JP4790163B2 - 半導体素子の金属配線形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に係り、特に化学的強化剤層を形成し、銅前駆体を用いた選択的蒸着法でダマシンパターンに銅を埋め込んで銅配線を形成する半導体素子の金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代半導体素子の急激な高性能化趨勢によってコンタクトサイズが減少し且つアスペクト比が増加するにつれて、現在適用されているアルミニウムを用いた金属配線は高い電流密度によって寿命が短くなるＥＭ特性に問題が発生する。これを克服するために、更に低い抵抗を有する配線材料に対して研究が行われている。最近は銅を配線材料とする研究が多く行われており、コスト及び蒸着速度を考慮した電気メッキ法が商用化のために研究されている。しかし、電気メッキ法も、超微細構造においては埋込みに限界が発生するため、ＣＶＤ法を用いた銅配線埋込みに対する関心が高まっている。ＣＶＤ法は電気メッキ法による配線埋込みと比較するとき、低い蒸着速度及びコストによって効率は低いが、新しい工程方法を導入してこれを克服しようとする努力が行われている。その一環がＣＥＣＶＤ法を用いた銅配線埋込みである。前記ＣＥＣＶＤ法はＣＶＤ銅の問題点である遅い蒸着速度や、銅が蒸着されにくく銅結晶が円滑に形成されない、完璧ではない（１１１）構造(Texture)の問題を越える新しい工程方法である。ところが、このようなＣＥＣＶＤ法も化学的強化剤を均一に噴射することや、化学的強化剤を特定の所望するところに分布して選択的(Selective)銅埋込み工程を行うようにする方法などが課題とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、銅蒸着を加速化させる化学的強化剤層を形成した後、プラズマ処理またはラジカル(Radical)プラズマ処理を行ってダマシンパターンの底面のみに化学的強化剤層を残留させることにより、銅前駆体を用いた銅の選択的蒸着工程を行なうことが出来るから、微細な構造における銅配線を容易に形成することが出来る半導体素子の金属配線形成方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法は、トレンチ及びビアからなるダマシンパターンを有する絶縁膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、銅の蒸着速度を加速化するためにＣＨ ３ Ｉ、Ｃ ２ Ｈ ５ Ｉ、ＣＤ ３ Ｉ、ＣＨ ２ Ｉ ２ の何れか１つのヨード含有液体化合物、純粋Ｉ ２ 、ヨード（Ｉ）含有ガス、液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのうちの何れか１つを触媒として、前記拡散防止膜上に化学的強化剤層を形成する段階と、前記化学的強化剤層が前記ダマシンパターンの前記ビアの側面及び底面にのみ残るようにプラズマ処理する段階と、ＭＯＣＶＤ法により銅層を形成する段階と、水素還元熱処理及び化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程を行って銅金属配線を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００６】
図１（ａ）乃至図１（ｅ）は本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【０００７】
図１（ａ）を参照すると、半導体素子を形成するための各種要素が形成された半導体基板１０上に第１絶縁膜１１、下部金属層１２及び第２絶縁膜１３を順次形成した後、第２絶縁膜１３にトレンチ及びビアからなるダマシンパターンを形成し、洗浄工程を行ってダマシンパターンによって露出した下部金属層１２の表面に残留する酸化物層を除去する。その後、ダマシンパターンを含む第２絶縁膜１３上に拡散防止膜１４を形成する。拡散防止膜１４の表面には後続の化学的強化剤層の形成を容易にするためプラズマ処理を行うか、銅を用いて５０〜５００Åの厚さにシード層を蒸着する。
【０００８】
前述において、第２絶縁膜１３は低誘電定数値を有する絶縁物質を用いて形成し、第２絶縁膜１３に形成されたトレンチ及びビアは二重ダマシン方式で形成される。洗浄工程は、下部金属層１２がＷ及びＡｌなどの金属の場合にはＲＦプラズマを利用し、第１金属層１２がＣｕの場合にはリアクティブ・クリーニング(reactive cleaning)法を適用して行う。拡散防止膜１４はイオン化されたPVD TiN、CVD TiN、MOCVD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化されたPVD TaN、 CVD Ta、CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSiN、CVD TaSiNの少なくとも何れか１つで形成する。
【０００９】
図１（ｂ）を参照すると、拡散防止膜１４上に化学的強化剤層１５ａを形成する。前記化学的強化剤層１５ａはＣＨ３Ｉ、Ｃ２Ｈ５Ｉ、ＣＤ３Ｉ、ＣＨ２Ｉ２などのヨード含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガスのうちいずれかを触媒として、−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００秒間処理して形成する。また、周期律表上の７族元素である液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔも触媒として用いることが出来る。
【００１０】
