(57)【要約】【課題】デュアルダマシン法により金属配線層を形成する場合に、バリア膜による金属配線層の抵抗上昇を抑えることができるバリア膜の形成方法を含む半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜２２の上に、金属膜２４を形成することにより、有機層間絶縁膜２２と金属膜２４との界面に金属拡散防止用の炭化金属膜２３を得る工程と、金属膜２４を炭化金属膜２３に対して選択的に除去することにより、有機層間絶縁膜２２の上に炭化金属膜２３を残す工程とを含む。【選択図】　図６
2004079802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜の上に、金属膜を形成することにより、前記有機層間絶縁膜と前記金属膜との界面に金属拡散防止用の炭化金属膜を得る工程と、
前記金属膜を前記炭化金属膜に対して選択的に除去することにより、前記有機層間絶縁膜の上に前記炭化金属膜を残す工程と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】
前記有機層間絶縁膜には、配線溝と該配線溝の底部の所定部に連通して形成されたビアとが設けられており、前記金属膜は、前記配線溝及びビアの内面を含む前記有機層間絶縁膜上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記炭化金属膜を残す工程の後に、
前記ビア及び前記配線溝を埋め込む配線用金属膜を形成する工程と、
前記配線用金属膜と前記炭化金属膜とを研磨することにより、前記ビア及び前記配線溝の中に埋め込まれた金属配線層を形成する工程とをさらに有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記炭化金属膜は、前記ビアの側面部と前記配線溝の底部に略同一の膜厚で残されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記有機層間絶縁膜は有機ＳＯＧ膜であって、前記金属膜はタンタル（Ｔａ）膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記タンタル（Ｔａ）膜の膜厚は２ｎｍ程度以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜と、
前記有機層間絶縁膜に形成された配線溝と該配線溝の底部の所定部に連通して形成されたビアと、
前記ビアの底部を除くビアの側面部及び前記配線溝の内面に形成され、かつ前記ビアの側面部と前記配線溝の底部とにおいて略同一の膜厚で形成された炭化金属膜と、
前記配線溝及び前記ビア中に埋め込まれて形成された金属配線層とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記有機層間絶縁膜は有機ＳＯＧ膜であって、前記炭化金属膜は炭化タンタル膜であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【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及びその製造方法に係り、さらに詳しくは、ダマシン法により形成される多層配線に係るバリア膜の形成を含む半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩは、半導体基板上に電気的に分離して配置されたトランジスタやダイオード、キャパシタ、抵抗などの基本的な構成要素を配線で接続して製造される。
【０００３】
この素子同士を高密度で接続する技術が多層配線技術であって、多層配線技術はＬＳＩの高性能化を決定づける重要な技術である。多層配線の抵抗や容量などの寄生効果は、ＬＳＩの回路性能に大きな影響を与える。
【０００４】
このような観点から、抵抗が低い銅（Ｃｕ）配線と誘電率が低い材料を用いた層間絶縁膜とを組み合わせた多層配線が用いられるようになってきており、この製造方法として、埋め込み方式、いわゆるダマシン方式が採用されてきている。
【０００５】
Ｃｕ配線層は、熱処理が施される工程などでＣｕ配線層中のＣｕが層間絶縁膜などに拡散しやすという特性をもっており、層間絶縁膜中にＣｕが拡散すると層間絶縁膜のリーク電流が増加してしまうなどの不具合をもたらす。このため、Ｃｕ配線層はバリア膜を介して層間絶縁膜の配線溝やビア内に形成される。
【０００６】
図１は従来技術に係るデュアルダマシン方式により多層配線を形成する工程の一部を示す断面図である。従来技術に係る多層配線は、図１に示すように、まず、所定のトランジスタなどを備えた半導体基板１００の上方に形成された第１層間絶縁膜１０２の配線溝１０２ａ内に埋め込まれた第１配線層１０４を形成する。第１配線層１０４はバリア膜１０４ａ及び第１Ｃｕ膜１０４ｂからなり、下方のトランジスタなどに電気的に接続されている。
【０００７】
続いて、第１配線層１０４上にシリコン窒化膜１０６ａ及びシリコン酸化膜１０６ｂからなる第２層間絶縁膜１０６を形成する。その後、第２層間絶縁膜１０６に配線溝１０６ｘを形成した後、それに連通し、第１配線層１０４を露出させるビア１０６ｙとを形成する。
【０００８】
