(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に堆積された絶縁膜に形成された配線溝に銅配線層を埋め込む工程と、
窒化、酸化、ホウ化、硫化、あるいはリン化の何れかの処理をおこなうことにより前記銅配線層上に銅の化合物を形成する工程と、
前記銅の化合物上に銅原子と相互拡散する原子からなる拡散母材層、及びバリアメタル層を順次形成する工程と、
熱処理により前記銅配線層を構成する銅原子と前記拡散母材層を構成する原子とを相互拡散させることにより、前記銅配線層と前記拡散母材層の間に銅の合金層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記拡散母材層はTi, B,S, Sn,Ga,Ge, Hf, In, Mg, Ni,Nb,Pd, P, Sc, Se, Si, Zn, Agの何れかを少なくとも１種類含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記バリアメタルは CoSn、CoZ、CoW、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗ、ＷＮ の何れかであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に堆積された絶縁膜に形成された配線溝に銅配線層を埋め込む工程と、
窒化、酸化、ホウ化、硫化、あるいはリン化の何れかの処理をおこなうことにより前記銅配線層上に銅の化合物を形成する工程と、
前記銅の化合物上に銅原子と相互拡散する原子を含むバリアメタル層を形成する工程と、
熱処理により前記銅配線層を構成する銅原子と前記バリアメタル層に含まれる原子とを相互拡散させることにより、前記銅配線層と前記バリアメタル層の間に銅の合金層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記バリアメタル層に含まれる原子はTi, B,S, Sn,Ga,Ge, Hf, In, Mg, Ni,Nb,Pd, P, Sc, Se, Si, Zn, Agの何れかの少なくとも１種類であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記バリアメタルはCoSn、CoZ、CoW、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗ、ＷＮ の何れかであることを特徴とする請求項４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】
本発明は銅配線を有する半導体装置の製造法に係り、特に銅配線上に上層配線を密着性良く形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の微細化に伴い、素子の信号遅延に占めるRC遅延が無視できなくなってきている。そのため、配線材料の観点からは、アルミ二ウム(Al)合金(3 SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 12SYMBOL 87 \f "Symbol" \s 12・cm)よりも比抵抗が小さいCu(1.8 SYMBOL 109 \f "Symbol" \s 12SYMBOL 87 \f "Symbol" \s 12・cm)の使用が検討されている。また、銅(Cu)の自己拡散係数(3.04 x10-10cm2/s)はAl(8.21 x10-7cm2/s)と比較して大きく、Al配線よりも高いエレクトロマイグレーション(EM)耐性が得られる。しかしながら、Cu配線のさらなるEM耐性の改善が要求されており、EMメカニズムの解明が進められている。
【０００３】
Cuダマシン配線技術においては、Ｃｕ配線層上にはプラズマ化学気相成長法(Chemical vapor deposition:CVD)法で形成した窒化シリコン（SiN）膜などが堆積される。Cu/SiN界面はCu/バリアメタル界面と比べると密着性が悪いため、その界面に沿ってのCu原子の拡散が配線の寿命を主に支配していると報告されている。Cu/SiN界面の密着性を改良すべく、Cu表面の酸化層を還元する方法などが検討されているが、大幅に密着性を向上させることは難しい現状である。
【０００４】
また、SiNに変えて10〜20nm厚さのCoWPでCu層上をキャップすることにより、EM耐性が著しく向上することが報告されており、Cuとの異種材料界面を全て金属に置き換える意義は大きいといえる。ただし、Cuとの異種界面が金属に変わったとしても界面の密着性は適用材料に依存する。
【０００５】
Cuとバリアメタルの関係を例にとって説明すると、Cu/TaN構造よりもCu/Ta構造のほうがEM耐性は向上することが報告されている。それぞれのリファレンスのバリアメタル上に堆積されたCu薄膜を高温で熱処理した後、表面モフォロジーを比較すると、Cu/TaN構造ではCu膜が凝集する。一方、Cu/Ta構造では平滑な連続膜を維持しており、平滑なCu膜表面を維持できているということは、界面の密着性が良いことを意味する。そして、密着性の良いバリアメタルのほうがEM体性は向上することが明らかになっている。この考え方は、Cu上のキャップメタルに関しても同様であると推測される。
【０００６】
