JP4052868B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銀を含有する金属領域を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における半導体装置の高集積化への要請から、配線やプラグの材料として銅が広く用いられるようになってきた。銅は、従来用いられていたアルミニウムに比べ、抵抗が低く、エレクトロマイグレーション耐性にも優れるという特徴を有している。
【０００３】
しかし、素子の微細化がさらに進行するにつれ、こうした銅を用いた配線においてもエレクトロマイグレーションの発生が問題となるようになってきた。銅配線を構成する銅膜は、通常めっき法などにより形成されるが、この場合、銅膜は多数の多結晶構造の銅粒子が集合した形態となる。こうした構造の銅配線に電圧を印加すると、銅粒子の粒界を経由して物質移動がおこり、結果としてエレクトロマイグレーションが発生する。配線幅の小さい配線においては、銅粒子のサイズも小さくなることから、このような粒界を介した物質移動によるマイグレーションの問題はより顕著となる。
【０００４】
こうしたエレクトロマイグレーション（以下「ＥＭ」という）の問題を解決するため、銅配線に銀を含有する検討がいくつかなされている。
【０００５】
特開２０００−３４９０８５号公報には、銀を含有する銅合金で構成された配線が記載されている。同公報においては、配線中の銀の含有率は０．１質量％以上最大固溶限未満とされ、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としている。
【０００６】
特開平１１−２０４５２４号公報には、銀を含有する銅合金で構成された配線が記載されている。配線中の銀の含有率は１質量％以下が好ましいとされ、実施例の具体的な開示には、銀を０．１質量％含む銅合金からなる配線の形成例が示されている。
【０００７】
その他、エレクトロマイグレーションを改善する目的で銅配線に銀を含有する技術がこれまでに検討されてきたが、これらは、いずれも、その目的からして銀の添加量は銀が銅膜中で固溶している範囲内の銀含有率であり、多くとも１質量％以下の添加量とされている。これ以上の添加量とした場合に銀と銅を含む合金膜を安定的に形成する方法はこれまで見いだされておらず、そうした合金膜の物性や、半導体装置に適用した場合における素子性能への影響等については、ほとんど知見が得られていなかった。
【０００８】
ところで、最近、銅配線のストレスマイグレーションの発生が問題となりつつある。図２は、ダマシン法により形成した銅多層配線の断面模式図である。下層配線１２１ａの上部に上層配線１２１ｂが接続した構成となっており、上層配線１２１ｂは、接続プラグとその上部に形成された配線からなっている。図２（ａ）では、上層配線１２１ｂ側に空洞１２２が発生している。すなわち、上層配線１２１ｂを構成するビアの部分に空洞が生じている。一方、図２（ｂ）では、下層配線１２１ａの上面に空洞１２２が発生している。このような空洞１２２は、半導体プロセス中の熱履歴等により銅配線中に内部応力が生じることが原因と考えられる。図２（ａ）では、上層配線１２１ｂ中に、銅の「吸い上げ」が起こり、ビア中で銅が上方にマイグレートすることにより空洞１２２が発生するものと考えられる。図２（ｂ）では、下層配線１２１ａ中で水平方向に銅がマイグレートし、この結果、空洞１２２が発生するものと考えられる。
【０００９】
本発明者の検討によれば、このような空洞化現象は、半導体装置の実用化温度（例えばボンディング工程、フォトレジストのベーキング工程等）である約１５０℃前後で顕著に生じるということが判明した。このような空洞が生じるために、接続プラグと配線との接続不良が生じ、半導体装置の歩留が低下したり、長期間の使用により半導体装置が不安定になるという課題が生じると考えられる。
【００１０】
こうしたストレスマイグレーションの発生を抑制するためには、プロセス上の検討とあわせ、配線等金属領域を構成する材料そのものについての検討が必要となる。
【００１１】
さらに、近年においては、素子の動作においても、従来にもまして高水準の特性が求められるようになってきており、銅配線を上回る高速動作性を示す配線等の材料の開発が望まれている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑み、本発明は、金属領域を備えた半導体装置において、ストレスマイグレーション耐性を高め、素子の信頼性を向上させることを目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、こうした半導体装置を安定的に製造できるプロセスを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半導体基板上に金属領域を備える半導体装置であって、前記金属領域は銀を含む金属からなり、前記金属領域を構成する金属全体に対する銀の含有率が１質量％より大きいことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１５】
また本発明によれば、半導体基板上に金属領域を備える半導体装置であって、前記金属領域は、銅銀合金膜を含み、下層配線、上層配線および前記下層配線と前記上層配線を接続する接続プラグを構成するものであって、前記銅銀合金膜は、銀の含有率が、銅に対する銀の固溶限を超えることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１６】
上記半導体装置における金属領域は、従来の銅銀合金による配線構造に比し多量の銀を含有する。このため、半導体製造プロセス等において熱履歴を受けた場合のストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【００１７】
