(57)【要約】  基板１０上に、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜３８，４０，４２を形成する工程と、絶縁膜３８，４０，４２に開口部４８を形成する工程と、炭化水素系ガスを含む雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより、開口部４８の内面に結晶性のＳｉＣよりなるバリア層５０を形成する工程と、バリア層５０が形成された開口部４８内に銅よりなる配線構造体５２を形成する工程とを有する。
2009153857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記開口部を形成した前記絶縁膜に、炭化水素系ガスを含む雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより、少なくとも前記開口部の内面に、結晶性のＳｉＣよりなるバリア層を形成する工程と、
前記バリア層が形成された前記絶縁膜の前記開口部内に、銅よりなる配線構造体を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、β−ＳｉＣよりなる前記バリア層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、前記基板を５０〜２５０℃の温度に加熱した状態で前記活性エネルギー線を照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜を形成する工程では、ＣＨｘ（ｘは０〜２の整数を表す）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−ＣＨ３結合及びＳｉ−ＣＨｘ結合（ｘは０〜２の整数を表す）を構造の一部に含むシリコーンポリマよりなる膜を有する前記絶縁膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコーンポリマよりなる膜は、多孔質膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求の範囲第１項乃至第５項項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性エネルギー線は、電子線、紫外線又はプラズマから放出される放射線である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記炭化水素系ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン及びアセチレンを含む群から選択される少なくとも１種類の気体を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部を形成する工程では、前記絶縁膜の下方部分に形成されたビアホールと、前記絶縁膜の上方部分に前記ビアホールに接続して形成された配線溝とを有する前記開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
開口部を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口部の内面に形成された結晶性のＳｉＣよりなるバリア層と、
前記バリア層が形成された前記開口部内に埋め込まれた銅よりなる配線構造体と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求の範囲第９項に記載の半導体装置において、
前記バリア層は、β−ＳｉＣよりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求の範囲第９項又は第１０項に記載の半導体装置において、
前記配線構造体は、コンタクトプラグ及び／又は配線である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求の範囲第９項乃至第１１項のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、シリコン化合物系絶縁材料よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求の範囲第９項乃至第１２項のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記バリア層の膜厚は、１〜２０ｎｍである
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、銅配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化及び高性能化の要求に伴い、近年の半導体装置における配線層の形成には、層間絶縁膜に溝パターンやホールパターンを形成した後、この溝やホールに配線材料を埋め込む、いわゆるダマシン法と呼ばれるプロセスが採用されている。配線材料としては、従来のアルミニウムに代わるより低抵抗な材料として、銅（Ｃｕ）が用いられている。【０００３】
銅は、層間絶縁膜の主材料であるシリコン酸化膜中に拡散しやすい金属材料である。銅が層間絶縁膜中に拡散すると、配線の短絡や配線不良などを引き起こす虞がある。このため配線材料として銅を用いる場合、溝やホールの内壁に、銅の拡散を防止するバリア層を設け、銅が層間絶縁膜中に拡散する必要がある。従来、バリア層材料としては、チタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）などのバリアメタル材料が用いられていた。
