(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板上に第１層間絶縁膜が形成され、該第１層間絶縁膜に形成された第１溝内に第１金属電極が埋め込まれた第１基板を用意し、
第２基板上に第２層間絶縁膜が形成され、該第２層間絶縁膜に形成された第２溝内に第２金属電極が埋め込まれた第２基板を用意し、
前記第１層間絶縁膜側に第１拡散防止層を形成する工程と、
前記第２層間絶縁膜側に第２拡散防止層を形成する工程と、
前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記第１拡散防止層に第１開口部を形成する工程と、
前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記第２拡散防止層に第２開口部を形成する工程と、
前記第１開口部と前記第２開口部を対向させて熱処理を行い、前記第１金属電極と前記第２金属電極を熱膨張によって前記第１開口部と前記第２開口部を通じて接合させる工程を有する
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は窒化シリコン化合物または炭化酸化シリコン化合物からなる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１開口部と前記第２開口部は開口面積差を有する請求項１または請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
第１基板上に第１層間絶縁膜が形成され、該第１層間絶縁膜に形成された第１溝内に第１金属電極が埋め込まれた第１基板を用意し、
第２基板上に第２層間絶縁膜が形成され、該第２層間絶縁膜に形成された第２溝内に第２金属電極が埋め込まれた第２基板を用意し、
前記第１層間絶縁膜もしくは前記第２層間絶縁膜の少なくとも一方側に層間絶縁膜上に拡散防止層を形成する工程と、
前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記拡散防止層に開口部を形成する工程と、
前記開口部を挟んで前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向させて熱処理を行い、前記第１金属電極と前記第２金属電極を熱膨張によって前記開口部を通じて接合させる工程を有する
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記拡散防止層は窒化シリコン化合物または炭化酸化シリコン化合物からなる請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１金属電極および前記第２金属電極は、銅、金および銀の何れか、もしくはそのうちの複数種の合金からなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩの高集積化によりその内部配線の微細化、多層化が進んでいるが、微細化に伴う半導体製造装置の高価格化がＬＳＩのコストに大きく影響を与えるようになってきた。また、ロジックとメモリー、撮像素子等を一つのチップに混載することも行われているが、それぞれのデバイスに要求されるプロセスの特徴を最大限に生かした混載を行うためには、プロセスの複雑化、コスト上昇を避けることができない。
【０００３】
このような状況のもと、単機能（ロジック、メモリー、撮像素子）のＬＳＩ同士をウエハレベル、チップレベルで貼り合せて積層化することで、高機能なＬＳＩを、集積度を犠牲にすること無く１チップ化することが行われ始めている。絶縁膜同士で貼り合せて、貫通ビアにて積層したウエハやチップ間の電気的導通を得る構造に関しての検討も進められている。また、このような貫通ビアを用いること無く、金属配線同士を直接貼り合せる３次元実装の検討も行われている。
【０００４】
例えば、金属配線として銅配線を用い、その銅配線同士を接合する場合（例えば、非特許文献１参照。）、図８に示すように、接合時の合わせズレにより、例えば一方側の銅配線１１５（１２５）が、他方側の層間絶縁膜１１２（１２２）に直接接触する懸念もある。例えば、銅配線１１５の銅が層間絶縁膜１１２と接触した場合、銅配線１１５部分の銅が酸化される（銅酸化膜１３１が形成される）ことにより電極抵抗の上昇や、その後の熱プロセスにより銅イオンが層間絶縁膜１１２中に拡散し、リーク等の信頼性の問題を引き起こす原因となる。
【０００５】
このような銅配線１１５（１２５）の酸化、層間絶縁膜１１２（１２２）中への拡散を防止する方法がある。
例えば、図９に示すように、層間絶縁膜１１２（１２２）表層に銅の拡散を阻止する特性を有する拡散防止層１１４（１２４）として、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜や炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜を形成する場合がある。しかしながら、拡散防止層１１４（１２４）を形成する場合には、合わせずれによる上記問題点は解決されるが、配線間容量の増大が懸念される。この表層の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜や炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜を薄くすれば、配線間容量の増大は防ぐことが可能となるが、ＣＭＰ時のエロージョンによって拡散防止層１１４（１２４）が無くなる恐れがある。したがって、拡散防止層１１４（１２４）を層間容量が問題とならない厚さに形成することは困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Lea Di Cioccio, Pierric Gueguen, Thomas Signamarcheix, Maurice Rivoire, D Scevola, Regis Cahours, Patrick Leduc, M Assous, Laurent Clavelier. “Enabling 3D Interconnects with Metal Direct Bonding”IITC(International Interconnect Technology Conference) 2009,proc.p152-154 （２００９年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、異なる基板に形成された電極同士を接合する場合、合わせずれが発生すると、電極が直接層間絶縁膜に接触し、電極抵抗の上昇や電流リーク等を発生することがある点である。
