(57)【要約】【課題】Ｃｕ配線パターンの表面に自己形成されるＭｎ酸化物膜よりなるバリア膜を有する多層配線構造において、配線の寿命を向上させる。【解決手段】Ｃｕ−Ｍｎ合金層を側壁に形成したＣｕ配線パターンの表面に、炭素および酸素源となる炭素含有膜を接触させ、熱処理により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎ原子と前記炭素源からの炭素原子と酸素原子を反応させ、炭素を含むＭｎ酸化物膜をバリア膜として形成する。【選択図】図４
2009141058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上方に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に形成された第１の開口部と、
前記第１の開口部の内壁面に沿って形成された第１のマンガン酸化物膜と、
前記第１の開口部に埋め込まれた第１のＣｕ配線パターンと、
前記第１のＣｕ配線パターンの上面に形成された炭素を含有する第２のマンガン酸化物膜と、
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第２のマンガン酸化物膜上に形成された第２の絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２のマンガン酸化物膜上に形成された炭化珪素系絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の絶縁膜と前記第２のマンガン酸化膜上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜に形成された第２の開口部と、
前記第２の開口部に埋め込まれた第２のＣｕ配線パターンと、を有し、
前記第１のＣｕ配線パターンと前記第２のＣｕ配線パターンの電気的接続部では前記第２のマンガン酸化膜が除去されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板上方に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部の内壁面に沿って、Ｍｎを含む金属膜を形成する工程と、
前記第１の開口部に第１のＣｕ配線パターンを埋め込む工程と、
前記第１の絶縁膜と前記第１のＣｕ配線パターンを平坦化する工程と、
前記第１のＣｕ配線の上面に、炭素を含む膜を形成する工程と、
前記第１のＣｕ配線の前記上面に、加熱しながら炭素を含むマンガン酸化物膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記炭素を含む膜は炭化珪素膜であり、前記炭化ケイ素膜は３５０〜４００℃で成膜されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記炭素を含む膜は炭化珪素膜であり、前記炭化ケイ素膜は３〜１８％の酸素を含有していることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２のマンガン酸化膜上に第２の絶縁膜を形成する工程を含む請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第２のマンガン酸化膜上に炭化珪素系絶縁膜を形成する工程を含む請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の絶縁膜と前記第２のマンガン酸化膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜に第２の開口部を形成する工程と、
前記第２の開口部に第２のＣｕ配線パターンを埋め込む工程と、を有し、
前記第１のＣｕ配線パターンと前記第２のＣｕ配線パターンの電気的接続部では、前記第２のマンガン酸化膜が除去されていることを特徴とする請求項５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】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に多層配線構造を有する半導体装置およびその製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の半導体集積回路装置においては、共通基板上に莫大な数の半導体素子が形成されており、これらを相互接続するために、多層配線構造が使われている。
【０００３】
多層配線構造では、配線層を構成する配線パターンを埋設した層間絶縁膜が積層される。また多層配線構造では、下層の配線層と上層の配線層とが、層間絶縁膜中に形成されたビアコンタクトにより接続される。
【０００４】
特に最近の超微細化・超高速半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延（ＲＣ遅延）の問題を軽減するため、層間絶縁膜として低誘電率膜（いわゆるｌｏｗ−ｋ膜）が使われる。これと共に、配線パターンとして、低抵抗の銅（Ｃｕ）パターンが使われている。
【０００５】
このようにＣｕ配線パターンを低誘電率層間絶縁膜中に埋設した多層配線構造においては、Ｃｕ層のドライエッチングによるパターニングが困難である。このため、層間絶縁膜中に予め配線溝あるいはビアホールを形成する、いわゆるダマシン法あるいはデュアルダマシン法が使われる。このようにして形成された配線溝あるいはビアホールはＣｕ層で充填される。その後、層間絶縁膜上の余剰なＣｕ層が化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去される。
【０００６】
その際、Ｃｕ配線パターンが層間絶縁膜に直接に接すると、Ｃｕ原子が層間絶縁膜中に拡散し、短絡などの問題を惹起する。この問題を解決するため、Ｃｕ配線パターンが形成される配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を、導電性拡散バリア、いわゆるバリアメタル膜により覆い、Ｃｕ層を、かかるバリアメタル膜上に堆積することが一般になされている。ここで、バリアメタル膜としては、一般的にタンタル（Ｔａ）やチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などの高融点金属、あるいはこれら高融点金属の導電性窒化物が用いられる。
【０００７】
一方、最近の４５ｎｍ世代あるいはそれ以降の超微細化・超高速半導体装置では、微細化に伴い層間絶縁膜中に形成される配線溝あるいはビアホールの大きさが著しく縮小されてきている。これに伴って、このような比抵抗の大きなバリアメタル膜を使って所望の配線抵抗の低減を実現しようとすると、これら微細な配線溝あるいはビアホールに形成されるバリアメタル膜の膜厚を可能な限り減少させる必要がある。一方、バリアメタル膜は、配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を連続的に覆う必要がある。
【０００８】
このような事情に関連して従来、層間絶縁膜中に形成された配線溝あるいはビアホールを、銅マンガン合金層（Ｃｕ−Ｍｎ合金層）により直接に覆う技術が提案されている。この技術では、Ｃｕ−Ｍｎ合金層と層間絶縁膜との界面に、厚さが２〜３ｎｍで組成がＭｎＳｉxＯyのマンガンシリコン酸化物層が、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎと層間絶縁膜中のＳｉおよび酸素との自己形成反応により、拡散バリア膜として形成される。
【０００９】
しかしこの従来技術では、自己形成されるマンガンシリコン酸化物層中に含まれるマンガン（Ｍｎ）の濃度が低いことに起因して、Ｃｕ膜に対する密着性が不十分であるという問題が認識されている。
【００１０】
このため、Ｃｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせた構成のバリアメタル構造が提案されている。
【００１１】
このようにＣｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせたバリアメタル構造では、以下のような事情で、耐酸化性が向上する好ましい特徴も得られる。
【００１２】
近年、信号遅延（ＲＣ遅延）を回避する目的で、層間絶縁膜を構成する低誘電率材料として、多孔質低誘電率膜の使用が提案されている。しかし、このような多孔質低誘電率材料は密度が低く、製造時にプラズマによるダメージを受けやすい問題を有している。ダメージを受けた膜は、その表面や内部に水分を吸着しやすくなる。このためこのような多孔質低誘電率膜上に形成されたバリアメタル膜は、多孔質誘電体膜中に吸着された水分の影響を受けて酸化しやすく、拡散バリアとしての性能、およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する密着性が劣化しやすい。
【００１３】
