WO2004034456A1

WO2004034456A1 - 配線形成方法

Info

Publication number: WO2004034456A1
Application number: PCT/JP2003/007301
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Sato; Gishi Chung
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2004-04-22
Also published as: JP2004134601A; AU2003242115A1

Abstract

　表面に凹部又は開口部を有する基板上に金属膜を形成する。基板上に金属膜を形成した後、段差を有する金属膜上に金属微粒子分散液を塗布し、金属微粒子分散液に含まれる溶媒を蒸発させて、金属微粒子膜を形成する。その後、凹部内又は開口部内の部分を除いた金属膜及び金属微粒子膜を研磨により除去する。これにより、金属膜の段差を効果的に緩和することができ、凹部内或いは開口部内の金属膜の削れを低減させることができる。

Description

配線形成方法

技術分野

本発明は、配線形成方法に関する。

背景技術

明

近年、半導体装置の集積度向上により、半導体装置を構成する配線の微細化が進んでいる。それに伴い、微細加工技術及び信頼性確保が重要書

な課題になっている。この課題を解決する手段の一つとして、配線溝を有した層間絶縁膜上に配線膜を形成し、その後配線溝内の部分を除いた配線膜を除去して、配線を形成するダマシン法が注目されている。現在、このような配線膜を除去する方法としては化学的機械的研磨（C h e m i c a l M e c h a n i c a l P o l i s h i n g : CM P) 及び電解研磨が利用されている。

ところで、配線溝を有した層間絶縁膜上に配線膜を形成すると、配線膜の表面に段差が形成される。具体的には、幅が大きい配線溝上の配線膜には凹部が形成され、幅が小さい配線溝上の配線膜には凸部が形成される。そして、このような段差が形成された状態で、配線溝内の部分を除いた配線膜を電解研磨により研磨すると、幅が大きい配線溝内の配線膜までもが削られてしまうという問題がある。このような配線溝内の配線膜の削れは、配線抵抗がばらつく原因となるので、低減させることが好ましい。

現在、配線膜の段差を緩和する方法として、特開 2 0 0 1 — 3 3 8 9 2 6号公報に CMPにより配線膜を研磨する方法及び配線膜を配線溝の深さの 2倍以上の厚さに形成する方法が開示されている。

しかしながら、 C M Pにより研磨する場合においても上記したような問題が発生するので、効果的に段差が緩和されず、依然として配線溝内の配線膜までもが削られてしまう。また、配線膜を配線溝の深さの 2倍以上の厚さに形成する場合であっても、効果的に段差は緩和されず、依然として配線溝内の配線膜までもが削られてしまう。発明の開示

本発明は上記従来の問題を解決するためになされたものである。即ち、金属膜の段差を効果的に緩和して、凹部内或いは開口内の金属膜の削れを低減させることができる配線形成方法を提供することを目的とする。本発明の配線形成方法は、表面に凹部又は開口部を有する基板上に金属膜を形成する工程と、金属膜上に金属微粒子を溶媒に分散させた金属微粒子分散液を供給し、溶媒を蒸発させて、金属膜上に金属膜の段差を緩和する金属微粒子膜を形成する工程と、凹部内又は開口部内の部分を除いた金属膜及び金属微粒子膜を除去する工程と、を具備することを特徴としている。本発明の配線形成方法は、金属膜上に金属膜の段差を緩和する金属微粒子膜を形成する工程を備えているので、凹部内又は開口部内の部分を除いた金属膜及び金属微粒子膜を除去する前に金属膜の段差を効果的に緩和することができる。それ故、凹部内又は開口部内の部分を除いた金属膜及び金属微粒子膜を除去しても、凹部内或いは開口内の金属膜の削れを低減させることができる。

上記金属微粒子は、金属膜を構成している金属と同一の金属を含んでいてもよい。このような金属を金属微粒子に含ませることにより、配線抵抗のばらつきを抑制することができる。

上記金属微粒子は、前記金属膜を構成している金属と同一の金属と、前記金属と異なる金属とから構成された合金を含んでいてもよい。このような合金を金属微粒子に含ませることにより、合金が金属膜に拡散し、凹部内或いは開口内に残された金属膜のエレクト口マイグレーションによる断線を抑制することができる。

上記金属微粒子は、平均粒径が 0 . 1 μ m以下であることが好ましい。このような金属微粒子を使用することにより、金属膜の段差を確実に緩和することができる。

上記溶媒は、揮発性液体を含んでいることが好ましい。溶媒に揮発性液体を含ませることにより、溶媒を容易に蒸発させることができる。上記金属微粒子分散液の供給は、基板を略水平に維持し、かつ基板を回転させながら行われることが好ましい。このような方法で金属微粒子分散液を供給することにより、金属膜の段差を効果的に緩和することができる。

