(57)【要約】半導体装置は、半導体基板（１）の上方に形成された絶縁膜（１４）と、絶縁膜（１４）に形成された配線用溝（１４ｂ）とホール（１４ａ）と、配線用溝（１４ｂ）とホール（１４ａ）のうちの少なくとも一方の中に形成され且つ銅の拡散を防止する導電材よりなる第１下地層（１６）と、配線用溝（１４ｂ）とホール（１４ａ）のうちの少なくとも一方の中で、第１下地層（１６）の上に形成されて銅又は銅合金からなる主導電層（１９）と、主導体層（１９）と前記第１下地層（１９）の間に形成され、且つ主導体層（１９）との界面で主導体層（１９）に固溶する金属元素を有し且つＣＶＤ法により第１下地層（１６）の上に形成される第２下地層（１７）とを含む。
2002037558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線用溝とホールと、
前記配線用溝と前記ホールのうちの少なくとも一方の中に形成され且つ銅の拡散を防止する導電材よりなる第１下地層と、
前記配線用溝と前記ホールのうちの少なくとも一方の中で、前記第１下地層の上に形成されて銅又は銅合金からなる主導電層と、
前記主導体層と前記第１下地層の間に形成され、且つ前記主導体層との界面で前記主導体層に固溶する金属元素を有し且つＣＶＤ法により前記第１下地層の上に形成される第２下地層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２下地層は、前記銅よりなる前記主導体層に対して０．０１〜１０．０ｗｔ．％の範囲内で固溶していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２下地層は、ジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀、又はジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀の合金、又はジルコニウム及び窒素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ジルコニウム及び窒素を含む材料は、アモルファス又は微結晶状の窒化ジルコニウムであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ジルコニウム及び窒素を含む材料の平均粒径は１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ジルコニウム及び窒素を含む材料は、原子数比率で３０％以上のジルコニウムを有することを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第２下地層は、５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２下地層は、前記第１下地層の半分以下の膜厚を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１下地層は、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステンのいずれかから構成されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１下地層は、１０ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に配線用溝又はホールを形成する工程と、
前記配線用溝又は前記ホール内と前記絶縁膜上に、銅の拡散を防止する導電材よりなる第１下地層をＣＶＤ法により形成する工程と、
銅層に対して固溶する金属元素を有する第２下地層をＣＶＤ法により前記第１層の上に形成する工程と、
銅又は銅合金よりなる主導電層を前記第２下地層の上に形成する工程と、
前記第１及び第２下地層と前記主導電層を前記絶縁膜上から除去するとともに前記配線用溝又は前記ホールの中に残す工程と
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１２】
