JPH06224194A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH06224194A
JPH06224194A JP1085293A JP1085293A JPH06224194A JP H06224194 A JPH06224194 A JP H06224194A JP 1085293 A JP1085293 A JP 1085293A JP 1085293 A JP1085293 A JP 1085293A JP H06224194 A JPH06224194 A JP H06224194A
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Nobuyoshi Awaya
信義 粟屋
Mutsunobu Arita
睦信 有田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 中間金属層の横方向エッチングを抑え、かつ
ビア底部に汚染の無い銅を露出させ、銅の選択的化学気
相反応によるビアホール埋め込みのための最適の前処理
を行うことおよび該前処理工程を可能とする配線構造を
実現することを目的とする。 【構成】 第1層配線層の第1の銅層204が露出する
ビアホール208を形成する。水素雰囲気中で加熱して
ビアホール208底面の銅を還元し、連続して化学気相
成長で第2層配線層の第3の銅層211を形成する。こ
れによりビアホール208の埋め込みを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路等の半
導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】シリコン半導体集積回路において、アル
ミニウムに代わる配線材料として、電気抵抗が低く、マ
イグレーション耐性を有する銅が注目されている。
【0003】本発明者等は既に特願昭63−12400
6号、特願昭63−326063号、およびこれらを国
内優先権の主張の基礎とした特開平2−256238号
においてシリコン酸化膜等をマスクにして、金属上のみ
に選択的に銅を化学気相成長させコンタクトホールおよ
びスルーホールを充填する技術を提案している。この選
択成長の要点は銅の有機錯体または有機金属からなる原
料を加熱して蒸発させ、水素と共に反応室に送り、金属
もしくは金属シリサイドからなる第1の材料および酸化
物もしくは窒化物からなる第2の材料を表面に有する基
板を原料のガスの分解温度以上に加熱し、蒸発させた原
料のガスを、その分解温度より低い温度に保ったまま加
熱された基板上に還元ガスと共に供給し、銅を第1の材
料の表面上にのみ選択的に成長させるものである。基板
全面に金属膜を有する下地基板では上述した化学気相成
長で当然基板全面に銅膜が成長する。
【0004】また、特願平2−56586号は原料に水
蒸気等を添加することで堆積速度を増加させる技術を提
案し、さらに特開平4−67655号は、特にビアホー
ルの底面の金属中間層を除去し、銅を露出させ、銅表面
の自然酸化膜が反応雰囲気中の水素で容易に還元される
ことを利用して、その上に上述の選択成長法でビアホー
ル充填させることにより、低抵抗のビア埋め込みを実現
する方法を開示している。
【0005】特開平4−242937号は絶縁膜を開孔
した後、スパッタエッチングの後、拡散バリア性および
絶縁膜との密着性を有する中間金属と銅を連続的にスパ
ッタ堆積し、該スパッタ堆積した銅膜上に化学気相成長
により銅膜を成長させ絶縁膜に開孔した穴を充填する方
法を開示している。
【0006】上に述べた方法では、ビア底部に銅を露出
する際、銅の上層の中間金属層をフェリシアン化カリウ
ムを含有する水溶液で湿式エッチングにより除去してい
た。
【0007】しかし、湿式エッチングによりビア底部の
中間金属層を除去しようとすると、中間金属層の横方向
エッチングが起き、層間絶縁膜と銅の密着性を劣化させ
る恐れがある。
【0008】一方、ドライ加工により、銅を露出させる
ことは可能だがエッチングガスに含まれるフッ素ガスに
より銅表面がフッ化され該表面上に良好な銅CVDを行
うことは難しいという問題を生じる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの課題
