JP3722813B2 - 埋め込み配線構造の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体装置の埋め込み配線構造の形成方法に関するものである。
一般に、Ｃｕ埋め込み配線構造を形成する際には、半導体素子が形成された半導体基板（ウエハ）上に絶縁層を形成し、この絶縁層に配線用の溝を形成し、この溝の内面を含む領域にＣｕを堆積し、その後、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法を用いて表面を平坦化する（例えば、特許文献１及び２参照）。Ｃｕが堆積されたウエハの大気放置等によりＣｕ層表面に厚い酸化層が形成されると、ＣＭＰによる研磨速度が低下する。このため、ＣＭＰの初期ステップにおいては高い研磨圧力で酸化層を除去することによってスループットの向上を図り、続くステップにおいては研磨圧力を下げることによって溝内のＣｕ層が過剰に研磨されるディッシング（dishing）や絶縁層の膜厚にばらつきを生じさせるエロージョンの低減を図っている。
特開２０００−３９１２号公報（段落０００４、０００７） 特開２００２−３５９２４４号公報（段落０００５〜００１０、図２）
半導体装置における層間又は配線間の絶縁層には、一層の低誘電率化（即ち、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜））の要求がある。絶縁層の低誘電率化のために絶縁層を低密度化（例えば、多孔質化）した場合には、絶縁層の機械的強度が低下し、研磨時に膜剥がれなどの不具合が発生し易くなる。このため、研磨圧力の一層の低下（例えば、１．５ｐｓｉ未満）が要求されており、上記したような研磨圧力を変更する方法を用いることが困難になりつつある。したがって、絶縁層の一層の低誘電率化が進み、研磨圧力を低下させた場合には、スループットの低下が顕著になるという問題が生じる。
また、錯イオンを含む薬液を用いてＣｕよりも機械的に脆弱なＣｕ錯体を形成しながらＣＭＰを行うことも考えられるが、錯イオンと酸化層との反応が遅いので、研磨圧力を低下させた場合には、研磨速度を十分に上げることが困難である。
そこで、本発明は上記したような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、研磨圧力を低下させても比較的高いスループットを実現できる埋め込み配線構造の形成方法を提供することにある。
本発明の埋め込み配線構造の形成方法は、半導体基板上の絶縁層に形成された溝を埋め尽くすように、前記絶縁層上にＣｕを主成分とする導電層を形成する工程と、前記導電層表面の酸化により生成された酸化層を除去する工程と、前記導電層上に前記酸化層よりも研磨されやすい材料からなるキャップ層を形成する工程と、化学的機械研磨法を用いて、前記溝内に前記導電層を残すように、前記キャップ層、及び、前記導電層の一部を除去する工程とを有するものである。
本発明の埋め込み配線構造の形成方法によれば、導電層表面の酸化層を除去することによって又は酸化層の生成を阻止することによって、研磨圧力を低下させても比較的高いスループットを実現できるという効果がある。
第１の実施形態
図１（ａ）から（ｆ）までは、本発明の第１の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法における各工程を概略的に示す断面図である。
第１の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法においては、先ず、図１（ａ）に示されるように、半導体素子が形成された半導体基板（ウエハ）１００上に絶縁層１０１を形成し、絶縁層１０１の配線形成予定領域（配線パターンに対応する領域）に配線用の溝１０２を形成する。図１には、絶縁層１０１が半導体基板１００上に形成されている場合を示しているが、絶縁層１０１と半導体基板１００との間に他の層（例えば、他の複数の絶縁層）が介在していてもよい。絶縁層１０１は、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて形成する。