(57)【要約】【課題】銅配線の配線抵抗の上昇を抑制しながら、銅配線の信頼性向上を図る。【解決手段】例えば、図３に示すように、銅配線ＷＬ１を構成する銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との境界領域、および、この境界領域と繋がる配線溝ＷＤの上側側面部に、他の金属元素ＭＥが偏析している。つまり、断面視において、銅配線ＷＬ１の表面および配線溝ＷＤの底面のいずれからも離間する銅配線ＷＬ１の内部と配線溝ＷＤの底面よりも銅配線ＷＬ１の表面に近い銅配線ＷＬ１の側面部とには、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥが偏析している。具体的な一例で言えば、断面視において、銅配線ＷＬ１の中央部近傍および中央部近傍よりも上側の銅配線ＷＬ１の側面部に、銅と異なる金属元素ＭＥが偏析している。【選択図】図３
2016100419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝に埋め込まれた銅配線と、
を備え、
断面視において、前記銅配線の表面および前記配線溝の底面のいずれからも離間する前記銅配線の内部と、前記配線溝の底面よりも前記銅配線の表面に近い前記銅配線の側面部とには、銅よりも還元力の強い金属元素が偏析している、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、
前記金属元素は、酸素と結合している、半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記金属元素は、チタン、マンガン、錫、ニッケル、鉄、亜鉛、または、マグネシウムのいずれかである、半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記配線溝の配線幅は、６０ｎｍ以下である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記配線溝と前記銅配線との間には、バリア導体膜が介在する、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、
前記バリア導体膜は、
前記配線溝の内壁に形成された窒化タンタル膜と、
前記窒化タンタル膜上に形成されたタンタル膜と、
から形成されている、半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記金属元素は、前記銅配線のエレクトロマイグレーションを抑制する機能を有する、半導体装置。
【請求項８】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記バリア導体膜と前記銅配線との間には、下地膜が介在する、半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記下地膜は、コバルト膜、または、ルテニウム膜のいずれかの膜から形成されている、半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝に埋め込まれた銅配線と、
を備え、
前記配線溝の底面から前記銅配線の厚さ方向に離散配置され、かつ、それぞれ前記底面と対向する前記銅配線内の複数の離散領域と、前記底面に最も近い離散領域よりも上側の前記配線溝の側面部とには、銅よりも還元力の強い金属元素が偏析している、半導体装置。
【請求項１１】
（ａ）半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程、
（ｂ）前記絶縁膜に配線溝を形成する工程、
（ｃ）スパッタリング法により、前記配線溝の内壁を含む前記絶縁膜上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む第１銅膜を形成する工程、
（ｄ）第１アニール処理を施すことにより、前記第１銅膜を構成する銅の一部および前記金属元素の一部を前記絶縁膜上から前記配線溝の内部に流動させて、前記第１アニール処理前よりも前記配線溝の内部に形成される前記第１銅膜の膜厚を厚くする工程、
（ｅ）前記（ｄ）工程後、第１酸化処理を施すことにより、前記第１銅膜の表面を酸化する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程後、スパッタリング法により、前記第１銅膜上に前記金属元素を含む第２銅膜を形成する工程、
（ｇ）前記（ｆ）工程後、第２アニール処理を施すことにより、前記第２銅膜を構成する銅の一部および前記金属元素の一部を前記配線溝の内部に流動させて、前記第２アニール処理前よりも前記配線溝の内部に形成される前記第２銅膜の膜厚を厚くする工程、
を備える、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（ｇ）工程で実施する前記第２アニール処理によって、前記第１銅膜に含まれる前記金属元素および前記第２銅膜に含まれる前記金属元素は、前記配線溝の内部において、前記第１銅膜と前記第２銅膜との界面に偏析する、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｇ）工程によって、前記配線溝の内部は、前記第１銅膜と前記第２銅膜で埋め込まれる、半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
（ｈ）前記（ｇ）工程後、第２酸化処理を施すことにより、前記第２銅膜の表面を酸化する工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程後、スパッタリング法により、前記第２銅膜上に前記金属元素を含む第３銅膜を形成する工程、
（ｊ）前記（ｉ）工程後、第３アニール処理を施すことにより、前記第３銅膜を構成する銅の一部および前記金属元素の一部を前記配線溝の内部に流動させて、前記第３アニール処理前よりも前記配線溝の内部に形成される前記第３銅膜の膜厚を厚くする工程、
を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１酸化処理は、大気開放処理である、半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１酸化処理は、酸素プラズマ処理、あるいは、酸素アニール処理である、半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１アニール処理の温度は、３００℃以上４００℃以下であり、
前記第２アニール処理の温度は、３００℃以上４００℃以下である、半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｃ）工程および前記（ｆ）工程で実施される前記スパッタリング法では、銅に前記金属元素を添加したターゲットを使用する、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技術に関し、例えば、銅配線を有する半導体装置およびその製造技術に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−１６５１１５号公報（特許文献１）には、ダマシン法により形成された銅配線のエレクトロマイグレーション耐性の向上を図る技術が記載されている。具体的に、銅配線は、銅配線と絶縁層との密着性を向上させる添加物を含み、この添加物のプロファイルは、銅配線の上面から内部に向かって、濃度が減少する勾配を有し、銅配線の上面で最も高濃度となるようにしている。
