(57)【要約】【課題】バリア層上に形成された銅層であって緩和された内部応力を有する銅層を含む、金属配線のための積層構造及びその形成方法を提供すること。【解決手段】金属配線のための積層構造は、基板と、該基板上に直接又は間接的に形成された、前記基板への銅の拡散を防止するためのバリア層と、該バリア層上に形成された、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層とを含み、前記バリア層はＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含む。金属配線のための積層構造の形成方法は、基板上に直接又は間接的に、該基板への銅の拡散を防止するためのＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含むバリア層を形成するバリア層形成ステップと、前記バリア層上に、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層を形成する銅層形成ステップとを含む。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に直接又は間接的に形成された、前記基板への銅の拡散を防止するためのバリア層と、該バリア層上に形成された、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層とを含み、前記バリア層はＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含む、金属配線のための積層構造。
【請求項２】
前記バリア層はＴａＳｉＮからなり、該ＴａＳｉＮは０．０１〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記バリア層はＷＳｉＮからなり、該ＷＳｉＮは０．０３〜０．２５の範囲内にある組成割合のＳｉを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記バリア層はＷＳｉＮからなり、該ＷＳｉＮは０．１５〜０．２５の範囲内にある組成割合のＮを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項５】
基板上に直接又は間接的に、該基板への銅の拡散を防止するためのＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含むバリア層を形成するバリア層形成ステップと、
前記バリア層上に、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層を形成する銅層形成ステップとを含む、金属配線のための積層構造の形成方法。
【請求項６】
さらに、前記銅層の形成後、該銅層に凝集が生じるように前記銅層を加熱する熱処理ステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップと、前記他の銅層の形成後、該他の銅層に凝集が生じるように前記他の銅層を加熱する第２の熱処理ステップとを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の銅層形成ステップと前記第２の熱処理ステップとを繰り返す、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の銅層形成ステップは、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成することを含み、前記第２の熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップを繰り返すことを含み、前記第２の銅層形成ステップは、化学的堆積法又は物理的堆積法によって銅層の一部を形成し、２５０℃以上で加熱した後、前記銅層の残りを形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記バリア層形成ステップは、ＴａＳｉＮからなるバリア層であって該ＴａＳｉＮが０．０１〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含むバリア層を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記バリア層形成ステップは、Ｔａ及びＳｉを含む合金材であって該合金材が０．０２〜０．１５の範囲内にある組成割合のＳｉを含む合金材を用いて、反応性スパッタリング法により、ＴａＳｉＮからなるバリア層であって該ＴａＳｉＮが０．０２〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含むバリア層を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記バリア層形成ステップは、Ｗ及びＳｉを含む合金材であって該合金材が０．０５〜０．４の範囲内にある組成割合のＳｉを含む合金材を用いて、反応性スパッタリング法により、ＷＳｉＮからなるバリア層であって該ＷＳｉＮが０．０３〜０．２５の範囲内にある組成割合のＳｉを含むバリア層を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