絶縁層１０１は、例えば、ＳｉＯ２（酸化シリコン）から構成され、膜厚は、例えば、５００ｎｍである。また、溝１０２は、公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。このエッチングには、例えば、マグネトロン型反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いる。なお、このエッチングには、マグネトロン型カソードカップルエッチング装置、二周波励起容量結合プラズマエッチング装置、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型エッチング装置、ヘリコン波励起プラズマエッチング装置、及びＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型プラズマエッチング装置の中から選択された装置を適宜用いることができる。また、図１に示された絶縁層１０１以外の絶縁層（図示せず）のエッチングにおいても、これらのエッチング装置の中から選択された装置を適宜用いることができる。絶縁層１０１のエッチングガスとしては、例えば、Ｃ４Ｆ８（オクタフルオロシクロブタン）、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｏ２（酸素）、及びＡｒ（アルゴン）の混合ガスを用いることができる。エッチング条件は、例えば、Ｃ４Ｆ８ガス流量が１４ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）、ＣＯガス流量が５０ｓｃｃｍ、Ｏ２ガス流量が５ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量が３０ｓｃｃｍ、エッチング装置の電極に印加される高周波電力（ＲＦパワー）が１．５ｋＷ、エッチング装置のチャンバー内の気圧が５０ｍＴｏｒｒである。
次に、図１（ｂ）に示されるように、溝１０２の内面を含む絶縁層１０１上の領域にバリア層１０３を形成する。バリア層１０３は、例えば、スパッタリング法によりＴａＮ（窒化タンタル）膜を堆積することにより形成する。バリア層１０３の厚さは、例えば、５０ｎｍである。バリア層１０３の形成は、例えば、ターゲットとしてＴａ（タンタル）を用い、プロセスガスとしてＡｒ／Ｎ２（アルゴン及び窒素）の混合ガスを用いて、指向性を高めたスパッタリング法により行われる。このスパッタリングを行うスパッタリング装置におけるスパッタリング条件は、例えば、スパッタリング装置内の雰囲気圧力が３ｍＴｏｒｒ、スパッタリング装置の電極に供給される直流電力（ＤＣパワー）が６ｋＷ、成膜温度が１５０℃である。
次に、図１（ｂ）に示されるように、バリア層１０３の表面に、Ｃｕシード層１０４を形成する。Ｃｕシード層１０４の厚さは、例えば、１５０ｎｍである。Ｃｕシード層１０４は、スパッタリング法を用いてＣｕを堆積させることにより形成される。スパッタリングは、ターゲットとしてＣｕを用い、プロセスガスとしてＡｒを用いて、指向性を高めたスパッタリング法により行われる。スパッタリング装置におけるスパッタリング条件は、例えば、スパッタリング装置内の雰囲気圧力が２ｍＴｏｒｒ、スパッタリング装置の電極に供給される直流電力が１２ｋＷ、成膜温度が３０℃である。
次に、図１（ｃ）に示されるように、Ｃｕ電解めっきを行うことにより、溝１０２をＣｕで埋め尽くすように、溝１０２内を含むＣｕシード層１０４上の領域にＣｕを堆積させ、Ｃｕシード層１０４及びその上のＣｕ堆積層（電解めっき膜）からなるＣｕ層（導電層）１０５を形成する。Ｃｕ層１０５の形成に際しては、電解めっきにより、溝１０２を埋め尽くすのに十分な膜厚だけＣｕを堆積させる。電界めっきに使用されるめっき液は、例えば、Ｃｕ成分を析出させる元になるＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ（硫酸銅）、電気伝導性を高めるＨ２ＳＯ４（硫酸）、高電流密度部の光沢性や溶解性アノード（例えば、リン含有銅）の溶解を促進するＣｌ（塩素）、埋め込み性を向上させる添加剤などを含有する。