(57)【要約】      （修正有）【課題】配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、高信頼性の銅配線を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】銅層配線層表面全面に金属酸化膜層１４を形成することにより、配線抵抗の上昇や線間リークの増大、歩留まり低下を引き起こすことなく、配線層表面にのみ銅原子の拡散を抑制する金属酸化物層１４を均一に形成することが可能となり、エレクトロマイグレーション耐性の高い銅配線を得ることが可能となる。【選択図】図４
2008147467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成される配線溝と、
前記配線溝の側壁および底部に沿って堆積されるバリア層と、
前記バリア層に沿って堆積される銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層と、
前記合金層上の前記配線溝内に堆積される銅層と、
前記銅層表面に形成される前記第２の金属元素の金属酸化物層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成される配線溝と、
前記配線溝から下層配線層にわたり形成される接続孔と、
前記配線溝および前記接続孔の側壁および底部に沿って堆積されるバリア層と、
前記バリア層に沿って堆積される銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層と、
前記合金層上の前記配線溝および前記接続孔内に堆積される銅層と、
前記銅層表面に形成される前記第２の金属元素の金属酸化物層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記接続孔の底部の全てもしくは一部が前記下層配線層表面に形成される金属酸化物層を貫通し、前記下層配線層に形成される前記銅層に到達することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記合金層に含有される第２の金属元素の濃度が５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝の側壁および底部ならびに前記絶縁膜表面にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層を形成する工程と、
前記合金層上に前記配線溝を埋めるように電解めっき法により銅膜を堆積する工程と、
前記絶縁膜上の不要な前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層を化学的機械研磨法により除去する工程と、
前記合金層の中に含有される前記第２の金属元素を前記配線層表面に析出させかつ酸化させて前記配線層表面に前記第２の金属元素からなる金属酸化物層を形成する工程と
を有し、化学的機械研磨による前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層の除去後に前記熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝から下層配線層にわたり接続孔を形成する工程と、
前記配線溝および前記接続孔の側壁および底部ならびに前記絶縁膜表面にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層を形成する工程と、
前記合金層上に前記配線溝および前記接続孔を埋めるように電解めっき法により銅膜を堆積する工程と、
前記絶縁膜上の不要な前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層を化学的機械研磨法により除去する工程と、
前記合金層の中に含有される前記第２の金属元素を前記配線層表面に析出させかつ酸化させて前記配線層表面に前記第２の金属元素からなる金属酸化物層を形成する工程と
を有し、化学的機械研磨による前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層の除去後に前記熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記合金層の形成を物理的気相成長法により行うことを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理における熱処理温度が５００℃以下であることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理における処理室内の酸素雰囲気が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記熱処理の後に、酸素プラズマ処理により前記金属酸化物層を選択的に形成する工程を設けることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項６から１１のいずれか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、デュアルダマシン法により形成した銅配線を備える半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上もしくは下部配線層上に堆積された絶縁膜中に形成された接続孔および配線溝に対して、バリア層、銅からなるシード層を堆積し、その後に電解めっき法により接続孔および配線溝を銅層で埋め込む。