JP4178295B2 - 銅からなる配線を有する半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

銅からなる配線を有する半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、銅からなる配線及び導電プラグを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、LSIの配線材料として、従来のアルミニウム(Al)に比べて電気抵抗が低く、かつエレクトロマイグレーション耐性の高い銅(Cu)が使用され始めている。Cu配線の形成には、一般的に、層間絶縁膜に形成された凹部内に充填されるようにCu層を形成し、その後にCu層の不要な部分を化学機械研磨(CMP)により除去するダマシン法が用いられる。ビアホールへのCu層の充填及びCMPと、配線溝へのCu層の充填及びCMPとを、別々の工程で行うシングルダマシン法と、両者へのCu層の充填を同時に行うデュアルダマシン法とが知られている。
下記の特許文献1に、ダマシン法を用いたCu配線の形成方法が開示されている。特許文献1に開示された方法では、ビアホールまたは配線溝内にCu層を電解めっき法で充填するときに、充填の途中で電流電圧供給方法が変えられる。例えば、最初に直流めっき法でめっきし、途中から定電流パルスめっき法でめっきを行う。このように、電流電圧供給方法を変えることにより、ボイドの発生が抑制される。
特開2000−173949号公報
従来のAlに代わってCuを用いることにより、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。ところが、従来のCu配線の形成方法では、十分なストレスマイグレーション耐性を得られない場合がある。
本発明の目的は、十分なエレクトロマイグレーション耐性及びストレスマイグレーション耐性を得ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の観点によると、
下地基板と、
前記下地基板の上に形成された絶縁材料からなる第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通するビアホールと、
前記ビアホール内に充填された銅または銅を主成分とする合金からなる導電プラグと、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された絶縁材料からなる第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成され、前記導電プラグ上を通過して該導電プラグの上面を露出させる配線溝と、
前記配線溝内に充填された銅または銅を主成分とする合金からなる配線と
を有し、前記導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記配線中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計よりも低い半導体装置が提供される。
本発明の他の観点によると、
(a)下地基板の上に、絶縁材料からなる第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、
(c)前記ビアホール内に、めっき法により、銅からなる導電プラグを充填する工程と、
(d)前記導電プラグが充填された前記第1の層間絶縁膜の上に、絶縁材料からなる第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第2の層間絶縁膜に、前記導電プラグの上面を露出させる配線溝を形成する工程と、
(f)前記工程cで用いられるめっき液とは異なるめっき液を用いて、前記配線溝内に、銅または銅を主成分とする合金からなる配線をめっき法により充填する工程と
を有し、前記工程c及びfで用いられるめっき液は、該工程fで用いられるめっき液の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記工程cで用いられるめっき液の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計よりも高くなるように選択されている半導体装置の製造方法が提供される。
導電プラグ中の銅の純度と配線中の銅の純度とを異ならせることにより、それぞれの部材に適したエレクトロマイグレーション及びストレスマイグレーション耐性を得ることが可能になる。導電プラグの不純物濃度を相対的に低くすることにより、エレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。また、配線については、相対的に不純物濃度を高くしておくことにより、十分なストレスマイグレーション耐性を確保することができる。
