JP2009246394A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層配線間の接続抵抗を低く保ちＥＭに対する高い耐性を持ちつつ配線部から外部への配線材の拡散を抑制する。
【解決手段】基板上に絶縁体膜が設けられ該絶縁体膜に第１の孔が設けられ該第１の孔に配線材であるＣｕが充填された半導体装置に対して、Ｃｕを除く絶縁体膜上面にＣｕの拡散を防止する第１のバリア膜を形成する工程と、Ｃｕ及び該第１のバリア膜上に第２のバリア膜、層間絶縁膜をこの順に形成する工程と、第２のバリア膜を残して層間絶縁膜にＣｕへ接続するための第２の孔を形成する工程と、基板の表面全体にＣｕの拡散を防止するための第３のバリア膜を形成する工程と、第２の孔の側面以外の第３のバリア膜を除去する工程と、第２の孔の底面に存在する第２のバリア膜を除去してＣｕを露出させる工程と、第２の孔に配線材であるＣｕを充填して第１の孔に充填されたＣｕと接続する工程とを実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、低抵抗で微細な信頼性の高い銅配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

従来、集積回路の配線にはアルミニウム（Ａｌ）もしくはＡｌ合金が、配線間および配線層間にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）が広く用いられてきた。しかし、微細化の進行に伴い、配線における信号伝送の遅延を抑制低減するにあたり、配線抵抗の低減のために配線材には銅（Ｃｕ）が、配線間容量の低減のために配線間および配線層間における絶縁膜には有機物や空孔を含んだ、シリコン酸化膜より誘電率の低い膜が使用されるようになってきた。

Ｃｕを主成分とする配線においては、シリコン（Ｓｉ）やＳｉＯ₂をはじめとする絶縁膜中におけるＣｕの拡散がＡｌよりも速いため、トランジスタをはじめとするシリコンデバイス部への侵入、配線間の絶縁耐圧劣化等を防いで信頼性を確保するために、Ｃｕの周囲に拡散を防止するバリア膜を設ける必要がある。現在、一般に用いられているのは、図１６に示すような、Ｃｕ部の下面および側面をＣｕの拡散防止（バリア）層となる導体膜で、上面をＣｕの拡散防止層となる絶縁膜で覆う構造と製造方法である。以下に、図１６乃至図１９を用いてその詳細を説明する。図１６乃至図１９は、従来の多層配線構造の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図１６（ａ）に示すように、側面をここでは導体であるバリア膜３で、上面を絶縁物であるバリア膜４で覆われたＣｕ等の配線材１と絶縁膜２とで構成される下層配線部が用意される。この部分は、下記に説明される工程によって形成される上層と同様の構造である。この上に、絶縁膜５を成膜し（図１６（ｂ））、リソグラフィーによるパターニングの後、異方性エッチングによって絶縁膜５の一部を除去し（図１６（ｃ））、次いで、バリア膜４の一部を除去することにより、配線溝もしくは配線孔を形成する（図１６（ｄ））。

この全表面に、ここでは導体からなるバリア膜６を成膜後（図１６（ｅ））、Ｃｕを成膜する（図１６（ｆ））。次に、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去し（図１６（ｇ））、同様に余剰なバリア膜６を除去後（図１６（ｈ））、絶縁物であるバリア膜８を成膜することで、下面および側面を導体であるバリア膜６で、上面を絶縁膜であるバリア膜で８覆われたＣｕ配線構造が形成される。この導体バリア膜６には、Ｃｕの拡散防止能力が高いこと、下地となる絶縁物およびＣｕ配線部との密着性、プロセス上の熱的安定性等の理由から、比較的高融点であるチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などの金属およびその窒化物、またはそれらにＳｉなどを添加した３元系もしくは４元系の窒化物、もしくはそれらを積層したものが用いられる。

この構造においては、下層の配線材１と上層の配線材７との接合は、必然的に間に抵抗の高い導体バリア膜６を挟み込む構成となるため、配線抵抗を低く抑えることが困難となる。また、導体バリア膜６がＣｕをブロックするという本質に加えて、高抵抗であることが手伝って、エレクトロマイグレーション（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｉｇｒａｔｉｏｎ：ＥＭ）に対する耐性が低くなるという問題が生じる。

ＥＭは、金属配線に電流が流れるとき、電子の移動に影響されて配線を構成する金属原子が移動してしまう現象であるが、その金属の移動速度は、一般に電流密度が高いほど、温度が高いほど速い。ここで、上層の配線材７と下層の配線材１との間に電流が流れるとき、接合部である導体バリア膜６が最も高抵抗である。また、エッチング時に生ずるテーパーや立体的な配置の制約のために通常の多層配線構造においては、配線層間を結ぶ接続孔底部の断面積は同一配線層中における配線に比べて小さく形成されるので、上記の導体バリア膜６部分における電流密度は高くなる。したがって、導体バリア膜６近傍は、他のＣｕ配線部と比べて高温かつ電流密度が高く、ＣｕのＥＭが起きやすい。例えば、上層から下層へ電流が流れる場合、導体バリア膜６直下の配線材１がＥＭによって消失して断線の要因となる。また、下層から上層に電流が流れる場合は、逆に導体バリア膜６直上の配線材７がＥＭによって消失することが断線の要因となる。

上記の導体バリア膜を挟み込む構造に起因する高抵抗と低ＥＭ耐性を低減、解消するためには、上層と下層のＣｕとの接合部から高抵抗となるバリア膜を除去し、Ｃｕのみの接合とすればよい。具体的には、バリア膜６を成膜後、異方性エッチングによって側面のバリア膜のみを残して底面のバリア膜を除去してからＣｕを成膜することで実現できる。この場合、バリア膜６を介しての電気的接合は必要無くなるので、バリア膜は導体でなくても良い。例えば、特開平１０−９２９２４号公報には金属であるバリア膜をエッチバックする手法が、特開平０９−３２６４３３号公報および特開平１１−１４５１３８号公報には導体と特定しないバリア膜をエッチバックする手法が提案されている。また、特開平１１−２３８７９４号公報には、バリア膜形成前に密着層を形成することで、バリア膜エッチバック後に成膜されるＣｕと下地との密着性を確保して、ＣＭＰにおける剥がれを抑制する手法が提案されている。

以下に、従来のバリア膜エッチバックによるＣｕ配線構造の形成方法について、図１７を用いて説明する。図１７（ａ）において、側面をここでは導体と限らないバリア膜３で、上面を絶縁物であるバリア膜４で覆われたＣｕ等の配線材１と絶縁膜２とで構成される下層配線部が用意される。図１６と同様に、この部分は下記に説明される工程によって形成される上層と同様の構造である。上述した図１６（ａ）〜（ｄ）と同様の工程によって、絶縁膜５に配線溝もしくは配線孔を形成する（図１７（ｂ）〜（ｄ）参照）。この全表面に、ここでは導体と限らないバリア膜６を成膜し（図１７（ｅ））、異方性エッチングによってエッチバックすることにより、配線溝もしくは配線孔の側面以外、すなわち配線溝もしくは配線孔の底面と最表面に存在するバリア膜６を除去する（図１７（ｆ））。この後、全面にＣｕを成膜し（図１７（ｇ））、ＣＭＰによって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去後（図１７（ｈ））、絶縁物であるバリア膜８を成膜することで、側面を導体と限らないバリア膜６で、上面を絶縁膜であるバリア膜８で覆われ、かつ上層−下層の接合にバリア膜を介さないＣｕ配線構造が形成される（図１７（ｉ））。

特開平１０−９２９２４号公報 特開平０９−３２６４３３号公報 特開平１１−１４５１３８号公報 特開平１１−２３８７９４号公報

これらの従来提案されているバリア膜をエッチバックする手法は、図１７に示されるような、下層の配線材１が接続される上層の配線材７より十分に大きい場合には有効であるが、上層と下層とを同一の面積、形状で接続するボーダーレス配線をはじめとする微細な配線構造形成においては、多層配線のパターン形成における層間の位置ずれが考慮されておらず、高い信頼性を確保することが困難であった。

