(57)【要約】      （修正有）【課題】銅配線と低誘電率層間絶縁膜とを組み合わせた配線構造において、配線間容量を低減すると共に、配線金属の低誘電率膜への拡散を防止する半導体装置及びその製造方法を提供。【解決手段】半導体装置は、第１の凹部１ａを有する第１の低誘電率膜１と、第１の凹部１ａの壁部及び底部に形成されていると共に、上部が第１の低誘電率膜１の上面よりも突出するように形成されている、第２の凹部２ｂを有する第１のバリアメタル層２と、第２の凹部２ｂの内部に形成された第１の配線３と、第１の配線３と第１のバリアメタル層２とにおける第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分を覆うように、第１の配線３の上面、第１のバリアメタル層２の上面、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成された第２のバリアメタル層４とを備えている半導体装置及び製造方法。【選択図】図１
2006120755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の凹部を有する第１の低誘電率膜と、
前記第１の凹部の壁部及び底部に形成されていると共に、上部が前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出するように形成されている、第２の凹部を有する第１のバリアメタル層と、
前記第２の凹部の内部に形成された第１の配線と、
前記第１の配線と前記第１のバリアメタル層とにおける前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、前記第１の配線の上面、前記第１のバリアメタル層の上面、及び前記第１のバリアメタル層における前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成された第２のバリアメタル層とを備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の低誘電率膜の上には、前記第２のバリアメタル層を覆うように形成された第２の低誘電率膜をさらに備えてい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のバリアメタル層における前記第１の配線の上面上に存在している部分には、前記第１の配線の上方に位置する第２の配線と接続するために形成された前記第１の配線を露出させる開口部が形成されており、
前記第１の低誘電率膜の上には、前記第２のバリアメタル層における前記開口部を除く部分を覆うように形成された第２の低誘電率膜をさらに備えてい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４】
第１の低誘電率膜に第１の凹部を形成する工程と、
前記第１の凹部の壁部及び底部に沿うと共に、上部が前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出するように、第２の凹部を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記第２の凹部の内部に第１の配線を形成する工程と、
前記第１の配線と前記第１のバリアメタル層とにおける前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、前記第１の配線の上面、前記第１のバリアメタル層の上面、及び前記第１のバリアメタル層における前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に、第２のバリアメタル層を選択的に形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２のバリアメタル層を選択的に形成する工程は、
前記第１の低誘電率膜の上に、前記第１の配線と前記第１のバリアメタル層とにおける前記第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、前記第２のバリアメタル層を成膜する工程と、
前記第２のバリアメタル層における前記第１の低誘電率膜の上に存在している部分を選択的にエッチングによって除去する工程とを含み、
前記第２のバリアメタル層を成膜する工程は、
前記第１の低誘電率膜上における膜厚よりも、前記第１の配線の上面上及び前記第１のバリアメタル層の側壁上における膜厚の方が厚くなるように、前記第２のバリアメタル層を成膜する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２のバリアメタル層を形成する工程よりも後に、
前記第１の低誘電率膜の上に、前記第２のバリアメタル層を覆うように、第２の低誘電率膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項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、銅等の配線と低誘電率の配線層間膜とを備えた半導体装置の構造及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デバイスの配線ピッチの縮小が進み、トランジスタの信号遅延の影響よりも配線遅延の影響の方が益々大きくなってきている。したがって、配線抵抗の低抵抗化及び層間膜の比誘電率の低減が重要であることから、銅配線と低誘電率の層間膜とを組み合わせた配線構造について様々な検討がなされるようになってきている。
【０００３】