図1に、実施例による半導体装置の断面図を示す。シリコンからなる半導体基板1の表層部に、シャロートレンチアイソレーション(STI)構造の素子分離絶縁膜2が形成され、活性領域が画定されている。この活性領域内に、MOSトランジスタ3が形成されている。MOSトランジスタ3は、ソース領域3S、ドレイン領域3D、ゲート絶縁膜3I、及びゲート電極3Gを含んで構成される。
半導体基板1の上に、MOSトランジスタ3を覆うように、酸化シリコンからなる厚さ300nmの層間絶縁膜10、及びSiCからなる厚さ50nmの保護膜11が形成されている。保護膜11及び層間絶縁膜10を貫通するビアホールが形成され、その底面に、ドレイン領域3Dの表面の一部が露出する。ビアホール内に、タングステン(W)からなる導電プラグ13が充填されている。導電プラグ13とビアホールの内面との間に、TiNからなる厚さ25nmのバリアメタル層12が配置されている。
保護膜11の上に、ポーラスシリカからなる厚さ150nmの層間絶縁膜15が形成されている。層間絶縁膜15に、下層の導電プラグ13の位置を通過する配線溝が形成されている。この配線溝内に、銅(Cu)からなる配線17が充填されている。配線17と配線溝の内面との間に、タンタル(Ta)からなる厚さ15nmのバリアメタル層16が配置されている。
層間絶縁膜15の上に、炭化シリコン(SiC)からなる厚さ80nmのキャップ膜20及びポーラスシリカからなる厚さ300nmの層間絶縁膜21が形成されている。この2層を貫通するビアホールが形成されており、その底面に下層の配線17の上面の一部が露出する。ビアホールの直径は、例えば130nmである。このビアホール内に、Cuからなる導電プラグ23が充填されている。導電プラグ23とビアホールの内面との間に、Taからなる厚さ15nmのバリアメタル層22が配置されている。キャップ膜20は、その下のCu配線17内のCu原子の拡散を防止する。
層間絶縁膜21の上に、SiCからなる厚さ50nmのキャップ膜25及びポーラスシリカからなる厚さ150nmの層間絶縁膜26が形成されている。この2層に、その下の導電プラグ23の位置を通過する配線溝が形成されている。配線溝の幅は、例えば130nmである。この配線溝内に、Cuからなる配線28が充填されている。配線28と配線溝の内面との間に、Taからなる厚さ15nmのバリアメタル層27が配置されている。バリアメタル層27は、配線28と導電プラグ23との間にも配置されている。
層間絶縁膜26の上に、SiCからなる厚さ50nmのキャップ膜30及びポーラスシリカからなる厚さ550nmの層間絶縁膜31が形成されている。キャップ膜30及び層間絶縁膜31に、デュアルダマシン法で形成されたCu配線33が充填されている。Cu配線33と、ビアホール及び配線溝の内面との間に、Taからなる厚さ15nmのバリアメタル層32が配置されている。
次に、図1、及び図2(A)〜図2(F)を参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
図1に示した素子分離絶縁膜2、MOSトランジスタ3、層間絶縁膜10、保護膜11、バリアメタル層12、及び導電プラグ13は、周知のフォトリソグラフィ、エッチング、化学気相成長(CVD)、化学機械研磨(CMP)等により形成することができる。
保護膜11の上に、ポーラスシリカからなる層間絶縁膜15を形成する。層間絶縁膜15は、たとえば触媒化成工業株式会社から入手可能な低誘電率材料であるナノクラスタリングシリカ(NCS)を用いて、塗布法により形成することができる。層間絶縁膜15に、その底面まで達する配線溝を形成する。この配線溝の底面に、その下の導電プラグ13の上面が露出する。
配線溝の内面及び層間絶縁膜15の上面を覆うように、Ta膜をスパッタリングにより形成する。このTa膜の上に、Cuのシード層をスパッタリングにより形成する。シード層上に、電解めっき法によりCuを堆積させることにより、配線溝内にCuを充填する。層間絶縁膜15の上面よりも上に堆積しているTa膜及びCu膜をCMPで除去することにより、配線溝内にバリアメタル層16及びCu配線17を残す。
図2(A)に示すように、表面の一部にCu配線17の上面が露出した下地基板18が得られる。下地基板18の上に、SiCからなるキャップ膜20を、CVDにより形成する。キャップ膜20の上に、ポーラスシリカからなる層間絶縁膜21を形成する。層間絶縁膜21は、その下の層間絶縁膜15と同じ方法で形成することができる。
