半導体装置およびその製造方法
【課題】細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と、広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことの出来る半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０２と基板上の層間絶縁膜１０４内に形成された、銅を主成分として銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線１１４と、第１の金属配線よりも幅が広く、銅を主成分として銅とは異なる不純物金属を含む第２の金属配線１１６とを含む。第１の金属配線の第１の配線メタル１１２ａは、表面から内部中央にかけて不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有し、その表面の不純物金属の濃度は第２の金属配線の第２の配線メタル１１２ｂの表面の不純物金属の濃度よりも高い。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０２と基板上の層間絶縁膜１０４内に形成された、銅を主成分として銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線１１４と、第１の金属配線よりも幅が広く、銅を主成分として銅とは異なる不純物金属を含む第２の金属配線１１６とを含む。第１の金属配線の第１の配線メタル１１２ａは、表面から内部中央にかけて不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有し、その表面の不純物金属の濃度は第２の金属配線の第２の配線メタル１１２ｂの表面の不純物金属の濃度よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における半導体装置の高集積化への要請から、配線、プラグ、パッド等の材料として、抵抗が低い銅が広く用いられるようになってきた。
【０００３】
特許文献１（特開２００５−１５８９３０号公報）には、銅を用いた場合の信頼性の劣化に対する対策として、不純物を銅膜に添加した銅合金膜を配線の材料に採用することが記載されている。当該文献には、複数の配線層の中の少なくとも１層の配線層の配線に含まれる不純物の濃度が配線幅が大きいほど高い構成の半導体装置が記載されている。
【０００４】
特許文献２（特開平６−１７７１２８号公報）には、アルミニウムまたはシリコンを含有する銅合金薄膜配線を含む半導体装置が記載されている。また、特許文献３（特開２００４−０３９９１６号公報）には、銅を主成分とする金属領域の上部表面近傍に銅とは異なる異種金属元素が偏在した領域が設けられた半導体装置が記載されている。
【０００５】
特許文献４（特開２００６−２５３７２９号公報）には、プラチナ等が添加されている銅を含む導体材料をスパッタリング法で付着した後メッキ法で埋込配線を構成する導体膜を被着する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１５８９３０号公報
【特許文献２】特開平６−１７７１２８号公報
【特許文献３】特開２００４−０３９９１６号公報
【特許文献４】特開２００６−２５３７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、微細ピッチの細幅配線では、銅配線とその上に形成されるキャップ膜等との界面で、銅イオンの移動が生じることにより、配線間の耐圧が低下して経時破壊（Time Dependent Dielectric Breakdown：ＴＤＤＢ）寿命が著しく低下するという問題が生じる。一方、配線幅の広い広幅配線では、ストレスに起因するボイドが生じるＳＩＶ（Stress Induced Void）という現象が問題となる。
【０００７】
従来、このような配線のサイズに応じた対応がなされていなかったため、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含み、前記第１の金属配線よりも幅が広い第２の金属配線と、
を含み、
前記第１の金属配線は、積層方向の中央部から表面にかけて前記不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有し、前記第１の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度が前記第２の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度よりも高い半導体装置が提供される。
また、本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含んだ幅の異なる複数の金属配線と、を有する半導体装置であって、
前記複数の金属配線は、前記不純物金属の濃度が積層方向の中央部から表面にかけて高くなる濃度プロファイルを持つ第１の金属配線と、前記不純物金属の濃度が積層方向の底面から表面にかけて低くなる濃度プロファイルを持つ第２の金属配線とを含み、
前記第２の金属配線の幅は、前記第１の金属配線の幅よりも広い半導体装置が提供される。
【０００９】
このような構成とすることにより、細幅配線においては、表面に不純物金属が高濃度で形成されるため、その上に形成されるキャップ膜等との界面で、銅イオンの移動が抑制され、配線間の耐圧を高め、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑えることができる。一方、幅が広い配線においては、ＴＤＤＢ寿命の低下はさほど問題とならない。そのため、幅が広い配線の表面に不純物濃度を高濃度で形成しても、配線の抵抗の上昇を引き起こすというデメリットのみが生じる可能性がある。しかし、上述したように、幅が広い配線においてもＳＩＶという問題が生じる。本実施の形態においては、広幅配線も不純物金属を含むが、表面の不純物濃度を細幅配線程高濃度としない構成とすることにより、不要な配線の抵抗の上昇を引き起こすことなく、ＳＩＶ耐性を高めることができる。
【００１０】
本発明によれば、
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に配線メタルを形成する工程を含み、
前記配線メタルを形成する工程は、
前記凹部の一部を埋め込むように、スパッタリング法により、銅および銅とは異なる不純物金属を含む第１のシード合金膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜をエッチングして前記凹部における前記第１のシード合金膜の膜厚を平坦化する工程と、
前記凹部の一部を埋め込むように、前記第１のシード合金膜上に、スパッタリング法により、銅および前記不純物金属を含む第２のシード合金膜を形成する工程と、
前記第２のシード合金膜上に前記凹部の他の部分を埋め込むように銅を主成分として含むめっき金属膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜、前記第２のシード合金膜、および前記めっき金属膜を熱処理する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
このような構成とすることにより、配線幅が狭い細幅配線用の配線溝内には、表面の不純物金属濃度が高いプロファイルを有する配線メタルが形成されるとともに、配線幅が広い広幅配線用の配線溝内には、表面の不純物濃度が細幅配線程高濃度とならない配線メタルが形成されるようにすることができる。これにより、上述した半導体装置のメリットが得られる。
【００１２】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を示す断面図である。
半導体装置１００は、半導体基板（基板）１０２と、半導体基板１０２上に形成された層間絶縁膜１０４と、層間絶縁膜１０４中に形成された細幅配線（第１の金属配線）１１４および広幅配線（第２の金属配線）１１６と、層間絶縁膜１０４、細幅配線１１４、および広幅配線１１６上に形成されたキャップ膜１２０とを含む。ここで、半導体基板１０２は、たとえばシリコン基板とすることができる。図示していないが、半導体基板１０２上には、トランジスタ等が形成されている。半導体基板１０２と層間絶縁膜１０４との間には、他の絶縁膜が形成されていてもよい。
【００１６】
なお、細幅配線１１４は、たとえば、半導体装置１００中の最小ピッチ配線とすることができる。また、広幅配線１１６は、たとえば、半導体装置１００中で最も幅が広い配線とすることができる。
【００１７】
