JP2009278000A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】Ｃｕ配線上に形成されるＣｕとＳｉとを含有する化合物膜の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止した半導体装置を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置は、ＳｉとＯとが他より多く含まれる領域を有するＣｕ配線となるＣｕ膜２６０，２６２と、Ｃｕ膜２６０，２６２上に選択的に形成された、ＣｕとＳｉとを含有する選択キャップ膜２８０と、Ｃｕ膜２６０，２６２の側面側に形成された層間絶縁膜２２０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路（ＬＳＩ）中に、多層配線を形成するにあたって、配線材料として用いられる銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する）が上層のｌｏｗ−ｋ膜中へと拡散することを防止すると共にｌｏｗ−ｋ膜との密着性を上げるためにＣｕ配線上に選択的にメタルキャップ膜が形成される場合がある。多層配線の高性能化に向けて、今後、かかるメタルキャップ技術が必要になることが予想される。メタルキャップ膜の材料の有力候補のひとつとして、Ｃｕと珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の化合物膜となるＣｕＳｉＮ膜、或いは、Ｃｕのシリサイド膜となるＣｕＳｉｘ膜が挙げられる（例えば、特許文献１，２参照）。これらＣｕＳｉＮ膜、或いは、ＣｕＳｉｘ膜は、上述したようにＣｕに対するバリア性が優れているため、Ｃｕ表面でのＣｕ原子輸送を抑制する効果がある。これにより、エレクトロマイグレーション特性を改善させる。しかし、その一方で配線抵抗が上昇してしまうという問題が発生している。ＣｕＳｉＮ又はＣｕＳｉｘを形成した際の余剰Ｓｉ、またはＣｕシリサイドを形成しなかったＳｉは、ＣｕＳｉＮ等を形成した後に行われる熱工程によって、Ｃｕ配線表面に存在する結晶粒界からＣｕ配線内に進入し、かかる結晶粒界を通って、Ｃｕ配線中へと拡散する。そして、結晶粒界を通って拡散したＳｉはＣｕの結晶粒界上からＣｕ粒内へとさらに拡散してしまう。その結果、ＣｕＳｉＮ膜またはＣｕＳｉｘ膜を形成しないＣｕ配線と比べて配線抵抗を上昇させてしまう。比較した結果、１．５倍程度までＣｕ配線の配線抵抗を上昇させた例が存在する。Ｃｕ中に均一に拡散したＳｉが配線抵抗を１．５倍まで上昇させるために必要なＳｉ量は０．２５ａｔ％と微量であるためＣｕＳｉＮ膜またはＣｕＳｉｘ膜の形成工程においてＳｉ量を調整するのは困難である。そのため、何らかの手法でＳｉがＣｕの粒界を通ってＣｕ中へと拡散することを防ぐ必要がある。
特開２００６−２６１４４０号公報 特開２００７−２７７６９号公報

本発明は、Ｃｕ配線上に形成されるＣｕとＳｉとを含有する化合物膜の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止した半導体装置或いはその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の半導体装置は、第１の領域と、珪素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とが第１の領域より原子濃度が高い第２の領域とからなる銅（Ｃｕ）配線と、前記Ｃｕ配線上に選択的に形成された、ＣｕとＳｉとを含有する化合物膜と、前記Ｃｕ配線の側面側に形成された絶縁膜と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、前記開口部の途中まで第１の銅（Ｃｕ）膜を埋め込む工程と、前記開口部が前記第１のＣｕ膜により完全に埋め込まれる前に、前記第１のＣｕ膜上にＣｕ酸化膜を形成する工程と、前記Ｃｕ酸化膜上に第２のＣｕ膜を形成する工程と、
前記第２のＣｕ膜上にＣｕと珪素（Ｓｉ）とを含有する化合物膜を選択的に形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様の半導体装置の製造方法は、基体上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、前記開口部に銅（Ｃｕ）膜を埋め込む工程と、前記Ｃｕ膜に酸素（Ｏ）を注入する工程と、Ｏを注入した後に前記Ｃｕ膜上にＣｕと珪素（Ｓｉ）とを含有する化合物膜を選択的に形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、Ｃｕ配線上に形成されるＣｕとＳｉとを含有する化合物膜の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止することができる。

