JPH06333927A - 半導体集積回路の配線構造体及びその製造方法 - Google Patents
半導体集積回路の配線構造体及びその製造方法Info
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- JPH06333927A JPH06333927A JP5413794A JP5413794A JPH06333927A JP H06333927 A JPH06333927 A JP H06333927A JP 5413794 A JP5413794 A JP 5413794A JP 5413794 A JP5413794 A JP 5413794A JP H06333927 A JPH06333927 A JP H06333927A
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- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 低抵抗で高い耐エレクトロマイグレーション
性を有すると共に、絶縁膜や基板への配線材料の原子の
拡散を防止する半導体集積回路の配線構造体及びその製
造方法を提供する。 【構成】 シリコン基板１０の上に絶縁膜１２を形成
し、この絶縁膜１２の上にタングステン膜１４を形成し
た。さらにこのタングステン膜１４の表面にプラズマ照
射して非晶質Ｗ−Ｎ膜１６を形成し、この非晶質Ｗ−Ｎ
膜１６の上に銅配線２０を形成した。
性を有すると共に、絶縁膜や基板への配線材料の原子の
拡散を防止する半導体集積回路の配線構造体及びその製
造方法を提供する。 【構成】 シリコン基板１０の上に絶縁膜１２を形成
し、この絶縁膜１２の上にタングステン膜１４を形成し
た。さらにこのタングステン膜１４の表面にプラズマ照
射して非晶質Ｗ−Ｎ膜１６を形成し、この非晶質Ｗ−Ｎ
膜１６の上に銅配線２０を形成した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路（ＬＳ
Ｉ）の配線構造体及びその製造方法に関する。
Ｉ）の配線構造体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、半導体集積回路の配線の材料とし
てはＡｌ、またはＡｌにＳｉやＣｕなどを添加したＡｌ
合金が使用されている。このような配線は、Ａｌが主な
材料として使用されているため、配線の許容電流密度は
（２〜３）×１０5 Ａ／ｃｍ2以下に制限されている。
この配線に上記許容電流密度を超える電流を流すと、エ
レクトロマイグレーションにより配線が断線する。特に
近年、集積度の上昇に伴って金属配線はますます縮小す
る傾向にあるため、エレクトロマイグレーションの問題
は重要になる。
てはＡｌ、またはＡｌにＳｉやＣｕなどを添加したＡｌ
合金が使用されている。このような配線は、Ａｌが主な
材料として使用されているため、配線の許容電流密度は
（２〜３）×１０5 Ａ／ｃｍ2以下に制限されている。
この配線に上記許容電流密度を超える電流を流すと、エ
レクトロマイグレーションにより配線が断線する。特に
近年、集積度の上昇に伴って金属配線はますます縮小す
る傾向にあるため、エレクトロマイグレーションの問題
は重要になる。
【０００３】また、Ａｌ合金の比抵抗は高いため、配線
パターンの微細化に伴って配線抵抗が増加する。このた
め、時定数の増加による配線遅延が大きくなり、微細化
によってトランジスタの動作速度が向上するというメリ
ットが相殺されてしまう。さらに、高い電流密度で電流
を流すことによる発熱に伴う信頼性低下の問題も生じ
る。
パターンの微細化に伴って配線抵抗が増加する。このた
め、時定数の増加による配線遅延が大きくなり、微細化
によってトランジスタの動作速度が向上するというメリ
ットが相殺されてしまう。さらに、高い電流密度で電流
を流すことによる発熱に伴う信頼性低下の問題も生じ
る。
【０００４】上記理由により、配線の耐マイグレーショ
ン性を向上させ、抵抗を下げるために、Ａｌ配線やＡｌ
合金配線に代えて、耐エレクトロマイグレーション性が
高く比抵抗の小さい実質的にＣｕからなるＣｕ配線を用
いることが提案されている。
ン性を向上させ、抵抗を下げるために、Ａｌ配線やＡｌ
合金配線に代えて、耐エレクトロマイグレーション性が
高く比抵抗の小さい実質的にＣｕからなるＣｕ配線を用
いることが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしＣｕは、Ａｌに
比べるとＳｉ（基板）又はＳｉＯ2 （絶縁膜）中へ拡散
しやすい。このためＣｕをそのまま配線材料として用い
ると、アクティブ領域にまで拡散してアクセプタレベル
を形成し、キャリア密度を大きく減少させるため、トラ
ンジスタの正常な動作を妨げるという問題が生じる。こ
の問題を解決するために、各種の材料で形成されたバリ
ア膜をＣｕ配線の下地又は被覆として、Ｃｕの拡散を防
止する技術が提案されているが（例えば、特開昭５３−
１１６０８９号公報、特開昭６３−７３６４５号公報、
特開昭６３−１５６３４１号公報、特開平１−２０４４
４９号公報参照）、Ｃｕがバリア膜を経由してＳｉ又は
ＳｉＯ2 へ拡散することを十分に防止できず、十分な効
果があげられていない。また、Ｔｉ−ＮやＷ−Ｎなどの
窒化物，Ｔｉ−ＣやＷ−Ｃなどの炭化物でバリア膜を形
成する技術（米国特許４，９８５，７５０号）や、Ｔｉ
−Ｎの表面を酸化してバリア膜を形成する技術（米国特
許５，２３６，８６９号）が提案されているが、窒化物
は高い電気抵抗をもつため、Ｗ等からなるバリア膜に比
べ配線抵抗が高くなるという問題が生じる。
比べるとＳｉ（基板）又はＳｉＯ2 （絶縁膜）中へ拡散
しやすい。このためＣｕをそのまま配線材料として用い
ると、アクティブ領域にまで拡散してアクセプタレベル
を形成し、キャリア密度を大きく減少させるため、トラ
ンジスタの正常な動作を妨げるという問題が生じる。こ
の問題を解決するために、各種の材料で形成されたバリ
ア膜をＣｕ配線の下地又は被覆として、Ｃｕの拡散を防
止する技術が提案されているが（例えば、特開昭５３−
１１６０８９号公報、特開昭６３−７３６４５号公報、
特開昭６３−１５６３４１号公報、特開平１−２０４４
４９号公報参照）、Ｃｕがバリア膜を経由してＳｉ又は
ＳｉＯ2 へ拡散することを十分に防止できず、十分な効
果があげられていない。また、Ｔｉ−ＮやＷ−Ｎなどの
窒化物，Ｔｉ−ＣやＷ−Ｃなどの炭化物でバリア膜を形
成する技術（米国特許４，９８５，７５０号）や、Ｔｉ
−Ｎの表面を酸化してバリア膜を形成する技術（米国特
許５，２３６，８６９号）が提案されているが、窒化物
は高い電気抵抗をもつため、Ｗ等からなるバリア膜に比
べ配線抵抗が高くなるという問題が生じる。
【０００６】また、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ等の窒化物、硼化
物をＣｕ配線の下地として用いることが提案されている
が（特開平１−２０２８４１号公報）、絶縁膜との密着
性は向上するものの、Ｃｕの拡散防止効果は十分でな
い。またＡｕ，ＡｇもＣｕと同様にＡｌに比較して抵抗
が低く、耐エレクトロマイグレーション性が高く、有望
である。しかしやはりＣｕと同様にＳｉ又はＳｉＯ 2 中
へ拡散しやすく、バリア効果が高く、配線抵抗を高くし
ないバリア膜が必要である。
物をＣｕ配線の下地として用いることが提案されている
が（特開平１−２０２８４１号公報）、絶縁膜との密着
性は向上するものの、Ｃｕの拡散防止効果は十分でな
い。またＡｕ，ＡｇもＣｕと同様にＡｌに比較して抵抗
が低く、耐エレクトロマイグレーション性が高く、有望
である。しかしやはりＣｕと同様にＳｉ又はＳｉＯ 2 中
へ拡散しやすく、バリア効果が高く、配線抵抗を高くし
ないバリア膜が必要である。
【０００７】さらにＡｌ配線も耐エレクトロマイグレー
ション性を高めるためにＣｕを添加した合金を使用する
ことが通例となっており、この場合にもＣｕの拡散を防
止するためのバリア膜が必要である。本発明は、上記事
情に鑑み、配線の耐エレクトロマイグレーション性を向
上すると共に、配線材料の原子が絶縁膜や基板へ拡散す
ることを抑制する半導体集積回路の配線構造体及びその
製造方法を提供することを目的とする。
ション性を高めるためにＣｕを添加した合金を使用する
ことが通例となっており、この場合にもＣｕの拡散を防
止するためのバリア膜が必要である。本発明は、上記事
情に鑑み、配線の耐エレクトロマイグレーション性を向
上すると共に、配線材料の原子が絶縁膜や基板へ拡散す
ることを抑制する半導体集積回路の配線構造体及びその
製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の半導体集積回路の配線構造体は、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備え
た半導体集積回路の配線構造体において、窒化物、硼化
物、及び炭化物から選ばれた金属化合物膜と金属膜とを
重ねた少なくとも１つの積層からなるバリア層を、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆として備えたことを特徴とするものであ
る。
の本発明の第１の半導体集積回路の配線構造体は、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線を備え
た半導体集積回路の配線構造体において、窒化物、硼化
物、及び炭化物から選ばれた金属化合物膜と金属膜とを
重ねた少なくとも１つの積層からなるバリア層を、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆として備えたことを特徴とするものであ
る。
【０００９】ここで、金属化合物膜が非晶質であること
が好ましい。また、金属化合物膜が非晶質の遷移金属窒
化物膜であることがより好ましい。さらに、金属化合物
膜が、非晶質の窒化Ｗ膜及び非晶質の窒化Ｗ合金膜のい
ずれか一方の膜であることがより一層好ましい。さらに
また、金属化合物膜が、１０Å〜１００Åの範囲内の厚
さを有する非晶質の遷移金属窒化物膜であることが好ま
しい。
が好ましい。また、金属化合物膜が非晶質の遷移金属窒
化物膜であることがより好ましい。さらに、金属化合物
膜が、非晶質の窒化Ｗ膜及び非晶質の窒化Ｗ合金膜のい
ずれか一方の膜であることがより一層好ましい。さらに
また、金属化合物膜が、１０Å〜１００Åの範囲内の厚
さを有する非晶質の遷移金属窒化物膜であることが好ま
しい。
【００１０】また、本発明の第２の半導体集積回路の配
