(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上部に形成され、銅の含有量が３０％以上の銅含有金属により構成された金属配線と、
銅の含有量が３０％以上の銅含有金属により構成され、前記金属配線に直接接続して設けられた接続プラグと、
前記接続プラグの側面と、前記金属配線の底面及び側面に形成されているバリアメタル膜と、
を備え、
前記金属配線および前記接続プラグは、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素である異種金属元素を含み、
前記金属配線と前記接続プラグとの接続部分における前記異種金属元素の濃度は、前記金属配線の中心部における前記異種金属元素の濃度よりも高く、
前記接続部分を除く前記金属配線上面部における前記異種金属元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記接続部分に含まれる異種金属元素は、前記接続部分中に熱拡散してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記接続部分における前記異種金属元素の濃度は、０．０１原子％以上１０原子％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置において、
前記接続部分における前記異種金属元素の濃度は、前記接続プラグの中心部における前記異種金属元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置において、
前記金属配線の側面および底面のうち、少なくとも一方の近傍に、前記金属配線の中心部よりも高濃度の前記異種金属元素を含む異種金属高濃度領域を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記金属配線の側面全体または底面全体にわたって前記異種金属高濃度領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の半導体装置において、
前記異種金属高濃度領域に含まれる異種金属元素は、前記金属配線中に熱拡散してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項５乃至７いずれかに記載の半導体装置において、
前記異種金属高濃度領域における前記異種金属元素の濃度は、０．０１原子％以上１０原子％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項５乃至８いずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体基板の上部に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜と前記金属配線との間に設けられたバリアメタル膜と、
をさらに備え、
前記異種金属高濃度領域は、前記バリアメタル膜内面の全面にわたって設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
基板上に第一の絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の絶縁膜中に、第一の配線溝を形成する工程と、
前記配線溝内部に、銅の含有量が３０％以上の金属で構成されている第一の銅含有金属膜を形成する工程と、
前記第一の銅含有金属膜上に、第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の絶縁膜中に、前記絶縁膜の上面から前記第一の銅含有金属膜の上面に達する接続孔、および前記接続孔の上部に位置する、第二の配線溝を形成する工程と、
前記接続孔において、底部を除く前記接続孔の内面全体、および前記第二の配線溝の側面および底面にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記第二の配線溝内部に、前記第一の銅含有金属膜の上面に接するように、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素である異種金属元素と、銅元素とを含む中間シード金属膜を形成する工程と、
前記接続孔および前記第二の配線溝内部に、前記中間シード金属膜の上面に接するように、銅の含有量が３０％以上の金属で構成されている第二の銅含有金属膜を形成する工程と、
前記第一の銅含有金属膜と前記中間シード金属膜とを熱処理することにより、前記中間シード膜に含まれる前記異種金属元素が熱拡散する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第一の銅含有金属膜を形成する工程は、
前記配線溝内部に、銅元素と異種金属元素とを含む下層シード金属膜を形成する工程と、
前記配線溝内部に、前記下層シード金属膜の上面に接するように、第一の銅含有金属膜を形成する工程と、を含み、
前記第一の銅含有金属膜と前記下層シード金属膜とを熱処理する工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記下層シード金属膜を形成する工程は、前記異種金属元素としてＳｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素を含む前記下層シード金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする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、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高速化に対する要請から、配線材料として銅等の低抵抗材料が利用されるようになってきた。
【０００３】
ダマシンプロセスには、配線のみをダマシンプロセスで形成するシングルダマシン法と、配線溝の埋め込みとともに接続孔の埋め込みも行い、接続プラグと配線とを形成するデュアルダマシン法とがある。
【０００４】
図１８は、デュアルダマシン法により接続プラグと配線を形成する方法を示す工程図である。図１８（ａ）は、第一の銅含有金属配線２２０ａを形成した段階の工程断面図である。まず図１８（ａ）の状態に至るまでの工程について説明する。はじめに、トランジスタ等の素子を形成した半導体基板２１０上に第一のシリコン窒化膜２１２および第一のシリコン酸化膜２１４を成膜した後、ドライエッチングにより配線溝を形成し、その内部を埋め込むように、バリアメタル膜２１６ａおよび銅含有金属膜２１８ａをこの順で形成する。その後、ＣＭＰによる平坦化を行い、第一の銅含有金属配線２２０ａを形成する。次に、第二のシリコン窒化膜２２２および第二のシリコン酸化膜２２４を成膜する。こうして、図１８（ａ）の状態となる。
【０００５】
次に、図１８（ｂ）に示すように、第二のシリコン酸化膜２２４において、接続プラグ用の接続孔２２６および配線溝２２８をリソグラフィ法およびエッチングにより形成する。続いて、エッチングガスを変えて第二のシリコン窒化膜２２２のエッチングを行う。その後、図１８（ｃ）に示すように、接続孔２２６および配線溝２２８を含む第二のシリコン酸化膜２２４上全体にバリアメタル膜２３０を形成する。
【０００６】
次に、図１８（ｄ）に示すように、バリアメタル膜２３０上に銅含有金属膜２３２を形成し、接続孔２２６および配線溝２２８を埋め込む。次に、図１８（ｅ）に示すように、ＣＭＰによる平坦化を行い、配線溝２２８以外の部分における銅含有金属膜２３２およびバリアメタル膜２３０を除去し、それにより、接続プラグ２３４および第二の銅含有金属配線２２０ｂを形成する。
【０００７】
上述した一連の工程を繰り返すことにより、多層配線構造を含む半導体装置が形成される。
【０００８】
しかし、従来のデュアルダマシン法により得られる半導体装置においては、接続プラグと下層の配線との間にバリアメタル膜が設けられるため、接続プラグと下層配線との間の導電性の面でさらなる改善の余地があった。
【０００９】
そこで、接続プラグと下層の配線との間にバリアメタル膜を設けることなく、デュアルダマシン法により半導体装置を製造する技術が開示されている（特許文献１）。この技術では、このような構造により、接続プラグと下層の配線との間での抵抗の低減を図っている。
【００１０】
また、接続プラグと下層の配線との間にバリアメタル膜を設けることなく、デュアルダマシン法により半導体装置を製造する技術であって、接続孔の底部に設けたバリアメタル膜を除去しながら接続孔の側壁および上層の配線にバリアメタル膜を形成する技術も開示されている（特許文献２）。この技術では、このような製造方法により、エレクトロマイグレーションの低減を図っている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２８４６０３号公報
【特許文献２】特開２００１−２８４４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、以上のように従来のデュアルダマシン法で配線および接続プラグを銅により構成した場合、半導体装置の製造の際の歩留が充分ではないという課題があった。
【００１３】
また、半導体装置を安定的に長期間利用するためには、信頼性の面でなお改善の余地を有しており、半導体装置の素子の信頼性を高めるため、さらなる改良が望まれていた。このような課題が生じる推定原因の一つとして、後述するように、金属配線と接続プラグとの接続部分において、銅や銅含有金属がマイグレーションを起こして空洞を形成しやすいということが挙げられる。
【００１４】
ここで、特許文献１に開示される技術では、接続プラグと下層の配線との間での抵抗の低減は図られているが、半導体装置の製造の際の歩留の面ではさらなる改善の余地があった。
【００１５】
また、特許文献２に開示される技術では、エレクトロマイグレーションの抑制が図られているが、半導体装置の製造の際の歩留の面ではさらなる改善の余地があった。
【００１６】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、銅含有金属配線を含む半導体装置におけるストレスマイグレーションを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、デュアルダマシン法により形成した銅含有金属配線を含む半導体装置の製造の際の歩留が低い原因を検討した結果、図１４に示すように、接続プラグとその下層の銅含有金属配線との間に空洞が生じることを見出した。
