JP2008010896A - 半導体集積回路の配線構造及び配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ拡散防止機能のバリア性を維持しつつ、より低抵抗の半導体集積回路の配線構造及び配線形成方法を提供する。
【解決手段】基板１１上の層間絶縁膜１２下層にコンタクト領域である拡散層１３が形成されている。この拡散層１３が露出する開孔１４及び配線溝１５が形成されており、主にＣｕ配線部材１６により配線材料が埋め込まれた構成となっている。図において、少なくとも層間絶縁膜１２下層のコンタクト領域である拡散層１３に接触するバリアメタル層ＢＭＴＬが形成されている。バリアメタル層ＢＭＴＬはＴｉ／ＴｉＮ積層や、ＴａＮ、ＷＮその他様々考えられる。さらに、上記Ｃｕ配線部材１６とバリアメタル層ＢＭＴＬの間にＡｌを含む薄膜１６１が介在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に高集積化、微細化に対応可能な低抵抗の半導体集積回路の配線構造及び配線形成方法に関する。

半導体装置において、ＩＣの近年の小型化、高集積化、高速動作に伴ない、アルミニウム配線材料の代って低抵抗の銅配線材料が実用化されるようになってきた。銅配線材料による加工の困難性は、配線材料埋め込み及び化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術を含むダマシン法などの技術によって解消されている。

例えば、リソグラフィ技術を用いて層間絶縁膜を選択的に開口し、コンタクト領域を露出させる。コンタクト領域と共に配線領域となる溝を形成してもよい。
その後、コンタクト領域にＴｉ／ＴｉＮ積層、ＴａＮ、ＷＮなどのバリアメタル層材料をスパッタ法により被覆する。次に、銅配線材料を埋め込む。これには、Ｃｕのシード層のスパッタ及び電解メッキ法によるＣｕの堆積が一般的である。
これにより、コンタクト領域及び配線領域となる溝を含む領域上に銅配線材料が堆積される。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術により、コンタクト領域及び配線領域となる溝のみに銅配線材料を埋め込んだ形に加工する。

上記構成では、銅配線材料の下地に適当な厚みを有するバリアメタル層を被覆し、コンタクト領域へのＣｕの拡散を防止している。しかしながら、近年の微細化に伴ない、銅配線材料より高抵抗のバリアメタル層は、いっそうの薄膜化が要求されている。バリアメタル層の薄膜化を進めると、Ｃｕ拡散防止機能が低下しコンタクト領域の信頼性の低下を招くため、現状ではさらなる薄膜化は困難である。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、Ｃｕ拡散防止機能のバリア性を維持しつつ、より低抵抗の半導体集積回路の配線構造及び配線形成方法を提供しようとするものである。

本発明に係る半導体集積回路の配線構造は、Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線に関し、下層のコンタクト領域とのバリアメタル層と、前記Ｃｕ配線部材と前記バリアメタル層の間に介在したＡｌを含む薄膜とを具備したことを特徴とする。

上記本発明に係る半導体集積回路の配線構造によれば、Ｃｕ配線部材とバリアメタル層の間にＡｌを含む薄膜を介在させる。Ａｌはバリアメタル層と比べて低抵抗でありＣｕと合金を作りやすい。これにより、バリアメタル層が薄くてもＣｕの拡散は抑制される。なお、上記薄膜はＡｌ−Ｃｕ合金を含むことを特徴とする。

本発明に係る半導体集積回路の配線形成方法は、Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線の形成に関し、少なくとも層間絶縁膜を選択的に除去し下層のコンタクト領域を露出させる工程と、少なくとも前記コンタクト領域にバリアメタル層を被覆する工程と、前記バリアメタル層上にＡｌを含む薄膜を被覆する工程と、前記薄膜上に前記Ｃｕ配線部材を堆積し、前記コンタクト領域上方をＣｕ配線部材で覆う工程とを具備したことを特徴とする。

