(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＡｌを主成分とする第１金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にＡｌと共晶を形成する金属を主成分とする第２金属膜を形成する工程と、
熱処理を行って、前記第２金属膜中の前記金属を前記第１金属膜中に拡散させ、かつ前記第１金属膜中に前記金属とＡｌとの共晶状態を形成する工程と、
前記熱処理を終了し、前記第１金属膜の温度を下げて、前記第１金属膜の粒界全体に前記金属を含む拡散障壁層を形成する工程と、
前記第１金属膜を加工して配線を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記金属はＣｕであり、かつ前記熱処理時に、前記第１金属膜中のＣｕ濃度を５．７ｗｔ％以上５４．１ｗｔ％以下にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板上に、Ａｌと共晶を形成する金属およびＡｌを含む金属膜を形成する工程と、
熱処理を行って、前記金属膜中に前記金属とＡｌとの共晶状態を形成する工程と、
前記熱処理を終了し、前記金属膜の温度を下げて、前記金属膜の粒界全体に前記金属を含む拡散障壁層を形成する工程と、
前記金属膜を加工して配線を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記金属膜は、Ｃｕ濃度が５．７ｗｔ％以上５４．１ｗｔ％以下のＣｕを含むＡｌ膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属は、Ｃｕであることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理を５４８℃以上６６０℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理をＲＴＡにより行うことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記拡散障壁層は、ＣｕＡｌ２  層であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌを用いた配線を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化に伴って、Ａｌ配線の微細化が進んでいる。この種の微細化によって配線面積は小さくなる一方であるが、信号電流の低減化が図られていない。その結果、配線電流密度が増加し、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）による断線や短絡が大きな問題となっている。
【０００３】
特に、配線幅が結晶粒径に比べて同程度以上の幅広い配線（幅広配線）においては、配線内の一部または全体に結晶粒界三重点（以下、単に三重点という）を大量に含む配線構造になる。
【０００４】
Ａｌ配線の信頼性を高める方法の１つとして、Ａｌ配線中に異種金属を添加して、Ａｌの粒界拡散を抑制する方法が知られている。この方法を用いたダマシン配線の形成方法について、図５を参照しながら説明する。
【０００５】
先ず、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜５１の表面に配線溝５２を形成する。
【０００６】
次に図５（ｂ）に示すように、図示していないが必要に応じてバリアメタル膜を形成してから、配線溝５２を埋め込むように、Ｃｕ濃度が０．２〜４％のＣｕを含むＡｌ膜（Ａｌ−Ｃｕ膜）５３を全面に形成する。なお、図中、５４はＡｌ粒界を示している。
【０００７】
次に図５（ｃ）に示すように、配線溝５２の外部の不要なＡｌ−Ｃｕ膜５３をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により除去して、Ａｌ配線５３を形成する。その後、例えば４５０℃、１０分の熱処理によって、同図（ｃ）に示すように、Ａｌ粒界５４にＣｕを析出させ、Ａｌ拡散に対するＣｕからなる拡散障壁層５５を形成する。
