(57)【要約】【課題】化学機械研磨によって層間絶縁膜上に生じた銅残渣が起因となる信頼性の低下を防止した半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１上に層間絶縁膜２を形成した後、第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３を形成する。ここに配線溝４と接続孔５を設けて、バリアメタル層６を形成する。そこにＣｕ層７を形成して第１の化学機械研磨によってＣｕ層７表面を除去し、さらに第２の化学機械研磨によってバリアメタル層表面６ａを除去する。この上に第２のＣｕ拡散バリア絶縁膜８を設けて、銅残渣７ａを第１および第２のＣｕ拡散バリア絶縁膜３，８で挟み込んだ構造にする。【選択図】  図３
2005072228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に設けられた溝と、
前記溝に埋め込まれた金属からなる配線と
を有する半導体装置であって、
前記溝が設けられた部分以外の前記層間絶縁膜上には第１の金属拡散バリア絶縁膜が形成されており、
前記第１の金属拡散バリア絶縁膜および前記配線の上には第２の金属拡散バリア絶縁膜が形成されている、半導体装置。
【請求項２】
前記金属は、銅、銅合金、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選ばれた一つである、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に第１の金属拡散バリア絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記第１の金属拡散バリア絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、
前記第１の金属拡散バリア絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、
前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、
前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、
前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程と、
前記配線溝内の前記金属層と、前記第２の化学機械研磨により露出した前記第１の金属拡散バリア絶縁膜との表面に第２の金属拡散バリア絶縁膜を形成する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面に第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記配線溝を埋め尽くすように、前記第１のバリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、
前記配線溝表面以外に形成されている前記第１のバリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、
前記金属層と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記第１のバリアメタル層との上に第２のバリアメタル層を形成する工程と、
第２の化学機械研磨により前記第１のバリアメタル層のうち前記配線溝表面以外に形成されている部分および前記第２のバリアメタル層を除去する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、
前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、
前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、
前記配線溝内に存する前記金属層の表面に合金被膜を形成する工程と、
前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面に第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記配線溝を埋め尽くすように、前記第１のバリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、
前記配線溝表面以外に形成されている前記第１のバリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、
電気化学的エッチングにより前記配線溝内に存する前記金属層の表面を、前記層間絶縁膜のうち前記配線溝の部分以外の表面よりも低くなるまで除去する工程と、
前記金属層と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記第１のバリアメタル層との上に第２のバリアメタル層を形成する工程と、
第２の化学機械研磨により前記第１のバリアメタル層のうち前記配線溝表面以外に形成されている部分および前記第２のバリアメタル層を除去する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、