前記バリア層形成ステップは、ＷＳｉＮからなるバリア層であって該ＷＳｉＮが０．１５〜０．２５の範囲内にある組成割合のＮを含むバリア層を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を無電解メッキによって形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１７】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を化学的堆積法によって形成することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記銅層に配線用銅層を形成するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１９】
基板と、該基板上に直接又は間接的に形成された、前記基板への銅の拡散を防止するためのバリア層と、該バリア層上に形成された、配線用銅層の下地層としての、銅を主成分とする銅層であって凝集された領域を有する銅層とを含む、金属配線のための積層構造。
【請求項２０】
前記凝集領域は前記銅層と前記バリア層との境界に沿って形成されている、請求項１９に記載の構造。
【請求項２１】
前記凝集領域は前記銅層のほぼ全部を占める、請求項１９に記載の構造。
【請求項２２】
基板上に直接又は間接的に、該基板への銅の拡散を防止するためのバリア層を形成するバリア層形成ステップと、
前記バリア層上に、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層を形成する銅層形成ステップと、
前記銅層に凝集が生じるように前記銅層を加熱する熱処理ステップとを含む、金属配線のための積層構造の形成方法。
【請求項２３】
前記熱処理ステップは、前記銅層と前記バリア層との境界に沿って凝集が生じるように前記銅層を加熱することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱処理ステップは、前記銅層のほぼ全部に凝集が生じるように前記銅層を加熱することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップと、前記他の銅層の形成後、該他の銅層に凝集が生じるように前記他の銅層を加熱する第２の熱処理ステップとを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の銅層形成ステップと前記第２の熱処理ステップとを繰り返す、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の銅層形成ステップは、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成することを含み、前記第２の熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップを繰り返すことを含み、前記第２の銅層形成ステップは、化学的堆積法又は物理的堆積法によって銅層の一部を形成し、２５０℃以上で加熱した後、前記銅層の残りを形成することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を無電解メッキによって形成することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を化学的堆積法によって形成することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
さらに、前記銅層に配線用銅層を形成するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属配線のための積層構造及びその形成方法に関し、さらに詳しくは、大規模集積回路装置（以下「ＬＳＩ」という。）、液晶表示装置（以下「ＬＣＤ」という。）等の配線用銅層の下地層として用いられる銅層を含む積層構造及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＬＳＩ、ＬＣＤ等に広く用いられている金属配線のための積層構造として、電解メッキ技術により形成された配線用銅層のための下地層と、素子又は回路の基板への銅の拡散を防止するためのＴａ又はＴａＮ等を含むバリア層とを含む積層構造がある。
