반도체 장치 및 그 제조방법 document_id A220517017545

오늘의 반도체 집적 회로 장치에서는, 공통 기판상에 막대한 수의 반도체 소자가 형성되어 있어, 이들을 상호 접속하기 위하여, 다층 배선 구조가 사용되고 있다. 다층 배선 구조에서는, 배선층을 구성하는 배선 패턴을 매설한 층간 절연막이 적층되어 있다. 이러한 다층 배선 구조에서는, 하층의 배선층과 상층의 배선층이, 층간 절연막 중에 형성된 비아 컨택트에 의해 접속된다. 특히 최근의 초미세화·초고속 반도체 장치에서는, 다층 배선 구조 중에서 신호 지연(RC 지연)의 문제를 경감하기 위하여, 층간 절연막으로서 저유전율막(소위 1ow-k막)이 사용된다. 이와 함께, 배선 패턴으로서, 저저항의 구리(Cu) 패턴이 사용되고 있다. 이렇게 Cu 배선 패턴을 저유전율 층간 배선막 중에 매설한 대층 배선 구조에서는, Cu층의 건식 에칭에 의한 패터닝이 곤란하기 때문에, 층간 절연막 중에 미리 배선홈 혹은 비아홀을 형성하는 소위 다마신법(Damascene) 또는 듀얼 다마신법(Dual Damascene)이 사용된다. 다마신법 또는 듀얼 다마신법에서는, 이렇게 형성된 배선홈 혹은 비아홀을 Cu층으로 충전하고, 그 후, 층간 절연막 상의 잉여인 Cu층을 화학 기계 연마(CMP)에 의해 제거한다. 그 때, Cu 배선 패턴이 층간 절연막에 직접 접하면, Cu 원자가 층간 절연막 중으로 확산하여, 단락 등의 문제를 야기하기 때문에, Cu 배선 패턴이 형성되는 배선홈 혹은 비아홀의 측벽면 및 저면을, 도전성의 확산 배리어, 소위 배리어 메탈막에 의해 덮어지고, Cu층을, 이러한 배리어 메탈막상에 퇴적하는 것이 일반적으로 되어 있다. 배리어 메탈막으로서는, 일반적으로 타탈(Ta)이나 티탄(Ti), 텅스텐(W) 등의 고융점 금속, 혹은 이들 고융점 금속의 도전성 질화물이 사용된다. 한편, 최근의 45㎚ 세대 혹은 그 이후의 초미세화·초고속 반도체 장치에서는, 미세화에 따라 층간 절연막 중에 형성된 배선홈 혹은 비아홀의 크기가 현저하게 축소되고 있다. 이에 따라, 이러한 비저항이 큰 배리어 메탈막을 사용하여 원하는 배선 저항의 저감을 실현하려고 하면, 이 미세한 배선홈 혹은 비아홀에 형성되는 배리어 메탈막의 막 두께를 가능한 감소시킬 필요가 있다. 한편, 배리어 메탈막은, 배선홈 혹은 비아홀의 측벽면 및 저면을 연속적으로 덮을 필요가 있다. 이러한 사정에 관련하여 특허문헌 1은, 층간 절연막 중에 형성된 배선홈 혹은 비아홀을, 구리 망간 합금층(Cu-Mn 합금층)에 의해 직접적으로 덮고 있다. 이 특허문헌 1에서는, 이러한 Cu-Mn 합금층과 층간 절연막의 계면에, 두께가 2~3㎚로 조성이 MnSixOy의 망간 실리콘 산화물층을, 상기 Cu-Mn 합금층 중의 Mn과 층간 절연막 중의 Si 및 산소와의 자기 형성 반응에 의해, 확산 배리어 막으로서 형성하는 기술이 기재되어 있다. 그러나 이 기술에서는, 자기 형성된 층이 MnSixOy의 조성을 가져, 막중에 포함되는 금속 원소, 즉 망간(Mn)의 농도가 낮은 것에 기인하여, Cu막에 대한 밀착성이 불충분한 문제가 인식되고 있다. 이 때문에 특허문헌 2에는, Cu-Mn 합금층과 Ta이나 Ti 등의 고융점 금속 배리어 메탈막을 조합시킨 구성의 구조가 기재되어 있다. 이렇게 Cu-Mn 합금층과 Ta이나 Ti 등의 고융점 금속 배리어 메탈막을 조합시킨 구조에서는, 이하와 같은 사정에서, 내산화성이 향상하는 바람직한 특징도 얻어진다. 최근, 신호 지연(RC 지연)을 회피하는 목적으로, 층간 절연막을 구성하는 저유전율 재료로서, 다공질 저유전율막의 사용이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 다공질 저유전율 재료는 밀도가 낮고, 제조시에 플라즈마 처리를 행하면 손상을 받기 쉬운 문제를 가지고 있다. 손상을 받은 막은, 그 표면이나 내부에 수분을 흡착하기 쉬워진다. 이 때문에 이러한 다공질 저유전율막상에 형성된 배리어 메탈막은, 다공질 유전체막 중에 흡착된 수분의 영향을 받아서 산화하기 쉽고, 확산 배리어로서의 성능, 및 Cu 배선층 혹은 비아 플러그에 대한 밀착성이 열화하기 쉽다. 그런데, 먼저 설명한 Cu-Mn 합금층을 이러한 구조에서 사용하면, Cu-Mn 합금층 중의 Mn이, 배리어 메탈막의 산화 부분과 반응해, 확산 배리어로서의 성능 및 Cu 배선층 혹은 비아 플러그에 대한 높은 밀착성을 유지하는 것이 가능해 진다. 그래서, 이러한 Cu-Mn 합금층을 사용한 다마스법 혹은 듀얼 다마스법에 의한 Cu 배선층 혹은 비아 플러그의 형성이 연구되고 있다. 특허문헌 1 : 일본국 공개특허 공보 제2005-277390호 특허문헌 2 : 일본국 공개특허 공보 제2007-27259호 비특허문헌 3 : Low Resistive and Highly Reliable Cu Dual-Damascene InterconnectTechnology Using Self-Formed MnSixOy Barrier Layer., T. Usui, et al., proceeding of IEEE IITC, 2005, p188