(57)【要約】【課題】半導体装置における配線の幅などに応じてＣｕ合金を形成する際の添加元素の濃度を変化させた配線構造を有する半導体装置を得ること。【解決手段】ダマシンプロセスで絶縁膜Ｉ１に配線Ｗ１を形成する際に、絶縁膜Ｉ１中の配線溝３１ａ，３１ｂ上に形成される側壁部膜厚ｔ1と底部膜厚ｔ2とを、同一配線層におけるどの配線溝３１ａ，３１ｂにおいてもそれぞれ同じ厚さとなるようにＣｕ合金からなるシード層３３を堆積し、その後に電解メッキ法でＣｕ金属膜３４の堆積とアニール処理を行って、各配線溝３１ａ，３１ｂに形成される配線材料層３５を形成する。これにより、その配線溝３１ａ，３１ｂの配線幅が太くなるほど添加元素の割合が少なくなる。【選択図】        図３
2006080234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線層がＣｕを含む合金材料によって形成される半導体装置において、
同一配線層内における配線で、配線の幅に応じてＣｕと合金を形成する添加材料の割合を変化させたＣｕ合金材料によって前記配線が形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記配線は、配線の幅が太くなるほどＣｕと合金を形成する添加材料の割合が低くなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
所定の形状にパターニングされたＣｕからなる配線を有する第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層上に、所定の形状にパターニングされたＣｕからなる配線を有する第２の配線層と、
Ｃｕと合金を形成する添加材料からなり、前記第１の配線層の配線と前記第２の配線層の配線とを電気的に接続するために前記絶縁層に形成されるプラグと、
を備え、前記プラグと、前記第１と前記第２の配線層の前記プラグと接触する付近の配線は、Ｃｕと前記添加材料との合金材料によって形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記第１または前記第２の配線層の配線の太さに応じて、前記配線間に設けるプラグの数を変化させることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
基板の絶縁層上の所定の位置に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝の側壁部の厚さと底部の厚さが、それぞれ前記絶縁層上のすべての配線溝においてその幅にかかわらず同一となるように第１の導電性材料からなるシード層を形成する工程と、
前記シード層上にＣｕを含む第２の導電性材料からなる配線を電解メッキ法によって形成する工程と、
アニール処理して前記シード層と前記配線を互いに拡散させて配線材料層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の導電性材料は、所定の合金組成を有するＣｕ合金であり、前記第２の導電性材料はＣｕ金属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。
【請求項７】
前記シード層は、Ｃｕと合金を形成する材料からなる添加金属膜と、この添加金属膜上に形成されるＣｕ金属膜との２層で構成され、
前記第２の導電性材料は、Ｃｕ金属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。
【請求項８】
配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
基板の絶縁層上の所定の位置にＣｕ金属からなる下層配線を有する第１の配線層を形成する工程と、
前記第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の所定の位置に前記下層配線と接続するためのプラグを埋め込む接続孔と、第２の配線層を構成する上層配線を埋め込むための配線溝を形成する工程と、
前記接続孔の側壁部と前記配線溝の側壁部と底部にのみバリアメタル層を形成する工程と、
前記接続孔にＣｕと合金を形成する添加元素からなる添加金属層を形成する工程と、
前記配線溝に電解メッキ法によってＣｕ金属膜を形成する工程と、
前記接続孔と、前記接続孔との接続部付近の第１と第２の配線層のみがＣｕと前記添加元素とのＣｕ合金となるようにアニール処理する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に銅を用いた配線層を有する半導体装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置では、要求される動作速度を満たすために、従来のアルミニウム（Ａｌ）系合金を主体とする配線構造に替わり、より低抵抗である銅（Ｃｕ）を配線材料として用いた配線構造が主流となっている。この配線材料にＣｕを用いた半導体装置では、絶縁層に配線溝、またはこの配線溝に加えて下層配線との接続を行うための接続孔を形成し、ここにＣｕ膜を埋め込んで形成するＣｕダマシン配線構造が用いられるようになってきている。しかし、Ｃｕ配線においても微細化が進むにつれてストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションなどに対する信頼性の確保が重要な課題の一つになってきている。従来におけるこのＣｕダマシン配線構造における信頼性改善の一つの手法として、Ｃｕ配線を合金化することが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】T. Tonegawa et al, "Suppression of Bimodal Stress-Induced Voiding Using High-diffusive Dopant from Cu-alloy Seed Layer", "Proceeding of IITC 2003", IEEE, 2003, p.216-218
