JP2006286876A - 半導体装置、及び半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線容量の減少、リーク電流の減少、配線材料のドリフト・拡散を効果的に防止でき、高品質・高性能な半導体装置を提供することである。
【解決手段】 基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜２と、前記絶縁膜２に設けられた配線膜５とを備えた半導体装置であって、
前記配線膜５の構成成分の拡散を防止する拡散防止膜４，６を備えてなり、
前記拡散防止膜４，６によって前記配線膜５の周囲が囲まれてなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は半導体装置に関する。特に、配線間リーク電流が低減し、更にはＴＤＤＢ特性やＥＭ耐性が向上した半導体装置に関する。

ＣｕはＡｌ，Ｗに比べて低抵抗であることから、今日、半導体装置における配線材料はＡｌ，ＷからＣｕに移って来ている。

そして、今日のダマシン法によるＣｕ配線形成技術においては、
（１） ＣＭＰ（化学機械研磨）のマイクロスクラッチを出来るだけ起きないようにすること、
（２） ＣＭＰ後の洗浄不足に起因するＣｕ配線膜上面とＣｕ拡散防止バリア膜（絶縁膜）との界面にＣｕ残渣が出来るだけ残留しないようにすること
が重要である。

しかしながら、ＡｌやＷと比べて、Ｃｕは、絶縁膜であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）中に拡散し易い特徴が有る。特に、Ｃｕ配線間の電界により、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）界面においては、Ｃｕの拡散を如何に抑制するかが重要である。

そして、従来から、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）界面におけるＣｕの拡散を抑制する為、各種の技術が提案されている。

例えば、絶縁膜とＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）との密着性を向上させることによって、Ｃｕの拡散を抑制することが提案されている。すなわち、ＣＭＰ後に、Ｃｕ配線膜上面やＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）上面にＮＨ₃ガスのプラズマ処理を施すことにより、密着性を向上させると共に、Ｃｕをイオン化させない構造のものとし、Ｃｕが拡散し難くすることが提案（特開２００１−５３０７６）されている。

又、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）界面におけるＣｕのドリフト・拡散を防止する為、又、Ｃｕ配線内の電流（電子の衝突）によるＣｕ原子の移動（エレクトロマイグレーション：ＥＭ）を防止する為、Ｗ−ＣＶＤを用いることによってＣｕ配線膜の上面にＷキャップを設けたり、無電解メッキを用いることによってＣｕ配線膜の上面にＣｏＷＢ，ＣｏＷＰキャップを設ける技術も提案（T,SAITO et al）されている。

又、ＣＭＰ時のマイクロスクラッチによる配線ショートについては次の手法が提案されている。すなわち、ＣＭＰ後に、ハロゲンガスを用いたプラズマ処理によって、マイクロスクラッチが発生した絶縁膜上面を軽く削り取る技術が提案（特開平１０−５６０１４）されている。
特開２００１−５３０７６ 特開平１０−５６０１４ T,Saito et al,IEEETRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICES,vol.51,pp2129-2135,2004

ところで、上記第１の提案（特許文献１）の技術では、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）界面におけるＣｕの残渣が除去できない。従って、界面に残されたＣｕのドリフト・拡散の問題が残されたままである。

上記第２の提案（非特許文献１）の技術は、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）界面におけるＣｕの残渣が除去できない。従って、界面に残されたＣｕのドリフト・拡散の問題が残されたままである。更には、Ｃｕ配線膜の絶縁膜部分にＣｕの残渣が残留していた場合、絶縁膜部分にもキャップ膜が形成されてしまい、配線ショートが発生する。この為、所望の選択性を得る為には、絶縁膜表面の十分な清浄化と管理とが必要であり、実用化の上では問題が有る。

上記第３の提案（特許文献２）の技術では、機械的にスクラッチ溝内に押し込まれたＣｕが除去出来ない。更には、Ｃｕとハロゲンとの反応性は弱い。従って、それ程の効果が期待できない。かつ、仮に、Ｃｕとハロゲンとが反応したとしても、蒸気圧は低く、気化し難いので、表面に残ってしまう。