【０００３】
このような積層構造を含む典型的な銅配線構造（例えば、特許文献１を参照。）について、図５を参照して説明する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０５６８７号公報（第３〜４頁、図８）
【０００５】
図５を参照するに、シリコン基板２８上に、ＳｉＯ２層３０と、バリア層３２と、銅層３４と、配線用銅層３６とが形成されている。
【０００６】
ＳｉＯ２層３０は絶縁層として用いられている。バリア層３２は、ＴａＮを含み、シリコン基板２８への銅の拡散を防止するために用いられている。銅層３４は、配線用銅層３６の下地層（以下「銅シード層」という。）をなす。配線用銅層３６は銅層３４上に電解メッキされている。ＳｉＯ２層３０の一部を除去して形成されたコンタクトホール３８は、シリコン基板２８と配線用銅層３６との電気的接続のためにある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、バリア層３２上に形成された銅層３４は内部応力を有する。この内部応力は、銅層３４の厚さの増大に伴って大きくなり、銅層３４の亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷を誘発する。
【０００８】
このような内部応力を有する銅層３４上に形成された配線用銅層３６に、銅層３４の亀裂発生等により、亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷が生じる。
【０００９】
また、銅層３４及び配線用銅層３６についての内部応力及び機械的損傷は、配線用銅層３６の電気的特性、特に、比抵抗を増加させる。
【００１０】
本発明の目的は、バリア層上に形成された銅層であって内部応力が緩和された銅層を含む、金属配線のための積層構造及びその形成方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決する解決手段、作用及び効果】
本発明に係る、金属配線のための積層構造は、基板と、該基板上に直接又は間接的に形成された、前記基板への銅の拡散を防止するためのバリア層と、該バリア層上に形成された、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層とを含み、前記バリア層はＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含む。
【００１２】
本発明によれば、バリア層の組成について、ＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含むものとした結果、バリア層上に形成された銅層の内部応力を比較的小さなものとすることができる。
【００１３】
これにより、バリア層上に形成された下地銅層の亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷を防止することができる。下地銅層上に形成された配線用銅層の亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷も、また、防止することができる。さらに、配線用銅層の電気的特性、特に、比抵抗の増加を防止することができる。
【００１４】
好ましくは、前記ＴａＳｉＮは０．０１〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含む。あるいは、前記ＷＳｉＮは０．０３〜０．２５の範囲内にある組成割合のＳｉを含み、または、０．１５〜０．２５の範囲内にある組成割合のＮを含む。これにより、内部応力の緩和の効果をより増大させることができる。
【００１５】
本発明に係る、金属配線のための積層構造の形成方法は、基板上に直接又は間接的に、該基板への銅の拡散を防止するためのＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含むバリア層を形成するバリア層形成ステップと、前記バリア層上に、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層を形成する銅層形成ステップとを含む。
【００１６】
本発明に係る方法に従って、前記積層構造を形成することができる。
【００１７】
金属配線のための積層構造の形成方法は、さらに、前記銅層の形成後、該銅層に凝集が生じるように前記銅層を加熱する熱処理ステップ、例えば前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含むものとすることができる。これにより、内部応力をより一層緩和することができる。
