(57)【要約】【課題】Ｃｕ配線および低誘電率絶縁膜を有する半導体装置において、低誘電率絶縁層中に拡散するＣｕのイオン化、並びにＣｕ+イオンのドリフトを抑制する。【解決手段】半導体装置１０は、素子領域を有する半導体基板１１上に形成された低誘電率絶縁層１７と、低誘電率絶縁層１７で絶縁されたＣｕ配線１８、２０とを有する。低誘電率絶縁層１７とＣｕ配線１８、２０との間には、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含み、Ｃｕ濃度が10原子％未満であるイオン化抑制層２２が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された低誘電率絶縁層と、
前記低誘電率絶縁層で絶縁されたＣｕ配線と、
前記低誘電率絶縁層と前記Ｃｕ配線との間に配置され、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含み、Ｃｕ濃度が10原子％未満であるイオン化抑制層と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記イオン化抑制層はＣｕのバリア材料を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
素子領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された低誘電率絶縁層と、
前記低誘電率絶縁層で絶縁されたＣｕ配線と、
前記低誘電率絶縁層と前記Ｃｕ配線との間に配置されたバリア層と、
前記低誘電率絶縁層と前記バリア層との間に配置され、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置において、
前記イオン化抑制層はＣｕ濃度が10原子％未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の半導体装置において、
前記単体の仕事関数が3eV未満の元素は、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ、ＳｍおよびＣｅから選ばれる少なくとも1種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Ｃｕ配線と低誘電率絶縁層を使用した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、配線の低抵抗化を実現するＣｕ配線と配線間容量を低減する低誘電率の絶縁層（low-k膜）の適用が進められている。このような半導体装置において、Ｃｕは活性が高く絶縁層中に拡散しやすいことから、Ｃｕ配線と絶縁層との間にＣｕの拡散をバリアするバリア層が配置されている。さらに、バリア層の材料や構成について種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１にはバリア層にＴｉ、Ｚｒ、Ｖ等の炭化物を適用することが記載されている。特許文献２にはバリア層として高温超電導材料層を使用することが記載されている。また、特許文献３にはＴａ、Ｗ、Ｔａ−Ｗ合金からなるバリア層の周囲に、Ｃｕと完全に固溶する金属（Ｂｉ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｍｎ等）をトラップ層として配置することが記載されている。
【０００４】
一方、最近の半導体装置の高速化や高集積化に伴って、バリア層の膜厚は次第に薄くなってきている。このため、従来のバリア層ではＣｕの拡散を確実かつ十分に防ぐことができなくなりつつある。また、上記公報に記載されているトラップ層を配置したような構造であっても、バリア層とトラップ層との合計膜厚の低下に起因して、Ｃｕの絶縁層内への拡散を完全に防ぐことは困難になってきている。
【０００５】
Ｃｕ配線中のＣｕがバリア層を通して絶縁層中に拡散すると、装置動作時の電界によりＣｕ+イオンのドリフトが発生する。特に、絶縁層としてlow-k膜を適用した場合には、装置動作時の電界によるＣｕのイオン化、並びに絶縁層中でのＣｕ+イオンのドリフトが加速される。絶縁層中でＣｕ+イオンのドリフトが発生すると、Ｃｕ配線の短絡や破壊が生じるおそれがある。このようなＣｕ+イオンのドリフトに基づくＣｕ配線の短絡や破壊は、半導体装置の歩留りや信頼性の低下要因となる。
【特許文献１】特開平6-140400号公報
【特許文献２】米国特許第6,518,648号公報
