JP4065019B6 - Semiconductor device, manufacturing method thereof, and sputtering target material used in the manufacturing method - Google Patents

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Description

この発明は、絶縁膜に配線が施されている半導体装置、その製造方法およびその製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which wiring is applied to an insulating film, a manufacturing method thereof, and a sputtering target material used in the manufacturing method.

集積回路(IC)等の珪素(Si)半導体装置や液晶表示装置(LCD)などの電子装置を構成するには、低抵抗で導電性の高い材料から配線を構成する必要がある。また、シリコン大規模集積回路(超LSI)等を構成するのにあっては、集積度を増すために微細な配線技術が要求されている。最近では、シリコン超LSIやLCD用途の配線には、アルミニウム合金よりも低抵抗で、よりマイグレーション耐性の高い銅(Cu)が用いられている(下記の特許文献1参照)。
特開平5−47760号公報
In order to construct an electronic device such as a silicon (Si) semiconductor device such as an integrated circuit (IC) or a liquid crystal display device (LCD), it is necessary to form wiring from a material having low resistance and high conductivity. In configuring a silicon large-scale integrated circuit (VLSI) or the like, a fine wiring technique is required to increase the degree of integration. Recently, copper (Cu) having lower resistance than aluminum alloy and higher migration resistance is used for wiring for silicon VLSI and LCD (see Patent Document 1 below).
JP-A-5-47760

しかし、配線をなす銅は、周囲の絶縁膜へ拡散するために、タンタル(Ta)やその窒化物(TaN)などの層を、そのCuの拡散を抑制する障壁層(バリア層)として形成する必要がある(下記の特許文献2参照)。
特開2001−44156号公報
However, since the copper forming the wiring diffuses into the surrounding insulating film, a layer such as tantalum (Ta) or its nitride (TaN) is formed as a barrier layer (barrier layer) that suppresses the diffusion of Cu. It is necessary (see Patent Document 2 below).
JP 2001-44156 A

一方、大規模集積回路(LSI)等の半導体装置にあって、集積度を増加するためには、配線幅を減少させる必要があるが、配線幅を減少させるに伴い配線幅に占める高抵抗であるバリア層の厚さの割合が大きくなり、上記の特許文献2のようにバリア層を設けていると、配線の実効的な抵抗が増加してしまうという問題点があった。   On the other hand, in a semiconductor device such as a large scale integrated circuit (LSI), in order to increase the degree of integration, it is necessary to reduce the wiring width. However, as the wiring width is reduced, the high resistance occupies the wiring width. When the ratio of the thickness of a certain barrier layer is increased and the barrier layer is provided as in Patent Document 2 described above, there is a problem that the effective resistance of the wiring increases.

最近では、上記従来技術の如く、TaやTaNなどのバリア層を敢えて形成するのではなく、例えば、絶縁膜上に形成した、Cuとマンガン(Mn)との合金(Cu・Mn系合金)などのCu合金からなるCu合金膜を加熱することによって、銅配線と絶縁膜との間にバリア層を自己整合的に形成する技術が開示されている(下記の特許文献3参照)。
特開2005−277390号公報
Recently, a barrier layer such as Ta or TaN is not intentionally formed as in the prior art described above. For example, an alloy of Cu and manganese (Mn) formed on an insulating film (Cu · Mn alloy), etc. A technique is disclosed in which a barrier layer is formed in a self-aligned manner between a copper wiring and an insulating film by heating a Cu alloy film made of a Cu alloy (see Patent Document 3 below).
JP 2005-277390 A

しかし、Cu合金を利用して形成される従来のバリア層では、次のような問題点を有していた。
(1)配線側からのCuの拡散について充分なバリア性が確保できず、Cuが絶縁膜側に拡散して絶縁膜の絶縁性が確保できなくなる。
(2)相互拡散により絶縁膜側のSiが配線側に拡散して配線側の抵抗が高くなってしまう。
(3)バリア層と絶縁膜との密着性に乏しいため、長期に亘り動作の信頼性に優れている半導体装置を構成できない。
上記のような問題点は、絶縁膜との密着性を向上させ、且つ、CuおよびSiの拡散に対して障壁作用を充分にもたらすバリア層の構成が明確となっていないのが原因であると考えられる。
However, the conventional barrier layer formed using a Cu alloy has the following problems.
(1) Sufficient barrier property cannot be secured for diffusion of Cu from the wiring side, and Cu diffuses to the insulating film side, so that insulation of the insulating film cannot be secured.
(2) Si on the insulating film side diffuses to the wiring side due to mutual diffusion, and the resistance on the wiring side becomes high.
(3) Since the adhesion between the barrier layer and the insulating film is poor, a semiconductor device that is excellent in operation reliability over a long period cannot be constructed.
The above problems are caused by the fact that the configuration of the barrier layer that improves the adhesion with the insulating film and sufficiently provides a barrier action against the diffusion of Cu and Si is not clear. Conceivable.

本発明は上記に鑑み提案されたもので、配線本体側からのCuの拡散や、絶縁膜側からのSiの拡散に対する障壁作用をバリア層に十分にもたせて、絶縁膜の絶縁性確保、また配線の低抵抗化を実現することができ、またバリア層と絶縁膜との密着性を向上させることができ、長期に亘り動作の信頼性に優れている半導体装置、その製造方法およびその製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above, and by ensuring that the barrier layer has a sufficient barrier action against Cu diffusion from the wiring body side and Si diffusion from the insulating film side, ensuring insulation of the insulating film, or Semiconductor device which can realize low resistance of wiring and can improve the adhesion between the barrier layer and the insulating film and has excellent operation reliability over a long period of time, its manufacturing method and its manufacturing method It aims at providing the target material for sputtering used for this.

上記目的を達成するために、(1)本発明の第1の発明は、絶縁膜に配線が施されている半導体装置において、珪素(Si)を含む絶縁膜と、上記絶縁膜に設けられた溝状の開口部内に形成された、銅(Cu)からなる配線本体と、上記絶縁膜と配線本体との間に形成され、厚さ方向の中央部でマンガン(Mn)の原子濃度を最大とするMn系酸化物からなるバリア層と、を有するものである。
(2)第2の発明は、上記した(1)項に記載の発明の構成において、上記バリア層の内部にCuを含有するものである。
(3)第3の発明は、上記した(2)項に記載の発明の構成において、上記バリア層に含まれるCuの原子濃度は、配線本体側から絶縁膜側に向けて単調に減少しているものである。
(4)第4の発明は、上記した(3)項に記載の発明の構成において、上記バリア層に含まれるCuの原子濃度を、バリア層の厚さ方向の中央部でMnの原子濃度以下とするものである。
(5)第5の発明は、絶縁膜に配線が施されている半導体装置において、珪素(Si)を含む絶縁膜と、上記絶縁膜に設けられた溝状の開口部内に形成された、銅(Cu)からなる配線本体と、上記配線本体と絶縁膜との間に形成され、配線本体側から絶縁膜側に向けてCuの原子濃度が単調に減少し、絶縁膜側から配線本体側に向けてSiの原子濃度が単調に減少し、Cuの原子濃度とSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大になる、CuとSiとMnとを含む酸化物からなるバリア層と、を有するものである。
(6)第6の発明は、上記した(5)項に記載の発明の構成において、上記バリア層は、その内部のCuとSiの原子濃度が略同等となる領域におけるMnの原子濃度を、CuまたはSiの原子濃度の2倍以上となるようにしたものである。
(7)第7の発明は、上記した(1)項から(6)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記バリア層は、層厚が1nm以上で開口部の溝幅の1/5以下で、かつ10nm以下とするものである。
(8)第8の発明は、上記した(1)項から(7)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記バリア層は非晶質からなるものである。
(9)第9の発明は、上記した(1)項から(8)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記バリア層と接する配線本体側に2価または3価にイオン化したMnが存在するものである。
(10)第10の発明は、絶縁膜に配線が施されている半導体装置の製造方法において、珪素(Si)を含む絶縁膜に溝状の開口部を設ける工程と、上記開口部の内周面にマンガン(Mn)と銅(Cu)を含む銅合金膜を形成する銅合金膜形成工程と、上記銅合金膜が形成された開口部にCuを埋め込み銅埋め込み層を形成する工程と、熱処理を施し、銅合金膜と絶縁膜との間にバリア層を形成するとともに、その銅合金膜を銅埋め込み層のCuと一体化させて配線本体とする熱処理工程と、を有し、上記バリア層は、厚さ方向の中央部でMnの原子濃度を最大とするMn系酸化物からなるものである。
(11)第11の発明は、絶縁膜に配線が施されている半導体装置の製造方法において、珪素(Si)を含む絶縁膜に溝状の開口部を設ける工程と、上記開口部の内周面にマンガン(Mn)と銅(Cu)を含む銅合金膜を形成する銅合金膜形成工程と、上記銅合金膜が形成された開口部にCuを埋め込み銅埋め込み層を形成する工程と、熱処理を施し、銅合金膜と絶縁膜との間にバリア層を形成するとともに、その銅合金膜を銅埋め込み層のCuと一体化させて配線本体とする熱処理工程と、を有し、上記バリア層は、Cuの原子濃度が配線本体側から絶縁膜側に向けて単調に減少し、Siの原子濃度が絶縁膜から配線本体側に向けて単調に減少し、Cuの原子濃度とSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大となる、CuとSiとMnとを含む酸化物からなるものである。
(12)第12の発明は、上記した(10)項または(11)項に記載の発明の構成において、上記熱処理工程において、熱処理は酸素を不可避的に含む純不活性ガスあるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガスからなる気流中で行うようにしたものである
(13)第13の発明は、上記した(10)項または(11)項に記載の発明の構成において、上記熱処理工程において、熱処理は酸素を不可避的に含む窒素ガスまたは水素ガス、あるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む窒素ガスまたは水素ガスからなる気流中で行うようにしたものである。
(14)第14の発明は、上記した(10)項から(13)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記熱処理工程において、熱処理は150℃以上600℃以下の温度で行うようにしたものである。
(15)第15の発明は、上記した(10)項から(13)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記熱処理工程において、熱処理は150℃以上450℃以下の温度で行うようにしたものである。
(16)第1の発明は、上記した(10)項から(15)項の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、上記銅合金膜形成工程における銅合金膜の形成を、スパッタリング用ターゲット材にスパッタリングを施して行うようにしたものである。
(17)第17の発明は、スパッタリングを施して銅合金膜を形成する(16)項に記載のスパッタリング用ターゲット材であって、主成分としての銅(Cu)と、必須の元素としてのマンガン(Mn)と、上記必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とからなり、上記不可避的不純物が、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)の何れかである場合、その不可避的不純物の合計含有量を群毎に原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.1%以下とするものである。
(18)第18の発明は、スパッタリングを施して銅合金膜を形成する(16)項に記載のスパッタリング用ターゲット材であって、主成分としての銅(Cu)と、必須の元素としてのマンガン(Mn)と、上記必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とからなり、上記不可避的不純物が、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、硼素(B)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、アンチモン(Sb)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテシウム(Lu)、及びトリウム(Th)の何れかである場合、その不可避的不純物の合計含有量を原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.1%以下とするものである。
(19)第19の発明は、上記した(16)項から(18)項の何れか1項に記載の発明の構成において、上記必須の元素としてのMnの含有量を原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.5%以上で20%以下としたものである。
In order to achieve the above object, (1) according to a first aspect of the present invention, an insulating film containing silicon (Si) is provided in a semiconductor device in which wiring is applied to the insulating film, and the insulating film is provided. A wiring main body made of copper (Cu) formed in the groove-shaped opening, and formed between the insulating film and the wiring main body, and the atomic concentration of manganese (Mn) is maximized at the central portion in the thickness direction. And a barrier layer made of a Mn-based oxide.
(2) According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the invention described in the above item (1), the barrier layer contains Cu.
(3) According to a third invention, in the configuration of the invention described in the above item (2), the atomic concentration of Cu contained in the barrier layer decreases monotonously from the wiring body side toward the insulating film side. It is what.
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration of the invention described in the above item (3), the atomic concentration of Cu contained in the barrier layer is equal to or lower than the atomic concentration of Mn in the central portion in the thickness direction of the barrier layer. It is what.
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in a semiconductor device in which a wiring is provided on an insulating film, an insulating film containing silicon (Si) and a copper formed in a groove-shaped opening provided in the insulating film (Cu) formed between the wiring main body and the wiring main body and the insulating film, the atomic concentration of Cu decreases monotonously from the wiring main body side to the insulating film side, and from the insulating film side to the wiring main body side. It is made of an oxide containing Cu, Si, and Mn, in which the atomic concentration of Si monotonously decreases, and the atomic concentration of Mn is maximized in a region where the atomic concentration of Cu and the atomic concentration of Si are substantially equal. And a barrier layer.
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration of the invention described in the above item (5), the barrier layer has an atomic concentration of Mn in a region where the atomic concentrations of Cu and Si in the interior are substantially equal, The atomic concentration of Cu or Si is set to be twice or more.
(7) In a seventh aspect of the invention, in the configuration of the invention described in any one of the above items (1) to (6), the barrier layer has a layer thickness of 1 nm or more and a groove width of the opening. 1/5 or less and 10 nm or less.
(8) According to an eighth aspect of the invention, in the configuration of the invention described in any one of the above items (1) to (7), the barrier layer is made of an amorphous material.
(9) According to a ninth invention, in the configuration of the invention described in any one of the above items (1) to (8), ionization is performed bivalently or trivalently on the side of the wiring body in contact with the barrier layer. Mn is present.
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device in which an insulating film is provided with a wiring, a step of providing a groove-shaped opening in an insulating film containing silicon (Si), and an inner periphery of the opening A copper alloy film forming step of forming a copper alloy film containing manganese (Mn) and copper (Cu) on the surface, a step of filling Cu in the opening in which the copper alloy film is formed and forming a copper buried layer, and a heat treatment A barrier layer is formed between the copper alloy film and the insulating film, and the copper alloy film is integrated with Cu of the copper buried layer to form a wiring body, and the barrier layer Is made of a Mn-based oxide that maximizes the atomic concentration of Mn at the center in the thickness direction.
(11) An eleventh aspect of the invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a wiring is provided on an insulating film, the step of providing a groove-shaped opening in an insulating film containing silicon (Si), and the inner periphery of the opening A copper alloy film forming step of forming a copper alloy film containing manganese (Mn) and copper (Cu) on the surface, a step of filling Cu in the opening in which the copper alloy film is formed and forming a copper buried layer, and a heat treatment A barrier layer is formed between the copper alloy film and the insulating film, and the copper alloy film is integrated with Cu of the copper buried layer to form a wiring body, and the barrier layer Shows that the atomic concentration of Cu decreases monotonously from the wiring body side toward the insulating film side, the atomic concentration of Si decreases monotonously from the insulating film toward the wiring body side, and the atomic concentration of Cu and the atomic concentration of Si Where the atomic concentration of Mn is maximized in a region where In which a formed of an oxide containing Si and Mn.
(12) In a twelfth aspect of the present invention according to the structure described in the above item (10) or (11), in the heat treatment step, the heat treatment inevitably contains pure inert gas or oxygen inevitably containing oxygen. 75 vol. (13) The thirteenth invention is the above-described heat treatment in the constitution of the invention described in the above item (10) or (11). In the process, the heat treatment inevitably includes nitrogen gas or hydrogen gas containing oxygen, or oxygen at a maximum of 75 vol. This is carried out in an air stream composed of nitrogen gas or hydrogen gas contained at a ratio of ppm.
(14) In the fourteenth aspect of the invention, in the configuration of the invention according to any one of the paragraphs (10) to (13), the heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower in the heat treatment step. It is what I did.
(15) In the fifteenth aspect of the invention, the heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in the configuration of the invention described in any one of the items (10) to (13). It is what I did.
(16) In accordance with the first 6 is a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the above (10) from section (15) section, the formation of the copper alloy film in the copper alloy film forming step, The sputtering target material is subjected to sputtering.
(17) The seventeenth invention is the sputtering target material according to item (16), wherein sputtering is performed to form a copper alloy film, and copper (Cu) as a main component and manganese as an essential element (Mn) and unavoidable impurities inevitably remaining in the remaining Cu excluding the essential elements, and the unavoidable impurities include lithium (Li) constituting the first group, beryllium constituting the second group ( Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg), boron (B) constituting the third group, gallium (Ga) and aluminum (Al), silicon (Si) constituting the fourth group, constituting the fifth group Antimony (Sb), scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), Thorium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), Main transition metal elements of rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) and gold (Au), lanthanum (La), cesium (Ce) and samarium (Sm) constituting the seventh group ), Gadori two um (Gd), terbium (Tb), Disperse propidium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (in each lanthanide of Lu) transition When it is one of metal elements and thorium (Th) constituting the eighth group, the total content of the inevitable impurities is In the atomic concentration is to 0.1% or less of the entire target material.
(18) An eighteenth aspect of the invention is the sputtering target material according to the item (16), in which sputtering is performed to form a copper alloy film, and copper (Cu) as a main component and manganese as an essential element (Mn) and unavoidable impurities that inevitably remain in the remaining Cu excluding the essential elements. The unavoidable impurities are lithium (Li), beryllium (Be), calcium (Ca), magnesium (Mg). Boron (B), gallium (Ga), aluminum (Al), silicon (Si), antimony (Sb), scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe) , Cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ru Ni (Ru), Palladium (Pd), Hafnium (Hf), Tantalum (Ta), Tungsten (W), Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platinum (Pt), Gold (Au), lanthanum (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two Umm (Gd), terbium (Tb), disk dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium ( In the case of any of Yb), lutesium (Lu), and thorium (Th), the total content of the inevitable impurities is set to an atomic concentration of 0.1% or less of the entire target material.
(19) The nineteenth invention is the target according to any one of the above items (16) to (18), wherein the content of Mn as the essential element is set to an atomic concentration. 0.5% or more and 20% or less of the entire material.

第1の発明または第10の発明によれば、絶縁膜と配線本体との間に、層厚の中央部でMnの原子濃度を最大とするMn系酸化物からなるバリア層、即ち、層厚の中央部でMnが濃化しているMn系酸化物からなるバリア層を設ける。このバリア層は、形成エネルギーが低いという理由により、熱的に安定で構造的に緻密な層となり、拡散抑制に対して効果的な構成となる。このため、配線本体側からのCuの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、絶縁膜の絶縁性を優れたものとすることができる。また絶縁膜側からのSiの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、配線本体を低抵抗なものとすることができる。したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線を備えて、低消費電力の半導体装置とすることができる。   According to the first invention or the tenth invention, a barrier layer made of a Mn-based oxide that maximizes the atomic concentration of Mn at the center of the layer thickness between the insulating film and the wiring body, that is, the layer thickness A barrier layer made of a Mn-based oxide in which Mn is concentrated is provided at the center of the substrate. This barrier layer is a thermally stable and structurally dense layer because of its low formation energy, and is effective in suppressing diffusion. For this reason, it comes to have a favorable barrier property with respect to the diffusion of Cu from the wiring body side, and the insulating property of the insulating film can be made excellent. Further, it has a good barrier property against the diffusion of Si from the insulating film side, and the wiring body can have a low resistance. Accordingly, a low-power-consumption semiconductor device can be provided with wiring that can prevent leakage of element operating current with low resistance.

また、第2の発明によれば、バリア層を、Cuを含む被膜としたので、そのバリア層とCuを主成分とする配線本体との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、バリア層の表面に接触して形成されることとなる配線本体をなすCu膜との密着性を向上させることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   According to the second invention, since the barrier layer is a film containing Cu, the atomic concentration distribution is not isolated between the barrier layer and the wiring main body containing Cu as a main component. Since the concentration continuously changes, it is possible to improve the adhesion with the Cu film forming the wiring body that is formed in contact with the surface of the barrier layer, and the reliability of the semiconductor device over a long period of time. It can be made excellent.

また、第3の発明によれば、バリア層中のCuの原子濃度を、Cuを主成分とする配線本体の側から、絶縁膜側に向けて単調に減少させているので、そのバリア層とCuを主成分とする配線本体との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、配線本体をなすCu膜との密着性をより向上させることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   According to the third invention, since the atomic concentration of Cu in the barrier layer is monotonously decreased from the side of the wiring main body containing Cu as a main component toward the insulating film side, The atomic concentration distribution is not isolated from the wiring main body containing Cu as the main component, and since the Cu concentration changes continuously, the adhesion to the Cu film forming the wiring main body can be further improved. Thus, the semiconductor device can be excellent in operation reliability over a long period of time.

また、第4の発明によれば、バリア層に含まれるCuの原子濃度を、その層の厚さ方向の中央部でMnの原子濃度以下としたので、バリア層の主要構成元素がMnとなり、そのMnは酸素との結合力が強いため、拡散の遅いMn酸化物となり、バリア層はそのMnを主体とする酸化物から形成されるようになる。このため、バリア層は、配線本体側からのCuの拡散に対して優れたバリア性を発揮する。   Further, according to the fourth invention, since the atomic concentration of Cu contained in the barrier layer is set to be equal to or lower than the atomic concentration of Mn at the central portion in the thickness direction of the layer, the main constituent element of the barrier layer is Mn, Since the Mn has a strong bonding force with oxygen, it becomes a Mn oxide with a slow diffusion, and the barrier layer is formed from an oxide mainly composed of the Mn. For this reason, a barrier layer exhibits the outstanding barrier property with respect to the spreading | diffusion of Cu from the wiring main body side.

第5の発明または第11の発明では、配線本体と絶縁膜との間に、CuとSiとMnとを含む酸化物からなるバリア層を形成し、そのバリア層は、配線本体側から絶縁膜側に向けてCuの原子濃度が単調に減少し、絶縁膜から配線本体側に向けてSiの原子濃度が単調に減少し、CuとSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大になるようにしたので、バリア層は、熱的に安定で構造的に緻密な酸化物の層となる。このため、バリア層は、拡散抑制に対して効果的な構成となり、配線本体側からのCuの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、絶縁膜の絶縁性をより優れたものとすることができる。また、絶縁膜側からのSiの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、配線本体をより低抵抗なものとすることができる。したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線を備えて、より一層低消費電力の半導体装置とすることができる。
また、バリア層中のCuの原子濃度を、Cuを主成分とする配線本体の側から、絶縁膜側に向けて単調に減少させているので、そのバリア層とCuを主成分とする配線本体との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、配線本体をなすCu膜との密着性をより向上させることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。
また、バリア層は絶縁膜との界面では、その拡散反応によって主にSiとMnとを含む酸化物となり、またバリア層中のSiの原子濃度を、絶縁膜から配線本体側に向けて単調に減少させている。このため、絶縁膜からのSi組成分布がバリア層との界面で急峻な不連続分布ではなく連続的な分布となる。このため、絶縁膜とバリア層との界面強度が上がり、絶縁膜との密着性を向上させることができ、この点からも半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。
このように、第5の発明または第11の発明では、配線本体の低抵抗化および絶縁膜の絶縁性向上による半導体装置の低消費電力化を実現することができ、またバリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。
In the fifth invention or the eleventh invention, a barrier layer made of an oxide containing Cu, Si and Mn is formed between the wiring body and the insulating film, and the barrier layer is formed from the wiring body side to the insulating film. In the region where the atomic concentration of Cu decreases monotonously toward the side, the atomic concentration of Si decreases monotonously from the insulating film toward the wiring body, and the atomic concentration of Mn is substantially equal to the atomic concentration of Cu and Si. Since the concentration is maximized, the barrier layer is a thermally stable and structurally dense oxide layer. For this reason, the barrier layer has an effective configuration for suppressing diffusion, has a good barrier property against Cu diffusion from the wiring body side, and has a better insulating property of the insulating film. can do. Further, it has a good barrier property against Si diffusion from the insulating film side, and the wiring body can be made to have a lower resistance. Therefore, a wiring that can prevent leakage of element operating current with low resistance can be provided, and a semiconductor device with much lower power consumption can be obtained.
Further, since the atomic concentration of Cu in the barrier layer is monotonously decreased from the side of the wiring main body mainly composed of Cu toward the insulating film side, the wiring main body mainly composed of the barrier layer and Cu Since the atomic concentration distribution is not isolated between the two and the Cu concentration continuously changes, the adhesion with the Cu film forming the wiring body can be further improved, and the semiconductor device can be operated over a long period of time. The reliability can be improved.
Also, the barrier layer becomes an oxide mainly containing Si and Mn due to diffusion reaction at the interface with the insulating film, and the atomic concentration of Si in the barrier layer monotonously from the insulating film toward the wiring body side. It is decreasing. Therefore, the Si composition distribution from the insulating film is not a steep discontinuous distribution at the interface with the barrier layer, but a continuous distribution. For this reason, the interface strength between the insulating film and the barrier layer can be increased, and the adhesion with the insulating film can be improved. From this point of view, the semiconductor device should have excellent operation reliability over a long period of time. it can.
As described above, in the fifth or eleventh invention, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device by reducing the resistance of the wiring body and improving the insulating properties of the insulating film. By improving the adhesion between the barrier layer and the adhesion between the barrier layer and the insulating film, it is possible to make the semiconductor device excellent in operation reliability over a long period of time.

また、第6の発明では、バリア層の、CuとSiの原子濃度が略同等となる領域におけるMnの原子濃度を、CuまたはSiの原子濃度の2倍以上となるようにしたので、CuあるいはSiが主体となる酸化物であれば酸化物が連続的に成長し続けるが、Mnが主体となる酸化物となるため、バリア層の成長が時間の対数則に従う。対数則に従うようになるのは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、バリア層の、Mnが主体となる酸化物は、構造が緻密で拡散が遅いため、この酸化物の成長は通常の熱拡散によって生じず、Mn原子に付随する自由電子がバリア層の反対側(絶縁膜側)にトンネル移動し、バリア層と接する配線本体側にイオン化されたMnが存在するようになり、形成途上のバリア層7の両側に電場が形成される。この電場が、バリア層内のMnイオンの拡散を加速することによって、Mnを主体とする酸化物の成長が生じる。このような成長挙動によってバリア層の成長速度が時間の対数則に従うようになる。その結果バリア層の形成初期は急激に厚さが増加し、時間が経過すると厚さの変化速度が遅くなり、成長は抑制され数nm以上には成長しない。このため、バリア層は熱的に安定で構造的に緻密なMn酸化物からなる被膜となり、拡散抑制に対してより有効な構成となる。したがって、配線本体側からのCuの拡散や、絶縁膜側からのSiの拡散に対するバリア層の障壁作用がより一層向上し、絶縁膜の絶縁性および配線の低抵抗性をさらに向上させることができる。   In the sixth aspect of the invention, the atomic concentration of Mn in the region of the barrier layer where the atomic concentrations of Cu and Si are substantially equal is set to be twice or more the atomic concentration of Cu or Si. If the oxide is mainly composed of Si, the oxide continues to grow continuously. However, since the oxide is composed mainly of Mn, the growth of the barrier layer follows the logarithm rule of time. The reason why the logarithmic rule is followed is considered to be due to the following reason. That is, the Mn-based oxide in the barrier layer has a dense structure and slow diffusion, so that the oxide growth does not occur by normal thermal diffusion, and the free electrons associated with the Mn atoms are opposite to the barrier layer. The tunnel moves to the side (insulating film side) and ionized Mn is present on the side of the wiring body in contact with the barrier layer, and an electric field is formed on both sides of the barrier layer 7 in the process of formation. This electric field accelerates the diffusion of Mn ions in the barrier layer, thereby causing growth of an oxide mainly composed of Mn. Such growth behavior causes the growth rate of the barrier layer to follow the logarithm rule of time. As a result, the thickness of the barrier layer is rapidly increased at the initial stage of formation, and the rate of change of the thickness is slowed over time, so that the growth is suppressed and does not grow beyond several nm. For this reason, the barrier layer is a thermally stable and structurally dense Mn oxide film, which is more effective for suppressing diffusion. Therefore, the barrier action of the barrier layer against the diffusion of Cu from the wiring body side and the diffusion of Si from the insulating film side can be further improved, and the insulating properties of the insulating film and the low resistance of the wiring can be further improved. .

また、第7の発明では、バリア層を、層厚が1nm以上で開口部の溝幅の1/5以下として、バリア層の厚みを確保するようにしたので、配線本体側からのCuの拡散や、絶縁膜側からのSiの拡散に対するバリア層の障壁作用が確実なものとなる。また同時に、バリア層の厚みを最大でも10nm以下としたので、配線本体がバリア層で狭められて、配線の実効的な電気抵抗が大きくなる等の弊害も確実に防止することができる。したがって、絶縁膜の絶縁性および配線の低抵抗性をより確実に得られるようになる。   In the seventh invention, since the barrier layer has a thickness of 1 nm or more and is 1/5 or less of the groove width of the opening so as to ensure the thickness of the barrier layer, the diffusion of Cu from the wiring body side is ensured. In addition, the barrier action of the barrier layer against the diffusion of Si from the insulating film side is ensured. At the same time, since the thickness of the barrier layer is set to 10 nm or less at the maximum, it is possible to reliably prevent adverse effects such as the wiring body being narrowed by the barrier layer and the effective electrical resistance of the wiring being increased. Therefore, the insulating property of the insulating film and the low resistance of the wiring can be obtained more reliably.

