專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有金屬布線(interconnection)的半導(dǎo)體裝置及該半導(dǎo)體裝置的制造方法，特別是涉及金屬阻擋膜及其形成方法。
背景技術(shù)：
近幾年，隨著半導(dǎo)體集成電路裝置(以下稱半導(dǎo)體裝置)加工尺寸的細(xì)微化，在半導(dǎo)體裝置的多層布線，采用了銅布線和介電常數(shù)低的絕緣膜的組合、即是和所謂Low-k膜的組合。通過上述，使得RC延遲及耗電力的降低成為可能。進(jìn)一步地，為了達(dá)到半導(dǎo)體裝置的高集成化、高功能化及高速化，采用更低介電常數(shù)的Low-k膜的方法也正受到檢討中。
但是，銅布線通常是以金屬鑲嵌法(damascene)來形成。金屬鑲嵌法包括交互形成布線及通孔栓塞(via plug)的單金屬鑲嵌法(singledamascene)以及同時形成布線及通孔栓塞的雙金屬鑲嵌法(dualdamascene)。
以下，參照圖16(a)及圖16(b)說明以金屬鑲嵌法形成多層布線的方法。
如圖16(a)所示，在硅襯底101上形成第1絕緣膜102后，在該第1絕緣膜102中形成具有第1金屬阻擋膜103的第1銅布線104。并且，在硅襯底101上形成晶體管等，這在附圖中受到省略。接著，在第1絕緣膜102及第1銅布線104上，依序形成防止銅擴(kuò)散的擴(kuò)散防止膜105、第2絕緣膜106、第3絕緣膜107、及第4絕緣膜108。
這里，使用氮化硅膜、碳化氮化硅膜、或氧化碳化硅膜等作為擴(kuò)散防止膜105。擴(kuò)散防止膜105具有防止第1布線104的銅擴(kuò)散到第2絕緣膜106及第4絕緣膜108中。并且，第3絕緣膜107也使用和擴(kuò)散防止膜105相同的材料。
同時，第2絕緣膜106及第4絕緣膜108中，使用了氧化硅膜、摻雜氟的氧化硅膜、碳化氧化硅膜、或由有機(jī)膜構(gòu)成的絕緣膜。這些膜可以是以化學(xué)氣相沉積法形成的膜，也可以是以旋轉(zhuǎn)涂層法形成的SOD(spin on dielectric)膜。
接著，在擴(kuò)散防止膜105、第2絕緣膜106及第3絕緣膜107形成通孔110a，同時，通過在第4絕緣膜108形成布線溝110b，如圖16(a)所示，形成由通孔110a及布線溝110b所構(gòu)成的凹部110c。并且，通孔110a及布線溝110b只要采用周知的微影技術(shù)、蝕刻技術(shù)、灰化技術(shù)、及清除技術(shù)，以形成雙金屬鑲嵌布線溝(由通孔110a及布線溝110b所構(gòu)成的凹部110c)的工序形成即可。并且，通常在方法上先形成通孔110a之后，再形成布線溝(trench)110b(參照專利文獻(xiàn)1)。
接著，如圖16(b)所示，沿著凹部110c壁面，以物理氣相沉積法(PVDphysical vapor deposition)等形成第2金屬阻擋膜111及形成第3金屬阻擋膜112。
接著，如圖16(c)所示，在第3金屬阻擋膜112上，以物理氣相沉積法形成銅種子層113。
接著，如圖16(d)所示，以銅種子層113為種的銅電鍍填埋凹部110c，同時形成銅膜114來覆蓋第3金屬阻擋膜112的整體表面。
接著，如圖16(e)所示，以化學(xué)機(jī)械研磨法(CMPchemicalmechanical polishing)，將凹部110c內(nèi)側(cè)以外的在第4絕緣膜108上形成的銅膜114的部分、以及凹部110c內(nèi)側(cè)以外在第4絕緣膜108上形成的第2金屬阻擋膜112和第3金屬阻擋膜112的部分，加以研磨去除。這樣形成通孔栓塞115a及第2布線115b。并且，也可以是形成通孔栓塞115a及第2布線115b的其中之一。通過重復(fù)以上一連串的動作能夠形成多層布線。
一般來說，由于銅容易通過熱或電場擴(kuò)散到氧化硅膜等絕緣膜中，以此為原因容易產(chǎn)生晶體管的特性劣化。并且，銅和絕緣膜的接合性低。因此，如下方法受到提出即形成銅布線時，在銅和絕緣膜之間，通過形成由鉭膜或氮化鉭膜所構(gòu)成的金屬阻擋膜來防止銅擴(kuò)散到絕緣膜、同時提高絕緣膜和銅的接合性(參照專利文獻(xiàn)2)。并且，鉭膜或氮化鉭膜可以使用單層或疊層結(jié)構(gòu)。
但是，作為和第2～第4絕緣膜106、107及108連接的第2金屬阻擋膜111，使用鉭等高熔點金屬的情況下，有著以下問題即構(gòu)成金屬鑲嵌布線凹部110c的第2～第4絕緣膜106、107及108，和由高熔點金屬構(gòu)成的第2金屬阻擋膜111的接合性不好。對于這個問題，通過使用氮化鉭膜作為第2金屬阻擋膜111，同時使用鉭膜作為第3金屬阻擋膜112，雖然改善了所述接合性不好的問題，但是并未能夠獲得充分的接合性。
并且，使用鉭膜作為第3金屬阻擋膜112時，以電解電鍍形成銅時，由于鉭膜受到氧化，將形成了高電阻的氧化鉭膜。因此產(chǎn)生了無法避免布線電阻上升的問題。
并且，使用氮化鉭膜作為第3金屬阻擋膜112時，氮化鉭膜雖然不會被氧化，但是由于氮化鉭膜具有高電阻，且和銅的接合性低。
進(jìn)一步地，即使使用鈦膜或氮化鈦膜作為第3金屬阻擋膜112時，和使用鉭膜或氮化鉭膜時存在同樣問題。特別是，在實現(xiàn)第3金屬阻擋膜112低電阻的目的下，使用金屬及其金屬氧化物本身是低電阻的釕或銥等金屬作為第3金屬阻擋膜112，這一個方法受到關(guān)注(參照專利文獻(xiàn)3及4)。并且，通常以原子層沉積法或化學(xué)氣相沉積法形成這些金屬。
專利文獻(xiàn)1特開平10-223755號公報專利文獻(xiàn)2特開2002-43419號公報專利文獻(xiàn)3專利第3409831號專利文獻(xiàn)4特開2002-75994號公報發(fā)明內(nèi)容解決課題然而，若使用鉭或釕等高熔點金屬膜作為金屬阻擋膜時存在如下問題也就是形成金屬鑲嵌布線用的凹部的絕緣膜和由高熔點金屬膜構(gòu)成的金屬阻擋膜的接合性惡劣。同時，通過在由高熔點金屬膜所構(gòu)成的金屬阻擋膜和絕緣膜之間形成金屬氮化膜，雖然比起在絕緣膜上直接形成由高熔點金屬構(gòu)成的金屬阻擋膜能夠改善接合性惡劣的問題，但是仍然有著電阻增大的問題。
有鑒于前，本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，該半導(dǎo)體具有低電阻、并且在絕緣膜和布線之間接合性高的金屬阻擋膜。
解決方法為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明的第1半導(dǎo)體裝置，其特征在于該半導(dǎo)體裝置包括在襯底上形成的絕緣膜、在絕緣膜中形成的埋入布線、在絕緣膜和埋入布線之間形成的金屬阻擋膜；金屬阻擋膜由從絕緣膜所在的一側(cè)向埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的金屬氧化物膜、遷移層及金屬膜所構(gòu)成；遷移層由單一原子層所構(gòu)成，該單一原子層金屬具有氧化物膜組成及金屬膜組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第1半導(dǎo)體裝置，在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面存在有遷移層，具有和金屬氧化物膜的組成及金屬膜的組成的大體中間組成，相較于在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況，金屬氧化物膜和金屬膜的接合性大幅度地提高了。進(jìn)一步地，由于遷移層由單一原子層所構(gòu)成，提高了金屬氧化物膜和金屬膜的接合性，通過使遷移層的厚度極盡為薄，即使是形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠形成厚度薄的金屬阻擋膜，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第2半導(dǎo)體裝置，其特征在于該半導(dǎo)體裝置包括在襯底上形成的絕緣膜、在絕緣膜中形成的埋入布線、在絕緣膜和埋入布線之間形成的金屬阻擋膜；金屬阻擋膜由從絕緣膜所在的一側(cè)向埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的金屬氧化物膜、遷移層及金屬膜所構(gòu)成；遷移層由多個原子層所構(gòu)成，具有金屬氧化物膜的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第2半導(dǎo)體裝置，在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面存在遷移層，其具有金屬氧化物膜的組成和金屬膜的組成的大體中間組成，比起金屬氧化物膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況，大幅度地提高了金屬氧化物膜和金屬膜的接合性，能夠形成膜薄且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層由多個原子層所構(gòu)成，比起金屬氧化物膜和金屬膜之間存在的遷移層由單一原子層所構(gòu)成的情況，更加提高接合性。并且，由于遷移層的組成階段性地變化，進(jìn)一步提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明的第1及第2半導(dǎo)體裝置中，構(gòu)成金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
這樣一來，在金屬膜/遷移層/金屬氧化物膜/絕緣膜的層結(jié)構(gòu)中，可以無損金屬氧化物膜和金屬膜的接合性，將能夠根據(jù)絕緣膜的種類使絕緣膜和金屬氧化物膜的接合性最適化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，在本發(fā)明第1及第2半導(dǎo)體裝置中，構(gòu)成金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是同一種類的元素。
這樣一來，在金屬膜/遷移層/金屬氧化物膜的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高遷移層和金屬膜之間以及金屬氧化物膜和遷移層之間的各接合面的接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第3半導(dǎo)體，其特征在于該半導(dǎo)體裝置包括在襯底上形成的絕緣膜、在絕緣膜中形成的埋入布線、在絕緣膜和埋入布線之間形成的金屬阻擋膜；金屬阻擋膜由從絕緣膜所在的一側(cè)向埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的遷移層及金屬膜所構(gòu)成；遷移層由單一原子層所構(gòu)成，具有金屬氧化物的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第3半導(dǎo)體裝置，在絕緣膜和金屬膜的接合面存在遷移層，該遷移層具有金屬氧化物的組成和金屬膜的組成的大體中間組成，比起絕緣膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況，大幅度地提高了絕緣膜和金屬膜的接合性。進(jìn)一步地，由于遷移層由單一原子層所構(gòu)成，除了提高絕緣膜和金屬膜的接合性之外，通過使遷移層的厚度極盡為薄，即使是形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠形成厚度薄的金屬阻擋膜，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第4半導(dǎo)體，其特征在于該半導(dǎo)體裝置包括在襯底上形成的絕緣膜、在絕緣膜中形成的埋入布線、在絕緣膜和埋入布線之間形成的金屬阻擋膜；金屬阻擋膜由從絕緣膜所在的一側(cè)向埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的遷移層及金屬膜所構(gòu)成；遷移層由構(gòu)成金屬氧化物及金屬膜的金屬所構(gòu)成同時由多個原子層所構(gòu)成，該多個原子層具有金屬氧化物的組成及金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第4半導(dǎo)體裝置，在絕緣膜和金屬膜的接合面存在遷移層，其具有金屬氧化物的組成和金屬膜的組成的大體中間組成，比起絕緣膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況，大幅度地提高了絕緣膜和金屬膜的接合性，能夠形成膜薄且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層由多個原子層所構(gòu)成，比起絕緣膜和金屬膜之間存在的遷移層由單一原子層所構(gòu)成的情況，能夠獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，由于遷移層的組成階段性地變化，進(jìn)一步提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明的第3及第4半導(dǎo)體裝置中，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
