(57)【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、この絶縁層に設けられた配線パターン溝内に形成されたＣｕ系金属を主体とするＣｕ系配線層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の硫黄の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であり、前記絶縁層の硫黄の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を主体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に形成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の硫黄の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であり、前記絶縁層の比誘電率が、３．０以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記処理の施された前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、
前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、
前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、
前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程と
を具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、
前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、
前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中で熱処理を施す工程と、
前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、
前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程と
を具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、
前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、
前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、
前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程と
を具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記処理の施された配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、
前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、
前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中において熱処理を施す工程と、
前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、
前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程と
を具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定され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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に、Ｃｕ系配線を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＬＳＩ）の多層配線材料は、Ａｌ合金からＣｕへと移行している。Ｃｕは、Ａｌに比べてバルク材の自己拡散係数が小さく、比抵抗も約３５％低いことから、ＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性の向上、および配線総抵抗の低減を達成することが可能である。
【０００３】
しかし、Ｃｕは、次のような欠点を有する。
（１）ＣｕはＳｉ中およびＳｉＯ2中の拡散係数が大きいため、トランジスタのチャネル部に達してバンドギャップ中央に準位を形成し、電気的特性の劣化を招いてしまう。
【０００４】
（２）銅塩化物の蒸気圧が低いため、レジストをマスクとして用いた塩素原子を含むガスによるエッチング加工が困難である。
（３）Ｃｕは腐食され易いため、細線パターンの断線や、表面に形成された絶縁膜の膜剥がれを起こし易い。
【０００５】
以上の欠点のうち、（１）の欠点に対しては、Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ等のバリアメタルやＳｉＮ等の絶縁膜といった、Ｃｕの拡散係数の小さい材料からなる層でＣｕを囲むことにより、拡散を抑制することが可能である。また、（２）の欠点に対しては、絶縁膜上にＣｕを堆積して、絶縁膜に形成した溝パターンにＣｕを埋め込み、絶縁膜上の余剰部分を研磨により除去するダマシーン法を用いることにより、エッチングによることなく配線を形成することが可能である。また、（３）の酸化し易いという欠点に対しては、Ｃｕ表面に水素ガスによる還元処理や薬液処理を施すことによって、酸化層を除去することにより対処することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような対策をとってもなお、配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象が生じており、その原因の究明およびその対策が望まれていた。
【０００７】