また、第8の発明では、バリア層を非晶質としたので、CuやSiが粒界を介して異常に拡散するのを抑制することができる。したがって、バリア層の障壁作用が向上し、絶縁膜の絶縁性および配線の低抵抗性を確実に保つことができる。   In the eighth invention, since the barrier layer is amorphous, it is possible to suppress abnormal diffusion of Cu and Si through the grain boundary. Therefore, the barrier action of the barrier layer is improved, and the insulating properties of the insulating film and the low resistance of the wiring can be reliably maintained.

また、第9の発明によれば、バリア層と接する配線本体側に2価または3価にイオン化したMnが存在するので、バリア層に隣接する配線本体側には正の電荷が存在し、バリア層を隔てて対向する絶縁膜側との間に電場を形成するようになる。このバリア層の両側に形成された電場によって、配線本体と絶縁膜とはバリア層に引き付けられるため、界面の密着性を向上する効果を得ることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, according to the ninth aspect, since Mn ionized bivalently or trivalently exists on the side of the wiring body in contact with the barrier layer, a positive charge is present on the side of the wiring body adjacent to the barrier layer. An electric field is formed between the insulating films facing each other with a layer interposed therebetween. The electric field formed on both sides of the barrier layer attracts the wiring body and the insulating film to the barrier layer, so that the effect of improving the adhesion at the interface can be obtained, and the semiconductor device can be operated reliably over a long period of time. It can be made excellent.

また、第12の発明によれば、熱処理工程において、熱処理を酸素を不可避的に含む純不活性ガスあるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガス中で行うようにしたので、バリア層の形成に関与せず配線本体の表面まで拡散し移動したMn等の合金元素は、不活性ガス中に適量含まれる微量の酸素で酸化されて配線本体の表面に酸化物を形成し、配線本体の表面酸化物という形で、配線本体の内部から消滅する。したがって、配線抵抗は純Cuと略同等となり、低抵抗の配線本体を得ることができる。   Further, according to the twelfth invention, in the heat treatment step, the heat treatment is performed with pure inert gas or oxygen which inevitably contains oxygen at a maximum of 75 vol. Since it was performed in an inert gas containing a ratio of ppm, alloy elements such as Mn that diffused and moved to the surface of the wiring main body without being involved in the formation of the barrier layer contained a trace amount contained in an appropriate amount in the inert gas. It is oxidized with oxygen to form an oxide on the surface of the wiring body, and disappears from the inside of the wiring body in the form of a surface oxide of the wiring body. Accordingly, the wiring resistance is substantially equal to that of pure Cu, and a low-resistance wiring main body can be obtained.

また、第13の発明によれば、熱処理工程において、熱処理を酸素を不可避的に含む窒素ガスまたは水素ガス、あるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む窒素ガスまたは水素ガス中で行うようにした。この窒素ガスまたは水素ガスは、不活性ガスと同様に、銅とは反応しない。この窒素ガスまたは水素ガス中で熱処理を行うと、バリア層の形成に関与せず配線本体の表面まで拡散し移動したMn等の合金元素は、不活性ガス中での熱処理の場合と同様に、窒素ガスまたは水素ガス中に適量含まれる微量の酸素で酸化されて配線本体の表面に酸化物を形成し、配線本体の表面酸化物という形で、配線本体の内部から消滅する。したがって、配線抵抗は純Cuと略同等となり、低抵抗の配線本体を得ることができる。また、低コストの窒素ガスや水素ガスを用いるので、熱処理も低コストで行うことができる。   According to the thirteenth invention, in the heat treatment step, the heat treatment is inevitably performed with nitrogen gas or hydrogen gas containing oxygen inevitably, or oxygen at a maximum of 75 vol. It was carried out in nitrogen gas or hydrogen gas containing at a ratio of ppm. This nitrogen gas or hydrogen gas does not react with copper like the inert gas. When heat treatment is performed in this nitrogen gas or hydrogen gas, alloy elements such as Mn that have diffused and moved to the surface of the wiring body without being involved in the formation of the barrier layer are the same as in the case of heat treatment in an inert gas. Oxidized with a small amount of oxygen contained in a nitrogen gas or hydrogen gas to form an oxide on the surface of the wiring body, and disappear from the inside of the wiring body in the form of a surface oxide of the wiring body. Accordingly, the wiring resistance is substantially equal to that of pure Cu, and a low-resistance wiring main body can be obtained. In addition, since low-cost nitrogen gas or hydrogen gas is used, heat treatment can be performed at low cost.

また、第14の発明では、熱処理工程における熱処理を150℃以上600℃以下の温度で行うようにしたので、バリア層を本発明に係る特有の構成とすることができ、配線本体の低抵抗化、絶縁膜の絶縁性向上、および配線本体や絶縁膜との密着性向上といった諸効果をもたらすことができる。   In the fourteenth invention, since the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 150 ° C. or more and 600 ° C. or less, the barrier layer can have a specific configuration according to the present invention, and the resistance of the wiring body can be reduced. In addition, various effects such as an improvement in the insulating properties of the insulating film and an improvement in the adhesion to the wiring body and the insulating film can be brought about.

また、第15の発明では、熱処理工程における熱処理を150℃以上450℃以下の温度で行うようにしたので、バリア層の非晶質化を安定して形成することができる。   In the fifteenth aspect, since the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, the amorphization of the barrier layer can be stably formed.

また、第17の発明によれば、銅合金膜形成に用いるスパッタリング用ターゲット材を、主成分としての銅(Cu)と、必須の元素としてのマンガン(Mn)と、その必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とから構成し、その不可避的不純物が、第1群から第8群として特定した元素の何れかであれば、その不可避的不純物の合計含有量を群毎に原子濃度にして当該Cu合金全体の0.1%以下となるようにしたので、このスパッタリング用ターゲット材から形成した配線本体は、低抵抗で良導性のものとなり、低消費電力の半導体装置とすることができる。   According to the seventeenth invention, the sputtering target material used for forming the copper alloy film is composed of copper (Cu) as a main component, manganese (Mn) as an essential element, and the remainder excluding the essential element. Inevitable impurities remaining in Cu, and if the inevitable impurities are any of the elements specified as the first group to the eighth group, the total content of the inevitable impurities for each group Since the atomic concentration is 0.1% or less of the entire Cu alloy, the wiring body formed from the sputtering target material has low resistance and good conductivity, and a low power consumption semiconductor device can do.

また、第18の発明によれば、銅合金膜形成に用いるスパッタリング用ターゲット材を、主成分としての銅(Cu)と、必須の元素としてのマンガン(Mn)と、その必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とから構成し、その不可避的不純物が特定した元素の何れかであれば、その不可避的不純物の合計含有量を原子濃度にして当該Cu合金全体の0.1%以下となるようにしたので、このスパッタリング用ターゲット材から形成した配線本体は、低抵抗で良導性のものとなり、低消費電力の半導体装置とすることができる。   According to the eighteenth aspect of the invention, the sputtering target material used for forming the copper alloy film includes copper (Cu) as a main component, manganese (Mn) as an essential element, and the remainder excluding the essential element. If the inevitable impurities are inevitably remaining in Cu, and the inevitable impurities are any of the specified elements, the total content of the inevitable impurities is set to an atomic concentration of 0.1% of the entire Cu alloy. Therefore, the wiring body formed from the sputtering target material has low resistance and good conductivity, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained.

すなわち、(a)酸化物を形成するための自由エネルギーがSiO2より大きく、酸素との結合反応性が高い不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、容易に酸素と結合して酸化物となり、最終的に配線本体に取り込まれて配線本体の電気抵抗を高くするが、本発明の第17、第18の発明では、この不可避的不純物を特定し、スパッタリング用ターゲット材にほとんど含めないように規定したので、配線本体を低抵抗で良導性のものとすることができる。
また、(b)Cu中での拡散係数がCuの自己拡散係数よりも小さい不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、Cu中での拡散が遅いためにCu中に残存する傾向が高く、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗を高くするが、本発明の第17、第18の発明では、この不可避的不純物を特定し、スパッタリング用ターゲット材にほとんど含めないように規定したので、配線本体を低抵抗で良導性のものとすることができる。
また、(c)Cuと金属間化合物を形成する不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗を高くするが、本発明の第17、第18の発明では、この不可避的不純物を特定し、スパッタリング用ターゲット材にほとんど含めないように規定したので、配線本体を低抵抗で良導性のものとすることができる。
また、(d)Mnと金属間化合物を形成する不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗を高くするが、本発明の第17、第18の発明では、この不可避的不純物を特定し、スパッタリング用ターゲット材にほとんど含めないように規定したので、配線本体を低抵抗で良導性のものとすることができる。
That is, (a) When an inevitable impurity having a higher free energy for forming an oxide than SiO 2 and a high bonding reactivity with oxygen is present in the Cu alloy film, the inevitable impurity is easily bonded to oxygen. In the 17th and 18th aspects of the present invention, this unavoidable impurity is identified and used as a sputtering target material. Since it is defined so that it is hardly included, the wiring body can be made of a low resistance and good conductivity.
Further, (b) when inevitable impurities having a diffusion coefficient in Cu smaller than the self-diffusion coefficient of Cu are present in the Cu alloy film, the inevitable impurities remain in Cu due to slow diffusion in Cu. However, in the seventeenth and eighteenth aspects of the present invention, this inevitable impurity is specified and hardly included in the sputtering target material. Thus, the wiring main body can be made of a low resistance and good conductivity.
In addition, (c) when inevitable impurities forming an intermetallic compound with Cu are present in the Cu alloy film, the inevitable impurities are finally taken into the wiring body to increase the electrical resistance. In the seventeenth and eighteenth inventions, the inevitable impurities are specified and specified so as to be hardly included in the sputtering target material, so that the wiring body can be made low resistance and good conductivity.
Further, (d) if inevitable impurities forming an intermetallic compound with Mn are present in the Cu alloy film, the inevitable impurities are finally taken into the wiring body to increase the electrical resistance. In the seventeenth and eighteenth inventions, the inevitable impurities are specified and specified so as to be hardly included in the sputtering target material, so that the wiring body can be made low resistance and good conductivity.

また、第17、第18の発明では、スパッタリング用ターゲット材に必須の元素としてのマンガン(Mn)を含めるようにしたので、このスパッタリング用ターゲット材から形成したCu合金膜を熱処理することで得られるバリア層はMn系酸化物被膜となり、このMn系酸化物被膜は、配線本体側からのCuの拡散に対して良好なバリア層となり、かつ絶縁膜との密着性を向上させることができ、したがって、半導体装置の低消費電力化、また信頼性向上を実現することができる。   In the seventeenth and eighteenth inventions, since manganese (Mn) as an essential element is included in the sputtering target material, the Cu alloy film formed from the sputtering target material is obtained by heat treatment. The barrier layer becomes a Mn-based oxide film, and this Mn-based oxide film can be a good barrier layer against the diffusion of Cu from the wiring body side, and can improve the adhesion with the insulating film. In addition, low power consumption and improved reliability of the semiconductor device can be realized.

また、第19の発明では、スパッタリング用ターゲット材の必須元素としてのMn含有量を原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.5%以上で20%以下と、好適な範囲としたので、密着性が良くかつ障壁性にも優れたバリア層を形成することができる。Mn含有量が0.5%以下だとバリア層を形成するのに必要なMnが少ないために、界面の一部に1nm以下の厚さのバリア層が形成されるにとどまり、拡散バリア性や界面の密着性を確保できないし、また、20%以上だとMn量が多すぎるためにバリア層の厚さが10nm以上になり、バリア層の厚さの割合が大きくなり、配線の実効的な抵抗が増加してしまう。   In the nineteenth aspect of the invention, the Mn content as an essential element of the sputtering target material is set to an atomic concentration within a suitable range of 0.5% or more and 20% or less of the entire target material. And a barrier layer having excellent barrier properties can be formed. When the Mn content is 0.5% or less, the amount of Mn required to form the barrier layer is small, so that only a barrier layer having a thickness of 1 nm or less is formed at a part of the interface, Interfacial adhesion cannot be secured, and if it is 20% or more, the amount of Mn is too large, so that the thickness of the barrier layer becomes 10 nm or more, the ratio of the thickness of the barrier layer increases, and the effective wiring Resistance will increase.

この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず第1の実施形態およびその実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the first embodiment and examples thereof will be described.

図1はこの発明の半導体装置の製造手順および構成を概略的に示す説明図であり、(a)は製造手順の前半を、(b)は製造手順の後半をそれぞれ示している。この発明の半導体装置1に備えられている配線2は、図1(b)に示すように、珪素(Si)を含む絶縁膜3と、絶縁膜3に設けられた溝状の開口部4内に形成された、銅(Cu)(括弧内の記号は元素記号を示す)からなる配線本体8と、配線本体8と絶縁膜3との間に形成されたバリア層7とから構成されている。   1A and 1B are explanatory views schematically showing a manufacturing procedure and configuration of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1A shows the first half of the manufacturing procedure and FIG. 1B shows the second half of the manufacturing procedure. As shown in FIG. 1B, the wiring 2 provided in the semiconductor device 1 of the present invention includes an insulating film 3 containing silicon (Si) and a groove-like opening 4 provided in the insulating film 3. The wiring body 8 made of copper (Cu) (the symbol in parentheses indicates an element symbol) and the barrier layer 7 formed between the wiring body 8 and the insulating film 3 are formed. .

そして、このバリア層7は、図1(b)の右側に示すように、厚さ方向の中央部でマンガン(Mn)の原子濃度を最大とするMn系酸化物被膜として構成され、バリア層7の内部にはCuが含有され、そのCuの原子濃度は、配線本体8の側からその配線本体8に対向している絶縁膜3側に向けて単調に減少している。さらに、バリア層7に接する配線本体8側には2価または3価にイオン化したMnが存在している。   The barrier layer 7 is configured as a Mn-based oxide film that maximizes the atomic concentration of manganese (Mn) at the center in the thickness direction, as shown on the right side of FIG. Cu contains, and the atomic concentration of Cu monotonously decreases from the wiring body 8 side toward the insulating film 3 side facing the wiring body 8. Furthermore, Mn ionized bivalently or trivalently exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7.

この半導体装置1の製造は、図1(a)に示すように、先ずSiを含む絶縁膜3に溝状の開口部4を設け、次に開口部4の内周面にマンガン(Mn)と銅(Cu)を含む銅合金膜(Cu合金膜)5を形成し、続いてCu合金膜5が形成された開口部4にCuを埋め込みCu埋め込み層6を形成する。そして、熱処理を施すことにより、Cu合金膜5がCu埋め込み層6のCuと一体化し配線本体8となるとともに、Cu合金膜5と絶縁膜3との間にバリア層7(図1(b))が形成され、図1(b)に示すような、配線2を備えた本発明の半導体装置1となる。
なお、熱処理は、上記のように、Cu合金膜5とCu埋め込み層6とを形成した後、行ってもよいし、Cuを埋め込む前のCu合金膜5を形成した段階で行うようにしてもよい。Cuを埋め込む前のCu合金膜5を形成した段階で熱処理を行うと、その熱処理によりCu合金膜5の表面側はCuを主体とする表面層に変化し、その表面層にCuが埋め込まれると、表面層と、埋め込まれたCuとが一体的に配線本体を形成するようになる。
As shown in FIG. 1A, the semiconductor device 1 is manufactured by first providing a groove-like opening 4 in an insulating film 3 containing Si, and then forming manganese (Mn) on the inner peripheral surface of the opening 4. A copper alloy film (Cu alloy film) 5 containing copper (Cu) is formed, and then Cu is embedded in the opening 4 where the Cu alloy film 5 is formed to form a Cu buried layer 6. Then, by performing heat treatment, the Cu alloy film 5 is integrated with Cu of the Cu buried layer 6 to become the wiring body 8, and the barrier layer 7 (see FIG. 1B) is formed between the Cu alloy film 5 and the insulating film 3. ) To form the semiconductor device 1 of the present invention having the wiring 2 as shown in FIG.
The heat treatment may be performed after the Cu alloy film 5 and the Cu buried layer 6 are formed as described above, or may be performed at the stage where the Cu alloy film 5 before Cu is buried is formed. Good. When heat treatment is performed at the stage of forming the Cu alloy film 5 before embedding Cu, the surface side of the Cu alloy film 5 is changed to a surface layer mainly composed of Cu by the heat treatment, and Cu is embedded in the surface layer. The surface layer and the embedded Cu integrally form a wiring body.

本発明に係るCu合金膜5を基に構成される配線構造は、平坦な絶縁膜3上にも形成できるが、絶縁膜3に配線を設けるために開口された配線用溝(開口部4)や配線を相互に導通、接続するための孔を利用して、例えばダマシン型配線を形成するのに特に有効に利用され得る。以下に、各部位の説明を順に行う。   The wiring structure configured based on the Cu alloy film 5 according to the present invention can be formed on the flat insulating film 3, but a wiring groove (opening 4) opened to provide wiring in the insulating film 3. For example, a damascene type wiring can be used effectively by utilizing holes for conducting and connecting wirings to each other. Hereinafter, each part will be described in order.

(絶縁膜3)
絶縁膜3は、例えばシリコン(Si)基板上に設けた、Siと酸素(O)とを含む二酸化珪素(SiO2)膜であり、酸化窒化珪素(SiON)膜であり、酸化弗化珪素(SiOF)膜であり、酸化炭化珪素(SiOC)膜である。この絶縁膜3は、多層配線内の絶縁膜、すなわち層間絶縁膜として形成されてもよい。
絶縁膜3は、異なる材料からなる膜を多層に重層して構成しても構わない。例えば窒化珪素(SiN)膜とSiO2膜とを重層した多層膜であっても構わない。多層膜からなる絶縁膜を用いる場合、Cu合金膜5と接触する絶縁膜3の表面層は上記の如くのSiと酸素(O)とを含む膜とするのが望ましい。
(Insulating film 3)
The insulating film 3 is, for example, a silicon dioxide (SiO 2 ) film containing Si and oxygen (O) provided on a silicon (Si) substrate, a silicon oxynitride (SiON) film, and silicon oxide fluoride (SiO 2 ). SiOF) film, which is a silicon oxide carbide (SiOC) film. The insulating film 3 may be formed as an insulating film in the multilayer wiring, that is, an interlayer insulating film.
The insulating film 3 may be formed by stacking films made of different materials in multiple layers. For example, a multilayer film in which a silicon nitride (SiN) film and a SiO 2 film are stacked may be used. When an insulating film made of a multilayer film is used, the surface layer of the insulating film 3 in contact with the Cu alloy film 5 is preferably a film containing Si and oxygen (O) as described above.

(Cu合金膜5)
絶縁膜3の表面上に被着させるCu合金膜5に含まれる合金元素は、Cu内での拡散係数がCuの自己拡散係数より大きく、また酸化物の形成自由エネルギーが大きな元素が好ましい。例えば、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、ゲルマニウム(Ge)、ストロンチウム(Sr)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、錫(Sn)、インジウム(In)、バリウム(Ba)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)である。これらの元素は、バリア層7内で絶縁膜3の酸素や熱処理時に微量含まれる酸素ガスと結合して酸化物を形成しやすく、配線本体8側からのCuの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、絶縁膜3の絶縁性を優れたものとすることができる。また絶縁膜3側からのSiの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、配線本体8を低抵抗なものとすることができる。本発明に適するCu合金膜5として、例えばCu・Mn合金膜を挙げることができる。
(Cu alloy film 5)
The alloy element contained in the Cu alloy film 5 deposited on the surface of the insulating film 3 is preferably an element having a diffusion coefficient in Cu larger than the self-diffusion coefficient of Cu and a large free energy for forming an oxide. For example, manganese (Mn), zinc (Zn), germanium (Ge), strontium (Sr), silver (Ag), cadmium (Cd), tin (Sn), indium (In), barium (Ba), praseodymium (Pr) ), Neodymium (Nd). These elements are easily combined with oxygen in the insulating film 3 and oxygen gas contained in a trace amount during heat treatment in the barrier layer 7 to form an oxide, and have good barrier properties against Cu diffusion from the wiring body 8 side. Thus, the insulating property of the insulating film 3 can be improved. Further, it has a good barrier property against the diffusion of Si from the insulating film 3 side, and the wiring body 8 can have a low resistance. Examples of the Cu alloy film 5 suitable for the present invention include a Cu · Mn alloy film.

Cu合金膜5の内部のCuと合金をなす元素の含有量は、原子濃度にして0.5%以上で20%以下であるのが好適である。この原子濃度の範囲内で、例えばMnを含むCu・Mn合金膜5(Cu合金膜5)は、Mnを原子濃度で例えば7%含むCu・Mn合金からなるターゲット材をスパッタリングすることで得られる。   The content of the element forming an alloy with Cu inside the Cu alloy film 5 is preferably 0.5% or more and 20% or less in terms of atomic concentration. Within this atomic concentration range, for example, a Cu · Mn alloy film 5 (Cu alloy film 5) containing Mn is obtained by sputtering a target material made of a Cu · Mn alloy containing 7% Mn in atomic concentration. .

Cu合金膜5は、例えばSiO2からなる絶縁膜上に高周波スパッタ法で成膜できる。また、イオンプレーテング法、レーザーアブレーション法等の物理的堆積法で形成できる。また、一般的な化学的気相堆積(CVD)法で形成できる。形成する手段に拘らず、絶縁膜3上にCu合金膜5を成膜する温度は100℃以下、望ましくは80℃以下とするのが適する。100℃を超える高温でCu合金膜5を成膜すると、成膜中に下地の絶縁膜3との接触に因り酸化反応が顕著に進行することとなり、薄いバリア層7を形成する際にその層厚を制御するのに支障を来たすため不都合となる。 The Cu alloy film 5 can be formed on the insulating film made of, for example, SiO 2 by high frequency sputtering. Moreover, it can form by physical deposition methods, such as an ion plating method and a laser ablation method. Further, it can be formed by a general chemical vapor deposition (CVD) method. Regardless of the means for forming, the temperature at which the Cu alloy film 5 is formed on the insulating film 3 is 100 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. When the Cu alloy film 5 is formed at a high temperature exceeding 100 ° C., the oxidation reaction proceeds remarkably due to contact with the underlying insulating film 3 during the film formation, and this layer is formed when the thin barrier layer 7 is formed. This is inconvenient because it interferes with the control of the thickness.

また、低温での成膜は、Cu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5の不用意な酸化の進行を妨げるものの、絶縁膜3とCu合金膜5との熱膨張率の差異により、Cu合金膜5が絶縁膜3から剥離するようになり望ましくない。Cu合金膜5の不用意な酸化を避け、且つ、絶縁膜3からの剥離を防止するためには、−50℃以上で+100℃以下、更に好ましくは、−20℃以上で+80℃以下とするのが好ましい。   Further, although the film formation at a low temperature hinders the progress of inadvertent oxidation of the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5, the Cu film is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating film 3 and the Cu alloy film 5. The alloy film 5 comes off from the insulating film 3, which is not desirable. In order to avoid inadvertent oxidation of the Cu alloy film 5 and prevent peeling from the insulating film 3, the temperature is set to −50 ° C. or higher and + 100 ° C. or lower, more preferably −20 ° C. or higher and + 80 ° C. or lower. Is preferred.

Cu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5を絶縁膜3上に被着させる際の被着速度(膜の堆積速度、膜の成長速度)は、毎分2ナノメータ(単位:nm)以上で毎分300nm以下とするのが好適である。毎分300nmを超える高速度で成膜したCu合金膜5は、内部の組織が乱雑となり、且つ空洞(void)が多量に発生するため連続性に欠ける膜となる。空洞を含む連続性に欠けるCu合金膜5では、Mnの拡散が均一に起こらず、また、空洞の存在に因り、絶縁膜3とCu合金膜5とが接触する面積が減少するため、絶縁膜3との密着性に優れるCu合金膜5を得るに至らない不都合を生ずる。   The deposition rate (film deposition rate, film growth rate) when depositing the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 on the insulating film 3 is 2 nanometers (unit: nm) or more per minute. It is preferable to set it to 300 nm or less per minute. The Cu alloy film 5 formed at a high speed exceeding 300 nm per minute becomes a film lacking in continuity because the internal structure becomes messy and a large amount of voids are generated. In the Cu alloy film 5 lacking in continuity including the cavities, the Mn diffusion does not occur uniformly, and the area where the insulating film 3 and the Cu alloy film 5 are in contact with each other is reduced due to the presence of the cavities. Inconveniences that do not lead to obtaining a Cu alloy film 5 having excellent adhesion to 3 are caused.

一方、毎分2nm未満の低速度で成膜したCu合金膜5は、内部組織が緻密な膜とはなるものの、Cu合金膜5に含まれるMnを、絶縁膜3側へ拡散させるのに、より高温でより長時間の熱処理を要することとなる。このため、熱処理に伴い形成されるバリア層7の厚さが増すこととなり、狭い開口幅の配線用溝4に薄いバリア層7を形成するのに支障を来たす。   On the other hand, the Cu alloy film 5 formed at a low speed of less than 2 nm per minute is a film having a dense internal structure, but diffuses Mn contained in the Cu alloy film 5 to the insulating film 3 side. Longer heat treatment is required at higher temperatures. For this reason, the thickness of the barrier layer 7 formed with the heat treatment is increased, which hinders the formation of the thin barrier layer 7 in the wiring groove 4 having a narrow opening width.

したがって、Cu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5を絶縁膜3上に成膜させる速度は、毎分2nm以上で毎分300nm以下とするのが適する。この範囲の速度で堆積すれば、絶縁膜3との接合部或いはCu合金膜5の内部に空洞を殆ど含まないCu合金膜5を得ることができる。したがって、後述するCuとSiの原子濃度分布を安定してもたらすに好都合となる連続性に優れるCu合金膜5が得られる。   Therefore, it is suitable that the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 is formed on the insulating film 3 at a rate of 2 nm / min or more and 300 nm / min or less. By depositing at a rate in this range, it is possible to obtain the Cu alloy film 5 containing almost no cavities at the junction with the insulating film 3 or inside the Cu alloy film 5. Therefore, the Cu alloy film 5 having excellent continuity, which is convenient for stably providing an atomic concentration distribution of Cu and Si described later, is obtained.

(Cu埋め込み層6)
Cu合金膜5が形成された開口部4にCuを埋め込みCu埋め込み層6を形成する。Cuの埋め込みは、例えば電気鍍金(メッキ)、CVD法、高周波スパッタリング法等の形成手段で堆積できる。
(Cu buried layer 6)
Cu is embedded in the opening 4 in which the Cu alloy film 5 is formed to form a Cu embedded layer 6. Cu can be embedded by, for example, forming means such as electroplating (plating), CVD method, high-frequency sputtering method or the like.

(バリア層7)
Cu合金膜5上にCu埋め込み層6を形成した後、熱処理を施すことにより、Cu合金膜5がCu埋め込み層6のCuと一体化し配線本体8となるとともに、Cu合金膜5と絶縁膜3との間にバリア層7が形成される。この熱処理により、Cuと、Cuと合金をなす元素であるMnと、絶縁膜3を構成する元素であるSiとが熱拡散し、CuとMnとSiとを含むバリア層7が形成される。
(Barrier layer 7)
After the Cu buried layer 6 is formed on the Cu alloy film 5, heat treatment is performed so that the Cu alloy film 5 is integrated with Cu of the Cu buried layer 6 to form the wiring body 8, and the Cu alloy film 5 and the insulating film 3 are also formed. Between these, the barrier layer 7 is formed. By this heat treatment, Cu, Mn which is an element forming an alloy with Cu, and Si which is an element constituting the insulating film 3 are thermally diffused, and a barrier layer 7 containing Cu, Mn and Si is formed.

熱処理を施す温度は、150℃以上で600℃以下であるのが適している。150℃より低温での熱処理では、絶縁膜3よりバリア層7側へ絶縁膜3を構成する元素、例えばSiの拡散が充分に進行せず、したがって、例えばSiがバリア層7内に充分に馴染む様に混ざり込まないため、絶縁膜3との密着性に劣るバリア層7が帰結されて不都合である。一方、600℃を越える高温での熱処理では、絶縁膜3側からバリア層7内部へのSiの拡散が顕著となり、バリア性に劣るバリア層7が帰結されるため不都合である。   The temperature at which the heat treatment is performed is suitably 150 ° C. or more and 600 ° C. or less. In the heat treatment at a temperature lower than 150 ° C., diffusion of an element constituting the insulating film 3 such as Si from the insulating film 3 to the barrier layer 7 side does not sufficiently proceed, so that, for example, Si sufficiently adapts into the barrier layer 7. Therefore, the barrier layer 7 having poor adhesion to the insulating film 3 is disadvantageous. On the other hand, heat treatment at a high temperature exceeding 600 ° C. is disadvantageous because Si diffusion from the insulating film 3 side to the inside of the barrier layer 7 becomes remarkable, resulting in the barrier layer 7 having poor barrier properties.

熱処理は、酸素(O2)を不可避的にのみ含む純不活性ガス(例えば0.2vol.ppm以下の酸素を含む不活性ガス)、または上限で体積濃度にして75vol.ppmの酸素を含む不活性ガスからなる気流中で実施するのが好適である。また、窒素ガスや水素ガスは、Cuと反応しないため不活性ガスと同様に用いることができ、酸素(O2)を不可避的にのみ含む窒素ガスまたは水素ガス(例えば0.2vol.ppm以下の酸素を含む窒素ガスまたは水素ガス)、または上限で体積濃度にして75vol.ppmの酸素を含む窒素ガスまたは水素ガスからなる気流中で実施するようにしてもよい。 The heat treatment is a pure inert gas (for example, an inert gas containing 0.2 vol. Ppm or less of oxygen) that inevitably contains oxygen (O 2 ), or 75 vol. It is preferred to carry out in an air stream consisting of an inert gas containing ppm oxygen. Further, since nitrogen gas or hydrogen gas does not react with Cu, it can be used in the same manner as an inert gas, and nitrogen gas or hydrogen gas containing only oxygen (O 2 ) inevitably (for example, 0.2 vol.ppm or less) Nitrogen gas or hydrogen gas containing oxygen), or 75 vol. You may make it implement in the airflow which consists of nitrogen gas or hydrogen gas containing ppm oxygen.