這樣一來，在金屬膜/遷移層/絕緣膜的層結(jié)構(gòu)中，能夠不妨礙遷移層和金屬膜的接合性，根據(jù)絕緣膜的種類使絕緣膜和遷移層的接合性加以最適化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且高接合性的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明的第3及第4半導(dǎo)體裝置中，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是同一種類的元素。
這樣一來，在金屬膜/遷移層的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高遷移層和金屬膜之間的接合面的接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第5半導(dǎo)體裝置，其特征在于該半導(dǎo)體裝置包括在襯底上形成的絕緣膜，在絕緣膜中形成的埋入布線，以及在絕緣膜和埋入布線之間形成的金屬阻擋膜；金屬阻擋膜含氧作為構(gòu)成元素，在金屬阻擋膜的氧濃度向金屬阻擋膜厚度方向連續(xù)性地變化。
根據(jù)本發(fā)明的第5半導(dǎo)體裝置，在含氧作為構(gòu)成元素的金屬阻擋膜中，氧濃度從金屬阻擋膜和絕緣膜接續(xù)面到和埋入布線接續(xù)面，在薄膜厚度方向連續(xù)性地變化，因此在金屬阻擋膜內(nèi)部將不會存在有所述金屬阻擋膜內(nèi)部組成急劇變化的界面，而能夠大幅度地提高了金屬阻擋膜本身的強(qiáng)度。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第1半導(dǎo)體裝置制造方法，其特征在于包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著凹部壁面依序疊層金屬氧化物膜、遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；形成金屬阻擋膜的工序包括以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)的成長，形成由單一原子層所構(gòu)成的所述遷移層的工序，該單一原子層具有所述金屬氧化物膜的組成及所述金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第1半導(dǎo)體裝置制造方法，能夠在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面容易形成由單一原子層所構(gòu)成的遷移層，該遷移層具有金屬氧化物膜的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。因此比起金屬氧化物膜和金屬膜的接合面不存在遷移層，大幅度地提高了金屬氧化物膜和金屬膜的接合性。進(jìn)一步地，由于形成由單一原子層所構(gòu)成的遷移層，加上提高了金屬氧化物膜和金屬膜的接合性，通過使遷移層的厚度極盡為薄，即使是形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠形成厚度薄的金屬阻擋膜，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第2半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著凹部壁面依序疊層金屬氧化物膜、遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；形成金屬阻擋膜的工序包括以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)的成長形成由多個原子層所構(gòu)成的遷移層的工序，該多個原子層具有金屬氧化物膜的組成及金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第2半導(dǎo)體裝置的制造方法，能夠在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面簡單形成由多個原子層構(gòu)成的遷移層，其具有金屬氧化物膜的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。因此和在金屬氧化物膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況相比，大幅度地提高了金屬氧化膜和金屬膜的接合性，能夠形成膜薄且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于形成由多個原子層所構(gòu)成的遷移層，因此比起金屬氧化物膜和金屬膜之間存在的遷移層由單一原子層所構(gòu)成的情況，能夠獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，在以原子層沉積法多個循環(huán)的各從循環(huán)中，通過例如階段性地使成膜條件或原料氣體變化，能夠使得遷移層的組成階段性地變化。因此，能夠進(jìn)一步提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明第1及第2半導(dǎo)體裝置的制造方法中，構(gòu)成金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
這樣一來，例如只將成膜條件加以變化能夠連續(xù)形成金屬氧化物膜、遷移層及金屬膜，而能夠形成接合性高的金屬阻擋膜，因此將能夠簡單地制造本發(fā)明第1或第2半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第3半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著凹部壁面依序疊層遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；形成金屬阻擋膜的工序包括以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)的成長，形成由單一原子層所構(gòu)成的遷移層的工序，該單一原子層由構(gòu)成金屬氧化物和金屬膜的金屬所構(gòu)成，同時具有金屬氧化物的組成及金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第3半導(dǎo)體裝置制造方法，能夠在絕緣膜和金屬膜的接合面容易形成由單一原子層所構(gòu)成的遷移層，該單一原子層具有金屬氧化物的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。因此比起在絕緣膜和金屬膜的接合面不存在遷移層，大幅度地提高了絕緣膜和金屬膜的接合性。進(jìn)一步地，由于遷移層由單一原子層所構(gòu)成，加上提高了絕緣膜和金屬膜的接合性，通過使遷移層的厚度極盡為薄，即使是形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠形成厚度薄的金屬阻擋膜，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第4半導(dǎo)體裝置制造方法，其特征在于包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著凹部壁面依序疊層遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；形成金屬阻擋膜的工序包括以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)的成長，形成由多個原子層所構(gòu)成的遷移層的工序，該多個原子層由構(gòu)成金屬氧化及金屬膜的金屬所構(gòu)成同時具有金屬氧化物的組成及金屬膜的組成的大體中間組成。
根據(jù)本發(fā)明的第4半導(dǎo)體裝置的制造方法，能夠在絕緣膜和金屬膜的接合面簡單形成由多個原子層構(gòu)成的遷移層，該多個原子層具有金屬氧化物的組成和金屬膜的組成的大體中間組成。因此和在絕緣膜和金屬膜的接合面不存在遷移層的情況相比，大幅度地提高了絕緣膜和金屬膜的接合性，能夠形成膜薄且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層由多個原子層所構(gòu)成，因此和絕緣膜和金屬膜之間的遷移層由單一原子層所構(gòu)成的情況相比，能夠獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，在以原子層沉積法多個循環(huán)的各從循環(huán)中，通過例如階段性地使成膜條件或原料氣體變化，能夠使得遷移層的組成階段性地變化。因此，能夠進(jìn)一步提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明第3或第4半導(dǎo)體裝置的制造方法中，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
這樣一來，例如只將成膜條件或原料氣體加以變化能夠連續(xù)形成遷移層及金屬膜，而能夠形成接合性高的金屬阻擋膜，因此將能夠簡單地制造本發(fā)明第3或第4半導(dǎo)體裝置。
最好是，本發(fā)明第3或第4半導(dǎo)體裝置的制造方法中，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬是同一種類的元素。
這樣一來，例如僅只使成膜條件變化，而能夠連續(xù)形成遷移層及金屬膜，將能夠形成接合性高的金屬阻擋膜，能夠簡單制造本發(fā)明第3或第4半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第5半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著凹部壁面形成含氧作為構(gòu)成元素的金屬阻擋膜的工序，以及在金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；形成金屬阻擋膜的工序包括使金屬阻擋膜中氧濃度向金屬阻擋膜的厚度方向連續(xù)性地變化來形成金屬阻擋膜的工序。
根據(jù)本發(fā)明的第5半導(dǎo)體裝置的制造方法，通過使用原子層沉積法，只使成膜條件連續(xù)性變化，氧濃度從金屬阻擋膜和絕緣膜接續(xù)面到和埋入布線的接續(xù)面，沿著薄膜厚度的方向連續(xù)性地變化，因此在金屬阻擋膜內(nèi)部將不會存在有組成急劇變化的界面，而能夠大幅度地提高了金屬阻擋膜本身的強(qiáng)度。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的第1～第5的半導(dǎo)體裝置及制造方法，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。


