JP2008060415A

JP2008060415A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2008060415A
Application number: JP2006236810A
Authority: JP
Inventors: Isato Nasu; 勇人那須; Akihiro Kajita; 明広梶田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Microelectronics Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP4740071B2

Abstract

【課題】銅と銅以外の異種材料を使用した配線とプラグ等の配線導電体間において、銅の拡散を効果的に防止することにより、信頼性を向上した半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板上の第一の層間絶縁層１００内に形成されたタングステンプラグ１０１ａと、タングステンプラグ１０１ａ上に形成された導電性かつ薄膜のコバルト含有キャップ膜１０３と、第一の層間絶縁層１００の上層層間絶縁層である第二の層間絶縁層１０４内において、タングステンプラグ１０１ａ上にキャップ膜１０３を介して形成された銅配線１０５ａを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特に配線及びプラグ等の配線導電体を有する半導体装置に関する。

近年の微細配線構造の半導体装置においては、高速化、微細化等の種々の要求に応じるため、配線及びプラグ等にはそれぞれ異なる導電材料が主成分として使用されることがある。

しかし、このような半導体装置において、配線材料に低抵抗の銅が使用された場合、配線中の銅が、プラグ等に使用される銅以外の異種材料、例えばタングステンへ容易に拡散することにより、信頼性が劣化する恐れがある。

これに対し、銅配線とプラグ間に、ＴａＮ膜、Ｔａ膜等の銅拡散バリア膜を形成して、銅配線からプラグへの銅拡散を防止する従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この従来技術に係る拡散バリア膜では、微細化が進み、更なる薄膜化が要求された場合、膜の連続性が保てなくなり、銅の拡散防止を十分に防止することができず、半導体装置の信頼性を低下させる恐れがある。
特開２００４−２０７２８１号（図６）

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、銅と銅以外の異種材料を主成分としてそれぞれ使用した配線とプラグ等の配線導電体間において、銅の拡散を効果的に防止することにより、信頼性を向上した半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置は、第一の配線導電体と、前記第一の配線導電体上に形成された導電性のコバルト含有キャップ膜と、前記第一の配線導電体上に前記キャップ膜を介して形成された第二の配線導電体を備え、前記第一及び前記第二の配線導電体の一方のみが、銅を含有することを特徴とする。

本発明によれば、銅と銅以外の異種材料を主成分としてそれぞれ使用した配線とプラグ等の配線導電体間において、銅の拡散を効果的に防止することにより、信頼性を向上した半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法について図面を参照して説明する。

本実施例に係る半導体装置は、シリコン基板等の半導体基板上にシリコン酸化膜等により構成される層間絶縁層が積層されており、各層間絶縁層内には、プラグ又は配線等の配線導電体が所定の設計に基づき形成され、上、下層の配線がそれぞれプラグにより電気的に接続される多層配線構造を有している。

本実施例では、半導体装置の低抵抗化を図るため、配線材料には電気抵抗率の低い銅又は銅合金を使用する。一方、プラグ材料には銅と異なる導電材料、本実施例ではアルミニウム等に比較してステップカバレッジ特性が優れ、アスペクト比の高い微細ホール等への埋め込み特性の良好なタングステンを主成分として使用する。このように、本実施例に係る半導体装置では、銅と銅以外の異種材料を主成分として使用した銅配線とタングステンプラグを有するが、プラグには、銅が不純物として微量添加されていてもよい。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を説明する。図１は、本実施例に係る半導体装置の要部の構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施例に係る半導体装置では、所定の層間絶縁層１００（第一の層間絶縁層１００）に、所定の設計位置に配置されたタングステンプラグ１０１ａ（第一の配線導電体１０１）が上下に貫通するように形成されている。本実施例では、プラグ径を３０ｎｍ程度〜１００ｎｍ程度とし、プラグ径とプラグの深さの比で表されるアスペクト比（プラグの深さ／プラグ径）を５程度としている。

プラグ１０１ａの側面には、膜厚３ｎｍ〜１０ｎｍ程度のＴｉＮ、Ｔｉ、ＴａＮ、Ｔａ等を構成材料とする薄膜の酸化防止膜１０２が形成されており、この酸化防止膜１０２によりタングステンプラグ１０１ａ表面への酸化ガスの曝露又は水分の浸入等を防ぐことができる。なお、酸化防止膜１０２は、タングステンプラグ１０１ａからプラグ１０１ａと隣接する層間絶縁層１００へのタングステンの拡散を抑制する効果も有している。

