JP2890681B2 - 多層配線構造の半導体装置製造方法 - Google Patents

多層配線構造の半導体装置製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の概要〉 本発明は多層配線構造の半導体装置を製造する工程中
に、Cu配線に生じた自然酸化膜を除去する工程を設けた
ものである。
〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体装置の製造方法、特に多層配線構造の
半導体装置を製造するに際して、Cu配線の自然酸化膜を
除去する工程を設けた製造方法に関する。
〈従来の技術〉 LSI,超LSI等の微細化及び半導体装置自体の高集積化
が進むに従い、Al材に代わる配線材料としてCu材が着目
されている。すなわちCu材は比較的加工が困難(特にド
ライプロセス)ではあるが、Al材と比較すれば電気抵抗
が低く、その為配線材料として用いればデバイス動作の
高速化に対応できるからである。しかしその反面、単一
組成のCu材は化学的活性に富み、その表面は自然酸化膜
によって覆われ易い。Cu材の表面が自然酸化膜で覆われ
ると、配線抵抗は増大し、又電気容量の減少を招く場合
があった。
その為特開昭62−290150号公報及び同63−73645号公
報に開示された如く、Cu配線の表面にCu・Al化合物層を
形成したり、TiN,W又はTiW等のバリアメタル層にて包囲
する酸化防止手段が施される。
一方半導体基板上の各絶縁膜層間に配線を積層する所
謂多層配線構造の半導体装置を製造する場合は、第2図
(a)に示す如く半導体基板41上に設けた下位絶縁膜42
上に下層配線43を形成し、次いで上位絶縁膜44を形成す
るとともに上位絶縁膜44にコンタクトホール45を穿孔し
て、同図(b)に示す如く下層配線43上に上層配線46を
積層する。更に上部の絶縁膜47にコンタクトホール48を
穿孔し、この上層配線46上に図示しない上層配線を更に
積層してゆく。
〈発明が解決しようとする課題〉 斯かる半導体装置の製造工程において、下層配線43上
に上位絶縁膜44を形成し、これにコンタクトホール45を
穿孔するに際して、下層配線43がCu材であればその上面
には自然酸化膜S1が生じる(第2図(a))。特にプラ
ズマCVD法によって上位絶縁膜44を形成する場合は高温
下で処理される為、自然酸化膜S1の成長も著しい。よっ
て下層配線43上に電極である上層配線46が形成される
と、これ等下層配線43と上層配線46間に自然酸化膜S1
介在して、両配線間の電気抵抗が増大する。同様にして
上層配線46がCu配線であれば、上部の絶縁膜47を形成
し、これにコンタクトホール48を穿孔する工程中、上層
配線46の上面にも自然酸化膜S2が生じ、その上部に積層
される図示しない上層配線との間の電気抵抗が増大す
る。
その為前記工程中若しくは予め配線(Cu配線)に対し
て酸化防止手段を施しておかなければならない。
しかしながら、例えば上述の酸化防止手段(特開昭62
−290150号,同63−73645号公報)を上記製造工程中に
組み入れることは、いたずらに工程が増加しかつ複雑化
する。しかも製造コストの高騰を招くことにもなる。
本発明の半導体製造方法は、上記した多層配線構造の
半導体装置を製造するに際し、上層に金属配線を配置し
た下層のCu配線に生ずる自然酸化膜を、当該製造工程中
において効率良く除去しようとするものである。
(課題を解決するための手段) よって本発明の製造方法は、半導体基板上の下位絶縁
膜と上位絶縁膜との間に下層配線を形成し、次いでこの
上位絶縁膜とその上部の絶縁膜との間で、かつ上位絶縁
膜に穿孔したコンタクトホールを介して前記下層配線上
に上層配線を形成する製造方法において、前記下層配線
をCu材にて形成し、上層に金属配線を形成する際は、前
記上位絶縁膜にコンタクトホールを穿孔する工程と前記
上層配線を形成する工程との間に、前記下層配線の上面
に生じた自然酸化膜を除去する工程を設けるものであ
る。
〈作用〉 コンタクトホールを穿孔する工程の後で酸化膜の除去
工程が行われるので上位絶縁膜の形成時に生じた自然酸
化膜を確実に除去できる。又除去工程の後に上層配線を
形成する工程が続くので下層配線と上層配線との間には
新たに酸化膜が生ずることなく、よって配線抵抗は増え
ない。
〈実施例〉 本発明の製造工程を図面に基づき説明する。
第1図は、各製造工程を説明する模式断面図である。
第1工程(第1図(a)) 半導体基板(Si基板)11上に下位絶縁膜(層間絶縁
膜)12を形成する。この下位絶縁膜12はSiO2を化学気相
成長(CVD)法によって膜状に成長させたものである。
そして当該下位絶縁膜12の所定位置(後述する配線ター
ニングの対応位置)にコンタクトホール13を穿孔し、下
部の配線を表出する。
穿孔手段として、リアクティブイオンエッチング(RI
E)処理やスパッタエッチング処理によりリソグラフィ
手段が用いられる。
第2工程(第1図(b)) 上述のコンタクトホール13に対応して下位絶縁膜12上
に配線層14を形成する。この配線層14は配線材を蒸着法
又はスパッタリング法により成長させる。配線材として
Cu材を用いればCu配線層がコンタクトホール13から下位
絶縁膜12上へと形成される。
第3工程(第1図(c)) 上記配線層14に対し、RIE処理やスパッタエッチング
処理によるリソグラフィ手段で所定の形状にパターニン
グして下層配線15を形成する。上述の如く配線材として
Cu材を用いれば、この下層配線15はCu配線となる。
第4工程(第1図(d)) 次いで上記下層配線15上に上位絶縁膜(SiO2膜)21を
成長させる。成長手段としては、上述した下位絶縁膜12
の成長と同様に、CVD法が用いられる。
