JP4910560B2

JP4910560B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP4910560B2
Application number: JP2006219175A
Authority: JP
Inventors: 利彦林
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: JP2008047578A

Description

本発明は、溝配線を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体デバイスの銅配線プロセスにおいて、溝配線となる凹部内に、拡散バリアとなるタンタル（Ｔａ）膜や窒化タンタル（ＴａＮ）膜などを成膜することなく、マンガン（Ｍｎ）を含有させた合金ターゲット、例えば銅マンガン（ＣｕＭｎ）ターゲットを用いたスパッタ法により、電解めっきのシード層を成膜した後、凹部に銅（Ｃｕ）を埋め込む。そして、３００℃で３０分のアニール処理を行うことで、凹部が形成されている層間絶縁膜（例えばＴＥＯＳ原料により成膜された酸化シリコン膜）と銅との界面にマンガンシリケート（ＭｎＳｉ_xＯ_y）膜の銅の拡散バリアを形成する。その後、余剰分のマンガンは、銅めっき膜表面に酸化マンガン（ＭｎＯ）として析出させ、マンガンを添加したことにより上昇した銅の抵抗値を低減させる。このようなＭｎＳｉ_xＯ_y膜をバリアに用いる技術が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。

ところが、上記絶縁膜に複数層からなる低誘電率（Low-k）膜を使用した配線構造、例えば、上層より、プラズマ酸化シリコン（Ｐ−ＳｉＯ₂）膜、ポリアリールエーテル膜、ＳｉＣＯＨ膜、ＳｉＣＮ膜のような構成の絶縁膜に形成された配線構造では、配線溝や接続孔の表面に現れる絶縁膜の種類が異なるため、各膜表面でのＭｎＳｉ_xＯ_yの形成され易さが異なり、銅と絶縁膜との間の密着性が充分でない領域が存在する。これにより、余剰な銅を化学的機械研磨（ＣＭＰ）する時の機械的ストレスによる剥がれ、および熱ストレスが加わった際、密着性が不十分なため、銅界面の移動する。これによって断線不良が発生する。

また、配線溝および接続孔の内面全てを被覆するように、タンタル（Ｔａ）のような金属からなるバリア膜を形成した場合には、密着性は確保されるが、接続孔とこの接続孔が接続される下層配線との間での電気的抵抗が大きくなる。

T.Usui, H.Nasu, J.Koike, M.Wada, S.Takahashi, N.Shimizu, T.Nishikawa, M.Yoshimura and H.Shibata著「Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene Interconnect Technology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer」ＩＥＥＥ International Interconnect Technology Conference 2005 p.188-190 ２００５年

解決しようとする問題点は、複数層からなる絶縁膜に配線溝および接続孔を形成した場合、配線溝および接続孔の内部において絶縁膜の膜構造が異なることに起因する配線材料と絶縁膜との密着性不良が発生する点であり、また、配線溝および接続孔の内面全てを被覆するように、タンタル（Ｔａ）のような金属からなるバリア膜を形成した場合には、密着性は確保されるが、接続孔とこの接続孔底部の下層配線との間にバリア膜が形成されるので電気的抵抗が大きくなる点である。

本発明は、バリア膜を介して銅と絶縁膜との密着性を向上させることを課題とする。

本発明の半導体装置は、基板上の第１絶縁膜に形成された第１配線と、異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されて前記第１配線を被覆する第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜に形成された配線溝と、前記配線溝の底部の前記第２絶縁膜に形成されたもので前記第１絶縁膜及び前記第１配線に通じる接続孔と、前記配線溝の内面と前記接続孔の底部を除く内面とに形成されて前記第２絶縁膜と銅との密着性を確保するとともに銅の拡散および酸素の侵入を防止する材料からなる第１バリア膜と、前記接続孔の底部の前記第１絶縁膜上にのみ形成されてシリコン含有マンガン酸化物またはマンガン酸化物からなる第２バリア膜と、前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれて前記第１配線と直接接続された銅からなる第２配線と、を備えたことを特徴とする。

