すように、前記図１２Ｂの構造上に先の図７Ｂと同様にして、Ｎを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３Ｎが、Ａｒガスと窒素ガスの混合雰囲気中で実行されるスパッタにより、例えば５ｎｍの膜厚に、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍの断面形状に整合した断面形状で形成される。
【００５５】
さらに図１２Ｄに示すように前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３ＮおよびＣｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍ上に電解メッキを行うことにより、前記凹部２１Ｔを充填してＣｕ層２４が形成される。
【００５６】
さらに図１２Ｅに示すように、前記絶縁膜２１上のＣｕ層２４，Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３Ｎ，Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍおよびバリアメタル膜２２が、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により順次研磨される。前記図１２Ｅの化学機械研磨は、前記絶縁膜２１の表面が露出するまで継続される。その結果、図１２Ｅに示すように前記絶縁膜２１表面の凹部２１Ｔを、バリアメタル膜２２、Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＭおよびＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３Ｎを介して充填するＣｕパターン２４Ａが形成される。
【００５７】
さらに図１２Ｅの構造は例えば４００℃の温度で熱処理される。これにより、図１２Ｆに示すように、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＭとＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３Ｎ中のＭｎが前記バリアメタル膜２２表面の酸化物あるいは欠陥で露出された絶縁膜２１と反応する。その結果、例えば組成がＴａｘＭｎｙＯｚあるいはＭｎＳｉxＯyで概略的に表されるＭｎ酸化物が形成される。すなわち欠陥の自己修復がなされる。またその際、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍ，Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３ＮおよびＣｕパターン２４Ａは連続したＣｕ配線パターン２４Ｂに変化する。その際、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３Ｎが、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＭとＣｕパターン２４Ａの間に介在しているため、図７Ｅの場合と同様に、Ｍｎの前記Ｃｕパターン２４Ａへの拡散が前記Ｃｕ−Ｍｎ―Ｎ合金層２３Ｎにより阻止される。このためＭｎ原子の分布は、酸素濃集部２３Ｏｘにより指示される前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３ＮおよびＣｕ−Ｍｎ合金層２３Ｍの当初の位置近傍の領域２４ｂに主として限定される。前記Ｃｕ層２４Ｂにおいては、前記領域２４ｂから離れるにつれてＭｎの濃度が急激に減少する。
【００５８】
本実施形態においても、図１１Ａ，１１Ｂで説明したように、別にＭｎやＮを含まないＣｕ層２４Ｓをシード層として形成することも可能である。
【００５９】
本実施形態では、前記Ｃｕパターン２４Ａ，２４ＢはＣｕ配線パターンを形成するものとして説明したが、上記の説明は、これらがＣｕビアプラグであった場合でも成立する。
［第３の実施形態］
次に、本発明の第１あるいは第２の実施形態を多層配線構造を有する半導体装置の製造に適用した例を、本発明の第３の実施形態として説明する。
【００６０】
図１３Ａ〜１３Ｋは、前記図７Ｅあるいは図１２Ｆの工程に引き続いて実行される本発明の第３の実施形態による多層配線構造の形成工程を示す。なお図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図１３Ａを参照するに、本実施形態では前記図７Ｄあるいは図１２Ｅの構造上にＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜２５を、前記Ｃｕ配線パターン２４Ａを覆うように、１０〜１００ｎｍの膜厚に形成する。このようなエッチングストッパ膜２５の成膜は、典型的には４００℃の温度で実行される。またその際の熱熱処理により、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３あるいは２３Ｍ、２３Ｎ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜２２中に移動する。これに伴い、前記Ｃｕ配線パターン２４Ｂ中においては当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３あるいは２３Ｍおよび２３Ｎは消滅するが、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３あるいは２３Ｎの表面に対応する位置に、Ｍｎ酸化物の薄い層が、図１３Ａに破線２３Ｏｘで示すように、前記バリアメタル膜２２の表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３の膜厚あるいは２３Ｍおよび２３Ｎの合計膜厚に対応する距離だけ離間して形成される。なお本実施形態では前記絶縁膜２１は基板２０上に形成されている。
【００６２】
次に図１３Ｂに示すように、前記図１３Ａの構造上に厚さが１００〜３００ｎｍの層間絶縁膜２６と、厚さが１０〜１００ｎｍのＳｉＣあるいはＳｉＮ膜よりなるエッチングストッパ膜２７と、厚さが１００〜３００ｎｍの層間絶縁膜２８とを、例えばプラズマＣＶＤ法により順次形成する。さらに前記層間絶縁膜２６中に、前記エッチングストッパ膜２７を露出する配線溝２８Ｔを、ドライエッチングプロセスにより、所望の幅で形成する。
【００６３】
かかる層間絶縁膜２６，２８としては、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜、あるいはプラズマＣＶＤ法や塗布法により形成される、比誘電率が３以下の有機あるいは無機絶縁膜を使うことができる。
【００６４】
