JPH0888224A

JPH0888224A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0888224A
Application number: JP22187294A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Shimooka; 義明下岡; Kyoichi Suguro; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、従来の熱処理方式を用いて、上述の
金属拡散の問題を生じない低温領域にて、信頼性の高い
埋込型コンタクト、埋込型配線、または埋込型電極を有
する半導体装置およびその製造方法を提供することを目
的とする。【構成】半導体基板上に設けられ、所望の電極または配
線パターンに応じた開口部または溝が形成された絶縁膜
と、前記絶縁膜の前記開口部または溝の内部に充填され
た多結晶金属層とを具備し、前記多結晶金属層は、結晶
粒内に窒化物が形成される濃度より少なく窒素原子を含
む金属からなることを特徴とする。また、半導体基板ま
たは前記半導体基板上に形成された絶縁膜に開口部また
は溝を形成し、前記半導体基板または前記絶縁膜上に窒
化物が形成される濃度より少なく窒素原子を含む金属か
らなる多結晶または非晶質金属層を形成し、この半導体
基板に熱処理を施すことにより、前記開口部または溝を
前記金属からなる多結晶金属層で充填することを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＭＯＳ型トランジスタ
等の多層配線等を実現する半導体技術に関し、特にコン
タクト、埋め込み配線、埋め込み電極を用いた半導体装
置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータや通信機器の重要な部分に
は、多くのトランジスタや抵抗等を１チップ上に集積化
した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されており、この
ＬＳＩ単体の集積度を上げることで機器全体の高性能化
させることができる。近年、ＬＳＩの高集積化が進むに
つれて、トランジスタや抵抗等の素子間を接続する配線
は益々長くなり、配線部分の抵抗の増大やそれに伴う信
号の伝播遅延という問題が生じるようになってきてい
る。

【０００３】このような問題に対して、配線・電極材料
としてアルミニウム（Ａｌ）よりも比抵抗の小さい銅
（Ｃｕ）を用いることが検討され、研究開発段階に入っ
ている。しかしながら、Ｃｕは、その塩化物やフッ化物
の蒸気圧が低いので、Ａｌを加工するように反応性イオ
ンエッチング法でＣｕを配線形状や電極形状に加工する
ことは難しい。そこで、Ｃｕを配線・電極材料に用いる
場合には、配線形状の溝を絶縁膜に形成し、その溝内に
Ｃｕを埋め込む方法が一般的に考えられている。具体的
には、まず、基板上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に溝
を形成し、溝内にＣｕの拡散防止膜として窒化チタン
（ＴｉＮ）膜等を形成した後にＣｕ膜を溝内に形成す
る。その後、これに熱処理を施してＣｕを塑性流動させ
ることにより、Ｃｕ膜を溝内に埋め込む。最後に、化学
機械研磨法（Chemical Mecanical Polishing）等を用い
て溝以外に堆積している拡散防止膜およびＣｕ膜を除去
して、所望のＣｕ埋め込み型のコンタクト、配線、また
は電極等を得る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このＣｕ埋め込み型の
コンタクト、配線、または電極は、塑性流動後における
形状により信頼性が決まるので、溝内におけるＣｕの塑
性流動が重要であり、このためＣｕ膜に施す熱処理の温
度が重要となる。一般に、高温領域では、金属の拡散が
速くなるために塑性流動が起こり易くなる。しかしなが
ら、ＬＳＩの製造プロセスにおいては、プロセス上の制
約のためにＣｕの融点である１０８３℃よりも低い温度
で熱処理を施す。一般に、低温領域では、金属の拡散現
象は表面拡散や結晶粒界拡散が支配的となるので、金属
の塑性流動が充分行われない。したがって、Ｃｕ膜を溝
内に完全に埋め込むことは難しい。このため、信頼性の
高いＣｕ埋め込み型のコンタクト、配線、または電極を
形成することは困難である。この低温の熱処理による不
充分な塑性流動の問題は、Ｃｕの他の材料（例えば、Ａ
ｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡ
ｓ，またはこれらの化合物）を用いて埋め込み型のコン
タクト、配線、または電極を形成する場合も同じように
起こる。

【０００５】また、ＣｕやＡｇを用いて埋め込み型のコ
ンタクト、配線、または電極を形成する場合、高温領域
における熱処理によるＣｕやＡｇの半導体基板あるいは
絶縁膜への拡散でトランジスタの電気的特性（ｐｎ接合
特性等）が劣化しないようにするために、ＴｉＮ等のバ
リアメタルを形成しているが、ＬＳＩの製造プロセス数
が増加してしまう。

【０００６】低温領域の熱処理において金属の流動を促
進する方法として、半導体基板あるいは絶縁膜の溝内の
金属膜に応力を加えながら熱処理を施す方法や、瞬間加
熱で熱処理を施す方法が考えられる。しかしながら、前
者の方法では半導体基板に転位等の結晶欠陥が生じ、ｐ
ｎ接合特性を劣化させるという問題がある。また、後者
の方法ではレーザや電子ビーム等を用いることが考えら
れるが、制御性と生産性（スループット）が悪いという
問題がある。

【０００７】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、従来の熱処理方式を用いて、上述の金属拡散の問
題を生じない低温領域にて、信頼性の高い埋込型コンタ
クト、埋込型配線、または埋込型電極を有する半導体装
置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】本発明は、半導体基板上
に設けられ、所望の電極または配線パターンに応じた開
口部または溝が形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の前記
開口部または溝の内部に充填された多結晶金属層とを具
備し、前記多結晶金属層は、結晶粒内に窒化物が形成さ
れる濃度より少なく窒素原子を含む金属からなることを
特徴とする半導体装置を提供する。

【０００９】本発明の半導体装置において半導体基板と
しては、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ゲルマニウム基
板等を用いることができる。また、絶縁膜としては、Ｓ
ｉＯ₂ 膜、ＳｉＮ膜等を用いることができる。