【０００８】
ところで、この方法では、Ａｌ粒界５４の一部にしかＣｕは析出しないので、図５（ｃ）に示すように、Ａｌ粒界５４の一部にしか拡散障壁層５５は形成されず、したがって拡散障壁層５５が形成されていないＡｌ粒界５４は何ら強化されないことになる。そのため、この方法を用いても、Ａｌ配線のＥＭに対する配線寿命は、数倍〜十数倍程度しか改善できない。
【０００９】
微細化が進んだ現状の微細・多層の複雑な配線構造においては、このような一部のＡｌ粒界５４のみを強化するというだけでは、高信頼化対策としては不十分である。
【００１０】
更に、これからのＬＳＩは、より高温条件・高電流密度という過酷な雰囲気条件下で使用される。例えば、使用電流密度の最大値は現在の０．２ＭＡ／ｃｍ２  から０．５〜１ＭＡ／ｃｍ２  へ、使用環境温度は現在の１００℃から１５０〜２００℃へという具合に非常に過酷な条件が科せられるようになる。したがって、Ａｌ配線に対しては、今まで以上の大幅な信頼性向上が要求されている。
【００１１】
Ａｌ配線の信頼性を高める他の方法として、Ａｌ結晶粒の増大化を利用した方法が知られている。この方法は、Ａｌ配線を形成した後、Ａｌ配線に４５０℃以上の高温熱処理を施し、Ａｌ配線中のＡｌを再結晶化し、Ａｌの平均結晶粒径を大きくすることによって、ＥＭ不良の原因となる配線中の粒界数を減らすというものである。
【００１２】
この方法は、Ａｌの平均粒径が配線幅より大きい場合、すなわち微細幅配線に対しては十分な効果を得ることができるが、配線幅がＡｌの平均粒径より太い場合には、配線中に三重点が含まれるようになるので、十分な効果は期待できなくなる。
【００１３】
実際のＬＳＩ中には種々の幅のＡｌ配線が存在するため、このような微細幅配線のＥＭ耐性のみを改善するというだけでは、高信頼化対策としては不十分である。
【００１４】
また、Ａｌ配線の信頼性を高める更に別な方法としては、Ａｌ配線下に高融点導電層を設けて拡散しにくい粒界構造にする方法が提案されているが、先の２つの方法と同様に、高信頼化対策としては不十分であるという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のＡｌ配線の信頼性を高める方法として、Ａｌ配線中に異種金属を添加して粒界拡散を抑制する方法、Ａｌ結晶粒の増大化を利用して粒界密度を減少させる方法などが知られていが、配線の一部分しかＥＭ耐性を改善することができなかったり、あるいは微細幅配線しかＥＭ耐性を改善することができなかったので、高信頼化対策としては不十分であるという問題があった。
【００１６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、Ａｌを主成分とする配線のＥＭ耐性を効果的に改善できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
［構成］
上記目的を達成するために、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上にＡｌを主成分とする第１金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にＣｕを主成分とする第２金属膜を形成する工程と、熱処理を行って、前記第２金属膜中のＣｕを前記第１金属膜中に拡散させ、かつ前記第１金属膜中にＣｕとＡｌとの共晶状態を形成する工程と、前記熱処理を終了し、前記第１金属膜の温度を下げて、前記第１金属膜の粒界全体にＣｕを含む拡散障壁層を形成する工程と、前記第１金属膜を加工して配線を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上にＡｌおよびＣｕを含む金属膜を形成する工程と、熱処理を行って、前記金属膜中にＣｕとＡｌとの共晶状態を形成する工程と、前記熱処理を終了し、前記金属膜の温度を下げて、前記金属膜の粒界全体にＣｕを含む拡散障壁層を形成する工程と、前記金属膜を加工して配線を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
これらの第１および第２の半導体装置の製造方法の好ましい形態は以下の通りである。
