JP2010135432A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁膜の凹部内に形成された配線のバリアメタル膜の絶縁膜からの剥がれを防ぐ。
【解決手段】半導体装置１００は、基板（不図示）上に形成され、太幅配線溝１０６が表面に形成された層間絶縁膜１０４と、層間絶縁膜１０４の太幅配線溝１０６を埋め込んで形成され、バリアメタル膜１１０および銅膜１１６により構成された太幅配線１２０とを含む。太幅配線溝１０６の底面には、角部に選択的に凹凸１１４が形成され、凹凸１１４上にバリアメタル膜１１０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

近年における半導体装置の高集積化への要請から、配線、プラグ、パッド等の材料として、抵抗が低い銅が広く用いられるようになってきた。銅配線は、絶縁膜中に配線溝を形成し、当該配線溝内にバリアメタル膜を形成し、その上に銅膜を形成して配線溝を埋め込むことにより、形成される。しかし、バリアメタル膜が絶縁膜から剥がれたりすることにより、組み立て耐性が悪くなるという問題があった。

特許文献１（特開２００２−２１７１９５号公報）には、絶縁膜の表面に異なる幅を有する複数の溝が形成されており、各溝がバリアメタルと銅膜とからなる配線で埋め込まれた構成が記載されている。複数の溝のうち、幅が広い方の溝の底部には、たとえば複数の溝からなる凹凸が設けられている。これにより、広い溝と細い溝とのめっき時の析出速度の差を小さくすることができるとされている。
特開２００２−２１７１９５号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、広い溝と細い溝とのめっき時の析出速度の差を小さくすることを目的としており、広い溝の底部全面に凹凸が形成されている一方、溝の角部には凹凸が形成されておらず、バリアメタル膜が絶縁膜から剥がれたりすることにより、組み立て耐性が悪くなるという問題を解決するという点では、依然として問題があった。

本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成され、第１の凹部が表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の第１の凹部を埋め込んで形成され、バリアメタル膜および銅膜により構成された第１の配線と、
を含み、
前記第１の凹部の底面には、角部に選択的に凹凸が形成され、当該凹凸上に前記バリアメタル膜が形成された半導体装置が提供される。

本発明によれば、
基板上に形成された絶縁膜の表面に形成された第１の凹部に第１の配線を形成する工程を含み、
前記第１の配線を形成する工程は、
スパッタリング法により、前記第１の凹部内にバリアメタル膜を形成する第１の工程と、
エッチングにより、前記第１の凹部の底面の角部の前記バリアメタル膜および前記絶縁膜を削り、前記第１の凹部の底面の角部に凹凸を形成する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、スパッタリング法により、前記第１の凹部内にバリアメタル膜を形成する第３の工程と、
前記第３の工程の後に、前記第１の凹部を埋め込むように銅を主成分として含む銅膜を形成する第４の工程と、
を含み、
前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回行い、前記第１の凹部の底面の前記角部に選択的に前記凹凸を形成し、その後に前記第３の工程を行い、前記凹凸上に前記バリアメタル膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明者の検討によれば、バリアメタル膜は、配線溝等の凹部の底面の角部で絶縁膜から剥がれやすいことが明らかになった。本発明の構成によれば、凹部の底面の角部に凹凸が選択的に形成される。そのため、凹部内に形成されるバリアメタル膜が、凹部内に食い込み、絶縁膜とバリアメタル膜との密着面積が大きくなり、これらの間の密着性を向上させることができる。これにより、絶縁膜の凹部内に形成された配線のバリアメタル膜の絶縁膜からの剥がれを防ぐことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、絶縁膜の凹部内に形成された配線のバリアメタル膜の絶縁膜からの剥がれを防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を示す断面図である。
半導体装置１００は、シリコン基板等の半導体基板である基板（不図示）と、基板上に形成され、太幅配線溝１０６（第１の凹部）および細幅配線溝１０８（第２の凹部）が表面に形成された層間絶縁膜１０４（絶縁膜）と、層間絶縁膜１０４の太幅配線溝１０６を埋め込んで形成された太幅配線１２０（第１の配線）と、層間絶縁膜１０４の細幅配線溝１０８を埋め込んで形成された細幅配線１２２（第２の配線）とを含む。また、図示していないが、基板上には、トランジスタ等が形成されている。基板と層間絶縁膜１０４との間には、他の絶縁膜が形成されていてもよい。

