JP2809196B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特に銅配線を有する半導体装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの微細化・高集積化に伴い、低抵
抗でエレクトロマイグレーション耐性の高い銅（Ｃｕ）
の配線が用いられるようになってきている。銅配線を用
いた第１の従来例としては、ノブヨシ アワヤ、ヨシノ
ブ アリタ（Ｎｏｂｕｙｏｓｈｉ Ａｗａｙａ ａｎｄ
Ｙｏｓｈｉｎｏｂｕ Ａｒｉｔａ）によりジャーナル
オブ エレクトロニック マテリアルズ（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓ）Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１０，１９９２，ｐｐ９５９
−９５４）に報告されたものがある。以下図３に示した
断面図を用いて説明する。

【０００３】まず図３（ａ）に示すように、シリコン
（Ｓｉ）基板１１上に形成され、銅（以下Ｃｕ）に対す
るバリア性とＣｕの酸化防止能力の高いＳｉ窒化膜１２
Ａの上層に、Ｃｕの拡散防止と下地との密着性改善を目
的としたクロム（Ｃｒ）より構成されるバリア膜３Ａと
Ｃｕ膜４及びＣｒより構成されるバリア膜３Ｂを形成
し、パターニングして３つの導電層よりなる配線を形成
する。

【０００４】次に図３（ｂ）に示すように、配線の上層
にＳｉ窒化膜１２Ｂを形成し、Ｃｕ配線の耐酸化性、耐
食性、密着性を改善するものである。

【０００５】一方、竹脇らはＣｕ配線周囲の耐酸化性を
高める構造とその製法を示している（１９９５年電子情
報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文
集２、講演番号Ｃ−４１８、ｐｐ１１５−１１６）。以
下この製造方法を第２の従来例とし、図４の断面図を用
いて説明する。

【０００６】まず図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１
１上にＳｉ酸化膜より構成される第１絶縁膜１４を形成
したのち、その上にＣｕ膜４より構成される配線を形成
する。続いてＳｉ基板１１を加熱しながらモノシラン
（ＳｉＨ₄ ）ガス６に曝して、ＣｕとＳｉＨ₄ ガス中の
Ｓｉを反応させ、図４（ｂ）に示すように、配線の周囲
にＣｕシリサイド層（Ｃｕ_x Ｓｉ_y ）７を形成し、この
Ｃｕシリサイド層７によりＣｕの酸化を防止している。

【０００７】また、宮崎らはＣｕ配線上への層間絶縁膜
形成時のＣｕの酸化を防止する手法を提唱している（１
９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエテ
ィ大会講演論文集２、講演番号Ｃ−４１９、ｐｐ１１７
−１１８）。以下この方法を第３の従来例として図５の
断面図を用いて説明する。

【０００８】まず図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１
１上に形成されたＰＳＧ膜より構成される第１絶縁膜１
４上に、タングステン（Ｗ）より構成されるバリア膜１
３ＡとＣｕ膜４及びＷより構成されるバリア膜１３Ｂを
順次形成し、絶縁膜をエッチングマスク（図示せず）と
し、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄ ）＋窒素（Ｎ₂ ）＋酸
素（Ｏ₂ ）の混合ガスをエッチングガスとした、２５０
℃の高温での反応性イオンエッチング法により、上述の
３つの導電層を順次エッチングしてＷ膜、Ｃｕ膜、Ｗ膜
の積層膜より構成されるＣｕ配線を形成する。

【０００９】次に図５（ｂ）のごとく、テトラ・エトキ
シ・シラン（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｏｘｙ−Ｓｉｌａｎ
ｅ、以下ＴＥＯＳと記す）＋Ｏ₂ 混合ガスを用いたプラ
ズマＣＶＤ法により、Ｃｕ配線上にＳｉ酸化膜であるプ
ラズマＴＥＯＳ酸化膜１５を形成するものである。

