(57)【要約】【課題】ダマシン法を適用して金属配線を形成する際に、金属配線用の金属膜とこの膜とは異種の物質で形成されたバリア金属膜との接触部で発生するガルバニック腐食を抑制することができる半導体素子の金属配線及びその形成方法を提供すること。【解決手段】半導体素子の金属配線２９は、トレンチが形成された絶縁膜と、バリア金属膜２４Ａ上に形成されたガルバニック腐食防止膜２５Ｂと、バリア金属膜２４Ａ及びガルバニック腐食防止膜２５Ｂが形成されたトレンチに埋め込まれた金属膜とを備える。【選択図】図２Ｄ
2008091875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチが形成された絶縁膜と、
前記トレンチの内面に形成されたバリア金属膜と、
前記バリア金属膜上に形成されたガルバニック腐食防止膜と、
前記バリア金属膜及び前記ガルバニック腐食防止膜が形成された前記トレンチに埋め込まれた金属膜と、
を備えることを特徴とする半導体素子の金属配線。
【請求項２】
前記ガルバニック腐食防止膜が、前記金属膜を構成する物質を含む合金膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項３】
前記金属膜を構成する物質が、Ａｌであることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項４】
前記合金膜が、ＡｌＣｕ合金膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項５】
前記バリア金属膜が、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、Ｔｉ／ＴｉＳｉＮ及びＴｉ／ＴｉＳｉＮ／Ｔｉで表される積層膜のうち、いずれか１つの積層膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項６】
複数のトレンチが形成された絶縁膜を備える基板を準備するステップと、
前記トレンチを含む前記絶縁膜上の段差に沿って、バリア金属膜を形成するステップと、
前記バリア金属膜上の段差に沿って、第１金属膜を形成するステップと、
前記トレンチが埋め込まれるように、前記第１金属膜上に第２金属膜を形成するステップと、
熱処理により、前記バリア金属膜と前記第２金属膜との間にガルバニック腐食防止膜を形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項７】
前記ガルバニック腐食防止膜が、前記第１金属膜及び第２金属膜を構成する金属で形成された合金膜であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項８】
前記第１金属が陽極性、前記第２金属が陰極性、又は、前記第１金属膜が陰極性、前記第２金属が陽極性であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項９】
前記第１金属膜がＣｕで形成され、前記第２金属膜がＡｌで形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記バリア金属膜が、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、Ｔｉ／ＴｉＳｉＮ及びＴｉ／ＴｉＳｉＮ／Ｔｉで表される積層膜のうち、いずれか１つの積層膜で形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１１】
前記ガルバニック腐食防止膜を形成した後、
前記絶縁膜上の前記第２金属膜部を、化学的機械的研磨法を用いて平坦化することにより、隣接する前記トレンチに埋め込まれた前記第２金属膜を相互に分離させるステップと、
洗浄を行うステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１０のいずれかの項に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１２】
前記化学的機械的研磨法による研磨を、ｐＨが４〜６の範囲の研磨用スラリーを用いることにより、前記第２金属膜を酸化させた後、前記第２金属膜を除去する方法で行うことを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１３】
前記研磨用スラリーが、２ｗｔ％〜６ｗｔ％の酸化剤及びコロイド状シリカ又はアルミニウム酸化物系の研磨粒子を含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１４】
前記洗浄を行うステップで用いられる洗浄液が、塩基性となるように、純水洗浄液に金属腐食防止剤、アミン系のヒドラジン及びフッ酸のうちのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１５】
