(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された凹部と、前記凹部内にバリア層を介して埋め込まれた導電層と、前記導電層側部で前記バリア層に接続するとともに前記凹部の開口側における前記導電層を被覆するコバルトタングステンリン被膜とを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記凹部は配線が形成される溝からなる、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹部は第１の導電層と第２の導電層との間を接続するプラグが形成される接続孔からなる、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
基板上に形成された絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部内面とともに前記絶縁膜表面にバリア層を形成し、該バリア層を介して前記凹部を埋め込むように前記絶縁膜表面に導電層を形成する工程と、前記凹部内に前記導電層を残すように前記導電層を除去するとともに、前記凹部内に残す前記バリア層上端部が前記導電層側面と前記凹部側壁との間になるように前記絶縁膜表面の前記バリア層を除去する工程と、無電解メッキによって、前記導電層側部で前記バリア層に接続するとともに前記凹部の開口側における前記導電層を選択的に被覆するコバルトタングステンリン被膜を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記バリア層は窒化タングステンで形成され、前記バリア層の除去は過酸化水素水を用いたウエットエッチングによることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記凹部は配線が形成される溝に形成されることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記凹部は層間の配線どうしを接続するプラグが形成される接続孔に形成されることを特徴とする請求項４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、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは導電層のキャップとなるコバルトタングステンリン被膜を形成した導電層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】
銅配線は、アルミニウム配線より低抵抗，低容量、高信頼性を得ることができるので、配線の寄生抵抗、寄生容量による回路遅延が支配的になる微細素子において重要性を増してきている。銅配線を形成する最も一般的な方法として、ダマシン工程が広く受け入れられている。そのダマシン工程のなかでも製造コストの点からデュアルダマシンプロセスが受け入れられている。このデュアルダマシン工程の採用によって、銅配線プロセスは従来のアルミニウム配線工程より低コスト化されることが期待されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅はアルミニウムと比較して酸化されやすいため、銅表面の酸化を防止するために比誘電率が８と高い窒化シリコン（ＳｉＮ）をキャップ膜として使用する必要があった。その結果、配線システム全体の寄生容量を増大させるという弊害が生じている。また、銅はエレクトロマイグレーション耐性が高いと期待させる物性を有しているにもかかわらず、表面が化学的に不安定なため、銅と窒化シリコンとの界面が、銅の優先的拡散経路として働き、期待した高いエレクトロマイグレーション耐性（信頼性）が得られないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置およびその製造方法である。
【０００５】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された凹部と、前記凹部内にバリア層を介して埋め込まれた導電層と、前記導電層側部で前記バリア層に接続するとともに前記凹部の開口側における前記導電層を被覆するコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）被膜とを備えたものである。
【０００６】
上記半導体装置では、コバルトタングステンリン被膜が、導電層側部でバリア層に接続するとともに導電層の凹部の開口側を被覆するように形成されていることから、導電層のキャップ層が導電性を有する材料で形成されることになる。また、コバルトタングステンリン被膜は、銅との界面で銅の優先的拡散経路となりにくいため、高いエレクトロマイグレーション耐性（信頼性）が得られる。
【０００７】
