JP2007027769A - 二重キャッピング膜を有する半導体素子の配線及びその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、従来技術の問題点及び短所を考慮してキャッピング膜の不良を改善することによってエッチング選択比が確保されながら漏洩抑制特性が向上してビアホール領域で発生する不良を防止する半導体素子の配線を提供する。本発明はまた、前記のような半導体素子の配線形成方法を提供する。
【解決手段】二重キャッピング膜を有する半導体素子の配線及びその形成方法が提供される。本発明の一実施形態による半導体素子の配線は内部に溝を有する層間絶縁膜、前記溝内部に形成された金属層、前記金属層上部に位置した金属化合物層、前記層間絶縁膜上部に位置した第1障壁層、及び前記金属化合物層及び前記第1障壁層上部に位置した第2障壁層を含む。
【選択図】図2
【解決手段】二重キャッピング膜を有する半導体素子の配線及びその形成方法が提供される。本発明の一実施形態による半導体素子の配線は内部に溝を有する層間絶縁膜、前記溝内部に形成された金属層、前記金属層上部に位置した金属化合物層、前記層間絶縁膜上部に位置した第1障壁層、及び前記金属化合物層及び前記第1障壁層上部に位置した第2障壁層を含む。
【選択図】図2
Description
本発明は半導体素子の配線及びその形成方法に係り、さらに詳細には層間絶縁層内部に形成されて障壁層で被覆されたシングルダマシン(Single damascene)あるいはデュアルダマシン(Dual damascene)配線及びその形成方法に関する。
半導体素子の速度を向上させるためにゲート酸化膜の厚さを減らしてゲート長さを減少させることが要求されている。しかし、配線の抵抗と層間絶縁膜のキャパシタンスにより引き起こされるRC遅延は素子の速度に否定的な影響を及ぼす。したがって、抵抗が小さな配線と誘電率が小さな層間絶縁膜を用いてRC遅延を減少させるための努力が持続している。
従来では配線材料でアルミニウム(Al)を多く用いたが、アルミニウムに比べて優秀な特性を有した銅(Cu)が漸次集積回路に有用な配線材料と見なされている。例えば、銅の抵抗率はアルミニウムの1/2水準であって小さな幅で形成しても信号伝達速度を増加させることができる。また、電気移動(electromigration)に対する抵抗が大きくて半導体素子の信頼性を向上させることができる。
ところが、銅はエッチングしにくい物質なので、希望する配線形状にパターニングしにくい。したがって、層間絶縁膜で配線形状の溝をあらかじめ形成した後に、溝の中を銅で充填してからCMP(Chemical Mechanical Polishing)等で層間絶縁膜と同じ平面になるように平坦化させるダマシン技法が使われる。特にビアホールとその上部に連結される導線トレンチ領域を絶縁層内に形成した後に、一回の銅蒸着で両領域を全て充填してから平坦化させるデュアルダマシン(dual damascene)技法が広く利用されている。
図1は従来技術によりダマシン配線が形成された状態を示したものである。図1を参照すると、基板100上に形成された層間絶縁膜101内に形成された溝の中を充填して、バリアメタル膜(barrier metal layer)(図示せず)で囲まれた金属層103が形成されていて、層間絶縁膜101と金属層103上にはキャッピング膜(capping layer)105が塗布されている。ダマシン工程で銅CMP後、金属層103上に蒸着するキャッピング膜105は銅に対する拡散防止特性が優秀でなければならず、金属層103上に形成される他の層間絶縁膜物質に対してエッチング選択比が優秀でなければならない。最近、低誘電物質(比誘電率が普通2〜4)が層間絶縁膜として使われながら、既存のキャッピング膜として広く利用されてきた窒化ケイ素とともにシリコンカーバイド等が利用される。シリコンカーバイドの場合、低誘電膜に対してエッチング選択比が優秀であって比誘電率が4〜5で窒化ケイ素に比べて低いのでCMP後キャッピング膜として非常に好適な特性を有する膜のうち一つである。しかしシリコンカーバイドはキャッピング膜として用いる場合、CMP界面とシリコンカーバイド間の界面を介した漏洩(leakage)抑制特性が窒化ケイ素よりは不良な短所がある。また、ビアホールが形成される部位に応力が集中して応力勾配が形成されるようになって、金属膜の結晶粒界面を介して空孔(Vacancy)またはストレスによるホール(Stress induced void)等が形成されるようになり、これは結局電気的不良を誘発するようになる。一般的に、低誘電物質(Low―K)の場合、多孔性性質及び機械的硬度が小さくて熱膨張係数が大きく、このような問題点が発生する頻度が大きくなる。
米国特許第6,869,873号明細書
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点及び短所を考慮してキャッピング膜の不良を改善することによってエッチング選択比が確保されながら、漏洩抑制特性が向上してビアホール領域で発生する不良を防止する半導体素子の配線を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は前記のような半導体素子の配線形成方法を提供することにある。