【特許文献１】特開平０９−２５２０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来用いられてきたバリア層材料であるチタンやタンタルは、耐酸化性が低いため、バックエンドプロセスの加熱や動作時の発熱によって酸化されることがあった。バリア層が酸化されると、配線抵抗が上昇して配線遅延が増大するなど、歩留り・信頼性の低下を引き起こす虞がある。このため、バリア層の酸化を抑制するプロセス技術や、耐酸化性の高いバリア層材料が求められている。また、銅配線用のバリア層は、バックエンドプロセスに適用可能な低温で形成できることも重要である。【０００５】
本発明の目的は、銅配線を有する半導体装置において、銅に対するバリア性及び耐酸化性に優れたバリア層を低温で形成しうる半導体装置の製造方法、並びにそれにより形成した高性能の半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の一観点によれば、基板上に、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、前記開口部を形成した前記絶縁膜に、炭化水素系ガスを含む雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより、少なくとも前記開口部の内面に、結晶性のＳｉＣよりなるバリア層を形成する工程と、前記バリア層が形成された前記絶縁膜の前記開口部内に、銅よりなる配線構造体を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。【０００７】
また、実施形態の他の観点によれば、開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の前記開口部の内面に形成された結晶性のＳｉＣよりなるバリア層と、前記バリア層が形成された前記開口部内に埋め込まれた銅よりなる配線構造体とを有する半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
開示の半導体装置及びその製造方法によれば、配線構造体から銅が拡散するのを防止するためのバリア層を結晶性のＳｉＣにより構成するので、銅の拡散バリア性を確保するとともに、バリア層の耐酸化性をも高めることができる。これにより、配線構造体の信頼性を高めることができ、高性能の半導体装置を製造することができる。【０００９】
また、結晶性のＳｉＣよりなるバリア層は、炭化水素系ガス雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより形成するので、その際の加熱温度を５０〜２５０℃程度まで低温化することができる。したがって、４００℃以上の熱処理が困難である半導体装置のバックエンドプロセスにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その５）である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その６）である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その７）である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その８）である。
【符号の説明】
【００１１】
１０…シリコン基板
１２…素子分離膜
１４…素子領域
１６…ゲート絶縁膜
１８…ゲート電極
２０，２２…ソース／ドレイン領域
２４…ＭＩＳトランジスタ
２６，４０，５６，６０…層間絶縁膜
２８…ストッパ膜
３０…コンタクトホール
３２…密着層
３４…タングステン膜
３６，７８…コンタクトプラグ
３８，４２，５４，５８，６２，８２…絶縁膜
４４，６４，７０…フォトレジスト膜
４６，６６，７２…開口部
４８，７４…配線溝
５０，７６…バリア層
５２，８０…配線
６８…ビアホール
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態による半導体装置及びその製造方法について図１乃至図９を用いて説明する。【００１３】
図１は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図２乃至図９は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。【００１４】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図１を用いて説明する。【００１５】
シリコン基板１０上には、素子領域１４を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子領域１４には、シリコン基板１０上にゲート絶縁膜１６を介して形成されたゲート電極１８と、ゲート電極両側の半導体基板１０中に形成されたソース／ドレイン領域２０，２２とを有するＭＩＳトランジスタ２４が形成されている。【００１６】
ＭＩＳトランジスタ２４が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜２６及びストッパ膜２８が形成されている。層間絶縁膜２６及びストッパ膜２８には、ソース／ドレイン領域２２に接続されたコンタクトプラグ３６が埋め込まれている。【００１７】
コンタクトプラグ３６が埋め込まれたストッパ膜２８上には、絶縁膜３８、層間絶縁膜４０及び絶縁膜４２が形成されている。絶縁膜３８、層間絶縁膜４０及び絶縁膜４２には、配線溝４８が形成されている。コンタクトプラグ３６上を除く配線溝４８の内壁には、ＳｉＣ膜よりなるバリア層５０が形成されている。バリア層５０が形成された配線溝４８内には、Ｃｕ膜よりなる配線５２が埋め込まれている。【００１８】