本発明の半導体装置では、接続孔底部を除く配線溝および接続孔の内面に第１バリア膜が形成されていることから、第１バリア膜を第２絶縁膜と第２配線との密着性に優れた膜で形成することができる。例えば、第２配線の材料として銅を用いた場合、第１バリア膜に銅および絶縁膜との密着性に優れたタンタル（Ｔａ）膜やチタン（Ｔｉ）膜を用いることができる。このため、第２絶縁膜が異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されていても、第１バリア膜を介して、第２絶縁膜と第２配線との密着性が確保される。また、接続孔底部の第１絶縁膜上のみに第２バリア膜が形成されていることから、第１配線と第２配線とはバリア膜を介せず直接接続されるため、第１配線と第２配線との密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗が低減される。

本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の第１絶縁膜に第１配線を形成する工程と、異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されて前記第１配線を被覆する第２絶縁膜に配線溝と該配線溝の底部に前記第１絶縁膜及び前記第１配線に通じる接続孔とを形成する工程と、前記配線溝の内面と前記接続孔の底部を除く内面とに前記第２絶縁膜と銅との密着性を確保するとともに銅の拡散および酸素の侵入を防止する材料からなる第１バリア膜を形成する工程と、前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上にのみシリコン含有マンガン酸化物またはマンガン酸化物からなる第２バリア膜を形成する工程と、前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に前記第１配線と直接接続された銅からなる第２配線を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法では、接続孔底部に形成されないように第１バリア膜を形成することから、第１バリア膜に第２絶縁膜と第２配線との密着性に優れた膜を形成することができる。例えば、第２配線の材料として銅を用いた場合、第１バリア膜に銅との密着性に優れたタンタル（Ｔａ）膜やチタン（Ｔｉ）膜を用いることができるようになる。このため、第２絶縁膜を異なる種類の複数層の絶縁膜で形成しても、第１バリア膜を介して、第２絶縁膜と第２配線との密着性が確保される。また、接続孔底部の第１絶縁膜上のみに第２バリア膜を形成することから、第１配線と第２配線とはバリア膜を介せず直接接続されるため、第１配線と第２配線との密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗が低減される。

本発明の半導体装置によれば、接続孔の底部を除く部分に密着性の高い第１バリア膜を用いることができるため、第２配線と第２絶縁膜との密着性が確保できるので、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を提供できるという利点がある。また、接続孔底部における第１配線と第２配線との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を提供できるという利点がある。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、接続孔の底部を除く部分に密着性の高い第１バリア膜を形成することができるため、第２配線と第２絶縁膜との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔底部における第１配線と第２配線との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。

本発明の半導体装置に係る一実施の形態（第１実施例）を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、基板１１（図１（２）以降は図示を省略する）上に、第１絶縁膜１２が形成されている。この第１絶縁膜１２は、例えば、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜１３と無機絶縁膜１４との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が３．０以下の膜をいう。上記有機絶縁膜１３は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜１４は、例えば酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）膜で形成されている。

上記第１絶縁膜１２には配線溝１５が形成され、この配線溝１５にはバリア膜１６を介して第１配線１７が形成されている。

上記第１絶縁膜１２上には、第１配線１７を被覆するストッパ膜２０を含む第２絶縁膜２１が形成されている。このストッパ膜２０には、上層の第２絶縁膜２１をエッチングした際に、エッチングが停止される膜であればよく、例えば窒化酸化シリコン（ＳｉＣＮ）膜を用いる。上記ストッパ膜２０上の第２絶縁膜２１は、例えば下層より、無機絶縁膜２２、有機絶縁膜２３、無機絶縁膜２４が順に積層されているものである。上記無機絶縁膜２２は、例えばメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ：Metyl Silsesquioxane）膜もしくはハイドロシルセスキオキサン（ＨＳＱ：Hydrogen Silsesquioxane）膜が用いられる。また上記有機絶縁膜２３には、例えばポリアリールエーテル膜、ポリイミド膜等が用いられる。さらに上記無機絶縁膜２４には下層に有機絶縁膜とのエッチング選択性を有する膜が用いられ、例えば炭化酸化シリコン膜が用いられる。

上記無機絶縁膜２４および有機絶縁膜２３には配線溝２５が形成され、この配線溝２５の底部の上記無機絶縁膜２２には接続孔２６が形成され、この接続孔２６は上記ストッパ膜２０を貫通して下層に第１配線１７に通じている。

