JP2008135569A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線溝に埋設された銅膜（銅配線）の抵抗を低減することができる、半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】絶縁膜１の表面に、配線溝２が形成された後、その配線溝２の内面を含む絶縁膜１の表面上に、ＣｕおよびＭｎの合金からなる合金膜３が被着される。この合金膜３の被着後、合金膜３（絶縁膜１）上に、Ｃｕ膜４が配線溝２を埋め尽くすように積層される。その後、１回目の熱処理が行われて、合金膜３と絶縁膜１との界面に、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜５が形成される。次いで、Ｃｕ膜４およびバリア膜５の配線溝２外の各不要部分が除去される。その後、２回目の熱処理が行われる。この熱処理により、配線溝２上にＭｎが析出する。そして、配線溝２上に析出したＭｎが除去される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置の高集積化に伴い、配線のさらなる微細化が要求されてきている。配線の微細化による配線抵抗の増大を抑えるため、配線材料として、従来から用いられてきたＡｌ（アルミニウム）に代えて、より導電性の高いＣｕ（銅）を適用することが検討されている。
Ｃｕ配線は、Ｃｕがドライエッチングなどによる微細なパターニングが困難であることから、いわゆるダマシン法によって形成される。このダマシン法では、まず、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる絶縁膜に、所定の配線パターンに対応した微細な配線溝が形成される。次に、絶縁膜上に、めっき法により、Ｃｕを堆積させることによりＣｕ膜が形成される。Ｃｕ膜は、配線溝を埋め尽くし、絶縁膜の表面全域を覆うような厚さに形成される。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、Ｃｕ膜が研磨される。このＣｕ膜の研磨は、Ｃｕ膜の配線溝外の部分がすべて除去され、配線溝外の絶縁膜の表面が露出するまで続けられる。これにより、配線溝内にのみＣｕ膜が残存し、配線溝内に埋設されたＣｕ配線が得られる。

Ｃｕは、Ａｌに比べて、酸化シリコンへの拡散性が高い。このため、酸化シリコンからなる絶縁膜上に直にＣｕ配線（Ｃｕ膜）が形成されると、絶縁膜中にＣｕが拡散し、配線間の短絡などを生じるおそれがある。
そのため、絶縁膜とＣｕ配線との間には、Ｃｕの絶縁膜への拡散を防止するためのバリア膜が必要となる。このバリア膜を形成する手法として、たとえば、Ｃｕ膜の形成に先立ち、配線溝が形成された絶縁膜上にＣｕとＭｎ（マンガン）との合金からなる合金膜を形成し、Ｃｕ膜の形成後に熱処理を行うことにより、合金膜中のＭｎを絶縁膜との界面に拡散させて、その界面にＭｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜を形成する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−２７７３９０号公報

ところが、この提案にかかる手法では、バリア膜の形成に寄与しない不要なＭｎがＣｕ配線中に残留し、Ｃｕ配線の抵抗の増大を招いてしまう。
図３に示すように、Ｍｎを含むＣｕの比抵抗は、Ｍｎの含有率にほぼ比例して増大することが知られている。純Ｃｕの比抵抗は、約１．９〜２．０μΩ・ｃｍであるのに対し、たとえば、原子数で１％（ａｔ％）のＭｎを含むＣｕの比抵抗は、約５〜６μΩ・ｃｍである。幅６０〜７０ｎｍの微細なＣｕ配線では、比抵抗の微少な増大であっても、配線抵抗の大幅な増大を招く。

そこで、本発明の目的は、配線溝に埋設された銅膜（銅配線）の抵抗を低減することができる、半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、絶縁膜の表面に、配線溝を形成する配線溝形成工程と、前記配線溝の内面に、銅および所定の金属元素を含む合金材料からなる合金膜を被着させる合金膜被着工程と、前記合金膜被着工程後、前記絶縁膜上に、銅膜を前記配線溝を埋め尽くすように堆積させる銅膜堆積工程と、前記銅膜の前記配線溝外の不要部分を除去する不要膜除去工程と、前記不要膜除去工程後、熱処理を行うことにより、前記所定の金属元素を前記配線溝上に析出させる金属元素析出工程と、前記金属元素析出工程後、前記配線溝上に析出した前記所定の金属元素を除去する析出金属除去工程とを含む、半導体装置の製造方法である。

