(57)【要約】【課題】配線およびビアの腐食を防ぐとともに配線およびビアの埋め込みが良好で信頼性に優れる半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜とを反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする絶縁性の自己形成バリア膜を形成する工程と、前記絶縁性の自己形成バリア膜の形成後、未反応の前記前駆体膜を除去する工程と、未反応の前記前駆体膜を除去した前記絶縁性の自己形成バリア膜上にＲｕ、Ｃｏの少なくとも１つからなる導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に配線材料膜を堆積させる工程と、前記配線材料膜を平坦化して配線構造を形成する工程と、を含む。【選択図】図１
2009147137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、
熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜とを反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする絶縁性の自己形成バリア膜を形成する工程と、
前記絶縁性の自己形成バリア膜の形成後、未反応の前記前駆体膜を除去する工程と、
未反応の前記前駆体膜を除去した前記絶縁性の自己形成バリア膜上にＲｕ、Ｃｏの少なくとも１つからなる導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に配線材料膜を堆積させる工程と、
前記配線材料膜を平坦化して配線構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記前駆体は、熱処理に基づいて前記絶縁膜に含まれる酸素と反応することにより前記絶縁性の自己形成バリア膜としての酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
表面に半導体素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に配線材料膜を埋め込むことにより形成される配線と、を有し、
前記配線は、前記絶縁膜に接して設けられる絶縁性の自己形成バリア膜に接するように設けられ、Ｒｕ、Ｃｏの少なくとも１つからなる導電膜の内側に前記配線材料膜を埋め込むことにより形成されていることを特徴とする半導体装置。
【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方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の製造方法として、Ｃｕを主成分とする配線本体層と層間絶縁膜との間にＣｕの拡散を防止するためのバリア膜が自己整合的に形成された配線構造を有する半導体装置の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このバリア膜は、Ｍｎ等の所定の金属元素と層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分とする。この所定の金属元素は、酸化物を形成し易く、一旦反応層が形成されると、絶縁膜からの酸素と金属元素との反応速度が極端に遅くなるため、実質反応が進まなくなり、配線本体層と層間絶縁膜との間に均質で超薄肉の安定なバリア膜を有する。
【０００４】
この半導体装置の製造方法によると、層間絶縁膜に形成した配線溝内に例えばＭｎとＣｕの合金膜を形成し、その上に配線の材料であるＣｕ膜を堆積させる。そこで熱処理を施すことにより、バリア膜が形成されると同時に、ＭｎがＣｕ膜内を拡散して、Ｃｕ膜表面にＭｎ酸化物を主成分とする絶縁膜として析出する。この絶縁膜を除去することにより、ＭｎをＣｕ膜から取り除くことができる。
【０００５】
しかし、この半導体装置の製造方法によると、Ｃｕ膜を０．８〜１．０μｍの厚さで堆積させるため、Ｃｕ膜表面にＭｎの酸化物を主成分とする絶縁膜を析出させる際に、ＭｎがＣｕ膜表面まで移動しきれずにＣｕ膜内に残留してしまうおそれがある。残留したＭｎは、不純物金属として配線の比抵抗を上昇させる原因となる。
【０００６】
また、この半導体装置の製造方法によると、ＭｎとＣｕの合金膜上にＣｕ膜を堆積させる前に熱処理を行い、バリア膜を形成する方法を用いることもできる。しかし、この方法によると、バリア膜が形成される際にバリア膜の表面に形成されるＣｕ膜が凝集し、その上に堆積させるＣｕ膜が剥がれてしまうおそれがある。
