JPH1126394A

JPH1126394A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1126394A
Application number: JP18263597A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Matsui; 嘉孝松井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: JP3329696B2

Abstract

(57)【要約】【課題】メッキ法を用いて基板上に設けた配線溝に空洞
を生じることなく膜質の優れた金属膜を埋め込むことが
できる配線及び電極等の形成方法を提供する。【解決手段】配線溝の内壁を被覆するバリヤメタル上の
シードメタルを陰極として用い、あらかじめ沃素被着層
を陰極面に形成した後、配線材料となる金属膜のメッキ
を行えば、前記陰極上に高純度でかつ緻密な金属膜を形
成することができる。この方法を用いれば、配線溝に埋
め込まれた金属中に空洞を生じないので、空洞にメッキ
液が取り込まれ配線の腐食の原因となる恐れがない。ま
た前記よう素被着層の存在により大気放置下における配
線の劣化が防止され、信頼性の高い埋め込み金属配線を
得ることができる。この方法は断面積の大きい電力用半
導体装置の埋め込み金属配線のほか、半導体集積回路の
微細配線、コンタクトホールのプラグ、低抵抗なトラン
ジスタの電極の形成等に応用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に半導体基板上に設けた凹部へのメッキ金
属の埋め込みに使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】電力用半導体装置においては、配線の断
面積を大きくして大電流における使用に耐えるようにす
ることが必要であるが、これを従来の蒸着法、スパッタ
法、及びＣＶＤ法（化学的気相成長法；Chemical Vapor
Deposition method）を用いて形成しようとすれば、配
線材料が高コストである上、堆積に長時間を要し問題と
なっていた。また、通常耐熱性が要求されるデバイスで
は、例えば高融点材料であるＣｕとバリヤメタルを組み
合わせた、耐熱性に優れた配線材料とすることが望まし
いが、これを従来のアニール等の方法で埋め込みしよう
とすれば埋め込みにさらに長時間を要し、これらの問題
を回避するため生め込み性に優れ堆積速度の大きいメッ
キによる配線等の形成方法が注目されてきた。

【０００３】一方半導体装置の微細化に伴い、高密度化
に適した微細配線の形成方法として配線溝にメッキ金属
を埋め込み、これを表面研磨して平坦化するメッキ金属
埋め込み配線が提案されている。またこれらのメッキ金
属埋め込み配線は、前記電力用半導体装置の配線として
も極めて有用な配線構造となっている。

【０００４】メッキ法を用いて金属材料を埋め込む時の
問題点は、深い溝や穴の内部でメッキ液の流動性が妨げ
られ、イオンの拡散も不均一にしか行われないという条
件の下では、電気伝導性に優れた緻密でかつ高純度の金
属材料を高い再現性で成長させることが難しいことにあ
る。

【０００５】図８に基づき、従来のメッキ金属埋め込み
配線形成法の問題点について、さらに具体的に説明す
る。例えばシリコンからなる半導体基板１の上に下地絶
縁膜として第１の絶縁層２形成し、引き続き埋め込み配
線を形成するための厚い第２の絶縁層３を形成した後、
レジストパターン（図示せず）と通常のＲＩＥ（活性イ
オンエッチング：Reactive Ion Etching）法を用いて、
所定の位置に配線溝５を図８（ａ）に示すように形成す
る。

【０００６】通常のＯ₂ プラズマアッシング法を用い
て、前記レジストパターン（図示せず）を除去した後、
スパッタ法等を用いて前記配線溝５の内部と前記第２の
絶縁膜の上部表面を金属電極膜６ａで被覆し、引き続き
電気メッキ法により前記金属電極膜６ａの上に、例えば
Ｃｕからなる金属膜７を配線材料として形成する。しか
しこのようにして配線溝５の内部に金属膜７を形成すれ
ば、金属膜７の内部に不純物としてアニオンやキレート
等が取り込まれる。

【０００７】図８（ａ）の円内に、Ｃｕ原子７ａからな
るメッキ層の内部に、メッキ液中のアニオン９が、不純
物として取り込まれた状況が示されている。一般に大小
にかかわらずアニオン等の不純物が表面の吸着サイトを
ターミネートし、Ｃｕ等のエピタキシャル成長が阻害さ
れれば、金属配線材に格子欠陥を生じ結晶の微小化を招
く。また不純物等は粒界に蓄積され易く、その結果膜質
を低下させ配線抵抗増大の原因となる。

【０００８】また、メッキ液中における配線材料の成長
速度は、液中のイオン濃度に大きく依存する。微細な穴
や溝部では流動や拡散によるメッキ液からのイオンの供
給が不十分となり、メッキ液のイオン濃度に局所的な変
化を生じる。このようにイオン濃度が不均一なメッキ液
から、配線溝５の内部に欠陥を含む金属膜７を成長すれ
ば、その内部表面は図８（ａ）に示すように、第２の絶
縁層３の上部に堆積した表面に比べて凹凸の激しい成長
面となる。

