JP2004152956A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線上に形成されるバリア膜の膜厚を均一化して、バリア膜による表面段差を最小限にすることで、その後のリソグラフィー工程の精度を高めて信頼性の高い多層配線形成を図る。
【解決手段】基板１１に形成された絶縁膜１２に銅もしくは銅合金を用いて配線１３が形成され、この配線１３上に置換メッキにより形成した触媒金属層に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜１４を形成した半導体装置において、配線１３，１３間に配線密度を均一化するように設置されたもので銅もしくは銅合金を用いたダミーパターン２１と、このダミーパターン２１上に、置換メッキにより形成した触媒金属層に対して無電解メッキを行うことで得られるバリア膜１４とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは銅もしくは銅合金配線上にコバルト合金もしくはニッケル合金のバリア層を形成する配線においてパターン形状に依存することなくバリア層を形成するためのダミーパターンを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来では半導体基板上に形成される高密度集積回路の微細配線の材料にはアルミニウム系合金が用いられているが、半導体装置をさらに高速化するためには、配線材料として、アルミニウム系合金よりも比抵抗の低い銅や銀等を用いる必要がある。特に、銅は比抵抗が１．８μΩｃｍと低く、半導体装置の高速化に有利な上に、エレクトロマイグレーション耐性がアルミニウム系合金に比べて一桁程高いため、次世代の半導体装置の配線材料として期待されている。
【０００３】
しかしながら、銅配線を用いた場合には、銅拡散防止膜である窒化シリコン膜と銅との界面でのエレクトロマイグレーション耐性が弱く、また窒化シリコン自体が高誘電率であるためＲＣ遅延（抵抗Ｒと容量Ｃによる配線の遅延）が大きくなるという問題点がある。そこで、ＲＣ遅延の改善、エレクトロマイグレーション耐性、銅拡散防止性に優れている材料としてコバルトタングステンリン（以下ＣｏＷＰと記す）を用いる技術が提唱されている。さらに、ＣｏＷＰは、無電解メッキにより選択的に銅配線上にのみ成膜できるという特徴も有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
以下に、銅配線上へのＣｏＷＰ無電解メッキ成膜方法および原理について簡単に説明する。無電解メッキ法により、ＣｏＷＰを銅配線上に選択的に成膜させるためには、無電解メッキを開始するための触媒層が必要となる。ところが、銅は触媒活性度が低いため、ＣｏＷＰを析出させるための十分な触媒として働かない。そこで、一般的にパラジウム（Ｐｄ）などの触媒金属層を銅表面に置換メッキにより形成する方法が用いられている。
【０００５】
置換メッキは、異種金属のイオン化傾向の相違を利用するものである。銅はパラジウムに比べ電気化学的に卑な金属であるから、例えば塩化パラジウムの塩酸溶液中に銅を浸すと、銅の溶解に伴って放出される電子が、溶液中の貴金属であるパラジウムイオンに転移し、卑金属の銅表面上にパラジウムが析出される。必然的に金属ではない絶縁膜の表面ではパラジウムの置換反応は起こらないため、パラジウム触媒層は銅表面上のみに形成されることになる。引き続きこのパラジウム層を触媒として、銅配線上にのみ無電解メッキ反応を開始させてＣｏＷＰによるバリアメタル層を形成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２３０２２０号公報（第３−４頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パラジウム置換メッキおよびＣｏＷＰ無電解メッキ反応には、その成膜レートにパターン依存性があり、銅配線のパターン密度により成膜されるＣｏＷＰ膜（バリア膜）の膜厚が異なるという問題がある。例えば、図４の断面図に示すように、配線１１３が密に形成されているパターン集合領域Ｄの端の配線１１３（１１３ｅ）では、パターン集合領域Ｄの中央部の配線１１３（１１３ｃ）よりも、パラジウム置換メッキ時のパラジウムイオンや、ＣｏＷＰ無電解メッキ時のコバルトイオンの供給が過剰となり、ＣｏＷＰ膜の成膜レートが大きくなる。つまり、パターン集合領域Ｄの端の配線１１３ｅ上に形成されるＣｏＷＰ膜１１４のみ厚い膜になる。このようにＣｏＷＰ膜１１４の膜厚が異なる場合には、配線層を多層化していく際に、上層での表面段差が大きくなる原因となり、また、上層部におけるフォトリソグラフィー工程での位置ずれを引き起こす原因にもなりうる。
【０００８】
【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およびその製造方法である。
【０００９】
本発明の半導体装置は、基板に形成された絶縁膜に銅もしくは銅合金を用いて配線が形成され、前記配線上に置換メッキにより形成した触媒金属層に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜を形成した半導体装置において、前記配線間に配線密度を均一化するように設置されたもので銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンと、前記ダミーパターン上に、置換メッキにより形成した触媒金属層に対して無電解メッキを行うことで得られるバリア膜とを備えたものである。
