(57)【要約】【課題】銅或いは銅合金からなる配線のキャップ膜として、配線が応力腐食割れを引き起こすことがない半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】銅或いは銅合金からなる配線１１の上面が絶縁膜によって覆われた配線構造を有する半導体装置において、配線１１と絶縁膜の間に、配線１１の上面を覆うバリア膜１２を介して銅拡散防止用のキャップ膜１３を形成した。ＳｉＣ膜からなるバリア膜１２は、ＳｉＣＮ膜からなるキャップ膜１３を成膜する成膜用ガスに銅配線１１が曝されるのを防止する曝露防止膜である。【選択図】　　　図１
2004079761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅或いは銅合金からなる配線の上面が絶縁膜によって覆われた配線構造を有する半導体装置において、
前記配線と前記絶縁膜の間に、前記配線の上面を覆うバリア膜を介して銅拡散防止用のキャップ膜を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バリア膜は、前記キャップ膜を成膜する成膜用ガスに前記配線が曝されるのを防止する曝露防止膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記キャップ膜は、ＳｉＣＮ膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ＳｉＣＮ膜は、トリメチルシランガスとＮＨ３　ガスとＨｅガスを用いて成膜された膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記バリア膜は、ＮＨ３　ガスを用いないで成膜された膜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】
前記バリア膜は、ＳｉＣ膜であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記配線が層間絶縁膜を介して複数層形成された多層配線構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
銅或いは銅合金からなる配線の上面が絶縁膜によって覆われた配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記配線と前記絶縁膜の間に、前記配線の上面を覆うバリア膜を介して銅拡散防止用のキャップ膜を成膜する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９】
前記配線を形成した後、ＮＨ３　ガスを用いないで前記バリア膜を成膜する工程を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記バリア膜は、ＳｉＣ膜であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記バリア膜を成膜した後、トリメチルシランガスとＮＨ３　ガスとＨｅガスを用いて前記キャップ膜を成膜する工程を有することを特徴とする請求項８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】
前記キャップ膜の成膜は、トリメチルシランガスとＨｅガスを用いて前記バリア膜を成膜した後に、連続してＮＨ３　ガスを導入し行われることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記キャップ膜は、ＳｉＣＮ膜であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記配線を形成した後、前記バリア膜と前記キャップ膜を形成し、更に、層間絶縁膜を形成する一連の工程を複数回行って、前記配線が複数層からなる多層配線構造を形成することを特徴とする請求項８から１３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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、銅（Ｃｕ）配線が複数層設けられた多層配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、銅配線が設けられた半導体装置において、銅配線から層間絶縁膜である酸化膜へＣｕが拡散するのを防止する拡散防止膜が知られている。