前記第２下地層は、ジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀、又はジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀の合金、又はジルコニウム及び窒素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第２下地層は、ジルコニウムと窒素を含む層であって、テトラキスジエチルアミノジルコニウムを用いて成長されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２下地層は、ジルコニウムと窒素を含む層であって、塩化ジルコニウムと窒素化合物ガスを用いて成長されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第２下地層は、５ｎｍ以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１下地層は、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１１〜請求項１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第１下地層は、１０ｎｍ以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項１１〜請求項１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記主導電層は、前記第２下地層の表面に銅シード層を形成し、該銅シード層上に銅を主成分とする材料又は銅をメッキ法により形成する工程により形成されることを特徴とする請求項１１〜請求項１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記絶縁膜の上面の上の前記第１及び第２下地層と前記主導体層を除去して前記配線用溝又は前記ホール内にのみ残すことを特徴とする請求項１１〜請求項１８のいずれかに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
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、銅層を含む多層構造の配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
背景技術
半導体集積回路（ＬＳＩ）の加工技術の進歩に伴って個々の半導体素子は益々微細化されている。また、ＬＳＩ内の配線も高密度化、多層化、薄層化が進み、配線にかかる応力や、配線に流れる電流の密度はそれぞれ増加の一途をたどっている。従って、高密度の電流を配線に流すことにより例えばエレクトロマイグレーション（ＥＭ）と呼ばれる配線の破断現象が生じ易くなる。エレクトロマイグレーションの駆動力は、高密度電子流の衝突により金属原子が移動、拡散することによって生じると考えられている。素子の微細化に伴い、エレクトロマイグレーションによる劣化現象は益々深刻化するため、より高密度の電流を流せる信頼性の高い配線材料および配線構造の開発が必要となっている。
半導体装置において、アルミニウム配線よりもエレクトロマイグレーションが発生しにくい配線として銅配線が使用されている。
銅配線を形成する方法として、層間絶縁膜に形成された配線溝の中に銅を埋め込む工程を有するダマシン法が実用化されている。また、配線溝の下にビアホールを形成してビアと配線を同時に形成するデュアルダマシン法も知られている。そのような配線溝やビアホール内に銅を埋め込む前に、銅の下地層としてバリア層と銅シード層をスパッタ法により形成することが主流となっている。そのバリア層は銅の拡散を防止するために用いられて配線又はプラグの一部となる。また、銅シード層は、銅膜の成長を促すために形成される。
ところで、０．１μｍルールのデバイスの世代では、配線の下に形成されるビアの径が０．１５μｍ程度まで縮小すると考えられ、アスペクト比も５を越えると予想される。
微細なビアと配線を銅から構成する場合に、ビアホールと配線溝の中にバリア層と銅シード層をスパッタで形成しようとすると以下のような問題が生じる。
第１に、スパッタ法では良好なカバレッジが得られないため、例えば微細なビアホール内にバリア層を形成しようとすると、ビアホール周辺の絶縁膜上ではビアホールの側壁で要求される膜厚よりもかなり厚いバリア層を形成する必要がある。従って、デュアルダマシン法により配線を形成する場合には配線溝の断面積におけるバリア層の割合が高くなる。一般に、バリア層に使用される材料は高抵抗であるために、配線に占めるバリア層の割合が大きくなれば配線全体が高抵抗化してしまい、低抵抗な銅配線を使うメリットが無くなってしまう。また、ビアホール内でも、ビアホールの底に形成されるバリア層が厚くなれば、コンタクト抵抗が大きくなる。
第２に、スパッタ法では、カバレッジに限界があるため、微細ビアホールの入り口で銅シード層が閉塞気味に形成されるオーバーハングや、ビアホール側壁でのカバレッジ不足や、銅シード層の凝集が起こり、その後の電解メッキにより銅をビアホール内に完全に埋め込むことが困難になる。
