JP2010040772A

JP2010040772A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2010040772A
Application number: JP2008202139A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Takada; 嘉久高田; Satoshi Kageyama; 聡蔭山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2010-02-18

Abstract

【課題】溝の側面上における合金膜の膜剥がれの発生を防止することができる、半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる第２絶縁層６に、第２溝１１が形成され、第２溝１１と第１溝３とが対向する部分にビアホール１２が貫通形成された後、スパッタ法により、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜１８が第２溝１１およびビアホール１２の側面および底面に被着される。そして、合金膜１８における第２溝１１の底面および第１配線５上に被着された部分が薄くされる。その後、合金膜１８上に、Ｃｕを主成分とする金属材料からなる第２配線１４が形成される。第２配線１４の形成後、熱処理により、第２配線と第２絶縁層６との間に、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成される。
【選択図】図２Ｄ

Description

本発明は、Ｃｕ（銅）を主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を有する半導体装置の製造方法に関する。

高集積化された半導体装置において、配線の材料として、Ａｌ（アルミニウム）よりも導電性の高いＣｕを採用したものがある。Ｃｕからなる配線は、Ｃｕがドライエッチングによる微細なパターニングが困難であることから、ダマシン法により、半導体基板上の絶縁膜（層間絶縁膜）に形成された微細な溝に埋設される。
絶縁膜の材料としては、通常、ＳｉＯ_２が採用される。ところが、Ｃｕは、ＳｉＯ_２への拡散性が高い。そのため、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜に形成された溝の内面とＣｕからなる配線とが直に接すると、Ｃｕが絶縁膜中に拡散し、これにより絶縁膜の絶縁耐圧が低下する。したがって、絶縁膜とＣｕからなる配線との間には、Ｃｕの絶縁膜への拡散を防止するためのバリア膜が必要となる。

バリア膜を形成する手法として、ＣｕＭｎ合金を用いた自己形成プロセスが知られている（たとえば、特許文献１参照）。この自己形成プロセスでは、配線の形成に先立ち、スパッタ法により、溝の内面を含む絶縁膜の表面上に、ＣｕとＭｎ（マンガン）との合金からなる合金膜が形成される。次いで、めっき法により、合金膜上に、Ｃｕからなるめっき層が形成される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜中のＭｎが絶縁膜中のＳｉ（シリコン）およびＯ（酸素）と結合し、めっき層と絶縁膜との間、つまり溝の内面上に、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数。以下、単に「ＭｎＳｉＯ」と記載する。）からなるバリア膜が形成される。
特開２００５−２７７３９０号公報

バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎは、Ｃｕからなるめっき層中に拡散する。Ｍｎのめっき層中への拡散量が多いと、そのめっき層を平坦化して形成されるＣｕ配線中にＭｎが残留し、配線の抵抗が増大する。そのため、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜は、バリア膜の形成に必要十分な厚さに形成されることが好ましい。
しかし、スパッタ法では、溝の底面と比べてその側面にＣｕＭｎ合金が付着しにくいため、溝の底面上における合金膜の厚さがバリア膜の形成に必要十分な厚さとなるように、合金膜が全体的に薄く形成されると、合金膜における溝の側面上に形成される部分が薄くなりすぎる。その結果、合金膜と溝の側面との密着性が低下し、溝の側面上で合金膜の膜剥がれが生じるおそれがある。膜剥がれが生じると、その部分に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が良好に形成されない。

そこで、本発明の目的は、溝の側面上における合金膜の膜剥がれの発生を防止することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる、半導体装置の製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、スパッタ法により、前記溝の側面および底面に、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜を被着させる合金膜被着工程と、前記合金膜における前記溝の底面に被着された部分を薄くする薄化工程と、前記薄化工程後、前記溝内に、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程と、熱処理により、前記Ｃｕ配線と前記絶縁層との間に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成するバリア膜形成工程とを含む、半導体装置の製造方法である。

この方法によれば、まず、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる層間絶縁膜に、溝が形成される。次に、スパッタ法により、溝の側面および底面に、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜が被着される。次いで、合金膜における溝の底面に被着された部分が薄くされる。その後、合金膜上に、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線が形成される。Ｃｕ配線の形成後、熱処理により、Ｃｕ配線と層間絶縁膜との間に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。

溝の側面上における合金膜の厚さが膜剥がれを生じない厚さとなるように、合金膜を形成することにより、溝の側面上での合金膜の膜剥がれを防止することができる。そして、溝の側面上における合金膜の厚さが確保されながら、合金膜における溝の底面に被着された部分が薄くされることにより、バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減させることができる。その結果、Ｃｕ配線中に残留するＭｎの量を低減させることができる。よって、溝の側面上における合金膜の膜剥がれの発生を防止することができながら、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。