【０００３】
このような拡散防止膜として銅配線の上面に設けられるキャップ膜は、プラズマ窒化膜（ＳｉＮ）により形成されていたが、ＳｉＮは誘電率が高いため配線遅延増大の要因になる。そこで、膜質を、ＳｉＮから低誘電率のシリコンと炭素の化合物（ＳｉＣ）或いはシリコンと炭素と窒素の化合物（ＳｉＣＮ）に変えて、配線遅延の問題に対処していた。
【０００４】
図３は、デュアルダマシン法にて、銅配線を形成する際の一工程断面模式図である。図３に示すように、銅配線１は、層間絶縁膜２に埋設状態に配置されており、その上面は、Ｃｕ拡散防止用のキャップ膜３を介して、層間絶縁膜４に覆われている。この層間絶縁膜４の上面は、エッチングストッパ膜５を介して層間絶縁膜６に覆われている。
【０００５】
銅配線１の上面から、キャップ膜３、層間絶縁膜４、エッチングストッパ膜５を貫通し、層間絶縁膜６に開口するビアホールには、レジスト７が埋め込まれ、層間絶縁膜６の上面には、トレンチ８を形成するためのレジストマスク９が形成されている。例えば、特開２００１−２８４３５５には、このようなキャップ膜として、ＳｉＣ膜を採用する例が開示されている。
【０００６】
ところで、Ｃｕ拡散防止用キャップ膜３やエッチングストッパ膜５としてＳｉＣ膜を用いた場合、レジストマスク９が正確な開口形状を得ることができない、ポイズンドフォトレジストを生じさせてしまい、配線を多層化して行く上で不具合をもたらすことになる。つまり、ポイズンドフォトレジストが生じると正確な露光ができなくなり、ビアの歩留まりが低下してしまう。
【０００７】
このポイズンドフォトレジストが生じるのは、キャップ膜３及びエッチングストッパ膜５の成分であるＳｉＣから離脱したガスが、ビアホールを通って層間絶縁膜６の上面に出てきて、レジストマスク９に悪影響を及ぼすからである。この脱ガスの影響を受けて、本来垂直に切れることが望ましいレジストマスク９の端部の肩がだれて傾斜してしまう（図３参照）。
【０００８】
また、ＳｉＣ膜は、十分な膜質強度が得られないためピンホールが発生し易く、層間絶縁膜４へのＣｕの拡散を確実に防止することができなかった。
【０００９】
一方、銅配線のカバー膜としてＳｉＣＮを用いたものが、特開２００２−８３８６９号公報或いは特開２００２−８３８７０号公報に開示されている。
【００１０】
銅配線１のキャップ膜３としてＳｉＣＮ膜を用いたことにより、十分な膜質強度が得られて膜質が安定しピンホールが発生し難くなり、その上、脱ガスによるポイズンドフォトレジストが発生しない、という利点がある。
【００１１】
図４は、従来の銅配線に設けたキャップ膜の形成方法を概略的に示す断面図である。図４に示すように、層間絶縁膜２に埋設状態に配置された銅配線１の上面をＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化し（（ａ）参照）、その後、ＳｉＣＮ膜の成膜ガスであるトリメチルシランガスとＮＨ３　ガス（アンモニアガス）とＨｅガスをＣＶＤ装置に導入してガス・圧力を安定させた後に、高周波（ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）を導入し、銅配線１の上面にＣｕ拡散防止用のキャップ膜３としてＳｉＣＮ膜を形成する（（ｂ）参照）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＣＮ膜を成膜する場合、シリコン（Ｓｉ）とカーボン（Ｃ）と窒素（Ｎ）で化合物を作ることから、Ｎの原料ガスとしてＮＨ３　ガスを使用することが避けられず、このＮＨ３　ガスが銅配線に対して悪影響を与えてしまう。
【００１３】
つまり、ＳｉＣＮ膜の成膜時、ＲＦを導入する前のガス・圧力を安定させる際に銅配線がＮＨ３　ガスに曝されてしまい、引っ張り応力と腐食の相互作用により金属に割れが発生する「応力腐食割れ（ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｃｒａｃｋｉｎｇ）」を引き起こすことになる。「応力腐食割れ」は、銅或いは銅合金とアンモニア系のガス或いはアミン系の有機物との組み合わせによって起こることが知られている。
【００１４】
この「応力腐食割れ」による銅配線の割れの部分が大きくなると、穴となって配線の抵抗値のばらつきをもたらす。特に、銅配線とビアの接続部分に生じた割れが大きくなると、断線の原因となる。
【００１５】
