JP3326698B2 - 集積回路装置の製造方法 - Google Patents

集積回路装置の製造方法

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    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、銅を用いた配線層また
はコンタクトをもつ集積回路装置の製造方法に関する。
近年、Ａｌ配線層を用いた集積回路装置の高集積化が進
むに伴い、コンタクト面積の縮小化によるコンタクト抵
抗の増大、および、配線サイズの微細化による抵抗の増
大やエレクトロマイグレーション耐性の劣化が問題にな
っている。このため、エレクトロマイグレーション耐性
が高く、かつ、低抵抗の材料を用いて微細配線や微細な
コンタクトを形成する技術が必要になっている。このよ
うな配線用金属材料として銅が注目されている。
【０００２】
【従来の技術】従来、銅で配線層を形成する方法として
は、スパッタ法あるいは蒸着法により基板全面に銅の薄
膜を堆積した後に、化学反応を利用しＲＩＥによって所
望の配線形成に成形する方法が試みられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、通常の方法
では、エッチング工程で生じるハロゲン化銅の蒸気圧が
極めて低いためエッチング速度が遅く、配線のパターニ
ング後の形状が鮮明でない等の欠点があった。
【０００４】また、銅の配線層を形成した後に銅の酸化
を防止するための被覆膜を形成すると、被覆膜を形成す
ることによって配線層の凹凸が大きくなり、表面を平坦
化する上で障害となっていた。本発明は、上記の問題に
対応するため、エッチングにより銅の化合物を気化する
ことなく、バリア層を含めた銅の配線層あるいはコンタ
クトの平坦化を実現する手段を提供することを目的とす
る。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】本発明に依る集積回路
装置の製造方法に於いては、 （１） 基板上に形成された絶縁膜に開口を形成する工程と、該
開口を含む該基板の上に銅の堆積層を堆積する工程と、
研磨により、該絶縁膜の上に堆積された銅の堆積層を除
去するとともに、該開口中に堆積された銅を表面が該絶
縁膜の表面より低い段差を有するように研磨除去する工
程と、該開口中の銅を含む基板の上にバリア材料の堆積
層を堆積する工程と、該バリア材料の堆積層を平坦化研
磨することによって該開口中の銅の上面にセルフアライ
ンでバリア層を形成する工程とを含んでなることを特徴
とするか、又は、
【０００６】（２） 回路基板上に形成された絶縁膜に開口を形成する工程
と、該開口を含む該回路基板の上にバリア材料の堆積層
を堆積する工程と、該バリア材料の堆積層の上に銅の堆
積層を堆積する工程と、研磨に依り、該絶縁膜の上に堆
積されたバリア材料の堆積層と銅の堆積層を除去すると
ともに、該開口中に堆積された銅を表面が該絶縁膜の表
面より低い段差を有するように研磨除去する工程と、該
開口中の銅を含む基板の上にバリア材料の堆積層を堆積
する工程と、該バリア材料の堆積層を平坦化研磨するこ
とによって該開口中の銅の上面にセルフアラインでバリ
ア層を形成する工程とを含んでなることを特徴とする
か、又は、
【０００７】（３） 前記（１）或いは（２）に於いて、沃化カリウムまたは
塩化カリウムの水溶液と研磨剤を用いてバフ研磨するこ
とによって、絶縁膜の上に堆積された銅の堆積層を除去
するとともに、開口中に堆積された銅を表面が該絶縁膜
の表面より低い段差を有するように除去することを特徴
とするか、又は、
【０００８】（４） 前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、絶縁膜に形
成された開口が、溝状開口であり、該溝状開口中に堆積
した銅によって配線層を形成することを特徴とするか、
又は、 （５） 前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、絶縁膜に形
成された開口が、基板に達するコンタクトホールであ
り、該コンタクトホール中に堆積した銅によって該回路
基板に対するコンタクトを形成することを特徴とする
