JP2005079434A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素含有シリコン酸化膜のような機械的強度の弱い膜を配線層間の絶縁膜に用いても、配線溝に埋め込み形成される同層の金属配線間の短絡不良を防止する。
【解決手段】 炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜５１に配線溝５２を形成後、タンタルナイトライド５３ａ、銅５３ｂを堆積した後、ＣＭＰ法により第１の金属配線５３を形成する。このＣＭＰ時に研磨砥粒により第１の絶縁膜５１上にスクラッチが形成され、その部分に銅が埋め込まれて金属残５４が形成される。炭素含有シリコン酸化膜を溶解させるアルカリ系溶液により第1の絶縁膜５１の表面をエッチング除去することで、金属残５４が除去されて第１の金属配線５３間の短絡を防止できる。タンタルナイトライド５３ａの表面をエッチングすることで、タンタルナイトライド５３ａ上に微小に存在している銅が完全に除去され、第１の金属配線５３間の短絡防止に対する信頼性を向上できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法、特に配線形成技術に関するものである。

近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、配線間隔が狭小化し、配線間に生じる電気寄生容量が増大してきている。高速動作が必要な半導体集積回路では配線間の電気寄生容量を小さくすることが必要とされている。

現在、配線間の電気寄生容量を低減させるために、配線間の絶縁膜の比誘電率を低減させる方法が実現されている。従来、配線間の絶縁膜はシリコン酸化膜（比誘電率３．９〜４．２）が多用されており、一部の半導体集積回路ではフッ素含有シリコン酸化膜（比誘電率３．５〜３．８）が従来のシリコン酸化膜に比して比誘電率を低減した配線間の絶縁膜として実現されている。

また現在、配線間の電気寄生容量を最も低減できる方法として、配線間の絶縁膜として炭素含有シリコン酸化膜を用いる半導体装置が提案されている。

炭素含有シリコン酸化膜は、炭素原子を置換基の分子の大きさが大きなアルキル基やフェニル基の形で膜中に存在させることにより形成される。その結果、シリコン酸化膜の膜密度を低減することが出来（シリコン酸化膜２．３ｇ／ｃｍ³，炭素含有シリコン酸化膜１．０〜１．３ｇ／ｃｍ³）、比誘電率を下げることを実現している。

しかしながら、炭素含有シリコン酸化膜は膜密度を下げることにより、比誘電率を低減しているため、絶縁膜材料としての膜強度は、従来から用いているシリコン酸化膜に比べて、極端に弱くなっている。よって、炭素含有シリコン酸化膜では、膜の硬さが柔らかく、プラズマが供給された際などにおける、膜の破壊耐性に乏しい場合がある。

図７は従来の半導体装置の配線構造を示す断面図である。ここで、炭素含有シリコン酸化膜は配線間の絶縁膜であり、２層配線構造を有する半導体装置を示している。

具体的には、シリコン基板（図示せず）に形成された炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１中に、バリアメタルであるタンタルナイトライド２ａにより底部と側部を囲まれた銅２ｂからなる第１の金属配線２が形成されている。この第１の金属配線２上および第１の絶縁膜１上には、キャップ膜として、シリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜３が形成されている。

従来方法では、第１の金属配線２間には銅からなる金属残４が形成されており、第１の金属配線２間の短絡を引き起こす不良原因となっている。第２の絶縁膜３上には炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜５が形成されており、第３の絶縁膜５中にタンタルナイトライド６ａおよび銅６ｂからなる第２の金属配線６が形成されている。また、第１の金属配線２と第２の金属配線６とはタンタルナイトライド６ａおよび銅６ｂが埋め込まれたスルーホール７により、物理的，電気的に接続されている。第２の金属配線６間には銅からなる金属残８が形成されており、第１の金属配線２の場合と同様に第２の金属配線６間の短絡を引き起こす不良原因となっている。

図８を用いて従来の炭素含有シリコン酸化膜を配線間の絶縁膜として用いた２層配線構造を有する半導体装置の製造方法を詳細に述べる。

まず、シリコン基板（図示せず）上に炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１１を５００ｎｍの膜厚で堆積する（図８（ａ））。

炭素含有シリコン酸化膜の形成方法はアルキルシランと二酸化炭素を原料としたプラズマＣＶＤ法や、アルキルシロキサンとヘリウムを原料としたプラズマＣＶＤ法（３５０℃から４５０℃）により形成されるのが一般的である。

次に、第１の金属配線溝パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ドライエッチ法により第１の絶縁膜１１を２５０ｎｍ程度の深さ分エッチング除去し配線溝１２を形成する（図８（ｂ））。

その後、スパッタ法によりタンタルナイトライド１３ａを２０ｎｍ，銅１３ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する。ここでタンタルナイトライド１３ａは銅１３ｂの拡散，酸化防止を目的にするものである（図８（ｃ））。

次に、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法により第１の絶縁膜１１上にある不要なタンタルナイトライド１３ａと銅１３ｂを除去し，第１の金属配線１３を形成する。