ところが、先に説明したＣｕ−Ｍｎ合金層をこのような構造においてシード層として用いると、Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎが、バリアメタル膜の酸化部分と反応し、拡散バリアとしての性能およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する高い密着性を維持することが可能となる。
【００１４】
図１Ａ〜１Ｅは、上記特許文献１に記載のＣｕ配線パターンの形成工程を示す図である。
【００１５】
図１Ａを参照するに、図示していないシリコン基板上に形成された絶縁膜１1上にはメチルシロセスキオキサン（ＭＳＱ）膜よりなるシリコン酸化膜１２が形成されている。
【００１６】
次に図１Ｂに示すように、前記シリコン酸化膜１２中に、形成したい配線パターンに対応して、配線溝１２Ｔが形成される。
【００１７】
さらに図１Ｃに示すように、Ｔａなどの高融点金属、あるいはＴａＮやＴｉＮ，ＷＮなど、高融点金属の導電性窒化物よりなるバリアメタル膜１３ＢＭが、前記シリコン酸化膜１２の上面及び前記配線溝１２Ｔの側壁面および底面を覆うように形成される。
【００１８】
さらに図１Ｃの構造では、このようにして形成されたバリアメタル膜１３ＢＭ上に、前記バリアメタル膜１３Ｂに整合した断面形状で、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３ＣＭが、形成される。
【００１９】
さらに図１Ｃに示すように、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３ＣＭ上には前記配線溝１２Ｔを充填するように、Ｃｕ層１３が形成される。
【００２０】
次に前記Ｃｕ層１３を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により平坦化し、その下のＣｕ−Ｍｎ合金層１３ＣＭおよびバリアメタル膜１３ＢMを研磨し、前記シリコン酸化膜１２の表面が露出するまで除去し、前記配線溝１２ＴをＣｕ配線パターン１３Ｐｃが充填した、図１Ｄに示す構造を得る。
【００２１】
さらに図１Ｅに示すように、前記図１Ｄの構造上に別のＭＳＱ膜よりなるシリコン酸化膜１４を形成し、図１Ｆにおいて前記図１Ｅの構造を例えば４００℃の温度で熱処理する。このような熱処理の結果、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１３ＣＭからＭｎ原子が前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐの表面に輸送され、輸送されたＭｎ原子は、前記シリコン酸化膜１４中の酸素およびＳｉと反応する。その結果、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐの表面に組成がＭｎＳｉｘＯｙのＭｎ酸化物膜１３ＭＯｘが形成される。
【００２２】
かかるプロセスによれば、絶縁膜１２と絶縁膜１４との間に通常設けられる比誘電率の高いＳｉＮ膜などのエッチングストッパ膜が省略できるため、Ｃｕ配線パターン１３Ｐの寄生容量をさらに低減することができると期待される。
【００２３】
図１Ｆの構造では、前記Ｍｎ原子の移動に伴い、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐとバリアメタル膜１３ＢＭとの間のＣｕ−Ｍｎ合金層１３ＣＭからＭｎが脱離し、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐとの区別が消失していることに注意すべきである。
【特許文献１】特開２００７−１４２２３６号公報
【特許文献２】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】
【００２４】
ところが、前記図１ＦのＣｕ配線パターン１３Ｐを含む配線構造では、前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘ中の拡散バリアとしての性能が不十分である問題を有している。例えば図２に示すように隣接してＣｕ配線パターン１３Ｐを形成した場合、間に生じる電位差によりＣｕイオンが一方のＣｕパターン配線パターン１３Ｐ１から他方のＣｕ配線パターン１３Ｐ２へと拡散し、短絡を生じることがある。
【００２５】
一方、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐ１，１３Ｐ２の上面以外はバリアメタル膜１３ＢＭにより覆われているため、Ｃｕの拡散は生じない。
【００２６】
また前記特許文献１では、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、上記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘの拡散バリアとしての性能の不足を補うため、前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘを覆うように、ＳｉＣＮ膜などのバリア膜を形成する技術が開示されている。ただし図３Ａ〜３Ｄ中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００２７】
図３Ａを参照するに、図示の構造は前記図１Ｄの構造と同じで、前記図１Ａ〜図１Ｃの工程を経て形成されたものである。図３Ｂにおいて、前記シリコン酸化膜１２と同一あるいは同様な組成のシリコン酸化膜１５が前記図３Ａの構造上に形成される。さらに約４００℃の温度で熱処理を行うことにより、前記図１Ｆの構造と同様な、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐの表面にＭｎ酸化物膜１３ＭＯｘが形成される。
【００２８】
さらに図３Ｃに示すように前記シリコン酸化膜１５およびその下のシリコン酸化膜１２の一部は、ウェットエッチングあるいはプラズマエッチングにより除去され、前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘが露出される。
【００２９】
その際、前記ウェットエッチングあるいはプラズマエッチングを前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘが露出した時点で正確に停止させることは困難である。前記Ｍｎ酸化物膜１３Ｏｘを完全に露出させようとすると、過剰エッチングを行う必要がある。このため、図３Ｃにおいては、前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘを担持したＣｕ配線パターン１３Ｐの上部が前記絶縁膜１２から露出した構造が得られる。
【００３０】
次に図３Ｄに示すように前記図３Ｃの構造において前記シリコン酸化膜１２上に前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐの突出上部を覆うように、ＳｉＣＮ膜よりなる拡散バリア膜１６を形成する。  さらに図３Ｅに示すように、前記拡散バリア膜１６上に次の絶縁膜１７を形成する。
【００３１】
その際、図３Ｄに示すように前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐの上部は前記絶縁膜１２の表面から上方に突出しているため、前記拡散バリア膜１６も同様に上方に突出する突出部１６Ｐを有し、前記突出部１６Ｐに対応して前記絶縁膜１７にも、図３Ｅに示すように突出部１７Ｐが形成される。
【００３２】
さらに前記絶縁膜１７中に、同様なダマシン法により、バリアメタル膜１８ＢＭで囲まれ上部にＭｎ酸化物膜１９を有するＣｕ配線パターン１８Ｐが、図３Ｆに示すように形成される。
【００３３】
しかし、このような構造では、上部Ｃｕ配線パターン１８Ｐが、下部Ｃｕ配線パターン１３Ｐが形成する段差部を横切って延在する。このため、段差部において上部Ｃｕ配線パターン１８Ｐと下部Ｃｕ配線パターン１３Ｐとの間に短絡が生じやすい。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明の一の側面によれば、半導体基板上方に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜に形成された第１の開口部と、前記第１の開口部の内壁面に沿って形成された第１のマンガン酸化物膜と、前記第１の開口部に埋め込まれた第１のＣｕ配線と、前記第１のＣｕ配線の上面に形成された炭素を含有する第２のマンガン酸化物膜と、を有する半導体装置を提供する。
【００３５】