この発明の目的は、銅或いは銅合金からなる配線のキャップ膜として、配線が応力腐食割れを引き起こすことがない半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る半導体装置は、銅或いは銅合金からなる配線の上面が絶縁膜によって覆われた配線構造を有する半導体装置において、前記配線と前記絶縁膜の間に、前記配線の上面を覆うバリア膜を介して銅拡散防止用のキャップ膜を形成したことを特徴としている。
【００１７】
上記構成を有することにより、銅或いは銅合金からなる配線と、この配線の上面を覆う絶縁膜との間には、配線の上面を覆うバリア膜を介して銅拡散防止用のキャップ膜が形成され、配線とキャップ膜が直接接触することがない。これにより、銅或いは銅合金からなる配線のキャップ膜としてＳｉＣＮ膜を用いても、ＳｉＣＮ膜の原料ガスであるＮＨ３　ガスが配線にふれることがないので、配線が応力腐食割れを引き起こすことがない。
【００１８】
また、この発明に係る半導体装置の製造方法により、上記半導体装置を実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、この発明の一実施の形態に係る銅配線が設けられた半導体装置の一部を示す断面図である。図１に示すように、半導体装置１０は、銅（Ｃｕ）或いは銅合金からなる配線（以下、銅配線と略称する）が複数層設けられた多層配線構造を有している。
【００２１】
銅配線１１の上面には、バリア膜１２が形成され、バリア膜１２の上面には、Ｃｕ拡散防止用のキャップ膜１３が形成されている。即ち、銅配線１１の上面は、バリア膜１２とキャップ膜１３の２つの膜により覆われている。銅配線１１の下面及び側面には、例えばＴａ或いはＴａＮ等からなるバリア膜１４が形成されており、銅配線１１は、バリア膜１４を介して層間絶縁膜１５に埋設状態に配置されている。層間絶縁膜１５は、エッチングストッパ膜１６を介して、層間絶縁膜１７の上面に形成されている。
【００２２】
キャップ膜１３の上面には、層間絶縁膜１８が形成されており、層間絶縁膜１８の上面には、エッチングストッパ膜１９を介して、層間絶縁膜２０が形成されている。この層間絶縁膜２０には、銅配線１１の上層配線である銅配線２１が埋設状態に配置されている。銅配線２１は、層間絶縁膜１８を貫通するビアホール２２を介して銅配線１１に接続されている。
【００２３】
Ｃｕ拡散防止用のキャップ膜１３は、トリメチルシランガスとＨｅガスとＮＨ３　ガス（アンモニアガス）によりＳｉＣＮ膜を成膜して形成され、バリア膜１２は、トリメチルシランガスとＨｅガスによりＳｉＣ膜を成膜して形成されている。即ち、銅配線１１の表面には、ＳｉＣ膜を介してＳｉＣＮ膜が設けられている。
【００２４】
ＮＨ３　ガスを使用しないで成膜されたＳｉＣ膜に、ＮＨ３　ガスを使用して成膜されたＳｉＣＮ膜が積層されている状態は、光学的方法で行う膜厚測定によりＳｉＣ膜とＳｉＣＮ膜が分離して表れることから確認することができる。
【００２５】
図２は、図１の銅配線に設けたキャップ膜の形成方法を概略的に示す断面図である。図２に示すように、先ず、層間絶縁膜１４中の銅配線１１の上面をＣＭＰにより平坦化する（（ａ）参照）。
【００２６】
次に、枚葉式の成膜装置において、ＳｉＣ膜の成膜ガスであるトリメチルシランガスとＨｅガスを導入してガス・圧力を安定させた後に、ＲＦを導入し、銅配線１１の上面にバリア膜１２としてのＳｉＣ膜を形成する（（ｂ）参照）。
【００２７】
そして、ＳｉＣ膜を形成した後、そのままＲＦを切らずに連続してＮＨ３　ガスを導入し、ＳｉＣ膜の上面にキャップ膜１３としてのＳｉＣＮ膜を形成する（（ｃ）参照）。
【００２８】
つまり、銅配線１１に対して悪影響を与えるＮＨ３　ガスを含まないＳｉＣ膜からなるバリア膜１２を、銅配線１１の上に成膜した後に、そのバリア膜１２の上にＣｕ拡散防止用のキャップ膜１３を成膜する。
【００２９】
従って、ＳｉＣＮ膜からなるキャップ膜１３を形成するために必要とする、銅配線１１に対して悪影響を与えるＮＨ３　ガスに、銅配線１１が曝されてしまうことがない。このバリア膜１２は、キャップ膜１３を成膜する成膜用ガスに銅配線１１が曝されるのを防止する曝露防止膜として機能する。
【００３０】
また、上述したキャップ膜の形成工程において、銅配線１１の上面にバリア膜１２としてのＳｉＣ膜を形成した（（ｂ）参照）後、一旦、ＳｉＣ膜の成膜ガスであるトリメチルシランガスとＨｅガスをＣＶＤ装置から排気し、排気後、新たにＳｉＣＮ膜の成膜ガスであるトリメチルシランガスとＮＨ３　ガスとＨｅガスを導入して、ＳｉＣ膜の上面にＳｉＣＮ膜の成膜を行ってもよい。