以下、第１の従来例に係る配線構造を有する半導体装置の製造方法について、図５（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は、第１の従来例に係る配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【０００４】
まず、図５（ａ）に示すように、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、下層の層間膜である第１の低誘電率膜１０１に、配線溝を構成する第１の凹部１０１ａを形成する。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１の凹部１０１ａの壁部及び底部並びに第１の低誘電率膜１０１の上に、配線溝を構成する第２の凹部１０２ｂを有するバリアメタル層１０２ａを形成する。続いて、第２の凹部１０２ｂの内部を含むバリアメタル層１０２ａの上に、銅膜１０３ａを形成する。ここで、バリアメタル層１０２ａは、銅膜１０３ａを構成する銅が、銅膜１０３ａの周囲に形成されている第１の低誘電率膜１０１中に拡散することを防止する働きを有する金属膜であり、例えばタンタル又は窒化タンタル等が用いられることが多い。タンタル又は窒化タンタルは、銅と比べて比抵抗が高いので、デバイスの微細化に伴って要求される配線抵抗の低減という観点に鑑みると、バリアメタル層１０２ａの膜厚は薄くしていかざるを得ず、現在ではその膜厚として約１０ｎｍ程度が主流になりつつある。
【０００６】
次に、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（化学機械研磨）法により、バリアメタル層１０２ａ及び銅膜１０３ａにおける第１の凹部１０１ａの内部からはみ出している部分を研磨除去することにより、第１の凹部１０１ａの壁部及び底部にバリアメタル層１０２を形成すると共に、第２の凹部１０２ｂの内部のみに埋め込まれた銅よりなる配線１０３を形成する。
【０００７】
次に、図５（ｄ）に示すように、第１の低誘電率膜１０１、バリアメタル層１０２及び配線１０３の上に、ライナー膜１０４を形成する。ここで、ライナー膜１０４は、配線１０３を構成する銅が、該配線１０３の上層に形成される後述の第２の低誘電率膜１０５中に拡散することを防止する働きを有し、例えば、比誘電率が高い窒化シリコン膜又はシリコン炭化膜等が用いられる。
【０００８】
次に、図５（ｅ）に示すように、ライナー膜１０４の上に、上層の層間膜である第２の低誘電率膜１０５を形成する。
【０００９】
ここで、バリアメタル層１０２とライナー膜１０４とが接触する面積は、バリアメタル層の膜厚約１０ｎｍに、図５（ｅ）の紙面に向かって垂直方向に伸びる長さを積算した値である。
【００１０】
なお、以上では、第１の従来例に係る配線構造を有する半導体装置の製造方法として、配線溝の内部のみに、バリアメタル層１０２及び配線１０３を形成する場合について説明したが、下層の配線との接続孔を上層の配線を埋め込む溝と同時に形成し、その溝と接続孔とに同時に銅を埋め込むデュアルダマシン法を用いた場合であっても同様に、バリアメタル層とライナー膜とが接触する面積は、バリアメタル層の膜厚分に前述の長さを積算した値となる。
【００１１】
しかしながら、前述した第１の従来例に係る配線構造では、後工程にて配線構造に加えられる熱処理等によって、バリアメタル層１０２とライナー膜１０４とが接触する界面が剥離することにより、配線１０３を構成する銅が、配線溝から層間膜である第１の低誘電率膜１０１中に拡散するという問題があった。このため、配線溝内から拡散した銅が、配線間ショートを生じさせたり、層間膜である第１の低誘電率膜１０１が絶縁破壊に至るまでの寿命を低下させてしまう等の問題もあった。
【００１２】
これらの問題に対しては、図６に示すように、第２の従来例に係る配線構造を有する半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６は、第２の従来例に係る配線構造を有する半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００１３】
図６に示すように、層間絶縁膜２０１には配線溝を構成する第１の凹部２０１ａが形成されている。また、第１の凹部２０１ａの壁部及び底部に沿うと共に、上部が層間絶縁膜２０１の上面から突出するように、配線溝を構成する第２の凹部２０２ｂを有する第１のバリア層２０２が形成されている。また、第２の凹部２０２ｂの内部には配線２０３が形成されている。また、層間絶縁膜２０１の上には、配線２０３及び第１のバリア層２０２における層間絶縁膜２０１の上面よりも突出している部分を覆うように、第２のバリア層２０４が形成されている。このように、配線２０３における層間絶縁膜２０１の上面よりも突出している部分の側壁付近において、第１のバリア層２０２と第２のバリア層２０４とが重なるように形成されている。これにより、第１のバリア層２０２と第２のバリア層２０４とが接触する面積が大きくなるので、配線２０３を構成する銅が、配線２０３の内部から外部の層間絶縁膜２０１へ拡散することを防止している。
【特許文献１】特開２０００−３２３４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前記第１及び第２の従来例に係る配線構造においては、以下の問題が存在する。
【００１５】
