JP2559829B2 - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device

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JP2559829B2 JP63326064A JP32606488A JP2559829B2 JP 2559829 B2 JP2559829 B2 JP 2559829B2 JP 63326064 A JP63326064 A JP 63326064A JP 32606488 A JP32606488 A JP 32606488A JP 2559829 B2 JP2559829 B2 JP 2559829B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体装置の配線形成法に関するものであ
る。
The present invention relates to a wiring forming method for a semiconductor device.

[従来の技術] シリコン半導体集積回路において、配線材料としては
主にアルミニウムが使用されているが、集積回路の微細
化にともない電流および応力によるアルミニウム原子の
移動(マイグレーション)による配線の断線が大きな問
題になってきている。
[Prior Art] In a silicon semiconductor integrated circuit, aluminum is mainly used as a wiring material. However, with the miniaturization of the integrated circuit, disconnection of wiring due to migration of aluminum atoms due to current and stress is a big problem. Is becoming.

またマイグレーションに対する耐性が強いタングステ
ン,モリブデンはその電気抵抗が大きく、微細化にとも
ない配線における電圧降下、および遅延が問題になる。
In addition, tungsten and molybdenum, which have strong resistance to migration, have a large electric resistance, which causes a problem of voltage drop and delay in wiring due to miniaturization.

そこでマイグレーション耐性が強く、抵抗が低い材料
として銅を配線として用いることが検討されている。微
細なコンタクトホールへの銅の埋め込み法として既に金
属および金属シリサイド上における触媒活性の差を利用
した銅薄膜の選択成長法(特願昭63−124006号)が提案
されている。
Therefore, it is considered to use copper for the wiring as a material having a high migration resistance and a low resistance. As a method of burying copper in a fine contact hole, a selective growth method of a copper thin film (Japanese Patent Application No. 63-124006) utilizing the difference in catalytic activity on metal and metal silicide has already been proposed.

[発明が解決しようとする課題] この方法では選択成長の下地および絶縁膜との密着性
を向上するために銅配線の上下を各種金属で挟むことも
提案されている。しかし挟まれる金属が純銅である場
合、ストレスおよびエレクトロマイグレーションに対す
る耐性は十分ではない。
[Problems to be Solved by the Invention] In this method, it has been proposed to sandwich the upper and lower sides of a copper wiring with various metals in order to improve the adhesion to the underlayer and the insulating film for selective growth. However, when the sandwiched metal is pure copper, the resistance to stress and electromigration is not sufficient.

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、特に半導
体装置の多層配線において、層間の微細なコンタクト孔
を銅で良好に埋め込むこと、配線材料として耐マイグレ
ーション性の強い銅合金を作ることの双方を満足する製
法を提供すること、および微細なコンタクトホールに銅
が良好に埋め込まれ、かつ耐マイグレーション性の強い
配線を有する半導体装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and particularly in a multilayer wiring of a semiconductor device, it is possible to satisfactorily fill fine inter-layer contact holes with copper and to form a copper alloy having strong migration resistance as a wiring material. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that satisfies both requirements, and to provide a semiconductor device having a wiring in which fine contact holes are satisfactorily filled with copper and which has strong migration resistance.

[課題を解決するための手段] 本発明半導体装置は少なくともその一面がジルコニウ
ム,クロム,カドミウムおよび銀の内の少なくとも1種
の金属に覆われ、内部に銅を主成分とし金属の内の少な
くとも1種を含有する金属を有する配線構造を具えたこ
とを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] At least one surface of the semiconductor device of the present invention is covered with at least one metal selected from zirconium, chromium, cadmium and silver, and at least one of the metals containing copper as a main component is contained therein. It is characterized by comprising a wiring structure having a metal containing a seed.

