(57)【要約】【課題】配線に含まれる金属の拡散を効果的に抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の実施の形態による半導体装置は、半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層中に形成された金属を含む配線と、前記配線の上面に接し、前記配線の上面の幅とほぼ等しい幅を有する第１の領域と、前記第１の領域上に位置する前記第１の領域の幅よりも広い幅を有する第２の領域を含む第１のバリアメタルと、前記配線の下面および側面、前記第１の領域の側面、ならびに前記第２の領域の下面に接する第２のバリアメタルと、を有する。【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た絶縁層と、
前記絶縁層中に形成された金属を含む配線と、
前記配線の上面に接し、前記配線の上面の幅とほぼ等しい幅を有する第１の領域と、前記第１の領域上に位置する前記第１の領域の幅よりも広い幅を有する第２の領域を含む第１のバリアメタルと、
前記配線の下面および側面、前記第１の領域の側面、ならびに前記第２の領域の下面に接する第２のバリアメタルと、
を有する半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層中に形成された配線と、
前記配線下に前記配線と一体に形成されたビアと、
前記配線の上面に接し、前記配線の上面の幅とほぼ等しい幅を有する第１の領域と、前記第１の領域上に位置する前記第１の領域の幅よりも広い幅を有する第２の領域を含む第１のバリアメタルと、
前記配線の下面および側面、前記ビアの下面および側面、前記第１の領域の側面、ならびに前記第２の領域の下面に接する第２のバリアメタルと、
を有する半導体装置。
【請求項３】
前記第１の領域の前記側面の高さと、前記第２の領域の前記下面の幅との合計は、前記配線の上面の高さと前記絶縁層の上面の高さの差と、前記第２のバリアメタルの厚さのうちの、大きい方の１００％以上である、
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体基板上の絶縁層に溝を形成する工程と、
前記溝の内面および前記絶縁層の前記溝の外側の上面上にバリアメタルを形成する工程と、
前記溝の外側の前記バリアメタル上に所定のパターンを有するレジストを形成することにより、前記レジストを側壁とする、前記溝よりも幅が広い他の溝を前記溝上に形成する工程と、
前記溝および前記他の溝内に金属を含む配線を形成する工程と、
前記配線の上面の高さを前記バリアメタルと前記レジストの界面の高さよりも下げる工程と、
前記配線の上面の高さを下げた後、前記配線上の前記溝内および前記他の溝内に他のバリアメタルを形成する工程と、
前記レジストを除去した後、前記他のバリアメタルとマスクとして前記バリアメタルをエッチングする工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記溝は配線溝および前記配線溝下のビアホールからなり、
前記ビアホール内にビア、前記配線溝および前記他の溝内に前記配線を連続的かつ一体に形成する、
請求項４に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、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の配線構造体として、銅配線と、銅配線の下面を覆う銅の拡散を抑制可能なバリアメタル層およびバリア層と、銅配線の上面および側面を覆う銅の拡散を抑制可能なキャッピング層と、を有する配線構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１等に記載の配線構造体によれば、銅配線の上面、下面、および側面を銅の拡散を抑制可能な層で覆っているため、銅の拡散を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００５−１６６７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、配線に含まれる金属の拡散を効果的に抑制することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層中に形成された金属を含む配線と、前記配線の上面に接し、前記配線の上面の幅とほぼ等しい幅を有する第１の領域と、前記第１の領域上に位置する前記第１の領域の幅よりも広い幅を有する第２の領域を含む第１のバリアメタルと、前記配線の下面および側面、前記第１の領域の側面、ならびに前記第２の領域の下面に接する第２のバリアメタルと、を有する半導体装置である。
【０００６】