前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、
前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、
電気化学的エッチングにより前記配線溝内に存する前記金属層の表面を、前記層間絶縁膜のうち前記配線溝の部分以外の表面よりも低くなるまで除去する工程と、
前記配線溝内に存する前記金属層の表面に合金被膜を形成する工程と、
前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属は、銅、銅合金、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選ばれた一つである、請求項３から７のいずれか一つに記載された半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記合金被膜は、コバルトを含む、請求項５又は７に記載の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、層間絶縁膜に設けられた金属配線を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高集積度化と微細化が進んで行くのに伴って、半導体装置における金属多層配線の技術も開発が進んできている。現在では低抵抗である点とエレクトロマイグレーション耐性が高い点とから、配線金属には銅が主に使われている。
【０００３】
半導体装置における銅の埋め込み配線は、まず層間絶縁膜に下層との接続孔（ビアホール）と配線溝を形成し、その表面に銅の層間絶縁膜中への拡散を防ぐバリアメタル層を形成して、さらにその上に銅を厚く堆積させて接続孔と配線溝とを銅で埋めることで形成する。そして化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical polishing）によって、接続孔と配線溝内の銅は残してその他の部分のバリアメタル層上の銅を除去し、それから再度化学機械研磨を行って露出したバリアメタル層を除去して配線ができあがる。
【０００４】
ここで、銅の除去とバリアメタル層の除去とで別々に化学機械研磨を行うのは、銅とバリアメタル層とでは研磨条件が異なるからである。
【０００５】
これまでは銅の化学機械研磨の工程の後、バリアメタルの化学機械研磨の工程において、層間絶縁膜上に銅残渣が生じていた。この銅残渣が層間絶縁膜中へ拡散していくことにより、配線間のリーク電流が増加し、信頼性寿命の低下が起こる。従来は、絶縁膜上の銅残渣を除去するために、銅の研磨条件でもう一度追加の化学機械研磨を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−４４１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の層間絶縁膜上の銅残渣を除去するために追加研磨を行う場合、同時に絶縁膜や配線溝部の銅も研磨されてしまうため、ディッシングおよびエロージョンが発生し、配線抵抗がばらついたり、上層配線を形成するときに窪んだ部分に銅の研磨残りが発生し、歩留まりの低下が生じていた。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、追加の研磨は行わないで、化学機械研磨によって層間絶縁膜上に生じた銅残渣が起因となる信頼性の低下を防止した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に設けられた溝と、前記溝に埋め込まれた金属からなる配線とを有する半導体装置であって、前記溝が設けられた部分以外の前記層間絶縁膜上には第１の金属拡散バリア絶縁膜が形成されており、前記第１の金属拡散バリア絶縁膜および前記配線の上には第２の金属拡散バリア絶縁膜が形成されている。
【０００９】
前記金属は、銅、銅合金、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選ばれた一つのものである。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に第１の金属拡散バリア絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜および前記第１の金属拡散バリア絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、前記第１の金属拡散バリア絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程と、前記配線溝内の前記金属層と、前記第２の化学機械研磨により露出した前記第１の金属拡散バリア絶縁膜との表面に第２の金属拡散バリア絶縁膜を形成する工程とを含む。
【００１１】
