JP2007220882A

JP2007220882A - 埋込配線の形成方法

Info

Publication number: JP2007220882A
Application number: JP2006039263A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takigawa; 幸雄瀧川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】埋込配線の形成方法に関し、信頼性が高く且つ抵抗上昇が発生しない歩留りの高い埋込多層配線を提供する。
【解決手段】配線溝孔３をエッチングした後に、バリア膜及びメッキシード層を成膜し、次いで、配線溝孔３をメッキ法により導電体層４で埋め込んだのち、気体状態の有機系ガス５により導電体層４の熱処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は埋込配線の形成方法に関するものであり、特に、ダマシン構造を有する半導体装置の配線溝孔埋込後のメッキ導電体内部の不純物、ボイド、自己酸化物をダメージなく除去するための構成に特徴のある埋込配線の形成方法に関するものである。

従来、半導体装置の電極材料、配線材料としては、アルミニウムが広く実用されてきたが、近年の半導体装置の微細化や処理の高速化の要求に伴い、電極や配線の形成をアルミニウムで対応することは困難になってきている。

そのため、アルミニウムの次世代材料として、エレクトロマイグレーションに強く、比抵抗がアルミニウムより小さな銅を利用する試みが進められている。

電極材料や配線材料として銅を用いる場合、銅が選択エッチングの困難な材料であることから、電極や配線はダマシン法により埋込電極或いは埋込配線として形成されることになるが、この場合は、形成される電極や配線のアスペクト比を高くすることによって、半導体装置の微細化、高速化を実現することが可能になる。

このような電極材料や配線材料として用いられる銅は、酸化されやすい性質を有しているため、半導体装置の製造過程においては、電極や配線として形成した銅の表面に、酸化銅（ＣｕＯ）や亜酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）といった銅酸化物が生成する。

また、銅は主にめっきにより配線溝孔内に埋め込まれるが、めっきで形成された銅内部には多数のボイドやめっき液起因による不純物、めっき液中の水分による銅酸化物が分散して存在している。

このボイドや不純物、ならびに銅酸化物は、電気抵抗の上昇など、半導体装置の特性低下を招くが、さらにストレスマイグレーション特性を低下させる。そのため、電極或いは配線形成用のめっき埋め込み後に、生成してしまったボイド、不純物、および銅酸化物を除去するための処理が必要となる。

そこで、めっきで形成された銅は、通常、アニールが施され、このアニールによる銅粒界の成長が、粒界界面に極在しているボイドや不純物を外部に押し出す作用への駆動力となる（例えば、特許文献１参照）。
その際用いられるアニール条件は、大気または不活性ガス雰囲気で１００〜４００℃で、５秒〜1 時間程度行われる。

一方、半導体装置の高速化のためには、配線・電極の低抵抗化とともに、寄生容量を低減するためには層間絶縁膜の低誘電率化が必要となり、低誘電率の層間絶縁膜としてポリアエーテル等の低誘電率の有機絶縁材料（例えば、ダウケミカル社登録商標ＳｉＬＫ）やポーラスシリカの採用が試みられている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２９７６９６号公報特開２００４−０７１７０５号公報

しかし、従来のアニール処理には、以下に示すような問題点があった。
従来のアニール処理は、大気中または不活性ガス中で行われるが、アニールにより銅粒界がある程度は成長し、成長にともないめっき中のボイドがめっき層の上部に移動し、上部に移動したボイドはＣＭＰ工程において取除かれる。

しかし、めっき膜内部のボイドが全て上層に移動する訳ではなく、ＣＭＰ工程で除去しきれない残留ボイドがデバイス駆動時における温度環境により再移動し、配線やビア内がオープンに至るまでになる（ストレスマイグレーション）。また、デバイス動作時電流や待機時リーク電流により、ボイドが移動し配線内オープンの原因となるという問題点がある。