【００１０】
上記半導体装置では、配線間に配線密度を均一化するように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンが設置されることから、配線密度が疎な領域にダミーパターンを設けることで、配線密度が均一化される。このように配線密度が均一化されることから、ダミーパターン上に置換メッキにより形成した触媒金属層に対して無電解メッキを行うことで得られるバリア膜は、配線形成領域の端部に位置する配線であっても、ダミーパターンが存在することによりは配線密度が均一になっているので、配線形成領域の中央部の配線上に得られるバリア膜と同等の膜厚になる。したがって、配線形成領域内の配線上に形成されるバリア膜の膜厚は均一なものとなる。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板に形成された絶縁膜に銅もしくは銅合金を用いて配線を形成する工程と、置換メッキにより前記配線上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法において、前記配線を形成する工程で、前記配線間に配線密度を均一化するように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンを形成し、前記置換メッキ工程で、前記ダミーパターン上に触媒金属層を形成し、前記無電解メッキ工程で前記ダミーパターン上にバリア膜を形成する製造方法である。
【００１２】
上記半導体装置の製造方法では、配線間に配線密度を均一化するように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンを形成することから、配線密度が疎な領域にダミーパターンを形成することで、配線密度が均一化される。このように配線密度が均一化された状態で、置換メッキ工程でダミーパターン上に触媒金属層を形成し、さらに無電解メッキ工程でバリア膜を形成することから、このバリア膜は、配線形成領域の端部に位置する配線上に形成されるものであっても、ダミーパターンが存在することによって配線密度は均一になっているので、配線形成領域の中央部に形成される配線上に得られるバリア膜と膜厚が同等になる。したがって、配線形成領域内の配線上に形成されるバリア膜の膜厚は均一な状態に形成されることなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置およびその製造方法に係る一実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１４】
図１に示すように、基板（例えば半導体基板）１１に形成された絶縁膜１２の配線形成領域Ａ、Ｂのそれぞれには、銅もしくは銅合金を用いた溝配線構造の複数の配線１３が、例えば一定の間隔で形成されている。これらの配線１３上には、置換メッキにより形成した触媒金属層（図示せず）に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜１４が形成されている。
【００１５】
さらに、配線形成領域間Ａ，Ｂ間の端部の配線１３ａｅ、１３ｂｅ間には、配線密度を均一にするように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターン２１が形成されている。このダミーパターン２１は、配線形成領域Ａ、Ｂ間の配線密度が疎な領域に配線形成領域Ａ，Ｂの配線密度と同等になるように形成される。そしてダミーパターン２１上には配線１３上のものと同等のバリア膜１４が形成されている。このバリア膜１４は、上記置換メッキ工程でダミーパターン２１上にも選択的に触媒金属層（図示せず）を形成し、上記無電解メッキ工程でダミーパターン２１上の触媒金属層に対しても選択的に無電解メッキを行うことで形成されるものである。
【００１６】
なお、図示はしていないが、配線１３とこの配線１３が形成される配線溝との間にはバリア層が形成されている。同様にダミーパターン２１についてもダミーパターン２１とこのダミーパターン２１が形成される溝との間にはバリア層が形成されている。
【００１７】
上記半導体装置では、配線１３間の配線密度が疎な領域に、銅もしくは銅合金を用いたダミーパターン２１が設置されることから、配線密度が疎な領域は、配線形成領域Ａ，Ｂと同等なる配線密度に均一化される。このように配線密度が均一化されることにより、配線形成領域Ａ，Ｂの端部に位置する配線１３ａｅ，１３ｂｅ上のバリア膜１４、１４であっても、ダミーパターン２１が存在することにより配線密度が均一になっているので、配線形成領域Ａ，Ｂの中央部に形成される配線１３ａｃ、１３ｂｃ上に得られるバリア膜１４、１４と同等の膜厚になる。したがって、配線形成領域Ａ，Ｂ内の配線１３上に形成されるバリア膜１４の膜厚は全て均一なものとなる。
【００１８】
図示はしないが、配線形成領域内において、配線密度にばらつきを生じている場合には、その配線密度が均一化されるように、配線形成領域内にダミーパターンを形成することもできる。
【００１９】
本発明では、バリア膜の膜厚を均一化させることを目的としているので、この目的が達成されるならば、上記配線形成領域Ａ，Ｂの配線密度と、配線形成領域Ａ，Ｂ間の配線密度とは、完全に一致させる必要はない。バリア膜の膜厚が均一に形成される範囲内での配線密度のばらつきは許容される。したがって、本発明における配線密度の均一化とは、配線形成領域Ａ，Ｂの配線密度と、配線形成領域Ａ，Ｂ間の配線密度との差が、例えば±２０％の範囲内であれば均一化されているとする。当然のことながら、配線形成領域Ａ，Ｂの配線密度と、配線形成領域Ａ，Ｂ間の配線密度との差がないことが最も好ましい。
