JPH0774173A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高融点金属で被覆された銅配線の形成に関
し，銅層をパターニングすることなく形成することを目
的とする。 【構成】 基板１上に堆積した第一の高融点金属層２上
に配線型３を形成し，これらを覆う第二の高融点金属層
４を堆積する工程と，高融点金属層４，２をエッチバッ
クして，配線型３の側壁上に堆積した高融点金属層４か
らなる側板４ａ，並びに，配線型３及び側板４ａに覆わ
れた領域に残る第一の高融点金属層２の底板２ａ以外の
第二，第一の高融点金属層４，２を除去する工程と，配
線型３を覆う絶縁層５を堆積し，その表面から絶縁層５
を基板１表面と平行に除去して，配線型３上面を表出す
る工程と，配線型３を選択的に除去する工程と，底板２
ａ及び側板４ａ上に選択的に銅を堆積して配線型３の除
去跡を埋込む銅配線コア６の形成工程と，銅配線コア６
上に高融点金属の上板７を形成する工程とを有す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，半導体装置の製造方法
に関し，とくに周囲を拡散を阻止するバリア物質で被覆
された銅配線の形成方法に関する。

【０００２】半導体装置において，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少なくかつ低
抵抗の配線として，銅配線がＡｌ配線に代わり用いられ
るようになった。

【０００３】しかし，銅配線は，表面が酸化されやす
く，またＳｉ又はＳｉＯ₂ と容易に反応するため，配線
の周囲を酸素，Ｓｉとの反応又は銅の拡散を阻止するバ
リア物質で被覆する必要がある。さらに，銅はエッチン
グが難しくパターニングの際にアンダーカットを生じて
配線の剥離を招来することもある。

【０００４】このため，周囲をバリア物質で被覆された
銅配線を容易に形成することができる方法が強く求めら
れている。

【０００５】

【従来の技術】従来，半導体装置の配線に用いられる銅
配線は，基板上にバリア物質層，銅層，バリア物質層を
順次堆積し，この三層の堆積層をエッチングして配線パ
ターンを形成していた。

【０００６】しかし，これでは配線パターンの側面には
バリア物質が被着せず，銅配線が露出するため，この配
線パターンの側面から酸化又は拡散反応が進行して配線
抵抗が増加する又は不安定になるという問題があった。
また，上述したように銅層をエッチングする際にアンダ
ーカットを生じて銅配線が剥離する場合もあり，かかる
銅配線を用いた半導体装置の信頼性が損なわれるという
問題があった。

【０００７】かかる配線パターンの側面に銅配線が露出
するという問題を回避する方法が，特開昭64- ５９９３
８に開示されている。この方法では，上記と同様の方法
で銅配線を形成した後，窒素雰囲気中で熱処理して銅配
線の表出面に窒化物を形成し，この窒化物をバリア物質
として用いるものである。

【０００８】しかし，この方法では，配線形成のために
熱処理を必要とするため，半導体装置の特性に悪影響を
及ぼす場合がある。また，バリア物質が窒化物に制限さ
れるという欠点がある。なお，この方法によっても困難
な銅配線のパターニングが必要なことは既述の従来方法
と変わらない。

【０００９】さらに，特開平２−１１４６３９の第３図
には，基板上に堆積された絶縁膜の表面にトレンチを形
成し，そのトレンチ内及び絶縁膜上にバリア物質層と銅
層とを順次堆積しトレンチを埋め込んだ後，トレンチ内
にバリア物質層と銅層とを残し絶縁膜上のバリア物質層
と銅層とをエッチバックして除去することで，トレンチ
内に側面と底面とがバリア物質で被覆された銅配線を形
成する方法が開示されている。