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体装置においては、Ｃｕと他の材料との合金によって配線材料を構成しているので、金属中で最も比抵抗の低い元素の一つであるＣｕを基準にして見ると、Ｃｕの合金化によって形成される配線材料の比抵抗は、ほとんどの場合Ｃｕ金属単体のものに比べて上昇してしまうという問題点があった。特に、信頼性のさほど厳しくない配線の幅の太い（断面積の大きい）部分（以下、太幅部という）でも、信頼性の厳しい配線の幅の細い（断面積の小さい）部分（以下、細幅部という）と同じ配線材料が使用されるために、Ｃｕ金属単体と比較して比抵抗が上昇してしまっていた。上述したように、半導体装置で使用される配線へのＣｕの導入の目的が配線抵抗の低減であることを考えると、従来の半導体装置のように配線材料として太幅部や細幅部に関係なく比抵抗を上昇させたＣｕ合金を使用することは決して望ましいものではない。
【０００５】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、半導体装置における配線の幅などに応じてＣｕ合金を形成する際の添加元素の濃度を変化させた配線構造を有する半導体装置とその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、配線層がＣｕを含む合金材料によって形成される半導体装置において、同一配線層内における配線で、配線の幅に応じてＣｕと合金を形成する添加材料の割合が変化したＣｕ合金材料によって前記配線が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ダマシンプロセスで絶縁膜の配線溝に形成された配線は、その配線溝の配線幅が太くなるほど添加元素の割合が少なくなり、配線幅の太い配線では比抵抗が低くなり、大電流、高速配線の使用に向いたものとすることができ、配線幅の細い配線では比抵抗が高くなり、配線の信頼性が向上するという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置とその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【０００９】
実施の形態１．
図１−１〜図１−２は、この発明にかかる半導体装置の構造の一例を示す図であり、図１−１は、半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図であり、図１−２は、半導体装置の配線層の部分の構造を模式的に示す断面図である。シリコンなどの基板１の上面内には、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜２が形成されている。素子分離絶縁膜２によって規定される素子形成領域内には、ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタが形成されている。ＭＯＳトランジスタは、ゲート酸化膜３、ゲート電極４、およびサイドウォール５からなるゲート構造と、ゲート構造の下方のチャネル領域を挟んで対を成すソース／ドレイン領域６とを有している。
【００１０】
基板１上には、ＭＯＳトランジスタを覆って、シリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜１０が形成されている。第１の層間絶縁膜１０内には、ＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域６に接続された複数のプラグ１１が形成されている。第１の層間絶縁膜１０上には、複数の配線層が絶縁膜を介して積層されている。この図１では、第１の層間絶縁膜１０上に、第１〜第２の配線層Ｌ１〜Ｌ２が形成されている場合が示されている。第１の配線層Ｌ１は、絶縁膜Ｉ１と、この絶縁膜Ｉ１内に所定の形状にパターン形成された第１層配線Ｗ１とを有している。第１層配線Ｗ１は、第１の層間絶縁膜１０に形成されたプラグ１１に接続され、下層のソース／ドレイン領域６と電気的に接続されている。また、第１の配線層Ｌ１上には、第２の層間絶縁膜２０、第２の配線層Ｌ２が順に形成されている。第２の配線層Ｌ２は、第２の層間絶縁膜２０上に形成された絶縁膜Ｉ２と、この絶縁膜Ｉ２内に所定の形状にパターン形成された第２層配線Ｗ２とを有している。第２層配線Ｗ２は、第２の層間絶縁膜２０に形成されたプラグ２１に接続され、下層の第１層配線Ｗ１と電気的に接続されている。
