JP2010080607A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を減らすことができる、半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】合金膜１８上に、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層４１が積層される。犠牲層４１の積層後、熱処理が行われる。第２絶縁層６および犠牲層４１にＳｉおよびＯが含まれるので、熱処理が行われると、第２絶縁層６と合金膜１８との界面および合金膜１８と犠牲層４１との界面において、Ｓｉ、ＯおよびＭｎが結合し、それぞれＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３および反応生成膜４２が形成される。合金膜１８に含まれるＭｎが反応生成膜４２の形成に使用されることにより、第２バリア膜１３の形成後、その第２バリア膜１３の形成に寄与せずに合金膜１８に残留するＭｎの量が減少する。そのため、合金膜１８上に積層されるＣｕ層２０に拡散するＭｎの量が減少する。よって、Ｃｕ層２０からなる第２Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を減らすことができる。
【選択図】図２Ｅ

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、Ｃｕを材料に採用した配線（Ｃｕ配線）は、ダマシン法により、半導体基板上の絶縁層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（酸化シリコン）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、ＣｕおよびＭｎを含む合金材料（以下、単に「ＣｕＭｎ合金」という。）を用いた自己形成プロセスが知られている。この自己形成プロセスでは、スパッタ法により、溝の内面を含む絶縁層の表面上に、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を主成分とする金属材料からなるＣｕ層が積層される。その後、熱処理が行われることにより、合金膜に含まれるＭｎが絶縁層に含まれる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」という。）からなるバリア膜が形成される。

そして、バリア膜の形成後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、Ｃｕ層の表面が溝外の絶縁層の表面と面一になるまで研磨される。これにより、溝にバリア膜を介して埋設されたＣｕ配線が得られる。
特開２００５−２７７３９０号公報

ＣｕＭｎ合金は、ＳｉＯ_２に対する密着性が高くない。そこで、溝の内面に対する合金膜の密着性を確保し、溝の側面上での合金膜の膜剥がれを防止するため、合金膜は、バリア膜の形成に必要な最小限の厚さよりも大きい厚さに形成される。また、ＣｕＭｎ合金は、Ｍｎ濃度が低いほどＳｉＯ_２に対する密着性が低下するので、合金膜の材料には、Ｍｎ濃度がある程度高いＣｕＭｎ合金が用いられる。そのため、合金膜には、Ｍｎが過剰に含まれる。

バリア膜の形成（ＳｉおよびＯとの反応）に寄与しない余剰なＭｎは、Ｃｕ層中に拡散する。ＭｎのＣｕ層中への拡散量が多いと、Ｃｕ配線中にＭｎが残留し、Ｃｕ配線の抵抗が増大する。純Ｃｕの比抵抗は、約１．９〜２．０μΩ・ｃｍであるのに対し、たとえば、原子数で１％（ａｔ％）のＭｎを含むＣｕの比抵抗は、約５〜６μΩ・ｃｍである。幅６０〜７０ｎｍの微細なＣｕ配線では、比抵抗の微少な増大であっても、配線抵抗の大幅な増大を招く。

本発明の目的は、Ｃｕ配線中のＭｎの残留量を減らすことができる、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工程と、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工程と、前記合金膜上にＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層を積層する工程と、前記犠牲層の積層後に、熱処理を行い、前記絶縁層と前記合金膜との界面および前記合金膜と前記犠牲層との界面にそれぞれＭｎＳｉＯからなるバリア膜および反応生成膜を形成する工程と、ウエットエッチングにより、前記合金膜上から前記犠牲層および前記反応生成膜を除去する工程と、前記犠牲層および前記反応生成膜の除去後に、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層を積層する工程とを含む、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、溝の内面（側面および底面）に、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜が被着される。その後、合金膜上に、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層が積層される。犠牲層の積層後、熱処理が行われる。絶縁層および犠牲層にＳｉおよびＯが含まれるので、熱処理が行われると、絶縁層と合金膜との界面および合金膜と犠牲層との界面において、Ｓｉ、ＯおよびＭｎが結合し、それぞれＭｎＳｉＯからなるバリア膜および反応生成膜が形成される。そして、ウエットエッチングにより、犠牲層および反応生成膜が除去された後、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。この後、たとえば、Ｃｕ層の表面が溝外の絶縁層の表面と面一になるように、溝外からＣｕ層が除去されることにより、溝にバリア膜を介して埋設されたＣｕ配線が得られる。

合金膜に含まれるＭｎが反応生成膜の形成に使用されることにより、バリア膜の形成に寄与せずに合金膜に残留するＭｎの量が減少する。その結果、合金膜上に積層されるＣｕ層に拡散するＭｎの量が減少する。よって、Ｃｕ層からなるＣｕ配線中のＭｎの残留量を減らすことができる。
請求項２に記載のように、前記犠牲層は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：プラズマ化学気相成長）法により形成されることが好ましい。この場合、犠牲層がＣｕ層上に積層される過程で、Ｃｕ層および積層途中の犠牲層に高熱（約４００℃）が加えられるので、Ｃｕ層と犠牲層との界面に反応生成膜を生成させるための熱処理（犠牲層の積層後の熱処理）を不要とすることができる。その結果、半導体装置の製造工程を簡素化することができる。