また、めっきで成膜した銅内部にはめっき液起因の不純物が存在し、この不純物は配線腐食の原因となる。さらに、大気中でアニールを行うと銅表面が酸化するが、銅の酸化は深さ方向への進行性があるために、酸化銅がＣＭＰ工程で除去しきれず、埋込配線内に残留する可能性が生ずる。
この残留した銅酸化物は配線抵抗上昇の原因となる。

したがって、本発明は、信頼性が高く且つ抵抗上昇が発生しない歩留りの高い埋込多層配線を提供することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号１は、下層の配線である。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、埋込配線６の形成方法において、配線溝孔３をエッチングした後に、バリア膜及びメッキシード層を成膜し、次いで、配線溝孔３をメッキ法により導電体層４で埋め込んだのち、気体状態の有機系ガス５により導電体層４の熱処理を行う工程を有することを特徴とする

このように、配線溝孔３をメッキ法により導電体層４で埋め込んだのち、気体状態の有機系ガス５により導電体層４の熱処理を行うことにより、表面における有機系ガス５との反応により、ボイドや不純物の内部拡散が加速され導電体層４の表面に集積されることになり、このボイドや不純物の集積した表面部を埋込配線６を形成する際のＣＭＰ工程で除去することにより、ボイドや不純物を効果的に除去することができる。

即ち、有機系ガス５のアニール時にめっき銅表面が還元され、そのため銅酸化物の表面濃度が薄くなり、めっき内部の銅酸化物が粒界を通して表面に移動する。
この時、導電体層４内部のボイドは元来粒界に分布していることから、銅酸化物の移動と共に表面に移動することとなる。

一方、導電体層４内の不純物も粒界における物質移動にともなって表面に移動し、表面に移動した不純物は有機系ガス５により除去されることになる。
したがって、従来のアニール効果による粒成長加え、有機系ガス５による処理による粒界内不純物除去により、信頼性の高いデバイスを提供することができる。

また、熱処理工程において使用する有機系ガス５としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸或いは酪酸等のカルボン酸を有するガスが望ましく、それによって、層間絶縁膜２等の他の部材にダメージを与えることがない。
なお、カルボン酸の分子量が大きくなるほど反応がソフトになる。

或いは、熱処理工程において使用する有機系ガス５としては、メタノール等のアルコール類でも良く、一般的にはカルボン酸を有するガスより反応がソフトであるので、層間絶縁膜２がＳｉを構成元素として含む有機系絶縁膜である場合にも、熱処理に伴って層間絶縁膜２がダメージを受けることがない。

上述熱処理は、各種の材料からなる配線に適用されるものであるが、表面の酸化物やその後の腐食が問題となる銅或いはＣｕ−Ａｌ，Ｃｕ−Ｓｉ等の銅を含む合金の場合に特に有効となる。

本発明では、メッキ埋込層形成後の熱処理をカルボン酸を有するガス等の有機系ガス雰囲気中で行っているので、ボイドや不純物の内部拡散を加速して、効果的にボイドや不純物を除去することができ、したがって、従来のアニール効果による粒成長加え、有機系ガスによる処理による粒界内不純物除去により、信頼性の高いデバイスを提供することができる。

また、熱処理時のガスは直接層間絶縁膜に触れることは無いので、熱処理工程に伴って配線溝孔を形成する層間絶縁膜がダメージを受けて誘電率が増大することがないので、設計通りの高速半導体装置を構成することができる。

本発明は、下層配線或いはビア上に層間絶縁膜を設け、シングルダマシン法或いはデュアルダマシン法を用いて上層配線或いはビアを形成する際に、層間絶縁膜に埋込用溝或いは埋込用孔を形成したのち、埋込用溝或いは埋込用孔中にメッキ法を用いてＣｕ等の金属を埋め込み、引き続き有機系ガスによるアニールを行い、ＣＭＰ法によって不要部を研磨することによって埋込配線或いはビアを同時に或いは個別の工程で形成するものである。

