(57)【要約】【課題】半導体装置の多層配線構造において、Ｃｕ配線とキャップ層との界面に酸化物からなる密着改善層を形成し、Ｃｕ配線の抵抗を上昇させることなく、Ｃｕ配線のマイグレーションに対する信頼性を向上させる。【解決手段】半導体装置の多層配線構造は、半導体ウェハ（１）上に形成した第１の絶縁層（２）と、該前記第１の絶縁層の表面に開口する開口部内に設けたＣｕ配線（４）と、該第１の絶縁層及びＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層（６）と、該Ｃｕ配線と該第２の絶縁層であるキャップ層との界面に形成した絶縁性の金属酸化物層（５）とを備える。金属酸化物層（５）は、Ｃｕ配線層（４）上にＳｎまたはＺｎなどの金属を浸漬メッキし、その後このメッキ層を酸化性雰囲気中で加熱処理して形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線構造を有する半導体装置において、
半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層の表面に開口する開口部内に設けたＣｕ配線と、
該第１の絶縁層及びＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層と、
該Ｃｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した絶縁性の金属酸化物層と、を備えることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）からなる酸化物であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）と酸素（Ｏ）の組成物がＳｎＯ２±ｘで示され、Ｘは０．１以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）からなる酸化物であって、バンドギャップが３．６±０．２ｅＶであることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）の組成物がＺｎＯ１±ｘで示され、Ｘは０．１以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は亜鉛（Ｚｎ）からなる酸化物であって、バンドギャップが３．４±０．２ｅＶであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は、その厚さが１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は、その厚さが０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内、より好ましくは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、第２の絶縁層はＳｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層として形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の多層配線構造を有する半導体装置において、前記開口部内の底面及び側面とＣｕ配線との間にＴａ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｃｏのうちいずれか一種類の金属、あるいはそれらの合金、またはこれら金属の窒化物、からなる拡散バリア層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
多層配線構造を有する半導体装置において、
半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層の表面に開口する第１の開口部内に設けた第１のＣｕ配線と、
該第１の絶縁層及び該第１のＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層と、
該第１のＣｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した第１の絶縁性金属酸化物層と、
該第２の絶縁層の表面に開口し且つ該第１の金属酸化物層が露出する第２の開口部内に設けた第２のＣｕ配線と、
該第２の絶縁層及び該第２のＣｕ配線の表面に形成した第３の絶縁層と、
該第２のＣｕ配線と該第３の絶縁層との界面に形成した第２の絶縁性金属酸化物層と、を備えることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置。
【請求項１２】
多層配線構造を有する半導体装置において、
半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、
該第１の絶縁層の表面に開口する第１の開口部内に設けた第１のＣｕ配線と、
該第１の絶縁層及び該第１のＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層と、
該第１のＣｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した第１の絶縁性金属酸化物層と、
該第２の絶縁層の表面に開口し且つ該第１の配線層が露出する第２の開口部内に設けた第２のＣｕ配線と、
該第２の絶縁層及び該第２のＣｕ配線の表面に形成した第３の絶縁層と、
該第２のＣｕ配線と該第３の絶縁層との界面に形成した第２の絶縁性金属酸化物層と、を備えることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置。
【請求項１３】
半導体ウェハ上に第１の絶縁層を形成し、
該第１の絶縁層に表面が開口した開口部を形成し、
該開口部内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成し、
該Ｃｕ配線上に浸漬メッキ法により金属層を形成し、
該金属層を酸化性雰囲気中で熱処理して絶縁性の金属酸化物層を形成し、
該金属酸化物層上及び第１の絶縁層上に第２の絶縁層を形成する、
工程を含むことを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置の形成方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記開口部内にＣｕを埋め込んで配線を形成する工程は、
該開口部の底面及び壁面に拡散バリア層を形成し、
該拡散バリア層上にスパッタ法によりＣｕ薄膜を形成した後、電解メッキ法によりＣｕを埋め込み、
Ｃｕ表面を化学機械研磨により研磨及び洗浄を行う、サブ工程を含むことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記Ｃｕ配線上に金属酸化物層を形成する工程は、
