JP3594888B2

JP3594888B2 - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP3594888B2
Application number: JP2000238692A
Authority: JP
Inventors: 通雄朝比奈
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001102383A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、メッキ配線層を用いた配線構造の形成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＡｌ配線材料を用いた半導体構造としては、図５に示すものがある。
【０００３】
同図の如く、シリコン基板１の表面側には、不純物拡散された半導体拡散領域たるソース領域２ａ，ドレイン領域２ｂ及びゲート絶縁膜２ｃと、ゲート絶縁膜２ｃの上面側のゲート電極部２ｄと、その側部のサイドウォール２ｅ，２ｆと、各領域の接続面たるＴｉＳｉ_２層３ａ，３ｂ，３ｃと、局所酸化膜（ＬＯＣＯＳ）４とが形成されている。この配線構造は、シリコン基板１の上面側に堆積された第１の層間絶縁膜５と、その接続孔６の底面で下層に接続する拡散反応防止膜たるＴｉＮ層７と、その上面側に堆積されてこれらの接続孔６の内部を埋める埋め込み層たるタングステン電極層８と、タングステン電極層８の上面側に堆積された配線層たるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層９と、その上面側に堆積された第２の層間絶縁膜１０と、その接続孔１１の底面で下層たるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層９に接続する拡散反応防止膜たるＴｉＮ１２と、この上面側に被着されて接続孔１１を埋める埋め込み層たるタングステン電極層１３と、そのタングステン電極層１３の上面側に被着された配線層たるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層１４と、この上面側に堆積された表面保護膜たるシリコン酸化膜１５とで構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置においては、以下の問題点を有している。
【０００５】
▲１▼ Ａｌ配線層を使用した場合には、配線層たるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層９，１４と下地との密着性を向上するため、４００〜５００℃でのアニールを必要とする。しかし、このような熱処理を行うと、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金は低融点金属であるので、Ｓｉが拡散して、析出物１６が発生し、接続抵抗の増大やバラツキが生じる。また、後工程における加熱・冷却のサイクルによりＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層１４の端部のようにヒルロック１７が発生して、層間でのリーク電流が発生する。
【０００６】
▲２▼ 配線構造の信頼性を向上するために、層間絶縁膜の平坦化技術や保護膜形成技術が適用されるが、多くの場合それらめ技術には加熱処理を伴う。例えば、外界からのイオンや水分の汚染により、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層１４の端部のように腐食部１８が発生するので、配線層の上面側には保護膜としてＳｉ_３Ｎ_４層を使用して外界からの汚染をブロッキングする場合がある。しかし、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層１４は低融点金属であることから、高温熱処理を行えず、このためＳｉ_３Ｎ_４層の内部にＨ_２が残留して圧縮応力を生じる。その応力により、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層１４には強い引張応力が残留するので、ノッチ１９やクラック２０が発生し易い。さらには、ストレスマイグレーションによる断線も発生し易い。このような熱処理に対する工程上の制約は、半導体装置の信頼性の向上に支障となっている。
【０００７】
▲３▼ Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層９とタングステン電極層８とは４５０℃以上で拡散反応を生じ、接続孔６での接続抵抗が上昇し、さらには拡散領域への突き抜けが生じる。
【０００８】
