JPH11204644A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH11204644A
JPH11204644A JP847798A JP847798A JPH11204644A JP H11204644 A JPH11204644 A JP H11204644A JP 847798 A JP847798 A JP 847798A JP 847798 A JP847798 A JP 847798A JP H11204644 A JPH11204644 A JP H11204644A
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JP
Japan
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wiring
connection hole
metal
semiconductor device
filled
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JP847798A
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English (en)
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Kazuhiro Hoshino
和弘 星野
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Sony Corp
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Cu配線を用いた半導体装置において、Cu
配線と接続孔内の金属との異種金属界面を消失させるこ
とによりCu配線のEM耐性を向上させる。 【解決手段】 絶縁膜12を介して積層されている上層
配線14及び下層配線11がCuからなり、該上層配線
14及び下層配線11が接続孔hに充填された金属で接
続されている半導体装置の製造方法において、下層配線
11、その上の絶縁膜12及び接続孔hを形成後、該接
続孔hをのCu中に拡散し得る金属(例えば、Ti、Z
r、Ta、Sn、Mg、Mo及びHf等)で充填し、次
いで上層配線14を形成し、熱処理により、上層配線1
4及び下層配線11のCuと接続孔h内に充填した金属
とを合金化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Cuを用いた多層
配線構造を有する半導体装置において、上層配線及び下
層配線を構成するCuと、上層配線及び下層配線を接続
する接続孔内の金属とが合金化し、異種金属界面が解消
されている半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、配線材料としては、AlにCu、
Ti等を添加したAl合金配線が用いられていた。しか
しながら、近年の高集積化に伴い、より高速化と高い信
頼性とを得られる配線材料が求められるようになってい
る。そこで、従来のAl合金配線に比して、電気抵抗が
約半分であり、Electromigration(EM)耐性も一桁高いC
u配線が、次世代配線材料として注目されている。
【0003】一方、上層配線及び下層配線を接続するコ
ンタクトホールやバイアホール等の接続孔に充填する金
属としては、段差部への被覆性に優れたW等の高融点金
属が使用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上層及
び下層の配線としてCu配線を使用し、接続孔をW等の
高融点金属で充填することにより多層配線構造を形成し
た場合でも、上層及び下層の配線として従来のAl合金
配線を使用した場合と同様に、異種金属界面の形成を避
けることはできない。この異種金属界面では元素の流束
(Flux divergence)が変化するので空孔(Vacancy)が
大量に発生し、その部分からボイドが形成され易い。そ
のため、CuはEM耐性に優れた材料ではあるが、異種
金属界面ではEM耐性が劣化し、Cu配線に十分なEM
耐性が得られないという問題があった。
【0005】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決しようとするものであり、Cu配線と接続孔内の金
属との異種金属界面を消失させることによりCu配線の
EM耐性を向上させ、それによりデバイスの処理速度と
信頼性を高められるようにすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、絶縁膜を介して積層されている上層配線
及び下層配線がCuからなり、該上層配線及び下層配線
が接続孔に充填された金属で接続されている半導体装置
において、接続孔に充填された金属がCu中に拡散し得
る金属からなり、かつ、上層配線及び下層配線のCuと
接続孔内に充填された金属とが合金化していることを特
徴とする半導体装置を提供する。特に、この半導体装置
において、接続孔に充填された金属がTi、Zr、T
a、Sn、Mg、Mo及びHfから選ばれる一種以上か
らなる態様を提供する。
【0007】また、その製造方法として、絶縁膜を介し
て積層されている上層配線及び下層配線がCuからな
り、該上層配線及び下層配線が接続孔に充填された金属
で接続されている半導体装置の製造方法において、下層
配線、その上の絶縁膜及び接続孔を形成後、該接続孔を
Cu中に拡散し得る金属で充填し、次いで上層配線を形
成し、熱処理により、上層配線及び下層配線のCuと接
続孔内に充填した金属とを合金化することを特徴とする