【００２０】
また、上記ダミーパターン２１は、配線１３（実配線パターン）の形状がトレンチ、ビアに関わらず、配線密度が均一になるように配線１３間を埋めるように配置される。上記ダミーパターン２１はいわゆるライン・アンド・スペースの配線パターンとする。これは、ダミーパターン２１が配線１３に比べ面積の大きいパターンになると、置換メッキおよび無電解メッキの際に、配線１３とダミーパターン２１との間でイオン供給量に差が生じ、イオン供給量を均一化することとは逆効果になるためである。また、ライン状に形成することで、銅配線面積をできる限り少なくすることができ、置換メッキ液中の例えばパラジウムイオン、無電解メッキ液中の例えばＣｏＷＰのような金属源、還元剤等の無駄な消耗を防ぐことができる。
【００２１】
さらにダミーパターン２１は、半導体素子における配線設計ルールと同じライン・アンド・スペースとなる配線パターンを挿入することが望ましい。これは、設計の簡素化につながる。
【００２２】
またダミーパターン２１はすべて電気的に接続されているものとすることが好ましい。これは、個々のダミーパターン２１が独立な配線であると、パターン置換時、ＣｏＷＰ無電解メッキ時に銅配線内を動く電子の自由度を奪い、部分的にパラジウムイオンやコバルトイオンの供給過多な領域ができてしまうからである。したがって、ダミーパターン２１は互いに電気的に接続されていることが必要となる。さらに近接するダミーパターン２１は、できる限り電気的に接続されていることが望ましい。これも、上記理由と同じである。
【００２３】
次に、上記ダミーパターン２１のパターン形状例を、図２の平面図により説明する。
【００２４】
図２の（１）に示すように、ダミーパターン２１は折れ線状に形成されたものである。もしくは図２の（２）に示すように、ダミーパターン２１は、線パターンを等間隔に配置し、隣接する線パターン同士を電気的に接続したものである。その接続部分は線パターンと同様なる材料で構成される。さらに図２の（３）に示すように、ダミーパターン２１は渦巻き状に形成されたものである。
【００２５】
ダミーパターン１の構成例は上記形状に限定されることはなく、上記説明した理由により、隣接するダミーパターン同士が繋がった状態に形成されていればよい。または、一本のダミーパターンで形成されていればよい。
【００２６】
本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を、図３の概略構成断面図によって説明する。
【００２７】
図３の（１）に示すように、通常の銅もしくは銅合金の溝配線を形成する技術によって、基板（例えば半導体基板）１１に形成された絶縁膜１２の配線形成領域Ａ、Ｂのそれぞれに、銅もしくは銅合金を用いた溝配線構造の複数の配線１３を、例えば一定の間隔で形成する。この配線形成と同時に、配線形成領域間Ａ，Ｂ間の端部の配線１３ａｅ、１３ｂｅ間に、配線形成領域Ａ，Ｂと同等の配線密度となるように、銅もしくは銅合金を用いた溝配線構造のダミーパターン２１を形成する。すなわち、配線形成領域Ａ、Ｂ間の配線密度が疎な領域に配線形成領域Ａ，Ｂの配線密度と同等になるように上記ダミーパターン２１が形成される。また、ダミーパターン２１の形状は、例えば上記図２によって説明したような形状を採用することができる。
【００２８】
なお、図示はしていないが、配線１３とこの配線１３が形成される配線溝との間にはバリア層を形成する。同様にダミーパターン２１についてもダミーパターン２１とこのダミーパターン２１が形成される溝との間にはバリア層を形成する。
【００２９】
次いで、図３の（２）に示すように、例えばパラジウム置換メッキによって、配線１３およびダミーパターン２１上にパラジウム触媒金属層（図示せず）を形成し、さらにパラジウム触媒金属層に対して選択的に例えばＣｏＷＰ無電解メッキを行うことで、ＣｏＷＰからなるバリア膜１４を形成する。
【００３０】
上記半導体装置の製造方法では、配線密度が疎な配線形成領域Ａ，Ｂ間に配線密度を均一化するように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターン２１を形成することから、配線密度が疎な領域は配線形成領域Ａ，Ｂと同等の配線密度となり、全体の配線密度が均一化される。このように配線密度が均一化された状態で、置換メッキ工程で配線１３上およびダミーパターン２１上に触媒金属層を形成し、さらに無電解メッキ工程でバリア膜１４を形成する。すなわち、置換メッキ時のパラジウムイオンの供給および無電解メッキ時のコバルトイオンの供給がウエハ全面において均一になる。このことから、このバリア膜１４は、配線形成領域Ａ，Ｂの端部に位置する配線１３上に形成されるものであっても、配線形成領域Ａ，Ｂの中央部に形成される配線１３上に得られるバリア膜１４と膜厚が同等になる。したがって、配線１３ａｅ、１３ｂｅ上のバリア膜１４もその他の配線１３上のバリア膜１４と同様なる膜厚に形成される。したがって、配線形成領域Ａ，Ｂ内の配線１３上に形成されるバリア膜１４の膜厚は均一な状態に形成されることなる。
【００３１】
また本発明では、上記ダミーパターン２１の銅配線パターンにおける寸法、形状、配置位置は、半導体素子の配線設計ルールにより任意に定めるものであり、限定はしない。