本発明の別の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面に第１のバリアメタル層を形成する工程と、前記配線溝を埋め尽くすように、前記第１のバリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、前記配線溝表面以外に形成されている前記第１のバリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、前記金属層と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記第１のバリアメタル層との上に第２のバリアメタル層を形成する工程と、第２の化学機械研磨により前記第１のバリアメタル層のうち前記配線溝表面以外に形成されている部分および前記第２のバリアメタル層を除去する工程とを含む。
【００１２】
本発明の他の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、前記配線溝内に存する前記金属層の表面に合金被膜を形成する工程と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程とを含む。
【００１３】
本発明のさらに別の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面に第１のバリアメタル層を形成する工程と、前記配線溝を埋め尽くすように、前記第１のバリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、前記配線溝表面以外に形成されている前記第１のバリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、電気化学的エッチングにより前記配線溝内に存する前記金属層の表面を、前記層間絶縁膜のうち前記配線溝の部分以外の表面よりも低くなるまで除去する工程と、前記金属層と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記第１のバリアメタル層との上に第２のバリアメタル層を形成する工程と、第２の化学機械研磨により前記第１のバリアメタル層のうち前記配線溝表面以外に形成されている部分および前記第２のバリアメタル層を除去する工程とを含む。
【００１４】
本発明のさらに他の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングして少なくとも配線溝を形成する工程と、前記層間絶縁膜および前記配線溝の表面にバリアメタル層を形成する工程と、前記配線溝を埋め尽くすように、前記バリアメタル層の表面に金属層を形成する工程と、前記配線溝表面以外に形成されている前記バリアメタル層の上の前記金属層を第１の化学機械研磨により除去する工程と、電気化学的エッチングにより前記配線溝内に存する前記金属層の表面を、前記層間絶縁膜のうち前記配線溝の部分以外の表面よりも低くなるまで除去する工程と、前記配線溝内に存する前記金属層の表面に合金被膜を形成する工程と、前記第１の化学機械研磨により露出した前記バリアメタル層を第２の化学機械研磨により除去する工程とを含む。
【００１５】
前記金属は、銅、銅合金、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選ばれた一つのものである。
【００１６】
前記合金被膜は、コバルトを含んでいることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
化学機械研磨工程において絶縁膜上の金属残渣の発生があっても、この金属残渣を金属拡散バリア絶縁膜で挟み込んでいるので金属残渣がこれ以上拡散することはなく、信頼性の低下を防止できる。また、本発明の他の半導体装置の製造方法では、金属配線表面にバリアメタル層や合金皮膜を形成しておき、化学機械研磨工程において絶縁膜上に金属残渣の発生がないようにしているので、追加研磨を行わなくても半導体装置の信頼性は高く保たれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態を説明する前に、層間絶縁膜上に銅残渣が発生する推定メカニズムとこの銅残渣により信頼性が低下する理由について述べる。
【００１９】
バリアメタル層の化学機械研磨により銅残渣が生じるのは、銅研磨後のバリアメタル研磨工程において、銅がバリアメタルよりも柔らかいために化学機械研磨の応力により銅が機械的に延伸されることが主要な原因となっていると推定している。このことを図に基づいて説明する。
【００２０】
図１５は銅の化学機械研磨が終了した半導体装置の模式的な要部断面図である。図１５に示された状態に至るまでの工程を説明する。
【００２１】
まず半導体基板１０１上に低誘電率膜からなる層間絶縁膜１０２を形成してこの層間絶縁膜１０２にヴィアホール１０５と配線溝１０４とを形成し、さらにこれらの表面にバリアメタル層１０６設ける。そしてこのバリアメタル層１０６上にＣｕ層１０７を形成し、バリアメタル層１０６のうち配線溝１０４表面以外に存する部分の上に設けられたＣｕ層１０７を化学機械研磨により除去して、バリアメタル層１０６と配線溝１０４に埋め込まれたＣｕ層１０７との表面を露出させる。こうしてＣｕ層１０７の化学機械研磨までが終了する。
【００２２】
次に露出したバリアメタル層１０６を化学機械研磨により除去する。図１６（ａ）〜（ｄ）は、図１５の矢印Ａで示された部分を拡大してバリアメタル層１０６の化学機械研磨の工程を順を追って表した模式的なフロー図である。なお、バリアメタル層１０６の方がＣｕ層１０７よりも硬いので、この化学機械研磨は銅の化学機械研磨とは研磨条件が異なっている。