【００１８】
空洞の生じ方には以下の二通りが考えられる。第１に、図中左側に示すように、特に半導体装置の製造工程における加熱または冷却の際に、上層の第二の銅含有金属配線２２０ｂから接続プラグ２３４部分の銅の吸い上げがおこり、第二のシリコン窒化膜２２２および第二のシリコン酸化膜２２４部分に空洞が生じる場合がある。
【００１９】
第２に、図中右側に示すように、特に半導体装置の製造工程における加熱または冷却の際に、下層の第一の銅含有金属配線においても、下層の第一の銅含有金属配線の収縮により接続プラグ２３４下方周辺に空洞が生じる。下層の第一の銅含有金属配線２２０ａにおける空洞化は、特に幅が１〜１２μｍ程度の太い配線においておこりやすい。
【００２０】
また、このような空洞化現象は、半導体装置の実用化温度（例えばボンディング工程、フォトレジストのベーキング工程等）である約１５０℃前後で顕著に生じるということも判明した。このような空洞が生じるために、接続プラグと配線との接続不良が生じ、半導体装置の歩留が低下したり、長期間の使用により半導体装置が不安定になるという課題が生じると考えられる。
【００２１】
図１５は、このような空洞が生じる原因の一つと考えられる原理を説明する図である。この図は、銅フィルムを加熱したときに銅に加えられる応力を示す。図中横軸は温度を、縦軸は応力を示す。図示したように、銅フィルムを常温から加熱していくと、銅フィルムにかかる応力が、約１５０℃で引張りモードから圧縮モードに変化する。
【００２２】
本発明者は、このような応力モードの変化が契機となって、接続プラグおよび配線中の銅含有金属にストレスマイグレーションが生じるのが空洞化の原因ではないかと推察した。特に、接続プラグと配線との界面においてこのようなストレスマイグレーションが促進され、空洞化が起こると考えられる。
【００２３】
そこで、本発明者は上記推察のもと、接続プラグと下層の配線との接続部分におけるストレスマイグレーションを抑制し、銅含有金属配線を含む半導体装置における優れた製造安定性または使用時の信頼性を実現するために、以下のような本発明を導き出した。
【００２４】
本発明によれば、基板と、基板の上部に形成され、銅の含有量が３０％以上の銅含有金属により構成された金属配線と、銅の含有量が３０％以上の銅含有金属により構成され、金属配線に直接接続して設けられた接続プラグと、接続プラグの側面と、金属配線の底面及び側面に形成されているバリアメタル膜と、を備え、金属配線および接続プラグは、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素である異種金属元素を含み、金属配線と接続プラグとの接続部分における異種金属元素の濃度は、金属配線の中心部における異種金属元素の濃度よりも高く、接続部分を除く金属配線上面部における異種金属元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００２５】
本発明によれば、金属配線と接続プラグとの接続部分において、異種金属元素が高濃度で存在する構成を採用している。前述のように、ストレスマイグレーションは、金属配線と接続プラグとの接続部分で顕著に発生する。本発明によれば、この接続部分に異種金属元素が高濃度で導入されているため、ストレスマイグレーション耐性が顕著に改善される。その結果、本発明によれば、銅含有金属配線を含む半導体装置における優れた製造安定性または使用時の信頼性を実現できる。
【００２６】
また、本発明によれば、上記半導体装置において、金属配線の側面および底面のうち、少なくとも一方の近傍に、金属配線の中心部よりも高濃度の異種金属元素を含む異種金属高濃度領域を備える半導体装置が提供される。
【００２７】
本発明によれば、金属配線の底面または側面の近傍に、異種金属元素が高濃度で存在する構成を採用している。前述のように、ストレスマイグレーションは、金属配線と接続プラグとの接続部分で顕著に発生する。本発明によれば、金属配線の底面または側面の近傍に異種金属元素が高濃度で導入されていることにより、金属配線を全体として固定する作用があり、垂直方向への銅の吸い上げおよび水平方向への金属配線の収縮をともに抑制するため、ストレスマイグレーション耐性が顕著に改善される。
【００２８】
また、本発明によれば、上記半導体装置において、異種金属元素は、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素である半導体装置が提供される。
【００２９】
本発明によれば、異種金属元素が、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素であるため、他の元素を用いる場合に比べて、異種金属元素の濃度が高い領域におけるストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【００３０】
また、本発明によれば、基板上に第一の絶縁膜を形成する工程と、第一の絶縁膜中に、第一の配線溝を形成する工程と、配線溝内部に、銅の含有量が３０％以上の金属で構成されている第一の銅含有金属膜を形成する工程と、第一の銅含有金属膜上に、第二の絶縁膜を形成する工程と、第二の絶縁膜中に、絶縁膜の上面から第一の銅含有金属膜の上面に達する接続孔、および接続孔の上部に位置する、第二の配線溝を形成する工程と、接続孔において、底部を除く接続孔の内面全体、および第二の配線溝の側面および底面にバリアメタル膜を形成する工程と、接続孔および第二の配線溝内部に、第一の銅含有金属膜の上面に接するように、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素である異種金属元素と、銅元素とを含む中間シード金属膜を形成する工程と、接続孔および第二の配線溝内部に、中間シード金属膜の上面に接するように、銅の含有量が３０％以上の金属で構成されている第二の銅含有金属膜を形成する工程と、第一の銅含有金属膜と中間シード金属膜とを熱処理することにより、中間シード膜に含まれる異種金属元素が熱拡散する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００３１】
本発明によれば、第一の銅含有金属膜の上面に接するように、銅元素と異種金属元素とを含む中間シード金属膜を形成し、さらにこれらを熱処理して異種金属元素を第一の銅含有金属膜中に熱拡散させるため、金属配線と接続プラグとの接続部分においてストレスマイグレーションが抑制される。
【００３２】
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
【００３３】
例えば、本発明の半導体装置は、デュアルダマシン配線構造を備える半導体装置に限られるものではなく、シングルダマシン配線構造を備える半導体装置であってもよい。また、本発明の半導体装置は、二層配線構造を備える半導体装置に限られず、三層以上の配線構造を備える半導体装置であってもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、金属配線のうち特定の領域における異種金属の濃度が高い構成となるため、銅含有金属配線を含む半導体装置における優れた製造安定性または使用時の信頼性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本明細書における異種金属元素とは、銅以外の金属元素を意味し、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｂｅ、Ｐｔ、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｎなどから選ばれる１種以上の元素を意味する。なお、異種金属元素には、Ｓｉは含まれないものとする。これらの異種金属元素は、銅含有金属膜の導電性を大きく低下させず、ストレスマイグレーションを抑制できる。これらの中でも、Ｓｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素を用いると、抵抗の上昇の抑制とストレスマイグレーションの抑制とのバランスが良好になる。
【００３６】
本明細書における「合金」とは、２種以上の金属元素を融解・凝固させたものを意味し、金属元素のほかに非金属または半金属元素を含むものも合金とよぶものとする。また、合金の組織状態としては成分元素の混ざり方から固溶体や金属間化合物をつくる場合とそれらの混合物をなす場合がある。すなわち、本明細書では、固溶限以上の成分を添加したものも「合金」と称するものとする。
【００３７】
本明細書における配線の中心部とは、配線の断面の中心の近傍を意味するものとする。すなわち、配線の上面部、底面部、側面部を除いた領域を意味する。
【００３８】
本明細書における銅含有金属とは、例えば銅の含有量が３０％以上の金属とできる。また、銅含有金属は、金、銀、白金等を含むことができる。銅含有金属は、クロム、モリブデン等を含んだものであってもよい。
【００３９】
本発明により提供される半導体装置において、上記接続部分に含まれる異種金属元素は、接続部分中に熱拡散してなるものであってもよい。
【００４０】
熱拡散により異種金属元素を金属配線中に分布させる構成によれば、接続部分における異種金属元素の濃度を容易に調整できるので、銅含有金属配線を含む半導体装置における抵抗の上昇の抑制とストレスマイグレーションの抑制とのバランスを良好にできる。
【００４１】
上記接続部分における異種金属元素の濃度は、０．０１原子％以上１０原子％以下であってもよい。
【００４２】
この構成によれば、接続部分における良好な導電性を確保しつつストレスマイグレーションを抑制できる。
【００４３】
上記接続部分における異種金属元素の濃度は、接続プラグの中心部における異種金属元素の濃度よりも高くてもよい。
【００４４】
この構成によれば、接続プラグの中心部における良好な導電性を確保しつつ接続部分におけるストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。
【００４５】
上記半導体装置において、金属配線の側面全体または底面全体にわたって異種金属高濃度領域が設けられていてもよい。