本実施の形態において、細幅配線１１４は、バリアメタル膜１０６および第１の配線メタル１１２ａにより構成されている。広幅配線１１６は、バリアメタル膜１０６および第２の配線メタル１１２ｂにより構成されている。
【００１８】
第１の配線メタル１１２ａは、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む。第２の配線メタル１１２ｂも、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む。
【００１９】
ここで、第１の配線メタル１１２ａと第２の配線メタル１１２ｂとは、積層方向における不純物金属の濃度プロファイルが異なる。第１の配線メタル１１２ａは、積層方向の中央部から表面にかけて不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有する。一方、第２の配線メタル１１２ｂは、底面から表面にかけて不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有する。また、第１の配線メタル１１２ａの表面の不純物金属の濃度は、第２の配線メタル１１２ｂの表面の不純物金属の濃度よりも高い。
【００２０】
不純物金属としては、たとえば、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ａｌ、またはＴｉ等が例示され、これらを単独または二種以上含むことができる。不純物金属としてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、ＰｔまたはＨｇを用いた場合、細幅配線１１４や広幅配線１１６の抵抗上昇率を抑えることができる。不純物金属としてＺｒまたはＴｉを用いた場合、たとえば絶縁膜やバリアメタル膜等と金属膜との密着性を向上することができる。不純物金属としてＭｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等、銅よりも酸化還元電位の低い金属を用いた場合、金属膜表面の腐食を阻止することができる。
【００２１】
層間絶縁膜１０４としては、たとえば、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリオルガノシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ(ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ)、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、パリレン、サイトップ、またはベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）等の低誘電率材料を用いることができる。
【００２２】
図２は、第１の配線メタル１１２ａおよび第２の配線メタル１１２ｂにおける、不純物金属の濃度プロファイルを模式的に示す図である。細幅配線１１４の第１の配線メタル１１２ａにおいては、積層方向の中央部から表面にかけて不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有する。また、第１の配線メタル１１２ａにおいては、表面における不純物金属の濃度が中央部よりも高くなる。また、第１の配線メタル１１２ａの表面における不純物金属の濃度は、広幅配線１１６の第２の配線メタル１１２ｂの表面よりも高くなる。一方、広幅配線１１６の第２の配線メタル１１２ｂにおいては、底面における不純物金属の濃度が最も高く、表面方向に向かって徐々に不純物金属の濃度が低くなっている。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を説明する。図３から図７は、半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
【００２４】
まず、層間絶縁膜１０４に細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２を形成する（図３（ａ））。つづいて、層間絶縁膜１０４上全面にスパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成する（図３（ｂ））。このとき、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁では、第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚が不均等となる。細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁上部では、第１のバリアメタル膜１０６ａが厚く付く。一方、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の下部では第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚が薄い部分が生じ、層間絶縁膜１０４の側壁上に第１のバリアメタル膜１０６ａが形成されていない領域が生じることがある。層間絶縁膜１０４が第１のバリアメタル膜１０６ａで覆われておらず、層間絶縁膜１０４が露出していると、バリアメタル膜としての機能を果たすことができない。そのため、通常、バリアメタル膜をエッチングして、配線溝の側壁のバリアメタルの膜厚を平坦化する処理を行う。
【００２５】
本実施の形態においても、第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングして、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁の第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚を平坦化する処理を行う。第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングすることにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２が形成された領域以外の層間絶縁膜１０４上面、ならびに細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２底面上の第１のバリアメタル膜１０６ａが除去され、除去された第１のバリアメタル膜１０６ａが細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁に付着する（図４（ａ））。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚を平坦化することができ、層間絶縁膜１０４上全面に第１のバリアメタル膜１０６ａが形成された構成とすることができる。
【００２６】
本実施の形態においては、上記のエッチングに加えて、さらに層間絶縁膜１０４上の全面に再度スパッタリング法により、第２のバリアメタル膜１０６ｂを形成する（図４（ｂ））。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁におけるバリアメタル膜１０６（以下、第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂを一体としてバリアメタル膜１０６として示す。）の膜厚の不均等がより低減される。
【００２７】
ここで、第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂは、同じ材料により構成することができる。第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂは、たとえばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含む。好ましいバリアメタル膜としては、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。バリアメタル膜としては、たとえばＴａＮおよびＴａの積層構造等を用いることもできる。この場合は、各層毎にスパッタ、エッチング、リスパッタを行うことができる。
【００２８】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、スパッタリング法により第１のシード合金膜１０８ａを形成する（図５（ａ））。ここで、第１のシード合金膜１０８ａは、銅と、上述した不純物金属とを含む合金とすることができる。不純物金属の濃度は、０．１〜１．０Ｗ％程度とすることができる。このような範囲とすることにより、後にシード合金膜をシードとして良好に銅を主成分として含むめっき膜を形成することができる。