圖1是本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
圖2是本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置中第2金屬阻擋膜在薄膜厚度方向的原子濃度分布圖。
圖3(a)～圖3(c)是本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
圖4是本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
圖5是本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置中第2金屬阻擋膜在薄膜厚度方向的原子濃度分布圖。
圖6(a)～圖6(c)是本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
圖7是本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
圖8是本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置中第2金屬阻擋膜在薄膜厚度方向的原子濃度分布圖。
圖9(a)～圖9(c)是本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
圖10是本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
圖11是本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置中第2金屬阻擋膜在薄膜厚度方向的原子濃度分布圖。
圖12(a)～圖12(c)是本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
圖13是本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
圖14是本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置中第2金屬阻擋膜在薄膜厚度方向的原子濃度分布圖。
圖15(a)及圖15(b)是本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
圖16是現(xiàn)有例子中半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
符號說明1-硅襯底、2-第1絕緣膜、3-第1金屬阻擋膜、4-第1銅布線、5-擴(kuò)散防止膜、6-第2絕緣膜、7-第3絕緣膜、8-第4絕緣膜、10a-通孔、10b-布線溝、10c-凹部、11-金屬氧化物膜、12a，12b，12d-遷移層、13-金屬膜、14-第2銅布線、A1，A2，A3，A4，A5-第2金屬阻擋膜、101-硅襯底、102-第1絕緣膜、103-第1金屬阻擋膜、104-第1布線、105-擴(kuò)散防止膜、106-第2絕緣膜、107-第3絕緣膜、108-第4絕緣膜、110a-通孔、110b-布線溝、110c-凹部、111-第2金屬阻擋膜、112-第3金屬阻擋膜、113-銅種子層、114-銅膜、115a-通孔、115b-第2布線具體實施方式
(第1實施例)以下，參照圖1、圖2及圖3(a)～圖3(c)來說明本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法。
圖1是顯示本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
如圖1所示，在硅襯底1上形成下層絕緣膜的第1絕緣膜2，在第1絕緣膜2中形成具有第1金屬阻擋膜3的下層銅布線、即第1銅布線4。并且，在硅襯底1上形成晶體管等，這在附圖中加以省略。在第1絕緣膜2及第1銅布線4上，依序形成防止銅擴(kuò)散的擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8。
并且，在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6及第3絕緣膜7，形成抵達(dá)第1銅布線4的通孔10a，同時，在第4絕緣膜8，形成連通通孔10a的布線溝10b。這樣地形成由通孔10a及布線溝10b所構(gòu)成的金屬鑲嵌布線溝的凹部10c。
同時，如圖1所示，在凹部10c的壁面形成第2金屬阻擋膜A1。這里，第2金屬阻擋膜A1，沿著凹部10c，由在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成的金屬氧化物膜11、在該金屬氧化物膜11上形成的遷移層12a、以及在該遷移層12a上形成的金屬膜13所構(gòu)成。遷移層12a在金屬氧化物膜11和金屬膜13的接合面附近形成，是具有金屬氧化物膜11及金屬膜13兩膜的組成的大體中間組成的遷移層。并且，遷移層12a由單一原子層構(gòu)成。
圖2顯示出例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)同時金屬氧化物膜11是氧化釕(RuO2)時在金屬阻擋膜A1厚度方向的原子濃度分布。
如圖2所示，在由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物膜11之間，形成由單一原子層構(gòu)成的遷移層12a。遷移層12a具有由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13的組成和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物膜11的組成的中間組成。換句話說，遷移層12a中的釕(Ru)濃度將是金屬膜13中的釕(Ru)濃度和金屬氧化物膜11中的釕(Ru)濃度的中間濃度，并且，遷移層12a中的氧(O)濃度是金屬膜13中的氧(O)濃度(這時是零)和金屬氧化物膜11中的氧(O)濃度的中間濃度。
進(jìn)一步地，在金屬膜13上形成由銅構(gòu)成的上層布線、即第2銅布線14，以填埋凹部10c內(nèi)部。并且，第2銅布線14只要是布線、通孔栓塞、或兩者其中之一即可。這里，第2銅布線14也可以是由純銅或含銅以外成分(例如微量的Si、Al、Mo或Sc等)的銅合金所構(gòu)成。
這里，可以使用氮化硅膜、碳化氮化硅膜、氧化碳化硅膜、碳化硅膜，或組合上述膜所構(gòu)成的疊層膜來作為擴(kuò)散防止膜5。擴(kuò)散防止膜5具有防止第1銅布線4中的銅擴(kuò)散到第2絕緣膜6及第4絕緣膜8中的功能。并且，第3絕緣膜7使用和擴(kuò)散防止膜5相同材料即可。并且，第3絕緣膜7是用來形成布線溝10b的蝕刻阻擋主要功能的膜，但是，第2絕緣膜6及第4絕緣膜8之間能夠獲得充分的蝕刻選擇比或能夠精密控制形成布線溝10b的蝕刻法，第3絕緣膜7的設(shè)置并非絕對必要。
同時，在第2絕緣膜6及第4絕緣膜8，使用氧化硅膜、摻雜氟的氧化硅膜、碳化氧化硅膜，或由有機(jī)膜構(gòu)成的絕緣膜即可。這些膜，可以是以化學(xué)氣相沉積法形成的膜，也可以是以旋轉(zhuǎn)涂布法形成的SOD(spin on dielectric)膜。并且，第2絕緣膜6和第4絕緣膜8可以使用相同材料。
并且，構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬使用高熔點金屬即可。通過上述，形成第2銅布線14后，在進(jìn)一步形成上層布線的工序中，進(jìn)行約400℃前后的加熱，但是，不會因為這個熱處理使得金屬氧化物膜11變質(zhì)。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，在薄膜厚度薄的情況下，金屬氧化物膜11未必非得具導(dǎo)電性，但是，最好是具導(dǎo)電性。以下，具體說明具導(dǎo)電性的金屬氧化物膜11。
金屬氧化物膜11的金屬可以使用銻(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鎢(W)、釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)或鉑(Pt)。
進(jìn)一步地，最好是使用釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)，銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)等。這樣一來，即使被氧化也不會大幅失去導(dǎo)電性(電阻率小)，而能夠形成低電阻的第2金屬阻擋膜A1。
構(gòu)成金屬膜13的金屬，可以使用銻(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鎢(W)、釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)。例如，鉭的電阻率是13(μΩ·cm)，釕的電阻率是7.5(μΩ·cm)，銥的電阻率是6.5(μΩ·cm)。
進(jìn)一步地最好是使用釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)，銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)等。例如，氧化釕膜的電阻率是35(μΩ·cm)，氧化銥?zāi)さ碾娮杪适?0(μΩ·cm)。若使用這些金屬，即使被氧化也不會失去導(dǎo)電性(電阻率小)，在后述的銅電鍍時，即使金屬膜11的表面受到氧化也不會失去導(dǎo)電性，因此能夠形成低電阻的第2金屬阻擋膜A1。
并且，將本實施例的第2金屬阻擋膜A1組裝到半導(dǎo)體裝置時，第2金屬阻擋膜A1的薄膜厚度，若是65nm世代的半導(dǎo)體裝置，使該厚度形成為數(shù)nm～30nm即可。并且，若是45nm世代的半導(dǎo)體裝置，可以預(yù)測整體的薄膜厚度最厚也必須使厚度是大約15nm以下。有關(guān)這一點，即使后述各實施例的第2金屬阻擋膜A2～A5也是相同。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置，在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面，由于存在遷移層12a，該遷移層12a具有金屬膜13的組成和金屬氧化物膜11的組成的大體中間組成，比起在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面不存在遷移層12a的情況，大幅度地提高了金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性。由于遷移層12a由單一原子層構(gòu)成，加上金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性增加，通過使遷移層12a的厚度極盡為薄，即使是形成疊層化的金屬阻擋膜，也能夠使金屬阻擋膜厚度形成為薄，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬，可以是不同種類的元素。這時，在金屬膜13/遷移層12a/金屬氧化物膜11/絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的層結(jié)構(gòu)中，可以無損金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性，而根據(jù)該絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的種類，使金屬氧化物膜11和該絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性最適化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬可以是同一種類的元素。這時，在金屬膜13/遷移層12a/金屬氧化物膜11的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高金屬膜13和遷移層12a之間以及遷移層12a和金屬氧化物膜11之間的各接合面的接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