また本発明によれば、半導体基板上に金属領域を備える半導体装置であって、前記金属領域の温度−応力曲線におけるヒステリシス幅が１５０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１８】
半導体装置が熱履歴を受けたとき、金属領域の温度−応力曲線は、昇温過程と降温過程とでは一般に異なる曲線となる。この相違を表す指標を「ヒステリシス幅」と定義する。ヒステリシス幅は、昇温過程を示す曲線と降温過程を示す曲線との間の乖離の最大幅を示す。たとえば図８においては、昇温過程ａおよび降温過程ｂとの間の最大の幅がヒステリシス幅となる。上記半導体装置は、半導体製造プロセス等において熱履歴を受けた場合の不可逆損失が少なく、ストレスマイグレーションが効果的に抑制される。
【００１９】
また本発明によれば、半導体基板上に金属領域を備える半導体装置であって、前記金属領域を構成する金属の再結晶化温度が２００℃以上であることを特徴とする半導体装置が提供される。再結晶化温度とは、原子の拡散によって結晶粒の変形や粒成長が生じる温度である。再結晶が起こると金属領域中にボイドが発生したり変形が生じたりすることから、再結晶化温度が高いことは信頼性の高い金属領域を得る上で重要な条件となる。上記半導体装置は、２００℃以上の高い再結晶化温度を有するため、熱履歴を受けた場合の不可逆損失が少なく、ストレスマイグレーションが効果的に抑制される。再結晶化温度は、たとえばヒステリシス曲線を測定することにより求めることができる。図９は再結晶化温度の求め方を示す図である。昇温時の変曲点、すなわち、温度を上げ始めたときの直線と水平線の交点が再結晶化温度に相当する。ここでは再結晶化温度が２２０℃となっている。
【００２０】
本発明の半導体装置において、前記金属領域は銀を含む金属からなる構成とすることができ、配線、プラグまたはパッドを構成する形態とすることができる。
【００２１】
本発明によれば、半導体基板上に配線および接続プラグを構成する銅銀合金膜を備える半導体装置の製造方法であって、前記銅銀合金膜を形成する工程は、半導体基板上に銅または銅銀合金からなるシード金属膜を形成する工程と、前記シード金属膜の表面に銀含有液を接触させる工程と、銅めっき膜を形成する工程と、熱処理を施す工程と、を含み、銀の含有率が、０℃〜４００℃の温度範囲における銅に対する銀の固溶限の最大値を超えるように前記銅銀合金膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００２２】
この半導体装置の製造方法によれば、金属領域の表面に銀含有液を接触させることにより銀が析出し、その後、熱処理により金属領域中を銀が拡散する。この結果、銀を含む金属領域を好適に形成することができる。本発明によれば、簡便な工程で銅銀合金からなる金属領域を安定的に形成することができる。また、めっき液そのものは銀を含有する必要がないため、めっき液の選択の自由度を高くすることができる。
【００２３】
また本発明によれば、半導体基板またはその上部に形成された膜に銀含有液を接触させて銀を析出させる工程と、析出した銀の上に金属領域を形成する工程と、前記金属領域を熱処理する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００２４】
この半導体装置の製造方法によれば、銀含有液を接触させることにより析出した銀が、熱処理により、その上に形成された金属領域中を拡散する。この結果、銀を含む金属領域を好適に形成することができる。本発明によれば、簡便な工程で銅銀合金からなる金属領域を安定的に形成することができる。また、金属領域中の金属組成を均一にすることができる。
【００２５】
また本発明によれば、半導体基板上に配線および接続プラグを構成する銅銀合金膜を備える半導体装置の製造方法であって、前記銅銀合金膜を形成する工程は、前記半導体基板表面に銅と銀を含むめっき液を接触させる工程を含み、銀の含有率が銅に対する銀の固溶限を超えるように前記銅銀合金膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。銀を含むめっき液を接触させる箇所は、半導体基板の素子形成面の全面でも一部でもよく、半導体基板表面、金属膜、絶縁膜、半導体膜のいずれかの表面、あるいはこれらが混在する表面にめっき液を接触させる。
【００２６】
銀を含まないめっき液を用いてめっき膜を形成した後、上記銀を含むめっき液を接触させてもよい。たとえば、半導体基板上の絶縁膜に形成された凹部の一部を埋め込むように銅膜を形成した後、この銅膜の表面に上記銀を含むめっき液を接触させて銅膜上に銀含有膜を形成し、その後、基板全面を研磨して凹部にのみ銅膜および銀含有膜を残す工程を含む製造方法とすることもできる。あるいはこのプロセスにおいて、銀含有膜を形成後、その上に銅膜を形成し、上記のように研磨を行う工程を含む製造方法とすることもできる。
【００２７】
この半導体装置の製造方法によれば、簡便な工程で銅銀合金からなる金属領域を安定的に形成することができる。また、金属領域中の金属組成を均一にすることができる。
【００２８】
本発明の半導体装置の製造方法において、前記金属領域が銅を含有する構成とすることができる。また、本発明の半導体装置の製造方法において、熱処理後の前記金属領域を構成する金属全体に対する銀の含有率が１質量％より大きい構成とすることができる。こうすることにより、ストレスマイグレーション耐性に優れる金属領域を安定的に形成することができる。
【００２９】