この場合の熱処理に用いる有機系ガスとしては、カルボン酸或いはアルコール類を用い、例えば、銅に生成した酸化銅あるいは亜酸化銅といった銅酸化物を、気体状態のカルボン酸〔ＲＣＯＯＨ：Ｒ＝Ｈ，Ｃ_nＨ_2n+1，Ｃ_nＨ_mＸ_2n-m+1（ｎ，ｍは自然数、Ｘ＝Ｆ
，Ｃｌ）〕を用いて還元して清浄化される。

カルボン酸は、銅酸化物に対して還元剤として作用し、銅酸化物を金属銅（Ｃｕ）に還元し、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。
例えば、カルボン酸としてギ酸〔ＨＣＯＯＨ：メタン酸（ｍｅｔｈａｎｏｉｃａｃｉｄ）〕を用いた場合、酸化銅（ＣｕＯ）は反応式、
ＨＣＯＯＨ＋ＣｕＯ→Ｃｕ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ
に基づいて、また、亜酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）は反応式、
ＨＣＯＯＨ＋Ｃｕ₂Ｏ→２Ｃｕ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ
に基づいて、それぞれ金属銅に還元される。

ここで、ギ酸による酸化銅または亜酸化銅の還元反応における標準ギブズエネルギーは、上記反応式に基づいて生成するＨ₂Ｏが気体状態の場合には、それぞれ約−１３２ｋＪ／ｍｏｌ、約−１１２ｋＪ／ｍｏｌとなる。
即ち、この還元反応は、金属銅を生成する方向に進行し易く、この方向に反応が進行する還元温度で処理を行うことにより、半導体装置の製造過程で電極や配線に生成した酸化銅あるいは亜酸化銅を還元することができるようになる。

この場合、熱処理において生成する二酸化炭素および水は、上記の反応条件においては気体状態であるため、熱処理後に、これらが不純物として残留することがなく、したがって、熱処理後の工程に影響を及ぼすことなく、安定した特性を有する半導体装置を製造することが可能になる。

また、この場合の熱処理条件としては、処理チャンバ内のカルボン酸の分圧を５０Ｐａ〜１００００Ｐａの範囲とし、還元温度１００℃〜４００℃、全圧１００Ｔｏｒｒ〜３００Ｔｏｒｒで還元時間３分、特に還元温度４００℃の場合には、圧力１００Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒで還元時間１分の反応条件で処理することにより、電極や配線の表面に凹凸を生じさせることなく、埋込配線や電極を大粒径化してボイドや不純物を表面に集積することができるとともに、短い還元時間で均一に銅酸化物を還元することができる。

なお、化学大辞典（共立出版刊）によれば、銅と蟻酸が反応し蟻酸銅となる場合もあるが、生成された蟻酸銅は加熱により気化するので、銅表面に付着した銅酸化物を蟻酸蒸気を用い、気相中でリフトオフして装置のダウンフローで排出除去できる。

なお、還元剤として用いるカルボン酸は、ギ酸〔ＨＣＯＯＨ〕のほか、
酢酸〔ＣＨ₃ＣＯＯＨ：エタン酸（ｅｔｈａｎｏｉｃａｃｉｄ）〕
プロピオン酸〔Ｃ₂Ｈ₅ＣＯＯＨ：プロパン酸（ｐｒｏｐａｎｏｉｃａｃｉｄ）〕酪酸〔Ｃ₃Ｈ₇ＣＯＯＨ：ブタン酸（ｂｕｔａｎｏｉｃａｃｉｄ）〕
などの比較的沸点の低いものを用いるのが好ましい。