浸漬メッキ法によりＣｕ配線上に選択的に錫（Ｓｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）メッキ層を形成してＣｕ配線との間で金属間化合物層を形成し、
酸化性雰囲気中で加熱することにより該金属間化合物層を酸化し、Ｃｕ配線上に絶縁性の金属酸化物層を形成する、サブ工程を含むことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記金属間化合物層を１５０℃以上４５０℃以下の温度範囲の酸化性雰囲気中で加熱することにより厚さ１．０ｎｍ〜５０ｎｍの金属酸化物層を形成することを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、酸素分圧が１０−４Ｐａ以上の酸化性雰囲気中で２分以上５０分以下の範囲で熱処理して前記金属酸化物層を形成することを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記金属間化合物層を２５０℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することにより厚さ０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内、より好ましくは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内の金属酸化物層を形成することを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記開口部を形成する工程は、前記第１の絶縁層上にエッチング用のマスクキャップ層を形成した後、該マスクキャップ層を利用して、第１の絶縁層に該開口部として配線溝を形成することを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置の形成方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記第２の絶縁層上にエッチング用の第２のマスクキャップ層を形成し、
該第２のマスクキャップ層を利用して、該第２の絶縁層にエッチングにより第２の配線溝を形成し、
該第２の配線溝内にＣｕを埋め込んで第２の配線を形成し、
該第２のＣｕ配線上に第２の金属酸化物層を形成し、
該第２の金属酸化物層及び第２の絶縁層の表面に第３の絶縁層を形成する、
工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、第２の絶縁層にエッチングにより第２の配線溝を形成する場合に、前記金属酸化物層を該第２の配線溝に露出させることを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、第２の絶縁層にエッチングにより第２の配線溝を形成する場合に、前記Ｃｕ配線層を該第２の配線溝に露出させることを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項２３】
請求項１９に記載の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記Ｃｕ配線上に金属酸化物層を形成した後、第２の絶縁層を形成する前に、該金属酸化物層の表面に析出することのある酸化銅粒子を除去する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその形成方法に関し、特に、配線の信頼性と性能を向上することが可能なＣｕ多層配線構造、およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の多層配線は主にＣｕ配線と絶縁層で形成される。絶縁層中に埋め込まれたＣｕ配線は、その側壁と底面がＴａ／ＴａＮなどの拡散バリア層で覆われており、その表面はＳｉＮ、ＳｉＣＮなどのキャップ層で覆われている。これらのキャップ層を形成する目的は、Ｃｕ配線の上部に絶縁層を形成する際のＣｕ配線表面の酸化防止、ならびに絶縁層形成後の隣り合うＣｕ配線間のＣｕ相互拡散防止である。
【０００３】
しかし、Ｃｕ配線表面と上部キャップ層との界面は密着性に乏しく、界面がＣｕ原子の主要拡散経路となって、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）不良や絶縁層経時破壊（ＴＤＤＢ）を発生する原因となるため、従来のキャップ層材料では信頼性の観点から問題がある。このため、Ｃｕ配線表面とキャップ層との界面に密着改善層を形成することによって、密着性を高めて信頼性を向上するとともに、従来のキャップ層が有する優れたバリア性と耐酸化性を維持することができる技術が求められている。
【０００４】
このような技術を提供するために、種々の試みがなされている。例えば、非特許文献１では、Ｃｕ表面にＣｏＷＰを浸漬メッキして密着改善層として用いることによって、界面の密着性が向上し、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）寿命が向上することを報告している。しかし、このプロセスは通常７０℃以上の高温でメッキ処理する必要があるため、めっき液の寿命が短いとともに、メッキ液の管理が非常に難しく、さらに、製造プロセスとして再現性を確保することが困難である。また、絶縁層表面に不純物が存在すると、その箇所に導電性のＣｏＷＰが形成されるので、配線間リークやＴＤＤＢ特性に問題が起こり、これは配線間隔が狭くなるパターンの微細な世代ほど深刻化する。
【０００５】
非特許文献２では、Ｃｕ表面にＳｉＨ４とＮＨ３を反応させてＣｕＳｉＮ層を形成することによって、ＥＭ寿命が向上することが報告されている。しかし、ＳｉＨ４を用いてＣｕ表面にＣｕ−Ｓｉ固溶体を形成する際に、Ｓｉ濃度を制御すること困難であり、Ｓｉが不足していると密着改善層としての機能が乏しく、Ｓｉが多すぎるとその後のＮＨ３によるＳｉの窒化を試みてもＣｕ中にＳｉが残存して抵抗上昇の原因となる。
【０００６】
特許文献１では、ＣｕあるいはＣｕ合金からなる配線部分と、誘電体からなる絶縁層部分からなる多層配線構造において、Ｓｂ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔｉなどからなる金属を、キャップ層を構成する元素として用いることによって、配線の信頼性が向上する技術を提案している。この文献の提案技術は、Ｃｕ配線と絶縁層の表面がそれぞれ露出している状態でキャップ層となる金属を成膜することにより、絶縁層表面のキャップ層金属は成膜時点で酸化物となり、Ｃｕ配線表面のキャップ層金属はＣｕ配線中に拡散して固溶体あるいは金属間化合物を形成するというものである。Ｃｕ配線中に固溶したキャップ層金属は、Ｃｕ配線中の粒界に偏析したり、Ｃｕ配線と上部絶縁層との界面に偏析することによって、Ｃｕの拡散速度が遅くなり、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによる不良が改善されるとしている。