以下に、この位置ずれの影響について図１８を用いて説明する。図１８は、図１６と同様の、バリア膜６のエッチバックを用いずに配線材７の下面および側面をＣｕの拡散防止（バリア）層となる導体膜で覆う手法において、上層と下層の位置ずれが生じた場合の配線構造を示したものである。なお、下層の配線材１と全く接しない、もしくは下層の目的とする配線部以外の隣接する配線部に接触する、といった極端な位置ずれは本質的な不良となるため、ここでは対象としない。図１８（ｉ）は、パターニングの形状と位置を除き、図１６と全て同じ工程を経て得られる最終的な構造である。

上層の配線材７は、上面を絶縁膜のバリア膜８で、下面および側面を導体であるバリア膜６で覆われている。すなわち、この構造においてＣｕは全面をバリア膜で覆われており、位置ずれによってもＣｕ配線部から外部へのＣｕ拡散の影響は抑制されることが保証されている。この位置ずれに関する保証が、現在この手法が広く用いられている大きな要因である。しかし、図１９に示されるように、図１７と同様の工程において位置ずれが生じた場合の最終的に得られる構造（図１９（ｉ））では上層Ｃｕの下面の一部にバリア膜で覆われない領域ができる。したがって、配線材７からＣｕ拡散の抑制が保証されず、高い信頼性を得るための障害となっていた。

さらに、従来は配線の幅に比べてバリア膜の厚さが相対的に小さかったため、Ｃｕおよびバリア膜を埋め込むべき配線溝の幅は配線間隔の半分として形成し、バリア膜の厚さは薄い程よいという以外の指標は無かった。しかし、より微細で集積度の高いデバイスを作製するためには、配線材とバリア膜と絶縁膜で構成される配線間隔をより狭くしていく必要があるが、配線間隔によらずバリア膜はＣｕの拡散を防止するに足る厚さが必要である。したがって、配線間隔の低減に伴って配線間隔に占めるバリア膜の厚さの割合が増大するため、バリア膜の厚さを考慮に入れた配線構造の設計が必要となっている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、多層配線間の接続抵抗を低く保ち、ＥＭに対する高い耐性を持ちつつ、異層間のパターニングにおける位置ずれが生じても配線部から外部への配線材の拡散を抑制することができる多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された基板上に絶縁体膜が設けられ、該絶縁体膜に第１の孔が設けられ、該第１の孔に配線材であるＣｕが充填された半導体装置に対して、（ａ）Ｃｕを除く前記絶縁体膜上面にＣｕの拡散を防止する第１のバリア膜を形成する工程と、（ｂ）Ｃｕ及び該第１のバリア膜上に、第２のバリア膜、層間絶縁膜をこの順に形成する工程と、（ｃ）前記第２のバリア膜を残して、前記層間絶縁膜にＣｕへ接続するための第２の孔を形成する工程と、（ｄ）前記基板の表面全体にＣｕの拡散を防止するための第３のバリア膜を形成する工程と、（ｅ）前記第２の孔の側面以外の前記第３のバリア膜を除去する工程と、（ｆ）前記第２の孔の底面に存在する前記第２のバリア膜を除去してＣｕを露出させる工程と、（ｇ）前記第２の孔に配線材であるＣｕを充填して、前記第１の孔に充填されたＣｕと接続する工程と、を実施するものである。

以上説明したように、本発明によれば、多層配線間でのバリア膜を介しない接続によって接続抵抗を低く保ちつつ、ＥＭに対する高い耐性を保持できる。また、異層間のパターニングにおける位置ずれが生じても、上層配線部下面と接する可能性のある下層配線以外の部分はあらかじめ下層に用意されたバリア膜で覆われているので、配線部から外部への配線材の拡散が抑制されることを保証する配線構造を形成できる。したがって、信頼性の高い多層配線を形成できるため、高集積回路となる半導体装置の製造方法を提供することが可能である。

本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の一実施の形態における配線接続構造の模式図である。 本発明の一実施の形態における配線構造の拡大断面図である。 本発明の第１の実施例における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第１の実施例における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第２の実施例における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第２の実施例における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、その好ましい一実施の形態において、上層の配線層を形成する前に、下層の配線部以外の上面に、配線材の拡散を抑制するバリア膜を形成しておく。この上に絶縁膜を成膜、加工して配線溝もしくは配線孔を形成し、全表面にバリア膜を成膜後異方性エッチングによってエッチバックしてから、配線材を成膜する。その後、上層の配線材の余剰部分をＣＭＰで除去し、上層配線上部を覆うバリア膜を成膜するものであり、以下に図１乃至図１１を参照して説明する。図１乃至図９は、本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す工程断面図である。また、図１０は、本実施の形態における配線構造断面の模式図であり、図１１は、本実施の形態における配線構造断面の拡大断面図である。

図１（ａ）において、側面がバリア膜３で覆われたＣｕ等の配線材１と、上面をバリア膜９で覆われた絶縁膜２と、それらの上部を覆うバリア膜４とで構成される下層配線部が用意される。図１６に示す目ずれがない場合の従来例及び図１８に示す目ずれがある場合の従来例と同様に、この部分は下記に説明される工程によって形成される上層と同様の構造である。

この上に絶縁膜５を成膜し（図１（ｂ））、さらにバリア膜１０を成膜する（図１（ｃ））。次に、リソグラフィーによるパターニングの後、異方性エッチングによってバリア膜１０の一部を除去し（図１（ｄ））、さらに絶縁膜５の一部を除去する（図１（ｅ））。次いで、バリア膜４の一部を除去することで配線溝もしくは配線孔を形成する（図１（ｆ））。この全表面にバリア膜６を成膜後（図１（ｇ））、異方性エッチングによってエッチバックすることにより、配線溝もしくは配線孔の側面以外、すなわち配線溝もしくは配線孔の底面と最表面に存在するバリア膜６を除去する（図１（ｈ））。この後、全面にＣｕを成膜し（図１（ｉ））、ＣＭＰによって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去後（図１（ｊ））、絶縁物であるバリア膜８を成膜することにより、側面がバリア膜６で、上面が絶縁膜であるバリア膜８で覆われ、下面がバリア膜を介さない接合部とバリア膜９で覆われた部分とで構成されるＣｕ配線構造が形成される（図１（ｋ））。

なお、下層の配線材１の上層の絶縁膜５に対する拡散が問題とならない場合、例えば、下層の配線材１がＷなどの比較的拡散しにくい高融点金属であるプラグ部分などの場合には、下層の配線材１の上層への拡散を防止するバリア膜４は必ずしも必要でない。この場合に、バリア膜４が無くとも上層の配線材７の下層への拡散はバリア膜９によって防止されることは図から明らかである。

ここで、上記の下層配線を覆うバリア膜４のエッチングを、配線側部を被覆するバリア膜６のエッチバック後に行ってもよい。その方法について、図２を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｅ）において、図１（ａ）〜（ｅ）と同様の工程を経た後、まず、バリア膜６を成膜し（図２（ｆ））、エッチバックしてから（図２（ｇ））、バリア膜４をエッチングする（図２（ｈ））。この後、図１（ｉ）〜（ｋ）と同様の工程によって、図１（ｋ）とほぼ同様の構造を得ることができる（図２（ｋ））。この場合、上層の配線材７側面の下方が一部バリア膜６ではなくバリア膜４によって被覆される。

この方法では、バリア膜６のエッチバック前にバリア膜４をエッチングする手法に比べ、上層の配線材７の成膜直前まで下層の配線材１を露出させずにすむため、下層の配線材１表面の汚染や酸化などの影響を受け難く、各プロセス間における許容時間などの自由度が大きい。しかし、バリア膜４のエッチング時には最表層のバリア膜１０もエッチング条件にさらされるため、バリア膜１０とバリア膜４のエッチングにおける選択比と膜厚に関する考慮が必要である。