次いで、配線溝１０６ｘの内面、ビア１０６ｙの内面、及び第２層間絶縁膜１０６上にバリア膜１０８ａを形成した後、シードＣｕ層を介した電解めっきにより第２Ｃｕ膜１０８ｂを配線溝１０６ｘ及びビア１０６ｙに埋め込んで形成する。
【０００９】
続いて、第２Ｃｕ膜１０８ｂ及びバリア膜１０８ａをＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により研磨することにより配線溝１０６ｘ及びビア１０６ｙ内にバリア膜１０８ａ及び第２Ｃｕ膜１０８ｂからなる第２配線層１０８を形成する。
【００１０】
配線溝１０６ｘ及びビア１０６ｙ内に形成するバリア膜１０８ａとしては、タングステン（Ｗ）膜、チタン（Ｔｉ）膜、タンタル（Ｔａ）膜などの遷移金属又はそれらの窒化膜が使用される。また、このバリア膜１０８ａはスパッタ法を用いて１０〜３０ｎｍ程度の膜厚で成膜される。スパッタ法は一般的にステップカバレジが悪いので、アスペクト比の高いビア１０６ｙの側面部（図１のＳ部）では配線溝１０６ｘの底部（図１のＢ部）よりバリア膜１０８ａが薄く成膜される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、デュアルダマシン法においてバリア膜１０８ａをスパッタ法で成膜する場合、バリア膜１０８ａは、配線溝１０６ｘの底部Ｂよりビア１０６ｙの側面部Ｓの方が薄い膜厚で成膜される。バリア膜１０８ａにおいては、配線溝１０６ｘ及びビア１０６ｙの内面全体にわたって十分な金属バリア性を確保する必要があるため、バリア膜１０８ａが最も薄く成膜されるビア１０６ｙの側面部Ｓにバリア性を確保できる最低限の膜厚以上で成膜されるようにする必要がある。このため、ビア１０６ｙの側面部Ｓ以外の配線溝１０６ｘの底部Ｂなどには必要以上の膜厚のバリア膜１０８ａが形成されてしまう。
【００１２】
一般に、前述したような材料からなるバリア膜１０８ａの抵抗は、主要配線層となる第２Ｃｕ膜１０８ｂの抵抗よりかなり高い。そして第２配線層１０８の全体の厚みは配線溝１０６ｘの深さで概ね決定されるため、バリア膜１０８ａの膜厚が厚くなると第２Ｃｕ膜１０８ｂの膜厚が薄くなり、第２配線層１０８の全体の厚みに対するバリア膜１０８ａが占める割合が増えてしまう。その結果、第２配線層１０８（バリア膜１０８ａ＋第２Ｃｕ膜１０８ｂ）全体の配線抵抗が高くなってしまう。
【００１３】
このため、ＬＳＩの多層配線の配線中を伝搬する電気信号の遅れ（配線遅延）が大きくなる。すなわち、回路的にはＣＲ時定数が大きくなることを意味し、ＬＳＩの高速（高周波）駆動の障害になってしまうという問題がある。
【００１４】
本発明は以上の問題点を鑑みて創作されたものであり、デュアルダマシン法により金属配線層を形成する場合に、バリア膜による金属配線層の抵抗上昇を抑えることができるバリア膜の形成方法を含む半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は半導体装置に係り、半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜の上に、金属膜を形成することにより前記有機層間絶縁膜と前記金属膜との界面に炭化金属膜を得る工程と、前記金属膜を前記炭化金属膜に対して選択的に除去することにより、前記有機層間絶縁膜の上に前記炭化金属膜を残す工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
上記したように、ダマシン法により形成される多層配線に使用されるバリア膜においては、金属の拡散を防止するという観点からはその膜厚がある程度厚い方が好ましいが、配線層全体の抵抗の上昇を抑えるという観点からは、膜厚ができるだけ薄い方が好ましい。
【００１７】
本発明の特徴の一つは、ビアの側面部と配線溝の底部に必要最低限の膜厚のバリア膜が略同一な膜厚で形成されるようにすることにより配線抵抗の上昇を抑えることにある。
【００１８】
本発明では、有機層間絶縁膜上に金属膜を形成することにより有機層間絶縁膜と金属膜との界面に炭化金属膜を得る。この炭化金属膜は、金属拡散防止機能を有し、金属膜の金属と有機層間絶縁膜中のカーボン（Ｃ）とがそれらの界面近傍で反応することにより形成される。その後、金属膜を炭化金属膜に対して選択的に除去することにより、有機層間絶縁膜の上に炭化金属膜が残される。この炭化金属膜の膜厚は、金属膜が所定膜厚以上になるとその膜厚に殆ど依存しなくなる。
【００１９】
本発明の一つの好適な態様では、有機層間絶縁膜（例えば有機ＳＯＧ膜）には、配線溝と該配線溝の底部の所定部に連通して形成されたビアとが設けられている。例えば、このような構造の有機層間絶縁膜上にスパッタによりバリア膜を形成する場合、上記したように配線溝の底部には不必要な厚膜でバリア膜が形成されるため配線抵抗が上昇してしまう。
【００２０】
本発明では、有機層間絶縁膜上に所定膜厚以上の金属膜（例えばタンタル膜）を形成することにより、それらの界面に金属膜の膜厚に殆ど依存しない膜厚の炭化金属膜（例えば炭化タンタル膜）が形成される。従って、たとえ配線溝の底部にビアの側面部より厚い膜厚の金属膜が形成されようとも、ビアの側面部と配線溝の底部とに略同一の膜厚の炭化金属膜が形成される。
【００２１】
しかも、表層部の未反応の金属膜を炭化金属膜に対して選択的に除去することができるため、ビアの側面部及び配線溝の底部に略同一な膜厚の炭化金属膜を残すことができる。この炭化金属膜は例えば２ｎｍ程度の薄膜で形成され、十分な金属拡散防止機能を有する。