酸素を不可避的にのみ含む純不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うと、詳細は後述するように、熱処理時間の経過とともに配線本体8の抵抗が減少していくことが分かった。これは、Cu合金膜5に含まれる合金元素が絶縁膜3との界面に拡散してバリア層7を形成するとともに、バリア層7の形成に関与しなかった合金元素がCu埋め込み層6を拡散して配線本体8の表面で、不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気中の酸素と反応して酸化物を形成することによって、Cu合金膜中の合金元素濃度が減少し、Cu埋め込み層6と同じ組成の純Cuになり一体化した低抵抗の配線本体8が得られるという理由による。   When heat treatment is performed in a pure inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas atmosphere that inevitably contains oxygen only, the resistance of the wiring body 8 decreases as the heat treatment time elapses, as will be described in detail later. It was. This is because the alloy element contained in the Cu alloy film 5 diffuses to the interface with the insulating film 3 to form the barrier layer 7, and the alloy element not involved in the formation of the barrier layer 7 diffuses into the Cu buried layer 6. Then, by reacting with oxygen in an inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas atmosphere on the surface of the wiring body 8 to form an oxide, the alloy element concentration in the Cu alloy film is reduced, and the Cu buried layer 6 This is because a low-resistance wiring main body 8 is obtained which is pure Cu having the same composition as the above.

酸素分子を体積比率にして75vol.ppmを越えて含む不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気中での熱処理では、Cu合金膜5(例えばCu・Mn合金膜)およびCu埋め込み層6の酸化が本発明にとっては不都合に促進されるため、配線本体8の電気抵抗が上昇してしまうという不都合がある。
不活性ガスとしては、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などを例示できる。中でも、不活性ガスをHe,Ne,またはArとするのが望ましい。更に、加熱工程の経済性を勘案すれば、雰囲気を構成する不活性ガスをArとするのが好適である。また、不活性ガスでなく、窒素ガスや水素ガスを用いると、より低コストで熱処理を行うことができる。
The volume ratio of oxygen molecules is 75 vol. Oxidation of the Cu alloy film 5 (for example, Cu • Mn alloy film) and the Cu buried layer 6 is disadvantageously promoted for the present invention by heat treatment in an inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas atmosphere containing more than ppm. Therefore, there is a disadvantage that the electrical resistance of the wiring body 8 is increased.
Examples of the inert gas include helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe). Among these, it is desirable that the inert gas is He, Ne, or Ar. Furthermore, considering the economical efficiency of the heating process, it is preferable to use Ar as the inert gas constituting the atmosphere. Further, when nitrogen gas or hydrogen gas is used instead of the inert gas, the heat treatment can be performed at a lower cost.

上記の熱処理において、Cu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5は絶縁膜3に含まれる酸素と反応して界面にバリア層7を形成する。ところで、所定の熱処理温度と時間において形成されるバリア層7の厚さは決まっており、このため、初期のCu合金膜5に多くのMnが含有されていると、バリア層7の形成に使われたMn以外はCu合金膜5中に残存して配線本体8の抵抗を上昇することになる。このため残存したMnを外部に排出して配線抵抗を減少する必要がある。その方法として、熱処理雰囲気として、酸素を不可避不純物として含有する不活性ガスや窒素ガス、水素ガス、あるいは75vol.ppm以下の酸素を含有する不活性ガスや窒素ガス、水素ガスを用いて、余剰Mnを雰囲気中に含まれる酸素と反応させることによって、配線本体8の表面に酸化物を形成する。その結果、配線内部のMnはバリア層7と、配線本体8の表面酸化物という形で、配線本体8の内部から消滅し、配線抵抗は純Cuと同等となる。   In the above heat treatment, the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 reacts with oxygen contained in the insulating film 3 to form a barrier layer 7 at the interface. By the way, the thickness of the barrier layer 7 formed at a predetermined heat treatment temperature and time is determined. For this reason, if the initial Cu alloy film 5 contains a large amount of Mn, it is used for the formation of the barrier layer 7. Other than the broken Mn remains in the Cu alloy film 5 and increases the resistance of the wiring body 8. For this reason, it is necessary to reduce the wiring resistance by discharging the remaining Mn to the outside. As the method, an inert gas containing nitrogen as an inevitable impurity, nitrogen gas, hydrogen gas, or 75 vol. An oxide is formed on the surface of the wiring body 8 by reacting excess Mn with oxygen contained in the atmosphere using an inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas containing oxygen of ppm or less. As a result, Mn inside the wiring disappears from the inside of the wiring body 8 in the form of the barrier layer 7 and the surface oxide of the wiring body 8, and the wiring resistance becomes equivalent to pure Cu.

すなわち、酸素を含有する絶縁膜3があり、Cu合金膜5があり、Cu埋め込み層6があり、この状態で熱処理を行うと、Cu合金膜5中のMnが絶縁膜3と反応してバリア層7を形成するが、このときの酸素雰囲気を調整しないと、バリア層7の形成に使われた以外の余剰Mnが配線中に残ってしまう。このMnを外部に排出するために、不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気中の微量酸素が必要となり、酸素量が適切であれば、配線本体8の表面にMn酸化物が形成されて、Mnが配線本体8から排出され、配線本体8のCuが酸化されることはない。しかし、酸素量が多すぎるとMnの酸化だけでなく、配線本体8のCuも酸化されるために、配線抵抗が上昇してしまう。   That is, there is an insulating film 3 containing oxygen, a Cu alloy film 5 and a Cu buried layer 6. When heat treatment is performed in this state, Mn in the Cu alloy film 5 reacts with the insulating film 3 to form a barrier. If the layer 7 is formed but the oxygen atmosphere at this time is not adjusted, surplus Mn other than that used to form the barrier layer 7 remains in the wiring. In order to discharge this Mn to the outside, a trace amount of oxygen in an inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas atmosphere is required. If the amount of oxygen is appropriate, Mn oxide is formed on the surface of the wiring body 8, Mn is discharged from the wiring body 8 and Cu in the wiring body 8 is not oxidized. However, if the amount of oxygen is too large, not only the oxidation of Mn but also the Cu of the wiring body 8 is oxidized, resulting in an increase in wiring resistance.

Siを含む絶縁膜3上に上記の好適な被着速度で形成した空洞の殆どないCu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5およびCu埋め込み層6について、上記の好適な不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気内で上記の範囲の温度において熱処理を及ぼすことにより、Cu合金膜5をなすCuを、バリア層7の内部において、絶縁膜3側に向けて単調に減少する様に分布させることができる。   For the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 and the Cu buried layer 6 having almost no cavities formed on the insulating film 3 containing Si at the above-described preferable deposition rate, the above-mentioned preferable inert gas or nitrogen is used. By performing a heat treatment in a gas or hydrogen gas atmosphere at a temperature in the above range, Cu forming the Cu alloy film 5 is distributed in the barrier layer 7 so as to monotonously decrease toward the insulating film 3 side. be able to.

また、Siを含む絶縁膜3上に上記の好適な被着速度で形成した空洞の殆どないCu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5およびCu埋め込み層6について、上記の好適な不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気内で上記の範囲の温度において熱処理を及ぼすことにより、絶縁膜3を構成するSiを、Cu合金膜5側に向けて単調に減少する様にバリア層7の内部に分布させることができる。   The above-mentioned preferred inert gas is used for the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 and the Cu buried layer 6 having almost no cavities formed on the insulating film 3 containing Si at the preferred deposition rate. By applying heat treatment at a temperature in the above range in an atmosphere of nitrogen gas or hydrogen gas, Si constituting the insulating film 3 is placed inside the barrier layer 7 so as to monotonously decrease toward the Cu alloy film 5 side. Can be distributed.

また更には、Siを含む絶縁膜3上に上記の好適な被着速度で形成した空洞の殆どないCu合金膜(例えばCu・Mn合金膜)5およびCu埋め込み層6について、上記の好適な不活性ガスや窒素ガス、水素ガス雰囲気内で上記の範囲の温度において熱処理を及ぼすことにより、バリア層7の内部でSiとCuとの双方の原子の濃度が略同等となる領域に、Mn原子を集中的に、且つ、バリア層7の内部で最大の原子濃度を有する様に分布させることができる。略同等の原子濃度とは、本発明では、CuとSiの原子濃度が等しいか、または、Cuの原子濃度に対してSiの原子濃度が±20%の範囲内にあることを云う。   Still further, the above-mentioned preferred non-cavity for the Cu alloy film (for example, Cu · Mn alloy film) 5 and the Cu buried layer 6 having almost no cavities formed on the insulating film 3 containing Si at the above preferred deposition rate. By performing heat treatment at a temperature in the above range in an active gas, nitrogen gas, or hydrogen gas atmosphere, Mn atoms are introduced into regions in the barrier layer 7 where the concentrations of both Si and Cu atoms are substantially equal. It can be distributed so as to have the maximum atomic concentration inside the barrier layer 7 in a concentrated manner. In the present invention, the substantially equivalent atomic concentration means that the atomic concentration of Cu and Si is equal, or the atomic concentration of Si is within a range of ± 20% with respect to the atomic concentration of Cu.

集中的なMn原子の分布とは、図1(b)の右側に例示するごとく、Mnが局所的に分布している状態を指す。この様な元素の原子濃度の分布は、例えば、一般的な電界放射型透過電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法(EELS)を利用して調査できる。
なお、Mnは、次のような理由でバリア層7の内部で最大の原子濃度を有する様に分布する。すなわち、Mnの酸化物形成エネルギーがCuより低く、Siより高いため、MnがSiO2中の酸素と反応して界面に拡散し、酸化物を形成する。このとき、Mnの特徴としてCuとSiを含有する複合酸化物を形成するために、界面(バリア層7)近傍の配線本体8側ではCuを取り込んだMn酸化物となっており、一方の絶縁層3側ではSiを取り込んだMn酸化物となっている。これらのMn酸化物は配線本体8側からのCuの拡散を防止し、絶縁層3側からのSiの拡散を防止するので、Mn酸化物がCuおよびSiを取り込む領域は限定されるようになり、その結果、界面層(バリア層7)の中央部ではCuとSiの濃度が減少し、Mnが最大濃度を形成するに至る。
The concentrated distribution of Mn atoms indicates a state where Mn is locally distributed as illustrated on the right side of FIG. The distribution of the atomic concentration of such an element can be investigated using, for example, electron energy loss spectroscopy (EELS) using a general field emission transmission electron microscope.
Mn is distributed so as to have the maximum atomic concentration inside the barrier layer 7 for the following reason. That is, since the oxide formation energy of Mn is lower than Cu and higher than Si, Mn reacts with oxygen in SiO 2 and diffuses to the interface to form an oxide. At this time, in order to form a complex oxide containing Cu and Si as a feature of Mn, the wiring body 8 side in the vicinity of the interface (barrier layer 7) is a Mn oxide incorporating Cu, and one of the insulations On the layer 3 side, a Mn oxide incorporating Si is formed. These Mn oxides prevent Cu diffusion from the wiring body 8 side and Si diffusion from the insulating layer 3 side, so that the region where the Mn oxide takes in Cu and Si is limited. As a result, the concentration of Cu and Si decreases in the central portion of the interface layer (barrier layer 7), and Mn forms the maximum concentration.

また、CuとSiの原子濃度が略同等となるバリア層7の内部の領域にMn原子が集中的に分布するのは、Cu原子とSi原子との濃度の均衡に因る、同領域での均衡な電場の発生にも一因があると推察される。いずれにしても、バリア層7の内部のこの様な特定の領域へのMnの集中的分布は、上記の好適な被着速度で堆積して空洞が殆どないために、Mn原子の拡散が均一に起こるCu合金膜5を用いて帰結され得るものである。   In addition, the Mn atoms are concentratedly distributed in the region inside the barrier layer 7 where the atomic concentrations of Cu and Si are substantially equal, because the concentration of Cu atoms and Si atoms is balanced. It is inferred that there is also a cause for the generation of a balanced electric field. In any case, the concentration distribution of Mn in such a specific region inside the barrier layer 7 is deposited at the above-mentioned preferable deposition rate, and there is almost no cavity, so that the diffusion of Mn atoms is uniform. This can be achieved by using the Cu alloy film 5 occurring in the above.

CuとSiの原子濃度が略同等となるバリア層7の内部の領域に集中的に分布したMn原子は、配線本体8側から絶縁膜3側に向けてのCuの更なる拡散と、絶縁膜3から配線本体8側に向けてのSiの更なる拡散とを略同等に防止できる効用を有する。いては、配線本体8から拡散してくるCuの絶縁膜3内部への侵入に因る絶縁膜3の電気絶縁性の劣化と、絶縁膜3を構成するSiの配線本体8への拡散に因る配線本体8の高抵抗化とを同時に略同等に抑制するのに効果を上げられる。 Mn atoms intensively distributed in a region inside the barrier layer 7 in which the atomic concentrations of Cu and Si are substantially equal are further diffused by Cu from the wiring body 8 side toward the insulating film 3 side, and the insulating film 3 has the effect of preventing the further diffusion of Si from 3 toward the wiring body 8 side. Shed information, and electrically insulating deterioration of the insulating film 3 due to entering the insulating film 3 inside the Cu diffused from the wiring main body 8, the diffusion of the Si wiring body 8 constituting the insulating film 3 Therefore, it is possible to effectively suppress the increase in resistance of the wiring body 8 at the same time.

次に、バリア層7の厚さについて説明する。配線用溝4の水平幅(開口幅)Wに対するバリア層7の厚さの比率が増すと、抵抗の低い配線本体8を形成するのに不利となる。或る開口幅の配線用溝4内に形成するバリア層7の厚さが厚ければ、それだけ、配線本体8の体積が減少し、配線本体8の抵抗は高くなる。   Next, the thickness of the barrier layer 7 will be described. Increasing the ratio of the thickness of the barrier layer 7 to the horizontal width (opening width) W of the wiring groove 4 is disadvantageous for forming the wiring body 8 having a low resistance. As the thickness of the barrier layer 7 formed in the wiring groove 4 having a certain opening width increases, the volume of the wiring body 8 decreases and the resistance of the wiring body 8 increases.

このため、本発明では、CuとMnとSiとを含むバリア層7の層厚は、1nm以上で絶縁膜3に設けた配線用溝4の開口幅W(図1参照)の1/5以下とし、また同時に、バリア層7の厚みを最大でも10nm以下とした。バリア層7が厚さを1nm未満とする極薄膜であると、そもそも、CuとSiの拡散を防止するのに充分に機能できる障壁層とは成り得ず問題となる。一方で、配線用溝4の開口幅Wの1/5を超えて層厚が厚くなる場合や、1/5を越えない場合でも10nm以上となる場合(例えば開口幅Wが90nmのときバリア層7の厚みが15nm(1/6)となるような場合)、バリア層7の厚みが大きすぎて幅の広い(体積の大きな)配線本体8を形成できないため、低抵抗の配線本体8、例えば、抵抗率が純粋なCuのそれと同等に小さな約2μΩ・cm程度とするCuからなる配線本体8を形成しづらい難点を生ずる。   For this reason, in the present invention, the barrier layer 7 containing Cu, Mn, and Si has a thickness of 1 nm or more and 1/5 or less of the opening width W of the wiring groove 4 provided in the insulating film 3 (see FIG. 1). At the same time, the thickness of the barrier layer 7 is at most 10 nm. If the barrier layer 7 is an ultrathin film having a thickness of less than 1 nm, it cannot be a barrier layer that can function sufficiently to prevent diffusion of Cu and Si in the first place, which causes a problem. On the other hand, when the layer thickness exceeds 1/5 of the opening width W of the wiring groove 4 or when the layer thickness exceeds 10 nm even when it does not exceed 1/5 (for example, the barrier layer when the opening width W is 90 nm) 7 is 15 nm (1/6)), and the barrier layer 7 is too thick to form a wide (large volume) wiring body 8. Further, it is difficult to form the wiring body 8 made of Cu having a resistivity of about 2 μΩ · cm, which is as small as that of pure Cu.

本発明に係るバリア層7の層厚は、低抵抗の配線本体8をもたらすために、配線用溝4の開口幅Wを狭めるにともない薄くするのが望ましい。例えば、開口幅Wを90nm±5nmとする配線用溝4の内部には、厚さを5nm〜10nmとするバリア層7を形成する。また、開口幅Wを65nm±3nmとする配線用溝4の内部には、厚さを7nm±3nmとするバリア層7を形成する。また、開口幅Wを45nm±2nmとする配線用溝4の内部には、厚さを5nm±2nmとするバリア層7を形成する。更には、開口幅Wを32nm±2nmとする配線用溝には、厚さを3.5nm±1nmとするバリア層7を形成する。   The thickness of the barrier layer 7 according to the present invention is preferably reduced as the opening width W of the wiring groove 4 is reduced in order to provide a low-resistance wiring body 8. For example, the barrier layer 7 having a thickness of 5 nm to 10 nm is formed inside the wiring groove 4 having an opening width W of 90 nm ± 5 nm. Further, a barrier layer 7 having a thickness of 7 nm ± 3 nm is formed inside the wiring groove 4 having an opening width W of 65 nm ± 3 nm. Further, a barrier layer 7 having a thickness of 5 nm ± 2 nm is formed inside the wiring groove 4 having an opening width W of 45 nm ± 2 nm. Further, a barrier layer 7 having a thickness of 3.5 nm ± 1 nm is formed in the wiring groove having an opening width W of 32 nm ± 2 nm.

本発明に係るバリア層7を備えた、例えばダマシン型構造の配線を形成するにあって、その配線の配線用溝4の開口幅Wに相応する厚さのCuとMnとSiとを含むバリア層7を、Cu・Mn合金膜5の熱処理により形成するにあって、バリア層7の層厚は、下記の式(1)の如く、熱処理時間(tt>0)の対数を含む関係から与えられる熱処理時間をもって形成する。 For example, in the formation of a damascene structure wiring having the barrier layer 7 according to the present invention, the barrier includes Cu, Mn, and Si having a thickness corresponding to the opening width W of the wiring groove 4 of the wiring. In forming the layer 7 by heat treatment of the Cu · Mn alloy film 5, the layer thickness of the barrier layer 7 includes the logarithm of the heat treatment time (t : t> 0) as shown in the following formula (1). It is formed with a heat treatment time given by

Figure 0004065019
Figure 0004065019

此処で、xは所望するバリア層7の厚さ(単位:nm)であり、kは熱処理時間に関連する比例定数であり、tは熱処理時間(単位:時(hour))であり、また、Cは熱処理温度(単位:℃)に関連する定数(単位:nm)である。
例えば、酸素(O2)を体積濃度にして50vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気中において、450℃で熱処理を施す場合を例に挙げると、x(nm)とt(hour)(t>0)との関係は次の式(2)で与えられる。但し、t=0の時は、x=0である。
Here, x is the desired thickness of the barrier layer 7 (unit: nm), k is a proportional constant related to the heat treatment time, t is the heat treatment time (unit: hour), and C is a constant (unit: nm) related to the heat treatment temperature (unit: ° C.).
For example, oxygen (O 2 ) in a volume concentration of 50 vol. Taking as an example a case where heat treatment is performed at 450 ° C. in an argon (Ar) atmosphere containing ppm, the relationship between x (nm) and t (hour) (t> 0) is given by the following equation (2). . However, when t = 0, x = 0.

Figure 0004065019
Figure 0004065019

また、上記と同一の雰囲気中で、350℃で熱処理する場合を例にすれば、x(nm)とt(hour)(t>0)との関係は次の式(3)で表わせる。但し、t=0の時は、x=0である。   Further, taking as an example the case of heat treatment at 350 ° C. in the same atmosphere as described above, the relationship between x (nm) and t (hour) (t> 0) can be expressed by the following equation (3). However, when t = 0, x = 0.

Figure 0004065019
Figure 0004065019

上記の式(1)に示す比例定数k及び定数Cは、同一雰囲気内で熱処理を施す場合、熱処理温度を低温とするのに従い、式(2)及び式(3)に示す如く、何れもより小さい値となる。何れの熱処理温度においても、より薄い厚さのバリア層7を形成する程、熱処理温度はより低温とするのが望ましい。温度を一定として熱処理する場合、より厚いバリア層7を得るには、熱処理時間を長時間とするのが望ましい。
例えば、450℃の熱処理で5nmの層厚のバリア層7を得るために、1時間に亘り同温度に保持する。また例えば、350℃の熱処理で3nmの層厚のバリア層7を得るために、1時間に亘り同温度に保持する。また例えば、250℃の熱処理で2nmの層厚のバリア層7を得るには、3時間に亘り同温度に保持する。
The proportionality constant k and the constant C shown in the above formula (1) are both as shown in the formula (2) and the formula (3) as the heat treatment temperature is lowered when the heat treatment is performed in the same atmosphere. Small value. It is desirable that the heat treatment temperature be lower as the barrier layer 7 having a smaller thickness is formed at any heat treatment temperature. When heat treatment is performed at a constant temperature, it is desirable to increase the heat treatment time in order to obtain a thicker barrier layer 7.
For example, in order to obtain the barrier layer 7 having a layer thickness of 5 nm by heat treatment at 450 ° C., the same temperature is maintained for 1 hour. Further, for example, in order to obtain a barrier layer 7 having a layer thickness of 3 nm by heat treatment at 350 ° C., the same temperature is maintained for 1 hour. For example, in order to obtain the barrier layer 7 having a thickness of 2 nm by heat treatment at 250 ° C., the temperature is maintained for 3 hours.

本発明の云う熱処理時間とは、温度が熱処理するための温度に到達してから、冷却を開始する迄の時間である。熱処理時間は上記の望ましい熱処理温度の範囲において、総じて60分間或いはそれを超えて長時間とするのが望ましい。100時間或いは200時間の長時間に亘る熱処理においても、形成されるバリア層7の層厚は、上記の熱処理時間の対数値に比例して増加するが、熱処理工程の経済性を勘案すると、熱処理時間は最大でも10時間とするのが望ましい。   The heat treatment time referred to in the present invention is the time from when the temperature reaches the temperature for heat treatment to when cooling is started. It is desirable that the heat treatment time is 60 minutes or more over the entire range of the above desirable heat treatment temperature. Even in the heat treatment for a long time of 100 hours or 200 hours, the thickness of the formed barrier layer 7 increases in proportion to the logarithmic value of the heat treatment time described above. The maximum time is preferably 10 hours.

次に、非晶質のバリア層7について説明する。バリア層7は、その両側に配置されている絶縁膜3と配線本体8の構成原子が容易に相互拡散する優先経路となる結晶粒界の無い非晶質であるのが、障壁性を確保する上で好ましい。
バリア層形成時の熱処理温度は、上記したように、150℃以上で600℃以下が適しているが、バリア層7を非晶質にする場合は、150℃以上で450℃以下とするのが好ましい。
Next, the amorphous barrier layer 7 will be described. The barrier layer 7 is made of an amorphous material having no crystal grain boundary, which is a preferential path through which the constituent atoms of the insulating film 3 and the wiring body 8 disposed on both sides of the barrier layer 7 can easily diffuse to each other. Preferred above.
As described above, the heat treatment temperature at the time of forming the barrier layer is suitably 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. However, when the barrier layer 7 is made amorphous, it is 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. preferable.

150℃より低温での熱処理では、上記したように、絶縁膜3のSiがバリア層7内に充分に馴染む様に混ざり込まないため、絶縁膜3との密着性確保が困難となるとともに、Cu合金膜5のMn等を絶縁膜3に向けて充分に熱拡散させられず、したがって、障壁機能を充分に備えたバリア層を安定して形成できず不都合である。   In the heat treatment at a temperature lower than 150 ° C., as described above, since Si of the insulating film 3 is not mixed so as to be sufficiently adapted to the barrier layer 7, it becomes difficult to ensure adhesion with the insulating film 3, and Cu Mn or the like of the alloy film 5 cannot be sufficiently thermally diffused toward the insulating film 3, and therefore, a barrier layer having a sufficient barrier function cannot be stably formed.

また、450℃を超える高温で加熱処理を行うと、Cu合金膜5内のMn等の元素の絶縁膜3に向けての熱拡散を助長できるが、結晶粒界を多量に含む多結晶のバリア層7が帰結されてしまう。その結果、結晶粒界を介して原子拡散が生じて拡散に対するバリア性が失われ、絶縁層に拡散混入した元素によって、配線間を隔絶すべき絶縁膜内部において素子動作電流が漏洩するため、これまた不都合となる。   Further, when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 450 ° C., thermal diffusion of elements such as Mn in the Cu alloy film 5 toward the insulating film 3 can be promoted, but a polycrystalline barrier containing a large amount of crystal grain boundaries. Layer 7 will result. As a result, atomic diffusion occurs through the crystal grain boundary and the barrier property against diffusion is lost, and the element operating current leaks inside the insulating film that should isolate the wiring by the element diffused and mixed in the insulating layer. It is also inconvenient.

熱処理温度が150℃以上で450℃以下の範囲であれば、Cu合金膜5のMnがCu合金膜5と絶縁膜3の界面に移動するとともに、非晶質のバリア層7を形成する。このとき、バリア層7と接する配線本体8側に、上述したように、イオン化されたMnが存在するようになり、形成途上のバリア層7の両側に電場が形成される。この電場が、バリア層7内のMnイオンの拡散を加速することによって、バリア層7の成長速度が時間の対数に比例するようになる。その結果バリア層7の形成初期は急激に厚さが増加し、時間が経過すると厚さの変化速度が遅くなる。このため、150℃の比較的低温の熱処理においても、非晶質のバリア層7を安定して形成でき、その非晶質性によって拡散バリア性及び電気的バリア性に優れるバリア層7を得ることができる。また、450℃で100時間という高温長時間に亘り加熱処理を施しても、非晶質のバリア層7を安定して形成でき、拡散バリア性及び電気的バリア性を維持することができる。   When the heat treatment temperature is in the range of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, Mn of the Cu alloy film 5 moves to the interface between the Cu alloy film 5 and the insulating film 3 and an amorphous barrier layer 7 is formed. At this time, as described above, ionized Mn is present on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7, and an electric field is formed on both sides of the barrier layer 7 that is being formed. This electric field accelerates the diffusion of Mn ions in the barrier layer 7 so that the growth rate of the barrier layer 7 is proportional to the logarithm of time. As a result, the thickness rapidly increases at the initial stage of formation of the barrier layer 7, and the rate of change in thickness becomes slower as time elapses. Therefore, the amorphous barrier layer 7 can be stably formed even in heat treatment at a relatively low temperature of 150 ° C., and the barrier layer 7 having excellent diffusion barrier properties and electrical barrier properties can be obtained by the amorphous properties. Can do. Even if heat treatment is performed at 450 ° C. for 100 hours for a long time, the amorphous barrier layer 7 can be stably formed, and the diffusion barrier property and the electrical barrier property can be maintained.

このようにしてバリア層7が形成されると、そのバリア層7と接する配線本体8側に2価または3価にイオン化したMnが存在するようになる。したがって、バリア層7に隣接する配線本体8側には正の電荷が存在し、バリア層7を隔てて対向する絶縁膜3側との間に電場が形成され、このバリア層7の両側に形成された電場によって、配線本体8と絶縁膜3はバリア層7に引き付けられるため、この点からも界面の密着性を向上する効果を得ることができる。   When the barrier layer 7 is formed in this way, divalent or trivalent ionized Mn exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7. Accordingly, positive charges exist on the side of the wiring body 8 adjacent to the barrier layer 7, and an electric field is formed between the side of the insulating film 3 facing the barrier layer 7 and formed on both sides of the barrier layer 7. Since the wiring body 8 and the insulating film 3 are attracted to the barrier layer 7 by the applied electric field, the effect of improving the adhesion at the interface can also be obtained from this point.

本発明が開示する好適な被着速度範囲(2nm/分〜300nm/分)内で比較的に大きな速度をもって被着させ、その後、本発明が開示する好適な温度範囲(150℃〜450℃)内で比較的に低温で熱処理を施すと、非晶質からなるバリア層7を形成できる。加えて、Cu合金膜5から拡散したCu原子と、絶縁膜3に含まれるSi原子の濃度とが略均等となる非晶質のバリア層7の内部の領域に、CuまたはSiの原子濃度に対し、2倍以上の高濃度にMn原子を集中させたバリア層7を形成できる。   The deposition is performed at a relatively high rate within the preferred deposition rate range disclosed by the present invention (2 nm / min to 300 nm / min), and then the preferred temperature range disclosed by the present invention (150 ° C. to 450 ° C.). If the heat treatment is performed at a relatively low temperature, the barrier layer 7 made of amorphous can be formed. In addition, in the region inside the amorphous barrier layer 7 where the Cu atoms diffused from the Cu alloy film 5 and the concentration of Si atoms contained in the insulating film 3 are substantially equal, the atomic concentration of Cu or Si is increased. On the other hand, the barrier layer 7 in which Mn atoms are concentrated at a concentration twice or more can be formed.