本発明における金属領域を銅銀合金により構成した場合、その他の成分をさらに加えることもできる。金属全体に対してたとえば１質量％以下の範囲でＺｒ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ等を添加することができる。ＺｒやＩｎを添加すれば、金属領域と絶縁膜との間の密着性や、金属領域とバリアメタル膜との間の密着性を向上させることができる。またＡｌ、Ｔｉ、Ｓｎ等は反応性が高い銅銀合金膜の表面に拡散して層間絶縁膜等を構成する材料の原子と結合しやすく、密着性が向上する。
【００３０】
以上、本発明の構成について説明したが、これらを種々変形して用いることも可能である。たとえば、本発明をダマシン法による配線構造に適用した場合、本発明の効果はより顕著となる。以下、そうした態様について説明する。
【００３１】
すなわち、本発明における金属領域は、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法により形成することができる。
【００３２】
シングルダマシン法は以下の工程を含む。
（ａ）半導体基板上に、金属膜により構成された第一の配線を形成する工程
（ｂ）第一の配線を覆うように半導体基板の上部全体に第一の層間絶縁膜を形成する工程
（ｃ）第一の層間絶縁膜を選択的に除去して第一の配線の上面に達する接続孔を形成する工程
（ｄ）接続孔の内面を覆うバリアメタル膜を形成した後、接続孔を埋め込むように金属膜を形成する工程
（ｅ）接続孔外部に形成された金属膜を除去する工程
（ｆ）接続孔に形成された金属膜を覆うように半導体基板の上部全体に第二の層間絶縁膜を形成する工程
（ｆ）第二の層間絶縁膜を選択的に除去することにより、底面に接続孔に形成された金属膜の露出する配線溝を形成する工程
（ｇ）配線溝の内面を覆うバリアメタル膜を形成した後、配線溝を埋め込むように金属膜を形成する工程
（ｈ）配線溝外部に形成された金属膜を除去することにより第二の配線を形成する工程
このプロセスにおいて、第一および第二の配線、接続孔の全部または一部を、本発明における「金属領域」とし、本発明に係る半導体装置およびその製造方法を適用することができる。ここで、上記（ａ）〜（ｈ）の工程の一部を適宜省略することもできる。
【００３３】
デュアルダマシン法は以下の工程を含む。
（ａ）半導体基板上に、金属膜により構成された第一の配線を形成する工程
（ｂ）第一の配線を覆うように半導体基板の上部全体に第一の層間絶縁膜を形成する工程
（ｃ）第一の層間絶縁膜を選択的に除去して第一の配線の上面に達する接続孔と、この接続孔の上部に接続する配線溝を形成する工程
（ｄ）接続孔および配線溝の内面を覆うバリアメタル膜を形成した後、接続孔および配線溝を埋め込むように金属膜を形成する工程
（ｅ）配線溝外部に形成された金属膜を除去することにより第二の配線を形成する工程
このプロセスにおいて、第一および第二の配線、接続孔の全部または一部を、本発明における「金属領域」とし、本発明に係る半導体装置およびその製造方法を適用することができる。ここで、上記（ａ）〜（ｅ）の工程の一部を適宜省略することもできる。
【００３４】
以上のようなダマシンプロセスにより形成された配線構造は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された第一の配線と、この第一の配線に接続して設けられた接続プラグと、この接続プラグに接続して設けられた第二の配線と、を含む構成を有する。
【００３５】
この半導体装置において、第一および第二の配線、接続孔の全部または一部を、本発明における「金属領域」とし、本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にかかる半導体装置の一例を示す断面模式図である。図１（ａ）は、いわゆるデュアルダマシン法により形成された銅多層配線構造に本発明を適用した例である。絶縁膜１０１中に、バリアメタル膜１０２および銅銀合金膜１０３からなる下層配線が形成されている。この上に層間絶縁膜１０４が形成され、この層間絶縁膜１０４中にバリアメタル膜１０６および銅銀合金膜１１１からなる上層配線が形成されている。上層配線は、断面Ｔ字形状を有しており、Ｔ字の下の部分が配線接続プラグを構成し、Ｔ字の上部が上層配線を構成している。
【００３７】
なお、本明細書における「合金」とは、２種以上の金属元素を融解・凝固させたものを意味し、金属元素のほかに非金属は半金属元素を含むものも合金とよぶものとする。また、合金の組織状態としては成分元素の混ざり方から固溶体や金属間化合物をつくる場合とそれらの混合物をなす場合がある。すなわち、本明細書では、固溶限以上の成分を添加したものも「合金」と称するものとする。
【００３８】
銅銀合金膜１０３および銅銀合金膜１１１において、合金膜全体に対する銀の含有率は、好ましくは１質量％以上、より好ましくは２質量％以上とするのがよい。こうすることにより、ストレスマイグレーションの発生をより安定的に抑制することができる。また、合金膜全体に対して銀を３質量％以上含有する構成とすれば、ヒステリシス幅を効果的に小さくすることができ、さらに安定的にストレスマイグレーションの発生を抑制できる。特に、それぞれ異なる配線幅の金属配線を形成する工程に本発明を適用する場合、このような銀含有量とすることにより、各配線について安定的に所定の銀を導入することができ、ストレスマイグレーションの発生を効果的に抑制できる。合金膜全体に対する銀の含有量の上限は特にないが、銅銀合金膜を安定的に形成する観点からは、好ましくは９９質量％以下、より好ましくは８０質量％以下、さらに好ましくは５０質量％以下とするのがよい。一方、低抵抗化の観点からは、合金膜全体に対する銀の含有量は、好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、さらに好ましくは９８質量％以上とする。
【００３９】