【特許文献３】特開平6-310509号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、絶縁層中に拡散するＣｕのイオン化、並びにＣｕ+イオンのドリフトを抑制することによって、Ｃｕ配線の短絡や破壊を効果的に抑制することを可能にした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】
【０００７】
本発明の態様に係る半導体装置は、素子領域を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成された低誘電率絶縁層と、前記低誘電率絶縁層で絶縁されたＣｕ配線と、前記低誘電率絶縁層と前記Ｃｕ配線との間に配置され、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含み、Ｃｕ濃度が10原子％未満であるイオン化抑制層とを具備することを特徴としている。
【０００８】
本発明の他の態様に係る半導体装置は、素子領域を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成された低誘電率絶縁層と、前記低誘電率絶縁層で絶縁されたＣｕ配線と、前記低誘電率絶縁層と前記Ｃｕ配線との間に配置されたバリア層と、前記低誘電率絶縁層と前記バリア層との間に配置され、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る半導体装置によれば、低誘電率絶縁層に漏れ出すＣｕのイオン化、並びにＣｕ+イオンのドリフトを抑制することができる。これによって、Ｃｕドリフトに起因するＣｕ配線の短絡や破壊を抑制した半導体装置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】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のみの目的のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定するものではない。
【００１１】
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断面図である。同図に示す半導体装置１０は、図示を省略した素子領域を有する半導体基板１１上に形成された第１の低誘電率絶縁層１２を有している。低誘電率絶縁層１２には、比誘電率（ｋ値）が3.0以下の材料が用いられる。このような低誘電率絶縁層１２としては、炭素がドープされた酸化ケイ素膜（ＳｉＯＣ膜）、ＭＳＱ膜（methyl silsesquioxane膜）、ＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane）膜、ＰＡＥ（poly-arylene-ether）膜、これらの多孔質膜、また多孔質シリカ膜等が例示される。
【００１２】
第１の低誘電率絶縁層１２には配線溝１３が設けられており、この配線溝１３内に第１のＣｕ配線１４が埋め込み形成されている。第１のＣｕ配線１４の側面および底面は第１のバリア層１５により包囲されている。すなわち、第１の低誘電率絶縁層１２と第１のＣｕ配線１４との界面には、Ｃｕの拡散をバリアする第１のバリア層１５が配置されている。さらに、第１のＣｕ配線１４の表面はＳｉＣＮ膜１６で覆われている。
【００１３】
バリア層１５には、従来からＣｕ配線のバリア材料として用いられてきた各種公知の材料を適用することができる。バリア層１５は、Ｃｕのバリア効果を有する元素、そのような元素を含む合金や化合物により形成される。このようなＣｕのバリア材料としては、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＷから選ばれる少なくとも1種の元素の単体、合金、化合物（窒化物、炭化物等）が挙げられる。ただし、バリア層１５の構成材料はこれらに限定されるものではない。
【００１４】
第１のＣｕ配線１４を有する第１の低誘電率絶縁層１２上には、ＳｉＣＮ膜１６を介して第２の低誘電率絶縁層１７が形成されている。第２の低誘電率絶縁層１７には第１の低誘電率絶縁層１２と同様に比誘電率（ｋ値）が3.0以下の材料が用いられ、その具体的な構成材料も第１の低誘電率絶縁層１２と同様である。第２の低誘電率絶縁層１７は、第２のＣｕ配線１８の形成部となる配線溝１９が形成されている。さらに、第１のＣｕ配線１４と第２のＣｕ配線１８とを接続するビア２０が形成されている。ビア２０は第２の低誘電率絶縁層１７に形成されたビアホール２１内にＣｕを充填して構成されている。ビア２０は半導体装置１０として見た場合にはＣｕ配線の一部を構成するものである。
【００１５】