【００１１】
この図１において、第１層配線Ｗ１として表れる部分をＣｕ配線部３０ａ，３０ｂと表記し、第２層配線Ｗ２として表れる部分をＣｕ配線部３０ｃ，３０ｄと表記している。つまり、Ｃｕ配線部３０によって第１層配線Ｗ１と第２層配線Ｗ２とが形成されている。第１層配線Ｗ１において、Ｃｕ配線部３０ａは、Ｃｕ配線部３０ｂに比して配線幅の太い配線となっている。また、第２層配線Ｗ２において、Ｃｕ配線部３０ｃは、Ｃｕ配線部３０ｄに比して配線幅の太い配線となっている。ここで、配線幅とは、電流が流れる方向に垂直な方向で切断した場合の配線の幅のことをいう。
【００１２】
これらの第１層配線Ｗ１と第２層配線Ｗ２は、シングルダマシン構造を有し、それぞれ絶縁膜Ｉ１，Ｉ２に形成された配線溝３１にＣｕ配線部３０が埋め込まれた構造となっている。Ｃｕ配線部３０は、Ｃｕ合金の配線材料と絶縁膜Ｉ１との両方に接着性がよくＣｕの絶縁膜Ｉ１，Ｉ２や層間絶縁膜１０，２０への拡散を防ぐバリアメタル層３２と、Ｃｕと他の添加元素との合金である配線材料からなる配線材料層３５とを含んで構成される。このとき、同一配線層内において、配線幅が太くなるにしたがいＣｕ配線部３０に含まれるＣｕと合金を形成する添加元素の濃度が少なくなるように配線材料層３５が形成されることを特徴とする。つまり、信頼性のさほど厳しくない太い配線幅を有するＣｕ配線部３０ａ，３０ｃでは、Ｃｕと合金を形成する添加元素の濃度が低く低抵抗となるように配線材料層３５が形成され、信頼性の厳しい細い配線幅を有するＣｕ配線部３０ｂ，３０ｄでは、Ｃｕと合金を形成する添加元素の濃度が高く高抵抗となるように配線材料層３５が形成される。この結果、同一配線層内において配線幅に応じて添加元素の濃度が異なるＣｕ配線部３０が存在することになる。
【００１３】
つぎに、この発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２−１〜図２−５は、この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である。ただし、この実施の形態１の特徴となる配線層を形成する手順を主に示している。まず、公知の手法によって、シリコン基板などの基板１上に、ＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域６、ゲート酸化膜３、ゲート電極４、サイドウォール５や、素子分離絶縁膜２を形成し、その上にシリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜１０を堆積する。その後、ソース／ドレイン領域６などの基板１上の所定の位置と電気的接続を得るためのコンタクトホールを第１の層間絶縁膜１０に形成し、このコンタクトホールにタングステン（Ｗ）などの導電性材料を堆積させてプラグ１１を形成する。そして、第１の層間絶縁膜１０の上面に堆積したＷをＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学機械研磨）などで除去し、表面を平坦化させる（図２−１）。なお、コンタクトホール内にＷを選択成長させてプラグ１１を形成する場合には、ＣＭＰで表面を平坦化させる工程を省略することができる。
【００１４】
ついで、第１の層間絶縁膜１０上に所定の厚さの酸化シリコンなどの絶縁膜Ｉ１を、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて堆積し、一般的なリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて配線溝３１ａ，３１ｂを形成する（図２−２）。その後、この配線溝３１ａ，３１ｂにその側壁部と底部とを覆うようにタンタル（Ｔａ）などのバリアメタル層３２を、スパッタ法などを用いて成膜し、さらに、メッキの際の電極となるＣｕＡｌなどのＣｕ合金膜からなるシード層３３を、スパッタ法などを用いて成膜する（図２−３）。シード層３３としてのＣｕＡｌ膜をスパッタ法で成膜する場合には、ＣｕＡｌターゲットを用い、スパッタ装置のカソードパワーや基板バイアスなどの成膜パラメータを調節することで、絶縁膜Ｉ１上に堆積される膜のカバレッジ形状を制御する。たとえば、図２−３に示されるように、配線幅によらず側壁部膜厚がｔ1で、底部膜厚がｔ2となるように成膜パラメータを調節する。つまり、比較的広い配線幅Ｗ1を有する配線溝３１ａでも、比較的狭い配線幅Ｗ2を有する配線溝３１ｂでも、同じ側壁部膜厚ｔ1と底部膜厚ｔ2となるような条件で、シード層３３の成膜を行う。
【００１５】
ついで、電解メッキ法を用いてシード層３３上にＣｕ金属膜３４を形成する（図２−４）。その後、ＣＭＰなどで絶縁膜Ｉ１上に堆積したバリアメタル層３２やシード層３３などを除去し、所定の温度で所定の時間の間アニール処理を行う。このアニール処理によって、シード層３３のＣｕＡｌ合金中のＡｌがＣｕ金属膜３４に拡散し、配線材料層３５ａ，３５ｂを生成する（図２−５）。このように作製された配線材料層３５ａ，３５ｂにおいて、Ｃｕと合金を形成する添加元素のＡｌはアニール処理によってＣｕ金属膜３４へと拡散するが、各Ｃｕ配線部３０ａ，３０ｂの内部のＡｌの平均濃度は、Ｃｕ配線部３０ａ，３０ｂの断面積に占めるＣｕＡｌのシード層３３の割合に比例したものとなる。つまり、ＣｕＡｌのシード層３３が形成される配線溝３１ａ，３１ｂの配線幅が太くなるにしたがって、Ｃｕ配線部３０ａ，３０ｂの配線材料層３５ａ，３５ｂにおけるＡｌの平均濃度が減少する。その後、第１の配線層Ｌ１上に、図２−２〜図２−５に示される手順と同様にして第２の層間絶縁膜２０と第２の配線層Ｌ２とを形成して、図１−１に示される半導体装置が製造される。
