JP2000216239A

JP2000216239A - 銅内部結線の形成方法

Info

Publication number: JP2000216239A
Application number: JP11009615A
Authority: JP
Inventors: Masutami Ko; 益民黄; Tri-Rung Yew; 萃蓉游; Katetsu Ro; 火鐵盧
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】銅内部結線の形成方法を提供する。【解決手段】まず、銅層が埋め込まれた誘電体を有す
る半導体基板を準備する。次に金属層間誘電体層を誘電
体層上に蒸着する。銅層の一部を露出させるためのビア
開口および溝開口を金属層間誘電体層内に形成する。厚
みの薄いバリヤ層をビア開口の底部で露出している銅層
上に形成した後、銅層が露出するまでビア開口の底部に
ボンバード処理を施す。ビア開口および溝開口を満たす
ように銅材料を蒸着してダマシーン(damascene)構造を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属内部結線の形
成方法、特に銅内部結線の形成方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】集積
回路の集積化レベルが増すにつれて、シリコンチップ内
の素子を接続するのに使用される金属内部結線の数も増
加する。そのため、２あるいはそれ以上の金属層を備え
た設計が標準となっている。サブミクロン集積回路の製
造においては、集積化レベルが高いため信頼性のある金
属内部結線を製造することが困難である。さらに、超大
規模集積回路(ＵＬＳＩ)の内部に形成される内部結線
は、接合面積が小さいにもかかわらず十分に良好な電気
的接続を持たなければならない。現在、アルミニウムが
金属内部結線を製造するための材料として頻繁に使用さ
れている。しかしながら、集積化レベルが高まるにつれ
て、銅が徐々に使用されるようになっている。銅は、ア
ルミニウムに比較して低抵抗、エレクトロマイグレーシ
ョンに対する高抵抗、および高融点(銅の融点は１０６
０℃であるのに対してアルミニウムの融点は６６０℃で
ある)といった多くの長所を兼ね備えている。さらに、
銅回路がシリコンチップ内に形成される場合は、アルミ
ニウムを使用して同じ回路を作成した場合に比べ作動効
率を２倍に上昇させることができる。銅製の導体ワイヤ
は回路内においてＲＣ遅延を低減するだけでなく、導体
ワイヤ間に貯まる静電気量を減らすこともできる。この
ように、銅は金属内部結線を形成するための重要な材料
となっている。

【０００３】従来、金属内部結線の形成方法には２種類
ある。第１の形成方法においては、金属層が基板上に形
成され、パターンニングされたフォトレジスト層が金属
層上に形成される。さらに、パターンニングされたフォ
トレジスト層をマスクとして使用して金属層をエッチン
グすることにより金属線が形成される。最後に、金属層
間誘電体層が金属線上に蒸着される。金属内部結線を形
成する第１の方法の利用においては、金属層の表面が光
を反射しやすく、その反射光はフォトリソグラフィー作
業においてエラーを招く恐れがある。さらに、金属の優
れた材料特性のため金属層のエッチングは誘電体層のエ
ッチングよりも難しい。

【０００４】金属内部結線の第２の形成方法は、一般に
ダマシーン(damascene)プロセスとして今日良く知られ
ているものである。金属プラグが基板に形成された後、
誘電体層が金属プラグおよび基板上に蒸着される。誘電
体層の厚さは、金属ワイヤの厚さにほぼ等しくあるべき
である。次に、パターンニングされたフォトレジスト層
が誘電体層上に形成され、その後金属プラグを露出させ
るための溝を形成するために誘電体層がエッチングされ
る。最後に、金属材料が溝内に蒸着され、それによりプ
ラグとの電気接続が得られる。

【０００５】上記のダマシーンプロセスに非常に類似し
ているステップを含む別の金属内部結線の形成方法は、
デュアルダマシーンプロセスとして知られている。これ
らの形成方法の主たる差異は、金属プラグが基板に内に
形成された後にダマシーンプロセスが開始されるの対し
て、デュアルダマシーンプロセスにおいては、まずビア
開口および溝パターンが誘電体層に形成され、その後金
属材料がビア開口および溝を同時に満たすように蒸着さ
れ、その結果単一の作業により内部結線と層間プラグ接
続が形成される点にある。

