JP2009170665A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細パターンのＣｕの埋め込みが良好であり、Ｃｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することを目的とする。
【解決手段】半導体装置では、下層配線１０２が半導体基板上の絶縁膜１０１内に形成され、上層配線１１２が絶縁膜１０１の上の層間絶縁膜１０４内に形成され、下層配線１０２と上層配線１１２とは層間絶縁膜１０４内に形成されたビアプラグ１１１を介して接続されている。ビアプラグ１１１および上層配線１１２では、それぞれ、第１および第２のバリアメタル膜１０７，１０８とＣｕ膜１１０とが順に積層されており、第１のバリアメタル膜１０７は窒素を含有し、第２のバリアメタル膜１０８は白金族元素を含有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダマシン法により形成されたＣｕ配線を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体集積回路の高集積化とチップサイズの縮小化とに伴い、配線またはビアプラグの微細化及び多層化が進められている。しかし、配線またはビアプラグを微細化すると、埋め込み不良の発生およびＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）等の信頼性の劣化などが問題となる。そこで、現在、Ｃｕ原子の酸化膜中への拡散を防止するためのバリアメタル膜材料としてＲｕが提唱されており、ＲｕはＣｕとの濡れ性が良いので、バリアメタル膜材料としてＲｕを用いると埋め込み特性の向上および信頼性の向上が可能である。

バリアメタル膜材料としてＲｕを使用することは、特許文献１に記載されている。以下、特許文献１に記載されている半導体装置について、図４を用いて説明する。

図４は、特許文献１に記載されている半導体装置の製造方法によって形成された半導体装置を示す断面図である。この半導体装置では、半導体基板上（図示せず）に絶縁膜４０１が形成されており、絶縁膜４０１にはビアホール（図示せず）が形成されている。ビアホールの側壁及び底部には、Ｔａ膜４０６ａ／ＷＮＣ膜４０６ｂ／Ｒｕ膜４０６ｃの積層構造からなるバリアメタル膜４０６が形成されており、そのバリアメタル膜４０６の上には、ビアホールを埋め込むようにＣｕ膜４０９が形成されている。これにより、ビアホール内には、バリアメタル膜４０６及びＣｕ膜４０９からなるビア４１１が形成されている。また、絶縁膜４０１およびビア４１１の上にはエッチング阻止膜４０３が形成されている。エッチング阻止膜４０３の上には絶縁膜４０４が形成されており、絶縁膜４０４の上には保護絶縁膜４０５が形成されている。エッチング阻止膜４０３、絶縁膜４０４及び保護絶縁膜４０５には、ビア４１１に接続された配線溝（図示せず）が形成されている。配線溝の側壁及び底部には、Ｔａ膜４０７ａ／ＷＮＣ膜４０７ｂ／Ｒｕ膜４０７ｃの積層構造からなるバリアメタル膜４０７が形成されている。Ｔａ膜４０７ａ／ＷＮＣ膜４０７ｂ／Ｒｕ膜４０７ｃの積層構造からなるバリアメタル膜４０７の上には、配線溝を埋め込むようにＣｕ膜４１０が形成されている。これにより、配線溝内には、Ｔａ膜４０７ａ／ＷＮＣ膜４０７ｂ／Ｒｕ膜４０７ｃの積層構造からなるバリアメタル膜４０７及びＣｕ膜４１０からなる配線４１２が形成されている。
特開２００７−１８０３１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている製造方法により形成された半導体装置のバリアメタル膜に使用されるＲｕの特性には、以下のような課題がある。つまり、バリアメタル膜４０６，４０７の材料として使用するＲｕはＣｕとの濡れ性が良いという利点を有しているものの、Ｒｕ自体が多結晶であるためにＣｕ原子の層間絶縁膜中への拡散に対するバリア性は乏しいという課題である。以上のことから、特許文献１に開示されている半導体装置では、Ｃｕ原子の絶縁膜中への拡散により半導体装置の信頼性が劣化するという問題が生じる。

本発明は、微細パターンのＣｕの埋め込み特性を向上しつつＣｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することを目的とする。