接著，參照圖2及圖3(a)～圖3(c)說明本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，以下具體說明圖1所示的本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。
圖3(a)～圖3(c)是本發(fā)明第1實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
首先，如圖3(a)所示，在硅襯底1上形成第1絕緣膜2后，在該第1絕緣膜2中形成具有第1金屬阻擋膜3的第1銅布線4。并且，在硅襯底1上形成晶體管等，這在附圖中加以省略。接著，在第1絕緣膜2及第1銅布線4上，依序形成防止銅擴(kuò)散的擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8。接著，在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6及第3絕緣膜7，形成下端抵達(dá)第1銅布線4的通孔10a，同時，在第4絕緣膜8形成連通通孔10a的布線溝10b。這樣地形成由金屬鑲嵌用通孔10a及布線溝10b構(gòu)成的凹部10c。
并且，由通孔10a及布線溝10b構(gòu)成的凹部10c，采用周知的微影技術(shù)，蝕刻技術(shù)、灰化技術(shù)、和清除技術(shù)、例如特開2002-75994號公報等公開的雙金屬鑲嵌法形成即可。
接著，如圖3(b)所示，沿著凹部10c壁面，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成金屬氧化物膜11。這里，金屬氧化物膜11，可以用原子層沉積法(ALDatomic layer deposition)、化學(xué)氣相沉積法(CVDchemical vapor deposition)、或物理氣相沉積法(PVDphysical vapor deposition)等成膜方法形成即可。
接著，如圖3(c)所示，在金屬氧化物膜11上，以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)的成長來形成遷移層12a。接著，在遷移層12a上，以原子層沉積法或物理氣相沉積法來形成金屬膜13。這樣來形成由金屬氧化物膜11、遷移層12a及金屬膜13所構(gòu)成的第2金屬阻擋膜A1。這里，遷移層12a具有金屬膜13的組成和金屬氧化物膜11的組成的大體中間組成。
這里，以下詳細(xì)說明第2金屬阻擋膜A1的形成方法，例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、金屬氧化物膜11是氧化釕(RuO2)的情況。
形成構(gòu)成第2金屬阻擋膜A1的金屬氧化物膜11、遷移層12a及金屬膜13時，使用周知的原子層沉積法(Jounarl of The ElectrochemicalSociety，151，G109-G112(2004))。這時的成膜條件如下。換句話說，例如使用Ru(EtCp)2(＝Ru(C5H5)2)氣體作為釕(Ru)的源氣體(source gas)，將源氣體加熱到80℃的狀態(tài)，以50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氬氣體稀釋使用。并且，在襯底溫度是250℃、真空度是4.66×102Pa的條件下進(jìn)行。并且，使用在氧氣70mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)混合氬氣100mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氣體。并且，通過使用來供應(yīng)Ru(EtCp)2氣體的脈沖時間變化，能夠獲得從金屬釕到氧化釕的任意組成。脈沖時間范圍從1秒到10秒。將Ru(EtCp)2氣體予以脈沖供應(yīng)后，進(jìn)行一定時間的清除后供應(yīng)氧氣，停止氧氣的供應(yīng)后進(jìn)行一定時間的清除(pruge)，這樣能夠使由Ru或O構(gòu)成的單原子層的膜成長。將這一連串的循環(huán)作為一個循環(huán)。并且，使金屬釕成長時不供應(yīng)氧氣。
例如，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，使Ru(EtCp)2的脈沖時間是2秒，使金屬氧化物膜11、即氧化釕(RuO2)膜沉積5nm后，使具有氧化釕和釕中間組成的遷移層12a，以5秒的Ru(EtCp)2脈沖時間，只形成單一的原子層。接著，通過以10秒的Ru(EtCp)2脈沖時間，使金屬膜13的釕(Ru)膜沉積5nm。這樣所形成的第2金屬阻擋膜A1的厚度方向的原子濃度分布，將如所述圖3所示。通過使脈沖時間產(chǎn)生變化而能夠容易的控制遷移層12a的組成。
接著，以銅電鍍使凹部10c填埋，在包含凹部10c內(nèi)部的金屬膜13上形成銅膜后，以CMP法去除凹部10c內(nèi)部以外的、在第4絕緣膜8上形成的銅膜、金屬膜13、遷移層12a、以及金屬氧化物膜11的部分，而形成第2銅布線14及其一部分的通孔栓塞。這樣地能夠形成具有如圖1所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。并且通過重復(fù)從擴(kuò)散防止膜5的成膜到CMP的工序，便能夠形成多層布線。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第1實施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法，能夠容易地在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面形成由單一原子層所構(gòu)成的遷移層12a，該單一原子層具有金屬膜13的組成和金屬氧化物膜11的組成的大體中間組成。并且，能夠獲得和所述半導(dǎo)體裝置相同的效果。換句話說，由于在金屬膜13和金屬氧化物膜11接合面形成具有金屬膜13組成和金屬氧化物膜11組成的大體中間組成的遷移層12a，比起在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面不存在遷移層12a的情況，能夠大幅度地提高了金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性。進(jìn)一步地由于遷移層12a由單一原子層所構(gòu)成，加上金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性提高，通過使遷移層12a的厚度形成極盡為薄，即使形成疊層化的金屬阻擋膜，也能夠?qū)⒔饘僮钃跄ず穸刃纬蔀楸?，能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠制造具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，使構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是不同種類的元素，以原子層沉積法形成金屬氧化物膜11、遷移層12a、及金屬膜13，例如只將成膜條件或原料氣體加以變化，而能夠連續(xù)形成金屬氧化物膜11、遷移層12a、及金屬膜13，而能夠形成接合性高的第2金屬阻擋膜。
并且，使構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是同一種類的元素，以原子層沉積法形成金屬氧化物膜11、遷移層12a及金屬膜13時，例如只使成膜條件變化，而能夠連續(xù)形成金屬氧化物膜11、遷移層12a、及金屬膜13。
(第2實施例)以下，參照圖4、圖5及圖6(a)～圖6(c)說明本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，第2實施例中和第1實施例相同的部分將不重復(fù)說明，以下以和第1實施例不同點為中心進(jìn)行說明。
圖4顯示本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
如圖4所示，在凹部10c壁面形成第2金屬阻擋膜A2。這里，第2金屬阻擋膜A2由金屬氧化物膜11、在該金屬氧化物膜11上形成的遷移層12b、以及在該遷移層12b上形成的金屬膜13所構(gòu)成，而金屬氧化物膜11沿著凹部10c在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成。遷移層12b在金屬氧化物膜11和金屬膜13的接合面附近形成，是具有金屬氧化物膜11及金屬膜13兩膜組成的大體中間組成的遷移層。并且，遷移層12b由多個的原子層所構(gòu)成。
圖5顯示出例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、同時金屬氧化物膜11是氧化釕(RuO2)時、在第2金屬阻擋膜A2的薄膜厚度方向的原子濃度的分布。由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物膜11之間，形成了由3個原子層構(gòu)成的遷移層12b。遷移層12b具有由釕(Ru)所構(gòu)成的金屬膜13的組成和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物膜11的組成的中間組成。換句話說，遷移層12b中的釕(Ru)濃度是金屬膜13中的釕(Ru)濃度和金屬氧化物膜11中的釕(Ru)濃度的中間濃度，并且在遷移層12b中的氧(O)濃度是金屬膜13中的氧(O)濃度(這時幾乎是零)和金屬氧化物膜11中的氧(O)濃度的中間濃度。并且，遷移層12b中的釕(Ru)濃度，從由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13向氧化釕(RuO2)所構(gòu)成的金屬氧化物膜11，隨著每1原子層階段性地減少，另一方面，遷移層12b中的氧(O)濃度，從由釕(Ru)所構(gòu)成的金屬膜13向氧化釕(RuO2)所構(gòu)成的金屬氧化物膜11，隨著每1原子層階段性增加。換句話說，遷移層12b的組成呈現(xiàn)階段性地變化。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置，在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面，存在具有金屬膜13的組成和金屬氧化物膜11的組成的大體中間組成的遷移層12b，比起金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面不存在遷移層12b的情況，大幅度地提高了金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性，而能夠形成薄膜且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層12b是由多個原子層所構(gòu)成，比起金屬膜13和金屬氧化物膜11之間存在的遷移層由單一原子層所構(gòu)成的情況，能夠獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，通過遷移層12b的組成階段性變化，更加提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬可以是互相不同種類的元素。這時，在金屬膜13/遷移層12b/金屬氧化物膜11/絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的層結(jié)構(gòu)中，無損金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性，根據(jù)該絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的種類，使金屬氧化物膜11和該絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或跟第4絕緣膜8)的接合性最適化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成金屬膜的金屬可以是同一種類的元素。這時，在金屬膜13/遷移層12b/金屬氧化物膜11的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高金屬膜13和遷移層12b之間及遷移層12b和金屬氧化物膜11之間的各接合面的接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