【００１０】この高温の反応性イオンエッチング工程で
はＣｕ配線側壁部にシリコン酸化膜系の側壁保護膜が形
成され、さらにＴＥＯＳ存在下ではＣｕの酸化が非常に
遅いため、絶縁膜形成時のＣｕの酸化は実用上問題とは
ならないとしている。

【００１１】一方岡部らは、Ｃｕを酸化させずにＣｕ膜
の表面に自己整合的にＳｉ酸化膜を形成する方法を明ら
かにしている（１９９３年秋季応用物理学会学術講演会
２９ｐ−ＺＥ−５）。以下この方法を第４の従来例とし
図６を用いて説明する。

【００１２】まず図６（ａ）のように、Ｓｉ基板１１上
に形成した第１絶縁膜１４の上に合金ターゲットを用い
たスパッタ法により、ＣｕにＳｉが１．０〜５．０重量
％含まれたＣｕ−Ｓｉ合金膜４Ａを５００ｎｍの厚みで
形成する。

【００１３】次に図６（ｂ）のごとく、Ｓｉ基板１１を
Ｎ₂ −７ｐｐｍＯ₂ 雰囲気中で５００℃１時間の熱処理
を行ってＣｕ−Ｓｉ合金膜４Ａ中のＳｉを外方拡散さ
せ、Ｃｕ−Ｓｉ合金膜表面でＯ₂ と反応させることによ
ってＣｕを酸化させる事なくＣｕ−Ｓｉ合金膜表面にＳ
ｉ酸化膜１６を形成するものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した第１の従来例
の半導体装置は、Ｓｉ窒化膜をＣｕ配線の上下に形成し
ている為、Ｃｕの酸化、Ｃｕの拡散、Ｃｕの腐食のすべ
てを防止する事ができる。

【００１５】しかしＳｉ窒化膜の比誘電率はＳｉ酸化膜
よりも２倍近く大きいため、層間絶縁膜の容量が大幅に
増加して、この容量増加による信号遅延が大きくなり半
導体装置の性能低下をもたらす。特に微細な半導体装置
では、回路全体の遅延におよぼす層間膜容量に起因する
遅延の占める割合が高くなるため、この遅延の影響は深
刻になり、Ｃｕを使用するメリットをなくしてしまうと
言う欠点がある。

【００１６】第２の従来例のように、配線の周囲にＣｕ
シリサイド層を形成した場合、Ｃｕ配線の耐酸化性、耐
食性及び耐エレクトロマイグレーション性の改善効果が
あり、しかも層間絶縁膜にＳｉ窒化膜を使用する必要が
なくなるため層間容量も増加しない。しかし配線全体の
表面積に対する高抵抗なＣｕシリサイド層の比表面積が
大きくなるため、配線抵抗が増加する。

【００１７】さらに配線の微細化にともない、配線の体
積に対する表面積の割合はより高くなるために配線抵抗
の増加率はさらに高くなり、半導体装置の特性低下が生
じる。従って抵抗の低いＣｕを配線の主導電層に採用す
るメリットがなくなる。また、ＣｕとＳｉＨ₄ との反応
は比較的速いために制御は簡単ではない。そのためシリ
サイド層の膜厚制御も難しく、ウェーハ面内やロット内
で均一な配線抵抗を得る事が難しく、安定した電気特性
の半導体装置を得にくいと言う欠点がある。

【００１８】第３の従来例のように、エッチング時にＣ
ｕ配線の側壁部にＳｉ酸化膜系の保護膜を形成し、次で
ＴＥＯＳソースを用いてＳｉ酸化膜をＣｕ配線上に形成
する手法では、絶縁膜形成時のＣｕの酸化を防止でき、
配線抵抗も増加しない。また層間容量の増加による遅延
も起こらない。