本発明に係るより好ましい実施態様としての半導体集積回路の配線形成方法は、Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線の形成に関し、層間絶縁膜を選択的に除去し下層のコンタクト領域を露出させると共に溝状の配線領域を形成する工程と、少なくとも前記層間絶縁膜上の配線領域及び前記コンタクト領域にバリアメタル層を被覆する工程と、前記バリアメタル層上にＡｌを含む薄膜を被覆する工程と、前記薄膜上に前記Ｃｕ配線部材を堆積し、前記コンタクト領域及び配線領域上をＣｕ配線部材で埋め込む工程と、前記Ｃｕ配線部材の加工工程とを具備したことを特徴とする。

上記本発明に係る各々の半導体集積回路の配線形成方法によれば、バリアメタル層上にＣｕ配線部材を形成する前にまずＡｌを含む薄膜を被覆する。Ａｌはバリアメタル層と比べて低抵抗でありＣｕと合金を作りやすい。これにより、バリアメタル層が薄くてもＣｕの拡散は抑制される。なお、上記薄膜の被覆はＡｌ−Ｃｕ合金の被覆を含むことを特徴とする。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体集積回路の配線構造を示す断面図である。半導体集積化回路内の素子（図示せず）に繋がる拡散層１３上において、Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材１６により配線材料が構成される多層配線のうちの所定層部分を示している。

基板１１上の層間絶縁膜１２下層にコンタクト領域である拡散層１３が形成されている。この拡散層１３が露出する開孔１４及び配線溝１５が形成されており、主にＣｕ配線部材１６により配線材料が埋め込まれた構成となっている。

図１において、少なくとも層間絶縁膜１２下層のコンタクト領域である拡散層１３に接触するバリアメタル層ＢＭＴＬが形成されている。バリアメタル層ＢＭＴＬはＴｉ／ＴｉＮ積層や、ＴａＮ、ＷＮその他様々考えられる。さらに、上記Ｃｕ配線部材１６とバリアメタル層ＢＭＴＬの間にＡｌを含む薄膜１６１が介在している。

上記Ａｌを含む薄膜１６１に関し、Ａｌはバリアメタル層ＢＭＴＬと比べて低抵抗であり、かつＣｕと合金を作りやすい。これにより、バリアメタル層ＢＭＴＬを低抵抗化のために薄くしてもＣｕの拡散は抑制される。なお、上記薄膜１６１はＡｌ−Ｃｕ合金を含む。

上記実施形態の構成によれば、微細化した配線デザインに対し、配線の抵抗を大きく上昇させることなく、かつ良好なＣｕ拡散防止機能を保つことができる。
これにより、信頼性を維持しつつ、低消費電力、高速動作に寄与する微細な配線構造が実現できる。

図２及び図３は、それぞれ図１の配線形成方法を工程順に示す断面図である。
図２に示すように、半導体集積化回路の形成される基板１１上の層間絶縁膜１２を選択的にエッチング加工し、開孔１４により下層のコンタクト領域となる拡散層１３を露出させる。このとき、溝状の配線領域（配線溝１５）を同時に形成してもよい。そのためには、図示しないが、コンタクト領域をパターニングした窒化膜などのエッチングマスクを層間絶縁膜１２中に形成しておく。その他の方法として、別のリソグラフィ工程で配線溝１５を形成してもよい。

次に、図３に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やスパッタ法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）の技術を用い、少なくとも層間絶縁膜１２上の配線溝１５及び拡散層１３にバリアメタル層ＢＭＴＬを従来に比べ相当量薄く被覆する。その後、ＣＶＤ法によりバリアメタル層ＢＭＴＬ上にＡｌを数十ｎｍ被覆する（Ａｌを含む薄膜１６１の形成）。

上記構成上において、Ｃｕのシード層のスパッタ及び電解メッキ法によるＣｕの堆積が行われる。その他ＰＶＤやＣＶＤの技術を用いてもよい。これにより、拡散層１３上方及び配線溝１５の領域上に銅配線材料（Ｃｕ配線部材１６）が堆積される。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術により、コンタクト領域及び配線領域となる溝のみに銅配線材料を埋め込んだ形に加工すれば、前記図１のような配線構造が達成される。

上記実施形態の方法によれば、バリアメタル層ＢＭＴＬ上にＣｕ配線部材１６を形成する前にまずＡｌを含む薄膜１６１を被覆する。Ａｌはバリアメタル層ＢＭＴＬと比べて低抵抗でありＣｕと合金を作りやすい。これにより、バリアメタル層ＢＭＴＬが薄くてもＣｕの拡散は抑制される。