【０００９】このような状況でメッキ金属膜７の厚さを
増加し、図８（ｂ）に示すように配線溝５を埋め込め
ば、特に前記凹凸面が会合する配線溝５の中央部におい
て、多数の空洞１４を発生する。

【００１０】従来のメッキ金属による埋め込み配線で
は、このように不完全な状態で配線溝に金属膜７が埋め
込まれ、その後図８（ｂ）の破線と矢印に示すように、
ＣＭＰ（化学機械的研磨：Chemical Mechanical Polis
h）法を用いて、前記配線溝５の外に形成された金属膜
７と前記第２の絶縁膜３の上部表面に堆積した金属電極
膜６ａとを除去し、メッキ金属埋め込み配線を形成して
いた。

【００１１】以上のべたように、配線溝の中央部に多数
の空洞１４を含む金属膜７は配線抵抗を増大させると共
に、空洞１４の中にメッキ液等を取り込んで腐食反応を
生じ断線不良の原因となっていた。

【００１２】メッキ法により成長した金属膜の凹凸を改
善するため、従来メッキ液中に光沢剤と呼ぶ特殊な薬品
を添加する方法が知られている。この方法は、メッキ面
に対して垂直方向に成長する金属結晶の頂点に前記光沢
剤を吸着させて成長を抑制し面内方向への金属膜の成長
を促進する作用を用いたものと考えられている。しか
し、この方法によれば前記光沢剤又はその分解生成物が
金属膜中に不純物として取り込まれ、金属配線の抵抗を
大幅に増加させる。

【００１３】このように従来のメッキ金属埋め込み配線
は、堆積速度が大きくかつ微細配線にも適用可能な配線
工程として注目されながら、配線の信頼性が低くかつ設
計どうりの低抵抗値が得られないという問題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
メッキ金属埋め込み配線をはじめ、半導体基板上に形成
された凹部にメッキ法により金属膜を埋め込む方法に
は、高純度でかつ空洞等を含まない、電気伝導性に優れ
た金属材料を高い歩留まりと再現性で前記凹部に埋め込
むことができないという問題があった。

【００１５】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、半導体基板上に大電流に耐える断面積の大き
い金属配線や、従来に比べて耐熱性に優れた金属配線を
短時間に形成すること、またこれらの技術を用いて微細
配線や能動素子の微細電極、これらを相互に接続するコ
ンタクトホールを埋め込むプラグ等を形成することがで
きる高歩留まり高信頼性のメッキ方法を提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、導電性材料の表面上に電気メッキにより金属
膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法におい
て、導電性材料の表面をあらかじめよう素で被覆する前
処理を行った後、電気メッキにより前記導電性材料表面
上に金属膜を形成することを特徴とする。

【００１７】好ましくは前記導電性材料は、蒸着法、ス
パッタ法、及びＣＶＤ法のいずれかを用いて半導体基板
に形成されたものであり、前記導電性材料の表面をよう
素で被覆する前処理は、前記導電性材料の形成に引き続
き、前記蒸着法、スパッタ法及びＣＶＤ法のいずれかに
用いたチャンバー内を引き続き真空状態として、前記導
電性材料の表面を大気開放することなく、よう素を蒸着
するものであることを特徴とする。

【００１８】また好ましくは前記よう素を被覆する前処
理は、大気開放により前記導電性材料の表面に生じた表
面酸化物をエッチング液に浸漬除去した後、この表面酸
化物が除去された導電性材料の表面を再び大気開放する
ことなく、前記エッチング液をよう素を含む薬液に置換
するものであることを特徴とするまた好ましくは前記よ
う素を含む薬液は、モル濃度が１μＭ乃至１ＭのＫＩ溶
液及びＨＩ溶液のいずれかであり、前記電気メッキに用
いるメッキ液は、ＣｕＳＯ₄ 溶液及びＡｇＣｌＯ₄ 溶液
のいずれかであることを特徴とする。

【００１９】このように導電性材料の表面をあらかじめ
よう素で被覆する前処理を行えば、その上に成長する金
属膜の成長表面を平坦化し、半導体基板に形成された凹
部への高純度でかつ緻密な金属膜の埋め込みを行うこと
ができる。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に溝部を形成し、
溝部の内部表面と絶縁膜の上部表面とをバリヤメタルで
被覆し、このバリヤメタルの表面をシードメタルでさら
に被覆し、前記シードメタルの表面をよう素で被覆する
前処理の後、シードメタルを陰極として電気メッキする
ことにより、シードメタルに積層して溝部を埋め込む金
属膜を形成し、溝部の外に堆積したバリヤメタルとシー
ドメタルと金属膜とを除去することを特徴とする。