【００２３】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、砥粒１３０によりバリアメタル層１０６が研磨されていくが、同時に配線溝１０４内のＣｕ層１０７表面も研磨されていく。層間絶縁膜１０２上のバリアメタル層１０６が研磨されて除去されても、配線溝１０４表面のバリアメタル層１０６の上端１０６ａは層間絶縁膜１０２表面から少し突出した状態で残る（図１６（ｃ））。この部分を砥粒１３０が研磨して除去しようとすると、このバリアメタル層上端部分１０６ａに大きな応力がかかるため、上端部１０６ａは研磨されるのよりも大きな塊となって欠けて除去されてしまいやすい。そのため、図１６（ｄ）に示すように、バリアメタル層１０６に隣接するＣｕが砥粒１３０により延伸されて（引きずられて伸ばされて）層間絶縁膜１０２上に載ってしまうという現象が生じる。こうして化学機械研磨の終了後に銅の残渣１０７ａが層間絶縁膜１０２上に残ってしまうと考えられる。
【００２４】
このように、バリアメタル層１０６の化学機械研磨により層間絶縁膜１０２上に銅残渣１０７ａが生じると、配線間に印加された電界によって銅が層間絶縁膜１０２内を拡散していって最終的に配線間のショートを引き起こすため、信頼性の低下に繋がる。
【００２５】
上記の推定メカニズムに基づいて本願発明者は信頼性の低下を防止する方法として以下の方法を考え出した。
【００２６】
１）バリアメタル研磨により金属残渣が生じても、この金属残渣を上下から金属拡散防止バリア絶縁膜により挟みこむようにする。または、２）金属埋め込み配線形成工程において、配線金属の化学機械研磨の工程の後にバリアメタルをもう一度形成して、それからバリアメタルの化学機械研磨を行う。３）配線金属の化学機械研磨後、金属配線表面にのみ硬度の高い合金を選択的に形成し、それからバリアメタルの化学機械研磨を行う。４）配線金属の化学機械研磨の後、配線金属を電気化学的にエッチングして金属表面を層間絶縁膜表面より低くした後、２）又は３）を行う。
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
実施形態１に係る半導体装置の製造工程を図１、図２および図３に示す。本実施形態では金属配線として銅（Ｃｕ）配線を用いている。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、まず半導体基板１上に、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜２を形成する。ここで、半導体基板１は、シリコン基板に不純物を導入して多数のトランジスタや他の回路素子を形成した基板、あるいはそのような基板上に１乃至複数の配線層（層間絶縁膜に金属配線を設けたもの）を形成した基板である。また、層間絶縁膜２は、たとえばＳｉＯＣをＣＶＤ法により７００ｎｍ堆積させて形成する。
【００３０】
それから図１（ｂ）に示すように、この層間絶縁膜２の上に第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３を形成する。第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３はＣｕが層間絶縁膜２中に拡散するのを防止するものであり、例えばＳｉＣを８０ｎｍ堆積させて形成する。
【００３１】
次に図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングとを行うことにより、第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３と層間絶縁膜２とに配線溝（溝）４を、層間絶縁膜２に接続孔５を形成する。
【００３２】
それから図２（ａ）に示すように、配線溝４と接続孔５との表面および第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３表面にバリアメタル層６を形成する。バリアメタル層６は、例えばＴａＮ／Ｔａを１０ｎｍ／５ｎｍの厚みでスパッタによって形成する。バリアメタル層６はＣｕが層間絶縁膜２の中に拡散していくのを防ぐものであり、導電性を有している。
【００３３】
このバリアメタル層６の上に、図２（ｂ）に示すようにＣｕ層７を形成して接続孔５および配線溝４をＣｕで埋め尽くし、第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３上のバリアメタル層６表面にもＣｕを堆積させる。Ｃｕ層７の形成は、たとえば、まずスパッタ法によりバリアメタル層６上に銅シードを３０ｎｍ形成し、次にメッキ法によってその上に銅をたとえば１μｍ形成して行う。
【００３４】
そして図３（ａ）に示すように、第１の化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）によりバリアメタル層６の表面６ａまで銅（Ｃｕ層７）を除去する研磨を行う。化学機械研磨はＣｕ層７の表面から半導体基板１に向かってＣｕ層７の表面全体を略均一に削り取っていくものである。従って、ここでいうバリアメタル層６の表面６ａとは、配線溝４と接続孔５との表面以外に形成されているバリアメタル層６の表面６ａのことであり、別の言葉でいうと、第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３上に形成されているバリアメタル層６の表面６ａのことである。ここで第１の化学機械研磨は、銅を研磨する条件での化学機械研磨である。