本発明の第１の半導体装置では、半導体基板上に第１の層間絶縁膜が形成されており、第１の層間絶縁膜には第１のトレンチが形成されており、第１のトレンチ内には導電体が埋め込まれて第１の配線が形成されている。第１の配線上には第２の層間絶縁膜が形成されており、第２の層間絶縁膜には第２のトレンチが形成されている。第２のトレンチの底部及び側壁には、第１のバリアメタル膜および第２のバリアメタル膜が順に形成されており、第２のバリアメタル膜の上には、第２のトレンチ内を埋め込むように金属膜が設けられている。ここで、第１のバリアメタル膜は窒素を含有する導電体からなり、第２のバリアメタル膜は白金族元素を含有している。第１のバリアメタル膜と第２のバリアメタル膜と金属膜とで第２の配線が構成されている。第２の層間絶縁膜には、さらに、ビアホールが第１の配線と第２の配線とを接続するように形成されており、ビアホール内には導電体が埋め込まれてビアプラグが形成されている。

これにより、微細パターンのＣｕの埋め込み特性を向上しつつ、Ｃｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。

本発明の第２の半導体装置では、本発明の第１の半導体装置とは異なり、第１のバリアメタル膜および第２のバリアメタル膜は第２のトレンチの側壁に形成されており、第２のトレンチの底面には第３のバリアメタル膜が形成されており、第２の配線の金属膜は第２のトレンチ内において第２のバリアメタル膜および第３のバリアメタル膜の上に設けられている。この場合であっても、微細パターンのＣｕの埋め込み特性を向上しつつ、Ｃｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。

本発明の半導体装置の製造方法では、まず、半導体基板上の第１の層間絶縁膜に形成された第１のトレンチに導電体を埋め込むことにより第１の配線を形成し（工程（ａ））、次に、第１の配線上に第２の層間絶縁膜を形成し（工程（ｂ））、続いて、第１の配線に達するように第２の層間絶縁膜にビアホールを形成し（工程（ｃ））、その後、ビアホールと連通するように第２の層間絶縁膜に第２のトレンチを形成し（工程（ｄ））、それから、ビアホールの側壁および底部ならびに第２のトレンチの側壁および底部を覆うように窒素を含有する導電体からなる第１のバリアメタル膜を堆積し（工程（ｅ））、第１のバリアメタル膜を覆うように白金族元素を含有する第２のバリアメタル膜を堆積した後（工程（ｆ））、ビアホール内及び第２のトレンチ内に銅又は銅合金を埋め込む（工程（ｇ））。

これにより、Ｃｕとバリアメタルとの密着性が向上し、且つバリア性が向上するため、微細パターンのＣｕの埋め込み特性を向上しつつ、Ｃｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することが可能である。

