(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、
Ｔａ膜と、該Ｔａ膜の表面に形成された１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する窒化Ｔａ膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【請求項２】
前記配線の被覆は、該配線の側面において該配線に接触するＴａ膜と、該Ｔａ膜の外側に形成された窒化Ｔａ膜とで構成された積層からなるバリア層であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項３】
前記窒化Ｔａ膜の厚みの上限が５０Åであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項４】
前記配線がＣｕ，Ｃｕ合金から選ばれた金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項５】
前記配線がＣｕからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項６】
前記バリア層を前記配線層の下地として備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項７】
前記窒化Ｔａ膜が非晶質であることを特徴とする請求項１〜６のい
れかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項８】
Ｃｕからなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、
Ｔａ膜と、該Ｔａ膜の表面に形成された１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する窒化Ｔａ膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【請求項９】
前記窒化Ｔａ膜の厚みの上限が５０Åであることを特徴とする請求項８記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１０】
Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、
Ｔａ膜、Ｗ膜、及びＴａ−Ｗ合金膜から選ばれた金属膜と、該金属膜の表面に形成された、１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する、該金属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１１】
前記配線の被覆は、該配線の側面において該配線に接触するＴａ膜、Ｗ膜、及びＴａ−Ｗ合金膜から選ばれた金属膜と、該金属膜の外側に形成された該金属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される積層からなるバリア層であることを特徴とする請求項１０記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１２】
前記窒化金属膜の厚みの上限が５０Åであることを特徴とする請求項１０又は１１記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１３】
前記配線がＣｕ，Ｃｕ合金から選ばれた金属からなることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１４】
前記配線がＣｕからなることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１５】
前記バリア層を前記配線の下地として備えたことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１６】
前記金属膜がＴａ膜であり、窒化金属膜が窒化Ｔａ膜であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１７】
Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およぴＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、Ｔａ−Ｗ合金の窒化物、棚化物、及び炭化物から選ばれたバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１８】
Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、
Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属がＴａに添加されてなるＴａ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【請求項１９】
Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、
Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選ばれた１つ以上の金属がＷに添加されてなるＷ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体集積回路（ＬＳＩ）の配線構造体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体集積回路の配線の材料としてはＡｌ、またはＡｌにＳｉやＣｕなどを添加したＡｌ合金が使用されている。このような配線は、Ａｌが主な材料として使用されているため、配線の許容電流密度は（２〜３）×１０5 Ａ／ｃｍ2 以下に制限されている。この配線に上記許容電流密度を超える電流を流すと、エレクトロマイグレーションにより配線が断線する。特に近年、集積度の上昇に伴って金属配線はますます縮小する傾向にあるため、エレクトロマイグレーションの問題は重要になる。
【０００３】
また、Ａｌ合金の比抵抗は高いため、配線パターンの微細化に伴って配線抵抗が増加する。このため、時定数の増加による配線遅延が大きくなり、微細化によってトランジスタの動作速度が向上するというメリットが相殺されてしまう。さらに、高い電流密度で電流を流すことによる発熱に伴う信頼性低下の問題も生じる。
【０００４】
上記理由により、配線の耐マイグレーション性を向上させ、抵抗を下げるために、Ａｌ配線やＡｌ合金配線に代えて、耐エレクトロマイグレーション性が高く比抵抗の小さい実質的にＣｕからなるＣｕ配線を用いることが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＣｕは、Ａｌに比べるとＳｉ（基板）又はＳｉＯ2 （絶縁膜）中へ拡散しやすい。このためＣｕをそのまま配線材料として用いると、アクティブ領域にまで拡散してアクセプタレベルを形成し、キャリア密度を大きく減少させるため、トランジスタの正常な動作を妨げるという問題が生じる。この問題を解決するために、各種の材料で形成されたバリア膜をＣｕ配線の下地又は被覆として、Ｃｕの拡散を防止する技術が提案されているが（例えば、特開昭５３−１１６０８９号公報、特開昭６３−７３６４５号公報、特開昭６３−１５６３４１号公報、特開平１−２０４４４９号公報参照）、Ｃｕがバリア膜を経由してＳｉ又はＳｉＯ2 へ拡散することを十分に防止できず、十分な効果があげられていない。また、Ｔｉ−ＮやＷ−Ｎなどの窒化物，Ｔｉ−ＣやＷ−Ｃなどの炭化物でバリア膜を形成する技術（米国特許４，９８５，７５０号）や、Ｔｉ−Ｎの表面を酸化してバリア膜を形成する技術（米国特許５，２３６，８６９号）が提案されているが、窒化物は高い電気抵抗をもつため、Ｗ等からなるバリア膜に比べ配線抵抗が高くなるという問題が生じる。
【０００６】
また、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ等の窒化物、硼化物をＣｕ配線の下地として用いることが提案されているが（特開平１−２０２８４１号公報）、絶縁膜との密着性は向上するものの、Ｃｕの拡散防止効果は十分でない。
またＡｕ，ＡｇもＣｕと同様にＡｌに比較して抵抗が低く、耐エレクトロマイグレーション性が高く、有望である。しかしやはりＣｕと同様にＳｉ又はＳｉＯ2 中へ拡散しやすく、バリア効果が高く、配線抵抗を高くしないバリア膜が必要である。
【０００７】
さらにＡｌ配線も耐エレクトロマイグレーション性を高めるためにＣｕを添加した合金を使用することが通例となっており、この場合にもＣｕの拡散を防止するためのバリア膜が必要である。
本発明は、上記事情に鑑み、配線の耐エレクトロマイグレーション性を向上すると共に、配線材料の原子が絶縁膜や基板へ拡散することを抑制する半導体集積回路の配線構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の半導体集積回路の配線構造体は、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、Ｔａ膜と、該Ｔａ膜の表面に形成された１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する窒化Ｔａ膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体である。この場合、前記配線の被覆は、該配線の側面において該配線に接触するＴａ膜と、該Ｔａ膜の外側に形成された窒化Ｔａ膜とで構成された積層からなるバリア層であることが好ましい。
【０００９】
ここで、窒化Ｔａ膜が非晶質であることが好ましい。
また、前記金属化合物膜の厚みの上限が５０Åであり、あるいは前記配線がＣｕ，Ｃｕ合金から選ばれた金属、あるいはＣｕからなることが好ましい。加えて、前記バリア層を特に前記配線層の下地として備えるのが好ましい。
さらに加えて、本発明は、Ｃｕからなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、Ｔａ膜と、該Ｔａ膜の表面に形成された１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する窒化Ｔａ膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体である。この場合も、前記窒化Ｔａ膜の厚みの上限が５０Åであるのが好ましい。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の第２の半導体集積回路の配線構造体は、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金から選ばれた金属からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体において、Ｔａ膜、Ｗ膜、及びＴａ−Ｗ合金膜から選ばれた金属膜と、該金属膜の表面に形成された、１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する、該金属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される少なくとも１つの積層からなるバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴とするものである。
