JP2001068475A - 銅配線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】信頼性の高くかつ製造コストが低い銅及び銅合
金配線を供給する。 【解決手段】銅あるいは銅合金層を含む配線において、
過半数の銅あるいは銅合金結晶粒が双晶を形成する様
に、不活性ガス環境下で熱処理を施す。銅の双晶におい
ては、通常｛１１１｝面の１つが整合した双晶境界を形
成し、このように整合した双晶境界ではエレクトロマイ
グレーション速度は小さく、双晶を形成する２つの結晶
粒は、実質的に１つの大きな結晶粒とみなすことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信頼性が高くかつ
製造しやすい銅あるいは銅合金を用いた配線に関する。

【０００２】

【従来の技術】銅または銅に錫等を添加した銅合金は、
アルミニウムあるいはアルミニウム合金より低抵抗であ
りかつマイグレーション（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）に対して高い耐性を有す
るので、高性能でかつ高信頼度のＬＳＩ用配線としてア
ルミニウムに換えて集積回路の配線として使用されつつ
ある。

【０００３】アルミニウム系配線においては、配線の信
頼性を向上させるため大粒径な膜や＜１１１＞配向の強
い膜を作る努力がなされてきた。大粒径でかつ＜１１１
＞配向の強い膜を用いるということは、本質的には、原
子のマイグレーション速度の大きい粒界を減らすという
ことである。

【０００４】一般に、粒界を形成する隣接結晶粒間の方
位の違い（ミスオリエンテーション）が大きくかつ両結
晶粒間に特定の方位関係がないランダム粒界や方位関係
の弱い粒界（いわゆる対応粒界での対応格子点密度の逆
数として定義されるΣ値の大きい粒界）を通じた原子の
マイグレーション速度は、格子、あるいは、Σ値の低い
対応粒界を通じた場合に比してきわめて大きい。

【０００５】したがって、粒界を通じたマイグレーショ
ンが支配的となる電源線用配線等の幅の広い配線（一般
的には、平均粒径より広い配線、あるいは、石垣状粒界
構造配線という表現が用いられるている）において、そ
のような原子のマイグレーション速度の大きな粒界を減
少させることがマイグレーション耐性を高める基本指針
の一つと考えられる。

【０００６】配線幅が平均粒径よりも小さくなると、配
線の粒界構造は石垣状粒界部とバンブー粒界部とが混在
した擬バンブー粒界構造となり、さらに微細な配線で
は、石垣状粒界部をほとんど含まないバンブー粒界構造
となる。擬バンブー粒界構造配線でのマイグレーション
耐性は、基本的には石垣状粒界部での粒界を通じたマイ
グレーション速度によって支配される。

【０００７】しかし、バンブー粒界配線では配線長方向
につながった粒界は存在しないので、原子の長距離マイ
グレーションは、基本的には配線金属と絶縁膜との界面
や多層に積層された配線金属間の界面を通じたマイグレ
ーションによって支配される。

【０００８】また、配線内部から界面への短距離マイグ
レーションではバンブー粒界を経由する成分が大きいと
考えられるので、石垣状配線におけるほどではないが、
この場合にもΣ値の低い対応粒界を増やすこと、すなわ
ち、＜１１１＞配向性を高めることがマイグレーション
耐性の向上に有効と考えられる。

【０００９】マイグレーション耐性は、上述のマイグレ
ーション速度だけでなく、ボイドの発生しやすさや発生
箇所に依存する。ボイドは、粒界と配線表面（側面や底
面を含む）との交点において発生しやすい。特に、ラン
ダム粒界やΣ値の高い対応粒界が表面と交わる箇所では
ボイドが発生しやすいので、＜１１１＞配向性を高めて
そのような粒界を減少させることもマイグレーション耐
性の改善に有効と考えられる。

【００１０】銅配線においても、マイグレーション耐性
を高めるために、大粒径膜を用いることや（特開平５−
３１５３２７号公報）、大粒径でかつ＜１１１＞配向の
強い膜を形成する方法（特開平１−１２５９５４号公
報）が報告されている。さらに、＜１１１＞配向率が９
０％以上の銅膜を用いるとＣｕ配線の耐酸化性が向上し
（特開平６−２７５６１７号公報）、あるいは、マイグ
レーション耐性が向上する（特開昭６１−２７６５６号
公報）との報告がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅配線
の場合には、一方向に強い配向を有し、かつ大粒径の膜
を形成することは、アルミニウム配線の場合のように容
易ではなく、そのため特殊な製造工程を導入したり、製
造工程の条件を狭い範囲に限定しなければならないとい
う問題があることを発明者らは見いだした。