すなわち、絶縁膜の表面に、配線溝が形成された後、その配線溝の内面に、銅および所定の金属元素を含む合金材料からなる合金膜が被着される。この合金膜の被着後、絶縁膜上に、銅膜が配線溝を埋め尽くすように積層される。次いで、銅膜の配線溝外の不要部分が除去されることにより、配線溝内に残存する銅膜の表面が絶縁膜の表面とほぼ面一となる。その後、熱処理が行われる。この熱処理により、配線溝上に所定の金属元素が析出する。そして、配線溝上に析出した所定の金属元素が除去される。

従来の手法では、合金膜の形成後、めっき法による銅膜（Ｃｕ膜）が形成される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜と絶縁膜との界面にバリア膜が形成される。そして、バリア膜の形成後に、銅膜の配線溝外の不要部分が除去されることにより、配線溝に埋め込まれた銅配線が得られる。このような工程順で銅配線を形成した場合に、銅配線中に不要なＭｎなどの金属元素が残留するメカニズムは、必ずしも明らかではないが、めっき法により銅膜を形成すると、銅膜中に不純物が混入し、この不純物が銅膜を形成する銅原子の粒界を塞ぐことによって、Ｍｎなどの金属元素の粒界に沿った移動が妨げられるからではないかと考えられる。

請求項１記載の製造方法では、銅膜の配線溝外の不要部分が除去されることにより、銅膜の厚さが小さくなるうえ、配線溝内の銅膜の表面に、不純物で塞がれていない銅原子の粒界が露出する。このため、その不要部分が除去された後の熱処理時に、合金膜に含まれる所定の金属元素が粒界に沿って移動しやすくなり、配線溝上に所定の金属元素が良好に析出する。したがって、配線溝に配設された銅膜（銅配線）における所定の金属元素の含有率を低減することができる。その結果、配線溝に配設された銅膜（銅配線）の抵抗を低減することができる。

前記析出金属除去工程は、前記絶縁膜および前記配線溝に埋設された前記銅膜を研削することにより、前記配線溝上から前記所定の金属元素を除去する工程であってもよい（請求項２）。
また、前記金属膜堆積工程後かつ前記不要膜除去工程前に、熱処理を行うことにより、前記絶縁膜と前記合金膜との界面に、前記絶縁膜の構成元素と前記所定の金属元素との化合物からなるバリア膜を形成するバリア膜形成工程が含まれてもよい（請求項３）。

さらにまた、前記所定の金属元素は、マンガンであってもよい（請求項４）。この場合に、絶縁膜の材料がＳｉＯ_２であれば、絶縁膜と合金膜との界面には、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜が形成される。
請求項５記載の発明は、配線溝を表面に有する絶縁膜と、前記配線溝に埋め込まれた銅配線と、前記配線溝の内面と前記銅配線との間に介在され、前記絶縁膜の構成元素と所定の金属元素との化合物からなるバリア膜とを含み、前記銅配線は、前記バリア膜との境界部分における前記所定の金属元素の含有率が０〜１ａｔ％の範囲内（０および１を含む。）である、半導体装置である。

このような構成の半導体装置は、請求項１記載の製造方法により得ることができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における各工程を模式的に示す断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１の表面に、凹状の配線溝２が形成される。絶縁膜１は、シリコン基板などの半導体基板（図示せず）上に積層されている。この半導体基板には、トランジスタなどの機能素子が形成されている。配線溝２は、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により形成することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、スパッタ法により、配線溝２の内面を含む絶縁膜１の表面全域に、ＣｕとＭｎとの合金からなる合金膜３が被着される。この合金膜３には、たとえば、原子数で１〜４％（ａｔ％）のＭｎが含まれる。また、配線溝２の幅（平面視で長手方向と直交する方向の幅）が９０〜１４０ｎｍである場合、合金膜３は、たとえば、３０〜９０ｎｍの膜厚に形成される。