【０００６】図１は、従来のデュアルダマシーンプロセ
スプロセスに基づいて形成された銅内部結線の断面図で
ある。図１において、番号１００は半導体基板、番号１
０２は誘電層、番号１０４は銅層、番号１０６は金属層
間誘電体層、番号１０８はビア開口、番号１１０は溝開
口、番号１１２は酸化銅層をそれぞれ示す。デュアルダ
マシーンプロセスを実行する前に、トランジスタのよう
な素子構造物(図示せず)が半導体基板１００上に形成さ
れている。その後、誘電体層１０２が基板１００上に形
成される。誘電体層１０２内に埋め込まれているのは銅
層１０４であり、これは導体ワイヤとして機能する。誘
電体層１０２上には、銅層１０４を露出するビア開口１
０８および溝開口１１０を有する金属層間誘電体層１０
６がある。銅は空気に曝されると酸化するので、エッチ
ング作業により露出された銅層１０４の表面には酸化銅
層１１２が生成される。酸化銅は電気的に非導体であ
る。したがって、金属材料が通常の手順で酸化物層上に
直接蒸着されるなら、ビアは非常に高抵抗となってしま
う。結果的に、バリヤ層(図示せず)がビア開口１０８、
溝開口１１０の内部および銅層１０４上に被覆される前
に酸化銅層１１２は除去されるべきである。最後に、銅
がビア開口１０８および溝開口１１０内に蒸着されて銅
内部結線とビアプラグ(図示せず)が形成される。

【０００７】図２は、銅層上の酸化銅層を除去するため
に高周波アルゴンを使用する従来法を示す図である。ビ
ア開口の底部をボンバード処理するために高周波アルゴ
ン原子が使用され、それによって表面から酸化銅が除去
される。しかしながら、ボンバード処理によりある量の
銅原子１０４'が銅層１０４からはじき出され、ビア開
口部１０８の側壁に侵入する。最終的に、飛び散った銅
原子１０４'の一部は金属層間誘電体層１０６内にトラ
ップされてしまう。

【０００８】金属層間誘電体層１０６はバリヤ層によっ
て被覆されていないので、銅原子１０４'はその後の幾
つかの熱処理により金属層間誘電体層１０６内に拡散す
るだろう。銅は金属層間誘電体層内において高い拡散速
度を有し、基板の素子領域に移動しやすい。したがっ
て、素子が汚染されるとともに得られる素子の品質が劣
化する。さらに、銅の拡散は絶縁された２導体構造間に
望ましくない電気接続を形成する恐れがある。このよう
に、素子効率が低下するとともに、金属内部結線の信頼
性が問題となる。

【０００９】さらに、ビア開口および溝開口内への金属
の蒸着の前に、導体層から金属層間誘電体層への原子の
拡散を防ぐバリヤ層が通常形成される。このように、バ
リヤ層は銅層およびその後に蒸着される金属層の間に挿
入される。しかしながら、バリヤ層の存在によりビア開
口内のビアプラグの抵抗が増加する。

【００１０】上記の観点から、銅内部結線の形成方法の
改善が必要とされている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明の目
的は、酸化銅を除去するためのボンバード処理中にスパ
ッタされた銅原子の金属層間誘電体層内への拡散を防ぐ
ことができる銅内部結線の形成方法を提供することであ
る。したがって、銅拡散による素子の損傷が防がれ、素
子の品質が改善される。

【００１２】本発明のさらなる目的は、導体材料がビア
開口内に蒸着される前に銅層上の酸化銅層およびバリヤ
層を除去する銅内部結線の形成方法を提供することであ
る。これにより、最終的にビア開口内に形成されるビア
プラグの抵抗を下げることができる。