【０００７】
一方、ＡｌやＴｉのような金属は、Ｃｕ配線表面に成膜しても大気に触れるだけで酸化物を形成し、これら酸化物は配線の信頼性を向上することができないとしている。従って特許文献１においては、Ｃｕ配線表面に酸化物を形成するのではなく、キャップ層金属が固溶体を形成している状態を好ましいとしている。さらには、純Ｃｕにキャップ層金属が固溶すると、Ｃｕ配線の抵抗が上昇するため、キャップ層金属の厚さを０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲とすることで固溶濃度を低い値とし、抵抗上昇の抑制を図っている。
【０００８】
しかし、このような低濃度の固溶体では、Ｃｕ配線が酸化雰囲気に晒されたときに耐酸化性を有しておらず、Ｃｕ配線に上部絶縁層を形成するプロセス中に、Ｃｕ配線が内部酸化されるという欠点がある。また、絶縁層が形成された後でも、その後の高温プロセスにおいてＣｕ配線と上部絶縁層間において相互拡散が生じるという問題点がある。さらに、絶縁層表面に形成されるキャップ金属の酸化物は絶縁膜として良好な特性を得ることが難しく、配線間のリーク電流やＴＤＤＢ特性を確保することは非常に困難であるため、現実的な手法ではない。また、これらは高誘電率層となるため、絶縁層全体の誘電率を高めることになり、配線遅延時間が長くなるという問題点もある。
【０００９】
上記の半導体配線とは異なるが、バルク材料において、ＳｎをＣｕ表面に被覆することによって内部のＣｕの酸化が抑制できることは一般に知られているが、いずれも被覆したＳｎメッキ層を酸化して使用するものではない。例えば、特許文献２では、銅管の内面にＳｎメッキを行って耐酸化性に優れた材料を作製しているが、メッキＳｎにピンホールが形成されて優先酸化が生じるために、メッキ溶液中の各成分の濃度を制御することでピンホールの無いＳｎメッキ層を厚さ１μｍに形成している。
【００１０】
また、特許文献３では、銅基材の表面にＮｉまたはＣｕまたはこれらの合金層をメッキして中間層とし、さらにその表面にＳｎメッキをして、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物が分散したメッキ層を形成している。この最表面層の厚さを０．５μｍ以上とすることで耐酸化性を確保する。さらに特許文献４では、ＣｕとＳｎを含む金属間化合物拡散層を浸漬Ｓｎメッキ法によって０．２μｍ未満の厚さに形成し、さらにこの表面に腐食防止剤層としてベンゾトリアゾールまたはその誘導体を形成して耐酸化性を確保している。
【００１１】
このように、過去のバルクＣｕ表面上に形成されたＳｎメッキでは純ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ金属間化合物が形成されているが、耐酸化性を確保するためには、ミクロンレベルの厚膜である必要があり、厚さを減少した場合の耐酸化性は乏しい。また、これらを半導体配線構造に採用した場合における密着性や信頼性に関しては不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−２０３１９７
【特許文献２】特開平１０−１８０４５
【特許文献３】特開２００３−８２４９９
【特許文献４】特開２００６−３１９２６９
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｃ．Ｋ．Ｈｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃ．Ｅｎｇ．，７０，４０６（２００３）
【非特許文献２】Ｓ．Ｃｈｈｕｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃ．Ｅｎｇ．，７６，１０６（２００４）
【非特許文献３】Ｆ．ＤｅＣａｒｌｉ  ａｎｄ  Ｎ．Ｃｏｌｌａｒｉ，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇ．ｉｔａｌ．４４（１９５２）１７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記で説明したように、半導体集積回路のＣｕ多層配線において、Ｃｕ配線表面とキャップ層との界面に密着改善層を形成し、キャップ層の持つ良好な耐酸化性と拡散バリア性を維持しながら、密着性を高めてマイグレーションに対する信頼性を向上しようとすることは、ＣｏＷＰ層やＣｕＳｉＮ層の形成によって試みられたが、プロセス条件の制御が困難なだけでなく、配線間リークやＴＤＤＢ特性の劣化が発生するという問題点がある。さらに、Ｓｂ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔｉなどからなる金属を用いて、Ｃｕ配線の上部表面に金属を拡散させて固溶体あるいは化合物を形成し、一方で絶縁層表面ではこれら金属の酸化物を形成する方法が試みられたが、Ｃｕ配線の抵抗が上昇するという問題に加えて、Ｃｕ表面の酸化を防止することができず、さらに絶縁層の比誘電率を上昇させるという問題がある。
【００１５】
上記問題点を鑑みて、本発明が解決しようとする課題は、Ｃｕ配線とキャップ層との界面に酸化物からなる密着改善層を形成し、Ｃｕ配線の抵抗を上昇させることなく、Ｃｕ配線のマイグレーションに対する信頼性を向上させることできる、多層配線構造を有する半導体装置及びその形成方法を提供することである。特に、上記の課題を解決するための密着改善層とその形成工程とを提供することが本発明の主たる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の問題を解決するために、本発明によれば、半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の表面に開口する開口部内に設けたＣｕ配線と、該第１の絶縁層及びＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層と、該Ｃｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した絶縁性の金属酸化物層と、を備えることを特徴とする多層配線構造を有する半導体装置が提供される。
【００１７】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置において、前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）からなる酸化物であることを特徴とする。