また、銀の含有率は、銅に対する銀の固溶限を超える範囲とすることが好ましい。こうすることによって、製造プロセス等の変動があった場合でもストレスマイグレーションの発生をより安定的に抑制することができる。その理由は必ずしも明らかではないが、銀の含有量を銅に対する銀の固溶限を超える範囲とすることにより、銅銀合金が熱履歴を受けた場合におけるヒステリシスの影響が顕著に低減させることによるものと考えられる。この点については実施例にて後述する。
【００４０】
ここで、銅に対する銀の固溶限について図１６を参照して説明する。図１６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質量％（銅に対する銀の質量％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質量％（Ｃｕに対するＡｇの質量％で換算）である。図１６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）となっている。半導体装置の製造においてはプロセスの最高温度が約４００℃程度であり、この温度では固溶限が１質量％程度（Ｃｕに対するＡｇの質量％で換算）である。本発明においては、金属領域を構成する金属全体に対する銀の含有率が、銅に対する銀の固溶限を超えることが好ましい。この固溶限は、たとえば０℃〜４００℃の温度範囲における固溶限の最大値とすることが好ましい。
【００４１】
次に本発明をダマシン法により形成された配線構造に適用した例について説明する。図１（ｂ）は、シングルダマシン法により形成した銅多層配線構造に本発明を適用した例である。図１（ａ）の構造は、層間接続プラグと配線を同時に形成することができるので、製造工程を減らすことができるというメリットがある。しかしながら層間接続プラグと配線が一体となっているため、ストレスマイグレーションの影響が顕著となり、図２（ａ）に示すモードの空洞が発生しやすくなる。これに対して図１（ｂ）では、製造工程が増えるものの、バリアメタル膜１０６ｂの介在により銅銀合金膜が層間接続プラグと配線の２つの部分に分離されることから、ストレスマイグレーションの発生が一層、抑制されるという利点が得られる。図１（ｂ）においては、絶縁膜１０１中に、バリアメタル膜１０２および銅銀合金膜１０３からなる下層配線が形成されている。その上に層間絶縁膜１０４が形成され、この層間絶縁膜１０４中に、銅銀合金からなる層間接続プラグ１１１ａおよびバリアメタル膜１０６ａからなるビアプラグ、及び銅銀合金膜１１１ｂおよびバリアメタル膜１０６ｂからなる上層配線が、それぞれ形成されている。銅銀合金膜１０３、層間接続プラグ１１１ａおよび銅銀合金膜１１１ｂにおいて、合金膜全体に対する銀の含有率は、好ましくは１質量％以上、より好ましくは２質量％以上とするのがよい。こうすることにより、ストレスマイグレーションの発生をより安定的に抑制することができる。また、合金膜全体に対して銀を３質量％以上含有する構成とすれば、ヒステリシス幅を効果的に小さくすることができ、さらに安定的にストレスマイグレーションの発生を抑制できる。特に、それぞれ異なる配線幅の金属配線を形成する工程に本発明を適用する場合、このような銀含有量とすることにより、各配線について安定的に所定の銀を導入することができ、ストレスマイグレーションの発生を効果的に抑制できる。合金膜全体に対する銀の含有量の上限は特にないが、銅銀合金膜を安定的に形成する観点からは、好ましくは９９質量％以下、より好ましくは８０質量％以下、さらに好ましくは５０質量％以下とするのがよい。また、銀の含有率は、銅に対する銀の固溶限を超える範囲とすることが好ましい。こうすることによって、製造プロセス等の変動があった場合でもストレスマイグレーションの発生をより安定的に抑制することができる。
【００４２】
図１（ａ）および（ｂ）の配線構造において、絶縁膜１０１、層間絶縁膜１０４としては、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリオルガノシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサン−ビス−ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ(ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ)、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、パリレン、サイトップ、またはＢＣＢ（ＢｅｎｓｏＣｙｃｌｏＢｕｔｅｎｅ）等の低誘電率材料を用いることができる。なお、ＨＳＱについては、いわゆるラダー型のものやケージ型のもの等、種々の構造のものを用いることができる。こうした低誘電率の絶縁膜を用いることによりクロストーク等が抑制され、素子の信頼性が向上する。
【００４３】
絶縁膜１０１や層間絶縁膜１０４の材料としては、配線を構成する金属と熱膨張係数が略等しいものを用いることが好ましい。こうすることにより接続プラグおよび配線のストレスマイグレーションを効果的に軽減することができる。こうした観点からは、たとえば金属配線として銅銀含有金属膜を用いた場合、層間絶縁膜等としてＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）を用いることが好ましい。
【００４４】