すなわち、従来の技術では、Ｃｕ配線膜形成に際して、ＣＭＰ後のＣｕ残渣の問題、ＣＭＰ時のスクラッチによる配線耐圧低下の問題が有る。

又、Ｃｕ拡散防止の為に、ＳｉＣＮ等のＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）が用いられているが、この場合には誘電率が高くなり、配線容量の増大をもたらす。

又、配線膜とＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）との界面におけるリーク電流が多い。又、低誘電率膜とキャップ膜との間の界面も有り、これ等の界面におけるリーク電流も多い。

又、ＥＭ耐性向上の為の、選択ＣＶＤや選択メッキによるメタルキャップ形成技術は、制御性に乏しい。

従って、本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点を解決することである。特に、配線容量の減少、リーク電流の減少、配線材料のドリフト・拡散を効果的に防止でき、高品質・高性能な半導体装置を提供することである。

前記の課題は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた配線膜とを備えた半導体装置であって、
前記配線膜の構成成分の拡散を防止する拡散防止膜を備えてなり、
前記拡散防止膜によって前記配線膜の周囲が囲まれてなる
ことを特徴とする半導体装置によって解決される。

特に、上記配線膜はＣｕによって構成されたものであり、
拡散防止膜がメタルバリア膜であり、
前記メタルバリア膜によってＣｕ配線膜の周囲が覆われてなる
ことを特徴とする上記半導体装置によって解決される。

更に、上記配線膜の上部には絶縁性バリア膜が設けられていないことを特徴とする上記半導体装置によって解決される。

又、上記配線膜間の絶縁膜と配線膜上部の絶縁膜とが同系絶縁膜で一体的に構成されてなることを特徴とする上記半導体装置によって解決される。

又、前記の課題は、基板上に絶縁膜を設ける第１絶縁膜成膜工程と、
前記第１絶縁膜成膜工程で成膜された絶縁膜上にキャップ膜を設けるキャップ膜成膜工程と、
前記キャップ膜成膜工程の後、前記絶縁膜に配線用溝を形成する配線用溝形成工程と、
前記配線用溝形成工程の後、前記配線用溝にメタルバリア膜を設けるメタルバリア膜形成工程と、
前記メタルバリア膜形成工程の後、配線用溝に配線材料を充填する配線膜形成工程と、
前記配線膜形成工程の後、前記キャップ膜を除去するキャップ膜除去工程と、
前記キャップ膜除去工程の後、配線用溝の上部において露出している配線膜をメタルバリア膜で覆うメタルバリア膜被覆工程と、
前記メタルバリア膜被覆工程の後、絶縁膜を設ける第２絶縁膜成膜工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決される。

又、上記メタルバリア膜被覆工程の後で、かつ、第２絶縁膜成膜工程の前において、メタルバリア膜被覆工程で絶縁膜上に形成されたメタルバリア膜を除去するメタルバリア膜除去工程を具備することを特徴とする上記半導体装置の製造方法によって解決される。

又、上記第１絶縁膜成膜工程で設けられる絶縁膜と第２絶縁膜成膜工程で設けられる絶縁膜とは同系の絶縁膜であることを特徴とする上記半導体装置の製造方法によって解決される。

又、上記メタルバリア膜形成工程で設けられるメタルバリア膜とメタルバリア膜被覆工程で被覆されるメタルバリア膜とは同系のメタルバリア膜であることを特徴とする上記半導体装置の製造方法によって解決される。

そして、上記半導体装置の製造方法によって上記の半導体装置が得られる。

本発明は、例えばＣＭＰ後にＣＭＰキャップ膜を除去し、ＣＭＰ後のＣｕ残渣や、ＣＭＰによって出来たスクラッチの付いた膜を除去し、そして新たにメタルバリア膜を形成し、エッチバックを実施することにより、Ｃｕ配線膜の上面にメタルキャップを形成する。この時、選択ＣＶＤや選択メッキ等の制御性に乏しい技術が用いられることは無く、例えばウェットエッチング、アッシング、ドライエッチングと言った従来技術を用いてメタルキャップが簡単に形成できる。従って、簡単な製造技術を用いて製造できるから、信頼性の高い半導体装置を簡単に得ることが出来る。又、Ｃｕによる汚染部は除去されることから、残留Ｃｕの拡散に起因するリーク電流は大幅に低減する。かつ、Ｃｕ配線膜の周囲はメタルバリア膜で覆われているから、Ｃｕの拡散も効果的に防止される。

