DE10041565B4

DE10041565B4 - Metallzwischenverbindung, Halbleitervorrichtung, Verfahren zum Bilden einer Metallzwischenverbindung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10041565B4
Application number: DE10041565A
Authority: DE
Inventors: Chihiro Kawasaki Uchibori
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: TW536743B; DE10041565A1; JP2002064098A; KR20010021437A; KR100613154B1; US6841477B1; JP4428832B2

Abstract

Metallzwischenverbindung, die in einem Isolierfilm vergraben ist und umfaßt:
eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf dem Isolierfilm gebildet ist;
eine Barrierenschicht, die auf der Adhäsionsschicht gebildet ist;
Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht gebildet sind; und
ein Zwischenverbindungsmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zwischenverbindung, die in Halbleitervorrichtungen, etc., verwendet wird, im besonderen eine Zwischenverbindung, die auf Metallzwischenverbindungen auf geeignete Weise anwendbar ist, Halbleitervorrichtungen, Verfahren zum Bilden der Metallzwischenverbindung und Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtungen, bei denen Cu (Kupfer) wegen des niedrigeren spezifischen Widerstandes verwendet wird.
Da integrierte Halbleiterschaltungen in letzter Zeit höher integriert worden sind, sind Elemente, die auf den Halbleitersubstraten gebildet werden, und Zwischenverbindungen, die die Elemente verbinden, zunehmend mikronisiert worden. Daher sind Anforderungen an Charakteristiken und an die Zuverlässigkeit von den Zwischenverbindungen härter geworden. Es werden zuverlässigere Zwischenverbindungsmaterialien benötigt, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand haben und eine Elektromigrationsbeständigkeit und Belastungsmigrationsbeständigkeit, etc., aufweisen.
Vor solch einem Hintergrund wird Cu, das hinsichtlich des spezifischen Widerstandes und der Elektromigrationsbeständigkeit gegenüber Al (Aluminium) überlegen ist, als Zwischenverbindungsmaterial anstelle von Al, das herkömmlicherweise als Zwischenverbindungsmaterial breite Verwendung gefunden hat, genannt, das zunehmend in der Praxis verwendet worden ist. Beim Bilden von solch einer Kupferzwischenverbindung auf dem Halbleitersubstrat wird als Herstellungsprozeß ein sogenanntes Damaszener-Verfahren eingesetzt, um eine Kupferzwischenverbindung in dem Isolierfilm zu vergraben.

Unter Bezugnahme auf 24A–24D wird das Verfahren zum Herstellen einer Kupferzwischenverbindung durch das Damaszener-Verfahren erläutert. 24A–24D sind schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferzwischenverbindung durch das Damaszener-Verfahren auf einem Zwischenschichtisolierfilm 101, der über einem Halbleitersubstrat gebildet ist, in der Reihenfolge der Bildungsschritte zeigen.

Zuerst wird, wie in 24A gezeigt, eine Zwischenverbindungsnut 102 in dem Zwischenschichtisolierfilm 101, der auf dem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) gebildet ist, durch Photolithographie und Trockenätzen im Anschluß an die Photolithographie gebildet.

Dann wird, wie in 24B gezeigt, ein schwerschmelzender Metallfilm 103 gebildet, der den Zwischenschichtisolierfilm 101 und die Innenwand der Zwischenverbindungsnut 102 bedeckt. Der schwerschmelzende Metallfilm 103 ist ein Barrierenfilm, der verhindert, daß Cu als das Zwischenverbindungsmaterial mit dem Zwischenschichtisolierfilm 101 aus einem Siliciumoxidfilm, etc., reagiert und diffundiert, um eine Qualitätsminderung von Vorrichtungscharakteristiken zu unterdrücken. Dann wird ein Cu-Film 104 als Keimschicht durch ein CVD-Verfahren oder durch andere Verfahren gebildet, die den schwerschmelzenden Metallfilm 103 bedeckt, um den Cu-Film 105 effektiv zu bilden, der durch Plattieren zu bilden ist.

Dann wird, wie in 24C gezeigt, ein Cu-Film 105 durch ein Sputterverfahren gebildet, um die Zwischenverbindungsnut 102 zu füllen. Damit ist die Zwischenverbindungsnut 102 mit dem Cu-Film 105 gefüllt, wobei der Cu-Film 105 in der Zone, die nicht die Zwischenverbindungsnut 102 ist, dick gebildet wird.

Als nächstes werden, wie in 24D gezeigt, die Cu-Filme 104, 105 und der schwerschmelzende Metallfilm 103 in der Zone, die nicht die Zwischenverbindungsnut 102 ist, durch ein CMP-(Chemical Mechanical Polishing)-[chemisch-mechanisches Polier-]Verfahren wegpoliert. Damit ist der Zwischenverbindungsfilm aus dem schwerschmelzenden Metallfilm 103, den Cu-Filmen 104, 105, die in der Zwischenverbindungsnut 102 vergraben sind, vollendet.

Durch das Verwenden von Cu als Zwischenverbindungsmaterial kann beim Mustern kein Trockenätzen zum Einsatz kommen, da Cu kein Halogenid mit hohem Dampfdruck erzeugt. Die Zwischenverbindung muß durch das Damaszener-Verfahren gebildet werden, welches den Polierschritt durch das CMP-Verfahren enthält.

Das CMP-Verfahren, das zum Entfernen der Cu-Filme 104, 105 auf dem Zwischenschichtisolierfilm 101 ausgeführt wird, ist jedoch ein mechanisches Polierverfahren, und die Cu-Filme 104, 105 werden durch die mechanische Belastung oft aus der Zwischenverbindungsnut 102 herausgelöst.

Der schwerschmelzende Metallfilm 103 ist besonders aus TaN (Tantalnitrid) oder etwas anderem gebildet und hat ein niedriges Reaktionsvermögen mit den Cu-Filmen 104, 105, so daß der schwerschmelzende Metallfilm 103 als Barrierenfilm fungieren kann. Der schwerschmelzende Metallfilm 103 kann eine Diffusion von Cu in den Zwischenschichtisolierfilm verhindern, während er keine ausreichende Adhäsion an dem Cu-Film 104 gewährleisten kann. Wenn das mechanische Polieren durch das CMP-Verfahren ausgeführt wird, wird daher auf die Grenzfläche zwischen den Cu-Filmen 104, 105 und dem schwerschmelzenden Metallfilm 103 durch eine Kraft, die auf die Cu-Filme 104, 105 angewendet wird, eine Belastung ausgeübt, und oft lösen sich die Cu-Filme 104, 105 von dem schwerschmelzenden Metallfilm 103 ab. Wenn die Adhäsion zwischen dem schwerschmelzenden Metallfilm 103 und dem Cu-Film 104 unzureichend ist, kann die Beständigkeit gegenüber der Belastungsmigration nicht ausreichend gewährleistet werden.

Wenn in den Cu-Filmen 104, 105 ein großer Strom fließt, tendiert eine Migration von Atomen dazu, mehr in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film 104 und dem schwer schmelzenden Metallfilm 103 als innerhalb des Zwischenverbindungsfilms aufzutreten. Auf Grund der schlechten Adhäsion zwischen dem schwerschmelzenden Metallfilm 103 und dem Cu-Film 104 sind jedoch der Verbesserung der Elektromigrationsbeständigkeit nahe der Grenzfläche Grenzen gesetzt.

Ungeachtet des günstigen Vorteils, daß durch das Zwischenverbindungsmaterial unter Verwendung von Cu der spezifische Widerstand verringert und die Elektromigrationsbeständigkeit verbessert werden kann, ist es wichtig, die Barrierenschicht zu bilden, und eine ausreichende Adhäsion kann nahe der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film und der Barrierenschicht, die ein niedriges Reaktionsvermögen mit Cu hat, nicht gewährleistet werden. Wenn das mechanische Polieren durch das CMP-Verfahren ausgeführt wird, lösen sich daher die Cu-Filme 104, 105 oft ab. Die Adhäsion bezüglich des schwerschmelzenden Metallfilms 103 kann nicht erhöht werden, und daher sind einer weiteren Verbesserung der Elektromigrationsbeständigkeit und der Belastungsmigrationsbeständigkeit Grenzen gesetzt.

Aus Appl. Phys. Lett. Vol 72, No. 22, 1998, S. 2832 bis 2834 ist eine metallische Schichtanordnung, die auf einem Substrat gebildet ist, mit einer Zirkoniumschicht, die zwischen zwei Tantalbarriereschichten gebildet ist, bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallzwischenverbindung, eine Halbleitervorrichtung, ein Verfahren zum Bilden einer Metallzwischenverbindung und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung vorzusehen, wodurch dann, wenn der Zwischenverbindungsfilm aus Cu gebildet wird, verhindert werden kann, daß sich die Cu-Zwischenverbindung ablöst, und die Elektromigrationsbeständigkeit und die Belastungsmigrationsbeständigkeit verbessert werden können, wodurch eine höhere Zuverlässigkeit erhalten werden kann.

Um die Adhäsion zwischen der Kupferzwischenverbindung und der Barrierenschicht zu verbessern, wird erwogen, zwischen der Zwischenverbindung und der Barrierenschicht eine Adhäsionsschicht aus einem Material anzuordnen, das eine gute Adhäsion sowohl an der Zwischenverbindung als auch an der Barrierenschicht aufweist. Um die Adhäsion zwischen der Barrierenschicht und dem Zwischenschichtisolierfilm zu verbessern, wird ähnlich erwogen, zwischen der Barrierenschicht und dem Zwischenschichtisolierfilm eine Adhäsionsschicht aus einem Material anzuordnen, das eine gute Adhäsion sowohl an der Barrierenschicht als auch an dem Zwischenschichtisolierfilm aufweist.

Hier wird die Adhäsionsschicht betrachtet, die zwischen der Kupferzwischenverbindung und der Barrierenschicht angeordnet wird. Wichtige Charakteristiken, die von der Adhäsionsschicht verlangt werden, sind nicht nur in der guten Adhäsion zu sehen, die die Adhäsionsschicht sowohl an der Kupferzwischenverbindung als auch an der Barrierenschicht aufweist, sondern auch darin, daß Elemente, die die Adhäsionsschicht bilden, nicht in die Kupferzwischenverbindung diffundieren, um dadurch den niedrigen spezifischen Widerstand der Kupferzwischenverbindung anzuheben, der ein Vorzug von Kupferzwischenverbindungen ist.

Unter diesen Gesichtspunkten haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gewissenhafte Studien durchgeführt und zum ersten Mal herausgefunden, daß Zr (Zirconium) ein Material ist, das – für Adhäsionsschichten günstig – eine gute Adhäsion an der Kupferzwischenverbindung und den allgemein verwendeten Barrierenschichten aufweist und den spezifischen Widerstand der Kupferzwischenverbindung kaum anhebt.

Unten werden Gründe dafür erläutert, warum Zr als Material für die Adhäsionsschicht geeignet ist.

Um die Adhäsion zwischen der Kupferzwischenverbindungsschicht und der Adhäsionsschicht und zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht zu verbessern, ist es erforderlich, Materialien, die die Adhäsionsschicht bilden, in die Kupferzwischenverbindung und die Barrierenschicht zu diffundieren, um dadurch Grenzflächenzustände zwischen beiden Schichten kompatibel zu machen.