この場合も、前記配線の被覆は、該配線の側面において該配線に接触するＴａ膜、Ｗ膜、及びＴａ−Ｗ合金膜から選ばれた金属膜と、該金属膜の外側に形成された該金属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される積層からなるバリア層であることが好ましい。また、前記窒化金属膜の厚みの上限が５０Åであり、あるいは前記配線がＣｕ，Ｃｕ合金から選ばれた金属、あるいはＣｕからなることが好ましい。加えて、前記バリア層を特に前記配線の下地として備えたり、あるいは前記金属膜がＴａ膜であり、窒化金属膜が窒化Ｔａ膜であるのが好ましい。
【００１１】
ここで、上記金属膜としては、
（１）Ｔａ膜、
（２）Ｗ膜、
（３）Ｔａ−Ｗ合金膜、
（４）Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属が添加されたＴａ合金膜、
（５）Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選ばれた１つ以上の金属が添加されたＷ合金膜、
（６）Ｍｏ及び／又はＮｂを添加したＴａ−Ｗ合金膜、
のいずれかにすることが好ましい。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の第３の半導体集積回路の配線構造体は、Ｔａ−Ｗ合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層をＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。また、本発明の第４の半導体集積回路の配線構造体は、Ｍｏ及び／又はＮｂがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ−Ｗ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、本発明の第５の半導体集積回路の配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属がＴａに添加されてなるＴａ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。
【００１４】
さらにまた、本発明の第６の半導体集積回路の配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選ばれた１つ以上の金属がＷに添加されてなるＷ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、「窒化物、硼化物、炭化物」とは、化合物として存在しているものの他、上記合金の一部に「Ｎ、Ｂ、Ｃ」が侵入型原子または置換型原子として存在しているものも含む。
【００１６】
また、配線構造体を製造する際に使用できる金属膜の材料は特に限定されないが、効果的なものとしては、金属膜が比較的容易に成膜できかつ安定で緻密な窒化物を形成し得るＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗなどが上げられる。この金属膜をスパッタリング法、真空蒸着法等により結晶膜として形成し、この表面にＥＣＲプラズマを照射して表面のみにプラズマ窒化金属薄膜を形成することが好ましい。
【００１７】
【作用】
本発明の第１の半導体集積回路の配線構造体では、比較的比抵抗の小さいＷ，Ｍｏ，Ｔａなどの金属膜と、比較的拡散抑制効果の高いＷ−Ｎ，Ｎｂ−Ｎ，Ｍｏ−Ｎ，Ｔｉ−Ｎなどの金属化合物膜とを重ねた少なくとも１つの積層をバリア層としているため、配線抵抗を損なうことなく、十分なバリア性能を引き出すことができる。
【００１８】
積層構造のバリア層において、上記比較的拡散抑制効果の高い金属化合物膜として非晶質の膜を使用することにより、さらに高いバリア性能が得られる。多結晶質の材料をバリア材として用いた場合、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇは拡散速度の速い結晶粒界を通して拡散する。したがって、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散係数の小さいＷ，Ｔｉ−Ｎ，Ｚｒ−Ｎ等の金属あるいは金属化合物膜をバリア層として用いても、必ずしも拡散を有効に防止することはできない。そこで、粒界の存在しない非晶質膜をバリア層として用いることによって、速い粒界拡散を効果的に防止することができる。粒界拡散を防ぐ他の方法として、バリア層として単結晶膜を用いることも可能であるが、基板全面に無欠陥の単結晶膜を成膜することは事実上極めて困難である。
【００１９】
非晶質材料を積層構造のバリア層の一方の膜として使う場合、その中でのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散速度は、粒界拡散が無視できるようになるため、一般に膜の自己拡散係数が小さいほど小さくなる。したがって、非晶質材料として、自己拡散係数の小さい高融点の遷移金属窒化物を用いることによって、さらにバリア性能を向上できる。
【００２０】