線構造体は、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，
Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属から
なる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体におい
て、金属膜と、この金属膜の表面に形成された、この金
属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される少なく
とも１つの積層からなるバリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，
Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合
金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆
として備えたことを特徴とするものである。
線構造体は、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，
Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属から
なる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体におい
て、金属膜と、この金属膜の表面に形成された、この金
属膜を構成する金属の窒化金属膜とで構成される少なく
とも１つの積層からなるバリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，
Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合
金から選ばれた金属からなる配線の下地及び／又は被覆
として備えたことを特徴とするものである。
【００１１】ここで、上記金属膜としては、（１）Ｔａ
膜、（２）Ｗ膜、（３）Ｔａ−Ｗ合金膜、（４）Ｍｏ、
Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属が添加され
たＴａ合金膜、（５）Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから
選ばれた１つ以上の金属が添加されたＷ合金膜、（６）
Ｍｏ及び／又はＮｂを添加したＴａ−Ｗ合金膜、のいず
れかにすることが好ましい。
膜、（２）Ｗ膜、（３）Ｔａ−Ｗ合金膜、（４）Ｍｏ、
Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属が添加され
たＴａ合金膜、（５）Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから
選ばれた１つ以上の金属が添加されたＷ合金膜、（６）
Ｍｏ及び／又はＮｂを添加したＴａ−Ｗ合金膜、のいず
れかにすることが好ましい。
【００１２】また、上記目的を達成するための本発明の
第３の半導体集積回路の配線構造体は、Ｔａ−Ｗ合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層をＣ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。ま
た、本発明の第４の半導体集積回路の配線構造体は、Ｍ
ｏ及び／又はＮｂがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ
−Ｗ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれた
バリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，
Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属から
なる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とする
ものである。
第３の半導体集積回路の配線構造体は、Ｔａ−Ｗ合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層をＣ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。ま
た、本発明の第４の半導体集積回路の配線構造体は、Ｍ
ｏ及び／又はＮｂがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ
−Ｗ系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれた
バリア層を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，
Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属から
なる配線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とする
ものである。
【００１３】さらに、本発明の第５の半導体集積回路の
配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ
以上の金属がＴａに添加されてなるＴａ系合金の窒化
物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。
配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ
以上の金属がＴａに添加されてなるＴａ系合金の窒化
物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層を、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およ
びＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配線の下地
及び／又は被覆にしたことを特徴とするものである。
【００１４】さらにまた、本発明の第６の半導体集積回
路の配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選
ばれた１つ以上の金属がＷに添加されてなるＷ系合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層
を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合
金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配
線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするもので
ある。
路の配線構造体は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選
ばれた１つ以上の金属がＷに添加されてなるＷ系合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選択されたバリア層
を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合
金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属からなる配
線の下地及び／又は被覆にしたことを特徴とするもので
ある。
【００１５】ここで、「窒化物、硼化物、炭化物」と
は、化合物として存在しているものの他、上記合金の一
部に「Ｎ、Ｂ、Ｃ」が侵入型原子または置換型原子とし
て存在しているものも含む。また、本発明の半導体集積
回路の配線構造体の製造方法は、半導体集積回路の配線
構造体の製造方法において、絶縁膜の上に金属膜を形成
し、この金属膜の表面をプラズマ照射して窒化金属薄膜
を形成し、この窒化金属薄膜の上に配線を形成すること
を特徴とするものである。
は、化合物として存在しているものの他、上記合金の一
部に「Ｎ、Ｂ、Ｃ」が侵入型原子または置換型原子とし
て存在しているものも含む。また、本発明の半導体集積
回路の配線構造体の製造方法は、半導体集積回路の配線
構造体の製造方法において、絶縁膜の上に金属膜を形成
し、この金属膜の表面をプラズマ照射して窒化金属薄膜
を形成し、この窒化金属薄膜の上に配線を形成すること
を特徴とするものである。
【００１６】ここで、電子サイクロトロン共鳴条件下で
電子を加速して発生させたプラズマを照射することが好
ましい。また、プラズマ窒化金属薄膜の厚さは、１０Å
〜１００Åであることが好ましい。さらに、配線構造体
を製造する際に使用できる金属膜の材料は特に限定され
ないが、効果的なものとしては、金属膜が比較的容易に
成膜できかつ安定で緻密な窒化物を形成し得るＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｗなどが上げられる。この金属膜をスパッタ
リング法、真空蒸着法等により結晶膜として形成し、こ
の表面にＥＣＲプラズマを照射して表面のみにプラズマ
窒化金属薄膜を形成することが好ましい。
電子を加速して発生させたプラズマを照射することが好
ましい。また、プラズマ窒化金属薄膜の厚さは、１０Å
〜１００Åであることが好ましい。さらに、配線構造体
を製造する際に使用できる金属膜の材料は特に限定され
ないが、効果的なものとしては、金属膜が比較的容易に
成膜できかつ安定で緻密な窒化物を形成し得るＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｗなどが上げられる。この金属膜をスパッタ
リング法、真空蒸着法等により結晶膜として形成し、こ
の表面にＥＣＲプラズマを照射して表面のみにプラズマ
窒化金属薄膜を形成することが好ましい。
【００１７】
【作用】本発明の第１の半導体集積回路の配線構造体で
は、比較的比抵抗の小さいＷ，Ｍｏ，Ｔａなどの金属膜
と、比較的拡散抑制効果の高いＷ−Ｎ，Ｎｂ−Ｎ，Ｍｏ
−Ｎ，Ｔｉ−Ｎなどの金属化合物膜とを重ねた少なくと
も１つの積層をバリア層としているため、配線抵抗を損
なうことなく、十分なバリア性能を引き出すことができ
る。
は、比較的比抵抗の小さいＷ，Ｍｏ，Ｔａなどの金属膜
と、比較的拡散抑制効果の高いＷ−Ｎ，Ｎｂ−Ｎ，Ｍｏ
−Ｎ，Ｔｉ−Ｎなどの金属化合物膜とを重ねた少なくと
も１つの積層をバリア層としているため、配線抵抗を損
なうことなく、十分なバリア性能を引き出すことができ
る。
【００１８】積層構造のバリア層において、上記比較的
