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JP2994094B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP2994094B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP2994094B2
JP2994094B2 JP3175447A JP17544791A JP2994094B2 JP 2994094 B2 JP2994094 B2 JP 2994094B2 JP 3175447 A JP3175447 A JP 3175447A JP 17544791 A JP17544791 A JP 17544791A JP 2994094 B2 JP2994094 B2 JP 2994094B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属配線及びその形成
方法に係り、特に銅を主たる配線材料とした合金配線に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal wiring and a method for forming the same, and more particularly to an alloy wiring using copper as a main wiring material.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、配
線幅,配線膜厚の縮小化及び多層配線化が進められてき
ている。配線材料としては2.75μΩcmという低い
比抵抗を有し、且つ不動態被膜で防蝕されたアルミニウ
ムを主成分とするアルミニウム合金が用いられていた。
2. Description of the Related Art In recent years, as semiconductor devices have become more highly integrated, reductions in wiring width and wiring film thickness and multilayer wiring have been promoted. As a wiring material, an aluminum alloy having a specific resistance as low as 2.75 μΩcm and containing aluminum as a main component, which has been corroded by a passive film, has been used.

【0003】しかしながら、配線断面積の縮小化に対し
て信号電流が低減化されないため、電流密度が増加し、
エレクトロマイグレ−ションによる断線不良が問題にな
ってきている。
However, since the signal current is not reduced with the reduction in the wiring cross-sectional area, the current density increases,
Disconnection failure due to electromigration has become a problem.

【0004】また、多層配線化に伴い、配線が複雑な熱
履歴を受けるため、配線に加わる熱ストレスが増加し、
ストレスマイグレ−ションよる断線不良も問題になって
きている。
[0004] Further, with the increase in the number of multilayer wirings, the wirings receive a complicated thermal history, so that the thermal stress applied to the wirings increases.
Disconnection failure due to stress migration has also become a problem.

【0005】これらの問題の主要因は、アルミニウムの
融点が660℃と低いため、比較的低温でもアルミニウ
ム原子の拡散、特に結晶粒径を経路とする拡散が起こり
易く、更に熱ストレスによる引張応力が配線に加わった
場合には、この原子拡散が加速されることである。そこ
でアルミニウムと同等以上の低い比抵抗を有し、且つ融
点がアルミニウムより400℃以上高い銅を用いた配線
が検討されている。
The main cause of these problems is that since aluminum has a low melting point of 660 ° C., diffusion of aluminum atoms, particularly diffusion along the crystal grain size, tends to occur even at a relatively low temperature. When added to the interconnect, this atomic diffusion is accelerated. Therefore, wiring using copper having a specific resistance as low as or higher than aluminum and a melting point higher than aluminum by 400 ° C. or more is being studied.

【0006】しかしながら、純銅を用いた金属配線のエ
レクトロマイグレ−ション断線不良寿命は、アルミニウ
ム−シリコン−銅(Al−Si−Cu)合金配線のそれ
の数倍〜数十倍程度しか向上しないことが報告されてい
る。この寿命は銅原子の粒界拡散の活性化エネルギ−か
ら予想される寿命とほぼ一致している。
However, the electromigration disconnection failure life of a metal wiring using pure copper is improved only several times to several tens times that of an aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) alloy wiring. It has been reported. This lifetime almost coincides with the lifetime expected from the activation energy of the grain boundary diffusion of copper atoms.

【0007】また、銅は酸化速度が大きいため、銅薄膜
を酸化性ガス雰囲気中に晒すと、膜内部まで銅の酸化が
進行する。しかも、表面に形成される酸化銅膜は緻密な
膜ではない。この結果、レジスト剥離のためのアッシン
グ工程では、銅表面に針状の酸化銅が形成され、配線形
状の悪化や比抵抗の増加という問題が生じる。また、銅
配線上にパッシベ−ション膜や層間絶縁膜を被着して
も、密着性が悪いので剥離が生じるという問題もある。
[0007] Further, since copper has a high oxidation rate, when a copper thin film is exposed to an oxidizing gas atmosphere, copper oxidation proceeds to the inside of the film. Moreover, the copper oxide film formed on the surface is not a dense film. As a result, in the ashing step for stripping the resist, acicular copper oxide is formed on the copper surface, which causes a problem that the wiring shape is deteriorated and the specific resistance is increased. Further, even if a passivation film or an interlayer insulating film is deposited on the copper wiring, there is a problem that peeling occurs due to poor adhesion.