また、コバルトタングステンリン被膜は導電層上面および側面の上部側で導電層に密着することになるので、コバルトタングステンリン被膜は剥がれにくくなっている。その結果、コバルトタングステンリン被膜とバリア層との接続力も強固になるので、コバルトタングステンリン被膜とバリア層とによって、導電層が銅で形成されていても銅の拡散が防止されるとともに、導電層への酸素の拡散も防止されるので導電層の酸化が防止される。
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部内面とともに前記絶縁膜表面にバリア層を形成し、該バリア層を介して前記凹部を埋め込むように前記絶縁膜表面に導電層を形成する工程と、前記凹部内に前記導電層を残すように前記導電層を除去するとともに、前記凹部内に残す前記バリア層上端部が前記導電層側面と前記凹部側壁との間になるように前記絶縁膜表面の前記バリア層を除去する工程と、無電解メッキによって、前記導電層側部で前記バリア層に接続するとともに前記導電層の前記凹部の開口側を選択的に被覆するコバルトタングステンリン被膜を形成する工程とを備えている。
【０００９】
上記半導体装置の製造方法では、凹部内に残すバリア層上端部が導電層側面と凹部側壁との間になるように絶縁膜表面のバリア層を除去し、その後導電層側部でバリア層に接続するとともに凹部の開口側における導電層を選択的に被覆するコバルトタングステンリン被膜を形成することから、コバルトタングステンリン被膜は導電層側部でバリア層に接続するとともに導電層の凹部の開口側を選択的に被覆するように形成される。また、コバルトタングステンリン被膜は、銅との界面で銅の優先的拡散経路となりにくいため、高いエレクトロマイグレーション耐性（信頼性）が得られる。
【００１０】
また、凹部内に残すバリア層上端部が導電層側面と凹部側壁との間になるように絶縁膜表面のバリア層を除去するには、通常のバリア層の除去方法を用いることができる。つまり、通常の絶縁膜表面に形成されたバリア層を除去する工程では、絶縁膜表面のバリア層を完全に除去するためにオーバエッチングを行っている。そのため、凹部側壁に形成されているバリア層は、その上端が導電層表面よりも凹部の底部側になるように除去される。それによって、コバルトタングステンリン被膜を形成した場合に、導電層側部でバリア層に接続するように形成される。このように、コバルトタングステンリン被膜が導電層側部でバリア層と接続することから、導電層はバリア層とコバルトタングステンリン被膜とによって包含された状態になる。しかも、その接続部分が導電層の側部に位置することより、コバルトタングステンリン被膜は導電層上面および側面の上部側で導電層に密着することになり、コバルトタングステンリン被膜は剥がれにくくなる。その結果、コバルトタングステンリン被膜とバリア層との接続力も強固になるので、コバルトタングステンリン被膜とバリア層とによって、導電層が銅で形成されていても銅の拡散が防止されるとともに、導電層への酸素の拡散も防止されるので導電層の酸化が防止される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置に係る実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１２】
図１に示すように基板１１上には絶縁膜１２が例えば酸化シリコン膜で形成されている。なお、この絶縁膜１２には有機絶縁膜、多孔質絶縁膜等を用いることもできる。上記絶縁膜１２には例えば溝配線が形成される溝からなる凹部１３が形成されている。上記凹部１３の内壁には、例えばバリア層１４を介して導電層１５が埋め込まれている。上記バリア層１４は、例えば窒化タングステンで形成され、上記導電層１５は例えば銅もしくは銅合金で形成されている。この導電層１５の側部で上記バリア層１４の上周端に接続するとともに凹部１３の開口側の導電層１５を選択的に被覆するようにコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）被膜１６が形成されている。すなわち、導電層１５の側部でコバルトタングステンリン被膜１６とバリア層１４とが接続して、コバルトタングステンリン被膜１６とバリア層１４とで導電層１５が包含されている。
【００１３】
上記説明では、凹部１３を溝で構成したが、凹部１３は、配線と配線とを接続するプラグが形成される接続孔であってもよく、または配線が形成される溝およびこの溝底部に形成される接続孔からなるものであってもよい。
【００１４】
上記半導体装置では、コバルトタングステンリン被膜１６が、導電層１５側部でバリア層１４に接続するとともに凹部１３の開口側における導電層１５を被覆するように形成されていることから、導電層１５のキャップ層が導電性を有するコバルトタングステンリンで形成されることになる。また、コバルトタングステンリン被膜１６は銅との界面で銅の優先的拡散経路となりにくいため、高いエレクトロマイグレーション耐性（信頼性）が得られる。
【００１５】