拡散抑制効果の高い金属化合物膜として非晶質の膜を使
用することにより、さらに高いバリア性能が得られる。
多結晶質の材料をバリア材として用いた場合、Ｃｕ，Ａ
ｕ，Ａｇは拡散速度の速い結晶粒界を通して拡散する。
したがって、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散係数の小さいＷ，
Ｔｉ−Ｎ，Ｚｒ−Ｎ等の金属あるいは金属化合物膜をバ
リア層として用いても、必ずしも拡散を有効に防止する
ことはできない。そこで、粒界の存在しない非晶質膜を
バリア層として用いることによって、速い粒界拡散を効
果的に防止することができる。粒界拡散を防ぐ他の方法
として、バリア層として単結晶膜を用いることも可能で
あるが、基板全面に無欠陥の単結晶膜を成膜することは
事実上極めて困難である。
拡散抑制効果の高い金属化合物膜として非晶質の膜を使
用することにより、さらに高いバリア性能が得られる。
多結晶質の材料をバリア材として用いた場合、Ｃｕ，Ａ
ｕ，Ａｇは拡散速度の速い結晶粒界を通して拡散する。
したがって、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散係数の小さいＷ，
Ｔｉ−Ｎ，Ｚｒ−Ｎ等の金属あるいは金属化合物膜をバ
リア層として用いても、必ずしも拡散を有効に防止する
ことはできない。そこで、粒界の存在しない非晶質膜を
バリア層として用いることによって、速い粒界拡散を効
果的に防止することができる。粒界拡散を防ぐ他の方法
として、バリア層として単結晶膜を用いることも可能で
あるが、基板全面に無欠陥の単結晶膜を成膜することは
事実上極めて困難である。
【００１９】非晶質材料を積層構造のバリア層の一方の
膜として使う場合、その中でのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散
速度は、粒界拡散が無視できるようになるため、一般に
膜の自己拡散係数が小さいほど小さくなる。したがっ
て、非晶質材料として、自己拡散係数の小さい高融点の
遷移金属窒化物を用いることによって、さらにバリア性
能を向上できる。
膜として使う場合、その中でのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散
速度は、粒界拡散が無視できるようになるため、一般に
膜の自己拡散係数が小さいほど小さくなる。したがっ
て、非晶質材料として、自己拡散係数の小さい高融点の
遷移金属窒化物を用いることによって、さらにバリア性
能を向上できる。
【００２０】非晶質遷移金属窒化物を積層構造のバリア
層の一方の膜にした場合、その形成法は限定されない
が、一般的には、他方の良導性バリアと非晶質遷移金属
窒化物とを順次に蒸着させて形成する。一例を挙げれ
ば、二種類の積層バリアの一方の良導性バリアとして金
属膜を化学的気相成長法あるいはスパッタリング法によ
って形成したのち、連続あるいは他の装置に移した上
で、高バリア性の遷移金属窒化物膜を、非晶質化する条
件でスパッタリングあるいは反応性スパッタリングで形
成する。この方法では、遷移金属窒化物膜の膜厚制御可
能範囲に限界がある。そこで、積層バリアの一方の良導
性バリアとしての金属膜を予め形成しておき、次いで窒
素プラズマを照射して表面を窒化するとともに、プラズ
マのエネルギーで表面を非晶質化する手段をとることが
できる。この方法によれば、プラズマの照射時間やエネ
ルギー、プラズマソースを変えることによって、予め形
成しておいた低抵抗バリア膜の膜厚を十分に確保したま
ま、表面のごく一部を非常にバリア性の高い非晶質窒化
物膜とする構造を容易に形成できる。
層の一方の膜にした場合、その形成法は限定されない
が、一般的には、他方の良導性バリアと非晶質遷移金属
窒化物とを順次に蒸着させて形成する。一例を挙げれ
ば、二種類の積層バリアの一方の良導性バリアとして金
属膜を化学的気相成長法あるいはスパッタリング法によ
って形成したのち、連続あるいは他の装置に移した上
で、高バリア性の遷移金属窒化物膜を、非晶質化する条
件でスパッタリングあるいは反応性スパッタリングで形
成する。この方法では、遷移金属窒化物膜の膜厚制御可
能範囲に限界がある。そこで、積層バリアの一方の良導
性バリアとしての金属膜を予め形成しておき、次いで窒
素プラズマを照射して表面を窒化するとともに、プラズ
マのエネルギーで表面を非晶質化する手段をとることが
できる。この方法によれば、プラズマの照射時間やエネ
ルギー、プラズマソースを変えることによって、予め形
成しておいた低抵抗バリア膜の膜厚を十分に確保したま
ま、表面のごく一部を非常にバリア性の高い非晶質窒化
物膜とする構造を容易に形成できる。
【００２１】ここで、上記した表面をプラズマ窒化する
方法において、その具体的な材料としてはＷまたはその
合金を用いることが特に好適である。Ｗの比抵抗は比較
的低いため、配線の微細化に伴う比抵抗の増加を最小限
に抑さえることができる。また、Ｗは窒素プラズマの照
射によって容易に窒化され、非晶質のＷ−Ｎを形成す
る。非晶質Ｗ−Ｎのバリア性能は、一般の金属や窒化物
等に比べて非常に高いため、２０Å程度の極薄の膜で
も、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散を阻止できる。
方法において、その具体的な材料としてはＷまたはその
合金を用いることが特に好適である。Ｗの比抵抗は比較
的低いため、配線の微細化に伴う比抵抗の増加を最小限
に抑さえることができる。また、Ｗは窒素プラズマの照
射によって容易に窒化され、非晶質のＷ−Ｎを形成す
る。非晶質Ｗ−Ｎのバリア性能は、一般の金属や窒化物
等に比べて非常に高いため、２０Å程度の極薄の膜で
も、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散を阻止できる。
【００２２】Ｗ−Ｎ／Ｗの多層膜を形成するプロセスと
しては、まず、絶縁膜上にＷをスパッタリングあるいは
ＣＶＤ法によって形成する。このＷ膜の上に、窒素プラ
ズマを照射する。これによってＷ表面が窒化され、かつ
アモルファス化する。窒素プラズマの発生方法として
は、高密度のプラズマが立てられるＥＣＲを使うのが好
適である。次いで、その上から例えばＣｕをスパッタリ
ングあるいはＣＶＤ法によって成膜し、Ｃｕ配線パター
ン加工する。さらに、必要ならば、Ｗの選択ＣＶＤによ
り、Ｃｕ配線の周囲にＷを薄く被覆する。この後、Ｗの
表面に窒素プラズマを照射し、表面窒化層を形成する。
しては、まず、絶縁膜上にＷをスパッタリングあるいは
ＣＶＤ法によって形成する。このＷ膜の上に、窒素プラ
ズマを照射する。これによってＷ表面が窒化され、かつ
アモルファス化する。窒素プラズマの発生方法として
は、高密度のプラズマが立てられるＥＣＲを使うのが好
適である。次いで、その上から例えばＣｕをスパッタリ
ングあるいはＣＶＤ法によって成膜し、Ｃｕ配線パター
ン加工する。さらに、必要ならば、Ｗの選択ＣＶＤによ
り、Ｃｕ配線の周囲にＷを薄く被覆する。この後、Ｗの
表面に窒素プラズマを照射し、表面窒化層を形成する。
【００２３】次に、本発明の第２の半導体集積回路の配
線構造体には、金属膜とこの金属膜を構成する金属の窒
化金属膜とからなる積層が少なくとも１層形成されたバ
リア層が形成されている。窒化金属膜をプラズマ照射に
よって形成すると、その結晶構造をＸ線回折で調べると
ほぼ完全に非晶質であることが判明した。これに対して
他の方法、例えば反応性スパッタリングやＣＶＤによっ
て成膜された膜は、一般的には結晶質窒化金属膜にな
る。従ってプラズマ照射によって形成した窒化金属膜の
方が、絶縁膜や基板へのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの粒界拡散を
抑制する効果が優れている。また窒化Ｗの場合には、反
応性スパッタリングでも、条件によっては非晶質状態に
近い膜を得ることができる。ただしこの膜はＷとＮとの
組成比が２〜４のＷリッチの膜である。これに対してプ
ラズマ照射によれば、組成比が１に近い（１±０．２）
膜を得ることができる。このような窒化Ｗ膜は、特に高
いバリア性を持つ。また、プラズマ窒化によって金属膜
の表面が窒化されると共にプラズマによる膜表面のスパ
ッタリング効果によってバリア層表面が平坦化される。
これにより、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性
も改善されパターニング加工工程におけるパターン形状
の不良率が著しく改善される。
線構造体には、金属膜とこの金属膜を構成する金属の窒
化金属膜とからなる積層が少なくとも１層形成されたバ
リア層が形成されている。窒化金属膜をプラズマ照射に
よって形成すると、その結晶構造をＸ線回折で調べると
ほぼ完全に非晶質であることが判明した。これに対して
他の方法、例えば反応性スパッタリングやＣＶＤによっ
て成膜された膜は、一般的には結晶質窒化金属膜にな
る。従ってプラズマ照射によって形成した窒化金属膜の
方が、絶縁膜や基板へのＣｕ，Ａｕ，Ａｇの粒界拡散を
抑制する効果が優れている。また窒化Ｗの場合には、反
応性スパッタリングでも、条件によっては非晶質状態に
近い膜を得ることができる。ただしこの膜はＷとＮとの
組成比が２〜４のＷリッチの膜である。これに対してプ
ラズマ照射によれば、組成比が１に近い（１±０．２）
膜を得ることができる。このような窒化Ｗ膜は、特に高
いバリア性を持つ。また、プラズマ窒化によって金属膜
の表面が窒化されると共にプラズマによる膜表面のスパ
ッタリング効果によってバリア層表面が平坦化される。
これにより、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性
も改善されパターニング加工工程におけるパターン形状
の不良率が著しく改善される。
【００２４】ここで、Ｗ、Ｔａ、及びＴａ−Ｗ合金は、
他の金属に比べて化学的に安定であり、熱処理によるＣ
ｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小さく、配線の比抵抗
上昇を抑制することができる。また、上記（４）〜
（６）に記載した元素を添加すると、膜密度の向上と共
にバリア性能の向上が認められる。また、プラズマ照射
によって得られる窒化層は１００Å以下と薄いため、よ
りバリア性能を高めるために、Ｗ膜、Ｔａ膜、又はＴａ
−Ｗ合金層の成膜とプラズマ窒化の繰り返しによってバ
リア層全体の中の窒化膜の割合を増加させることによ
り、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散バリア効果を著しく向上で
きる。