プラグ１０１ａ上には、主にプラグ１０１ａ上面からプラグ１０１ａ内部への不純物成分の拡散を防止するため、キャップ膜１０３が形成されている。キャップ膜１０３は、無電解めっき法により形成されるコバルトを構成成分とする膜厚５ｎｍ程度の薄膜の高融点金属であり、例えば、コバルトにタングステン等の金属成分を添加したコバルト化合物、すなわちＣｏＷＢ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢＰ、ＣｏＢＰ、ＣｏＢ、ＣｏＰ等の薄膜である。

第一の層間絶縁層１００上には、上層の層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）が形成され、第二の層間絶縁層１０４内には銅配線１０５ａ（第二の配線導電体１０５）が形成されている。銅配線１０５ａは、キャップ膜１０３を介してプラグ１０１ａ上に形成されており、プラグ１０１ａを介して下層の配線（図示を省略）と電気的に接続されている。

本実施例に係る半導体装置における無電解めっき法により形成されたコバルト含有キャップ膜１０３は、詳細な成膜方法は後述するが、スパッタ法（ＰＶＤ法：Physical Vapor Deposition）等により形成されるＴｉＮ、Ｔｉ、ＴａＮ、Ｔａ等を構成材料とする一般的な拡散バリア膜に比較して、膜質を連続的に均一に成膜することができるとともに、膜厚を１０ｎｍ程度以下に薄く成膜することが可能である。このように、配線１０５ａとプラグ１０１ａ間に形成されたキャップ膜１０３の膜厚を薄くし、さらに膜質を均一化することで、配線１０５ａとプラグ１０１ａ間での電気抵抗を低減するとともに、配線１０５ａからプラグ１０１ａへの銅拡散を防止することができる。

また本実施例におけるキャップ膜１０３は、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を使用して成膜されるＴｉＮ、Ｔｉ、ＴａＮ、Ｔａ等の薄膜の拡散バリア膜と比較しても、銅配線１０５ａとの密着性に優れているため、銅配線１０５ａからプラグ１０１ａ内への銅の拡散を効果的に防止することができる。

さらに本実施例では、銅配線１０５ａと銅配線１０５ａの側面及び底面において隣接する第一、第二の層間絶縁層１００、１０４との界面に、ＭｎＳｉＯ膜１０６が自己整合的に形成されている。ＭｎＳｉＯ膜１０６は、銅配線１０５ａから第一、第二の層間絶縁層１００、１０４への銅の拡散を防止する膜厚２ｎｍ〜４ｎｍ程度の薄膜の拡散バリア膜１０６であり、一般的に銅配線の拡散バリア膜として使用されるＴｉＮ、Ｔｉ、ＴａＮ、Ｔａ等の拡散バリア膜に比較して、銅との密着性が高く、また膜質が均一で安定しているため、銅の拡散防止効果に優れ、さらには配線表面への酸化ガスの曝露又は水分の侵入を効果的に回避できる。

次に、図２を参照して、以上のような本実施例に係る半導体装置の層間絶縁層内に形成されるプラグ及び配線の製造方法を説明する。図２は、本実施例に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図２（ａ）に示したように、単結晶シリコン等の半導体基板（図示を省略）にＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜等の層間絶縁層を積層した後、フォトリソグラフィにより、所定の層間絶縁層１００（第一の層間絶縁層１００）上に、レジスト膜（図示を省略）を形成して、レジスト膜にプラグ形成用の開口部を形成する。さらに、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、レジスト膜をマスクにして第一の層間絶縁層１００をエッチング除去し、第一の層間絶縁層１００にプラグを形成するためのホール１０７を形成する。ホールは、ホール径を例えば５０ｎｍ〜１２０ｎｍ程度とし、アスペクト比（ホールの深さ／ホール径）を、例えば５程度としている。なおここでは、図示を省略するが、ホール１０７は下層の配線上の所定の設計位置に形成される。

