(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性を向上させることが可能な技術を提供する。【解決手段】下層配線２が埋め込まれている層間絶縁膜１上にはライナー膜１３及び層間絶縁膜３が積層されており、それらの内部には貫通孔６が形成されている。貫通孔６の表面上と下層配線２の上面上とにはタンタルナイトライド膜７が形成されており、その上にはタンタル膜８が形成されている。タンタル膜８上には第１金属層１０が形成されており、その上には貫通孔６を充填する第２金属層１１が形成されている。第１金属層１０及び第２金属層１１は銅あるいは銅基金属から成り、第２金属層１１は第１金属層１０をシード層とする電解メッキ法で形成される。そして、タンタルナイトライド膜７の膜厚に対するタンタル膜８の膜厚の比は４以上に設定されている。【選択図】図１
2005310880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）層間絶縁膜内に孔を形成する工程と、
（ｂ）前記孔の表面にタンタルナイトライド膜を形成する工程と、
（ｃ）前記タンタルナイトライド膜上にタンタル膜を形成する工程と、
（ｄ）前記タンタル膜上に銅あるいは銅基金属から成る第１金属層を形成する工程と、
（ｅ）前記第１金属層をシード層とする電解メッキ法を用いて、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第２金属層を前記第１金属層上に形成する工程と
を備え、
前記工程（ｂ）で形成される前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する、前記工程（ｃ）で形成される前記タンタル膜の膜厚の比は４以上に設定される、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、前記タンタルナイトライド膜の膜厚は８ｎｍ以上に設定される、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に設けられた孔と、
前記孔の表面に設けられたタンタルナイトライド膜と、
前記タンタルナイトライド膜上に設けられたタンタル膜と、
前記タンタル膜上に設けられた、銅あるいは銅基金属から成る第１金属層と、
前記第１金属層上に設けられ、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第２金属層と
を備え、
前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する前記タンタル膜の膜厚の比は４以上に設定されている、半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記タンタルナイトライド膜の膜厚は８ｎｍ以上に設定されている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅あるいは銅基金属から成る金属層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の寸法が縮小されるのに伴い、従来のアルミニウム配線に代えて銅配線が用いられてきている。通常、銅配線の形成はダマシン法を用いて行われる。例えば、層間絶縁膜内に設けられた孔の表面にバリアメタル層及びシード層を順次形成し、その後電解メッキ法を用いて当該孔を充填するメッキ層を形成する。
【０００３】
このような銅配線を備える半導体装置においては、バリアメタル層、シード層、メッキ層、あるいはメッキ層形成後に行われるアニール条件などの見直しにより信頼性の向上が図られている。例えば、特許文献１では、（００２）配向したチタン膜上にアモルファスのバリア膜を形成し、これらをバリアメタル層とすることにより、バリアメタル層上のシード層及びメッキ層の（１１１）配向性を強め、これにより半導体装置の信頼性の向上を図っている。
【０００４】
なお、特許文献２〜７にも銅配線に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１８３０６４号公報
【特許文献２】特開平１１−２８３９７９号公報
【特許文献３】特開平１１−２６３９４号公報
【特許文献４】特開平１１−３０７４７６号公報
【特許文献５】特開２００１−１４８３８３号公報
【特許文献６】特開２００２−１５５３９０号公報
【特許文献７】特開２００１−１８９２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように特許文献１の技術では、シード層やメッキ層の（１１１）配向性を強めることによって半導体装置の信頼性を向上させようとしているが、シード層やメッキ層の（１１１）配向性を強めても、期待されるほどの効果が得られず、十分な半導体装置の信頼性を確保することができない場合があった。
