JP2008192684A

JP2008192684A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2008192684A
Application number: JP2007022896A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Morinaga; 泰規森永; Hideo Nakagawa; 秀夫中川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: JP5127251B2; US20080188076A1; US8486832B2

Abstract

【課題】抵抗が小さく信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを備えた半導体装置を提供することにある。
【解決手段】基板上に形成された層間絶縁膜４に溝部１０を形成した後、溝部１０の内壁を含む層間絶縁膜３上にバリアシード膜６を形成し、バリアシード膜６を電極として、電解メッキ法により溝部１０内に銅７を埋め込む。バリアシード膜６は、絶縁体または半導体の特性を有する高融点金属の酸化物または窒化物からなる単層の膜であって、該膜に銅以外の低抵抗金属が含有されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線またはプラグに銅を用いた半導体装置の製造方法に関する。

近年のＣＭＯＳの微細化に伴い、配線の微細化による配線抵抗の増大が著しい。配線抵抗の増加による配線の遅延時間の遅れがＬＳＩの性能低下につながることから、配線の低抵抗化が急務とされている。配線材料をＡｌからＣｕに変えることによって、配線抵抗の大幅な低減を図ることができるが、Ｃu固有の解決すべき課題（例えば、Ｃｕの拡散、絶縁膜との密着性、Ｃｕの成膜技術等）も多く、信頼性のあるＣｕ配線やＣｕプラグを実現することは容易ではない。

図２（ａ）〜（ｄ）は、従来のＣｕ配線の形成方法を示した工程断面図である。図２（ａ）に示すように、基板（または絶縁膜）１００上に形成された層間絶縁膜１０１に溝部１１０を開口し、溝部１１０の内壁を含む層間絶縁膜１０１上に、例えば、ＴｉＮ膜からなるバリア膜１０２を形成する。このバリア膜１０２は、Ｃｕの拡散を防ぐとともに、Ｃｕの密着性を上げる役目をもつ。なお、バリア膜１０２の密着性を高めるために、通常、バリア膜１０２の膜質の改善を図るプラズマ処理が行われる。

次に、図２（ｂ）に示すように、バリア膜１０２上に、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いてＣｕシード膜１０３を形成した後、図２（ｃ）に示すように、Ｃｕシード膜１０３を電極として、電解メッキにより、溝部１１０内に配線材料であるＣｕ１０４を埋め込む。そして、埋め込んだＣｕ１０４をアニールした後、図２（ｄ）に示すように、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて層間絶縁膜１０１上に形成されたＣｕ１０４を平坦化して、溝部１１０内にＣｕ１０４が埋め込まれた配線またはプラグを形成する。

しかしながら、従来の方法では、溝部１１０の開口幅やアスペクト比等によっては、溝部１１０内にＣｕ１０４の埋め込みが不十分となってボイドが発生する場合がある。これは、例えば、バリア膜１０２のプラズマ処理による改質の程度が、溝部１１０の側壁領域において不十分であると、ＰＶＤ法においてＣｕシード膜１０３が薄く形成される溝部１１０の側壁領域においてＣｕの凝集が生じ、その結果、Ｃｕの電解メッキ処理において溝部１１０の側壁領域におけるＣｕの電着量が少なくなってボイドが発生したものと考えられている。

特許文献１には、シード膜１０３に、Ａｌを添加したＣｕ（例えば、Ｃｕ−Ａｌ合金）を用いることによって、Ｃｕの凝集に起因するボイドの発生を抑制する方法が記載されている。これは、シード膜１０３に含まれるＡｌが、ＴｉＮからなるバリア膜１０２中のＴｉと反応して、Ａｌ_３Ｔｉの化合物が生成されることによって、バリア膜１０２とシード膜１０３との結合状態、ひいてはシード膜１０３の表面状態が変化したことにより、Ｃｕの凝集が緩和されたことによるものと考えられている。
特開２００４−１４６２６号公報