次に、図２（ｂ）に示すように、スパッタ法により、第一の層間絶縁層１００上及びプラグ形成用のホール１０７の内壁に、例えばＴｉＮ、ＴａＮ等の酸化防止膜１０２を形成し、さらに、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、又はスパッタ法等を使用してタングステン等の導電性のプラグ材料をプラグ形成用ホール１０７に埋め込む。続いて、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、プラグ形成用のホール１０７外部に形成されたプラグ材料及びバリア膜材料を順に研磨除去して、第一の層間絶縁層１００内部にプラグ１０１ａ（第一の配線導電体１０１）及び酸化防止膜１０２を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、無電解めっき法を用いて、プラグ１０１ａ上にプラグ１０１ａへの不純物の拡散を防止するためのコバルトを含有したキャップ膜１０３、例えばＣｏＷＰ、ＣｏＢＰ等を自己整合的に形成する。ここで、キャップ膜１０３の具体的な形成方法について、以下に説明する。

まず、プラグ１０１ａが露出した第一の層間絶縁層１００表面を、タングステンよりもイオン化傾向の小さい金属元素、例えばパラジウムを含んだ塩化パラジウム水溶液に浸漬して、プラグ１０１ａ表面のタングステン原子をパラジウム原子に置換させ、タングステンプラグ１０１ａ表面のみにパラジウムのめっき層を自己整合的に形成する。このパラジウムのめっき層は触媒活性層として機能するものであり、このようにプラグ１０１ａ表面に置換金属のめっき層を形成する処理を、プラグ１０１ａ表面の活性化処理とする。

さらに、プラグ１０１ａ表面に活性化処理を施した後、塩化コバルト水溶液等を含むめっき液を使用した無電解めっき法により、プラグ１０１ａ表面の触媒活性層形成部にコバルトを構成成分として含んだキャップ膜１０３を自己整合的に形成する。

なお、このとき、置換される金属を含有しない第一の層間絶縁層１００表面には触媒活性層が形成されず、プラグ１０１ａ表面のみに触媒活性層が形成されているため、キャップ膜１０３はプラグ１０１ａ上にのみ形成される。通常、スパッタ法又はＣＶＤ法等を使用してプラグ上に導電性のキャップ膜を形成する場合には、成膜後に例えばフォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、絶縁層上のキャップ膜を除去してプラグ間を絶縁する必要があるが、本実施例に係るキャップ膜１０３はプラグ１０１ａ上にのみ選択的に形成されるため、キャップ膜除去工程を削減することが可能となり製造工程を簡易化することができる。

また、キャップ膜１０３は、他の無電解めっき法によっても形成することができる。すなわち、プラグ１０１ａを形成した後、酸系薬液、例えばクエン酸、塩酸、希硫酸等のタングステン酸化物と反応し、かつタングステンには大きな損傷を加えない薬液を使用して、プラグ１０１ａ表面の酸化物を除去すること等によりプラグ１０１ａ表面を活性化させた後、窒素フォーミングガス下において、ボロン又はリンを含んだ５０℃から１５０℃程度の硫酸系コバルト（Ｃｏ）薬液をタングステンプラグ１０１ａ表面上に供給する。

このとき、例えばボロン（Ｂ）を触媒とした場合、ボロン酸化物はタングステン（Ｗ）に３価の電子を与えることでＢ^３＋になり、プラグ１０１ａ表面にはボロンによって与えられた電子により負の電荷が蓄積する。このプラグ１０１ａ表面に硫酸系薬液中のＣｏ^２＋が引き寄せられて蓄積され、コバルト膜１０３（キャップ膜１０３）がプラグ１０１ａ表面上に成膜される。一方、絶縁層１００にはボロンが電子を与えることができないため、絶縁層１００上にコバルト膜１０３が成膜されず、プラグ１０１ａ表面上のみに選択的な成膜が可能となる。

なお、このようにコバルトを含有した高融点キャップ膜１０３を成膜した後、常温程度の温度下で酸系薬液（硫酸、フッ酸、リン酸、塩酸等）を用いてその表面を洗浄し、めっき液残渣の除去とコバルト含有キャップ膜１０３表面の安定化を図る。

次に、図２（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法等により第一の層間絶縁層１００及びプラグ１０１ａ上に、シリコン酸化膜等の層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）を積層した後、ホール１０７形成工程と同様、フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、第二の層間絶縁層１０４の所定位置に配線溝１０８を形成する。ここで、配線溝１０８は、プラグ１０１ａ上のキャップ膜１０３を露出させるように形成される。

