(57)【要約】【課題】狭配線幅の金属配線における抵抗率の増大を抑制し、半導体装置の動作速度を向上させる。【解決手段】半導体装置１００は、半導体基板１０１上にシリコン酸化膜１０２とシリコン酸化膜１０２に形成された銅配線１０５とを有している。銅配線１０５には下面、左側面及び右側面に設けられた第１の強磁性体膜１０４Ａと上面に設けられた第２の強磁性体膜１０４Ｂが設けられている。第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体膜１０４Ｂの磁化方向は、同じ向きで且つ銅配線１０５の延びる方向と一致するように揃えられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜中に形成された金属配線を備えた半導体装置であって、
前記金属配線における上面及び下面よりなる第１の対向面並びに左側面及び右側面よりなる第２の対向面のうち少なくとも一方に、磁化方向が前記金属配線の延びる一の方向を有する強磁性体膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の対向面及び前記第２の対向面に磁化方向がすべて等しい前記強磁性体膜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属配線は銅を主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記強磁性体膜は、Ｂ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｓｍ若しくはＳｒ、又はこれらの合金、酸化物若しくは窒化物からなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項５】
絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝に、上面及び下面よりなる第１の対向面並びに左側面及び右側面よりなる第２の対向面のうち少なくとも一方に強磁性体膜が設けられた金属配線を形成する工程と、
磁化方向が前記金属配線の延びる方向と一致するように前記強磁性体膜に磁界を印加する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記強磁性体膜は、スパッタ法又はめっき法を用いて形成さ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】
前記金属配線は銅を主成分とす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８】
前記強磁性体膜は、Ｂ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｓｍ若しくはＳｒ、又はこれらの合金、酸化物若しくは窒化物からな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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、狭配線幅の金属配線を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置では高集積化を実現するために、配線パターンの微細化及び多層化が進行している。しかし、配線パターンの微細化は配線抵抗の増大を引き起こし、配線パターンの多層化は配線間容量の増加を引き起こしている。配線抵抗が増大する原因は不純物や格子欠陥での静的散乱や、格子振動による動的散乱によって伝導電子の移動が妨げられることにある。このような配線抵抗の増大及び配線間容量の増加は、配線における信号伝達速度の低下を招くことになる。この信号伝達速度の低下が半導体装置の動作の高速化を妨げるので、その対策として、低抵抗の金属配線材料として銅の導入が行われている。
【０００３】
しかしながら、銅の結晶粒の大きさや配線の断面の一辺の長さが電子の平均自由行程と同じ程度になると、銅の結晶粒界や配線の側壁における電子散乱の影響が顕在化し、抵抗率が増大することが知られている。図５は、結晶粒界での電子散乱及び配線側壁での電子散乱をパラメータとした銅配線の抵抗率の配線幅依存性を示す図である（例えば、非特許文献１又は２を参照）。図５に示すように、銅配線の配線幅が狭くなるにつれて、配線側壁での散乱及び結晶粒界での散乱による抵抗率が上昇し、配線幅に影響を受けないバルク抵抗率にこれらの抵抗率が加わることがわかる。ここで、配線幅が３００ｎｍ以上の領域において、配線側壁での散乱による抵抗が見られるが、この実験に用いた配線の厚さが１５０ｎｍであるために起こる配線幅に平行な面の散乱によるものである。
【非特許文献１】Semiconductor International ７月号  日本語版 (2005)Reed Electronics Group (http://www.sijapan.com/content/0507vol2/cover/cover_0507.html)
【非特許文献２】W.Steinhoegl, G.Schindler, G.Steinlesberger, M.Traving and M.Engelhardt, “Comp-rehenive Study of Copper Wires With Lateral Dimensions of 100nm and Smaller,”J.Appl.Phys.,2005,Vol.97,p.023706