【００１０】多結晶または非晶質金属層を構成する金属
としては、Ｃｕ、Ａｇ、およびＡｕからなる群、または
これらの金属とＡｌからなる合金である電極材料または
配線材料を用いることができる。これらの金属には、結
晶粒内等に窒化物を形成しない程度に窒素原子を含むよ
うにする。これは、結晶粒内に窒化物を形成しない程度
に窒素原子を含むようにすることにより、比較的低温の
熱処理において多結晶金属の塑性流動を充分に引き起こ
させて、溝内に多結晶金属層を完全に埋め込むことがで
きるからである。多結晶金属の結晶粒内に含まれる窒素
原子の量は固溶限度以下である。具体的には、多結晶金
属層を形成した際には、結晶粒内等に含まれる窒素原子
の量は２５〜３０原子％であり、多結晶金属層に熱処
理、例えば４５０℃の熱処理を施した後は数％以下であ
る。熱処理により過飽和である窒素原子は結晶粒界に析
出し、この窒素原子が結晶粒成長を阻害する。

【００１１】本発明の半導体装置においては、開口部ま
たは溝の内部に窒素を含む化合物からなる層が形成され
ることが好ましい。例えば、埋込型配線において、多結
晶金属層の材料としてＣｕを用いた場合には、熱処理に
より結晶粒内に含まれる窒素（Ｎ）が多結晶金属層であ
るＣｕ層の周囲に偏析する。これにより、多結晶金属層
と溝の内壁との間に窒素を含む化合物からなる層が形成
される。この層は、拡散防止膜の役割を果たすので、半
導体基板あるいは絶縁膜中へのＣｕの拡散を充分に防止
する。なお、絶縁膜がＳｉＯ₂ 膜である場合には、窒素
を含む化合物としてＳｉＮ、ＳｉＯＮ等も形成される。

【００１２】また、本発明は、半導体基板または前記半
導体基板上に形成された絶縁膜に開口部または溝を形成
する工程と、前記半導体基板または前記絶縁膜上に結晶
粒内に窒化物が形成される濃度より少なく窒素原子を含
む金属からなる多結晶または非晶質金属層を形成する工
程と、この半導体基板に熱処理を施すことにより、前記
開口部または溝を前記金属からなる多結晶金属層で充填
する工程とを具備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。

【００１３】本発明の半導体装置の製造方法において、
半導体基板または半導体基板上に形成された絶縁膜に開
口部または溝を形成する方法としては、湿式エッチング
法、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）
等を用いることができる。また、結晶粒内等に窒化物を
形成しない程度に窒素原子を含むように金属層を形成す
る方法としては、ＡｒガスとＮ₂ ガスの混合ガスを用い
た反応性スパッタリングまたは化学的気相成長法（Chem
ical Vapor Deposition ）等を用いることができる。

【００１４】多結晶または非晶質金属層に施す熱処理の
温度は、３００〜７５０℃であることが好ましい。これ
は、熱処理の温度が３００℃未満であると多結晶金属層
の塑性流動を引き起こすことが難しく、熱処理の温度が
７５０℃を超えるとＣｕ等の拡散係数の大きな材料では
基板中に拡散してしまうからである。また、熱処理の時
間は、１５分以上であることが好ましい。これは、熱処
理の時間が１５分未満であると多結晶金属層の塑性流動
を充分引き起こすことができなくなるからである。

【００１５】本発明の半導体装置の製造方法において
は、開口部または溝以外の領域に形成された多結晶金属
層を除去することにより、開口部または溝内のみに多結
晶金属層を形成することができる。余剰な多結晶金属層
を除去する方法としては、化学機械研磨法（Chemical M
echanical Polishing ）、ドライエッチングによるエッ
チバック等を挙げることができる。

【００１６】

【作用】本発明の半導体装置は、半導体基板もしくは絶
縁膜の開口部または溝の内部に充填された多結晶金属層
が、結晶粒内に窒化物を形成しない程度に窒素原子を含
む金属からなることを特徴としている。

【００１７】結晶粒内に窒化物を形成しない程度に窒素
原子を含む金属は、１０〜５０nm程度の比較的小さい平
均粒径の結晶粒で堆積される。一方、Ａｒガスのみで金
属ターゲットをスパッタリングし、窒素を含まない金属
膜を被着した場合、その平均粒径は１００〜５００nmで
ある。

【００１８】平均粒径が小さいことは、結晶粒と結晶粒
の接触部、すなわち結晶粒界において異なる結晶方位を
有する結晶粒同士が高い確率で接触することを意味す
る。結晶粒界には結晶格子の不整合に伴う歪エネルギー
が存在するので、結晶粒径が小さくなればなるほど、す
なわち結晶粒界が多くなればなるほど結晶粒界のエネル
ギーが大きくなる。この結晶粒界エネルギーを利用する
ことによって、より低温での熱処理でも多結晶金属を充
分に塑性流動させることが可能となる。その結果、多結
晶金属を半導体基板あるいは絶縁膜に形成した溝内に効
果的に再現性良く埋め込むことができ、ＭＯＳ型トラン
ジスタ等において信頼性の高い埋込型コンタクト、埋込
型配線、埋込型電極を形成することができる。