【0008】そこで比抵抗の増加や剥離の問題を解決す
るために、銅表面に酸化防止膜を形成する方法が提案さ
れた。例えば、銅(Cu)とチタン(Ti)とからなる
合金タ−ゲットをスパッタして得られたCu−Ti薄膜
を、窒化ガス雰囲気中で熱処理し、銅表面に窒化チタン
ニウム膜を形成する方法が知られている。
In order to solve the problems of increase in specific resistance and peeling, a method of forming an antioxidant film on a copper surface has been proposed. For example, a method in which a Cu—Ti thin film obtained by sputtering an alloy target composed of copper (Cu) and titanium (Ti) is heat-treated in a nitriding gas atmosphere to form a titanium nitride film on the copper surface. It has been known.

【0009】この方法では、800℃の熱処理により比
抵抗を2.5μΩcmまで低減できる。しかも、結晶粒
界に拡散バリアとなる金属や金属間化合物が分散析出さ
れ、エレクトロマイグレ−ション耐性も向上する。
In this method, the specific resistance can be reduced to 2.5 μΩcm by heat treatment at 800 ° C. In addition, a metal or an intermetallic compound serving as a diffusion barrier is dispersed and deposited at the crystal grain boundaries, and the electromigration resistance is improved.

【0010】この場合、800℃より低い温度での熱処
理では、粒界内に金属間化合物等が形成されるなどして
比抵抗がAl−Si−Cu合金膜の比抵抗(3μΩc
m)より高くなり、しかも、銅表面に窒化チタンニウム
膜が形成されない。即ち、800℃以上の熱処理を行わ
ないと、効果が得られない。このため、FET等のトラ
ンジスタにおいては、次のような問題があった。即ち、
拡散層の深さの増大を防止するには、800℃以上の熱
処理を避けなればならず、上記方法が適用できなかっ
た。
In this case, when the heat treatment is performed at a temperature lower than 800 ° C., the specific resistance of the Al—Si—Cu alloy film (3 μΩc
m), and no titanium nitride film is formed on the copper surface. That is, the effect cannot be obtained unless heat treatment at 800 ° C. or higher is performed. For this reason, transistors such as FETs have the following problems. That is,
In order to prevent the depth of the diffusion layer from increasing, heat treatment at 800 ° C. or higher had to be avoided, and the above method could not be applied.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来のAl
を用いた金属配線では、エレクトロマイグレ−ションや
ストレスマイグレ−ションによる断線不良があった。そ
こで銅を用いた金属配線が検討されたが、酸化により配
線表面の品質が低下したり、配線抵抗が大きくなるとい
う問題があった。そこで酸化防止のために、銅表面に窒
化チタンニウム膜を形成する方法が提案されたが、この
方法は800℃以上の熱処理を要し、FET等において
は、拡散層の深さの増大を招くという問題があった。
As described above, the conventional Al
In the case of the metal wiring using, there was a disconnection failure due to electromigration or stress migration. Therefore, metal wiring using copper has been studied. However, there has been a problem that the quality of the wiring surface is deteriorated due to oxidation and the wiring resistance is increased. In order to prevent oxidation, a method of forming a titanium nitride film on a copper surface has been proposed. However, this method requires a heat treatment of 800 ° C. or more, and in a FET or the like, the depth of a diffusion layer is increased. There was a problem.

【0012】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、酸化による配線表面の
劣化や配線抵抗の増大を防止できる、エレクトロマイグ
レ−ション耐性,ストレスマイグレ−ション耐性に優れ
た金属配線及びその形成方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to prevent electromigration resistance and stress migration, which can prevent the deterioration of the wiring surface and the increase in wiring resistance due to oxidation. An object of the present invention is to provide a metal wiring having excellent resistance and a method for forming the same.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、主たる
配線材料と金属間化合物を形成しない金属又はその化合
物を、主たる金属配線の表面に形成すると共に、主たる
金属配線の結晶粒界に上記金属又はその化合物を析出さ
せることにある。
The gist of the present invention is to form a metal or a compound thereof that does not form an intermetallic compound with a main wiring material on the surface of the main metal wiring and to apply the above-mentioned metal to the crystal grain boundary of the main metal wiring. It consists in precipitating a metal or its compound.