次に、図２（ｅ）に示すように、第二の層間絶縁層１０４上及び配線溝１０８内壁にＣｕＭｎ合金層１０９を形成する。ここで、ＣｕＭｎ合金層１０９は、後述する電解メッキのシード層として機能するものであり、例えばスパッタ法により厚さ５〜２０ｎｍに形成する。ＣｕＭｎ合金層１０９におけるＭｎの含有量は、０．０５〜２０ａｔ％程度である。続いて、２００℃〜４００℃、５分〜６０分程度の加熱処理を施して、ＣｕＭｎ合金層１０９のＭｎをＣｕＭｎ合金層１０９と第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４の界面に析出させ、銅拡散バリア膜であるＭｎＳｉＯ膜を自己整合的に形成する。すなわち、第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４との界面に極めて安定な酸化膜が形成される。

なおここで、ＣｕＭｎ合金層１０９内部のＭｎは、熱処理により第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４との界面近傍へ拡散されるため、ＣｕＭｎ合金層１０９のうち第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４との界面側と反対側の部分は、Ｍｎの含有量の少ないＣｕＭｎ合金層１０９又はＣｕ層となる。また、ＣｕＭｎ合金層１０９のうちキャップ膜１０３上に位置する部分は、熱処理によりＭｎが絶縁層１００、１０４近傍へ拡散することで、その全体がＣｕ膜に変化する。

ただし、図２（ｅ）においては、配線溝１０８の第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４界面に形成されたＭｎＳｉＯ膜、及びキャップ膜１０３上のＣｕ膜等の図示を省略し、纏めてＣｕＭｎ合金層１０９と図示している。

次に、図２（ｆ）に示すように、第二の層間絶縁層１０４上及び配線溝１０８内部に、電気めっき等により銅１０５ａを埋め込み形成した後、第二の層間絶縁層１０４上の銅１０５ａ及びＣｕＭｎ合金層１０９を研磨除去する。このとき、キャップ膜１０３上に形成されていたＣｕＭｎ合金層１０９は、熱処理によりＣｕ膜に変化しているため、タングステンプラグ１０１ａと埋め込んだ銅配線１０５ａの間にはＭｎが介在せず、薄膜のキャップ膜１０３のみが介在することになる。従って、ＣｕＭｎ合金層１０９の形成によって、プラグ１０１ａと配線１０５ａ間における電気抵抗が上昇するという恐れを回避することができる。

また一方で、銅配線１０５ａと第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４の界面には、銅拡散バリア膜１０６（ＭｎＳｉＯ膜１０６）が自己整合的に形成されているため、銅配線１０５ａから第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４への銅の拡散が防止される。

以上の工程により、本実施例に係る半導体装置を製造することができる。本実施例に係る半導体装置では、銅配線１０５ａとプラグ１０１ａ間には銅との密着性が高い薄膜のコバルト含有キャップ膜１０３が自己整合的に形成され、銅配線１０５ａと第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４間には薄膜の安定なＭｎＳｉＯ膜１０６が自己整合的に形成されている。したがって、本実施例に係る半導体装置によれば、銅配線１０５ａとプラグ１０１ａ間の抵抗値を低く抑えつつ、銅配線１０５ａからプラグ１０１ａ及び配線１０５ａに隣接する第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４への銅の拡散を十分に防止することができ、その信頼性を向上することができる。

なお本実施例では、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示す工程において、配線溝１０８内部等に形成したＣｕＭｎ合金層１０９を加熱した後、配線溝１０８に銅１０５ａを埋め込み形成しているが、配線溝１０８にＣｕＭｎ合金層１０９及び銅１０５ａを形成した後、半導体装置に加熱処理を施してもよい。

このような製造工程であっても、上述と同様の構成を有する半導体装置を製造することが可能であり、銅との密着性の高い薄膜キャップ膜１０３を介してタングステンプラグ１０１ａと銅配線１０５ａが電気的に接続されるため、銅配線１０５ａとプラグ１０１ａとの間の抵抗値の上昇を抑制すると同時に、プラグ１０１ａ及び配線１０５ａと隣接する第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４への銅の拡散を効果的に防止することができる。