本発明によれば、微細パターンのＣｕの埋め込みが良好で、Ｃｕの層間絶縁膜中への拡散を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下では、同一の構成要素に対して同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１（ａ）〜図１（ｇ）を参照しながら説明する。図１（ａ）〜図１（ｇ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、トランジスタ等の素子が形成された半導体基板（図示せず）上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、例えばＳｉＯＣ膜からなる絶縁膜（第１の層間絶縁膜）１０１を堆積させる。次に、絶縁膜１０１に第１のトレンチを形成し、第１のトレンチにＣｕからなる導電体を埋め込んで下層配線（第１の配線）１０２を形成する（工程（ａ））。このとき、下層配線１０２の側壁および底部にはバリアメタル膜が設けられていることが好ましい。ここで、バリアメタル膜の種類およびその形成方法については、後述の図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示す断面図を説明するときに詳しく説明する。その後、ＣＶＤ法により、絶縁膜１０１上及び下層配線１０２上に絶縁性バリア膜１０３を形成する。ここで、絶縁性バリア膜１０３としては、ＳｉＣＯ膜またはＳｉＣＮ膜を用いることができる。その後、ＣＶＤ法により、絶縁性バリア膜１０３上に層間絶縁膜（第２の層間絶縁膜）１０４を形成する（工程（ｂ））。ここで、層間絶縁膜１０４としては、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）を用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜１０４上に、ビアホールパターンを有するフォトレジスト（図示せず）を堆積させる。その後、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチング処理を行い、層間絶縁膜１０４を除去して、絶縁性バリア膜１０３に到達するビアホール１０５を形成する（工程（ｃ））。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素（ＣＦ）系のガスを用いることができる。このドライエッチング処理が終了したら、アッシングにより、ビアホールパターンを有するフォトレジストを除去する。その後、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜１０４上に、トレンチパターンを有するフォトレジスト（図示せず）を堆積させる。その後、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチング処理を行い、層間絶縁膜１０４を除去して、ビアホール１０５に連通するトレンチ（第２のトレンチ）１０６を形成する（工程（ｄ））。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素（ＣＦ）系のガスを用いることができる。このドライエッチング処理が終了したら、アッシングにより、トレンチパターンを有するフォトレジストを除去する。その後、ドライエッチング処理により、ビアホール１０５の底面に露出している絶縁性バリア膜１０３を除去する。ここで、エッチングガスとしては弗化炭素（ＣＦ）系のガスを用いることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、スパッタ法により、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うように第１のバリアメタル膜１０７を堆積させる（工程（ｅ））。ここで、第１のバリアメタル膜１０７の形成方法としては、ルテニウム（Ｒｕ）またはタンタル（Ｔａ）等に窒素（Ｎ_２）ガスを導入するリアクティブスパッタ法によりアモルファス構造である窒化ルテニウム（ＲｕＮ）または窒化タンタル（ＴａＮ）等を形成する方法を用いることが好ましい。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
＜スパッタ条件＞
ターゲットパワー：１００００Ｗ
基板Ｂｉａｓパワー：５００Ｗ
ＤＣ−Ｃｏｉｌパワー：０Ｗ
ＲＦ−Ｃｏｉｌパワー：２０００Ｗ
Ａｒ流量：１５ｓｃｃｍ
Ｎ流量：３５ｓｃｃｍ（ＲｕＮを成膜する場合）
ここで、銅はバリアメタル膜における結晶粒界を介してバリアメタル膜内を移動し層間絶縁膜へ拡散するのではないかと考えられている。アモルファス構造では結晶構造に比べて原子配列が不規則であるので、アモルファス構造のバリアメタル膜では結晶構造のバリアメタル膜に比べてバリアメタル膜における結晶粒界の個数が少ないので銅の拡散経路を確保することが難しくなる。これにより、アモルファス構造のバリアメタル膜を用いれば、銅がバリアメタル膜内を移動しにくくなるので層間絶縁膜へ拡散することを抑制でき、銅拡散に対するバリア性が高くなる。

また、第１のバリアメタル膜１０７を層間絶縁膜１０４上において２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うように第１のバリアメタル膜１０７を形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができる。第１のバリアメタル膜１０７の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保でき、且つ、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲内に限定されない。

次に、図１（ｄ）に示すように、スパッタ法により、第１のバリアメタル膜１０７上に第２のバリアメタル膜１０８を堆積させる（工程（ｆ））。第２のバリアメタル膜１０８としては、ルテニウム（Ｒｕ）または窒化ルテニウム（ＲｕＮ）を用いることが好ましい。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
＜スパッタ条件＞
ターゲットパワー：１００００Ｗ
基板Ｂｉａｓパワー：５００Ｗ
ＤＣ−Ｃｏｉｌパワー：０Ｗ
ＲＦ−Ｃｏｉｌパワー：２０００Ｗ
Ａｒ流量：１５ｓｃｃｍ
Ｎ流量：３５ｓｃｃｍ（ＲｕＮを成膜する場合）
第２のバリアメタル膜１０８としてＲｕＮ膜を形成すると、第２のバリアメタル膜１０８がアモルファス構造となるのでその原子配列が不規則となり、上述のように銅拡散に対するバリア性が高くなる。

また、第２のバリアメタル膜１０８を層間絶縁膜１０４の上において２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うように第２のバリアメタル膜１０８を形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができる。第２のバリアメタル膜１０８の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保でき、且つ、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲内に限定されない。