また、有機系ガスとして、カルボン酸を含む成分以外に、メタノール或いはエタノール等のアルコール系成分を気化させて噴出させても清浄化作用が得られる。

次に、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１のデュアルダマシン工程を説明するが、まず、図２を参照して本発明の実施に用いる熱処理装置を説明する。
図２参照
図２は本発明の実施に用いる熱処理装置の概念的構成図である。
この熱処理装置は、アッシング装置を兼ねる熱処理装置であり、ガス導入口１２及び排気口１３を備えた処理チャンバー１１、処理チャンバー１１内に設けられたステージを兼ねる下部電極１４、下部電極１４と対向するように設けられたリング状上部電極１５、リング状上部電極１５の中央部に移動可能に嵌め込まれた有機系ガス噴出シャワーヘッド１６、有機系材料を貯蔵する貯蔵槽１９と有機系ガス噴出シャワーヘッド１６との間に接続された有機系ガス供給用配管１７、有機系ガス供給用配管１７の途中に設けられ有機系材料を加熱して気化して有機系ガスとする気化器１８、及び、ステージを兼ねる下部電極１４の下部に配置されて被処理基板２１を加熱するヒータ２０によって構成される。

熱処理工程においては、図に示すように、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６を下降させてリング状上部電極１５の中央部に嵌め込み、この状態で有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された有機系ガスを噴出して、ヒータ２０によって反応生成物が気体状態となる温度以上に加熱したアッシング処理後の被処理基板２１を熱処理して、気体状の反応生成物及び未反応の有機系ガスを排気口１３からダウンフローで排出する。

次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１のデュアルダマシン工程を説明する。
図３参照
まず、ｐ型シリコン基板３１に素子分離絶縁膜３２を形成したのち、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４を設け、このゲート電極３４をマスクとしてｎ型不純物を導入することによってｎ型エクステンション領域３５を形成し、次いで、サイドウォール３６を形成したのち、再び、ｎ型不純物を導入することによって、ｎ型ソース・ドレイン領域３７を形成する。

次いで、全面にＣｏを堆積させたのち、熱処理することによってＣｏシリサイド電極３８，３９を形成し、次いで、未反応のＣｏを除去したのち全面にＳｉＯ₂膜４０及びＢＰＳＧ膜４１を堆積させたのち、表面平坦化を行いエッチングストッパーとなるＳｉＣＮ膜４２を形成する。

次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域３７に達するビアホールを形成したのち、ＴｉＮからなるバリア膜４３を介してＷを埋め込み、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＷプラグ４４を形成する。

次いで、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯＣからなる第１配線用絶縁膜４５を堆積させたのち、Ｗプラグ４４を露出する配線用溝を形成する。

次いで、ＴａＮからなるバリア膜４６を介してＣｕ埋込層４７で電気メッキ法によって埋め込む（なお、Ｃｕメッキシード層を図示を省略する）。

次いで、被処理基板を処理チャンバー１１内に移し、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された蟻酸ガス４８を蟻酸ガス４８の分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層４７の表面を蟻酸化反応によって処理、還元反応で生成されたＣＯ₂及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともに、不純物を排気口１３から排気除去する。

図４参照
次いで、被処理基板を処理チャンバー１１より取り出したのち、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線４９を形成する。

次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５０、厚さが、例えば、１５０ｎｍのＳｉＯ₂からなるビア形成用絶縁膜５１、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５２、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第２配線用絶縁膜５３、及び、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５４を順次堆積させる。

次いで、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第２配線用絶縁膜５３に幅が例えば、０．１２μｍの配線用溝５５を形成したのち、ビア形成用絶縁膜５１に第１Ｃｕ埋込配線４９に達する直径が例えば、０．１２μｍのビアホール５６を形成する。

図５参照
次いで、次いで、再び、配線用溝５５及びビアホール５６をＴａＮからなるバリア膜５７を介してＣｕ埋込層５８で埋め込む（なお、Ｃｕメッキシード層を図示を省略する）。

次いで、再び、被処理基板を処理チャンバー１１内に移し、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された蟻酸ガス５９を蟻酸ガス５９の分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層５８の表面を蟻酸化反応によって処理、還元反応で生成されたＣＯ₂及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともに、不純物を排気口１３から排気除去する。

次いで、被処理基板を処理チャンバー１１より取り出したのち、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア６０及び第２Ｃｕ埋込配線６１を形成する。