太幅配線１２０および細幅配線１２２は、バリアメタル膜１１０および銅膜１１６により構成される。バリアメタル膜１１０は、たとえばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含む。好ましいバリアメタル膜１１０としては、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ等が例示される。バリアメタル膜１１０としては、たとえばＴａＮおよびＴａの積層構造等を用いることもできる。銅膜１１６は、銅を主成分として含むとともに銅とは異なる不純物金属を含んでもよい。

本実施の形態において、太幅配線溝１０６は、たとえばアスペクト比が１以下とすることができる。太幅配線溝１０６の配線幅は、たとえば２７０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下程度とすることができる。半導体装置１００には、各層内のメタルの量を均一にして、強度を高めたり、上下の層との密着性を良好にするために、ダミー配線を設けた構成とすることができる。このようなダミー配線は、横方向および縦方向の幅が均一な太幅配線とすることができる。本実施の形態において、太幅配線１２０は、ダミー配線を含む構成とすることができ、ダミー配線の幅以上の配線幅を有する配線を太幅配線１２０とすることができる。一方、細幅配線１２２は、たとえばアスペクト比が３以上とすることができる。細幅配線溝１０８の配線幅は、たとえば９０ｎｍ程度とすることができる。

本実施の形態において、太幅配線溝１０６の底面には、角部に選択的に凹凸１１４が形成されている。ここで、凹凸１１４は、太幅配線溝１０６の底面の角部において、層間絶縁膜１０４中に食い込むように形成されている。このような構成により、太幅配線溝１０６内に形成されたバリアメタル膜１１０が、凹凸１１４の凹部に食い込み、層間絶縁膜１０４とバリアメタル膜１１０との密着面積が大きくなり、これらの間の密着性を向上させることができる。なお、凹凸１１４は、バリアメタル膜１１０の上面にも凹凸が反映される程度に大きく形成された構成とすることができる。これにより、バリアメタル膜１１０と銅膜１１６との間の密着性も向上させることができる。

また、本実施の形態において、太幅配線溝１０６の底面の中央部は、略平坦に形成された構成とすることができる。このような構成により、太幅配線溝１０６の中央部では、バリアメタル膜１１０も略平坦に形成される。これにより、バリアメタル膜１１０上にめっき法で銅膜１１６を形成する際の銅膜１１６の面方位を均一にすることができる。たとえば、上記特許文献１に記載された技術では、広い溝の底部全面に凹凸が形成されている。そのため、広い溝内に銅膜をめっき法で形成する際に、溝底面の凹凸の影響を受け、めっき膜の面方位が不均一になり、ＳＩＶ（stress-induced voiding）耐性が悪化するおそれがある。本実施の形態におれる半導体装置１００によれば、太幅配線溝１０６の底面の角部に選択的に凹凸１１４が形成されるので、バリアメタル膜１１０と層間絶縁膜１０４との密着性を良好にできるとともに、ＳＩＶ耐性も良好にすることができる。

また、細幅配線溝１０８の底面の角部は、太幅配線溝１０６の底面の角部に比べて平坦に形成された構成とすることができる。細幅配線溝１０８の底面は、全体にわたって平坦な構成とすることができる。これにより、細幅配線１２２における抵抗ばらつきを低減することができる。細幅配線１２２においては、幅が狭いため、太幅配線１２０程バリアメタル膜１１０と層間絶縁膜１０４との間の剥がれは問題とならない。一方、細幅配線１２２では、少しの寸法の変化により、抵抗ばらつきが生じやすくなる。また、後述するように、細幅配線１２２を形成する際に、めっき法により配線溝内にめっき銅膜を形成する際、配線溝が狭くかつ底面の角部に凹凸があると、めっき銅膜を良好に埋め込めないおそれもある。本実施の形態において、太幅配線溝１０６においては、底面の角部に凹凸１１４が形成されるとともに、細幅配線溝１０８の底面は平坦に形成されるため、太幅配線１２０における剥がれの問題を解決できるとともに、細幅配線１２２の抵抗ばらつきを抑えることができる。

