半導体装置の製造方法および半導体装置
【課題】配線抵抗の増加を抑えつつ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させる。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０２上に形成された層間絶縁膜１０４に形成された凹部に、高融点金属を含むバリアメタル膜１０６と、配線金属膜１１４を構成する銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜ならびに銅を主成分として含むめっき金属膜とを形成し、シード合金膜およびめっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、第１の熱処理工程の後、凹部外部に露出しためっき金属膜、シード合金膜、およびバリアメタル膜１０６を除去する工程と、シード合金膜およびめっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、を含む。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０２上に形成された層間絶縁膜１０４に形成された凹部に、高融点金属を含むバリアメタル膜１０６と、配線金属膜１１４を構成する銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜ならびに銅を主成分として含むめっき金属膜とを形成し、シード合金膜およびめっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、第１の熱処理工程の後、凹部外部に露出しためっき金属膜、シード合金膜、およびバリアメタル膜１０６を除去する工程と、シード合金膜およびめっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【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。しかし、銅を用いた配線において、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションの発生が問題となっている。銅配線を構成する銅膜は、通常めっき法などにより形成されるが、この場合、銅膜は多数の多結晶構造の銅粒子が集合した形態となる。こうした構造の銅配線に電圧を印加すると、銅粒子の粒界を経由して物質移動がおこり、結果としてエレクトロマイグレーションが発生する。また、配線中に配線したボイドを起因としてストレスマイグレーションが発生する。
【０００３】
特許文献１（特開２００７−３３５５７８号公報）には、アルミニウムを含有する銅により構成されたシード膜を用いて配線を形成する構成が記載されている。また、シード膜中に含まれるアルミニウムが銅膜中に拡散することが記載されている。
【０００４】
特許文献２（特開２００８−１４７２５２号公報）には、ＣｕＡｌ合金シード膜上にＣｕ膜が形成され、１００℃以上４５０℃以下の温度でアニール処理を行い、ＣｕＡｌ合金シード膜中のＡｌをＣｕ膜中に拡散させる技術が記載されている。また、メッキ法によってＣｕ膜を形成した後に、１００℃以上４５０℃以下の温度でアニール処理を行うことによって、Ｃｕの粒成長とメッキ法によって形成されたＣｕ膜中へのＡｌの拡散が生じるため、アニール処理後は、ＣｕＡｌ合金シード膜とＣｕ膜との界面は必ずしも明確ではなく、一つのグレインとして形成されることもある、と記載されている。
【０００５】
特許文献３（特開２００５−０５０８５９号公報）には、銅膜である配線上にアルミニウム膜を形成し、熱処理を施すことにより、銅膜とアルミニウム膜を反応させ、銅とアルミニウムの合金であるＣｕＡｌよりなる合金膜を形成することが記載されている。
【０００６】
特許文献４（特開２００７−９６２４１号公報）には、高融点金属を用いたバリアメタル膜を形成するのにかえて、層間絶縁膜の凹部内にＭｎを含むＣｕ合金からなる補助膜を形成し、熱処理することにより、銅配線と層間絶縁膜との間にＭｎと層間絶縁膜中のＳｉ等の元素との反応物層を形成する構成が記載されている。この反応物層が銅と層間絶縁膜との密着層および拡散防止膜として機能する。また、熱処理前において、銅配線と層間絶縁膜との密着性を高めるために、層間絶縁膜と補助膜との間にＡｇ等により構成された密着層を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３５５７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７２５２号公報
【特許文献３】特開２００５−０５０８５９号公報
【特許文献４】特開２００７−９６２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、配線側面および底面、ならびに配線表面にＡｌ等の銅以外の不純物金属の濃度の高い領域を形成してエレクトロマイグレーション寿命やストレスマイグレーション寿命を向上させる手法を検討した。この際、本発明者等は、特許文献１や特許文献２に記載されたように、シード金属膜としてたとえばＡｌ等を含む銅との合金膜を用いる手法を検討した。しかし、従来の方法では、所望の箇所に不純物金属の濃度の高い領域を設けることができないことが明らかになった。
【０００９】
従来、シード金属膜を形成してめっき膜を形成した後、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）で余剰な金属膜を除去する前に、長時間のアニールが行われていた。そのため、アニール中に不純物金属が銅膜中に拡散してしまっていた。また、不純物金属は、とくにめっき膜表面に偏析しやすい。そのため、ＣＭＰでめっき膜の表面を削ると、多くの不純物金属が除去されてしまい、ＣＭＰ後の配線膜中には、充分な量の不純物金属が残っていないことが明らかになった。そのため、配線の所望の箇所に不純物金属の濃度の高い領域を設けることができなかった。一方、めっき膜成長後にアニールを行わないと、グレインが成長せず、配線抵抗が高くなるという問題もある。
【００１０】
また、特許文献３に記載されたような方法だと、配線を形成した後に、さらにアルミニウム膜を形成、熱処理、エッチングという工程を行う必要があり、工程数が増大する。また、特許文献４に記載された方法では、銅膜の拡散防止機能が充分でないおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、高融点金属を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上に、前記凹部の一部を埋め込むように、銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜を形成する工程と、
前記シード合金膜上に前記凹部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、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記第１の熱処理工程の後、前記凹部外部に露出した前記めっき金属膜、前記シード合金膜、および前記バリアメタル膜を除去する工程と、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１２】
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、
前記絶縁膜に形成された凹部の底面および側壁に形成され、高融点金属を含むバリアメタル膜と、
前記凹部内において、前記バリアメタル膜上に形成され、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み、銅のグレインが形成された配線金属膜と、