次に、図１３Ｃに示すように、前記配線溝２８Ｔ中に露出されたエッチングストッパ膜２７中に、所定のビアホールに対応した開口部２７Ｖを形成する。さらに図１３Ｄに示すように、前記エッチングストッパ膜２７をハードマスクに、前記層間絶縁膜２６中にビアホール２６Ｖを、前記エッチングストッパ膜２５が露出するように形成する。
【００６５】
さらに図１３Ｅに示すように、前記ビアホール２６Ｖの底部において前記エッチングストッパ膜２５を除去してＣｕ配線パターン２４Ｂを露出させる。その後、図１３Ｆに示すように、前記層間絶縁膜２８上に、前記配線溝２８Ｔの側壁面および底面、および前記ビアホール２６Ｖの側壁面および底面を連続して覆うように、ＴａやＴｉよりなるバリアメタル膜２８Ｂが、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＡＬＤ法により、約１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。なお前記バリアメタル膜２８Ｂは、金属膜には限定されず、ＴａＮやＴｉＮなど、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される一又は複数の金属元素を含む金属膜の他に、導電性金属窒化膜、あるいはこれらの積層膜であってもよい。前記バリアメタル膜２８Ｂは、先のバリアメタル膜２２と同様に、酸化物や欠陥を含んでいてもよい。
【００６６】
次に図１３Ｇに示すように、前記図１３Ｆの構造上にはＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍが前記バリアメタル膜２８Ｂを、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２８Ｖの断面形状に整合した形状で覆うように、Ａｒ／窒素混合ガスなど、窒素を含む雰囲気中で行われるスパッタ法により、約１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。
【００６７】
さらに図１３Ｈに示すように、前記図１３Ｇの構造上にはＣｕ層２８Ｃ１が前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍを覆うように、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＣＶＤ法により、２５〜６５ｎｍの膜厚に形成される。また前記図１３Ｈの構造上に、図１３Ｉに示すように、Ｃｕ層２８Ｃ２が、前記Ｃｕ層２８Ｃ１をメッキシード層とした電解メッキ法により、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖを充填するように形成される。
【００６８】
さらに図１３Ｊに示すように、前記層間絶縁膜２８上の前記Ｃｕ層２８Ｃ１，２８Ｃ２、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍおよびバリアメタル膜２８Ｂが、前記層間絶縁膜２８の表面が露出するまで、ＣＭＰにより研磨・除去される。また図１３Ｋに示すように、前記図１３Ｊの構造上にＳｉＮ膜あるいはＳｉＣ膜よりなるキャップ層２９が、典型的には４００℃の基板温度で実行されるプラズマＣＶＤ法により形成される。
【００６９】
このようなキャップ層２９の形成に伴う熱により、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖ中において、前記Ｃｕ層２８Ｃ１およびＣｕ層２８Ｃ２は融合し、単一のＣｕ配線パターン２８Ｃあるいはこれから連続的に延出するＣｕビアプラグ２８Ｖを形成する。
【００７０】
また、このようなキャップ層２９の形成に伴う熱により、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜２８Ｂに移動し、前記層間絶縁膜２６，２８およびエッチングストッパ膜２５，２７からの酸素により、Ｍｎ酸化物の形で、前記バリアメタル膜２８Ｂ中、あるいは前記バリアメタル膜２８ＢとＣｕ配線パターン２８ＣあるいはＣｕビアプラグ２８Ｖとの界面、あるいは前記バリアメタル膜２８Ｂと層間絶縁膜２６あるいは２８の界面、あるいは前記バリアメタル膜２８Ｂとエッチングストッパ膜２５あるいは２７との界面、あるいはＣｕ配線パターン２８Ｃとキャップ層２９の界面に、安定に析出する。
【００７１】
また、前記バリアメタル膜２８Ｂに欠陥が存在するような場合には、かかる欠陥が、このようにして析出したＭｎ酸化物により、自己修復される。
【００７２】
さらに、このように前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ金属層２８Ｍ中のＭｎ原子が前記バリアメタル膜２８Ｂに移動するのに伴い、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍの当初の表面に対応する位置には、先に説明した図１３Ｇの工程において前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍの表面に形成された酸化層に対応するＭｎ酸化層２８Ｏｘが、前記バリアメタル膜２８Ｂの表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して、形成されている。
その結果、図１３Ｋに示すように、前記Ｃｕ配線パターン２８Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２８Ｍが存在していた領域２８ｃ１に形成されたＣｕ層と、当初のＣｕ層２８Ｃ１，２８Ｃ２が存在していた領域２８ｃ２に形成されたＣｕ層とより構成される。
【００７３】
本実施形態では、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ層２８ＭがＮを含んでいるため、図１３Ｋのような熱処理工程が実行されても、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ層２８Ｍ中のＭｎ原子がＣｕ配線パターン２８ＣあるいはＣｕビアプラグ２８Ｖの奥深くまで拡散することがなく、Ｃｕ配線パターン２８ＣあるいはＣｕビアプラグ２８Ｖにおける抵抗値の増大が抑制される。
【００７４】
トランジスタが形成されたシリコン基板などの半導体基板上において、このような工程を繰り返すことにより、本発明では図１４に示す半導体装置４０を製造することが可能となる。
【００７５】
図１４を参照するに、シリコン基板４１上には素子分離構造４１Ｉにより素子領域４１Ａが画成されており、前記素子領域４１Ａにおいては前記シリコン基板４１上に、それぞれゲート絶縁膜４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを介して、ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃが形成されている。
【００７６】