特許文献１に記載されたＡｌを添加したＣｕからなるシード膜１０３は、溝部１１０に埋め込まれるＣｕのボイド発生を抑制でき、信頼性を向上できる点で優れているが、配線またはプラグの構成として、Ｃｕ以外にバリア膜１０２とシード膜１０３とが加わるため、配線またはプラグの抵抗全体に対するバリア膜１０２やシード膜１０３自身の抵抗が無視できない。

しかしながら、バリア膜１０２やシード膜１０３を薄膜化することによって抵抗を下げようとすると、逆に、密着性の低下等、信頼性の低下を招いてしまうという問題がある。また、シード膜１０３にＡｌが含まれるため、Ｃｕ１０４を溝部１１０内に埋め込んだ後の熱処理工程において、シード膜１０３とＣｕ１０４との境界付近のＣｕ粒界にＡｌが析出し、その結果、配線抵抗が増加してしまうという問題もある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、抵抗が小さく信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを備えた半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明者等は、Ｃｕ配線またはＣｕプラグの形成において、バリア膜及びシード膜の機能を兼ね備えた単層の膜（以下、「バリアシード膜」という）が適用できれば、信頼性を損なうことなく、Ｃｕ配線またはＣｕプラグの抵抗を下げることができると考えた。

そこで、本願発明者等は、絶縁膜との密着性がよく、Ｃｕの拡散係数の小さい、高融点金属の酸化物または窒化物に着目した。通常、これらの酸化物または窒化物は絶縁性または半絶縁性（半導体性も含む）を示す材料であるが、これらの材料に、Ａｌ等の低抵抗金属をドープして導電性を与えることによって、バリア膜だけでなく、シード膜としての機能も備えた単層のバリアシード膜を得ることができると考え、本発明を想到するに至った。

すなわち、本発明に係わる半導体装置の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に溝部を形成する工程と、溝部の内壁を含む絶縁膜上にバリアシード膜を形成する工程と、バリアシード膜を電極として、電解メッキ法により溝部内に銅を埋め込む工程とを含み、バリアシード膜は、高融点金属の酸化物または窒化物からなる単層の膜であって、該膜に銅以外の低抵抗金属が含有されていることを特徴とする。

このような方法により、低抵抗金属を含有する高融点金属の酸化物または窒化物からなる単層の膜に、バリア膜及びシード膜としての機能を備えさせることによって、薄膜のバリアシード膜を形成することができ、低抵抗なＣｕ配線またはＣｕプラグを実現することができる。また、このような材料からなるバリアシード膜は、密着性にも優れることから、信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを実現することができる。

ここで、上記高融点金属の酸化物または窒化物は、II−VI族の化合物からなることが好ましい。II−VI族の化合物は、共有結合だけでなく、イオン結合性もあるため、低抵抗金属の固溶限を大きくすることができ、その結果、バリアシード膜の抵抗をさらに下げることができる。

本発明によれば、単層のバリアシード膜を用いることによって、低抵抗で信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを備えた半導体装置を実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態におけるＣｕ配線またはＣｕプラグを備えた半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。ここでは、デュアルダマシン配線を例に説明するが、それ以外の配線構造またはプラグ構造にも本発明の方法を適用し得る。

まず、図１（ａ）に示すように、表面に導電体２が埋め込まれた絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２膜）１上に、ライナー膜（例えば、ＳｉＣ膜）３、低誘電率の層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯＣ膜）４、及び親水性の酸化膜（例えば、ＴＥＯＳ膜）５を順次形成する。そして、通常のデュアルダマシン配線におけるエッチング技術を用いて、層間絶縁膜４に配線およびプラグ用の溝部１０を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、溝部１０の内壁を含む層間絶縁膜４上にバリアシード膜６を形成する。ここで、バリアシード膜６は、高融点金属の酸化物または窒化物からなる単層の膜であって、当該膜６に銅以外の低抵抗金属が含有されているものを使用する。高融点金属は、例えば、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ等を用いることができ、低抵抗金属は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