【００１９】さらに、埋込型配線の材料として特にＣｕ
を用いた場合には、結晶粒内に窒化物（ＣｕＮ）を形成
しない程度に含まれている窒素原子が熱処理により多結
晶金属層であるＣｕ層の周囲に偏析して、窒素を含む化
合物からなる層が溝の内壁とＣｕ層との間に形成され
る。この層はＣｕの拡散防止膜の役割を果たす。その結
果、拡散防止膜を設けなくても、半導体基板あるいは絶
縁膜中へのＣｕの拡散を防ぐことができる。なお、より
高温の熱処理を行う場合には、ＴｉＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ、
ＴｉＳｉＮ等のバリアメタルを配線または電極の底面、
側面、もしくは上面等に設けることにより、前記層と組
み合わせてＣｕの拡散を防止しても良い。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実
施例を示す断面図である。図１（Ａ）に示すように、半
導体基板あるいは半導体基板上に形成された絶縁膜１０
に溝１１を形成する。この溝１１は、電極あるいは配線
の形状にパターニングされている。次いで、図１（Ｂ）
に示すように、絶縁膜１０上に結晶粒内に窒化物を形成
しない程度に窒素原子を含み、主成分が金属の多結晶あ
るいは非晶質層１２をＡｒガスとＮ₂ ガスの混合ガスを
用いた反応性スパッタリング法またはＣＶＤ法により形
成する。次いで、これに真空中、またはＡｒガス、Ｈ₂
ガス、Ｎ₂ ガスもしくはこれらの混合ガス雰囲気中で４
５０℃×３０分の熱処理を施し、図１（Ｃ）に示すよう
に、多結晶金属層１２を溝１１内に完全に埋め込む。

【００２１】堆積直後、主成分が金属の多結晶または非
晶質層１２には、結晶粒内に窒化物を形成しない程度に
窒素原子が含まれているので、多結晶金属は比較的小さ
い平均粒径で堆積されている。したがって、結晶粒界が
多くなり、粒界エネルギーが大きくなる。この大きな粒
界エネルギーを利用することにより、充分な塑性流動の
ために外部から与えるエネルギーを少なくすることがで
きる。その結果、４５０℃程度の比較的低温の熱処理で
充分に多結晶金属を塑性流動させることができ、溝１１
内に多結晶金属層１２を完全に埋め込むことができる。

【００２２】図２は多結晶金属層を形成する際の、窒素
添加と多結晶金属の結晶の平均粒径との関係を示すグラ
フである。具体的には、ＡｒガスおよびＮ₂ ガスを用い
た反応性スパッタリング法により多結晶Ｃｕ膜をスパッ
タリングした直後における、Ｃｕの平均粒径とガス分圧
比Ｎ₂ ／（Ａｒ＋Ｎ₂ ）の関係を示す。

【００２３】図２から分かるように、Ｎ₂ ガスの分圧が
零のとき、すなわちＮ₂ ガスを導入しないときは、スパ
ッタリング直後のＣｕの平均粒径は１００〜５００nmで
ある。また、Ｎ₂ ガスの分圧を高くするにつれて、すな
わち多結晶Ｃｕ膜中の窒素濃度を高くするにつれて、Ｃ
ｕの平均粒径が小さくなる。したがって、窒素分圧を高
くした状態で多結晶金属層を形成することにより、多結
晶金属を充分に塑性流動させるためのエネルギーを低下
させることができ、多結晶金属をより低温で容易に塑性
流動させることができる。なお、上記のメカニズムは他
の材料、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａのよ
うな金属、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓのような半導体材料、
または金属と半導体材料の化合物においても同様であ
る。

【００２４】次に、実際に多結晶金属に窒素を添加した
時の塑性流動の起こり易さについて図３を用いて説明す
る。主成分を金属とする多結晶あるいは非晶質層に窒素
が添加されている場合には、図３（Ａ）に示すように、
半導体基板３１上に形成された絶縁膜３２のコンタクト
ホール部３３および配線部３４に温度３００℃以上の熱
処理で多結晶金属層３５を完全に充填させることができ
る。これは、多結晶金属に窒素が添加されることによ
り、上記のように堆積直後における多結晶金属３５の平
均粒径が小さくなり、熱処理による塑性流動が起こり易
くなるからである。Ｃｕ膜を例にすると、堆積直後の膜
中における窒素の含有量は２５ａｔ％未満が望ましい。
これは、窒素の含有量が２５ａｔ％を超えると熱処理に
よりＣｕ₃Ｎが形成されるからである。熱処理後のＣｕ
膜中における窒素濃度と、Ｃｕ／絶縁膜界面の窒素量
は、熱処理温度によって異なるが、例えば、４５０℃、
３０分間の熱処理で、Ｃｕ膜中の窒素濃度は数ａｔ％以
下、界面の窒素量は２．３×１０¹⁴cm^-2以下であること
が確認されている。

【００２５】これに対して、多結晶金属に窒素が添加さ
れていない場合には、図３（Ｂ）に示すように、半導体
基板３１上に形成された絶縁膜３２のコンタクトホール
部３３および配線部３４に温度３００℃以上の熱処理で
多結晶金属層３６を完全に充填させることができない。
これは、上記のように堆積直後における多結晶金属３６
の平均粒径が大きく、塑性流動させるためにエネルギー
を多く必要とし、低温での熱処理による塑性流動が起こ
りにくくなるからである。

【００２６】図４は多結晶金属に窒素を添加した際の効
果を、溝あるいは開口部の充填率に着目して示したもの
である。具体的には、コンタクトホール部あるいは配線
部のような溝が形成された基板上に、Ａｒガス＋Ｎ₂ ガ
スを用いた反応性スパッタリング法により多結晶Ｃｕ膜
をスパッタリングし、その後Ｈ₂ を含むＮ₂ の混合ガス
雰囲気中で熱処理を施した場合について述べる。熱処理
の結果、多結晶Ｃｕ膜は塑性流動を引き起こして溝内に
埋め込まれる。このときの充填率とガス分圧比Ｎ₂ ／
（Ａｒ＋Ｎ₂ ）の関係を示す。なお、ここで示す充填率
とは、溝断面積に対し溝内に埋め込まれた多結晶Ｃｕ膜
の断面積を表す。

