JP2009158657A

JP2009158657A - 配線構造の製造方法および配線構造

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Publication number: JP2009158657A
Application number: JP2007333796A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ohashi; 直史大橋
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】高集積化された半導体装置において、配線層間の容量を低減し耐圧を向上させた配線構造を提供する。
【解決手段】配線構造の製造方法が、基板上に層間絶縁層を形成する工程と、層間絶縁層をエッチングしてトレンチを形成する工程であって、トレンチは、その側壁が平坦面と外方に傾斜したファセット面とを有するように形成される工程と、トレンチを埋めるように、層間絶縁層上に配線層を堆積する工程と、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層上の配線層を除去し、トレンチ内に配線層を残す工程と、トレンチのファセット面が無くなるまで層間絶縁層の膜厚を減じる第１エッチング工程と、トレンチの平坦面を含む平面より外方に飛び出した配線層を部分的に除去する第２エッチング工程と、配線層を覆うように拡散防止膜を形成する拡散防止膜形成工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、配線構造の製造方法および配線構造に関し、特に、配線層間の容量を低減し、耐圧を向上させた配線構造の製造方法および配線構造に関する。

半導体装置の微細化にともない配線層のピッチが小さくなり、隣接する配線間容量の増加に起因する信号応答速度の遅延が問題となっている。これに対して、テクノロジーノードが６５ｎｍ程度の微細構造では、隣接する配線間容量を低くするために、層間絶縁膜に例えばＳｉＯＣからなるポーラス低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜が用いられる。このような微細構造では、半導体素子を覆う絶縁膜上に、ＳｉＣからなるＣｕ拡散防止膜、ポーラスＳｉＯＣからなる低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）絶縁膜、ＳｉＣＯからなるキャップ膜（ｋは約３．５）からなる積層構造が形成される。続いて、積層構造にトレンチをエッチングで設け、その中にＴｉＮからなるバリアメタル層とＣｕからなる金属層が埋め込まれて配線層が形成される。
S.M.Jang et al., Prov. VLSI, pp.18 (2002)

金属層がＣｕからなる場合、Ｃｕ元素のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）が発生し、信頼性が低下する。このため、Ｃｕの金属層の上にＣｏやＷからなる拡散防止膜を形成していた。しかしながら、高集積度に伴い配線層の間隔が狭くなると、配線層間の容量の増加や配線層間の耐圧の低下が顕著になってきた。

これに対して発明者が検討したところ、トレンチのエッチング工程でトレンチの上端が拡がり（図２（ｃ）参照）、この結果、トレンチに埋め込んだ配線層の上端部が外方に延在し（図２（ｅ）参照）、隣接する配線層間の距離が設計寸法より小さくなり、配線層間の容量の増加や耐圧の低下の原因となっていることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、高集積化された半導体装置においても、配線層間の容量を低減し、耐圧を向上させた配線構造およびその製造方法の提供を目的とする。

本発明は、基板上に層間絶縁層を形成する工程と、層間絶縁層をエッチングしてトレンチを形成する工程であって、トレンチは、その側壁が平坦面と外方に傾斜したファセット面とを有するように形成される工程と、トレンチを埋めるように、層間絶縁層上に配線層を堆積する工程と、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層上の配線層を除去し、トレンチ内に配線層を残す工程と、トレンチのファセット面が無くなるまで層間絶縁層の膜厚を減じる第１エッチング工程と、トレンチの平坦面を含む平面より外方に飛び出した配線層を部分的に除去する第２エッチング工程と、配線層を覆うように拡散防止膜を形成する拡散防止膜形成工程とを含むことを特徴とする配線構造の製造方法である。

また、本発明は、基板上に形成された層間絶縁層と、層間絶縁層に形成されたトレンチと、層間絶縁層の表面より上部に突出した突出部を有するようにトレンチに埋め込まれた、銅を主成分とする配線層と、配線層を覆うように形成された拡散防止膜とを含み、配線層の突出部が、トレンチの側壁の平坦面を含む平面より内方にのみ設けられたことを特徴とする配線構造である。

本発明によれば、配線層間の容量を低減し、耐圧を向上させた配線構造の提供が可能となる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。半導体装置１００は、例えばトランジスタのような半導体素子１０を含む。半導体素子１０は、シリコン基板１を含み、シリコン基板１の上には、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２を介して、例えばアルミニウムからなるゲート電極３が設けられている。ゲート電極３の側壁には、例えば酸化シリコンからなるサイドウォール４が設けられている。また、シリコン基板１には、ゲート電極３を挟むようにソース／ドレイン領域５が設けられている。半導体素子１０の上は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１１で覆われている。

層間絶縁膜１１の上には、例えばＳｉＣからなる拡散防止膜１２が設けられている。拡散防止膜１２には、ＳｉＣの他にＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ等を用いることができ、誘電率ｋは約３．２〜８．０、膜厚は約２５ｎｍである。

