(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜と、
銅を主成分とする導電体と、
シリコン炭化膜と
を備え、
前記導電体と前記層間絶縁膜との間には、前記シリコン炭化膜が介在し、
前記シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれ、
前記シリコン炭化膜は銅拡散防止膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、
前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む
半導体装置。
【請求項３】
層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜内に溝を形成する工程と、
前記溝内に銅を主成分とする導電体を形成する工程と、
前記導電体上及び前記層間絶縁膜上にシリコン炭化膜を形成する工程と
を備え、
前記シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれ、
前記シリコン炭化膜は銅拡散防止膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、
前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む
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】
この発明は、銅配線を採用した半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
０．１３μｍゲート世代以降のシステムＬＳＩにおいて、デバイスの高速化を実現するためにデバイスの信号遅延を低減することが重要である。デバイスの信号遅延は、トランジスタの信号遅延と配線遅延との和で表されるが、配線ピッチの縮小が急速に進むにつれて、トランジスタにおける信号遅延よりも配線遅延の影響の方が大きくなっている。
【０００３】
配線遅延はＲＣの積（抵抗×層間静電容量）に比例するため、配線抵抗を低くすること、あるいは、層間絶縁膜の容量を小さくすることが配線遅延を軽減するために必要である。よって、この問題を解決するために、低誘電率の層間絶縁膜と低抵抗の銅配線との組み合わせを採用した埋め込み配線構造が盛んに研究されている。
【０００４】
図１９は、従来の一般的な埋め込み銅配線構造を有する半導体装置を示す図である。この半導体装置では、２層の銅配線が形成されている。
【０００５】
具体的には、シリコン基板等の基板１１１上に、トランジスタ等の素子（図示せず）を内蔵する下部絶縁層１１２が形成されている。そして、下部絶縁層１１２の上に第１のエッチングストップ膜１１３、第１の低誘電率層間絶縁膜１１４および第１のハードマスク膜１１５が形成されている。
【０００６】
なお、第１のエッチングストップ膜１１３は、第１の低誘電率層間絶縁膜１１４内に配線溝を形成する時にエッチングをストップさせるための膜である。また、第１のハードマスク膜１１５は、第１の低誘電率層間絶縁膜１１４内に配線溝を形成するためのハードマスク（フォトレジストよりも強固な材質のマスク）として使用される。
【０００７】
第１の低誘電率層間絶縁膜１１４および第１のハードマスク膜１１５内には配線溝が形成され、そこには第１のバリアメタル１１６および第１の銅配線１１７が形成されている。
【０００８】
そしてさらに、上記構造上には、第１の銅拡散防止膜１１８、第２の低誘電率層間絶縁膜１１９、第２のエッチングストップ膜１２０、第３の低誘電率層間絶縁膜１２１、および第２のハードマスク膜１２２が形成されている。
【０００９】
第１の銅拡散防止膜１１８は、銅の拡散を防止するために設けられる。銅はアルミニウムやチタン、タンタル等の材料に比べ、絶縁膜中に拡散しやすく、層間絶縁膜中に多量の銅が拡散すると、層間絶縁膜が絶縁破壊に至ってしまう。よって、この銅の拡散を防止する必要がある。
【００１０】
第１の銅拡散防止膜１１８には、銅拡散防止能を有しているシリコン窒化膜（比誘電率が６．５〜８．０）やシリコン炭化膜（比誘電率が４．５〜５．０）等が採用される。なお、層間絶縁膜容量を減少させる効果の大きい（すなわち比誘電率の低い）シリコン炭化膜を採用するのが好ましい。
【００１１】
なお、第２のエッチングストップ膜１２０は、第３の低誘電率層間絶縁膜１２１内に配線溝を形成する時にエッチングをストップさせるための膜である。
【００１２】
また、第２のハードマスク膜１２２は、第３の低誘電率層間絶縁膜１２１内に配線溝を形成するためのハードマスクとして使用される。
【００１３】
第３の低誘電率層間絶縁膜１２１および第２のハードマスク膜１２２内には配線溝が形成され、また、配線溝１２４に露出した第２のエッチングストップ膜１２０の一部および第３の低誘電率層間絶縁膜１１９内には接続孔が形成されている。そして、その配線溝および接続孔内に、第２のバリアメタル１２５および第２の銅配線１２６が形成されている。
【００１４】
そしてさらに、上記構造上に第２の銅拡散防止膜１２７が形成されている。適用可能な材料としては、シリコン窒化膜およびシリコン炭化膜等があるが、第１の銅拡散防止膜１１８と同様に層間絶縁膜容量を減少させる効果の大きいシリコン炭化膜を適用するのが好ましい。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような銅配線を採用した半導体装置では、前述したように銅拡散防止膜としてシリコン炭化膜が適用されることが好ましい。他の候補材料であるシリコン窒化膜に比較して、より比誘電率が低く、層間絶縁膜容量を減少させる効果が大きいからである。