また本実施例に係る半導体装置では、プラグ材料として埋め込み特性の良好なタングステンを使用しているが、他に銅以外の金属材料、例えばアルミニウム、コバルト等を使用してもよい。プラグ材料としてコバルトを使用する場合は、キャップ膜１０３の密着性を高めるため、キャップ膜１０３にタングステン等を添加する。

また、銅配線１０５ａと第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４の界面に形成する拡散バリア膜１０６にはＭｎとＳｉとＯの化合物膜を使用したが、他の金属元素とＳｉとＯの化合物膜、Ｍｎ又は他の金属元素とＯとの化合物膜を用いることもできる。すなわち、例えばＮｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ等の酸化物を形成しやすく、シリコン酸化膜等の層間絶縁層とのぬれ性に富み、絶縁層界面に安定して存在するとともに、銅中に固溶するよりも析出あるいは化合物を形成しやすい金属元素とＳｉとＯの化合物等を拡散バリア膜として使用することができる。

また本実施例に係る半導体装置では、プラグ１０１ａ上にキャップ膜１０３を形成し、さらにキャップ膜１０３上に配線を形成しているが、図１（ｂ）に示すように、銅配線１０１ｂ（第一の配線導電体１０１）上に上述と同様のコバルト含有キャップ膜１０３を無電解めっき法により形成して、さらにキャップ膜１０３上にタングステンプラグ１０５ｂ（第二の配線導電体１０５）を埋め込み形成する場合においても、銅配線１０１ｂからタングステンプラグ１０５ｂへの銅の拡散をキャップ膜１０３によって効果的に防止することができる。なお、このような構造であれば、キャップ膜１０３は、銅配線１０１ｂ上面の全面に自己整合的に形成されるので、銅配線１０１ｂからその上部に位置する層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）への銅拡散も同時に防止することができる。

本発明の実施例２に係る半導体装置の構成について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施例２に係る半導体装置の要部を示す断面図である。

本実施例に係る半導体装置は、プラグ表面部に凹部を有する点及びその凹部の内壁（側部及び底部）表面に窒素含有金属シリサイド膜が形成されている点で上記実施例１に係る半導体装置と異なる。従って以下、本実施例に係る半導体装置の説明においては、実施例１に係る半導体装置の構成及び製造方法と同様の部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施例に係る半導体装置は、実施例１に係る半導体装置と同様、半導体基板上に積層された層間絶縁層内にそれぞれタングステンプラグ及び銅配線が形成された多層配線構造を有している。

図３に示すように、タングステンプラグ１０１ａ上には、実施例１に示したコバルトを含有したキャップ膜１０３が無電解めっき法により形成され、さらにキャップ膜１０３上には銅配線１０５ａが形成されている。タングステンプラグ１０１ａと所定の層間絶縁層１００（第一の層間絶縁層１００）の間にはＴｉＮ、ＴａＮ等の酸化防止膜１０２が形成され、銅配線１０５ａと層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）の間にはＭｎＳｉＯ膜等の安定な拡散バリア膜１０６が形成されている。

また本実施例では、プラグ径を３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度とし、アスペクト比を５程度以上とする。このように、半導体装置に形成されるプラグの径が微細になりアスペクト比が増大する場合、図３に示したように、埋め込みプラグ１０１ａの表面にボイドやシーム（凹部１１０）が発生することがある。

このプラグ１０１ａ表面の微細な隙間である凹部１１０は、後に説明する無電解めっき法によるプラグ１０１ａ上へのキャップ膜１０３の形成工程において、キャップ膜１０３により完全に覆うことが困難であるため、プラグ１０１ａ上へのＣｕＭｎ合金層１０９の形成又は銅配線１０５ａの埋め込み形成の際に、ボイドやシーム等の凹部１１０内部までＣｕＭｎ合金層１０９又は銅配線１０５ａが埋め込まれることがある。このような場合、プラグ１０１ａ表面の凹部１１０内部に入り込んだＣｕＭｎ合金層１０９又は銅配線１０５ａからプラグ１０１ａ内部へ銅が拡散する恐れがある。

これに対し、本実施例に係る半導体装置では、プラグ１０１ａ表面の凹部１１０からプラグ１０１ａ内部への銅の拡散を防止するため、プラグ１０１ａ表面の金属成分であるタングステンを構成材料とする窒素含有タングステンシリサイド膜１１１（窒素含有金属シリサイド膜１１１）が、プラグ１０１ａの凹部１１０の内壁表面に形成されている。

