JP5501586B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置の製造方法に係る発明であり、特に、銅を成分として含む配線とビアプラグとを有する、半導体装置の製造方法に関する。
近年の半導体装置の配線層には、高信頼性を有し、高性能なＣｕ（銅）ダマシン配線が多く用いられるようになっている。以下に、半導体装置におけるＣｕダマシン配線の従来の製造手順を説明する。
まず、トランジスタを含む電子部品が形成された半導体基材上に、第１の層間絶縁膜を形成する。次に、当該第１の層間絶縁膜に所定の形状の下層配線用溝を形成する。次に、下層配線用溝の底面と側面を含む第１の層間絶縁膜上に、ＴａＮ膜とＴａ膜が積層して形成されたバリアメタル膜を形成する。そして、バリアメタル膜上に、Ｃｕシード膜を形成する。
次に、メッキ法によって、Ｃｕシード膜上にメッキＣｕ膜を形成する。このとき形成されるメッキＣｕ膜の表面は、第１の層間絶縁膜の上面よりも高くなるように形成される。次に、メッキＣｕ膜の銅グレインを成長させる目的で、熱処理を行う。その後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって、下層配線用溝に形成されたシードＣｕ膜と第１の層間絶縁膜とが露出するまで、余剰なＣｕ膜を除去する。これにより、下層配線用溝内に、下層Ｃｕ配線が形成される。
次に、下層Ｃｕ配線が形成された第１の層間絶縁膜上に、銅の層間絶縁膜への拡散を防止する銅拡散防止膜を形成する。そして、当該銅拡散防止膜上に、絶縁材料からなる第２の層間絶縁膜を形成する。次に、第２の層間絶縁膜の所定の位置に、下層Ｃｕ配線に達するコンタクトホールを形成する。さらに、第２層間絶縁膜内に、上層配線用溝を形成する。ここで、当該上層配線用溝の底面の一部と、コンタクトホールの上面とは接続されている。
次に、コンタクトホール内と上層配線用溝内に、ＴａＮ膜とＴａ膜からなるバリアメタル膜を形成する。次に、当該バリアメタル膜上に、Ｃｕシード膜を形成する。次に、メッキ法によって、当該Ｃｕシード膜上にメッキＣｕ膜を形成する。そして、ＣＭＰにより、当該Ｃｕ膜の余剰部分を除去する。これにより、上層配線溝内に上層Ｃｕ配線が形成され、コンタクトホール内にコンタクトプラグが形成される。
なお、当該Ｃｕダマシン配線に関する先行技術として、たとえば非特許文献１が存在する。さらに、以下の特許文献１，２，３が存在する。
特許文献１には、次の技術が開示されている。まず、埋め込みＣｕ配線形成において、シード層として、Ｃｕ中の拡散係数が大きく、酸化の生成エネルギーが銅のそれよりも低いＡｌ等の金属を含有するＣｕ合金を形成する。そして、配線Ｃｕを埋め込んだ後、熱処理により含有金属を拡散させる。そして、配線表面に酸化アルミ等の含有金属の酸化物を形成し、バリア膜とする。
特許文献２には、次の技術が開示されている。まず、Ａｌ含有Ｃｕシード層からのＡｌ拡散で、埋め込みＡｌ含有Ｃｕ配線を形成する。そして、その表面に形成された酸化アルミをそのまま残し、上層配線との接続ビア形成時に、バリアメタルと共に除去、下層ＣｕＡｌ配線をエッチングして、バリアメタル、ビアメタルを形成する。
特許文献３には、次の技術が開示されている。銅以外のメタル（Ｍｎ，Ａｌ等）を含むシード層から、配線メタルである銅中へ含有メタルを拡散させるよう酸化雰囲気で処理する。これにより、銅配線メタル表面に拡散メタルの酸化膜を形成し、被覆層を形成する。
Ｋ．Ｈｉｇａｓｈｉ，Ｈ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｓ．Ｏｍｏｔｏ，Ａ．Ｓａｋａｔａ，Ｔ．Ｋａｔａｔａ，Ｎ．Ｍａｔｓｕｎａｇａ ａｎｄ Ｈ．Ｓｈｉｂａｔａ，"Ｈｉｇｈｌｙ Ｒｅｌｉａｂｌｅ ＰＶＤ／ＡＬＤ／ＰＶＤ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ４５ｎｍ−Ｎｏｄｅ Ｃｏｐｐｅｒ Ｄｕａｌ−Ｄａｍａｓｃｅｎｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ", Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００４ 特開２００７−５９７３４号公報 特開２００７−１８０４０７号公報 特開２００７−６７１０７号公報