また、本発明の他の態様は、半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層中に形成された配線と、前記配線下に前記配線と一体に形成されたビアと、前記配線の上面に接し、前記配線の上面の幅とほぼ等しい幅を有する第１の領域と、前記第１の領域上に位置する前記第１の領域の幅よりも広い幅を有する第２の領域を含む第１のバリアメタルと、前記配線の下面および側面、前記ビアの下面および側面、前記第１の領域の側面、ならびに前記第２の領域の下面に接する第２のバリアメタルと、を有する半導体装置である。
【０００７】
また、本発明の他の態様は、半導体基板上の絶縁層に溝を形成する工程と、前記溝の内面および前記絶縁層の前記溝の外側の上面上にバリアメタルを形成する工程と、前記溝の外側の前記バリアメタル上に所定のパターンを有するレジストを形成することにより、前記レジストを側壁とする、前記溝よりも幅が広い他の溝を前記溝上に形成する工程と、前記溝および前記他の溝内に金属を含む配線を形成する工程と、前記配線の上面の高さを前記バリアメタルと前記レジストの界面の高さよりも下げる工程と、前記配線の上面の高さを下げた後、前記配線上の前記溝内および前記他の溝内に他のバリアメタルを形成する工程と、前記レジストを除去した後、前記他のバリアメタルとマスクとして前記バリアメタルをエッチングする工程と、を含む、半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、配線に含まれる金属の拡散を効果的に抑制することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
〔第１の実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１の断面図である。図１（ｂ）は、第１のバリアメタル３の拡大断面図である。図１（ｃ）は、配線２中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【００１０】
半導体装置１は、半導体基板（図示しない）上に形成された第１の絶縁層５と、第１の絶縁層５中に形成された配線２と、配線２の上面２ａを覆う第１のバリアメタル３と、配線２の下面２ｂおよび側面２ｃを覆う第２のバリアメタル４と、第１のバリアメタル３および第１の絶縁層５上に形成された第２の絶縁層６と、を有する。
【００１１】
配線２は、Ｃｕ等の金属材料からなる。
【００１２】
第１のバリアメタル３は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ等の金属、またはこれらの金属を含む化合物からなり、配線２に含まれるＣｕ等の金属の拡散を抑制する性質を有する。また、第２のバリアメタル４は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ等の金属、またはこれらの金属を含む化合物からなり、配線２に含まれるＣｕ等の金属の拡散を抑制する性質を有する。
【００１３】
第１のバリアメタル３は、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂを含む。第１の領域３ａの下面３ｃは、配線２の上面２ａに接し、配線２の上面２ａの幅とほぼ等しい幅Ｌ１を有する。第２の領域３ｂは、第１の領域３ａ上に位置し、第１の領域３ａの幅Ｌ１よりも広い幅Ｌ２を有する。
【００１４】
第２のバリアメタル４は、配線２の下面２ｂおよび側面２ｃ、第１の領域３ａの側面３ｄ、ならびに第２の領域３ｂの下面３ｅに接する。
【００１５】
第１の絶縁層５および第２の絶縁層６は、ポリイミド、シリコン酸化膜等の絶縁材料からなる。
【００１６】
一般に、互いに接触する異なる部材間の界面では、それらの部材の内部よりも不純物が拡散しやすく、不純物の主な拡散経路となる。半導体装置１においては、第１のバリアメタル３と第２のバリアメタル４との間の界面である金属拡散経路７が、配線２中に含まれるＣｕ等の金属の拡散経路となる。本実施の形態においては、金属拡散経路７の距離を十分に大きくすることにより、配線２中に含まれる金属の第１の絶縁層５や第２の絶縁層６等の絶縁層への拡散を抑制することができる。
【００１７】
なお、金属拡散経路７の配線２から第２の絶縁層６への最短距離は、第１の領域３ａの側面３ｄの高さＬ３と、第２の領域３ｂの下面３ｅの幅Ｌ４との合計にほぼ等しくなる。高さＬ３と幅Ｌ４との合計が大きい場合に、配線２中に含まれる金属の第１の絶縁層５や第２の絶縁層６等の絶縁層への拡散を効果的に抑制することができる。例えば、高さＬ３と幅Ｌ４との合計は、後述するように、配線２の上面の高さと第１の絶縁層５の上面の高さの差と、第２のバリアメタル４の厚さのうちの、大きい方の１００％以上であることが好ましい。
【００１８】
（半導体装置の製造）