【００１９】しかしＣｕ配線側壁部の保護膜は導電膜の
プラズマエッチング中の非平衡状態下で形成される熱的
安定性の低いものであり、Ｃｕの拡散防止能力の高いも
のではない、さらにＴＥＯＳソースのプラズマＣＶＤ法
により形成したＳｉ酸化膜もＣｕに対するバリア性があ
まり高いものではないため、配線を多層化する際に施さ
れる複数回の熱処理によりＣｕの拡散や酸化が進行して
配線間の電流リーク不良や配線抵抗上昇が発生する可能
性があり、高い製造歩留や長期信頼性が得にくいと言う
欠点がある。

【００２０】第４の従来例のように、Ｃｕ−Ｓｉ合金膜
表面に自己整合的にＳｉ酸化膜を形成する方法では、Ｃ
ｕにＳｉを添加する事によってＣｕの電気抵抗が３μΩ
ｃｍ以上にまで増加するため、Ｃｕ配線の利点が失われ
る。さらにＳｉ酸化膜を形成するのに５００℃と言う高
い温度と、１時間と言う長い時間がかかるため、製造コ
ストが増加するという欠点がある。

【００２１】本発明の目的は、Ｃｕ配線の電気抵抗増大
を最小限に抑制しながら、Ｃｕ配線の耐酸化性、耐食
性、耐エレクトロマイグレーション性、耐ストレスマイ
グレーション性などの長期信頼性や製造歩留を向上させ
ることのできる半導体装置およびその製造方法を提供す
ることにある。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【課題を解決するための手段】 第１の 発明の半導体装置
の製造方法は、半導体基板上に第１絶縁膜を形成する工
程と、前記第１絶縁膜上に第１導電膜と銅膜と第２導電
膜を順次形成する工程と、前記第２導電膜と前記銅膜及
び前記第１導電膜をパターニングし配線を形成する工程
と、前記配線の側壁部の露出した銅膜表面を珪素を含有
するガスに曝し、銅珪素化合物にする工程と、前記第１
絶縁膜および前記配線上に第２絶縁膜を形成する工程と
を有する事を特徴とするものである。

【００２５】第２の発明の半導体装置の製造方法は、半
導体基板上に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶
縁膜に配線溝を形成する工程と、前記配線溝上を含む全
面に第１導電膜および銅膜を順次形成し、前記配線溝を
埋める工程と、前記配線溝外部の前記第１導電膜および
前記銅膜を除去し前記第１導電膜および前記銅膜より構
成される配線を形成する工程と、前記配線上部の露出し
た銅膜表面を珪素を含有するガスに曝し、銅珪素化合物
層にする工程と、前記銅珪素化合物層表面を含む全面に
第２絶縁膜を形成する工程とを有する事を特徴とするも
のである。

【００２６】

【作用】本発明によれば、配線の周囲がＣｕの酸化防
止、Ｃｕの拡散防止、Ｃｕの耐エレクトロマイグレーシ
ョン性や耐ストレスマイグレーション性の改善に効果的
なバリア膜とＣｕシリサイド層により被覆されたＣｕ配
線を、高い制御性、高い均一性および高い再現性のもと
で形成できる。

【００２７】そのためＣｕ配線上にＳｉ窒化膜よりも非
誘電率は低いが成膜時にＣｕを酸化させてしまう可能性
のあるＳｉ酸化膜などの絶縁膜を形成した場合でもＣｕ
は酸化はされず、Ｃｕ配線の長期信頼性が改善される。
さらにＣｕ配線多層化のために複数回の熱処理が加わっ
た場合でも配線や絶縁膜の特性劣化が生じないため、高
い性能と高い長期信頼性を有する半導体装置を高い歩留
で製造できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施
の形態を説明する為の製造工程順に示した半導体チップ
の断面図である。

【００２９】まず図１（ａ）に示す通り、Ｓｉ基板１上
にＳｉ酸化膜より構成される第１絶縁膜２Ａを熱酸化法
又はＳｉＨ₄ と亜酸化窒素（Ｎ₂ Ｏ）、あるいはＴＥＯ
ＳとＯ₂ を用いたプラズマＣＶＤ法により約５００ｎｍ
の厚さに形成する。