【0014】即ち、上記の目的を達成するために、本発
明の金属配線は、基板上に形成された主たる配線材料か
らなる主金属配線と、この主金属配線の表面及び結晶粒
界に形成された前記主たる配線材料と金属間化合物を形
成しない金属又はその化合物とを備えたことを特徴とす
る。
That is, in order to achieve the above object, the metal wiring of the present invention is formed on a main metal wiring made of a main wiring material formed on a substrate, and on a surface and a crystal grain boundary of the main metal wiring. And a metal or a compound thereof that does not form an intermetallic compound with the main wiring material.

【0015】また、本発明の金属配線の形成方法は、主
たる配線材料からなる第1の金属膜とこの主たる配線材
料と金属間化合物を形成しない配線材料からなる第2の
金属膜との積層膜を形成する工程と、この積層膜を熱処
理し、且つパタ−ンニングする工程とを備えたことを特
徴とする。
Further, the method for forming a metal wiring according to the present invention is directed to a laminated film of a first metal film made of a main wiring material and a second metal film made of a wiring material which does not form an intermetallic compound with the main wiring material. And a step of heat-treating and patterning the laminated film.

【0016】[0016]

【作用】本発明の金属配線では、主金属配線と化合物を
形成しない金属又はその化合物で、主金属配線の表面が
覆われているので、主金属配線の表面が保護され、配線
の耐酸化性が向上する。また、主金属配線の結晶粒界に
上記金属又はその化合物が形成されているので、抵抗増
加を招くこと無く、エレクトロマイグレ−ション耐性,
ストレスマイグレ−ション耐性が向上する。
In the metal wiring according to the present invention, the surface of the main metal wiring is covered with a metal or a compound thereof which does not form a compound with the main metal wiring, so that the surface of the main metal wiring is protected and the oxidation resistance of the wiring is improved. Is improved. Further, since the above-mentioned metal or its compound is formed at the crystal grain boundary of the main metal wiring, the resistance to electromigration can be improved without increasing the resistance.
The stress migration resistance is improved.

【0017】また、本発明の金属配線の形成方法では、
第1の金属膜と第2の金属膜との積層膜に熱処理を行な
っているため、第2の金属膜の金属が、第1の金属膜の
結晶粒界を介して、第1の金属膜の表面に形成されると
共に、前記結晶粒界にも析出する。このとき、雰囲気を
制御することにより、第2の金属膜の金属を金属化合物
とすることができる。したがって、容易に第1の金属膜
の表面及び結晶粒界に、第2の金属膜の金属又はその化
合物を形成することができる。この結果、金属間化合物
が形成されることによる抵抗増加を招くこと無く、第1
の金属膜の保護やエレクトロマイグレ−ション耐性等の
改善ができる。
In the method for forming a metal wiring according to the present invention,
Since the heat treatment is performed on the laminated film of the first metal film and the second metal film, the metal of the second metal film passes through the first metal film via the crystal grain boundary of the first metal film. And also precipitates at the crystal grain boundaries. At this time, by controlling the atmosphere, the metal of the second metal film can be a metal compound. Therefore, the metal of the second metal film or a compound thereof can be easily formed on the surface and the crystal grain boundaries of the first metal film. As a result, without increasing the resistance due to the formation of the intermetallic compound,
Protection of the metal film and improvement of electromigration resistance and the like.

【0018】[0018]

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図1は本発明の第1の実施例に係る金属配線の形成
工程断面図である。
Embodiments will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a process of forming a metal wiring according to a first embodiment of the present invention.

【0019】最初、図1(a)に示すように、所望の素
子が形成された半導体基板1上に、層間絶縁膜3を形成
する。次いでこの半導体基板1を周知のマグネトロンス
パッタリング装置のチェンバ−内にセットした後、チェ
ンバ−内の圧力を2.0×10-5Pa以下に減圧する。
そしてチェンバ−内に40cm3 /minの流量のアル
ゴンガスを導入する。このときチェンバ−内の圧力が
3.7×10-1Paに保たれるようにしておく。
First, as shown in FIG. 1A, an interlayer insulating film 3 is formed on a semiconductor substrate 1 on which a desired element has been formed. Next, after setting the semiconductor substrate 1 in a chamber of a well-known magnetron sputtering apparatus, the pressure in the chamber is reduced to 2.0 × 10 −5 Pa or less.
And 40cm 3 in the chamber / Min of argon gas is introduced. At this time, the pressure in the chamber is maintained at 3.7 × 10 −1 Pa.