図１の配線構造において、バリアメタル膜１０２、１０６は、例えばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含むものとすることができる。好ましいバリアメタル膜としては、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示され、特にＴａおよびＴａＮがこの順で積層したタンタル系バリアメタルが好ましく用いられる。バリアメタル膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ等の方法によって形成することができる。バリアメタル膜の膜厚はその材料、配線構造等に応じて適宜に設定されるが、たとえば１〜３０ｎｍ程度とする。
【００４５】
図１には示していないが、絶縁膜１０１と層間絶縁膜１０４との間に、拡散防止膜を適宜設けることもできる。拡散防止膜は、配線やプラグを構成する金属が絶縁膜中を拡散することを防止する役割を果たす。また、配線構造の形成プロセスにおいて層間接続孔を形成する場合のエッチング阻止膜としての機能を持たせることもできる。拡散防止膜としては、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＮ等を例示することができる。
【００４６】
次に、本発明において配線等の金属領域を構成する材料について、詳細に説明する。図７は、銅配線に昇温過程および降温過程からなる熱履歴を与えた場合の配線中の内部応力の変化の様子を示した図である。横軸は温度、銅配線中の内部応力を示す。図示したように、昇温過程（ａ）と降温過程（ｂ）との間でヒステリシスが発生する。
【００４７】
室温から温度を上昇するにつれ、配線中の内部応力は引っ張りモードから圧縮モードへ変化する。そして、銅の再結晶化温度Ｔ１を超えると塑性変形が生じ内部応力は比較的一定の値を示しながら推移する（ａ）。続いて温度を下げるにつれ、配線中の内部応力は圧縮モードから引っ張りモードへと変化し、その後比較的一定の引っ張り応力で降温過程が進行する（ｂ）。
【００４８】
図示したように、昇温過程と降温過程の間でヒステリシスが生じると、銅配線中で構成金属のマイグレーションが発生することとなる。すなわち、ヒステリシスが大きいほどマイグレーションや変形の程度も大きくなり、ボイド発生による断線など、素子の信頼性低下の原因となるのである。
【００４９】
本発明においては、こうしたヒステリシスを低減する配線材料を選択することにより、信頼性の高い配線構造を実現するものである。図８は種々の配線材料を用いた場合の温度―応力曲線の模式図である。横軸は温度、配線中の内部応力を示す。図８（ａ）は、通常の銅配線の挙動であり、図８（ｂ）は、本発明による銅銀合金膜によって形成された銅銀配線の挙動である。
【００５０】
ここで図８のように過程ａおよび過程ｂとの間の最大の幅をヒステリシス幅と定義する。本発明で規定する配線材料を用いることにより、このヒステリシス幅を大幅に低減することが出来る。ヒステリシス幅は、好ましくは１５０ＭＰａ以下、より好ましくは１００ＭＰａ以下とする。こうすることにより、ストレスマイグレーションの発生を安定的に抑制することができる。さらに、ヒステリシス幅を８０ＭＰａとすれば、０．１ミクロン程度の微細な配線を形成した場合にもストレスマイグレーションの発生が効果的に抑制される。
【００５１】
図７において再結晶化温度Ｔ１を上昇させると図８（ｂ）のようになる。このことからわかるように、ヒステリシス幅を低減するためには、配線等金属領域の再結晶化温度Ｔ１を上昇させることが有効となる。昇温過程ａでは、再結晶化温度Ｔ１を超える領域において応力のプラトー部が現れるが、再結晶化温度Ｔ１を上昇させてこのプラトー部を減少させれば、ヒステリシス幅が小さくなる。すなわち、プロセス温度の最高値（図７および図８におけるヒステリシスカーブの右端の点）と再結晶化温度Ｔ１との差異が小さくすることによってヒステリシス幅を低減することができる。ここで、配線等金属領域の再結晶化温度を、好ましくは２００℃以上、より好ましくは３００℃以上とすることにより、ヒステリシス幅を効果的に低減することができる。これにより、ストレスマイグレーションの発生を安定的に抑制することができる。また、半導体装置のプロセス温度は通常４００℃以下であるので、再結晶化温度を３５０℃以上とすると、プロセス中におけるストレスマイグレーションが一層安定的に抑制される。
【００５２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００５３】
［第一の実施の形態］
本実施形態では、本発明をデュアルダマシン法による銅配線に適用した例について図３を参照して説明する。
【００５４】
はじめに不図示のシリコン基板上に絶縁膜１０１を形成し、この絶縁膜１０１中にバリアメタル膜１０２および銅銀合金膜１０３からなる下層配線を形成する。なお、下層配線の形成は、以下に説明する手順と同様の工程により作製することができる。
【００５５】
絶縁膜１０１上に層間絶縁膜１０４を形成した後、多段階のドライエッチングにより断面Ｔ字形状上の配線溝１０５を形成する。この工程が終わった段階の状態を図３（ａ）に示す。
【００５６】
続いて、基板表面全体にバリアメタル膜１０６を形成する（図３（ｂ））。バリアメタル膜１０６を構成する材料は、例えば、チタン、タングステン、タンタルなどの高融点金属を含むものとすることができる。たとえば、チタン、窒化チタン、タングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タンタルなどが例示され、これらの２つ以上を積層した多層膜とすることができる。
【００５７】
バリアメタル膜１０６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法などの方法によって形成することができる。
【００５８】
続いてバリアメタル膜１０６上に、シード金属膜１０７を形成する（図３（ｃ））。シード金属膜１０７は、その上部にめっきを成長させるための種としての役割を果たすものであり、銅または銅銀合金を用いることができる。シード金属膜１０７は通常、スパッタリング法により形成することができる。
