JP2008244034A - Ｃｕ配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ない工程数で効率良く、高品質のＣｕ配線を形成する方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＯ₂膜６に開口部８を形成し、脱ガス処理してからＣｕの拡散を防止するためのＴｉＮからなる拡散バリア用下地膜９をスパッタ法で形成し、Ｃｕ膜１０をスパッタ法で形成し、リセスエッチングした後に全面にＴｉＮからなるキャップ膜１１をスパッタ法で形成するＣｕ配線形成方法において、脱ガス処理からキャップ膜１１の形成まで、一貫して基板１を大気に晒さずに行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置におけるＣｕ配線の形成方法に関する。

近年、半導体集積回路などの半導体デバイスの高集積化、高性能化に伴い、配線材料として従来のＡｌに代えてＣｕが用いられるようになってきた。ＣｕはＡｌに比較して低抵抗であり、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションに対する耐性に優れているという利点がある。しかしながら、ＣｕはＡｌと異なり、エッチング加工が困難であることから、半導体基板の主面全面に成膜してから配線形状にパターニングするという手法がとりにくい。そのため、配線材料としてＣｕを用いる場合には、予め配線を形成すべき箇所に対応する開口部を絶縁膜に形成し、該溝に配線材料であるＣｕを埋め込むダマシンプロセスが採用されている。

特許文献１には、上記ダマシンプロセスの一例が開示されている。係るプロセスにおいては、Ｃｕ配線となる開口部を有する絶縁膜上に、拡散バリア用下地膜を形成し、次いで電極となるＣｕ膜を形成し、アニーリング処理を施した後に該Ｃｕ膜を電極としてメッキ法により開口部を埋め込んでＣｕ配線を形成している。

図２に、従来のダマシンプロセスによるＣｕ配線の形成工程を断面模式図で示す。当該プロセスは、Ｓｉ等半導体基板１上にダマシンプロセスによってＣｕからなる下配線４を形成した上に、さらにＣｕからなる上配線と該上配線と下配線４とを電気的に接続する接続配線であるビアを同時に形成するデュアルダマシンプロセスの一例である。図中、１はＳｉ等半導体基板、２はＳｉＯ₂膜、３は拡散防止用バリア層、５はＳｉＮ_x膜である。ＳｉＮ_x膜５は、下配線４を形成する際にＳｉＯ₂膜に開口部を形成するために用いたエッチストップ膜である。

図２において、先ず、図２（ａ）に示す半導体基板１上にＳｉＯ₂膜６を形成し、該ＳｉＯ₂膜にＳｉＮ_x膜７をエッチストップ膜として成膜する。次いで、上配線と該上配線と下配線４とを接続するビアに相当する開口部（ビアホール、コンタクト、トレンチ）８を形成する〔図２（ｂ）〕。次に、ＳｉＯ₂膜６，ＳｉＮ_x膜７表面にＣｕの拡散バリア用の下地膜９を形成する〔図２（ｃ）〕。さらに、該下地膜９の表面にＣｕからなるシード膜２１をＣＶＤ法によって形成し、アニーリング処理を施す〔図２（ｄ）〕。該Ｃｕ膜２１を電極としてメッキ法によりＣｕ膜２２を形成し、アニーリング処理を施す〔図２（ｅ）〕。表面の余分のＣｕ膜２２をＣＭＰ（化学機械研磨）法により除去し〔図２（ｆ）〕、表面にＣｕのキャップ膜２３を形成する〔図２（ｇ）〕。

特開２００２−２１７２０２号公報

しかしながら、メッキ法によりＣｕ配線を形成する場合、電極となるシード膜を形成する必要があり、さらに、Ｃｕ膜形成後に密着性を高めるためのアニーリング処理が必要となるため、工程数が多く、煩雑であった。

本発明の課題は、より少ない工程数で効率良く、高品質のＣｕ配線を形成する方法を提供することにある。

本発明は、絶縁膜で開口部が形成された半導体基板の表面全体に脱ガス処理を施す工程と、
上記半導体基板表面全体にスパッタ法により拡散バリア用下地膜を形成する工程と、
上記拡散バリア用下地膜の上にスパッタ法によりＣｕ膜を形成する工程と、
上記開口部内に拡散バリア用下地膜とＣｕ膜を残し、該開口部が溝となるようにリセスエッチングにより絶縁膜上の拡散バリア用下地膜とＣｕ膜とを一部除去する工程と、
基板表面全体にスパッタ法によりキャップ膜を形成する工程と、
を有し、
上記脱ガス処理工程から、キャップ膜を形成する工程までを、一貫して上記半導体基板を大気に晒さずに行うことを特徴とするＣｕ配線の形成方法である。