【００２２】
従って、配線溝の底部には不必要（過剰）な膜厚でバリア用の金属膜が形成されなくなるので、バリア膜と配線用金属膜からなる配線層において抵抗が高いバリア膜の占める割合を少なくすることができる。これにより、十分な金属拡散防止機能をもたせた状態で配線層の抵抗を従来技術より低くすることができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００２４】
図２〜図４は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態では、所定のトランジスタを有する半導体基板の上方にデュアルダマシン法により多層配線を形成する工程を説明しながらバリア膜の形成方法を説明する。
【００２５】
まず、図２に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。図２に示すように、まず、ｐ型シリコン（半導体）基板１０表面に、ＳＴＩ　（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法により素子分離絶縁膜１１を選択的に形成する。素子分離絶縁膜１１としてＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）法を採用してもよい。続いて、シリコン基板１０の活性領域（トランジスタ形成領域）にｐ型不純物及びｎ型不純物をそれぞれ選択的に導入して、ｐウェル１２ａ及びｎウェル１２ｂを形成する。
【００２６】
その後、シリコン基板１０の活性領域表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜１０ａとしてシリコン酸化膜を形成する。
【００２７】
次いで、シリコン基板１０の上側全面に例えばアモルファスシリコン膜及びタングステンシリサイド膜を順次形成し、これらの膜をフォトリソグラフィ法により所定の形状にパターニングして、ゲート電極１３ｂ，１３ｃ及びゲート配線１３ａ，１３ｄを形成する。ｐウェル１２ａ上にはゲート電極１３ｂが配置され、またｎウェル１２ｂ上にはデート電極１３ｃが配置される。
【００２８】
次いで、ゲート電極１３ｂの両側のｐウェル１２ａ内にｎ型不純物をイオン注入して、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる第１、第２ｎ型不純物拡散領域１５ａ，１５ｂを形成する。
【００２９】
続いて、ゲート電極１３ｃの両側のｎウェル１２ｂにｐ型不純物をイオン注入して、ｐチャネルＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる第１、第２ｐ型不純物拡散領域１５ｃ，１５ｄを形成する。ｎ型不純物とｐ型不純物の打ち分けはレジストパターンを使用して行われる。
【００３０】
その後に、シリコン基板１０の全面に絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックしてゲート配線及びゲート電極１３ａ〜１３ｄの両側部分に側壁絶縁膜１６として残す。その絶縁膜として、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成する。
【００３１】
さらに、ゲート電極１３ｂと側壁絶縁膜１６をマスクに使用して、第１、第２ｎ型不純物拡散領域１５ａ，１５ｂ内に再びｎ型不純物をイオン注入することにより、第１、第２ｎ型不純物拡散領域１５ａ，１５ｂをＬＤＤ構造にする。また同様に、ゲート電極１３ｃと側壁絶縁膜１６をマスクに使用して、第１、第２ｐ型不純物拡散領域１５ｃ，１５ｄ内に再びｐ型不純物をイオン注入することにより、第１、第２ｐ型不純物拡散領域１５ｄ，１５ｅをＬＤＤ構造にする。
【００３２】
以上の工程により、ｐウェル１２ａにはゲート電極１３ｂとＬＤＤ構造の第１、第２ｎ型不純物拡散層１５ａ，１５ｂを有するｎチャネルＭＯＳトランジスタＴ１が形成される。また、ｎウェル１２ｂにはゲート電極１３ｃとＬＤＤ構造の第１及び第２ｐ型不純物拡散層１５ｃ，１５ｄを有するｐチャネルＭＯＳトランジスタＴ２が形成される。
【００３３】
次いで、膜厚５０ｎｍ程度のシリコン窒化酸化膜（ＳｉＯＮ膜）及び膜厚１．０μｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）をＣＶＤ法によりＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２を覆うようにして順次成長する。その後に、シリコン酸化膜の上面をＣＭＰ（化学機械研磨：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により所定量研磨して平坦化することにより下側層間絶縁膜１９とする。
【００３４】
次いで、フォトリソグラフィ法により、下側層間絶縁膜１９をパターニングして、第１〜第４コンタクトホール１９ａ〜１９ｄを形成する。このとき、第１コンタクトホール１９ａはゲート配線１３ａの上面に到達する深さで形成され、第２〜第４コンタクトホール１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは各不純物拡散領域１５ａ〜１５ｄに到達する深さで形成される。そして第３コンタクトホール１９ｃは素子分離絶縁膜２を挟んだｎチャネルの第２ｎ型不純物拡散領域１５ｂとｐチャネルの第１ｐ型不純物拡散領域１５ｃとが繋がるようにして開口される。また第４コンタクトホール１９ｄはｐチャネルの第２ｐ型不純物拡散領域１５ｄとゲート配線１３ｄの上面とが繋がるようにして開口される。