【００１８】
前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）と酸素（Ｏ）の組成物がＳｎＯ２±ｘで示され、Ｘは０．１以下であることを特徴とする。この場合において、前記金属酸化物層は錫（Ｓｎ）からなる酸化物であって、バンドギャップが３．６±０．２ｅＶであることを特徴とする。
【００１９】
或いは、前記金属酸化物層は亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）の組成物がＺｎＯ１±ｘで示され、Ｘは０．１以下であることを特徴とする。この場合において、前記金属酸化物層は亜鉛（Ｚｎ）からなる酸化物であって、バンドギャップが３．４±０．２ｅＶであることを特徴とする。
【００２０】
前記金属酸化物層は、その厚さが１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする。或いは、前記金属酸化物層は、その厚さが０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内、より好ましくは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置において、第２の絶縁層はＳｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層として形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の多層配線構造を有する半導体装置において、前記開口部内の底面及び側面とＣｕ配線との間にＴａ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｃｏのうちいずれか一種類の金属、あるいはそれらの合金、またはこれら金属の窒化物、からなる拡散バリア層が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の一態様に係る多層配線構造を有する半導体装置は、半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の表面に開口する第１の開口部内に設けた第１のＣｕ配線と、該第１の絶縁層及び該第１のＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層（例えば、Ｓｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層）と、該第１のＣｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した第１の絶縁性金属酸化物層と、該第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層の上面に形成したＳｉＯ２層）の表面に開口し且つ該第１の金属酸化物層が露出する第２の開口部内に設けた第２のＣｕ配線と、該第２の絶縁層及び該第２のＣｕ配線の表面に形成した第３の絶縁層（例えば、Ｓｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層）と、該第２のＣｕ配線と該第３の絶縁層との界面に形成した第２の絶縁性金属酸化物層と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の態様に係る多層配線構造を有する半導体装置は、半導体ウェハ上に形成した第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の表面に開口する第１の開口部内に設けた第１のＣｕ配線と、該第１の絶縁層及び該第１のＣｕ配線の表面に形成した第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層）と、該第１のＣｕ配線と該第２の絶縁層との界面に形成した第１の絶縁性金属酸化物層と、該第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層の上面に形成した層ＳｉＯ２層）の表面に開口し且つ該第１の配線層が露出する第２の開口部内に設けた第２のＣｕ配線と、該第２の絶縁層及び該第２のＣｕ配線の表面に形成した第３の絶縁層（例えば、Ｓｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層）と、該第２のＣｕ配線と該第３の絶縁層との界面に形成した第２の絶縁性金属酸化物層と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
また、上記課題を解決するために、本発明による多層配線構造を有する半導体装置の形成方法は、半導体ウェハ上に第１の絶縁層を形成し、該第１の絶縁層に表面が開口した開口部を形成し、該開口部内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成し、該Ｃｕ配線上に浸漬メッキ法により金属層を形成し、該金属層を酸化性雰囲気中で熱処理して絶縁性の金属酸化物層を形成し、該金属酸化物層上及び第１の絶縁層上に第２の絶縁層（例えば、Ｓｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層）を形成する、工程を含むことを特徴とする。
【００２６】
前記開口部内にＣｕを埋め込んで配線を形成する工程は、該開口部の底面及び壁面に拡散バリア層を形成し、該拡散バリア層上にスパッタ法によりＣｕ薄膜を形成した後、電解メッキ法によりＣｕを埋め込み、Ｃｕ表面を化学機械研磨により研磨及び洗浄を行う、サブ工程を含むことを特徴とする。
【００２７】
前記Ｃｕ配線上に金属酸化物層を形成する工程は、浸漬メッキ法によりＣｕ配線上に選択的に錫（Ｓｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）メッキ層を形成してＣｕ配線との間で金属間化合物層を形成し、酸化性雰囲気中で加熱することにより該金属間化合物層を酸化し、Ｃｕ配線上に絶縁性の金属酸化物層を形成する、サブ工程を含むことを特徴とする。
【００２８】
前記金属間化合物層を酸化する工程において、１５０℃以上４５０℃以下の温度範囲の酸化性雰囲気中で加熱することにより厚さ１．０ｎｍ〜５０ｎｍの金属酸化物層を形成することを特徴とする。この場合において、酸素分圧が１０−４Ｐａ以上の酸化性雰囲気中で２分以上５０分以下の範囲で熱処理して前記金属酸化物層を形成することを特徴とする。
【００２９】
