JP3481877B2 - 配線構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、銅を主材料とす
る配線構造およびその製造方法に関し、特に半導体装置
の微細配線に用いられる配線構造およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりシリコン半導体を用いた集積回
路においては、アルミニウムが配線材料として一般に用
いられている。しかしながら、そのようなアルミニウム
を配線材料とした半導体装置では、配線遅延の回路性能
の影響や、配線のエレクトロマイグレーションによる信
頼性の低下が深刻化している。まず、配線による信号の
遅延としては、配線抵抗に起因するものがある。この配
線抵抗による信号遅延の解消には、配線材料に電気抵抗
のより低い材料を用いるようにすればよい。また、信号
の遅延の原因としては、配線容量に起因するものがあ
る。これは、高密度に集積された配線間における配線容
量に起因する遅延である。この配線容量の低減のために
は、配線の幅を細くするだけではなく、厚さ方向をより
薄くし、所定の配線間隔を確保する必要がある。しかし
ながら、このように配線を細くしていくと、配線に流れ
る電流密度が増大することになり、エレクトロマイグレ
ーションが起きやすい状態となる。

【０００３】以上の問題点を解消するために、近年、ア
ルミニウムに代わり、電気抵抗が低くマイグレーション
耐性の高い銅が、配線材料として有望視されている。た
だし、銅は酸化により劣化しやすくその酸化により著し
く電気抵抗が増加するため、銅を用いた配線は、配線構
造を形成した段階でその露出面を保護膜で被覆する必要
がある。このような、銅配線の保護膜として、ルテニウ
ムやその酸化物を用いることが提案されている（特開平
１０−２２９０８４号公報）。ルテニウムを保護膜した
場合、配線を被覆するルテニウムの膜（保護膜）表面が
酸化するが、これが導電性を有することから、配線の接
触抵抗が著しく増大することがないという利点を有して
いる。

【０００４】そのルテニウムからなる保護膜の形成方法
としては、化学的気相成長法や、無電解メッキ法が提案
されている。これらの方法は、どちらも選択性を有して
おり、形成した銅配線の露出面のみにルテニウムからな
る保護膜を形成することが可能である。特に、無電解メ
ッキ法は、１００℃以下の低温のプロセスであるため、
耐熱性の低い材料が用いられている配線構造の形成に適
している。例えば、配線間容量を低減するために用いら
れている低誘電率有機絶縁膜を用いた場合、あまり高温
の処理ができなくなるが、無電解メッキ法において加わ
る温度では全く問題がない。また、無電解メッキ法は、
真空容器などを用いるなど高価な装置を必要としないの
で、成膜コストを安価にすることができるという特徴も
有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ルテニ
ウムの無電解メッキが、以下に示すことにより、安定し
てできないという問題があった。ルテニウムの無電解メ
ッキ液は、ルテニウムのアンモニア錯体と還元剤として
のヒドラジンとの水溶液を水酸化ナトリウムでｐＨ調整
したものであるが、メッキ液の安定性が低く、メッキ対
象物を浸漬しなくても、メッキ液中にルテニウムが析出
してしまう場合が発生する。このようにメッキ液が不安
定な状態では、メッキの異常成長などの問題が発生す
る。また、半導体集積回路の配線層として形成された銅
配線表面に、上述したことによりルテニウム膜をメッキ
形成する場合、メッキ反応が開始するまでに要する時間
が一定せず、また、部分的にメッキが成長するなどの問
題があった。

【０００６】一方、従来より知られている無電解メッキ
法により、ルテニウムの膜を銅配線表面に均一に形成で
きた場合でも、それらを空気中で３００℃程度の熱処理
を行うと、その配線のシート抵抗が著しく増加する現象
が観察された。これは、通常の無電解メッキ法で形成さ
れたルテニウムの保護膜では、酸化反応が起きうる雰囲
気で高温加熱処理を行うと、銅配線の酸化が発生してし
まうものと考えられる。したがって、従来では、銅配線
を形成した後、銅配線の露出面をルテニウム膜で被覆し
ただけでは、酸化反応が起きうる雰囲気で高温加熱処理
ができないという問題があった。

