JP2003007705A - 銅配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性を損ねることなくＣｕ配線が形成可能
な銅配線の形成方法を得る。 【解決手段】 メッキ処理によるＣｕメッキ層１０形成
及びリフロー工程後にストッパ用シリコン窒化膜系層間
絶縁膜２上の除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜をフッ
酸でエッチング除去する。その結果、除去用シリコン酸
化膜系層間絶縁膜上に形成されたＣｕの残渣も同時に除
去される。フッ酸によるエッチングは、フッ酸に対する
エッチング耐性が高いストッパ用シリコン窒化膜系層間
絶縁膜２で停止するため、ストッパ用シリコン窒化膜系
層間絶縁膜２及びシリコン酸化膜系層間絶縁膜３が除去
されることはない。同様にＣｕメッキ層１０及びＣｕ配
線バリア層８はフッ酸に対するエッチング耐性が高く、
エッチングされない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はメッキ法を用いた
銅配線の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの微細化、高速化の進展に伴い、
配線を低抵抗に形成し、かつエレクトロマイグレーショ
ン（ＥＭ）が生じない等の信頼性を向上させるため、Ａ
ｌ（アルミ）系の配線材料に代えて銅（Ｃｕ）が配線材
料として使用される傾向にある。

【０００３】Ｃｕはドライエッチング処理を用いること
が一般に困難であることから、ダマシン法を用いてＣｕ
の配線パターン形成している。ダマシン法ではメッキ法
により配線用の溝内にＣｕを埋め込んで形成し、ＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing）等の研磨処理によ
って溝以外に形成されたＣｕを取り除きＣｕ配線を形成
する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ダマシン法における研
磨処理の際、配線パターンの粗密によって研磨される量
が変わり、形成幅の太い配線や、配線間隔があまりない
配線等の密な配線領域では他の領域に比べて研磨の進行
度合が増すため、密な配線領域においてＣｕ配線の膜厚
が薄くなるというディッシング現象が生じ、配線の信頼
性を損ねてしまう問題点があった。

【０００５】この発明は上記問題点を解決するためにな
されたもので、信頼性を損ねることなくＣｕ配線が形成
可能な銅配線の形成方法を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明に係る請求項１記載の銅配線の形成方法
は、(a) 半導体基板上に銅配線用層間絶縁膜群を形成す
るステップを備え、前記銅配線用層間絶縁膜群は、主要
部分層間絶縁膜、ストッパ用部分層間絶縁膜及び除去用
部分層間絶縁膜の順で堆積される３層構造を含み、前記
主要部分層間絶縁膜は前記ストッパ用部分層間絶縁膜よ
りも誘電率が低く、前記除去用部分層間絶縁膜は所定の
エッチングにより除去され、前記ストッパ用部分層間絶
縁膜は前記所定のエッチングに対するエッチング耐性を
有し、(b) 前記銅配線用層間絶縁膜群を表面から選択的
に除去して溝を形成するステップと、(c) 少なくとも前
記溝の内壁上を含む領域にメッキ処理時の核となる銅シ
ード層を形成するステップと、(d) 前記銅シード層を核
としたメッキ処理を行い、選択的に前記溝内に銅メッキ
層を形成するステップと、(e) 前記ステップ(d) 後に実
行され、前記所定のエッチング処理により、前記除去用
部分層間絶縁膜を除去するステップとをさらに備え、前
記ステップ(e) 実行後の前記銅シード層及び銅メッキ層
が銅配線として規定される。

【０００７】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
銅配線の形成方法であって、前記ステップ(c) は、前記
溝の内壁上を含む全面に前記銅シード層を形成するステ
ップを含み、前記ステップ(d) は、(d-1) 前記銅配線用
層間絶縁膜群の表面上に形成された前記銅シード層を選
択的に除去し、前記溝の内壁上の前記銅シード層のみ残
存させるステップと、(d-2) 前記ステップ(d-1) 後に実
行され、前記溝の内壁上の前記銅シード層を核としてメ
ッキ処理を行い、前記溝内に銅メッキ層を形成するステ
ップとを含む。

【０００８】また、請求項３の発明は、請求項１あるい
は請求項２記載の銅配線の形成方法であって、(f) 前記
ステップ(d) 後、前記ステップ(e) 前に実行され、リフ
ロー処理を行うステップをさらに備える。

【０００９】さらに、請求項４の発明は、請求項１ない
し請求項３のうち、いずれか１項に記載の銅配線の形成
方法であって、前記主要部分層間絶縁膜はシリコン酸化
膜あるいはシリコン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率
絶縁膜を含む。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態であ
るＣｕ配線の形成方法で完成されたＣｕ配線の断面構造
を示す断面図である。