【０００３】
特開平１０−２４７６４９号公報（特許文献２）には、アルミニウム配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上するために、アルミニウム配線中に、アルミニウム配線の長手方向を横断するアルミニウムとは異なる金属を主体とする柱状構造体を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５１１５号公報
【特許文献２】特開平１０−２４７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
銅配線に他の金属元素をわずかに添加することにより、電流に起因する銅のエレクトロマイグレーションを抑制して、銅配線の信頼性を向上することが行なわれている。
【０００６】
ところが、半導体装置の小型化および高集積化を実現するために、銅配線の微細化が進むと、銅配線を流れる電流密度が高くなるため、銅のエレクトロマイグレーションが発生しやすくなる。この結果、銅配線の信頼性低下を招くことになる。
【０００７】
そこで、銅配線の微細化による電流密度の増大に対応して、エレクトロマイグレーションを抑制するために、添加する金属元素の量を増加させると、銅配線の配線抵抗も上昇する。すなわち、銅配線の信頼性向上と配線抵抗の低減とは、トレードオフの関係がある。したがって、配線抵抗の大幅な増大を抑制しながら、銅配線の信頼性向上を図るためには、工夫が必要となる。つまり、トレードオフの関係にある配線抵抗の低減と信頼性の向上を両立する観点から改善の余地が存在する。
【０００８】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施の形態における半導体装置では、断面視において、銅配線の表面および配線溝の底面のいずれからも離間する銅配線の内部と、配線溝の底面よりも銅配線の表面に近い銅配線の側面部とに銅よりも還元力の強い金属元素が偏析している。
【００１０】
また、一実施の形態における半導体装置では、配線溝の底面から銅配線の厚さ方向に離散配置され、かつ、それぞれ前記底面と対向する銅配線内の複数の離散領域と、底面に最も近い離散領域よりも上側の配線溝の側面部とには、銅よりも還元力の強い金属元素が偏析している。
【００１１】
さらに、一実施の形態における半導体装置の製造方法は、スパッタリング法により、配線溝の内壁を含む絶縁膜上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む第１銅膜を形成する工程と、第１アニール処理を施す工程と、その後、酸化処理を施す工程と、スパッタリング法により、第１銅膜上に金属元素を含む第２銅膜を形成する工程と、第２アニール処理を施す工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
一実施の形態によれば、銅配線の配線抵抗の上昇を抑制しながら、銅配線の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体チップのレイアウト構成を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図３】ファイン層を構成する銅配線を拡大して示す断面図である。
【図４】実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】図９に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】図１０に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１２】実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１３】図１２に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１４】実施の形態４における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１５】実施の形態５における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１６】図１５に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１７】図１６に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１８】図１７に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１９】図１８に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２０】図１９に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１５】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１６】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１７】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１８】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
＜半導体チップのレイアウト構成＞
図１は、半導体チップＣＨＰのレイアウト構成を示す図である。図１において、半導体チップＣＨＰは、例えば、矩形形状をしており、半導体チップＣＨＰの端辺ＥＳに沿って、複数のパッドＰＤが配置されている。具体的には、図１に示すように、矩形形状をした半導体チップＣＨＰの端辺ＥＳに沿って、端辺ＥＳの内側にシールリングＳＲＧが形成されており、このシールリングＳＲＧの内側に、複数のパッドＰＤが半導体チップＣＨＰの端辺ＥＳに沿って配置されている。これらの複数のパッドＰＤのそれぞれにおいて、図３では図示されていないが、パッドＰＤの表面の大部分は、表面保護膜に設けられた開口部から露出している一方、パッドＰＤの端部は、表面保護膜で覆われている。
【００２０】
＜半導体チップの断面構成＞
続いて、半導体チップの模式的な断面構成について説明する。図２は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図２に示すように、例えば、シリコンからなる半導体基板１Ｓ上に、半導体素子の一例である電界効果トランジスタＱが形成されており、この電界効果トランジスタＱの上方に、例えば、微細な銅配線からなるファイン層ＦＬが形成されている。そして、このファイン層ＦＬの上方に、ファイン層ＦＬを構成する銅配線よりも幅の大きな銅配線からなるグローバル層ＧＬが形成されている。このグローバル層ＧＬ上には、複数のパッドＰＤが形成されている。図２では、図示されていないが、パッドＰＤとグローバル層ＧＬとは、例えば、プラグを介して接続されている。そして、図２に示すように、パッドＰＤは、グローバル層ＧＬおよびファイン層ＦＬを介して、半導体基板１Ｓ上に形成された電界効果トランジスタＱと電気的に接続されている。
【００２１】
次に、図２に示すように、複数のパッドＰＤを覆い、かつ、複数のパッドＰＤの間を埋め込むように表面保護膜ＰＡＳが形成されている。そして、表面保護膜ＰＡＳには、開口部ＯＰが形成されており、この開口部ＯＰの底部からパッドＰＤの表面の一部が露出している。開口部ＯＰから露出しているパッドＰＤの表面には、例えば、金線からなるワイヤＷが接続されており、ワイヤＷが接続されたパッドＰＤの表面を含む表面保護膜ＰＡＳ上は、例えば、樹脂ＭＲで覆われている。