接著，參照圖5及圖6(a)～圖6(c)說明本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，以下具體說明圖4所示的本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。
首先，和在第1實施例使用圖2(a)的說明相同的，如圖6(a)所示，形成由雙金屬鑲嵌用通孔10a及布線溝10b所構(gòu)成的凹部10c。
接著，如圖6(b)所示，沿著凹部10c壁面，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成金屬氧化物膜11。這里，金屬氧化物膜11，以原子層沉積法(ALDatomic layer deposition)、化學(xué)氣相沉積法(CVDcemical vapor deposition)、或物理氣相沉積法(PVDphysicalvapor deposition)等成膜方法形成即可。
接著，如圖6(c)所示，在金屬氧化物膜11上，以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)的成長來形成遷移層12b。接著，在遷移層12b上，以原子層沉積法或物理氣相沉積法來形成金屬膜13。這樣形成由金屬氧化物膜11、遷移層12b和金屬膜13所構(gòu)成的第2金屬阻擋膜A2。這里，遷移層12b具有金屬膜13組成和金屬氧化物膜11組成的大體中間組成。
這里，以下詳細(xì)說明有關(guān)第2金屬阻擋膜A2的形成方法，例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)，同時，金屬氧化物膜11是氧化釕(RuO2)的情況。
在形成構(gòu)成第2金屬阻擋膜A2的金屬氧化物膜11、遷移層12b和金屬膜13時，使用周知的原子層沉積法(Jounarl of TheElectrochemical Society，151，G109-G112(2004))。這時的成膜條件如下。換句話說，例如以Ru(EtCp)2(＝Ru(C5H5)2)氣體作為釕(Ru)的源氣體，以80℃加熱源氣體的狀態(tài)，將50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氬氣體稀釋使用。同時，在襯底溫度250℃、真空度在作為4.66×102Pa條件下進(jìn)行。同時，使用在氧氣體70mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)混合氬氣體100mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氣體。并且，通過使用來供應(yīng)Ru(EtCp)2氣體的脈沖時間變化，能夠獲得從金屬釕到氧化釕的任意組成。脈沖時間的范圍從1秒到10秒。將Ru(EtCp)2氣體以脈沖供應(yīng)后，進(jìn)行一定時間的清除后供應(yīng)氧氣，停止氧氣供應(yīng)后進(jìn)行一定時間的清除，能夠使由O和Ru構(gòu)成的單原子層的膜成長。使這一連串循環(huán)是一個循環(huán)。并且，在金屬釕成長時不供應(yīng)氧氣。
例如，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，使Ru(EtCp)2脈沖時間是2秒，將金屬氧化物膜11的氧化釕(RuO2)膜沉積5nm后，將具有氧化釕和釕的中間組成的遷移層12b，在Ru(EtCp)2脈沖時間3秒、5秒、和7秒階段性變化來形成3原子層。接著，通過使Ru(EtCp)2的脈沖時間是10秒，使金屬膜13的釕(Ru)膜沉積5nm。這樣形成的第2金屬阻擋膜A2的薄膜厚度方向的原子濃度分布，將如所述的圖5所示。通過使脈沖時間變化能夠容易控制遷移層12b的組成。并且，作為層整體的遷移層12b的組成，具有氧化釕和釕的中間組成即可，在最靠近金屬氧化物膜11的部分的原子層，也可以是氧化釕。這個情況下，以Ru(EtCp)2的脈沖時間是2秒使最靠近金屬氧化物膜11的部分的原子層成長即可。
接著，以銅電鍍使凹部10c填埋，在包含凹部10c內(nèi)部的金屬膜13上形成銅膜后，以CMP去除在凹部10c內(nèi)部以外的、在第4絕緣膜8上形成的銅膜、金屬膜13、遷移層12b、及金屬氧化物膜11的部分，來形成第2銅布線14及其一部分的通孔栓塞。這樣地能夠形成具有如圖4所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。并且通過重復(fù)擴(kuò)散防止膜5的成膜到CMP的工序，能夠形成多層布線。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第2實施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面，能夠容易形成由多個原子層構(gòu)成的遷移層12b，該多個原子層具有金屬膜13組成和金屬氧化物膜11組成的大體中間組成。并且，能夠獲得和所述第2實施例的半導(dǎo)體裝置相同的效果。換句話說，由于在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面形成具有金屬膜13組成和金屬氧化物膜11組成的大體中間組成的遷移層12b，比起在金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合面不存在遷移層12b的情況，大幅度地提高了金屬膜13和金屬氧化物膜11的接合性。因此，能夠形成為薄膜且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層12b由多個原子層所構(gòu)成，比起金屬膜13和金屬氧化物膜11之間存在的遷移層由單一原子層構(gòu)成的情況，獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，通過使遷移層12b的組成階段性地變化，能夠更加提高接合性。因此，能夠制造具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，使構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是不同種類的元素，以原子層沉積法形成金屬氧化物膜11、遷移層12b及金屬膜13時，例如僅使成膜條件或原料氣體變化，而能夠連續(xù)形成金屬氧化物膜11、遷移層12b和金屬膜13。
并且，使構(gòu)成金屬氧化物膜11的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是同一種類的元素，以原子層沉積法形成金屬氧化物膜11、遷移層12b及金屬膜13時，例如僅使成膜條件變化，能夠連續(xù)形成金屬氧化物膜11、遷移層12b和金屬膜13。
(第3實施例)以下，參照圖7、圖8及圖9(a)～圖9(c)說明本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法。并且，在第3實施例中和第1實施例共同的部分是相同，將不重復(fù)說明，以下以和第1實施例不同點為中心進(jìn)行說明。
圖7是本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置構(gòu)造的主要部分的剖面圖。
如圖7所示，在凹部10c壁面形成第2金屬阻擋膜A3。這里，第2金屬阻擋膜A3由遷移層12c、和在該遷移層12c上形成的金屬膜13所構(gòu)成，遷移層12c沿著凹部10c在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成。遷移層12c在絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)和金屬膜13的接合面附近形成，是具有金屬氧化物及金屬膜13組成的大體中間組成的遷移層。并且，遷移層12c由單一原子層構(gòu)成。
圖8顯示出例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、同時金屬氧化物是氧化釕(RuO2)時、在第2金屬阻擋膜A3薄膜厚度方向的原子濃度分布。由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)之間形成由單一原子層構(gòu)成的遷移層12c。遷移層12c具有由釕(Ru)構(gòu)成金屬膜13的組成和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物的組成的中間組成。換句話說，遷移層12c中的釕(Ru)濃度是金屬膜13中的釕(Ru)濃度和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物中的釕(Ru)濃度的中間濃度，遷移層12c中的氧(O)濃度，是金屬膜13中的氧(O)濃度(這時幾乎是零)和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物中的氧(O)濃度的中間濃度。
構(gòu)成決定遷移層12c的組成的所述金屬氧化物的金屬，可以使用高熔點金屬。通過上述，形成第2銅布線14后，在進(jìn)一步形成上層布線的工序，進(jìn)行大約400℃前后的加熱，但是，不會因為這個熱處理而使遷移層12c變質(zhì)。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，在薄膜厚度薄的情況下，遷移層12c不一定必須具有導(dǎo)電性，但是最好是具有導(dǎo)電性。以下具體地說明決定具有導(dǎo)電性的遷移層12c的組成的所述金屬氧化物。
構(gòu)成決定遷移層12c組成的所述金屬氧化物的金屬，可以使用銻(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鎢(W)、釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)。
進(jìn)一步地最好是使用釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)等。這樣一來，由于被氧化也不會大幅失去導(dǎo)電性(電阻率小)，因此能夠形成低電阻的第2金屬阻擋膜A3。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，存在具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成的遷移層12，比起在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面不存在遷移層12的情況，大幅度地提高了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性。進(jìn)一步地，由于遷移層12c由單一原子層構(gòu)成，加上提高了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，通過使遷移層12c厚度極盡為薄，即使形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠使金屬阻擋膜的形成厚度為薄，而能夠?qū)崿F(xiàn)布線的低電阻化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成決定遷移層12c組成的所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬，可以是互相不同種類的元素。這個情況下，在金屬膜13/遷移層12c/絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的層結(jié)構(gòu)中，無損金屬膜13和遷移層12c的接合性，能夠根據(jù)絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的種類，使遷移層12c和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性最適化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