実施の形態１．
実施の形態１では、Ｃｕ膜を形成する段階で余剰Ｓｉをトラップする層を形成し、そのトラップ層でＳｉをトラップした半導体装置及びその製造方法について説明する。以下、図面を用いて、実施の形態１について説明する。

図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１において、本実施の形態では、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）と、層間絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）と、開口部形成工程（Ｓ１０６）と、バリアメタル膜形成工程（Ｓ１０８）と、第１のシード膜形成工程（Ｓ１１０）と、第１のめっき工程（Ｓ１１２）と、Ｃｕ酸化膜形成工程（Ｓ１１４）と、第２のシード膜形成工程（Ｓ１１６）と、第２のめっき及びアニール工程（Ｓ１１８）と、研磨工程（Ｓ１２０）と、キャップ膜形成工程（Ｓ１２４）と、上層配線形成工程（Ｓ１２６）という一連の工程を実施する。

図２〜図４は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図２では、図１のエッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）からバリアメタル膜形成工程（Ｓ１０８）までを示している。それ以降の工程は後述する。

図２（ａ）において、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板２００の表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によって、例えば、膜厚５０ｎｍのエッチングストッパ膜２１０を形成する。エッチングストッパ膜２１０の材料として、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、或いは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等を用いると好適である。また、基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。ここでは、デバイス部分の図示を省略している。また、基板２００には、さらに配線やその他の回路が形成されていても構わない。

図２（ｂ）において、層間絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）として、基板２００の上に形成されたエッチングストッパ膜２１０の上に配線層の層間絶縁膜２２０を例えば１５０ｎｍの厚さで形成する。層間絶縁膜２２０として、ＳｉＯ_２膜やｌｏｗ−ｋ膜を用いると好適である。特に、層間絶縁膜２２０に多孔質の低誘電率絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜を用いると、比誘電率ｋが３．５よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。例えば、一例として、比誘電率が２．５未満の低誘電率絶縁材料となるポリメチルシロキサンを成分とした膜を用いてｌｏｗ−ｋ膜を形成する。ｌｏｗ−ｋ膜の材料としては、ポリメチルシロキサンの他に、例えば、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサン、メチルシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。かかるｌｏｗ−ｋ膜の材料では、比誘電率が２．５未満の低誘電率を得ることができる。形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いることができる。例えば、スピナーで成膜し、このウェハをホットプレート上で窒素雰囲気中でのベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中ベーク温度よりも高温でキュアを行なうことにより形成することができる。ｌｏｗ−ｋ材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。或いは、ｌｏｗ−ｋ膜をＣＶＤ法により形成しても構わない。層間絶縁膜２２０として、ＳｉＯ_２膜を形成する場合にはＣＶＤ法により形成すると好適である。

また、層間絶縁膜２２０として、ｌｏｗ−ｋ膜を形成する場合には、図示しないキャップ絶縁膜を形成して、２層構造とすると好適である。例えば、ＣＶＤ法によりキャップ絶縁膜を形成すればよい。キャップ絶縁膜を形成することで、機械的強度の弱いｌｏｗ−ｋ膜を保護することができる。キャップ絶縁膜の材料として、炭酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、ＳｉＣ、炭水化シリコン（ＳｉＣＨ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、ＳｉＯＣＨからなる群から選択される少なくとも一種の比誘電率２．５以上の絶縁材料を用いて形成すると好適である。形成方法として、ＣＶＤ法以外の方法を用いても構わない。

図２（ｃ）において、開口部形成工程（Ｓ１０６）として、リソグラフィー工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０，１５２を層間絶縁膜２２０内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィー工程を経て層間絶縁膜２２０の上にレジスト膜が形成された基板２００に対し、露出した層間絶縁膜２２０を、エッチングストッパ膜２１０をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去して開口部１５０，１５２を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０，１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０，１５２を形成すればよい。ここでは、同じ層に、少なくとも２種以上の配線幅の配線を形成する。そのため、少なくとも２種以上の配線幅の配線用に少なくとも２種以上の開口幅が得られるように複数の開口部を形成する。特に、図２（ｃ）では、太幅配線用の開口部１５０と最小配線幅用の開口部１５２を図示している。