【００２１】このようにして半導体基板上に形成された
絶縁膜に埋め込まれた金属配線を形成することができ
る。ここでシードメタルは電気メッキの際、金属膜成長
の生長核となるものであり、あらかじめ前記金属膜と同
一材料のシードメタルをバリヤメタル上に薄く堆積する
ことにより、前記金属膜のメッキを良好に行うことがで
きる。なおバリヤメタルは前記金属膜の相互拡散を防止
し、耐熱性を高めるものである。

【００２２】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板上に絶縁膜を介してバリヤメタルを形成し、このバ
リヤメタルの表面をシードメタルでさらに被覆し、この
シードメタルの表面にレジスト膜を形成し、レジスト膜
にシードメタルに達する溝状の開口部を形成して、開口
部の底面に前記シードメタルの表面を露出する。少なく
ともシードメタルの表面をよう素で被覆する前処理の
後、シードメタルを陰極として電気メッキすることによ
り、開口部の底面に露出したシードメタルに積層して前
記開口部を埋め込む金属膜を形成し、開口部の外に堆積
したシードメタルと金属膜とを除去し、レジスト膜とこ
のレジスト膜の下部に残留したバリヤメタルをさらに除
去することを特徴とする。このとき前記よう素の被覆は
レジスト膜の表面や開口部の側面に及んでもとくに問題
はない。

【００２３】このようにして半導体基板上に形成された
絶縁膜上に金属配線や、例えばＭＯＳトランジスタの低
抵抗なゲート電極を形成することができる。また前記バ
リヤメタルは、半導体基板に直接形成されたものであっ
てもよい。このようにすればＭＥＳＦＥＴのゲート電極
やバイポーラトランジスタのエミッタ、ベース電極、半
絶縁性の化合物半導体基板上に直接形成された、第１層
の微細配線等を形成することができる。

【００２４】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板上に第１の絶縁膜を介して第１の金属膜をパターン
形成し、第１の金属膜がパターン形成された半導体基板
上に第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜を貫通して前
記第１の金属膜に達するコンタクトホールを形成し、コ
ンタクトホールの内部と前記第２の絶縁膜の上部表面と
をバリヤメタルで被覆し、このバリヤメタルの表面をシ
ードメタルでさらに被覆し、シードメタルの表面をよう
素で被覆する前処理の後、前記シードメタルを陰極とし
て電気メッキすることにより、シードメタルに積層して
コンタクトホールを埋め込む第２の金属膜を形成し、溝
部の外に堆積したバリヤメタルとシードメタルと第２の
金属膜とを除去し、前記コンタクトホールの上部に露出
した第２の金属膜上に第３の金属膜をパターン形成する
ことを特徴とする。

【００２５】このようにして半導体基板上に絶縁膜を介
して形成された多層配線間を接続するコンタクトホール
に金属プラグを埋め込むことができる。またこのとき前
記第１の金属膜を半導体基板上に直接パターン形成すれ
ば、半導体基板上に形成された素子の電極と多層配線間
を接続するコンタクトホールの金属プラグを形成するこ
とができる。

【００２６】好ましくは前記シードメタルと金属膜は、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｌのいずれかであり、また前記バ
リヤメタルはＷ、ＷＳｉＮ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｚ
ｒ、ＺｒＮ、Ｔａ、ＴａＮのいずれかであることを特徴
とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１に基づき、本発明の第
１の実施の形態に係るメッキ金属埋め込み配線の形成方
法について説明する。

【００２８】例えばシリコンからなる半導体基板１の上
に、ＣＶＤ法を用いて埋め込み配線の下地となるＳｉＯ
₂ 膜２を形成し、プラズマＣＶＤ法により埋め込み配線
に用いる厚さ１μｍのプラズマＳｉＯ₂ 膜３を形成す
る。プラズマＳｉＯ₂ 膜３の上にレジスト膜４を形成
し、通常のフォトリソグラフィー法を用いて、埋め込み
配線の形成領域に所定のパターンを開口する。引き続き
前記レジスト膜４に形成された配線パターンをマスクと
して、図１（ａ）に示すように、通常のＲＩＥ法により
埋め込み配線の形状を定める深さ０．８μｍの配線溝５
を形成した。

【００２９】Ｏ₂ プラズマアッシング法により、ＲＩＥ
のマスクとして用いた前記レジスト膜４を除去した後、
スパッタ法を用いて前記配線溝５の内部を含むプラズマ
ＳｉＯ₂ 膜の全表面に厚さ０．１μｍのＷ膜からなるバ
リヤメタル６を形成した。さらにＣｕメッキを行う前
に、蒸着法、スパッタ法、またはＣＶＤ法を用いてメッ
キ成長の核となるシードメタル（図示せず）として、厚
さ数十ｎｍ程度のＣｕの薄膜を前記バリヤメタル６の上
に堆積した。