【０００７】以上をまとめると、銅配線を用いた半導体
集積回路を形成するとき、銅配線表面を、簡便な手法を
用いて導電性材料で被覆して保護しようとする場合、無
電解メッキ法によりルテニウムの膜を形成するようにし
ていたが、これでは、保護膜が再現性よく安定に形成で
きず、また、酸化防止の保護膜としての性能があまり高
くないという問題があった。この発明は、以上のような
問題点を解消するためになされたものであり、例えば半
導体集積回路で用いる銅配線表面を、簡便な手法で安定
して形成できる導電性の保護膜で、より性能良く酸化防
止できるようにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の配線構造は、
基板上に形成された銅からなる配線の露出面を、ニッケ
ルのメッキ膜からなる保護膜で被覆するようにし、その
ニッケルのメッキ膜に加え、その表面を覆うルテニウム
のメッキ膜とから保護膜を構成するようにした。この結
果、銅からなる配線が、雰囲気の酸素から遮断されるよ
うになる。また、ルテニウムのメッキ膜で覆うことで、
保護膜表面が酸化しても電気抵抗が増加しない。ところ
で、その保護膜で覆われた配線上に、絶縁膜が形成され
ても良く、また、配線は、基板上に形成された層間絶縁
膜の上に配置されていても良い。また、配線とその層間
絶縁膜の間に、銅の拡散を抑制するバリア膜を備えても
よい。また、基板上に形成された層間絶縁膜を備え、そ
の層間絶縁膜上に配線および絶縁膜が配置されていても
よく、このとき、配線とその層間絶縁膜の間に銅の拡散
を抑制するバリア膜を備えてもよい。

【０００９】また、この発明の配線構造の製造方法は、
基板上に銅からなる金属膜を形成する工程と、その金属
膜を加工して配線を形成する工程と、無電解メッキ法に
よりニッケルの膜を形成して配線の露出面をニッケルの
メッキ膜からなる保護膜で被覆する工程と、ニッケルの
メッキ膜の形成に引き続き、無電解メッキ法によりルテ
ニウムの膜を形成し、ニッケルのメッキ膜とその表面を
覆うルテニウムのメッキ膜からなる保護膜で配線の露出
面を被覆する工程とを備えるようにした。このように製
造するようにしたので、銅からなる配線は露出面がニッ
ケル膜で覆われ、雰囲気の酸素から遮断されるようにな
る。また、保護膜表面が酸化しても、その電気抵抗の増
加を抑制できる。その保護膜は無電解メッキ法により配
線の露出面のみに選択的に形成するようにすればよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。はじめに、ダマシン法による銅配線
について説明する。以下では、銅配線を形成したときの
露出面を、無電解メッキ法で形成したニッケル膜で覆う
ようにした。例えば、ダマシン法で形成された銅配線
は、図１に示すように構成されている。その基本的な構
成を説明すると、まず、ＭＯＳトランジスタなどの素子
が形成された半導体基板１０１上に、例えば、ポリベン
ザオキサゾールやベンゾシクロブテンなどの低誘電率有
機絶縁体からなる層間絶縁膜１０２が形成されている。
そして、この層間絶縁膜１０２には、溝１０２ａが形成
され、この溝１０２ａ内に銅からなる配線１０３が形成
されている。

【００１１】また、その配線１０３と溝１０２ａとの界
面には、例えばクロムからなる銅の拡散を抑制するバリ
ア膜１０４が形成されている。なお、このバリア膜１０
４を形成することで、層間絶縁膜１０２と配線１０３と
の密着性を向上させることができる。なお、バリア膜１
０４としては、チタンやタンタルおよびそれらの窒化
物、また、それらの合金などを用いるようにしても良
く、銅の拡散を抑制できる導電性の材料を用いればよ
い。

【００１２】 このように、ダマシン法で形成された場
合、配線１０３はその上面が層間絶縁膜１０２表面で露
出した状態となる。そして、ここでは、形成された配線
１０３の露出面をニッケルからなる保護膜１０５で覆う
ようにした。ニッケルは、水及び空気に対してきわめて
安定であり、酸化しやすい銅からなる配線１０３表面を
保護することができる。また、ニッケルは、無電解メッ
キ法により、表面状態が部分的に変化しやすい銅からな
る配線１０３表面に、安定して皮膜を形成できる。そし
て、配線１０３が形成された段階で露出している面を、
保護膜１０５で覆うようにしたので、配線１０３の層上
に新たな層が形成されるまでの間に、配線１０３の酸化
を抑制できるようになる。この結果、銅からなる配線１
０３のシート抵抗の増加が、抑制できるようになる。

【００１３】 次に、上記配線構造の製造方法に関して
説明する。まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板
１０１上に層間絶縁膜１０２を形成する。次に、図２
（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０２の所定箇所に溝
１０２ａを形成し、それらの上に、クロム膜２０１を形
成し、また、その上に銅膜２０２を形成し、溝１０２ａ
が埋め込まれた状態とする。次に、図２（ｃ）に示すよ
うに、例えば化学的機械的研磨法などにより、銅膜２０
２およびクロム膜２０１をその表面より切削研磨し、溝
１０２ａ内にクロムからなるバリア膜１０４を介して銅
からなる配線１０３が配置された状態とする。

