JPH02165632A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は半導体装置の製造方法、特に銅を主成分とする
合金を主要な配線用材料として使用し、低い比抵抗の配
線を有する半導体装置の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、超ＬＳＩなど、半導体装置の高集積化に伴ない該
半導体装置内の配線幅および配線厚さを縮小化したり配
線の多層化が進められている。

そしてその配線材料としては、例えば２．７５μΩ・Ｃ
Ｉというような低い比抵抗を有しかつ不動態被覆で防食
が施されたアルミニウムを主成分とするアルミニウム合
金が用いられている。

しかしながら、アルミニウムはその融点が６６０℃と低
いので、比較的低温でも原子の拡散、特に結晶粒界を経
路とする拡散が起り易い。更にアルミニウムにおいては
熱ストレスによる引っ張り応力が生じた場合には、アル
ミニウムを主成分とする合金の配線でも、原子の拡散が
加速されてしまう。その結果、配線断面積の縮小化にも
かかわらず配線を流れる信号電流は低減化されないので
、電流密度は増大し、エレクトロマイグレーションによ
る断線が大きな問題となってきている。

また、前記配線の多層化に伴ない、各配線は複雑な熱履
歴現象を受けるので、配線に加わる熱ストレスから生じ
るストレスマイグレーションによる断線も問題となって
きている。

このような状況下において、最近、アルミニウムと同様
、またはそれ以上の低い比抵抗を持ちながら、融点がア
ルミニウムのそれよりも高い銅を配線材料として使用す
る技術が注目され、その実用化が検討されている。

しかしながら銅の場合には、純銅を使用したとしても、
エレクトロマイグレーションによる配線劣化のため、そ
の寿命はアルミニウムーシリコン−銅（ＡΩ−３ｉ　−
Ｃｕ　）合金と比較して、数倍または数十倍程度しか延
長できないことが知られている。この程度の寿命の延長
数値は、銅の原子の粒界拡散の活性化エネルギーの量な
どから計算でき、こうして計算された寿命の値と実際の
寿命の値とは、はぼ一致している。

それでは、銅を用いた従来の配線寿命があまり延長しえ
ない原因は何かについて究明すると、通常のスパッタリ
ング法で形成された銅ＳＳの平均結晶粒径は、焼結処理
後も１μｍ以下にとどまり、いわゆるバンブー構造（竹
の節の如き構造）が形成されていない点にある。

一般に、へ〇−３ｉ−ＣＬＩ合金の平均結晶粒径が約、
３μ−であり、一方バンブー構造が形成されるのに必要
な最大配線幅が約０．５μ−であることが知られている
点を考えて両者の比をとれば、下記の点が判る。すなわ
ち、銅配線においては、配線幅を約０．５μｍ以上にす
ると、バンブー構造が形成されることよりも、屋根瓦状
構造（三重節部）が形成され易いことがわかり、エレク
トロマイグレーションにおける原子拡散経路は、粒界拡
散が主となる。したがって、配線幅を０．５μｍ以上の
湯治は、粒界拡散を抑制すれば、エレクトロマイグレー
ションも抑制されるので配線の寿命を相当延長しうろこ
とになる。

上記の目的を達成するために、遷移金属と鋼の金属間化
合物または遷移金１自体を結晶粒界に分散析出させ、拡
散経路に拡散バリアを形成することが有効である。しか
しながら、銅を主成分とする遷移金属との合金配線の場
合には、通常のアルミニウム系合金配線に対して行なわ
れる４５０゜程度の熱処理を行なうだけでは、比抵抗に
おいて３μΩ・Ｃ−以上になり、アルミニウム系合金よ
りも高い比抵抗値を呈してしまう。したがって銅自体の
有する低い比抵抗の利点が生かされない結果となる。

このような点から、銅を主成分とする合金のバルク材を
用いて比抵抗を低減させる方法が提案されている。この
方法によれば、前記合金のバルク材を９００℃以上の温
度で加熱してから急冷し、銅と添加元素を固溶体化する
第１の熱処理を行ない、次いで４５０℃程度の温度で数
時間熱処理することによって添加元素、または添加元素
と銅の金属間化合物を析出する第２の熱′処理を行ない
、目的を達成しようとするものである。

第３図は従来方法による、Ｃｕ　−Ｃｒ　−Ｚｒ（銅−
クロム−ジルコニウム）合金に対する上記第１の熱処理
後の上記第２の熱処理温度と比抵抗との特性図を示す。

同図から判るように、３５０℃以上での第２の熱処理に
より普通のＣｕ　−Ｃｒ−Ｚｒ合金の場合には、その比
抵抗を３μΩ・ＣＩ以下に低減できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、バルク材の場合には、各成分元素相の結
晶は、数１００μ−以上というようにその粒径が大であ
るので、固溶体化のための前記第１の熱処理が必須とな
る。

