(57)【要約】【課題】銅配線から絶縁膜へのＣｕイオンの電界拡散を抑制させること。【解決手段】第１の銅導体３３と、第１の銅導体より低い電位にある第２の導体３０と、第１の銅導体３３と第２の導体３０との間に位置する第１の絶縁膜３１と、第１の銅導体３３と第１の絶縁膜３１との間に、膜厚と抵抗率が第１の絶縁膜３１よりも小さな第２の絶縁膜３２を備えた半導体装置を提供する。第２の絶縁膜３２の抵抗率は、第１の絶縁膜３１の抵抗率の１／１０以下であることが好ましい。【選択図】        図１２
2006100601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体と、
前記第１の導体から距離ｄ隔てられた第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置するとともに、前記距離ｄの幅と誘電率εを有する絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁膜は、前記第１の導体から前記第２の導体へと向かう方向で前記絶縁膜内の位置を示す距離ｒにおいて単位体積密度ρ（ｒ）の正電荷を有し、
前記距離ｄと、前記誘電率εと、前記第２の導体に対して前記第１の導体に印加される正の電圧Ｖと、前記距離ｒと、前記単位体積密度ρ（ｒ）と、前記距離ｄよりも小さい距離ｒmaxとの間において、以下の式が満されることを特徴とする半導体装置。
【数１】
2006100601.tif 000038
【請求項２】
第１の導体と、
前記第１の導体から距離ｄ隔てられた第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置するとともに、前記距離ｄの幅と誘電率εを有する絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁膜は、前記第１の導体から前記第２の導体へと向かう方向の前記絶縁膜内の位置を示す距離ｒにおいて単位体積密度ρ（r）の正電荷を有し、
前記距離ｄと、前記誘電率εと、前記第２の導体に対して前記第１の導体に印加される正の電圧Ｖと、前記距離ｒと、前記単位体積密度ρ（r）と、前記距離ｄよりも小さい距離ｒmaxとの間において、以下の式が満されることを特徴とする半導体装置。
【数２】
2006100601.tif 000039
【請求項３】
さらに、以下の式が満たされ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。
【数３】
2006100601.tif 000040
【請求項４】
前記絶縁膜であって、前記第１の導体と前記第２の導体との中間位置よりも前記第１の導体に近い領域に、シリコンサブオキサイド、金属の少なくとも一つが含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
第１の導体と、
前記第１の導体より低い電位にある第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置する第１の絶縁膜と、
前記第１の導体と前記第１の絶縁膜との間に位置し、前記第１の絶縁膜よりも膜厚の小さい第２の絶縁膜と、
を備え、
前記第２の絶縁膜の抵抗率が、前記第１の絶縁膜の抵抗率よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
第１の導体と、
前記第１の導体より低い電位にある第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置する第１の絶縁膜と、
前記第１の導体と前記第１の絶縁膜との間に位置する、前記第１の絶縁膜よりも膜厚の小さな第２の絶縁膜と、
を備え、
前記第２の絶縁膜の抵抗率が、前記第１の絶縁膜の抵抗率の１／１０以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記第１の導体が、銅配線であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の導体と、前記絶縁膜もしくは前記第２の絶縁膜との間にバリアメタル層を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜によって隔てられた配線を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能化やコストパフォーマンスを向上させるため、半導体装置の微細化が進められている。半導体装置の微細化は、信号伝送媒体である配線の間隔、並びに、配線と半導体層（導電性半導体基板やイオン注入領域）との間隔の狭小化を伴う。配線間または配線と半導体層との間（以下、「配線間」と表記した場合には、配線と半導体層等の導電層との間も含むものとする。）は、通常、絶縁膜によって隔てられており、配線間の狭小化とは、その絶縁膜の幅または厚みが小さくなることを意味する。絶縁膜の幅または厚みが小さくなると、配線間の静電容量が増加し、信号遅延を招くことになる。
【０００３】
そこで、その信号遅延を回避すべく、絶縁膜として低誘電率のものを用いて静電容量の増加を低減したり、配線材料として、低抵抗である銅（Ｃｕ）を用いて高速応答を実現する、といった対策が施されている。しかしながら、銅は、これまで配線材料として使用されてきたアルミニウムやタングステンと比較して、絶縁膜中に拡散し易いという欠点を有する。具体的には、絶縁膜に直接接した複数の銅配線に異なる電圧を印加すると、高い電圧が印加された銅配線と絶縁膜との界面に正のＣｕイオンが発生する。そのＣｕイオンは、容易に、低い電圧が印加された銅配線へと移動する（いわゆる、電界拡散）。このようにＣｕイオンが絶縁膜中に拡散すると、絶縁膜の絶縁性が低下し、トランジスタ領域へのＣｕ再拡散によって半導体装置の信頼性をも低下する。
【０００４】
そこで、Ｃｕイオンの電界拡散やＣｕ原子の熱拡散を防止するための種々の方法が提案されている。代表的な方法としては、銅配線と絶縁膜との界面に、Ｃｕ原子の熱拡散を防止するバリアメタルを形成する方法が知られている。また、窒化膜中のＣｕ原子の拡散速度は小さいという特性を生かして、銅配線と接する絶縁膜（シリコン酸化膜）の表面に窒化膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１の従来技術の説明や特許文献２参照）。また、窒化膜は高い誘電率を有するという欠点を克服するために、ダマシン法によって形成された銅配線の露出表面を、窒化膜に替えて低誘電率材料として知られている有機スピンオングラス（ＳＯＧ）膜で被覆する方法も提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、絶縁膜自体のＣｕ拡散耐性を向上させる方法も提案されている。例えば、シリコン絶縁膜中に不純物（リン，ホウ素，砒素など）を含有させることで、電圧印加によって生じたＣｕイオンを捕獲する方法（特許文献２および特許文献３参照）が知られている。
【０００６】
Ｃｕ原子の拡散を抑制する方法としては、その他にも、ＳＡＭ（Self Assembled Mono-layer）膜やＢＣＢ（Benzocyclobutene）膜などを銅配線と絶縁膜との界面に形成する方法などが研究されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１７０８８１号公報
【特許文献２】特開平６−１３３８１号公報
【特許文献３】特開２００１−１２７１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記したバリアメタルも、半導体装置の微細化に合わせて薄膜化する必要がある。例えば２００３年のＩＲＰＳ（International Reliability Physics Symposium）によると、現在約１０ｎｍであるバリアメタルの膜厚は、２０１０年には５ｎｍが要求されると予測している。ところがバリメタルを単純に薄膜化するとＣｕ拡散の抑止力が低下する。そのため、Ｃｕ拡散耐性の高いバリアメタルの開発が進められている。ところが、一般にバリア性を高めるとバリアメタルの抵抗が増加する傾向にある。このように、バリアメタルの薄膜化と低抵抗化はトレードオフの関係があり、両立は難しい。
【０００９】
一方、Ｃｕ拡散を防止するために窒化膜を用いたとしても、上記したように窒化膜の誘電率は高いため、絶縁膜表面に厚く形成すると、膜全体の誘電率が増加する。さらにＣｕ原子は、ほとんどの原子／分子と強固な結合を形成しないことで知られている。このため、銅配線と絶縁膜との間にＣｕ拡散速度が小さな膜を形成しても、その膜と銅配線との間の結合は弱い。よって、銅ダマシン法の一工程であるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）において、銅配線の一部が剥れてしまうことが懸念される。
【００１０】
