JP2008166458A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バリア膜にＴａを用いたＣｕ配線構造において、配線欠落を防止し、配線の信頼性を向上させる。
【解決手段】Ｃｕ配線を有する半導体装置の製造方法を、シリコン基板101上のシリコン酸化膜104に開口した配線溝106の内面を覆うバリア膜107を形成する第１の工程と、バリア膜107上に銅膜（Ｃｕスパッタ膜108，Ｃｕメッキ膜109）を形成する第２の工程と、前記銅膜を熱処理する第３の工程と、前記第３の工程の後に基板面の配線溝106外の銅膜を除去する第４の工程とを有し、前記第３の工程では、前記銅膜の熱処理を実質上酸素を含まない雰囲気中で行い、熱処理終了後も前記第４の工程の開始時まで前記銅膜を実質上酸素を含まない雰囲気中に保持するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に銅配線を用いた半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置という）の高集積化、高機能化、及び高速化に伴って、配線材料に銅（以下、Ｃｕと記す）が用いられている。Ｃｕ配線の形成には、ドライエッチング法によるパターン化が困難なことから、層間絶縁膜に溝を形成し、Ｃｕで埋め込み、不要部分のＣｕをＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの平坦化技術で除去するダマシン方法が多く使用されている。

層間絶縁膜としては主にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）が用いられるが、Ｃｕはシリコン酸化膜に拡散して配線抵抗の増大や配線リークを生じるため、溝にＣｕの拡散を防止するバリア性のある薄膜を形成する方法がとられている。Ｃｕ拡散防止膜としては、様々な膜が検討されており、バリア性、密着性の観点からは、タンタル（以下、Ｔａと記す）系の膜が利用されている。

溝のＣｕ埋め込みは、Ｃｕスパッタ膜、次に電解メッキ法によるＣｕメッキ膜を形成することで行われている。電解メッキ法で成膜したＣｕメッキ膜は、比抵抗が２．４μΩ・ｃｍとバルクＣｕ（１．７２μΩ・cm）に比べて高く、結晶粒径も小さいためＥＭ（Electric Migration）耐性が低いので、２５０℃〜４００℃程度で熱処理する方法がとられている。このようにすることにより、比抵抗を１．９μΩ・cm（２０℃）程度にまで低減可能であること、同時に粒成長が起こってＥＭ耐性が向上することが知られている。

しかし、非特許文献１において、Fusen Chenらは、Ｔａ上にＣｕを成膜して熱処理を行うとＣｕ／Ｔａ界面にＴａの酸化層が形成され、特に６００℃で圧力３×１０^−３torrのＡｒ雰囲気中で熱処理した場合には、Ｃｕのグレインに沿ってＴａの酸化層が観察されると報告している。かかるＴａの酸化を引き起こす酸素は、外気からＣｕのグレインを通って供給されると考察している。

したがって、Ｃｕ配線の形成に際してＣｕ拡散防止膜にＴａを用いた場合には、熱処理によって、Ｃｕ／Ｔａ界面のＴａが酸化されてしまう。一方、Ｃｕ拡散防止膜のＴａが酸化された状態でＣｕ膜の研磨を行うと、Ｃｕのグレインに沿ってＣｕ膜が剥がれ、配線欠陥になり易いことが知られている。このため、熱処理時のＴａの酸化を防止することでＣｕ配線の欠落を抑制する技術が提案されている。

図４に特許文献１に開示された方法を示す。図４（ａ）に示すように、トランジスタ部（不図示）とコンタクト（不図示）を形成したシリコン基板１０１上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる絶縁膜１０２と、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などのエッチングストッパ膜１０３と、配線溝を形成するためのシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１０４とを順次に成膜する。

次に、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０４の上にフォトレジスト１０５を塗布形成し、露光現像し、パターニングした後、これをマスクとして層間絶縁膜１０４をエッチングして、図４（ｃ）に示す配線溝１０６形成する。

この配線溝１０６の形成されたシリコン基板１０１に、図４（ｄ）に示すように、Ｔａ系のバリア膜１０７をスパッタ法でスパッタし、その上にＣｕスパッタ膜１０８をスパッタし、さらにその上に、図４（ｅ）に示すようにＣｕメッキ膜１０９を電解メッキ法で成膜する。

次に、図４（ｆ）に示すように、Ｃｕメッキ膜１０９上に、バリア膜１０７のＴａが熱処理時に酸化されるのを防止するための酸素拡散防止膜１１０であるＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。

続いて、２５０℃〜４００℃程度の温度で熱処理を行う。この際に、上記の酸素拡散防止膜１１０が存在することで、熱処理時の雰囲気中に存在する酸素がＣｕのグレインに沿ってＣｕ中を拡散してＣｕ／Ｔａ界面のＴａを酸化するのを防止または抑制できる。

次に、図４（ｇ）に示すように、層間絶縁膜１０４の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）法にて平坦化する。このことにより、Ｃｕ（Ｃｕスパッタ膜１０８，Ｃｕメッキ膜１０９）を配線溝１０６に埋め込んだＣｕ埋め込み配線が形成される。