Ｃｕ層１０５を堆積させる電解めっきは、例えば、めっき液の温度を２５℃とし、めっき電流を定電流とした条件で行う。ただし、めっき電流の電流密度を２段階に変化させ、例えば、初期ステップにおいては０．２Ａ／ｄｍ２（アンペア毎平方デシメートル）、続く第２ステップにおいては２Ａ／ｄｍ２としてもよい。初期ステップで電流密度を下げる理由は、初期ステップにおいて高電流密度で電解めっきを行うと微細パターンである溝１０２の入り口付近でめっき膜が入り口を塞いで溝１０２内にボイドが形成されてしまうからである。また、第２ステップで電流密度を上げる理由は、低電流密度のステップのみではめっき膜の堆積速度が遅く、大きなパターンの埋め込みに長時間を要してしまうからである。
次に、上記処理を行ったウエハに、熱処理用の炉内において、例えば、温度１００℃〜３５０℃にて１分〜３００分間の熱処理をＮ２（窒素）とＨ２（水素）の混合雰囲気中で行う。なお、同様の熱処理を、ホットプレート上で行ってもよい。Ｃｕ堆積後の熱処理により、微細な結晶粒を有するＣｕ層１０５のＣｕ結晶粒の成長を促すとともに、Ｃｕ層１０５の硬度、結晶性、比抵抗等の安定化をはかることができる。熱処理を行う場合、熱処理用の装置内の残留酸素が温度の高いＣｕ層１０５に晒されれば、図１（ｄ）に示されるように、Ｃｕ層１０５の表面に酸化層（Ｃｕ酸化物層）１０６が生成される。また、熱処理後に室温に放置する間にもＣｕ層１０５表面の酸化が進行する。
次に、図１（ｅ）に示されるように、Ｃｕ層１０５の堆積後の熱処理が終了したウエハに還元処理を施することによって酸化層１０６を除去した後に、ウエハを真空中で他チャンバーに搬送してＣｕの酸化層の形成を抑制するためのキャップ層１０７を堆積する。例えば、還元処理は温度１００℃〜３５０℃にて１０秒〜５分間の熱処理をＮ２とＨ２の混合ガス雰囲気中で行う。キャップ層１０７は、例えば、厚さ１０ｎｍのＴｉＳｉＮ（窒化チタンシリコン）膜である。ＴｉＳｉＮ膜の形成は、ターゲットとしてＴｉ３Ｓｉ５、プロセスガスとしてＡｒ／Ｎ２混合ガスを用い、スパッタリング装置内のスパッタリング雰囲気の圧力が３ｍＴｏｒｒ、スパッタリング装置に供給される直流電力が０．５ｋＷ、成膜温度が１００℃の条件で行う。なお、上記説明では、還元処理後にキャップ層１０７を形成する場合を説明したが、Ｈ２はキャップ層１０７を通過して移動できるので、キャップ層１０７形成後に還元処理を行って酸化層１０６を除去してもよい。また、熱処理後のめっき膜表面の酸化層１０６を、キャップ層１０７形成前に、不活性ガスによるスパッタ（例えば、Ａｒスパッタ）で除去する方法を使用することもできる。また、酸化層１０６が形成されない場合又は酸化層１０６が薄くスループットの著しい低下をもたらさない場合には、上記酸化層１０６の除去工程を無くしてもよい。
次に、図１（ｅ）又は（ｆ）に示されるように、キャップ層１０７、Ｃｕ層１０５の一部、バリア層１０３の一部を化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により除去することにより、溝１０２内に埋め込まれたＣｕ層１０５とバリア層１０３とからなる配線層１０８を形成する。このとき、ＣＭＰ法は、例えば、２ステップ研磨で実施する。第１ステップにおいては、バリア層１０３としてのＴａＮ層をストッパーにしてキャップ層１０７であるＴｉＳｉＮとＣｕ層１０５を除去する。続く第２ステップにおいて、絶縁層１０１をストッパーとしてバリア層１０３（溝１０２の外側のもの）を除去する。第１ステップでは、研磨粒子としてシリカを含む溶液に、Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）を加えたものをスラリーとして使用する。また、キャップ層１０７研磨のために、キャップ層１０７を構成する元素との反応によって有機錯体を形成するような有機錯イオンを含む薬液を添加する。これは、例えば、特開２０００−２９４６３０号公報におけるバリアメタル膜の除去方法と同様の方法である。このとき、キャップ層とＣｕ層の選択比が１に近づくように溶液を調整するのが好ましい。