上記の様なCuとSiとMnとの原子濃度上の関係を有する非晶質のバリア層7は、絶縁膜3上に、Cu合金膜5を、毎分7nm以上、毎分300nm以下の堆積速度で被着させ、そのCu・Mn合金膜5上にCu埋め込み層6を形成した後、そのCu・Mn合金膜5およびCu埋め込み層6を、酸素を不可避的に含む純不活性ガスや窒素ガス、水素ガスからなる雰囲気中で、あるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガスや窒素ガス、水素ガスからなる雰囲気中で、150℃以上、450℃以下の温度で加熱することで安定して得られる。   The amorphous barrier layer 7 having the above-described atomic concentration relationship between Cu, Si, and Mn is formed by depositing a Cu alloy film 5 on the insulating film 3 at a rate of 7 nm / min or more and 300 nm / min or less. After depositing at a rate and forming a Cu buried layer 6 on the Cu · Mn alloy film 5, the Cu · Mn alloy film 5 and the Cu buried layer 6 are inevitably pure oxygen or nitrogen containing oxygen. In an atmosphere consisting of gas, hydrogen gas, or oxygen up to 75 vol. It can be stably obtained by heating at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in an atmosphere composed of inert gas, nitrogen gas, and hydrogen gas contained at a ratio of ppm.

Cu原子とSi原子の濃度とが略均等となる非晶質のバリア層7の内部の領域に、それらの濃度を上回る様にMnを同領域に集中して存在させれば、Mnを主体とする酸化物のCu及びSiに対する拡散防止作用により、Cu及びSiの拡散をさらに効果的に抑制できる。また、Cu原子またはSi原子の濃度の2倍以上の濃度のMn原子を同領域に集中して分布させることにより、Cu及びSiが拡散するのをさらに充分に防止することができる。   If Mn is concentrated in the region inside the amorphous barrier layer 7 in which the concentrations of Cu atoms and Si atoms are substantially equal to each other so as to exceed these concentrations, Mn is the main component. The diffusion of Cu and Si can be more effectively suppressed by the action of preventing the diffusion of the oxide to Cu and Si. Further, by concentrating and distributing Mn atoms having a concentration twice or more the concentration of Cu atoms or Si atoms in the same region, it is possible to further sufficiently prevent Cu and Si from diffusing.

上記の様な高速度で被着させ、且つ比較的低温での熱処理では、粒界のない非晶質のバリア層が安定して形成され、このため、粒界を介してのCuおよびSiの異常な拡散が抑止されることとなる。バリア層7が非晶質であるか否かは、例えば、電子回折像から知ることができる。   In the heat treatment performed at a high speed as described above and at a relatively low temperature, an amorphous barrier layer having no grain boundary is stably formed. For this reason, Cu and Si through the grain boundary are formed. Abnormal diffusion will be suppressed. Whether or not the barrier layer 7 is amorphous can be known from, for example, an electron diffraction image.

上記の説明では、熱処理を、Cu合金膜5上にCu埋め込み層6を形成した後に施すようにしたが、Cu合金膜5を形成した後に施すようにしてもよい。また、Cu埋め込み層6を配線用溝4内に埋設した後、そのCu埋め込み層6の表面を例えば、CMP(化学機械研磨)で研磨して平坦化した後、熱処理を施しても良い。   In the above description, the heat treatment is performed after the Cu buried layer 6 is formed on the Cu alloy film 5, but may be performed after the Cu alloy film 5 is formed. Further, after the Cu buried layer 6 is buried in the wiring groove 4, the surface of the Cu buried layer 6 may be polished and planarized by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing), and then heat treatment may be performed.

また、上記の説明では、バリア層7を、ターゲット材をスパッタリングする等の方法で形成したCu合金膜5を基にして形成するようにしたが、本発明に係る構成のバリア層7は、Siを含む絶縁膜3上に先ず、Mn膜を被着させ、次に、そのMn膜にCu膜を被着させた構造からなる重層膜を基にして形成することもできる。また、Siを含む絶縁膜3上に先ず、Cu膜を被着させ、次に、そのCu膜にMn膜を被着させた構造からなる重層膜を基にして形成することもできる。そして、この重層膜の上にCu埋め込み層6を形成して熱処理を施すことでバリア層7が形成され、またCu埋め込み層6を形成する前に重層膜に熱処理を施してバリア層が形成される。重層させる順序に拘らず、Cu膜及びMn膜の被着速度を、Cu合金膜5の場合と同様に、上記の好適な範囲とすると、空洞の少ないMn膜及びCu膜が得られ、好都合である。   In the above description, the barrier layer 7 is formed on the basis of the Cu alloy film 5 formed by a method such as sputtering of the target material. However, the barrier layer 7 having the configuration according to the present invention is formed of Si. First, a Mn film may be deposited on the insulating film 3 containing, and then a multilayer film having a structure in which a Cu film is deposited on the Mn film may be formed. Alternatively, a Cu film may be first deposited on the insulating film 3 containing Si, and then formed based on a multilayer film having a structure in which a Mn film is deposited on the Cu film. Then, a Cu buried layer 6 is formed on the multilayer film and subjected to heat treatment to form a barrier layer 7, and before the Cu buried layer 6 is formed, the multilayer film is subjected to heat treatment to form a barrier layer. The Regardless of the order of layering, if the deposition rate of the Cu film and the Mn film is within the above-mentioned preferable range as in the case of the Cu alloy film 5, an Mn film and a Cu film with few cavities can be obtained. is there.

(配線本体8)
本発明が好適とする速度で被着させた空洞を殆ど含まないCu合金膜5を形成し、さらに一般的な高周波スパッタリング法でそのCu合金膜5に接して配線用溝4の内部にCuを埋め込んでCu埋め込み層6を形成した後、上記の熱処理を施すことにより、配線本体8の配線抵抗は純Cuと略同等となり、低抵抗の配線本体8を得ることができる。
(Wiring body 8)
A Cu alloy film 5 containing almost no cavities deposited at a speed suitable for the present invention is formed, and further Cu is in contact with the Cu alloy film 5 by a general high-frequency sputtering method so that Cu is formed inside the wiring groove 4. By embedding the Cu buried layer 6 and then performing the above heat treatment, the wiring resistance of the wiring body 8 becomes substantially equal to that of pure Cu, and the low resistance wiring body 8 can be obtained.

以上説明したように、この発明の第1の実施形態では、配線本体8と絶縁膜3との間に、CuとSiとMnとを含む酸化物からなるバリア層7を形成し、そのバリア層7は、配線本体8側から絶縁膜3側に向けてCuの原子濃度が単調に減少し、絶縁膜3から配線本体8側に向けてSiの原子濃度が単調に減少し、CuとSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大になるようにしたので、バリア層7は、熱的に安定で構造的に緻密な酸化物の層となる。このため、バリア層7は、拡散抑制に対して効果的な構成となり、配線本体8側からのCuの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、絶縁膜3の絶縁性をより優れたものとすることができる。また、絶縁膜3側からのSiの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、配線本体8をより低抵抗なものとすることができる。したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線を備えて、低消費電力の半導体装置とすることができる。   As described above, in the first embodiment of the present invention, the barrier layer 7 made of an oxide containing Cu, Si, and Mn is formed between the wiring body 8 and the insulating film 3, and the barrier layer is formed. 7, the atomic concentration of Cu monotonously decreases from the wiring body 8 side toward the insulating film 3 side, and the atomic concentration of Si decreases monotonously from the insulating film 3 toward the wiring body 8 side. Since the atomic concentration of Mn is maximized in a region where the atomic concentration is substantially equal, the barrier layer 7 is a thermally stable and structurally dense oxide layer. Therefore, the barrier layer 7 has an effective configuration for suppressing diffusion, has a good barrier property against Cu diffusion from the wiring body 8 side, and has a better insulating property of the insulating film 3. Can be. Further, it has a good barrier property against the diffusion of Si from the insulating film 3 side, and the wiring body 8 can have a lower resistance. Accordingly, a low-power-consumption semiconductor device can be provided with wiring that can prevent leakage of element operating current with low resistance.

また、バリア層7中のCuの原子濃度を、Cuを主成分とする配線本体8の側から、絶縁膜3側に向けて単調に減少させているので、そのバリア層7とCuを主成分とする配線本体8との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、配線本体8をなすCu膜との密着性をより向上させることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, since the atomic concentration of Cu in the barrier layer 7 is monotonously decreased from the side of the wiring body 8 containing Cu as the main component toward the insulating film 3 side, the barrier layer 7 and Cu are used as the main components. Since the atomic concentration distribution is not isolated from the wiring main body 8 and the Cu concentration changes continuously, the adhesion with the Cu film forming the wiring main body 8 can be further improved. It is possible to make the device excellent in operation reliability over a long period of time.

また、バリア層7は絶縁膜3との界面では、その拡散反応によって主にSiとMnとを含む酸化物となり、またバリア層7中のSiの原子濃度を、絶縁膜3から配線本体8側に向けて単調に減少させている。このため、絶縁膜3からのSi組成分布がバリア層7との界面で急峻な不連続分布ではなく連続的な分布となる。このため、絶縁膜3とバリア層7との界面強度が上がり、絶縁膜3との密着性を向上させることができ、この点からも半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, the barrier layer 7 becomes an oxide mainly containing Si and Mn due to diffusion reaction at the interface with the insulating film 3, and the atomic concentration of Si in the barrier layer 7 is changed from the insulating film 3 to the wiring body 8 side. It is decreasing monotonously toward. Therefore, the Si composition distribution from the insulating film 3 is not a steep discontinuous distribution at the interface with the barrier layer 7, but a continuous distribution. For this reason, the interface strength between the insulating film 3 and the barrier layer 7 is increased, and the adhesion with the insulating film 3 can be improved. From this point, the semiconductor device is excellent in operation reliability over a long period of time. can do.

このように、本発明では、配線本体8の低抵抗化および絶縁膜3の絶縁性向上による半導体装置の低消費電力化を実現することができ、またバリア層7と配線本体8との間の密着性向上、およびバリア層7と絶縁膜3との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   As described above, in the present invention, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device by reducing the resistance of the wiring body 8 and improving the insulating property of the insulating film 3, and between the barrier layer 7 and the wiring body 8. By improving the adhesion and improving the adhesion between the barrier layer 7 and the insulating film 3, it is possible to make the semiconductor device excellent in operation reliability over a long period of time.

また、バリア層7の、CuとSiの原子濃度が略同等となる領域におけるMnの原子濃度を、CuまたはSiの原子濃度の2倍以上となるようにしたので、CuあるいはSiが主体となる酸化物であれば酸化物が連続的に成長し続けるが、Mnが主体となる酸化物となるため、バリア層7の成長が時間の対数則に従う。対数則に従うようになるのは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、バリア層7の、Mnが主体となる酸化物は、構造が緻密で拡散が遅いため、この酸化物の成長は通常の熱拡散によって生じず、Mn原子に付随する自由電子がバリア層7の反対側(絶縁膜3側)にトンネル移動し、バリア層7と接する配線本体8側にイオン化されたMnが存在するようになり、形成途上のバリア層7の両側に電場が形成される。この電場が、バリア層7内のMnイオンの拡散を加速することによって、Mnが主体となる酸化物の成長が生じる。このような成長挙動によってバリア層7の成長速度が時間の対数則に従うようになる。その結果バリア層7の形成初期は急激に厚さが増加し、時間が経過すると厚さの変化速度が遅くなり、数nm以上には成長せず抑制される。このため、バリア層7は熱的に安定で構造的に緻密なMn酸化物からなる被膜となり、拡散抑制に対してより有効な構成となる。したがって、配線本体8側からのCuの拡散や、絶縁膜3側からのSiの拡散に対するバリア層7の障壁作用がより一層向上し、絶縁膜3の絶縁性および配線の低抵抗性をさらに向上させることができる。   In addition, since the atomic concentration of Mn in the region of the barrier layer 7 where the atomic concentrations of Cu and Si are substantially equal to each other is more than twice the atomic concentration of Cu or Si, Cu or Si is mainly used. If an oxide is used, the oxide continues to grow continuously. However, since the oxide is mainly composed of Mn, the growth of the barrier layer 7 follows the logarithm rule of time. The reason why the logarithmic rule is followed is considered to be due to the following reason. That is, the oxide mainly composed of Mn of the barrier layer 7 has a dense structure and slow diffusion, so that the growth of the oxide does not occur by normal thermal diffusion, and free electrons associated with Mn atoms are generated by the barrier layer 7. And the ionized Mn exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7, and an electric field is formed on both sides of the barrier layer 7 that is being formed. This electric field accelerates the diffusion of Mn ions in the barrier layer 7, thereby causing growth of oxides mainly composed of Mn. With such growth behavior, the growth rate of the barrier layer 7 follows the logarithm rule of time. As a result, the thickness of the barrier layer 7 is rapidly increased in the initial stage, and when the time elapses, the rate of change of the thickness is reduced, and the barrier layer 7 is suppressed from growing to several nm or more. For this reason, the barrier layer 7 is a thermally stable and structurally dense coating made of Mn oxide, which is more effective for suppressing diffusion. Therefore, the barrier action of the barrier layer 7 against the diffusion of Cu from the wiring body 8 side and the diffusion of Si from the insulating film 3 side is further improved, and the insulating properties of the insulating film 3 and the low resistance of the wiring are further improved. Can be made.

また、バリア層7を、層厚が1nm以上で開口部の溝幅の1/5以下として、バリア層7の厚みを確保するようにしたので、配線本体8側からのCuの拡散や、絶縁膜3側からのSiの拡散に対するバリア層7の障壁作用が確実なものとなる。また同時に、バリア層7の厚みを最大でも10nm以下としたので、配線本体8がバリア層7で狭められて、配線の実効的な電気抵抗が大きくなる等の弊害も確実に防止することができる。したがって、絶縁膜3の絶縁性および配線の低抵抗性をより確実に得られるようになる。
また、バリア層7を非晶質としたので、CuやSiが粒界を介して異常に拡散するのを抑制することができる。したがって、バリア層7の障壁作用が向上し、絶縁膜3の絶縁性および配線の低抵抗性を確実に保つことができる。
In addition, since the barrier layer 7 has a thickness of 1 nm or more and is 1/5 or less of the groove width of the opening so as to ensure the thickness of the barrier layer 7, Cu diffusion from the wiring body 8 side or insulation The barrier action of the barrier layer 7 against the diffusion of Si from the film 3 side is ensured. At the same time, since the thickness of the barrier layer 7 is set to 10 nm or less at the maximum, the wiring body 8 is narrowed by the barrier layer 7, and it is possible to reliably prevent adverse effects such as an increase in the effective electrical resistance of the wiring. . Therefore, the insulation of the insulating film 3 and the low resistance of the wiring can be obtained more reliably.
In addition, since the barrier layer 7 is amorphous, it is possible to suppress abnormal diffusion of Cu and Si through the grain boundary. Therefore, the barrier action of the barrier layer 7 is improved, and the insulating property of the insulating film 3 and the low resistance of the wiring can be reliably maintained.

また、この発明によれば、バリア層7と接する配線本体8側に2価または3価にイオン化したMnが存在するので、バリア層7に隣接する配線本体8側には正の電荷が存在し、バリア層7を隔てて対向する絶縁膜3側との間に電場を形成するようになる。このバリア層7の両側に形成された電場によって、配線本体8と絶縁膜3とはバリア層7に引き付けられるため、界面の密着性を向上する効果を得ることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   In addition, according to the present invention, since Mn ionized bivalently or trivalently exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7, a positive charge exists on the side of the wiring body 8 adjacent to the barrier layer 7. Then, an electric field is formed between the insulating layer 3 and the barrier layer 7 facing each other. Since the wiring body 8 and the insulating film 3 are attracted to the barrier layer 7 by the electric field formed on both sides of the barrier layer 7, the effect of improving the adhesion at the interface can be obtained, and the semiconductor device can be used for a long time. The operation reliability can be improved.

また、この発明によれば、熱処理工程において、熱処理を酸素を不可避的に含む純不活性ガスや窒素ガス、水素ガス、あるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガスや窒素ガス、水素ガス中で行うようにしたので、バリア層7の形成に関与せず配線本体8の表面まで拡散し移動したMn等の合金元素は、不活性ガスや窒素ガス、水素ガス中に適量含まれる微量の酸素で酸化されて配線本体8の表面に酸化物を形成し、配線本体8の表面酸化物という形で、配線本体8の内部から消滅する。したがって、配線抵抗は純Cuと略同等となり、低抵抗の配線本体8を得ることができる。   Further, according to the present invention, in the heat treatment step, the heat treatment is inevitably performed with pure inert gas, nitrogen gas, hydrogen gas, or oxygen containing oxygen at a maximum of 75 vol. Since it is performed in an inert gas, nitrogen gas, or hydrogen gas contained at a ratio of ppm, alloy elements such as Mn that diffuse and move to the surface of the wiring body 8 without being involved in the formation of the barrier layer 7 are inert. Oxidized with a small amount of oxygen contained in gas, nitrogen gas, or hydrogen gas to form an oxide on the surface of the wiring body 8 and disappear from the inside of the wiring body 8 in the form of a surface oxide of the wiring body 8. . Accordingly, the wiring resistance is substantially equal to that of pure Cu, and a low-resistance wiring body 8 can be obtained.

また、この発明では、熱処理工程における熱処理を150℃以上600℃以下の温度で行うようにしたので、バリア層7を本発明に係る特有の構成とすることができ、配線本体8の低抵抗化、絶縁膜3の絶縁性向上、および配線本体8や絶縁膜3との密着性向上といった諸効果をもたらすことができる。   In the present invention, since the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 150 ° C. or more and 600 ° C. or less, the barrier layer 7 can have a specific configuration according to the present invention, and the resistance of the wiring body 8 can be reduced. In addition, various effects such as improvement of the insulating property of the insulating film 3 and improvement of adhesion to the wiring body 8 and the insulating film 3 can be brought about.

また、この発明では、熱処理工程における熱処理を150℃以上450℃以下の温度で行うようにしたので、バリア層7の非晶質化をより一層安定して形成することができる。   In the present invention, since the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, the amorphization of the barrier layer 7 can be formed more stably.

本発明によれば、低抵抗の配線本体8と絶縁性に優れる絶縁膜3とを備えた配線を必要とする各種の半導体装置を構成するための配線として有効に利用できる。
例えば、本発明に記載のCuとMnとSiの各原子濃度の分布を有するバリア層7を用いれば、従来の如くTa系材料から敢えて厚いバリア層を形成する必要も無く、薄くともバリア層として充分に機能できるので、高密度に集積するために配線幅の小さな、例えば、配線幅を90nm以下とするシリコンLSIのための配線を構成するために利用することができる。
According to the present invention, it can be effectively used as a wiring for constituting various semiconductor devices that require a wiring including a low-resistance wiring body 8 and an insulating film 3 having excellent insulating properties.
For example, if the barrier layer 7 having a distribution of atomic concentrations of Cu, Mn, and Si according to the present invention is used, it is not necessary to form a thick barrier layer from a Ta-based material as in the prior art, and as a barrier layer even if it is thin. Since it can function satisfactorily, it can be used to construct a wiring for a silicon LSI having a small wiring width, for example, a wiring width of 90 nm or less in order to integrate at a high density.

また、例えば、本発明に係る配線は、低抵抗な配線本体8と、且つ素子動作電流の漏洩を防止するのに好都合となる様にCuとSiの拡散を防止できるバリア層7を備えているので、大きな素子動作電流を流通させる必要のあるシリコン或いはシリコンゲルマニウム(SiGe)混晶などからなる電力(パワー)デバイスのための配線を構成するために利用することができる。   In addition, for example, the wiring according to the present invention includes a low-resistance wiring body 8 and a barrier layer 7 that can prevent diffusion of Cu and Si so as to be convenient for preventing leakage of element operating current. Therefore, it can be used to construct a wiring for a power device made of silicon or silicon germanium (SiGe) mixed crystal that requires a large element operating current to flow.

また、本発明に係る配線構造は、素子動作電流の漏洩を回避できるバリア層7を備えているので、低消費電力の電子装置を構成するのに好適に利用することができる。例えば、平面表示装置(FDP)、有機エレクトロルミネッセンス(EL)装置、無機EL装置などの表示用電子装置、或いは太陽電池などの光起電力素子等のための配線を構成するのに利用することができる。   In addition, since the wiring structure according to the present invention includes the barrier layer 7 that can avoid leakage of the element operating current, it can be suitably used to configure an electronic device with low power consumption. For example, it can be used to construct wiring for display electronic devices such as flat display devices (FDP), organic electroluminescence (EL) devices, inorganic EL devices, or photovoltaic elements such as solar cells. it can.

本発明の第1の実施形態をより具体的に説明する前に、先ず実施例1として、平坦状の絶縁膜上に平坦なCu・Mn合金膜を形成する、簡単な構造を用いて説明する。なお、平坦で簡単な構造としたのは、形成されるCu層の電気抵抗率をより高精度に測定するためである。   Before describing the first embodiment of the present invention more specifically, first, as a first example, a simple structure in which a flat Cu · Mn alloy film is formed on a flat insulating film will be described. . The reason why the flat and simple structure is adopted is to measure the electrical resistivity of the formed Cu layer with higher accuracy.

(実施例1)
図2は実施例1での熱処理前の積層状態を示す断面図、図3は実施例1での熱処理後の積層状態を示す断面図である。
図2において、SiO2からなる絶縁膜103m上には、Cu・Mn合金膜105mが形成され、この積層状態で熱処理を施すことにより、そのCu・Mn合金膜105mに含まれるMn原子が絶縁膜103mとの界面に向けて熱拡散し、図3に示すように、その界面近傍の領域にバリア層107mが形成された。また、この熱処理により、MnがCu・Mn合金膜105mの表層側に拡散して抜け出し、Cu・Mn合金膜105mはCuが略全量を占めるCu層108mとなり、そのCu層108mの表層にはMn酸化物膜109mが形成された。このCu層108mは、上記の第1の実施形態での配線本体8に該当しており、ほぼ純粋なCuから形成されていた。ここで、Cu・Mn合金膜105mは、Cuの原子濃度比率を96%、Mnの原子濃度比率を4%とし、150nmの厚さに形成した。その後の熱処理によって、バリア層107mの厚さは3nm、Mn酸化物膜109mの厚さは14nmとなった。
Example 1
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a laminated state before heat treatment in Example 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a laminated state after heat treatment in Example 1.
In FIG. 2, a Cu · Mn alloy film 105m is formed on an insulating film 103m made of SiO 2 , and heat treatment is performed in this laminated state, whereby Mn atoms contained in the Cu · Mn alloy film 105m are converted into an insulating film. Thermal diffusion was performed toward the interface with 103m, and as shown in FIG. 3, a barrier layer 107m was formed in a region near the interface. In addition, by this heat treatment, Mn diffuses and escapes to the surface layer side of the Cu · Mn alloy film 105m, and the Cu · Mn alloy film 105m becomes a Cu layer 108m in which Cu is substantially occupied, and the surface layer of the Cu layer 108m has Mn An oxide film 109m was formed. The Cu layer 108m corresponds to the wiring main body 8 in the first embodiment, and is formed from substantially pure Cu. Here, the Cu · Mn alloy film 105m was formed to a thickness of 150 nm with a Cu atomic concentration ratio of 96% and a Mn atomic concentration ratio of 4%. By subsequent heat treatment, the thickness of the barrier layer 107m was 3 nm, and the thickness of the Mn oxide film 109m was 14 nm.

上記の熱処理は、雰囲気ガスとして不活性ガスのアルゴン(Ar)ガスを用いた。アルゴンガス中の酸素の体積含有率を変化させ、350℃で熱処理を施して形成したCu層108mの抵抗率(比抵抗)を図4に示す。
図4において、横軸は熱処理時間(単位は秒)、縦軸は抵抗率(単位はμΩcm)である。各曲線は種々のガス雰囲気条件A〜Dの下で熱処理を施し形成したCu層108mの抵抗率を示す。ガス雰囲気条件A〜Dのうち、Aは酸素の体積含有率が50ppmのアルゴンガス雰囲気、Bは高純度アルゴンガス雰囲気、Cは酸素の体積含有率が1000ppmのアルゴンガス雰囲気、Dは真空(ここでは5×10-7Torr)である。上記のBの高純度アルゴンガス雰囲気は、表1に示すように、酸素を体積含有率で0〜0.2ppm不可避的に含んでおり、ここでは製品規格G1,G2,G3のうち、G2を使用した。
In the heat treatment, an inert gas, argon (Ar) gas, was used as the atmospheric gas. FIG. 4 shows the resistivity (specific resistance) of the Cu layer 108m formed by heat treatment at 350 ° C. while changing the volume content of oxygen in the argon gas.
In FIG. 4, the horizontal axis represents heat treatment time (unit: seconds), and the vertical axis represents resistivity (unit: μΩcm). Each curve shows the resistivity of the Cu layer 108m formed by heat treatment under various gas atmosphere conditions A to D. Among the gas atmosphere conditions A to D, A is an argon gas atmosphere having a volume content of oxygen of 50 ppm, B is a high purity argon gas atmosphere, C is an argon gas atmosphere having a volume content of oxygen of 1000 ppm, and D is a vacuum (here Then, 5 × 10 −7 Torr). As shown in Table 1, the high purity argon gas atmosphere of B inevitably contains oxygen in a volume content of 0 to 0.2 ppm. Here, among product standards G1, G2, and G3, G2 is included. used.

Figure 0004065019
Figure 0004065019

この図4から、体積濃度が50vol.ppmの酸素を含むアルゴンガス雰囲気(ガス雰囲気条件A)で熱処理を実施すれば、本発明に係るCuとMnとSiに係る原子濃度分布を有するバリア層107mを形成できると共に、Cu層108mの抵抗率は数分で速やかに低減し、約30分程度で約2.0〜2.2μΩ・cmと小さな値になり、純Cuと略同等のレベルになっている(純粋なCuからなる薄膜の電気抵抗率は1.9〜2.0μΩ・cm)。   From FIG. 4, the volume concentration is 50 vol. When heat treatment is performed in an argon gas atmosphere (gas atmosphere condition A) containing ppm oxygen, the barrier layer 107m having the atomic concentration distribution of Cu, Mn, and Si according to the present invention can be formed, and the resistance of the Cu layer 108m The rate decreases rapidly in a few minutes, becomes a small value of about 2.0 to 2.2 μΩ · cm in about 30 minutes, and is at a level almost equivalent to that of pure Cu (a thin film made of pure Cu). The electrical resistivity is 1.9 to 2.0 μΩ · cm).

また、高純度アルゴンガス雰囲気(ガス雰囲気条件B)で熱処理を実施すれば、Cu層108mの抵抗率は、ガス雰囲気条件Aのときに比べると、やや緩やかに低減してゆくが、約30分で2.0μΩ・cmとなり、ガス雰囲気条件Aとクロスした後、さらに時間の経過とともに連続的に低減し、約90分で約1.9μΩ・cmまで減少し、純粋なCuからなる薄膜と略同等のレベルになっている。   Further, if the heat treatment is performed in a high purity argon gas atmosphere (gas atmosphere condition B), the resistivity of the Cu layer 108m decreases slightly more slowly than in the gas atmosphere condition A, but about 30 minutes. 2.0 μΩ · cm, and after crossing with the gas atmosphere condition A, it continuously decreases with time, and decreases to about 1.9 μΩ · cm in about 90 minutes. The level is equivalent.

ガス雰囲気条件Aにおいて、Cu層108mの抵抗率が大幅に低減したのは、Cu・Mn合金膜105m中に存在するMnがCu層108mの表面に拡散してMn酸化物膜109mを形成し、Cu層108m中から排出されたという理由によるものと考えられる。また、ガス雰囲気条件Bにおいて、Cu層108mの抵抗率が大幅に低減したのは、雰囲気中の酸素濃度が極端に低いために、Cu層108mのMnを排出しながら、条件Aにおいて酸素量が多いために生じたCu層108m内部の酸化をさらに抑止できたという理由によるものと考えられる。   Under the gas atmosphere condition A, the resistivity of the Cu layer 108m was significantly reduced because Mn present in the Cu · Mn alloy film 105m diffused to the surface of the Cu layer 108m to form a Mn oxide film 109m. This is probably because the Cu layer 108m was discharged. Further, in the gas atmosphere condition B, the resistivity of the Cu layer 108m was significantly reduced because the oxygen concentration in the atmosphere was extremely low and the oxygen amount in the condition A was discharged while discharging Mn of the Cu layer 108m. This is probably because the oxidation inside the Cu layer 108m generated due to the large amount could be further suppressed.

一方、酸素の体積含有率が1000ppmのアルゴンガス雰囲気(ガス雰囲気条件C)では、Cu層108mの抵抗率は、初期段階では減少するものの表面酸化が激しいためその後は上昇している。また、真空(ガス雰囲気条件D)では、Cu層108mの抵抗率は、条件Cの場合と同様に、初期段階では低減するものの、その後は低減せず、略一定となるか、真空中での緩慢な表面酸化の影響で緩やかに上昇している。   On the other hand, in an argon gas atmosphere (gas atmosphere condition C) with an oxygen volume content of 1000 ppm, the resistivity of the Cu layer 108m decreases in the initial stage, but increases after that because the surface oxidation is intense. Further, in the vacuum (gas atmosphere condition D), the resistivity of the Cu layer 108m is reduced in the initial stage as in the case of the condition C, but does not decrease thereafter and becomes substantially constant or in vacuum. It is rising moderately due to the slow surface oxidation.