【００２９】
なお、本明細書における「合金」とは、２種以上の金属元素を融解・凝固させたものを意味し、金属元素のほかに非金属または半金属元素を含むものも合金とよぶものとする。また、合金の組織状態としては成分元素の混ざり方から固溶体や金属間化合物をつくる場合とそれらの混合物をなす場合がある。すなわち、本明細書では、固溶限以上の成分を添加したものも「合金」と称するものとする（化学大事典、東京化学同人発行）。
【００３０】
このとき、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成したときと同様、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁では、第１のシード合金膜１０８ａの膜厚が不均等となる。細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁上部では、第１のシード合金膜１０８ａが厚く付く。一方、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の下部では第１のシード合金膜１０８ａの膜厚が薄い部分が生じ、バリアメタル膜１０６の側壁上に第１のシード合金膜１０８ａが形成されていない領域が生じることがある。第１のシード合金膜１０８ａが形成されていない領域があると、後にめっき膜を形成する際に、めっき膜が良好に形成されないようになってしまう。そのため、通常、シード膜をエッチングして、配線溝の側壁のシード膜の膜厚を平坦化する処理を行う。
【００３１】
本実施の形態においても、第１のシード合金膜１０８ａをエッチングして、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁の第１のシード合金膜１０８ａの膜厚を平坦化する処理を行う。第１のシード合金膜１０８ａをエッチングすることにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２が形成された領域以外の層間絶縁膜１０４上面、ならびに細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２底面上の第１のシード合金膜１０８ａが除去され、除去された第１のシード合金膜１０８ａが細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁に付着する（図５（ｂ））。
【００３２】
本実施の形態においては、上記のエッチングに加えて、さらに層間絶縁膜１０４上の全面に、再度スパッタリング法により第２のシード合金膜１０８ｂを形成する（図６（ａ））。ここで、第２のシード合金膜１０８ｂは、第１のシード合金膜１０８ａと同じ材料を含む構成とすることができる。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁におけるシード合金膜１０８の膜厚の不均等が低減される。また、配線幅の狭い細幅配線溝１５０においては、上部にシード合金膜１０８が厚く付いたオーバーハング部が形成される。
【００３３】
つづいて、めっき法によりめっき金属膜１１０を形成し、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内を埋め込む（図６（ｂ））。めっき金属膜１１０は、銅を主成分として含む構成とすることができる。なお、めっき金属膜１１０も不純物金属を含む構成としてもよいが、不純物濃度は、第１のシード合金膜１０８ａおよび第２のシード合金膜１０８ｂよりも低い濃度とする。
【００３４】
次いで、アニールを行う。これにより、シード合金膜１０８中の不純物金属が拡散する。以下では、シード合金膜１０８とめっき金属膜１１０とを一体として配線メタル１１２として示す（図７（ａ））。ここで、細幅配線溝１５０においては、オーバーハング部が形成されているために、細幅配線溝１５０上部において不純物金属の濃度が高くなる。一方、広幅配線溝１５２においては、配線幅が広いため、表面の不純物金属の濃度は、側壁に形成されたシード合金膜１０８中の不純物金属の影響をほとんど受けない。そのため、図２に示したように、広幅配線溝１５２底面で不純物金属の濃度が最も高く、それ以外の領域では不純物金属の濃度は低くなっている。
【００３５】
なお、アニールにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内のめっき金属膜１１０の銅のグレインが成長する。ここで、ボトムアップの特性上、配線幅が小さい方が、めっき金属膜１１０のめっき膜厚が厚くなる。一般的に、アニール後のグレインサイズは、めっき膜厚が厚い方が大きくなる。そのため、めっき金属膜１１０のグレインサイズは、広幅配線溝１５２中よりも細幅配線溝１５０中の方が大きくなる。また、不純物金属は、銅のグレインバンダリに沿って拡散する。そのため、グレインサイズが大きい方が、グレインサイズが小さい場合よりも拡散速度が遅くなる。つまり、配線幅の小さい細幅配線溝１５０においては、不純物金属の拡散速度が広幅配線溝１５２におけるよりも遅い。そのため、配線幅の小さい細幅配線溝１５０においては、配線メタル１１２は、アニール前のシード合金膜１０８とめっき金属膜１１０の濃度プロファイルをそのままある程度維持した濃度プロファイルを有するようになる。一方、広幅配線溝１５２においては、不純物金属の拡散が早いため、不純物金属は広幅配線溝１５２中のめっき金属膜１１０に、より均等に拡散されるようになる。
【００３６】
この後、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１０、シード合金膜１０８、およびバリアメタル膜１０６を除去する。これにより、細幅配線溝１５０内に細幅配線１１４が、広幅配線溝１５２内に広幅配線１１６が形成される（図７（ｂ））。
【００３７】
その後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２０を形成する。キャップ膜１２０は、たとえばＳｉＣＮ膜とすることができる。これにより、図１に示した構成の半導体装置１００が得られる。
【００３８】
図８は、本実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
まず、層間絶縁膜１０４に細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２等の配線溝を形成する（Ｓ１０２）。つづいて、層間絶縁膜上全面にスパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成する（Ｓ１０４）。次いで、第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングする（Ｓ１０６）。その後、再度スパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａ上に第２のバリアメタル膜１０６ｂを形成する（リスパッタ、Ｓ１０８）。これにより、バリアメタル膜１０６が形成される。
【００３９】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、第１のシード合金膜１０８ａを形成する（Ｓ１１０）。次いで、第１のシード合金膜１０８ａをエッチングする（Ｓ１１２）。その後、再度スパッタリング法により、第１のシード合金膜１０８ａ上に第２のシード合金膜１０８ｂを形成する（リスパッタ、Ｓ１１４）。これにより、シード合金膜１０８が形成される。
【００４０】
つづいて、めっき法によりシード合金膜１０８上にめっき金属膜１１０を形成し、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内を埋め込む（Ｓ１１６）。次いで、アニール処理を行う（Ｓ１１８）。これにより、シード合金膜１０８中の不純物金属がめっき金属膜１１０中に拡散し、配線メタル１１２が形成される。このとき、各配線溝中の不純物金属の濃度プロファイルは、図２に示したような状態となる。
【００４１】
その後、ＣＭＰにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２外部に露出した配線メタル１１２およびバリアメタル膜１０６を除去して細幅配線１１４および広幅配線１１６を形成する（Ｓ１２０）。その後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２０を形成する（Ｓ１２２）。
【実施例】
【００４２】
（例１）
