JP5194393B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、フッ素添加カーボン膜を絶縁膜例えば層間絶縁膜として用い、この絶縁膜に銅配線を形成するにあたり、絶縁膜と銅配線との間にフッ素及び銅の拡散を防止するバリア膜を形成した半導体装置製造方法に関する。
半導体装置の高集積化を図るために多層配線構造が採用されているが、微細化及び高集積化の進展に伴い、配線を通る電気信号の遅延(配線遅延)がデバイスの動作の高速化に対して問題となっている。この配線遅延は、配線の抵抗と配線間の容量の積に比例することから、配線遅延を短縮するために、電極配線材料の低抵抗化と、各層間を絶縁する層間絶縁膜の低誘電率化を図ることが要求されている。このため、配線材料としては、低抵抗の銅(Cu)が好適な材料として使用されている。
しかし、銅は拡散しやすい元素であり、銅の拡散によって層間絶縁膜中の絶縁性が低下することなどから、銅配線と層間絶縁膜との間には、銅の拡散防止のためのバリア膜を介在させることが必要である。
特許文献1には、銅の拡散を防止するためのバリア膜として、タンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN)などが記載されている。
一方、層間絶縁膜としては、比誘電率を低くする要請から、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む膜(SiCOH膜)が注目されているが、本発明者らは、SiCOH膜よりもさらに比誘電率が低い、炭素(C)及びフッ素(F)の化合物であるフッ素添加カーボン膜(フロロカーボン膜)の採用を検討している。しかし、このフッ素添加カーボン膜は、加熱によってフッ素が脱離しやすい性質を持っている。
ところで、この半導体装置は、デバイスの完成後、内部の結晶の欠陥を安定化させるために、例えば400℃程度の熱処理が行われる。銅配線から絶縁膜への銅の拡散を抑えるためのバリア膜として、タンタル膜を用いている場合には、熱処理によってフッ素添加カーボン膜からフッ素がタンタル膜中に拡散して、フッ化タンタル(TaF)が生成する。このフッ化タンタルは、蒸気圧が高く、上記の熱処理中に蒸発してしまい、タンタル膜の密度が低下して銅に対するバリア性能が低下すると共に、シート抵抗が増加し、またフッ素添加カーボン膜とタンタル膜との密着性も悪くなる。このことから、薄膜でありながら銅及びフッ素の拡散を防止するバリア膜が望まれている。特許文献2には、フッ素添加カーボン膜について記載されているが、上記の課題及び解決方法については触れられていない。
特開2005−109138 特開2005−302811
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、フッ素添加カーボン膜を絶縁膜例えば層間絶縁膜として用い、この絶縁膜に銅配線を形成するにあたり、絶縁膜と銅配線との間におけるフッ素及び銅の拡散を抑えて半導体装置の特性の低下を抑えることのできる技術を提供することにある。
本発明の半導体装置の製造方法は、
基板上にフッ素添加カーボン膜からなる絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部内にチタンからなる第1の膜を成膜する工程と、
前記第1の膜の表面にタンタルからなる第2の膜を成膜する工程と、
その後前記凹部内に銅配線を成膜する工程と、
しかる後、前記基板の熱処理を行うことにより、前記第1の膜に含まれるチタンと前記絶縁膜に含まれる炭素とを反応させて、フッ化チタンの生成を抑えながら前記第1の膜と前記絶縁膜との間に炭化チタン膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。前記炭化チタン膜を形成する工程は、前記基板を400℃に加熱する工程であっても良い。また、前記第2の膜を成膜する工程は、タンタル板をスパッタすることにより行われる工程であっても良い。

本発明によれば、フッ素添加カーボン膜を絶縁膜例えば層間絶縁膜として用いるにあたり、絶縁膜と銅配線との間に、絶縁膜側にはフッ素の拡散を抑えるためのチタンからなる第1の膜を成膜して、銅配線側には銅の拡散を抑えるためのタンタルからなる第2の膜を成膜して、第1の膜と第2の膜とからなるバリア膜を形成するようにしているため、絶縁膜と銅配線との間におけるフッ素及び銅の拡散を抑えることができ、またバリア膜の膜減りも抑えることができる。
