JP2001127159A

JP2001127159A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001127159A
Application number: JP2000288150A
Authority: JP
Inventors: Iku Mikagi; 郁三ケ木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】配線層として銅（Ｃｕ）を用いる半導体装置
では、Ｃｕ配線を被覆する絶縁膜の形成によって、Ｃｕ
の表面が酸化されて抵抗の増大が生じ、またＣｕが絶縁
膜に拡散されて絶縁効果か低下されてリークが生じ易い
ものとなる。【解決手段】半導体基板１０１上に第１絶縁膜１０４
ａを形成し、この第１絶縁膜上に主導電層がＣｕ或いは
Ｃｕ合金の単層あるいは複数層の導電膜より構成される
金属配線（１０６ａ，１０７ａ，１０６ｂ）を形成し、
この配線を第２絶縁膜１０８ａで被覆する。そして、こ
の第２絶縁膜にＰ，Ｂ，Ａｓ，Ｐｂ，Ｎ等の不純物を導
入することで、配線のＣｕの露出する領域がＣｕの拡散
防止能力の高い絶縁膜と接する状態にでき、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
の改善が可能となる。その上に第３の絶縁膜１１０ａを
形成する。

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に関し、
特に銅配線を絶縁膜で被覆した構造を有する半導体装置
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の配線層としてＣｕ（銅）配
線が用いられるが、Ｃｕは酸化の進行が速いためにＣｕ
配線上に絶縁膜を形成する際に、Ｃｕ表面が酸化された
り、Ｃｕが絶縁膜中に拡散して配線抵抗の増大や配線リ
ークを生じるという問題がある。このような、Ｃｕ配線
に伴う問題を解消するための技術として、竹脇らがＣｕ
配線周囲の耐酸化性を高める構造とその製造方法を提案
している。（１９９５年電気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−４１
８，ｐｐｌ１５−１１６）。この技術を図３の工程断面
図に示す。先ず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１
０１上にＳｉ酸化膜１０４ａを形成し、続いてＣｕ膜１
０７ａで形成された配線を形成する。続いて、図３
（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１０１を加熱しながらモ
ノシラン（ＳｉＨ₄）ガス１０９ｃに曝して、ＣｕとＳ
ｉＨ₄ガス中のＳｉを反応させ、配線の表面にＣｕｘＳ
ｉｙ層（ｘ，ｙは整数、以下、Ｃｕシリサイド層）１０
７ｃを形成し、このＣｕシリサイド層１０７ｃによりＣ
ｕ膜１０７ａの酸化を防止している。

【０００３】一方、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年電気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，ｐｐｌ１７
−１１８）。この技術を図４の工程断面図に示す。先
ず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０１上に形成
されたＢＰＳＧ膜１０４ｃ上にタングステン（Ｗ）膜１
０６ｄ、Ｃｕ膜１０７ａ、Ｗ膜１０６ｅを順次形成し、
図外の絶縁膜をエッチングマスクとし、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℃での高温反応性イオ
ンエッチング法により、前記３つの導電層を順次エッチ
ングしてＷ膜１０６ｅ、Ｃｕ膜１０７ａ、Ｗ膜１０６ｄ
の積層膜より構成されるＣｕ配線を形成する。さらに、
図４（ｂ）のように、テトラ・エトキシ・シラン（Ｔｅ
ｔｒａＥｔｈｏｘｙＳｉｌａｎｅ、以下、ＴＥＯ
Ｓ）＋Ｏ₂の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（ＰＥ−ＴＥＯＳ酸化膜）１０８ｄを形成するもの
である。この高温の反応性イオンエッチング工程ではＣ
ｕ配線の側壁部にシリコン酸化膜系の側壁保護膜（図示
せず）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
上問頴にならないとしている。

