JP2004266178A - 配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線膜中の応力集中を抑制することにより、ボイドの発生を抑制することができ、断線し難い配線を形成することができる配線形成方法を提供する。
【解決手段】ウェハＷ上の層間絶縁膜１に配線溝２を形成し、その後、層間絶縁膜１上にバリアメタル膜３、シード膜４、及び配線膜５を形成する。配線膜５が形成された後、配線膜５上に保護膜６を形成し、配線膜５をアニールする。更にその後、保護膜６、及び配線溝２内に埋め込まれた部分以外の配線膜５を除去する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の配線を形成する配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、その後配線溝内に埋め込まれた部分以外の配線膜を除去して、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形成する方法としては電解メッキが利用されている。
【０００３】
ところで、電解メッキで配線膜を形成した後、結晶を成長させて、抵抗値を低下させるために配線膜を焼き締め（アニール）している。しかしながら、配線膜をアニールすると、図５に示されるように、配線溝内の上部にボイドが発生してしまうことがある。なお、このようなボイドは、配線の断線原因となるので、抑制することが好ましい。
【０００４】
現在、このようなボイドの発生を抑制する一つの手法として、例えば配線溝内に埋め込まれた部分以外の配線膜を除去した状態で、配線膜をアニールする手法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１８６２６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方法で配線膜をアニールした場合であっても、効果的にボイドの発生を抑制することができないという問題がある。これは、配線溝内の上部に応力集中が起きているためであると考えられる。本発明はこのような問題に対処するためになされたものである。即ち、配線膜中の応力集中を抑制することにより、ボイドの発生を抑制し、断線し難い配線を形成す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。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
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配線膜を形成する配線膜形成工程と、配線膜上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、配線膜を加熱して、配線膜を焼き締める焼き締め工程と、保護膜、及び凹部内又は開口部内に埋め込まれた部分以外の配線膜を除去する保護膜・配線膜除去工程と、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、保護膜形成工程により配線膜上に保護膜を形成するので、配線膜の上面が自由表面では無くなる。これにより、その後焼き締め工程を行った場合に配線膜中の応力集中を抑制することができる。その結果、ボイドの発生を抑制することができ、断線し難い配線を形成することができる。
【０００８】
上記保護膜は、Ｓｉ系絶縁物から構成されていてもよい。Ｓｉ系絶縁物は焼き締め工程中安定した状態にあるので、焼き締め工程中に配線膜の上面が自由表面になるのを抑制することができる。
【０００９】
上記保護膜は、バリアメタル材料から構成されていてもよい。バリアメタル材料は焼き締め工程中安定した状態にあるので、焼き締め工程中に配線膜の上面が自由表面になるのを抑制することができる。また、バリアメタル材料は配線膜を構成している物質が拡散するのを抑制することができる。さらに、バリアメタル材料を使用することにより、保護膜を低温で形成することができる。
【００１０】
上記バリアメタル材料は、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、ＷＮ、或いはＷから構成される材料であることが好ましい。このような材料をバリアメタル材料として使用することにより、確実に焼き締め工程中に配線膜の上面が自由表面になるのを抑制することができる。
【００１１】
上記保護膜形成工程は、３００℃以下の状態で行われることが好ましい。保護膜形成工程をこのような状態で行うことにより、保護膜形成工程中に配線膜の上面が自由表面になるのを抑制することができる。
【００１２】
上記焼き締め工程は、前記保護膜の成膜温度以上の温度で行われてもよい。焼き締め工程をこのような状態で行うことにより、配線膜を確実に焼き締めることができる。
【００１３】
上記焼き締め工程は、３００℃以上の状態で行われてもよい。焼き締め工程をこのような状態で行うことにより、配線膜を確実に焼き締めることができる。
【００１４】
上記配線膜は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、或いはこれらの合金から構成されていることが好ましい。これらのいずれかから配線膜を形成することにより、抵抗値が低く、かつ安定した配線を形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る配線形成方法について説明する。図１は本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ャートであり、図２〜図３は本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。
【００１６】
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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）により、ＳｉＯＦの層間絶縁膜１を形成する（ステップ１）。なお、層間絶縁膜１をＳｉＯＦ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、ＳｉＯＣ、或いは多孔質シリカ等が挙げられる。