すなわち、前記第２の従来例に係る配線構造は、第２のバリア層２０４が窒化シリコン膜等の絶縁膜によって構成されており、第２のバリア層２０４が配線と配線とのスペースにおいても形成された構造を有している。窒化シリコン膜をはじめとするバリア性を持つ絶縁膜の比誘電率は、一般的に４.０〜７.０程度であって非常に高いので、配線と配線とのスペースに第２のバリア層２０４が形成された第２の従来例に係る配線構造では、配線間容量が増大してしまう。すなわち、第２の従来例に係る配線構造では、銅の拡散を防止するためのバリア性を確保することはできるものの、配線間容量が増大することを防止することができないという問題が発生する。
【００１６】
また、前記第１の従来例に係る配線構造においては、バリア層として働くライナー膜１０４は、例えば窒化シリコン又はシリコン炭化膜等の比誘電率の高い材料が用いられているために、配線間容量が増大してしまうという問題がある。
【００１７】
前記に鑑み、本発明の目的は、銅等よりなる配線と低誘電率膜よりなる層間膜とを組み合わせた配線構造において、配線間容量を低減できると共に、銅等の配線金属の低誘電率膜への拡散を防止できる構造を有する、高性能且つ高信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記の課題を解決するために、我々は鋭意検討を重ねたところ、銅等の配線金属の低誘電率膜への拡散に対しては、配線を覆うバリア層同士の密着性を向上させること、さらに、配線間容量の増大に対しては、比誘電率が大きい例えば窒化シリコン膜又はシリコン炭化膜等の材料をバリア層として用いないことが重要であるということを見出した。
【００１９】
本発明は、前記知見に鑑みてなされたものであり、具体的に、本発明の半導体装置は、第１の凹部を有する第１の低誘電率膜と、第１の凹部の壁部及び底部に形成されていると共に、上部が第１の低誘電率膜の上面よりも突出するように形成されている、第２の凹部を有する第１のバリアメタル層と、第２の凹部の内部に形成された第１の配線と、第１の配線と第１のバリアメタル層とにおける第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成された第２のバリアメタル層とを備えている。
【００２０】
本発明に係る半導体装置によると、第２のバリアメタル層は、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成されている。つまり、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層とが、第１の配線の側壁付近で重なり合っているので、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層とが重なり合う面積が大きい。このため、第１の配線から第１又は第２のバリアメタル層へストレスが加わった場合においても、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層との間における剥離は発生しにくいので、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜に移動することを防止できる。また、第１の配線の周囲は、第１のバリアメタル層及び第２のバリアメタル層によって被覆されているので、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜に移動することを確実に防止することができる。また、配線間容量の増大の要因となる第２のバリアメタル層は、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁のみに選択的に形成されており、第１の配線の周囲以外には形成されていないので、配線間容量の低減も実現することができる。このように、本発明に係る半導体装置によると、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜へ拡散することを防止できると共に、配線間容量の低減を実現することができる。
【００２１】
本発明に係る半導体装置において、第１の低誘電率膜の上には、第２のバリアメタル層を覆うように形成された第２の低誘電率膜をさらに備えていることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、第１及び第２のバリアメタル層の周囲は第１及び第２の低誘電率膜によって覆われているので、配線間容量のさらなる低減を実現することができる。また、第１の低誘電率膜上における第１の凹部外の部分では、第１の低誘電率膜の上に、配線間容量の増大の要因となる第２のバリアメタル層を間に介さずに、第２の低誘電率膜が直接形成されているので、配線間容量の低減も実現することができる。
【００２３】
本発明に係る半導体装置において、第２のバリアメタル層における第１の配線の上面上に存在している部分には、第１の配線の上方に位置する第２の配線と接続するために形成された第１の配線を露出させる開口部が形成されており、第１の低誘電率膜の上には、第２のバリアメタル層における開口部を除く部分を覆うように形成された第２の低誘電率膜をさらに備えていることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、第１の配線における第２の配線と接続する部分を除く部分は、第１及び第２のバリアメタル層によって被覆されているので、配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜へ拡散することを確実に防止することができる。また、第１のバリアメタル層と、第２のバリアメタル層における開口部を除く部分とは、第１及び第２の低誘電率膜によって覆われているので、配線間容量のさらなる低減を実現することができる。
