(57)【要約】【課題】微細配線であっても、Ｃｕ配線の配線抵抗上昇の低減と信頼性向上とを両立する。【解決手段】半導体装置は、絶縁膜２と、絶縁膜２に形成された溝５と、溝５の側壁及び底面に形成された、チタン（Ｔｉ）とタンタル（Ｔａ）との合金からなるバリアメタル膜３と、バリアメタル膜３に積層され、溝５の中に位置する銅（Ｃｕ）配線４と、を有する。バリアメタル膜３のチタン濃度は、０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である。【選択図】図１
2010123586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された溝と、
前記溝の側壁及び底面に形成された、チタンとタンタルとの合金からなるバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜に積層され、前記溝の中に位置する銅配線と、
を有し、
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である半導体装置。
【請求項２】
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝の側面および底面に、それぞれ、チタンとタンタルとの合金からなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記溝に銅配線を埋め込む工程と、
を含み、
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下である請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記溝に前記銅配線を埋め込む前記工程の後に前記バリアメタル膜に熱処理を行う工程を含む請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
２５０℃以上４００℃以下で前記熱処理を行う請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
銅配線にバリアメタル膜を形成するためのスパッタリング装置のターゲットであって、
タンタルおよびチタンから構成され、前記チタンを０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下で含有するターゲット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、その製造方法、この半導体装置を製造するためのターゲットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）配線にはＣｕ配線が用いられている。Ｃｕは絶縁膜中を拡散しやすいため、配線溝には、Ｃｕ配線を形成する前に、バリアメタル膜を形成する。こうすることで、Ｃｕが絶縁層や基板に拡散してしまうのを防止できる。バリアメタル膜として、タンタル（Ｔａ）とチタン（Ｔｉ）との合金を用いることが知られている。
【０００３】
特許文献１には、バリアメタル膜におけるＴｉの割合を１５ａｔ％以上９０ａｔ％以下とすることが記載されている。また、これにより、Ｃｕ配線に使用されるバリアメタル膜の抵抗および応力の低減化が図れることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、絶縁膜付近はＴｉ濃度を高くし、Ｃｕ膜付近はＴａ濃度を高くすることで、Ｔｉ濃度に勾配をかけることが記載されている。また、これにより、銅及び他の導電体材料とともに使用するのに適し、酸化物及び他の誘電体薄膜に良く固着し、境界を形成しつつ、低い歪又はヘテロエピタキシャル関係を生じることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１０９９５６号公報
【特許文献２】特開２００１−１１０７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
トランジスタの微細化に伴い、Ｃｕ配線の配線抵抗の増大が顕著となっている。これは、Ｔｉの濃度が高すぎると、熱履歴により多量のＴｉがＣｕ配線中に拡散してしまい、配線抵抗が上昇してしまうためである。また、ＴｉはＴａより軽い元素であるため、バリアメタル膜の被覆率（カバレッジ）が低くなり、絶縁膜とバリアメタル膜との間にボイド（空孔）が発生し、Ｃｕ配線の信頼性を低下させてしまう。
【０００６】
一方、バリアメタル膜をＴａのみで構成すると、Ｃｕ配線との密着性が低く、Ｃｕのカバレッジが低下する。そのため、Ｃｕ配線とバリアメタル膜との間にボイドが発生し、Ｃｕ配線の信頼性が低下してしまう。また、Ｔｉ拡散によるＣｕの合金化が起こらず、Ｃｕ配線の信頼性を向上できない。
【０００７】
そのため、微細配線では、Ｃｕ配線の配線抵抗上昇の低減と信頼性向上との両立を達成することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された溝と、
前記溝の側壁及び底面に形成された、チタンとタンタルとの合金からなるバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜に積層され、前記溝の中に位置する銅配線と、
を有し、
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である半導体装置
が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝の側面および底面に、それぞれ、チタンとタンタルとの合金からなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記溝に銅配線を埋め込む工程と、
