JP2010050359A

JP2010050359A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2010050359A
Application number: JP2008214626A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kageyama; 聡蔭山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-04

Abstract

【課題】バリア膜を良好に形成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。
【解決手段】ＳｉおよびＯを含む第２絶縁層６に、第２溝１１およびビアホール１２が形成された後、Ｍｎからなる金属膜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。次いで、金属膜１８中のＭｎと第２絶縁層６中のＳｉおよびＯとを結合させるための熱処理が行われる。この熱処理の結果、第２溝１１およびビアホール１２の内面上に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。
【選択図】図２Ｃ

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、ＣｕとＭｎ（マンガン）との合金（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、ＣｕＭｎ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、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、バリア膜を良好に形成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、その表面から掘り下がった形状の溝を形成する溝形成工程と、前記溝の側面および底面に、Ｍｎからなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、前記金属膜被着工程後、熱処理により、前記溝の側面および底面の全域に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜を形成するバリア膜形成工程と、前記バリア膜上に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を含む絶縁性材料からなる絶縁層に、溝が形成される。次に、溝の内面（溝が凹状に形成される場合、その溝の側面および底面）に、Ｍｎからなる金属膜が被着される。次いで、金属膜中のＭｎと絶縁層中のＳｉおよびＯとを結合させるための熱処理が行われる。この熱処理の結果、溝の内面上に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。その後、バリア膜上に、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。

Ｍｎは、ＣｕＭｎ合金と比較して、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料に対する密着性が高い。そのため、Ｍｎからなる金属膜は、所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な程度の小さい厚さに形成されても、溝の側面からの膜剥がれを生じにくい。したがって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成することができる。
そして、金属膜をそのような小さい厚さ（所望する厚さのバリア膜の形成に必要十分な厚さ）に形成することにより、バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減することができる。これにより、バリア膜上に形成されるＣｕ配線中のＭｎの残留量を低減することができる。

よって、溝の内面上にバリア膜を良好に形成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。
ＭｎＳｉＯからなるバリア膜の形成方法として、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜を溝の内面に被着させた後、熱処理により、合金膜中のＭｎと絶縁層中のＳｉおよびＯとを結合させて、溝の内面上にバリア膜を形成する方法が考えられる。また、Ｍｎからなる金属膜を溝の内面に被着させ、この金属膜上にＣｕからなる薄膜（たとえば、Ｃｕのめっき成長に利用されるシード膜）を形成した後、熱処理により、溝の内面上にバリア膜を形成する方法が考えられる。

しかしながら、それらの方法では、熱処理時に、バリア膜上でＣｕが球状に凝集してしまう。めっき法によりＣｕ配線を形成する場合、バリア膜上でＣｕが球状に凝集していると、バリア膜上にＣｕが良好にめっき成長しない。
これに対して、請求項１に記載の方法では、バリア膜の形成時にＭｎからなる金属膜の膜上および膜中にＣｕが存在しないので、バリア膜上でＣｕが球状に凝集することがない。そのため、バリア膜上にＣｕを良好にめっき成長させることができる。

請求項２に記載のように、前記配線形成工程に、スパッタ法により、前記バリア膜上に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、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が含まれてもよい。バリア膜上に球状に凝集したＣｕが存在しないので、バリア膜上にシード膜を良好に形成することができ、そのシード膜上にめっき層を良好に形成することができる。

ただし、めっき層は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき法によりＣｕ配線が形成される場合には、請求項３に記載のように、前記配線形成工程は、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含むことが好ましい。これにより、めっき層の結晶構造が均一化（結晶化）されるので、そのめっき層からなるＣｕ配線の比抵抗を低減することができる。

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、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、ＳｉＯ_２からなる。
エッチングストッパ膜９は、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、Ｍｎからなる金属膜１８が被着される。この金属膜１８は、所望する厚さの第２バリア膜１３（図１参照）の形成に必要十分な程度厚さ（たとえば、１〜１０ｎｍ）に形成される。

その後、第２バリア膜１３を形成するための熱処理が行われる。この熱処理は、たとえば、２５０〜３５０℃の温度下で、２０〜６０分間にわたって行われる。熱処理により、金属膜１８と第２絶縁層６との界面で、金属膜１８中のＭｎが第２絶縁層６中のＳｉおよびＯと結合する。この結果、図２Ｄ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。金属膜１８は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失する。

次いで、図２Ｅに示すように、スパッタ法により、第２バリア膜１３の表面全域および第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。シード膜１９は、たとえば、４０〜１００ｎｍの厚さに形成される。
その後、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。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。

めっき層２０は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。そこで、めっき成長後には、めっき層２０を結晶化（結晶構造の均一化）するための熱処理が行われる。
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。

Ｍｎからなる金属膜１８は、ＳｉＯ_２からなる第２層間絶縁膜１０に対する密着性が比較的高い。そのため、金属膜１８が所望する厚さの第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の小さい厚さに形成されても、第２溝１１の側面からの（第２層間絶縁膜１０に対する）金属膜１８の膜剥がれが生じにくい。したがって、第２溝１１の内面上に第２バリア膜１３を良好に形成することができる。

そして、金属膜１８が所望する厚さの第２バリア膜１３の形成に必要かつ十分な程度の小さい厚さに形成されることにより、第２バリア膜１３の形成に寄与しない余分なＭｎの量を低減することができる。その結果、第２溝１１およびビアホール１２に第２バリア膜１３を介してそれぞれ埋設される第２配線１４およびビア１５中のＭｎの残留量を低減することができる。

よって、第２溝１１の内面上に第２バリア膜１３を良好に形成することができながら、第２配線１４およびビア１５中のＭｎの残留量を低減することができる。
また、第２バリア膜１３の形成時に金属膜１８の膜状および膜中にＣｕが存在しないので、第２バリア膜１３上でＣｕが球状に凝集することがない。そのため、第２バリア膜１３上にＣｕを良好にめっき成長させることができる。

ただし、そのめっき成長により形成されるめっき層２０は、めっき成長したままの状態では、その結晶構造が均一でなく、比抵抗が高い。めっき層２０の形成後に、めっき層２０の結晶化のための熱処理が行われることにより、めっき層２０の結晶構造を均一化することができ、めっき層２０（第２配線１４）の比抵抗を低減することができる。
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、Ｍｎからなる金属膜が第１溝３の側面および底面に被着される。次いで、熱処理により、第１溝３の側面および底面上に、ＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４が形成される。その後、第１バリア膜４上に、めっき法により、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるシード膜およびＣｕからなるめっき層が順に形成される。そして、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）および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金属膜
１９シード膜
２０めっき層

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、
前記溝の内面にＭｎからなる金属膜を被着させる金属膜被着工程と、
前記金属膜被着工程後、熱処理により、前記溝の内面上に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、
前記バリア膜上に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を含む、半導体装置の製造方法。
前記配線形成工程は、
スパッタ法により、前記バリア膜上に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、
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。
前記配線形成工程は、熱処理により、前記めっき層を結晶化させる結晶化工程を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。