を含み、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均濃度が中央部における前記不純物金属の濃度よりも高く、グレインバウンダリにおける前記不純物金属の濃度がグレイン内における前記不純物金属の濃度よりも高く、前記表面において、前記不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する半導体装置が提供される。
【００１３】
本発明の構成によれば、凹部外部に露出しためっき金属膜やシード合金膜を除去する前の第１のアニールを短時間とすることにより、不純物金属の過剰な拡散を防ぎ、除去する工程で除去されない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、除去する工程で余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリに沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリに偏在する。これにより、配線への電流印加時、Ａｌ等の不純物金属により、銅の拡散を防ぐことができ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の構成によれば、第１のアニールを高温で行うことにより、第１のアニールの処理時間を上記のように短時間としても、処理温度を高くすることにより、銅のグレイン成長を促進することができる。これにより、配線抵抗の増加を抑えることができる。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、配線抵抗の増加を抑えつつ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】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フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における配線の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における配線の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
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（絶縁膜）と、層間絶縁膜１０４に形成された配線溝１５０および配線溝１５２にそれぞれ形成された細幅配線１１６および広幅配線１１８と、層間絶縁膜１０４上に形成されたキャップ膜１２２と、さらにその上に形成された層間絶縁膜１２４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。
【００２０】
本実施の形態において、細幅配線１１６および広幅配線１１８は、それぞれ、バリアメタル膜１０６および配線金属膜１１４により構成される。バリアメタル膜１０６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１０６としては、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。本実施の形態において、バリアメタル膜１０６は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成することができる。配線金属膜１１４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。ここで、不純物金属としては、たとえば、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、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。本実施の形態において、不純物金属は、Ａｌとすることができる。Ａｌは、従来から半導体装置の配線材料として用いられており、半導体装置内での挙動も把握されており、取り扱いが容易であり、好ましく用いることができる。また、配線金属膜１１４には、グレインバウンダリ１１３で規定される銅のグレインが形成されている。
【００２１】
本実施の形態において、後述するように、配線金属膜１１４は、積層方向において表面における不純物金属の平均濃度が中央部における不純物金属の濃度よりも高い構成となっている。また、配線金属膜１１４は、グレインバウンダリ１１３における不純物金属の濃度がグレイン内における不純物金属の濃度よりも高い構成となっている。さらに、配線金属膜１１４は、側壁および底面において、不純物金属の濃度が他の領域よりも高い構成となっている。また、配線金属膜１１４は、表面において、不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する。図中破線で規定された不純物高濃度領域１１０ａ（破線の外側の領域）は、不純物濃度が高い領域である。
【００２２】
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、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。層間絶縁膜１２４は、層間絶縁膜１０４と同様の材料により構成することができる。ここでは図示していないが、層間絶縁膜１２４内にも、細幅配線１１６や広幅配線１１８等と同様の配線が形成された構成とすることができる。キャップ膜１２２は、たとえばＳｉＣＮ膜とすることができる。
【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２から図５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に配線溝１５０および配線溝１５２を形成する（図２（ａ））。つづいて、層間絶縁膜１０４上全面に、たとえばスパッタリング法により、バリアメタル膜１０６を形成する（図２（ｂ））。ここで、配線溝１５０および配線溝１５２の底面および側壁、ならびに層間絶縁膜１０４表面にバリアメタル膜１０６が形成される。ここで、バリアメタル膜１０６は、Ｔａ膜およびＴａＮ膜の積層膜とすることができる。
【００２５】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、銅と、上述した不純物金属とを含む合金をターゲットとしたスパッタリング法によりシード合金膜１１０を形成する（図３（ａ））。本実施の形態においては、ＣｕＡｌ合金ターゲットを用いることができる。また、不純物金属の濃度は、０．５重量％以上とすることができる。これにより、ＣＭＰ後においてもシード合金膜１１０中に充分な量の不純物を残すことができ、配線の所望の箇所に不純物金属の濃度がある程度以上である領域を設けることができる。また、シード合金膜１１０中の不純物金属の濃度は、後にめっき膜を形成する際に、シード合金膜１１０がシードとして良好に機能し得る程度とすることができ、たとえば１０重量％以下とすることができる。
【００２６】
つづいて、めっき法によりめっき金属膜１１２を形成し、配線溝１５０および配線溝１５２内を埋め込む（図３（ｂ））。めっき金属膜１１２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１１２も銅とは異なる何らかの不純物金属を含む構成としてもよいが、不純物濃度は、シード合金膜１１０よりも低い濃度とする。
【００２７】
次いで、高温・短時間での第１のアニールを行う（図４（ａ））。本実施の形態において、第１のアニールは、Ｎ２／Ｈ２雰囲気下で行うことができる。これにより、めっき金属膜１１２中の銅が酸化して腐食されるのを防ぐことができる。
【００２８】
また、第１のアニールの処理時間は、たとえば１０分以下、好ましくは５分以下、より好ましくは１分以下とすることができる。アニール処理により、シード合金膜１１０中の不純物金属がめっき金属膜１１２中のグレイン内やグレインバウンダリ１１３に拡散する。しかし、本実施の形態において、第１のアニールをこのような短時間とすることにより、この段階で、シード合金膜１１０からめっき金属膜１１２中に不純物金属が過剰に拡散するのを防ぐことができる。また、本実施の形態において、配線溝１５０および配線溝１５２の底面および側壁には、銅やアルミニウムの拡散を防止するバリアメタル膜１０６が形成されている。そのため、シード合金膜１１０を構成する材料が層間絶縁膜１０４内に拡散することなく、配線溝１５０および配線溝１５２内に維持することができる。これにより、この段階では、シード合金膜１１０の大部分は、配線溝１５０および配線溝１５２のバリアメタル膜１０６表面にそのまま存在した状態で維持される。