非晶質遷移金属窒化物を積層構造のバリア層の一方の膜にした場合、その形成法は限定されないが、一般的には、他方の良導性バリアと非晶質遷移金属窒化物とを順次に蒸着させて形成する。一例を挙げれば、二種類の積層バリアの一方の良導性バリアとして金属膜を化学的気相成長法あるいはスパッタリング法によって形成したのち、連続あるいは他の装置に移した上で、高バリア性の遷移金属窒化物膜を、非晶質化する条件でスパッタリングあるいは反応性スパッタリングで形成する。この方法では、遷移金属窒化物膜の膜厚制御可能範囲に限界がある。そこで、積層バリアの一方の良導性バリアとしての金属膜を予め形成しておき、次いで窒素プラズマを照射して表面を窒化するとともに、プラズマのエネルギーで表面を非晶質化する手段をとることができる。この方法によれば、プラズマの照射時間やエネルギー、プラズマソースを変えることによって、予め形成しておいた低抵抗バリア膜の膜厚を十分に確保したまま、表面のごく一部を非常にバリア性の高い非晶質窒化物膜とする構造を容易に形成できる。
【００２１】
ここで、上記した表面をプラズマ窒化する方法において、その具体的な材料としてはＷまたはその合金を用いることが特に好適である。Ｗの比抵抗は比較的低いため、配線の微細化に伴う比抵抗の増加を最小限に抑さえることができる。また、Ｗは窒素プラズマの照射によって容易に窒化され、非晶質のＷ−Ｎを形成する。非晶質Ｗ−Ｎのバリア性能は、一般の金属や窒化物等に比べて非常に高いため、２０Å程度の極薄の膜でも、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散を阻止できる。
【００２２】
Ｗ−Ｎ／Ｗの多層膜を形成するプロセスとしては、まず、絶縁膜上にＷをスパッタリングあるいはＣＶＤ法によって形成する。このＷ膜の上に、窒素プラズマを照射する。これによってＷ表面が窒化され、かつアモルファス化する。窒素プラズマの発生方法としては、高密度のプラズマが立てられるＥＣＲを使うのが好適である。次いで、その上から例えばＣｕをスパッタリングあるいはＣＶＤ法によって成膜し、Ｃｕ配線パターン加工する。さらに、必要ならば、Ｗの選択ＣＶＤにより、Ｃｕ配線の周囲にＷを薄く被覆する。この後、Ｗの表面に窒素プラズマを照射し、表面窒化層を形成する。
【００２３】
次に、本発明の第２の半導体集積回路の配線構造体には、金属膜とこの金属膜を構成する金属の窒化金属膜とからなる積層が少なくとも１層形成されたバリア層が形成されている。窒化金属膜をプラズマ照射によって形成すると、その結晶構造をＸ線回折で調べるとほぼ完全に非晶質であることが判明した。これに対して他の方法、例えば反応性スパッタリングやＣＶＤによって成膜された膜は、一般的には結晶質窒化金属膜になる。従ってプラズマ照射によって形成した窒化金属膜の方が、絶縁膜や基板へのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの粒界拡散を抑制する効果が優れている。また窒化Ｗの場合には、反応性スパッタリングでも、条件によっては非晶質状態に近い膜を得ることができる。ただしこの膜はＷとＮとの組成比が２〜４のＷリッチの膜である。これに対してプラズマ照射によれば、組成比が１に近い（１±０．２）膜を得ることができる。このような窒化Ｗ膜は、特に高いバリア性を持つ。また、プラズマ窒化によって金属膜の表面が窒化されると共にプラズマによる膜表面のスパッタリング効果によってバリア層表面が平坦化される。これにより、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性も改善されパターニング加工工程におけるパターン形状の不良率が著しく改善される。
【００２４】
ここで、Ｗ、Ｔａ、及びＴａ−Ｗ合金は、他の金属に比べて化学的に安定であり、熱処理によるＣｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小さく、配線の比抵抗上昇を抑制することができる。また、上記（４）〜（６）に記載した元素を添加すると、膜密度の向上と共にバリア性能の向上が認められる。
また、プラズマ照射によって得られる窒化層は１００Å以下と薄いため、よりバリア性能を高めるために、Ｗ膜、Ｔａ膜、又はＴａ−Ｗ合金層の成膜とプラズマ窒化の繰り返しによってバリア層全体の中の窒化膜の割合を増加させることにより、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散バリア効果を著しく向上できる。
【００２５】
しかも、バリア層を多層構造にすると、単層構造に比べて、結晶粒成長に起因するバリア膜表面の凹凸を小さくできる。このため、上記した膜表面のスパッタリング効果と相まって、バリア膜表面に形成される金属膜の平坦性もより改善され、パターニング加工工程におけるパターン形状の不良率が著しく改善される。この結果、０．２５μｍ以下の微細な配線構造において要求される配線の高度の加工技術（パターニング技術）に対応できる。
【００２６】
また、本発明の第３から第６までの半導体集積回路の配線構造体において用いるＴａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金それぞれの窒化物、硼化物、炭化物は、Ｔａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金と比べて化学的に安定であり、熱処理の際にＣｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小さい。合金膜は純金属膜に比較して結晶粒が一般的に微細であるため、例えばプラズマ窒化によってより均一な、非晶質の窒化膜を形成することができる。また形成後の熱処理による再結晶化も発生しにくい。このため、これら窒化物、硼化物、炭化物を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の拡散防止バリアにすると、優れた拡散防止効果を発揮する。