ここで、第１の絶縁膜１１は柔らかい炭素含有シリコン酸化膜からなるため、この第１の金属配線１３形成のためのＣＭＰ時に、ＣＭＰ研磨砥粒（アルミナやシリカ等）により、第１の絶縁膜１１上にスクラッチ（ひっかき傷状の凹状欠陥）が形成され、その部分に銅１３ｂが埋め込まれてしまい、配線間短絡の原因となる金属残１４が形成される（図８（ｄ））。

次に、第１の絶縁膜１１上および第１の金属配線１３上にシリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜１５を５０ｎｍ堆積し、第１の金属配線１３中の銅１３ｂが拡散，酸化されないように保護をする。続いて炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜１６を５００ｎｍ堆積する（図８（ｅ））。

次に、第３の絶縁膜１６中に、リソグラフィー法およびドライエッチング法によりスルーホール１７および配線溝１８を形成する。この時、スルーホール１７直下は第１の金属配線１３表面が露出するように加工を行う（図８（ｆ））。

次に、第１の金属配線形成の際と同様に、スパッタ法によりタンタルナイトライド１９ａを２０ｎｍ，銅１９ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する（図８（ｇ））。

次に、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法により第３の絶縁膜１６上にある不要なタンタルナイトライド１９ａと銅１９ｂを除去し，第２の金属配線１９を形成する。

ここで、第３の絶縁膜１６は柔らかい炭素含有シリコン酸化膜からなるため、この第２の金属配線１９形成のためのＣＭＰ時に、ＣＭＰ研磨砥粒（アルミナやシリカ等）により、第３の絶縁膜１６上にスクラッチ（ひっかき傷状の凹状欠陥）が形成され、その部分に銅１９ｂが埋め込まれてしまい、配線間短絡の原因となる金属残２０が形成される（図８（ｈ））。
特開２００３−１３３３１４号公報 特開２００２−１６０２６号公報 特開２００２−６４１３９号公報

上記従来の半導体装置の製造方法では、金属配線を形成するためのＣＭＰ時に所望しない箇所に金属残さが形成されるため、金属残が金属配線間に位置した場合、金属配線間の短絡不良が発生してしまうという問題が発生する。これは、炭素含有シリコン酸化膜がＣＭＰ時に用いられているアルミナやシリカ等の砥粒よりも機械的強度の弱い材料であるため発生する問題であり、本製造方法では防ぐことができない。

本発明の目的は、炭素含有シリコン酸化膜のような機械的強度の弱い膜を配線層間の層間絶縁膜に用いても、同層の金属配線間の短絡不良を防止でき、高歩留まりでかつ高信頼性の半導体装置およびその製造方法を提供するものである。

本発明の請求項１記載の半導体装置は、絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれ、かつ絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する金属配線を備えている。

請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする。

請求項３記載の半導体装置は、第１の絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれ、かつ第１の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する金属配線と、第１の絶縁膜および金属配線上で第１の絶縁膜と金属配線の表面に沿った形状に形成された第２の絶縁膜とを備えている。

請求項４記載の半導体装置は、請求項３記載の半導体装置において、第１の絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする。

請求項５記載の半導体装置は、請求項１または３記載の半導体装置において、金属配線が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項６記載の半導体装置は、請求項１または３記載の半導体装置において、金属配線は少なくとも２層の導体膜が配線溝に埋め込まれて構成されており、配線溝に埋め込まれた外側に位置する導体膜の表面位置が内側に位置する導体膜の表面位置よりも低いことを特徴とする。

請求項７記載の半導体装置は、請求項６記載の半導体装置において、少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項８記載の半導体装置は、第１の絶縁膜に形成された第１の配線溝に埋め込まれ、かつ第１の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する第１の金属配線と、第１の絶縁膜および第１の金属配線上で第１の絶縁膜と第１の金属配線の表面に沿った形状に形成された第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上に形成された第３の絶縁膜と、第３の絶縁膜に形成された第２の配線溝に埋め込まれ、かつ第３の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する第２の金属配線と、第２の絶縁膜および第３の絶縁膜中に形成され第１の金属配線と第２の金属配線とを接続する接続部とを備えている。

請求項９記載の半導体装置は、請求項８記載の半導体装置において、第１の金属配線と第２の金属配線が、異なる導体膜からなることを特徴とする。

請求項１０記載の半導体装置は、請求項８記載の半導体装置において、第１の金属配線と第２の金属配線の少なくとも一方は、少なくとも２層の導体膜が配線溝に埋め込まれて構成されており、配線溝に埋め込まれた外側に位置する導体膜の表面位置が内側に位置する導体膜の表面位置よりも低いことを特徴とする。

請求項１１記載の半導体装置は、請求項１０記載の半導体装置において、少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項１２記載の半導体装置は、請求項８記載の半導体装置において、第１の絶縁膜および第３の絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする。