【００２２】
＜ファイン層を構成する銅配線の構成＞
本実施の形態１における技術的思想は、上述したファイン層ＦＬを構成する銅配線の構成にあるため、以下では、ファイン層ＦＬを構成する銅配線の構成について説明する。図３は、本実施の形態１におけるファイン層ＦＬを構成する銅配線ＷＬ１を拡大して示す断面図である。図３において、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１は、例えば、ダマシン法を使用することにより形成される。具体的に、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１は、以下に示すような構成をしている。すなわち、図３に示すように、例えば、ＳｉＯＣ膜に代表される酸化シリコン膜よりも誘電率の低い膜からなる層間絶縁膜ＩＬには、配線溝ＷＤが形成されている。そして、この配線溝ＷＤの内壁には、例えば、窒化タンタル膜と窒化タンタル膜上に形成されたタンタル膜とからなるバリア導体膜ＢＣＦが形成されており、このバリア導体膜ＢＣＦを介して配線溝ＷＤを埋め込むように、銅配線ＷＬ１が形成されている。このとき、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１は、配線溝ＷＤの下部に埋め込まれた銅膜ＣＵＦ１と、配線溝ＷＤの上部に埋め込まれた銅膜ＣＵＦ２とから構成され、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との境界領域および配線溝ＷＤの上部側面部には、銅よりも還元力の強い金属元素が偏析している。つまり、断面視において、配線溝ＷＤに埋め込まれた銅配線ＷＬ１の中央部近傍および中央部近傍と繋がる配線溝ＷＤの上側側面部に、銅よりも還元力の強い金属元素が析出している。
【００２３】
＜実施の形態１における基本思想＞
ここで、本実施の形態における基本思想について説明する。例えば、ファイン層ＦＬを構成する銅配線ＷＬ１は微細化されており、微細化された銅配線ＷＬ１においては、銅配線ＷＬ１を流れる電流によるエレクトロマイグレーションが顕在化する。このことから、ファイン層ＦＬを構成する微細化された銅配線ＷＬ１では、主成分である銅に他の金属元素をわずかに添加することにより、エレクトロマイグレーションを抑制することが行なわれている。すなわち、主成分である銅に他の金属元素を添加することにより、添加した金属元素の一方向電流に対する移動量が、銅の移動量と異なる結果、銅の一方向への移動で生じるエレクトロマイグレーションを抑制できるのである。
【００２４】
ところが、例えば、配線幅が６０ｎｍ以下となるように、銅配線ＷＬ１の微細化が進むと、銅配線ＷＬ１での電流密度が増加することになるため、エレクトロマイグレーションが生じやすくなる。このことから、銅配線ＷＬ１を微細化するにしたがって、効果的にエレクトロマイグレーションを抑制するためには、主成分である銅に添加する金属元素の量を多くする必要がある。これにより、微細化された銅配線ＷＬ１において、エレクトロマイグレーションを効果的に抑制することができると考えられるが、一方で、主成分である銅に添加する金属元素の量を多くすると、銅配線ＷＬ１の配線抵抗が増加するという副作用が生じる。すなわち、微細化された銅配線ＷＬ１において、エレクトロマイグレーションを効果的に抑制する観点からは、主成分である銅に添加する金属元素の量を多くすることが有効であるが、この場合、銅配線ＷＬ１の配線抵抗が上昇してしまうのである。
【００２５】
そこで、本実施の形態１における基本思想は、トレードオフの関係にあるエレクトロマイグレーションの抑制と配線抵抗の抑制をできるだけ両立することを目的としている。そして、本実施の形態１における基本思想は、配線抵抗の増加を抑制しながら、銅配線ＷＬ１に生じるエレクトロマイグレーションを抑制する工夫を実現する前提となっている。具体的に、本実施の形態１における基本思想は、銅配線ＷＬ１のうち、エレクトロマイグレーションが生じやすい部分に集中して他の金属元素を添加するというものである。つまり、本実施の形態１における基本思想は、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素の量は変えずに、エレクトロマイグレーション耐性の弱い部分に選択的に金属元素を添加するものである。これにより、銅配線ＷＬ１のうち、エレクトロマイグレーション耐性の弱い部分では、他の金属元素が添加されているため、エレクトロマイグレーション耐性の向上を図ることができ、これによって、銅配線ＷＬ１全体のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができるのである。一方、本実施の形態１における基本思想では、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素の量は変化しないことから、添加する金属元素の増加による配線抵抗の増大を抑制することができる。すなわち、本実施の形態１における基本思想によれば、銅配線ＷＬ１が微細化される場合であっても、できるだけ、配線抵抗の上昇を招くことなく、銅配線ＷＬ１のエレクトロマイグレーション耐性を向上できるという顕著な効果を得ることができるのである。つまり、本実施の形態１における基本思想によれば、互いにトレードオフの関係にあるエレクトロマイグレーション耐性の向上と配線抵抗の増加の抑制とを両立することができる優れた効果を得ることができるのである。以下では、この本実施の形態１における基本思想を具現化した銅配線ＷＬ１の特徴構成について説明する。
【００２６】
＜実施の形態１における構造上の特徴＞
本実施の形態１における特徴点は、例えば、図３に示すように、銅配線ＷＬ１を構成する銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との境界領域、および、この境界領域と繋がる配線溝ＷＤの上側側面部に、他の金属元素ＭＥが偏析している点にある。つまり、本実施の形態１における特徴点は、断面視において、銅配線ＷＬ１の表面および配線溝ＷＤの底面のいずれからも離間する銅配線ＷＬ１の内部と配線溝ＷＤの底面よりも銅配線ＷＬ１の表面に近い銅配線ＷＬ１の側面部とには、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥが偏析している点にある。具体的な一例で言えば、図３に示すように、断面視において、銅配線ＷＬ１の中央部近傍および中央部近傍よりも上側の銅配線ＷＬ１の側面部に、銅と異なる金属元素ＭＥが偏析している点に特徴点があるということができる。これにより、図３に示す銅配線ＷＬ１では、銅配線ＷＬ１の一部領域に金属元素ＭＥを集中的に存在させるという本実施の形態１における基本思想が具現化される。
【００２７】
特に、図３に示す断面図において、銅配線ＷＬ１の中央部近傍は、電流が多く流れることから、中央部近傍では、エレクトロマイグレーションが生じやすい。この点に関し、本実施の形態１では、銅配線ＷＬ１の中央部近傍に金属元素ＭＥが集中的に偏析しているので、電流が流れやすい銅配線ＷＬ１の中央部近傍でのエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。この結果、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１によれば、大きな電流が流れる箇所のエレクトロマイグレーション耐性を効果的に向上できる。
