JP2005223059A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥による寿命の短縮化が抑制された信頼性の高い銅系配線を備える半導体装置を提供すること。
【解決手段】 酸素及び塩素を、いずれも平均濃度１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３で含む銅又は銅合金からなる配線層を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に、信頼性の高い銅系配線を備える半導体装置に関する。

銅又は銅合金からなる銅系の多層配線の信頼性は、結晶配向性、結晶粒径、含まれる不純物などにより大きな影響を受ける。これまで、銅系配線を形成するプロセスとしてスパッタリングを用いて得たスパッタ膜は、高純度のターゲットを高真空中で、高純度のＡｒガスを用いて成膜されていたため、不純物の極めて少ない膜であった。

一方、Ｃｕダマシン配線形成プロセスとして広く採用されている電解メッキプロセスでは、配線溝への埋め込み性の向上、及びメッキ膜表面の平坦化を実現するために、アクセラレーター、サプレッサー、レベラーといった３種類の添加物が様々な添加量でメッキ液中に添加されている。その結果、これらの添加物を構成する元素が不純物としてＣｕ配線中に混入し、Ｃｕ配線中の不純物量は、数１０から数１００ｐｐｍ程度となっていた。

このようなＣｕ配線中の不純物の主なものとして、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）が挙げられ、これらが結晶粒成長の抑制、配線のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）及びストレスマイグレーション（ＳＭ）による信頼性の劣化を引き起こす原因と考えられている。

また、配線の信頼性を劣化させる原因として、配線形成時に発生するマイクロボイドが現在大きな問題となっている。マイクロボイドの存在は、ＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥を生じさせる初期ボイドとなる。このような初期ボイドが存在すると、マイクロボイド発生の潜伏時間が無く、電流印加とともにマイクロボイドが成長するため、ＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥により寿命が大幅に短縮化する。そのため、マイクロボイドの発生を抑制する早急な対策が望まれている。

ＥＭ欠陥を防止する方法として、銅配線を形成するためのエッチングガスとして、分子中にハロゲンと硫黄を含むガスを用いて、配線表面に銅硫化物を形成する方法（例えば、特許文献１参照）、及び電解メッキによる銅配線の形成のための銅シード層中のＯ、Ｃ、Ｆの含有量を１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３未満に抑制することが知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、これらの方法では、その効果はいずれも低く、満足し得るものではなかった。
特開２０００−７７４１２号公報 特開２００２−５７１２６号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、ＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥による寿命の短縮化が抑制された、信頼性の高い銅系配線を備える半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、酸素及び塩素を、いずれも平均濃度１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３で含む銅又は銅合金からなる配線層を具備することを特徴とする半導体装置を提供する。

また、本発明の他の態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に形成された第１の配線溝に埋め込まれた第１の配線層と、前記第１の絶縁層上に拡散バリア層を介して形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層に形成されたビアホール及び第２の配線溝にそれぞれ埋め込まれ、前記第１の配線層に電気的に接続されたビア及び第２の配線層とを具備し、前記第１及び／又は第２の配線層は、酸素及び塩素を、いずれも平均濃度１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３で含む銅又は銅合金からなることを特徴とする半導体装置を提供する。

以上のように構成される本発明の半導体装置によると、ＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥による寿命の短縮化が抑制され、信頼性が高い半導体装置を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明者らは、電解メッキにより形成したＣｕ配線層のＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥により寿命を短縮化しているＣｕ配線層中のマイクロボイドにつき、種々解析した結果、マイクロボイドの発生は、Ｃｕ配線層中のＯ及びＣｌに起因することを見出した。即ち、Ｃｕ配線層中のＯ及びＣｌの平均濃度が２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３を越えると、マイクロボイドが多量に発生し、Ｃｕ配線層のＥＭ欠陥及びＳＭ欠陥により寿命が短縮化されることがわかった。

通常、電解メッキ液中には種々の添加物が含まれていることから、形成されたＣｕメッキ膜中には、添加物の構成元素であるＳ、Ｏ、Ｃ、Ｃｌが２〜３×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３程度の濃度で含まれている。電解メッキにより形成されたＣｕ配線層のＥＭ及びＳＭ加速試験の結果、Ｃｕ配線層中のＣｌ及びＯの不純物濃度が、マイクロボイドの発生に大きな影響を与え、２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３を越えると、マイクロボイドの多量の発生により、ＥＭ寿命及びＳＭ寿命が顕著に短縮することがわかった。

これに対し、Ｃｕ配線層中のＣｌ及びＯの不純物濃度を２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３以下に制御することにより、配線の不良は抑制され、Ｃｕ配線の信頼性を向上させることが出来ることが判明した。