か、又は、
【０００９】（６） 前記（１）乃至（５）の何れか１に於いて、バリア層の
材料がＴｉＮであることを特徴とするか、又は、（７） 前記（１）乃至（４）の何れか１に於いて、バリヤ層の
材料が酸素を含まない絶縁材料であることを特徴とす
る。
【００１０】
【作用】図１は、本発明によって製造された集積回路装
置の構成説明図である。この図において、１は基板、２
は絶縁膜、３は溝状の開口、４1 はバリア層、５1 は銅
の配線層、６1 はバリア層である。
【００１１】この構成説明図によって、配線層の形成方
法に特徴を有する集積回路装置の製造方法の概要を説明
する。
【００１２】基板１の上に形成されたＳｉＯ2 等の絶縁
膜２に溝状の開口３をフォトリソグラフィー技術によっ
て形成し、この溝状の開口３の中を含む絶縁膜２の全面
にＴｉＮ等のバリア材料をスパッタ法等によって堆積し
てバリア材料堆積層を形成し、このバリア材料堆積層の
上に、銅をＣＶＤ法等によって堆積して、溝状の開口３
を完全に埋め込む銅の堆積層を形成する。
【００１３】この銅の堆積層を、沃化カリウム（ＫＩ）
＋沃素（Ｉ2 ）水溶液（５％）と研磨剤を用いてバフ研
磨し、絶縁膜２上面に形成されている銅の堆積層とバリ
ア材料堆積層を除去して、バリア層４1 によって底面と
側面の三方を囲まれ、絶縁膜２の上面より低い銅の配線
層５1 を形成する。
【００１４】そして、絶縁膜２の上面より低い銅の配線
層５1 の上を含む絶縁膜２の全面に再びバリア材料堆積
層を形成し、平坦化ポリッシュを行って、銅の配線層５
1 の上面のみにバリア層６1 を残して、バリア層４1 と
バリア層６1 によって四方を囲まれ、絶縁膜２の上面と
一致する上面を有する銅の配線層５1 を形成する。
【００１５】本発明によると、従来のように、銅層をエ
ッチングして配線層を残す工程を用いることなく銅の配
線層を形成することができ、さらに銅の配線層の周りを
バリア層によって覆うことができるため、銅の酸化、拡
散が防止され、エレクトロマイグレーションに強い低抵
抗の平坦化配線層を形成することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の集積回路装置の製造方法の実
施例を説明する。 （第１実施例）図２、図３は、第１実施例の集積回路装
置の製造方法の工程説明図で、（Ａ）〜（Ｅ）は各工程
を示している。この図において、１は基板、２は絶縁
膜、３は溝状の開口、４はバリア材料堆積層、４1 はバ
リア層、５は銅の堆積層、５1 は銅の配線層、６はバリ
ア材料堆積層、６1 はバリア層である。
【００１７】この工程説明図によって、配線層の形成方
法に特徴を有する集積回路装置の製造方法を説明する。
【００１８】第１工程（図２（Ａ）参照） 基板１の上に形成されたＳｉＯ2 等の絶縁膜２に、銅の
配線層を形成するための溝状の開口３をフォトリソグラ
フィー技術によって形成する。この基板１は、集積回路
装置の半導体基板、配線層を担持するための絶縁基板、
多層配線層の層間絶縁体膜等であり得る。
【００１９】第２工程（図２（Ｂ）参照） 溝状の開口３の中を含む絶縁膜２の全面に、ＴｉＮをス
パッタ法によって堆積してバリア材料堆積層４を形成す
る。このバリア材料堆積層４の上に、銅をＣＶＤ法によ
って堆積して、溝状の開口３を完全に埋め込む銅の堆積
層５を形成する。このＣＶＤ法による銅の堆積層（ＣＶ
Ｄ−Ｃｕ）５のソースガスとして、Ｃｕ（ＨＦＡ）ｔｍ
ｖｓ（Ｃｕ（１）−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌ
ａｃｅｔｏｎａｔｏ−ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｖｉｎｙｌｓ
ｉｌｙｌ）を用い、基板温度２００℃、成長圧力１Ｔｏ
ｒｒで成膜する。
【００２０】第３工程（図２（Ｃ）参照） この銅の堆積層５を、沃化カリウム（ＫＩ）＋沃素（Ｉ
2 ）水溶液（５％）および研磨剤（商品名Ｂａｌｋａｌ
ｏｘ ０．１ＣＲ）を用いてバフ研磨し、絶縁膜２上面
に形成されている銅の堆積層５とＴｉＮからなるバリア
材料堆積層４を除去して、バリア層４1 によって底面と
側面の三方を囲まれ、絶縁膜２の上面より低い銅の配線
層５1 を形成する。
