JP2001110808A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続孔内への金属の埋め込み性を改善し、か
つ接続孔内に形成されるバリア層上に酸化膜が形成され
ないようにして、エレクトロマイグレーション耐性の向
上を図りつつ、ボイドの発生を抑えて配線の信頼性の向
上を図る。 【解決手段】 基板１０上の絶縁膜２１に形成された凹
部２４（溝２２と接続孔２３）の内面にバリア層２５を
形成する工程と、バリア層２５を非酸化性雰囲気中に保
って、例えばスパッタリングによってバリア層２５の表
面に、メッキシード層２６を形成する工程と、少なくと
も凹部２４の内部に金属粒子を含む溶液３１を塗布する
工程とを備えた製造方法であり、その後、凹部２４の内
部を金属メッキ層で埋め込んで、配線（第２の配線２
８）およびプラグ２９を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、詳しくは多層配線の製造技術のうち、金属
で凹部内を埋め込む方法に係わる半導体装置の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩの配線材料にはアルミニウ
ム合金が広く用いられてきたが、ＬＳＩの微細化、高速
化の要求が高まるにつれて、アルミニウム合金配線では
十分な性能、特に高信頼性化、低抵抗化の確保が難しく
なってきた。この対策として、アルミニウム合金よりも
エレクトロマイグレーション耐性に優れ、かつ低い抵抗
を有する銅配線技術が注目され、実用化に向けて検討が
なされている。

【０００３】銅配線の形成は、一般に銅のドライエッチ
ングが容易でないために、溝配線による方法が有望視さ
れている。溝配線は、酸化シリコン等の層間絶縁膜に予
め所定の溝を形成し、その溝に配線材料を埋め込んだ
後、余剰の配線材料を化学的機械研磨等により除去する
ことで形成される。

【０００４】溝配線の製造方法では、電解メッキ法、化
学的気相成長法、スパッタリングとリフロー法、高圧リ
フロー法等が検討されているが、微細な孔や溝への埋め
込み能力が高い銅の電解メッキ法が特に重要視されてい
る。

【０００５】電解メッキ法により銅を溝および接続孔に
埋め込むプロセスの一例を図２によって説明する。

【０００６】図２の（１）に示すように、絶縁膜１１１
には溝配線構造の下層配線１１２が形成されている。こ
の絶縁膜１１１上には層間絶縁膜１１３が形成され、そ
の層間絶縁膜１１３には溝１１４とその溝１１４の下層
配線１１２とを接続する接続孔１１５が形成されてい
る。そしてスパッタリングによって、溝１１４および接
続孔１１５に内面に、バリア層１１６として例えば窒化
タンタルを３０ｎｍの厚さに形成する。このとき、層間
絶縁膜１１３上にもバリア層１１６が形成される。この
窒化タンタルからなるバリア層１１６は銅が酸化シリコ
ン等の層間絶縁膜１１３中に拡散するのを防止する機能
を有する。次いでスパッタリングによって銅を例えば１
００ｎｍの厚さに成膜して銅シード層１１７を形成す
る。この銅シード層１１７は、その後の電解メッキ工程
において銅を成長させるためのシード層として機能す
る。

【０００７】次いで図２の（２）に示すように、銅の電
解メッキによって、溝１１４および接続孔１１５の核内
部を銅を埋め込み銅膜１１８を形成する。その後、層間
絶縁膜１１３上の余分な銅シード層１１７、銅膜１１８
およびバリア層１１６を除去する。その結果、溝１１４
および接続孔１１５の内部にバリア層１１６を介して配
線１１９およびプラグ１２０が形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、配線の
微細化が進み、また、溝と接続孔とを同時に埋め込むプ
ロセスにおいては、溝や接続孔のアスペクト比が高くな
り、スパッタリングではバリア層と銅シード層とを十分
なステップカバリッジを得て形成することが困難にな
る。このように、ステップカバリッジが不十分になる
と、図３に示すように、電解メッキ時に、カバリッジの
不十分な部分、例えばプラグ１２０の部分にボイド１３
１が発生し、エレクトロマイグレーションなどにより断
線が起こり使用に耐えなくなる。

【０００９】この対策として、銅の超微粒子溶液を回転
塗布することで、銅膜を形成し、その銅膜で、銅配線を
形成したり電解メッキ用シード層を形成する方法が検討
されている。