また前記素子領域４１Ａにおいては前記シリコン基板４１中、前記ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃに隣接して、ｐ型あるいはｎ型の拡散領域４１ａ，４１ｂ，４１ｃが形成されている。
【００７７】
前記ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃは、それぞれＳｉＯＮなどの絶縁膜４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃにより覆われる。さらに前記シリコン基板４１上には、前記ゲート電極４３Ａ〜４３Ｃを、前記絶縁膜４４Ａ〜４４Ｃをそれぞれ介して覆うように、シリコン酸化膜などよりなる絶縁膜４４が形成されている。また、前記絶縁膜４４には前記拡散領域４１ｂを露出するビアホール４４Ｖ１、前記拡散領域４１ｃを露出するビアホール４４Ｖ２が形成されている。これらビアホール４４Ｖ１、４４Ｖ２の側壁面および底面は、例えばＴｉおよびＴｉＮより成るバリアメタル膜４６Ｂ１により連続的に覆われており、さらに前記ビアホール４４Ｖ１、４２Ｖ２は、タングステン４６Ｖ１、４６Ｖ２によりそれぞれ充填されている。
【００７８】
前記絶縁膜４４上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４５を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜４６が形成される。
【００７９】
前記層間絶縁膜４６中には、配線溝４６Ｔ１および４６Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜４４には前記配線溝４６Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜４５を貫通して、前記拡散領域４１ｂを露出するビアホール４４Ｖ１が形成される。また前記絶縁膜４４には前記配線溝４６Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜４５を貫通して、前記拡散領域４１ｃを露出するビアホール４４Ｖ２が形成されている。
【００８０】
前記配線溝４６Ｔ１およびビアホール４４Ｖ１の側壁面および底面はＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜４６Ｂ１により覆われている。前記配線溝４６Ｔ１およびビアホール４４Ｖ１は、前記バリアメタル膜４６Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ４６Ｖ１により充填されている。
【００８１】
同様に、前記配線溝４６Ｔ２およびビアホール４４Ｖ２の側壁面および底面は、ＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜４６Ｂ２により覆われている。前記配線溝４６Ｔ２およびビアホール４４Ｖ２は、前記バリアメタル膜４６Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン４６Ｃ２およびこれに連続するＣｕビアプラグ４６Ｖ２により充填されている。
【００８２】
前記層間絶縁膜４６上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４７を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜４８が形成される。前記層間絶縁膜４８上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４９を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５０が形成されている。
【００８３】
前記層間絶縁膜５０中には、配線溝５０Ｔ１，５０Ｔ２および５０Ｔ３が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜４８には前記配線溝５０Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１を露出するビアホール４８Ｖ１が形成される。また前記絶縁膜４８には前記配線溝５０Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１を露出するビアホール４８Ｖ２が形成されている。また前記絶縁膜４８中には前記配線溝５０Ｔ３に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ２を露出するビアホール４８Ｖ３が形成されている。
【００８４】
前記配線溝５０Ｔ１およびビアホール４８Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ１およびビアホール４８Ｖ１は、前記バリアメタル膜５０Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ１により充填されている。
【００８５】
同様に、前記配線溝５０Ｔ２およびビアホール４８Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ２およびビアホール４８Ｖ２は、前記バリアメタル膜５０Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ２およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ２により充填されている。
【００８６】
同様に、前記配線溝５０３およびビアホール４８Ｖ３の側壁面および底面は、ＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ３により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ３およびビアホール４８Ｖ３は、前記バリアメタル膜５０Ｂ３を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ３およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ３により充填されている。
【００８７】
前記層間絶縁膜５０上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５１を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５２が形成される。
前記層間絶縁膜５２上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５３を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５４が形成されている。