このように、Cu・Mn合金膜105mに本発明に係る熱処理を施せば、Cu・Mn合金膜105mから形成されるCu層108mは、純粋なCuから形成されるようになり、その電気抵抗率も純Cuと略同等となることが分かった。   As described above, when the heat treatment according to the present invention is applied to the Cu · Mn alloy film 105m, the Cu layer 108m formed from the Cu · Mn alloy film 105m comes to be formed from pure Cu and its electrical resistivity. Was found to be substantially equivalent to pure Cu.

次に、本発明の第1の実施形態のより具体的な内容を説明する。すなわち、Siを含む絶縁膜3上に配線用溝4を形成し、その配線用溝4に形成したCu・Mn合金膜5を基に、Cuからなる低抵抗の配線本体8と、CuとMnとSiとを含むバリア層7とを備えた配線構造を形成する場合を例にして、詳細に説明する。   Next, more specific contents of the first embodiment of the present invention will be described. That is, a wiring groove 4 is formed on an insulating film 3 containing Si, and a low-resistance wiring body 8 made of Cu is formed on the basis of the Cu · Mn alloy film 5 formed in the wiring groove 4, and Cu and Mn An example of forming a wiring structure including a barrier layer 7 containing Si and Si will be described in detail.

(実施例2)
図5に、絶縁膜上にCu・Mn合金膜を被着させ、次に、Cu埋め込み層を被着させた状態の配線用溝の内部の断面構造を模式的に示す。図6には、その配線用溝内のCu・Mn合金膜及びCu埋め込み層に熱処理を及ぼした後における配線用溝内部の断面構造を模式的に示す。図7は、その熱処理により形成されたバリア層の断面の構造を示す透過型電子顕微鏡像である。
(Example 2)
FIG. 5 schematically shows a cross-sectional structure inside the wiring groove in a state where a Cu · Mn alloy film is deposited on the insulating film and then a Cu buried layer is deposited. FIG. 6 schematically shows a cross-sectional structure inside the wiring groove after the heat treatment is applied to the Cu · Mn alloy film and the Cu buried layer in the wiring groove. FIG. 7 is a transmission electron microscope image showing the cross-sectional structure of the barrier layer formed by the heat treatment.

図5に模式的に示す様に、シリコン基板101上に形成した導電性シリコン半導体層102の表面に、一般的な化学気相成長法により、厚さ150nmのSiO2層を絶縁膜103として堆積した。次に、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して一部の絶縁膜103をエッチングして除去し、配線用溝(開口部)104を形成した。配線用溝104の開口幅(横幅)Wは90nmとした。 As schematically shown in FIG. 5, an SiO 2 layer having a thickness of 150 nm is deposited as an insulating film 103 on the surface of the conductive silicon semiconductor layer 102 formed on the silicon substrate 101 by a general chemical vapor deposition method. did. Next, a part of the insulating film 103 was removed by etching using a general photolithography technique to form a wiring groove (opening) 104. The opening width (lateral width) W of the wiring groove 104 was 90 nm.

次に、絶縁膜103の表面及び配線用溝104の内部の側面及びその底面上に、Cu・Mn合金膜105を被着させた。Cu・Mn合金膜105は、Mnを原子濃度にして7%含むCu・Mn合金からなるターゲット材を用いて、一般的な高周波スパッタリング法で形成した。Cu・Mn合金膜105は、シリコン基板101の温度を50℃として形成した。また、Cu・Mn合金膜105の絶縁膜103の表面への被着速度は、毎分12nmとした。Cu・Mn合金膜105中のMnの原子濃度の比率は5%であるとEELS法で定量された。Cu・Mn合金膜105の層厚は、配線用溝104を形成しなかった絶縁膜103の平坦な表面103a上において80nmとなるようにした。このとき、配線用溝104の溝底には約20nmのCu・Mn合金膜が形成されていた。   Next, a Cu / Mn alloy film 105 was deposited on the surface of the insulating film 103 and the side surface and the bottom surface of the wiring groove 104. The Cu · Mn alloy film 105 was formed by a general high-frequency sputtering method using a target material made of a Cu · Mn alloy containing 7% of Mn in atomic concentration. The Cu · Mn alloy film 105 was formed at a temperature of the silicon substrate 101 of 50 ° C. The deposition rate of the Cu / Mn alloy film 105 on the surface of the insulating film 103 was 12 nm per minute. It was quantified by the EELS method that the atomic concentration ratio of Mn in the Cu · Mn alloy film 105 was 5%. The layer thickness of the Cu · Mn alloy film 105 was set to 80 nm on the flat surface 103a of the insulating film 103 where the wiring groove 104 was not formed. At this time, a Cu · Mn alloy film of about 20 nm was formed on the groove bottom of the wiring groove 104.

次に、一般的な電解メッキ法により、Cu・Mn合金膜105の表面にCuを鍍金した(図5に図示せず。)。Cuは配線用溝104の内部を埋め込める厚さに鍍金した。次に、一般的なCMP手段を利用して、絶縁膜103の平坦な表面103aを露出させる迄、鍍金したCu層及びCu・Mn合金膜105を研磨して除去した。これにより、配線用溝104の内部にのみ、Cu・Mn合金膜105を残存させ、また、その表面に鍍金したCuをCu埋め込み層106として残存させた。   Next, Cu was plated on the surface of the Cu · Mn alloy film 105 by a general electrolytic plating method (not shown in FIG. 5). Cu was plated to such a thickness that the inside of the wiring groove 104 could be embedded. Next, the plated Cu layer and the Cu · Mn alloy film 105 were polished and removed by using a general CMP means until the flat surface 103a of the insulating film 103 was exposed. As a result, the Cu · Mn alloy film 105 was left only in the wiring groove 104, and Cu plated on the surface was left as the Cu buried layer 106.

次に、配線用溝104の内部に残存させたCu・Mn合金膜105とCu埋め込み層106とに、酸素を体積比率にして50vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気中で、温度300℃で30分間に亘り、熱処理を施した。これにより、Cu・Mn合金膜105から、その合金膜105に含まれるMn原子を絶縁膜103との界面に向けて熱拡散させた。これにより、その界面近傍の領域にバリア層107を形成した。形成されたバリア層107の厚さは5nmであった。また、この熱処理により、Mnが拡散し抜け出し、Cuが略全量を占めることとなったCu・Mn合金膜105の表層部と、Cu埋め込み層106とは一体化し、Cuからなる配線本体108が形成された。この熱処理により形成されたバリア層107の透過電子顕微鏡像を図7に示す。   Next, the volume ratio of oxygen is 50 vol. 50 in the Cu · Mn alloy film 105 and the Cu buried layer 106 remaining in the wiring groove 104. Heat treatment was performed at a temperature of 300 ° C. for 30 minutes in an argon (Ar) atmosphere containing ppm. Thus, Mn atoms contained in the alloy film 105 were thermally diffused from the Cu / Mn alloy film 105 toward the interface with the insulating film 103. Thereby, the barrier layer 107 was formed in a region near the interface. The formed barrier layer 107 had a thickness of 5 nm. Further, by this heat treatment, Mn diffuses and escapes, and the surface layer portion of the Cu · Mn alloy film 105 in which Cu occupies almost the entire amount and the Cu buried layer 106 are integrated to form a wiring body 108 made of Cu. It was done. A transmission electron microscope image of the barrier layer 107 formed by this heat treatment is shown in FIG.

バリア層107の内部のCu、Mn、及びSi原子の濃度分布を、電子エネルギー損失分光法(EELS)により分析した。このEELS分析は、高分解能の電界放射型透過電子顕微鏡(TEM)を用い、電子線を0.2nmの間隔で走査して行った。その分析結果によれば、Cu原子の濃度は、配線本体108からSiO2絶縁膜103側に向けて単調に減少しているのが示された。また、Si原子の濃度は、SiO2絶縁膜103から配線本体108側に向けて単調に減少しているのが示された。 The concentration distribution of Cu, Mn, and Si atoms inside the barrier layer 107 was analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS). This EELS analysis was performed by scanning an electron beam at an interval of 0.2 nm using a high-resolution field emission transmission electron microscope (TEM). According to the analysis result, it was shown that the concentration of Cu atoms monotonously decreased from the wiring body 108 toward the SiO 2 insulating film 103 side. It was also shown that the concentration of Si atoms monotonously decreased from the SiO 2 insulating film 103 toward the wiring body 108 side.

また、TEM観察によれば、バリア層107の内部に空洞(ボイド)は殆ど認められなかった。このため、Mn原子の拡散が均一に起ったことに起因して、Cu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域には、Mn原子が集中的に蓄積されていた。また、その蓄積されたMn原子の濃度は、バリア層107のCu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域で最大であった。   Further, according to TEM observation, almost no voids were found inside the barrier layer 107. For this reason, due to the uniform diffusion of Mn atoms, Mn atoms are concentrated in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms substantially coincide. Further, the concentration of the accumulated Mn atoms was the highest in the region where the Cu atoms and the Si atoms in the barrier layer 107 had substantially the same concentration.

また、上記の熱処理に因り、Mnが拡散し抜け出し、Cuが略全量を占めることとなったCu・Mn合金膜105の表層部と、Cu埋め込み層106とは一体化し、Cuからなる配線本体108が形成されるとともに、配線本体108の上側の表層部にも、Mn酸化物膜が形成されたが(図6に図示せず。)、その上側表層部の酸化物膜をCMP手段で除去した。これにより、Cu配線本体108の表面を露出させて、Cu配線本体108の電気抵抗率を測定した。Cu配線本体108の電気抵抗率は極めて低く、開口幅を90nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の2.5μΩ・cmとなった。   Further, due to the heat treatment, Mn diffuses and escapes, and the surface layer portion of the Cu · Mn alloy film 105 in which Cu occupies substantially the entire amount and the Cu embedded layer 106 are integrated, and the wiring body 108 made of Cu. In addition, a Mn oxide film was also formed on the upper surface layer portion of the wiring body 108 (not shown in FIG. 6), but the upper surface layer oxide film was removed by CMP means. . As a result, the surface of the Cu wiring body 108 was exposed, and the electrical resistivity of the Cu wiring body 108 was measured. The electrical resistivity of the Cu wiring body 108 was extremely low, and became 2.5 μΩ · cm, which was substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 90 nm.

このように、本発明の実施例2によれば、拡散抑制に対して効果的なバリア層107により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層107により絶縁膜103の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層107と配線本体108との間の密着性向上、およびバリア層107と絶縁膜103との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。   As described above, according to Example 2 of the present invention, the low resistance Cu wiring close to the wiring made of pure Cu could be provided by the barrier layer 107 effective for suppressing diffusion. In addition, the insulating property of the insulating film 103 can be improved by the barrier layer 107, and thus the wiring can be prevented from leaking element operating current with low resistance, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. Further, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time is improved by improving the adhesion between the barrier layer 107 and the wiring body 108 and improving the adhesion between the barrier layer 107 and the insulating film 103. I was able to.

(実施例3)
非晶質のCuとMnとSiとを含むバリア層を用いて配線構造を形成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
(Example 3)
The contents of the present invention will be specifically described by taking as an example the case where a wiring structure is formed using a barrier layer containing amorphous Cu, Mn and Si.

上記の実施例2に記載のとおりに形成した絶縁膜の表面、及び開口幅を90nmとする配線用溝の内部の側面及びその底面上に、Cu(原子濃度比率=93%)・Mn(原子濃度比率=7%)系合金膜を一般的な高周波スパッタリング法で被着させた。非晶質のバリア層を確実に形成するために、SiO2絶縁膜上へCu・Mn合金膜を被着させる速度は毎分10nmとした。 Cu (atomic concentration ratio = 93%) · Mn (atom) on the surface of the insulating film formed as described in Example 2 above, and on the side surface and the bottom surface of the wiring groove having an opening width of 90 nm (Concentration ratio = 7%) System alloy film was deposited by a general high-frequency sputtering method. In order to reliably form the amorphous barrier layer, the deposition rate of the Cu · Mn alloy film on the SiO 2 insulating film was set to 10 nm per minute.

次に、Cu・Mn合金膜上に上記の実施例2に記載の如く、Cuを一般的な鍍金法で被着させた。その後、上記の実施例2に記載のとおり、配線用溝の内部に限り、Cu・Mn合金膜とCu埋め込み層とが残存する様に、一般的なCMP手段でCu・Mn合金膜及びCuメッキ層を研磨して除去した。
然る後、Mnの正常な拡散をもたらせる粒界の無い非晶質のバリア層を形成するため、Cu・Mn合金膜を200℃で熱処理した。熱処理に利用した雰囲気は、上記の実施例2の場合と同じく、酸素を体積比率にして50vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気とした。また、熱処理時間は4時間とした。これにより、層厚を3nmとするバリア層を形成した。
Next, as described in Example 2 above, Cu was deposited on the Cu · Mn alloy film by a general plating method. Thereafter, as described in Example 2 above, the Cu / Mn alloy film and the Cu plating are performed by general CMP means so that the Cu / Mn alloy film and the Cu buried layer remain only in the wiring groove. The layer was removed by polishing.
Thereafter, the Cu · Mn alloy film was heat-treated at 200 ° C. in order to form an amorphous barrier layer having no grain boundary that can cause normal diffusion of Mn. The atmosphere used for the heat treatment was the same as in Example 2 above except that 50 vol. Argon (Ar) atmosphere containing ppm was used. The heat treatment time was 4 hours. Thereby, a barrier layer having a layer thickness of 3 nm was formed.

一般的なTEMを利用して取得した電子線回折像はハロー(halo)であり、得られたバリア層は、非晶質(amorphous)であるのが示された。   The electron diffraction image obtained using a general TEM was halo, and the obtained barrier layer was shown to be amorphous.

図8に、非晶質のバリア層の内部の元素の分布についての電子エネルギー損失分光法(EELS)による分析結果を示す。EELS法による元素分析では、図8に示す様に、バリア層の内部において、Cuの原子濃度は、配線本体(Cu・Mn合金膜)側からSiO2絶縁膜側に向けて単調に減少しているのが確認された。Siの原子濃度は、SiO2絶縁膜側から配線本体(Cu・Mn合金膜)側に向けて、Cu原子の場合と同じく単調に減少していた。 FIG. 8 shows the result of analysis by electron energy loss spectroscopy (EELS) on the distribution of elements inside the amorphous barrier layer. In elemental analysis by the EELS method, as shown in FIG. 8, the atomic concentration of Cu in the barrier layer decreases monotonously from the wiring body (Cu / Mn alloy film) side to the SiO 2 insulating film side. It was confirmed that The atomic concentration of Si monotonously decreased from the SiO 2 insulating film side toward the wiring main body (Cu · Mn alloy film) side as in the case of Cu atoms.

また、上記の実施例2に記載のバリア層と同様に、Cu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域には、Mn原子が集中的に蓄積されていた。特に、図8に示す様に、その領域に蓄積されたMn原子の濃度は、CuとSiの原子濃度が共に15原子%であるバリア層内の場所において、それらの濃度の優に2倍を超える33原子%となった。
また、Cu埋め込み層を基に形成されたCu配線本体の電気抵抗率は極めて低く、開口幅を90nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の2.4μΩ・cmとなった。
Further, similarly to the barrier layer described in Example 2 above, Mn atoms were concentrated in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms substantially matched. In particular, as shown in FIG. 8, the concentration of Mn atoms accumulated in the region is significantly doubled at a location in the barrier layer where both the atomic concentrations of Cu and Si are 15 atomic%. It became 33 atomic% exceeding.
Further, the electrical resistivity of the Cu wiring body formed on the basis of the Cu buried layer is extremely low, and 2.4 μΩ · cm, which is substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 90 nm. became.

このように、本発明の実施例3によれば、上記の実施例2と同様に、拡散抑制に対してより一層効果的な非晶質のバリア層により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層により絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。   As described above, according to the third embodiment of the present invention, as in the second embodiment, the amorphous barrier layer that is more effective for suppressing diffusion has a low resistance close to that of wiring made of pure Cu. Cu wiring can be obtained. In addition, the insulating property of the insulating film can be improved by the barrier layer. Therefore, the wiring has a low resistance and can prevent the leakage of the element operating current, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. In addition, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time can be improved by improving the adhesion between the barrier layer and the wiring body and improving the adhesion between the barrier layer and the insulating film.

(実施例4)
Siを含む絶縁膜上に形成したMn膜とCu膜との重層膜から配線構造を形成する場合を例にして本発明を詳細に説明する。
Example 4
The present invention will be described in detail by taking as an example a case where a wiring structure is formed from a multilayer film of a Mn film and a Cu film formed on an insulating film containing Si.

シリコン基板上に形成した導電性シリコン半導体層上に、先ず、SiO2層(層厚=100nm)を堆積し、次に、その層上にSiOF層(層厚=80nm)を堆積して重層構造の絶縁膜を形成した。 First, a SiO 2 layer (layer thickness = 100 nm) is deposited on a conductive silicon semiconductor layer formed on a silicon substrate, and then a SiOF layer (layer thickness = 80 nm) is deposited on the layer to form a multilayer structure. An insulating film was formed.

次に、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して、上記の実施例2に記載の如くの開口幅を45nmとする配線用溝を形成した。その後、上記の重層絶縁膜の表面、及び開口幅を45nmとする配線用溝の内部の側面及びその底面上に、先ず、高純度(99.999%)のMnからなるターゲット材を用いて、Mn膜(膜厚=8nm)を一般的な高周波スパッタリング法で被着させた。このMn膜の被着速度は毎分10nmとした。   Next, a wiring groove having an opening width of 45 nm as described in Example 2 was formed using a general photolithography technique. Thereafter, on the surface of the multilayer insulating film and the side surface and the bottom surface of the wiring groove having an opening width of 45 nm, first, using a target material made of high-purity (99.999%) Mn, A Mn film (film thickness = 8 nm) was deposited by a general high-frequency sputtering method. The deposition rate of this Mn film was 10 nm per minute.

次に、一般的な高周波スパッタリング法で、そのMn膜に接してCu膜(膜厚=9nm)を、毎分10nmの被着速度で重層させて設けた。更に、重層膜をなすCu膜上に上記の実施例2に記載の如く、Cuを一般的な電解メッキ法で鍍金した。その後、上記の実施例2に記載のとおり、配線用溝の内部に限り、Cu膜及びMn膜からなる重層膜とCu埋め込み層とが残存する様に、一般的なCMP手段でCu膜、Mn膜及びCuメッキ層を研磨して除去した。
然る後、Cu膜とMn膜とからなる重層膜と、Cu埋め込み層とを350℃で熱処理した。熱処理に利用した雰囲気は、酸素を体積比率にして60vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気とした。また、熱処理時間は4時間とした。これより、層厚を3nmとするバリア層を形成した。
Next, a Cu film (film thickness = 9 nm) was provided in contact with the Mn film by a general high-frequency sputtering method, and was stacked at a deposition rate of 10 nm per minute. Further, Cu was plated by a general electrolytic plating method on the Cu film forming the multilayer film as described in Example 2 above. Thereafter, as described in Example 2 above, the Cu film, Mn is formed by a general CMP means so that the multilayer film composed of the Cu film and the Mn film and the Cu buried layer remain only in the wiring groove. The film and Cu plating layer were removed by polishing.
Thereafter, the multilayer film composed of the Cu film and the Mn film and the Cu buried layer were heat-treated at 350 ° C. The atmosphere used for the heat treatment was 60 vol. Argon (Ar) atmosphere containing ppm was used. The heat treatment time was 4 hours. Thus, a barrier layer having a layer thickness of 3 nm was formed.

EELS法によるCuとMnとSiとを含むバリア層の内部の元素の分布分析により、Cuの原子濃度は、Cu・Mn合金膜からSiO2・SiOF重層絶縁膜側に向けて単調に減少しているのが確認された。一方、Siの原子濃度は、SiO2・SiOF重層絶縁膜からCu・Mn合金膜側に向けて、Cu原子の場合と同じく単調に減少しているのが認められた。 According to the distribution analysis of elements inside the barrier layer containing Cu, Mn and Si by the EELS method, the atomic concentration of Cu decreases monotonously from the Cu / Mn alloy film toward the SiO 2 / SiOF multilayer insulating film side. It was confirmed that On the other hand, it was observed that the Si atomic concentration decreased monotonously from the SiO 2 / SiOF multilayer insulating film toward the Cu / Mn alloy film side, as in the case of Cu atoms.

また、上記の実施例2に記載のバリア層と同様に、Cu原子とSi原子の濃度とが略一致する、バリア層の層厚方向の中央より、ややSiO2・SiOF重層絶縁膜に近い領域には、Mn原子が集中的に蓄積されていた。
また、Cu埋め込み層を基に形成されたCu配線本体の電気抵抗率は極めて低く、開口幅を45nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の3.4μΩ・cmとなった。
Similarly to the barrier layer described in Example 2 above, the region in which the concentrations of Cu atoms and Si atoms are approximately the same and is slightly closer to the SiO 2 · SiOF multilayer insulating film than the center in the layer thickness direction of the barrier layer In this case, Mn atoms were accumulated intensively.
Also, the electrical resistivity of the Cu wiring body formed on the basis of the Cu buried layer is extremely low, and 3.4 μΩ · cm, which is substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 45 nm. became.

このように、本発明の実施例4によれば、上記の実施例2と同様に、拡散抑制に対して効果的なバリア層により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層により絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。
なお、この実施例4では、熱処理を、酸素を体積比率にして60vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気中において、350℃で4時間行うようにしたが、これを酸素を体積比率にして60vol.ppm含む窒素ガス雰囲気中、また酸素を体積比率にして60vol.ppm含む水素ガス雰囲気中おいて、それぞれ350℃で4時間行った場合も、実施例4と同様の結果が得られた。
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, as in the second embodiment, the barrier layer effective for suppressing diffusion provides a low resistance Cu wiring close to a wiring made of pure Cu. I was able to. In addition, the insulating property of the insulating film can be improved by the barrier layer. Therefore, the wiring has a low resistance and can prevent the leakage of the element operating current, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. In addition, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time can be improved by improving the adhesion between the barrier layer and the wiring body and improving the adhesion between the barrier layer and the insulating film.
In Example 4, the heat treatment was performed at 60 vol. In an argon (Ar) atmosphere containing ppm, it was carried out at 350 ° C. for 4 hours, but this was performed at 60 vol. In a nitrogen gas atmosphere containing ppm and oxygen in a volume ratio of 60 vol. The same results as in Example 4 were obtained when each was conducted at 350 ° C. for 4 hours in a hydrogen gas atmosphere containing ppm.

(実施例5)
この実施例5では、上記の実施例2とは、熱処理条件のみを代えて、バリア層を備えた配線構造を形成した。
(Example 5)
In this Example 5, the wiring structure provided with the barrier layer was formed by changing only the heat treatment condition from the above Example 2.

その熱処理は、Cu・Mn合金膜とCu埋め込み層とに、酸素を0.1ppmだけ不可避的に含む純アルゴンガス雰囲気中で、温度が300℃で90分間に亘り行うものであった。これにより、Cu・Mn合金膜から、その合金膜に含まれるMn原子を絶縁膜103との界面に向けて熱拡散させ、その界面近傍の領域にバリア層を形成した。形成されたバリア層の厚さは5nmであった。また、この熱処理により、Mnが拡散し抜け出し、Cuが略全量を占めることとなったCu・Mn合金膜の表層部と、Cu埋め込み層とは一体化し、Cuからなる配線本体が形成された。   The heat treatment was performed at a temperature of 300 ° C. for 90 minutes in a pure argon gas atmosphere inevitably containing only 0.1 ppm of oxygen in the Cu · Mn alloy film and the Cu buried layer. Thus, Mn atoms contained in the alloy film were thermally diffused from the Cu / Mn alloy film toward the interface with the insulating film 103, and a barrier layer was formed in a region near the interface. The thickness of the formed barrier layer was 5 nm. Further, by this heat treatment, the surface layer portion of the Cu · Mn alloy film in which Mn diffuses and escapes and Cu occupies substantially the entire amount and the Cu buried layer are integrated, and a wiring body made of Cu is formed.

バリア層の内部のCu、Mn、及びSi原子の濃度分布を、電子エネルギー損失分光法(EELS)により分析した。このEELS分析は、高分解能の電界放射型透過電子顕微鏡(TEM)を用い、電子線を0.2nmの間隔で走査して行った。その分析結果によれば、Cu原子の濃度は、配線本体からSiO2絶縁膜側に向けて単調に減少しているのが示された。また、Si原子の濃度は、SiO2絶縁膜から配線本体側に向けて単調に減少しているのが示された。 The concentration distribution of Cu, Mn, and Si atoms inside the barrier layer was analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS). This EELS analysis was performed by scanning an electron beam at an interval of 0.2 nm using a high-resolution field emission transmission electron microscope (TEM). According to the analysis result, it was shown that the concentration of Cu atoms monotonously decreased from the wiring body toward the SiO 2 insulating film side. It was also shown that the concentration of Si atoms monotonously decreased from the SiO 2 insulating film toward the wiring body.

また、TEM観察によれば、バリア層の内部に空洞(ボイド)は殆ど認められなかった。このため、Mn原子の拡散が均一に起ったことに起因して、Cu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域には、Mn原子が集中的に蓄積されていた。また、その蓄積されたMn原子の濃度は、バリア層7のCu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域で最大で、Cu原子とSi原子の濃度の約2倍であった。
Cu配線本体の電気抵抗率を測定すると、その電気抵抗率は極めて低く、開口幅を90nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の2.6μΩ・cmとなった。
Further, according to TEM observation, almost no voids were found inside the barrier layer. For this reason, due to the uniform diffusion of Mn atoms, Mn atoms are concentrated in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms substantially coincide. Further, the concentration of the accumulated Mn atoms was maximum in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms in the barrier layer 7 substantially coincided with each other, and was about twice the concentration of Cu atoms and Si atoms.
When the electrical resistivity of the Cu wiring body was measured, the electrical resistivity was extremely low, which was 2.6 μΩ · cm, which is substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 90 nm.

このように、本発明の実施例5によれば、上記の実施例2と同様に、拡散抑制に対して効果的なバリア層により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層により絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。
なお、この実施例5では、熱処理を、酸素を0.1ppmだけ不可避的に含む純アルゴンガス雰囲気中において、300℃で90分間行うようにしたが、これを酸素を0.1ppmだけ不可避的に含む窒素ガス雰囲気中、また酸素を0.1ppmだけ不可避的に含む水素ガス雰囲気中において、それぞれ300℃で90分間行った場合も,実施例5と同様の結果が得られた。
As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, as in the second embodiment, the barrier layer effective for suppressing diffusion provides a low-resistance Cu wiring close to a wiring made of pure Cu. I was able to. In addition, the insulating property of the insulating film can be improved by the barrier layer. Therefore, the wiring has a low resistance and can prevent the leakage of the element operating current, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. In addition, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time can be improved by improving the adhesion between the barrier layer and the wiring body and improving the adhesion between the barrier layer and the insulating film.
In Example 5, the heat treatment was performed for 90 minutes at 300 ° C. in a pure argon gas atmosphere inevitably containing only 0.1 ppm of oxygen. The same results as in Example 5 were obtained when the treatment was performed at 300 ° C. for 90 minutes in a nitrogen gas atmosphere containing hydrogen and an oxygen gas atmosphere inevitably containing only 0.1 ppm of oxygen.

(実施例6)
この実施例6では、上記の実施例2とは、配線用溝の開口幅Wを代えて、バリア層を備えた配線構造を形成した。この実施例6が実施例2と相違しているのは、下記の点である。
(Example 6)
In this Example 6, the wiring structure provided with the barrier layer was formed in place of the opening width W of the wiring groove, as compared with Example 2 described above. The difference between the sixth embodiment and the second embodiment is as follows.

開口幅Wを32nmとし、Cu・Mn合金膜の層厚は、配線用溝を形成しなかった絶縁膜の平坦な表面上において30nmとなるようにした。このとき、配線用溝の溝底には約8nmのCu・Mn合金膜が形成されていた。
また、配線用溝の内部に残存させたCu・Mn合金膜とCu埋め込み層とに対する熱処理は、酸素を0.1ppmだけ不可避的に含む純アルゴンガス雰囲気中で、温度が350℃で30分間に亘り行うものであった。この熱処理により、Cu・Mn合金膜から、その合金膜に含まれるMn原子を絶縁膜との界面に向けて熱拡散させ、その界面近傍の領域にバリア層を形成した。形成されたバリア層の厚さは2nmであった。
The opening width W was set to 32 nm, and the layer thickness of the Cu · Mn alloy film was set to 30 nm on the flat surface of the insulating film in which the wiring groove was not formed. At this time, a Cu · Mn alloy film of about 8 nm was formed on the groove bottom of the wiring groove.
In addition, the heat treatment for the Cu / Mn alloy film and the Cu buried layer left inside the wiring trench is performed in a pure argon gas atmosphere containing oxygen of 0.1 ppm for 30 minutes at a temperature of 350 ° C. It was something to do. By this heat treatment, Mn atoms contained in the alloy film were thermally diffused from the Cu / Mn alloy film toward the interface with the insulating film, and a barrier layer was formed in a region near the interface. The thickness of the formed barrier layer was 2 nm.