Falls andererseits alle Bildungselemente, die die Adhäsionsschicht bilden, in die Kupferzwischenverbindung oder die Barrierenschicht diffundieren, stellt dies im wesentlichen keinen Unterschied zu dem Fall dar, wenn die Kupferzwischenverbindungsschicht auf der Barrierenschicht vorgesehen ist, und die Adhäsion wird nicht verbessert.

Wenn andere Elemente in Cu in festem Zustand gelöst werden, wird im allgemeinen der spezifische Widerstand erhöht. Wenn Elemente der Adhäsionsschicht sehr in Cu diffundieren, kann daher der Vorzug der Kupferzwischenverbindung, nämlich der niedrige spezifische Widerstand, nicht voll genutzt werden.

Wenn ein Material selektiert wird, um die Adhäsionsschicht zu bilden, müssen demzufolge die oben beschriebenen Punkte hinlänglich berücksichtigt werden.

Elemente, die den spezifischen Widerstand von Cu nicht sehr erhöhen, wenn sie in Cu eingebracht werden, sind Zr (Zirconium), Cd (Cadmium), Zn (Zink), Ag (Silber), Pb (Blei), Sn (Zinn), Al (Aluminium), etc. Diese Materialien sind in der angegebenen Reihenfolge zum Erhöhen des spezifischen Widerstandes in geringerem Maße effektiv.

Damit die Adhäsionsschicht funktioniert, ist es andererseits erforderlich, daß selbst dann, nachdem die Grenzfläche, wie oben beschrieben, durch eine Wärmebehandlung oder andere Behandlungen kompatibel gemacht ist, die Adhäsionsschicht zwischen der Kupferzwischenverbindung und der Barrierenschicht noch vorhanden ist, um die Adhäsion zwischen beiden beizubehalten. Daher ist es vorzuziehen, daß ein Material, das die Adhäsionsschicht bildet, eines ist, das eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze in Cu aufweist, und daß nicht alle Bildungselemente von ihm in die Cu-Zwischenverbindung diffundieren, und durch das eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes von Kupfer niedrig gehalten werden kann.

Elemente, die eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze in Cu aufweisen, sind z. B. Ag, B (Bor), Ba (Barium), Bi (Wismut), Ca (Calcium), Cd, Ce (Cer), Dy (Dysprosium), Er (Erbium), Eu (Europium), Gd (Gadolinium), Hf (Hafnium), In (Indium), La (Lanthan), Mo (Molybdän), Nb (Niob), Nd (Neodymium), Pb, Pr (Praseodym), Se (Selen), Sm (Samarium), Sr (Strontium), Te (Tellur), Th (Thorium), Tl (Thallium), V (Vanadium), Y (Yttrium), Yb (Ytterbium), Zr, etc.

Die Festkörperlöslichkeitsgrenzen der oben beschriebenen Elemente, die zum Erhöhen des spezifischen Widerstandes von Cu in geringerem Maße effektiv sind, wenn sie in Cu eingebracht werden, sind wie folgt: Zr, 0,15 Gew.-%; Cd, 0,5 Gew.-%; Zn, 39 Gew.-%; Ag, 0,8 Gew.-%; Pb, 0,09 Gew.-%; Ni, ein ganzes Gew.-%; Sn, 11–15 Gew.-%; und Al, 9 Gew.-%.

Wenn ein optimales Material aus den oben beschriebenen Materialien ausgewählt wird, ist es daher vorzuziehen, daß als Adhäsionsfilm ein Zr-Film selektiert wird, der eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze hat und zum Erhöhen des spezifischen Widerstandes von Cu nicht effektiv ist. Die Verwendung eines Filmes, der Zr enthält, wie z. B. ein ZrN-(Zirconiumnitrid)-Film, wird denselben Effekt ergeben. Die Adhäsionsschicht aus einem Nitridfilm kann die Funktion einer Barrierenschicht haben.

In dem Fall, wenn die Adhäsionsschicht aus Zr gebildet wird, diffundieren an der Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht Bildungselemente der Barrierenschicht und der Adhäsionsschichten durch eine Wärmebehandlung ineinander, wodurch die Adhäsion zwischen beiden verbessert wird. Zr weist eine gute Adhäsion an einem Siliciumoxidfilm, etc., des Zwischenschichtisolierfilms auf. Die Adhäsionsschicht aus Zr kann zwischen dem Zwischenschichtisolierfilm und der Barrierenschicht funktionieren.

Angesichts der typischen Filmstruktur und des Prozesses ist es vorzuziehen, obwohl die Bedingung in Abhängigkeit von Filmstrukturen und der späteren Wärmebehandlung, etc., schwankt und nicht allgemein definiert werden kann, daß eine Festkörperlöslichkeitsgrenze des Materials, das die Adhäsionsschicht bildet, in Cu unter 20 Gew.-% liegt. Um den niedrigen Widerstandswert von Cu zu nutzen, wenn Cu auf die Zwischenverbindungsschicht angewendet wird, muß eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes von Cu infolge einer Verunreinigung, die in Cu eingebracht wird, unterdrückt werden, um unter 19,8% zu liegen.

Obwohl die Erfinder der vorliegenden Anmeldung nicht die Einzelheiten untersucht haben, können unter solch einem Gesichtspunkt andere Materialien, die eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze in Cu haben und zur Erhöhung des spezifischen Widerstandes von Cu nicht effektiv sind, wie z. B. Cd, Ag, Pb, etc., als Adhäsionsschicht verwendbar sein.

Was die Verarbeitung anbetrifft, um die Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht und der Kupferzwischenverbindung kompatibel zu machen, um die Adhäsion zu erhöhen, wird zum Beispiel die Adhäsionsschicht aus Zr im amorphen Zustand abgeschieden, und die Keimschicht wird durch eine Filmbildungstechnik wie z. B. ein Sputterverfahren oder andere Verfahren abgeschieden, bei denen Filmkomponenten eine hohe Energie haben. Wenn die Keimschicht durch solch eine Filmbildungstechnik gebildet wird, gelangt ein Teil des Cu, das die Keimschicht bildet, in die Adhäsionsschicht, wodurch die Adhäsion zwischen der Keimschicht und der Adhäsionsschicht verbessert wird.

Es ist möglich, daß dann, nachdem die Keimschicht gebildet ist, ein Teil des Zr, das die Adhäsionsschicht bildet, in die Keimschicht diffundiert. Zum Beispiel wird eine Wärmebehandlung bei einer niedrigen Temperatur von etwa 200°C oder eine thermische Schnellbehandlung von mehreren Sekunden bei etwa 500°C ausgeführt, um einen Teil des Zr der Adhäsionsschicht zu diffundieren, um dadurch die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht und der Keimschicht zu verbessern.

Anderenfalls ist es möglich, eine Wärmebehandlung auszuführen, bis ein Teil des Zr der Adhäsionsschicht eine Festkörperlöslichkeitsgrenze in der Keimschicht erreicht. Zum Beispiel kann eine 30minütige Wärmebehandlung bei 300°C zum Einsatz kommen. Zr hat eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze in dem Cu-Film, und selbst wenn die Wärmebehandlung bis zu der Festkörperlöslichkeitsgrenze ausgeführt wird, ist der Effekt zum Erhöhen des spezifischen Widerstandes von Cu gering. Wenn Zr in festem Zustand bis zu der Festkörperlöslichkeitsgrenze gelöst ist, diffundiert kein Zr mehr in das Cu, wodurch der Effekt, durch spätere Wärmebehandlungen und verschiedene Prozesse nur kleine Veränderungen des spezifischen Widerstandes der Kupferzwischenverbindung zu bewirken, gewährleistet wird. In diesem Fall ist es erforderlich, die Filmdicke der Keimschicht und der Adhäsionsschichten zu steuern, so daß der Zr-Film auch nach der Wärmebehandlung an der Grenzfläche zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht noch vorhanden ist.

Adhäsionsveränderungen und Filmwiderstandsveränderungen, die auftreten, wenn die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film und die Keimschicht aus dem Cu-Film auf der Barrierenschicht aus TaN abgeschieden werden, sind in TABELLE 1 und 1 gezeigt. Filmdicken der Adhäsionsschicht und der Keimschicht betrugen insgesamt konstant 200 nm, und Filmdickenverhältnisse zwischen dem Zr-Film und dem Cu-Film wurden verändert.

TABELLE 1

Wenn ein Filmdickenverhältnis von Zr:Cu 1:99 oder mehr beträgt, wird festgestellt, wie in TABELLE 1 gezeigt, daß eine kritische Belastung, die ein Index der Adhäsion ist, im Vergleich zu jener in dem Fall, wenn die Adhäsionsschicht aus Zr nicht gebildet ist, erhöht wird.

Wenn ein Filmdickenverhältnis von Zr:Cu 1:99 beträgt, beläuft sich eine Zr-Konzentration in Cu auf 0,15 Gew.-% und stellt damit im wesentlichen die Festkörperlöslichkeitsgrenze dar. Es wird festgestellt, wie in 1 gezeigt, daß Veränderungen des spezifischen Widerstandes der Kupferzwischenverbindung klein sind, obwohl das Filmdickenverhältnis von Zr zunimmt.

In 1 ergeben eine Kontrolle, wenn ein Sn-Film und der Cu-Film in einer Gesamtfilmdicke von 300 nm gebildet sind, und eine Kontrolle, wenn ein Pd-Film und der Cu-Film in einer Gesamtfilmdicke von 300 nm gebildet sind, dieselben Resultate. Wenn die Filmdicke von Sn und Pd zunimmt, wird der spezifische Widerstand von Cu erhöht. Es wird festgestellt, daß Sn und Pd zum Unterdrücken des Anstieges des spezifischen Widerstandes von Cu in geringerem Maße als Zr effektiv sind. Für die Beziehungen zwischen dem Sn-Film und dem Cu-Film wurden Daten verwendet, die genannt sind in C.-K. Hu et al., Thin Solid Films, 262 (1995) 84, C.-K. Hu et al., J. Electrochem. Soc., 143 (1996) 1001, und Y.S. Gong et al., Appl. Surf. Soc., 92 (1996) 355. Für die Beziehungen zwischen dem Pd-Film und dem Cu-Film wurden die Daten verwendet, die genannt sind in C.W. Park et al., Thin Solid Films, 226 (1993) 238.

Eine Schnittstruktur einer Probe mit einem Filmdickenverhältnis von Zr:Cu von 1:99 wurde, obwohl nicht gezeigt, mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop untersucht. Es wurde herausgefunden, daß Zr, das in dem Cu-Film in festem Zustand nicht gelöst wurde, an der Grenzfläche zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht noch vorhanden war, und das restliche Zr und TaN diffundierten ineinander, wodurch die Grenzfläche mit hoher Adhäsion gebildet wurde.

