JP2005019979A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性及び生産性が高い半導体装置及び生産性の高い半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０に設けられ、表面にバリアメタル層２が形成された溝１０ａにＣｕ配線１００が形成されてなる。Ｃｕ配線は、シード層１１から拡散されたＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金１で構成されており、粒径が大きく粒界が少ない。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体装置に関する。特に、高信頼性を有してなる半導体装置に関する。

近年、ＬＳＩ等の半導体装置は、電子機器の高機能化、小型軽量化及び高速化の要求に応えるために高集積化が進められている。この半導体装置の高集積化を実現するために配線幅の微細化が進んでいる。シリコン基板上に形成されるＬＳＩの配線材料としては、電気抵抗が低い、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜との接着性が良い、加工が容易である等の理由から、従来よりＡｌが多用されてきた。

しかしながら、配線材料としてＡｌを用いた場合、ＬＳＩの高集積化による配線の微細化に伴い、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）、ストレスマイグレーション（ＳＭ）、ボイド等に起因する信頼性の低下が深刻な問題となっていることから、近年、Ａｌに代わる各種配線材料の検討がなされている。

中でもＣｕは、電気抵抗がＡｌの約２／３と低いためＡｌに比べて電流密度を多くとることができ、且つ融点がＡｌよりも４００℃以上高いためエレクトロマイグレーション耐性が高い。以上のことからＣｕは微細加工を必要とする次世代ＬＳＩの配線材料として有力視されている。

しかしながら、配線幅が０．３μｍ程度まで微細化されてくるようになると、Ｃｕから形成された配線（以下、「Ｃｕ配線」とする）であってもエレクトロマイグレーションに起因する配線の劣化が無視できなくなってきている。前記エレクトロマイグレーションの発生を低減させるための一手段として、Ｃｕの結晶粒径を大きくすることが挙げられる。Ｃｕの結晶粒径を大きくすることにより、粒界拡散によるＣｕ原子の移動を抑制することでエレクトロマイグレーションを回避することができる。例えば、特開平４−３２６５２１号には、Ｃｕ配線を構成するＣｕの結晶粒径を１μｍ又はそれ以上とする半導体集積回路装置が開示されている。前記Ｃｕ配線は、半導体基板の絶縁膜上に分子線エピキタシー法を用いるか若しくはスパッタリングにより半導体基板上にＣｕの薄膜を堆積した後ドライエッチングにより配線状に加工することにより得られる。前記と同様の半導体装置の製造方法が特開平５−４７７６０号や特開平１０−６０６３３号等に開示されている。

一方、近年の配線の微細化に伴い、精密に且つ簡便に微細な配線を半導体集積回路装置に形成することができる方法が求められるようになってきている。例えば、前述したより半導体基板上にＣｕの薄膜を堆積した後エッチングにより配線を形成する方法の代わりに、半導体基板上に形成された絶縁膜上に溝を形成し、その溝にＣｕを埋設した後熱処理を行うことによりＣｕ配線を形成する方法が用いられるようになってきている。この方法においては、溝を用いてＣｕ配線を形成するため微細なＣｕ配線を得ることができるうえ、溝の大きさを適宜変えることにより必要な配線幅を有する配線を精密に且つ簡便に形成することができる。係る方法により得られた従来のＣｕ配線及び前記従来のＣｕ配線の製造方法の一例をそれぞれ図５及び図６に示す。

前記Ｃｕ配線は図５に示されるように、Ｃｕ層４１の上面部４００ａ以外の表面を取り囲むようにバリアメタル層２が形成されてなる。すなわち、Ｃｕ配線４００は、Ｃｕ層４１と、Ｃｕ層４１の上面部４００ａ以外の表面を包接するように形成されたバリアメタル層２とを有してなる。なお、図５（ａ）はＣｕ配線４００が設置された半導体装置の正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示される半導体装置のうちＣｕ配線４００部分を抜き出した斜視図である。
係るＣｕ配線４００は、半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０上に溝１０ａを形成し（図６（ａ）参照）、続いて前記溝１０ａの表面にバリアメタル層２を成膜する（図６（ｂ）参照）。次に、前記バリアメタル層２上にＣｕ層１２を積層した後（図６（ｃ）参照）、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｍｅｎｔ）処理により前記Ｃｕ層１２を所定の厚さに加工してから熱処理を行うことで原子配列が矯正されたＣｕ層４１を有してなるＣｕ配線４００を得る（図６（ｄ）参照）。この場合熱処理を行ってからＣＭＰ処理を行うこともできる。

