JP4850354B2 - 半導体素子の金属配線形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に係り、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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の集積度が増加し信号伝達速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。
【０００３】
また、次世代半導体素子の急激な高性能化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(Chemically 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(Selective)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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、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、銅の蒸着速度を加速させるために、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ヨード（Ｉ）含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガス、周期律表上の７族元素である液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのいずれか一つを触媒とし、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、ＭＯＣＶＤ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。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００７】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明に係る半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。
【０００８】
図１（ａ）を参照すると、半導体素子を形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。
【０００９】
第１及び第３絶縁膜４０ａ及び４０ｃは低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、 MOCVD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化されたPVD TaN、CVD Ta、 CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSiN、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。
【００１０】
即ち、拡散防止膜スペーサ５０は、ダマシンパターン内で第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。
【００１１】
図１（ｂ）を参照すると、下部金属層３０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。
【００１２】
化学的強化剤層６０は、ＣＨ３Ｉ、Ｃ２Ｈ５Ｉ、ＣＤ３Ｉ、ＣＨ２Ｉ２などのヨード（Ｉ）含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガス、のいずれか一つを触媒として、−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００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、Ｂｒ、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。
【００１３】
図１（ｃ）を参照すると、ダマシンパターンを含む第２層間絶縁膜４０上に（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（ｈｆａｃ）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４０ｂ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(vaporizer)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。
【００１４】
上述した本発明の原理を適用して銅の代わ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。
【００１５】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、拡散防止膜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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｃ）は本発明に係る半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。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
２０ 第１層間絶縁膜
３０ 下部金属層
４０ａ 第１絶縁膜
４０ｂ 第２絶縁膜
４０ｃ 第３絶縁膜
４０ 第２層間絶縁膜
５０ 拡散防止膜スペーサ
６０ 化学的強化剤層
７０ 銅配線
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に係り、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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の集積度が増加し信号伝達速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。
【０００３】
また、次世代半導体素子の急激な高性能化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(Chemically 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(Selective)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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、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、銅の蒸着速度を加速させるために、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ヨード（Ｉ）含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガス、周期律表上の７族元素である液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのいずれか一つを触媒とし、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、ＭＯＣＶＤ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。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００７】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明に係る半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。
【０００８】
図１（ａ）を参照すると、半導体素子を形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。
【０００９】
第１及び第３絶縁膜４０ａ及び４０ｃは低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、 MOCVD TiN、イオン化されたPVD Ta、イオン化されたPVD TaN、CVD Ta、 CVD TaN、CVD WN、CVD TiAlN、CVD TiSiN、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。
【００１０】
即ち、拡散防止膜スペーサ５０は、ダマシンパターン内で第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。
【００１１】
図１（ｂ）を参照すると、下部金属層３０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。
【００１２】
化学的強化剤層６０は、ＣＨ３Ｉ、Ｃ２Ｈ５Ｉ、ＣＤ３Ｉ、ＣＨ２Ｉ２などのヨード（Ｉ）含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガス、のいずれか一つを触媒として、−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００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、Ｂｒ、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。
【００１３】
図１（ｃ）を参照すると、ダマシンパターンを含む第２層間絶縁膜４０上に（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（ｈｆａｃ）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４０ｂ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(vaporizer)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。
【００１４】
上述した本発明の原理を適用して銅の代わ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。
【００１５】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、拡散防止膜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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｃ）は本発明に係る半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。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
２０ 第１層間絶縁膜
３０ 下部金属層
４０ａ 第１絶縁膜
４０ｂ 第２絶縁膜
４０ｃ 第３絶縁膜
４０ 第２層間絶縁膜
５０ 拡散防止膜スペーサ
６０ 化学的強化剤層
７０ 銅配線
Claims (8)
- 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、
銅の蒸着速度を加速させるために、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ヨード（Ｉ）含有液体化合物、純粋Ｉ２、ヨード（Ｉ）含有ガス、周期律表上の７族元素である液状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、ガス状態のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔのいずれか一つを触媒とし、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、
ＭＯＣＶＤ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。 - 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。
- 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。
- 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 Ｔａ、イオン化されたＰＶＤ ＴａＮ、ＣＶＤ Ｔａ、ＣＶＤ ＴａＮ、ＣＶＤ ＷＮ、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。
- 前記拡散防止膜スペーサはＳｉＮ及びＳｉＯＮ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。
- 前記化学的強化剤層は−２０〜３００℃の温度範囲で１〜６００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。
- 前記ヨード（Ｉ）含有液体化合物はＣＨ３Ｉ、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１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
- 前記銅層は（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列及び（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ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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