また、導電層１５はバリア層１４とコバルトタングステンリン被膜１６とで包含された状態となっているため、導電層１５が銅のような酸化されやすい材料で形成された場合であっても、バリア層１４とコバルトタングステンリン被膜１６とで、導電層１５が完全に被覆されて保護される。しかも、コバルトタングステンリン被膜１６は導電層１５上面および側面の上部側で導電層１５に密着することになるので、コバルトタングステンリン被膜１６は剥がれにくくなっている。その結果、コバルトタングステンリン被膜１６とバリア層１４との接続力も強固になるので、コバルトタングステンリン被膜１６とバリア層１４とによって、銅で形成されているも導電層１５であっても銅の拡散が防止されるとともに、導電層１５への酸素の拡散も防止されるので導電層１５の酸化が防止される。
【００１６】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を、図２の製造工程断面図によって説明する。図２では、前記図１で示したのと同様の部品には同一符号を付与して示す。
【００１７】
図２の（１）に示すように、基板（図示せず）上に形成された第１の絶縁膜３１に例えば溝配線構造の第１の配線３２がバリア層３２ｂを介して形成されている。上記第１の絶縁膜３１上には第１の配線３２を被覆する拡散防止層３３が形成され、その上に第２の絶縁膜３４が形成されている。上記拡散防止層３３は接続孔形成時のエッチングストッパとしての機能を有していてもよい。さらに第２の絶縁膜３４上には第３の絶縁膜３５が形成されている。第３の絶縁膜３５には凹部３６（以下溝３６として説明する）が形成され、その溝３６の底部より第２の絶縁膜３４を貫通して第１の配線３２に達する接続孔３７が形成されている。
【００１８】
上記構成の配線溝３６および接続孔３７の内面にはバリア層４１が形成されている。このバリア層４１は、例えば窒化タングステンで形成されている。さらにバリア層４１表面には例えばスパッタリング等の成膜技術を用いて銅シード層４２が形成されている。通常、高アスペクト比の溝、接続孔では、溝側壁、接続孔側壁での銅シード層の膜厚不足を補填するためにシード層補強電解メッキを行う。図面ではシード層補強電界メッキを行った銅シード層４２を示した。その後、基板を洗浄する。この洗浄は、例えば水洗によって行う。
【００１９】
次に、図２の（２）に示すように、銅電解メッキを行うことにより、溝３６および接続孔３７を銅からなる導電層４３で埋め込む。その際、第３の絶縁膜３５上のバリア層４１上にも銅からなる導電層４３が堆積される。なお、図面では銅シード層４２も導電層４３に含めて描いている。この電解メッキ工程のシーケンスでは、メッキ後の導電層４３表面が平坦化されるようにメッキ条件を選択して、表面が平坦な銅メッキ層を形成する。その後、基板を洗浄する。この洗浄は、例えば水洗によって行う。
【００２０】
次に、図２の（３）に示すように、上記処理を行った基板をアニーリングする。このアニーリングによって、電解メッキ後の微細な結晶粒を有する導電層４３の銅結晶粒の成長を促す。
【００２１】
次に、図２の（４）に示すように、電解研磨を実施して絶縁膜（第３の絶縁膜３５）表面の導電層４３を除去し、溝３６および接続孔３７の内部のみに導電層４３を残す。
【００２２】
続いて、図２の（５）に示すように、窒化タングステンからなるバリア層４１を過酸化水素水によるウエットエッチングにより除去する。すなわち、基板表面に過酸化水素水溶液をスプレーし、平坦面上の不用な窒化タングステンからなるバリア層４１を溶解して除去する。窒化タングステンのエッチングは等方的に進行するので、第３の絶縁膜３５表面の窒化タングステンを完全に除去するには、ある程度のオーバエッチングが必要になる。その結果、溝３６の側壁にサイドエッチングが生じ、バリア層４１の上端４１ｔが導電層４３の表面４３ｓよりも低く形成される。その後、基板を洗浄する。この洗浄は、例えば水洗によって行う。
【００２３】
次に、図２の（６）に示すように、無電解メッキによって、露出している導電層４３表面にコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）被膜４４を選択的に形成する。この成膜の選択性は、ＣｏＷＰ無電解メッキを実施する前に、銅との置換無電解メッキによって、導電層４３表面をパラジウムにより被覆しておく。このパラジウム被覆によって、ＣｏＷＰの成膜はパラジウムを触媒としてパラジウム上のみに発生することに起因している。一旦、パラジウムの表面がＣｏＷＰにより被覆された後は、ＣｏＷＰ自体を触媒とした自己触媒メッキにより、選択性を保ったままＣｏＷＰのメッキ成長が進行する。上記窒化タングステンからなるバリア層４１のエッチングで発生したサイドエッチングによる導電層４３表面の露出は、このコバルトタングステンリン被膜４４によって被覆される。その後、基板を洗浄する。この洗浄は、例えば水洗によって行う。
【００２４】
上記実施の形態で説明した材料のうち、バリア層４１は窒化タングステンに限られるものではなく、同様の機能を有する材料、例えば、窒化タンタル等と置き換えることも可能である。
【００２５】