【０００４】また、特開平３−２８９１５６号公報に
は、同様に宮崎によって、Ｃｕ上に形成する絶縁膜自体
にＣｕに対する拡散防止能力を持たせる技術が提案され
ている。この技術は、図５に工程断面図を示すように、
先ず、図５（ａ）に示すように、選択酸化法によリｐ型
のＳｉ基板１０１上にフィールド酸化膜１０２を形成し
た後、イオン注入法によりｎ型拡散層１０３を形成し、
その上層に膜厚３００ｎｍでＢ濃度１．０ｍｏｌ％、Ｐ
濃度４．０ｍｏｌ％のホウ素−リンンガラス膜（ＢＰＳ
Ｇ膜）１０４ｃを形成後、窒素雰囲気中８５０℃，２０
分の熱処理を行う。続いて、前記ＢＰＳＧ膜１０４ｃに
層間接続孔１０５ｂを開口した後、図５（ｂ）のよう
に、厚さ１００ｎｍのＴｉＮ膜１０６ａと厚さ５００ｎ
ｍのＣｕ膜１０７ａをスパッタ法により形成し、ＢＣｌ
₃ガスによリドライエッチしてＣｕ／ＴｉＮ配線とす
る。さらに、図５（ｃ）のように、膜厚１０００ｎｍ、
Ｐ濃度１．２ｍｏｌ％のＰＳＧ膜１０８ｂをＣＶＤ法に
より形成し、層間接続孔１０５ｃを開口する。続いて、
図５（ｄ）のように厚さ１００ｎｍのＴｉＮ膜１０６ｃ
と厚さ５００ｎｍのＣｕ膜１０７ｂをスパッタ法により
形成し、ＢＣｌ₃ガスによリドライエッチしてＣｕ／Ｔ
ｉＮ配線とし、その上層に膜厚１０００ｎｍ、Ｐ濃度
１．２ｍｏｌ％のＰＳＧ膜１０８ｃを形成する。

【０００５】この手法により形成したｎ型拡散層とＳｉ
基板とで構成されるｐｎ接合のリーク電流を測定したと
ころ、Ａｌ−Ｓｉ電極と同等の特性が得られる。また、
この手法においては、ＰＳＧ膜をスバッタ法により堆積
したＳｉＯ₂やプラズマＣＶＤ法で堆積したＳｉＯ₂，Ｓ
ｉＮあるいはＳｉＯＮへのＰイオン注入やＰＯＣｌ₃雰
囲気アニールにより形成したり、４ｍｏｌ％のＰを含有
するシリコーン樹脂とＰを含まないＳｉＯ₂膜との積層
構造としてもよいことを示している。

【０００６】また、特開平７−１７６６１２号公報に
は、本間により、Ｃｕ配線表面の酸化の防止、接続抵抗
の増大の抑制、回路動作の高速化を目的とした半導体装
置とその製造方法が提案されている。図６はその工程断
面図である。先ず、図６（ａ）に示すようにＳｉ基板１
０１上に厚さ約５００ｎｍのＳｉ酸化膜１０４ａを形成
し、その上に配線を構成する厚さ５０ｎｍのＴｉ膜１０
６ｆ、厚さ１００ｎｍのＴｉＮ膜１０６ａ、厚さ約８０
０ｎｍのＣｕ膜１０７ａをスパッタ法により順次形成
し、常法によりＣｕ膜、ＴｉＮ膜およぴＴｉ膜をエッチ
ングして配線を形成する。さらに、図６（ｂ）のよう
に、配線上に厚さ約５００ｎｍのフッ素（Ｆ）含有Ｓｉ
酸化膜１０８ｅをトリエトキシフルオロシラン（ＦＳｉ
（ＯＣ₂Ｈ₅）₃））とＯ₂をソースとしたプラズマＣＶＤ
法により、圧力１０Ｔｏｒｒ、基板温度５０℃の条件で
形成し、続いてシラノール溶液を塗布した後、トリエト
キシフルオロシランの蒸気を拡散せしめて、厚さ約３０
０ｎｍのフッ素含有スピンオングラス膜１１０ｃを形成
する。続いて、図６（ｃ）のように、厚さ約４００ｎｍ
の第２のＦ含有Ｓｉ酸化膜１１０ｄを形成した後、層間
接続孔を開口し、第１層目と同様の手法を用いて第２層
日のＴｉ膜１０６ｇ、ＴｉＮ膜１０６ｃ、Ｃｕ膜１０７
ｂより構成されるＣｕ配線を形成する。

