(57)【要約】【目的】Ｃｕ配線層と上層配線との密着性を向上させることを目的とする。【構成】Ｃｕ配線層１上にＣｕを窒化することによりＣｕの窒化物５を形成し、Ｃｕの窒化物５上にＣｕと相互拡散をする、拡散源となる拡散母材層６、及びバリアメタル層７を形成する。そして、熱処理によりＣｕ層１と拡散母材層６が相互拡散しＣｕの合金層８が、Ｃｕ配線層１とバリアメタル層７との間に形成される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上のプラグに銅配線層及び該銅配線層上に銅の化合物を埋め込む工程と、
前記銅の化合物上に前記銅配線層と相互拡散する反応層及びバリアメタル層を形成する工程と、
熱処理により前記銅の化合物と前記反応層とを相互拡散させることにより前記銅配線層と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２】
前記銅の化合物は前記銅配線層を窒化、酸化、ホウ化、硫化、あるいはリン化の何れかにより得られ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３】
前記反応層は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４】
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５】
半導体基板上のプラグに銅配線層及び該銅配線層上に銅の化合物を埋め込む工程と、
前記銅の化合物上に前記銅配線層と相互拡散する物質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の化合物と前記バリアメタル層とを反応させることにより前記銅配線層上に銅の合金層及びバリアメタル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６】
前記銅の化合物は前記銅配線層を窒化、酸化、ホウ化、硫化、あるいはリン化の何れかにより得られることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記銅と反応する物質は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５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
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５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】
2004319862.tif 000003
【図２】
2004319862.tif 000004
【図３】
2004319862.tif 000005