【００２５】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の低誘電率膜に第１の凹部を形成する工程と、第１の凹部の壁部及び底部に沿うと共に、上部が第１の低誘電率膜の上面よりも突出するように、第２の凹部を有する第１のバリアメタル層を形成する工程と、第２の凹部の内部に第１の配線を形成する工程と、第１の配線と第１のバリアメタル層とにおける第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に、第２のバリアメタル層を選択的に形成する工程とを備える。
【００２６】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜へ拡散することを防止できると共に、配線間容量の低減を実現することができる前述した本発明に係る半導体装置を容易に製造することができる。
【００２７】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２のバリアメタル層を選択的に形成する工程は、第１の低誘電率膜の上に、第１の配線と第１のバリアメタル層とにおける第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分を覆うように、第２のバリアメタル層を成膜する工程と、第２のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上に存在している部分を選択的にエッチングによって除去する工程とを含み、第２のバリアメタル層を成膜する工程は、第１の低誘電率膜上における膜厚よりも、第１の配線の上面上及び第１のバリアメタル層の側壁上における膜厚の方が厚くなるように、第２のバリアメタル層を成膜する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２８】
このように、第１の低誘電率膜上における膜厚よりも、第１の配線の上面上及び第１のバリアメタル層の側壁上における膜厚の方が厚くなるように、第２のバリアメタル層を成膜するので、第２のバリアメタル層に対してエッチバックを行なうことにより、第２のバリアメタル層における第１の配線の上面及び第１のバリアメタル層の上面に形成されている部分を残存させると共に、第２のバリアメタル層における第１の低誘電率膜上に形成されている部分をエッチング除去できる。このため、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に第２のバリアメタル層を容易に形成することができる。つまり、配線の側壁付近にて第１のバリアメタル層と重なり合うように、第２のバリアメタル層を容易に形成することができる。
【００２９】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２のバリアメタル層を形成する工程よりも後に、第１の低誘電率膜の上に、第２のバリアメタル層を覆うように、第２の低誘電率膜を形成する工程をさらに備えることが好ましい。
【００３０】
このようにすると、第１及び第２のバリアメタル層の周囲は第１及び第２の低誘電率膜によって覆われているので、配線間容量のさらなる低減を実現することができる。また、第１の低誘電率膜上における第１の凹部外の部分では、第１の低誘電率膜の上に、配線間容量の増大の要因となる第２のバリアメタル層を間に介さずに、第２の低誘電率膜が直接形成されているので、配線間容量の低減も実現することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明の半導体装置及びその製造方法によると、第２のバリアメタル層は、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成されている。つまり、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層とが、第１の配線の側壁付近で重なり合っているので、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層とが重なり合う面積が大きい。このため、第１の配線から第１又は第２のバリアメタル層へストレスが加わった場合においても、第１のバリアメタル層と第２のバリアメタル層との間における剥離は発生しにくいので、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜に移動することを防止できる。また、第１の配線の周囲は、第１のバリアメタル層及び第２のバリアメタル層によって被覆されているので、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜に移動することを確実に防止することができる。また、配線間容量の増大の要因となる第２のバリアメタル層は、第１の配線の上面、第１のバリアメタル層の上面、及び第１のバリアメタル層における第１の低誘電率膜の上面よりも突出している部分の側壁のみに選択的に形成されており、第１の配線の周囲以外には形成されていないので、配線間容量の低減も実現することができる。このように、本発明に係る半導体装置によると、第１の配線中の銅等の金属が第１及び第２の低誘電率膜へ拡散することを防止できると共に、配線間容量の低減を実現することができる。したがって、高性能であって且つ高信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供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】
【００３２】