【０００７】この公報の技術によれば、Ｃｕ配線上への
絶縁膜形成がＣｕの酸化温度よりも低温で行われ、かつ
絶縁膜の比誘電率も従来のＳｉ酸化膜よりも低いため、
高い歩留と良好な電気特性が得られる。また、同公報に
は、Ｃｕ配線の側壁部にＴｉ含有タングステン膜（以
下、Ｔｉ−Ｗ膜）のサイドウォールを形成してＣｕ配線
を保護する手法や、過飽和状態のケイフッ化水素酸水溶
液を用いた液相成長法により、３５℃と言うＣｕの酸化
温度よりも低い温度でＣｕ配線の隙間のみに選択的に厚
さ約９００ｎｍのＦ含有Ｓｉ酸化膜を形成する手法も述
べられている。

【０００８】一方、特開昭６３−２９９２５０号公報に
は、星野によりＣｕ配線の表面保護法が提案されてい
る。図７はその工程断面図である。先ず、図７（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板１０１上のＳｉ酸化膜１０４ａの
上層にＴｉ膜１０６ｆ、ＴｉＮ膜１０６ａ、Ｃｕ膜１０
７ａを順次形成し、その上で最初にＣｕ膜１０７ａをパ
ターニングし、得られたＣｕパターンをマスクとしてＴ
ｉＮ膜１０６ａとＴｉ膜１０６ｆをパターニングしてＣ
ｕ配線を形成する。続いて、図７（ｂ）のように、Ｃｕ
配線を含むＳｉ酸化膜１０４ａ上にＳｉ膜１０９ｄを１
０〜５０ｎｍの厚さに推積する。さらに、図７（ｃ）の
ように、８００℃〜１０００℃、Ｏ₂雰囲気中で熱処理
を行うと、Ｃｕと接触している部分のＳｉ膜１０９ｄは
Ｃｕ中に拡散してＣｕ−Ｓｉ合金となり、さらに雰囲気
中のＯ₂によリＣｕ−Ｓｉ合金はＯ₂を取り込んでＳｉＯ
₂となって、Ｃｕ−ＳｉＯ₂合金１０７ｄとなり、Ｃｕの
結晶粒界にＳｉＯ２が入り込んでＣｕの酸化が防止され
る。この際、Ｃｕと接触していない領域のＳｉ膜はＯ₂
により酸化してＳｉ酸化膜となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した種々の従
来技術のうち、図３に示した竹脇らの手法は、配線の周
囲にＣｕシリサイドを形成するため、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の改善効
果があり、層間絶縁膜にＳｉ窒化膜を使用する必要がな
いため層間容量は増加しない。しかしながら、その配線
抵抗は、高抵抗なＣｕシリサイド層の配線全体の表面積
に対する比表面積に依存するため、配線の微細化に伴い
配線の体積に対する表面積の割合は高くなる。そのた
め、微細な配線ほど配線抵抗の増加率は高くなり、半導
体装置の特性低下が生じる。これでは抵抗の低い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の反応は比較的速いためにその制御は簡
単でない。そのため、シリサイドの膜厚制御も難しく、
ウェハ面内やロット内で均一な配線抵抗を得ることが難
しく、安定した電気特性の半導体装置が得難いと言う問
題もある。

【００１０】また、図４に示した宮崎らの手法は、Ｃｕ
配線エッチング時に配線側壁部にＳｉ酸化膜系の保護膜
を形成し、ＴＥＯＳソースを用いてＳｉ酸化膜をＣｕ配
線上に形成するため、絶縁膜形成時のＣｕの酸化を抑制
でき、配線抵抗もほとんど増加しない。また、層間容量
の増加による遅延も起こらない。しかしながら、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、ＴＥ
ＯＳ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高いものではなく、配線を
多層化する際に施される複数回の熱処理によリ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
性が得難いと言う問題がある。