請求項３に記載のように、前記合金膜の被着後に、前記犠牲層を積層する工程、前記熱処理を行う工程ならびに前記犠牲層および前記反応生成膜を除去する工程がこの順に複数回繰り返されてもよい。これらの工程を複数回繰り返すことにより、回数を重ねるごとに、合金膜に含まれるＭｎの量が減少する。よって、Ｃｕ層に拡散するＭｎの量を確実に減らすことができ、ひいてはＣｕ配線中のＭｎの残留量を確実に減らすことができる。

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製造方法により製造される半導体装置の模式的な断面図である。
半導体装置１は、図示しない半導体基板を備えている。半導体基板には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの素子が作り込まれている。半導体基板上には、ＳｉＯ_２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、第１溝３が所定のパターンで形成されている。第１溝３は、第１絶縁層２の上面から掘り下がった凹状をなしている。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１Ｃｕ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、層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および絶縁膜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／またはＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）からなる。

層間絶縁膜８および絶縁膜１０は、たとえば、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料である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、第２溝１１が形成されている。第２溝１１は、絶縁膜１０の上面から層間絶縁膜８の上面まで掘り下がった凹状をなしている。第２溝１１の側面は、絶縁膜１０およびエッチングストッパ膜９により形成され、第２溝１１の底面は、層間絶縁膜８の上面により形成されている。

また、第２溝１１は、平面視で第１Ｃｕ配線５（第１溝３）と交差する部分を有するパターンに形成されている。そして、その平面視で第１Ｃｕ配線５と第２溝１１とが交差する部分において、第１Ｃｕ配線５と第２溝１１との間には、拡散防止膜７および層間絶縁膜８を貫通するビアホール１２が形成されている。
第２溝１１およびビアホール１２の内面（第２溝１１の側面および底面ならびにビアホール１２の側面）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２Ｃｕ配線１４およびビア１５が埋設されている。第２Ｃｕ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製造方法を工程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１Ｃｕ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、層間絶縁膜８、エッチングストッパ膜９および絶縁膜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、ドライエッチングにより、絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および層間絶縁膜８におけるマスクから露出する部分（開口に臨む部分）が順に除去される。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、絶縁膜１０、エッチングストッパ膜９および層間絶縁膜８が連続的にエッチングされる。その後、第２絶縁層６上からマスクが除去される。次に、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、ドライエッチングにより、絶縁膜１０におけるマスクから露出する部分（開口に臨む部分）が除去される。その後、第２絶縁層６上からマスクが除去される。そして、拡散防止膜７およびエッチングストッパ膜９における露出している部分が除去される。これにより、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の内面および第２絶縁層６（絶縁膜１０）の上面全域に、ＣｕＭｎ合金からなる合金膜１８が被着される。
その後、図２Ｄに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、合金膜１８の表面全域を被覆するように、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料であるＳｉＯ_２からなる犠牲層４１が積層される。

犠牲層４１の積層後、熱処理が行われる。第２絶縁層６および合金膜１８に高熱が加えられることににより、第２絶縁層６と合金膜１８との界面において、第２絶縁層６に含まれるＳｉおよびＯと合金膜１８に含まれるＭｎとが結合する。その結果、図２Ｅに示すように、第２絶縁層６と合金膜１８との界面に、ＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３が形成される。

また、合金膜１８および犠牲層４１に高熱が加えられることにより、合金膜１８と犠牲層４１との界面において、合金膜１８に含まれるＭｎと犠牲層４１に含まれるＳｉおよびＯとが結合する。その結果、図２Ｅに示すように、合金膜１８と犠牲層４１との界面に、ＭｎＳｉＯからなる反応生成膜４２が形成される。
次いで、図２Ｆに示すように、ウエットエッチングにより、犠牲層４１および反応生成膜４２が除去される。具体的には、まず、ＨＦ（フッ酸）により、反応生成膜４２上から犠牲層４１が除去されれる。次に、ＨＣｌ（塩酸）により、反応生成膜４２を構成するＭｎ酸化物が除去される。また、ＨＣＯＯＨ（蟻酸）などの有機酸により、反応生成膜４２を構成するＣｕ酸化物が除去される。

その後、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（図示せず）が形成される。そして、図２Ｇに示すように、めっき法により、シード膜上に、Ｃｕを主成分とする金属材料のＣｕ層２０が積層される。Ｃｕ層２０は、第２溝１１およびビアホール１２を埋め尽くす厚さに形成される。つづいて、熱処理が行われる。この熱処理により、合金膜１８に含まれるＭｎがＣｕ層２０中に拡散し、その一部がＣｕ層２０の表面上に出現する。その結果、合金膜１８は、消失する。また、熱処理により、Ｃｕ層２０の結晶構造が均一化され、Ｃｕ層２０（第２Ｃｕ配線１４）の比抵抗が低減する。