【００１６】
図３は、この実施の形態１の配線の太さに応じて添加元素の濃度を変化させる原理を説明するための図であり、絶縁膜の配線溝に形成されたＣｕＡｌ合金からなるシード層と配線材料層の断面積の関係示す図である。ここには、２種類の配線幅Ｗ1，Ｗ2（Ｗ1＞Ｗ2）を有する配線溝３１ａ，３１ｂの断面が示されている。以下では、配線幅の太い方の配線溝３１ａの断面を太幅断面部といい、配線幅の細い方の配線溝３１ｂを細幅断面部という。また、各配線溝３１ａ，３１ｂは同じ深さｄを有するものとする。ここで、太幅断面部と細幅断面部に形成されるシード層３３の断面積ＳW，ＳNは、それぞれ次式に示されるようになる。
【００１７】
ＳW＝２ｔ1（ｄ−ｔ2）＋ｔ2・Ｗ1  ・・・（１）
ＳN＝２ｔ1（ｄ−ｔ2）＋ｔ2・Ｗ2  ・・・（２）
【００１８】
また、太幅断面部と細幅断面部の配線溝３１ａ，３１ｂの断面積ＳW0，ＳN0は、それぞれ次式に示されるようになる。
【００１９】
ＳW0＝Ｗ1・ｄ  ・・・（３）
ＳN0＝Ｗ2・ｄ  ・・・（４）
【００２０】
これらの（１）式〜（４）式より、ＣｕＡｌ合金からなるシード層３３の断面積の配線溝３１ａ，３１ｂの断面積に対する比率（以下、Ｃｕ合金層断面積比という）ＲW，ＲNは、それぞれ次式に示されるようになる。
【００２１】
ＲW＝ＳW／ＳW0＝２ｔ1（ｄ−ｔ2）／（Ｗ1・ｄ）＋ｔ2／ｄ  ・・・（５）
ＲN＝ＳN／ＳN0＝２ｔ1（ｄ−ｔ2）／（Ｗ2・ｄ）＋ｔ2／ｄ  ・・・（６）
【００２２】
この実施の形態１におけるシード層３３の成膜条件より、側壁部膜厚ｔ1と底部膜厚ｔ2はともにどの配線溝３１ａ，３１ｂにおいても同じ値であり、また同一の配線層であれば配線溝３１ａ，３１ｂの深さｄも同じ値であるので、（５）〜（６）式からＷ1＞Ｗ2であれば、ＲW＜ＲNとなる。このとき、シード層３３に含まれる添加元素（上記の例の場合にはＡｌ）は、太幅断面部でも細幅断面部でもともに同じ濃度を有するので、上記のＣｕ合金層断面積比ＲW，ＲNがそれぞれの配線溝３１ａ，３１ｂにおける添加元素Ａｌの存在比率も示している。したがって、その後のＣｕ配線工程（メッキによるＣｕ金属膜３４の成膜処理、ＣＭＰ処理およびアニール処理）を経ることによって、添加元素であるＡｌはＣｕ金属膜３４へと拡散するので、配線材料層３５ａ，３５ｂにおけるＡｌの平均濃度は、太幅断面部の方が細幅断面部に比して低くなる。通常、金属のＣｕにＡｌを添加して合金化するとその比抵抗はＣｕ単体の場合に比して高くなり、添加するＡｌの量が増えるほど比抵抗は高くなる傾向にある。そのため、太幅断面部の配線材料層３５ａの比抵抗は、細幅断面部の配線材料層３５ｂの比抵抗に比して低くなる。一方、Ｃｕの合金化による配線の信頼性の改善では、添加元素の量を多くするほど信頼性の向上が期待できる。そのため、細幅断面部は、太幅断面部に比して信頼性が向上する。以上より、同一配線層内において、より信頼性の厳しい微細な配線部、すなわち配線幅の微細な配線部では配線材料層３５のＡｌ濃度を高くすることで信頼性の向上を図ることができ、信頼性の要求が厳しくない太い幅の配線部では配線材料層３５のＡｌ濃度を低くすることで比抵抗の上昇を抑えてＣｕ金属に近い比抵抗を実現し、大電流、高速配線の使用に向いたものとすることができる。
【００２３】
この実施の形態１では、バリアメタル層３２としてＴａを用いたが、この他にチタン（Ｔｉ）、Ｗなどの高融点金属、これらの窒化物や窒化珪化物、またはこれらの積層膜を用いてもよい。また、シード層３３に用いる合金としてＣｕＡｌを用いたが、この他にマグネシウム（Ｍｇ）、Ｔｉ、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、ランタノイド系金属、アクチノイド系金属などＣｕと合金化し、配線信頼性の構造を図れるものであればよく、添加元素も１種類に限られず２種類以上でもよい。さらに、上述した説明では、バリアメタル層３２とシード層３３の成膜法として、スパッタ法を例に挙げて説明したが、これに限られる趣旨ではなく、ＣＶＤ法などの他の方法を用いてもよい。
【００２４】
また、この例では、図１の半導体装置におけるＣｕ配線を使用する第１の配線層Ｌ１を取り出して説明したが、第２の配線層Ｌ２や３層以上の多層配線構造を有する半導体装置の場合には他の配線層においても同様に配線幅に応じてその配線材料層３５におけるＣｕと合金を形成する添加元素の比率を変化させることができる。また、各配線層Ｌ１〜Ｌ２間においてシード層３３に用いるＣｕ合金の添加元素の比率は同一である必要はなく、各配線層Ｌ１〜Ｌ２間で異なる添加元素濃度のＣｕ合金のシード層３３を用いて、添加元素濃度の異なる配線を作ることもできる。
【００２５】