本発明の他の側面によれば、半導体基板上方に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部の内壁面に沿って、Ｍｎを含む金属膜を形成する工程と、前記第１の開口部に第１のＣｕ配線を埋め込む工程と、前記第１の絶縁膜と前記第１のＣｕ配線を平坦化する工程と、前記第１のＣｕ配線の上面に、炭素を含む膜を形成する工程と、前記第１のＣｕ配線の前記上面に、加熱しながら炭素を含むマンガン酸化物膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、ダマシン法あるいはデュアルダマシン法によりＣｕ配線パターンを形成する際、配線溝の側壁面にＭｎを含む金属層を形成した後、その上に前記配線溝を埋めるようにＣｕ配線パターンを形成し、さらに前記Ｃｕ配線パターンの上面に炭素を含む膜を形成し、加熱することにより、前記Ｃｕ配線パターンの前記上面に、Ｃｕ原子に対する拡散バリアとしての性能の優れた、Ｃ（炭素）を含むＭｎ酸化物膜が形成される。
【００３７】
また、このようにして形成されたＣｕ配線パターンでは、前記配線溝の側壁面上の前記Ｍｎを含む金属層からＭｎ原子の一部が前記Ｃｕ配線パターンの上部に移動する途中で、前記配線溝の側壁面を覆うバリアメタル膜中の酸素と反応し、前記側壁面に沿って、前記Ｃｕ配線パターンの前記上面に形成されるＣを含むＭｎ酸化物膜とは別の、Ｃを含まない、あるいはＣ濃度のより低い別のＭｎ酸化物膜を形成する。このため、このようにして形成された半導体装置は、半導体基板上方に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜に形成された第１の開口部と、前記第１の開口部の内壁面に沿って形成された第１のマンガン酸化物膜と、前記第１の開口部に埋め込まれた第１のＣｕ配線と、前記第１のＣｕ配線の上面に形成された炭素を含有する第２のマンガン酸化物膜と、を有する構造的特徴を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
［第１の実施形態］
図４は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の構成を示す図、図５Ａ〜５Ｍおよび図６は、前記半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【００３９】
図４を参照するに、シリコン基板４１上には素子分離構造４１Ｉにより素子領域４１Ａ，４１Ｂが画成されており、前記素子領域４１Ａでは前記シリコン基板４１上に、ゲート絶縁膜４２Ａを介してポリシリコンなどよりなるゲート電極４３Ａが形成されている。また前記素子領域４１Ｂでは前記シリコン基板４１上に、ゲート絶縁膜４２Ｂを介してポリシリコンなどよりなるゲート電極４３Ｂが形成されている。
【００４０】
前記ゲート電極４３Ａには側壁絶縁膜が形成されており、前記素子領域４１Ａではさらに前記シリコン基板４１中、前記ゲート電極４３Ａの両側に、拡散領域４１ａ，４１ｂが、イオン注入法により形成されている。同様に前記ゲート電極４３Ｂにも側壁絶縁膜が形成されており、前記素子領域４１Ｂではさらに前記シリコン基板４１中、前記ゲート電極４３Ｂの両側に、拡散領域４１ｃ，４１ｄがイオン注入法により形成されている。これにより、前記素子領域４１ＡにはトランジスタＴｒ１が、また前記素子領域４１ＢにはトランジスタＴｒ２が形成される。
【００４１】
前記ゲート電極４３Ａ，４３Ｂは、前記シリコン基板４１上に形成された絶縁膜４３により覆われており、前記絶縁膜４３上には、以下に詳細に説明する多層配線構造２０が形成されている。
【００４２】
図４を参照するに、前記多層配線構造は、前記絶縁膜４３上に形成された、いわゆるｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２２を含む。前記ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２２としては、例えば比誘電率が２．６のＭＳＱ膜や、例えばダウケミカル社より登録商標名ＳｉＬＫあるいはポーラスＳｉＬＫで市販の炭化水素系ポリマ膜、プラズマＣＶＤ法で形成されるＳｉＯＣ膜などを使うことができる。
【００４３】
前記層間絶縁膜２２上には厚さが１５〜３０ｎｍの、好ましくはＳｉＣ膜、あるいはＳｉＣＮ膜よりなる、炭素（Ｃ）とシリコン（Ｓｉ）を含む炭素含有絶縁膜２４が形成されている。後で説明するように、この炭素含有絶縁膜２４は、さらに酸素（Ｏ）をも含む。
【００４４】
前記Ｃ含有膜２４上には、前記ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２２と同様なｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２５が、例えば２５０〜３００ｎｍの膜厚に形成されている。前記ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２５上には、前記絶縁膜２４と同様な炭素および酸素を含む絶縁膜２７が、１５〜３０ｎｍの膜厚に形成されている。
【００４５】
さらに前記炭素含有絶縁膜２７上には、前記ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２２あるいは２５と同様なｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２８が２５０〜３００ｎｍの膜厚に形成されている。前記ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜２８上には、前記絶縁膜２４あるいは２７と同様な炭素，Ｓｉおよび酸素を含む絶縁膜３０が、１５〜３０ｎｍの膜厚に形成されている。
【００４６】
前記層間絶縁膜２２中には配線溝２２Ｔ１，２２Ｔ２が形成されており、前記配線溝２２Ｔ１，２２Ｔ２は、それぞれＣｕ配線パターン２３Ｐ，２３Ｑにより充填されている。その際、前記各々の配線溝２２Ｔ１，２２Ｔ２では、側壁面にＴａ，Ｔｉ，Ｗなどの高融点金属、あるいはその導電性窒化物ＴａＮ，ＴｉＮ，ＴｉＷなどよりなるバリアメタル膜２３ＢＭが形成されている。前記バリアメタル膜２３ＢＭは、導電性窒化膜で形成されている場合、厳密には金属ではないが、慣例に従って、本発明では「バリアメタル膜」と称することにする。また前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐの上面には、前記絶縁膜２４との界面に沿って、後で詳細に説明するが、組成がＭｎＳｉｘＯｙＣｚ（ｘ＝０.３〜１．０；ｙ＝０．７５〜３．０；ｚ＝０．２〜０．７）で表される炭素を含むＭｎ酸化物膜２３ＭＯｘが、１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成されている。前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘは、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｑの上面にも、同様に形成されている。
【００４７】
さらに前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐとバリアメタル膜２３ＢＭとの界面には、後で詳細に説明するように、前記Ｍｎ酸化物膜ＭｎＯｘとは組成が異なるＭｎ酸化物膜２３ＭＯｙが、１〜５ｎｍの膜厚に形成されている。前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｙは、炭素およびＳｉを含まないか、あるいは含んでも、その割合は、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘよりもはるかに低い。例えば、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｙは、ＭｎＯｐＣｑ（ｐ＝０．５〜１．５；ｑ＝０．０１〜０．０５；ｑ＜ｚ）で表される組成を有する。
【００４８】
前記層間絶縁膜２５中には配線溝２５Ｔ１，２５Ｔ２，２５Ｔ３が形成されており、前記配線溝２５Ｔ１，２５Ｔ２、２５Ｔ３は、それぞれＣｕ配線パターン２６Ｐ，２６Ｑ，２６Ｒにより充填されている。前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの下部はＣｕビアプラグ２６Ｖを形成し、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐに、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘを貫通して、電気的にコンタクトしている。
【００４９】
その際、前記各々の配線溝２５Ｔ１，２５Ｔ２，２５Ｔ３では、側壁面に、前記バリアメタル膜２３ＢＭと同様なバリアメタル膜２６ＢＭが形成されている。また前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの上面には、前記絶縁膜２７との界面に沿って、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘと同様なＭｎ酸化物膜２６ＭＯｘが、１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成されている。前記Ｍｎ酸化物膜２６ＭＯｘは、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｑおよび２６Ｒの上面にも、同様に形成されている。