【００２１】第４工程（図３（Ｄ）参照） 絶縁膜２の上面より低い銅の配線層５1 の上を含む絶縁
膜２の全面に再びＴｉＮをスパッタ法により堆積して、
バリア材料堆積層６を形成する。
【００２２】第５工程（図３（Ｅ）参照） このバリア材料堆積層６を平坦化ポリッシュして、銅の
配線層５1 の上面のみにバリア層６1 を残して、バリア
層４1 とバリア層６1 によって四方を完全に囲まれ、絶
縁膜２の上面と一致する平面を有する銅の配線層５1 を
形成する。この平坦な絶縁膜２と銅の配線層５1 の上
に、他の配線層を引き続いて形成することができる。
【００２３】上記の実施例においては、バリア材料とし
てＴｉＮを用いた例を説明したが、ＴｉＮに代えて銅の
配線層５1 の周りにＳｉＮ膜等の酸素を含まない絶縁材
料を形成した場合は、銅の配線層５1 が酸化膜と直接接
触する部分がなくなり、銅の配線層５1 が酸化されるの
を防止することができ、また逆に銅の配線層５1 の銅が
絶縁膜２に拡散して特性を劣化させることを防止するこ
とができる。
【００２４】（第２実施例）図４、図５は、第２実施例
の集積回路装置の製造方法の工程説明図で、（Ａ）〜
（Ｅ）は各工程を示している。この図において、１１は
回路基板、１２は絶縁膜、１３はコンタクトホール、１
４はバリア材料堆積層、１４1 はバリア層、１５は銅の
堆積層、１５1 は銅のコンタクト、１６はバリア材料堆
積層、１６1 はバリア層である。
【００２５】この工程説明図によって、コンタクトの形
成方法に特徴を有する集積回路装置の製造方法を説明す
る。この実施例のコンタクトの形成工程は第１実施例の
配線層の形成工程とほぼ同様であるから、詳細な説明を
省略する。
【００２６】第１工程（図４（Ａ）参照） 回路基板１１の上に形成された絶縁膜１２に、銅のコン
タクトを形成するためのコンタクトホール１３をフォト
リソグラフィー技術によって形成する。
【００２７】第２工程（図４（Ｂ）参照） コンタクトホール１３の中を含む絶縁膜１２の全面に、
スパッタ法によってバリア材料堆積層１４を形成する。
このバリア材料堆積層１４の上に、銅をＣＶＤ法によっ
て堆積して、コンタクトホール１３を完全に埋め込む銅
の堆積層１５を形成する。
【００２８】第３工程（図４（Ｃ）参照） この銅の堆積層１５を、沃化カリウム（ＫＩ）＋沃素
（Ｉ2 ）水溶液（５％）と研磨剤を用いてバフ研磨し、
絶縁膜１２の上面に形成されている銅の堆積層１５とバ
リア材料堆積層１４を除去して、周囲をバリア層１４1
によって囲まれ、絶縁膜１２の上面より低い銅のコンタ
クト１５1 を形成する。
【００２９】第４工程（図５（Ｄ）参照） 絶縁膜１２の上面より低い銅のコンタクト１５1 の上を
含む絶縁膜１２の全面に再びバリア材料堆積層１６を形
成する。
【００３０】第５工程（図５（Ｅ）参照） このバリア材料堆積層１６を平坦化ポリッシュして、銅
のコンタクト１５1 の上面のみにバリア層１６1 を残し
て、バリア層１４1 とバリア層１６1 によって全面を囲
まれ、絶縁膜１２の上面と一致する平面を有する銅のコ
ンタクト１５1を形成する。
【００３１】この実施例においては、バリア材料として
ＴｉＮ等の導電性を有するバリアメタルあるいは合金を
用い、平坦な絶縁膜１２と銅のコンタクト１５1 の上
に、他の配線層を引き続いて形成し、導電性のバリア層
１６1 を介して銅のコンタクト１５1 と他の配線層の間
を電気的に接続することができる。
【００３２】上記の各実施例においては、銅の配線層５
1 あるいはコンタクトの周りをバリア層で覆っている
が、絶縁膜の材料がバリア材料と同等の性質を有する場
合は、銅の配線層５1 あるいはコンタクトの上部のみに
バリア層を形成することによって、本発明の目的を達成
することができる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
銅層をエッチングして配線層を残す従来の工程を用いる
ことなく、銅の配線層を形成することができ、さらに銅
の配線層の周りは全てバリア材料の層で覆われるため、
銅の酸化、拡散が防止され、エレクトロマイグレーショ
ンに強い低抵抗の平坦化配線層を形成することができ、
集積回路装置の高集積化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって製造された集積回路装置の構成