しかしながら、溝にＣｕを埋設する工程を含む方法により得られたＣｕ配線を有する半導体集積回路装置には次のような問題が生じていた。図５に示されるＣｕ配線４００は前述したように、まず半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０上に溝１０ａを形成し、前記溝１０ａにＣｕを埋設した後熱処理を行うことにより形成される。この方法で微細な配線を形成する場合には、配線形成に用いる前記溝の幅は微細なものを用いることになる。このように幅が狭い溝を用いて、前述した方法によりＣｕを埋設した後熱処理を行う場合、幅が狭い溝１０ａの中ではＣｕ結晶粒が成長しにくく粒径が小さくなる。粒径が小さくなると配線中に粒界４３（図５（ｃ）参照：図５（ｂ）に示されるＣｕ配線４００におけるＢ−Ｂ’面での断面図）が多く発生する。係る配線中を用いて電流を流す場合、通電時に最もエネルギーが低い粒界を通ってＣｕの質量輸送が活発に行われる。このため、エレクトロマイグレーションが多く発生してしまい、前記配線に破断・亀裂が生じショートの原因となる。以上のことから半導体集積回路の信頼性が低下するとともに歩留まりの低下により生産性が低下するという問題が生じていた。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものである。
本発明の目的は、信頼性及び生産性が高い半導体装置を提供することである。
また、本発明の目的は、生産性が高い半導体装置の製造方法を提供することである。

以上の課題を解決するために、本発明者は、半導体装置内に設置されるＣｕ配線の製造に関して鋭意研究を重ねた。その結果、本発明者は、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金で構成されている配線を、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に形成することとした。これにより、前記Ｃｕ合金の融点がＣｕの融点よりも低くなるためＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくすることができる。さらに、前記Ｃｕ配線の長手方向（電流が流れる方向と平行方向）と垂直方向に粒界を形成することができるためＣｕの質量輸送経路を少なくしエレクトロマイグレーションの発生を低減することができる。以上のようにＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくするとともにエレクトロマイグレーションの発生を低減することにより配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができる。これにより半導体装置の信頼性及び生産性の向上を図ることができるという着想に基づき本発明の半導体装置に想到した。

また、本発明者は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を０．１重量％以上、１重量％未満の範囲で含有するＣｕ合金で構成されている配線を、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に形成することとした。Ｍｏ、Ｔａ、ＷはＣｕと合金化することなくＣｕの粒界又は粒内に存在するうえ、Ｃｕより密度が大きいため前記Ｃｕ合金内においてＣｕと比較して移動が遅くＣｕ合金の粒界に析出しＣｕの拡散を抑制することができる。さらに、被抵抗がＣｕの１０倍以下であるためＣｕの配線抵抗を極端に上昇させることなくＣｕの質量輸送を抑制することができる。これにより、エレクトロマイグレーションの発生を低減することで配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができるため、半導体装置の信頼性及び生産性の向上を図ることができるという着想に基づき本発明の半導体装置に想到した。

以上の課題を解決するため提供する本出願第１の発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に配線が形成されてなり、前記配線は前記配線は、不純物を含まないときのＣｕ層の第1の粒径よりも大きい第2の粒径を有するＣｕ合金で構成することを特徴とする半導体装置である。上記の第１の発明において、Ｃｕ合金は、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金とすることができる。