本発明の技術的課題は以上で言及した技術的課題に制限されないし、言及されないまた他の技術的課題は下記の記載から当業者に明確に理解することができるものである。
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施形態による半導体素子の配線は、内部に溝を有する層間絶縁膜、前記溝内部に形成された金属層、前記金属層上部に位置した金属化合物層、前記層間絶縁膜上部に位置した第1障壁層、及び前記金属化合物層及び前記第1障壁層上部に位置した第2障壁層を含む。
前記他の技術的課題を達成するための本発明の他の実施形態による半導体素子の配線形成方法は、基板上に層間絶縁膜を形成する段階、前記層間絶縁膜をエッチングして溝を形成する段階、前記溝が形成された結果物上に金属層を形成する段階、前記金属層が形成された結果物上に第1障壁層を形成する段階、前記第1障壁層が形成された結果物を熱処理して前記金属層の上部に金属化合物層を形成する段階及び前記熱処理が完了した結果物上に第2障壁層を形成する段階を含む。
このように用いることによって、その上にまた他の配線を形成するために層間絶縁膜を蒸着してエッチングする時に、エッチング選択比を確保することができて漏洩抑制特性の向上及びコンタクト領域における不良を改善するようになる。
その他実施形態の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
以上、上述したように、本発明の一実施形態による半導体素子の配線は、金属化合物層を含む二重障壁層をダマシン配線の金属層のキャッピング膜として適用して漏洩抑制特性を向上させることができ、ストレス誘発性空孔及びホールによる不良特性を改善することができる。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明する。本発明の目的及び利点は下記説明によりさらに明確に現われる。しかし、本発明の実施形態はいろいろな他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が下で詳述する実施形態によって限定されることと解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当業界で平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。同じ符号は始終同じ要素を意味する。ひいては、図面における多様な要素と領域は概略的に描かれたのである。したがって、本発明は添付した図面に描かれた相対的な大きさや間隔により制限されない。また、便宜上後述される説明は銅からなった配線に関連するが、アルミニウム、銀(Ag)、金(Au)、銅等とこれらの合金をはじめとする全ての低抵抗導体にも適用されることができるという点は明らかである。
図2は本発明の一実施形態による半導体素子の配線を示す断面図である。
図2を参照すると、基板200上に溝を有する層間絶縁膜201が具備される。ここで層間絶縁膜201上の溝には金属層207が形成される。
ここで、基板200と層間絶縁膜201間にはポリシリコン、タングステン(W)、アルミニウム、銅等のような伝導性物質で形成された層または絶縁物質で形成された層がさらに介在されていることができる。
前述した層間絶縁膜201は複数個の絶縁膜で構成されることができる。絶縁膜は配線形状の溝を形成する酸化膜であって、RC遅延を減少させることができるように通常的に低誘電物質で形成することができる。例えば、ブラックダイアモンド、FSG(Fluorine Silicate Glass)、SiOC、ポリイミドまたはSiLKで形成することができるが、これに限られるのではない。
また、金属層207は銅または銅の合金とすることができるが、これに限られるのではない。銅合金とは銅内に微量のC、Ag、Co、Ta、In、Sn、Zn、Mn、Ti、Mg、Cr、Ge、Sr、Pt、Mg、AlまたはZrが混入されることができることを意味するが、これに限られるのではない。
また、図面で示さなかったが層間絶縁膜201の溝と金属層207間にはバリアメタル膜がさらに形成されることができる。バリアメタル膜は層間絶縁膜の溝を充填する金属原子が層間絶縁膜201に拡散することを防止する膜である。その厚さは200ないし1000Å程度に形成することができるが、望ましくは450Å程度に形成することができる。蒸着することができる膜質としてはチタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステンまたはそれらの窒化物があり、例えば、TiN、TaN、WNがあり、TaSiN、WSiNまたはTiSiN等も可能である。これら膜はCVD(Chemical Vapor Deposition)、またはスパッタリングのようなPVD(Physical Vapor Deposition)で蒸着することができる。