以下、本発明に係る各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図１を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００３５】
図１に示すように、第１の層間膜である第１の低誘電率膜１には、配線溝を構成する第１の凹部１ａが形成されている。また、第１の凹部１ａの壁部及び底部に沿うと共に、上部が第１の低誘電率膜１の上面よりも突出するように、配線溝を構成する第２の凹部２ｂを有する第１のバリアメタル層２（膜厚は約１０ｎｍ）が形成されている。また、第２の凹部２ｂの内部には、銅よりなる配線３が形成されている。このように、配線溝には、第１のバリアメタル層２を介して配線３が形成されている。つまり、第１のバリアメタル層２は、配線３の下部側から配線３を被覆するように形成されている。ここで、配線３及び第１のバリアメタル層２のそれぞれの上部は、第１の低誘電率膜１の上面よりも約２０〜５０ｎｍだけ突出するように形成されている。また、第１のバリアメタル層２は銅の拡散に対してバリア性を持つ金属膜よりなり、例えばタンタル又は窒化タンタル等の金属膜を用いることが多い。
【００３６】
また、第１のバリアメタル層２及び配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分を選択的に被覆するように、第２のバリアメタル層４（膜厚は約５〜１０ｎｍ）が形成されている。具体的には、第２のバリアメタル層４は、配線３の上面上、第１のバリアメタル層２の上面上、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁上に形成されている。つまり、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４とは、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁付近において重なり合っている。このため、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４とが接触する面積は、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分（又は第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分）の高さ（すなわち約２０〜５０ｎｍ）に、配線３における図１の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値（第１の面積）と第１のバリアメタル層２の層厚に、配線３における図１の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値（第２の面積）の和となり、本発明の第１の実施形態に係る配線構造では、前述した第２の従来例の配線構造と比べて、第１の面積の分だけ接触面積が大きいことになる。ここで、第２のバリアメタル層４は銅の拡散に対してバリア性を持つ金属膜よりなり、例えばタンタル又は窒化タンタル等の金属膜を用いることができる。
【００３７】
また、第１の低誘電率膜１の上には、第２のバリアメタル膜４を被覆するように、第２の低誘電率膜５が形成されている。
【００３８】
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置は、以上のような構造を有している。
【００３９】
ここで、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置における配線構造の特徴について説明する。
【００４０】
前述した第１の従来例に係る配線構造において、配線を構成する銅が低誘電率膜中に拡散する経路としては、バリアメタル層とライナー膜とが接触する界面が考えられる。そして、その界面における接触面積（具体的には図５（ｅ）に示すバリアメタル層１０３とライナー膜１０４との接触面積）は、バリアメタル層１０３の膜厚である約１０ｎｍ程度に、図５（ｅ）の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値である。
【００４１】
一方、本発明の第１の実施形態に係る配線構造の場合、配線３を構成する銅が第１の低誘電率膜１中に拡散する経路としては、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４とが接触する界面が考えられる。そして、その界面における接触面積（具体的には図１に示す第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４との接触面積）は、第１の従来例に係る配線構造と同様である第１のバリアメタル層２の膜厚分に対応する面積に加えて、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分（又は第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分）の高さである約２０〜５０ｎｍに、配線３における図１の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値を足し合わせた値となる。
【００４２】
したがって、本発明の第１の実施形態に係る配線構造では、配線３を構成する銅が拡散する径路となる界面の接触面積は、第１の従来例に係る配線構造と比較して、大幅に大きくなっている。これにより、配線３からのストレスが第１のバリアメタル層２又は第２のバリアメタル層４に加えられた場合であっても、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４との接触面積が大きいため、たとえいずれか一方のバリアメタル層がずれたとしても、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４との接触を保持することができるので、配線３を構成する銅が配線３の外部に移動することを防止することができる。