以上の問題に鑑み、本発明の課題は高融点金属層たるメッキ配線層の採用によって、カバレッジを向上させると共に熱的安定化を図り、配線抵抗及び接続抵抗を低抵抗化すると共に耐エレクトロマイグレーション性，耐ストレスマイグレーション性及び耐腐食性を高め、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決する手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられた第１の接続孔を有する第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに設けられ、前記第１の層間絶縁膜の上方に端部を有する第１の導電性下地層と、前記第１の接続孔を埋める金属を含む第１の埋込み層と、前記第１の埋込み層と前記第１の導電性下地層との上方に設けられた第１のメッキ配線層と、前記第１のメッキ配線層に接続する第２の接続孔を有し、前記第１のメッキ配線層の上方に設けられた第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜の上方と前記第２の接続孔内とに設けられ、少なくとも一部が第１のメッキ配線層に接する第２の導電性下地層と、前記第２の接続孔を埋める金属を含む第２の埋込み層と、前記第２の埋込み層と前記第２の導電性下地層との上方に設けられた第２のメッキ配線層と、を含む半導体装置であって、前記第２の層間絶縁膜は、シリコン窒化膜と前記シリコン窒化膜の上方に設けられたシリコン酸化膜とを有し、前記シリコン窒化膜は、少なくとも前記第１の導電性下地層における前記端部の側面に設けられ、前記第１の埋込み層は、前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに設けられたものであり、前記第２の埋込み層は、前記第２の層間絶縁膜の上方と前記第２の接続孔内とに設けられたものであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に第１の接続孔を有する第１の層間絶縁膜を形成する工程と、前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに、第１の導電性下地層を形成する工程と、前記第１の導電性下地層の上方に金属層を形成する工程と、前記金属層をエッチバックして、前記第１の接続孔内及び前記第１の層間絶縁膜の上方に、第１の埋込み層を形成する工程と、前記第１の埋込み層及び前記第１の導電性下地層との上方に、第１のメッキ配線層を形成する工程と、前記第１のメッキ配線層の上面及び側面と前記第１の導電性下地層の側面とを覆うようにシリコン窒化膜を設け、前記シリコン窒化膜の上方にシリコン酸化膜を設けることにより、第２の層間絶縁膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
層間絶縁膜の表面上にその接続孔を介して下層に接続する導電性下地層を被着して、この接続孔内部に埋め込み層を形成し、その上面側にメッキ配線層を形成すると、接続孔の上方開口部ではメッキ配線層と埋め込み層が接続し、一方、接続孔の外部ではメッキ配線層と導電性下地層が接続し、しかもメッキ配線層はメッキにより被着されているので、カバレッジが良好で、密着性も高いメッキ配線層を実現できる。また、埋め込み層及びメッキ配線層にはいずれも、Ａｌより融点が高い高融点金属を使用しているため、後工程において熱処理を行っても、配線層からの析出物またはヒルロック等は発生しないので、信頼性が高い配線構造を実項できる。すなわち、熱処理に対する工程上の制約条件がない。それ故、熱処理を必要とする汚染防止技術や層間絶縁膜の平坦化技術を採用でき、より信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００１７】
このような半導体装置の製造方法において、埋め込み層を接続孔にＣＶＤ法により堆積する工程を有しているので、埋め込み層は接続孔の内部を高いカバレージで埋めるため、その接続抵抗は低い。また埋め込み層の表面側をエッチバックする工程を有しているので、その表面は平坦化されており、メッキ配線層は容易に密着性良く被着することができる。しかも、エッチバックによる埋め込み層の除去深さを浅くして、埋め込み層を接続孔の内部及び接続孔外部の下地金属層の上面側に残し、埋め込み層の表面上にメッキ配綿層を被着した構造においても、同様の作用を得ることができる。よって、エッチバックによる埋め込み層の除去深さの制御に余裕が生じ、より実用的になると共に、配線構造をメッキ配線層の単層とした構造またはメッキ配線層の下面に埋め込み層を有する複層構造のいずれをも形成でき、層材料の性質に応じた配線層構造を実現できる。
【００１８】