図４は、図３の変形例を示す断面図である。前記図３では、バリアメタル層ＢＭＴＬ上にＡｌを被覆したが、この図４では、ＰＶＤ法によって、Ｃｕ−Ａｌ膜（Ｃｕx Ａｌy-x の組成）を被覆する（Ａｌを含む薄膜１６１の形成）。その後は、上記と同様プロセスにより、拡散層１３上方及び配線溝１５の領域上に銅配線材料（Ｃｕ配線部材１６）を堆積する。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術により、不要部分が除去されて前記図１のような配線構造が達成される。

上記Ａｌを含む薄膜１６１に関し、Ｃｕ−Ａｌ膜はバリアメタル層ＢＭＴＬと比べて低抵抗であり、かつＣｕと合金を作りやすい。これにより、バリアメタル層ＢＭＴＬを低抵抗化のために薄くしてもＣｕの拡散は十分に抑制される。

このような各実施形態によれば、抵抗の高いバリアメタルは薄くしつつ、Ａｌ−Ｃｕ合金による低抵抗金属層を介在させることにより、Ｃｕ配線における拡散防止機能を十分発揮できる構成とした。これにより、微細化した配線デザインに対し、配線の抵抗を大きく上昇させることなく、高信頼性、低消費電力、高速動作に寄与する微細な配線構造が実現できる。

以上説明したように本発明によれば、バリアメタル層上にＣｕ配線部材を形成する前に、バリアメタル層に比べて低抵抗のＡｌを含む薄膜を被覆する。ＡｌとＣｕの合金によって、Ｃｕの拡散は抑制されるようになるのでバリアメタル層が薄くても高信頼性が維持できる。この結果、Ｃｕ拡散防止機能のバリア性を維持しつつ、より低抵抗の半導体集積回路の配線構造及び配線形成方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体集積回路の配線構造を示す断面図である。 図１の配線形成方法を工程順に示す第１の断面図である。 図１の配線形成方法を工程順に示す第２の断面図である。 図３の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１１…基板、１２…層間絶縁膜、１３…拡散層、１４…開孔、１５…配線溝、１６…Ｃｕ配線部材、１６１…Ａｌを含む薄膜、ＢＭＴＬ…バリアメタル。

Claims (5)

1. Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線に関し、
   下層のコンタクト領域とのバリアメタル層と、
   前記Ｃｕ配線部材と前記バリアメタル層の間に介在したＡｌを含む薄膜と、を具備したことを特徴とする半導体集積回路の配線構造。
2. 前記薄膜はＡｌ−Ｃｕ合金を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の配線構造。
3. Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線の形成に関し、
   少なくとも層間絶縁膜を選択的に除去し下層のコンタクト領域を露出させる工程と、
   少なくとも前記コンタクト領域にバリアメタル層を被覆する工程と、
   前記バリアメタル層上にＡｌを含む薄膜を被覆する工程と、
   前記薄膜上に前記Ｃｕ配線部材を堆積し、前記コンタクト領域上方をＣｕ配線部材で覆う工程と、を具備したことを特徴とする半導体集積回路の配線形成方法。
4. Ｃｕを主成分としたＣｕ配線部材により配線材料が構成される多層配線の形成に関し、
   層間絶縁膜を選択的に除去し下層のコンタクト領域を露出させると共に溝状の配線領域を形成する工程と、
   少なくとも前記層間絶縁膜上の配線領域及び前記コンタクト領域にバリアメタル層を被覆する工程と、
   前記バリアメタル層上にＡｌを含む薄膜を被覆する工程と、
   前記薄膜上に前記Ｃｕ配線部材を堆積し、前記コンタクト領域及び配線領域上をＣｕ配線部材で埋め込む工程と、
   前記Ｃｕ配線部材の加工工程と、を具備したことを特徴とする半導体集積回路の配線形成方法。
5. 前記薄膜の被覆はＡｌ−Ｃｕ合金の被覆を含むことを特徴とする請求項３または４記載の半導体集積回路の配線構造。

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