本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態として、多層配線構造を製造するための基板において、絶縁膜内に金属例えば銅からなるn(nは1以上の整数)番目の配線層の上に(n+1)番目の配線層を形成する場合を例にとって説明する。図1(a)は、絶縁膜であるフッ素添加カーボン膜(以下「CF膜」という)60内にn番目の配線層であるCu配線61が形成された基板例えば半導体ウェハ(以下ウェハ)Wの表面構造の概略を示している。この例では、n番目の回路層の表面に、当該n番目のCu配線61から次段の(n+1)番目の層間絶縁膜(CF膜70)に銅が拡散しないようにするために、絶縁膜例えばSiN膜からなるバリア膜64が形成されている。
この実施の形態では、後述の通り、炭素とフッ素とを含む化合物の成膜ガス例えばCガスをプラズマ化し、ウェハWが載置されている雰囲気をプラズマ雰囲気にすることにより、Cガスから生成した活性種がウェハWの表面に堆積して、図1(b)に示すようにCF膜70からなる層間絶縁膜が例えば200nmの膜厚で成膜される。
次に、図1(c)に示すように、このCF膜70に従来の手法例えばフォトレジストマスクやハードマスクなどを用いたドライエッチングによって、ダマシン構造のトレンチの溝とビアホールとからなる凹部71を形成するが、ここではその説明を省略する。
その後、図2(a)に示すように、ウェハWの表面にバリア膜78の一部をなす第1の膜であるTi膜74を例えばスパッタリングにより成膜する。スパッタリングにおいては、Tiターゲットに対して例えばAr等のイオンを打ち付けることで、Tiターゲットからチタンの微粒子が生成して、ウェハWの表面(CF膜70の露出面及びCu配線61の表面)に堆積して、Ti膜74が成膜される。このTi膜74は、後述するように、CF膜70のフッ素がTi膜74の上層側へ拡散することを抑えるバリア機能を有する膜であり、例えば膜厚が3〜10nm程度で十分なバリア機能が得られる。
次に、図2(b)に示すように、Ti膜74の表面に、第2の膜であるTa膜75を成膜する。このTa膜75は、上述のTi膜74と同様にスパッタ装置を用いて成膜される。その膜厚は、5〜10nm程度であることが好ましい。このTa膜75は、後述するように、Ta膜75に接するCu配線76の銅がTi膜74側へ拡散することを抑えるバリア機能を有する膜であり、こうしてTi膜74及びTa膜75によりバリア膜78が形成される。
その後、図2(c)に示すように、Cu配線76が埋め込まれる。このCu配線76は、例えば銅を含む有機材料を気化し、このガスを用いてCVD法により形成しても良いし、あるいは無電解メッキ法により銅のシード層を形成し、これを電極として用いて電解メッキを行うことにより形成しても良い。次いで、CF膜70の上面に成膜されたTi膜74、Ta膜75及びCu配線76が例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)と呼ばれる研磨により除去されて、(n+1)層のCu配線76が形成される(図3(a))。そして、前述の図1(a)と同様に、ウェハWの表面に絶縁膜例えばSiN膜からなるバリア膜64が成膜される(図3(b))。
そして、上記の図1(b)〜図3(b)の工程を繰り返すことによって、所定の階層分の回路を形成して、半導体装置が完成した後、半導体装置内の結晶の欠陥を終端させて物性を安定させるため、例えば400℃の熱処理が行われる。
上述の実施の形態では、(n+1)層目について述べると、CF膜70とCu配線76との間に、第1の膜であるTi膜74と、第2の膜であるTa膜75とを、CF膜70側からこの順序で積層してバリア膜78を形成しているため、後述の実験例からも分かるように、例えば半導体装置を形成した後に行われるアニール処理などの熱処理によってフッ素がCF膜70からTa膜75やCu配線76へ拡散することが抑えられ、更に銅がCu配線76からTi膜74やCF膜70へ拡散することが抑えられる。このため、熱処理によるフッ素とタンタル及び銅との反応が抑えられ、後述の実験例に示すように、フッ素とタンタル及び銅との反応によるシート抵抗の増加を抑制することができるので、半導体装置の電気的特性の劣化を抑えることができる。また、Ti膜74及びTa膜75は400℃程度では化学反応を起こさず、更に合金を形成しない(互いに混じり合わない)ため、熱処理を受けた後においても上述のバリア性能を保つことができる。
また、Ti膜74及びTa膜75は、各々およそ10nm以下と薄く、バリア膜78全体の膜厚を20nm以下に抑えることができるので、半導体装置の薄層化を阻むおそれもない。
次に、CF膜70を成膜するために好適な成膜装置の一例について図4を参照して簡単に説明する。同図中の成膜装置10は、真空チャンバである処理容器11、温調手段を備えた載置台12及び載置台12に接続された例えば13.56MHzのバイアス用の高周波電源13を備えている。