本発明方法は半導体装置の多層配線形成工程におい
て、絶縁膜上にジルコニウム,クロム,カドミウムおよ
び銀のうちの1種からなる第1の膜を形成した後、膜上
に銅を堆積し、さらにその上にジルコニウム,クロム,
カドミウムおよび銀のうちの1種からなる第3の膜を堆
積して多層膜を形成する工程と、多層膜を加工し、配線
を形成した後、その上に絶縁膜を形成し、開孔する工程
と、化学気相成長法によって、開孔した領域のみに銅を
選択的に形成した後、さらに上層の銅配線を形成する工
程と、熱処理により第1および第3の膜の金属の一部ま
たは全てを銅中に拡散させて合金化する工程を有するこ
とを特徴とする。
According to the method of the present invention, in the step of forming a multilayer wiring of a semiconductor device, after forming a first film made of one kind of zirconium, chromium, cadmium and silver on an insulating film, copper is deposited on the film and Zirconium, chromium,
A step of depositing a third film made of one of cadmium and silver to form a multi-layer film, and processing the multi-layer film to form wiring, and then forming an insulating film thereon, and forming a hole A step of selectively forming copper only in the opened region by a chemical vapor deposition method, and then forming an upper copper wiring, and a part of the metal of the first and third films by a heat treatment. Alternatively, the method is characterized by having a step of alloying by diffusing all in copper.

[作 用] 本発明においては絶縁物および銅との密着性が良好
で、銅との合金の導電率が大きく、かつ耐マイグレーシ
ョン性を持ち、さらに銅の選択成長の良好な下地となる
ジルコニウム,クロム,カドミウムまたは銀を銅配線の
上下に形成し、それら金属を銅の選択成長の下地とする
とともに熱処理で合金化するので従来法に比して、より
高性能な配線が可能になる。
[Operation] In the present invention, zirconium, which has good adhesion to an insulator and copper, has a large electric conductivity of an alloy with copper, has migration resistance, and is a base for good selective growth of copper, Since chromium, cadmium or silver is formed on the upper and lower sides of the copper wiring and these metals are used as the base for the selective growth of copper and alloyed by heat treatment, higher performance wiring is possible as compared with the conventional method.

[実施例] 以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施例1 第1図に本発明による半導体装置製造工程の一例を示
す。単結晶シリコン1の拡散層2に金属シリサイドのバ
リア3を形成したのちに、例えば特願昭63−124006号に
開示された触媒活性の差を利用する方法で、銅4の選択
CVDを行い、酸化シリコン5の孔から取り出す。さらに
1層目の配線の下地材料としてジルコニウムまたはクロ
ムまたはカドミウムまたは銀6を堆積した後、銅7を堆
積し、さらにその上にジルコニウムまたはクロムまたは
カドミウムまたは銀8を堆積する(第1図(A))。銅
配線の下地としてのジルコニウム,クロム,カドミウム
または銀は下地絶縁材料との密着性を高め半導体装置の
信頼性を向上させる。
Embodiment 1 FIG. 1 shows an example of a semiconductor device manufacturing process according to the present invention. After forming the metal silicide barrier 3 in the diffusion layer 2 of the single crystal silicon 1, copper 4 is selected by a method utilizing the difference in catalytic activity disclosed in Japanese Patent Application No. 63-124006, for example.
CVD is performed and the silicon oxide 5 is taken out from the hole. Further, zirconium, chromium, cadmium, or silver 6 is deposited as a base material for the wiring of the first layer, then copper 7 is deposited, and zirconium, chromium, cadmium, or silver 8 is further deposited thereon (see FIG. )). Zirconium, chromium, cadmium or silver as the base of the copper wiring enhances the adhesion to the base insulating material and improves the reliability of the semiconductor device.

銅配線の上に堆積する上記金属はコンタクト孔に選択
成長する銅の下地として良好で良質の銅膜のコンタクト
配線を形成できる。
The above metal deposited on the copper wiring can form a contact wiring of a good and good copper film as a base of copper selectively grown in the contact hole.

この多層膜をイオンミリングまたは塩素を含むガスの
反応性イオンエッチングで加工して配線を形成した後、
絶縁膜例えば酸化シリコン9を堆積し開孔する(第1図
(B))。
After processing this multilayer film by ion milling or reactive ion etching of a gas containing chlorine to form wiring,
An insulating film such as silicon oxide 9 is deposited and a hole is formed (FIG. 1 (B)).