【0020】次に図1(b)に示すように、アルゴンプ
ラズマによってニオブ(Nb)のタ−ゲットをスパッタ
し、層間絶縁膜3上に、銅(Cu)と金属間化合物を形
成しない金属層として、厚さ50nm程度のニオブ層5
を堆積する。
Next, as shown in FIG. 1B, a target of niobium (Nb) is sputtered by argon plasma to form a metal layer on the interlayer insulating film 3 where copper (Cu) and an intermetallic compound are not formed. As a niobium layer 5 having a thickness of about 50 nm.
Is deposited.

【0021】次に図1(c)に示すように、銅のタ−ゲ
ットをスパッタし、ニオブ層5上に銅層7を例えば40
0nmの膜厚に堆積する。このときの銅層7とニオブ層
5との積層膜の配線抵抗を調べたところ、1.95μΩ
cmであった。なお、銅層7の厚さは、100nm〜8
00nm程度であることが望ましい。次いで銅/ニオブ
積層膜が形成された半導体基板1を赤外線イメ−ジ炉内
にセットした後、この炉内を1.3×10-4Paに排気
する。しかる後、上記炉内に水素10体積%,アルゴン
90体積%からなる混合ガスを1気圧,300cm3
minの流量で導入する。
Next, as shown in FIG. 1C, a copper target is sputtered to form a copper layer 7 on the niobium layer 5 by, for example, 40 nm.
Deposit to a thickness of 0 nm. When the wiring resistance of the laminated film of the copper layer 7 and the niobium layer 5 at this time was examined, it was 1.95 μΩ.
cm. Note that the thickness of the copper layer 7 is 100 nm to 8 nm.
Desirably, it is about 00 nm. Next, after setting the semiconductor substrate 1 on which the copper / niobium laminated film is formed in an infrared image furnace, the inside of the furnace is evacuated to 1.3 × 10 −4 Pa. Thereafter, 1 atm gas mixture comprising the above furnace hydrogen 10 vol%, argon 90 vol%, 300 cm 3 /
min.

【0022】次に炉内の温度を60度/minの昇温速
度で、例えば、750℃まで上昇させる。そして炉内を
750℃の温度に30分間保持した後、60℃/min
の昇温速度で冷却する。
Next, the temperature in the furnace is increased to, for example, 750 ° C. at a heating rate of 60 ° C./min. After maintaining the inside of the furnace at a temperature of 750 ° C. for 30 minutes, 60 ° C./min.
Cool at a heating rate of

【0023】上記熱処理により、図1(d)に示すよう
に、銅ニオブ積層合金膜9が形成された。RBS(Ru
therford Back Scattering)
法を用いてこの銅ニオブ積層合金膜9を調べたところ、
図2に示すようなRBSスペクトルが得られた。なお、
比較例として、熱処理の温度が850℃の場合、熱処理
がない場合のそれも載せてある。
By the heat treatment, a copper-niobium multilayer alloy film 9 was formed as shown in FIG. RBS (Ru
otherford Back Scattering)
When this copper niobium laminated alloy film 9 was examined using the method,
An RBS spectrum as shown in FIG. 2 was obtained. In addition,
As a comparative example, the case where the temperature of the heat treatment is 850 ° C. and the case where there is no heat treatment are also shown.

【0024】この図から銅ニオブ積層合金膜9の表面に
は厚さ約5nmのニオブ層5が形成されていることが分
かる。また、温度が850℃の場合には表面により厚い
ニオブ層が形成され、熱処理を行なわない場合にはほと
んど表面にはニオブ層が形成されていないことが分か
る。
From this figure, it can be seen that a niobium layer 5 having a thickness of about 5 nm is formed on the surface of the copper-niobium multilayer alloy film 9. When the temperature is 850 ° C., a thick niobium layer is formed on the surface, and when the heat treatment is not performed, the niobium layer is hardly formed on the surface.

