JP3150095B2 - 多層配線構造の製造方法 - Google Patents
多層配線構造の製造方法Info
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Description
る銅または銅を主成分とする多層配線構造およびその製
造方法に関するものである。
にともなって、配線遅延の増大や、配線の信頼性の劣化
などの問題が生じている。その解決方法として、従来の
Al合金配線に比較して、より低抵抗で、融点の高い銅
を配線材料の主成分とする銅配線の開発が盛んに行われ
ている。
は、酸化がされやすく、安定な自然酸化被膜ができない
ため、プロセス中に、銅配線自体、酸化されてしまうこ
とがあるため、銅配線を酸化なしで製造することは、難
しいという問題がある。また、銅はシリコン(以下、S
i)酸化膜やSi中の拡散速度が速く、銅が層間絶縁膜
中や、Si中に拡散した場合、配線間のリーク電流の増
加や、接合リーク電流の増加など、デバイス特性の劣化
が生じる問題もある。
図1に示すような多層配線構造(Proceedings of 1994
VLSI Multilevel Interconnection Conference,pp.49-5
5:引用例1と呼ぶ)が提案されている。
は、銅の拡散を防止するバリアメタル1として、Taな
どを銅とSi酸化膜2との間に挟む構造である。具体的
に説明すると、下部に設けられたSi酸化膜2内に形成
された溝が形成される一方、上部に設けられたSi酸化
膜2中にも、ビアホール或いは溝が形成されている。こ
のうち、下部のSi酸化膜2中の溝には、Ta等のバリ
アメタル1が被着され、当該バリアメタル4上に、第一
層目の配線層4として、銅配線が形成されている。同様
に、上部のSi酸化膜2のビアホール及び溝にも、バリ
アメタル1が形成され、且つ、このバリアメタル1上に
も、第二層目の配線5を構成する銅配線が形成されてい
る。第二層目の配線5の内、ビアホール中に形成された
第二層目の配線5は、第一層目の配線4と電気的に接続
され、バリアメタル1とともにビアプラグ6を形成して
いる。更に、第一層目の配線4の表面には、銅の酸化を
抑制する作用があるボロン注入層3が設けられている。
ピアプラグを形成する際の前処理として、希釈弗酸溶液
に液浸する方法(Proceedings of 1995 VLSI Multileve
l Interconnection Conference,pp.337-339:引用例2
と呼ぶ)が報告されている。引用例2に示された従来の
処理方法では、バリア銅を堆積する直前に弗酸:純水=
1:50の希釈弗酸で銅表面のクリーニング処理を行う
ことを特徴としている。
なる微細な多層配線では、ビアホールの直径が0.3ミ
クロン以下程度まで、微小にすることが要求されてい
る。このように、ビアホールの直径が微小になると、第
一層目の配線と、第二層目の配線を形成するビアプラグ
との間の接触面積も小さくなり、したがって、両配線間
の接触抵抗が大きくなる。実際、引用例1及び2に示さ
れた従来の多層配線構造及び製造方法では、ビアプラグ
接続部分の接触抵抗率は、1.5x10 -8 Ωcmとな
り、この接触抵抗率から、直径0.3ミクロンのビア接
続の接触抵抗を計算すると、21Ωという大きな値とな
る。このように、接触抵抗が大きくなると、配線遅延が
増大するという問題が生じる。
プラグ一個あたりの抵抗を引用例1及び2に示された従
来例の10分の1に相当する2Ω程度以下にする必要が
ある。
得られた多層配線構造において、接触抵抗率が高い原因
は明らかになっていない。しかしながら、その要因とし
て、酸化防止のために注入したボロンとバリアメタル
(Ta)との反応や、銅とTaとの反応によって、高抵
抗の合金が形成されることが考えられる。また、本発明
者等の実験によれば、希釈弗酸処理後の銅表面から、銅
酸化膜を完全には除去できなかったことから、接触界面
に残存した酸化物による高抵抗層の形成なども要因の1
つと考えられる。
高くなるという従来例の問題を解決し、微細な多層配線
を形成しても、接触抵抗の増大を防止できる多層は緯線