この実施の形態１によれば、ダマシンプロセスで絶縁膜Ｉ１，Ｉ２に配線Ｗ１，Ｗ２を形成する際に、絶縁膜Ｉ１，Ｉ２中の配線溝３１上に形成される側壁部膜厚と底部膜厚とを、同一配線層におけるどの配線溝３１においてもそれぞれ同じ厚さとなるようにＣｕ合金からなるシード層３３を堆積するようにしたので、その後に行われる電解メッキ法によるＣｕ金属膜３４の堆積とアニール処理によって、各配線溝３１に形成される配線材料層３５は、その配線溝３１の配線幅が太くなるほど添加元素の割合が少なくなる。その結果、配線幅の太い配線では比抵抗が低くなり、大電流、高速配線の使用に向いたものとすることができ、配線幅の細い配線では比抵抗が高くなり、配線の信頼性が向上するという効果を有する。
【００２６】
実施の形態２．
この実施の形態２では、図１に示される構造を有する半導体装置の別の製造方法について説明する。図４−１〜図４−６は、この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である。まず、実施の形態１の図２−１〜図２−２と同様に、公知の手法によって、ＭＯＳトランジスタや、素子分離絶縁膜２を形成したシリコン基板などの基板１上に、Ｗでプラグ１１を形成したシリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜１０、所定の厚さの酸化シリコンなどの絶縁膜Ｉ１を、ＣＶＤ法などを用いて順に形成する。そして、絶縁膜Ｉ１に一般的なリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて配線溝３１ａ，３１ｂを形成する（図４−１〜図４−２）。
【００２７】
ついで、絶縁膜Ｉ１上に形成した配線溝３１ａ，３１ｂにＴａなどのバリアメタル層３２を、スパッタ法などを用いて成膜し、また、Ｃｕと合金を形成するＡｌなどの添加元素の金属膜からなる添加金属層３６を、スパッタ法などを用いて成膜する（図４−３）。このＡｌの添加金属層３６をスパッタ法で成膜する場合には、Ａｌターゲットを用い、スパッタ装置のカソードパワーや基板バイアスなどの成膜パラメータを調節することで、実施の形態１と同様に絶縁膜Ｉ１上に堆積される膜のカバレッジ形状を制御する。つまり、同一配線層内の太幅断面部と細幅断面部で共に、側壁膜厚部が所定の厚さｔ3となるように、そして底部膜厚部が所定の厚さｔ4となるように、スパッタ時の成膜パラメータを調節する。続いて、メッキの際の電極となるＣｕの金属膜からなるシード層３３を、添加元素の添加金属層３６上にスパッタ法などを用いて成膜する（図４−４）。つまり、この実施の形態２では、電解メッキ法によってＣｕ金属膜３４を堆積する前の配線溝３１ａ，３１ｂに形成される膜は、バリアメタル層３２、添加金属層３６、およびＣｕ金属膜のシード層３３の３層構造となっている。なお、添加金属層３６とＣｕ金属膜のシード層３３は、特許請求の範囲におけるシード層に相当する。
【００２８】
ついで、電解メッキ法を用いて配線溝３１ａ，３１ｂ内のシード層３３上にＣｕ金属膜３４を形成する（図４−５）。その後、ＣＭＰなどで絶縁膜Ｉ１の表面上に堆積したバリアメタル層３２や添加金属層３６、シード層３３などを除去し、所定の温度で所定の時間の間アニール処理を行う。このアニール処理によって、添加金属層３６のＡｌと、シード層３３とＣｕ金属膜３４のＣｕとを拡散させて、配線材料層３５ａ，３５ｂを生成する（図４−６）。このように作製された配線材料層３５ａ，３５ｂにおいて、Ｃｕと合金を形成する添加元素のＡｌはアニール処理によってＣｕ膜へと拡散するが、各配線材料層３５ａ，３５ｂ内部のＡｌの平均濃度は、実施の形態１と同様にＣｕ配線部３０ａ，３０ｂの断面積に占めるＡｌの添加金属層３６の断面積の割合に比例したものとなる。つまり、Ｃｕ配線部３０の配線幅が太くなるにしたがって、その内部の添加元素のＡｌの平均濃度が減少する。なお、添加金属層３６の厚さはアニール処理して最も配線幅の狭い配線において要求される配線信頼性を満たすのに必要な添加元素の濃度となる厚さに設定される。その後、図４−２〜図４−６と同様の手順で第２の層間絶縁膜２０と第２の配線層Ｌ２を形成すると、図１−１に示される多層配線構造を有する半導体装置が得られる。
【００２９】
上述した説明では、バリアメタル層３２としてＴａを用いたが、この他にＴｉ，Ｗなどの高融点金属、これらの窒化物や窒化珪化物、またはこれらの積層膜を用いてもよい。また、Ｃｕ合金を形成するための添加元素として上述した説明ではＡｌを使用したが、他にＭｇ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ、ランタノイド系金属、アクチノイド系金属などＣｕと合金を形成し、配線信頼性の向上が図れるものであればよく、添加元素も１種類またはそれ以上でもよい。ただし、複数の元素を添加する場合には、それに応じて成膜工程が増える。また、バリアメタル層３２、添加金属層３６およびシード層３３の成膜法については、スパッタ法に限られるものではなく、ＣＶＤ法などの他の方法や複数の成膜方法を組合せてもよい。
【００３０】
また、上述した説明では、半導体装置中の第１の配線層Ｌ１の場合を例に挙げて説明しているが、他の配線層においても同様に配線幅に応じた添加元素の割合の調整を行うことができる。さらに、各配線層間において添加金属層３６の厚さを変えることで異なる添加元素濃度のＣｕ合金配線を作製することもできる。
【００３１】