【００２８】
さらに、図３に示す断面図において、銅配線ＷＬ１の上側側面部は、層間絶縁膜ＩＬとの剥離が生じやすい。そして、銅配線ＷＬ１と層間絶縁膜ＩＬとの間で剥離が生じると、層間絶縁膜ＩＬによる銅配線ＷＬ１の固定効果が低減するため、剥離箇所では、銅配線ＷＬ１がずれやすくなる。このことは、剥離箇所でエレクトロマイグレーションが生じやすくなることを意味する。したがって、層間絶縁膜ＩＬからの剥離が生じやすい銅配線ＷＬ１の上側側面部に金属元素ＭＥを偏析させることにより、銅配線ＷＬ１の上側側面部でのエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。
【００２９】
このように、本実施の形態１における特徴点は、まず、電流が多く流れる中央部近傍でエレクトロマイグレーションが生じやすいことを考慮して、銅配線ＷＬ１の中央部近傍に銅と異なる金属元素ＭＥを偏析させている（第１構成）。続いて、層間絶縁膜ＩＬとの剥離が生じやすい銅配線ＷＬ１の上側側面部（配線溝ＷＤの上側側面部）でエレクトロマイグレーションが生じやすいことを考慮して、銅配線ＷＬ１の上側側面部に銅と異なる金属元素ＭＥを偏析させている（第２構成）。この結果、本実施の形態１によれば、銅配線ＷＬ１の中で相対的にエレクトロマイグレーション耐性の弱い部位に、積極的に、エレクトロマイグレーションを抑制する機能を有する金属元素を偏析させることにより、エレクトロマイグレーション耐性の弱い部位を補強している。この結果、本実施の形態１によれば、銅配線ＷＬ１において、エレクトロマイグレーション耐性の弱い部位のエレクトロマイグレーション耐性が向上する結果、銅配線ＷＬ１全体としてのエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。
【００３０】
一方、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１では、エレクトロマイグレーション耐性の弱い一部領域に金属元素ＭＥを集中的に偏析させているのに対し、比較的エレクトロマイグレーション耐性の強いその他の領域に金属元素ＭＥを偏析させていない。このことは、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素ＭＥの量を増加させなくても済むことを意味する。つまり、本実施の形態１によれば、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素ＭＥの量を一定に保持しながら、エレクトロマイグレーション耐性の弱い一部領域に金属元素ＭＥを集中的に偏析させていることができることを意味する。この結果、本実施の形態１における銅配線ＷＬ１によれば、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素ＭＥの量を増加させないように構成することが可能となることから、銅とは異なる金属元素ＭＥの添加量の増大に起因する配線抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、本実施の形態１における特徴点によれば、銅配線ＷＬ１の配線抵抗の増大を抑制しながら、銅配線ＷＬ１全体としてのエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。
【００３１】
以上のことから、本実施の形態１における技術的思想は、銅配線ＷＬ１全体に添加する金属元素の量は変えずに、エレクトロマイグレーション耐性の弱い部分に選択的に金属元素を添加するという基本思想を根底としている。そして、本実施の形態１における技術的思想は、この基本思想を根底としながら、銅配線ＷＬ１の中央部近傍および上側側面部がエレクトロマイグレーション耐性の弱い部位として存在することを見出すことにより、上述した第１構成および第２構成からなる特徴点を有しているのである。この結果、本実施の形態１における特徴点によれば、基本思想を反映しているため、銅配線ＷＬ１が微細化される場合であっても、配線抵抗の増加を招くことなく、銅配線ＷＬ１のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。つまり、本実施の形態１における特徴点によれば、互いにトレードオフの関係にあるエレクトロマイグレーション耐性の向上と配線抵抗の増加の抑制とを両立することができる。これにより、本実施の形態１における半導体装置によれば、半導体装置の性能向上を図りながら、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという顕著な効果を得ることができるのである。
【００３２】
なお、主成分である銅に添加する金属元素としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）などを挙げることができる。
【００３３】
＜半導体装置の製造方法＞
本実施の形態１における半導体装置は、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について図面を参照しながら説明する。特に、図３に示すように、断面視において、銅配線ＷＬ１の中央部近傍および中央部近傍よりも上側の銅配線ＷＬ１の側面部に、銅と異なる金属元素ＭＥを偏析させることができる半導体装置の製造方法について説明する。
【００３４】
まず、半導体基板上に電界効果トランジスタを形成した後、電界効果トランジスタを覆う半導体基板の上方に、例えば、酸化シリコン膜よりも誘電率の低い低誘電率膜（ＳｉＯＣ膜など）からなる層間絶縁膜を形成する。そして、図４に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜ＩＬに配線溝ＷＤ１と配線溝ＷＤ１よりも幅の広い配線溝ＷＤ２とを形成する。具体的に、例えば、配線溝ＷＤ１の配線幅は、６０ｎｍ以下である一方、配線溝ＷＤ２の配線幅は、１００ｎｍ以上である。その後、スパッタリング装置内に半導体基板（半導体ウェハ）を搬入して、スパッタリング法を使用することにより、配線溝ＷＤ１の内壁および配線溝ＷＤ２の内壁を含む層間絶縁膜ＩＬ上に、例えば、窒化タンタル膜と窒化タンタル膜上のタンタル膜からなるバリア導体膜ＢＣＦを形成する。
【００３５】
次に、引き続き、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、銅と銅よりも還元力の強い金属元素とを含むターゲットを使用したスパッタリング法により、バリア導体膜ＢＣＦを介して、配線溝ＷＤ１の内壁および配線溝ＷＤ２の内壁を含む層間絶縁膜ＩＬ上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む銅膜ＣＵＦ１を形成する。ここで、例えば、銅よりも還元力の強い金属元素としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）を挙げることができる。銅よりも還元力の強い金属元素とは、言い換えれば、銅よりもイオン化傾向の大きな金属元素ということもできる。
【００３６】