化学気相成長法により開孔部に触媒活性の差を利用し
て選択的に銅10を堆積する(第1図(C))。
Copper 10 is selectively deposited in the openings by chemical vapor deposition utilizing the difference in catalytic activity (FIG. 1 (C)).

化学気相成長の条件は、例えば減圧CVD装置を用い、6
0℃に加熱したヘキサフロロアセチルアセトナト銅を水
素ガス100cc/minで反応室中に輸送し、全ガス圧力1000P
a、試料温度350℃で堆積できる。
The conditions for chemical vapor deposition are, for example, using a low pressure CVD apparatus,
Hexafluoroacetylacetonato copper heated to 0 ℃ was transported into the reaction chamber at 100cc / min hydrogen gas, and the total gas pressure was 1000P.
a, Sample temperature can be deposited at 350 ℃.

さらに第2層配線として、再びジルコニウム,クロ
ム,銀またはカドミウムからなる膜11,銅12,ジルコニウ
ム,クロム,銀またはカドミウムからなる膜13からなる
多層膜を構成し、加工する(第1図(D))。
Further, as the second layer wiring, a multilayer film composed of the film 11 made of zirconium, chromium, silver or cadmium, the copper 12, the film 13 made of zirconium, chromium, silver or cadmium is formed again and processed (see FIG. )).

さらにこれを400℃以上の不活性ガス雰囲気中で加熱
することにより、銀12中に膜11および13の金属の一部を
拡散させ合金14とする(第1図(E))。
Furthermore, by heating this in an inert gas atmosphere at 400 ° C. or higher, a part of the metal of the films 11 and 13 is diffused in the silver 12 to form an alloy 14 (FIG. 1 (E)).

第2図はこのようにして形成した多層配線を有する半
導体の例である。図中、15は金属シリサイド,16は多結
晶シリコン,17はゲート酸化膜,18は分離酸化膜,19は酸
化シリコンである。
FIG. 2 is an example of a semiconductor having a multilayer wiring formed in this way. In the figure, 15 is metal silicide, 16 is polycrystalline silicon, 17 is a gate oxide film, 18 is an isolation oxide film, and 19 is silicon oxide.

銅合金14は銅にジルコニウム,クロム,銀またはカド
ミウムを拡散させて合金化したものであるが、導電率を
大きく低下させないように、合金組成は95at%以上、よ
り好ましくは99at%以上の銅が含まれるようにする。合
金組成の制御は熱処理温度と時間の調整によって可能で
ある。銅の表面はジルコニウム,クロム,銀またはカド
ミウムで覆われているので、耐マイグレーション性がす
ぐれている。
The copper alloy 14 is alloyed by diffusing zirconium, chromium, silver or cadmium in copper, but its alloy composition is 95 at% or more, more preferably 99 at% or more so as not to significantly reduce the conductivity. To be included. The alloy composition can be controlled by adjusting the heat treatment temperature and time. Since the surface of copper is covered with zirconium, chromium, silver or cadmium, it has excellent migration resistance.

第3図は膜11および13の金属を完全に銅中に拡散して
銅合金14とした場合の例である。
FIG. 3 shows an example in which the metals of the films 11 and 13 are completely diffused into copper to form a copper alloy 14.

この場合にも、合金組成は95at%以上、より好ましく
は99at%以上の銅が含まれるようにする。金属層11およ
び13と銅層12の厚さを制御することによって、拡散によ
って形成される合金層の組成を制御することができる。
合金化によって、配線層の導電性を大きく低下すること
なく、耐マイグレーション性を高めることができる。
Also in this case, the alloy composition should contain 95 at% or more, more preferably 99 at% or more of copper. By controlling the thickness of the metal layers 11 and 13 and the copper layer 12, the composition of the alloy layer formed by diffusion can be controlled.
By alloying, the migration resistance can be improved without significantly reducing the conductivity of the wiring layer.

