(57)【要約】【課題】半導体装置内の個々の接続部における故障発生率のバラツキを小さくすることができる半導体装置製造方法を提供すること。【解決手段】キャップ層１３０（３１０）として働くＣｕ含有ＴｉＮ層がＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成され、Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有されたＣｕを、熱処理により、層間配線２００との電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線１２０（３２０）に拡散させることを特徴とする半導体装置製造方法。【選択図】　図１
2004111837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１配線層と第２配線層とを層間配線を介して電気的に接続し、かつ前記層間配線と前記各配線層との間にはキャップ層を介在した構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程と、
前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散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Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線中の前記キャップ層界面近傍に前記Ｃｕを拡散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】
前記Ｃｕ含有Ｔｉターゲットが、ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットが、Ｔｉ粉末およびＣｕ粉末の燒結体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ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットが、ＴｉおよびＣｕの合金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６】
前記ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットが、１重量％以上のＣｕを含むことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記Ｃｕ含有Ｔｉターゲットが、少なくとも、Ｔｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程を、
前記Ｃｕ含有Ｔｉターゲットとして、Ｔｉを含む第１のターゲットとＣｕを含む第２のターゲットとを用い、前記Ｔｉを含む第１のターゲットと前記Ｃｕを含む第２のターゲットと、を同時にスパッタリングすることにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記キャップ層が２層以上の多層膜からなり、該多層膜の少なくともいずれか１層が、前記Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成されたＣｕ含有Ｔｉ層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記多層膜中の前記Ａｌ−Ｃｕ配線表面に接して設けられる層が、前記Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成されたＣｕ含有Ｔｉ層であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程を実施した後に、前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散する工程を実施することを特徴とする請求項１〜１０いずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程を実施する間に、前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散する工程を実施することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記層間配線が、少なくともＣＶＤ法によりＷ膜を成膜する工程を経て形成され、前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散する工程を、前記Ｗ膜を形成する間に実施することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散する工程を、２００℃〜４５０℃の温度範囲内で実施することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つ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、半導体装置、特に多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
−多層配線からなる半導体装置の構成−
一般に、エレクトロマイグレーションによる故障を抑制するためにＡｌ中にＣｕを添加したＡｌ−Ｃｕ配線を積層した多層の配線層を有する半導体装置は、２つの配線層の間の接続部分が、例えば、図２に示すような構成を有している。