本発明においては、拡散バリア用下地膜を形成する工程から、キャップ膜を形成する工程まで、大気に晒さずに一貫して行うため、本発明によるＣｕ配線は、表面が密着性の高いＴｉＮ等のキャップ層で覆われた状態で大気に晒される。よって、係るＣｕ配線が形成工程中に大気の影響を受けず、配線遅延などの問題を引き起こさない信頼性の高いＣｕ配線が得られる。

さらに、本発明においては拡散バリア用下地膜、Ｃｕ膜及びキャップ膜とを順次スパッタ法で形成するため、互いに密着性がよく、また、エレクトロマイグレーション耐性に優れたＣｕ配線が得られる。また、Ｃｕ膜をスパッタ法により成膜するため、メッキ法に必要なシード膜の形成工程やメッキ法により形成されたＣｕ膜のアニーリング処理が不要であり、より少ない工程数でＣｕ配線を形成することができる。

よって、本発明によれば、高品質のＣｕ配線を効率良く形成することができる。

図１に、本発明のＣｕ配線の形成工程の一実施形態を断面模式図で示す。本例は、先に説明した図２の従来例と同様に、Ｃｕからなる上配線と該上配線と下配線とを電気的に接続する接続配線であるビア等を同時に形成するデュアルダマシンプロセスに本発明を適用した例である。

また、図３に、本発明のＣｕ配線の形成工程に好ましく用いられるマルチチャンバ方式の装置の概略構成図を示す。

具体的には、搬送ロボット（基板搬送機構）３８を内蔵したセパレーションチャンバ（トランスファーチャンバ）３９が中央に設けられている。セパレーションチャンバ３９の周囲には４つのプロセスチャンバ、即ち加熱チャンバ３１、ＴｉＮスパッタチャンバ３２、Ｃｕスパッタチャンバ３３、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ３４を配している。さらに、セパレーションチャンバ３９の周囲には、２つのロード／アンロード・ロックモジュール３５，３６が付設されている。各チャンバ等には、ゲートバルブ３７が設けられている。

尚、ここで「モジュール」とは、装置・機械・システムを構成する部分で、機能的にまとまった部分を意味する。従って、前記４つのプロセスチャンバ３１，３２，３３，３４も当然、モジュールとして構成されており、これらのプロセスが実施される場所を指す用語としてチャンバが使用される。

セパレーションチャンバ３９の内部に設けられた搬送ロボット３８は、そのハンドで基板１を各チャンバ等に搬入、または、各チャンバ等から搬出する。上記装置において、カセット（図示せず）にセットされた１枚の基板１は、図面左側のロード／アンロード・ロック・モジュール３５から搬送ロボット３８によってセパレーションチャンバ３９内に搬送される。

加熱チャンバ３１、ＴｉＮスパッタチャンバ３２、Ｃｕスパッタチャンバ３３、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ３４のそれぞれのチャンバで所定のプロセスが行われる。図１（ｂ）に示したように、ＳｉＯ₂膜で開口部が設けられた基板１に、加熱して脱ガス処理を行った後、拡散バリア用下地膜としてＴｉＮ膜９がスパッタ法で成膜され、この上に、同じくスパッタ法によってＣｕ膜が形成される。次いで、このＣｕ膜１０及びＴｉＮ膜９をエッチングする工程が行われた後に、再度ＴｉＮ膜をキャップ膜１１としてスパッタ法により形成する。これらの一連の処理が施された基板１は、搬送ロボット３８によってロード／アンロード・ロックモジュール３６に戻されて搬送される。上記構成において、プロセスチャンバについてもう少し詳細に述べる。

加熱チャンバ３１、ＴｉＮスパッタチャンバ３２、Ｃｕスパッタチャンバ３３、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ３４は、それぞれの真空排気機構３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａを備えている。各プロセスチャンバは、その真空排気機構３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａによって内部を適宜、減圧状態、即ち所望の真空状態に保持される。真空排気機構３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａの動作はコントローラ３０によって制御される。

加熱チャンバ３１、ＴｉＮスパッタチャンバ３２、Ｃｕスパッタチャンバ３３、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ３４の各プロセスチャンバは、搬送ロボット３８により各プロセスチャンバ内に搬送される基板１を配置できる基板支持機構（図示せず）を具備する。係る基板支持機構の上で各工程のプロセスが進行し、しかも、基板１を所定の温度に加熱できる基板加熱機構（図示せず）も設置されている。