【００１１】同図に示すように、シリコン基板６上に能
動素子・下層配線形成層５が形成され、能動素子・下層
配線形成層５の最上層である下層配線用層間絶縁膜５ａ
上にシリコン窒化膜系層間絶縁膜４が形成され、シリコ
ン窒化膜系層間絶縁膜４上にシリコン酸化膜系層間絶縁
膜３が形成され、シリコン酸化膜系層間絶縁膜３上にス
トッパ用シリコン窒化膜系層間絶縁膜２が形成される。
なお、シリコン窒化膜系とはシリコン窒化膜を主成分と
することを意味し、シリコン酸化膜系とはシリコン酸化
膜を主成分とすることを意味する。

【００１２】そして、ストッパ用シリコン窒化膜系層間
絶縁膜２及びシリコン酸化膜系層間絶縁膜３を貫通して
シリコン窒化膜系層間絶縁膜４の上方にＣｕメッキ層１
０及びＣｕ配線シード層９からなるＣｕ配線２１が選択
的に形成され、Ｃｕ配線２１の底面及び側面上にＣｕ配
線バリア層８が形成される。

【００１３】そして、Ｃｕ配線バリア層８及びＣｕ配線
２１を含む全面にシリコン窒化膜系１２が形成され、シ
リコン窒化膜系１２上に上層配線用層間絶縁膜１３が形
成される。

【００１４】図２〜図９はこの発明の実施の形態である
Ｃｕ配線の形成方法を示す断面図である。以下、これら
の図を参照してＣｕ配線の形成手順を説明する。

【００１５】まず、図２に示すように、シリコン基板６
上に能動素子・下層配線形成層５を形成し、能動素子・
下層配線形成層５の最上層である下層配線用層間絶縁膜
５ａ上にシリコン窒化膜系層間絶縁膜４、シリコン酸化
膜系層間絶縁膜３、ストッパ用シリコン窒化膜系層間絶
縁膜２及び除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１を順次
堆積する。また、能動素子・下層配線形成層５には図示
しない能動素子、下層の配線層が形成される。

【００１６】したがって、シリコン酸化膜系層間絶縁膜
３（主要部部分層間絶縁膜）、ストッパ用シリコン窒化
膜系層間絶縁膜２（ストッパ用部分層間絶縁膜）及び除
去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１（除去用部分層間絶
縁膜）の順で堆積される３層構造によってＣｕ配線形成
用層間絶縁膜群２０を構成する。この際、シリコン酸化
膜系層間絶縁膜３の膜厚を除去用シリコン酸化膜系層間
絶縁膜１及びストッパ用シリコン窒化膜系層間絶縁膜２
に比べて十分厚くして、Ｃｕ配線形成用層間絶縁膜群２
０の主要部となるように形成している。

【００１７】次に、除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜
１上にＣｕダマシン用レジスト７を塗布した後パターニ
ングし、図３に示すように、パターニングされたＣｕダ
マシン用レジスト７をマスクとしてＣｕ配線形成用層間
絶縁膜群２０を貫通させてシリコン窒化膜系層間絶縁膜
４を底面とした溝１５を選択的に形成する。

【００１８】その後、図４に示すように、溝１５の内壁
（底面及び側面）上を含む全面にＣＶＤ法あるいはマグ
ネトロンスパッタ法を用いてＣｕ配線バリア層８を形成
し、Ｃｕ配線バリア層８上にＣｕ配線シード層９をマグ
ネトロンスパッタ法を用いて形成する。Ｃｕ配線バリア
層８はＣｕが層間絶縁膜中に拡散するのを防止する働き
があり、ＴａＮ等の材料で、約１００ｎｍの膜厚で形成
される。Ｃｕ配線シード層９はＣｕメッキ時の核となる
層であり、約１００ｎｍの膜厚で形成される。

【００１９】そして、図５に示すように、ＣＭＰ法を用
いた研磨処理により溝１５以外の除去用シリコン酸化膜
系層間絶縁膜１の表面上に形成されたＣｕ配線バリア層
８及びＣｕ配線シード層９を除去する。

【００２０】次に、図６に示すように、メッキ法によ
り、溝１５内のＣｕ配線シード層９を核としてＣｕメッ
キ層１０を形成する。

【００２１】この際、Ｃｕメッキ層１０は金属の電極の
ない領域には形成されないため、除去用シリコン酸化膜
系層間絶縁膜１の表面上に形成されず、溝１５内及びそ
の近傍領域にのみＣｕメッキ層１０が形成される。ただ
し、除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１の表面上の一
部にＣｕの残渣１１が形成される可能性はある。