層間絶縁膜１０４は、たとえば比誘電率がｋ＝３．０以下の低誘電率膜とすることができる。層間絶縁膜１０４としては、たとえば、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリオルガノシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ(spin on glass)、ＦＯＸ(flowable oxide)、パリレン、サイトップ、またはベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene：ＢＣＢ）等の低誘電率材料を用いることができる。

次に、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順を説明する。図２から図４は、半導体装置１００の製造手順を示す工程断面図である。
本実施の形態において、半導体装置１００の製造方法は、基板上に形成された層間絶縁膜１０４の表面に形成された太幅配線溝１０６に太幅配線１２０を形成する工程を含む。
太幅配線１２０（第１の配線）を形成する工程は、
スパッタリング法により、太幅配線溝１０６（第１の凹部）内にバリアメタル膜１１０を形成する第１の工程と、
エッチングにより、太幅配線溝１０６の底面の角部のバリアメタル膜１１０および層間絶縁膜１０４を削り、太幅配線溝１０６の底面の角部に凹凸を形成する第２の工程と、
第２の工程の後に、スパッタリング法により、太幅配線溝１０６内にバリアメタル膜１１０を形成する第３の工程と、
第３の工程の後に、太幅配線溝１０６を埋め込むように銅を主成分として含む銅膜１１６を形成する第４の工程と、を含む。ここで、第１の工程と第２の工程とを複数回行い、太幅配線溝１０６の底面の角部に選択的に凹凸１１４を形成し、その後に第３の工程を行い、凹凸１１４上の凹凸１１４表面にバリアメタル膜１１０を形成する工程を含む。

また、太幅配線溝１０６に太幅配線１２０を形成する工程において、層間絶縁膜１０４の表面の太幅配線溝１０６と同層に形成され、太幅配線溝１０６よりも幅が狭い細幅配線溝１０８（第２の凹部）に細幅配線１２２（第２の配線）も形成する。ここで、第３の工程において、太幅配線溝１０６の底面の角部のバリアメタル膜１１０および層間絶縁膜１０４の方が、細幅配線溝１０８の底面の角部のバリアメタル膜１１０および層間絶縁膜１０４よりも多く削られ、細幅配線溝１０８の底面の角部は、太幅配線溝１０６の底面の角部に比べて平坦に形成される。

以下、具体的に説明する。
まず、層間絶縁膜１０４に太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８を形成する（図２（ａ））。

つづいて、層間絶縁膜１０４上全面にスパッタリング法により、バリアメタル膜１１０を形成する（図２（ｂ））。

つづいて、バリアメタル膜１１０をエッチングする。ここで、エッチングは、たとえばアルゴンイオンやヘリウムイオン等の不活性ガスイオンを用いて行うことができる。イオンの密度を低くするために、ガス圧を低くするとともに、高周波のプラズマ励起周波数のプラズマ励起パワーを低くすることができる。たとえば、ガス圧を０．３ｍＴｏｒｒ程度とし、高周波のプラズマ励起周波数（１３．５６ＭＨｚ）のプラズマ励起パワーを１００Ｗ程度とすることができる。

本実施の形態において、エッチングガスとしては、アルゴンイオンを用いることができる。このとき、幅が広くアスペクト比が低い太幅配線溝１０６内には、アルゴンイオンが入り込み、エッチングレートが高くなる。とくに底面角部にイオンが集中し、太幅配線溝１０６の底面の角部で、層間絶縁膜１０４がエッチングされ、凹凸１１２が形成される。また、太幅配線溝１０６の底面の中央部でも、バリアメタル膜１１０が多少削られるが、均一に削られ、凹凸はほとんど形成されない。そのため、太幅配線溝１０６において、底面の角部で掘り込み量が深く、中央部に行くに従い、その掘り込み量が浅くなる構成とすることができる。これにより、太幅配線溝１０６の中央部では、バリアメタル膜１１０も略平坦に形成される。また、幅が狭くアスペクト比が高い細幅配線溝１０８内には、アルゴンイオンが入り込みにくいため、エッチングレートが低くなり、凹凸が形成されない（図２（ｃ））。