加熱チャンバ３１で使用されるガス（主にＡｒが使用されるが、Ｎ₂、Ｈ₂も使用可能）は、主にＭＦＣ（マスフローコントローラ）と配管より構成されるガス供給系（図示せず）により、加熱チャンバ３１内へ導入される。尚、その他のチャンバで使用されるプロセスガスの流量制御も上記コントローラ３０によって行われる。

本発明に係るＣｕ配線の形成方法は、前述のように、基板１が、加熱チャンバ３１、ＴｉＮスパッタチャンバ３２、Ｃｕスパッタチャンバ３３、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ３４、ＴｉＮスパッタチャンバ３２の順に搬送される。そして加熱チャンバ３１で脱ガス処理を行った後、拡散バリア用のＴｉＮ膜９が成膜され、Ｃｕ膜１０が成膜され、次にＣｕ膜１０及びＴｉＮ膜９をエッチング処理し、最後にＴｉＮスパッタチャンバ３２でキャップ膜１１を形成する。本発明はこのような順序で各工程を行うことを特徴とし、しかも各工程は真空中で行われている。

以下、図３に示した装置を用いて行われるこれらの各工程のプロセス条件の一例を、図１を用いて更に詳細に説明する。

本例では、Ｓｉ等からなる半導体基板１上にダマシンプロセスによってＣｕからなる下配線４が形成されている〔図１（ａ）〕。図中、２は層間絶縁膜であるＳｉＯ₂膜、３は拡散防止用バリア層、５はＳｉＮ_x膜である。ＳｉＮ_x膜５は、下配線４を形成する際にＳｉＯ₂膜に開口部を形成するために用いたエッチストップ膜である。

本発明においては、先ず、半導体基板１上に絶縁膜としてＳｉＯ₂膜６を形成し、該ＳｉＯ₂膜上にＳｉＮ_x膜７を形成する。次いで、ＳｉＮ_x膜７をエッチストップ膜として、上配線と該上配線と下配線４とを接続する接続配線であるビアに相当する開口部（ビアホール等）８を形成する〔図１（ｂ）〕。ＳｉＯ₂膜やＳｉＮ_x膜はいずれもプラズマＣＶＤ法などにより形成される。本発明に係る絶縁膜としては、ＳｉＯ₂膜に限定されるものではなく、有機低誘電率膜を用いることができる。

図１（ｂ）の状態で、加熱チャンバ（図３の３１）で基板加熱による脱ガス処理を施す。係る工程は、加熱チャンバで真空中またはＡｒ雰囲気中で、３００℃以上に加熱することにより、表面の吸着物と共に下配線４表面の酸化層を除去することができる。また、必要に応じてＨ₂ガスを導入することにより、係る処理速度を大幅に向上させることができる。

次に、半導体基板表面全体にスパッタ法によりＣｕの絶縁膜への拡散を防止するためのバリア用下地膜９をＴｉＮスパッタチャンバ（図３の３２）で形成する〔図１（ｃ）〕。本例では、半導体基板１上のＳｉＯ₂膜６上にＳｉＮ_x膜７が形成されているため、ＳｉＮ_x膜７の表面と、ビアホール８内に露出したＳｉＯ₂膜６表面に拡散バリア用下地膜９が積層される。拡散バリア用下地膜９としては、ＳｉＯ₂膜６及びＳｉＮ_x膜７との密着性の高いＴｉＮが好ましく用いられ、膜厚としては１００ｎｍ程度が好ましい。

拡散バリア用下地膜９に積層するように、Ｃｕスパッタチャンバ（図３の３３）でＣｕ膜１０を成膜し、開口部８を埋め込む〔図１（ｄ）〕。

次いで、Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ（図３の３４）で開口部内に拡散バリア用下地膜９とＣｕ膜１０とを残し、ＳｉＮ_x膜７上の拡散バリア用下地膜９とＣｕ膜１０とを除去して、開口部８に溝を形成する（リセスエッチング）〔図１（ｅ）〕。この時、ＳｉＮ_x膜７がエッチングストップ膜として機能する。

