JPH11186237A

JPH11186237A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11186237A
Application number: JP35720797A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Maeda; 圭一前田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】銅または銅合金からなる配線の側壁面に形成
される酸化層を効率よく除去することにより、配線の抵
抗上昇を防止することができ、その配線信頼性の低下を
防止することができる半導体装置の製造方法を提供す
る。【解決手段】素子が形成されたＳｉ基板１上に層間絶
縁膜２、下地バリアメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜３、
Ｃｕ膜４、反射防止膜としてのＴｉＮ膜５および配線形
状の無機マスク６を順次形成する。無機マスク６を用い
て、ＲＩＥ法によりＴｉＮ膜５、Ｃｕ膜４およびＴｉＮ
／Ｔｉ膜３をエッチング除去し、Ｃｕからなる配線７、
８を形成する。このとき、配線７、８の側壁面には酸化
層が形成される。Ｓｉ基板１をＨ₂ガス雰囲気中におい
て加熱することにより、配線７、８の側壁面を還元し酸
化層を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に関し、特に、銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金からな
る配線を有する半導体装置の製造に適用して好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化や高速化により、その
内部配線の微細化、多層化が進んでおり、これに伴って
配線形成時の平坦化技術や微細配線の加工、および配線
の信頼性確保が重要な課題となっている。特に、高速化
の要求から、抵抗値の低いＣｕを用いた配線への期待が
高まっている。ここで、このＣｕを用いた配線の形成方
法の一例について、図１１〜図１４を参照して説明す
る。

【０００３】すなわち、まず、図１１に示すように、あ
らかじめトランジスタなどの素子や素子分離領域（図示
せず）が形成された半導体基板１０１上にＳｉＯ₂膜な
どの層間絶縁膜１０２を形成し、この層間絶縁膜１０２
に配線パターンの配線溝１０３を形成する。ここで、接
続孔も形成されるが、図示は省略する。次に、図１２に
示すように、高真空中においてスパッタリング法により
全面にＴｉ膜とＴｉＮ膜とを順次形成することにより、
下地バリアメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜１０４を形成
する。次に、図１３に示すように、Ｃｕを成膜し、配線
溝１０３にＣｕ膜１０５を埋め込んだ後、図１４に示す
ように、配線溝１０３の内部以外の部分のＣｕ膜１０５
およびＴｉＮ／Ｔｉ膜１０４をエッチバック法や化学的
機械研磨（ＣＭＰ）法などによって除去することによ
り、配線溝１０３の部分にＴｉＮ／Ｔｉ膜１０４を下地
バリアメタルとした配線１０６、１０７を形成する。以
上のようにして形成された配線を、一般に、埋め込み配
線と呼ぶことが多い。

【０００４】上述のようなＣｕまたはＣｕ合金を用いた
埋め込み配線を形成するためには、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜
の形成の際の埋め込みに用いられるリフロー法、ＣＶＤ
法またはめっき法などの埋め込み技術や、ＣｕまたはＣ
ｕ合金膜のＣＭＰ法などの新規の技術が必要となる。そ
のため、従来からのアルミニウム（Ａｌ）からなる配線
の形成の工程をＣｕからなる配線の形成の工程に置き換
えるには、多くの技術的課題が残されている。

【０００５】一方、ＣｕやＣｕ合金の塩化物は蒸気圧が
低いので、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜を反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）法などのドライエッチング法によってエッ
チングすることは、Ａｌ膜やＡｌ合金膜をＲＩＥ法など
のドライエッチング法によりエッチングすることに比べ
て困難であった。しかしながら、もし、ＲＩＥ法などの
ドライエッチング法によるＣｕ膜やＣｕ合金膜のエッチ
ングが可能となれば、ＡｌやＡｌ合金からなる配線の形
成の工程を、ＣｕやＣｕ合金からなる埋め込み配線の形
成の工程に移行するよりは、ＣｕまたはＣｕ合金からな
る配線の形成の工程に置き換えてしまうことの方が容易
である。

