JPH0428233A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「概要］ 半導体装置に係り、特に銅（以下、Ｃｕと記ず。

）系の配線材料を用いた配線層を有する゛Ｉ′導体装置
に関し、 低抵抗で、エレン）−ロマイクレーション耐性が高いな
Ｇ′）てなく、ＭＴＦが長い配線を実現し、デバイスの
高速性、高信頼性を向上させることができる半導体装置
を提供することを目的とし、銅に微量のＩＶ　Ａ族、Ｖ
Ａ族、又はＶＩＡ族のいずれかの金属元素が添加された
配線層を有するように梧成する。

「産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に銅（
以下、Ｃｕと記す。）系の配線月利を用いた配線層を有
する半導体装置及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来、半導体装置の配線材料は、Ａ、Ｑ　　（アルミニ
ウム）合金、例えはＡ　、Ｑ　　Ｓｉ　、　Ａ、Ｑ−Ｃ
ＩＪ、Ａ、Ｑ−Ｃｕ−８ｊ等が主に用いられてきた。

しかし、近年の半導体装置の高集積化に件って配線の微
細化が進むと共に、Ｍｏ５ｔ〜ランジスタやバイポーラ
１〜ランジスタのＬＳＩ（超高集積回路）の微細な配線
におけるエレクｌ−ロマイグレーションやストレズマイ
グレーションによる不良か大きな問題になってきた。し
かもこの問題は、今後の１．、　Ｓ　Ｉの集積度の向上
と共に、更に一層深刻になることが予想される。

そのため、こうしたエレクトロマイクレージョン耐性に
優れ、しかも低抵抗であるＣ　１．Ｊを配線材料として
用いる配線が検器されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、不純物を含まない純粋なＣｕ配線を用い
た場合、そのエレクＩ〜ロマイグレーション耐性は従来
のＡＩ系の配線に比べて向上するものの、ＭＴ’ｌ？（
平均故障時間；　Ｍｅａｎ　Ｔｉｎ１ｅ　ｔｏ　Ｆａ旧
゛ｅ）の著しい改善を得ることはできなかった。

そこで本発明は、低抵抗て、エレン１−〇マイクレージ
三１ン耐性が高い配線を実現し、デバイスの高速性、高
信頬・ｎを向上させることができる半導体装置及びその
製造方法を提供することを目的とする。

１１課題を解決するための手段］ 本発明者は、それ自体の抵抗が低いＣｕを基にした配線
層に、種々の元素を添加すると共に、その添加量を変化
させて、配線層の比抵抗及びＭＴＦを調べる実験を行な
った。その結果、微量の１ｖＡ族、ＶＡ族、又はＶＩＡ
族のいずれかの金属元素が添加されたＣｕを、特に０．
１乃至０．７ｗｔ％（重量パーセント）の’ｒｊ（チタ
ン）が添加さ宕 れたＣｕを配線層として用いることにより、抵抗が低く
、エレクトロマイクレージョンによる不良発生を防止す
るだけでなく、ＭＴＦを改善することができることを確
認した。

従って、」１記課題は、銅にＩＶ　Ａ族、ＶＡ族、又は
ＶＩ　Ａ族のいずれかの金属元素か添加された配線層を
有することを特徴とする半導体装置によって達成される
。

また、上記装置において、前記銀に添加された前記金属
元素がチタンであり、前記チタンの添加量が０．１乃至
０．７重量パーセントであることを特徴とする半導体装
置によって達成される。

また、上記の配線層と、前記配線層下に設けられ、前記
配線層中の前記銀が下地基板と反応することを防止する
ための反応防止層と、前記反応防止層下に設けられ、前
記下地基板とのオーミック接触を得るための金属層とを
有することを特徴とする半導体装置によって達成される
。

更に、−り記装置において、前記配線層が前記銀に前記
チタンを添加した銅−チタン層であり、前記反応防止層
かチタン・ナイトライド層であり、前記金属層がチタン
層であることを特徴とする半導体装置によって達成され
る。

