半導体装置及びその製造方法

【課題】エレクトロマイグレーションの影響を低減できるＣｕ配線を備えた半導体装置
及びその製造方法を目的とする。
【解決手段】
Ｃｕ配線１０を備える半導体装置１において、
Ｃｕ配線１０の断面構造は、側部及び下部をバリアメタル２０に接し、上部を絶縁膜３
０に接し、絶縁膜３０に接するＣｕ配線１０の上部のグレインサイズが、Ｃｕ配線１０の
中央部のグレインサイズより小さ。さらに、バリアメタルに接するＣｕ配線１０の側部及
び下部のグレインサイズが、Ｃｕ配線１０の中央部のグレインサイズより小さい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に、銅配線を備える半導体装置及びそ
の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の配線層として銅配線（Ｃｕ配線）が用いられている。Ｃｕ配線の断面構造
は、側部及び下部をバリアメテルに接し、上部を絶縁膜に接する。従来、Ｃｕ配線は、バ
リアメタル、絶縁膜との界面において密着性が弱く、この界面において銅原子が拡散・移
動することにより断線する、所謂エレクトロマイグレーションの問題があった。
【０００３】
この問題に対して、Ｃｕ配線の上部・側部の電気抵抗値を大きくすることにより、前記
界面に流れる電流量を小さくし、エレクトロマイグレーションの問題を抑制する技術が開
示されている（例えば、特許文献１。）。
【０００４】
特許文献１においては、電解めっきにより配線層を形成する際に、バリアメタルに流す
電流量を制御することにより、配線の電気抵抗値を制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９８９３３公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、エレクトロマイグレーションの影響を低減できるＣｕ配線を備えた半導体装
置及びその製造方法を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の半導体装置は、銅配線を備える半導体装置において、前記銅配線の断
面構造は、側部及び下部をバリアメタルに接し、上部を絶縁膜に接し、前記絶縁膜に接す
る前記銅配線の上部のグレインサイズが、前記銅配線の中央部のグレインサイズより小さ
いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、電解めっき法により形成された銅配線を備
える半導体装置を製造方法であって、表面に溝部が形成された半導体基板を電解めっき液
内で第１の回転速度で回転させる第１工程と、前記第１工程の次に、前記半導体基板を電
解めっき液内で第１の回転速度より高速の第２の回転側速度で回転させる第２工程と、を
備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、エレクトロマイグレーションの影響を低減できる銅配線を備えた半導体装置
及びその製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の配線層を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体装置が備えるＣｕ配線の断面図である。
【図３】Ｃｕ配線に流れる電流密度とＭＴＦの関係を示す特性図である。
【図４Ａ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明ための装置断面図である
【図４Ｂ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明ための装置断面図である
【図４Ｃ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明ための装置断面図である
【図５】めっき槽を用いて電解めっき法により半導体装置に銅層７０を形成する工程の模式図である
【図６Ａ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明するためのＣｕ配線の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明するためのＣｕ配線の断面図である。
【図６Ｃ】本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明するためのＣｕ配線の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００１２】
図１を参照して、本発明の実施例に係る半導体装置の断面構造を説明する。図１は、半
導体装置の配線層を示す断面図である。
【００１３】
半導体装置１の配線層には、銅配線（Ｃｕ配線）１０、１１が形成されている。Ｃｕ配
線１０、１１の側部及び下部にはバリアメタル２０が形成されている。Ｃｕ配線１０、１
１上には絶縁膜（図示せず）が形成されている。また、Ｃｕ配線１０、１１の間には、絶
縁膜層３０（例えば、ＳｉＯＣ）が形成されている。配線層下には絶縁膜層４０（例えば
、ＴＥＯＳ膜）が形成され、Ｃｕ配線１１はバリアメタル２０を介して下層の半導体素子
と接続するためのタングステンコンタクト５０に電気的に接続されている。
【００１４】
次に、図２を参照して、本発明の実施例に係る半導体装置が備えるＣｕ配線の断面構造