図１および図３から図７、および図８を参照して説明した半導体装置の製造手順で、半導体装置を製造した。図９は、細幅配線１１４における不純物金属の濃度プロファイルを示す図である。ここでは、不純物金属としてＡｌを用いた例を示す。配線幅は９０ｎｍとした。図示したように、配線表面において、Ａｌの濃度が高くなっている。また、製造した配線の断面写真を確認したところ、ボイド等が生じることなく、良好な配線が形成されていた。
（例２）
例１と同様で、図８のステップＳ１１２のエッチングとＳ１１４のリスパッタプロセスを行わなかった。この場合、製造した配線の断面写真を確認したところ、配線溝内の側壁にボイドが生じていた。これは、シード合金膜がシードとして機能しておらず、めっき膜が良好に形成されなかったためだと考えられる。
【００４３】
次に、本実施の形態における半導体装置１００の効果を説明する。
本実施の形態における半導体装置１００によれば、細幅配線１１４においては、表面に不純物金属が高濃度で形成されるため、その上に形成されるキャップ膜１２０等との界面で、銅イオンの移動が抑制され、配線間の耐圧を高め、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑えることができる。とくに、低誘電率膜を用いた場合、ＴＤＤＢ寿命の低下が生じやすくなるが、本実施の形態における半導体装置１００によれば、層間絶縁膜１０４として低誘電率膜を用いた場合でも、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑制することができる。
【００４４】
一方、幅が広い広幅配線１１６も不純物金属を含むが、表面の不純物濃度を細幅配線１１４程高濃度としない構成とするとともに、配線中の不純物金属の濃度がより均等となるようにしている。そのため、広幅配線１１６の不要な配線の抵抗の上昇を引き起こすことなく、ＳＩＶ耐性を効果的に高めることができる。
【００４５】
本実施の形態における半導体装置１００の構成によれば、広幅配線と細幅配線とを含む半導体装置において、それぞれに適した不純物濃度のプロファイルを有するような構成としているため、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができる。
【００４６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００４７】
以上の実施の形態においては、細幅配線１１４と広幅配線１１６とが同層に形成される場合を例として説明したが、細幅配線１１４と広幅配線１１６とは、異なる層に設けたものとすることもできる。この場合も、上述したのと同様の手順で細幅配線および広幅配線をそれぞれ形成することにより、幅が狭い細幅配線では、細幅配線１１４と同様の濃度プロファイルを有する配線メタルが形成され、幅が広い広幅配線では、広幅配線１１６と同様の濃度プロファイルを有する配線メタルが形成される。
【００４８】
また、以上の実施の形態における半導体装置１００の製造手順は、図１０に示すように、複数の細幅配線１１４が微細ピッチを有する構成に適用することができる。複数の細幅配線１１４が微細ピッチで形成された領域において、ＴＤＤＢ寿命の低下が生じやすい。このような構成に本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を適用することにより、ＴＤＤＢ寿命の低下を効果的に低減することができる。
【００４９】
なお、以上の実施の形態において、バリアメタル膜１０６も、スパッタリング、エッチング、リスパッタを行う手順を示したが、バリアメタル膜１０６は、この方法に限定されず、他の種々の手順とすることができる。たとえば、リスパッタの手順は省略することができる。また、たとえばＣＶＤ法等によって形成することもできる。
【００５０】
また、細幅配線１１４および広幅配線１１６は、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法のいずれに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】細幅配線の第１の配線メタルおよび広幅配線の第２の配線メタルにおける、不純物金属の濃度プロファイルを模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図７】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
【図９】細幅配線の第１の配線メタルの濃度プロファイルを示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態における細幅配線の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００ 半導体装置
１０２ 半導体基板
１０４ 層間絶縁膜
１０６ バリアメタル膜
１０６ａ 第１のバリアメタル膜
１０６ｂ 第２のバリアメタル膜
１０８ シード合金膜
１０８ａ 第１のシード合金膜
１０８ｂ 第２のシード合金膜
１１０ めっき金属膜
１１２ 配線メタル
１１２ａ 第１の配線メタル
１１２ｂ 第２の配線メタル
１１４ 細幅配線
１１６ 広幅配線
１２０ キャップ膜
１５０ 細幅配線溝
１５２ 広幅配線溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における半導体装置の高集積化への要請から、配線、プラグ、パッド等の材料として、抵抗が低い銅が広く用いられるようになってきた。
【０００３】
特許文献１（特開２００５−１５８９３０号公報）には、銅を用いた場合の信頼性の劣化に対する対策として、不純物を銅膜に添加した銅合金膜を配線の材料に採用することが記載されている。当該文献には、複数の配線層の中の少なくとも１層の配線層の配線に含まれる不純物の濃度が配線幅が大きいほど高い構成の半導体装置が記載されている。
【０００４】
特許文献２（特開平６−１７７１２８号公報）には、アルミニウムまたはシリコンを含有する銅合金薄膜配線を含む半導体装置が記載されている。また、特許文献３（特開２００４−０３９９１６号公報）には、銅を主成分とする金属領域の上部表面近傍に銅とは異なる異種金属元素が偏在した領域が設けられた半導体装置が記載されている。
【０００５】
特許文献４（特開２００６−２５３７２９号公報）には、プラチナ等が添加されている銅を含む導体材料をスパッタリング法で付着した後メッキ法で埋込配線を構成する導体膜を被着する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１５８９３０号公報
【特許文献２】特開平６−１７７１２８号公報
【特許文献３】特開２００４−０３９９１６号公報
【特許文献４】特開２００６−２５３７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、微細ピッチの細幅配線では、銅配線とその上に形成されるキャップ膜等との界面で、銅イオンの移動が生じることにより、配線間の耐圧が低下して経時破壊（Time Dependent Dielectric Breakdown：ＴＤＤＢ）寿命が著しく低下するという問題が生じる。一方、配線幅の広い広幅配線では、ストレスに起因するボイドが生じるＳＩＶ（Stress Induced Void）という現象が問題となる。
【０００７】
従来、このような配線のサイズに応じた対応がなされていなかったため、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含み、前記第１の金属配線よりも幅が広い第２の金属配線と、
を含み、
前記第１の金属配線は、積層方向の中央部から表面にかけて前記不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有し、前記第１の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度が前記第２の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度よりも高い半導体装置が提供される。
また、本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含んだ幅の異なる複数の金属配線と、を有する半導体装置であって、
前記複数の金属配線は、前記不純物金属の濃度が積層方向の中央部から表面にかけて高くなる濃度プロファイルを持つ第１の金属配線と、前記不純物金属の濃度が積層方向の底面から表面にかけて低くなる濃度プロファイルを持つ第２の金属配線とを含み、
前記第２の金属配線の幅は、前記第１の金属配線の幅よりも広い半導体装置が提供される。
【０００９】
