JP2010050360A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溝を埋め尽くすように形成されるＣｕ層中のＭｎの残留量の増加を生じることなく、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が形成される。次に、スパッタ法により、第２溝１１の内面に、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の内面に接する部分のＭｎ濃度が相対的に高く、その表層部分のＭｎ濃度が相対的に低くなるように形成される。次いで、合金膜１８上に、Ｃｕ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２Ｃ

Description

本発明は、Ｃｕ（銅）を主成分とする金属材料からなるＣｕ層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層（層間絶縁膜）に形成された微細な溝に埋設される。
絶縁層の材料としては、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からなる絶縁層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が絶縁層中に拡散し、これにより絶縁層の絶縁耐圧が低下する。したがって、絶縁層とＣｕからなる配線との間には、Ｃｕの絶縁層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、ＣｕＭｎ合金をターゲットとして用いるスパッタ(スパッタリング）法により、溝の内面を含む絶縁層の表面上に、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溝を埋め尽くすように形成される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜中のＭｎが絶縁層中のＳｉ（シリコン）およびＯ（酸素）と結合し、めっき層と絶縁層との間、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。

一方、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ような厚さとなるように、合金膜が形成されると、その合金膜における溝の底面上に形成される部分が必要以上の厚さになる。その結果、合金膜に含まれるＭｎの量が過剰となり、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量の増加による配線抵抗の増加の問題を招く。
そこで、本発明の目的は、溝を埋め尽くすように形成されるＣｕ層中のＭｎの残留量の増加を生じることなく、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、前記溝の内面に接する部分のＭｎ濃度が相対的に高く、表層部分のＭｎ濃度が相対的に低くなるように、前記溝の内面に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、前記溝が埋め尽くされるように、前記合金膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、熱処理により、前記Ｃｕ層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絶縁層に、溝が形成される。次に、スパッタ法により、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、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。この合金膜は、溝の内面に接する部分のＭｎ濃度が相対的に高く、その表層部分のＭｎ濃度が相対的に低くなるように形成される。次いで、合金膜上に、Ｃｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ層が溝を埋め尽くすように形成される。Ｃｕ層の形成後、熱処理により、Ｃｕ層と絶縁層との間に、ＭｎＳｉＯからなるバリア膜が形成される。

ＣｕおよびＭｎを含む合金材料（以下、この項において「ＣｕＭｎ合金」という。）は、Ｍｎ濃度が高いほど、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、溝の内面に接する部分のＭｎ濃度が高い合金膜は、溝の側面上での厚さが小さくても、溝の側面に対する密着性が高い。したがって、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、合金膜における溝の内面に接する部分のＭｎ濃度が高い分、合金膜における表層部分のＭｎ濃度が低いので、一様なＭｎ濃度を有するＣｕＭｎ合金からなる膜をその合金膜と同じ厚さに形成した場合と比較して、合金膜全体に含まれるＭｎの量は同一または低減する。したがって、バリア膜の形成に寄与しない余分なＭｎの量の増加を防止することができ、Ｃｕ層中のＭｎの残留量の増加を防止することができる。よって、Ｃｕ層中のＭｎの残留量の増加を生じることなく、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。

Ｃｕ層形成工程は、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んでもよい。
合金膜は、たとえば、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットを用いた２元スパッタ法により形成することができる。具体的には、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットに同時にイオン化された希ガス元素（たとえば、アルゴンガス）を衝突させることにより、ＣｕおよびＭｎからなる膜を成膜することができる。このとき、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットに対する希ガス元素の衝突エネルギーをそれぞれ変化させることにより、合金膜に含まれるＭｎ濃度を表面側ほど低くなるように連続的に変化させることができる。

また、合金膜は、Ｍｎ濃度が互いに異なる複数のＣｕＭｎ合金ターゲットを用いたスパッタ法により形成されてもよい。具体的には、Ｍｎ濃度の高いＣｕＭｎ合金ターゲットから順にスパッタリングに用いて、各ＣｕＭｎ合金ターゲットにイオン化された希ガス元素を衝突させることにより、Ｍｎ濃度が互いに異なる複数のＣｕＭｎからなる膜を順に成膜することができる。この方法により合金膜が形成される場合、合金膜に含まれるＭｎ濃度は表面側ほど低くなるように段階的に変化する。

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、本発明に係る方法により製造され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、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における各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、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットを用いた２元スパッタ法により、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、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜１８が被着される。
具体的には、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットに同時にイオン化された希ガス元素（たとえば、アルゴンガス）を衝突させることにより、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上に、ＣｕおよびＭｎからなる膜が成膜される。このとき、成膜が進むにつれて、Ｃｕターゲットに対する希ガス元素の衝突エネルギーが増加され、Ｍｎターゲットに対する希ガス元素の衝突エネルギーが減少される。