Cuの密着性の良いバリアメタルを適用する他に、例えば、Cu配線とバリアメタルとの間に銅の合金層を形成させることで、Cuのバリアメタルに対する密着性を改良する方法が従来技術文献には示されている（特開平７−２３５５３８、８−１７８２４、特開２０００−３１１８９７、２００１−９３９７６参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術においては、Cu配線層と反応層とを直接反応させることにより銅の合金層を形成しているために、反応の制御が難しく合金層の膜厚が制御ができないといった問題があり、その結果、配線抵抗が上昇してしまうといった問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Cu配線層上にCuの窒化物のような化合物層、Cuの化合物上にCu層と相互拡散する反応層、さらにバリアメタル層を積層して形成する。そして、熱処理によりＣｕ配線層と反応層とを相互拡散させ合金層を形成する。
また、Ｃｕ配線層上にＣｕと相互拡散する物質を含むバリアメタル層を形成し、そして、熱処理により合金化しＣｕ配線層上にＣｕの合金層及びバリアメタル層を積層形成するようにした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
従来技術と同様の方法により、半導体基板上に堆積された酸化シリコン(SiO2)からなる第１の絶縁層１に配線溝２を形成後、配線溝内に第１のバリアメタル層３及びシード層を形成し、Cu電解めっき法によりCuを埋め込む。その後Cu配線層の硬度、結晶性、比抵抗等の安定化を計る熱処理を行った後、ＣＭＰ法により平坦化することにより埋め込みCu配線層４が形成される（図１参照）。
【００１０】
次に、図２に示すように、第２のバリアメタル層５を形成する。例えば、窒化処理条件は、基板温度380℃、NH3流量70sccm、N220sccm、圧力5Torr、高周波電力(RF)を450W、電極間距離650mil、処理時間を10〜30秒とし、膜厚は1〜50nmとする。第２のバリアメタル層５は窒化されたCu配線層４に限られるものではなく、同様の機能を有する、例えば酸化されたCu層、ホウ化されたCu層、硫化されたCu層、リン化されたCu層に置き換えることも可能である。
【００１１】
次に、図３に示すように、露出している第２のバリアメタル層５を含むCu配線層４上に拡散母材層６と第３のバリアメタル層７を形成する。例えば、拡散母材層６として厚さ10nmのチタン(Ti)膜、第３のバリアメタル層７として厚さ15nmのTaN膜を積層する。Ti膜の形成は、例えばターゲットにTi、プロセスガスにArガスを用い、スパッタリング雰囲気の圧力を3mTorr、DCパワーを0.5kW、成膜温度を100℃の条件で行う。
【００１２】
そして、熱処理を施すことにより、拡散母材層６から例えばTi原子、Cu配線層４内のCu原子が相互拡散することにより合金層８が形成される。熱処理は、例えば温度100〜350℃にて1〜300分間の熱処理を窒素(N2)と水素(H2)の混合雰囲気中で行う。
【００１３】
ここにおいて、第２のバリア層５は拡散源となる拡散母材層６とCu配線層４の間に介在することにより、それぞれの拡散原子の急激な拡散による合金化反応を抑制し、合金層の膜厚増加を制御する。つまり、第２のバリアメタル層は反応抑制層としての役割を担う。次に、図示しないが公知の技術により上層配線を形成しプラグとの接続が形成される。その結果、拡散母材層６とCu配線層４の界面は合金層８の形成によるアンカー効果のため、銅配線層と上層配線層の密着性が向上する。
【００１４】
上記実施例では、拡散母材層としてTiを適用した場合を説明したが、Cuと相互拡散を生じる、あるいは反応する材料として、B,S, Sn,Ga,Ge, Hf, In, Mg, Ni,Nb,Pd, P, Sc, Se, Si, Zn, Agなどの材料、あるいは、これらの合金を用いても良い。また、第３のバリア層としてTaNを用いた場合を説明したが、TaNに限られるものではなく、Cuの拡散を抑制する機能を有する他の材料、例えばCoSn、CoZ、CoW、Ta, TaN, W, WN 等に置き換えることも可能である。
【００１５】
以上説明したように、Cu配線層とCu配線層上を被覆する材料との熱処理後の相互拡散による合金層形成の際に、Cuを含む反応抑制層を挿入して行っているので、アンカー効果によるCu配線層とCu配線層上の被覆材界面での密着性を改善することができ、それと同時に、反応抑制層が過剰反応を防止しているので配線抵抗の上昇も抑えることができる。
【００１６】
本実施の形態においては、反応抑制層を形成後合金化を行っていたが、拡散母材を含むバリア性の膜を用いて合金層を形成しても良い。例えば、拡散源となるＴｉ元素を含む厚さ20nmの窒化チタンシリコン(TiSiN)膜が挙げられる。TiSiN膜の形成は、例えばターゲットはTi3Si5、プロセスガスにAr/N2混合ガスを用い、スパッタリング雰囲気の圧力を3mTorr、DCパワーを0.5kW、成膜温度を100℃の条件で行う。この場合、Ｃｕ配線層上にTiSiN膜を積層し、熱処理を行い主にTiがCuと相互拡散を生じ合金層が形成される。
【００１７】
【発明の効果】
本発明では、Cu配線層とCu配線層上を被覆する上層配線の界面に、それぞれの材料の合金の反応を抑制する反応抑制層を形成して合金化反応を行うので、形成される合金層の厚みを制御することができ、EM耐性が向上した、しかも低抵抗なCu配線を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するため図１に続く工程図。
【図２】本発明の実施の形態を説明するため図１に続く工程図。
【図３】本発明の実施の形態を説明するため図２に続く工程図。
【符号の説明】
１      第１の絶縁層
２      配線溝
３      第１のバリアメタル層
４      Cu配線層
５      第２のバリアメタル層
６      拡散母材層
７      第３のバリアメタル層
８      合金層
【図１】
0003694512.tif 000002
【図２】
0003694512.tif 000003
【図３】
0003694512.tif 000004