【００１８】
金属配線のための積層構造の形成方法は、さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップと、前記他の銅層の形成後、該他の銅層に凝集が生じるように前記他の銅層を加熱する第２の熱処理ステップとを含ものとすることができる。また、前記第２の銅層形成ステップと前記第２の熱処理ステップとを繰り返してもよい。
【００１９】
前記第２の銅層形成ステップは、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成することを含み、前記第２の熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含むものとすることができる。
【００２０】
金属配線のための積層構造の形成方法は、さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップを繰り返すことを含み、前記第２の銅層形成ステップは、化学的堆積法又は物理的堆積法によって銅層の一部を形成し、２５０℃以上で加熱した後、前記銅層の残りを形成することを含むものとすることができる。
【００２１】
前記バリア層形成ステップは、Ｔａ及びＳｉを含む合金材であって該合金材が０．０２〜０．１５の範囲内にある組成割合のＳｉを含む合金材を用いて、反応性スパッタリング法により、ＴａＳｉＮからなるバリア層であって該ＴａＳｉＮが０．０２〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含むバリア層を形成することを含むものとすることができる。
【００２２】
あるいは、前記バリア層形成ステップは、Ｗ及びＳｉを含む合金材であって該合金材が０．０５〜０．４の範囲内にある組成割合のＳｉを含む合金材を用いて、反応性スパッタリング法により、ＷＳｉＮからなるバリア層であって該ＷＳｉＮが０．０３〜０．２５の範囲内にある組成割合のＳｉを含むバリア層を形成することを含むものとすることができる。
【００２３】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を無電解メッキ、または、化学的堆積法によって形成することを含むものとすることができる。
【００２４】
金属配線のための積層構造の形成方法は、さらに、前記銅層に配線用銅層を形成するステップを含むものとすることができる。
【００２５】
本発明に係る、金属配線のための他の積層構造は、基板と、該基板上に直接又は間接的に形成された、前記基板への銅の拡散を防止するためのバリア層と、該バリア層上に形成された、配線用銅層の下地層としての、銅を主成分とする銅層であって凝集された領域を有する銅層とを含む。
【００２６】
本発明によれば、銅層中の凝集された領域は、銅層の内部応力を緩和する作用をなす。
【００２７】
このことから、凝集された領域を有する銅層の亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷を防止することができる。下地銅層上に形成された配線用銅層の亀裂発生、付着力低下、剥離発生等の機械的損傷も、また、防止することができる。さらに、配線用銅層の電気的特性、特に、比抵抗の増加を防止することができる。
【００２８】
前記凝集領域は、前記銅層と前記バリア層との境界に沿って形成されていてもよいし、あるいは前記銅層のほぼ全部を占めていてもよい。
【００２９】
本発明に係る、金属配線のための積層構造の他の形成方法は、基板上に直接又は間接的に、該基板への銅の拡散を防止するためのバリア層を形成するバリア層形成ステップと、前記バリア層上に、配線用銅層の下地層としての銅層であって銅を主成分とする銅層を形成する銅層形成ステップと、前記銅層に凝集が生じるように前記銅層を加熱する熱処理ステップとを含む。
【００３０】
本発明によれば、銅層に凝集領域を生じさせることにより、内部応力の比較的小さい銅層を有する、金属配線のための積層構造を形成することができる。
【００３１】
前記熱処理ステップは、前記銅層と前記バリア層との境界に沿って凝集が生じるように、または、前記銅層のほぼ全部に凝集が生じるように前記銅層を加熱すること、例えば前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含むものとすることができる。これにより、内部応力をより一層緩和することができる。
【００３２】
前記金属配線のための積層構造の他の形成方法は、さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップと、前記他の銅層の形成後、該他の銅層に凝集が生じるように前記他の銅層を加熱する第２の熱処理ステップとを含むものとすることができる。また、前記第２の銅層形成ステップと前記第２の熱処理ステップとを繰り返してもよい。