その後、熱処理により銅層の結晶成長を行った後に、化学的機械研磨法により絶縁膜表面の不要なバリア層、シード層、銅層を除去することで配線層を形成し、続いて絶縁膜表面および配線層表面にライナー膜を形成し、さらに第二の絶縁膜上に第三の絶縁膜を形成することで配線が形成される。このような従来技術においては、配線層を形成する銅層と第二の絶縁膜の界面が生じることになるが、銅層と第二の絶縁膜との間の密着性が低いことから、配線層への電流印加時にこの界面での銅原子の拡散が生じ、エレクトロマイグレーションが生じることとなる。
【０００３】
図７から図１１を参照しながら、半導体装置およびその製造方法の従来技術を説明する。
図７は従来の半導体装置の製造方法における配線溝形成工程を示す工程断面図、図８は従来の半導体装置の製造方法における銅層埋め込み工程を示す工程断面図、図９は従来の半導体装置の製造方法における上部配線層形成工程を示す工程断面図、図１０は従来の半導体装置の製造方法における上部配線層上絶縁膜形成工程を示す工程断面図、図１１は従来のキャップ膜を備える半導体装置の構成を示す断面図である。
【０００４】
まず、図７に示すように適宜素子分離、注入、金属間化合物形成を行った半導体基板（図示せず）上あるいは半導体基板上に形成された下部配線層１上にライナー膜２および絶縁膜３を堆積し、リソグラフィー法、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を用いてライナー膜２および絶縁膜３中に、下部配線層１に接続する接続孔４および上部配線溝５を形成する。
【０００５】
次に、図８に示すように、アルゴンスパッタ法もしくは水素アニール法により、接続孔４の底に露出している下部配線層１表面の清浄化を行い、その後に物理的気相成長法あるいは化学的気相成長法によりバリア層６を、物理的気相成長法により銅からなるシード層７を接続孔４底部および側壁部、上部配線溝５底部および側壁部、絶縁膜３表面上に形成し、続いて電解めっき法を用いて銅層８により接続孔４および上部配線溝５を埋め込む。
【０００６】
次に、半導体基板を所望の温度にて熱処理を行った後、図９に示すように化学的機械研磨法により絶縁膜３表面のバリア層６、シード層７、銅層８を除去することで上部配線層９を形成し、その後、図１０に示すように絶縁膜３表面および上部配線層９表面に、ライナー膜１０、絶縁膜１１を形成し、その後、さらに上部の配線層が順次形成される（図示せず）。
【特許文献１】特表２００３−５０５５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のような従来の半導体装置および半導体装置の製造方法では、以下のような課題が発生する。
上部配線層９上にライナー膜１０を堆積する場合、上部配線層９はその表面に銅と絶縁膜であるライナー膜１０との界面を有することとなる。銅と絶縁膜の密着性は非常に悪いため、上部配線層９に電流を印加した場合には、上部配線層９とライナー膜１０との界面で上部配線層９を形成する銅原子が拡散することでエレクトロマイグレーションが発生し、配線不良に至ることとなる。
【０００８】
そのため、上記のような銅配線のエレクトロマイグレーション課題に対する対策の例として、例えば、図１１に示す特許文献１のように、化学的機械研磨により形成した上層配線９上に、無電解めっき法により選択的にキャップ膜１２を堆積し、その後に上層のライナー膜１０、絶縁膜１１を順次形成する技術が報告されている。同技術におけるキャップ膜１２は主としてコバルト合金からなる。この技術を用いれば、上層配線層９とライナー膜１０との間にキャップ膜１２を挿入することにより、上層配線層９を形成する銅層８とライナー膜１０との界面をなくすことが可能であり、上層配線層９のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることが可能である。
【０００９】
しかしながら、同技術では化学的機械研磨法により形成した上部配線層９上に、無電解めっき法により選択的にキャップ膜１２を堆積することから、選択性の低下により絶縁膜３上にもキャップ膜１２が堆積されてしまうことは避けられず、その結果、上層配線層９間のショート、リーク電流の増加を引き起こし、歩留まりが低下してしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、高信頼性の銅配線を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、半導体基板上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜に形成される配線溝と、前記配線溝の側壁および底部に沿って堆積されるバリア層と、前記バリア層に沿って堆積される銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