[発明の効果] 以上の説明のように本発明は次のような効果がある。[Effects of the Invention] As described above, the present invention has the following effects.

銅配線の下地としてのジルコニウム,クロム,銀,カ
ドミウムは下地絶縁材料との密着性を高め半導体装置の
信頼性を向上させる。
Zirconium, chromium, silver, and cadmium as the base of the copper wiring enhance the adhesion with the base insulating material and improve the reliability of the semiconductor device.

銅配線の上に堆積する上記金属はコンタクト孔に選択
成長する銅の下地として良好で良質の銅膜のコンタクト
配線を形成できる。
The above metal deposited on the copper wiring can form a contact wiring of a good and good copper film as a base of copper selectively grown in the contact hole.

金属が銅に拡散した場合、銅の導電率を大きく低下さ
せることなく、マイグレーション耐性を高めることがで
きる。
When the metal diffuses into copper, migration resistance can be improved without significantly reducing the conductivity of copper.

以上のことにより、マイグレーション耐性を有する微
細な配線構造を実現することができる。
As described above, a fine wiring structure having migration resistance can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明製造法の実施例の工程図、 第2図および第3図はそれぞれ本発明実施例の断面図で
ある。 1……単結晶シリコン、 2……拡散層、 3,15……金属シリサイド、 4,7,10,12……銅、 5……酸化シリコン、 6,8,11,13……金属(ジルコニウム,クロム,銀または
カドミウム)、 9……酸化シリコン、 14……銅合金、 16……多結晶シリコン、 17……ゲート酸化膜、 18……分離酸化膜。
FIG. 1 is a process drawing of an embodiment of the manufacturing method of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are sectional views of the embodiment of the present invention. 1 …… single crystal silicon, 2 …… diffusion layer, 3,15 …… metal silicide, 4,7,10,12 …… copper, 5 …… silicon oxide, 6,8,11,13 …… metal (zirconium , Chrome, silver or cadmium), 9 ... Silicon oxide, 14 ... Copper alloy, 16 ... Polycrystalline silicon, 17 ... Gate oxide film, 18 ... Isolation oxide film.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】少なくともその一面がジルコニウム,クロ
ム,カドミウムおよび銀の内の少なくとも1種の金属に
覆われ、内部に銅を主成分として前記金属の内の少なく
とも1種を含有する金属を有する配線構造を具えたこと
を特徴とする半導体装置。
1. A wiring having at least one surface thereof covered with at least one metal selected from zirconium, chromium, cadmium and silver, and having a metal containing copper as a main component and at least one metal selected from the above metals. A semiconductor device having a structure.
【請求項2】半導体装置の多層配線形成工程において、
絶縁膜上にジルコニウム,クロム,カドミウムおよび銀
のうちの1種からなる第1の膜を形成した後、該膜上に
銅を堆積し、さらにその上にジルコニウム,クロム,カ
ドミウムおよび銀のうちの1種からなる第3の膜を堆積
して多層膜を形成する工程と、 該多層膜を加工し、配線を形成した後、その上に絶縁膜
を形成し、開孔する工程と、 化学気相成長法によって、前記開孔した領域のみに銅を
選択的に形成した後、さらに上層の銅配線を形成する工
程と、 熱処理により前記第1および第3の膜の金属の一部また
は全てを銅中に拡散させて合金化する工程を有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
2. In a process of forming a multi-layer wiring of a semiconductor device,
After forming a first film made of one kind of zirconium, chromium, cadmium and silver on the insulating film, copper is deposited on the film, and further on the film, zirconium, chromium, cadmium and silver A step of depositing a third film of one kind to form a multi-layer film; a step of processing the multi-layer film to form wiring, then forming an insulating film thereon and forming a hole; A step of selectively forming copper only in the opened region by a phase growth method and then forming an upper copper wiring; and a part or all of the metal of the first and third films by heat treatment. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of diffusing in copper to form an alloy.
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