(57)【要約】【課題】銅又は銅合金からなる配線との密着性が高いバリアメタル層を備え、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置では、半導体基板１００の上方に配置された絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６中の溝に配置され、銅又は銅合金からなる配線１１５とを備え、絶縁膜１０６と配線１１５との間に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなるバリアメタル層を有しており、バリアメタル層は、非晶質構造を有する第１のバリアメタル層１０９と第１のバリアメタル層１０９の上に配置された多結晶構造を有する第２のバリアメタル層１１０からなる積層構造であり、第２のバリアメタル層１１０には銅が含まれており、第２のバリアメタル層１１０中の金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜中の溝に配置され、銅又は銅合金からなる配線とを備え、
前記絶縁膜と前記配線との間に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなるバリアメタル層を有しており、
前記バリアメタル層は、非晶質構造を有する第１のバリアメタル層と前記第１のバリアメタル層の上に配置された多結晶構造を有する第２のバリアメタル層からなる積層構造であり、
前記第２のバリアメタル層には銅が含まれており、前記第２のバリアメタル層中の金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２のバリアメタル層中に含まれる銅は、前記第１のバリアメタル層側よりも前記配線側の方が多い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】
前記第２のバリアメタル層の厚さは、前記第１のバリアメタル層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２のバリアメタル層中の金属に占める銅の割合は２５ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のバリアメタル層の前記溝側壁部分の厚さは１ｎｍ以上７ｎｍ以下であり、
前記第２のバリアメタル層の前記溝側壁部分の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１のバリアメタル層の前記溝側壁部分の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、
前記第２のバリアメタル層の前記溝側壁部分の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記白金族元素は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、又は白金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
第１のバリアメタル層中の窒素含有量は、第２のバリアメタル層中の窒素含有量よりも多いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板上の絶縁膜に溝を形成する工程（ａ）と、
前記溝に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなり、非晶質構造を有する第１のバリアメタル層を堆積する工程（ｂ）と、
前記第１のバリアメタル層の上に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなり、多結晶構造を有する第２のバリアメタル層を堆積する工程（ｃ）と、
前記第２のバリアメタル層の上に銅又は銅合金からなる導電層を形成する工程（ｄ）を有し、
前記第２のバリアメタル層には銅が含まれており、前記第２のバリアメタル層中の金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）の間に、
前記第２のバリアメタル層の上にシード層を形成する工程（ｅ）を有し、
前記工程（ｄ）は、前記シード層の上に前記導電層を形成する工程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】
前記シード層の膜厚は、前記第２のバリアメタル層よりも薄いことを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記白金族元素は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、又は白金であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項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、銅配線若しくは銅合金配線を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
配線抵抗の低減、配線遅延の抑制等を目的として、配線材料として銅が適用されている。
しかしながら、継続的な微細化の進行に伴い、配線、ビアプラグ等の埋め込みの難易度は増加傾向にある。
【０００３】
そこで現在、埋め込み特性及び信頼性向上を目的に、バリア材料として、従来用いられてきたＴａの代わりにＲｕを用いることが提唱されている。
バリアメタル材料としてＲｕを使用することについては、特許文献１に記載されている。具体的には、以下の工程からなる技術が開示されている。
【０００４】
まず、絶縁膜中の溝にＲｕを有するバリアメタル層を形成する。次に、銅を含有するシード層を形成する。
次に、シード層の上に銅層をめっきする。次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）により溝からはみ出た銅層を除去することで、配線を形成している。