層と、前記合金層上の前記配線溝内に堆積される銅層と、前記銅層表面に形成される前記第２の金属元素の金属酸化物層とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、半導体基板上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜に形成される配線溝と、前記配線溝から下層配線層にわたり形成される接続孔と、前記配線溝および前記接続孔の側壁および底部に沿って堆積されるバリア層と、前記バリア層に沿って堆積される銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層と、前記合金層上の前記配線溝および前記接続孔内に堆積される銅層と、前記銅層表面に形成される前記第２の金属元素の金属酸化物層とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記接続孔の底部の全てもしくは一部が前記下層配線層表面に形成される金属酸化物層を貫通し、前記下層配線層に形成される前記銅層に到達することを特徴とする。
また、前記第２の金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、前記合金層に含有される第２の金属元素の濃度が５ｗｔ％以下であることを特徴とする。
さらに、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記配線溝の側壁および底部ならびに前記絶縁膜表面にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層を形成する工程と、前記合金層上に前記配線溝を埋めるように電解めっき法により銅膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上の不要な前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層を化学的機械研磨法により除去する工程と、前記合金層の中に含有される前記第２の金属元素を前記配線層表面に析出させかつ酸化させて前記配線層表面に前記第２の金属元素からなる金属酸化物層を形成する工程とを有し、化学的機械研磨による前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層の除去後に前記熱処理を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記配線溝から下層配線層にわたり接続孔を形成する工程と、前記配線溝および前記接続孔の側壁および底部ならびに前記絶縁膜表面にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に銅と前記銅中の拡散係数が前記銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが前記銅よりも低い第２の金属元素からなる合金層を形成する工程と、前記合金層上に前記配線溝および前記接続孔を埋めるように電解めっき法により銅膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上の不要な前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層を化学的機械研磨法により除去する工程と、前記合金層の中に含有される前記第２の金属元素を前記配線層表面に析出させかつ酸化させて前記配線層表面に前記第２の金属元素からなる金属酸化物層を形成する工程とを有し、化学的機械研磨による前記バリア層および前記合金層ならびに前記銅層の除去後に前記熱処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、前記合金層の形成を物理的気相成長法により行うことを特徴とする。
また、前記熱処理における熱処理温度が５００℃以下であることを特徴とする。
また、前記熱処理における処理室内の酸素雰囲気が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記熱処理の後に、酸素プラズマ処理により前記金属酸化物層を選択的に形成する工程を設けることを特徴とする。
また、前記第２の金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１８】
以上により、配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、銅配線の高信頼性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、銅層配線層表面全面に金属酸化膜層を形成することにより、配線抵抗の上昇や線間リークの増大、歩留まり低下を引き起こすことなく、配線層表面にのみ銅原子の拡散を抑制する金属酸化物層を均一に形成することが可能となり、エレクトロマイグレーション耐性の高い銅配線を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図１から図６に基づいて説明する。
