JP5764445B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
近時、半導体集積回路装置の動作の高速化が進展している。動作の高速化は、配線材料の低抵抗化などにより実現される。このため、配線材料は、従来のアルミニウム（Ａｌ）に代わり、より低抵抗な銅（Ｃｕ）が用いられるようになってきている。
Ｃｕ配線の加工技術としては、Ｃｕはアルミニウムと異なりエッチングされ難い材料であることから、あらかじめ配線パターンに応じた溝を層間絶縁膜に形成し、この溝を埋めるようにバリア膜であるタンタル（Ｔａ）膜を介してＣｕ膜を形成し、ＣＭＰ法を用いてＣｕ膜を化学的機械研磨し、溝の内部のみにＣｕを残すダマシン法が用いられている。そして、ＣＭＰ法に平坦化された表面上に、ＳｉＣやＳｉＮ等からなるキャップ絶縁膜が形成される。
このような構造においては、隣接するＣｕ配線の表面とその間の層間絶縁膜の表面とがほぼ同一平面となるため、絶縁体／絶縁体界面にリーク電流が流れ、その電流に随伴して銅原子がエレクトロマイグレーションし、配線間が短絡してしまう。
このような銅配線間の短絡を防止する技術として、Ｃｕ配線をエッチングしてその表面を層間絶縁膜表面から後退させる技術（以下Ｃｕリセス処理という）が知られている（特許文献１の段落０００２〜０００３）。このようなＣｕリセス処理を用いることにより、電界集中が起こる角部からＣｕ原子を排除し、リーク電流が生じてもＣｕ原子のエレクトロマイグレーションを生じないようにすることができる。
このようなＣｕリセス処理としては、ウェットエッチングを用いる方法と、ＣＦ系ガスを用いたドライエッチングであるプラズマエッチングを用いる方法とがあるが、ドライエッチングはエッチング後に堆積する副生成物をウェットエッチングで除去する必要があり煩雑であって現実的ではない。このため、ウェットエッチングが注目されている（特許文献１の段落０００４）。
特開２００１−２１０６３０号公報
しかしながら、ウェットエッチングでＣｕリセス処理を行う場合には、Ｃｕ膜と下地のＴａ膜との間で電蝕が生じ、マイクロスリットを発生させてしまう。このようなマイクロスリットは、Ｃｕ／Ｔａ界面の密着面積を減少させるため、エレクトロマイグレーションの起点となり、断線の原因となってしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、煩雑な工程を経ることなく、マイクロスリットの発生による断線が生じ難い、銅配線を含む半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、基板上に凹部を有する層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜上にバリア膜を介して前記凹部を埋めるように銅膜を形成した構造体を準備する工程と、前記構造体の前記銅膜を前記バリア膜との界面まで化学機械研磨により除去し、前記凹部内に銅配線を形成する工程と、前記銅配線をエッチングしてその表面を前記層間絶縁膜表面よりも後退させる工程と、を有し、前記銅配線をエッチングしてその表面を前記層間絶縁膜表面よりも後退させる工程は、前記銅膜が前記バリア膜との界面まで除去された構造体を真空状態の有機化合物雰囲気に配置し、前記構造体の前記銅配線表面を含む面に酸素ガスクラスターイオンビームを照射し、前記酸素ガスクラスターイオンビーム中の酸素ガスクラスターイオンにより、前記銅配線の表面の銅を酸化させて酸化銅とするとともに、酸化銅と有機化合物を反応させて前記銅配線を異方的にエッチングし、かつ、前記有機化合物雰囲気中の前記構造体へ前記酸素ガスクラスターイオンを連続的に照射し、連続的に前記銅配線を異方性エッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明において、前記銅配線の銅を酸化させて酸化銅とするとともに、酸化銅と有機化合物を反応させる際のエネルギーは、前記酸素ガスクラスターイオンが前記銅配線に衝突した際の熱により供給され、前記基板を加熱することなくエッチングが行われることが好ましい。この場合に、前記構造体を加熱しないことにより、前記有機化合物の分子を前記銅配線の表面に吸着しやすくし、前記酸素ガスクラスターイオンビームが前記有機化合物分子に妨げられない程度の真空度になるような供給量で前記有機化合物を供給して有機化合物雰囲気を形成するようにすることができる。