従って、今後のさらなる微細化に対応するためには、薄いバリア層と銅シード層をカバレッジの良いＣＶＤ法により形成することが必要となる。
しかし、テトラキスジエチルアミノチタン（Ｔｉ｛Ｎ（Ｃ２Ｈ５）｝４：ＴＤＥＡＴ）を用いるＣＶＤ法により窒化チタン（ＴｉＮ）のバリア層を形成する場合には、５００μΩ・ｃｍ以下に抵抗を低くするが難しい。
また、ＴＤＥＡＴのみを用いてバリア層を形成すると、ビアホールでのカバレッジは良いが、炭素不純物を含んだポーラスなバリア層が形成される。一方、そのようなバリア層を形成する際にＮＨ３を微量添加すると、膜質が向上して炭素不純物の少ない低抵抗膜を形成できるが、良好なカバレッジが得られない。
現状では、ビアボトムで３５％以上のカバレッジが得られる条件でのバリア層の膜の抵抗は５００μΩ・ｃｍ程度である。ビアチェーンや配線全体での抵抗を十分下げるためにはボトムカバレッジ５０％以上で３００μΩ・ｃｍ以下のバリア膜が必要である。
また、現状のＣＶＤ技術でＴｉＮバリア層と銅シード層を形成するとこれらの層の密着性が不十分であるため、これらの層は、多層配線構造を形成する際の熱ストレス、或いは不要な銅シード層及びバリア層等を化学機械研磨（ＣＭＰ）する際の機械的ストレスに耐えることができずに銅シード層がバリア層から剥離し易くなるため、実用化されていない。
発明の開示
本発明の目的は、バリア層を含めた配線抵抗又はコンタクト抵抗が従来よりも低く、相互に密着性の良いバリア層と銅又は銅含有材料層とを有する配線を含む半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
上記した課題は、半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された配線用溝とホールと、前記配線用溝と前記ホールのうちの少なくとも一方の中に形成され且つ銅の拡散を防止する導電材よりなる第１下地層と、前記配線用溝と前記ホールのうちの少なくとも一方の中で、前記第１下地層の上に形成されて銅又は銅合金からなる主導電層と、前記主導体層と前記第１下地層の間に形成され、且つ前記主導体層との界面で前記主導体層に固溶する金属元素を有し且つＣＶＤ法により前記第１下地層の上に形成される第２下地層とを有することを特徴とする半導体装置によって解決される。
また、上記した課題は、半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に配線用溝又はホールを形成する工程と、前記配線用溝又は前記ホール内と前記絶縁膜上に、銅の拡散を防止する導電材よりなる第１下地層をＣＶＤ法により形成する工程と、銅層に対して固溶する金属元素を有する第２下地層をＣＶＤ法により前記第１層の上に形成する工程と、銅又は銅を主成分とする主導電層を前記第２下地層の上に形成する工程と、前記第１及び第２下地層と前記主導電層を前記絶縁膜上から除去するとともに前記配線用溝又は前記ホールの中に残す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によって解決される。
本発明によれば、半導体基板上方の絶縁膜に形成された配線用溝又はホールの中に、窒化チタン、窒化タンタルもしくは窒化タングステン又はこれらを主成分とする材料等のような銅拡散防止材料からなる第１下地層（バリア層）と、銅との合金の比抵抗が銅の比抵抗よりも０〜５％高い金属を有し且つＣＶＤ法により形成される第２下地層と、銅又は銅主成分材料からなる上部層を順に形成した構造を有している。
これによれば、第１及び第２の下地層の総比抵抗は、第１下地層の上に直に上部層を形成した場合に比べて低くなり、しかも、第１下地層と銅層との密着性も従来より強固になる。従って、下地層と上部層によって膜剥がれのない、抵抗の低い良好な配線やビアが絶縁膜内で構成される。
なお、銅層は、銅又は銅合金のいずれかからなる層を意味する。また、第２下部層は、ジルコニウム、カドミウム、亜鉛、銀、又はそれらのうちのいずれかの合金、又はジルコニウム及び窒素を含む材料から構成される。ジルコニウム及び窒素を含む材料は窒化ジルコニウムを含む概念である。
発明の実施をするための最良の形態
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置の断面図である。
図１（ａ）において、ｐ型のシリコン（半導体）基板１の上には、能動素子領域を囲む素子分離絶縁層２が形成されている。その能動素子領域にはＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３ａを介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの両側の半導体基板１内に形成されたＬＤＤ構造の第１、第２のｎ型不純物拡散層３ｃ，３ｄから構成されている。