続いて、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、図５に示すように、半導体基板に対して、アニール処理（加熱処理）を施す。これにより、銅膜ＣＵＦ１を構成する銅の一部および金属元素の一部を層間絶縁膜ＩＬ上から配線溝ＷＤ１の内部と配線溝ＷＤ２の内部とに流動させて、アニール処理前よりも配線溝ＷＤ１の内部と配線溝ＷＤ２の内部に形成される銅膜ＣＵＦ１の膜厚を厚くする。上述したアニール処理によって、銅膜ＣＵＦ１の流動性が高まる結果、銅膜ＣＵＦ１を構成する銅および金属元素が配線溝ＷＤ１の底部と配線溝ＷＤ２の底部に流れ込む。このとき、配線溝ＷＤ１の半分程度が埋まるように、スパッタリング法により形成される銅膜ＣＵＦ１の膜厚が調整される。また、アニール温度は、例えば、３００℃以上４００℃以下とすることができる。本実施の形態１では、銅膜ＣＵＦ１を形成した後にアニール処理を実施する例を示しているが、これに限らず、銅膜ＣＵＦ１を形成するスパッタリング工程中にアニール処理を実施することもできる。
【００３７】
次に、半導体基板をスパッタリング装置から外部に搬出することにより、大気開放処理を実施する。この大気開放処理は、酸化処理の一種であり、大気開放処理によって、図６に示すように、銅膜ＣＵＦ１の表面が酸化される。つまり、銅膜ＣＵＦ１の表面では、銅と酸素が結合して酸化銅が形成される。つまり、銅膜ＣＵＦ１の表面に酸化銅膜ＯＸＦが形成される。具体的には、図６に示すように、配線溝ＷＤ１の中央部および上側側面部に形成されている銅膜ＣＵＦ１の表面が酸化されるとともに、配線溝ＷＤ２の中央下部および上側側面部に形成されている銅膜ＣＵＦ１の表面が酸化される。
【００３８】
続いて、再び、半導体基板をスパッタリング装置内に搬入した後、図７に示すように、銅と銅よりも還元力の強い金属元素とを含むターゲットを使用したスパッタリング法により、銅膜ＣＵＦ１上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む銅膜ＣＵＦ２を形成する。ここで、例えば、銅よりも還元力の強い金属元素としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）を挙げることができる。
【００３９】
その後、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、図８に示すように、半導体基板に対して、アニール処理（加熱処理）を施す。これにより、銅膜ＣＵＦ２を構成する銅の一部および金属元素の一部を層間絶縁膜ＩＬ上に形成された銅膜ＣＵＦ１上から配線溝ＷＤ１の内部と配線溝ＷＤ２の内部とに流動させて、アニール処理前よりも配線溝ＷＤ１の内部と配線溝ＷＤ２の内部に形成される銅膜ＣＵＦ２の膜厚を厚くする。これにより、配線溝ＷＤ１は、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２によって完全に埋め込まれる。一方、配線溝ＷＤ２は、配線溝ＷＤ１よりも配線幅が広いため、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２では、完全に埋め込まれない。このときのアニール処理におけるアニール温度は、例えば、３００℃以上４００℃以下とすることができる。本実施の形態１では、銅膜ＣＵＦ２を形成した後にアニール処理を実施する例を示しているが、これに限らず、銅膜ＣＵＦ２を形成するスパッタリング工程中にアニール処理を実施することもできる。
【００４０】
ここで、銅膜ＣＵＦ２を流動化させるアニール処理によって、既に形成されている銅膜ＣＵＦ１に含まれる金属元素ＭＥおよび銅膜ＣＵＦ２に含まれる金属元素ＭＥは、配線溝ＷＤ１の内部において、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との界面に偏析する。同様に、既に形成されている銅膜ＣＵＦ１に含まれる金属元素ＭＥおよび銅膜ＣＵＦ２に含まれる金属元素ＭＥは、配線溝ＷＤ２の内部においても、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との界面に偏析する。配線幅の狭い配線溝ＷＤ１に着目すると、図８に示す断面視において、配線溝ＷＤ１の中央部および配線溝ＷＤ１の中央部よりも上側の側面部には、銅よりも還元力の強い金属元素が偏析する。
【００４１】
以下に、このメカニズムについて説明する。本実施の形態１では、大気開放処理によって、銅膜ＣＵＦ１の表面が酸化されている。すなわち、銅膜ＣＵＦ１の表面では、銅と酸素が結合して酸化銅が形成されている。その後、銅膜ＣＵＦ１上に銅膜ＣＵＦ２を形成し、アニール処理を実施する。このとき、銅膜ＣＵＦ１および銅膜ＣＵＦ２には、金属元素ＭＥが含まれており、この金属元素ＭＥは、銅よりも還元力が強いため、酸化銅から酸素を奪って銅を還元する機能を有する。すなわち、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥは、酸化銅から酸素を奪うため、酸化銅が形成されている銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との間の界面に存在する酸化銅の周辺に集まる。この結果、例えば、配線溝ＷＤ１に着目すると、酸化銅が形成されている配線溝ＷＤ１の中央部近傍および中央部近傍よりも上側の側面部に金属元素ＭＥが集まることになる。つまり、配線溝ＷＤ１に着目すると、酸化銅が形成されている配線溝ＷＤ１の中央部近傍および中央部近傍よりも上側の側面部に金属元素ＭＥが偏析するのである。そして、偏析している金属元素ＭＥは、酸化銅から酸素を奪い、自らは酸素と結合することにより、酸化銅は、銅に還元される一方、金属元素ＭＥは、酸素と結合して酸化されることになる。
【００４２】
以上のようにして、本実施の形態１によれば、配線幅の狭い配線溝ＷＤ１において、銅膜ＣＵＦ２の表面および配線溝ＷＤ１の底面のいずれからも離間する銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２の境界領域と配線溝ＷＤ１の底面よりも銅膜ＣＵＦ２の表面に近い銅膜ＣＵＦ２の側面部とに、銅よりも還元力の強い金属元素を偏析させることができる。具体的な一例で言えば、本実施の形態１によれば、配線溝ＷＤ１の中央部および配線溝ＷＤ１の中央部よりも上側の側面部に、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥを偏析できる。
【００４３】
次に、図９に示すように、例えば、スパッタリング法を使用することにより、銅膜ＣＵＦ２上に銅からなるシード膜ＳＤＦを形成する。その後、図１０に示すように、例えば、シード膜ＳＤＦを電極として使用した電解メッキ法により、シード膜ＳＤＦ上に銅膜ＣＵＦ３を成長させる。この結果、配線幅の広い配線溝ＷＤ２は、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ３とによって埋め込まれる。そして、図１１に示すように、例えば、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法：Chemical Mechanical Polishing）を使用することにより、層間絶縁膜ＩＬ上に形成されている不要な銅膜を除去する。これにより、図１１に示すように、配線溝ＷＤ１に埋め込まれた銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２とからなる銅配線ＷＬ１を形成することができるとともに、配線溝ＷＤ２に埋め込まれた銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ３とからなる銅配線ＷＬ２を形成することができる。