同時，構(gòu)成決定遷移層12c組成的所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬可以是同一種類的元素。這個情況下，在金屬膜13/遷移層12c的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高金屬膜13和遷移層12c之間接合面的接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
接著，參照圖8及圖9(a)～圖9(c)說明本發(fā)明第3實施例半導(dǎo)體裝置的制造方法。并且，以下具體地說明圖7所示本發(fā)明的第3實施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法。
圖9(a)～圖9(c)是顯示本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
首先，和第1實施例中使用圖2(a)的說明相同的，如圖9(a)所示，形成由雙金屬鑲嵌用通孔10a及布線溝10b所構(gòu)成的凹部10c。
接著，如圖9(b)所示，沿著凹部10c，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)的成長來形成遷移層12c。
接著，如圖9(c)所示，在遷移層12c上，以原子層沉積法或物理氣相沉積法形成金屬膜13。這樣地形成由遷移層12c和金屬膜13所構(gòu)成的第2金屬阻擋膜A3。這里，遷移層12c具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成。
這里，以下詳細(xì)說明有關(guān)第2金屬阻擋膜A3的形成方法，例如，構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、同時決定遷移層12c組成的金屬氧化物是氧化釕(RuO2)的情況。
形成構(gòu)成第2金屬阻擋膜A3的遷移層12c和金屬膜13，以周知的原子層沉積法(Jounarl of The ElectrochemicalSociety，151，G109-G112(2004))即可。這個情況的成膜條件如下。換句話說，例如以Ru(EtCp)2(＝Ru(C5H5)2)氣體作為釕(Ru)的源氣體，以80℃加熱源氣體的狀態(tài)，將50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氬氣體稀釋使用。同時，在襯底溫度是250℃、真空度是4.66×102條件下進(jìn)行。同時，使用氧氣70mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)混合氬氣100mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氣體。并且，通過使用用來供應(yīng)Ru(EtCp)2氣體的脈沖時間變化，能夠獲得從金屬釕到氧化釕的任意組成。脈沖時間的范圍從1秒到10秒。將Ru(EtCp)2氣體脈沖供應(yīng)后，進(jìn)行一定時間的清除后供應(yīng)氧體，停止氧氣供應(yīng)后進(jìn)行一定時間的清除，而能夠使由O和Ru構(gòu)成的單一原子層的膜成長。將這一連串循環(huán)為一個循環(huán)。并且，在金屬釕成長的情況下不供應(yīng)氧氣。
例如，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，使具有氧化釕和釕的中間組成的遷移層12c，以5秒的Ru(EtCp)2的脈沖時間，只形成單一的原子層。接著，以10秒的Ru(EtCp)2的脈沖時間，使金屬膜13的釕(Ru)膜沉積5nm。這樣形成的第2金屬阻擋膜A3薄膜厚度方向的原子濃度分分布，將如所述圖8所示。通過使脈沖時間變化能夠容易控制遷移層12c的組成。
接著，以銅電鍍使凹部10c填埋，在包含凹部10c內(nèi)部的金屬膜13上形成銅膜后，以CMP去除凹部10c內(nèi)部以外的、在第4絕緣膜8上形成的銅膜、金屬膜13及遷移層12c的部分，而形成第2銅布線14及其一部分的通孔栓塞。這樣地能夠形成具有圖7所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。并且，重復(fù)從擴(kuò)散防止膜5成膜到CMP的工序，能夠形成多層布線。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第3實施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，能夠容易形成具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成、由單一原子層構(gòu)成的遷移層12c。并且，能夠獲得和所述第3實施例的半導(dǎo)體裝置的相同效果。換句話說，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，形成具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成的遷移層12c，比起在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面不存在遷移層12c的情況，提高了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性。并且，由于遷移層12c由單一原子層所構(gòu)成，加上提高了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，通過使遷移層12c的厚度極盡為薄，即使形成疊層的金屬阻擋膜，也能夠使金屬阻擋膜的厚度形成為薄，而實現(xiàn)布線的低電阻化。因此，能制造具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和金屬膜13的金屬是不同種類的元素，以原子層沉積法形成遷移層12c和金屬膜13的情況下，例如只使成膜條件或原料氣體變化，能夠連續(xù)形成遷移層12c和金屬膜13。
并且，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是同一種類的元素，以原子層沉積法形成遷移層12c和金屬膜13，例如只使成膜條件變化，能連續(xù)形成遷移層12c和金屬膜13。
(第4實施例)以下，參照圖10、圖11及圖12(a)～圖12(c)說明本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，第4實施例和第3實施例的共同部分是相同，因此，將不重復(fù)說明，以下以和第3實施例的不同點為中心進(jìn)行說明。
圖10是本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
如圖10所示，在凹部10c壁面，形成第2金屬阻擋膜A4。這里，第2金屬阻擋膜A4沿著凹部10c，由在擴(kuò)散防止膜5、第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成的遷移層12d，以及在該遷移層12d上形成的金屬膜13所構(gòu)成。遷移層12d在絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)和金屬膜13的接合面附近形成，是具有金屬氧化物及金屬膜13各層組成的大體中間組成的遷移層。并且，遷移層12d由多個的原子層所構(gòu)成。
圖11顯示出例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、同時決定遷移層12d組成的所述金屬氧化物是氧化釕(RuO2)時的、第2金屬阻擋膜A4厚度方向的原子濃度分布。在由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)之間形成由3原子層構(gòu)成的遷移層12d。遷移層12d具有由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13組成和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物組成的中間組成。換句話說，遷移層12d中的釕(Ru)濃度是金屬膜13中的釕(Ru)濃度和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物中的釕(Ru)濃度的中間濃度；遷移層12d中的氧(O)濃度是金屬膜13中的氧(O)濃度(這時幾乎是零)和由氧化釕(RuO2)構(gòu)成的金屬氧化物中的氧(O)濃度的中間濃度。進(jìn)一步地，在遷移層12d的釕(Ru)濃度，從由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13向絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)，隨著每1原子層階段性減少，另一方面，在遷移層12d的氧(O)濃度，從由釕(Ru)構(gòu)成的金屬膜13向絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7、或是第4絕緣膜8)，隨著每1個原子層階段性地增加。換句話說，遷移層12d的組成階段性地變化。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，存在具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成的遷移層12d，和不存在遷移層12d的情況相比，大幅度地提高了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，是薄膜且接合性高的金屬阻擋膜。并且，由于遷移層12d由多個原子層所構(gòu)成，比起金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6，第3絕緣膜7或跟第4絕緣膜8)之間的遷移層由單一原子層構(gòu)成的情況，獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，遷移層12d的組成階段性地變化，更加提高接合性。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成決定遷移層12d組成的所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬，可以是互相不同種類的元素。這個情況下，在金屬膜13/遷移層12d/絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的層結(jié)構(gòu)中，無損金屬膜13和遷移層12d的接合性，根據(jù)絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的種類，將遷移層12d和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性予以最適化。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成決定遷移層12d組成的所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬，可以互相是同一種類的元素。這個情況下，在金屬膜13/遷移層12d的層結(jié)構(gòu)中，能夠提高金屬膜13和遷移層12d之間接合面的接合性。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