上記配線溝２５および接続孔２６の底部を除く接続孔２６の内面には、第１バリア膜３１が形成されている。この第１バリア膜３１は、第２絶縁膜２１と特に配線材料の銅との密着性を確保するとともに、銅の拡散、酸素の侵入等を防止する機能を有する膜であればよく、例えば、タンタル（Ｔａ）膜、チタン（Ｔｉ）膜で、例えば３ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに形成する。

上記接続孔２６の底部における第１絶縁膜１２（無機絶縁膜１４）上には、第２バリア膜３４が形成されている。この第２バリア膜３４は、例えば、シリコン含有マンガン酸化物（ＭｎＳｉ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）またはマンガン酸化物（Ｍｎ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）からなる。これによって、接続孔２６底部において、配線材料３３と第１、第２絶縁膜１２、２１とが直接接触する領域がなくなる。また、第１配線１７は接続孔２６底部で配線材料３３と接続されている。

上記配線溝２５内には、第１バリア膜３１を介して配線材料３３からなる第２配線３５が形成されているとともに、接続孔２６の内部には第１バリア膜３１および第２バリア膜３４を介して配線材料３３からなるもので、第１配線１７に接続する第２配線３５のプラグ３６が形成されている。さらに、上記第２配線３５を被覆するように、上記第２絶縁膜２１上にバリア膜３７が形成されている。このバリア膜３７は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で形成される。

上記半導体装置１によれば、接続孔２６の底部を除く部分に密着性の高い第１バリア膜３１を用いることができるため、第１バリア膜３１を介して第２配線３５と第２絶縁膜２１との密着性が確保できるので、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置１を提供できるという利点がある。また、接続孔２６底部における第１配線１７と第２配線３５との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置１を提供できるという利点がある。また、第１配線１７と第２配線３５（プラグ３６）とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。

本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を、図２〜図５の製造工程断面図によって説明する。

図２（１）に示すように、基板１１（図１（２）以降は図示を省略する）上に、第１絶縁膜１２が形成されている。この第１絶縁膜１２は、例えば、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜１３と無機絶縁膜１４との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が３．０以下の膜をいう。上記有機絶縁膜１３は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜１４は、例えば酸化炭化シリコン膜で形成されている。

上記第１絶縁膜１２上には、ストッパ膜２０を含む第２絶縁膜２１が形成されている。このストッパ膜２０は、上層の第２絶縁膜２１をエッチングした際に、エッチングが停止される膜であればよく、例えば窒化酸化シリコン（ＳｉＣＮ）膜を用いる。上記ストッパ膜２０上の第２絶縁膜２１は、例えば下層より、無機絶縁膜２２、有機絶縁膜２３、無機絶縁膜２４が順に積層されているものである。上記無機絶縁膜２２は、例えばメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ：Metyl Silsesquioxane）膜もしくはハイドロシルセスキオキサン（ＨＳＱ：Hydrogen Silsesquioxane）膜が用いられる。また上記有機絶縁膜２３には、例えばポリアリールエーテル膜、ポリイミド膜等が用いられる。さらに上記無機絶縁膜２４には下層に有機絶縁膜とのエッチング選択性を有する膜が用いられ、例えば炭化酸化シリコン膜が用いられる。

まず、図２（２）に示すように、上記配線溝２５および接続孔２６の内面に第１バリア膜３１を形成する。この第１バリア膜３１は、絶縁膜２１と後に形成する配線材料の銅との密着性を確保するとともに、銅の拡散、酸素の侵入等を防止する機能を有する膜であればよく、例えば、タンタル（Ｔａ）膜、チタン（Ｔｉ）膜で形成する。例えばタンタル（Ｔａ）膜で上記第１バリア膜３１を形成する場合、イオン化ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用い、配線溝２５および接続孔２６の各内面を段差部も含めて被覆するように、上記第１バリア膜３１を形成する。上記第１バリア膜３１の成膜条件は、一例として、ＤＣパワーを１０ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを２００Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、成膜雰囲気の圧力を６７ｍＰａとし、例えば７ｎｍの膜厚に成膜した。上記成膜条件は、第１バリア膜３１が配線溝２５および接続孔２６の内面を被覆するように成膜される範囲で変更可能である。