ところで、先端ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）をはじめとする、Ｃｕ配線を使用するデバイスでは、その信頼性の向上が重要な課題である。当該信頼性を向上させるためには、Ｃｕ配線中の銅原子や空孔の拡散を抑制することが要求される。より具体的には、銅配線上からの銅原子等の拡散を抑制する必要がある。
なお、特許文献１〜３においては、Ｃｕ金属とそれ以外の添加金属を含むシード層形成を行い、シード層上にＣｕメッキ処理を施した後、酸素雰囲気中にて熱処理を行って添加金属をＣｕ金属内に拡散させつＣｕメッキ膜表面に添加金属酸化物を形成させていた。そのために、Ｃｕメッキ膜中の添加金属元素濃度が低下し、エレクトロマイグレーション耐性が低下する不具合があった。
そこで、本発明は、配線上面部からの金属拡散を抑制することができる、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る１の実施の形態においては、半導体基板上の第一層間膜内に形成された溝の底面と側面とに、銅と第一金属元素とを含有する銅合金層を形成する。そして、溝を埋め込むように、銅層を形成する。そして、銅層の酸化が行われない第一雰囲気中にて第一熱処理を行うことにより、銅層を、銅と第一金属元素との合金で構成される銅合金金属層にする。そして、余分な銅合金金属層を除去することにより、溝内に配線を形成する。その後、酸素を含有する第二雰囲気中にて第二熱処理を行うことにより、配線表面に、第一金属元素の酸化物である酸化物層を形成する。
上記実施の形態によれば、銅の拡散防止目的で一般的に採用されている金属拡散防止膜（ＳｉＣＮ，ＳｉＮ）と比較して、上記第一金属元素を含む酸化物層の方が、銅合金配線の上面における銅や空孔の拡散が抑制できる。つまり、当該酸化物層を形成することにより、銅合金配線の上面における銅や空孔の拡散を遅くすることができる。したがって、結果として、銅合金配線のエレクトロマイーグレーションやストレスマイーグレーションと言った不良を抑制することができる。
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
＜実施の形態１＞
以下、工程断面図に基づいて、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、トランジスタを含む電子部品が形成された半導体基板（図示せず）上に、第１の層間絶縁膜（第一層間膜と把握できる）１を形成する。そして、一般的なフォトリソグラフィ技術により、当該第１の層間絶縁膜１の表面内に、所定の形状の下層配線用溝２を形成する（図１参照）。
さらに、当該第１の層間絶縁膜１の上面および下層配線用溝２内部に対して、スパッタ処理またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜処理を施す。これにより、図１に示すように、下層配線用溝２の底面および側面と、第１の層間絶縁膜１上とに、第一バリアメタル３を形成する。ここで、当該第一バリアメタル３は、ＴａＮ膜とＴａ膜との積層膜である。また、当該第一バリアメタル３としては、タンタル、タングステン、チタン、ルテニウム、マグネシウム、バナジウムから選択される第二金属元素、当該第二金属元素との窒化物、または当該第二金属元素との酸化物のいずれかを少なくとも含む膜を採用できる。
次に、第一バリアメタル３に対して、スパッタ処理を施す。これにより、図２に示すように、第一バリアメタル３上に、Ｃｕ（銅）合金シード膜（銅合金層と把握できる）４が形成される。具体的に、第一バリアメタル３を介して、下層配線用溝２の底面および側面と、第１の層間絶縁膜１上とに、銅と第一金属元素とを含有するＣｕ合金シード膜４を形成する。
ここで、Ｃｕ合金シード膜４は、たとえば、０．１ａｔ．％以上１０ａｔ．％以下のＡｌ（アルミニウム）を含有するターゲットを用いた、スパッタ処理により形成される。この場合、Ｃｕ合金シード膜４は、ＣｕＡｌ合金シード膜となる。
また、上記第一金属元素としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｎ（スズ）、Ａｇ（銀）、Ｍｇ（マグネシウム）のいずれかを含む、金属元素を採用できる。この場合には、Ｃｕ合金シード膜４は、たとえば、０．１ａｔ．％以上１０ａｔ．％以下の上記いずれかの金属元素を含有するターゲットを用いた、スパッタ処理により形成される。