接著，參照圖11及圖12(a)～圖12(c)說明本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，以下具體說明圖10所示本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法。
圖12(a)～圖12(c)是顯示本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法的主要部分工序的剖面圖。
首先，和在第1實施例使用圖2(a)的說明相同的，如圖12(a)所示，形成由金屬鑲嵌用通孔10a及布線溝10b所構(gòu)成的凹部10c。
接著，如圖12(b)所示，沿著凹部10c壁面，第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)成長來形成遷移層12d。
接著，如圖12(c)所示，在遷移層12d上，以原子層沉積法或物理氣相沉積法形成金屬膜13。這樣來形成由遷移層12d和金屬膜13所構(gòu)成的第2金屬阻擋膜A4。這里，遷移層12d具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成。
這里，以下詳細(xì)說明有關(guān)第2金屬阻擋膜A4的形成方法，例如構(gòu)成金屬膜13的金屬是釕(Ru)、同時決定遷移層12d組成的金屬氧化物是氧化釕(RuO2)情況。
形成構(gòu)成第2金屬阻擋膜A4的遷移層12d和金屬膜13時，使用周知的原子層沉積法(Jounarl of The Electrochemical Society，151，G109-G112(2004))。這個情況的成膜條件如下。即，例如采用Ru(EtCp)2(＝Ru(C5H5)2)氣體作為釕(Ru)的源氣體，以80℃加熱源氣體的狀態(tài)，將50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)情況)的氬氣體稀釋使用。同時，在襯底溫度是250℃、真空度是4.66×102條件下進(jìn)行。并且，使用氧氣70mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)混合氬氣100mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)。并且，通過使用來供應(yīng)Ru(EtCp)2氣體的脈沖時間變化，能夠獲得從金屬釕到氧化釕的任意組成。脈沖時間的范圍從1秒到10秒。將Ru(EtCp)2氣體脈沖供應(yīng)后，進(jìn)行一定時間的清除后供應(yīng)氧氣體，停止氧氣供應(yīng)后進(jìn)行一定時間的清除，而能夠使由氧和Ru構(gòu)成的單一的原子層的膜成長。將這一連串循環(huán)為一個循環(huán)。并且，在金屬釕成長時不供應(yīng)氧氣體。
例如在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，以Ru(EtCp)2脈沖時間3秒、5秒、和7秒階段性變化，使具有氧化釕和釕的中間組成的遷移層12d形成3原子層分。接著，以Ru(EtCp)2的脈沖時間是10秒，將金屬膜13的釕(Ru)膜沉積5nm。這樣形成的第2金屬阻擋膜A4的厚度方向的原子濃度分布，如所述圖11所示。通過使脈沖時間變化能夠容易控制遷移層12d的組成。并且，層整體的遷移層12d的組成，若具有氧化釕和釕中間的組成即可，在最靠近金屬氧化物膜11的部分的原子層中，也可以是氧化釕。這個情況下，最靠近金屬氧化物膜11的部分的原子層，以Ru(EtCp)2的脈沖時間是2秒成長即可。
接著，以銅電鍍使凹部10c填埋，在包含凹部10c內(nèi)部的金屬膜13上形成銅膜后，以CMP去除凹部10c內(nèi)部以外在第4絕緣膜8上形成的銅膜、金屬膜13及遷移層12d的部分，則形成第2銅布線14及其一部分的通孔栓塞。這樣能夠形成具有圖10的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)。重復(fù)從擴(kuò)散防止膜5成膜到CMP的工序能夠形成多層布線。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第4實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，能夠容易地形成由多個原子層構(gòu)成的遷移層12d，該多個原子層具有金屬膜13的組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成。并且，能夠獲得和所述第4實施例的半導(dǎo)體裝置同樣的效果。換句話說，在金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面，形成具有金屬膜13組成和金屬氧化物的組成的大體中間組成的遷移層12d，比起不存在遷移層12d的情況，大幅度地提高了了金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，是薄膜且接合性高的金屬阻擋膜。進(jìn)一步地，由于遷移層12d由多個原子層所構(gòu)成，比起金屬膜13和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)之間的遷移層由單一原子層構(gòu)成的情況，能夠獲得進(jìn)一步提高接合性的效果。并且，通過遷移層12d的組成階段性地變化能夠更加提高接合性。因此，能夠制造具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬是不同種類的元素，以原子層沉積法形成遷移層12d和金屬膜13時，例如僅使成膜條件或原料氣體變化，能夠連續(xù)形成遷移層12d和金屬膜13。
并且，構(gòu)成金屬氧化物的金屬和構(gòu)成金屬膜13的金屬互相是同一種類的元素，以原子層沉積法形成遷移層12d和金屬膜13，例如只使成膜條件變化，能夠連續(xù)形成遷移層12d和金屬膜13。
(第5實施例)以下，參照圖13、圖14及圖15(a)～圖15(c)說明本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，第5實施例和第1實施例的共同部分是相同，將不重復(fù)說明，以下，以和第1實施例的不同點為中心進(jìn)行說明。
圖13是顯示本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的主要部分的剖面圖。
如圖13所示，在凹部10c的壁面形成第2金屬阻擋膜A5。這里，第2金屬阻擋膜A5，由含氧作為構(gòu)成元素的膜構(gòu)成，第2金屬阻擋膜A5中的氧濃度，從絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)向第2銅布線14，在薄膜厚度方向連續(xù)變化。
圖14顯示出例如在第2金屬阻擋膜A5從金屬釕(Ru)到氧化釕(RuO2)氧濃度連續(xù)變化的膜的情況時、第2金屬阻擋膜A5的薄膜厚度方向的原子濃度的分布。在第2銅布線14和第2金屬阻擋膜A5的接合面附近形成釕(Ru)層，在第2金屬阻擋膜A5和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面附近形成氧化釕(RuO2)層。并且，從第2銅布線14向絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)，氧濃度連續(xù)增加，另一方面，釕(Ru)濃度減少。
并且，在第2金屬阻擋膜A5中所含的金屬，使用高熔點金屬即可。通過上述，形成第2銅布線14后，在進(jìn)一步形成上層布線的工序，進(jìn)行大約400℃前后的加熱，但是第2金屬阻擋膜A5不會因為這個熱處理而變質(zhì)。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
并且，在薄膜厚度為薄時，第2金屬阻擋膜A5可以未必具有導(dǎo)電性，不過，最好是具有導(dǎo)電性。以下，具體地說明有關(guān)具有導(dǎo)電性的第2金屬阻擋膜A5。
第2金屬阻擋膜A5中所含的金屬，可以使用銻(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鎢(W)、釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)或鉑(Pt)。
并且，更好是使用釩(V)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)等。這樣一來，即使被氧化也不會大幅失去導(dǎo)電性(電阻率小)，能夠形成低電阻的第2金屬阻擋膜A5。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置，在由含氧作為構(gòu)成元素的膜所構(gòu)成的第2金屬阻擋膜A5中，從和第2金屬阻擋膜A5的絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)連接面、到第2銅布線14連接面，氧濃度在薄膜厚度方向連續(xù)變化，因此在第2金屬阻擋膜A5內(nèi)部中的組成急劇地變化的界面將不會存在，而能夠大幅度地提高第2金屬阻擋膜A5本身的強(qiáng)度。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻、且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。并且，在第2金屬阻擋膜A5和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面附近，通過提高氧濃度，能夠提高第2金屬阻擋膜A5和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，同時在第2金屬阻擋膜A5和第2銅布線14的接合面附近，通過降低氧濃度，能夠提高第2金屬阻擋膜A5和第2銅布線14的接合性。
接著，參照圖14及圖15(a)～圖15(c)說明本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。并且，以下具體地說明圖13所示的本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法。
首先，和在第1實施例中使用圖2(a)的說明相同，如圖15(a)所示，形成由雙金屬鑲嵌用通孔10a及布線溝10b所構(gòu)成的凹部10c。
接著，如圖15(b)所示，沿著凹部10c壁面，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上形成第2金屬阻擋膜A5。這里，第2金屬阻擋膜A5，以原子層沉積法(ALDatomic layer deposition)、化學(xué)氣相沉積法(CVDcemical vapor deposition)、或物理氣相沉積法(PVDphysical vapor deposition)等的成膜方法形成即可。
這里，以下詳細(xì)說明有關(guān)第2金屬阻擋膜A5的形成方法，例如，第2金屬阻擋膜A5的組成上，氧濃度由釕(Ru)向氧化釕(RuO2)連續(xù)變化的情況。
形成第2金屬阻擋膜A5時，使用周知的原子層沉積法(Jounarl ofThe Electrochemical Society，151，G109-G112(2004))。這個情況的成膜條件，例如，采用Ru(EtCp)2(＝Ru(C5H5)2)氣體作為釕(Ru)的源氣體，以80℃加熱源氣體的狀態(tài)，將50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氬氣體稀釋使用。同時，在襯底溫度是250℃、真空度是4.56×102條件下進(jìn)行。同時，使用氧氣70mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)混合氬氣100mL/min(標(biāo)準(zhǔn)條件)的氣體。并且通過使用來供應(yīng)Ru(EtCp)2氣體的脈沖時間變化，能夠獲得從金屬釕到氧化釕的任意組成。脈沖時間的范圍從1秒到10秒。將Ru(EtCp)2氣體脈沖供應(yīng)后，進(jìn)行一定時間的清除后供應(yīng)氧氣體，停止氧氣供應(yīng)后進(jìn)行一定時間的清除，能夠使由氧和釕構(gòu)成的單原子層的膜成長。將這一連串的循環(huán)為一個循環(huán)。并且，如果在金屬釕成長時不供應(yīng)氧氣體。