しかし他方では、拡散層の深さの増大に伴なって、不純
物再分布を抑制するため、あるいは熱ストレスの発生を
抑制するためには、高温での前記第１の熱処理は避けな
ければならないという二律背反的問題をかかえており、
その解決が求められているのが現状である。

本発明は上記二律背反的問題を解決するもので、銅を主
成分とする合金で半導体装置内の配線を形成する際に、
高温で固溶体化する従来の第１の熱処理の如き工程を必
要とせずに、その比抵抗を低減しつる半導体装置の製造
方法を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） このために本発明においては、銅を主成分とする合金＊
ｉを堆積し、これを不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気
、すなわち非酸化ガス雰囲気中で約６５０℃以上９００
℃以下の温度範囲で熱処理を行ない、添加元素または銅
と添加元素との金属間化合物を分散析出させる構成とし
ている。

（作用） 本発明においては、銅を主成分とする合金をＨＩＩにし
て堆積することによってバルク材と比較して結晶粒径を
小さくできると共に、不活性ガスまたは還元性ガス雰囲
気内で６５０℃以上９００℃以下の温度範囲で熱処理を
行なうことによって銅および添加元素との金ｆｆ間化合
物を結晶粒界に分散析出して拡散バリアを形成し、結晶
粒界拡散を抑制する。

したがって、従来技術における第１の熱処理を行なわず
に、配線の比抵抗を著しく低減できる。

（実施例） 第１図は本発明による半導体装置の製造方法の工程図を
示す。

本発明を実施した半導体装置の製造方法は、第１図（ａ
　）に示す如くに、半導体基板１上に層間絶縁膜２を形
成し、その半導体基板１を、周知のマグネトロンスパッ
タリング装置に背体する。そして上記スパッタリング装
置のチャンバー内を２０　Ｘ　１０＋８Ｔｏｒｒ以下の
真空状態になるように排気した後、上記チャンバー内に
窒素アルゴンの混合ガスを導入して、上記半導体基板１
を主平面内で回転させながら、チタン（Ｔｉ　）のター
ゲットを、電圧を印加して発生させた窒素アルゴンプフ
ズマにおいて、ターゲット電流を流してスパッタし、第
１図（ｂ）に示す如くに、窒素チタン層３を５００Ａの
厚さで堆積する。

次に、上記チャンバー内に４００ＩＩ３のＰＩのアルゴ
ンガスを導入して、その内部圧力が５．０×１Ｏ−３７
ｏｒｒに保たれるようにしておく。

そして、前記半導体基板を主平面内で回転させながう、
クロム０．４４！ＩＩ％、ジルコニウム０１０１１％、
銅９９．４６重量％の銅を主成分とする合金のターゲッ
トを形成し、次いで３２０Ｖの印加電圧で発生させたア
ルゴンプラズマガス雰囲気中でターゲット電流２Ａによ
り前記ターゲットをスパッタし、第１図（Ｃ）に示す如
くに、前記基板上に銅−クロム−ジルコニウム（Ｃｕ　
−Ｃｒ　−Ｚｒ　）合金Ｓ膜４を例えば４０００Ａの厚
さで堆積する。この合金薄膜は、３５００Ａから４５０
０Ａの厚みが好ましい。

次に、フォトリソグラフィ法、反応性イオンエツチング
法、あるいはイオンスパッタ法を用いて、第１図（ｄ）
に示す如くの銅合金配線パターンを形成する。この段階
では、上記窒素チタン層３および銅合金配線１１４は、
いずれもアモルファスあるいは微結晶状態であり、配線
抵抗は、１５０１Ω／口であった。

次にこのように銅合金薄膜４が形成された基板１を赤外
線イメージ炉内にセットした後、該炉内を排気して２．
　Ｑｘ　１　（１’Ｔｏｒｒの真空状態にする。しかる
優、該炉内に水素２０体積％、窒素８０体積％からなる
ガスを１気圧、３０００ｃｍ３／分の流ｌで流す。次に
、前記炉内の温度を５０℃／分の昇温速度で一例として
約８００℃まで上昇させる。そして約８００℃に達した
ら、該８００℃の温度を３０分間、維持したのち、５０
℃／分の降温速度で冷却しながらフ温に達するような熱
処理を行なう。