次に、Ｃｕ合金シード膜４に対してメッキ処理を施す。これにより、図３に示すように、Ｃｕ合金シード膜４上に、下層配線用溝２を充填するように、メッキＣｕ膜（銅層と把握できる）５を形成する。ここで、形成されるメッキＣｕ膜５の上面は、第１の層間絶縁膜１の上面（より具体的には、第１の層間絶縁膜１上に形成されたＣｕ合金シード膜４の上面）よりも高い位置に存在する。
次に、メッキＣｕ膜５の酸化が行われない第一雰囲気中にて、図３に示した構造体に対して第一熱処理を行う。当該第一熱処理により、Ｃｕ合金シード膜４中に含有されている第一金属元素をメッキＣｕ膜５中に拡散させる。つまり、当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜５を、銅と上記第一金属元素との合金で構成される銅合金金属層にする。さらに、当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜５の銅グレインを成長させる。
また、銅の酸化を防止するため、上記第一雰囲気は、不活性ガス、窒素ガスおよび水素ガスのいずれかを含む混合ガス雰囲気、または、真空中である。なお、銅の酸化を防止するためには、第一雰囲気中に含まれる酸素は、１ｐｐｍ以下である必要がある。さらに、当該第一熱処理は、１００℃以上４５０℃以下の温度で、３分以上６時間以下実施される。当該第一熱処理は、１００℃で１０分以上、４５０℃で３０分以下がより望ましい条件である。
なお、上記と異なるが、上記第一金属元素のメッキＣｕ膜５中の濃度調整を目的として、メッキＣｕ膜５表面に当該第一金属元素の酸化物を析出させることを目的として、酸素を含有する雰囲気等で第一熱処理を行っても良い。
次に、第一金属元素が拡散しているメッキＣｕ膜５（銅合金金属層）の上面に対して、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を実施する。当該ＣＭＰ処理は、下層配線用溝２内に形成されたＣｕ合金シード膜４と第１の層間絶縁膜１の上面とが露出するまで、実施される。当該ＣＭＰ処理により、下層配線用溝２の外側の余剰な銅合金金属層を除去し、図４に示すように、下層配線用溝２内に下層Ｃｕ合金配線６が形成される。つまり、下層配線用溝２と下層Ｃｕ合金配線６との間に第一バリアメタル３が形成された、構造が形成される。
当該下層Ｃｕ合金配線６は、銅と第一金属元素とを含む銅合金配線である。ここで、当該第一金属元素は、上記通り、アルミニウム、チタン、マンガン、スズ、銀、マグネシウムのいずれかの金属元素である。
次に、酸素を含有する第二雰囲気中（酸化雰囲気中）にて、図４に示す構造体に対して第二熱処理を行う。当該第二熱処理により、図５に示すように、下層Ｃｕ合金配線６の表面（上面全体）に、上記第一金属元素の酸化物である酸化物層７を形成する。たとえば、第一金属元素がアルミニウムである場合には、当該酸化物層７として、アルミ酸化膜（Ａｌ2Ｏ3）が形成される。
ここで、当該第二熱処理は、酸素含有量５ｐｐｍ以上の上記第二雰囲気中で、圧力１〜１０００Ｐａ、温度１００℃以上４５０℃以下の条件で実施される。また当該第二雰囲気は、酸化雰囲気であれば良く、酸素ガスのみを含む雰囲気でなくても良い。たとえば、当該第二雰囲気は、Ｎ2Ｏガスを含む酸化雰囲気であっても良い。
次に、銅の層間絶縁膜への拡散を防止する目的で、図５に示すように、第１の層間絶縁膜１上および酸化物層７（または下層Ｃｕ合金配線６）上に、金属拡散防止膜８を形成する。ここで、当該金属拡散防止膜９として、シリコンと窒素との化合物（たとえば、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ等）、ＳｉＣＯ、ＳｉＣのいずれかを含む絶縁膜を採用できる。
次に、図６に示すように、金属拡散防止膜８上に、第２の層間絶縁膜（第二層間膜と把握できる）９を形成する。その後、図６に示すように、第２の層間絶縁膜９、金属拡散防止膜８および酸化物層７を貫通した第一ホール１０を形成する。その後、図６に示すように、第２の層間絶縁膜９内に、所定の深さおよび所定の形状の上層配線用溝１１を形成する。
上記から分かるように、第一ホール１０の形成により、当該第一ホール１０直下の酸化物層７は除去されている。つまり、第一ホール１０の底面からは、下層Ｃｕ合金配線６の上面が露出する。一方、第一ホール１０の底部から露出する下層Ｃｕ合金配線６以外の、下層Ｃｕ合金配線６の上面には、酸化物層７が残存する。