なお、バリア膜４のエッチングにおいてバリア膜１０がエッチングされる厚さが無視できない場合には、バリア膜１０はＣｕの拡散を防止するに必要な膜厚に加えて、バリア膜４のエッチング時に消失する厚さを見込んで成膜する必要がある。一方で、上述のバリア膜６のエッチバック前にバリア膜４をエッチングする手法においては、バリア膜１０および絶縁膜５、もしくはその両者をエッチングするために用いたマスク（図示せず）を最表層に残存させたままバリア膜４をエッチングすることができ、バリア膜１０の必要部分の損傷を抑えて接続部を形成しやすいというメリットがある。

また、エッチバックする対象であるバリア膜に関して、エッチバック時の異方性が成膜時の被覆性よりも高い場合には、上層の配線下面をカバーするバリア膜と下層の側面をカバーするバリア膜を同一として工程を単純化することができる。この方法について、図３を参照して説明する。図３（ａ）において、配線材１と絶縁膜２と、および両者の間と絶縁膜２の上部を覆うバリア膜３、さらにそれらの上部を覆うバリア膜４とで構成される下層配線部が用意される。図１及び図２と同様に、この部分は下記に説明される工程によって形成される上層と同様の構造である。

この上に絶縁膜５を成膜し（図３（ｂ））、リソグラフィーによるパターニングの後、異方性エッチングによって絶縁膜５の一部を除去し（図３（ｃ））、次いでバリア膜４の一部を除去することで配線溝もしくは配線孔を形成する（図３（ｄ））。この後、全表面にバリア膜６を成膜し（図３（ｅ））、異方性エッチングによってエッチバックすることにより、配線溝もしくは配線孔の側面以外、すなわち配線溝もしくは配線孔の底面と最表面に存在するバリア膜６を除去する（図３（ｆ））。

ここで、バリア膜６の成膜時における被覆性がエッチバック時の異方性より高い場合には、エッチバック時に最表層のバリア膜６が消失してしまうため、既に説明した図１と同様にバリア膜６の成膜前に、更に上層に形成される配線層の下面をカバーすべきバリア膜をあらかじめ成膜しておく必要がある。しかし、バリア膜６に関して、成膜における（最表層の膜厚）／（接続部底面の膜厚）の比が、エッチバック時の（最表層のエッチング速度）／（接続部底面のエッチング膜厚）という条件が満たされれば、エッチバックによって接続部底面のバリア膜６を除去しつつ、絶縁膜５の上面にバリア膜６を残存させることが可能である（図３では、最表層にバリア膜６が残存している場合を示している）。

このような構造が達成された後は、全面にＣｕを成膜し（図３（ｇ））、ＣＭＰによって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去後（図３（ｈ））、絶縁物であるバリア膜８を成膜することで、上面が絶縁膜であるバリア膜８で、側面がバリア膜６で覆われ、かつ下面がバリア膜を介さない接合部とバリア膜３で覆われた部分とで構成されるＣｕ配線構造が形成される（図３（ｉ））。

以上の記載は、下層の配線層上に埋め込みと研磨によって単層の上層配線を形成する、いわゆるシングルダマシン（Ｓｉｎｇｌｅ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）と呼ばれる手法に適用した場合について説明したが、上層の配線層および下層と接続する配線孔層を形成した後、両者に配線材を埋め込んで研磨を行う、デュアルダマシン（ＤｕａｌＤａｍａｓｃｅｎｅ）法に関して本発明を適用することもできる。以下に図面を参照して詳細に説明する。

図４は、図１と同様の手法をデュアルダマシンに適用したものである。図４（ａ）において、側面がバリア膜３で覆われたＣｕ等の配線材１と、上面をバリア膜９で覆われた絶縁膜２と、それらの上部を覆うバリア膜４とで構成される下層配線部が用意される。その上に、上層配線と下層配線を接続する接続孔層となる部分の絶縁膜５を成膜し（図４（ｂ））、さらに上層の配線底部を被覆することになるバリア膜１１を成膜する（図４（ｃ））。その上に上層配線層となる絶縁膜１２を成膜した後（図４（ｄ））、バリア膜１０を成膜する（図４（ｅ））。

次に、リソグラフィーによるパターニングと異方性エッチングによって、バリア膜１０と絶縁膜１２、およびバリア膜１１と絶縁膜５の一部を除去して上層配線溝と上層−下層間を接続する接続孔を形成し（図４（ｆ））、さらに下層Ｃｕ配線上面を覆うバリア膜４の接続孔露出部分を除去する（図４（ｇ））。この全表面にバリア膜６を成膜後（図４（ｈ））、異方性エッチングによってエッチバックすることにより、配線溝と配線孔の側面以外、すなわち配線溝と配線孔の底面とおよび最表面に存在するバリア膜６を除去する（図４（ｉ））。

この後、全面にＣｕ等の配線材７を成膜し（図４（ｊ））、ＣＭＰによって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去後（図４（ｋ））、絶縁物であるバリア膜８を成膜することで、接続部にバリア膜を介さず、かつ周囲をすべてバリア膜で覆われたＣｕ配線構造が形成される（図４（ｌ））。ここで、リソグラフィーにおけるパターニングの位置ずれによって、接続孔の底面が下層の配線材１の外側に形成された場合でも、接続孔底面はバリア膜９によって保護されるため、Ｃｕに関するバリア性が保証される。

また、図５は、図２と同様の手法をデュアルダマシンに適用したものである。図４の場合と同じく、図４（ａ）〜（ｆ）と同様の工程の後（図５（ａ）〜（ｆ））、まずバリア膜６を成膜し（図５（ｇ））、エッチバックしてから（図５（ｈ））、バリア膜４をエッチングする（図５（ｉ））。この後、図４（ｊ）〜（ｌ）と同様の工程によって、図４（ｌ）とほぼ同様の構造を得ることができる（図５（ｌ））。

この方法によれば、図１に対する図２の関係と同様に、上層の配線材７側面の下方が一部バリア膜６ではなくバリア膜４によって被覆される。また、バリア膜６のエッチバック前にバリア膜４をエッチングする手法に比べ、上層の配線材７の成膜直前まで下層の配線材１を露出させずにすむため、下層の配線材１表面の汚染や酸化などの影響を受け難く、各プロセス間における許容時間などの自由度を大きくすることができる。しかし、バリア膜４のエッチング時には最表層のバリア膜１０に加えて、バリア膜１１もエッチング条件にさらされるため、バリア膜１０およびバリア膜１１と、バリア膜４とのエッチングにおける選択比と膜厚に関する考慮が必要である。バリア膜４のエッチングにおいてバリア膜１０およびバリア膜１１がエッチングされる厚さが無視できない場合には、バリア膜１０およびバリア膜１１はＣｕの拡散を防止するに必要な膜厚に加えて、バリア膜４のエッチング時に消失する厚さを見込んで成膜する必要がある。

ここで、本実施の形態においては、上層が形成される、すなわちバリア膜４もしくはバリア膜８が成膜される前に、絶縁膜２もしくは絶縁膜１２の配線部分以外の上面にバリア膜９もしくはバリア膜１０が存在することと、Ｃｕ成膜前に配線部分の底面にバリア膜１１が、配線溝および接続孔側面にバリア膜６が存在することが重要であり、配線溝と接続孔の形成の加工における工程手順は必ずしも特定する必要はない。例えば、図４（ｅ）から図４（ｇ）に至るまでのリソグラフィーとエッチングにおいても、配線溝の形成と接続孔の形成の順序は必ずしも特定する必要はなく、またバリア膜１０の上層にレジストやレジスト以外の他の膜を積層してパターン形成に用いることも可能である。