上記金属微粒子分散液の供給は、基板を略水平に維持し、かつノズルから金属微粒子分散液を滴下させることにより行われてもよい。このような方法で金属微粒子分散液を供給することにより、供給場所及び供給量を容易に制御することができる。

上記溶媒の蒸発は、基板を加熱することにより行われることが好ましレ、。基板を加熱することにより、溶媒の蒸発のみならず、金属膜等のァニールをも行うことができる。

上記基板は半導体素子を備えており、基板の加熱は基板の温度が 4 5 0 °C以下に維持された状態で行われることが好ましい。基板の加熱をこのような状態で行うことにより、半導体素子の性能の変化を抑制することができる。

上記金属膜及び金属微粒子膜の除去は、化学的機械的研磨、電解研磨、或いはプラズマエッチングにより行われてもよい。金属膜及び金属微粒子膜の除去を化学的機械的研磨、電解研磨、或いはプラズマエッチングにより行う場合であっても、凹部内或いは開口内の金属膜の削れを低減させることができる。図面の簡単な説明

図 1は実施の形態に係る配線形成方法のフローを示したフローチヤ一トである。

図 2 A〜図 2 Gは実施の形態に係る配線形成方法の各工程を模式的に示した模式図である。発明を実施するための最良の形態

図 1及び図 2 Aに示されるように、トランジスタ等のような半導体素子（図示せず）が形成された半導体ウェハ W (以下、単に「ウェハ」という。）上に化学気相成長法（C h e m i c a l V a o r D e p o s i t i o n : CVD) により、 S i O Fの眉間絶縁膜 1 を形成する（ステツプ 1 )。なお、眉間絶縁膜 1 を S i O Fから構成する場合に限らず、その他の低誘電率絶縁物から層間絶縁膜 1を構成してもよい。その他の低誘電率絶縁物としては、例えば、 S i O C、或いは多孔質シリカ等が挙げられる。

ウェハ W上に層間絶縁膜 1 を形成した後、図 2 Bに示されるように、フォトリソグラフィ技術により層間絶縁膜 1に配線溝 2を形成する（ステツプ 2 )。

具体的には、まず、ウェハ Wを回転させながら層間絶縁膜 1上に化学増幅型のフォトレジストを塗布する。フォトレジストを塗布した後、所定のパターンが形成されたマスクを使用して、 i線のような紫外線或いは K r Fのような遠紫外線で露光する。その後、現像液により現像して、層間絶縁膜 1上にレジストパターンを形成する。層間絶縁膜 1上にレジストパターンを形成した後、レジストパターンをマスクとして、 C F ₄ 或いは C H F ₃のような C F系のガスにより層間絶縁膜 1 をドライエツチングし、層間絶縁膜 1に配線溝 2を形成する。最後に、層間絶縁膜 1 に配線溝 2を形成した後、アツシングによりレジストパターンを取り除く。なお、本実施の形態では、配線溝 2は幅の大きい配線溝 2 Aと幅の小さい複数の配線溝 2 Bとから構成されている。

層間絶縁膜 1に配線溝 2を形成した後、図 2 Cに示されるように、層間絶縁膜 1上に、スパッタリング或いは C V Dにより層間絶縁膜 1への C uの拡散を抑制するための T a Nのバリア膜 3を形成する（ステップ 3 )。なお、バリア膜 3を T a Nから構成する場合に限らず、その他の物質でバリア膜 3を構成してもよい。その他の物質としては、例えば、 T a 、 T i N、 W N等が挙げられる。

層間絶縁膜 1上にバリア膜 3を約 3 0 n m形成した後、図 2 Dに示されるように、ノリア膜 3上に、スパッタリングにより電解メツキ時に電流を流すためのシード膜 4を形成する（ステップ 4 )。なお、シード膜 4 を C uから構成する場合に限らず、その他の金属でシード膜 4を構成してもよい。

バリア膜 3上にシード膜 4を約 1 0 0 n m形成した後、図 2 Eに示されるように、シード膜 4上に、電解メツキにより C uの配線膜 5を形成する（ステップ 5 )。ここで、シード膜 4上に配線膜 5を形成すると、配線膜 5の表面には段差が形成される。具体的には、配線溝 2 A上の配線膜 5には凹部が形成され、配線溝 2 B上の配線膜 5には凸部が形成される。なお、配線膜 5を C uから構成する場合に限らず、その他の金属から配線膜 5を構成してもよい。その他の金属としては、例えば、 A u、 A g 、 P t、及びそれらの合金等が挙げられる。また、電解メツキにより配線膜 5を形成する場合に限らず、その他の手法によって配線膜 5を形成してもよい。その他の手法としては、スパッタリング、或いは C V D等が挙げられる。