【００３５】
つぎに図３（ｂ）に示すように、第１の化学機械研磨で露出したバリアメタル層６を第２の化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する。この時、研磨条件はバリアメタル層を研磨する条件であるが、上述のように配線溝４内のＣｕ層７も表層部分が研磨され、研磨の最後には銅が砥粒により引き延ばされて第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３の上に銅残渣７ａとして残る。
【００３６】
それから図３（ｃ）に示すように、Ｃｕ層７と、第２の化学機械研磨により露出した第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜３との表面に第２のＣｕ拡散バリア絶縁膜８を形成する。第２のＣｕ拡散バリア絶縁膜８としては、たとえばＳｉＣ膜を３０ｎｍの厚みに形成したものを用いればよい。
【００３７】
こうして、第２の化学機械研磨により生じた銅残渣７ａは、ＳｉＣ膜（Ｃｕ拡散バリア絶縁膜３，８）により上下から挟まれる構造となる。このことにより、銅残渣７ａがＳｉＣ膜中に存在しているが、ＳｉＣ膜自体が銅の拡散を防止する効果があるため、図４（ａ）に示すように配線間（２つのＣｕ層７，７間）に電圧が印加されて電界が発生しても、図４（ｂ）に示すように銅残渣７ａの周囲はＣｕ拡散バリア絶縁膜３，８に囲まれていて銅が拡散することがない。従って追加研磨をしなくても、信頼性の低下を起こすことが無くなる。
【００３８】
（実施形態２）
実施形態２に係る半導体装置の製造工程を図５、図６および図７に示す。本実施形態でも金属配線として銅（Ｃｕ）配線を用いている。
【００３９】
本実施形態では実施形態１と同じように、まず半導体基板１上に、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜２を形成する（図１（ａ））。
【００４０】
次に図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングを行うことにより、配線溝４と接続孔５とを層間絶縁膜２に形成する。
【００４１】
それから図５（ｂ）に示すように、配線溝４と接続孔５との表面および層間絶縁膜２の表面に第１のバリアメタル層１６を形成する。第１のバリアメタル層１６の構成や厚みは実施形態１のバリアメタル層６と同じである。
【００４２】
そしてこの第１のバリアメタル層１６の上に、図５（ｃ）に示すようにＣｕ層７を形成して接続孔５および配線溝４をＣｕで埋め尽くし、層間絶縁膜２上の第１のバリアメタル層１６の上にもＣｕ層７を設ける。このＣｕ層７の形成方法は実施形態１と同じ方法である。
【００４３】
次に、図６（ａ）に示すように第１の化学機械研磨（ＣＭＰ）により第１のバリアメタル層１６の表面１６ａまで銅を除去する研磨を行う。化学機械研磨はＣｕ層７の表面から半導体基板１に向かって面全体を略均一に削り取っていくものである。従って、ここでいう第１のバリアメタル層１６の表面１６ａとは、配線溝４と接続孔５との表面以外に形成されている第１のバリアメタル層１６の表面１６ａのことである。ここで第１の化学機械研磨は、銅を研磨する条件での化学機械研磨である。
【００４４】
この次に、図６（ｂ）に示すように第１の化学機械研磨により露出した第１のバリアメタル層１６の表面１６ａとＣｕ層７の表面とに第２のバリアメタル層１１を形成する。第２のバリアメタル層１１は、例えばスパッタ法によってＴａＮ膜を１０ｎｍの厚みで設けて形成する。
【００４５】
さらに、図７（ａ）に示すように第１および第２のバリアメタル層１６，１１を第２の化学機械研磨（ＣＭＰ）によって除去を行う。この時、研磨条件はバリアメタルを研磨する条件である。
【００４６】
第２の化学機械研磨を図１４に基づいてさらに説明をする。
【００４７】
図１４（ａ）は、第２のバリアメタル層１１を形成した後の配線溝４近傍の拡大模式図である。第１の化学機械研磨が終了した時点でＣｕ層７と第１のバリアメタル層１６との境界部分の表面は、Ｃｕ層７が他の部分よりもより研磨が行われて微小なＶ溝が形成される。第２のバリアメタル層１１はこのＶ溝にも形成されて、この部分の第２のバリアメタル層１１が第１のバリアメタル層１６のエッジ部分を補強する。このため、第２の化学機械研磨を行って第１のバリアメタル層１６を除去する際に、第１のバリアメタル層１６のエッジの欠けが防止され、Ｃｕが層間絶縁膜２上に延ばされて銅残渣が生じてしまうことが防止される。従って、信頼性が低下することがない。また、第１と第２のバリアメタル層１６，１１を同時に第２の化学機械研磨で除去するため、第２のバリアメタル層１１がない場合に比べてＣｕ層７の研磨時間が短縮される。
【００４８】
このようにして第２の化学機械研磨を行った後、図７（ｂ）に示すように第２の化学機械研磨により露出した層間絶縁膜２とＣｕ層７との上にＣｕ拡散バリア絶縁膜１３を形成する。Ｃｕ拡散バリア絶縁膜１３には３０ｎｍ厚みのＳｉＣ膜などを用いればよい。
【００４９】