この実施例6において、バリア層の内部のCu、Mn、及びSi原子の濃度分布を、電子エネルギー損失分光法(EELS)により分析した。このEELS分析は、高分解能の電界放射型透過電子顕微鏡(TEM)を用い、電子線を0.2nmの間隔で走査して行った。その分析結果によれば、Cu原子の濃度は、配線本体からSiO2絶縁膜側に向けて単調に減少しているのが示された。また、Si原子の濃度は、SiO2絶縁膜から配線本体側に向けて単調に減少しているのが示された。 In Example 6, the concentration distribution of Cu, Mn, and Si atoms inside the barrier layer was analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS). This EELS analysis was performed by scanning an electron beam at an interval of 0.2 nm using a high-resolution field emission transmission electron microscope (TEM). According to the analysis result, it was shown that the concentration of Cu atoms monotonously decreased from the wiring body toward the SiO 2 insulating film side. It was also shown that the concentration of Si atoms monotonously decreased from the SiO 2 insulating film toward the wiring body.

また、TEM観察によれば、バリア層の内部に空洞(ボイド)は殆ど認められなかった。このため、Mn原子の拡散が均一に起ったことに起因して、Cu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域には、Mn原子が集中的に蓄積されていた。また、その蓄積されたMn原子の濃度は、バリア層のCu原子とSi原子の濃度とが略一致する領域で最大で、Cu原子とSi原子の濃度の約2倍であった。   Further, according to TEM observation, almost no voids were found inside the barrier layer. For this reason, due to the uniform diffusion of Mn atoms, Mn atoms are concentrated in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms substantially coincide. Further, the concentration of the accumulated Mn atoms was maximum in a region where the concentrations of Cu atoms and Si atoms in the barrier layer substantially coincided with each other, and was about twice the concentration of Cu atoms and Si atoms.

上記の加熱処理を施した後におけるバリア層の透過電子顕微鏡像から、バリア層の内部には、非晶質(amorphous)特有のランダムな組織が形成されているのが認められた。
また、配線本体の領域と、バリア層の領域から、Mnの電子エネルギー損失分光(EELS)スペクトルを取得した結果、配線本体のバリア層に隣接する領域にあるMnは、バリア層の中央部と同じ価数になっており、2価または3価にイオン化されていることが確認できた。
Cu配線本体の電気抵抗率を測定すると、その電気抵抗率は極めて低く、開口幅を32nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の4.6μΩ・cmとなった。
From the transmission electron microscopic image of the barrier layer after the above heat treatment, it was recognized that a random structure peculiar to amorphous was formed inside the barrier layer.
Moreover, as a result of acquiring the electron energy loss spectroscopy (EELS) spectrum of Mn from the area | region of a wiring main body, and the area | region of a barrier layer, Mn in the area | region adjacent to the barrier layer of a wiring main body is the same as the center part of a barrier layer. It was a valence, and it was confirmed that it was ionized to be divalent or trivalent.
When the electrical resistivity of the Cu wiring body was measured, the electrical resistivity was extremely low, which was 4.6 μΩ · cm, which was substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 32 nm.

このように、本発明の実施例6によれば、上記の実施例2と同様に、拡散抑制に対して効果的なバリア層により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層により絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。
また、この実施例6によって、本発明を、配線用溝の開口幅が90nmや45nmの場合だけでなく、さらに狭い開口幅である32nmの場合に対しても適用できることがわかった。
As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, as in the second embodiment, the barrier layer effective for suppressing diffusion provides a low-resistance Cu wiring close to a wiring made of pure Cu. I was able to. In addition, the insulating property of the insulating film can be improved by the barrier layer. Therefore, the wiring has a low resistance and can prevent the leakage of the element operating current, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. In addition, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time can be improved by improving the adhesion between the barrier layer and the wiring body and improving the adhesion between the barrier layer and the insulating film.
Further, according to Example 6, it was found that the present invention can be applied not only when the opening width of the wiring groove is 90 nm or 45 nm but also when the opening width is 32 nm, which is a narrower opening width.

次に、本発明の第2の実施形態およびその実施例について説明する。   Next, a second embodiment and an example of the present invention will be described.

図9はこの発明の第2の実施形態における半導体装置の製造手順および構成を概略的に示す説明図であり、(a)は製造手順の前半を、(b)は製造手順の後半をそれぞれ示している。   FIGS. 9A and 9B are explanatory views schematically showing the manufacturing procedure and configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9A shows the first half of the manufacturing procedure, and FIG. 9B shows the second half of the manufacturing procedure. ing.

図9の第2の実施形態において、上記の第1の実施形態と略同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この第2の実施形態が第1の実施形態と相違しているのは、バリア層7aの構成であり、図(b)の右側に示すように、バリア層7aは、厚さ方向の中央部でMnの原子濃度を最大とするMn系酸化物被膜として構成され、バリア層7aの内部にはCuが含有され、そのCuの原子濃度は、配線本体8の側からその配線本体8に対向している絶縁膜3側に向けて単調に減少している。そして、バリア層7aにおいてSiはその構成要件として挙げられていない。
また、バリア層7aの層厚は、1nm以上で絶縁膜3に設けた配線用溝4の開口幅W(図9(a))参照)の1/5以下で、かつ10nm以下とした。
また、バリア層7aに接する配線本体8側には2価または3価にイオン化したMnが存在している。
In the second embodiment shown in FIG. 9, the same reference numerals are given to substantially the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. The second embodiment that is different from the first embodiment is the configuration of the barrier layer 7a, as shown on the right side of FIG. 9 (b), the barrier layer 7a is in the thickness direction center It is configured as a Mn-based oxide film that maximizes the atomic concentration of Mn at the portion, Cu is contained in the barrier layer 7a, and the atomic concentration of Cu is opposed to the wiring body 8 from the wiring body 8 side. It decreases monotonously toward the insulating film 3 side. In the barrier layer 7a, Si is not listed as a constituent requirement.
The layer thickness of the barrier layer 7a is 1 nm or more and is 1/5 or less of the opening width W of the wiring groove 4 provided in the insulating film 3 (see FIG. 9A) and 10 nm or less.
Further, bivalent or trivalent ionized Mn exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7a.

さらに、この発明の第2の実施形態では、熱処理は、酸素(O2)を不可避的にのみ含む純不活性ガス、または上限で体積濃度にして75vol.ppmの酸素を含む不活性ガスからなる気流中で実施する。また、酸素(O2)を不可避的にのみ含む窒素ガスまたは水素ガス、または上限で体積濃度にして75vol.ppmの酸素を含む窒素ガスまたは水素ガスからなる気流中で実施するようにしてもよい。 Furthermore, in the second embodiment of the present invention, the heat treatment is performed using pure inert gas that inevitably contains oxygen (O 2 ), or 75 vol. It is carried out in an air stream consisting of an inert gas containing ppm oxygen. Nitrogen gas or hydrogen gas containing oxygen (O 2 ) inevitably only, or 75 vol. You may make it implement in the airflow which consists of nitrogen gas or hydrogen gas containing ppm oxygen.

この発明の第2の実施形態によれば、バリア層7aは第1の実施形態と比較してより簡単な構成ではあるが、第1の実施形態の場合と同様な下記の効果を発揮することができる。
すなわち、絶縁膜3と配線本体8との間に、層厚の中央部でMnの原子濃度を最大とするMn系酸化物からなるバリア層7a、即ち、層厚の中央部でMnが濃化しているMn系酸化物からなるバリア層7aが得られるので、このバリア層7aは、熱的に安定で構造的に緻密な層となり、拡散抑制に対して効果的な構成となる。このため、配線本体8側からのCuの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、絶縁膜3の絶縁性を優れたものとすることができる。また絶縁膜3側からのSiの拡散に対して良好な障壁性を有するようになり、配線本体8を低抵抗なものとすることができる。したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線を備えて、低消費電力の半導体装置1aとすることができる。
According to the second embodiment of the present invention, the barrier layer 7a has a simpler structure than that of the first embodiment, but exhibits the following effects similar to those of the first embodiment. Can do.
That is, between the insulating film 3 and the wiring body 8, the barrier layer 7a made of a Mn-based oxide that maximizes the atomic concentration of Mn at the center of the layer thickness, that is, Mn is concentrated at the center of the layer thickness. Therefore, the barrier layer 7a is a thermally stable and structurally dense layer, and has an effective configuration for suppressing diffusion. For this reason, it has a favorable barrier property against the diffusion of Cu from the wiring body 8 side, and the insulating property of the insulating film 3 can be made excellent. Further, it has a good barrier property against the diffusion of Si from the insulating film 3 side, and the wiring body 8 can have a low resistance. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device 1a with low power consumption by including wiring that can prevent leakage of element operating current with low resistance.

また、この発明の第2の実施形態によれば、バリア層7aを、Cuを含む被膜としたので、そのバリア層7aとCuを主成分とする配線本体8との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、バリア層7aの表面に接触して形成されることとなる配線本体8をなすCu膜との密着性を向上させることができ、半導体装置1aを長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, since the barrier layer 7a is a film containing Cu, the atomic concentration distribution is isolated between the barrier layer 7a and the wiring body 8 containing Cu as a main component. In this case, since the Cu concentration is continuously changed, the adhesion with the Cu film forming the wiring body 8 to be formed in contact with the surface of the barrier layer 7a can be improved. It is possible to make the device 1a excellent in operation reliability over a long period of time.

また、この発明の第2の実施形態によれば、バリア層7a中のCuの原子濃度を、Cuを主成分とする配線本体8の側から、絶縁膜3側に向けて単調に減少させているので、そのバリア層7aとCuを主成分とする配線本体8との間において原子濃度分布が隔絶されておらず、Cuの濃度が連続的に変化するため、配線本体8をなすCu膜との密着性をより向上させることができ、半導体装置1aを長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, the atomic concentration of Cu in the barrier layer 7a is monotonously decreased from the side of the wiring main body 8 containing Cu as a main component toward the insulating film 3 side. Therefore, the atomic concentration distribution is not isolated between the barrier layer 7a and the wiring main body 8 containing Cu as a main component, and the Cu concentration continuously changes. Thus, it is possible to further improve the reliability of the operation of the semiconductor device 1a over a long period of time.

また、この発明の第2の実施形態によれば、バリア層7aに含まれるCuの原子濃度を、その層の厚さ方向の中央部でMnの原子濃度以下としたので、バリア層7aの主要構成元素がMnとなり、そのMnは酸素との結合力が強いため、拡散の遅いMn酸化物となり、バリア層7aはそのMn酸化物から形成されるようになる。このため、バリア層7aは、配線本体8側からのCuの拡散に対して優れたバリア性を発揮する。   According to the second embodiment of the present invention, the atomic concentration of Cu contained in the barrier layer 7a is set to be equal to or lower than the atomic concentration of Mn at the center in the thickness direction of the layer. Since the constituent element is Mn, and the Mn has a strong binding force with oxygen, it becomes a Mn oxide with a slow diffusion, and the barrier layer 7a is formed from the Mn oxide. For this reason, the barrier layer 7a exhibits an excellent barrier property against Cu diffusion from the wiring body 8 side.

また、バリア層7aを、層厚が1nm以上で開口部の溝幅の1/5以下として、バリア層7aの厚みを確保するようにしたので、配線本体8側からのCuの拡散や、絶縁膜3側からのSiの拡散に対するバリア層7aの障壁作用が確実なものとなる。また同時に、バリア層7aの厚みを最大でも10nm以下としたので、配線本体8がバリア層7aで狭められて、配線の実効的な電気抵抗が大きくなる等の弊害も確実に防止することができる。したがって、絶縁膜3の絶縁性および配線の低抵抗性をより確実に得られるようになる。   In addition, since the barrier layer 7a has a thickness of 1 nm or more and is 1/5 or less of the groove width of the opening to ensure the thickness of the barrier layer 7a, Cu diffusion or insulation from the wiring body 8 side is ensured. The barrier action of the barrier layer 7a against the diffusion of Si from the film 3 side is ensured. At the same time, since the thickness of the barrier layer 7a is 10 nm or less at the maximum, the wiring body 8 is narrowed by the barrier layer 7a, and adverse effects such as an increase in the effective electrical resistance of the wiring can be reliably prevented. . Therefore, the insulation of the insulating film 3 and the low resistance of the wiring can be obtained more reliably.

また、バリア層7aを非晶質としたので、CuやSiが粒界を介して異常に拡散するのを抑制することができる。したがって、バリア層7aの障壁作用が向上し、絶縁膜3の絶縁性および配線の低抵抗性を確実に保つことができる。   Further, since the barrier layer 7a is made amorphous, it is possible to suppress abnormal diffusion of Cu and Si through the grain boundary. Therefore, the barrier action of the barrier layer 7a is improved, and the insulating property of the insulating film 3 and the low resistance of the wiring can be reliably maintained.

また、この発明の第2の実施形態によれば、バリア層7aと接する配線本体8側に2価または3価にイオン化したMnが存在するので、バリア層7aに隣接する配線本体8側には正の電荷が存在し、バリア層7aを隔てて対向する絶縁膜3側との間に電場を形成するようになる。このバリア層7aの両側に形成された電場によって、配線本体8と絶縁膜3とはバリア層7aに引き付けられるため、界面の密着性を向上する効果を得ることができ、半導体装置1aを長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, since Mn ionized bivalently or trivalently exists on the side of the wiring body 8 in contact with the barrier layer 7a, on the side of the wiring body 8 adjacent to the barrier layer 7a. There is a positive charge, and an electric field is formed between the barrier layer 7a and the insulating film 3 facing each other. Since the wiring body 8 and the insulating film 3 are attracted to the barrier layer 7a by the electric field formed on both sides of the barrier layer 7a, the effect of improving the adhesion at the interface can be obtained, and the semiconductor device 1a can be used for a long time. It is possible to achieve excellent reliability of the operation.

また、この発明の第2の実施形態によれば、熱処理工程において、熱処理を酸素を不可避的に含む純不活性ガスあるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガス中で行うようにしたので、バリア層7aの形成に関与せず配線本体8の表面まで拡散し移動したMn等の合金元素は、不活性ガス中に適量含まれる微量の酸素で酸化されて配線本体8の表面に酸化物を形成し、配線本体8の表面酸化物という形で、配線本体8の内部から消滅する。したがって、配線抵抗は純Cuと略同等となり、低抵抗の配線本体を得ることができる。   Also, according to the second embodiment of the present invention, in the heat treatment step, the heat treatment is inevitably pure pure gas containing oxygen inevitably or 75 vol. Since it was performed in an inert gas containing a ratio of ppm, an appropriate amount of alloy elements such as Mn that diffused and moved to the surface of the wiring body 8 without being involved in the formation of the barrier layer 7a is contained in the inert gas. It is oxidized with a small amount of oxygen to form an oxide on the surface of the wiring body 8 and disappears from the inside of the wiring body 8 in the form of a surface oxide of the wiring body 8. Accordingly, the wiring resistance is substantially equal to that of pure Cu, and a low-resistance wiring main body can be obtained.

また、この発明の第2の実施形態では、熱処理工程における熱処理を150℃以上600℃以下の温度で行うようにしたので、バリア層7aを本発明の第2の実施形態に係る特有の構成とすることができ、配線本体8の低抵抗化、絶縁膜3の絶縁性向上、および配線本体8や絶縁膜3との密着性向上といった諸効果をもたらすことができる。
また、この発明の第2の実施形態では、熱処理工程における熱処理を150℃以上450℃以下の温度で行うことにより、バリア層7aの非晶質化を安定して形成することができる。
In the second embodiment of the present invention, since the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, the barrier layer 7a has a specific configuration according to the second embodiment of the present invention. Therefore, it is possible to bring about various effects such as lowering the resistance of the wiring body 8, improving the insulating property of the insulating film 3, and improving the adhesion to the wiring body 8 and the insulating film 3.
In the second embodiment of the present invention, the amorphization of the barrier layer 7a can be stably formed by performing the heat treatment in the heat treatment step at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

(実施例)
本発明の第2の実施形態の内容を、Siを含む絶縁膜3上のCu・Mn合金膜5を基に、Cuからなる低抵抗の配線本体8と、CuとMnとを含むバリア層7aとを備えた配線構造を形成する場合を例にして、詳細に説明する。
(Example)
The content of the second embodiment of the present invention is based on the Cu / Mn alloy film 5 on the insulating film 3 containing Si, the low-resistance wiring body 8 made of Cu, and the barrier layer 7a containing Cu and Mn. An example of forming a wiring structure including the above will be described in detail.

(実施例7)
図10はCu・Mn合金膜を被着させ、次に、Cu埋め込み層を被着させた状態の配線用溝(開口部)の内部構造を示す模式図である。図11は配線用溝内のCu・Mn合金膜及びCu埋め込み層に加熱処理を及ぼした後に於ける配線用溝内部の構造を示す断面図である。図12は、バリア層の断面の透過型電子顕微鏡像である。図13は配線本体とバリア層のMn元素のイオン状態を示す図である。図14は、バリア層についての電子エネルギー損失分光法(EELS)によるCuとMnの組成分析結果を示すものである。
(Example 7)
FIG. 10 is a schematic diagram showing the internal structure of a wiring groove (opening) in a state where a Cu · Mn alloy film is deposited and then a Cu buried layer is deposited. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure inside the wiring groove after the heat treatment is applied to the Cu · Mn alloy film and the Cu buried layer in the wiring groove. FIG. 12 is a transmission electron microscope image of a cross section of the barrier layer. FIG. 13 is a diagram showing an ion state of Mn element in the wiring body and the barrier layer. FIG. 14 shows the composition analysis results of Cu and Mn by electron energy loss spectroscopy (EELS) for the barrier layer.

図10に模式的に示す様に、シリコン基板201上に形成した導電性シリコン半導体層202の表面に、一般的な化学気相成長法により、層間絶縁体層である厚さ150nmのSiO2からなる絶縁膜203に配線用溝(開口部)204の内部の側壁及びその表面上に、Cu・Mn合金膜205を被着させた。配線用溝204の横幅(開口幅)Wは90nmとした。Cu・Mn合金膜205は、Mnを原子濃度にして7%含むCu・Mn合金からなるターゲット材を、一般的な高周波スパッタリング装置内でスパッタして形成した。得られたCu・Mn合金膜205中のMnの原子濃度の比率は略5%であるとEELS法で定量された。Cu・Mn合金膜205の層厚は平坦なSi基板の表面上に成膜した場合に80nmとなるようにした。 As schematically shown in FIG. 10, the surface of the conductive silicon semiconductor layer 202 formed on the silicon substrate 201 is formed on the surface of SiO 2 having a thickness of 150 nm, which is an interlayer insulator layer, by a general chemical vapor deposition method. A Cu · Mn alloy film 205 was deposited on the inner side wall and the surface of the wiring groove (opening) 204 on the insulating film 203 to be formed. The lateral width (opening width) W of the wiring groove 204 was 90 nm. The Cu · Mn alloy film 205 was formed by sputtering a target material made of a Cu · Mn alloy containing 7% of Mn at an atomic concentration in a general high-frequency sputtering apparatus. The ratio of atomic concentration of Mn in the obtained Cu · Mn alloy film 205 was quantified by the EELS method to be about 5%. The thickness of the Cu · Mn alloy film 205 was set to 80 nm when formed on the surface of a flat Si substrate.

次に、スパッタ法で形成した上記のCu・Mn合金膜205をシード(seed)層(種層)として、電解メッキ法によりCu・Mn合金膜205の表面にCuをメッキして、配線用溝204の内部にCu埋め込み層206を形成した(図8参照)。   Next, the Cu · Mn alloy film 205 formed by sputtering is used as a seed layer (seed layer), and Cu is plated on the surface of the Cu · Mn alloy film 205 by an electrolytic plating method. A Cu buried layer 206 was formed inside 204 (see FIG. 8).

次に、絶縁膜203の配線用溝204の内部に、上記のCu・Mn合金膜205とCu埋め込み層206を備えた構造体を、酸素を体積比率にして25vol.ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気中で、温度400℃で30分間に亘り加熱処理を施した。室温から加熱処理温度とした400℃への昇温速度は毎分8℃とした。また、加熱処理を終了した後の、400℃から室温への平均の冷却速度は毎分10℃とした。これにより、Cu・Mn合金膜205から、その合金膜205に含まれるMn原子を絶縁膜203との界面に向けて熱拡散させ、その界面近傍の領域に図11に示す如く、Mn系酸化物からなるバリア層207を形成した。本実施例での加熱処理で形成されたバリア層207の厚さは5nmであった。   Next, the structure including the Cu · Mn alloy film 205 and the Cu buried layer 206 in the wiring groove 204 of the insulating film 203 is set to 25 vol. Heat treatment was performed for 30 minutes at a temperature of 400 ° C. in an argon (Ar) atmosphere containing ppm. The rate of temperature increase from room temperature to 400 ° C. as the heat treatment temperature was 8 ° C. per minute. The average cooling rate from 400 ° C. to room temperature after finishing the heat treatment was 10 ° C. per minute. As a result, Mn atoms contained in the alloy film 205 are thermally diffused from the Cu / Mn alloy film 205 toward the interface with the insulating film 203, and a Mn-based oxide is formed in a region near the interface as shown in FIG. A barrier layer 207 made of was formed. The thickness of the barrier layer 207 formed by the heat treatment in this example was 5 nm.

上記の加熱処理を施した後におけるバリア層207の透過電子顕微鏡像を図12に示す。図12から、バリア層207の内部には、非晶質(amorphous)特有のランダムな組織が形成されているのが認められた。   FIG. 12 shows a transmission electron microscope image of the barrier layer 207 after the above heat treatment. From FIG. 12, it was recognized that a random structure peculiar to amorphous was formed inside the barrier layer 207.

図12において、領域a、bで示した部分から、Mnの電子エネルギー損失分光(EELS)スペクトルを取得した。その結果を図13に示す。図12の領域aは、配線本体208におけるバリア層207に隣接する領域であり、領域bは、バリア層207の中央部である。図13において、領域aからのMnスペクトルは、酸素濃度がEELSによる検出濃度以下であるにも拘らず、領域bのバリア層207の中央部からのMnスペクトルと同じエネルギー位置にピーク強度が観察される。このことから、配線本体208のバリア層207に隣接する領域にあるMnは、バリア層207の中央部と同じ価数になっており、2価または3価にイオン化されていることが確認できた。   In FIG. 12, an electron energy loss spectroscopy (EELS) spectrum of Mn was obtained from the portions indicated by regions a and b. The result is shown in FIG. A region a in FIG. 12 is a region adjacent to the barrier layer 207 in the wiring body 208, and a region b is a central portion of the barrier layer 207. In FIG. 13, in the Mn spectrum from the region a, the peak intensity is observed at the same energy position as the Mn spectrum from the central portion of the barrier layer 207 in the region b, even though the oxygen concentration is equal to or lower than the detection concentration by EELS. The From this, it was confirmed that Mn in the region adjacent to the barrier layer 207 of the wiring body 208 has the same valence as the central portion of the barrier layer 207 and is ionized to be bivalent or trivalent. .

一般的なSIMS分析によれば、バリア層207の内部には、Cuが含まれているのが確認された。また、Cu原子の濃度は、配線本体208側から絶縁膜203側に向けて単調に減少しているのが確認された。   According to a general SIMS analysis, it was confirmed that Cu was contained inside the barrier layer 207. Further, it was confirmed that the concentration of Cu atoms monotonously decreased from the wiring body 208 side toward the insulating film 203 side.

また、バリア層207の内部の元素の分布を電子エネルギー損失分光法(EELS)によって分析した結果を図14に示す。EELS分析に用いたのは高分解能の電界放射型透過電子顕微鏡であり、電子線を0.2nmの間隔で走査して組成を分析した。図14から明らかな様に、バリア層207の層厚方向の中央部において、Mn濃度が最大値を示した。また、EELS分析においても、Cu濃度は、Cuを主成分とする膜(配線本体208)側から絶縁膜203(SiO2膜)側に向けて単調に減少しているのが確認された。更に、バリア層207の層厚の中央部でCuの原子濃度はMnの原子濃度以下であった。 FIG. 14 shows the result of analyzing the distribution of elements inside the barrier layer 207 by electron energy loss spectroscopy (EELS). A high-resolution field emission transmission electron microscope was used for the EELS analysis, and the composition was analyzed by scanning an electron beam at an interval of 0.2 nm. As apparent from FIG. 14, the Mn concentration showed the maximum value in the central portion of the barrier layer 207 in the layer thickness direction. Also in the EELS analysis, it was confirmed that the Cu concentration monotonously decreased from the film containing Cu as a main component (wiring body 208) to the insulating film 203 (SiO 2 film). Further, the atomic concentration of Cu at the center of the thickness of the barrier layer 207 was less than or equal to the atomic concentration of Mn.

上記の加熱処理に因り、Mnが拡散し抜け出し、Cuが略全量を占めることとなったCu・Mn合金膜205と、Cu埋め込み層206とは一体化し、配線本体208が形成された。上記の加熱処理に伴い、配線本体208の上側の表層部にもMn系酸化物被膜が形成されたが(図11に図示せず。)、その上側表層部のMn系酸化物被膜は化学的機械的研磨(略称:CMP)法で除去した。Cu配線本体208の表面を露出させた後、Cu配線本体208の電気抵抗率を測定した。Cu配線本体208の電気抵抗率は極めて低く、開口幅を90nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の2.5μΩ・cmとなった。   Due to the above heat treatment, the Cu · Mn alloy film 205 in which Mn diffuses and escapes and Cu occupies substantially the entire amount and the Cu buried layer 206 are integrated to form the wiring body 208. As a result of the heat treatment, a Mn-based oxide film was formed on the upper surface layer of the wiring body 208 (not shown in FIG. 11). It was removed by mechanical polishing (abbreviation: CMP). After exposing the surface of the Cu wiring body 208, the electrical resistivity of the Cu wiring body 208 was measured. The electrical resistivity of the Cu wiring body 208 was extremely low, and was 2.5 μΩ · cm, which was substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 90 nm.

このように、本発明の実施例7によれば、拡散抑制に対してより一層効果的な非晶質のバリア層により、純Cuからなる配線に近い低抵抗のCu配線をもたらすことができた。また、バリア層により絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、したがって、低抵抗で素子動作電流の漏洩も防止できる配線となり、低消費電力の半導体装置とすることができた。また、バリア層と配線本体との間の密着性向上、およびバリア層と絶縁膜との間の密着性向上により半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができた。   As described above, according to Example 7 of the present invention, a low-resistance Cu wiring close to a wiring made of pure Cu could be provided by an amorphous barrier layer more effective for suppressing diffusion. . In addition, the insulating property of the insulating film can be improved by the barrier layer. Therefore, the wiring has a low resistance and can prevent the leakage of the element operating current, and a semiconductor device with low power consumption can be obtained. In addition, the reliability of the operation of the semiconductor device over a long period of time can be improved by improving the adhesion between the barrier layer and the wiring body and improving the adhesion between the barrier layer and the insulating film.

本発明の構成からなるCu配線は、素子動作電流を効率的に通流するに好都合な低抵抗であり、また、バリア層としての機能を充分に備えたMn系酸化物被膜を備えているので、素子動作電流の漏洩が回避でき、したがって、低消費電力の電子装置を構成するに好適に利用できる。例えば、液晶表示装置(LCD)、平面表示装置(略称:FDP)、有機エレクトロルミネッセンス(略称:EL)装置、無機EL装置などの電子装置を構成するのに利用できる。   The Cu wiring having the configuration of the present invention has a low resistance convenient for efficiently passing the element operating current, and also has a Mn-based oxide film sufficiently having a function as a barrier layer. Therefore, leakage of the element operating current can be avoided, and therefore, it can be suitably used to construct an electronic device with low power consumption. For example, it can be used to construct electronic devices such as a liquid crystal display device (LCD), a flat display device (abbreviation: FDP), an organic electroluminescence (abbreviation: EL) device, and an inorganic EL device.

また、本発明に記載のMnの原子濃度に分布を有するMn系酸化物被膜は、従来の如くTa系材料から敢えて厚いバリア層を形成する必要も無く、薄膜のバリア層として機能できるので、高密度に集積するために配線幅の小さな、例えば、配線幅を90nm以下とするシリコンLSIなどを構成するのに利用できる。   In addition, the Mn-based oxide film having a distribution in the atomic concentration of Mn described in the present invention does not need to form a thick barrier layer from a Ta-based material as in the prior art, and can function as a thin-film barrier layer. It can be used to construct a silicon LSI having a small wiring width, for example, a wiring width of 90 nm or less in order to integrate it to a high density.

また、本発明に係る配線は、低抵抗な配線本体と、且つ素子動作電流の漏洩を防止するのに好都合なバリア層から構成されているので、大きな素子動作電流を流通させる必要のあるシリコン或いはシリコンゲルマニウム(SiGe)などからなる電力(パワー)デバイスなどを構成するに利用できる。   In addition, since the wiring according to the present invention is composed of a low resistance wiring body and a barrier layer that is convenient for preventing leakage of element operating current, silicon or It can be used to construct a power device made of silicon germanium (SiGe) or the like.

次に、上記の第1の実施形態および第2の実施形態において、Cu合金膜5を絶縁膜3上にスパッタリング法で堆積する場合に用いるスパッタリング用ターゲット材について説明する。なお、スパッタリング用ターゲット材をスパッタリングして形成したCu合金膜5の組成と、使用したスパッタリング用ターゲット材の組成とは略同一になる。   Next, the sputtering target material used when the Cu alloy film 5 is deposited on the insulating film 3 by the sputtering method in the first and second embodiments will be described. Note that the composition of the Cu alloy film 5 formed by sputtering the sputtering target material is substantially the same as the composition of the sputtering target material used.

