JP2821869B2 - 半導体素子の選択的銅蒸着方法 - Google Patents
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Description
法に係るもので、詳しくは、電気化学蒸着(elect
rochemical diposition)法を利
用し、半導体素子のウェーハ上に選択的に銅を蒸着する
方法に関するものである。
は、電子移行(electromigration;以
下 EMと称する)特性の優秀なタングステン叉は相対
的電気抵抗の低いアルミニウムが主に用いられていた
が、それらタングステン及びアルミニウムは、1ギガ級
のDRAM素子の要求するEM及び電気抵抗を満足させ
ることができないので、代用の金属として銅の研究が活
発に行われている。ところが、銅の配線は、蒸着の際、
用いる前駆物質(precursor)、蒸着法、膜質
及びパターンの形成方法について、確実な方法が開発さ
れていない。現在、公知にされている蒸着法としては、
金属有機化学蒸着法(metal−organic c
hemical vapor deposition;
以下、MOCVDと称する)が用いられ、前駆物質とし
ては、AcAc(acetylaceton R=R’
=CH3)、hfac(1,1,1,5,5,5hex
afluoro−acetylaceton R=R=
CF3)、及びtfac(trifluoroacet
ylaceton R=CF3、R’=CH3)のオル
ガノ金属(organo−metal)が用いられる。
しかしながら、該MOCVD法は、ブランケット蒸着
(blanket deposition)、膜質及び
後続の工程に関しまだ完全に解決されていない問題があ
るので、実用化には多くの課題を有している。
て、米国IBM社により開発されたダマシーン(dam
ascene process)方法を説明すると次の
ようである。即ち、図3(A)に示したように、ウェー
ハ1上にIMD(intermetallic die
lectric)の絶縁膜2が蒸着され、該絶縁膜2上
に所定パターンの感光膜3が形成された後、該感光膜3
をマスクとして写真食刻した後、図3(B)に示したよ
うに絶縁膜2が交互離隔して形成される。次いで、図3
(C)に示したように、それら離隔された絶縁膜2上に
銅4が化学気相蒸着法CVDによりブランケット蒸着さ
れ、化学及び物理的平坦化(chemical mec
hanical polishing;以下CMPと称
する)を施し、図3(D)に示したように、絶縁膜2と
銅膜4’とが夫々ウェーハ1上に相互交番して形成され
る。即ち、銅の前駆物質から反応物(reactan
t)がチャンバー内に入射されるとき、熱エネルギーに
より銅が前駆物質から分離され、チャンバー内のウェー
ハ上にブランケット蒸着される。
来半導体素子の銅蒸着法においては、前駆物質内に含ま
れた炭素の結合が破壊され、銅が汚染されるので、蒸着
された銅膜の抵抗は純粋銅の抵抗値1.7μΩcmに及
ばないという不都合な点があった。
行うとき、銅は食刻液のBCl3叉はBCl2 と反応し
てCuCl2 を生成するが、該CuCl2 は200℃以
上の温度で昇華するので、所望の銅パターンを得ること
が難しく、ULSIのような調密な位相を有する集積素
子には銅蒸着法の適用が極めて難しくなるという不都合
な点があった。
学蒸着法によりウェーハ上面所定部位に選択的に銅を蒸
着し、製造工程を単純化して膜質特性を向上し得る半導
体素子の選択的銅蒸着方法を提供しようとするものであ
る。
SO4とH2SO4と脱イオン水とHFとから構成され
た電解液を準備する工程と、ウェーハ上に所定パターン
の障壁金属膜を形成する工程と、ウェーハを電解液に浸
漬して電気分解し、障壁金属膜上にのみ銅を蒸着する工
程と、を順次行う半導体素子の選択的銅蒸着方法を提供
することにより達成される。
図面を用いて説明する。本発明は、ウェーハ上に所定パ
ターンの障壁金属膜(barrier metal)の
伝導体を形成し、該所定パターンの伝導体上面にのみ電
気化学蒸着法により銅を蒸着し、ウエーハ上に銅を選択
的蒸着する方法であって、製造工程を説明すると次のよ
うである。
ハ10内にコンタクトホールを写真食刻法により形成し
た後、TiN叉はTiWのような障壁金属膜12をブラ
ンケット蒸着し、図1(B)に示したように、該障壁金
属膜12上面に所定パターンの感光膜14を形成し、該
感光膜14をマスクとして写真食刻を施し交互離隔され
た障壁金属膜12’を形成する。次いで、該障壁金属膜
12’上の感光膜14を除去し、該障壁金属膜12’上
に銅電解液fを利用し電気化学蒸着方法により銅を蒸着
する。