続いて、図１（ｅ）に示すように、スパッタ法により、第２のバリアメタル膜１０８上にＣｕシード膜１０９を堆積させる。

続いて、図１（ｆ）に示すように、電解めっき法により、ビアホール１０５およびトレンチ１０６を埋めるようにＣｕ膜（金属膜）１１０を堆積させる。

そして、図１（ｇ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、トレンチ１０６からはみ出した余剰のＣｕ膜１１０と第１のバリアメタル膜１０７と第２のバリアメタル膜１０８とを研磨し、トレンチ１０６以外の部分において層間絶縁膜１０４を露出させるとともに、ビアホール１０５内およびトレンチ１０６内においてＣｕ膜１１０を残す。その結果、ビアホール１０５内には、第１のバリアメタル膜１０７、第２のバリアメタル膜１０８及びＣｕ膜１１０の順に堆積されたビアプラグ１１１が形成され、トレンチ１０６内には、第１のバリアメタル膜１０７、第２のバリアメタル膜１０８及びＣｕ膜１１０の順に堆積された上層配線１１２が形成される（工程（ｇ））。

上記図１（ａ）〜図１（ｇ）で説明した工程を繰り返すことにより、多層配線構造を有する半導体装置を形成することができる。

第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法により形成された半導体装置では、第１のバリアメタル膜１０７および第２のバリアメタル膜１０８により銅拡散に対するバリア性が向上する。ここで、特に、第１のバリアメタル膜１０７を形成する際には窒素ガスを導入しているが、この窒素ガス（Ｎ）は、第１のバリアメタル膜１０７をアモルファス構造とするために有用な効果を与えている。言い換えると、窒素ガスの導入により第１のバリアメタル膜１０７は原子配列が不規則なアモルファス構造となるため、第１のバリアメタル膜１０７には支配的な拡散経路である結晶粒界が少なくなり、よって、Ｃｕ拡散のバリア性が向上する。

なお、第１の実施形態では、Ｃｕシード膜１０９として純Ｃｕを用いたが例えばＣｕ−Ａｌ等のＣｕ合金シード膜を用いても良い。Ｃｕ合金シード膜を用いれば、純Ｃｕを用いた場合に比べてＲｕバリアとＣｕとの濡れ性が向上するため、Ｃｕの埋め込み特性を向上させることができる。

また、第１の実施形態では、第１のバリアメタル膜１０７に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）またはタンタル（Ｔａ）を用い、第２のバリアメタル膜１０８に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）を用いたが、第１のバリアメタル膜１０７および第２のバリアメタル膜１０８としては、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）または白金（Ｐｔ）等の白金族元素を用いてもよい。このような白金族原子は比抵抗が低くＣｕとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜図２（ｉ）を参照しながら説明する。図２（ａ）〜図２（ｉ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。ここで、図２（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を形成する工程はそれぞれ図１（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を形成する工程と同じであり、図２（ｇ）〜図２（ｉ）に示す断面図を形成する工程はそれぞれ図１（ｅ）〜図１（ｇ）に示す断面図を形成する工程と同じであるため、説明を省略し、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示す断面図を形成する工程について説明する。

まず、図２（ｅ）に示すように、Ａｒのリスパッタにより、ビアホール１０５の底面に形成されている第１のバリアメタル膜１０７及び第２のバリアメタル膜１０８を除去して、ビアホール１０５の底面から下層配線１０２を露出させる（工程（ｈ））。このとき、トレンチ１０６の底面に形成されている第１のバリアメタル膜１０７及び第２のバリアメタル膜１０８も一緒に除去される。例えば以下のようである。
＜リスパッタ条件＞
ターゲットパワー：５００Ｗ
基板Ｂｉａｓパワー：４００Ｗ
ＤＣ−Ｃｏｉｌパワー：０Ｗ
ＲＦ−Ｃｏｉｌパワー：１２００Ｗ
Ａｒ流量：１５ｓｃｃｍ
このリスパッタにより、下層配線１０２の上面には、凹形状の掘り込み部２０１が形成される。この掘り込み部２０１には、ビアプラグ１１１のＥＭ耐性向上及びビア抵抗を低減するという効果がある。この効果については、具体的に後述する。