【００１１】また、図５に示したような、ＰＳＧ膜をは
じめとするＰを含有する絶縁膜によるＣｕの拡散防止は
有効ではあるが、ＣＶＤ法で形成するＰＳＧ膜は段差被
覆性（ステップカバレッジ）が悪く、微細な配線スペー
スヘの適用は不可能である。さらに、Ｓｉ酸化膜などへ
のＰイオン注入やＰＯＣｌ₃雰囲気アニールによるＣｕ
拡散防止絶縁膜の形成は製造工程上において大きな問題
がある。例えば、ｍｏｌオーダに近い濃度のＰイオンを
注入するには極めて長い注入時間とコストを要し、また
ＰＯＣ１₃雰囲気からのＰ導入には高い温度での熱処理
が必要で、トランジスタや配線への影響が懸念される。
４ｍｏｌ％のＰを含有するシリコーン樹脂とＰを含まな
いＳｉＯ₂膜との積層構造を形成する場合でも、シリコ
ーン樹脂は耐熱性、微細加工性、耐湿性などの面で無機
系の絶縁膜と比較して劣っているため、配線の多層化工
程や半導体装置の長期信頼性の面において問題が生じ
る。

【００１２】さらに、図６に示した本間の手法は、トリ
エトキシフルオロシラン（ＦＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃）とＯ₂
をソースとしたプラズマＣＶＤ法やトリエトキシフルオ
ロシラン蒸気の拡散を用いてＣｕの酸化温度以下で低誘
電率の絶縁膜を形成するため、確かにＣｕを酸化させる
ことなく絶縁膜を形成できるが、その絶縁膜自体にはＣ
ｕに対するバリア性がなく、また低温で形成しているた
めに安定性に乏しい。そのため、絶縁膜形成後の製造工
程中に行う熱処理によるＣｕの拡散や、吸湿による半導
体装置の特性低下や長期信頼性の低下が懸念される。こ
の場合、金属（Ｔｉ−Ｗ合金）膜堆積後に異方性エッチ
バックにより配線側壁をＴｉ−Ｗ膜で被覆し、次いで絶
縁膜を形成する手法は上述の問題を解決できる手法では
あるが、微細な配線間スペースではＴｉ−Ｗ膜残りによ
る配線間ショートが発生する可能性があり、高い製造歩
留りを得難い。

【００１３】また、図７に示した星野の手法のように、
Ｃｕ上にＳｉ膜を堆積して、熱処理を行って反応層を形
成する手法は、熱処理温度が８００℃〜１０００℃と高
すぎて配線工程では適用できない。また、Ｃｕ−ＳｉＯ
₂合金が形成されるために、竹脇らの手法と同様に配線
の抵抗上昇が生じ、電気抵抗の小さなＣｕを配線材料と
して使用するメリットをなくしてしまうと言う問題があ
る。

【００１４】本発明の目的は、Ｃｕ配線の電気抵抗増大
を防止しながら、Ｃｕ配線の耐酸化性の改善やＣｕの絶
縁膜中への拡散の防止を実現し、半導体装置の長期信頼
性や製造歩留を向上することを可能とした半導体装置の
製造方法を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に単
層あるいは複数層の導電膜より構成される金属配線を形
成する工程と、前記第１絶縁膜および前記金属配線上に
当該金属配線の酸化温度よりも低い温度で第２絶縁膜を
形成する工程と、前記第２絶縁膜に前記金属の拡散防止
能力のある不純物をプラズマドープ法により導入する工
程とを有する事を特徴とする。また、金属配線として
は、第１絶縁膜上に配線形成溝を開口し、この配線形成
溝中に単層あるいは複数層の導電膜より構成される金属
配線を形成する手法が採用可能である。さらに、前記第
２絶縁膜上に第３絶縁膜を形成する工程を有する事を特
徴とする。