この窒素含有タングステンシリサイド膜１１１は、プラグ１０１ａ表面のタングステン成分をシリサイド化して窒化処理を施した薄膜であり、プラグ１０１ａの凹部１１０の内壁表面を、シリコンを含む反応性ガス、例えばシランガスに曝露し、さらに凹部１１０の内壁表面に窒素を含む反応性ガス、例えばアンモニアガスを用いてプラズマ処理を施して形成される薄膜である。窒素含有タングステンシリサイド膜１１１は、ボイドやシーム内部の非常に狭い隙間にも均一に成膜することが容易であり、また良好な膜質を有する薄膜である。

従って、キャップ膜１０３によって覆われない凹部１１０表面に窒素含有タングステンシリサイド膜１１１を形成することで、凹部１１０を含むプラグ１０１ａ表面全体をキャップ膜１０３及び窒素含有タングステンシリサイド膜１１１により確実に覆うことが可能となり、銅配線１０５ａからプラグ１０１ａ内部への銅の拡散を効果的に防止することができる。

次に、図４を参照して、以上のような本実施例に係る半導体装置の層間絶縁層内に形成されるプラグ及び配線等の製造方法を説明する。図４は、本実施例に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、所定の層間絶縁層１００（第一の層間絶縁層１００）にプラグ１０１ａ形成用のホール１０７を形成する。ホール１０７のサイズは、ホール径５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とし、アスペクト比を５程度以上とする。

次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ法によりＴｉＮ膜等の酸化防止膜１０２を第一の層間絶縁層１００上及びホール１０７内部に形成した後、電気めっき法によりプラグ材料としてタングステンを第一の層間絶縁層１００上及びホール１０７内部に埋め込み形成する。

このとき、プラグ１０１ａ材料をアスペクト比の高い微細ホール１０７へ確実に埋め込むことは非常に困難であり、タングステンの表面の一部においてボイド又はシーム等の凹部１１０が形成される。なお、凹部１１０の一部は、その底部がホール１０７内部まで届くように形成されている。

次に、この凹部１１０の内壁表面を含むプラグ１０１ａ表面に、バリア膜として窒素含有タングステンシリサイド膜１１１を形成する。具体的には、凹部１１０が形成された後、まず、半導体装置を２００℃から４００℃程度の一定の高温雰囲気に保った低圧チャンバー内に保持し、露出したタングステン表面にシランガスを曝露してタングステンシリサイド膜を形成する。さらに、一定の低圧状態を維持したまま、アンモニアガスを供給し、高周波電界を加えることによりアンモニアプラズマ処理を施し、凹部１１０の内壁を含むタングステン表面のタングステンシリサイド膜を窒化させることで自己整合的に薄膜の窒素含有タングステンシリサイド膜１１１を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、ＣＭＰにより、第一の層間絶縁層１００上の窒素含有タングステンシリサイド膜１１１、タングステン、酸化防止膜１０２を順に研磨除去し、第一の層間絶縁層１００を露出させる。

次に、図４（ｄ）に示すように、実施例１の図２（ｃ）に示す工程と同様の方法により、無電解めっき法を用いて、プラグ１０１ａ上にプラグ１０１ａへの不純物の拡散を防止するためのコバルトを含有したキャップ膜１０３、例えばＣｏＷＰ、ＣｏＢＰ等を自己整合的に形成する。なおこのとき、キャップ膜１０３は、ボイドやシーム等の凹部１１０内壁及び上部には完全に形成されない。

次に、図４（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法等により、第一の層間絶縁層１００上及びキャップ膜１０３上に層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）を形成した後、フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、第二の層間絶縁層１０４の一部を加工し、配線溝１０８を形成する。

さらに、配線溝１０８内部及び第二の層間絶縁層１０４上に膜厚５〜１００ｎｍ程度のＣｕＭｎ合金層１０９を形成する。続いて、加熱処理を施して、ＣｕＭｎ合金層１０９のＭｎを第一及び第二の層間絶縁層１００、１０４の界面に析出させ、その界面にＭｎＳｉＯ膜（図４（ｅ）においては図示を省略）を自己整合的に形成する。また、実施例１と同様、キャップ膜１０３上に位置するＣｕＭｎ合金層１０９は、熱処理によりＭｎが絶縁層近傍へ拡散することで、Ｃｕ膜（図示を省略）に変化する。