このような構成とすることにより、細幅配線においては、表面に不純物金属が高濃度で形成されるため、その上に形成されるキャップ膜等との界面で、銅イオンの移動が抑制され、配線間の耐圧を高め、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑えることができる。一方、幅が広い配線においては、ＴＤＤＢ寿命の低下はさほど問題とならない。そのため、幅が広い配線の表面に不純物濃度を高濃度で形成しても、配線の抵抗の上昇を引き起こすというデメリットのみが生じる可能性がある。しかし、上述したように、幅が広い配線においてもＳＩＶという問題が生じる。本実施の形態においては、広幅配線も不純物金属を含むが、表面の不純物濃度を細幅配線程高濃度としない構成とすることにより、不要な配線の抵抗の上昇を引き起こすことなく、ＳＩＶ耐性を高めることができる。
【００１０】
本発明によれば、
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に配線メタルを形成する工程を含み、
前記配線メタルを形成する工程は、
前記凹部の一部を埋め込むように、スパッタリング法により、銅および銅とは異なる不純物金属を含む第１のシード合金膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜をエッチングして前記凹部における前記第１のシード合金膜の膜厚を平坦化する工程と、
前記凹部の一部を埋め込むように、前記第１のシード合金膜上に、スパッタリング法により、銅および前記不純物金属を含む第２のシード合金膜を形成する工程と、
前記第２のシード合金膜上に前記凹部の他の部分を埋め込むように銅を主成分として含むめっき金属膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜、前記第２のシード合金膜、および前記めっき金属膜を熱処理する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
このような構成とすることにより、配線幅が狭い細幅配線用の配線溝内には、表面の不純物金属濃度が高いプロファイルを有する配線メタルが形成されるとともに、配線幅が広い広幅配線用の配線溝内には、表面の不純物濃度が細幅配線程高濃度とならない配線メタルが形成されるようにすることができる。これにより、上述した半導体装置のメリットが得られる。
【００１２】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を示す断面図である。
半導体装置１００は、半導体基板（基板）１０２と、半導体基板１０２上に形成された層間絶縁膜１０４と、層間絶縁膜１０４中に形成された細幅配線（第１の金属配線）１１４および広幅配線（第２の金属配線）１１６と、層間絶縁膜１０４、細幅配線１１４、および広幅配線１１６上に形成されたキャップ膜１２０とを含む。ここで、半導体基板１０２は、たとえばシリコン基板とすることができる。図示していないが、半導体基板１０２上には、トランジスタ等が形成されている。半導体基板１０２と層間絶縁膜１０４との間には、他の絶縁膜が形成されていてもよい。
【００１６】
なお、細幅配線１１４は、たとえば、半導体装置１００中の最小ピッチ配線とすることができる。また、広幅配線１１６は、たとえば、半導体装置１００中で最も幅が広い配線とすることができる。
【００１７】
本実施の形態において、細幅配線１１４は、バリアメタル膜１０６および第１の配線メタル１１２ａにより構成されている。広幅配線１１６は、バリアメタル膜１０６および第２の配線メタル１１２ｂにより構成されている。
【００１８】
第１の配線メタル１１２ａは、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む。第２の配線メタル１１２ｂも、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む。
【００１９】
ここで、第１の配線メタル１１２ａと第２の配線メタル１１２ｂとは、積層方向における不純物金属の濃度プロファイルが異なる。第１の配線メタル１１２ａは、積層方向の中央部から表面にかけて不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有する。一方、第２の配線メタル１１２ｂは、底面から表面にかけて不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有する。また、第１の配線メタル１１２ａの表面の不純物金属の濃度は、第２の配線メタル１１２ｂの表面の不純物金属の濃度よりも高い。
【００２０】
不純物金属としては、たとえば、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ａｌ、またはＴｉ等が例示され、これらを単独または二種以上含むことができる。不純物金属としてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、ＰｔまたはＨｇを用いた場合、細幅配線１１４や広幅配線１１６の抵抗上昇率を抑えることができる。不純物金属としてＺｒまたはＴｉを用いた場合、たとえば絶縁膜やバリアメタル膜等と金属膜との密着性を向上することができる。不純物金属としてＭｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等、銅よりも酸化還元電位の低い金属を用いた場合、金属膜表面の腐食を阻止することができる。
【００２１】
層間絶縁膜１０４としては、たとえば、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリオルガノシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ(ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ)、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、パリレン、サイトップ、またはベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）等の低誘電率材料を用いることができる。
【００２２】
図２は、第１の配線メタル１１２ａおよび第２の配線メタル１１２ｂにおける、不純物金属の濃度プロファイルを模式的に示す図である。細幅配線１１４の第１の配線メタル１１２ａにおいては、積層方向の中央部から表面にかけて不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有する。また、第１の配線メタル１１２ａにおいては、表面における不純物金属の濃度が中央部よりも高くなる。また、第１の配線メタル１１２ａの表面における不純物金属の濃度は、広幅配線１１６の第２の配線メタル１１２ｂの表面よりも高くなる。一方、広幅配線１１６の第２の配線メタル１１２ｂにおいては、底面における不純物金属の濃度が最も高く、表面方向に向かって徐々に不純物金属の濃度が低くなっている。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を説明する。図３から図７は、半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
【００２４】
まず、層間絶縁膜１０４に細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２を形成する（図３（ａ））。つづいて、層間絶縁膜１０４上全面にスパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成する（図３（ｂ））。このとき、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁では、第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚が不均等となる。細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁上部では、第１のバリアメタル膜１０６ａが厚く付く。一方、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の下部では第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚が薄い部分が生じ、層間絶縁膜１０４の側壁上に第１のバリアメタル膜１０６ａが形成されていない領域が生じることがある。層間絶縁膜１０４が第１のバリアメタル膜１０６ａで覆われておらず、層間絶縁膜１０４が露出していると、バリアメタル膜としての機能を果たすことができない。そのため、通常、バリアメタル膜をエッチングして、配線溝の側壁のバリアメタルの膜厚を平坦化する処理を行う。