【００１３】本発明の目的に基づいて、上記のおよびそ
の他の効果を達成するために、ここに具体的かつ包括的
に述べるように、本発明は銅内部結線の形成方法を提供
するものである。すなわち、本発明の方法においては、
まず誘電体を有する半導体基板を準備する。誘電体層は
銅層を含む。金属層間誘電体層を誘電体層上に蒸着す
る。銅層の一部を露出させるビア開口および溝開口を金
属層間誘電体層内に形成する。厚みの薄いバリヤ層をビ
ア開口の底部で露出している銅層上に形成した後、銅層
が露出するまでビア開口の底部にボンバード処理を施
す。その後、ビア開口および溝開口を満たすように銅材
料を蒸着してダマシーン(damascene)構造を得る。

【００１４】本発明に関する上記の記載内容および以下
に記載される本発明の詳細な説明はともに例示的なもの
であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００１５】

【実施例】添付の図面を使用して本発明の実施例を以下
に詳細に説明する。尚、図面およびその説明においては
同等あるいは類似の部材に対して可能な限り同じ参照番
号を使用する。

【００１６】図３(ａ)〜(ｇ)は、本発明の実施例に基づ
く銅内部結線の形成方法の進行を示す概略断面図であ
る。

【００１７】図３(ａ)に示すように、素子がすでに形成
されている基板３００を準備する。基板３００内の素子
は図示されていないが、それらにはＭＯＳトランジスタ
が含まれる。まず、誘電体層３０２を基板３００上に形
成する。基板３００上の素子の一つに接続する銅層３０
４を誘電体層３０２内に形成する。さらに、第１の金属
層間誘電体層３０６およびマスク層３０８を連続的に誘
電体層３０２上に形成する。第１誘電体層３０６として
は二酸化珪素層を使用できる。また、マスク層３０８と
して窒化珪素層を使用できる。ビア開口を形成するため
にパターンニングされた第１フォトレジスト層３１０を
マスク層３０８上に形成する。

【００１８】図３(ｂ)に示すように、パターンニングさ
れた第１フォトレジスト層３１０をマスクとして使用し
てマスク層３０８の一部を除去する。このようにして、
ビア開口パターン３１２をマスク層３０８に転写する。
ビア開口パターン３１２は銅層３０４の位置に対応させ
てある。すなわち、ビア開口３１２は銅層３０４の上方
に配置される。第１フォトレジスト層３１０を除去した
後、第２の金属層間誘電体層３１４をマスク層３０８上
に形成する。さらに、溝をパターンニングするための第
２フォトレジスト層３１６を第２誘電体層３１４上に形
成する。

【００１９】図３(ｃ)に示すように、エッチングバリヤ
層としてマスク層３０８を使用し、また第２フォトレジ
スト層３１６をマスクとして使用して溝３１８ａおよび
３１８ｂを第２誘電体層３１４内に形成する。換言すれ
ば、第２誘電体層３１４の一部を除去して溝３１８ａお
よび３１８ｂを形成する。溝３１８ａはビア開口パター
ン３１２を露出させるので、第１誘電体層３０６の一部
を除去してビア開口３１２ａを形成することができる。
その結果、ビア開口３１２ａを介して銅層３０４の一部
が露出する。ビア開口３１２ａを介して露出した銅層３
０４の表面は空気に曝されて酸化し酸化銅層３２０を形
成する。

【００２０】図３(ｄ)に示すように、溝開口３１８ａお
よび３１８ｂの内表面、ビア開口３１２ａの内表面およ
び酸化銅層３２０の表面を含む表面にバリヤ層３２２を
形成する。バリヤ層としては、タンタル、窒化タンタ
ル、窒化チタン、あるいは金属層間誘電体層への銅原子
の拡散を防ぐその他の材料を使用することができる。バ
リヤ層３２２は物理蒸着法(ＰＶＤ)を使用して形成する
ことが好ましい。ＰＶＤはステップカバレージ特性に乏
しいので、コーナー領域３２２ａ周辺では蒸着されたバ
リヤ層３２２の厚さが厚くなり、ビア開口３１２ａの底
部の酸化銅層３２０上ではバリヤ層の厚さが薄くなる。