また、上記したように、絶縁膜として、不純物が注入されたシリコン絶縁膜を用い、その不純物にＣｕイオンを捕獲させた場合であっても、ほとんどの不純物はＣｕ原子と弱い結合しか形成せず、その後の熱処理等によって結合が切れ、絶縁膜へのＣｕ再拡散が生じ易い。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体装置のさらなる高性能化を進めるために、新たなＣｕ電界拡散抑制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】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体装置は、第１の導体と、前記第１の導体から距離ｄ隔てられた第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置するとともに、前記距離ｄの幅と誘電率εを有する絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜は、前記第１の導体から前記第２の導体へと向かう方向で前記絶縁膜内の位置を示す距離ｒにおいて単位体積密度ρ（ｒ）の正電荷を有し、前記距離ｄと、前記誘電率εと、前記第２の導体に対して前記第１の導体に印加される正の電圧Ｖと、前記距離ｒと、前記単位体積密度ρ（ｒ）と、前記距離ｄよりも小さい距離ｒmaxとの間において、以下の式が満されることを特徴としている。
【数１】
2006100601.tif 000003
【００１３】
また、本発明にかかる半導体装置は、第１の導体と、前記第１の導体から距離ｄ隔てられた第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置するとともに、前記距離ｄの幅と誘電率εを有する絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜は、前記第１の導体から前記第２の導体へと向かう方向の前記絶縁膜内の位置を示す距離ｒにおいて単位体積密度ρ（r）の正電荷を有し、前記距離ｄと、前記誘電率εと、前記第２の導体に対して前記第１の導体に印加される正の電圧Ｖと、前記距離ｒと、前記単位体積密度ρ（r）と、前記距離ｄよりも小さい距離ｒmaxとの間において、以下の式が満されることを特徴としている。
【数２】
2006100601.tif 000004
【００１４】
また、本発明にかかる半導体装置は、第１の導体と、前記第１の導体より低い電位にある第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置する絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜は、前記第１の導体と前記第２の導体との中間位置よりも前記第１の導体に近い領域内に所定の平均電荷密度で局在した正電荷を有し、前記絶縁膜内の最大電位が前記第１の導体の電位以上であることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明にかかる半導体装置は、第１の導体と、前記第１の導体より低い電位にある第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置する第１の絶縁膜と、前記第１の導体と前記第１の絶縁膜との間に位置する第２の絶縁膜と、を備え、前記第２の絶縁膜の抵抗率が、前記第１の絶縁膜の抵抗率よりも小さいことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明にかかる半導体装置は、第１の導体と、前記第１の導体より低い電位にある第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に位置する第１の絶縁膜と、前記第１の導体と前記第１の絶縁膜との間に位置する第２の絶縁膜と、を備え、前記第２の絶縁膜の抵抗率が、前記第１の絶縁膜の抵抗率の１／１０以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる半導体装置は、絶縁膜内に正電荷を局在させることにより、Ｃｕイオンに対する絶縁膜内の電位障壁を上昇させ、あるいは抵抗率の小さな絶縁膜を銅配線と絶縁膜との間に挿入して銅配線／絶縁膜界面の電界を低下させ、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは現実のものとは異なる。また、図面の相互間において同じ部分を指す場合であっても、互いの寸法や比率が異なって示されている部分もある。
【００１９】
本実施の形態にかかる半導体装置は、銅配線が絶縁膜によって隔てられた構造を有し、その絶縁膜の内部であって且つ銅配線の近傍に正電荷を局在させたことを特徴としている。換言すれば、正電荷の局在によって、絶縁膜内に、Ｃｕイオンの電界拡散を防止する電界方向の局所電界を生成したことを特徴としている。
【００２０】
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置の配線構造の断面図である。図１に示す配線構造は、半導体装置を構成するトランジスタ等の半導体素子の一部分、半導体素子間の信号伝送媒体、半導体素子と半導体装置の入出力端子との間の信号伝送媒体などを形成する典型的な構造である。よって、この配線構造の上層または下層において、他の絶縁膜、半導体層、基板などの層構造が配置されてもよい。
【００２１】
図１では、第１の絶縁膜１１の上に第２の絶縁膜１２が積層され、第２の絶縁膜１２の表面から第２の絶縁膜１２を貫通して第１の絶縁膜１１のある深さにまで至る２つの溝内に、それぞれ第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂが形成されている。また、第１の銅配線１５ａと、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２との間には、バリアメタル１４ａが形成されており、同様に、第２の銅配線１５ｂと、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２との間には、バリアメタル１４ｂが形成されている。
【００２２】
本実施の形態にかかるこの配線構造は、以下に説明する銅ダマシン法によって得られた。まず、シリコン基板上にトランジスタ等の半導体素子（図示せず）を形成した後、その半導体素子上に、第１の絶縁膜１１として比誘電率約２．５のＳｉＯＣ絶縁膜を形成した。続いて、このＳｉＯＣ絶縁膜上に、第２の絶縁膜１２として比誘電率約３．９のＳｉＯ2膜を形成した。これらＳｉＯＣ絶縁膜およびＳｉＯ2膜はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成した。
【００２３】
ＳｉＯＣ絶縁膜は比誘電率が低いために銅配線の寄生容量を低減させる点で好ましい材料であるが、機械強度が低いため、後述するＣＭＰ工程において浸蝕されやすいという欠点を有する。上記したＳｉＯ2膜は、そのＳｉＯＣ絶縁膜の欠点を補うために形成されている。なお、ＳｉＯＣ絶縁膜としては、例えば有機スピンオングラス（ＳＯＧ）を用いることができる。
【００２４】
次に、第２の絶縁膜１２の表面にフォトレジスト膜（図示せず）のマスクを形成し、ドライエッチングによって、第２の絶縁膜１２の表面から第１の絶縁膜１１のある深さにまで至る２つの溝を形成した。各溝の幅ｇは約０．２μｍであり、２つの溝の間隔ｗは約０．２μｍであった。
【００２５】
本実施の形態では、以下に説明するイオン注入工程およびＳｉＯx膜形成工程の効果を検証するため、この段階で得られた試料、すなわち第１の絶縁膜１１と第２の絶縁膜１２との２層からなる絶縁膜に２つの溝が形成された試料を３つ用意した。
【００２６】
３つの試料のうちの一つについて、各溝の内壁面を形成する第１の絶縁膜１１と第２の絶縁膜１２との一部にＳｉをイオン注入し（イオン注入工程）、これを試料Ａとした。また、３つの試料のうちの他の一つについて、各溝の内壁面を形成する第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の上に、約２ｎｍのＳｉ膜をＣＶＤで堆積し、Ｏ2で４００℃に加熱して膜厚約３ｎｍのＳｉＯx膜を形成した。そして、これを試料Ｂとした。さらに、３つの試料のうちの残りの一つについては、イオン注入もＳｉＯx膜の作成も行わず、これを試料Ｃとした。
【００２７】
次に、試料Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれにおいて、各溝の内壁面を形成する第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の上に、バリアメタル１４ａ，１４ｂとして、厚さｄｔが約５ｎｍのＴａ膜を堆積した。これにより、試料Ａ，Ｂ，Ｃの各溝の内壁面は、Ｔａ膜によって被覆された。
【００２８】
