JP2002026017A - 半導体素子の金属配線形成方法 - Google Patents

半導体素子の金属配線形成方法

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JP2002026017A JP2001095596A JP2001095596A JP2002026017A JP 2002026017 A JP2002026017 A JP 2002026017A JP 2001095596 A JP2001095596 A JP 2001095596A JP 2001095596 A JP2001095596 A JP 2001095596A JP 2002026017 A JP2002026017 A JP 2002026017A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 均一で且つ良質の銅シード層を形成し、無電
解めっき法で銅を蒸着してセレクティブ銅配線を形成す
ることができる半導体素子の金属配線形成方法を提供す
る。 【解決手段】 層間絶縁膜2にダマシンパターン3を形
成した基板1を提供する段階と、前記ダマシンパターン
が形成された全体構造上に拡散障壁層4を形成する段階
と、前記拡散障壁層上にスピンオン工程によって銅前駆
体を蒸着する段階と、前記銅前駆体をベーキング工程に
より多孔性銅層5bに変化させる段階と、前記多孔性銅
層に水素還元アニーリング工程及び強制埋込み工程を行
って前記ダマシンパターンの底に銅シード層5cを形成
する段階と、前記ダマシンパターンが十分充填されるよ
うに無電解めっき法によって銅を蒸着する段階と、CM
P法(化学的機械的研磨法)によって銅配線6bを形成
する段階とを含んでなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子の金属配
線形成方法に係り、特に良質の銅シード層をダマシンパ
ターンの底部に均一に形成してセレクティブ銅配線を形
成することができる半導体素子の金属配線形成方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子における金属配線の形成時、
銅薄膜はアルミニウムに比べて融点が高くてエレクトロ
マイグレーションに対する抵抗が大きいため半導体素子
の信頼性を向上させることができると共に、比抵抗1.
7μΩcmが低いため信号伝達速度を増加させることが
できる。従って、銅薄膜の形成技術は高速素子及び高集
積素子において必要な技術である。
【0003】近年、銅薄膜は電解めっき法により形成し
ているが、電解めっき法は複雑な化学的性質によって工
程コストが上昇し、シード層蒸着工程に非常に敏感であ
って最適条件設定に困っている。即ち、シード層に沿う
電磁場によって銅イオンが移動して蒸着されるが、シー
ド層が不均一に蒸着される場合、ポテンシャルドロップ
(potential drop)が発生して不均一な電解めっき蒸着に
なるため、バイア(Via)及びトレンチ構造においてボイ
ドが発生して銅配線特性を低下させるという問題点があ
った。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明はスピ
ンオン工程で銅前駆体を蒸着した後、水素還元アニ−ル
工程(水素還元熱処理)と強制埋込み工程を同時に行っ
て均一で且つ良質の銅シード層を形成し、無電解めっき
法で銅を蒸着してセレクティブ銅配線を形成することが
できる半導体素子の金属配線形成方法を提供することを
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法は、層間
絶縁膜にダマシンパターンを形成した基板を提供する段
階と、前記ダマシンパターンが形成された全体構造上に
拡散障壁層を形成する段階と、前記拡散障壁層上にスピ
ンオン工程によって銅前駆体を蒸着する段階と、前記銅
前駆体をベーキング工程により多孔性銅層に変化させる
段階と、前記多孔性銅層に水素還元アニーリング工程及
び強制埋込み工程を行って前記ダマシンパターンの底に
銅シード層を形成する段階と、前記ダマシンパターンが
十分充填されるように無電解めっき法によって銅を蒸着
する段階と、CMP法(化学的機械的研磨法)によって
銅配線を形成する段階とを含んでなることを特徴とす
る。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図に基づいて
詳細に説明する。
【0007】図1(a)乃至図1(g)は本発明に係る
半導体素子の金属配線形成方法を説明するための断面図
である。
【0008】図1(a)を参照すると、半導体素子を形
成するための各種の要素が形成された基板1上に層間絶
縁膜2を形成し、シングルダマシン(single damascene)
法或いはデュアルダマシン(dual damascene)法でバイア
及び/またはトレンチからなるダマシンパターン3を形
成する。その後、ダマシンパターン3形成時の副産物を
除去するためにクリーニングを行う。
【0009】この際、層間絶縁膜2はスピンオン或いは
CVD法(化学気相堆積法)によって低誘電定数(low
k)を有する絶縁物質で形成する。クリーニング工程はダ