【００５０】
さらに前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐとバリアメタル膜２６ＢＭとの界面には、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｙと同様なＭｎ酸化物膜２６ＭＯｙが、１〜５ｎｍの膜厚に形成されている。
【００５１】
前記層間絶縁膜２８中には配線溝２８Ｔ１，２８Ｔ２が形成されており、前記配線溝２８Ｔ１，２８Ｔ２は、それぞれＣｕ配線パターン２９Ｐ，２９Ｑにより充填されている。その際、前記Ｃｕ配線パターン２９Ｐの下部はＣｕビアプラグ２９Ｖを形成し、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐに、前記Ｍｎ酸化物膜２６ＭＯｘを貫通して、電気的にコンタクトしている。
【００５２】
前記各々の配線溝２８Ｔ１，２８Ｔ２では、側壁面に、前記バリアメタル膜２３ＢＭあるいは２６ＢＭと同様なバリアメタル膜２９ＢＭが形成されている。また前記Ｃｕ配線パターン２９Ｐの上面には、前記絶縁膜３０との界面に沿って、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘあるいは２６ＭＯｘと同様なＭｎ酸化物膜２９ＭＯｘが、１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成されている。前記Ｍｎ酸化物膜２９ＭＯｘは、前記Ｃｕ配線パターン２９Ｑの上面にも、同様に形成されている。
【００５３】
さらに前記Ｃｕ配線パターン２９Ｐとバリアメタル膜２９ＢＭとの界面には、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｙあるいは２６ＭＯｙと同様なＭｎ酸化物膜２９ＭＯｙが、１〜５ｎｍの膜厚に形成されている。
【００５４】
かかる構成の多層配線構造２０を有する半導体装置４０では、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐ，２３Ｑ、あるいは２６Ｐ〜２６Ｒ、あるいは２９Ｐ，２９Ｑの表面に形成された絶縁膜２３ＭＯｘ、２６ＭＯｘあるいは２９ＭＯｘが、上記の通り実質的な量の炭素を含んでおり、このため膜中において原子間距離が減少し、強固な化学結合が実現される。その結果、これらの絶縁膜は優れた拡散バリアとして作用し、配線パターンを構成するＣｕが低誘電率層間絶縁膜中に拡散し、短絡などの問題を生じるのを効果的に抑制することができる。
【００５５】
次に、前記半導体装置４０の製造プロセス、特に前記多層配線構造の形成プロセスについて、以下に、図５Ａ〜５Ｌおよび図６を参照しながら説明する。
【００５６】
図５Ａを参照するに、前記シリコン基板４１上に前記絶縁膜４３が、前記トランジスタＴｒ１およびＴｒ２覆うように形成されており、次に前記層間絶縁膜２２が前記絶縁膜４３上に形成される。前記層間絶縁膜２２としては、塗布法により形成されるＭＳＱ膜などのＳｉＯ2系低誘電率膜や商標名ＳｉＬＫやポーラスＳｉＬＫなどの炭化水素系ポリマ膜、あるいはプラズマＣＶＤ法で形成されるＳｉＯＣ膜などを使うことができる。
【００５７】
次に図５Ｂに示すように前記絶縁膜２２中に配線溝２２Ｔ１が形成される。図示しないが、前記絶縁膜２２中には前記配線溝２２Ｔ２が同時に形成される。
【００５８】
次に図５Ｃに示すように、図５Ｂの層間絶縁膜２２上に前記バリアメタル膜２３ＢＭが、前記配線溝２２Ｔ１を前記配線溝２２Ｔ１の断面形状に整合した形状で覆うように、Ｔａ膜、Ｔｉ膜あるいはＷ膜の室温におけるスパッタにより、２〜５ｎｍの膜厚に形成される。あるいは前記バリアメタル膜２３ＢＭの形成は、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜、あるいはＷＮ膜などの導電性窒化膜を、窒素雰囲気中での反応性スパッタにより実行してもよい。この場合には前記スパッタは、約４００℃の基板温度で実行される。前記バリアメタル膜２３ＢＭは、図示は省略するが、前記配線溝２２Ｔ２にも形成される。
【００５９】
さらに図５Ｃの工程では、前記バリアメタル膜２３ＭＢ上に、Ｍｎ原子を０．２原子％〜１．０原子％、好ましくは０．５原子％以下の濃度で含むＣｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭが、前記配線溝２２Ｔ１の断面形状に整合した形状で覆うように、Ｃｕ−Ｍｎ合金を使ったスパッタにより、室温で、５〜３０ｎｍの膜厚に形成される。前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭは、図示は省略するが、前記配線溝２２Ｔ２にも形成される。
【００６０】
さらに図５Ｃに示すように前記ＣｕＭｎ合金層２３ＣＭ上には、前記配線溝２２Ｔ１、および図示はしていないが配線溝２２Ｔ２をも充填するように、Ｃｕ層２３が、シード層形成および電解メッキ処理により、形成される。
【００６１】
次に図５Ｄに示すように、前記Ｃｕ層２３、およびその下のＣｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭおよびバリアメタル膜２３ＢＭが、前記層間絶縁膜２２の表面が露出するまで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去され、前記配線溝２２Ｔ１中に前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐが形成される。図示はしないが、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｑも、同時に前記配線パターン２２Ｔ２中に形成される。
【００６２】
次に、本実施形態では図５Ｅに示すように、前記図５Ｄの構造上に前記炭素含有絶縁膜２４が、１５〜３０ｎｍの膜厚に形成される。本実施形態では、前記炭素含有絶縁膜２４はＳｉＣＮ膜であり、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ3）3など、ＳｉとＣを含む原料とＮＨ3などの窒素を含む原料を使ったプラズマＣＶＤ法により、例えば３５０〜４００℃の基板温度で形成される。その際、本実施形態では前記膜２４の成膜時にさらに酸素を添加し、前記ＳｉＣＮ膜２４を、膜全体に対し、３〜１８原子％の割合で酸素を含むように形成する。
【００６３】
この図５Ｅの工程においては、前記炭素含有絶縁膜２４の形成に伴う熱により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭ中のＭｎ原子が、図６に示すように前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐの表面に輸送される。このようにして輸送されたＭｎ原子は、前記絶縁膜２４から供給されるＳｉ原子、炭素原子および酸素原子と反応する。その結果、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐの表面に、前記炭素含有絶縁膜２４との界面に沿って、Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘが形成される。このようにして形成されたＭｎ酸化物膜ＭＯｘは、組成パラメータｘ、ｙ、ｚを使って、ＭｎＳｉｘＯｙＣｚで表される組成を有する。
【００６４】
このようにして形成された前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘの組成をエネルギ分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＸ：energy dispersive X-ray spectroscopy）により分析したところ、前記組成パラメータｘは０．３〜１．０の範囲の値を有し、前記組成パラメータｙは０．７５〜３．０の範囲の値を有し、また前記組成パラメータｚは０．２〜０．７の範囲の値を有することが見出された。また、このようにＳｉＣＮ膜に接して形成されたＣｕ−Ｍｎ膜において、膜界面に沿って組成がＳｉｘＯｙＣｚで表されるＭｎ酸化物膜が形成されることは、平坦なＣｕ−Ｍｎ膜上にＣｕ膜を介してＳｉＣＮ膜を形成し、４００℃で熱処理を行った試料に対して行ったＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy）によっても確認されている。
【００６５】
