(57)【要約】【課題】絶縁耐性を向上することが可能な半導体装置の製造装置を提供する。【解決手段】半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、前記トレンチの内面に成膜された第１の拡散防止膜と、前記トレンチ内に前記第１の拡散防止膜を介して埋め込まれたＣｕ配線層と、前記層間絶縁膜上および前記Ｃｕ配線層上に形成された第２の拡散防止膜と、前記Ｃｕ配線層と前記第２の拡散防止膜との間の第１の界面に形成され、Ｃｕを主成分とする合金層と、Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して前記層間絶縁膜と前記第２の拡散防止膜との間の第２の界面に形成された前記第１の反応層と、Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第２の拡散防止膜の下層部と反応して前記第１の界面および前記第２の界面に形成された第２の反応層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第１の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第１の拡散防止膜を介して埋め込まれたＣｕ配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Ｃｕ配線層の上部に形成された第２の拡散防止膜と、
前記Ｃｕ配線層と前記第２の拡散防止膜との間の第１の界面に形成され、Ｃｕを主成分とする合金層と、
Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第２の拡散防止膜との間の第２の界面に形成された前記第１の反応層と、
Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第２の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第１の反応層上に形成された第２の反応層と、を備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素には、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｓｉ、およびＣの少なくとも何れか１つの元素が含まれる
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】
前記第２の拡散防止膜は、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、またはＳｉＣの何れかを主成分とする絶縁膜からなる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記層間絶縁膜は、Ｌｏｗ−ｋ膜であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の半導体装置。
【請求項５】
層間絶縁膜中にＣｕ配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちＣｕ配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第１の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第１の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Ｃｕ配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Ｃｕ配線層上および前記層間絶縁膜上に、第２の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第２の拡散防止膜と前記Ｃｕ配線層との間の第１の界面、および前記第２の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第２の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第１の界面近傍および前第２の界面近傍に熱を加える工程と、備える
ことを特徴とする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、Ｃｕ配線層を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、配線の微細化により、Ａｌに代わる配線材料として、抵抗値が低いＣｕが用いられている。
【０００３】
そして、この配線の微細化によるＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性の劣化や、層間絶縁膜に低誘電率膜（特にポーラスＬｏｗ−ｋ膜）を適用することによるＣｕ配線層間のＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性の劣化が、問題となっている。
【０００４】
ここで、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、ＣＭＰによるＣｕ配線層の平坦化後、Ｃｕ配線層上に拡散防止膜（ＳｉＣＮ膜）を成膜する前に、還元性のガス（例えば、ＮＨ３）を用いたプラズマ処理によりＣｕに反応した酸素を還元する方法が採用されている。これにより、ＥＭ耐性を向上させる。
【０００５】