また、このようなバリアメタル膜上にはシード金属膜をさらに形成することができる。シード金属膜はメッキ層の均一性を増加させて初期核生成サイト役割をする。このようなシード金属膜の厚さは500ないし2500Å程度に形成することができ、望ましくは1500Å程度に形成することができる。シード金属としては銅、金、銀、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等を使うことができるがこれに限られない。
前述した金属層207の上部には金属化合物層401が具備されるが、このような金属化合物層501はその下部に形成された金属層207に対する一つの障壁層としての役割をする。ここで金属化合物層401は金属層207の金属性分とケイ素を含むことができ、窒素成分をさらに含むことができる。
また、層間絶縁膜201の上部には第1障壁層が形成される。この時第1障壁層は100Å以下の厚さに形成されることができる。このような第1障壁層はシリコン窒化膜(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)等で構成されることができるが、これに限られるのではない。
このような金属化合物層401と第1障壁層の上部には第2障壁層がさらに具備される。この時、第2障壁層は100〜1000Å厚さとすることができる。このような第2障壁層はシリコン窒化膜(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)等で構成されることができるが、これに限られるのではない。このように、金属層207と層間絶縁膜201の上部は二重で障壁層が形成されている。
以下、本発明の一実施形態による半導体素子の配線形成方法に対して説明する。
図3ないし図9は本発明の一実施形態による半導体素子の配線形成方法を順次に示したものである。
まず図3に示したように、基板200上に層間絶縁膜201aを形成する。基板200と層間絶縁膜201a間にはポリシリコン、タングステン(W)、アルミニウム、銅等のような伝導性物質で形成された層または絶縁物質で形成された層をさらに介在させることができる。ここで層間絶縁膜201aは複数個の絶縁膜で構成されることができる。このような層間絶縁膜201aは配線形状の溝を形成する酸化膜であって、RC遅延を減少させることができるように、通常、低誘電物質で形成する。例えば、ブラックダイアモンド、FSG(Fluorine Silicate Glass)、SiOC、ポリイミドまたはSiLKTMで形成することができるが、これに限られるのではない。
次に図4に示したように、層間絶縁膜201aの一部をエッチングして配線形状の溝203を形成する。図面に示した配線形状はシングルダマシン配線形態で図示したがデュアルダマシン配線形態とすることもできる。この時、溝203が形成された結果物を洗浄した後に、その上にバリアメタル膜(図示せず)をさらに形成することができる。バリアメタル膜は溝203を充填する金属原子が層間絶縁膜201に拡散することを防止する膜である。このようなバリアメタル膜の厚さは200ないし1000Å程度に形成することができるが、望ましくは450Å程度に形成することができる。このようなバリアメタル膜で使われることができる膜質としてはチタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステンまたはそれらの窒化物、例えば、TiN、TaN、WNがあり、TaSiN、WSiNまたはTiSiN等も用いることができるが、これに限られるのではない。これら膜はCVD(Chemical Vapor Deposition)またはスパッタリングのようなPVD(Physical Vapor Deposition)で蒸着することができる。
続けて図5に示したように、層間絶縁膜201に形成された溝203の中を埋め込んで層間絶縁膜201の上部を覆う金属層205を形成させる。この時金属層205は銅または銅合金とすることができるが、これに限られるのではない。ここで銅合金とは銅内に微量のC、Ag、Co、Ta、In、Sn、Zn、Mn、Ti、Mg、Cr、Ge、Sr、Pt、Mg、AlまたはZrが混入されることができることを意味する。
溝203内に銅のような金属層を充填することには、スパッタリングやCVDがよく使われて、メッキ法(電気メッキ法と無電解メッキ法を含む)も用いることができる。メッキで形成する時にはシード金属膜(図示せず)を先にバリアメタル膜上に形成することによって、良好な結果を導くことができる。このようなシード金属膜はメッキ層の均一性を増加させて初期核生成サイトの役割をする。このようなシード金属膜の厚さは500ないし2500Å程度に形成することができ、望ましくは1500Å程度に形成することができる。シード金属膜の蒸着は主にスパッタリングによるが、CVDで蒸着することができる。スパッタリング条件は例えば基板温度0℃、スパッタパワー2kW、圧力2mTorrにしてターゲットと基板間の距離を60mmにすることができるが、これに限られるのではない。シード金属としては銅、金、銀、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等を使うことができる。メッキで形成しようとする金属膜の種類と、メッキ法によって適切な種類のシード金属を選択して蒸着するようにする。メッキした直後の状態の銅層は非常に小さな大きさの粒子で構成されていてまばらな構造であるので、再結晶(recrystalization)を介して粒成長をさせて抵抗率を減少させるためのアニーリング工程を行なうことが良い。