【００３０】この第１絶縁膜はＳｉ酸化膜に限定される
ものではなく、これ以外にＳｉ酸化膜にリン（Ｐ）やボ
ロン（Ｂ）が含まれたＰＳＧ膜やＢＰＳＧ膜、あるいは
ポリイミドなどの有機膜でも構わない。またその形成方
法についてもプラズマＣＶＤ法に限られるものではな
い。続いて窒化チタン膜（以下ＴｉＮ膜）より構成され
るバリア膜３Ａを、チタンターゲットを用いた反応性ス
パッタ法により、パワー２．５〜５．０ｋＷ、圧力２〜
１０ｍＴｏｒｒの条件で２５〜１００ｎｍの厚みで形成
する。

【００３１】次にこのバリア膜３Ａ上にＣｕ膜４をスパ
ッタ法により、成膜パワー２．０〜５．０ｋＷ、成膜圧
力２〜１０ｍＴｏｒｒの条件の下、２５０〜５００ｎｍ
の厚みで形成する。次でこのＣｕ膜４上にＴｉＮ膜より
構成されるバリア膜３Ｂをバリア膜３Ａと同様の条件に
より２５〜１００ｎｍの厚みで形成する。

【００３２】バリア膜３Ａ，３ＢはＴｉＮ膜に限らず、
その他にチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム
（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モ
リブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔ
ａ）、タングステン（Ｗ）やこれらのケイ化物、ホウ化
物、窒化物、炭化物、およびこれらを含有する合金を用
いる事ができる。

【００３３】このバリア膜は、配線の主導電層であるＣ
ｕの酸化やＣｕの絶縁膜中への拡散の防止、および下層
に存在する第１絶縁膜との間の密着性を確保する事を目
的として形成される。

【００３４】次に、ＴＥＯＳ＋Ｏ₂ をソースとして用い
たプラズマＣＶＤ法により、バリア膜３Ｂ上に厚さ３０
０〜５００ｎｍの酸化膜を形成して、フォトレジストを
マスクとした反応性イオンエッチング法によりパターニ
ングし、配線加工時のエッチング用のマスク５とする。

【００３５】次に図１（ｂ）に示すように、ＳｉＣ
ｌ₄ 、塩素（Ｃｌ₂ ）、アンモニア（ＨＮ₃ ）及びＮ₂
を用いた反応性イオンエッチング法により、温度２８０
℃、圧力＝２Ｐａ、ＳｉＣｌ₄ ＝２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂
＝２０ｓｃｃｍ、ＨＮ₃ ＝１０〜３０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ＝
８０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ＝８０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝２０
０Ｗの条件でバリア膜３Ｂ，Ｃｕ膜４およびバリア膜３
Ａを順次エッチグして配線を形成する。続いてバリア膜
３Ｂの上部に残ったマスク５を、炭素−フッ素系ガスを
用いた反応性イオンエッチング法により除去する。

【００３６】次に図１（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１
を３００℃〜４００℃に恒温保持された真空室に導入
し、圧力５０〜５００ＰａでＳｉＨ₄ ガス、あるいはア
ルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスやＮ₂ で希釈したＳｉ
Ｈ₄ ガス６を真空室に導入し、Ｓｉ基板１をＳｉＨ₄ ガ
ス６雰囲気に曝す。そして配線の側壁部の露出したＣｕ
膜とＳｉＨ₄ ガスを反応させ、厚さ１０〜２０ｎｍのＣ
ｕシリサイド層７（Ｃｕ_x Ｓｉ_y 化合物、ｘ，ｙは整
数）を配線側壁部に形成する。