【００３２】
また、触媒金属層（触媒活性層ともいう）を形成するための触媒金属としては、パラジウム（Ｐｄ）に限ることはなく、銅（Ｃｕ）よりも貴な触媒金属であれば良い。さらに、無電解メッキにより成膜するバリア膜としてもＣｏＷＰにかぎらず、銅（Ｃｕ）の拡散防止効果が増大するようなタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）をコバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）に添加した合金が挙げられる。無電解メッキで副次的に混入することになるリン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）も成膜されたコバルトやニッケルの結晶を細かくし、銅拡散効果に寄与する。具体的には、ＣｏＰ、ＣｏＢ、ＣｏＷ、ＣｏＭｏ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＭｏＢ、ＮｉＰ、ＮｉＢ、ＮｉＷ、ＮｉＭｏ、ＮｉＷＰ、ＮｉＷＢ、ＮｉＭｏＰ、ＮｉＭｏＢ、またはＣｏＮｉＢＰなどＣｏとＮｉ両方が合金化されたもの、ＷとＭｏ両方が合金化された組み合わせ等も挙げられる。
【００３３】
また、多層配線を形成する場合には、上記図１、図３によって説明したように、配線上にバリア膜を形成する配線形成を行った後、その配線を覆う絶縁膜を形成し、さらに、その絶縁膜に接続孔、配線溝、ダミーパターンを形成するための溝等を形成する。その後、上記説明した本発明の製造方法を再度適用して、溝配線構造の配線およびダミーパターンの形成を行えばよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置によれば、バリア膜の膜厚が均一に形成されることから、バリア膜の膜厚ばらつきによる表面段差を解消することができ、その後のフォトリソグラフィー工程での高精度なパターンが実現できる。よって、多層配線構造に形成される半導体装置では、上層配線を高精度にパターニングして形成することができるので、配線信頼性の高い半導体装置になる。
【００３５】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線形成領域間の配線密度が疎な領域にダミーパターンを形成することで、バリア膜を均一な膜厚に形成することができるようになる。この結果、バリア膜の膜厚ばらつきによる表面段差を解消することができ、配線形成後のフォトリソグラフィー工程での高精度なパターンが実現できる。よって、多層配線構造を形成する際に高精度な配線パターンを形成することができるようになるので、半導体装置の配線信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】ダミーパターンの平面形状例を示す平面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図４】本発明の課題を説明する概略構成断面図である。
【符号の説明】
１１…基板、１２…絶縁膜、１３…配線、１４…バリア膜、２１…ダミーパターン

Claims (6)

1. 基板に形成された絶縁膜に銅もしくは銅合金を用いて配線が形成され、前記配線上に置換メッキにより形成した触媒金属層に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜を形成した半導体装置において、
   前記配線間に配線密度を均一化するように設置されたもので銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンと、
   前記ダミーパターン上に、置換メッキにより形成した触媒金属層に対して無電解メッキを行うことで得られるバリア膜と
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ダミーパターン同士は電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記バリア膜はコバルト合金もしくはニッケル合金からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 基板に形成された絶縁膜に銅もしくは銅合金を用いて配線を形成する工程と、
   置換メッキにより前記配線上に触媒金属層を形成する工程と、
   前記触媒金属層に対して選択的に無電解メッキを行うことでバリア膜を形成する工程と
   を備えた半導体装置の製造方法において、
   前記配線を形成する工程で、前記配線間に配線密度を均一化するように銅もしくは銅合金を用いたダミーパターンを形成し、
   前記置換メッキ工程で、前記ダミーパターン上に触媒金属層を形成し、
   前記無電解メッキ工程で前記ダミーパターン上にバリア膜を形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記ダミーパターン同士を電気的に接続した状態に形成する
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記バリア膜はコバルト合金もしくはニッケル合金で形成する
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。

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