他の金属に比べて化学的に安定であり、熱処理によるＣ
ｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小さく、配線の比抵抗
上昇を抑制することができる。また、上記（４）〜
（６）に記載した元素を添加すると、膜密度の向上と共
にバリア性能の向上が認められる。また、プラズマ照射
によって得られる窒化層は１００Å以下と薄いため、よ
りバリア性能を高めるために、Ｗ膜、Ｔａ膜、又はＴａ
−Ｗ合金層の成膜とプラズマ窒化の繰り返しによってバ
リア層全体の中の窒化膜の割合を増加させることによ
り、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散バリア効果を著しく向上で
きる。
【００２５】しかも、バリア層を多層構造にすると、単
層構造に比べて、結晶粒成長に起因するバリア膜表面の
凹凸を小さくできる。このため、上記した膜表面のスパ
ッタリング効果と相まって、バリア膜表面に形成される
金属膜の平坦性もより改善され、パターニング加工工程
におけるパターン形状の不良率が著しく改善される。こ
の結果、０．２５μｍ以下の微細な配線構造において要
求される配線の高度の加工技術（パターニング技術）に
対応できる。
層構造に比べて、結晶粒成長に起因するバリア膜表面の
凹凸を小さくできる。このため、上記した膜表面のスパ
ッタリング効果と相まって、バリア膜表面に形成される
金属膜の平坦性もより改善され、パターニング加工工程
におけるパターン形状の不良率が著しく改善される。こ
の結果、０．２５μｍ以下の微細な配線構造において要
求される配線の高度の加工技術（パターニング技術）に
対応できる。
【００２６】また、本発明の第３から第６までの半導体
集積回路の配線構造体において用いるＴａ−Ｗ合金、Ｔ
ａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金それぞれの窒化
物、硼化物、炭化物は、Ｔａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合
金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金と比べて化学的に安定であ
り、熱処理の際にＣｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小
さい。合金膜は純金属膜に比較して結晶粒が一般的に微
細であるため、例えばプラズマ窒化によってより均一
な、非晶質の窒化膜を形成することができる。また形成
後の熱処理による再結晶化も発生しにくい。このため、
これら窒化物、硼化物、炭化物を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａ
ｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金
から選ばれた金属からなる配線の拡散防止バリアにする
と、優れた拡散防止効果を発揮する。
集積回路の配線構造体において用いるＴａ−Ｗ合金、Ｔ
ａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金それぞれの窒化
物、硼化物、炭化物は、Ｔａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合
金、Ｔａ系合金、Ｗ系合金と比べて化学的に安定であ
り、熱処理の際にＣｕ，Ａｕ，Ａｇとの反応も非常に小
さい。合金膜は純金属膜に比較して結晶粒が一般的に微
細であるため、例えばプラズマ窒化によってより均一
な、非晶質の窒化膜を形成することができる。また形成
後の熱処理による再結晶化も発生しにくい。このため、
これら窒化物、硼化物、炭化物を、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａ
ｕ，Ａｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金
から選ばれた金属からなる配線の拡散防止バリアにする
と、優れた拡散防止効果を発揮する。
【００２７】また、本発明の半導体集積回路の配線構造
体の製造方法によれば、金属膜の表面をプラズマ照射し
てプラズマ窒化金属薄膜を形成するため、例えば２５Å
〜５０Å程度の厚さのプラズマ窒化金属薄膜を均一に成
膜できる。このため、実質的な窒化物の膜厚を低く保つ
ことができ、配線抵抗が高くなることが極めて少ない。
なお、反応性スパッタリング等による膜厚制御ではこの
ように薄い窒化膜を均一に成膜することは困難である。
体の製造方法によれば、金属膜の表面をプラズマ照射し
てプラズマ窒化金属薄膜を形成するため、例えば２５Å
〜５０Å程度の厚さのプラズマ窒化金属薄膜を均一に成
膜できる。このため、実質的な窒化物の膜厚を低く保つ
ことができ、配線抵抗が高くなることが極めて少ない。
なお、反応性スパッタリング等による膜厚制御ではこの
ように薄い窒化膜を均一に成膜することは困難である。
【００２８】ここで、上記製造方法をＣｕ，Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｃｕ合金，Ａｕ合金，Ａｇ合金，Ａｌ−Ｃｕ合金か
らなる配線構造体に適用すると、プラズマ窒化金属薄膜
により、配線抵抗を低く保ったままで絶縁膜や基板への
Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散が良好に抑制されるというバリ
ア効果を得ることができる。
ｇ，Ｃｕ合金，Ａｕ合金，Ａｇ合金，Ａｌ−Ｃｕ合金か
らなる配線構造体に適用すると、プラズマ窒化金属薄膜
により、配線抵抗を低く保ったままで絶縁膜や基板への
Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇの拡散が良好に抑制されるというバリ
ア効果を得ることができる。
【００２９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。 ［第１実施例］表１に、Ｃｕに対する各種バリア材料の
バリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、積層
構造を有する膜のバリア性を比較検討するために、シリ
コン基板上に種々の構造の膜を形成し、Ｃｕの膜を形成
し、拡散熱処理した後、シリコン基板表面に達したＣｕ
の濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａ
ｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定したもの
である。
する。 ［第１実施例］表１に、Ｃｕに対する各種バリア材料の
バリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、積層
構造を有する膜のバリア性を比較検討するために、シリ
コン基板上に種々の構造の膜を形成し、Ｃｕの膜を形成
し、拡散熱処理した後、シリコン基板表面に達したＣｕ
の濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａ
ｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定したもの
である。
【００３０】各試料は、シリコン基板上にバリア膜を合
計で６００Å堆積し、さらにそのバリア膜上にＲＦマグ
ネトロンスパッタリングにより銅を５０００Å堆積して
形成したものである。形成後、各試料に、水素ガス雰囲
気中で５００℃×１ｈの熱処理を施し、シリコン基板表
面の銅濃度を測定した。表１から、多層構造を有するバ
リア層が、銅の拡散防止バリア効果が著しく優れている
ことがわかる。特に、非晶質の窒化物膜を含む多層構造
がバリア性に優れていることがわかる。さらにプラズマ
窒化により形成された非晶質のＷ窒化物膜を含む多層構
造がバリア性に優れていることがわかる。
計で６００Å堆積し、さらにそのバリア膜上にＲＦマグ
ネトロンスパッタリングにより銅を５０００Å堆積して
形成したものである。形成後、各試料に、水素ガス雰囲
気中で５００℃×１ｈの熱処理を施し、シリコン基板表
面の銅濃度を測定した。表１から、多層構造を有するバ
リア層が、銅の拡散防止バリア効果が著しく優れている
ことがわかる。特に、非晶質の窒化物膜を含む多層構造
がバリア性に優れていることがわかる。さらにプラズマ
窒化により形成された非晶質のＷ窒化物膜を含む多層構
造がバリア性に優れていることがわかる。
【００３１】
【表１】
【００３２】次に、図１から図７まで参照して、本発明
の配線構造体とその製造方法の一例を説明する。図１に
示されるように、シリコン基板１０の表面に５０００Å
のＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ
Ｇｌａｓｓ）の絶縁膜１２を形成する。この絶縁膜１
２の全表面に、図２に示されるように、タングステン膜
１４をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴ
ン雰囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度１０Å／ｓで６
００Å形成する。次に、図３に示されるように、このタ
ングステン膜１４の表面に、窒素ガス圧１ｍＴｏｒｒ、
窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波出力６００ＷのＥ
ＣＲプラズマを６０秒間照射することにより、非晶質Ｗ
−Ｎ膜１６を、約２０Å形成する。次に、図４に示され
るように、この非晶質Ｗ−Ｎ膜１６の表面に、銅膜１８
をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴン雰
囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度６０Å／ｓで形成す
る。その後、図５に示されるように、銅膜１８、Ｗ−Ｎ
膜１６、及びタングステン膜１４をパターニングして銅
配線２０を形成する。さらにその後、図６に示されるよ
うに、ＣＶＤ法によって、タングステンを銅配線２０、
Ｗ−Ｎ膜１６、及びタングステン膜１４の外面のみに選
択的に４００Å成長させてタングステン被覆膜２２を形
成する。このタングステン被覆膜２２は、試料温度を２
００℃〜４００℃とし、六フッ化タングステンガスと水
素ガスの混合ガスを成膜室に供給し、ガス圧を１Ｔｏｒ
ｒ以下とすることにより形成する。この成膜方法による
と、界面反応が律速となり、銅配線２０、Ｗ−Ｎ膜１