なお、図１において、符号３ｅは、ゲート電極３ｂの側面に形成された絶縁性サイドウォールを示している。
シリコン基板１上には、ＭＯＳトランジスタ３を覆うＳｉＯ２よりなる第１の層間絶縁膜４が形成されている。第１の層間絶縁膜４のうち第１のｎ型不純物拡散層３ｃの上には、コンタクトホール４ａが形成され、その中には窒化チタン層とタングステン層からなる二層構造のコンタクトプラグ５が形成されている。
第１の層間絶縁膜４の上には、ＳｉＯ２よりなる第２の層間絶縁膜６が形成され、第２の層間絶縁膜６内にはフォトリソグラフィー法によりコンタクトプラグ５の上を通る配線溝８が形成されている。配線溝８は、例えば幅１５０〜３００ｎｍ、深さ５００ｎｍの配線形状を有している。
配線溝８の内周面及び底面には、窒化チタン（ＴｉＮ）よりなる第１下地層９と、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）よりなる第２下地層１０が順に形成されている。第１下地層９は、後述する銅の拡散を防止するバリア層として機能する。
窒化チタンは、成膜圧力５０〜１００Ｐａ、成長温度３５０〜４５０℃の条件で、テトラキスジエチルアミノチタン（Ｔｉ｛Ｎ（Ｃ２Ｈ５）｝４：ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｄｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）（ＴＤＥＡＴ））を用いてＣＶＤ法により１０ｎｍ以下の厚さに成長されている。
また、窒化ジルコニウムは、成膜圧力５０〜１００Ｐａ、成長温度３５０〜４５０℃の条件で、テトラキスジエチルアミノジルコニウム（Ｚｒ｛Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２｝４：ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｄｏ）ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）（ＴＤＥＡＺ））を用いてＣＶＤ法により５ｎｍ以下の厚さに成長される。第２下地層１０におけるジルコニウムの原子数比率は３０ａｔｏｍｓ％以上である。
第１下地層９を構成する窒化チタンは微結晶状かアモルファス状になっており、また、第２下地層１０を構成する窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）は、１０ｎｍ以下の平均粒径を有していて微結晶状かアモルファス状になっている。
なお、第１下地層９を構成する窒化チタン層には炭素が含まれていることもあり、また、第２下地層１０を構成する窒化ジルコニウム層にも炭素が含まれていることもある。
第２の下地層１０の上には銅シード層１１が例えば５０ｎｍの厚さに形成され、さらに銅シード層１１の上には配線溝８を完全に埋め込む厚さの銅層１２が形成されている。銅シード層１１は、０．１〜０．５ｋＰａ、成膜温度１５０〜２５０℃の条件で、例えばトリメチルビニルシリルヘキサフルオロアセチルアセトナート銅Ｉ（Ｃｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓを）とトリメチルビニルシラン（ｔｍｖｓ）とヘキサフルオロアセチルアセトン２水和物（Ｈｈｆａｃ・２Ｈ２Ｏ）をソースガスとして用いるＣＶＤ法により形成され、
また、銅層１２はメッキ法によって形成される。なお、銅層１２は、銅を主成分とする銅合金からなる場合もある。
そのような配線溝８内の銅層１２、銅シード層１１、第１及び第２の下地層９，１０は、配線１３として使用され、第１及び第２の下地層９，１０は配線の下部層となる。また、シード層１１と銅層１２は配線１３の主導体層となる。なお、第２の層間絶縁膜６の上面に形成された銅層１２、銅シード層１１、第１及び第２の下地層９，１０は、それぞれＣＭＰ法により除去されている。
ところで、第１の下地層９を大気に曝さないようにするために、少なくとも第２下地層１０の成長終了までは、第２下地層１０の成長と第１下地層９の成長を同じ場所で行うことが好ましい。
例えば、図２に示すように、減圧されるトランスファーチャンバ３０に２つのＣＶＤチャンバ３１，３２が接続されている構造の装置を用いる。そして、シリコン基板１をロードロックチャンバ３３及びトランスファーチャンバ３０を通して第１のＣＶＤチャンバ３１内に移し、第１のＣＶＤチャンバ３１内で第１及び第２の下地層９，１０を配線溝８内と第２の層間絶縁膜６上に形成した後に、シリコン基板１をトランスファーチャンバ３０を経由して第１のＣＶＤチャンバ３１から第２のＣＶＤチャンバ３２に移し、第２のＣＶＤチャンバ３２内で銅シード層１１を成長させ、その後に、トランスファーチャンバ３０及びロードロックチャンバ３３を通してシリコン基板１を外部に取り出す。半導体基板（ウェハ）１の搬送は、ロボットアーム３５によってなされる。