【０００８】
本発明は、異なる基板に形成された電極同士を接合する場合、合わせずれが発生しても、電極抵抗の上昇や電流リーク等の発生を、層間容量を大きくせず防止することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法（第１製造方法）は、第１基板上に第１層間絶縁膜が形成され、該第１層間絶縁膜に形成された第１溝内に第１金属電極が埋め込まれた第１基板を用意し、第２基板上に第２層間絶縁膜が形成され、該第２層間絶縁膜に形成された第２溝内に第２金属電極が埋め込まれた第２基板を用意し、前記第１層間絶縁膜側に第１拡散防止層を形成する工程と、前記第２層間絶縁膜側に第２拡散防止層を形成する工程と、前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記第１拡散防止層に第１開口部を形成する工程と、前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記第２拡散防止層に第２開口部を形成する工程と、前記第１開口部と前記第２開口部を対向させて熱処理を行い、前記第１金属電極と前記第２金属電極を熱膨張によって前記第１開口部と前記第２開口部を通じて接合させる工程を有する。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法（第１製造方法）では、第１金属電極と第２金属電極とを接合する際に、第１金属電極と第２金属電極との間には、第１拡散防止層と第２拡散防止層が形成されている。このため、合わせずれによって、第１金属電極と第２金属電極の位置がずれたとしても、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて第１拡散防止層および第２拡散防止層に被覆されている。したがって、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて層間絶縁膜に直接接触することが避けられている。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法（第２製造方法）は、第１基板上に第１層間絶縁膜が形成され、該第１層間絶縁膜に形成された第１溝内に第１金属電極が埋め込まれた第１基板を用意し、第２基板上に第２層間絶縁膜が形成され、該第２層間絶縁膜に形成された第２溝内に第２金属電極が埋め込まれた第２基板を用意し、前記第１層間絶縁膜もしくは前記第２層間絶縁膜の少なくとも一方側に層間絶縁膜上に拡散防止層を形成する工程と、前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向して接合する際に、前記第１金属電極と前記第２金属電極のそれぞれの形成領域内の前記拡散防止層に開口部を形成する工程と、前記開口部を挟んで前記第１金属電極と前記第２金属電極を対向させて熱処理を行い、前記第１金属電極と前記第２金属電極を熱膨張によって前記開口部を通じて接合させる工程を有する。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法（第２製造方法）では、第１金属電極と第２金属電極とを接合する際に、第１金属電極と第２金属電極との間には、第１拡散防止層が形成されている。このため、合わせずれによって、第１金属電極と第２金属電極の位置がずれたとしても、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて第１拡散防止層に被覆されている。したがって、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて層間絶縁膜に直接接触することが避けられている。
【００１３】
半導体装置は、第１基板上に形成された第１層間絶縁膜と、前記第１層間絶縁膜に形成された第１溝内に埋め込まれた第１金属電極と、第２基板上に形成された第２層間絶縁膜と、前記第２層間絶縁膜に形成された第２溝内に埋め込まれた第２金属電極と、前記第１層間絶縁膜と前記第２層間絶縁膜との間に形成された拡散防止層と、前記第１金属電極および前記第２金属電極の形成領域内で前記拡散防止層に形成された開口部を有し、前記開口部を通じて前記第１金属配線と前記第２金属配線とが接合されている。
【００１４】
半導体装置では、第１金属電極と第２金属電極との接合側は、接合部分も含めて、第１拡散防止層に被覆されている。このため、たとえ合わせずれによって、第１金属電極と第２金属電極の位置がずれて形成されたものであっても、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて層間絶縁膜に直接接触することが避けられている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて層間絶縁膜に直接接触することが避けられるため、金属電極の酸化による電極抵抗の上昇や電流リーク等の発生を防止することができる。
よって、信頼性の高い電極間接合が可能になり、信頼性の高い半導体装置を製造できる。
【００１６】
半導体装置は、第１金属電極および第２金属電極の接合面側は、接合部分も含めて層間絶縁膜に直接接触することが避けられているため、第１、第２金属電極の酸化による電極抵抗の上昇や電流リーク等の発生を防止することができる。
よって、信頼性の高い電極間接合が可能になり、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第１例を示した製造工程図である。