【0025】また、銅ニオブ積層合金膜9の結晶粒界1
1にはニオブからなる析出物13が析出していた。更
に、銅ニオブ積層合金膜9の配線抵抗を調べたところ、
その値は1.75μΩcmであり、銅/ニオブ積層膜の
それ(1.95μΩcm)より小さいことを確認した。
最後に、図1(e)に示すように、銅ニオブ積層合金膜
9をパタ−ニングして、銅ニオブ積層合金配線15が完
成する。
The grain boundary 1 of the copper-niobium multilayer alloy film 9
In No. 1, a precipitate 13 of niobium was deposited. Further, when the wiring resistance of the copper-niobium laminated alloy film 9 was examined,
The value was 1.75 μΩcm, which was confirmed to be smaller than that of the copper / niobium laminated film (1.95 μΩcm).
Finally, as shown in FIG. 1E, the copper-niobium multilayer alloy film 9 is patterned to complete the copper-niobium multilayer alloy wiring 15.

【0026】以上の方法で得られた銅ニオブ積層合金配
線15は、上述したように銅/ニオブ積層膜より比抵抗
が小さいのは勿論のこと、銅表面がニオブで被覆されて
いるので、酸化銅の生成が防止され、且つ層間絶縁膜や
パッシベ−ション膜との密着性も改善される。更に、銅
ニオブ積層合金膜9中の銅の結晶粒界にはニオブからな
る析出物が形成されているので、エレクトロマイグレ−
ション耐性が向上し、断線不良等による信頼性の低下を
防止できる。
As described above, the copper-niobium multilayer alloy wiring 15 obtained by the above-described method has not only a lower specific resistance than the copper / niobium multilayer film but also a copper surface coated with niobium. The formation of copper is prevented, and the adhesion to the interlayer insulating film and the passivation film is also improved. Further, since a precipitate made of niobium is formed at the crystal grain boundary of copper in the copper-niobium multilayer alloy film 9, electromigration is performed.
This improves the durability of the device and prevents a decrease in reliability due to a disconnection failure or the like.

【0027】図3は熱処理の温度と銅ニオブ積層合金膜
9の比抵抗との関係を示す特性図である。この図から本
実施例の方法で得られた銅ニオブ積層合金膜9の比抵抗
は、処理温度が低くても(800℃以下)、Al−Si
−Cu合金の比抵抗(=3μΩcm)より低くなってい
る。したがって、本実施例の方法をTFTの製造に適用
すれば、拡散層の深さの増大を抑えつつ金属配線を形成
できる。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the heat treatment and the specific resistance of the copper-niobium multilayer alloy film 9. From this figure, the specific resistance of the copper-niobium multilayer alloy film 9 obtained by the method of the present embodiment is lower than that of the Al-Si
-Lower than the specific resistance of the Cu alloy (= 3 μΩcm). Therefore, if the method of this embodiment is applied to the manufacture of a TFT, metal wiring can be formed while suppressing an increase in the depth of the diffusion layer.

【0028】表1は本実施例の方法で得られた銅ニオブ
積層合金膜9及び純銅薄膜に対して100%酸素雰囲気
中で400℃,30分間の熱処理を行なった前後の比抵
抗を示している。
Table 1 shows the resistivity before and after the heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes in a 100% oxygen atmosphere with respect to the copper-niobium multilayer alloy film 9 and the pure copper thin film obtained by the method of this embodiment. I have.

【0029】[0029]

【表1】 この表から純銅に比べて耐酸化性が向上しているのが分
かる。これは銅表面に形成されたニオブにより、銅内部
の酸化が抑制されるからである。
[Table 1] From this table, it can be seen that the oxidation resistance is improved as compared with pure copper. This is because the oxidation inside the copper is suppressed by niobium formed on the copper surface.

【0030】したがって、酸化性ガス雰囲気中で熱処理
を行なっても、膜表面や膜質等の悪化が起り難くなり、
また、パッシベ−ション膜や層間絶縁膜との密着性が向
上する。
Therefore, even if the heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere, deterioration of the film surface and film quality hardly occurs.
Further, the adhesion to the passivation film or the interlayer insulating film is improved.

【0031】更に、本実施例によれば、上述したよう
に、Al系合金より低く純銅に近い配線抵抗が得られる
ため、前記効果と合わせて、許容電流密度が高く信号遅
延の小さい高信頼性の微細配線が実現されうる。
Further, according to the present embodiment, as described above, a wiring resistance lower than that of an Al-based alloy and close to that of pure copper can be obtained. Fine wiring can be realized.

【0032】かくして本実施例によれば、低抵抗で、酸
化耐性,エレクトロマイグレ−ション耐性,ストレスマ
イグレ−ション耐性に優れた金属配線を得ることがで
き、しかも、800℃以下の低い温度で形成することが
できる。
Thus, according to this embodiment, it is possible to obtain a metal wiring having a low resistance and excellent in oxidation resistance, electromigration resistance and stress migration resistance, and formed at a low temperature of 800 ° C. or less. can do.