【００１６】
しかしながら、シリコン炭化膜は必ずしも完全に銅の拡散を防止できるわけではない。例えば、シリコン炭化膜中の不純物の存在により銅拡散防止機能が不十分となったり、経年変化により銅拡散防止機能が衰えたりする。
【００１７】
よって、半導体デバイスの信頼性を高めるためには、このシリコン炭化膜の銅拡散防止能を向上させ、銅の拡散により絶縁膜が絶縁破壊に至るまでの寿命時間を長くすることが常に求められる。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、銅配線構造をもつ半導体装置において、シリコン炭化膜の銅拡散防止能を改善し、銅拡散により引き起こされる絶縁破壊までの寿命を長時間化することにある。また、その製造方法も提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、層間絶縁膜と、銅を主成分とする導電体と、シリコン炭化膜とを備え、前記導電体と前記層間絶縁膜との間には、前記シリコン炭化膜が介在し、前記シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれる半導体装置である。前記シリコン炭化膜は銅拡散防止膜である。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置であって、前記シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む半導体装置である。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜内に溝を形成する工程と、前記溝内に銅を主成分とする導電体を形成する工程と、前記導電体上及び前記層間絶縁膜上にシリコン炭化膜を形成する工程とを備え、前記シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれる半導体装置の製造方法である。前記シリコン炭化膜は銅拡散防止膜である。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、前記シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む半導体装置の製造方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
本実施の形態は、シリコン炭化膜に、酸素原子、または、それに加えて窒素原子を３０原子％以上含ませることで、シリコン炭化膜の銅拡散防止機能を改善し、銅拡散に起因する絶縁破壊までの寿命を長時間化させた半導体装置およびその製造方法である。
【００２４】
図１〜図５は本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図６はそれにより得られる半導体装置を示す図である。本実施の形態では、２層の銅配線を形成するプロセスフローを例示する。以下、図１から順に説明する。
【００２５】
まず、シリコン基板等の基板１上に、トランジスタ等の素子（図示せず）を内蔵する下部絶縁層２を形成する。そして、下部絶縁層２の上に第１のエッチングストップ膜３、第１の低誘電率層間絶縁膜４および第１のハードマスク膜５を形成する（図１）。なお、本実施の形態においては、基板１および下部絶縁層２で構成される構造を配線形成層の下部構造と捉える。
【００２６】
また、第１のエッチングストップ膜３は、第１の低誘電率層間絶縁膜４内に配線溝を形成する時にエッチングをストップさせるための膜である。第１のエッチングストップ膜３には、配線溝のエッチングを確実にストップさせる役割が要求される。つまり、あるエッチング条件において第１の低誘電率層間絶縁膜４のエッチング速度よりも非常に小さいエッチング速度を有する材料を第１のエッチングストップ膜３に適用することが望ましい。
【００２７】
この膜には例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜などが採用される。これら３種の膜は、次に述べる各種の低誘電率層間絶縁膜を被エッチング膜とする場合に、容易に大きなエッチング選択比が取れるという特質がある。
【００２８】
また、第１の低誘電率層間絶縁膜４には、以下のような各種の絶縁膜のいずれか又は複数が採用される。例えば、水素化シルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane）、メチルシルセスキオキサン（Methyl Silsesquioxane）、ポリアリルエーテル（Poly ArylEther）、アロマティックポリマー（Aromatic Polymar）、ベンゾシクロブデン（Benzocyclobutene）、ポリテトラフロロエチレン（Polytetrafluoroethylene）等である。また、その他にも、ポーラスシリカであるキセロゲル（Xerogel）、エアロゲル（Aerogel）など、回転塗布法で形成される材料や、フッ素シリコン酸化膜（SiOF膜）、フッ素化アモルファスカーボン（CF膜）、パリレン（Palylene）、窒化ボロン（BN膜）、炭化シリコン酸化膜（SiOC膜）などのＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長法）で形成される材料でもよい。これらの低誘電率層間絶縁膜の比誘電率は１．８〜３．０程度である。