また、図５Ｅの工程では、前記炭素含有絶縁膜２４の形成に伴う熱処理の際に、前記層間絶縁膜２２から少量の酸素原子が、前記バリアメタル膜２３ＢＭを通過して前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐに到達する。このような酸素原子は、図６に示すように、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭに含まれていたＭｎ原子の一部と反応するため、前記バリアメタル膜２３ＭＢとＣｕ配線パターン２３Ｐとの界面に沿って、別のＭｎ酸化物膜２３ＭｎＯｙが形成される。このような別のＭｎ酸化物膜２３ＭｎＯｙは、炭素およびＳｉを含まないか、あるいはその濃度が、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭｎＯｘにおける濃度よりも低い。すなわち、このようにして形成されたＭｎ酸化物膜２３ＭｎＯｙは、その組成を組成パラメータｐ，ｑを使ってＭｎＯｐＣｑと表現した場合、前記組成パラメータｐ，ｑは、それぞれ、先に述べたように、０．５〜１．５，０．０１〜０．０５の値を有する。ここでｑ＜ｚであることに注意すべきである。
【００６６】
図５Ｅの工程では、このようなＭｎ酸化物膜２３ＭＯｘおよび２３ＭＯｙの形成に伴い、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭは消滅し、Ｃｕ配線パターン２３Ｐの一部を構成するＣｕ層により置き換えられていることに注意すべきである。
【００６７】
次に、図５Ｆに示すように前記図５Ｅの構造上に、前記層間絶縁膜２５が、前記層間絶縁膜２２と同様にして形成される。さらに図５Ｇに示すように、前記層間絶縁膜２５中に配線溝２５Ｔ１およびビアホール２５Ｖ１が前記配線パターン２６Ｐに対応して形成され、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐが前記ビアホール２５Ｖ１および配線溝２５Ｔ１を介して露出される。同時に、前記層間絶縁膜２５中には、前記配線溝２５Ｔ２および２５Ｔ３が、それぞれ前記Ｃｕ配線パターン２６Ｑおよび２６Ｒに対応して形成される。
【００６８】
さらに図５Ｈに示すように、前記図５Ｇの層間絶縁膜２５上に前記バリアメタル膜２６ＢＭが、Ｔａ膜、Ｔｉ膜あるいはＷ膜の室温におけるスパッタにより、２〜５ｎｍの膜厚に形成される。このようにして形成されたバリアメタル膜２６ＭＢは、前記配線溝２５Ｔ１を前記配線溝２５Ｔ１の断面形状に整合した形状で覆う。あるいは前記バリアメタル膜２６ＢＭの形成は、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜、あるいはＷＮ膜などの導電性窒化膜を、窒素雰囲気中での反応性スパッタにより実行してもよい。この場合には前記スパッタは、約４００℃の基板温度で実行される。前記バリアメタル膜２６ＢＭは、図示は省略するが、前記配線溝２５Ｔ２および２５Ｔ３にも形成される。
【００６９】
さらに図５Ｈの工程では、前記バリアメタル膜２６ＢＭ上に、Ｍｎ原子を０．２原子％〜１．０原子％の濃度で含むＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭが、Ｃｕ−Ｍｎ合金を使ったスパッタにより、室温で、５〜３０ｎｍの膜厚に形成される。このようにして形成されたＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭは前記バリアメタル膜２６ＢＭを、前記配線溝２６Ｔ１の断面形状に整合した形状で覆う。前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭは、図示は省略するが、前記配線溝２５Ｔ２および２５Ｔ３にも形成される。
【００７０】
さらに図５Ｈに示すように前記ＣｕＭｎ合金層２６ＣＭ上には、前記配線溝２５Ｔ１、および図示はしていないが配線溝２５Ｔ２，２５Ｔ３をも充填するように、Ｃｕ層２６が、シード層形成および電解メッキ処理により、形成される。
【００７１】
次に図５Ｉに示すように、前記Ｃｕ層２６、およびその下のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭおよびバリアメタル膜２６ＢＭが、前記層間絶縁膜２５の表面が露出するまで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去され、前記配線溝２５Ｔ１中に前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐが形成される。図示はしないが、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｑおよび２６Ｒも、同時に前記配線パターン２５Ｔ２および２５Ｔ３中に、それぞれ形成される。
【００７２】
次に、本実施形態では図５Ｊに示すように、前記図５Ｉの構造上に前記炭素含有絶縁膜２７が、１５〜３０ｎｍの膜厚に形成される。本実施形態では、前記炭素含有絶縁膜２７はＳｉＣＮ膜であり、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ3）3など、ＳｉとＣを含む原料とＮＨ3などの窒素を含む原料を使ったプラズマＣＶＤ法により、例えば３５０〜４００℃の基板温度で形成される。その際、本実施形態では前記膜２４の成膜時にさらに酸素を添加し、前記ＳｉＣＮ膜２７を、膜全体に対し、３〜１８原子％の割合で酸素を含むように形成する。
【００７３】
この図５Ｊの工程においては、前記炭素含有絶縁膜２７の形成に伴う熱により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭ中のＭｎ原子が、先に図６で説明したのと同様に前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの表面に輸送される。このように輸送されたＭｎ原子は、前記絶縁膜２７から供給されるＳｉ原子、炭素原子および酸素原子と反応する。その結果、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの表面に、前記炭素含有絶縁膜２７との界面に沿って、組成がＭｎＳｉｘＯｙＣｚで表されるＭｎ酸化物膜２６ＭＯｘが、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘと同様に形成される
また、図５Ｊの工程では、前記炭素含有絶縁膜２７の形成に伴う熱処理の際に、前記層間絶縁膜２５から少量の酸素原子が前記バリアメタル膜２６ＢＭを通過して前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐに到達する。このような酸素原子は、図６で説明したのと同様に、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭに含まれていたＭｎ原子の一部と反応する。その結果、前記バリアメタル膜２６ＭＢとＣｕ配線パターン２６ＰおよびＣｕビアプラグ２６Ｖとの界面に沿って、別のＭｎ酸化物膜２６ＭＯｙが、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｙと同様に形成される。前記別のＭｎ酸化物膜２６ＭＯｙは、炭素およびＳｉを含まないか、あるいはその濃度が、前記Ｍｎ酸化物膜２６ＭｎＯｘにおける濃度よりも低い組成を有する、
図５Ｊの工程においても、このようなＭｎ酸化物膜２６ＭＯｘおよび２６ＭＯｙの形成に伴い、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭは消滅していることに注意すべきである。
【００７４】
次に、図５Ｋに示すように前記図５Ｊの構造上に前記層間絶縁膜２８が、前記層間絶縁膜２２あるいは２５と同様にして形成される。さらに前記図５Ｇ〜５Ｊの工程を繰り返すことにより、前記層間絶縁膜２８中に前記配線溝２８Ｔ１を充填するＣｕ配線パターン２９Ｐが、前記バリアメタル膜２９ＢＭを介して形成される。その際、前記Ｃｕ配線パターン２０Ｐの上部には、前記炭素含有絶縁膜２７と同様にして形成された炭素含有絶縁膜３０との界面に沿って、前記Ｍｎ酸化物膜２９Ｏｘが、前記Ｍｎ酸化物膜２６ＭＯｘおよび２３ＭＯｘと同様にして形成される。また前記Ｃｕ配線パターン２９Ｐとバリアメタルｊ膜２９ＢＭとの界面には、前記Ｍｎ酸化物膜２９ＭＯｙが、前記Ｍｎ酸化物膜２３ＮＯｙあるいは２６ＭＯｙと同様にして形成される。
【００７５】
図７は、このようにして形成された多層配線構造２０を有する半導体装置４０について行った寿命試験（ＴＤＤＢ：time-dependent dielectric breakdown試験）の結果を示す。
【００７６】
図７を参照するに、「（ｄ）従来技術」と記されているのは、先に説明した図２の構造に対応する本発明の比較対照試料についてのものである。この試料では、幅が７０ｎｍのＣｕ配線パターン１３Ｐが７０ｎｍの間隔で繰り返し形成されている。なおこの試料ではバリアメタル膜１３ＢＭを２ｎｍの膜厚で形成している。また前記Ｍｎ酸化物膜１３ＭＯｘは、２０ｎｍの膜厚を有し、その組成をＭｎＳｉｘＯｙで表した場合、組成パラメータｘ，ｙが、それぞれ０．３および０．５の値を有する。