図２は、配線層が積層された構造を有する半導体装置における部分構造の一例について示した模式断面図であり、具体的には、層間絶縁層により絶縁・隔離された２つの配線層と、これら２つの配線層間の電気的接続部について示したものである。
【０００３】
図２中、１２０が第１配線層（Ａｌ−Ｃｕ配線）、２００が層間配線、３２０が第２配線層（Ａｌ−Ｃｕ配線）、１１０、１３０、３１０、３３０がキャップ層、４００、４０１および４０２が層間絶縁層を表す。第１配線層１２０の端部近傍の上面（矢印Ｓと反対方向）と層間配線２００とは、キャップ層１３０を介して電気的に接続され、第２配線層３２０の端部近傍下面（矢印Ｓ方向の面）と層間配線２００とは、キャップ層３２０を介して電気的に接続されている。
【０００４】
また、第１配線層１２０は、その下面に設けられたキャップ層１１０を介して不図示の層間配線と電気的に接続され、第２配線層２２０は、その上面に設けられたキャップ層３３０を介して不図示の層間配線と電気的に接続されている。
第１配線層１２０および第２配線層３２０に接して設けられるキャップ層１１０、１３０、３１０、および、３３０は、少なくともＴｉＮを主たる成分とする膜が積層されたものである。
【０００５】
第１配線層１２０と、第２配線層３２０と、その他の配線層（不図示）と、を絶縁するために、第１配線層１２０と、第２配線層３２０と、その他の配線層（不図示）と、の間には層間絶縁層４００、４０１および４０２が設けられている。
第１配線層１２０と、第２配線層１２０とを接続する層間配線２００は、密着層２１０と、Ｗ膜２２０と、からなり、密着層２１０は、Ｗ膜２２０の下面および側面（矢印Ｓで示される軸方向に対して平行な面）を囲むように設けられている。
【０００６】
なお、図２中、矢印Ｓは、基板側を表し、矢印Ｓと平行な方向が、基板表面に対して垂直方向であることを意味する。また、図２およびこれ以降に説明する図において、説明の都合上、基板側の面（方向）を下面（下側）と略し、これと反対の面（方向）を上面（上側）と略す場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置には、図２に示すような配線層間の接続構造が多数含まれており、個々の接続部毎に、エレクトロマイグレーションに起因する故障の発生率が大きく異なる場合があった。この場合、半導体装置の設計に際しては、故障の発生しにくい接続部を基準として配線層に流す電流の密度を設定すると信頼性に問題が発生するため、故障の発生し易い接続部を基準として配線に流す電流密度を低く設定しなければならないという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決することを課題とする。すなわち、本発明は、半導体装置内の個々の接続部における故障発生率のバラツキを小さくすることができる半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、本発明は、第１配線層と第２配線層とを層間配線を介して電気的に接続し、かつ前記層間配線と前記各配線層との間にはキャップ層を介在した構造を有する半導体装置の製造方法において、前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程と、前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散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である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
＜エレクトロマイグレーションによる故障の発生＞
エレクトロマイグレーションによる故障（Ｖｏｉｄの発生によるショートや断線）は、図２中に示す半導体装置においては、第１配線層１２０の符号５１０や、第２配線層１２０の符号５２０で示される領域に発生することが多い。これは、電流が流れた際に、図３に示すようにＡｌ−Ｃｕ配線からなる第１配線層１２０（および第２配線層３２０）中において、５００ｄ（および５００ｕ）で示される領域（以下、「高電子密度領域」と略す）の電子密度が相対的に高いために、Ａｌ原子の移動が起こりやすくなるためである。なお、図３に示す半導体装置は図２に示す半導体装置と同様のものである。
【００１０】
本発明者が従来の半導体装置の製造方法により作製された半導体装置について詳細に検討したところ、故障は、符号５２０よりも符号５１０で示される領域の方が起り易く、この原因は、Ａｌ−Ｃｕ配線中に含まれるＣｕが、Ａｌ−Ｃｕ配線の基板側近傍（層間配線２００との電気的接続部から離れた領域）にのみ偏析しているためであることを確認した。従って、本発明者は、Ａｌ−Ｃｕ配線の基板側近傍以外の領域、特に高電子密度領域５００ｄ近傍でのＣｕの濃度を従来よりも大きくすることができれば、半導体装置内の個々の接続部における故障発生率のバラツキを小さくすることができると考え、以下に示す本発明の半導体装置の製造方法を考案した。
【００１１】
＜半導体装置の製造方法＞