本実施形態では、第１の化学機械研磨により第１のバリアメタル層１６を除去した後に第２のバリアメタル層１１を設けて、それから第２の化学機械研磨を行うことで、層間絶縁膜２の上に銅残渣が生じることが防止され、半導体装置の信頼性低下を防止できる。
【００５０】
（実施形態３）
実施形態３は、第１の化学機械研磨が終了するところまでは実施形態２と同じであるので、それ以降の工程を中心に図８および図９に基づいて説明する。
【００５１】
図８（ａ）は第１のバリアメタル層１６が露出するまで第１の化学機械研磨を行った状態を示しており、図６（ａ）と同じ状態である。
【００５２】
それから、図８（ｂ）に示すように露出しているＣｕ層７表面を電気化学的にエッチングして、層間絶縁膜２の表面のうち配線溝４の部分以外における表面よりもＣｕ層７表面を低くさせる。
【００５３】
ここで層間絶縁膜２の表面よりも低くするというのは、半導体基板１表面からの距離がＣｕ層７表面の方が層間絶縁膜２表面よりも小さいということである。
【００５４】
次に、図８（ｃ）に示すようにエッチングしたＣｕ層７表面および第１の化学機械研磨で露出した第１のバリアメタル層１６の表面１６ａに第２のバリアメタル層１１を形成する。
【００５５】
それから、図９（ａ）に示すように第１および第２のバリアメタル層１６，１１を第２の化学機械研磨（ＣＭＰ）によって除去を行う。この時、研磨条件はバリアメタルを研磨する条件である。なお、第２のバリアメタル層１１のうちＣｕ層７の表面に形成されている部分は、除去されずに残ったままである。
【００５６】
第２の化学機械研磨の後、図９（ｂ）に示すように第２の化学機械研磨により露出した層間絶縁膜２とＣｕ層７表面上の第２のバリアメタル層１１との上にＣｕ拡散バリア絶縁膜１３を形成する。
【００５７】
本実施形態では、第２のバリアメタル層１１を形成する前にＣｕ層７表面を電気化学的にエッチングしてＣｕ層７表面を層間絶縁膜２表面よりも低くすることで、Ｃｕ層７表面に第２のバリアメタル層１１が存する状態（残った状態）で第２の化学機械研磨が終了するので、実施形態２に比べてさらに銅のはみ出しを有効に防止することが可能となり、信頼性を高く保持できる。
【００５８】
（実施形態４）
実施形態４に係る半導体装置の製造工程を図１０、図１１に示す。本実施形態でも金属配線として銅（Ｃｕ）配線を用いている。
【００５９】
本実施形態では実施形態１と同じように、まず半導体基板１上に、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜２を形成する（図１（ａ））。
【００６０】
次に、フォトリソグラフィーとエッチングを行うことにより、配線溝４と接続孔５とを層間絶縁膜２に形成して、配線溝４と接続孔５との表面にバリアメタル層６を形成する（図５（ｂ）。バリアメタル層６の構成や厚みは実施形態１のバリアメタル層６と同じである。
【００６１】
そしてこのバリアメタル層６の上に、図１０（ａ）に示すようにＣｕ層７を形成して接続孔５および配線溝４をＣｕで埋め尽くす。このＣｕ層７の形成方法は実施形態１と同じ方法である。
【００６２】
次に、図１０（ｂ）に示すように第１の化学機械研磨（ＣＭＰ）によりバリアメタル層６の表面６ａまで銅を除去する。化学機械研磨はＣｕ層７の表面から半導体基板１に向かって面全体を略均一に削り取っていくものであるので、ここでいうバリアメタル層６の表面６ａとは、配線溝４と接続孔５との表面以外に形成されているバリアメタル層６の表面６ａのことである。ここで、第１の化学機械研磨は銅を研磨する条件での化学機械研磨である。
【００６３】
それから、図１１（ａ）に示すように、たとえば無電解メッキによりＣｏＷＰ合金を配線溝４部の露出したＣｕ層７表面に形成して合金皮膜１７とする。
【００６４】
そして、図１１（ｂ）に示すように第１の化学機械研磨によって露出したバリアメタル層６の表面６ａを第２の化学機械研磨により除去する。この時、合金皮膜１７は少なくとも一部が除去されずに残る。図には示していないが、さらにその上に、Ｃｕ拡散バリア絶縁膜として、たとえばＳｉＣ膜を３０ｎｍ形成する。
【００６５】
本実施形態では、第２の化学機械研磨を行う前に露出したＣｕ層７表面を銅より硬いＣｏＷＰ合金の合金皮膜１７で被覆することで、バリアメタル層６研磨中にＣｕ層７の表面が合金皮膜１７により保護され、銅の延伸による層間絶縁膜２上への銅のはみ出しを防止することが出来るため、層間絶縁膜２上に銅残渣が生じることを防止することができる。従って半導体装置の信頼性の低下を防止できる。
【００６６】
（実施形態５）
実施形態５は、第１の化学機械研磨が終了するところまでは実施形態４と同じであるので、それ以降の工程を中心に図１２および図１３に基づいて説明する。
【００６７】
図１２（ａ）は、バリアメタル層６の上にＣｕ層７を形成して配線溝４および接続孔５をＣｕで埋め込んだ状態を示しており、図１０（ａ）に示している状態と同じ状態である。
【００６８】
次に、図１２（ｂ）に示すようにバリアメタル層６が露出するまで第１の化学機械研磨によってＣｕの除去を行う。この状態は、図１０（ｂ）と同じ状態である。
【００６９】
それから、図１２（ｃ）に示すように配線溝４内の露出しているＣｕ層７表面を電気化学的にエッチングして、層間絶縁膜２の表面のうち配線溝４の部分以外の表面よりもＣｕ層７表面を低くさせる。
【００７０】