図１は第１の実施形態の半導体装置の製造方法における配線溝形成工程を示す工程断面図、図２は第１の実施形態の半導体装置の製造方法における銅層埋め込み工程を示す工程断面図、図３は第１の実施形態の半導体装置の製造方法における上部配線層形成工程を示す工程断面図、図４は第１の実施形態の半導体装置の製造方法における金属酸化物層形成工程を示す工程断面図、図５は第２の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図、図６は第３の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【００２１】
本発明の実施形態における半導体装置およびその製造方法は以下の通りである。
（第１の実施形態）
まず、図１に示すように適宜素子分離、注入、金属間化合物形成を行った半導体基板（図示せず）上あるいは半導体基板上の下部配線層１上にライナー膜２および絶縁膜３を堆積し、リソグラフィー法、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を用いてライナー膜２および絶縁膜３中に、下部配線層１に接続する接続孔４および上部配線溝５を形成する。
【００２２】
次に、図２に示すように、Ａｒスパッタ法もしくはＨ２アニール法により、接続孔４の底に露出している下部配線層１表面の銅表面の清浄化を行い、その後、物理的気相成長法あるいは化学的気相成長法によりバリア層６を、物理的気相成長法、化学的気相成長法あるいは電解めっき等の方法により第２の金属元素を含有する銅合金層１３を接続孔４底部および側壁部、上部配線溝５底部および側壁部、絶縁膜３表面上に順に形成し、続いて電解めっき法を用いて銅層８により接続孔４および上部配線溝５を埋め込む。
【００２３】
ここで銅合金層１３に含有させる第２の金属元素に関して説明する。銅合金層１３を形成する第２の金属元素としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｎが望ましい。これは以下の理由による。
【００２４】
前述の元素は、配線を形成する銅層中における拡散係数が銅の自己拡散係数と比較して大きいため銅中を容易に拡散し、後述の熱処理により容易に配線層表面に析出させることが可能である。また、前述の元素は銅と比較して酸化物形成の生成エンタルピーが低いため、後述の熱処理により配線層表面に析出した際に、熱処理室の雰囲気中の酸素もしくは熱処理後に暴露される大気中の酸素と容易に反応し、安定な金属酸化物層を配線層表面に形成する。あるいは、配線表面への析出後の表面処理により、配線層を形成する銅原子を酸化させることなく配線表面に析出した第２金属元素のみを酸化させ、配線層表面に第２の金属元素の金属酸化物を形成することが可能である。
【００２５】
上記の理由から、銅合金層１３を形成する第２の金属元素としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｇのうちの少なくともいずれか１つを含むことが望ましいが、前述の元素以外であっても、銅中の拡散係数が銅の自己拡散係数よりも大きく、かつ酸化物形成のエンタルピーが銅のそれよりも低いという条件を満たす元素であれば、第２の金属元素として適切である。
【００２６】
次に、銅合金層１３に含有される第２の金属元素の濃度に関して述べる。第２の金属元素の濃度の上限は、第２の金属元素の種類によって異なるが、一般的には以下のように定義される。銅合金層１３の堆積は物理的気相成長法を用いて行うため、物理的気相成長法を行う際には、所望の膜組成と同一組成のスパッタターゲットが必要となるが、第２の金属元素が高濃度である場合にはスパッタターゲット形成時に銅中に均一に第２の金属元素が分布せず、銅のマトリクス中に銅と第２の金属元素からなる金属間化合物が形成されることとなる。このようなスパッタターゲットを用いた場合には均一な銅合金層を堆積することが困難である。従って、第２の金属元素の濃度上限としては、室温からスパッタターゲット形成時の温度である１０００℃程度の温度領域において銅との間に金属間化合物を形成せず、かつ銅中に一様に固溶させることが可能な濃度と定義することができる。具体的な濃度は個々の金属元素の種類によって異なるが、おおむねその濃度は５ｗｔ％以下である。
【００２７】
以上のような理由から、銅合金層１３を形成する第２の金属元素の濃度は、５ｗｔ％以下であることが望ましい。
続いて図３に示すように、化学的機械研磨により、余分な絶縁膜３上のバリア層６、銅合金層１３、銅層８を除去することで上部配線層９を形成する。
【００２８】
その後、図４に示すとおり、半導体基板に熱処理を行うことで、上部配線層９表面に第２の金属元素を析出させ、同時に析出させた第２の金属元素が酸化されることにより金属酸化物層１４が形成される。
【００２９】
ここで、化学的機械研磨による絶縁膜３上のバリア層６、銅合金層１３、銅層８の除去工程と、半導体基板への熱処理工程の処理順について述べる。従来技術では半導体基板への熱処理工程を行った後に、化学的機械研磨による配線層形成を行うが、本発明においては化学的機械研磨による配線形成を行った後に、半導体基板への熱処理工程を行う。これは以下の理由による。