次いで、層間絶縁膜１０４上全面に再度スパッタリング法により、バリアメタル膜１１０を形成する（図３（ａ））。これにより、太幅配線溝１０６の角部の凹凸１１２がバリアメタル膜１１０で埋め込まれる。

つづいて、バリアメタル膜１１０を再度エッチングする。ここで、エッチングの条件は、図２（ｃ）を参照して説明したのと同様とすることができる。これにより、太幅配線溝１０６の角部では、層間絶縁膜１０４がさらにエッチングされ、凹凸１１２よりも凹凸の大きい凹凸１１４が形成される。一方、幅の狭い細幅配線溝１０８では、アルゴンイオンが入り込みにくいため、凹凸が形成されない（図３（ｂ））。

このように、バリアメタル膜１１０の形成とエッチングとを繰り返し複数回行い、徐々に凹凸１１４を形成することにより、太幅配線溝１０６の底面の角部に大きな凹凸１１４を形成するとともに、それ以外の箇所でバリアメタル膜１１０が剥がれたり、層間絶縁膜１０４がエッチングされるのを防ぐことができる。

この後、層間絶縁膜１０４上全面に再度スパッタリング法により、バリアメタル膜１１０を形成する。これにより、太幅配線溝１０６の角部の凹凸１１４の凹部がバリアメタル膜１１０で埋め込まれ、凹凸１１４表面にバリアメタル膜１１０が形成される（図４（ａ））。また、このとき、太幅配線溝１０６底面の角部において、バリアメタル膜１１０の上面にも凹凸１１４が多少反映される。

つづいて、バリアメタル膜１１０上全面に、スパッタリング法によりシード銅膜（不図示）を形成する。次いで、めっき法によりめっき銅膜を形成し、太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８内を銅膜１１６で埋め込む（図４（ｂ））。つづいて、アニールを行う。アニールにより、太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８内の銅膜１１６の銅のグレインが成長する。これにより、銅膜１１６を低抵抗化することができる。この後、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により、太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８外部に露出した銅膜１１６およびバリアメタル膜１１０を除去する。これにより、細幅配線溝１０８内に細幅配線１２２が、太幅配線溝１０６内に太幅配線１２０が形成される（図１）。

図５は、本実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
まず、層間絶縁膜１０４に太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８等の配線溝を形成する（Ｓ１００）。つづいて、層間絶縁膜上全面にスパッタリング法により、バリアメタル膜１１０を形成する（Ｓ１０２、第１の工程）。次いで、バリアメタル膜１１０をエッチングする（Ｓ１０４、第２の工程）。バリアメタル膜１１０の形成とエッチングを所定回数繰り返した後（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、スパッタリング法により、再度バリアメタル膜１１０を形成する（Ｓ１０８、第３の工程）。以上の図２から図４に示した例では、所定回数を２回としたが、より多い回数行うこともできる。その後、バリアメタル膜１１０上に銅膜１１６を形成し、太幅配線溝１０６および細幅配線溝１０８を銅膜１１６で埋め込む（Ｓ１１０、第４の工程）。

次に、本実施の形態における半導体装置１００の効果を説明する。
本実施の形態における半導体装置１００によれば、太幅配線溝１０６の底面の角部において、凹凸１１４が選択的に層間絶縁膜１０４中に食い込むように形成されている。そのため、太幅配線１２０において、層間絶縁膜１０４とバリアメタル膜１１０との密着面積が大きくなり、これらの間の密着性を向上させることができる。一方、細幅配線溝１０８の底面には凹凸が形成されないため、細幅配線１２２において抵抗ばらつきを抑えることができる。また、細幅配線１２２を形成する際に、めっき法により細幅配線溝１０８内にめっき銅膜を形成する際にも、めっき銅膜を良好に埋め込ことができる。これにより、細幅配線１２２において配線抵抗を安定化できるとともに、同時に半導体装置１００の組み立て耐性を向上させることができる。

さらに、太幅配線溝１０６の底面の中央部は、略平坦に形成された構成とすることができる。これにより、太幅配線溝１０６の中央部では、バリアメタル膜１１０も略平坦に形成され、バリアメタル膜１１０上にめっき法で銅膜１１６を形成する際の銅膜１１６の面方位を均一にすることができる。そのため、太幅配線１２０のＳＩＶ耐性も良好にすることができる。

