(57)【要約】【課題】Ｔａをバリア膜とする場合に、アニール時におけるＴａの酸化を防止することで、Ｃｕ配線の信頼を向上させる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、バリア膜と銅膜を成膜する第１の成膜工程と、銅膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、銅膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を有する。また、半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、銅を主成分とする合金膜を成膜する第１の成膜工程と、合金膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、合金膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を備える半導体装置の製造方法。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、バリア膜と銅膜を成膜する第１の成膜工程と、
前記銅膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、
前記銅膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、銅を主成分とする合金膜を成膜する第１の成膜工程と、
前記合金膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、
前記合金膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記酸素拡散防止膜は、前記銅膜熱処理工程の前に成膜される請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記酸素拡散防止膜は、シリコン窒化膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記酸素拡散防止膜は、ＳｉＯＮ膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記酸素拡散防止膜は、Ｃｕメッキ膜を希弗酸などで処理することで形成される水酸化第二銅、酸化第一銅、及び炭酸銅からなるＣｕ酸化膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記バリア膜は、タンタル層膜からなる前記銅の拡散防止膜である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記バリア膜は、タンタル層膜と他の合金膜の積層膜からなる前記銅の拡散防止膜である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、埋め込み方式の銅を含む金属からなる配線を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の配線層の信頼性を向上するために、半導体装置の配線層として、銅（Ｃｕ）配線が用いられていることが、知られている。その半導体装置の配線層のＣｕ配線の形成には、ドライエッチング法によるパターン化が困難なことから、層間絶縁膜に溝を形成し、この溝に銅を埋め込む方法（ダマシン方法）がとられる。
【０００３】
層間絶縁膜としては、主に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が用いられるが、Ｃｕはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）膜に拡散して配線抵抗の増大や配線リークを生じるため、溝にＣｕの拡散を防止するバリア性のある薄膜を形成する方法がとられている。
【０００４】
Ｃｕの拡散防止膜としては、様々な膜が検討されており、バリア性、密着性の観点からは、タンタル（Ｔａ）系の膜が有望視されている。
【０００５】
このような従来の銅配線の形成技術は、例えば、特許文献１に、Ｃｕ埋め込み配線を形成する際に層間絶縁膜であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）とＣｕとの間に六方晶相のＴａＮ層あるいは六方晶相のＴａＮ層とα相のＴａの多層膜をバリア膜として使用することで５００℃のアニール中にＣｕが拡散する問題を防止できることが開示されている。
【０００６】
以下に、図３および図４を参照して、従来の銅配線の形成工程を説明する。
【０００７】
図３を参照すると、まず、トランジスタ（不図示）とコンタクト（不図示）を形成した半導体基板２０１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）２０２を形成し、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などのエッチングストッパ膜２０３を５０ｎｍ程度形成した後、Ｃｕを埋め込む溝を形成するためのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる層間絶縁膜２０４を４００ｎｍ程度成膜する（図３（ａ））。