【００２７】図４から分かるように、Ｎ₂ ガスの分圧が
零のとき、すなわちＮ₂ ガスを導入しないときは、熱処
理の温度を変えても溝内に多結晶Ｃｕ膜を完全に埋め込
むことはできない。また、Ｎ₂ ガスの分圧を高くするに
つれて、すなわち多結晶Ｃｕ膜中の窒素濃度を高くする
につれて、充填率は次第に１００％に近づく。これは、
多結晶Ｃｕに窒素が添加されることにより、Ｃｕの平均
粒径が小さくなり、熱処理による塑性流動が起こり易く
なるからである。したがって、低温の熱処理でも多結晶
Ｃｕ膜を容易に溝内に埋め込むことができる。なお、上
記のメカニズムは他の材料、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，
Ｗ，Ｔｉ，Ｔａのような金属、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓの
ような半導体材料、または金属と半導体材料の化合物に
おいても同様である。

【００２８】次いで、本発明に基づき埋込型配線を形成
した例を示す。図５に示すように、半導体基板５０上に
絶縁膜５１を形成し、所望のコンタクトホール部５２ま
たは配線部５３に応じた溝を形成する。次いで、絶縁膜
５１のこれら溝内に結晶粒内に窒化物を形成しない程度
に窒素原子を含む多結晶金属からなる多結晶金属層５４
を形成する。このとき、多結晶金属層５４は、Ｃｕ，Ａ
ｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａのような金属、Ｓｉ，
Ｇｅ，ＧａＡｓのような半導体材料、または金属と半導
体材料の化合物で構成される。

【００２９】図６（Ａ）〜（Ｅ）は図５に示す埋込型配
線の製造工程を示す断面図である。ここでは、Ａｒガス
＋Ｎ₂ ガスを用いた反応性スパッタリング法により、多
結晶Ｃｕ膜をスパッタリングした場合について説明す
る。

【００３０】まず、図６（Ａ）に示すように、半導体基
板５０上に絶縁膜５１を形成し、次いで、図６（Ｂ）に
示すように、コンタクトホール部５２あるいは配線部５
３を形成する領域に開口部を形成した。次に、図６
（Ｃ）に示すように、この絶縁膜５１上にＮ₂ ガスとＡ
ｒガスを含むガスを用いて配線材料であるＣｕを５ｋ
Ｗ、約０．３Ｐａの条件でスパッタリング法により堆積
し、さらに、この半導体基板６０に４５０℃の温度で熱
処理を施した。熱処理は真空中、またはＡｒガス、Ｈ₂
ガス、Ｎ₂ ガスあるいはこれらの混合ガス雰囲気中等で
行うが、ここでは、Ｃｕに対して還元性を有するＨ₂ ガ
スを含むＮ₂ ガスの混合ガス雰囲気中で行った。

【００３１】このような混合ガス雰囲気中でＣｕを堆積
させることにより、平均粒径の小さい結晶を有する多結
晶Ｃｕ膜５４が形成される。したがって、結晶粒界にお
ける粒界エネルギーが大きくなり、この粒界エネルギー
を有効に利用することができ、充分な塑性流動に必要な
エネルギーが少なくなり、低温の熱処理でも多結晶Ｃｕ
膜５４の塑性流動が起こり易くなる。その結果、コンタ
クトホール部５２あるいは配線部５３に、多結晶Ｃｕ膜
５４が完全に埋め込まれる。

【００３２】最後に、図６（Ｅ）に示すように、コンタ
クトホール部５２あるいは配線部５３以外の絶縁膜５１
上の領域に残存している多結晶Ｃｕ膜５４を化学機械的
研磨法（Chemical Mecanical Polishing）で除去するこ
とにより、埋込縦型配線５４ａ、および埋込型配線５４
ｂを形成した。

【００３３】この場合においても、コンタクトホール部
５２または配線部５３に応じた溝に多結晶Ｃｕ膜５４が
完全に埋め込まれ、信頼性の高い埋込型配線が形成され
た。図７（Ａ）〜（Ｅ）は、図５に示す埋込型配線の製
造工程を示す断面図である。ここでは、ＣＶＤ法によ
り、多結晶Ｃｕ膜を堆積した場合について説明する。ま
ず、図７（Ａ）に示すように、半導体基板７０上に絶縁
膜７１を形成し、次いで図７（Ｂ）に示すように、コン
タクトホ−ル部７２あるいは配線部７３を形成する領域
に開口部を形成した。

【００３４】次に、図７（Ｃ）に示すように、ＣＶＤ法
を用いて窒素を含有するＣｕ７４を堆積した。このと
き、原料には４０〜５０℃に保持したＣｕ（ｈｆａｃ）
ｔｍｖｓ（hexafluoroacethylacetonate-copper-trimet
hylvinylsilane）を用い、３０〜５０sccmのＨ₂ ガスで
バブリングしながら成膜室に供給した。他の原料として
は、Ｃｕ（ｈｆａ）（bis-hexafluoroacethylacetonate
-copper ）等のβ−ジケトン化合物が挙げられる。同時
に、５０〜１００sccmのＮＨ₃ ガスを導入し、全圧力
０．５〜１Torr、基板温度１５０〜２３０℃で成膜を行
った。そのときの成膜速度は１００〜３００オングスト
ローム／分であった。成膜されたＣｕ膜７４の粒径は１
０〜５０nm、窒素の含有量は１０〜３０ａｔ％であっ
た。

【００３５】さらに、図７（Ｄ）に示すように、この半
導体基板に４５０℃の熱処理を施した。熱処理は真空中
あるいはＡｒガス、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスまたはこれらの
混合ガス雰囲気中等で行うが、この場合、Ｃｕに対して
還元性を有するＨ₂ ガスを含むＮ₂ ガスの混合ガス雰囲
気中で行った。その結果、Ｃｕの平均粒径が小さくなる
ことによって粒界のエネルギ−が大きくなり、低温熱処
理においても塑性流動が起こり易くなり、コンタクトホ
−ル部７２あるいは配線部７３の中に、多結晶Ｃｕ膜７
４を完全に埋め込むことができた。