Inselförmige Strukturen aus einer Cu-Zr-Legierung (die in dieser Beschreibung auch als Inseln aus einer Cu-Zr-Legierung bezeichnet werden) werden zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht vorgesehen, wodurch eine verbesserte Adhäsion erhalten werden kann. Auf Grund der inselförmigen Strukturen aus einer Cu-Zr-Legierung verbindet eine mikroskopisch rauhe Oberfläche, die durch die inselförmigen Strukturen gebildet wird, die Barrierenschicht und die Adhäsionsschicht mechanisch miteinander, wodurch selbst dann, wenn auf die Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht eine Belastung angewendet wird, das Ablösen der Kupferzwischenverbindung verhindert werden kann. Die Adhäsionsschicht wird aus einem Zr-haltigen Material gebildet, dessen Adhäsion an dem Cu und dem schwerschmelzenden Metallmaterial, das im allgemeinen als Barrierenfilm verwendet wird, hoch ist, wodurch die Bildungselemente an der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht und der Cu-Zwischenverbindung oder der Barrierenschicht ineinander diffundieren und die Adhäsion zwischen dem Cu-Film und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Somit werden die mechanische Verbindung durch die rauhe Oberfläche, die durch die inselförmigen Strukturen aus einem Cu-Zr-Legierungsfilm gebildet wird, und die Adhäsion durch den Adhäsionsfilm beide verwendet, wodurch die Adhäsion zwischen der Kupferzwischenverbindung und der Barrierenschicht synergistisch stabilisiert werden kann.

Die oben beschriebene Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 4 bis 7, 12, 13, 14 und 18 gelöst. Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Graph von Veränderungen des spezifischen Widerstandes, die sich bei Filmdickenverhältnissen von Cu-Film zu Zr-Film, Cu-Film zu Sn-Film und Cu-Film zu Pd-Film ergeben.

2 ist eine schematische Ansicht der Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform und einer zweiten Ausführungsform.

3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A–7B, 8A–8B und 9A–9B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß den ersten und zweiten Ausführungsformen während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

10 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

11A–11C, 12A–12C, 13A–13B und 14A–14B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

15 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.

16A–16D, 17A–17B und 18A–18B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

19 ist eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung nach einer fünften Ausführungsform.

20A–20D sind Schnittansichten der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

21 ist eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform.

22A–22D sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

23 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben verdeutlicht.

24A–24D sind Schnittansichten der herkömmlichen Halbleitervorrichtung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[Erste Ausführungsform]

Unter Bezugnahme auf 2, 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A-7B, 8A–8B und 9A–9B werden die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

2 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Struktur von ihr. 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A-7B, 8A–8B und 9A–9B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

Zuerst wird unter Bezugnahme auf 2 die Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

Ein MOS-Transistor, der eine diffundierte Source/Drain-Schicht 14 und eine Gateelektrode 18 enthält, ist in einer Vorrichtungszone eines Siliciumsubstrates 10 gebildet, die durch einen Vorrichtungsisolierfilm 12 definiert ist.

Auf dem Siliciumsubstrat 10 mit dem darauf gebildeten MOS-Transistor sind ein Zwischenschichtisolierfilm 22, ein Stopperfilm 24 und ein Zwischenschichtisolierfilm 26 übereinander gebildet. Durchgangslöcher 32, die die diffundierte Source/Drain-Schicht 14 und die Gateelektrode 18 erreichen, sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 und dem Stopperfilm 24 gebildet. Zwischenverbindungsnuten 30 sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 26 in Zonen gebildet, die die Zonen enthalten, wo die Durchgangslöcher 32 gebildet sind. Eine Zwischenverbindungsschicht 42, die aus einer Barrierenschicht 34 aus einem TaN-Film, einer Adhäsionsschicht 36 aus einem Zr-Film, einem Cu-Film 38 als Keimschicht und einem Cu-Film 40 gebildet ist, ist in den Durchgangslöchern 32 und den Zwischenverbindungsnuten 30 vergraben.

Auf dem Zwischenschichtisolierfilm 26 mit der darin vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 42 sind ein Zwischenverbindungsschutzfilm 44, ein Zwischenschichtisolierfilm 46, ein Stopperfilm 48 und ein Zwischenschichtisolierfilm 50 übereinander gebildet. Durchgangslöcher 56, die an der Zwischenverbindungsschicht 42 ankommen, sind in dem Zwischenverbindungsschutzfilm 44, dem Zwischenschichtisolierfilm 46 und dem Stopperfilm 48 gebildet. Zwischenverbindungsnuten 54 sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 50 in den Zonen gebildet, die die Zonen enthalten, wo die Durchgangslöcher 56 gebildet sind. Eine Zwischenverbindungsschicht 66, die aus einer Barrierenschicht 58 aus einem TaN-Film, einer Adhäsionsschicht 60 aus einem Zr-Film, einem Cu-Film 62 als Keimschicht und einem Cu-Film 64 gebildet ist, ist in den Durchgangslöchern 56 und den Zwischenverbindungsnuten vergraben.

Ein Zwischenverbindungsschutzfilm 68 ist auf dem Zwischenschichtisolierfilm 50 mit der darin vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 66 gebildet.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat solch eine Struktur.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Adhäsions schicht 36 aus dem Zr-Film zwischen der Barrierenschicht und dem Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet ist und der Adhäsionsfilm 60 zwischen der Barrierenschicht 58 und dem Cu-Film 62 als Keimschicht gebildet ist. Auf Grund der so angeordneten Adhäsionsschichten 36, 60 aus dem Zr-Film kann die Adhäsion zwischen den Barrierenschichten 34, 58 und den Adhäsionsschichten 36, 60 und jene zwischen den Adhäsionsschichten 36, 60 und den Cu-Filmen 38, 62 als Keimschichten verbessert werden. Daher weist die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu den herkömmlichen Halbleitervorrichtungen eine verbesserte Adhäsion auf.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A–7B, 8A–8B und 9A–9B das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

Zuerst wird ein Siliciumsubstrat 10 z. B. durch das übliche LOCOS-Verfahren lokal oxidiert, um den Vorrichtungsisolierfilm 12 zu bilden, der eine Vorrichtungszone definiert.

Dann wird auf dieselbe Weise wie bei dem üblichen MOS-Transistor-Herstellungsprozeß ein MOS-Transistor hergestellt, der die diffundierte Source/Drain-Schicht 14, einen Gateisolierfilm 16, die Gateelektrode 18 und einen Seitenwandisolierfilm 20 enthält (3A).

Als nächstes wird ein etwa 500–700 nm dicker Siliciumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche durch ein CVD-Verfahren abgeschieden, und dann wird die Oberfläche z. B. durch ein CMP-Verfahren poliert, um planarisiert zu werden. Damit ist der Zwischenschichtisolierfilm 22 aus dem Siliciumoxidfilm mit der planarisierten Oberfläche gebildet (3B).

Dann wird auf der gesamten Oberfläche ein Siliciumnitridfilm mit einer Dicke von mehreren zehn nm z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden. Damit ist der Stopperfilm 24 aus dem Siliciumnitridfilm gebildet (3C).

Dann wird der Stopperfilm 24 in den Zonen, wo die Durchgangslöcher zur Zwischenverbindung der Zwischenverbindungsschicht, die darüber zu bilden ist, und von Elementen, die auf dem Siliciumsubstrat 10 gebildet sind, zu bilden sind, durch übliche Lithographie und Ätzen entfernt (3D). 3 verdeutlicht den Fall, wenn die Durchgangslöcher auf der diffundierten Source/Drain-Schicht 14 und auf der Gateelektrode 18 auf der rechten Seite geöffnet werden, wie in 3D gezeigt.

Als nächstes wird ein etwa 400 nm dicker Siliciumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden, um den Zwischenschichtisolierfilm 26 aus dem Siliciumoxidfilm zu bilden (4A).

Dann wird ein Resistfilm 28, der ein Öffnungsmuster hat, das der zu bildenden Zwischenverbindungsschicht entspricht, durch die übliche Lithographie gebildet (4B).

Als nächstes werden die Zwischenschichtisolierfilme 22, 26 mit dem Resistfilm 28 und dem Stopperfilm 24 als Maske anisotrop geätzt, um die Zwischenverbindungsnuten 30 in dem Zwischenschichtisolierfilm 26 und die Durchgangslöcher 32 in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 zu bilden, die die diffundierte Source/Drain-Schicht 14 und die Gateelektrode 18 erreichen (4C).

Als nächstes wird ein 20–40 nm dicker TaN-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein reaktives Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Barrierenschicht 34 aus dem TaN-Film gebildet. Die Barrierenschicht 34 dient dazu, das Diffundieren des Cu in den Zwischenverbindungsschichten in die Zwischenschichtisolierfilme 22, 26 zu verhindern. Der TaN-Film kann auch durch ein CVD-Verfahren abgeschieden werden.

Dann wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film im amorphen Zustand auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren, CVD-Verfahren oder Plattierungsverfahren abge schieden. Damit ist die Adhäsionsschicht 36 aus dem Zr-Film gebildet.

Als nächstes wird auf der gesamten Oberfläche ein etwa 50–200 nm dicker Cu-Film z. B. durch ein Sputterverfahren, CVD-Verfahren oder durch andere Verfahren abgeschieden. Damit ist der Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet (5A. Der Cu-Film 38 als Keimschicht wird als Erdfilm zum verbessern der Leitfähigkeit des Substrates abgeschieden, wenn der Cu-Film durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden wird.

Der Cu-Film 38 als Keimschicht wird durch solch eine Technik wie etwa ein Sputterverfahren oder durch andere verfahren gebildet, bei denen ein Filmbestandteil mit hoher Energie erzeugt wird, so daß ein Teil des Cu, welches den Cu-Film 38 als Keimschicht bildet, in die Adhäsionsschicht 36 aus Zr eindringt, wodurch die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 38 als Keimschicht selbst ohne spätere Wärmebehandlung verbessert werden kann.

Als nächstes wird ein etwa 1000 nm dicker Cu-Film 40 auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden, um die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durchgangslöcher 32 mit dem Cu-Film 40 vollständig zu füllen (5B).

Hierbei kann der Cu-Film 40 aus reinem Kupfer oder aus einer Kupferlegierung gebildet werden. Verschiedene Kupferlegierungen wie etwa Cu-Sn-(Kupfer-Zinn)-Legierungen, Cu-Mg-(Kupfer-Magnesium)-Legierungen, Cu-Al-(Kupfer-Aluminium)-Legierungen, etc., können verwendet werden. Durch die Verwendung von Cu-Sn-Legierungen kann die Elektromigrationsbeständigkeit weiter verbessert werden. Durch die Verwendung von Cu-Mg-Legierungen kann die Oxidation der Oberfläche des Cu-Films 40 unterdrückt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Cu-Film 40 durch ein Plattierungsverfahren gebildet, er kann aber durch eine andere Technik wie z. B. ein Sputterverfahren oder durch andere Verfahren gebildet werden, um die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durch gangslöcher 32 ohne das Bilden des Cu-Films 38 als Keimschicht zu füllen.

Dann werden der Cu-Film 40, der Cu-Film 38 als Keimschicht, die Adhäsionsschicht 36 und die Barrierenschicht 34 durch Polieren z. B. durch ein CMP-Verfahren planarisiert, bis der Zwischenschichtisolierfilm 26 exponiert ist, so daß der Cu-Film 40, der Cu-Film 38 als Keimschicht, die Adhäsionsschicht 36 und die Barrierenschicht 34 nur in den Zwischenverbindungsnuten 30 und den Durchgangslöchern 32 verbleiben.