バリア層５０及び配線５２が埋め込まれた絶縁膜４２上には、絶縁膜５２、層間絶縁膜５６、絶縁膜５８、層間絶縁膜６０及び絶縁膜６２が形成されている。絶縁膜５４及び層間絶縁膜５６には、配線５２に達するビアホール６８が形成されている。絶縁膜５８、層間絶縁膜６０及び絶縁膜６２には、ビアホール６８に接続された配線溝７４が形成されている。配線５２上を除くビアホール６８及び配線溝７４の内壁には、ＳｉＣ膜よりなるバリア層７６が形成されている。バリア層７６が形成されたビアホール６８内には、Ｃｕ膜よりなるコンタクトプラグ７８が埋め込まれている。バリア層７６が形成された配線溝７４内には、Ｃｕ膜よりなる配線８０が埋め込まれている。コンタクトプラグ７８及び配線８０は一体に形成されている。【００１９】
配線８０が埋め込まれた絶縁膜６２上には、絶縁膜８２が形成されている。【００２０】
このように本実施形態による半導体装置では、配線５２が埋め込まれた配線溝の内壁にＳｉＣ膜よりなるバリア層５０が形成され、コンタクトプラグ７８及び配線８０が埋め込まれたビアホール６８及び配線溝７４の内壁にＳｉＣ膜よりなるバリア層７６が形成されている。【００２１】
ＳｉＣは、金属に対するバリア性（拡散防止）が高い材料であり、配線材料の金属（Ｃｕ）が層間絶縁膜方向へ拡散するのを防止するためのバリア層として、極めて有効である。また、ＳｉＣは、耐酸化性が高い材料でもあり、バックエンドプロセス過程の熱処理や動作時の発熱等の際に酸化することはない。したがって、バリア層としてＳｉＣ膜を用いることにより、金属に対するバリア性及び耐酸化性を向上することができ、半導体装置の歩留まり・信頼性を向上することができる。【００２２】
バリア層として用いるＳｉＣとしては、特に限定されるものではないが、緻密な結晶構造を有し拡散防止効果や耐酸化性が極めて高いという観点から、結晶性のα−ＳｉＣやβ−ＳｉＣ、特にβ−ＳｉＣが好ましい。β−ＳｉＣは、３Ｃ−ＳｉＣとも呼ばれ、ダイヤモンド構造の置換型である閃亜鉛鉱型の結晶構造を有している。ＳｉとＣとの共有結合は極めて強固で安定であり、耐熱性、高強度、高硬度、耐蝕性など優れた特性を有している。β−ＳｉＣは、金属に対するバリア性や耐酸化性に優れており、バリア層材料として特に好適である。【００２３】
通常、β−ＳｉＣは、６００℃を超えるような高温で形成されるものであり、４００℃程度以下の温度での処理が必要な半導体装置のバックエンドプロセスには適用できなった。しかしながら、後述する本発明の方法を適用することにより、５０〜２５０℃程度の低温によってβ−ＳｉＣ膜を形成することができ、バックエンドプロセスへの適用が可能となる。【００２４】
次に，本実施形態による半導体装置の製造方法について図２乃至図９を用いて説明する。【００２５】
まず、例えばシリコンよりなる半導体基板１０に、例えばＬＯＣＯＳ（LOCal Oxidation of Silicon）法により、素子領域１４を画定する素子分離膜１２を形成する。素子分離膜１２は、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により形成してもよい。【００２６】
次いで、素子領域１４上に、通常のＭＯＳトランジスタの製造方法と同様にして、半導体基板１０上にゲート絶縁膜１６を介して形成されたゲート電極１８と、ゲート電極１８の両側の半導体基板１０内に形成されたソース／ドレイン領域２０，２２とを有するＭＩＳトランジスタ２４を形成する（図２（ａ））。【００２７】
次いで、ＭＩＳトランジスタ２４が形成された半導体基板１０上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積する。【００２８】
次いで、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法によりこのシリコン酸化膜の表面を研磨して平坦化し、シリコン酸化膜よりなり表面が平坦化された層間絶縁膜２６を形成する。【００２９】
次いで、層間絶縁膜２６上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を堆積し、シリコン窒化膜よりなるストッパ膜２８を形成する。ストッパ膜２８は、後述する工程において、ＣＭＰにより研磨する際の研磨ストッパとして、層間絶縁膜３８等に配線溝４６を形成する際のエッチングストッパとして、それぞれ機能する。ストッパ膜２８は、上層に形成する膜とはエッチング特性の異なる材料により構成され、シリコン窒化膜のほか、例えば、ＳｉＣ：Ｈ膜、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜、ＳｉＣ：Ｎ膜等を適用することもできる。【００３０】
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ストッパ膜２８及び層間絶縁膜２６に、ソース／ドレイン領域２２に達するコンタクトホール３０を形成する（図２（ｂ））。【００３１】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚５０ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）膜を堆積し、ＴｉＮ膜よりなる密着層３２を形成する。【００３２】
次いで、密着層３２上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚１μｍのタングステン（Ｗ）膜３４を形成する。【００３３】