【００３０】
銅合金層１３に含有させた第２の金属元素は、銅中において銅の自己拡散係数よりも早い拡散係数を有するため、銅合金層１３に含有される第２の金属元素の一部は熱処理により容易に銅中を拡散し銅表面に析出する。化学的機械研磨による配線形成前に半導体基板への熱処理を行う場合、銅層中を拡散した第２の金属元素は銅層８表面上に析出することとなり、この第２の金属元素の析出により形成される金属酸化物層は、配線形成の際の化学的機械研磨により除去されてしまう。一方、化学的機械研磨による配線層形成後に熱処理工程を行う場合には、配線層表面に第２の金属元素が拡散・析出し、その後に形成される第２の金属元素の金属酸化物層１４が配線層表面を覆うこととなる。
【００３１】
以上の理由から、半導体基板への熱処理工程は化学的機械研磨による配線層形成の後に行うことが必要とされる。
次に、化学的機械研磨による配線形成後に行う半導体基板への熱処理工程に関して述べる。半導体基板への熱処理工程に関しては、その熱処理温度は５００℃以下であることが望ましい。それは以下の理由による。
【００３２】
上部配線層を形成する銅層８中における第２の金属元素の拡散メカニズムは、温度領域により異なっていることが知られている。一般的に低温領域では、配線層を形成する銅原子の結晶粒界に沿って第２の金属元素が拡散する粒界拡散が支配的であるが、高温領域においては第２の金属元素が銅の結晶中を拡散する相互拡散が支配的となる。相互拡散が発生した場合、銅中に拡散した第２の金属元素が銅中で固溶あるいは銅と第２の金属元素との間での金属間化合物の形成がなされるため、配線層を形成する銅の比抵抗が上昇し、その結果配線抵抗が上昇することとなる。さらに、相互拡散が支配的となる温度領域では粒界拡散を行う第２の金属元素の割合が低下するため、配線層表面に析出する第２の金属元素の量が低下し、配線層表面に均一に第２の金属元素を析出させ、第２の金属元素からなる金属酸化物層を形成することが困難となる。
【００３３】
以上の理由から、銅合金層に含有させた第２の金属元素を配線層表面に析出させるためには、銅中における第２の金属元素の拡散機構は粒界拡散が支配的であり、相互拡散の生じないような温度領域において配線層形成後の半導体基板の熱処理工程を実施する必要がある。
【００３４】
粒界拡散と相互拡散の発生頻度は温度の関数であり、一般的にはマトリクスとなっている元素の融点の１／２以上の温度では相互拡散が、１／２以下の温度では粒界拡散が支配的である。配線層を形成する銅の融点は１０８５℃であることから、配線層形成後の半導体基板に対する熱処理により粒界拡散を生じさせ、第２の金属元素を配線層表面に析出させるためには、半導体基板に対する熱処理温度は５００℃以下であることが必要とされる。
【００３５】
以上の理由から、化学的機械研磨による配線形成後に行う半導体基板への熱処理工程での熱処理温度は、５００℃以下であることが望ましい。
次に、配線層形成後に行う半導体基板への熱処理時の雰囲気に関して述べる。半導体基板の熱処理を行う処理室内の酸素濃度は３０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。それは以下の理由による。
【００３６】
半導体基板への熱処理に際しては、配線層表面の銅原子を酸化させることなく、配線層表面に析出した第２の金属原子のみを酸化させ、第２の金属元素からなる金属酸化物を形成する必要がある。前述の通り、第２の金属元素は銅と比較して酸化物形成のエンタルピーが小さいすなわち銅よりも容易に酸化されて酸化物を形成することを特徴とする。従って、熱処理中の雰囲気、具体的には熱処理中の酸素濃度を適切に設定することにより、配線層を形成する銅原子を酸化させることなく、配線層表面に析出した第２の金属原子のみを酸化させ、第２の金属原子からなる金属酸化物層を形成することが可能である。具体的には、半導体基板の熱処理を行う処理室内の酸素濃度を３０ｐｐｍ以下とすることで、配線層表面の銅原子を酸化させることなく、配線層表面に析出した第２の金属原子を酸化させ、第２の金属元素から成る金属酸化物を形成することが可能である。
【００３７】
以上のような理由から、半導体基板への熱処理を行う際の処理室の酸素濃度雰囲気は３０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
続いて、図５に示すとおり絶縁膜３表面および上部配線層９表面に、ライナー膜１０、絶縁膜１１を順に形成し、必要に応じて、さらに、接続孔および配線層が順次形成される（図示せず）。
【００３８】
以上のように、接続孔および配線溝に、バリア層および、銅中の拡散係数が銅の自己拡散係数よりも大きく酸化物形成のエンタルピーが銅よりも低い第２の金属元素を含有する銅合金層、ならびに銅層を順に堆積し、化学的機械研磨による配線層を形成した後に熱処理を行うことにより銅層配線層表面に第２の金属元素を析出させ、さらに析出させた第２の金属元素を酸化させることにより銅層配線層表面全面に金属酸化膜層を形成することにより、配線間のショートやリークを抑制しながら、配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく、銅原子の上部絶縁膜への拡散を抑制して銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、銅配線の高信頼性を確保することができる。