【００８８】
前記層間絶縁膜５４中には、配線溝５４Ｔ１および５４Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜５２には前記配線溝５４Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜５３を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５０Ｃ２を露出するビアホール５２Ｖ１が形成されている。また前記絶縁膜５２には前記配線溝５４Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜５３を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５０Ｃ３を露出するビアホール５２Ｖ２が形成されている。
【００８９】
前記配線溝５４Ｔ１およびビアホール５２Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ１およびビアホール５２Ｖ１は、前記バリアメタル膜５４Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５４Ｖ１により充填されている。
【００９０】
同様に、前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２は、前記バリアメタル膜５４Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２およびこれに連続するＣｕビアプラグ５４Ｖ２により充填されている。
【００９１】
前記層間絶縁膜５４上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５５を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５６が形成されている。前記層間絶縁膜５６上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５７を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５８が形成されている。
【００９２】
前記層間絶縁膜５８中には、配線溝５８Ｔ１および５８Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１を露出するビアホール５６Ｖ１が形成されている。また前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１を露出するビアホール５６Ｖ２が形成されている。同様に、前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ３に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２を露出するビアホール５６Ｖ３が形成されている。
【００９３】
前記配線溝５８Ｔ１およびビアホール５６Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５８Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５８Ｔ１およびビアホール５６Ｖ１は、前記バリアメタル膜５８Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５８Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５８Ｖ１により充填されている。
【００９４】
同様に、前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２は、前記バリアメタル膜５４Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２および５４Ｖ２により充填されている。
【００９５】
さらに前記層間絶縁膜５８上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５９を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜６０が形成されている。前記層間絶縁膜６０上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜６１を介して、ＳｉＯ2などの別の層間絶縁膜６２が形成されている。
【００９６】
前記別の層間絶縁膜６２中には、配線溝６２Ｔが、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記層間絶縁膜６０には前記配線溝６２Ｔに対応して、前記エッチングストッパ膜５９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５８Ｃ３を露出するビアホール６０Ｖ１が形成される。
【００９７】
前記配線溝６２Ｔおよびビアホール６０Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜６８Ｂにより連続的に覆われている。前記配線溝６２Ｔおよびビアホール６１Ｖ１は、前記バリアメタル膜６２Ｂを介して、ＡｌやＣｕよりなる配線パターン６２Ｃおよびこれに連続するＣｕあるいはＡｌよりなるビアプラグ６２Ｖにより充填されている。
【００９８】
さらに前記別の層間絶縁膜６２上には、前記配線パターン６２Ｃを覆うように、ＳｉＮなどよりなるキャップ膜６３が、プラズマＣＶＤ法などにより、形成されている。
【００９９】
図１４の半導体装置４０では、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３・・・などの形成の際に、それぞれのバリアメタル膜に隣接して、先に説明したＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層２３あるいは２８Ｍに相当するＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層を形成している。
【０１００】
このため、前記キャップ膜６３の形成の際に、前記Ｍｎ原子は前記隣接するバリアメタル膜に移動し、当初のＣｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層の表面に相当する部分にのみ、Ｍｎ酸化物の薄い層４６Ｏｘ１〜４６Ｏｘ２，５０Ｏｘ１〜５０Ｏｘ３，５４Ｏｘ１〜５４Ｏｘ２，５８Ｏｘ１〜５８Ｏｘ３が、図１４中に破線で示すように残留する特徴的な断面構造が得られる。またその際に、前記Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層がＮを含んでいるため、前記Ｍｎ原子がＣｕ配線パターンあるいはＣｕビアプラグに奥深く拡散するのが抑制され、Ｃｕ配線パターンあるいはＣｕビアプラグの抵抗の増大が抑制される。