【００４３】
また、前述した第２の従来例に係る配線構造では、窒化シリコン膜等の絶縁膜によって構成される第２のバリアメタル層２０４が、層間絶縁膜２０１上における第１の凹部２０１ａを除く部分の上にも形成されているので（図６参照）、その上に上層の層間絶縁膜をさらに形成すると、層間絶縁膜２０１上における第１の凹部２０１ａを除く部分の上においては、層間絶縁膜２０１と上層の層間絶縁膜との間に第２のバリアメタル層２０４が介在することになる。このように、比誘電率が非常に高い窒化シリコン膜等よりなる第２のバリアメタル層２０４が、配線間のスペースとなる領域に残存する結果、配線間容量が増大するという課題がある。
【００４４】
一方、本発明の第１の実施形態に係る配線構造によると、第２のバリアメタル層４は、配線３の上面、第１のバリアメタル層２の上面、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率１の上面よりも突出している部分の側面を選択的に覆う構造を有しているので、第１の凹部１ａを除く第１の低誘電率膜１上において、第１の層間膜である第１の低誘電率膜１と第２の層間膜である第２の低誘電率膜５との間には、第２のバリアメタル層４は存在しない。このため、第２のバリアメタル層４が配線間の容量を増大する要因となることがなくなる。したがって、前述した銅の拡散防止と共に、配線間容量の低減を実現することができる。
【００４５】
さらに、本発明の第１の実施形態に係る配線構造によると、配線３の周囲が第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４によって被覆されており、さらに、第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４の周囲は第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５によって被覆されている。このように、配線３の周囲が第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４によって被覆されているので、配線３を構成する銅が第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５に移動することを確実に防止することができる。また、第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４の周囲が第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５によって被覆されているので、配線間の容量を低減することができる。
【００４６】
ところで、前述したように、本発明の第１の実施形態に係る配線構造においては、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の高さの好ましい値として２０ｎｍ〜５０ｎｍとしている。その理由を以下に説明する。配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の高さとして、その下限の値が２０ｎｍよりも小さい場合には、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４との重なり（接触面積）が少なくなるので、配線３を構成する銅が配線３の内部から外部に移動することを防止できるという本発明の効果が得られにくくなる。また、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の高さが、第１のバリアメタル層２又は第２のバリアメタル層４の膜厚（約１０ｎｍ）程度である場合には、ＣＭＰ法を用いた場合の研磨のバラツキによって生じてしまう可能性がある段差の高さであるが、第１のバリアメタル層２又は第２のバリアメタル層４の膜厚の２倍以上（２０ｎｍ以上）である場合には、製造工程におけるバラツキによって発生する段差の高さとしてはあり得ない。一方、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の高さとして、その上限の値が５０ｎｍよりも大きい場合には、そのような高さを持つ段差が形成された後の工程にて行なわれるリソグラフィー工程に影響を与え、微細加工を困難にするという新たな課題が生じて好ましくない。
【００４７】
また、前述では、本発明の第１の実施形態に係る配線構造において、第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５の材質については、特に言及していないが、フッ素シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン膜、パリレン、若しくは炭化シリコン酸化膜等のＣＶＤ法によって形成される膜、又は塗布法によって形成されるその他の膜を用いることができ、比誘電率が１．８〜３.０程度の低誘電率膜を用いることが好ましい。
【００４８】