【００２９】
また、第１のハードマスク膜５には例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜およびシリコン炭化膜等が使用される。第１のハードマスク膜５は、第１の低誘電率層間絶縁膜４内に配線溝を形成するためのハードマスクとして使用され、さらに、下層の第１の低誘電率層間絶縁膜４が配線形成時の化学機械研磨：ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）に直接に曝されることを防止する。
【００３０】
次に、第１のハードマスク膜５をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第１の低誘電率層間絶縁膜４にドライエッチングを行って配線溝７ａを形成する。そして、第１のバリアメタル６および第１の銅配線７をこの順に形成し、第１のハードマスク膜５上の部分をＣＭＰを行って除去し、配線溝７ａ内にのみこれらを残置する（図２）。第１のバリアメタル６は、第１の銅配線７に接しており、配線溝７ａの内壁に沿って形成される。
【００３１】
ここでは、第１のエッチングストップ膜３を下部構造上に形成しているが、配線溝７ａの深さに応じて第１の低誘電率層間絶縁膜４の成膜途中に形成してもよい。
【００３２】
なお、第１のバリアメタル６には例えば窒化タンタルを採用する。窒化タンタルはスパッタ法あるいはＣＶＤ法により形成する。また、第１の銅配線７はスパッタ法あるいはメッキ法で形成する。ここで、窒化タンタルは、第１の銅配線７から第１の低誘電率層間絶縁膜４中への銅の拡散を防止するバリアメタル機能を担っている。
【００３３】
上記工程で得られた構造の上に、第１の銅配線７に接する第１の銅拡散防止膜８、第２の低誘電率層間絶縁膜９、第２のエッチングストップ膜１０、第３の低誘電率層間絶縁膜１１、および第２のハードマスク膜１２をこの順に形成する（図３）。
【００３４】
さて、本実施の形態では、第１の銅拡散防止膜８に、酸素原子、または、それに加えて窒素原子を３０原子％以上含ませたシリコン炭化膜を採用する。このようなシリコン炭化膜を採用する利点については後述する。
【００３５】
また、第２および第３の低誘電率層間絶縁膜９，１１には、第１の低誘電率層間絶縁膜４と同様の各種の低誘電率層間膜絶縁膜が採用される。
【００３６】
また、第２のエッチングストップ膜１０も、第１のエッチングストップ膜３と同様、第３の低誘電率層間絶縁膜１１内に配線溝を形成する時にエッチングをストップさせるための膜である。この膜の材質にも、第３の低誘電率層間絶縁膜１１に対し、容易に大きなエッチング選択比が取れることが要求される。例えば、第１のエッチングストップ膜３と同様、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜などがこの膜に採用される。
【００３７】
また、第２のハードマスク膜１２は、第１のハードマスク膜５と同様のハードマスク膜としての機能を有し、さらに、下層の第３の低誘電率層間絶縁膜１１がＣＭＰに直接に曝されることを防止している。この膜には、第１のハードマスク膜５と同様、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜およびシリコン炭化膜等が適用できる。
【００３８】
次に、第２のハードマスク膜１２をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第３の低誘電率層間絶縁膜１１にドライエッチングを行って配線溝１４を形成する。また、配線溝１４に露出した第２のエッチングストップ膜１０の一部をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第２の低誘電率層間絶縁膜９および第１の銅拡散防止膜８にドライエッチングを行って接続孔１３を形成する（図４）。
【００３９】
なお、第２のエッチングストップ膜１０は、配線溝１４の深さに応じた位置に形成される。よって、第２および第３の低誘電率層間絶縁膜９，１１を１つの層間絶縁膜と捉えた場合、その層間絶縁膜の成膜途中に第２のエッチングストップ膜１０が形成されると考えることができる。
【００４０】
そして、第１のバリアメタル６および第１の銅配線７と同様に、第２のバリアメタル１５および第２の銅配線１６を形成し、第２のハードマスク膜１２上の部分をＣＭＰ法により除去し、接続孔１３および配線溝１４内にのみ残置する（図５）。第２のバリアメタル１５は、第２の銅配線１６に接しており、接続孔１３および配線溝１４の内壁に沿って形成される。また、第１の銅配線７は、第２の銅配線１６のうち接続孔１３内に形成された接続部と接触している。
【００４１】
そして、第２の銅配線１６の上方に接する第２の銅拡散防止膜１７を形成する（図６）。第２の銅拡散防止膜１７にも第１の銅拡散防止膜と同様に、酸素原子、または、それに加えて窒素原子を３０原子％以上含ませたシリコン炭化膜を採用する。
【００４２】
このように本実施の形態においては、第１および第２の銅拡散防止膜８，１７に、酸素原子を含有した、あるいは、酸素原子と窒素原子を含有したシリコン炭化膜が適用される。
【００４３】