その後、図３（３）に示すように、基板（図示せず）に高いバイアスを印加し、接続孔２６底部に形成された第１バリア膜３１を除去する。この処理では、基板に高いＲＦバイアスを印加しながら第１バリア膜３１を成膜することで、接続孔２６肩部、配線溝２５肩部の削れを抑制しつつ、接続孔２６底部の第１バリア膜３１を除去する。また、配線溝２５の底部に形成された第１バリア膜３１も削れるが、その部分の第１バリア膜は薄膜化もしくは除去されても構わない。この処理条件は、一例として、ＤＣパワーを３ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを５００Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、処理雰囲気の圧力を０．１３Ｐａとし、処理時間を１２秒とした。この処理時間は、第１バリア膜３１の膜厚によって、適宜変更される。また、その他の処理条件は、接続孔２６底部に形成された第１バリア膜３１を選択的に除去する目的が達成できる範囲で変更可能である。

次に、図３（４）に示すように、上記第１バリア膜３１表面に銅めっきのためのシード膜３２を形成する。ここでは、シード膜３２を銅マンガン（ＣｕＭｎ）合金で形成した。このＣｕＭｎ合金中のマンガン（Ｍｎ）濃度は２ｗｔ％〜１０ｗｔ％とした。上記ＣｕＭｎ合金膜の成膜条件の一例としては、ＰＶＤ法による成膜法を用い、例えば、ＤＣパワーを１５ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを４００Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を６．７ｍＰａとし、例えば、６０ｎｍの厚さに成膜した。

次に、図４（５）に示すように、配線溝２５および接続孔２６の内部を埋め込むようにシード膜３２上に、配線材料３３を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。

次に、図４（６）に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜３２中のマンガン（Ｍｎ）と上記酸化炭化シリコン膜の無機絶縁膜１４中のシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とが反応してシリコン含有マンガン酸化物（ＭｎＳｉ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜またはマンガン酸化物（Ｍｎ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜からなる第２バリア膜３４を形成する。すなわち、第２バリア膜３４が自己整合的に形成される。これによって、接続孔２６底部において、配線材料３３と第１、第２絶縁膜１２、２１とが直接接触する領域がなくなる。また、第１配線１７は接続孔２６底部で配線材料３３と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を３００℃〜４００℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素（Ｈ₂）ガスと希釈用窒素（Ｎ₂）ガスを流して、１時間行う。この処理時間は一例であり、第２バリア膜３４が形成される条件であれば、適宜変更可能である。

次に、図５（７）に示すように、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）法によって、第２絶縁膜２１上の余剰な配線材料３３（シード膜３２も含む）、第１バリア膜３１等を除去し、絶縁膜２１を露出させるとともに、配線溝２５内に第１バリア膜３１を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなる第２配線３５を形成するとともに、接続孔２６の内部に第１バリア膜３１および第２バリア膜３４を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなるもので、第１配線１７に接続する第２配線３５のプラグ３６を形成する。次いで、上記第２配線３５を被覆するように、上記第２絶縁膜２１上にバリア膜３７を形成する。このバリア膜３７は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法を採用することができる。

上記第１実施例の製造方法によれば、接続孔２６の底部を除く部分に密着性の高い第１バリア膜３１を形成することができるため、第１バリア膜３１とシード膜３２との間、すなわちタンタル（Ｔａ）と銅マンガン（ＣｕＭｎ）との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、第１バリア膜３１がタンタル（Ｔａ）膜もしくはチタン（Ｔｉ）膜で形成されていることから、第２絶縁膜２１との密着性も確保できる。よって、第１バリア膜３１を介して第２配線３５と第２絶縁膜２１との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔２６底部における第１配線１７と第２配線３５との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第１配線１７と第２配線３５（プラグ３６）とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。

また、密着性を向上させることができるので、化学的機械研磨時の機械的ストレスによる配線材料３３の剥がれ、熱処理の熱ストレスによる銅の界面移動から発生する断線不良を抑制することが可能となる。この点からの、配線信頼性の向上が図れる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を、図６〜図８の製造工程断面図によって説明する。