構造及びその製造方法を提供することである。
る配線遅延の問題のない多層配線構造及びその製造方法
を提供することである。
細化して、当該ビアプラグと接触する配線の面積が小さ
くなっても、接触抵抗の増大を防ぐことができる多層配
線構造及びその製造方法を提供することである。
では、第一層目の配線とビアプラグが、それぞれ銅ある
いは銅を主成分とする金属からなり、第一層目の配線と
ビアプラグの接続が同じ金属同士の接合でできているこ
とが特徴である。さらに、バリアメタルは、ビアホール
の側面に存在するが、配線層とビアプラグの接続部分に
は存在しないことも、特徴の一つである。
は、バリアメタルを堆積した後、異方性を持つ反応性イ
オンエッチングによってエッチバックし、ビアホール側
面にバリアメタルを残し、ビア底面のバリアメタルを除
去した後、クリーニング処理として、酸素あるいは水素
プラズマを用いるプラズマ処理、希釈弗酸溶液による処
理、ヘキサフルオロアセチルアセトン(Hhfac)に
よるガス処理を、順次、行った後、銅の堆積を行いビア
プラグを形成することが特徴である。
hfac処理と、銅の堆積を真空中で連続して行うこと
が特徴である。
グの接続が同一金属(銅)同士の接合となっているた
め、従来例のような合金形成の可能性がなく、高抵抗化
要因を排除できる。さらに、本発明の製造方法では、ヘ
キサフルオロアセチルアセトンを用いるガス処理によっ
て、銅表面の酸化物を完全に除去でき、それによって酸
素の影響による高抵抗化要因を排除できる。さらに、本
発明の第二の製造方法では、Hhfacガス処理と銅の
堆積を真空連続で行うことによって、大気開放による再
酸化を防いで酸素の影響を完全に排除して、理想的な銅
と銅の同種接合が形成でき、接触抵抗率が低減できる。
さらに、Hhfac処理とCVDによる銅の堆積は、同
一チャンバー内で、供給するガスを切り替えることで容
易に連続処理ができ、製造効率の面でも工程数が増加す
る問題を生じない。
態に係る多層配線構造を示す断面図である。
2の下部に配置されたSi酸化膜2が用意され、当該S
i酸化膜2には、溝が形成されている。次に、銅或いは
銅を主成分とする金属によって形成された第一層目の配
線4が、上記したSi酸化膜2に形成した溝に埋設され
ており、溝の側面及び底面はバリアメタルで覆われてい
る。配線層間の絶縁膜として、この実施の形態では、S
i窒化膜7及びSi酸化膜2の積層構造を用いている。
当該絶縁膜には、第一層目の配線4に達するビアホール
及び第一層目の配線4には達しない溝とが設けられてお
り、ビアホールの底面を除く、溝の側面及び底面、ビア
ホールの側面には、窒化チタン(TiN)からなるバリ
アメタル1が被着されている。ビアホール内には、銅或
いは銅を主成分とする金属によって形成されたビアプラ
グ6が埋め込まれており、このビアプラグ6は、バリア
メタル1と共に第二層目の配線5の一部を形成してい
る。ビアプラグ6と第一層目の配線は、バリアメタル1
を介することなく接合しており、同種金属同士の接合に
なっている。
多層配線構造の断面図である。
溝を形成したSi酸化膜2が用意されている。次に、銅
または銅を主成分とする金属によって形成された第一層
目の配線4が、図3の下部に配置されたSi酸化膜2に
形成した溝に埋設されている。配線層間の絶縁膜とし
て、Si窒化膜7とSi酸化膜2の積層構造が用いられ
ており、当該絶縁膜には、図2と同様に、ビアホール及
び溝が形成されている。ビアホール及び溝側面には、窒
化チタン(TiN)からなるバリアメタル1が設けられ
ている。図2に示された実施の形態との違いは、TiN
のバリアメタル1が、Si酸化膜2の側面だけを覆い、
Si窒化膜7の側面には形成されていない点である。ビ
アプラグ6は、第一層目の配線4と同じ金属、即ち、銅
または銅を主成分とする金属を埋め込んで形成されてお
り、ビアプラグ6は、第二層目の配線5の一部を形成し
ている。この例においても、ビアホールの底部には、バ
リアメタル1が形成されていないから、ビアプラグ6と
第一層目の配線との接合は、同種金属同士の接合になっ
ている。
多層は緯線構造を示す断面図である。
実施形態と同じであるが、上層配線を層間膜に埋め込