【００４６】
この構成によれば、金属配線を側面全体または底面全体から固定化して金属配線の収縮等を防ぐことによりストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。
【００４７】
上記金属配線の側面全体または底面全体に含まれる異種金属元素は、接続部分中に熱拡散してなるものであってもよい。
【００４８】
熱拡散により異種金属元素を金属配線中に分布させる構成によれば、金属配線の側面全体または底面全体における異種金属元素の濃度を容易に調整できるので、銅含有金属配線を含む半導体装置における抵抗の上昇の抑制とストレスマイグレーションの抑制とのバランスを良好にできる。
【００４９】
上記異種金属高濃度領域における異種金属元素の濃度は、０．０１原子％以上１０原子％以下であってもよい。
【００５０】
この構成によれば、上記異種金属高濃度領域における良好な導電性を確保しつつストレスマイグレーションを抑制できる。
【００５１】
上記半導体装置は、半導体基板の上部に設けられた絶縁膜と、絶縁膜と金属配線との間に設けられたバリアメタル膜と、をさらに備え、異種金属高濃度領域は、バリアメタル膜内面の全面にわたって設けられていてもよい。
【００５２】
この構成によれば、バリアメタル膜の存在により異種金属元素の絶縁膜への拡散が防止される。また、金属配線の中心部における良好な導電性を確保しつつ、金属配線のうちバリアメタル膜と近接する領域のストレスマイグレーションが抑制される。
【００５３】
上記半導体装置の製造方法において、第一の銅含有金属膜を形成する工程は、配線溝内部に、銅元素と異種金属元素とを含む下層シード金属膜を形成する工程と、配線溝内部に、下層シード金属膜の上面に接するように、第一の銅含有金属膜を形成する工程と、を含んでもよい。また、上記半導体装置の製造方法は、第一の銅含有金属膜と下層シード金属膜とを熱処理する工程をさらに備えてもよい。
【００５４】
この方法によれば、金属配線の底面または側面に近接する領域に異種金属高濃度領域を形成できるので、上記金属配線の底面または側面の近傍におけるストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。
【００５５】
また、上記中間シード金属膜を形成する工程は、異種金属元素としてＳｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素を含む中間シード金属膜を形成する工程を含んでもよい。
【００５６】
この方法によれば、中間シード金属膜から異種金属元素が熱拡散した領域におけるストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【００５７】
また、上記下層シード金属膜を形成する工程は、異種金属元素としてＳｎ、ＡｌおよびＴｉからなる群より選ばれる一種以上の元素を含む下層シード金属膜を形成する工程を含んでもよい。
【００５８】
この方法によれば、下層シード金属膜から異種金属元素が熱拡散した領域におけるストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【００５９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６０】
<第一の実施の形態>
図１は、銅含有金属配線を積層した半導体装置の一例を示す断面図である。シリコン基板１００上に、ゲート電極１０２、拡散層１０４等からなるＭＯＳトランジスタが形成されている。このＭＯＳトランジスタを埋め込むように絶縁膜１０６が形成されている。絶縁膜１０６中には、拡散層１０４と接続する銅接続プラグ１０８が設けられており、その上部に第一の銅配線２２ａ、接続プラグ２８および第二の銅配線２２ｂが順に形成されている。これらの銅配線を含む層の上部には、同様の構成からなる銅配線層が積層され、最上部にはパッシベーション膜１１４が設けられている。なお、第一の銅配線２２ａは、シリコン基板１００上に形成された素子等と電気的に接続されている。また、以下に説明する第一の銅配線２２ａ、接続プラグ２８、および第二の銅配線２２ｂは、図１に示した半導体装置のどの層に設けられたものであってもよい。
【００６１】
本実施形態におけるデュアルダマシン配線構造について以下に説明する。
【００６２】
図２は、半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の一部を示す断面図である。なお、図２は、図１の点線囲み部１１６の配線構造の拡大図に相当する。図２（ａ）はデュアルダマシン構造の場合を示し、図２（ｂ）はシングルダマシン構造の場合を示す。
【００６３】
図２（ａ）のデュアルダマシン構造においては、シリコン基板（不図示）上の絶縁膜１０６の上に、第一のＳｉＣＮ膜１２、ＳｉＯＣとＳｉＯ2がこの順で積層した第一の積層膜１４ａ、第二のＳｉＣＮ膜１６およびＳｉＯＣとＳｉＯ2がこの順で積層した第二の積層膜１４ｂが、この順で積層している。第一の積層膜１４ａ中には、第一の銅配線２２ａが形成されている。また、第二の積層膜１４ｂ中には、第二の銅配線２２ｂおよび接続プラグ２８が形成されている。
【００６４】
第一の銅配線２２ａは、それぞれタンタル系バリアメタル膜２４ａおよび銅含有金属膜により構成されている。この銅含有金属膜には、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ａ，９６ｂと、異種金属元素であるＡｌ濃度の低い異種金属低濃度領域９２と、が含まれている。
【００６５】
第二の積層膜１４ｂ中には、第一の銅配線２２ａの上面と接続する接続プラグ２８が形成されている。接続プラグ２８は、タンタル系バリアメタル膜３０および銅含有金属膜３２により構成されている。
【００６６】
第二の積層膜１４ｂ中には、接続孔の上面と接続する第二の銅配線２２ｂが形成されている。第二の銅配線２２ｂは、タンタル系バリアメタル膜２４ｂおよび銅含有金属膜により構成されている。
【００６７】
この構成によれば、第一の銅配線２２ａと、その上部の接続プラグ２８との間にバリアメタル膜２４ｂが存在せず、第一の配線２２ａと接続プラグ２８とが直接に接しているため、銅含有金属配線を含む半導体装置の導電性を向上できる。
【００６８】
また、第一の配線２２ａのうち第一の配線２２ａと接続プラグ２８との界面近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ａを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ａにおけるストレスマイグレーションを抑制することができる。
【００６９】
また、この構成によれば、第一の配線２２ａの底面または側面の近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ｂを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ｂにおけるストレスマイグレーションを抑制することができる。
【００７０】
ここで、特許文献１には、接続プラグと下層の配線との間にバリアメタル膜を設けることなく、デュアルダマシン法により半導体装置を製造する技術が開示されている。この技術における具体的な配線構造を図１７に示す。図１７は、特許文献１に記載の従来のデュアルダマシン法で作製した半導体装置において、上部の配線および接続プラグにシード金属膜を形成してなる断面図である。
【００７１】
具体的には、この半導体装置は、少なくとも１層のバイアレベル３１０ａを設けた平坦化配線構造３１０を備える。金属レベル３１０ｂは、少なくとも１個の絶縁部３１２と、少なくとも１個の配線３１３を有する。配線３１３は、配線３１３の側壁および底部にバリアメタル膜３２０を有し、金属膜３２２により充填されている。配線構造のバイアレベル３１０ａは、少なくとも１個の接続プラグ３１８と、絶縁層３１６からなる。さらに、バイアレベル３１０ａと、金属レベル３１０ｂとは、通常は誘電膜３１４により分離されている。この構造により、接続プラグと下層の配線との間での抵抗の低減を図っている。
【００７２】
また、この半導体装置は、ライナ３３０の上に導電層３３２および金属層３３４を備える。この文献には、上層の配線を形成する際の導電層３３２として、Ｃｕ、Ａｌなどの合金を用いてもよい旨の記載がある。
【００７３】
しかし、特許文献１には、このようなＣｕとＡｌとの合金を導電層３３２として用いる場合の特有の作用効果には全く言及はない。また、下層の配線の上面のうち接続部のみ異種金属元素を高濃度に含有することによる特有の作用効果についての言及もない。また、特許文献１には、下層の配線の底面または側面にシード金属膜を設けるとの記載も全くない。
【００７４】
一方、図２に示す本実施形態の半導体装置においては、第一の配線２２ａのうち第一の配線２２ａと接続プラグ２８との界面近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ａを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ａにおけるストレスマイグレーションを抑制できる。
【００７５】
また、第一の配線２２ａの底面または側面の近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ｂを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ｂにおけるストレスマイグレーションを抑制できる。
【００７６】
さらに、これらの構成を組み合わせることにより、接続プラグ２８からの銅の吸い上げを抑制するとともに第一の銅配線２２ａの収縮も抑制できる。すなわち、図１４に示すような、第一の銅配線２２ａと接続プラグ２８との接続部分における空洞の発生の２つの主要な原因（垂直方向への銅の吸い上げおよび水平方向への第一の銅配線の収縮）をともに効果的に抑制できる。
【００７７】
その結果、本実施形態の半導体装置においては、接続部分における空洞の発生を激減させることができ、銅含有金属配線を含む半導体装置の歩留をより効果的に向上できる。以上のように、本発明により提供される半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の素子の安定性を顕著に高めることができる。