【００２１】図３(ｅ)に示すように、原子ボンバード処
理３２４を実施する。ボンバード処理は基板３００に電
圧印加して実施することが好ましい。高周波アルゴン原
子、あるいはアルゴン／水素原子を使用して基板３００
を垂直方向にボンバード処理する。ボンバード原子のビ
ームに垂直に広がるバリヤ層３２２の一部がスパッタリ
ングされ、溝３１８およびビア開口３１２ａの側壁上に
達する。さらに、ボンバード処理により、ビア開口３１
２ａの底部にある酸化銅層３２０が除去される。また、
ある量の銅原子３０４'が銅層３０４からはじき出さ
れ、ビア開口３１２ａの側壁に付着する。しかしなが
ら、側壁上のバリヤ層３２２ｂの存在により銅原子３０
４'は第１誘電体層３０６の内部に拡散することができ
ない。さらに、ボンバード処理中、ビア開口３１２ａの
底部においてバリヤ層３２２が除去され、除去されたバ
リヤ層の一部は改めて側壁上に堆積するので、溝３１８
およびビア開口３１２ａの側壁上のバリヤ層の厚さが増
す。一方、コーナー部３２２ａの厚いバリヤ層はボンバ
ード処理により薄くなる。このようにして、バリヤ層３
２２ｂの厚さは均一になり、バリヤ層３２２ｂのステッ
プカバレージ特性が改善される。

【００２２】図３(ｆ)に示すように、導体層３２６を図
３(ｅ)に示される構造上に蒸着する。導体層３２６の蒸
着は溝３１８およびビア開口３１２ａを満たすように実
施する。導体層としては銅を使用することが好ましい。
導体層３２６は、ビア開口３１２ａの底部に位置する銅
層３０４に直接接続される。導体層３２６と銅層３０４
の間にバリヤ層が存在しないので、ビアプラグの抵抗は
従来の構造より小さい。

【００２３】図３(ｇ)に示すように、溝３１８ａおよび
３１８ｂの外部にある導体層３２６を除去することによ
り、導体層３２６ａおよび導体層３２６ｂを同時に形成
することができる。導体層３２６の過剰領域は化学的機
械的研磨法(ＣＭＰ)により除去することが好ましい。

【００２４】以上要約すると、本発明の一つの特徴は、
物理蒸着法(ＰＶＤ)を使用してバリヤ層を蒸着する場合
にある。バリヤ層が蒸着された後、高周波アルゴンある
いは高周波アルゴン／水素を使用したボンバード処理に
よりビア開口の底部にあるバリヤ層および酸化銅層が除
去される。アルゴンあるいはアルゴン／水素のボンバー
ド処理によるスパッタリング効果は、ビア開口の側壁上
にあるバリヤ層の厚さを増加させる。

【００２５】本発明の別の特徴は、アルゴン、あるいは
アルゴン／水素のボンバード処理によるスパッタリング
効果により、物理蒸着法によって形成されるバリヤ層の
ステップカバレージ特性が改善されることにある。

【００２６】さらなる本発明の特徴は、アルゴンあるい
はアルゴン／水素のボンバード処理によって酸化銅層か
らスパッタリングされた銅原子が誘電体層上ではなくバ
リヤ層上に蒸着されることにある。これにより、銅原子
は誘電体層の内部に拡散することができない。

【００２７】本発明のさらに別の特徴は、導体層がバリ
ヤ層を介してではなくビア開口の底部において銅層と直
接接触することにある。これにより、ビアプラグの抵抗
を下げることができる。

【００２８】本発明を実施例に基づいて説明したが、本
発明はこれらの実施例によって限定されない。むしろ、
本発明の技術思想から逸脱しないかぎりにおいて種々の
変更および改良を加えることが可能であるだろう。した
がって、本発明の請求項はそのような変更および改良等
を含むように広く解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のデュアルダマシーンプロセスに基づいて
形成される銅内部結線の概略断面図である。