なおこのとき、ＣｕＭｎ合金層１０９がプラグ１０１ａ表面の凹部１１０の一部に入り込む場合があるが、凹部１１０の内壁表面には窒素含有タングステンシリサイド膜１１１が形成されているため、凹部１１０に入り込んだＣｕＭｎ合金層１０９の銅が、プラグ１０１ａの凹部１１０表面からプラグ１０１ａ内部へ拡散することはない。

次に、図４（ｆ）に示すように、電気めっき法等により、ＣｕＭｎ合金層１０９上及び配線溝１０８内部に、配線材料である銅１０５ａを埋め込み形成し、さらにＣＭＰにより、第二の層間絶縁層１０４上の銅配線１０５ａ及びＣｕＭｎ合金層１０９を研磨除去し、第二の層間絶縁層１０４を露出させる。

なお、銅配線１０５ａの埋め込み時においても、銅配線１０５ａがプラグ１０１ａ表面の凹部１１０の一部に入り込む場合があるが、凹部１１０の内壁表面には窒素含有タングステンシリサイド膜１１１が形成されているため、凹部１１０に入り込んだ銅が、プラグ１０１ａの凹部１１０表面からプラグ１０１ａ内部へ拡散することはない。

以上の工程により本実施例に係る半導体装置のプラグ及び配線等を形成することができる。本実施例に係る半導体装置によれば、プラグ１０１ａ表面にボイドやシーム等の凹部１１０が形成された場合であっても、銅の拡散バリア膜として、プラグ１０１ａ上にはキャップ膜１０３、プラグ１０１ａの凹部１１０の内壁表面には窒素含有タングステンシリサイド膜１１１、銅配線１０５ａと第一、第二の層間絶縁層１００、１０４の界面にはＭｎＳｉＯ膜１０６が形成されているため、プラグ１０１ａ上またはプラグ１０１ａ凹部１１０内部に形成されたＣｕＭｎ合金層１０９又は銅配線１０５ａからプラグ１０１ａ内部、さらには絶縁層１００、１０４への銅の拡散を十分に防止することができ、信頼性を確保することができる。

（実施例２の変形例）
以下に、図５を参照して、実施例２の変形例に係る半導体装置の構成を説明する。図５は、実施例２の変形例に係る半導体装置の要部の構成を示している。

実施例２の変形例に係る半導体装置は、実施例２に係る半導体装置とほぼ同様の構成を有しているが、図５に示すように、プラグ１０１ａ表面の凹部１１０の内壁以外に、プラグ１０１ａ上部表面にも窒素含有タングステンシリサイド膜１１１を形成し、さらにその上にキャップ膜１０３を形成している点で異なっている。

以下に、図６を参照して、本変形例の製造方法を説明する。図６は、本変形例に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図である。

本変形例の製造方法は実施例２に係る半導体装置の製造方法とほぼ同様であるが、窒素含有タングステンシリサイド膜１１１の形成工程において主に異なる。

すなわち、図６（ａ）に示すように、半導体基板１００に積層した層間絶縁層（第一の層間絶縁層１００）にプラグ１０１ａ形成用のホール１０７を形成した後、図６（ｂ）に示すように、スパッタ法等により、ＴｉＮ等の酸化防止膜１０２及びプラグ１０１ａ材料であるタングステン１０１ａを埋め込む。ここでプラグ１０１ａには、凹部１１０が形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、ＣＭＰにより、第一の層間絶縁層１００上のタングステン１０１ａ及び酸化防止膜１０２を順に研磨除去して、第一の層間絶縁層１００を露出する。さらに、プラグ１０１ａ表面にシランガスを曝露してタングステンシリサイド膜を形成した後、アンモニアガスを供給してプラズマ処理を施し、プラグ１０１ａ表面に自己整合的に薄膜の窒素含有タングステンシリサイド膜１１１を形成する。このとき、アンモニアプラズマ処理によりタングステンシリサイド膜中に含有される窒素を一定濃度以下にすることで、プラグ１０１ａの凹部１１０の内壁及びプラグ１０１ａの上部表面を導電性の窒素含有銅シリサイド膜１１４で覆うことが可能となる。