また、図示はしていないが、第２のバリアメタル層４における配線３の上部に形成されている部分の少なくとも一部に、配線３と当該配線３の上方に形成される上層の配線とを接続し且つ配線３の上面を露出させる開口部が形成されている構造に対しても、本発明を適用することができる。すなわち、配線３における前記開口部に露出している領域を除く部分が、第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４によって被覆され、さらに、この第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４の周囲が、第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５によって覆われる構成とすることもできる。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｃ）、及び図４を参照しながら説明する。
【００５０】
図２（ａ）〜（ｄ）及び図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図であり、具体的には、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を示している。なお、前述した本発明の第１の実施形態に係る半導体装置と同じ構成要素については、同一の符号を付しており、その詳細な説明は繰り返さない。
【００５１】
まず、図２（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて、第１の層間膜である第１の低誘電率膜１に、配線溝を構成する第１の凹部１ａを形成する。
【００５２】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１の凹部１ａの内部を含む第１の低誘電率膜１の上に、配線溝を構成する第２の凹部２ｂを有する第１のバリアメタル層２ａを形成する。続いて、第１のバリアメタル層２ａの上に銅膜３ａを形成する。ここで、第１のバリアメタル層２ａは、銅膜３ａを構成する銅が第１の低誘電率膜１中に拡散することを防止する働きを持つ金属膜であって、例えばタンタル又は窒化タンタル等を用いることが多い。
【００５３】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により 、銅膜３ａ及び第１のバリアメタル層２ａにおける第１の凹部１ａ内部からはみ出している部分を除去して、第１の凹部１ａの壁部及び底部のみに形成された第１のバリアメタル層２と、銅膜３ａが第２の凹部２ｂ内のみに埋め込まれた配線３とを形成する。また、ここでのＣＭＰ法では、銅膜３ａ、第１のバリアメタル層２ａ及び第１の低誘電率膜１のそれぞれに対する研磨レートの比が、ほぼ｛１：１：１｝になる条件下にて研磨を行なう。
【００５４】
次に、図２（ｄ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて、配線３、第１のバリアメタル層２、低誘電率膜１のそれぞれに対する研磨レートの比が、ほぼ｛１：１：１００以上｝になる条件下にて研磨を行なうことにより、配線３と第１のバリアメタル層２のそれぞれの上部を第１の低誘電率膜１の上面よりも約２０〜５０ｎｍだけ突出させるように形成する。
【００５５】
次に、図３（ａ）に示すように、ＡＬＤ法(Atomic Layer Deposition )により、第１の低誘電率膜１の上に、第１のバリアメタル層２と配線３とにおける第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分を覆うように、層厚が約５〜１０ｎｍである窒化タンタル膜よりなる第２のバリアメタル層４ａを形成する。但し、ＡＬＤ法によって形成される窒化タンタル膜（第２のバリアメタル層４ａ）は下地依存性があり、窒化タンタル膜における第１の低誘電率膜１の上に形成されている部分の層厚は約０.５〜１ｎｍ程度となる。
【００５６】
ここで、図４は、ＡＬＤ法によって形成される窒化タンタル膜の膜厚と下地膜の種類との関係図を示している。図４から明らかなように、熱酸化膜上に形成される窒化タンタル膜の層厚を１とすると、銅膜又はタンタル膜上に形成される窒化タンタル膜の層厚は、熱酸化膜上に形成される場合の層厚とほぼ同程度の層厚が形成されることが分かる。これに対して、低誘電率膜上に形成される窒化タンタル膜は、熱酸化膜、銅膜又はタンタル膜の約１０分の１程度の層厚しか形成されないことが分かる。その理由は明確ではないが、ＡＬＤ法によって窒化タンタル膜を形成する際に用いるアンモニア又はＰＤＭＡＴ等の原料が低誘電率膜上に吸着しにくいために、低誘電率膜上において膜が成長しにくいからであると推測される。
【００５７】
次に、図３（ｂ）に示すように、第２のバリアメタル層４ａに対して、オーバーエッチングも含めて、約１〜２ｎｍ程度除去されるようにエッチバックを行なうことにより、第２のバリアメタル層４ａにおける第１の低誘電率膜１上に存在している部分を除去すると共に、第２のバリアメタル層４ａにおける配線３の上面上及び側面上に存在している部分を残存させて、第２のバリアメタル層４を形成する。すなわち、第２のバリアメタル層４は、配線３の上面、第１のバリアメタル層２の上面、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁に選択的に形成される。このように、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４とは、配線３の側壁付近において重なり合っており、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４との接触面積は、第１の実施形態でも説明したように、配線３における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分（又は第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分）の高さ（すなわち約２０〜５０ｎｍ）に、配線３における図３（ｂ）の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値（第１の面積）と第１のバリアメタル層２の層厚に、配線３における図１の紙面に向かって垂直方向に延びる長さを積算した値（第２の面積）の和となり、前述した第２の従来例に係る配線構造と比べて、第１の面積の分だけ接触面積が大きい。