Cu合金膜5を堆積させるのに使用するスパッタリング用ターゲット材は、主成分としての銅(Cu)と、必須の元素としてのマンガン(Mn)とからなるが、このターゲット材には、必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物が含まれている。そして、本発明者は、このスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物について、下記(a)〜(d)の不具合が発生することを見出した。
(a)酸化物を形成するための自由エネルギーが大きく、酸素との結合反応性が高い不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、容易に酸素と結合して酸化物となり、最終的に配線本体に取り込まれて配線本体の電気抵抗が高くなる。
(b)Cu中での拡散係数がCuの自己拡散係数よりも小さい不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、Cu中での拡散が遅いためにCu中に残存する傾向が高く、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗が高くなる。
(c)Cuと金属間化合物を形成する不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗が高くなる。
(d)Mnと金属間化合物を形成する不可避的不純物がCu合金膜に存在すると、その不可避的不純物は、最終的に配線本体に取り込まれてその電気抵抗が高くなる。
A sputtering target material used for depositing the Cu alloy film 5 is composed of copper (Cu) as a main component and manganese (Mn) as an essential element. Inevitable impurities that inevitably remain in the remaining Cu excluding s. And this inventor discovered that the malfunction of following (a)-(d) generate | occur | produces about the unavoidable impurity contained in this sputtering target material.
(A) When an inevitable impurity having a large free energy for forming an oxide and a high bonding reactivity with oxygen is present in the Cu alloy film, the inevitable impurity is easily combined with oxygen to become an oxide. Finally, the electrical resistance of the wiring body is increased by being taken into the wiring body.
(B) When inevitable impurities having a diffusion coefficient in Cu smaller than the self-diffusion coefficient of Cu are present in the Cu alloy film, the inevitable impurities tend to remain in Cu due to slow diffusion in Cu. Is finally taken into the wiring body and its electrical resistance increases.
(C) When unavoidable impurities forming an intermetallic compound with Cu are present in the Cu alloy film, the unavoidable impurities are finally taken into the wiring body and the electrical resistance is increased.
(D) When inevitable impurities that form an intermetallic compound with Mn are present in the Cu alloy film, the inevitable impurities are finally taken into the wiring body and the electrical resistance thereof is increased.

そこで、本発明では、上記の不具合をもたらす不可避的不純物を特定し、それをほとんど含めないように規定した。そして、このスパッタリング用ターゲット材から形成した配線本体は、低抵抗で良導性のものとなり、低消費電力の半導体装置とすることができた。   Therefore, in the present invention, the inevitable impurities that cause the above-mentioned problems are specified and specified so as to hardly include them. And the wiring main body formed from this sputtering target material has low resistance and good conductivity, and can be a semiconductor device with low power consumption.

このスパッタリング用ターゲット材は、上記したように、主成分としてのCuと、必須の元素としてのMnと、必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とからなる。   As described above, this sputtering target material is composed of Cu as a main component, Mn as an essential element, and unavoidable impurities that inevitably remain in the remaining Cu excluding the essential elements.

この必須元素としてのMnの含有量は原子濃度にして当該Cu合金全体の0.5%以上で20%以下であるのが好ましい。その理由は、0.5%以下だとバリア層を形成するのに必要なMnが少ないために、界面の一部に1nm以下の厚さのバリア層が形成されるにとどまり、拡散バリア性や界面の密着性を確保できない。また、20%以上だとMn量が多すぎるためにバリア層の厚さが10nm以上になり、現状のTaなどのバリア層に対する優位性が無いからである。   The content of Mn as an essential element is preferably 0.5% or more and 20% or less of the entire Cu alloy in terms of atomic concentration. The reason is that if it is 0.5% or less, Mn required for forming the barrier layer is small, so that a barrier layer having a thickness of 1 nm or less is formed at a part of the interface, and diffusion barrier properties and The adhesion of the interface cannot be secured. On the other hand, if it is 20% or more, the amount of Mn is so large that the thickness of the barrier layer becomes 10 nm or more, and there is no advantage over the current barrier layer such as Ta.

上記必須の元素に、Mnとともに、主成分であるCuに固溶させる固溶元素である亜鉛(Zn)、ゲルマニウム(Ge)、ストロンチウム(Sr)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、インジウム(In)、錫(Sn)、バリウム(Ba)、プラセオジウム(Pr)、及びネオジム(Nd)の各元素のうち少なくとも1つの元素を含むようにしてもよい。これらの固溶元素は、Cuの自己拡散係数と同等か、より大きな拡散定数を有し、且つCuより酸化され易い元素であり、上記のバリア層としてのMn系酸化物被膜の、配線本体側から拡散してくるCuに対する障壁性、および絶縁膜との密着性をさらに向上させることができ、半導体装置を長期に亘り動作の信頼性に優れたものとすることができる。   In addition to Mn, zinc (Zn), germanium (Ge), strontium (Sr), silver (Ag), cadmium (Cd), indium (solid solution elements dissolved in Cu, which is the main component, are included in the essential elements. You may make it contain at least 1 element among each element of In, tin (Sn), barium (Ba), praseodymium (Pr), and neodymium (Nd). These solid solution elements are elements that have a diffusion constant equal to or larger than the self-diffusion coefficient of Cu and are more easily oxidized than Cu, and the wiring body side of the Mn-based oxide film as the barrier layer described above Therefore, it is possible to further improve the barrier property against Cu diffused from the substrate and the adhesion to the insulating film, and the semiconductor device can be excellent in operation reliability over a long period of time.

そして、本発明では、上記不可避的不純物が、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)の何れかである場合、その不可避的不純物の合計含有量を群毎に原子濃度にして当該銅合金全体の0.1%以下としている。 In the present invention, the inevitable impurities constitute lithium (Li) constituting the first group, beryllium (Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg) constituting the second group, and the third group. Boron (B), gallium (Ga) and aluminum (Al), silicon (Si) constituting the fourth group, antimony (Sb) constituting the fifth group, scandium (Sc) constituting the sixth group, titanium ( Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium ( Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), i Indium (Ir), the main transition metal element of the platinum (Pt) and gold (Au), lanthanum constituting the seventh group (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two um (Gd), terbium (Tb), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu) lanthanide transition metal elements, and constitute the eighth group In the case of any one of thorium (Th), the total content of the inevitable impurities is made atomic concentration for each group to be 0.1% or less of the entire copper alloy.

このように、本発明のスパッタリング用ターゲット材は、最終的に配線本体8の電気抵抗を徒に増大させる、(a)酸化物を形成するための自由エネルギー(free energy)が大きく、酸素との結合反応性が高い不純物元素、(b)Cu中での拡散係数がCuの自己拡散係数よりも小さい不純物元素、(c)Cuと金属間化合物を形成する不純物元素、および(d)Mnと金属間化合物を形成する不純物元素の各濃度を規定したものである。この濃度規定により、SiO2からなる層間絶縁膜3を化学的に還元する特定の元素の濃度が規定されることとなり、また、原子濃度にして1%あたり、Cuの電気抵抗率を5μΩ・cmを超えて上昇させる元素の濃度が規定されることとなる。 As described above, the sputtering target material of the present invention finally increases the electrical resistance of the wiring body 8 (a) has a large free energy for forming an oxide, and is free from oxygen. An impurity element having a high binding reactivity, (b) an impurity element having a diffusion coefficient in Cu smaller than the self-diffusion coefficient of Cu, (c) an impurity element forming an intermetallic compound with Cu, and (d) Mn and a metal Each concentration of the impurity element forming the intercalation compound is defined. By this concentration regulation, the concentration of a specific element that chemically reduces the interlayer insulating film 3 made of SiO 2 is regulated, and the electrical resistivity of Cu is 5 μΩ · cm per 1% in terms of atomic concentration. Therefore, the concentration of the element to be raised over the range will be defined.

第1群を構成するリチウム(Li)は、元素周期律の第I族に属し、スパッタリング用ターゲット材において、この元素は含まれないか、含まれていても原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。ここで、「含まれない」とは、分析上の検出限界以下の濃度であることを云う。   Lithium (Li) constituting the first group belongs to Group I of the element periodic rule, and in the sputtering target material, this element is not included or is included, but the atomic concentration is 0.1% or less. Is preferred. Here, “not included” means that the concentration is below the analytical detection limit.

第I族元素、特に、Liは、Cuに対する固溶度が大きく、Cu(配線本体8)中に残存して電気抵抗を高くする傾向があるとともに、Li濃度の増加につれて液相線温度が急激に減少して、プロセス中に液体がしみ出す可能性がある。   Group I elements, particularly Li, have a high solid solubility in Cu, tend to remain in Cu (wiring body 8) and increase electrical resistance, and the liquidus temperature rapidly increases as the Li concentration increases. And liquid may ooze out during the process.

ここで、フレームレス(flameless)原子吸光分析法でのLiの検出限界として3×10-5μg/mlが例示されている(保田 和雄、広川 吉之助共著、「高感度原子吸光・発光分析」、(株)講談社、昭和51年7月10日発行、第1刷、103頁参照)。また、炎光発光分析法におけるLiの検出限界として、同じく3×10-5μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、103頁参照)。重量濃度から原子濃度へは、対象とする元素の原子量(Liの場合は6.9)を用いて換算できる。 Here, 3 × 10 −5 μg / ml is exemplified as the detection limit of Li in flameless atomic absorption spectrometry (Kazuo Yasuda, Yoshinosuke Hirokawa, “High Sensitive Atomic Absorption / Luminescence Analysis”, (See Kodansha Co., Ltd., issued July 10, 1976, first print, page 103). Similarly, the detection limit of Li in flame photoluminescence analysis is exemplified by 3 × 10 −5 μg / ml (see “High-sensitivity atomic absorption / emission analysis” above, page 103). The weight concentration can be converted to the atomic concentration using the atomic weight of the target element (6.9 for Li).

第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)は、元素周期律の第II族に属し、スパッタリング用ターゲット材において、これらの元素は含まれないか、含まれていてもその合計で原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。   Beryllium (Be), calcium (Ca), and magnesium (Mg) constituting the second group belong to Group II of the element periodic rule, and these elements are not included or are included in the sputtering target material. However, the total atomic concentration is preferably 0.1% or less.

Be、Ca、Mgは、酸素との反応性が高いため、スパッタリング用ターゲット材において、これらの元素が合計で原子濃度にして0.1%を越えて含まれていると、Cu合金膜5内でこれらの元素を含む酸化物の濃度が顕著に増加する。この酸化物は、Cu合金の電気的抵抗を増大させるため、高い導電率のCu膜(配線本体8)をもたらすのに好適なCu合金膜5をもたらすに至らない。一方、これら各元素の原子濃度を0.1%以下に抑制すれば、高い導電率のCu膜(配線本体8)をもたらすに好適なCu合金膜を安定して得ることができると共に、層間絶縁膜3をなす例えばSiO2を化学的に還元する作用も抑制できるため、還元に因り発生するSi原子の量を低減でき、従って、Cu合金膜5から形成されるCu膜(配線本体8)へ侵入する、電気抵抗を増大させるSi原子の量を減ずることができ、高い導電率のCu膜(配線本体8)を安定して形成できる利点がある。 Since Be, Ca, and Mg are highly reactive with oxygen, if these elements are included in the sputtering target material in a total atomic concentration exceeding 0.1%, the Cu alloy film 5 Thus, the concentration of the oxide containing these elements increases remarkably. Since this oxide increases the electrical resistance of the Cu alloy, it does not lead to a Cu alloy film 5 suitable for providing a Cu film (wiring body 8) with high conductivity. On the other hand, if the atomic concentration of each element is suppressed to 0.1% or less, a Cu alloy film suitable for providing a Cu film (wiring body 8) with high conductivity can be stably obtained, and interlayer insulation can be obtained. Since the action of chemically reducing, for example, SiO 2 forming the film 3 can also be suppressed, the amount of Si atoms generated due to the reduction can be reduced, and therefore the Cu film (wiring body 8) formed from the Cu alloy film 5 can be reduced. It is possible to reduce the amount of Si atoms that penetrate and increase the electrical resistance, and there is an advantage that a Cu film (wiring body 8) having high conductivity can be stably formed.

ここで、高周波プラズマ分光分析法でのBeの検出限界として2×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。また、フレームレス原子吸光分析法でのCaの検出限界として5.3×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。また、フレームレス原子吸光分析法でのMgの検出限界として2.8×10-6μg/mlが例示されている。 Here, 2 × 10 −4 μg / ml is exemplified as the detection limit of Be in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 102). Moreover, 5.3 × 10 −4 μg / ml is exemplified as the limit of detection of Ca in flameless atomic absorption spectrometry (see “High Sensitive Atomic Absorption / Luminescence Analysis”, page 102). Further, 2.8 × 10 −6 μg / ml is exemplified as the detection limit of Mg in flameless atomic absorption spectrometry.

第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)は、元素周期律の第III族に属し、スパッタリング用ターゲット材において、これらの元素は含まれないか、含まれていてもその合計で原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。   Boron (B), gallium (Ga) and aluminum (Al) constituting the third group belong to Group III of the element periodic rule, and these elements are not included or are included in the sputtering target material. However, the total atomic concentration is preferably 0.1% or less.

第3群を構成するB、Ga、Alの各元素が合計で原子濃度を0.1%以下であると、高い導電率のCu膜(配線本体8)をもたらせるCu合金膜5を得ることができる。これらBやGaやAlは、酸化物の形成自由エネルギー変化或いはエンタルピー変化が、例えばSi酸化物のそれより大きいため、酸素との反応性が高い。これらの元素を含む酸化物が多量に生成されると、良導性のCu合金膜5を安定して得るに至らない。Cu合金膜5中で形成されたこれらの元素を含む酸化物は、やがては、Cu膜内に取り込まれることとなり、高い導電率のCu膜(配線本体8)を安定して形成するのに支障を来たすこととなる。   When the total concentration of each element of B, Ga, and Al constituting the third group is 0.1% or less, a Cu alloy film 5 that can provide a Cu film (wiring body 8) with high conductivity is obtained. be able to. These B, Ga, and Al have high reactivity with oxygen because the change in the free energy of formation or change in enthalpy of oxide is larger than that of, for example, Si oxide. If a large amount of oxides containing these elements are produced, it will not be possible to stably obtain a highly conductive Cu alloy film 5. The oxide containing these elements formed in the Cu alloy film 5 will eventually be taken into the Cu film, which hinders stable formation of a Cu film (wiring body 8) with high conductivity. Will come.

そして、上記のCu合金膜5中で形成される酸化物の濃度は、スパッタリング用ターゲット材中のB、Ga、Alの含有量が増加する程、徒に増加する。また、硼素(B)の融点(=2027℃)はCuの融点(=1082℃)より高く、その拡散係数は、Cuの自己拡散係数より小さいため、形成された硼素酸化物のほとんどは、Cu合金膜5内部に残留してしまう。このため、高い導電率のCu膜(配線本体8)を安定して形成するのに支障を来たすこととなる。従って、B、Ga及びAlの原子濃度を合計で0.1%以下とすると、高い導電率のCu膜(配線本体8)を安定して形成するのに、好都合となる。   And the density | concentration of the oxide formed in said Cu alloy film 5 increases naturally, so that content of B, Ga, and Al in the target material for sputtering increases. Further, since the melting point of boron (B) (= 2027 ° C.) is higher than the melting point of Cu (= 1082 ° C.) and its diffusion coefficient is smaller than the self-diffusion coefficient of Cu, most of the formed boron oxide is Cu It remains inside the alloy film 5. This hinders stable formation of a high conductivity Cu film (wiring body 8). Therefore, when the atomic concentration of B, Ga and Al is 0.1% or less in total, it is convenient to stably form a Cu film (wiring body 8) with high conductivity.

ここで、高周波プラズマ分光分析法でのBの検出限界として8×10-2μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。また、炎吸光分析法でのGaの検出限界として0.1μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。また、高周波プラズマ分光分析法でのAlの検出限界として2×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。 Here, 8 × 10 −2 μg / ml is exemplified as the detection limit of B in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 102). Moreover, 0.1 μg / ml is exemplified as the detection limit of Ga in flame absorption spectrometry (see “High-sensitivity atomic absorption / emission analysis” above, page 102). Moreover, 2 × 10 −4 μg / ml is exemplified as the detection limit of Al in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 102).

第4群を構成する珪素(Si)は、元素周期律の第IV族に属し、スパッタリング用ターゲット材において、この元素は含まれないか、含まれていても原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。
Siの原子濃度を0.1%以上とすると、Cu膜(配線本体8)の電気抵抗を増加させる作用を有し、低抵抗のCu膜(配線本体8)を安定して形成できなくなる。
Silicon (Si) constituting the fourth group belongs to Group IV of the element periodic rule, and in the sputtering target material, this element is not included or even if included, the atomic concentration is 0.1% or less. Is preferred.
When the atomic concentration of Si is 0.1% or more, it has an effect of increasing the electrical resistance of the Cu film (wiring body 8), and a low resistance Cu film (wiring body 8) cannot be stably formed.

ここで、波長256.1nmについての吸光度を利用する高周波プラズマ分光分析法でのSiの検出限界として9.4×10-2μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、104頁参照)。 Here, 9.4 × 10 −2 μg / ml is exemplified as the detection limit of Si in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method using the absorbance at a wavelength of 256.1 nm (the above-mentioned “high-sensitivity atomic absorption / luminescence” Analysis ", page 104).

第5群を構成するアンチモン(Sb)は、元素周期律の第V族に属し、スパッタリング用ターゲット材において、この元素は含まれないか、含まれていても原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。
Sbの原子濃度を0.1%より多いと、Cu膜(配線本体8)の電気抵抗を増加させる作用を有し、導電率の良いCu膜(配線本体8)を安定して形成できなくなる。
Antimony (Sb) constituting the fifth group belongs to the group V of the element periodic rule, and in the sputtering target material, this element is not included, or even if it is included, the atomic concentration is 0.1% or less. Is preferred.
If the atomic concentration of Sb is more than 0.1%, the Cu film (wiring body 8) has an effect of increasing the electric resistance, and a Cu film (wiring body 8) with good conductivity cannot be formed stably.

ここで、フレームレス原子吸光分析法でのSbの検出限界として5×10-3μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、104頁参照)。 Here, the detection limit of Sb in the flameless atomic absorption spectrometry is exemplified as 5 × 10 −3 μg / ml (see “High Sensitive Atomic Absorption / Emission Analysis”, page 104).

第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素は、外郭電子の充填が不十分であるd殻(電子軌道)を有する元素群を指し(「ダフィー無機化学」、(株)廣川書店、昭和46年4月15日発行、5版、205頁参照)、これらの元素は、スパッタリング用ターゲット材において、含まれないか、含まれていてもその合計で原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。   Scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr) constituting the sixth group Niobium (Nb), Molybdenum (Mo), Technetium (Tc), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Hafnium (Hf), Tantalum (Ta), Tungsten (W), Rhenium (Re), Osmium (Os) , Iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au) each refers to an element group having a d shell (electron orbital) in which outer electrons are not sufficiently filled (“Daffy Inorganic Chemistry”). , Yodogawa Shoten Co., Ltd., published on April 15, 1971, 5th edition, p. 205), these elements are not included or included in the sputtering target material. There is also more than 0.1% by atomic concentration in the sum is preferred.

これらの各主遷移金属元素は、Cu中の拡散速度が遅いために、Cu合金膜5において、これら元素の充分な量が界面に到達する前に、Cuと絶縁層が相互拡散し、絶縁層の特性を劣化させてしまう。これらの主遷移金属各元素の濃度が合計で原子濃度にして0.1%を超えると、Cu中での拡散が遅いためにCu中に残存する傾向が高く、Cu配線の電気抵抗を高くする。さらに、これらの元素はMnと金属間化合物を形成するために、Mnが界面や表面に拡散して電気的絶縁層を形成するのを妨げる作用があり、好ましくない。   Since each of these main transition metal elements has a low diffusion rate in Cu, Cu and the insulating layer are interdiffused before the sufficient amount of these elements reaches the interface in the Cu alloy film 5. Will deteriorate the characteristics. If the concentration of each element of these main transition metals exceeds 0.1% in total, the diffusion in Cu is slow and the tendency to remain in Cu is high and the electric resistance of Cu wiring is increased. . Furthermore, these elements are not preferable because they form an intermetallic compound with Mn, and thus have an effect of preventing Mn from diffusing to the interface or surface to form an electrical insulating layer.

従って、上記の主遷移金属元素の合計の含有量を0.1%以下とするスパッタリング用ターゲット材を用いれば、特に、Mnが界面と表面に拡散して電気的絶縁層を形成することを促進でき、配線本体8の電気抵抗を高くする元素を除外することに貢献できる。   Therefore, if a sputtering target material having a total content of the above-mentioned main transition metal elements of 0.1% or less is used, it is particularly promoted that Mn diffuses to the interface and the surface to form an electrically insulating layer. This can contribute to the removal of elements that increase the electrical resistance of the wiring body 8.

ここで、高周波プラズマ分光分析法でのTiの検出限界として2×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、104頁参照)。また、Feの検出限界として、フレームレス原子吸光分析法では1×10-5μg/mlが例示され、高周波プラズマ分光分析法では3×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。その他の主遷移金属元素の検出限界については、検出限界の定義と共に公知の技術文献(例えば、上記の「高感度原子吸光・発光分析」、101〜106頁)に例示されている。 Here, 2 × 10 −4 μg / ml is exemplified as the detection limit of Ti in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 104). In addition, the detection limit of Fe is exemplified by 1 × 10 −5 μg / ml in the frameless atomic absorption spectrometry, and 3 × 10 −4 μg / ml in the high frequency plasma spectroscopy (see “ “High Sensitive Atomic Absorption / Emission Analysis”, page 102). The detection limits of other main transition metal elements are exemplified in well-known technical literature (for example, “High Sensitive Atomic Absorption / Luminescence Analysis”, pages 101 to 106) together with the definition of the detection limit.

第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素は、原子番号が57から71の元素群を指し(上記の「ダフィー無機化学」、262〜263頁参照)、これらの元素は、スパッタリング用ターゲット材において、含まれないか、含まれていてもその合計で原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。 Lanthanum constituting the seventh group (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two um (Gd), terbium (Tb), Disperse propidium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutesium (Lu), each lanthanide transition metal element refers to an element group having an atomic number of 57 to 71 (see “Duffy Inorganic Chemistry” above, pages 262 to 263), These elements are not included in the sputtering target material, or even if included, the total atomic concentration is preferably 0.1% or less.

これらの元素の含有量が合計で原子濃度にして、0.1%以下であれば、Cuと金属間化合物を形成することを防止でき、低抵抗のCu膜(配線本体8)を形成するのに貢献できる。   If the total content of these elements is 0.1% or less, the formation of an intermetallic compound with Cu can be prevented, and a low resistance Cu film (wiring body 8) is formed. Can contribute.

ここで、高周波プラズマ分光分析法でのLaの検出限界として4×10-4μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、103頁参照)。また、同分析法でのCeの検出限界として2×10-3μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、102頁参照)。その他のランタニド系内遷移金属元素の検出限界については技術文献(例えば、上記の「高感度原子吸光・発光分析」、101〜106頁)から知ることができる。 Here, 4 × 10 −4 μg / ml is exemplified as the detection limit of La in the high-frequency plasma spectroscopic analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 103). Moreover, 2 × 10 −3 μg / ml is exemplified as the detection limit of Ce in the same analysis method (see “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis” above, page 102). The detection limit of other transition metal elements in the lanthanide system can be known from technical literature (for example, “High-sensitivity atomic absorption / luminescence analysis”, pages 101 to 106).

第8群を構成するトリウム(Th)は、アクチド系内遷移金属元素(上記の「ダフィー無機化学」、265〜267頁参照)の1種であり、この元素は、スパッタリング用ターゲット材において含まれないか、含まれていても原子濃度にして0.1%以下であるのが好ましい。
Thの含有量が0.1%以下であれば、Cuと金属間化合物を形成することを防止でき、低抵抗のCu膜(配線本体8)を形成するのに貢献できる。
Thorium (Th) constituting the eighth group, activators two de system in the transition metal elements ( "Duffy Inorganic Chemistry" mentioned above, pp. 265-267) is a one, this element, in the sputtering target material It is preferably not contained or 0.1% or less in terms of atomic concentration.
If the content of Th is 0.1% or less, formation of an intermetallic compound with Cu can be prevented, which can contribute to the formation of a low resistance Cu film (wiring body 8).

ここで、プラズマジェット法(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、21〜23頁参照)でのThの検出限界として2μg/mlが例示されている(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、104頁参照)。   Here, 2 μg / ml is exemplified as the detection limit of Th in the plasma jet method (see “High Sensitive Atomic Absorption / Emission Analysis” on pages 21 to 23) (see “High Sensitive Atomic Absorption / Emission” above). Analysis ", page 104).

本発明に係る、特定の元素(上記第1群〜第8群)についての含有量を低く規定したスパッタリング用ターゲット材は、製造法、精製法を問わず高純度の、例えば、純度99,9999%(6N)以上の高純度のCuに、純度99.999%(5N)以上の高純度のMnを添加して製造したCu合金を板状に成型または加工して形成できる。高純度のMnとして、例えば、キレート樹脂イオン交換法や電界法、真空昇華精製法に依って得た、金属不純物の合計の量を200ppm以下とし、且つ、非金属不純物の合計の量を10ppm以下とする精製されたMnを使用できる(特開2002−285373号参照)。また、例えばCu・Ge合金は、例えば、純度99,9999%(6N)以上の高純度のCuに、半導体グレードの高純度Geを添加して製造できる。   The sputtering target material according to the present invention, in which the content of the specific element (the first group to the eighth group) is specified to be low, has a high purity, for example, a purity of 99,9999 regardless of the production method and the purification method. Cu alloy produced by adding high-purity Mn with a purity of 99.999% (5N) or higher to Cu with a high purity of% (6N) or higher can be formed or processed into a plate shape. As high-purity Mn, for example, the total amount of metal impurities obtained by chelate resin ion exchange method, electric field method, vacuum sublimation purification method is 200 ppm or less, and the total amount of non-metal impurities is 10 ppm or less. The refined Mn can be used (see JP 2002-285373 A). For example, a Cu · Ge alloy can be manufactured by adding semiconductor grade high purity Ge to high purity Cu having a purity of 99,9999% (6N) or more.

スパッタリング用ターゲット材中の本発明に係る特定の元素の濃度は、種々の高感度分析手段で定量できる。例えば、フレームレス原子吸光分析、高周波プラズマ分光分析、質量分析等の各手段で定量できる。定量分析は、分析の対象とする元素毎に検出限界の高い(低濃度でも定量できるとの意)手段を選択して行うのが望ましい。例えば、Niについて、高周波プラズマ分光分析法での検出限界は4.0×10-4μg/mlであるのに対し、フレームレス原子吸光分析法での検出限界は7.3×10-5μg/mlである(上記の「高感度原子吸光・発光分析」、103頁参照)。従って、Niについては高周波プラズマ分光分析法よりもフレームレス原子吸光分光分析法で定量するのが望ましい。 The concentration of the specific element according to the present invention in the sputtering target material can be quantified by various high sensitivity analysis means. For example, it can be quantified by each means such as flameless atomic absorption analysis, high-frequency plasma spectroscopic analysis, and mass spectrometry. Quantitative analysis is preferably performed by selecting a means with a high detection limit (meaning that quantification is possible even at low concentrations) for each element to be analyzed. For example, for Ni, the detection limit in high-frequency plasma spectroscopy is 4.0 × 10 −4 μg / ml, whereas the detection limit in flameless atomic absorption spectrometry is 7.3 × 10 −5 μg. / Ml (see “High Sensitive Atomic Absorption and Luminescence Analysis” above, page 103). Therefore, it is desirable to quantify Ni by flameless atomic absorption spectrometry rather than high-frequency plasma spectroscopy.

上記の、高純度のCuに高純度のMnを添加して製造したCu合金は、スパッタリング用ターゲット材としてだけでなく、Cuを主体とする配線を構成するための真空蒸着源などとして利用でき、またスパッタ法以外のその他の成膜用ターゲット材として活用できる。例えば、Cu合金膜5の1つの成膜法であるレーザーアブレーション法のためのターゲット材料として利用できる。また、イオンプレーテング法、イオンクラスタービーム法、プラズマ反応法などのための成膜用ターゲット材料として利用できる。   The Cu alloy produced by adding high-purity Mn to high-purity Cu can be used not only as a sputtering target material, but also as a vacuum evaporation source for forming wiring mainly composed of Cu, Further, it can be used as a film forming target material other than the sputtering method. For example, it can be used as a target material for a laser ablation method which is one film forming method of the Cu alloy film 5. Further, it can be used as a film forming target material for an ion plating method, an ion cluster beam method, a plasma reaction method and the like.

本発明に係るスパッタリング用ターゲット材は、上記の如く、特定の元素につき、それらの含有量を低く規定した高純度なものであるため、スパッタリング時の異常放電の発生が抑えられ、従って、ボイド(空洞)が少なく均質で、且つ、膜厚を均一とする配線本体をなすCu膜(配線本体8)、および膜厚を均一とするバリア層7を安定してもたらせる効果が生まれる。   As described above, the sputtering target material according to the present invention is a high-purity material in which the content of the specific elements is specified to be low, so that the occurrence of abnormal discharge during sputtering can be suppressed. The Cu film (wiring body 8) that forms a wiring body having a small number of cavities) and is uniform and has a uniform film thickness and the barrier layer 7 having a uniform film thickness can be produced even when stabilized.