図２（ｄ）において、バリアメタル膜形成工程（Ｓ１０８）として、開口部形成工程により形成された開口部１５０，１５２及び層間絶縁膜２２０表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内でタンタル（Ｔａ）膜を例えば膜厚１０ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。バリアメタル材料の堆積方法としては、ＰＶＤ法に限らず、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法やＣＶＤ法などを用いることができる。ＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。また、バリアメタル膜の材料としては、Ｔａの他、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）もしくはＴａとＴａＮ等これらを組合せて用いた積層膜であっても構わない。

図３では、図１の第１のシード膜形成工程（Ｓ１１０）から第２のシード膜形成工程（Ｓ１１６）までを示している。

図３（ａ）において、第１のシード膜形成工程（Ｓ１１０）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である第１の電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０，１５２内壁と底面、及び基板２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５０を例えば膜厚５０ｎｍ堆積させる。

図３（ｂ）において、第１のめっき工程（Ｓ１１２）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０の薄膜を開口部１５０，１５２及び基板２００表面に堆積させる。ここでは、太幅配線Ａ用の開口部１５０が全部埋まる前の段階で一旦めっきを終了する。例えば、太幅配線Ａの表面側から厚さｔが埋め込まれずに残るように開口部１５０内にＣｕ膜２６０を埋め込む。厚さｔは、太幅配線Ａの厚さの３０％以内とすると好適である。このように、開口部１５０の途中までＣｕ膜２６０を埋め込む。他方、最小配線幅用の開口部１５２については完全に埋め込む。開口部１５０の方が、開口部１５２より開口幅が太いため、開口部１５２を完全に埋め込んだ後でも開口部１５０が全部埋まる前の状態を作ることができる。

図３（ｃ）において、Ｃｕ酸化膜形成工程（Ｓ１１４）として、Ｃｕ膜２６０の表面にＣｕ酸化膜（Ｃｕ−Ｏ膜）２７０を形成する。例えば、大気開放してＣｕ膜２６０表面に２〜３ｎｍ程度の自然酸化膜Ｃｕ−Ｏを形成する。或いは、酸素（Ｏ_２）を含有する液体に基板２００を浸してＣｕ膜２６０表面をＯ_２に晒すことでＣｕ酸化膜２７０を形成してもよい。或いは、Ｏ_２（或いはＯ）を含有するガス雰囲気に基板２００を入れて、Ｃｕ膜２６０表面をＯ_２に晒すことでＣｕ酸化膜２７０を形成してもよい。開口部１５０内に形成されるＣｕ酸化膜２７０がＳｉを捕集するトラップ層となる。よって、上述した第１のめっき工程（Ｓ１１２）において、かかるトラップ層をどの深さ位置に形成するかにより開口部１５０を埋め込むめっき深さを決定すればよい。

図３（ｄ）において、第２のシード膜形成工程（Ｓ１１６）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である第２の電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５２として開口部１５０内のＣｕ酸化膜２７０表面及びその他の基板２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５２を例えば膜厚５０ｎｍ堆積させる。Ｃｕ酸化膜２７０は絶縁膜なので、シード膜２５２を形成することで次の工程である第２の電解めっき工程のカソード極を確実に形成することができる。但し、Ｃｕ酸化膜２７０の膜厚によっては、シード膜２５２を形成しなくてもめっき時の電流が流れる場合もあり得る。その場合には、第２のシード膜形成工程（Ｓ１１６）を省略しても構わない。

図４では、図１の第２のめっき工程（Ｓ１１８）から上層配線形成工程（Ｓ１２６）までを示している。

図４（ａ）において、第２のめっき及びアニール工程（Ｓ１１８）として、シード膜２５０或いはＣｕ膜２６０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６２の薄膜を開口部１５０及びその他の基板２００表面に堆積させる。これにより、開口部１５０をＣｕ膜２６２で完全に埋め込む。そして、Ｃｕ膜２６２を堆積させた後にアニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。