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、第１配線層と第２配線層とを層間配線を介して電気的に接続し、かつ前記層間配線と前記各配線層との間にはキャップ層を介在した構造を有する半導体装置の製造方法において、前記第１および第２配線層の少なくても一方となるＡｌ−Ｃｕ配線に、前記キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層を、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成する工程（以下、「Ｃｕ含有ＴｉＮ層形成工程」と略す場合がある）と、前記Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含有された前記Ｃｕを熱処理により、少なくとも前記層間配線との電気的接続部に位置する前記Ａｌ−Ｃｕ配線に前記Ｃｕを拡散する工程（以下、「熱拡散工程」と略す場合がある）とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記したような本発明の半導体装置の製造方法により作製された半導体装置は、熱拡散工程において、キャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層に含有されたＣｕが、熱処理により拡散し、少なくとも層間配線との電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線へと移動する。以下に、本発明の半導体装置の製造方法について図面を用いて具体的に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の半導体装置の製造方法により作製された半導体装置の一例について示した模式断面図であり、具体的にはキャップ層として働くＣｕ含有ＴｉＮ層に含有されたＣｕが、Ａｌ−Ｃｕ配線に拡散した状態の一例について示した模式図断面図である。なお、図１に示す半導体装置は、図２と同様の構成を有する半導体装置であり、キャップ層１３０、３１０としてＣｕ含有ＴｉＮ層をＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成し、熱拡散工程を経て作製されたものである。また、図１中の符号１２１は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層（キャップ層１３０）に含有されていたＣｕが拡散した領域（Ｃｕ拡散領域）を示しており、符号３２１は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層（キャップ層３１０）に含有されていたＣｕが拡散した領域（Ｃｕ拡散領域）を示しており、その他の符号は図２と同様である。
【００１４】
図１からわかるように、層間配線２００との電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線（第１配線層１２０）の領域を含むように、Ｃｕ拡散領域１２１が形成されている。このＣｕ拡散領域１２１は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層（キャップ層１３０）に含まれていたＣｕが、熱拡散工程において、Ａｌ−Ｃｕ配線（第１配線層１２０）のキャップ層１３０側から基板側の方向（図１中、矢印Ａ方向）へと拡散することにより形成されたものである。
【００１５】
また、層間配線２００との電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線（第２配線層３２０）の領域を含むように、Ｃｕ拡散領域３２１が形成されている。このＣｕ拡散領域３２１は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層（キャップ層３２０）に含まれていたＣｕが、熱拡散工程において、Ａｌ−Ｃｕ配線（第２配線層３２０）のキャップ層３１０側からキャップ層３３０の方向（図１中、矢印Ｂ方向）へと拡散することにより形成されたものである。なお、図１に示すＣｕ拡散領域１２１、３２１は、説明の都合上、Ｃｕが拡散した領域の一例について模式的に示したもので、本発明は図１に示した例に限定されるものではない。
【００１６】
このため、本発明の半導体の製造方法により作製された半導体装置においては、少なくとも層間配線の電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線中には、Ｃｕが十分に存在することになる。また、図１および図３を比較すればわかるように、Ｃｕ拡散領域１２１（３２１）および高電子密度領域５００ｄ（５００ｕ）は、少なくともＡｌ−Ｃｕ配線である第１配線層１２０（第２配線層３２０）の層間配線２００との電気的接続部に位置している。従って、本発明の半導体装置製造方法により作製された半導体装置は、従来の半導体装置製造方法により作製された半導体装置よりも、高電子密度領域５００ｄおよび高電子密度領域５００ｕにおけるＡｌの移動をより抑制することができる。
【００１７】
特に、Ｃｕ拡散領域１２１で示される領域は、既述したように従来の半導体装置製造方法で作製された半導体装置においてはＣｕが殆ど存在しない領域であったために、第２配線層３２０と層間配線２００との電気的接続部近傍よりも、第１配線層１２０と層間配線２００との電気的接続部近傍の故障発生率をより抑制することになる。すなわち、図１に示す例では、相対的に故障の発生しやすい電気的接続部（層間配線２００の基板側の面に位置する第１配線層１２０近傍を意味し、図２の符号５１０で示す領域に相当）の故障発生率の低下させ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００１８】