【０００５】
他にも類似の技術として、特許文献２〜４のような技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５３６１５９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５２９８号公報
【特許文献３】米国公開２００６／０２５１８７２号公報
【特許文献４】米国公開２００７／００５９５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、バリアメタル層としてＲｕを使用すると、シード層との密着性が不十分であるという課題を有している。
前記に鑑み、本発明の目的は、銅又は銅合金からなる配線との密着性が高いバリアメタル層を備え、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜中の溝に配置され、銅又は銅合金からなる配線とを備え、前記絶縁膜と前記配線との間に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなるバリアメタル層を有しており、前記バリアメタル層は、非晶質構造を有する第１のバリアメタル層と前記第１のバリアメタル層の上に配置された多結晶構造を有する第２のバリアメタル層からなる積層構造であり、前記第２のバリアメタル層には銅が含まれており、前記第２のバリアメタル層中の金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に溝を形成する工程（ａ）と、前記溝に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなり、非晶質構造を有する第１のバリアメタル層を堆積する工程（ｂ）と、前記第１のバリアメタル層の上に、白金族元素、又は白金族元素の合金からなり、多結晶構造を有する第２のバリアメタル層を堆積する工程（ｃ）と、前記第２のバリアメタル層の上に銅又は銅合金からなる導電層を形成する工程（ｄ）を有し、前記第２のバリアメタル層には銅が含まれており、前記第２のバリアメタル層中の金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、銅を含有したバリアメタル層を備えることにより、従来のバリアメタル層よりも銅又は銅合金などからなる導電層（配線）との密着性が高く、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態）
図１〜図３を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。図１〜図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００１３】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１００上の第１の絶縁膜１０１の溝の中に例えば相対的にバリア性の高い非晶質構造を一部含んだルテニウム膜からなる第１のバリアメタル層１０２と例えば多結晶ルテニウム膜からなる第２のバリアメタル層１０３を介して、例えば銅膜からなる第１の配線１０４を埋め込む。その後、半導体基板１００の上に第１のシリコン窒化膜１０５、第２の絶縁膜１０６を順次堆積した後、第１のシリコン窒化膜１０５、及び第２の絶縁膜１０６に、第１の配線１０４までに達するビアホール１０７と配線用溝１０８を形成する。
【００１４】
このとき、第１のバリアメタル層１０２、第２のバリアメタル層１０３又は第１のシリコン窒化膜１０５は、第２の絶縁膜１０６を堆積するときの４００℃程度の熱処理（例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ:化学的気相成長）法など）により、第１の配線１０４を構成する銅原子が第１の絶縁膜１０１又は第２の絶縁膜１０６などの内部に拡散する事態を防止する。すなわち、第１のバリアメタル層１０２、第２のバリアメタル層１０３、又は第１のシリコン窒化膜１０５は、銅原子の拡散に対するバリア性を有している。
【００１５】
次に、図１（ｂ）に示すように、例えばスパッタ法により半導体基板１００の上にフィールド上の膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるようにルテニウム又はルテニウム合金からなる単層の第３のバリアメタル層１０９を堆積する。なお、フィールド上に形成される第３のバリアメタル層１０９の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがさらに望ましい。
【００１６】
また、フィールド上に上述したような膜厚を有する第３のバリアメタル層１０９を形成することにより、溝側壁部分の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下となることが好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下となることがさらに好ましい。このとき、スパッタのターゲットをルテニウムとし、スパッタ時の雰囲気に窒素を含める。（ただし、非晶質構造を含んだ膜を形成することができれば、第３のバリアメタル層１０９内に含まれる物質は、窒素に限定されることはない。）