次いで、例えばＣＭＰ法により、ストッパ膜２８の表面が露出するまでタングステン膜３４及び密着層３２を研磨し、コンタクトホール３０内に埋め込まれ、密着層３２及びタングステン膜３４よりなるコンタクトプラグ３６を形成する（図２（ｃ））。【００３４】
次いで、コンタクトプラグ３６が埋め込まれたストッパ膜２８上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜を堆積し、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜よりなる絶縁膜３８を形成する。ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜は、ＳｉＣ膜中に酸素と水素とを存在させてなる緻密性の高い膜であり、水分等の拡散を防止するバリア層として機能する。【００３５】
次いで、絶縁膜３８上に、例えば膜厚１６０ｎｍの多孔質シリカ材料よりなる層間絶縁膜４０を形成する。【００３６】
層間絶縁膜４０としては、配線遅延を低減する観点から、低誘電率のシリコン化合物系絶縁材料、例えば、ＣＨｘ（ｘは０〜２の整数を表す）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−ＣＨ３結合及びＳｉ−ＣＨｘ結合を構造の一部に有するシリコーンポリマを少なくとも含むシリコン化合物系絶縁材料を適用することが望ましい。【００３７】
このようなシリコン化合物系絶縁材料としては、下記一般式（１）から（３）で表されるシリコン化合物から選択される少なくとも１種と、下記一般式（４）から（７）で表されるシリコン化合物から選択される少なくとも一種とを、加水分解縮重合反応して得られる材料を適用することができる。【００３８】
【化１】
2009153857.tif 000003
【００３９】
【化２】
2009153857.tif 000004
（ただし、ｎは、０又は１を表し；Ｒ１は、互いに同一であってもよいし異なっていてもよく、ｎ＝０のとき、塩素、臭素、フッ素及び水素の少なくともいずれかを表し、ｎ＝１のとき、炭素数１から４の炭化水素、芳香族炭化水素、水素及びカルボキシル基のいずれかを表し；Ｒ２は炭素数１から４の炭化水素、芳香族炭化水素及び水素のいずれかを表し；Ｒ３は、互いに同一であってもよいし異なっていてもよく、炭素数１から３の炭化水素及び芳香族炭化水素のいずれかを表す。）
一般式（１）から（７）で表されるシリコン化合物は、いずれもアルコキシシランと呼ばれる物質である。一般式（１）から（３）の材料は、Ｓｉ−Ｒ−Ｓｉ結合を持ち、それぞれのＳｉが３つ置換基を有している。一方、一般式（４）から（７）の材料は、１つのＳｉが４つの置換基を有している。【００４０】
多孔質シリカとしては、例えば有機ＳＯＧに熱分解性樹脂などを添加し、加熱により熱分解させることにより空孔を形成するテンプレートタイプと、アルカリ中でシリカ粒子を形成し、粒子間の間隙を利用して空孔を形成したノンテンプレートタイプとが挙げられる。このうち、微細な空孔を均一に形成できるノンプレートタイプが好適である。【００４１】
ノンプレートタイプの多孔質シリカ材料としては、触媒化成工業社製のＮＣＳシリーズ、ＪＳＲ社製のＬＫＤシリーズなどが挙げられる。【００４２】
また、その他のノンテンプレートタイプの多孔質シリカ材料としては、例えば、テトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＡＡＯＨ）の存在下で加水分解して得られる有機ケイ素化合物を含む液状組成物が好適である。この材料は、弾性率を１０ＧＰａ以上且つ硬度を１ＧＰａ以上有しており、低誘電率と高強度の両立が可能である。【００４３】
有機ケイ素化合物としては、例えば、テトラアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、メチルトリアルコキシシラン、エチルトリアルコキシシラン、プロピルトリアルコキシシラン，フェニルトリアルコキシシラン、ビニルトリアルコキシシラン、アリルトリアルコキシシラン、グリシジルトリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、ジメチルジアルコキシシラン、ジエチルジアルコキシシラン、ジプロピルジアルコキシシラン、ジフェニルジアルコキシシラン、ジビニルジアルコキシシラン、ジアリルジアルコキシシラン、ジグリシジルジアルコキシシラン、フェニルメチルジアルコキシシラン、フェニルエチルジアルコキシシラン、フェニルプロピルトリアルコキシシラン、フェニルビニルジアルコキシシラン、フェニルアリルジアルコキシシラン、フェニルグリシジルジアルコキシシラン、メチルビニルジアルコキシシラン、エチルビニルジアルコキシシラン、プロピルビニルジアルコキシシラン等を適用することができる。【００４４】
塗布型多孔質シリカ膜の形成の際に用いる塗布溶液としては、多孔質被シリカ前駆体のシロキサン樹脂を溶解できれば特に限定されず、メチルアルコール，エチルアルコール，プロピルアルコール，イソプロピルアルコール，ブチルアルコール，イソブチルアルコール，ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール系、フェノール，クレゾール，ジエチルフェノール，トリエチルフェノール，プロピルフェノール，ノニルフェノール，ビニルフェノール，アリルフェノール，ノニルフェノールなどのフェノール系、シクロヘキサノン，メチルイソブチルケトン，メチルエチルケトンなどのケトン系、メチルセロソルブ，エチルセロソルブなどのセロソルブ系、ヘキサン，オクタン，デカンなどの炭化水素系、プロピレングリコール，プロピレングリコールモノメチルエーテル，プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどのグリコール系などを適用することができる。【００４５】