これにより、図３に示すようなＭｎ濃度のプロファイルを有する合金膜１８が形成される。すなわち、合金膜１８のＭｎ濃度は、第２絶縁層６（第２溝１１の内面およびビアホール１２の側面）に接する部分が最も高く（たとえば、１０ａｔ％）、表層側ほど（表面に近づくにつれて）減少し、最表層部分が最も低く（たとえば、１ａｔ％）なっている。
その後、図２Ｄ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２Ｅ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２Ｆ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。合金膜１８は、第２バリア膜１３の形成に伴って消失する。

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、第２配線１４が形成され、図１に示す半導体装置１が得られる。

ＣｕおよびＭｎを含む合金材料は、Ｍｎ濃度が高いほど、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、第２溝１１の内面に接する部分のＭｎ濃度が高い合金膜１８は、第２溝１１の側面上での厚さが小さくても、第２溝１１の側面に対する密着性が高い。したがって、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、合金膜１８における第２溝１１の内面に接する部分のＭｎ濃度が高い分、合金膜１８における表層部分のＭｎ濃度が低いので、一様なＭｎ濃度を有するＣｕおよびＭｎを含む合金からなる膜をその合金膜１８と同じ厚さに形成した場合と比較して、合金膜１８の全体に含まれるＭｎの量は同一または低減する。したがって、第２バリア膜１３の形成に寄与しない余分なＭｎの量の増加を防止することができ、シード膜１９およびめっき層２０中のＭｎの残留量の増加を防止することができる。よって、シード膜１９およびめっき層２０（第２配線１４）中のＭｎの残留量の増加を生じることなく、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。この合金膜は、第１溝３の内面に接する部分のＭｎ濃度が最も高く、表層側ほど（表面に近づくにつれて）減少し、最表層部分のＭｎ濃度が最も低くなるように形成される。次いで、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。

図４は、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットを用いた２元スパッタ法とは別の方法により形成される合金膜の構造を示す模式的な断面図である。
合金膜１８は、ＣｕターゲットおよびＭｎターゲットを用いた２元スパッタ法以外に、たとえば、Ｍｎ濃度が互いに異なる複数のＣｕＭｎ合金ターゲットを用いたスパッタ法により形成することもできる。具体的には、Ｍｎ濃度の高いＣｕＭｎ合金ターゲットから順にスパッタリングに用いて、各ＣｕＭｎ合金ターゲットにイオン化された希ガス元素を衝突させることにより、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上に、Ｍｎ濃度が互いに異なる複数のＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる膜を順に成膜することができる。

この方法により形成される合金膜１８は、Ｍｎ濃度が表面側ほど低くなるように段階的に変化する。たとえば、２種類のＣｕＭｎ合金ターゲットを用いた場合、図４に示すように、合金膜１８は、第２溝１１の内面側にＭｎ濃度が相対的に高い高濃度層３０と、その高濃度層２０上にＭｎ濃度が相対的に低い低濃度層３１とを有する。
たとえば、高濃度層３０が１０ａｔ％のＭｎ濃度および３０ｎｍの厚さを有し、低濃度層３１が１ａｔ％のＭｎ濃度および６０ｎｍの厚さを有する場合、合金膜１８の全体に含まれるＭｎの量は、４ａｔ％の一様なＭｎ濃度を有するＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる膜を９０ｎｍの厚さ（合金膜１８と同じ厚さ）に形成した場合と同じである。

よって、シード膜１９およびめっき層２０（第２配線１４）中のＭｎの残留量の増加を生じることなく、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る。
合金膜１８は、Ｍｎ濃度の異なるＣｕおよびＭｎを含む合金材料からなる合金膜が、第２絶縁層６側からＭｎ濃度の高い順に３層以上積層された構造であってもよい。

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、が、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。
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。

また、本発明がＣｕを主成分とする金属材料からなる第１配線５および第２配線１４を有する半導体装置の製造方法に適用された場合を例にとったが、本発明は、ＳｉおよびＯを含む絶縁層にＣｕを主成分とする金属材料からなる電極を有するキャパシタの製造方法に適用することもできる。
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、本発明に係る方法により製造され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、本発明の一実施形態に係る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２Ｃに示す工程で形成される合金膜のＭｎ濃度のプロファイルを示すグラフである。 Ｍｎ濃度が互いに異なる複数のＣｕＭｎ合金ターゲットを用いたスパッタ法により形成される合金膜の構造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層）
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層）
１８ 合金膜
１９ シード膜（Ｃｕ層）
２０ めっき層（Ｃｕ層）

Claims (1)

1. 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、前記溝の内面に接する部分のＭｎ濃度が相対的に高く、表層部分のＭｎ濃度が相対的に低くなるように、前記溝の内面に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、
   前記溝が埋め尽くされるように、前記合金膜上にＣｕを主成分とする金属材料からなるＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
   熱処理により、前記Ｃｕ層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。

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