請求項１３記載の半導体装置は、請求項８記載の半導体装置において、第１の金属配線と第２の金属配線と接続部とはそれぞれの少なくとも一部が同種の導体からなり、第１の金属配線と第２の金属配線と接続部との同種の導体同士が接続されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項１４記載の半導体装置の製造方法は、絶縁膜に配線溝を形成する工程と、配線溝を埋め込む金属配線層を堆積する工程と、化学的機械的研磨を行うことにより配線溝からはみ出した金属配線層を除去する工程と、絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の絶縁膜の表面を配線溝に埋め込まれている金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程とを含む。

請求項１５記載の半導体装置の製造方法は、請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、絶縁膜が、化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりな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は、請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、金属配線層が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項１７記載の半導体装置の製造方法は、請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、少なくとも２層の導体膜を金属配線層として堆積し、絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、配線溝に埋め込まれている金属配線層の外側に位置する導体膜の表面位置を内側に位置する導体膜の表面位置よりも低くする工程を有することを特徴とする。

請求項１８記載の半導体装置の製造方法は、請求項１７記載の半導体装置の製造方法において、少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項１９記載の半導体装置の製造方法は、第１の絶縁膜に第１の配線溝を形成する工程と、第１の配線溝を埋め込む第１の金属配線層を堆積する工程と、第１の化学的機械的研磨を行うことにより第１の配線溝からはみ出した第１の金属配線層を除去する工程と、第１の絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の第１の絶縁膜の表面を第１の配線溝に埋め込まれている第１の金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程と、次に、第１の絶縁膜上および第１の金属配線層上に第２の絶縁膜を堆積する工程と、第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を堆積する工程と、第３の絶縁膜に第２の配線溝を形成するとともに、第２の絶縁膜および第３の絶縁膜を貫通するスルーホールを形成することにより所定部分の第１の金属配線層の表面を露出させる工程と、第２の配線溝およびスルーホールを埋め込む第２の金属配線層を堆積する工程と、第２の化学的機械的研磨を行うことにより第２の配線溝およびスルーホールからはみ出した第２の金属配線層を除去する工程と、第３の絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の第３の絶縁膜の表面を第２の配線溝に埋め込まれている第２の金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程と含む。

請求項２０記載の半導体装置の製造方法は、請求項１９記載の半導体装置の製造方法において、第１の絶縁膜が、第１の化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりなり、第３の絶縁膜が、第２の化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする。

請求項２１記載の半導体装置の製造方法は、請求項１９記載の半導体装置の製造方法において、第１の金属配線層および第２の金属配線層が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項２２記載の半導体装置の製造方法は、請求項１９記載の半導体装置の製造方法において、少なくとも２層の導体膜を第１の金属配線層として堆積し、第１の絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、第１の配線溝に埋め込まれている第１の金属配線層の外側に位置する導体膜の表面位置を内側に位置する導体膜の表面位置よりも低くする工程を有するとともに、少なくとも２層の導体膜を第２の金属配線層として堆積し、第３の絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、第２の配線溝に埋め込まれている第２の金属配線層の外側に位置する導体膜の表面位置を内側に位置する導体膜の表面位置よりも低くする工程を有することを特徴とする。

請求項２３記載の半導体装置の製造方法は、請求項２２記載の半導体装置の製造方法において、第１の金属配線層および第２の金属配線層であるそれぞれの少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする。

請求項２４記載の半導体装置の製造方法は、請求項１９記載の半導体装置の製造方法において、第２の配線溝およびスルーホールを埋め込む第２の金属配線層を堆積する工程は、第２の金属配線層を少なくとも２層の導体膜とし、最下層の導体膜を堆積した後、スルーホール底部にある最下層の導体膜を除去し、その後、最下層より上層の導体膜を堆積することを特徴とする。

本発明によれば、絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれ、かつ絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置するように金属配線を形成することにより、金属配線間の短絡を防止できる。すなわち、配線溝を形成した絶縁膜に金属配線層を堆積し、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）を行うことにより配線溝からはみ出した金属配線層を除去した後、絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の絶縁膜の表面を配線溝に埋め込まれている金属配線層（金属配線）の表面よりも下方に位置させる。ここで、絶縁膜の機械的強度が弱くＣＭＰ時に研磨砥粒により絶縁膜上にスクラッチが形成され、その部分に金属配線材料が埋め込まれて金属残が形成されても、その後、絶縁膜の表面部分を除去することで、金属残が除去されて金属配線間の短絡を防止できる。

また、金属配線が少なくとも２層の導体膜で構成されており、配線溝に埋め込まれた外側に位置する導体膜の表面位置が内側に位置する導体膜の表面位置よりも低いように形成することにより、金属配線間の短絡防止の信頼性をより向上できる。すなわち、少なくとも２層の導体膜を金属配線層として堆積し、絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、配線溝に埋め込まれている金属配線層の外側に位置する導体膜の表面位置を内側に位置する導体膜の表面位置よりも低くすることにより、外側に位置する導体膜上に微小に存在している内側に位置する導体膜の材料が完全に除去され、金属配線間の短絡防止に対する信頼性をより向上できる。