【００２９】
また、第１のアニールの処理温度は、たとえば２００℃以上、より好ましくは３００℃以上とすることができる。第１のアニールをこのような高温で行うことにより、銅のグレイン成長を促進することができる。本実施の形態において、第１のアニールの処理時間を上記のように短時間としても、処理温度を高くすることにより、銅のグレイン成長を促進することができる。また、第１のアニール処理を高温・短時間とすることにより、銅のグレイン成長が不純物金属の拡散よりも速く進むため、グレインバウンダリ１１３に不純物金属が偏析しやすくなる。本実施の形態においては、シード合金膜１１０に不純物金属が含まれ、不純物金属の抵抗が銅より高い場合は、銅単独の場合よりも配線抵抗が高くなるおそれがあるが、グレインサイズを大きくすることにより、配線抵抗の増加を抑えることができる。
【００３０】
この後、ＣＭＰにより、配線溝１５０および配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１２、シード合金膜１１０、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１１６および広幅配線１１８が形成される（図４（ｂ））。
【００３１】
次いで、第２のアニールを行う（図５（ａ））。ここで、第２のアニールの処理温度は、たとえば３５０℃程度とすることができる。また、第２のアニールの処理時間は、たとえば３０分程度とすることができる。これにより、シード合金膜１１０中の不純物金属がめっき金属膜１１２内に拡散する。
【００３２】
本実施の形態において、ＣＭＰ前の第１のアニールを短時間とすることにより、ＣＭＰで削られない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、ＣＭＰにより、余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３に偏在する。このとき、配線金属膜１１４は、余剰部分が除去されているので、細幅配線１１６および広幅配線１１８の所望の箇所に不純物金属の濃度がある程度以上である不純物高濃度領域１１０ａを設けることができる（図５（ｂ））。
【００３３】
以上の手順により、配線金属膜１１４の構成を以下のようにすることができる。
（１）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散して、エネルギー的に安定的に存在し得る配線上部の表面で濃度が高くなる。そのため、積層方向における表面における不純物金属の平均濃度が中央部における不純物金属の濃度よりも高い構成となる。このように、配線表面における不純物濃度を高くすることにより、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。ここで、配線金属膜１１４の表面における不純物金属の平均含有量（ａｔｏｍ％）が中央部における不純物金属の平均含有量のたとえば１．２倍以上となるようにすることができる。この程度の差とすることにより、配線金属膜１１４のストレスマイグレーションを高めるとともに、配線金属膜１１４の抵抗を低く保つことができる。
（２）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散して、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、エネルギー的に安定的に存在し得るグレインバウンダリ１１３で濃度が高くなる。そのため、グレインバウンダリ１１３における不純物金属の濃度がグレイン内における不純物金属の濃度よりも高い構成となる。このように、グレインバウンダリ１１３における不純物濃度を高くすることにより、エレクトロマイグレーション耐性、およびストレスマイグレーション耐性を高めることができる。
（３）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散するため、側壁および底面において、不純物金属の濃度が他の領域よりも高くなる。これにより、Ｃｕ原子のドリフトが抑制されるため、エレクトロマイグレーション耐性、およびストレスマイグレーション耐性を高めることができる。
（４）同様に、不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散するため、表面において、側壁に形成されていたシード合金膜１１０に近い位置の側壁方向にかけて不純物金属の濃度が高くなる。そのため、表面において、不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する。つまり、配線表面において、不純物金属は側面に近いほど濃度が高くなり、とくに角部で濃度が高い不純物高濃度領域１１０ａのオーバーハング部が形成される。これにより、配線間の短絡を防ぐことができ、ＴＤＤＢ寿命を向上することができる。また、配線は、表面中央部で、上層のビアと接続される。本実施の形態において、配線表面中央部の不純物金属の濃度を低くすることにより、配線とビアとのコンタクト抵抗を低減することもできる。ただし、本実施の形態において、配線は、表面中央部においても、積層方向における中央部よりも不純物濃度が高い構成とすることができ、ストレスマイグレーション耐性を充分保てるようになっている。
【００３４】
この後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２２を形成する。さらに、その上に層間絶縁膜１２４を形成する。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。この後、層間絶縁膜１２４にも同様の手順でビアまたは配線を形成し、多層配線構造の半導体装置１００を得ることができる。
【００３５】
図６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に配線溝１５０および配線溝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たとえばスパッタリング法により、バリアメタル膜１０６を形成する（Ｓ１０４）。次いで、バリアメタル膜１０６上全面に、シード合金膜１１０を形成する（Ｓ１０６）。
【００３６】
つづいて、めっき法によりシード合金膜１１０上にめっき金属膜１１２を形成し、配線溝１５０および配線溝１５２内を埋め込む（Ｓ１０８）。次いで、高温、短時間で、第１のアニール処理を行う（Ｓ１１０）。
【００３７】
その後、ＣＭＰにより、配線溝１５０および配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１２、シード合金膜１１０およびバリアメタル膜１０６を除去して細幅配線１１６および広幅配線１１８を形成する（Ｓ１１２）。その後、第２のアニールを行う（Ｓ１１４）。
【００３８】
なお、以上の実施の形態で説明した第２のアニールは、不純物金属の拡散を目的として各層の配線を形成する毎に行うものとすることもできるが、わざわざ特別なアニール処理工程を追加することなく、多層配線構造形成時の他の各種アニール処理とすることもできる。本実施の形態において、各配線形成時のＣＭＰ前の第１のアニールを高温、短時間とすることが重要で、ＣＭＰ後の第２のアニール処理では、処理時間や処理温度を厳密に管理しなくても、不純物金属は、エネルギー的に安定な箇所に移動するので、上記のような所望の構成とすることができる。
【実施例】
【００３９】
（例１）