【００２０】
（１）第１の半導体装置の製造方法において、熱処理時に、第１金属膜中のＣｕ濃度を５．７ｗｔ％以上５４．１ｗｔ％以下（好ましくは３３．０wt％以下）にする。また、第１金属膜は形成時には純Ａｌ膜、またはＡｌ以外の他の金属（例えばＣｕ）を含むＡｌ膜である。
【００２１】
（２）第２の半導体装置の製造方法において、金属膜がＣｕ濃度が５．７ｗｔ％以上５４．１ｗｔ％以下（好ましくは３３．０ｗｔ％以下）のＣｕを含むＡｌ膜である。
【００２２】
（３）第１および第２の半導体装置の製造方法において、熱処理を５４８℃以上６６０℃以下の温度で行う。
【００２３】
（４）第１および第２の半導体装置の製造方法において、熱処理をＲＴＡにより行う。
【００２４】
（５）第１および第２の半導体装置の製造方法において、拡散障壁層がＣｕＡｌ２  層である。ＣｕＡｌ２  層以外に高濃度のＣｕ層を含んでいても良い。
【００２５】
（６）第１および第２の半導体装置の製造方法において、配線がダマシン配線である。
【００２６】
（７）上記（２），（３）、または上記（１），（３）を同時に満たすようにする。
【００２７】
［作用］
本発明者らの研究によれば、熱処理を行って、Ａｌ膜中に例えばＣｕとＡｌとの共晶状態を形成することによって、熱処理終了後のＡｌ膜の降温過程で、Ａｌ膜の粒界全体にＡｌ拡散に対する拡散障壁層（ＣｕＡｌ２  層）を形成することができることが分かった。
【００２８】
したがって、上記知見に基づいた本発明によれば、第１金属膜または金属膜の粒界全体にＡｌ拡散に対する拡散障壁層を形成することができ、Ａｌを主成分とする配線のＥＭ耐性を効果的に改善できるようになる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌ配線のダマシンプロセスによる形成方法を示す工程断面図である。
【００３１】
先ず、図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜１の表面に配線溝２を形成する。層間絶縁膜１の下には図示しない半導体基板が存在する。半導体基板は、例えばシリコン基板またはＳＯＩ基板である。
【００３２】
次に図１（ｂ）に示すように、配線溝２を埋め込むように全面にＡｌ膜３をスパッタ法により形成する。Ａｌ膜３を形成する前に、配線溝２の内面（側面および底面）を被覆するように、ＴｉＮ膜またはＴｉ膜／ＴｉＮ膜などのバリアメタル膜を全面に形成しても良い。Ａｌ膜３は、Ｃｕなどの添加物を含む合金膜でも良いし、あるいは純粋Ａｌ膜でも良い。なお、図中、４はＡｌ粒界を示している。
【００３３】
次に図１（ｃ）に示すように、Ａｌ膜３上にＣｕ膜４をスパッタ法により形成する。
【００３４】
ここで、Ｃｕ膜４の膜厚（量）は、熱処理によって、Ａｌ膜３中に全てのＣｕが反応して拡散した場合に共晶状態となりうるに十分な膜厚（量）とする。具体的には以下の通りである。
【００３５】
図４に、Ａｌ−Ｃｕ二元合金の相状態図を示す。図から、Ａｌ中のＣｕ量が５．７〜５４．１ｗｔ％の時に５４８℃以上で共晶状態となることが分かる。したがって、ここでは、Ａｌ中のＣｕ量が５．７〜５４．１ｗｔ％となるように、Ｃｕ膜４の膜厚を選択する。なお、好ましくは５．７〜３３．０ｗｔ％にする。
【００３６】
次にＡｌ−Ｃｕ共晶温度である５４８℃以上６６０℃以下の温度の熱処理を行って、Ｃｕ膜５中のＣｕをＡｌ粒界４に拡散させ、かつＡｌ粒界４にＡｌとＣｕとの共晶状態を形成する。
【００３７】
次に上記熱処理を終了し、系の温度を下げると、その降温過程で、共晶状態であったＡｌとＣｕとが反応し、図１（ｄ）に示すように、Ａｌ粒界４の全体にＣｕＡｌ２  合金からなるＡｌ拡散に対する拡散障壁層６が形成される。条件によって高濃度のＣｕ層が形成されるＡｌ粒界４も現れる。
【００３８】
Ａｌ粒界４の全体に拡散障壁層６が形成される理由は明らかではないが、共晶状態にすることから従来よりも大量のＣｕがＡｌ膜３中に拡散すること、共晶状態のほうが固相状態（従来方法の場合）に比べて、ＣｕおよびＡｌが結晶粒界に与えられ易いことが考えられる。本発明者らは、共晶状態になる温度から１度でも下がると、Ａｌ粒界４の全体に拡散障壁層６を形成することができなくなることを確認しており、共晶状態が重要な役割を果たしていることは確かであると考えている。