本発明は、このような事情の下になされ、配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象が生じることのないＣｕ系配線を備える半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を主体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に形成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の硫黄の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であることを特徴とする半導体装置を提供する。
【０００９】
また、本発明は、半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を主体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に形成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の弗素の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であることを特徴とする半導体装置を提供する。
【００１０】
これらの場合、前記半導体基板上に絶縁層が形成され、前記Ｃｕ系配線層は、前記絶縁層に設けられた配線パターン溝内に形成された、いわゆるダマシーン構造とすることが出来る。また、前記Ｃｕ系配線層または前記導電性拡散防止層と直接接する前記絶縁層の部分の硫黄または弗素の含有量は、０〜１原子％とすることが出来る。
【００１１】
本発明は、前記絶縁層の比誘電率が、３．０以下である場合に、特に効果的に適用することが出来る。
本発明は、以上のように構成される半導体装置の製造方法を提供する。本発明の半導体装置の製造方法には、以下の４つの態様がある。
【００１２】
（１）半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、前記処理の施された前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、  前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする。
【００１３】
（２）半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中で熱処理を施す工程と、前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする。
【００１４】
（３）半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とする。
【００１５】
（４）半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、前記処理の施された配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中において熱処理を施す工程と、前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明は、Ｃｕ系配線を備えた半導体装置において、Ｃｕ系配線層の硫黄または弗素の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であることを特徴とする。
【００１７】
本発明におけるＣｕ系配線は、Ｃｕ系金属からなる配線であり、Ｃｕ系金属としては、Ｃｕに限らず、ＣｕＡｇ、ＣｕＰｔ、ＣｕＡｌ、ＣｕＣ等の銅合金を用いることが出来る。
本発明において、このようなＣｕ系配線を適宜囲んでＣｕの拡散を抑制するための導電性拡散防止層は、例えば、Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ等により構成することが出来る。また、導電性拡散防止層に代わり、Ｃｕ系配線の上面に形成され得る絶縁性拡散防止層（Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜）としては、ＳｉＮ、ＳｉＣ等を用いることが出来る。
【００１８】
また、硫黄または弗素量は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）やフーリエ変換赤外分析法（ＦＴＩＲ）により分析することが可能である。なお、Ｃｕの異常成長やCuの線膨張係数変動の要因となるのは、他の原子に結合されている硫黄元素または弗素元素ではなく、遊離の硫黄または弗素であるところ、ＳＩＭＳは硫黄元素または弗素元素の総量を分析可能であり、ＦＴＩＲは結合手を有する硫黄元素または弗素元素を分析可能であるので、これらを組合せることにより、本発明の対象となる遊離の硫黄または弗素量の分析が可能である。
【００１９】
本発明者らは、配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象について、その原因を究明すべく、研究を重ねた結果、それが絶縁膜および配線における硫黄や弗素の存在によるものであることを見出した。以下、その解析結果について説明する。
【００２０】
図７は、ダマシーン法により、絶縁膜に形成された溝内にＣｕ配線を形成した場合の、絶縁膜とＣｕ配線の界面近傍の状態を示す顕微鏡写真である。図７（ａ）に示すように、Ｃｕ配線パターンの端部に異常部の成長が認められた。この異常部は、工程途中の熱処理プロセスにより生じたものである。
【００２１】
この異常部をエネルギー分散Ｘ線分光（Ｅｎｅｒｇｙ  ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＥＤＸ）法やオージェ電子分光（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）法といった分析方法で定性分析を行ったところ、硫黄（Ｓ）とＣｕが検出され、硫化銅化合物が配線パターンの端部に形成されていることが明らかとなった。
【００２２】