について説明する。図２は、半導体装置が備えるＣｕ配線の断面図である。図１と同様の
構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００１５】
Ｃｕ配線１０は、粒径（グレインサイズ）の異なる複数のＣｕ粒子（Ｃｕグレイン）か
ら構成される。図２に示すように、Ｃｕ配線１０の断面構造は、絶縁膜６０（例えば、Ｓ
ｉＣＮ）と接する上部のグレインサイズが、Ｃｕ配線１０の中央部のグレインサイズより
小さい。また、Ｃｕ配線１０は、バリアメタル２０と接する側部及び下部のグレインサイ
ズが、Ｃｕ配線１０の中央部のグレインサイズより小さくてもよい。
【００１６】
Ｃｕ配線１０上部と絶縁膜６０の密着性は、Ｃｕ配線１０側部及び下部とバリアメタル
２０の密着性より弱い。このため、密着性の弱いＣｕ配線１０上部ではエレクトロマイグ
レーションの影響が大きく、Ｃｕ配線の断線等の問題が生じやすい。これに対し、本実施
例では、Ｃｕ配線１０上部のグレインサイズをＣｕ配線１０の中央部のグレインサイズを
小さく形成する。これにより、Ｃｕ配線１０に流れる電流をＣｕ配線１０の中央部に集中
させ、Ｃｕ配線１０上部に流れる電流を小さくすることができ、密着性の弱いＣｕ配線１
０上部におけるエレクトロマイグレーションの影響を低減させることを可能となる。
【００１７】
さらに、本実施例では、エレクトロマイグレーションの影響を受けるＣｕ配線１０の側
部及び下部のグレインサイズをＣｕ配線１０の中央部のグレインサイズを小さく形成する
。これにより、Ｃｕ配線１０に流れる電流をＣｕ配線１０の中央部に集中させ、Ｃｕ配線
１０の側部及び下部に流れる電流を小さくすることができ、Ｃｕ配線１０側部及び下部に
おけるエレクトロマイグレーションの影響を低減させることを可能とした。
【００１８】
グレインサイズの小さい、Ｃｕ配線１０の下部、側部及び下部のグレインサイズの直径
は、Ｃｕ配線の断面幅Ｌの半分以下であることが好ましい。Ｃｕ配線の断面幅Ｌは、例え
ば、６３ｎｍ程度である場合、Ｃｕ配線１０の下部、側部及び下部のグレインサイズの直
径は３０ｎｍ以下であることが好ましい。このとき、Ｃｕ配線１０の中央部におけるグレ
インサイズの直径は、７０ｎｍ程度である。なお、ここで、グレインサイズの直径は、銅
グレインを円近似したときの直径である。
【００１９】
次に、図３を参照して、Ｃｕ配線のエレクトロマイグレーション耐性について説明する
。図３はＣｕ配線に流れる電流密度とＭＴＦ（Mean Time to Failure）の関係を示す特性
図である。ＭＴＦは、断線等によりＣｕ配線が破損するまでの平均時間の指標である。
【００２０】
図３から分かるように、Ｃｕ配線に流れる電流の電流密度が低い（１０ｍＡ／ｕｍ２）
場合には、Ｃｕ配線のＭＴＦは長い。つまり、Ｃｕ配線が破損するまでの時間が長いため
、破損が起こりにくいことがわかる。一方、Ｃｕ配線に流れる電流の電流密度が高い（２
０ｍＡ／ｕｍ２）場合には、ＭＴＦは短い。つまり、Ｃｕ配線が破損するまでの時間が短
いため、破損が起こりやすい。
【００２１】
この特性から分かるように、Ｃｕ配線に流れる電流密度を低くすることにより、断線等
の発生をすることができる。本実施例では、Ｃｕ配線の上部、側部及び下部のグレインサ
イズを小さくすることにより、この領域にながれる電流（電流密度）を低くし、断線等の
発生を抑制している。
【００２２】
次に、図４Ａから図４Ｃを参照して、本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法につ
いて説明する。図４Ａから図４Ｃは、本発明の実施例に係る半導体装置にＣｕ配線を形成
する工程を説明ための装置断面図である。図１、図２と同様の構成については同一の符号
を付し、説明を省略する。
【００２３】
まず、図４Ａに示すように、絶縁膜４０上に形成された絶縁膜３０にＣｕ配線が形成さ
れる所定のパターンの溝９０を形成する。
【００２４】
次に、図４Ｂに示すように、溝９０の側壁部及び下部にスパッタ法によりバリアメタル
２０を形成する。バリアメタル２０としては、例えば、タンタル（Ｔａ）を用いる。次い
で、バリアメタル２０上にシードＣｕ膜７０を形成する。
【００２５】
次に、図４Ｃに示すように、電解めっき法により溝９０をＣｕ膜８０で埋め込む。この
とき、電解めっき法によりＣｕ膜８０を形成する工程の詳細については、後述する。次に
、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、余
分に形成されたＣｕ膜８０、バリアメタル２０等を除去することにより、図１に示す半導
体装置が形成される。
【００２６】
次に、図５及び図６Ａから図６Ｃを参照して、上記図４Ｃを用いて説明した工程におい
て、図２に示すＣｕ配線の断面構造を形成する方法について説明する。図５は、めっき槽
を用いて電解めっき法により半導体装置にＣｕ膜８０を形成する工程の模式図である。
【００２７】
図４Ｂに示した半導体装置１は、支持部８０に保持された状態で、めっき液で満たされ
ためっき槽９０に浸される。次に、バリアメタル２０に外部より電流を流すと共に、支持
部８０を回転させる。このとき、バリアメタル２０に流す電流値と、支持部８０の回転速
度とにより、バリアメタル２０上に形成されるＣｕ膜８０のグレインサイズを制御する。
具体的には、前記電流値が高電流である場合には、グレインサイズは大きくなり、低電流