前記金属間化合物層を酸化する工程において、前記金属間化合物層を２５０℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することにより厚さ０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内、より好ましくは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内の金属酸化物層を形成する。
【００３０】
前記開口部を形成する工程は、前記第１の絶縁層上にエッチング用のマスクキャップ層を形成した後、該マスクキャップ層を利用して、第１の絶縁層に該開口部として配線溝を形成することを特徴とする多層配線構造を有する。
【００３１】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、前記第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層の上面に形成した層ＳｉＯ２層）上にエッチング用の第２のマスクキャップ層を形成し、該第２のマスクキャップ層を利用して、該第２の絶縁層にエッチングにより第２の配線溝を形成し、該第２の配線溝内にＣｕを埋め込んで第２の配線を形成し、該第２のＣｕ配線上に第２の金属酸化物層を形成し、該第２の金属酸化物層及び第２の絶縁層の表面に第３の絶縁層（例えば、Ｓｉを含む窒化物、炭化物、あるいは炭窒酸化物のいずれか一種類の絶縁層からなるキャップ層）を形成する、工程を更に含むことを特徴とする。
【００３２】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、一態様によると、第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層の上面に形成した層ＳｉＯ２層）にエッチングにより第２の配線溝を形成する場合に、前記金属酸化物層を該第２の配線溝に露出させることを特徴とする。
【００３３】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法において、他の態様によると、第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層の上面に形成した層ＳｉＯ２層）にエッチングにより第２の配線溝を形成する場合に、前記Ｃｕ配線層を該第２の配線溝に露出させることを特徴とする。
【００３４】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置の形成方法の更に他の態様によると、前記Ｃｕ配線上に金属酸化物層を形成した後、第２の絶縁層（例えば、上記キャップ層）を形成する前に、該金属酸化物層の表面に析出することのある酸化銅粒子を除去する工程を更に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の半導体装置によれば、Ｃｕ配線上に絶縁性があって密着性に優れた金属酸化物層（「密着改善層」とも称する）が形成されるので、Ｃｕ配線の上部（第２の絶縁層側）界面におけるＣｕ原子の拡散が飛躍的に遅くなり、加熱プロセス中に発生する熱応力下におけるＣｕ原子の拡散による配線の断線または短絡（ストレスマイグレーション不良）を抑制できる。また、Ｃｕ配線に電流が流れている状況下におけるＣｕ原子の拡散による配線の断線または短絡（エレクトロマイグレーション不良）を抑制できる。
【００３６】
密着改善層としての金属酸化物としては、浸漬（置換）メッキ可能な金属であって、酸化することにより絶縁性を呈するもので、且つＣｕとの間で密着性の良好となる金属である必要がある。本発明の半導体装置の一態様によれば、密着改善層としての金属酸化物は、絶縁性のＳｎ酸化物またはＺｎ酸化物とする。絶縁性を有する金属酸化物とは、例えばＳｎ酸化物の場合はそのバンドギャップが３．６±０．２ｅＶとなるものであり、Ｚｎ酸化物の場合はそのバンドギャップが３．４±０．２ｅＶとなるものである。
【００３７】
バンドギャップは例えば紫外光電子分光法とＸ線光電子分光法を用いて測定することができる。その際に測定誤差によって±０．２ｅＶの不確定性がある。このように、密着改善層として絶縁性の金属酸化物とすることによって、Ｃｕ配線間に電界が付加されている状況下において、配線間のリーク電流がいたずらに増加すること（配線間リーク）を抑制できる。さらに、Ｓｎ酸化物またはＺｎ酸化物は、５００℃以下の温度では酸素を透過しないため、下部のＣｕ配線の酸化防止膜としても機能する。
【００３８】
本発明の半導体装置の一態様によれば、金属酸化物層は、その厚さを１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下としている。酸化物層の平均厚さが５０ｎｍを超えると層間絶縁層の厚みの大部分を密着改善層としての金属酸化物層が占有することとなり、多層配線絶縁層の本来の機能を損なうため、好ましくない。一方で、５０ｎｍ以下であれば、多層配線絶縁層の機能を損なうことはなく、酸化熱処理前にＣｕ配線上に形成された金属（ＳｎまたはＺｎ）は完全に酸化されるので、Ｃｕ中に固溶せず、Ｃｕ配線の抵抗をいたずらに上昇させることがない。金属酸化物層の平均厚さが１．０ｎｍ未満であれば、Ｃｕ配線表面上に金属酸化物層を一様に形成することができず、キャップ層とＣｕ配線が直接に接する部分が形成されて密着性が劣化するので好ましくない。さらに、金属メッキ層を酸素雰囲気中で加熱する際に、露出したＣｕ配線表面から酸素が進入し、Ｃｕ配線の酸化を引き起こし配線抵抗が上昇するため、好ましくない。
【００３９】
本発明の半導体装置の他の態様によれば、金属酸化物層は、その厚さを０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内とし、配線の実効抵抗の関係から、より好ましくは０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内としている。
【００４０】
本発明の半導体装置の形成方法において、金属層を酸化するステップは、上述のように、金属層を有する半導体ウェハを１５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、酸素分圧が１０−４Ｐａ以上の酸化性雰囲気中で２分以上５０分以下の範囲で熱処理するステップを含む。熱処理温度が１５０℃以下あるいは酸素分圧が１０−４Ｐａ未満であると、形成される金属酸化物中に多くの酸素空孔が形成されるため、金属酸化物が半導体または導体となるため、好ましくない。また、熱処理温度が５００℃を超えると、金属酸化物下部のＣｕ配線が酸化されて配線抵抗が上昇するため、好ましくない。しかし、上記の条件で熱処理を行うと、金属酸化物中の酸素濃度を化学量論組成として、金属酸化物の絶縁性を維持することができ、さらにＣｕ配線の酸化を抑制できる。一般に、化学量論組成にするとは、金属元素と酸素の原子比率が厳密な整数比となることを言うが、ここでは整数比からの誤差が１０％以内であれば絶縁性を維持することができる。すなわち、Ｓｎ酸化物の場合はＳｎＯ２±ｘ（ｘ＝０．１以下）となり、Ｚｎ酸化物の場合はＺｎＯ１±ｘ（ｘ＝０．１以下）であれば絶縁性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造を示す概略断面図。