【００２７】
また、本発明の半導体集積回路の配線構造体の製造方法によれば、金属膜の表面をプラズマ照射してプラズマ窒化金属薄膜を形成するため、例えば２５Å〜５０Å程度の厚さのプラズマ窒化金属薄膜を均一に成膜できる。このため、実質的な窒化物の膜厚を低く保つことができ、配線抵抗が高くなることが極めて少ない。なお、反応性スパッタリング等による膜厚制御ではこのように薄い窒化膜を均一に成膜することは困難である。
【００２８】
ここで、上記製造方法をＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ合金，Ａｕ合金，Ａｇ合金，Ａｌ−Ｃｕ合金からなる配線構造体に適用すると、プラズマ窒化金属薄膜により、配線抵抗を低く保ったままで絶縁膜や基板へのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散が良好に抑制されるというバリア効果を得ることができる。
【００２９】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
［第１実施例］
表１に、Ｃｕに対する各種バリア材料のバリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、積層構造を有する膜のバリア性を比較検討するために、シリコン基板上に種々の構造の膜を形成し、Ｃｕの膜を形成し、拡散熱処理した後、シリコン基板表面に達したＣｕの濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定したものである。
【００３０】
各試料は、シリコン基板上にバリア膜を合計で６００Å堆積し、さらにそのバリア膜上にＲＦマグネトロンスパッタリングにより銅を５０００Å堆積して形成したものである。形成後、各試料に、水素ガス雰囲気中で５００℃×１ｈの熱処理を施し、シリコン基板表面の銅濃度を測定した。表１から、多層構造を有するバリア層が、銅の拡散防止バリア効果が著しく優れていることがわかる。特に、非晶質の窒化物膜を含む多層構造がバリア性に優れていることがわかる。さらにプラズマ窒化により形成された非晶質のＷ窒化物膜を含む多層構造がバリア性に優れていることがわかる。
【００３１】
【表１】
0003672941.tif 000002
【００３２】
次に、図１から図７まで参照して、本発明の配線構造体とその製造方法の一例を説明する。図１に示されるように、シリコン基板１０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）の絶縁膜１２を形成する。この絶縁膜１２の全表面に、図２に示されるように、タングステン膜１４をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴン雰囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度１０Å／ｓで６００Å形成する。次に、図３に示されるように、このタングステン膜１４の表面に、窒素ガス圧１ｍＴｏｒｒ、窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波出力６００ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射することにより、非晶質Ｗ−Ｎ膜１６を、約２０Å形成する。次に、図４に示されるように、この非晶質Ｗ−Ｎ膜１６の表面に、銅膜１８をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴン雰囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度６０Å／ｓで形成する。その後、図５に示されるように、銅膜１８、Ｗ−Ｎ膜１６、及びタングステン膜１４をパターニングして銅配線２０を形成する。さらにその後、図６に示されるように、ＣＶＤ法によって、タングステンを銅配線２０、Ｗ−Ｎ膜１６、及びタングステン膜１４の外面のみに選択的に４００Å成長させてタングステン被覆膜２２を形成する。このタングステン被覆膜２２は、試料温度を２００℃〜４００℃とし、六フッ化タングステンガスと水素ガスの混合ガスを成膜室に供給し、ガス圧を１Ｔｏｒｒ以下とすることにより形成する。この成膜方法によると、界面反応が律速となり、銅配線２０、Ｗ−Ｎ膜１６、およびタングステン膜１４の外面にのみタングステンを選択成長させることができる。最後に、図７に示すように、ＣＶＤタングステン膜の表面を、再び窒素ガス圧１ｍＴｏｒｒ、窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波出力６００ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射して、非晶質Ｗ−Ｎ膜２４を約２０Å形成する。
【００３３】
ここで、この配線構造体を多層化するためには、非晶質Ｗ−Ｎ膜２４の上に、通常のＳｉＯ2 等の絶縁層を設け、この絶縁膜の上に、上記した配線構造体を同様の方法で製造すればよい。