上述したビアホール２１および配線溝１９内には、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層２２と第２のバリア層２３とが順に堆積されている。イオン化抑制層２２と第２のバリア層２３は、ビアホール２１および配線溝１９の内壁面に沿って堆積されている。イオン化抑制層２２と第２のバリア層２３とが順に堆積されたビアホール２１および配線溝１９内にはＣｕが充填されており、このＣｕがビア（接続プラグ）２０および第２のＣｕ配線１８を構成している。イオン化抑制層２２は第２の低誘電率絶縁層１７と接する側に配置されており、第２のバリア層２３はＣｕ配線（ビア２０および第２のＣｕ配線１８）と接する側に配置されている。
【００１６】
上述したダマシン配線は例えば以下のようにして作製される。まず、第２の低誘電率絶縁層１７にビアホール２１と配線溝１９からなる凹部をドライエッチングやウエットエッチングで形成した後、ビアホール２１内をクリーニングする。次に、ビアホール２１および配線溝１９の内壁面全面に沿って、例えば厚さ1nmのイオン化抑制層（単体の仕事関数が3eV未満の元素を含む層）２２を堆積する。イオン化抑制層２２は、例えばスパッタ法や蒸着法のようなＰＶＤ法、ＣＶＤ法、メッキ法等を適用して形成される。イオン化抑制層２２の詳細については後述する。
【００１７】
引き続いて、イオン化抑制層２２上に例えば厚さ1nmのＴａ膜からなるバリア層２３と厚さ100nmのシードＣｕ膜をスパッタ法等により順に堆積する。なお、バリア層２３にはバリア層１５と同様に、Ｃｕ配線のバリア材料として用いられてきた各種公知の材料を適用することができ、その具体的な構成材料もバリア層１５と同様である。次いで、ビアホール２１および配線溝１９内に電気めっき法によりＣｕを埋め込む。この後、表面の余分なＣｕとバリア層２３とイオン化抑制層２２をＣＭＰで除去する。このようにして、第１のＣｕ配線１４に接続されたビア２０および第２のＣｕ配線１８を形成する。ビア２０と第２のＣｕ配線１８の側面および底面は、バリア層２３とイオン化抑制層２２とで包囲される。
【００１８】
ここで、バリア層２３の厚さを1nmというように薄くすると、バリア層２３によるビア２０および第２のＣｕ配線１８のカバレージが不完全になるおそれがある。特に、幅ｗに対する深さｄの比（ｄ／ｗ：アスペクト比）が大きいビア２０の部分では、バリア層２３の形成状態が非連続になるおそれが強い。このように、バリア層２３によるＣｕ配線（ビア２０および第２のＣｕ配線１８）のカバレージが不足すると、その後の製造プロセスの熱履歴等によって、ビア２０や第２のＣｕ配線１８の側底面からＣｕがバリア層２３を通して第２の低誘電率絶縁層１７に漏れ出す場合がある。
【００１９】
従来の半導体装置においては、第２の低誘電率絶縁層１７に漏れ出たＣｕが装置動作時の電界によりＣｕ+イオンとなってドリフトするため、第２のＣｕ配線１８や第１のＣｕ配線１４の短絡や破壊を引き起こすおそれがあった。特に、低誘電率絶縁層１２、１７は緻密な絶縁層（ＳｉＯ2膜等）に比べてＣｕ+イオンのドリフトが加速されやすいため、Ｃｕ配線の短絡や破壊が生じやすい。
【００２０】
そこで、この実施形態の半導体装置１０においては、ビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との間に、単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層２２を配置している。具体的には、第２のバリア層２３を通して漏れ出すＣｕのイオン化を抑制するように、第２のバリア層２３と第２の低誘電率絶縁層１７との間にイオン化抑制層２２を配置している。
【００２１】
イオン化抑制層２２は、単体の仕事関数が3eV未満の元素からの熱電子放出によってＣｕのイオン化を抑制するものである。すなわち、イオン化抑制層２２を構成する単体の仕事関数が3eV未満の元素は熱電子を放出するため、第２のバリア層２３を通して漏れ出したＣｕのイオン化が抑制される。イオン化抑制層２２を構成する元素の仕事関数が3eV以上であると、熱電子を十分に放出させることができない。このため、Ｃｕのイオン化を抑制する効果を十分に得ることができなくなる。
【００２２】
単体の仕事関数が3eV未満の元素の具体例としては、Ｃｓ（2.1eV）、Ｒｂ（2.1eV）、Ｌｉ（2.4eV）、Ｂａ（2.5eV）、Ｓｒ（2.6eV）、Ｃａ（2.9eV）、Ｅｕ（2.5eV）、Ｓｍ（2.7eV）、Ｃｅ（2.9eV）等が挙げられる。なお、括弧内の数値は各元素の単体としての仕事関数である。これらのうちでも、特に単体の仕事関数が小さいＣｓやＲｂ等を適用することが、バリア層２３を通して漏れ出たＣｕのイオン化を抑制する効果を向上させる点から望ましい。
【００２３】