Damit ist die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet, die aus dem Cu-Film 40, dem Cu-Film 38 als Keimschicht, der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 gebildet ist, mit der diffundierten Source/Drain-Schicht und den Gateelektroden 18 durch die Durchgangslöcher 32 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten 30 vergraben ist (5C).

Als nächstes wird der Zwischenverbindungsschutzfilm 44 aus einem 50–70 nm dicken Siliciumnitridfilm auf dem Zwischenschichtisolierfilm 26 mit der darin vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 42 zum Beispiel durch ein CVD-Verfahren gebildet (6A).

Dann wird ein etwa 500–700 nm dicker Siliciumoxidfilm auf dem Zwischenverbindungsschutzfilm 44 z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden, um den Zwischenschichtisolierfilm 46 aus dem Siliciumoxidfilm zu bilden.

Dann wird ein mehrere zehn nm dicker Siliciumnitridfilm auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden. Damit ist der Stopperfilm 48 aus dem Siliciumnitridfilm gebildet.

Als nächstes wird der Stopperfilm 48 in der Zone, wo Durchgangslöcher zur Zwischenverbindung einer Zwischenverbindungsschicht, die darüber zu bilden ist, und der Zwischenverbindungsschicht 42 zu bilden sind, durch die übliche Lithographie und Ätzen entfernt.

Dann wird ein etwa 400 nm dicker Siliciumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden, um den Zwischenschichtisolierfilm 50 aus dem Siliciumoxidfilm zu bilden (6B).

Als nächstes wird der Resistfilm 52, der das Öffnungsmuster hat, das der Zwischenverbindungsschicht entspricht, die zu bilden ist, durch die übliche Lithographie gebildet (7A).

Als nächstes werden mit dem Resistfilm 52 und dem Stopperfilm 48 als Maske die Zwischenschichtisolierfilme 46, 50 und der Zwischenverbindungsschutzfilm 44 anisotrop geätzt, um die Zwischenverbindungsnuten 54 in dem Zwischenschichtisolierfilm 50 zu bilden, und die Durchgangslöcher 56 in dem Zwischenschichtisolierfilm 46 und die Durchgangslöcher 56 in dem Zwischenverbindungsschutzfilm 44 und dem Zwischenschichtisolierfilm 46, die in den Zwischenverbindungsnuten 54 gebildet sind und an der Zwischenverbindungsschicht 42 ankommen (7B).

Dann wird ein 25–30 nm dicker TaN-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein reaktives Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Barrierenschicht 58 aus dem TaN-Film gebildet.

Dann wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film im amorphen Zustand auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Adhäsionsschicht 60 aus dem Zr-Film gebildet.

Als nächstes wird ein etwa 50–200 nm dicker Cu-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist der Cu-Film 62 als Keimschicht des Cu-Films gebildet (8A). wie beim Bilden des Cu-Films 38 als Keimschicht wird der Cu-Film 62 als Keimschicht durch eine Filmbildungstechnik wie etwa ein Sputterverfahren gebildet, bei dem Filmkomponenten mit hoher Energie erzeugt werden, so daß ein Teil des Cu, welches den Cu-Film 62 als Keimschicht bildet, in die Adhäsionsschicht 60 aus Zr ein dringt. Daher kann die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 60 und dem Cu-Film 62 als Keimschicht selbst ohne spätere thermische Behandlung verbessert werden.

Dann wird ein etwa 1000 nm dicker Cu-Film 64 auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden, um den Cu-Film 64 in den Zwischenverbindungsnuten 54 und den Durchgangslöchern 56 vollständig zu vergraben (8B).

Als nächstes werden der Cu-Film 64, der Cu-Film 62 als Keimschicht, die Adhäsionsschicht 60 und die Barrierenschicht 58 durch Polieren z. B. durch ein CMP-Verfahren planarisiert, bis der Zwischenschichtisolierfilm 50 exponiert ist, um den Cu-Film 64, den Cu-Film 62 als Keimschicht, die Adhäsionsschicht 60 und die Barrierenschicht 58 nur in den Zwischenverbindungsnuten 54 und den Durchgangslöchern 56 zu belassen.

Damit ist die Zwischenverbindungsschicht 66 gebildet, die aus dem Cu-Film 64, dem Cu-Film 62 als Keimschicht, der Adhäsionsschicht 60 und der Barrierenschicht 58 gebildet ist, mit der Zwischenverbindungsschicht 42 durch die Durchgangslöcher 56 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten 54 vergraben ist (9A).

Als nächstes wird der Zwischenverbindungsschutzfilm 68 aus einem 50–70 nm dicken Siliciumnitridfilm z. B. durch ein CVD-Verfahren auf der Zwischenschichtisolierung 50 mit der darin vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 66 gebildet.

Als nächstes werden die dritten und die oberen Zwischenverbindungsschichten (nicht gezeigt) nach Erfordernis gebildet.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film, wie oben beschrieben, zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht gebildet, wodurch die Adhäsion zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Daher kann das Ablösen des Cu-Films bei dem Schritt zum Polieren des Cu-Films durch das CMP-Verfahren verhindert werden, und die Halbleitervorrichtung kann eine höhere Qualität und verbesserte Zuverlässigkeit haben.

[Zweite Ausführungsform]

Unter Bezugnahme auf 2, 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A–7B, 8A–8B und 9A–9B wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform erläutert. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der ersten Ausführungsform sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um ihre Erläuterung nicht zu wiederholen oder sie zu vereinfachen.

2 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Struktur von ihr. 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A–7B, 8A–8B und 9A–9B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben, die das Verfahren verdeutlichen.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung sind dieselben wie jene gemäß der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme des Verfahrens zum Bilden der Barrierenschicht, der Adhäsionsschicht und des Cu-Films.

Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 3A–3D, 4A–4C, 5A–5C, 6A–6B, 7A–7B, 8A–8B und 9A–9B erläutert.

Zuerst werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3A bis 4C gezeigt ist, ein Zwischenschichtisolierfilm 26 mit in ihm gebildeten Durchgangslöchern 32, ein Stopperfilm 24 und ein Zwischenschichtisolierfilm 28 mit darin gebildeten Zwischenverbin dungsnuten 30 auf einem Siliciumsubstrat 10 mit einem darauf gebildeten MOS-Transistor gebildet.

Dann wird ein 25–30 nm dicker TaN-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein reaktives Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist eine Barrierenschicht 34 aus dem TaN-Film gebildet. Der TaN-Film kann auch durch ein CVD-Verfahren gebildet werden.

Als nächstes wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film im amorphen Zustand auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist eine Adhäsionsschicht 36 aus dem Zr-Film gebildet. Der Zr-Film kann auch durch ein CVD-Verfahren oder ein Plattierungsverfahren gebildet werden.

Als nächstes wird ein etwa 50–200 nm dicker Cu-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein CVD-Verfahren gebildet. Damit ist der Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet (5A).

Als nächstes wird eine Wärmebehandlung bei einer nied rigen Temperatur von etwa 200°C oder eine thermische Schnellbehandlung für einige Sekunden und bei 500°C ausgeführt, damit ein Teil des Zr, das die Adhäsionsschicht 36 bildet, in den Cu-Film 38 diffundiert. So wird die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 38 als Keimschicht verbessert. Diese Wärmebehandlung bewirkt eine gegenseitige Diffusion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und einer Barrierenschicht 34, und die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 wird auch verbessert.

Bei diesem Wärmebehandlungsschritt kann durch die Wärmebehandlung bei 300°C für etwa 30 Minuten ein Teil des Zr, das die Adhäsionsschicht 36 bildet, in den Cu-Film 38 als Keimschicht bis zu einer Festkörperlöslichkeitsgrenze diffundieren. Auf diese Weise kann auch die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 38 als Keimschicht verbessert werden. In diesem Fall werden eine Filmdicke der Adhäsionsschicht 36 und eine Filmdicke des Cu-Films 38 als Keimschicht gesteuert, so daß die Adhäsionsschicht 36 selbst nach der Wärmebehandlung zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 38 als Keimschicht noch vorhanden ist.

Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet, die aus dem Cu-Film 40, dem Cu-Film 38 als Keimschicht, der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 gebildet ist, mit der diffundierten Source/Drain-Schicht und den Gateelektroden 18 durch die Durchgangslöcher 32 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten 30 vergraben ist (5B–5C).

Dann werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 6A bis 9B gezeigt ist, die zweiten und die oberen Zwischenverbindungsschichten gebildet.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film, wie oben beschrieben, zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht gebildet, und die Wärmebehandlung erfolgt nach der Bildung der Keimschicht, wodurch die Adhäsion zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Daher kann das Ablösen des Cu-Films bei dem Schritt zum Polieren des Cu-Films durch das CMP-Verfahren verhindert werden, und die Halbleitervorrichtung kann eine höhere Qualität und höhere Zuverlässigkeit haben.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung auf den Schritt zum Bilden der Cu-Zwischenverbindungsschicht 42 der ersten Schicht angewendet, sie kann aber auf den Schritt zum Bilden der Zwischenverbindungsschicht der zweiten oder der oberen Zwischenverbindungsschichten angewendet werden.

[Dritte Ausführungsform]

Unter Bezugnahme auf 10, 11A–11C, 12A–12C, 13A–13B und 14A–14B werden die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einer dritten Ausführungsform erläutert. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Halbleitervorrichtung gemäß den ersten und zweiten Ausführungsformen und des Verfahrens zum Herstellen derselben sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um ihre Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.

10 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Struktur von ihr. 11A–11C, 12A–12C, 13A–13B und 14A–14B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die das Verfahren zeigen.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine verbesserte Adhäsion zwischen dem Zwischenschichtisolierfilm und der Barrierenschicht auf. Die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben werden erläutert.

Zuerst wird eine Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 10 erläutert.

Auf dem Siliciumsubstrat 10 mit dem auf ihm gebildeten MOS-Transistor sind ein Zwischenschichtisolierfilm 22, ein Stopperfilm 24 und ein Zwischenschichtisolierfilm 26 übereinander gebildet. Durchgangslöcher 32, die die diffundierte Source/Drain-Schicht 14 und die Gateelektrode 18 erreichen, sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 und dem Stopperfilm 24 gebildet. Zwischenverbindungsnuten 30 sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 26 in den Zonen gebildet, die die Zonen enthalten, wo die Durchgangslöcher 32 gebildet sind. In den Durchgangslöchern 32 und den Zwischenverbindungsnuten 30 sind Zwischenverbindungsschichten 42 vergraben, die aus einer Adhäsionsschicht 70 aus einem Zr-Film, einer Barrierenschicht 34 aus einem TaN-Film, einem Cu-Film 38 als Keimschicht und einem Cu-Film 40 gebildet sind.