続いて、図６（ｄ）に示すように、無電解めっき法により、ＣｏＷＰ等のコバルト含有キャップ膜１０３をプラグ１０１ａ表面に形成された窒素含有タングステンシリサイド膜１１１上に形成する。

さらにその後は、図６（ｅ）に示すように、実施例２と同様、上層層間絶縁層１０４（第二の層間絶縁層１０４）を積層し、第二の層間絶縁層１０４に配線溝を形成した後、配線溝の絶縁層１０４界面にＭｎＳｉＯ膜等の拡散バリア膜１０６を自己整合的に形成する。さらに、電気めっき法等により配線溝１０８に銅を埋め込み、ＣＭＰにより、第二の層間絶縁層１０４上の銅及び拡散バリア膜１０６を研磨除去形成して、プラグ１０１ａ上にキャップ膜１０３を介して銅配線１０５ａを形成する。

以上のように製造される本変形例に係る半導体装置によれば、実施例２に係る半導体装置と異なり、キャップ膜１０３下にも窒素含有タングステンシリサイド膜１１１があるため、キャップ膜１０３上に形成された銅配線１０５ａからプラグ１０１ａへの銅拡散を、キャップ膜１０３及び窒素含有タングステンシリサイド膜１１１の二重の拡散バリア膜により防止することができるため、拡散防止効果をより高めることができる。

なお、実施例２及び本変形例に係る半導体装置においても、実施例１と同様に、プラグ１０１ａ材料として埋め込み特性の良好なタングステンを使用しているが、他に例えばアルミニウム、コバルト等を使用してもよい。

また、本実施例に係る半導体装置において、銅配線１０５ａ上部表面に上述と同様の方法で窒素含有銅シリサイド膜を形成し、さらに窒素含有銅シリサイド膜が形成された配線１０５ａ表面上にコバルト含有キャップ膜を形成し、次いでコバルト含有キャップ膜上にプラグを形成することもできる。このような構造であれば、窒素含有銅シリサイド膜及びキャップ膜が銅配線１０５ａ上面の全面に自己整合的に形成されるので、銅配線１０５ａからその上層に形成される層間絶縁層への銅拡散を効果的に防止することができる。

本発明の実施例１に係る半導体装置の要部の構成を示す断面図。本発明の実施例１に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図。本発明の実施例２に係る半導体装置の要部の構成を示す断面図。本発明の実施例２に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図。本発明の実施例２の変形例に係る半導体装置の要部の構成を示す断面図。本発明の実施例２の変形例に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程断面図。

符号の説明

１００：第一の層間絶縁層
１０１：第一の配線導電体
１０１ａ：プラグ
１０１ｂ：配線
１０２：酸化防止膜
１０３：キャップ膜
１０４：第二の層間絶縁層
１０５：第二の配線導電体
１０５ａ：配線
１０５ｂ：プラグ
１０６：バリア膜
１０７：ホール
１０８：配線溝
１０９：ＣｕＭｎ合金層
１１０：凹部
１１１：窒素含有金属シリサイド膜

Claims

第一の配線導電体と、
前記第一の配線導電体上に形成された導電性のコバルト含有キャップ膜と、
前記第一の配線導電体上に前記キャップ膜を介して形成された第二の配線導電体と、
を備え、
前記第一及び前記第二の配線導電体の一方のみが、銅を主成分とすることを特徴とする半導体装置。
前記第一の配線導電体は表面に凹部を有し、少なくとも前記凹部の内壁表面に、前記第一の配線導電体表面の金属（Ｍ）を構成成分とする窒素含有金属（Ｍ）シリサイド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。
前記第一の配線導電体表面には、前記第一の配線導電体表面の金属（Ｍ）を構成成分とする窒素含有金属（Ｍ）シリサイド膜が形成され、前記キャップ膜は前記窒素含有金属（Ｍ）シリサイド膜が形成された前記第一の配線導電体上部表面上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
前記第一の配線導電体はプラグであり、前記第二の配線導電体は銅配線であることを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体装置。
前記銅配線は、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅのうち少なくとも一つの金属元素とＯを含む膜を介して層間絶縁層と隣接していることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。