ここで、Ｃｕ酸化膜２７０形成後に開口部１５０の残りをＣｕにより埋め込む方法は、電解めっき法に限るものではなく、スパッタ等のＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いても構わない。

図４（ｂ）において、研磨工程（Ｓ１２０）として、基板２００の開口部１５０，１５２からはみ出た、余分なＣｕ膜２６０，２６２と余分なＣｕ酸化膜２７０と余分なバリアメタル膜２４０をＣＭＰ法により研磨して、平坦化する。これにより、図４（ｂ）に示した太幅のＣｕ配線Ａと最小線幅のＣｕ配線Ｂを形成することができる。

図４（ｃ）において、キャップ膜形成工程（Ｓ１２４）として、Ｃｕが露出した部分に選択的に選択キャップ膜２８０を形成する。選択キャップ膜２８０として、例えば、Ｃｕと珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の化合物膜となるＣｕＳｉＮ膜或いはＣｕシリサイド膜となるＣｕＳｉｘを形成すると好適である。以下のようにＣｕＳｉＮ膜或いはＣｕシリサイド膜を形成することができる。シラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスを基板２００が配置された反応容器内に供給することで露出したＣｕ膜２６０，２６２の表面を選択的に改質処理することで形成することができる。具体的には、Ｃｕ配線形成後、ＮＨ_３プラズマ或いはＮＨ_３を用いた熱反応にて露出したＣｕ膜２６０，２６２の表面の酸化膜を還元して除去する。その後、ＳｉＨ_４ガス等のＳｉ含有ガスで露出したＣｕ膜２６０，２６２の表面を曝し、ＳｉをＣｕ中に拡散させる。これにより、ＣｕＳｉｘを形成することができる。そして、かかる状態からさらに、Ｓｉ−Ｎの結合を露出したＣｕ膜２６０，２６２の表面に形成することでＣｕＳｉＮ膜を形成することができる。例えば、５ｎｍの膜厚で形成される。ＣｕＳｉＮ膜或いはＣｕＳｉｘを形成することで絶縁膜中へのＣｕ拡散を抑制することができる。ここで、Ｃｕ膜２６０，２６２の表面の酸化膜をＮＨ_３プラズマ処理にて還元する際には、ＮＨ_３ガス雰囲気の中、基板温度を２５０℃〜４００℃に設定して１５ｓ〜３０ｓ程度処理を行うと好適である。また、Ｃｕ膜２６０，２６２の表面の酸化膜をＮＨ_３を用いた熱反応にて還元する際には、ＮＨ_３ガス雰囲気の中、基板温度を２５０℃〜４００℃に設定して１５ｓ〜１２０ｓ程度処理を行うと好適である。かかる条件で還元することでＣｕ酸化膜２７０の還元を防ぎながらＣｕ膜の表面のＣｕ−Ｏを還元することができる。

図４（ｄ）において、上層配線形成工程（Ｓ１２６）として、Ｃｕ配線上にさらに上層配線を形成する。ここでは、例えば、選択キャップ膜２８０が形成されたＣｕ配線上、およびその他の基板２００上にエッチングストッパ膜２１２を形成する。エッチングストッパ膜２１２は、エッチングストッパ膜２１０と同様のものを使用すればよい。そして、エッチングストッパ膜２１０上に層間絶縁膜２２２を形成する。層間絶縁膜２２２は、層間絶縁膜２２０と同様のものを使用すればよい。そして、層間絶縁膜２２２に開口部を形成し、開口部内壁および底面にバリアメタル２４２を形成する。そして、残った開口部の空間をＣｕ膜２６４により埋め込む。以上により上層配線を形成することができる。図４（ｄ）では、上層配線層の一部となる下部側のみを図示している。