【００３９】
図１（ｄ）の工程後は従来のダマシンプロセスと同じであり、配線溝２の外部の不要なＡｌ膜２および拡散障壁層６をＣＭＰにより除去して、Ａｌ配線が完成する。バリアメタル膜を形成した場合には、配線溝２の外部の不要なバリアメタル膜も同時に除去する。
【００４０】
図２に、完成したＡｌ配線を示す。同図（ａ）は微細幅のＡｌ配線２ａの断面図を示している。この場合、図に示すように、拡散障壁層６はＡｌ配線２ａのバンブー構造の粒界に形成される。拡散障壁層６が厚いのは、共晶状態を形成する条件では大量のＣｕがＡｌ膜３に拡散するからである。同図（ｂ）は太いＡｌ配線２ｂの断面図を示している。この場合、図に示すように、３重点を有する粒界中に拡散障壁層６が形成される。
【００４１】
本実施形態の場合、従来とは異なり、拡散障壁層６はＡｌ配線２ａ，２ｂの粒界全体に形成される。そのため、ＥＭで発生するＡｌ配線２ａ，２ｂ中のＡｌ原子流を効果的に抑制でき、Ａｌ原子流の結果として起こるボイド、ヒロックなどの不良発生を効果的に抑制できる。すなわち、Ａｌ配線のサイズに関係なく、ＥＭ耐性の高いＡｌ配線を得ることができる。
【００４２】
したがって、本実施形態の方法を用いれば、微細幅配線を含む種々のサイズのＡｌ配線が使用されている実際の半導体装置におけるＥＭ耐性を効果的に改善できるようになる。
【００４３】
拡散障壁層６を形成するための熱処理は５４８℃以上と高温であるために、例えばラピッドサーマルアニール（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）のような短時間の熱処理が望ましい。
【００４４】
その理由は、このような熱処理であれば、トータルの熱負荷（サーマルバジェット）を減らせることから、バリアメタルとＡｌまたはＣｕとの望ましくない反応などを抑制できるからである。
【００４５】
熱処理の具体例をあげると、図２に示したＡｌ配線２ａ，２ｂを実現するためには、５６０℃、２０秒間の熱処理を行えば良い。
【００４６】
本実施形態の大きな特徴は、ＡｌとＣｕとの共晶形成を満足する条件下で熱処理を行うことにある。したがって、例えばＡｌ中のＣｕ量が５．７ｗｔ％未満あるいは５４．１ｗｔ％より多い場合には、５４８℃の熱処理を行ってもＡｌ−Ｃｕ共晶条件とならないためにＡｌの粒径が大きくならず、ＣｕＡｌ２  合金が分散して析出してしまい図２に示した高信頼性配線構造は得られない。
【００４７】
また、熱処理温度については高温にすればＡｌの粒径は大きくなるが、バリアメタルとの反応など望ましくない状況が発生するため、熱処理温度は低温であることが望ましい。
【００４８】
この点では共晶条件の５４８℃が図２に示した高信頼性配線構造を得るための最低温度である。実用上は熱処理設備の温度均一性などを考慮して５４８℃より少し高い温度で熱処理をするのが望ましい。
【００４９】
５４８℃より高い温度で熱処理する時にＣｕ量が５．７ｗｔ％未満の場合、図４のＡｌ−Ｃｕ二元合金の状態図で共晶領域は５４８℃の共晶線端の５．７ｗｔ％よりＡｌ中のＣｕ量が低い方向にシフトする。
【００５０】
この場合、熱処理の終了後の温度が下がる過程で、ある温度以下になるとＡｌ中のＣｕは共晶状態からＡｌ中固溶状態となり、さらに低温になるとＣｕが析出する。このような場合でも、Ａｌ粒径が大きくなり、Ａｌ粒界にＣｕあるいはＣｕＡｌ２  が析出するが、その析出状態は従来の場合と同じでＡｌ粒界の一部にＣｕ等が析出した点在状態であり、大きなＥＭ信頼性向上の効果は得られない。
【００５１】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係るＡｌ配線のダマシンプロセスによる形成方法を示す工程断面図である。
【００５２】
第１の実施形態は、Ｃｕ膜厚を変えることでＡｌ膜中のＣｕ量を調整できるため、条件出しなどの実験として実施するには都合が良いが、成膜装置にＡｌ膜とＣｕ膜を別々に成膜するための設備が必要となり、量産に適したものではない。