高融点金属の酸化物としては、例えば、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴａＯ_２、ＷＯ_２、Ｖ_２Ｏ_３、ＭｏＯ_２、ＭｎＯ_２、ＲｕＯ_２、ＯｓＯ_２、ＣｏＯ_２、ＲｈＯ_２、ＩｒＯ_２等が挙げられる。また、高融点金属の窒化物としては、例えば、ＺｒＮ_ｘ、ＨｆＮ_ｘ、ＮｂＮ_ｘ、ＷＮ_ｘ、ＶＮ_ｘ、ＭｏＮ_ｘ、ＭｎＮ_ｘ、ＲｕＮ_ｘ、ＯｓＮ_ｘ、ＣｏＮ_ｘ、ＲｈＮ_ｘ、ＩｒＮ_ｘ、（０＜ｘ＜１）等が挙げられる。なお、高融点金属の窒化物を用いた場合には、高融点金属の酸化物を用いた場合に比べて、界面近傍の層間絶縁膜４に対する酸化による改質の影響が少なくなるため、層間絶縁膜４のダメージによる比誘電率の上昇を抑制する点で好ましい。また、バリアシード膜６の低抵抗化を図るために、高融点金属は二つ以上の元素の組合せでもよく、また、酸化物と窒化物との混合物であっても良い。

バリアシード膜６の好適な例としては、Ａｌを含有するＺｎＯ膜が挙げられる。II−VI族の化合物であるＺｎＯ膜は、共有結合だけでなく、イオン結合性も有するため、Ａｌの固溶限を高くすることができ、バリアシード膜６の抵抗をより下げることができる。シード膜としての機能を発揮するためには、Ａｌの含有量を、０．１ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲にすることが好ましい。なお、ＺｎＯに限らず、他のII−VI族の化合物を用いても同様の効果を奏することができる。

また、バリアシード膜６の形成には、例えば、ＰＶＤ法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いることができる。また、バリアシード膜６の膜厚としては、例えば、２〜１５ｎｍ程度が好適である。

次に、図１（ｃ）に示すように、バリアシード膜６を電極として、電解メッキ法により溝部１０内に銅（Ｃｕ）７を埋め込む。このとき、層間絶縁膜４上の平坦な領域におけるＣｕ７の膜厚は６００ｎｍ程度である。

その後、Ｃｕ７を４００℃、３０分程度アニールしてＣｕ７を改質した後、図１（ｄ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜４上に形成されたＣｕ７を平坦化して、溝部１０内にＣｕ７が埋め込まれたデュアルダマシン配線を形成する。

本実施形態において、高融点金属の酸化物または窒化物に低抵抗金属を含有させて導電性を与えることによって、Ｃｕ７に対するバリア性に加えて、シード性を備えたバリアシード膜６を形成することができる。これにより、単層で、かつ層間絶縁膜４との密着性に優れたバリアシード膜６を用いることによって、低抵抗で信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを実現することができる。

（第１の実施形態の変形例）
本発明におけるバリアシード膜６は、Ａｌ等の低抵抗金属を含有しているため、Ｃｕ７を溝部１０内に埋め込んだ後の熱処理工程において、Ｃｕ７中にＡｌ等が拡散偏析して、Ｃｕ配線やＣｕプラグの抵抗が増加してしまうおそれがある。

通常、電解メッキにより溝部１０内に埋め込まれたＣｕ７の結晶粒径は、溝部１０の内壁近傍で小さく、溝部１０の内部では大きくなっている。また、Ｃｕ７中に拡散したＡｌ等はＣｕ７の結晶粒界に析出するが、Ｃｕの結晶粒径が大きいほど、Ｃｕの抵抗増加は小さいことが知られている。

そこで、本発明におけるバリアシード膜６に含有する低抵抗金属を、溝部１０内に埋め込まれたＣｕ７と接する境界近傍に高濃度に分布するようにする。こうすることで、拡散距離が濃度に依存するＦｉｃｋの第１法則により、Ｃｕ７中に熱拡散した低抵抗金属を溝部１０の内部まで拡散させることができる。これにより、Ｃｕ配線やＣｕプラグの抵抗増加を効果的に抑制することができる。

また、このような低抵抗金属の濃度分布をもたせたバリアシード膜６は、例えば、ＡＬＤ法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法等を用いて、低抵抗金属の供給量を制御することによって形成することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態におけるバリアシード膜６は、Ａｌ等の低抵抗金属を含有した高融点金属の酸化物または窒化物からなる。この場合、高融点金属の酸化物または窒化物としてII−VI族の化合物を用いた場合でも、低抵抗金属の固溶限は、３０ａｔ％程度である。