拡散防止膜１２の上には、例えばポーラスＳｉＯＣからなる低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）絶縁膜（多孔質絶縁膜）１３が設けられている。低誘電率絶縁膜１３の誘電率は約２．７以下であり、膜厚は約１００〜１５０ｎｍである。ポーラスＳｉＯＣは、ＳｉＯＣ材料中に多数の気泡を形成し、誘電率を空気（ｋ＝１）に近づけるものであり、導入される気泡の量により誘電率が調整できる。低誘電率絶縁膜１３の上には、例えばＳｉＯ_２やＳｉＯＣからなるキャップ絶縁膜１４が設けられている。

拡散防止膜１２、低誘電率絶縁膜１３およびキャップ絶縁膜１４の中には、層間絶縁膜１１の表面が露出するようにトレンチ２０が設けられている。トレンチ２０の中には、例えばＴａからなるバリアメタル層２１と例えばＣｕからなる金属層２２が設けられている。バリアメタル層２１と金属層２２から、配線層２５が形成される。金属層２２には、Ｃｕ−Ａｌ合金のようなＣｕを主成分とする他の金属を用いても構わない。バリアメタル層２１には、Ｔａの他にＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ等を用いても構わない。
金属層２２の上端は、キャップ絶縁膜１４の表面より、例えば１０ｎｍ程度突出している。金属層２２の突出部は、トレンチ２０の側壁の平坦面を含む平面より内方にのみ設けられている。突出部は、側壁にファセット面１２２を有する順メサ形状であることが好ましい。

配線層２５を覆うように拡散防止膜３０が設けられている。拡散防止膜３０は、例えば、ＣｏやＷのような高融点金属材料からなる。

図１に示すように、半導体装置１００では、配線層２５の突出部は、トレンチ２０の側壁の平坦面を含む平面より内方に、順メサ形状となるように設けられている。このため、拡散防止膜３０は突出部に沿うように形成され、外方（図１では左右方向）に延びない。このため、高集積化された半導体装置１００においても、配線層間、特に隣接する拡散防止膜３０の間の距離を、トレンチ間の距離と同程に大きくできる。この結果、配線層間の容量を低減し、耐圧を向上させた配線構造を得ることができる。

次に、図２を参照しながら、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２中、図１と同一符号は同一又は相当箇所を示し、層間絶縁膜１１の下部に形成される半導体素子１０については省略してある。かかる製造方法は、以下の工程１〜８を含む。

工程１：図２（ａ）に示すように、半導体素子（図示せず）の上に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１１を、ＣＶＤ法を用いて堆積する。
続いて、例えばＳｉＣからなる拡散防止膜１２、ポーラスＳｉＯＣからなる低誘電率絶縁膜１３を順次形成する。拡散防止膜１２、低誘電率絶縁膜１３の形成には、例えばＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-CVD）法のようなＣＶＤ法が用いられる。
更に、低誘電率絶縁膜１３の上に、例えばＳｉＯ_２やＳｉＯＣからなるキャップ絶縁膜１４がＣＶＤ法で形成される。キャップ絶縁膜１４の上には、フォトレジスト等からなるエッチングマスク１５を形成する。

工程２：図２（ｂ）に示すように、エッチングマスク１５を用いて、キャップ絶縁膜１４、低誘電率絶縁膜１３、および拡散防止膜１２をエッチングし、トレンチ２０を形成する。エッチングは、例えばドライエッチングで行われ、低誘電率絶縁膜１３に比較してエッチング速度の遅い拡散防止膜１２が、エッチングストッパ層として働く。エッチングは、層間絶縁膜１１の表面が露出するまで行われる。図２（ｂ）に示すように、このエッチング工程では、エッチングマスク１５も若干エッチングされる。

工程３：図２（ｃ）に示すように、Ｈ_２／Ｈｅ混合ガスを用いたプラズマアッシングにより、エッチングマスク１５を除去する。かかるアッシング工程では低誘電率絶縁膜１３の表面はキャップ絶縁膜１４に覆われているため、低誘電率絶縁膜１３にはダメージが入らない。
上述のように、エッチングマスク１５がエッチングされた結果、キャップ絶縁膜１４は、トレンチ２０の上端において、外方に向かって傾斜したファセット面１１４を有するようになる。

工程４：図２（ｄ）に示すように、全面を覆うように、例えばＴｉからなるバリアメタル層２１を形成した後、例えばＣｕからなる金属層２２を、トレンチ２０を埋めるように形成する。バリアメタル層２１、金属層２２の形成には、スパッタ法や蒸着法が用いられる。金属層２２には、Ｃｕの他、Ｃｕ−Ａｌ合金のようなＣｕを主成分とする金属が用いられる。