請求項２に記載のように、前記薄化工程では、逆スパッタ法が用いられることが好ましい。さらに、前記配線形成工程は、スパッタ法により、前記薄化工程後の前記合金膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とを含むことが好ましい。
逆スパッタ法は、スパッタ法と同一のスパッタリング装置で実施することができる。そのため、薄化工程で逆スパッタ法が用いられることにより、合金膜被着工程と薄化工程とを同一のスパッタリング装置で連続して行うことができる。さらに、スパッタ法により、合金膜上にシード膜が形成される場合には、合金膜被着工程および薄化工程に加えて、そのシード膜を形成する工程を同一のスパッタリング装置で連続して行うことができる。そのため、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
半導体装置１は、半導体基板（図示せず）上に、Ｃｕを配線材料として用いた多層配線構造を有している。
半導体基板は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板からなる。半導体基板の表層部には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの機能素子が作り込まれている。

半導体基板上には、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる第１絶縁層２が積層されている。
第１絶縁層２の表層部には、所定の配線パターンに対応した微細な第１溝３が形成されている。第１溝３の内面（側面および底面）には、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成されている。そして、第１溝３内には、第１バリア膜４を介して、Ｃｕを主成分とする金属材料からなる第１配線５が埋設されている。

第１絶縁層２上には、第２絶縁層６が積層されている。第２絶縁層６は、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０を、第１絶縁層２側からこの順に積層した構造を有している。
拡散防止膜７は、たとえば、ＳｉＣ（炭化シリコン）およびＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）を積層した構造を有している。第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、たとえば、ＳｉＯ_２からなる。エッチングストッパ膜９は、たとえば、ＳｉＣからなる。

第２絶縁層６の表層部には、所定の配線パターンに対応した第２溝１１が形成されている。また、第２絶縁層６には、第１配線５と第２溝１１とが対向する部分に、ビアホール１２が貫通して形成されている。
第２溝１１およびビアホール１２の内面には、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成されている。そして、第２溝１１およびビアホール１２内には、第２バリア膜１３を介して、それぞれＣｕを主成分とする金属材料からなる第２配線１４およびビア１５が埋設されている。第２配線１４およびビア１５は、一体をなしている。

図２Ａ〜２Ｇは、半導体装置の製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図２Ａに示すように、第１バリア膜４および第１配線５が埋設された第１絶縁層２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、拡散防止膜７、第１層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および第２層間絶縁膜１０がこの順に積層される。これにより、第１絶縁層２上に、第２絶縁層６が形成される。

その後、図２Ｂに示すように、、第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。具体的には、まず、第２絶縁層６上に、ビアホール１２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８がドライエッチングされる。このとき、適当なタイミングで反応ガス（エッチャント）を切り換えることにより、第２層間絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および第１層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。次に、第２絶縁層６上からマスクが除去された後、第２絶縁層６上に、第２溝１１が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有する新たなマスク（図示せず）が形成される。そして、そのマスクを介して、第２層間絶縁膜１０がドライエッチングされる。その後、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９の露出した部分が除去されることにより、第２溝１１およびビアホール１２が形成される。

次いで、図２Ｃに示すように、スパッタ法により、第２溝１１およびビアホール１２の内面を含む第２絶縁層６の表面全域、ならびに第１配線５におけるビアホール１２を介して露出する部分に、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜１８が被着される。この合金膜１８は、第２溝１１およびビアホール１２の側面にＣｕＭｎ合金が付着しにくいことを考慮して、第２溝１１およびビアホール１２の側面上における合金膜１８の厚さが膜剥がれを生じない厚さとなるように形成される。これにより、合金膜１８は、第２溝１１およびビアホール１２の側面上で膜剥がれを生じない十分な厚さを有し、第１配線５、第２溝１１の底面および第２層間絶縁膜１０上でその厚さよりも大きな厚さを有している。

その後、図２Ｄに示すように、逆スパッタ法により、合金膜１８における第１配線５、第２溝１１の底面および第２層間絶縁膜１０上に形成された部分が薄くされる。具体的には、合金膜１８に対して、ほぼ鉛直方向（第２絶縁層６の積層方向に沿う方向）からガス粒子（たとえば、アルゴンガス粒子）を衝突させることにより、その第１配線５、第２溝１１の底面および第２層間絶縁膜１０上に形成された部分が一様に薄くされる。

その後、図２Ｅに示すように、スパッタ法により、合金膜１８の表面全域を被覆するように、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜１９が形成される。
次いで、図２Ｆに示すように、めっき法により、シード膜１９上に、Ｃｕからなるめっき層２０が形成される。このめっき層２０は、ビアホール１２および第２溝１１を埋め尽くす厚さに形成される。