また、上記と同様の構成を複数の配線層に適用することで各配線層において金属配線間の短絡を防止できる。また、その場合、上下に隣接する第１と第２の金属配線および第１と第２の金属配線間の接続部のそれぞれの少なくとも一部が同種の導体からなり、第１の金属配線と第２の金属配線と接続部との同種の導体同士が接続されるようにすることにより、第１の金属配線と第２の金属配線の接続抵抗の低抵抗化を図ることができる。さらにこの場合、第１の絶縁膜と第１の金属配線の表面に沿った形状に第２の絶縁膜（拡散酸化防止膜）が形成されていることにより、第１の絶縁膜より上の第１の金属配線の側壁部に沿って第２の絶縁膜が存在するため、その膜厚分、第１の金属配線に対するスルーホールの位置合わせ最大許容ずれ量を大きくすることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の半導体装置の配線構造を示す断面図である。

シリコンからなる半導体基板（図示せず）上に形成された炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜３１上に、タンタルナイトライド３２ａおよび銅３２ｂからなる第１の金属配線３２が形成されている。

第１の金属配線３２表面は第１の絶縁膜３１よりも上方に位置しており、また、第１の金属配線３２中では銅３２ｂの表面がタンタルナイトライド３２ａの表面よりも上方に位置している。この様に、第１の絶縁膜３１の表面を第１の金属配線３２表面よりも下方に位置させることにより、後述の製造方法の説明で明らかになるが、第１の金属配線３２間の短絡を防止させることができる。

第１の絶縁膜３１および第１の金属配線３２の上部にはシリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜３３が形成されている。第２の絶縁膜３３の目的は銅３２ｂの拡散および酸化防止であるので、シリコン炭化膜の代わりに、シリコン窒化膜やシリコン炭化窒化膜等を用いてもよい。

第２の絶縁膜３３上には炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜３４が形成されており、第３の絶縁膜３４中にタンタルナイトライド３５ａおよび銅３５ｂからなる第２の金属配線３５が形成されている。また、第１の金属配線３２と第２の金属配線３５とはタンタルナイトライド３５ａおよび銅３５ｂが埋め込まれたスルーホール３６により、物理的，電気的に接続されている。

また、第２の金属配線３５は第１の金属配線３２と同様に、その最表面は第３の絶縁膜３４表面よりも上方に位置しており、また、第２の金属配線３５中では銅３５ｂの表面がタンタルナイトライド３５ａの表面よりも上方に位置している。このように形成されることにより、第２の金属配線３５間の短絡を防止させることができる。

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２を参照しながら説明する。

まず、シリコンからなる半導体基板（図示せず）上にトリメチルシランと二酸化炭素を原料としたプラズマＣＶＤ法により、炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜５１を５００ｎｍの膜厚で堆積する（図２（ａ））。

次に、第１の金属配線溝パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ドライエッチ法により第１の絶縁膜５１を２５０ｎｍ程度の深さ分エッチング除去し配線溝５２を形成する（図２（ｂ））。

次に、スパッタ法によりタンタルナイトライド５３ａを２０ｎｍ，銅５３ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する。ここでタンタルナイトライド５３ａは銅５３ｂの拡散，酸化防止を目的にするものである（図２（ｃ））。

次に、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法により第１の絶縁膜５１上にある不要なタンタルナイトライド５３ａと銅５３ｂを除去し，第１の金属配線５３を形成する。

ここで、第１の絶縁膜５１は柔らかい炭素含有シリコン酸化膜からなるため、この第１の金属配線５３形成のためのＣＭＰ時に、ＣＭＰ研磨砥粒（アルミナやシリカ等）により、第１の絶縁膜５１上にスクラッチ（ひっかき傷状の凹状欠陥）が形成され、その部分に銅５３ｂが埋め込まれてしまい、金属残５４が形成される（図２（ｄ））。

次に、炭素含有シリコン酸化膜を溶解させるアルカリ系溶液、たとえば、アミン系アルカリ溶液により、第1の絶縁膜５１を表面から５０ｎｍ程度エッチング除去し、第１の金属配線５３の表面よりも第１の絶縁膜５１表面を下方に位置させる。この際、金属残５４は第１の絶縁膜５１からリフトオフされ除去される。第１の絶縁膜５１中に形成された、金属残５４が除去されることにより第１の金属配線５３間の短絡を防止させることができる（図２（ｅ））。

ここで、第１の絶縁膜５１表面部分の除去を炭化水素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングを行った後にアルカリ系溶液で１０ｎｍ程度エッチング除去を行っても同様の効果が得られる。

次に、塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングを行うことにより、第１の金属配線５３の構成要素であるタンタルナイトライド５３ａを選択的にエッチング除去し、タンタルナイトライド５３ａの表面を銅５３ｂの表面よりも下方に位置させる。この際、タンタルナイトライド５３ａ上に微小に存在している銅５３ｂが完全に除去され、第１の金属配線５３間の短絡に対する信頼性を向上させることができる（図２（ｆ））。