続いて、試料Ａ，Ｂ，Ｃの各溝内に、Ｃｕシード層をスパッタリングにより形成した後、メッキ法によってＣｕ膜を埋め込んだ。さらに、第２の絶縁膜１２の表面に堆積された不要なＴａ膜およびＣｕ膜をＣＭＰによって除去した。これにより、第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂを有する試料Ａ，Ｂを得ることができた。なお、Ｔａ膜は、第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂから第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２へのＣｕ原子の熱拡散を抑制するバリアメタルとして機能するとともに、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２と第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂとが接触することによって生じる第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂの剥がれを防止するためのバッファ層としても機能する。
【００２９】
このようにして得られた３つの試料Ａ，Ｂ，Ｃについて絶縁破壊特性を評価するため、以下の３つの実験を行なった。まず、第１の実験として、各試料を所定時間、温度２００℃に加熱した状態で、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間の電流を測定した。その結果、電流の経時変化はほとんど観測されなかった。すなわち、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２を経由したリーク電流は生じておらず、熱拡散を起因とした両絶縁膜内のＣｕ原子の拡散はバリアメタル１４ａ，１４ｂによって十分に防止されているということが立証された。
【００３０】
次に第２の実験として、各試料を温度２００℃に加熱した状態で、第２の銅配線１５ｂを接地し第１の銅配線１５ａに＋２０Ｖの電圧を印加して、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間に流れる電流を測定した。その結果、試料Ｃではリーク電流が次第に増加し、約９５０秒で絶縁破壊が生じた。すなわち、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２を介して、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間に大きな電流が流れた。これに対し、試料Ａおよび試料Ｂでは、約１０9秒経過した後であっても、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２を介したリーク電流はほとんど増加しなかった。
【００３１】
次に第３の実験として、リーク電流の経時変化とＣｕ拡散との関係を調べるため、各試料に対して、第２の銅配線１５ｂを接地して銅配線１５ａに＋２０Ｖの電圧を５００秒間印加した後、硫酸／過酸化水素水によって第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂに対してウエットエッチングを施した。そして、これにより得られた各試料の第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２を、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）により分析した。その結果、試料Ｃでは、第２の絶縁膜１２中から約８×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＣｕが検出された。これに対し、試料Ａおよび試料Ｂでは、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２中のＣｕ濃度はＳＩＭＳ分析の検出限界（約１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下であった。すなわち、Ｃｕは、試料Ａおよび試料Ｂの各第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の内部にほとんど拡散されていないということがわかった。
【００３２】
上記した実験１〜３の結果から、Ｓｉのイオン注入工程やＳｉＯx膜形成工程を行うことにより、配線間の絶縁膜へのＣｕイオンの電界拡散が生じにくくなり、そのため絶縁破壊寿命が延びたと結論づけられる。
【００３３】
なお、バリアメタル１４ａ，１４ｂとして形成されたＴａ膜の厚さｄｔは、上記したように約５ｎｍと薄く、局所的にばらついている。そのため、第１の銅配線１５ａおよび第２の銅配線１５ｂのＣｕ原子の一部が、Ｔａ膜１４ａの薄い部分を通って、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面付近まで熱拡散する可能性がある。この場合、拡散したＣｕ原子は、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間に印加された電圧によってイオン化するとともに、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の内部へと電界拡散することが考えられる。
【００３４】
ところが、試料Ａについて調べてみると、イオン注入工程後に形成されたバリアメタル１４ａ，１４ｂであるＴａ膜の膜厚およびモフォロジーは、イオン注入工程を行なわなかった試料Ｃのものとほとんど変わらなかった。このことから、試料ＡにおけるＣｕの電界拡散の抑制は、Ｓｉのイオン注入工程によって、（１）バリアメタル１４ａ，１４ｂと第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２との界面でのＣｕ原子のイオン化速度が低下したこと、または（２）第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２内でのＣｕイオンの電界拡散速度が小さくなったこと、を理由として達成されたと推測される。
【００３５】
さらに、上記したイオン注入工程およびＳｉＯx膜形成工程が第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２に及ぼす影響を明らかにするため、上記した各試料の第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２をＸＰＳ（X-ray photoelectron spectroscopy）により分析した。その結果、試料Ｃの第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２のＳｉ2pスペクトルはＳｉ4+のみから構成されているのに対し、試料ＡおよびＢの各第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２のＳｉ2pスペクトルには、Ｓｉ4+に加えてＳｉx+（ｘ＝１〜３）の成分（サブオキサイド）が存在していることが明らかになった。このサブオキサイドは、試料Ａについては、イオン注入されたＳｉによるＳｉＯ2の還元により生じ、試料Ｂについては、４００℃のＯ2の加熱処理時に、堆積したＳｉ膜の一部が酸化されずに形成されたと推測される。
【００３６】
さらに、これらサブオキサイドの面濃度と深さ分布を算出するため、ＸＰＳの検出器と試料ＡまたはＢのなす角度を変化させ、検出深さを変えながらＸＰＳ測定を行うとともに、得られたＳｉ2pスペクトルをＳｉ4+成分とＳｉx+成分に分離し、両者の面積比を求めた。その結果、試料Ａでは、表面（バリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面を含む）から約２ｎｍの位置にサブオキサイドがピークを持ち、ピーク位置でのサブオキサイド面濃度は約４×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。一方、試料Ｂでは、表面（バリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面を含む）から少なくとも約２ｎｍの深さにまで至る範囲にサブオキサイドが分布しており、そのサブオキサイドの濃度は約１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【００３７】