又、Ｃｕ配線膜の上面にメタルキャップを形成した後、上層の配線絶縁膜を形成する場合、ＳｉＣＮ等のＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）は不要である。従って、誘電率の増大を防止できる。

更には、絶縁膜−Ｃｕ拡散バリア膜（絶縁膜）の界面が無く、従ってリーク電流も少なくなる。又、ＴＤＤＢ特性の向上も期待できる。

又、ＣＭＰキャップ膜が無いことから、絶縁膜は、恰も、一つの絶縁膜かのように出来、密着性は向上し、従ってリーク電流も少なくなる。

又、Ｃｕ配線膜の周囲がメタルバリア膜で覆われているから、ＥＭ耐性が向上する。

又、上層のリソグラフィを実施する場合、Ｃｕ配線膜側面のメタルサイドウォール膜厚分の寸法合わせマージンの確保が可能となる。

図１〜図３は、本発明になる半導体装置の製造方法の工程図である。

尚、本発明の理解を一層容易なものとする為、従来の半導体装置の概略を図４に示す。図４中、１１はＳｉ基板上に設けられたエッチング停止膜、１２はエッチング停止膜１１上に設けられたポーラス状の低誘電率絶縁膜、１３は低誘電率絶縁膜１２上に設けられたＣＭＰキャップ膜、１４は低誘電率絶縁膜１２及びＣＭＰキャップ膜１３に形成された凹条溝の壁面に薄く形成されたメタルバリア膜、１５はメタルバリア膜１４上の凹条溝内に充填されたＣｕ配線膜、１６はＣＭＰキャップ膜１３及びＣｕ配線膜１５上に設けられたＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）、１７はＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）上に設けられた層間絶縁膜である。

本実施形態の半導体装置は、図３と図４との対比から判る通り、ＣＭＰキャップ膜１３及びＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）１６が設けられていない点に特徴が有る。

このような特徴の半導体装置は、次のようにして得られる。
すなわち、先ず、図１に示される如く、Ｓｉ基板上にエッチング停止膜１が設けられる。そして、エッチング停止膜１上に、ポーラス状の低誘電率絶縁膜２が設けられる。更に、低誘電率絶縁膜２上にＣＭＰキャップ膜（図示せず）が設けられる。この後、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定パターンの配線用凹溝３を、ＣＭＰキャップ膜および低誘電率絶縁膜２に対して形成する。次いで、配線用凹溝３の溝内表面に所定厚さのメタルバリア膜４を形成する。この後、配線用凹溝３のメタルバリア膜４上にＣｕを充填し、Ｃｕ配線膜５を形成する。尚、この工程までは、従来と同様に行うことが出来る。

そして、Ｃｕ配線膜５を形成した後、ウェットエッチング、ドライエッチング、アッシング、或いは有機溶剤による除去と言った材料に適した手法によって、ＣＭＰキャップ膜を除去する（図１参照）。

ＣＭＰキャップ膜を除去した後、上記メタルバリア膜４と同材からなるメタルバリア膜６を設ける。そして、ドライエッチングによりエッチバックを行い、Ｃｕ配線膜５上のメタルバリア膜６を残す（図２参照）。従って、図２からも判る通り、Ｃｕ配線膜は、その周囲がメタルバリア膜４，６によって完全に覆われている。よって、Ｃｕのドリフト・拡散が効果的に防止される。そして、ＥＭ耐性の改善が得られる。又、従来用いられていたＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）が不要になる。