【００３６】最後に、図７（Ｅ）に示すように、コンタ
クトホ−ル部７２あるいは配線部７３以外の絶縁膜７１
上に残存している多結晶Ｃｕ膜７４をＣＭＰ法で除去す
ることにより、埋込型配線７４ａ、７４ｂを形成した。

【００３７】ＣＶＤ法を用いてＣｕの堆積を行った場
合、スパッタリング法に比べて均一性に優れるため、溝
部を埋めるに当たって堆積するＣｕ膜７４をスパッタリ
ング法で被着したＣｕ膜の１／３〜２／３程度にするこ
とができる。したがって、絶縁膜７１上のＣｕ膜も薄く
なり、ＣＭＰ法で容易に余剰Ｃｕを除去でき、スループ
ットが向上する。

【００３８】次に、多結晶Ｃｕ膜中のＣｕの拡散につい
て説明する。図８（Ａ）は、半導体基板８０上の絶縁膜
８１上に結晶粒内に窒化物を形成しない程度に窒素原子
を含むＣｕ膜８２を有する半導体装置に対し、温度３０
０℃以上の熱処理を施したものの断面図である。熱処理
の結果、結晶粒内の過飽和状態の窒素が絶縁膜８１とＣ
ｕ膜８２との界面に偏析して絶縁膜８１表面にＣｕの窒
化物、あるいは絶縁膜がＳｉＯ₂ である場合には界面に
ＳｉＯ_x Ｎ_y が形成される。この窒化物は拡散防止膜と
して機能するため、Ｃｕが半導体基板８０あるいは絶縁
膜８１部分に拡散することがない。

【００３９】これに対して、図８（Ｂ）は、窒素原子を
含まない多結晶Ｃｕ膜８３を有する半導体装置に対し、
温度３００℃以上の熱処理を施したものの断面図であ
る。この場合、多結晶Ｃｕ８３には窒素原子が存在しな
いため、Ｃｕの拡散が防止されず、半導体基板８０中、
絶縁膜８１中、またはこれらの境界部分８４にＣｕが拡
散してしまう。このＣｕの拡散により、配線間短絡ある
いはトランジスタ誤動作等が生じる恐れがある。

【００４０】次いで、本発明に基づき埋込型Ｃｕ配線を
形成した例を示す。図９に示すように、半導体基板９０
上に絶縁膜９１を形成し、所望のコンタクトホール部９
２または配線部９３に応じた溝を形成する。次いで、絶
縁膜９１のこれら溝内にバリアメタル９４を被着し、そ
の上に結晶粒内に窒化物を形成しない程度に窒素原子を
含む多結晶Ｃｕからなる多結晶Ｃｕ膜９５を形成する。
このとき、バリアメタル９４としては、Ｔｉ，ＴｉＮ，
Ｔａ，Ｗ等やこれらの化合物を用いることができる。な
お、配線材料として、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔ
ａのような金属、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓのような半導体
材料、または金属と半導体材料の化合物で構成される膜
を用いてもよい。

【００４１】図１０（Ａ）〜（Ｆ）は図９に示す埋込型
Ｃｕ配線の製造工程を示す断面図である。ここでは、Ａ
ｒガス＋Ｎ₂ ガスを用いた反応性スパッタリング法によ
り、多結晶Ｃｕ膜をスパッタリングした場合について説
明する。

【００４２】まず、図１０（Ａ）に示すように、半導体
基板９０上に絶縁膜９１を形成し、次いで、図１０
（Ｂ）に示すように、コンタクトホール部９２あるいは
配線部９３を形成する領域に開口部を形成した。次い
で、図１０（Ｃ）に示すように、絶縁膜９１上に、例え
ばＴｉＮ，ＴｉＮ／Ｔｉ等のバリアメタル９４を１．５
ｋＷ、約０．３Ｐａの条件でスパッタリング法により被
着し、大気中への曝露あるいは酸素プラズマ処理等によ
りＴｉＮ表面を酸化した。

【００４３】次に、図１０（Ｄ）に示すように、この拡
散防止膜であるバリアメタル９４で覆われた絶縁膜９１
上に、Ｎ₂ ガスとＡｒガスを含むガスを用いて配線材料
であるＣｕを５ｋＷ、約０．３Ｐａの条件でスパッタリ
ング法により堆積した。次いで、図１０（Ｅ）に示すよ
うに、この半導体基板９０に４５０℃の温度で熱処理を
施した。熱処理は真空中、またはＡｒガス、Ｈ₂ ガス、
Ｎ₂ ガスあるいはこれらの混合ガス雰囲気中等で行う
が、ここでは、Ｃｕに対して還元性を有するＨ₂ガスを
含むＮ₂ ガスの混合ガス雰囲気中で行った。

【００４４】このような混合ガス雰囲気中でＣｕを堆積
させることにより、平均粒径の小さい結晶を有する多結
晶Ｃｕ膜９５が形成される。したがって、結晶粒界にお
ける粒界エネルギーが大きくなり、この粒界エネルギー
を有効に利用することができ、充分な塑性流動に必要な
エネルギーが少なくなり、低温の熱処理でも多結晶Ｃｕ
膜９５の塑性流動が起こり易くなる。その結果、コンタ
クトホール部９２あるいは配線部９３に、多結晶Ｃｕ膜
９５が完全に埋め込まれる。