半導体装置の製造方法を提供する。特に、この製造方法
において、接続孔を充填する金属が、Ti、Zr、T
a、Sn、Mg、Mo及びHfから選ばれる一種以上の
金属からなる態様を提供する。
【0008】本発明の方法により製造した半導体装置
は、上層配線及び下層配線がCuからなり、これらCu
配線を接続する接続孔がTi、Zr、Ta、Sn、M
g、Mo、Hf等のCu中に拡散し得る金属で充填さ
れ、かつ、これら上層及び下層のCu配線と接続孔に充
填された金属とが熱処理により合金化している。この合
金化に至らしめる熱処理により、接続孔に充填された金
属はCu配線内に拡散し、接続孔に充填された金属とC
u配線との界面は消失する。
【0009】また、この熱処理によりCu配線中に拡散
した金属は、Cu配線中の不純物として混入し、Cuの
EMによる粒界拡散を阻止する役割を果たす。
【0010】したがって、本発明による半導体装置は、
異種金属界面が消失して流束変化点が無くなることによ
るEM耐性の向上と、Cu配線に混入した不純物がEM
による粒界拡散を阻止することとの相乗効果によって、
EM耐性が通常のCu配線に比べて、さらに一桁以上向
上したものとなる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳
細に説明する。
【0012】実施例1 図1は、実施例1の製造方法の工程説明図である。この
実施例の製造方法では、まず、半導体基板に素子分離を
施し、所定の素子を形成した後、同図(a)に示すよう
に、下層配線11として、上層からTiN/Cu/Ti
N/Taの積層構造を形成する。この下層配線11を構
成する各層の膜厚は、30/500/70/30(n
m)である。
【0013】ここで下層配線11を構成するTa層は、
熱CVD法でCl5Ta100SCCMとH2 2リットル/Minと
を、圧力0.5Pa、温度400℃で作用させることによ
り形成する。
【0014】Ta層上のTiN層は、ECRプラズマC
VD法で、TiCl4とH2とArとをそれぞれ2SCCM、
100SCCM、250SCCM、圧力300Pa、マイクロ波
2.8kW、温度460℃で作用させることにより形成す
る。
【0015】Cu層は、DCマグネトロンスパッタ法
で、Ar50SCCMを、圧力0.6Pa、基板温度200
℃、DCパワー8kWで作用させることにより形成する。
【0016】また、Cu層上のTiN層は、DCマグネ
トロンスパッタ法で、Ar50SCCMとN2 20SCCMと
を、圧力0.6Pa、基板温度200℃、DCパワー8kW
で作用させることにより形成する。
【0017】下層配線11の形成後、同図(b)に示す
ように層間絶縁膜SiO212を形成し、接続孔hを開
孔した後、同図(c)に示すように、ECRプラズマC
VD法によりTi膜13を基板全面に形成し、接続孔h
を完全に埋め込む。
【0018】このTi膜13の形成は、DCマグネトロ
ンスパッタ法で、Ar50SCCMを、圧力0.6Pa、基板
温度200℃、DCパワー8kWで作用させることにより
行う。あるいは、ECRプラズマCVD法でTiCl4
とH2とArとをそれぞれ2SCCM、100SCCM、250S
CCM、圧力300Pa、マイクロ波2.8kW、温度460
℃で作用させることにより形成する。
【0019】次いで、同図(d)に示すように、反応性
ドライエッチングを行い、基板表面のTi膜13をエッ
チバックし、接続孔h内部にのみTiを残す。
【0020】次いで、同図(e)に示すように、上層配
線14として、上層からTiN/Cuからなる積層構造
を形成する。この上層配線14を構成するTiN層、C
u層の膜厚は、それぞれ30nm、500nmとし、これら
は上述の下層配線11のCu層とその上のTiN層と同
様に形成する。
【0021】上層配線14の形成後、熱処理を行う。こ
の時の熱処理は、温度400℃、時間60分で、窒素と
水素の混合雰囲気下で行う。この熱処理により、下層配
線11のCu層と接続孔hに充填したTiとの界面、及
び接続孔hに充填したTiと上層配線14のCu層と界
面が共に消失する。
【0022】熱処理後、同図(f)に示すように、配線
保護膜15としてSiN膜を形成する。
【0023】実施例2 実施例1において、接続孔hを、プラズマCVD法で形
成したTi膜13で完全に埋め込んだのに代えて、熱C
VD法で形成したTa膜で埋め込む以外は実施例1と同
様の製造工程を行う。この場合、接続孔hを埋め込むT
a膜の形成は、熱CVD法で、Cl5Ta100SCCMと
2 2リットル/Minとを、圧力0.5Pa、温度400℃で
作用させることにより行う。
【0024】これにより、図2に示すように、下層配線
11のCu層と接続孔hに充填したTaとの界面、及び
接続孔hに充填したTaと上層配線14のCu層と界面
が共に消失した配線構造を得る。
【0025】以上、実施例に基づいて本発明を具体的に
説明したが、この実施例に限定されることなく、本発明
は種々の態様をとることができる。
【0026】例えば、上述の実施例1、2では下層配線
11を、TiN/Cu/TiN/Taの積層構造を有す
る配線とし、上層配線14をTiN/Cuの積層構造を
有する配線としたが、Cu配線が配線層内に含まれる限
り、種々の層構造とすることができる。また、この場合
のCu配線としては、Cu単独からなる配線の他、Cu
にZr、Ti等の金属を添加したCu合金からなる配線
も形成することができる。
【0027】また、接続孔hに充填する金属としては、
上述のTiあるいはTaの他、Zr、Ta、Sn、M
g、Mo又はHfを用いてもよく、これらは単独でも用
いても複数種を併用してもよい。