次に、図２（ｆ）に示すように、スパッタ法により、ビアホール１０５の底面、トレンチ１０６の底面および第２のバリアメタル膜１０８の上に、第３のバリアメタル膜１１３を堆積させる（工程（ｉ））。ここで、第３のバリアメタル膜１１３の形成方法としては、ルテニウム（Ｒｕ）等に窒素（Ｎ_２）ガスを導入するリアクティブスパッタ法によりアモルファス構造である窒化ルテニウム（ＲｕＮ）等を形成する方法を用いることができる。スパッタの成膜条件は例えば以下のようである。
＜スパッタ条件＞
ターゲットパワー：１００００Ｗ
基板Ｂｉａｓパワー：５００Ｗ
ＤＣ−Ｃｏｉｌパワー：０Ｗ
ＲＦ−Ｃｏｉｌパワー：２０００Ｗ
Ａｒ流量：１５ｓｃｃｍ
Ｎ流量：３５ｓｃｃｍ（ＲｕＮを形成する場合）
第３のバリアメタル膜１１３としてＲｕＮ膜を形成すると、第３のバリアメタル膜１１３がアモルファス構造となるのでその原子配列が不規則であり、よって、銅拡散に対するバリア性が高くなる。

また、第３のバリアメタル膜１１３を層間絶縁膜１０４の上において２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成すれば、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うように形成することができ、銅拡散に対して十分なバリア性を確保することができるため好ましい。第３のバリアメタル膜１１３の膜厚は、上記範囲内であることが好ましいが、銅拡散に対して十分なバリア性を確保できる、且つ、ビアホール１０５の側壁および底部ならびにトレンチ１０６の側壁および底部を覆うことが出来るのであれば、上記範囲外であってもよい。ここで、Ｃｕ拡散に対する十分なバリア性とは、トレンチ１０６の側壁及び底部からのＣｕ拡散に対して十分なバリア性を持つということを意味している。

第２の実施形態に係る半導体装置では、第１の実施形態に係る半導体装置とは異なり、ビアプラグ１１１の底部と上層配線１１２の底部とには、第１のバリアメタル膜１０７及び第２のバリアメタル膜１０８が形成されておらず第３のバリアメタル膜１１３のみが形成されている。

ここで、バリアメタル膜（Ｒｕ膜またはＴａ膜等）と銅膜とを比較した際、バリアメタル膜の方が銅膜よりも抵抗率が高いことが知られている。そのため、Ｃｕ拡散に対するバリア性を確保しつつ、ビアプラグ１１１及び配線（下層配線１０２と上層配線１１２）の抵抗を小さくすることが必要である。第２の実施形態に係る半導体装置によれば、第１の実施形態に係る半導体装置と比較して、ビアプラグ１１１の底部及び上層配線１１２の底部にはバリアメタル膜が１層しか形成されていないため、ビアプラグ１１１及び配線の抵抗を小さくすることができるという効果をさらに奏する。

また、下層配線１０２の上面には、掘り込み部２０１が形成されている。掘り込み部２０１が形成されているために、ビアプラグ１１１の底部は、第１の実施形態におけるビアプラグ１１１の底部と比較して、先が尖った形状（凸形状）となる。従って、第２の実施形態の半導体装置におけるビアプラグ１１１の底部は、第１の実施形態の半導体装置におけるビアプラグ１１１の底部と比較して、表面積が大きくなる。その結果、電流の局所集中を抑制することができるので、第１の実施形態と比較してＥＭ耐性をさらに向上することができるという効果を奏する。

また、第２の実施形態では、Ｃｕシード膜１０９としては純Ｃｕを用いたが例えばＣｕ−Ａｌ等のＣｕ合金シード膜を用いても良い。Ｃｕシード膜１０９としてＣｕ合金シード膜を用いることで、ＲｕバリアとＣｕとの濡れ性が向上するため、Ｃｕの埋め込み特性を向上させることができる。