【００１６】ここで、前記金属配線は、主導電層が銅あ
るいは銅を主成分とする合金より構成されることが好ま
しい。また、第２絶縁膜がシリコン酸化膜あるいはフッ
素含有シリコン酸化膜より構成されること、第２絶縁膜
の堆積を銅の酸化温度よりも低い温度で行うこと、第２
絶縁膜の堆積を高密度プラズマを用いた化学的気相成長
により行うこと、第２絶縁膜の堆積をテトラエトキシシ
ランあるいはトリエトキシフルオロシランをソースとし
たプラズマ化学的気相成長により行うことが好ましい。
また、この場合、第２絶縁膜へ導入する不純物が、燐
（Ｐ）、硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、鉛（Ｐｂ）あるい
は窒素（Ｎ）のうちの１つあるいは複数の元素より構成
され、第２絶縁膜への不純物導入がプラズマドープ法に
より行われることが好ましい。さらに、第３絶縁膜がシ
リコン酸化膜、フッ素含有シリコン酸化膜、有機化合物
あるいは炭素より構成されることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態を製
造工程順に示した縦断面図である。先ず、図１（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板１０１上に第１絶縁膜としてＳｉ
酸化膜１０４ａを例えば熱酸化法、あるいはＳｉＨ₄と
亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）、ＴＥＯＳ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。この第
１絶縁膜１０４ａはＳｉ酸化膜に限定されるものではな
く、これ以外にもＳｉ酸化膜に燐（Ｐ）やポロン（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、その形成方法も熱酸
化法やプラズマＣＶＤに限られるものではなく、塗布法
などを用いても構わない。

【００１８】続いて、金属膜として、窒化チタン膜（以
下、ＴｉＮ膜）１０６ａを、チタン（Ｔｉ）のターゲッ
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２５〜５
０ｎｍの厚さに形成する。さらに、ＴｉＮ膜１０６ａ上
にＣｕ膜１０７ａをスパッタ法により、パワー２．０〜
５．０ＫＷ、圧力２〜１０ｍＴｏｒｒの条件の下、２５
０〜５００ｎｍの厚さに形成する。そして、Ｃｕ膜１０
７ａ上にＴｉＮ膜１０６ｂを前記ＴｉＮ膜１０６ａと同
様の条件によリ２５〜５０ｎｍの厚さに形成する。これ
により、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜の積層膜が形成される。

【００１９】ここで、前記金属膜としてのＴｉＮ膜１０
６ａと１０６ｂは配線の主導電層であるＣｕ膜１０７ａ
を構成するＣｕの酸化やＣｕの絶縁膜中への拡散の防
止、およぴ下層に存在する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ものであり、この実施形
態のようなＴｉＮ膜に限らず、その他にチタン（Ｔ
ｉ）、バナジウム（∨）、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（Ｔａ）、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、およぴこれらを含有する合金を用いる事ができる。
また、Ｃｕ膜１０７ａも、特性改善を目的として他の元
素が添加されたＣｕを主成分とするＣｕ合金を用いても
良い。そして、常法によりＴｉＮ膜１０６ｂ、Ｃｕ膜１
０７ａ、ＴｉＮ膜１０６ｂをエッチングして、配線パタ
ーン化する。

【００２０】次いで、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ酸
化膜１０４ａおよぴ前記した積層構造の配線上にＴＥＯ
ＳをソースとしたプラズマＣＶＤ法により、第２絶縁膜
である厚さ約２０〜５０ｎｍのＳｉ酸化膜１０４ｂを堆
積する。この工程ではＴＥＯＳが存在するためにＣｕの
酸化速度は極めて遅くなるが、少なくともＣｕの酸化温
度よりも低い温度で推積することが望ましい。また、プ
ラズマソースとして電子サイクロトロン共鳴（ｅｌｃｔ
ｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ）な
どにより発生する高密度プラズマを用い、ＣＶＤソース
としてＳｉＨ₄とＯ₂を用いて、Ｃｕの酸化温度よりも低
い温度でＳｉ酸化膜１０４ｂを堆積しても良く、塗布法
によるスピンオングラス膜の形成も可能である。さら
に、堆積する膜の種類も、Ｓｉ酸化膜に限定せずに、そ
れ以外にもフッ素（Ｆ）を含有した比誘電率の小さなＳ
ｉ酸化膜を用いても良い。