【００１０】しかしながら、上記技術では、バリア層を
一旦大気に開放してから、バリア層上に直接、銅の超微
粒子溶液の回転塗布を施している。そのため、図４に示
すように、大気にさらされているバリア層１１６の表面
には極薄い酸化膜１４１が形成され、その酸化膜１４１
を介してバリア層１１６上に、回転塗布により形成され
る銅の超微粒子からなる銅膜１５１が形成されることに
なる。その結果、下層配線（図示せず）とのコンタクト
抵抗の上昇や、バリア層１１６と銅膜１５１との界面の
違いからエレクトロマイグレーション耐性の違いを生じ
る。最悪の場合には、エレクトロマイグレーション耐性
が悪化することが懸念される。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた半導体装置の製造方法であって、
すなわち、基板上の絶縁膜に形成された凹部の内面にバ
リア層を形成する工程と、このバリア層を非酸化性雰囲
気中に保ってバリア層の表面にメッキシード層を形成す
る工程と、少なくとも凹部の内部に金属粒子を含む溶液
を塗布する工程とを備えたことを特徴とする。また、金
属粒子を含む溶液を塗布する工程を行った後、凹部の内
部に金属メッキ層を形成することを特徴とする。

【００１２】上記半導体装置の製造方法では、基板上の
絶縁膜に形成された凹部の内面にバリア層を形成した
後、このバリア層を非酸化性雰囲気を保ってバリア層の
表面にメッキシード層を形成することから、バリア層の
表面に酸化膜等の絶縁性の膜が形成されるのが防止され
る。そのため、エレクトロマイグレーション耐性が高め
られる。また、少なくとも凹部の内部に金属粒子を含む
溶液を塗布することから、凹部は少なくとも一部が金属
粒子で埋め込まれるので、凹部のアスペクト比が小さく
なる。そのため、その後の電解メッキによる凹部内への
金属の埋め込み性能が高められ、ボイドの発生が無くな
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の製造方法に係わる実施の
形態の一例を、図１の製造工程断面図によって説明す
る。

【００１４】図１の（１）に示すように、半導体基板
（図示せず）上に形成した半導体素子、配線等（図示せ
ず）を覆う絶縁膜（図示せず）を形成し、その上面に例
えば窒化シリコン膜１１、酸化シリコン膜１２を順に形
成する。その酸化シリコン膜１２に溝１３を形成し、そ
の溝１３の内部に例えば窒化タンタルからなるバリア層
１４を介して導電体材料として例えば銅を埋め込み、そ
の後、例えば化学的機械研磨によって余剰な導電体材料
やバリア層を除去して、いわゆる溝配線構造の第１の配
線１５を形成する。この化学的機械研磨によって、酸化
シリコン膜１２上は平坦化される。このように基板１０
が形成されている。

【００１５】次いで、酸化シリコン膜１２上に第１の配
線１５を覆う拡散防止層１６を例えばプラズマエンハン
メントＣＶＤ法により銅の拡散を防止する窒化シリコン
を５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。さらに例えばプ
ラズマエンハンメントＣＶＤ法によって、拡散防止層１
６上に下層配線と上層配線との間の絶縁膜となる配線層
間絶縁膜〔以下ＩＬＤ（Inter Level Dielectrics ）と
いう〕１７を、例えば酸化シリコンを５００ｎｍの厚さ
に堆積して形成する。さらに、例えばプラズマエンハン
メントＣＶＤ法によって、ＩＬＤ１７上にエッチングス
トッパ層１８を例えば窒化シリコンを７０ｎｍの厚さに
堆積して形成する。

【００１６】次いで、通常のレジスト塗布方法によって
レジスト膜（図示せず）を形成し、リソグラフィー技術
によりそのレジスト膜を加工してレジストマスク（図示
せず）の形成し、そのレジストマスクを用いたエッチン
グ技術によって上記エッチングストッパ層１８に接続孔
の一部となる開口部１９を形成する。その後上記レジス
トマスクを除去する。

【００１７】続いて、上記エッチングストッパ層１８上
に同一層配線間の絶縁膜となる配線間絶縁膜〔以下ＩＭ
Ｄ（Inter Metal Dielectrics ）という〕２０を、例え
ば酸化シリコンを５００ｎｍの厚さに堆積して形成す
る。このようにして、基板１０上に、拡散防止層１６、
ＩＬＤ１７、エッチングストッパ層１８およびＩＭＤ２
０からなる絶縁膜２１が形成される。

【００１８】次いで、図１の（２）に示すように、通常
のレジスト膜（図示せず）の形成、リソグラフィー技術
によりレジスト膜を加工してレジストマスク（図示せ
ず）の形成、そのレジストマスクを用いたエッチング技
術によって、上記ＩＭＤ２０に溝２２を形成する。この
エッチングでは、窒化シリコンからなる拡散防止層１６
がエッチングストッパとして機能する。さらに上記エッ
チングストッパ層１８をマスクにエッチングを進めてＩ
ＬＤ１７に接続孔２３を形成する。上記酸化シリコンの
エッチング条件としては、一例として、エッチング装置
にマグネトロン型プラズマエッチング装置を用い、エッ
チングガスに、オクタフルオロブタン（Ｃ₄ Ｆ₈ ）（例
えば供給流量が１４ｃｍ³ ／ｍｉｎ）と一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）（例えば供給流量が２５０ｃｍ³ ／ｍｉｎ）とアル
ゴン（Ａｒ）（例えば供給流量が１００ｃｍ³ ／ｍｉ
ｎ）と酸素（Ｏ₂ ）（例えば供給流量が２ｃｍ³ ／ｍｉ
ｎ）とを用い、エッチング雰囲気の圧力を５．３Ｐａ、
プラズマパワーを１．６０ｋＷに設定した。その後上記
レジストマスクを除去する。