【図２】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第１例を示した製造工程図である。
【図３】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第１例を示した製造工程図である。
【図４】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第２例を示した製造工程図である。
【図５】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第２例を示した製造工程図である。
【図６】本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第２例を示した製造工程図である。
【図７】本発明の第２実施の形態に係る半導体装置の一例を示した概略構成断面図である。
【図８】従来技術の問題点を示した概略構成断面図である。
【図９】従来技術の問題点を示した概略構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
【００１９】
＜１．第１の実施の形態＞
［半導体装置の製造方法の第１例］
本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第１例を、図１ないし図３の製造工程図によって説明する。図１、図２の製造工程図では、各図の上側の図に平面図を示し、下側の図に上記平面図におけるＡ−Ａ’線断面図を示した。図３の製造工程図では断面図を示した。
【００２０】
図１（１）に示すように、第１基板１１上に第１層間絶縁膜１２が形成され、この第１層間絶縁膜１２に形成された第１溝１３内に第１バリアメタル層１４を介して第１金属電極１５が埋め込まれている。このような第１基板１１を用意する。
上記第１基板１１には、例えばシリコン基板が用いられ、通常のＬＳＩプロセスにより、半導体素子（図示せず）の形成、配線（図示せず）の形成等を行った後、層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の上記第１層間絶縁膜１２に、通常の溝配線形成技術（例えば、ダマシン加工法、デュアルダマシン加工法等）により第１溝１３内に第１金属電極１５を形成する。
上記第１金属電極１５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成され、その表面は、上記第１層間絶縁膜１２の表面と同一高さに形成されている。すなわち、上記第１層間絶縁膜１２の表面と上記第１金属電極１５の表面とは、段差がなく、いわゆる同一平面上にある。上記第１金属電極１５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００２１】
また、図２（１）に示すように、第２基板２１上に第２層間絶縁膜２２が形成され、この第２層間絶縁膜２２に形成された第２溝２３内に第２バリアメタル層２４を介して第２金属電極２５が埋め込まれている。このような第２基板２１を用意する。
上記第２基板２１には、例えばシリコン基板が用いられ、通常のＬＳＩプロセスにより、半導体素子（図示せず）の形成、配線（図示せず）の形成等を行った後、層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の上記第２層間絶縁膜２２に、通常の溝配線形成技術（例えば、ダマシン加工法、デュアルダマシン加工法等）により第２溝２３内に第２金属電極２５を形成する。
上記第２金属電極２５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成され、その表面は、上記第２層間絶縁膜２２の表面と同一高さに形成されている。すなわち、上記第２層間絶縁膜２２の表面と上記第２金属電極２５の表面とは、段差がなく、いわゆる同一平面上にある。上記第２金属電極２５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００２２】
次に、上記第１層間絶縁膜１２もしくは上記第２層間絶縁膜２２の少なくとも一方側に層間絶縁膜上に拡散防止層を形成する。ここでは両方の層間絶縁膜に拡散防止層を形成する。
図１（２）に示すように、上記第１層間絶縁膜１２の表面に上記第１金属電極１５を被覆する第１拡散防止層１６を形成する。この第１拡散防止層１６は銅の拡散を阻止する材料で形成される。例えば、窒化シリコン化合物または炭化酸化シリコン化合物で形成される。上記窒化シリコン化合物としては窒化シリコン（ＳｉＮ）があり、上記炭化酸化シリコン化合物としては炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）があり、また窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）を用いることもできる。その膜厚は、銅の拡散を防止し、また第１金属電極１５側への酸素の侵入を阻止する膜厚であればよく、例えば、３５ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成されている。
例えば、上記第１拡散防止層１６を窒化シリコンで形成する場合の成膜条件は、一例として、プラズマＣＶＤ法を用いる。そのプロセス条件は、例えば、プロセスガスにアンモニア（ＮＨ3）と、窒素（Ｎ2）を用い、成膜雰囲気にアンモニア（ＮＨ3）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、窒素（Ｎ2）を５００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。成膜雰囲気の圧力を６６５Ｐａ、基板温度を３５０℃、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーを１０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）に設定する。この条件で、上記第１拡散防止層１６を５０ｎｍの膜厚に成膜した。
【００２３】