に鑑みてなされたもので、中間金属層の横方向エッチン
グを抑え、かつビア底部に汚染の無い銅を露出させ、銅
の選択的化学気相反応によるビアホール埋め込みのため
の最適の前処理を行うことおよび該前処理工程を可能と
する配線構造を実現することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、基板上に形成する配線の主
材料として銅を用い、かつ層間絶縁膜と銅との密着性向
上のための中間金属層を含む多層配線構造を有する半導
体装置の製造方法において、第1の中間金属層、第1の
銅層および第2の中間金属層の積層構造からなる第1層
配線層、該第1層配線層上の層間絶縁膜および該層間絶
縁膜上にあって前記第1および第2の中間金属層と同一
元素からなる第1の金属層をそれぞれ形成する工程と、
前記第1の金属層、前記層間絶縁膜および前記第2の中
間金属層にビアホールを形成して前記第1の銅層の表面
を露出する工程と、該露出した第1の銅層の表面に対し
200℃以上の温度で塩素を含むプラズマ処理を施して
該表面の汚染を除去する工程と、前記第1の金属層、な
らびに前記ビアホールの内壁面および底面上に前記第1
の金属層と同一元素からなる第2の金属層をスパッタリ
ングにより堆積する工程と、水素雰囲気中で加熱するこ
とにより前記ビアホールの底面において露出する前記第
1の銅層の表面を還元する工程と、前記銅還元工程に連
続して化学気相成長法により前記第1の銅層の露出表面
上に第2の銅層を成長させて前記ビアホールの埋め込み
を行う工程と、スパッタリングにより前記第2の銅層上
に第3の銅層を堆積し、連続して前記第1および第2の
金属層と同一元素からなる第3の金属層を堆積すること
により第2層配線層を形成する工程とを含むことを特徴
とする。
【0011】請求項2記載の発明は、基板上に形成する
配線の主材料として銅を用い、かつ層間絶縁膜と銅との
密着性向上のための中間金属層を含む多層配線構造を有
する半導体装置の製造方法において、第1の中間金属
層、第1の銅層および第2の中間金属層の積層構造から
なる第1層配線層、該第1層配線層上の層間絶縁膜およ
び該層間絶縁膜上にあって前記第1および第2の中間金
属層と同一元素からなる第1の金属層をそれぞれ形成す
る工程と、前記第1の金属層、前記層間絶縁膜および前
記第2の中間金属層にビアホールを形成して前記第1の
銅層の表面を露出する工程と、前記第1の金属層、なら
びに前記ビアホールの内壁面および底面上に前記第1の
金属層と同一元素からなる第2の金属層をスパッタリン
グにより堆積する工程と、前記第2の金属層をドライエ
ッチングによる異方性加工により前記ビアホールの内壁
面のみ残して前記ビアホールの底面において前記第1の
銅層の表面を露出する工程と、水素雰囲気中で加熱する
ことにより前記ビアホールの底面において露出する前記
第1の銅層の表面を還元する工程と、前記銅還元工程に
連続して化学気相成長法により前記第1の銅層の露出表
面上に第2の銅層を成長させて前記ビアホールの埋め込
みを行う工程と、スパッタリングにより前記第2の銅層
上に第3の銅層を堆積し、連続して前記第1および第2
の金属層と同一元素からなる第3の金属層を堆積するこ
とにより第2層配線層を形成する工程とを含むことを特
徴とする。
【0012】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載の半導体装置の製造方法において、前記ビアホール
埋め込み工程後に、銅のスパッタ堆積とスパッタエッチ
ングを競合させるバイアススパッタリングにより前記第
2の銅層の表面を平滑化する工程をさらに含むことを特
徴とする。
【0013】請求項4記載の発明は、請求項1ないし3
のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前
記第1,第2および第3の金属層の主材料は、タンタ
ル,ニオビウムおよびバナジウムからなる群より選ばれ
たものであることを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明を用いることにより、電気的に良好な特
性を示すビアホール埋め込みを実現可能であり、かつ制