なお、図１に示す例では、本発明の半導体装置製造方法を利用して、層間配線の基板側設けられたＡｌ−Ｃｕ配線と、基板と反対側に設けられたＡｌ−Ｃｕ配線と、の両方にＣｕを拡散させたが、必要に応じて、片方のＡｌ−Ｃｕ配線のみにＣｕを拡散させることも可能である。
【００１９】
例えば、相対的に故障発生率の大きい側のＡｌ−Ｃｕ配線、すなわち、層間配線の基板と反対側設けられたＡｌ−Ｃｕ配線に、本発明の半導体装置製造方法を利用してＣｕを拡散させた場合とそうでない場合を比較して、故障発生率の差が余り無い場合、相対的に故障発生率の大きい側のＡｌ−Ｃｕ配線、すなわち、層間配線の基板側設けられたＡｌ−Ｃｕ配線にのみＣｕを拡散させることが好ましい（図１に示す例では、Ｃｕ拡散領域１２１のみを形成した場合に相当する）。
【００２０】
この場合、層間配線の基板側設けられたＡｌ−Ｃｕ配線と、基板と反対側に設けられたＡｌ−Ｃｕ配線と、の両方にＣｕを拡散させた場合とほぼ同等に半導体装置の信頼性を向上させることができると共に、半導体装置の製造工程をより簡略化することができる。
【００２１】
また、Ｃｕ含有ＴｉＮ層中に含まれるＣｕを熱処理により、少なくとも層間配線との電気的接続部に位置するＡｌ−Ｃｕ配線中のキャップ層界面近傍に拡散させることがより好ましい。このような場合、Ａｌ−Ｃｕ配線中のキャップ層界面近傍に含まれるＣｕの濃度をより高くすることができる（図１に示す例では、Ｃｕ拡散領域１２１（３２１）のキャップ層１３０（３１０）側近傍のＣｕ濃度をより高くすることに相当する）。この場合、特に高電子密度領域５００ｄ近傍でのＡｌ原子の移動をより効果的に抑制することができ、結果として半導体装置内の個々の接続部における故障発生率のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【００２２】
なお、Ａｌ−Ｃｕ配線中に拡散させるＣｕの濃度分布やその拡散領域（例えば、図１に示す例では、Ｃｕ拡散領域１２１、３２１に相当）は、熱拡散工程を行う前のＣｕ含有ＴｉＮ層中に含まれるＣｕの濃度や、熱拡散工程を行う際の熱処理の条件等を調整することにより制御することができる。
次に、上記した本発明の半導体装置の製造方法を、Ｃｕ含有ＴｉＮ層形成工程と、熱拡散工程とに大きく分けて、より詳細に説明する。
【００２３】
−Ｃｕ含有ＴｉＮ層形成工程−
Ｃｕ含有ＴｉＮ層形成工程において、Ｃｕ含有ＴｉＮ層の形成に用いられるターゲットとしては、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットが用いられる。このＣｕ含有Ｔｉターゲットは１枚のみを用いてもよいが、２枚以上を用いてもよい。
なお、本発明において、「Ｃｕ含有Ｔｉターゲット」とは、１枚のＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いる場合には、ＣｕとＴｉとが両方含まれているターゲットを意味する。また、２枚以上のＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いる場合には、いずれかのターゲットにＣｕとＴｉとが含まれていることを意味し、ＣｕおよびＴｉは同じターゲットに含まれていてもよく、各々別々のターゲットに含まれていてもよい。なお、ターゲットを構成する材料としては、ＣｕおよびＴｉ以外にも必要であればその他の材料を用いてもよい。
【００２４】
ＣｕとＴｉとが両方含まれているターゲットの具体例としては、ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットや、Ｔｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットを挙げることができる。
また、ＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットとしては、Ｔｉ粉末およびＣｕ粉末の燒結体からなるものや、ＴｉおよびＣｕの合金（固溶体）からなるものが挙げられる。これらのターゲットは公知の方法により作製することができ、ターゲット中に含まれるＣｕの含有量を調整することにより、このターゲットを用いて形成された薄膜中のＣｕ含有量を制御することが容易である。
【００２５】
このようなＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットは、ＴｉあるいはＴｉを主成分とするマトリックス中に少なくともＣｕが含まれているものであり、このターゲット中のＣｕの含有量は１重量％以上であることが好ましく、２重量％以上であることがより好ましい。ターゲット中に含まれるＣｕの含有量が１重量％未満の場合は、半導体装置内の個々の接続部のエレクトロマイグレーションによる故障発生率が大きくばらついてしまう場合がある。
一方、Ｃｕの含有量の上限は特に限定されないが、５重量％以下であることが好ましい。５重量％を超える場合には、このターゲットを用いて成膜された膜中にＴｉとＣｕとの合金が多く含まれるため、Ｃｕ含有ＴｉＮ層（キャップ層）のパターニングが困難になる場合がある。
なお、このようなターゲットを構成する材料の純度は、通常のターゲット材料として用いられるレベルと同等以上であることが好ましい。
【００２６】