シリコン酸化膜中のサブオキサイド、すなわち酸素欠損は、ホールを捕獲するサイトとして働くことが知られている。従って、試料ＡおよびＢにおいて、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１５ａ，１５ｂとの間の界面付近に局在したサブオキサイドは、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間の電圧印加によって各絶縁膜の界面付近に生成したホールの一部を捕獲する。具体的には、第２の銅配線１５ｂを接地して第１の銅配線１５ａに正の電圧を印加した場合、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１４ａとの界面付近に生成したバリアメタル１４ａのホールの一部が、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２のサブオキサイドに捕獲されると考えられる。すなわち、試料ＡおよびＢでは、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の内部であって且つ第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面付近に、ホールすなわち正電荷が局在している
【００３８】
第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２のサブオキサイドに捕獲されたホール、すなわち正電荷は電界を生成する。以下、この電界を局所電界と称する。一方、第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間の電圧印加によって生じた電界を印加電界と称する。ここでは、第２の銅配線１５ｂを接地して第１の銅配線１５ａに正の電圧を印加することで生じた印加電界を考える。
【００３９】
第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面付近においては、印加電界の向き（バリアメタル１４ａ→第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２）と、局所電界の向き（第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２→バリアメタル１４ａ）とは逆である。換言すれば、局所電界が生じている領域では、印加電界の少なくとも一部が打ち消され、バリアメタル１４ａから第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２へと向かう電界の大きさが小さくなっている。これは、局所電界が発生している領域において、Ｃｕイオンの発生、並びに、Ｃｕイオンの第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２への拡散が低減されることを意味する。
【００４０】
すなわち、イオン注入工程が施された試料ＡおよびＡｌ膜形成／除去工程が施された試料Ｂでは、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の内部であって且つ第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２とバリアメタル１４ａ，１４ｂとの界面付近に、サブオキサイドによって捕獲された正電荷により局所電界が生じており、そのため、Ｃｕイオンの電界拡散に伴うリーク電流の増大と絶縁破壊が生じなかったと推測される。
【００４１】
このように、絶縁膜内に局在した正電荷は、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制することができる。そして、上述した実験結果から、正電荷の局在化は、サブオキサイドによって達成することが可能であることがわかった。以下においては、正電荷を局在させる手段（例えば、サブオキサイド）を問わずに単に絶縁膜内に正電荷が存在する場合、Ｃｕイオンの電界拡散を十分に抑制するために必要な、その正電荷の密度と正電荷の局在位置について考察する。なお、この考察では、理解を容易にするため、２つの銅配線が１種類の絶縁膜で隔てられた単純な配線モデルを用いる。
【００４２】
１．絶縁膜内に電荷が存在しない場合の配線モデル
まず、絶縁膜内に電荷が存在しない場合について、銅配線間の電圧印加による、絶縁膜へのＣｕイオンの拡散機構について述べる。図２は、絶縁膜中に電荷が存在しない場合の配線モデルの断面図と、その場合の絶縁膜中に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。図２に示す配線モデルにおいて、第１の銅配線２５ａと第２の銅配線２５ｂとは、誘電率εの絶縁膜２２によって、距離ｄだけ隔てられている。
【００４３】
絶縁膜２２の内部であって且つ第１の銅配線２５ａの極近傍（配線からの距離ｒ、ｒ≪ｄ）に一価のＣｕイオン（電荷＋ｅ）が１個存在する場合、第１の銅配線２５ａ内に負電荷が誘起され、誘起された負電荷とＣｕイオンとの間には以下の式（１）によって与えられるクーロン引力Ｆ1が働く。
【数３】
2006100601.tif 000005
【００４４】
Ｃｕイオンは、この引力Ｆ1によって第１の銅配線２５ａの近傍に束縛され、温度をあげても絶縁膜２２の内部へはほとんど拡散しない。Ｃｕイオンに作用するクーロンポテンシャルＶ1は、クーロン引力Ｆ1を積分することにより、以下の式（２）によって与えられる（図２中の一点鎖線）。
【数４】
2006100601.tif 000006
【００４５】
次に、第２の銅配線２５ｂを接地し、第１の銅配線２５ａに＋Ｖの電圧を印加する場合を考えると、この電圧印加によって生成する電位Ｖ2は以下の式（３）で与えられる（図２中の点線）。
【数５】
2006100601.tif 000007
【００４６】
従って、電圧を印加した状態での、第１の銅配線２５ａの近傍の絶縁膜２２の電位Ｖ（ｒ） V1+V2は以下の式（４）で与えられる（図２中の太破線）。
【数６】
2006100601.tif 000008
【００４７】
ここで、電位Ｖ（ｒ）V1+V2の極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2は、以下の式（５）を解くことにより、式（６）に示す位置ｒ0において、式（７）のように与えられる。
【数７】
2006100601.tif 000009
【数８】
2006100601.tif 000010
【数９】
2006100601.tif 000011
【００４８】
この極大値Ｖ（ｒ0）が、Ｃｕイオンに対する電位障壁に相当し、Ｃｕイオンはこの電位障壁以上の熱エネルギーを有していれば、この電位障壁を越えることが可能となる。Ｃｕイオンは、電位障壁を一度越えると、電位の低い絶縁膜２２の内部へと拡散する。なお、印加電圧Ｖが大きいほど極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2は小さくなり、Ｃｕイオンの絶縁膜２２の内部への拡散が促進される。
【００４９】
２．絶縁膜内に正電荷が局在している場合の配線モデル
次に、正電荷が絶縁膜内に局在する場合を考える。図３は、絶縁膜内に電荷が局在している場合の配線モデルの断面図と、その場合の絶縁膜中に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図３において、図２と共通する部分には同一の符号を付している。特にこの配線モデル２では、正電荷が、第１の銅配線２５ａの極近傍の絶縁膜２２内に存在する場合を想定している。具体的には、正電荷が、絶縁膜２２の内部において、第１の銅配線２５ａから距離ｘ0の位置（ｘ0≪ｄ）であって且つ第１の銅配線２５ａと第２の銅配線２５ｂとの間を結ぶ垂線に対して垂直な面内に、面密度σ0で均一に分布している場合を想定する。
【００５０】
この時、鏡像効果によって、上記した距離ｘ0の基準面（すなわち、第１の銅配線２５ａと絶縁膜２２との界面）から第１の銅配線２５ａ内へと向かう距離ｘ0の位置に面密度σ0の負電荷が誘起される。この状態で、第１の銅配線２５ａから距離ｒ（ｒ≪ｄ）離れた位置にＣｕイオン（電荷＋ｅ）を置くと、このＣｕイオンと、絶縁膜２２内に局在した正電荷および第１の銅配線２５ａ内に誘起された負電荷との間には、以下の式（８）で表される力Ｆ3が働く。
【００５１】
【数１０】
2006100601.tif 000012
【００５２】
従って、絶縁膜２２内に局在した正電荷によって生じる電位Ｖ3は、以下の式（９）で表される（図３の長鎖線）。
【数１１】
2006100601.tif 000013
【００５３】
以上より、電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は以下の式（１０）で表される。
【数１２】
2006100601.tif 000014
【００５４】
３．絶縁膜内に十分に大きな量の正電荷が局在している場合の配線モデル