マシンパターン3の底を成す下地層がタングステンやア
ルミニウムなどの金属の場合にはRFプラズマの利用が
可能であり、下地層が銅の場合にはリアクティブクリー
ニング法を適用する。
【0010】図1(b)を参照すると、ダマシンパター
ン3を含む層間絶縁膜2の表面に拡散障壁層(barrier m
etal)4を形成する。この際、拡散障壁層4としてはイ
オン化されたPVD TiN、CVD TiN、MOCV
D TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化され
たPVD TaN、CVD Ta、CVD TaN、CV
D WN、PVD TiAlN、PVD TiSiN、P
VD TaSiN、CVD TiAlN、CVD TiS
iN、CVD TaSiN薄膜の少なくともいずれかか
一つで形成することができる。
【0011】図1(c)を参照すると、銅前駆体を−1
0℃〜100℃の範囲で100〜8000rpmの速度
でスピンオン蒸着してスピンオン銅層5aを形成する。
スピンオン銅層5aの形成時、後続工程のベーキング(b
aking)、水素還元アニール及び強制埋込み工程後、シー
ド層の厚さが100Å〜500Å程度となるように回転
数を調節してスピンオン銅層5aの厚さを2000Å以
下とする。
【0012】図1(d)を参照すると、スピンオン銅層
5aに存在するポリマー成分を除去するために、ベーキ
ング工程を行う。ベーキング工程によってポリマー成分
はスピンオン銅層5aから除去されるが、スピンオン銅
層5aはベーキング工程中に多孔性膜質となり、一部は
銅酸化膜の形で存在する多孔性銅層5bに変化する。
【0013】前記ベーキング工程は、H2のみを適用す
るか、H2+Ar(1〜95%)或いはH2+N2(1〜
95%)などの水素混合気体を用いて水素雰囲気下に1
秒〜10分間200℃〜500℃の温度領域で単一段階
或いは多段階で行う。
【0014】前記単一段階の場合には200℃〜500
℃のいずれか一つの温度で1秒〜10分間ベーキングを
行う。多段階の場合には200℃〜500℃のいろいろ
な温度で1秒〜10分間ベーキングを行う。
【0015】図1(e)を参照すると、水素還元アニー
ル(hydrogen reduction annealing)工程と強制埋込み(f
orce filing)工程を同時に行って多孔性銅層5bの密度
を高め、銅酸化膜を除去してダマシンパターン3の底部
に均一で且つ良質の銅シード層5cを形成する。
【0016】ここで、水素還元アニール工程及び強制埋
込み工程は、前記ベーキング工程後に連続して行われる
が、H2のみを適用するか、H2+Ar(1〜95%)、
2+He(1〜95%)などのような水素混合気体を
用いて水素雰囲気下に200℃〜500℃の温度領域で
1分〜10分間0.1MPa〜100MPaの圧力条件
で1〜10回繰り返し行う。
【0017】この際、強制埋込み工程は、0.1MPa
〜100MPaのいずれか一つの圧力を設定する単一段
階方式、0.1MPa〜100MPaのいろいろな圧力
を多段階で設定する多段階方式、0.1MPa〜100
MPa領域内でサイン波(sinecurve)形態で圧力を設定
する方式のいずれか一つで実施する。
【0018】図1(f)を参照すると、無電解めっき法
でダマシンパターン3が埋め込まれるまで銅を蒸着して
銅層6aを形成する。
【0019】図1(g)を参照すると、CMP(chemica
l mechanical polishing)法で層間絶縁膜2の表面が露
出するまで銅層6a及び拡散障壁層4を研磨した後、ポ
ストクリーニング(post cleaning)を行なってダマシン
パターン3内に銅配線6bを形成する。
【0020】
【発明の効果】上述したように、本発明はスピンオン工
程を導入し、水素還元アニール法と強制埋込みを同時に
行うことにより、銅シード薄膜をダマシンパターン内に
容易に形成することができ、その後無電解めっき法で銅
層を蒸着することにより、セレクティブ銅配線を容易に
形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明に係る半導体素子の金属配
線形成方法を説明するための断面図の一つである。図1
(b)は本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を
説明するための断面図の一つである。図1(c)は本発
明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するため
の断面図の一つである。図1(d)は本発明に係る半導
体素子の金属配線形成方法を説明するための断面図の一
つである。図1(e)は本発明に係る半導体素子の金属
配線形成方法を説明するための断面図の一つである。図
1(f)は本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法
を説明するための断面図の一つである。図1(g)は本
発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するた
めの断面図の一つである。
【符号の説明】
1 基板 2 層間絶縁膜 3 ダマシンパターン 4 拡散障壁層 5a スピンオン銅層 5b 多孔性銅層 5c 銅シード層 6a 銅層 6b 銅配線