この後、ポーラス状の低誘電率絶縁膜２と同材質のポーラス状の低誘電率絶縁膜７を設ける（図３参照）。このとき、低誘電率絶縁膜２と低誘電率絶縁膜７との間にはＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）が無いことから、低誘電率絶縁膜２と低誘電率絶縁膜７との間の界面は恰も無いかの如くになり、界面に起因のリーク電流の恐れは極めて少なく、又、密着性が高いことから、この点からもリーク電流の恐れは極めて少なく、信頼性に富む半導体装置が得られることになる。又、ＴＤＤＢ特性の向上も期待できる。因みに、ＴＤＤＢ特性を調べた処、図５に示される通り、寿命が長くなっていた。

そして、図４に示される如きのＣＭＰ後のＣｕ残渣（残留物）が無くなっている。かつ、ＣＭＰによってＣＭＰキャップ膜にスクラッチが出来たとしても、ＣＭＰキャップ膜は除去されることから、スクラッチに起因した問題は完全に解決される。

更には、一般的には誘電率が高いＣＭＰキャップ膜やＣｕ拡散バリア膜（絶縁膜）が無いことから、誘電率の増大を防止でき、実効誘電率は低下し、配線間容量が低下し、配線遅延の問題も改善される。

本発明になる半導体装置の製造工程における断面図 本発明になる半導体装置の製造工程における断面図 本発明になる半導体装置の特徴を示す断面図 従来の半導体装置の断面図 本発明の特長を示すグラフ

符号の説明

１ エッチング停止膜
２ ポーラス状の低誘電率絶縁膜
３ 配線用凹溝
４ メタルバリア膜
５ Ｃｕ配線膜
６ メタルバリア膜
７ ポーラス状低誘電率絶縁膜

代 理 人 宇 高 克 己

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた配線膜とを備えた半導体装置であって、
   前記配線膜の構成成分の拡散を防止する拡散防止膜を備えてなり、
   前記拡散防止膜によって前記配線膜の周囲が囲まれてなる
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 配線膜はＣｕによって構成されたものであり、
   拡散防止膜がメタルバリア膜であり、
   前記メタルバリア膜によってＣｕ配線膜の周囲が覆われてなる
   ことを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. 配線膜の上部には絶縁性バリア膜が設けられていないことを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体装置。
4. 配線膜間の絶縁膜と配線膜上部の絶縁膜とが同系絶縁膜で一体的に構成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの半導体装置。
5. 基板上に絶縁膜を設ける第１絶縁膜成膜工程と、
   前記第１絶縁膜成膜工程で成膜された絶縁膜上にキャップ膜を設けるキャップ膜成膜工程と、
   前記キャップ膜成膜工程の後、前記絶縁膜に配線用溝を形成する配線用溝形成工程と、
   前記配線用溝形成工程の後、前記配線用溝にメタルバリア膜を設けるメタルバリア膜形成工程と、
   前記メタルバリア膜形成工程の後、配線用溝に配線材料を充填する配線膜形成工程と、
   前記配線膜形成工程の後、前記キャップ膜を除去するキャップ膜除去工程と、
   前記キャップ膜除去工程の後、配線用溝の上部において露出している配線膜をメタルバリア膜で覆うメタルバリア膜被覆工程と、
   前記メタルバリア膜被覆工程の後、絶縁膜を設ける第２絶縁膜成膜工程
   とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. メタルバリア膜被覆工程の後で、かつ、第２絶縁膜成膜工程の前において、メタルバリア膜被覆工程で絶縁膜上に形成されたメタルバリア膜を除去するメタルバリア膜除去工程を具備することを特徴とする請求項５の半導体装置の製造方法。
7. 第１絶縁膜成膜工程で設けられる絶縁膜と第２絶縁膜成膜工程で設けられる絶縁膜とは同系の絶縁膜であることを特徴とする請求項５又は請求項６の半導体装置の製造方法。
8. メタルバリア膜形成工程で設けられるメタルバリア膜とメタルバリア膜被覆工程で被覆されるメタルバリア膜とは同系のメタルバリア膜であることを特徴とする請求項５〜請求項７いずれかの半導体装置の製造方法。
9. 請求項１〜請求項４いずれかの半導体装置の製造方法であることを特徴とする請求項５〜請求項８いずれかの半導体装置の製造方法。
   

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