また、塗布型の絶縁材料を用いた絶縁膜は、例えば、上記絶縁材料を下地基板上に塗布する工程と、下地基板を８０〜３５０℃の温度で加熱処理する工程と、下地基板を３５０〜４５０℃の温度でキュアする工程とにより形成することができる。なお、基板を８０〜３５０℃の温度で加熱処理する工程及び基板を３５０〜４５０℃の温度でキュアする工程は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。これは、絶縁膜の酸化による耐湿性の低下を防止するためである。【００４６】
次いで、層間絶縁膜４０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積し、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜４２を形成する（図３（ａ））。【００４７】
次いで、フォトリソグラフィにより、絶縁膜４０上に、配線幅１００ｎｍ、スペース１００ｎｍの第１層目の配線５２の形成予定領域を露出する開口部４６が形成されたフォトレジスト膜４４を形成する。【００４８】
次いで、例えばＣＦ４ガス及びＣＨＦ３ガスを用いたドライエッチングにより、フォトレジスト膜４６をマスクとして及びストッパ膜２８をストッパとして、開口部４６内の絶縁膜４２、層間絶縁膜４０及び絶縁膜３８を順次エッチングし、絶縁膜４２、層間絶縁膜４０及び絶縁膜３８に、配線５２を埋め込むための配線溝４８を形成する（図３（ｂ））。このエッチングにより、配線溝４８の底部には、コンタクトプラグ３６の上面が露出する。【００４９】
次いで、例えば酸素プラズマを用いたアッシングにより、フォトレジスト膜４２を除去する。【００５０】
次いで、炭化水素系のガスを含む雰囲気中で、５０〜２５０℃の温度で加熱した状態で、活性エネルギー線を照射する。この処理により、シリコン化合物系絶縁材料からなるストッパ膜２８、絶縁膜３８、層間絶縁膜４０及び絶縁膜４２の露出面上において、活性エネルギー線により分解されてラジカルとなった炭化水素系材料とシリコン化合物系絶縁材料との反応（ラジカル重合）が促進され、結晶性のＳｉＣ膜が形成される。こうして、ストッパ膜２８、絶縁膜３８、層間絶縁膜４０及び絶縁膜４２の露出面上に、結晶性のＳｉＣ膜よりなるバリア層５０を形成する（図４（ａ））。【００５１】
なお、本発明では、炭化水素系材料とシリコン化合物系絶縁材料とを反応してバリア層５０を形成するため、層間絶縁膜（ストッパ膜２８、絶縁膜３８、層間絶縁膜４０及び絶縁膜４２）は、シリコン化合物系絶縁材料により形成する必要がある。シリコン化合物系絶縁材料としては、特に限定されるものではないが、上述のシリコーンポリマ材料、ＳｉＯ２，ＰＳＧ，ＢＰＳＧ膜などのシリコン酸化物系絶縁材料、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ：Ｈ、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ、ＳｉＣ：Ｎ等が挙げられる。【００５２】
また、シリコン化合物系絶縁材料として、上述の、ＣＨｘ（ｘは０〜２の整数を表す）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−ＣＨ３結合及びＳｉ−ＣＨｘ結合を構造の一部に有するシリコーンポリマを少なくとも含むシリコン化合物系絶縁材料を適用する場合、活性エネルギー線の照射によって、このシリコン化合物系絶縁材料からも炭化水素系材料のラジカルが生成されるため、炭化水素系材料とシリコン化合物系絶縁材料との反応が更に促進される。【００５３】
バリア層５０を形成する際に用いる炭化水素系ガスとしては、炭化水素系材料であれば特に限定されるものではないが、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、アセチレン等の中から、単独で若しくは複数を組み合わせて使用することができる。Ｓｉ−Ｃ−Ｓｉの結合を密に形成して緻密なバリア層５０を形成するという観点からは、分子量があまり大きくないことが望ましく、メタンやエタンが好適である。【００５４】
また、活性エネルギー線としては、電子線、紫外線、プラズマの中から、単独で若しくは複数を組み合わせて使用することができる。活性エネルギー線は、炭化水素系ガスを活性化するためのものであり、炭化水素系ガスの吸収帯に応じて適宜選択する。炭化水素系ガスとして例えば吸収帯が２５０ｎｍ以下のメタンを用いる場合には、活性エネルギー線としては、電子線、ＵＶ高圧水銀ランプ、エキシマＵＶランプ、水素プラズマによる発光等を適用することができる。【００５５】
バリア層５０の膜厚は、１ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましい。１ｎｍよりも薄いとバリア層５０によるバリア性を十分に得ることができず、一方２０ｎｍを超える膜厚を形成すると配線溝４８の容積減少による配線抵抗の増加が顕著となるからである。【００５６】
形成するＳｉＣ膜は、特に限定されるものではないが、緻密な結晶構造を有し拡散防止効果や耐酸化性が極めて高いという観点から、結晶性のα−ＳｉＣやβ−ＳｉＣ、特にβ−ＳｉＣが好ましい。β−ＳｉＣは、３Ｃ−ＳｉＣとも呼ばれ、ダイヤモンド構造の置換型である閃亜鉛鉱型の結晶構造を有している。ＳｉとＣとの共有結合は極めて強固で安定であり、耐熱性、高強度、高硬度、耐蝕性など優れた特性を有している。β−ＳｉＣは、金属に対するバリア性（拡散防止）や耐酸化性に優れており、バリア層材料として好適である。【００５７】