最後に、シリコン基板１０１を洗浄乾燥した後に、図４（ｈ）に示すように、ＳｉＮ膜１１１等のＣｕ酸化保護膜をプラズマＣＶＤ法で全面に成膜することで、Ｃｕ埋め込み配線を有する構造が実現される。
Thin Solid Films,‘Oxidation of Ta diffusion barrier layer for Cu metallization in thermal annealing’Fusen Chen et al., 388(2001), PP27-33 特開２００４−１４６５１９公報

しかしながら、上述したようにＣｕメッキ膜１０９上に酸素拡散防止膜１１０を形成すると、熱処理時にＣｕスパッタ膜１０８，Ｃｕメッキ膜１０９中のボイド・不純物などのアニールアウトが妨げられて、膜中に残留し、信頼性の低下を来たすことがある。

また熱処理終了後であっても、酸素を含む雰囲気中に放置されると、熱処理で成長したＣｕ結晶粒の境界（グレインバウンダリー）に沿って酸素が拡散して、バリア膜１０７のＴａの酸化が進行し、Ｃｕ配線の欠落を来たすことがある。

本発明は上記問題を解決するもので、バリア膜にＴａを用いたＣｕ配線構造において、配線欠落を防止し、配線の信頼性を高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に開口した配線溝の内面を覆うバリア膜を形成する第１の工程と、前記バリア膜上に銅膜を形成する第２の工程と、前記銅膜を熱処理する第３の工程と、前記第３の工程の後に基板面の前記配線溝外の銅膜を除去する第４の工程とを有し、前記第３の工程では、前記銅膜の熱処理を実質上酸素を含まない雰囲気中で行い、熱処理終了後も前記第４の工程の開始時まで前記銅膜を実質上酸素を含まない雰囲気中に保持することを特徴とする。ここで、配線溝なる語句は、配線となる溝だけでなくコンタクトホールも包含する。銅膜を除去するためには、化学的機械研磨法、エッチング法などを使用することができる。

第３の工程における雰囲気中の酸素濃度は１００ｐｐｍ以下であるのが好ましい。熱処理時および熱処理終了後のそれぞれの雰囲気は、窒素雰囲気と水素雰囲気と減圧雰囲気との内の同一または異なる雰囲気であってよい。そのためには、熱処理時および熱処理終了後に半導体基板を収容する容器を密封可能な構造とし、この容器内を実質上酸素を含まない雰囲気に維持するのが都合よい。好ましくは、半導体基板を収容した容器を、この容器内と同一または異なる実質上酸素を含まない雰囲気中で保存する。

本発明によれば、銅膜を実質上酸素を含まない雰囲気中で熱処理し、熱処理後も実質上酸素を含まない雰囲気中で保存することにより、膜外の酸素が熱処理で生成する銅のグレインに沿って拡散するのを抑制できるので、酸素の拡散に起因する銅膜／バリア膜界面のバリア膜成分の酸化を抑制し、密着性を保つことが可能となる。その結果、銅膜の研磨を行う際の剥がれ、それによる銅配線の欠陥発生を防止することができ、銅配線の信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、トランジスタ部（不図示）とコンタクト（不図示）を形成したシリコン基板１０１上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる絶縁膜１０２と、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などのエッチングストッパ膜１０３と、配線溝を形成するためのシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１０４とを順次に成膜する。

次に、図１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０４の上にフォトレジスト１０５を塗布形成し、露光現像し、パターニングした後、これをマスクとして層間絶縁膜１０４をエッチングし、フォトレジスト１０５を除去して、図１（ｃ）に示す配線溝１０６形成する。

この配線溝１０６の形成されたシリコン基板１０１に、図１（ｄ）に示すように、Ｔａ系のバリア膜１０７をスパッタ法でスパッタする。バリア膜１０７は、Ｔａの他、ＴａとＴａを含む合金またはＴａ系化合物との積層構造などでもよい。たとえば下層から順にＴａＮ／Ｔａとすると、バリア性、密着性を更に向上させることができる。膜厚が薄いとバリア性が不十分となるため２０ｎｍ程度が好ましい。続いて、Ｃｕスパッタ膜１０８をスパッタし、さらにその上に、図１（ｅ）に示すようにＣｕメッキ膜１０９を電解メッキ法で５００〜１０００ｎｍ程度成膜する。

続いて、２５０℃以上（２５０℃〜４００℃程度）の温度領域での熱処理（アニール）を３０分以上行う。この熱処理中には実質上酸素を含まない雰囲気（以下、無酸素雰囲気という）を維持し、さらに熱処理終了後も無酸素雰囲気を維持する。

