JP2002026124A - 半導体素子の金属配線形成方法 - Google Patents
半導体素子の金属配線形成方法Info
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Abstract
ーサ形態で形成してバイア抵抗が高くなることを防止
し、化学的強化剤層の選択的反応性質を用いてダマシン
パターン内に化学的強化剤層を選択的に形成することに
より、銅前駆体を用いたダマシンパターンの選択的部分
埋込みを容易に行うことができる半導体素子の金属配線
形成方法を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る半導体素子の金属配線形成
方法は、下部金属層上に第1、第2及び第3絶縁膜から
なる層間絶縁膜が形成された半導体基板を提供する段階
と、前記層間絶縁膜にトレンチ及びバイアからなるダマ
シンパターンを形成する段階と、前記トレンチ及びバイ
アの側壁に拡散防止膜スペーサを形成する段階と、前記
トレンチの底面を成す第2絶縁膜、及び前記バイアの底
面を成す下部金属層上に選択的に化学的強化剤層を形成
する段階と、CVD法で銅層を形成する段階と、水素還
元熱処理及び化学的機械的研磨工程を行って銅金属配線
を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
Description
線形成方法に係り、特に銅の蒸着を加速化出来る化学的
強化剤層を形成した後、銅前駆体を用いて超微細構造の
ダマシンパターンを銅で埋め込む工程技術において、銅
の選択的部分埋込みを可能にし、拡散防止膜による銅配
線のバイア抵抗が高くなることを防止することが出来る
半導体素子の金属配線形成方法に関する。
度が減少するにつれて、電流を伝達する金属配線とし
て、既存アルミニウムの代わりに約40%低い比抵抗を
有する銅を使用しとうする努力が行われている。銅は電
気伝導度に優れている一方、半導体素子の絶縁膜として
用いられるシリコン酸化物内への拡散速度が非常に速い
という短所をもっている。すなわち、シリコン酸化物を
拡散して移動した銅原子は、半導体素子のトランジスタ
及びキャパシタを劣化させるとともに漏洩電流を増加さ
せることができて、銅の拡散を防止するための拡散防止
膜の使用は必須的である。しかし、デュアルダマシン構
造において、銅配線形成際の拡散防止膜がバイアコンタ
クトの底面(Via Contact Bottom)にも存在するため、銅
配線のバイア抵抗を高める要因として作用する。従っ
て、比抵抗の低い拡散障壁金属を選択しなければ、抵抗
効果が大きいだろうと考えられる。更に、銅の化学的機
械的研磨の際に拡散障壁層との選択比の差によってディ
シング(Dishing)及びエロージョン(Erosion)を生じさせ
る虞がある。
及び小型化の傾向によって、CVD法を用いた銅配線形
成方法を適用しようとする趨勢であるが、CVD法によ
る銅埋込みは低い蒸着速度及びこれによる高費用が大き
い問題点として台頭してきている。最近はCECVD(C
hemically Enhanced CVD)法を用いた銅配線埋込みを適
用する関心が増大しつつあるが、このような方法もやは
り、化学的強化剤を均一に噴射することや、化学的強化
剤を特定の所望するところに分布させて選択的(Selecti
ve)埋込み工程を行うようにする方法などを依然として
課題を残している。
は、拡散防止膜をダマシンパターンの側壁にスペーサ形
態で形成してバイア抵抗が高くなることを防止し、化学
的強化剤層の選択的反応性質を用いてダマシンパターン
内に化学的強化剤層を選択的に形成することにより、銅
前駆体を用いたダマシンパターンの選択的部分埋込みを
容易に行うことが出来る半導体素子の金属配線形成方法
を提供することにある。
めに、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法は、
下部金属層上に第1、第2及び第3絶縁膜からなる層間
絶縁膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記
層間絶縁膜にトレンチ及びバイアからなるダマシンパタ
ーンを形成する段階と、前記トレンチ及びバイアの側壁
に拡散防止膜スペーサを形成する段階と、前記トレンチ