例えば、図６は、図４に示される工程において、位置ずれ時に上層の配線材７下面のバリア性を保証するバリア膜に引き続き、エッチングのマスクもしくはＣＭＰ前のＣｕとの密着層となる部分を連続的に成膜し、上層形成前にＣＭＰで除去する場合の例を示したものである。図４（ａ）〜（ｅ）と同様の工程の後（図６（ａ）〜（ｅ））、ダミー膜１３を全面に成膜し（図６（ｆ））、リソグラフィーによるパターニングと異方性エッチングによって、ダミー膜１３とバリア膜１０と絶縁膜１２、およびバリア膜１１と絶縁膜５の一部を除去して上層配線溝と上層−下層間を接続する接続孔を形成し、さらに下層Ｃｕ配線上面を覆うバリア膜４の接続孔露出部分を除去する（図６（ｇ））。

この全表面にバリア膜６を成膜後（図６（ｈ））、異方性エッチングによってエッチバックすることにより、配線溝と配線孔の側面以外、すなわち配線溝と配線孔の底面とおよび最表面に存在するバリア膜６を除去する（図６（ｉ））。この後は全面にＣｕ等の配線材７を成膜し（図６（ｊ））、ＣＭＰによって配線溝もしくは配線孔以外の余剰なＣｕを除去後（図６（ｋ））、さらにＣＭＰを行うことによって残存するダミー膜１３を除去する（図６（ｌ））。その上に絶縁物であるバリア膜８を成膜することで、図４（ｌ）と同様の構造が形成される（図６（ｍ））。

また、図７、図８は、ダミー膜１３とバリア膜１０をマスクとして、図６（ｅ）〜（ｇ）における配線溝と接続孔を形成する過程として、配線溝と接続孔のリソグラフィー順序を変えた場合の例を示したものである。図７は、接続孔の露光を先に行った場合の一例である。図６（ｅ）の構造が用意された後（図７（ａ））、レジスト１４を塗布し（図７（ｂ））、露光、現像によって配線溝のパターンをレジスト１４に形成する（図７（ｃ））。その後、異方性エッチングによってダミー膜１３に配線溝パターンを形成し（図７（ｄ））、レジスト１３を剥離、除去する（図７（ｅ））。

同様にして、レジスト１５を塗布（図７（ｆ））、露光、現像によって接続孔のパターンをレジスト１５に形成する（図７（ｇ））。その後、異方性エッチングによってバリア膜１０、絶縁膜１２、バリア膜１１、絶縁膜５の一部を除去して接続孔を形成するとともにレジスト１５を除去する（図７（ｈ））。さらに、あらかじめ配線溝パターンが転写されたダミー膜１３をマスクとして、バリア膜１０および絶縁膜１２に異方性エッチングを施すことで、図６（ｇ）の構造を得る（図７（ｉ）、（ｊ））。

一方、図８は、配線溝の露光を先に行った場合の一例である。上記と同様に、図６（ｅ）の構造が用意された後（図８（ａ））、レジスト１４を塗布し（図８（ｂ））、露光、現像によって接続孔のパターンをレジスト１４に形成する（図８（ｃ））。その後、異方性エッチングによってダミー膜１３に配線溝パターンを形成し（図８（ｄ））、レジスト１３を剥離、除去する（図８（ｅ））。同様にして、レジスト１５を塗布（図８（ｆ））、露光、現像によって配線溝のパターンをレジスト１５に形成した後（図８（ｇ））、既に接続孔パターンが転写されたバリア膜１０をマスクとして、バリア膜１０、絶縁膜１２、バリア膜１１、絶縁膜５に異方性エッチングを施し、接続孔を形成するとともにレジスト１５を除去する（図８（ｈ）、（ｉ））。さらにあらかじめ配線溝パターンが転写されたダミー膜１３をマスクとして、バリア膜１０および絶縁膜１２に異方性エッチングを施すことで、図６（ｇ）の構造を得る（図８（ｊ））。

このような構成を取った場合、リソグラフィー中に最表面に現れるのは、バリア膜１０およびダミー膜１３のみであり、絶縁膜１２、絶縁膜５は表面に現れない。したがって、例えば絶縁膜１２、絶縁膜５がレジストに近い有機物を含有するような組成である場合でも、絶縁膜１２、絶縁膜５を損傷すること無くレジストの剥離等の作業を行うことができる。また、ダミー膜１３が、配線溝形成後のバリア膜４のエッチング等において、Ｃｕ成膜前に消失してしまう場合には、図６（ｋ）〜（ｌ）に至るＣＭＰによるダミー膜１３の除去が必要ないのは明らかである。

なお、マスクとなるダミー膜１３を複数層使用することで、必ずしもバリア膜を直接マスクに使用しなくても、上記のように絶縁膜１２や絶縁膜５をリソグラフィー時に表面に露出せずに同様の加工を実現できることは明らかである。また、必ずしもバリア膜上にダミー膜１３を成膜する構成を取る必要も無く、ダミー膜１３上にバリア膜１０を形成してもよい。この場合、上層形成前に最表面にバリア膜を残存させるため、バリア膜１０およびダミー膜１３はＣＭＰによって除去しない。

当然ながら、絶縁膜１２や絶縁膜５がリソグラフィーにおいて損傷されにくい場合には上記のような構成を取る必要はなく、例えば、図９に示すような、リソグラフィーとエッチングを順次行うことで配線溝と接続孔を形成することができる。図９（ａ）において図６（ｅ）の構造が用意された後、レジスト１４を塗布し（図９（ｂ））、露光、現像によって配線溝のパターンをレジスト１４に形成する（図９（ｃ））。その後、異方性エッチングによってバリア膜１０と絶縁膜１２の一部を除去して配線溝パターンを形成し、レジスト１４を剥離、除去する（図９（ｄ））。同様にして、レジスト１５を塗布後、露光、現像によって接続孔のパターンをレジスト１５に形成した後（図９（ｅ））、バリア膜１１、絶縁膜５、バリア膜４に異方性エッチングを施し、接続孔を形成するとともにレジスト１５を除去することで、図６（ｇ）の構造を得る（図９（ｆ））。図示しないが、配線溝と接続孔の加工順序が逆の場合でも同様の加工ができることは明らかである。

ここで、上述したように、配線溝もしくは接続孔の側面を覆うバリア膜は、下層との接続部底面をエッチバックによって除去するため、導体である必要はなく絶縁体でも良いが、遅延をできるだけ低減するためには、これらの材質と厚さを考慮して、これらを成膜すべき配線溝の幅を設計、加工することが重要である。

従来、リソグラフィーとエッチングによって加工される配線溝の幅は、配線間隔の半分という値が用いられてきた。これは、配線溝および配線材の幅に比べて、バリア膜が無視できるほどの薄さであったためである。しかしながら、配線が微細で密になるにしたがって配線間隔は減少するのに対し、バリア膜の厚さは後工程における熱処理やデバイス動作時の電界の効果を考慮した上で、そのバリア性が保証される厚さが必要であり、その厚さは配線間隔によらない。

したがって、配線間隔の低減に伴ってバリア膜の厚さが無視できなくなるため、バリア膜の厚さを考慮した、より正確な設計と加工が必要である。上下層間に関しては、配線材の埋め込みが難しくなることを除けば、必ずしも横方向の配線間隔にしたがって間隔を狭める必要が無く、したがって最も問題となるのは横方向の配線間隔に対する配線溝の設計、加工の最適化である。本発明においては、配線溝の側面を覆うべきバリア膜は、必ずしも導体である必要が無いが、このバリア膜が導体である場合と絶縁体である場合とでは、バリア膜成膜前にリソグラフィーとエッチングによって形成しておく配線溝幅の最適値が異なる。

