JPH06236879A - 半導体集積回路装置の配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ＣＶＤ技術を用いた半導体装置の
配線の形成方法に関するものであり、特に、基板上にCu
を選択的に堆積させるを提供することを目的とする。 【構成】 本発明は、半導体集積回路装置の配線の形成
方法において、配線を形成する所定の位置にPdの粒を堆
積させる工程と、ヘキサフルオロアセチルアセトンを供
給し、水素雰囲気中で化学気相成長法により所定の位置
にCu又はCu合金を堆積させて配線を形成することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
配線の形成方法に関するものであり、とくに、基板上に
Cuを選択的に堆積させる技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置は、ＬＳＩからＶＬＳ
Ｉへ、さらにはＵＬＳＩへとその集積度を向上させてお
り、これにともない配線の幅やコンタクトホールの径に
おける微細化が著しく進んでいる。このような技術開発
の進展において、半導体装置の配線としてCuやCu合金を
用いる技術（特開平２−１１９１４０等）が開示されて
いる。このようなCu配線を形成する方法としては、従来
のアルミニウム配線の製造工程と同様に、スパッタ法等
の物理気相合成法（ＰＶＤ法）によって基板全体に一様
な膜を形成し、その後パターニングして行う方法があ
る。しかし、CuはAlに比べ安定した元素なので、集積回
路の形成プロセス内で許容される温度内においては、揮
発性のハロゲン化合物を生成しにくい。このため、ドラ
イエッチングを用いてパターニングを行うことが困難と
なる。

【０００３】また、ＰＶＤ法は、乱雑に運動する原子を
基板に入射させて成膜するため、コンタクト孔の開孔部
近傍における膜の被着状態が不良となり、即ち、ステッ
プカバレージが悪くなって、極微細な孔の底部にまで原
子が到達することが難しく、このためコンタクトプラグ
が形成しにくくなる。

【０００４】従って、集積度の向上に伴う配線の微細
化、あるいはコンタクト孔等の径の微細化やアスペクト
比の増大により、ＰＶＤ法の適用は限界に達しつつ在
る。

【０００５】そこで、このような理由から、Cu配線を形
成する技術として化学気相成長法（以下、ＣＶＤ法とい
う）を用る技術（特開昭６４−１１９７５）が開示され
ている。一般的にＣＶＤ法は、ＰＶＤ法と異なり、膜を
堆積させるに当たっては、膜や下地表面（あるいは表面
の極近傍）における反応等によって決定されるため、下
地となる部材に膜の堆積が起こり、微細な部分への金属
の埋め込みも可能である点で評価されている技術であ
る。

【０００６】また、このＣＶＤ法の中でも原料として有
機銅化合物を用いる方法は、低温成膜ができるという点
で望ましい技術である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＣＶＤ
法によるCu配線の形成方法には次のような問題点があ
る。まず、第１には、選択性が悪いために、微細な配線
パターンを選択的に形成することが困難となり、ＣＶＤ
の特長を十分に生かすことができないという点である。
このためパターニングの必要も生じてくるが、前述した
通りCu膜は配線等へのパターニングが難しく、配線等が
微細になるほど困難となるので微細な配線形成が不可能
となり、近年の高集積化の要求に応ることが難しくな
る。また、この選択性が悪いことは、接続孔に接続プラ
グを形成する場合にも顕著に現れる。即ち、接続孔以外
の部分、例えば、絶縁膜の表面にも不必要にCu膜が成長
してしまうことがある。そして、第２には、成膜速度が
遅いため、生産効率が低いということである。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点を解決する
半導体装置に製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明に係る半導体集積回路装置の配線の形成方
法は、配線を形成する所定の位置にＶＩＩＩ族金属を堆
積させる工程と、有機銅化合物原料を供給し、水素雰囲
気中で化学気相成長法により所定の位置にCu又はCu合金
を堆積させて配線を形成することを特徴とする。

【００１０】また、配線はパターニングしたり、半導体
集積回路装置の絶縁膜に穿設された接続孔内に形成され
ることが望ましい。

【００１１】

【作用】上記の方法によれば、配線の形成を予定する所
定の位置には水素の解離触媒であるＶＩＩＩ族金属の膜
を形成するので、これらの金属によって解離した水素原
子の強い還元作用により、Cuの析出反応を速やかに進行
させるため、所定の位置にのみ選択的にCu又はCu合金を
堆積させることができる。