上記の半導体装置の配線構造において、埋め込み層にタングステンを用いると、その融点は３４１０℃であるので熱安定性が高く、また接続孔の内部に高くカバレージできて接続抵抗は低下し、さらに硬度は５〜８であるのでエッチバックによる加工が容易にできる。
【００１９】
また、メッキ配線層にＡｕ，Ｃｕまたはそれらの合金を用いると、Ａｕ（融点は１０６３℃）またはＣｕ（融点は１０８３℃）はＡｌ（融点は６６０℃）に比較して融点が高い（高融点金属）ので熱安定性が高く、また比抵抗が低いので配線抵抗を低下でき、さらに化学的に安定であるので外界から不純物が侵入しても腐食が発生しにくい。
【００２０】
そして、導電性下地層が拡散反応防止層を有しているので、金属の拡散による合金化反応を防止でき、経時的な接続抵抗の増加を防止できる。
【００２１】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００２２】
＜第１実施例＞
本発明の第１実施例に係る半導体装置の断面図である図１を参照して以下に説明する。
【００２３】
同図に示す如く、シリコン基板１の表面側には、従来の半導体装置と同様に、ソース領域２ａ，ドレイン領域２ｂ及びゲート絶縁膜２ｃと、ゲート絶縁膜２ｃの上面側のゲート電極部２ｄと、その側部のサイドウォール２ｅ，２ｆと、各領域の接続面たるＴｉＳｉ_２層３ａ，３ｂ，３ｃと、局所酸化膜（ＬＯＣＯＳ）４とが形成されている。この配線構造は、シリコン基板１の上面側に堆積された第１の層間絶縁膜たるシリコン酸化膜５と、この酸化膜５に被着されており、その接続孔６を介して下層に接続している拡散反応防止膜（導電性下地層）たるＴｉＮ層２１と、この表面に被着されている導電性下地層たるＰｔ層２２と、これらの接続孔６の内部を埋める埋め込み層たるタングステン電極層２３と、この上面側でＰｔ層２２及びタングステン電極層２３の表面上に被着されたメッキ配線層たるメッキＡｕ膜２４と、この上面側に形成されたＳｉ_３Ｎ_４層２５と、その上面側に堆積された第２の層間絶縁膜たるボロン・リンガラス（ＢＰＳＧ）層２６と、このボロン・リンガラス層２６に被着され、その接続孔２７を介して下層たるメッキＡｕ膜２４に接続するＴｉＮ層２８と、この表面上に被着されているＰｔ層２９と、この接続孔２７を埋めるタングステン電極層３０と、Ｐｔ層２９及びタングステン電極層３０の表面上に被着されたメッキＡｕ膜３１と、この上面側に堆積された表面保護膜たるリンガラス（ＰＳＧ）層３２とで構成されている。
【００２４】
かかる構成の配線構造において、Ｓｉ_３Ｎ_４層２５を得るまでのプロセスは、まず、図２（Ａ）に示すごとく、前述のシリコン基板１の上面側にプラズマＣＶＤ法により第１の層間絶縁膜たるシリコン酸化膜５を堆積した後、接続部を形成すべき領域に複数の接続孔６を開孔する。次に、図２（Ｂ）に示す如く、この上面側にスパッタ法により、厚さ約１０００Åの拡散反応防止層（導電性下地層）たるＴｉＮ層２１及び厚さ約１０００Åの導電性下地層たるＰｔ層２２を順次被着する。この状態でＴｉＮ層２１は接続孔６の底面で下層と接続している。次に、図２（Ｃ）の如く、Ｐｔ層２２の表面上に、ＷＦ_６ガスを用いたＣＶＤ法により埋め込み層たるタングステン電極層２３を被着して接続孔内部を埋める。次に、図２（Ｄ）に示す如く、タングステン電極層２３の表面をＳＦ_６＋Ｏ_２によるエッチバック法により除去し、接続孔６の外部のＰｔ層２２を露出するまで平坦化して、接続孔６の内部のみにタングステン電極層２３を残し、タングステン電極層２３を形成する。次に、図２（Ｅ）に示す如く、この上面側に配線パターン領域を窓開けしたフォトレジスト層３３でマスキングした状態で、Ｐｔ層２２を電極としてシアン化金カリウムの酸性浴中で電解メッキを行い、フォトレジスト層３３の窓開け部に厚さ約８０００Åのメッキ配線層たるメッキＡｕ膜２４を被着する。次に、フォトレジスト層３３を除去した後、メッキＡｕ膜２４をマスクとして、Ｐｔ層２２及びＴｉＮ層２１をＡｒ^＋によるイオンミリング法により除去して、図２（Ｆ）の如く、配線パターンを形成する。しかる後に、図２（Ｇ）の如く、この上面側に外界からの汚染のブロッキング層として、またメッキＡｕ膜２４とこの上面側に堆積さるべき層との密着性改良層としてＳｉＨ_４＋ＮＨ_３によるプラズマＣＶＤ法によりＳｉ_３Ｎ_４層２５を被着する。このようにして、第１実施例に係る半導体装置が形成される。
【００２５】
上述の第１実施例において、メッキＡｕ層２４は接続孔６の上方開口部でタングステン電極層２３に被着し、また接続孔６の外部ではＰｔ層２２の表面上にメッキにより被着されているので密着性は高い。さらに、タングステン電極層２３はＣＶＤ法により接続孔６の内部を高いカバレージで埋めており、タングステン電極層２３の表面側をエッチバックにより平坦化した後に、メッキＡｕ層２４を被着しているのでカバレージが高く、接続抵抗が砥い。よって、アニールによる密着性の向上操作を行うことなく密着性が高く、接続抵抗が低い配線構造を実現できる。