６、およびタングステン膜１４の外面にのみタングステ
ンを選択成長させることができる。最後に、図７に示す
ように、ＣＶＤタングステン膜の表面を、再び窒素ガス
圧１ｍＴｏｒｒ、窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波
出力６００ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射して、非
晶質Ｗ−Ｎ膜２４を約２０Å形成する。
の配線構造体とその製造方法の一例を説明する。図１に
示されるように、シリコン基板１０の表面に５０００Å
のＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ
Ｇｌａｓｓ）の絶縁膜１２を形成する。この絶縁膜１
２の全表面に、図２に示されるように、タングステン膜
１４をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴ
ン雰囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度１０Å／ｓで６
００Å形成する。次に、図３に示されるように、このタ
ングステン膜１４の表面に、窒素ガス圧１ｍＴｏｒｒ、
窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波出力６００ＷのＥ
ＣＲプラズマを６０秒間照射することにより、非晶質Ｗ
−Ｎ膜１６を、約２０Å形成する。次に、図４に示され
るように、この非晶質Ｗ−Ｎ膜１６の表面に、銅膜１８
をＲＦマグネトロンスパッタリングによってアルゴン雰
囲気下全圧２ｍＴｏｒｒ、成膜速度６０Å／ｓで形成す
る。その後、図５に示されるように、銅膜１８、Ｗ−Ｎ
膜１６、及びタングステン膜１４をパターニングして銅
配線２０を形成する。さらにその後、図６に示されるよ
うに、ＣＶＤ法によって、タングステンを銅配線２０、
Ｗ−Ｎ膜１６、及びタングステン膜１４の外面のみに選
択的に４００Å成長させてタングステン被覆膜２２を形
成する。このタングステン被覆膜２２は、試料温度を２
００℃〜４００℃とし、六フッ化タングステンガスと水
素ガスの混合ガスを成膜室に供給し、ガス圧を１Ｔｏｒ
ｒ以下とすることにより形成する。この成膜方法による
と、界面反応が律速となり、銅配線２０、Ｗ−Ｎ膜１
６、およびタングステン膜１４の外面にのみタングステ
ンを選択成長させることができる。最後に、図７に示す
ように、ＣＶＤタングステン膜の表面を、再び窒素ガス
圧１ｍＴｏｒｒ、窒素流量２０ｓｃｃｍで、マイクロ波
出力６００ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射して、非
晶質Ｗ−Ｎ膜２４を約２０Å形成する。
【００３３】ここで、この配線構造体を多層化するため
には、非晶質Ｗ−Ｎ膜２４の上に、通常のＳｉＯ2 等の
絶縁層を設け、この絶縁膜の上に、上記した配線構造体
を同様の方法で製造すればよい。プラズマ窒化膜の膜厚
は、プラズマ電力、加速電圧、基板温度等を変化させる
ことによって制御できる。ＥＣＲプラズマを用いた場
合、加速なし、プラズマ電力６００Ｗ、基板温度室温の
条件下で約２０ÅのＷ−Ｎ膜を４０秒以上の窒化時間で
形成できる。この膜厚は、窒化時間を５分まで増加させ
てもほとんど増加しなかった。またこの膜に含まれるＷ
原子とＮ原子との組成比は１に近い（１±０．２）こと
がＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ）によって確認された。
には、非晶質Ｗ−Ｎ膜２４の上に、通常のＳｉＯ2 等の
絶縁層を設け、この絶縁膜の上に、上記した配線構造体
を同様の方法で製造すればよい。プラズマ窒化膜の膜厚
は、プラズマ電力、加速電圧、基板温度等を変化させる
ことによって制御できる。ＥＣＲプラズマを用いた場
合、加速なし、プラズマ電力６００Ｗ、基板温度室温の
条件下で約２０ÅのＷ−Ｎ膜を４０秒以上の窒化時間で
形成できる。この膜厚は、窒化時間を５分まで増加させ
てもほとんど増加しなかった。またこの膜に含まれるＷ
原子とＮ原子との組成比は１に近い（１±０．２）こと
がＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ）によって確認された。
【００３４】基板温度を１００℃に高めることによって
５０Åまで、さらに２００℃に高めることによって１０
０ÅにまでＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただ
し５０Å以上ではバリア性に顕著な向上は見られず、一
方、Ｗ膜厚が減少することによって配線抵抗は僅かなが
ら増大した。さらに、基板温度２００℃において、基板
に２００Ｖの加速電圧を加えることによって１５０Åま
でＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただし膜厚が
１００Åを越えると、粗な窒化金属膜が形成され、かえ
ってバリア性は劣化した。
５０Åまで、さらに２００℃に高めることによって１０
０ÅにまでＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただ
し５０Å以上ではバリア性に顕著な向上は見られず、一
方、Ｗ膜厚が減少することによって配線抵抗は僅かなが
ら増大した。さらに、基板温度２００℃において、基板
に２００Ｖの加速電圧を加えることによって１５０Åま
でＷ−Ｎ膜厚を増加させることができた。ただし膜厚が
１００Åを越えると、粗な窒化金属膜が形成され、かえ
ってバリア性は劣化した。
【００３５】一方プラズマ電力を低下させたり、照射時
間を４０秒以下に短縮させたりすることにより、より薄
いＷ−Ｎ膜を得ることもできる。例えばプラズマ電力２
００Ｗ、窒化時間１０秒において８ÅにまでＷ−Ｎ膜厚
を減少させることができた。ただし膜厚が１０Å未満に
なると、顕著にバリア性が低下した。従って、Ｗ−Ｎ膜
厚は１０Å〜１００Åの範囲にすることが好ましく、さ
らに１０Å〜５０Åの範囲にすることが好ましい。
間を４０秒以下に短縮させたりすることにより、より薄
いＷ−Ｎ膜を得ることもできる。例えばプラズマ電力２
００Ｗ、窒化時間１０秒において８ÅにまでＷ−Ｎ膜厚
を減少させることができた。ただし膜厚が１０Å未満に
なると、顕著にバリア性が低下した。従って、Ｗ−Ｎ膜
厚は１０Å〜１００Åの範囲にすることが好ましく、さ
らに１０Å〜５０Åの範囲にすることが好ましい。
【００３６】窒化に使用するプラズマの発生方法は、金
属膜表面を実用的な時間内で窒化させるため、高い密度
のプラズマを発生できる方法が望ましい。通常の１３．
５６ＭＨｚの高周波プラズマでは、実用的な窒化時間内
で十分なＷ−Ｎ膜厚を得る条件は見出せなかった。通常
の高周波プラズマではプラズマ密度が１×１０10ｃｍ -3
程度と低いためと解釈できる。これに対してＥＣＲでは
５×１０10ｃｍ-3以上の高いプラズマ密度を得ることが
できるため、４０秒という短時間の窒化によって十分な
膜厚のＷ−Ｎ膜を得ることができたものと解釈できる。
属膜表面を実用的な時間内で窒化させるため、高い密度
のプラズマを発生できる方法が望ましい。通常の１３．
５６ＭＨｚの高周波プラズマでは、実用的な窒化時間内
で十分なＷ−Ｎ膜厚を得る条件は見出せなかった。通常
の高周波プラズマではプラズマ密度が１×１０10ｃｍ -3
程度と低いためと解釈できる。これに対してＥＣＲでは
５×１０10ｃｍ-3以上の高いプラズマ密度を得ることが
できるため、４０秒という短時間の窒化によって十分な
膜厚のＷ−Ｎ膜を得ることができたものと解釈できる。
【００３７】ＥＣＲと同様に高密度のプラズマを得るこ
とができるプラズマ発生方法としては、ヘリコン（Ｈｅ
ｌｉｃｏｎ）プラズマ、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓ
ｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）等が好
適に使用できる。また、Ｗ−Ｔａ合金，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔ
ｉがＴａに添加されたＴａ系合金、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｄ，
ＰｂがＷに添加されたＷ系合金の表面を窒化した積層構
造からなるバリア層を使用することにより、さらに高い
バリア性が得られる。
とができるプラズマ発生方法としては、ヘリコン（Ｈｅ
ｌｉｃｏｎ）プラズマ、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓ
ｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）等が好
適に使用できる。また、Ｗ−Ｔａ合金，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔ
ｉがＴａに添加されたＴａ系合金、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｄ，
ＰｂがＷに添加されたＷ系合金の表面を窒化した積層構
造からなるバリア層を使用することにより、さらに高い
バリア性が得られる。
【００３８】［第２実施例］バリア材料としてＮｂとプ
ラズマ窒化Ｎｂを用いた配線構造体の製造方法を、図８
から図１０までを参照して説明する。図８に示されるよ
うに、Ｓｉ基板３０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂ
ｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）
の絶縁膜３２を形成し、この絶縁膜３２の表面に、Ｎｂ
結晶質膜３４を形成する。このＮｂ結晶質膜３４は、全
圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で、ＲＦマグネトロンス
パッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで１０００Å成
長させた。その後、このＮｂ結晶質膜３４の表面に、Ｎ
2 ガス圧１ｍＴｏｒｒ（流量２０ｓｃｃｍ）、出力４０
０ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射することによりＮ
ｂ結晶質膜３４の表面を窒化し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜
（Ｎｂ−Ｎ）３４ａを形成した。このプラズマ窒化Ｎｂ