図１から図５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７は、細幅配線１１６の構成を示す断面図（ＢＦ−ＳＴＥＭ像）である。ここでは、配線幅は５０ｎｍとした。バリアメタル膜１０６としては、Ｔａ膜およびＴａＮ膜の積層膜（合計膜厚７ｎｍ）を用いた。また、不純物金属としてＡｌを用いた。Ａｌの含有量は、０．５重量％とした。シード合金膜１１０の膜厚は５ｎｍとした。第１のアニール条件は、処理時間３０秒、処理温度３５０℃とした。また、第２のアニール条件は、処理時間３０分、処理温度３５０℃とした。
【００４０】
エネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＸ：energy dispersive X-ray spectrometer）で、図７の破線「１」で囲まれた配線表面、破線「２」で囲まれた中央部をそれぞれ分析領域として、元素分析を行った。各分析領域における全元素に対するＡｌの含有量は、それぞれ以下となった。
分析点１：０．９７ａｔｏｍ％
分析点２：０．４８ａｔｏｍ％
【００４１】
このように、配線表面におけるＡｌ（不純物金属）の平均濃度（含有量）が、中央部におけるＡｌの平均濃度（含有量）よりも高く、約２倍となった。
【００４２】
（例２）
例１と同様、図１から図５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８は、細幅配線１１６の構成を示す断面図（ＢＦ−ＳＴＥＭ像）である。条件は、例１と同様とした。図８の配線金属膜１１４中の色の濃い部分がグレインバウンダリ１１３が分布した箇所である。図８の「３」および「４」は、グレインバウンダリ１１３中にある。「５」は、配線金属膜１１４のグレイン内にある。
【００４３】
ＥＤＸで、細幅配線１１６の断面の元素分析を行った。図８の「３」で示すグレインバウンダリ、「４」で示すグレインバウンダリ、「５」で示すグレイン内をそれぞれ分析点として、元素分析を行った。各分析領域における全元素に対するＡｌの含有量は、それぞれ以下となった。
分析点３：０．２１ａｔｏｍ％
分析点４：０．２３ａｔｏｍ％
分析点５：０．０３ａｔｏｍ％
【００４４】
このように、グレインバウンダリ１１３におけるＡｌ（不純物金属）の平均濃度が、グレイン内におけるＡｌの濃度（含有量）よりも高く、約７倍となった。ここで、例２では点分析であるのに対し、例１では面分析を行っているため、含有量が高く検出されていると思われる。
【００４５】
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。
以上のように、本実施の形態においては、ＣＭＰ前の第１のアニールを短時間とすることにより、ＣＭＰで削られない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、ＣＭＰにより、余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３に偏在する。これにより、不純物金属が、配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３にある程度以上の高濃度で存在するようにすることができる。そのため、配線への電流印加時、Ａｌ等の不純物金属により、銅の拡散を防ぐことができ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【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】
細幅配線１１６および広幅配線１１８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。
【符号の説明】
【００４８】
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
１１０ シード合金膜
１１０ａ 不純物高濃度領域
１１２ めっき金属膜
１１３ グレインバウンダリ
１１４ 配線金属膜
１１６ 細幅配線
１１８ 広幅配線
１２２ キャップ膜
１２４ 層間絶縁膜
１５０ 配線溝
１５２ 配線溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【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。しかし、銅を用いた配線において、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションの発生が問題となっている。銅配線を構成する銅膜は、通常めっき法などにより形成されるが、この場合、銅膜は多数の多結晶構造の銅粒子が集合した形態となる。こうした構造の銅配線に電圧を印加すると、銅粒子の粒界を経由して物質移動がおこり、結果としてエレクトロマイグレーションが発生する。また、配線中に配線したボイドを起因としてストレスマイグレーションが発生する。
【０００３】
特許文献１（特開２００７−３３５５７８号公報）には、アルミニウムを含有する銅により構成されたシード膜を用いて配線を形成する構成が記載されている。また、シード膜中に含まれるアルミニウムが銅膜中に拡散することが記載されている。
【０００４】
特許文献２（特開２００８−１４７２５２号公報）には、ＣｕＡｌ合金シード膜上にＣｕ膜が形成され、１００℃以上４５０℃以下の温度でアニール処理を行い、ＣｕＡｌ合金シード膜中のＡｌをＣｕ膜中に拡散させる技術が記載されている。また、メッキ法によってＣｕ膜を形成した後に、１００℃以上４５０℃以下の温度でアニール処理を行うことによって、Ｃｕの粒成長とメッキ法によって形成されたＣｕ膜中へのＡｌの拡散が生じるため、アニール処理後は、ＣｕＡｌ合金シード膜とＣｕ膜との界面は必ずしも明確ではなく、一つのグレインとして形成されることもある、と記載されている。
【０００５】
特許文献３（特開２００５−０５０８５９号公報）には、銅膜である配線上にアルミニウム膜を形成し、熱処理を施すことにより、銅膜とアルミニウム膜を反応させ、銅とアルミニウムの合金であるＣｕＡｌよりなる合金膜を形成することが記載されている。
【０００６】
特許文献４（特開２００７−９６２４１号公報）には、高融点金属を用いたバリアメタル膜を形成するのにかえて、層間絶縁膜の凹部内にＭｎを含むＣｕ合金からなる補助膜を形成し、熱処理することにより、銅配線と層間絶縁膜との間にＭｎと層間絶縁膜中のＳｉ等の元素との反応物層を形成する構成が記載されている。この反応物層が銅と層間絶縁膜との密着層および拡散防止膜として機能する。また、熱処理前において、銅配線と層間絶縁膜との密着性を高めるために、層間絶縁膜と補助膜との間にＡｇ等により構成された密着層を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３５５７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７２５２号公報
【特許文献３】特開２００５−０５０８５９号公報
【特許文献４】特開２００７−９６２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、配線側面および底面、ならびに配線表面にＡｌ等の銅以外の不純物金属の濃度の高い領域を形成してエレクトロマイグレーション寿命やストレスマイグレーション寿命を向上させる手法を検討した。この際、本発明者等は、特許文献１や特許文献２に記載されたように、シード金属膜としてたとえばＡｌ等を含む銅との合金膜を用いる手法を検討した。しかし、従来の方法では、所望の箇所に不純物金属の濃度の高い領域を設けることができないことが明らかになった。
【０００９】
従来、シード金属膜を形成してめっき膜を形成した後、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）で余剰な金属膜を除去する前に、長時間のアニールが行われていた。そのため、アニール中に不純物金属が銅膜中に拡散してしまっていた。また、不純物金属は、とくにめっき膜表面に偏析しやすい。そのため、ＣＭＰでめっき膜の表面を削ると、多くの不純物金属が除去されてしまい、ＣＭＰ後の配線膜中には、充分な量の不純物金属が残っていないことが明らかになった。そのため、配線の所望の箇所に不純物金属の濃度の高い領域を設けることができなかった。一方、めっき膜成長後にアニールを行わないと、グレインが成長せず、配線抵抗が高くなるという問題もある。