この実施の形態２によれば、配線材料層３５を作製する際に、Ｃｕと合金を形成するための添加元素を供給しその濃度を調整するための添加金属層３６とＣｕをメッキする際のＣｕ金属からなるシード層３３を配線溝３１に形成するようにしたので、それぞれの層のカバレッジを独立に制御でき、配線形成時の制御性が向上するという効果を有する。また、シード層３３にＣｕと添加元素との合金ターゲットを用いる必要がなく、添加金属層３６の厚さを制御することで、配線溝３１における所望の添加元素濃度を容易に得ることができるという効果を有する。
【００３２】
実施の形態３．
この実施の形態３では、デュアルダマシンプロセスで形成されるコンタクトと配線のうち、配線のコンタクトとの接触部付近における信頼性を高めた構造を有する半導体装置とその製造方法について説明する。
【００３３】
図５は、この発明にかかる半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。この半導体装置は、実施の形態１の図１において、第１の配線層Ｌ１上にデュアルダマシン構造で第２の配線層Ｌ２が形成された構造を有している。すなわち、第１の配線層Ｌ１上に形成された絶縁膜Ｉ２内に、第１層配線Ｗ１と第２層配線Ｗ２とを電気的に接続するプラグ４７ａ，４７ｂと、第２層配線Ｗ２とが形成される構造を有しており、これらのプラグ４７ａ，４７ｂと第２層配線Ｗ２はＣｕまたはＣｕ合金で形成されている。この図５では、第１層配線Ｗ１として表れる部分をＣｕ配線部３０ａ，３０ｂと表記し、第２層配線Ｗ２として表れる部分をＣｕ配線部４８ａ，４８ｂと表記している。また、第１層配線Ｗ１において、Ｃｕ配線部３０ａは、Ｃｕ配線部３０ｂに比して配線幅の太い配線となっている。同様に、第２層配線Ｗ２において、Ｃｕ配線部４８ａは、Ｃｕ配線部４８ｂに比して配線幅の太い配線となっている。さらに、Ｃｕ配線部３０ｂ，４８ｂは、それぞれプラグ１１，３０ｂと同一の幅を有している。なお、この図５において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。
【００３４】
第２層配線Ｗ２と第１層配線Ｗ１とをつなぐプラグ４７ａ，４７ｂは、Ｃｕ合金となっている。また、上下の配線Ｗ１，Ｗ２のプラグ４７ａ，４７ｂとの接続部付近もＣｕ合金となっており、このプラグ４７ａ，４７ｂとの接続部付近から離れるにしたがってＣｕ合金を形成する添加元素の割合が徐々に減少していく。このような第１層配線Ｗ１、第２層配線Ｗ２とプラグ４７ａ，４７ｂの構造とすることで、デュアルダマシン構造においてプラグ４７ａ，４７ｂと上下の配線Ｗ１，Ｗ２との接続部付近で生じるＳＩＶ（Stress Induced Voiding）などの発生を抑制し、配線の信頼性を上げることができる。また、プラグ４７ａ，４７ｂとの接続部付近以外の上下の配線Ｗ１，Ｗ２では、添加元素の割合が少なくなるので、配線抵抗の増加が抑えられている。
【００３５】
つぎに、この発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図６−１〜図６−７は、この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である。まず、公知の手法によって、ＭＯＳトランジスタや、素子分離絶縁膜２を形成したシリコン基板などの基板１上に、Ｗのプラグ１１を形成したシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１０ａ、所定の厚さの酸化シリコンなどの絶縁膜Ｉ１を形成する。また、絶縁膜Ｉ１に一般的なリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成した配線溝にスパッタ法などでバリアメタル層３２とＣｕ金属からなるシード層を形成し、さらに電解メッキ法でＣｕ金属膜３７を埋め込んで第１の配線層Ｌ１を形成し、ＣＭＰで表面の余分な材料を除去する（図６−１）。このとき第１の配線層Ｌ１に形成される第１層配線Ｗ１は、合金ではなくＣｕ金属である。
【００３６】
ついで、第１の配線層Ｌ１上に絶縁膜Ｉ２をＣＶＤ法などで堆積し、一般的なリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて第１層配線Ｗ１に通じる接続孔４１ａ，４１ｂと、接続孔４１ａ，４１ｂの上部に第２層配線Ｗ２を埋め込むための配線溝４２ａ，４２ｂを絶縁膜Ｉ２に形成する（図６−２）。ここでは、接続孔４１ａよりも幅の広い配線溝４２ａと、接続孔４１ｂと同じ幅の狭い配線溝４２ｂとが示されている。ただし、接続孔４１ｂは、第１層配線Ｗ１と第２層配線Ｗ２とを接続するプラグ４７ｂを埋め込むためのものであり、図６−２の断面形状では第２層配線Ｗ２と同じ幅を有しているが、紙面に垂直な方向の奥行きが短い点が第２層配線Ｗ２と異なる点である。
【００３７】
その後、この配線溝４２ａ，４２ｂと接続孔４１ａ，４１ｂにＴａなどのバリアメタル層４３を、スパッタ法などを用いて成膜する（図６−３）。このバリアメタル層４３の成膜は、エッチング成分の強い指向性スパッタ法などを用いて、接続孔４１ａ，４１ｂの底部では膜の堆積よりもエッチングが強くなるような条件下で行ったり、または、バリアメタル層４３の成膜後に接続孔４１ａ，４１ｂのみにエッチング液を導入して接続孔４１ａ，４１ｂの底部のバリアメタル層４３のみを除去したりすることによってカバレッジ調整を行い、接続孔４１ａ，４１ｂの底部にはバリアメタル層４３が存在しない状態としておく。