前記図２（１）〜図３（３）までの工程を行った後、図６（１）に示すように、配線溝２５の底面および接続孔２６の底面の上記第１バリア膜３１表面に銅めっきのためのシード膜３２を形成する。ここでは、シード膜３２を銅マンガン（ＣｕＭｎ）合金で形成した。このとき、シード膜３２は、第２絶縁膜２１上の第１バリア膜３１上にも形成される。このＣｕＭｎ合金中のマンガン（Ｍｎ）濃度は２ｗｔ％〜１０ｗｔ％とした。上記ＣｕＭｎ合金膜の成膜条件の一例としては、ＰＶＤ法による成膜法を用い、例えば、ＤＣパワーを１５ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを０Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を６．７ｍＰａとし、例えば、２０ｎｍの厚さに成膜した。

次に、図６（２）に示すように、配線溝２５の底面および接続孔２６の底面の上記シード膜３２を介して銅めっきのための銅シード膜４１を形成する。ここでは、銅シード膜４１を純銅で形成した。上記純銅の成膜条件の一例としては、ＰＶＤ法による成膜法を用い、例えば、ＤＣパワーを１５ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを４００Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を６．７ｍＰａとし、例えば、４０ｎｍの厚さに成膜した。

次に、図７（３）に示すように、配線溝２５および接続孔２６の内部を埋め込むようにシード膜３２上に、配線材料３３を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。

次に、図７（４）に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜３２中のマンガン（Ｍｎ）と上記酸化炭化シリコン膜の無機絶縁膜１４中のシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とが反応してシリコン含有マンガン酸化物（ＭｎＳｉ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜またはマンガン酸化物（Ｍｎ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜からなる第２バリア膜３４を形成する。すなわち、第２バリア膜３４が自己整合的に形成される。これによって、接続孔２６底部において、配線材料３３と第１、第２絶縁膜１２、２１とが直接接触する領域がなくなる。また、第１配線１７は接続孔２６底部で配線材料３３と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を３００℃〜４００℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素（Ｈ₂）ガスと希釈用窒素（Ｎ₂）ガスを流して、１時間行う。この処理時間は一例であり、第２バリア膜３４が形成される条件であれば、適宜変更可能である。

次に、図８（５）に示すように、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）法によって、第２絶縁膜２１上の余剰な配線材料３３（シード膜３２も含む）、第１バリア膜３１等を除去し、絶縁膜２１を露出させるとともに、配線溝２５内に第１バリア膜３１を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなる第２配線３５を形成するとともに、接続孔２６の内部に第１バリア膜３１および第２バリア膜３４を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなるもので、第１配線１７に接続する第２配線３５のプラグ３６を形成する。次いで、上記第２配線３５を被覆するように、上記第２絶縁膜２１上にバリア膜３７を形成する。このバリア膜３７は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法を採用することができる。

上記第２実施例の製造方法によれば、接続孔２６の底部を除く部分に密着性の高い第１バリア膜３１を形成することができるため、第１バリア膜３１とシード膜３２との間、すなわちタンタル（Ｔａ）と銅マンガン（ＣｕＭｎ）との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、第１バリア膜３１がタンタル（Ｔａ）膜もしくはチタン（Ｔｉ）膜で形成されていることから、第２絶縁膜２１との密着性も確保できる。よって、第１バリア膜３１を介して第２配線３５と第２絶縁膜２１との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔２６底部における第１配線１７と第２配線３５との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第１配線１７と第２配線３５（プラグ３６）とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第３実施例）を、図９〜図１１の製造工程断面図によって説明する。

図９（１）に示すように、基板１１（図１（２）以降は図示を省略する）上に、第１絶縁膜１２が形成されている。この第１絶縁膜１２は、例えば、下層より、低誘電率膜の有機絶縁膜１３と無機絶縁膜１４との積層膜で形成されている。この発明における低誘電率膜とは、酸化シリコン膜の誘電率よりも低い膜をいい、より好ましくは誘電率が３．０以下の膜をいう。上記有機絶縁膜１３は、例えば低誘電率なポリアリールエーテル膜で形成されている。また上記無機絶縁膜１４は、例えば酸化炭化シリコン膜で形成されている。