御性の良好な銅配線加工が可能となる。
【0015】
【実施例】以下、実施例によって本発明を説明する。
【0016】堆積装置としては特願平2−56586号
において示したものとほぼ同じ銅CVD装置を用いた。
図1に装置の概略を示す。反応室101は排気孔102
を通して、図示しない排気系により排気可能である。試
料基板104を板ばね105で保持する基板ホルダ10
3が反応室101内に設けられている。ヒータ106が
基板ホルダ103に内蔵され、基板104を所定の温度
に加熱できる。銅の有機錯体または有機金属化合物から
なる原料108を収容する原料容器107が反応室10
1の外部に設置されている。反応室101内において基
板ホルダ103と対向するガス噴射板109がパイプ1
10およびバルブ111を介して原料容器107に連結
されている。ガス噴射板109には多数の微細なガス噴
射口112が設けられている。原料容器107,パイプ
110およびバルブ111をヒータ113によって所定
の温度に加熱することができ、一方ガス噴射板109を
内蔵されているヒータ114によって所定の温度に加熱
することができる。還元性のキャリアガスとして水素が
マスフローコントローラ117により、必要に応じて水
蒸気がマスフローコントローラ118により制御され、
バルブ119,111によりパイプ115を通って原料
容器107内に導入される。図中116はOリングを示
す。堆積反応はパイプ110を通ったガスと原料容器内
で加熱、蒸発した原料ガスが反応室に導入されて行われ
る。すなわち、原料容器107内で加熱され、蒸発した
原料ガスは水素とともに、または水素および水蒸気とと
もにガス噴射口112から噴射され、基板ホルダ103
に固定された試料基板104の表面上に供給される。原
料ガスは試料基板104の表面の材質に応じ、ある特定
の材質、アルミニウム,チタン,クロム,ジルコニウ
ム,タングステン,モリブデン,タンタル,バナジウム
またはそれらのシリサイドの上では分解して銅が成長
し、他の特定の材質、酸化シリコンなどの金属酸化物、
窒化シリコン,窒化チタンなどの窒化物の上では分解せ
ず、従って銅が成長しない。これは原料ガスが還元性ガ
スによって還元され、分解する反応に対する各種材質の
触媒作用の差によるものである。従って試料基板表面の
材質を選ぶことによって、試料の全面に銅を成長させる
ことができ、さらに試料表面の特定の位置の材質を他の
位置の材質と変化させることによって、その特定の位置
上に銅を選択的に成長させることもできる。その際、ガ
ス噴射口112、すなわちガス噴射板109の温度およ
び試料基板104の温度を正しく定めることが重要であ
る。ガス噴射口112の温度が原料の固化析出温度以下
では、蒸発した原料ガスが噴射板109上で固化し、ガ
ス状で噴射されることはない。従ってこの温度では試料
基板の温度に関係なく、銅の成長は生じない。ガス噴射
口112の温度が原料ガスの分解温度以上では、原料ガ
スが分解し、銅が原子または分子状態となって試料基板
の表面に到達し、従って試料基板の表面の材質によら
ず、その全面に成長する。ガス噴射口112の温度は、
従って、原料ガスの固化析出温度より高く、かつ蒸発し
た原料ガスの分解温度より低くなければならない。一方
試料基板の温度が、その上に銅を選択成長させるべき特
定材質上での原料ガスの分解温度より低ければ、試料基
板の表面に供給された原料ガスは分解せず、従って銅は
成長しない。ガス噴射口112の温度が原料である有機
錯体または有機金属の固化析出温度より高く、かつ分解
温度より低く、試料基板の温度がその上に銅を選択成長
させるべき材質上での原料ガスの分解温度以上である場
合においてのみ、銅を試料基板の表面の特定の個所に選
択成長させることができる。試料基板の温度が高すぎる
と、選択成長した銅の結晶粒が粗大化し、その表面が粗
れるので好ましくない。出発原料としては、例えばビス
ヘキサフロロアセチルアセトナト銅等の銅の二価のβ−
ジケトナト化合物または銅の一価ヘキサフロロアセチル
アセトナトにトリメチルビニルシリル等の電子供与性の
リガンドを付加した化合物などを使用することができ
る。
【0017】〔実施例1〕本発明を多層配線ビア埋め込
みに適用した一例を図2に示す。本例は、トランジスタ