み、表面を平坦化した構造を有している点で図2とは異
なっている。上層配線の側面にもTiNバリアメタル1
が存在し、上層配線の下に溝エッチングの停止と銅の拡
散防止用Si窒化膜(Si3N4 膜)7が設けてある。
即ち、上層配線は、2層のSi窒化膜7と2層のSi酸
化膜2とによって構成されている。
を層間膜に埋め込み平坦化した構造で、ビアプラグの構
造が第二の実施例と同じ構造の組み合わせも可能であ
る。
第一の実施形態を説明する。
を表面に設けた基板上に、銅によって形成された第一層
目の配線4を形成する。第一層目の配線は、Si酸化膜
2に深さ500nmの溝を形成し、バリアメタル1とし
て、TiN膜を膜厚20nmだけCVD法で全面に堆積
した後、銅の膜をCVDにより膜厚800nm堆積す
る。次に、化学機械研磨(CMP)によって、銅とバリ
アメタルを研磨して、溝内にのみ銅とバリアメタルを残
し、下層配線とする。
て、Si窒化膜(Si3N4)7、Si酸化膜(Si
O2)2をそれぞれ100nm及び600nmの膜厚と
なるように、CVD法で堆積する。次に、ビアパターン
をフォトリソグラフィーで形成し、反応性イオンエッチ
ング(RIE)を行い、Si窒化膜(Si3N4)7に達
するビアホール8を形成する。RIEには、トリフロロ
メタン(CHF3)プラズマを用い、エッチングをSi
窒化膜(Si3N4)7のところで停止し、エッチングに
用いたフォトレジストマスクを酸素プラズマ処理、有機
溶液を用いて除去する。
30nmのTiN膜9を堆積し、同じくトリフロロメタ
ン(CHF3)プラズマによるRIEでエッチバック
し、TiN膜9とSi窒化膜(Si3N4)7を順次、除
去して銅の表面を露出させる(図5(d))。CHF3
プラズマ照射によって、表面にはフルオロカーボン膜な
どの汚染が生じるが、それを取り除くために酸素プラズ
マ処理を、圧力1Torr、RF電力100Wの条件の
下で、1分間の処理を行う。
釈弗酸水溶液に15秒間浸した後、純水で5分間洗浄
し、乾燥させる。次に、ヘキサフルオロアセチルアセト
ン(Hhfac)ガス処理を次の手順で行う。真空チャ
ンバー内に基板を導入し、基板温度200℃、圧力10
Torrの条件で基板をHhfac雰囲気に10分間さ
らす。この処理により、銅表面の酸化銅が還元されて、
金属銅表面が得られる。
るように堆積する。この銅の堆積は、好ましくはHhf
acガス処理直後に、真空連続で行う。銅の上にさらに
バリアメタルとして、スパッタ法で、膜厚50nmのT
iN膜9を堆積する。フォトリソグラフィーとRIEで
銅のエッチングマスクとなるSi酸化膜パターンを形成
し、3塩化ボロンプラズマによりTiN9と銅膜を選択
的にRIEし、第二層目の配線5を形成する(図5
(e))。
第二の実施形態を説明する。
を表面に有する基板上に、銅の第一層目の配線4を形成
する。その形成方法は、第一の実施例と同じである。
て、Si窒化膜(Si3N4)7、Si酸化膜(Si
O2)2をそれぞれ膜厚、100nm及び600nmだ
けCVD法で堆積する。次に、ビアパターンをフォトリ
ソグラフィーで形成し、反応性イオンエッチング(RI
E)を行い、ビアホール8を形成する。RIEには、ト
リフロロメタン(CHF3)プラズマを用い、エッチン
グをSi窒化膜(Si3N4)7のところで停止し、エッ
チングに用いたフォトレジストマスクを酸素プラズマ処
理、有機溶液を用いて除去する。次に、トリフロロメタ
ン(CHF3)プラズマを用い、SiN膜7をRIE
し、第一層目の配線4の表面を露出させる。
釈弗酸水溶液に15秒間浸した後、純水で5分間洗浄
し、乾燥させる。このクリーニングにより、ビア底面の
銅のスパッタにより絶縁膜上に付着した銅のリフトオフ
により除去する。また、Si酸化膜2、Si窒化膜7上
に付着したフロロカーボンもリフトオフにより除去され
る。次に、TiN膜9を全面に膜厚30nm堆積する
(図6(c))。
ズマによるRIEでエッチバックし、TiN膜9を除去
して銅の表面を露出させる(図6(d))。CHF3プ
ラズマ照射によって、銅表面にはフルオロカーボン膜ま
どの汚染が生じるが、それを取り除くために酸素プラズ