【0033】図4には本発明の第2の実施例に係る金属
配線の形成工程断面図が示されている。なお、図1と対
応する部分には図1と同一符号を付してあり、詳細な説
明は省略する。本実施例の形成方法が第1の実施例のそ
れと異なる点は、銅ニオブ積層合金膜9のパタ−ニング
後に、熱処理を行なったことにある。先ず、図4(a)
に示すように、第1の実施例と同様な方法で、半導体基
板1上に層間絶縁膜3,ニオブ層5,銅層7を順次形成
する。
FIG. 4 is a sectional view showing a process of forming a metal wiring according to a second embodiment of the present invention. 1 are given the same reference numerals as in FIG. 1, and detailed description is omitted. The point that the forming method of this embodiment is different from that of the first embodiment is that heat treatment is performed after the patterning of the copper-niobium multilayer alloy film 9. First, FIG.
As shown in (1), an interlayer insulating film 3, a niobium layer 5, and a copper layer 7 are sequentially formed on a semiconductor substrate 1 in the same manner as in the first embodiment.

【0034】次に図4(b)に示すように、フォトリソ
グラフィ法,反応性イオンエッチング法を用いて、ニオ
ブ層5と銅層7との積層膜を配線幅0.5の配線パタ−
ン状に加工する。なお、反応性イオンエッチング法の代
わりに、イオンスパッタ法を用いても良い。
Next, as shown in FIG. 4B, the laminated film of the niobium layer 5 and the copper layer 7 is patterned by photolithography and reactive ion etching with a wiring pattern having a wiring width of 0.5.
Process into a shape. Note that an ion sputtering method may be used instead of the reactive ion etching method.

【0035】最後に、図4(c)に示すように、半導体
基板1に熱処理を施して、銅層7の表面を厚さ5nmニ
オブ層5で覆うと共に、結晶粒界にニオブからなる析出
物を形成する。このような方法でも、銅と金属間化合物
を形成しないニオブを用いているので、先の実施例と同
様な効果が得られる。
Finally, as shown in FIG. 4C, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment to cover the surface of the copper layer 7 with a 5 nm-thick niobium layer 5 and to deposit a niobium precipitate at the crystal grain boundaries. To form Even in such a method, the same effect as in the previous embodiment can be obtained because niobium which does not form an intermetallic compound with copper is used.

【0036】図5には本発明の第3の実施例に係る金属
配線の形成工程断面図が示されている。なお、図1と対
応する部分には図1と同一符号を付してあり、詳細な説
明は省略する。本実施例の形成方法が第1の実施例のそ
れと異なる点は、第1の銅層7aとニオブ層5と第2の
銅層7bとの3層構造の積層膜を形成することにある。
FIG. 5 is a sectional view showing a step of forming a metal wiring according to a third embodiment of the present invention. 1 are given the same reference numerals as in FIG. 1, and detailed description is omitted. The point that the forming method of the present embodiment is different from that of the first embodiment is that a laminated film having a three-layer structure of the first copper layer 7a, the niobium layer 5, and the second copper layer 7b is formed.

【0037】即ち、図5(a)に示すように、所望の素
子が形成された半導体基板1上に層間絶縁膜3を形成し
た後、図5(b)に示すように、層間絶縁膜3上に第1
の銅層7a,ニオブ層5,第2の銅層7bを順次形成す
る。次に図5(c)に示すように、半導体基板1に熱処
理を施し、銅ニオブ積層合金膜9を形成する。最後に図
5(d)に示すように、銅ニオブ積層合金膜9を配線形
状にパタ−ニングして、銅ニオブ積層合金配線15が完
成する。
That is, after forming an interlayer insulating film 3 on a semiconductor substrate 1 on which a desired element is formed as shown in FIG. 5A, the interlayer insulating film 3 is formed as shown in FIG. First on
A copper layer 7a, a niobium layer 5, and a second copper layer 7b are sequentially formed. Next, as shown in FIG. 5C, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment to form a copper-niobium multilayer alloy film 9. Finally, as shown in FIG. 5D, the copper-niobium multilayer alloy film 9 is patterned into a wiring shape to complete the copper-niobium multilayer alloy wiring 15.

