(57)【要約】 【課題】エッチングにより形成されたＣｕ系の配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】Ｃｕ系の材料により構成された配線１５は、底部の幅より上部の幅が狭い断面形状を有している。ＭｎＳｉＯ膜、又はＣｕＳｉＮ膜により構成されたバリア膜は、配線の側面に形成されている。配線と、バリア膜は、シリコン窒化膜１８によりを覆われている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリアメタル層と、
前記バリアメタル層上に形成され、底部の幅より上部の幅が狭い断面形状を有し、Ｃｕ系の材料により構成された配線と、
前記配線上に形成されたメタル層と、
前記配線の側面に形成されたＭｎＳｉＯ膜、又はＣｕＳｉＮ膜により構成されたバリア膜と、
前記バリアメタル層、前記配線、メタル層、及び前記バリア膜を覆うシリコン窒化膜と、
前記シリコン窒化膜上に形成され、少なくとも前記配線の側面に対応した位置にエアーギャップを有する絶縁膜と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
底部の幅より上部の幅が狭い断面形状を有し、Ｃｕ系の材料により構成された配線と、
前記配線の側面に形成されたＭｎＳｉＯ膜、又はＣｕＳｉＮ膜により構成されたバリア膜と、
前記配線と、前記バリア膜を覆うシリコン窒化膜と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記配線の少なくとも上部は、ラウンド形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記配線の上部上に形成されたメタル層をさらに有し、前記メタル層の幅は、前記配線の上部の幅より広いことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記シリコン窒化膜上に形成され、少なくとも前記配線の側面に対応した位置にエアーギャップを有するシリコン酸化膜をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
前記Ｃｕ系の材料は、Ｃｕ又はＡｌＣｕであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項７】
前記メタル層は、Ｔｉの上にＴｉＮが積層された積層膜であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置、例えば半導体メモリ等に適用される配線に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体メモリ等の配線として、銅（Ｃｕ）配線が用いられている。Ｃｕ配線は、通常、絶縁膜に形成された配線溝に例えばダマシン法又はデュアルダマシン法を用いて形成される。
【０００３】
半導体素子の微細化に伴い、Ｃｕ配線をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により形成することが見直されている。微細化されたＣｕ配線の場合、配線の表面積は、側面の面積が大部分を占める。配線側面の粒界部では、Ｃｕ原子の拡散係数が大きく、グルービング（grooving）が生じ易いため、表面積がさらに広がる。このため、グルービングがエレクトロマイグレーションによる不良の起点となりやすい。
【０００４】
また、微細化されたライン／スペースへの対応を考えた場合、エッチングにより形成されたＣｕ配線間のスペースも狭くなる。