【図２】多層配線構造の形成工程を示す図。
【図３】Ｓｎメッキ積層後の断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）写真。
【図４（ａ）】二次イオン質量分析による濃度分析結果で、絶縁層をＳｉＯ２とする場合である。
【図４（ｂ）】二次イオン質量分析による濃度分析結果で、絶縁層をＳｉＯＣとする場合である。
【図４（ｃ）】二次イオン質量分析による濃度分析結果で、絶縁層を多孔質ＳｉＯＣとする場合である。
【図５】Ｓｎ酸化物の厚さの熱処理温度依存性を示す図。
【図６】Ｓｎ酸化物を表面層とするＣｕ、Ｔａ、ＳｉＯ２層の多層構造の断面ＴＥＭ写真。
【図７】第２の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す図。
【図８】第２の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す図であって、特に、図７に示す工程の後の工程を示す図。
【図９】第２の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す図であって、特に、図８に示す工程の後の工程を示す図。
【図１０】第３の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す図。
【図１１】第４の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下に本発明の種々の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一の符号は同じかあるいは類似の構成を示すので重複した説明は行わない。また、以下に示す各種の実施形態は、Ｃｕ配線層表面に形成する酸化物としてＳｎ酸化物を用いたものであるが、Ｚｎ酸化物を用いた場合でも同様の構造および形成工程によって本発明を実施できることは勿論である。
【００４３】
［第１の実施形態］
（Ｓｎ酸化物層を有する配線構造）
図１は、第１の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造を示す概略断面図である。図１では、半導体（Ｓｉ）ウェハ１を基板として用いた例を示す。このＳｉウェハ１上に層間絶縁膜２（第１の絶縁層）を形成し、層間絶縁膜２に上面に開口するように形成された開口部に拡散バリア層３を形成し、さらにＣｕを埋め込んで配線本体４としたものである。酸化防止膜および拡散バリア層として機能するＳｉＣＮからなるキャップ層（第２の絶縁層）６とＣｕ配線４との界面には、Ｓｎからなる酸化物層５（金属酸化物層）が形成されており、これがキャップ層とＣｕ配線との密着改善層として機能する。キャップ層の上にはさらに上層の層間絶縁層７が形成されている。図１には、一本のＣｕ配線４の断面しか示していないが、上層の層間絶縁膜７を下層絶縁膜としてその上に同様の工程によって上部Ｃｕ配線層等を形成することによって多層配線構造とすることが出来ることは勿論である。また、絶縁層２及び層間絶縁膜７にはＳｉＯ２を示しているが、メチル基を担持するＳｉＯＣＨなどの無機系絶縁層、あるいはポリアリレンなどの有機系絶縁層など半導体集積回路の多層配線に絶縁層として用いられるものであれば何でも良い。同様にキャップ層６にはＳｉＣＮを例示しているが、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮなどのＳｉを含む窒化物、炭化物、炭窒酸化物でも良い。また、拡散バリア層３にはＴａを例示しているが、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｃｏおよびそれらの合金または窒化物など、一般的に用いられているバリア層材料であれば何でも良い。
【００４４】
（Ｓｎ酸化物層の形成方法と特性）
図２は、Ｃｕ配線４および密着改善層であるＳｎ酸化物層５の構造を、その形成工程を示す図面に沿って説明するための図である。まず、図に示す様に、ＳｉＯ２絶縁層２に上面が開口した開口部（幅約６５０ミクロン、深さ約８５０ミクロン）を形成し、Ｔａバリア層３をスパッタ法によって形成する。その後、Ｃｕ薄膜４’をスパッタ法と電解メッキ法を順次用いて、開口部をＣｕで埋め込む（図２（ａ））。表面に余剰に形成されたＣｕは化学機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing, CMP）によって研磨除去し、研磨表面を洗浄する（図２（ｂ））。次に、この試料に対して、室温で浸漬メッキ法によってＳｎを積層し、Ｃｕ配線表面に選択的にＳｎメッキ層５’を形成する。メッキ溶液の組成は、硫酸第１錫を４０グラム毎リットル、硫酸１００グラム毎リットル、クレゾールスルホン酸３０グラム毎リットル、界面活性剤１０グラム毎リットルであり、試料を室温で１分間浸漬してＳｎメッキ層を成膜した。メッキされたＳｎは室温においてＣｕと容易に反応し、その一部または全体がＣｕ６Ｓｎ５の組成の金属間化合物５’となる（図２（ｃ））。
【００４５】
次に、試料を酸素雰囲気中で加熱し、Ｓｎメッキ層５’を酸化してＳｎ酸化物層５とする（図２（ｄ））。Ｓｎメッキ層５’の平均厚さが５０ｎｍ以下であれば、Ｓｎは完全に酸化されるので、Ｃｕ中に固溶せず、Ｃｕ配線４の抵抗をいたずらに上昇させることがない。また、Ｓｎ酸化物層５はＣｕと化合物を形成しているＳｎの酸化反応によって形成されるため、下地のＣｕ配線と優れた密着性を示す。一方で、Ｓｎメッキ層５’の平均厚さが１．５ｎｍ未満であれば、Ｃｕ配線表面上に界面密着層を一様に形成することができず、キャップ層とＣｕ配線が直接に接する部分が形成されて密着性が劣化するので好ましくない。さらに、Ｓｎメッキ層５’を酸素雰囲気中で加熱する際に、露出したＣｕ配線表面から酸素が進入し、Ｃｕ配線の酸化を引き起こして配線抵抗を上昇させるため、好ましくない。
【００４６】
図３は、Ｓｎメッキ層５’の積層後の試料断面の一部を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した結果を示す。図に示すように、厚さが１６ｎｍのＳｎメッキ層５’が、Ｃｕ表面上に一様に形成される。ＳｉＯ２絶縁層２上にはＳｎメッキ層は確認できず、Ｃｕ表面上へのＳｎメッキ層５’の良好な選択性が示された。
【００４７】