上記した配線モデル２において示したように、絶縁膜内に正電荷が局在している場合には、絶縁膜２２の内部の全ての位置において、正電荷によって生じる電位Ｖ3は正である（Ｖ3≧０）。すなわち、絶縁膜２２内に正電荷が局在している場合（配線モデル２）の絶縁膜２２内の電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は、絶縁膜２２内に電荷が存在しない場合（配線モデル１）の絶縁膜２２内の電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3以上である（Ｖ（ｒ）V1+V2+V3≧Ｖ（ｒ）V1+V2）。換言すれば、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3の最大値は、Ｖ（ｒ）V1+V2の最大値（＝極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2）と同じか、それよりも大きいことを意味する。すなわち、絶縁膜２２内に正電荷が局在すると、正電荷が存在しない場合に比べて、絶縁膜２２の電位Ｖ（ｒ）の最大値は大きくなり、Ｃｕイオンの絶縁膜２２への電界拡散が生じにくくなる。
【００５５】
配線モデル３では、絶縁膜２２内に十分に大きな量の正電荷が局在し、絶縁膜２２内の少なくとも一箇所で電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3が０以上になる場合を考える。図４は、この配線モデル３の断面図と、配線モデル３の絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図４において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。また、この配線モデル３では、配線モデル２と同様に、正電荷が距離ｘ0の位置（ｘ0≪ｄ）に面密度σ0で均一に分布している場合を想定する。
【００５６】
絶縁膜２２内の少なくとも一箇所で電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3が０以上になる場合、Ｃｕイオンに対する電位障壁の高さ、すなわち絶縁膜２２の電位Ｖ（ｒ）の最大値は、配線モデル１において考察したＣｕイオンに働くクーロンポテンシャルＶ1と同等以上である。このため、Ｃｕイオンは、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3≧０を満たす、第１の銅配線２５ａから最小の位置ｒminよりも内部（第１の銅配線２５ａから第２の銅配線２５ｂへと向かう方向）の絶縁膜２２へは拡散しないと考えられる。
【００５７】
例えば、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3が図４の太破線で示すグラフで表される場合、Ｃｕイオンは、第１の銅配線２５ａから距離ｒminの近傍まで拡散しうる。従って、ｒminが極力小さくなるように、正電荷を存在させるべきである。また後述するように、正電荷を、絶縁膜２２の内部の一領域に局在させずに、第１の銅配線２５ａから第２の銅配線２５ｂへと向かう方向に所定の幅を有する領域内に分布させてもよい。但し、絶縁膜２２全体に正電荷が存在すると、その正電荷を介して銅配線間にリーク電流が流れる恐れがある。よって、絶縁膜２２内の限定された領域に正電荷を配置させることが好ましい。
【００５８】
以下に、絶縁膜中の少なくとも一箇所でＶ（ｒ）V1+V2+V3が０以上になるために、絶縁膜中の正電荷が満たすべき条件について述べる。
【００５９】
３−１．絶縁膜内に正電荷が局在し、Ｖ（ｒ）の極大値が０以上となる場合
配線モデル３と同様に、絶縁膜２２の内部であって第１の銅配線２５ａから距離ｘ0の位置に、面密度σ0の正電荷が局所的に存在する場合において、０≦ｒ≦ｘ0、もしくはｘ0≦ｒ≪ｄの領域において、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3の極大値が０以上となる条件を求める。図５は、この配線モデル３−１の断面図と、配線モデル３−１の絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図５において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。
【００６０】
まず、Ｃｕイオンの位置ｒと正電荷の位置ｘ0との間において、０≦ｒ≦ｘ0≪ｄの関係が満たされる条件下では、電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は以下の式（１１）で表される。
【数１３】
2006100601.tif 000015
【００６１】
この電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3を位置ｒで偏微分すると、以下の式（１２）が得られる。
【数１４】
2006100601.tif 000016
【００６２】
上式（１２）から、εＶ≦σ0ｄの場合、常に式（１２）＞０であり、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は極値を持たずにｒとともに単調に増加する。他方、εＶ＜σ0ｄの場合、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は、以下の式（１３）で表わされる位置ｒ1’において、式（１４）で表わされる極大値Ｖ（ｒ1’）V1+V2+V3を示す。
【数１５】
2006100601.tif 000017
【数１６】
2006100601.tif 000018
【００６３】
しかしながら、この極大値Ｖ（ｒ1’）V1+V2+V3は０より小さい。よって、Ｃｕイオンが０≦ｒ≦ｘ0≪ｄを満たすｒに位置する場合は、Ｖ（ｒ）の極大値が０以上となるという配線モデル３−１の条件を満たさない。
【００６４】
次に、Ｃｕイオンの位置ｒと正電荷の位置ｘ0との間において、ｘ0≦ｒ≪ｄの関係が満たされる条件下では、電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は以下の式（１５）で表される。
【数１７】
2006100601.tif 000019
【００６５】
この電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3を位置ｒで偏微分すると、以下の式（１６）が得られる。
【数１８】
2006100601.tif 000020
【００６６】
従って、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は、配線モデル１において考察したＶ（ｒ）V1+V2と同様に、式（６）に示した位置ｒ0に極大値を有する。その極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2+V3は、以下の式（１７）で与えられる。
【数１９】
2006100601.tif 000021
【００６７】
上式（１７）から、極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2+V3は、以下の式（１８）〜（２０）を満たす場合に０以上となる。
【数２０】
2006100601.tif 000022
【数２１】
2006100601.tif 000023
【数２２】
2006100601.tif 000024
【００６８】
なお、式（１９）および式（２０）から、以下の式（２１）が得られることがわかる。
【数２３】
2006100601.tif 000025
【００６９】
３−２．正電荷が絶縁膜内に局在し、その正電荷の位置でＶ（ｒ）が０以上になる場合
配線モデル３と同様に、絶縁膜２２の内部であって第１の銅配線２５ａから距離ｘ0の位置に、面密度σ0の正電荷が局所的に存在する場合において、Ｖ（ｘ0）V1+V2+V3≧０となる条件を考える。図６は、この配線モデル３−２の断面図と、配線モデル３−２の絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図６において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。
【００７０】
Ｃｕイオンが０≦ｒ≦ｘ0≪ｄを満たすｒに位置する場合、電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は、上記した式（１１）で与えられる。ここで、距離ｘ0の位置の電位Ｖ（ｘ0）V1+V2+V3は、以下の式（２２）で表わされる。
【数２４】
2006100601.tif 000026
【００７１】
上式（２２）を解くと、以下の式（２３）が得られる。
【数２５】
2006100601.tif 000027
【００７２】
特に、上記した式（１９）および式（２１）が満たされ、正電荷がこの位置ｒ0に存在する場合に、電位Ｖ（ｒ0）V1+V2+V3は０以上となる。
【００７３】
３−３．絶縁膜内のある領域に正電荷が分布する場合
正電荷が、絶縁膜の内部において、第１の銅配線２５ａから第２の銅配線２５ｂへと向かう方向に所定の幅を有する領域（以下、正電荷分布領域と称する）内に分布し、第１の銅配線２５ａからの距離ｒにおける単位体積あたりの正電荷の密度をρ（r）とする場合を考える。図７は、この配線モデル３−３の断面図と、配線モデル３−３の絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図７において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。