本発明において、前記構造体の前記銅膜を前記バリア膜との界面まで化学機械研磨により除去する工程の後、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程を、さらに有する場合、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程は、前記銅配線をエッチングする工程の後に行うことができる。これは、前記層間絶縁膜がＬｏｗ−ｋ膜で形成されている場合に好適である。また、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程は、前記銅配線をエッチングする工程の前に行ってもよい。これは、前記層間絶縁膜が、少なくともその表面部分がＳｉＯ２で形成されている場合に可能である。なお、前記層間絶縁膜の少なくともその表面部分がＳｉＯ２で形成されている場合は、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程を前記銅配線をエッチングする工程の後に行ってもよい。
前記バリア膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、およびＴａ膜とＴａＮ膜との積層膜のいずれかであることが好ましい。また、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程の後、前記構造体の全面にキャップ絶縁膜を形成する工程をさらに有することが好ましい。
本発明によれば、銅配線をエッチングしてその表面を層間絶縁膜表面よりも後退させる際に、銅膜がバリア膜との界面まで除去された構造体を真空状態の有機化合物雰囲気に配置し、構造体の銅配線表面を含む面に酸素ガスクラスターイオンビームを照射し、酸素ガスクラスターイオンビーム中の酸素ガスクラスターイオンにより、銅配線の表面の銅を酸化させて酸化銅とするとともに、酸化銅と有機化合物を反応させて銅配線を異方的にエッチングし、かつ、有機化合物雰囲気中の構造体へ酸素ガスクラスターイオンを連続的に照射し、連続的に銅配線を異方性エッチングするので、銅の酸化および酸化銅と有機化合物との反応を効率よくかつ良好な形状性をもって連続的に行うことができる。また、これらの反応により生成した物質は揮発して排気されるため副生成物の付着がなく、副生成物除去のような煩雑な工程が不要である。また、ドライエッチングであるため、ウェットエッチングのようなマイクロスリットが形成されることによる断線のおそれがない。
層間絶縁膜がダメージ耐性の低いＬｏｗ−ｋ膜で形成されている場合、酸素ガスクラスターイオンビームを照射する際に、Ｌｏｗ−ｋ膜が露出しているとダメージが懸念されるが、酸素ガスクラスターイオンビームを照射する際にバリア膜を残存させておくことにより、Ｌｏｗ−ｋ膜へダメージが生じない。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 Ｃｕリセスを行わない場合のＣｕ原子のエレクトロマイグレーションを説明するための図である。 発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるＣｕリセス処理のメカニズムおよび効果を説明するための図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャート、図２はその方法を説明するための工程断面図である。
まず、シリコン等の半導体基板１０上にＳｉＣ等のエッチングストッパ膜１１、ＴＥＯＳ等の低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜やＳｉＯ２等からなる層間絶縁膜１２を形成した後、フォトリソグラフィによりパターン形成されたマスク材を用いてドライエッチングにより銅配線が埋め込まれる凹部であるトレンチ１３を形成し、その後、トレンチ１３内部を含む全面にバリア膜１４を形成した後、例えばＣｕめっきにより銅（Ｃｕ）膜１５を形成し、複数配列されたトレンチ１３内に配線となるＣｕが埋め込まれた状態の構造体（基板）を準備する（工程１、図２（ａ））。バリア膜１４としては、Ｔａ、ＴａＮ、またはＴａ／ＴａＮの積層膜を好適に用いることができる。また、Ｃｕ膜１５の表面は、トレンチ１３の上端よりも高くなるようにする。
次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によりＣｕ膜１５をバリア膜１４との界面まで除去し、Ｃｕをトレンチ内のみに残存させてＣｕ配線を形成する（工程２、図２（ｂ））。トレンチ１３内のＣｕ配線１６の上面は、バリア膜１４の露出した表面とほぼ同じ高さとなる。
この後、図３（ａ）に示すように、さらにＣＭＰによりバリア膜１４を除去し、全面にキャップ絶縁膜１７を形成すると、Ｃｕ配線１６の表面とその間の層間絶縁膜１２の表面とがほぼ同一平面となるため、層間絶縁膜１２とキャップ絶縁膜１７との界面にリーク電流が流れ、図３（ｂ）に示すように、その電流に随伴してＣｕ原子がエレクトロマイグレーションし、Ｃｕ配線１６間が短絡してしまう。
以下、詳細に説明する。