【００３７】配線側壁部に形成されるＣｕシリサイド層
７の組成や膜厚は、圧力、温度、曝露時間、ＳｉＨ₄ ガ
スの濃度および分圧などにより決定されるが、およそ１
分の処理で厚さ５〜２０ｎｍのＣｕシリサイド層が形成
できる。モノシラン以外にも、同じくＳｉ−Ｈ結合を有
するジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）や、Ｆの結合も有するジフ
ロルシラン（ＳｉＨ₂ Ｆ₂ ）などを用いることができ
る。減圧雰囲気下で希釈したＳｉＨ₄ ガスを用いてＣｕ
をシリサイド化させる場合、シリサイド化の反応速度を
遅くできる。そのため、薄いＣｕシリサイド膜を高い均
一性と制御性のもとで形成でき、Ｃｕ配線の電気特性も
安定したものとなる。

【００３８】この工程において配線側壁部のＣｕが酸化
されていたり、配線側壁部にＳｉ酸化膜系の堆積物が存
在するとＣｕとＳｉＨ₄ ガスが反応しにくくなる。その
ためＣｕが酸化されている場合、前処理としてＳｉＨ₄
導入前に水素（Ｈ₂ ）ガスを導入して４００℃程度に加
熱してやれば、Ｃｕの酸化物をＣｕに還元でき、後のシ
リサイド化反応を促進できる。この前処理はＳｉＨ₄ ガ
スを導入する真空室で行ってもよいし、別の真空室で行
ってから真空を破らずにＳｉＨ₄ ガスを導入する真空室
に搬送しても良い。

【００３９】配線側壁にＳｉ酸化膜系の堆積物が存在す
る場合には、前処理としてＳｉＨ₄導入前に別の真空室
でフッ酸（ＨＦ）ガスを導入・曝露してやれば、Ｓｉ酸
化膜系の堆積物の除去が可能であり、後のシリサイド化
反応を促進できる。この際Ｃｕはエッチングされない
が、バリア膜はエッチングされる可能性があるため、バ
リア膜と堆積物のエッチングレートを考慮して前処理条
件を決定する必要がある。

【００４０】この前処理は腐食性の強いＨＦガスを用い
るため、ＳｉＨ₄ ガスを導入する真空室とは別の真空室
で行い、その後真空を破らずにＳｉＨ₄ ガスを導入する
真空室に搬送する。配線側壁部に薄いＣｕシリサイド層
が形成されると、配線の耐酸化性は大幅に改善され、さ
らにＣｕシリサイド層の膜厚は充分に薄いため、配線抵
抗はほとんど増加しない。

【００４１】続いて図１（ｄ）に示すように、真空を破
ることなくＴＥＯＳ＋Ｏ₂ をソースとして用いたプラズ
マＣＶＤ法により、配線上にＳｉ酸化膜より構成される
第２絶縁膜２Ｂを５００〜１０００ｎｍの厚みで堆積す
る。この絶縁膜の堆積はＣｕシリサイド層を形成した真
空室と同じ真空室で行っても、別の真空室に搬送してか
ら行ってもよい。従来例で示したように、ＴＥＯＳをソ
ースとしたプラズマＣＶＤではＣｕの酸化が遅く、さら
にＣｕ表面はシリサイド化されているため、第２絶縁膜
の堆積時に配線の側壁部はほとんど酸化されない。

【００４２】配線側壁部のシリサイド化による表面保護
と絶縁膜の堆積を連続プロセスで行うと、工程数を増加
させる事なく上述のメリットが得られる。しかし装置の
構成上の問題などで、Ｃｕのシリサイド化と絶縁膜堆積
の連続真空処理ができない場合や、Ｃｕを酸化しやすい
ＳｉＨ₄ ＋Ｎ₂ Ｏを用いたプラズマＣＶＤ法により連続
真空処理を行う場合には、Ｓｉ基板を大気に曝露した時
の配線表面の吸着Ｏ₂やＮ₂ Ｏ成分により、絶縁膜堆積
時にＣｕシリサイド層の酸化が起こりやすくなる。その
場合は絶縁膜の堆積温度を下げるなどの条件の最適化な
どが必要となるが、絶対に連続真空処理でなければ不可
能と言うわけではない。