【００３０】さらにＣｕメッキの前処理として、次の第
１、第２の方法を用いて前記シードメタル上によう素被
着層を形成した。第１の方法は、前記シードメタルとな
るＣｕの薄膜を堆積した後、前記堆積に用いた蒸着、ス
パッタ、またはＣＶＤチャンバーを引き続き真空状態に
して、前記シードメタル上に厚さ数原子層の、よう素を
蒸着するものである。

【００３１】第２の方法は、前記シードメタルとなるＣ
ｕの薄膜を堆積した後、半導体基板１を大気開放し、大
気との反応により生じたシードメタルの表面酸化物層
を、１％のＨＦ溶液または希硫酸からなるエッチング液
に約３０秒浸漬し除去する。引き続き、前記エッチング
により表面酸化物層が除去されたシードメタルの表面が
大気に触れないように、前記エッチング液をモル濃度が
１ｍＭのＫＩ溶液又はＨＩ溶液に置換し、シードメタル
の表面に厚さ数原子層の、よう素被着層を形成する。こ
こに前記ＫＩ溶液とＨＩ溶液による前処理可能なモル濃
度の範囲は、１μＭ乃至１Ｍである。

【００３２】上記第１、第２の方法を用いてシードメタ
ルに、よう素被着装を被覆した後はよう素被着層が疎水
場を形成し、パッシベーション膜として作用するので、
上記の工程を経た半導体基板を大気中に開放しても、次
に行われるメッキ工程には何等悪影響を生じることはな
い。

【００３３】次に例えばモル濃度５ｍＭのＣｕＳＯ₄ か
らなる、よう素を含有しないメッキ液と通常のメッキ条
件を用いて、図１（ｂ）に示すように厚さ１．０μｍの
Ｃｕからなる金属膜７を配線材料として形成した。

【００３４】次に図１（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法に
より配線溝５以外に存在するＣｕからなる金属膜７を除
去し所定のパターンを有する金属埋め込み配線を形成し
た。本第１の実施の形態において、下地絶縁膜としてプ
ラズマＳｉ０₂ 膜、配線金属材料としてスパッタしたＷ
膜からなるバリヤメタル上にメッキ法で形成したＣｕ膜
を用い、さらによう素被着層の形成に蒸着法、またはよ
う素を含む薬液に浸漬する方法を用いた。

【００３５】ここにスパッタＷからなるバリヤメタル
は、本第１の実施の形態に示す構造では、プラズマＳｉ
Ｏ₂ 膜３との密着性を高める役割を果たしている。これ
を電極として直接Ｃｕメッキを行うことも不可能ではな
いが、上記したようにＷの上にさらにメッキ成長の核と
して、あらかじめスパッタ法等により密着性に優れたＣ
ｕからなるシードメタルを形成すれば、メッキ成長した
金属膜７の品質が向上しプラズマＳｉＯ₂ 膜３と金属膜
７との密着性をさらに高めることができる。

【００３６】また、Ｃｕメッキ液としてＣｕＳＯ₄ 溶
液、不要配線材料の除去法としてＣＭＰ法をそれぞれ用
いたが、例えばＣｕＳＯ₄ 溶液の替わりに５ｍＭのＡｇ
ＣｌＯ₄ 溶液を用いて、Ａｇのメッキ配線を形成する
等、絶縁膜、配線材料、薬液、前処理法、不要配線材除
去法等につき他の材料や方法を用いることも可能であ
る。また下地絶縁膜に形成された配線溝の深さや、被着
した配線金属材料の膜厚、薬液の濃度等も、必ずしも本
第１の実施の形態に示した値でなくてもよい。

【００３７】ここで図２を用いてＣｕメッキを行う前
に、よう素含有薬液による前処理を行う効果についての
べ、その化学的根拠を明らかにする。図２（ａ）におい
て、６はメッキ金属を堆積する負側電極となるＣｕのシ
ードメタルで被覆されたバリヤメタルであり、８はよう
素含有薬液（ＫＩまたはＨＩ溶液）に短時間浸漬するこ
とにより、前記負側電極表面に隙間なく被着した厚さ１
原子層乃至数原子層のよう素被着層である。７ａはメッ
キ液中のＣｕイオン、９は前記Ｃｕイオン（カチオン）
とイオン結合している硫酸基からなるアニオンまたは配
位結合しているキレート剤である。

【００３８】図２（ａ）に示すように、よう素原子層を
被着した負側電極上において、前記よう素原子が酸化
（ＩＯ₃ ^- に変化してメッキ液に溶出する）されずにそ
のまま吸着状態を維持する特定領域の電位を前記電極に
付与して、メッキ液中に含まれるＣｕイオンの電界析出
（電気メッキ）を行えば、前記電極表面を覆うよう素原
子８とＣｕイオン７ａとの間に強い相互作用が存在する
ため、Ｃｕイオン７ａはアニオン９から分離して１乃至
数原子層のよう素被着層８を通り抜ける。