【００２２】このように、図５で示す研磨処理により溝
１５外のＣｕ配線シード層９を除去した後、図６で示す
メッキ処理を行うことによって、中間工程においても除
去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１の表面上には銅メッ
キ層が形成されないため、除去用シリコン酸化膜系層間
絶縁膜１の表面上の銅メッキ層を除去するために、ＣＭ
Ｐ法を用いた研磨処理を実行することに伴うディッシン
グを生じさせることなく、精度良くＣｕメッキ層１０を
形成することができる。

【００２３】この後、リフロー処理を行ってＣｕの再結
晶化を促進させる。その結果、図７に示すように、Ｃｕ
の表面張力によりＣｕの残渣１１を最小限に抑制するこ
とができ、溝１５の近傍領域に形成されたＣｕの残渣１
１はＣｕメッキ層１０と一体化し、溝１５の近傍領域外
に形成されたＣｕの残渣１１はＣｕメッキ層１０とは完
全に独立して除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１の表
面上に形成される。さらに、Ｃｕメッキ層１０中のボイ
ド、欠陥がＣｕの再結晶化により消滅する効果も得られ
る。

【００２４】そして、図８に示すように、除去用シリコ
ン酸化膜系層間絶縁膜１をフッ酸（ＨＦ）でエッチング
除去する。その結果、除去用シリコン酸化膜系層間絶縁
膜１上に形成されたＣｕの残渣１１も同時に除去され
る。この際、図７で示したリフロー工程によりＣｕの残
渣１１はＣｕメッキ層１０とは完全に独立して除去用シ
リコン酸化膜系層間絶縁膜１の表面上に存在しているた
め、除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１の除去と共に
Ｃｕの残渣１１を確実に除去することができ、精度良く
銅配線２１（Ｃｕ配線シード層９，Ｃｕメッキ層１０）
を形成することができる。

【００２５】なお、フッ酸によるエッチングは、フッ酸
に対するエッチング耐性が高いストッパ用シリコン窒化
膜系層間絶縁膜２で停止する。したがって、フッ酸によ
るエッチング処理時にＣｕ配線形成用層間絶縁膜群２０
のうちストッパ用シリコン窒化膜系層間絶縁膜２及びシ
リコン酸化膜系層間絶縁膜３が除去されることはない。

【００２６】同様にＣｕメッキ層１０及びＣｕ配線バリ
ア層８はＨＦに対するエッチング耐性が高く、エッチン
グされない。

【００２７】その後、図９に示すように、Ｃｕメッキ層
１０を含む全面に、Ｃｕの拡散防止用のシリコン窒化膜
系層間絶縁膜１２を形成し、さらにＣｕ配線シード層
９，Ｃｕメッキ層１０によるＣｕ配線の上層に形成され
る上層配線用層間絶縁膜１３を形成する。この上層配線
用層間絶縁膜１３は、銅配線の上層にさらに別の配線を
形成する際に形成される。

【００２８】なお、膜厚がストッパ用シリコン窒化膜系
層間絶縁膜２よりも十分に厚く、Ｃｕ配線２１の層間絶
縁膜の主要部となるシリコン酸化膜系層間絶縁膜３は比
較的比誘電率が低いため、Ｃｕ配線２１間の配線容量を
比較的低く抑えることができる。

【００２９】さらに、シリコン酸化膜系層間絶縁膜３の
代わりに、シリコン酸化膜より比誘電率が低い材料（lo
w-ｋ材料）を用いることにより、Ｃｕ配線２１間の配線
容量をより一層低く抑えることができる。

【００３０】また、図５及び図６で示した工程に置き換
えて、Ｃｕ配線バリア層８，Ｃｕ配線シード層９のＣＭ
Ｐ法による選択的除去を行う前にメッキ処理を行い、メ
ッキ処理後に除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜１の表
面上に形成された銅メッキ層を除去するという、従来の
ダマシン法によるメッキ処理をそのまま適用した場合で
も、図７で示すリフロー処理、図８で示すフッ酸による
エッチング処理を行うことにより、除去用シリコン酸化
膜系層間絶縁膜１の表面上に形成された銅の残渣を除去
することができ、その結果、従来のダマシン法に比べて
精度良くＣｕ配線２１を形成することができる効果を奏
する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明における
請求項１記載の銅配線の形成方法は、ステップ(d) 後に
実行されるステップ(e) で除去用部分層間絶縁膜を除去
するため、ステップ(d) 実行時に除去用部分層間絶縁膜
上に銅の残渣が形成された場合に、この残渣を除去用部
分層間絶縁膜と共に確実に除去することができ、信頼性
の高い銅配線を形成することができる。

