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JP3379087B2 - 銅部材を含む半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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JP3379087B2 - 銅部材を含む半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

銅部材を含む半導体装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に銅ま
たは銅合金を使用することに関し、特に、他の層の、銅
または銅合金への接着を改善することに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】銅を半導体装置の相互接続に使用するこ
とは、従来から使用されているアルミニウムまたはアル
ミニウム合金の相互接続と比較して、抵抗率が低く、電
気移動（electromigration）による故障の影響を受けに
くいことから、関心が増え続けている。
【０００３】しかし、銅を相互接続メタラジに使用した
場合、二酸化シリコンなどの周囲の誘電性材料に拡散す
る傾向があるため、銅のキャッピングが不可欠である。
キャッピングはこの拡散を抑制する。広く示唆されてい
るキャッピングの方法のひとつに、銅の相互接続の側壁
および底面に沿って、導電性のバリア層を使用すること
がある。このようなバリア層の代表例は、タンタルまた
はチタンである。銅の相互接続上面のキャッピングに
は、通常窒化シリコンを用いる。
【０００４】しかし、窒化シリコンは銅の表面に強い接
着を示さない。したがって、窒化シリコンと銅との界面
は、特に機械的な負荷を受ける条件下では、極めてはく
離が生じやすい。機械的な負荷によりはく離が生じる例
には、ウエーハの加工中の化学機械研磨、基板の再生
（rework）に使用するようなチップの引き抜き、仮に取
り付けた基板からの、バーン・イン後のチップの取り外
しなどがある。
【０００５】銅の表面からの、窒化シリコンのはく離に
より、銅が外方に拡散する経路、および水分その他の汚
染物質が内方に拡散する経路が形成される。これによ
り、半導体装置の信頼性の問題が生じる。
【０００６】さらに、二酸化シリコンなど、各種の他の
材料は、銅の表面に良好に接着しない。
【０００７】窒化シリコンと銅との界面の接着問題を解
決するために、銅の相互接続の上にケイ化銅を使用する
ことが示唆されている。米国特許第５４４７８８７号明
細書を参照されたい。しかし、ケイ化銅は電気抵抗率が
比較的高く、銅の相互接続の抵抗を許容できないほど増
大させることがある。さらに、ケイ化銅は大気中の酸素
と反応し、室温で酸素に曝されると抵抗率が増大する傾
向があることが報告されている。さらに、問題はケイ化
銅の生成にも存在し、それが工程の不均一性および非再
現性の原因になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、ケイ化銅
の使用に伴う欠点を生じることなく、窒化シリコン、二
酸化シリコンなどの層と、銅の表面との接着を改善する
必要性が存在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、銅の表面と、
銅の表面に良好に接着しない表面との接着を改善するこ
とに関するものである。特に、本発明は、半導体装置内
部に位置する銅部材を含む半導体構造に関するものであ
る。ゲルマニウム化銅、酸化ゲルマニウム、窒化ゲルマ
ニウムまたはこれらの混合物の層を、銅部材の少なくと
も１表面上に形成させる。銅に強固に接着しない材料の
層を、ゲルマニウム化銅、酸化ゲルマニウム、または窒
化ゲルマニウムの層の上に形成させる。ゲルマニウムを
含有する層は、銅部材への接着が良好でない材料の接着
を改善する。
【００１０】さらに、本発明は、ゲルマニウム化銅、酸
化ゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、およびこれらの組
み合わせからなる群から選択した少なくとも１つのゲル
マニウムを含有する材料の層を銅部材の少なくとも１表
面上に設け、ゲルマニウムを含有する材料の層の上に銅
と良好に接着しない材料の層を設けるステップを含む、
半導体構造を製造する方法に関するものである。本発明
はまた、上記の方法により得られた半導体構造にも関す
るものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の理解を容易にするため、
本発明による半導体構造の例の概略を示す図を参照す
る。
【００１２】本発明によれば、介在するゲルマニウムを
含有する層を含めることにより、銅の表面への接着が良
好でない材料の接着が改善される。ゲルマニウムを含有
する層は、ゲルマニウム化銅、酸化ゲルマニウム、窒化
ゲルマニウム、またはこれらの混合物とすることができ
る。
【００１３】図１に示すように、銅の配線１が、シリコ
ン、シリコンとゲルマニウムとの合金、またはガリウム
・ヒ素などの半導体ウエーハ（図示せず）上に含まれ