なお、成膜されたＣｕメッキ膜中にＯが存在すると、例えば電解メッキ後アニール時等において、フォーミングガス中の水素がＣｕメッキ膜中に拡散し、膜中のＯと結合することにより水を発生する。この現象は、水素脆性として、Ｃｕ材料に一般に良く知られているが、膜中にＣｌが存在すると、水とＣｌの相互作用により、Ｃｕの腐食が加速され、マイクロボイドが特に多量に発生することも判明した。

一方、Ｃｕ配線層中のＣｌ及びＯの不純物濃度が１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３未満になると、Ｃｕ配線の信頼性が低下することも判明した。これは、Ｃｕ配線層中に不純物が混在することにより、結晶粒成長を促進する効果が生ずるが、不純物濃度が低すぎると、そのような効果が得られないためであり、各種不純物濃度のＣｕ膜の結晶粒径測定結果およびＥＭ及びＳＭの測定結果より明らかとなった。

なお、Ｃｌ及びＯ以外の不純物であるＳ、Ｃ、Ｎに関しては、通常の濃度である２〜３×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３程度では、Ｃｕ配線層の信頼性に影響を及ぼすことは確認されなかった。

Ｃｕ配線層中のＣｌ及びＯの不純物濃度の制御は、電解メッキによる成膜の場合には、例えば、メッキ液中へのレベラー等の添加剤の添加量を調整することにより行うことが出来る。この場合、Ｃｌ及びＯの不純物濃度は、配線層内の含有量が１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３の範囲内であればよく、成膜後にＣＭＰ等により除去される余剰部分がこの範囲外、例えばこの範囲より高濃度であっても何ら問題は生じない、これは、熱処理後のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）測定によると、熱処理によっても不純物分布に変化が生じないためであり、Ｃｕメッキ後に、３００℃以下でアニールを行っても不純物の拡散は起きていないためである。従って、電解メッキによりＣｕ配線層の形成を行う場合、ビア及び配線溝への埋め込み時にはＯ及びＣｌを微量に（上記範囲内に）含有するメッキ液を使用し、引き続き余剰部分の電解メッキは、Ｏ及びＣｌを多量に（上記範囲を超えて）含有する通常のメッキ液を用いて行えば良く、このような操作は、メッキ液を切り替えることや、メッキ液を途中で置換することにより実現可能である。

また、配線溝へのＣｕの埋め込み成膜を行う場合、Ｃｕ配線層中への添加物の巻き込みを低減するために、電解メッキの電流密度は、初期の低不純物濃度のメッキ液を用いる電解メッキ時には高いほど望ましいが、メッキ液中の拡散律速に起因する埋め込み劣化を考慮すると、３〜１０Ａ／ｃｍ^２の範囲内であることが望ましい。

本発明の実施形態の半導体装置における配線溝へのＣｕ配線層の埋め込みは、電解メッキに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等により行うことが出来る。電解メッキは、メッキ液中の添加物からの不純物の混入が多いため、本発明に適用した場合に特に効果的である。スパッタリングとしては、埋め込みを良好に行うため、通常のスパッタリングの後にリフローを施すリフロースパッタ法、通常のスパッタリングの後に基板を高温に維持してスパッタリングを行う２ステップスパッタリング法を用いることが好ましい。

以下、本発明の実施例及び比較例を示し、より具体的に説明する。

実施例
能動部を有するＳｉ基板（図示せず）上に酸化膜（図示せず）を１５ｎｍの厚さに形成した後、引き続き、図１に示されるように、ＣＶＤ法によりＳｉＯＣ系のＬｏｗ−ｋ膜１を２５０ｎｍの厚さに形成した。その後、リソグラフィー工程によりレジストパターンを形成し、これをマスクとしてＲＩＥ工程により、幅５μｍ、深さ２５０ｎｍの第１層配線用溝を形成した。次いで、アッシングによりレジストパターンを除去し、更に、洗浄工程を行った後、メタル成膜工程により第１層Ｃｕ配線層２を形成した。

第１層Ｃｕ配線層の形成は、次のようにして行った。即ち、まず、２５０℃、水素雰囲気中で脱ガスを行った後、Ｔａ層をＳＩＳ（self-ionized sputtering）法により１５ｎｍの厚さに形成した。その後、ＣｕをＳＩＳ法により７０ｎｍの厚さに形成し、更に４００℃に基板が維持された状態でスパッタリングを行うことにより、第１層配線用溝にＣｕ膜を埋め込んだ。その後、イオン注入により、下記表１に示す種々の濃度の不純物をＣｕ膜中に添加した。なお、ここでのＣｌ及びＯの不純物濃度は、配線形成後ＳＩＭＳにより測定された配線内深さ方向の不純物分布（デプスプロファイル）に基づいて求めた平均濃度である。このとき、一次イオンにはＣｓを用い、マトリックス効果を除去するため、界面領域の１０ｎｍは除去して平均濃度の導出を行った。