【００１７】
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（ステップ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ＫｒＦ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、例えばＣＦ_４或いはＣＨＦ_３のようなＣＦ系のガスにより層間絶縁膜１をドライエッチングし、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、アッシングによりレジストパターンを取り除く。
【００１８】
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ＣＶＤにより層間絶縁膜１への金属拡散を抑制するためのＴａＮのバリアメタル膜３を形成する（ステップ３）。なお、バリアメタル膜３をＴａＮから構成する場合に限らず、その他の物質でバリアメタル膜３を構成してもよい。その他の物質としては、例えば、Ｔａ、ＴｉＮ、ＷＮ、Ｗ等が挙げられる。
【００１９】
層間絶縁膜１上にバリアメタル膜３を約３０ｎｍ形成した後、図２（ｄ）に示されるように、バリアメタル膜３上に、スパッタリングにより電解メッ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Ｃｕ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。
【００２０】
バリアメタル膜３上にシード膜４を約１００ｎｍ形成した後、図３（ａ）に示されるように、シード膜４上に、電解メッキによりＣｕの配線膜５を形成する（ステップ５）。なお、配線膜５をＣｕ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、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ及びそれらの合金等が挙げられる。配線膜５をＣｕ及びこれらの金属から構成した場合には、抵抗値の低い、かつ安定した配線を形成することができる。また、電解メッキにより配線膜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、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ、或いはＡｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ ＣＶＤ等が挙げられる。
【００２１】
シード膜４上に配線膜５を約０．５〜１μｍ形成し、かつ配線溝２内に配線膜５を埋め込んだ後、図３（ｂ）に示されるように、ＣＶＤにより配線膜５上にＳｉＣの保護膜６を形成する（ステップ６）。
【００２２】
保護膜６は、ＳｉＣで構成されている場合に限らず、その他のＳｉ系絶縁物、或いはＣｕの拡散を抑制可能なバリアメタル材料から保護膜６を形成してもよい。その他のＳｉ系絶縁物としては、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＮ等が挙げられる。また、バリアメタル材料としては、例えば、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、ＷＮ、或いはＷ等が挙げられる。
【００２３】
保護膜６は、約３００℃以下で形成することが好ましい。これは、保護膜６の形成時に配線膜５を構成しているＣｕの結晶が成長し難いからである。また、保護膜６をＣＶＤで形成する場合に限らず、その他の手法によって保護膜６を形成してもよい。その他の手法としては、例えば、塗布とキュア処理との組合せ、或いはスパッタリング等が挙げられる。これらの方法によれば、約３００℃以下で保護膜６を形成することができる。
【００２４】
配線膜５上に保護膜６を約１０〜２００ｎｍ形成した後、図３（ｃ）に示されるように、保護膜６及び配線膜５等を加熱し、配線膜５をアニールする（ステップ７）。アニールは、約３００℃以上、好ましくは約３００〜５００℃で行われる。アニールを約３００〜５００℃で行うことが好ましいとしたのは、ウェハＷの温度が５００℃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、５００℃を上回ると、ソース領域或いはドレイン領域のイオンが拡散することによりゲート長が変化したり、シリサイドの膜厚が変化し、トランジスタの性能が劣化してしまうからである。
【００２５】
所定時間経過後、図３（ｄ）に示されるように、ＣＭＰにより研磨して、保護膜６、及び配線溝２内に埋め込まれた部分以外の配線膜５を除去する（ステップ８）。なお、ＣＭＰに限らず、その他の手法で保護膜６及び配線膜５を除去してもよい。その他の手法としては、例えば電解研磨、プラズマエッチング等が挙げられる。
【００２６】
本実施の形態では、配線膜５上に保護膜６を形成した状態で、配線膜５をアニールしているので、ボイドの発生を抑制することができ、断線し難い配線を形成することができる。即ち、配線膜５をアニールすると、配線膜５の応力は緩和される方向に向かうが、配線膜５の上面が最表面となっている場合には、配線溝２内の上部に応力が集中してしまい、この応力集中が原因でボイドが発生してしまうものと考えられる。詳細に説明すると、配線膜５の上部の応力は上面が自由表面であるため緩和され易い。これに対し、配線溝２内に埋め込まれた部分の応力は配線膜５の側面がシード膜４を介してバリアメタル膜３に固定されているため緩和され難い。このため、配線膜５をアニールすると、配線膜５の上部の方が配線溝２に埋め込まれた部分よりも応力が早く緩和してしまい、配線溝内の上部に応力が集中してしまう。そして、この応力集中により、ボイドが発生してしまうものと考えられる。本実施の形態では、配線膜５上に保護膜６を形成し、配線膜５の上面を保護膜６に密着させている。これにより、配線膜５の上面が自由表面では無くなるので、配線膜５をアニールした場合であっても、配線膜５の上部の応力は緩和され難くなる。この結果、配線溝２内の上部における応力集中が抑制される。それ故、ボイドが発生し難くなり、断線し難い配線が形成される。