【００３５】
続いて、下側層間絶縁膜１９上面、及び第１〜第４コンタクトホール１９ａ〜１９ｄ内面に膜厚３０ｎｍのＴｉ（チタン）薄膜と膜厚５０ｎｍのＴｉＮ（チタンナイトライド）薄膜とをスパッタ法により順次形成してグルー膜とする。さらに、ＣＶＤ法によりタングステン（Ｗ）をグルー膜上に成長する。これにより、第１〜第４コンタクトホール１９ａ〜１９ｄ内にタングステン膜が埋め込まれた状態となる。
【００３６】
その後、下側層間絶縁膜１９の上面が露出するまでタングステン膜、グルー膜をＣＭＰ法により研磨することにより、第１〜第４コンタクトホール１９ａ〜１９ｄ内にグルー膜及びタングステン膜からなる第１〜第４金属プラグ２１ａ〜２１ｄがそれぞれ埋め込まれて形成される。
【００３７】
第１金属プラグ２１ａはゲート配線１３ａ上に形成され、第２金属プラグ２１ｂはｎチャネルＭＯＳトランジスタＴ１の第１ｎ型不純物拡散層１５ａ上に形成される。また第３金属プラグ２１ｃはｎチャネルＭＯＳトランジスタＴ１の第２ｎ型不純物拡散層１５ｂとｐチャネルＭＯＳトランジスタＴ２の第１ｐ型不純物拡散層１５ｃとが短絡された共通プラグとして形成される。さらに第４金属プラグはｐチャネルＭＯＳトランジスタＴ２の第２ｐ型不純物拡散層１５ｄとゲート配線１３ｄとを短絡する共通プラグとして形成される。以上により、図２に示す断面構造が得られる。
【００３８】
次に、第１〜第４金属プラグ２１ａ〜２１ｄに接続される多層配線を形成する方法について説明する。多層配線を形成する工程においては、図５及び図６を参照図に加えて説明する。なお、図５及び図６は、本発明の実施形態に係るバリア膜の形成方法を示す断面図である。
【００３９】
まず、有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）としてダウコーニング社製の（商品名：ＳＩＬＫ）又はアライドシグナル社製の（商品名：ＦＬＡＲＥ）などを用意する。これらの有機ＳＯＧでは、その塗布液を基板上に塗布し、キュアすることにより比誘電率の低い（例えば２．４程度以下）有機ＳＯＧ膜を形成することができる。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、図２の構造体の上、すなわち下側層間絶縁膜１９及び第１〜第４金属プラグ２１ａ〜２１ｄ上にスピンコータにより膜厚が０．８〜１．２μｍ程度になるようにして上記した有機ＳＯＧ塗布液を塗布した後、３５０〜４００℃程度でキュアすることにより第１有機ＳＯＧ層間膜２２（有機層間絶縁膜）を形成する。
【００４１】
次いで、第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にＳｉＯ２膜などからなるハードマスク層（不図示）を形成した後にフォトリソグラフィにより配線溝のパターンを形成するためのレジスト膜のパターン（不図示）を形成する。続いて、このレジスト膜をマスクしてＣＦ４／ＣＨＦ３系などのガスを用いたドライエッチングによりハードマスクをエッチングする。
【００４２】
その後、図５（ｂ）に示すように、レジスト膜及びハードマスク層をマスクにして、第１有機ＳＯＧ層間膜２２をハーフエッチングすることにより３００〜４００ｎｍ程度の深さを有する配線溝２２ａを形成する。このとき、第１有機ＳＯＧ層間膜２２はＮＨ３ガス、Ｎ２／Ｈ２系のガス又は酸素を含むガスなどを用いた異方性ドライエッチングによりエッチングされると同時に、有機膜であるレジスト膜もエッチングされて除去される。
【００４３】
続いて、図５（ｃ）に示すように、上記した方法と同様な方法により配線溝２２ａが形成された第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にハードマスク及びレジスト膜をビアが形成されるようにパターニングする。その後、これらをマスクにして第１有機ＳＯＧ層間膜２２をエッチングすることにより、第３金属プラグ２１ｃに到達する深さのビア２２ｂを形成する。なお、配線溝２２ａを形成した後にビア２２ｂを形成する形態を例示したが、ビア２２ｂを形成した後に、配線溝２２ａを形成するようにしてもよい。
【００４４】
次に、第１有機ＳＯＧ層間膜２２のビア２２ｂ及び配線溝２２ａの内面にＣｕ拡散防止用のバリア膜を形成する方法について説明する。最初に本発明の実施形態のバリア膜の形成方法の技術思想について説明する。上記したビア２２ｂ及び配線溝２２ａの内面にスパッタ法によりタンタルなどからなるバリア膜を成膜する場合、スパッタ法は一般的にステップカバレジが悪いため、バリア膜は、アスペクト比の高いビア２２ｂの側面部Ｓが配線溝２２ｂの底部Ｂよりその膜厚が薄くなって成膜される。
【００４５】
従って、ビア２２ｂの側面部ＳにＣｕの拡散を防止できる最低限の膜厚（例えば膜厚１０〜３０ｎｍ）のバリア膜が成膜されるような膜厚で成膜したとしても、配線溝２２ａの底部Ｂにはその２〜３倍の過剰な膜厚のバリア膜が成膜されてしまう。タンタル膜などのバリア膜は一般的にＣｕ膜などの主配線層より抵抗が高いので、配線溝２２ｂに埋め込まれたバリア膜と主配線層とのうちバリア膜が占める割合が高くなると配線全体の抵抗が高くなってしまう。