上記の説明では、不可避的不純物が、第1群から第8群を構成する特定の元素であれば、その不可避的不純物の合計含有量が群毎に原子濃度にしてスパッタリング用ターゲット材の0.1%以下となるようにしたが、群毎に0.1%以下とするのではなく、この特定の不可避的不純物の合計含有量を0.1%以下とするようにしてもよい。このように規定することで、不可避的不純物はより一層少なく規定され、スパッタリング用ターゲット材から形成した配線本体を、低抵抗で良導性のものとし、低消費電力の半導体装置とする効果をより確実なものとすることができる。
なお、本発明は、半導体素子、半導体素子を備えた液晶表示装置や有機並びに無機エレクトロルミネッセンス(略称:EL)表示装置等の平面表示装置、及びその他のCu配線構造を有する電子装置にあって、その配線を形成するためスパッタリング用ターゲット材として広く適用することができる。
また、本発明に係るスパッタリング用ターゲット材を用いて作製したCu配線構造は、上記に記載のダマシン配線構に限定されるものではなく、各種の配線構造に適用することができる。
In the above description, if the unavoidable impurities are specific elements constituting the first group to the eighth group, the total content of the unavoidable impurities is set to the atomic concentration for each group and the sputtering target material has a concentration of 0. The total content of the specific inevitable impurities may be 0.1% or less, instead of 0.1% or less for each group. By defining in this way, the inevitable impurities are further reduced, and the wiring body formed from the sputtering target material is made to have low resistance and good conductivity, and the effect of making a semiconductor device with low power consumption is further improved. It can be certain.
The present invention is a semiconductor element, a liquid crystal display device including the semiconductor element, a flat display device such as an organic and inorganic electroluminescence (abbreviation: EL) display device, and other electronic devices having a Cu wiring structure. In order to form the wiring, it can be widely applied as a sputtering target material.
Moreover, the Cu wiring structure produced using the sputtering target material according to the present invention is not limited to the damascene wiring structure described above, and can be applied to various wiring structures.

(実施例8)
本発明の内容を、シリコン(Si)半導体素子用途に用いるCu配線を例にして詳細に説明する。
(Example 8)
The contents of the present invention will be described in detail by taking Cu wirings used for silicon (Si) semiconductor element applications as an example.

図15は、Cu合金膜を被着させ、次に、Cu埋め込み層を被着させた状態の配線用溝(開口部)の内部構造を示す模式図である。図16は、配線用溝内のCu合金膜及びCu埋め込み層に加熱処理を行った後における配線用溝内部の構造を示す断面図である。   FIG. 15 is a schematic diagram showing an internal structure of a wiring groove (opening) in a state where a Cu alloy film is deposited and then a Cu buried layer is deposited. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure inside the wiring groove after the heat treatment is performed on the Cu alloy film and the Cu buried layer in the wiring groove.

図15に模式的に示す様に、シリコン基板301上に形成した導電性シリコン半導体層302の表面に、一般的な化学気相成長法により、層間絶縁体層である厚さ150nmのSiO2からなる絶縁膜303に配線用溝(開口部)304の内部の側壁及びその表面上に、Cu合金膜(Cu・Mn合金膜)305を被着させた。配線用溝304の横幅(開口幅)Wは32nmとした。Cu・Mn合金膜305は、Mnを原子濃度にして4%含む、本発明に係るスパッタリング用ターゲット材を、一般的な高周波スパッタリング装置内でスパッタして形成した。Cu・Mn合金膜305の層厚は平坦なSi基板の表面上に成膜した場合に30nmとなるようにした。 As schematically shown in FIG. 15, the surface of a conductive silicon semiconductor layer 302 formed on a silicon substrate 301 is made of SiO 2 having a thickness of 150 nm, which is an interlayer insulating layer, by a general chemical vapor deposition method. A Cu alloy film (Cu · Mn alloy film) 305 was deposited on the inner side wall and the surface of the wiring groove (opening) 304 on the insulating film 303 to be formed. The lateral width (opening width) W of the wiring groove 304 was 32 nm. The Cu · Mn alloy film 305 was formed by sputtering a sputtering target material according to the present invention containing 4% Mn in atomic concentration in a general high-frequency sputtering apparatus. The thickness of the Cu · Mn alloy film 305 was set to 30 nm when formed on the surface of a flat Si substrate.

上記の本発明に係るスパッタリング用ターゲット材は、Cu合金を成型して得たものであり、このスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物は、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)の何れかであった。そして、その不可避的不純物の合計含有量は群毎に原子濃度にして0.1%以下であった。 The sputtering target material according to the present invention is obtained by molding a Cu alloy, and inevitable impurities contained in the sputtering target material include lithium (Li) and second material constituting the first group. Beryllium (Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg) constituting the group, boron (B), gallium (Ga) and aluminum (Al) constituting the third group, silicon (Si) constituting the fourth group , Antimony (Sb) constituting the fifth group, scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (forming the sixth group) Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd , Hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) and gold (Au) main transition metal elements, seventh group constitute a lanthanum (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two Umm (Gd), terbium (Tb), disk dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm) , Ytterbium (Yb) and lutetium (Lu), each of the lanthanide transition metal elements, and thorium (Th) constituting the eighth group. And the total content of the inevitable impurities was 0.1% or less in terms of atomic concentration for each group.

次に、スパッタ法で形成した上記のCu・Mn合金膜305をシード(seed)層(種層)として、電解メッキ法によりCu・Mn合金膜305の表面にCuをメッキして、配線用溝304の内部にCu埋め込み層306を形成した(図15参照)。   Next, the Cu · Mn alloy film 305 formed by sputtering is used as a seed layer (seed layer), and Cu is plated on the surface of the Cu · Mn alloy film 305 by an electrolytic plating method to form a wiring groove. A Cu buried layer 306 was formed inside 304 (see FIG. 15).

次に、絶縁膜303の配線用溝304の内部に、上記のCu・Mn合金膜305とCu埋め込み層306を備えた構造体を、酸素を体積比率にして10ppm含むアルゴン(Ar)雰囲気中で、温度300℃で15分間に亘り加熱処理を施した。室温から加熱処理温度とした300℃への昇温速度は毎分8℃とした。また、加熱処理を終了した後の、300℃から室温への平均の冷却速度は毎分10℃とした。これより、Cu・Mn合金膜305から、その合金膜305に含まれるMnを絶縁膜303との界面に向けて熱拡散させ、その界面の領域に図16に示す如く、Mn系酸化物からなるバリア層307を形成した。本実施例での加熱処理では形成されたバリア層307の厚さは4nmであった。   Next, the structure including the Cu · Mn alloy film 305 and the Cu buried layer 306 in the wiring groove 304 of the insulating film 303 is placed in an argon (Ar) atmosphere containing 10 ppm of oxygen by volume. Then, heat treatment was performed at a temperature of 300 ° C. for 15 minutes. The rate of temperature increase from room temperature to 300 ° C. as the heat treatment temperature was 8 ° C. per minute. Moreover, the average cooling rate from 300 degreeC to room temperature after finishing heat processing was 10 degreeC / min. Thus, Mn contained in the alloy film 305 is thermally diffused from the Cu / Mn alloy film 305 toward the interface with the insulating film 303, and the interface region is made of a Mn-based oxide as shown in FIG. A barrier layer 307 was formed. In the heat treatment in this example, the thickness of the formed barrier layer 307 was 4 nm.

一般的な2次イオン質量分析法(SIMS)に依れば、上記の第2の実施形態の場合と同様に、バリア層307の内部には、Cuが含まれているのは確認され、またバリア層307のCu原子の濃度は、配線本体308側から層間絶縁膜303側に向けて単調に減少しているのが確認された。上記の加熱処理に因り、Mnが拡散し抜け出してCuが略全量を占めることとなったCu・Mn合金膜305と、Cu埋め込み層306とは一体化し、配線本体308が形成された。配線本体308の電気抵抗率は極めて低く、開口幅を32nmとする配線用溝に純Cuを埋め込んで形成した配線と略同等の4.0μΩ・cmとなった。 According to general secondary ion mass spectrometry (SIMS), as in the case of the second embodiment, it is confirmed that Cu is contained in the barrier layer 307, and the concentration of Cu atoms of the barrier layer 30 7, that is decreasing monotonically it was confirmed from the wiring main body 308 side to the interlayer insulating film 303 side. Due to the heat treatment, the Cu / Mn alloy film 305 in which Mn diffuses and escapes and Cu occupies substantially the entire amount and the Cu buried layer 306 are integrated to form the wiring body 308. The electrical resistivity of the wiring body 308 was extremely low, and was 4.0 μΩ · cm, which was substantially equivalent to a wiring formed by embedding pure Cu in a wiring groove having an opening width of 32 nm.

(実施例9)
実施例9のスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物は、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)であった。そして、その不可避的不純物の合計含有量は群毎に原子濃度にして0.1%以下であった。その他の条件はすべて実施例8と同一にして配線本体を形成した。配線本体308の電気抵抗率は、実施例8と同じ値、4.0μΩ・cmとなった。
Example 9
The inevitable impurities contained in the sputtering target material of Example 9 are lithium (Li) constituting the first group, beryllium (Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg) constituting the second group, third Boron (B), gallium (Ga) and aluminum (Al) constituting the group, silicon (Si) constituting the fourth group, antimony (Sb) constituting the fifth group, titanium (Ti ), Vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), palladium (Pd), tungsten (W), platinum (Pt) ) And gold (Au), and thorium (Th) constituting the eighth group. And the total content of the inevitable impurities was 0.1% or less in terms of atomic concentration for each group. The other conditions were the same as in Example 8 to form a wiring body. The electrical resistivity of the wiring body 308 was 4.0 μΩ · cm, the same value as in Example 8.

(実施例10)
実施例10のスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物は、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、硼素(B)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、アンチモン(Sb)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテシウム(Lu)、及びトリウム(Th)の何れかであった。そして、その不可避的不純物の全合計含有量は原子濃度にして0.1%以下であった。その他の条件はすべて実施例8と同一にして配線本体を形成した。配線本体308の電気抵抗率は、3.8μΩ・cmとなった。
(Example 10)
Inevitable impurities contained in the sputtering target material of Example 10 are lithium (Li), beryllium (Be), calcium (Ca), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), and aluminum (Al). , Silicon (Si), antimony (Sb), scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y) , Zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re) , Osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), lanthanum (La), cesium (C ), Samarium (Sm), Gadori two Umm (Gd), terbium (Tb), disk dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), And thorium (Th). And the total content of the inevitable impurities was 0.1% or less in terms of atomic concentration. The other conditions were the same as in Example 8 to form a wiring body. The electrical resistivity of the wiring body 308 was 3.8 μΩ · cm.

この実施例10では、配線本体308の電気抵抗がより低くなるように改善することができた。これは、特定の不可避的不純物の含有量を群毎に規定するのではなく、その全体で規定し、その結果含有量をより一層少なくしていることに起因していると考えられる。   In Example 10, the electrical resistance of the wiring body 308 could be improved to be lower. This is considered to be due to the fact that the content of specific inevitable impurities is not defined for each group but is defined as a whole, and as a result, the content is further reduced.

(実施例11)
実施例11のスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物は、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、硼素(B)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、アンチモン(Sb)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、白金(Pt)、金(Au)、及びトリウム(Th)であった。そして、その不可避的不純物の全合計含有量は原子濃度にして0.1%以下であった。その他の条件はすべて実施例8と同一にして配線本体を形成した。配線本体308の電気抵抗率は、実施例10と同じ値、3.8μΩ・cmとなった。
(Example 11)
Inevitable impurities contained in the sputtering target material of Example 11 are lithium (Li), beryllium (Be), calcium (Ca), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), and aluminum (Al). , Silicon (Si), antimony (Sb), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zirconium (Zr), molybdenum (Mo) Palladium (Pd), tungsten (W), platinum (Pt), gold (Au), and thorium (Th). And the total content of the inevitable impurities was 0.1% or less in terms of atomic concentration. The other conditions were the same as in Example 8 to form a wiring body. The electrical resistivity of the wiring body 308 was the same value as in Example 10 and was 3.8 μΩ · cm.

(比較例)
比較例のスパッタリング用ターゲット材に含まれる不可避的不純物は、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)の何れかであって、その不可避的不純物が第1群から第8群の何れか(この比較例では第6群)において原子濃度で0.1%を超えて存在していた。その他の条件はすべて実施例8と同一にして配線本体を形成した。配線本体の電気抵抗率は5.0μΩ・cmとなった。配線本体の電気抵抗が高くなったのは、特定の不可避的不純物(この比較例では第6群)が多いことに起因していると考えられる。
(Comparative example)
The inevitable impurities contained in the sputtering target material of the comparative example are lithium (Li) constituting the first group, beryllium (Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg) constituting the second group, and the third group. Boron (B), gallium (Ga) and aluminum (Al) constituting the fourth group, silicon (Si) constituting the fourth group, antimony (Sb) constituting the fifth group, scandium (Sc) constituting the sixth group , Titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo) Technetium (Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), Sumiumu (Os), iridium (Ir), the main transition metal element of the platinum (Pt) and gold (Au), lanthanum constituting the seventh group (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two um (Gd), terbium (Tb), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu) lanthanide transition metal elements, and Any one of thorium (Th) constituting group 8, and the inevitable impurity exceeds 0.1% in atomic concentration in any of group 1 to group 8 (group 6 in this comparative example) Existed. The other conditions were the same as in Example 8 to form a wiring body. The electrical resistivity of the wiring body was 5.0 μΩ · cm. The increase in the electrical resistance of the wiring body is thought to be due to the large number of specific unavoidable impurities (sixth group in this comparative example).

本発明に依る半導体装置は、珪素を含む絶縁膜と、銅から成る配線本体と、Mn系酸化物とから成るバリア層とを有することにより、絶縁膜の絶縁性を確保し、配線の低抵抗を実現し、またバリア層と絶縁膜との密着性が向上して、長期に亘り信頼性のある動作をおこなう。   The semiconductor device according to the present invention has an insulating film containing silicon, a wiring body made of copper, and a barrier layer made of a Mn-based oxide, thereby ensuring insulation of the insulating film and reducing the resistance of the wiring. In addition, the adhesion between the barrier layer and the insulating film is improved, and a reliable operation is performed for a long time.

図1はこの発明の半導体装置の製造手順および構成を概略的に示す説明図であり、図1(a)は製造手順の前半を、図1(b)は製造手順の後半をそれぞれ示す。1A and 1B are explanatory views schematically showing the manufacturing procedure and configuration of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1A shows the first half of the manufacturing procedure, and FIG. 1B shows the second half of the manufacturing procedure. 図2は、実施例1での熱処理前の積層状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a stacked state before heat treatment in Example 1. 図3は、実施例1での熱処理後の積層状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stacked state after the heat treatment in Example 1. 図4は、配線本体の抵抗率の、熱処理雰囲気及び熱処理時間の依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the resistivity of the wiring body on the heat treatment atmosphere and the heat treatment time. 図5は、この発明の第1の実施形態における実施例2に記載の熱処理以前の半導体装置の断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device before the heat treatment described in Example 2 in the first embodiment of the present invention. 図6は、この発明の第1の実施形態における実施例2に記載の熱処理以後の半導体装置の断面模式図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device after the heat treatment described in Example 2 in the first embodiment of the present invention. 図7は、この発明の第1の実施形態における実施例2に記載の半導体装置のバリア層の断面写真である。FIG. 7 is a cross-sectional photograph of the barrier layer of the semiconductor device described in Example 2 in the first embodiment of the present invention. 図8は、この発明の第1の実施形態における実施例3に記載の非晶質バリア層内の各原子の濃度分布を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the concentration distribution of each atom in the amorphous barrier layer described in Example 3 in the first embodiment of the present invention. 図9は、この発明の第2の実施形態における半導体装置の製造手順および構成を概略的に示す説明図であり、(a)は製造手順の前半を、(b)は製造手順の後半をそれぞれ示す。FIGS. 9A and 9B are explanatory views schematically showing a manufacturing procedure and configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9A shows the first half of the manufacturing procedure, and FIG. 9B shows the second half of the manufacturing procedure. Show. 図10は、この発明の第2の実施形態における実施例7に記載の配線用溝内部の膜の堆積構造を示す断面模式図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a film deposition structure inside a wiring groove described in Example 7 in the second embodiment of the present invention. 図11は、この発明の第2の実施形態における実施例7に記載の加熱処理後の配線用溝内部の構造を示す断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the structure inside the wiring groove after the heat treatment described in Example 7 in the second embodiment of the present invention. 図12は、この発明の第2の実施形態における実施例7に記載のバリア層の断面電子顕微鏡像である。FIG. 12 is a cross-sectional electron microscopic image of the barrier layer described in Example 7 in the second embodiment of the present invention. 図13は、この発明の第2の実施形態における実施例7に記載の配線本体とバリア層のMn元素のイオン状態を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an ion state of Mn element in the wiring body and the barrier layer described in Example 7 in the second embodiment of the present invention. 図14は、この発明の第2の実施形態における実施例7に記載のバリア層の元素分析結果を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an elemental analysis result of the barrier layer described in Example 7 in the second embodiment of the present invention. 図15は、実施例8での半導体装置の製造手順の前半における配線用溝内部の構造を示す断面模式図である。FIG. 15 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure inside the wiring groove in the first half of the manufacturing procedure of the semiconductor device according to the eighth embodiment. 図16は、実施例8での半導体装置の製造手順の後半における配線用溝内部の構造を示す断面模式図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure inside the wiring groove in the latter half of the manufacturing procedure of the semiconductor device according to the eighth embodiment.

Claims (19)

絶縁膜に配線が施されている半導体装置において、
珪素(Si)を含む絶縁膜と、
上記絶縁膜に設けられた溝状の開口部内に形成された、銅(Cu)からなる配線本体と、
上記絶縁膜と配線本体との間に形成され、厚さ方向の中央部でマンガン(Mn)の原子濃度を最大とするMn系酸化物からなるバリア層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which wiring is applied to an insulating film,
An insulating film containing silicon (Si);
A wiring body made of copper (Cu) formed in a groove-shaped opening provided in the insulating film;
A barrier layer made of a Mn-based oxide that is formed between the insulating film and the wiring body and maximizes the atomic concentration of manganese (Mn) at the center in the thickness direction;
A semiconductor device comprising:
上記バリア層の内部にCuが含有されている、請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein Cu is contained inside the barrier layer. 上記バリア層に含まれるCuの原子濃度は、配線本体側から絶縁膜側に向けて単調に減少している、請求項2に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 2, wherein the atomic concentration of Cu contained in the barrier layer monotonously decreases from the wiring body side toward the insulating film side. 上記バリア層に含まれるCuの原子濃度は、バリア層の厚さ方向の中央部でMnの原子濃度以下である、請求項3に記載の半導体装置。  4. The semiconductor device according to claim 3, wherein an atomic concentration of Cu contained in the barrier layer is equal to or lower than an atomic concentration of Mn at a central portion in a thickness direction of the barrier layer. 絶縁膜に配線が施されている半導体装置において、
珪素(Si)を含む絶縁膜と、
上記絶縁膜に設けられた溝状の開口部内に形成された、銅(Cu)からなる配線本体と、
上記配線本体と絶縁膜との間に形成され、配線本体側から絶縁膜側に向けてCuの原子濃度が単調に減少し、絶縁膜側から配線本体側に向けてSiの原子濃度が単調に減少し、Cuの原子濃度とSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大になる、CuとSiとMnとを含む酸化物からなるバリア層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which wiring is applied to an insulating film,
An insulating film containing silicon (Si);
A wiring body made of copper (Cu) formed in a groove-shaped opening provided in the insulating film;
Formed between the wiring main body and the insulating film, the atomic concentration of Cu decreases monotonously from the wiring main body side toward the insulating film side, and the atomic concentration of Si monotonously decreases from the insulating film side toward the wiring main body side. A barrier layer made of an oxide containing Cu, Si and Mn, wherein the atomic concentration of Mn is maximized in a region where the atomic concentration of Cu and the atomic concentration of Si are substantially equal,
A semiconductor device comprising:
上記バリア層は、その内部のCuとSiの原子濃度が略同等となる領域におけるMnの原子濃度が、CuまたはSiの原子濃度の2倍以上である、請求項5に記載の半導体装置。  6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the barrier layer has an atomic concentration of Mn in a region where the atomic concentrations of Cu and Si inside thereof are substantially equal to or more than twice the atomic concentration of Cu or Si. 上記バリア層は、層厚が1nm以上で開口部の溝幅の1/5以下で、かつ10nm以下ある、請求項1から6の何れか1項に記載の半導体装置。The barrier layer is 1/5 or less of the groove width of the opening in the layer thickness 1nm or more, and is 10nm or less, the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6. 上記バリア層は非晶質からなる、請求項1から7の何れか1項に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer is made of an amorphous material. 上記バリア層と接する配線本体側に2価または3価にイオン化したMnが存在する、請求項1から8の何れか1項に記載の半導体装置。  9. The semiconductor device according to claim 1, wherein Mn ionized bivalently or trivalently exists on the side of the wiring main body in contact with the barrier layer. 絶縁膜に配線が施されている半導体装置の製造方法において、
珪素(Si)を含む絶縁膜に溝状の開口部を設ける工程と、
上記開口部の内周面にマンガン(Mn)と銅(Cu)を含む銅合金膜を形成する銅合金膜形成工程と、
上記銅合金膜が形成された開口部にCuを埋め込み銅埋め込み層を形成する工程と、
熱処理を施し、銅合金膜と絶縁膜との間にバリア層を形成するとともに、その銅合金膜を銅埋め込み層のCuと一体化させて配線本体とする熱処理工程と、を有し、
上記バリア層は、厚さ方向の中央部でMnの原子濃度を最大とするMn系酸化物からなる、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device in which wiring is applied to an insulating film,
Providing a groove-like opening in an insulating film containing silicon (Si);
A copper alloy film forming step of forming a copper alloy film containing manganese (Mn) and copper (Cu) on the inner peripheral surface of the opening;
A step of burying Cu in the opening in which the copper alloy film is formed to form a copper buried layer;
Heat treatment, forming a barrier layer between the copper alloy film and the insulating film, and having the copper alloy film integrated with Cu of the copper embedded layer to form a wiring body,
The barrier layer is made of a Mn-based oxide that maximizes the atomic concentration of Mn at the center in the thickness direction.
A method for manufacturing a semiconductor device.
絶縁膜に配線が施されている半導体装置の製造方法において、
珪素(Si)を含む絶縁膜に溝状の開口部を設ける工程と、
上記開口部の内周面にマンガン(Mn)と銅(Cu)を含む銅合金膜を形成する銅合金膜形成工程と、
上記銅合金膜が形成された開口部にCuを埋め込み銅埋め込み層を形成する工程と、
熱処理を施し、銅合金膜と絶縁膜との間にバリア層を形成するとともに、その銅合金膜を銅埋め込み層のCuと一体化させて配線本体とする熱処理工程と、を有し、
上記バリア層は、Cuの原子濃度が配線本体側から絶縁膜側に向けて単調に減少し、Siの原子濃度が絶縁膜から配線本体側に向けて単調に減少し、Cuの原子濃度とSiの原子濃度とが略同等となる領域でMnの原子濃度が最大となる、CuとSiとMnとを含む酸化物からなる、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device in which wiring is applied to an insulating film,
Providing a groove-like opening in an insulating film containing silicon (Si);
A copper alloy film forming step of forming a copper alloy film containing manganese (Mn) and copper (Cu) on the inner peripheral surface of the opening;
A step of burying Cu in the opening in which the copper alloy film is formed to form a copper buried layer;
Heat treatment, forming a barrier layer between the copper alloy film and the insulating film, and having the copper alloy film integrated with Cu of the copper embedded layer to form a wiring body,
In the barrier layer, the atomic concentration of Cu decreases monotonously from the wiring body side toward the insulating film side, the atomic concentration of Si decreases monotonously from the insulating film toward the wiring body side, and the Cu atomic concentration and Si Made of an oxide containing Cu, Si and Mn, in which the atomic concentration of Mn is maximized in a region where the atomic concentration of Cu is substantially equal.
A method for manufacturing a semiconductor device.
上記熱処理工程において、熱処理は酸素を不可避的に含む純不活性ガスあるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む不活性ガスからなる気流中で行う、請求項10または11に記載の半導体装置の製造方法。  In the above heat treatment step, the heat treatment inevitably contains pure inert gas containing oxygen or oxygen up to 75 vol. The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 10 or 11 performed in the airflow which consists of an inert gas contained in the ratio of ppm. 上記熱処理工程において、熱処理は酸素を不可避的に含む窒素ガスまたは水素ガス、あるいは酸素を最大で75vol.ppmの割合で含む窒素ガスまたは水素ガスからなる気流中で行う、請求項10または11に記載の半導体装置の製造方法。  In the above heat treatment step, the heat treatment inevitably contains nitrogen gas or hydrogen gas containing oxygen, or oxygen at a maximum of 75 vol. The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 10 or 11 performed in the airflow which consists of nitrogen gas or hydrogen gas contained in the ratio of ppm. 上記熱処理工程において、熱処理は150℃以上600℃以下の温度で行う、請求項10から13の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。  The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein in the heat treatment step, the heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or more and 600 ° C. or less. 上記熱処理工程において、熱処理は150℃以上450℃以下の温度で行う、請求項10から13の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。  14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein in the heat treatment step, the heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. 上記銅合金膜形成工程における銅合金膜の形成は、スパッタリング用ターゲット材にスパッタリングを施して行われる、請求項10から15の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the formation of the copper alloy film in the copper alloy film forming step is performed by sputtering a sputtering target material. スパッタリングを施して銅合金膜を形成する請求項16に記載の半導体装置の製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材であって、
主成分としての銅(Cu)と、
必須の元素としてのマンガン(Mn)と、
上記必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とからなり、
上記不可避的不純物が、第1群を構成するリチウム(Li)、第2群を構成するベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)、第3群を構成する硼素(B)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)、第4群を構成する珪素(Si)、第5群を構成するアンチモン(Sb)、第6群を構成するスカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)及び金(Au)の各主遷移金属元素、第7群を構成するランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテシウム(Lu)の各ランタニド系内遷移金属元素、並びに第8群を構成するトリウム(Th)の何れかである場合、その不可避的不純物の合計含有量を群毎に原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.1%以下とする、
ことを特徴とするスパッタリング用ターゲット材。
A sputtering target material used in the method for producing a semiconductor device according to claim 16, wherein the sputtering alloy material is formed by performing sputtering.
Copper (Cu) as a main component;
Manganese (Mn) as an essential element,
It consists of inevitable impurities that inevitably remain in the remaining Cu excluding the essential elements,
The inevitable impurities include lithium (Li) constituting the first group, beryllium (Be), calcium (Ca) and magnesium (Mg) constituting the second group, boron (B) constituting the third group, and gallium. (Ga) and aluminum (Al), silicon (Si) constituting the fourth group, antimony (Sb) constituting the fifth group, scandium (Sc) constituting the sixth group, titanium (Ti), vanadium (V ), Chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru) ), Palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), white (Pt) and the main transition metal element of gold (Au), lanthanum constituting the seventh group (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two um (Gd), terbium (Tb), Disperse dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu) transition metal elements in each lanthanide system, and thorium (Th) constituting the eighth group The total content of the inevitable impurities is atomic concentration for each group and 0.1% or less of the entire target material,
A sputtering target material characterized by the above.
スパッタリングを施して銅合金膜を形成する請求項16に記載の半導体装置の製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材であって、
主成分としての銅(Cu)と、
必須の元素としてのマンガン(Mn)と、
上記必須の元素を除く残部Cuに不可避的に残る不可避的不純物とからなり、
上記不可避的不純物が、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、硼素(B)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、アンチモン(Sb)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ランタン(La)、セシウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテシウム(Lu)、及びトリウム(Th)の何れかである場合、その不可避的不純物の合計含有量を原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.1%以下とする、
ことを特徴とするスパッタリング用ターゲット材。
A sputtering target material used in the method for producing a semiconductor device according to claim 16, wherein the sputtering alloy material is formed by performing sputtering.
Copper (Cu) as a main component;
Manganese (Mn) as an essential element,
It consists of inevitable impurities that inevitably remain in the remaining Cu excluding the essential elements,
The inevitable impurities are lithium (Li), beryllium (Be), calcium (Ca), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), aluminum (Al), silicon (Si), and antimony (Sb). , Scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb) Molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir) , platinum (Pt), gold (Au), lanthanum (La), cesium (Ce), samarium (Sm), Gadori two Umm (Gd) If it is any of terbium (Tb), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutesium (Lu), and thorium (Th), it is inevitable. The total content of mechanical impurities is made atomic concentration and 0.1% or less of the entire target material,
A sputtering target material characterized by the above.
上記必須の元素としてのMnの含有量は原子濃度にして当該ターゲット材全体の0.5%以上で20%以下である、請求項16から18の何れか1項に記載のスパッタリング用ターゲット材。  19. The sputtering target material according to claim 16, wherein the content of Mn as the essential element is 0.5% or more and 20% or less of the whole target material in terms of atomic concentration.
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