前記金属腐食防止剤として、メチルエステルを用いることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１６】
複数のトレンチが形成された絶縁膜を備える基板を準備するステップと、
前記トレンチを含む前記絶縁膜上の段差に沿って、バリア金属膜を形成するステップと、
前記トレンチが埋め込まれるように、前記バリア金属膜上に第１金属のソースガスを用いて金属膜を形成する際に、初期の段階で第２金属のソースガスを含むガスを用いることにより、前記バリア金属膜上にガルバニック腐食防止膜を形成し、その後第２金属膜を形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１７】
前記ガルバニック腐食防止膜が、前記第１金属及び前記第２金属で構成された合金膜であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１８】
前記第１金属が陽極性、前記第２金属が陰極性、又は、前記第１金属が陰極性、前記第２金属が陽極性であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１９】
前記第１金属がＡｌであり、前記第２金属がＣｕであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２０】
前記バリア金属膜が、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、Ｔｉ／ＴｉＳｉＮ及びＴｉ／ＴｉＳｉＮ／Ｔｉで表される積層膜のうち、いずれか１つの積層膜で形成されることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２１】
前記ガルバニック腐食防止膜を形成した後、
第１金属のソースガスを用いて形成した前記金属膜を、化学的機械的研磨法を用いて平坦化することにより、隣接する前記トレンチに埋め込まれた前記金属膜を相互に分離させるステップと、
洗浄を行うステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項１６〜２０のいずれかの項に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２２】
前記化学的機械的研磨法による研磨を、ｐＨが４〜６の範囲の研磨用スラリーを用いることにより、前記金属膜を酸化させた後、前記絶縁膜上の金属膜を除去する方法で行うことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２３】
前記研磨用スラリーが、２ｗｔ％〜６ｗｔ％の酸化剤及びコロイド状シリカ又はアルミニウム酸化物系の研磨粒子を含むことを特徴とする請求項２２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２４】
前記洗浄を行うステップで用いられる洗浄液が、塩基性となるように、純水洗浄液に金属腐食防止剤、アミン系のヒドラジン及びフッ酸のうちのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２５】
前記金属腐食防止剤として、メチルエステルを用いることを特徴とする請求項２４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造技術に関し、特に、フラッシュメモリ素子における幅が６０ｎｍ以下の金属配線及びその形成方法に関し、さらに詳しくは、ダマシン法を利用するフラッシュメモリ素子のビットライン及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属配線の幅が６０ｎｍ以下のフラッシュメモリ素子を製造する際、ビットラインとしてタングステン（Ｗ）を利用すると、フラッシュメモリ素子の動作特性に適するバー(bar)抵抗の確保が困難である。したがって、タングステンの代わりにアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を利用して金属配線を形成する方法が提案された。通常、アルミニウムを利用する金属配線は、アルミニウム膜を形成した後、さらに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法が適用される。しかし、ＲＩＥ法を利用するアルミニウム配線の形成方法は、均一なエッチング面を得ることが難しい。さらに、ＲＩＥ法により金属配線を形成する際に、下部の界面におけるアルミニウムのロスが発生しやすい。特に、金属配線の限界寸法(CD, Critical Dimension)が小さいほど、金属配線の形成が困難であるという問題がある。一方、銅を利用する金属配線の形成には、ダマシン法が適用される。このダマシン法は、ＲＩＥ法に比べて電子移動（electromigration,ＥＭ）特性に優れていることが知られている。