【０００８】
その上に、フォトレジスト２０５を塗布形成し、露光現像しパターニングした後（図３（ｂ））、これをマスクとして層間絶縁膜２０４をエッチングして、図３（ｃ）に示す配線溝２０６を形成する。
【０００９】
次に、配線溝２０６の形成されたシリコン基板に、スパッタ法でＴａあるいはＴａＮなどのＴａ系のバリア膜２０７を３０ｎｍ程度、続いて、Ｃｕスパッタ膜２０８を１００ｎｍ程度スパッタし（図３（ｄ））、電界メッキ法で、Ｃｕメッキ膜２０９を８００ｎｍ程度成膜する（図４（ａ））。
【００１０】
電界メッキ法で成膜したＣｕメッキ膜２０９は比抵抗が２．４μΩ・ｃｍ（２０℃）とバルクのＣｕ（１．７２μΩ・ｃｍ（２０℃））と比較してやや高く、また粒径が小さいことからエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性が低い。
【００１１】
従来より、２５０℃〜４００℃程度の温度でアニール処理することで比抵抗を１．９μΩ・ｃｍ（２０℃）程度にまで低減することが可能であり、同時に粒成長が起こってＥＭ耐性が向上することが知られている。
【００１２】
その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）法にて層間絶縁膜２０４の表面が露出するまで平坦化することで、図４（ｂ）に示す様に、Ｃｕを溝に埋め込むことができる。次に、シリコン基板２０１を洗浄乾燥し、その後、ＳｉＮ膜２１０等のＣｕの酸化保護膜をプラズマＣＶＤ法で全面に成膜することで、図４（ｃ）に示すＣｕ埋め込み配線を有する構造が実現される。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−１７７９０号公報（段落番号００２３乃至段落番号００２６、図１）
【非特許文献１】
Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔａ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｌａｙｅｒ　ｆｏｒ　Ｃｕ　ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｉｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ，Ｆｕｓｅｎ　Ｃｈｅｎ　ｅｔ，３８８　（２００１），ＰＰ２７−３３
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１による、Ｆｕｓｅｎ　Ｃｈｅｎらの報告によると、Ｔａ上にＣｕを成膜してアニールを行うとＣｕ／Ｔａ界面にＴａの酸化層が形成され、特に、６００℃で圧力３×１０−３ｔｏｒｒのＡｒ雰囲気中でアニールした場合にはＣｕのグレイン沿って、Ｔａの酸化層が観察されると報告している。そして、Ｔａの酸化を引き起こす酸素は、外気からＣｕのグレインを通って供給されると考察している。
【００１５】
これより、Ｃｕ拡散防止のバリア膜としてＴａを用いた場合には、アニールを行うことによって、Ｃｕ／Ｔａ界面のＴａが酸化されてしまう。バリア膜のＴａが酸化された状態でＣｕの研磨を行うと、Ｃｕのグレインに沿ってＣｕ膜が剥がれ、配線欠陥になり易いことが経験的に判明している。
【００１６】
Ｃｕのグレインに沿ってＣｕ膜が剥がれるのはＣｕ／Ｔａ界面のＴａが酸化されることで、Ｃｕとの密着性が悪化するためと考えられ、Ｃｕ配線に欠陥が生じると著しい信頼性の低下を招く問題がある。
【００１７】
したがって、本発明はＣｕ配線を用いた半導体装置において、Ｔａをバリア膜とする場合に、アニール時におけるＴａの酸化を防止することで、Ｃｕ配線の信頼を向上させる製造方法を提供する。すなわち、本発明の目的は、ＣｕのアニールにおいてＣｕの拡散防止膜であるＴａ膜の酸化を防止または抑制する事で、アニール後のＣｕ研磨におけるＣｕの剥がれを防止し、信頼性の高いＣｕ配線の形成をすることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、バリア膜と銅膜を成膜する第１の成膜工程と、前記銅膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、前記銅膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を有する構成である。
【００１９】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の絶縁膜上に形成された配線溝およびコンタクト孔のいずれか一つに、銅を主成分とする合金膜を成膜する第１の成膜工程と、前記合金膜上に酸素拡散防止膜を形成する第２の成膜工程と、前記合金膜の熱処理を行う銅膜熱処理工程を備える。
【００２０】
またさらに、本発明の半導体装置の製造方法で用いられる前記酸素拡散防止膜は、前記銅膜熱処理工程の前に成膜され、本発明の半導体装置の製造方法で用いられる前記酸素拡散防止膜は、シリコン窒化膜である。
【００２１】