図７は、シリコン炭化膜中の全組成元素に対する酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率（単位はアトミック％（原子％））と、絶縁破壊までの寿命（単位は秒）との関係を示す図である。なお、図７の実験結果は、酸素原子を含有した、あるいは、酸素原子と窒素原子を含有したシリコン炭化膜のサンプル膜をシリコン基板上に形成し、そのサンプル膜上に銅電極を形成して、銅電極が＋側、シリコン基板が−側（基板裏面からコンタクトする）になるよう電圧を印加したときの絶縁破壊までの寿命を測定したものである。また、ここで示す絶縁破壊までの寿命とは、２００℃の雰囲気温度で１ＭＶ／ｃｍの電界を印加した場合の値である。
【００４４】
図７から明らかなように、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率が３０原子％以上になると、急激に絶縁破壊までの寿命が延びている。５０％以上の場合の詳細データはないが、少なくとも含有比率が３０％から５０％の間では長寿命を持つシリコン炭化膜の形成が可能である。ちなみに、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜で同様の実験を行った場合には、このような長寿命にはならないことが判明している。
【００４５】
なお、本実施の形態に係るシリコン炭化膜には、おもな構成元素であるシリコン原子、炭素原子、酸素原子、窒素原子以外に、水素原子を含んでいてもよい。水素原子を含んでいても同様な結果となるからである。
【００４６】
シリコン炭化膜の絶縁破壊の寿命は、銅電極からサンプル膜への銅の拡散により引き起こされると考えられる。例えばアルミ電極を使用した場合には、このような短時間での耐圧劣化は発生しないからである。すなわち、図７の実験においてシリコン炭化膜が高電界に対して長寿命であるということは、銅の拡散が生じにくいことを意味し、銅の拡散防止に優れていることを意味するのである。
【００４７】
よって、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率が３０原子％以上のシリコン炭化膜を銅拡散防止膜に採用すれば、銅拡散防止機能が改善され、銅拡散に起因する絶縁破壊までの寿命を長時間化させることができる。
【００４８】
次に、酸素原子あるいは酸素原子と窒素原子を含有したシリコン炭化膜の形成方法について説明する。成膜方法としては、プラズマＣＶＤ法が使用される。シリコン炭化膜中に酸素あるいは酸素＋窒素を含有させるためには、原料ガスとして酸素、窒素を含むものを選ぶ必要がある。
【００４９】
シリコン炭化膜に酸素原子を含有させるためには、有機シロキサン（Organic Siloxane）やシリコンアルコキシド（Silicon Alchoxide）を使用するか、あるいは、有機シラン（Organic Silane：ＳｉＨnＲ4-n、ただしＲはアルキル基（ＣnＨ2n+1 ））に酸素を添加すればよい。
【００５０】
また、シリコン炭化膜に酸素原子＋窒素原子を含有させるためには、有機シランに亜酸化窒素または亜酸化窒素とアンモニアとの混合ガスを添加する、あるいは、有機シロキサンやシリコンアルコキシドに、亜酸化窒素やアンモニア、または、亜酸化窒素とアンモニアとの混合ガスを添加すればよい。もちろん、アンモニアの代わりに、窒素あるいはアンモニアと窒素との混合ガスを使用してもよい。
【００５１】
有機シロキサンは、分子骨格のなかにＳｉ−Ｏ結合を含んでおり、鎖状シロキサン（Ｒ2n+1（ＳｉＯn）ＳｉＲ3、Ｒはアルキル基（ＣnＨ2n+1）または水素）と環状シロキサン（（Ｒ2ＳｉＯ）n、Ｒはアルキル基（ＣnＨ2n+1）または水素、ｎは３以上）に大別できる。
【００５２】
本発明に適用できる鎖状シロキサンとしては、ＨＭＤＳＯ（Hexamethyldisiloxane:Si2O(CH3)6)、ＯＭＴＳ（1,1,1,3,5,7,7,7-Octamethyltetrasiloxane:Si4O3H2(CH3)8）がある。また、本発明に適用できる環状シロキサンとしては、ＯＭＣＴＳ（Octamethylcyclotetrasiloxane:Si4O4(CH3)8）、ＴＭＣＴＳ（1,3,5,7-Tetramethylcyclotetrasiloxane:Si4O4(CH3)4）がある。
【００５３】
シリコンアルコキシドはＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane:Si(OC2H5)4）に代表される珪酸塩であり、化学式ではSi(OR)4またはSiR1n（OR2）4-nと記される（ここではR1はアルキル基か水素、R2はアルキル基）。本発明に適用できるシリコンアルコキシドとしては、ＴＥＯＳの他にＴＭＯＳ（Tetramethoxysilane:Si(OCH3)4）、ＴＭＳ（Trimethoxysilane:SiH(OCH3)3）、ＤＭＤＭＯＳ（Dimethyldimethoxysilane:Si(CH3)2(OCH3)2）がある。
【００５４】
上記のような原料ガスを流量等の調整をして使用し、２００Ｐａ程度に調整されたプラズマＣＶＤ装置のチャンバー内にてプラズマを発生させる。そして、ステージ温度を３００〜４００℃に設定した基板ステージ上にウエハ基板を載置し、そのウエハ基板上にシリコン炭化膜を形成する。そうすれば、膜中に酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜が形成できる。
【００５５】
酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜は、図７に示したように絶縁膜破壊までの寿命が長くなるため、これを銅拡散防止膜として使用すれば半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００５６】