【０１０１】
なお、本実施形態において、前記図１３Ｈの工程で、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖの充填を、単一あるいは複数回に分けた、例えばＭＯＣＶＤ法によるＣｕ層の堆積により実行することも可能である。この場合は、前記配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖは、ＭＯＣＶＤ法により堆積したＣｕ層により充填され、図１３Ｉの電解メッキ工程を省略できる。
【０１０２】
また本実施形態では、前記図１３Ｈに示される配線溝２８Ｔおよびビアホール２６Ｖ中におけるＣｕ層２８Ｃ１がスパッタリング法で形成され、前記配線溝２８Ｔ、ビアホール２６Ｖを電解メッキ法で充填した後、熱処理が施される。
【０１０３】
同様に、図１４の半導体装置４０でも、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３・・・などの形成の際に、先に説明したＣｕ層Ｃｕ膜２２Ｃ１あるいはＣｕ層２６Ｃ１に相当するＣｕ層をスパッタリング法で形成し、さらには電解メッキ法を用いてＣｕ層を充填する場合にも同様な熱処理を施す。
【０１０４】
なお、以上の説明では、Ｃｕ−Ｍｎ合金層を使ってバリアメタル膜の欠陥を自己修復する場合の、Ｎの導入によるＭｎの拡散抑制技術について説明したが、本発明のような窒素の導入は、Ｃｕ−Ａｌ合金層を使ってバリアメタル膜の欠陥を自己修復する場合においても、Ａｌの拡散の抑制に有効である。
【０１０５】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部と、
前記凹部の内壁に形成された高融点金属膜と、
前記高融点金属膜上に形成された銅とマンガンと窒素を含む金属膜と、
前記金属膜上に形成され、前記凹部を充填する銅膜と、
を含む半導体装置。
（付記２）
前記金属膜は、単層または複数層よりなる付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記金属膜は、０．３ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚を有する付記１または２記載の半導体装置。
（付記４）
前記高融点金属膜は、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される少なくとも一つの元素を含む付記１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記５）
前記金属膜は、前記銅膜の近傍の第１の側に、前記第１の側と反対の第２の側におけるよりも多くの窒素を含む付記２〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記６）
前記金属膜と前記銅膜との界面には酸素の濃集部が形成されており、前記銅膜中においてマンガンは、前記酸素の濃集部から３００ｎｍ以内の領域に主として含まれる付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記７）
半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁に高融点金属膜を形成する工程と、
前記高融点金属膜上に、銅とマンガンと窒素を含む金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を形成後、少なくとも前記凹部を埋める銅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８）
前記金属膜は、窒素含有雰囲気中にてスパッタリング法を用いて形成される付記７記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）
さらに前記金属膜と前記銅膜との間に、銅からなるシード層を形成する工程を有する付記７または８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記窒素含有雰囲気は、窒素ガスおよびアンモニアガスのいずれかを含む付記９記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記窒素含有雰囲気は、窒素ガスを７％以上の分圧で含む付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
さらに前記絶縁膜上において前記銅膜の平坦化を行う工程を含む付記７〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】関連技術を説明する図である。
【図２】前記関連技術によるＣｕ配線パターンの試料を示す図である。
【図３Ａ】図２の試料を形成する工程を示す図（その１）である。
【図３Ｂ】図２の試料を形成する工程を示す図（その２）である。
【図３Ｃ】図２の試料を形成する工程を示す図（その３）である。
【図３Ｄ】図２の試料を形成する工程を示す図（その４）である。
【図３Ｅ】図２の試料を形成する工程を示す図（その５）である。
【図４】図１の結果を説明する図である。
【図５】前記関連技術の課題を説明する図である。
【図６】前記関連技術の課題を説明する別の図である。
【図７Ａ】第１の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その１）である。
【図７Ｂ】第１の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その２）である。
【図７Ｃ】第１の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その３）である。
【図７Ｄ】第１の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その４）である。
【図７Ｅ】第１の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その５）である。
【図８】Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層を使った場合のＭｎの拡散抑制効果を示す図である。
【図９】図８の比較対照例を示す図である。
【図１０】Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層の形成条件を示す図である。
【図１１Ａ】第１の実施形態の変形例によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その１）である。