【００３３】
前記第２の銅層形成ステップは、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成することを含み、前記第２の熱処理ステップは、前記銅層を２５０℃以上で加熱することを含むものとすることができる。
【００３４】
前記金属配線のための積層構造の他の形成方法は、さらに、前記銅層上に、銅を主成分とする他の銅層を形成する第２の銅層形成ステップを繰り返すことを含み、前記第２の銅層形成ステップは、化学的堆積法又は物理的堆積法によって銅層の一部を形成し、２５０℃以上で加熱した後、前記銅層の残りを形成することを含むものとすることができる。
【００３５】
前記銅層形成ステップは、前記銅層を無電解メッキ、または、化学的堆積法によって形成することを含むものとすることができる。
【００３６】
金属配線のための積層構造の形成方法は、さらに、前記銅層に配線用銅層を形成するステップを含むものとすることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、金属配線のための積層構造は、基板１０と、バリア層１４と、銅を主成分とする銅層１６と、必要に応じて配置される絶縁層１２とを含む。
【００３８】
基板１０として、シリコン又は他の半導体を含む半導体基板、ガラスのような非半導体基材とこの上に直接又は間接的に形成されたシリコン又は他の半導体を含む半導体層とからなる複合基板を用いることができる。図示の例では、基板１０はシリコン基板からなる。
【００３９】
絶縁層１２として、酸化物を用いることができる。図示の例では、絶縁層１２は、二酸化ケイ素（以下「ＳｉＯ２」という。」）からなり、また、基板１０上に形成されている。絶縁層１２は、例えばトランジスタにおいては、ゲート絶縁層として用いられる。
【００４０】
バリア層１４は、Ｔａ、Ｓｉ及びＮを含む合金（以下「ＴａＳｉＮ」という。）及びＷ、Ｓｉ及びＮを含む合金（以下「ＷＳｉＮ」という。）の少なくとも一方を含む。図示の例では、バリア層１４はＴａＳｉＮからなり、また、その厚さ寸法は３０ｎｍである。
【００４１】
バリア層１４は、基板１０への銅の拡散を防止するために用いられ、銅層１６の直接の下層をなす。バリア層１４は、基板１０上に間接的に、図示の例では、絶縁層１２上に形成されている。バリア層１４は、図示の例に代えて、絶縁層１２を介在させることなく基板１０上に直接に形成してもよい。
【００４２】
銅層１６は、バリア層１４上に形成され、配線用銅層（図示せず）の下地層（以下「銅シード層」という。）をなす。図示の例では、銅層１６の厚さ寸法は２０ｎｍである。前記配線用銅線は、銅層１６上に形成され、外部電極（図示せず）との接続のために用いられる。
【００４３】
次に、前記金属配線のための積層構造における銅層１６の内部応力について説明する。
【００４４】
Ｘ線スペクトロスコピーを応用したＸ線回折法を用いて、ＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合（重量比）を異にするバリア層１４上の銅層１６の内部応力を調べた。図２に示すように、バリア層１４のＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合に対する、銅層１６の銅の（１１１）結晶面に関するＸ線回折スペクトルの角度を実測し、この実測角度と基準角度との差である角度シフト量Δ２θを求めた。
【００４５】
銅層１６にける前記角度シフト量Δ２θと銅層１６の内部応力とは比例関係にあるので、角度シフト量Δ２θの変化を測定することにより、内部応力の変化を求めることができる。
【００４６】
図２に示すグラフにおいて、横軸は、バリア層１４のＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合を示し、縦軸は、銅層１６の銅の（１１１）結晶面に関するＸ線回折スペクトルの角度シフト量Δ２θを示す。
【００４７】
角度シフト量Δ２θは、ＡＳＴＭ（アメリカン・ソサイエティ・フォア・テスティング・マテリアルズ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ））規格で定められている基準角度４３．２９５°を用いて、以下の式（１）により求めた。ただし、Ａ°は実測角度である。
【００４８】
【数１】
Δ２θ＝４３．２９５°−Ａ°　…（１）
【００４９】
図２に示すグラフにおいて、白丸印（○）を結んで得られた折線に着目するに、ＴａＳｉＮのＳｉの組成割合の増加に伴い、Δ２θが減少することが理解される。
【００５０】