同様に、図２（２）に示すように、上記第２層間絶縁膜２２の表面に上記第２金属電極２５を被覆する第２拡散防止層２６を形成する。この第２拡散防止層２６は銅の拡散を阻止する材料で形成される。例えば、窒化シリコン化合物または炭化酸化シリコン化合物で形成される。上記窒化シリコン化合物としては窒化シリコン（ＳｉＮ）があり、上記炭化酸化シリコン化合物としては炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）があり、また窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）を用いることもできる。その膜厚は、銅の拡散を防止し、また第２金属電極２５側への酸素の侵入を阻止する膜厚であればよく、例えば、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成されている。
例えば、上記第２拡散防止層２６を窒化シリコンで形成する場合の成膜条件は、一例として、プラズマＣＶＤ法を用いる。そのプロセス条件は、例えば、プロセスガスにアンモニア（ＮＨ3）と、窒素（Ｎ2）を用い、成膜雰囲気にアンモニア（ＮＨ3）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、窒素（Ｎ2）を５００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。成膜雰囲気の圧力を６６５Ｐａ、基板温度を３５０℃、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーを１０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）に設定する。この条件で、上記第２拡散防止層２６を５０ｎｍの膜厚に成膜した。
【００２４】
上記第１拡散防止層１６、第２拡散防止層２６には、銅銅の拡散を阻止する膜としてプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜を用いたが、その他の製法（例えば高周波スパッタ法や高密度プラズマ（High density Plasma）法）を用いて成膜しても良い。また、窒化シリコン膜の他に、上記したように炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜、窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜を用いることもできる。
上記窒化シリコン膜も炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜も窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜も、バリア性についての差はない。例えば、４００℃の熱処理によって窒化シリコン膜も炭化酸化シリコン膜も窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜も、膜中への銅の拡散は、２０ｎｍ程度である。したがって、窒化シリコン膜、炭化酸化シリコン膜、窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜ともに、３０ｎｍ以上の膜厚を有すれば、銅のバリア性は十分に確保できる。
【００２５】
次に、図１（３）に示すように、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５（前記図２（２）参照）を対向して接合する際に、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５のそれぞれの形成領域内の上記第１拡散防止層１６に第１開口部１７を形成する。
上記第１開口部１７は、例えば、平面レイアウト上、３０μｍ角の方形に形成される。この第１開口部１７の大きさは、適宜、決定される。例えば、後の工程における熱処理時に、上記第１金属電極１５が熱膨張をした際に、上記第１開口部１７が埋め込まれる大きさに形成される。ここでは、上記条件を満たす大きさとして３０μｍ角の方形とした。
上記第１開口部１７は、例えば、上記第１拡散防止層１６が窒化シリコン膜で形成されている場合、例えばフッ素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成される。
【００２６】
また、図２（３）に示すように、上記第１金属電極１５（前記図１（２）参照）と上記第２金属電極２５を対向して接合する際に、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５のそれぞれの形成領域内の上記第２拡散防止層２６に第２開口部２７を形成する。
上記第２開口部２７は、例えば、平面レイアウト上、上記第１開口部１７（前記図１（３）参照）よりも小さい１０μｍ角の方形に形成される。この第２開口部２７の大きさは、適宜、決定される。例えば、後の工程における熱処理時に、上記第２金属電極２５が熱膨張をした際に、上記第２開口部２７が埋め込まれる大きさに形成される。ここでは、上記条件を満たす大きさとして１０μｍ角の方形とした。もちろん、上記第１開口部１７と同様な大きさとしてもよい。
上記第２開口部２７は、例えば、上記第２拡散防止層２６が窒化シリコン膜で形成されている場合、例えばフッ素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成される。
【００２７】
なお、上記第１開口部１７と第２開口部２７の大きさを違えることによって、後の熱処理の工程において、開口の大きさが小さい上記第２開口部２７に充填される金属が上記第１開口部１７側にはみ出す。これによって、第１金属電極１５と第２金属電極２５との熱膨張による接合が強固になる。このとき、上記第２開口部２７に充填される金属が上記第１開口部１７側にはみ出したとしても、上記第１開口部１７側には空間的余裕があるので、上記はみ出した金属が上記第１拡散防止層１６と上記第２拡散防止層２６との間に入り込むことはない。
【００２８】
次に、図１（４）に示すように、上記第１金属電極１５表面に形成された酸化膜を除去する前処理を行う。この前処理は、例えば、水素プラズマ処理による還元処理による。