更に、水素１０ｖｏｌ％のフォーミングガス中にて１５０℃、６０分の熱処理を行った後、ＣＭＰにて表面を研摩してＬｏｗ−ｋ膜１上におけるＣｕ膜及びＴａ膜の余剰部分を除去し、第１層配線用溝内に、バリア層としてのＴａ層３及び第１層Ｃｕ配線層２を形成した。

次いで、プラズマＣＶＤ法にて拡散バリア層としてＳｉＣ層４を６０ｎｍの厚さに形成した後、ＳｉＯＣ系のＬｏｗ−ｋ膜５を８００ｎｍの厚さに形成した。その後、リソグラフィー工程によりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ工程により０．１３ｎｍ径のビアホールを形成した。レジストパターンをアッシングにより除去した後、引き続きリソグラフィー工程により別のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ工程により、幅０．２μｍ、深さ３００ｎｍの第２層Ｃｕ配線用溝を形成した。

レジストパターンをアッシングにより除去した後、ビアホール底部のＳｉＣ拡散バリア膜を除去し、露出する第１層Ｃｕ配線層２の表面の洗浄を行った。洗浄後、スパッタ装置内にて脱ガス処理を行った。この脱ガス処理は、ＳＭの加速試験の目的より、第１層Ｃｕ配線層２内に結晶欠陥を多量に生成するために、３５０℃、６０秒の熱処理を減圧水素中で行った。

引き続き、バリア層としてＴａ層６を１５ｎｍの厚さに形成した後、Ｃｕメッキシード層７を８０ｎｍの厚さに形成した。その後、電解メッキ法により、第２層Ｃｕ層８を８００ｎｍの厚さに形成した。このようにして、図１に示す構造を得た。

その後、第１層Ｃｕ配線層２の場合と同様、１５０℃、６０分の熱処理を行い、熱処理後、ＣＭＰにより全面を研磨して、Ｌｏｗ−ｋ膜５上におけるＣｕ層及びＴａ層の余剰部分を除去した。引き続きＳｉＣ拡散バリア膜を７０ｎｍの厚さに形成した後、パッシベーション膜として、ｄ−ＴＥＯＳ膜を４００ｎｍの厚さに、ｐ−ＳｉＮ膜を６００ｎｍの厚さに形成した。更に、Ａｌパッド電極を形成することにより、Ｃｕ配線層を大気に触れさせることのない、２層のＣｕ配線層を有する多層配線構造が完成した。

以上のようにして形成した２層Ｃｕ配線について、以下のように、第１層Ｃｕ配線層のＳＭ加速試験を行った。なお、試料となる２層Ｃｕ配線は、図２に模式的に示すような配線構造を１０ｋ個つなげたビアチェーンであり、上述のように、第１層Ｃｕ配線層の幅は５μｍ、第２層Ｃｕ配線層の幅は０．２μｍ、配線長は１０μｍである。このような構造は、ビア内面はＴａバリア層で遮断されているため、ビア直下の配線層の部分ＡにＳＭボイド不良が最も発生しやすい構造である。また、第１層Ｃｕ配線層の幅が広いため、体積に比例する結晶粒界、結晶欠陥およびマイクロボイドの数が多い構造である。

以上のプロセスにおいて各種熱処理が施されている２層Ｃｕ配線試料に、ＳＭ加速試験として本構造で最もＳＭ加速度の高い１７５℃で、１０００時間の放置試験を行った。その結果を下記表１に示す。ここで、ＳＭ信頼性（不良率）は、１０％の抵抗上昇を不良とし、初期不良を除いた試験パターン数に対する不良数の百分率を記した。

また、図３に模式的に示すように、第１配線長が１００μｍの両終端ビアの２層Ｃｕ配線構造において、第１層Ｃｕ配線層のＥＭ試験を行った。第１層Ｃｕ配線層の配線幅は０．１３μｍのボーダレス構造であり、通常の電解メッキにより得たＳ、Ｏ、Ｃ、Ｃｌが２〜３×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３の平均濃度を有する配線構造の寿命を１として、その相対値を各試料のＥＭ信頼性として下記表１に示す。