【００４６】
このように、バリア膜においては、Ｃｕの拡散を防止するという観点からはその膜厚がある程度厚い方が好ましいが、配線全体の抵抗の上昇を抑えるという観点からは、膜厚ができるだけ薄い方が好ましい。
【００４７】
本発明の特徴の一つは、ビア２２ｂの側面部Ｓと配線溝２２ｂの底部Ｂに必要最低限の膜厚のバリア膜が略同一な膜厚で形成されるようにすることにより、十分なＣｕ拡散防止機能をもたせた状態で配線抵抗の上昇を抑えることにある。
【００４８】
すなわち、まず、図６（ａ）に示すように、ビア２２ｂの内面、配線溝２２ａの内面及び第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にスパッタ法により膜厚が２ｎｍ以上、好適には２〜１０ｎｍ程度のタンタル（Ｔａ）膜２４を成膜する。Ｔａ膜をスパッタ法で成膜した状態では、上記したように配線溝２２ｂの底部ＢにはＴａ膜が不必要に厚く成膜されることになる。
【００４９】
しかしながら、本願発明者は、第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にＴａ膜２４を成膜すると、同じく図６（ａ）に示すように、Ｔａ膜２４のＴａと第１有機ＳＯＧ層間膜２２中のカーボン（Ｃ）とが反応してこれらの界面にＣｕ拡散防止機能を有する炭化タンタル（ＴａＣ）膜２３（炭化金属膜）が形成されることを見出した。しかも、ビア２２ａの側面部Ｓと配線溝２２ｂの底部Ｂとの間で略同一の膜厚で形成される。後で説明する実験結果で述べるように、例えば、Ｔａ膜２４を膜厚２ｎｍ程度以上で成膜する場合、２ｎｍ弱の膜厚のＴａＣ膜２３がビア２２ａの側面部Ｓと配線溝２２ｂの底部Ｂとの間で略同一の膜厚で形成される。さらに、表層部の未反応のＴａ膜２４をＴａＣ膜２３に対して選択的に除去することができるので、ビア２２ａの側面部Ｓと配線溝２２ｂの底部Ｂとの間に略同一の所望膜厚のＴａＣ膜２３のみを残すことができる。
【００５０】
例えば、希フッ酸又はフッ酸を含む薬液によるエッチレート比（Ｔａ膜のエッチレート／ＴａＣ膜のエッチレート）はかなり高い。このため、Ｔａ膜２４をスパッタ法により成膜した時点では、配線溝２２ｂの底部Ｂには配線全体の抵抗を上昇させるＴａ膜２４が不必要な厚膜で形成されるが、表層部の未反応のＴａ膜２４を希フッ酸により選択的にエッチングすることにより、十分なＣｕ拡散防止機能を有する所望膜厚のＴａＣ膜２３がビア２２ａの側壁部Ｓ及び配線溝２２ａの内面上の全体にわたって略同一の膜厚で残される。
【００５１】
以上のようにして、希フッ酸により未反応のＴａ膜２４を除去することにより、図６（ｂ）に示すように、ビア２２ｂ及び配線溝２２ａ内に略同一な膜厚のＴａＣ膜２３が残される。このとき、第３金属プラグ２１ｃ上のＴａ膜２４は、第１有機ＳＯＧ層間膜２２のＣと反応せずに全体にわたってＴａ膜の状態であるため、希フッ酸により除去されて、第３金属プラグ２１ｃ上にはＴａＣ膜２３が残らない。
【００５２】
なお、本実施形態では、希フッ酸により未反応のＴａ膜２４を除去する際に、ビア２２ｂの底部にＴｉＮ膜及びＷ膜からなる第３金属プラグ２１ｃなどが露出するが、ＴｉＮ膜及びＷ膜は希フッ酸ではほとんどエッチングされないためフッ酸によりダメージを受けることはなく何ら問題はない。また、ビア２２ｂの底部にＣｕ膜が存在する場合においても同様に何ら問題がない。
【００５３】
次に、本願発明者の実験結果について説明する。本願発明者は、第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にＴａ膜２４を成膜することによりその界面にＴａＣ膜２３が形成されることをＸＰＳ分析により確認した。
【００５４】
実験サンプルとしては、図７（ａ）に示すように、まず、シリコン基板４０上に有機ＳＯＧ塗布液（ダウコーニング社製：ＳｉＬＫ　Ｊ）を塗布し、３２０℃で９０秒間の仮焼成を行って主溶剤を蒸発させた後、４００℃の雰囲気で３０分間キュアすることにより有機ＳＯＧ膜２２を形成した。このとき、有機ＳＯＧ膜２２の架橋率は７０％であった。その後、ＸＰＳ分析チャンバを有するスパッタ装置の該ＸＰＳ分析チャンバに上記したシリコン基板４０を搬送し、有機ＳＯＧ膜２２の表面をＸＰＳ分析した。ＸＰＳ分析チャンバの到達真空度は４×１０−８Ｔｏｒｒであった。
【００５５】
次いで、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板４０をスパッタチャンバに搬送し、シリコン基板４０を３００℃前後のステージ上に３０分間保持した後、Ｔａ膜２４を有機ＳＯＧ膜２２上にスパッタした。スパッタ条件は、基板温度が３００℃、高周波パワー：４００Ｗ（電流：０．９Ａ程度）、スパッタガス：Ａｒ、基板バイアス：なし、チャンバ到達真空度：３×１０−９Ｔｏｒｒ、の条件下で行った。
【００５６】