マ処理を、圧力1Torr、RF電力100Wで、処理
を1分間行う。次に、弗酸:純水=1:100の割合の
希釈弗酸水溶液に15秒間浸した後、純水で5分間洗浄
し、乾燥させる。この希釈弗酸処理は、ビア側面などに
付着した銅を除去する作用があるが、すでにビアホール
側面がTiN膜9で覆われてあるため、省略しても良
い。
(Hhfac)ガス処理を次の手順で行う。真空チャン
バー内に基板を導入し、基板温度200℃、圧力10T
orrの条件で基板をHhfac雰囲気に10分間さら
す。この処理により、銅表面の酸化銅が還元されて、金
属銅表面が得られる。
積し、銅層を形成する。この銅の堆積は、好ましくはH
hfacガス処理直後に、真空連続で行う。銅層の上に
さらにバリアメタルとしてTiN膜9を膜厚50nm堆
積する。フォトリソグラフィーとRIEで銅のエッチン
グマスクとなるSi酸化膜パターンを形成し、3塩化ボ
ロンプラズマによりTiN膜9と銅膜を選択的にRIE
し、第二層目の配線(銅)5を形成する(図6
(e))。
の第3の実施例を説明するための断面図である。
形成した後、Si3N4 、SiO2、Si3N4、SiO2
の順でCVD法で膜を堆積する。膜厚はそれぞれ100
nm、600nm、200nm、500nmである。次
に、スパッタ法でTiN膜9を膜厚50nm堆積する
(図7(b))。
成し、CHF3プラズマを用いてTiN膜9、上層側の
SiO2、Si3N4をRIEして、ビアホール8を形成
する。この時、ビアホールエッチングは、上層側のSi
3N4をエッチングして下層側のSiO2に入ったところ
で停止する(図7(c))。
トリソグラフィーで形成し、Si3N4とSiO2のエッ
チング選択比のあるRIEを用いて第二層目の配線溝1
0を形成する。このエッチングの際に、ビアホール8の
深さも深くなる。エッチング時間を制御して、ビアホー
ルの深さが下層側のSi3N4膜7に達した所でエッチン
グが一旦停止するようにする。レジストマスクを除去
し、Si3N4膜7をエッチングして、第一層目の配線4
の表面を露出する。次に、TiN膜9を全面に膜厚30
nm堆積し、同じくトリフロロメタン(CHF3)プラ
ズマによるRIEでエッチバックし、TiN9を除去し
て銅の表面を露出させる(図7(d))。
フルオロカーボン膜などの汚染を取り除くために酸素プ
ラズマ処理を、圧力1Torr、RF電力100Wで、
処理を1分間行う。弗酸:純水=1:100の割合の希
釈弗酸水溶液に15秒間浸した後、純水で5分間洗浄
し、乾燥させる。次に、ヘキサフルオロアセチルアセト
ン(Hhfac)ガス処理を次の手順で行う。真空チャ
ンバー内に基板を導入し、基板温度200℃、圧力10
Torrの条件で基板をHhfac雰囲気に10分間さ
らす。この処理により、銅表面の酸化銅が還元されて、
金属銅表面が得られる。
積する。この銅の堆積は、好ましくはHhfacガス処
理直後に、真空連続で行う。最後にCMPによって銅と
TiN膜9をエッチバックし、第二層目の配線5を形成
する。
前のビア底面の銅表面状態をX線光電子分光法(XP
S)で観察した結果、表面の銅酸化膜が完全に還元さ
れ、金属状態の銅表面が得られた。一方、比較のために
行った従来の希釈弗酸水溶液のみによるクリーニングで
は、2価の酸化銅はなくなるものの、1価の酸化銅が表
面に存在した。1価の酸化銅は、Hhfacガス処理に
よって、除去された。
の抵抗を測定した結果、直径0.3ミクロンのサイズで
2Ωの抵抗が得られた。これは、従来例の10分の1に
相当する。
は、第一層目の配線とビアプラグが、それぞれ銅あるい
は銅を主成分とする金属からなり、第一層目の配線とビ
アプラグの接続が同じ金属同士の接合によって形成され
ている。更に、本発明においては、バリアメタルは、ビ
アホールの側面には残されているが、配線層とビアプラ
グの接合部分には存在しない。
ビアプラグの抵抗を低減できる。従来技術の構造におい
て、接触部における抵抗率が高くなる理由は、定かでは
ないが、酸化防止のために金属銅中に注入されるボロン
とバリアメタル(Ta)との反応、又は、銅とTaとの
反応によって、合金が形成され、この合金が高い抵抗率