また、Ｔｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットを用いる場合には、Ｔｉ板の表面に設けられるＣｕ片は、少なくともターゲットのエロージョン部（スパッタリングされる領域）に設けられる必要がある。このようなターゲットの具体例としては、例えば、Ｔｉ板の表面に、数ｍｍ〜１ｃｍ□程度のＣｕ片を一定の間隔で貼り付けたり埋めこんだりしたターゲットなどが挙げられる。また、Ｃｕ片としては上記したような四角いチップ状のものに限定されるものではなく、Ｃｕ線等、Ｔｉ板の表面に貼り付けたり埋めこんだりすることが可能なものであれば任意の形状のものを用いることができる。
このような、Ｔｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットは、既存のＴｉターゲットにＣｕ片を貼り付けるだけで、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットとして再利用できるというメリットがある。
【００２７】
なお、このようなＴｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットを用いて形成される薄膜中に少なくともＣｕが１重量％以上含まれるように、ターゲット表面のＴｉが露出している部分の面積とＣｕが露出している部分の面積との割合が調整されることが好ましい。
また、Ｔｉ板やＣｕ片の純度は、通常のターゲット材料として用いられるレベルと同等以上であることが好ましい。
【００２８】
一方、Ｃｕ含有ＴｉＮ層の形成に２枚以上のＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いる場合には、上記したように、いずれかのターゲットに必ずＣｕとＴｉとが含まれていればよく、Ｔｉを含むターゲット、Ｃｕを含むターゲット、また、上記したようなＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットや、Ｔｉ板の表面にＣｕ片を設けたターゲットを２枚以上組み合わせて用いることができる。
【００２９】
従って、例えば、複数のチャンバーに各々カソードを備えた成膜装置を用いて、比較的膜厚の厚いＣｕ含有ＴｉＮ層を形成する場合には、２枚のＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットをそれぞれ２つのカソードに取り付け、２回に分けてスパッタリングすることができるため、タクトタイムの低下を防ぐことができる。一方、比較的膜厚の薄いＣｕ含有ＴｉＮ層を形成する場合には、１枚のＴｉとＣｕとの混合物からなるターゲットを１つのカソードに取り付けてスパッタリングすることができる。このため、Ｃｕ含有ＴｉＮ層の形成に際して使用するカソードが１つのみでよく、半導体装置の製造に際して成膜装置内のカソードを全て使うような場合には、Ｃｕ含有ＴｉＮ層以外の層の成膜に利用できるカソードを確保することが容易となる。
【００３０】
また、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットとして、ＴｉとＣｕとが別々のターゲットに含まれた２枚のターゲットを用いてＣｕ含有ＴｉＮ層を形成する場合には、Ｔｉを含む第１のターゲットと、Ｃｕを含む第２のターゲットと、を同時にスパッタリングすることができる。
このようなＴｉを含む第１のターゲットと、Ｃｕを含む第２のターゲットとを用いたスパッタリングは、コスパッタリングが可能な成膜装置を用いる場合に好適である。
なお、これら２つのターゲットを用いて形成される薄膜中には少なくともＣｕが１重量％以上含まれるように、Ｔｉを含むターゲットと、Ｃｕを含むターゲットと、の放電条件が調整されることが好ましい。
【００３１】
上記に説明したようなＣｕ含有ＴｉＮ層を形成する際にＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いて行われるスパッタリングは、公知のスパッタリング方法であれば如何なる方法を用いてもよく、例えば、導電性を有するターゲットのスパッタリングに広く利用されているＤＣマグネトロンスパッタリング法等を用いることができる。また、ガス圧や放電電力等のスパッタリング条件は、ＡｒとＮ２との混合ガス雰囲気下にて、所望するＣｕ含有ＴｉＮ層の諸特性、使用するスパッタリング方法や装置、ターゲットの数・種類等に応じて安定したスパッタリングが可能な範囲内で調整することができる。
【００３２】
なお、キャップ層は、Ｃｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成されたＣｕ含有ＴｉＮ層を含むものであれば特に限定されず、Ｃｕ含有ＴｉＮ層のみから構成されてもよいが、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を含む多層膜からなるものであってもよい。なお、キャップ層が多層膜からなる場合には、Ｃｕ含有ＴｉＮ層以外の層がＣｕを含んでいてもよい。
キャップ層がＣｕ含有ＴｉＮ層のみからなる場合には、半導体装置の生産性を向上させることができ、キャップ層がＣｕ含有ＴｉＮ層を含む多層膜からなる場合には、所望の特性を有するキャップ層を形成することがより容易となる。
【００３３】