つづいて、図１（ｃ）に示すように、めっき法により、合金膜３（絶縁膜１）上に、Ｃｕ膜４が形成される。このＣｕ膜４は、配線溝２を埋め尽くし、合金膜３の表面全域を覆うような厚さに形成される。
その後、絶縁膜１、合金膜３およびＣｕ膜４を含む構造物がアニール炉（図示せず）に搬入され、Ｎ_２（窒素）雰囲気下において、たとえば、３５０℃の温度条件で６０分間にわたる熱処理（アニール処理）が行われる。この熱処理によって、図１（ｄ）に示すように、合金膜３中のＭｎが拡散し、合金膜３と絶縁膜１との界面に、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜５が形成される。また、このとき、合金膜３中のＭｎの一部は、Ｃｕ膜４中を移動し、Ｃｕ膜４上に析出する。なお、バリア膜５の形成に伴って、合金膜３は、Ｃｕ膜４と実質的に一体となる。

次いで、ＣＭＰ法により、Ｃｕ膜４およびバリア膜５が研磨される。この研磨処理は、図１（ｅ）に示すように、Ｃｕ膜４およびバリア膜５の配線溝２外に形成されている不要部分がすべて除去されて、配線溝２外の絶縁膜１の表面が露出し、その絶縁膜１の表面と配線溝２内のＣｕ膜４の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、配線溝２内にのみ、Ｃｕ膜４およびバリア膜５が残存する。

その後、図１（ｅ）に示す構造物がアニール炉に再び搬入され、Ｎ_２雰囲気下において、たとえば、４００℃の温度条件で１０時間にわたる熱処理（アニール処理）が行われる。この２回目の熱処理によって、図１（ｆ）に示すように、Ｃｕ膜４およびバリア膜５中の不要なＭｎが、Ｃｕ膜４およびバリア膜５中を移動し、Ｃｕ膜４およびバリア膜５上に析出する。

２回目のアニール処理後は、ＣＭＰ法により、絶縁膜１、Ｃｕ膜４およびバリア膜５が研磨される。この研磨によって、図１（ｇ）に示すように、Ｃｕ膜４およびバリア膜５上に析出したＭｎが除去される。これにより、配線溝２内に埋設されたＣｕ配線６が得られる。このＣｕ配線６は、バリア膜５との境界部分において、Ｍｎの含有率が原子数で０〜１ａｔ％の範囲内（０および１を含む。）となっている。

以上のように、絶縁膜１の表面に、配線溝２が形成された後、その配線溝２の内面を含む絶縁膜１の表面上に、ＣｕおよびＭｎの合金からなる合金膜３が被着される。この合金膜３の被着後、絶縁膜１上に、Ｃｕ膜４が配線溝２を埋め尽くすように積層される。その後、１回目の熱処理が行われて、合金膜３と絶縁膜１との界面に、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚからなるバリア膜５が形成される。次いで、Ｃｕ膜４およびバリア膜５の配線溝２外の各不要部分が除去される。その後、２回目の熱処理が行われる。この熱処理により、配線溝２上にＭｎが析出する。そして、配線溝２上に析出したＭｎが除去される。

Ｃｕ膜４の配線溝２外の不要部分が除去されることにより、Ｃｕ膜４の厚さが小さくなるうえ、配線溝２内のＣｕ膜４の表面に、不純物で塞がれていないＣｕ原子の粒界が露出する。このため、その不要部分が除去された後の熱処理時に、ＭｎがＣｕ膜４中の粒界に沿って移動しやすくなる。また、Ｃｕ膜４の不要部分とともにバリア膜５の不要部分が除去されることにより、配線溝２の内側面を被覆するバリア膜５の表面が露出する。これにより、ＭｎがＣｕ膜４およびバリア膜５中を移動し、配線溝２上（Ｃｕ膜４およびバリア膜５上）にＭｎが良好に析出する。したがって、配線溝２に埋設されたＣｕ膜４（Ｃｕ配線６）におけるＭｎの含有率を低減することができる。その結果、配線溝２に配設されたＣｕ膜４（Ｃｕ配線６）の抵抗を低減することができる。