図１（ｃ）を参照すると、プラズマ処理またはラジカルプラズマ処理により化学的強化剤層１５ａの一部を除去して、ビア領域の拡散防止膜１４の側壁及び底面にのみ選択的分布を有する化学的強化剤層１５を残留させる。ラジカルプラズマ処理は、リモートプラズマ(Remote Plasma)法を使用する。プラズマ処理は半導体基板を１０〜３５０℃の温度範囲として０.３〜１０Ｔｏｒｒのチャンバ圧力範囲で行うが、水素、アルゴン、酸素、オゾン、ＮＨ３、窒素、水素＋アルゴン、水素＋ＮＨ３の何れか１種のガス雰囲気で、ガスの流量を５０〜５００ｓｃｃｍの範囲とし、５０〜７０００Ｗのプラズマ生成電力にて１０〜６００秒間実施する。
【００１１】
化学的強化剤層の除去方法は前記プラズマ処理及びパージ(purge)段階を少なくとも１回以上繰り返し行う多段階による除去も可能である。
【００１２】
図１（ｄ）を参照すると、ダマシンパターンを含む第２絶縁膜１３上に（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列などのｈｆａｃを用いた全ての前駆体のうち何れか１つを用いたＭＯＣＶＤ法により銅層１６ａを蒸着してダマシンパターンを銅で埋め込む。ダマシンパターンの底面にのみ化学的強化剤層１５が形成されているから、他の部分よりこの部分における銅の蒸着速度が一層加速化され、ダマシンパターン内部への選択的銅蒸着が可能である。選択的蒸着工程はダイレクト・リキッド・インジェクション（ＤＬＩ）、コントロール・エバポレイション・ミキサ（ＣＥＭ）、オリフィス方式又はスプレー方式のベイパライザを有する銅蒸着装備で実施する。
【００１３】
前述において、銅層１６ａは選択的工程をダマシンパターンが十分埋め込まれるまで行なうか、ダマシンパターンのビア領域にのみ十分埋め込まれるように選択的蒸着工程を行った後、電気メッキ法でダマシンパターンを完全に埋め込ませて形成することが出来る。
【００１４】
図１（ｅ）を参照すると、水素還元熱処理工程を行い、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程でダマシンパターンの内部を除いた第２絶縁膜１３上に蒸着された銅層１６ａ及び拡散防止膜１４を除去して銅配線１６を形成する。第２絶縁膜１３上に銅層が形成されるが、化学的強化剤層１５によって加速され、蒸着された銅層の厚さに比べれば極めて薄い厚さであるから、化学的機械的研磨工程により容易に除去することが出来る。
【００１５】
前記本発明の実施例において適用した銅の代わりにアルミニウムやタングステンなどのような金属を用いて配線を形成することも出来る。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明は化学的強化剤層をビア領域の拡散防止膜の側壁及び底面にのみ残留させ、銅の選択的蒸着を可能にすることにより、後続の化学的機械的研磨工程及び超微細構造における銅配線形成のための銅埋込みを容易に行うことが出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）乃至図１（ｅ）は、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
１１ 第１絶縁膜
１２ 下部金属層
１３ 第２絶縁膜
１４ 拡散防止膜
１５ 化学的強化剤層
１６ａ 銅層
１６ 銅配線
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に係り、特に化学的強化剤層を形成し、銅前駆体を用いた選択的蒸着法でダマシンパターンに銅を埋め込んで銅配線を形成する半導体素子の金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代半導体素子の急激な高性能化趨勢によってコンタクトサイズが減少し且つアスペクト比が増加するにつれて、現在適用されているアルミニウムを用いた金属配線は高い電流密度によって寿命が短くなるＥＭ特性に問題が発生する。これを克服するために、更に低い抵抗を有する配線材料に対して研究が行われている。最近は銅を配線材料とする研究が多く行われており、コスト及び蒸着速度を考慮した電気メッキ法が商用化のために研究されている。しかし、電気メッキ法も、超微細構造においては埋込みに限界が発生するため、ＣＶＤ法を用いた銅配線埋込みに対する関心が高まっている。ＣＶＤ法は電気メッキ法による配線埋込みと比較するとき、低い蒸着速度及びコストによって効率は低いが、新しい工程方法を導入してこれを克服しようとする努力が行われている。その一環がＣＥＣＶＤ法を用いた銅配線埋込みである。前記ＣＥＣＶＤ法はＣＶＤ銅の問題点である遅い蒸着速度や、銅が蒸着されにくく銅結晶が円滑に形成されない、完璧ではない（１１１）構造(Texture)の問題を越える新しい工程方法である。ところが、このようなＣＥＣＶＤ法も化学的強化剤を均一に噴射することや、化学的強化剤を特定の所望するところに分布して選択的(Selective)銅埋込み工程を行うようにする方法などが課題とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、銅蒸着を加速化させる化学的強化剤層を形成した後、プラズマ処理またはラジカル(Radical)プラズマ処理を行ってダマシンパターンの底面のみに化学的強化剤層を残留させることにより、銅前駆体を用いた銅の選択的蒸着工程を行なうことが出来るから、微細な構造における銅配線を容易に形成することが出来る半導体素子の金属配線形成方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法は、トレンチ及びビアからなるダマシンパターンを有する絶縁膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、銅の蒸着速度を加速化するためにＣＨ ３ Ｉ、Ｃ ２ Ｈ ５ Ｉ、ＣＤ ３ Ｉ、ＣＨ ２ Ｉ ２ の何れか１つのヨード含有液体化合物、純粋Ｉ ２ 、ヨード（Ｉ）含有ガス、液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのうちの何れか１つを触媒として、前記拡散防止膜上に化学的強化剤層を形成する段階と、前記化学的強化剤層が前記ダマシンパターンの前記ビアの側面及び底面にのみ残るようにプラズマ処理する段階と、ＭＯＣＶＤ法により銅層を形成する段階と、水素還元熱処理及び化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程を行って銅金属配線を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００６】
図１（ａ）乃至図１（ｅ）は本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【０００７】
図１（ａ）を参照すると、半導体素子を形成するための各種要素が形成された半導体基板１０上に第１絶縁膜１１、下部金属層１２及び第２絶縁膜１３を順次形成した後、第２絶縁膜１３にトレンチ及びビアからなるダマシンパターンを形成し、洗浄工程を行ってダマシンパターンによって露出した下部金属層１２の表面に残留する酸化物層を除去する。その後、ダマシンパターンを含む第２絶縁膜１３上に拡散防止膜１４を形成する。拡散防止膜１４の表面には後続の化学的強化剤層の形成を容易にするためプラズマ処理を行うか、銅を用いて５０〜５００Åの厚さにシード層を蒸着する。
【０００８】
前述において、第２絶縁膜１３は低誘電定数値を有する絶縁物質を用いて形成し、第２絶縁膜１３に形成されたトレンチ及びビアは二重ダマシン方式で形成される。洗浄工程は、下部金属層１２がＷ及びＡｌなどの金属の場合にはＲＦプラズマを利用し、第１金属層１２がＣｕの場合にはリアクティブ・クリーニング(reactive cleaning)法を適用して行う。拡散防止膜１４はイオン化されたPVD TiN、CVD TiN、MOCVD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化されたPVD TaN、 CVD Ta、CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSiN、CVD TaSiNの少なくとも何れか１つで形成する。
【０００９】
図１（ｂ）を参照すると、拡散防止膜１４上に化学的強化剤層１５ａを形成する。前記化学的強化剤層１５ａはＣＨ３Ｉ、Ｃ２Ｈ５Ｉ、ＣＤ３Ｉ、ＣＨ２Ｉ２などのヨード含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガスのうちいずれかを触媒として、−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００秒間処理して形成する。また、周期律表上の７族元素である液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔも触媒として用いることが出来る。
【００１０】
図１（ｃ）を参照すると、プラズマ処理またはラジカルプラズマ処理により化学的強化剤層１５ａの一部を除去して、ビア領域の拡散防止膜１４の側壁及び底面にのみ選択的分布を有する化学的強化剤層１５を残留させる。ラジカルプラズマ処理は、リモートプラズマ(Remote Plasma)法を使用する。プラズマ処理は半導体基板を１０〜３５０℃の温度範囲として０.３〜１０Ｔｏｒｒのチャンバ圧力範囲で行うが、水素、アルゴン、酸素、オゾン、ＮＨ３、窒素、水素＋アルゴン、水素＋ＮＨ３の何れか１種のガス雰囲気で、ガスの流量を５０〜５００ｓｃｃｍの範囲とし、５０〜７０００Ｗのプラズマ生成電力にて１０〜６００秒間実施する。
【００１１】
化学的強化剤層の除去方法は前記プラズマ処理及びパージ(purge)段階を少なくとも１回以上繰り返し行う多段階による除去も可能である。
【００１２】
図１（ｄ）を参照すると、ダマシンパターンを含む第２絶縁膜１３上に（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列などのｈｆａｃを用いた全ての前駆体のうち何れか１つを用いたＭＯＣＶＤ法により銅層１６ａを蒸着してダマシンパターンを銅で埋め込む。ダマシンパターンの底面にのみ化学的強化剤層１５が形成されているから、他の部分よりこの部分における銅の蒸着速度が一層加速化され、ダマシンパターン内部への選択的銅蒸着が可能である。選択的蒸着工程はダイレクト・リキッド・インジェクション（ＤＬＩ）、コントロール・エバポレイション・ミキサ（ＣＥＭ）、オリフィス方式又はスプレー方式のベイパライザを有する銅蒸着装備で実施する。
【００１３】
前述において、銅層１６ａは選択的工程をダマシンパターンが十分埋め込まれるまで行なうか、ダマシンパターンのビア領域にのみ十分埋め込まれるように選択的蒸着工程を行った後、電気メッキ法でダマシンパターンを完全に埋め込ませて形成することが出来る。
【００１４】
図１（ｅ）を参照すると、水素還元熱処理工程を行い、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程でダマシンパターンの内部を除いた第２絶縁膜１３上に蒸着された銅層１６ａ及び拡散防止膜１４を除去して銅配線１６を形成する。第２絶縁膜１３上に銅層が形成されるが、化学的強化剤層１５によって加速され、蒸着された銅層の厚さに比べれば極めて薄い厚さであるから、化学的機械的研磨工程により容易に除去することが出来る。