プラズマ窒化膜の膜厚は、プラズマ電力、加速電圧、基板温度等を変化させることによって制御できる。ＥＣＲプラズマを用いた場合、加速なし、プラズマ電力６００Ｗ、基板温度室温の条件下で約２０ÅのＷ−Ｎ膜を４０秒以上の窒化時間で形成できる。この膜厚は、窒化時間を５分まで増加させてもほとんど増加しなかった。またこの膜に含まれるＷ原子とＮ原子との組成比は１に近い（１±０．２）ことがＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって確認された。
【００３４】
基板温度を１００℃に高めることによって５０Åまで、さらに２００℃に高めることによって１００ÅにまでＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただし５０Å以上ではバリア性に顕著な向上は見られず、一方、Ｗ膜厚が減少することによって配線抵抗は僅かながら増大した。さらに、基板温度２００℃において、基板に２００Ｖの加速電圧を加えることによって１５０ÅまでＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただし膜厚が１００Åを越えると、粗な窒化金属膜が形成され、かえってバリア性は劣化した。
【００３５】
一方プラズマ電力を低下させたり、照射時間を４０秒以下に短縮させたりすることにより、より薄いＷ−Ｎ膜を得ることもできる。例えばプラズマ電力２００Ｗ、窒化時間１０秒において８ÅにまでＷ−Ｎ膜厚を減少させることができた。ただし膜厚が１０Å未満になると、顕著にバリア性が低下した。
従って、Ｗ−Ｎ膜厚は１０Å〜１００Åの範囲にすることが好ましく、さらに１０Å〜５０Åの範囲にすることが好ましい。
【００３６】
窒化に使用するプラズマの発生方法は、金属膜表面を実用的な時間内で窒化させるため、高い密度のプラズマを発生できる方法が望ましい。通常の１３．５６ＭＨｚの高周波プラズマでは、実用的な窒化時間内で十分なＷ−Ｎ膜厚を得る条件は見出せなかった。通常の高周波プラズマではプラズマ密度が１×１０10ｃｍ-3程度と低いためと解釈できる。これに対してＥＣＲでは５×１０10ｃｍ-3以上の高いプラズマ密度を得ることができるため、４０秒という短時間の窒化によって十分な膜厚のＷ−Ｎ膜を得ることができたものと解釈できる。
【００３７】
ＥＣＲと同様に高密度のプラズマを得ることができるプラズマ発生方法としては、ヘリコン（Ｈｅｌｉｃｏｎ）プラズマ、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）等が好適に使用できる。
また、Ｗ−Ｔａ合金，Ｍｏ，Ｎｂ，ＴｉがＴａに添加されたＴａ系合金、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｄ，ＰｂがＷに添加されたＷ系合金の表面を窒化した積層構造からなるバリア層を使用することにより、さらに高いバリア性が得られる。
【００３８】
［第２実施例］
バリア材料としてＮｂとプラズマ窒化Ｎｂを用いた配線構造体の製造方法を、図８から図１０までを参照して説明する。
図８に示されるように、Ｓｉ基板３０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）の絶縁膜３２を形成し、この絶縁膜３２の表面に、Ｎｂ結晶質膜３４を形成する。このＮｂ結晶質膜３４は、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで１０００Å成長させた。その後、このＮｂ結晶質膜３４の表面に、Ｎ2 ガス圧１ｍＴｏｒｒ（流量２０ｓｃｃｍ）、出力４００ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射することによりＮｂ結晶質膜３４の表面を窒化し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜（Ｎｂ−Ｎ）３４ａを形成した。このプラズマ窒化Ｎｂ薄膜３４ａの表面に、Ｃｕ膜３６をＲＦマグネトロンスパッタリングにより２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で形成し、図９に示されるように、これらをパターニングしてＣｕ配線３６ａを形成した。図１０は、Ｃｕ配線３６ａとこのＣｕ配線３６ａの下地膜を示す拡大図であり、Ｎｂ結晶質膜３４の上部にはプラズマ照射により非晶質の窒化Ｎｂ薄膜３４ａが形成されている。なお。Ｃｕ膜３６の代わりにＡｌ−Ｃｕ合金膜を形成した場合にも、Ｎｂ−Ｎ／Ｎｂ層積膜はＡｌ−Ｃｕ合金膜中のＣｕの拡散を防止するために有効である。
［第３実施例］
ここでは、配線構造体の実施例を、比較例と共に説明する。
【００３９】
表２は、上記の方法で形成したＮｂ結晶質膜とプラズマ窒化Ｎｂ薄膜（Ｎｂ−Ｎ）を用いた実施例、スパッタリングによって１０００ÅのＴｉ−Ｎを下地として形成した比較例、及び下地を絶縁膜のままとした比較例それぞれ配線抵抗の値である。試料は、Ａｌ−Ｃｕ合金配線と下地膜を合わせた合計の膜厚が１００００Åとなるように積膜し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜の厚さは２５Å〜５０Åの範囲である。
【００４０】
表３は、上記の方法で作製したプラズマ窒化金属薄膜を用いた実施例、及び各種の下地材料を用いた比較例の、Ｃｕに対するバリア性をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  二次イオン質量分析）によって評価した結果である。試料は下地の上にＣｕを１０００Å積膜し、Ｈ2 雰囲気中で６００℃×１ｈの熱処理（昇温速度：１００℃／ｈ）を行ったもので、これらをＳＩＭＳを用いてＣｕのデプスプロファイルを得ることにより、Ｓｉウエハ中のＣｕの濃度を比較した。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
【表３】
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【００４３】
表２，３に示されるように、これまで提案されている金属膜、窒化物膜に比べ本実施例のように下地の表面をプラズマ窒化しプラズマ窒化金属薄膜を形成すると、配線抵抗の上昇を抑制できると共にＣｕの拡散を著しく減少させることができる。
［第４実施例］
次に、配線構造体の他の実施例を、比較例とともに説明する。
【００４４】
表４は、同じ厚さを持つ各種バリア層のＣｕに対するバリア性の相違を比較するために、Ｃｕ／Ｍ／Ｓｉ（Ｍは各種バリア層を表わす）積層膜を拡散熱処理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定した結果である。
【００４５】
【表４】
0003672941.tif 000005
【００４６】
比較例の試料は、先ず、Ｓｉ基板上に単層のバリア膜をＲＦマグネトロンスパッタリングにより６００Å堆積させた。一方、実施例の試料は、先ず、Ｓｉ基板上に金属膜をＲＦマグネトロンスパッタリングで形成し、この金属膜の表面にプラズマ窒化金属薄膜をＥＣＲプラズマ窒化法により形成して１層目とし、この１層目の上に上記方法で金属膜、プラズマ窒化金属薄膜を順次形成して厚さ６００Åの多層のバリア層を形成した。さらに、これら比較例と実施例の試料の表面に、ＣｕをＲＦマグネトロンスパッタリングにより５０００Å積層して多層膜を形成し、この多層膜が形成されたこれらの試料に、Ｈ2 ガス雰囲気中で６４０℃×１ｈの熱処理を施し、その後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳを用いて測定し、比較した。表３から明らかなように、従来のＣｒ、Ｍｏ、ＴｉＮ等のバリア膜に比べて、実施例のバリア層ではＳｉ表面のＣｕ濃度が著しく減少しており、本発明の有効性が明らかに分かる。
【００４７】
次に、図１１から図１３までを参照して、上記表４のうちのＷ膜とプラズマ窒化Ｗ薄膜（Ｗ−Ｎ／Ｗ）からなる層を６層に積層したバリア層が形成された配線構造体の形成方法を説明する。図１１に示されるようにに、Ｓｉ基板４０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）の絶縁膜４２を形成し、この絶縁膜４２の全表面にＷ膜を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで１００Å成長させる。このＷ膜の表面に、Ｎ2 ガス圧力１ｍＴｏｒｒ，プラズマ出力４００ＷのＥＣＲプラズマを６０ｓ照射することによりＷ膜の表面を窒化してプラズマ窒化膜を形成し、これによりＷ膜とプラズマ窒化Ｗ薄膜からなる層を形成する。この層の上に、上記方法の繰り返しによって膜厚６００Åの多層のバリア層４４を形成する。このバリア層４４の表面に、Ｃｕ膜４６を全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度６０Å／ｓで５０００Å成長させる。その後、図１２に示されるように、バリア層４４とＣｕ膜４６をパターニングして下地膜４４ａと配線４６ａを形成する。さらにその後、図１３に示されるように、ＣＶＤ法によりＷを下地膜４４ａと配線４６ａの外面のみに４００Å成長させてＷ被覆膜４８を形成する。このＷ被覆膜４８は、試料温度を２００〜４００℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この混合ガスの圧力を１Ｔｏｒｒ以下にして形成する。この成膜方法によると、界面反応が律速となり、下地膜４４ａと配線４６ａの外面のみにＷを選択成長させることができる。ここで、この配線構造体を多層化するためには、Ｗ被覆膜４８上にＳｉＯ2 膜など絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に上記した配線構造体を同様の方法で作製すればよい。
［第５実施例］
先ず、表５〜表７に、各種材料のＣｕに対するバリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、各種材料のバリア性を比較するために、Ｃｕ／Ｍ／Ｓｉ積層膜（Ｍは各種バリア膜材料を表す。）積層膜を形成し拡散熱処理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  二次イオン質量分析）により測定したものである。
【００４８】
これらの多層膜は、Ｎ2 とＡｒの混合ガス又はＡｒガスを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタリングによりＳｉ基板上にバリア材料合金膜を６００Å堆積させ、さらにこのバリア材料合金膜上に、ＡｒガスのＲＦマグネトロンスパッタリングによりＣｕを５０００Å堆積させて形成した。その後、これらの多層膜に、Ｈ2 ガス雰囲気中で６５０℃×１．５ｈの熱処理を施し、Ｓｉ基板表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ用いて測定し比較した。
【００４９】
【表５】
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【００５０】
【表６】