また、上記課題は、スパッタリング法により、銅に所定
の量のＩＶＡ族、ＶＡ族、又はＶＩＡ族のいずれかの金
属元素か添加された配線層を形成する工程と、ハロゲン
元素を含むガスを用いた反応性イオンエツチング法によ
り、前記配線層を所定の配線形状にパターニングする工
程と、非酸化性雰囲気下でのアニール処理により、前記
配線層を低抵抗化する工程とを有することを特徴とする
半導体装置の製造方法によって達成される。

また、」１記方法において、前記金属元素がチタンであ
り、前記チタンの前記銅に添加された添加量が０．１乃
至０゜７重量パーセントであることを特徴とする半導体
装置の製造方法によって達成される。

「作　用］ すなわち本発明は、配線材料として、微量のＩＶＡ族、
ＶＡ族、又はＶＩ　Ａ族のいずれかの金属元素が添加さ
れたＣｕ、例えは０．１乃至０．７ｗｔ％のＴｉが添加
されたＣｕを用いることにより、低抵抗で、エレクトロ
マイグレーション耐性に優れた配線層を実現することか
できる。

［実施例］ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例による半導体装置を示す断面
図、第２図は第１図に示す半導体装置の特性を説明する
ためのグラフ、第３図は第１図に示す半導体装置の製造
方法を説明するための工程図である。

第１図において、例えばシリコン基板２表面には、所定
の不純物が選択的に拡散された不純物層４が形成されて
いる。また、シリコン基板２上にはシリコン酸化膜６が
形成され、更に不純物層４上のシリコン酸化膜６にはコ
ンタクト窓が開口されている。

そしてこのコンタクト窓部の不純物層４上には、厚さ２
００人のＴｉ層８、厚さ１５００人のＴｉＮ（チタンナ
イトライド）層１０及びＣｕに０゜１〜０．７ｗｔ％の
Ｔｉが添加された厚さ５０００人のＣｕ　−Ｔ　ｉ層１
２が順に積層され、３層構造が形成されている。

一番下のＴｉ層８は、シリコン基板２表面の不純物層４
とオーミックに接続されている。また、中間のＴｉＮ層
１０は、一番上のＣｕ−Ｔｉ層１２中のＣｕか下地の不
純物層４のＳｉと反応することを防止している。そして
Ｃｕ　−Ｔ　ｉ層１２はこの３層構造の主要部として配
線層を構成している。

更に、これらＣｕ−Ｔｉ層１２、ＴｉＮ層１０及びＴｉ
層８の３層構造は、例えは厚さ２μｍのシリコン酸化膜
からなるカバー膜１４によって覆われている。

次に、Ｃｕ　−Ｔ　ｉ層１２におけるＣｕに添加したＴ
ｉの添加量を変化させた場合の比抵抗とＭＦＴとの関係
を、第２図に示す。

なお、ここでＣｕ　−Ｔ　ｉ層１２の配線サイズは、Ｗ
（幅）／Ｉ（長さ）／ｌ（厚さ）−２μｍ／２ｍｍ１０
．５μｍとしな。

Ｔｉの添加量かゼロ、即ちピュアなＣｕの場合、比抵抗
は１．８μΩ■であり温度Ｔ＝２５０’Ｃ１電流密度Ｊ
＝５Ｘ１０’　Ａ／ｃｍ２で、ＩＶＩＴＦは３８ｈであ
る。これに対し、Ｔｉの添加量か０゜１７ｗｔ％、即ち
Ｃｕ−０，１７％１゛ｉの場合、比抵抗は２，５μΩ■
と僅かに高くなるが、ＭＴＦは９３０ｈと改善される。

また、Ｃｕ−０，３７％Ｔｉの場合、比抵抗は２．７μ
Ω印とほぼ横ばいであるが、ＭＴＦは３０００　ｈと大
幅に改善される。更に、Ｃｕ−０，７９％’Ｉ’　ｔ　
ノ場合、比抵抗は５．４μΩ■とかなり高くなり、ＭＴ
Ｆは１１ｈと大幅に低下する。即ち、Ｔｉの添加量が０
．７ｗｔ％を越えると、エレクトロマイクレージョン耐
圧か急激に低下する。