【００１０】しかし，銅のエッチバックは容易でないこ
とから，この方法の適用範囲は制限されるという欠点が
ある。なお，この方法では，絶縁膜上のバリア物質層の
パターニングは，銅層のエッチバックと同時になされ，
バリア物質層単独ではパターンニングをすることができ
ない。従って，この方法では，後述する本発明のよう
に，予めバリア物質層をパターニングし，そのパターニ
ングされたバリア物質層上に選択的に銅を堆積して銅配
線パターンを形成することはできない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように，従来
の半導体装置の製造方法により形成された銅配線は，銅
配線の側面がバリア物質で被覆されていないため，銅配
線側面から酸化，拡散反応が進行して配線抵抗の増加，
変動を生ずる結果，半導体装置の信頼性が劣化するとい
う問題がある。

【００１２】また，銅配線を窒素中で熱処理して銅配線
の表面にバリア物質の被膜を形成する方法は，配線形成
後に熱処理をする必要があり半導体装置の特性劣化を招
くこと，及びバリア物質の種類は窒化物に制限されると
いう欠点がある。

【００１３】なお，これら従来の半導体装置の製造方法
では，銅層をパターニングして配線を形成するために，
困難な銅層のエッチングを必要とするという欠点があ
る。さらに，トレンチを埋め込み銅配線を形成する方法
は，銅層のエッチバックを必要とすることから適用範囲
が制限されるという欠点がある。

【００１４】本発明は，絶縁層に底面及び側面がバリア
物質で被覆されたトレンチを形成した後，バリア物質上
に選択的に銅を堆積してトレンチを埋込み銅配線コアを
形成し，さらに銅配線コア上にバリア物質を形成するこ
とにより，周囲がバリア物質の被膜で被覆された銅配線
を，銅層をパターニングすることなく形成することがで
きる半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図であり，半導体装置の配線部分の断面を表している。
図２〜図４は本発明の実施例断面工程図であり，半導体
装置の配線部分の断面を表している。

【００１６】上記課題を解決するために，図１〜図４を
参照して，本発明の第一の構成は，半導体基板１上に，
銅又は銅合金からなる銅配線コア６と，該銅配線コアの
周囲を被覆する高融点金属又は高融点金属化合物からな
る被膜とを有する銅配線１０を用いた半導体装置の製造
方法において，該基板１上に第一の高融点金属又は高融
点金属化合物からなる第一の高融点金属層２を堆積する
工程と，次いで，該第一の高融点金属層２上に該銅配線
コア６を画定する配線型３を形成する工程と，次いで，
第二の高融点金属又は高融点金属化合物からなる第二の
高融点金属層４を該配線型３を覆い堆積する工程と，次
いで，異方性イオンエッチングを用いた該第二及び第一
の高融点金属層４，２のエッチバックにより，該配線型
３の側壁面上に堆積された該第二の高融点金属層４を側
板４ａとして，並びに，該配線型３及び該側板４ａに覆
われた領域に該第一の高融点金属層２を底板２ａとして
残し，その他の領域の該第二及び第一の高融点金属層
４，２を除去することで，底面は該底板２ａにより被覆
され，側面は該側板４ａにより被覆されかつ上面は表出
する該配線型３を形成する工程と，次いで，該配線型３
及び該側板４ａを覆う絶縁層５を該基板１上に堆積する
工程と，次いで，該絶縁層５の表面から該絶縁層５を実
質的に基板１の表面と平行に除去して，該配線型３の上
面を表出する工程と，次いで，該配線型３を選択的に除
去する工程と，次いで，該底板２ａ及び該側板４ａ上に
選択的に銅又は銅合金を堆積して，該配線型３が除去さ
れた部分を埋め込む該銅配線コア６を形成する工程と，
次いで，該銅配線コア６上に第三の高融点金属又は高融
点金属化合物の薄膜からなる上板７を形成する工程とを
有することを特徴として構成し，及び，第二の構成は，
第一の構成の半導体装置の製造方法において，該第一の
高融点金属層２，該第二の高融点金属層４及び該上板７
は，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ及びＴｉＮのうちの何
れかからなり，該配線型３は酸化シリコン，窒化シリコ
ン又は酸化窒化シリコンからなり，該絶縁層５は，酸化
シリコン，窒化シリコン及び酸化窒化シリコンのうちの
該配線型３と異なる物質からなることを特徴として構成
し，及び，第三の構成は，第一の構成の半導体装置の製
造方法において，該第一の高融点金属層２，該第二の高
融点金属層４及び該上板７は，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，
Ｍｏ及びＴｉＮのうちの何れかからなり，該配線型３
は，ポリシリコン又は有機レジストからなり，該絶縁層
５は，酸化シリコン，窒化シリコン又は酸化窒化シリコ
ンからなることを特徴として構成する。