【００７８】
<第二の実施の形態>
本実施形態におけるシングルダマシン配線構造について以下に説明する。
【００７９】
図２（ｂ）のシングルダマシン構造においては、シリコン基板（不図示）上の絶縁膜１０６の上に、第一のＳｉＣＮ膜１２、ＳｉＯＣとＳｉＯ2がこの順で積層した第一の積層膜１４ａ、第二のＳｉＣＮ膜１６、ＳｉＯＣとＳｉＯ2がこの順で積層した第二の積層膜１４ｂ、第三のＳｉＣＮ膜２０およびＳｉＯＣとＳｉＯ2がこの順で積層した第三の積層膜１４ｃが、この順で積層している。第一の積層膜１４ａ、第二の積層膜１４ｂおよび第三の積層膜１４ｃ中には、それぞれ第一の銅配線２２ａ、接続プラグ２８および第二の銅配線２２ｂが形成されている。
【００８０】
第一の銅配線２２ａは、それぞれタンタル系バリアメタル膜２４ａおよび銅含有金属膜により構成されている。この銅含有金属膜には、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ａ，９６ｂと、異種金属元素であるＡｌ濃度の低い異種金属低濃度領域９２と、が含まれている。
【００８１】
第二の積層膜１４ｂ中には、第一の銅配線２２ａの上面と接続する接続プラグ２８が形成されている。接続プラグ２８は、タンタル系バリアメタル膜３０および銅含有金属膜３２により構成されている。この銅含有金属膜３２は、異種金属元素であるＡｌ濃度の低い異種金属低濃度領域を含んでいる。
【００８２】
第三の積層膜１４ｃ中には、接続プラグ２８の上面と接続する第二の銅配線２２ｂも形成されている。第二の銅配線２２ｂは、タンタル系バリアメタル膜２４ｂおよび銅含有金属膜２６ｂにより構成されている。この銅含有金属膜２６ｂは異種金属元素であるＡｌ濃度の低い異種金属低濃度領域を含んでいる。
【００８３】
この構成によれば、第一の配線２２ａのうち第一の配線２２ａと接続プラグ２８との界面近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ａを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ａにおけるストレスマイグレーションを抑制することができる。
【００８４】
また、この構成によれば、第一の配線２２ａの底面または側面の近傍に、異種金属元素であるＡｌの濃度が高い異種金属高濃度領域９６ｂを備えるため、この異種金属高濃度領域９６ｂにおけるストレスマイグレーションを抑制することができる。
【００８５】
さらに、これらの構成を組み合わせることにより、デュアルダマシン配線構造の場合と同様に、第一の銅配線２２ａと接続プラグ２８との接続部分における空洞の発生の２つの主要な原因（垂直方向への銅の吸い上げおよび水平方向への第一の銅配線の収縮）をともに効果的に抑制できる。そのため、接続プラグ２８と第一の配線２２ａ間の接続不良を改善できる。
【００８６】
<第三の実施の形態>
本実施形態におけるデュアルダマシン配線構造について以下に説明する。
【００８７】
図３は、半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布を示す断面図である。図３のデュアルダマシン構造においては、シリコン基板（不図示）上の第一の絶縁膜１０６の上に、ＳｉＣＮ膜１２および第二の絶縁膜１８が、この順で積層している。
【００８８】
第一の絶縁膜１０６中には、第一の配線２２ａが形成されている。第一の配線２２ａには、タンタル系バリアメタル膜２４ａ、異種金属高濃度領域９６ａ，９６ｂ、異種金属中濃度領域９０が含まれている。
【００８９】
また、第二の絶縁膜１８中には、接続プラグ２８および第二の銅配線２２ｂが形成されている。接続プラグ２８には、タンタル系バリアメタル膜２４ｂ、異種金属高濃度領域９６ｃおよび異種金属中濃度領域９０が含まれている。第二の銅配線２２ｂには、タンタル系バリアメタル膜２４ｂ、異種金属高濃度領域９６ｃ、異種金属中濃度領域９０および異種金属低濃度領域９２が含まれている。
【００９０】
この構成によれば、接続プラグ２８（以下、適宜ビアプラグと記載する）の下部にある第一の配線２２ａの表面近傍の異種金属高濃度領域９６ａの合金濃度が高くなることにより、Ｃｕのストレスマイグレーションを抑制し、接続プラグ２８の下部のボイド発生を抑制し、断線の発生を低減できる。
【００９１】
また、第一の配線２２ａの底部および側壁部からの異種金属の拡散により第一の配線２２ａ自体を合金化させ、エレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性を向上できる。
【００９２】
また、第一の配線２２ａと接続プラグ２８との間にバリアメタル膜２４ｂが存在しないので、半導体装置の導電性を向上できる。
【００９３】
上記の構成によれば、第一の配線２２ａ全体に異種金属元素を高濃度に分布させることなく、接続プラグ２８の下部のうち、特にストレスマイグレーションの影響によりボイドが発生しやすい領域に重点的に異種金属元素が高濃度に分布する。また、第一の配線２２ａの底面または側面の近傍にも重点的に異種金属元素が高濃度に分布し、第一の配線２２ａ全体のストレスマイグレーションを効果的に抑制する。
【００９４】
一方、第一の配線２２ａの中心部などの比較的ストレスマイグレーションの影響を受けにくい領域には異種金属元素を高濃度に分布させないので、ストレスマイグレーションを効果的に抑制しつつも、第一の配線２２ａの抵抗の上昇を抑制できる利点がある。
【００９５】
また、この構成によれば、第一の配線２２ａのうち第一の配線２２ａと接続プラグ２８との接続部分にある異種金属高濃度領域９６ａにおける異種金属元素の濃度は、第一の配線２２ａの中心部における前記異種金属元素の濃度よりも高く、接続部分を除く第一の配線２２ａ上面部における異種金属元素の濃度よりも高い。
【００９６】
より正確には、この構成によれば、異種金属高濃度領域９６ａにおける異種金属元素の濃度は、第一の配線２２ａの中心部における前記異種金属元素の濃度よりも高く、上記接続部分および第一の配線２２ａの両辺部を除く第一の配線２２ａ上面部における異種金属元素の濃度よりも高い。
【００９７】
そのため、接続プラグ２８の下部の特にストレスマイグレーションの影響によりボイドが発生しやすい領域に重点的に異種金属元素が高濃度に分布する。一方、ストレスマイグレーションの影響を受けにくい領域においては異種金属元素の濃度が比較的低い。よって、必要以上に第一の配線２２ａの抵抗を上昇させることなく、接続プラグ２８の下部のボイドの発生を抑制できる利点がある。
【００９８】
なお、図３は断面図であり、実際のダマシン配線は３次元の配線構造を備えるため、第一の配線２２ａのうち接続プラグ２８が形成される部分はごくわずかである。よって、図３の紙面に垂直な配線延在方向には、配線の上面のうちビア底にあたる部位にのみ異種金属元素は高濃度に分布している。そのため、その他の部位では異種金属元素濃度が低く、全体として抵抗の上昇が抑制される。
【００９９】
また、この構成によれば、接続プラグ２８の側壁に近接する領域にも比較的高濃度の異種金属元素が分布する。そのため、接続プラグ２８による第一の配線２２ａからのＣｕ元素の吸い上げを効果的に抑制できる。一方、接続プラグ２８の中心部においては、異種金属元素の濃度が比較的低いため、接続プラグ２８の抵抗の上昇を抑制できる。
【０１００】
また、この構成によれば、第二の配線２２ｂの側壁に近接する領域などにも比較的高濃度の異種金属元素が分布する。そのため、第二の配線２２ｂが接続プラグ２８を介して第一の配線２２ａからＣｕ元素を吸い上げることを効果的に抑制できる。一方、第二の配線２２ｂの中心部においては、異種金属元素の濃度が比較的低いため、第二の配線２２ｂの抵抗を抑制できる。
【０１０１】
なお、上記のような異種金属元素の濃度分布は、特に製法を限定しないが、後述する実施形態における熱処理によりＣｕ元素と異種金属元素とを含むシード金属膜から異種金属元素を銅含有金属膜中に熱拡散させることにより、容易に形成することが可能である。
【０１０２】
本実施形態における異種金属元素の濃度プロファイルについて以下に説明する。
【０１０３】
図４は、半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布を示す断面図および対応する濃度プロファイルの概略を示すグラフ図である。左の断面図は、本実施形態のデュアルダマシン配線構造を備える半導体装置の一部の断面図である。また、右のグラフ図は、左のダマシン配線構造の中心線に沿って異種金属元素の濃度のプロファイルの概略を表現したグラフ図である。
【０１０４】
中心線を上部からたどりながら、濃度プロファイルについて説明する。まず、第二の配線２２ｂの上部においては、異種金属元素の濃度が比較的低い領域９２が存在する。そのため、この領域９２の導電性は比較的良好である。
【０１０５】
次いで、第二の配線２２ｂの中心部から下部においては、異種金属元素の濃度が比較的高くなる程度の領域９０が存在する。そのため、この領域９０では、導電性の低下はわずかなものに留まりつつ、ストレスマイグレーションをある程度抑制している。
【０１０６】
続いて、接続プラグ２８の上部から中心部においても、異種金属元素の濃度が比較的高くなる程度の領域９０が存在する。そのため、この領域９０でも、導電性の低下はわずかなものに留まりつつ、ストレスマイグレーションをある程度抑制している。
【０１０７】
そして、接続プラグ２８の下部から第一の配線２２ａの上部においては、異種金属元素の濃度が著しく高い領域９６ａが存在する。そのため、この領域９６ａでは、導電性はやや低下するが、ストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。また、この領域９６ａはデュアルダマシン配線構造全体の中ではわずかな部分しか占めないため、全体としての抵抗の上昇は抑制できる。
【０１０８】
次いで、第一の配線２２ａの中心部においては、まず、異種金属元素の濃度が比較的高い領域９０が存在する。そのため、この領域９０では、導電性の低下はわずかなものに留まりつつ、ストレスマイグレーションをある程度抑制している。
【０１０９】
続いて、第一の配線２２ａの中心部においては、次に、異種金属元素の濃度が低い領域９２が存在する。そのため、この領域９２の導電性は比較的良好である。
【０１１０】