【００１０】
また、特許文献３に記載されたような方法だと、配線を形成した後に、さらにアルミニウム膜を形成、熱処理、エッチングという工程を行う必要があり、工程数が増大する。また、特許文献４に記載された方法では、銅膜の拡散防止機能が充分でないおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、高融点金属を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上に、前記凹部の一部を埋め込むように、銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜を形成する工程と、
前記シード合金膜上に前記凹部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、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記第１の熱処理工程の後、前記凹部外部に露出した前記めっき金属膜、前記シード合金膜、および前記バリアメタル膜を除去する工程と、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１２】
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、
前記絶縁膜に形成された凹部の底面および側壁に形成され、高融点金属を含むバリアメタル膜と、
前記凹部内において、前記バリアメタル膜上に形成され、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み、銅のグレインが形成された配線金属膜と、
を含み、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均濃度が中央部における前記不純物金属の濃度よりも高く、グレインバウンダリにおける前記不純物金属の濃度がグレイン内における前記不純物金属の濃度よりも高く、前記表面において、前記不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する半導体装置が提供される。
【００１３】
本発明の構成によれば、凹部外部に露出しためっき金属膜やシード合金膜を除去する前の第１のアニールを短時間とすることにより、不純物金属の過剰な拡散を防ぎ、除去する工程で除去されない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、除去する工程で余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリに沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリに偏在する。これにより、配線への電流印加時、Ａｌ等の不純物金属により、銅の拡散を防ぐことができ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の構成によれば、第１のアニールを高温で行うことにより、第１のアニールの処理時間を上記のように短時間としても、処理温度を高くすることにより、銅のグレイン成長を促進することができる。これにより、配線抵抗の増加を抑えることができる。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、配線抵抗の増加を抑えつつ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】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フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における配線の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における配線の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
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（絶縁膜）と、層間絶縁膜１０４に形成された配線溝１５０および配線溝１５２にそれぞれ形成された細幅配線１１６および広幅配線１１８と、層間絶縁膜１０４上に形成されたキャップ膜１２２と、さらにその上に形成された層間絶縁膜１２４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。
【００２０】
本実施の形態において、細幅配線１１６および広幅配線１１８は、それぞれ、バリアメタル膜１０６および配線金属膜１１４により構成される。バリアメタル膜１０６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１０６としては、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。本実施の形態において、バリアメタル膜１０６は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成することができる。配線金属膜１１４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。ここで、不純物金属としては、たとえば、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、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。本実施の形態において、不純物金属は、Ａｌとすることができる。Ａｌは、従来から半導体装置の配線材料として用いられており、半導体装置内での挙動も把握されており、取り扱いが容易であり、好ましく用いることができる。また、配線金属膜１１４には、グレインバウンダリ１１３で規定される銅のグレインが形成されている。
【００２１】
本実施の形態において、後述するように、配線金属膜１１４は、積層方向において表面における不純物金属の平均濃度が中央部における不純物金属の濃度よりも高い構成となっている。また、配線金属膜１１４は、グレインバウンダリ１１３における不純物金属の濃度がグレイン内における不純物金属の濃度よりも高い構成となっている。さらに、配線金属膜１１４は、側壁および底面において、不純物金属の濃度が他の領域よりも高い構成となっている。また、配線金属膜１１４は、表面において、不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する。図中破線で規定された不純物高濃度領域１１０ａ（破線の外側の領域）は、不純物濃度が高い領域である。
【００２２】
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、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。層間絶縁膜１２４は、層間絶縁膜１０４と同様の材料により構成することができる。ここでは図示していないが、層間絶縁膜１２４内にも、細幅配線１１６や広幅配線１１８等と同様の配線が形成された構成とすることができる。キャップ膜１２２は、たとえばＳｉＣＮ膜とすることができる。
【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２から図５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に配線溝１５０および配線溝１５２を形成する（図２（ａ））。つづいて、層間絶縁膜１０４上全面に、たとえばスパッタリング法により、バリアメタル膜１０６を形成する（図２（ｂ））。ここで、配線溝１５０および配線溝１５２の底面および側壁、ならびに層間絶縁膜１０４表面にバリアメタル膜１０６が形成される。ここで、バリアメタル膜１０６は、Ｔａ膜およびＴａＮ膜の積層膜とすることができる。