さらに、詳しく説明する。比較対照のために、ＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合が０であるとき、すなわち、バリア層がＴａＮからなるとき（したがって、従来のバリア層であるとき）の銅層１６についてのΔ２θの値を測定した。得られたΔ２θの値は０．２５であった。これは、ＴａＮからなる従来のバリア層上の銅層の内部応力に対応した値を示す。すなわち、内部応力が大きいことを示す。
【００５１】
バリア層１４のＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合をほぼ０．０１としたときの銅層１６についてのΔ２θの値はほぼ０．１５であり、Ｓｉの組成割合を０としたときのΔ２θの値０．２５より減少している。したがって、銅層１６の内部応力が減少していることが理解される。
【００５２】
さらに、Ｓｉの組成割合を、ほぼ０．０４５、ほぼ０．０７、ほぼ０．０８としたときのΔ２θを測定した。得られたΔ２θの値は、それぞれ、ほぼ０．１３、ほぼ０．１１、ほぼ０．１１であった。これらのΔ２θの値は、Ｓｉの組成割合をほぼ０．０１としたときのΔ２θの値０．２５よりさらに減少している。したがって、銅層１６の内部応力がより一層減少していることが理解される。
【００５３】
このような内部応力の減少すなわち緩和は、バリア層１４のＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合をほぼ０．１としたときまで確認された。したがって、バリア層１４のＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合をほぼ０．０１〜ほぼ０．１としたとき、銅層１６の内部応力は、緩和される。
【００５４】
上記の例においては、バリア層１４はＴａＳｉＮからなるものとして説明したが、次に、バリア層１４がＷＳｉＮからなる場合について説明する。バリア層１４の厚さ寸法は前記のＴａＳｉＮからなるバリア層１４と同じく３０ｎｍであり、基板１０、絶縁層１２及び銅層１６は前記したと同じものを用いた。
【００５５】
この場合についても、バリア層１４のＷＳｉＮ中のＳｉの組成割合に対する、銅層１６の銅の（１１１）結晶面に関するＸ線回折スペクトルの角度を実測し、この実測角度と基準角度との差である角度シフト量Δ２θを求めることにより、銅層１６の内部応力の変化を調べた。
【００５６】
この結果、バリア層１４のＷＳｉＮ中のＳｉの組成割合をほぼ０．０３〜ほぼ０．２５としたとき、銅層１６の内部応力は、好ましいものに緩和されることが確認された。
【００５７】
また、ＷＳｉＮからなるバリア層１４については、バリア層１４のＷＳｉＮ中のＮの組成割合に対する、銅層１６の銅の（１１１）結晶面に関するＸ線回折スペクトルの角度を実測し、銅層１６の内部応力の変化を調べた。
【００５８】
この結果、バリア層１４のＷＳｉＮ中のＮの組成割合をほぼ０．１５〜ほぼ０．２５としたとき、銅層１６の内部応力は、好ましいものに緩和されることが確認された。
【００５９】
このように、ＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの少なくとも一方を含むバリア層１４上に形成された銅層１６の内部応力は緩和されている。このことは、また、銅層１６が銅の（１１１）結晶面に関して高い配向の特性を有することをも示す。
【００６０】
さらに、内部応力が緩和された銅層１６上に形成された配線用銅層（図示せず）も、また、内部応力が緩和されている。
【００６１】
前記配線用銅層の内部応力と配線用銅層の銅粒径とが逆比例の関係にあることから、内部応力が緩和された配線用銅層の銅粒径は、内部応力が緩和されていない配線用銅層の銅粒径と比べて大きい。さらに、配線用銅層の銅粒径と配線用銅層の比抵抗とが逆比例の関係にあることから、大きな銅粒径を有する銅配線層の比抵抗は、小さな銅粒径を有する銅配線層の比抵抗と比べて小さい。
【００６２】
したがって、内部応力が緩和された銅層１６上に形成された配線用銅層は、内部応力が緩和されていない銅層１６上に形成された配線用銅層と比べて小さな比抵抗を有し、配線用銅層の電気特性が向上する。
【００６３】
次に、図１を参照して説明した前記金属配線のための積層構造の形成方法について説明する。
【００６４】
まず、基板１０上に絶縁層１２を形成する。基板１０として例えばｐ型シリコン（１００）ウェハを用い、該シリコンウェハの一部を熱酸化させることにより、絶縁層１２としての酸化シリコン層（具体的には、ＳｉＯ２層）を形成する。
【００６５】
次に、絶縁層１２上に、ＴａＳｉＮからなるバリア層であって例えば３０ｎｍの厚さ寸法を有するバリア層１４と、２０ｎｍの厚さ寸法を有する銅層１６とを、この順に同一のスパッタリング室内で形成する。銅層１６は、銅ターゲット材を用い、スパッタリング法により形成し、バリア層１４は、ＴａとＳｉとを含む合金ターゲット材を用い、窒素雰囲気中で反応性スパッタリング法により形成することができる。