また、キャップ層がＣｕ含有ＴｉＮ層を含む多層膜からなる場合には、Ａｌ−Ｃｕ配線と接して設けられる層がＣｕ含有Ｔｉターゲットを用いて形成されたＣｕ含有ＴｉＮ層であることが好ましい。この場合、Ｃｕ含有ＴｉＮ層とＡｌ−Ｃｕ配線とが接して設けられているために、Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含まれるＣｕを、Ａｌ−Ｃｕ配線に拡散することが容易である。
【００３４】
−熱拡散工程−
熱拡散工程は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を形成している間や、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を形成した後に実施することができる。
Ｃｕ含有ＴｉＮ層を形成している間に、熱拡散工程を行う場合には、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を形成している間に熱処理すればよく、また、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を形成した後に、熱拡散工程を行う場合には、少なくともＣｕ含有ＴｉＮ層を形成し終えた後のいずれかの時点で熱処理すればよい。前者の場合には、Ｃｕの拡散を行うための熱処理を新たに設定する必要がないために半導体装置の生産性を向上させることができ、後者の場合には、Ａｌ−Ｃｕ配線に拡散するＣｕの濃度分布が、所望の濃度分布となるように熱処理の条件を調整することが容易である。
【００３５】
なお、層間配線が、少なくともＣＶＤ法によりＷ膜を成膜する工程を経て形成される場合には、このＷ膜の成膜は高温で熱処理しながら成膜される。このため、Ｗ膜を成膜する際の熱処理を利用して、Ｃｕ含有Ｔｉ層に含まれるＣｕを、Ａｌ−Ｃｕ配線に拡散させることができる。これにより、半導体装置の製造過程において、Ｃｕの拡散を行う為だけに新たな熱処理を追加することなく、層間配線のＷ膜の形成と、熱拡散工程とを同時に行うことができる。
【００３６】
熱拡散工程において行われる熱処理の温度は特に限定されないが、２００℃〜４５０℃の範囲内が好ましく、３００℃〜４００℃の範囲内がより好ましい。なお、熱処理時間が比較的短い場合には、熱処理温度は４００℃以上であることがより好ましい。
熱処理温度が２００℃未満の場合には、Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含まれるＣｕを、Ａｌ−Ｃｕ配線に十分に拡散させることができなかったり、熱処理に要する時間が長くなり過ぎる場合がある。また、４５０℃超える場合には、Ａｌ−Ｃｕ配線全体にＣｕが拡散することによりＡｌ−Ｃｕ配線中のキャップ層界面近傍に含まれるＣｕの濃度が十分に得られず、エレクロトマイグレーションの発生を抑制しにくくなる場合がある。
【００３７】
−半導体装置の製造プロセスの具体例−
次に、上記したような本発明の半導体装置の製造方法を用いた半導体装置の製造プロセスの一例を、図面を用いて具体的に説明する。但し、本発明は、以下の具体例のみに限定されるものではない。
図４は、図２に示す半導体装置の２つの配線層およびこれら配線層を接続する層間配線を形成する作製工程を説明するための模式断面図であり、（ａ）は、第１配線層およびこれに接して設けられる２つのキャップ層を、第１の層間絶縁層表面あるいは基板表面に成膜し、パターニングする工程について示したものであり、（ｂ）は、第１配線層の上面に設けられたキャップ層上に、第２の層間絶縁層を形成する工程について示したものであり、（ｃ）は、第２の層間絶縁層表面を平坦化した後、スルーホールを形成する工程について示したものであり、（ｄ）は、スルーホールに層間配線を形成する工程について示したものであり、（ｅ）は、層間配線が形成された第２の層間絶縁層表面に、第２配線層およびこれに接して設けられる２つのキャップ層を成膜し、これらの層をパターニングする工程について示したものである。
なお、図４中、２００’はスルーホールを表し、４０１は、第１の層間絶縁層（又は、基板）を表し、４００’は第２の層間絶縁層を表し、これ以外の符号で表される部分は図２中に示した符号と同様のものを表す。
【００３８】
まず、第１の層間絶縁層（又は、基板）４０１表面に、キャップ層１１０、第１配線層１２０、および、キャップ層１３０を、この順に公知の気相成膜法、好ましくはスパッタリング法により成膜し、その後、これら３つの層をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてパターニング処理することにより所望のパターンを形成する。
【００３９】
この際、従来の半導体装置の製造方法においては、第１配線層１２０は、一般的にＣｕを０．５重量％程度含むＡｌターゲットをスパッタリングすることにより成膜されており、このようなプロセスを経ることにより第１配線層１２０中にＣｕを添加していた。また、キャップ層１３０は、Ｔｉターゲットをスパッタリングすることにより、少なくともＴｉＮを主たる成分とする単層あるいは多層膜として成膜されていた。
【００４０】
本発明の半導体装置の製造方法においても、上記したような従来と概ね同じプロセスで、第１配線層１２０とキャップ層１３０とが形成される。しかし、本発明においては、キャップ層１３０は、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を含み、このＣｕ含有ＴｉＮ層の形成に用いられるターゲットは、Ｔｉターゲットではなく、既述したようなＣｕ含有Ｔｉターゲット（例えば、Ｔｉ粉末とＣｕ粉末との燒結体からなるターゲット等）が用いられる。従って、本発明の半導体装置の製造方法により形成されたキャップ層１３０中にはＣｕが含まれる。