【特許文献１】特開２００５−２７７３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、配線およびビアの腐食を防ぐとともに配線およびビアの埋め込みが良好で信頼性に優れる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】
本発明の一態様は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の形成された前記絶縁膜の表面に所定の金属元素を含む前駆体膜を形成する工程と、熱処理を施すことにより、前記前駆体膜と前記絶縁膜とを反応させて、その境界面に前記所定の金属元素と前記絶縁膜の構成元素を含む化合物を主成分とする絶縁性の自己形成バリア膜を形成する工程と、前記絶縁性の自己形成バリア膜の形成後、未反応の前記前駆体膜を除去する工程と、未反応の前記前駆体膜を除去した前記絶縁性の自己形成バリア膜上にＲｕ、Ｃｏの少なくとも１つからなる導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に配線材料膜を堆積させる工程と、前記配線材料膜を平坦化して配線構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【０００９】
また、本発明の一態様は、表面に半導体素子を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に配線材料膜を埋め込むことにより形成される配線と、を有し、前記配線は、前記絶縁膜に接して設けられる絶縁性の自己形成バリア膜に接するように設けられ、Ｒｕ、Ｃｏの少なくとも１つからなる導電膜の内側に前記配線材料膜を埋め込むことにより形成されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、配線およびビアの腐食を防ぐとともに配線およびビアの埋め込みが良好で信頼性に優れる半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
〔第１の実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置１０は、半導体基板１２上の配線層１１ａ上にデュアルダマシン法によって配線層１１ｂを設けたものである。なお、図１においては２層の配線層からなる半導体装置１０としているが、配線層の層数は２層に限られない。
【００１２】
配線層１１ａは、第１の層間絶縁膜１３と、第１の層間絶縁膜１３上に形成されたＣｕ拡散防止膜１６と、Ｃｕ拡散防止膜１６上に形成された第１の配線層絶縁膜１４と、第１の配線層絶縁膜１４上に形成された第１のキャップ絶縁膜１５と、第１のキャップ絶縁膜１５上に形成されたＣｕ拡散防止膜１６と、第１の配線層絶縁膜１４から第１のキャップ絶縁膜１５にかけて所定のレイアウトで形成された第１の配線１７と、を有する。
【００１３】
第１の配線層絶縁膜１４は、ＰＡｒ（ポリアリーレンエーテル）、ベンゾオキサゾール等の誘電率の低い有機絶縁材料を用いることができる。この第１の層間絶縁膜１４は、例えば８０ｎｍの厚さを有する。
【００１４】
第１の層間絶縁膜１３は、第１の配線層絶縁膜１４とのエッチング選択比を大きく取ることのできるＳｉＯＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＦ等の絶縁材料からなる。この第１の層間絶縁膜１３は、例えば８０ｎｍの厚さを有する。
【００１５】
第１のキャップ絶縁膜１５は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＣ等の絶縁材料からなり、第１の配線１７を形成する際のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による平坦化処理のためのストッパとして用いられる。
【００１６】
Ｃｕ拡散防止膜１６は、例えば、厚さ１０〜３０ｎｍのＳｉＣＮ、ＳｉＣ等の無機絶縁膜を用いることができる。また、Ｃｕ拡散防止膜１６は、第１の配線１７のＣｕの拡散を防止し、また、配線形成時のエッチングストッパとして働く。
【００１７】
第１の配線１７は、例えば、Ｃｕからなる。また、第１の配線１７内の金属が隣接する層間絶縁膜への拡散を防ぐためのバリア膜１７０を表面に有するとともに、バリア膜１７０と第１の配線１７を構成する金属との間に、導電性を有するライナー膜１７１を有する。
【００１８】
バリア膜１７０は、例えば５〜１０ｎｍのＭｎを成膜後、熱処理を行い、さらにウェットエッチングにより未反応金属膜を除去することによって２〜３ｎｍに形成されたＭｎＳｉｘＯｙ（ｘ≦１、ｙ＜１）もしくはＭｎＯｘが形成される。また、成膜する金属として例えばＣｕＭｎやＭｎが上げられ、成膜金属としてＡｌを用いた場合は、ＡｌＯｘの反応層がバリア層として形成される。