トランスファーチャンバ３０は、減圧されているが、第１及び第２のＣＶＤチャンバ３１，３２内の圧力より高いので、第１のＣＶＤチャンバ３１内で第１及び第２下地層９，１０を成長するとそれらの層９，１０の間に不純物が入ることが防止され、第１及び第２下地層９，１０同士の密着性の低下が防止され、下地層全体の高抵抗化も防止される。
そのような配線１３は、銅の拡散を防止するために、窒化シリコン膜７によって覆われ、さらに窒化シリコン膜７は、第３の層間絶縁膜１４によって覆われている。
第３の層間絶縁膜１４は、成膜温度３００〜４５０℃の成長温度で、モノシラン（ＳｉＨ４）と一酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を用いてＣＶＤ法により形成される。この第３の層間絶縁膜１４を形成する際の加熱、又は銅シード層１１を形成する際の加熱によって、図１（ｂ）に示すように、銅層１２と第２下地層１０を構成する窒化ジルコニウム層の間に銅ジルコニウム合金を含む中間層１０ａが形成される。銅に対するジルコニウムの固溶度は０．０２％であるので、中間層１０ａの比抵抗は実質的に銅と同じであり、中間層１０ａは極めて薄い。
ところで、上記した配線１３の特徴を調べるために図３（ａ）〜（ｃ）に示すような種々のサンプルを形成して実験を行った。それらのサンプルは、図３（ａ）に示すようにＳｉＯ２膜１５の上に膜厚１０ｎｍの窒化チタンよりなる第１の下地層９と膜厚２．５〜１０．０ｎｍの窒化ジルコニウムよりなる第２の下地層１０をそれぞれＣＶＤ法により順に成長したものと、図３（ｂ）に示すように第２の下地層１０の上に膜厚５０ｎｍの銅シード層１１を成長したものと、図３（ｃ）に示すように銅シード層１１の上に電解メッキ法によって銅膜１２を約５００ｎｍの厚さに成長したものである。なお、第２の下地層１０は、島状に形成されてもよい。
図３（ａ）に示した第１の下地層９の膜厚を１０ｎｍと一定にし、第２の下地層１０の膜厚を２．５〜１０．０ｎｍの範囲で変えて下地層全体の抵抗を測定したところ、図４に示すような結果が得られた。
図４によれば、図３（ａ）〜（ｃ）中の第２の下地層１０の膜厚を薄くするにつれて下地層全体の比抵抗が２５０μΩ・ｃｍよりも低くなっていくことがわかる。下地層９，１０も配線１３として機能するので、その比抵抗値を２００μΩ・ｃｍよりも小さくする必要がある。このため、第１の下地層９である窒化チタン膜を１０ｎｍとする場合には、第２の下地層１０である窒化ジルコニウム膜を５ｎｍ以下にする必要がある。即ち、窒化ジルコニウム膜の膜厚は、窒化チタン膜の膜厚の５０％以下の膜厚にするのが好ましい。
なお、第１の下地層９を構成する窒化チタンの比抵抗は５００〜６００μΩ・ｃｍであり、第２の下地層９を構成する窒化ジルコニウムの比抵抗が１３．６μΩ・ｃｍであるので、第２の下地層１０の膜厚を薄くするほど下地層全体の比抵抗は論理的には高くなる。しかし、本願発明者の実験によれば図４に示したように第２の下地層１０の膜厚を薄くするほど下地層全体の比抵抗が低くなった。
また、図３（ｂ）において、第２の下地層１０の膜厚を５ｎｍとして銅シード層１１と第１及び第２の下地層９，１０の全体の比抵抗を測定したところ、２．３μΩ・ｃｍであった。
さらに、図３（ｃ）において、第１及び第２の下地層９，１０に対する銅膜１２及び銅シード層１１の密着状態を調べたところ、それらの層間の密着力は強いことがわかった。即ち、ＺｒＮよりなる第２の下地層１０は、ＴｉＮよりなる第１の下地層９とその上の銅層１１，１２との密着性を向上するための密着層として機能している。
なお、層間の密着の良し悪しのテストは、銅膜の上に貼った粘着テープを強制的に剥離した時に、銅シード層を含む銅膜が下地層から剥離するか否かによって判断した。そのような銅膜が下地層から剥離しない場合には密着性が良く、剥離する場合には密着性が悪いことになる。
本実施形態の配線と従来の配線を比較するために、従来構造の銅配線として図５（ａ）〜（ｃ）に示すサンプルを形成した。図５（ａ）は、ＳｉＯ２膜１００上に膜厚１５ｎｍの窒化チタンの下地層（バリア層）１０１を形成したサンプルであり、図５（ｂ）はその下地層１０１上に膜厚５０ｎｍの銅シード層１０２を形成したサンプルであり、図５（ｃ）は銅シード層１０２上に銅層１０３を約５００ｎｍの厚さに形成したサンプルである。