更に、この異常部の周囲では、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜の膜剥がれの発生している部分が認められた。剥離部分は、Ｃｕ配線パターンと絶縁性拡散防止層（例えば、ＳｉＮ膜）の界面、及び層間絶縁膜と絶縁性拡散防止層（例えば、ＳｉＮ膜）の界面である。
【００２３】
この硫黄成分は、絶縁膜加工後の反応生成物の除去を目的とした処理のための薬液、Ｃｕめっきプロセスで用いられる硫酸銅溶液、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）プロセスの研磨液（例えば、過硫酸アンモニウム）等に含まれることが多いため、これらに由来するものである。
【００２４】
この問題に対処することなく、半導体装置製造プロセスを進めた場合には、硫黄成分が拡散して絶縁膜中に含浸したり、配線層表面に付着したりする。その結果、工程が進むにつれて硫黄と銅が反応して硫化銅化合物を生成し、配線層上に積層される絶縁膜の剥離の原因となる。
【００２５】
特に、絶縁膜として、有機系塗布型絶縁膜や多孔質絶縁膜といった比誘電率３．０以下の低誘電率絶縁膜を用いている場合には、エッチングガスに曝された改質部分や研磨表面等が、硫黄成分を含む薬液を吸水し易いことから、積層化工程が進むにつれて硫黄が配線部分に拡散し、硫化銅化合物を形成して、配線パターンの異常成長および膜剥がれを発生する可能性が高い。
【００２６】
このようなＣｕ配線パターンの端部の異常部分の定性分析等から、含有されていた硫黄成分の濃度を見積もると、１原子％よりも多いことが推察される。従って、現在のＣｕ系配線形成プロセスを用いて、硫黄成分が局所的にでも１原子％より多く残留した場合には、上記の如く、Ｃｕ系配線構造、特にＣｕ系多層配線構造の形成を大きく妨げる原因になる。
【００２７】
また、有機系塗布型絶縁膜や多孔質絶縁膜といった低誘電率絶縁膜では、エッチングに使用されるＣＦ系ガスの構成元素である弗素（Ｆ）が加工時に入り込むこともある。その場合、硫黄と同様のメカニズムで弗素の拡散や反応が起こって、弗化銅化合物が形成され、膜剥がれを引き起こしてしまうこともわかった。
【００２８】
これに対し、本発明では、配線形成プロセス途中で硫黄成分の除去工程を行うことにより、膜剥がれを防止することが可能となった。硫黄除去工程は、絶縁層に配線パターン溝を形成する工程の後、配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程の後、配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去する工程の後の少なくともいずれかの場合に行われる。
【００２９】
また、硫黄除去工程は、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アンモニア溶液処理を施すことにより行うことが出来る。熱処理温度は、２００〜５００℃が好ましく、水素を含む雰囲気は、水素を１〜２０体積％含むＨ２  ／Ｎ２  混合雰囲気であるのが好ましい。
【００３０】
このような硫黄除去工程により、Ｃｕ系金属配線層中の硫黄濃度を、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に、また、絶縁層中の硫黄濃度を、１原子％以下に制御することが出来る。
【００３１】
その結果、図７に示したような、Ｃｕ配線パターンの異常、およびそれに起因する絶縁膜の剥がれは発生しない。
なお、弗素の場合も、同様の弗素除去工程により、Ｃｕ系配線層の弗素濃度を、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に、また、絶縁層の弗素濃度を、１原子％以下に制御することが出来る。ただし、配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程の後には、全面にＣｕ層が堆積されているため、弗素が除去されることはないので、弗素除去工程は行われない。
【００３２】
一方、Ｃｕ配線上の絶縁膜が剥がれる他の原因として、Ｃｕとその周囲の層間絶縁膜との線膨張係数の相違が考えられる。一般的に、絶縁膜の線膨張係数は１×１０-6〜１×１０-5［Ｋ-1］程度と予測されるのに対し、Ｃｕ等の金属材料のそれは、約１．５×１０-5〜４×１０-5［Ｋ-1］と大きい。この線膨張係数の差が大きいほど、プロセス中の熱工程における体積変化による不整合のため、膜剥がれを起こす可能性が高い。そのため、硫化銅化合物が生じなくても、この原因によってＣｕ多層配線構造の積層化が妨げられる。
【００３３】
図８は、Ｃｕ配線形成プロセスから硫黄成分が混入すると考えられる工程を可能な限り排除して作製した試料のＣｕ配線断面を示す写真図である。この試料中のＣｕ配線における硫黄濃度は１００原子ｐｐｍ未満と推察される。
【００３４】
具体的なＣｕ配線形成プロセスでは、配線パターン溝形成後の反応生成物除去を目的とした、絶縁膜に対する薬液処理を省略し、Ｃｕの埋め込みにはめっき法を用いずにスパッタ・リフロー法を適用し、その後のＣＭＰ工程では、硫黄成分を除去した研磨液を用いた。
【００３５】
その結果、得られたＣｕ配線パターン上では、絶縁膜の剥離が発生しているのが認められた。剥離部分はＣｕ配線パターンと絶縁性拡散防止層（例えば、ＳｉＮ膜）の界面であり、前述したように、Ｃｕと層間絶縁膜の体積変化の不整合から膜剥がれが生じたものと考えられる。異種材料を積層する限り、線膨張係数を同一にすることはできないが、できる限り近い値とすることにより、膜剥がれを抑制することはできるものと考えられる。
【００３６】
これに対して、Ｃｕ配線中に含有する硫黄成分を１００原子ｐｐｍ以上とした。その結果、Ｃｕの粒界等に不純物として硫黄が析出し、線膨張係数は０．５×１０-5〜１．５×１０-5［Ｋ-1］と小さくなるため、図８に示したような層間絶縁膜との線膨張係数差を起因とする膜剥がれは発生し難くなる。なお、弗素の場合も同様に、Ｃｕ配線中の濃度を１００原子ｐｐｍ以上とすれば良い。
【００３７】
なお、Ｃｕ配線中の硫黄または弗素量を１００原子ｐｐｍ以上とするためには、Ｃｕ配線形成プロセスで混入した硫黄または弗素成分を除去してその濃度を制御する以外にも、硫黄または弗素を含有する処理液で、配線パターン溝の内面を処理することにより、または、配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を研磨・除去する工程において、硫黄または弗素含有する研磨液を用いることにより、実施することが出来る。