例えば、上記第１金属電極１５が銅で形成されている場合には、プロセスガスに水素（Ｈ2）とアルゴン（Ａｒ）を用い、還元処理雰囲気に例えば水素を１００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で、アルゴンを１７０ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。また、水素プラズマ処理のマイクロ波パワーを２.８ｋＷ（２.４５ＧＨｚ）、還元雰囲気の圧力を０.４Ｐａ、基板温度を４００℃、還元処理時間を１分とした。この条件は一例であって、適宜、変更可能である。また、上記第１金属電極１５表面に酸化膜が形成されていない場合、例えば上記第１金属電極１５が金で形成されている場合には、上記水素還元処理を行う必要がない。
【００２９】
同様に、図２（４）に示すように、上記第２金属電極２５表面に形成された酸化膜を除去する前処理を行う。この前処理は、例えば、水素プラズマ処理による還元処理による。
例えば、上記第２金属電極２５が銅で形成されている場合には、プロセスガスに水素（Ｈ2）とアルゴン（Ａｒ）を用い、還元処理雰囲気に例えば水素を１００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で、アルゴンを１７０ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。また、水素プラズマ処理のマイクロ波パワーを２.８ｋＷ（２.４５ＧＨｚ）、還元雰囲気の圧力を０.４Ｐａ、基板温度を４００℃、還元処理時間を１分とした。この条件は一例であって、適宜、変更可能である。また、上記第２金属電極２５表面に酸化膜が形成されていない場合、例えば上記第２金属電極２５が金で形成されている場合には、上記水素還元処理を行う必要がない。
また、上記のように水素プラズマによる前処理の代わりに、例えば、水素アニール、フォーミングガス（窒素（Ｎ2）／水素（Ｈ2））によるアニール、アンモニア（ＮＨ3）プラズマ、蟻酸プラズマ等による還元処理を行っても良い。
【００３０】
次に、図３（５）に示すように、上記第１開口部１７と上記第２開口部２７を挟んで上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５を対向させる。
【００３１】
そして、図３（６）に示すように、上記第１開口部１７と上記第２開口部２７を対向させ、上記第１拡散防止層１６と上記第２拡散防止層２６とを圧して接合させた状態で、熱処理を行う。そして、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５の熱膨張によって、上記第１開口部１７と上記第２開口部２７を通じて上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５接合させる。
すなわち、熱処理によって、上記第１金属電極１５は膨張する。このとき、第１金属電極１５は上記第１開口部１７以外、第１層間絶縁膜１２によって固定されているため、上記第１開口部１７側に膨張する。同様に、上記第２金属電極２５も膨張する。このとき、第２金属電極２５は上記第２開口部２７以外、第２層間絶縁膜２２によって固定されているため、上記第２開口部２７側に膨張する。
そして、互いに膨張した第１金属電極１５と第２金属電極２５とが、第１開口部１７と第２開口部２７内で接合し、膨張の圧力によって圧着される。
このとき、上記第１拡散防止層１６と上記第２拡散防止層２６とを圧して接合させた状態となっているので、膨張した金属電極の金属が第１拡散防止層１６と上記第２拡散防止層２６との間に入り込むことはない。
なお、上記第１開口部１７内および上記第２開口部２７内が、上記熱処理による上記第１金属電極１５および上記第２金属電極２５の膨張した部分で埋め込まれることが望ましい。そのため、第１金属電極１５と第２金属電極２５の体積膨張量を考慮して、上記第１開口部１７と上記第２開口部２７の大きさを決定することが好ましい。
【００３２】
上記半導体装置の製造方法では、第１金属電極１５と第２金属電極２５の熱膨張（体積膨張）を利用しているので、金属を高温、例えば５００℃以上で加熱する必要はなく、接合時の加熱温度を、約４５０℃以下、好ましくは４００℃以下にすることができる。そして、第１金属電極１５と第２金属電極２５の体積膨張により、第１開口部１７と第２開口部２７内が自己整合的に第１金属電極１５と第２金属電極２５の金属が充填されて接合することが可能となる。
【００３３】
例えば、上記第１金属電極１５（大きさが５０μｍ角の方形、厚さが５００ｎｍ）の場合、銅の線膨張係数αは１６．８×１０-6（１／Ｔ）であり、銅の体積膨張係数βは３αである。例えば、上記第１金属電極１５を２３℃から４００℃に加熱した場合を想定すると、第１金属電極１５の膨張体積Ｘは下記のようになる。
【００３４】
Ｘ＝β×（４００-２３）×５０μｍ×５０μｍ×０．５μｍ＝２３．８μｍ3
【００３５】
また、例えば４５０℃に加熱した場合、Ｘ＝２６．９μｍ3となる。このとき、第１金属電極１５上に３０μｍ角の方形の第１開口部１７が形成されていた場合、第１拡散防止層１６の厚さが５０ｎｍであるから、第１開口部１７内に膨張してきた第１金属電極１５は、第１拡散防止層１６表面から約２０ｎｍ凹んだ位置まで膨張する。したがって、第１金属電極１５の銅が膨張した残りの第１開口部１７は約１８μｍ3となる。
また、第２金属電極２５上に１０μｍ角の方形の第２開口部２７を形成した場合、第２拡散防止層２６の厚さが５０ｎｍであるから、第２金属電極２５の膨張は第２拡散防止層２６表面から約１５６ｎｍ凸の形状となる。すなわち、第２開口部２７からはみ出した銅の膨張分は約１８μｍ3となる。このように温度を制御することで、過不足無く、第１開口部１７と第２開口部２７を充填することが可能となる。
【００３６】
したがって、第１金属電極１５、第２金属電極２５のそれぞれの体積、第１開口部１７、第２開口部２７のそれぞれの面積を決めることによって、双方の接合部分の形状を加熱温度で制御することが可能となる。