図４は３種類の絶縁層を準備し、絶縁層だけをＳｎメッキ液に１分間浸漬した後に、大気中で乾燥し、二次イオン質量分析器を用いて絶縁層表面から深さ方向の組成分布を調べた結果である。図４（ａ）はＳｉＮキャップ層の上にＳｉＯ２絶縁層を形成した膜構造の場合である。ＳｉＯ２表面近傍におけるＳｎメッキ液の構成元素の分布は検出限界以下であり、ＳｉＯ２表面にはＳｎメッキ成膜がされない。この結果は図３に示した結果と同様であり、Ｃｕ表面上のみへのＳｎメッキ層の良好な選択成膜性が確認できた。図４（ｂ）はＳｉＯ２上にさらに高密度ＳｉＯＣを成膜した膜構造であり、ＳｉＯＣの表面近傍にＳｎメッキの構成元素である窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）、ホウ素（Ｂ）、スズ（Ｓｎ）の存在が認められる。図４（ｃ）はＳｉＯ２上に多孔質のＳｉＯＣ（ポーラスＳｉＯＣ）を成膜した膜構造の場合であり、ポーラスＳｉＯＣ表面近傍にＳｎメッキの構成元素の存在が認められる。このように、ＳｉＯ２以外の絶縁層においては、Ｓｎメッキ成分が表面近傍に存在するが、酸素雰囲気で加熱する際にＳｎが酸化されて絶縁化するので、配線間のリーク特性には悪影響を及ぼさない。
【００４８】
図５には、Ｃｕ膜上にＳｎメッキを行った試料を、１気圧のＡｒ＋１０ｐｐｍＯ２雰囲気で熱処理を行った場合のＳｎ酸化膜厚さの熱処理温度依存性を示す。各温度での熱処理時間は１時間である。ここでは１気圧のアルゴンと酸素の混合ガスを用いているが、この場合の酸素分圧は１Ｐａであり、この酸素分圧と同等の酸素を含む雰囲気であれば、窒素などのＡｒ以外の不活性ガスと混合してもよいし、真空中に純酸素ガスを導入して全圧が１Ｐａになるようにしてもよい。
【００４９】
図５に示すように２５０℃未満ではＳｎ酸化物の平均厚さは温度依存性を示さず、１．８±０．１５ｎｍであるため、１．０〜２．０ｎｍ以上の厚さのＳｎ酸化物を形成するのに好適である。一方、３００℃以上ではＳｎ酸化物の平均厚さは温度とともに増加し、３５０℃では約４ｎｍであるため、２．０ｎｍ以上の厚さのＳｎ酸化物を形成するのに好適である。２５０℃未満の熱処理で温度依存性を示さない原因は、Ｓｎメッキ膜５’がＣｕ６Ｓｎ５という安定な金属間化合物であるため、Ｓｎが化合物から解離して酸化されることが困難であるためである。一方、２５０℃以上で温度依存性を示す原因は、約３００℃近傍の温度においてＣｕ６Ｓｎ５が熱的に不安定になりＣｕ固溶体とＣｕ３Ｓｎに分解する際に、Ｓｎが化合物から解離して酸化が容易になるためである。この場合は、Ｓｎ酸化物の成長は熱処理時間の平方根に比例する。
【００５０】
図６は、１気圧のＡｒ＋１ｐｐｍＯ２混合ガス雰囲気（酸素分圧＝０．１Ｐａ）においてＳｎメッキを施したＣｕ薄膜を、３４０℃で１時間の熱処理を行った結果を示す。図の断面ＴＥＭ写真によれば、Ｃｕ薄膜表面に平均厚さが６ｎｍの均一なＳｎＯ２膜が形成されている。Ｃｕ薄膜部からＸ線エネルギー分光法を用いて組成分析を行った結果、Ｃｕ薄膜中におけるＳｎの濃度は検出限界以下であった。また、直流四端子法によって測定した電気抵抗率は２．１７±０．１μΩｃｍであり、純Ｃｕ薄膜と同等に低い値が得られた。
【００５１】
（ＳｎＯ２層とＣｕ薄膜の密着性）
ＳｎＯ２層５（図１）とＣｕ薄膜４（図１）の密着性の試験は一般的なテープテスト法を用いて行った。この試料の表面にテープを貼り付け、指で十分に押しつけた後に、カミソリを用いて１ｍｍ間隔の切れ目を縦横に１０本形成する。その後、テープを剥がす。剥がしたテープにＳｎＯ２膜が付着するか否かでＣｕ薄膜との密着性を判断する。
【００５２】
用いた試料は次のように作製する。ＳｉＯ２／Ｓｉ基板上にスパッタ法を用いて厚さが３００ｎｍのＣｕ薄膜を形成し、その上にＳｎメッキ層を種々の平均厚さに形成する。その後、１気圧のＡｒ＋１ｐｐｍＯ２雰囲気において４００℃で１時間の熱処理を施す。熱処理後のＳｎＯ２の平均厚さは、２、２３、４５、６３ｎｍの４種類とした。得られた試料に対してテープテストを行い、密着性を評価する。
【００５３】
テープテストの結果、ＳｎＯ２の平均膜圧が４５ｎｍ以下の場合は膜剥がれが見られなかった。一方、ＳｎＯ２の厚さが６３ｎｍの場合は膜剥がれが見られた。この原因は、ＳｎＯ２膜が厚いことによってＣｕ薄膜との界面に応力が蓄積したためであると考えられる。したがって、良好な密着性を得るためには、ＳｎＯ２の平均厚さは５０ｎｍ以下が好ましい。
【００５４】
（ＳｉＣＮキャップ層を重層した配線構造）
メッキ法によるＳｎメッキ層の形成とその後の酸化熱処理によってＳｎＯ２を形成した後に、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を用いてＳｉＣＮキャップ層６（図１）を形成する。厚さは５０ｎｍである。この試料を大気中において４５０℃で１時間の熱処理を行った。得られた試料の断面をＴＥＭで観察すると、ＳｉＣＮキャップ層の微細組織に変化はなく、キャップ層下部のＳｎＯ２層およびＣｕ薄膜にも何らの変化が見られない。このように、ＳｉＣＮキャップ層は従来知られているように良好な耐酸化性を示す。
【００５５】
また、ＳｉＣＮキャップ層６を形成した後に、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２絶縁層７（図１）を形成した。その後、真空中において４５０℃で１時間の熱処理を行い、ＳｉＯ２層とＣｕの間の相互拡散の可能性を調べた。得られた試料の断面をＴＥＭで観察すると、積層構造の組織には熱処理前後で何らの変化も観察されない。また、Ｘ線エネルギー分光法によってＳｉＯ２絶縁層６およびＣｕ薄膜４の組成分析を行った結果、相互拡散の痕跡は見られない。このように、ＳｉＣＮキャップ層６は従来知られているように良好な拡散バリア性を示す。
【００５６】
従って、Ｃｕ配線４上に密着改善層としてＳｎＯ２層５を形成し、拡散バリア層および耐酸化層としてのＳｉＣＮキャップ層６を形成することで、従来のＳｉＣＮ／Ｃｕが有する密着性の問題点を解決し、拡散バリア性と耐酸化性と維持することができる。
【００５７】
［第２の実施形態］
図７および図８に、第２の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す。この実施形態ではダマシンプロセスによってＣｕの多層配線構造を形成する。まず、図７の段階Ｉに示す様に、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２絶縁層１０上に、例えばシリコン窒化膜等のハードマスク兼キャップ層１１を、配線溝１２を形成する部分を残して形成し、エッチングを行って幅が１５０ｎｍの配線溝１２を形成する。なお、ＳｉＯ２層１０の下部には、ロジック回路、メモリ回路等を構成するための種々の拡散領域を作り込んだＳｉウェハが存在するが、図ではこれらは省略されている。
【００５８】