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 層間絶縁膜にダマシンパターンを形成し
    た基板を提供する段階と、 前記ダマシンパターンが形成された全体構造上に拡散障
    壁層を形成する段階と、 前記拡散障壁層上にスピンオン工程によって銅前駆体を
    蒸着する段階と、 前記銅前駆体をベーキング工程によって多孔性銅層に変
    化させる段階と、 前記多孔性銅層に水素還元アニール工程及び強制埋込み
    工程を行なって前記ダマシンパターンの底に銅シード層
    を形成する段階と、 前記ダマシンパターンが十分充填されるように無電解め
    っき法によって銅を蒸着する段階と、 CMP法によって銅配線を形成する段階とを含んでなる
    ことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
  2. 【請求項2】 前記層間絶縁膜はスピンオン工程又はC
    VD法のいずれかの工程によって低誘電率を有する絶縁
    物質で形成することを特徴とする請求項1記載の半導体
    素子の金属配線形成方法。
  3. 【請求項3】 前記ダマシンパターン形成後にクリーニ
    ング工程を行うが、下地層がタングステンやアルミニウ
    ムの場合にはRFプラズマクリーニング工程を行い、前
    記下地層が銅の場合にはリアクティブクリーニング工程
    を行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の金
    属配線形成方法。
  4. 【請求項4】 前記拡散障壁層は、イオン化されたPV
    D TiN、CVDTiN、MOCVD TiN、イオン
    化されたPVD Ta、イオン化されたPVD TaN、
    CVD Ta、CVD TaN、CVD WN、PVD T
    iAlN、PVD TiSiN、PVD TaSiN、C
    VD TiAlN、CVD TiSiN、CVD TaS
    iN薄膜の少なくともいずれか一つで形成することを特
    徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線形成方
    法。
  5. 【請求項5】 前記スピンオン工程は−10℃〜100
    ℃の範囲内で100〜8000rpmの速度で銅前駆体
    を2000Å以下の厚さにスピンオン蒸着することを特
    徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線形成方
    法。
  6. 【請求項6】 前記ベーキング工程は200℃〜500
    ℃領域のいずれか一つの温度で1秒〜10分間実施する
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線
    形成方法。
  7. 【請求項7】 前記ベーキング工程は1秒〜10分間2
    00℃〜500℃領域のいろいろな温度で多段階により
    実施することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の
    金属配線形成方法。
  8. 【請求項8】 前記ベーキング工程はH2、H2+Ar
    (1〜95%)及びH 2+N2(1〜95%)のいずれか
    一つの雰囲気中で実施することを特徴とする請求項1記
    載の半導体素子の金属配線形成方法。
  9. 【請求項9】 前記水素還元アニール工程及び強制埋込
    み工程は前記ベーキング工程後に連続して同時に実施
    し、200℃〜500℃の温度領域で1分〜10分間1
    〜10回繰り返し行うことを特徴とする請求項1記載の
    半導体素子の金属配線形成方法。
  10. 【請求項10】 前記強制埋込み工程は0.1MPa〜
    100MPaのいずれか一つの圧力を設定して行うこと
    を特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線形成
    方法。
  11. 【請求項11】 前記強制埋込み工程は0.1MPa〜
    100MPaのいろいろな圧力を多段階で設定して行う
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線
    形成方法。
  12. 【請求項12】 前記強制埋込み工程は0.1MPa〜
    100MPaのサイン波形態の圧力を設定して行うこと
    を特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線形成
    方法。
  13. 【請求項13】 前記水素還元アニール工程及び強制埋
    込み工程は水素単一ガス、或いは水素、アルゴン、窒素
    及びヘリウム混合ガスのいずれか一つの雰囲気中で行う
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線
    形成方法。
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