図2(B)に示すように、層間絶縁膜21及びキャップ膜20に、その下の配線17の表面の一部を露出させるビアホール40を形成する。ポーラスシリカからなる層間絶縁膜21のエッチングには、エッチングガスとして全F系置換フルオロカーボンを用いたドライエッチングが用いられる。SiCからなるキャップ膜20のエッチングには、エッチングガスとしてHを含むフルオロカーボンを用いたドライエッチングが用いられる。
ビアホール40の内面及び層間絶縁膜21の上面を覆うように、Ta膜22aをスパッタリングにより形成する。Ta膜22aの上に、Cuからなるシード層をスパッタリングにより形成する。その上に、ビア用めっき液を用いてCuを電解めっきすることにより、Cu膜23aを形成する。Cu膜23aは、ビアホール40内がCu膜23aで完全に充填されるのに十分な厚さにされる。層間絶縁膜21の上面よりも上方に堆積しているTa膜22a及びCu膜23aをCMPにより除去する。
図2(C)に示すように、ビアホール40内に、Taからなるバリアメタル層22及びCu配線23が残る。
図2(D)に示すように、層間絶縁膜21の上に、SiCからなるキャップ膜25とポーラスシリカからなる層間絶縁膜26を形成する。これらの膜の形成方法は、その下のキャップ膜20及び層間絶縁膜21の形成方法と同じである。
図2(E)に示すように、層間絶縁膜26及びキャップ膜25に、配線溝41を形成する。配線溝41の底面に、導電プラグ23の上面が露出する。配線溝41の内面及び層間絶縁膜26の上面を覆うように、Ta膜27aをスパッタリングにより形成する。Ta膜27aの上に、Cuからなるシード層をスパッタリングにより形成する。その上に、配線用めっき液を用いてCuを電解めっきすることにより、Cu膜28aを形成する。Cu膜28aは、配線溝41内がCu膜28aで完全に充填されるのに十分な厚さとされる。Cu膜28a及びTa膜27aにCMPを施し、層間絶縁膜26の上面を露出させる。
図2(F)に示すように、配線溝41内にTaからなるバリアメタル層27及びCu配線28が残る。このように、層間絶縁膜21と導電プラグ23とを含むビア層、及び層間絶縁膜26と配線28とを含む配線層が、シングルダマシン法により形成される。
図1に示したキャップ膜30、層間絶縁膜31、バリアメタル層32、及びCu配線33を含む配線層は、デュアルダマシン法により形成される。Cu配線33を電解めっきするときに用いるめっき液は、その下の導電プラグ23を形成するときに用いたビア用めっき液でもよく、配線28を形成するときに用いた配線用めっき液でもよい。
上記実施例で用いたビア用めっき液は、米国のシプレイ社(Shipley Company L.L.C.)のものであり、成膜速度を速めるためのアクセラレータを5〜10ml/l、成膜速度を遅くするためのサプレッサを1〜5ml/l、及び膜の表面を平滑化するためのレベラを1〜3ml/l含む。配線用めっき液は、エンソン株式会社製のものであり、アクセラレータを5〜10ml/l、サプレッサを1〜5ml/l、及びレベラを1〜3ml/l含む。
図3(A)及び図3(B)に、それぞれ配線用めっき液を用いて形成したCu膜、及びビア用めっき液を用いて形成したCu膜内の不純物濃度を二次イオン質量分析(SIMS)により測定した結果を示す。横軸は、分析開始からの経過時間を単位「分」で表し、左縦軸は、不純物濃度を単位「原子/cm」であらわす。なお、右縦軸に、左縦軸の不純物濃度に対応する二次イオン検出数を、単位「個/s」で表す。横軸は、測定対象のCu膜の深さ方向の位置に対応する。記号Cu、N、C、O、S、及びClの付された折れ線は、それぞれ銅、窒素、炭素、酸素、硫黄、及び塩素の不純物濃度を示す。
図4に、Cu膜の深さ方向に関して平均した不純物元素の濃度を示す。左側の5本の棒グラフが、配線用めっき液も用いて成膜したCu膜中の不純物濃度を示し、右側の5本の棒グラフが、ビア用めっき液も用いて成膜したCu膜中の不純物濃度を示す。配線用めっき液を用いて成膜したCu中の不純物濃度が、ビア用めっき液を用いて成膜したCu中の不純物濃度よりも高いことがわかる。言い換えれば、配線用めっき液を用いて成膜したCu膜の銅の純度よりも、ビア用めっき液を用いて成膜したCu膜中の銅の純度の方が高い。配線用めっき液を用いて成膜したCu膜中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の濃度の合計は、約1×1020原子/cmであり、ビア用めっき液を用いて成膜したCu膜中のそれは、約1×1018原子/cmである。このように、不純物濃度に2桁程度の違いがある。これは、ビア用めっき液中のこれらの不純物の原子濃度の合計が、配線用めっき液中のこれらの不純物の原子濃度の合計よりも低いためと考えられる。
