(57)【要約】【課題】半導体デバイスの配線構造に関するものであり、特にＶＬＳＩ、ＵＳＬＩに好適な低抵抗な配線の構造に関するものである。【解決手段】Ｓｉ基板とＣｕ配線層との間に結晶粒促進層としてＴｉＮをスパッタリング法により形成した。結晶粒促進層のない比較例に対し、初期段階ではＣｕの粗大粒は少ないが、成長過程でそれらが（１１１）面で優先的、かつ、急速に成長し、粗大化した。その結果、粗大化したＣｕの平均粒径をＤ、電子の平均自由行程をＬとした場合にＤ＞１０×Ｌを達成し、抵抗率を大幅に低減することができた。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅（Ｃｕ）を主成分とする配線層と、前記配線層の結晶粒を粗大化するための結晶粒促進層を有することを特徴とする半導体デバイス用配線構造。
【請求項２】
前記結晶粒促進層を有することにより、前記配線層の最終的に粗大化した結晶粒の平均粒径をＤ、電子の平均自由行程をＬとしたとき、ＬとＤの間に、Ｄ＞１０×Ｌの関係を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス用配線構造。
【請求項３】
前記結晶粒促進層は、半導体若しくは誘電膜と前記配線層との間に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体デバイス用配線構造。
【請求項４】
前記結晶粒促進層は、前記半導体若しくは前記誘電膜及び前記配線層と密着性が良好であり、かつ、それらと反応性の低い物質から選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体デバイス用配線構造。
【請求項５】
前記結晶粒促進層は、高融点金属または高融点金属の窒化物若しくは炭化物から選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の半導体デバイス用配線構造。
【請求項６】
前記結晶粒促進層は、チタン（Ｔｉ）若しくはタンタル（Ｔａ）又はそれらの窒化物若しくは炭化物から選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の半導体配線構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの配線構造に関するものであり、特にＶＬＳＩ、ＵＳＬＩに好適な配線の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン（Ｓｉ）半導体の高速化は、Ｍｏｏｒｅの法則に従ってデバイスのサイズが縮小し、単結晶Ｓｉ基板上に形成されるトランジスタの集積度を上げることにより実現されてきた。現在では、０．１３μｍルールを用いたデバイスの生産が始まっており、２００５年には幅０．１０μｍ以下という超微細配線の使用が計画されている。微細化による配線幅や配線間隔の減少は配線の電気抵抗や配線間容量を増大させるため、配線信号伝搬速度は微細化に伴い逆に低下し、この配線遅延問題は、０．１３μｍルール以降、急激にデバイスの動作速度に悪影響を及ぼす。今後のＳｉ半導体開発では、従来の微細化による高速化は困難であり、新材料への転換による高性能化が不可欠となっている。
【０００３】
配線遅延を低減するには、これまで配線材に使用されてきたアルミニウム（Ａｌ）よりも抵抗率の小さな配線材料を使用すればよく、１９９７年に米国ＩＢＭ社より、銅（Ｃｕ）配線の可能性が示された。ちなみに、バルク材でのＡｌの抵抗率は２．７μΩ・ｃｍであり、Ｃｕの抵抗率は１．７μΩ・ｃｍである。
【０００４】
ところが、Ｃｕ配線においては、Ｃｕのエッチング生成物の蒸気圧が低く、半導体基板を高温に加熱しなければならないため、Ａｌの場合のように半導体基板全面にＡｌ薄膜を成膜した後に配線領域を被覆し、残りの不要なＡｌをエッチングによって除去するという手法（図１（ａ））を用いることができず、Ｃｕ成膜前にあらかじめ半導体に配線幅の溝（トレンチ）または孔（ビア）を作っておき、Ｃｕ原子を埋め込む手法が採用される。余分なＣｕは成膜後にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ    Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ    Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法による研磨等で除去され平坦化される（図１（ｂ）、この配線形成法を「ダマシン法」という。）。更に、Ｃｕ配線ではＣｕ原子のＳｉ半導体への拡散を防止する必要があり、Ｓｉ半導体とＣｕの間にバリヤ層を設ける必要がある（例えば、非特許文献１、２参照）。また、溝や孔をＣｕで完全に埋め込む必要があり、配線幅の細線化に伴い、Ｃｕ膜厚も薄膜化することになる。
【非特許文献１】
守山実希他、「新時代を迎えたエレクトロニクス配線技術」、まてりあ、第３９巻、第１１号、２０００年、ｐ．９０１−９０８
【非特許文献２】