【００３８】
あるいはまた、硫黄元素を添加したスパッタ・ターゲットを用いてシード層を成膜したり、原料ガスに硫黄元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を形成した後、めっき法でＣｕを成膜することにより、制御性良く硫黄を混入させることが出来る。弗素の場合には、原料ガスに弗素元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を成膜しておくことにより、Ｃｕ中に弗素を混入させることが出来る。
【００３９】
以上のことから、銅硫黄化合物の生成による膜剥がれを防止する条件と、線膨張係数差による膜剥がれを防止するための条件を満足させるように、不純物である硫黄または弗素成分の濃度を、Ｃｕ配線中において１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に制御することにより、膜剥がれが生ずることなく、Ｃｕ系配線を形成することができる。
【００４０】
なお、図６は、低誘電率塗布膜とＣｕ系配線を組み合わせた半導体装置の製造プロセスの途中に、硫黄あるいは弗素成分の除去工程、具体的にはＣＭＰ後にＮＨ3溶液による処理を行い、硫黄および弗素成分のＣｕ配線中の濃度を１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とした場合の多層配線を示す写真図である。
【００４１】
図６から、図７および図８に示すようなＣｕ配線パターンの異常、膜剥がれは発生していないことがわかる。以上により、本発明は、Ｃｕ系配線の形成に有効であることは明らかである。
【００４２】
以下、本発明の種々の実施例を示す。
【００４３】
図１は、本発明の一実施例に係る、Ｃｕ多層配線を有する半導体装置の、ダマシーンＣｕ配線部分の形成方法を示す断面図である。
【００４４】
まず、図１（ａ）に示すように、トランジスタ（図示せず）、トランジスタ上の絶縁膜２’およびコンタクト・プラグ（図示せず）が形成された半導体基板１上に、気相化学成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法やスパッタリング法あるいはスピン塗布法により、絶縁層２を形成する。
【００４５】
次いで、フォトリソグラフィー法とエッチング法を組み合わせて、図１（ｂ）に示すように、所望の配線パターン溝３を絶縁層２に形成した後、必要に応じ不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理を、あるいはアンモニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処理を施す。これらの処理を行うことで、配線パターン溝３を含む絶縁層２表面に硫黄あるいは弗素成分が残留していた場合にも、それらの表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００４６】
次に、図１（ｃ）に示すように、スパッタリング法やＣＶＤ法によってバリアメタルとシード層を成膜し、めっき法を用いてＣｕの埋め込みを行い、導電性拡散防止層４とＣｕ層５を形成する。その後、必要に応じ、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理を施す。これによって、Ｃｕ層５中に硫黄成分が残留していた場合にも、それらの含有率を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００４７】
Ｃｕ中に、特に制御性良く硫黄を混入させたい場合には、硫黄元素を添加したスパッタ・ターゲットを用いてシード層を成膜したり、原料ガスに硫黄元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を形成してからめっき法でＣｕを成膜しておくことによって、その後の熱工程で所望の硫黄濃度となるＣｕ膜を得ることができる。
【００４８】
また、弗素の場合も同様であり、原料ガスに弗素元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を成膜しておくことにより、Ｃｕ中に弗素を混入させることが出来る。
【００４９】
その後、図１（ｄ）に示すように、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により配線パターン溝３内以外の部分のＣｕ層５と導電性拡散防止層４を除去して、Ｃｕ配線６を形成する。
【００５０】
次に、必要に応じ、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理、あるいは、アンモニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処理を施す。これらの処理を行うことで、Ｃｕ配線パターン６や絶縁層２の表面に硫黄あるいは弗素成分が残留していた場合にも、それらの表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００５１】
そして、図１（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてＳｉＮやＳｉＣといった、Ｃｕの拡散係数が小さく、かつ硫黄や弗素成分の侵入を抑制することの可能な、例えばＳｉＮからなる絶縁層７を形成することにより、１層目のＣｕ配線層を形成することができる。
【００５２】
以上のプロセスでは、Ｃｕのシングルダマシーン配線を形成する例を挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、デュアルダマシーン配線の場合にも同様に本発明を適用することが出来る。また、以上のプロセスを繰り返すことによって、図１（ｆ）に示すようなＣｕ多層配線の形成も可能である。
【００５３】
実施例２
図２、図３、図４、および図５は、Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャートである。