【０００７】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、半導体装置の信頼性を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）層間絶縁膜内に孔を形成する工程と、（ｂ）前記孔の表面にタンタルナイトライド膜を形成する工程と、（ｃ）前記タンタルナイトライド膜上にタンタル膜を形成する工程と、（ｄ）前記タンタル膜上に銅あるいは銅基金属から成る第１金属層を形成する工程と、（ｅ）前記第１金属層をシード層とする電解メッキ法を用いて、銅あるいは銅基金属から成り前記孔を充填する第２金属層を前記第１金属層上に形成する工程とを備え、前記工程（ｂ）で形成される前記タンタルナイトライド膜の膜厚に対する、前記工程（ｃ）で形成される前記タンタル膜の膜厚の比は４以上に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、タンタルナイトライド膜とタンタル膜の積層膜上に第１金属層を形成しているため、当該第１金属層の（１１１）配向性が減少する。このような第１金属層をシード層とする電解メッキ法で当該第１金属層上に第２金属層を形成すると、第２金属層の（１１１）配向性も減少する。そのため、第２金属層の結晶粒径が大きくなる。そして、本発明では、タンタルナイトライド膜の膜厚に対するタンタル膜の膜厚の比が４以上に設定されているため、第２金属層の結晶粒径が大幅に大きくなる。そのため、第２金属層でのバンブー構造を確実に維持することができ、当該第２金属層におけるボイド成長核の発生を抑制することができる。その結果、本半導体装置の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。図１に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置は、内部に下層配線２が埋め込まれている層間絶縁膜１を備えている。下層配線２は、銅や銅基金属からなる金属層（図示せず）と当該金属層と層間絶縁膜１との間に介在する導電性のバリアメタル層（図示せず）とが積層された構造を成しており、その上面は層間絶縁膜１から露出している。なお、層間絶縁膜１の下方には半導体素子が形成された半導体基板（図示せず）が存在し、当該半導体基板に形成された半導体素子と下層配線２とは電気的に接続されている。また、層間絶縁膜１は例えばシリコン酸化膜から成る。
【００１１】
層間絶縁膜１及び下層配線２の上にはライナー層１３が形成されている。ライナー層１３は例えばシリコン窒化膜から成る。そして、ライナー層１３上には例えばシリコン酸化膜から成る層間絶縁膜３が形成されている。
【００１２】
ライナー層１３及び層間絶縁膜３には、層間絶縁膜３の上面から下層配線２の上面まで達する貫通孔６が形成されており、当該貫通孔６は接続孔４と溝５とで形成されている。溝５は、層間絶縁膜３の上部に形成されており、層間絶縁膜３の上面に向って開口している。接続孔４は溝５と連通しており、層間絶縁膜３の下部とライナー層１３とに形成されている。そして、接続孔４は下層配線２の上面を部分的に露出させている。
【００１３】
下層配線２の上面のうち接続孔４によって露出された部分と貫通孔６の表面の上には、タンタルナイトライド膜（以後、「ＴａＮ膜」と呼ぶ）７が形成されており、ＴａＮ膜７上にはタンタル膜（以後、「Ｔａ膜」と呼ぶ）８が形成されている。そして、ＴａＮ膜７とＴａ膜８とでバリアメタル層９を構成している。本実施の形態に係る半導体装置では、ＴａＮ膜７の膜厚に対するＴａ膜８の膜厚の比は４以上に設定されている。つまり、Ｔａ膜８の膜厚をＴａＮ膜７の膜厚で割った値は４以上となる。例えば、ＴａＮ膜７及びＴａ膜８の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ及び４５ｎｍに設定される。
【００１４】
バリアメタル層９のＴａ膜８上には第１金属層１０が形成されている。そして、第１金属層１０上には貫通孔６を充填する第２金属層１１が形成されている。第１金属層１０及び第２金属層１１は銅や銅基金属から成り、後述するように、第２金属層１１は第１金属層１０をシード層とする電解メッキ法で形成される。
【００１５】
貫通孔６を充填するバリアメタル層９、第１金属層１０及び第２金属層１１のうち、溝５を充填する部分は上層配線として機能し、接続孔４を充填する部分は、当該上層配線と下層配線２とを電気的に接続するコンタクトプラグとして機能する。
【００１６】
なお、ライナー層１３、下層配線２内のバリアメタル層及びバリアメタル層９は、下層配線２、第１金属層１０及び第２金属層１１に含まれる銅原子の層間絶縁膜１，３への拡散を抑止する機能を発揮する。
【００１７】
次に、図１に示される本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２〜６は本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図２に示されるように、まず層間絶縁膜１内に下層配線２を埋め込み、層間絶縁膜１及び下層配線２上にライナー層１３及び層間絶縁膜３を順次形成する。そして、ドライエッチングを行うことによって、層間絶縁膜３の上部に溝５を形成し、その下部及びライナー層１３に接続孔４を形成する。これにより、層間絶縁膜３及びライナー層１３に貫通孔６が完成する。