【００１４】次に、奥野製薬工業株式会社製の銅表面活
性化用触媒液「ＩＣＰアクセラ」を用意し、これに上述
した配線１０３が形成された半導体基板１０１を浸漬
し、配線１０３の露出面にパラジウムを付着させた。こ
の前処理では、「ＩＣＰアクセラ」２００ｍｌを水８０
０ｍｌに溶解した触媒液を用い、その液温は約３０℃に
加温して用いた。また、この処理では、その触媒液中
に、半導体基板１０１を１０〜３０秒間浸漬し、その後
で半導体基板１０１を水洗した。なお、これら前処理は
行わなくても良い。次に、今度は、奥野製薬工業株式会
社製の無電解ニッケルメッキ液「トップケミアロイ６
６」を用意し、これに上述の前処理を行った半導体基板
１０１を浸漬し、図２（ｄ）に示すように、配線１０３
表面にニッケルからなる保護膜１０５を形成した。

【００１５】 ところで、上述では、ダマシン法で形成
した配線の表面に、ニッケルからなる保護膜を形成する
ようにしたが、これに限るものではない。例えば、図３
に示すように、まず、ＭＯＳトランジスタなどの素子が
形成された半導体基板３０１上に、例えば、酸化シリコ
ンからなる層間絶縁膜３０２が形成され、その上に、銅
からなる配線３０３が形成されている構造においても、
ニッケルからなる保護膜３０５を形成するようにしても
良い。なお、配線３０３下面の層間絶縁膜３０２との界
面には、例えばクロムからなるバリア膜３０４が形成さ
れている。

【００１６】 このような場合、配線３０３が形成され
た段階では、その上面だけではなく側面まで露出した状
態となっている。そして、図３では、その配線３０３の
露出面をニッケルからなる保護膜３０５で覆うようにし
た。前述したように、ニッケルは、水および空気に対し
てきわめて安定であり、酸化しやすい銅からなる配線３
０３表面を保護することができる。また、ニッケルは、
無電解メッキ法により、酸化の程度などにより表面状態
が部分的に変化しやすい銅からなる配線３０３表面に、
安定して皮膜を形成できる。そして、配線３０３が形成
された段階で露出している面を、保護膜３０５で覆うよ
うにしたので、配線３０３の層上に新たな層間膜などの
層が形成されるまでの間に、配線３０３の酸化を抑制で
きるようになる。この結果、この図３に示す構成でも、
銅からなる配線３０３のシート抵抗の増加を抑制できる
ようになる。

【００１７】 次に、図３に示す配線構造の製造方法に
関して説明する。まず、図４（ａ）に示すように、半導
体基板３０１上に層間絶縁膜３０２を形成する。次に、
図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３０２の上に、ク
ロム膜４０１を形成し、また、その上に銅膜４０２を形
成する。次に、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチ
ング技術により、その銅膜４０２およびクロム膜４０１
を微細加工し、図４（ｃ）に示すように、バリア膜３０
４を介して配線３０３が形成された状態とする。

【００１８】 次に、奥野製薬工業株式会社製の銅表面
活性化用触媒液「ＩＣＰアクセラ」を用意し、この触媒
液中に上述した配線３０３が形成された半導体基板３０
１を浸漬し、前述と同様にして、配線３０３の露出面に
パラジウムを付着させた。そして、やはり前述と同様
に、奥野製薬工業株式会社製の無電解ニッケルメッキ液
「トップケミアロイ６６」を用意し、これに上述の前処
理を行った半導体基板３０１を浸漬し、図４（ｄ）に示
すように、配線３０３上面および側面に、ニッケルから
なる保護膜３０５を形成した。

【００１９】 ところで、上述では、銅からなる配線の
露出面に、無電解メッキ法でニッケル膜を形成し、この
ニッケルからなる保護膜で配線表面を被覆するようにし
たが、本実施の形態では、そのニッケル表面にルテニウ
ムの膜を新たに形成するようにした。例えば、図５に示
すように、配線５０３の表面に、ニッケル膜５０５ａに
加えてルテニウム膜５０５ｂが形成された保護膜５０５
を備えるようにしても良い。