【００１９】さらに、図１の（３）に示すように、酸化
シリコンからなるＩＭＤ２０、ＩＬＤ１７をエッチング
マスクにして拡散防止層１６を選択的にエッチングし
て、接続孔２３を第１の配線１５に達するようにする。
このとき、エッチングストッパ層１８もエッチングさ
れ、溝２２がＩＬＤ１７上に形成される。このようにし
て、絶縁膜２１に溝２２および接続孔２３からなる凹部
２４が形成される。

【００２０】次に、図１の（４）に示すように、例えば
スパッタリングによって、上記凹部２４の内面に例えば
窒化タンタルを堆積してバリア層２５を形成する。その
際、絶縁膜２１上にもバリア層２５が形成される。この
スパッタリング条件としては、一例として、プロセスガ
スにアルゴン（Ａｒ）（例えば供給流量が１００ｃｍ³
／ｍｉｎ）を用い、スパッタリング雰囲気の圧力を０．
４Ｐａ、ＤＣパワーを６ｋＷ、成膜温度を１００℃に設
定した。

【００２１】さらに上記バリア層２５を非酸化性雰囲気
中に保って、例えばスパッタリングによって、上記バリ
ア層２５の表面にメッキシード層２６を、例えば銅を堆
積して形成する。その際、絶縁膜２１上のバリア層２５
上にもメッキシード層２６が形成される。このスパッタ
リング条件としては、一例として、プロセスガスにアル
ゴン（Ａｒ）（例えば供給流量が５０ｃｍ³ ／ｍｉｎ）
を用い、スパッタリング雰囲気の圧力を０．２Ｐａ、Ｄ
Ｃパワーを１２ｋＷ、成膜温度を１００℃に設定した。
上記メッキシード層２６は、銅以外に、金、プラチナお
よびロジウムのうちの１種、もしくは銅、金、プラチナ
およびロジウムのうちの複数種からなる合金で形成する
こともできる。

【００２２】次いで、図１の（５）に示すように、絶縁
膜２１上、具体的にはメッキシード層２６上に金属粒子
を含む溶液３１として、例えば有機溶媒に銅の微粒子を
分散させた溶液を塗布する。

【００２３】続いて、例えば１００℃〜１５０℃の不活
性な雰囲気（例えば窒素雰囲気、希ガス雰囲気等）もし
くは例えば室温の工業的な真空雰囲気で有機溶媒を蒸
発、乾燥させた後、例えば３００℃〜４００℃の水素雰
囲気のような還元性雰囲気で焼成を行って、図１の
（６）に示すように、凹部２４の内部の下部、図面では
接続孔２３の内部に銅からなる金属堆積部２７を形成す
る。図面では接続孔２３の内部とともにメッキシード層
２６の表面にも金属堆積部２７が形成されている状態を
示した。

【００２４】その後、図１の（７）に示すように、例え
ば銅の電解メッキ法によって、凹部２４を金属（銅）メ
ッキ層で埋め込む。その際、上記絶縁膜２１上のメッキ
シード層２６〔前記図１の（６）参照〕上にも金属
（銅）メッキ層が堆積される。金属（銅）メッキ層を形
成する場合の電解メッキ条件としては、一例として、メ
ッキ液に硫酸銅系銅電解メッキ液を用い、メッキ温度を
１８℃、メッキ電流値を２．８３Ａ、メッキ時間を４分
３０秒に設定し、１μｍの厚さに銅を堆積した。

【００２５】その後、例えば化学的機械研磨によって、
絶縁膜２１上の余剰な金属（銅）メッキ層、メッキシー
ド層２６およびバリア層２５を除去する。その結果、凹
部２４（溝２２）の内部にバリア層２５を介して銅から
なる第２の配線２８が形成され、凹部２４（接続孔２
３）の内部にバリア層２５を介して銅からなるプラグ２
９が形成される。上記化学的機械研磨条件としては、一
例として、研磨パッドに不織布と独立発泡体の積層構造
のものを用い、研磨スラリーに過酸化水素を添加したア
ルミナ含有スラリーを用い、研磨圧力を９．８ｋＰａ、
研磨定盤の回転数を３０ｒｐｍ、研磨ヘッドの回転数を
３０ｒｐｍ、研磨スラリーの流量を１００ｃｍ³ ／ｍｉ
ｎ、研磨雰囲気の温度を２５℃〜３０℃に設定した。