図５は、実施の形態１におけるＳｉトラップの手法を説明するための概念図である。図５において、Ｃｕ表面から膜厚の３０％以内、例えば５０ｎｍ以内のＣｕ配線表面付近にＳｉのトラップ層となるＣｕ酸化膜２７０が形成されている。Ｃｕ酸化膜２７０の層は、Ｃｕ−Ｏの結合を持ち、Ｃｕ配線中の上層側、特に表面付近に位置する。一方、ＣｕＳｉＮまたはＣｕＳｉｘといった選択キャップ膜２８０を形成した際の余剰ＳｉはＣｕ膜２６２表面付近に存在している。

ここで、かかる上層配線形成工程（Ｓ１２６）における一連の工程のいずれかで生じる加熱処理により、選択キャップ膜２８０形成時の余分なＳｉがＣｕ配線２６０へと拡散していく。Ｃｕ配線２６０と選択キャップ膜２８０の界面に存在するＣｕの結晶粒界からＣｕ配線２６０内に進入し、かかる結晶粒界を通って、Ｃｕ配線２６０中へと拡散していく。しかし、本実施の形態１では、Ｃｕ膜２６２とＣｕ膜２６０との間にＳｉトラップ層となるＣｕ酸化膜２７０が形成されている。かかるＣｕ酸化膜２７０で、Ｃｕ膜２６２の結晶粒界を伝ってきたＳｉは捕集されることになる。Ｃｕ−Ｏの結合を持つＣｕ酸化膜２７０までＳｉが移動してくると、Ｃｕ−Ｏの還元反応を起こし、Ｓｉ−Ｏ結合を形成する。例えば、上層配線形成における２００℃〜４００℃の加熱処理によりＳｉ−Ｏ結合を形成する。エリンガムダイヤグラムによるとＳｉ−Ｏの結合力はＣｕ−Ｏの結合力より大きく、Ｃｕ−ＯはＳｉで還元されてＳｉ−Ｏとなって安定する。よって、Ｃｕ酸化膜２７０は、図５に示すように、その一部或いは全部がＳｉ−Ｏ結合を多く含有する領域２７２となって安定する。そのため、領域２７２とＣｕ膜２６０の界面に存在するＣｕ膜２６０の結晶粒界から下側のＣｕ膜２６０中へと進むＳｉの拡散を抑制することができる。

また、上述したように、Ｃｕ中に拡散したＳｉが配線抵抗を１．５倍まで上昇させるために必要なＳｉ量は０．２５ａｔ％である。このＳｉをトラップするために必要なＯ量は０．２５ａｔ％となる。ここで、ＥＥＬＳを用いてＯを検出する場合の検出限界は０．５ａｔ％であるが、選択キャップ膜２８０を形成しない場合のＣｕ配線中のＯ量は検出限界の０．５ａｔ％以下である。よって、少なくとも０．５ａｔ％以上のＯ量をトラップ層として存在させれば、十分に拡散してくるＳｉを捕集することができる。よって、Ｃｕ酸化膜２７０は、膜中のＯ量が０．５ａｔ％以上となるように形成すると好適である。

図４（ｄ）に示すようにＣｕ膜２６０の上面が領域２７２に覆われているが、Ｃｕ膜２６０の一部、例えば、配線の側面側の一部において領域２７２に覆われていない部分があってもよいが、Ｓｉの拡散による抵抗上昇を防ぐためには、図４（ｃ）、（ｄ）に示すようにＣｕ酸化膜２７０及び領域２７２によってＣｕ膜２６０が覆われていることが好ましい。

Ｃｕ酸化膜２７０及び領域２７２が図４（ｃ）（ｄ）に示すように、配線Ａの上側にあるとＣｕ膜２６０の体積が大きくなり、配線抵抗の上昇を防ぐことができる。

例えば、Ｃｕ酸化膜２７０及び領域２７２が下層側に位置すると、Ｓｉ拡散が防止されていないＣｕ膜２６２の体積がＣｕ膜２６０と比べて相対的に大きくなってしまい、配線Ａ全体としての抵抗上昇を招いてしまうので、Ｃｕ酸化膜２７０及び領域２７２は上層側にあることが好ましい。