【０００３】
このため、近年、ダマシン法を適用して銅又はアルミニウム金属配線を形成する技術が注目されている。銅又はアルミニウム配線の場合、層間絶縁膜へのそれらの金属の拡散を防止するため、層間絶縁膜との間にバリア金属膜が設けられる。ダマシン法を適用して銅金属配線（以下、銅配線と記す）を形成する方法は、アルミニウム金属配線（以下、アルミニウム配線とする）の場合に比べて、電子移動特性を確保し、配線同士間を分離するための化学的機械的研磨（ＣＭＰ）による処理の安定性を確保しやすいという利点がある。しかし、銅が拡散しやすいという特性上、銅配線を形成するための独立した作業空間及び設備を必要とするという短所がある。銅は、シリコン（Ｓｉ）や絶縁膜として利用される酸化物系の物質内では、拡散速度が速いという特性を有するからである。
【０００４】
それに対して、ダマシン法を適用してアルミニウム配線を形成する方法では、銅配線に比べて緻密な膜を形成することができ、さらに、シリコンや絶縁膜へのアルミニウムの拡散という問題がないため、金属配線として利用しやすいという長所がある。しかし、電気的には、銅に比べて不安定であり、電子移動特性に劣るため、アルミニウムには、腐食が発生しやすいという短所がある。特に、アルミニウムとバリア金属膜として用いられる異種金属との接触部においては、電子がバリア金属膜に移動することによって生じるガルバニック腐食が発生しやすい。このようなアルミニウムの性質は、金属配線のバー抵抗を増加させ、その結果、素子の信頼性を低下させる原因となる。
【０００５】
また、隣接するアルミニウム配線同士を電気的に分離するためのＣＭＰ法による研磨の後、残留する研磨用スラリー及び研磨生成物を除去するために洗浄が行われる。通常、この洗浄には、アンモニア（ＮＨ３）やフッ酸（ＨＦ）を含む洗浄液が用いられる。そのため、アルミニウム配線に対する洗浄液のケミカルアタック、すなわち、アルミニウム配線のガルバニック腐食を避けることができない。したがって、洗浄時のガルバニック腐食を抑制することができる洗浄液の開発と適用が急がれているのが実情である。図１は、ＣＭＰ後の洗浄時に、アルミニウム配線とバリア金属膜とによるガルバニック腐食（符号「Ｃ」参照）によって生じた損傷部を示す図であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ダマシン法を適用して金属配線を形成する際に、金属配線用の金属膜と、この膜とは異種の物質で形成されるバリア金属膜との接触部で発生するガルバニック腐食を防止することができる半導体素子の金属配線及びその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明に係る半導体素子の金属配線は、トレンチが形成された絶縁膜と、前記トレンチ内面に形成されたバリア金属膜と、前記バリア金属膜上に形成されたガルバニック腐食防止膜と、前記バリア金属膜及び前記ガルバニック腐食防止膜が形成された前記トレンチに埋め込まれた金属膜とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記の目的を達成するための本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法は、複数のトレンチが形成された絶縁膜を備える基板を準備するステップと、前記トレンチを含む前記絶縁膜上の段差に沿って、バリア金属膜を形成するステップと、前記バリア金属膜上の段差に沿って、第１金属膜を形成するステップと、前記トレンチが埋め込まれるように、前記第１金属膜上に第２金属膜を形成するステップと、熱処理により、前記バリア金属膜と前記第２金属膜との間にガルバニック腐食防止膜を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、上記の目的を達成するための本発明に係る別の半導体素子の金属配線形成方法は、複数のトレンチが形成された絶縁膜を備える基板を準備するステップと、前記トレンチを含む前記絶縁膜上の段差に沿って、バリア金属膜を形成するステップと、前記トレンチが埋め込まれるように、前記バリア金属膜上に第１金属のソースガスを用いて金属膜を形成する際に、初期の段階で第２金属のソースガスを含むガスを用いることにより、前記バリア金属膜上にガルバニック腐食防止膜を形成し、その上に第２金属膜を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダマシン法を用いて金属配線を形成する際、バリア金属膜と金属配線用金属膜との間に、金属配線を構成する金属を含む合金膜で形成されたガルバニック腐食防止膜を形成するので、バリア金属膜と金属配線用金属膜とが直接接触する場合に発生するガルバニック腐食を抑制することができる。