当該第一ホール１０は、次のエッチング処理を第２の層間絶縁膜９、金属拡散防止膜８および酸化物層７に対して施すことにより、形成される。ここで、当該エッチング処理とは、Ｃｌ（塩素）やＢｒ（臭素）を含んだガス（Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＢｒなど）を含む混合ガス（たとえば、Ｃｌ2／ＡｒやＣｌ2／ＢＣｌ3）などを用いた、ドライエッチ処理である。
次に、吸着水分除去のため、１００℃以上の温度で、製造途中の半導体装置を加熱する。さらに、露出した下層Ｃｕ合金配線６に対する銅還元のために、水素ガス、ヘリウム・水素混合ガス、アルゴンガス、ネオンガスのいずれかのガスを含有する雰囲気中で、当該製造途中の半導体装置に対してプラズマ処理または加熱処理を施す。
次に、スパッタ処理またはＣＶＤ法による成膜処理により、第一ホール１０の側面と底面、および上層配線用溝１１の底面と側面、および第２の層間絶縁膜９上に、第二バリアメタル１２を形成する（図７参照）。ここで、当該第二バリアメタル１２は、ＴａＮ膜とＴａ膜との積層膜である。また、当該第二バリアメタル１２としては、タンタル、タングステン、チタン、ルテニウム、マグネシウム、バナジウムから選択される第二金属元素、当該第二金属元素との窒化物、または当該第二金属元素との酸化物のいずれかを少なくとも含む膜を採用できる。
次に、第二バリアメタル１２に対して、スパッタ処理を施す。これにより、図７に示すように、第二バリアメタル１２上に、Ｃｕ（銅）合金シード膜（銅合金層と把握できる）１３が形成される。具体的に、第二バリアメタル１２を介して、第一ホール１０の側面・底面、下層配線用溝２の底面・側面、および第２の層間絶縁膜９上とに、銅と第一金属元素とを含有するＣｕ合金シード膜１３を形成する。
ここで、当該第一金属元素としては、上記の通り、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｎ（スズ）、Ａｇ（銀）、Ｍｇ（マグネシウム）のいずれかを含む、金属元素を採用することができる。
次に、Ｃｕ合金シード膜１３に対してメッキ処理を施す。これにより、図７に示すように、Ｃｕ合金シード膜１３上に、第一ホール１０および上層配線用溝１１を充填するように、メッキＣｕ膜（銅層と把握できる）１４を形成する。ここで、形成されるメッキＣｕ膜１４の上面は、第２の層間絶縁膜９の上面（より具体的には、第２の層間絶縁膜９上に形成されたＣｕ合金シード膜１３の上面）よりも高い位置に存在する。
次に、メッキＣｕ膜１４の酸化が行われないように、上述と同じの第一雰囲気中にて、図７に示した構造体に対して上記と同じ第一熱処理を行う。当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜１４を、銅と上記第一金属元素との合金で構成される銅合金金属層にする。さらに、当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜１４の銅グレインを成長させる。
次に、第一金属元素が拡散しているメッキＣｕ膜１４（銅合金金属層）の上面に対して、ＣＭＰ処理を実施する。当該ＣＭＰ処理は、上層配線用溝１１内に形成されたＣｕ合金シード膜１３と第２の層間絶縁膜９の上面とが露出するまで、実施される。当該ＣＭＰ処理により、第一ホール１０および上層配線用溝１１の外側の余剰な銅合金金属層を除去される。そして、図８に示すように、第一ホール１０内に銅合金から成るビアプラグ１５が形成され、上層配線用溝１１内に上層Ｃｕ合金配線１６が形成される。
ビアプラグ１５および上層Ｃｕ合金配線１６は、銅と第一金属元素とを含む銅合金配線である。ここで、当該第一金属元素は、上記通り、アルミニウム、チタン、マンガン、スズ、銀、マグネシウムのいずれかの金属元素である。
次に、酸素を含有する第二雰囲気中（酸化雰囲気中）にて、ビアプラグ１５および上層Ｃｕ合金配線１６が形成された、製造途中の半導体装置に対して、上記と同じ、第二熱処理を行う。当該第二熱処理により、図８に示すように、上層Ｃｕ合金配線１６の表面（上面全体）に、上記第一金属元素の酸化物である酸化物層１７を形成する。
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、配線としてＣｕ合金配線６，１６を形成し、当該Ｃｕ合金配線６，１６の形成後、酸素を含む第二雰囲気中で第二熱処理を施す。これにより、Ｃｕ合金配線６，１６上面全体に酸化物層７，１７を形成している。