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【００５１】
【表７】
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【００５２】
表５〜表７から明らかなように、各種合金の窒化物、硼化物、及び炭化物は従来のバリア材料に比べてバリア効果が優れていることがはっきりと分かる。
次に、図１４から図１６までを参照して、本発明の配線構造体とその製造方法の一例を説明する。
図１４に示されるように、Ｓｉ基板５０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）の絶縁膜５２を形成し、この絶縁膜５２の全表面にＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４（Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎは、１５ａｔ％のＴａ、８０ａｔ％のＷ、５ａｔ％のＭｏからなる合金の窒化物を表す。）を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ５０％、Ｎ2 ５０％ガス雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで６００Å成長させる。このＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４の表面にＣｕ膜５６を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度６０Å／ｓで５０００Å成長させる。その後、図１５に示されるように、Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４とＣｕ膜５６をパターニングして下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａを形成する。さらにその後、図１６に示されるように、ＣＶＤ法によりＷを下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面のみに選択的に４００Å成長させ、Ｗ被覆膜５８を形成する。このＷ被覆膜５８は、試料温度を２００〜４００℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この混合ガスのガス圧を１Ｔｏｒｒ以下にすることにより形成する。この成膜方法によると、界面反応が律速になり、下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面のみにＷを選択成長させることができる。ここで、この配線構造体を多層化するためには、Ｗ被覆層５８上にＳｉＯ2 等の絶縁膜を設け、この絶縁膜上に上記した配線構造体を同様の方法で作製すればよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の第１の配線構造体は、金属膜と金属化合物膜とを重ねた少なくとも１つの積層からなるバリア層を配線の下地又は被覆にしたため、配線抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散を防止させることができ、信頼性に優れた半導体の配線構造を実現することができた。従って本発明の工業的意義は非常に大きいものとなる。本発明を、Ｃｕ配線に適用すると、Ｃｕ配線の抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散を防止することができ、信頼性に優れた半導体の配線構造体を実現することができる。
【００５４】
また、本発明の第２の配線構造体は、金属膜とこの金属膜を構成する金属の窒化金属薄膜からなる層が少なくとも１層形成されたバリア層が形成されているため、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性が改善されパターニング加工工程におけるパターン形状の不良率が著しく改善される。
また、本発明の第３から第６までの半導体集積回路の配線構造体では、バリア性の良好なＴａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金の窒化物、硼化物、炭化物をＣｕ配線の下地及び／又は被覆にしているため、Ｃｕの拡散を十分に抑制した配線構造体を実現することができる。したがって、本発明により、比抵抗がＡｌより小さく耐エレクトロマイグレーションに優れた、工業的意義が非常に大きいＣｕ配線が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１４】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【図１６】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０  Ｓｉ基板
１２，３２，４２  絶縁膜
１４  タングステン膜
１６，２４  非晶質ＷＮX 膜
１８，３６，４６  Ｃｕ膜
２０，３６ａ，４６ａ  Ｃｕ配線
２２  タングステン被覆膜
３４  Ｎｂ結晶質膜
３４ａ  プラズマ窒化Ｎｂ薄膜
４４  バリア層
４４ａ  下地膜
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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