熱処理後、ＣＭＰ法により、Ｃｕ層２０および第２バリア膜１３が研磨される。この研磨は、Ｃｕ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（絶縁膜１０）の上面が露出し、その第２絶縁層６の上面とＣｕ層２０の上面とが面一になるまで続けられる。これにより、第２溝１１に埋設された第２Ｃｕ配線１４が形成され、図１に示す半導体装置１が得られる。

以上のように、合金膜１８上に、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層４１が積層される。犠牲層４１の積層後、熱処理が行われる。第２絶縁層６および犠牲層４１にＳｉおよびＯが含まれるので、熱処理が行われると、第２絶縁層６と合金膜１８との界面および合金膜１８と犠牲層４１との界面において、Ｓｉ、ＯおよびＭｎが結合し、それぞれＭｎＳｉＯからなる第２バリア膜１３および反応生成膜４２が形成される。合金膜１８に含まれるＭｎが反応生成膜４２の形成に使用されることにより、第２バリア膜１３の形成に寄与せずに合金膜１８に残留するＭｎの量が減少する。その結果、合金膜１８上に積層されるＣｕ層２０に拡散するＭｎの量が減少する。よって、Ｃｕ層２０からなる第２Ｃｕ配線１４中のＭｎの残留量を減らすことができる。

なお、犠牲層４１は、ＰＥＣＶＤ法以外の方法により形成されてもよい。その場合、犠牲層４１が合金膜１８上に積層された後に、第２バリア膜１３および反応生成膜４２を形成するための熱処理を行えばよい。ただし、ＰＥＣＶＤ法が採用される場合、犠牲層４１が合金膜１８上に積層される過程で、合金膜１８および積層途中の犠牲層４１などに高熱（約４００℃）が加えられるので、その犠牲層４１の積層後に第２バリア膜１３および反応生成膜４２を形成するための熱処理が不要である。したがって、ＰＥＣＶＤ法以外の方法により犠牲層４１が形成される場合と比較して、半導体装置１の製造工程を簡素化することができる。

また、犠牲層４１および反応生成膜４２の除去後に、合金膜１８上にＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層が新たに形成され、その犠牲層と合金膜１８との界面にＭｎＳｉＯからなる反応生成膜を形成するための熱処理が追加して行われてもよい。すなわち、合金膜１８の形成後に、犠牲層を積層する工程（図２Ｄに示す工程）、熱処理を行う工程（図２Ｅに示す工程）ならびに犠牲層および反応生成膜を除去する工程（図２Ｆに示す工程）がこの順に複数回繰り返されてもよい。これらの工程を複数回繰り返すことにより、回数を重ねるごとに、合金膜１８に含まれるＭｎの量が減少する。よって、Ｃｕ層２０に拡散するＭｎの量を確実に減らすことができ、ひいては第２Ｃｕ配線１４中のＭｎの残留量を確実に減らすことができる。

第１バリア膜４および第１Ｃｕ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１Ｃｕ配線５は、第２バリア膜１３および第２Ｃｕ配線１４の形成方法と同様な方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、ＣｕＭｎ合金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。次いで、合金膜上に、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層が形成され、この犠牲層の形成後に、熱処理が行われる。熱処理により、第１絶縁層２と合金膜との界面および合金膜と犠牲層との界面に、それぞれＭｎＳｉＯからなる第１バリア膜４および反応生成膜が形成される。そして、犠牲層および反応生成膜が除去された後、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層が順に形成される。そして、Ｃｕ層の表面が第１溝３外の第１絶縁層２の表面と面一になるように、第１溝３外からＣｕ層および第１バリア膜４が除去されることにより、第１溝３に第１バリア膜４を介して埋設された第１Ｃｕ配線５が得られる。

層間絶縁膜８および絶縁膜１０の材料は、ＳｉおよびＯを含む絶縁材料であればよく、ＳｉＯ_２以外に、たとえば、ＳｉＯＣ（炭素が添加された酸化シリコン）、ＳｉＯＦ（フッ素が添加された酸化シリコン）、ＳｉＯＮ（窒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１Ｃｕ配線５および第２Ｃｕ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。

本発明は、他の形態で実施することもでき、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製造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
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２Ｃｕ配線（Ｃｕ配線）
１８ 合金膜
２０ Ｃｕ層
４１ 犠牲層
４２ 反応生成膜

Claims (3)

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工程と、
   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工程と、
   前記合金膜上にＳｉおよびＯを含む絶縁材料からなる犠牲層を積層する工程と、
   前記犠牲層の積層後に、熱処理を行い、前記絶縁層と前記合金膜との界面および前記合金膜と前記犠牲層との界面にそれぞれＭｎ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ：零よりも大きい数）からなるバリア膜および反応生成膜を形成する工程と、
   ウエットエッチングにより、前記合金膜上から前記犠牲層および前記反応生成膜を除去する工程と、
   前記犠牲層および前記反応生成膜の除去後に、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層を積層する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
2. 前記犠牲層は、プラズマ化学気相成長法により積層される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記合金膜の被着後に、前記犠牲層を積層する工程、前記熱処理を行う工程ならびに前記犠牲層および前記反応生成膜を除去する工程がこの順に複数回繰り返される、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。

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