【００４１】
このようにして、図４（ａ）に示すように、第１の層間絶縁層（又は、基板）４０１表面に、第１配線層１２０が形成される。なお、図４（ａ）は、パターニングされた第１配線層１２０の一端を示したものである。
【００４２】
次に、図４（ｂ）に示すように、第１配線層１２０、および、パターニング処理により表面が露出した第１の層間絶縁層（又は、基板）４０１表面に第２の層間絶縁層４００’を公知の気相成膜法、好ましくは、ＣＶＤ法により成膜する。この際、第１配線層１２０端部近傍の直上に形成された第２の層間絶縁層４００’は、その表面が凹凸を有するために、第２の層間絶縁層４００’表面をＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ法）あるいはエッチバック法により平坦化する。
平坦化した後、図４（ｃ）に示すように、第２の層間絶縁層４００’の一部に、フォトリソグラフィ法やエッチングを利用して垂直方向に孔（スルーホール２００’）を、第１配線層１２０端部近傍の上面部が露出するまで開孔する。
【００４３】
その後、スルーホール２００’内の下面および側面を覆うようにＴｉＮおよび／またはＴｉを主成分とする密着層２１０を公知の気相成膜法、好ましくはスパッタリング法により成膜した後、さらに、スルーホール２００’を埋め込むようにＷ膜２２０を公知の気相成膜法、好ましくはＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により成膜する。その後、スルーホール２００’内部以外に形成された金属膜はＣＭＰ法あるいはエッチバック法により除去することにより図４（ｄ）に示すように層間配線２００を形成する。
【００４４】
なお、ＣＶＤ法により、Ｗ膜２２０を成膜する場合には、４００℃〜４５０℃程度の高温で熱処理しながら成膜される。従って、このような場合、本発明の半導体装置の製造方法では、この際、基板に加えられる熱を利用して、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を含むキャップ層１３０中のＣｕを、第１配線層１２０中の基板側近傍以外の領域に拡散させることができる。
【００４５】
また、熱拡散工程を終えた後の第１配線層１２０中の基板側近傍以外の領域のＣｕの濃度は、従来の半導体装置の製造方法により作製された場合では、その存在自体が殆ど確認できないレベルであったのに対して、本発明の半導体装置の製造方法により作製された場合では、Ｃｕの最大濃度を少なくとも０．５ａｔ％以上とすることができる。このため、熱拡散工程を終えた後の第１配線層１２０中の基板側近傍以外の領域でのエレクトロマイグレーションが従来よりも抑制され、故障の発生を抑えることができる。
【００４６】
なお、熱処理は、上記したようなＣＶＤ法によりＷ膜２２０を成膜する場合のみに限定されるものではなく、例えば、Ｃｕ含有ＴｉＮ層を成膜している最中に、Ｃｕ含有ＴｉＮ層に含まれるＣｕを、Ａｌ−Ｃｕ配線への拡散が可能な温度（例えば、３５０℃程度）に熱処理すること等によっても行うことができる。
【００４７】
次に、図４（ｅ）に示すように、層間配線２００および第２の層間絶縁層４００’表面に、キャップ層３１０、第２配線層３２０、および、キャップ層３３０を、この順に公知の気相成膜法、好ましくはスパッタリング法により成膜する。さらに、これら３つの層を所望のパターンが得られるようにフォトリソグラフィ法等を用いてパターニング処理することにより、キャップ層３１０、第２配線層３２０、および、キャップ層３３０が、少なくとも層間配線２００上面を完全に覆うように形成される。この際、キャップ層３３０も、キャップ層１３０と同様に本発明の半導体装置の製造方法により成膜される。
このように、図４（ａ）〜（ｅ）に示す工程を繰り返すことにより、基板上に配線層が積層された多層配線構造を有する半導体装置が作製される。
【００４８】
【実施例】
実施例は、本発明の半導体装置の製造方法、および、従来の半導体製造方法により作製した図５に示す構成を有する半導体装置に、連続通電させた際の累積故障発生率を評価することにより行った。
【００４９】
図５は、エレクトロマイグレーションに起因する累積故障発生率を評価する為に用いた２層の配線層を有する半導体装置における配線構造の模式断面図を示したものである。
図５に示す半導体装置６００は、符号６０１および６０２で示される１層目の配線層と、符号６２１、６２２、６２３および６２４で示される層間配線と、符号６４１、６４２および６４３で示される２層目の配線層とからなる。
なお、層間配線６２１、６２２、６２３および６２４に対して１層目の配線層６０１および６０２側が基板側（下側）を意味し、説明の都合上、層間絶縁層や基板については記載を省略している。
また、１層目の配線層６０１、６０２、および、２層目の配線層６４１、６４２および６４３の構造は、Ａｌ−Ｃｕ配線の上面と下面とにキャップ層を設けたものであり、層間配線６２１、６２２および６２３の構造は、図２に示す層間配線２００と同様である。
【００５０】
１層目の配線層６０１、６０２の長さは１００μｍであり、Ｂｌｅｃｈ長よりも十分に大きく、２層目の配線層６４１、６４２および６４３の長さは５μｍであり、Ｂｌｅｃｈ長よりも十分に小さいものとした。