【００３９】さらに具体的に説明すれば次の通りであ
る。、メッキ液のｐＨが０の場合、電極の電位が＋１．
１９５Ｖ以上では次の反応を生じ、前記よう素原子が酸
化しＩＯ₃ ^- となってメッキ液に溶出する。

【００４０】

【数１】

【００４１】しかしこの電位以下では上記の反応を生じ
ることはないので、上記したようによう素被着層を維持
したままＣｕイオンの電解析出を行うためには、メッキ
液のｐＨが０の場合メッキ電極の電位は１．１９５Ｖ以
下としなければならない。

【００４２】このとき図２（ｂ）に示すように、Ｃｕイ
オン７ａに比べてよう素との相互作用が小さい硫酸基ま
たはキレート剤からなるアニオン９は、よう素被着層８
を通り抜けることができないので、矢印に示すようにメ
ッキ液中に取り残され、よう素被着層８を通過したＣｕ
イオン７ａのみが、負側電極であるバリヤメタル６を被
覆するＣｕシードメタルとよう素被着層８との間に析出
し、Ｃｕからなる金属膜７の析出反応が進行する。

【００４３】このようにして、Ｗ膜からなるバリヤメタ
ル６を被覆するＣｕシードメタルの上には高純度のＣｕ
が欠陥を生じることなく析出し、前記シードメタル上の
Ｃｕからなる金属膜７の表面には常によう素被着層８が
存在し続けることになる。

【００４４】さきに従来の光沢剤の作用について説明し
たように、Ｃｕメッキ面の表面に吸着したよう素被着層
８は、メッキ面に垂直方向の成長を抑制し、メッキ面に
沿ったＣｕからなる金属膜７の成長を促進する。したが
って、よう素被着層８の存在によりメッキ面の平滑性は
いちじるしく向上する。また、前記よう素被着層８は常
に金属膜７の表面上にあるので、よう素が不純物として
前記金属膜７の中に取り込まれることはない。

【００４５】よう素被着層の作用は次のように要約され
る。よう素よりもＣｕに対する相互作用が小さいメッキ
液中のアニオン等の不純物に対して、最上層に存在する
よう素被着層が障壁として作用し、前記アニオン等が排
除され、メッキ後のＣｕの純度が向上する。また上記の
作用が加わることにより、メッキ液中のイオン拡散の不
均一性に基づくＣｕ析出速度のイオン濃度依存性が緩和
され、Ｃｕ中の空洞の発生が抑制される。

【００４６】このほかメッキ後、或いはメッキ中の処理
としてアノ一ド溶解を行う場合、メッキ後のよう素の被
覆率（表面に吸着されたよう素原子数／配線材料の表面
原子数）が一定値以上であればよう素による疎水場を形
成し、この疎水場の形成により水酸化物イオンの金属膜
表面への侵入が阻止される。このため析出したＣｕ金属
膜表面での酸化反応が抑制され、溶解反応のみを選択的
に行うことができるようになり、メッキ金属Ｃｕ表面の
凸部が溶解して表面段差の低減を図ることができる。

【００４７】ここにアノード溶解とは、メッキに用いた
電極に印加する電圧の極性を反転することにより、メッ
キにより陰極（本実施の形態ではバリヤメタルを被覆す
るシードメタル）上に析出したＣｕからなる金属膜をメ
ッキ液中に再度溶出させる操作であって、例えば析出面
の凸部においてメッキ金属原子の配位数が小さいため選
択的に溶解が進み、前記金属膜表面の平坦性を改善する
ことができる。

【００４８】またよう素による疎水場の形成のため、メ
ッキ前の大気開放時におけるシードメタルの酸化や、メ
ッキ後の大気放置下におけるメッキ金属の腐食反応が抑
制される効果がある。

【００４９】なお以上にのべた、よう素含有薬液にメッ
キ電極を短時間浸漬する前処理の効果は、ＣｕＳＯ₄ 溶
液を用いたＣｕメッキのみならず、ＡｇＣｌＯ₄ 溶液を
用いたＡｇメッキについてもほぼ同様に生じことを確認
している。このほかメッキ可能なＰｄ、Ａｌについても
良好な結果が得られる。

【００５０】次に図３に基づき本発明の第２の実施の形
態について説明する。例えばシリコンからなる半導体基
板１の上に、ＣＶＤ法を用いて埋め込み配線の下地とな
るＳｉＯ₂ 膜２を形成する。通常の蒸着法又はスパッタ
法とフォトリソグラフィー法を用いて、Ｃｕからなる第
１層の金属配線を形成し、所定の位置に前記第１層配線
と上層の配線とを接続するＣｕからなるコンタクトパッ
ド１０を形成する。

【００５１】次に１層配線と２層配線の層間絶縁膜とし
て、前記コンタクトパッド１０を含む第１層配線上に厚
さ１μｍのプラズマＳｉＯ₂ 膜３を形成する。このとき
第１層配線によりプラズマＳｉＯ₂ 膜３の表面に生じた
凹凸は、通常のＣＭＰ法、又はエッチバック法を用いて
平坦化する。