【００５８】
次に、図３（ｃ）に示すように、第１の低誘電率膜１の上に、第２のバリアメタル層４を覆うように、第２の層間膜として第２の低誘電率膜５を形成する。
【００５９】
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、以上のような工程を備えており、前述した本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を容易に製造することが可能となる。
【００６０】
また、第２のバリアメタル層４ａを形成する工程では、第２のバリアメタル層４ａにおける第１の低誘電率膜１上に形成される部分の層厚よりも配線３の上面側及び側面側に形成される部分の層厚の方が厚くなるように第２のバリアメタル層４ａを形成する（図３（ａ）参照）。このため、第２のバリアメタル層４ａに対してエッチバックを行なうと、第２のバリアメタル層４ａにおける第１の低誘電率膜１の上に存在している部分を選択的に除去することができるので、配線３の上面、第１のバリアメタル層２の上面、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁のみに選択的に第２のバリアメタル層４を容易に形成することができる。つまり、配線３の側壁付近において、第１のバリアメタル層２と第２のバリアメタル層４とが重なり合う構成を容易に実現することができる。
【００６１】
また、第２のバリアメタル層４を形成した後に、第１の低誘電率膜１の上に、第２のバリアメタル層４を覆うように、第２の低誘電率膜５を形成する工程を備えているので、第１の低誘電率膜１上における第１の凹部１ａを除く部分上では、第２のバリアメタル層４を介さずに、第１の低誘電率膜１と第２の低誘電率膜５とが直接接続する構造を実現することができる。これにより、第２の従来例に係る配線構造と比べて、配線間容量を大幅に低減することができる。
【００６２】
なお、配線３の上面、第１のバリアメタル層２の上面、及び第１のバリアメタル層２における第１の低誘電率膜１の上面よりも突出している部分の側壁のみに選択的に第２のバリアメタル層４を形成する工程、つまり、配線３の側壁付近において、第１のバリアメタル層２と重なり合うように第２のバリアメタル層４を形成する工程は、前述した図３（ｂ）及び（ｃ）を用いて説明した工程に限定されるものではない。
【００６３】
また、第１の低誘電率膜１と第２の低誘電率膜５との間に、第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５と同程度の誘電率を有する膜を形成するようにしてもよい。
【００６４】
また、図３（ｃ）に示した工程の後に、第２のバリアメタル層４における配線３の上部に形成されている部分の少なくとも一部に、配線３と当該配線３の上方に形成された上層の配線とを接続する、配線３の上面を露出させる開口部を形成するようにしてもよい。この場合には、配線３における開口部に露出している領域を除く部分が、第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４によって被覆されるようにすればよく、さらに、この第１のバリアメタル層２及び第２のバリアメタル層４の周囲が、第１の低誘電率膜１及び第２の低誘電率膜５によって被覆されるようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、溝埋め込み構造の銅配線と低誘電率の配線層間膜とを備えた半導体装置の構造及びその製造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面である。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるＡＬＤ法によって形成された窒化タンタル膜の膜厚と下地膜の種類との関係図である。
【図５】第１の従来例の配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図６】第２の従来例の配線構造を有する半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１        第１の低誘電率膜
１ａ      第１の凹部
２        第１のバリアメタル層
２ａ      第２の凹部
３        配線
４        第２のバリアメタル層
５        第２の低誘電率膜
１０１    第１の低誘電率膜
１０１ａ  第１の凹部
１０２    バリアメタル層
１０２ａ  バリアメタル層
１０２ｂ  第２の凹部
１０３    配線
１０４    ライナー膜
１０５    第２の低誘電率膜
２０１    層間絶縁膜
２０１ａ  第１の凹部
２０２ｂ  第２の凹部
２０２    第１のバリア層
２０３    配線
２０４    第２のバリア層
【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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