次に、第１の絶縁膜５１上および第１の金属配線５３上にシリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜５５を５０ｎｍ堆積し、第１の金属配線５３中の銅５３ｂが拡散，酸化されないように保護をする。続いて炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜５６を５００ｎｍ堆積する（図２（ｇ））。

次に、第３の絶縁膜５６中に、リソグラフィー法およびドライエッチング法によりスルーホール５７および配線溝５８を形成する。この時、スルーホール５７直下は第１の金属配線５３表面が露出するように加工を行う（図２（ｈ））。

次に、第１の金属配線形成の際と同様に、スパッタ法によりタンタルナイトライド５９ａを２０ｎｍ，銅５９ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する（図２（ｉ））。

次に、第１の金属配線５３形成と同様（図２（ｄ），（ｅ），（ｆ）の工程と同様）に、ＣＭＰ法により第３の絶縁膜５６上にある不要なタンタルナイトライド５９ａと銅５９ｂを除去し，その後、金属残除去のためのアミン系アルカリ溶液による第３の絶縁膜５６表面の除去，塩素系ガスでのドライエッチングによるタンタルナイトライド５９ａ表面の除去を行い第２の金属配線５９を形成する（図２（ｊ））。

以上のように本実施形態によれば、炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜５１に配線溝５２を形成後、タンタルナイトライド５３ａ、銅５３ｂを堆積し、ＣＭＰ法により第１の金属配線５３を形成し、このＣＭＰ時に研磨砥粒により第１の絶縁膜５１上にスクラッチが形成され、その部分に銅が埋め込まれて金属残５４が形成されるが、その後、第1の絶縁膜５１の表面部分をエッチング除去することで、金属残５４が除去されて第１の金属配線５３間の短絡を防止できる。さらに、タンタルナイトライド５３ａの表面をエッチングすることで、タンタルナイトライド５３ａ上に微小に存在している銅が完全に除去され、第１の金属配線５３間の短絡防止に対する信頼性を向上できる。炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜５６の配線溝５８に形成される第２の金属配線５９についいても同様である。

なお、ＣＭＰ法により第１の金属配線５３を形成し、第1の絶縁膜５１の表面部分のエッチングにより金属残５４を除去した後、タンタルナイトライド５３ａの表面をエッチングしない場合には、図３のように、タンタルナイトライド５３ａと銅５３ｂの表面は同一高さであり、この場合は上記実施形態に比べて信頼性は劣るものの第１の金属配線５３間の短絡を防止できる。図３では、第２の金属配線については図示していないが第１の金属配線５３と同様に形成できる。

また、上記では、第１、第２の金属配線５３、５９として、銅（５３ｂ，５９ｂ）とタンタルナイトライド（５３ａ，５９ａ）の２層膜からなる金属配線を例に説明したが、これ以外に、銅とタンタル、銅とバナジウムナイトライド、銅とチタンナイトライド、アルミニウムとチタンナイトライド、銅とタングステンナイトライド、タングステンとチタンナイトライドの２層膜で構成される場合や、銅とタンタルとタンタルナイトライドの３層膜で構成される場合や、銅の１層膜で構成される場合もある。また、第１の金属配線５３と第２の金属配線５９とが異なる金属膜であってもよい。この場合、第１の金属配線５３と第２の金属配線５９が、例えば、タングステンとアルミニウム、アルミニウムと銅、タングステンと銅で構成される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。図４は本実施形態の半導体装置の配線構造を示す断面図である。

シリコンからなる半導体基板（図示せず）に形成された炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜４１上に、タンタルナイトライド４２ａおよび銅４２ｂからなる第１の金属配線４２が形成されている。

第１の金属配線４２表面は第１の絶縁膜４１よりも上方に位置しており、また、第１の金属配線４２中では銅４２ｂの表面がタンタルナイトライド４２ａの表面よりも上方に位置している。

第１の絶縁膜４１および第１の金属配線４２の上部にはシリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜４３が形成されている。第２の絶縁膜４３の目的は銅４２ｂの拡散および酸化防止であるので、シリコン炭化膜の代わりに、シリコン窒化膜やシリコン炭化窒化膜等を用いてもよい。

第２の絶縁膜４３上には炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜４４が形成されており、第３の絶縁膜４４中にタンタルナイトライド４５ａおよび銅４５ｂからなる第２の金属配線４５が形成されている。また、第１の金属配線４２と第２の金属配線４５とはタンタルナイトライド４５ａおよび銅４５ｂが埋め込まれたスルーホール４６により、物理的，電気的に接続されている。ここで、スルーホール４６底部にはタンタルナイトライド４５ａの層は形成されておらず、第１の金属配線４２中の銅４２ａと第２の金属配線４５中の銅４５ａがスルーホール４６底部で直接接触している。

また、第２の金属配線４５は第１の金属配線４２と同様に、その最表面は第３の絶縁膜４４表面よりも上方に位置しており、また、第２の金属配線３５中では銅３５ｂの表面がタンタルナイトライド３５ａの表面よりも上方に位置している。