【００５２】プラズマＳｉＯ₂ 膜３の上にレジスト膜
（図示せず）を形成し、通常のフォトリソグラフィー法
を用いて、前記コンタクトパッド１０の上の所定位置に
コンタクトホールのパターンを開口する。引き続き前記
レジスト膜に形成されたコンタクトホールのパターンを
マスクとして、通常のＲＩＥ法により平坦化されたプラ
ズマＳｉＯ₂ 膜３を貫通して前記コンタクトパッド１０
に達するコンタクトホールを形成した。

【００５３】Ｏ₂ プラズマアッシング法により、ＲＩＥ
のマスクとして用いた前記レジスト膜を除去した後、図
３に示すように、前記コンタクトホールの内部を含むプ
ラズマＳｉＯ₂ 膜の全表面に、厚さ０．１μｍのＷ膜か
らなるバリヤメタル６をスパッタ法を用いて形成し、こ
れを厚さ数十ｎｍのＣｕのシードメタル（図示せず）で
さらに被覆した。

【００５４】第１の実施の形態にのべた第１、第２の方
法を用いて、前記シードメタルの全表面によう素被着層
を形成した後、例えばモル濃度５ｍＭのＣｕＳＯ₄ から
なるよう素を含まないメッキ液を用いて、前記コンタク
トホールを埋め込むプラグとして厚さ１．０μｍのＣｕ
からなる金属膜７を形成した。

【００５５】次に再度ＣＭＰ法によりコンタクトホール
の外に存在するＷからなるバリヤメタル６、及びＣｕか
らなるシードメタルと金属膜７を除去し、プラズマＳｉ
Ｏ₂膜の表面に露出した金属膜膜７からなるプラグ上
に、Ｃｕからなる第２層配線のコンタクトパッド１１を
通常の蒸着法又はスパッタ法と、フォトリソグラフィー
法とを用いて形成し、絶縁膜２の上の第１層配線と第２
層配線を接続するコンタクト用のプラグを完成した。

【００５６】第２の実施の形態において、Ｗからなるバ
リヤメタル６は、第１の実施の形態でのべたと同様プラ
ズマＳｉＯ₂ ３膜との密着性を高める効果があるが、こ
こではさらに、コンタクトパッド１０とコンタクトプラ
グ７との間の金属材料の相互拡散を防止し、配線の耐熱
性と信頼性を向上する役割を果たしている。Ｗからなる
バリヤメタル６をそのままメッキ電極として用いること
もできるが、シードメタルをさらに被覆することによ
り、メッキにより成長した金属膜７の品質が向上し密着
性もさらに高められる。

【００５７】また本第２の実施の形態において、第１層
及び第２層配線とそのコンタクトパッド１０、１１をＣ
ｕで形成する場合について説明したが、例えばＡｌ等の
他の金属を用いることもできる。また第１層及び第２層
配線とそのコンタクトパッド１０、１１がメッキ法によ
り形成可能であることは、前記第１の実施の形態を参照
すれば明らかである。

【００５８】さらに第２の実施の形態の変形例として、
下層のコンタクトパッドの上に上層のメッキ配線の配線
溝を形成する際、この上層の配線溝の底にあらかじめ前
記下層のコンタクトパッドと接続するコンタクトホール
を開口し、このコンタクトホールを含む前記配線溝をバ
リアメタルとシードメタルで被覆し、メッキ法により上
層配線、及び上層配線と下層配線とを接続するコンタク
トプラグとを、一回のメッキ工程で形成することも可能
である。このように複雑な立体構造を有する半導体基板
上の凹部に対して確実に金属を埋め込むことは、他の方
法ではいちじるしく困難である。

【００５９】また第２の実施の形態において、コンタク
トパッド１０は絶縁膜２の上に形成したが、図４に示す
ように、これを半導体基板１に形成された素子と配線と
を接続するためのオーミック電極として、下地拡散層１
ａの上に直接形成することもできる。このとき下地拡散
層１ａとコンタクトパッド１０との間には、半導体基板
１との相互拡散を防止するため、ＴｉＳｉ、ＴｉＳｉ
Ｎ、ＴｉＮ等のバリヤメタルを介在させる。

【００６０】次に図５、図６に基づき、本発明の第３の
実施の形態に係る金属配線の形成方法について説明す
る。図５（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体
基板１の上にプラズマＳｉＯ₂ からなる絶縁膜２を形成
し、この絶縁膜２の上に通常のスパッタ法を用いて厚さ
０．１μｍのＷからなるバリヤメタル６とＡｇからなる
シードメタル（図示せず）を形成し、表面に厚さ０．８
μｍのレジスト膜１２を被覆した後、通常のフォトリソ
グラフィーを用いて前記レジスト膜１２を貫通しシード
メタル６に達する配線溝１３を形成した。