研磨条件の一例を挙げると、研磨パッドには不織布と独立発泡体の積層構造を用い、スラリー流量を２００ｍｌ／ｍｉｎ、研磨圧力を２ｐｓｉ、研磨パッドを保持するキャリアヘッドの回転数を１２０ｒｐｍ、研磨されるウエハを保持するテーブルの回転数を１２０ｒｐｍとする。第２ステップにおいても研磨粒子としてシリカを含む溶液にＨ２Ｏ２を加えたものをスラリーとして使用する。研磨条件の一例を挙げると、第１ステップと同様に、研磨パッドには不織布と独立発泡体の積層構造を用い、スラリー流量を２００ｍｌ／ｍｉｎ、研磨圧力を２ｐｓｉ、研磨パッドを保持するキャリアヘッドの回転数を８０ｒｐｍ、研磨されるウエハを保持するテーブルの回転数を８０ｒｐｍとする。
以上に説明したように、第１の実施形態によれば、酸化層１０６を除去する又はキャップ層１０７により酸化層１０６の生成を阻止する方法を採用したので、ＣＭＰによる研磨圧力を低下させても比較的高いスループットを実現できる。
なお、上記説明においては、配線層１０８がＣｕから構成された場合を説明したが、配線層１０８はＣｕ合金のようなＣｕを主成分とする導電性材料で構成してもよい。
第２の実施形態
図２（ａ）から（ｆ）までは、本発明の第２の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法における各工程を概略的に示す断面図である。
第２の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法においては、先ず、図２（ａ）に示されるように、半導体素子が形成された半導体基板（ウエハ）２００上に絶縁層２０１を形成し、絶縁層２０１の配線形成予定領域（配線パターンに対応する領域）に配線用の溝２０２を形成する。次に、図２（ｂ）に示されるように、溝２０２の内面を含む絶縁層２０１上の領域にバリア層２０３を形成し、バリア層２０３上にＣｕシード層２０４を形成する。次に、図２（ｃ）に示されるように、Ｃｕ電解めっきを行うことにより、溝２０２の内面を含む領域にＣｕを堆積させ、Ｃｕシード層２０４及びその上の堆積層からなるＣｕ層（導電層）２０５を形成する。その後、次に、図２（ｄ）に示されるように、熱処理工程又は室温放置によりＣｕ層２０５表面が酸化して酸化層２０６が発生する。図２（ａ）から（ｄ）までに示される工程のそれぞれは、先に詳細に説明した図１（ａ）から（ｄ）まで（第１の実施形態）に示される工程と同様である。
次に、図２（ｅ）に示されるように、ウエハに還元処理を施し酸化層２０６を除去し、その後、Ｃｕ層２０５表面の酸化を阻止するためのキャップ層２０７を形成する。還元処理は、例えば、ＮＨ３プラズマ処理を施すことにより行い、キャップ層２０７の形成もＮＨ３プラズマ処理を施すことにより行う。窒化処理条件は、例えば、基板温度が３８０℃、ＮＨ３流量が７０ｓｃｃｍ、Ｎ２流量が２０ｓｃｃｍ、チャンバー内の圧力が５Ｔｏｒｒ、高周波電力が４５０Ｗ、電極間距離が６５０ｍｍ、処理時間が１０秒〜３０秒である。なお、キャップ層２０７はＣｕの窒化層に限られるものではなく、Ｃｕの酸化を抑制する機能を有する、例えば、Ｃｕのホウ化層、硫化層、リン化層に置き換えることも可能である。また、温度１００℃〜３５０℃にてＨ２（水素）雰圏気中で還元熱処理を行った後に、ガスを切り替えて同一チャンバー内にてキャップ層２０７を形成してもよい。
次に、図２（ｆ）に示されるように、キャップ層２０７、Ｃｕ層２０５の一部、バリア層２０３の一部をＣＭＰ法により除去することにより、溝２０２内に埋め込まれたＣｕ層２０５とバリア層２０３とからなる配線層２０８を形成する。図２（ｆ）の工程は、先に詳細に説明した図１（ｆ）（第１の実施形態）の工程と同様である。
以上に説明したように、第２の実施形態によれば、酸化層２０６を除去する又はキャップ層２０７により酸化層２０６の生成を阻止する方法を採用したので、ＣＭＰによる研磨圧力を低下させても比較的高いスループットを実現できる。また、第２の実施形態によれば、Ｃｕ層２０５表面の酸化層２０６の除去とキャップ層２０７の形成を同一ステップ、又は、同一チャンバー内で連続して実行されるステップにより行うことができるので、より一層のスループットの向上が期待できる。