を耐酸性で不電導体のテフロン叉は石英により形成し、
該電解槽a内に銅電解液fとして10モル濃度以下のC
uSO4にH2SO4及び純水を添加した溶液を充填
し、ウェーハよりも大きな銅板をアノードdとして銅電
解液fに浸漬し、前記銅電解液f中にウェーハを入れて
該ウェーハをクランプによりカソードbに連結し、銅の
蒸着量を測定し制御するため基準電極(referen
ce electrode)cを銅電解液f中に浸漬
し、それらアノードd、カソードb及び基準電極cを電
源eに夫々連結して電圧を印加し、銅電解液f中で銅を
ウェーハ上面障壁金属膜12’にのみ選択的蒸着する。
このとき、銅電解液fにHFを添加すると、事前金属洗
い(pre−metal cleaning)を施すこ
となく、直ちに銅蒸着を施行することができる。
ドbに(−)電荷を印加し、銅板のアノードdには
(+)電荷を印加すると、CuSO4+H2SO4+D
I水(脱イオン水:Deionized Water)
の銅電解液fからCu2+叉はCu+が電気的に漂流し
て拡散され、次式(1)及び(2)に示したように反応
してウェーハ10上の障壁金属膜12’上に銅Cu16
が蒸着される。
により測定して電荷量を制御し、銅電解液f中のCuイ
オンの反応が進行してCuが減少されると、前記アノー
ドdの銅板からCu→Cu2+2e叉はCu→Cu++
eのような反応により銅が溶解され、該銅電解液f中に
侵入されるようになっている。且つ、前記カソードbに
印加する(−)電荷は、基準電極cに対し−10v以下
の電源が供給されるように、前記アノードdに供給され
る電源の絶対値から該カソードbに供給される電源の絶
対値を引いた値の10v以下の電荷が供給される。叉、
図1(C)に示したように、前記銅電解液f中の銅Cu
16が前記障壁金属膜12’上に選択的に蒸着されるた
め、従来銅蒸着の際行う別途の食刻工程が省かれる。
ら蒸着された銅Cu16を含んだウェーハ10上面にI
MD膜18を蒸着し、本発明に係る選択的銅蒸着法を終
了する。
的銅蒸着方法は、半導体の配線工程は勿論で、他の工
程、例えば、銅プラグの形成工程にも用いることができ
る。即ち、ウェーハ上の感光膜パターンをマスクとし、
該ウェーハ内にコンタクトホールを形成した後、該感光
膜パターンを除去し、前記ウェーハを前記のCuSO4
+H2SO4+脱イオン水(DI水)+HF銅電解液f
内に浸漬し、シリコン部分の自然酸化膜(native
oxide)をHFにて除去する(このとき、HFは
電解液f中に添加しなくてもよい)。次いで、前記ウェ
ーハの連結されたカソードbには(−)電荷を印加し、
銅板のアノードdには(+)電荷を印加すると、銅電解
液f中に溶解されたCuが前記ウェーハのコンタクトホ
ールに蒸着され、銅プラグが形成される。
体素子の選択的銅蒸着方法においては、ウェーハ上面に
所定パターンの障壁金属伝導体を形成し、該伝導体上面
にのみ銅を電気化学蒸着法により直接蒸着するようにな
っているため、銅膜内に炭素が包含されなくなって、
1.7μΩcm抵抗値の純粋銅膜値が得られるという効
果がある。
が省かれるため、製造工程が単純化され原価が低廉にな
るという効果がある。
洗い(pre−metal cleaning)の工程
が省かれ、製造工程は一層単純化され、原価も一層低廉
になるという効果がある。
択的銅蒸着方法を用い半導体素子を製造する工程説明図
である。
着を行う作用説明図である。
着法により半導体素子を製造する工程説明図である。
膜 a:電解槽 b:カソード c:基準電極 d:アノード e:電源 f:銅電解液
Claims (2)
- 【請求項1】半導体素子の選択的銅蒸着方法であって、 CuSO4とH2SO4と脱イオン水とHFとから構成
された電解液を準備する工程と、 ウェーハ上に所定パターンの障壁金属膜を形成する工程
と、 前記ウェーハを前記電解液に浸漬して電気分解し、前記
障壁金属膜上にのみ銅を蒸着する工程と、を順次行う、
半導体素子の選択的銅蒸着方法。 - 【請求項2】前記障壁金属膜上にのみ銅を蒸着する工程
は、 電源に連結されるアノード、カソード及び基準電極と、
それらアノード、カソード及び基準電極の浸漬される銅
電解液とを用い、 前記障壁金属膜の形成されたウェーハを前記銅電解液中
に浸漬して該ウェーハに前記カソードを連結し、銅板を
前記銅電解液中に浸漬して前記アノードに連結し、それ
らカソードには(−)電荷を印加しアノードには(+)
電荷を印加し、銅電解液中の銅を前記所定パターンの障
壁金属膜上にのみ前記基準電極の制御により選択的に蒸
着させる、請求項1記載の半導体素子の選択的銅蒸着方
法。
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