【００１９】
ライナー膜１７１は、例えば５〜１０ｎｍのＲｕ、Ｃｏを用いることができる。
【００２０】
配線層１１ｂは、Ｃｕ拡散防止膜１６上に形成されたビア層絶縁膜１８と、ビア層絶縁膜１８上に形成された第２の配線層絶縁膜１９と、第２の配線層絶縁膜１９上に形成された第２のキャップ絶縁膜２０と、第２のキャップ絶縁膜２０から第２の配線層絶縁膜１９にかけて所定のレイアウトで形成された第２の配線２１と、第１の層間絶縁膜１３上に形成された第１の配線１７とビア層絶縁膜１８上に形成された第２の配線２１とを電気的に接続するビア２２とを有する。なお、第２のキャップ絶縁膜２０は、第１のキャップ絶縁膜１５と同じ材料からなる。また、第２の配線２１およびビア２２についても、第１の配線１７と同じ材料で構成されており、さらにバリア膜２１０とライナー膜２１１についても、バリア膜１７０とライナー膜１７１と同じ材料で形成されている。
【００２１】
ビア層絶縁膜１８は、例えば、厚さ８０ｎｍのＳｉＯＣを用いることができる。
【００２２】
第２の配線層絶縁膜１９は、例えば、誘電率が２．３のＰＡｒを用いることができる。
【００２３】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図２Ａ（ａ）に示すように、半導体装置１２上に第１の層間絶縁膜１３、Ｃｕ拡散防止膜１６、第１の配線層絶縁膜１４、第１のキャップ絶縁膜１５を順次積層し、後述する第１の配線１７を形成するための溝及び第１のキャップ絶縁膜１５の表面に、Ｍｎと層間絶縁膜の構成元素との化合物を主成分として自己整合的に形成されたバリア膜１７０と、バリア膜１７０の表面にＲｕからなるライナー膜１７１を設けたものを用意する。次に、バリア膜１７０で表面を覆われた第１のキャップ絶縁膜１５および溝１７Ａを覆うように、電解めっき法等によりＣｕからなる配線材料膜１７Ｂを形成する。
【００２４】
次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により、第１のキャップ絶縁膜１５の表面が露出するように平坦化する。
【００２５】
次に、図２Ａ（ｃ）に示すように、ＣＭＰ等により表面が平坦化され、第１の配線１７が露出した面を覆うようにＣｕ拡散防止膜１６を形成する。このようにして配線層１１ａが形成される。次に、Ｃｕ拡散防止膜１６上にビア層絶縁膜１８、第２の配線層絶縁膜１９、第２のキャップ絶縁膜２０を順次積層し、後述する第２の配線２１およびビア２２を形成するための溝２１Ａを形成する。
【００２６】
次に、図２Ａ（ｄ）に示すように、第２のキャップ絶縁膜２０の表面および溝２１Ａにより露出した部分を覆うようにＭｎをバリア膜２１０として、５〜１０ｎｍの厚さで形成する。
【００２７】
次に、図２Ｂ（ｅ）に示すように、熱処理を、例えば２００〜４００℃で３０〜９０分施し、熱処理後の未反応金属部分をＨＣｌで除去することにより厚さ２〜３ｎｍのバリア膜２１０になる。このとき、溝２１Ａの底面の、Ｃｕ拡散防止膜１６に触れていないバリア膜２１０がＨＣｌで除去されることによって第１の配線１７の上面が露出する。
【００２８】
次に、図２Ｂ（ｆ）に示すように、バリア膜２１０の表面および第１の配線１７の露出した部分を覆うようにＲｕからなるライナー膜２１１を５〜１０ｎｍの厚さで形成する。次に、ライナー膜２１１で表面を覆われた第２のキャップ絶縁膜２０および溝２１Ａを覆うように、電解めっき法等によりＣｕからなる配線材料膜２１Ｂを形成する。
【００２９】
次に、図２Ｂ（ｇ）に示すように、ＣＭＰ等により、第２のキャップ絶縁膜２０の表面が露出するように平坦化し、第２の配線２１が露出した面を覆うようにＣｕ拡散防止膜１６を形成する。このようにして配線層１１ｂが形成される。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１０を形成する。
【００３０】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１によれば、バリア膜１７０、２２０の内側に配線を構成するＣｕの埋め込み性の良いＲｕからなるライナー膜１７１、２１１を設けたことにより、バリア膜１７０、２２０による耐水性向上を図ることができるとともに、ＴａやＴａＮと比べて配線比抵抗が小さいＲｕを用いることにより、Ｃｕシード層を設けなくとも電解めっき法によるＣｕ配線材料膜の形成が良好に行われ、高い信頼性が得られる。このことにより、高アスペクト比でビアを形成する場合でも良好な埋め込み性が得られる。Ｒｕの配線比抵抗は１２μΩ・ｃｍであり、Ｔａの配線比抵抗７０μΩ・ｃｍや、ＴａＮの配線比抵抗１８０μΩ・ｃｍと比べて低い配線比抵抗を有する。また、ライナー膜の他の構成としてＣｏ（配線比抵抗５０μΩ・ｃｍ）を用いた場合でも、耐水性が良好でＣｕ配線材料膜の形成が良好な半導体装置１が得られることから、ライナー膜として用いる導電膜は、配線比抵抗がＴａの配線比抵抗よりも小さいことが好ましい。