リセスエッチングは、先ず、半導体基板１を４００℃程度に加熱し、化学気相エッチングによりＣｕ膜１０をエッチングする。具体的には、Ｃｕ膜１０表面を金属化合物に酸化させる工程と、当該金属化合物を錯化してＣｕのβ−ジケトンを配位子とする金属錯体を形成する工程と、当該錯体を昇華させる工程とからなる。エッチングガスとしてはヘキサフルオロアセトンを用い、Ｃｕを金属化合物に変化させる工程としては、酸素を用いた酸化工程、塩素ガスを用いた塩化工程、ハロゲン系ガスを用いたハロゲン化工程のいずれかを用いることができる。

さらに、拡散バリア用下地膜９に対しては、上記化学気相エッチング用のガスを遮断し、プラズマを生成してＣＦ₄等のフッ素系ガスをエッチングガスとして用いてエッチングを行う。

Ｃｕ膜１０，拡散バリア用下地膜９のいずれのエッチングにおいても、開口部８内はＳｉＮ_x膜７の表面よりも例えば２０ｎｍ下方までエッチングを行う。

最後に基板１全面にＴｉＮスパッタチャンバ（図３の３２）でキャップ膜１１を形成する〔図１（ｆ）〕。係るキャップ膜１１としては拡散バリア用下地膜９と同じＴｉＮが好ましく用いられ、膜厚は１０ｎｍ程度である。

本発明においては、例えば、図３のようなマルチチャンバ方式の装置を使用することにより、上記脱ガス処理工程から、キャップ膜１１の形成工程までを、一貫して基板１を大気に晒すことなく行うことに特徴を有する。これにより、Ｃｕ膜１０はキャップ膜１１で完全に覆われた状態で大気に晒されることになるため、大気の影響をほとんど受ける恐れがない。特に、キャップ膜１１がＴｉＮ膜である場合には、Ｃｕ膜１０及びＳｉＮ_x膜７との密着性が高く、大気の影響を防止する効果が高い。

拡散バリア用下地膜９で保護された基板１には、大気中でフォトレジストを塗布し、開口部８に対応したパターン形状にパターニングして、２００ｎｍ厚のレジスト１２を形成する〔図１（ｇ）〕。次いで、該レジスト１２をマスクとしてプラズマを用いたドライエッチングにより、開口部８にキャップ膜１１を残存させて蓋をするように、開口部８の周囲のキャップ膜１１を除去する〔図１（ｈ）〕。係るエッチングにはプラズマとＣＦ₄ガスが用いられる。

本例は、本発明をデュアルダマシンプロセスに適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シングルダマシンプロセスにも好ましく用いられる。

本発明によるＣｕ配線は、拡散バリア用下地膜９を成膜した開口部８内に形成されているため、該Ｃｕ配線から周囲の絶縁膜へのＣｕの拡散が防止される。また、該Ｃｕ配線はスパッタ法で形成されるため、メッキ法や気相成長法によるＣｕ配線に比べてエレクトロマイグレーション耐性に優れ、ＴｉＮ膜等拡散バリア用下地膜９やキャップ膜１１との密着性も高い。

本発明のＣｕ配線の形成工程を示す断面模式図である。 従来のＣｕ配線の形成工程を示す断面模式図である。 本発明に用いられるマルチチャンバ方式の装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２，５，６，７ 絶縁膜
３，９ 拡散バリア用下地膜
４ 下配線
８ ビアホール
１０，２２ Ｃｕ膜
１１，２２ キャップ膜
１２ レジスト
２１ シード膜
３０ コントローラ
３１ 加熱チャンバ
３２ ＴｉＮスパッタチャンバ
３３ Ｃｕスパッタチャンバ
３４ Ｃｕ／ＴｉＮエッチングチャンバ
３５，３６ ロード／アンロード・ロックモジュール
３７ ゲートバルブ
３８ 搬送ロボット
３９ セパレーションチャンバ
３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ 真空排気機構

Claims (1)

1. 絶縁膜で開口部が形成された半導体基板の表面全体に脱ガス処理を施す工程と、
   上記半導体基板表面全体にスパッタ法により拡散バリア用下地膜を形成する工程と、
   上記拡散バリア用下地膜の上にスパッタ法によりＣｕ膜を形成する工程と、
   上記開口部内に拡散バリア用下地膜とＣｕ膜を残し、該開口部が溝となるようにリセスエッチングにより絶縁膜上の拡散バリア用下地膜とＣｕ膜とを一部除去する工程と、
   基板表面全体にスパッタ法によりキャップ膜を形成する工程と、
   を有し、
   上記脱ガス処理工程から、キャップ膜を形成する工程までを、一貫して上記半導体基板を大気に晒さずに行うことを特徴とするＣｕ配線の形成方法。

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