そして、本実施の形態１によれば、配線溝ＷＤ１において、銅配線ＷＬ１の表面および配線溝ＷＤ１の底面のいずれからも離間する銅配線ＷＬ１の内部と配線溝ＷＤ１の底面よりも銅配線ＷＬ１の表面に近い銅配線ＷＬ１の側面部とに、銅よりも還元力の強い金属元素を偏析させることができる。同様に、本実施の形態１によれば、配線溝ＷＤ２において、銅配線ＷＬ２の表面および配線溝ＷＤ２の底面のいずれからも離間する銅配線ＷＬ２の内部と配線溝ＷＤ２の底面よりも銅配線ＷＬ２の表面に近い銅配線ＷＬ２の側面部とに、銅よりも還元力の強い金属元素を偏析させることができる。このようにして、本実施の形態１における半導体装置の製造方法によれば、上述した構造上の特徴点を有する銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２を形成することができる。これにより、本実施の形態１によれば、配線抵抗の増加を抑制しながら、エレクトロマイグレーション耐性に優れた銅配線ＷＬ１（銅配線ＷＬ２）を備える半導体装置を製造することができる。この結果、本実施の形態１における製造方法で製造される半導体装置によれば、半導体装置の性能向上を図りながら、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００４４】
＜実施の形態１における製法上の特徴＞
上述した本実施の形態１における半導体装置の製造方法は、本明細書で「Ｃｕリフロープロセス」と呼ぶ技術を使用しており、本実施の形態１における製法上の第１特徴点は、この「Ｃｕリフロープロセス」を使用する点にある。具体的に、本明細書でいう「Ｃｕリフロープロセス」とは、配線溝を形成した層間絶縁膜上に、スパッタリング法を使用して、銅膜を形成した後、この銅膜に対してアニール処理を施すことにより、配線溝の内部に銅を流し込んで配線溝を埋め込む製造技術である。この「Ｃｕリフロープロセス」によれば、以下に示す利点を得ることができる。
【００４５】
例えば、通常のダマシン法で形成される銅配線は、層間絶縁膜に形成された配線溝の内壁にシード膜を形成し、このシード膜を電極として使用した電解メッキ法により、配線溝の内部に銅膜を埋め込むことにより形成される。ところが、銅配線の微細化が進むにつれて、電解メッキ法を使用した埋め込み技術では、銅配線の形成が困難になってきている。すなわち、銅配線の微細化が進むということは、配線溝の幅が狭くなることを意味し、配線幅の狭い配線溝の内部を電解メッキ法で埋め込む場合、配線溝の内部にボイドが発生しやすくなる。つまり、配線溝の内部を電解メッキ法で埋め込む製造技術では、ボイドの発生を伴うことなく信頼性の高い銅配線を形成することが難しくなるのである。
【００４６】
これに対し、本実施の形態１で採用している「Ｃｕリフロープロセス」によれば、アニール処理によって流動化した銅を配線溝に流し込むことにより、配線溝を埋め込むため、ボイドの発生を抑制できる利点が得られる。すなわち、「Ｃｕリフロープロセス」によれば、ボイドの発生を伴うことなく、信頼性の高い微細化された銅配線を形成することができる利点を得ることができるのである。
【００４７】
そして、本実施の形態１では、微細化された銅配線の埋め込み特性の向上を図ることができる「Ｃｕリフロープロセス」を採用するという第１特徴点を前提として、さらなる工夫を施している。すなわち、本発明者は、微細化された銅配線では、エレクトロマイグレーション耐性の劣化が問題点として顕在化することに着目している。ここで、本発明者は、単に、銅とは異なる金属元素を銅配線に添加する量を増加させることにより、エレクトロマイグレーション耐性を向上させるという技術では、添加される金属元素に起因する配線抵抗の増大が副作用として顕在化する点を認識し、この点を改善することを検討した。この結果、本発明者は、銅配線の表面および配線溝の底面のいずれからも離間する銅配線の内部と、配線溝の底面よりも銅配線の表面に近い前記銅配線の側面部とにおいて、エレクトロマイグレーション耐性を向上することができれば、銅配線全体のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができるという知見を獲得した。このことは、銅配線全体に銅とは異なる金属元素を添加しなくても、エレクトロマイグレーション耐性が問題となる部位にだけ上述した金属元素を添加すればよいことを意味する。つまり、本発明者は、銅配線のうち、エレクトロマイグレーションが生じやすい部分に集中して、銅とは異なる金属元素を添加するという基本思想を着想し、この基本思想によれば、銅配線が微細化される場合であっても、配線抵抗の上昇を招くことなく、銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上できるという顕著な効果を得ることができることに気付いたのである。
【００４８】
そして、本発明者は、この基本思想を具現化するにあたって、微細化された銅配線の信頼性を向上することができる「Ｃｕリフロープロセス」を利用することを考えたのである。具体的に、本実施の形態１における製法上の第２特徴点は、２段階の「Ｃｕリフロープロセス」を採用し、１段階目の「Ｃｕリフロープロセス」と２段階目の「Ｃｕリフロープロセス」との間に、表面酸化処理を実施し、かつ、銅に添加する金属元素として、銅よりも還元力の強い金属元素を採用する点にある。
【００４９】
これにより、本実施の形態１によれば、まず、１段階目の「Ｃｕリフロープロセス」と２段階目の「Ｃｕリフロープロセス」との間に、表面酸化処理を実施することにより、エレクトロマイグレーションが生じやすい部分に酸化銅を形成する。そして、銅に添加する金属元素として、銅よりも還元力の強い金属元素を採用することにより、酸化銅から酸素を奪うために、金属元素がアニール処理によって酸化銅の周囲に集まる。この結果、エレクトロマイグレーションが生じやすい部分に金属元素を偏析させることができるのである。このようにして、本実施の形態１における製法上の第２特徴点によれば、銅配線のうち、エレクトロマイグレーションが生じやすい部分に集中して、銅とは異なる金属元素を添加するという基本思想を具現化することができるのである。
【００５０】
以上のことから、本実施の形態１によれば、「Ｃｕリフロープロセス」を採用するという第１特徴点により、微細化された銅配線の信頼性向上を図ることができる利点を得ながら、さらに、「Ｃｕリフロープロセス」に改良を加える第２特徴点によって、本実施の形態１における基本思想を具現化している。つまり、本実施の形態１では、上述した基本思想と「Ｃｕリフロープロセス」とを融合させることにより、配線抵抗の上昇を招くことなく、銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上できるという顕著な効果を得ることができるのである。特に、本実施の形態１における技術的思想は、「Ｃｕリフロープロセス」が必要とされる微細化された銅配線の製造技術に適用することにより、半導体装置の性能向上と信頼性向上とを両立することができるという優れた効果を得ることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
本実施の形態２の特徴点は、配線溝ＷＤ１の内壁に形成されたバリア導体膜ＢＣＦと配線溝ＷＤ１に埋め込まれる銅配線ＷＬ１との間に下地膜ＬＮＦが形成されているとともに、配線溝ＷＤ２の内壁に形成されたバリア導体膜ＢＣＦと配線溝ＷＤ２に埋め込まれる銅配線ＷＬ２との間に下地膜ＬＮＦが形成されている点にある。
【００５２】