このため、Ｃｕ配線をカバーするための絶縁膜の膜厚を薄膜化する必要があり、Ｃｕ配線の側面のエレクトロマイグレーション耐性を向上させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５３４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態は、エッチングにより形成されたＣｕ系の配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することが可能な半導体装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の半導体装置は、底部の幅より上部の幅が狭い断面形状を有し、Ｃｕ系の材料により構成された配線と、前記配線の側面に形成されたＭｎＳｉＯ膜、又はＣｕＳｉＮ膜により構成されたバリア膜と、前記配線と、前記バリア膜を覆うシリコン窒化膜とを具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図２】図２（ａ）乃至（ｄ）は、第１の実施形態の製造方法の一例を示す断面図。
【図３】図３（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態の変形例を示すものであり、配線の断面形状を示す断面図。
【図４】図４（ａ）乃至（ｃ）は、第１の実施形態の変形例の製造方法を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図。
【図６】第２の実施形態の変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本実施形態は、例えばＲＩＥ等のエッチングによりＣｕ配線を形成した後、Ｃｕ配線の側面にＭｎＳｉＯ、又はＣｕＳｉＮにより構成され、自己整合的に形成される拡散バリア膜を形成し、ＥＭ耐性を向上させる。また、Ｃｕ配線の上部の角部をラウンド化して低抵抗化する。さらに、Ｃｕ配線の上部上に形成されるメタル層の幅をＣｕ配線の上部の幅より広く設定することにより、Ｃｕ配線間の絶縁膜内にエアーギャップを形成し易くして低容量化を実現する。
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示すものであり、例えば１３ｎｍ以下の微細化されたライン／スペースへの対応を考えた場合を示している。
【００１２】
図１において、図示せぬトランジスタやキャパシタ等の半導体素子が形成された基板１１上に、例えばＴＥＯＳ膜により構成された絶縁膜１２が形成されている。この絶縁膜１２内には半導体素子と配線層を接続するためのコンタクト１３が形成されている。このコンタクト１３は、例えばタングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属により構成される。
【００１３】
絶縁膜１２上には、Ｔｉなどの金属により構成されたバリアメタル層１４が形成されている。このバリアメタル層１４上には、例えばＣｕにより形成されたＣｕ配線１５が形成されている。配線の材料は、Ｃｕに限定されるものではなく、Ｃｕ系の材料、例えばＡｌＣｕを用いることも可能である。
【００１４】
Ｃｕ配線１５の上には、例えばＴｉなどの金属により、ハードマスク１６が形成されている。Ｃｕ配線１５は、ハードマスク１６を用いて例えばＲＩＥによりエッチングされ、底部の幅に比べて、上部の幅が狭い、例えば台形状の断面形状を有している。すなわち、Ｃｕ配線１５は、ハードマスク１６を用いてＲＩＥによりエッチングされるため、底部に比べて上部がより多くエッチングされる。
【００１５】
微細化されたＣｕ配線１５は、側面の面積が上面の面積に比べて大きく、側面の粒界部では、Ｃｕ原子の拡散係数が大きい。このため、図１の破線内の拡大図に示すように、Ｃｕ配線１５の側面には、グルービング１５ａが生じ易い。
【００１６】
このグルービング１５ａを埋設するため、Ｃｕ配線１５の両側面に拡散バリア膜１７が形成される。この拡散バリア膜１７は、例えばＭｎＳｉＯ、又はＣｕＳｉＮにより構成され、Ｃｕ配線１５の両側面に自己整合的に形成される。この拡散バリア膜１７の膜厚は、例えば１〜２ｎｍである。これにより、バリアメタル層１４、Ｃｕ配線１５、ハードマスク１６、拡散バリア膜１７により構成された複数のＣｕ配線構造が形成される。
【００１７】
これらＣｕ配線構造上に例えばシリコン窒化膜１８が形成され、バリアメタル層１４、拡散バリア膜１７、ハードマスク１６は、シリコン窒化膜１８により覆われる。
【００１８】