【００１７】

【作用】本発明の構成では，先ず図１（ａ）を参照し
て，表面に絶縁膜１ａが形成された半導体基板１上に，
第一の高融点金属層２を堆積する。次いで，その第一の
高融点金属層２上に銅配線コア６（図１（ｄ）参照）を
画定する配線型３を形成した後，第二の高融点金属層４
を配線型３を覆い堆積する。ここで，図１に図示された
配線型３は，紙面に垂直方向に延在するものを表してい
る。また，第一及び第二の高融点金属層は例えばスパッ
タ法又はＣＶＤ法により堆積することができる。

【００１８】次いで，第二及び第一の高融点金属層４，
２をエッチバックする。このエッチバックは異方性イオ
ンエッチング，例えばイオンミリング，弗素又は塩素を
含む反応ガスを用いたイオンエッチングによりなされ
る。このため，図１（ｂ）を参照して，配線型３の側面
に第二の高融点金属層４がサイドウオールとして残り，
側板４ａが形成される。従って，第一の高融点金属層２
のうちこの側板４ａ及び配線型３に覆われた部分は，エ
ッチバックによっては除去されずに残り，配線型３の底
面を被覆する底板２ａとして形成される。 なお，その
他の部分に堆積した第二及び第一の高融点金属層４，２
は除去され，また配線型３の上面は表出される。

【００１９】次いで，図１（ｃ）を参照して，基板１上
全面に絶縁層５を配線型３，側板４ａを覆い厚く堆積し
た後，例えばエッチバック又は研磨により，この絶縁層
５を配線型３の上面が表出するまで基板面と略平行に除
去する。次いで，配線型３を例えばエッチングにより選
択的に除去する。この結果，図１（ｃ）に示すように，
絶縁層５に側面及び底面が高融点金属層の底板２ａ及び
側板４ａで覆われたトレンチ１２が形成される。

【００２０】次いで，高融点金属層上に選択的に銅又は
銅合金を堆積する方法，例えばＣＶＤ（化学的気相堆
積）法又はメッキ法を用いて，トレンチ１２内面を覆う
高融点金属層，即ち側板４ａ及び底板２ａ上に銅又は銅
合金を堆積し，図１（ｄ）を参照して，トレンチを埋込
む銅配線コア６を形成する。

【００２１】次いで，銅配線コア６を掩覆する高融点金
属若しくはその化合物の薄膜からなる上板を，例えばＣ
ＶＤ法による金属上への選択的堆積により，又は高融点
金属若しくはその化合物の薄膜をパターニングして形成
する。

【００２２】上記工程の結果，上下面及び左右側面が高
融点金属又はその化合物からなる被膜１１により被覆さ
れた銅配線１０が形成される。上記本構成において，既
述の高融点金属又はその化合物として，例えばＴｉ，Ｔ
ａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ及びＴｉＮを用いることができる。
これらは銅配線の拡散バリア物質として効果的に作用す
る。従って本発明にかかる銅配線は酸化，拡散反応が阻
止され，安定である。

【００２３】さらに，本発明では，銅配線１０パターン
は，銅のエッチング又はパターニングをすることなく，
選択的堆積により形成される。このため，困難な銅のパ
ターンニング又はエッチングを必要としない。