１層目の配線層６０１、６０２、２層目の配線層６４１、６４２および６４３の幅は２μｍであり、その層構造は、上から順にＴｉＮ層（膜厚７０ｎｍ）、Ｔｉ層（膜厚５ｎｍ）、Ａｌ−Ｃｕ配線（４００ｎｍ）、Ｔｉ層（膜厚５ｎｍ）、ＴｉＮ層（２０ｎｍ）、Ｔｉ層（膜厚３０ｎｍ）が積層されたものである。
【００５１】
配線層６０１は、その一端の上面が層間配線６２１により配線層６４１の一端の下面と接続されており、もう一端の上面が層間配線６２２により配線層６４２の一端の下面と接続されている。
また、配線層６０２は、その一端の上面が層間配線６２３により、配線層６４２の配線層６０１と接続していない側の端の下面と接続されており、もう一端の上面が層間配線６２４により配線層６４３の一端の下面と接続されている。
なお、層間配線６２１、６２２および６２３は、直径０．２６μｍの層間配線が、配線層の幅方向（図５中、紙面に対して垂直方向）に４個一組で並列に配置されたものである。
【００５２】
実施例１および比較例１の半導体装置は、図５に示す半導体装置６００に示されるような繰り返し配線構造を同じ繰り返し単位だけ含み、実質的に同一の構成を有するものである。また、実施例１および比較例１の半導体装置は、以下に説明するキャップ層の成膜を除いては既述したような図４に示す製造プロセスを同様に経ることにより作製した。
【００５３】
−キャップ層の成膜−
（比較例１）
比較例１の半導体装置の作製に際し、配線層６０１および６０２のキャップ層（不図示）の成膜は、Ｔｉターゲットをスパッタリングすることにより行った。
【００５４】
（実施例１）
実施例１の半導体装置の作製に際し、配線層６０１および６０２のキャップ層（不図示）成膜は、Ｃｕを５重量％含むＴｉターゲットを、比較例１とほぼ同じスパッタリング条件でスパッタリングすることにより行った。
【００５５】
−評価−
エレクトロマイグレーションに起因する累積故障発生率の評価は、２００℃の温度にて、実施例１の半導体装置および比較例１の半導体装置に、電流密度が１．５×１０６Ａ／ｃｍ２の電流を連続通電し、配線層内のＡｌ原子のエレクトロマイグレーションによる欠損の発生により、抵抗値が初期抵抗値の１０％増の値となるまでの通電時間を測定することにより実施した。
【００５６】
図６は、実施例１および比較例１の半導体装置に連続通電した時の、累積故障発生率について示したグラフであり、図６中、「○」印が、比較例１の半導体装置６００の連続通電時間（ｈｒ）に対する累積故障発生率（％）の傾向を示したものであり、「□」印が、実施例１の半導体装置７００の連続通電時間（ｈｒ）に対する累積故障発生率（％）の傾向を示したものである。
図６からわかるように、実施例１の半導体装置は、比較例１の半導体装置と比較すると、一定の累積故障発生率に達するまでの連続通電時間が約２倍となり、信頼性が向上した。
【００５７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、半導体装置内の個々の接続部における故障発生率のバラツキを小さくすることができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法により作製された半導体装置の一例について示した模式断面図である。
【図２】配線層が積層された構造を有する半導体装置における部分構造の一例について示した模式断面図である。
【図３】図２に示す半導体装置の２つの配線層の接続部近傍における電子密度の分布を示す模式断面図である。
【図４】図２に示す半導体装置の２つの配線層およびこれら配線層を接続する層間配線を形成する作製工程を説明するための模式断面図である。
【図５】エレクトロマイグレーションに起因する累積故障発生率を評価するために用いた２層の配線層を有する半導体装置における配線構造の模式断面図である。
【図６】実施例１および比較例１の半導体装置に連続通電した時の、累積故障発生率について示したグラフである。
【符号の説明】
１１０　　　　　　　　　　　　　キャップ層
１２０　　　　　　　　　　　　　第１配線層（Ａｌ−Ｃｕ配線）
１２１　　　　　　　　　　　　　Ｃｕ拡散領域
１３０　　　　　　　　　　　　　キャップ層
２００　　　　　　　　　　　　　層間配線
２００’　　　　　　　　　　　　スルーホール
２１０　　　　　　　　　　　　　密着層
２２０　　　　　　　　　　　　　Ｗ膜
３１０　　　　　　　　　　　　　キャップ層
３２０　　　　　　　　　　　　　第２配線層（Ａｌ−Ｃｕ配線）
３２１　　　　　　　　　　　　　Ｃｕ拡散領域
３３０　　　　　　　　　　　　　キャップ層
４００　　　　　　　　　　　　　層間絶縁層
４００’　　　　　　　　　　　　第２の層間絶縁層
４０１　　　　　　　　　　　　　第１の層間絶縁層（あるいは、基板）
４０２　　　　　　　　　　　　　層間絶縁層
５００ｄ　　　　　　　　　　　　高電子密度領域
５００ｕ　　　　　　　　　　　　高電子密度領域
５１０、５２０　　　　　　　　　Ｖｏｉｄ欠陥が発生しやすい領域
６００　　　　　　　　　　　　　半導体装置
６０１、６０２　　　　　　　　　１層目の配線層
６２１、６２２、６２３、６２４　層間配線
６４１、６４２、６４３　　　　　２層目の配線層
【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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【図６】
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