阿部一英他著、「Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ積層構造を有する高信頼性Ｃｕダマシン配線」、沖電気研究開発、２０００年１０月、第１８４号、Ｖｏｌ．６７、Ｎｏ．３、ｐ．６５−６８
【０００５】
しかし、ダマシン法におけるバリヤ層形成においては、バリヤ材を溝（トレンチ）または孔（ビア）内に均一に膜形成することが難しく、しかも拡散を防止するためのバリヤとして機能させるには最も薄い部分で１０ｎｍ以上の膜厚が必要となるため、結果としてバリヤ層の膜厚は厚くならざるを得ず、この厚いバリア層の存在により抵抗が上昇することとなる。また、バリア層の存在は、配線間隔の減少に関しては妨げとなることから、バリヤ層を設けることなくＣｕ配線を形成する技術の研究開発が行われつつある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、配線材であるＣｕの抵抗率の観点からは、配線幅が０．１０μｍまで細線化されると、この幅は電子の平均自由行程と同程度になり、薄膜化によるＣｕ配線材の抵抗率増加が懸念される。これは、膜厚や平均粒子径の減少に伴い、電子散乱による抵抗率増加が顕著になると考えられるからである。したがって、薄膜化されたＣｕ配線の低抵抗化には平均粒径増大化が不可欠である。
【０００７】
更に、Ｃｕ配線においては、Ａｌ配線の場合と大きく異なり、成膜後、室温で保持した場合にいくつかの結晶粒が優先的に成長し、不均一な粒径分布を示し、この不均一粒径分布による抵抗率のバラツキに伴う信頼性の低下が危惧されている。この結晶粒の成長による粗大化は、抵抗の観点から見れば低抵抗化につながるものの、ナノ・スケールＣｕ配線の低抵抗化、高信頼化を実現するためには粒径の増大化、均一化を含めたＣｕ配線材の微細構造を制御することが必要である。
【０００８】
本発明者らは、この結晶粒の成長がＳｉ基板とＣｕ膜との界面に発生する真性歪み（基板の存在によってＣｕ膜に与えられるエネルギーアシスト）であることを見出し、「結晶粒の粗大化による低抵抗化」について、Ｃｕ結晶粒の成長過程をＳｉ基板とＣｕ膜との間に介在する物質を含めて鋭意研究した結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体デバイス用の配線構造に関するものであり、特にＶＬＳＩ、ＵＳＬＩに好適な配線構造に関するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記の課題を解決するために、請求項１によれば、銅（Ｃｕ）を主成分とする配線層と、前記配線層の結晶粒を粗大化するための結晶粒促進層を有することである。結晶粒促進層を有することにより、配線層の結晶粒を粗大化させることができ、ナノ・スケールＣｕ配線の低抵抗化を図ることができるからである。また、請求項２によれば、結晶粒促進層を有することにより、配線層の最終的に粗大化した結晶粒の平均粒径をＤ、電子の平均自由行程をＬとしたとき、ＬとＤの間に、Ｄ＞１０×Ｌの関係を有することである。この関係を満たすことにより、粗大化された配線層の結晶が単結晶に近づき、配線層の抵抗率をバルクの抵抗率に近づけることができるからである。更に、請求項３によれば、前記結晶粒促進層は、半導体若しくは誘電膜と、前記配線層との間に形成されることであり、請求項４によれば、結晶粒促進層は、半導体若しくは誘電膜及び配線層との密着性が良好であり、かつ、それらと反応性の低い物質から選ばれることである。低抵抗化と同時に高信頼性を達成することができるからである。結晶粒促進層の材料としては、請求項５によれば、結晶粒促進層は、高融点金属または高融点金属の窒化物若しくは炭化物から選ばれることであり、請求項６によれば、結晶粒促進層は、チタン（Ｔｉ）若しくはタンタル（Ｔａ）又はそれらの窒化物若しくは炭化物から選ばれることである。これらの金属若しくはその窒化物に結晶粒粗大化に関して高い効果が得られるからである。ここで、高融点金属とは、融点が１５００℃以上の金属をいい、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）が望ましい。特に、Ｔｉ、Ｔａについて効果が顕著である。以上、これらを満たすことにより、室温粒成長の初期段階では、Ｃｕの粗大粒が少なく、成長過程でＣｕの（１１１）面が優先的に成長し、室温粒成長の飽和段階での粗大粒の平均粒径が配線幅Ｗの７〜８倍に成長しており、その平均粒径がＤ＞１０×Ｌとなることにより抵抗率をバルクの抵抗率近くまで低下させることができ、ナノ・スケールＣｕ配線の低抵抗化、高信頼化を実現することができるのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。評価は、四探針法による抵抗率測定、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による表面・断面観察（ＳＩＭ像）、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）による結晶構造解析により行った。半導体としてはＳｉ基板を用い、Ｃｕ膜の結晶粒観察のためにＳｉ基板上にＳｉ３Ｎ４を形成した。また、結晶粒促進層としてはＴｉＮを用いた。