【００２４】なお，銅配線コア６の形状は，配線型３に
より画定される。配線型３にはパターニングが容易な材
料を選択することで，配線型３を精密な形状に形成する
ことができる。従って，銅配線コア６の形状，ひいては
銅配線１０の形状を精密に形成することが容易にでき
る。

【００２５】次に，本発明を適用するに好ましい配線
型，絶縁層の組み合わせについて述べる。本構成におい
て，配線型３は，第二及び第一の高融点金属層２，４を
エッチバックする際に，側板４ａが形成される程度の耐
エッチング性を有する必要がある。また，配線型３を選
択的に除去する際に，トレンチ１２形状が損なわれない
ように，絶縁層５及び側板４ａはエッチングされないこ
とが望ましい。このため，絶縁層５及び側板４ａと配線
型３との間に十分な選択比が要求される。さらに，配線
型３は，銅配線１０の形状精度を決定するものであるか
ら，精密にパターンニングできる材料，例えば酸化シリ
コン，窒化シリコン，レジスト又はポリシリコンである
ことが望ましい。

【００２６】これらの条件を満たすために，配線型３及
び絶縁層５を，例えば以下のような材料の組み合わせで
用いることができる。 （１）配線型３材料は酸化シリコンとし，絶縁層５材料
は窒化シリコン又は酸化窒化シリコンとする。 （２）配線型３材料は窒化シリコン又は酸化窒化シリコ
ンとし，絶縁層５材料は酸化シリコンとする。 （３）配線型３材料はレジスト又はポリシリコンとし，
絶縁層５材料は酸化シリコン，窒化シリコン又は酸化窒
化シリコンとする。

【００２７】上記（１），（２），（３）の場合，配線
型３の材料は通常のエッチングにより容易に精密なパタ
ーニングを得ることができる。従って，これらの材料を
配線型３に用いることにより，精密な銅配線１０を形成
することができる。

【００２８】また，上記の配線型３の材料は，既述の第
二及び第一の高融点金属層４，２のエッチバック，例え
ばイオンミリング，弗素又は塩素を含む反応ガスを用い
たイオンエッチングに際し，サイドウオールが形成され
るに十分なエッチング耐性を有する。

【００２９】さらに，窒化シリコン又は酸化窒化シリコ
ンと，酸化シリコンとについては，互いに選択性の高い
エッチャントが一般に知られている。例えば，酸化シリ
コンのエッチングには弗酸を含むエッチャントが，窒化
シリコン又は酸化窒化シリコンのエッチングには熱燐酸
がある。従って，（１）又は（２）の場合，配線型３を
エッチングして除去する際に，絶縁層５のエッチング量
を，配線パターン精度を保つに十分な程に小さくするこ
とは容易である。

【００３０】なお，酸化シリコンには，ＳｉＯ₂ の他，
ＰＳＧ(Phosphosilicate Glass) ，ＴＥＯＳを用いるこ
とができる。さらにまた，（３）の場合，レジストは有
機溶媒でエッチングされ，又ポリシリコンは例えば弗硝
酸水溶液により容易にエッチングされる。これらのエッ
チャントによっては絶縁層５材料である酸化シリコン，
窒化シリコン又は酸化窒化シリコンは僅かしかエッチン
グされないから，（１），（２）と同様に容易に精密な
配線パターンを形成することができる。

【００３１】なお，（１），（２），（３）のいずれの
場合においても，絶縁層５は，反応性イオンエッチン
グ，例えばＣＦ₄ ，ＣＨＦ₃ 及びＡｒの混合ガスを用い
た反応性イオンエッチングを用いてエッチバックするこ
とにより，又はＣＭＰ(Chemical Mechamical Polishin
g) により研磨して配線型３上面を表出することができ
る。