図５（ａ）における下地層１０１の比抵抗は約６００μΩｃｍであり、図３（ａ）の本実施形態の構造のシード層９，１０の比抵抗に比べて２．５倍以上となっている。
また、図５（ｂ）に示した銅シード層１０２と下地層１０１の全体の比抵抗を測定したところ、本実施形態よりも大きい２．８μΩ・ｃｍであった。さらに、図５（ｃ）において、下地層１０１に対する銅層１０３及び銅シード層１０２の密着状態を調べたところ、それらの層間の密着力は弱いことがわかった。従って、銅シード膜１０２と窒化チタン下地層１０１の界面は、比抵抗を上げ且つ層間の密着性を低下させるような状態となっていることがわかった。
（第２の実施の形態）
図６〜図８は、本発明の第２実施形態を示す多層銅配線構造の形成工程を示す断面図である。なお、図６〜図８において、図１（ａ）に示したと同じ符号は同じ要素を示している。
まず、図１に示したように、シリコン基板１に形成したＭＯＳトランジスタ３を第１及び第２の層間絶縁膜４，６で覆った後に、第２の層間絶縁膜６内に第１の配線１３を形成し、さらに第１の配線１３の上に窒化シリコン膜７と第３の層間絶縁膜１４を形成する。
そのような状態において、図６（ａ）に示すように、第２の層間絶縁膜１４及び窒化シリコン膜７のうち第１の配線１３に重なる部分にビアホール１４ａをフォトリソグラフィー法により形成する。続いて、第２の層間絶縁膜１４の上部に、ビアホール１４ａの上を通る配線溝１４ｂをフォトリソグラフィー法により形成する。ビアホール１４ａは第１の配線１３に達する深さに形成される。配線溝１４ｂは、第２の層間絶縁膜１４のエッチング条件をコントロールすることによりビアホール１４ａよりも浅く形成する。また、配線溝１４ｂは、ビアホール１４ａよりも先に形成されてもよい。
次に、シリコン基板１をＣＶＤ装置のチャンバ内に入れ、図６（ｂ）に示すように、ビアホール１４ａと配線溝１４ｂのそれぞれの内周面及び底面、および第２の層間絶縁膜１４の上面に、ＴｉＮ又はＴｉＮ化合物よりなる第１の下地層１６を５〜１０ｎｍの厚さに形成する。ＴｉＮ又はＴｉＮ化合物は、第１実施形態と同じ条件でＴＤＥＡＴを用いてＣＶＤ法により成長される。なお、第１の下地層１６として窒化タンタル（ＴａＮ）層、窒化タングステン（ＷＮ）層をＰＶＤ法又はＣＶＤ法により形成してもよい。
続いて、同じＣＶＤチャンバ内で、図７（ａ）に示すように、ＺｒＮ又はＺｒＮ化合物よりなる第２の下地層１７を１〜５ｎｍの厚さに形成する。ＺｒＮ又はＺｒＮ化合物は、第１実施形態と同じ条件を用いて、ＴＤＥＡＺを用いてＣＶＤ法により成長される。このとき、微量のＮＨ３を原料ガスとともに成長雰囲気（チャンバ）内に流してもよい。なお、第２の下地層１７のうちのＺｒの原子数比率が３０ａｔｏｍｓ％以上となるようにガス流量等、圧力、温度の成長条件を調整する。また、第２の下地層１７を構成するＺｒＮは平均粒径１０ｎｍ以下であって第２の下地層１７は微結晶状かアモルファス状になっている。
さらに、図７（ｂ）に示すように、第２の下地層１７の上に、例えば第１実施形態と同じ条件でＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを含む原料ガスを用いるＣＶＤ法により、膜厚３０〜１００ｎｍの銅シード層１８を形成する。
次に、図８（ａ）に示すように、銅シード層１８上に第２の銅層１９を電解メッキ法により形成してビアホール１４ａと第２の配線溝１４ｂに完全に埋め込む。
この後に、図８（ｂ）に示すように、第２の層間絶縁膜１４の上面に形成された第２の銅層１９、銅シード層１８、第１及び第２の下地層１６，１７をＣＭＰ法により除去する。これにより、ビアホール１４ａ内に残った第２の銅層１９、銅シード層１８、第１及び第２の下地層１６，１７を導電性のビア２０として使用し、また、第２の配線溝１４ｂ内に残った第２の銅層１９、銅シード層１８、第１及び第２の下地層１６，１７を第２の配線２１として使用する。なお、第１及び第２の下地層１６，１７は、ビア２０、配線２１の下部層となる。また、銅シード層１８と第２の銅層１９はビア２０、配線２１の主導体層となる。
この後に、第２の配線２１の上に、図示しない窒化シリコン膜、層間絶縁膜等を形成する。そのような絶縁膜をＣＶＤ法により形成する場合の成長温度によって第２下地層と銅層１９の間にジルコニウムと銅の合金が形成される。
（第３の実施の形態）
第２実施形態において示したように、層間絶縁膜１４に形成されるビアホール１４ａの直径を０．１５〜０．２５μｍ、深さ０．８〜１．２μｍとして、そのアスペクト比を約５とした場合に、ビアホール１４内での下地層のカバレッジについて本実施形態と従来技術とを比較すると次のようになる。