続いて、同じく図７（ｂ）に示すように、Ｔａ膜２４をスパッタして成膜した後に、シリコン基板４０を３００℃に３分間保持した後に降温させ、シリコン基板４０をＸＰＳ分析チャンバに搬送し、Ｔａ膜２４の表面をＸＰＳ分析した。なお、Ｔａ膜２４の膜厚依存性を調査するため、Ｔａ膜２４のスパッタ及びＸＰＳ分析からなる工程を３回繰り返した。すなわち、まずＴａ膜２４を０．４ｎｍ成膜した後にＸＰＳ分析し、さらに０．４ｎｍ成膜した後に（トータル膜厚０．８ｎｍ）にＸＰＳ分析し、さらに１．２ｎｍ成膜した後に（トータル膜厚２ｎｍ）にＸＰＳ分析した。なお、薄膜をスパッタする際の膜厚制御はシャッタ制御により行われ、シャッタを１秒間開口することことにより０．４ｎｍ成膜される。
【００５７】
次に、ＸＰＳでの分析結果を説明する。図８は有機ＳＯＧ膜上にＴａ膜を成膜した後にＴａ膜の表面をＸＰＳにより分析した結果を示すものである。図８において、横軸は結合エネルギー（ＢＩＮＤＩＮＧ　ＥＮＥＲＧＹ）を示し、縦軸はその強度（ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ）を示す。
【００５８】
図８に示すように、有機ＳＯＧ膜２２上にＴａ膜２４を成膜しないときは、当然ながらＴａ−Ｃ結合に由来するピークは検出されず、有機ＳＯＧ膜２２中のＣ−Ｃ結合に由来するピークが検出された。これに対し、Ｔａ膜２４を平均膜厚０．４ｎｍで成膜したときは、Ｔａ膜２４の表面からＴａ−Ｃ結合に由来するピークが検出された。これは、Ｔａ膜２４のＴａと有機ＳＯＧ膜２２中のＣとが反応することによりそれらの界面に炭化タンタル（ＴａＣ）膜２３が形成されていることを意味する。Ｔａ膜２４をさらに成膜してその平均膜厚０．８ｎｍとしたときは、Ｔａ−Ｃ結合に由来するピーク強度が上記した膜厚０．４ｎｍのときより強くなっていた。
【００５９】
しかし、Ｔａ膜２４の平均膜厚２ｎｍとしたときは、逆に、Ｔａ−Ｃ結合に由来するピーク強度は減少に転じた。これは、Ｔａ膜２４と有機ＳＯＧ膜２２との界面に形成されるＴａＣ膜２３の厚さは２ｎｍより薄く、その上に成膜されているＴａ膜２４によって炭化タンタル（ＴａＣ）膜２３からの信号が弱められたためである。つまり、有機ＳＯＧ膜２２上に２ｎｍ程度以上の厚さでＴａ膜２４をスパッタにより成膜すると厚さが０．８ｎｍ以上２ｎｍ未満の炭化タンタル（ＴａＣ）膜２３がそれらの界面に形成される。有機ＳＯＧ膜２２とＴａ膜２４との界面に形成されるＴａＣ膜２３の厚さが、Ｔａ膜２４の厚さに対応して厚くならないのは、緻密なＴａＣ膜２３が形成されて、ＴａＣ膜２３上の未反応のＴａは、もはや拡散によって有機ＳＯＧ膜４２まで到達できなくなるためと考えられる。
【００６０】
このように、Ｔａ膜２４の厚さを２ｎｍ程度以上成膜する場合、形成されるＴａＣ膜２３の膜厚は、Ｔａ膜２４の膜厚に依存せずに飽和する。従って、たとえＴａ膜２４がビア２２ｂの側面部Ｓより配線溝２２ａの底部Ｂの方がその膜厚が厚くなって成膜されるとしても、表層部の未反応のＴａ膜２４を選択的に除去することにより、ビア２２ｂの側面部Ｓと配線溝２２ａの底部Ｂとの間で均一な膜厚の金属バリア膜としての炭化タンタル（ＴａＣ）膜２３を残すことができる。
【００６１】
次に、多層配線の形成方法の説明に戻る。図６（ｃ）示すように、表面にＴａＣ膜２３が残された第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にシードＣｕ膜２４を形成する。その後、シードＣｕ膜２４をめっき給電層に利用した電解めっきによりシードＣｕ膜２４上にＣｕ膜２６を成膜して配線溝２２ａ及びビア２２ｂの内にＣｕ膜２６を埋め込む。
【００６２】
続いて、図６（ｄ）に示すように、Ｃｕ膜２６、シードＣｕ膜２４及びＴａＣ膜２３を第１有機ＳＯＧ層間膜２２の上面が露出するまでＣＭＰ法により研磨することにより、ＴａＣ膜２３、シードＣｕ膜２４及びＣｕ膜２６からなる第１配線層２８（配線金属層）が形成される。
【００６３】
このようにして、図３に示すように、第１有機ＳＯＧ層間膜２２の配線溝２２ａに埋め込まれて形成された第１配線層２８はビア２２ｂを介して金属プラグ２１ａ〜２１ｄに接続されて形成される。この第１配線層２８は、ビア２２ｂの側面部Ｓ及び配線溝２２ａの底部Ｂを含む全体にわたってＣｕ拡散防止機能を有する所望膜厚のＴａＣ膜２３が略同一な膜厚で形成されているので、第１配線層３０のうちのＣｕ膜２８より抵抗の高いＴａＣ膜２３が占める割合が不必要に高くなることはない。その結果、第１配線層２８の配線抵抗が上昇することが防止されて所望の配線抵抗が得られるようになる。
【００６４】
また、ＴａＣ膜２３の比抵抗は３８５μΩｃｍ程度であって、バリア膜として一般的に使用されている窒化タンタル（ＴａＮ）膜の比抵抗（２５０μΩｃｍ程度）と遜色がないくらい小さい。
【００６５】
さらに、スパッタ法で成膜される窒化タンタル膜をそのまま使用する場合、窒化タンタル膜がビアの側面部Ｓに膜厚１０ｎｍ程度で成膜されるとき、配線溝の底部Ｂには２〜３倍の膜厚で形成される。このような窒化タンタル膜を本実施形態のようなビアの側面部Ｓ及び配線溝の底部Ｂに略同一膜厚（例えば２ｎｍ程度）で形成される炭化タンタル膜で置き換えた場合、バリア膜の比抵抗が１．５倍程度に上昇するものの、配線溝の底部に形成される膜厚が１／１０以下になるためバリア膜の膜厚方向の抵抗は１／６程度以下になる。
【００６６】