なお、本実施の形態において、ダミー配線も太幅配線１２０により構成することができる。ダミー配線の底面の角部に凹凸を形成することにより、ダミー配線におけるバリアメタル膜１１０と層間絶縁膜１０４との密着性を良好にすることができ、半導体装置１００の強度を高めることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

細幅配線１２２および太幅配線１２０は、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法のいずれに適用してもよい。

なお、以上の実施の形態で説明した凹凸１１４を形成する手順は、層間絶縁膜１０４が低誘電率膜により構成された層にのみ適用することができる。たとえば、半導体装置１００の多層配線構造のうち、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜が用いられているような層においては、従来の配線溝形成工程で配線溝を形成することができる。層間絶縁膜１０４として低誘電率膜を用いる層において、層間絶縁膜１０４とバリアメタル膜１１０との密着性が問題となりやすいためである。このように、層間絶縁膜の種類によって配線溝の形成手順を異ならせることにより、半導体装置１００の製造時のスループットを高めることができるとともに、上記の組み立て耐性を向上させることができる等の効果を得ることができる。

以上の実施の形態においては、太幅配線溝１０６の底面（太幅配線溝１０６の下方）および側面（太幅配線溝１０６と同層）に一層の層間絶縁膜１０４が形成された構成を例として示したが、太幅配線溝１０６の底面（太幅配線溝１０６の下方）と側面（太幅配線溝１０６と同層）とでは、異なる層の層間絶縁膜で構成することもできる。この場合も、層間絶縁膜は、低誘電率膜により構成することができる。

本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０４ 層間絶縁膜
１０６ 太幅配線溝
１０８ 細幅配線溝
１１０ バリアメタル膜
１１２ 凹凸
１１４ 凹凸
１１６ 銅膜
１２０ 太幅配線
１２２ 細幅配線

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、第１の凹部が表面に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜の第１の凹部を埋め込んで形成され、バリアメタル膜および銅膜により構成された第１の配線と、
   を含み、
   前記第１の凹部の底面には、角部に選択的に凹凸が形成され、当該凹凸上に前記バリアメタル膜が形成された半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記絶縁膜の前記表面の前記第１の凹部と同層に形成され、前記第１の凹部よりも幅が狭い第２の凹部を埋め込んで形成され、バリアメタル膜および銅膜により構成された第２の配線をさらに含み、
   前記第２の凹部の底面の角部は、前記第１の凹部の底面の角部に比べて平坦に形成された半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
   前記絶縁膜は、低誘電率膜であり、前記第１の凹部の底面の角部の凹凸は、前記絶縁膜に形成された半導体装置。
4. 請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１の凹部の底面の中央部は、略平坦に形成された半導体装置。
5. 請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１の配線は、ダミー配線を含む半導体装置。
6. 基板上に形成された絶縁膜の表面に形成された第１の凹部に第１の配線を形成する工程を含み、
   前記第１の配線を形成する工程は、
   スパッタリング法により、前記第１の凹部内にバリアメタル膜を形成する第１の工程と、
   エッチングにより、前記第１の凹部の底面の角部の前記バリアメタル膜および前記絶縁膜を削り、前記第１の凹部の底面の角部に凹凸を形成する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、スパッタリング法により、前記第１の凹部内にバリアメタル膜を形成する第３の工程と、
   前記第３の工程の後に、前記第１の凹部を埋め込むように銅を主成分として含む銅膜を形成する第４の工程と、
   を含み、
   前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回行い、前記第１の凹部の底面の前記角部に選択的に前記凹凸を形成し、その後に前記第３の工程を行い、前記凹凸上に前記バリアメタル膜を形成する半導体装置の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１の凹部に第１の配線を形成する工程において、前記絶縁膜の前記表面の前記第１の凹部と同層に形成され、前記第１の凹部よりも幅が狭い第２の凹部に第２の配線も形成し、
   前記第３の工程において、前記第１の凹部の底面の角部の前記バリアメタル膜および前記絶縁膜の方が、前記第２の凹部の底面の角部の前記バリアメタル膜および前記絶縁膜よりも多く削られ、前記第２の凹部の底面の角部は、前記第１の凹部の底面の角部に比べて平坦に形成される半導体装置の製造方法。

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