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、配線パターンの微細化が進行し、配線幅が電子の平均自由行程程度になると、配線の抵抗率が増大し、半導体装置の動作の高速化が妨げられるという問題が生じていた。
【０００５】
前述の問題に鑑みて、本発明は、配線幅が伝導電子の平均自由行程程度に狭くなった場合でも配線の抵抗率が増大することを抑制し、半導体装置の動作速度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、絶縁膜中に形成された金属配線を備えた半導体装置を対象とし、金属配線において、上面及び下面よりなる第１の一対の対向面並びに左側面又は右側面よりなる第２の一対の対向面のうち少なくとも一方に、磁化方向が金属配線の延びる一の方向を有する強磁性体膜が設けられている。
【０００７】
この構成とすることにより、金属配線の側壁部分における伝導電子の散乱を抑制することができる。つまり、金属配線は強磁性体膜で挟まれた構成となり、強磁性体膜の磁化方向が互いに同じ向きで且つ金属配線の延びる方向と一致するため、伝導電子のスピンと強磁性体膜のスピンとの相互作用（界面散乱）が小さくなるために抵抗が低くなる（これを巨大磁気抵抗効果という。）。したがって、配線幅が狭くなっても、抵抗率の増加を抑制し、動作速度を向上させることができる。
【０００８】
また、前述の本発明に係る半導体装置において、第１の対向面及び第２の対向面に磁化方向がすべて等しい強磁性体膜が設けられていることが好ましい。この構成とすることにより、金属配線が延びる方向に対して上下左右全ての面に磁化方向が一方向に揃った強磁性体膜を設けることになるため、金属配線の側壁で生じる抵抗率の上昇を一層抑制することができる。
【０００９】
また、前述の本発明に係る半導体装置において、金属配線は銅を主成分とすることが好ましい。このように金属配線に低抵抗である金属配線材料として銅を用いることで、抵抗率の上昇をさらに抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁膜に配線溝を形成する工程と、配線溝に、上面及び下面よりなる第１の対向面並びに左側面及び右側面よりなる第２の対向面のうち少なくとも一方に強磁性体膜を設けた金属配線を形成する工程と、強磁性体膜の磁化方向が金属配線の延びる方向と一致するように強磁性体膜に磁界を印可する工程を備えている。このような構成とすることにより、強磁性体膜の磁化方向を効率良く揃えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、配線パターンの微細化に伴って顕在化してくる金属配線の抵抗率の上昇を抑制することができ、配線幅が電子の平均自由行程程度になっても、半道体装置の動作速度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置の要部断面構造を示している。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、半導体基板１０１の上に絶縁膜として形成された膜厚が約１００ｎｍのシリコン酸化膜１０２と、シリコン酸化膜１０２中に形成された、線幅及び厚さが約５０ｎｍの銅配線１０５と、銅配線１０５の下面、左側面及び右側面に設けられた第１の強磁性体膜１０４Ａと、銅配線１０５の上面に設けられた第２の強磁性体１０４Ｂとを備えている。
【００１４】
銅配線１０５の上面、下面、左側面及び右側面を被覆するように設けられた第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体膜１０４Ｂは、例えば膜厚２ｎｍ程度のＮｄ（ネオジウム）からなり、図１の紙面に垂直方向に磁化されており、その磁化方向は全て同じ向きに揃えられている。
【００１５】
なお、磁化方向は銅配線１０５が延びる方向と一致していればよく、電流の流れる方向に対して同方向でも反対方向でも構わない。
【００１６】
以下に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて、本発明における強磁性体膜の作用について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、強磁性体膜２００と金属配線中の伝導電子２０１のスピンの相互作用、つまり、強磁性体膜２００によって挟まれた金属配線中を伝導電子２０１が移動する様子を示している。図２（ａ）は、対向する強磁性体膜２００の磁化方向（実線矢印又は破線矢印）が互いに同じ向きで且つ金属配線の延びる方向と一致している場合を示し、図２（ｂ）は、磁化方向が互いに反対向きとなる場合を示している。
【００１７】
伝導電子と強磁性体膜との相互作用（界面散乱）は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、強磁性体膜２００の磁化方向により大きく異なる（例えば、特開平１１−３１６９１８号公報を参照）。図２（ａ）に示すように、磁化方向が互いに一致した強磁性体膜２００に挟まれた金属配線中を移動する伝導電子２０１のスピンは、強磁性体膜２００のスピンとの相互作用が小さい状態で移動することができる。従って、伝導電子２０１の抵抗は低くなる。