以降は、必要とする多層配線層数に応じてビア形成用絶縁膜及び層間絶縁膜の堆積工程、配線用溝及びビアホールの形成工程、ビア及び配線溝の埋込工程、有機系ガス中でのアニール工程、及び、ＣＭＰ工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。

この本発明の実施例１において、上述の図示した２層配線構造において２０Ｍ（２×１０⁷）個のビアチェーンを形成して信頼性を確認したところ、ビアチェーンのコンタクト歩留りは１００％であり、十分な信頼性が得られた。

本発明の実施例１においては、めっき後の熱処理を気化した蟻酸ガスを用いて気相処理として行っているので、反応生成物等は被処理基板の表面の残存することがなく、処理に伴う層間絶縁膜の比誘電率の増大も見られないので、寄生容量の増大による信号遅延が発生することがない。

因に、Ｃｕ埋込層の形成後に蟻酸ガスによる熱処理を行わずに大気中にてアニールを行い、二層配線構造を作製したところ、実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりは７０％であり、信頼性が欠如していた。

このように、本発明の実施例１においては、埋込工程の後のアニール工程を気化した蟻酸ガスを用いて気相処理として行っているので、従来のアニール効果による粒成長加え、有機系ガスによる処理による粒界内不純物除去により、信頼性の高いデバイスを提供することができる。

次に、本発明の実施例２のデュアルダマシン工程を説明するが、第２配線用絶縁膜５３としてポリアエーテル等の低誘電率の有機絶縁材料（例えば、ダウケミカル社登録商標ＳｉＬＫ^TM）を用いて塗布形成したものであり、それにともなって、アッシング処理を水素プラズマを用いて行うとともに、埋込工程の後のアニール処理をメタノールガスを用いて行ったものであり、基本的な工程及び構造は上記の実施例１と全く同様であるので、詳細な工程の説明は省略する。

この実施例２のアニール工程においては、Ｃｕ埋込層を形成したのち、処理チャンバー１１内に有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化されたメタノールガスをメタノールガスの分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層４７或いはＣｕ埋込層５８の表面に形成された銅酸化物を金属銅に還元するとともに、ボイド或いは不純物を表面に集積させるものである。

この実施例２におけるコンタクト歩留りは、上述の実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりとして１００％であり、実施例１と同等の信頼性が得られた。

因に、Ｃｕ埋込層の形成後に、メタノールガスによる清浄化処理を行わずに大気中アニールを行い、二層配線構造を作製したところ、実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりは８２％であり、信頼性が欠如していた。

次に、本発明の実施例３のデュアルダマシン工程を説明するが、ビア形成等絶縁膜５１として第２配線用絶縁膜５３と同じＳｉＯＣ膜を用いたものであり、それ以外の工程及び構造は上記の実施例１と全く同様であるので、詳細な工程の説明は省略する。

この実施例３におけるコンタクト歩留りは、上述の実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりとして１００％であり、実施例１と同等の信頼性が得られた。

因に、Ｃｕ埋込層の形成後、有機系ガスによる清浄化処理を行わずに大気中アニールで、二層配線構造を作製したところ、実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりは７８％であり、信頼性が低下していた。

次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施例４のシングルダマシン工程を説明するが、デュアルダマシン工程をシングルダマシン工程に置き換えただけで、基本的構造及び処理条件は上記の実施例１と全く同様である。
図６参照
まず、図示を省略するが、図４と全く同様にＭＯＳＦＥＴ及びｎ型ソース・ドレイン領域上に設けたＣｏシリサイド電極に接続するＷプラグ４４を形成したのち、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯＣからなる第１配線用絶縁膜４５を堆積させたのち、Ｗプラグ４４を露出する配線用溝を形成する。

次いで、ＴａＮからなるバリア膜４６を介してＣｕ埋込層４７で電気メッキ法によって埋め込んだのち（なお、Ｃｕメッキシード層を図示を省略する）、被処理基板を処理チャンバー１１内に移し、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された蟻酸ガス４８を蟻酸ガス４８の分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層４７の表面を蟻酸化反応によって処理、還元反応で生成されたＣＯ₂及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともに、不純物を排気口１３から排気除去する。