【０００６】これに関しては、最近、ＲＩＥ法によるＣ
ｕのエッチングに関する学会報告(J.Vac.Technol. B 15
(2),Mar/Apr 1997) があり、ＲＩＥ法によるＣｕのエッ
チングについて、注目されるようになってきている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＲＩＥ
法などのドライエッチング法によりＣｕ膜やＣｕ合金膜
をエッチングして、配線を形成するには、次のような問
題があった。すなわち、ＣｕまたはＣｕ合金からなる配
線を形成する場合には、図１５に示すように、半導体基
板１１１上に層間絶縁膜１１２を形成し、この層間絶縁
膜１１２上にＴｉＮ／Ｔｉ膜などのバリアメタル１１
３、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属膜１１４およびＴ
ｉＮ膜などの反射防止膜１１５を順次形成した後、反射
防止膜１１５上にプラズマＣＶＤ法などによって無機マ
スク１１６を形成する。次に、図１６に示すように、無
機マスク１１６を配線形状にパターニングした後、図１
７に示すように、無機マスク１１６を用いて、ＲＩＥ法
などのドライエッチング法により、反射防止膜１１５、
金属膜１１４、バリアメタル１１３を順次エッチングす
ることにより、ＣｕまたはＣｕ合金からなる配線１１
７、１１８を形成する。

【０００８】ところが、金属膜１１４をＲＩＥ法などの
ドライエッチング法によりエッチングして、配線１１
７、１１８を形成すると、エッチング時に配線１１７、
１１８の側壁面が酸化され、酸化層１１９、１２０が形
成されてしまう。

【０００９】一般に、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜の表面には、
Ａｌ膜やＡｌ合金膜の表面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃膜の
ような強固な酸化膜は形成されないので、Ｃｕ膜やＣｕ
合金膜の表面が酸化されると、その酸化はＣｕ膜やＣｕ
合金膜の内部にまで進行してしまう。そのため、図１８
に示すように、配線１１７、１１８の側壁面に形成され
た酸化層１１９、１２０は、その後に行われる層間絶縁
膜の形成などの加熱工程や洗浄工程において、配線１１
７、１１８の内部にまで拡がってしまう。このように、
配線１１７、１１８中で酸化層１１９、１２０が拡がっ
てしまうと、配線１１７、１１８の実効的な断面積が減
少してしまい、配線１１７、１１８の抵抗が上昇してし
まうなどといった不具合が生じ、配線１１７、１１８の
信頼性の低下につながってしまう。

【００１０】したがって、この発明の目的は、銅または
銅合金からなる配線の側壁面に形成される酸化層を効率
よく除去することにより、銅または銅合金膜から構成さ
れる配線の実効的な断面積の減少を防ぎ、配線の抵抗上
昇を防止することができ、配線信頼性の低下を防止する
ことができる半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、銅または銅合金膜を形成し、銅または
銅合金膜をドライエッチング法によりエッチングするこ
とにより配線を形成するようにした半導体装置の製造方
法において、配線の側壁面を還元するようにしたことを
特徴とするものである。

【００１２】この発明において、典型的には、ドライエ
ッチング法はＲＩＥ法である。

【００１３】この発明において、例えば、水素ガス雰囲
気中において加熱処理を行うことにより配線の側壁面を
還元するようにしてもよいし、電子サイクロトロン共鳴
などにより生成された水素プラズマに接触させることに
より配線の側壁面を還元するようにしてもよい。

【００１４】この発明において、好適には、配線の側壁
面の還元を行った後、配線の少なくとも側壁面を覆うよ
うにして、配線の酸化を防止するための保護膜、例えば
ＳｉＮ膜などを形成する。

【００１５】この発明において、典型的には、銅または
銅合金膜の形成を、スパッタリング法、ＣＶＤ法または
めっき法により行う。

【００１６】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、銅または銅合金膜をドライエッチング法によりエッ
チングすることにより形成された配線の側壁面を還元す
るようにしていることにより、銅または銅合金膜のエッ
チング時に配線の側壁面に形成される酸化層を、効率よ
く除去することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態
の全図においては、同一または対応する部分には同一の
符号を付す。

【００１８】まず、この発明の第１の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。図１から図６
は、この第１の実施形態による半導体装置の製造方法を
示す。

【００１９】まず、図１に示すように、通常のＬＳＩプ
ロセスにより例えばトランジスタなどの素子や素子分離
領域（図示せず）などを形成したＳｉ基板１上に、例え
ばＳｉＯ₂膜からなる層間絶縁膜２を形成する。