また、第２の実施形態では、第１のバリアメタル膜１０７に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）またはタンタル（Ｔａ）を用い、第２のバリアメタル膜１０８に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）を用い、第３のバリアメタル膜１１３に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）を用いたが、第１のバリアメタル膜１０７，第２のバリアメタル膜１０８および第３のバリアメタル膜１１３に使用する金属としては、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）または白金（Ｐｔ）等の白金族元素を用いてもよい。白金族元素は比抵抗が低くＣｕとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図３（ａ）〜図３（ｈ）を参照しながら説明する。図３（ａ）〜図３（ｈ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。ここで、図３（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を形成する工程は、図１（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を形成する工程と同じであり、図３（ｆ）〜図３（ｈ）に示す断面図を形成する工程は、図１（ｅ）〜図１（ｇ）に示す断面図を形成する工程と同じであるため、説明を省略し、図３（ｅ）に示す断面図を形成する工程について説明する。

図３（ｅ）に示すように、熱処理により、層間絶縁膜１０４から水分を脱ガスさせ、第１のバリアメタル膜１０７を酸化し、層間絶縁膜１０４と第１のバリアメタル膜１０７との界面に第４のバリアメタル膜１１４を形成する（工程（ｊ））。ここで、熱処理は、１００℃以上４００℃以下の温度により、行うことが好ましい。ここで、４００℃以下であるならば、プロセス上問題ない範囲内で熱処理を行うことができる。第４のバリアメタル膜１１４は、酸素含有窒化ルテニウム(ＲｕＮＯ)または酸素含有窒化タンタル(ＴａＮＯ)である。第４のバリアメタル膜１１４の膜厚は、ビアホール１０５の側壁ならびにトレンチ１０６の側壁及び底部に、第１のバリアメタル膜１０７の膜厚の４０％以上６０％以下の膜厚となるように形成することが好ましいが、この値に限定されることはない。

第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、ＲｕＮまたはＴａＮにさらに酸素を含有する第４のバリアメタル膜１１４を第１のバリアメタル膜１０７と層間絶縁膜１０４との間に形成することが可能である。ここで、第４のバリアメタル膜１１４は、層間絶縁膜１０４中から水分を脱ガスさせることによって形成される酸素含有窒化ルテニウム(ＲｕＮＯ)または酸素含有窒化タンタル(ＴａＮＯ)からなる。酸素は、窒素と同様にアモルファス構造を形成するのに有用な効果を与える。そのため、第１のバリアメタル膜１０７の原子配列が不規則なアモルファス構造となるため、第１のバリアメタル膜１０７には支配的な拡散経路である結晶粒界が少なくなり、Ｃｕ拡散に対するバリア性を向上させることができる。また、Ｒｕは酸化しても導電性を失わないので、熱処理により第４のバリアメタル膜１１４の抵抗値が上昇するという問題ない。

また、酸素含有窒化ルテニウム(ＲｕＮＯ)または酸素含有窒化タンタル(ＴａＮＯ)、言い換えると第４のバリアメタル膜１１４は、第１のバリアメタル膜１０７が層間絶縁膜１０４に接している箇所にしか形成されないため、ビアホール１０５の底部には形成されない。よって、第４のバリアメタル膜１１４を形成しても、ビア抵抗の上昇を抑制することも可能である。

また、第３の実施形態では、Ｃｕシード膜１０９としては純Ｃｕを用いたが例えばＣｕ−Ａｌ等のＣｕ合金シード膜を用いても良い。Ｃｕシード膜１０９としてＣｕ合金シード膜を用いることで、ＲｕバリアとＣｕとの濡れ性が向上するため、Ｃｕの埋め込み特性を向上させることができる。

また、第３の実施形態では、第１のバリアメタル膜１０７に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）またはタンタル（Ｔａ）を用い、第２のバリアメタル膜１０８に使用する金属としてはルテニウム（Ｒｕ）を用いたが、第１のバリアメタル膜１０７および第２のバリアメタル膜１０８に使用する金属としては、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）または白金（Ｐｔ）等の白金族元素を用いてもよい。これらの白金族元素は比抵抗が低くＣｕとの密着性も良好であるため、上記効果と同様の効果が期待できる。