銅の拡散防止目的で一般的に採用されている金属拡散防止膜８（ＳｉＣＮ，ＳｉＮ）と比較して、上記第一金属元素を含む酸化物層７，１７の方が、Ｃｕ合金配線６，１６の上面における銅や空孔の拡散が抑制できる。つまり、当該酸化物層７，１７を形成することにより、Ｃｕ合金配線６，１６の上面における銅や空孔の拡散を遅くすることができる。したがって、結果として、Ｃｕ合金配線６，１６のエレクトロマイーグレーションやストレスマイーグレーションと言った不良を抑制することができる。
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、層間絶縁膜１，９中に溝２，１１を形成し、その後Ｃｕシード層を形成し、その後メッキ法により銅を溝２，１１に埋め込んでいる。さらに、第一雰囲気中で第一熱処理を行うことにより銅合金金属層（Ｃｕ＋第一金属元素）を形成し、その後銅合金金属層に対してＣＭＰ処理を施している。さらに、その後、第二雰囲気中にて第二熱処理を行い、Ｃｕ合金配線６，１６の上面全体に、第一金属元素の酸化物である酸化物層７，１７を形成している。
たとえば、メッキＣｕ膜形成後、酸素を含まない第一雰囲気中で第一熱処理を行わず、酸化雰囲気中でアニール処理を行ったとする。この場合には、銅中の第一金属元素が銅表面に拡散する。この場合においてその後、酸化物層７，１７形成のための第二雰囲気中での第二熱処理を実施すると、Ｃｕ合金配線６，１６中の第一金属元素の濃度が低下してしまう。
これに対して、本実施の形態では、上記の通り、ＣＭＰ処理後のＣｕ合金配線６，１６上面全体に酸化物層７，１７を形成する。したがって、ＣＭＰ処理前に銅表面に第一金属元素の酸化物を形成することを防止できる。これにより、Ｃｕ合金配線６，１６中の第一金属元素濃度が低下することを防止することができる。
また、ＣＭＰ処理前の第一雰囲気中での第一熱処理は、銅粒径を成長させることができる。これにより、Ｃｕ合金配線６，１６の信頼性を確保し、配線抵抗を低抵抗化することができる。
なお、Ｃｕ合金配線６，１６上面全体に形成された上記酸化物層７，１７は、銅の拡散防止膜としても機能する。これにより、配線間絶縁膜におけるＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性の改善効果も奏すことができる。
また、上記製造方法を実施することにより、半導体基板上に形成される第１の層間絶縁膜１内に形成される溝２と、当該溝２内に形成される、銅と第一金属元素とを含有する銅合金から成るＣｕ合金配線６とを備える、半導体装置が形成される。ここで、図９に示すように、Ｃｕ合金配線６には、銅結晶の粒界Ｒ１が存在する。
ここで、上記製造方法で作製される半導体装置は、Ｃｕ合金配線６表面のいずれかの領域に形成される、第一金属元素の酸化物である酸化物層７を、さらに備えている。図１０は、Ｃｕ合金配線６の平面図である。図１０に示すように、Ｃｕ合金配線６の第一ホール１０の底面（斜線領域）には、酸化物層７が除去されており、それ以外の領域（斜線領域以外の領域）Ａにおいて酸化物層７が形成されている。より具体的に、図１０に示すように、領域Ａにおいて当該酸化物層７は、銅結晶の粒界Ｒ１に沿った第一領域ａ１と、粒界Ｒ１で囲まれた第二領域（砂地領域）ａ２とに、形成されている。
そして、上記製造方法を実施することにより、上記第一領域ａ１に形成される酸化物層７の厚みは、上記第二領域ａ２に形成される酸化物層７の厚みよりも厚くなる。これは、ＣＭＰ処理前の第一熱処理により拡散させた第一金属元素は、主に銅の粒界Ｒ１に存在し、ＣＭＰ処理後の第二熱処理にて、当該粒界Ｒ１（第一領域ａ１）に酸化物層７がより優先して形成されるからである。
第一領域ａ１に形成される酸化物層７の厚みが第二領域ａ２に形成される酸化物層７の厚みよりも厚くなることにより、銅あるいはボイドの主な拡散パスである銅の粒界Ｒ１での、銅原子や空孔の拡散を効果的に抑制することが可能となる。つまり、Ｃｕ合金配線６の上記酸化物７の構成に起因して、Ｃｕ合金配線６の断線等不具合が生じることを抑制できる。
＜実施の形態２＞
以下、工程断面図に基づいて、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、実施の形態１で図１〜５を用いて説明した製造工程を、本実施の形態においても同様に実施する。これにより、図５の構造体を形成される。
図５に示す構造体では、第１の層間絶縁膜１の表面内に、所定形状の下層Ｃｕ合金配線６が形成されている。ここで、下層Ｃｕ合金配線６と第１の層間絶縁膜１との間には、第一バリアメタル３が形成されている。また、下層Ｃｕ合金配線６の上面全体には、上記第一金属元素の酸化物である酸化物層７が形成されている。そして、下層Ｃｕ合金配線６（より具体的には、酸化物層７）の上面および第１の層間絶縁膜１の上面には、金属拡散防止膜８が形成されている。