図１０は、本発明における配線構造断面の模式図である。この図では、上記の配線溝もしくは接続孔の側面を覆うバリア膜を、便宜的に絶縁体と導体の積層とした構造として示してある。配線間隔をｐ、配線材Ｍ０の幅、比抵抗をそれぞれＷ_M0、ρ_M0、導体バリア膜ＢＭの厚さ、比抵抗をそれぞれをＷ_BM、ρ_BM、層間絶縁膜Ｉ０の幅、膜厚、誘電率をそれぞれＷ_I0、Ｈ_I0、Ｋ_I0、側面の絶縁体バリア膜Ｉ１の厚さ、誘電率をそれぞれＷ_BI、Ｋ_BI1、層間絶縁膜上面の絶縁体バリア膜Ｉ２の厚さ、誘電率をそれぞれＨ_BI、Ｋ_BI2とする。

導体配線部分の単位長さあたりの抵抗Ｒは、Ｍ０およびＢＭの抵抗Ｒ_M0、Ｒ_BMを用いると、

のように表わされる。この右辺は上記のパラメータを用いて、

すなわち、

と表わされる。一方で、隣接する配線間の容量Ｃは、Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、の容量Ｃ_I0、Ｃ_BI1、Ｃ_BI2を用いて、

と表わされる。この右辺は上記のパラメータを用いて、

すなわち、

と表わされる。ここで、

とおくと、式６は、

すなわち、

と変形できる。式７におけるＫ_I02は、Ｉ１以外の部分、すなわちＩ０とＩ２で構成される部分の平均誘電率と捉えることができる。

配線における遅延時間ｔは、上記の抵抗Ｒと容量Ｃの積に比例するため、その逆数１／ｔは、

すなわち、

に比例する。ここで、横方向の長さに関する、

という関係を用いて、上式をＷ_I0について解いて整理すると、

となる。したがって、バリア膜の厚さが規定されたとき、遅延を最小にする、すなわち式１３を最大とするＷ_I0は、

であり、このとき式１３は、

となる。

いま、エッチバックするバリア膜が導体のみ、すなわちＢＭのみでＩ１が存在しないとした場合に、遅延を最小にするＷ_I0は、

である。このとき、Ｗ_M0は、

となり、ＢＭ成膜前にリソグラフィーとエッチングで用意される溝の幅Ｗ_Tは、

となる。したがって、遅延を抑制するためにはこの寸法でＢＭ成膜前の溝を加工することが望ましい。しかしながら、マスク作製や露光などの条件によって、厳密にこの寸法に加工することが困難である場合が多いため、適正な加工が行われているかどうかを簡便に判断する基準が必要である。ここで、比抵抗は正の値であり、かつ配線材とバリア膜の比抵抗はその材質の使用目的から明らかにρ_M0＜ρ_BMであるので、

という関係が成立し、これを用いると、Ｗ_Tの最適値に関して、

が成立する。したがって、すなわちＷ_Tは配線間隔の半分より大きく、かつ側面片側分のバリア膜厚と配線間隔の半分を加えた値よりも小さいことが望ましい。

一方、エッチバックするバリア膜が絶縁体のみ、すなわちＩ１のみでＢＭが存在しないとした場合に、遅延を最小にするＷ_I0は、

である。このとき、Ｗ_M0は、

となり、Ｉ１成膜前にリソグラフィーとエッチングで用意される溝の幅Ｗ_Tは、

となる。したがって、遅延を抑制するためにはこの寸法でＢＭ成膜前の溝を加工することが望ましい。また、上記の導体バリア膜を用いた場合と同様に、適正な加工が行われているかどうかを簡便に判断する基準を考えると以下のようになる。まず、誘電率は正の値であり、かつＫ_I02＜Ｋ_BI1である。なぜなら、Ｋ_I02＜Ｋ_BI1が成立しない場合にはＩ０およびＩ２の代わりにＩ１で配線間の全てを構成したほうが全体の誘電率を下げることができることになってしまうからである。したがって、

という関係が成立し、これを用いると、Ｗ_Tの最適値に関して、

が成立する。したがって、すなわちＷ_Tは配線間隔の半分に側面片側分のバリア膜厚を加えた値より大きく、かつ配線間隔の半分に側面両側分のバリア膜厚を加えた値よりも小さいことが望ましい。

同様にして、バリア膜が導体と絶縁体の積層である場合には、式１４の最適値となるＷ_Tは式１９と式２４から、

で表わされる範囲にあることが分かる。

また、バリア膜の選択も遅延を抑制する上で重要である。バリア膜の種類によって、必要な膜厚は異なるが、当然ながら、導体バリア膜を用いる場合には、バリア性が保証される膜厚Ｗ_BMが一定ならば比抵抗ρ_BMができるだけ低いことが望ましく、絶縁体バリア膜を用いる場合には、バリア性が保証される膜厚Ｗ_BIが一定ならば誘電率Ｋ_BIができるだけ低いことが望ましい。導体と絶縁体とを比較する場合にも同様に、式１５中の導体バリア膜、絶縁体バリア膜のそれぞれに関する項である、

を比較基準として適性を判断できる。例えば、配線材をＣｕ、層間絶縁膜をＳｉＯ₂とした場合を考える。導体バリア膜をＴａＮとした場合は、ρ_M0／ρ_BMは、ほぼ０．０１という値になるので、式２７の値はほぼＷ_BMとなる。一方で、絶縁体バリア膜をＳｉＮとした場合には、Ｋ_I0＞２Ｋ_BI1であり、これにＫ_I02＞ＫＩ０という前提を考慮すると、Ｋ_I02／Ｋ_BI1＞０．５であるので、式２８の値は２Ｗ_BIより大きい。したがって、同一の遅延を達成する際にＳｉＮに許容される膜厚は、ＴａＮの許容される膜厚の倍以上であることになる。もし、使用するＴａＮとＳｉＮのバリア性が保証されるＷ_BM、Ｗ_BIがほぼ同じであれば、ＴａＮを使用せず、ＳｉＮを使用したほうが遅延を低減できることになる。

この側面を覆うべきバリア膜に関しても、総体としてのバリア性が保証されれば必ずしもその材質を全てバリア性の高い材料で構成する必要はなく、例えばバリア性の高い絶縁体とバリア性の低い絶縁体、バリア性の高い絶縁体と密着性は高いがバリア性の低い導体、といったような複数の膜で構成することもできる。その場合の配線溝幅の見積もりなどは、ＢＭに関する部分を導体の平均値、ＢＩに関する部分を絶縁体の平均値を用いて上記の検討を行えば良い。

上記の検討は、配線溝の側壁が底面に対してほぼ垂直であることを前提としていたが、配線溝の断面形状を上面が下面より広くすることで、遅延を低減することも可能である。上記の検討においては、配線溝側方に存在するＩ１以外の絶縁膜Ｉ２およびＩ０に関して、その平均的なＫ_I02を用いていたが、Ｋ_BI2＞ＫＩ０であることから、Ｉ２部分をＩ０部分より小さくする構造の方が、総体的な遅延が低減できる。このとき配線溝の上面開口部の幅Ｗ_Ttopと下面底部の幅Ｗ_TbottomとＷ_Tその関係は、

となる。

また、配線材であるＣｕのＣＭＰ時における過剰研磨、もしくはその後の配線上面を覆うバリア膜成膜前に溶液処理等でＣｕを若干エッチングすることによって、誘電率の高いバリア膜Ｉ１部分の寄与を減らすことで、同一配線層内における隣接配線間容量を低減し、遅延を削減することができる。図１１は、単一の配線についての例を示したものである。Ｉ２に対応するバリア膜９上のＣｕを除去できた時点でＣＭＰを止め、そのまま上面をカバーするバリア膜４、絶縁膜５を堆積した場合には、図１１（ａ）に示されるように、Ｉ２に対応するバリア膜９が隣接する配線間に存在する。しかし、Ｃｕ配線部を過剰なＣＭＰもしくはエッチングなどによって窪ませてから、上面をカバーするバリア膜４、絶縁膜５を堆積することで、図１１（ｂ）のようにバリア膜４の隣接配線間に存在率を低減、削除することができる。ただし、この場合には配線材の厚さの減少分を見込んで、配線溝を深めに形成しておく必要がある。