【００４３】この第２絶縁膜２Ｂは必ずしもＴＥＯＳ＋
Ｏ₂ のプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉ酸化膜で
ある必要はなく、ＳｉＨ₄ ＋Ｎ₂ Ｏを用いたプラズマＣ
ＶＤ法により形成したＳｉ酸化膜、ＴＥＯＳ＋Ｏ₂ にフ
ォスフィン（ＰＨ₃ ）やジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を加えた
ソースを用いたプラズマＣＶＤ法により形成されたＰＳ
Ｇ膜やＢＰＳＧ膜であってもよい。また、塗布法により
比誘電率の小さなポリイミドなどの有機系材料を形成し
てもよく、この手法は層間容量の低減に有効である。

【００４４】上述した第１の実施の形態で製造した半導
体装置は、Ｃｕ配線の上下と側壁がＣｕの酸化防止、Ｃ
ｕの拡散防止、Ｃｕの耐エレクトロマイグレーション性
や耐ストレスマイグレーション性の改善に効果的なバリ
ア膜３Ａ，３ＢとＣｕシリサイド層７により被覆されて
いる。そのため、Ｃｕ配線上にＳｉ窒化膜よりも比誘電
率は低いが、成膜時にＣｕを酸化させてしまう可能性の
あるＳｉ酸化膜などの絶縁膜を形成した場合でもＣｕは
酸化されず、Ｃｕ配線の長期信頼性が改善される。

【００４５】またその製造工程において、Ｃｕ配線の多
層化のために複数回の熱処理が加わった場合でも配線や
絶縁膜の特性劣化が生じないため、高い性能と高い長期
信頼性を有する半導体装置を高い制御性、均一性及び再
現性そして高い歩留で製造できる。

【００４６】上述した半導体装置とその製造方法は、Ｍ
ＯＳ、バイポーラ等の半導体装置の種類を選ばず適用す
る事ができる。

【００４７】図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施
の形態を説明する為の製造工程順に示した半導体チップ
の断面図である。

【００４８】まず図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１
上に厚さ５００〜１５００ｎｍのＳｉ酸化膜より構成さ
れる第１絶縁膜２Ａを既知の手法であるプラズマＣＶＤ
法により形成し、続いてフォトレジスト膜をマスクとし
た反応性イオンエッチング法により第１絶縁膜２Ａをエ
ッチングして深さ３００〜８００ｎｍの配線溝８を形成
する。次でこの配線溝８を含む全面にＴｉＮ膜より構成
されるバリア膜３をチタンターゲットを用いた反応性ス
パッタ法により、パワー２．５〜５．０ｋＷ、圧力２〜
１０ｍＴｏｒｒの条件で２５〜１００ｎｍの厚みで形成
する。

【００４９】次に図２（ｂ）に示すように、バリア膜３
上にＣｕ（ＨＦＡ）（ＴＭＶＳ）（Ｃｏｐｐｅｒ Ｈｅ
ｘａ Ｆｌｕｏｒｏ Ａｔｈｅｔｈｙｌａｃｅｔｏｎａ
ｔｅＴｒｉ−Ｍｅｔｈｙｌ Ｖｉｎｙｌ Ｓｉｌａｎ
ｅ、Ｃｕ（Ｃ₅ ＨＦ₆ Ｏ₂ ）（Ｃ₅ Ｈ₁₂Ｓｉ））を原料
とした有機ソースを用いるＣｕ−ＣＶＤ法により厚さ５
００〜１０００ｎｍのＣｕ膜４を形成し、配線溝８がバ
リア膜３とＣｕ膜４で充填されるようにする。Ｃｕ−Ｃ
ＶＤ法は原料ソース２０〜５０ｓｃｃｍ、キャリアＨ₂
ガス５０〜２００ｓｃｃｍ、温度１５０〜２５０℃、圧
力５．０〜２０．０Ｐａの条件で行うと、平滑で高いス
テップカバレッジのＣｕ膜を形成する事ができる。