次に、図１１に示すように、金属拡散防止膜８上に、第２の層間絶縁膜（第二層間膜と把握できる）９を形成する。その後、図１１に示すように、第２の層間絶縁膜９および金属拡散防止膜８を貫通した第一ホール２１を形成する。また、図１１に示すように、第２の層間絶縁膜９の表面内に、所定の深さおよび所定の形状の上層配線用溝１１を形成する。
ここで、上記から分かるように、第一ホール２１の形成により、当該第一ホール２１の底面から、酸化物層７が露出する。つまり、実施の形態１では、第一ホール１０の形成の際に、当該第一ホール１０直下の酸化物層７は除去されていた。これに対して、本実施の形態では、第一ホール２１の形成の際に、酸化物層７の除去は行わない。したがって、第一ホール２１の形成直後には、下層Ｃｕ合金配線６の上面は露出せず、下層Ｃｕ合金配線６上面全体に酸化物層７が残存する。
これにより、第一ホール２１の形成後の工程において、下層Ｃｕ合金配線６が再酸化されることを抑制することができる。
当該第一ホール２１は、たとえば次に示すエッチング処理を、第２の層間絶縁膜９および金属拡散防止膜８に対して施すことにより、形成される。ここで、当該エッチング処理とは、フッ素を含んだガス（ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、ＳＦ6）に、アルゴンなどの不揮発性ガスや窒素ガスを混合した混合ガス（たとえば、ＣＦ4／ＡｒやＣ4Ｆ8／Ｎ2／Ａｒ）などを用いた、ドライエッチングである。
次に、スパッタ処理またはＣＶＤ法による成膜処理により、第一ホール２１の側面と底面、および上層配線用溝１１の底面と側面、および第２の層間絶縁膜９上に、第二バリアメタル１２を形成する（図１２参照）。ここで、当該第二バリアメタル１２は、ＴａＮ膜とＴａ膜との積層膜である。また、当該第二バリアメタル１２としては、タンタル、タングステン、チタン、ルテニウム、マグネシウム、バナジウムから選択される第二金属元素、当該第二金属元素との窒化物、または当該第二金属元素との酸化物のいずれかを少なくとも含む膜を採用することができる。
次に、第二バリアメタル１２の形成を行った装置と同一装置内において、真空連続処理にて、第一ホール２１の底部に対してエッチング処理を施す。当該エッチング処理により、図１３に示すように、第一ホール２１直下に形成されていた、第二バリアメタル１２および酸化物層７および下層Ｃｕ合金配線６の上面の一部が除去される。
つまり、当該エッチング処理により、第一ホール２１の底面からは、下層Ｃｕ合金配線６が露出する。一方、第一ホール２１の底部から露出する下層Ｃｕ合金配線６以外の、下層Ｃｕ合金配線６の上面には、酸化物層７が残存する（図１３参照）。また、当該エッチング処理により、第一ホール２１の直下において、下層Ｃｕ合金配線６に所定の深さの窪み２３が形成される（図１３参照）。ここで、第一ホール２１直下において酸化物層７が除去できていれば良く、下層Ｃｕ合金配線６に形成される窪み２３の所定の深さがどのような値であっても良い。
なお、第一ホール２１および第二バリアメタル膜１２の形成後に実施される当該エッチング処理としては、プラズマ処理、ウエット処理、スパッタ処理のいずれかの処理を採用することができる。いずれの処理によっても、第一ホール２１直下の第二バリアメタル膜１２および酸化物層７を除去することができる。
たとえば、プラズマ処理の場合には、Ｃｌ（塩素）やＢｒ（臭素）を含んだガス（Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＢｒなど）を含む混合ガス（たとえば、Ｃｌ2／ＡｒやＣｌ2／ＢＣｌ3）などを用いた、ドライエッチ処理を行う。あるいは、水素ガスを含む雰囲気中（たとえば、Ｈ2とＡｒの混合ガス中など）で、スパッタエッチングを行う。
また、ウエット処理としては、たとえば、炭酸塩（炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム等）や炭酸、オゾン、水を用いた実施する。あるいは、ＮａＯＨや王水による溶解を実施する。
また、スパッタ処理としては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、水素、窒素のいずれかを含む不活性ガスを用いて、実施する。なお、当該スパッタ処理により、円錐形状、半円形状、円錐台形状等の窪み（第二ホールと把握できる）２３が、第一ホール２１の直下の下層Ｃｕ合金配線６において形成される。