そこで、本実施形態においては、バリアシード膜６として低抵抗金属を含む合金を採用する。これにより、バリアシード膜６中の低抵抗金属の含有量をさらに増加させることができ、Ｆｉｃｋの第１法則により、Ｃｕ７中に熱拡散した低抵抗金属を溝部１０の内部まで拡散させることができ、Ｃｕ配線やＣｕプラグの抵抗増加をさらに抑制することができる。

また、合金の規則的構造により、合金内での低抵抗金属の拡散パスが確保されているため、バリアシード膜６において低抵抗金属に濃度勾配をもたす必要はない。ただ、低抵抗金属を含む合金からなるバリアシード膜６は、層間絶縁膜との密着性が低いため、層間絶縁膜４とバリアシード膜６との間に、例えばＴｉＮ膜等の密着層を設けることが必要である。

ここで、低抵抗金属を含む合金の好適な例としては、例えば、ＴｉＡｌ_２を挙げることができる。なお、低抵抗金属としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができるが、これらに限定されることはない。

また、低抵抗金属を含む合金にＣｕを含ませることによって、バリアシード膜６とＣｕ配線またはＣｕプラグとの間でＣｕの相互拡散を均衡させることができ、これによりバリアシード膜６のバリア性をさらに向上させることができる。このようなバリアシード膜６の好適な例としては、例えば、ＣｕＡｌＳｉ_２を挙げることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、本実施形態において、層間絶縁膜４とＣｕ７との間にはバリアシード膜６のみを形成していたが、層間絶縁膜４との密着性をさらに高める目的で、層間絶縁膜４とバリアシード膜６との間に、例えばＴｉＮ膜等の密着層を設けてもよい。

本発明は、低抵抗で信頼性の高いＣｕ配線またはＣｕプラグを備えた半導体装置に有用である。

本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。従来の埋め込みＣｕ配線の製造方法を示した工程断面図である。

符号の説明

１絶縁膜
２導電体
３ライナー膜
４層間絶縁膜
５酸化膜
６バリアシード膜
７Ｃｕ配線（Ｃｕプラグ）
１０溝部

Claims

基板上に形成された層間絶縁膜に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内壁を含む前記層間絶縁膜上にバリアシード膜を形成する工程と、
前記バリアシード膜を電極として、電解メッキ法により前記溝部内に銅を埋め込む工程とを含み、
前記バリアシード膜は、高融点金属の酸化物または窒化物からなる単層の膜であって、該膜に銅以外の低抵抗金属が含有されていることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
高融点金属の酸化物または窒化物は、絶縁性または半絶縁性を示す材料である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記高融点金属は、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒの何れかの少なくとも１つである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記低抵抗金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕの何れかである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記高融点金属の酸化物または窒化物は、II−VI族の化合物からなる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記低抵抗金属は、前記高融点金属の酸化物または窒化物に、０．１ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲で含有している、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記高融点金属の酸化物がＺｎＯであり、前記低抵抗金属がＡｌである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記バリアシード膜に含有される前記低抵抗金属は、前記バリアシード膜内において、前記溝部内に埋め込まれた銅と接する境界近傍に高濃度に分布している、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記溝部に埋め込まれた前記銅は、ビアまたは配線を構成している、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
基板上に形成された絶縁膜に溝部を形成する工程と、
前記溝部の内壁を含む前記絶縁膜上に密着層を介してバリアシード膜を形成する工程と、
前記バリアシード膜を電極として、電解メッキ法により前記溝部内に銅を埋め込む工程とを含み、
前記バリアシード膜は、低抵抗金属を含む合金からなることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
前記低抵抗金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕの何れかである、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
前記低抵抗金属を含む合金は、Ｃｕをさらに含んでいる、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
前記バリアシード膜は、ＴｉＡｌ_２からなる、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
前記バリアシード膜は、ＣｕＡｌＳｉ_２からなる、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。