【００５９】
この状態で、基板表面を銀含有液に接触させ、シード金属膜１０７上に銀含有膜１０８を形成する（図４（ａ））。銀は銅よりも析出電位が低いので、上記のように銀含有膜が形成されるのである。銀含有液としては、例えば硫酸銀水溶液などが好ましく用いられる。この場合、硫酸銀水溶液の濃度は、たとえば、質量基準で５０ｐｐｍ以上３０質量％以下とすることができる。特に、飽和あるいは過飽和状態であることが望ましい。こうすることによって、銅の溶解を抑制することができ、金属領域の変形等を抑えることができる。こうした銀含有液に接触させることによって、シード金属膜１０７上に銀が析出し、銀含有膜１０８が形成される。シード金属膜１０７を構成する銅よりも銀のイオン化傾向のほうが低いため、シード金属膜１０７表面で酸化還元反応が起こり銀の析出が起こることによって銀含有膜１０８が形成されるのである。
【００６０】
続いてめっき法により基板表面に銅めっき膜１１０を形成する（図４（ｂ））。ここでのめっき液は特に制限がなく、例えば硫酸銅水溶液などを用いることができる。
【００６１】
続いて、２００℃から４５０℃の温度範囲で、アニーリングを行う。このアニーリングにより銅めっき膜１１０を構成する銅グレインの粒子径がアニール前に比べて大きくなり、抵抗値が安定的に減少する。これとともに、銀含有膜１０８から銅めっき膜１１０へ銀の拡散がおこり、配線溝内部に、銅銀合金からなる膜が形成される。
【００６２】
その後、配線溝の外部に形成された銅めっき膜１１０をＣＭＰ（化学的機械的研磨）により除去し、銅銀合金からなる配線構造が形成される（図４（ｃ））。
【００６３】
以上の方法によれば、簡便な工程で銅銀合金からなる配線構造を安定的に形成することができる。また、めっき液そのものは銀を含有する必要がないため、めっき液の選択の自由度を高くすることができる。たとえば、狭い溝や孔に対する埋め込み性の優れためっき液を利用しつつ上記プロセスを用いれば、狭幅の銀含有配線を安定的に形成することができる。
【００６４】
［第二の実施の形態］
本実施例においては、めっき液に銀を含有させ、銅銀合金膜からなる配線構造を形成する。
【００６５】
まず第１の実施の形態における図３（ａ）から図３（ｃ）までの工程を実施した後、めっき法を用いてシード金属膜１０７上に銅銀合金めっき膜１１４を形成する（図５（ａ））。ここで用いるめっき液は銅および銀を含むものであり、銅の含有率に対して銀の含有率が、質量基準で０．１％以上８０％以下のものが好ましく用いられる。
【００６６】
このめっき液は、塩化物イオンを含まないことが好ましい。塩化物イオンがめっき液中に存在するとめっき液中での銀の析出が顕著となり銀が膜に取り込まれる前に沈殿等が発生するため、安定的な合金膜を形成することが困難となる。
【００６７】
こうしためっき液の具体例としては、以下のものが挙げられる。
【００６８】
(i)ピロリン酸めっき液
通常のピロリン酸銅めっき液に対して銀イオンを添加することにより、銅、銀を含むピロリン酸めっき液を作製することができる。銀の添加は、硝酸銀溶液、硫酸銀溶液等を添加する等の方法により実現することができる。このめっき液の具体的な組成は、たとえば、
銅０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、
銀０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、
エチレンジアミン０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、および
水
を含む構成とする。
【００６９】
(ii)エチレンジアミンめっき液
通常のエチレンジアミン銅めっき液に対して銀イオンを添加することにより、銅、銀を含むエチレンジアミンめっき液を作製することができる。銀の添加は、硝酸銀溶液、硫酸銀溶液等を添加する等の方法により実現することができる。このめっき液の具体的な組成は、たとえば、
銅０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、
銀０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、
ピロリン酸またはその塩０．０１〜５ｍｏｌ／Ｌ、および
水
を含む構成とする。
【００７０】
上記各めっき液には適宜添加剤を加えることもできる。たとえば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、４級アンモニウム塩、ゼラチンなどの界面活性剤を使用することができる。これらは、めっきで析出した銅の結晶の大きさを均一化するとともにめっき膜の厚みを均一にする作用を有する。界面活性剤の添加量については特に制限がないが、一般的にはめっき液全体に対して重量基準で１〜１０００ｐｐｍとする。
【００７１】
めっき液は、実質的に塩素を含まないことが好ましく、具体的には塩素濃度が０．０１ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。こうすることによって、銀が塩素と反応して析出することを有効に防止することができ、銅銀合金からなる金属膜を安定的に形成することができる。
【００７２】
めっき条件は適宜設定することができるが、たとえば、
電流密度：０．１〜１００Ａ／ｄｍ2
液温度：１０〜８０℃
等とすることができる。めっき時に印加する電流は、直流電流、パルス電流のいずれを用いることもできる。
【００７３】
以上のようにして銅銀合金めっき膜１１４を形成した後、ＣＭＰにより基板表面を研磨し、図５（ｂ）に示すようにバリアメタル膜１０６および銅銀合金膜１１１からなる上層配線を形成する。
【００７４】