その後、スパッタ法により半導体基板のフィールド上の膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるようにルテニウムからなる単層の第４のバリアメタル層１１０を堆積する。なお、フィールド上に形成される第４のバリアメタル層１１０の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがさらに望ましい。また、フィールド上に上述したような膜厚を有する第４のバリアメタル層１１０を形成することにより、溝側壁部分の膜厚は、１ｎｍ以上７ｎｍ以下となることが好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下となることがさらに好ましい。また、第３のバリアメタル層１０９と比較して、第４のバリアメタル層１１０の厚さは薄いことが好ましい。このときスパッタのターゲットを第４のバリアメタル層１１０に含まれることになる金属に占める割合が５０ａｔ％以下であるような銅を含むルテニウムとし、スパッタ時の窒素分圧を第３のバリアメタル層１０９堆積時よりも下げる。窒素分圧を下げることにより、第４のバリアメタル層１１０中に多結晶構造を形成することができる。なお、窒素分圧が小さい方が多結晶構造は形成されやすくなる。
【００１７】
さらに、例えば、スパッタ法により第４のバリアメタル層１１０上に半導体基板のフィールド上の膜厚が０ｎｍより大きく３０ｎｍ以下となるように銅を含有するシード層１１１を堆積する。なお、フィールド上に形成されるシード層１１１の膜厚は０ｎｍより大きく３０ｎｍ以下が好ましく、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。これによりビアホール１０７及び配線用溝１０８のそれぞれの底部及び側壁部が第３のバリアメタル層１０９、第４のバリアメタル層１１０、及び銅シード層１１１により覆われる。
【００１８】
その後、図２（ａ）に示すように、電解めっき法によりシード層１１１上に、膜厚約３００ｎｍの銅めっき層１１２を、ビアホール１０７及び配線用溝１０８のそれぞれが埋まるように成長させる。
【００１９】
次に、半導体基板１００をめっき装置から取り出した後、銅めっき層１１２の結晶粒を成長させるために銅めっき層１１２に対して熱処理（例えば１００℃程度の温度下で２時間程度）を行う。これにより、図２（ｂ）に示すように、銅シード層１１１と銅めっき層１１２とが一体化して配線用銅膜１１３が形成される。なお、銅めっき層１１２に対して前述の熱処理を行う代わりに、半導体基板４００を室温下で２日間程度放置しておいてもよい。
【００２０】
次に、図３に示すように、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）法を用いて、配線用溝１０８の外側の第３のバリアメタル層１０９、第４のバリアメタル層１１０及び配線用銅膜１１３を除去して、配線用銅膜１１３からなるビア１１４及び第２の配線１１５を形成する。これにより、ビア１１４を介して、第１の配線１０４と第２の配線１１５とが接続される。
【００２１】
その後、図示は省略しているが、必要に応じて、図１〜図３に示す断面図を用いて説明した工程（ただし、図１（ａ）に示す断面図を用いて説明した工程については第１のシリコン窒化膜１０５を堆積する工程以降）を繰り返すことにより、所望の多層配線構造を形成する。
【００２２】
以上に説明したように、第１の実施形態によると、ビアホール１０７及び配線用溝１０８のそれぞれの底部及び壁面に、銅を含んだ第４のバリアメタル層１１０と銅層１１３を形成することが可能になる。ここで、第４のバリアメタル層１１０には銅が５０ａｔ％以下含まれているため、銅層１１３との密着性が高まり信頼性が向上する。
【００２３】
なお、上記実施形態において、第３のバリアメタル１０９及び第４のバリアメタル１１０の材料として、ルテニウムを用いたが、これに代えて、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金などの白金族元素、又はそれらの合金などを用いてもよい。
【００２４】
また、上記実施形態において、第１の配線１０４、銅シード層１１１又は銅めっき層１１２の材料として純銅を用いたが、これに代えて、銅合金を用いてもよい。
また、上記実施形態において、第１のバリアメタル１０２及び第２のバリアメタル１０３としてそれぞれ非晶質ルテニウム膜及び多結晶ルテニウム膜を用いたが、これに代えて、タンタル膜、又は窒化タンタル膜などを用いてもよい。
【００２５】
また、上記実施形態において、第１の絶縁膜１０１又は第２の絶縁膜１０６として二酸化珪素膜、塗布膜、又は炭素を含む誘電率の低い膜などを用いてもよい。
また、上記実施形態において、ビアホール１０７と配線用溝１０８とを同時に導電膜により埋め込むデュアルダマシン法を用いたが、これに代えて、ビアホール１０７と配線用溝１０８とを別々に形成すると共に別々に導電膜を埋め込んでもよい。
【００２６】
また、上記実施形態において、配線用銅膜１１３形成時の熱処理を、窒素雰囲気中において行うことにより、相対的にバリア性の高い非晶質構造を一部含んだ第３のバリアメタル１０９の結晶化を抑制することができ、バリア性を高めるのにより効果的である。
【００２７】
また、上記実施形態において、第３のバリアメタル成膜後にイオン注入により窒素を添加する方法を用いてもよい。
また、第４のバリアメタル１１０に含まれる金属に占める銅の割合は５０ａｔ％以下であればよいが、２５ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であることがより好ましい。銅の含有率が少なすぎると、銅層との密着性が低くなるからである。
【００２８】
また、シード層の膜厚は、第４のバリアメタルの膜厚よりも薄いことが好ましい。シード層の膜厚が第４のバリアメタルの膜厚よりも厚くても構わないが、厚いと銅層の埋め込みが難しくなる。ここで、シード層の膜厚が薄いと、銅層の埋め込みが容易になる。一方で、シード層の膜厚が薄くてもシード層の機能を第４のバリアメタル中に含まれる銅が補完可能である。以上から、シード層の膜厚は、第４のバリアメタルの膜厚よりも薄いことが好ましい。
【００２９】
また、第４のバリアメタルは第３のバリアメタルよりも薄いことが好ましい。第４のバリアメタルは第３のバリアメタルよりも厚くても構わないが、厚いと銅層の埋め込みが難しくなる。ここで、第４のバリアメタルの膜厚が薄いと、銅層の埋め込みが容易になる。
【００３０】