例如，在第2絕緣膜6、第3絕緣膜7及第4絕緣膜8上，使Ru(EtCp)2的脈沖時間從2秒向10秒連續(xù)變化，形成具有10nm厚度的第2金屬阻擋膜A5。這樣形成的第2金屬阻擋膜A5的厚度方向的原子濃度分布，將如所述圖14所示。通過使脈沖時間變化而能夠容易控制第2金屬阻擋膜A5組成。
接著，以銅電鍍使凹部10c填埋，在包含凹部10c內(nèi)部的第2金屬阻擋膜A5上形成銅膜后，以CMP去除凹部10c內(nèi)部以外的在第4絕緣膜8上形成的銅膜、第2金屬阻擋膜A5的部分，來形成第2銅布線14及其一部分的通孔栓塞。這樣一來，能夠形成具有圖13所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。并且，重復(fù)擴(kuò)散防止膜5成膜到CMP的工序能夠形成多層布線。
如上所示，根據(jù)本發(fā)明第5實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法，能夠容易形成氧元素的濃度在薄膜厚度方向連續(xù)變化的第2金屬阻擋膜A。并且，能夠獲得和所述第5實施例的半導(dǎo)體裝置相同的效果。換句話說，在由作為構(gòu)成元素的氧所構(gòu)成的膜的第2金屬阻擋膜A5中，從和第2金屬阻擋膜A5的絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的連接面、到和第2銅布線14的連接面，氧濃度在薄膜厚度方向連續(xù)變化，因此在第2金屬阻擋膜A5內(nèi)部中組成急劇變化的界面將不會存在，而能夠提高第2金屬阻擋膜A5本身強(qiáng)度。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有低電阻且接合性高的多層布線的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步地，在第2金屬阻擋膜A5和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合面附近，通過提高氧濃度，能夠提高第2金屬阻擋膜A5和絕緣膜(第2絕緣膜6、第3絕緣膜7或第4絕緣膜8)的接合性，同時，在第2金屬阻擋膜A5和第2銅布線14的接合面附近，通過降低氧濃度，能夠提高第2金屬阻擋膜A5和第2銅布線14的接合性。
并且，在上述說明的第1～第5實施例中，雖然說明了采用雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的情況，但是即使采用單金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也能夠獲得和雙金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)相同的效果。采用單金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)時，按各從工序中形成布線和通孔栓塞，這個情況的布線及通孔栓塞，被包含在所述第1～第5實施例的第2銅布線14的埋入布線中。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如以上說明，本發(fā)明對于具有低電阻且實現(xiàn)高接合性的金屬阻擋膜的半導(dǎo)體裝置及其制造方法等非常有用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具有在襯底上形成的絕緣膜、在所述絕緣膜中形成的埋入布線、以及在所述絕緣膜和所述埋入布線之間形成的金屬阻擋膜，其特征在于所述金屬阻擋膜由從所述絕緣膜所在的一側(cè)向所述埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的金屬氧化物膜、遷移層及金屬膜所構(gòu)成；所述遷移層由具有所述金屬氧化物膜的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成的單一原子層所構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
4.一種半導(dǎo)體裝置，具有在襯底上形成的絕緣膜、在所述絕緣膜中形成的埋入布線、以及在所述絕緣膜和所述埋入布線之間形成的金屬阻擋膜，其特征在于所述金屬阻擋膜由從所述絕緣膜所在的一側(cè)向所述埋入布線的所在一側(cè)依序疊層的金屬氧化物膜、遷移層及金屬膜所構(gòu)成；所述遷移層由具有所述金屬氧化物膜的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成的多個原子層所構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
7.一種半導(dǎo)體裝置，具有在襯底上形成的絕緣膜、在所述絕緣膜中形成的埋入布線、以及在所述絕緣膜和所述埋入布線之間形成的金屬阻擋膜，其特征在于所述金屬阻擋膜由從所述絕緣膜所在的一側(cè)向所述埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的遷移層及金屬膜所構(gòu)成；所述遷移層由構(gòu)成金屬氧化物及所述金屬膜的金屬所構(gòu)成，同時，由具有所述金屬氧化物的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成的單一原子層所構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
10.一種半導(dǎo)體裝置，具有在襯底上形成的絕緣膜、在所述絕緣膜中形成的埋入布線、以及在所述絕緣膜和所述埋入布線之間形成的金屬阻擋膜，其特征在于所述金屬阻擋膜由從所述絕緣膜所在的一側(cè)向所述埋入布線所在的一側(cè)依序疊層的遷移層及金屬膜所構(gòu)成；所述遷移層由構(gòu)成金屬氧化物及所述金屬膜的金屬所構(gòu)成，同時，由具有所述金屬氧化物的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成的多個原子層所構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
13.一種半導(dǎo)體裝置，具有在襯底上形成的絕緣膜、在所述絕緣膜中形成的埋入布線、以及在所述絕緣膜和所述埋入布線之間形成的金屬阻擋膜，其特征在于所述金屬阻擋膜含氧作為構(gòu)成元素，在所述金屬阻擋膜的所述氧濃度，向所述金屬阻擋膜的厚度方向連續(xù)性地變化。
14.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著所述凹部的壁面依序疊層金屬氧化物膜、遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在所述金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋凹部的工序；所述形成金屬阻擋膜的工序，包括以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)的成長，形成由單一原子層構(gòu)成的所述遷移層的工序，所述單一原子層具有所述金屬氧化物膜的組成及所述金屬膜的組成的大體中間組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
17.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著所述凹部壁面依序疊層金屬氧化物膜、遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在所述金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋所述凹部的工序；所述形成金屬阻擋膜的工序，包括以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)成長形成多個原子層所構(gòu)成的所述遷移層的工序，所述多個原子層具有所述金屬氧化物膜的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物膜的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
20.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著所述凹部壁面依序疊層遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在所述金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋所述凹部的工序；所述形成金屬阻擋膜的工序，包括以原子層沉積法進(jìn)行一個循環(huán)成長形成構(gòu)成金屬氧化物及所述金屬膜的金屬，同時形成由單一原子層所構(gòu)成的所述遷移層的工序，所述單一原子層具有所述金屬氧化物的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同種類的元素。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
23.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著所述凹部壁面依序疊層遷移層、和金屬膜來形成金屬阻擋膜的工序，以及在所述金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋所述凹部的工序；所述形成金屬阻擋膜的工序，包括以原子層沉積法進(jìn)行多個循環(huán)成長形成構(gòu)成金屬氧化物及所述金屬膜的金屬，同時形成由多個原子層所構(gòu)成的所述遷移層的工序，所述多個原子層具有所述金屬氧化物的組成和所述金屬膜的組成的大體中間組成。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是互相不同的種類的元素。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于構(gòu)成所述金屬氧化物的金屬和構(gòu)成所述金屬膜的金屬是同一種類的元素。
26.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在襯底上的絕緣膜形成凹部的工序，沿著所述凹部壁面形成含氧作為構(gòu)成元素的金屬阻擋膜的工序，以及在所述金屬阻擋膜上形成埋入布線以填埋所述凹部的工序；所述形成金屬阻擋膜的工序，包括使所述金屬阻擋膜中所述氧濃度向所述金屬阻擋膜的厚度方向連續(xù)性地變化來形成所述金屬阻擋膜的工序。
全文摘要
半導(dǎo)體裝置，包括在襯底(1)上形成的絕緣膜(6，8)、在絕緣膜(6，8)中形成的埋入布線(14)、以及在絕緣膜(6，8)和埋入布線(14)之間形成的金屬阻擋膜(Al)。金屬阻擋膜(Al)由絕緣膜(6，8)所在的一側(cè)向埋入布線(14)所在的一側(cè)依序疊層形成的金屬氧化物膜(11)、遷移層(12a)以及金屬膜(13)構(gòu)成；遷移層(12a)由具有金屬氧化物膜(11)的組成及金屬膜(13)的組成的大體中間組成的單一原子層所構(gòu)成。
文檔編號C23C16/40GK1842904SQ20058000099
公開日2006年10月4日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者青井信雄, 中川秀夫, 池田敦 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社