図１２は、本実施の形態２における半導体装置の製造工程において、前記実施の形態１における半導体装置の製造工程の図４に対応する図である。図１２に示すように、本実施の形態２においては、配線溝ＷＤ１の内壁および配線溝ＷＤ２の内壁に形成されているバリア導体膜ＢＣＦと銅膜ＣＵＦ１との間に下地膜（ライナー膜）ＬＮＦを形成する。具体的に、この下地膜ＬＮＦは、銅の格子定数と近い格子定数を有する物質から構成されている。例えば、下地膜ＬＮＦは、コバルト膜やルテニウム膜などの膜から形成することができる。このような下地膜ＬＮＦを形成することにより、「Ｃｕリフロープロセス」における流動性向上効果（リフロー効果）が促進される。このため、１回の「Ｃｕリフロープロセス」におけるアニール時間を短くすることができ、これによって、本実施の形態２によれば、「Ｃｕリフロープロセス」でのスループットを向上することができる。
【００５３】
図１３は、本実施の形態２における半導体装置の製造方法により製造された銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２の断面構成を示す図である。図１３に示すように、例えば、銅配線ＷＬ１とバリア導体膜ＢＣＦとの間には、下地膜ＬＮＦが介在し、かつ、銅配線ＷＬ２とバリア導体膜ＢＣＦとの間にも、下地膜ＬＮＦが介在していることがわかる。
【００５４】
（実施の形態３）
前記実施の形態１では、１段階目の「Ｃｕリフロープロセス」と２段階目の「Ｃｕリフロープロセス」との間に実施する酸化処理として、大気開放処理を例に挙げて説明したが、これに限らず、酸化処理として、半導体基板を高圧酸素雰囲気に曝す処理、酸素プラズマ処理、あるいは、酸素アニール処理を使用することもできる。この場合、例えば、１段階目の「Ｃｕリフロープロセス」と２段階目の「Ｃｕリフロープロセス」とを実施するスパッタリング装置内において、大気開放処理を実施せずに、連続して酸化処理を実施することができる。これにより、本実施の形態３によれば、プロセスシーケンスの簡略化やスループットの向上を図ることができる。
【００５５】
（実施の形態４）
前記実施の形態１では、２段階の「Ｃｕリフロープロセス」を利用する例について説明したが、これに限らず、多段階の「Ｃｕリフロープロセス」を実施することもできる。特に、本実施の形態４では、３段階の「Ｃｕリフロープロセス」を利用する例を説明する。
【００５６】
図１４は、３段階の「Ｃｕリフロープロセス」を利用することにより形成された銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２の断面構造を示す図である。図１４において、配線溝ＷＤ１には、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４とが埋め込まれており、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４とからなる銅配線ＷＬ１中に金属元素ＭＥ１と金属元素ＭＥ２とが偏析していることがわかる。同様に、配線溝ＷＤ２には、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４とが埋め込まれており、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４とからなる銅配線ＷＬ２中に金属元素ＭＥ１と金属元素ＭＥ２とが偏析していることがわかる。
【００５７】
図１４において、本実施の形態４における半導体装置は、層間絶縁膜ＩＬに形成された配線溝ＷＤ１および配線溝ＷＤ２と、配線溝ＷＤ１に埋め込まれた銅配線ＷＬ１と、配線溝ＷＤ２に埋め込まれた銅配線ＷＬ２と、を備える。ここで、配線溝ＷＤ１の底面から配線溝ＷＤ１の深さ方向に離散配置され、かつ、それぞれ配線溝ＷＤ１の底面と対向する複数の離散領域と、配線溝ＷＤ１の底面に最も近い離散領域よりも上側の配線溝ＷＤ１の側面とには、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥ１および金属元素ＭＥ２が偏析している。同様に、配線溝ＷＤ２の底面から配線溝ＷＤ２の深さ方向に離散配置され、かつ、それぞれ配線溝ＷＤ２の底面と対向する複数の離散領域と、配線溝ＷＤ２の底面に最も近い離散領域よりも上側の配線溝ＷＤ２の側面とには、銅よりも還元力の強い金属元素ＭＥ１および金属元素ＭＥ２が偏析している。
【００５８】
このように構成されている本実施の形態４における銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２は、前記実施の形態１で説明した２段階の「Ｃｕリフロープロセス」を実施した後、さらに、３段階目の「Ｃｕリフロープロセス」を実施することにより形成される。具体的に、３段階目の「Ｃｕリフロープロセス」は、２段階目の「Ｃｕリフロープロセス」を実施した後、酸化処理を施すことにより、銅膜ＣＵＦ２の表面を酸化し、その後、スパッタリング法により、銅膜ＣＵＦ２上に金属元素を含む銅膜ＣＵＦ４を形成する。そして、この工程後、半導体基板に対して、アニール処理を施すことにより、銅膜ＣＵＦ４を構成する銅の一部および金属元素の一部を配線溝ＷＤ１の内部および配線溝ＷＤ２の内部に流動させて、アニール処理前よりも配線溝ＷＤ１の内部に形成される銅膜ＣＵＦ４の膜厚を厚くし、かつ、アニール処理前よりも配線溝ＷＤ２の内部に形成される銅膜ＣＵＦ４の膜厚を厚くする。その後の工程は、前記実施の形態１とほぼ同様である。以上のようにして、本実施の形態４における銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２を形成することができる。
【００５９】
本実施の形態４によれば、銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２の内部に偏析する金属元素の量が多くなるため、さらなるエレクトロマイグレーション耐性を向上することができ、これによって、銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２の信頼性を向上することができる。
【００６０】
（実施の形態５）
前記実施の形態１では、銅配線を形成するシングルダマシン法に、前記実施の形態１における技術的思想を適用する例について説明したが、前記実施の形態１における技術的思想は、これに限らず、例えば、銅配線とプラグとを一括して形成するデュアルダマシン法にも適用することができる。本実施の形態５では、前記実施の形態１における技術的思想をデュアルダマシン法に適用する例について説明する。
【００６１】
まず、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜ＩＬにビアＶＡ１と配線溝ＷＤ１とを一体的に形成するとともに、ビアＶＡ２と配線溝ＷＤ２とを一体的に形成する。その後、例えば、スパッタリング法を使用することにより、ビアＶＡ１の内壁と配線溝ＷＤ１の内壁、および、ビアＶＡ２の内壁と配線溝ＷＤ２の内壁を含む層間絶縁膜ＩＬ上に、バリア導体膜ＢＣＦを形成する。
【００６２】
そして、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、銅と銅よりも還元力の強い金属元素とを含むターゲットを使用したスパッタリング法により、バリア導体膜ＢＣＦを介して、ビアＶＡ１の内壁と配線溝ＷＤ１の内壁、および、ビアＶＡ２の内壁と配線溝ＷＤ２の内壁を含む層間絶縁膜ＩＬ上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む銅膜ＣＵＦ１を形成する。
【００６３】