【００１８】
次に、図３に示されるように、例えばスパッタ法を用いて膜厚１０ｎｍのＴａＮ膜７を全面に形成する。これにより、層間絶縁膜３の上面上と、貫通孔６の表面上と、接続孔４によって露出している下層配線２の上面上とにＴａＮ膜７が形成される。そして、図４に示されるように、例えばスパッタ法を用いて膜厚４５ｎｍのＴａ膜８をＴａＮ膜７上に形成する。これにより、ＴａＮ膜７とＴａ膜８とで構成されるバリアメタル層９が形成される。本例では、ＴａＮ膜７の膜厚に対するＴａ膜８の膜厚の比は４．５に設定されている。
【００１９】
次に、図５に示されるように、例えばスパッタ法を用いて、シード層として用いられる膜厚８０ｎｍの第１金属層１０をＴａ膜８上に形成する。そして、図６に示されるように、第１金属層１０をシード層とする電解メッキ法を用いて、例えば膜厚６００ｎｍの第２金属層１１を第１金属層１０上に形成する。このとき、硫酸銅系の電解メッキ液が使用される。これにより、貫通孔６が第２金属層１１で充填される。そして、第２金属層１１の形成後に得られた構造に対して窒素雰囲気中において１００℃でアニール処理を行う。
【００２０】
次に、層間絶縁膜３上のバリアメタル層９、第１金属層１０及び第２金属層１１をＣＭＰ法を用いて除去する。これにより、図１に示される半導体装置が得られる。
【００２１】
このように本実施の形態では、バリアメタル層９としてＴａＮ膜７とＴａ膜８との積層膜を採用しているため、バリアメタル層９上に第１金属層１０を形成すると、当該第１金属層１０の（１１１）配向性が減少する。このような第１金属層１０をシード層とする電解メッキ法で当該第１金属層１０上に第２金属層１１を形成すると、第２金属層の（１１１）配向性も減少する。そのため、第２金属層１１の結晶粒径が大きくなる。そして、本実施の形態では、ＴａＮ膜７に対するＴａ膜８の膜厚比が４以上に設定されているため、第２金属層１１の結晶粒径が大幅に大きくなる。そのため、第２金属層１１でのバンブー構造を確実に維持することができ、第２金属層１１におけるボイド成長核の発生を抑制することができる。その結果、本半導体装置の信頼性が向上する。以下に、このことについて詳細に説明する。
【００２２】
一般的に、銅や銅基金属から成る銅配線でのエレクトロマイグレーションの発生原因は、粒界拡散ではなく表面拡散が支配的であると考えられている。しかしながら、エレクトロマイグレーションを評価すると、細い幅の配線よりも太い幅の配線の方が短寿命になる傾向にあり、この傾向は、配線幅に依存しない表面拡散では説明することができない。この傾向は、実際の配線寿命が最も速く成長するボイドによって決定されるために発生するものと考えられる。つまり、配線幅の増大とともに配線の構造はバンブー構造から多結晶構造に遷移し、これにより、配線中に粒界三重点などのボイド成長核となる欠陥構造が多く発生するために、配線幅が増大すると配線が短寿命になると考えられる。従って、配線の結晶粒径が大きくなると結晶粒界がバンブー状と成りやすいことから、配線のバンブー構造を維持してボイド成長核の発生を抑制するためには、配線の結晶粒径の巨大化が有効である。つまり、本実施の形態で言えば、第２金属層１１の結晶粒径を大きくすることによって、そこでのボイド成長核の発生を抑制することができる。
【００２３】
上述のように、第２金属層１１は第１金属層１０をシード層とする電解メッキ法で形成される。このような第２金属層１１の結晶粒径を大きくするためには、シード層である第１金属層１０の（１１１）配向性を減少させ、当該第１金属層１０の各配向性をより均等にする必要がある。図７はバリアメタル層９の材料と第１金属層１０の（１１１）配向性との関係を示す図である。図７に示されるように、バリアメタル層９としてＴａ膜を採用した場合には、第１金属層１０の（１１１）配向度は４７１２０ｃｐｓとなり、ＴａＮ膜を採用した場合には１０５７０ｃｐｓとなり、チタン膜（図７中では「Ｔｉ膜」と表記）を採用した場合には２１０１７０ｃｐｓとなる。そして、本実施の形態のように、バリアメタル層９としてＴａＮ膜とＴａ膜との積層膜を採用した場合には、第１金属層１０の（１１１）配向度は７４００ｃｐｓとなる。
【００２４】
以上の結果から、第１金属層１０の（１１１）配向性を減少させるためには、バリアメタル層９としてＴａＮ膜とＴａ膜との積層膜が優れていることが理解できる。
【００２５】