る。銅の配線は、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、リンケ
イ酸ガラス（ＰＳＧ）、ホウ素をドーピングしたＰＳＧ
（ＢＰＳＧ）、またはオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥ
ＯＳ）などの、中間レベルの誘電体２を含ませることに
より電気的に分離される。さらに、この誘電体は、フッ
素化ＳｉＯ2、有機重合体、多孔質誘電体などの誘電率
の低い材料を含み、場合により集積の目的でキャッピン
グ構造を使用することができる。銅の配線は、銅および
銅合金、但し、銅‐ゲルマニウム合金を除く、を含む。
さらに、銅の配線は、底部および側壁の表面をタンタル
またはチタンなどの導電性バリア（図示せず）でキャッ
ピングしてもよい。銅の厚みは通常約１０００Å〜約２
００００Åである。
【００１４】本発明によれば、ゲルマニウムを含有する
材料の層を、銅の上に設ける。ゲルマニウムを含有する
材料には、ゲルマニウム化銅（copper germanide）、酸
化ゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、またはこれらの混
合物がある。本発明の好ましい実施例によれば、約２０
０℃〜約４５０℃、好ましくは約３５０℃〜約４００℃
の高温で、ゲルマン（ＧｅＨ4）を構造の上に流すこと
により露出した銅の表面上にゲルマニウム化銅の層３を
生成させる。ゲルマンの流速は、通常約１５ｓｃｃｍ〜
約８０ｓｃｃｍ、さらに一般的には約２ｓｃｃｍ〜約５
ｓｃｃｍである。さらに、通常はゲルマンと、ヘリウ
ム、アルゴン、窒素などの不活性ガスとの混合物を使用
し、ゲルマンの濃度は約０．０５％〜約５％、好ましく
は約０．１％〜約０．５％である。ゲルマンを反応する
銅の量を制限するため、希釈したゲルマンの混合ガスを
使用する。通常、この反応により生成するゲルマニウム
化銅の厚みは、約１００Å〜約１０００Å、好ましくは
約１５０Å〜約４００Åである。ゲルマニウム化銅を選
択的に生成させるためには、ゲルマンの代わりに、Ｇｅ
2Ｈ6など、他のゲルマニウムを含有するガスを使用して
もよい。たとえば、米国特許第５４２００６９号明細書
を参照されたい。また、銅の上にゲルマニウム化銅の層
を形成させるために、ゲルマニウム化銅の化学蒸着な
ど、他の方法を用いることもできる。しかし、このよう
な方法は、ゲルマニウム化銅の層を銅の露出した表面上
のみに形成させるために、マスキングおよびエッチング
工程を必要とするため、好ましくない。一方、ゲルマン
ガスとの反応を使用すれば、ゲルマニウム化銅は露出し
た銅が存在する表面のみに、選択的に形成する。
【００１５】ゲルマニウム化銅は、特にケイ化銅に比べ
て、比較的均一に、再現可能に形成する。さらに、ゲル
マニウム化銅の抵抗率はケイ化銅に比べて比較的低い。
具体的には、ゲルマニウム化銅の抵抗率は室温で約５．
５μΩ・ｃｍであるのに対して、ケイ化銅の抵抗率は室
温で約５５μΩ・ｃｍである。一方、銅は抵抗率が約
２．２μΩ・ｃｍ以下である。
【００１６】次に、必要があれば、窒化シリコンまたは
二酸化シリコンなど、接着が良好でない材料の層５を、
ゲルマニウム化銅の層３の上に付着させる。窒化シリコ
ンの場合、周知のプラズマ・エンハンス化学蒸着（ＰＥ
ＣＶＤ）により付着させることができる。このような工
程では、シランなどのシリコンを含有するガスと、アン
モニアまたは窒素、もしくはその両方などの窒素を含有
するガスとを、プラズマの存在中に導入する。他のシリ
コンを含有するガスには、ジシラン、ジクロロシラン、
オルトケイ酸テトラエチルなどがある。他の窒素を含有
するガスには、ヘキサメチルジシラザンがある。窒化シ
リコンの付着は、通常約３００℃〜約４５０℃の温度
で、さらに一般的には約３５０℃〜約４００℃の温度で
行う。層５の厚みは通常約１００Å〜約２００００Å、
さらに一般的には窒化シリコンに関しては約１００Å〜
約１０００Åであり、二酸化シリコンに関しては約３５
０Å〜約７００Åである。
【００１７】必要があれば、図２および図３に示すよう
に、層５を付着させる前に、ゲルマニウム化銅の層の全
部または一部を酸化ゲルマニウムまたは窒化ゲルマニウ
ム４、もしくはその両方に変換して、下層の銅を保護す
る酸化バリアを設けることができる。図２はゲルマニウ
ム化銅の層の一部の変換を示したものであり、一方図３
はゲルマニウム化銅の層の全部の変換を示したものであ
る。ゲルマニウム化銅は、約２０℃〜約４００℃の温度
で、酸素を含有するガスを用いて酸化させることができ
る。一般に酸素を含有するガスの流速は、約５〜約１５
ｓｌｍ（standard litre per minute）であり、この工
程の時間は約５秒から数日である。酸化工程の間にゲル
マニウム化銅からの銅は、下層の銅部材へと戻される。
ゲルマニウム化銅は、アンモニアまたは窒素などの窒素
を含有するガスとプラズマにより、約３００℃〜約７５
０℃の高温で、窒化ゲルマニウムに変換される。
【００１８】ゲルマニウム化銅の生成と窒化物の付着と
の間に、エアブレイク（室温で空気に露出）により生成
した酸化ゲルマニウムは、スタッド引っ張り試験を用い