一方で、第３のバリアメタル膜は、銅の拡散に対するバリア性が高い非晶質構造を有している。そのため、バリア性の観点から第４のバリアメタルと比較してある程度厚く形成することが好ましい。以上から、第４のバリアメタルは第３のバリアメタルよりも薄いことが好ましい。
【００３１】
また、第４のバリアメタル中に含まれる銅は、第３のバリアメタル側よりも配線側（銅層側）の方が多い方が好ましい。第４のバリアメタル中の銅が銅層との密着性向上に関わっている。従って、銅層側に第４のバリアメタル中の銅が多い方が好ましい。
【００３２】
（変形例）
図４〜図６を参照しながら、変形例について説明する。図４〜図６は、変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。なお、以下の説明では、上記実施形態と同一の部分については、説明を簡略化する。
【００３３】
まず、図４（ａ）に示すように、上記実施形態と同様に、半導体基板２００上の第１の絶縁膜２０１の溝の中に、第１のバリアメタル層２０２と第２のバリアメタル層２０３を介して、第１の配線２０４を埋め込む。
【００３４】
その後、上記同様に、半導体基板２００の上に第１のシリコン窒化膜２０５、第２の絶縁膜２０６を順次堆積した後、第１のシリコン窒化膜２０５、及び第２の絶縁膜２０６に、第１の配線２０４までに達するビアホール２０７と配線用溝２０８を形成する。ここで、第１のバリアメタル層２０２、第２のバリアメタル層２０３、又は第１のシリコン窒化膜２０５は、銅原子の拡散に対するバリア性を有している点も上記同様である。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、上記同様に、スパッタ法により半導体基板２００の上に膜厚５ｎｍのルテニウム又はルテニウム合金からなる単層の第３のバリアメタル２０９を堆積する。
【００３６】
その後、スパッタ法により膜厚５ｎｍのルテニウムからなる第４のバリアメタル層２１０を堆積する。このときスパッタのターゲットを５０ａｔ％以下の銅を含むルテニウムとし、スパッタ時の窒素分圧を第３のバリアメタル層２０９堆積時よりも下げる。これによりビアホール２０７及び配線用溝２０８のそれぞれの底部及び側壁部が第３のバリアメタル層２０９、第４のバリアメタル層２１０により覆われる。
【００３７】
その後、図５（ａ）に示すように、電解めっき法により膜厚３００ｎｍの銅めっき層２１１を、ビアホール２０７及び配線用溝２０８のそれぞれが埋まるように成長させ、銅めっき層２１１の結晶粒を成長させるために銅めっき層２１１に対して熱処理（例えば１００℃程度の温度下で２時間程度）を行う。これにより、図５（ｂ）に示すように、配線用銅膜２１２が形成される。なお、上記同様に、銅めっき層２１１に対して前述の熱処理を行う代わりに、半導体基板４００を室温下で２日間程度放置しておいてもよい。
【００３８】
次に、図６に示すように、上記同様に、例えばＣＭＰ法を用いて、配線用溝２０８の外側の第３のバリアメタル層２０９、第４のバリアメタル層２１０及び配線用銅膜２１２を除去して、配線用銅膜２１２からなるビア２１３及び第２の配線２１４を形成し、ビア２１３を介して、第１の配線２０４と第２の配線２１４とを接続する。
【００３９】
その後、上記同様に図示は省略しているが、必要に応じて、図４〜図６に示す断面図を用いて説明した工程（ただし、図４（ａ）に示す断面図を用いて説明した工程については第１のシリコン窒化膜２０５を堆積する工程以降）を繰り返すことにより、所望の多層配線構造を形成する。
【００４０】
以上に説明したように、本変形例によると、ビアホール２０７及び配線用溝２０８のそれぞれの底部及び壁面に、銅を含んだ第４のバリアメタル層２１０と配線用銅膜２１２を形成することが可能になる。このため第４のバリアメタル層２１０と配線用銅膜２１２の密着性が高まり信頼性が向上する。また、第４のバリアメタル２１０上に直接銅めっき層２１１を成長させるため微細なビアへの埋め込み性能が向上する。
【００４１】
なお、上記変形例において、第３のバリアメタル層２０９及び第４のバリアメタル層２１０の材料、第１の配線２０４、又は銅めっき層２１１の材料、第１のバリアメタル層２０２及び第２のバリアメタル層２０３として用いた材料、第１の絶縁膜２０１又は第２の絶縁膜２０６として用いた材料などについては、上記同様のバリエーション構成を採用することもできる。
【００４２】
また、上記変形例において、ビアホール２０７と配線用溝２０８との形成方法、配線用銅膜２１２形成時における熱処理の雰囲気、第３のバリアメタル層２０９の形成条件などについても、上記同様にバリエーション構成を採用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、高バリア性をもつ白金族元素の非晶質バリアメタルを有し、銅配線又は銅合金配線を有する半導体装置等として有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  半導体基板
１０１  第１の絶縁膜
１０２  第１のバリアメタル
１０３  第２のバリアメタル
１０４  第１の配線
１０５  第１のシリコン窒化膜
１０６  第２の絶縁膜
１０７  ビアホール
１０８  配線用溝
１０９  第３のバリアメタル
１１０  第４のバリアメタル
１１１  銅シード層
１１２  銅めっき層
１１３  配線用銅膜
１１４  ビア
１１５  第２の配線
２００  半導体基板
２０１  第１の絶縁膜
２０２  第１のバリアメタル
２０３  第２のバリアメタル
２０４  第１の配線
２０５  第１のシリコン窒化膜
２０６  第２の絶縁膜
２０７  ビアホール
２０８  配線用溝
２０９  第３のバリアメタル
２１０  第４のバリアメタル
２１１  銅めっき層
２１２  配線用銅膜
２１３  ビア
２１４  第２の配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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