【００３２】また、ステップ(e) の際、所定のエッチン
グに対するエッチング耐性を有するストッパ用部分層間
絶縁膜の存在によって、ストッパ用部分層間絶縁膜及び
主要部分層間絶縁膜が除去されることはない。

【００３３】請求項２記載の銅配線の形成方法は、ステ
ップ(d-2)のメッキ処理に先がけて，ステップ(d-1) の
銅シード層の選択的除去を実行することによって、中間
工程においても銅配線用層間絶縁膜群の表面上には銅メ
ッキ層が形成されないため、銅配線用層間絶縁膜群の表
面上の銅メッキ層を除去するために、銅メッキ層に対す
る研磨処理を実行することに伴うディッシング等の不具
合を生じさせることなく、精度良く銅配線を形成するこ
とができる。

【００３４】請求項３記載の銅配線の形成方法は、ステ
ップ(d) 実行時に銅配線用層間絶縁膜群上に銅の残渣が
形成された場合も、ステップ(f) のリフロー処理によっ
て銅の残渣を最小限に抑制することができる。

【００３５】請求項４記載の銅配線の形成方法におい
て、主要部分層間絶縁膜はシリコン酸化膜あるいはシリ
コン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜を含むた
め、銅配線の配線間容量を比較的低く抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態である銅配線の形成方
法で形成された銅配線の断面構造を示す断面図である。

【図２】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図３】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図４】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図５】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図６】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図７】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図８】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【図９】 実施の形態の銅配線の形成方法を示す断面図
である。

【符号の説明】

１ 除去用シリコン酸化膜系層間絶縁膜、２ ストッパ
用シリコン窒化膜系層間絶縁膜、３ シリコン酸化膜系
層間絶縁膜、４ シリコン窒化膜系層間絶縁膜、５ 能
動素子・下層配線形成層、６ シリコン基板、７ Ｃｕ
ダマシン用レジスト、８ Ｃｕ配線バリア層、９ Ｃｕ
配線シード層、１０ Ｃｕメッキ層、１１ Ｃｕの残
渣、１２ シリコン窒化膜系層間絶縁膜、１３ 上層配
線用層間絶縁膜、１５ 溝、２０ Ｃｕ配線形成用層間
絶縁膜群。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (a) 半導体基板上に銅配線用層間絶縁膜
   群を形成するステップを備え、前記銅配線用層間絶縁膜
   群は、主要部分層間絶縁膜、ストッパ用部分層間絶縁膜
   及び除去用部分層間絶縁膜の順で堆積される３層構造を
   含み、前記主要部分層間絶縁膜は前記ストッパ用部分層
   間絶縁膜よりも誘電率が低く、前記除去用部分層間絶縁
   膜は所定のエッチングにより除去され、前記ストッパ用
   部分層間絶縁膜は前記所定のエッチングに対するエッチ
   ング耐性を有し、 (b) 前記銅配線用層間絶縁膜群を表面から選択的に除去
   して溝を形成するステップと、 (c) 少なくとも前記溝の内壁上を含む領域にメッキ処理
   時の核となる銅シード層を形成するステップと、 (d) 前記銅シード層を核としたメッキ処理を行い、選択
   的に前記溝内に銅メッキ層を形成するステップと、 (e) 前記ステップ(d) 後に実行され、前記所定のエッチ
   ング処理により、前記除去用部分層間絶縁膜を除去する
   ステップとをさらに備え、前記ステップ(e) 実行後の前
   記銅シード層及び銅メッキ層が銅配線として規定され
   る、銅配線の形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の銅配線の形成方法であっ
   て、 前記ステップ(c) は、前記溝の内壁上を含む全面に前記
   銅シード層を形成するステップを含み、 前記ステップ(d) は、 (d-1) 前記銅配線用層間絶縁膜群の表面上に形成された
   前記銅シード層を選択的に除去し、前記溝の内壁上の前
   記銅シード層のみ残存させるステップと、 (d-2) 前記ステップ(d-1)後に実行され、 前記溝の内壁
   上の前記銅シード層を核としてメッキ処理を行い、前記
   溝内に銅メッキ層を形成するステップとを含む、銅配線
   の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１あるいは請求項２記載の銅配線
   の形成方法であって、 (f) 前記ステップ(d) 後、前記ステップ(e) 前に実行さ
   れ、リフロー処理を行うステップをさらに備える、銅配
   線の形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のうち、いずれ
   か１項に記載の銅配線の形成方法であって、 前記主要部分層間絶縁膜はシリコン酸化膜あるいはシリ
   コン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜を含む、
   銅配線の形成方法。