【００２６】上記実施の形態で説明した製造方法では、
基板１０上の絶縁膜２１に形成された凹部２４の内面に
バリア層２５を形成した後、このバリア層２５を非酸化
性雰囲気を保ってバリア層２５の表面にメッキシード層
２６を形成することから、バリア層２５の表面に酸化膜
等の絶縁性の膜が形成されることが防止される。そのた
め、エレクトロマイグレーション耐性が高められる。ま
た、少なくとも凹部２４の内部に金属粒子を含む溶液３
１を塗布することから、凹部２４は少なくとも一部が金
属粒子からなる金属堆積物２７で埋め込まれるので、凹
部２４（接続孔２３）のアスペクト比が小さくなる。そ
のため、その後の電解メッキによる凹部２４内への金属
の埋め込み性能が高められ、ボイドの発生が無くなる。

【００２７】上記実施の形態では、凹部２４を溝２２と
その底部に形成した接続孔２３とからなるもので説明し
たが、凹部は接続孔のみもしくは溝のみで形成されたも
のであっても、上記製造方法を適用することができ、上
記説明したのと同様に、エレクトロマイグレーション耐
性の向上、アスペクト比の低減によるメッキ金属の埋め
込み性の向上等の効果が得られる。

【００２８】また、上記製造方法では、ＩＬＤ１７、Ｉ
ＭＤ２０を酸化シリコンで形成する代わりに、フッ素も
しくは炭素を含む酸化シリコンからなる低誘電率絶縁
膜、キセロゲルからなる低誘電率絶縁膜、ポリアリール
エーテル、ポリイミド等の有機絶縁膜等で形成すること
も可能である。なお、有機絶縁膜を用いた場合には、凹
部２３を形成する際に、無機マスクを用いる。また、エ
ッチングストッパ層１８には、窒化シリコンの代わりに
有機膜のエッチングストッパとなりうる材料として例え
ば酸化シリコンを用いることも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
基板上の絶縁膜に形成された凹部の内面にバリア層を形
成した後、このバリア層を非酸化性雰囲気を保ってバリ
ア層の表面にメッキシード層を形成するので、バリア層
の表面に酸化膜等の絶縁性の膜が形成されるのを防止す
ることができる。そのため、エレクトロマイグレーショ
ン耐性が高められる。また、少なくとも凹部の内部に金
属粒子を含む溶液を塗布するので、凹部の少なくとも一
部を金属粒子で埋め込むことができる。そのため、凹部
のアスペクト比が小さくなるので、その後の電解メッキ
による凹部内への金属の埋め込み性能が高められ、ボイ
ドの発生を無くすことができる。よって、信頼性の高い
配線構造を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法に係わる実施の形態の一例を
示す製造工程断面図である。

【図２】従来の技術の一例を示す製造工程断面図であ
る。

【図３】課題を説明する概略構成断面図である。

【図４】課題を説明する概略構成断面図である。

【符号の説明】

１０…基板、２１…絶縁膜、２４…凹部、２５…バリア
層、２６…メッキシード層、３１…金属粒子を含む溶液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 肇 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5F033 HH07 HH11 HH13 HH32 JJ07 JJ11 JJ13 JJ32 KK11 KK32 MM02 MM05 MM12 MM13 NN03 NN06 NN07 PP15 PP26 PP27 PP33 QQ09 QQ10 QQ12 QQ16 QQ21 QQ25 QQ37 QQ48 QQ73 QQ98 RR04 RR06 SS15 XX05

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の絶縁膜に形成された凹部の内面
   にバリア層を形成する工程と、 前記バリア層を非酸化性雰囲気中に保って前記バリア層
   の表面にメッキシード層を形成する工程と、 少なくとも前記凹部の内部に金属粒子を含む溶液を塗布
   する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記メッキシード層はスパッタリングに
   よって形成することを特徴とする請求項１記載の半導体
   装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記メッキシード層は、銅、金、プラチ
   ナおよびロジウムのうちの１種、もしくは銅、金、プラ
   チナおよびロジウムのうちの複数種からなる合金で形成
   することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記金属粒子を含む溶液を塗布する工程
   を行った後、 前記凹部の内部を金属メッキ層で埋め込む工程を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記凹部は溝からなることを特徴とする
   請求項１記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 前記凹部は接続孔からなることを特徴と
   する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記凹部は溝と該溝の底部に形成された
   接続孔とからなることを特徴とする請求項１記載の半導
   体装置の製造方法。