また、実施の形態１では、ＳｉとＯが他の領域よりも多く含まれる領域２７２を有する太幅のＣｕ配線Ａと、太幅のＣｕ配線Ａと同層に形成された太幅のＣｕ配線Ａよりも配線幅が狭く、領域２７２が形成されない最小幅のＣｕ配線Ｂ（第２のＣｕ配線）を備えた。このように、実施の形態１では、太幅のＣｕ配線ＡについてのみＣｕ酸化膜２７０をＣｕ配線中に形成した。配線抵抗の上昇は太い配線でのみ顕著に発生している問題であり、細い配線にはトラップ層はなくても良い。最小幅のＣｕ配線Ｂでは、配線幅が狭いためにＣｕ膜の結晶粒界の先端が配線表面に存在する数が太幅のＣｕ配線Ａに比べて少ない。そのため、Ｓｉがそもそも拡散しにくくなっている。また、最小幅のＣｕ配線Ｂでは、元々、太幅のＣｕ配線Ａよりも配線抵抗が大きくＳｉが拡散したとしてもその影響が少ない。これらの理由から最小幅のＣｕ配線ＢにＣｕ酸化膜２７０を形成する必要がない。よって、最小幅のＣｕ配線Ｂには、ＳｉとＯが他の領域よりも多く含まれる領域２７２も形成されない。

以上のように、実施の形態１における半導体装置は、Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０，２６２と、Ｃｕ配線上に選択的に形成されたＣｕとＳｉとを含有する選択キャップ膜２８０と、Ｃｕ配線の側面側に形成された層間絶縁膜２２０と、を備えている。そして、トラップ層によってＳｉが捕集されることにより、かかる半導体装置のＣｕ配線は、ＳｉとＯとが他より多く含まれる領域２７２を有する。かかる領域２７２を有する半導体装置は、Ｃｕ配線上に形成されるＣｕとＳｉとを含有する化合物膜の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止できる。

図６は、実施の形態１におけるＣｕ配線表面からの深さとＳｉとＯの濃度との関係を説明するグラフである。図６に示すように、Ｃｕ膜界面に存在するＳｉとＯがＣｕ膜内部で少なくなった後、さらに少し下層側の位置（深くなった位置）でＳｉとＯの量が急激に多く含まれる領域が存在する。そして、かかる領域より下層側では、ＳｉとＯが実質的に存在しない。このようにＣｕ配線上に形成される選択キャップ膜２８０の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止できる。そして、Ｓｉ−Ｏ結合では、実質的に配線抵抗を上昇させないため、Ｃｕ配線の配線抵抗の上昇といった従来の問題を解決することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、平坦化してＣｕ膜を形成した後であって選択キャップ膜を形成する前の段階で余剰Ｓｉをトラップする層を形成し、そのトラップ層でＳｉをトラップした半導体装置及びその製造方法について説明する。以下、図面を用いて、実施の形態２について説明する。

図７は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図７において、本実施の形態２では、第１のシード膜形成工程（Ｓ１１０）と第１のめっき工程（Ｓ１１２）とＣｕ酸化膜形成工程（Ｓ１１４）と第２のシード膜形成工程（Ｓ１１６）と第２のめっき及びアニール工程（Ｓ１１８）との代わりに、シード膜形成工程（Ｓ１１１）とめっき及びアニール工程（Ｓ１１９）を追加した点、及び、研磨工程（Ｓ１２０）とキャップ膜形成工程（Ｓ１２４）との間に、酸素イオン注入工程（Ｓ１２２）を追加した点以外は図１と同様である。また、シード膜形成工程（Ｓ１１１）の内容は第１のシード膜形成工程（Ｓ１１０）の内容と同様である。よって、エッチングストッパ膜形成工程（Ｓ１０２）〜シード膜形成工程（Ｓ１１１）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。よって、図３（ａ）の状態までは実施の形態１と同様である。

図８と図９は、図７のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。図８では、図７のめっき及びアニール工程（Ｓ１１９）から酸素イオン注入工程（Ｓ１２２）までを示している。