【００３７】
上記半導体装置の製造方法では、たとえ、第１基板１１と第２基板２１とで合わせズレが発生したとしても、上記第１金属電極１５の第１開口部１７側は、上記第１拡散防止層１６によって被覆されている。また上記第２金属電極２５の第２開口部２７側は、上記第１拡散防止層１６によって被覆されている。すなわち、上記第１金属電極１５は、上記第１バリアメタル層１４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。また、上記第２金属電極２５は、上記第２バリアメタル層２４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。このため、合わせずれの問題が解消できる。
【００３８】
［半導体装置の製造方法の第２例］
本発明の第１実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第２例を、図４ないし図６の製造工程図によって説明する。図４、図５の製造工程図では、各図の上側の図に平面図を示し、下側の図に上記平面図におけるＡ−Ａ’線断面図を示した。図６の製造工程図では断面図を示した。
【００３９】
図４（１）に示すように、第１基板１１上に第１層間絶縁膜１２が形成され、この第１層間絶縁膜１２に形成された第１溝１３内に第１バリアメタル層１４を介して第１金属電極１５が埋め込まれている。このような第１基板１１を用意する。
上記第１基板１１には、例えばシリコン基板が用いられ、通常のＬＳＩプロセスにより、半導体素子（図示せず）の形成、配線（図示せず）の形成等を行った後、層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の上記第１層間絶縁膜１２に、通常の溝配線形成技術（例えば、ダマシン加工法、デュアルダマシン加工法等）により第１溝１３内に第１バリアメタル層１４を介して第１金属電極１５を形成する。
上記第１金属電極１５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成され、その表面は、上記第１層間絶縁膜１２の表面と同一高さに形成されている。すなわち、上記第１層間絶縁膜１２の表面と上記第１金属電極１５の表面とは、段差がなく、いわゆる同一平面上にある。上記第１金属電極１５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００４０】
また、図５（１）に示すように、第２基板２１上に第２層間絶縁膜２２が形成され、この第２層間絶縁膜２２に形成された第２溝２３内に第２バリアメタル層２４を介して第２金属電極２５が埋め込まれている。このような第２基板２１を用意する。
上記第２基板２１には、例えばシリコン基板が用いられ、通常のＬＳＩプロセスにより、半導体素子（図示せず）の形成、配線（図示せず）の形成等を行った後、層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の上記第２層間絶縁膜２２に、通常の溝配線形成技術（例えば、ダマシン加工法、デュアルダマシン加工法等）により第２溝２３内に第２バリアメタル層２４を介して第２金属電極２５を形成する。
上記第２金属電極２５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成され、その表面は、上記第２層間絶縁膜２２の表面と同一高さに形成されている。すなわち、上記第２層間絶縁膜２２の表面と上記第２金属電極２５の表面とは、段差がなく、いわゆる同一平面上にある。上記第２金属電極２５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００４１】
次に、上記第１層間絶縁膜１２もしくは上記第２層間絶縁膜２２の少なくとも一方側に層間絶縁膜上に拡散防止層を形成する。ここでは両方の層間絶縁膜に拡散防止層を形成する。
図４（２）に示すように、上記第１層間絶縁膜１２の表面に第１拡散防止層１６を形成する。この第１拡散防止層１６は銅の拡散を阻止する材料で形成される。例えば、窒化シリコン化合物または炭化酸化シリコン化合物で形成される。上記窒化シリコン化合物としては窒化シリコン（ＳｉＮ）があり、上記炭化酸化シリコン化合物としては炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）があり、また窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）を用いることもできる。その膜厚は、銅の拡散を防止し、また第１金属電極１５側への酸素の侵入を阻止する膜厚であればよく、例えば、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成されている。
例えば、上記第１拡散防止層１６を窒化シリコンで形成する場合の成膜条件は、一例として、プラズマＣＶＤ法を用いる。そのプロセス条件は、例えば、プロセスガスにアンモニア（ＮＨ3）と、窒素（Ｎ2）を用い、成膜雰囲気にアンモニア（ＮＨ3）を５０ｃｍ3／ｍｉｎ、窒素（Ｎ2）を５００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。成膜雰囲気の圧力を６６５Ｐａ、基板温度を３５０℃、プラズマＣＶＤ装置のＲＦパワーを１０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）に設定する。この条件で、上記第１拡散防止層１６を５０ｎｍの膜厚に成膜した。
【００４２】
上記第１拡散防止層１６には、銅の拡散を阻止する膜としてプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜を用いたが、その他の製法（例えば高周波スパッタ法や高密度プラズマ（High density Plasma）法）を用いて成膜しても良い。また、窒化シリコン膜の他に、上記したように炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜、窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜を用いることもできる。