【００７７】
一方、図７中、「（ｃ）Ｍｎなし」と記されているのは、図８Ａに示すように、先の図５Ａ〜５Ｅの工程において、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭの形成を省略し、従って、形成されたＣｕ配線パターン２３Ｐ１，２３Ｐ２の上面にＭｎ酸化物膜２３ＭＯｘの形成がない比較対照試料を示している。この比較対照試料では、側壁面および底面におけるＭｎ酸化物膜２３ＭＯｙの形成も生じない。なお図８Ａ中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明は省略する。比較のため、前記層間絶縁膜２２，２５は、図２の層間絶縁膜１２，１４と同一の絶縁膜を同一の膜厚に形成しており、またバリアメタル膜２３ＢＭも、図２のバリアメタル膜１３ＢＭと同一組成のものを同一膜厚で形成している。また前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐ１および２３Ｐ２の幅および繰り返し間隔は、図２の試料と同一に設定している。
【００７８】
一方、図７中、「（ａ）本発明の第一の実施例」と記されているのは、図８Ｂに示すように、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐ１，２３Ｐ２を前記図５Ａ〜５Ｆの工程で形成した、上記第１の実施形態に対応する試料である。図８Ｂ中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明は省略する。比較のため、前記層間絶縁膜２２，２５は、図２の層間絶縁膜１２，１４と同一の絶縁膜を同一の膜厚に形成しており、またバリアメタル膜２３ＢＭも、図２のバリアメタル膜１３ＢＭと同一組成のものを同一膜厚で形成している。また前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐ１および２３Ｐ２の幅および繰り返し間隔は、図２の試料と同一に設定している。
【００７９】
図７中、「（ｂ）本発明の第二の実施例」は、後で説明する本発明の第２の実施形態に対応するものである。
【００８０】
図７の試験では、前記試料において、隣接するＣｕ配線パターン間に、１５０℃の条件下で３０Ｖの電圧を印加し、絶縁破壊が生じるまでの時間を測定した。
【００８１】
図７を参照するに、縦軸に示すＴＤＤＢの値は、「（ｄ）従来技術」の比較対照試料に対して規格化されているが、「（ｃ）Ｍｎなし」の比較対照試料では、ＴＤＤＢ値はほとんど変化しないのがわかる。これは、前記炭素含有絶縁膜２３自体は、Ｃｕの拡散バリアとしての機能をほとんど有さないことを意味している。
【００８２】
これに対し、本実施形態に対応する「（ａ）本発明の第一の実施例」の試料では、ＴＤＤＢの値が、前記比較対照試料に対し、１２倍以上に向上していることがわかる。
【００８３】
このことから、特に前記炭素を含むＭｎ酸化物膜２３ＭＯｘは、Ｃｕの拡散バリア膜として、非常に優れた性能を有することがわかる。また、このようなＭｎ酸化物膜２３ＭＯｘ、および同様なＭｎ酸化物膜２６ＭＯｘ、２９ＭＯｘを有する本実施形態の半導体装置４０は、優れた寿命を有することがわかる。
［第２の実施形態］
図９Ａ〜９Ｋは、本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図である。ただし図９Ａ〜９Ｋ中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８４】
図９Ａは、前記図５Ｄの構造に対応しているが、本実施形態では前記層間絶縁膜２２としてＭＳＱ膜など、炭化水素ポリマ膜のエッチングに対して耐性を有する低誘電率ＳｉＯ2膜を使う。
【００８５】
本実施形態では図９Ｂに示すように、前記図９Ａの構造上に、例えばダウケミカル社より登録商標面ＳｉＬＫで市販されている炭化水素ポリマ膜など、炭素（Ｃ）および酸素を含み、３５０〜４００℃での熱処理に対して耐性を有し、かつその下の層間絶縁膜２２に対して選択的にエッチングが可能な炭素含有膜３１を、前記層間絶縁膜２２の上面および前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐの上面を覆うように形成する。
【００８６】
次に前記図１Ｂの構造を、不活性雰囲気、典型的には窒素雰囲気中で３５０〜４００℃の温度で熱処理する。さらに、先に図６で説明したのと同様に、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐの上面に、前記炭化水素ポリマ膜３１との界面に沿って、組成パラメータｓ，ｔを使って組成がＭｎＯｓＣｔで表されるＭｎ酸化物膜３３ＭＯｘを形成する。より詳細には、前記Ｍｎ酸化物膜３３ＭＯｘは、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭに含まれていたＭｎ原子と、前記炭化水素ポリマ膜３１から供給される酸素原子および炭素原子との反応により、１〜５ｎｍの膜厚に形成される。このようにして形成されたＭｎ酸化物膜３３ＭＯｘでは、前記組成パラメータｓ，ｔが、それぞれ０．７５〜３．０および０．２〜０．７の範囲の値をとる。
【００８７】
また前記層間絶縁膜２２から前記バリアメタル膜２３ＢＭを通過して侵入する酸素と前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２３ＣＭ中のＭｎ原子との反応により、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐとバリアメタル膜３３ＭＯｙとの界面には、組成パラメータｕ，ｖを使って組成がＭｎＯｕＣｖと表され、その際、前記組成パラメータｖが前記組成パラメータｔより小さいがゼロ（ｖ＜ｔ）の、Ｍｎ酸化膜３３ＭＯｙが形成される。
【００８８】
次に本実施形態では図９Ｄに示すように、選択エッチング工程あるいはアッシング工程により前記炭素含有膜３１を前記層間絶縁膜２２およびＭｎ酸化物膜３３ＭＯｘに対して選択的に除去する。
【００８９】
さらに図９Ｅに示すように前記図９Ｄの構造上に次の層間絶縁膜２５を、やはりＭＳＱ膜など、シリコン酸化膜により形成する。次に図９Ｆに示すように。前記層間絶縁膜２５中に配線溝２５Ｔ１とビアホール２５Ｖ１を、前記Ｃｕ配線パターン２３Ｐを露出するように形成する。
【００９０】
次に図９Ｇに示すように、前記図９Ｆの層間絶縁膜２５上に前記バリアメタル膜２６ＢＭおよび前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２６ＣＭが、前記配線溝２５Ｔ１を前記配線溝２５Ｔ１の断面形状に整合した形状で覆うように、前記図５Ｈの工程と同様にして、順次形成される。
【００９１】
さらに図９Ｇに示すように前記ＣｕＭｎ合金層２６ＣＭ上にＣｕ層２６が、前記配線溝２５Ｔ１およびビアホール２５Ｖ１を充填するように、シード層形成および電解メッキ処理により、形成される。
【００９２】
次に図９Ｈに示すように、前記Ｃｕ層２６、およびその下のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭおよびバリアメタル膜２６ＢＭが、前記層間絶縁膜２５の表面が露出するまで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去される。これにより、前記配線溝２５Ｔ１中に前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐが形成される。図示はしないが、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｑおよび２６Ｒも、同時に前記配線パターン２５Ｔ２および２５Ｔ３中に、それぞれ形成される。
【００９３】
次に、本実施形態では図９Ｉに示すように、前記図９Ｈの構造上に前記炭素含有膜３１と同様な炭素含有膜３２を、１５〜３０ｎｍの膜厚に形成し、３５０〜４００℃の温度で熱処理する。これにより、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭ中のＭｎ原子が、先に図６で説明したのと同様に、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの表面において、前記炭素含有膜３２から供給される炭素原子および酸素原子と反応する。その結果、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐの表面に、前記炭素含有膜３２との界面に沿って、組成が前記ＭｎＯｓＣｔで表されるＭｎ酸化物膜３６ＭＯｘを、前記Ｍｎ酸化物膜３３ＭＯｘと同様に形成する。
【００９４】