本実施形態によれば、銀を含むめっき液を利用することにより、簡便な工程で銅銀合金からなる配線構造を安定的に形成することができる。また、配線構造中の金属組成を均一にすることができる。
【００７５】
［第三の実施の形態］
第二の実施の形態では、銅および銀を含むめっき液を１種類利用して配線構造を形成したが、本実施形態では２種類のめっき液を用いる。
【００７６】
まず、第１の実施の形態における図３（ａ）から図３（ｃ）までの工程を実施する。続いて、シード金属膜１０７上にめっき法を用いて銅めっき膜１１４を形成する（図６（ａ））。ここで用いるめっき液は、通常の銅めっき液でも良いが、塩化物イオンを含まないめっき液とすることが好ましい。たとえば、通常の硫酸銅めっき液から塩化物イオンを除去したものや、ピロリン酸銅めっき液、エチレンジアミン銅めっき液などが好ましく用いられる。こうすることにより、次工程で銅めっき膜１１７中の塩化物イオンと銀が反応して析出することを防止することができ、銅銀合金からなる金属膜を安定的に形成することができる。
【００７７】
次に銅めっき膜１１７上にめっき法を用いて銅銀合金めっき膜１１４を形成する（図６（ｂ））。ここでは、塩化物イオンを含まないめっき液を用いることが望ましく、第二の実施の形態で述べたピロリン酸めっき液やエチレンジアミンめっき液等が好ましく用いられる。
【００７８】
つづいて続いて２００℃から４５０℃の温度範囲で、アニーリングを行う。このアニーリングにより銅銀合金めっき膜１１４から銅めっき膜１１７へ銀の拡散がおこり、配線溝内部に比較的均一組成の銅銀合金からなる膜が形成される。また、これらの膜を構成する金属グレインの粒子径がアニール前に比べて大きくなり、抵抗値が安定的に減少する。
【００７９】
続いて、ＣＭＰにより基板全面を平坦化してバリアメタル膜１０６および銅銀合金膜１１１からなる配線構造が形成される(図６（ｃ）)。
【００８０】
本実施形態によれば、銀を含むめっき液を利用することにより、簡便な工程で銅銀合金からなる配線構造を安定的に形成することができる。また、配線構造中の金属組成を均一にすることができる。特にめっき液を２種類使用しているので、はじめに受け込み性に優れためっき液で狭い凹部を埋め込み、その後、銀を含むめっき液を用いることにより、狭い幅の配線溝等に安定的に銅銀合金膜を形成でき、信頼性に優れた配線構造を好適に形成することができる。
【００８１】
【実施例】
（実施例１）
ダマシンプロセスにより図１７に示す金属配線を作製した。配線のサイズは、いずれも幅０．１〜０．５μｍ、厚み０．３μｍ、長さ４０ｍｍとし、配線金属中の銀含有量を０、１．５、２．０wt-%とした。配線の形成はめっき法によった。めっき液は塩化物イオンを含まないものを用いた。得られた配線について配線抵抗を測定したところ、図１７に示す結果が得られた。配線を構成する金属全体に対する銀の含有率が１．５質量％以上の配線構造において、抵抗値の上昇が抑えられていることがわかる。なお、銅銀合金における原子基準および質量基準の関係は、たとえば銀含有率０．９atom-%が１．５質量％に相当する関係となっている。
【００８２】
（実施例２）
本実施例では、図１０に示すような２層配線構造を作製し、歩留試験を行った。この２層配線構造は、ビアチェーンとよばれるものであり、第一の配線２２ａが平行に設けられ、これらと直交して、第二の配線２２ｂが平行に設けられている。これらの配線間は２万個の接続プラグ２８により接続されている。図中、半導体基板および層間絶縁膜等は省略している。このビアチェーンの端部２点に所定の電圧を印加することにより、１万本の第一の配線２２ａ、１万本の第二の配線２２ｂおよび２万個の接続プラグ２８を経由する電気抵抗が測定される。これをチェーン抵抗とよぶ。チェーン抵抗は、ビアの接続状態の良否を判別するのに有効な手法である。配線構造に所定の温度環境に置き、チェーン抵抗の変化を測定することで、ストレスマイグレーション耐性を適切に評価することができる。
【００８３】
【表１】
Figure 0004052868
【００８４】
上記試料を形成した後、１５０℃の温度下で５００時間放置し、その後、ビアチェーンの歩留試験を行った。なお、参照として、これらの試料と同様に作製した二層配線構造を室温で５００時間放置したもの（ｂ０）についてビアチェーンの歩留を測定した。
【００８５】
表１に、参照試料ｂ０の抵抗値を１００％としたときの試料ｂ１〜ｂ３の抵抗値を相対値により示す。表中、抵抗値の範囲が示されているが、これは、上記試料を複数用意し、評価の結果、得られた抵抗の範囲を示したものである。数値が高い程、ストレスマイグレーション耐性が高い。
【００８６】
本実施例の結果から、銀銅合金からなる配線構造、特に配線を構成する金属全体に対する銀の含有率が１質量％より大きい配線構造を採用することにより、ストレスマイグレーションを効果的に抑制できることが確認された。
【００８７】
（実施例３）
実施例１、２における各試料の材料の特性を調べるため、ヒステリシス特性および再結晶化温度を測定した。
【００８８】
試料は、以下のようにして作製した。まずシリコン基板上にプラズマＣＶＤによって膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜を形成し、その上に膜厚５０ｎｍのＴａ膜を形成した。次いでその上にスパッタリング法により銅からなるめっきシード膜を膜厚１００〜２００ｎｍで形成した後、所定のめっき液を用いて銅膜または銅銀合金膜を膜厚６００〜７００ｎｍで形成した。銅膜または銅銀合金膜の組成は、表２に示したとおりである。なお、めっき液１は塩化物イオンを含み、めっき液２は塩化物イオンを含まないものである。
【００８９】