前記Ｃｕ合金に含まれるＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つが０．１重量％未満である場合、Ｃｕ合金の融点をＣｕの融点よりも十分に低くすることができないためＣｕ合金の粒径が大きくならず粒界を少なくすることが十分にできない。さらに、配線の長手方向と垂直方向に粒界を形成できないためエレクトロマイグレーションの発生を十分に低減することができない。以上のことから、配線の破断・亀裂の発生を低減することができないと考えられる。一方、前記Ｃｕ合金に含まれるＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに対する最大固溶限以上である場合、これらの元素がＣｕと化合物を形成してしまい配線の破断・亀裂の発生が考えられる。したがって、上記構成を有する本出願第１の発明の半導体装置によると、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝にＣｕ配線が形成されてなり、前記Ｃｕ配線はＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金で構成されていることにより、前記Ｃｕ合金の融点がＣｕの融点よりも低くなるためＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくすることができる。さらに、前記Ｃｕ配線の長手方向と垂直方向に粒界を形成することができるためＣｕの質量輸送経路を少なくしエレクトロマイグレーションの発生を低減することができる。以上のようにＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくするとともにエレクトロマイグレーションの発生を低減することにより配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができるため、高信頼性及び高生産性を有する半導体装置として得ることができる。

また、本出願第２の発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に配線が形成されてなり、前記配線はＣｕ合金内に析出し、かつ、Ｃｕの拡散を抑制する不純物をＣｕ合金の結晶粒界に有するＣｕ合金で構成することを特徴とする半導体装置である。上記第２の発明において、Ｃｕ合金は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を０．１重量％以上、１重量％未満の範囲で含有するＣｕ合金とすることができる。

前記Ｃｕ合金に含まれるＭｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上が０．１重量％未満である場合には、配線中におけるＣｕの拡散を十分抑制することができないため、エレクトロマイグレーションの発生を低減することができないと考えられる。一方、前記Ｃｕ合金に含まれるＭｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上が１重量％以上である場合には、配線抵抗が上昇してしまい、導電性が悪くなることが考えられる。また、Ｍｏ、Ｔａ、ＷはいずれもＣｕと合金化することなくＣｕの粒界又は粒内に存在する。したがって上記構成を有する本出願第２の発明の半導体装置によると、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝にＣｕ配線が形成されてなり、前記Ｃｕ配線はＭｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を０．１重量％以上、１重量％未満の範囲で含有するＣｕ合金で構成されていることにより、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等の粒子２４がＣｕ合金の粒界に析出して、Ｃｕの拡散を抑制することができるうえ、Ｃｕの配線抵抗を極端に上昇させることなくＣｕの質量輸送を抑制することができる。これにより、エレクトロマイグレーションの発生を低減することで配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができるため、高信頼性及び高生産性を有する半導体装置として得ることができる。

また、本出願第３の発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、前記シード層上にＣｕ層を形成する工程と、前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、前記Ｃｕ層に対して熱処理を行い、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つの元素をＣｕ層に拡散させ、Ｃｕ層の粒径を大きくしてＣｕ層の結晶粒界を減少させる工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

上記構成を有する本出願第３の発明の半導体装置の製造方法によると、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、前記シード層上にＣｕ層を形成する工程と、前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、前記Ｃｕ層に対して熱処理を行う工程とを有してなることにより、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに含有されてなるＣｕ合金を半導体基板上に簡便に形成することができるため生産性の向上を図ることができる。

また、本出願第４の発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上がＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、前記シード層上にＣｕ層をする工程と、前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、前記Ｃｕ層に対して熱処理を行い、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つをＣｕ層に拡散させ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つをＣｕ層の結晶粒界に析出させてＣｕの拡散を抑制する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

上記構成を有する本出願第４の発明の半導体装置の製造方法によると、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上がＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、前記シード層上にＣｕ層をする工程と、前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、前記Ｃｕ層に対して熱処理を行う工程とを有してなることにより、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上がＣｕに含有されてなるＣｕ合金を半導体基板上に簡便に形成することができるため生産性の向上を図ることができる。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照して説明するが、以下の実施の形態は本発明に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法の一例にすぎない。
（第１の実施形態）
図１は、本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。
図２は、Ａｇ−Ｃｕの２成分系共融化合物の状態図である。
図３は、本発明の一実施の形態に係る半導体装置の一製造工程を示す図である。