【００３２】

【実施例】本発明を実施例を参照して説明する。先ず，
図２（ａ）を参照して，表面にＳｉＯ₂ からなる絶縁膜
１ａが形成されているシリコン基板１上に，例えば厚さ
５０nmのＴｉをスパッタで堆積して第一の高融点金属層
２とする。このスパッタは，例えば1.6 mTorr のＡｒ雰
囲気で，高周波出力500Wですることができる。なお，シ
リコン基板１の図外の領域には半導体素子が形成されて
いる。

【００３３】次いで，レジストを塗布し，フォトリソグ
ラフィにより銅配線コアとなるべき領域を画定し，紙面
垂直方向に延在する，例えば幅４００nm，高さ４００nm
のレジストパターンを配線型３として第一の高融点金属
層２上に形成する。

【００３４】次いで，図２（ｂ）を参照して，基板上全
面に例えば厚さ５０nmのＴｉをスパッタにより堆積して
第二の高融点金属層４とする。次いで，ＣＨＦ₃ 又はＣ
Ｆ₄ を反応ガスとする反応性イオンエッチングにより第
二及び第一の高融点金属層４，２をエッチバックする。
その結果，図２（ｃ）を参照して，配線型３の側面にＴ
ｉからなる側板４ａが形成され，同時に配線型３の底面
に底板２ａとなるＴｉ層が残る。基板１上の他の領域及
び配線型３の上面に堆積していたＴｉ層（第二及び第一
の高融点金属層４，２）は除去される。

【００３５】次いで，図２（ｄ）を参照して，絶縁層５
としてＰＳＧ(Phosphosilicate Glass) を基板１上全面
に配線型３を覆い堆積した後, ＣＦ₄ ，ＣＨＦ₃ 及びＡ
ｒの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより，
配線型３上面が表出するまでＰＳＧをエッチバックす
る。

【００３６】この結果を，図３（ｅ）に示す。絶縁層５
は配線型３の外側の基板１上に略側板４ａの高さと同じ
厚さで延在する。他方，配線型３も略当初の厚さを保持
するが，必ずしもその厚さは保持される必要がなく，場
合によっては絶縁層５よりも速くエッチングされても差
支えない。

【００３７】次いで，図３（ｆ）を参照して，例えば有
機溶剤に浸漬して配線型３を除去する。なお，配線型３
の除去はレジストの灰化によることもできる。この工程
は，側板４ａ及び底板２ａ表面のダメージの発生を回避
するために，通常はウエットエッチング，プラズマエッ
チング又は灰化によりなされることが好ましい。

【００３８】次いで，通常の半導体装置の製造方法に用
いられる選択ＣＶＤ法により，図３（ｇ）を参照して，
Ｔｉからなる側板４ａ及び底面２ａ上に選択的に銅又は
銅合金を堆積して，配線型３を除去した跡に銅又は銅合
金を埋込み，銅配線コア６を形成する。

【００３９】次いで，図３（ｈ）を参照して，厚いため
絶縁層５の上表面よりはみ出す銅配線コア６の表面部分
を，例えば通常の塩素又は弗素を含む反応ガスを用いる
反応性イオンエッチングにより除去し，絶縁層５と銅配
線コア６の表面を略同一高さとし表面を平坦にする。な
お，この平坦化はＣＭＰにより行うこともできる。

【００４０】上記平坦化のための反応性イオンエッチン
グに引続き，金属上へ選択的にＷを堆積するＣＶＤ法を
用いて，厚さ４０nmのＷ層を銅配線コア６上に選択的に
堆積させ，銅配線コア６上面を覆う高融点金属からなる
上板７を形成する。なお，上板７は，Ｗを基板全面に例
えばスパッタにより堆積した後，パターニングして形成
してもよい。

【００４１】以上の工程をへて，周囲がＴｉ及びＷで被
覆された銅配線１０が形成された。次いで，基板上全面
に保護膜８を堆積して半導体装置が製造される。本実施
例では，銅配線コア６の形成後，上板７を形成する迄，
銅配線コア６が大気に触れることがない。従って，銅配
線コア６の表面の酸化が防止され，信頼性の高い銅配線
が形成される。