【００２０】次に、高真空中において、例えばマグネト
ロンスパッタリング法により層間絶縁膜２の全面に例え
ばＴｉ膜３ａとＴｉＮ膜３ｂとを順次形成することによ
り、下地バリアメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜３を形成
する。これらのＴｉ膜３ａおよびＴｉＮ膜３ｂの膜厚
は、それぞれ例えば２０ｎｍおよび５０ｎｍである。こ
こで、ＴｉＮ／Ｔｉ膜３の形成におけるスパッタ条件の
一例を挙げると、Ｔｉ膜３ａの形成においては、プロセ
スガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを用い、その流量を
１００ｓｃｃｍとし、ＤＣパワーを５ｋＷ、圧力を０．
４Ｐａ、基板加熱温度を１５０℃とし、ＴｉＮ膜３ｂの
形成においては、プロセスガスとしてＡｒと窒素
（Ｎ₂）との混合ガスを用い、それらの流量をそれぞれ
３０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍとし、ＤＣパワーを１０ｋ
Ｗ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１５０℃とす
る。

【００２１】次に、高真空中で連続的に、例えばマグネ
トロンスパッタリング法により、ＴｉＮ／Ｔｉ膜３上に
Ｃｕ膜４を形成する。このＣｕ膜４の膜厚は例えば５０
０ｎｍである。ここで、このＣｕ膜４の形成におけるス
パッタ条件の一例を挙げると、プロセスガスとしてＡｒ
ガスを用い、その流量を１００ｓｃｃｍとし、ＤＣパワ
ーを１５ｋＷ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１５
０℃とする。

【００２２】次に、高真空中で連続的に、例えばマグネ
トロンスパッタリング法により、Ｃｕ膜４上に反射防止
膜としてのＴｉＮ膜５を形成する。このＴｉＮ膜５の膜
厚は例えば３０ｎｍである。ここで、このＴｉＮ膜５の
形成におけるスパッタ条件の一例を挙げると、プロセス
ガスとしてＡｒとＮ₂との混合ガスを用い、それらの流
量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍとし、ＤＣパ
ワーを１０ｋＷ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１
５０℃とする。

【００２３】次に、例えば平行平板プラズマＣＶＤ法に
より、ＴｉＮ膜５上に、例えばＳｉＯ₂膜からなる無機
マスク６を形成する。この無機マスク６の膜厚は例えば
１００ｎｍである。また、後の工程でＣｕ膜４はＲＩＥ
法によりパターニングされるが、この無機マスク６は、
Ｃｕ膜４のエッチング時のエッチングマスクとして使用
される。ここで、この無機マスク６の形成におけるプラ
ズマＣＶＤ条件の一例を挙げると、プロセスガスとし
て、シラン（ＳｉＨ₄）と一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）との
混合ガスを用い、それらの流量をそれぞれ５０ｓｃｃ
ｍ、１０００ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを１０００Ｗ
（１３．５６ＭＨｚ）、圧力を６６５Ｐａ、基板加熱温
度を３５０℃とする。

【００２４】次に、図２に示すように、リソグラフィ工
程により無機マスク６上に配線形状のレジストパターン
（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマ
スクとして例えばＲＩＥ法により無機マスク６をエッチ
ングすることによって、無機マスク６を配線形状にパタ
ーニングする。その後、このレジストパターンを除去す
る。

【００２５】次に、図３に示すように、Ｓｉ基板１をＣ
ｕ用のＲＩＥ装置（図示せず）に搬送した後、無機マス
ク６を用いて、例えばＲＩＥ法によりＴｉＮ膜５、Ｃｕ
膜４、ＴｉＮ／Ｔｉ膜３を順次エッチングすることによ
り、Ｃｕからなる配線７、８を形成する。ここで、この
ＲＩＥ法によるエッチング条件の一例を挙げると、プロ
セスガスとして、塩素（Ｃｌ₂）ガスを用い、その流量
を１０ｓｃｃｍとし、圧力を０．１Ｐａ、ソースパワー
を１５００Ｗ、ＲＦバイアスを３００Ｗとする。また、
Ｃｕの塩化物の蒸気圧が低いために、このＣｕ膜４のエ
ッチングにおいては、ＲＩＥ法によるＡｌ膜のエッチン
グとは異なり、基板温度を例えば２５０℃程度に加熱す
る。