一方メッキ以外にスパッタリングまたはCVDによっても銅で充填することができる。また、銅以外に配線として適切な抵抗を有した金属、例えば金、白金または銀を蒸着することができる。金属層全体は後続、CMP(Chemical Mechanical Polishing)マージンを確保しなければならないので溝深さに対し、通常0.2μm程度高く蒸着する。
次に図6に示したように、層間絶縁膜201の上面が露出するまで結果物上面をCMPで平坦化させて層間絶縁膜201と実質的に同じ上面を有するダマシン配線形態の金属層207を形成する。金属層207を製造する過程で酸素を完全に遮断することは非常に難しくて、特に反応炉を利用する場合にさらに難しい。そして、CMPに使われるスラリーには普通酸素成分が含まれている。したがって、ほとんど常に銅層表面に薄いCuOあるいはCu2Oのように銅酸化膜が自然的に存在するようになる。この銅酸化膜を除去しないとその上に蒸着する膜との接着性が落ちつつ抵抗が高くなって信頼性側面で不利に作用する可能性が高い。
したがって、銅酸化膜はプラズマ処理を利用した還元により除去することができる。プラズマとしてはAr、He、H2等を含んだガスにRFを適用したもの(すなわち、水素系プラズマ)を利用することができる。または、Ar、He、NH3等を含んだガスにRFを適用したもの(すなわち、NH3を含むプラズマ)を利用することもできる。この時には配線金属層207表面が還元されると同時に表面窒化も可能になる。
次に図7に示したように、第1障壁層301aを蒸着する。第1障壁層301aは窒化ケイ素を用いて蒸着することができる。窒化ケイ素はCVDで形成することもできるが、PECVD(Plasma Enhanced CVD)方法で形成することが望ましく、100Å厚さ以下に形成することができる。窒化ケイ素層を形成する方法はプラズマ処理する段階とイン―シチュー(in―situ)で遂行することができる。このようにすれば工程が簡単であるだけでなく、配線上に銅酸化膜が形成されることを防止することができる。ここで、窒化ケイ素膜質以外にもシリコンカーバイド(SiC)またはシリコンカーボン窒化膜(SiCN)等を第1障壁層として利用することもできる。
次に図8に示したように、第1障壁層が蒸着された結果物を熱処理400する。前記熱処理工程400は通常の急速熱処理(RTA)工程を用いることができ、真空熱処理(Vacuum anneal)またはプラズマ熱処理工程等を利用することができる。また、前記熱処理工程400は200℃〜650℃の温度範囲で行うことができる。前記熱処理の結果、図8に示したように金属層207上部は既に蒸着されていた窒化ケイ素のような第1障壁層の成分と反応をしてシリサイド層と同じ金属化合物層401を形成するようになる。例えば、通常CuSiNの化合物がそれぞれの反応比で化合されて金属化合物層401を形成する。しかし層間絶縁膜201上部に位置していた第1障壁層(301b)の場合は反応をしなくてそのまま残るようになって、以後に層間絶縁膜に対する障壁層としての役割をするようになる。
次に図9に示したように、第2障壁層501を蒸着する。前記第2障壁層の材質としては窒化ケイ素(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)等が使われることができる。第2障壁層501は第1障壁層形成工程と同じく形成することができる。望ましくは第1障壁層として窒化ケイ素膜を用いて第2障壁層としてシリコンカーバイド膜を用いる。このように窒化ケイ素とシリコンカーバイドの二重膜からなったキャッピング膜を形成する場合、漏洩に脆弱な部分は窒化ケイ素膜が補完してくれると同時に、エッチング選択比を有する部分はシリコンカーバイドを用いるようになるので、漏洩抑制特性及びエッチング選択比の両側面を全て満足させることができるようになる。
このように形成された金属化合物層と第2障壁層を具備する金属層上に形成されたコンタクト領域は、下部金属層と接触する所に金属化合物(Metal silicide)が形成されていてストレス誘発性空孔(Vacancy)及びホール(Void)による不良誘発を防止することができるようになる。
以上特定実施形態に関して説明したが、本発明は前記実施形態に限定されないし、本発明の技術的思想内において当分野で通常の知識を有する者によっていろいろな多くの修正及び変形が可能なことは明白である。したがって、本発明の範ちゅうは添付された請求範囲及びそれらの等価物により決まらなければならない。
以上添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明の技術的思想や必須な特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施できるということを理解することができる。それゆえ、以上で記述した実施形態は全ての面で例示的なものであって限定的でないことを理解しなければならない。