その後、熱処理によって、合金膜１８中のＭｎが第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと結合する。その結果、図２Ｇに示すように、第２溝１１およびビアホール１２の各内面上に、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成される。このとき、合金膜１８中のＭｎの一部は、めっき層２０中を移動し、めっき層２０の表面に析出する。なお、第２バリア膜１３の形成に伴って、合金膜１８は、めっき層２０と実質的に一体となる。

次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、めっき層２０および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、めっき層２０および第２バリア膜１３における第２溝１１外に形成されている不要部分がすべて除去されて、第２絶縁層６（第２層間絶縁膜１０）が露出し、その第２絶縁層６の露出した表面と第２溝１１内のめっき層２０の表面とが面一になるまで続けられる。これにより、図１に示す半導体装置１が得られる。

このように、第２溝１１およびビアホール１２の側面上における合金膜１８の厚さが膜剥がれを生じない厚さとなるように、合金膜１８が形成されることにより、第２溝１１の側面上での合金膜１８の膜剥がれを防止することができる。そして、第２溝１１の側面上における合金膜１８の厚さが確保されながら、合金膜１８における第１配線５、第２溝１１の底面および第２層間絶縁膜１０上に形成された部分が薄くされることにより、第２バリア膜１３の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減させることができる。その結果、第２配線１４中に残留するＭｎの量を低減させることができる。よって、第２溝１１の側面上における合金膜１８の膜剥がれの発生を防止することができながら、第２配線１４中のＭｎの残留量を低減することができる。

スパッタ法および逆スパッタ法は、同一のスパッタリング装置で実施することができるので、合金膜１８における第１配線５、第２溝１１の底面および第２層間絶縁膜１０上に形成された部分を薄くするために逆スパッタ法が用いられることにより、同一のスパッタリング装置において、合金膜１８を形成する工程に連続して、その合金膜１８の部分的な薄化の工程を行うことができる。さらに、薄化の工程に連続して、シード膜１９を形成する工程を行うことができる。したがって、半導体製造装置の構成を簡素化することができ、また、それらの工程間での半導体ウエハ（前記絶縁層が形成されたウエハ状態の半導体基板）の搬送が不要であるので、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。

なお、第１バリア膜４および第１配線５の形成手法については、その説明を省略したが、第１バリア膜４および第１配線５は、第２バリア膜１３および第２配線１４の形成手法と同様な手法で形成することができる。すなわち、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第１絶縁層２にその表面から掘り下がった形状の第１溝３が形成された後、スパッタ法により、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜が第１溝３の側面および底面に被着される。そして、逆スパッタ法により、合金膜における第１溝３の底面に被着された部分が薄くされた後、スパッタ法により、合金膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜が形成される。その後、めっき法により、シード膜上にＣｕからなるめっき層が形成される。そして、熱処理の後、ＣＭＰ法により、そのめっき層の不要部分（第１溝３外の部分）が除去される。これにより、第１溝３内に、第１バリア膜４および第１配線５が得られる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、拡散防止膜７は、ＳｉＣおよびＳｉＣＮを積層した構造を有しているとした。しかし、拡散防止膜７は、Ｃｕの拡散に対するバリア性を有していればよく、たとえば、ＳｉＣのみからなる構造であってもよい。

また、第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０は、ＳｉＯ_２からなるとした。しかし第１層間絶縁膜８および第２層間絶縁膜１０の材料は、ＳｉおよびＯを含む絶縁性材料であればよく、その材料として、ＳｉＯ_２以外に、たとえば、ＳｉＯＣ（炭素が添加された酸化シリコン）、またはＳｉＯＦ（フッ素が添加された酸化シリコン）などを例示することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。図２Ａは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。図２Ｄは、図２Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。図２Ｅは、図２Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。図２Ｆは、図２Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。図２Ｇは、図２Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１半導体装置
２第１絶縁層（絶縁層）
３第１溝（溝）
４第１バリア膜（バリア膜）
５第１配線（Ｃｕ配線）
６第２絶縁層（絶縁層）
１１第２溝（溝）
１３第２バリア膜（バリア膜）
１４第２配線（Ｃｕ配線）
１８合金膜
１９シード膜

Claims

ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる絶縁層に溝を形成する溝形成工程と、
スパッタ法により、前記溝の側面および底面に、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜を被着させる合金膜被着工程と、
前記合金膜における前記溝の底面に被着された部分を薄くする薄化工程と、
前記薄化工程後、前記溝内に、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ配線を形成する配線形成工程と、
熱処理により、前記Ｃｕ配線と前記絶縁層との間に、Ｍｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜を形成するバリア膜形成工程とを含む、半導体装置の製造方法。
前記薄化工程では、逆スパッタ法が用いられ、
前記配線形成工程は、
スパッタ法により、前記薄化工程後の前記合金膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるシード膜を形成する工程と、
めっき法により、前記シード膜上にＣｕからなるめっき層を形成する工程とを含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。