次に、酸化物層７の除去および下層Ｃｕ合金配線６に対する窪み２３形成を行った装置と同一装置内において、真空連続処理にて、図１３に示すように第三バリアメタル２５の形成を行う。
ここで、当該第三バリアメタル２５の形成は、スパッタ処理またはＣＶＤ法による成膜処理により行われる。当該第三バリアメタル２５は、下層Ｃｕ合金配線６に対する窪み２３の内側に形成されると共に、既に形成されている第二リアメタル１２上においても形成される。なお、当該第三バリアメタル２５としては、タンタル、タングステン、チタン、ルテニウム、マグネシウム、バナジウムから選択される第二金属元素、当該第二金属元素との窒化物、または当該第二金属元素との酸化物のいずれかを少なくとも含む膜を採用することができる。
さらに引き続き、上記と同じ装置内における真空連続処理にて、第二，三バリアメタル１２，２５上に、Ｃｕ（銅）合金シード膜（銅合金層と把握できる）１３を形成する（図１４参照）。当該Ｃｕ合金シード膜１３は、スパッタ処理により形成される。Ｃｕ合金シード膜１３は、銅と第一金属元素とを含有している。
ここで、当該第一金属元素としては、上記の通り、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｎ（スズ）、Ａｇ（銀）、Ｍｇ（マグネシウム）のいずれかを含む、金属元素を採用することができる。
次に、Ｃｕ合金シード膜１３に対してメッキ処理を施す。これにより、図１４に示すように、Ｃｕ合金シード膜１３上に、窪み２３、第一ホール２１および上層配線用溝１１を充填するように、メッキＣｕ膜（銅層と把握できる）１４を形成する。ここで、形成されるメッキＣｕ膜１４の上面は、第２の層間絶縁膜９の上面（より具体的には、第２の層間絶縁膜９上に形成されたＣｕ合金シード膜１３の上面）よりも高い位置に存在する。
次に、メッキＣｕ膜１４の酸化が行われないように、上述と同じの第一雰囲気中にて、図１４に示した構造体に対して上記と同じ第一熱処理を行う。当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜１４を、銅と上記第一金属元素との合金で構成される銅合金金属層にする。さらに、当該第一熱処理により、メッキＣｕ膜１４の銅グレインを成長させる。
次に、第一金属元素が拡散しているメッキＣｕ膜１４（銅合金金属層）の上面に対して、ＣＭＰ処理を実施する。当該ＣＭＰ処理は、上層配線用溝１１内に形成されたＣｕ合金シード膜１３と第２の層間絶縁膜９の上面とが露出するまで、実施される。当該ＣＭＰ処理により、余剰な銅合金金属層を除去される。そして、図１５に示すように、第一ホール２１、窪み２３内に銅合金から成るビアプラグ２６が形成され、上層配線用溝１１内に上層Ｃｕ合金配線１６が形成される。
ビアプラグ２６および上層Ｃｕ合金配線１６は、銅と第一金属元素とを含む銅合金配線である。ここで、当該第一金属元素は、上記通り、アルミニウム、チタン、マンガン、スズ、銀、マグネシウムのいずれかの金属元素である。
次に、酸素を含有する第二雰囲気中（酸化雰囲気中）にて、ビアプラグ２６および上層Ｃｕ合金配線１６が形成された、製造途中の半導体装置に対して、上記と同じ、第二熱処理を行う。当該第二熱処理により、図１５に示すように、上層Ｃｕ合金配線１６の表面（上面全体）に、上記第一金属元素の酸化物である酸化物層１７を形成する。
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、上記工程を備える。したがって、実施の形態１で説明した効果と同様な効果を有する。また、本実施の形態に係る製造方法により作製される半導体装置においても、図９，１０を用いて説明した構成を有する。したがって、本実施の形態に係る製造方法により作製される半導体装置においても、実施の形態１に係る製造方法により作製された半導体装置が有する効果と同様の効果を有する。
さらに、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、酸化物層７が露出するように第一ホール２１を形成している。さらに、第二バリアメタル１２形成後に、第一ホール２１直下の酸化物層７を除去すると共に、第一ホール２１直下の下層Ｃｕ合金配線６に窪み２３を形成している。その後、第三バリアメタル２５、Ｃｕ合金シード膜１３およびメッキＣｕ膜１４の形成も行っている。