隣接するＣｕ配線１６の一方をＡ他方をＢとすると、これら配線Ａおよび配線Ｂ間にはバイアスがかけられている。層間絶縁膜１２とキャップ絶縁膜１７との間には、リーク電流防止処理が施されているが、バルクに比べてリーク電流が流れやすくなっている。配線間距離が短いところでは強電界がかかっており、最も強い電界がかかるのは配線の角である。したがって、配線Ａの角から流れたリーク電流は層間絶縁膜１２とキャップ絶縁膜１７との界面を通って配線Ｂへと流れる。この電流の流れによりエレクトロマイグレーション現象が起き、配線Ａの角にあるＣｕ原子が層間絶縁膜１２とキャップ絶縁膜１７との界面に分布していき、Ｃｕは電流を流すことから見かけの配線間距離が狭まったことになり、徐々にリーク電流が大きくなる。そして、この界面へのＣｕ原子の分布が広がっていくと、最終的に配線Ａおよび配線Ｂ間が短絡してしまう。
そこで、本実施形態では、Ｃｕ膜１５のＣＭＰの後、トレンチ１３内のＣｕ配線１６をエッチングしてその表面を層間絶縁膜１２の表面から後退させるＣｕリセス処理を行う（工程３）。Ｃｕリセス処理を用いることにより、電界集中が起こる角部からＣｕ原子を排除し、リーク電流が生じてもＣｕ原子のエレクトロマイグレーションを生じないようにすることができる。
Ｃｕは通常のＣＦ系ガスを用いたドライエッチングではエッチングし難い材料であり、ドライエッチングができたとしてもエッチング後に堆積する副生成物をウェットエッチングで除去しなければならず煩雑であることから、従来はウェットエッチングによりＣｕリセス処理を行っていた。
しかし、ウェットエッチングの場合には、薬液としてＨＦ＋Ｈ２Ｏ２、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４等が用いられ、エッチングによりＣｕ表面に欠陥が生じたり、粒界のエッチングレートが高いため表面のラフネスが大きいという問題がある。また、さらに大きな問題として、Ｃｕとバリア膜としてのＴａの間のＣｕ／Ｔａ界面において電蝕反応が生じ、Ｃｕの電子がＴａに引き抜かれることによりＣｕが溶解し、Ｃｕ／Ｔａ界面にマイクロスリットと称されるスパイクエッチングが生じることが挙げられる。このようなスパイクエッチングが生じると、Ｃｕ／Ｔａ界面の密着面積を減らすため、配線に流れる電流により、エレクトロマイグレーションの起点となり、配線の断線につながってしまう。
そこで、本実施形態では工程３のＣｕリセス処理を、以下に示す全く新しいドライプロセスにより実施する。
すなわち、図２（ｂ）の構造体をエッチング装置のチャンバ（図示せず）内に搬入し、チャンバ内を高真空雰囲気にした後、酢酸等の有機化合物を供給して有機化合物雰囲気とし（工程３−１、図２（ｃ））、かつ構造体の表面にＯ２ガスクラスターイオンビーム（Ｏ２−ＧＣＩＢ）を照射する（工程３−２，図２（ｄ））。これにより、Ｃｕが酸化されるとともに、酸化銅と有機化合物とが反応してＣｕ配線１６がエッチングされる。このとき、例えば、上記構造体（基板）を駆動装置によりスキャンさせてＯ２−ＧＣＩＢが構造体の全面に照射されるようにする。
Ｏ２−ＧＣＩＢは、ノズルから圧力を調整しつつＯ２ガス分子を噴射してＯ２分子がファンデルワールス力により数個から数万個凝集したＯ２クラスター流とし、これをイオナイザーでイオン化するとともに加速器により加速することにより形成される。すなわち、Ｏ２−ＧＣＩＢは、Ｏ２クラスターがイオン化されて形成されたＯ２ガスクラスターイオン（Ｏ２−ＧＣＩ）をビーム状にしたものである。なお、ＧＣＩＢを形成するための装置については、例えば米国特許出願公開第２００６／０１０５５７０号明細書に詳しく記載されている。
この際の工程３におけるドライエッチングによるＣｕリセス処理のメカニズムおよび効果を図４を参照して説明する。
本実施形態では、Ｏ２−ＧＣＩＢの衝突によって得られた熱によりＣｕリセス処理を行うため、構造体（基板）は加熱されずに常温で保持されている。そのため、図４（ａ）に示すようにＣｕ配線１６の表面を含む構造体の全面に十分な量の有機化合物分子（酢酸分子）１８が吸着した状態となる。この状態で、Ｏ２−ＧＣＩＢを照射することにより、図４（ｂ）に示すようにＯ２−ＧＣＩ１９が構造体に向かって直進する。そして、図４（ｃ）に示すように、Ｏ２−ＧＣＩ１９がＣｕ配線１６に衝突すると、その際の衝突エネルギーにより、Ｏ２−ＧＣＩ１９の酸素の一部が反跳酸素となるとともに、表面のＣｕの一部がスパッタされ、酸素の他の一部は（１）式のようなＣｕの酸化に寄与する。また、衝突エネルギーの残部は熱に変換され、この熱により、（１）の酸化反応がより促進されるとともに、有機化合物である酢酸の場合には（２）式に従って酸化銅と酢酸の反応が促進され、揮発性のＣｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）とＨ２Ｏが生じてＣｕ配線１６から酸化銅分子が脱離する。また、有機化合物の供給およびＯ２−ＧＣＩＢの照射を継続的に行うことにより、構造体（基板）を加熱することなく、これら（１）、（２）式の反応が連続的に生じ、これによりＣｕ配線１６が高いエッチングレートでエッチングされる。
２Ｃｕ＋Ｏ→Ｃｕ２Ｏ （１）
Ｃｕ２Ｏ＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ→２Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）↑＋Ｈ２Ｏ↑ （２）