そして、図１３（ａ）に示すように、露出した配線溝４部のＣｕ層７表面にたとえば無電解メッキによりＣｏＷＰ合金を形成して合金皮膜１７とする。
【００７１】
次に、図１３（ｂ）に示すように第１の化学機械研磨によって露出したバリアメタル層６の表面６ａを第２の化学機械研磨により除去する。合金皮膜１７の表面はバリアメタル層６の表面６ａよりも低いので、この第２の化学機械研磨の工程では、合金皮膜１７に対する研磨はほとんど、或いは全く行われない。図には示していないが、さらにその上に、Ｃｕ拡散バリア絶縁膜として、たとえばＳｉＣ膜を３０ｎｍ形成する。
【００７２】
本実施形態では、合金皮膜１７を形成する前にＣｕ層７表面を電気化学的にエッチングし、Ｃｕ層７表面を層間絶縁膜２表面より低くすることで、実施形態４よりもさらに銅の層間絶縁膜２上へのはみ出しを有効に防止することが可能となって信頼性低下を確実に防止できると供に、合金皮膜１７形成時に、合金皮膜１７と層間絶縁膜２の表面を面一にして段差をなくすことが可能となる。
【００７３】
（その他の実施形態）
これまで説明した実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されない。例えば、金属配線としては、Ｃｕだけではなく銅合金、銀、銀合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を配線金属として用いることができる。いずれの金属の場合もＣｕの場合と同様にバリアメタル層よりも軟らかく、バリアメタル層の化学機械研磨の際に砥粒により引き延ばされてしまうので、本願発明の方法を適用することにより信頼性の低下を防止することができる。
【００７４】
Ｃｕ層（金属層）の表面に形成する合金被膜は、ＣｏＷＰ合金に限定されずＣｏを含有する他の合金やＷを含む合金などＣｕよりも硬い合金であればよい。
【００７５】
また、層間絶縁膜やバリアメタル層、Ｃｕ拡散バリア絶縁膜などの構成物質も各膜や層の機能を果たすものであれば特に限定されない。これらの製法も特に限定されない。
【００７６】
さらに、別の工程が途中に入っていても構わないし、接続孔がなく配線溝のみであっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上説明したように、本発明は金属配線を有する半導体装置およびその製造方法について有用であり、半導体装置の金属配線部における信頼性の低下を防止できるという点で産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施形態１に係る製造工程の前半の一部を示すフロー図である。
【図２】実施形態１に係る製造工程の中盤の一部を示すフロー図である。
【図３】実施形態１に係る製造工程の後半の一部を示すフロー図である。
【図４】実施形態１に係る半導体装置を示す模式図である。
【図５】実施形態２に係る製造工程の前半の一部を示すフロー図である。
【図６】実施形態２に係る製造工程の中盤の一部を示すフロー図である。
【図７】実施形態２に係る製造工程の後半の一部を示すフロー図である。
【図８】実施形態３に係る製造工程の前半の一部を示すフロー図である。
【図９】実施形態３に係る製造工程の後半の一部を示すフロー図である。
【図１０】実施形態４に係る製造工程の前半の一部を示すフロー図である。
【図１１】実施形態４に係る製造工程の後半の一部を示すフロー図である。
【図１２】実施形態５に係る製造工程の前半の一部を示すフロー図である。
【図１３】実施形態５に係る製造工程の後半の一部を示すフロー図である。
【図１４】実施形態２の第１のバリアメタル層のエッジ保護を示す拡大模式図である。
【図１５】銅の化学機械研磨が終了した半導体装置の模式的な要部断面図である。
【図１６】層間絶縁膜上に銅残渣が生じるプロセスを示すフロー図である。
【符号の説明】
【００７９】
１      半導体基板
２      層間絶縁膜
３      第１のＣｕ拡散バリア絶縁膜
４      配線溝（溝）
５      接続孔
６      バリアメタル層
６ａ    バリアメタル層表面
７      Ｃｕ層
８      第２のＣｕ拡散バリア絶縁膜
１１    第２のバリアメタル層
１３    Ｃｕ拡散バリア絶縁膜
１６    第１のバリアメタル層
１６ａ  第１バリアメタル層表面
【図１】
2005072228.tif 000003
【図２】
2005072228.tif 000004
【図３】
2005072228.tif 000005
【図４】
2005072228.tif 000006
【図５】
2005072228.tif 000007
【図６】
2005072228.tif 000008
【図７】
2005072228.tif 000009
【図８】
2005072228.tif 000010
【図９】
2005072228.tif 000011
【図１０】
2005072228.tif 000012
【図１１】
2005072228.tif 000013
【図１２】
2005072228.tif 000014
【図１３】
2005072228.tif 000015
【図１４】
2005072228.tif 000016
【図１５】
2005072228.tif 000017
【図１６】
2005072228.tif 000018