しかし、この半導体装置の製造方法では、低誘電率膜（特に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜）の表層部に、該プラズマ処理により、ダメージ層が形成される。このダメージ層とその上に形成される拡散防止膜との間の界面でリーク電流が流れ、絶縁耐性が劣化し得る。
【０００６】
また、ＥＭ耐性を向上させる技術として、従来の半導体装置の製造方法には、例えば、ＣｏＷＰやＣｏＷＢをＣｕ配線層上部に選択的に形成するものがある（例えば、特許文献１、２参照。）。このＣｏＷＰやＣｏＷＢが、Ｃｕ配線層とこのＣｕ配線層上の層間絶縁膜との間に介在することにより、ＥＭ耐性を向上させることができる。
【０００７】
しかし、このＥＭ耐性向上のための半導体装置の製造方法においては、Ｃｕが形成されている層間絶縁膜を形成した後に、Ｃｕ配線間の層間絶縁膜表面のＣｏＷＰやＣｏＷＢを除去することになるが、Ｃｕ配線層間の層間絶縁膜表面に残渣が発生する。この残渣により配線間のショートが生じ得る。
【０００８】
このように、上記従来技術では、Ｃｕ配線層と拡散防止膜との界面（Ｃｕ/ＳｉＣＮ界面）、および低誘電率膜と拡散防止膜（ＳｉＣＮ膜）との界面における、絶縁耐圧の向上が困難であるという問題があった。
【特許文献１】特開２００６−２５３６６６号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、絶縁耐性を向上することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置は、
半導体基板上に形成され、トレンチが形成された層間絶縁膜と、
前記トレンチの内面に成膜された第１の拡散防止膜と、
前記トレンチ内に前記第１の拡散防止膜を介して埋め込まれたＣｕ配線層と、
前記層間絶縁膜の上部および前記Ｃｕ配線層の上部に形成された第２の拡散防止膜と、
前記Ｃｕ配線層と前記第２の拡散防止膜との間の第１の界面に形成され、Ｃｕを主成分とする合金層と、
Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記層間絶縁膜の上層部と反応して、前記層間絶縁膜と前記第２の拡散防止膜との間の第２の界面に形成された前記第１の反応層と、
Ｃｕ以外の前記合金層を構成する元素と同じ種類の元素が前記第２の拡散防止膜の下層部と反応して、前記合金層上および前記第１の反応層上に形成された第２の反応層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る実施例に従った半導体装置の製造方法は、
層間絶縁膜中にＣｕ配線層を形成するための半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜のうちＣｕ配線層を形成する領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第１の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第１の拡散防止膜が成膜された前記トレンチ内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線層を形成する工程と、
還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、前記Ｃｕ配線層の上面の酸化物を還元除去する工程と、
前記Ｃｕ配線層上および前記層間絶縁膜上に、第２の拡散防止膜を成膜する工程と、
前記第２の拡散防止膜と前記Ｃｕ配線層との間の第１の界面、および前記第２の拡散防止膜と前記層間絶縁膜との間の第２の界面に、元素をイオン注入する工程と、
前記第１の界面近傍および前第２の界面近傍に熱を加える工程と、備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の一態様である実施例１に係る半導体装置１００の構成の一例を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、半導体装置１００は、層間絶縁膜１と、第１の反応層１ａと、第１の拡散防止膜２と、Ｃｕ配線層３と、合金層３ａと、第２の拡散防止膜４と、第２の反応層４ａと、層間絶縁膜５と、第３の拡散防止膜６と、Ｃｕ配線層７と、ビア９と、を備える。
【００１６】
層間絶縁膜１は、半導体基板上（図示せず）に形成され、トレンチ１ｂが形成されている。層間絶縁膜１には、例えば、低誘電率膜（特に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜）が選択される。この層間絶縁膜１は、例えば、ＳｉＯＣ膜である。
【００１７】
第１の拡散防止膜２は、トレンチ１ｂの内面に成膜されている。この第１の拡散防止膜２は、Ｃｕ配線層３から層間絶縁膜１へのＣｕの拡散を防止する膜として機能する。この第１の拡散防止膜２には、例えば、ＴａあるいはＴａＮ／Ｔａ積層が選択される。
【００１８】
Ｃｕ配線層３は、トレンチ１ｂ内に第１の拡散防止膜２を介して埋め込まれている。このＣｕ配線層３は、該半導体基板上に形成された素子等（図示せず）に電気的に接続されている。
【００１９】
第２の拡散防止膜４は、層間絶縁膜１の上部およびＣｕ配線層３の上部に形成されている。この第２の拡散防止膜４は、Ｃｕ配線層３から低誘電率膜からなる層間絶縁膜５へのＣｕの拡散を防止する膜として機能する。この第２の拡散防止膜４は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、またはＳｉＣの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。本実施例では、この第２の拡散防止膜４は、ＳｉＣＮ膜である。