【００１１】
また、ｐＨが４〜６の範囲の弱酸性研磨用スラリーを用いて、金属配線用金属膜を平坦化することによって、隣接する金属配線を相互に分離させる。したがって、平坦化処理の際に、バリア金属膜と金属配線用金属膜との間のガルバニック腐食を抑制することができる。また、平坦化処理後に行う洗浄時には、洗浄液のｐＨを８〜１０の範囲、すなわち、塩基性とするとともに、純水洗浄液に金属腐食防止剤を添加することによって、バリア金属膜と金属配線用金属膜との間のガルバニック腐食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】
【００１２】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。
【００１３】
図面において、層及び領域の形状及び厚みは、明確性を期するために誇張して図示されており、また、特定の層が他の層又は基板上にあると記載されている場合、それは、他の層又は基板上に直接形成されている場合のほか、その間に第３の層が介在する場合を含んでいる。
【００１４】
なお、明細書全体にわたり、同じ符号で表示された箇所は、同じ構成要素を示している。
【００１５】
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の実施の形態１に係る半導体素子の金属配線の形成方法を説明するための図であり、製造工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【００１６】
図２Ａは、第1絶縁膜パターン、エッチング停止膜及び第２絶縁膜パターンを形成した段階における素子の構造を示している。図２Ａに示すように、複数の導電層（図示せず）が形成された基板（図示せず）上に、第1絶縁膜パターン２０、エッチング停止膜２１及び第２絶縁膜パターン２２を形成する。具体的には、導電層が形成された基板上に第１絶縁膜を形成する。この第１絶縁膜は、酸化膜系の物質で形成する。
【００１７】
続いて、第１絶縁膜上にエッチング停止膜として第１絶縁膜に対してエッチング選択比を有する窒化膜を形成する。その後、窒化膜上に第２絶縁膜を形成する。第２絶縁膜は、窒化物及びエッチング選択比を有する酸化物系の物質で形成する。例えば、第２絶縁膜は、ＴＳｉＯ２、ＴＥＯＳ(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、ＨＤＰ(High Density Plasma)及びＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)のうち、いずれか１つの物質で構成される。また、第２絶縁膜は、スピンオン法又は化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって形成された低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）の膜であり、その厚みは、１００Å〜２５００Åの範囲が好ましい。
【００１８】
続いて、第２絶縁膜、窒化膜及び第１絶縁膜の一部のエッチングによりトレンチ２３を形成する。このエッチングにより、第２絶縁膜パターン２２、エッチング停止膜２１及び第１絶縁膜パターン２０が形成される。このトレンチ２３を形成するためのエッチングは、２回に分けて行うのがよく、第１のエッチングの際には、窒化膜上でエッチングを停止し、第２のエッチングによって第１絶縁膜のエッチングを行う。トレンチ２３の深さは、１５００Å〜３０００Åの範囲が好ましい。
【００１９】
図２Ｂは、トレンチの内面を含む全面に、バリア金属膜及び銅膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｂに示すように、トレンチ２３が形成された構造上の全面に、段差に沿ってバリア金属膜２４を形成する。このバリア金属膜２４は、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、Ｔｉ／ＴｉＳｉＮ又はＴｉ／ＴｉＳｉＮ／Ｔｉとして表される積層膜であり、これらの積層膜のうち、いずれか１つを利用することができる。特に、バリア金属膜２４の形成には、化学的気相成長法又は物理的気相成長（ＰＶＤ）法を適用することができる。ただし、膜のステップカバレッジ性を考慮して、バリア金属膜２４は、水平方向の厚み（トレンチ２３の内面に形成される膜の厚み）が８０Åを超えないようにする。
【００２０】
続いて、バリア金属膜２４上に段差に沿って銅膜２５を薄く形成する。この銅膜２５は、物理的気相成長法を利用して、５０Å以下の厚みに形成することが好ましい。
【００２１】