そして、第一の配線２２ａの中心部においては、さらに、異種金属元素の濃度が比較的高い領域９０が存在する。そのため、この領域９０では、導電性の低下はわずかなものに留まりつつ、ストレスマイグレーションをある程度抑制している。
【０１１１】
続いて、第一の配線２２ａの下部においては、異種金属元素の濃度が著しく高い領域９６ｂが存在する。そのため、この領域９６ｂでは、導電性はやや低下するが、ストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。また、この領域９６ｂはデュアルダマシン配線構造全体の中ではわずかな部分しか占めないため、全体としての抵抗の上昇は抑制できる。
【０１１２】
本実施形態のデュアルダマシン配線構造を備える半導体装置は、全体としてこのような濃度プロファイルを有するため、半導体装置の導電性の低下を抑制しつつストレスマイグレーションを抑制できる。
【０１１３】
上記本実施形態の半導体装置において、第二の配線は接続プラグと共にデュアルダマシン法により形成されているが、接続プラグを形成した後、シングルダマシン法により形成してもよい。このようなシングルダマシンの構造の場合にも、後述するように同様の濃度プロファイルを形成可能なため、抵抗の上昇を抑制しつつストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。
【０１１４】
なお、本実施形態の半導体装置の各領域の異種金属濃度については、後述するシード金属層に含有される異種金属の濃度を調整することにより、アニーリングの際に銅含有金属膜中に拡散する異種金属の量を調整できるため、結果として銅含有金属膜中の各領域の異種金属濃度を容易に調整できる。
【０１１５】
本発明におけるストレスマイグレーション耐性の評価方法について以下に説明する。
【０１１６】
図１３は、半導体装置における銅含有金属配線の配線構造のストレスマイグレーション耐性の評価に用いる２層配線構造の概略図である。本実施形態の半導体装置をはじめとするデュアルダマシン配線構造またはシングルダマシン配線構造を備える半導体装置のストレスマイグレーション抑制効果については、図１３に示すような２層配線構造を作製し、下記のようにビアチェーン抵抗の歩留を測定することによって評価できる。
【０１１７】
この２層配線構造は、ビアチェーンとよばれるものであり、第一の銅配線２２ａが１万本平行に設けられ、これらと直交して、第二の銅配線２２ｂが１万本平行に設けられている。これらの配線間は２万個の接続プラグ２８により接続されている。図中、半導体基板および層間絶縁膜等は省略している。このビアチェーンの端部２点に所定の電圧を印加すると、図中矢線で示す方向に電流が流れる。これにより、１万本の第一の銅配線２２ａ、１万本の第二の銅配線２２ｂおよび２万個の接続プラグ２８を経由する電気抵抗が測定される。
【０１１８】
<第四の実施形態>
本実施形態の半導体装置のデュアルダマシンによる製造方法を以下に説明する。
【０１１９】
図５および図６は、上記半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。図５は、本実施形態におけるデュアルダマシン配線構造を備える半導体装置の製造方法の前半工程を示し、図６は、その製造方法の後半を示す。
【０１２０】
図５（ａ）は、第一の絶縁膜１０６に配線溝が形成された構造を示す。この構造を形成するには、まず、基板（不図示）の上部に第一の絶縁膜１０６を成膜後、その上に、所定形状にパターニングされたレジスト膜（不図示）を設け、第一の絶縁膜１０６を段階的にエッチングして第一の配線溝４２ａを得る。
【０１２１】
次いで、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、第一の絶縁膜１０６全面にＴａおよびＴａＮが積層したタンタル系バリアメタル膜２４ａ（Ｔａの膜厚約２０ｎｍ、ＴａＮの膜厚約１０ｎｍ）を形成する。
【０１２２】
続いて、タンタル系バリアメタル膜２４ａ上に、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、銅めっきを成長させるためにＣｕ元素と異種金属元素であるＡｌ元素とを含有する第一のシード金属膜７０を形成して図５（ａ）に示す構成を得る。
【０１２３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、第一のシード金属膜７０上に、銅含有金属膜２６ａを形成する。銅含有金属膜２６ａは、基板を液温約２５℃の硫酸銅水溶液に浸漬し、銅含有金属膜２６ａの平坦部の膜厚が約６００ｎｍとなるように電解めっき法にて形成する。
【０１２４】
以上のようにしてめっきを施した基板について、図５（ｃ）に示すように、３５０℃で３０分程度、アニールを行った。このような高温でアニールを行うことにより、第一のシード金属膜７０から銅含有金属膜２６ａ中に異種金属元素であるＡｌが熱拡散するためストレスマイグレーションが抑制され、空洞が生じにくくなる。具体的には、第一のシード金属膜７０が存在した領域近傍が異種金属高濃度領域９６ｂとなり、その周辺に異種金属中濃度領域９０が形成され、第一のシード金属膜７０から離れた領域に異種金属低濃度領域９２が形成される。
【０１２５】
このような加熱処理により、第一の配線２２ａの底面および側面近傍に異種金属高濃度領域９６ｂが形成されるため、第一の配線２２ａを周縁部から固定することができ、第一の配線２２ａの銅含有金属膜の収縮を抑制できる。そのため、第一の配線のストレスマイグレーションを全体として抑制できる。
【０１２６】
また、このような加熱処理をすることにより、第一の銅配線の抵抗値がアニール前よりも低下するという効果も生じる。なお、このアニールは、例えば２００℃以上５００℃以下で行うことができる。
【０１２７】
次に、図５（ｄ）に示すように、配線溝外部に成膜された不要な銅含有金属膜およびタンタル系バリアメタル膜２４ａを化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去し、配線溝内部にのみ銅含有金属膜等を残すようにして第一の銅配線を形成する。
【０１２８】
銅含有金属膜等のＣＭＰ処理後直ちに、防食剤であるＢＴＡにより銅含有金属膜の表面を処理する防食処理を行う。ここでは、０.０５％ＢＴＡ水溶液を用いる。これにより、ＣＭＰ処理後、次の工程への移行のために、試料を移動する際にも、銅含有金属膜表面がＢＴＡにより保護されるので、銅含有金属膜が酸化されるのを防ぐことができる。
【０１２９】
その後、図５（ｄ）に示すように、ＳｉＣＮ膜１２（膜厚約７０ｎｍ）、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ａ（膜厚約３５０ｎｍ）を成膜する。
【０１３０】
つづいて、図５（ｅ）に示すように、リソグラフィ法を用いて、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ａをＳｉＣＮ膜１２が露出するまでエッチングする。その後、エッチングガスを代えてＳｉＣＮ膜１２をエッチングして第一の配線に含まれる銅含有金属膜の上面を露出させる。これにより、接続孔５２が形成される。その後、接続孔５２内部を埋め込むように、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成する。
【０１３１】
次いで、図６（ｆ）に示すように、Ａｒ+等を用いてスパッタエッチング（スパッタエッチングの方向を図示する）することにより接続孔の底部に存在するバリアメタル膜２４ｂを除去する。
【０１３２】
このとき、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成する際に、長距離スパッタリング装置や通常のイオン化スパッタリング装置のような指向性スパッタリング装置とエッチバック装置とを組み合わせて用いてもよい。
【０１３３】
すなわち、指向性のスパッタリング装置によって、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成した後、エッチバック装置によって、接続孔（凹部）５２底部に形成されているバリアメタル膜２４ｂを選択的に異方性エッチングすることで除去できる。
【０１３４】
このようにして、接続孔５２内面および第二の配線溝側壁などにタンタル系バリアメタル膜２４ｂを残し、接続孔５２底部のタンタル系バリアメタル膜２４ｂを除去できる。
【０１３５】
続いて、タンタル系バリアメタル膜２４ｂおよび露出した第一の配線の表面上に、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、銅めっきを成長させるためにＣｕ元素と異種金属元素であるＡｌ元素とを含有する第二のシード金属膜８０を形成して図６（ｇ）に示す構成を得る。
【０１３６】
続いて、図６（ｈ）に示すように、第二のシード金属膜８０上に、銅含有金属膜２６ｂを形成する。銅含有金属膜２６ｂは、基板を液温約２５℃の硫酸銅水溶液に浸漬し、銅含有金属膜２６ｂの平坦部の膜厚が約６００ｎｍとなるように電解めっき法にて形成する。
【０１３７】
以上のようにしてめっきを施した基板について、図６（ｉ）に示すように、３５０℃で３０分程度、アニールを行った。このような高温でアニールを行うことにより、第二のシード金属膜８０から銅含有金属膜２６ｂ中に異種金属元素であるＡｌが熱拡散するためストレスマイグレーションが抑制され、第一の配線からＣｕ元素を接続プラグを介して吸い上げる現象が抑制される。そのため、第一の配線と接続プラグとの界面近傍において空洞が発生しにくくなる。
【０１３８】
具体的には、第二のシード金属膜８０が存在した領域近傍が異種金属高濃度領域９６ｃとなり、その周辺に異種金属中濃度領域９０が形成され、第二のシード金属膜８０から離れた領域に異種金属低濃度領域９２が形成される。
【０１３９】
また、このような加熱処理をすることにより、第二の銅配線２２ｂの抵抗値がアニール前よりも低下するという効果も生じる。なお、このアニールは、例えば２００℃以上５００℃以下で行うことができる。
【０１４０】
次に、図６（ｊ）に示すように、配線溝外部に成膜された不要な銅含有金属膜およびタンタル系バリアメタル膜２４ｂを化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去し、配線溝内部にのみ銅含有金属膜等を残すようにして第二の銅配線を形成する。
【０１４１】