またさらに、本発明の半導体装置の製造方法で用いられる前記酸素拡散防止膜は、ＳｉＯＮ膜である。また、本発明の半導体装置の製造方法で用いられる前記酸素拡散防止膜は、Ｃｕメッキ膜を希弗酸などで処理することで形成される水酸化第二銅、酸化第一銅、及び炭酸銅からなるＣｕ酸化膜である。
【００２２】
また、本発明の半導体装置の製造方法で用いられる前記バリア膜は、Ｔａ層膜からなる前記銅の拡散防止膜、または、Ｔａと他の合金の積層膜からなる前記銅の拡散防止膜である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す半導体装置の断面構造図である。なお、ここでは第１層配線にＣｕ配線を適用した場合を示している。
【００２５】
図１（ａ）を参照すると、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、トランジスタ部（不図示）とコンタクト（不図示）を形成したシリコン基板１０１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）絶縁膜１０２を成膜し、続いて、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などのエッチングストッパ膜１０３を５０ｎｍ程度形成した後、Ｃｕを埋め込む溝を形成するためのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる層間絶縁膜１０４を４００ｎｍ程度成膜する。
【００２６】
次に、その上にフォトレジスト１０５を塗布形成し、露光現像し、パターニングした後（図１（ｂ））、これをマスクとして層間絶縁膜１０４をエッチングして図１（ｃ）に示す配線溝１０６を形成する。
【００２７】
次に、配線溝１０６の形成されたシリコン基板に、スパッタ法でＴａのバリア膜１０７を形成する。前記バリア膜はＴａに限らず、Ｔａと他の合金との積層構造でもでも良い。バリア膜の膜厚は５０〜６０ｎｍが好ましく、これより薄い場合はバリア性が不十分となる。
【００２８】
続いて、Ｃｕスパッタ膜１０８を１００ｎｍ程度スパッタし（図１（ｄ））、電界メッキ法でＣｕメッキ膜１０９を８００ｎｍ程度成膜する（図２（ａ））。次に、アニール時に、外方から供給される酸素により、バリア膜であるＴａが酸化されるのを防止するための酸素拡散防止膜１１０であるＳｉＮ膜を膜厚２０ｎｍ程度、プラズマＣＶＤ法により、Ｃｕメッキ膜１０９上に形成する（図２（ｂ））。
【００２９】
なお、この酸素拡散防止膜１１０はＳｉＮ膜に限定されるものではなく、ＳｉＯＮ膜、またはＣｕメッキ膜を希弗酸などで処理することで形成される水酸化第二銅、酸化第一銅、及び炭酸銅からなるＣｕ酸化膜でも良い。
【００３０】
続いて、２５０℃〜４００℃程度の温度でアニール処理を行う。アニール前に酸素拡散防止膜を形成することで、アニール時の雰囲気中に存在する酸素がＣｕのグレインに沿って、Ｃｕ中を拡散し、Ｃｕ／Ｔａ界面のＴａを酸化することを防止または抑制できる。
【００３１】
その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）法にて層間絶縁膜１０４の表面が露出するまで平坦化することで、図２（ｃ）に示す様に、Ｃｕを溝に埋め込む。
【００３２】
次に、シリコン基板１０１を洗浄乾燥し、その後、ＳｉＮ膜１１１等のＣｕの酸化保護膜をプラズマＣＶＤ法で全面に成膜することで、図２（ｄ）に示すＣｕ埋め込み配線を有する構造が実現される。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明は、酸素拡散防止膜を形成することによりアニール時の雰囲気中に存在する酸素がＣｕのグレインに沿ってＣｕ中を拡散し、Ｃｕ／Ｔａ界面のＴａを酸化することを防止または抑制する効果がある。
【００３４】
Ｔａの酸化を抑制することで、ＣｕとＴａの密着性が保たれるため、ＣＭＰ法にてＣｕ膜の研磨を行う際に密着性が低い時に発生する、Ｃｕ膜の剥がれによるＣｕ配線の欠陥発生を防止でき、Ｃｕ配線の信頼性の向上を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の製造工程断面図である。
【図２】図１に続く、本発明の実施の形態の半導体装置の製造工程断面図である。
【図３】従来の半導体装置の製造工程断面図である。
【図４】図３に続く、従来の半導体装置の製造工程断面図である。
【符号の説明】
１０１，２０１　　半導体基板
１０２，２０２　　シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）
１０３，２０３　　エッチングストッパ膜
１０４，２０４　　シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）層間絶縁膜
１０５，２０５　　フォトレジスト
１０６，２０６　　配線溝
１０７，２０７　　バリア膜
１０８，２０８　　Ｃｕスパッタ膜
１０９，２０９　　Ｃｕメッキ膜
１１０　　酸素拡散防止膜
１１１，２１０　　ＳｉＮ膜
【図１】
2004146519.tif 000003
【図２】
2004146519.tif 000004
【図３】
2004146519.tif 000005
【図４】
2004146519.tif 000006