炭化水素系ガスとしてメタンを用いた場合、例えば、基板温度を２５０℃、処理室圧力を１０Ｐａ、電子線の加速電圧を２．５ｋｅＶとし、３０分の処理を行うことにより、膜厚１０ｎｍのβ−ＳｉＣ膜を形成することができる。β−ＳｉＣ膜の膜厚は、処理時間等によって制御することができる。【００５８】
通常、β−ＳｉＣ膜は、６００℃を超えるような高温で形成されるものであり、４００℃程度以下の温度での処理が必要な半導体装置のバックエンドプロセスには適用できなった。しかしながら、炭化水素系ガス雰囲気中で活性エネルギー線を照射する本発明の方法では、活性エネルギー線によってラジカル重合を促進して結晶化するため、５０〜２５０℃程度の低温によってβ−ＳｉＣ膜を形成することができる。したがって、本発明の方法により、β−ＳｉＣよりなるバリア層５０をバックエンドプロセスに適用することが可能となる。【００５９】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのＣｕ膜を堆積し、Ｃｕ膜よりなるシード膜（図示せず）を形成する。【００６０】
次いで、例えば電気めっき法により、シード膜をシードとしてＣｕ膜を堆積し、シード層と併せたトータルの膜厚が例えば６００ｎｍのＣｕ膜を形成する。【００６１】
次いで、ＣＭＰ法により、絶縁膜４２上のＣｕ膜及びバリア層５０を研磨により除去し、配線溝４８内に埋め込まれたＣｕ膜よりなる配線５２を形成する（図４（ｂ））。このような配線５２の製造プロセスは、シングルダマシン法と称される。なお、本実施形態では絶縁膜４２上のバリア層５０をＣｕ膜とともに除去しているが、バリア層５０は絶縁膜であるため、絶縁膜４２上に残存するようにしてもよい。【００６２】
次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜を堆積し、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜よりなる絶縁膜５４を形成する（図）。絶縁膜５４は、水分の拡散及びＣｕ配線からのＣｕの拡散を防止するバリア層として機能するものである。【００６３】
次いで、絶縁膜５４上に、多孔質シリカ材料よりなる層間絶縁膜５６を形成する。多孔質シリカ材料よりなる層間絶縁膜５６の形成方法には、例えば上述の層間絶縁膜４０と同様の方法を適用できる。層間絶縁膜５６の膜厚は、例えば１８０ｎｍとする。【００６４】
次いで、層間絶縁膜５６上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を堆積し、ＳｉＯ２膜よりなる絶縁膜５８を形成する。【００６５】
次いで、絶縁膜５８上に、多孔質シリカ材料よりなる層間絶縁膜６０を形成する。多孔質シリカ材料よりなる層間絶縁膜６０の形成方法には、例えば上述の層間絶縁膜４０と同様の方法を適用できる。層間絶縁膜５８の膜厚は、例えば１６０ｎｍとする。【００６６】
次いで、層間絶縁膜６０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を堆積し、ＳｉＯ２膜よりなる絶縁膜６２を形成する（図５）。【００６７】
次いで、フォトリソグラフィにより、絶縁膜６２上に、配線５２に達するビアホール６８の形成予定領域を露出する開口部６６が形成されたフォトレジスト膜６４を形成する。【００６８】
次いで、例えばＣＦ４ガス及びＣＨＦ３ガスを用いたドライエッチングにより、フォトレジスト膜６４をマスクとして、開口部６６内の絶縁膜６２、層間絶縁膜６０、絶縁膜５８、層間絶縁膜５６及び絶縁膜５４を順次エッチングし、絶縁膜６２、層間絶縁膜６０、絶縁膜５８、層間絶縁膜５６及び絶縁膜５４に、配線５２に達するビアホール６８を形成する（図６）。なお、各絶縁膜は、エッチングガスの組成比やエッチングの際の圧力等を適宜変化させることにより、順次エッチングすることが可能である。【００６９】
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜６４を除去する。なお、ビアホール６８を形成する際のドライエッチングにおいて、ビアホール６８の内壁に側壁堆積物が形成されている場合には、このアッシング工程において同時に除去することができる。【００７０】
次いで、フォトリソグラフィにより、ビアホール６８が開口された絶縁膜６２上に、第２層目の配線８０の形成予定領域を露出する開口部７２が形成されたフォトレジスト膜７０を形成する。【００７１】
次いで、例えばＣＦ４ガス及びＣＨＦ３ガスを用いたドライエッチングにより、フォトレジスト膜７０をマスクとして、開口部７２内の絶縁膜６２、層間絶縁膜６０及び絶縁膜５８を順次エッチングし、絶縁膜６０、層間絶縁膜５８及び絶縁膜５６に、配線８０を埋め込むための配線溝７４を形成する（図７）。配線溝７４は、ビアホール６８と繋がった状態となる。【００７２】
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜７０を除去する。なお、配線溝７４を形成する際のドライエッチングにおいて、配線溝７４の内壁に側壁堆積物が形成されている場合には、このアッシング工程において同時に除去することができる。【００７３】
次いで、バリア層５０の形成と同様にして、炭化水素系のガスを含む雰囲気中で、５０〜２５０℃の温度で加熱した状態で、活性エネルギー線を照射し、シリコン化合物系絶縁材料からなる絶縁膜５４、層間絶縁膜５６、絶縁膜５８、層間絶縁膜６０及び絶縁膜６２の露出面上に、ＳｉＣ膜よりなるバリア層７６を形成する（図８）。バリア層７６の形成条件は、上述のバリア層５０の形成条件と同様である。【００７４】