従って、Ｔｉの添加量が少なくとも０．１７〜。

０．７９ｗｔ％において、従来のピュアなＣＩＦの場合
に比べ、ＭＴＦは約２５〜８０倍と著しく改善されるこ
とが確認された。添加された］ｉによりＣｕのエレン１
〜ロマイクレーシミ３ンか抑制されるなめである。

なおこのとき、比抵抗は僅かに高くなる力釈実用的には
問題のない導電性を得ることかできる。

この程度のＴｉの添加量であれば、Ｃｕ中の１゛ｊによ
る不純物散乱によって生じる抵抗上昇が少ないためであ
る。

次に、第３図を用いて、第１図に示す半導体装置の製造
方法を説明する。

シリコン基板２表面に、所定の不純物を選択的に拡散し
て不純物８ｊＪ　４を形成する。続いて、全面にシリコ
ン酸化膜６を形成した後、不純物層４上にコンタク１〜
窓１６を開口するく第３図（ａ＞参照）。

次いで、全面に、厚さ２００人のＴｉ層８及び厚さ１５
００人のＴｉＮ層１０を、ＤＣマクネトロンスパッタ法
を用いて、順に堆積する。続いて、Ｃｕ−０，１，７〜
０．７９ｗｔ％１゛ｉの合金ターゲラ１〜を用いたＤＣ
マクネトロンスパッタ法によす、ＣｕにＯ、］・〜０　
、７　ｗ　ｔ％のＴ　ｉが添加された厚さ５０００人の
Ｃ１１−’Ｔ’　ｉ層１２を形成づる（第３図（ｂ）参
照）。

次いで、全面にシリコン酸化膜１８を堆積した後、通常
のフォトリソクラマイ技術を用いて、コンタクト窓１６
部を含む所定の配線形状にパターニングする（第３図（
ｃ）参照）。続いて、シリコン基板２の基板温度を３５
０°Ｃに加熱した状態において、パターニングされたシ
リコン酸化ｌ摸１８をマスクとし、炭素および塩素を含
むガス、例えばＣ（１４−８０％Ｎ９反応ガスによる高
温ＲＩＥ（反応性イオンエッヂンク）を行なう。このＲ
ＩＥにより、Ｃｕ　−Ｔ　ｉ層１２、ＴｉＮ層１０及び
Ｔｉ層８の３層構造を所定の配線形状にパタニングする
〈第３図（ｄ）参照）。

このとき、シリコン酸化膜１８をマスクとして用いたの
は、Ｃｕ−Ｔｉ層１２等のＲｌＩ　Ｅが高温で行なう必
要があり、通常のレンス１〜マスクか使用できないから
である。従って、耐熱性を有していれは、シリコン酸化
膜１８の代わりに、他の無数組縁膜を用いてもよい。

次いで、シリコン酸化膜１８を除去した後、１０　　’
Ｔｏｒｒの真空中において、４５０°Ｃ１３０分間のア
ニール処理を行なう。このアニール処理により、Ｃｕ　
−Ｔ　ｉ層１２において、Ｃｕの結晶粒が成長すると共
に、Ｃｕ中に添加されたＴｉか均一に分イロして、抵抗
値を下げることができる。例えは、Ｃｕ−０，１７％Ｔ
ｉの場合、アニール処理前の比抵抗が４，９μΩ（７）
であるのに対して、アニール処理後は２，５μΩ■と低
抵抗化され、よたＣｕ−０，３７％Ｔｉの場合、７．１
μΩ■から２．７μΩσに低下する。

次いで、例えばプラズマＣＶＤ　＜化学的気相成長）法
を用いて、全面に厚さ２μｍのシリコン酸化膜からなる
カバー膜１４を形成し、Ｃｕ−Ｔ　ｉ層１２、ＴｉＮ層
１０及びＴ’　ｉ層８の３層構造からなる配線を覆う（
第３図（ｅ）参照）。