処理容器11の上部には載置台12と対向するように、例えば略円形状の例えばアルミナからなる第1のガス供給部14が設けられている。この第1のガス供給部14における載置台12と対向する面には、多数の第1のガス供給孔15が形成されている。第1のガス供給孔15は、ガス流路16及び第1のガス供給路17を介してプラズマ発生用のガス例えばアルゴン(Ar)ガスなどの希ガス供給源に接続されている。
また、前記載置台12と前記第1のガス供給部14との間には、例えば略円形状の導電体からなる第2のガス供給部18が設けられており、この第2のガス供給部18における載置台12と対向する面には、多数の第2のガス供給孔19が形成されている。この第2のガス供給部18の内部には、第2のガス供給孔19に連通するガス流路20が形成されており、ガス流路20は、第2のガス供給路21を介して原料ガスであるCガスなどの原料ガス供給源に接続されている。また、第2のガス供給部18には、第2のガス供給部18を上下に貫通するように、多数の開口部22が形成されている。この開口部22は、第2のガス供給部18の上方で生成したプラズマを第2のガス供給部18の下方側の空間に通過させるためのものであり、例えば隣接する第2のガス供給孔19同士の間に形成されている。処理容器11の下端は、載置台12を囲むようにリング状に開口しており、排気管26を介して真空排気手段27に接続されている。
前記第1のガス供給部14の上方には、例えばアルミナなどの誘電体により構成されたカバープレート28を介してアンテナ部30が設けられている。このアンテナ部30は、円形のアンテナ本体31と、このアンテナ本体31の下端に埋設された平面アンテナ部材(スリット板)32とを備えている。平面アンテナ部材32には、円扁波を発生させるための多数の図示しないスリットが形成されている。これらアンテナ本体31と平面アンテナ部材32とは導体により構成されて、扁平な中空の円形導波管を構成している。
また、アンテナ本体31と平面アンテナ部材32との間には、例えばアルミナや酸化ケイ素、窒化ケイ素等の低損失誘電体材料により構成された遅相板33が設けられている。この遅相板33は、マイクロ波の波長を短くして前記円形導波管内の管内波長を短くするためのものである。
このように構成されたアンテナ部30は、同軸導波管35を介して例えば2.45GHzあるいは8.4GHzの周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段34に接続されている。また、同軸導波管35の外側の導波管35Aと中心導体35Bとは、それぞれアンテナ本体31と、遅相板33に形成された開口部を介して平面アンテナ部材32と、に接続されている。
次に、上記の成膜装置10を用いたCF膜70の成膜方法について説明する。先ず、ウェハWを処理容器11内に搬入して載置台12上に載置する。そして、真空排気手段27を用いて処理容器11内を排気して、処理容器11内に例えばArガスとCガスとをそれぞれ所定の流量供給する。そして、処理容器11内を所定のプロセス圧力に設定し、載置台12に設けられた温調手段によりウェハWを加熱する。
一方、マイクロ波発生手段34から周波数が2.45GHzの高周波(マイクロ波)をカバープレート28と第1のガス供給部14とを介して、平面アンテナ部材32に形成された図示しないスリットから下方側の処理空間に向けて放射する。
このマイクロ波により、第1のガス供給部14と第2のガス供給部18との間の空間に高密度で均一なArガスのプラズマが励起される。一方、第2のガス供給部18から載置台12に向けて放出されたCガスは、開口部22を介して上方側から流れ込んできたArガスのプラズマに接触して活性種を生成する。この活性種は、ウェハWの表面に堆積して、バリア膜64上にCF膜70を形成する。
フッ化添加カーボン膜の原料となるガスとしてはCガスに限らず、CFガス、Cガス、Cガス、CガスまたはCガスなどを用いてもよい。
尚、Ti膜74を成膜するためには、既述の通り、公知のスパッタ装置を用いることができる。この装置は、放電によってチタンをスパッタするための金属源としてのTi板を備えており、Ti板からチタンの微粒子を発生させて、Ti膜74を形成する。
チタンの微粒子は、非常に活性が高いため、CF膜70の表面に堆積した場合にCF膜70中の元素(炭素及びフッ素)と反応して炭化チタン及びフッ化チタンを生成する。フッ化チタン(TiF)は、既述のフッ化タンタルと同様に蒸気圧が高いため、この生成が進行するとTi膜74の密度の低下やシート抵抗の上昇をもたらす一方、炭化チタンは蒸気圧が低く安定である。これらの反応は、熱処理例えば既述の半導体装置の完成後のアニール処理などによって進行するが、後述の実験例において示すように、炭化チタンが選択的に生成してフッ化チタンの生成を抑えるため、Ti膜74の密度の低下やシート抵抗の上昇を抑制することができる。このことによって、Ti膜74はフッ素に対して高いバリア性を有していると言える。