なお、上記のシリコン炭化膜は銅の拡散に対して有用であるが、もちろん、銅よりも拡散しにくいアルミニウムやチタン、タンタル等、他の金属に対しても同様に拡散を防止する機能を有する。
【００５７】
本実施の形態に係る半導体装置によれば、第１および第２の銅拡散防止膜８，１７にシリコン炭化膜を採用し、そのシリコン炭化膜には、酸素原子、または、それに加えて窒素原子が３０原子％以上含まれる。これにより、銅配線からの銅の拡散を防止するシリコン炭化膜の機能が改善され、銅の拡散に起因する絶縁破壊までの寿命が長時間化した半導体装置が得られる。
【００５８】
すなわち、本実施の形態においては、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜を銅拡散防止膜８，１７として銅配線７，１６上に形成しているので、上方への銅拡散を防止することができる。すなわち、第１の銅拡散防止膜８の場合、第１の銅配線７から上層の第２の低誘電率層間絶縁膜９への銅拡散を防止することができる。第２の銅拡散防止膜１７の場合も同様に、上層に層間絶縁膜が形成された場合に層間絶縁膜への銅拡散を防止することができる。
【００５９】
なお、図６では第２の銅拡散防止膜１７上に成膜は行なわれていないが、第２の銅拡散防止膜１７の機能はもちろん、その上に第１ないし第３の低誘電率層間絶縁膜４，９，１１と同様の低誘電率層間絶縁膜が形成された場合の銅の拡散を防止することである。すなわち、低誘電率層間絶縁膜と銅配線との間に銅拡散防止膜を介在させることで、銅の拡散防止を図る。
【００６０】
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、上記利点を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【００６１】
なお、第１および第２の銅配線７，１６に第１および第２の銅拡散防止膜８，１７をそれぞれ設けたので、多層配線の場合であっても、上記効果が得られる。
【００６２】
また、本実施の形態においては、配線の形成に当たって、第１ないし第３の低誘電率層間絶縁膜４，９，１１を先に形成し、その内部に配線溝７ａ，１４および接続孔１３を形成している。これにより、いわゆるダマシンプロセスが可能となっているが、本発明はそのようなプロセスに限られるものではない。
【００６３】
例えば下部構造上に金属膜を形成し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて配線形状に成形した後、その周囲に低誘電率層間絶縁膜を形成するようなプロセスであってもよい。その場合も、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜を、配線と低誘電率層間絶縁膜との間に介在させて形成するようにすれば、その金属の拡散を防止することが可能である。
【００６４】
なお、第１の銅配線７の配線の幅よりもその上層の接続孔１３の直径の方が小さいことが一般的であるため、第１の銅拡散防止膜８が第１の銅配線７からの第２の低誘電率層間絶縁膜９への銅拡散を有効に防止する。第２の銅拡散防止膜１７の場合も同様である。
【００６５】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１に係る半導体装置およびその製造方法の変形例であり、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜の適用を他の膜にまで広げた例である。
【００６６】
図８〜図１２は本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図１３はそれにより得られる半導体装置を示す図である。本実施の形態では、１層の銅配線を形成するプロセスフローを示しており、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜が、実施の形態１における第１のエッチングストップ膜３および第１のハードマスク膜５にも適用される。そしてさらに、実施の形態１における第１のバリアメタル６の形成が省略され、その代わりに、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜が配線溝７ａ内の壁面に沿ってサイドウォール膜として形成される。上述した点以外は、図１〜図６の実施の形態１のプロセスフローと同様である。以下、図８から順に説明する。
【００６７】
まず、シリコン基板等の基板２１上に、トランジスタ等の素子（図示せず）を内蔵する下部絶縁層２２を形成する。そして、下部絶縁層２２の上に第１のエッチングストップ膜２３、第１の低誘電率層間絶縁膜２４および第１のハードマスク膜２５を形成する（図８）。なお、本実施の形態においても、基板２１および下部絶縁層２２で構成される構造を配線形成層の下部構造と捉える。
【００６８】
本実施の形態においては、上述したように、第１のエッチングストップ膜２３および第１のハードマスク膜２５は、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜である。酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有させても、シリコン炭化膜はエッチングストップ機能およびハードマスク機能を有しているため、このような置換が可能である。
【００６９】
また、第１の低誘電率層間絶縁膜２４には、実施の形態１で挙げた各種の絶縁膜のいずれか又は複数が採用される。