その構成から明らかなように、本発明の実施の形態はその全てにおいて、配線部側面を覆うべきバリア膜６およびバリア膜３は、上層−下層間の接続に直接寄与する必要が無いため、導体である必要はなく絶縁体でも良い。材料としては、ＣＭＰや熱処理を含めた加工や使用時における界面付近のＥＭ耐性等の信頼性を高めるうえで、絶縁膜５との密着性および配線材となるＣｕとの密着性の両者がよいことが望ましい。また、当該部分のバリア性が保証される限り、必ずしも単一の膜である必要はなく、異なる材質の複数の膜を積層したものを使用できる。例えば窒化チタンとシリコン窒化膜といったように、導体と絶縁体を組み合わせることも可能である。

配線上面を覆うべきバリア膜８およびバリア膜４と配線下面を覆うバリア膜１１、接続部下面の位置ずれ時のバリア性を保証すべきバリア膜９とバリア膜１０のそれぞれは、基板表面の全面に成膜して接続部分以外を除去しないという形の最も簡便なパターニングを行う場合には、隣接する配線間の電気的結合を遮断するために絶縁体である必要がある。Ｃｕと接する部分のバリア性が保証される絶縁物であれば、必ずしも単一の膜である必要はなく、異なる材質の複数の膜を積層したものを使用できる。

また、上記の配線部側面を覆うバリア膜、および接続部の下面の位置ずれ時のバリア性を保証すべく下層配線部以外の上面を覆うバリア膜は、良好な電気的接続を得るために上層の配線材を成膜する前に下層の配線材上面の清浄化を行う際に、絶縁膜を保護する役割も併せ持つ。上層電気的接続部の導体成膜前には、一般にＡｒイオン等を用いて下層のＣｕ上面を僅かにエッチングすることによって、成膜前に生じた銅酸化物や付着した汚染物を除去し、清浄なＣｕ表面を保持するために真空中を搬送して上層の接続部導体を成膜する。

ここで、低誘電率が要求される層間絶縁膜、特に有機系の組成の高いものは一般に上記のようなＡｒイオン照射に対する耐性が低く、容易に変質してしまうために上部に成膜された膜との密着性低下による剥がれ等の故障要因となる。したがって、これらのバリア膜はＡｒイオン照射やエッチング後の洗浄に対して変質しないことが望ましい。一般にバリア膜として使用されているＴｉＮ等の導体やＳｉＮ、ＳｉＣ等の絶縁体は、低誘電率層間絶縁膜に比べてこれらの清浄化工程における耐性が高く、有用である。なお、本発明のような構成と異なる、図１６、図１８に示されるようなバリアメタルをエッチバックせずにそのままＣｕを成膜する従来の手法においては、バリアメタル成膜前の低誘電率膜が配線溝等の上面に露出した状態でに上記の清浄化を行う必要が有るため、清浄化工程に対する耐性が低い低誘電率絶縁膜の使用が困難である。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の具体的な材料構成を含めた実施例について図面を用いて説明する。

まず、本発明の第１の実施例に係る半導体装置の製造方法について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２及び図１３は、第１の実施例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す工程断面図であり、作図の都合上、分図したものである。図１２（ａ）に示すように、素子を形成した半導体基板上に、ＳｉＯ₂膜１６、ＳｉＯＮ膜１７を順次成膜し、リソグラフィーと異方性エッチングによって半導体素子との接合部となる接続孔を開口して、表面全面にＴｉＮ膜１８、Ｗ膜１９を成膜した後、接続孔以外の余剰なＷ膜１９およびＴｉＮ膜１８をＣＭＰによって除去することによって、半導体素子と上部多層配線とを接続するＷプラグ層を形成する。

その上に、米国Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２０を塗布法によって成膜した後、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＮ膜２１を成膜し、リソグラフィーと異方性エッチングによって第１の配線層の配線溝を形成する（図１２（ｂ））。Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２０のような有機物を多量に含有する膜は、通常有機物であるレジストの剥離における耐性が低いが、このリソグラフィー時にＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２０は表面に現れない。すなわち、ＳｉＮ膜２１上でレジストの塗布、現像が行われるため、例えば基板上の半導体素子との位置ずれが激しい場合に一旦レジストを剥離してから再度のリソグラフィーを行うことができる。また、ＳｉＯＮ膜１７は、異方性エッチングにおける配線溝底面でのエッチストッパの役割を持つ。

次に、真空装置内でＡｒイオンによって表面を僅かにエッチングすることによって、Ｗプラグ１９表面の清浄化を行い、真空を保ったまま、Ｔａ／ＴａＮという構成のバリアメタル膜２２、Ｃｕ膜をスパッタ法によって配線溝を被覆する形で表面全面に成膜する。このスパッタ法によって成膜したＣｕを電極にして、電解めっき法によって配線溝を埋め込むように、表面全面にＣｕを成膜する。この後にＣＭＰによって配線溝内以外の余剰なＣｕおよびバリアメタル膜２２を除去し、第１配線層を形成する（図１２（ｃ））。このとき、ＳｉＮ膜２１はＣＭＰにおけるストッパとして機能する。

次に、全表面にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣ膜２４を成膜する（図１２（ｄ））。ＳｉＣ膜２４は、第１配線層のＣｕ２３の上面を被覆する役割を持つ。

次に、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５、ＳｉＣ膜２６、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２７、ＳｉＮ膜２８、ＴｉＮ膜２９を順次、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜は塗布法によって、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜はプラズマＣＶＤ法によって、ＴｉＮ膜はスパッタ法によってそれぞれ成膜する（図１２（ｅ））。

次に、リソグラフィーと異方性エッチングによってＴｉＮ膜２９を第２配線層の配線溝のパターンに加工する（図１２（ｆ））。このＴｉＮ膜２９の異方性エッチングにおいて、ＳｉＮ膜２８はエッチストッパとして機能する。例えば、ＨＢｒとＣｌ₂系を用いることによって、ＳｉＮがエッチングされにくい条件でＴｉＮをエッチングすることが可能である。

次に、リソグラフィーによってレジスト３０を第１−２配線層間の接続孔のパターンに加工する（図１２（ｇ））。このリソグラフィーにおいても表面はＳｉＮ膜２８またはＴｉＮ膜２９で覆われているため、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜は損傷を受けない。

次に、異方性エッチングによって、ＳｉＮ２８膜、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２７、ＳｉＣ膜２６、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５の一部を順次除去して、第１−２配線層間の接続孔の主部を形成する（図１２（ｈ））。この異方性エッチングにおいては、最上層のＴｉＮ膜２９がエッチングされにくい条件で行われる。例えばフルオロカーボン系のガスを用いることで、ＴｉＮがエッチングされにくい、Ｓｉ組成比の高い膜のエッチングが可能である。ＳｉＣ膜２６のエッチングが十分終了し、かつＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５のエッチングが終了する以前にＳｉＣ膜がエッチングされにくい条件を用いることによって、ＳｉＣ膜２４をエッチングストッパとして用いることができる。Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜のような低誘電率膜は、例えばＨ₂系のガスを用いたエッチング速度が非常に大きいため、比較的容易にバリア膜との選択比を得ることができる。ここで、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５は完全に底部までエッチングされなくて良い。後に行う第２配線層配線溝の形成におけるＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２７のエッチングにおいても、同時にエッチング条件にさらされるからである。なお、レジスト３０の膜厚は、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２７、Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５のエッチング中に消失するように設定される。Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ膜のエッチングされやすい条件においては、有機物であるレジストは比較的エッチングされやすい。ＳｉＮ膜２８がレジスト３０のパターンを引き継いだ後は、ＳｉＮ膜がエッチングされにくい条件を用いることによって、レジスト３０が消失後もＳｉＮ膜２８がマスクとなって異方性エッチングを進行できる。