上記窒化シリコン膜も炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜も窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜も、バリア性については、差はない。例えば、４００℃の熱処理によって窒化シリコン膜も炭化酸化シリコン膜中への銅の拡散は、２０ｎｍ程度である。したがって、窒化シリコン膜、炭化酸化シリコン膜、窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）膜ともに、３０ｎｍ以上の膜厚を有すれば、銅のバリア性は十分に確保できる。
【００４３】
次に、図４（３）に示すように、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５（前記図５（１）参照）を対向して接合する際に、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５のそれぞれの形成領域内の上記第１拡散防止層１６に第１開口部１７を形成する。
上記第１開口部１７は、例えば、平面レイアウト上、３０μｍ角の方形に形成される。この第１開口部１７の大きさは、適宜、決定される。例えば、後の工程における熱処理時に、上記第１金属電極１５が熱膨張をした際に、上記第１開口部１７が埋め込まれる大きさに形成される。ここでは、上記条件を満たす大きさとして３０μｍ角の方形とした。
上記第１開口部１７は、例えば、上記第１拡散防止層１６が窒化シリコン膜で形成されている場合、例えばフッ素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成される。
【００４４】
次に、図４（４）に示すように、上記第１金属電極１５表面に形成された酸化膜を除去する前処理を行う。この前処理は、例えば、水素プラズマ処理による還元処理による。
例えば、上記第１金属電極１５が銅で形成されている場合には、プロセスガスに水素（Ｈ2）とアルゴン（Ａｒ）を用い、還元処理雰囲気に例えば水素を１００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で、アルゴンを１７０ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。また、水素プラズマ処理のマイクロ波パワーを２.８ｋＷ（２.４５ＧＨｚ）、還元雰囲気の圧力を０.４Ｐａ、基板温度を４００℃、還元処理時間を１分とした。この条件は一例であって、適宜、変更可能である。また、上記第１金属電極１５表面に酸化膜が形成されていない場合、例えば上記第１金属電極１５が金で形成されている場合には、上記水素還元処理を行う必要がない。
【００４５】
同様に、図５（２）に示すように、上記第２金属電極２５表面に形成された酸化膜を除去する前処理を行う。この前処理は、例えば、水素プラズマ処理による還元処理による。
例えば、上記第２金属電極２５が銅で形成されている場合には、プロセスガスに水素（Ｈ2）とアルゴン（Ａｒ）を用い、還元処理雰囲気に例えば水素を１００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で、アルゴンを１７０ｃｍ3／ｍｉｎの流量で供給する。また、水素プラズマ処理のマイクロ波パワーを２.８ｋＷ（２.４５ＧＨｚ）、還元雰囲気の圧力を０.４Ｐａ、基板温度を４００℃、還元処理時間を１分とした。この条件は一例であって、適宜、変更可能である。また、上記第２金属電極２５表面に酸化膜が形成されていない場合、例えば上記第２金属電極２５が金で形成されている場合には、上記水素還元処理を行う必要がない。
また、上記のように水素プラズマによる前処理の代わりに、例えば、水素アニール、フォーミングガス（窒素（Ｎ2）／水素（Ｈ2））によるアニール、アンモニア（ＮＨ3）プラズマ、蟻酸プラズマ等による還元処理を行っても良い。
【００４６】
次に、図６（５）に示すように、上記第１開口部１７を挟んで上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５を対向させる。
【００４７】
そして、図６（６）に示すように、上記第１拡散防止層１６と、上記第２金属電極２５、上記第２層間絶縁膜２２とを圧して接合させた状態で、熱処理を行う。そして、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５の熱膨張によって、上記第１開口部１７を通じて上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５を接合させる。
すなわち、熱処理によって、上記第１金属電極１５は膨張する。このとき、第１金属電極１５は上記第１開口部１７以外、第１層間絶縁膜１２によって固定されているため、上記第１開口部１７側に膨張する。同様に、上記第２金属電極２５も膨張する。このとき、第２金属電極２５は上記第１開口部１７以外、第２層間絶縁膜２２によって固定されているため、上記第１開口部１７側に膨張する。
そして、互いに膨張した第１金属電極１５と第２金属電極２５とが、第１開口部１７内で接合し、膨張の圧力によって圧着される。
このとき、上記第１拡散防止層１６と、上記第２金属電極２５、上記第２層間絶縁膜２２とを圧して接合させた状態となっているので、膨張した金属電極の金属が第１拡散防止層１６と上記第２層間絶縁膜２２との間に入り込むことはない。
なお、上記第１開口部１７内が、上記熱処理による上記第１金属電極１５および上記第２金属電極２５の膨張した部分で埋め込まれることが望ましい。そのため、第１金属電極１５と第２金属電極２５の体積膨張量を考慮して、上記第１開口部１７の大きさを決定することが好ましい。
【００４８】