【００２０】なおこの配線構造では、まず、ＭＯＳトラ
ンジスタなどの素子が形成された半導体基板５０１上
に、例えば、ポリベンザオキサゾールなどの低誘電率有
機絶縁体からなる層間絶縁膜５０２が形成されている。
そして、この層間絶縁膜５０２には、溝５０２ａが形成
され、この溝５０２ａ内に銅からなる配線５０３が形成
されている。また、その配線５０３と溝５０２ａとの界
面には、例えばクロムからなる銅の拡散を抑制するバリ
ア膜５０４が形成されている

【００２１】このように、ニッケル膜に加え、そのニッ
ケル膜の表面を覆うようにルテニウムの膜を形成した保
護膜５０５を用いることで、保護膜５０５の表面に酸化
膜が形成されても、その接触抵抗を低く押さえることが
できる。すなわち、ニッケルの酸化物に比較してルテニ
ウムの酸化物の方が電気抵抗が低いため、保護膜５０５
の外側をルテニウムで構成することで、配線層間をプラ
グでコンタクト接続するときの接触抵抗を低くおさえら
れる。

【００２２】なお、ニッケルとルテニウムとの２層構造
とした保護膜は、図６に示すような配線構造にも適用で
きる。この配線構造に関して簡単に説明すると、まず、
ＭＯＳトランジスタなどの素子が形成された半導体基板
６０１上には、例えば、酸化シリコンからなる層間絶縁
膜６０２が形成されている。そして、この層間絶縁膜６
０２上に、例えばクロムからなるバリア膜６０４を介
し、銅からなる配線６０３が形成されている。この場
合、配線６０３は、その上面だけでなく側面まで露出し
た状態となるが、この露出面が、ニッケル膜６０５ａと
その表面を覆うルテニウム膜６０５ｂとからなる保護膜
６０５で覆われている。

【００２３】 次に、上述したニッケルとルテニウムと
の２層構造とした保護膜の形成方法に関して説明する。
この保護膜の形成は、図２，４と同様にして銅配線表面
にニッケル膜を形成した後、そのニッケル膜表面に、無
電解メッキ法により選択的にルテニウム膜を形成すれば
よい。その無電解メッキ法によるルテニウム膜の形成
は、次のようにして行う。まず、表面にニッケル膜が形
成された銅配線を備えた基板を、希塩酸に浸漬し、次い
で水洗する。そして、この基板を奥野製薬工業株式会社
製の無電解ルテニウムメッキ液「無電解ルテニウムＲ
Ｕ」に浸漬することで、ニッケル膜の表面にルテニウム
膜を形成することができる。なお、そのメッキ液は液温
を６０℃として用いた。

【００２４】次に、上述した保護膜による保護特性（酸
化防止特性）に関して以下に記載する。この保護特性の
調査では、まず、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形
成し、その上に、スパッタ法でクロム膜および銅膜をそ
れぞれ膜厚１００ｎｍに形成し、その上に保護膜を形成
したものとしていないものとを作製した。また、保護膜
としては、ニッケル膜、ルテニウム膜、ニッケル＋ルテ
ニウム膜の３種類を、前述した無電解メッキ法により作
製した。また、各メッキ膜は、それぞれ１００ｎｍ程度
の膜厚に形成した。そして、それらの試料に、空気中で
１００，２００，３００℃の熱処理を１時間加え、その
後で銅膜のシート抵抗を測定した。

【００２５】図７は、その測定結果であり、白丸が保護
膜なしの場合、白四角がルテニウムの保護膜の場合、黒
丸がニッケルの保護膜の場合、黒四角がニッケルとルテ
ニウムの２層膜からなる保護膜の場合を示している。な
お、図７において、黒丸と黒四角がほぼ重なって表示さ
れているため、その区別が付きにくい状態となってい
る。その図７に示すように、加熱処理の温度が１００℃
を越えると、保護膜なしの場合はそのシート抵抗が上昇
している。また、加熱処理の温度が２００℃を越える
と、ルテニウムの保護膜ではそのシート抵抗が上昇して
いる。それらに対し、３００℃の加熱処理をしても、ニ
ッケルの保護膜やニッケルとルテニウムの２層膜からな
る保護膜を形成した場合、そのシート抵抗はほとんど変
化していない。