【００２５】
本実施の形態においても、第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングして、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁の第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚を平坦化する処理を行う。第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングすることにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２が形成された領域以外の層間絶縁膜１０４上面、ならびに細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２底面上の第１のバリアメタル膜１０６ａが除去され、除去された第１のバリアメタル膜１０６ａが細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁に付着する（図４（ａ））。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の第１のバリアメタル膜１０６ａの膜厚を平坦化することができ、層間絶縁膜１０４上全面に第１のバリアメタル膜１０６ａが形成された構成とすることができる。
【００２６】
本実施の形態においては、上記のエッチングに加えて、さらに層間絶縁膜１０４上の全面に再度スパッタリング法により、第２のバリアメタル膜１０６ｂを形成する（図４（ｂ））。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁におけるバリアメタル膜１０６（以下、第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂを一体としてバリアメタル膜１０６として示す。）の膜厚の不均等がより低減される。
【００２７】
ここで、第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂは、同じ材料により構成することができる。第１のバリアメタル膜１０６ａおよび第２のバリアメタル膜１０６ｂは、たとえばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含む。好ましいバリアメタル膜としては、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。バリアメタル膜としては、たとえばＴａＮおよびＴａの積層構造等を用いることもできる。この場合は、各層毎にスパッタ、エッチング、リスパッタを行うことができる。
【００２８】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、スパッタリング法により第１のシード合金膜１０８ａを形成する（図５（ａ））。ここで、第１のシード合金膜１０８ａは、銅と、上述した不純物金属とを含む合金とすることができる。不純物金属の濃度は、０．１〜１．０Ｗ％程度とすることができる。このような範囲とすることにより、後にシード合金膜をシードとして良好に銅を主成分として含むめっき膜を形成することができる。
【００２９】
なお、本明細書における「合金」とは、２種以上の金属元素を融解・凝固させたものを意味し、金属元素のほかに非金属または半金属元素を含むものも合金とよぶものとする。また、合金の組織状態としては成分元素の混ざり方から固溶体や金属間化合物をつくる場合とそれらの混合物をなす場合がある。すなわち、本明細書では、固溶限以上の成分を添加したものも「合金」と称するものとする（化学大事典、東京化学同人発行）。
【００３０】
このとき、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成したときと同様、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁では、第１のシード合金膜１０８ａの膜厚が不均等となる。細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁上部では、第１のシード合金膜１０８ａが厚く付く。一方、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁の下部では第１のシード合金膜１０８ａの膜厚が薄い部分が生じ、バリアメタル膜１０６の側壁上に第１のシード合金膜１０８ａが形成されていない領域が生じることがある。第１のシード合金膜１０８ａが形成されていない領域があると、後にめっき膜を形成する際に、めっき膜が良好に形成されないようになってしまう。そのため、通常、シード膜をエッチングして、配線溝の側壁のシード膜の膜厚を平坦化する処理を行う。
【００３１】
本実施の形態においても、第１のシード合金膜１０８ａをエッチングして、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２の側壁の第１のシード合金膜１０８ａの膜厚を平坦化する処理を行う。第１のシード合金膜１０８ａをエッチングすることにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２が形成された領域以外の層間絶縁膜１０４上面、ならびに細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２底面上の第１のシード合金膜１０８ａが除去され、除去された第１のシード合金膜１０８ａが細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁に付着する（図５（ｂ））。
【００３２】
本実施の形態においては、上記のエッチングに加えて、さらに層間絶縁膜１０４上の全面に、再度スパッタリング法により第２のシード合金膜１０８ｂを形成する（図６（ａ））。ここで、第２のシード合金膜１０８ｂは、第１のシード合金膜１０８ａと同じ材料を含む構成とすることができる。これにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２側壁におけるシード合金膜１０８の膜厚の不均等が低減される。また、配線幅の狭い細幅配線溝１５０においては、上部にシード合金膜１０８が厚く付いたオーバーハング部が形成される。
【００３３】
つづいて、めっき法によりめっき金属膜１１０を形成し、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内を埋め込む（図６（ｂ））。めっき金属膜１１０は、銅を主成分として含む構成とすることができる。なお、めっき金属膜１１０も不純物金属を含む構成としてもよいが、不純物濃度は、第１のシード合金膜１０８ａおよび第２のシード合金膜１０８ｂよりも低い濃度とする。
【００３４】
次いで、アニールを行う。これにより、シード合金膜１０８中の不純物金属が拡散する。以下では、シード合金膜１０８とめっき金属膜１１０とを一体として配線メタル１１２として示す（図７（ａ））。ここで、細幅配線溝１５０においては、オーバーハング部が形成されているために、細幅配線溝１５０上部において不純物金属の濃度が高くなる。一方、広幅配線溝１５２においては、配線幅が広いため、表面の不純物金属の濃度は、側壁に形成されたシード合金膜１０８中の不純物金属の影響をほとんど受けない。そのため、図２に示したように、広幅配線溝１５２底面で不純物金属の濃度が最も高く、それ以外の領域では不純物金属の濃度は低くなっている。
【００３５】
なお、アニールにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内のめっき金属膜１１０の銅のグレインが成長する。ここで、ボトムアップの特性上、配線幅が小さい方が、めっき金属膜１１０のめっき膜厚が厚くなる。一般的に、アニール後のグレインサイズは、めっき膜厚が厚い方が大きくなる。そのため、めっき金属膜１１０のグレインサイズは、広幅配線溝１５２中よりも細幅配線溝１５０中の方が大きくなる。また、不純物金属は、銅のグレインバンダリに沿って拡散する。そのため、グレインサイズが大きい方が、グレインサイズが小さい場合よりも拡散速度が遅くなる。つまり、配線幅の小さい細幅配線溝１５０においては、不純物金属の拡散速度が広幅配線溝１５２におけるよりも遅い。そのため、配線幅の小さい細幅配線溝１５０においては、配線メタル１１２は、アニール前のシード合金膜１０８とめっき金属膜１１０の濃度プロファイルをそのままある程度維持した濃度プロファイルを有するようになる。一方、広幅配線溝１５２においては、不純物金属の拡散が早いため、不純物金属は広幅配線溝１５２中のめっき金属膜１１０に、より均等に拡散されるようになる。