本実施の形態における第１の実施形態との構造的な違いは、スルーホール４６底部にタンタルナイトライド層が形成されておらず、物理的，電気的接続を同種材料で行っていることにあり、これにより、第１の実施形態での効果に加えて、スルーホール部の低抵抗化および信頼性向上を実現できる。さらに、本実施形態では、スルーホール４６の第１の金属配線４６に対する位置合わせ余裕度を大きくすることができる。

位置合わせ余裕度の拡大効果について図５を用いて説明する。図５は、下層配線に対してスルーホールの位置合わせに関して最大限に許容できるずれ位置を示したものである。銅を用いた配線構造においては銅の拡散，酸化を防ぐために銅は金属もしくは絶縁膜の拡散，酸化防止膜（４３）で保護されていなければならない。従来の半導体装置でスルーホール底部のタンタルナイトライドを除去した場合の最大許容ずれ位置は図５（ａ）の位置になる。本発明の第２の実施形態では、下層配線のタンタルナイトライド４２ａの外側にシリコン炭化膜（４３）が形成されているため、下層配線に対するスルーホールの位置合わせ最大許容ずれ量をシリコン炭化膜厚分（図５（ｂ）中のＸ）大きくすることができる。

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６を参照しながら説明する。

まず、シリコンからなる半導体基板（図示せず）上にトリメチルシランと二酸化炭素を原料としたプラズマＣＶＤ法により、炭素含有シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜６１を５００ｎｍの膜厚で堆積する（図６（ａ））。

次に、第１の金属配線溝パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ドライエッチ法により第１の絶縁膜６１を２５０ｎｍ程度の深さ分エッチング除去し配線溝６２を形成する（図６（ｂ））。

次に、スパッタ法によりタンタルナイトライド６３ａを２０ｎｍ，銅６３ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する。ここでタンタルナイトライド６３ａは銅６３ｂの拡散，酸化防止を目的にするものである（図６（ｃ））。

次に、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法により第１の絶縁膜６１上にある不要なタンタルナイトライド６３ａと銅６３ｂを除去し，第１の金属配線６３を形成する。

ここで、第１の絶縁膜６１は柔らかい炭素含有シリコン酸化膜からなるため、この第１の金属配線６３形成のためのＣＭＰ時に、ＣＭＰ研磨砥粒（アルミナやシリカ等）により、第１の絶縁膜６１上にスクラッチ（ひっかき傷状の凹状欠陥）が形成され、その部分に銅６３ｂが埋め込まれてしまい、金属残６４が形成される（図６（ｄ））。

次に、炭素含有シリコン酸化膜を溶解させるアルカリ系溶液、たとえば、アミン系アルカリ溶液により、第1の絶縁膜６１を表面から５０ｎｍ程度エッチング除去し、第１の金属配線６３の表面よりも第１の絶縁膜６１表面を下方に位置させる。この際、金属残６４は第１の絶縁膜６１からリフトオフされ除去される。第１の絶縁膜６１中に形成された、金属残６４が除去されることにより第１の金属配線６３間の短絡を防止させることができる（図６（ｅ））。

ここで、第１の絶縁膜６１の除去を炭化水素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングを行った後にアルカリ系溶液で１０ｎｍ程度エッチング除去を行っても同様の効果が得られる。

次に、塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングを行うことにより、第１の金属配線６３の構成要素であるタンタルナイトライド６３ａを選択的にエッチング除去し、タンタルナイトライド６３ａの表面を銅６３ｂの表面よりも下方に位置させる。この際、タンタルナイトライド６３ａ上に微小に存在している銅６３ｂが完全に除去され、第１の金属配線６３間の短絡に対する信頼性を向上させることができる（図６（ｆ））。

次に、第１の絶縁膜６１上および第１の金属配線６３上にシリコン炭化膜からなる第２の絶縁膜６５を５０ｎｍ堆積し、第１の金属配線６３中の銅６３ｂが拡散，酸化されないように保護をする。続いて炭素含有シリコン酸化膜からなる第３の絶縁膜６６を５００ｎｍ堆積する（図６（ｇ））。

次に、第３の絶縁膜６６中に、リソグラフィー法およびドライエッチング法によりスルーホール６７および配線溝６８を形成する。この時、スルーホール６７直下は第１の金属配線６３表面が露出するように加工を行う（図６（ｈ））。

ここまでは、本発明の第１の実施形態の半導体装置の製造方法と全く同様である。

次に、第１の金属配線形成の際と同様に、スパッタ法によりタンタルナイトライド６９ａを２０ｎｍ堆積する。この際、スルーホール６７底部はその形状のためタンタルナイトライドの被服率が配線溝６８底部より少なくなる。（図６（ｉ））。

次に、アルゴンのみのバイアススパッタ法により、スルーホール６７底部のタンタルナイトライド６９ａを除去し、第１の金属配線６３表面の銅６３ｂを露出させる。このとき、配線溝底部のタンタルナイトライド６９ａは残るようにバイアス電圧を調整する（図６（ｊ））。