まず、上記配線溝２５および接続孔２６の内面に、マンガンシリケート膜を形成し易くするために、水素と炭素を含む酸化シリコン（ＳｉＣＯＨ）膜５１を形成する。この水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１は、例えば密度が１．５ｇ／ｃｍ³以下のマンガンシリケート（ＭｎＳｉ_xＯ_y）膜の形成を容易にする膜である。上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１は、例えば化学的気相成長法により成膜され、その成膜条件の一例としては、原料ガスにトリメチルシランと酸素とを用い、それらの供給流量は、トリメチルシランｗｐ１０００ｃｍ³／ｍｉｎ、酸素を４００ｃｍ³／ｍｉｎとし、平行平板ＲＦパワーを７００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）、成膜雰囲気の圧力を０．６７ｋＰａ、基板温度を３５０℃、成膜時間を５分とした。上記成膜条件は、水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１が配線溝２５および接続孔２６の内面を被覆するように成膜される範囲で変更可能である。

次に、図９（２）に示すように、指向性を有した逆スパッタ法で接続孔２６底部および配線溝２５底部の水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１を除去する。例えば、ＩＣＰコイルおよび基板ステ−ジに高周波を印加可能なチャンバーを用いた逆スパッタ法による。この処理条件は、一例として、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、その流量を３０ｃｍ³／ｍｉｎとし、ＩＣＰコイルＲＦパワーを３００Ｗ（１３.５６ＭＨｚ）、基板バイアスパワーを３００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）、成膜雰囲気の圧力を０．１３Ｐａ、基板を支持するステージには静電チャック方式のものを用い、このステージを室温（例えば１８℃〜２５℃程度）付近の水冷で行った。上記処理条件は、接続孔２６底部および配線溝２５底部の水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１を選択的に除去できる範囲で変更可能である。なお、配線溝２５の底部には、水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１が薄く残っていても構わない。

次に、図１０（３）に示すように、配線溝２５の内面および接続孔２６の内面に、上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１を介して、銅めっきのためのシード膜３２を形成する。ここでは、シード膜３２を銅マンガン（ＣｕＭｎ）合金で形成した。このとき、シード膜３２は、第２絶縁膜２１上の第１バリア膜３１上にも形成される。このＣｕＭｎ合金中のマンガン（Ｍｎ）濃度は２ｗｔ％〜１０ｗｔ％とした。上記ＣｕＭｎ合金膜の成膜条件の一例としては、ＰＶＤ法による成膜法を用い、例えば、ＤＣパワーを１５ｋＷ、基板ＲＦバイアスパワーを０Ｗ、プロセスガスにアルゴン（Ａｒ）を用い、そのプロセス雰囲気の圧力を６．７ｍＰａとし、例えば、６０ｎｍの厚さに成膜した。

次に、図１０（４）に示すように、配線溝２５および接続孔２６の内部を埋め込むようにシード膜３２上に、配線材料３３を形成する。この配線材料には、例えば銅を用い、その成膜方法にはめっき法を用いる。

次に、図１１（５）に示すように、熱処理を行う。この熱処理によって、シード膜３２中のマンガン（Ｍｎ）と上記水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１中のシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とが反応してシリコン含有マンガン酸化物（ＭｎＳｉ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜またはマンガン酸化物（Ｍｎ_xＯ_y：ｘ、ｙは任意）膜からなるバリア膜５２を形成する。すなわち、バリア膜５２が自己整合的に形成される。これによって、配線溝２５の内面、接続孔２６の内面において、配線材料３３と第１、第２絶縁膜１２、２１とが直接接触する領域がなくなる。また、第１配線１７は接続孔２６底部で配線材料３３と接続されている。上記熱処理条件は、一例として、熱処理温度を３００℃〜４００℃で、銅表面に生成される酸化膜を除去することが可能な水素（Ｈ₂）ガスと希釈用窒素（Ｎ₂）ガスを流して、１時間行う。この処理時間は一例であり、第２バリア膜３４が形成される条件であれば、適宜変更可能である。