本実施の形態に係る半導体装置は図１に示されるように、半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０に設けられ、表面にバリアメタル層２が形成された溝１０ａにＣｕ配線１００が形成されてなる。ここで、Ｃｕ配線とはＣｕを含む材料で構成された配線をいい、また、Ｃｕ合金とはＣｕを含み形成されてなる合金をいう。前記Ｃｕ配線１００はＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを含有するＣｕ合金１で構成されている。バリアメタル層２はＣｕ合金１の上面部１００ａ以外の表面を取り囲むように形成されてなる。換言すると、Ｃｕ配線１００はＣｕ合金１と、Ｃｕ合金１の上面部１００ａ以外の表面を包接するように形成されたバリアメタル層２とを有してなる。バリアメタル層２はＣｕが層間絶縁膜１０又は半導体基板０に拡散するのを防止するとともに、層間絶縁膜１０への密着力を強化するために形成する。

ここで、本実施の形態に係るＣｕ配線１００が設置された半導体装置を示す正面図を図１（ａ）に、図１（ａ）に示されるＣｕ配線１００部分の拡大図を図１（ｂ）に、図１（ａ）に示される半導体装置のうちＣｕ配線１００部分を抜き出して示した斜視図を図１（ｃ）に、及び図１（ｃ）に示されるＣｕ配線１００のＢ−Ｂ’面からの断面図を図１（ｄ）それぞれ示す。前記Ｃｕ配線１００は、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金１で構成されていることが望ましい。前記Ｃｕ合金に含まれるＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つが０．１重量％未満である場合、Ｃｕ合金の融点をＣｕの融点よりも十分に低くすることができないためＣｕ合金の粒径が大きくならず粒界を少なくすることが十分にできない。さらに、配線の長手方向と垂直方向に粒界を形成できないためエレクトロマイグレーションの発生を十分に低減することができない。以上のことから、配線の破断・亀裂の発生を低減することができないと考えられる。一方、前記Ｃｕ合金に含まれるＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに対する最大固溶限以上である場合、これらの元素がＣｕと化合物を形成してしまい配線の破断・亀裂の発生が考えられる。以上により、前記Ｃｕ配線１００は、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ合金１で構成されていることにより、図１（ｂ）に示されるように、前記Ｃｕ合金１の融点がＣｕの融点よりも低くなるためＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくすることができる。さらに、図１（ｄ）に示されるように、前記Ｃｕ配線１００の長手方向（矢印Ａ）と垂直方向に粒界３を形成することができるためＣｕの質量輸送経路を少なくしエレクトロマイグレーションの発生を低減することができる。以上のようにＣｕ合金の粒径を大きくし粒界を少なくするとともにエレクトロマイグレーションの発生を低減することにより配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができるため、高信頼性及び高生産性を有する半導体装置として得ることができる。

次に、図１に示される本実施の形態に係る半導体装置の一例として、Ｃｕ配線がＡｇを含有するＣｕ合金で構成されている半導体装置について、図２に示される状態図（Ａｇ−Ｃｕの２成分系共融化合物の状態図）を参照して説明する。