イオン化抑制層２２のバリア性を向上させる点からは、融点が高いＬｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｃｅを適用することが好ましい。低誘電率絶縁層１７との密着性を向上させる点からは、酸化物生成の標準自由エネルギーがＳｉより小さいＬｉ、Ｃａを適用することが好ましい。半導体装置のソフトエラーを防止する点からは、α粒子の発生源となる天然の放射性同位体が存在しないＣｓ、Ｒｂ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｃｅを適用することが好ましい。半導体装置を大量に安価に製造する点からは、地球上に広く多量に存在するＣａを適用することが好ましい。
【００２４】
イオン化抑制層２２は、単体の仕事関数が3eV未満の元素の単体、合金、化合物等により形成される。単体の仕事関数が3eV未満の元素を含む化合物としては、金属間化合物や酸化物、硫化物、硼化物のような化合物が例示される。このような化合物の具体例としては、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＳ等が挙げられる。なお、絶縁性の化合物でイオン化抑制層２２を形成する場合には、イオン化抑制層２２のビアホール２１の底面に相当する部分を、必要に応じて異方性の反応性イオンエッチング等で除去すればよい。
【００２５】
このように、イオン化抑制層２２の構成材料は、単体の仕事関数が3eV未満の元素の単体に限らず、そのような元素を含む合金や化合物等を適用することができる。イオン化抑制層２２を合金や化合物で形成する場合、イオン化抑制層２２を構成する元素の金属成分のうち、90原子％以上が単体の仕事関数が3eV未満の元素であることが好ましい。金属元素成分に占める単体の仕事関数が3eV未満の元素の比率が90原子％未満であると、Ｃｕのイオン化を抑制する効果が不十分になるおそれがある。
【００２６】
さらに、イオン化抑制層２２はＣｕのイオン化抑制効果を得る上で、それ自体のＣｕ濃度が例えば10原子％未満程度に設定される。イオン化抑制層２２のＣｕ濃度が10原子％以上になると、放出される熱電子がイオン化抑制層２２内のＣｕに消費され、Ｃｕ配線から第２のバリア層２３を通して漏れ出したＣｕのイオン化を十分に抑制することができなくなることがある。また、イオン化抑制層２２に含まれるＣｕが第２の低誘電率絶縁層１７に漏れ出すおそれが生じる。イオン化抑制層２２のＣｕ濃度は1原子％未満であることがさらに好ましい。このような点からも、イオン化抑制層２２を構成する金属元素成分のうち、単体の仕事関数が3eV未満の元素の比率は90原子％以上とすることが好ましい。
【００２７】
単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層２２は、あくまでも第２のバリア層２３を通して漏れ出すＣｕのイオン化を熱電子放出により抑制するものであるため、一様な膜形状を有していなくてもその効果が発揮される。従って、イオン化抑制層２２は非連続の膜であってもよい。このように、イオン化抑制層２２はビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との間に部分的に存在させても効果を発揮する。このため、イオン化抑制層２２の膜厚は特に限定されるものではない。ただし、Ｃｕのイオン化抑制効果をより再現性よく得ることを考慮すると、イオン化抑制層２２の膜厚は平均膜厚として0.1〜10nmの範囲とすることが好ましい。
【００２８】
イオン化抑制層２２の使用形態はバリア層２３との積層膜に限らず、例えばバリア層２３内に単体の仕事関数が3eV未満の元素を含有させる、あるいはイオン化抑制層２２内に前述したＣｕのバリア材料を含有させるようにしてもよい。図２はＣｕ配線（ビア２０および第２のＣｕ配線１８）と第２の低誘電率絶縁層１７との間に、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４を配置した半導体装置１０を示している。このように、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４によっても、Ｃｕのイオン化を抑制する効果を得ることができる。
【００２９】
Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４において、単体の仕事関数が3eV未満の元素の比率は、Ｃｕ配線からのＣｕの漏れ出しやすさやＣｕドリフトの発生のしやすさを考慮して適宜に設定する。Ｃｕのイオン化抑制効果を考慮すると、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４を構成する金属元素成分のうち、単体の仕事関数が3eV未満の元素の比率は1原子％以上とすることが好ましく、さらに好ましくは10原子％以上である。Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４においても、Ｃｕ濃度は10原子％未満、さらに好ましくは1原子％未満である。