以上のように作製した試料に対して２５℃〜４００℃の熱サイクルを与えた。この熱履歴において、昇温過程における昇温速度を１０℃／ｍｉｎ、とし、降温過程における降温速度を約１０℃／ｍｉｎとした。熱サイクルは２回とし、２回目の熱サイクルを与えた際のヒステリシス特性を評価した。１回目の熱サイクルではめっき膜を構成する粒子の成長が起こること、実使用条件下やプロセス中の熱処理に対する安定性の評価が重要であることを考慮すると、ヒステリシス特性を正確に把握するには、２回目の熱サイクルを与えた際のヒステリシス特性を評価することが適切と考えられるからである。また、再結晶化温度についても２回目の熱サイクルを与えた際に測定した。
【００９０】
ヒステリシス特性は、基板の反りの測定によりめっき膜中の内部応力を算出する方式を用いた。基板の反りは、基板表面に照射したレーザ光の反射角度を測定することにより算出した。以上のようにして求めたヒステリシス特性（２回目の熱サイクルを与えた際の温度−応力曲線）からヒステリシス幅および再結晶化温度を求めた。結果を表３に示す。また、一部の試料についてヒステリシス曲線を図１１〜図１５に示す。試料ｃ１が図１１、試料ｃ２が図１４、試料ｃ４が図１２、試料ｃ５が図１３、試料ｃ６が図１５に対応する。
【００９１】
【表２】
Figure 0004052868
【００９２】
以上の結果からわかるように、配線を構成する金属全体に対する銀の含有率が１質量％より大きくすると、再結晶化温度が高くなるとともにヒステリシス幅が顕著に低減される。実施例２におけるｂ３の特性が良好であったのは、このようなヒステリシス特性の向上が原因であると考えられる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、(i)銀を特定量含有する金属、(ii) 金属領域の温度−応力曲線におけるヒステリシス幅が特定の範囲にある金属、または(iii) 再結晶化温度が特定の範囲にある金属により配線構造等の金属領域を構成するため、ストレスマイグレーション耐性等に優れる信頼性に優れた半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】ストレスマイグレーションにより空洞の発生した配線構造を示す断面図である。
【図３】図１（ａ）に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図４】図１（ａ）に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図５】図１（ａ）に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図６】図１（ａ）に示した配線構造の製造方法を示す工程図である。
【図７】ヒステリシスカーブの一例を示すグラフである。
【図８】ヒステリシスカーブの一例を示すグラフである。
【図９】再結晶化温度の求め方を示す図である。
【図１０】ビアチェーン抵抗を測定する原理を説明するための図である。
【図１１】ヒステリシスカーブの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１２】ヒステリシスカーブの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１３】ヒステリシスカーブの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１４】ヒステリシスカーブの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１５】ヒステリシスカーブの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１６】Ａｇ−Ｃｕの２成分系共融化合物の状態図である。
【図１７】銀含有量と配線抵抗値との関係を示す図である。
【符号の説明】
２２ａ 第一の配線
２２ｂ 第二の配線
２８ 接続プラグ
１０１ 絶縁膜
１０２ バリアメタル膜
１０３ 銅銀合金膜
１０４ 層間絶縁膜
１０５ 配線溝
１０６ バリアメタル膜
１０６ａ バリアメタル膜
１０６ｂ バリアメタル膜
１０７ シード金属膜
１０８ 銀含有膜
１１０ 銅めっき膜
１１１ 銅銀合金膜
１１１ａ 層間接続プラグ
１１１ｂ 銅銀合金膜
１１４ 銅銀合金めっき膜
１１７ 銅めっき膜
１２１ａ 下層配線
１２１ｂ 上層配線
１２２ 空洞

Claims (5)

  1. 半導体基板上に配線および接続プラグを構成する銅銀合金膜を備える半導体装置の製造方法であって、
    前記銅銀合金膜を形成する工程は、
    半導体基板上に銅または銅銀合金からなるシード金属膜を形成する工程と、
    前記シード金属膜の表面に銀含有液を接触させる工程と、
    銅めっき膜を形成する工程と、
    熱処理を施す工程と、
    を含み、銀の含有率が、０℃〜４００℃の温度範囲における銅に対する銀の固溶限の最大値を超えるように前記銅銀合金膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記銀含有液は、硫酸銀水溶液であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、前記シード金属膜はスパッタリング法によって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記銅銀合金膜の銀の含有率が１重量％以上８．３重量％以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記熱処理を施す工程は、銅中へ銀を熱拡散させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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