た窒化物と銅とのはく離がかなり減少する原因となるこ
とがわかった。ゲルマニウム化物の生成の後、エアブレ
イクを行わずにその場で窒化物のキャップを付着させる
と、縁部はく離試験で改善が見られるが、スタッド引っ
張り試験では改善が見られない。縁部はく離試験につい
ては、シャファー（Shaffer）他「Edge Delamination T
esting: A Method for Measuring the Adhesion of Thi
n-Film Coatings in Microelectronic Applications, P
art 1: Numerical Analysis and Preliminary Result
s」Thin Films: Stresses and Mechanical Properties
IV、Materials Research Society Symposium Proceedin
gs、Ｖｏｌ．３０８、１９９３年、Materials Research
Society（米国ペンシルベニア州ピッツバーグ）刊、
ｐ．５３５−５３９に記載されている。銅との接着が弱
い、または銅との接着が良好でないと考えられる材料と
は、シリコンが縁部はく離試験で不合格となる温度より
高い温度で、この試験によりはく離する材料をいう。
【００１９】窒化ゲルマニウムを生成する方法は、「Gm
elins Handbuch der anorganishenChemie」、第８版、
Ｖｏｌ．４５、ｐ．３４、Verlag Chernie, Stuttgar
t、１９６１年に記載されている。たとえば、酸化ゲル
マニウムを７００℃から７５０℃の温度でＮＨ3に露出
させると、Ｇｅ3Ｎ4が生成する。
【００２０】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００２１】（１）半導体装置内に位置する銅部材と、
銅部材の少なくとも一表面上に位置するゲルマニウム化
銅、酸化ゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、およびこれ
らの組み合わせからなる群から選択した少なくとも１つ
のゲルマニウムを含有する層と、ならびにゲルマニウム
を含有する層上に位置する銅と不完全に接着した材料の
層とを具備する、半導体装置。 （２）銅部材が、銅または銅合金である、上記（１）に
記載の半導体装置。 （３）ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅
を含む、上記（１）に記載の半導体装置。 （４）ゲルマニウムを含有する層が、酸化ゲルマニウム
を含む、上記（１）に記載の半導体装置。 （５）ゲルマニウムを含有する層が、窒化ゲルマニウム
を含む、上記（１）に記載の半導体装置。 （６）ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅
の層と、酸化ゲルマニウムの層とを含む、上記（１）に
記載の半導体装置。 （７）ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅
の層と、窒化ゲルマニウムの層とを含む、上記（１）に
記載の半導体装置。 （８）ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅
の層、酸化ゲルマニウムの層、および窒化ゲルマニウム
の層を含む、上記（１）に記載の半導体装置。 （９）ゲルマニウムを含有する層の厚みが、約１００〜
約１０００Åである、上記（１）に記載の半導体装置。 （１０）ゲルマニウムを含有する層の厚みが、約１５０
〜約４００Åである、上記（１）に記載の半導体装置。 （１１）銅の厚みが、約１０００〜約２０，０００Åで
ある、上記（１）に記載の半導体装置。 （１２）銅と不完全に接着した材料の層の厚みが、約１
００〜約２０，０００Åである、上記（１）に記載の半
導体装置。 （１３）銅と不完全に接着した材料が、窒化シリコンで
ある、上記（１）に記載の半導体装置。 （１４）銅と不完全に接着した材料が、二酸化シリコン
である、上記（１）に記載の半導体装置。 （１５）ゲルマニウム化銅、酸化ゲルマニウム、窒化ゲ
ルマニウム、およびこれらの組み合わせからなる群から
選択した少なくとも１つのゲルマニウムを含有する層を
銅部材の少なくとも１表面上に設けるステップと、ゲル
マニウムを含有する層の上に銅と良好に接着しない材料
の層を設けるステップとを含む、半導体装置を製造する
方法。 （１６）ゲルマニウムを含有する層を設けるステップ
は、表面上にゲルマンを接触させることにより、銅部材
上にゲルマニウム化銅を選択的に生成させることを含
む、上記（１５）に記載の方法。 （１７）ゲルマンの温度が約２００〜約４５０℃であ
る、上記（１６）に記載の方法。 （１８）約０．０５％〜約５％のゲルマンと、窒素、ヘ
リウム、アルゴン、およびこれらの混合物からなる群か
ら選択した第２のガスを含有する気体組成物を生成する
ステップを含む、上記（１６）に記載の方法。 （１９）ゲルマニウムを含有する層を設けるステップ、
銅部材の上にゲルマニウム化銅の層を設けた後、ゲルマ
ニウム化銅の全部または一部を酸化させて、酸化ゲルマ
ニウムの層を設けることを特徴とする、上記（１５）に