【００２５】
つづいて、バリアメタル膜１０６上全面に、銅と、上述した不純物金属とを含む合金をターゲットとしたスパッタリング法によりシード合金膜１１０を形成する（図３（ａ））。本実施の形態においては、ＣｕＡｌ合金ターゲットを用いることができる。また、不純物金属の濃度は、０．５重量％以上とすることができる。これにより、ＣＭＰ後においてもシード合金膜１１０中に充分な量の不純物を残すことができ、配線の所望の箇所に不純物金属の濃度がある程度以上である領域を設けることができる。また、シード合金膜１１０中の不純物金属の濃度は、後にめっき膜を形成する際に、シード合金膜１１０がシードとして良好に機能し得る程度とすることができ、たとえば１０重量％以下とすることができる。
【００２６】
つづいて、めっき法によりめっき金属膜１１２を形成し、配線溝１５０および配線溝１５２内を埋め込む（図３（ｂ））。めっき金属膜１１２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１１２も銅とは異なる何らかの不純物金属を含む構成としてもよいが、不純物濃度は、シード合金膜１１０よりも低い濃度とする。
【００２７】
次いで、高温・短時間での第１のアニールを行う（図４（ａ））。本実施の形態において、第１のアニールは、Ｎ２／Ｈ２雰囲気下で行うことができる。これにより、めっき金属膜１１２中の銅が酸化して腐食されるのを防ぐことができる。
【００２８】
また、第１のアニールの処理時間は、たとえば１０分以下、好ましくは５分以下、より好ましくは１分以下とすることができる。アニール処理により、シード合金膜１１０中の不純物金属がめっき金属膜１１２中のグレイン内やグレインバウンダリ１１３に拡散する。しかし、本実施の形態において、第１のアニールをこのような短時間とすることにより、この段階で、シード合金膜１１０からめっき金属膜１１２中に不純物金属が過剰に拡散するのを防ぐことができる。また、本実施の形態において、配線溝１５０および配線溝１５２の底面および側壁には、銅やアルミニウムの拡散を防止するバリアメタル膜１０６が形成されている。そのため、シード合金膜１１０を構成する材料が層間絶縁膜１０４内に拡散することなく、配線溝１５０および配線溝１５２内に維持することができる。これにより、この段階では、シード合金膜１１０の大部分は、配線溝１５０および配線溝１５２のバリアメタル膜１０６表面にそのまま存在した状態で維持される。
【００２９】
また、第１のアニールの処理温度は、たとえば２００℃以上、より好ましくは３００℃以上とすることができる。第１のアニールをこのような高温で行うことにより、銅のグレイン成長を促進することができる。本実施の形態において、第１のアニールの処理時間を上記のように短時間としても、処理温度を高くすることにより、銅のグレイン成長を促進することができる。また、第１のアニール処理を高温・短時間とすることにより、銅のグレイン成長が不純物金属の拡散よりも速く進むため、グレインバウンダリ１１３に不純物金属が偏析しやすくなる。本実施の形態においては、シード合金膜１１０に不純物金属が含まれ、不純物金属の抵抗が銅より高い場合は、銅単独の場合よりも配線抵抗が高くなるおそれがあるが、グレインサイズを大きくすることにより、配線抵抗の増加を抑えることができる。
【００３０】
この後、ＣＭＰにより、配線溝１５０および配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１２、シード合金膜１１０、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１１６および広幅配線１１８が形成される（図４（ｂ））。
【００３１】
次いで、第２のアニールを行う（図５（ａ））。ここで、第２のアニールの処理温度は、たとえば３５０℃程度とすることができる。また、第２のアニールの処理時間は、たとえば３０分程度とすることができる。これにより、シード合金膜１１０中の不純物金属がめっき金属膜１１２内に拡散する。
【００３２】
本実施の形態において、ＣＭＰ前の第１のアニールを短時間とすることにより、ＣＭＰで削られない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、ＣＭＰにより、余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３に偏在する。このとき、配線金属膜１１４は、余剰部分が除去されているので、細幅配線１１６および広幅配線１１８の所望の箇所に不純物金属の濃度がある程度以上である不純物高濃度領域１１０ａを設けることができる（図５（ｂ））。
【００３３】
以上の手順により、配線金属膜１１４の構成を以下のようにすることができる。
（１）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散して、エネルギー的に安定的に存在し得る配線上部の表面で濃度が高くなる。そのため、積層方向における表面における不純物金属の平均濃度が中央部における不純物金属の濃度よりも高い構成となる。このように、配線表面における不純物濃度を高くすることにより、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。ここで、配線金属膜１１４の表面における不純物金属の平均含有量（ａｔｏｍ％）が中央部における不純物金属の平均含有量のたとえば１．２倍以上となるようにすることができる。この程度の差とすることにより、配線金属膜１１４のストレスマイグレーションを高めるとともに、配線金属膜１１４の抵抗を低く保つことができる。
（２）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散して、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、エネルギー的に安定的に存在し得るグレインバウンダリ１１３で濃度が高くなる。そのため、グレインバウンダリ１１３における不純物金属の濃度がグレイン内における不純物金属の濃度よりも高い構成となる。このように、グレインバウンダリ１１３における不純物濃度を高くすることにより、エレクトロマイグレーション耐性、およびストレスマイグレーション耐性を高めることができる。
（３）不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散するため、側壁および底面において、不純物金属の濃度が他の領域よりも高くなる。これにより、Ｃｕ原子のドリフトが抑制されるため、エレクトロマイグレーション耐性、およびストレスマイグレーション耐性を高めることができる。
（４）同様に、不純物金属は、シード合金膜１１０から拡散するため、表面において、側壁に形成されていたシード合金膜１１０に近い位置の側壁方向にかけて不純物金属の濃度が高くなる。そのため、表面において、不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する。つまり、配線表面において、不純物金属は側面に近いほど濃度が高くなり、とくに角部で濃度が高い不純物高濃度領域１１０ａのオーバーハング部が形成される。これにより、配線間の短絡を防ぐことができ、ＴＤＤＢ寿命を向上することができる。また、配線は、表面中央部で、上層のビアと接続される。本実施の形態において、配線表面中央部の不純物金属の濃度を低くすることにより、配線とビアとのコンタクト抵抗を低減することもできる。ただし、本実施の形態において、配線は、表面中央部においても、積層方向における中央部よりも不純物濃度が高い構成とすることができ、ストレスマイグレーション耐性を充分保てるようになっている。
【００３４】
この後、層間絶縁膜１０４上にキャップ膜１２２を形成する。さらに、その上に層間絶縁膜１２４を形成する。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。この後、層間絶縁膜１２４にも同様の手順でビアまたは配線を形成し、多層配線構造の半導体装置１００を得ることができる。