【００１８】
一方、図２（ｂ）に示すように、磁化方向が互いに反対方向である強磁性体膜２００に挟まれた金属配線中を移動する伝導電子２０１のスピンは、強磁性体膜２００のスピンとの相互作用が大きい状態で移動するので、伝導電子２０１の抵抗は高くなる。
【００１９】
仮に、金属配線が強磁性体膜で覆われていない場合は、金属配線中の伝導電子は金属配線側壁と衝突することによって、スピンが制御されていない界面散乱が生じるため、配線幅が狭くなると金属配線の抵抗率が上昇することになる。
【００２０】
つまり、本発明は、磁化方向が互いに同じ向きで且つ金属配線の延びる方向と一致している強磁性体膜で金属配線を覆うことにより、伝導電子の抵抗の上昇を抑制することができる。したがって、金属配線幅が狭くなり、伝導電子の平均自由行程程度になった場合に、抵抗率の増加を効果的に抑制することができる。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について図３（ａ）〜図３（ｆ）を参照しながら説明する。ただし、図１と同一構成要素は、同符号を付して説明を省略する。
【００２２】
まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に、例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法により、膜厚約１００ｎｍのシリコン酸化膜１０２を形成した後、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、配線溝１０３を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタ法により、膜厚約２ｎｍのＮｄよりなる第１の強磁性体膜１０４Ａを堆積する。
【００２３】
次に、図３（ｃ）に示すように、等方性ドライエッチングやＣＭＰ(Chemical Mechanical Polish)法により、第１の強磁性体膜１０４Ａにおける配線溝１０３の外部に存在する部分を除去して、配線溝１０３の内部のみ第１の強磁性体膜１０４Ａを形成する。続いて、図３（ｄ）に示すように、配線溝１０３に、例えば無電解めっき法により、膜厚が約５０ｎｍとなるように銅を埋め込んで銅配線１０５を形成する。なお、銅配線１０５の形成方法は、例えば、スパッタ法により堆積後、ＣＭＰやエッチバックで除去する方法、又は無電解めっき法に代えて電解めっき法等の他の方法で行ってもよい。
【００２４】
次に、図３（ｅ）に示すように、半導体基板１００上の全面に亘って、膜厚約２ｎｍのＮｄよりなる第２の強磁性体膜１０４Ｂをスパッタ法によって堆積する。続いて、図３（ｆ）に示すように、ＣＭＰにより、第２の強磁性体膜１０４Ｂにおける配線溝１０３の外部に存在する部分を除去して、配線溝１０３の内部側のみ第２の強磁性体膜１０４Ｂを形成する。
【００２５】
これにより、下面、左側面及び右側面が第１の強磁性体膜１０４Ａにより被覆され、且つ、上面が第２の強磁性体膜１０４Ｂにより被覆された銅配線１０５が形成される。
【００２６】
なお、第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体膜１０４Ｂの材料としては、Ｎｄ（ネオジウム）に代えて、Ｂ（ボロン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｌａ（ランタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）等及びそれらの合金、酸化物、窒化物を用いてもよい。さらに、例えば、分子磁性体として知られるＴＴＴＡ（環状チアジルラジカル（1,3,5-Trithia-2,4,6-triazapentalenyl））等の有機性材料を用いてもよい。
【００２７】
ここで、第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体１０４Ｂは、スパッタ法により形成されるが、スパッタ法に代えてめっき法を用いて形成してもよい。スパッタ法により形成する場合には、一般的なマグネトロンスパッタ法で行い、銅配線１０５が延びる方向と一致した向きに、例えば磁束密度が約０．０１Ｔの磁界を印加する。このように磁界を印加することによって、第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体膜１０４Ｂの磁化方向を全て同じ向きに揃えることができるため、銅配線１０５の上面、下面、左側面及び右側面に形成された第１の強磁性体膜１０４Ａ及び第２の強磁性体膜１０４Ｂは磁化方向が同じ向きに揃うことになる。
【００２８】
以上のように、非磁性体である銅を主成分とする金属配線の周囲に金属配線の延びる方向と一致させるように磁化方向が揃った強磁性体膜を設けることにより、金属配線の側壁での伝導電子の散乱による抵抗の上昇を抑制することができる。したがって、金属配線の狭配線幅化に伴って生じる半導体装置の動作速度の低減を抑制することができる。
【００２９】
なお、本実施形態では金属配線として銅配線を用いたが、金属配線の材料は銅に限らず、他の金属材料を用いても構わない。
【００３０】
以下に、本発明に係る強磁性体膜による効果について、図４を参照しながら説明する。
【００３１】