【００７０】
次に、第１のハードマスク膜２５をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第１の低誘電率層間絶縁膜２４にドライエッチングを行って配線溝２６を形成する（図９）。
【００７１】
続いて、配線溝２６内の壁面に、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜が形成されるように、それを材料とする第１のサイドウォール形成用絶縁膜２７ａを図９の構造の全面を覆うように形成する（図１０）。
【００７２】
そして、第１のサイドウォール形成用絶縁膜２７ａに対して異方性ドライエッチングを行い、配線溝２６内の側壁部に接する部分を残すようにエッチバックする。これにより、第１のサイドウォール膜２７ｂを形成する（図１１）。
【００７３】
次に、第１の銅配線２８を形成し、第１のハードマスク膜２５上の部分をＣＭＰ法により除去する。これにより、配線溝２６は第１のサイドウォール膜２７ｂを側壁部に介して第１の銅配線２８で充填される（図１２）。そして、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜を、第１の銅配線２８の上面に接する第１の銅拡散防止膜２９として形成する（図１３）。
【００７４】
このような銅配線構造では、本発明によるシリコン炭化膜が十分な銅拡散防止機能を有していることから、それにより銅膜を第１の低誘電率層間絶縁膜２４と接触させないことでバリアメタルを使わずに銅配線を形成することが可能である。
【００７５】
すなわち、本実施の形態に係る半導体装置によれば、第１のエッチングストップ膜２３、第１のサイドウォール膜２７ｂおよび第１の銅拡散防止膜２９が全て、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜である。
【００７６】
よって、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有するシリコン炭化膜が、断面図上、第１の銅配線２８の側面のみならず上面、下面にも接しており、第１の銅配線２８の周囲に銅が拡散するのを、より確実に防止することができる。すなわち、第１の銅拡散防止膜２９が第１の銅配線２８の上面に形成されているので、銅の上方への拡散を防止することができる。また、第１のサイドウォール膜２７ｂが配線溝２６内の側面に形成されているので、配線溝２６側方周辺の第１の低誘電率層間絶縁膜２４への銅の拡散を防止することができる。また、第１の銅配線２８の下面に形成された第１のエッチングストップ膜２３も酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有するシリコン炭化膜であるので、銅の下方への拡散、すなわち、下部絶縁層２２への銅拡散を防止することができる。
【００７７】
また、第１のサイドウォール膜２７ｂが配線溝２６内の壁面に沿って形成されているので、第１の銅配線２８の周囲に銅拡散防止用のバリアメタルを形成する必要がない。バリアメタルが不要となった結果、第１の銅配線２８の体積を増加させることができる。すなわち例えば、実施の形態１における第１のバリアメタル６に比して、第１のサイドウォール膜２７ｂは配線溝２６内の底面には設けられないので、その分、第１の銅配線２８の体積を増やすことができる。
【００７８】
それに加えて、バリアメタルが配線溝２６内の底面には設けられないことにより、接続部の接触抵抗も減少させることができる。図８〜図１３では、第１の銅配線２８には下部構造中の素子への接続部を設けていないが、そのような接続部を設ける場合がある。その場合、図９の段階でさらに、配線溝２６内の第１のエッチングストップ膜２３の一部をエッチングして、下部絶縁層２２内に接続孔を設ければよい。そうすれば続く工程を経ることでサイドウォール膜の付いた接続孔が形成でき、そこに銅を埋め込むことで、表面がシリコン炭化膜に囲まれた接続部を形成できる。このような接続部を設ける場合に、その接続部と下部構造中の素子との接触抵抗を減少させることができる。
【００７９】
以上のことより、第１の銅配線２８の抵抗がより低くなる。
【００８０】
また、本実施の形態においては、第１の銅配線２８の形成に当たって、第１の低誘電率層間絶縁膜２４を先に形成し、その内部に配線溝２６を形成している。これにより、いわゆるダマシンプロセスが可能となっているが、本発明はそのようなプロセスに限られるものではない。
【００８１】
＜実施の形態３＞
本実施の形態は、実施の形態２に係る半導体装置およびその製造方法の変形例であり、さらにもう一層の銅配線を形成する場合の例である。
【００８２】
図１４〜図１７は本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図１８はそれにより得られる半導体装置を示す図である。この図１４〜図１８に示すプロセスフローでは、図１３の構造に加えてさらに成膜を行うことにより、２層目の銅配線を形成する。
【００８３】
本実施の形態においても、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜が、実施の形態１における第２のエッチングストップ膜１０および第２のハードマスク膜１２に適用される。そしてさらに、実施の形態１における第２のバリアメタル１５の形成が省略され、その代わりに、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜が配線溝１４および接続孔１３内の壁面に沿ってサイドウォール膜として形成される。上述した点以外は、実施の形態１の図３〜図６のプロセスフローと同様である。以下、図１４から順に説明する。