Ti膜74は、必ずしもスパッタリングによって形成された膜に限られるものではなく、他の成膜方法例えば上述の成膜装置10などを用いて成膜されたものであっても良い。
続いて、Ta膜75の成膜が行われる。Ta膜75を成膜するためには、上述のTi膜74と同様に公知のスパッタ装置を用いることができる。
本発明の半導体装置の製造方法は、ダマシン法に限られず、Cu配線76を初めに形成して、その後Cu配線76を囲むようにCF膜70を形成する手法にも適用できる。
上述の銅とフッ素とに対するバリア膜としての働きについて、どのような元素が最適であるかを確かめるため、以下の実験を行った。実験に用いたNo.1〜6のウェハ(以下、ウェハ1〜6という)の構成を図5に示す。これらのウェハ1〜6は、実験用のベアシリコンウェハであるSi基板81上に上述の成膜装置10を用いて膜厚150nmのCF膜82を成膜して、そのCF膜82上に各ウェハ毎に各元素を以下の表1に示す膜厚となるように形成したものである。
Figure 0005194393
尚、表1に示した各元素種の成膜には、既述のスパッタ装置を用いたが、その成膜条件についてはここでは省略する。ただし、表1において2種類の膜を形成した場合(ウェハ2、4及び6)は、Ta膜84が上側となるように積層した。
また、以下の各実験例においてウェハ1〜6に対して熱処理を行う場合、以下の条件を用いた。
(熱処理条件)
熱処理温度 :400℃
熱処理時間 :15分
圧力 :266.7Pa(2000mTorr)
雰囲気 :Ar=500sccm
(実験例1:熱処理によるシート抵抗の変化)
ウェハ1〜6に対して最上層の金属(Ta、Ni、Ti等)上に、既述の方法によってCu膜87(図示せず)を成膜した後、上記の熱処理を施し、大気中に取り出した後、それぞれのウェハのシート抵抗を測定した。
(実験結果)
熱処理後の各ウェハ1〜6のシート抵抗の結果を表2に示した。
Figure 0005194393
この表から、熱処理によって、ウェハ1及びウェハ5のシート抵抗が大きく増加しており、好ましくないことがわかる。ウェハ1については、ウェハ2との比較から、Ta膜84はCF膜82と直接接触するのは良くないことがわかる。この場合、熱処理によってCF膜82からTa膜84へフッ素が拡散して、蒸気圧の高いフッ化タンタルが生成し、このフッ化タンタルが蒸発することでシート抵抗が増加したものと考えられる。またウェハ5については、ウェハ6との比較から、Ti膜83はCu膜87と直接接触するのは良くないことがわかる。この場合、熱処理によってCuがTi膜中に拡散し、更にはCF膜82のフッ素と反応し、シート抵抗の高い化合物が生成したものと考えられる。
(実験例2:熱処理によるX線強度の変化)
ウェハ2、3、4及び6に対して実験例1と同様にCu膜87を成膜した後、上記の熱処理を施し、蛍光X線分析(XRF:X−ray Fluorescence Analysis)により、各金属のX線強度を測定して、熱処理前後の各金属膜中の金属原子数の比を求めた。
(実験結果)
熱処理前後の各金属の原子数の比を表3に示す。
Figure 0005194393
この結果、熱処理によって、ウェハ2及びウェハ4のTaの原子数が減少しており好ましくないことがわかる。ウェハ2のTaN膜86、ウェハ4のNi膜85は、CF膜82からのフッ素を僅かながら透過させ、Ta膜84においてフッ化タンタルが生成しこれが蒸発したものと考えられる。この際、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)にて測定した結果、Si基板81上に堆積した膜の全体的な膜厚は変わっていないため、減膜は発生しておらず、単に膜中の元素が抜けたものと考えられる。
(実験例3:元素分析)
次にウェハ3、ウェハ6に対して、各ウェハの上方にCu膜87を成膜し、上述の熱処理を行った後、2次イオン質量分析装置(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)を用いて、深さ方向の各元素(Cu、Ta、Ni、F)の量を測定した。
(実験結果)