【００１２】本発明の目的は、従来の技術において求め
られてきたような製造が難しい極めて強く１方向に配向
した膜を用いなくても、信頼性が高くかつ製造が容易な
銅あるいは銅合金を含む配線を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明によれば、銅あるいは銅合金層を含む配線にお
いて、過半数の銅あるいは銅合金結晶粒が双晶を形成し
ていることを特徴とする銅配線が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】銅の双晶においては、通常｛１１
１｝面の１つが整合した双晶境界を形成する（ここで
は、整合した双晶境界をも結晶粒界とみなして、結晶粒
を定義する）。このような整合した双晶境界を通じた原
子のエレクトロマイグレーション速度は、本質的に結晶
格子を通じた場合と同程度に小さく、従って、信頼性の
観点からは、この双晶境界は実質的に存在を無視するこ
とができ、双晶を形成する２つの結晶粒は、実質的に１
つの大きな結晶粒とみなすことができる。

【００１５】すなわち、実効的に大粒径化が実現され
る。結晶粒が大きくなると、配線幅が平均粒径よりも大
きい石垣状粒界構造配線において配線長方向に連なる粒
界数が減少し、マイグレーション速度が低下するので、
より顕著なエレクトロマイグレーション耐性の向上をも
たらす。

【００１６】また、配線幅が平均粒径以下の擬バンブー
あるいはバンブー粒界配線においても、近距離のマイグ
レーションが低減するので、石垣状粒界配線におけるほ
どではないがマイグレーション耐性が向上する。

【００１７】さらに、双晶の形成は、膜全体の粒界エネ
ルギーの減少をもたらす。すなわち、エネルギーの高い
粒界が消滅し、エネルギーの低い粒界と双晶粒界が形成
される。従って、双晶境界以外の粒界のエネルギーが減
少する。

【００１８】粒界エネルギーの低い粒界は、基本的にΣ
値の低い粒界であり、そのような粒界を通じた原子のエ
レクトロマイグレーション速度は、粒界エネルギーの高
い粒界を通じた原子のエレクトロマイグレーション速度
より小さいと考えられる。すなわち、双晶が形成される
ことによって、実質的に大粒径化されランダム粒界が減
少するだけでなく、双晶境界以外の粒界においても粒界
のエレクトロマイグレーション速度の減少が期待され
る。

【００１９】また、しばしばボイドの発生点となる粒界
と表面との交点においても、粒界エネルギーが低い場合
にはボイドは発生し難くなり、マイグレーション耐性の
向上が期待される。この効果は、石垣状粒界配線だけで
なく、配線幅が平均粒径よりも小さい擬バンブー粒界あ
るいはバンブー粒界配線においても有効と考えられる。

【００２０】さらに、発明者らは、２つの方位（Ａ及び
Ｂとする）からなる双晶Ａ／Ｂが、Ａ／Ｂ／Ａ・・・の
ように繰り返した構造もしばしば発生することを見いだ
した（図１における結晶粒１と２に相当。この場合に
は、結晶粒１と２の方位は、それぞれ＜１１１＞及び＜
５１１＞配向であったが、他の方位の組み合わせの場合
も観察された）。このような場合には、実質的に極めて
大きな結晶粒と見なすことができる。また、銅の場合に
は、双晶形成エネルーが低いため、このような２つの方
向に優先配向しかつそれらの大部分が双晶関係にある膜
は、容易に形成することができ、膜の製作が従来のよう
に強い＜１１１＞配向膜を形成する場合に比べて著しく
容易になる。

【００２１】以下に、本発明の銅あるいは銅合金層を含
む配線の製造方法を説明する。

【００２２】先ず、メッキ法、気相堆積（ＣＶＤ）法、
スパッタ法等により、銅あるいは銅合金膜（銅系膜とも
記載する）を成膜する。得られた銅系膜は、過半数の銅
あるいは銅合金結晶粒が双晶となるよう、熱処理に供さ
れる。

【００２３】熱処理は、例えば、以下の手順により行わ
れる。先ず、銅系膜が形成された基板を加熱炉に配置
し、加熱炉内を窒素、ヘリウム、アルゴン等の銅系膜と
反応しないガス（不活性ガス）により充満する。その
後、加熱炉を昇温し、基板温度を８０〜１２０℃の範囲
とする。なお、以降の工程は、全て不活性ガス環境下で
行われる。

【００２４】次に、昇温速度を制御しながら、基板温度
を上昇する。昇温速度は、得られる結晶粒の構造に影響
を与えるため、過半数の銅あるいは銅合金結晶粒を双晶
とするために、１℃／分以上が好ましく、５℃／分以上
がより好ましい。また、５０℃／分以下が好ましく、３
０℃／分以下がより好ましい。