また、第４のバリアメタル膜１１４を、上記第２の実施形態における半導体装置に形成してもよい。具体的には、上記第２の実施形態において、ビアホール１０５の側壁及びトレンチ１０６の側壁に形成されている第１のバリアメタル膜１０７と層間絶縁膜１０４との間と、トレンチ１０６の底部に形成されている第３のバリアメタル膜と層間絶縁膜１０４との間とに、第４のバリアメタル膜１１４を形成してもよい。ここで、第４のバリアメタル膜１１４の形成方法としては、第３の実施形態と同様に、熱処理により、層間絶縁膜１０４から水分を脱ガスさせて第１のバリアメタル膜１０７を酸化させる。こうすることで、上記第２の実施形態における半導体装置のビアプラグ及び配線のＣｕ拡散に対するバリア性をさらに向上することができるという効果がある。

また、第１〜第３の実施形態において、第１〜第４のバリアメタル膜の膜厚について規定したが、ビアプラグの埋め込み特性が損なわれない範囲において、ビアプラグの側壁にそれぞれのバリアメタル膜を形成する必要がある。

また、第１及び第３の実施形態においては、デュアルダマシンで配線を形成する例を示したが、シングルダマシンで配線を形成する場合にも適用することができる。

本発明は、例えば、微細化且つ集積化されたＬＳＩ（large scale integration）等のダマシン法により形成された配線を有する半導体装置の製造方法に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 従来の半導体装置を示す断面図

符号の説明

１０１ 絶縁膜
１０２ 下層配線（第１の配線）
１０３ 絶縁性バリア膜
１０４ 層間絶縁膜
１０５ ビアホール
１０６ トレンチ（第２のトレンチ）
１０７ 第１のバリアメタル膜
１０８ 第２のバリアメタル膜
１０９ Ｃｕシード膜
１１０ Ｃｕ膜
１１１ ビアプラグ
１１２ 上層配線（第２の配線）
１１３ 第３のバリアメタル膜
１１４ 第４のバリアメタル膜

Claims (22)