【００８４】
まず、上記工程で得られた構造の上に、第２の低誘電率層間絶縁膜３１、第２のエッチングストップ膜３２、第３の低誘電率層間絶縁膜３３、および第２のハードマスク膜３４をこの順に形成する（図１４）。
【００８５】
上述したように、本実施の形態では、第２のエッチングストップ膜３２および第２のハードマスク膜３４にも酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有したシリコン炭化膜を採用する。酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有させても、シリコン炭化膜はエッチングストップ機能およびハードマスク機能を有しているため、このような置換が可能である。
【００８６】
また、第２および第３の低誘電率層間絶縁膜３１，３３には、第１の低誘電率層間絶縁膜２４と同様の各種の低誘電率層間膜絶縁膜が採用される。
【００８７】
次に、第２のハードマスク膜３４をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第３の低誘電率層間絶縁膜３３にドライエッチングを行って配線溝３６を形成する。また、配線溝３６に露出した第２のエッチングストップ膜３２の一部をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、これをマスクとして第２の低誘電率層間絶縁膜３１および第１の銅拡散防止膜２９にドライエッチングを行って接続孔３５を形成する（図１５）。
【００８８】
なお、第２のエッチングストップ膜３２は、配線溝３６の深さに応じた位置に形成される。よって、第２および第３の低誘電率層間絶縁膜３１，３３を１つの層間絶縁膜と捉えた場合、その層間絶縁膜の成膜途中に第２のエッチングストップ膜３２が形成されると考えることができる。
【００８９】
続いて、配線溝３６および接続孔３５内の壁面に酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜が形成されるように、それを材料とする第２のサイドウォール形成用絶縁膜３７ａを図１５の構造の全面を覆うように形成する（図１６）。
【００９０】
そして、第２のサイドウォール形成用絶縁膜３７ａに対して異方性ドライエッチングを行い、配線溝３６および接続孔３５内の側壁部に接する部分を残すようにエッチバックする。これにより、第２のサイドウォール膜３７ｂを形成する（図１７）。
【００９１】
次に、第２の銅配線３８を形成し、第２のハードマスク膜３４上の部分をＣＭＰ法により除去する。これにより、配線溝３６および接続孔３５は第２のサイドウォール膜３７ｂを側壁部に介して第２の銅配線３８で充填される。そして、酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜を、第２の銅配線３８の上面に接する第２の銅拡散防止膜３９として形成する（図１８）。
【００９２】
本実施の形態に係る半導体装置によれば、第２の銅配線３８に接する第２の銅拡散防止膜３９にもシリコン炭化膜を採用し、そのシリコン炭化膜には、酸素原子、または、それに加えて窒素原子が３０原子％以上含まれる。これにより、多層配線の場合であっても、銅配線からの銅の拡散を防止するシリコン炭化膜の機能が改善され、銅の拡散に起因する絶縁破壊までの寿命が長時間化した半導体装置が得られる。
【００９３】
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、上記利点を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【００９４】
また、本実施の形態においては、第２の銅配線３８の形成に当たって、第２および第３の低誘電率層間絶縁膜３１，３３を先に形成し、その内部に配線溝１４および接続孔１３を形成している。これにより、いわゆるダマシンプロセスが可能となっているが、本発明はそのようなプロセスに限られるものではない。
【００９５】
また、本実施の形態に係る半導体装置によれば、第２のエッチングストップ膜３２、第２のサイドウォール膜３７ｂおよび第２の銅拡散防止膜３９が全て、酸素あるいは酸素＋窒素の含有比率を３０原子％以上にしたシリコン炭化膜である。
【００９６】
よって、酸素あるいは酸素＋窒素を含有するシリコン炭化膜が、断面図上、第２の銅配線３８の側面のみならず上面、下面にも接しており、第２の銅配線３８の周囲に銅が拡散するのを、より確実に防止することができる。すなわち、第２の銅拡散防止膜３９が第２の銅配線３８の上面に形成されているので、銅の上方への拡散を防止することができる。また、第２のサイドウォール膜３７ｂが配線溝３６および接続孔３５内の壁面に沿って形成されているので、配線溝３６および接続孔３５側方周辺の第２および第３の低誘電率層間絶縁膜３１，３３への銅の拡散を防止することができる。また、第２の銅配線３８の下に形成された第２のエッチングストップ膜３２も酸素原子あるいは酸素原子＋窒素原子を含有するシリコン炭化膜であるので、銅の下方への拡散、すなわち、第２の低誘電率層間絶縁膜３１への銅拡散を防止することができる。
【００９７】