それにより、第１図（ｅ　）に示す如くの銅合金配線が
形成され、ここで、窒化チタン層３′の結晶粒径は約３
００人となり、銅合金配置８１４−の結晶粒径は約０．
９μｍとなった。さらに、第１図＜ｅ　＞に示す銅合金
配線層４−の結晶粒界５には、Ｃｕ３Ｚｒなる金属間化
合物とＣ「の２種類からなる析出物６が析出し、配線抵
抗は、上記熱処理前の１５０−Ω／口から５０−Ω／口
へ低下した。

また、言い換えると、上記の熱処理によって、Ｃｕ　−
０ｒ−Ｚｒ合金の薄膜が堆積された１侵において、その
比抵抗が６．１μΩ・ａｍであったものが熱処理後には
、２．４μΩ・ｃｍまで低減することができた。

第２図に示ず熱処理４度と比抵抗との特性図から判るよ
うに、Ｃｕ　−Ｃｒ−Ｚｒ合金薄膜の堆積後では熱処理
時間は３０分の一度の熱処理工程だけですむ。

また、６５０℃以上、７００℃に近い熱処理温度で前記
合金の比抵抗が３μΩ・ｃｍｍ上下低減できることが判
る。

なお、上記の本発明による実施例においては、配線材料
として銅を主成分としたｃｕ　−ｃｒ　−ｚ「合金を用
いたが、これに限定されるものではない。

その他、銅を主成分とすれば、ＡＱ　　（銀）、Ｃｒ　
（クロム）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム
）、Ｈｆ（ハフニウム）、ＣＯ（コバルト）、Ｔａ（タ
ンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、
Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ　　にッケル
）のうち１つまたは複数の元素との合金、またはこれら
の窒化物、硼化物、炭化物でもよい。

さらに、半導体装置の配線構造においても、前記本発明
の実施例のように銅合金を主たる配線層とする多積層配
線構造に限定されるものではなく、銅合金単層にしても
よい。

［発明の効果］ 以上述べてきたように、従来技術によるアルミニウム系
合金あるいは銅を用いた配線においては、エレクトロマ
イグレーションおよび熱ストレスによる原子拡散のため
、その寿命が低下していたのに対し、本発明による半導
体装置の製造方法においては、配線材料として動作を主
成分とする合金を用いて薄膜を形成すると共に、従来必
要とされていた第１の熱処理を不要にして、比較的低温
の温度範囲で第２の熱処理のみを行なうことにより拡散
バリアを形成し結晶粒界拡散を抑制している。

したがって、本発明によれば一度の熱処理によって銅を
主成分とする合金の比抵抗を低減できると共に、熱スト
レスおよびエレクトロマイグレーションによる影響を抑
止して半導体装置の配線の寿命を著しく延長しうる。

また、本発明によれば銅および添加元素との金属間化合
物を結晶粒界に分散析出できるので、許容Ｎ流密度が高
く信号遅延の小さい高信頼度の微細配線が実現されうる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した半導体配線の製造工程を示
す図、 第２図は、本発明の製造方法による半導体装置の銅合金
配線の熱処理とその比抵抗との関係を示す特性図、 第３図は従来技術による製造方法で熱処理したバルク銅
合金の温度と比抵抗の関係を示す特性図である。 １・・・半導体基板　　　　３・・・窒素化チタン層４
・・・銅合金薄ＩＩ　　　　　５・・・結晶粒界６・・
・析出物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の主面上に銅を主成分とする合金薄膜
   を堆積する工程と、前記合金薄膜の堆積された前記基板
   を非酸性ガス雰囲気中で６５０℃以上９００℃以下の温
   度範囲内で熱処理する工程とを具備することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
2. （２）上記熱処理工程において、少なくとも６５０℃以
   上９００以下の温度範囲内の所定の温度へ所定の昇温速
   度で加熱し、所定の温度に達した際、所定時間前記所定
   温度を保持し、しかるのち所定降温速度で冷却するよう
   な熱処理を行なう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。
3. （３）前記非酸性ガス雰囲気は不活性ガスまたは還元性
   ガス雰囲気であり、前記昇温速度は５０℃／分、前記所
   定の温度は８００℃、前記所定時間は３０分、前記降温
   速度は５０℃／分であることを特徴とする請求項２に記
   載の半導体装置の製造方法。
4. （４）前記合金薄膜は銅（Ｃｕ）を主成分とし、Ａｇ（
   銀）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｚｒ（ジ
   ルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｏ（コバルト）
   、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タング
   ステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）のうちの
   １つまたは複数の元素との合金であ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。
5. （５）前記銅を主成分とする合金薄膜は、Ｃｕ９９．４
   ６重量％、Ｃｒ０．４４重量％、Ｚｒ０．１０重量％で
   構成されてい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。