次いで、被処理基板を処理チャンバー１１より取り出したのち、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線４９を形成する。

次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５０、厚さが、例えば、１５０ｎｍのＳｉＯ₂からなるビア形成用絶縁膜５１、及び、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５２を順次堆積する。

次いで、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、ビア形成用絶縁膜５１に第１Ｃｕ埋込配線４９に達する直径が例えば、０．１２μｍのビアホール６２を形成する。

図７参照
次いで、ＴａＮからなるバリア膜６３を介してＣｕ埋込層６４で電気メッキ法によって埋め込んだのち（なお、Ｃｕメッキシード層を図示を省略する）、被処理基板を処理チャンバー１１内に移し、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された蟻酸ガス６５を蟻酸ガス６５の分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層６４の表面を蟻酸化反応によって処理、還元反応で生成されたＣＯ₂及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともに、不純物を排気口１３から排気除去する。

次いで、被処理基板を処理チャンバー１１より取り出したのち、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア６６を形成する。

次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第２配線用絶縁膜５３及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＣＮ膜５４を順次堆積させる。

図８参照
次いで、再び、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第２配線用絶縁膜５３にＣｕビア６６に達する幅が例えば、０．１２μｍの配線用溝６７を形成する。

次いで、再び、ＴａＮからなるバリア膜６８を介してＣｕ埋込層６９で電気メッキ法によって埋め込んだのち（なお、Ｃｕメッキシード層を図示を省略する）、被処理基板を処理チャンバー１１内に移し、有機系ガス噴出シャワーヘッド１６から気化器１８によって気化された蟻酸ガス７０を蟻酸ガス７０の分圧が２００Ｐａになるように導入して、ヒータ２０によって基板温度を１５０℃とし、全圧が２００Ｔｏｒｒの状態で還元時間２分で被処理基板を還元処理して、Ｃｕ埋込層６９の表面を蟻酸化反応によって処理、還元反応で生成されたＣＯ₂及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともに、不純物を排気口１３から排気除去する。

次いで、被処理基板を処理チャンバー１１より取り出したのち、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第２Ｃｕ埋込配線７１を形成する。

以降は、必要とする多層配線層数に応じてビア形成用絶縁膜堆積工程、ビアホールの形成工程、埋込工程、アニール工程、ビア形成工程、層間絶縁膜の堆積工程、配線用溝の形成工程、埋込工程、アニール工程、及び、埋込配線の形成工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。

この本発明の実施例４においても実施例１と同様の構造の２層配線構造において２０Ｍ（２×１０⁷）個のビアチェーンを形成して信頼性を確認したところ、ビアチェーンのコンタクト歩留りは１００％であり、十分な信頼性が得られた。

因に、上述のアニール処理を行わずに、大気中アニールで二層配線構造を作製したところ、実施例１と同じ構造のビアチェーンのコンタクト歩留まりは８０％であり、信頼性の低下が見られた。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、ビアホールのサイズ及び埋込配線の幅等は任意であり、必要とする集積度に応じて適宜決定すれば良い。

また、上記の各実施例においては、ビア及び埋込配線をＣｕによって形成しているが、Ｃｕに限られるものではなく、Ｃｕ−ＡｌやＣｕ−Ｓｉ等のＣｕを主成分とする合金にも適用されるものである。

また、上記の実施例１，３，４においては、メッキによる埋込工程後のアニール工程におけるカルボン酸として、蟻酸を用いているが、これらの蟻酸に限られるものではなく、酢酸、プロピオン酸或いは酪酸等の他のカルボン酸を用いても良いものである。

また、上記の実施例２においては、メッキによる埋込工程後のアニール工程をメタノールを用いて行っているが、メタノールに限られるものではなく、エタノール或いはプロピルアルコール等の他のアルコール類を用いても良いものである。