次に、図１１（６）に示すように、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）法によって、第２絶縁膜２１上の余剰な配線材料３３（シード膜３２も含む）、バリア膜５２等を除去し、絶縁膜２１を露出させるとともに、配線溝２５内にバリア膜５２を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなる第２配線３５を形成するとともに、接続孔２６の内部に第１バリア膜３１および第２バリア膜３４を介して配線材料３３（シード膜３２も含む）からなるもので、第１配線１７に接続する第２配線３５のプラグ３６を形成する。次いで、上記第２配線３５を被覆するように、上記第２絶縁膜２１上にバリア膜３７を形成する。このバリア膜３７は、例えばシリコンと炭素からなる絶縁膜、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、もしくは例えばシリコンと炭素と窒素からなる絶縁膜、例えば窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で形成する。この成膜方法は、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法を採用することができる。

上記第３実施例の製造方法によれば、接続孔２６の底部を除く部分に密着性の高いバリア膜５２を形成することができるため、バリア膜５２とシード膜３２との間、すなわちタンタル（Ｔａ）と銅マンガン（ＣｕＭｎ）との間の金属間結合を有した強固な密着性が確保できる。また、バリア膜５２と第２絶縁膜２１との間は、双方との密着成膜が高い水素と炭素を含む酸化シリコン膜５１によって密着性が確保できる。よって、バリア膜５２を介して第２配線３５と第２絶縁膜２１との密着性が確保できるので、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、接続孔２６底部における第１配線１７と第２配線３５との接続はバリア膜を介せず配線同士の直接接続になるので、密着性が確保されるとともに、コンタクト抵抗の低減が可能になり、配線信頼性の向上が図れるという利点がある。また、第１配線１７と第２配線３５（プラグ３６）とのコンタクト抵抗の低減により、例えば動作速度の向上が図れる。

本発明の半導体装置に係る一実施の形態（第１実施例）を示した概略構成断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第３実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第３実施例）を示した製造工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第３実施例）を示した製造工程断面図である。

符号の説明

１…半導体装置、１１…基板、１２…第１絶縁膜、１７…第１配線、２１…第２絶縁膜、２５…配線溝、２６…接続孔、３１…第１バリア膜、３４…第２バリア膜、３５…第２配線

Claims

基板上の第１絶縁膜に形成された第１配線と、
異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されて前記第１配線を被覆する第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底部の前記第２絶縁膜に形成されたもので前記第１絶縁膜及び前記第１配線に通じる接続孔と、
前記配線溝の内面と前記接続孔の底部を除く内面とに形成されて前記第２絶縁膜と銅との密着性を確保するとともに銅の拡散および酸素の侵入を防止する材料からなる第１バリア膜と、
前記接続孔の底部の前記第１絶縁膜上にのみ形成されてシリコン含有マンガン酸化物またはマンガン酸化物からなる第２バリア膜と、
前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に埋め込まれて前記第１配線と直接接続された銅からなる第２配線と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
基板上の第１絶縁膜に第１配線を形成する工程と、
異なる種類の複数層の絶縁膜で形成されて前記第１配線を被覆する第２絶縁膜に配線溝と該配線溝の底部に前記第１絶縁膜及び前記第１配線に通じる接続孔とを形成する工程と、
前記配線溝の内面と前記接続孔の底部を除く内面とに前記第２絶縁膜と銅との密着性を確保するとともに銅の拡散および酸素の侵入を防止する材料からなる第１バリア膜を形成する工程と、
前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上にのみシリコン含有マンガン酸化物またはマンガン酸化物からなる第２バリア膜を形成する工程と、
前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して前記配線溝および前記接続孔に前記第１配線と直接接続された銅からなる第２配線を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上に第２バリア膜を形成する工程は、
前記接続孔および前記配線溝の各内面に銅マンガン膜を形成する工程と、
前記銅マンガン膜中のマンガンと前記銅マンガン膜に接触する前記第１絶縁膜中のシリコンおよび酸素とを反応させて、前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上にマンガンシリケートを生成して前記第２バリア膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上に第２バリア膜を形成する工程は、
前記接続孔の底部および前記配線溝の底部に銅マンガン膜を形成する工程と、
前記銅マンガン膜中のマンガンと前記銅マンガン膜に接触する前記第１絶縁膜中のシリコンおよび酸素とを反応させて、前記接続孔底部の前記第１絶縁膜上にマンガンシリケートを生成して前記第２バリア膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。