以上のようにして、図６（ｊ）に示したデュアルダマシン配線構造が形成された。この後、上述した工程を繰り返すことにより、図１に示したような３層以上の多層配線構造の半導体装置を形成できる。
【０１４２】
<第五の実施の形態>
本実施形態におけるシングルダマシンの場合の製造方法を以下に説明する。
【０１４３】
図７（ａ）は、第一の絶縁膜１０６に配線溝が形成された構造を示す。この構造を形成するには、まず、基板（不図示）の上部に第一の絶縁膜１０６を成膜後、その上に、所定形状にパターニングされたレジスト膜（不図示）を設け、第一の絶縁膜１０６を段階的にエッチングして第一の配線溝４２ａを得る。
【０１４４】
次いで、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、第一の絶縁膜１０６全面にＴａおよびＴａＮが積層したタンタル系バリアメタル膜２４ａ（Ｔａの膜厚約２０ｎｍ、ＴａＮの膜厚約１０ｎｍ）を形成する。
【０１４５】
続いて、タンタル系バリアメタル膜２４ａ上に、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、銅めっきを成長させるためにＣｕ元素と異種金属元素であるＡｌ元素とを含有する第一のシード金属膜７０を形成して図７（ａ）に示す構成を得る。
【０１４６】
続いて、図７（ｂ）に示すように、第一のシード金属膜７０上に、銅含有金属膜２６ａを形成する。銅含有金属膜２６ａは、基板を液温約２５℃の硫酸銅水溶液に浸漬し、銅含有金属膜２６ａの平坦部の膜厚が約６００ｎｍとなるように電解めっき法にて形成する。
【０１４７】
以上のようにしてめっきを施した基板について、図７（ｃ）に示すように、３５０℃で３０分程度、アニールを行った。このような高温でアニールを行うことにより、第一のシード金属膜７０から銅含有金属膜２６ａ中に異種金属元素であるＡｌが熱拡散するためストレスマイグレーションが抑制され、空洞が生じにくくなる。具体的には、第一のシード金属膜７０が存在した領域近傍が異種金属高濃度領域９６ｂとなり、その周辺に異種金属中濃度領域９０が形成され、第一のシード金属膜７０から離れた領域に異種金属低濃度領域９２が形成される。
【０１４８】
このような加熱処理により、第一の配線２２ａの底面および側面近傍に異種金属高濃度領域９６ｂが形成されるため、第一の配線２２ａを周縁部から固定することができ、第一の配線２２ａの銅含有金属膜の収縮を抑制できる。
【０１４９】
そのため、第一の配線のストレスマイグレーションを全体として抑制でき、銅含有金属配線を備える半導体装置の製造安定性を向上できる。
【０１５０】
また、このような加熱処理をすることにより、第一の銅配線２２ａの抵抗値がアニール前よりも低下するという効果も生じる。なお、このアニールは、例えば２００℃以上５００℃以下で行うことができる。
【０１５１】
次に、図７（ｄ）に示すように、配線溝外部に成膜された不要な銅含有金属膜およびタンタル系バリアメタル膜２４ａを化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去し、配線溝内部にのみ銅含有金属膜等を残すようにして第一の銅配線を形成する。
【０１５２】
その後、図７（ｄ）に示すように、ＳｉＣＮ膜１２（膜厚約７０ｎｍ）、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ａ（膜厚約３５０ｎｍ）を成膜する。
【０１５３】
つづいて、図７（ｅ）に示すように、リソグラフィ法を用いて、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ａをＳｉＣＮ膜１２が露出するまでエッチングする。その後、エッチングガスを代えてＳｉＣＮ膜１２をエッチングして第一の配線に含まれる銅含有金属膜の上面を露出させる。これにより、接続孔５２が形成される。その後、接続孔５２内部を埋め込むように、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成する。
【０１５４】
次いで、図８（ｆ）に示すように、Ａｒ+等を用いてスパッタエッチング（スパッタエッチングの方向を図示する）することにより接続孔の底部に存在するバリアメタル膜２４ｂを除去する。
【０１５５】
このとき、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成する際に、長距離スパッタリング装置や通常のイオン化スパッタリング装置のような指向性スパッタリング装置とエッチバック装置とを組み合わせて用いてもよい。
【０１５６】
すなわち、指向性のスパッタリング装置によって、タンタル系バリアメタル膜２４ｂを形成した後、エッチバック装置によって、接続孔（凹部）５２底部に形成されているバリアメタル膜２４ｂを選択的に異方性エッチングすることで除去できる。
【０１５７】
このようにして、接続孔５２内面にタンタル系バリアメタル膜２４ｂを残し、接続孔５２底部のタンタル系バリアメタル膜２４ｂを除去できる。
【０１５８】
続いて、タンタル系バリアメタル膜２４ｂおよび露出した第一の配線の表面上に、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、銅めっきを成長させるためにＣｕ元素と異種金属元素であるＡｌ元素とを含有する第二のシード金属膜８０を形成して図８（ｇ）に示す構成を得る。
【０１５９】
続いて、図８（ｇ）に示すように、第二のシード金属膜８０上に、銅含有金属膜２６ｂを形成する。銅含有金属膜２６ｂは、基板を液温約２５℃の硫酸銅水溶液に浸漬し、銅含有金属膜２６ｂの平坦部の膜厚が約２００ｎｍとなるように電解めっき法にて形成する。
【０１６０】
以上のようにしてめっきを施した基板について、図８（ｈ）に示すように、３５０℃で３０分程度、アニールを行った。このような高温でアニールを行うことにより、第二のシード金属膜８０から銅含有金属膜２６ｂ中に異種金属元素であるＡｌが熱拡散するためストレスマイグレーションが抑制され、第一の配線からＣｕ元素を接続プラグを介して吸い上げる現象が抑制される。そのため、第一の配線と接続プラグとの界面近傍において空洞が発生しにくくなる。
【０１６１】
具体的には、第二のシード金属膜８０が存在した領域近傍が異種金属高濃度領域９６ｃとなり、その周辺に異種金属中濃度領域９０が形成され、第二のシード金属膜８０から離れた領域に異種金属低濃度領域９２が形成される。
【０１６２】
また、このような加熱処理をすることにより、接続孔の抵抗値がアニール前よりも低下するという効果も生じる。なお、このアニールは、例えば２００℃以上５００℃以下で行うことができる。
【０１６３】
次に、図９（ｉ）に示すように、配線溝外部に成膜された不要な銅含有金属膜およびタンタル系バリアメタル膜２４ｂを化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去し、配線溝内部にのみ銅含有金属膜等を残すようにして第二の銅配線を形成する。
【０１６４】
その後、図９（ｉ）に示すように、ＳｉＣＮ膜１６（膜厚約７０ｎｍ）、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ｂ（膜厚約３５０ｎｍ）を成膜する。
【０１６５】
つづいて、図９（ｊ）に示すように、リソグラフィ法を用いて、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１４ｂをＳｉＣＮ膜１６が露出するまでエッチングする。その後、エッチングガスを代えてＳｉＣＮ膜１６をエッチングして接続孔に含まれる銅含有金属膜の上面を露出させる。これにより、第二の配線溝４２ｂが形成される。その後、接続孔４２ｂ内部を埋め込むように、タンタル系バリアメタル膜２４ｃを形成する。
【０１６６】
続いて、タンタル系バリアメタル膜２４ｃの表面上に、スパッタリング法または反応性スパッタリング法により、銅めっきを成長させるためにＣｕ元素と異種金属元素であるＡｌ元素とを含有する第二のシード金属膜８８を形成する。
【０１６７】
そして、図１０（ｋ）に示すように、第二のシード金属膜８８上に、銅含有金属膜２６ｃを形成する。銅含有金属膜２６ｃは、基板を液温約２５℃の硫酸銅水溶液に浸漬し、銅含有金属膜２６ｃの平坦部の膜厚が約６００ｎｍとなるように電解めっき法により形成する。
【０１６８】
以上のようにしてめっきを施した基板について、図１０（ｌ）に示すように、３５０℃で３０分程度、アニールを行った。このような高温でアニールを行うことにより、第二のシード金属膜８８から銅含有金属膜２６ｃ中に異種金属元素であるＡｌが熱拡散するためストレスマイグレーションが抑制され、第一の配線からＣｕ元素を接続プラグを介して吸い上げる現象が抑制される。そのため、第一の配線と接続プラグとの界面近傍において空洞が発生しにくくなる。
【０１６９】
具体的には、第二のシード金属膜８８が存在した領域近傍が異種金属高濃度領域９６ｄとなり、その周辺に異種金属中濃度領域９０が形成され、第二のシード金属膜８８から離れた領域に異種金属低濃度領域９２が形成される。
【０１７０】
また、このような加熱処理をすることにより、接続孔の抵抗値がアニール前よりも低下するという効果も生じる。なお、このアニールは、例えば２００℃以上５００℃以下で行うことができる。
【０１７１】
次に、図１０（ｍ）に示すように、配線溝外部に成膜された不要な銅含有金属膜およびタンタル系バリアメタル膜２４ｃを化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去し、配線溝内部にのみ銅含有金属膜等を残すようにして第二の銅配線を形成する。
【０１７２】
以上のようにして、図１０（ｍ）に示したシングルダマシン配線構造が形成された。この後、上述した工程を繰り返すことにより、図１に示したような３層以上の多層配線構造の半導体装置を形成できる。
【０１７３】
<第六の実施の形態>
上記実施形態における異種金属元素の分布状況を以下に説明する。
【０１７４】
上記に示す製造方法において、異種金属元素としてＳｎを用いた場合について、Ｓｎ元素の銅含有金属配線中における分布状況を調べるために、以下のモデル実験を行った。
【０１７５】