工程５：図２（ｅ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて、バリアメタル層２１、金属層２２を上方から研磨除去し、トレンチ２０に埋め込まれるようにバリアメタル層２１、金属層２２を残す。バリアメタル層２１と金属層２２から、配線層２５が形成される。研磨除去工程は、低誘電率絶縁膜１３上にキャップ絶縁膜１４が残った状態で終了する。これにより研磨除去工程で低誘電率絶縁膜１３にダメージが入るのを防止できる。
キャップ絶縁膜１４がファセット面１１４を有するため、配線層２５は、トレンチ２０の上部で外方に拡がった形状となる。従来は、配線層２５の上部が外方に拡がった状態で、配線層２５上に拡散防止膜３０を形成していたため、隣接する配線層２５や、隣接する拡散防止膜３０の間隔が、隣接するトレンチ２０の間隔より狭くなり、容量の増加や耐圧の低下の原因となっていた。

工程６：図２（ｆ）に示すように、例えばＣＦ_４、ＣＣｌ_２Ｆ_２等のＣＦ系ガスを用いたドライエッチングにより、ファセット面１１４が無くなるまでキャップ絶縁膜１４を選択的に除去する。
この結果、配線層２５は、キャップ絶縁膜１４より上部に突出した形状となる。配線層２５の上部には、トレンチ２２の側壁を含む平面より外方に飛び出した突起部１２５が形成されている。

工程７：図２（ｇ）に示すように、例えばＡｒスパッタエッチングを全面に行うことにより、突起部１２５が優先的に除去される。この結果、キャップ絶縁膜１４より上部に突出した、配線層２５の突出部は、トレンチ２２の側壁を含む平面より内方のみに位置するようになる。好ましくは、図２（ｇ）に示すような、順メサ形状となる。突出部の高さは、例えば１０ｎｍ以上である。

なお、エッチングガスを調整することにより、キャップ絶縁膜１４のエッチング工程（工程６）と、突起部１２５の除去工程（工程７）とを一の工程で行っても構わない。これにより製造工程の簡略化が可能となる。

工程８：図２（ｈ）に示すように、例えば選択めっき法等を用いて、配線層２５の上面を覆うように拡散防止膜３０を形成する。拡散防止膜３０は、例えばＣｏやＷのような高融点金属からなる。

以上の工程により、図１に示すような、本実施の形態にかかる半導体装置１００が完成する。

本実施の形態では、層間絶縁層が、拡散防止膜１２、低誘電率絶縁膜１３、およびキャップ絶縁膜１４からなる場合について説明したが、層間絶縁層が、例えばＳｉＯ_２の一層構造である場合にも適用することができる。

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程の断面図である。

符号の説明

１シリコン基板、２ゲート絶縁膜、３ゲート電極、４サイドウォール、５ソース／ドレイン領域、１０半導体素子、１１層間絶縁膜、１２拡散防止膜、１３低誘電率絶縁膜、１４キャップ絶縁膜、１５エッチングマスク、２０トレンチ、２１バリアメタル層、２２金属層、２５配線層、３０拡散防止膜、１００半導体装置、１１４ファセット面、１２５突起部。

Claims

基板上に層間絶縁層を形成する工程と、
該層間絶縁層をエッチングしてトレンチを形成する工程であって、該トレンチは、その側壁が平坦面と外方に傾斜したファセット面とを有するように形成される工程と、
該トレンチを埋めるように、該層間絶縁層上に配線層を堆積する工程と、
ＣＭＰ法を用いて、該層間絶縁層上の該配線層を除去し、該トレンチ内に該配線層を残す工程と、
該トレンチの該ファセット面が無くなるまで該層間絶縁層の膜厚を減じる第１エッチング工程と、
該トレンチの該平坦面を含む平面より外方に飛び出した該配線層を部分的に除去する第２エッチング工程と、
該配線層を覆うように拡散防止膜を形成する拡散防止膜形成工程とを含むことを特徴とする配線構造の製造方法。
上記層間絶縁層は、上記基板上に順次積層される拡散防止膜、多孔質絶縁膜、およびキャップ絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記配線層が、上記トレンチの内壁を覆うように形成されたバリアメタル層と、その上に堆積された銅を主成分とする金属層からなることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記第１エッチング工程と上記第２エッチング工程が、同一工程で行われることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記第２エッチング工程が、スパッタエッチング工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記拡散防止膜形成工程が、上記配線層上に上記拡散防止膜を選択的に形成する選択めっき工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
基板上に形成された層間絶縁層と、
該層間絶縁層に形成されたトレンチと、
該層間絶縁層の表面より上部に突出した突出部を有するように該トレンチに埋め込まれた、銅を主成分とする配線層と、
該配線層を覆うように形成された拡散防止膜とを含み、
該配線層の突出部が、該トレンチの側壁の平坦面を含む平面より内方にのみ設けられたことを特徴とする配線構造。
上記配線層の突出部が、順メサ形状であることを特徴とする請求項７に記載の配線構造。
上記層間絶縁層は、上記基板上に順次積層される拡散防止膜、多孔質絶縁膜、およびキャップ絶縁膜を含むことを特徴とする請求項７に記載の配線構造。