なお、本発明では、炭化水素系材料とシリコン化合物系絶縁材料とを反応してバリア層７６を形成するため、層間絶縁膜（絶縁膜５４、層間絶縁膜５６、絶縁膜５８、層間絶縁膜６０及び絶縁膜６２）は、シリコン化合物系絶縁材料により形成する必要がある。シリコン化合物系絶縁材料としては、特に限定されるものではないが、上述のシリコーンポリマ材料、ＳｉＯ２，ＰＳＧ，ＢＰＳＧなどのシリコン酸化物系絶縁材料、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ：Ｈ、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ、ＳｉＣ：Ｎ等が挙げられる。【００７５】
形成するＳｉＣ膜は、特に限定されるものではないが、緻密な結晶構造を有し拡散防止効果や耐酸化性が極めて高いという観点から、結晶性のα−ＳｉＣやβ−ＳｉＣ、特にβ−ＳｉＣが好ましい。β−ＳｉＣは、金属に対するバリア性（拡散防止）や耐酸化性に優れており、バリア層材料として好適である。【００７６】
本工程では、既に下層にＣｕ膜よりなる配線層５２が形成されているため、４００℃を超えるような高温の熱処理を行うことはできない。しかしながら、炭化水素系ガス雰囲気中で活性エネルギー線を照射する本発明の方法では、５０〜２５０℃程度の低温によってβ−ＳｉＣ膜を形成することができる。したがって、本発明の方法により、β−ＳｉＣ膜よりなるバリア層７６をバックエンドプロセスに適用することが可能となる。【００７７】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのＣｕ膜を堆積し、Ｃｕ膜よりなるシード膜（図示せず）を形成する。【００７８】
次いで、例えば電気めっき法により、シード膜をシードとしてＣｕ膜を堆積し、シード層と併せたトータルの膜厚が例えば１４００ｎｍのＣｕ膜を形成する。【００７９】
次いで、ＣＭＰ法により、絶縁膜６２上のＣｕ膜及びバリア層７６を研磨により除去し、ビアホール６８内に埋め込まれたＣｕ膜よりなるコンタクトプラグ７８と、配線溝７２内に埋め込まれたＣｕ膜よりなる配線８０とを一体且つ一括して形成する。このようにコンタクトプラグ７８と配線８０とを一括して形成する製造プロセスは、デュアルダマシン法と称される。なお、本実施形態では絶縁膜６２上のバリア層７６をＣｕ膜とともに除去しているが、バリア層７６は絶縁膜であるため、絶縁膜２２上に残存するようにしてもよい。【００８０】
次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚３０ｎｍのＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜を堆積し、ＳｉＣ：Ｏ：Ｈ膜よりなる絶縁膜８２を形成する（図９）。絶縁膜８２は、水分の拡散及びＣｕ配線からのＣｕの拡散を防止するバリア層として機能するものである。【００８１】
この後、必要に応じて上記と同様の工程を適宜繰り返し、図示しない第３層目の配線等を形成し、本実施形態による半導体装置を完成する。【００８２】
本発明の効果を検証するため、上述の製造プロセスを基本として、以下に示す６種類の評価試料を作成し、特性評価を行った。【００８３】
［実施例１］
上述の製造プロセスを用い、バリア層５０，７６として膜厚５ｎｍのβ−ＳｉＣを適用した半導体装置を製造した。【００８４】
［実施例２］
上述の製造プロセスを用い、バリア層５０，７６として膜厚１０ｎｍのβ−ＳｉＣを適用した半導体装置を製造した。【００８５】
［実施例３］
上述の製造プロセスを用い、バリア層５０，７６として膜厚２０ｎｍのβ−ＳｉＣを適用した半導体装置を製造した。【００８６】
［比較例１］
バリア層５０，７６の代わりに膜厚２０ｎｍのＴｉよりなるバリアメタルを適用した他は、上述の製造プロセスと同様にして半導体装置を製造した。【００８７】
［比較例２］
バリア層５０，７６の代わりに膜厚２０ｎｍのＴａよりなるバリアメタルを適用した他は、上述の製造プロセスと同様にして半導体装置を製造した。【００８８】
［比較例３］
バリア層５０，７６の代わりに膜厚２０ｎｍのＴｉ／Ｔａの積層膜よりなるバリアメタルを適用した他は、上述の製造プロセスと同様にして半導体装置を製造した。【００８９】
このようにして形成した各試料について、配線歩留まりと、高温放置試験後の配線抵抗の評価を行った。配線歩留まりの評価は、１００万個のコンタクトが電気的に直列接続されるように配線及びコンタクトプラグを形成した評価素子を用いて行った。高温放置試験後の配線抵抗の評価は、２００℃の温度にて１６８時間及び５０４時間放置した後の配線抵抗の上昇率を測定した。表１に、各試料の特性評価を行った結果をまとめる。【００９０】
【表１】
2009153857.tif 000005
表１に示すように、バリア層５０，７６をβ−ＳｉＣにより形成した実施例１〜３の試料では配線歩留まりが９６．１〜１００％であるのに対し、バリア層５０，７６を金属材料により形成した比較例１〜３の試料では配線歩留まりが５１．１〜５７．６％であり、大きな有意差が見られた。【００９１】
また、２００℃高温放置試験後の配線抵抗については、バリア層５０，７６をβ−ＳｉＣにより形成した実施例１〜３の試料における上昇率は、バリア層５０，７６を金属材料により形成した比較例１〜３の試料における上昇率よりも大幅に小さかった。また、１６８時間放置後と５０４時間放置後とにおける配線抵抗の上昇率の変化も、バリア層５０，７６をβ−ＳｉＣにより形成した実施例１〜３の試料では、バリア層５０，７６を金属材料により形成した比較例１〜３の試料と比較して大幅に小さかった。【００９２】
これらの結果から、β−ＳｉＣがバリア層材料として優れた特性を有していることが確認された。【００９３】