【0028】これらの金属を接続孔hに埋め込む方法、
あるいは埋め込んだ後に接続孔hに残存させる方法にも
特に制限はなく、例えば、金属を接続孔hに埋め込む方
法としては上述の実施例で用いたCVD法の他にメッキ
法を使用することができる。また、接続孔hに残存させ
る方法としては、上述の実施例で用いたエッチバックの
他、化学機械研磨法(CMP法)によってもよい。
【0029】下層配線11及び上層配線14と、接続孔
hに充填した金属との熱処理条件は、これらが合金化す
るよう、接続孔hに充填する金属の種類、Cu中の不純
物の拡散速度等に応じて適宜定めることができるが、通
常、熱処理温度は、300℃以上とすることが好まし
く、また、Cu配線の酸化防止の点から酸素を含まない
雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、上述の実施例
1,2において、熱処理時の雰囲気は、真空雰囲気もし
くは水素100%でも同様の結果を得ることができる。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、Cu配線と接続孔内の
金属との異種金属界面が消失するので、流束変化点が無
くなることによりEM耐性が向上し、さらに、Cu配線
に混入した不純物がEMによる粒界拡散を阻止すること
によってもEM耐性が向上するので、これらの相乗効果
によりEM耐性は従来のCu配線に比べて、一桁以上向
上したものとなる。
【0031】したがって、本発明を大規模集積回路に適
用すると、大規模集積回路を低抵抗で、EM耐性の高い
配線構造に形成することができるので、デバイスの処理
速度を向上させ、信頼性も同時に高めることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の製造方法の工程説明図である。
【図2】実施例2で得る半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
11…下層配線、 12…層間絶縁膜、 13…Ti膜
又はTa膜、 14…上層配線、 h…接続孔、 15
…配線保護膜(SiN膜)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁膜を介して積層されている上層配線
    及び下層配線がCuからなり、該上層配線及び下層配線
    が接続孔に充填された金属で接続されている半導体装置
    において、接続孔に充填された金属がCu中に拡散し得
    る金属からなり、かつ、上層配線及び下層配線のCuと
    接続孔内に充填された金属とが合金化していることを特
    徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 接続孔に充填された金属がTi、Zr、
    Ta、Sn、Mg、Mo及びHfから選ばれる一種以上
    からなる請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 絶縁膜を介して積層されている上層配線
    及び下層配線がCuからなり、該上層配線及び下層配線
    が接続孔に充填された金属で接続されている半導体装置
    の製造方法において、下層配線、その上の絶縁膜及び接
    続孔を形成後、該接続孔をCu中に拡散し得る金属で充
    填し、次いで上層配線を形成し、熱処理により、上層配
    線及び下層配線のCuと接続孔内に充填した金属とを合
    金化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 接続孔を充填する金属が、Ti、Zr、
    Ta、Sn、Mg、Mo及びHfから選ばれる一種以上
    の金属からなる請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 Ti、Zr、Ta、Sn、Mg、Mo及
    びHfから選ばれる一種以上の金属による接続孔の充填
    を、CVD法又はメッキ法で行う請求項4記載の半導体
    装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 上層配線及び下層配線のCuと接続孔内
    に充填した金属とを合金化する熱処理を、酸素を含まな
    い雰囲気において、300℃以上の温度で行う請求項3
    〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
JP847798A 1998-01-20 1998-01-20 半導体装置及びその製造方法 Pending JPH11204644A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6818991B1 (en) 1999-06-01 2004-11-16 Nec Electronics Corporation Copper-alloy interconnection layer
CN100338756C (zh) * 2003-12-30 2007-09-19 东部亚南半导体株式会社 制造半导体装置的方法

Cited By (2)

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US6818991B1 (en) 1999-06-01 2004-11-16 Nec Electronics Corporation Copper-alloy interconnection layer
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