また、図９Ｉの工程では、前記熱処理の際に、前記層間絶縁膜２５からの少量の酸素原子が前記バリアメタル膜２６ＢＭを通過して前記Ｃｕ配線パターン２６Ｐに到達する。このため、図６で説明したのと同様に、前記到達した酸素原子は、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭに含まれていたＭｎ原子の一部と反応し、前記バリアメタル膜２６ＭＢとＣｕ配線パターン２６ＰおよびＣｕビアプラグ２６Ｖとの界面に沿って、別のＭｎ酸化物膜３６ＭＯｙを、前記Ｍｎ酸化物膜３３ＭＯｙと同様に形成する。このようにして形成された別のＭｎ酸化物膜３６ＭＯｙは、炭素濃度が、前記Ｍｎ酸化物膜３６ＭｎＯｘにおける濃度よりも低いかゼロである組成を有する。
【００９５】
図９Ｉの工程においても、このようなＭｎ酸化物膜３６ＭＯｘおよび３６ＭＯｙの形成に伴い、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６ＣＭは消滅していることに注意すべきである。
【００９６】
次に、図９Ｊに示すように前記図９Ｉの構造上に前記層間絶縁膜２８が、前記層間絶縁膜２２あるいは２５と同様にして形成される。さらに前記図９Ｅ〜９Ｉの工程を繰り返すことにより、前記層間絶縁膜２８中に前記配線溝２８Ｔ１を充填するようにＣｕ配線パターン２９Ｐが、前記バリアメタル膜２９ＢＭを介して形成される。その際、前記Ｃｕ配線パターン２０Ｐの上部には、前記炭素含有膜３０と同様にして別の炭素含有絶縁膜が形成され、前記炭素含有絶縁膜３０との界面に沿って、前記Ｍｎ酸化物膜３９Ｏｘが、前記Ｍｎ酸化物膜３６ＭＯｘおよび３３ＭＯｘと同様にして形成される。また前記Ｃｕ配線パターン２９Ｐとバリアメタル膜２９ＢＭとの界面には、前記Ｍｎ酸化物膜３９ＭＯｙが、前記Ｍｎ酸化物膜３３ＮＯｙあるいは３６ＭＯｙと同様にして形成される。ただし図９Ｋは、その後、前記別の炭素含有絶縁膜を除去した状態を示している。
【００９７】
図７には、このようにして形成された本実施形態の多層配線構造についての寿命試験（ＴＤＤＢ試験）の結果が、「（ｂ）本発明の第二実施例」として示されている。ただし図７の試験は、図１０に示すように、前記図８Ｂと同様な、ただし前記層間絶縁膜２２上に層間絶縁膜２５が直接に形成され、Ｍｎ酸化物膜２３ＭＯｘ，２３ＭＯｙの代わりに前記Ｍｎ酸化物膜３３ＭＯｘおよび３３ＭＯｙが形成された試料についてなされている。この試料においても、Ｃｕ配線パターンの間隔は７０ｎｍに設定している。
【００９８】
図７を参照するに、本実施形態においても、対照標準試料の１２倍以上のＴＤＤＢの改善が見られることがわかる。
【００９９】
また図１１は、先に図３Ｆで説明したような、下部Ｃｕ配線パターン１３Ｐに対して上部Ｃｕ配線パターン１８Ｐが交差して延在するテスト構造を、前記図９Ａ〜９Ｋのプロセスを使って作製し、上下のＣｕ配線パターンの間での短絡の発生を調査した結果を示す。図１２に示すように前記テスト構造では、前記下部Ｃｕ配線パターン１３Ｐと上部Ｃｕ配線パターン１８Ｐを、直交するように配置している。また上部Ｃｕ配線パターンおよび下部Ｃｕ配線パターンは、Ｃｕ配線パターンが７０ｎｍの間隔で繰り返されるように作製している。この実験では、Ｃｕビアプラグ２６Ｖ，２９Ｖは形成していない。
【０１００】
図１１を参照するに、本実施形態のプロセスで作製した試料では、短絡の発生率は２〜３％程度であるのに対し、前記図３Ａ〜３Ｆのプロセスで形成した比較対照試料では、短絡発生率が８５％を超えているのがわかる。この図３Ａ〜３Ｆのプロセスで形成した比較対照試料では、前記拡散バリア膜１６には、前記Ｃｕ配線パターン１３Ｐにより、高さが３０ｎｍの段差が形成されており、また前記層間絶縁膜１７は３００ｎｍの膜厚に形成している。
【０１０１】
前記図１１の結果は、本発明の場合、図９Ｄの工程で炭化水素ポリマ膜３１をドライエッチングあるいはアッシングにより除去する際、下層の層間絶縁膜２２およびＭｎ酸化物膜３３ＭＯｘがエッチング耐性を有しているため段差部が形成されない事情を反映しているものと考えられる。
【０１０２】
なお本実施形態において前記層間絶縁膜２２，２５，２８はＭＳＱ膜に限定されるものではなく、比誘電率は高くなるが、ＴＥＯＳを原料としてプラズマＣＶＤ法で形成されるシリコン酸化膜を使うことも、用途によっては可能である。
【０１０３】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
半導体基板上方に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に形成された第１の開口部と、
前記第１の開口部の内壁面に沿って形成された第１のマンガン酸化物膜と、
前記第１の開口部に埋め込まれた第１のＣｕ配線パターンと、
前記第１のＣｕ配線パターンの上面に形成された炭素を含有する第２のマンガン酸化物膜と、
を有する半導体装置。
（付記２）
前記第２のマンガン酸化物膜上に形成された第２の絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
（付記３）
前記第２のマンガン酸化物膜上に形成された炭化珪素系絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
（付記４）
前記第１のマンガン酸化物膜は、前記第２のマンガン酸化物膜よりも、含まれる炭素の濃度が低いことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
（付記５）
前記第１のマンガン酸化物膜は、炭素を含まないことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
（付記６）
前記第１の絶縁膜と前記第２のマンガン酸化膜上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜に形成された第２の開口部と、
前記第２の開口部に埋め込まれた第２のＣｕ配線パターンと、を有し、
前記第１のＣｕ配線パターンと前記第２のＣｕ配線パターンの電気的接続部では前記第２のマンガン酸化膜が除去されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
(付記７)
前記第１の開口部と前記第２の開口部のそれぞれの内壁面には、高融点金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
（付記８）
半導体基板上方に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に第１の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部の内壁面に沿って、Ｍｎを含む金属膜を形成する工程と、
前記第１の開口部に第１のＣｕ配線パターンを埋め込む工程と、
前記第１の絶縁膜と前記第１のＣｕ配線パターンを平坦化する工程と、
前記第１のＣｕ配線の上面に、炭素を含む膜を形成する工程と、
前記第１のＣｕ配線の前記上面に、加熱しながら炭素を含むマンガン酸化物膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記炭素を含む膜は炭化珪素膜であり、前記炭化ケイ素膜は３５０〜４００℃で成膜されることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記炭素を含む膜は炭化珪素膜であり、前記炭化ケイ素膜は３〜１８％の酸素を含有していることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記炭素を含む膜は、プラズマＣＶＤ法により成膜されることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
前記第２のマンガン酸化膜上に第２の絶縁膜を形成する工程を含む請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記第２のマンガン酸化膜上に炭化珪素系絶縁膜を形成する工程を含む請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記第１の絶縁膜と前記第２のマンガン酸化膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜に第２の開口部を形成する工程と、
前記第２の開口部に第２のＣｕ配線パターンを埋め込む工程と、を有し、
前記第１のＣｕ配線パターンと前記第２のＣｕ配線パターンの電気的接続部では、前記第２のマンガン酸化膜が除去されていることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記第１の開口部と前記第２の開口部のそれぞれの内壁面には、高融点金属膜が形成されていることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）