図２Ａ（ａ）〜（ｄ）、図２Ｂ（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
【００１９】
まず、図２Ａ（ａ）に示すように、半導体基板（図示しない）上の第１の絶縁層５に配線溝８ａを形成し、配線溝８ａの内面および配線溝８ａの外側の第１の絶縁層５の上面を覆うように第２のバリアメタル４を形成する。ここで、第２のバリアメタル４を形成した後の配線溝８ａの幅は、第１のバリアメタル３の第１の領域３ａの幅Ｌ１とほぼ等しい。
【００２０】
配線溝８ａは、例えば、フォトリソグラフィ法により所定のパターン有するレジスト（図示しない）を第１の絶縁層５上に形成した後、そのレジストをマスクとして第１の絶縁層５にエッチングを施すことにより形成される。また、第２のバリアメタル４は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等により形成される。
【００２１】
次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法等により、配線溝８ａの外側の第２のバリアメタル４上にレジスト９を形成する。レジスト９は、レジスト９を側壁とする配線溝８ｂを形成するために形成される。ここで、配線溝８ｂの幅は、第１のバリアメタル３の第２の領域３ｂの幅Ｌ２とほぼ等しい。
【００２２】
次に、図２Ａ（ｃ）に示すように、配線溝８ａ、８ｂ中に配線２を形成する。配線２は、電解めっき法等により形成される。
【００２３】
次に、図２Ａ（ｄ）に示すように、ウェットエッチング等のエッチングを配線２の上面に施して、配線２の上面の高さを配線溝８ａの外側の第２のバリアメタル４の上面の高さ（第２のバリアメタル４とレジスト９との界面の高さ）よりも低くする。
【００２４】
次に、図２Ｂ（ｅ）に示すように、配線２上の配線溝８ａ、８ｂ内に第１のバリアメタル３を形成する。第１のバリアメタル３は、ＰＶＤ法等により、上面の高さが配線溝８ａの外側の第２のバリアメタル４の上面の高さよりも高くなるように形成される。
【００２５】
次に、図２Ｂ（ｆ）に示すように、酸素アッシング等により、レジスト９を除去する。
【００２６】
次に、図２Ｂ（ｇ）に示すように、第１のバリアメタル３をマスクとして第２のバリアメタル４をエッチングする。
【００２７】
次に、図２Ｂ（ｈ）に示すように、第１の絶縁膜５および第１のバリアメタル３上に第２の絶縁膜６を形成する。
【００２８】
図３（ａ）は、比較例に係る半導体装置１０の断面図である。図３（ｂ）は、配線１２中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【００２９】
半導体装置１０は、半導体基板（図示しない）上に形成された第１の絶縁層１５と、第１の絶縁層１５上に形成され、配線１２の下面１２ｂを覆う第２のバリアメタル１４と、第２のバリアメタル１４上に形成された配線１２と、配線１２の上面１２ａおよび側面１２ｃを覆う第１のバリアメタル１３と、第１のバリアメタル１３および第１の絶縁層１５上に形成された第２の絶縁層１６と、を有する。なお、各部の材料および性質は第１の実施の形態の半導体装置１と同様であるとする。
【００３０】
第２のバリアメタル１４および配線１２は、例えば、次のような方法で形成される。まず、第１の絶縁層１５上の全面に第２のバリアメタル１４を形成し、その上にフォトリソグラフィ法等により所定のパターンを有するレジスト（図示しない）を形成する。次に、第２のバリアメタル１４の上面を底面、レジストを側壁とする溝内に配線１２を形成し、レジストを除去する。次に、配線１２をマスクとして第２のバリアメタル１４をエッチングし、配線１２の下面１２ｂに接する部分のみを残して除去する。次に、配線１２の上面１２ａおよび側面１２ｃに第１のバリアメタル１３を形成する。
【００３１】
半導体装置１０においては、第１のバリアメタル１３と第２のバリアメタル１４との間の界面である金属拡散経路１７が、配線１２中に含まれるＣｕ等の金属の拡散経路となる。金属拡散経路１７の配線１２から第１の絶縁層１５への最短距離は第２のバリアメタル１４の厚さとほぼ等しく、第１の実施の形態に係る金属拡散経路７の最短距離よりも短いため、配線１２中に含まれる金属が第１の絶縁層１５等の絶縁層へ拡散しやすい。
【００３２】
第１の実施の形態に係る金属拡散経路７の最短距離である高さＬ３と幅Ｌ４との合計は、その構造上、第２のバリアメタル１４の厚さに対応する配線２の上面の高さと第１の絶縁層５の上面の高さの差の１００％以上に設定されることができる。
【００３３】
図４（ａ）は、他の比較例に係る半導体装置２０の断面図である。図４（ｂ）は、配線２２中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【００３４】