上記説明では、溝３６に埋め込まれた銅からなる導電層４３にコバルトタングステンリン被膜４４を形成する技術を説明したが、例えば接続孔内に銅もしくは銅合金からなるプラグを形成し、そのプラグの上面側をコバルトタングステンリン被膜で被覆するような技術にも適用することができる。
【００２６】
上記半導体装置の製造方法では、凹部（溝）３６内に残すバリア層４１上端部が導電層４３側面と溝３６側壁との間になるように第３の絶縁膜３５表面のバリア層４１を除去し、その後導電層４３側部でバリア層４１に接続するとともに溝３６の開口側における導電層４３を選択的に被覆するコバルトタングステンリン被膜４４を形成することから、コバルトタングステンリン被膜４４は導電層４３側部でバリア層４１に接続するとともに溝３６の開口側における導電層４３を選択的に被覆するように形成される。また、コバルトタングステンリン被膜４４は、銅との界面で銅の優先的拡散経路となりにくいため、導電層４３で構成される配線は高いエレクトロマイグレーション耐性（信頼性）が得られる。
【００２７】
また、過酸化水素水を用いたウエットエッチングによって、第３の絶縁膜３５上のバリア層４１を除去している。その際、第３の絶縁膜３５表面のバリア層４１を完全に除去するため、オーバエッチングを行うのが通例である。その結果、溝３６内に残すバリア層４１上端部は、導電層４３側面と溝３６側壁との間になる。そして溝３６側壁に形成されているバリア層４１は、その上端が導電層４３表面よりも溝３６の底部側になるように除去される。それによって、コバルトタングステンリン被膜４４を形成した場合に、導電層４３側部でバリア層４１に接続するように形成される。このように、コバルトタングステンリン被膜４４が導電層４３側部でバリア層４１と接続することから、導電層４３はバリア層４１とコバルトタングステンリン被膜４４とによって包含された状態になる。しかも、その接続部分が導電層４３の側部に位置することより、コバルトタングステンリン被膜４４は導電層４３上面および側面の上部側で導電層４３に密着することになり、コバルトタングステンリン被膜４４は剥がれにくくなる。その結果、コバルトタングステンリン被膜４４とバリア層４１との接続力も強固になるので、コバルトタングステンリン被膜４４とバリア層４１とによって、導電層４３の銅の拡散が防止される。また、導電層４３への酸素の拡散も防止されるので導電層の酸化が防止される。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置によれば、コバルトタングステンリン被膜が、導電層側部でバリア層に接続するとともに導電層の凹部の開口側を被覆するように形成されているので、導電層が銅もしくは銅合金で形成された場合であっても、コバルトタングステンリン被膜と導電層との間が銅の拡散経路とならないので、エレクトロマイグレーション耐性を確保することができる。また、コバルトタングステンリン被膜は導電層上面および側面の上部側で導電層に密着することになるので、コバルトタングステンリン被膜は剥がれにくくなっている。以上のことから、導電層を配線もしくはプラグとして用いた場合に、高い信頼性が得られる。また、コバルトタングステンリン被膜上に直接低誘電率絶縁膜を成膜することができるため、配線システム全体の配線寄生抵抗が大幅に低減される。
【００２９】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、凹部内に残すバリア層上端部が導電層側面と凹部側壁との間になるようにバリア層を除去するので、その後のコバルトタングステンリン被膜を形成する工程では、コバルトタングステンリン被膜は、導電層側部でバリア層に接続するとともに導電層の凹部の開口側を被覆するように形成できる。そのため、導電層が銅もしくは銅合金で形成された場合であっても、コバルトタングステンリン被膜と導電層との間が銅の拡散経路とならないので、エレクトロマイグレーション耐性を確保することができる。また、コバルトタングステンリン被膜をバリア層とで導電層を包含する状態に形成することができるので、導電層をバリア層とコバルトタングステンリン被膜とで完全に被覆して保護することができる。しかも、コバルトタングステンリン被膜は導電層上面および側面の上部側で導電層に密着するように形成されるので、コバルトタングステンリン被膜は剥がれにくくなっている。以上のことから、導電層を配線もしくはプラグとして形成した場合には信頼性の高い配線もしくはプラグを形成することができる。また、コバルトタングステンリン被膜上に直接低誘電率絶縁膜を成膜することができるため、配線システム全体の配線寄生抵抗を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置に係る実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を示す製造工程断面図である。
【符号の説明】
１１…基板、１２…絶縁膜、１３…凹部（溝）、１４…バリア層、１５…導電層、１６…コバルトタングステンリン被膜
【図１】
0004644924.tif 000002
【図２】
0004644924.tif 000003