【図２】高周波アルゴンを使用して銅層上の酸化銅層を
除去する従来方法を示す概略断面図である。

【図３】(ａ)〜(ｇ)は、本発明の実施例に基づく銅内部
結線の形成方法を説明するための概略断面図である。

【符号の説明】

３００基板３０２誘電体層３０４銅層３０６第１の金属層間誘電体層３０８マスク層３１０第１フォトレジスト層３１２ビア開口パターン３１２ａビア開口３１４第２の金属層間誘電体層３１６第２フォトレジスト層３１８ａ溝開口３１８ｂ溝開口３２０酸化銅層３２２バリヤ層３２２ａバリヤ層のコーナー領域３２２ｂバリヤ層３２４ボンバード処理３２６導体層３２６ａ導体層３２６ｂ導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F033 HH11 HH12 HH21 HH32 HH33 JJ01 JJ11 JJ12 JJ21 JJ32 JJ33 KK11 MM02 MM12 MM13 NN01 NN05 NN07 PP14 PP19 QQ09 QQ14 QQ37 QQ48 RR04 RR06 TT02 XX02 XX09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】以下のステップに特徴を有する銅内部結
線の形成方法：銅層が埋め込まれた誘電体層を有する半
導体基板を準備し；前記誘電体層上に第１の金属層間誘
電体層を形成し；前記第１誘電体層上にパターニングさ
れたマスク層を形成し；前記マスク層上に第２の金属層
間誘電体層を形成し；前記第２誘電体層をパターンニン
グして少なくとも溝を形成し；前記第１誘電体層をエッ
チングして前記銅層を露出させるためのビア開口を形成
する、ここに露出された銅は酸化して前記銅層上に酸化
銅層を生成する；前記溝およびビア開口の表面に沿って
バリヤ層を形成し；前記バリヤ層と前記銅層表面の酸化
銅層を除去し；前記溝およびビア開口を満たすように導
体層を形成する。
【請求項２】前記マスク層の形成ステップは、窒化珪
素の蒸着を含むことを特徴とする請求項１の形成方法。
【請求項３】前記バリヤ層の形成ステップは、タンタ
ル、窒化タンタル、窒化チタンから選択される少なくと
も一種の蒸着を含むことを特徴とする請求項１の形成方
法。
【請求項４】前記バリヤ層の形成ステップは、物理蒸
着法(ＰＶＤ)の使用を含むことを特徴とする請求項１の
形成方法。
【請求項５】前記バリヤ層および前記銅層表面の酸化
銅層の除去ステップは、高周波アルゴンの使用を含むこ
とを特徴とする請求項１の形成方法。
【請求項６】前記バリヤ層および前記銅層表面の酸化
銅層の除去ステップは、高周波アルゴン／水素の使用を
含むことを特徴とする請求項１の形成方法。
【請求項７】前記導体層の形成ステップは、銅の蒸着
を含むことを特徴とする請求項１の形成方法。
【請求項８】以下のステップに特徴を有する銅内部結
線の形成方法：銅層を有する誘電体層を準備し；前記誘
電体層上に金属層間誘電体層を形成し；前記金属層間誘
電体層を貫通する開口を形成して前記銅層を露出させ；
前記開口および金属層間誘電体層の表面形状に沿ってバ
リヤ層を形成し；前記バリヤ層上に垂直に原子ボンバー
ド処理を施す。
【請求項９】前記バリヤ層の形成ステップは、タンタ
ル、窒化タンタル、窒化チタンから選択される少なくと
も一種の蒸着を含むことを特徴とする請求項８の形成方
法。
【請求項１０】前記バリヤ層の形成ステップは、物理
蒸着法(ＰＶＤ)の使用を含むことを特徴とする請求項８
の形成方法。
【請求項１１】前記バリヤ層および前記銅層表面の酸
化銅層の除去ステップは、高周波アルゴンの使用を含む
ことを特徴とする請求項８の形成方法。
【請求項１２】前記ボンバード処理は、高周波アルゴ
ン／水素の使用を含むことを特徴とする請求項８の形成
方法。
【請求項１３】前記ボンバード処理は、前記開口を満
たすように金属層間誘電体層上に導体層を蒸着した後、
金属層間誘電体層上の導体層の一部を除去して前記開口
内に導体プラグを形成するステップを含むことを特徴と
する請求項８の形成方法。
【請求項１４】前記導体層の形成ステップは、銅の蒸
着を含むことを特徴とする請求項１３の形成方法。
【請求項１５】前記金属層間誘電体層上の導体層の除
去ステップは、化学的機械的研磨の使用を含むことを特
徴とする請求項１３の形成方法。