図１１は、半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布についてのモデル実験の結果を示すグラフ図および実験図である。図１１（ａ）は、銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布についての図１１（ｂ）に示すモデル実験の結果を示すグラフ図である。また、図１１（ｂ）は、上記モデル実験の方法を説明するための概念図である。
【０１７６】
図１１（ｂ）では、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により、銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布を測定している。ここで、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）は、半導体や誘電体など、様々な材料中に含まれる元素の面内分布や深さ方向に対する分布を調べるための技術である。
【０１７７】
まず、測定サンプルを用意するために、ＳｉＯ2などからなる絶縁膜１８上にタンタル系バリアメタル膜２４を積層した。次いで、Ｔａ／ＴａＮなどからなるタンタル系バリアメタル膜２４上にＣｕＳｎ合金などのＳｎ元素を含む銅含有金属膜からなるシード金属膜９８を積層し、さらにその上に銅めっき膜８２を形成した。そして、シード金属膜と銅めっき膜とを加熱してアニーリングし、図１１（ｂ）に示す測定サンプルを得た。
【０１７８】
この測定サンプルについてＳＩＭＳ分析を行ったところ、図１１（ａ）に示すようなＳｎ元素の分布を得た。この測定結果から、アニールにより異種金属元素Ｓｎがめっき銅中に拡散していることがわかる。
【０１７９】
このように、異種金属元素と銅元素とを含むシード金属膜と、銅めっき膜とをアニーリングすることにより、容易に銅めっき膜中にＳｎ元素などの異種金属元素を拡散できる。よって、かかるシード金属膜と、銅めっき膜とを積層してアニーリングする方法は、本実施形態の半導体装置の製造方法に用いることができる。
【０１８０】
また、上記に示す製造方法において、異種金属元素としてＳｎを用いた場合について、Ｓｎ元素の銅含有金属配線中における分布状況を調べるために、以下の実測を行った。
【０１８１】
なお、銅含有金属膜中における異種金属元素濃度は、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ＸＲＦ  ；ＥＤＸ）を用いて測定可能である。
【０１８２】
ＥＤＸ分析などを行った結果、第一の配線のうち接続プラグとの界面近傍における異種金属元素の濃度が、第一の配線の中心部における異種金属元素の濃度よりも大きければ、この界面近傍においてストレスマイグレーションが効果的に抑制される。また、第一の配線のうち他の領域においては良好な導電性が保たれる。
【０１８３】
また、ＥＤＸ分析などを行った結果、第一の配線のうち接続プラグとの界面近傍における異種金属元素の濃度が、０．０１原子％以上であれば、この界面近傍においてストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。また、この濃度が、１０原子％以下であれば、この界面近傍において導電性の低下を抑制できる。
【０１８４】
また、ＥＤＸ分析などを行った結果、第一の配線の底面または側面の近傍における異種金属元素の濃度が、第一の配線の中心部における前記異種金属元素の濃度よりも大きければ、この底面または側面の近傍においてストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【０１８５】
また、ＥＤＸ分析などを行った結果、第一の配線の底面または側面の近傍における異種金属元素の濃度が、０．０１原子％以上であれば、この底面または側面の近傍においてストレスマイグレーションを効果的に抑制できる。また、この濃度が、１０原子％以下であれば、この底面または側面の近傍において導電性の低下を抑制できる。
【０１８６】
<第七の実施の形態>
上記実施形態における製造装置について以下に説明する。
【０１８７】
本発明において、接続孔底のバリアメタル膜を除去する工程は、半導体基板にバイアスを印加するバイアススパッタリング法を応用した、Ａｒ+によるスパッタエッチング法などによりバリアメタル膜を除去する工程を含んでもよい。
【０１８８】
接続孔底のバリアメタル膜をこのようなバイアススパッタリング法を応用した、Ａｒ+によるスパッタエッチング法により除去することにより、所望の接続孔底に存在するバリアメタル膜を選択的に除去し、接続孔の側壁に存在するバリアメタル膜を損傷が少ない状態で残すことができる。
【０１８９】
図１２は、半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法に用いる製造装置の構成を示す断面図である。図１２（ａ）は、チャンバー内にＲＦコイルを備えるスパッタリング装置の断面図である。図１２（ｂ）は、チャンバー外にＲＦコイルを備えるスパッタリング装置の断面図である。本実施形態における半導体装置の製造工程において、接続プラグの底のバリアメタル膜を除去するには、どちらのタイプの装置を用いてもよい。
【０１９０】
図１２（ａ）に示すスパッタ装置４００ａは、チャンバー４３０内にウェハー４１２を載せるための支持台４１４を備えている。この支持台４１４にはバイアスをかけることができるように交流電圧印加装置４２４の一方の電極が接続されており、反対側の電極は接地部に接続されている。
【０１９１】
チャンバー４３０内のプラズマ４０２発生部位の周囲には輪状のＲＦコイル４０４が設けられており、チャンバー内の上部にはターゲット４０６を保持するためのターゲット保持部４０８が設けられている。ターゲット保持部４０８には磁力印加装置４１０が接続されている。また、ターゲット保持部に直流電圧を印加できるように直流電圧印加装置４２０およびそれに接続する接地部４２２も設けられている。
【０１９２】
このような装置により、バリアメタル膜を形成する工程に用いる装置と同じ装置内において、接続孔の底のバリアメタル膜をＡｒ+エッチングなどにより除去できるため、本実施形態の半導体装置の製造コストを著しく低減し、製造安定性を向上できる。このような装置には、スパッタチャンバーとＲＦエッチチャンバーの２つの機能が備わっているからである。
【０１９３】
また、図１２（ｂ）に示すスパッタ装置４００ｂは、チャンバ４３０内にウェハー４１２を載せるための支持台４１４を備えている。この支持台４１４にはバイアスをかけることができるように交流電圧印加装置４２４の一方の電極が接続されており、反対側の電極は接地部に接続されている。
【０１９４】
チャンバー４３０内のプラズマ４０２発生部位の上方のチャンバー外部にはＲＦコイル４４０が設けられており、チャンバー内の上部のＲＦコイル４４０下部にはＲＦコイル保持部４４２およびスパッタリングされた粒子を遮るが、ＲＦの印加を妨げない隔壁４４４が設けられている。また、隔壁４４４の周囲には、輪状のターゲット４０６を保持するための輪状のターゲット保持部４０８が設けられている。ターゲット保持部４０８には磁力印加装置４１０が接続されている。また、ターゲット保持部に直流電圧を印加できるように直流電圧印加装置４２０およびそれに接続する接地部４２２も設けられている。
【０１９５】
このような装置によっても、バリアメタル膜を形成する工程に用いる装置と同じ装置内において、接続孔の底のバリアメタル膜をＡｒ+エッチングなどにより除去できるため、本実施形態の半導体装置の製造コストを著しく低減し、製造安定性を向上できる。このような装置には、スパッタチャンバーとＲＦエッチチャンバーの２つの機能が備わっているからである。
【０１９６】
図１２（ｂ）に示すＴＥＬ社製ｉ−ＰＶＤをはじめとするチャンバー外にＲＦコイルを備える装置を例にとって、本実施形態の半導体装置の接続プラグ底のバリアメタル膜を除去する際の装置動作を説明する。
【０１９７】
まず、接続孔内壁にタンタル系バリアメタル膜を形成するステップ（積層ステップ）においては、直流電圧印加装置、ＩＣＰコイル（ＲＦコイル）、支持台にかけるバイアスのいずれもオンにしてバリアメタル膜を形成する。この際、チャンバー内の圧力は、２０ｍＴｏｒｒ程度に設定する。
【０１９８】
次いで、Ａｒ+などによるエッチングにより接続プラグ底のバリアメタルを除去するステップ（エッチングステップ）においては、直流電圧印加装置はオフにし、ＩＣＰコイル（ＲＦコイル）および支持台にかけるバイアスをオンにして、Ａｒ+などによりエッチングしてバリアメタル膜を除去する。この際、チャンバー内の圧力は、１ｍＴｏｒｒ程度に設定する。
【０１９９】
この半導体装置によれば、バリアメタル膜の膜厚を適切に制御し、所望の接続孔底のバリアメタルを選択的に除去できるので、半導体装置の抵抗上昇率を抑えることができる。こうして露出した第一の配線の表面に、続くチャンバーにおいて銅元素と異種金属元素とを含有するシード金属膜が形成され、後にアニーリングされることにより、第一の配線と接続孔との界面近傍に異種金属元素の高濃度領域を形成でき、銅含有金属膜からなる第一の配線のストレスマイグレーション耐性を向上できる。
【０２００】
また、このような装置を用い、上記ような条件でバリアメタル膜の形成、接続プラグ底のバリアメタル膜の除去を行うことにより、従来は困難であった両工程を同一のチャンバー内で行うことが可能になる。その結果、本実施形態の半導体装置の製造コストを低減し、製造安定性を高めることができる。
【０２０１】
<第八の実施の形態>
上記実施形態において、接続孔の底にバリアメタル膜を形成しないデュアルダマシン法による半導体装置の製造方法について以下に説明する。
【０２０２】
図１６は、本実施形態において、接続孔の底にバリアメタル膜を形成しないデュアルダマシン法による半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１６を用いて、本発明における半導体装置の製造方法のうち、接続孔底のバリアメタル膜を除去する工程から、第二の配線の銅めっき膜をデュアルダマシン法で形成する工程までを詳しく説明する。
【０２０３】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、上記装置を用いた場合には、タンタル系バリアメタル膜２４ｂの形成と、Ａｒ+プラズマによる接続孔の底に存在するタンタル系バリアメタル膜２４ｂの除去を、同一のチャンバー内で行うことができる。
【０２０４】