図２は、図１（ｂ）に示すように、所望の配線パターン溝３を絶縁層２に形成した後、配線パターン溝３の内面を含む絶縁層２の表面に、硫黄成分または弗素成分が残留していた場合のプロセスを示す。この場合、弗素成分は、配線パターン溝３をＣＦ系エッチングガスによりエッチングした時に、絶縁層２の表面に残留し、硫黄成分は、硫黄を含む処理液によりエッチング後の絶縁層２の表面を処理した時に、絶縁層２の表面に残留する。
【００５４】
これに対し、配線パターン溝３の形成後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理、あるいは、アンモニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処理を施すことにより、硫黄あるいは弗素成分の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００５５】
図３は、図１（ｃ）に示すように、めっき法により形成したＣｕ層５中に、硫黄成分が残留していた場合のプロセスを示す。即ち、めっき法によるＣｕ層の成膜は、一般に硫酸銅溶液をメッキ液として行われるので、そのときに硫黄がＣｕ層５中に残留する。
【００５６】
これに対し、Ｃｕ層５の成膜後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理を施すことによって、硫黄成分の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００５７】
図４は、図１（ｄ）に示すように、ＣＭＰにより導電性拡散防止層４とＣｕ層５を研磨除去し、配線パターン６を形成した後、Ｃｕ配線パターン６上や絶縁層２上に硫黄成分または弗素成分が残留していた場合のプロセスを示す。即ち、ＣＭＰは、過硫酸アンモニウムを含む研磨液を用いることがあるため、硫黄成分が研磨後の表面に残留し、また、研磨により絶縁膜２が露出するため、絶縁膜中に入り込んだＣＦ系エッチングガス成分の弗素成分が問題となるのである。
【００５８】
これに対し、ＣＭＰによるＣｕ配線６の形成後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５００℃の熱処理、あるいは、アンモニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処理を施す。これらの処理を行うことによって、硫黄あるいは弗素成分の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００５９】
図５は、配線パターン溝３内面を含む絶縁層２表面に硫黄あるいは弗素成分が残留し、且つ、成膜したＣｕ層５中に硫黄成分が残留し、且つ、Ｃｕ配線パターン６上や絶縁層２上に硫黄あるいは弗素成分が残留していた場合のプロセスを示す。
【００６０】
これらの各工程後における硫黄および弗素成分の残留原因は、上述した通りである。これらの各工程後の除去工程もまた、上述した方法により実施することで、硫黄あるいは弗素成分を１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、半導体基板上に形成したＣｕ系配線層を含む配線構造において、Ｃｕ系配線中で、４００℃以上でＣｕと反応し、化合物を形成する元素である硫黄あるいは弗素成分の濃度を１原子％以下とすることによって、Ｃｕパターンに異常反応部や異常成長部を発生することがなくなり、これらを起点とした膜剥がれの発生を効果的に防止することが出来る。
【００６２】
また、Ｃｕ系配線中に含まれる硫黄あるいは弗素成分の濃度を１００原子ｐｐｍ以上とすることによって、Ｃｕの線膨張係数を小さくし、これを起因とする膜剥がれの発生を防止することが出来る。
【００６３】
このように、不純物である硫黄あるいは弗素成分の濃度を、上記の２条件を満足する１００原子ｐｐｍ以上１原子％以下に制御することにより、膜剥がれの発生しないＣｕ系配線構造を容易に形成することが可能である。
【００６４】
また、層間絶縁膜として、有機系塗布型絶縁膜や多孔質絶縁膜といった比誘電率３．０以下の低誘電率絶縁膜を用いた場合、エッチングガス等に曝された改質部分に硫黄成分を含む薬液を吸水し易く、ガス分子自体も吸収し易いことから、積層化工程が進むにつれて硫黄あるいは弗素とＣｕが反応して硫化銅化合物あるいは弗化銅化合物を形成し、パターン異常および膜剥がれを発生する可能性が高い。従って、本発明は、低誘電率絶縁膜を層間絶縁膜として用いたＣｕ系多層配線構造の形成に対し、特に大きな効果を発揮することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る、Ｃｕ多層配線を有する半導体装置の、ダマシーンＣｕ配線部分の形成方法を示す断面図。
【図２】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図３】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図４】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図５】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図６】本発明の方法により形成したＣｕ多層配線構造の、硫化銅化合物の形成が無く、膜剥がれも起きていない状態を示す写真。
【図７】従来の方法により形成したＣｕ多層配線構造の、硫化銅化合物が形成され、膜剥がれも起きている状態を示す写真。
【図８】可能な限り製造プロセス中の硫黄成分を除去する方法で形成したＣｕ多層配線構造の、Ｃｕと低誘電率絶縁膜の線膨張係数の不整合により膜剥がれを起こした状態を示す写真。
【符号の説明】
１…半導体基板
２…絶縁層：
３…配線パターン溝
４…導電性拡散防止層
５…Ｃｕ層
６…Ｃｕ配線
７…絶縁性拡散防止層
【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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