さらに、ＴａＣ膜２３は、第１配線層２８のＣｕがビア２２ａの側面及び配線溝２２ａ内面から第１有機ＳＯＧ層間膜２２などに拡散を防止するバリア膜として機能する。従って、第１有機ＳＯＧ層間膜２２にＣｕが拡散して比誘電率が上昇してリーク電流が増加するなどの不具合が発生する恐れがなくなる。なお、Ｓ．Ｊ．Ｗａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，３９４，１８０（２００１）には、配線金属の材料となるＣｕの拡散に関して、金属バリア膜としてタンタル膜を用いたものより炭化タンタル膜を用いたものの方が１００℃高温でのダイオードリーク試験に耐えうることが報告されているように、炭化タンタル膜は十分なＣｕ拡散防止機能を有する。
【００６７】
上記した方法により第１配線層２８を形成した後、図４に示すように、図３の構造体の上に、膜厚５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）３０及び前述した第１有機ＳＯＧ層間膜２２と同様な方法で形成された膜厚１μｍ程度の第２有機ＳＯＧ層間膜２２ｘを形成する。続いて、前述した方法と同様な方法により、第２ＳＯＧ層間膜２２ｘ及びＳｉＮ膜３０をエッチングすることにより、配線溝２２ｃ及びビア２２ｄを形成する。
【００６８】
続いて、同じく図４に示すように、前述した方法と同様な方法により、配線溝２２ｃ及びビア２２ｄ内にＴａ膜を形成した後に、Ｔａ膜を選択的に除去して第２有機ＳＯＧ層間膜２２ｘ上にＴａＣ膜２３ａを得る。その後に、ＴａＣ膜２３ａ上にシードＣｕ膜及びＣｕ膜を順次成膜した後に、ＣＭＰ法によりＣｕ膜、シードＣｕ膜及びＴａＣ膜をＣＭＰ法により研磨して配線溝２２ｃ及びビア２２ｄ内に第２配線層２８ａを埋め込んで形成する。これにより、第２配線層２８ａはビア２２ｄを介して第１配線層２８に電気的に接続される。
【００６９】
次いで、第２配線層２８ａ及び第２ＳＯＧ層間膜２２ａ上に膜厚５０ｎｍ程度のＳｉＮ膜３２ａ及び膜厚１μｍ程度のＳｉＯ２膜３２ｂをＣＶＤ法により順次成膜して上側層間絶縁膜３２とする。その後、上側層間絶縁膜３２の所定部をパターニングすることにより第２配線層２８ａに接続されるビア３２ｘを形成する。続いて、前述した方法と同様な方法によりビア３２ｘ内にグルー膜とＷ膜とからなる金属プラグ３４を形成する。続いて上側層間絶縁膜３２及び金属プラグ３４上にアルミニウム（Ａｌ）膜を形成し、これをパターニングすることにより金属プラグ３４に接続されたＡｌパッド３６を形成する。その後、Ａｌパッド３６を被覆する保護膜３８を形成した後、Ａｌパッド３６の上の保護膜３８をエッチングすることによりＡｌパッド３６が露出する開口部（不図示）を形成する。
【００７０】
以上により、本発明の実施形態の製造方法により製造された半導体装置１が完成する。本発明の実施形態の半導体装置１では、シリコン基板１０には所定のトタンジスタＴ１，Ｔ２が形成されていて、そのトランジスタＴ１，Ｔ２には金属プラグ２１ａ〜２１ｄを介してデュアルダマシン法により形成された第１配線層２８が接続されている。さらに第１配線層２８はデュアルダマシン法により形成された第２配線層２８ａに接続されている。第１配線層２８は第１有機ＳＯＧ層間膜２２に形成されたビア２２ｂ及び配線溝２２ａに形成されており、ビア２２ｂの底部を除く側面部及び配線溝２２ａの内面にはそれらの全体にわたって略同一膜厚（例えば２ｎｍ程度）で形成されたＴａＣ膜２３が形成されている。また第２配線層２８ａも同様な構造になっている。
【００７１】
このようなＴａＣ膜２３は、第１有機ＳＯＧ層間膜２２上にＴａ膜２４を成膜することによってそれらの界面に容易に形成される。しかもＴａ膜２４が２ｎｍ程度以上の膜厚で成膜される場合はＴａＣ膜２３の膜厚はＴａ膜２４の膜厚に依存しなくなる。さらには未反応のＴａ膜２４をＴａＣ膜２３に対して選択的に除去することができる。このようにして、ＴａＣ膜２３は、配線溝２２ａ内面及びビア２２ｂの側面部の全体にわたってＣｕの拡散を防止できる必要最低限の略同一な膜厚で形成される。
【００７２】
従って、スパッタ法で形成されたバリア膜をそのまま使用する場合と違って、配線溝に形成される配線層のうち抵抗が高いバリア膜の占める割合が必要以上に高くなって配線層の抵抗が上昇してしまうといった問題が解決される。
【００７３】
（付記１）　半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜の上に、金属膜を形成することにより、前記有機層間絶縁膜と前記金属膜との界面に金属拡散防止用の炭化金属膜を得る工程と、
前記金属膜を前記炭化金属膜に対して選択的に除去することにより、前記有機層間絶縁膜の上に前記炭化金属膜を残す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００７４】
（付記２）　前記有機層間絶縁膜には、配線溝と該配線溝の底部の所定部に連通して形成されたビアとが設けられており、前記金属膜は、前記配線溝及びビアの内面を含む前記有機層間絶縁膜上に形成されることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００７５】
（付記３）　前記炭化金属膜を残す工程の後に、
前記ビア及び前記配線溝を埋め込む配線用金属膜を形成する工程と、
前記配線用金属膜と前記炭化金属膜とを研磨することにより、前記ビア及び前記配線溝の中に埋め込まれた金属配線層を形成する工程とをさらに有することを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