【００２６】ここで、このＲＩＥ法によるエッチング時
に、配線７、８の側壁面は酸化され、それぞれの配線
７、８にそれぞれ酸化層９、１０が形成されている。

【００２７】すでに述べたように、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜
においては、その表面が酸化されても、Ａｌ膜やＡｌ合
金膜の表面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃膜のような強固な酸
化膜が形成されないため、後に行われる層間絶縁膜の形
成などの加熱工程や洗浄工程において、表面の酸化が配
線の内部にまで拡がってしまう。

【００２８】そこで、次に、図４に示すように、例えば
水素（Ｈ₂）ガスなどの還元作用を有するガス中におい
てＳｉ基板１を加熱することにより、配線７、８の側壁
面を還元し、配線７、８の側壁面に形成された酸化層
９、１０を除去する。ここで、この酸化層９、１０の還
元除去のための熱処理条件の一例を挙げると、Ｈ₂ガス
の流量を５００ｓｃｃｍとし、圧力を６７Ｐａ、基板加
熱温度を４００℃、加熱時間を５分間とする。

【００２９】次に、従来公知の方法により、層間絶縁膜
の形成の工程、その表面平坦化の工程、接続孔の形成の
工程、接続孔プラグの埋め込みの工程、上層配線の形成
の工程および酸化層の還元除去の工程からなる一連の工
程を必要な回数だけ繰り返して行うことにより、所望の
多層配線を有する半導体装置を製造する。

【００３０】以上説明したように、この第１の実施形態
によれば、ＲＩＥ法によりＣｕ膜４をエッチングして配
線７、８を形成した後、この配線７、８の側壁面を還元
するようにしていることにより、ＲＩＥ法によるＣｕ膜
４のエッチング時に配線７、８の側壁面に形成された酸
化層９、１０を効率よく除去することができ、配線７、
８の実効的な断面積の減少を防ぐことができる。そのた
め、配線７、８の抵抗の上昇を防ぐことができ、配線信
頼性を向上させることができる。

【００３１】次に、この発明の第２の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００３２】この第２の実施形態においては、第１の実
施形態と同様にして、図５に示すように、配線７、８の
形成まで行う。ここで、配線７、８のそれぞれの側壁面
にはそれぞれ酸化層９、１０が形成されている。

【００３３】次に、図６に示すように、配線７、８の側
壁面に例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により
生成された還元作用を有する例えば水素プラズマを照射
する。これによって、配線７、８の側壁面を還元し、酸
化層９、１０を除去する。これらの酸化層９、１０が除
去された状態を図７に示す。ここで、これらの酸化層
９、１０の還元除去における熱処理条件の一例を挙げる
と、プロセスガスとして、Ｈ₂とＡｒとの混合ガスを用
い、それらの流量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１７０ｓ
ｃｃｍとし、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を４００
℃、加熱時間を１分間、マイクロ波パワーを２．８ｋＷ
（２．４５ＧＨｚ）とする。

【００３４】次に、従来公知の方法により、層間絶縁膜
の形成の工程、その表面平坦化の工程、接続孔の形成の
工程、接続孔プラグの埋め込みの工程、上層配線の形成
の工程および酸化層の還元除去の工程からなる一連の工
程を必要な回数だけ繰り返して行うことにより、所望の
多層配線を有する半導体装置を製造する。

【００３５】この第２の実施形態によれば、第１の実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００３６】次に、この発明の第３の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００３７】この第３の実施形態においては、まず、図
８に示すように、第１の実施形態と同様にして、配線
７、８の形成まで行う。このとき、配線７、８の側壁面
には、酸化層９、１０が形成されている。

【００３８】次に、図９に示すように、Ｓｉ基板１の周
辺に例えばＨ₂ガスを流すことによって配線７、８の側
壁面を還元し、酸化層９、１０を除去する。ここで、こ
の還元条件の一例を挙げると、Ｈ₂ガスの流量を５００
ｓｃｃｍ、圧力を６７Ｐａとし、加熱時間を１分間、基
板加熱温度を４００℃とする。

【００３９】続いて、図１０に示すように、Ｓｉ基板１
をプラズマＣＶＤ装置（図示せず）内に真空搬送した
後、Ｓｉ基板１上の全面に配線７、８を覆うようにして
保護膜としての例えばＳｉＮ膜１１を形成する。このＳ
ｉＮ膜１１の膜厚は例えば５０ｎｍである。ここで、こ
のプラズマＣＶＤ条件の一例を挙げると、プロセスガス
として、アンモニア（ＮＨ₃）とＮ₂との混合ガスを用
い、それらの流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍ、５００ｓｃ
ｃｍとし、圧力を６６５Ｐａ、ＲＦパワーを１０００Ｗ
（１３．５６ＭＨｚ）、基板加熱温度を４００℃とす
る。