【００６６】
このようにして、金属配線のための積層構造を形成することができる。ＷＳｉＮからなるバリア層１４、ＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮを含むバリア層１４を有する積層構造も、同様にして形成することができる。
【００６７】
好ましくは、銅層１６の形成後に銅層１６を加熱する（以下「アニールする」という。）。これにより、銅層１６の内部応力は、より一層緩和される。
【００６８】
図２を参照して、詳しく説明する。図２に示すグラフにおいて、黒丸印（●）を結んで得られた折線に着目するに、銅層１６の形成後に銅層１６を４００℃で加熱したときの、ＴａＳｉＮ中のＳｉの組成割合に対するΔ２θの値を示す。白丸印（○）を結んで得られた折線が示す、銅層１６を加熱しない場合と比べて、Δ２θの値が、ほぼ０．１だけ小さいことが理解される。すなわち、銅層１６の内部応力が、より一層緩和されていることが理解される。
【００６９】
銅層１６の内部応力の緩和のための加熱の効果を、加熱温度を種々に変えて調べた結果、銅層１６の形成後に銅層１６を２５０℃以上で加熱すればよいことがわかった。これによれば、銅層１６に凝集が生じる。この凝集により、銅層１６の内部応力が緩和される。
【００７０】
このような銅層１６を加熱することの効果をさらに利用することができる。例えば、バリア層１４上の加熱後の銅層１６上にさらに他の銅層を形成し（第２の銅層形成ステップ）、この銅層をこれに凝集が生じるように加熱（第２の熱処理ステップ）すれば、この銅層の内部応力が緩和される。このような第２の銅層形成ステップと第２の熱処理ステップとを繰り返せば、さらに、銅層の内部応力緩和が促進される。
【００７１】
また、前記第２の銅層形成ステップにおいては、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成し、前記第２の熱処理ステップにおいては、銅層を２５０℃以上で加熱すれば、銅層の内部応力緩和がより効果的に実現される。
【００７２】
バリア層１４上の銅層１６上にさらに他の銅層の一部を化学的堆積法又は物理的堆積法により形成すること及びこれを、２５０℃以上で加熱した後、この銅層の残りを形成することを繰り返せば、銅層の内部応力緩和に対する加熱効果がさらに発揮される。
【００７３】
Ｓｉの組成割合を０．０２〜０．１５の範囲としたＴａ及びＳｉを含む合金ターゲット材を用いて、窒素雰囲気中で反応性スパッタリング法によりバリア層１４を形成することができる。これによれば、０．０２〜０．１の範囲内にある組成割合のＳｉを含むＴａＳｉＮバリア層が形成される。
【００７４】
また、Ｓｉの組成割合を０．０５〜０．４の範囲としたＷ及びＳｉを含む合金ターゲット材を用いて、窒素雰囲気中で反応性スパッタリング法によりバリア層１４を形成することができる。これによれば、０．０３〜０．２５の範囲内にある組成割合のＳｉを含むＷＳｉＮバリア層が形成される。
【００７５】
銅層１６を、無電解メッキ又は化学的堆積法によって形成すれば、例えばコンタクトホール内でのバリア層上への銅層の被覆性が向上し、コンタクトホール内のバリア層上に銅層が均一な厚さ寸法で被覆される。
【００７６】
図３に、金属配線のための他の積層構造が示されている。この積層構造は、基板１８と、バリア層２２と、銅層２４とを含み、必要に応じて絶縁層２０を含む。
【００７７】
この積層構造は、銅層２４を除き、図１に示す積層構造と実質的に同一である。ただし、バリア層２２の成分は、前記した例の他、現在広く用いられている元素含む種々の元素、例えば、Ｔａ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎを含むものとすることができる。図示の例では、バリア層２２はＴａＮからなり、また、厚さ寸法は３０ｎｍである。
【００７８】
銅層２４は、凝集領域２６を有する。凝集領域２６は、銅層２４内の他の領域に比べて少なくとも主成分の銅が凝集化された領域、すなわち、大きな体積密度を有する領域又は結晶粒界の少ない領域である。
【００７９】
次に、金属配線のための積層構造における銅層２４の内部応力について説明する。内部応力は、前記したと同様の手法により、すなわち、Ｘ線スペクトロスコピーを応用したＸ線回折法を用いて調べた。
【００８０】
上記の測定を、大きさの異なる凝集領域２６を有する銅層２４について行った。その結果によれば、凝集領域２６の増大に伴って、銅層２４についての角度シフト量Δ２θは減少する。したがって、凝集領域２６を有する銅層２４の内部応力が緩和され、より大きな凝集領域２６を有する銅層２４は、さらに緩和されることがわかった。