【００３１】
なお、上記した第１の実施の形態では、配線を構成する金属と絶縁膜との間にバリア膜およびライナー膜を設けた配線層１１ａ、１１ｂを説明したが、配線層１１ａのように第１の配線１７のみで形成する場合には、Ｃｕの埋め込み形状が複雑でなく、配線を構成する金属の十分な埋め込み性が得られることから、例えば、配線層１１ｂではライナー膜を設け、配線層１１ａの部分についてライナー膜を省いた構成としても良い。
【００３２】
図３は、第１の実施の形態の半導体装置の他の構成を示し、図１に示す半導体装置１０の配線層１１ａから第１の配線１７の外側に設けられるライナー膜１７１を省いた点が異なる。なお、他の部分の構成等については第１の実施の形態と同様である。このような構成とすることで、ライナー膜の製造に伴う工程を省くことができ、配線の埋め込み性を損なうことなくコストダウンを実現できる。
【００３３】
〔第２の実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置１０は、半導体基板１２上の配線層１１ａ上にビア層１１ｃを設け、ビア層１１ｃ上にシングルダマシン法によって第２の配線２１を有する配線層１１ｂを形成した点において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については、説明を省略する。
【００３４】
図５Ａ（ａ）〜（ｃ）、図５Ｂ（ｄ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００３５】
まず、第１の実施の形態において図２Ａ（ａ）及び（ｂ）で示した、配線層１１ａを半導体基板１２上に形成するまでの工程を行う。
【００３６】
次に、図５Ａ（ａ）に示すように、Ｃｕ拡散防止膜１６上にビア層絶縁膜１８、第３のキャップ絶縁膜２３を順次積層する。
【００３７】
次に、図５Ａ（ｂ）に示すように、エッチングにより、後述するビア２２を形成するための溝２２Ａを形成し、第３のキャップ絶縁膜２３の表面および溝２２Ａにより露出した部分を覆うようにＭｎをバリア膜２２０として設ける。このバリア膜２２０に対して配線層１１ａの形成時と同様に熱処理を行い、熱処理後の未反応金属部分をＨＣｌで除去する。このとき、溝２２Ａの底面の、Ｃｕ拡散防止膜１６に触れていないバリア膜２２０がＨＣｌで除去されることによって第１の配線１７の上面が露出する。
【００３８】
次に、図５Ａ（ｃ）に示すように、バリア膜２２０の表面および第１の配線１７の露出した部分を覆うようにＲｕからなるライナー膜２２１を形成する。
【００３９】
次に、図５Ｂ（ｄ）に示すように、ライナー膜２２１で表面を覆われた第３のキャップ絶縁膜２３および溝２２Ａを覆うようにＣｕからなる電解めっき法等により配線材料膜を形成し、ＣＭＰ等により、第３のキャップ絶縁膜２３の表面が露出するように平坦化することによってビア２２を形成した後、ビア２２が露出した面を覆うようにＣｕ拡散防止膜１６を形成する。このようにしてビア層１１ｃが形成される。
【００４０】
次に、図５Ｂ（ｅ）に示すように、Ｃｕ拡散防止膜１６上に第２の配線層絶縁膜１９、第２のキャップ絶縁膜２０を順次積層して、第１の配線１７を形成する工程と同じ工程を行うことによって配線層１１ｂを形成する。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１０を形成する。
【００４１】
（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置１によれば、第１の配線１７、第２の配線２１、ビア２２がそれぞれ別工程で設けられる場合であっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
〔第３の実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置１０は、第１の実施の形態と同様に半導体基板１２上の配線層１１ａ上にデュアルダマシン法によって配線層１１ｂを設けたものであるが、Ｃｕ拡散防止膜１６と第２のキャップ絶縁膜２０との間の絶縁膜を第２の配線層絶縁膜１９の１層で形成している点で第１の実施の形態と異なる。図６においても複数の配線層を２層とした半導体装置１０としているが、配線層の層数は２層に限られない。なお、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については、説明を省略する。