の底面を成す第2絶縁膜及び前記バイアの底面を成す下
部金属層上に選択的に化学的強化剤層を形成する段階
と、CVD法で銅層を形成する段階と、水素還元熱処理
及び化学的機械的研磨工程を行って銅金属配線を形成す
る段階とを含んでなることを特徴とする。
実施例を詳細に説明する。
導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示し
た断面図である。
成するための各種要素が形成された半導体基板10上に
第1層間絶縁膜20、下部金属層30及び第2層間絶縁
膜40を順次形成する。第2層間絶縁膜40は第1絶縁
膜40a、第2絶縁膜40b及び第3絶縁膜40cから
構成される。前記第2絶縁膜40bは窒化物質で形成さ
れ、第2層間絶縁膜40にダマシンパターンを形成する
工程におけるトレンチ形成の際に第1絶縁膜40aがエ
ッチングされないようにエッチング防止膜の役割を果た
す。第2層間絶縁膜40にトレンチ及びバイアからなる
ダマシンパターンを形成し、洗浄工程を行ってダマシン
パターンによって露出された下部金属層30の表面に残
留する酸化物層を除去する。その後、露出した下部金属
層30を含む第2層間絶縁膜40上に50〜500Åの
厚さに拡散防止膜を形成し、全面エッチングにより拡散
防止膜がダマシンパターンの側壁のみに存在するように
して拡散防止膜スペーサ50を形成する。
誘電定数値を有する酸化物質を用いて形成し、第2絶縁
膜40bは窒化物質を用いて形成する。第2層間絶縁膜
40に形成されたトレンチ及びバイアは二重ダマシン方
式で形成される。洗浄工程は、下部金属層30がW及び
Alなどの金属の場合にはRFプラズマを利用し、下部
金属層30がCuの場合にはリアクティブ・クリーニン
グ(reactive cleaning)方 法を適用して行う。拡散防止
膜はイオン化された(ionized)PVD TiN、 CVD TiN、 MOC
VD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化されたPVD Ta
N、CVD Ta、 CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSi
N、CVD TaSiNの少なくともいずれ か一つで形成する。
拡散防止膜をスペーサ形態で形成する理由は、下部金属
層20の表面を含んで拡散防止膜を形成すると、拡散防
止膜の抵抗成分によってバイア抵抗が高くなるからであ
る。
ンパターン内で第1及び第3絶縁膜40a及び40cを
覆っており、銅原子の外部拡散を防止する本然の役割を
十分果たすことが出来ると共に、下部金属層30の表面
が露出されることによりバイア抵抗を低めることが出来
る。拡散防止膜スペーサ50はバイアの底面部に存在し
ないから、シリコン窒化膜(SiN)またはシリコン酸
化窒化膜(SiON)などのような不導体で形成するこ
とも出来る。
を含む全体構造上に化学的強化剤層60を形成する。化
学的強化剤層60は、酸化物質とは反応がよく起こら
ず、窒化物質及び金属とは反応がよく起こるという選択
的な反応性質をもっているから、酸化物質からなる第3
絶縁膜40c上には形成されず、図示したように窒化物
質からなる第2絶縁膜40b及び下部金属層30の上部
のみに集中的に形成される。
5I、CD3I、CH2I2などのヨード(I)含有液体化合
物、Hhfacl/2H2O、Hhfac、TMVS、
純粋I2、ヨード(I)含有ガス及び水蒸気のいずれか一
つを触媒として、−20〜300℃の温度範囲で1〜6
00秒間処理して50〜500Åの厚さに形成する。ま
た、周期律表上の7族元素である液状のF、Cl、B
r、I、At、ガス状態のF、Cl、Br、I、Atも触
媒として用いることが出来る。
ンを含む第2層間絶縁膜40上に(hfac)CuVT
MOS系列、(hfac)CuDMB系列及び(hfa
c)CuTMVS系列のhfacを用いた全ての前駆体
のうちいずれか一つを用いたMOCVD法で銅層を形成
してダマシンパターンを銅で埋め込む。第2絶縁膜40
b及び下部金属層30の上部には化学的強化剤層60が
形成されているため、第3絶縁膜40c上に蒸着される
銅の蒸着速度よりダマシンパターンの内部に蒸着される
銅の蒸着速度が著しく速いからダマシンパターン内部へ
の選択的銅蒸着が可能である。前記選択的蒸着工程は、