Auf dem Zwischenschichtisolierfilm 26 mit der in ihm vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 42 sind ein Zwischenverbindungsschutzfilm 44, ein Zwischenschichtisolierfilm 46, ein Stopperfilm 48 und ein Zwischenschichtisolierfilm 50 übereinander gebildet. Durchgangslöcher 56, die die Zwischenverbindungsschicht 42 erreichen, sind in dem Zwischenverbindungsschutzfilm 44 und dem Zwischenschichtisolierfilm 46 gebildet. Zwischenverbindungsnuten 54 sind in dem Zwischenschichtisolierfilm 50 in den Zonen gebildet, die die Zonen enthalten, wo die Durchgangslöcher 56 gebildet sind. In den Durchgangslöchern 56 und den Zwischenverbindungsnuten 54 sind die Zwischenverbindungsschichten 66 vergraben, die aus einer Adhäsionsschicht 72 aus einem Zr-Film, einer Barrierenschicht 58 aus einem TaN-Film, einer Keimschicht aus einem Cu-Film 62 und einem Cu-Film 64 gebildet sind.

Ein Zwischenverbindungsschutzfilm 68 ist auf dem Zwischenschichtisolierfilm 50 gebildet.

Der Halbleiter gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Adhäsionsschicht 70 aus dem Zr-Film zwischen den Zwischenschichtisolierfilmen 22, 26 und der Barrierenschicht 34 gebildet ist, und die Adhäsionsschicht 72 aus dem Zr-Film ist zwischen den Zwischenschichtisolierfilmen 46, 50 und der Barrierenschicht 58 gebildet. Auf Grund der so angeordneten Adhäsionsschichten 70, 72 aus dem Zr-Film kann die Adhäsion zwischen den Zwischenschichtisolierfilmen 22, 26, 46, 50 und den Adhäsionsschichten 70, 72 und jene zwischen den Adhäsionsschichten 70, 72 und den Barrierenschichten 34, 58 verbessert werden. Im Vergleich zu der herkömmlichen Halbleitervorrichtung kann daher die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine verbesserte Adhäsion zwischen den Zwischenschichtisolierfilmen und den Barrierenschichten haben.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 11A–11C, 12A–12C, 13A–13B und 14A–14B das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

Zuerst werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3A bis 4C gezeigt ist, der Zwischenschichtisolierfilm 26 und der Stopperfilm mit den darin gebildeten Durchgangslöchern 32 und der Zwischenschichtisolierfilm 28 mit den darin gebildeten Zwischenverbindungsnuten 30 auf einem Siliciumsubstrat 10 mit einem darauf hergestellten MOS-Transistor gebildet (11A).

Als nächstes wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film auf der gesamten Oberfläche durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Adhäsionsschicht 70 aus dem Zr-Film gebildet (11B).

Dann wird ein 25–30 nm dicker TaN-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein reaktives Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Barrierenschicht 34 aus dem TaN-Film gebildet.

Als nächstes wird ein etwa 50–200 nm dicker Cu-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist der Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet (11C).

Dann wird ein etwa 1000 nm dicker Cu-Film 40 auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden, um den Cu-Film 40 vollständig in die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durchgangslöcher 32 zu füllen (12A).

Als nächstes werden der Cu-Film 40, der Cu-Film 38 als Keimschicht, die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 70 durch Polieren z. B. durch das CMP-Verfahren planarisiert, bis der Zwischenschichtisolierfilm 26 exponiert ist, um den Cu-Film 40, den Cu-Film 38 als Keimschicht, die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 70 nur in den Zwischenverbindungsnuten 30 und den Durchgangslöchern 32 zu belassen.

Damit ist die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet, die aus dem Cu-Film 40, dem Cu-Film 38 als Keimschicht, der Barrierenschicht 34 und der Adhäsionsschicht 70 gebildet ist, mit der diffundierten Source/Drain-Schicht 14 und der Gateelektrode 18 durch die Durchgangslöcher 32 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten 30 vergraben ist (12B).

Dann wird der Zwischenverbindungsschutzfilm 44 aus einem 50–70 nm dicken Siliciumnitridfilm z. B. durch das CVD-Verfahren auf dem Zwischenschichtisolierfilm 26 mit der in ihm vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet (12C).

Dann werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Zwischenschichtisolierfilm 46 und der Stopperfilm 48 mit den darin gebildeten Durchgangslöchern 56 und der Zwischenschichtisolierfilm 50 mit den darin gebildeten Zwischenverbindungsnuten 54 gebildet (13A).

Als nächstes wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist die Adhäsionsschicht 72 aus dem Zr-Film gebildet.

Dann wird ein etwa 50–200 nm dicker Cu-Film auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Damit ist der Cu-Film 62 als Keimschicht gebildet.

Als nächstes wird ein etwa 1000 nm dicker Cu-Film 40 auf der gesamten Oberfläche z. B. durch Plattieren abgeschieden, um die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durchgangslöcher 32 vollständig mit dem Cu-Film 64 zu füllen (13B).

Dann werden der Cu-Film 64, der Cu-Film 62 als Keimschicht, die Barrierenschicht 58 und die Adhäsionsschicht 72 z. B. durch CMP poliert, um planarisiert zu werden, wobei sie nur in den Zwischenverbindungsnuten 54 und den Durchgangslöchern 56 verbleiben.

Damit sind die Zwischenverbindungsschichten 66 gebildet, die aus dem Cu-Film 64, dem Cu-Film 62 als Keimschicht, der Barrierenschicht 58 und der Adhäsionsschicht 72 gebildet sind, mit den Zwischenverbindungsschichten 42 durch die Durchgangslöcher 56 verbunden sind und in den Zwischenverbindungsnuten 54 vergraben sind (14A).

Dann wird der Zwischenverbindungsschutzfilm 68 aus einem 50–70 nm dicken Siliciumnitridfilm z. B. durch das CVD-Verfahren auf dem Zwischenschichtisolierfilm 50 mit der in ihm vergrabenen Zwischenverbindungsschicht 66 gebildet (14B).

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film, wie oben beschrieben, zwischen dem Zwischenschichtisolierfilm und der Barrierenschicht gebildet, wodurch die Adhäsion zwischen dem Zwischenschichtisolierfilm und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Daher kann das Ablösen des Cu-Films bei dem Schritt zum Polieren des Cu-Films durch das CMP-Verfahren verhindert werden, und die Halbleitervorrichtung kann eine höhere Qualität und höhere Zuverlässigkeit haben.

[Vierte Ausführungsform]

Unter Bezugnahme auf 15, 16A–16D, 17A–17B und 18A–18B werden die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einer vierten Ausführungsform erläutert. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Strukturen der Halbleitervorrichtung gemäß den ersten bis dritten Ausführungsformen, die in 2 bis 14 gezeigt sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um ihre Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.

15 ist eine schematische Ansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Struktur von ihr. 16A–16D, 17A–17B und 18A–18B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben und verdeutlichen das Verfahren.

Die oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen betreffen das Verfahren zum Bilden der Zwischenverbindungsschicht durch den sogenannten Dual-Damaszener-Prozeß, bei dem die Durchgangslöcher und die Zwischenverbindungsnuten bei ein und demselben Schritt geöffnet werden und die Zwischenverbindungsschicht in den Nuten und Löchern vergraben wird. Die vorliegende Halbleitervorrichtung und das verfahren zu ihrer Herstellung ist jedoch auf den sogenannten einzelnen Damaszener-Prozeß anwendbar, bei dem der Zwischenschichtisolierfilm mit der vergrabenen Kupferzwischenverbindungsschicht gebildet wird, nachdem der Zwischenschichtisolierfilm mit den in den Durchgangslöchern vergrabenen Elektrodensteckern gebildet ist. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat eine einzelne damaszierte Struktur, und die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung werden erläutert.

Zuerst wird unter Bezugnahme auf 15 eine Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 15 gezeigt, dieselbe wie die Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, in der Hinsicht, daß die Zwischenverbindungsschicht 42 aus der Barrierenschicht 34, der Adhäsionsschicht 36, dem Cu-Film 38 als Keimschicht und dem Cu-Film 40 gebildet ist und eine Zwischenverbindungsschicht 66 aus der Barrierenschicht 58, der Adhäsionsschicht 60, dem Cu-Film 62 als Keimschicht und dem Cu-Film 64 gebildet ist. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenverbindungsschicht 42 mit einer Erdstruktur durch Elektrodenstecker 74 verbunden ist, die in Durchgangslöchern 32 vergraben sind.

Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

Zuerst werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ein MOS-Transistor und ein Zwischenschichtisolierfilm 22, der den MOS-Transistor bedeckt, gebildet (16A).

Dann werden Durchgangslöcher 32, die die diffundierte Source/Drain-Schicht 14 und die Gateelektrode 18 erreichen, in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 durch die übliche Lithographie und Ätzen gebildet (16B).

Als nächstes werden ein TiN-Film z. B. mit einer Dicke von 80 nm und ein W-(Wolfram)-Film z. B. mit einer Dicke von 350 nm durch ein CVD-Verfahren abgeschieden und dann durch Polieren durch ein CMP-Verfahren planarisiert, bis die Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 22 exponiert ist. Damit sind die Elektrodenstecker 74 gebildet, die in den Durchgangslöchern 32 vergraben sind und mit der diffundier ten Source/Drain-Schicht 14 oder der Gateelektrode 18 elektrisch verbunden sind (16C).

Als nächstes wird ein etwa 400 nm dicker Siliciumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein CVD-Verfahren abgeschieden, um den Zwischenschichtisolierfilm 26 aus dem Siliciumoxidfilm zu bilden.

Dann werden die Zwischenverbindungsnuten 30 in dem Zwischenschichtisolierfilm 26 durch die übliche Lithographie und Ätzen gebildet (16D).

Als nächstes werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 4A gezeigt ist, die Barrierenschicht 34 aus dem TaN-Film mit einer Dicke von z. B. 25–30 nm, die Adhäsionsschicht 36 aus dem amorphen Zr-Film mit einer Dicke von z. B. 5–50 nm und der Cu-Film 38 als Keimschicht mit einer Dicke von z. B. 50–200 nm gebildet (17A).

Als nächstes wird der Cu-Film mit einer Dicke von etwa 1000 nm auf der gesamten Oberfläche z. B. durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden, um die Zwischenverbindungsnut 30 mit dem Cu-Film 40 vollständig zu füllen (17B).

Als nächstes werden der Cu-Film 40, der Cu-Film 38 als Keimschicht, die Adhäsionsschicht 36 und die Barrierenschicht 34 z. B. durch ein CMP-Verfahren poliert und planarisiert, bis der Zwischenschichtisolierfilm 26 exponiert ist, wobei diese nur in den Zwischenverbindungsnuten 30 verbleiben. Damit ist die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet, die aus dem Cu-Film 40, dem Cu-Film 38 als Keimschicht, der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 gebildet ist, mit der diffundierten Source/Drain-Schicht oder der Gateelektrode 18 durch die Elektrodenstecker 74 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten vergraben ist (18A).