【００２１】続いて、Ｓｉ基板１０１を真空装置（図示
せず）中においてフォスフィン（ＰＨ₃）ガスのプラズ
マに曝す。このＰＨ₃プラズマ処理は、例えば枚葉処理
で行う場合には、ＰＨ₃ガス流量２０〜５０ｓｃｃｍ、
温度１５０〜４００℃、圧力０．１〜１０Ｔｏｒｒ、パ
ワー０．２〜１．０ＫＷ、処理時間１分〜５分の条件で
行う。これにより、図１（ｃ）に示すように、Ｓｉ酸化
膜１０４ｂ中には１０¹⁹〜１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の
リン（Ｐ）が導入される。次いで、窒素ガスなどの不活
性雰囲気中、３００〜４００℃、１０〜３０分程度の熱
処理を施こす。すると、ＰＨ₃プラズマ処理条件にも依
存するが、Ｓｉ酸化膜１０４ｂ中に導入されたＰ原子が
安定化して、Ｓｉ酸化膜１０４ｂはＰＳＧ膜と同等ある
いは類似した特性を有する不純物含有Ｓｉ酸化膜１０８
ａとなる。そのため、この不純物含有Ｓｉ酸化膜１０８
ａはＣｕ原子の拡散防止能力を持つ。これにより、Ｃｕ
を主導電層とする配線のＣｕの露出部分はＣｕの拡散防
止能力のある絶縁膜と接する構造が得られる。なお、こ
こでは、プラズマドーピングを行う不純物元素としてＰ
を用いているが、これに限定されるものではなく、その
他に硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、鉛（Ｐｂ）あるいは窒
素（Ｎ）のうちの１つあるいは複数の元素を用いてもよ
い。

【００２２】続いて、図１（ｄ）に示すように、不純物
含有Ｓｉ酸化膜１０８ａの上に、例えばプラズマＣＶＤ
を用いて、第３絶縁膜であるＳｉ酸化膜１１０ａを５０
０〜１０００ｎｍの厚さに形成する。この第３絶縁膜も
Ｓｉ酸化膜に限定されるものではなく、比誘電率が小さ
く回路遅延の抑制に有効な、フッ素（Ｆ）を含有したＳ
ｉ酸化膜や有機化合物膜、炭素膜を用いても良く、その
堆積方法もプラズマＣＶＤ法に限定されるものではな
い。このように形成された半導体装置は、配線のＣｕ露
出部分がＣｕの拡散防止能力のある絶縁膜と接する構造
となっているため、Ｃｕの拡散や酸化を防止できる。ま
た、その製造方法も極めて容易である。（第２の実施形
態）図２は本発明の第２の実施の形態を製造工程順に示
した縦断面図である。先ず、図２（ａ）に示すように、
Ｓｉ基板１０１上に第１絶縁膜である厚さ１０００〜１
５００ｎｍのＳｉ酸化膜１０４ａをプラズマＣＶＤ法に
より形成し、続いて常法であるフォトリソグラフィ技術
と反応性イオンエッチング技術を用いて、幅２５０〜１
０００ｎｍ、深さ２５０〜５００ｎｍの配線溝１０５ａ
を形成する。ここで、この第１の絶縁膜はＳｉ酸化膜に
限定されるものではなく、これ以外にもＳｉ酸化膜にリ
ン（Ｐ）やポロン（Ｂ）が含まれたＰＳＧ膜やＢＰＳＧ
膜でも構わない。またその形成方法についても熱酸化法
やプラズマＣＶＤ法に限られるものではない。