シード膜 4上に配線膜 5を約 0 . 5 ~ l // m形成し、かつ配線溝 2内を配線膜 5を埋め込んだ後、図 2 Fに示されるように、配線膜 5上に配線膜 5の段差を緩和するための C u微粒子膜 6を形成する（ステップ 6 )。具体的には、まず、ウェハ Wを略水平に維持した状態で、ウェハ Wを回転させながら配線膜 5上に C u微粒子をエタノールに分散させた C u 微粒子分散液を塗布する。ここで、配線膜 5の表面には段差が形成されているので、配線膜 5の表面に C u微粒子分散液を供給すると、 C u微粒子分散液が凹部に流れ込み、凸部の高さまで C u微粒子分散液が溜まる。 C u微粒子分散液が凸部の高さまで溜められた後、ウェハ Wを加熱し、エタノールを蒸発させる。これにより、配線膜 5上に C u微粒子膜 6が形成される。なお、 C u微粒子分散液の塗布は、ノズルから C u微粒子分散液を滴下することにより行われてもよい。ノズルを使用することにより、 C u微粒子分散液の供給場所及び供給量を容易に制御することができる。

C u微粒子としては、平均粒径が約 0 . 1 m以下のものを使用することが好ましい。 C u微粒子の平均粒径が約 0 . 以下のものが好ましいとしたのは、平均粒径が約 0 . 1 // mを上回ると、凹部に C u微粒子が十分に入り込まないからである。なお、 C u微粒子の平均粒径が小さいほど充填率は高くなるので、 C u微粒子の平均粒径は小さいほど好ましい。

ウェハ Wの加熱は、 4 5 0 °C以下で行われることが好ましい。ウェハ Wの加熱を 4 5 0 °C以下で行うことが好ましいとしたのは、ウェハ Wの温度が 4 5 0 °Cを上回ると、トランジスタ等の半導体素子の性能が変化してしまうからである。具体的には、例えば半導体素子がトランジスタの場合には、 4 5 0 °Cを上回ると、ソース領域或いはドレイン領域のィオンが拡散することによりゲート長が変化し、トランジスタの性能が変ィ匕してしまうからである。

C u微粒子膜 6が形成された後、図 2 Gに示されるように、 C M Pにより研磨して、配線溝 2内の部分を除いた配線膜 5及び C u微粒子膜 6 を除去する（ステップ 7 )。具体的には、ウェハ Wを研磨パッド（図示せず）に接触させた状態で、ウェハ W及び研磨パッドを回転させるとともにウェハ W上にスラリ（図示せず）を供給して、配線膜 5及び C u微粒子膜 6を研磨する。なお、 C M Pで研磨する場合に限らず、その他の手法で研磨してもよい。その他の手法としては、例えば電解研磨が挙げられる。電解研磨で研磨する場合には、例えば硫酸銅水溶液にゥュハ Wを浸漬させた状態で、ウェハ Wの電位が力ソード電極（図示せず）の電位より高くなるようにウェハ Wと力ソード電極との間に電圧を印加する。本実施の形態では、配線膜 5上に配線膜 5の段差を緩和するための C u微粒子膜 6を形成しているので、その後 C M Pで配線膜 5を研磨した場合であっても、配線溝 2 A内の配線膜 5の削れを十分に低減させることができる。即ち、配線膜 5の表面には段差が形成されているが、配線膜 5上に C u微粒子分散液を塗布し、エタノールを蒸発させて、配線膜 5上に C u微粒子膜 6を形成しているので、配線膜 5の段差が効果的に緩和される。このため、その後 C M Pで研磨した場合であっても、平坦状態を維持しつつ配線膜 5及び C u微粒子膜 6が研磨される。それ故、配線溝 2 A内の配線膜 5の削れを低減させることができる。

本実施の形態では、配線膜 5上に C u微粒子膜 6を形成しているので、配線膜 5及び層間絶縁膜 1の傷（スクラッチ）を低減させることができる。即ち、配線膜の段差が大きい状態で、 C M Pで配線膜を研磨すると、配線膜及び層間絶縁膜に傷が付き易い。これに対し、本実施の形態では、配線膜 5上に C u微粒子膜 6を形成しているので、配線膜 5の段差が効果的に緩和される。このため、その後 C M Pで研磨した場合であっても、配線膜及び眉間絶縁膜 1に傷が付き難い。それ故、配線膜 5及び眉間絶縁膜 1の傷を低減させることができる。