なおこのとき、Ｃｕ−Ｔｉ層１２中のＣｕは酸化されや
ずいため、カバー膜１４の形成は低温で行なうことが望
ましい。

このように本実施例によれば、Ｃｕに０．１〜０．７ｗ
ｔ％のＴ　ｉが添加されたＣ　ｕ　−Ｔ　ｉ層１２を配
線層として用いることにより、抵抗が低くてエレクトロ
マイクレージョン耐性か高くすることができる。

なお、上記実施例においては、アニール処理は真空中に
おいて行なったか、例えはアルゴンや窒素のような非酸
化性雰囲気下で行なってもよい。

また、上記実施例では、Ｃｕ中に添加する金属元素にＴ
ｉを用いた場合について述べなか、′Ｉ″ｉに限定され
ない。例えはＩＶＡ族元素のＺｒ（ジルコニウム）、Ｈ
ｆ（ハフニウム）、ｖＡ族元素の■（バナジウム）、Ｎ
ｂにオブ）　、　Ｔ　ａ　（タンタル）、又はＶＩ　Ａ
族元素のＣｒ（クロム）、ＭＯ（モリブテン）、Ｗ（タ
ングステン）等の金属元素であっても、上記実施例と同
様の効果を奏することができる。

［発明の効果］ 以」二のように本発明によれば、微量のＩＶＡ族、ＶＡ
族、又はＶＩ　Ａ族のいずれかの金属元素が添加された
Ｃｕ、例えば０．１乃至１ｗｔ％のＴｉが添加されたＣ
ｕを配線材料として用いることにより、低抵抗で、エレ
クトロマイクレージョン耐性に優れた配線層を実現する
ことができる。

これにより、半導体装置、特に微細な配線を必要とする
ＬＳＩの高速性、高信頼性を向上させることができる等
、工業的に極めて有効に活用することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体装置を示す断面
図、 第２図は第１図に示ず半導体装置の特性を説明するため
のグラフ、 第３図は第１図に示す半導体装置の製造方法を説明する
工程図である。 図において、 ２・・・・・・シリコン基板、 ４・・・・・・不純物層、 ６．１８・・・・・・シリコン酸化膜、８・・・・・・
１゛ｉ層、 １０・・・・・・ＴｉＮ層、 １、２−−−−−−Ｃｕ　−Ｔ　ｉ層、１４・・・・・
・カバー膜、 １６・・・・・・コンタク１〜窓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、銅にIVＡ族、ＶＡ族、又はVIＡ族のいずれかの金属
   元素が添加された配線層を有することを特徴とする半導
   体装置。 ２、請求項１記載の半導体装置において、 前記銅に添加された前記金属元素がチタンであり、前記
   チタンの添加量が０．１乃至０．７重量パーセントであ
   る ことを特徴とする半導体装置。 ３、請求項１又は２記載の配線層と、 前記配線層下に設けられ、前記配線層中の前記銅が下地
   基板と反応することを防止するための反応防止層と、 前記反応防止層下に設けられ、前記下地基板とのオーミ
   ック接触を得るための金属層と を有することを特徴とする半導体装置。 ４、請求項３記載の装置において、 前記配線層が前記銅に前記チタンを添加した銅−チタン
   層であり、 前記反応防止層がチタン・ナイトライド層であり、 前記金属層がチタン層である ことを特徴とする半導体装置。 ５、スパッタリング法により、銅に所定の量のIVＡ族、
   ＶＡ族、又はVIＡ族のいずれかの金属元素が添加された
   配線層を形成する工程と、ハロゲン元素を含むガスを用
   いた反応性イオンエッチング法により、前記配線層を所
   定の配線形状にパターニングする工程と、 非酸化性雰囲気下でのアニール処理により、前記配線層
   を低抵抗化する工程と を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 ６、請求項５記載の方法において、 前記金属元素がチタンであり、 前記チタンの前記銅に添加された添加量が０．１乃至０
   ．７重量パーセントである ことを特徴とする半導体装置の製造方法。