薄膜３４ａの表面に、Ｃｕ膜３６をＲＦマグネトロンス
パッタリングにより２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で形成
し、図９に示されるように、これらをパターニングして
Ｃｕ配線３６ａを形成した。図１０は、Ｃｕ配線３６ａ
とこのＣｕ配線３６ａの下地膜を示す拡大図であり、Ｎ
ｂ結晶質膜３４の上部にはプラズマ照射により非晶質の
窒化Ｎｂ薄膜３４ａが形成されている。なお。Ｃｕ膜３
６の代わりにＡｌ−Ｃｕ合金膜を形成した場合にも、Ｎ
ｂ−Ｎ／Ｎｂ層積膜はＡｌ−Ｃｕ合金膜中のＣｕの拡散
を防止するために有効である。 ［第３実施例］ここでは、配線構造体の実施例を、比較
例と共に説明する。
ラズマ窒化Ｎｂを用いた配線構造体の製造方法を、図８
から図１０までを参照して説明する。図８に示されるよ
うに、Ｓｉ基板３０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ（Ｂ
ｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）
の絶縁膜３２を形成し、この絶縁膜３２の表面に、Ｎｂ
結晶質膜３４を形成する。このＮｂ結晶質膜３４は、全
圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で、ＲＦマグネトロンス
パッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで１０００Å成
長させた。その後、このＮｂ結晶質膜３４の表面に、Ｎ
2 ガス圧１ｍＴｏｒｒ（流量２０ｓｃｃｍ）、出力４０
０ＷのＥＣＲプラズマを６０秒間照射することによりＮ
ｂ結晶質膜３４の表面を窒化し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜
（Ｎｂ−Ｎ）３４ａを形成した。このプラズマ窒化Ｎｂ
薄膜３４ａの表面に、Ｃｕ膜３６をＲＦマグネトロンス
パッタリングにより２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で形成
し、図９に示されるように、これらをパターニングして
Ｃｕ配線３６ａを形成した。図１０は、Ｃｕ配線３６ａ
とこのＣｕ配線３６ａの下地膜を示す拡大図であり、Ｎ
ｂ結晶質膜３４の上部にはプラズマ照射により非晶質の
窒化Ｎｂ薄膜３４ａが形成されている。なお。Ｃｕ膜３
６の代わりにＡｌ−Ｃｕ合金膜を形成した場合にも、Ｎ
ｂ−Ｎ／Ｎｂ層積膜はＡｌ−Ｃｕ合金膜中のＣｕの拡散
を防止するために有効である。 ［第３実施例］ここでは、配線構造体の実施例を、比較
例と共に説明する。
【００３９】表２は、上記の方法で形成したＮｂ結晶質
膜とプラズマ窒化Ｎｂ薄膜（Ｎｂ−Ｎ）を用いた実施
例、スパッタリングによって１０００ÅのＴｉ−Ｎを下
地として形成した比較例、及び下地を絶縁膜のままとし
た比較例それぞれ配線抵抗の値である。試料は、Ａｌ−
Ｃｕ合金配線と下地膜を合わせた合計の膜厚が１０００
０Åとなるように積膜し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜の厚さ
は２５Å〜５０Åの範囲である。
膜とプラズマ窒化Ｎｂ薄膜（Ｎｂ−Ｎ）を用いた実施
例、スパッタリングによって１０００ÅのＴｉ−Ｎを下
地として形成した比較例、及び下地を絶縁膜のままとし
た比較例それぞれ配線抵抗の値である。試料は、Ａｌ−
Ｃｕ合金配線と下地膜を合わせた合計の膜厚が１０００
０Åとなるように積膜し、プラズマ窒化Ｎｂ薄膜の厚さ
は２５Å〜５０Åの範囲である。
【００４０】表３は、上記の方法で作製したプラズマ窒
化金属薄膜を用いた実施例、及び各種の下地材料を用い
た比較例の、Ｃｕに対するバリア性をＳＩＭＳ（Ｓｅｃ
ｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ 二次イオン質量分析）によって評価した結果で
ある。試料は下地の上にＣｕを１０００Å積膜し、Ｈ 2
雰囲気中で６００℃×１ｈの熱処理（昇温速度：１００
℃／ｈ）を行ったもので、これらをＳＩＭＳを用いてＣ
ｕのデプスプロファイルを得ることにより、Ｓｉウエハ
中のＣｕの濃度を比較した。
化金属薄膜を用いた実施例、及び各種の下地材料を用い
た比較例の、Ｃｕに対するバリア性をＳＩＭＳ（Ｓｅｃ
ｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ 二次イオン質量分析）によって評価した結果で
ある。試料は下地の上にＣｕを１０００Å積膜し、Ｈ 2
雰囲気中で６００℃×１ｈの熱処理（昇温速度：１００
℃／ｈ）を行ったもので、これらをＳＩＭＳを用いてＣ
ｕのデプスプロファイルを得ることにより、Ｓｉウエハ
中のＣｕの濃度を比較した。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】表２，３に示されるように、これまで提案
されている金属膜、窒化物膜に比べ本実施例のように下
地の表面をプラズマ窒化しプラズマ窒化金属薄膜を形成
すると、配線抵抗の上昇を抑制できると共にＣｕの拡散
を著しく減少させることができる。 ［第４実施例］次に、配線構造体の他の実施例を、比較
例とともに説明する。
されている金属膜、窒化物膜に比べ本実施例のように下
地の表面をプラズマ窒化しプラズマ窒化金属薄膜を形成
すると、配線抵抗の上昇を抑制できると共にＣｕの拡散
を著しく減少させることができる。 ［第４実施例］次に、配線構造体の他の実施例を、比較
例とともに説明する。
【００４４】表４は、同じ厚さを持つ各種バリア層のＣ
ｕに対するバリア性の相違を比較するために、Ｃｕ／Ｍ
／Ｓｉ（Ｍは各種バリア層を表わす）積層膜を拡散熱処
理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎ
ｄａｒｙ−Ｉｏｎ ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ）によって測定した結果である。
ｕに対するバリア性の相違を比較するために、Ｃｕ／Ｍ
／Ｓｉ（Ｍは各種バリア層を表わす）積層膜を拡散熱処
理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎ
ｄａｒｙ−Ｉｏｎ ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ）によって測定した結果である。
【００４５】
【表４】
【００４６】比較例の試料は、先ず、Ｓｉ基板上に単層
のバリア膜をＲＦマグネトロンスパッタリングにより６
００Å堆積させた。一方、実施例の試料は、先ず、Ｓｉ
基板上に金属膜をＲＦマグネトロンスパッタリングで形
成し、この金属膜の表面にプラズマ窒化金属薄膜をＥＣ
Ｒプラズマ窒化法により形成して１層目とし、この１層
目の上に上記方法で金属膜、プラズマ窒化金属薄膜を順
次形成して厚さ６００Åの多層のバリア層を形成した。
さらに、これら比較例と実施例の試料の表面に、Ｃｕを
ＲＦマグネトロンスパッタリングにより５０００Å積層
して多層膜を形成し、この多層膜が形成されたこれらの
試料に、Ｈ2 ガス雰囲気中で６４０℃×１ｈの熱処理を
施し、その後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳを用いて
測定し、比較した。表３から明らかなように、従来のＣ
ｒ、Ｍｏ、ＴｉＮ等のバリア膜に比べて、実施例のバリ
ア層ではＳｉ表面のＣｕ濃度が著しく減少しており、本
発明の有効性が明らかに分かる。
のバリア膜をＲＦマグネトロンスパッタリングにより６
００Å堆積させた。一方、実施例の試料は、先ず、Ｓｉ
基板上に金属膜をＲＦマグネトロンスパッタリングで形
成し、この金属膜の表面にプラズマ窒化金属薄膜をＥＣ
Ｒプラズマ窒化法により形成して１層目とし、この１層
目の上に上記方法で金属膜、プラズマ窒化金属薄膜を順
次形成して厚さ６００Åの多層のバリア層を形成した。
さらに、これら比較例と実施例の試料の表面に、Ｃｕを
ＲＦマグネトロンスパッタリングにより５０００Å積層
して多層膜を形成し、この多層膜が形成されたこれらの
試料に、Ｈ2 ガス雰囲気中で６４０℃×１ｈの熱処理を
施し、その後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳを用いて
測定し、比較した。表３から明らかなように、従来のＣ
ｒ、Ｍｏ、ＴｉＮ等のバリア膜に比べて、実施例のバリ
ア層ではＳｉ表面のＣｕ濃度が著しく減少しており、本
発明の有効性が明らかに分かる。
【００４７】次に、図１１から図１３までを参照して、
上記表４のうちのＷ膜とプラズマ窒化Ｗ薄膜（Ｗ−Ｎ／
Ｗ）からなる層を６層に積層したバリア層が形成された
配線構造体の形成方法を説明する。図１１に示されるよ
うにに、Ｓｉ基板４０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ
（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓ
ｓ）の絶縁膜４２を形成し、この絶縁膜４２の全表面に
Ｗ膜を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマ
グネトロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで
１００Å成長させる。このＷ膜の表面に、Ｎ2 ガス圧力
１ｍＴｏｒｒ，プラズマ出力４００ＷのＥＣＲプラズマ
を６０ｓ照射することによりＷ膜の表面を窒化してプラ
ズマ窒化膜を形成し、これによりＷ膜とプラズマ窒化Ｗ
薄膜からなる層を形成する。この層の上に、上記方法の
繰り返しによって膜厚６００Åの多層のバリア層４４を
形成する。このバリア層４４の表面に、Ｃｕ膜４６を全
圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマグネトロン
スパッタリングにより成膜速度６０Å／ｓで５０００Å
成長させる。その後、図１２に示されるように、バリア
層４４とＣｕ膜４６をパターニングして下地膜４４ａと
配線４６ａを形成する。さらにその後、図１３に示され
るように、ＣＶＤ法によりＷを下地膜４４ａと配線４６
ａの外面のみに４００Å成長させてＷ被覆膜４８を形成
する。このＷ被覆膜４８は、試料温度を２００〜４００
℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この
混合ガスの圧力を１Ｔｏｒｒ以下にして形成する。この
成膜方法によると、界面反応が律速となり、下地膜４４
ａと配線４６ａの外面のみにＷを選択成長させることが