また、上記の各実施例における配線用絶縁膜及びビア形成用絶縁膜の組み合わせた単なる一例であり、他の絶縁材料を用いた層間絶縁膜構造に適用できることは言うまでもないことであり、ＳｉＣＮ膜の代わりにＳｉＮ膜またはＳｉＯＣＮ膜を用いても良いし、或いは、ＳｉＯＣ膜の代わりにＳｉＯ₂膜或いはＳｉＯＣＮ膜を用いても良いものである。

なお、ＳｉＯＣＮ膜に対して本発明の実施例と同様の有機系ガス雰囲気中におけるアニール処理を行った場合、処理後の比誘電率は約２．９であり、処理前の比誘電率と殆ど変化がないか若干の低下が見られた。

また、上記の各実施例においては、特に言及してないが、エッチング工程後のエッチング残渣の剥離処理工程及び清浄化処理工程を行う場合に、このエッチング残渣の剥離処理工程及び清浄化処理工程も上述の有機系ガス雰囲気中での熱処理として行っても良いものである。

本発明の活用例としては、高集積度半導体装置の多層配線構造が典型的なものであるが、半導体装置における配線構造に限られるものではなく、強誘電体を用いた光デバイスの配線接続構造としても適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施に用いる熱処理装置の概念的構成図である。本発明の実施例１のデュアルダマシン工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１のデュアルダマシン工程の図３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のデュアルダマシン工程の図４以降の説明図である。本発明の実施例４のシングルダマシン工程の途中までの説明図である。本発明の実施例４のシングルダマシン工程の図６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４のシングルダマシン工程の図７以降の説明図である。

符号の説明

１下層の配線
２層間絶縁膜
３配線溝孔
４導電体層
５有機系ガス
６埋込配線
１１処理チャンバー
１２ガス導入口
１３排気口
１４下部電極
１５リング状上部電極
１６有機系ガス噴出シャワーヘッド
１７有機系ガス供給用配管
１８気化器
１９貯蔵槽
２０ヒータ
２１被処理基板
３１ｐ型シリコン基板
３２素子分離絶縁膜
３３ゲート絶縁膜
３４ゲート電極
３５ｎ型エクステンション領域
３６サイドウォール
３７ｎ型ソース・ドレイン領域
３８Ｃｏシリサイド電極
３９Ｃｏシリサイド電極
４０ＳｉＯ₂膜
４１ＢＰＳＧ膜
４２ＳｉＣＮ膜
４３バリア膜
４４Ｗプラグ
４５第１配線用絶縁膜
４６バリア膜
４７Ｃｕ埋込層
４８蟻酸ガス
４９第１Ｃｕ埋込配線
５０ＳｉＣＮ膜
５１ビア形成用絶縁膜
５２ＳｉＣＮ膜
５３第２配線用絶縁膜
５４ＳｉＣＮ膜
５５配線用溝
５６ビアホール
５７バリア膜
５８Ｃｕ埋込層
５９蟻酸ガス
６０Ｃｕビア
６１第２Ｃｕ埋込配線
６２ビアホール
６３バリア膜
６４Ｃｕ埋込層
６５蟻酸ガス
６６Ｃｕビア
６７配線用溝
６８バリア膜
６９Ｃｕ埋込雄
７０蟻酸ガス
７１第２Ｃｕ埋込配線

Claims

配線溝孔エッチング後に、バリア膜及びメッキシード層を成膜し、次いで、前記配線溝孔をメッキ法により導電体層で埋め込んだのち、気体状態の有機系ガスにより前記導電体層の熱処理を行う工程を有することを特徴とする埋込配線の形成方法。
上記有機系ガスがカルボン酸を有することを特徴とする請求項１記載の埋込配線の形成方法。
上記カルボン酸が、ギ酸、酢酸、プロピオン酸或いは酪酸の内のいずれか１種であるであることを特徴とする請求項２記載の埋込配線の形成方法。
上記有機系ガスがアルコール類であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の埋込配線の形成方法。
上記導電体層が、銅或いは銅を含む合金からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の埋込配線の形成方法。