Als nächstes werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 6A bis 9B gezeigt ist, die Zwischenverbindungsschicht 66, die aus dem Cu-Film 64, dem Cu-Film 62 als Keimschicht, der Adhäsionsschicht 60 und der Barrierenschicht 58 gebildet ist, mit der Zwischenverbindungsschicht 42 durch die Durchgangslöcher 56 verbunden ist und in den Zwischenverbindungsnuten 54 vergraben ist, der Zwischenverbindungsschutzfilm 66, etc., gebildet.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die Halbleitervorrichtung, die die einzelne damaszierte Struktur hat, wie oben beschrieben, die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film, die zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht gebildet ist, wodurch die Adhäsion zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Daher kann das Ablösen des Cu-Films bei dem Schritt zum Polieren des Cu-Films durch das CMP-Verfahren verhindert werden, und die Halbleitervorrichtung kann eine höhere Qualität und höhere Zuverlässigkeit haben.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die einzelne damaszierte Struktur auf die erste Zwischenverbindungsschicht angewendet, aber die einzelne damaszierte Struktur ist auf die zweiten und die oberen Zwischenverbindungsschichten anwendbar. Die einzelne damaszierte Struktur kann auch nur auf die zweiten und die oberen Zwischenverbindungsschichten angewendet werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die einzelne damaszierte Struktur auf die Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und das Verfahren zum Herstellen derselben angewendet, sie ist aber auf die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß den zweiten und dritten Ausführungsformen anwendbar.