さらに、全面に例えばシリコン酸化膜により構成された上層絶縁膜１９が形成される。この絶縁膜１９は、Ｃｕ配線構造の相互間に、例えばエアーギャップ１９ａを有している。エアーギャップ１９ａの形成は任意であり、無くともよいが、低容量化に有利である。
【００１９】
上記のように、Ｃｕ配線１５の両側面にＭｎＳｉＯ、又はＣｕＳｉＮにより構成された拡散バリア膜１７を形成することにより、グルービング１５ａを埋め込むことができ、エレクトロマイグレーション不良を改善することが可能である。
【００２０】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、第１の実施形態に係る半導体装置の製造について説明する。尚、説明を簡単化するため、絶縁膜１２より上方についてのみ説明する。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、図示せぬコンタクト１３が形成された絶縁膜１２上に、例えばＴｉにより構成されたバリアメタル層１４−１、Ｃｕ層１５−１、及びＴｉにより構成されたメタル層１６−１が形成される。メタル層１６−１は、例えばスパッタ法により形成され、Ｔｉに限らず、Ｔｉ／ＴｉＮの積層構造でもよい。
【００２２】
この後、メタル層１６上に図示せぬレジスト膜が形成され、リソグラフィにより、Ｃｕ配線に対応したレジストパターンが形成される。このレジストパターンを用いてメタル層１６−１がＲＩＥによりエッチングされ、図２（ｂ）に示すように、ハードマスク１６が形成される。
【００２３】
このハードマスク１６を用いて、図２（ｂ）に示すように、Ｃｕ層１５−１、バリアメタル層１４−１がＲＩＥによりエッチングされる。
【００２４】
これにより形成されたＣｕ配線１５は、底部の幅に比べて上部の幅が狭い台形状の断面を有している。
【００２５】
この後、図２（ｃ）に示すように、Ｃｕ配線１５の両側面に酸化マンガン（ＭｎＯ）層１７−１、又はＣｕＳｉ層１７−２が形成される。
【００２６】
Ｃｕ配線１５の両側面に酸化マンガン（ＭｎＯ）層１７−１を形成する場合、エッチングされたＣｕ配線１５は大気に晒され、Ｃｕ配線１５の表面が酸化されるか、Ｃｕ配線１５の表面に酸素が吸着される。この後、例えば選択ＣＶＤによりマンガン（Ｍｎ）が、Ｃｕ配線１５の両側面に形成される。すなわち、Ｍｎの選択ＣＶＤにより、ＭｎをＣｕ配線１５の両側面に自己整合的に形成することができる。この後、Ｃｕ配線１５中に含まれる酸素がＭｎにより還元され、Ｃｕ配線１５上のＭｎの一部又は全部が酸化マンガン（ＭｎＯ）層１７−１として形成される。
【００２７】
また、Ｃｕ配線１５の両側面にＣｕＳｉ層１７−２を形成する場合、シランガス（ＳｉＨ４）のソークにより、Ｃｕ配線１５の両側面にＣｕＳｉ層１７−２が自己整合的に形成される。
【００２８】
このようにして、Ｃｕ配線１５の両側面に酸化マンガン（ＭｎＯ）層１７−１、又はＣｕＳｉ層１７−２が形成された複数のＣｕ配線構造が形成される。
【００２９】
次いで、例えばＮＨ３プラズマＣＶＤにより、全面にシリコン窒化膜１８が形成され、複数のＣｕ配線構造がシリコン窒化膜１８により覆われる。
【００３０】
Ｃｕ配線１５の両側面にＭｎＯ層１７−１が形成されている場合、シリコン窒化膜１８が形成する際の熱により、又はシリコン窒化膜１８が形成された後、アニールすることにより、Ｃｕ配線１５の表面にＭｎＳｉＯにより構成された拡散バリア膜１７が形成される。
【００３１】
また、Ｃｕ配線１５の両側面にＣｕＳｉ層１７−２が形成されている場合、シリコン窒化膜１８が形成する際の熱により、又はシリコン窒化膜１８が形成された後、アニールすることにより、Ｃｕ配線１５の表面にＣｕＳｉＮにより構成された拡散バリア膜１７が形成される。
【００３２】
この後、シラン（ＳｉＨ４）ガス、又はＴＥＯＳガスを用いた例えばプラズマＣＶＤにより、シリコン酸化膜により構成された絶縁膜１８が形成される。この絶縁膜１８は、Ｃｕ配線構造の相互間にエアーギャップ１９ａを有している。エアーギャップ１９ａは、プラズマＣＶＤにおいて、例えば成膜レートを比較的早く設定し、カバレッジの低い成膜条件にて形成することができる。このようにして、図１に示す半導体装置が形成される。
【００３３】