したがって、実施の形態１で説明した、「吸着水分除去のための加熱処理を施す工程」および、「露出した下層Ｃｕ合金配線６に対する銅還元のためのプラズマ処理または加熱処理を施す工程」を、省略することができる。
なお、上記各実施の形態において、下層Ｃｕ合金配線６（または上層Ｃｕ合金配線１６）に対してＣＭＰ処理を施し、Ｃｕ表面に酸素が十分に吸着するまで、製造途中の半導体装置を放置したとする。この場合には、第二熱処理として、高真空中でのアニール処理を採用したとしても、Ｃｕ表面に十分な酸化物層７（または酸化物層７）を形成することができる。
ここで、たとえば一般的クリーンルームで半日ほど、ＣＭＰ処理後の製造途中の半導体装置を放置すれば、Ｃｕ表面に十分な酸素を吸着させることができる。当該放置時間は、クレーンルーム内における温度や湿度に応じて変化する。
なお、本発明は、先端ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）をはじめとする、銅を含む配線を使用する半導体デバイス全般に適用できる。
実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法により作製された半導体装置が有する、配線の構成を示す図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法により作製された半導体装置が有する、配線の構成を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
符号の説明
１ 第１の層間絶縁膜、２ 下層配線用溝、３ 第一バリアメタル、４，１３ Ｃｕ合金シード膜、５，１４ メッキＣｕ膜、６ 下層Ｃｕ合金配線、７，１７ 酸化物層、８ 金属拡散防止膜、９ 第２の層間絶縁膜、１０，２１ 第一ホール、１１ 上層配線用溝、１２ 第二バリアメタル、１５，２６ ビアプラグ、１６ 上層Ｃｕ合金配線、２３ 窪み、２５ 第三バリアメタル、Ｒ１ 粒界、ａ１ 第一領域、ａ２ 第二領域。

Claims (4)

  1. （Ａ）半導体基板上の第一層間膜内に、溝を形成する工程と、
    （Ｂ）前記溝の底面と側面とに、銅と第一金属元素とを含有する銅合金層を形成する工程と、
    （Ｃ）前記銅合金層上に、前記溝を埋め込むように、銅層を形成する工程と、
    （Ｄ）前記銅層の酸化が行われない第一雰囲気中にて第一熱処理を行うことにより、前記銅層を、銅と前記第一金属元素との合金で構成される銅合金金属層にする工程と、
    （Ｅ）前記溝の外側の前記銅合金金属層を除去することにより、前記溝内に配線を形成する工程と、
    （Ｆ）酸素を含有する第二雰囲気中にて第二熱処理を行うことにより、前記配線表面に、前記第一金属元素の酸化物である酸化物層を形成する工程とを、備え、
    （Ｇ）前記工程（Ｆ）の後に、前記第一層間膜上および前記酸化物層上に、金属拡散防止膜を形成する工程と、
    （Ｈ）前記金属拡散防止膜上に、第二層間膜を形成する工程と、
    （Ｉ）前記酸化物層が露出するように、前記第二層間膜および前記金属拡散防止膜を貫通した第一ホールを形成する工程とを、さらに備え、
    （Ｊ）前記工程（Ａ）と前記工程（Ｂ）との間に実施される、前記溝の底面と側面とに第一バリアメタルを形成する工程と、
    （Ｋ）前記第一ホールの側面と底面とに第二バリアメタルを形成する工程とを、さらに備え、
    （Ｌ）前記工程（Ｉ）の後に、プラズマ処理、ウエット処理のいずれかの処理により、前記第一ホール直下の前記酸化物層を除去する工程を、さらに備える、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第一金属元素は、
    アルミニウム、チタン、マンガン、スズ、銀、マグネシウムのいずれかを含む、金属元素である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第一雰囲気は、
    不活性ガス、窒素ガスおよび水素ガスのいずれかを含む混合ガス雰囲気、または、真空中である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記金属拡散防止膜は、
    シリコンと窒素との化合物、ＳｉＣＯ、ＳｉＣのいずれかを含む絶縁膜である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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