続いて、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、図１６に示すように、半導体基板に対して、アニール処理（加熱処理）を施す。これにより、銅膜ＣＵＦ１を構成する銅の一部および金属元素の一部を層間絶縁膜ＩＬ上から、ビアＶＡ１の内部と配線溝ＷＤ１の内部、および、ビアＶＡ２の内部と配線溝ＷＤ２の内部とに流動させて、アニール処理前よりもビアＶＡ１の内部とビアＶＡ２の内部に形成される銅膜ＣＵＦ１の膜厚を厚くする。このとき、アニール温度は、例えば、３００℃以上４００℃以下とすることができる。
【００６４】
次に、半導体基板をスパッタリング装置から外部に搬出することにより、大気開放処理を実施する。この大気開放処理は、酸化処理の一種であり、大気開放処理によって、図１７に示すように、銅膜ＣＵＦ１の表面が酸化される。つまり、銅膜ＣＵＦ１の表面では、銅と酸素が結合して酸化銅膜ＯＸＦが形成される。
【００６５】
続いて、再び、半導体基板をスパッタリング装置内に搬入した後、図１８に示すように、銅と銅よりも還元力の強い金属元素とを含むターゲットを使用したスパッタリング法により、銅膜ＣＵＦ１上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む銅膜ＣＵＦ２を形成する。
【００６６】
その後、スパッタリング装置内に半導体基板を搬入した状態で、図１９に示すように、半導体基板に対して、アニール処理（加熱処理）を施す。これにより、銅膜ＣＵＦ２を構成する銅の一部および金属元素の一部を層間絶縁膜ＩＬ上に形成された銅膜ＣＵＦ１上から、ビアＶＡ１の内部と配線溝ＷＤ１の内部、および、ビアＶＡ２の内部と配線溝ＷＤ２の内部とに流動させて、アニール処理前よりも、ビアＶＡ１の内部と配線溝ＷＤ１の内部、および、ビアＶＡ２の内部と配線溝ＷＤ２の内部とに形成される銅膜ＣＵＦ２の膜厚を厚くする。これにより、ビアＶＡ１およびビアＶＡ２は、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２によって完全に埋め込まれる。ここで、アニール処理のアニール温度は、例えば、３００℃以上４００℃以下とすることができる。
【００６７】
ここで、銅膜ＣＵＦ２を流動化させるアニール処理によって、既に形成されている銅膜ＣＵＦ１に含まれる金属元素ＭＥおよび銅膜ＣＵＦ２に含まれる金属元素ＭＥは、ビアＶＡ１および配線溝ＷＤ１において、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との界面に偏析する。同様に、既に形成されている銅膜ＣＵＦ１に含まれる金属元素ＭＥおよび銅膜ＣＵＦ２に含まれる金属元素ＭＥは、ビアＶＡ２および配線溝ＷＤ２においても、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２との界面に偏析する。
【００６８】
その後は、「Ｃｕリフロープロセス」を繰り返すことにより、本実施の形態５におけるプラグＰＬＧ１と銅配線ＷＬ１とを一体的に形成し、かつ、プラグＰＬＧ２と銅配線ＷＬ２とを一体的に形成することができる。具体的には、図２０に示すように、一体的に形成されたプラグＰＬＧ１と銅配線ＷＬ１とは、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４と銅膜ＣＵＦ５から構成され、それぞれの境界領域に金属元素（金属元素ＭＥ１、金属元素ＭＥ２、金属元素ＭＥ３）が偏析している。同様に、一体的に形成されたプラグＰＬＧ２と銅配線ＷＬ２とは、銅膜ＣＵＦ１と銅膜ＣＵＦ２と銅膜ＣＵＦ４と銅膜ＣＵＦ５から構成され、それぞれの境界領域に金属元素（金属元素ＭＥ１、金属元素ＭＥ２、金属元素ＭＥ３）が偏析している。以上のようにして、本実施の形態５における半導体装置を製造することができる。
【００６９】
本実施の形態５によれば、例えば、図２０において、一体的に形成されたビアＶＡ１と銅配線ＷＬ１とに着目すると、銅配線ＷＬ１だけでなく、ビアＶＡ１においても、金属元素が偏析している。同様に、一体的に形成されたビアＶＡ２と銅配線ＷＬ２とに着目すると、銅配線ＷＬ２だけでなく、ビアＶＡ２においても、金属元素が偏析している。この結果、本実施の形態５によれば、銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２のエレクトロマイグレーション耐性を向上できるだけでなく、ビアＶＡ１およびビアＶＡ２のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。つまり、本実施の形態５によれば、前記実施の形態１における技術的思想をデュアルダマシン法に適用することにより、銅配線ＷＬ１および銅配線ＷＬ２の信頼性を向上することができるだけでなく、ビアＶＡ１およびビアＶＡ２の信頼性も向上することができる。
【００７０】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００７１】
前記実施の形態は、以下の形態を含む。
【００７２】
（付記１）
（ａ）半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程、
（ｂ）前記絶縁膜に第１配線溝および前記第１配線溝よりも幅の広い第２配線溝を形成する工程、
（ｃ）スパッタリング法により、前記第１配線溝の内壁および前記第２配線溝の内壁を含む前記絶縁膜上に、銅よりも還元力の強い金属元素を含む第１銅膜を形成する工程、
（ｄ）第１アニール処理を施すことにより、前記第１銅膜を構成する銅の一部および前記金属元素の一部を前記絶縁膜上から前記第１配線溝の内部と前記第２配線溝の内部とに流動させて、前記第１アニール処理前よりも前記第１配線溝の内部と前記第２配線溝の内部に形成される前記第１銅膜の膜厚を厚くする工程、
（ｅ）前記（ｄ）工程後、第１酸化処理を施すことにより、前記第１銅膜の表面を酸化する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程後、スパッタリング法により、前記第１銅膜上に前記金属元素を含む第２銅膜を形成する工程、
（ｇ）前記（ｆ）工程後、第２アニール処理を施すことにより、前記第２銅膜を構成する銅の一部および前記金属元素の一部を前記第１配線溝の内部と前記第２配線溝の内部とに流動させて、前記第２アニール処理前よりも前記第１配線溝の内部と前記第２配線溝の内部に形成される前記第２銅膜の膜厚を厚くすることにより、前記第１配線溝の内部を前記第１銅膜と前記第２銅膜で埋め込む工程、
（ｈ）前記（ｇ）工程後、前記第２銅膜上に第３銅膜を形成することにより、前記第２配線溝の内部を前記第１銅膜と前記第２銅膜と前記第３銅膜で埋め込む工程、
を備える、半導体装置の製造方法。
【００７３】
（付記２）
付記１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｈ）工程は、メッキ法を使用することにより、前記第３銅膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００７４】
ＣＵＦ１  銅膜
ＣＵＦ２  銅膜
ＭＥ  金属元素
ＷＤ  配線溝
ＷＬ１  銅配線
【図１】
2016100419.tif 000003
【図２】
2016100419.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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