更に、上記実施例では、ＳＭ不良を加速させるため、拡散バリア層を開口して第１層Ｃｕ配線層を露出させた後、３５０℃、６０秒の熱処理を行ったが、引き続いて実施例１〜４と同様の不純物濃度でＣｌ及びＯをイオン注入したＣｕ膜に対し、通常の２５０℃、３０秒の熱処理条件にて熱処理を施した多層配線を形成し、それぞれ同様のＳＭ、ＥＭ加速試験を行った。いずれの試料でもＳＭ不良は観測されず、ＥＭ試験においてもＳ、Ｏ、Ｃ、Ｃｌが２〜３×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３の平均濃度である配線に対し、寿命が約２倍以上という良好な結果が得られた。

上記表１より明らかなように、イオン注入工程で導入されたＣｌ及びＯの濃度により、ＳＭ及びＥＭ信頼性に影響がみられる。即ち、Ｃｌ及びＯの濃度が共に１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜２．０×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３、特に１．０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１．０×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３の場合に信頼性の向上がみられた。

また、２層配線形成後、ＴＥＭ観察を行った結果、Ｃｌ及びＯの濃度が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である実施例５の試料において、微量のマイクロボイドが配線中に観察された。マイクロボイド周辺をＥＤＸ及びＥＥＬＳにて分析を行ったところ、ＣｌとＯが検出され、マイクロボイド形成にＣｌ及びＯが影響を及ぼしていることが確認された。

更に、Ｏ濃度（比較例２、３）、Ｃｌ濃度（比較例４、５）のいずれか一方が２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を越える場合にＳＭ不良が観察され、多量のマイクロボイドも観察されたが、Ｏ濃度、Ｃｌ濃度の双方が２．０×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３を越える場合（比較例６）には、極めて多量のマイクロボイドが観察され、両元素の相乗効果により、マイクロボイドの発生が特に顕著であることが確認された。

一方、Ｃｌ及びＯの濃度が１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より低い比較例１の試料に関し、信頼性試験前にＴＥＭ観察を行った結果、結晶粒径が０．４μｍであり、実施例３の結晶粒径の１．８μｍに比べて非常に小さいことから、結晶粒径が小さいことが、ＥＭ及びＳＭ信頼性の劣化を引き起こした原因と考えられる。

このように、Ｃｕ配線は、含有するＣｌ、Ｏの濃度の影響を多大に受ける。この場合、Ｃｕ配線に添加される他の元素は、それぞれの機能を満たすものであれば如何なるものでも良く、最終的に残留する元素の濃度が２〜３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であれば問題はない。

なお以上には、Ｃｕの２層配線を形成した実施例について説明したが、本発明はＣｕの合金からなる配線にも同様に適用することが出来る。また、３層以上の多層配線であってもよいことは言うまでもなく、多層配線中のいずれのＣｕ（又はその合金）からなる配線に対しても本発明は適用可能である。更に、Ｃｕ膜中に添加されるＣｌ及びＯは、イオン注入で導入する以外にも、電解メッキによるＣｕ成膜のメッキ液中の添加物を利用することや、スパッタリングによるＣｕ成膜に用いられるターゲットに添加物を添加して合金化することよっても、各実施例と同等の濃度でＣｕ膜に添加することが出来る。

本発明の実施例に係る２層Ｃｕ配線構造を示す断面図。 本発明の実施例で用いたＳＭ試験の試料を模式的に示す断面図。 本発明の実施例で用いたＥＭ試験の試料を模式的に示す断面図及び平面図。

符号の説明

１，５・・・Ｌｏｗ−ｋ膜、２・・・第１層Ｃｕ配線層、３，６・・・Ｔａ層、４・・・ＳｉＣ層、７・・・Ｃｕメッキシード層、８・・・第２層Ｃｕ層。

Claims (5)

1. 酸素及び塩素を、いずれも平均濃度１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３で含む銅又は銅合金からなる配線層を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に形成された第１の配線溝に埋め込まれた第１の配線層と、前記第１の絶縁層上に拡散バリア層を介して形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層に形成されたビアホール及び第２の配線溝にそれぞれ埋め込まれ、前記第１の配線層に電気的に接続されたビア及び第２の配線層とを具備し、前記第１及び／又は第２の配線層は、酸素及び塩素を、いずれも平均濃度１．０×１０^１６〜２．０×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３で含む銅又は銅合金からなることを特徴とする半導体装置。
3. 酸素及び塩素の平均濃度が１．０×１０^１６〜１．０×１０^１８〜ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 酸素及び塩素の平均濃度が、二次イオン質量分析法により測定された配線深さ方向のデプスファイルに基づいて求められた値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記銅又は銅合金からなる配線層は、メッキプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。

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