次に、図７の段階ＩＩに示す様に、Ｔａ／ＴａＮの拡散バリア層１３を例えばＤＣスパッタ法により形成し、更にその上にＣｕをスパッタして電解メッキのためのシード層１４を形成する。次に、段階ＩＩＩに示す様に、Ｃｕの電解メッキを行って、配線溝１２中にＣｕを埋め込みＣｕ配線層１５を形成する。
【００５９】
その後、図８の段階ＩＶに示す様に、配線層１５の上面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って、配線溝１２以外の部分のＣｕメッキ層およびバリア層１３を除去すると共に、配線層１５の表面を清浄化する。この後、Ｓｎを浸漬メッキすることにより、図８の段階Ｖに示す様に、Ｃｕ配線層１５の表面部分にＳｎメッキ層１６を選択的に形成する。このときの無電解メッキ条件は、硫酸第１錫４０グラム毎リットル、硫酸１００グラム毎リットル、クレゾールスルホン酸３０グラム毎リットル、界面活性剤１０グラム毎リットルであった。また成膜は室温で行った。
【００６０】
Ｃｕ配線層１５上に選択的にＳｎメッキ層１６が形成されると、この状態の試料に１気圧のＡｒ＋１０ｐｐｍ酸素からなる混合ガス雰囲気中において３００℃、３０分の熱処理を行うことによって、図８の段階ＶＩに示すようにＣｕ表面上ではＳｎが選択酸化されＳｎＯ２±ｘ（ｘは０．１以下）の密着改善層１７が形成される。なお、この熱処理は、減圧した状態に酸素ガスを導入して酸素圧力を１Ｐａとした雰囲気で行ってもよい。その後、シリコン窒化膜などのキャップ層１８を形成する。第１の実施形態の説明部分で述べたように、ＳｎＯ２±ｘ層１７はＣｕ配線層１５との良好な密着性を有し、密着改善層として機能する。
【００６１】
図９の段階ＶＩＩ〜段階ＩＸは、図８の段階ＶＩに示す状態の試料上に第２のＣｕ配線層を形成する工程を示す。まず、図９の段階ＶＩＩに示す様に、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ等の上層の絶縁膜１９およびハードマスク２０を形成し、段階ＶＩＩＩに示す様にハードマスク２０をマスクとして用いてエッチングを行い、第２の配線溝２１を形成する。次に、図７の段階ＩＩから図８の段階ＶＩに示す第１の配線層１５および密着改善層１７の形成方法と同様にして、第２の配線層２４および密着改善層２５を形成する。なお、図９の段階ＩＸにおいて、２２はバリア層、２３は配線層２４であるＣｕを電解メッキするためのシード層を示す。
【００６２】
以上のようにして、ダマシンプロセスにより、Ｃｕの多層配線構造が半導体ウェハ上に形成される。本発明者等は、図７〜図９に示すＣｕ多層配線構造の効果を検証するために、図８の段階ＶＩの状態の試料、即ち、第１の配線層１５上にＳｎ酸化物（ＳｎＯ２±ｘ）の密着改善層１７を形成し、キャップ層（ＳｉＣＮ）１８を形成した試料に対して、更にその後、３００℃で５分間の大気暴露を行い、Ｃｕの内部酸化の状況を調査した。その結果、配線内部のＣｕの酸化は認められなかった。このように、本実施形態においては、信頼性に優れた密着改善層１７がＣｕ表面上にのみ選択的に形成され、絶縁層１０およびハードマスク層１１上には形成されないので、絶縁層全体の誘電率が高くなることはない。
【００６３】
［第３の実施形態］
図１０に第３の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す。本実施形態の多層配線構造は、第１のＣｕ配線層１５と第２のＣｕ配線層２４を、密着改善層１７を介さずに接続させたことを特徴とする。
【００６４】
図１０の段階Ｉは、第２の実施形態における段階ＶＩＩ（図９参照）に相当する。段階Ｉの試料を形成する工程は、第２の本実施形態の段階Ｉ〜段階ＶＩと同じでよい。図１０の段階Ｉに示す様に、第１のＣｕ配線層１５上に第２の絶縁層１９が形成されると、ハードマスク２０をエッチングのマスクとして用いて、絶縁膜１９中に配線溝３０を形成する（図１０の段階ＩＩ参照）。このとき、第１のＣｕ配線層１５の密着改善層１７の一部をエッチングによって除去し、第１のＣｕ配線層１５の表面を露出する。その後、図１０の段階ＩＩＩに示す様に、溝３０の内面にバリア層２１、電解メッキのシード層２３を形成し、Ｃｕの電解メッキを行って溝３０内にＣｕを埋め込み第２のＣｕ配線層２４を形成する。
【００６５】
このとき、第１のＣｕ配線層１５上の密着改善層１７はその一部がエッチングによって除去されているので、ＴａまたはＴａＮのバリア層２２は第１のＣｕ配線層１５上に直接形成される。Ｔａ等のバリア層２２は本来、導電性であり、従って、第１のＣｕ配線層１５と第２のＣｕ配線層２４での接続抵抗を低く抑えることが出来る。
【００６６】
［第４の実施形態］
図１１に、第４の実施形態にかかる半導体集積回路の多層配線構造の形成方法を示す。図１１の段階Ｉは、半導体ウェハの絶縁層上に形成した第１のＣｕ配線層１５上にＳｎの浸漬メッキによって、メッキ層１６を形成した状態を示す。段階ＩＩは、段階Ｉの試料を酸化性雰囲気中で加熱処理（アニール）した状態を示す。この場合、メッキ層１６の構造あるいはアニール処理条件によって、アニール後形成されたＳｎ酸化物層１７’の表面に酸化銅（ＣｕＯ２）粒子４０が析出する場合がある。この場合には、ＨＣｌ、ＨＦ、Ｈ２Ｏ２等によって表面に析出したＣｕＯ２粒子４０を除去し、主にＳｎ酸化物からなるキャップ層１７とする（段階ＩＩＩ）。Ｓｎ酸化物の密着改善層１７が形成されると、次に第二の絶縁層１８を形成して、多層配線構造とする。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上に説明したように、本発明の半導体装置及びその形成方法によれば、Ｃｕ配線上に密着性に優れた金属酸化物が形成されるので、Ｃｕ配線の拡散による配線の断線または短絡（ストレスマイグレーション不良）を抑制でき、Ｃｕ配線の断線または短絡（エレクトロマイグレーション不良）を抑制できるので、多層配線構造を有するあらゆる半導体装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１    Ｓｉ（半導体）ウェハ
２    ＳｉＯ２（第１の絶縁）層
３    純Ｔａ薄膜
４    Ｃｕ配線層
５    Ｓｎ（金属）酸化物層
６    ＳｉＣＮキャップ（第２の絶縁）層
７    ＳｉＯ２層
１０    ＳｉＯ２（第１の絶縁）層
１２    配線溝
１５    Ｃｕ配線層
１７    Ｓｎ（金属）酸化物層
１８    ＳｉＣＮキャップ（第２の絶縁）層
１９    ＳｉＯ２（第２の絶縁）層
【図１】
2011086837.tif 000003
【図２】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図６】
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