図８は、バリアメタル層９におけるＴａＮ膜７の膜厚に対するＴａ膜８の膜厚の比（以後、「Ｔａ／ＴａＮの膜厚比」と呼ぶ）と、第１金属層１０の（１１１）配向性との関係を示す図である。図８に示されるように、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が増加すると、第１金属層１０の（１１１）配向性が減少する。また図９は、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比と、Ｔａ膜８の（１１０）配向性との関係を示す図である。図９に示されるように、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が増加すると、Ｔａ膜８の（１１０）配向性が増加する。これらのことから、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比の増加によるＴａ膜８の（１１０）配向性の増加が、第１金属層１０の（１１１）配向性の減少要因であると考えられる。
【００２６】
図１０は、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比と、第２金属層１１の結晶粒径との関係を示す図である。図１０に示されるように、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が増加すると第２金属層１１の結晶粒径が増加する。そして、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が３．５までは、第２金属層１１の結晶粒径の増加率はほぼ徐々に減少する。しかしながら、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が４．０のときには、第２金属層１１の結晶粒径の増加率が大幅に上昇し、その結晶粒径は約５μｍとなる。
【００２７】
このように、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比が４．０になると、第２金属層１１の結晶粒径は大幅に大きくなる。従って、本実施の形態のように、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比を４．０以上に設定することによって、第２金属層１１のバンブー構造を確実に維持することができる。その結果、第２金属層１１でのボイド成長核の発生を抑制することができ、本実施の形態に係る半導体装置の信頼性が向上する。
【００２８】
なお、上述の図２〜６を参照して説明した製造方法で、本実施の形態に係る半導体装置を製造した場合の第２金属層１１の結晶粒径は５．０μｍ程度となる。一方、上述の図２〜６を参照して説明した製造方法において、Ｔａ膜８の膜厚を１０ｎｍとする場合、つまり、Ｔａ／ＴａＮの膜厚比を１に設定する場合での第２金属層１１の結晶粒径は２．５μｍ程度となる。
【００２９】
また、バリアメタル層９のＴａＮ膜７の膜厚は本実施の形態のように８ｎｍ以上に設定されることが好ましい。これは、ＴａＮ膜７の膜厚が８ｎｍ未満であると、第２金属層１１形成後に通常行われる高温アニール時におけるバリアメタル層９の特性が劣化するためである。
【００３０】
また、本実施の形態では、バリアメタル層９をスパッタ法を用いて形成したが、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて形成しても良い。更に、バリアメタル層９を形成する方法として、一度成膜を行い、その後にエッチングを実行し、再度成膜を行うような方法を採用した場合であっても、最終的なＴａ／ＴａＮの膜厚比が４以上になれば、本発明と同様の効果が得られる。
【００３１】
また、本実施の形態では、シード層として機能する第１金属層１０をスパッタ法を用いて形成したが、ＰＶＤ法やＣＶＤ法あるいはメッキ法を用いて形成しても良い。更に、第１金属層１０を形成する方法として、一度成膜を行い、その後にエッチングを実行し、再度成膜を行うような方法を採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図７】バリアメタル層の材料と第１金属層の（１１１）配向性との関係を示す図である。
【図８】バリアメタル層におけるＴａ／ＴａＮの膜厚比と第１金属層の（１１１）配向性との関係を示す図である。
【図９】バリアメタル層におけるＴａ／ＴａＮの膜厚比とＴａ膜の（１１０）配向性との関係を示す図である。
【図１０】バリアメタル層におけるＴａ／ＴａＮの膜厚比と第２金属層の結晶粒径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  層間絶縁膜、６  貫通孔、７  タンタルナイトライド膜、８  タンタル膜、１０  第１金属層、１１  第２金属層。
【図１】
2005310880.tif 000003
【図２】
2005310880.tif 000004
【図３】
2005310880.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005310880.tif 000008
【図７】
2005310880.tif 000009
【図８】
2005310880.tif 000010
【図９】
2005310880.tif 000011
【図１０】
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