【００２６】
また、埋め込み層に使用したタングステンの融点は３４１０℃であり、またメッキ配線層に使用したＡｕの融点は１０６３℃であり、いずれもＡｌ（融点は６６０℃）より融点の高い金属（本願における高融点金属）を使用しているので、後の工程において熱処理を行ってもメッキ配線層には支障がない。それ故、層間絶縁膜の平坦化のためにボロン・リンガラス層２６を堆積して高温リフローによる平坦化を行っても、また、外界からの汚染防止策として保護膜にＳｉ_３Ｎ_４層２５を形成して熱処理を行っても、さらに、ＳＯＧ法（塗布法）によってリンガラス層３２を表面保護膜として形成しベーキング（リフロー）を行っても、メッキ配線層には支障がない。よって、熱処理を必要とする平坦化技術や外界からの汚染防止技術を適用して、より信頼性の高い配線構造を備えた半導体装置を実現できる。しかも、ボロン・リンガラス層２６を用いで層間絶縁膜を厚手化しても、高アスペクト比の接続孔２７にはタングステン電極層３０を介して配線されているので、接続抵抗を低く維持したまま低寄生容量の配線構造を実現できる。
【００２７】
また、Ｐｔ層２２はメッキＡｕ層２４とＴｉＮ層２１の中間層として、また電解メッキの電極と機能すると共に、接続孔６の底部でタングステン電極層２３とＴｉＮ層２１の中間層として密着性を向上させ、接続抵抗をより低下させている。
【００２８】
さらに、タングステン電極層２３をエッチバックにより接続孔６の内部にのみ残した構造であるので、配線層は比抵抗の低いメッキＡｕ膜２４で構成されているため、配線抵抗が低下する。
【００２９】
そして、タングステンの硬度は５〜８であるのでエッチバックによる加工が容易にでき、Ａｕは化学的に安定であるので外界から不純物が侵入しても腐食が発生しにくい。
【００３０】
なお、導電性下地層はＰｔ層２２と拡散反応防止膜たるＴｉＮ層６を含んでいるので、金属の拡散による合金化は防止され、接続抵抗は経時的な増大を生じない。
【００３１】
＜第２実施例＞
次に、本発明に係る第２実施例をその断面図である図３を参照して説明する。
【００３２】
同図の如く、埋め込み層たるタングステン電極層２３’，３０’が接続孔６，２７の内部を埋めると共に、その外部のＰｔ層２２’，２９’の表面上にも堆積されてメッキＡｕ膜２４’，３１’と配線層を構成しているものである。また、いずれのメッキＡｕ膜２４’，３１’の表面上にもＳｉ_３Ｎ_４層２５ａ，２５ｂが形成されたものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００３３】
このような構成の第２実施例を得るためのプロセスは、第１実施例の図２（Ｄ）に示したタングステン層２３のエッチバック工程において、除去深さを浅くして、図４に示す如く、接続孔６の内部及び外部にタングステン層２３’を残したものであり、他の工程は第１実施例と同様である。
【００３４】
上記の第２実施例は、タングステン層２３’及びＰｔ層２２’をエッチバックしすぎると著しく密着性が低下するので、タングステン層２３’が残る程度にエッチバックしたものである。この場合には、タングステン層２３’を下地としてＡｕメッキを行うことができ、エッチバック工程の除去深さの制御に余裕を有する。
【００３５】
上述実施例の他の例として、メッキ配線層及び埋め込み層の材質としてはＮｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ及びそれらの合金を単層でまたは積層で使用してもよいが、メッキ配線層としてＡｕ，Ｃｕまたはそれらの合金を、また埋め込み層としてＷ（タングステン）を用いた場合に最も良い特性が得られた。なお、メッキ法としては、電解メッキ，無電解メッキ及びその組合せを用いてもよい。たとえば、ＡｕまたはＣｕのメッキ配線層の上に、さらにＲｕを無電解メッキにより被着する二段階メッキによって、二層構造のメッキ配線層を用いて、ＡｕまたはＣｕと層間絶縁膜の密着性をより向上させてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体装置において、高融点金属層たる埋め込み層は接続孔に埋め込まれ、この埋め込み層または導電性下地層に高融点金属層たるメッキ配線層が被着されて配線構造が形成されていることに特徴を有しているので、以下の効果を奏する。
【００３７】
▲１▼ メッキ配線層は埋め込み層または導電性下地層にメッキにより被着しており、また接続孔内部にはカバレージの高い埋め込み層が接続しているので、密着性が高いと共に、接続抵抗が低く、埋め込み層とメッキ配線層が反応しない配線構造を実現できる。
【００３８】