半導体装置２０は、図示しない半導体基板上に形成された第１の絶縁層２５と、第１の絶縁層２５中に形成された配線２２と、配線２２の下面２２ｂおよび側面２２ｃを覆う第２のバリアメタル２４と、配線２２および第１の絶縁層２５上に形成された第１のバリアメタル２３と、第１のバリアメタル２３上に形成された第２の絶縁層２６と、を有する。なお、各部の材料および性質は第１の実施の形態の半導体装置１と同様であるとする。
【００３５】
第２のバリアメタル２４および配線２２は、通常のダマシン法により第１の絶縁層２５中に埋め込まれる。また、第１のバリアメタル２３は、配線２２の上面２２ａを覆うように形成される。
【００３６】
半導体装置２０においては、第１のバリアメタル２３と第２のバリアメタル２４との間の界面である金属拡散経路２７が、配線２２中に含まれるＣｕ等の金属の拡散経路となる。金属拡散経路２７の配線２２から第１の絶縁層２５への最短距離は第２のバリアメタル２４の厚さとほぼ等しく、第１の実施の形態に係る金属拡散経路７の最短距離よりも短いため、配線２２中に含まれる金属が第１の絶縁層２５等の絶縁層へ拡散しやすい。
【００３７】
第１の実施の形態に係る金属拡散経路７の最短距離である高さＬ３と幅Ｌ４との合計は、その構造上、第２のバリアメタル２４の厚さに対応する第２のバリアメタル４の厚さの１００％以上に設定されることができる。
【００３８】
すなわち、高さＬ３と幅Ｌ４との合計が、配線２の上面の高さと第１の絶縁層５の上面の高さの差と第２のバリアメタル４の厚さのうち、大きい方の１００％以上であることが好ましい。
【００３９】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態によれば、金属拡散経路７の距離を十分に大きくすることにより、配線２中に含まれる金属の周囲の絶縁層への拡散を抑制することができる。
【００４０】
〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態は、デュアルダマシン法により配線とビアを同時に形成する点において第１の実施の形態と異なる。
【００４１】
（半導体装置の構成）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置３０の断面図である。図５（ｂ）は、第１のバリアメタル３３の拡大断面図である。図５（ｃ）は、配線３２およびビア３８中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【００４２】
半導体装置３０は、半導体基板（図示しない）上に形成された配線等の導電部４０と、導電部４０上に形成された第１の絶縁層３５と、第１の絶縁層３５中に形成された配線３２と、配線３２下に配線３２と一体に形成されたビア４１と、配線３２の上面３２ａを覆う第１のバリアメタル３３と、配線３２の下面３２ｂおよび側面３２ｃ、ならびにビア４１の下面４１ａおよび側面４１ｂを覆う第２のバリアメタル３４と、第１のバリアメタル３３および第１の絶縁層３５上に形成された第２の絶縁層３６と、を有する。
【００４３】
ビア４１は配線３２と一体に形成されるため、配線３２と同一の材料から形成される。なお、他の部材の材料および性質は第１の実施の形態の半導体装置１と同様である。
【００４４】
第１のバリアメタル３３は、第１の領域３３ａおよび第２の領域３３ｂを含む。第１の領域３３ａの下面３３ｃは、配線３２の上面３２ａに接し、配線３２の上面３２ａの幅とほぼ等しい幅Ｌ５を有する。第２の領域３３ｂは、第１の領域３３ａ上に位置し、第１の領域３３ａの幅Ｌ５よりも広い幅Ｌ６を有する。
【００４５】
第２のバリアメタル３４は、配線３２の下面３２ｂおよび側面３２ｃ、ビア４１の下面４１ａおよび側面４１ｂ、第１の領域３ａの側面３３ｄ、ならびに第２の領域３３ｂの下面３３ｅに接する。
【００４６】
半導体装置３０においては、第１のバリアメタル３３と第２のバリアメタル３４との間の界面である金属拡散経路３７が、配線３２中に含まれるＣｕ等の金属の拡散経路となる。本実施の形態においては、金属拡散経路３７の距離を十分に大きくすることにより、配線３２中に含まれる金属の第１の絶縁層３５や第２の絶縁層３６等の絶縁層への拡散を抑制することができる。
【００４７】
なお、金属拡散経路３７の配線３２から第２の絶縁層３６への最短距離は、第１の領域３３ａの側面３３ｄの高さＬ７と、第２の領域３３ｂの下面３３ｅの幅Ｌ８との合計にほぼ等しくなる。高さＬ７と幅Ｌ８との合計が大きい場合に、配線３２中に含まれる金属の第１の絶縁層３５や第２の絶縁層３６等の絶縁層への拡散を効果的に抑制することができる。例えば、高さＬ７と幅Ｌ８との合計は、第１の実施の形態における高さＬ３と幅Ｌ４との合計と同様に、配線３２の上面の高さと第１の絶縁層３５の上面の高さの差と、第２のバリアメタル３４の厚さのうちの、大きい方の１００％以上であることが好ましい。