【００２３】さらに、図２（ｂ）に示すように、金属膜
としてＴｉＮ膜１０６ａをチタンの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１０〜３０ｎｍの厚さ
に形成する。このＴｉＮ膜１０６ａも第１の発明の実施
の形態と同様に他の材料を用いる事ができる。次いで、
前記ＴｉＮ膜１０６ａ上にＣｕ（ＨＦＡ）（ＴＭＶＳ）
（ＣｏｐｐｅｒＨｅｘａＦｌｕｏｒｏＡｔｙｅｔ
ｈｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅＴｒｉ−ＭｅｔｈｙｌＶ
ｉｎｙｌＳｉｌａｎｅＣｕ（Ｃ₅ＨＦ₆Ｏ₂）（Ｃ₅Ｈ
₁₂Ｓｉ））を原料とした有機ソースＣｕ−ＣＶＤ法によ
り、厚さ５００〜１０００ｎｍのＣｕ膜１０７ａを形成
し、配線溝１０５ａがＴｉＮ膜１０６ａとＣｕ膜１０７
ａで充填されるようにする。Ｃｕ−ＣＶＤは原料ソース
２０〜５０ｓｃｃｍ、キャリアＨ ₂ガス５０〜２００ｓ
ｃｃｍ、温度１５０〜２５０℃、圧力５〜２０Ｐａの条
件で行うと、平滑で高いステップカバレッジのＣｕ膜１
０７ａを形成する事ができる。

【００２４】そして、図２（ｃ）に示すように、アルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）微粉末と過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）を主成分
としたスラリーを用いた化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ，
以下、ＣＭＰ法）により、配線溝以外の部分に露出した
Ｃｕ膜とＴｉＮ膜を研磨、除去してＴｉＮ膜１０６ａと
Ｃｕ膜１０７ａより構成される溝埋め込み構造のＣｕ配
線を形成する。続いて、図２（ｄ）のように、Ｓｉ酸化
膜１０４ａおよぴＣｕ配線上にＴＥＯＳをソースとした
プラズマＣＶＤ法により、第２絶縁膜である厚さ約２０
〜５０ｎｍのＳｉ酸化膜１０４ｂを堆積する。この工程
ではＴＥＯＳが存在するために露出した部分のＣｕの酸
化速度は極めて遅くなるが、少なくともＣｕの酸化温度
よりも低い温度で堆積することが望ましい。また、プラ
ズマソースとして電子サイクロトロン共鳴（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ）な
どにより発生する高密度プラズマを用い、ＣＶＤソース
としてＳｉＨ₄とＯ₂を用いて、Ｃｕの酸化温度よりも低
い温度でＳｉ酸化膜１０４ｂを堆積しても良く、また塗
布法によるスピンオングラス膜の形成も可能である。さ
らに、堆積する膜の種類も、Ｓｉ酸化膜に限定せずに、
それ以外にもフツ素（Ｆ）を含有した比誘電率の小さな
Ｓｉ酸化膜を用いても良い。

【００２５】さらに、図２（ｅ）に示すように、Ｓｉ基
板１０１を真空装置（図示せず）中においてアルシン
（ＡｓＨ₃）ガスのプラズマに曝す。このＡｓＨ₃プラズ
マ処理は、例えば枚葉処理で行う場合には、ＡｓＨ₃ガ
ス流量２０〜５０ｓｃｃｍ、温度１５０〜４００℃、圧
力０．１〜１０Ｔｏｒｒ、パワー０・２〜１・０ＫＷ、
処理時間１分〜５分の条件で行う。すると、Ｓｉ酸化膜
１０４ｂ中には１０¹⁹〜１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の批
素（Ａｓ）が導入される。次いで、窒素ガスなどの不活
性雰囲気中、３００〜４００℃、１０〜３０分程度の熱
処理を施こすと、ＡｓＨ３プラズマ処理条件にも依存す
るが、Ｓｉ酸化膜１０４ｂ中に導入されたＡｓ原子が再
配列、安定化して、Ｓｉ酸化膜１０４ｂは批素ガラス
（ＡＳＧ：ＡｒｓｅｎＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓ
ｓ）膜と同等あるいは類似した特性を有する不純物含有
Ｓｉ酸化膜１０８ａとなり、Ｃｕ原子の拡散防止能力を
持つこととなる。これにより、Ｃｕを主導電層とする溝
配線の表面部に存在するＣｕの露出領域はＣｕの拡散防
止能力のある絶縁膜と接する構造が得られる。

