[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有多层布线构造的半导体装置，尤其涉及具有含有以铜为主要成分的槽布线(镶嵌布线)的多层布线构造的半导体装置及其制造方法。

背景技术

在硅半导体集成电路(LSI)中，以往导电材料广泛使用铝(Al)或铝合金。并且，伴随LSI的制造方法的细微化发展，为了降低布线中的布线电阻和实现高可靠性，导电材料开始使用铜(Cu)。铜容易扩散到氧化硅膜中，所以铜布线的侧面和底面采用防止铜扩散的导电性抗渗金属膜，在铜布线的上表面使用绝缘性抗渗膜。抗渗金属膜使用Ta、Ti、它们的氮化物、它们的层叠膜等。在形成铜布线时采用下述方法，预先通过干式蚀刻在绝缘膜内部形成布线槽(镶嵌槽)，通过溅射法等向槽中沉积抗渗金属。然后，通过溅射法在抗渗金属上形成铜层，把该铜层作为基底层，通过电镀法将铜埋入槽内(以下称为以往的铜布线技术)。然后，通过CMP(化学机械研磨法：Chemicalmechanical polishing)技术去除剩余的抗渗金属和铜，从而形成铜布线。

但是，在铜布线中，作为抗渗金属膜，Ta膜或Ta/TaN层叠膜已经得到实际应用，但铜基底层(111)与Ta(110)抗渗金属膜的晶格不匹配性为22％，该值比较大，由于因Cu/Ta界面的结晶缺陷形成的电子散射，导致铜的比电阻上升，这种问题随着布线的细微化更加明显。

并且，近年来，布线尺寸的细微化发展到100nm以下的尺寸，在通过溅射法形成铜基底层的方法中，形成于槽侧壁的铜膜的侧部有效区域不够，该问题使得在埋入铜时很难防止空隙的产生。另外，在细微的槽和通孔中，需要形成比较薄的铜基底层，但是薄薄地形成的铜膜具有容易凝聚的问题，因此一直在研究不需在抗渗金属上形成铜基底层即可进行电镀的直接电镀法。为了实现不使用这种铜基底层的直接电镀法，需要保持比较低的所谓抗渗金属层的电阻率并进行均匀性良好的电镀的技术。另外，在直接电镀法中，由于抗渗金属表面直接暴露于大气或电镀液中，所以抗渗金属需要比较强的抗氧化性。因此，正在研究Ru等的贵金属材料，这种材料与以往使用的Ta和Ti以及其氮化物等相比，电阻率低，抗氧化性强。关于向该贵金属膜上直接电镀的方法，日本特开2006-120870号公报(专利文献1)公开了下述方法，在绝缘膜内形成有布线用凹部的基板表面上，形成在布线材料成膜用的电镀液中不溶的导电膜，把所述导电膜作为基底膜，在该导电膜的表面，通过电镀法将布线材料埋入所述布线用凹部并成膜。其中，在电镀液中不溶的导电膜包含钯、铑或钌中的任一种。另一方面，关于以往的铜布线技术使用贵金属衬层膜的方法，日本特开2002-075994号公报(专利文献2)公开了使用Ru或其氧化物作为抗渗金属的技术。在日本特开2004-031866号公报(专利文献3)公开的技术中，为了防止铜的扩散和改善与铜的密着性，使用Ru或其氮化物的层叠膜作为抗渗金属。

发明内容

但是，通过不需在抗渗金属上形成铜基底层即可进行电镀的直接电镀法形成布线的方法，存在以下问题。

一般，电镀铜膜以基底铜膜的(111)取向性为基础而生长，所以具有在铜布线中容易获取(111)取向性、该取向性使抗铜迁移性提高的优点。但是，在不使用铜基底层即进行电镀生长的情况下，存在铜的(111)取向性相比使用铜基底层时下降的问题，期待开发提高铜的(111)取向性的技术。

本申请的发明者们发现，在使用铜基底层来提高Cu(111)取向性时，多伴随有铜的异常微粒生长，并伴随有铜的粒径偏差增加。即，粒径的偏差导致铜布线的可靠性的偏差，进而产生可靠性的劣化。因此，期待铜粒径的偏差(标准偏差)能够保持得比较低且提高取向性的布线形成方法。尤其期待与铜基底层(111)的结晶匹配性比较高的衬层膜。

在使用钌等贵金属膜作为衬层膜时，由于钌等贵金属膜不具有铜抗渗性，所以需要使用与具有抗渗性的非晶型高熔点金属的层叠构造。该情况时，存在钌等贵金属膜的结晶性进一步下降的问题，在这种层叠构造上通过电镀法生长的铜膜存在(111)取向性进一步下降、布线的可靠性劣化的问题。

并且，本发明者等发现结晶性下降的钌等贵金属膜存在利用CMP法时研磨速度明显减小的问题。因此，在使用钌等贵金属膜的直接电镀法中，在通过镶嵌法形成布线时，如何提高钌等贵金属膜的取向性、并获得足够的研磨速度成为问题。

此外，为了使铜的布线可靠性不劣化，虽然希望将Cu(111)取向性保持在某种程度，但并不明确，在使用钌等贵金属膜的直接电镀法中所需要的Cu(111)取向率尚未明确。