次に、タンタルナイトライド６９ａおよびスルーホール６７底部の第１の金属配線６３表面に露出している銅６３ｂ上に、銅６９ｂを電解めっき法により６００ｎｍ程度堆積する（図６（ｋ））。

次に、第１の金属配線６３形成と同様（図６（ｄ，ｅ，ｆ）に、ＣＭＰ法により第３の絶縁膜６６上にある不要なタンタルナイトライド６９ａと銅６９ｂを除去し，その後、金属残除去のためのアミン系アルカリ溶液による第３の絶縁膜６６表面の除去，塩素系ガスでのドライエッチングによるタンタルナイトライド６９ａ表面の除去を行い第２の金属配線６９を形成する（図６（ｌ））。

以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、第１の金属配線６３と第２の金属配線６９との物理的，電気的接続を同種材料で行うことができ、かつ、スルーホール６７の第１の金属配線６３に対する位置合わせ余裕度を大きくすることができる。その結果、スルーホール部の低抵抗化および信頼性向上を実現した半導体装置を製造できる。

なお、第１の金属配線６３と第２の金属配線６９を、図３の金属配線５３のようにタンタルナイトライドと銅の表面が同一となるようにしてもよい。

本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、金属配線形成時の金属残が原因となる金属配線間の短絡を防止することができ、層間絶縁膜として機械的強度の弱い炭素含有シリコン酸化膜等を用いた場合等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図 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１の実施形態に係る半導体装置の他の配線構造を示す断面図 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の利点を説明する図 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 従来の半導体装置の断面図 従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図

符号の説明

１ 第１の絶縁膜
２ 第１の金属配線
３ 第２の絶縁膜
４ 金属残
５ 第３の絶縁膜
６ 第２の金属配線
６ａ タンタルナイトライド
６ｂ 銅
７ スルーホール
１１ 第１の絶縁膜
１２ 配線溝
１３ａ タンタルナイトライド
１３ｂ 銅
１３ 第１の金属配線
１４ 金属残
１５ 第２の絶縁膜
１６ 第３の絶縁膜
１７ スルーホール
１８ 配線溝
１９ａ タンタルナイトライド
１９ｂ 銅
１９ 第２の金属配線
２０ 金属残
３１ 第１の絶縁膜
３２ａ タンタルナイトライド
３２ｂ 銅
３２ 第１の金属配線
３３ 第２の絶縁膜
３４ 第３の絶縁膜
３５ａ タンタルナイトライド
３５ｂ 銅
３５ 第２の金属配線
３６ スルーホール
４１ 第１の絶縁膜
４２ａ タンタルナイトライド
４２ｂ 銅
４２ 第１の金属配線
４３ 第２の絶縁膜
４４ 第３の絶縁膜
４５ａ タンタルナイトライド
４５ｂ 銅
４５ 第２の金属配線
４６ スルーホール
５１ 第１の絶縁膜
５２ 配線溝
５３ａ タンタルナイトライド
５３ｂ 銅
５３ 第１の金属配線
５４ 金属残
５５ 第２の絶縁膜
５６ 第３の絶縁膜
５７ スルーホール
５８ 配線溝
５９ａ タンタルナイトライド
５９ｂ 銅
５９ 第２の金属配線
６１ 第１の絶縁膜
６２ 配線溝
６３ａ タンタルナイトライド
６３ｂ 銅
６３ 第１の金属配線
６４ 金属残
６５ 第２の絶縁膜
６６ 第３の絶縁膜
６７ スルーホール
６８ 配線溝
６９ａ タンタルナイトライド
６９ｂ 銅
６９ 第２の金属配線

Claims (24)