【００３０】
イオン化抑制層２２は、場合によってはバリア層２３に代えて、ビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との界面に配置してもよい。すなわち、図１に示す半導体装置１０において、ビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との間にイオン化抑制層２２のみを配置した構造であってもよい。ビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との界面の構造としては、バリア層２３とイオン化抑制層２２との積層膜が介在された構造、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４が介在された構造、イオン化抑制層２２が単独で介在された構造が挙げられる。
【００３１】
上述した界面構造のうち、バリア層２３とイオン化抑制層２２との積層膜が介在された構造はＣｕの拡散を抑制し、その上でバリア層２３を通して漏れ出すＣｕのイオン化を防ぐものである。従って、信頼性が最も高い構造ということができる。一方、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４や単独のイオン化抑制層２２は、Ｃｕ配線（ビア２０および第２のＣｕ配線１８）と第２の低誘電率絶縁層１７との界面に介在させる層の厚さをより一層低減することができる。従って、Ｃｕ配線の微細化に有効な構造である。なお、これら以外の構造であっても、単体の仕事関数が3eV未満の元素が界面に存在していれば適用可能である。
【００３２】
また、この実施形態の半導体装置１０においては、ビア２０および第２のＣｕ配線１８と第２の低誘電率絶縁層１７との間に、バリア層２３とイオン化抑制層２２との積層膜やＣｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４を配置している。ただし、第１の低誘電率絶縁層１２と第１のＣｕ配線１４との界面にも、第１のバリア層１５に加えてイオン化抑制層２２を配置してもよい。あるいは、Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層２４を配置してもよい。イオン化抑制層はＣｕ配線全体に適用可能である。
【００３３】
次に、上述したイオン化抑制層２２の特性を評価した結果について述べる。ここでは、図３に示すＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）キャパシタ試料を特性評価素子として用いて、イオン化抑制層２２によるＣｕ+イオンのドリフト抑制効果を評価した。単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層２２としては、表１に構成材料を示す各層を適用した。各ＭＩＳキャパシタのＢＴＳ（Bias Temperature Stress）試験を行い、Ｃ−Ｖ測定でのＶfb（Flatband Voltage）シフトから低誘電率絶縁層中のＣｕドリフト量を評価した。
【００３４】
図３に示したＭＩＳキャパシタ（特性評価素子）の具体的な構造は以下の通りである。n−Ｓｉ基板３１上には膜厚40nmのＳｉ熱酸化膜３２と膜厚200nmのＳｉＯＣ膜からなる低誘電率絶縁層３３が順に形成されている。低誘電率絶縁層３３上には、表１に形成材料を示すイオン化抑制層３４がそれぞれ1nmの膜厚で形成されている。イオン化抑制層３４上には、直径400μm、膜厚1μmのＣｕ電極３５が形成されている。ｎ−Ｓｉ基板３１の裏面はＳｉ熱酸化膜が剥離され、膜厚1μmのＡｌ膜３６が形成されている。
【００３５】
評価試験は以下のようにして行った。図３に示したＭＩＳキャパシタを100℃に加熱すると共に、ｎ−Ｓｉ基板３１の裏面のＡｌ膜３６を接地し、低誘電率絶縁層３３中の電界が+2MV/cmとなるように、Ｃｕ電極３５に正電圧を印加してＢＴＳ試験を行った。ＢＴＳ試験を実施した後、室温でＭＩＳキャパシタのＣ−Ｖ測定を行い、Ｃ−Ｖ曲線からＶfbを求めた。ＢＴＳ試験時の正電界によって、Ｃｕ電極３５からＣｕがＣｕ+イオンとなって低誘電率絶縁層３３中にドリフトすると、Ｖfbが負側にシフトする。そこで、電界を印加しなかった電極とのＶfbの差から、低誘電率絶縁層３３中のＣｕドリフト量を評価した。Ｖfbシフト量の測定結果を表１に示す。
【００３６】