【００１５】
前記本発明の実施例において適用した銅の代わりにアルミニウムやタングステンなどのような金属を用いて配線を形成することも出来る。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明は化学的強化剤層をビア領域の拡散防止膜の側壁及び底面にのみ残留させ、銅の選択的蒸着を可能にすることにより、後続の化学的機械的研磨工程及び超微細構造における銅配線形成のための銅埋込みを容易に行うことが出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）乃至図１（ｅ）は、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
１１ 第１絶縁膜
１２ 下部金属層
１３ 第２絶縁膜
１４ 拡散防止膜
１５ 化学的強化剤層
１６ａ 銅層
１６ 銅配線
Claims (13)
- トレンチ及びビアからなるダマシンパターンを有する絶縁膜が形成された半導体基板を提供する段階と、
前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、
銅の蒸着速度を加速化するためにＣＨ ３ Ｉ、Ｃ ２ Ｈ ５ Ｉ、ＣＤ ３ Ｉ、ＣＨ ２ Ｉ ２ の何れか１つのヨード含有液体化合物、純粋Ｉ ２ 、ヨード（Ｉ）含有ガス、液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのうちの何れか１つを触媒として、前記拡散防止膜上に化学的強化剤層を形成する段階と、
前記化学的強化剤層が前記ダマシンパターンの前記ビアの側面及び底面にのみ残るようにプラズマ処理する段階と、
ＭＯＣＶＤ法により銅層を形成する段階と、
水素還元熱処理及び化学的機械的研磨工程を行って銅金属配線を形成する段階と、
を含んでなることを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。 - 前記ダマシンパターン形成後の洗浄は、前記下部金属層がＷ及びＡｌの何れかの場合にはＲＦプラズマを用いて行い、前記下部金属層が銅の場合にはリアクティブ・クリーニング工程を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
- 前記拡散防止膜はイオン化されたPVD TiN、CVD TiN 、MOCVD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化された PVD TaN、CVD Ta、CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSiN、CVD TaSiNの少なくとも何れか１つで形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
- 前記拡散防止膜の形成後、表面をプラズマ処理することを含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記拡散防止膜の形成後、５０〜５００Åの厚さにシード層を形成することを含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記化学的強化剤層は、−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００秒間処理して５０〜５００Åの厚さに形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記プラズマ処理はリモートプラズマ法を用いたラジカルプラズマ処理で行い、単一周波数エッチング及びデュアル周波数エッチングの何れか１つを用いて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記ラジカルプラズマ処理は化学的強化剤層の除去段階及びパージ段階を少なくとも１回以上繰り返して行うことを特徴とする請求項７記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記プラズマ処理は、水素、アルゴン、酸素、オゾン、ＮＨ３、窒素、水素＋アルゴン、水素＋ＮＨ３の少なくとも何れか１種を５０〜５００ｓｃｃｍの範囲で混合したガス雰囲気下に行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記プラズマ処理は５０〜７０００Ｗのプラズマ生成電力で１０〜６００秒間実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記プラズマ処理は０.３〜１０Ｔｏｒｒのチャンバ圧力範囲で前記半導体基板を１０〜３５０℃の温度範囲として行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記銅層は（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（Ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列などのｈｆａｃを用いた全ての前駆体のうち何れか１つを用いて銅蒸着装備で前記ＭＯＣＶＤ法によって形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記銅層は前記ＭＯＣＶＤ法により銅を一定の厚さに蒸着した後、電気メッキ法で前記ダマシンパターンを埋め込ませて形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
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