このように熱処理中および熱処理終了後とも無酸素雰囲気を保つことで、従来は発生していた、雰囲気中（すなわち膜外）の酸素がＣｕのグレインに沿ってＣｕ中を拡散するのを抑制することができ、かかる拡散に起因するＣｕ／Ｔａ界面のＴａの酸化が防止される。Ｃｕメッキ膜２０９は露出しているのでボイドや不純物は十分にアニールアウトさせることができる。

次に、図１（ｆ）に示すように、層間絶縁膜１０４の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）法に代表される平坦化技術にて平坦化する。このことにより、Ｃｕ（Ｃｕスパッタ膜１０８，Ｃｕメッキ膜１０９）を配線溝１０６に埋め込んだＣｕ埋め込み配線が形成される。この際に、上記のようにＴａの酸化が防止されているため、Ｃｕスパッタ膜１０８，Ｃｕメッキ膜１０９の剥がれ、つまりＣｕ配線の欠落は起こり難い。

最後に、シリコン基板１０１を洗浄乾燥した後、図１（ｇ）に示すように、ＳｉＮ膜１１１等のＣｕ酸化保護膜をプラズマＣＶＤ法で全面に成膜することで、図２（ｇ）に示すＣｕ埋め込み配線を有する構造が実現される。

上述の実質上酸素を含まない雰囲気（無酸素雰囲気）は、たとえば酸素濃度１００ｐｐｍ以下の雰囲気である。酸素の拡散によるバリアＴａの酸化が進行する恐れがあるためそれを抑える目的である。

窒素雰囲気と水素雰囲気と減圧雰囲気のいずれかを好適に使用できる。これらの内で水素雰囲気は水素に還元性があるためＴａの酸化防止効果が高い。減圧雰囲気（空気）は１００Ｐａ以下であれば酸素濃度１００ｐｐｍ以下を達成できる。たとえば、熱処理時は窒素雰囲気、熱処理終了後は窒素雰囲気または水素雰囲気または減圧雰囲気；熱処理時は水素雰囲気、熱処理終了後は窒素雰囲気または水素雰囲気または減圧雰囲気；熱処理時は減圧雰囲気、熱処理終了後は窒素雰囲気または水素雰囲気または減圧雰囲気、とすることができる。

半導体基板を収容する容器を密封可能な構造とし、容器内を所望雰囲気に維持すればよい。無酸素雰囲気を維持できるのであれば、熱処理時および熱処理終了後に同一容器を用いてもよいし別容器を用いても構わない。

図２は、複数枚の半導体基板１を収容した容器２内に窒素ガス（水素ガス等でもよい）を封入した状態を示す。
容器２は、ＰＰ（ポリプロピレン）などで形成された密封容器であり、窒素ガス等が通流されるチャンバーとドッキングされ、容器２内の雰囲気が置換された後にＯリング等の手法でシールされる。

図３は、容器２をさらに給排気可能な容器３に入れ、容器３内に窒素ガス（水素ガスでもよい）Ｇを通流（封入でもよい）している状態を示す。このように窒素雰囲気を二重にするとＴａの酸化防止効果がより高い。

なお、半導体基板を収容する容器を給排気可能に構成し、容器内に常時に窒素ガス等を通流するか、あるいは容器内を真空排気するなどの手法で無酸素雰囲気を実現してもよい。

本発明の方法は、銅配線の剥離欠陥を防止できるので、高集積化、高機能化、高速化が進んだ半導体装置の製造に特に有用である。

本発明の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 本発明の半導体装置の製造方法における熱処理の工程を示す断面図 本発明の半導体装置の製造方法における熱処理の工程を示す他の断面図 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図

符号の説明

１０１：シリコン基板
１０２：絶縁膜
１０３：エッチングストッパ膜
１０４：層間絶縁膜
１０６：配線溝
１０７：バリア膜
１０８：Ｃｕスパッタ膜
１０９：Ｃｕメッキ膜
１１０：酸素拡散防止膜
１１１：ＳｉＮ膜

Claims (5)

1. 半導体基板上の絶縁膜に開口した配線溝の内面を覆うバリア膜を形成する第１の工程と、前記バリア膜上に銅膜を形成する第２の工程と、前記銅膜を熱処理する第３の工程と、前記第３の工程の後に基板面の前記配線溝外の銅膜を除去する第４の工程とを有し、前記第３の工程では、前記銅膜の熱処理を実質上酸素を含まない雰囲気中で行い、熱処理終了後も前記第４の工程の開始時まで前記銅膜を実質上酸素を含まない雰囲気中に保持することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 第３の工程における雰囲気中の酸素濃度は１００ｐｐｍ以下である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 熱処理時および熱処理終了後のそれぞれの雰囲気は、窒素雰囲気と水素雰囲気と減圧雰囲気との内の同一または異なる雰囲気である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 熱処理時および熱処理終了後に半導体基板を収容する容器を密封可能な構造とし、この容器内を実質上酸素を含まない雰囲気に維持する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 半導体基板を収容した容器を、この容器内と同一または異なる実質上酸素を含まない雰囲気中で保存する請求項４記載の半導体装置の製造方法。

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