【００２５】基板温度が目標温度に到達後は、基板温度
が目標温度の±５℃の範囲内となるよう温調する。目標
温度は、得られる結晶粒の構造に影響を与えるため、過
半数の銅あるいは銅合金結晶粒を双晶とするために、１
８０℃以上が好ましく、２００℃以上がより好ましい。
また、５００℃以下が好ましく、４００℃以下がより好
ましい。また、目標温度での保持時間は、銅系膜の面積
に依存して設定され、通常、５分以上１０時間以下とさ
れる。

【００２６】目標温度での処理終了後は、降温速度を制
御しながら、基板温度を降温する。降温速度の絶対値
は、得られる結晶粒の構造に影響を与えるため、過半数
の銅あるいは銅合金結晶粒を双晶とするために、１℃／
分以上が好ましく、５℃／分以上がより好ましい。ま
た、５０℃／分以下が好ましく、３０℃／分以下がより
好ましい。

【００２７】以上の様にして得られた銅系膜は、化学機
械研磨法（ＣＭＰ）、ウエットエッチング法、ドライエ
ッチング法等の配線化加工法により、配線とされる。

【００２８】なお、以上では、熱処理後に配線化加工を
行う例を示したが、配線化加工により配線を形成後に熱
処理を行うこともできる。後者の方法を採用する際に
は、熱処理における目標温度の保持時間は、配線幅に依
存してして至適化され、配線幅が広い場合は、保持時間
を長くする。

【００２９】以上に説明した様な製造方法によれば、銅
配線の場合には、一方向に強い配向を有し、かつ大粒径
の膜を形成することは、アルミニウムの場合のように容
易ではないにも関わらず、特殊な製造工程を導入した
り、製造工程の条件を狭い範囲に限定する必要はない。

【００３０】そして、以上の様な製造方法により、銅系
膜の双晶は、整合した双晶境界を形成する。このような
整合した双晶境界を通じた原子のエレクトロマイグレー
ション速度は、本質的に結晶格子を通じた場合と同程度
に小さく、信頼性の観点からは、この双晶境界は実質的
に存在を無視することができ、双晶を形成する２つの結
晶粒は、実質的に１つの大きな結晶粒とみなすことがで
き、実効的に大粒径化が実現される。結晶粒径の拡大
は、粒界数の減少によるマイグレーション速度を低下さ
せる。また、双晶形成によって粒界エネルギーが減少す
る。粒界エネルギーの減少は、粒界部でのボイド発生確
率を減少させる。これらの効果により、エレクトロマイ
グレーション耐性の向上がもたらされる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００３２】（実施例１）第１の実施例として、バリヤ
膜タンタルとコリメーションスパッタで形成した銅シー
ド層を用いた銅シード層／タンタル／酸化シリコン／シ
リコン基板上に電解メッキされた＜５１１＞配向銅膜
（膜１）に対する結果を述べる。

【００３３】図１には、銅膜のメッキ後、２１０℃の目
標温度により窒素ガス中で３０分間熱処理を施した膜に
ついて、電子線後方散乱回折（以下では、英語名Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒ ｄｉｆｆｒａ
ｃｔｉｏｎの略称であるＥＢＳＤという表現も用いる）
法によって測定した結晶粒マップの一部を示した。

【００３４】なお、基板温度を１００℃まで昇温後は、
１０℃／分の昇温速度で２１０℃とした。また、２１０
℃で３０分保持後は、１５℃／分の降温速度で冷却し
た。

【００３５】ＥＢＳＤ測定では、個々の結晶粒の方位を
測定することができ、かつ、その測定結果を用いて各結
晶粒間のミスオリエンテーションを算出することができ
る。この技術の詳細に関しては、Ｖ．Ｒａｎｄｌｅ著の
ＭｉｃｒｏｔｅｘｔｕｒｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｔｈｅ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｌ
ｏｎｄｏｎ、１９９２）を参照されたい。

【００３６】図１のすべての結晶粒間の双晶関係を調べ
た結果、図１に示した２測定点以上（この測定例では
０．０４μｍ²）の大きさの結晶粒では５０個中４６個
（９２％）の結晶粒が双晶関係にあることがわかった。

【００３７】図１では、隣接する結晶粒界が互いに双晶
関係にある粒界を白い線で、双晶関係にない結晶粒間の
粒界を黒い線で示してある。大部分の結晶粒が白い線で
示された双晶境界であることがわかる。

【００３８】このような結晶粒マップから、＜１００
＞、＜１１０＞、＜１１１＞及び＜５１１＞方位の結晶
粒の表面積を比較すると、この膜では、＜１００＞配向
粒０％、＜１１０＞配向粒２％、＜１１１＞配向粒２０
％、＜５１１＞配向粒５６％、その他２２％以下（この
中には測定不能領域を含む。）と、＜５１１＞配向粒が
支配的であった。