【００３５】
図６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に配線溝１５０および配線溝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たとえばスパッタリング法により、バリアメタル膜１０６を形成する（Ｓ１０４）。次いで、バリアメタル膜１０６上全面に、シード合金膜１１０を形成する（Ｓ１０６）。
【００３６】
つづいて、めっき法によりシード合金膜１１０上にめっき金属膜１１２を形成し、配線溝１５０および配線溝１５２内を埋め込む（Ｓ１０８）。次いで、高温、短時間で、第１のアニール処理を行う（Ｓ１１０）。
【００３７】
その後、ＣＭＰにより、配線溝１５０および配線溝１５２外部に露出しためっき金属膜１１２、シード合金膜１１０およびバリアメタル膜１０６を除去して細幅配線１１６および広幅配線１１８を形成する（Ｓ１１２）。その後、第２のアニールを行う（Ｓ１１４）。
【００３８】
なお、以上の実施の形態で説明した第２のアニールは、不純物金属の拡散を目的として各層の配線を形成する毎に行うものとすることもできるが、わざわざ特別なアニール処理工程を追加することなく、多層配線構造形成時の他の各種アニール処理とすることもできる。本実施の形態において、各配線形成時のＣＭＰ前の第１のアニールを高温、短時間とすることが重要で、ＣＭＰ後の第２のアニール処理では、処理時間や処理温度を厳密に管理しなくても、不純物金属は、エネルギー的に安定な箇所に移動するので、上記のような所望の構成とすることができる。
【実施例】
【００３９】
（例１）
図１から図５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７は、細幅配線１１６の構成を示す断面図（ＢＦ−ＳＴＥＭ像）である。ここでは、配線幅は５０ｎｍとした。バリアメタル膜１０６としては、Ｔａ膜およびＴａＮ膜の積層膜（合計膜厚７ｎｍ）を用いた。また、不純物金属としてＡｌを用いた。Ａｌの含有量は、０．５重量％とした。シード合金膜１１０の膜厚は５ｎｍとした。第１のアニール条件は、処理時間３０秒、処理温度３５０℃とした。また、第２のアニール条件は、処理時間３０分、処理温度３５０℃とした。
【００４０】
エネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＸ：energy dispersive X-ray spectrometer）で、図７の破線「１」で囲まれた配線表面、破線「２」で囲まれた中央部をそれぞれ分析領域として、元素分析を行った。各分析領域における全元素に対するＡｌの含有量は、それぞれ以下となった。
分析点１：０．９７ａｔｏｍ％
分析点２：０．４８ａｔｏｍ％
【００４１】
このように、配線表面におけるＡｌ（不純物金属）の平均濃度（含有量）が、中央部におけるＡｌの平均濃度（含有量）よりも高く、約２倍となった。
【００４２】
（例２）
例１と同様、図１から図５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８は、細幅配線１１６の構成を示す断面図（ＢＦ−ＳＴＥＭ像）である。条件は、例１と同様とした。図８の配線金属膜１１４中の色の濃い部分がグレインバウンダリ１１３が分布した箇所である。図８の「３」および「４」は、グレインバウンダリ１１３中にある。「５」は、配線金属膜１１４のグレイン内にある。
【００４３】
ＥＤＸで、細幅配線１１６の断面の元素分析を行った。図８の「３」で示すグレインバウンダリ、「４」で示すグレインバウンダリ、「５」で示すグレイン内をそれぞれ分析点として、元素分析を行った。各分析領域における全元素に対するＡｌの含有量は、それぞれ以下となった。
分析点３：０．２１ａｔｏｍ％
分析点４：０．２３ａｔｏｍ％
分析点５：０．０３ａｔｏｍ％
【００４４】
このように、グレインバウンダリ１１３におけるＡｌ（不純物金属）の平均濃度が、グレイン内におけるＡｌの濃度（含有量）よりも高く、約７倍となった。ここで、例２では点分析であるのに対し、例１では面分析を行っているため、含有量が高く検出されていると思われる。
【００４５】
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。
以上のように、本実施の形態においては、ＣＭＰ前の第１のアニールを短時間とすることにより、ＣＭＰで削られない部分に充分な量の不純物金属を残しておくことができる。そのため、ＣＭＰにより、余剰部分を除去した後の第２のアニール処理時に、不純物金属は、銅中をグレイン内およびグレインバウンダリ１１３に沿って拡散して、安定的に存在し得る配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３に偏在する。これにより、不純物金属が、配線上部の表面や、グレインバウンダリ１１３にある程度以上の高濃度で存在するようにすることができる。そのため、配線への電流印加時、Ａｌ等の不純物金属により、銅の拡散を防ぐことができ、配線のエレクトロマイグレーション寿命、およびストレスマイグレーション寿命を向上させることができる。
【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】
細幅配線１１６および広幅配線１１８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。
【符号の説明】
【００４８】
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
１１０ シード合金膜
１１０ａ 不純物高濃度領域
１１２ めっき金属膜
１１３ グレインバウンダリ
１１４ 配線金属膜
１１６ 細幅配線
１１８ 広幅配線
１２２ キャップ膜
１２４ 層間絶縁膜
１５０ 配線溝
１５２ 配線溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に、高融点金属を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上に、前記凹部の一部を埋め込むように、銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜を形成する工程と、
前記シード合金膜上に前記凹部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、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記第１の熱処理工程の後、前記凹部外部に露出した前記めっき金属膜、前記シード合金膜、および前記バリアメタル膜を除去する工程と、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、
を含む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において、
前記不純物金属が、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、またはＴｉである半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物金属が、Ａｌである半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル膜を構成する高融点金属は、Ｔａである半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成された半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の熱処理工程は、Ｎ２／Ｈ２雰囲気下で行われる半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記シード合金膜を形成する工程において、前記シード合金膜は、前記不純物金属を０．５重量％以上含む半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の熱処理工程において、前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、１分以下で熱処理する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部の底面および側壁に形成され、高融点金属を含むバリアメタル膜と、