上記（２）式の反応は、通常、常温では生じないが、Ｏ２−ＧＣＩの衝突により生じた熱により進行する。
このエッチングに際しては、Ｏ２−ＧＣＩ１９は直進性があるため、図２（ｅ）に示すように、Ｃｕ配線１６の上部を異方的にエッチングすることができ、電界集中が起こる角部からＣｕ原子を有効に排除することができる。この際のエッチング深さは、３０〜９０ｎｍ程度でよい。
この場合に、Ｏ２−ＧＣＩ１９は、数個から数万個の酸素分子や酸素原子がファンデルワールス力により緩やかに束縛された状態となっており、サイズが大きいので、Ｏ２−ＧＣＩ１９がＣｕ配線１６に衝突した際に、内部に入り込み難い。このため、衝突エネルギーは主にＣｕ配線１６の表面部分に作用し、表面部分で反応が生じ、Ｃｕ配線１６の表面から順次内部に向けて所望の深さだけ異方的にエッチングされるので、形状性が良好であるとともに、Ｃｕ配線１６の内部の不所望の酸化は生じ難い。また、上述のように、基本的に常温プロセスであり、有機化合物の量が少なくてよく、１０−４〜１０−６Ｔｏｒｒのオーダーの低圧で処理が可能であるため、有機化合物分子とＯ２−ＧＣＩとの衝突を無視することができ、有機化合物分子がＯ２−ＧＣＩの照射を妨げることがなく、高い反応効率を得ることができる。さらに、上記（１）、（２）の反応は生成物が揮発して排気されるため、副生成物の付着がなく、副生成物除去のような煩雑な工程が不要である。また、ドライエッチングであるため、ウェットエッチングのようなマイクロスリットが形成されることによる断線のおそれがない。
工程３−１の有機化合物としては、典型的には有機酸を用いることができる。有機酸としては例示した酢酸に代表されるカルボン酸（一般式：Ｒ−ＣＯＯＨ（Ｒは水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基、好ましくはメチル、エテル、プロピル、ブチル、ペンチル又はヘキシル）を好適に用いることができる。酢酸以外の他のカルボン酸としては、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、プロピオン酸（ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ）、酪酸（ＣＨ３（ＣＨ２）２ＣＯＯＨ）、吉草酸（ＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＯＯＨ）などを挙げることができる。カルボン酸の中では、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、プロピオン酸（ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ）が特に好ましい。また、Ｈ（ｈｆａｃ）等を用いることもできる。また、アルコールやアルデヒド等の酸化銅と反応してＣｕを除去することができる他の有機化合物も適用可能である。
酢酸以外の蟻酸やプロピオン酸等の他の有機化合物（有機酸）を用いた場合も上記（２）式と同様な反応が生じてエッチングを進行させることができる。
以上のような工程３が終了した後、ＣＭＰによりバリア膜１４を除去する（工程４、図２（ｆ））。その後、全面にＳｉＣやＳｉＮ等からなるキャップ絶縁膜１７を形成する（工程５、図２（ｇ））。これにより、Ｃｕ配線１６の表面が層間絶縁膜１２の表面から所望の深さで後退した構造が得られ、電界集中が起こる角部からＣｕ原子が排除され、リーク電流が生じてもＣｕ原子上昇する駆動力がないため移動することができず、Ｃｕ原子のエレクトロマイグレーションによるＣｕ配線１６間の短絡を有効に防止することができる。
工程３において、Ｏ２−ＧＣＩＢは構造体の全面に照射されるため、層間絶縁膜１２がダメージ耐性の低いＬｏｗ−ｋ膜で形成されている場合、それが露出しているとＬｏｗ−ｋ膜にＯ２−ＧＣＩＢが照射されることによるダメージが懸念される。しかし、本実施形態では、Ｏ２−ＧＣＩＢを照射する際に、Ｃｕ配線１６以外のフィールド部分にはＴａ系膜であるバリア膜１４が残存しており、Ｏ２−ＧＣＩＢを照射してもバリア膜１４がダメージを受けるだけで、層間絶縁膜１２を構成するＬｏｗ−ｋ膜へのダメージは生じない。また、Ｏ２−ＧＣＩＢによりダメージを受けたバリア膜１４はその後除去されるため、ダメージの影響は残らない。
なお、層間絶縁膜１２として、ＳｉＯ２膜を用いる場合や、Ｌｏｗ−ｋ膜の表面にＳｉＯ２膜を設けて、Ｌｏｗ−ｋ膜を保護する構造をとった場合には、層間絶縁膜１２の表面にＳｉＯ２膜が存在することになるが、ＳｉＯ２膜はＯ２−ＧＣＩＢに対するダメージ耐性が比較的高いため、Ｃｕリセス処理を行う前にバリア膜１４を除去してＯ２−ＧＣＩＢが層間絶縁膜１２の表面に照射されるようにしてもよい。もちろん、この場合にも上記のようにＣｕリセス処理の後にバリア膜１４を除去してもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能であることは言うまでもない。