【００２６】続いて、図２（ｆ）に示すように、不純物
含有Ｓｉ酸化膜１０８ａの上に、例えばプラズマＣＶＤ
を用いて、第３絶縁膜であるＳｉ酸化膜１１０ａを５０
０〜１０００ｎｍの厚さで形成する。この絶縁膜もＳｉ
酸化膜に限定されるものではなく、比誘電率が小さく、
回路遅延の抑制に有効な、フッ素（Ｆ）を含有したＳｉ
酸化膜や有機化合物膜、炭素膜を用いても良く、その堆
積方法もプラズマＣＶＤ注に限定されるものではない。
このように形成された半導体装置は、配線のＣｕ露出部
分がＣｕの拡散防止能力のある絶縁膜と接する構造とな
っているため、Ｃｕの拡散や酸化を防止できる。また、
その製造方法も極めて容易であることは本発明の第１の
実施の形態と同様である。

【００２７】ここで、前記した第１及び第２の各実施形
態に示した半導体装置の製造方法は、ＭＯＳ型、あるい
はバイポーラ型等の半導体装置の種類を選ばず適用する
事ができる。

【００２８】

【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、Ｃｕを主導電材料とする配線を被覆する
絶縁膜に対して、Ｃｕの拡散防止能力を有する不純物を
導入することにより、配線のＣｕの露出する領域がＣｕ
の拡散防止能力の高い絶縁膜と接する構造が形成でき、
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
により被覆された構造のＣｕ配線を高い制御性、高い均
一性およぴ高い再現性のもとで形成できる。これによ
り、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、Ｃ
ｕ配線の長期信頼性が改善される。さらに、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歩留で製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の工程を示す縦断面
図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の工程を示す縦断面
図である。

【図３】従来の第１の技術の工程を示す縦断面図であ
る。

【図４】従来の第２の技術の工程を示す縦断面図であ
る。

【図５】従来の第３の技術の工程を示す縦断面図であ
る。

【図６】従来の第４の技術の工程を示す縦断面図であ
る。

【図７】従来の第５の技術の工程を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１０１Ｓｉ基板１０４ａＳｉ酸化膜１０６ａ，１０６ｂＴｉ膜１０７ａＣｕ膜１０８ａ不純物含有Ｓｉ酸化膜１１０ａＳｉ酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/316 Ｈ０１Ｌ 21/90 Ｊ 21/3205 21/88 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【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絶縁膜上に単層あるいは複数層の導電膜
より構成される金属配線を形成する工程と、前記第１絶
縁膜および前記金属配線上に前記金属配線の酸化温度よ
りも低い温度で第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２
絶縁膜に前記金属配線の金属拡散防止能力のある不純物
をプラズマドープ法により導入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。
【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絶縁膜上に配線形成溝を開口する工程
と、前記配線形成溝中に単層あるいは複数層の導電膜よ
り構成される金属配線を形成する工程と、前記第１絶縁
膜および前記金属配線上に前記金属配線の酸化温度より
も低い温度で第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶
縁膜に前記金属配線の金属拡散防止能力のある不純物を
プラズマドープ法により導入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。
【請求項３】前記第２絶縁膜の上に第３絶縁膜を形成
する工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項
２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記金属配線の主導電層が銅あるいは銅
を主成分とする合金より構成される請求項１ないし３の
いずれか記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記第２絶縁膜がシリコン酸化膜あるい
はフッ素含有シリコン酸化膜より構成される請求項１な
いし４のいずれか記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記第２絶縁膜の堆積を銅の酸化温度よ
りも低い温度で行うことを特徴とする請求項５記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項７】前記第２絶縁膜の堆積を高密度プラズマ
を用いた化学的気相成長により行う請求項６記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項８】前記第２絶縁膜の堆積をテトラエトキシ
シランあるいはトリエトキシフルオロシランをソースと
したプラズマ化学的気相成長により行う請求項７記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記第２絶縁膜へ導入する不純物が、燐
（Ｐ）、硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、鉛（Ｐｂ）あるい
は窒素（Ｎ）のうちの１つあるいは複数の元素より構成
される請求項５ないし８のいずれか記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項１０】前記第３絶縁膜がシリコン酸化膜、フ
ッ素含有シリコン酸化膜、有機化合物あるいは炭素より
構成される請求項３ないし９のいずれか記載の半導体装
置の製造方法。