【００４５】最後に、図１０（Ｆ）に示すように、コン
タクトホール部９２あるいは配線部９３以外の絶縁膜９
１上の領域に残存している多結晶Ｃｕ膜９５を化学機械
的研磨法（ＣＭＰ）で除去することにより、埋込縦型配
線９５ａ、および埋込型配線９５ｂを形成した。

【００４６】この場合においても、コンタクトホール部
９２または配線部９３に応じた溝に多結晶Ｃｕ膜９５が
完全に埋め込まれ、信頼性の高い埋込型Ｃｕ配線が形成
された。

【００４７】図１１（Ａ）〜（Ｆ）は図９に示す埋込型
配線の製造工程示す断面図である。ここでは、ＣＶＤ法
により、多結晶Ｃｕ膜を堆積した場合について説明す
る。まず、図１１（Ａ）に示すように、半導体基板１１
０上に絶縁膜１１１を形成し、次いで、図１１（Ｂ）に
示すように、コンタクトホ−ル部１１２あるいは配線部
１１３を形成する領域に開口部を形成した。次いで、図
１１（Ｃ）に示すように、絶縁膜１１１上に、例えばＴ
ｉＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ等のバリアメタル１１４を１．５ｋ
Ｗ、約０．３Ｐａの条件でスパッタリング法により被着
し、大気中への露出あるいは酸素プラズマ処理等により
ＴｉＮを表面酸化した。

【００４８】次に、図１１（Ｄ）に示すように、ＣＶＤ
法を用いて窒素を含有するＣｕ１１５を堆積した。この
とき、原料には４０〜５０℃に保持したＣｕ（hfac)tmv
s(hexafluoroacethylacetonate-copper-trimethylvinyl
silane) を用い、３０〜５０sccmのＨ₂ ガスでバブリン
グしながら成膜室に供給した。他の原料としては、Ｃｕ
(hfa) (bis-hexafluoroacethylacetonate-copper) 等の
β−ジケトン化合物が挙げられる。同時に、５０〜１０
０sccmのＮＨ₃ ガスを導入し、全圧力０．５〜１Torr、
基板温度１５０〜２３０℃で成膜を行った。そのときの
成膜速度は１００〜３００オングストローム／分であっ
た。成膜されたＣｕ膜７４の粒径は１０〜５０nm、窒素
の含有量は１０〜３０ａｔ％であった。

【００４９】さらに、図１１（Ｅ）に示すように、この
半導体基板１１０に４５０℃の熱処理を施した。熱処理
は真空中あるいはＡｒガス、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスまたは
これらの混合ガス雰囲気中等で行うが、この場合、Ｃｕ
に対して還元性を有するＨ₂ガスを含むＮ₂ ガスの混合
ガス雰囲気中で行った。その結果、Ｃｕの平均粒径が小
さくなることによって粒径のエネルギ−が大きくなり、
低温熱処理においても塑性流動が起こり易くなり、コン
タクトホ−ル部１１あるいは配線部１１３の中に、多結
晶Ｃｕ膜１１５を完全に埋め込むことができた。

【００５０】最後に、図１１（Ｆ）に示すように、コン
タクトホ−ル部１１２あるいは配線部１１３以外の絶縁
膜１１１上に残存している多結晶Ｃｕ膜１１５をＣＭＰ
法で除去することにより、埋込型配線１１５ａ、１１５
ｂを形成した。この場合においても、コンタクトホ−ル
部１１２または配線部１１３に対応する溝に多結晶Ｃｕ
膜１１５が完全に埋め込まれ、信頼性の高い埋込型Ｃｕ
配線が形成された。

【００５１】ＣＶＤ法を用いてＣｕの堆積を行った場
合、スパッタリング法に比べて均一性に優れるため、溝
部を埋めるに当たって堆積するＣｕ膜１１５をスパッタ
リング法で被着したＣｕ膜厚の１／３〜２／３程度にす
ることができる。したがって、絶縁膜１１１上のＣｕ膜
も薄くなり、ＣＭＰ法で容易に余剰Ｃｕを除去でき、ス
ル−トップが向上する。

【００５２】図１２（Ａ）〜（Ｆ）は図９に示す埋込型
Ｃｕ配線の製造工程を示す断面図である。窒素添加のＣ
ｕ層を熱処理によって溝部分に埋め込む場合、Ｃｕ層中
から外部に窒素が抜け出す。このとき、Ｃｕ膜上層では
窒素が完全に抜ける出るが、下層では窒素が抜け出す前
に気泡を形成するためボイドができやすくなる。したが
って、Ｃｕ膜の厚みが０．２５μｍ以上の場合には、窒
素を含有するＣｕ層の下層に窒素を含まないＣｕ層を設
けることが望ましい。窒素添加Ｃｕ／純Ｃｕの積層化に
よって、Ｃｕ膜の全厚を厚くした場合にもボイドの発生
を防止することが可能となる。

【００５３】ここでは、窒素添加Ｃｕ／の多層構造をス
パッタリング法により形成した場合について説明する。
まず、図１２（Ａ）に示すように、半導体基板１２０上
に絶縁膜１２１を形成し、次に図１２（Ｂ）に示すよう
に、コンタクトホ−ル部分１２２あるいは配線パタ−ン
部分１２３に開口部を形成した。次に、図１２（Ｃ）に
示すように、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＮ／Ｔｉのようなバ
リアメタル１２４を１．５ｋＷ、約０．３Ｐａの条件で
スパッタリング法により被着し、大気中への露出あるい
は酸素プラズマ処理等によりＴｉＮ表面を酸化した。

【００５４】その後、図１２（Ｄ）に示すように、この
バリアメタル１２４で覆われた溝内および絶縁膜１２１
の上面に、Ａｒガスを用いて窒素原子を含まない多結晶
Ｃｕ膜１２５を５ｋＷ、約０．３Ｐａの条件でスパッタ
リング法により堆積した。次いで、図１２（Ｅ）に示す
ように、Ｎ₂ ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いて窒
素原子を含む多結晶Ｃｕ膜１２６を５ｋＷ、約０．３Ｐ
ａの条件でスパッタリング法により堆積した。