図２に示されるように、Ａｇ−Ｃｕの２成分系共融化合物は、共晶点Ｙが３９．９重量％（Ｃｕに対するＡｇの重量％で換算）、共晶温度が７７９℃、Ｃｕに対するＡｇの最大固溶限Ｚ（Ｃｕに対するＡｇの固溶限が最大となる点）は４．９重量％（Ｃｕに対するＡｇの重量％で換算）である。また、図２において、曲線Ｘ上にその温度における固溶限があり、固溶限が最大となるのが点Ｚ（最大固溶限）である。
ＣｕにＡｇを添加してＣｕ合金を形成する場合、Ｃｕに添加するＡｇの量を増加させていくと曲線Ｘに沿って液相が出現し始める温度が下がる。これにより形成されるＣｕ合金の粒径が大きくなる。Ａｇ−Ｃｕ系合金のようにＣｕの固相（図２における固相Ｗ：斜線部）が小さく且つ共晶温度が低い合金の場合、添加するＡｇの量が少量であっても液相が出現し始める温度を効果的に下げることができる。ここで、Ａｇ−Ｃｕ系合金のような２元合金では、液相が出現し始める温度の低下は融点の低下と対応しているため、Ａｇを添加することにより融点を下げることが可能であるということができる。一方、Ｃｕに対する最大固溶限Ｚ以上のＡｇを添加した場合、Ａｇが一部合金化されずに析出してしまうことから導電性が低下することが考えられる。したがって、Ｃｕに対する最大固溶限Ｚ未満のＡｇをＣｕに添加してＣｕ合金を形成することにより、ＣｕにＡｇが微小に固溶するため融点を下げることができる。さらに、融点を下げることによりＣｕ合金の粒径を大きくすることができるため、エレクトロマイグレーションの発生を低減させることができる。なお、本実施の形態においてはＡｇ−Ｃｕ系合金を例にとり説明したが、Ａｕの代わりに、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、ＴｉがＣｕとの間で合金を形成する場合であってもＡｇ−Ｃｕ系合金の場合と同様の機構によりエレクトロマイグレーションの発生を低減させることができ、高信頼性を有する半導体装置として得ることができる。

次に、図１に示されるＣｕ配線１００を有してなる半導体装置の製造方法について、図３を参照して説明する。
まず、半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０上に溝１０ａを形成し（図３（ａ）参照）、続いて前記溝１０ａの表面にバリアメタル層２を成膜する（図３（ｂ）参照）。次に、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに含有されてなるシード層１１を前記バリアメタル層２上に形成する。ここで、シード層１１とは、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つが含有されてなるＣｕ層をいう。また、この場合、シード層１１中のＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉ等は、最終的に得られるＣｕ配線１００中に０．１重量％以上、最大固溶限未満の範囲で含まれるような量がＣｕに含まれているようにする（図３（ｃ）参照）。続いて、前記シード層１１上にＣｕ層１２を積層した後（図３（ｄ）参照）、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｍｅｎｔ）処理により前記Ｃｕ層１２を所定の厚さに加工してから熱処理を行うことによりＣｕ合金１を有してなるＣｕ配線１００を得る（図３（ｅ）参照）。この場合熱処理を行ってからＣＭＰ処理を行うこともできる。係る熱処理により、シード層１１中に含まれるＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉ等がＣｕ層１２中に拡散することにより、粒界の数が少なく、且つ前記Ｃｕ配線１００の長手方向（矢印Ａ）と垂直方向に形成された粒界を有してなるＣｕ合金１が形成される。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照して説明する。
（第２の実施形態）
図４は、本実施の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す図である。

本実施の形態に係る半導体装置は図４に示されるように、半導体基板０上に形成された層間絶縁膜１０に設けられ、表面にバリアメタル層２が形成されてなる溝１０ａにＣｕ配線２００が形成されてなる。前記Ｃｕ配線２００はＭｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を含有するＣｕ合金２１で構成されている。すなわち、Ｃｕ合金２１の上面部２００ａ以外の表面を取り囲むようにバリアメタル層２が形成されてなる。さらに換言すると、Ｃｕ配線２００は、Ｃｕ合金２１と、Ｃｕ合金２１の上面部２００ａ以外の表面を包接するように形成されたバリアメタル層２とを有してなる。

ここで、本実施の形態に係るＣｕ配線２００が設置された半導体装置を示す正面図を図４（ａ）に、図４（ａ）に示されるＣｕ配線２００部分の拡大図を図４（ｂ）に、図４（ａ）に示される半導体装置のうちＣｕ配線２００部分を抜き出して示した斜視図を図４（ｃ）に、及び図４（ｃ）に示されるＣｕ配線２００のＢ−Ｂ’面からの断面図を図４（ｄ）それぞれ示す。
Ｍｏ、Ｔａ、ＷはＣｕと合金化することなくＣｕの粒界又は粒内に存在するうえ、Ｃｕより密度が大きいため前記Ｃｕ合金内においてＣｕと比較して移動が遅い。このことから、前記Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等の粒子２４がＣｕ合金の粒界に析出することによりＣｕの拡散を抑制することができる（図４（ｂ）参照）。さらに、被抵抗がＣｕの１０倍以下であるためＣｕの配線抵抗を極端に上昇させることなくＣｕの質量輸送を抑制することができる。これにより、エレクトロマイグレーションの発生を低減することで配線の破断・亀裂の発生を少なくすることができるため、高信頼性及び高生産性を有する半導体装置として得ることができる。