記載の方法。 （２０）ゲルマニウムを含有する層の厚みが、約１００
〜約１０００Åである、上記（１５）に記載の方法。 （２１）ゲルマニウムを含有する層の厚みが、約１５０
〜約４００Åである、上記（１５）に記載の方法。 （２２）ゲルマニウム化銅の層の厚みが、約１００〜約
１０００Åであり、酸化ゲルマニウムの層の厚みが、約
１００〜約１０００Åである、上記（１９）に記載の方
法。 （２３）ゲルマニウムを含有する層を設けるステップ
は、銅部材の上にゲルマニウム化銅の層を設けた後、ゲ
ルマニウム化銅の層全部または一部を窒化させて、窒化
ゲルマニウムの層を設けることを特徴とする、上記（１
５）に記載の方法。 （２４）ゲルマニウム化銅の層の厚みが、約１００〜約
１０００Åであり、窒化ゲルマニウムの層の厚みが、約
１００〜約１０００Åである、上記（２３）に記載の方
法。 （２５）ゲルマニウムを含有する層を設けるステップ
は、銅部材の上にゲルマニウム化銅の層を設けた後、ゲ
ルマニウム化銅の全部または一部を酸化させて、酸化ゲ
ルマニウムの層を設け、次に酸化ゲルマニウムの層の一
部を窒化させて、窒化ゲルマニウムの層を設けることを
特徴とする、上記（１５）に記載の方法。 （２６）銅部材が銅または銅合金である、上記（１５）
に記載の方法。 （２７）銅部材の厚みが約１０００〜約２０，０００Å
である、上記（１５）に記載の方法。 （２８）窒化シリコンの層の厚みが約１００〜約２０，
０００Åである、上記（１５）に記載の方法。 （２９）銅に良好に接着しない材料が窒化シリコンであ
る、上記（１５）に記載の方法。 （３０）銅に良好に接着しない材料が二酸化シリコンで
ある、上記（１５）に記載の方法。 （３１）上記（１５）に記載の方法により得られた半導
体装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体構造の一例を示す略図であ
る。
【図２】本発明による半導体構造の他の一例を示す略図
である。
【図３】本発明による半導体構造のさらに他の一例を示
す略図である。
【符号の説明】
１ 銅配線 ２ 誘電体 ３ ゲルマニウム化銅の層 ４ 酸化ゲルマニウムまたは窒化ゲルマニウムの層 ５ 窒化シリコンまたは酸化シリコンの層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トマス・エイチ・アイヴァース アメリカ合衆国12590 ニューヨーク州 ワッピンガーズ・フォールズ タウンビ ュー・ドライブ 14 (72)発明者 ヘンリー・エイ・ニェ・ザ・サード アメリカ合衆国06804 コネチカット州 ブルックフィールド ウィスコニヤ・ロ ード 196 (72)発明者 ジョイス・シー・リュウ アメリカ合衆国12533 ニューヨーク州 サウス・ホープウェル・ジャンクション チェルシー・コーブ・ドライブ 1007 (56)参考文献 特開 平８−148560（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−186273（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/768 H01L 21/3205

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】銅又は銅合金、但し銅‐ゲルマニウム合金
    を除く、からなる配線層と、前記配線層の上に位置する
    ゲルマニウムを含有する層と、前記ゲルマニウムを含有
    する層の上にキャッピング層とを含む半導体装置であっ
    て、前記ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅、
    窒化ゲルマニウム及び酸化ゲルマニウムからなる群より
    選ばれる少なくとも１つの物質を含み、且つ、前記キャ
    ッピング層が、縁部はく離試験において、シリコンが前
    記試験において不合格となる温度よりも高い温度で、銅
    と剥離する材料からなる、ことを特徴とする半導体装
    置 。
  2. 【請求項２】前記ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマ
    ニウム化銅の層と、酸化ゲルマニウムの層とを含む、請
    求項１に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】前記ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマ
    ニウム化銅の層と、窒化ゲルマニウムの層とを含む、請
    求項１に記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】前記ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマ
    ニウム化銅の層、酸化ゲルマニウムの層、および窒化ゲ
    ルマニウムの層を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】前記ゲルマニウムを含有する層の厚みが、
    １００〜１０００Åである、請求項１〜４のいずれか１