本実施の形態では、ウェハ Wを略水平に維持した状態で、ウェハ Wを回転させながら C u微粒子分散液を塗布しているので、配線膜 5の段差を効果的に緩和することができる。即ち、ウェハ Wを回転させながら C u微粒子分散液を塗布すると、遠心力により高い位置に在る C u微粒子分散液が低い位置に流れ込む。その結果、 C u微粒子分散液の表面の高さを均一にすることができる。それ故、配線膜 5の段差を効果的に緩和することができる。

本実施の形態では、配線膜 5上に C u微粒子分散液を供給した後、ゥェハ Wを加熱しているので、エタノールの蒸発と配線膜 5等のァニールとを一度に行うことができる。なお、配線膜 5のァニールを長時間高温で行う場合には、エタノールの蒸発と配線膜 5のァニールとを別々に行うことが望ましい。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。上記実施の形態では、配線溝 2内に配線膜 5を形成しているが、ビアホール内或いはコンタクトホール内に配線膜 5を形成してもよい。

上記実施の形態では、金属微粒子として C u微粒子を使用している力 s、その他の純金属微粒子、或いは合金微粒子を使用してもよい。その他の純金属微粒子としては、例えば、 A u微粒子、 A g微粒子、及び P t微粒子等が挙げられる。また、合金微粒子としては、例えば C u— M g合金微粒子、 C u _ S n合金微粒子等が挙げられる。合金微粒子を使用した場合には、配線膜 5のエレクトロマイグレーションによる断線を抑制することができる。例えば、合金微粒子として C u—M g合金微粒子を使用した場合には、 C u— M g合金微粒子を塗布して、加熱すると、配線膜 5中に M gが拡散する。配線膜 5中に拡散した M gは、配線膜 5の C uグレイン間に介在し、 C u原子の移動を抑制する。それ故、配線膜 5のエレクトロマイグレーションによる断線を抑制することができる。上記実施の形態では、溶媒としてエタノールを使用しているが、その他のアルコールを使用してもよい。また、アルコールに限らず、その他の揮発性液体を使用してもよい。

上記実施の形態では、塗布により C u微粒子分散液を供給している力 S、その他の供給方法により C u微粒子分散液を供給してもよい。その他の供給方法としては、例えば、噴霧等が挙げられる。また、ウェハ Wを加熱してエタノールを蒸発させているが、自然乾燥によりエタノールを蒸発させてもよレ、。産業上の利用可能性

本発明に係る配線形成方法は、半導体製造産業において使用することが可能である。

Claims

1 . 表面に凹部又は開口部を有する基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に金属微粒子を溶媒に分散させた金属微粒子分散液を供給し、前記溶媒を蒸発させて、前記金属膜上に前記金属膜の段差を緩和する金属微粒子膜を形成する工程と、

前記凹部内又は開口部内請の部分を除いた前記金属膜及び前記金属微粒子膜を除去する工程と、

を具備することを特徴とする配線の形成方法。

2 . 前記金属微粒子は、前記金属膜を構成している金属と同一の金属を含んでいることを特徴とするクレーム 1記載囲の配線形成方法。

3 . 前記金属微粒子は、前記金属膜を構成している金属と同一の金属と、前記金属と異なる金属とから構成された合金を含んでいることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。

4 . 前記金属微粒子は、平均粒径が 0 . 1 / m以下であることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。

5 . 前記溶媒は、揮発性液体を含んでいることを特徴とするクレーム 1 記載の配線形成方法。

6 . 前記金属微粒子分散液の供給は、前記基板を略水平に維持し、かつ前記基板を回転させながら行われることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。

7 . 前記金属微粒子分散液の供給は、前記基板を略水平に維持し、かつノズルから前記金属微粒子分散液を滴下させることにより行われることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。

8 . 前記溶媒の蒸発は、前記基板を加熱することにより行われることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。

9 . 前記基板は半導体素子を備えており、前記基板の加熱は前記基板の温度が 4 5 0 °C以下に維持された状態で行われることを特徴とするクレーム 8記載の配線形成方法。

1 0 . 前記金属膜及び前記金属微粒子膜の除去は、化学的機械的研磨、電解研磨、或いはプラズマエッチングにより行われることを特徴とするクレーム 1記載の配線形成方法。