本発明の配線及び配線形成方法が適用される素子は高集積回路半導体素子、プロセッサ、MEM’s(Micro Electro Mechanical)素子、光電子(optoelectronic)素子、ディスプレイ素子(display device)等の微細電子素子である。特に、本発明のデュアルダマシン配線製造方法は高速特性が要求されるCPU(Central Processor Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、CPUとDSPの組合、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ロジック素子、SRAM等にさらに有用であることである。
100、200 基板
101、201a、201 層間絶縁膜
103、207 金属層
105 キャッピング膜
301a、301b 第1障壁層
400 熱処理
401 金属化合物層
501 第2障壁層
101、201a、201 層間絶縁膜
103、207 金属層
105 キャッピング膜
301a、301b 第1障壁層
400 熱処理
401 金属化合物層
501 第2障壁層
Claims (17)
- 内部に溝を有する層間絶縁膜と;
前記溝内部に形成された金属層と;
前記金属層上部に位置した金属化合物層と;
前記層間絶縁膜上部に位置した第1障壁層;及び
前記金属化合物層及び前記第1障壁層上部に位置した第2障壁層を含むことを特徴とする半導体素子の配線。 - 前記金属層は銅(Cu)または銅合金を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の配線。
- 前記金属化合物層は銅(Cu)及びケイ素(Si)を含んで構成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の配線。
- 前記金属化合物層は窒素(N)をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子の配線。
- 前記第1障壁層は100Å厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の配線。
- 前記第1障壁層はシリコン窒化膜(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)のうちから選択されたいずれか一つ以上で構成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の配線。
- 前記第2障壁層は100〜1000Å厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の配線。
- (a)基板上に層間絶縁膜を形成する段階と;
(b)前記層間絶縁膜をエッチングして溝を形成する段階と;
(c)前記溝が形成された結果物上に金属層を形成する段階と;
(d)前記金属層が形成された結果物上に第1障壁層を形成する段階と;
(e)前記第1障壁層が形成された結果物を熱処理して前記金属層の上部に金属化合物層を形成する段階と;
(f)前記熱処理が完了した結果物上に第2障壁層を形成する段階を含むことを特徴とする半導体素子の配線形成方法。 - 前記金属層を形成する段階は埋め込み(damascene)工程を利用する段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記段階(b)と(c)間に障壁金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記第1障壁層はシリコン窒化膜(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)のうちから選択されたいずれか一つ以上に形成することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱処理する段階は200℃〜650℃の温度範囲で行う段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱処理段階は急速熱処理(RTA)工程で行う段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱処理段階は真空熱処理(Vacuum Anneal)工程で行う段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱処理段階はプラズマ熱処理工程で行う段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記第2障壁層はシリコン窒化膜(SiN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカーボン窒化膜(SiCN)のうちから選択されたいずれか一つ以上に形成することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記第2障壁層は100〜1000Åの厚さに形成することを特徴とする請求項16に記載の半導体素子の配線形成方法。
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