【００７４】
０≦ｒ≦ｒmaxで表わされる正電荷分布領域４０内において、第１の銅配線２５ａの近傍（ｒ≪ｄ）では、電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は、以下の式（２４）で近似される。
【数２６】
2006100601.tif 000028
【００７５】
従って、以下の式（２５）を満たす位置ｒ’に対して、Ｖ（ｒ'）V1+V2+V3≧０が満足される場合に、Ｖ（ｒ）V1+V2+V3の極大値は０以上となる。すなわち、０≦ｒ≦ｒ'の範囲内に位置するＣｕイオンに対して電界拡散が抑制される。
【数２７】
2006100601.tif 000029
【００７６】
また、正電荷分布領域４０の境界を示す位置ｒmaxにおける電位Ｖ（ｒmax）V1+V2+V3は、以下の式（２６）で示される関係を満たす。
【数２８】
2006100601.tif 000030
【００７７】
ここで、以下の式（２７）により与えられる条件が満たされる場合に、上記した位置ｒmaxにおける電位Ｖ（ｒmax）V1+V2+V3は０以上となる。
【数２９】
2006100601.tif 000031
【００７８】
Ｃｕイオンの電界拡散は、配線からｒmaxまでの領域内に抑制される。特に、以下の式（２８）の関係が満たされる場合には、上記した式（２７）の条件は、以下の式（２９）のように簡略化される。
【数３０】
2006100601.tif 000032
【数３１】
2006100601.tif 000033
【００７９】
また、０≦ｒ≦ｒmax（≪ｄ）の絶縁膜領域に、正電荷が存在し、その電荷の単位体積あたりの密度が一定値ρ0である場合、Ｖ（ｒmax） V1+V2+V3が０以上となる条件は、以下の式（３０）で与えられる。
【数３２】
2006100601.tif 000034
【００８０】
特に、ｒmax＝ｒ 0であり、上記した式（１９）を満たす場合には、以下に示す式（３１）が、Ｃｕイオンの電界拡散範囲をｒ0以内に制限するための必要条件となる。
【数３３】
2006100601.tif 000035
【００８１】
なお、正電荷分布領域４０を、絶縁膜２２内の０≦ｒ≦ｒmax以外の領域よりも正電荷の密度が十分に高い領域と定義してもよい。例えば、正電荷の分布が、第１の銅配線２５ａの近傍の０≦ｒ≦ｒmaxの領域に偏っていることを規定するために、以下に示す式（３２）のように、第１の銅配線２５ａから距離ｒmaxの位置までに存在する正電荷の平均密度が、絶縁膜２２の中心部での正電荷の密度よりも高いという条件を加えることもできる。
【数３４】
2006100601.tif 000036
【００８２】
なお、上記した配線モデル３−１〜３−３では、絶縁膜内の少なくとも一箇所でＶ（ｒ）V1+V2+V3が０以上になるために、局在した正電荷の密度および位置が満たすべき条件について述べたが、これら条件を満足した上で、他の領域に正電荷が存在しても構わない。
【００８３】
また、上述した配線モデルでは、第１の銅配線２５ａと第２の銅配線２５ｂとの間に単一の定電圧が印加される場合を想定していた。しかしながら実際には、複数の異なる電圧がそれら銅配線間に印加される場合もある。他方、上述したように、印加電圧Ｖが大きいほど、印加電界によって生成される電位Ｖ2および絶縁膜内の電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3は小さくなる。従って、最大印加電圧に対して上記条件が満足されるように正電荷を絶縁膜内に存在させていれば、より小さな電圧を配線に印加した場合においても絶縁膜内へのＣｕイオンの電界拡散を抑制することができる。
【００８４】
以上に説明した配線モデル用いた考察から、絶縁膜内に局在した正電荷が、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制させるのに有効であることがわかった。しかしながら、絶縁膜内に単に正電荷を与えただけでは、絶縁膜内の印加電界の極性を変化させた場合に、リーク特性を劣化することが考えられる。
【００８５】
上述したように、第１の銅配線２５ａの近傍の絶縁膜２２に正電荷を局在させた配線構造においては、第２の銅配線２５ｂを接地し、第１の銅配線２５ａに正電圧を印加した場合、図５に示した配線モデルのように、第１の銅配線２５ａの近傍の絶縁膜２２の内部に正電荷を局在させることによってＣｕイオンの電界拡散を抑制することができる。
【００８６】
他方、同じ配線構造を有する試料において、第１の銅配線２５ａを接地して第２の銅配線２５ｂに正電圧を印加した場合には、絶縁膜２２の内部の正電荷の有無に関わらず、第２の銅配線２５ｂと絶縁膜２２との界面においてＣｕのイオン化は生じるものの、局在した正電荷により近い位置にある第１の銅配線２５ａと絶縁膜２２との界面ではＣｕのイオン化は生じない。図８は、この場合の配線モデルの断面図と、その配線モデルの絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図８において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。図８に示すように、第１の銅配線２５ａよりも第２の銅配線２５ｂの電位の方が高い場合、第１の銅配線２５ａの近傍の絶縁膜２２における電位勾配、すなわち電界については、正電荷が絶縁膜内に局在する場合の電位Ｖ（ｒ）V1+V2+V3の方が、正電荷が存在しない場合のＶ（ｒ）V1+V2よりも大きい。これは、絶縁膜内に直接正電荷を加えただけでは、絶縁膜のリーク特性が低下する可能性があることを示している。
【００８７】
このことを踏まえて次に、第１の銅配線２５ａの近傍の絶縁膜２２の内部に、上述した試料ＡおよびＢのように、サブオキサイドのようなホールトラップが存在している試料（以下、試料Ｄと称する）を考える。図９は、この試料Ｄを表わす配線モデルの断面図と、その配線モデルの絶縁膜内に生じる電位と銅配線の端からの距離との関係を示すグラフとを示す図である。なお、図９において、図３と共通する部分には同一の符号を付している。
【００８８】
図９において、ホールトラップ存在領域５０中のホールトラップの準位が配線のフェルミ準位と大きく違わない場合、第２の銅配線２５ｂを接地して第１の銅配線２５ａに正電圧を印加すると、第１の銅配線２５ａから、絶縁膜２２の内部のトラップへとホール（正電荷）が移動する。絶縁膜２２の内部に導入されたホールは、上述した配線モデルで考察した正電荷と同じ作用を及ぼすため、結果的に、絶縁膜２２の内部の電位を上昇させ、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制する。他方、この試料Ｄの第１の銅配線２５ａを接地して第２の銅配線２５ｂに正電圧を印加しても、ホールトラップへのホールの捕獲は生じない。すなわち、絶縁膜２２内の電界強度は、絶縁膜２２内のホールトラップの有無で差は生じない。このように、絶縁膜２２内に生成させる電界の極性を変化させる場合には、正電荷を直接加えるよりも、ホールトラップを配線近傍の絶縁膜に含有させ、間接的に正電荷を局在させた方が、絶縁膜のリーク電流が小さく、銅配線構造の信頼性を高くすることができると考えられる。
【００８９】
そこで、次に、イオン注入工程やＳｉＯx膜形成工程を施すことによって生成された絶縁膜内のサブオキサイドが、上記したホールトラップとして有効に機能するか否かについて検証する。すなわち、銅配線間に電圧を印加することによってサブオキサイドに捕獲されたホールが、上述した配線モデル３−１〜３−３に示した正電荷の密度および存在位置を満たしているかについて考察する。
【００９０】
まず、イオン注入工程が施された試料Ａについて、サブオキサイドの濃度は、約４×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であり、そのピークは、図１０に示すように、第１の絶縁膜１１および第２の絶縁膜１２の各表面から深さｄｄ＝約２ｎｍの位置であった。第１の銅配線１５ａと第２の銅配線１５ｂとの間に電圧を印加すると、このサブオキサイドはホールを捕獲する。ここで、全てのサブオキサイドがホールを捕獲すると仮定すると、捕獲されたホールに起因した正電荷の面密度σ0は約６．４×１０-7Ｃ／ｃｍ2となる。また、図１に示した試料に従えば、銅配線間ｇ＝２×１０-7ｍおよび誘電率ε＝３．４５×１０-13ＣＶ-1ｃｍ-1であり、印加電圧Ｖ＝２０Ｖとすると、上述した配線モデル３−２の条件式（２１）の右辺は、２εＶ／ｄ≒８．８×１０-8Ｃ／ｃｍ2となる。この値は、上記した面密度σ0よりも十分に小さい。また、電位障壁の極大値を示すホールの位置ｒ0＝（ｅｄ／１６πεＶ）1/2≒２×１０-9ｍ（<<ｄ）は、サブオキサイドのピーク位置に等しい。従って、試料Ａは、上述した配線モデル３−２の条件を満たしており、電圧印加時においても正電荷の存在位置でポテンシャルが０以上となる。すなわち、Ｃｕイオンはこの位置ｒ0よりも内部には拡散せず、これにより、試料Ａは、良好な絶縁破壊特性を示したと考えられる。