    項に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】前記配線層の厚みが、１０００〜２０，０
    ００Åである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半
    導体装置。
  7. 【請求項７】前記キャッピング層の厚みが、１００〜２
    ０，０００Åである、請求項１〜６のいずれか１項に記
    載の半導体装置。
  8. 【請求項８】前記縁部はく離試験において、シリコンが
    前記試験において不合格となる温度よりも高い温度で、
    銅と剥離する材料が、窒化シリコンまたは酸化シリコン
    である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体構
    造。
  9. 【請求項９】銅又は銅合金、但し銅‐ゲルマニウム合金
    を除く、からなる配線層を設けるステップと、 前記配線層の上部にゲルマニウムを含有する層を設ける
    ステップと、及び 前記ゲルマニウムを含有する層の上にキャッピング層を
    設けるステップと、 を含む半導体装置を製造する方法であって 、前記ゲルマニウムを含有する層が、ゲルマニウム化銅、
    酸化ゲルマニウム、及び窒化ゲルマニウムからなる群よ
    り選ばれる少なくとも１つを含み、且つ、前記キャッピ
    ング層が、縁部はく離試験において、シリコンが前記試
    験において不合格となる温度よりも高い温度で、銅と剥
    離する材料から形成されることを特徴とする 方法。
  10. 【請求項１０】前記ゲルマニウムを含有する層を設ける
    ステップは、前記配線層の表面をゲルマンと接触させる
    ことにより、ゲルマニウム化銅を選択的に生成させるこ
    とを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記ゲルマンの温度が２００〜４５０℃
    である、請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】０．０５％〜５％のゲルマンと、窒素、
    ヘリウム、アルゴン、およびこれらの混合物からなる群
    から選択した第２のガスとを含有する気体組成物を生成
    するステップを含む、請求項１０又は１１に記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】前記ゲルマニウムを含有する層の厚み
    が、１００〜１０００Åである、請求項９〜１２のいず
    れか１項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記ゲルマニウムを含有する層を設ける
    ステップは、前記配線層の上部にゲルマニウム化銅の層
    を設けた後、前記ゲルマニウム化銅の全部または一部を
    酸化させて、酸化ゲルマニウムの層を設けることを特徴
    とする、請求項９に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記ゲルマニウム化銅の層の厚みが、１
    ００〜１０００Åであり、前記酸化ゲルマニウムの層の
    厚みが、１００〜１０００Åである、請求項１４に記載
    の方法。
  16. 【請求項１６】ゲルマニウムを含有する層を設けるステ
    ップは、前記配線層の上部にゲルマニウム化銅の層を設
    けた後、前記ゲルマニウム化銅の層全部または一部を窒
    化させて、窒化ゲルマニウムの層を設けることを特徴と
    する、請求項９に記載の方法。
  17. 【請求項１７】前記ゲルマニウム化銅の層の厚みが、１
    ００〜１０００Åであり、前記窒化ゲルマニウムの層の
    厚みが、１００〜１０００Åである、請求項１６に記載
    の方法。
  18. 【請求項１８】前記ゲルマニウムを含有する層を設ける
    ステップは、前記配線層の上部にゲルマニウム化銅の層
    を設けた後、前記ゲルマニウム化銅の全部または一部を
    酸化させて、酸化ゲルマニウムの層を設け、次に前記酸
    化ゲルマニウムの層の一部を窒化させて、窒化ゲルマニ
    ウムの層を設けることを特徴とする、請求項９に記載の
    方法。
  19. 【請求項１９】前記配線層の厚みが１０００〜２０，０
    ００Åである、請求項９〜１８のいずれか1項に記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】前記キャッピング層の厚みが、１００〜
    ２０，０００Åである、請求項９〜１９のいずれか１項
    に記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記縁部はく離試験において、シリコン
    が前記試験において不合格となる温度 よりも高い温度
    で、銅と剥離する材料が、窒化シリコンまたは酸化シリ
    コンである、請求項９〜２０のいずれか1項に記載の方
    法。
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