説明図である。
【図２】第１実施例の集積回路装置の製造方法の工程説
明図（１）で、（Ａ）〜（Ｃ）は各工程を示している。
【図３】第１実施例の集積回路装置の製造方法の工程説
明図（２）で、（Ｄ），（Ｅ）は各工程を示している。
【図４】第２実施例の集積回路装置の製造方法の工程説
明図（１）で、（Ａ）〜（Ｃ）は各工程を示している。
【図５】第２実施例の集積回路装置の製造方法の工程説
明図（２）で、（Ｄ），（Ｅ）は各工程を示している。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 絶縁膜 ３ 溝状の開口 ４ バリア材料堆積層 ４1 バリア層 ５ 銅の堆積層 ５1 銅の配線層 ６ バリア材料堆積層 ６1 バリア層 １１ 回路基板 １２ 絶縁膜 １３ コンタクトホール １４ バリア材料堆積層 １４1 バリア層 １５ 銅の堆積層 １５1 銅のコンタクト １６ バリア材料堆積層 １６1 バリア層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に形成された絶縁膜に開口を形成す
    る工程と、 該開口を含む該基板の上に銅の堆積層を堆積する工程
    と、研磨により、 該絶縁膜の上に堆積された銅の堆積層を除
    去するとともに、該開口中に堆積された銅を表面が該絶
    縁膜の表面より低い段差を有するように研磨除去する工
    程と、 該開口中の銅を含む基板の上にバリア材料の堆積層を堆
    積する工程と、該バリア材料の堆積層を平坦化研磨することによって該
    開口中の銅の上面にセルフアラインでバリア層を形成す
    る程と を含んでなることを特徴とする集積回路装置の製
    造方法。
  2. 【請求項２】回路基板上に形成された絶縁膜に開口を形
    成する工程と、 該開口を含む該回路基板の上にバリア材料の堆積層を堆
    積する工程と、 該バリア材料の堆積層の上に銅の堆積層を堆積する工程
    と、研磨に依り、 該絶縁膜の上に堆積されたバリア材料の堆
    積層と銅の堆積層を除去するとともに、該開口中に堆積
    された銅を表面が該絶縁膜の表面より低い段差を有する
    ように研磨除去する工程と、 該開口中の銅を含む基板の上にバリア材料の堆積層を堆
    積する工程と、該バリア材料の堆積層を平坦化研磨することによって該
    開口中の銅の上面にセルフアラインでバリア層を形成す
    る工程と を含んでなることを特徴とする集積回路装置の
    製造方法。
  3. 【請求項３】沃化カリウムまたは塩化カリウムの水溶液
    と研磨剤を用いてバフ研磨することによって、絶縁膜の
    上に堆積された銅の堆積層を除去するとともに、開口中
    に堆積された銅を表面が該絶縁膜の表面より低い段差を
    有するように除去することを特徴とする請求項１或いは
    請求項２記載の集積回路の製造方法。
  4. 【請求項４】絶縁膜に形成された開口が、溝状開口であ
    り、該溝状開口中に堆積した銅によって配線層を形成す
    ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記
    載の集積回路装置の製造方法。
  5. 【請求項５】絶縁膜に形成された開口が、基板に達する
    コンタクトホールであり、該コンタクトホール中に堆積
    した銅によって該回路基板に対するコンタクトを形成す
    ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記
    載の集積回路装置の製造方法。
  6. 【請求項６】バリア層の材料がＴｉＮであることを特徴
    とする請求項１乃至請求項５の何れか１記載の集積回路
    装置の製造方法。
  7. 【請求項７】バリヤ層の材料が酸素を含まない絶縁材料
    であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか
    １記載の集積回路装置の製造方法。
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