図5に、複数の導電プラグと複数の配線とを直列に接続した評価用試料の信頼性評価実験を行った結果を示す。横軸は評価用試料に所定の電流を流し始めてからの経過時間を単位「時間」で表し、縦軸は故障発生の累積確率を示す。導電プラグ及び配線共に、配線用めっき液を用いて作製したW群の評価用試料と、ビア用めっき液を用いて導電プラグを作製し、配線用めっき液を用いて配線を作製したV群の評価用試料の2種類の試料を準備した。すなわち、V群の試料の導電プラグ中の不純物濃度は、配線中の不純物濃度よりも低い。W群及びV群の各々について20個の試料の評価を行った。図5の直線W及びVが、それぞれW群及びV群の評価用試料の測定結果を示す。
通電時間を300時間としたところ、W群では14個の試料で導通不良が発生し、V群では3個の試料で導通不良が発生した。この導通不良の原因は、エレクトロマイグレーションである。また、W群の試料の110℃における最大許容電流密度は約1.6×10A/cmであり、V群の試料のそれは約1.5×10A/cmであった。
この評価結果からわかるように、導電プラグを形成するCuの不純物濃度を、配線を形成するCuの不純物濃度よりも低くすることにより、エレクトロマイグレーション耐性及び最大許容電流密度を高めることができる。エレクトロマイグレーション耐性が向上するのは、導電プラグの不純物濃度を低くしたために、導電プラグ中にボイドが発生しにくくなったためと考えられる。
配線を形成するCuを、導電プラグと同様に高純度にしても、V群と同等のエレクトロマイグレーション耐性が得られると思われる。ところが、配線を高純度化すると、配線のストレスマイグレーション耐性が低下してしまうことがわかった。これは、高純度にしたことにより、熱履歴を経験すると、配線内の空孔が拡散しやすくなったためと考えられる。
上記実施例では、導電プラグを形成するCuの不純物濃度を相対的に低くし、配線を形成するCuの不純物濃度を相対的に高くしている。導電プラグは、配線に比べて体積が小さいため、ストレスマイグレーション耐性低下の影響を受けにくい。これにより、図5に示したように、高いエレクトロマイグレーション耐性を維持しつつ、かつ十分なストレスマイグレーション耐性を得ることが可能になる。
導電プラグの不純物濃度を低くしたことの十分な効果を得るために、導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計を、配線中の前記原子濃度の合計の1/10以下とすることが好ましい。また、導電プラグ中の原子濃度の合計を1×1019cm−3よりも低くし、かつ配線中の原子濃度の合計を1×1019cm−3よりも高くすることが好ましい。
上記実施例において、配線33は、ビア用めっき液または配線用めっき液のいずれを用いて形成してもよい。上層の配線は、下層の配線に比べて寸法が大きいため、本来、エレクトロマイグレーション及びストレスマイグレーションが問題になりにくいためである。
上記実施例では、配線及び導電プラグをCuで形成したが、Cuを主成分とする合金で形成する場合にも、同様の効果が得られるであろう。
上記実施例では、導電プラグを形成するためのめっき液中の不純物の原子濃度を、配線を形成するためのめっき液中の不純物の原子濃度よりも低くすることにより、導電プラグの不純物濃度を配線の不純物濃度よりも低くした。その他に、同じめっき液を用いて、電解めっき中における電流の大きさを変えることによっても、めっきされた銅の不純物濃度を調節することができるであろう。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
実施例による半導体装置の断面図である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その1)である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その2)である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その3)である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その4)である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その5)である。 実施例による半導体装置を製造する方法を説明するための製造途中における装置の断面図(その6)である。 (A)は、配線用めっき液を用いて形成したCu膜のSIMS解析結果を示すグラフであり、(B)は、ビア用めっき液を用いて形成したCu膜のSIMS解析結果を示すグラフである。 配線用めっき液及びビア用めっき液を用いて形成したCu膜中の不純物濃度を示すグラフである。 評価用試料の電流路の信頼性評価結果を示すグラフである。