を含み、
前記バリアメタル膜のチタン濃度が０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である半導体装置の製造方法
が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、銅配線にバリアメタル膜を形成するためのスパッタリング装置のターゲットであって、
タンタルおよびチタンから構成され、前記チタンを０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下で含有するターゲット
が提供される。
【００１１】
この発明によれば、チタンとタンタルとの合金からなるバリアメタル膜のチタン濃度を０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下にしているため、熱履歴により銅配線にチタンが拡散しすぎることを抑制でき、これにより、銅配線の配線抵抗の上昇を防ぐことができる。また、チタン濃度を上記範囲とすることで、銅配線とバリアメタル膜とを良好に接着することができ、銅配線とバリアメタル膜との間にボイドが発生することを防止して、銅配線の信頼性を高めることができる。また、Ｃｕ配線のＴｉによる合金化が起こり、信頼性が向上する。したがって、銅配線の配線抵抗上昇の低減と信頼性向上とを両立することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、銅配線の配線抵抗上昇の低減と信頼性向上とを両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、図１（ｄ）で示すように、絶縁膜２と、絶縁膜２に形成された溝と、溝の側壁及び底面に形成された、チタン（Ｔｉ）とタンタル（Ｔａ）との合金からなるバリアメタル膜３と、バリアメタル膜３に積層され、溝の中に位置する銅（Ｃｕ）配線４と、を有する。バリアメタル膜３のＴｉ濃度は、０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下である。
【００１５】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法を図１を用いつつ説明する。まず、図１（ａ）で示すように、絶縁膜２の表面に溝５を形成する。このとき、溝５として、配線溝のみを形成してもよいし、接続孔及び配線溝の双方を形成してもよい。接続孔および配線溝を形成することで、配線およびプラグを同時に形成することができる。この場合、ビアファースト法、トレンチファースト法、ミドルファースト法、及びデュアルハードマスク法などのうちいずれの方法を用いても良い。
【００１６】
絶縁膜２は、比誘電率が３．０以下の低誘電率膜（いわゆるＬｏｗ−ｋ膜）である。このような絶縁膜２としては、ＳｉＯＣ、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリハイドロジェンシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサン−ビス−ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ、ＦＯＸ（ｆｌｏｗａｂｌｅ  ｏｘｉｄｅ）、サイトップ、またはＢＣＢ（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）等を用いることもできる。また、絶縁膜２として、これらの膜に複数の空孔を設けた膜（ポーラス膜）を用いてもよい。
【００１７】
ついで、図１（ｂ）で示すように、溝５の側面および底面を被膜するように、バリアメタル膜３を形成する。このとき、バリアメタル膜３は、スパッタリング法により絶縁膜２上に成膜する。
【００１８】
ここで、スパッタリング法によるバリアメタル膜３の形成には、スパッタリング装置のターゲットとして、ＴａとＴｉとの二成分からなるターゲットを用いる。このターゲットは、Ｔｉを０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下で含有する。より好ましくは、ターゲット中のＴｉ濃度を３ａｔ％以上１０ａｔ％以下とする。
【００１９】
ついで、図１（ｃ）で示すように、溝５の内及び絶縁膜２上にＣｕ膜４０を形成する。ここで、Ｃｕ膜４０は、スパッタリング法およびめっき法により形成され、バリアメタル膜３上に積層される。
【００２０】
ついで、バリアメタル膜３およびＣｕ膜４０に熱処理を施す。このときの熱処理温度は、例えば２５０℃以上４００℃以下であり、好ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。ただし、３５０℃以上４００℃以下であってもよい。熱処理時間は、例えば３０秒〜１時間である。この熱処理により、バリアメタル膜３に含まれるＴｉがＣｕ膜４中に拡散すると同時に、Ｃｕ膜４とバリアメタル膜３の界面にＴｉが偏析する。この偏析したＴｉによって、Ｃｕ膜とバリアメタル膜の密着性が改善されると考えられる。なお、得られたバリアメタル膜３におけるＴｉとＴａとの比率は、上記のターゲット中に含まれるＴｉとＴａとの比率とほぼ同じである。
【００２１】
ついで、図１（ｄ）で示すように、絶縁膜２上に位置するＣｕ膜４０およびバリアメタル膜３をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により除去して、Ｃｕ配線４を完成させる。
【００２２】