表１には比較例１として、イオン化抑制層３４に代えて、単体の仕事関数が3eV以上の元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｌｕ等）からなる層を形成した場合のＶfbシフト量の測定結果と、低誘電率絶縁層３３とＣｕ電極３５との間に中間層を形成しなかった場合のＶfbシフト量の測定結果を併せて示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１から明らかなように、単体の仕事関数が3eV以上の元素を含む層を有する素子（試料14〜18）、および中間層を有していない素子（試料19）では、大きなＶfbシフトが起きている。従って、低誘電率絶縁層３３中でＣｕドリフトが生じていることが分かる。これに対して、単体の仕事関数が3eV未満の元素の単体や化合物からなるイオン化抑制層３４を有する素子（試料1〜13）では、顕著なＶfbシフトは認められず、低誘電率絶縁層３３中のＣｕドリフトが抑制されていることが分かる。これは仕事関数が低い元素から放出される熱電子との再結合によって、イオン化抑制層３４と低誘電率絶縁層３３との界面でＣｕのイオン化が抑制され、これにより低誘電率絶縁層３３中へＣｕがドリフトしていかなくなるためと推測される。
【００３９】
次に、イオン化抑制層のＣｕ濃度がＣｕ+イオンのドリフト抑制効果に及ぼす影響を評価した。具体的には、図３に示したＭＩＳキャパシタ（特性評価素子）において、Ｃｓからなるイオン化抑制層３４のＣｕ濃度を変化させた場合のＣｕドリフト量をＶfbシフト量に基づいて評価した。Ｖfbシフト量は前述した測定方法にしたがって測定した。表２にイオン化抑制層（Ｃｓ層）３４中のＣｕ濃度とＶfbシフト量の測定結果を示す。ここではＣｕ濃度の影響を調べるために、イオン化抑制層３４にＣｕを意図的に含有させた。表２中の参考例１はイオン化抑制層３４のＣｕ濃度を意図的に増加させたものである。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２から明らかなように、イオン化抑制層３４のＣｕ濃度が10原子％以上になるとＶfbシフトが顕著になり、低誘電率絶縁層３３中でＣｕドリフトが生じていることが分かる。これに対して、Ｃｕ濃度が10原子％未満のイオン化抑制層３４を有する素子（試料1〜10）では顕著なＶfbシフトは認められず、低誘電率絶縁層３３中のＣｕドリフトが抑制されている。この評価結果からイオン化抑制層のＣｕ濃度は10原子％未満とすることが好ましいことが分かる。さらに、Ｃｕドリフトの抑制効果を高めて実用性を向上させるためには、イオン化抑制層のＣｕ濃度は1原子％未満とすることが望ましい。
【００４２】
上述した評価結果からも分かるように、Ｃｕ配線と低誘電率絶縁層との間に単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層を配置することによって、低誘電率絶縁層中のＣｕドリフトを抑制することが可能となる。Ｃｕドリフトを再現性よく抑制する上で、イオン化抑制層のＣｕ濃度は10原子％未満に設定することが好ましい。これによって、Ｃｕドリフトに起因するＣｕ配線の短絡や破壊等を効果的に防ぐことができる。これはＣｕ配線および低誘電率絶縁層を有する半導体装置の歩留りや信頼性を向上させる。なお、イオン化抑制層にＣｕのバリア材料を含有させた構造やイオン化抑制層を単独で配置した構造であっても、上述した評価結果から同様な効果が得られることが明らかである。
【００４３】
なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組合せて実施することができ、その場合には組合せた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の一変形例の構造を示す断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の特性評価に使用した素子構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…半導体装置、１１…半導体基板、１２…第１の低誘電率絶縁層、１３，１９…配線溝、１４…第１のＣｕ配線、１５…第１のバリア層、１７…第２の低誘電率絶縁層、１８…第２のＣｕ配線、２０…Ｃｕビア、２１…ビアホール、２２…単体の仕事関数が3eV未満の元素を含むイオン化抑制層、２３…第２のバリア層、２４…Ｃｕのバリア材料を含むイオン化抑制層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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