【0038】以上の方法で得られた銅ニオブ積層合金配
線15でも、先に説明した実施例の場合と同様な効果が
得られるのは勿論のこと、本実施例の方法を用いること
で膜厚な銅ニオブ積層合金配線15を容易に形成するこ
とができる。
With the copper-niobium multilayer alloy wiring 15 obtained by the above-described method, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. Copper niobium laminated alloy wiring 15 can be easily formed.

【0039】即ち、第1の実施例のようにニオブ層5上
に厚い銅層7を形成すると、銅層7の表面までの距離が
長くなるため、銅層7の表面にニオブ膜を形成するのが
困難になるが、本実施例のようにニオブ層5を二つの銅
層7a,7bで挾んだ構造にすれば、銅層7a,7bの
膜厚は、第1の実施例の方法に比べて半分程度になり、
ニオブは容易に銅層7a,7bの表面に到達できる。
That is, when the thick copper layer 7 is formed on the niobium layer 5 as in the first embodiment, the distance to the surface of the copper layer 7 becomes long, so that a niobium film is formed on the surface of the copper layer 7. However, if the structure is such that the niobium layer 5 is sandwiched between the two copper layers 7a and 7b as in this embodiment, the thickness of the copper layers 7a and 7b can be reduced by the method of the first embodiment. About half of
Niobium can easily reach the surfaces of the copper layers 7a and 7b.

【0040】なお、本実施例では、両方の銅層7a,7
bにニオブを形成したが、一方の銅層だけ、例えば、銅
層7bだけにニオブを形成しても良い。この場合、銅層
7aは銅層7bの下に形成されているため、銅層7aが
酸化されるといった問題はほとんど起きない。また、第
2の実施例と同様に、熱処理を行なった後に、銅ニオブ
積層合金膜9をパタ−ニングしても良い。
In this embodiment, both copper layers 7a, 7a
Although niobium is formed on b, niobium may be formed only on one copper layer, for example, only on copper layer 7b. In this case, since the copper layer 7a is formed below the copper layer 7b, there is almost no problem that the copper layer 7a is oxidized. Further, similarly to the second embodiment, after performing the heat treatment, the copper-niobium laminated alloy film 9 may be patterned.