１０…半導体基板
１１…エッチングストッパ膜
１２…層間絶縁膜
１３…トレンチ（凹部）
１４…バリア膜
１５…Ｃｕ膜
１６…Ｃｕ配線
１７…キャップ絶縁膜
１８…有機化合物分子
１９…Ｏ２−ＧＣＩ

Claims (11)

  1. 基板上に凹部を有する層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜上にバリア膜を介して前記凹部を埋めるように銅膜を形成した構造体を準備する工程と、
    前記構造体の前記銅膜を前記バリア膜との界面まで化学機械研磨により除去し、前記凹部内に銅配線を形成する工程と、
    前記銅配線をエッチングしてその表面を前記層間絶縁膜表面よりも後退させる工程と、
    を有し、
    前記銅配線をエッチングしてその表面を前記層間絶縁膜表面よりも後退させる工程は、
    前記銅膜が前記バリア膜との界面まで除去された構造体を真空状態の有機化合物雰囲気に配置し、前記構造体の前記銅配線表面を含む面に酸素ガスクラスターイオンビームを照射し、前記酸素ガスクラスターイオンビーム中の酸素ガスクラスターイオンにより、前記銅配線の表面の銅を酸化させて酸化銅とするとともに、酸化銅と有機化合物を反応させて前記銅配線を異方的にエッチングし、かつ、前記有機化合物雰囲気中の前記構造体へ前記酸素ガスクラスターイオンを連続的に照射し、連続的に前記銅配線を異方性エッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記銅配線の銅を酸化させて酸化銅とするとともに、酸化銅と有機化合物を反応させる際のエネルギーは、前記酸素ガスクラスターイオンが前記銅配線に衝突した際の熱により供給され、前記基板を加熱することなくエッチングが行われ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. 前記構造体を加熱しないことにより、前記有機化合物の分子を前記銅配線の表面に吸着しやすくし、前記酸素ガスクラスターイオンビームが前記有機化合物分子に妨げられない程度の真空度になるような供給量で前記有機化合物を供給して有機化合物雰囲気を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記構造体の前記銅膜を前記バリア膜との界面まで化学機械研磨により除去する工程の後、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程を、さらに有し、
    前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程は、前記銅配線をエッチングする工程の後に行われることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記層間絶縁膜がＬｏｗ−ｋ膜で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記構造体の前記銅膜を前記バリア膜との界面まで化学機械研磨により除去する工程の後、前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程を、さらに有し、
    前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程は、前記銅配線をエッチングする工程の前に行われることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記層間絶縁膜は、少なくともその表面部分がＳｉＯ２で形成されていることを特徴とする請求項５から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記有機化合物は有機酸であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記有機酸はカルボン酸であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記バリア膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、およびＴａ膜とＴａＮ膜との積層膜のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記バリア膜を化学機械研磨により除去する工程の後、前記構造体の全面にキャップ絶縁膜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から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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