【００２６】 なお、上記実施の形態では、ニッケルの
無電解メッキ液として「トップケミアロイ６６」を用い
るようにしたが、これに限るものではない。ニッケル塩
と、そのニッケル塩を自動的に還元させる還元剤とが溶
解し、触媒作用によって液中の金属面にニッケル皮膜を
形成できる他の無電解メッキ液を用い、銅配線表面に選
択的にニッケルメッキを行うようにしても良い。また、
ニッケルのメッキ膜を形成する前に、銅からなる配線表
面を清浄化する工程を行うようにしてもよい。その清浄
化の工程としては、例えば、脱脂やエッチングなどがあ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、基
板上に形成された銅からなる配線の露出面を、ニッケル
のメッキ膜からなる保護膜で被覆するようにした。ま
た、そのニッケルのメッキ膜に加え、その表面を覆うル
テニウムのメッキ膜とから保護膜を構成するようにし
た。したがって、銅からなる配線が、雰囲気の酸素から
遮断されるようになり、また、ルテニウムのメッキ膜で
覆うことで、保護膜表面が酸化しても電気抵抗が増加し
なくなる。この結果、この発明によれば、半導体集積回
路などで用いられる銅配線表面を、簡便な手法で安定し
て形成できる導電性の保護膜で、より性能良く酸化防止
できるようになるという、優れた効果がある。

【００２８】また、この発明では、基板上に銅からなる
金属膜を形成する工程と、その金属膜を加工して配線を
形成する工程と、無電解メッキ法によりニッケルの膜を
形成して配線の露出面をニッケルのメッキ膜からなる保
護膜で被覆する工程とを備えるようにした。また、その
ニッケルのメッキ膜の形成に引き続き、無電解メッキ法
によりルテニウムの膜を形成し、ニッケルのメッキ膜と
その表面を覆うルテニウムのメッキ膜からなる保護膜で
配線の露出面を被覆するようにした。このように製造す
るようにしたので、銅からなる配線は露出面がニッケル
膜で覆われ、雰囲気の酸素から遮断されるようになり、
また、加えて、保護膜表面が酸化しても、その電気抵抗
の増加を抑制できるようになる。したがって、この発明
によれば、半導体集積回路などで用いられる銅配線表面
を、簡便な手法で安定して形成できる導電性の保護膜
で、より性能良く酸化防止できるようになるという優れ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 配線構造の構成例を示す断面図である。

【図２】 配線構造の製造過程を説明するための工程図
である。

【図３】 配線構造の構成例を示す断面図である。

【図４】 配線構造の製造過程を説明するための工程図
である。

【図５】 この発明の実施の形態における配線構造の構
成を示す断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態における配線構造の他
の構成を示す断面図である。

【図７】 この発明における配線構造のシート抵抗の変
化を示す説明図である。

【符号の説明】

１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０２ａ…
溝、１０３…配線、１０４…バリア膜、１０５…保護
膜。

フロントページの続き (72)発明者 斎藤 國夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 前田 正彦 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−22285（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−341（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163544（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/28 301 H01L 21/288 H01L 21/768

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された銅からなる配線と、 この配線の露出面を被覆するニッケルのメッキ膜からな
   る保護膜と を備え、 前記保護膜は、前記ニッケルのメッキ膜とその表面を覆
   うルテニウムのメッキ膜とから構成されている ことを特
   徴とする配線構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の配線構造において、 前記保護膜で覆われた前記配線上に形成された絶縁膜を
   備えたことを特徴とする配線構造。
3. 【請求項３】 請求項１記載の配線構造において、 前記基板上に形成された層間絶縁膜を備え、その層間絶
   縁膜上に前記配線が配置されたことを特徴とする配線構
   造。
4. 【請求項４】 請求項３記載の配線構造において、 前記配線と前記層間絶縁膜の間に形成された銅の拡散を
   抑制するバリア膜を備えたことを特徴とする配線構造。
5. 【請求項５】 請求項２記載の配線構造において、 前記基板上に形成された層間絶縁膜を備え、その層間絶
   縁膜上に前記配線および前記絶縁膜が配置されたことを
   特徴とする配線構造。
6. 【請求項６】 請求項５記載の配線構造において、 前記配線と前記層間絶縁膜の間に形成された銅の拡散を
   抑制するバリア膜を備えたことを特徴とする配線構造。
7. 【請求項７】 基板上に銅からなる金属膜を形成する工
   程と、 前記金属膜を加工して配線を形成する工程と、 無電解メッキ法によりニッケルの膜を形成して前記配線
   の露出面をニッケルのメッキ膜からなる保護膜で被覆す
   る工程と、 前記ニッケルのメッキ膜の形成に引き続き、無電解メッ
   キ法によりルテニウムの膜を形成し、ニッケルのメッキ
   膜とその表面を覆うルテニウムのメッキ膜からなる保護
   膜で前記配線の露出面を被覆する工程と を備えたことを
   特徴とする配線構造の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載の配線構造の製造方法にお
   いて、 前記保護膜は無電解メッキ法により前記配線の露出面の
   みに選択的に形成する ことを特徴とする配線構造の製造
   方法。