図２Ｃは、トレンチを埋め込むように、銅膜上にアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｃに示すように、トレンチ２３（図２Ｂ）が埋め込まれるように、銅膜２５(図２Ｂ)上にアルミニウム膜２７を厚く形成する。例えば、アルミニウム膜２７は、化学的気相成長法を利用して形成する。
【００２２】
続いて、熱処理２８を実施することにより、アルミニウム膜２７とバリア金属膜２４との間にＡｌＣｕ合金膜２５Ａを形成する。このＡｌＣｕ合金膜２５Ａは、予め形成されていた薄い銅膜２５内へ、熱処理２８により、アルミニウム膜２７のＡｌを拡散させることによって形成されたものである。したがって、本発明の実施の形態１によれば、アルミニウム膜２７とバリア金属膜２４との間にＡｌＣｕ合金膜２５Ａが介在するので、アルミニウム膜２７とバリア金属膜２４とが直接接触することによって発生するガルバニック腐食現象を抑制することができる。ＡｌＣｕ合金膜２５Ａによってガルバニック腐食現象が抑制される理由は次のとおりである。通常、Ａｌは、電子を放出する性質である陽極(anodic)性が強い物質であるが、Ａｌに比べて陰極(cathodic)性の強いＣｕと結合して形成されるＡｌＣｕ合金は、電子移動性が改善されるため、ガルバニック腐食が抑制される。
【００２３】
図２Ｄは、パターニングされたバリア金属膜、ＡｌＣｕ合金膜及びアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｄに示すように、ＣＭＰ法により、トレンチ２３内に埋め込まれ、相互に電気的に分離した複数の金属配線２９を形成する。金属配線２９は、パターニングされたバリア金属膜２４Ａ、パターニングされたＡｌＣｕ合金膜２５Ｂ及びパターニングされたアルミニウム膜２７Ａで構成される。ＣＭＰ法による研磨の際には、アルミニウム膜２７の表面における孔食(pitting corrosion)や、ＡｌＣｕ合金膜２５Ｂとバリア金属膜２４Ａとの界面におけるガルバニック腐食を抑制するため、研磨用スラリーのｐＨ及びその組成を適切に調整することが重要である。例えば、ＣＭＰ法によるアルミニウム膜２７の平坦化研磨は、ｐＨ４〜６の研磨用スラリーを用いて、アルミニウムを酸化させて酸化膜を形成した後、第２絶縁膜パターニング２２上のアルミニウム膜２７を除去する方法で行うことが好ましい。このため、研磨用スラリーには、例えば、２〜６ｗｔ％の酸化剤及びコロイド状シリカ又はアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）系の研磨粒子を含ませる。上記研磨用スラリーに添加する酸化剤としては、Ｈ２Ｏ２、Ｆｅ（ＮＯ３）３及びＨ５ＩＯ６うちのいずれか１つが好適である。上記の条件によれば、ダマシン法を適用してアルミニウム配線を形成する場合、ＣＭＰ法による研磨の際に、アルミニウム配線の腐食を防止することができる。
【００２４】
続いて、ＣＭＰ処理後に残留する研磨用スラリーや研磨生成物を除去するために洗浄を行う。この洗浄時にも、パターニングされたアルミニウム膜２７Ａの腐食を防止するため、純水(DeIonized Water,DIW)洗浄液を基本洗浄液として利用する。また、洗浄時に用いる純水洗浄液の温度は、３０℃〜８０℃の範囲とすることが好ましい。これは、洗浄効果を十分に発揮させるためである。一方、洗浄液のｐＨが８〜１０程度（塩基性）になるように、純水洗浄液に金属腐食防止剤を添加して用いることが好ましい。この場合、純水洗浄液の割合は、５０ｗｔ％〜８０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。
【００２５】
ここで、金属腐食防止剤としてメチルエステル(methylester)を用いる場合は、メチルエステルのＯＨ基とパターニングされたアルミニウム膜２７Ａの表面に形成された酸化膜との化学結合により、まず、メチルエステルがパターニングされたアルミニウム膜２７Ａの表面に吸着し、アルミニウムと不溶性のキレート(insoluble chelate)化合物を形成する。それにより、Ｃｌ−イオンの吸着や純水による溶解反応が防止されるため、パターニングされたアルミニウム膜２７Ａの表面に形成された酸化膜（不働態膜）が保護される。また、最初から純水を利用した洗浄液を用いるため、純水洗浄時間を短くすることができる。メチルエステルを添加する際には、メチルエステルの添加量は、０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。なお、メチルエステルとして、メチルガレート(methyl gallate)を用いてもよい。
【００２６】