【００４０】次に、従来公知の方法により、層間絶縁膜
の形成の工程、その表面平坦化の工程、接続孔の形成の
工程、接続孔プラグの埋め込みの工程、上層配線の形成
の工程および酸化層の還元除去の工程からなる一連の工
程を必要な回数だけ繰り返して行うことにより、所望の
多層配線を有する半導体装置を製造する。

【００４１】以上説明したように、この第３の実施形態
によれば、配線７、８の側壁面を還元して酸化層９、１
０を除去し、さらにその後に真空中で連続的に配線７、
８を覆うように保護膜としてのＳｉＮ膜１１を形成して
いることにより、配線７、８の形成後に行われる層間絶
縁膜の形成などの加熱工程や洗浄工程などにおいて、配
線７、８の側壁面が酸化されるのをほぼ完全に防ぐこと
ができる。これによって、配線７、８の実効的な断面積
の減少をより効果的に防止し、抵抗の上昇を抑制するこ
とができ、配線信頼性により優れた半導体装置を得るこ
とができる。

【００４２】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。

【００４３】例えば、上述の実施形態において挙げた数
値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる
数値を用いてもよい。

【００４４】また、例えば、上述の第２の実施形態にお
いては、水素プラズマを電子サイクロトロン共鳴により
生成しているが、必要に応じて、水素プラズマを、例え
ば、平行平板方式、誘導結合方式などによって生成する
ようにしてもよい。

【００４５】また、例えば、上述の第３の実施形態にお
いては、Ｈ₂ガスを流しつつ、Ｓｉ基板１を加熱するこ
とにより、酸化層９、１０を除去するようにしている
が、第２の実施形態におけると同様に、水素プラズマを
用いて、酸化層９、１０を除去するようにしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、銅または銅合金膜をドライエッチング法によってエ
ッチングすることで形成される配線の側壁面を還元する
ようにしていることにより、エッチング時に銅または銅
合金からなる配線の側壁面に形成される酸化層を効率よ
く除去することができ、これによって、銅または銅合金
膜から構成される配線の実効的な断面積の減少を防ぐこ
とができ、配線の抵抗上昇を防止することができるの
で、配線信頼性に優れた半導体装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図２】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図３】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図４】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図５】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図６】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図７】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図８】この発明の第３の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図９】この発明の第３の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図１０】この発明の第３の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１１】従来技術における埋め込み配線の形成方法を
説明するための断面図である。

【図１２】従来技術における埋め込み配線の形成方法を
説明するための断面図である。

【図１３】従来技術における埋め込み配線の形成方法を
説明するための断面図である。

【図１４】従来技術における埋め込み配線の形成方法を
説明するための断面図である。

【図１５】従来技術における銅または銅合金からなる配
線の問題点を説明するための断面図である。

【図１６】従来技術における銅または銅合金からなる配
線の問題点を説明するための断面図である。

【図１７】従来技術における銅または銅合金からなる配
線の問題点を説明するための断面図である。

【図１８】従来技術における銅または銅合金からなる配
線の問題点を説明するための断面図である。

【符号の説明】

３・・・ＴｉＮ／Ｔｉ膜、４・・・Ｃｕ膜、７、８・・
・配線、９、１０・・・酸化層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅または銅合金膜を形成し、上記銅また
は銅合金膜をドライエッチング法によりエッチングする
ことにより配線を形成するようにした半導体装置の製造
方法において、上記配線の側壁面を還元するようにしたことを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項２】上記ドライエッチング法が反応性イオン
エッチング法であることを特徴とする請求項１記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項３】水素ガス雰囲気中において加熱処理を行
うことにより上記配線の上記側壁面を還元するようにし
たことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項４】水素プラズマ中において上記配線の上記
側壁面を還元するようにしたことを特徴とする請求項１
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】上記水素プラズマを電子サイクロトロン
共鳴により生成することを特徴とする請求項４記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項６】上記配線の上記側壁面を還元した後、上
記配線の少なくとも上記側壁面を覆うようにして保護膜
を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置
の製造方法。
【請求項７】上記保護膜が窒化シリコン膜であること
を特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。