上記第１の実施形態によれば、エッチングにより形成されたＣｕ配線１５の側面に自己整合的にＭｎＳｉＯ、又はＣｕＳｉＮにより構成された拡散バリア膜１７を形成し、Ｃｕ配線１５の両側面に形成されたグルービング１５ａを拡散バリア膜１７により埋め込んでいる。このため、エッチングにより形成されたＣｕ配線１５の側面に生じるグルービング１５ａの拡大を防止でき、エレクトロマイグレーションの耐性を向上することができる。したがって、微細なライン／スペースとして形成されたＣｕ配線１５が、例えば１〜２ｎｍ程度の極薄膜のシリコン窒化膜１８により覆われる場合においても、エレクトロマイグレーションの耐性を向上することができる。
【００３４】
（変形例）
図３（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態の変形例を示している。
【００３５】
第１の実施形態において、Ｃｕ配線１５は、断面が台形状であった。これに対して、変形例において、Ｃｕ配線１５は、図３（ａ）に示すように、上部にラウンド部１５ｂを有している。拡散バリア膜１７は、Ｃｕ配線１５の両側面、及びラウンド部１５ｂとハードマスク１６の間の領域を埋めるように形成される。
【００３６】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ラウンド部１５ｂの形成方法の一例を示すものである。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、Ｃｕ層１５−１上のハードマスク１６は、例えばＴｉ層１６ａと、その上に形成されたＴｉＮ層１６ｂにより形成されている。このハードマスク１６を用いて、ＴｉＮ層１６ｂに比べてＴｉ層１６ａの方が、エッチングレートが速い条件で、Ｃｕ層１５−１がＲＩＥによりエッチングされる。例えばイオン種がＣｌ２である場合、ＴｉＮ層１６ｂに比べてＴｉ層１６ａの方が、エッチングレートが速い条件となる。
【００３８】
図４（ｂ）に示すように、上記条件によりＣｕ層１５−１をエッチングすると、Ｔｉ層１６ａがＴｉＮ層１６ｂ、及びＣｕ層１５−１より早くエッチングされて後退する。Ｔｉ層１６ａが除去されて露出されたＣｕ層１５−１の角部１５ｃは、イオンを引き付けるため、角部１５ｃのエッチングレートがＣｕ層１５−１の他の部分のエッチングレートより速くなる。
【００３９】
このため、図４（ｃ）に示すように、Ｃｕ層１５−１の上部にラウンド部１５ｂが形成される。このようにして、上部にラウンド部１５ｂを有するＣｕ配線１５が形成される。
【００４０】
上記変形例によれば、Ｃｕ配線１５は上部にラウンド部１５ｂを有し、角部が無いため、Ｃｕ配線１５を低抵抗化することが可能である。しかも、拡散バリア膜１７は、Ｃｕ配線１５の両側面及びラウンド部１５ｂを覆うため、Ｃｕ配線１５の表面に生じたグルービングを埋め込むことができ、エレクトロマイグレーションの耐性を向上することが可能である。
【００４１】
尚、ウェットエッチングにより、Ｃｕ配線にラウンド部１５ｂを形成することも可能である。この場合も、Ｃｕ層１５−１のほうがバリアメタル層１４及びハードマスク１６よりエッチングレートが大きいエッチング条件、例えばＤＨＦ、塩酸、又はフッ酸などを用いてエッチングすることにより、ドライエッチングと同様の形状を形成することができる。
【００４２】
また、図３（ｂ）に示すように、バリアメタル層１４は、Ｔｉに限らず、ＴｉＮとＴｉの積層構造であってもよい。すなわち、ＴｉＮ層の上にＴｉ層が形成され、Ｔｉ層の上にＣｕ配線１５が形成される。このため、ハードマスク１６を用いたエッチングにより、Ｃｕ配線１５の底部にもラウンド部１５ｄが形成される。このように、Ｃｕ配線１５の底部及び上部にラウンド部１５ｄを設けることにより、Ｃｕ配線１５を一層低抵抗化することが可能である。
【００４３】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態を示すものであり、第１の実施形態及び変形例と同一部分には同一符号を付している。
【００４４】
第１の実施形態の場合、バリアメタル層１４の幅は、Ｃｕ配線１５の底部の幅と同等とされ、ハードマスク１６の幅もＣｕ配線１５の上部の幅と同等されていた。