次に、図１６（ｃ）に示すように、別のチャンバーにおいて、銅元素と、異種金属元素とを含有するシード金属膜７０を第一の配線２６ａの露出表面およびタンタル系バリアメタル膜２４ｂ上に形成する。
【０２０５】
そして、図１６（ｄ）に示すように、シード金属膜７０上に、第二の配線溝および接続孔を埋め込むように銅めっきを行い、アニーリングを行って第二の配線２６ｂを形成する。
【０２０６】
ここで、従来のスパッタチャンバーにおいては、タンタル系バリアメタル膜２４ｂの形成と、Ａｒ+プラズマによるタンタル系バリアメタル膜２４ｂの除去を同一のチャンバー内で行うことは困難であった。
【０２０７】
そのため、Ａｒ+プラズマによる接続孔の底に存在するタンタル系バリアメタル膜２４ｂの除去を行うには、別の専用チャンバーを設置する必要があり、半導体装置の製造コストが高くなるという点で改善の余地があった。
【０２０８】
本実施形態では、上記ような装置を用いるため、タンタル系バリアメタル膜２４ｂの除去を行うための専用チャンバーを設置する必要がないため、半導体装置の製造コストを低減し、製造安定性を高めることができる。
【０２０９】
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
【０２１０】
例えば、上記実施の形態ではバリアメタル膜をタンタル系バリアメタル膜としたが、特に限定する趣旨ではなく、例えばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含む膜であればよい。好ましいバリアメタル膜としては、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。特に、ＴａＮおよびＴａが積層したタンタル系バリアメタルが好ましく用いられる。バリアメタル膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ等の方法によって形成できる。このようにすれば、優れたバリア性を有するバリアメタル膜が得られる。
【０２１１】
上記実施の形態ではＡｒ+によるエッチングを行ったが、特に限定する趣旨ではなく、本発明におけるプラズマ処理は、窒素、アルゴン、またはヘリウム等をガスとして用いることができる。また、還元性雰囲気下でのプラズマ処理として、例えばアンモニアプラズマ処理を用いることができる。プラズマ処理を還元性雰囲気下で行うことにより、配線の銅含有金属膜表面の酸化物を還元できる。
【０２１２】
また、本発明において、異種金属高濃度領域は、異種金属元素含有膜と銅めっき膜を形成した後にアニーリングを行う方法により形成してもよい。アニーリングにより容易に異種金属元素を銅含有金属膜中に拡散できる。
【０２１３】
あるいは、第一の配線２２ａを形成した後に、第一の配線２２ａのうち接続孔２８と近接する領域に、エッチングなどの手法によりリセスを形成してもよい。そして、そのリセスにＣＶＤなどの手法により異種金属元素含有膜を形成することもできる。
【０２１４】
この場合にも、この異種金属元素含有膜が存在する領域の異種金属元素であるＡｌ濃度は第一の配線２２ａの他の領域よりも高くなるので、ストレスマイグレーションの抑制という作用効果を奏する。
【０２１５】
他にも、公知の様々な物理的または化学的手法により、上記第一の配線２２ａと接続孔２８との界面近傍に異種金属元素高濃度領域９６ａを形成することは可能である。
【０２１６】
本発明において、第一の配線の銅含有金属膜は、めっき法により形成されることができる。めっき法により銅含有金属膜を形成した後、アニール処理によりあらかじめ設けておいたＡｌなどの異種金属を含有するシード金属膜から異種金属を拡散できる。これにより、第一の配線のストレスマイグレーションを抑制できる。この場合、熱処理は、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気中で行うことができる。
【０２１７】
また、本発明において、接続プラグの銅含有金属膜または第二の配線の銅含有金属膜もまた、めっき法により形成できる。
【０２１８】
また、本発明において、銅含有金属膜は、スパッタリング法またははプラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法で形成してもよい。スパッタリング法やＣＶＤ法により銅含有金属膜を形成した場合、銅含有金属膜の結晶性が良好となり、ストレスマイグレーションをさらに抑制できる。
【０２１９】
本発明において、配線層を構成する絶縁膜や、下層配線および上層配線の間の層間絶縁膜は、ポリオルガノシロキサン、芳香族含有有機材料、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣとＳｉＯ２の積層膜等を含むものとしてもよい。このように、層間絶縁膜を低誘電率材料により形成することにより、半導体装置の特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０２２０】
【図１】銅含有金属配線を積層した半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の一部を示す断面図である。
【図３】半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布を示す断面図である。
【図４】半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布を示す断面図および対応する濃度プロファイルの概略を示すグラフ図である。
【図５】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図６】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図７】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図８】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図９】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図１０】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図１１】半導体装置における配線構造の一部に備わる銅含有金属配線中の異種金属濃度の分布についてのモデル実験の結果を示すグラフ図および実験図である。
【図１２】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造の製造方法に用いる製造装置の構成を示す断面図である。
【図１３】半導体装置における銅含有金属配線の配線構造のストレスマイグレーション耐性の評価に用いる２層配線構造の概略図である。
【図１４】従来のデュアルダマシン法で作製した半導体装置において、接続プラグとその下層の銅配線との間に空洞が生じることを示す断面図である。
【図１５】従来のデュアルダマシン法で作製した半導体装置において、接続プラグとその下層の銅配線との間に空洞が生じる原因の一つと考えられる原理を説明するグラフ図である。
【図１６】本発明おいて、接続孔の底にバリアメタル膜を形成しないデュアルダマシン法による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１７】従来のデュアルダマシン法で作製した半導体装置において、上部の配線および接続プラグにシード金属膜を形成してなる製造方法を示す断面図である。
【図１８】従来のデュアルダマシン法で作製した半導体装置において、接続プラグおよび配線を形成する方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【０２２１】
１２  ＳｉＣＮ膜
１４ａ  積層膜
１４ｂ  積層膜
１４ｃ  積層膜
１６  ＳｉＣＮ膜
１８  絶縁膜
２０  ＳｉＣＮ膜
２２ａ  第一の銅配線
２２ｂ  第二の銅配線
２４ａ  タンタル系バリアメタル膜
２４ｂ  タンタル系バリアメタル膜
２４ｃ  タンタル系バリアメタル膜
２６ａ  銅含有金属膜
２６ｂ  銅含有金属膜
２６ｃ  銅含有金属膜
２８  接続プラグ
３０  タンタル系バリアメタル膜
３２  銅含有金属膜
４０  接続孔
４２ａ  配線溝
４２ｂ  配線溝
５２  接続孔
７０  シード金属膜
８０  シード金属膜
８２  銅めっき膜
８８  シード金属膜
９０  異種金属中濃度領域
９２  異種金属低濃度領域
９６ａ  異種金属高濃度領域
９６ｂ  異種金属高濃度領域
９６ｃ  異種金属高濃度領域
９８  シード金属膜
１００  シリコン基板
１０２  ゲート電極
１０４  拡散層
１０６  絶縁膜
１０８  銅接続プラグ
１１４  パッシベーション膜
２２０  銅含有金属配線
２２２  シリコン窒化膜
２２４  シリコン酸化膜
２３４  接続プラグ
３１０  平坦化構造
３１０ａ  バイアレベル
３１０ｂ  金属レベル
３１２  絶縁部
３１３  配線
３１４  誘電膜
３１６  絶縁部
３１８  接続プラグ
３２０  バリアメタル膜
３２２  金属膜
３３０  ライナ
３３２  導電層
３３４  金属層
４００ａ  スパッタ装置
４００ｂ  スパッタ装置
４０２  プラズマ
４０４  ＲＦコイル
４０６  ターゲット
４０６  ターゲット
４０８  ターゲット保持部
４０８  ターゲット保持部
４１０  磁力印加装置
４１２  ウェハー
４１４  支持台
４２０  直流電圧印加装置
４２２  接地部
４２４  交流電圧印加装置
４３０  チャンバー
４４０  ＲＦコイル
４４２  ＲＦコイル保持部
４４４  チャンバー上蓋
【図１】
0004764606.tif 000002
【図２】
0004764606.tif 000003
【図３】
0004764606.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004764606.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004764606.tif 000017
【図１７】
0004764606.tif 000018
【図１８】
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