まず、図９（ａ）に示すように、ビアホール１４ａ内とその周辺に下地層としてスパッタリング法によりＴｉＮ層１１０を成長したところ、ビアホール１４ａの上部でＴｉＮ層１１０がオーバーハングする一方、ビアホール１４ａの下部側壁１４ｃでのカバレッジは１０％以下と良くないことが確認された。このカバレッジのパーセンテージは、ビアホール１４ａの直径に対するビアホール１４ａ内周面に形成された膜の厚さである。
また、図９（ｂ）に示すように、ＴＤＥＡＴのみを用いたＣＶＤ法によりＴｉＮ層１１１を下地層としてビアホール１４ａ内とその周辺に成長したところ、ビアホール１４ａの上部でＴｉＮ層１１１がオーバーハングせず、しかもビアホール１４ａの下部側壁１４ｃでのカバレッジは約５０％以下となった。しかし、そのＴｉＮ層１１１の比抵抗は５００μΩ・ｃｍ以上と高くなった。
さらに、ＴＤＥＡＴにＮＨ３を添加してソースガスとして用いたＣＶＤ法によってＴｉＮ層１１２を下地層としてビアホール１４ａ内とその周辺に成長したところ、その比抵抗を２００μΩ・ｃｍ程度まで低下することができた。しかし、図９（ｃ）に示すように、ビアホール１４ａの側壁におけるカバレッジは悪化し、ＣＶＤ法を用いる長所がなくなってしまう。これは、ＴＤＥＡＴとＮＨ３がビアホール１４ａ内の底に入り込む前に反応してしまうからと考えられる。
これに対して、本実施形態に基づいてビアホール１４ａ内とその周辺にＴＤＥＡＴを用いたＣＶＤ法によりＴｉＮ層（第１の下地層１６）を成長し、続いて、ＴＤＥＡＺを用いたＣＶＤ法によりＺｒＮ層（第２の下地層１７）を成長して二層構造の下地層１６，１７を形成したところ、図１０に示すように、ビアホール１４ａの上部でＴｉＮ層がオーバーハングせず、ビアホール１４ａの下部側壁でのカバレッジは約５０％となり、しかも、下地層１６，１７全体の抵抗比は２００μΩ・ｃｍに低減し、これによりビア２０と第１の配線１３とのコンタクト抵抗が低減する。
（その他の実施の形態）
上記した実施形態では、ビアホールや配線用溝の中に銅拡散防止のためのバイリア層となる第１の下地層の上に形成される第２の下地層として窒化ジルコニウム層から構成したが、その他の材料から構成してもよい。
第２の下地層の材料は、銅と適度に固溶すること、膜抵抗が比較的低いこと、ＣＶＤ法で成長が可能であることの３つの性質を有することが好ましい。
第１に、第２の下地層の構成材料が銅と適度に固溶することにより下地層と銅層の密着性が向上することである。第２に、膜抵抗が低いことにより、配線抵抗又はコンタクト抵抗の上昇を抑えて配線抵抗又はプラグコンタクト抵抗を銅から形成する長所を生かすことができることである。第３に、ＣＶＤ法により形成可能であることにより、ビアホール内のカバレッジを良くすることができることである。
それら３つの条件を満たす金属材料として、ジルコニウムの他に、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）又は銀（Ａｇ）が挙げられる。それらの材料の物性値を表１に示す。
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表１において、Ｚｎ及びＡｇは、Ｃｕに対する固溶限が比較的大きい。しかし、その材料のいずれか下地層として用いた場合の抵抗が仮にＣｕと合金を形成した場合でも、銅層の抵抗を大幅に増加させることはないから、第２の下地層として採用が可能である。
下地層上に形成される銅層に添加物としてＺｎ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｃｏ又はＦｅを添加した場合の銅層の比抵抗と添加物濃度の関係を示すと、図１１のようになる。図１１において、Ｓｉ、Ｃｏ又はＦｅの銅層への添加は、銅層の抵抗を上昇させる原因になるので、好ましくない。これに対して、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｃｄ又はＡｇを銅層に添加させても銅層の抵抗値は殆ど変わらず、銅層にＡｇを１０ｗｔ．％で添加しても銅層の比抵抗は約２．２０μΩ・ｃｍ、Ｚｎを１０ｗｔ．％で添加しても銅層の比抵抗は約２．１０μΩ・ｃｍである。また、Ｃｄを銅層に固溶限の４ｗｔ．％で入れても銅層の抵抗は１．９８μΩ・ｃｍである。さらに、Ｚｒを銅層に固溶限の０．０２ｗｔ．％で入れても銅層の抵抗は約１．６９μΩ・ｃｍとほとんど変化がない。
従って、第２の下地層を構成する金属は、銅に対して０．０１〜１０．０ｗｔ．％の範囲に固溶させることが望ましい。
第２の下地層を構成するＺｎ、Ｃｄ又はＡｇは、表２に示すようなソースを用いてＣＶＤ法による成膜が可能である。この場合、表２に示す原料とともに、数〜数十ｗｔ．％のアンモニウム（ＮＨ３）若しくはヒドラジン（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ：Ｎ２Ｈ４）を用いることにより、第２の下地層として析出される金属を窒化させてもよい。