この他にも、洗浄時には、上記金属腐食防止剤の代わりに、有機物系の不純物やポリマーを除去するために、アミン系のヒドラジンを用いることができる。ヒドラジンには、ポリマーの主鎖を切ることによって、酸化物系ポリマーや金属系ポリマーの除去効率を高める作用がある。ヒドラジンを用いる場合、ヒドラジンの添加量は、１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の範囲にすることが重要である。また、金属腐食防止剤の代わりに、研磨を行う際に発生する研磨用スラリー残留物や研磨生成物を効率的に除去するために、パターニングされたアルミニウム膜２７Ａが損傷しない範囲内で、極めて少量のフッ酸（ＨＦ）を添加することもできる。例えば、数ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの範囲のフッ酸濃度とすることができる。
【００２７】
したがって、本発明の実施の形態１によれば、ダマシン法を適用してアルミニウム配線を形成する場合、ＣＭＰ後に実施する洗浄時にも、アルミニウム配線が腐食することを防止することができる。
【００２８】
参考までに、以下に、アルミニウムのガルバニック腐食反応式を用いて、一般的なガルバニック腐食現象の原理を説明する。
【００２９】
通常、アルミニウム膜が大気中に露出すると、表面に非晶質酸化膜が形成され、その内側のアルミニウム膜が保護される。しかし、アルミニウム膜上や周辺層に（ＳＯ４）２−イオンやＣｌ−イオンのような陰イオンが存在する場合は、酸化膜と反応して水溶性塩を形成する。また、アルミニウム膜上にＣｌ−イオンが存在する場合は、Ｃｌ−イオンが酸化膜に移動する。そのために、Ａｌ３＋イオンがアルミニウム膜の表面への移動を抑制することができなくなるため、アルミニウムのピッティングが発生するようになる。したがって、アルミニウム膜の腐食現象の第１ステップは、酸化膜へのＣｌ−イオンなどの陰イオンの侵入と考えられ、アルミニウム膜の表面に形成された水溶性塩が除去されて、アルミニウム膜の表面が露出する。このとき、下記の反応式１のように、アルミニウム膜の表面が陽極性物質として溶出し、すなわち、Ａｌ３＋として溶出し、ピッティングが生じる。ここで、反応式１は、アルミニウム膜に関する陽極(anode)反応を示している。
（反応式１）
Ａｌ→Ａｌ３＋＋３ｅ−
Ａｌ３＋＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）２＋＋Ｈ＋
Ａｌ（ＯＨ）２＋＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）２＋＋Ｈ＋
Ａｌ（ＯＨ）２＋＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）３＋Ｈ＋
Ａｌ（ＯＨ）３＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）４−＋Ｈ＋
ｘＡｌ３＋＋ｙＨ２Ｏ→Ａｌｘ（ＯＨ）ｙ３ｘ−ｙ＋ｙＨ＋
一方、ＡｌＣｕ合金膜に含まれる銅やバリア金属膜に含まれるＴｉ又はＴｉＮの表面では、下記の反応式２のように陰極反応が発生し、酸素の還元や水の水酸化イオン化反応が発生する。ここで、反応式２は、バリア金属膜における陰極(cathode)反応を示すものである。
（反応式２）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−
一方、水溶液中では、Ａｌ３＋イオンは簡単には反応しない。Ａｌ３＋イオンの反応は、Ａｌ３＋イオンと水とが反応し、加水分解種(species)を形成する相互反応によって支配される。また、Ａｌの溶解度や形成された酸水素(oxyhydrogen)の溶解度は、溶液のｐＨに依存する。したがって、溶液のｐＨが酸性から塩基性へと変化するに伴い、溶液中のＡｌ濃度が急激に変化し、酸性条件下ではＡｌ３＋イオンが、塩基性の条件下ではＡｌ（ＯＨ）４−イオンが、主要な安定種(predominant stable species)を構成するようになる。
【００３０】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の実施の形態２に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、製造工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体素子の製造方法は、ＡｌＣｕ合金膜を形成する方法が実施の形態１とは異なっている。すなわち、実施の形態１では、ＡｌＣｕ合金膜を形成するために、予め銅膜を形成し、銅膜上にアルミニウム膜を形成した後、熱処理を行った。実施の形態２では、予め銅膜を形成するのではなく、アルミニウム膜を形成する際、初期の段階でＡｌのソースガスとともに銅のソースガスを用いる。以下、図３Ａ〜図３Ｃを参照し、簡単に本発明の実施の形態２に係る半導体素子の金属配線の形成方法を説明する。本発明の実施の形態２は、ＡｌＣｕ合金膜を形成するステップを除くと、その他のステップは、処理条件が実施の形態１と同じであるため、重複する説明を省略する。
【００３１】