1. 絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれ、かつ前記絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する金属配線を備えた半導体装置。
2. 前記絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
3. 第１の絶縁膜に形成された配線溝に埋め込まれ、かつ前記第１の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する金属配線と、
   前記第１の絶縁膜および前記金属配線上で前記第１の絶縁膜と前記金属配線の表面に沿った形状に形成された第２の絶縁膜とを備えた半導体装置。
4. 前記第１の絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする、請求項３記載の半導体装置。
5. 前記金属配線が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項１または３記載の半導体装置。
6. 前記金属配線は少なくとも２層の導体膜が前記配線溝に埋め込まれて構成されており、前記配線溝に埋め込まれた外側に位置する前記導体膜の表面位置が内側に位置する前記導体膜の表面位置よりも低いことを特徴とする、請求項１または３記載の半導体装置。
7. 前記少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、前記上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、前記下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項６記載の半導体装置。
8. 第１の絶縁膜に形成された第１の配線溝に埋め込まれ、かつ前記第１の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する第１の金属配線と、
   前記第１の絶縁膜および前記第１の金属配線上で前記第１の絶縁膜と前記第１の金属配線の表面に沿った形状に形成された第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜上に形成された第３の絶縁膜と、
   前記第３の絶縁膜に形成された第２の配線溝に埋め込まれ、かつ前記第３の絶縁膜の表面よりも上方に配線表面が位置する第２の金属配線と、
   前記第２の絶縁膜および第３の絶縁膜中に形成され前記第１の金属配線と前記第２の金属配線とを接続する接続部とを備えた半導体装置。
9. 前記第１の金属配線と前記第２の金属配線が、異なる導体膜からなることを特徴とする、請求項８記載の半導体装置。
10. 前記第１の金属配線と前記第２の金属配線の少なくとも一方は、少なくとも２層の導体膜が前記配線溝に埋め込まれて構成されており、前記配線溝に埋め込まれた外側に位置する前記導体膜の表面位置が内側に位置する前記導体膜の表面位置よりも低いことを特徴とする、請求項８記載の半導体装置。
11. 前記少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、前記上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、前記下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項１０記載の半導体装置。
12. 前記第１の絶縁膜および第３の絶縁膜が、シリコン酸化膜よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする、請求項８記載の半導体装置。
13. 前記第１の金属配線と前記第２の金属配線と前記接続部とはそれぞれの少なくとも一部が同種の導体からなり、前記第１の金属配線と前記第２の金属配線と前記接続部との前記同種の導体同士が接続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。
14. 絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
    前記配線溝を埋め込む金属配線層を堆積する工程と、
    化学的機械的研磨を行うことにより前記配線溝からはみ出した前記金属配線層を除去する工程と、
    前記絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の前記絶縁膜の表面を前記配線溝に埋め込まれている前記金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程とを含む半導体装置の製造方法。
15. 前記絶縁膜が、前記化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする、請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記金属配線層が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
17. 少なくとも２層の導体膜を前記金属配線層として堆積し、
    前記絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、前記配線溝に埋め込まれている前記金属配線層の外側に位置する前記導体膜の表面位置を内側に位置する前記導体膜の表面位置よりも低くする工程を有することを特徴とする、請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、前記上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、前記下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項１７記載の半導体装置の製造方法。
19. 第１の絶縁膜に第１の配線溝を形成する工程と、
    前記第１の配線溝を埋め込む第１の金属配線層を堆積する工程と、
    第１の化学的機械的研磨を行うことにより前記第１の配線溝からはみ出した前記第１の金属配線層を除去する工程と、
    前記第１の絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の前記第１の絶縁膜の表面を前記第１の配線溝に埋め込まれている前記第１の金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程と、
    次に、前記第１の絶縁膜上および第１の金属配線層上に第２の絶縁膜を堆積する工程と、
    前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を堆積する工程と、
    前記第３の絶縁膜に第２の配線溝を形成するとともに、前記第２の絶縁膜および第３の絶縁膜を貫通するスルーホールを形成することにより所定部分の前記第１の金属配線層の表面を露出させる工程と、
    前記第２の配線溝およびスルーホールを埋め込む第２の金属配線層を堆積する工程と、
    第２の化学的機械的研磨を行うことにより前記第２の配線溝およびスルーホールからはみ出した前記第２の金属配線層を除去する工程と、
    前記第３の絶縁膜の表面部分を除去することにより、この除去後の前記第３の絶縁膜の表面を前記第２の配線溝に埋め込まれている前記第２の金属配線層の表面よりも下方に位置させる工程と含む半導体装置の製造方法。
20. 前記第１の絶縁膜が、前記第１の化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりなり、前記第３の絶縁膜が、前記第２の化学的機械的研磨を行う際に用いる研磨砥粒よりも機械的強度の弱い材料よりなることを特徴とする、請求項１９記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層が、銅、アルミニウム、銅と高融点金属または高融点金属化合物、または、アルミニウムと高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項１９記載の半導体装置の製造方法。
22. 少なくとも２層の導体膜を前記第１の金属配線層として堆積し、
    前記第１の絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、前記第１の配線溝に埋め込まれている前記第１の金属配線層の外側に位置する前記導体膜の表面位置を内側に位置する前記導体膜の表面位置よりも低くする工程を有するとともに、
    少なくとも２層の導体膜を前記第２の金属配線層として堆積し、
    前記第３の絶縁膜の表面部分を除去する工程の後に、前記第２の配線溝に埋め込まれている前記第２の金属配線層の外側に位置する前記導体膜の表面位置を内側に位置する前記導体膜の表面位置よりも低くする工程を有することを特徴とする、請求項１９記載の半導体装置の製造方法。
23. 前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層であるそれぞれの前記少なくとも２層の導体膜が上層と下層の２層の導体膜からなり、前記上層の導体膜が銅またはアルミニウムからなり、前記下層の導体膜が高融点金属または高融点金属化合物からなることを特徴とする、請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
24. 前記第２の配線溝およびスルーホールを埋め込む第２の金属配線層を堆積する工程は、
    前記第２の金属配線層を少なくとも２層の導体膜とし、最下層の前記導体膜を堆積した後、前記スルーホール底部にある前記最下層の導体膜を除去し、その後、最下層より上層の前記導体膜を堆積することを特徴とする、請求項１９記載の半導体装置の製造方法。

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