銅配線中の伝導電子の散乱の性質は、式（１）によって表すことができる（例えば、非特許文献１参照）。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
ここで、ρ0はバルク金属配線材料の抵抗率、ρは金属配線の抵抗率（任意単位）、ｗは配線幅、λは金属配線中の伝導電子の平均自由行程（銅の場合、室温においてλ＝４０ｎｍ）である。ｐは配線側壁で伝導電子が弾性散乱される割合で、０と１の間の値をとる。ｐ＝１の場合、すべての伝導電子が弾性散乱するため、金属配線の側壁への伝導電子の衝突があっても抵抗率は変化しない。つまり、抵抗率は配線幅に依存しない。厳密にいうと、式（１）では、結晶粒径の大きさ、配線構造のアスペクト比が考慮されるべきであるが、本発明の場合、配線側壁での伝導電子の弾性散乱の影響を扱っているので、結晶粒径の大きさ、アスペクト比の影響は省略してある。
【００３４】
図４は、式（１）で示される金属配線の抵抗率と弾性散乱率及び印加磁束強度との関係を示しており、銅配線における配線幅ｗ＝２０、３０、５０、１００、２００ｎｍそれぞれの場合を比較している。具体的には、弾性散乱率の変化は強磁性体膜の磁化強度に依存するため、磁性体膜材料を磁化するときに印加した磁束密度を図４の横軸の副軸として示し、印加磁束密度を０．１Ｔまで変化させた場合の金属配線の抵抗率の変化の配線幅依存性を示している。なお、このときの配線の厚さは、配線幅と等しくしている。
【００３５】
図４に示すように、例えば、配線幅ｗ＝３０ｎｍ（■印）の場合、弾性散乱率ｐが０．１から１．０に変化（変化分０．９）すると、金属配線の抵抗率ρは約２．６４から約１．２に変化（変化分１．４４）する。つまり、ｐが１だけ変化（変化分１．０）するとき、ρの変化率は１．６となる。したがって、印加磁束密度を１０％増加させる（言い換えると、弾性散乱率ｐを１０％改善させるため、印加磁束密度を０．０１Ｔ増加する）ことにより、抵抗率ρ（配線測壁散乱による抵抗率）を１６％減少させることができる。
【００３６】
また、配線幅ｗ＝５０ｎｍ（△印）の場合、ｐが０．９変化すると抵抗率ρは０．８６４変化する。つまり、ｐが１だけ変化するとき、ρの変化率は０．９６となる。したがって、印加磁束強度を１０％増加することにより、抵抗率ρを約１０％減少させることができる。
【００３７】
さらに、配線幅ｗ＝２０ｎｍ（◆印）の場合、ｐが０．９変化すると抵抗率ρは２．１６変化する。つまり、ｐが１だけ変化するとき、ρの変化率は２．４となる。したがって、印加磁束強度を１０％増加することにより、抵抗率ρを約２５％減少させることができる。
【００３８】
このように、本発明によると、配線幅が細いときほど、磁界を印加することにより、金属配線の抵抗率を効果的に減少させることができる。
【００３９】
ここで、本発明と比較した従来の金属配線の抵抗率と配線幅依存性について、図５を参照しながら説明する。図５に示すように、配線幅３０ｎｍの銅配線の抵抗率はほぼ４μΩ・ｃｍであり、このうちバルク抵抗率は２μΩ・ｃｍ、配線側壁散乱による抵抗率は１μΩ・ｃｍ、粒界散乱による抵抗率は約１μΩ・ｃｍである。一方、本発明によれば、前述したように、線幅３０ｎｍの銅配線における配線側壁散乱による抵抗率を１６％減少させることができるため、配線側壁散乱による抵抗率１μΩ・ｃｍを０．８４μΩ・ｃｍと抑制することができる。したがって、線幅３０ｎｍの銅配線の抵抗率を４μΩ・ｃｍから３．８４μΩ・ｃｍに抑制することができる。
【００４０】
なお、本実施形態において、配線材料である銅が周辺の絶縁膜へ拡散することを防ぐバリア膜（例えば、タンタル膜、窒化タンタル膜）をさらに備えてもよい。
【００４１】
また、本発明は、配線幅が局所的に狭くなる場合、つまり、配線パターンの微細化が進むとパターンのエッジラフネス（パターン端部の凸凹）が配線の幅に対して無視できない大きさとなる場合にも有効である。例えば、配線幅５０ｎｍの規格値に対して、局所的に線幅が３０ｎｍの部分が形成された場合である。なお、エッジラフネスの発生原因は、リソグラフィ工程とエッチング工程を用いた配線パターン形成時に、光のパターンエッジ近傍周辺からの反射、散乱による光強度の局所ばらつき、現像工程での化学反応のばらつき等と考えられている。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、狭配線幅の金属配線の抵抗率の増大を抑制させ、動作速度を向上させるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置における金属配線の強磁性体膜の作用を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体装置における金属配線の抵抗率と弾性散乱率及び印加磁束強度との関係を示す図である。
【図５】従来の金属配線の抵抗率の配線幅依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  半導体装置
１０１  半導体基板
１０２  シリコン酸化膜
１０３  配線溝
１０４Ａ  第１の強磁性体膜
１０４Ｂ  第２の強磁性体膜
１０５  銅配線
２００  強磁性体膜
２０１  伝導電子
【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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