【００４２】

【発明の効果】上述したように，本発明によれば，銅層
のパターニング又はエッチングをすることなく周囲が高
融点金属又はその化合物で被覆された銅配線を形成する
ことができる半導体装置の製造方法を提供することがで
きるから，半導体装置の性能向上に寄与するところが大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理説明図

【図２】 本発明の実施例断面工程図（その１）

【図３】 本発明の実施例断面工程図（その２）

【図４】 本発明の実施例断面工程図（その３）

【符号の説明】

１ 基板 １ａ 絶縁膜 ２ 第一の高融点金属層 ２ａ 底板 ３ 配線型 ４ 第二の高融点金属層 ４ａ 側板 ５ 絶縁層 ６ 銅配線コア ７ 上板 ８ 保護膜 １０ 銅配線 １１ 被膜 １２ トレンチ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板（１）上に，銅又は銅合金か
   らなる銅配線コア（６）と，該銅配線コアの周囲を被覆
   する高融点金属又は高融点金属化合物からなる被膜とを
   有する銅配線（１０）を用いた半導体装置の製造方法に
   おいて， 該基板（１）上に第一の高融点金属又は高融点金属化合
   物からなる第一の高融点金属層（２）を堆積する工程
   と， 次いで，該第一の高融点金属層（２）上に該銅配線コア
   （６）を画定する配線型（３）を形成する工程と， 次いで，第二の高融点金属又は高融点金属化合物からな
   る第二の高融点金属層（４）を該配線型（３）を覆い堆
   積する工程と， 次いで，異方性イオンエッチングを用いた該第二及び第
   一の高融点金属層（４，２）のエッチバックにより，該
   配線型（３）の側壁面上に堆積された該第二の高融点金
   属層（４）を側板（４ａ）として，並びに，該配線型
   （３）及び該側板（４ａ）に覆われた領域に該第一の高
   融点金属層（２）を底板（２ａ）として残し，その他の
   領域の該第二及び第一の高融点金属層（４，２）を除去
   することで，底面は該底板（２ａ）により被覆され，側
   面は該側板（４ａ）により被覆されかつ上面は表出する
   該配線型（３）を形成する工程と， 次いで，該配線型（３）及び該側板（４ａ）を覆う絶縁
   層（５）を該基板（１）上に堆積する工程と， 次いで，該絶縁層（５）の表面から該絶縁層（５）を実
   質的に基板（１）の表面と平行に除去して，該配線型
   （３）の上面を表出する工程と， 次いで，該配線型（３）を選択的に除去する工程と， 次いで，該底板（２ａ）及び該側板（４ａ）上に選択的
   に銅又は銅合金を堆積して，該配線型（３）が除去され
   た部分を埋め込む該銅配線コア（６）を形成する工程
   と， 次いで，該銅配線コア（６）上に第三の高融点金属又は
   高融点金属化合物の薄膜からなる上板（７）を形成する
   工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて， 該第一の高融点金属層（２），該第二の高融点金属層
   （４）及び該上板（７）は，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍ
   ｏ及びＴｉＮのうちの何れかからなり， 該配線型（３）は酸化シリコン，窒化シリコン又は酸化
   窒化シリコンからなり， 該絶縁層（５）は，酸化シリコン，窒化シリコン及び酸
   化窒化シリコンのうちの該配線型（３）と異なる物質か
   らなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて， 該第一の高融点金属層（２），該第二の高融点金属層
   （４）及び該上板（７）は，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍ
   ｏ及びＴｉＮのうちの何れかからなり， 該配線型（３）は，ポリシリコン又は有機レジストから
   なり， 該絶縁層（５）は，酸化シリコン，窒化シリコン又は酸
   化窒化シリコンからなることを特徴とする半導体装置の
   製造方法。