ここで、Ｃｕ合金２１中に含まれるＭｏ、Ｔａ、Ｗが０．１重量％未満であると、Ｃｕの拡散を抑制することができず、エレクトロマイグレーションの発生を十分に低減することができない。一方、Ｃｕ合金２１中に含まれるＭｏ、Ｔａ、Ｗが１重量％以上であると、Ｃｕの配線抵抗が大きくなり、導電率が低下してしまいＣｕ配線の信頼性が低下する。したがって、Ｃｕ合金２１中に含まれるＭｏ、Ｔａ、Ｗは０．１重量％以上、１重量％未満の範囲でＣｕ合金２１に含まれることが望ましい。

また、図４に示される半導体装置は、図２に示される本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と略同様の製造工程により得られる。すなわち、シード層１１として、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を含有するＣｕを用いて同様の製造工程により、図４に示される半導体装置を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図である。 Ａｇ−Ｃｕの２成分系共融化合物の状態図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の一製造工程を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す図である。 従来の半導体装置の一例を示す図である。 従来の半導体装置の一製造工程を示す図である。

符号の説明

０ 半導体基板
１・２１ Ｃｕ合金
２ バリアメタル層
３ 粒界
１０ 層間絶縁膜
１０ａ 溝
１１・２１１ シード層
１２ Ｃｕ層
２４ Ｍｏ・Ｔａ・Ｗ等の粒子
４１ Ｃｕ層
４３ 粒界
１００・２００・４００ Ｃｕ配線
１００ａ・２００ａ・４００ａ 上面
Ｗ 固相（Ｃｕ）
Ｘ 曲線
Ｙ 共晶点
Ｚ 最大固溶限

Claims (6)

1. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に配線が形成されてなり、
   前記配線は、不純物を含まないときのＣｕ層の第1の粒径よりも大きい第2の粒径を有するＣｕ合金で構成することを特徴とする半導体装置。
2. 前記Ｃｕ合金は、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つを０．１重量％以上、Ｃｕに対する最大固溶限未満の範囲で含有するＣｕ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。
3. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられ、表面にバリアメタル層が形成されてなる溝に配線が形成されてなり、
   前記配線は、Ｃｕ合金内に析出し、かつ、Ｃｕの拡散を抑制する不純物をＣｕ合金の結晶粒界に有するＣｕ合金で構成することを特徴とする半導体装置。
4. 前記Ｃｕ合金は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上を０．１重量％以上、１重量％未満の範囲で含有するＣｕ合金であることを特徴とする請求項３の半導体装置。
5. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、
   前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、
   Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つがＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、
   前記シード層上にＣｕ層を形成する工程と、
   前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、
   前記Ｃｕ層に対して熱処理を行い、Ａｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｔｉのうち少なくとも１つの元素をＣｕ層に拡散させ、Ｃｕ層の粒径を大きくしてＣｕ層の結晶粒界を減少させる工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に配線を形成するための溝を形成する工程と、
   前記溝の表面にバリアメタル層を成膜する工程と、
   Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つ以上がＣｕに含有されてなるシード層を前記バリアメタル層上に形成する工程と、
   前記シード層上にＣｕ層を形成する工程と、
   前記Ｃｕ層を所定の厚さに加工する工程と、
   前記Ｃｕ層に対して熱処理を行い、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つをＣｕ層に拡散させ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１つをＣｕ層の結晶粒界に析出させてＣｕの拡散を抑制する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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