上記半導体装置の製造方法（第２例）では、たとえ、第１基板１１と第２基板２１とで合わせズレが発生したとしても、第１金属電極１５、第２金属電極２５の第１開口部１７側は、上記第１拡散防止層１６によって被覆されている。すなわち、上記第１金属電極１５は、上記第１バリアメタル層１４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。また、上記第２金属電極２５は、上記第２バリアメタル層２４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。このため、合わせずれの問題が解消できる。
【００４９】
また、第１金属電極１５と第２金属電極２５の熱膨張（体積膨張）を利用しているので、接合時の加熱温度を、約４００℃以下にすることもできる。さらに、第１金属電極１５と第２金属電極２５の体積膨張量により、第１開口部１７内が自己整合的に第１金属電極１５と第２金属電極２５の金属が充填されて接合することが可能となる。
【００５０】
上記第１例、第２例ともに、熱処理方法は通常の電気炉、ランプ加熱炉等を用いた熱処理が行える。上記熱処理時の雰囲気は、真空状態であっても、不活性ガス雰囲気であってもよい。また、マイクロ波加熱を利用することもできる。
【００５１】
＜２．第２の実施の形態＞
［半導体装置の構成の一例］
本発明の第２実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を、図７の概略構成断面図によって説明する。
【００５２】
図７に示すように、第１基板１１上に第１層間絶縁膜１２が形成され、この第１層間絶縁膜１２に形成された第１溝１３内に第１バリアメタル層１４を介して第１金属電極１５が埋め込まれている。
上記第１基板１１には、例えばシリコン基板が用いられ、このシリコン基板には、半導体素子（図示せず）、配線（図示せず）等が形成され、さらに層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜が上記第１層間絶縁膜１２である。
上記第１金属電極１５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成されている。上記第１金属電極１５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００５３】
また、第２基板２１上に第２層間絶縁膜２２が形成され、この第２層間絶縁膜２２に形成された第２溝２３内に第２バリアメタル層２４を介して第２金属電極２５が埋め込まれている。
上記第２基板２１には、例えばシリコン基板が用いられ、このシリコン基板には、半導体素子（図示せず）、配線（図示せず）等が形成され、さらに層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜が上記第２層間絶縁膜２２である。
上記第２金属電極２５は、例えば５０μｍ角の方形で厚さが５００ｎｍに形成されている。上記第２金属電極２５は、例えば、銅で形成されている。もちろん、他の金属、例えば、銅、金、銀のうちの１種、もしくはこれらの金属を２種以上用いた合金であってもよい。または、これらの金属を主材料とする合金であってもよい。
【００５４】
上記第１層間絶縁膜１２と上記第２層間絶縁膜２２間には第１拡散防止層１６が形成されている。この第１拡散防止層１６は銅の拡散を阻止する材料で形成される。例えば、窒化シリコン膜で形成される。その膜厚は、銅の拡散を防止し、また第１金属電極１５、第２金属電極２５の両方への酸素の侵入を阻止する膜厚であればよく、例えば、３５ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成されている。
【００５５】
上記第１拡散防止層１６には、銅の拡散を阻止する膜としてプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜を用いたが、その他の製法（例えば高周波スパッタ法や高密度プラズマ（High density Plasma）法）を用いた膜としても良い。また、窒化シリコン膜の他に、炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜を用いることもできる。
【００５６】
上記第１拡散防止層１６には、上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５のそれぞれの形成領域内に第１開口部１７が形成されている。
上記第１開口部１７は、例えば、平面レイアウト上、３０μｍ角の方形に形成される。この第１開口部１７の大きさは、適宜、決定される。例えば、後の工程における熱処理時に、上記第１金属電極１５および第２金属電極２５が熱膨張をした際に、上記第１開口部１７が埋め込まれる大きさに形成される。ここでは、上記条件を満たす大きさとして３０μｍ角の方形とした。
【００５７】
上記第１開口部１７を挟んで上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５とが対向して接合している。この接合は、例えば上記第１金属電極１５と上記第２金属電極２５の熱膨張によって、熱圧着による。
なお、上記第１開口部１７内が、上記第１金属電極１５および上記第２金属電極２５の膨張した部分で埋め込まれることが望ましい。
【００５８】
上記半導体装置では、たとえ、第１基板１１と第２基板２１とで合わせズレが発生したとしても、第１金属電極１５、第２金属電極２５の第１開口部１７側は、上記第１拡散防止層１６によって被覆されている。すなわち、上記第１金属電極１５は、上記第１バリアメタル層１４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。また、上記第２金属電極２５は、上記第２バリアメタル層２４と上記第１拡散防止層１６で囲まれている。このため、合わせずれの問題が解消できる。
【符号の説明】
【００５９】
１１…第１基板、１２…第１層間絶縁膜、１３…第１溝、１５…第１金属電極、１６…第１拡散防止層、１７…第１開口部、２１…第２基板、２２…第２層間絶縁膜、２３…第２溝、２５…第２金属電極、２６…第２拡散防止層、２７…第２開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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