【００３６】
この後、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１０、シード合金膜１０８、およびバリアメタル膜１０６を除去する。これにより、細幅配線溝１５０内に細幅配線１１４が、広幅配線溝１５２内に広幅配線１１６が形成される（図７（ｂ））。
【００３７】
その後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２０を形成する。キャップ膜１２０は、たとえばＳｉＣＮ膜とすることができる。これにより、図１に示した構成の半導体装置１００が得られる。
【００３８】
図８は、本実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
まず、層間絶縁膜１０４に細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２等の配線溝を形成する（Ｓ１０２）。つづいて、層間絶縁膜上全面にスパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａを形成する（Ｓ１０４）。次いで、第１のバリアメタル膜１０６ａをエッチングする（Ｓ１０６）。その後、再度スパッタリング法により、第１のバリアメタル膜１０６ａ上に第２のバリアメタル膜１０６ｂを形成する（リスパッタ、Ｓ１０８）。これにより、バリアメタル膜１０６が形成される。
【００３９】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、第１のシード合金膜１０８ａを形成する（Ｓ１１０）。次いで、第１のシード合金膜１０８ａをエッチングする（Ｓ１１２）。その後、再度スパッタリング法により、第１のシード合金膜１０８ａ上に第２のシード合金膜１０８ｂを形成する（リスパッタ、Ｓ１１４）。これにより、シード合金膜１０８が形成される。
【００４０】
つづいて、めっき法によりシード合金膜１０８上にめっき金属膜１１０を形成し、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２内を埋め込む（Ｓ１１６）。次いで、アニール処理を行う（Ｓ１１８）。これにより、シード合金膜１０８中の不純物金属がめっき金属膜１１０中に拡散し、配線メタル１１２が形成される。このとき、各配線溝中の不純物金属の濃度プロファイルは、図２に示したような状態となる。
【００４１】
その後、ＣＭＰにより、細幅配線溝１５０および広幅配線溝１５２外部に露出した配線メタル１１２およびバリアメタル膜１０６を除去して細幅配線１１４および広幅配線１１６を形成する（Ｓ１２０）。その後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２０を形成する（Ｓ１２２）。
【実施例】
【００４２】
（例１）
図１および図３から図７、および図８を参照して説明した半導体装置の製造手順で、半導体装置を製造した。図９は、細幅配線１１４における不純物金属の濃度プロファイルを示す図である。ここでは、不純物金属としてＡｌを用いた例を示す。配線幅は９０ｎｍとした。図示したように、配線表面において、Ａｌの濃度が高くなっている。また、製造した配線の断面写真を確認したところ、ボイド等が生じることなく、良好な配線が形成されていた。
（例２）
例１と同様で、図８のステップＳ１１２のエッチングとＳ１１４のリスパッタプロセスを行わなかった。この場合、製造した配線の断面写真を確認したところ、配線溝内の側壁にボイドが生じていた。これは、シード合金膜がシードとして機能しておらず、めっき膜が良好に形成されなかったためだと考えられる。
【００４３】
次に、本実施の形態における半導体装置１００の効果を説明する。
本実施の形態における半導体装置１００によれば、細幅配線１１４においては、表面に不純物金属が高濃度で形成されるため、その上に形成されるキャップ膜１２０等との界面で、銅イオンの移動が抑制され、配線間の耐圧を高め、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑えることができる。とくに、低誘電率膜を用いた場合、ＴＤＤＢ寿命の低下が生じやすくなるが、本実施の形態における半導体装置１００によれば、層間絶縁膜１０４として低誘電率膜を用いた場合でも、ＴＤＤＢ寿命の低下を抑制することができる。
【００４４】
一方、幅が広い広幅配線１１６も不純物金属を含むが、表面の不純物濃度を細幅配線１１４程高濃度としない構成とするとともに、配線中の不純物金属の濃度がより均等となるようにしている。そのため、広幅配線１１６の不要な配線の抵抗の上昇を引き起こすことなく、ＳＩＶ耐性を効果的に高めることができる。
【００４５】
本実施の形態における半導体装置１００の構成によれば、広幅配線と細幅配線とを含む半導体装置において、それぞれに適した不純物濃度のプロファイルを有するような構成としているため、細幅配線におけるＴＤＤＢ寿命の低下と広幅配線におけるＳＩＶとを同時に効果的に防ぐことができる。
【００４６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００４７】
以上の実施の形態においては、細幅配線１１４と広幅配線１１６とが同層に形成される場合を例として説明したが、細幅配線１１４と広幅配線１１６とは、異なる層に設けたものとすることもできる。この場合も、上述したのと同様の手順で細幅配線および広幅配線をそれぞれ形成することにより、幅が狭い細幅配線では、細幅配線１１４と同様の濃度プロファイルを有する配線メタルが形成され、幅が広い広幅配線では、広幅配線１１６と同様の濃度プロファイルを有する配線メタルが形成される。
【００４８】
また、以上の実施の形態における半導体装置１００の製造手順は、図１０に示すように、複数の細幅配線１１４が微細ピッチを有する構成に適用することができる。複数の細幅配線１１４が微細ピッチで形成された領域において、ＴＤＤＢ寿命の低下が生じやすい。このような構成に本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を適用することにより、ＴＤＤＢ寿命の低下を効果的に低減することができる。
【００４９】
なお、以上の実施の形態において、バリアメタル膜１０６も、スパッタリング、エッチング、リスパッタを行う手順を示したが、バリアメタル膜１０６は、この方法に限定されず、他の種々の手順とすることができる。たとえば、リスパッタの手順は省略することができる。また、たとえばＣＶＤ法等によって形成することもできる。
【００５０】
また、細幅配線１１４および広幅配線１１６は、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法のいずれに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】細幅配線の第１の配線メタルおよび広幅配線の第２の配線メタルにおける、不純物金属の濃度プロファイルを模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図７】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
【図９】細幅配線の第１の配線メタルの濃度プロファイルを示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態における細幅配線の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００ 半導体装置
１０２ 半導体基板
１０４ 層間絶縁膜
１０６ バリアメタル膜
１０６ａ 第１のバリアメタル膜
１０６ｂ 第２のバリアメタル膜
１０８ シード合金膜
１０８ａ 第１のシード合金膜
１０８ｂ 第２のシード合金膜
１１０ めっき金属膜
１１２ 配線メタル
１１２ａ 第１の配線メタル
１１２ｂ 第２の配線メタル
１１４ 細幅配線
１１６ 広幅配線
１２０ キャップ膜
１５０ 細幅配線溝
１５２ 広幅配線溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含み、前記第１の金属配線よりも幅が広い第２の金属配線と、
を含み、