【００４５】
これに対して、図５に示すように、第２の実施形態において、バリアメタル層１４の幅は、Ｃｕ配線１５の底部の幅より広くされ、ハードマスク１６の幅も、Ｃｕ配線１５の上部の幅よりも広く設定されている。すなわち、Ｃｕ配線１５を形成する際、バリアメタル層１４やハードマスク１６のエッチングレートに比べて、Ｃｕ層１５−１のエッチングレートのほうが大きいエッチング条件が用いられる。
【００４６】
上記エッチングの後、Ｃｕ配線１５の両側面に酸化マンガン（ＭｎＯ）層、又はシリコン（Ｓｉ）層が自己整合的に形成される。
【００４７】
さらに、全面に例えばプラズマＣＶＤにより、シリコン窒化膜１８が形成され、Ｃｕ配線１５の両側面にＭｎＳｉＯにより構成された拡散バリア膜１７、又はＣｕＳｉＮにより構成された拡散バリア膜１７が形成される。これにより、Ｃｕ配線１５の表面に生じたグルービングが拡散バリア膜１７により埋め込まれる。
【００４８】
また、シリコン窒化膜１８は、バリアメタル層１４の上面及び側面、及びハードマスク１６の上面、側面及び裏面に形成される。このため、隣接するハードマスク１６間の幅は、第１の実施形態よりも狭くされる。
【００４９】
次いで、全面に上層絶縁膜１９が形成される。この際、シランガス、又はＴＥＯＳガスを原料とするシリコン酸化膜としての絶縁膜１９は、隣接するハードマスク１６を覆ったシリコン窒化膜１８により形成された狭い空間を通って、拡散バリア膜１７及びバリアメタル層１４を覆うシリコン窒化膜１８上に堆積される。このため、ハードマスク１６より下方は、絶縁膜１９により十分に埋め込まれず、ハードマスク１６の側部及び上方に比べて大きなエアーギャップ１９ａが形成される。
【００５０】
上記第２の実施形態によれば、バリアメタル層１４の幅がＣｕ配線１５の底部の幅より広く設定され、ハードマスク１６の幅がＣｕ配線１５の上部の幅より広く設定されている。また、Ｃｕ配線１５の両側面に形成された拡散バリア膜１７上、バリアメタル層１４の側面及び上面、ハードマスク１６の側面、上面及び裏面にシリコン窒化膜１８が形成されている。このため、第１の実施形態と同様にエレクトロマイグレーション耐性を向上することが可能である。
【００５１】
しかも、隣接するハードマスク１６の相互間がシリコン窒化膜１８により狭められているため、Ｃｕ配線１５の側面に対応して大きなエアーギャップ１９ａを形成することが可能である。このため、配線間容量を第１の実施形態に比べて一層低減することが可能である。
【００５２】
（変形例）
図６は、第２の実施形態の変形例を示している。図６において、図１乃至図５と同一部分には同一符号を付している。
【００５３】
図６に示すように、バリアメタル層１４の幅はＣｕ配線１５の底部の幅より広く設定され、ハードマスク１６の幅はＣｕ配線１５の上部の幅より広く設定されている。Ｃｕ配線１５は、上部にラウンド部１５ｂを有している。拡散バリア膜１７は、Ｃｕ配線１５の両側面及びラウンド部１５ｂとハードマスク１６との間の領域に形成されている。さらに、シリコン窒化膜１８は、バリアメタル層１４の側面及び上面、拡散バリア膜１７上、及びハードマスク１６の上面、側面、及び裏面に設けられている。
【００５４】
このように、Ｃｕ配線１５の上部にラウンド部１５ｂを形成することにより、Ｃｕ配線１５を低抵抗化することが可能である。
【００５５】
尚、図６に示すＣｕ配線１５の底部に、図３（ｂ）に示すようにラウンド部を形成してもよい。この場合、さらに、Ｃｕ配線１５を低抵抗化することが可能である。
【００５６】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１４…バリアメタル層、１５…Ｃｕ配線、１５ｂ、１５ｄ…ラウンド部、１６…ハードマスク、１７…拡散バリア膜、１８…シリコン窒化膜、１９…絶縁膜、１９ａ…エアーギャップ。
【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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