（第２の実施形態）
また、本発明の第２の実施形態としては、半導体基板に対する熱処理工程実施後に、配線層表面に析出させた第２の金属元素を選択的に酸化させる酸素プラズマ処理工程を追加することも可能である。配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、銅配線の高信頼性を確保しながら、同工程を追加することにより、より均一に配線層表面に金属酸化物層を形成することが可能となるため、配線層表面に第２の金属元素からなる金属酸化物層を均質に形成することが可能となる。
（第３の実施形態）
また、本発明の第３の実施形態としては、図１１に示す通り、本発明を適用することで形成した前記下層配線１上に前記接続孔４を形成する際、接続孔４の全てもしくは一部が、前記下層配線層１に形成されている金属酸化物層２４を貫通し、下層配線層１に形成されている銅層２８に到達するように形成するものである。これは以下の理由による。
【００３９】
金属酸化物層２４の比抵抗は一般に銅の比抵抗よりも高いため、金属酸化物層２４上に接続孔４を形成した場合、接続孔４に形成される銅配線の抵抗値が増大する可能性がある。しかしながら本発明の第３の実施形態を適用することで、配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、銅配線の高信頼性を確保しながら、下層配線１に接続される接続孔４が金属酸化物層２４と接触する面積を縮小し、直接銅層２８と接触することができるため、接続孔４に形成される銅配線の抵抗値が増大することを抑制することが可能である。
【００４０】
前記下層配線１上に、前記下層配線１を構成する銅層２８に到達するように前記接続孔４を形成する手法としては、例えば、前記絶縁ライナー膜２および絶縁膜３にドライエッチ法、ウエットエッチ法を適用し、接続孔４および上部配線溝５を形成する際に、同時に前記接続孔４底部に露出している金属酸化物層２４を除去する方法が挙げられる。あるいは、前記接続孔４および上部配線溝５形成後に、アルゴンスパッタ法もしくは水素アニール法による接続孔４底部の清浄化を行う際、あるいはその後にバリア層６の形成を行う際に、アルゴンスパッタ法により接続孔４底部に露出している金属酸化物層２４を除去する方法が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、配線間リークの増大や製品歩留まりの低下を引き起こすことなく銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上させることで、銅配線の高信頼性を確保することができ、デュアルダマシン法により形成した銅配線を備える半導体装置およびその製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の製造方法における配線溝形成工程を示す工程断面図
【図２】第１の実施形態の半導体装置の製造方法における銅層埋め込み工程を示す工程断面図
【図３】第１の実施形態の半導体装置の製造方法における上部配線層形成工程を示す工程断面図
【図４】第１の実施形態の半導体装置の製造方法における金属酸化物層形成工程を示す工程断面図
【図５】第２の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図
【図６】第３の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図
【図７】従来の半導体装置の製造方法における配線溝形成工程を示す工程断面図
【図８】従来の半導体装置の製造方法における銅層埋め込み工程を示す工程断面図
【図９】従来の半導体装置の製造方法における上部配線層形成工程を示す工程断面図
【図１０】従来の半導体装置の製造方法における上部配線層上絶縁膜形成工程を示す工程断面図
【図１１】従来のキャップ膜を備える半導体装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００４３】
１    下部配線層
２    ライナー膜
３    絶縁膜
４    接続孔
５    上部配線溝
６    バリア層
７    シード層
８    銅層
９    上部配線層
１０    ライナー膜
１１    絶縁膜
１２    キャップ膜
１３    銅合金層
１４    金属酸化物層
２４    金属酸化物層
２８    銅層
【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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【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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