できる。ここで、この配線構造体を多層化するために
は、Ｗ被覆膜４８上にＳｉＯ2 膜など絶縁膜を形成し、
この絶縁膜の上に上記した配線構造体を同様の方法で作
製すればよい。 ［第５実施例］先ず、表５〜表７に、各種材料のＣｕに
対するバリア性を比較した実験結果を示す。この実験
は、各種材料のバリア性を比較するために、Ｃｕ／Ｍ／
Ｓｉ積層膜（Ｍは各種バリア膜材料を表す。）積層膜を
形成し拡散熱処理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭ
Ｓ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ 二次イオン質量分析）により測定し
たものである。
上記表４のうちのＷ膜とプラズマ窒化Ｗ薄膜（Ｗ−Ｎ／
Ｗ）からなる層を６層に積層したバリア層が形成された
配線構造体の形成方法を説明する。図１１に示されるよ
うにに、Ｓｉ基板４０の表面に５０００ÅのＢＰＳＧ
（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓ
ｓ）の絶縁膜４２を形成し、この絶縁膜４２の全表面に
Ｗ膜を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマ
グネトロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで
１００Å成長させる。このＷ膜の表面に、Ｎ2 ガス圧力
１ｍＴｏｒｒ，プラズマ出力４００ＷのＥＣＲプラズマ
を６０ｓ照射することによりＷ膜の表面を窒化してプラ
ズマ窒化膜を形成し、これによりＷ膜とプラズマ窒化Ｗ
薄膜からなる層を形成する。この層の上に、上記方法の
繰り返しによって膜厚６００Åの多層のバリア層４４を
形成する。このバリア層４４の表面に、Ｃｕ膜４６を全
圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中でＲＦマグネトロン
スパッタリングにより成膜速度６０Å／ｓで５０００Å
成長させる。その後、図１２に示されるように、バリア
層４４とＣｕ膜４６をパターニングして下地膜４４ａと
配線４６ａを形成する。さらにその後、図１３に示され
るように、ＣＶＤ法によりＷを下地膜４４ａと配線４６
ａの外面のみに４００Å成長させてＷ被覆膜４８を形成
する。このＷ被覆膜４８は、試料温度を２００〜４００
℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この
混合ガスの圧力を１Ｔｏｒｒ以下にして形成する。この
成膜方法によると、界面反応が律速となり、下地膜４４
ａと配線４６ａの外面のみにＷを選択成長させることが
できる。ここで、この配線構造体を多層化するために
は、Ｗ被覆膜４８上にＳｉＯ2 膜など絶縁膜を形成し、
この絶縁膜の上に上記した配線構造体を同様の方法で作
製すればよい。 ［第５実施例］先ず、表５〜表７に、各種材料のＣｕに
対するバリア性を比較した実験結果を示す。この実験
は、各種材料のバリア性を比較するために、Ｃｕ／Ｍ／
Ｓｉ積層膜（Ｍは各種バリア膜材料を表す。）積層膜を
形成し拡散熱処理した後、Ｓｉ表面のＣｕ濃度をＳＩＭ
Ｓ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ 二次イオン質量分析）により測定し
たものである。
【００４８】これらの多層膜は、Ｎ2 とＡｒの混合ガス
又はＡｒガスを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタリン
グによりＳｉ基板上にバリア材料合金膜を６００Å堆積
させ、さらにこのバリア材料合金膜上に、ＡｒガスのＲ
ＦマグネトロンスパッタリングによりＣｕを５０００Å
堆積させて形成した。その後、これらの多層膜に、Ｈ 2
ガス雰囲気中で６５０℃×１．５ｈの熱処理を施し、Ｓ
ｉ基板表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ用いて測定し比較し
た。
又はＡｒガスを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタリン
グによりＳｉ基板上にバリア材料合金膜を６００Å堆積
させ、さらにこのバリア材料合金膜上に、ＡｒガスのＲ
ＦマグネトロンスパッタリングによりＣｕを５０００Å
堆積させて形成した。その後、これらの多層膜に、Ｈ 2
ガス雰囲気中で６５０℃×１．５ｈの熱処理を施し、Ｓ
ｉ基板表面のＣｕ濃度をＳＩＭＳ用いて測定し比較し
た。
【００４９】
【表５】
【００５０】
【表６】
【００５１】
【表７】
【００５２】表５〜表７から明らかなように、各種合金
の窒化物、硼化物、及び炭化物は従来のバリア材料に比
べてバリア効果が優れていることがはっきりと分かる。
次に、図１４から図１６までを参照して、本発明の配線
構造体とその製造方法の一例を説明する。図１４に示さ
れるように、Ｓｉ基板５０の表面に５０００ÅのＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａ
ｓｓ）の絶縁膜５２を形成し、この絶縁膜５２の全表面
にＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４（Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ
は、１５ａｔ％のＴａ、８０ａｔ％のＷ、５ａｔ％のＭ
ｏからなる合金の窒化物を表す。）を、全圧２ｍＴｏｒ
ｒのＡｒ５０％、Ｎ2 ５０％ガス雰囲気中でＲＦマグネ
トロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで６０
０Å成長させる。このＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４の表
面にＣｕ膜５６を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気
中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度６
０Å／ｓで５０００Å成長させる。その後、図１５に示
されるように、Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４とＣｕ膜５
６をパターニングして下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａを
形成する。さらにその後、図１６に示されるように、Ｃ
ＶＤ法によりＷを下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面
のみに選択的に４００Å成長させ、Ｗ被覆膜５８を形成
する。このＷ被覆膜５８は、試料温度を２００〜４００
℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この
混合ガスのガス圧を１Ｔｏｒｒ以下にすることにより形
成する。この成膜方法によると、界面反応が律速にな
り、下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面のみにＷを選
択成長させることができる。ここで、この配線構造体を
多層化するためには、Ｗ被覆層５８上にＳｉＯ2 等の絶
縁膜を設け、この絶縁膜上に上記した配線構造体を同様
の方法で作製すればよい。
の窒化物、硼化物、及び炭化物は従来のバリア材料に比
べてバリア効果が優れていることがはっきりと分かる。
次に、図１４から図１６までを参照して、本発明の配線
構造体とその製造方法の一例を説明する。図１４に示さ
れるように、Ｓｉ基板５０の表面に５０００ÅのＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａ
ｓｓ）の絶縁膜５２を形成し、この絶縁膜５２の全表面
にＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４（Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ
は、１５ａｔ％のＴａ、８０ａｔ％のＷ、５ａｔ％のＭ
ｏからなる合金の窒化物を表す。）を、全圧２ｍＴｏｒ
ｒのＡｒ５０％、Ｎ2 ５０％ガス雰囲気中でＲＦマグネ
トロンスパッタリングにより成膜速度１０Å／ｓで６０
０Å成長させる。このＴａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４の表
面にＣｕ膜５６を、全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気
中でＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜速度６
０Å／ｓで５０００Å成長させる。その後、図１５に示
されるように、Ｔａ15Ｗ80Ｍｏ5 −Ｎ膜５４とＣｕ膜５
６をパターニングして下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａを
形成する。さらにその後、図１６に示されるように、Ｃ
ＶＤ法によりＷを下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面
のみに選択的に４００Å成長させ、Ｗ被覆膜５８を形成
する。このＷ被覆膜５８は、試料温度を２００〜４００
℃としＷＦ6 とＨ2 の混合ガスを成膜室へ供給し、この
混合ガスのガス圧を１Ｔｏｒｒ以下にすることにより形
成する。この成膜方法によると、界面反応が律速にな
り、下地膜５４ａとＣｕ配線５６ａの外面のみにＷを選
択成長させることができる。ここで、この配線構造体を
多層化するためには、Ｗ被覆層５８上にＳｉＯ2 等の絶
縁膜を設け、この絶縁膜上に上記した配線構造体を同様
の方法で作製すればよい。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の配線
構造体は、金属膜と金属化合物膜とを重ねた少なくとも
１つの積層からなるバリア層を配線の下地又は被覆にし
たため、配線抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散を防
止させることができ、信頼性に優れた半導体の配線構造
を実現することができた。従って本発明の工業的意義は
非常に大きいものとなる。本発明を、Ｃｕ配線に適用す
ると、Ｃｕ配線の抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散
を防止することができ、信頼性に優れた半導体の配線構