このように、本実施形態によれば、配線構造体から銅が拡散するのを防止するためのバリア層を結晶性のＳｉＣにより構成するので、銅の拡散バリア性を確保するとともに、バリア層の耐酸化性をも高めることができる。これにより、配線構造体の信頼性を高めることができ、高性能の半導体装置を製造することができる。【００９４】
また、結晶性のＳｉＣよりなるバリア層は、炭化水素系ガス雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより形成するので、その際の加熱温度を５０〜２５０℃程度まで低温化することができる。したがって、４００℃以上の熱処理が困難である半導体装置のバックエンドプロセスにも適用することができる。【００９５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。【００９６】
本発明は、上記実施形態に記載の半導体装置の構造及びその製造方法に限定されるものではなく、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜と、これに埋め込み形成された銅配線とを有する半導体装置及びその製造方法に広く適用することができる。半導体装置を構成する各層の膜厚や構成材料等についても、その範囲内において適宜変更することができる。【００９７】
また、本発明は、半導体装置のみならず、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜と、これに埋め込み形成された銅配線とを有する配線基板（例えば、回路基板）にも適用可能である。【００９８】
なお、本明細書において、基板とは、シリコン基板などの半導体基板そのもののみならず、ＭＩＳトランジスタ等の素子や１層又は複数層の配線が形成された半導体基板をも含むものである。また、配線構造体とは、上記実施形態に記載のコンタクトプラグや配線のみならず、これらと同時に形成される導体パターン、例えばＣＭＰ用のダミーパターンや耐湿リング等をも含むものである。
【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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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年7月20日(2010.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、シリコン化合物系絶縁材料よりなる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、開口部を形成する工程と、
前記開口部を形成した前記絶縁膜に、炭化水素系ガスを含む雰囲気中で活性エネルギー線を照射することにより、少なくとも前記開口部の内面に、結晶性のＳｉＣよりなるバリア層を形成する工程と、
前記バリア層が形成された前記絶縁膜の前記開口部内に、銅よりなる配線構造体を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、β−ＳｉＣよりなる前記バリア層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリア層を形成する工程では、前記基板を５０〜２５０℃の温度に加熱した状態で前記活性エネルギー線を照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜を形成する工程では、ＣＨｘ（ｘは０〜２の整数を表す）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−ＣＨ３結合及びＳｉ−ＣＨｘ結合（ｘは０〜２の整数を表す）を構造の一部に含むシリコーンポリマよりなる膜を有する前記絶縁膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコーンポリマよりなる膜は、多孔質膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性エネルギー線は、電子線、紫外線又はプラズマから放出される放射線である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記炭化水素系ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン及びアセチレンを含む群から選択される少なくとも１種類の気体を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
開口部を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口部の内面に形成された結晶性のＳｉＣよりなるバリア層と、
前記バリア層が形成された前記開口部内に埋め込まれた銅よりなる配線構造体と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の半導体装置において、
前記バリア層は、β−ＳｉＣよりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求の範囲第８項又は第９項に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、シリコン化合物系絶縁材料よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
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