ダイレクト・リキッド・インジェクション(DLI)、
コントロール・エバポレイション・ミキサ(CEM)、
オリフィス方式又はスプレー方式のベイパライザ(vapor
izer)を有する全ての銅蒸着装備で行なう。その後、水
素還元熱処理工程を行い、化学的機械的研磨(CMP)
工程により第3絶縁膜40c上に蒸着された銅層を除去
して銅配線70を形成する。第3絶縁膜40c上に銅層
が蒸着されるが、化学的強化剤層60によって加速さ
れ、蒸着された銅層の厚さに比べれば極めて薄い厚さで
あるから、化学的機械的研磨工程により容易に除去する
ことが出来る。
りにアルミニウムやタングステンなどのような金属を用
いて配線を形成することが出来る。
をスペーサ形態で形成し、化学的強化剤層を選択的にダ
マシンパターン内に形成した後、銅を蒸着して配線を形
成することにより、ダマシンパターンへの銅埋込み及び
化学的機械的研磨工程を容易に行うと共に拡散防止膜に
よるバイア抵抗成分を減らすことが出来るから、素子の
動作速度及び信頼性を向上させることが出来るという効
果を奏する。
体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した
断面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】下部金属層上に第1、第2及び第3絶縁膜
からなる層間絶縁膜が形成された半導体基板を提供する
段階と、 前記層間絶縁膜にトレンチ及びバイアからなるダマシン
パターンを形成する段階と、 前記トレンチ及びバイアの側壁に拡散防止膜スペーサを
形成する段階と、 前記トレンチの底面を成す第2絶縁膜、及び前記バイア
の底面を成す下部金属層上に選択的に化学的強化剤層を
形成する段階と、 CVD法により銅層を形成する段階と、 水素還元熱処理及び化学的機械的研磨工程を行って銅金
属配線を形成する段階とを含んでなることを特徴とする
半導体素子の金属配線形成方法。 - 【請求項2】前記ダマシンパターン形成後の洗浄は、前
記下部金属層がW及びAlのいずれかの場合にはRFプ
ラズマを用いて行い、前記下部金属層が銅の場合にはリ
アクティブ・クリーニング工程を用いて行うことを特徴
とする請求項1記載の半導体素子の銅金属配線形成方
法。 - 【請求項3】前記拡散防止膜スペーサは、前記ダマシン
パターンを含む全体上部に50〜500Åの厚さに拡散
防止膜を形成した後、全面エッチング工程で形成するこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体素子の銅金属配線
形成方法。 - 【請求項4】前記拡散防止膜スペーサはイオン化された
PVD TiN、CVD TiN、MOCVD TiN、イオン化されたPVD T
a、イオン化されたPVD TaN、CVD Ta、 CVD TaN、CVD W
N、CVD TiAlN、CVD TiSiN、CVD TaSiNの少なくともいず
れか一つで形成することを特徴とする請求項1記載の半
導体素子の銅金属配線方法。 - 【請求項5】前記拡散防止膜スペーサはSiN及びSi
ONのいずれか一つを用いて形成することを特徴とする
請求項1記載の半導体素子の金属配線形成方法。 - 【請求項6】前記化学的強化剤層はヨード(I)含有液
体化合物、Hhfac1/2H2O、Hhfac、TM
VS、純粋I2、ヨード(I)含有ガス、水蒸気、周期律
表上の7族元素である液状のF、Cl、Br、I、A
t、ガス状態のF、Cl、Br、I、Atのいずれか一
つを触媒として、−20〜300℃の温度範囲で1〜6
00秒間処理して50〜500Åの厚さに形成すること
を特徴とする請求項1記載の半導体素子の金属配線形成
方法。 - 【請求項7】前記ヨード(I)含有液体化合物はCH
3I、C2H5I、CD3I及びCH2I2のいずれか一つである
ことを特徴とする請求項6記載の半導体素子の金属配線
形成方法。 - 【請求項8】前記銅層は(hfac)CuVTMOS系
列、(hfac)CuDMB系列及び(hfac)Cu
TMVS系列などのhfacを用いた全ての前駆体のう
ちいずれか一つを用いて銅蒸着装備でMOCVD法によ
り行われることを特徴とする請求項1記載の半導体素子
の金属配線形成方法。
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