符号の説明
1 半導体基板
2 素子分離絶縁膜
3 MOSトランジスタ
10、15、21、26、31 層間絶縁膜
11 保護膜
12、16、22、27、32 バリアメタル層
13、23 導電プラグ
17、28、33 配線
18 下地基板
20、25、30 キャップ膜
40 ビアホール
41 配線溝

Claims (7)

  1. 下地基板と、
    前記下地基板の上に形成された絶縁材料からなる第1の層間絶縁膜と、
    前記第1の層間絶縁膜を貫通するビアホールと、
    前記ビアホール内に充填された銅または銅を主成分とする合金からなる導電プラグと、
    前記第1の層間絶縁膜の上に形成された絶縁材料からなる第2の層間絶縁膜と、
    前記第2の層間絶縁膜に形成され、前記導電プラグ上を通過して該導電プラグの上面を露出させる配線溝と、
    前記配線溝内に充填された銅または銅を主成分とする合金からなる配線と
    を有し、前記導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記配線中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計よりも低い半導体装置。
  2. 前記配線溝の内面と前記配線との間に、銅の拡散を防止するバリアメタル層が配置されており、該バリアメタル層は、前記配線と前記導電プラグとの間にも配置されている請求項に記載の半導体装置。
  3. 前記導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記配線中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計の1/10以下である請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記導電プラグ中の前記原子濃度の合計が1×1019cm−3よりも低く、前記配線中の前記原子濃度の合計が1×1019cm−3よりも高い請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. (a)下地基板の上に、絶縁材料からなる第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
    (b)前記第1の層間絶縁膜を貫通するビアホールを形成する工程と、
    (c)前記ビアホール内に、めっき法により、銅からなる導電プラグを充填する工程と、
    (d)前記導電プラグが充填された前記第1の層間絶縁膜の上に、絶縁材料からなる第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
    (e)前記第2の層間絶縁膜に、前記導電プラグの上面を露出させる配線溝を形成する工程と、
    (f)前記工程cで用いられるめっき液とは異なるめっき液を用いて、前記配線溝内に、銅または銅を主成分とする合金からなる配線をめっき法により充填する工程と
    を有し、前記工程c及びfで用いられるめっき液は、該工程fで用いられるめっき液の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記工程cで用いられるめっき液の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計よりも高くなるように選択されている半導体装置の製造方法。
  6. 前記工程c及び工程fで用いられるめっき液は、前記導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が、前記配線中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計の1/10以下になるように選択されている請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程c及び工程fで用いられるめっき液は、前記導電プラグ中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が1×1019cm−3よりも低く、前記配線中の炭素、酸素、窒素、硫黄、及び塩素の原子濃度の合計が1×1019cm−3よりも高くなるように選択されている請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
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