【００７６】
（付記４）　前記炭化金属膜は、前記ビアの側面部と前記配線溝の底部に略同一の膜厚で残されることを特徴とする付記３に記載の半導体装置の製造方法。
【００７７】
（付記５）　前記有機層間絶縁膜は有機ＳＯＧ膜であって、前記金属膜はタンタル（Ｔａ）膜であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【００７８】
（付記６）　前記タンタル（Ｔａ）膜の膜厚は２ｎｍ程度以上であることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【００７９】
（付記７）　前記炭化金属膜を残す工程において、フッ酸又はフッ酸を含む薬液で前記金属膜を前記前記炭化金属膜に対して選択的に除去することを特徴とする付記１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【００８０】
（付記８）　前記有機ＳＯＧ膜の比誘電率は２．４程度以下であることを特徴とする付記５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
【００８１】
（付記９）　半導体基板の上方に形成された有機層間絶縁膜と、
前記有機層間絶縁膜に形成された配線溝と該配線溝の底部の所定部に連通して形成されたビアと、
前記ビアの底部を除くビアの側面部及び前記配線溝の内面に形成され、かつ前記ビアの側面部と前記配線溝の底部とにおいて略同一の膜厚で形成された炭化金属膜と、
前記配線溝及び前記ビアに中に埋め込まれて形成された金属配線層とを有することを特徴とする半導体装置。
【００８２】
（付記１０）　前記有機層間絶縁膜は有機ＳＯＧ膜であって、前記炭化金属膜は炭化タンタル膜であることを特徴とする付記９に記載の半導体装置。
【００８３】
（付記１１）　前記炭化タンタル膜の膜厚は、０．８乃至２ｎｍであることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置。
【００８４】
（付記１２）　前記有機ＳＯＧ膜の比誘電率は２．４程度以下であることを特徴とする付記１０又は１１に記載の半導体装置。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有機層間絶縁膜上に金属膜を形成することにより金属膜の金属と有機層間絶縁膜中のカーボン（Ｃ）とがそれらの界面近傍で反応して炭化金属膜が得られる。この炭化金属膜の膜厚は、金属膜が所定膜厚以上になるとその膜厚に殆ど依存しなくなる。しかも金属膜を炭化金属膜に対して選択的に除去することができるため、デュアルダマシン法における配線溝の底部及びビアの側面に略同一の膜厚の炭化金属膜がバリア膜として残される。
【００８６】
従って、配線溝の底部には不必要な膜厚でバリア用の金属膜が形成されなくなるので、バリア膜と配線用金属膜からなる配線層において抵抗が高いバリア膜の占める割合を少なくすることができる。これにより、十分な金属拡散防止機能をもたせた状態で配線層の抵抗を従来技術より低くすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来技術に係るデュアルダマシン方式により多層配線を形成する工程の一部を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図３】図３は本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図５】図５は本発明の実施形態に係るバリア膜の形成方法を示す断面図（その１）である。
【図６】図６は本発明の実施形態に係るバリア膜の形成方法を示す断面図（その２）である。
【図７】図７は実験サンプルの形成方法を示す断面図である。
【図８】図８は有機ＳＯＧ膜上にＴａ膜を成膜した後にＴａ膜の表面をＸＰＳにより分析した結果を示すものである。
【符号の説明】
１…半導体装置、１０、４０…シリコン基板、１０ａ…ゲート絶縁膜、１１…素子分離絶縁膜、１２ａ…ｐウェル、１２ｂ…ｎウェル、１３ａ，１３ｄ…ゲート配線、１３ｂ，１３ｃ…ゲート電極、１５ａ…第１ｎ型不純物拡散領域、１５ｂ…第２ｎ型不純物拡散領域、１５ｃ…第１ｐ型不純物拡散領域、１５ｄ…第２ｐ型不純物拡散領域、１６…側壁絶縁膜、１９…下側層間絶縁膜、１９ａ〜１９ｃ…コンタクトホール、２１ａ〜２１ｄ，３４…金属プラグ、２２…第１有機ＳＯＧ層間膜、２２ｘ…第２有機ＳＯＧ層間膜、２２ａ，２２ｃ…配線溝、２２ｂ，２２ｄ，３２ｘ…ビア、２３，２３ａ…炭化タンタル（ＴａＣ）膜、２４…シードＣｕ層、２６…Ｃｕ膜、２８…第１配線層、２８ａ…第２配線層、３０，３２ａ…ＳｉＮ膜、３２…上側層間絶縁膜、３２ｂ…ＳｉＯ２膜、３６…Ａｌパッド、３８…保護膜。
【図１】
2004079802.tif 000003
【図２】
2004079802.tif 000004
【図３】
2004079802.tif 000005
【図４】
2004079802.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004079802.tif 000008
【図７】
2004079802.tif 000009
【図８】
2004079802.tif 000010