【００２０】
合金層３ａは、Ｃｕ配線層３と第２の拡散防止膜４との間の第１の界面１０に形成されている。この合金層３ａは、Ｃｕを主成分とし、Ｃｕ以外の合金層３ａを構成する元素には、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｓｉ、およびＣの少なくとも何れか１つの元素が含まれている。本実施例では、この合金層３ａは、ＣｕとＭｎの合金で構成されている。
【００２１】
第１の反応層１ａは、層間絶縁膜１と第２の拡散防止膜４との間の第２の界面１１に形成されている。本実施例の第１の反応層１ａにおいては、Ｃｕ以外の合金層３ａを構成する元素と同じ種類の元素（Ｍｎ）が層間絶縁膜１の上層部と反応してＳｉＯＣ−Ｍｎ反応層が形成されている。
【００２２】
第２の反応層４ａは、少なくとも第１の界面１０および第２の界面１１（すなわち合金層３ａ上および第１の反応層１ａ上に）に形成されている。この実施例の第２の反応層４ａは、Ｃｕ以外の合金層を構成する元素と同じ種類の元素（Ｍｎ）が第２の拡散防止膜４の下層部と反応してＳｉＣＮ−Ｍｎ反応層が形成されている。
【００２３】
Ｃｕ配線層７は、第２の拡散防止膜４上に形成された層間絶縁膜５中に、形成されている。このＣｕ配線層７は、Ｃｕからなるビア９および合金層３ａを介して、Ｃｕ配線層３と電気的に接続されている。
【００２４】
なお、Ｃｕ配線層７およびビア９と、層間絶縁膜５と、の間には、第３の拡散防止膜６が形成されている。この第３の拡散防止膜６は、Ｃｕ配線層７およびビア９から層間絶縁膜５へのＣｕの拡散を防止する膜として、機能する。
【００２５】
また、前述した合金層３ａ、第１の反応層１ａ、第２の反応層４ａ、第２の拡散防止層４と同様の構成（図示せず）が、層間絶縁膜５およびＣｕ配線層７上に形成される。
【００２６】
ここで、以上のような構成を有する半導体装置１００を製造する方法、すなわち、層間絶縁膜中にＣｕ配線層を形成するための製造方法の一例について説明する。
【００２７】
図２Ａないし図２Ｆは、実施例１に係る半導体装置の製造方法の各工程の断面を示す断面図である。
【００２８】
先ず、半導体基板（図示せず）上に形成された層間絶縁膜１をエッチングして、層間絶縁膜１のうちＣｕ配線層３を形成する領域にトレンチ１ｂを形成する。そして、このトレンチ１ｂの内面および層間絶縁膜１上に、例えば、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により層間絶縁膜１へのＣｕの拡散を防止するための第１の拡散防止膜２を成膜する（図２Ａ）。
【００２９】
なお、既述のように、層間絶縁膜１は、低誘電率膜（特に、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜）である。この層間絶縁膜１は、より具体的には、例えば、ＳｉＯＣ膜である。
【００３０】
また、既述のように、第１の拡散防止膜２には、例えば、ＴａあるいはＴａＮ／Ｔａ積層が選択される。
【００３１】
次に、第１の拡散防止膜２の表面にシード層（図示せず）を形成後さらにその表面に、例えば、電界メッキ等により、導電性材料としてＣｕを成膜させる。これにより、第１の拡散防止膜２が成膜されたトレンチ内に導電性材料であるＣｕを埋め込んでＣｕ配線層３を形成する。
【００３２】
さらに、例えば、ＣＭＰにより、Ｃｕ配線層３および第１の拡散防止膜２を研磨して、層間絶縁膜１の上面が露出するように平坦化する（図２Ｂ）。
【００３３】
次に、還元性のガスをプラズマ励起させるプラズマ処理により、Ｃｕ配線層３の上面の酸化物（例えばＣｕＯｘ等）を還元除去する。このとき、該プラズマ処理により、層間絶縁膜１が、例えば、ＳｉＯＣ膜である場合、該ＳｉＯＣ膜の表層部はメチル基が切れた準安定状態になる。
【００３４】
すなわち、該プラズマ処理により、層間絶縁膜１の上層部にダメージ層１０１が形成される（図２Ｃ）。
【００３５】
なお、該還元性のガスは、例えば、Ｈ２もしくはＮＨ３を含む。
【００３６】
次に、ＰＥＣＶＤにより、Ｃｕ配線層３上および層間絶縁膜１上に、第２の拡散防止膜４を成膜する（図２Ｄ）。
【００３７】
なお、既述のように、第２の拡散防止膜４は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、またはＳｉＣの何れかを主成分とする絶縁膜からなる。
【００３８】
次に、イオン注入により、第２の拡散防止膜４とＣｕ配線層３との間の第１の界面１０、および第２の拡散防止膜４と層間絶縁膜１との間の第２の界面１１の深さまで、第２の拡散防止膜４を介して、元素（本実施例では、Ｍｎ）を注入する（図２Ｅ）。
【００３９】
なお、このイオン注入は、例えば、加速エネルギ：１〜１００ｋｅＶ、注入量：１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１７／ｃｍ２の条件で実施される。
【００４０】
また、該元素には、Ｍｎに代えて、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｓｉ、およびＣの少なくとも何れか１つの元素が含まれていてもよい。
【００４１】
ここで、図３Ａは、図２Ｅに示す第１の界面１０を含む領域Ｘを拡大した構成を示す断面図である。また、図３Ｂは、図２Ｅに示す第２の界面１１を含む領域Ｙを拡大した構成を示す断面図である。
【００４２】
上述のように、Ｍｎをイオン注入することにより、第１の界面１０の近傍に、イオン注入層８が形成される（図３Ａ）。これにより、ＣｕおよびＳｉＣＮを構成する分子の結合は切れ、Ｃｕ/ＳｉＣＮ界面はミキシングされる。