【００１１】
Ｓｉ基板をアセトン、ＩＰＡによる有機洗浄を行った後、スパッタリング装置のチャンバー内に載置した。次に、チャンバー内を４×１０−９Ｔｏｒｒの高真空に排気した後、Ａｒを８．５ＣＣＭ、Ｎ２を０．５ＣＣＭ導入し、圧力５×１０−３Ｔｏｒｒで、ターゲットをＳｉとしてＳｉ３Ｎ４を６０ｎｍの厚さに形成した。続いて、チャンバー内を４×１０−９Ｔｏｒｒの高真空に排気した後、Ａｒを８．５ＣＣＭ、Ｎ２を０．５ＣＣＭ導入し、圧力５×１０−３Ｔｏｒｒで、ターゲットをＴｉとして結晶粒促進層であるＴｉＮを０．１μｍの厚さに形成した。再度、チャンバー内を４×１０−９Ｔｏｒｒの高真空に排気した後、Ａｒを１０．０ＣＣＭ導入し、圧力６×１０−３Ｔｏｒｒで、ターゲットをＣｕとして、配線層であるＣｕを１．０μｍの厚さに形成した。比較例として、ＴｉＮが形成されていない試料を用意した。特性評価は、室温保持及びアルゴン（Ａｒ）雰囲気で３５０℃、２．５時間の熱処理後の粒成長の挙動を前述の項目について評価した。
【００１２】
ＸＲＤ測定結果については、スペクトルは掲載しないが、本発明、即ち、ＴｉＮの存在する場合は、比較例、即ち、ＴｉＮの存在しない場合に比較して、Ｃｕの（１１１）の強度が増大し、（１１１）面が優先的に成長していることがわかった。
【００１３】
ＦＩＢによる室温粒成長挙動の表面観察（ＳＩＭ）像を図２に、断面観察像を図３に示した。なお、（ａ）が本発明の場合であり、（ｂ）が比較例の場合である。この結果より、本発明の方が室温粒成長の初期段階での粗大粒が少なく、また、成長過程でそれらの結晶粒が優先的に成長しているのがわかった。また、飽和段階での粗大粒の平均粒径が比較例の７〜８倍になり、電子の平均自由行程（３９ｎｍ）より１０倍以上大きくなっており、ＴｉＮが結晶粒促進作用を有することが確認された。さらに、飽和段階までの到達時間は、比較例に対して３分の１程度に短縮され、その結晶粒促進効果が顕著であることも確認された。
【００１４】
ＦＩＢによる熱処理後の表面及び断面観察像を図４に示した。なお、図２、図３と同様に（ａ）が本発明の場合であり、（ｂ）が比較例の場合である。本発明及び比較例共に熱処理による粗大粒の平均粒径に顕著な成長は見られないが、微細粒域の減少が生じ、平均粒径の増大化及び粒径の均一化が図られ、結果として、本発明において平均粒径が１２倍程度になっているのがわかった。また、室温粒成長での平均粒径が熱処理後の粒径分布にも大きく影響していることがわかった。
【００１５】
熱処理前後における抵抗率変化を図５に示した。本発明は比較例に比べ、熱処理前後で共に低い抵抗率を示した。
【００１６】
上記の実施例では、半導体としてＳｉ基板を用いたが、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜が形成された場合においても同様な結果が得られた。なお、Ｓｉ基板上にＳｉ半導体層（不純物がドーピングされる場合、複数層から成る場合を含む）が形成された場合やその半導体層の上に更にＳｉＯ２膜が形成された場合にも同様な効果が得られることは言うまでもない。また、Ｄ＞１０×Ｌについては、Ｃｕの平均粒径に上限はなく、無限大になり単結晶になることが望ましい。それは、結晶粒界による電子の散乱が少なくなるためである。さらに、熱処理の温度範囲は１００℃以上４００℃以下が望ましい。この範囲内で本発明の顕著な効果を得ることができるからである。さらに、上記実施例では、結晶粒促進層としてのＴｉＮを０．１μｍの厚さに形成して行ったが、結晶粒促進層は層状に一様に存在する必要はなく、１〜５ｎｍの厚さで連結することなく、粒状或いは島状に存在していても結晶粒促進作用を有する。また、Ｔｉ、ＴｉＣ及びＴａ、ＴａＮ、ＴａＣについてもＴｉＮと同様な効果が観測された。また、誘電膜層としては、ＳｉＯや有機物が望ましい、この場合、有機物はポーラス状であっても良い。
【００１７】
一方、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕの金属膜形成方法としては、スパッタリング法を用いたが、蒸着法や、形成しようとする金属の融点まで瞬時に加熱する手段としてのレーザアニール法若しくはめっき法及び化学気相成長法などの他の方法を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の配線形成法とダマシン法
【図２】ＦＩＢによる室温粒成長挙動の比較（表面観察（ＳＩＭ）像）。
【図３】ＦＩＢによる室温粒成長挙動の比較（断面観察（ＳＩＭ）像）。
【図４】ＦＩＢによる結晶粒の熱処理後の表面及び断面観察像。
【図５】熱処理前後の抵抗率変化。
【符号の説明】
１    基板
２    Ａｌ膜
３    レジスト
４    バリヤ層
５    Ｃｕ膜
６    除去領域
７    本発明
８    比較例
【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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