【００４３】
第２の配線層絶縁膜１９は、例えば、誘電率が２．０のＳｉＯＣを用いることができる。
【００４４】
図７Ａ（ａ）〜（ｃ）、図７Ｂ（ｄ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００４５】
まず、第１の実施の形態において図２Ａ（ａ）及び（ｂ）で示した、配線層１１ａを半導体基板１２上に形成するまでの工程を行い、さらにＣｕ拡散防止膜１６上に第２の配線層絶縁膜１９、第２のキャップ絶縁膜２０を順次積層する。
【００４６】
次に、図７Ａ（ａ）に示すように、エッチングにより、ビア２２および第２の配線２１を形成するための溝２１Ａを形成する。
【００４７】
次に、図７Ａ（ｂ）に示すように、第２のキャップ絶縁膜２０の表面および溝２１Ａにより露出した部分を覆うようにＭｎをバリア膜２１０として設ける。
【００４８】
次に、図７Ａ（ｃ）に示すように、バリア膜２１０に対して配線層１１ａの形成時と同様に熱処理を行い、熱処理後の未反応金属部分をＨＣｌで除去する。
【００４９】
次に、図７Ｂ（ｄ）に示すように、バリア膜２１０の表面および第１の配線１７の露出した部分を覆うようにＲｕからなるライナー膜２２１を形成する。
【００５０】
次に、図７Ｂ（ｅ）に示すように、ライナー膜２２１で表面を覆われた第２のキャップ絶縁膜２３および溝２１Ａを覆うように電解めっき法等によりＣｕからなる配線材料膜を形成し、ＣＭＰ等により、第２のキャップ絶縁膜２０の表面が露出、またはキャップ絶縁膜２０が完全に除去され絶縁膜１９が露出するように平坦化することによって第２の配線２１およびビア２２を形成した後、第２の配線２１が露出した面を覆うようにＣｕ拡散防止膜１６を形成する。このようにして配線層１１ｂが形成される。さらに、図示しないが、上層に絶縁膜等を形成することにより、半導体装置１０を形成する。
【００５１】
（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置１によれば、異なる製造方法により、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
〔他の実施の形態〕
本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００５３】
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
【図２Ａ】（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図２Ｂ】（ｅ）〜（ｇ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図３】第１の実施の形態の半導体装置の他の構成を示す断面図。
【図４】第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
【図５Ａ】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５Ｂ】（ｄ）、（ｅ）は、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図６】第３の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
【図７Ａ】（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図７Ｂ】（ｄ）、（ｅ）は、第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００５５】
１０  半導体装置。  １２  半導体基板。  １７  第１の配線。  ２１  第２の配線。  ２２  ビア。  １７０、２１０  バリア膜。  １７１、２１１  ライナー膜  
【図１】
2009147137.tif 000003
【図２Ａ】
2009147137.tif 000004
【図２Ｂ】
2009147137.tif 000005
【図３】
2009147137.tif 000006
【図４】
2009147137.tif 000007
【図５Ａ】
2009147137.tif 000008
【図５Ｂ】
2009147137.tif 000009
【図６】
2009147137.tif 000010
【図７Ａ】
2009147137.tif 000011
【図７Ｂ】
2009147137.tif 000012