つづいて、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態の半導体装置によれば、ＴａＴｉ合金からなるバリアメタル膜３のＴｉ濃度を１４ａｔ％以下にしているため、熱履歴によりＣｕ配線４にＴｉが拡散しすぎることを抑制でき、これにより、Ｃｕ配線４の配線抵抗の上昇を防ぐことができる。一方、Ｔｉ濃度を０．１ａｔ％以上とすることで、Ｃｕ配線４とバリアメタル膜３とを良好に接着することができ、Ｃｕ配線４とバリアメタル膜３との間にボイドが発生することを防止して、Ｃｕ配線４の信頼性を高めることができる。また、Ｃｕ配線４のＴｉによる合金化が起こり、信頼性が向上する。したがって、Ｃｕ配線４の配線抵抗上昇の低減と信頼性向上とを両立することができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、トランジスタ２０が形成された基板１０上に、層間絶縁膜３０及び絶縁層１１０を形成し、さらに絶縁層１２０，１３０，１４０，１５０をこの順に積層させた構成である。
【００２４】
基板１０は、たとえば、シリコン基板とする。絶縁層１１０は、第１の実施形態における絶縁膜２と同様の構成である。絶縁層１１０には、Ｃｕ配線２１０が埋め込まれている。Ｃｕ配線２１０の構成は、第１の実施形態におけるＣｕ配線４と同様の構成である。Ｃｕ配線２１０は、例えば層間絶縁膜３０に埋め込まれたコンタクトを介して、トランジスタ２０に接続している。層間絶縁膜３０は、たとえば、酸化シリコンとする。
【００２５】
絶縁層１２０，１３０，１４０，１５０は、第１の実施形態における絶縁膜２と同様の構成であり、それぞれＣｕ配線２２０，２３０，２４０，２５０が埋め込まれている。Ｃｕ配線２２０，２３０，２４０，２５０の構成は、第１の実施形態におけるＣｕ配線４の構成と同様であり、Ｃｕ配線４と同様の方法により形成される。Ｃｕ配線２２０，２３０，２４０，２５０と絶縁層１２０，１３０，１４０，１５０の間には、第１の実施形態におけるバリアメタル膜３と同様の構成を有するバリアメタル膜２１２，２２２，２３２，２４２，２５２が設けられている。なお、このバリアメタル膜２１２，２２２，２３２，２４２，２５２のＴｉとＴａとの比率は、バリアメタル成膜に使用したターゲット中に含まれるＴｉとＴａとの比率とほぼ同じである。
【００２６】
また絶縁層１１０と絶縁層１２０との間には、拡散防止膜３１０が形成されている。同様に、絶縁層１２０と絶縁層１３０との間、絶縁層１３０と絶縁層１４０との間、及び絶縁層１４０と絶縁層１５０との間にも、それぞれ拡散防止膜３２０，３３０，３４０が形成されている。拡散防止膜３２０，３３０，３４０は、例えばＳｉＣＮ、ＳｉＣ、又はＳｉＮにより形成される。
【００２７】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、実施形態において、バリアメタル膜およびＣｕ膜の熱処理はＣｕ膜を形成する工程とＣＭＰを行う工程との間に行うことを例示した。しかしながら、バリアメタル膜およびＣｕ膜の熱処理は半導体装置の製造工程において行われていればよい。この場合もバリアメタル膜中のＴｉとＴａとの比率は、バリアメタル成膜に使用したターゲット中に含まれるＴｉとＴａとの比率とほぼ同じとなる。
【００２９】
（実施例）
第１の実施形態で説明した方法において、バリアメタル膜３中のＴｉの割合を変えたＣｕ配線４をそれぞれ用意し、Ｃｕ配線４の実効抵抗を測定した。図３にその結果を示す。Ｔｉの割合は、０、４、８、１２、１６、２０ａｔ％とした。熱処理の温度は、３５０℃とした。
【００３０】
図３で示すように、バリアメタル膜３中のＴｉの割合を１６ａｔ％から１２ａｔ％に小さくすることでＣｕ配線４の抵抗が２１８（ｍΩ／ｓｑｕａｒｅ）から２０４（ｍΩ／ｓｑｕａｒｅ）にまで低減することができた。
【００３１】
バリアメタル膜３とＣｕ配線４との密着性試験を行った結果、バリアメタル膜３中のＴｉの割合を０．１ａｔ％以上とすることで良好な密着性が得られた。バリアメタル膜３中のＴｉの割合を３ａｔ％以上とすることで、さらにより良好な密着性が得られた。
【００３２】
バリアメタル膜３のＣｕのバリア性を調べた結果、バリアメタル膜３中のＴｉの割合を０．１ａｔ％以上１４ａｔ％以下とすることでバリア性は良好であった。また、バリアメタル膜３中のＴｉの割合を０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とすることでより良好なバリア性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するである。
【図２】実施の形態に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図３】銅配線の配線抵抗の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２    絶縁膜
３    バリアメタル膜
４    Ｃｕ配線
５    溝
１０    基板
２０    トランジスタ
３０    層間絶縁膜
４０    Ｃｕ膜
１１０    絶縁層
１２０    絶縁層
１３０    絶縁層
１４０    絶縁層
１５０    絶縁層
２１０    Ｃｕ配線
２２０    Ｃｕ配線
２３０    Ｃｕ配線
２４０    Ｃｕ配線
２５０    Ｃｕ配線
２１２    バリアメタル膜
２２２    バリアメタル膜
２３２    バリアメタル膜
２４２    バリアメタル膜
２５２    バリアメタル膜
３１０    拡散防止膜
３２０    拡散防止膜
３３０    拡散防止膜
３４０    拡散防止膜
【図１】
2010123586.tif 000003
【図２】
2010123586.tif 000004
【図３】
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