の製造工程を経た半導体基板上の多層配線を例としたも
のである。
【0018】まず、図2の(a)に示すように、半導体
基板201上に絶縁膜、例えば酸化シリコン202を形
成し、この絶縁膜202上に第1の中間金属層、例えば
タンタル203,第1の銅層204および第2の中間金
属層、例えばタンタル205よりなる第1層配線層を連
続的にスパッタリングにより形成し反応性イオンエッチ
ングにより加工する。次に、例えばプラズマCVDによ
りシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を層間絶縁膜2
06として堆積し、さらにこの層間絶縁膜206の上に
第1および第2の中間金属層203および205と同一
元素からなる第1の金属層、ここではタンタル207を
スパッタにより堆積する。
【0019】次に、図2の(b)に示すように第1の金
属層207,層間絶縁膜206および第2の中間金属層
205に対しフッ素含有ガス、例えばCHF3 と酸素と
の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを施すこと
によりビアホール208を開孔し、第1の銅層204を
露出する。この露出した第1の銅層204に対し200
℃以上の温度で塩素を含むプラズマ処理を行って第1の
銅層204の表面の汚染を除去する。
【0020】次に、図2の(c)に示すように、第1の
金属層207と同一元素からなる第2の金属層209お
よび第2の銅層210を、第1の金属層207上および
ビアホール208の側面と底面にスパッタリングにより
堆積する。
【0021】次に、図2の(d)に示すように、化学気
相成長装置内で1000Pa以上の水素雰囲気中で20
0℃以上で加熱し、ビアホール底面の銅を還元し、連続
して化学気相成長法による第3の銅層211を形成し、
ビアホール208の埋め込みを行う。ここで、ビアホー
ルの埋め込みの標準的な処理条件としては、原料として
ビスヘキサフロロアセチルアセトナト銅を用いた場合に
は原料温度を90℃に設定し、水素100cc/min
と水蒸気10cc/minと共に原料を反応室101に
導入し、反応室内101の圧力を2000Paとし、基
板温度390℃で銅を堆積する。トリメチルビニルシリ
ルヘキサフロロアセチルアセトナト銅を用いた場合は原
料温度65℃に設定し、水素100cc/minととも
に原料を反応室内101に導入し、反応室101の圧力
1000Pa、基板温度250℃で銅を堆積する。CV
Dによる第3銅膜211は微細ビアホールでの被覆性が
良いという利点がある反面、堆積速度が遅いためビアホ
ールを充填した後は、さらにスパッタリングにより第4
の銅層212および第1の金属層207と同一元素から
なる第3の金属層213を連続的に堆積する。その後、
図2の(e)に示すように塩素を含有するガスを用いた
ドライエッチングにより所定パターンの上層の配線層を
形成する。
【0022】形成された多層配線の密着性は良好で、か
つビア埋め込みは低抵抗であった。
【0023】〔実施例2〕本実施例も実施例1と同様に
多層配線ビア埋め込みに適用した一例であり、図3を参
照して説明する。
【0024】図3の(a)から(b)までに示す工程の
うち、ビアホールを開孔して銅を露出させる工程までが
実施例1と同様であるので、その説明を省略する。本実
施例の特徴部分は上記ビアホール開孔工程以降の工程に
ある。
【0025】すなわち、第1の金属層207上にこれと
同一元素からなる第2の金属層301をスパッタリング
により堆積したのち、この第2の金属層301のうち、
ドライエッチングによる異方性加工によりビアホール2
08の側壁の部分のみを図3の(c)に示すように残
し、ビアホール208の底面に下層配線としての第1の
銅層204の表面を再び露出させる。ここで、実施例1
と同様に、第1の銅層204の露出表面に対し200℃
以上の温度で塩素を含むプラズマ処理を施すことによっ
て銅表面の汚染を除去する。
【0026】次に、図3の(d)に示すように、化学気
相成長装置内で水素雰囲気中で加熱し、ビアホール20
8の底面から露出している第1の銅層204の表面の銅
を還元し、連続して化学気相成長法による第2の銅層3
02を形成することによって、ビアホール208の埋め