【００５５】さらに、図１２（Ｆ）に示すように、この
半導体基板に４５０℃の熱処理を施した。熱処理は真空
中あるいはＡｒガス、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスまたはこれら
の混合ガス雰囲気中等で行うが、この場合、Ｃｕに対し
て還元性を有するＨ₂ ガスを含むＮ₂ ガスの混合ガス雰
囲気中で行った。このように多結晶Ｃｕ膜１２６に窒素
を含ませることによって、スパッタリング時におけるＣ
ｕの平均粒径を小さくすることができる。これにより、
熱処理時に塑性流動を生じさせるエネルギ−が減少し、
Ｃｕ膜１２６が塑性流動を起こし易くなる。その結果、
コンタクトホ−ル部分１２２あるいは配線パタ−ン部分
１２３の中に、多結晶Ｃｕ膜１２６を完全に埋め込むこ
とができた。また、窒素を含むＣｕ膜を表面層部分に制
限することにより、Ｃｕ膜中から窒素ガスが発生した場
合にも、発生したガスを外方へ拡散し易くすることがで
きる。

【００５６】最後に、図１２（Ｇ）に示すように、コン
タクトホ−ル部分１２２あるいは配線パタ−ン部分１２
３以外で絶縁膜１２１上に付着しているバリアメタル１
２４および配線形成材料１２６をＣＭＰ法で除去するこ
とによって、Ｃｕ埋め込み縦型配線１２６ａ、あるいは
Ｃｕ埋め込み配線１２６ｂを形成した。

【００５７】図１３（Ａ）〜（Ｇ）は図９に示す埋込型
Ｃｕ配線の製造工程を示す断面図である。熱処理により
窒素添加のＣｕ層中から抜け出す窒素が原因となって発
生するボイドを防止するため、窒素添加Ｃｕ／純Ｃｕの
多層構造をＣＶＤ法により形成した場合について説明す
る。

【００５８】まず、図１３（Ａ）に示すように、半導体
基板１３０上に絶縁膜１３１を形成し、次いで、図１３
（Ｂ）に示すように、コンタクトホ−ル部分１３２ある
いは配線パタ−ン部分１３３に開口部を形成した。次い
で、図１３（Ｃ）に示すように、例えば、ＴｉＮ、Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉのようなバリアメタル１３４を１．５ｋＷ、約
０．３Ｐａの条件でスパッタリング法により被着し、大
気中への露出あるいは酸素プラズマ処理等によりＴｉＮ
表面を酸化した。

【００５９】その後、図１３（Ｄ）に示すように、この
バリアメタル１３４で覆われた溝内および絶縁膜１３１
の上面に、ＣＶＤ法を用いて窒素を含有しないＣｕ１３
５を堆積した。このとき、原料には４０〜５０℃に保持
したＣｕ(hfac)tmvs(hexafluoroacethlacetonate-coppe
r-timethylsilane) を用い、３０〜５０sccmのＨ₂ ガス
でバブリングしながら成膜室に供給した。他の原料とし
ては、Ｃｕ（hfa) (bis-hexafluoroacethyacetonate-co
pper) 等のβ−ジケトン化合物が挙げられる。このと
き、全圧力０．５〜１Torr、基板温度１５０〜２３０℃
で成膜を行った。そのときの成膜速度は１００〜３００
オングストローム／分であった。成膜されたＣｕ膜１３
５の粒径は１００〜５００nmであった。

【００６０】次いで、図１３（Ｅ）に示すように、ＣＶ
Ｄ法を用いて窒素を含有するＣｕ１３６を堆積した。こ
のとき、原料には４０〜５０℃に保持したＣｕ(hfac)tm
vsを用い、３０〜５０sccmのＨ₂ ガスでバブリングしな
がら成膜室に供給した。同時に、５０〜１００sccmのＮ
Ｈ₃ ガスを導入し、全圧力０．５〜１Torr、基板温度１
５０〜２３０℃で成膜を行った。そのときの成膜速度は
１００〜３００オングストローム／分であった。成膜さ
れたＣｕ膜１３６の粒径は１０〜５０nm、窒素の含有量
は１０〜３０ａｔ％であった。

【００６１】さらに、図１３（Ｆ）に示すように、この
半導体基板に４５０℃の熱処理を施した。熱処理は、真
空中あるいはＡｒガス、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスまたはこれ
らの混合ガス雰囲気中等で行うが、この場合、Ｃｕに対
して還元性を有するＨ₂ ガスを含むＮ₂ ガスの混合ガス
雰囲気中で行った。このように多結晶Ｃｕ膜１３６に窒
素を含ませることによって、堆積時におけるＣｕの平均
粒径を小さくすることができる。これにより、熱処理時
に塑性流動を生じさせるエネルギ−が減少し、コンタク
トホ−ル部分１３２あるいは配線パタ−ン部分１３３の
中に、多結晶Ｃｕ膜１３６を完全に埋め込むことができ
た。また、窒素を含むＣｕ膜を表面層部分に制限するこ
とにより、Ｃｕ膜中から窒素ガスが発生した場合にも、
発生したガスを外方へ拡散し易くできる。

【００６２】最後に、図１３（Ｇ）に示すように、コン
タクトホ−ル部分１３２あるいは配線パタ−ン部分１３
３以外で絶縁膜１３１上に付着しているバリアメタル１
３２および配線形成材料１３６をＣＭＰ法で除去するこ
とによって、Ｃｕ埋め込み縦型配線１３６ａ、あるいは
Ｃｕ埋め込み配線１３６ｂを形成した。