【００６１】第１の実施の形態にのべた第１、第２の方
法を用いて、少なくとも前記Ａｇシードメタルの表面に
よう素被着層（図示せず）を形成した後、例えばモル濃
度が５ｍＭのＡｇＣｌＯ₄ 溶液等のよう素を含有しない
メッキ液を用い、バリヤメタル６を陰極として通常のメ
ッキ法により、図５（ｂ）に示すように、Ａｇからなる
厚さ１．０μｍの金属膜７を形成した。

【００６２】次に図５（ｃ）に示すように、通常の研磨
法により配線溝１３の外に形成された金属膜７を除去
し、通常のＲＩＥ法を用いてレジスト膜１２を除去す
る。さらにイオンミリング法を用いてＷからなるバリヤ
メタル６とシードメタルを除去することにより、図６に
示すようにＡｇからなる金属配線を絶縁膜２を介して半
導体基板１の上に形成することができた。

【００６３】なお第３の実施の形態において、金属膜７
からなる配線を絶縁膜２の上に形成したが、図７に示す
ように、半導体基板１の上に直接バリヤメタル６、及び
シードメタルと金属膜７からなる微細配線、または微細
な電極を形成することもできる。

【００６４】図６に示すメッキ金属配線からなる構造
は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された第１層配
線として用いられるばかりでなく、シリコンＭＯＳＦＥ
Ｔまたは化合物半導体基板に形成されたＭＩＳＦＥＴの
ゲート電極として用いることができる。このときメッキ
法により、ゲート長に対してゲートの高さが大きいゲー
ト電極の断面形状とすれば、ゲート抵抗を大幅に低減す
ることができるので高性能の素子が得られる。

【００６５】半導体基板上に直接形成された図７に示す
メッキ金属配線は、サファイア等の絶縁性の基板、また
は半絶縁性ＧａＡｓ等の化合物半導体基板上の第１層配
線として用いられるばかりでなく、低抵抗なＭＥＳＦＥ
Ｔのゲート電極または低抵抗なバイポーラトランジスタ
のエミッタ、ベース電極として用いることができる。

【００６６】なお第３の実施の形態において、バリヤメ
タルはメッキ配線の金属膜を絶縁膜上に形成する場合に
は密着性の改善に役立ち、半導体基板上に直接形成する
場合には半導体と前記金属膜との相互拡散の防止に役立
つ。またＭＥＳＦＥＴのゲート電極とする場合には、半
導体基板上のチャネル層との間に良好なショットキー障
壁を形成することができる。

【００６７】本第３の実施の形態において、配線金属材
料としてスパッタＷ膜上のシードメタル及びメッキ配線
の金属膜としてＡｇを、第２の方法でよう素被着層を形
成する際の薬液としてＫＩを、金属膜のメッキとしてＡ
ｇＣｌＯ₄ を、不要配線材除去に通常の研磨法をそれぞ
れ用いたが、他の配線材、薬液、前処理法、不要配線材
除去法を用いることも可能である。またレジスト膜の厚
さや、被着した金属膜の膜厚、薬液の濃度等について
も、必ずしも本第３の実施の形態に示した値でなくても
よい。

【００６８】なお本発明は上記の実施の形態に限定され
ることはない。前記第１乃至第３の実施の形態におい
て、メッキやシードメタルの材料として主成分がＣｕ、
Ａｇ、Ｐｄ、Ａｌからなる金属を用いることができる。
またバリヤメタルの材料としてとしてＷの他にＷＳｉ
Ｎ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｔａ、Ｔａ
Ｎを用いることができる。その他本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々に変形して実施することができる。

【００６９】

【発明の効果】上述したように、メッキ法により半導体
基板上に形成された凹部に金属膜を埋め込む方法を用い
て、断面積の大きい耐熱性に優れた電力用半導体装置の
配線や、半導体装置の微細配線、微細電極等を形成する
際、陰極の表面にあらかじめよう素被着層を設けること
により、凹部に埋め込まれた金属の純度と緻密性をいち
じるしく向上することができる。またこの方法を用いれ
ば、凹部に埋め込まれた金属中に空洞部を発生する問題
が完全に回避される。

【００７０】前記よう素被着層を設けたメッキを行った
後、または前記メッキ中の処理としてアノード溶解を行
えば、メッキ金属表面の凸部が選択的に溶出するので、
表面段差のばらつきが抑制される。またメッキ後よう素
の被覆率が一定量以上であれば疎水場を形成し、大気放
置下による腐食反応が抑制される。このように、陰極と
なるシードメタルの表面にあらかじめよう素被着層を設
けることにより、歩留まりと信頼性の高いメッキ金属埋
め込み法による半導体装置の配線や電極を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る埋め込み金属
配線の工程断面図。