【００５０】次でアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）微粉末と過酸
化水素（Ｈ₂ Ｏ₂ ）を主成分としたスラリーを用いた化
学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃ
ａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰ法）により、配線
溝以外の部分に露出したＣｕ膜４とバリア膜３を研磨・
除去し、バリア膜３とＣｕ膜４より構成される溝埋め込
みのＣｕ配線を形成する。

【００５１】次に図２（ｃ）のごとく、Ｓｉ基板１を３
００〜４００℃に恒温保持された真空室に導入し、圧力
５０〜５００ＰａでＳｉＨ₄ ガス、あるいはＡｒなどの
不活性ガスやＮ₂ で希釈したＳｉＨ₄ ガス６を真空室に
導入し、Ｓｉ基板１をＳｉＨ₄ ガス６雰囲気に曝す。そ
して配線上部の露出したＣｕ膜４とＳｉＨ₄ ガスを反応
させ、厚さ１０〜２０ｎｍのＣｕシリサイド層７をＣｕ
配線の上部のみに形成する。配線の上部に形成されるＣ
ｕシリサイド層７の組成や膜厚は、圧力、温度、曝露時
間、ＳｉＨ₄ ガスの温度および分圧などにより決定され
るが、およそ１分の処理で形成できる。

【００５２】シリサイド層７の形成にはＳｉＨ₄ 以外
に、同じくＳｉ−Ｈ結合を有するジシラン（Ｓｉ
₆ Ｈ₆ ）や、Ｆの結合も有するジフロルシラン（ＳｉＨ
₂ Ｆ₂ ）などを用いてもよい。減圧雰囲気下で希釈した
ＳｉＨ₄ ガスを用いてＣｕをシリサイド化させる場合、
シリサイド化の反応速度を遅くできる。そのため、薄い
Ｃｕシリサイド層を高い均一性と制御性のもとで形成で
きる。この工程において溝埋め込みのＣｕ配線上部のＣ
ｕが酸化されているとＳｉＨ₄ ガスと反応しにくくな
る。特にＣＭＰ工程ではスラリー中に酸化力の強いＨ₂
Ｏ₂ が含まれているため、配線上部のＣｕ表面が酸化さ
れている可能性が高い。その場合、前処理としてＳｉＨ
₄ 導入前に水素ガスを導入して４００℃程度に加熱して
やれば、Ｃｕの酸化物をＣｕに還元でき、後のシリサイ
ド化反応を促進できる。この前処理はＳｉＨ₄ ガスを導
入する真空室で行ってもよいし、別の真空室で行ってか
ら真空を破らずにＳｉＨ₄ ガスを導入する真空室に搬送
しても良い。Ｃｕ配線の上部に薄いＣｕシリサイド層が
形成されると、配線のＣｕ露出部の耐酸化性が大幅に改
善される。しかしＣｕシリサイド層の膜厚は充分に薄い
ため、配線抵抗はほとんど増加しない。

【００５３】次に図２（ｄ）のように、Ｃｕ配線上に、
ＴＥＯＳ＋Ｏ₂ をソースとしたプラズマＣＶＤ法により
Ｓｉ酸化膜より構成される第２絶縁膜２Ｂを５００〜１
０００ｎｍの厚みで形成する。第２の実施の形態におい
て適用できる第２絶縁膜の種類や堆積条件は、第１の実
施の形態の場合と同様で、Ｓｉ酸化膜以外にもＰＳＧ
膜、ＢＰＳＧ膜、ポリイミドなども適用可能である。