【００３８】
ついで、Ｃｕと合金を形成するＡｌなどの添加元素からなる添加金属層４４を、選択ＣＶＤ法によって接続孔４１ａ，４１ｂの底部から選択成長させて成膜させる（図６−４）。成膜は、おおよそ接続孔４１ａ，４１ｂの上面が満たされるまで行う。つまり、添加金属層４４の表面が先の工程で成膜したバリアメタル層４３の表面とほぼ同じ高さとなるくらいまで成膜する。その後、メッキの際の電極となるＣｕ金属からなるシード層４５を、スパッタ法などを用いて成膜する（図６−５）。このＣｕ金属からなるシード層４５の成膜は、スパッタ装置のカソードパワーや基板バイアスなどの成膜パラメータを調節することで、配線溝４２ａ，４２ｂの全体が被覆されるような条件で行われる。さらに、電解メッキ法を用いてシード層４５上にＣｕ金属膜４６を形成する（図６−６）。
【００３９】
その後、ＣＭＰなどで絶縁膜Ｉ２上に堆積したバリアメタル層４３やシード層４５などを除去し、所定の温度でアニール処理を行う。このアニール処理は、接続孔４１ａ，４１ｂに形成したＡｌなどの添加元素が接続孔４１ａ，４１ｂ内で全体的にＣｕと合金化する程度に行われればよく、接続孔４１ａ，４１ｂと配線溝４２ａ，４２ｂの全体が均一なＣｕＡｌ合金となるまでアニール処理を行うものではない。このアニール処理によって、電解メッキ法によって堆積された配線溝４２ａ，４２ｂのＣｕ金属膜４６と、接続孔４１ａ，４１ｂ中の添加金属層４４のＡｌとが相互に拡散する。その結果、接続孔４１ａ，４１ｂと、第１層配線Ｗ１および第２層配線Ｗ２の接続孔４１ａ，４１ｂに接する付近の領域がＣｕＡｌ合金化する（図６−７）。以上のようにして、プラグ４７ａ，４７ｂにおけるＣｕ合金配線が形成される。
【００４０】
図６−７に模式的に示したように、接続孔４１ａ，４１ｂ付近でＣｕと添加元素との合金化が生じるが、細幅断面部と太幅断面部とを比較すると明らかなように、太幅断面部では添加元素は拡散できる領域が広いが、細幅断面部では拡散できる領域が限られてしまっている。つまり、細幅断面部ほど接続孔４１ａ，４１ｂとの接続部付近の添加元素（Ａｌ）濃度は高くなり、局部的にＣｕ配線を合金化している。そのため、この構造では、接続孔４１ａ，４１ｂ（プラグ４７ａ，４７ｂ）を介したＳＩＶなどの信頼性を向上させることができる。また、上下の配線Ｗ１，Ｗ２の接続孔４１ａ，４１ｂとの接続部付近以外の部分が十分に合金化するほどアニール処理を行っていないので、上下の配線Ｗ１，Ｗ２の接続孔４１ａ，４１ｂとの接続部付近以外の配線層では、添加元素（Ａｌ）の濃度が低く、合金化による配線抵抗の上昇を最低限に抑えることができる。
【００４１】
このような各層の配線における接続孔４１付近の添加元素濃度を調整する構造は、配線幅の太さに応じて行う必要がある。たとえば、配線幅が太い場合には、配線における接続孔４１付近の信頼性を向上させるために、複数の接続孔４１を形成したり、または接続孔４１の径を太くしたりする必要がある。このようにすることで、太幅断面部における接続孔４１との接続部付近のＡｌなどの添加元素濃度を高めることが可能となる。なお、このような配線の幅に応じた添加元素の濃度の調節を行うために、接続孔４１との接続部付近の配線における添加元素の濃度が所望の濃度となるように、接続孔４１の数や太さを設計する必要がある。
【００４２】
なお、上述した説明では、バリアメタル層４３としてＴａを用いたが、この他にＴｉ，Ｗなどの高融点金属、これらの窒化物や窒化珪化物、またはこれらの積層膜を用いてもよい。また、Ｃｕ合金を形成するための添加元素としてＡｌの場合を説明したが、他にＭｇ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ、Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ、ランタノイド系金属、アクチノイド系金属などＣｕと合金を形成し、配線信頼性の向上が図れるものであればよく、添加元素も１種類またはそれ以上でもよい。さらに、バリアメタル層４３とシード層４５の成膜法については、スパッタ法に限られるものではなく、ＣＶＤ法などの他の方法や、複数の成膜方法を組合せてもよい。さらにまた、接続孔４１ａ，４１ｂへの添加金属層４４の埋め込みについては選択ＣＶＤ法を例に挙げたが、選択メッキ法、エッチング成分の強い指向性スパッタ法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法などを用いてもよい。この埋め込み時には、完全な選択性が確保されていなくても、接続孔４１ａ，４１ｂと他の部分とで接続孔４１ａ，４１ｂの埋め込みが可能な程度に成膜速度の差が取れるものであればよい。
【００４３】