を示すことが、一つの要因と考えられる。希釈弗酸溶液
自体、銅表面から銅酸化膜を全て除去することはないか
ら、希釈弗酸溶液によって第一の配線の銅表面をクリー
ンにしただけの従来のデバイスでは、第一の配線とビア
プラグとの間の接触による抵抗が、本発明に係るデバイ
スに比べて高くなってしまう。
た接触部の抵抗率を1.5x10-9Ωcm以下にするこ
とができる。これは、直径0.3ミクロンのビアプラグ
によって接触部が形成された場合、接触部は2Ωの抵抗
を有することと対応している。上記したことから、Hh
facによってクリーニングする本発明の方法では、銅
と銅によって形成された接触部の抵抗率を1/10にす
ることができる。
である。
を説明するための断面図である。
を説明するための断面図である。
を説明するための断面図である。
形態を説明するための断面図である。
形態を説明するための断面図である。
形態を説明するための断面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 第一層目の銅または銅を主成分とする配
線を形成する工程と、該第一層目の配線上に層間絶縁膜
を堆積する工程と、該層間絶縁膜にビアホールを反応性
エッチングによって形成する工程と、前面にバリアメタ
ル層を形成する工程と、異方性を有する反応性イオンエ
ッチングによって、ビアホール底面部のバリアメタル層
を選択的に除去する工程と、クリーニング処理工程とし
て、酸素もしくは水素プラズマを用いたプラズマ処理
と、希釈弗酸溶液に浸す処理と、ヘキサフルオロアセチ
ルアセトンガスに曝す処理を順次行う工程と、銅または
銅を主成分とする金属膜を堆積し、ビアプラグを形成す
る工程とを含むことを特徴とする多層配線構造の製造方
法。 - 【請求項2】 請求項1において、ヘキサフルオロアセ
チルアセトンガスに曝す処理と、銅または銅を主成分と
する金属を堆積してビアプラグを前記ビアホール内に形
成する工程を真空中で連続して行うことを特徴とする多
層配線構造の製造方法。 - 【請求項3】 少なくとも2層の配線を備えたデバイス
を製造する方法において、銅または銅を主成分とする金
属によって形成された第一の配線を基板に設ける工程
と、第一の配線上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁
層中に、前記第一の配線に接続するビアホールを形成す
る工程と、前記ビアホールを含む前記基板表面に、バリ
アメタル層を形成する工程と、異方性イオンエッチング
により、前記バリアメタル層を選択的にエッチングし、
前記バリアメタル層を少なくとも前記ビアホールの底部
から除去する工程と、前記基板を酸素または水素プラズ
マ処理する工程と、弗酸溶液中に、前記基板を浸す工程
と、前記基板を反応性ガス中に曝し、前記第一の配線の
露出した表面上の酸化物を実質上全て除去する工程と、
銅または銅を主成分とする金属を前記ビアホール中に第
二の配線として堆積し、ビアプラグを形成する工程とを
有することを特徴とする多層配線構造の製造方法。 - 【請求項4】 請求項3において、前記反応性ガスは、
ヘキサフルオロアセチルアセトンガスであることを特徴
とする多層配線構造の製造方法。 - 【請求項5】 請求項4において、前記基板は、前記ビ
アホール中に、金属が形成されるまで、真空状態に保た
れることを特徴とする多層配線構造の製造方法。 - 【請求項6】 請求項5において、前記基板は、真空中
で、ヘキサフルオロアセチルアセトンガスに曝されるこ
とを特徴とする多層配線構造の製造方法。 - 【請求項7】 請求項6において、前記銅または銅を主
成分とする金属の第一の配線と、銅または銅を主成分と
する金属のビアプラグとの間の接触部における抵抗率
は、1.5x10-9Ωcm以下であることを特徴とする
多層配線構造の製造方法。 - 【請求項8】 請求項7において、前記接触部の抵抗
は、前記ビアプラグの直径が0.3ミクロンのとき、2
Ω以下であることを特徴とする多層配線構造の製造方
法。
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