【図１１Ｂ】第１の実施形態の変形例によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その２）である。
【図１２Ａ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その１）である。
【図１２Ｂ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その２）である。
【図１２Ｃ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その３）である。
【図１２Ｄ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その４）である。
【図１２Ｅ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その５）である。
【図１２Ｆ】第２の実施形態によるＣｕ配線パターンの形成工程を示す図（その６）である。
【図１３Ａ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１３Ｂ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１３Ｃ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１３Ｄ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１３Ｅ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図１３Ｆ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図１３Ｇ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図１３Ｈ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図１３Ｉ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図１３Ｊ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１０）である。
【図１３Ｋ】第３の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１１）である。
【図１４】第３の実施形態による半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１１，２１  絶縁膜
１１Ｔ，２１Ｔ  凹部
１２，２２  バリアメタル膜
１３，２３Ｍ  Ｃｕ−Ｍｎ合金層
１４，２４  Ｃｕ層
１４Ａ，２４Ａ  Ｃｕパターン
１４Ｂ，２４Ｂ  Ｃｕ配線パターン
２３，２３Ｎ  Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層
２３Ｏｘ  酸素濃集部
２４ｂ  領域
２５，２７  エッチングストッパ膜
２６，２８  層間絶縁膜
２７Ｖ開口部
２８Ｃ１  Ｃｕシード層
２８Ｃ２  Ｃｕ電解メッキ層
２８Ｂ  バリアメタル膜
Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎ合金層
２８Ｔ  配線溝
２８Ｃ１，２８Ｃ２  Ｃｕ領域
２９  キャップ層
４０  半導体装置
４１Ａ  素子領域
４１Ｉ  素子分離構造
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  拡散領域
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ  ゲート絶縁膜
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ  ゲート電極
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ  絶縁膜
４４Ｖ１〜４４Ｖ２，４８Ｖ１〜４８Ｖ３，５６Ｖ１〜５６Ｖ２，６０Ｖ  ビアホール
４５，４７，４９，５１，５３，５７，５９，６１  エッチングストッパ膜
４６，４８，５０，５２，５４，５６，５８，６０  層間絶縁膜
４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３  Ｃｕ配線パターン
４６Ｔ１〜４６Ｔ２，５０Ｔ１〜５０Ｔ３，５４Ｔ１〜５４Ｔ２，５８Ｔ１〜５８Ｔ３，６２Ｔ  配線溝
４６Ｖ１〜４６Ｖ２，４８Ｖ１〜４８Ｖ３，５４Ｖ１〜５４Ｖ２，５８Ｖ１〜５８Ｖ３，６２Ｖ  Ｃｕビアプラグ
４６Ｂ１〜４６Ｂ２，５０Ｂ１〜５０Ｂ３，５４Ｂ１〜５４Ｂ２，５８Ｂ１〜５８Ｂ３，６２Ｂ  バリアメタル膜
６３  キャップ層
【図１】
2010010250.tif 000003
【図２】
2010010250.tif 000004
【図３Ａ】
2010010250.tif 000005
【図３Ｂ】
2010010250.tif 000006
【図３Ｃ】
2010010250.tif 000007
【図３Ｄ】
2010010250.tif 000008
【図３Ｅ】
2010010250.tif 000009
【図４】
2010010250.tif 000010
【図５】
2010010250.tif 000011
【図６】
2010010250.tif 000012
【図７Ａ】
2010010250.tif 000013
【図７Ｂ】
2010010250.tif 000014
【図７Ｃ】
2010010250.tif 000015
【図７Ｄ】
2010010250.tif 000016
【図７Ｅ】
2010010250.tif 000017
【図８】
2010010250.tif 000018
【図９】
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【図１０】
2010010250.tif 000020
【図１１Ａ】
2010010250.tif 000021
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
2010010250.tif 000023
【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
2010010250.tif 000026
【図１２Ｅ】
2010010250.tif 000027
【図１２Ｆ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【図１３Ｊ】
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【図１３Ｋ】
2010010250.tif 000039
【図１４】
2010010250.tif 000040