【００３１】
成膜プロセスを上述の排気を行わず連続して行う場合、成膜コンディションを余り変化させないで成膜することができ、その上、ＳｉＣＮ膜を連続して積層することができるので量産化に適している。
【００３２】
そして、銅配線１１の上に、バリア膜１２及びキャップ膜１３を成膜した後、層間絶縁膜１８（図１参照）を形成し、その後、銅配線、バリア膜及びキャップ膜、層間絶縁膜を順番に形成する一連の工程を複数回行って、銅配線が複数層からなる多層配線構造を有する半導体装置１０を形成する。尚、特開２００２−８３８７０には、キャップ膜としてのＳｉＣＮをＳｉＨ４　、Ｃ２　Ｈ４　、Ｎ２　を前駆体として形成する例が開示されているが、低誘電率かつ銅拡散防止効果の高い適度なＮ含有量のＳｉＣＮ膜形成のためには、ＮＨ３　を原料ガスとして使用することが必要である。
【００３３】
このように、この発明によれば、銅配線１１の表面に、Ｃｕ拡散防止用のＳｉＣＮ膜からなるキャップ膜１３を形成する前に、成膜ガスにＮＨ３　ガスを含まないＳｉＣ膜を形成して、銅配線１１とキャップ膜１３との間にＳｉＣ膜からなるバリア膜１２を設けている。この銅配線１１の上面を覆うバリア膜１２により、銅配線１１と銅拡散防止用のキャップ膜１３が直接接触することがない。
【００３４】
従って、キャップ膜１３の成膜時、銅配線１１がＮＨ３　ガスに曝されないので、銅配線１１が応力腐食割れを起こすのを防止することができ、銅配線１１と銅配線１１に接続されたＣｕビアの信頼性を向上させることができる。ここで、バリア膜としてのＳｉＣ膜の膜厚は、キャップ膜の成膜ガスとしてのＮＨ３　ガスが銅配線１１表面に接触することを防止できれば十分である。従って、ポイズンドフォトレジストの原因となる離脱ガス量が問題とならない程度にうすく形成するのが好ましい。
【００３５】
つまり、キャップ膜として低誘電率の膜を得ることができ、また、ビア形成時にポイズンドフォトレジストが発生するのを防止し、更に、銅配線の表面にＳｉＣＮ膜からなるキャップ膜を形成しても、銅配線が成膜ガスに含まれるＮＨ３　ガスに曝されてしまうのを防止することができる。
【００３６】
上述した配線構造は、配線とビアを一緒に作ってしまうデュアルダマシン、或いは配線とビアを別々に作るシングルダマシンの何れにおいても形成することができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態において、キャップ膜の成膜ガスとして、トリメチルシランガス、Ｈｅガス、ＮＨ３　ガスを用いたが、これに限るものではなく、Ｈｅガスの代わりに、Ａｒガス又はＮ２　ガスを用いても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、銅或いは銅合金からなる配線と、この配線の上面を覆う絶縁膜との間には、配線の上面を覆うバリア膜を介して銅拡散防止用のキャップ膜が形成され、配線とキャップ膜が直接接触することがないので、銅或いは銅合金からなる配線のキャップ膜としてＳｉＣＮ膜を用いても、ＳｉＣＮ膜の原料ガスであるＮＨ３　ガスが配線にふれることがないので、配線が応力腐食割れを引き起こすことがない。
【００３９】
また、この発明に係る半導体装置の製造方法により、上記半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る銅配線が設けられた半導体装置の一部を示す断面図である。
【図２】図１の銅配線に設けたキャップ膜の形成方法を概略的に示す断面図である。
【図３】デュアルダマシン法にて、銅配線を形成する際の一工程断面模式図である。
【図４】従来の銅配線に設けたキャップ膜の形成方法を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０　半導体装置
１１，２１　銅配線
１２，１４　バリア膜
１３　キャップ膜
１５，１７，１８，２０　層間絶縁膜
１６，１９　エッチングストッパ膜
２２　ビアホール
【図１】
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【図２】
2004079761.tif 000004
【図３】
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【図４】
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