前記凹部内において、前記バリアメタル膜上に形成され、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み、銅のグレインが形成された配線金属膜と、
を含み、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均濃度が中央部における前記不純物金属の濃度よりも高く、グレインバウンダリにおける前記不純物金属の濃度がグレイン内における前記不純物金属の濃度よりも高く、前記表面において、前記不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記配線金属膜は、側壁および底面において、前記不純物金属の濃度が他の領域よりも高い半導体装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の半導体装置において、
前記不純物金属は、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、またはＴｉである半導体装置。
【請求項１２】
請求項９から１１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、Ａｌである半導体装置。
【請求項１３】
請求項９から１２いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリアメタル膜を構成する高融点金属は、Ｔａである半導体装置。
【請求項１４】
請求項９から１３いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成された半導体装置。
【請求項１５】
請求項９から１４いずれかに記載の半導体装置において、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均含有量（ａｔｏｍ％）が中央部における前記不純物金属の平均含有量の１．２倍以上である半導体装置。
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜に形成された凹部に、高融点金属を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上に、前記凹部の一部を埋め込むように、銅および銅とは異なる不純物金属を含むシード合金膜を形成する工程と、
前記シード合金膜上に前記凹部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、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、２００℃以上、１０分以下で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記第１の熱処理工程の後、前記凹部外部に露出した前記めっき金属膜、前記シード合金膜、および前記バリアメタル膜を除去する工程と、
前記シード合金膜および前記めっき金属膜を熱処理する第２の熱処理工程と、
を含む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において、
前記不純物金属が、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、またはＴｉである半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物金属が、Ａｌである半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル膜を構成する高融点金属は、Ｔａである半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成された半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の熱処理工程は、Ｎ２／Ｈ２雰囲気下で行われる半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記シード合金膜を形成する工程において、前記シード合金膜は、前記不純物金属を０．５重量％以上含む半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の熱処理工程において、前記シード合金膜および前記めっき金属膜を、１分以下で熱処理する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部の底面および側壁に形成され、高融点金属を含むバリアメタル膜と、
前記凹部内において、前記バリアメタル膜上に形成され、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み、銅のグレインが形成された配線金属膜と、
を含み、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均濃度が中央部における前記不純物金属の濃度よりも高く、グレインバウンダリにおける前記不純物金属の濃度がグレイン内における前記不純物金属の濃度よりも高く、前記表面において、前記不純物金属の濃度が、幅方向の中央部から側壁にかけて高くなる濃度プロファイルを有する半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記配線金属膜は、側壁および底面において、前記不純物金属の濃度が他の領域よりも高い半導体装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の半導体装置において、
前記不純物金属は、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、またはＴｉである半導体装置。
【請求項１２】
請求項９から１１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、Ａｌである半導体装置。
【請求項１３】
請求項９から１２いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリアメタル膜を構成する高融点金属は、Ｔａである半導体装置。
【請求項１４】
請求項９から１３いずれかに記載の半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜またはこれらの積層膜により構成された半導体装置。
【請求項１５】
請求項９から１４いずれかに記載の半導体装置において、
前記配線金属膜は、積層方向において、表面における前記不純物金属の平均含有量（ａｔｏｍ％）が中央部における前記不純物金属の平均含有量の１．２倍以上である半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−９４３９（Ｐ２０１１−９４３９Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５１１２９（Ｐ２００９−１５１１２９）
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサス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２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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