込みを行う。
【0027】次いで、図3の(e)に示すように、第2
の銅層302の上にスパッタリングにより第3の銅層3
03を形成するとともに、これに連続して第1の金属層
207と同一元素からなる第3の金属層304を堆積す
る。その後、塩素を含有するガスを用いたドライエッチ
ングにより所定パターンの上層の配線層を形成する。
【0028】形成された多層配線の密着性は良好で、か
つビア埋め込みは低抵抗であった。
【0029】〔実施例3〕本実施例も実施例1と同様に
多層配線ビア埋め込みに適用した一例であり、図4を参
照して説明する。
【0030】本実施例では、実施例1における図2の
(d)に示した工程まで進行した基板を用いる。図4の
(a)に示すように、この基板の第3の銅層211に対
し、銅のスパッタ堆積とスパッタエッチングを競合させ
るバイアススパッタリングを施すことによって化学気相
成長法による第3の銅層211の表面を平滑化する。次
いで、図4の(b)に示すように、第1の金属層207
と同一元素からなる第3金属層401をスパッタリング
により堆積したのち、塩素を含有するガスを用いたドラ
イエッチングにより所定のパターンの上層の配線層を形
成する。
【0031】形成された多層配線の密着性は良好で、か
つビア埋め込みは低抵抗であった。
【0032】〔実施例4〕本実施例は、実施例1または
3における下層および上層の配線層形成工程に際し、異
方性加工技術を利用することによって図5に示すように
各配線層の側壁にも中間金属層または窒化シリコン膜5
01を形成する工程をさらに含むものである。
【0033】形成された多層配線の密着性は良好で、か
つビア埋め込みは低抵抗であった。
【0034】上記実施例1〜4においては、配線層の銅
表面の汚染を除去するのに塩素を含むプラズマ処理を用
いているが、この塩素プラズマ処理温度については、図
6を参考に設定することができる。図6は、塩化銅の固
相、気相の平衡定数をJANAFのデータを元にグラフ
にしたものである。図6から、3量体の形で蒸発するこ
とがわかる。装置形状、反応条件で若干の差はあるが、
200℃以上で塩化銅が表面に析出することなく、表面
を清浄化することができる。実際に200℃での塩素プ
ラズマ処理では良好な結果が得られている。
【0035】本発明では四塩化珪素と窒素の混合ガスで
3から5Paの圧力、基板温度200から250℃の範
囲、電力100から200Wの範囲で塩素プラズマ処理
を行うことができる。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低抵抗のビア埋め込み部分を有する銅多層配線を信頼性
良く形成することが可能となり、LSI生産ラインにお
いて技術的および経済的に顕著な進歩をもたらすことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いた半導体装置の製造装置の模式的
断面図である。
【図2】本発明を適用した多層配線ビア埋め込みを説明
する図である。
【図3】本発明を適用した多層配線ビア埋め込みを説明
する図である。
【図4】本発明を適用した多層配線ビア埋め込みを説明
する図である。
【図5】本発明を適用した多層配線ビア埋め込みを説明
する図である。
【図6】塩化銅の固相、気相の平衡定数を示すグラフで
ある。
【符号の説明】
101 反応室 102 排気孔 103 基板ホルダ 104 基板 105 板ばね 106 ヒータ 107 原料容器 108 原料 109 ガス噴射板 110 パイプ 111 バルブ 112 ガス噴射口 113 ヒータ 114 ヒータ 115 パイプ 116 Oリング 117 マスフローコントローラ 118 マスフローコントローラ 119 バルブ 201 半導体基板 202 絶縁膜 203 第1の中間金属層 204 第1の銅層 205 第2の中間金属層 206 層間絶縁膜 207 第1の金属層 208 ビアホール 209 第2の金属層 210 第2の銅層 211 第3の銅層 212 第4の銅層 213 第3の金属層 301 第2の金属層 302 第2の銅層 303 第3の銅層 304 第3の金属層 401 第3の金属層 501 窒化シリコン膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成する配線の主材料として銅