前記第２のマンガン酸化膜上に、前記炭素を含む膜として、炭化水素系絶縁膜を形成する工程を含む請求項８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記炭化水素系絶縁膜成膜は、Ｈ２あるいはＮＨ３ガスを用いたエッチングにより除去されることを特徴とする請求項１６記載の半導体装置の製造方法。
（付記１８）
前記炭素を含む膜は、塗布により形成されることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１Ａ】従来技術を説明する図（その１）である
【図１Ｂ】従来技術を説明する図（その２）である
【図１Ｃ】従来技術を説明する図（その３）である
【図１Ｄ】従来技術を説明する図（その４）である
【図１Ｅ】従来技術を説明する図（その５）である
【図１Ｆ】従来技術を説明する図（その６）である
【図２】従来技術の課題を説明する図である。
【図３Ａ】他の従来技術を説明する図（その１）である
【図３Ｂ】他の従来技術を説明する図（その２）である
【図３Ｃ】他の従来技術を説明する図（その３）である
【図３Ｄ】他の従来技術を説明する図（その４）である
【図３Ｅ】他の従来技術を説明する図（その５）である
【図３Ｆ】他の従来技術を説明する図（その６）である
【図４】本発明の第１の実施形態による半導体装置の構成を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図５Ｃ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図５Ｄ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図５Ｅ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図５Ｆ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図５Ｇ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図５Ｈ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図５Ｉ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図５Ｊ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１０）である。
【図５Ｋ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１１）である。
【図５Ｌ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１２）である。
【図６】本実施形態のプロセスで生じる反応を説明する図である。
【図７】本実施形態および第２の実施形態の効果を説明する図である。
【図８Ａ】本実施形態の効果を実証する対照標準試料の構成を説明する図である。
【図８Ｂ】本実施形態の効果を実証する試料の構成を説明する図である。
【図９Ａ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図９Ｂ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図９Ｃ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図９Ｄ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図９Ｅ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図９Ｆ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図９Ｇ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図９Ｈ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図９Ｉ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図９Ｊ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１０）である。
【図９Ｋ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１１）である。
【図１０】本実施形態の効果を実証する試料の構成を説明する図である。
【図１１】本実施形態の効果を示す別の図である。
【図１２】本実施形態の効果を実証する試料の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１，１２，１４，１７，４３  絶縁膜
１２Ｔ  配線溝
１３  Ｃｕ層
１３ＢＭ，１８ＢＭ  バリアメタル膜
１３ＣＭ  Ｃｕ−Ｍｎ合金層
１３ＭＯｘ  Ｍｎ酸化物膜
１３Ｐ，１３Ｐ１，１３Ｐ２，１８Ｐ  Ｃｕ配線パターン
１６，１９  拡散バリア層
１６Ｐ，１７Ｐ  突出部
２０  多層配線構造
２２，２５，２８  層間絶縁膜
２２Ｔ１，２２Ｔ２，２５Ｔ１〜２５Ｔ３，２８Ｔ１，２８Ｔ２  配線溝
２２Ｖ１，２５Ｖ１，２８Ｖ１  ビアホール
２３，２６  Ｃｕ層
２３ＢＭ，２６ＢＭ，２９ＢＭ  バリアメタル膜
２３ＣＭ，２６ＣＭ，２９ＣＭ  Ｃｕ−Ｍｎ合金層
２３Ｐ，２３Ｑ，２６Ｐ，２６Ｒ，２６Ｒ，２９Ｐ，２９Ｑ  Ｃｕ配線パターン
２３ＭＯｘ，２６ＭＯｘ，２９ＭＯｘ  Ｍｎ酸化物膜
２３ＭＯｙ，２６ＭＯｙ，２９ＭＯｙ  Ｍｎ酸化物膜
２４，２７，２０  炭素含有絶縁膜
２６Ｖ，２９Ｖ  Ｃｕビアプラグ
３１，３２  炭素含有膜
４０  半導体装置
４１  シリコン基板
４１Ａ，４１Ｂ  素子領域
４１Ｉ  素子分離領域
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ  拡散領域
４２Ａ，４２Ｂ  ゲート絶縁膜
４３Ａ，４３Ｂ  ゲート電極
【図１Ａ】
2009141058.tif 000003
【図１Ｂ】
2009141058.tif 000004
【図１Ｃ】
2009141058.tif 000005
【図１Ｄ】
2009141058.tif 000006
【図１Ｅ】
2009141058.tif 000007
【図１Ｆ】
2009141058.tif 000008
【図２】
2009141058.tif 000009
【図３Ａ】
2009141058.tif 000010
【図３Ｂ】
2009141058.tif 000011
【図３Ｃ】
2009141058.tif 000012
【図３Ｄ】
2009141058.tif 000013
【図３Ｅ】
2009141058.tif 000014
【図３Ｆ】
2009141058.tif 000015
【図４】
2009141058.tif 000016
【図５Ａ】
2009141058.tif 000017
【図５Ｂ】
2009141058.tif 000018
【図５Ｃ】
2009141058.tif 000019
【図５Ｄ】
2009141058.tif 000020
【図５Ｅ】
2009141058.tif 000021
【図５Ｆ】
2009141058.tif 000022
【図５Ｇ】
2009141058.tif 000023
【図５Ｈ】
2009141058.tif 000024
【図５Ｉ】
2009141058.tif 000025
【図５Ｊ】
2009141058.tif 000026
【図５Ｋ】
2009141058.tif 000027
【図５Ｌ】
2009141058.tif 000028
【図６】
2009141058.tif 000029
【図７】
2009141058.tif 000030
【図８Ａ】
2009141058.tif 000031
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2009141058.tif 000033
【図９Ｂ】
2009141058.tif 000034
【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
2009141058.tif 000039
【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
2009141058.tif 000041
【図９Ｊ】
2009141058.tif 000042
【図９Ｋ】
2009141058.tif 000043
【図１０】
2009141058.tif 000044
【図１１】
2009141058.tif 000045
【図１２】
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