1. 半導体基板上の第１の層間絶縁膜に形成された第１のトレンチ内に設けられており、導電体からなる第１の配線と、
   前記第１の配線上に設けられた第２の層間絶縁膜と、
   前記第２の層間絶縁膜に形成された第２のトレンチと、
   前記第２のトレンチの底部及び側壁に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第１のバリアメタル膜と、
   前記第２のトレンチの前記底部及び前記側壁において前記第１のバリアメタル膜の上に設けられており、白金族元素を含有する第２のバリアメタル膜と、
   前記第２のトレンチ内において前記第２のバリアメタル膜の上に設けられており、銅又は銅合金からなる金属膜と、
   前記第１のバリアメタル膜、前記第２のバリアメタル膜および前記金属膜を有する第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線とを接続するように前記第２の層間絶縁膜に形成されたビアホール内に設けられており、導電体からなるビアプラグと
   を備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板上の第１の層間絶縁膜に形成された第１のトレンチ内に設けられており、導電体からなる第１の配線と、
   前記第１の配線上に設けられた第２の層間絶縁膜と、
   前記第２の層間絶縁膜に形成された第２のトレンチと、
   前記第２のトレンチの側壁に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第１のバリアメタル膜と、
   前記第２のトレンチの前記側壁において前記第１のバリアメタル膜の上に設けられており、白金族元素を含有する第２のバリアメタル膜と、
   前記第２のトレンチ内において前記第２のトレンチの底部および前記第２のバリアメタル膜の上に設けられており、窒素を含有する導電体からなる第３のバリアメタル膜と、
   前記第２のトレンチ内において前記第３のバリアメタル膜の上に設けられており、銅又は銅合金からなる金属膜と、
   前記第１のバリアメタル膜、前記第２のバリアメタル膜、前記第３のバリアメタル膜および前記金属膜を有する第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線とを接続するように前記第２の層間絶縁膜に形成されたビアホール内に設けられており、導電体からなるビアプラグと
   を備えていることを特徴とする半導体装置。
3. 前記第１の配線の上面には、凹形状を有する掘り込み部が形成されており、
   前記掘り込み部内には、前記ビアプラグが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のトレンチの前記底部および前記側壁において前記第１のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に設けられており、酸素を含有する導電体からなる第４のバリアメタル膜を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第２のトレンチの前記側壁において前記第１のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に設けられており、前記第２のトレンチの前記底部において前記第３のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に設けられており、酸素を含有する導電体からなる第４のバリアメタル膜を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
6. 前記ビアホールの底部及び側壁と前記ビアプラグとの間には、前記第１のバリアメタル膜がさらに設けられており、
   前記第４のバリアメタル膜は、前記ビアホールの前記側壁に形成された前記第１のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に設けられている一方、前記ビアホールの前記底部に形成された前記第１のバリアメタル膜と前記第１の配線との間には設けられていないことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記ビアホールの底部と前記ビアプラグとの間には前記第３のバリアメタル膜がさらに設けられており、前記ビアホールの側壁と前記ビアプラグとの間には前記第１のバリアメタル膜がさらに設けられており、
   前記第４のバリアメタル膜は、前記ビアホールの前記側壁に形成された前記第１のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に設けられている一方、前記ビアホールの前記底部に形成された前記第３のバリアメタル膜と前記第１の配線との間には設けられていないことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記第１のバリアメタル膜に含有された前記導電体は、前記窒素と白金族元素又はタンタルとを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
9. 前記第３のバリアメタル膜に含有された前記導電体は、前記窒素と白金族元素又はタンタルとを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
10. 前記第４のバリアメタル膜は、さらに窒素を含有することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置。
11. 前記第４のバリアメタル膜に含有された前記導電体は、前記窒素と白金族元素又はタンタルとを含んでいることを特徴とする請求項４、５および１０の何れか一つに記載の半導体装置。
12. 前記白金族元素は、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）または白金（Ｐｔ）であることを特徴とする請求項８、９および１１の何れか一つに記載の半導体装置。
13. 半導体基板上の第１の層間絶縁膜に形成された第１のトレンチに導電体を埋め込むことにより、第１の配線を形成する工程（ａ）と、
    前記工程（ａ）の後に、前記第１の配線上に第２の層間絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
    前記工程（ｂ）の後に、前記第１の配線に達するように、前記第２の層間絶縁膜にビアホールを形成する工程（ｃ）と、
    前記工程（ｃ）の後に、前記ビアホールと連通するように、前記第２の層間絶縁膜に第２のトレンチを形成する工程（ｄ）と、
    前記工程（ｄ）の後に、前記ビアホールの側壁および底部ならびに前記第２のトレンチの側壁および底部を覆うように、窒素を含有する導電体からなる第１のバリアメタル膜を堆積させる工程（ｅ）と、
    前記工程（ｅ）の後に、前記第１のバリアメタル膜を覆うように、白金族元素を含有する第２のバリアメタル膜を堆積させる工程（ｆ）と、
    前記工程（ｆ）の後に、前記ビアホール内及び前記第２のトレンチ内に銅又は銅合金を埋め込む工程（ｇ）と
    を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 前記工程（ｆ）と前記工程（ｇ）との間に、前記ビアホールの前記底部に形成されている前記第１のバリアメタル膜ならびに前記第２のバリアメタル膜を除去する工程（ｈ）と、
    前記工程（ｈ）と前記工程（ｇ）との間に、前記ビアホールの前記底部及び前記第２のバリアメタル膜の上に、窒素を含有する導電体からなる第３のバリアメタル膜を形成する工程（ｉ）とを備えていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記工程（ｈ）は、さらに、凹形状を有する掘り込み部を前記第１の配線の上面に形成する工程を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記工程（ｆ）と前記工程（ｇ）の間に、熱処理をすることにより、前記第１のバリアメタル膜と前記第２の層間絶縁膜との間に、酸素を含有する導電体からなる第４のバリアメタル膜を形成する工程（ｊ）を備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記工程（ｊ）における熱処理では、１００℃以上４００℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記第１のバリアメタル膜に含有された導電体としては、前記窒素と白金族元素又はタンタルとを含む導電体を用いることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記第３のバリアメタル膜に含有された導電体としては、前記窒素と白金族元素又はタンタルとを含む導電体を用いることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記第４のバリアメタル膜としては、さらに窒素を含有するバリアメタル膜を用いることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記第４のバリアメタル膜に含有された導電体としては、前記酸素と白金族元素又はタンタルとを含む導電体を用いることを特徴とする請求項１６または２０に記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記白金族元素としては、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）または白金（Ｐｔ）を用いることを特徴とする請求項１８、１９および２１の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。

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