【００９１】
他方、ＳｉＯx膜形成工程が施された試料Ｂでも、図１０に示した深さｄｄ（約２ｎｍ）の範囲に亘ってサブオキサイドが分布しており、その濃度は、約１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。ここで、全てのサブオキサイドがホールを捕獲すると仮定すると、捕獲されたホールに起因した正電荷の密度ρ0は約１．６×１０3Ｃ／ｃｍ3となる。この試料Ｂでもまた、銅配線間ｇ＝２×１０-7ｍおよび誘電率ε＝３．４５×１０-13ＣＶ-1ｃｍ-1であり、印加電圧Ｖ＝２０Ｖとすると、上述した配線モデル３−３の条件式（３１）の右辺は、１６｛（π／ｅ）（εＶ／ｄ）3｝1/2≒９×１０2Ｃ／ｃｍ3となる。この値は、上記した密度ρ0よりも小さい。また、試料Ａと同様に、電位障壁の極大値を示すホールの位置ｒ0＝（ｅｄ／１６πεＶ）1/2≒２×１０-9ｍ（<<ｄ）であり、これはサブオキサイドの存在領域にほぼ等しい。従って、試料Ｂは、上述した配線モデル３−３の条件を満たしており、Ｃｕイオンの電界拡散は表面から約２ｎｍ以内に抑制され、その結果、イオン注入工程もＡｌ膜形成／除去工程も施されなかった試料Ｃに比べて絶縁破壊寿命が延びたと考えられる。
【００９２】
なお、上述した配線モデル３−１〜３−３では、絶縁膜２２内に正電荷を局在させた際の電位の極大値Ｖ（ｒmax）V1+V2+V3が０以上となることを条件としたが、その値が、正電荷が存在しない場合の電位の極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2よりも高ければ、従来よりもＣｕイオンの電界拡散を抑制させることができる。例えば、以下の式（３３）に示すように、式（２６）で与えられる極大値Ｖ（ｒmax）V1+V2+V3が、式（７）で与えられる極大値Ｖ（ｒ0）V1+V2よりも２０％高いという条件下においても、正電荷の局在化によって得られる効果を享受することができる。
【数３５】
2006100601.tif 000037
【００９３】
上述した実施の形態では、Ｓｉのイオン注入によるシリコン酸化膜還元や、比較的低い温度でのＳｉ膜の熱酸化により、サブオキサイド、すなわちホールトラップを形成しているが、Ｓｉの内殻電子（Ｓｉ2p，Ｓｉ2s）の束縛エネルギー以上のエネルギーを持つ電子ビームや光をシリコン酸化膜に照射し、酸素脱離を起こしてサブオキサイドを生成しても良い。但しこの場合、多くの酸素は正イオンとして脱離するため、電子ビーム、光照射後の酸化膜表面は負に帯電していることが多い。絶縁膜表面が負電荷を有していると、Ｃｕイオンの電界拡散は促進される。従って、酸化膜上への密着層形成前に、プラズマ曝露などによって、酸化膜表面を除電したり、正に帯電させることが必要である。
【００９４】
また、サブオキサイド以外のホールトラップを絶縁膜に含有させてもよい。例えば絶縁膜内に酸化状態の低い金属（白金など）が存在する場合、電圧印加によってその金属はホールを捕獲しうる。但し、ホール捕獲後に電界拡散しないように、絶縁膜内の金属は絶縁膜構成原子と結合させておく必要がある。
【００９５】
また、絶縁膜に印加する電界の極性を変えない場合には、ホールトラップによらずに絶縁膜内に直接的に正電荷を含有させても良い。その方法として、例えば、絶縁膜に希ガス等のイオンを打ち込む方法を用いることができる。また、銅配線間に電圧を印加させない状態においてあらかじめ、ホールトラップにより正電荷を捕獲させてもよい。その方法として、例えば、トラップ電子の束縛エネルギー（シリコン酸化膜のサブオキサイドでは、約９ｅＶ）、或いは真空準位に対する絶縁膜荷電子帯上端のエネルギー（シリコン酸化膜では約１０ｅＶ）よりも大きなエネルギーを有する光を絶縁膜に照射し、トラップにホールを捕獲させる方法が挙げられる。
【００９６】
また、本実施の形態では、銅配線間において第１の絶縁膜１１の上に第２の絶縁膜１２が積層された配線構造を例に挙げたが、いずれかの材料により形成された単層の絶縁膜でもよい。さらに、上述した絶縁膜の材料としては、ＭＳＱ（Methyl Silsequioxane）、ＨＳＱ（Hydrogen Silsequioxane），ＳｉＯＣ：Ｈ膜，それらにＦやＮ等が添加された膜，ＳｉＬＫなどの有機膜，多孔質膜を用いることができる。さらに、これまで配線材料として使用されてきたＡｌは、シリコン酸化膜中と異なり、有機膜中では大きな電界拡散速度を持つと報告されている。このような、Ｃｕ以外の金属原子に対しても、ホールトラップや正電荷を含有させることで、絶縁膜内の電界拡散を抑制できる。
【００９７】
また、バリアメタル１４ａ，１４ｂとしてＴａ膜を用いたが、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），ジルコニウム（Ｚｒ）等の高融点金属，チタン−タングステン合金（ＴｉＷ）等の高融点金属合金、窒化タングステン（ＷＮ）等の高融点金属窒化物を用いてもよい。さらに、このバリアメタル１４ａ，１４ｂは必須の構成ではなく、全く形成されなくてもよいし、これに代えてＣｕの熱拡散を防止できる他の手段が備わっていてもよい。
【００９８】
さらに、上述した実施の形態では、絶縁膜によって隔てられた配線構造を例に挙げたが、配線に限らず、絶縁膜によって隔てられた導電体（配線、半導体領域、基板など）を有する構造であれば、本発明を適用することができる。例えば、図１１に示すように、導電性の基板２０と配線３５の間に第１の絶縁膜３１が介在した構造に対しても本発明を適用することができる。なお、図１１では、図１との比較を容易にするため、第１の絶縁膜３１と配線３５との間にバリアメタル３４が形成され、第１の絶縁膜３１上に第２の絶縁膜３２が形成されている。
【００９９】
次に本発明の別の実施形態について説明する。本実施の形態にかかる半導体装置は、銅配線が、主たる絶縁膜と、主たる絶縁膜と銅配線の間に位置し、主たる絶縁膜よりも膜厚が小さく、かつ抵抗率が低い絶縁膜によって隔てられていることを特徴としている。すなわち、絶縁膜全体のリーク電流を低く保ちながら、銅配線／絶縁膜界面の電界を低減させて銅配線から絶縁膜へのＣｕイオンの電界拡散を抑制するために、膜厚と抵抗率が小さな絶縁膜を銅配線の隣接位置に存在させることを特徴としている。
【０１００】
図１２は、本発明の原理実証実験に用いた試料の断面図である。この試料では、シリコン基板３０の上に、第１の絶縁膜３１（シリコン酸化膜、厚さ約２００ｎｍ）と、成膜条件を変えることによって第１の絶縁膜３１よりも抵抗率を下げた第２の絶縁膜３２（厚さ約３ｎｍ）とが積層され、さらに第２の絶縁膜３２の上に、バリアメタルの無いＣｕ配線３３が形成されている。本実施形態では、第２の絶縁膜３２の抵抗率がＣｕイオンの電界拡散に及ぼす影響を調べるため、第２の絶縁膜３２を形成していない試料Ａと、抵抗率の異なる第２の絶縁膜３２を形成した試料Ｂ、試料Ｃの３つを用意し、シリコン基板３０とＣｕ配線の間に直流電圧を印加してＣｕイオンの電界拡散を比較した。
【０１０１】
図１３は、第１の絶縁膜３１と、試料Ｂ，Ｃで用いた第２の絶縁膜３２の抵抗率を比較するため、Ａｕ配線／絶縁膜（第１の絶縁膜３１、或いは試料Ｂ，Ｃで用いた第２の絶縁膜３２）／シリコン基板構造の試料を２００℃に保持し、基板を接地した状態でＡｕ配線に所定の電圧を印加して試料に流れる電流を測定した結果を示すグラフである。なおここでは、絶縁膜の膜厚は２００ｎｍで揃え、また絶縁膜にＣｕが拡散すると抵抗率が変化するため、Ｃｕ配線でなく、電界拡散が生じにくいＡｕ配線を用いた。さて、絶縁膜の抵抗率ρは、絶縁膜に流れる電流Ｉと絶縁膜に印加される電界Ｅから、ρ＝Ｅ／Ｉで求められる。他方、図１３の測定で用いた試料では、絶縁膜の膜厚が一定であるため、シリコン基板を接地してＡｕ配線に同一電圧を印加すると、各試料の絶縁膜には等しい電界（＝電圧／膜厚）が印加される。従ってこの測定では、絶縁膜の抵抗率は、絶縁膜に流れる電流に逆比例することになる。図１３では試料Ｂ，Ｃの第２の絶縁膜３２には、それぞれ第１の絶縁膜３１の約１０倍、１０5倍大きな電流が流れており、試料Ｂ，Ｃの第２の絶縁膜の抵抗率ρ2B，ρ2Cが、それぞれ第１の絶縁膜３１の抵抗率ρ1の約１／１０、１／１０5であることがわかる。
【０１０２】
図１４は、試料温度２００℃でシリコン基板３０に対してＣｕ配線に＋８０Ｖの電圧を印加したときの、試料Ａ〜Ｃに流れる電流の時間変化を示すグラフである。絶縁膜に流れる電流は試料Ａ＞試料Ｂ＞試料Ｃであり、絶縁破壊時間は試料Ａ、試料Ｂ、試料Ｃの順に短い。これは次のように説明される。
【０１０３】