【図２】本発明のよう素被着膜の作用を示す断面図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る埋め込み金属
配線の工程断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る埋め込み金属
配線の変形例の工程断面図。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る金属配線の工
程断面図。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る金属配線の断
面図。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係る金属配線の変
形例の断面図。

【図８】従来の埋め込み金属配線の問題点を示す工程断
面図。

【符号の説明】

１…半導体基板１ａ…拡散層２、３…絶縁膜４、１２…レジスト膜５、１３…配線溝６…バリヤメタル６ａ…金属電極膜７…金属膜８…よう素被着層９…アニオン１０…第１層のコンタクトパッド１１…第２層のコンタクトパッド１４…埋め込み金属中の空洞

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性材料の表面上に電気メッキにより
金属膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法にお
いて、導電性材料の表面をあらかじめよう素で被覆する前処理
を行った後、電気メッキにより前記導電性材料表面上に
金属膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項２】前記導電性材料は、蒸着法、スパッタ
法、及びＣＶＤ法のいずれかを用いて半導体基板に形成
されたものであり、前記導電性材料の表面をよう素で被
覆する前処理は、前記蒸着法、スパッタ法、及びＣＶＤ
法のいずれかに用いたチャンバーを、前記導電性材料の
形成に引き続き真空状態として、よう素を蒸着するもの
であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項３】前記導電性材料は、蒸着法、スパッタ
法、及びＣＶＤ法のいずれかを用いて半導体基板に形成
されたものであり、前記導電性材料の表面をよう素で被
覆する前処理は、大気開放により前記導電性材料の表面
に生じた表面酸化物をエッチング液に浸漬除去した後、
この表面酸化物が除去された導電性材料の表面を大気開
放することなく、前記エッチング液をよう素を含む薬液
に置換するものであることを特徴とする請求項１記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記よう素を含む薬液は、モル濃度が１
μＭ乃至１ＭのＫＩ溶液及びＨＩ溶液のいずれかである
ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項５】前記電気メッキに用いるメッキ液は、Ｃ
ｕＳＯ₄ 溶液及びＡｇＣｌＯ₄ 溶液のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に溝部を形成し、前記溝部の内部表面と前記絶縁膜の上部表面とをバリヤ
メタルで被覆し、このバリヤメタルの表面をシードメタルでさらに被覆
し、前記シードメタルの表面をよう素で被覆する前処理の
後、前記シードメタルを陰極として電気メッキすること
により、前記シードメタルに積層して溝部を埋め込む金
属膜を形成し、前記溝部の外に堆積したバリヤメタルとシードメタルと
金属膜とを除去することを特徴とする半導体装置の製造
方法。
【請求項７】半導体基板上に絶縁膜を介してバリヤメ
タルを形成し、このバリヤメタルの表面をシードメタルで被覆し、前記バリヤメタルの表面にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に、前記シードメタルに達する溝状の開
口部を形成して前記開口部の底面に前記シードメタルの
表面を露出し、少なくとも前記シードメタルの表面をよう素で被覆する
前処理の後、前記シードメタルを陰極として電気メッキ
することにより、前記開口部の底面に露出した前記シー
ドメタルに積層して前記開口部を埋め込む金属膜を形成
し、前記開口部の外に堆積した前記金属膜を除去し、前記レジスト膜及びこのレジスト膜の下部に残留した前
記バリヤメタルとシードメタルとをさらに除去すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記バリヤメタルは、前記半導体基板に
直接形成されたものであることを特徴とする請求項７記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】半導体基板上に第１の絶縁膜を介して第
１の金属膜をパターン形成し、前記第１の金属膜がパターン形成された半導体基板上
に、第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜を貫通して前記第１の金属膜に達する
コンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールの内部と前記第２の絶縁膜の上部
表面とをバリヤメタルで被覆し、前記バリヤメタルの表面をシードメタルでさらに被覆
し、前記シードメタルの表面をよう素で被覆する前処理の
後、前記シードメタルを陰極として電気メッキすること
により、前記シードメタルに積層して前記コンタクトホ
ールを埋め込む第２の金属膜を形成し、前記溝部の外に堆積した前記バリヤメタルと前記シード
メタルと前記第２の金属膜とを除去し、前記コンタクトホールの上部に露出した前記第２の金属
膜上に第３の金属膜をパターン形成することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記第１の金属膜は、前記半導体基板
に直接パターン形成されたものであることを特徴とする
請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】請求項１記載の導電性材料と金属膜、
請求項６、７、８のいずれか１つに記載のシードメタル
と金属膜、及び請求項９、１０に記載のシードメタルと
第２の金属膜は、主成分がそれぞれＣｕ、Ａｇ、Ｐｄ、
Ａｌのいずれか１つからなることを特徴とする半導体装
置の製造方法。
【請求項１２】請求項６乃至１０のいずれか１つに記
載のバリヤメタルはＷ、ＷＳｉＮ、ＷＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ
Ｗ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｔａ、ＴａＮのいずれか１つである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。