【００４３】
また、上述のように、Ｍｎをイオン注入することにより、第２の界面１１の近傍にも、イオン注入層８が形成される（図３Ｂ）。これにより、ダメージ層１０１と層間絶縁膜（ＳｉＣＮ膜）４との第２の界面１１についても、同様にミキシングが起こる。
【００４４】
ここで、図４Ａは、図２Ｆに示す第１の界面１０を含む領域Ｘを拡大した構成を示す断面図である。また、図４Ｂは、図２Ｆに示す第２の界面１１を含む領域Ｙを拡大した構成を示す断面図である。
【００４５】
該イオン注入の後、第１の界面近傍および第２の界面近傍を、加熱（例えば、２５０℃、６０分）する。
【００４６】
これにより、第１の界面１０のうち、Ｃｕ配線層３側には、Ｃｕ-Ｍｎからなる合金層３ａが形成され、第２の拡散防止層４側には、ＳｉＣＮ-Ｍｎからなる第２の反応層４ａが形成される（図２Ｆ、図４Ａ）。
【００４７】
また、第２の界面１１のうち、層間絶縁膜１側には、ＳｉＯＣ-Ｍｎからなる第１の反応層１ａが形成され、第２の拡散防止層４側には、ＳｉＣＮ-Ｍｎからなる第２の反応層４ａが形成される（図２Ｆ、図４Ｂ）。
【００４８】
ＣｕとＭｎの合金は、Ｃｕ単体に比べて、ＥＭ耐性は高い。そこで、上述のように、Ｃｕのマイグレーションが最も起こり易いＣｕ配線層３と第２の拡散防止膜４との間の第１の界面１０に、合金層３ａを形成し、ＥＭ耐性を向上させる。
【００４９】
また、ダメージ層１０１および第２の拡散防止膜４の切れたボンドが、加熱処理によりＭｎと再結合する。これにより、第２の界面１１の絶縁耐性がより向上される。さらに、第２の界面１１の近傍において、異種材料による不連続界面が存在しなくなるため、第２の界面１１における界面リークが抑制される。
【００５０】
なお、上述の加熱処理のために、必ずしも別途工程を設ける必要はなく、例えば、拡散層を形成するための加熱処理や層間絶縁膜を形成するための加熱処理等が実施されればよい。すなわち、この加熱処理は、必ずしもイオン注入後すぐに実施される必要はなく、例えば、後述の多層配線が形成される途中、またはその後に、実施されてもよい。
【００５１】
次に、例えばＰＥＣＶＤにより、第２の拡散防止膜４上に層間絶縁膜５を形成する。その後、層間絶縁膜５の内部にトレンチ・コンタクトホールを形成した後、第３の拡散防止膜６を成膜し、さらに、例えば、デュアルダマシン法により、Ｃｕ配線層７およびビア９をそれぞれ形成する。これにより、図１に示す半導体装置１００の構成が形成される。
【００５２】
なお、必要に応じて、以上の工程を適宜繰り返すことにより、多層配線層を形成することができる。
【００５３】
以上の工程により、Ｃｕ配線層と第２の拡散防止膜との界面に合金層を形成してＥＭ耐性を向上させるとともに、第２の拡散防止膜の成膜時に層間絶縁膜に形成されたダメージ層を改質し、ＴＤＤＢ耐性を向上させることができる。
【００５４】
以上のように、本実施例に係る半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁耐性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一態様である実施例１に係る半導体装置１００の構成の一例を示す断面図である。
【図２Ａ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の工程の断面を示す断面図である。
【図２Ｂ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の図２Ａに続く工程の断面を示す断面図である。
【図２Ｃ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の図２Ｂに続く工程の断面を示す断面図である。
【図２Ｄ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の図２Ｃに続く工程の断面を示す断面図である。
【図２Ｅ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の図２Ｄに続く工程の断面を示す断面図である。
【図２Ｆ】実施例１に係る半導体装置１００の製造方法の図２Ｅに続く工程の断面を示す断面図である。
【図３Ａ】図２Ｅに示す第１の界面１０を含む領域Ｘを拡大した構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図２Ｅに示す第２の界面１１を含む領域Ｙを拡大した構成を示す断面図である。
【図４Ａ】図２Ｆに示す第１の界面１０を含む領域Ｘを拡大した構成を示す断面図である。
【図４Ｂ】図２Ｆに示す第２の界面１１を含む領域Ｙを拡大した構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  層間絶縁膜
１ａ  第１の反応層
１ｂ  トレンチ
２  第１の拡散防止膜
３  Ｃｕ配線層
３ａ  合金層
４  第２の拡散防止膜
４ａ  第２の反応層
５  層間絶縁膜
６  第３の拡散防止膜
７  Ｃｕ配線層
８  イオン注入層
９  ビア
１０  第１の界面
１１  第２の界面
１３  第４の拡散防止膜
１００  半導体装置  
１０１  ダメージ層  
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2010045161.tif 000012
【図４Ｂ】
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