この実施の形態３によれば、配線幅が狭い配線ほど接続孔４１付近のＣｕと合金を形成する添加元素の濃度が高くなるので、微細配線を有するデュアルダマシン構造でも、ＳＩＶに対する耐性が増加するという効果を有する。また、従来のＣｕダマシン配線構造では、配線形成時に接続孔４１と配線溝４２にＣｕ配線を同時に埋め込む必要があるため、接続孔４１と配線溝４２の両方に渡ってＣｕを含むシード層の十分なカバレッジ調整が必要であったが、この実施の形態３の製造方法によれば、接続孔４１を先に添加元素の選択成長で埋め込み、その後にＣｕ金属からなるシード層４５を形成するようにしたので、シード層４５のカバレッジ制御は配線溝４２の部分だけでよくなり、その制御が容易になるという効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、この発明にかかる半導体装置は、Ｃｕ配線を有する半導体装置に有用であり、特に、ダマシンプロセスによってＣｕ配線を用いた多層配線を有する半導体装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１−１】この発明による半導体装置の構造の一例を示す断面図である。
【図１−２】この発明による半導体装置の配線層の部分の構造を示す断面図である。
【図２−１】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図２−４】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図２−５】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図３】配線の太さに応じて添加元素の濃度を変化させる原理を説明するための図である。
【図４−１】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図４−２】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図４−３】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図４−４】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図４−５】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図４−６】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その６）。
【図５】この発明による半導体装置の構造の一例を示す断面図である。
【図６−１】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図６−２】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図６−３】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図６−４】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図６−５】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図６−６】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その６）。
【図６−７】この発明による半導体装置の製造方法の手順を模式的に示す断面図である（その７）。
【符号の説明】
【００４６】
１  基板
２  素子分離絶縁膜
３  ゲート酸化膜
４  ゲート電極
５  サイドウォール
６  ソース／ドレイン領域
１０  第１の層間絶縁膜
１０ａ  層間絶縁膜
１１，２１，４７ａ，４７ｂ  プラグ
２０  層間絶縁膜
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，４８ａ，４８ｂ  配線部
３１，３１ａ，３１ｂ，４２，４２ａ，４２ｂ  配線溝
３２，４３  バリアメタル層
３３，４５  シード層
３４，４６  Ｃｕ金属膜
３５，３５ａ，３５ｂ  配線材料層
３６，４４  添加金属層
３７  金属膜
４１，４１ａ，４１ｂ  接続孔
Ｉ１，Ｉ２  絶縁膜
Ｌ１  第１の配線層
Ｌ２  第２の配線層
Ｗ１  第１層配線
Ｗ２  第２層配線
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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【図２−５】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図４−４】
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【図４−５】
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【図４−６】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図６−４】
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【図６−５】
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【図６−６】
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【図６−７】
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