【００６３】ＣＶＤ法を用いてＣｕ堆積を行った場合、
スパッタリング法に比べて均一性に優れるため、溝部分
を埋めるに当たって堆積するＣｕ膜をスパッタリング法
で被着したＣｕ膜厚の１／３〜２／３程度にすることが
できる。したがって、絶縁膜１３１上のＣｕ膜も薄くな
り、ＣＭＰ法で容易に余剰Ｃｕ除去できスループットが
向上する。

【００６４】

【発明の効果】以上説明した如く本発明の半導体装置
は、半導体基板もしくは絶縁膜の開口部または溝の内部
に充填された多結晶金属層が、結晶粒内に窒化物が形成
される濃度よりも少なく窒素原子を含む金属からなるの
で、開口部または溝に多結晶金属膜を完全に埋め込むこ
とができ、信頼性の高い埋込型コンタクト、埋込型配
線、または埋込型電極を実現できる。

【００６５】さらに、埋込型配線の材料として特にＣｕ
を用いた場合、多結晶Ｃｕ膜中の窒素が熱処理により多
結晶Ｃｕ膜の周囲に偏析してＣｕの窒化物を形成し、こ
れが拡散防止膜の役割を果たす。その結果、バリアメタ
ル等の拡散防止膜がなくても半導体基板あるいは絶縁膜
中へのＣｕの拡散を防止できる。

【００６６】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板または前記半導体基板上に形成された絶縁膜
に開口部または溝を形成し、前記半導体基板または前記
絶縁膜上に結晶粒内に窒化物が形成される濃度よりも少
なく窒素原子を含む金属からなる多結晶または非晶質金
属層を形成し、この半導体基板に熱処理を施すことによ
り、前記開口部または溝を前記多結晶金属層で充填する
ので、信頼性の高い埋込型コンタクト、埋込型配線、ま
たは埋込型電極を効率よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の半導体装置の一実施
例を説明するための断面図。

【図２】多結晶Ｃｕの平均粒径とＡｒガス＋Ｎ₂ ガス中
のＮ₂ ガス比との関係を示すグラフ。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）は多結晶金属層における窒
素添加の効果を説明するための断面図。

【図４】多結晶金属層の充填率とＡｒガス＋Ｎ₂ ガス中
のＮ₂ ガス比との関係を示すグラフ。

【図５】本発明の半導体装置の他の実施例を説明するた
めの断面図。

【図６】（Ａ）〜（Ｅ）は図５に示す半導体装置の製造
工程の一例を示す断面図。

【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は図５に示す半導体装置の製造
工程の他の例を示す断面図。

【図８】（Ａ）および（Ｂ）は多結晶Ｃｕ膜におけるＣ
ｕの拡散を説明するための断面図。

【図９】本発明の半導体装置の他の実施例を説明するた
めの断面図。

【図１０】（Ａ）〜（Ｆ）は図９に示す半導体装置の製
造工程の一例を示す断面図。

【図１１】（Ａ）〜（Ｆ）は図９に示す半導体装置の製
造工程の他の例を示す断面図。

【図１２】（Ａ）〜（Ｇ）は図９に示す半導体装置の製
造工程の他の例を示す断面図。

【図１３】（Ａ）〜（Ｇ）は図９に示す半導体装置の製
造工程の他の例を示す断面図。

【符号の説明】

１０，３２，５１，７１，８１，９１，１１１，１２
１，１３１…絶縁膜、１１…溝、１２，３５，３６，５
４，７４，８２，８３，９５，１１５，１２５，１２
６，１３５，１３６…多結晶金属層、３１，５０，７
０，８０，９０，１１０，１２０，１３０…半導体基
板、３３，５２，７２，９２，１１２，１２２，１３２
…コンタクトホール部、３４，５３，７３，８３，９
３，１１３，１２３，１３３…配線部、９４，１１４，
１２４，１３４…バリアメタル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/90 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に設けられ、所望の電極ま
たは配線パターンに応じた開口部または溝が形成された
絶縁膜と、前記絶縁膜の前記開口部または溝の内部に充
填された多結晶金属層とを具備し、前記多結晶金属層
は、結晶粒内に窒化物が形成される濃度より少なく窒素
原子を含む金属からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記多結晶金属層を構成する金属がＣ
ｕ、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌからなる群より選ばれた金
属である請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】半導体基板上に設けられ、所望の電極ま
たは配線パターンに応じた開口部または溝が形成された
絶縁膜と、前記絶縁膜の前記開口部または溝の内部に形
成された窒素を含む化合物からなる層と、前記層上に前
記開口部または溝を充填するように形成された多結晶金
属層とを具備し、前記多結晶金属層は、結晶粒内に窒化
物が形成される濃度より少なく窒素原子を含む金属から
なることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】半導体基板または前記半導体基板上に形
成された絶縁膜に開口部または溝を形成する工程と、前
記半導体基板または前記絶縁膜上に結晶粒内に窒化物が
形成される濃度より少なく窒素原子を含む金属からなる
多結晶または非晶質金属層を形成する工程と、この半導
体基板に熱処理を施すことにより、前記開口部または溝
を前記金属からなる多結晶金属層で充填する工程とを具
備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記多結晶金属層を構成する金属がＣ
ｕ、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌからなる群より選ばれた金
属である請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】半導体基板または前記半導体基板上に形
成された絶縁膜に開口部または溝を形成する工程と、前
記半導体基板または前記絶縁膜上に結晶粒内に窒化物が
形成される濃度より少なく窒素原子を含む金属からなる
多結晶または非晶質金属層を形成する工程と、この半導
体基板に熱処理を施すことにより、前記開口部または溝
を前記金属からなる多結晶金属層で充填する工程と、前
記開口部または溝以外の領域に形成された前記多結晶金
属層を除去することにより埋込型電極または埋込型配線
を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装
置の製造方法。