【００８１】
銅層２４は、銅層２４とバリア層２２との境界に沿って形成された凝集領域２６を有するとき、その内部応力は均一に緩和される。また、銅層２４は、銅層２４のほぼ全部を占める凝集領域２６を有するとき、より一層緩和される。
【００８２】
これらのことは、また、銅層２４が銅の（１１１）結晶面に関して高い配向の特性を有することをも示す。
【００８３】
さらにに、内部応力が緩和された銅層２４上に形成された配線用銅層（図示せず）も、また、内部応力が緩和される。
【００８４】
次に、図３を参照して説明した前記金属配線のための積層構造の形成方法について説明する。
【００８５】
まず、基板１８上に絶縁層２０を形成する。基板１８として例えばｐ型シリコン（１００）ウェハを用い、該シリコンウェハの一部を熱酸化させることにより、絶縁層２０としての酸化シリコン層（具体的には、ＳｉＯ２層）を形成する。
【００８６】
次に、絶縁層１２上に、ＴａＳｉＮからなるバリア層であって例えば３０ｎｍの厚さ寸法を有するバリア層１４と、２０ｎｍの厚さ寸法を有する銅層１６とを、この順に同一のスパッタリング室内で形成する。銅層１６は、銅ターゲット材を用い、スパッタリング法により形成し、バリア層１４は、ＴａとＳｉとを含む合金ターゲット材を用い、窒素雰囲気中で反応性スパッタリング法により形成することができる。
【００８７】
次に、絶縁層２０上に、ＴａＮからなるバリア層であって例えば３０ｎｍの厚さ寸法を有するバリア層２２と、２０ｎｍの厚さ寸法を有する銅層２４とを、この順に同一のスパッタリング室内で形成する。銅層２４は、銅ターゲット材を用い、スパッタリング法により形成し、バリア層２２は、Ｔａを含む合金ターゲット材を用い、窒素雰囲気中で反応性スパッタリング法により形成することができる。銅層２４の形成後に銅層２４を４００℃で加熱する。
【００８８】
図４を参照する。図４に示すグラフにおいて、黒丸印（●）を結んで得られた折線に着目するに、銅層２４の形成後に銅層２４を種々の温度で加熱したときの、銅層２４の内部応力を示す。温度がゼロすなわち加熱しないときの銅層２４の内部応力と比べて、ほぼ２５０℃で銅層２４を加熱したとき、内部応力は減少している。加熱温度をほぼ３００℃、ほぼ４００℃とすることにより、銅層２４の内部応力はより一層緩和される。加熱温度をほぼ３００℃、ほぼ４００℃とするに従い、銅層２４の内部応力の減少の度合いは小さくなっている。
【００８９】
図４に示すグラフにおいて、黒四角印（■）を結んで得られた折線に着目するに、Ｔａからなるバリア層２２を用いた場合を示している。この場合においても、温度がゼロすなわち加熱しないときの銅層２４の内部応力と比べて、ほぼ４００℃で銅層２４を加熱したとき、内部応力は減少している。
【００９０】
前記凝集は、銅層２４の形成後に銅層２４を２５０℃以上で加熱することにより生じる。
【００９１】
このような銅層２４を凝集が生じるように加熱することの効果をさらに利用することができる。例えば、バリア層２２上の加熱後の銅層２４上にさらに他の銅層を形成し、この銅層を加熱すれば、この銅層の内部応力が緩和される。このような銅層形成及び加熱処理を繰り返せば、さらに、銅層の内部応力緩和が促進される。
【００９２】
また、２０ｎｍ以下の厚さ寸法を有する銅層を物理的堆積法によって形成し、銅層を２５０℃以上で加熱すれば、銅層の内部応力緩和が効果的に実現される。
【００９３】
バリア層２２上の加熱後の銅層２４上にさらに他の銅層の一部を形成し、２５０℃以上で加熱した後、この銅層の残りを形成することを繰り返せば、銅層の内部応力緩和に対する加熱効果がさらに発揮される。
【００９４】
銅層２４を、無電解メッキ又は化学的堆積法によって形成すれば、例えばコンタクトホール内でのバリア層上への銅層の被覆性が向上し、コンタクトホール内のバリア層上に銅層が均一な厚さ寸法で被覆される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、金属配線のための積層構造の実施例を示す断面図。
【図２】図１に示す積層構造に係る銅層の角度シフト量を示すグラフ、及び本発明に係る、金属配線のための積層構造の形成方法に係るグラフ。
【図３】本発明に係る、金属配線のための積層構造の実施例を示す断面図。
【図４】本発明に係る、金属配線のための積層構造の形成方法に係るグラフ。
【図５】従来の配線構造を示す断面図。
【符号の説明】
【符号の説明】
１０、１８　基板
１２、２０　絶縁層
１４、２２　バリア層
１６、２４　銅層
【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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