【００４８】
（半導体装置の製造）
図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
【００４９】
まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板（図示しない）上の第１の絶縁層３５に配線溝３８ａおよびビアホール３８ｃを形成し、配線溝３８ａおよびビアホール３８ｃの内面および配線溝３８ａの外側の第１の絶縁層３５の上面を覆うように第２のバリアメタル３４を形成する。ここで、第２のバリアメタル３４を形成した後の配線溝３８ａの幅は、第１のバリアメタル３３の第１の領域３３ａの幅Ｌ５とほぼ等しい。
【００５０】
配線溝３８ａおよびビアホール３８ｃのそれぞれは、例えば、フォトリソグラフィ法により所定のパターン有するレジスト（図示しない）を第１の絶縁層３５上に形成した後、そのレジストをマスクとして第１の絶縁層３５にエッチングを施すことにより形成される。また、第２のバリアメタル３４は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等により形成される。
【００５１】
次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法等により、配線溝３８ａの外側の第２のバリアメタル３４上にレジスト３９を形成する。レジスト３９は、レジスト３９を側壁とする配線溝３８ｂを形成するために形成される。ここで、配線溝３８ｂの幅は、第１のバリアメタル３３の第２の領域３ｂの幅Ｌ６とほぼ等しい。
【００５２】
次に、図６（ｃ）に示すように、ビアホール３８ｃ中にビア４１、配線溝３８ａ、３８ｂ中に配線３２を形成する。ビア４１および配線３２は、電解めっき法等により連続的かつ一体に形成される。
【００５３】
その後、配線３２（第１の実施の形態における配線２）の上面の高さを下げる工程以降の工程を第１の実施の形態と同様に行い、図５に示した半導体装置３０を得る。
【００５４】
（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態によれば、金属拡散経路３７の距離を十分に大きくすることにより、配線３２中に含まれる金属の周囲の絶縁層への拡散を抑制することができる。
【００５５】
〔他の実施の形態〕
なお、上記各実施の形態は一実施の形態に過ぎず、本発明はこれらに限定されずに、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００５６】
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図、（ｂ）は第１のバリアメタルの拡大断面図、（ｃ）は配線中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【図２Ａ】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
【図２Ｂ】（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
【図３】（ａ）は比較例に係る半導体装置の断面図、（ｂ）は配線中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【図４】（ａ）は比較例に係る半導体装置の断面図、（ｂ）は配線中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図、（ｂ）は第１のバリアメタルの拡大断面図、（ｃ）は配線中の金属の拡散経路を表す概念図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１、３０  半導体装置、  ２、３２  配線、  ２ａ、３２ａ  上面、  ２ｂ、３２ｂ  下面、  ２ｃ、３２ｃ  側面、  ３、３３  第１のバリアメタル、  ３ａ、３３ａ  第１の領域、  ３ｂ、３３ｂ  第２の領域、  ３ｃ、３３ｃ  下面、  ３ｄ、３３ｄ  側面、  ３ｅ、３３ｅ  下面、  ４、３４  第２のバリアメタル、  ５、３５  第１の絶縁層、  ６、３６  第２の絶縁層、  ８ａ、８ｂ、３８ａ、３８ｂ  配線溝、  ９、３９  レジスト、  ３８ｃ  ビアホール、  ４１  ビア、  ４１ａ  下面、  ４１ｂ  側面。
【図１】
2010157558.tif 000003
【図２Ａ】
2010157558.tif 000004
【図２Ｂ】
2010157558.tif 000005
【図３】
2010157558.tif 000006
【図４】
2010157558.tif 000007
【図５】
2010157558.tif 000008
【図６】
2010157558.tif 000009