[Fünfte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 19 und 20A–20D werden die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einer fünften Ausführungsform erläutert. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Halbleitervorrichtung und des Verfahrens zum Herstellen derselben gemäß den ersten bis vierten Ausführungsformen sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um ihre Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.
19 ist eine schematische Ansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt deren Struktur. 20A–20D sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung und erläutern das Verfahren. 19 und 20A–20D sind vergrößerte Schnittansichten von einer Zone, die der Zone der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform entspricht, wo die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet ist.
Zuerst wird eine Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 19 erläutert.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß inselförmige Strukturen aus einem Cu-Zr-(Kupfer-Zirconium)-Legierungsfilm (die in dieser Beschreibung auch als Inseln aus einer Cu-Zr-Legierung bezeichnet werden) 76' zwischen einer Barrierenschicht 34 und einer Adhäsionsschicht 36 gebildet sind und die Barrierenschicht 34, der Cu-Zr-Legierungsfilm 76', die Adhäsionsschicht 36 und die Cu-Filme 38, 40 die Zwischenverbindungsschicht 42 bilden, und auch dadurch, daß auf dieselbe Weise inselförmige Strukturen aus dem Cu-Zr-Legierungsfilm 78' ähnlich zwischen einer Barrierenschicht 58 und einer Adhäsionsschicht 60 gebildet sind und die Barrierenschicht 58, der Cu-Zr-Legierungsfilm 78', die Adhäsionsschicht 60 und die Cu-Filme 62, 64 eine Zwischenverbindungsschicht 66 bilden. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist im übrigen dieselbe wie die Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 19 die Strukturen der Zwischenverbindungsschichten 42, 66 eingehend erläutert.
Die inselförmigen Strukturen aus dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' sind, wie in 19 gezeigt, längs der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 aus dem Zr-Film und der Barrierenschicht 34 getrennt voneinander angeordnet. Auf der Adhäsionsschicht 36 sind der Cu-Film 38 als Keimschicht und der Cu-Film 40 gebildet, um die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durchgangslöcher 32 zu füllen.
Der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' ist aus einem sehr dünnen Film mit einer Dicke von unter 20 nm und nicht als perfekter Schichtfilm gebildet. Daher sind, wie in 19 gezeigt, die inselförmigen (partikelförmigen) Strukturen getrennt voneinander angeordnet. Der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' ist in solchen inselförmigen Strukturen und getrennt voneinander auf der Barrierenschicht 34 gebildet, wodurch die Adhäsionsschicht 36 an dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' unter ihr in der Zone haftet, wo der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' gebildet ist, und an der Barrierenschicht 34 unter ihr in der Zone haftet, wo der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' nicht gebildet ist. Daher sind die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 36 durch die inselförmigen Strukturen aus dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' mechanisch miteinander verbunden.
Das Zr der Adhäsionsschicht 36 diffundiert während des Herstellungsprozesses, der später beschrieben wird, in den inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilm 76'. Daher verändert sich kontinuierlich die Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen dem inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilm 76' und der Adhäsionsschicht 36, wodurch keine exakte Grenzfläche gebildet wird. Die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' kann dementsprechend verbessert werden. Ferner werden an der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 die Bildungselemente gegenseitig diffundiert, wodurch eine hohe Adhäsion an der Grenzfläche zwischen dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' und der Barrierenschicht 34 gewährleistet wird. Weiterhin ist der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' mit einer mikrorauhen Oberfläche gebildet und verbindet die Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 mechanisch, wodurch die Adhäsionsschicht 36 und die Barrierenschicht 34 stabil aneinander haften können.
Der Cu-Film 38 und die Barrierenschicht 34 haften, wie oben beschrieben, durch die Adhäsionsschicht 36 und den Cu-Zr-Legierungsfilm 76' stabil aneinander, wodurch selbst dann, wenn ein Prozeß eingesetzt wird, bei dem eine mechanische Belastung auf die Cu-Filme 39, 40 durch ein CMP-Verfahren oder durch andere Verfahren angewendet wird, das Ablösen der Cu-Filme 38, 40 von der Barrierenschicht 34 verhindert werden kann und die Belastungsmigrationsbeständigkeit verbessert werden kann. Die verbesserte Adhäsion zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 kann die Atommigration nahe der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 minimieren, wenn ein großer Strom auf die Zwischenverbindungsschicht 42 angewendet wird. Der Effekt zum Verbessern der Elektromigrationsbeständigkeit kann vorgesehen werden.
Unter Bezugnahme auf 20A–20D wird nun das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Zuerst werden auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3A bis 4C gezeigt ist, der Zwischenschichtisolierfilm 22 mit den in ihm gebildeten Durchgangslöchern 32 und der Zwischenschichtisolierfilm 26 mit den in ihm gebildeten Zwischenverbindungsnuten 30 auf einem Siliciumsubstrat 10 gebildet.
Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 5A gezeigt ist, die Barrierenschicht 34 z. B. aus einem 20–40 nm dicken TaN-Film gebildet.
Als nächstes wird der inselförmige Cu-Film (der in dieser Beschreibung auch als Inseln aus Cu oder Inseln aus Cu als Hauptkomponente bezeichnet wird) 76 auf der gesamten Oberfläche des Siliciumsubstrates 10 gebildet, wobei er die Barrierenschicht 34 bedeckt (20A). Genauer gesagt, der Cu-Film 76 wird in einer Dicke von etwa 30 nm durch ein Sputterverfahren gebildet, wobei eine Dampfabscheidungsmenge gesteuert wird und das Siliciumsubstrat 10 auf 100°C–250°C erhitzt wird. Daher wird der Cu-Film 76 nicht gleichförmig gebildet, sondern in einer Anzahl von runden, inselförmigen Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 20 nm, in der Ebene gesehen.
Wenn hierbei der Cu-Film 76 mit einer Filmdicke von 30 nm oder mehr gebildet wird, hängen benachbarte inselförmige Strukturen in einem gleichförmigen Film zusammen, und die inselförmigen Strukturen können nicht gebildet werden. Der Cu-Film 76 muß mit einer Dicke von unter 30 nm gebildet werden. Der Cu-Film 76, der mit einer Dicke von unter 30 nm gebildet wird, hat zwischen den inselförmigen Strukturen einen Abstand von 2–20 nm. Eine Substrattemperatur zu der Zeit, wenn der Cu-Film 76 gebildet wird, wird verändert, um eine Filmdicke und einen Durchmesser der inselförmigen Strukturen des Cu-Films 76 zu verändern. Wenn eine Substrattemperatur niedrig ist, sind eine Filmdicke und ein Durchmesser klein. Das Siliciumsubstrat 10 wird von unten durch einen Heizer erhitzt, kann aber auch von oben mit einer Lichtquelle wie etwa einer Lampe oder etwas anderem erhitzt werden. Der Cu-Film 76 kann durch ein CVD-Verfahren oder Plattierungsverfahren gebildet werden.
Dann wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film auf der gesamten Oberfläche des Siliciumsubstrates 10 abgeschieden. Der Zr-Film wird durch ein Sputterverfahren, CVD-Verfahren, Plattierungsverfahren oder durch andere Verfahren gebildet.
Damit ist die Adhäsionsschicht 36 aus dem Zr-Film gebildet (20B).
Als nächstes wird der Cu-Film 38 als Keimschicht in einer Dicke von etwa 50–200 nm durch ein Sputterverfahren, CVD-Verfahren oder durch andere Verfahren gebildet (20C). Der Cu-Film 38 als Keimschicht wird als Erdfilm zum Verstärken der Leitfähigkeit des Substrates abgeschieden, wenn der Cu-Film durch ein Plattierungsverfahren abgeschieden wird.
Nachdem der Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet worden ist, erfolgt dann eine Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung wird bei einer niedrigen Temperatur von z. B. 200°C oder bei einer Temperatur von z. B. 500°C für einige Sekunden durch die thermische Schnellbehandlung ausgeführt. So diffundiert das Zr in der Adhäsionsschicht 36 in den Cu-Film 76 aus den inselförmigen Strukturen mit einer feinen Kristallstruktur und den Cu-Film 38 als Keimschicht, und der Cu-Film 76 wird zu dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' (20D).
Da der Cu-Film 76 mit einer feinen Kristallstruktur ein kleines Volumen hat, diffundiert das Zr durch die Wärmebehandlung bei der niedrigen Temperatur oder bei der thermischen Schnellbehandlung, wodurch die Adhäsion zwischen dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' und der Barriere 34 verbessert wird. Das Zr diffundiert auch in die Barrierenschicht 34, so daß die Barrierenschicht 34 nahe der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 oder die Barrierenschicht 34 nahe der Grenzfläche zwischen dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' und der Barrierenschicht 34 und die Adhäsion verstärkt wird. Ferner wird der inselförmige Cu-Zr-Legierungsfilm 76' mit der rauhen Oberfläche zwischen der Barrierenschicht 34 und der Adhäsionsschicht 36 gebildet, und er verbindet die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 36 an der Grenzfläche zwischen ihnen miteinander. Diese Struktur ist gegenüber einer mechanischen Belastung verstärkt. Es ist möglich, nur die Adhäsionsschicht 36 aus Zr zu bilden, um dadurch die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 76 oder der Barrierenschicht 34 zu verbessern. Die oben beschriebene Wärmebehandlung gewährleistet jedoch die Diffusion des Zr in den Cu-Film 76 mit den inselförmigen Strukturen und in die Barrierenschicht 34, wodurch die Adhäsion weiter verbessert werden kann. Eine Wärmebehandlungstemperatur und eine Wärmebehandlungszeitdauer sind nicht auf die oben beschriebene Temperatur und die Zeitdauer begrenzt, solange der Zweck des Diffundierens des Zr in den inselförmigen Cu-Film 76 und den Cu-Film 38 erreicht wird.
Dann wird auf dieselbe Weise wie z. B. bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die in 5B bis 9B gezeigt ist, und dem Verfahren zum Bilden der Zwischenverbindungsschicht 42, das in 20A–20D gezeigt ist, die Zwischenverbindungsschicht 66, etc., gebildet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die Struktur der Zwischenverbindungsschicht 42, die gebildet wird, indem die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 36 gebildet werden, die Innenwände der Zwischenverbindungsnuten 30 und der Durchgangslöcher 32 bedeckt werden und die Cu-Filme 38, 40 in die Zwischenverbindungsnuten 30 und die Durchgangslöcher 32 gefüllt werden, wie oben beschrieben, den Cu-Zr-Legierungsfilm 76' in den inselförmigen Strukturen, der an der Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht 34 und der Adhäsionsschicht 36 gebildet ist, wodurch die rauhe Oberfläche des inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilms 76' die Barrierenschicht 34 und die Adhäsionsschicht 36 an der Grenzfläche zwischen ihnen mechanisch verbindet, so daß die Adhäsion zwischen der Barrierenschicht 34 und der Adhäsionsschicht 36 stabil wird. Die Adhäsionsschicht 36 ist aus einem Material wie etwa einem Zr-Film oder etwas anderem gebildet, das eine hohe Adhäsion an der Barrierenschicht 34 und der Cu-Schicht 38 aufweist, wodurch die Adhäsion zwi schen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 verbessert werden kann.
Selbst wenn bei dem Herstellungsprozeß eine Kraft auf die Cu-Filme 38, 40 ausgeübt wird und eine Belastung zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 angewendet wird, kann somit gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Ablösen der Cu-Filme 38, 40 von der Barrierenschicht 34 verhindert werden, und die verbesserte Adhäsion zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 kann die Belastungsmigrationsbeständigkeit verbessern. Die verbesserte Adhäsion zwischen der Barrierenschicht 34 und dem Cu-Film 38 unterdrückt die Migration von Atomen des Cu-Films 38 an der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34, wodurch die Elektromigrationsbeständigkeit verbessert werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die inselförmigen Strukturen aus der Cu-Zr-Legierung zwischen der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen, sie können aber ähnlich bei den zweiten bis vierten Ausführungsformen vorgesehen sein.
[Sechste Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 21 und 22A–22D werden nun die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen derselben gemäß einer sechsten Ausführungsform erläutert. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Halbleitervorrichtung und des Verfahrens zum Herstellen derselben gemäß den ersten bis fünften Ausführungsformen sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um ihre Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.
21 ist eine schematische Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt deren Struktur. 22A–22D sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen derselben und verdeutlichen das Verfahren. 21 und 22A–22D sind vergrößerte Schnittansichten von einer Zone, die der Zone der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform entspricht, die in 2 gezeigt ist, wo die Zwischenverbindungsschicht 42 gebildet ist.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform darin, daß bei der ersteren Zr-Filme als Adhäsionsschichten auf und unter dem inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilm 76' gebildet sind, der bei der fünften Ausführungsform erläutert wurde, um den inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilm 76' durch die zwei Adhäsionsschichten einzuschließen, und ist in anderer Hinsicht dieselbe wie die fünfte Ausführungsform, die in 19 gezeigt ist.
Bei der sechsten Ausführungsform ist, wie in 21 gezeigt, eine Adhäsionsschicht 80 aus Zr auf einer Barrierenschicht 34 gebildet, und der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' wird durch die Adhäsionsschicht 80 und die Adhäsionsschicht 36 eingeschlossen. Somit verbindet der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' mechanisch die Adhäsionsschicht 36 und die Adhäsionsschicht 80 miteinander. Eine Filmdicke und ein Durchmesser des inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilms 76' und ein Abstand zwischen benachbarten inselförmigen Strukturen sind dieselben wie bei der fünften Ausführungsform.
Das Zr der Adhäsionsschichten 36, 80 diffundiert während des Herstellungsprozesses, der später beschrieben wird, in den inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilm 76'. Daher verändert sich die Zusammensetzung an den Grenzflächen zwischen den Adhäsionsschichten 36, 80 und dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' kontinuierlich, und es gibt keine exakte Grenzfläche. Daher wird die Adhäsion zwischen den Adhäsionsschichten 36, 80 und der Cu-Zr-Legierung 76' verbessert. Auch an der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 und dem Cu-Film 38 diffundiert das Zr der Adhäsionsschicht 36 ähnlich in den Cu-Film 38, und die Adhäsion zwischen ihnen wird verbessert. Ferner diffundieren an der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 80 und der Barrierenschicht 34 die Bildungselemente ineinander, wodurch auch hier eine verbesserte Adhäsion gewährleistet wird.
Die mikrorauhe Oberfläche des inselförmigen Legierungsfilms 76' verbindet die Adhäsionsschicht 36 und die Adhäsionsschicht 80 mechanisch miteinander, wodurch die Adhäsion zwischen beiden stabil werden kann. Selbst wenn eine mechanische Belastung auf die Cu-Filme 38, 40 durch einen Prozeß wie etwa das CMP-Verfahren oder durch andere Verfahren angewendet wird, kann daher das Ablösen der Cu-Filme 38, 40 von der Barrierenschicht 34 verhindert werden. Die Belastungsmigrationsbeständigkeit kann verbessert werden. Ferner wird die Adhäsion zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 verbessert, wodurch die Migration von Atomen nahe der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 minimiert werden kann und die Elektromigrationsbeständigkeit verbessert werden kann.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 20A–20D das Verfahren zum Bilden der Adhäsionsschicht 80, des Cu-Zr-Legierungsfilms 76', der Adhäsionsschicht 36, des Cu-Films 38 als Keimschicht und des Cu-Films 40 eingehend erläutert.
Zuerst wird ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film im amorphen Zustand abgeschieden, der die Barrierenschicht 34 bedeckt, um die Adhäsionsschicht 80 aus dem Zr-Film zu bilden.
Als nächstes wird der inselförmige Cu-Film 76 auf der Adhäsionsschicht 80 gebildet (22A). Beim Bilden des Cu-Films 76 wird der Cu-Film 76 in einer Dicke von etwa 30 nm, wobei ein Siliciumsubstrat 10 auf 100–250°C erhitzt wird, durch ein Sputterverfahren mit gesteuerter Dampfabscheidungsmenge gebildet. Daher wird der Cu-Film nicht als gleichförmiger Film gebildet und wird in der Draufsicht in Form von runden, inselförmigen Strukturen mit einem Durch messer von etwa 20 nm gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine Größe der inselförmigen Strukturen entsprechend einer Filmdicke der Adhäsionsschicht 80 gesteuert werden. Ähnlich wie bei der fünften Ausführungsform wird eine Temperatur zum Erhitzen des Siliciumsubstrates 10 geändert, um eine Filmdicke und einen Durchmesser des inselförmigen Cu-Films 76 zu verändern. Der Cu-Film 76 kann auch durch ein CVD-Verfahren oder ein Plattierungsverfahren gebildet werden.
Als nächstes wird wieder ein etwa 5–50 nm dicker Zr-Film auf der gesamten Oberfläche des Siliciumsubstrates 10 abgeschieden. Damit ist die Adhäsionsschicht 36 aus dem Zr-Film gebildet (22B).
Als nächstes wird der Cu-Film 38 als Keimschicht in einer Dicke von etwa 50–200 nm durch ein Sputterverfahren, CVD-Verfahren oder durch andere Verfahren gebildet (22C).
Nachdem der Cu-Film 38 gebildet ist, wird dann eine Wärmebehandlung ausgeführt. Die Wärmebehandlung erfolgt bei einer niedrigeren Temperatur von z. B. etwa 200°C oder bei einer Temperatur von z. B. 500°C für einige Sekunden durch die thermische Schnellbehandlung. So wird das Zr der Adhäsionsschicht 36 und der Adhäsionsschicht 80 in den inselförmigen Cu-Film 76 mit einer feinen Kristallstruktur und den Cu-Film 38 als Keimschicht diffundiert, und der Cu-Film 76 wird zu dem Cu-Zr-Legierungsfilm 76' (22D). Das Zr diffundiert auch in die Barrierenschicht 34, so daß die Bildungselemente nahe der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 ineinander diffundieren. Die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 36 und der Barrierenschicht 34 wird verbessert. Der inselförmige Cu-Zr-Legierungsfilm 76' hat eine rauhe Oberfläche, wodurch der Cu-Zr-Legierungsfilm 76' die Adhäsionsschicht 36 und die Adhäsionsschicht 80 mechanisch miteinander verbindet. Die Struktur ist gegenüber einer mechanischen Belastung verstärkt.
Dann wird der Cu-Film 40 durch ein Plattierungsverfahren mit dem Cu-Film 38 als Keimschicht gebildet, und eine Zwischenverbindungsschicht 42, die in 21 gezeigt ist, ist vollendet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Adhäsionsschicht 80 auf der Barrierenschicht 34 gebildet, und der inselförmige Cu-Zr-Legierungsfilm 76' wird an der Grenzfläche zwischen der Adhäsionsschicht 80 und der Adhäsionsschicht 36 gebildet, wie oben beschrieben, wodurch die rauhe Oberfläche des inselförmigen Cu-Zr-Legierungsfilms 76' die Adhäsionsschicht 80 und die Adhäsionsschicht 36 mechanisch miteinander verbindet, woraufhin die Adhäsion zwischen der Adhäsionsschicht 80 und der Adhäsionsschicht 36 stabilisiert werden kann.
Die Adhäsionsschichten 36, 80 sind aus einem Material wie z. B. Zirconium gebildet, das eine hohe Adhäsion an der Barrierenschicht 34 und dem Cu-Film aufweist, wodurch die zuerst gebildete Adhäsionsschicht 80 eine hohe Adhäsion an der Barrierenschicht 34 hat und die Adhäsion zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 weiter verbessert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit, wie bei der fünften Ausführungsform, selbst wenn eine Kraft auf die Cu-Filme 38, 40 bei dem Herstellungsprozeß ausgeübt wird und eine Belastung auf den Cu-Film 38 und die Barrierenschicht 34 angewendet wird, das Ablösen der Cu-Filme 38, 40 von der Barrierenschicht 34 verhindert werden, und die höhere Adhäsion zwischen dem Cu-Film 38 und der Barrierenschicht 34 kann die Belastungsmigrationsbeständigkeit verbessern. Die verbesserte Adhäsion zwischen der Barrierenschicht 34 und dem Cu-Film 38 unterdrückt die Migration der Elemente des Cu-Films an der Grenzfläche zwischen dem Cu-Film 38 und der Adhäsionsschicht 36, wodurch die Elektromigrationsbeständigkeit verbessert werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die inselförmige Cu-Zr-Legierung zwischen der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen, aber die inselförmige Cu-Zr-Legierung ist auch auf die zweiten bis vierten Ausführungsformen anwendbar.
[Abwandlungen]
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und umfaßt verschiedene andere Abwandlungen.
Zum Beispiel ist die Adhäsionsschicht in den ersten bis sechsten Ausführungsformen aus einem Zr-Film gebildet. Solange ein Material jedoch eine niedrige Festkörperlöslichkeitsgrenze in dem Cu-Film aufweist und zum Erhöhen des Widerstandswertes von Cu nicht effektiv ist, kann das Material den oben beschriebenen vorteilhaften Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken. Anstelle von Zr kann daher Cd, Ag, Pb oder eine Legierung aus ihnen verwendet werden. In solch einem Fall werden bei den fünften und sechsten Ausführungsformen die inselförmigen Strukturen aus einer Legierung aus einem von diesen Metallen und Cu gebildet.
Bei den ersten bis dritten Ausführungsformen ist die Barrierenschicht aus TaN gebildet. Statt TaN können auch andere Materialien verwendet werden. Solche Barrierenmaterialien, die eine gute Adhäsion an dem Zr-Film vorsehen können, sind z. B. Ta, Ti, W, Nb oder deren Nitride, schwerschmelzende Metallsilicide wie etwa WSi, TiW, etc.
Bei den ersten, zweiten und vierten Ausführungsformen werden die Halbleitervorrichtungen, einschließlich der Adhäsionsschicht zwischen der Barrierenschicht und der Keimschicht, und das Verfahren zum Herstellen derselben erläutert. Bei der dritten Ausführungsform werden die Halbleitervorrichtung, die die Adhäsionsschicht zwischen dem Zwischenschichtisolierfilm und der Barrierenschicht enthält, und das Verfahren zum Herstellen derselben erläutert. Jedoch können, wie in 23 gezeigt, Adhäsionsschichten jeweilig zwischen einem Zwischenschichtisolierfilm und einer Barrierenschicht und zwischen der Barrierenschicht und einer Keimschicht vorgesehen sein. Das heißt, die Zwischenverbindungsschicht 42 kann aus dem Cu-Film 40/dem Cu-Film 38 als Keimschicht/der Adhäsionsschicht 36/der Barrierenschicht 34/der Adhäsionsschicht 70 gebildet sein, und die Zwischenverbindungsschicht 66 kann aus dem Cu-Film 64/dem Cu-Film 62 als Keimschicht/der Adhäsionsschicht 60/der Barrierenschicht 58/der Adhäsionsschicht 72 gebildet sein.
Bei den ersten bis vierten Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf einen Fall angewendet, bei dem die erste Metallzwischenverbindungsschicht vorhanden ist, und die zweite Metallzwischenverbindungsschicht, die mit der ersten Metallzwischenverbindungsschicht verbunden ist. Die vorliegende Erfindung ist auf obere Metallzwischenverbindungsschichten anwendbar. Es ist nicht erforderlich, daß Zwischenverbindungsschichten von verschiedenen Ebenen dieselbe Struktur haben. Zum Beispiel kann die erste Ausführungsform auf die erste Zwischenverbindungsschicht angewendet werden, und die dritte Ausführungsform kann auf die zweite Zwischenverbindungsschicht angewendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der Halbleitervorrichtung, die eine vergrabene Zwischenverbindungsschicht aus Kupfer als Hauptkomponente enthält, und bei einem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung die Adhäsionsschicht aus dem Zr-Film zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht gebildet, wie oben beschrieben, wodurch die Adhäsion zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht verbessert werden kann. Die inselförmigen Strukturen aus einer Cu-Zr-Legierung, die zwischen der Keimschicht und der Barrierenschicht gebildet werden, können die Adhäsion weiter verbessern. Als Resultat kann das Ablösen der Kupferzwischenverbindung bei dem Herstellungsprozeß verhindert werden. Die Elektromigrationsbeständigkeit und die Belastungsmigrationsbeständigkeit der Kupferzwischenverbindung können weiter verbessert werden. Daher können die Metallzwischenverbindung und die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Bilden der Metallzwischenverbindung und das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung eine höhere Qualität und höhere Zuverlässigkeit haben.