【0041】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、配線材料と
して銅ニオブ積層膜を用いたが、その他、銅(Cu)を
主配線層の材料とすれば、銅層と、バナジウム(V),
ニオブ(Nb),タンタル(Ta)等の金属V族又はク
ロム(Cr),モリブデン(Mo),タングステン
(W)等の金属VI族の元素のうちの1つの元素又は複
数の元素からなる層との積層膜を用いても良い。更に、
銅(Cu)以外の材料からなる主配線層の場合にも同様
な効果が期待できる。更にまた、積層形式、積層順も適
宜変更可能である。また、上記実施例では、熱処理を、
酸素等が混入し、酸化が起こるのを防止した制御された
還元性雰囲気中で行なったが、その代わりに制御された
窒化雰囲気例えば窒素ガスやアンモニアガス雰囲気中で
行なっても良い。この場合、銅の結晶粒界や表面に、銅
と金属間化合物を形成しない金属の窒化物を形成できる
ため、より酸化耐性を向上することができる。また、水
素ガスを含む窒化雰囲気中でもよい。その他、制御され
た硼化雰囲気例えば弗化水素雰囲気,炭化雰囲気例えば
炭化水素雰囲気,弗化雰囲気例えば弗化水素雰囲気や弗
素雰囲気,真空雰囲気,不活性ガス雰囲気中で熱処理を
行なっても良い。更にこれらのプラズマ雰囲気中で熱処
理を行なっても良い。このような雰囲気中で熱処理を行
なえば、銅の結晶粒界や表面に、銅と金属間化合物を形
成しない金属又はこの金属の窒化物,硼化物,炭化物,
弗化物,酸化物を形成することができる。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施でき
る。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the above embodiment, a copper niobium laminated film is used as a wiring material.
A layer made of one or more elements of a metal group V such as niobium (Nb) or tantalum (Ta) or a metal group VI such as chromium (Cr), molybdenum (Mo) or tungsten (W); May be used. Furthermore,
Similar effects can be expected in the case of a main wiring layer made of a material other than copper (Cu). Furthermore, the lamination type and the lamination order can be appropriately changed. In the above embodiment, the heat treatment
Although the reaction is performed in a controlled reducing atmosphere in which oxygen and the like are mixed and oxidation is prevented, it may be performed in a controlled nitriding atmosphere, for example, a nitrogen gas or ammonia gas atmosphere. In this case, a nitride of a metal that does not form an intermetallic compound with copper can be formed on the crystal grain boundary or the surface of the copper, so that the oxidation resistance can be further improved. Further, it may be in a nitriding atmosphere containing hydrogen gas. Alternatively, the heat treatment may be performed in a controlled boride atmosphere such as a hydrogen fluoride atmosphere, a carbonization atmosphere such as a hydrocarbon atmosphere, a fluorine atmosphere such as a hydrogen fluoride atmosphere, a fluorine atmosphere, a vacuum atmosphere, or an inert gas atmosphere. Further, heat treatment may be performed in such a plasma atmosphere. If heat treatment is performed in such an atmosphere, a metal that does not form an intermetallic compound with copper or a nitride, boride, carbide,
Fluoride and oxide can be formed. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、主
金属配線と金属間化合物を形成しない金属又はその化合
物で主金属配線の表面が覆われるので、主金属配線の耐
酸化性が向上する。また、主金属配線の結晶粒界には前
記金属又はその化合物が形成されているため、配線抵抗
の上昇や配線品質の低下を招くこと無くエレクトロマイ
グレ−ション耐性,ストレスマイグレ−ション耐性を改
善でき、もって半導体装置が高集積化、微細化しても信
頼性が十分に得られる金属配線を得ることができる。
As described above in detail, according to the present invention, since the surface of the main metal wiring is covered with a metal which does not form an intermetallic compound with the main metal wiring or the compound thereof, the oxidation resistance of the main metal wiring is reduced. improves. Further, since the metal or its compound is formed at the crystal grain boundary of the main metal wiring, the electromigration resistance and the stress migration resistance can be improved without increasing the wiring resistance or lowering the wiring quality. Therefore, even if the semiconductor device is highly integrated and miniaturized, a metal wiring with sufficient reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る金属配線の形成工
程断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a process of forming a metal wiring according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の銅ニオブ積層合金膜のRBSスペクト
ル。
FIG. 2 is an RBS spectrum of the copper-niobium multilayer alloy film of FIG. 1;

【図3】図1の銅ニオブ積層合金膜の比抵抗との関係を
示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between the specific resistance of the copper-niobium multilayer alloy film of FIG. 1;

【図4】本発明の第2の実施例に係る金属配線の形成工
程断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a step of forming a metal wiring according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施例に係る金属配線の形成工
程断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a step of forming a metal wiring according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板、3…層間絶縁膜、5…ニオブ層、7,
7a,7b…銅層、9…銅ニオブ積層合金膜、11…結
晶粒界、13…析出物、15…銅ニオブ積層合金配線。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 3 ... Interlayer insulating film, 5 ... Niobium layer, 7,
7a, 7b: copper layer, 9: copper niobium multilayer alloy film, 11: crystal grain boundary, 13: precipitate, 15: copper niobium multilayer alloy wiring.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南幅 学 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平3−35524(JP,A) 特開 平4−106930(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/12 H05K 1/09 H05K 3/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (72) Inventor Manabu Nanbashi 1 Toshiba Research Institute Co., Ltd., Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa (56) References Kaihei 4-106930 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 23/12 H05K 1/09 H05K 3/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に形成された主たる配線材料からな
る主金属配線と、 この主金属配線の表面及び結晶粒界に形成された前記主
たる配線材料と金属間化合物を形成しない金属又はその
化合物とを有することを特徴とする半導体装置
1. A main metal wiring formed of a main wiring material formed on a substrate, and a metal or a compound thereof which does not form an intermetallic compound with the main wiring material formed on a surface and a crystal grain boundary of the main metal wiring. And a semiconductor device comprising:
【請求項2】基板上に主たる配線材料からなる第1の金
属膜と、この主たる配線材料と金属間化合物を形成しな
い配線材料からなる第2の金属膜との積層膜を形成する
工程と、 この積層膜を熱処理し、且つパタ−ンニングする工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法
2. A step of forming a laminated film of a first metal film made of a main wiring material on a substrate and a second metal film made of a wiring material that does not form an intermetallic compound with the main wiring material; the laminated film was heat-treated, and pattern - N'ningu method of manufacturing a semiconductor device characterized by a step of.
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