熱処理前後におけるウェハ3の結果を図6に示し、ウェハ6の元素分析の結果を図7に示す。図6について考察すると、熱処理前において認められたCu、Niのピークは、熱処理後に消滅しており、これら両金属は合金化したものと考えられる。また合金化した金属への、フッ素の拡散も認められ、NiはCu、Fの両元素に対し十分なバリア性を持っていないことがわかる。一方図7から考察すると、ウェハ6の各元素の2次イオン強度は、深さ方向に置いて熱処理前後でほとんど変わらず、つまりCu、Fの拡散は発生しておらず、バリア膜として最適なものであることが判明した。
(実験例4:結合エネルギー)
次に、以上の実験において良好な結果を示していたウェハ6に対して、ウェハ6中のTi膜83がどのようになっているかを調べるため、以下の実験を行った。実験にはX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectoscopy)を用いて、熱処理前後におけるTi膜83の上層(Ta膜84付近)、Ti膜83の下層(CF膜82付近)のチタン化合物の結合エネルギーを測定した。尚、この実験は、Cu膜87を成膜せずに行った。
(実験結果)
この結果を図8に示す。熱処理前のTi膜83の下層において、炭化チタンと酸フッ化チタン(TiOF)とに帰属されるピークが確認された。これは、既述の通り、Ti膜83が成膜される時にチタンの表面が活性化して、CF膜82中の元素(炭素及びフッ素)と反応を起こしたものと考えられる。一方、熱処理後には、炭化チタンのピーク強度は増加していたが、酸フッ化チタンのピーク強度の変化は見られなかった。このことから、Ti膜83の下層では、熱処理によって炭化チタンが選択的に生成したと考えられる。
また、Ti膜83の上層では、熱処理の前後において酸フッ化チタンのピーク強度が変化していなかったため、CF膜82中のフッ素は、Ti膜83の成膜時にTi膜83の膜厚方向全体に亘って拡散しているものの、熱処理による拡散は進行しなかったことが分かる。このことから、Ti膜83はフッ素に対するバリア膜として有効に働いていることが分かる。またTi膜83の上層のTiのピーク強度は熱処理によって減少しているが、これはTi膜83下層で選択的に生成した炭化チタンに対し、上層のチタンが下層に供給されたためと考えられる。
なお、CF膜82と接するTi膜83は、例えばウェハ1のTa膜84が蒸気圧の高いフッ化タンタルを形成したのと同様に、蒸気圧の高いフッ化チタンを形成するものと推測することもできる。しかし実際にはCF膜82とTi膜83の界面付近にフッ化チタンが選択的に形成され、これによりTi、Taは高融点金属という共通性の高い金属同士でありながら、Ta膜はフッ素に対し十分なバリア性を示さず、Ti膜はフッ素に対し良好なバリア性を示すことが判明した。
本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 上記の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 上記の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図である。 本発明の実験例に用いたウェハ1〜6の構成を示す断面図である。 実験例3の結果を示す特性図である。 実験例3の結果を示す特性図である。 実験例4の結果を示す特性図である。
符号の説明
10 成膜装置
11 処理容器
12 載置台
70 CF膜
74 Ti膜
75 Ta膜
76 Cu配線
78 バリア膜

Claims (3)

  1. 基板上にフッ素添加カーボン膜からなる絶縁膜を成膜する工程と、
    前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
    チタン板をスパッタすることにより前記凹部内に第1の膜を成膜する工程と、
    前記第1の膜の表面にタンタルからなる第2の膜を成膜する工程と、
    その後前記凹部内に銅配線を形成する工程と、
    しかる後、前記基板の熱処理を行うことにより、前記第1の膜に含まれるチタンと前記絶縁膜に含まれる炭素とを反応させて、フッ化チタンの生成を抑えながら前記第1の膜と前記絶縁膜との間に炭化チタン膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記炭化チタン膜を形成する工程は、前記基板を400℃に加熱する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2の膜を成膜する工程は、タンタル板をスパッタすることにより行われることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
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