次に、ＴｉＮ膜２９をマスクとして、ＳｉＮ膜２８を第２配線層の配線溝のパターンに加工し、継続してＴｉＮ膜２９とＳｉＮ膜２８の両者をマスクとしてＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２７をエッチングして、第２配線層の配線溝を形成する。（図１２（ｉ））このエッチングにおいて、ＳｉＣ膜２６はエッチングストッパとして機能する。同時に、第１−２配線層間の接続孔となるＳｉｌｋ＆ｒｅｇ膜２５のエッチングは、この工程において十分終了させる。この場合ＳｉＣ膜２４がエッチストッパとして機能する。

次に、ＴｉＮからなるバリア膜３１を、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の内面を被覆するように成膜した後、異方性エッチングによって第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の側壁部にＴｉＮバリア膜３１を残存させつつ、第１−２層間接続孔底面のＴｉＮバリア膜３１を除去する（図１２（ｊ））。

次に、第１−２層間接続孔の底面のＳｉＣ膜２４を異方性エッチングによって除去して、第１配線層の上部接続面を露出させる（図１３（ｋ））。このとき、ＳｉＮ膜２１はストッパとして機能する。

次に、真空装置内でＡｒイオンによって表面を僅かにエッチングすることによって、第１配線層のＣｕ配線２３における第２配線層への接続部表面の清浄化を行い、真空を保ったまま、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の内面を被覆するように、スパッタ法によってＣｕを成膜する。この後、電解めっき法によって第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔を埋め込むようにＣｕ３２を成膜し、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の内部以外の余剰なＣｕおよびＴｉＮ膜２９をＣＭＰによって除去する（図１３（ｌ））。このＣＭＰにおいて、ＳｉＮ膜２８はストッパとして機能する。

次に、表面にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣ膜３３を成膜する（図１３（ｍ））。ＳｉＣ膜３３は、第２配線層のＣｕ部３２の上面を被覆する役割を持つ。

以下、図１２（ｅ）〜図１３（ｌ）までと同様の工程を繰り返すことによって、第２配線層と接続する第３配線層を形成する（図１３（ｎ））。さらに同様の工程を繰り返すことで、より上層の配線層を形成できる。

次に、本発明の第２の実施例に係る半導体装置の製造方法について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４及び図１５は、第２の実施例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す工程断面図であり、作図の都合上、分図したものである。図１４（ａ）に示すように、素子を形成した半導体基板上に、ＳｉＯ２膜３４、ＳｉＣ膜３５を順次成膜し、リソグラフィーと異方性エッチングによって半導体素子との接合部となる接続孔を開口して、表面全面にＴｉＮ膜３６、Ｗ膜３７を成膜した後、接続孔以外の余剰なＷ膜３７およびＴｉＮ膜３６をＣＭＰによって除去することによって、半導体素子と上部多層配線とを接続するＷプラグ層を形成する。

その上に、プラズマＣＶＤ法によってベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）膜３８を成膜した後、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＣ膜３９を成膜し、リソグラフィーと異方性エッチングによって第１の配線層の配線溝を形成するとともにＷプラグ３７の上面を露出させる（図１４（ｂ））。ＢＣＢ膜もＳｉｌｋ＆ｒｅｇ;膜と同様に有機物を多量に含有するが、このリソグラフィー時にはＳｉＣ膜３５が上部に有るのでＢＣＢ膜３８は表面に現れず、例えば基板上の半導体素子との位置ずれが激しい場合に一旦レジストを剥離してから再度のリソグラフィーを行うことができる。ここではＳｉＣ膜３５は、異方性エッチングにおける、配線溝底面でのエッチストッパの役割を持つ。

次に、配線溝を被覆する形でＳｉＣ膜４０を表面全面に成膜し、異方性エッチングによって配線溝側壁にＳｉＣ膜４０を残存させつつ、Ｗプラグ３７上の、すなわち配線溝底部のＳｉＣ膜４０を除去する。このエッチングの際には、配線溝底部のＳｉＣ膜４０消失後はＳｉＣ膜３５が、最表層のＳｉＣ膜４０消失後はＳｉＣ膜３９が、エッチング条件にさらされる。したがって、Ｗプラグ３７の上面が確実に露出されるようにＳｉＣ膜４０のエッチングはある程度過剰に行う必要があるが、この過剰分によっても十分残存するように、かつ配線間容量を低減するためにできるだけ小さい値にＳｉＣ膜３５およびＳｉＣ膜３９の厚さは設定される必要がある。

次に、真空装置内でＡｒイオンによって表面を僅かにエッチングすることによって、Ｗプラグ３７表面の清浄化を行い、真空を保ったままＣｕ４１を有機金属化学気相成長法（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）によって、配線溝を埋め込むように表面全面に成膜する。この後にＣＭＰによって配線溝内以外の余剰なＣｕ除去し、第１配線層を形成する（図１４（ｃ））。このとき、ＳｉＣ膜３９はＣＭＰにおけるストッパとして機能する。

次に、全表面にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣ膜４２を成膜する（図１４（ｄ））。ＳｉＣ膜４２は、第１配線層のＣｕ部４１の上面を被覆する役割を持つ。

次に、プラズマＣＶＤ法によってＢＣＢ膜４３、ＳｉＣ膜４４、ＢＣＢ膜４５、ＳｉＣ膜４６、ＳｉＯ₂膜４７を順次成膜する（図１４（ｅ））。

次に、リソグラフィーと異方性エッチングによってＳｉＯ₂膜４７を第２配線層の配線溝のパターンに加工しする（図１４（ｆ））。このＳｉＯ₂膜４７の異方性エッチングにおいて、ＳｉＣ膜４６はエッチストッパとして機能する。また、最表面にはＳｉＣ膜４６、ＳｉＯ₂膜４７しか露出しないので、レジストの剥離等の工程においてＢＣＢ膜が損傷されない。

次に、リソグラフィーによってレジストを第１−２配線層間の接続孔のパターンに加工する（図１４（ｇ））。このリソグラフィーにおいても表面はＳｉＣ膜４６またはＳｉＯ₂膜４７で覆われているため、ＢＣＢ膜は損傷を受けない。

次に、異方性エッチングによって、ＳｉＣ膜４６、ＢＣＢ膜４５、ＳｉＣ膜４４、ＢＣＢ膜４３の一部を順次除去して、第１−２配線層間の接続孔の主部を形成する（図１４（ｈ））。この異方性エッチングにおいては、最上層のＳｉＯ₂膜４７がエッチングされにくい条件で行われる。なお、レジスト４８の膜厚は、ＳｉＣ膜４４のエッチング終了後、ＢＣＢ膜４３のエッチング中に消失するように設定される。ＳｉＣ４６膜がレジスト４８のパターンを引き継いだ後、ＳｉＣ膜がエッチングされにくい条件を用いることで、レジスト４８が消失後もＳｉＣ膜４６がマスクとなって異方性エッチングを進行できる。

次に、ＳｉＯ₂膜４７をマスクとして、ＳｉＣ膜４６を第２配線層の配線溝のパターンに加工する。このとき、第１−２配線層間の接続孔底部のＳｉＣ膜４２も同時にエッチングされ、第１配線層のＣｕ配線４１の第２配線層へ接続する上面が露出される。この後、継続してＳｉＯ₂膜４７とＳｉＣ膜４６の両者をマスクとしてＢＣＢ膜４７をエッチングして、第２配線層の配線溝を形成する。（図１４（ｉ））このＢＣＢ膜４７のエッチングにおいて、ＳｉＣ膜４４はエッチングストッパとして機能する。このエッチングにおいて、ＳｉＣ膜４６が第２配線層の配線溝のパターンに加工された後は、ＳｉＯ₂膜４７は減少、消失しても構わない。