【００５４】上述の方法で製造した半導体装置は、溝埋
め込みＣｕ配線の底部と側壁がバリア膜、配線上部がＣ
ｕシリサイドにより被覆されている。そのため、成膜時
にＣｕを酸化させてしまう可能性のあるＳｉ酸化膜など
の絶縁膜を形成した場合でもＣｕは酸化されず、Ｃｕ配
線の長期信頼性が改善される。

【００５５】またその製造工程において、Ｃｕ配線を多
層化するために複数回の熱処理が加わった場合でも配線
や絶縁膜には特性劣化が生じないため、高性能と高長期
信頼性の半導体装置を高い制御性，均一性及び再現性そ
して高い歩留で製造できる。

【００５６】上述した半導体装置とその製造方法は、第
１の実施の形態の場合と同様にＭＯＳ、バイポーラ等の
半導体装置の種類を選ばず適用する事ができる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法は、配線の周囲がＣｕの酸化防止、Ｃｕの拡
散防止、Ｃｕの耐エレクトロマイグレーション性や耐ス
トレスマイグレーション性の改善に効果的なバリア膜と
Ｃｕシリサイド層により被覆された構造のＣｕ配線を高
い制御性、高い均一性および高い再現性のもとで形成で
きる。

【００５８】そのためＣｕ配線上にＳｉ窒化膜よりも比
誘電率は低いが成膜時にＣｕを酸化させてしまう可能性
のあるＳｉ酸化膜などの絶縁膜を形成した場合でもＣｕ
は酸化はされず、Ｃｕ配線の長期信頼性が改善される。
さらにＣｕ配線多層化のために複数回の熱処理が加わっ
た場合でも配線や絶縁膜の特性劣化が生じないため、高
い性能と高い長期信頼性を有する半導体装置を高い歩留
で製造できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する為の半導
体チップの断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態を説明する為の半導
体チップの断面図。

【図３】第１の従来例を説明する為の半導体チップの断
面図。

【図４】第２の従来例を説明する為の半導体チップの断
面図。

【図５】第３の従来例を説明する為の半導体チップの断
面図。

【図６】第４の従来例を説明する為の半導体チップの断
面図。

【符号の説明】

１，１１ Ｓｉ基板 ２Ａ 第１絶縁膜 ２Ｂ 第２絶縁膜 ３Ａ，３Ｂ バリア膜 ４ Ｃｕ膜 ４Ａ Ｃｕ−Ｓｉ合金膜 ５ マスク ６ シランガス ７ Ｃｕシリサイド層 ８ 溝 １２Ａ，１２Ｂ Ｓｉ窒化膜 １３Ａ，１３Ｂ バリア膜 １４ 第１絶縁膜 １５ プラズマＴＥＯＳ酸化膜 １６ Ｓｉ酸化膜

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に第１絶縁膜を形成する工
   程と、前記第１絶縁膜上に第１導電膜と銅膜と第２導電
   膜を順次形成する工程と、前記第２導電膜と前記銅膜及
   び前記第１導電膜をパターニングし配線を形成する工程
   と、前記配線の側壁部の露出した銅膜表面を珪素を含有
   するガスに曝し、銅珪素化合物にする工程と、前記第１
   絶縁膜および前記配線上に第２絶縁膜を形成する工程と
   を有する事を特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 半導体基板上に第１絶縁膜を形成する工
   程と、前記第１絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記
   配線溝上を含む全面に第１導電膜および銅膜を順次形成
   し、前記配線溝を埋める工程と、前記配線溝外部の前記
   第１導電膜および前記銅膜を除去し前記第１導電膜およ
   び前記銅膜より構成される配線を形成する工程と、前記
   配線上部の露出した銅膜表面を珪素を含有するガスに曝
   し、銅珪素化合物層にする工程と、前記銅珪素化合物層
   表面を含む全面に第２絶縁膜を形成する工程とを有する
   事を特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 珪素を含有するガスがモノシランあるい
   はジシランである請求項１又は請求項２記載の半導体装
   置の製造方法。