図３Ａは、第１絶縁膜パターン、エッチング停止膜、第２絶縁膜パターン及びバリア金属膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図３Ａに示すように、複数の導電層（図示せず）が形成された基板（図示せず）上に、第１絶縁膜パターン３０、エッチング停止膜３１、第２絶縁膜パターン３２を形成する。具体的には、第１絶縁膜を形成して、第１絶縁膜上にエッチング停止膜として窒化膜を形成し、さらに、窒化膜上に第２絶縁膜を形成する。第２絶縁膜は、窒化膜に対してエッチング選択比を有する酸化物系の物質で形成する。
【００３２】
続いて、第２絶縁膜、窒化膜及び第１絶縁膜の一部をエッチングすることによりトレンチを形成する。それによって、第２絶縁膜パターン３２、エッチング停止膜３１及び第１絶縁膜パターン３０が形成される。トレンチの内面を含む構造の全面に、段差に沿ってバリア金属膜３３を形成する。このバリア金属膜３３は、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、Ｔｉ／ＴｉＳｉＮ及びＴｉ／ＴｉＳｉＮ／Ｔｉとして表される積層膜であり、これらの積層膜のうち、いずれか１つの積層膜を利用することができる。
【００３３】
図３Ｂは、トレンチを埋め込むとともに、全面にアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図３Ｂに示すように、トレンチを埋め込むように、バリア金属膜３３上にＡｌＣｕ合金膜３６及びアルミニウム膜３５を形成する。ＡｌＣｕ合金膜３６及びアルミニウム膜３５は、例えば、化学的気相成長法を利用して形成する。特に、この化学的気相成長法による処理の際には、バリア金属膜３３とアルミニウム膜３５との間にＡｌＣｕ合金膜３６を形成するために、初期の段階で、銅のソースガスを添加する。すなわち、化学的気相成長法によってＡｌＣｕ合金膜３６を形成した後、トレンチを埋め込むように、厚さ２００Å〜１０００Åの範囲のアルミニウム膜を形成することが好ましい。その後、物理的気相成長法により、０．３ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲の銅を含むバルクアルミニウム膜を１０００Å〜５０００Åの厚みに形成する。したがって、本発明の実施の形態２によれば、アルミニウム膜３５とバリア金属膜３３との間にＡｌＣｕ合金膜３６が介在するので、アルミニウム膜３５とバリア金属膜３３とが直接接触する場合に界面で発生するガルバニック腐食現象を抑制することができる。ＡｌＣｕ合金膜３６によってガルバニック腐食現象が抑制される理由は次のとおりである。通常、Ａｌは、電子を放出する陽極性の強い物質であるが、Ａｌに比べて陰極性の強いＣｕと結合すると電子移動性が改善されるからである。
【００３４】
図３Ｃは、パターニングされたバリア金属膜、ＡｌＣｕ合金膜及びアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。図３Ｃに示すように、ＣＭＰ法を利用して、第２絶縁膜パターン３２上のアルミニウム膜３５を除去し平坦化することにより、トレンチ内に埋め込まれ、相互に電気的に分離された複数の金属配線３７を形成する。金属配線３７は、パターニングされたバリア金属膜３３Ａ、パターニングされたアルミニウム膜３５Ａ及びパターニングされたＡｌＣｕ合金膜３６Ａで構成される。ＣＭＰ法による研磨を行う際には、アルミニウム膜３５の表面における孔食や、ＡｌＣｕ合金膜３６Ａとバリア金属膜３３Ａとの界面におけるガルバニック腐食を抑制するために、研磨用スラリーのｐＨ及びその組成を適切な条件に調整することが重要である。ＣＭＰ法は、ｐＨが４〜６の範囲の研磨用スラリーを利用してアルミニウム膜３５を酸化させた後、酸化したアルミニウムを除去する方法で行う。例えば、研磨用スラリーに対して、２ｗｔ％〜６ｗｔ％程度の酸化剤を添加する。また、研磨用スラリーには、コロイド状シリカ又はアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）系の研磨粒子を用いる。したがって、本発明の実施の形態２によれば、ダマシン法によりアルミニウム配線を形成する場合、ＣＭＰ法による研磨の際に、アルミニウム配線に腐食が生じることを防止することができる。
【００３５】
続いて、ＣＭＰ法による研磨の際に発生した研磨用スラリーの残留物及び研磨生成物を除去するために洗浄を行う。この洗浄を行う際にも、パターニングされたアルミニウム膜３５Ａの腐食を防止するために、溶剤系の洗浄液又は純水系の洗浄液を用いる。純水系の洗浄液を利用する場合は、ｐＨが８〜１０程度となるように、洗浄液に金属腐食防止剤を添加する。この他にも、アミン系のヒドラジン又はフッ酸（ＨＦ）を用いることができる。上記の条件で処理することにより、ダマシン法を適用してアルミニウム配線を形成する場合、ＣＭＰ法による処理後の洗浄時にも、アルミニウム配線が腐食することを防止することができる。