ここで第１の絶縁膜３１と試料Ｂ，Ｃの第２の絶縁膜３２の膜厚をそれぞれｄ1、ｄ2、試料Ａ〜Ｃの第１の絶縁膜３１の電界と試料Ｂ，Ｃの第２の絶縁膜３２の電界をそれぞれＥ1A，Ｅ1B，Ｅ1C，Ｅ2B，Ｅ2C、試料Ａ〜Ｃに流れる電流をそれぞれＩA，ＩB，ＩC、シリコン基板３０とＣｕ配線３３の間に印加する電圧をＶで表す。まず電圧を印加してもＣｕ電界拡散が生じず、絶縁膜の抵抗率が変化しない場合を考える。この時、試料Ａについては、ＩA＝Ｖ／ρ1ｄ1＝Ｅ1A／ρ1が成り立つ。試料Ｂにおいては、ρ2B＜＜ρ1、ｄ2＜＜ｄ1であるから、ＩB＝Ｖ／（ρ2Bｄ2B＋ρ1ｄ1）≒Ｖ／ρ1ｄ1＝Ｅ1A／ρ1＝ＩAである。従ってＥ1B＝ρ1ＩB≒ρ1ＩA＝Ｅ1Aとなる。他方、定常状態では第１の絶縁膜３１と第２の絶縁膜３２を流れる電流は等しいため、ＩB＝Ｅ2B／ρ2B＝Ｅ1B／ρ1である。以上からＥ2B＝Ｅ1B（ρ2B／ρ1）≒Ｅ1A（ρ2B／ρ1）が得られる。上述したように、ρ2B／ρ1≒１／１０であるから、Ｅ2B≒Ｅ1A／１０となる。同様に試料Ｃについては、Ｅ2C≒Ｅ1A／１０5である。すなわち、Ｃｕ配線近傍の絶縁膜に印加される電界は、試料Ｂ，Ｃでは、それぞれ試料Ａの約１／１０、１／１０5であると考えられる。実際、試料Ａ〜Ｃにおいて、シリコン基板３０とＣｕ配線の間に同一電圧を印加した状態で、絶縁膜内の電位勾配（＝電界）をケルビンフォースマイクロスコープで測定したところ、試料Ｂ、試料Ｃの第２の絶縁膜３２の電界は、それぞれ試料Ａの第１の絶縁膜３１に印加された電界の約１／１０，１／１０5であった。
【０１０４】
図１２に示したＣｕ配線／絶縁膜／シリコン基板構造の試料において、高い試料温度で、シリコン基板３０に対して大きな正電圧をＣｕ配線３３に印加すると絶縁膜にＣｕイオンの電界拡散が生じるが、Ｃｕ／絶縁膜界面の電界が大きいほどＣｕイオンの電界拡散は促進される。Ｃｕ配線近傍の絶縁膜の電界は試料Ａ＞試料Ｂ＞試料Ｃであり、このため試料Ａ、試料Ｂ、試料Ｃの順番で多くのＣｕイオンが絶縁膜に電界拡散し、大きな電流が流れると共に短い時間で絶縁破壊が起きたと推測される。このようにＥ2B≒Ｅ1A（ρ2B／ρ1）であるから、Ｃｕ配線に隣接した第２の絶縁膜３２の抵抗率を、第１の絶縁膜３１の抵抗率に対して十分小さくすることで、Ｃｕの電界拡散を抑制することができる。なお、図１４で、試料ＢのＣｕ電界拡散が試料Ａよりも抑制されているが、試料Ｂの第２の絶縁膜３２の抵抗率が、第１の絶縁膜３１の抵抗率の約１／１０であることから、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制するためには、第２の絶縁膜３２の抵抗率を第１の絶縁膜３１の抵抗率の１／１０以下にすることが好ましいといえる。但し図１３では、絶縁膜のリーク電流は印加電圧によって変化している。このことは、絶縁膜の抵抗率が印加電界依存性を持つことを意味する。絶縁膜の抵抗率は、温度や絶縁膜の膜厚によっても変化する可能性がある。そのため、実構造の素子を、実際の作動条件(温度,配線印加電圧など)で動作させた場合に、Ｃｕ配線近傍の第２の絶縁膜３２の抵抗率が、主たる第１の絶縁膜３１の抵抗率よりも十分低くなるように、各絶縁膜の組成を制御する必要がある。
【０１０５】
なお上述したように、絶縁膜の電位はケルビンフォースマイクロスコープで測定可能であり、絶縁膜に印加される電界は、電位勾配として求められる。従って、実構造の素子を作動させながら、絶縁膜に流れる電流と、絶縁膜の電位勾配を測定し、電界を電流で割ることによって、実動作時の第１、第２の絶縁膜の抵抗率を求めることができる。
【０１０６】
なお本実施形態では、銅配線／絶縁膜／シリコン基板構造の試料を用いたが、図１のような銅配線／絶縁膜／銅配線構造の半導体装置に適用してもよい。この場合には、銅配線／第２の絶縁膜／第１の絶縁膜／第２の絶縁膜／銅配線とすることで、二つの銅配線の電位の大小関係に依らず、Ｃｕイオンの電界拡散を抑制できる。また本実施形態では絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いたが、上述した低誘電率絶縁膜に適用してもよい。また、例えば誘電率を下げるために第１の絶縁膜３１として多孔質絶縁膜を用いた場合には、第２の絶縁膜３２を非多孔質絶縁膜とすることで、配線成膜時の配線材料の絶縁膜内形成を抑制することができる。
【０１０７】
また、第２の絶縁膜３２の誘電率は、第１の絶縁膜３１と同じか、やや大きいことが好ましい。これは、第１の絶縁膜３１よりも第２の絶縁膜３２の誘電率が低いと、第２の絶縁膜３２から第１の絶縁膜３１へイオンの電界拡散が生じやすくなり、逆に第２の絶縁膜３２の誘電率が大きすぎると、絶縁膜全体の誘電率が増加するためである。また、Ｃｕ配線形成前に、第１の絶縁膜３１へのプラズマ照射などによって絶縁膜表面に欠陥を導入し、抵抗率の小さな第２の絶縁膜３２をＣｕ配線３３の近傍に形成することもできる。しかし、一般に欠陥の多い膜はＣｕの熱拡散が生じやすい。多量のＣｕが、第２の絶縁膜３２を通って第１の絶縁膜３１まで拡散すると、第２の絶縁膜３２を形成する効果は失われる。他方、Ｃｕ配線３３のフェルミレベルに対するバンドオフセットを小さくすることによっても絶縁膜の抵抗率を下げることができる。以上より、例えばＣＶＤなどで成膜した、緻密なＣxＮy（：Ｈ）膜、ＢxＣyＮz（：Ｈ）膜などが第２の絶縁膜３２として適当であるといえる。
【０１０８】
なお、本発明は、上述したような特定の実施形態に限定されるものではなく、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。すなわち、本発明にかかる実施の形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物にかかる発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、高集積化された回路の信号遅延を低減させるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】実施の形態にかかる半導体装置の配線構造の断面図である。
【図２】配線モデル１について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図３】配線モデル２について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図４】配線モデル３について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図５】配線モデル３−１について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図６】配線モデル３−２について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図７】配線モデル３−３について、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図８】印加電圧の極性を変えた場合の配線モデルについて、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図９】試料Ｄを表わす配線モデルについて、絶縁膜内の電位と距離の関係を示すグラフとを示す図である。
【図１０】実施の形態にかかる半導体装置の配線構造において、サブオキサイドの生成領域を示す説明図である。
【図１１】他の実施の形態にかかる半導体装置の配線構造の断面図である。
【図１２】他の実施の形態にかかる半導体装置の配線構造の断面図である。
【図１３】半導体装置の電流と印加電圧の関係を示すグラフである。
【図１４】半導体装置の電流の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１１】
１１，３１  第１の絶縁膜
１２，３２  第２の絶縁膜
１４ａ，１４ｂ，３４  バリアメタル
１５ａ，２５ａ  第１の銅配線
１５ｂ，２５ｂ  第２の銅配線
２２  絶縁膜
３０  基板
３３  銅配線
３５  配線
４０  正電荷分布領域
５０  ホールトラップ分布領域
【図１】
2006100601.tif 000041
【図２】
2006100601.tif 000042
【図３】
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【図４】
2006100601.tif 000044
【図５】
2006100601.tif 000045
【図６】
2006100601.tif 000046
【図７】
2006100601.tif 000047
【図８】
2006100601.tif 000048
【図９】
2006100601.tif 000049
【図１０】
2006100601.tif 000050
【図１１】
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【図１２】
2006100601.tif 000052
【図１３】
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【図１４】
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