図８（ａ）において、めっき及びアニール工程（Ｓ１１９）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０の薄膜を開口部１５０，１５２及びその他の基板２００表面に堆積させる。これにより、開口部１５０，１５２をＣｕ膜２６０で完全に埋め込む。そして、Ｃｕ膜２６０を堆積させた後にアニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。

図８（ｂ）において、研磨工程（Ｓ１２０）として、基板２００の開口部１５０，１５２からはみ出た、余分なＣｕ膜２６０，２６２と余分なＣｕ酸化膜２７０と余分なバリアメタル膜２４０をＣＭＰ法により研磨して、平坦化する。これにより、図８（ｂ）に示した太幅のＣｕ配線Ａと最小線幅のＣｕ配線Ｂを形成することができる。

図８（ｃ）において、酸素イオン注入工程（Ｓ１２２）として、イオン注入法を用いてＣｕ膜２６０表面及びその他の層間絶縁膜２２０表面からＣｕ膜２６０中および層間絶縁膜２２０にＯイオンを注入する。例えば、印加電圧を１０ｅＶとすると好適である。かかる電圧により注入深さをＣｕ膜２６０の膜厚の３０％以内に留めることができる。図８（ｃ）では、領域２９０にＯが注入されていることを示している。その結果、Ｏが他より多く含まれる領域２９２がＣｕ膜２６０中に形成される。領域２９２内では、Ｃｕ−Ｏ結合が形成される。ここでも、上述したように、領域２９２内のＯ量が０．５ａｔ％以上となるように形成すると好適である。

図９では、図７のキャップ膜形成工程（Ｓ１２４）から上層配線形成工程（Ｓ１２６）までを示している。

図９（ａ）において、キャップ膜形成工程（Ｓ１２４）として、Ｃｕが露出した部分に選択的に選択キャップ膜２８０を形成する。選択キャップ膜２８０として、例えば、ＣｕＳｉＮ膜或いはＣｕＳｉｘを形成すると好適である点は同様である。また、形成方法も実施の形態１と同様である。また、Ｃｕ膜２６０，２６２の表面の酸化膜をＮＨ_３プラズマ処理にて還元する際には、ＮＨ_３ガス雰囲気の中、基板温度を２５０℃〜４００℃に設定して１５ｓ〜３０ｓ程度処理を行うと好適である。また、Ｃｕ膜２６０，２６２の表面の酸化膜をＮＨ_３を用いた熱反応にて還元する際には、ＮＨ_３ガス雰囲気の中、基板温度を２５０℃〜４００℃に設定して１５ｓ〜１２０ｓ程度処理を行うと好適である。かかる条件で還元することでＣｕ膜２６０中に注入したＯにより形成されたＣｕ−Ｏを残しながらＣｕ膜２６０の表面のＣｕ−Ｏを還元することができる。

図９（ｂ）において、上層配線形成工程（Ｓ１２６）として、Ｃｕ配線上にさらに上層配線を形成する。上層配線層の構成は、実施の形態１と同様である。図８（ｂ）でも、図４（ｄ）と同様、上層配線層の一部となる下部側のみを図示している。

ここで、選択キャップ膜２８０を形成した際の余剰ＳｉはＣｕ膜２６０表面付近に存在しているが、かかる上層配線形成工程（Ｓ１２６）における一連の工程のいずれかで生じる加熱処理により、選択キャップ膜２８０形成時の余分なＳｉがＣｕ配線２６０へと拡散していく。Ｃｕ配線２６０と選択キャップ膜２８０の界面に存在する結晶粒界からＣｕ配線２６０内に進入し、かかる結晶粒界を通って、Ｃｕ配線２６０中へと拡散していく。しかし、本実施の形態２では、Ｃｕ膜２６０中の上層部にＣｕ−Ｏが形成された領域２９２が存在する。この領域２９２がＳｉトラップ層となる。かかる領域２９２内のＣｕ−Ｏで、Ｃｕ膜２６２の結晶粒界を伝ってきたＳｉは捕集されることになる。上述したようにＣｕ−ＯまでＳｉが移動してくると、Ｃｕ−Ｏの還元反応を起こし、Ｓｉ−Ｏ結合を形成する。例えば、上層配線形成における２００℃〜４００℃の加熱処理によりＳｉ−Ｏ結合を形成する。Ｃｕ−ＯはＳｉで還元されてＳｉ−Ｏとなって安定する。よって、Ｃｕ膜２６０は、図９（ｂ）に示すように、Ｃｕ−Ｏの一部或いは全部がＳｉ−Ｏ結合となったＳｉ−Ｏを多く含有する領域２９４となって安定する。そのため、領域２９４を超えて下側のＣｕ膜２６０中へと進むＳｉの拡散を抑制することができる。