次に、ＳｉＣ膜４９を、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の内面を被覆するように成膜した後（図１４（ｊ））、異方性エッチングを施し、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の側壁部にＳｉＣ膜４９を残存させつつ、第１−２層間接続孔底面のＳｉＣバリア膜４９を除去する（図１５（ｋ））。

次に、第２配線層の配線溝および第１−２層間接続孔の内面を埋め込むように、ＭＯＣＶＤによってＣｕ５０を成膜し、表面の余剰なＣｕ、および残存するＳｉＯ₂膜４７をＣＭＰによって除去する（図１５（ｌ））。ＣｕのＭＯＣＶＤにおいて、ヘキサフルオロアセチルアセトン（Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎｅ：Ｈｈｆａｃ）および水が添加された原料を用いた場合には、下地Ｃｕの酸化表面がこれらの添加剤によって還元されるため、過剰な清浄化を用いずに良好な電気的接続を得やすい。もちろん、Ａｒイオン照射や、例えば１９９７ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ ５９〜５０頁に記述のような、Ｃｕ表面清浄化を施すことで、より確実により純度の高いＣｕ同士の接続が可能である。

次に、表面にプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣ膜５１を成膜する（図１５（ｍ））。ＳｉＣ膜５１は、第２配線層のＣｕ５０の上面を被覆する役割を持つ。

以下、図１４（ｅ）〜図１５（ｌ）までと同様の工程を繰り返すことによって、第２配線層と接続する第３配線層を形成する（図１５（ｎ））。さらに同様の工程を繰り返すことで、より上層の配線層を形成できる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば配線間を隔てる絶縁膜はＳｉｌｋ＆ｒｅｇやＢＣＢである必要はなく、空隙を含んだナノガラス等でもよい。誘電率が低く、かつ接すべきバリア膜との密着性が強固なものが望ましい。なお、本発明によれば、配線溝もしくは接続孔における電気的接続を担う部の導体の埋め込み成膜前に行うＡｒイオン照射などにおける耐性は、従来ほど必要としない。また、配線溝もしくは接続孔の側壁バリア膜としても、導体に関してはＴｉＮである必要はなくＷやＴａもしくはその窒化物などでもよい。配線材であるＣｕに対するバリア性が高く、かつ下地となる絶縁膜もしくはバリア膜との、およびＣｕとの密着性が高く、かつ比抵抗の低いものが望ましい。同様に、当該部の絶縁体に関してもＳｉＣでなくてもよく、ＳｉＮやＳｉＣＮ等の材料でも良い。配線材であるＣｕに対するバリア性が高く、かつ下地となる絶縁膜もしくはバリア膜との、およびＣｕとの密着性が高く、かつ誘電率の低いものが望ましい。他のバリア膜に関しても全く同様であり、実施例の各部位に用いた材料で無くても良く、配線材であるＣｕに対するバリア性が高く、かつ下地となる絶縁膜もしくはバリア膜との、およびＣｕとの密着性が高く、かつ誘電率の低いものが望ましい。また、成膜やエッチングの手法も同様に、実施例に限定されない。例えばＣｕの成膜に関して、ＭＯＣＶＤにめっきを組み合わせる、もしくはスパッタとＭＯＣＶＤとメッキを組み合わせてもよい。他の成膜に関しても同様であり、上述のような各部位の膜に必要な特質を選られるものであれば、スパッタ法や熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、塗布法等、適宜対象によって使用できる。

本発明は、半導体装置の製造方法に利用可能である。

１ 配線材
２ 絶縁膜
３ バリア膜
４ バリア膜
５ 絶縁膜
６ バリア膜
７ 配線材
８ バリア膜
９ バリア膜
１０ バリア膜
１１ バリア膜
１２ 絶縁膜
１３ ダミー膜
１４ レジスト
１５ レジスト
１６ ＳｉＯ₂
１７ ＳｉＯＮ
１８ ＴｉＮ
１９ Ｗ
２０ Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ
２１ ＳｉＮ
２２ Ｔａ／ＴａＮ
２３ Ｃｕ
２４ ＳｉＣ
２５ Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ
２６ ＳｉＣ
２７ Ｓｉｌｋ＆ｒｅｇ
２８ ＳｉＮ
２９ ＴｉＮ
３０ レジスト
３１ ＴｉＮ
３２ Ｃｕ
３３ ＳｉＣ
３４ ＳｉＯ₂
３５ ＳｉＣ
３６ ＴｉＮ
３７ Ｗ
３８ ＢＣＢ
３９ ＳｉＣ
４０ ＳｉＣ
４１ Ｃｕ
４２ ＳｉＣ
４３ ＢＣＢ
４４ ＳｉＣ
４５ ＢＣＢ
４６ ＳｉＣ
４７ ＳｉＯ₂
４８ レジスト
４９ ＳｉＣ
５０ Ｃｕ
５１ ＳｉＣ
Ｍ０ 配線材
ＢＭ 導体バリア膜
Ｉ０ 絶縁膜
Ｉ１ 絶縁体バリア膜
Ｉ２ 絶縁体バリア膜

Claims (7)

1. 半導体素子が形成された基板上に絶縁体膜が設けられ、該絶縁体膜に第１の孔が設けられ、該第１の孔に配線材であるＣｕが充填された半導体装置に対して、
   （ａ）Ｃｕを除く前記絶縁体膜上面にＣｕの拡散を防止する第１のバリア膜を形成する工程と、
   （ｂ）Ｃｕ及び該第１のバリア膜上に、第２のバリア膜、層間絶縁膜をこの順に形成する工程と、
   （ｃ）前記第２のバリア膜を残して、前記層間絶縁膜にＣｕへ接続するための第２の孔を形成する工程と、
   （ｄ）前記基板の表面全体にＣｕの拡散を防止するための第３のバリア膜を形成する工程と、
   （ｅ）前記第２の孔の側面以外の前記第３のバリア膜を除去する工程と、
   （ｆ）前記第２の孔の底面に存在する前記第２のバリア膜を除去してＣｕを露出させる工程と、
   （ｇ）前記第２の孔に配線材であるＣｕを充填して、前記第１の孔に充填されたＣｕと接続する工程と、
   を実施する、半導体装置の製造方法。
2. 半導体素子が形成された基板上に絶縁体膜が設けられ、該絶縁体膜に第１の孔が設けられ、該第１の孔に配線材であるＣｕが充填された半導体装置に対して、
   （ａ）Ｃｕを除く前記絶縁体膜上面にＣｕの拡散を防止する第１のバリア膜を形成する工程と、
   （ｂ）Ｃｕ及び該第１のバリア膜上に、第２のバリア膜、第１の層間絶縁膜をこの順に形成する工程と、
   （ｃ）該第１の層間絶縁膜上に第４のバリア膜、第２の層間絶縁膜をこの順に形成する工程と、
   （ｄ）前記第４のバリア膜を残して、前記第２の層間絶縁膜に溝を形成する工程と、
   （ｅ）該溝の内部に、前記第２のバリア膜を残して第２の孔を形成する工程と、
   （ｆ）前記基板の表面全体にＣｕの拡散を防止するための第３のバリア膜を形成する工程と、
   （ｅ）前記溝及び第２の孔の側面以外の前記第３のバリア膜を除去する工程と、
   （ｆ）前記第２の孔の底面に存在する前記第２のバリア膜を除去してＣｕを露出させる工程と、
   （ｇ）前記溝及び第２の孔に配線材であるＣｕを充填して、前記第１の孔に充填されたＣｕと接続する工程と、
   を実施する、半導体装置の製造方法。
3. 前記第３のバリア膜が導体である、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第３のバリア膜が絶縁体である、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第３のバリア膜が導体及び絶縁体の積層膜である、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記溝の幅を、隣接する溝と溝との間隔の半分よりも大きく加工する、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記溝の幅を、隣接する溝と溝との間隔の半分に前記第３のバリア膜の前記溝側壁片側における厚さを加えた値より小さく加工する、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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