    を用い、かつ層間絶縁膜と銅との密着性向上のための中
    間金属層を含む多層配線構造を有する半導体装置の製造
    方法において、 第1の中間金属層、第1の銅層および第2の中間金属層
    の積層構造からなる第1層配線層、該第1層配線層上の
    層間絶縁膜および該層間絶縁膜上にあって前記第1およ
    び第2の中間金属層と同一元素からなる第1の金属層を
    それぞれ形成する工程と、 前記第1の金属層、前記層間絶縁膜および前記第2の中
    間金属層にビアホールを形成して前記第1の銅層の表面
    を露出する工程と、 該露出した第1の銅層の表面に対し200℃以上の温度
    で塩素を含むプラズマ処理を施して該表面の汚染を除去
    する工程と、 前記第1の金属層、ならびに前記ビアホールの内壁面お
    よび底面上に前記第1の金属層と同一元素からなる第2
    の金属層をスパッタリングにより堆積する工程と、 水素雰囲気中で加熱することにより前記ビアホールの底
    面において露出する前記第1の銅層の表面を還元する工
    程と、 前記銅還元工程に連続して化学気相成長法により前記第
    1の銅層の露出表面上に第2の銅層を成長させて前記ビ
    アホールの埋め込みを行う工程と、 スパッタリングにより前記第2の銅層上に第3の銅層を
    堆積し、連続して前記第1および第2の金属層と同一元
    素からなる第3の金属層を堆積することにより第2層配
    線層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  2. 【請求項2】 基板上に形成する配線の主材料として銅
    を用い、かつ層間絶縁膜と銅との密着性向上のための中
    間金属層を含む多層配線構造を有する半導体装置の製造
    方法において、 第1の中間金属層、第1の銅層および第2の中間金属層
    の積層構造からなる第1層配線層、該第1層配線層上の
    層間絶縁膜および該層間絶縁膜上にあって前記第1およ
    び第2の中間金属層と同一元素からなる第1の金属層を
    それぞれ形成する工程と、 前記第1の金属層、前記層間絶縁膜および前記第2の中
    間金属層にビアホールを形成して前記第1の銅層の表面
    を露出する工程と、 前記第1の金属層、ならびに前記ビアホールの内壁面お
    よび底面上に前記第1の金属層と同一元素からなる第2
    の金属層をスパッタリングにより堆積する工程と、 前記第2の金属層をドライエッチングによる異方性加工
    により前記ビアホールの内壁面のみ残して前記ビアホー
    ルの底面において前記第1の銅層の表面を露出する工程
    と、 水素雰囲気中で加熱することにより前記ビアホールの底
    面において露出する前記第1の銅層の表面を還元する工
    程と、 前記銅還元工程に連続して化学気相成長法により前記第
    1の銅層の露出表面上に第2の銅層を成長させて前記ビ
    アホールの埋め込みを行う工程と、 スパッタリングにより前記第2の銅層上に第3の銅層を
    堆積し、連続して前記第1および第2の金属層と同一元
    素からなる第3の金属層を堆積することにより第2層配
    線層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の半導体装置の製
    造方法において、 前記ビアホール埋め込み工程後に、銅のスパッタ堆積と
    スパッタエッチングを競合させるバイアススパッタリン
    グにより前記第2の銅層の表面を平滑化する工程をさら
    に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の半
    導体装置の製造方法において、 前記第1,第2および第3の金属層の主材料は、タンタ
    ル,ニオビウムおよびバナジウムからなる群より選ばれ
    たものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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