また、第２のサイドウォール膜３７ｂが配線溝３６および接続孔３５内の壁面に沿って形成されているので、第２の銅配線３８の周囲に銅拡散防止用のバリアメタルを形成する必要がない。バリアメタルが不要となった結果、第２の銅配線３８の体積を増加させることができる。すなわち例えば、実施の形態１における第２のバリアメタル１５に比して、第２のサイドウォール膜３７ｂは配線溝３６および接続孔３５内の底面には設けられないので、その分、第２の銅配線３８の体積を増やすことができる。
【００９８】
それに加えて、バリアメタルが配線溝３６および接続孔３５内の底面には設けられないことにより、第２の銅配線３８と第１の銅配線２８との接続部の接触抵抗も減少させることができる。
【００９９】
以上のことより、第２の銅配線３８の抵抗がより低くなる。
【０１００】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれる。これにより、導電体に採用した銅の層間絶縁膜への拡散を防止するシリコン炭化膜の機能が改善され、銅の拡散に起因する絶縁破壊までの寿命が長時間化した半導体装置が得られる。
【０１０１】
請求項２に記載の発明の発明によれば、シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む。この場合も請求項１と同様の効果がある。
【０１０２】
請求項３に記載の発明によれば、シリコン炭化膜には、酸素原子が３０原子％以上含まれる。これにより、導電体に採用した銅の層間絶縁膜への拡散を防止するシリコン炭化膜の機能が改善され、銅の拡散に起因する絶縁破壊までの寿命が長時間化した半導体装置を製造することが可能となる。
【０１０３】
請求項４に記載の発明によれば、シリコン炭化膜には、窒素原子も含まれ、前記シリコン炭化膜は、酸素原子および窒素原子を合わせて３０原子％以上含む。この場合も請求項３と同様の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図２】  実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図３】  実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図４】  実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図５】  実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図６】  実施の形態１に係る半導体装置を示す図である。
【図７】  シリコン炭化膜中の酸素または酸素および窒素の含有率と絶縁破壊までの寿命との関係を示す図である。
【図８】  実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図９】  実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１０】  実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１１】  実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１２】  実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１３】  実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。
【図１４】  実施の形態３に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１５】  実施の形態３に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１６】  実施の形態３に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１７】  実施の形態３に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。
【図１８】  実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。
【図１９】  従来の埋め込み銅配線構造を有する半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
１，２１  基板、２，２２  下部絶縁層、３，２３  第１のエッチングストップ膜、４，２４  第１の低誘電率層間絶縁膜、５，２５  第１のハードマスク膜、６  第１のバリアメタル、７，２８  第１の銅配線、７ａ，１４，２６，３６配線溝、８，２９  第１の銅拡散防止膜、９，３１  第２の低誘電率層間絶縁膜、１０，３２  第２のエッチングストップ膜、１１，３３  第３の低誘電率層間絶縁膜、１２，３４  第２のハードマスク膜、１３，３５  接続孔、１５  第２のバリアメタル、１６，３８  第２の銅配線、１７，３９  第２の銅拡散防止膜、２７ｂ  第１のサイドウォール膜、３７ｂ  第２のサイドウォール膜。
【図１】
0004152619.tif 000002
【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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【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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