図２は、抵抗測定試験の結果を示すグラフである。
Ｃｕ膜４およびバリア膜５の配線溝２外の各不要部分の除去後に熱処理を行うことによる効果を確認するために、熱処理を行わなかった場合（熱処理の時間が０（零）の場合）、３０分間の熱処理を行った場合、および１０時間の熱処理を行った場合の各場合について、配線溝２内のＣｕ膜４の抵抗を測定した。なお、配線溝２は、平面視で長手方向と直交する方向の幅を１２０ｎｍに形成した。

図２に示すように、熱処理を行わなかった場合（Ｉｎｉ）、Ｃｕ膜４の抵抗値は、約０．２０ｏｈｍ／ｓｑ．であった。３０分間の熱処理を行った場合には、Ｃｕ膜４の抵抗値は、約０．１５ｏｈｍ／ｓｑ．であった。また、１０時間の熱処理を行った場合、Ｃｕ膜４の抵抗値は、約０．１１ｏｈｍ／ｓｑ．であった。
この抵抗測定試験の結果から、Ｃｕ膜４およびバリア膜５の配線溝２外の各不要部分の除去後に熱処理を行うことにより、配線溝２に埋設されたＣｕ膜４（Ｃｕ配線６）の抵抗を低減することができることが理解される。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、バリア膜５およびＣｕ配線６上に析出したＭｎをＣＭＰ法による研磨処理により除去するとしたが、バリア膜５およびＣｕ配線６上に析出したＭｎは、ＨＣｌ（塩酸）などの酸を用いたエッチング処理によって除去されてもよい。
また、絶縁膜１の材料がＳｉＯ_２である場合を取り上げたが、絶縁膜１は、ＳｉＯ_２以外に、ＳｉＯＣやＳｉＯＦなどのＬｏｗ−ｋ膜材料を用いて形成されてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における各工程を模式的に示す断面図である。 抵抗測定試験の結果を示すグラフである。 Ｃｕ中のＭｎの含有率とＣｕの比抵抗との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 絶縁膜
２ 配線溝
３ 合金膜
４ Ｃｕ膜
５ バリア膜
６ Ｃｕ配線

Claims (5)

1. 絶縁膜の表面に、配線溝を形成する配線溝形成工程と、
   前記配線溝の内面に、銅および所定の金属元素を含む合金材料からなる合金膜を被着させる合金膜被着工程と、
   前記合金膜被着工程後、前記絶縁膜上に、銅膜を前記配線溝を埋め尽くすように堆積させる銅膜堆積工程と、
   前記銅膜の前記配線溝外の不要部分を除去する不要膜除去工程と、
   前記不要膜除去工程後、熱処理を行うことにより、前記所定の金属元素を前記配線溝上に析出させる金属元素析出工程と、
   前記金属元素析出工程後、前記配線溝上に析出した前記所定の金属元素を除去する析出金属除去工程とを含む、半導体装置の製造方法。
2. 前記析出金属除去工程は、前記絶縁膜および前記配線溝に埋設された前記銅膜を研削することにより、前記配線溝上から前記所定の金属元素を除去する工程である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記金属膜堆積工程後かつ前記不要膜除去工程前に、熱処理を行うことにより、前記絶縁膜と前記合金膜との界面に、前記絶縁膜の構成元素と前記所定の金属元素との化合物からなるバリア膜を形成するバリア膜形成工程をさらに含む、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記所定の金属元素は、マンガンである、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 配線溝を表面に有する絶縁膜と、
   前記配線溝に埋め込まれた銅配線と、
   前記配線溝の内面と前記銅配線との間に介在され、前記絶縁膜の構成元素と所定の金属元素との化合物からなるバリア膜とを含み、
   前記銅配線は、前記バリア膜との境界部分における前記所定の金属元素の含有率が０〜１ａｔ％の範囲内である、半導体装置。

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