以上のように、実施の形態２では、太幅のＣｕ配線Ａにも最小幅のＣｕ配線ＢにもＯを注入する構成とした。その結果、太幅のＣｕ配線Ａには、ＳｉとＯが他の領域よりも多く含まれる領域２９４が形成される。また、上述したように最小幅のＣｕ配線ＢにはＳｉが拡散しにくいので、最小幅のＣｕ配線Ｂには、領域２９４と比べて少ないが、Ｃｕ配線Ｂ中のその他の領域よりもＳｉとＯが他の領域よりも多く含まれる領域２９６が形成される。

以上のように、実施の形態２における半導体装置は、Ｃｕ配線となるＣｕ膜２６０と、Ｃｕ配線上に選択的に形成されたＣｕとＳｉとを含有する選択キャップ膜２８０と、Ｃｕ配線の側面側に形成された層間絶縁膜２２０と、を備えている。そして、トラップ層によってＳｉが捕集されることにより、かかる半導体装置のＣｕ配線は、ＳｉとＯとが他より多く含まれる領域２９４，２９６を有する。かかる領域２９４，２９６を有する半導体装置は、Ｃｕ配線上に形成されるＣｕとＳｉとを含有する化合物膜の余剰ＳｉがＣｕ配線中へと拡散することを防止できる。そして、Ｓｉ−Ｏ結合では、実質的に配線抵抗を上昇させないため、Ｃｕ配線の配線抵抗の上昇といった従来の問題を解決することができる。特に、太幅のＣｕ配線Ａについて、その効果が顕著に現れる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

また、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。

また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。

実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 実施の形態１におけるＳｉトラップの手法を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるＣｕ配線表面からの深さとＳｉとＯの濃度との関係を示すグラフである。 実施の形態１におけるコンディショニングの様子を説明するための概念図である。 図７のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図７のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。

符号の説明

１５０，１５２ 開口部、２００ 基板、２２０ 層間絶縁膜、２４０ バリアメタル膜、２６０，２６２ Ｃｕ膜、２８０ 選択キャップ膜、２７０ Ｃｕ酸化膜、２７２，２９２，２９４，２９６ 領域

Claims (5)

1. 第１の領域と、珪素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とが第１の領域より原子濃度が高い第２の領域とからなる銅（Ｃｕ）配線と、
   前記Ｃｕ配線上に選択的に形成された、ＣｕとＳｉとを含有する化合物膜と、
   前記Ｃｕ配線の側面側に形成された絶縁膜と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２の領域は、前記Ｃｕ配線中の上層側に位置することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体装置は、前記Ｃｕ配線と同層に前記Ｃｕ配線よりも配線幅が狭く、前記領域が形成されない第２のＣｕ配線をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 基体上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
   前記開口部の途中まで第１の銅（Ｃｕ）膜を埋め込む工程と、
   前記開口部が前記第１のＣｕ膜により完全に埋め込まれる前に、前記第１のＣｕ膜上にＣｕ酸化膜を形成する工程と、
   前記Ｃｕ酸化膜上に第２のＣｕ膜を形成する工程と、
   前記第２のＣｕ膜上にＣｕと珪素（Ｓｉ）とを含有する化合物膜を選択的に形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 基体上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
   前記開口部に銅（Ｃｕ）膜を埋め込む工程と、
   前記Ｃｕ膜に酸素（Ｏ）を注入する工程と、
   Ｏを注入した後に前記Ｃｕ膜上にＣｕと珪素（Ｓｉ）とを含有する化合物膜を選択的に形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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