Claims

Metallzwischenverbindung, die in einem Isolierfilm vergraben ist und umfaßt: eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf dem Isolierfilm gebildet ist; eine Barrierenschicht, die auf der Adhäsionsschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht gebildet sind; und ein Zwischenverbindungsmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist.
Metallzwischenverbindung, vergraben in einem Isolierfilm, mit: eine Barrierenschicht, die auf der Isolierschicht gebildet ist, eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht gebildet sind; und ein Zwischenverbindungsmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält und auf der Adhäsionsschicht gebildet ist.
Metallzwischenverbindung nach Anspruch 2, bei der die Inseln aus der Kupfer-Zirconium-Legierung auf der Barrierenschicht gebildet sind, hin zu der Adhäsionsschicht ragen und in der Adhäsionsschicht im Eingriff mit der Adhäsionsschicht vergraben sind.
Metallzwischenverbindung, die in einem Isolierfilm vergraben ist und umfaßt: eine Barrierenschicht, die auf dem Isolierfilm gebildet ist; eine Adhäsionsschicht, die ein Metallmaterial enthält, das eine Festkörperlöslichkeitsgrenze von nicht mehr als 20 Gew.-% in Kupfer hat und eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes von nicht mehr als 19,8% bewirkt, wenn es in Kupfer gelöst wird, und die auf der Barrierenschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht gebildet sind; und ein Zwischenverbindungsmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält und auf der Adhäsionsschicht gebildet ist.
Halbleitervorrichtung mit: einem Basissubstrat, das ein Halbleitersubstrat und ein Halbleiterelement hat, das auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; einem Isolierfilm, der auf dem Basissubstrat gebildet ist, welcher Isolierfilm eine Öffnung hat; und einer Metallzwischenverbindung, die vergraben in der Öffnung gebildet ist und umfaßt: eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf einer Innenwand und einem Boden der Öffnung gebildet ist; eine Barrierenschicht, die auf der Adhäsionsschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht gebildet sind; und ein Metallzwischenverbindungsmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist.
Halbleitervorrichtung mit: einem Basissubstrat, das ein Halbleitersubstrat und ein Halbleiterelement hat, das auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; einem Isolierfilm, der auf dem Basissubstrat gebildet ist, welcher Isolierfilm eine Öffnung hat; und einer Metallzwischenverbindung, die vergraben in der Öffnung gebildet ist und umfaßt: eine Barrierenschicht, die auf einer Innenwand und einem Boden der Öffnung gebildet ist; eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt zwischen der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht gebildet sind.
Halbleitervorrichtung mit: einem Basissubstrat, das ein Halbleitersubstrat und ein Halbleiterelement hat, das auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; einem Isolierfilm, der auf dem Basissubstrat gebildet ist, welcher Isolierfilm eine Öffnung hat; und einer Metallzwischenverbindung, die vergraben in der Öffnung gebildet ist und umfaßt: eine Barrierenschicht, die auf einer Innenwand und einem Boden der Öffnung gebildet ist; eine Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält und auf der Barrierenschicht gebildet ist; Inseln aus einer Kupfer-Zirconium-Legierung, die voneinander getrennt in der Adhäsionsschicht gebildet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Inseln aus der Kupfer-Zirconium-Legierung eine Dicke von nicht mehr als 30 nm haben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Inseln aus der Kupfer-Zirconium-Legierung einen Durchmesser von nicht mehr als 20 nm haben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Inseln aus der Kupfer-Zirconium-Legierung mit einem Abstand von nicht weniger als 2 nm und nicht mehr als 20 nm voneinander getrennt angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Öffnung eine Zwischenverbindungsnut und ein Durchgangsloch enthält, das in der Zwischenverbindungsnut geöffnet ist.
Verfahren zum Bilden einer Metallzwischenverbindung, die in einem Isolierfilm vergraben ist, mit den folgenden Schritten: Bilden einer Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält, auf dem Isolierfilm; Bilden von Inseln aus Kupfer als Hauptkomponente, voneinander getrennt auf der Adhäsionsschicht; Bilden einer Barrierenschicht auf der Adhäsionsschicht mit darauf gebildeten Inseln; und Bilden eines Zwischenverbindungsmaterials, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, auf der Barrierenschicht.
Verfahren zum Bilden einer Metallzwischenverbindung, die in einem Isolierfilm vergraben ist, mit den folgenden Schritten: Bilden einer Barrierenschicht auf dem Isolierfilm; Bilden von Inseln aus Kupfer als Hauptkomponente, voneinander getrennt auf der Barrierenschicht; Bilden einer Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält, auf der Barrierenschicht; und Bilden eines Zwischenverbindungsmaterials, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, auf der Adhäsionsschicht.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den folgenden Schritten: Bilden eines Isolierfilms auf dem Basissubstrat, das ein Halbleitersubstrat und ein Halbleiterelement hat, das auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; selektives Entfernen des Isolierfilms, um eine Öffnung in dem Isolierfilm zu bilden; Bilden einer Barrierenschicht auf dem Isolierfilm und in einer Zone, wo die Öffnung gebildet ist; Bilden von Inseln aus Kupfer als Hauptkomponente voneinander getrennt auf der Barrierenschicht; Bilden einer ersten Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält, auf der Barrierenschicht mit den darauf geformten Inseln; Bilden eines Zwischenverbindungsmaterials, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, auf der ersten Adhäsionsschicht, um die Öffnung zu füllen; und Entfernen des Zwischenverbindungsmaterials, der ersten Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht durch Polieren derselben, bis der Isolierfilm exponiert ist, um die Metallzwischenverbindung aus dem Zwischenverbindungsmaterial, der ersten Adhäsionsschicht und der Barrierenschicht vergraben in der Öffnung zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, das ferner vor dem Schritt zum Bilden der Inseln den Schritt zum Bilden der zweiten Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält, auf der Barrierenschicht umfaßt.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, das ferner die folgenden Schritte umfaßt: Bilden einer Keimschicht aus Kupfer als Hauptkomponente auf der Adhäsionsschicht; und Unterziehen des Halbleitersubstrates einer Wärmebehandlung, um Zirconium in der Adhäsionsschicht in die Keimschicht zu diffundieren.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, das ferner die folgenden Schritte umfaßt: Bilden einer Keimschicht aus Kupfer als Hauptkomponente auf der Adhäsionsschicht; und Unterziehen des Halbleitersubstrates einer Wärmebehandlung, um Zirconium in der Adhäsionsschicht in die Keimschicht und in die Inseln zu diffundieren.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfaßt: Bilden eines Isolierfilms auf dem Basissubstrat, das ein Halbleitersubstrat und ein Halbleiterelement hat, das auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; selektives Entfernen des Isolierfilms, um eine Öffnung in dem Isolierfilm zu bilden; Bilden einer Adhäsionsschicht, die Zirconium enthält, auf dem Isolierfilm und in einer Zone, wo die Öffnung gebildet ist; Bilden von Inseln aus Kupfer als Hauptkomponente voneinander getrennt auf der Barrierenschicht; Bilden einer Barrierenschicht auf der Adhäsionsschicht mit darauf gebildeten Inseln; Bilden eines Zwischenverbindungsmaterials, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, auf der Barrierenschicht, um die Öffnung zu füllen; und Entfernen des Zwischenverbindungsmaterials, der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht durch Polieren derselben, bis der Isolierfilm exponiert ist, um die Metallzwischenverbindung aus dem Zwischenverbindungsmaterial, der Barrierenschicht und der Adhäsionsschicht vergraben in der Öffnung zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem beim Schritt zum Bilden von Inseln die Inseln in einer Dicke von nicht mehr als 30 nm gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem beim Schritt zum Bilden von Inseln die Inseln mit einem Durchmesser von nicht mehr als 20 nm gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem beim Schritt zum Bilden von Inseln die Inseln mit einem Abstand von nicht weniger als 2 nm und nicht mehr als 20 nm voneinander getrennt gebildet werden.