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また、第２の下地層としてＺｒＮをＣＶＤ法により形成する場合に、上記した実施形態ではＴＤＥＡＺを用いた。しかし、ＴＤＥＡＺの代わりに塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ４）を用いてもよい。ＺｒＣｌ４を用いる場合には、ＴＤＥＡＺを用いる場合に比べて炭素、水素などの不純物量を低減できる。また、ＺｒＣｌ４を用いてＺｒＮ層を形成する場合には、数〜数十ｗｔ．％のアンモニウム又はヒドラジンをＺｒＣｌ４を添加する。ただし、第２の下地層としてＺｒ層を形成する場合には、アンモニウム又はヒドラジンを添加ガスとして用いない。
しかし、ＺｒＣｌ４を用いて形成される第２の下地層は、ＴＤＥＡＺ原料から得た第２の下地層に比べて抵抗が高くなる。また、銅拡散防止に用いられる第１の下地層を有機原料を用いて成長する場合には、炭素などの混入を防止する観点から同一のＣＶＤチャンバを用いるのは好ましくない。
なお、上記した各実施形態において、層間絶縁膜を構成する材料として、フッ素、ホウ素、燐のような不純物を含有するＳｉＯ２層を用いても良い。
以上述べたように本発明によれば、窒化チタン、窒化タンタルもしくは窒化タングステン又はこれらを主成分とする材料等のような銅拡散防止導電材からなる第１下地層と、第１下地層の上に形成され且つジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀、又はジルコニウム、カドミウム、亜鉛、若しくは銀の合金、又はジルコニウム及び窒素を含む材料から構成される第２下地層と、第２下地層上に形成された銅又は銅合金からなる主導体層とを配線又はプラグ（ビア）として絶縁膜内に埋め込むようにしたので、第１及び第２下地層の比抵抗は、第１下地層だけで配線又はプラグの下部層を構成した場合に比べて低くなり、しかもそれらの下地層と銅層又は銅合金層との密着性も従来より高くなって、下地層と銅層、又は、下地層と銅合金層によって良好な配線やビアを構成できる。
【図面の簡単な説明】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり；
図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の銅配線の構造を示す図であり；
図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の下地層と銅シード層を形成するために用いられるＣＶＤ装置の配置図である。
図３（ａ）は、図１に示した配線の下地層を形成した状態を示す断面図であり；
図３（ｂ）は、その下地層の上に銅シード層を形成した状態を示す断面図であり；
図３（ｃ）は、その銅シード層の上に銅層を形成した状態を示す断面図であり；
図４は、第１実施形態に係る半導体装置に形成された銅含有配線の下地層を構成するＺｒＮの膜厚と下地層比抵抗の関係を示す図であり；
図５（ａ）は、従来構造の配線の下地層を形成した状態を示す断面図であり；
図５（ｂ）は、従来構造の配線の下地層の上に銅シード層を形成した状態を示す断面図であり；
図５（ｃ）は、従来構造の配線の下地層の上の銅シード層の上に銅層を形成した状態を示す断面図であり；
図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の配線及びビアの形成工程を示す断面図（その１）であり；
図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の配線及びビアの形成工程を示す断面図（その２）であり；
図８（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の配線及びビアの形成工程を示す断面図（その３）であり；
図９（ａ），（ｂ）は、従来のビアを構成する下地層の形成方法の違いによる下地層形状の違いを示す断面図であり；
図１０は、本発明の半導体装置を構成するビアホール内の下地層形状を示す断面図；そして
図１１は、本発明の半導体装置の配線又はプラグに用いられる銅層への異種金属の添加による銅層の抵抗の増加を示す図である。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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