【００５３】
本実施形態では量産に適した方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、層間絶縁膜１１の表面に配線溝１２を形成する。層間絶縁膜１１の下には図示しない半導体基板が存在する。半導体基板は、例えばシリコン基板またはＳＯＩ基板である。
【００５４】
次に図３（ｂ）に示すように、配線溝１２を埋め込むように全面にＣｕを含むＡｌ膜（Ａｌ−Ｃｕ膜）１３を形成する。Ａｌ−Ｃｕ膜１３の形成方法の一例として、Ａｌ−Ｃｕ合金ターゲットをスパッタする方法がある。Ａｌ−Ｃｕ膜１３中のＣｕ量は、第１の実施形態と同様に５．７〜５４．１ｗｔ％とする。また、Ａｌ−Ｃｕ膜１３を形成する前に、第１の実施形態と同様に、バリアメタル膜を形成しても良い。なお、図中、１４はＡｌ粒界を示している。
【００５５】
次に例えば５６０℃で２０秒間のＲＴＡ等の短時間の熱処理を行って、Ａｌ−Ｃｕ膜１３中のＣｕをＡｌ粒界１４に拡散させ、Ａｌ粒界１４にＡｌとＣｕとの共晶状態を形成する。
【００５６】
次に上記熱処理を終了し、系の温度を下げると、その降温過程で、共晶状態であったＡｌとＣｕとが反応し、次に図３（ｃ）に示すように、Ａｌ粒界１４の全体にＣｕＡｌ２  合金からなるＡｌに対する厚い拡散障壁層１５が形成される。条件によって高濃度のＣｕ層が形成されるＡｌ粒界１４も現れる。
【００５７】
この後は従来のダマシンプロセスと同じであり、配線溝１２の外部の不要な膜をＣＭＰにより除去して、Ａｌ配線が完成する。バリアメタル膜を形成した場合には、配線溝１２の外部の不要なバリアメタル膜も同時に除除する。
【００５８】
本実施形態でも第１の実施形態と同様な効果が得られ、さらに成膜装置としてはＡｌ−Ｃｕ膜１３を成膜するだけの設備だけで済むため、量産性を高くできるようになる。
【００５９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、シングルダマシン配線の場合について説明したが、本発明はデュアルダマシン配線にも適用できる。微細化が進んだ場合、接続孔のアスペクト比が高くなるので、配線およびプラグとしてのＡｌ膜は、２ステップリフロースパッタ法にて形成することが好ましい。このような成膜法を用いることにより、高アスペクト比の接続孔をＡｌ膜で埋め込むことが可能となる。
【００６０】
また、本発明はダマシン配線以外にＲＩＥ配線にも適用可能である。
【００６１】
また、上記実施形態では、Ａｌ−Ｃｕ共晶状態を利用してＡｌ配線中にＣｕＡｌ２  拡散障壁層を形成したが、Ａｌと共晶を形成するＣｕ以外の他の金属を用いても同様の効果を得ることができる。
【００６２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、熱処理によって第１金属膜または金属膜中にＡｌとそれ以外の金属との共晶状態を形成することによって、熱処理終了後の第１金属膜または金属膜の降温過程で、第１金属膜または金属膜の粒界の全体に上記金属とＡｌとからなる拡散障壁層を形成することができ、Ａｌを主成分とする配線のＥＭ耐性を効果的に改善できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＡｌ配線の形成方法を示す工程断面図
【図２】同形成方法により得られたＡｌ配線の構造を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＡｌ配線の形成方法を示す工程断面図
【図４】Ａｌ−Ｃｕ二元合金の相状態図
【図５】従来のＡｌ配線の形成方法を示す工程断面図
【符号の説明】
１…層間絶縁膜
２…配線溝
３…Ａｌ膜（第１金属膜）
４…Ａｌ粒界
５…Ｃｕ膜（第２金属膜）
６…拡散障壁層（ＣｕＡｌ２  合金層）
１１…層間絶縁膜
１２…配線溝
１３…Ａｌ−Ｃｕ膜（金属膜）
１４…Ａｌ粒界
１５…拡散障壁層（ＣｕＡｌ２  合金層）
【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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