なお、上記説明においては、配線層２０８がＣｕから構成された場合を説明したが、配線層２０８はＣｕ合金のようなＣｕを主成分とする導電性材料で構成してもよい。また、第２の実施形態において、上記以外の点は、上記第１の実施形態の場合と同じである。
（ａ）から（ｆ）までは、本発明の第１の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法における各工程を概略的に示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）までは、本発明の第２の実施形態に係る埋め込み配線構造の形成方法における各工程を概略的に示す断面図である。
符号の説明
１００，２００ 半導体基板、
１０１，２０１ 絶縁層、
１０２，２０２ 配線用の溝、
１０３，２０３ バリア層、
１０４，２０４ Ｃｕシード層、
１０５，２０５ Ｃｕ層、
１０６，２０６ 酸化層、
１０７ キャップ層（ＴｉＳｉＮ膜）、
２０７ キャップ層（Ｃｕの窒化膜）、
１０８，２０８ 配線層。

Claims (9)

  1. 半導体基板上の絶縁層に形成された溝を埋め尽くすように、前記絶縁層上にＣｕを主成分とする導電層を形成する工程と、
    前記導電層表面の酸化により生成された酸化層を除去する工程と、
    前記導電層上に前記酸化層よりも機械的に脆弱な材料からなるキャップ層を形成する工程と、
    化学的機械研磨法を用いて、前記溝内に前記導電層を残すように、前記キャップ層、及び、前記導電層の一部を除去する工程と
    を有することを特徴とする埋め込み配線構造の形成方法。
  2. 前記キャップ層を形成する工程が、前記導電層表面に窒化、ホウ化、硫化、及びリン化のいずれかの処理を施すことによって、窒化層、ホウ化層、硫化層、及びリン化層のいずれかを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  3. 半導体基板上の絶縁層に形成された溝を埋め尽くすように、前記絶縁層上にＣｕを主成分とする導電層を形成する工程と、
    前記導電層表面の酸化により生成された酸化層を除去する工程と、
    前記導電層上にＴｉＳｉＮ膜を形成する工程と、
    化学的機械研磨法を用いて、前記溝内に前記導電層を残すように、前記ＴｉＳｉＮ膜、及び、前記導電層の一部を除去する工程と
    を有することを特徴とする埋め込み配線構造の形成方法。
  4. 前記酸化層を除去する工程と前記ＴｉＳｉＮ膜を形成する工程とを同一チャンバー内で行うことを特徴とする請求項３に記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  5. 前記導電層を形成する工程の前に、前記絶縁層上に、前記絶縁層と前記導電層との間に介在させるためのバリア層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  6. 前記導電層を形成する工程が、Ｃｕを主成分とするシード層を形成する工程と、前記シード層上にＣｕを主成分とする導電性材料を堆積させる工程とを含むことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  7. 前記導電層を１００℃から３５０℃までの範囲内の温度で熱処理する工程をさらに有することを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  8. 前記酸化層を除去する工程が、前記酸化膜を還元処理する工程を含むことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の埋め込み配線構造の形成方法。
  9. 前記酸化層を除去する工程が、前記酸化膜を不活性ガスによるスパッタにより除去する工程を含むことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の埋め込み配線構造の形成方法。
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