造体を実現することができる。
構造体は、金属膜と金属化合物膜とを重ねた少なくとも
１つの積層からなるバリア層を配線の下地又は被覆にし
たため、配線抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散を防
止させることができ、信頼性に優れた半導体の配線構造
を実現することができた。従って本発明の工業的意義は
非常に大きいものとなる。本発明を、Ｃｕ配線に適用す
ると、Ｃｕ配線の抵抗を上昇させることなくＣｕの拡散
を防止することができ、信頼性に優れた半導体の配線構
造体を実現することができる。
【００５４】また、本発明の第２の配線構造体は、金属
膜とこの金属膜を構成する金属の窒化金属薄膜からなる
層が少なくとも１層形成されたバリア層が形成されてい
るため、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性が改
善されパターニング加工工程におけるパターン形状の不
良率が著しく改善される。また、本発明の第３から第６
までの半導体集積回路の配線構造体では、バリア性の良
好なＴａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系
合金の窒化物、硼化物、炭化物をＣｕ配線の下地及び／
又は被覆にしているため、Ｃｕの拡散を十分に抑制した
配線構造体を実現することができる。したがって、本発
明により、比抵抗がＡｌより小さく耐エレクトロマイグ
レーションに優れた、工業的意義が非常に大きいＣｕ配
線が実現できる。
膜とこの金属膜を構成する金属の窒化金属薄膜からなる
層が少なくとも１層形成されたバリア層が形成されてい
るため、バリア層表面に形成されるＣｕ膜の平坦性が改
善されパターニング加工工程におけるパターン形状の不
良率が著しく改善される。また、本発明の第３から第６
までの半導体集積回路の配線構造体では、バリア性の良
好なＴａ−Ｗ合金、Ｔａ−Ｗ系合金、Ｔａ系合金、Ｗ系
合金の窒化物、硼化物、炭化物をＣｕ配線の下地及び／
又は被覆にしているため、Ｃｕの拡散を十分に抑制した
配線構造体を実現することができる。したがって、本発
明により、比抵抗がＡｌより小さく耐エレクトロマイグ
レーションに優れた、工業的意義が非常に大きいＣｕ配
線が実現できる。
【図１】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図６】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図７】本発明の第１実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図８】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図１０】本発明の第２実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１４】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１６】本発明の第５実施例の配線構造体の製造方法
を示す断面図である。
を示す断面図である。
１０，３０，４０，５０ Ｓｉ基板 １２，３２，４２ 絶縁膜 １４ タングステン膜 １６，２４ 非晶質ＷＮX 膜 １８，３６，４６ Ｃｕ膜 ２０，３６ａ，４６ａ Ｃｕ配線 ２２ タングステン被覆膜 ３４ Ｎｂ結晶質膜 ３４ａ プラズマ窒化Ｎｂ薄膜 ４４ バリア層 ４４ａ 下地膜
Claims (20)
- 【請求項１】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれた金属化合物膜
と金属膜とを重ねた少なくとも１つの積層からなるバリ
ア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたこ
とを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項２】 前記金属化合物膜が非晶質であることを
特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の配線構造
体。 - 【請求項３】 前記金属化合物膜が非晶質の遷移金属窒
化物膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体集
積回路の配線構造体。 - 【請求項４】 前記金属化合物膜が、非晶質の窒化Ｗ膜
及び非晶質の窒化Ｗ合金膜のいずれか一方の膜であるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の配線構
造体。 - 【請求項５】 前記金属化合物膜が、１０Å〜１００Å
の範囲内の厚さを有する非晶質の遷移金属窒化物膜であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の構
造体。 - 【請求項６】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 金属膜と、該金属膜の表面に形成された、該金属膜を構
成する金属の窒化金属膜とで構成される少なくとも１つ
の積層からなるバリア層を、前記配線の下地及び／又は
被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回路の配
線構造体。 - 【請求項７】 前記金属膜が、Ｔａ膜、Ｗ膜、及びＴａ
−Ｗ合金膜から選ばれた膜であることを特徴とする請求
項６記載の半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項８】 前記金属膜が、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉか
ら選ばれた１つ以上の金属が添加されたＴａ合金膜であ
ることを特徴とする請求項６記載の半導体集積回路の配
線構造体。 - 【請求項９】 前記金属膜が、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及び
Ｐｂから選ばれた１つ以上の金属が添加されたＷ合金膜
であることを特徴とする請求項６記載の半導体集積回路
の配線構造体。 - 【請求項１０】 前記金属膜が、Ｍｏを添加したＴａ−
Ｗ合金膜であることを特徴とする請求項６記載の半導体
集積回路の配線構造体。 - 【請求項１１】 前記金属膜が、Ｎｂを添加したＴａ−
Ｗ合金膜であることを特徴とする請求項６記載の半導体
集積回路の配線構造体。 - 【請求項１２】 前記金属膜が、Ｍｏ及びＮｂを添加し
たＴａ−Ｗ合金膜であることを特徴とする請求項６記載
の半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項１３】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 Ｔａ−Ｗ合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれ
たバリア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備
えたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項１４】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 ＭｏがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ−Ｗ系合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層を、
前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴
とする半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項１５】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 ＮｂがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ−Ｗ系合金の
窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリア層を、
前記配線の下地及び／又は被覆として備えたことを特徴
とする半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項１６】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 Ｍｏ及びＮｂがＴａ−Ｗ合金に添加されてなるＴａ−Ｗ
系合金の窒化物、硼化物、及び炭化物から選ばれたバリ
ア層を、前記配線の下地及び／又は被覆として備えたこ
とを特徴とする半導体集積回路の配線構造体。 - 【請求項１７】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 Ｍｏ、Ｎｂ、及びＴｉから選ばれた１つ以上の金属がＴ
ａに添加されてなるＴａ系合金の窒化物、硼化物、及び
炭化物から選択されたバリア層を、前記配線の下地及び
／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積回
路の配線構造体。 - 【請求項１８】 Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｕ，Ａｕ合金，Ａ
ｇ，Ａｇ合金，およびＡｌ−Ｃｕ合金から選ばれた金属
からなる配線を備えた半導体集積回路の配線構造体にお
いて、 Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、及びＰｂから選ばれた１つ以上の金
属がＷに添加されてなるＷ系合金の窒化物、硼化物、及
び炭化物から選択されたバリア層を、前記配線の下地及
び／又は被覆として備えたことを特徴とする半導体集積
回路の配線構造体。 - 【請求項１９】 半導体集積回路の配線構造体の製造方
法において、 絶縁膜の上に金属膜を形成し、 該金属膜の表面をプラズマ照射して窒化金属膜を形成
し、 該窒化金属膜の上に配線を形成することを特徴とする半
導体集積回路の配線構造体の製造方法。 - 【請求項２０】 前記プラズマ照射が、電子サイクロト
ロン共鳴条件下で電子を加速して発生させたプラズマの
照射であることを特徴とする請求項１９記載の半導体集
積回路の配線構造体の製造方法。
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