▲２▼ 埋め込み層及びメッキ配線層にはいずれも高融点金属を使用しているので、後工程において熱処理工程を行っても、配線層の信頼性は低下しない。すなわち、熱処理に対する工程上の制約条件がない。その結果、熱処理を必要とする汚染防止技術や層間絶縁膜の平坦化技術を適用でき、より信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００３９】
▲３▼ 埋め込み層の表面側をエッチバックする工程を有しているので、平坦化した表面上にメッキ配線層を形成することができ、容易に密着性が高く、接続抵抗が低い配線構造を実現できる。
【００４０】
▲４▼ エッチバックによる除去深さを調整すると、配線層をメッキ配線層の単層またはメッキ配線層と埋め込み層の複層のいずれの構造にも形成できるので、層材料の性質に応じた層構造を実現できる。
【００４１】
▲５▼ 層間絶縁膜としてリフローを必要とするボロン・リンガラスまたはリンガラスを用いて厚い層間絶縁膜を形成した場合には、層間絶縁膜の平坦化と共に、低寄生容量配線として伝達速度の速い回路構成が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係わる半導体装置の配線構造を示す断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｇ）は第１実施例に係わる半導体装置の配線構造の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の第２実施例に係わる半導体装置の配線構造を示す断面図である。
【図４】第２実施例に係わる半導体装置の配線構造の製造方法の一部を示す工程断面図である。
【図５】従来例の半導体装置の配線構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・シリコン基板
５・・・層間絶縁膜たるシリコン酸化膜
６，２７・・・接続孔
２１，２８・・・拡散反応防止層たるＴｉＮ層（導電性下地層）
２２，２２’，２９，２９’・・・導電性下地層たるＰｔ層
２３，２３’，３０，３０’・・・埋め込み層たるタングステン電極層
２４，２４’，３１，３１’・・・メッキ配線層たるメッキＡｕ膜
２６・・・層間絶縁膜たるボロン・リンガラス
３３・・・フォトレジスト層

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられた第１の接続孔を有する第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに設けられ、前記第１の層間絶縁膜の上方に端部を有する第１の導電性下地層と、
前記第１の接続孔を埋める金属を含む第１の埋込み層と、
前記第１の埋込み層と前記第１の導電性下地層との上方に設けられた第１のメッキ配線層と、
前記第１のメッキ配線層に接続する第２の接続孔を有し、前記第１のメッキ配線層の上方に設けられた第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜の上方と前記第２の接続孔内とに設けられ、少なくとも一部が第１のメッキ配線層に接する第２の導電性下地層と、
前記第２の接続孔を埋める金属を含む第２の埋込み層と、
前記第２の埋込み層と前記第２の導電性下地層との上方に設けられた第２のメッキ配線層と、を含む半導体装置であって、
前記第２の層間絶縁膜は、シリコン窒化膜と前記シリコン窒化膜の上方に設けられたシリコン酸化膜とを有し、
前記シリコン窒化膜は、少なくとも前記第１の導電性下地層における前記端部の側面に設けられ、
前記第１の埋込み層は、前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに設けられたものであり、
前記第２の埋込み層は、前記第２の層間絶縁膜の上方と前記第２の接続孔内とに設けられたものであることを特徴とする半導体装置。
半導体基板の上方に第１の接続孔を有する第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜の上方と前記第１の接続孔内とに、第１の導電性下地層を形成する工程と、
前記第１の導電性下地層の上方に金属層を形成する工程と、
前記金属層をエッチバックして、前記第１の接続孔内及び前記第１の層間絶縁膜の上方に、第１の埋込み層を形成する工程と、
前記第１の埋込み層及び前記第１の導電性下地層との上方に、第１のメッキ配線層を形成する工程と、
前記第１のメッキ配線層の上面及び側面と前記第１の導電性下地層の側面とを覆うようにシリコン窒化膜を設け、前記シリコン窒化膜の上方にシリコン酸化膜を設けることにより、第２の層間絶縁膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。