【００２７】
（実施例１）
以下、実施例１について説明する。本実施例では、配線膜上に保護膜を形成した状態で配線膜をアニールしたときの配線膜の応力分布について調べた。
【００２８】
本実施例では、有限要素法により配線膜上に保護膜を形成した状態で配線膜をアニールしたときの配線膜の応力分布をシミュレーションした。配線膜は銅から構成されたものを使用し、保護膜はＳｉＣから構成されたものを使用した。また、アニールは、約４００℃で行った。なお、本実施例と比較するために、比較例として保護膜を形成していない状態で配線膜をアニールしたときの配線膜の応力分布についてもシミュレーションした。
【００２９】
結果について説明する。図４（ａ）は本実施例に係る配線膜の応力分布を模式的に示した図であり、図４（ｂ）は比較例に係る配線膜の応力分布を模式的に示した図である。
【００３０】
図４（ｂ）から分かるように、比較例における配線膜の応力分布はばらついており、特に配線溝内の上部に応力が集中していることが確認された。これに対し、図４（ａ）から分かるように、本実施例における配線膜の応力は比較例の場合よりも大きいが、応力分布は一様になっており、応力集中は確認されなかった。この結果から、配線膜上に保護膜を形成した方が配線膜の上面が自由表面の場合よりも応力分布が一様になることが確認された。
【００３１】
（実施例２）
以下、実施例２について説明する。本実施例では保護膜の最適成膜温度について調べた。
【００３２】
測定条件について説明する。本実施例では、様々な成膜温度で保護膜を形成し、その際の配線膜の状態をそれぞれ観察した。保護膜の原料にはＳｉＣを使用した。また、プラズマＣＶＤにより保護膜を形成した。配線膜は銅から構成されたものを使用した。
【００３３】
測定結果について説明する。約３５０℃で保護膜を形成した場合には、銅の結晶が成長し始めて、配線膜と保護膜との間に溝が形成されてしまい、保護膜が有効に機能しない箇所が存在することが確認された。これに対し、約３００℃以下で保護膜を形成した場合には、上記したようなことはほぼ確認されなかった。この結果から、保護膜は、約３００℃以下で形成することが好ましいと考えられる。
【００３４】
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。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳説したように、本発明の配線形成方法によれば、配線膜中の応力集中を抑制することができる。これにより、ボイドの発生を抑制することができ、断線し難い配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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ャートである。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）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。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）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。
【図４】図４（ａ）は実施例１に係る図４（ａ）は本実施例に係る配線膜の応力分布を模式的に示した図であり、図４（ｂ）は比較例に係る配線膜の応力分布を模式的に示した図である。
【図５】図５は従来の配線膜のボイド発生状況を示した観察写真である。
【符号の説明】
Ｗ…ウェハ
１…層間絶縁膜
２…配線溝
５…配線膜
６…保護膜

Claims (8)

1. 表面に凹部又は開口部を有する基板上に配線膜を形成する配線膜形成工程と、
   前記配線膜上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
   前記配線膜を加熱して、前記配線膜を焼き締める焼き締め工程と、
   前記保護膜、及び前記凹部内又は開口部内に埋め込まれた部分以外の配線膜を除去する保護膜・配線膜除去工程と、
   を具備することを特徴とする配線形成方法。
2. 前記保護膜は、Ｓｉ系絶縁物から構成されていることを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
3. 前記保護膜は、バリアメタル材料から構成されていることを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
4. 前記バリアメタル材料は、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、ＷＮ、或いはＷから構成される材料であることを特徴とする請求項３記載の配線形成方法。
5. 前記保護膜形成工程は、３００℃以下の状態で行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の配線形成方法。
6. 前記焼き締め工程は、前記保護膜の成膜温度以上の温度で行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の配線形成方法。
7. 前記焼き締め工程は、３００℃以上の状態で行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の配線形成方法。
8. 前記配線膜は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、或いはこれらの合金から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の配線形成方法。

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