である場合には、グレインサイズは小さくなる。また、前記回転速度が高回転速度である
場合には、グレインサイズは小さくなり、低回転速度である場合には、グレインサイズは
大きくなる。本実施例では、前記電流値を制御すると共に、前記回転速度を制御すること
により、Ｃｕ配線１０のグレインサイズを制御する。
【００２８】
次に、図６Ａから図６Ｃを参照して、Ｃｕ配線１０の形成工程を説明する。図６Ａから
図６Ｃは、半導体装置にＣｕ配線を形成する工程を説明するためのＣｕ配線の断面図であ
る。
【００２９】
まず、図６Ａに示すように、Ｃｕ膜８０形成の最初の段階において、バリアメタル２０
に流す電流値を低電流、支持部８０の回転速度を低回転速度（第３の回転速度）とする。
これにより、Ｃｕ膜８０の成長速度が遅く、Ｃｕ膜８０中にめっき液中の添加物が取り込
まれ、Ｃｕ膜８０のグレインサイズは小さくなる。この条件でＣｕ膜８０を成長させるこ
とにより、Ｃｕ膜８０の側部及び下部のグレインサイズを小さくすることが可能となる。
【００３０】
次に、図６Ｂに示すように、バリアメタル２０に流す電流値を高電流、支持部８０の回
転速度を第３の回転速度より高回転速度（第１の回転速度）とする。これにより、Ｃｕ膜
８０の成長速度が速くなり、Ｃｕ膜８０中にめっき液中の添加物が取り込まれにくくなり
、Ｃｕ膜８０のグレインサイズは大きくなる。この条件でＣｕ膜８０を成長させることに
より、Ｃｕ膜８０中央部のグレインサイズを大きくすることが可能となる。このとき、Ｃ
ｕ膜８０への添加物の吸着確率の影響により、Ｃｕ膜８０は、側部及び下部からの成長は
等方的とはならず、下部からの成長が大きくなる。このため、図６Ｂに示すように、Ｃｕ
膜８０の上部が開いた形状のＣｕ膜８０が形成される。
【００３１】
次に、図６Ｃに示すように、バリアメタル２０に流す電流値を低電流、支持部８０の回
転速度を第１の回転速度より高回転速度（第２の回転速度）とする。これにより、Ｃｕ膜
８０の成長速度が遅く、Ｃｕ膜８０中にめっき液中の添加物が取り込まれ、Ｃｕ膜８０の
グレインサイズは小さくなる。この条件でＣｕ膜８０を成長させることにより、Ｃｕ膜８
０の上部のグレインサイズを小さくすることが可能となる。
【００３２】
以上のように、電解めっき法によりＣｕ配線１０を形成する際に、電流値と回転速度を
制御することによりＣｕ配線１０のグレインサイズを制御する。これにより、Ｃｕ配線１
０の上部、側部及び下部のグレインサイズを小さくすることが可能となり、Ｃｕ配線１０
のエレクトロマイグレーションによる影響を低減することができる。
【００３３】
なお、本実施例では、図６Ａから図６Ｃに示すように、３段階の条件によりＣｕ配線１
０のグレインサイズを制御したが、２段階であってもよい。この場合、１段階目（図６Ａ
を用いて説明した工程）の工程を省き、Ｃｕ配線１０の断面構造は、Ｃｕ配線１０の上部
のみグレインサイズが小さくなり、中央部、側部及び下部はグレインサイズが大きくなる
。この場合であっても、エレクトロマイグレーションの影響が最も大きいＣｕ配線１０上
部におけるエレクトロマイグレーションの影響を低減することができる。
【００３４】
なお、前述した各実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限
定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改
良されうると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１半導体装置
１０、１１Ｃｕ配線
２０バリアメタル
３０、４０、６０絶縁膜
５０タングステンコンタクト
９０溝
７０シードＣｕ膜
８０Ｃｕ膜

【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ配線を備える半導体装置において、
前記Ｃｕ配線の断面構造は、側部及び下部をバリアメタルに接し、上部を絶縁膜に接し
、前記絶縁膜に接する前記Ｃｕ配線の上部のグレインサイズが、前記Ｃｕ配線の中央部の
グレインサイズより小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バリアメタルに接する前記Ｃｕ配線の側部及び下部のグレインサイズが、前記Ｃｕ
配線の中央部のグレインサイズより小さい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Ｃｕ配線の上部のグレインサイズの直径が、前記Ｃｕ配線の断面幅の半分以下であ
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】
電解めっき法により形成されたＣｕ配線を備える半導体装置を製造方法であって、
表面に溝部が形成された半導体基板を電解めっき液内で第１の回転速度で回転させる第
１工程と、
前記第１工程の次に、前記半導体基板を電解めっき液内で第１の回転速度より高速の第
２の回転側速度で回転させる第２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５】
前記第１工程の前に、前記半導体基板を電解めっき液内で第１の回転速度より高速の３
の回転速度で回転させる第３工程を備えることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。

【図１】