前記第１の金属配線は、積層方向の中央部から表面にかけて前記不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有し、前記第１の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度が前記第２の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度よりも高い半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、前記不純物金属の積層方向の濃度プロファイルが前記第１の金属配線の積層方向の前記濃度プロファイルと異なる半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、積層方向の底面から表面にかけて前記不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有する半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記不純物金属は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ａｌ、またはＴｉである半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記第１の金属配線および前記第２の金属配線が同層に設けられた半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５いずれかに記載の半導体装置において、
前記第１の金属配線は、前記半導体装置中の最小ピッチ配線である半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、前記半導体装置中で最も幅が広い配線である半導体装置。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含んだ幅の異なる複数の金属配線と、を有する半導体装置であって、
前記複数の金属配線は、前記不純物金属の濃度が積層方向の中央部から表面にかけて高くなる濃度プロファイルを持つ第１の金属配線と、前記不純物金属の濃度が積層方向の底面から表面にかけて低くなる濃度プロファイルを持つ第２の金属配線とを含み、
前記第２の金属配線の幅は、前記第１の金属配線の幅よりも広い半導体装置。
【請求項９】
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に配線メタルを形成する工程を含み、
前記配線メタルを形成する工程は、
前記凹部の一部を埋め込むように、スパッタリング法により、銅および銅とは異なる不純物金属を含む第１のシード合金膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜をエッチングして前記凹部側壁における前記第１のシード合金膜の膜厚を平坦化する工程と、
前記凹部の一部を埋め込むように、前記第１のシード合金膜上に、スパッタリング法により、銅および前記不純物金属を含む第２のシード合金膜を形成する工程と、
前記第２のシード合金膜上に前記凹部の他の部分を埋め込むように銅を主成分として含むめっき金属膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜、前記第２のシード合金膜、および前記めっき金属膜を熱処理する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置において、前記凹部は、第１の凹部と、当該第１の凹部よりも幅が広い第２の凹部とを含み、
前記配線メタルを形成する工程を、前記第１の凹部と、前記第２の凹部とに対してそれぞれ行う半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の凹部は、前記半導体装置中の最小ピッチ配線を形成するための凹部であって、
前記第２の凹部は、前記半導体装置中で最も幅が広い配線を形成するための凹部である半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含む第１の金属配線と、
前記基板上に形成された、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含み、前記第１の金属配線よりも幅が広い第２の金属配線と、
を含み、
前記第１の金属配線は、積層方向の中央部から表面にかけて前記不純物金属の濃度が高くなる濃度プロファイルを有し、前記第１の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度が前記第２の金属配線の表面の前記不純物金属の濃度よりも高い半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、前記不純物金属の積層方向の濃度プロファイルが前記第１の金属配線の積層方向の前記濃度プロファイルと異なる半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、積層方向の底面から表面にかけて前記不純物金属の濃度が低くなる濃度プロファイルを有する半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記不純物金属は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ａｌ、またはＴｉである半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記第１の金属配線および前記第２の金属配線が同層に設けられた半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５いずれかに記載の半導体装置において、
前記第１の金属配線は、前記半導体装置中の最小ピッチ配線である半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、
前記第２の金属配線は、前記半導体装置中で最も幅が広い配線である半導体装置。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含んだ幅の異なる複数の金属配線と、を有する半導体装置であって、
前記複数の金属配線は、前記不純物金属の濃度が積層方向の中央部から表面にかけて高くなる濃度プロファイルを持つ第１の金属配線と、前記不純物金属の濃度が積層方向の底面から表面にかけて低くなる濃度プロファイルを持つ第２の金属配線とを含み、
前記第２の金属配線の幅は、前記第１の金属配線の幅よりも広い半導体装置。
【請求項９】
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に配線メタルを形成する工程を含み、
前記配線メタルを形成する工程は、
前記凹部の一部を埋め込むように、スパッタリング法により、銅および銅とは異なる不純物金属を含む第１のシード合金膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜をエッチングして前記凹部側壁における前記第１のシード合金膜の膜厚を平坦化する工程と、
前記凹部の一部を埋め込むように、前記第１のシード合金膜上に、スパッタリング法により、銅および前記不純物金属を含む第２のシード合金膜を形成する工程と、
前記第２のシード合金膜上に前記凹部の他の部分を埋め込むように銅を主成分として含むめっき金属膜を形成する工程と、
前記第１のシード合金膜、前記第２のシード合金膜、および前記めっき金属膜を熱処理する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置において、前記凹部は、第１の凹部と、当該第１の凹部よりも幅が広い第２の凹部とを含み、
前記配線メタルを形成する工程を、前記第１の凹部と、前記第２の凹部とに対してそれぞれ行う半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の凹部は、前記半導体装置中の最小ピッチ配線を形成するための凹部であって、
前記第２の凹部は、前記半導体装置中で最も幅が広い配線を形成するための凹部である半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１７０８４６（Ｐ２００９−１７０８４６Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０４６５（Ｐ２００８−１０４６５）
【出願日】平成２０年１月２１日（２００８．１．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２１日（２００８．１．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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