【００３６】
本発明の実施の形態２に係る方法の場合、ガルバニック腐食が防止される理由は、実施の形態１の場合と同じであるため、重複する説明を省略する。
【００３７】
本発明の実施の形態１及び２に示したように、本発明の実施の形態に係る半導体素子の金属配線は、絶縁層に形成されたトレンチの内面を含む段差に沿って形成されたバリア金属膜と、トレンチに埋め込まれた金属配線用の金属膜との間に介在するガルバニック腐食防止膜とで構成される。このガルバニック腐食防止膜は、金属配線用の金属を含む合金膜で形成される。ここで、金属膜は陽極性の強いＡｌ膜でであり、合金膜は、陰極性の強いＣｕと金属膜のＡｌとが結合したＡｌＣｕ合金膜である。
【００３８】
上述のように、本発明の実施の形態に係る金属配線の形成方法によれば、ダマシン法を利用して金属配線を形成する際、バリア金属膜と金属配線用の金属膜との間に、金属膜を構成する金属を含む合金膜で形成されたガルバニック腐食防止膜を形成するので、バリア金属膜と金属膜とが直接接触する場合に生じるガルバニック腐食を抑制することができるという効果が得られる。
【００３９】
また、金属膜を平坦化する際、ｐＨが４〜６程度の弱酸性の研磨用スラリーを利用するため、バリア金属膜と金属膜間のガルバニック腐食を抑制することができる。さらに、平坦化後に行う洗浄時に、洗浄液のｐＨを８〜１０の範囲、すなわち、塩基性になるように、純水洗浄液に金属腐食防止剤を添加することによって、バリア金属膜と金属膜間のガルバニック腐食を抑制することができるという効果が得られる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲内から逸脱しない範囲内で様々な変更又は改良が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術に係るダマシン法を適用したアルミニウム配線形成において、ＣＭＰ後の洗浄時に、アルミニウム配線とバリア金属膜とのガルバニック腐食によって生じた損傷部を示す図であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示している。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、第1絶縁膜パターン、エッチング停止膜及び第２絶縁膜パターンを形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、トレンチの内面を含む全面に、バリア金属膜及び銅膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、トレンチを埋め込むように、銅膜上にアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｄ】本発明の実施の形態１に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、パターニングされたバリア金属膜、ＡｌＣｕ合金膜及びアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態２に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、第１絶縁膜パターン、エッチング停止膜、第２絶縁膜パターン及びバリア金属膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態２に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、トレンチを埋め込むとともに、全面にアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施の形態２に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するための図であり、パターニングされたバリア金属膜、ＡｌＣｕ合金膜及びアルミニウム膜を形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
２０、３０        第１絶縁膜
２１、３１        エッチング停止膜
２２、３２        第２絶縁膜
２３              トレンチ
２４、３３        バリア金属膜
２５              銅膜
２７、３５        アルミニウム膜
２８              熱処理
２９、３７        金属配線
２５Ａ、３６      ＡｌＣｕ合金膜
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図１】
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