斯かる上位絶縁膜21の成長工程中に、下層配線15がCu
配線であれば、その上面15aには自然酸化膜S1が生じ
る。この自然酸化膜S1はCuOやCu2Oが膜状に混在した
り、若しくはCu2Oの上をCuOが覆った状態となってい
る。
第5工程(第1図(e)) 上記上位絶縁膜21に対し、RIE処理やスパッタエッチ
ング処理によるリソグラフィ手段でコンタクトホール22
を穿孔し、下層配線(Cu配線)15を表出する。しかし下
層配線15の上面15aは自然酸化膜S1に覆われているので
コンタクトホール22の穿孔工程の後に自然酸化膜S1を除
去する。
第6工程(第1図(f)) 除去工程はX−1部分をHCl,NH3およびNH4Clのうち少
なくとも1種を含む液相内、若しくはHCl系ガスを含む
気相内に収納し、下層配線15の上面15aを上記液相もし
くは気相に直接抵触させる。液相に抵触させる具体例と
しては、例えばHCl,NH3,NH4Cl,KCN,H2SO4,HNO3等の水溶
液槽に所定時間浸漬する。そのうちCu2OはHCl,NH3また
はNH4Clの水溶液に又CuOは一般の酸やアンモニア水に対
し溶解され易く、よって自然酸化膜S1は例えばHCl水溶
液槽にて容易に溶解される。
所定時間経過後水溶液槽から引揚げ、X−1部分を必
要に応じ純水洗浄及び乾燥させる。液相の酸に抵触させ
る上記の除去工程においては、除去した後の上面15aを
大気中に曝さない様、上記浸漬作業を行う必要がある。
従って上記浸漬作業を不活性雰囲気内で行い、連続して
後述する上層配線の形成工程を行う。
一方気相の酸に抵触させる除去工程としては、例えば
HCl系ガスの雰囲気中にX−1部分を収納し、HCl系ガス
に下層配線15の上面15aを抵触させる。又必要に応じて
雰囲気中を加熱する。通常この気相による除去工程は、
製造装置の1つであるチャンバーを利用することで、自
然酸化膜S1を除去した上面15aが酸化雰囲気中に曝され
ることなく、しかもそのチャンバー内で後述する上層配
線の形成工程に連続させることができる。
第7工程(第1図(g)) 次いで上記コンタクトホール22を会して上位絶縁膜21
上に新たな配線層を成長させ、これをリソグラフィ手段
によってパターニングする(第2,第3工程参照)。そし
て上部の絶縁膜(上位絶縁膜)31を他の絶縁膜12,21と
同様の手段にて成長させる(第1,第4工程参照)。
斯かる上部の絶縁膜31が形成される際に、上位配線23
がCu配線であれば、その上面23aには自然酸化膜S2が生
じる。その為、前記同様絶縁膜31にコンタクトホール23
を穿孔する工程(第5工程参照)の後に、自然酸化膜S2
を除去する工程を行う。この除去工程も前述の第6工程
と同様に、X−2部分を液相若しくは気相内に収納し、
上面23aを酸に抵触させて自然酸化膜S2を除去する。そ
してこの除去工程の後に、当該上層配線(Cu配線)23の
上に、図示しない他の上層配線を積層する。
尚上記の実施例中のCu配線上に金属配線として同様の
Cu配線を積層したが、本発明はこれに限定されることな
く、例えばコンタクトホール内に金属を選択成長させる
場合にも後述の効果を奏し得る。
何れにおいてもコンタクトホールを穿孔する工程−自
然酸化膜を除去する工程−上層配線を形成する工程を順
次連続させて行えば、自然酸化膜の除去効率向上と工程
の単純化が図られる。
次いで図示しない最上位の絶縁膜上のPSG膜等から成
る被覆絶縁膜を形成する工程を経て、多層配線構造の半
導体装置製造方法は終了する。
〈発明の効果〉 以上説明した如く、本願発明の製造方法によれば、自
然酸化膜をHCl,NH3およびNH4Clのうち少なくとも1種を
含む液相、若しくはHCl系ガスを含む気相に抵触させる
ことによって確実に除去できるとともに、コンタクトホ
ールを穿孔する工程と自然酸化膜を除去する工程と上層
配線を形成する工程を連続的に行う為、自然酸化膜の除
去と製造工程とが一連の工程中に行われることになり、
電気的信頼性向上によるデバイスの高速化及び製造歩留
りの上昇、更には製造持参の短縮,コストの低減が同時
に達成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)乃至第1図(g)は、本願発明の製造工程
を説明する模式側断面図、 第2図(a),(b)は、従来の製造工程を説明する模
式側断面図である。 11……半導体基板,12……下位絶縁膜, 13……コンタクトホール,14……配線層, 15……下層配線,15a……上面,21……上位絶縁膜, 22……コンタクトホール,23……上層配線, 23a……上面,31……上部の絶縁膜(上位絶縁膜), 32……コンタクトホール, S1,S2……自然酸化膜。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上の下位絶縁膜と上位絶縁膜と
    の間にCu材で下層配線を形成し、次いで前記下層配線上
    の前記上位絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、該
    コンタクトホール内の下層配線の上面に生じている自然
    酸化膜を除去してから、前記コンタクトホールを介して
    前記下層配線に接続する上層配線を形成する多層配線構
    造の半導体装置製造方法において、 前記自然酸化膜を除去する工程は、前記下層配線の上面
    の該自然酸化膜をHCl,NH3およびNH4Clのうちの少なくと
    も1種を含む液相、若しくはHCl系ガスを含む気相に抵
    触させることにより行うことを特徴とする多層配線構造
    の半導体装置製造方法。
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