【００３９】（実施例２）第２の実施例として、ロング
スロースパッタシード上にメッキした＜１１１＞配向膜
（膜２）に関する結果を述べる。この結果は、常温で２
０００時間放置後に測定したものであるが、この試料に
おいても、図２に示された双晶境界からわかるように、
ほとんどすべての大きな結晶粒は双晶を伴っている。

【００４０】しかし、この膜の場合には、＜１１１＞配
向粒３０％、＜５１１＞配向粒２３％、＜１１０＞配向
粒８％、＜１００＞配向粒７％、その他の方位の粒３２
％と上述のメッキ銅膜１の場合とは異なった配向性であ
った。

【００４１】また、銅、タンタル、ガリウム等のイオン
を注入した銅膜では、＜１００＞配向粒が増加したが、
それらの膜においても過半数の結晶粒が双晶を形成して
いることを確認できた。

【００４２】（実施例３）第３の実施例として、標準的
な埋め込み配線形成法を用いて製作した埋め込み配線に
対する結果を図３に示す。この実施例は、幅５μｍの配
線に対する結果であるが、ベタ膜の場合と同様に測定さ
れた結晶粒の過半数が双晶関係にあることが確認でき
た。なお、埋め込み配線の場合には、ベタ膜での測定結
果に比して測定できない領域（図３における最小寸法の
点状の領域）が多いが、これは、化学機械研磨（ＣＭ
Ｐ）法によって配線パターンを形成する際に生じた研磨
傷等によると考えられる。

【００４３】（実施例４）第４の実施例として、配線幅
が平均粒径より小さい配線（幅０．５６μｍ）の配線長
方向に平行な断面での測定結果を図４に示す。この例に
おいても、９０％以上の結晶粒が双晶関係にある。配線
構造は、この断面の粒界図からは擬バンブー粒界構造で
あるが、配線表面からの測定結果でもやはり擬バンブー
粒界構造となっている。また、ＥＢＳＤ測定データの解
析により、図１に示したような多重双晶構造が存在する
とともにバンブー粒界部の多くの双晶境界は整合境界で
あると結論された。

【００４４】この結果は、本実施例での配線では配線途
中でのボイドの発生率が減少することを示唆している。
なお、図４での配線断面が一様でなくうねっているの
は、ＥＢＳＤ測定時に配線の周囲の絶縁膜への帯電によ
って電子線にドリフトが生じたことによるものである。

【００４５】実施例１及び２の膜と同条件で形成した２
種類のメッキ銅膜を用い、集積回路の標準的な埋め込み
配線形成方法を用いて、配線幅が平均粒径よりも大きい
配線（配線幅８μｍ）と小さい配線（配線幅０．４μ
ｍ）の埋め込み配線を製作した。製作した配線を温度２
７５℃、電流密度２ＭＡ／ｃｍ²でエレクトロマイグレ
ーション試験を行った。その結果、表１に示したよう
に、比較に用いたアルミ配線に比べて、太い配線では約
１０倍、細い配線では約２．５倍の寿命となり、いずれ
の膜においても高い信頼性が得られた。

【００４６】

【表１】

【００４７】実施例の配線を構成する結晶粒の過半数
は、双晶を構成している。この結果マイグレーションに
悪影響を及ぼす結晶粒界の減少をもたらし、マイグレー
ション耐性を向上させたものと考えられる。

【００４８】発明者らは、今回メッキ条件は一定として
実施例を説明したが、メッキ条件・シードの材質及びそ
の製造条件により膜の配向性や双晶の配向が変化するこ
とを見いだしているが、双晶の形成には大きな影響は与
えないことも見いだしている。

【００４９】本実施例は、メッキ埋め込み配線を用いて
説明したが、本発明は銅配線であればメッキ埋め込み配
線に限るものではなく、気相堆積（ＣＶＤ）法やスパッ
タ法等の銅膜堆積方法や、ドライエッチング等によって
形成される従来型の配線に対しても適用できることは明
らかである。

【００５０】

【発明の効果】本発明により、信頼性の高くかつ製造コ
ストが低い銅及び銅合金配線を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施例の膜での双晶状態を示す図

【図２】 第２の実施例の膜での双晶状態を示す図

【図３】 第３の実施例の配線での双晶状態を示す図

【図４】 第４の実施例の配線での双晶状態を示す図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 和良 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 斉藤 修一 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅あるいは銅合金層を含む配線におい
   て、過半数の銅あるいは銅合金結晶粒が双晶を形成して
   いることを特徴とする銅配線。
2. 【請求項２】 前記銅あるいは銅合金の双晶を形成する
   結晶粒の平均粒径よりも配線幅が大きいことを特徴とす
   る請求項１記載の銅配線。
3. 【請求項３】 前記銅あるいは銅合金の双晶を形成する
   結晶粒の平均粒径よりも配線幅が小さいことを特徴とす
   る請求項１記載の銅配線。