【００１２】また、ＶＩＩＩ族金属がCuの析出を援助す
るので、Cuの核が生成するまでの時間が著しく短縮され
る。

【００１３】さらに、Cu配線又はCu合金配線の中には不
純物が含まれないものが得られる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明のいくつか
の実施例について説明する。なお、図面の説明において
同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略す
る。

【００１５】図１のフローチャート、図２及び図３の各
製造工程を示す断面図に基づいて本発明の第１実施例に
係るＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、
図２（ａ）に示すように、ｎ⁺ 領域１１を有するp-Si基
板１０上に、SiＯ₂ の絶縁膜２０を形成する（ステップ
１０１）。この絶縁膜２０には、ゲートポリシリコン２
１が形成されている。

【００１６】なお、ｐｎ接合を形成するための不純物導
入方法やポリシリコン・ゲートを形成する方法等につい
ては省略した。

【００１７】次に、図２（ｂ）に示すように、p-Si基板
１０に形成されたｎ⁺ 領域１１上方の絶縁膜２０の部分
にドライエッチングによってコンタクト孔３０を形成
し、さらにコンタクト孔３０の内周面及び底面にTiＮ膜
３１を形成する（ステップ１０２）。具体的には、絶縁
膜２０の上にレジスト膜を形成し、露光、現像によりレ
ジストパターンを形成した後、フッ素系のガスを用いた
ＲＩＥによって絶縁膜２０のｎ⁺ 領域１１上に直径が
0.5μｍで、深さが１μｍのコンタクト孔３０を開孔す
る。このとき、コンタクト孔３０の底部には、p-Si基板
１０に形成されたｎ⁺ 領域１１の一部が露出している。
そして、Tiターゲットを用いて窒素を含む雰囲気中で反
応性スパッタを行うことによって 0.1μｍの膜厚のTiＮ
膜を形成し、さらにエッチングによって絶縁膜上に形成
したTiＮ膜を除去することでコンタクト孔３０の内周面
及び底面にのみTiＮ膜３１を形成する。

【００１８】次に、図２（ｃ）に示すように、前述した
ようなコンタクト孔３０及びTiＮ膜３１の形成されたp-
Si基板１０を、PdCl₂ が０．２g/l 、 HClが１ml及びHF
が２５０ml含まれた溶液に10秒間浸してコンタクト孔３
０の内周面及び底部のTiＮ膜３１上に、粒径が２００オ
ングストローム程度のPdの粒３２を複数析出させる（ス
テップ１０３）。なお、本実施例においては電極を用い
ることのない、いわゆる無電解メッキによって、コンタ
クト孔３０の内周面及び底部のTiＮ膜３１上にのみ選択
的にPdの粒３２を析出させることとした。

【００１９】しかし、Pdの粒３２を析出させる方法とし
ては本実施例のものに特に限定されるものではなく、電
界析出法等を用いてもよい。なお、本実施例では、TiＮ
膜３１をコンタクト孔３０の内周面及び底部に形成し、
Pdの粒３２をコンタクト孔内に析出させることとした
が、TiＮ膜３１をコンタクト孔３０の底部のみに形成
し、Pdの粒３２をコンタクト孔３０底部に析出させても
よい。

【００２０】次に、図２（ｄ）に示すように、純水で洗
浄した後に、ＣＶＤ法によってヘキサフルオロアセチル
アセトン銅（Cu(HFA）₂ ）を原料とした水素雰囲気中で
コンタクト孔３０内にのみ選択的にCuを堆積することに
よってコンタクトプラグ３３を形成する（ステップ１０
４）。

【００２１】このとき、コンタクトプラグ３３を形成す
るＣＶＤ装置としては、例えば、図４に示したようなＣ
ＶＤ装置を用いることとした。このＣＶＤ装置は、原料
供給系と、ＣＶＤ膜形成系とを備えている。原料供給系
は、水素タンク４１０を有しており、この水素タンク４
１０に接続されたパイプ４２０ａは二方向に分岐してい
る。このうち一方は、流量調節器４３０を介して直接反
応容器４４０へ接続され、もう一方は、流量調節装置４
３０ｂを介して、Cu(HFA）₂ の蓄えられた銅原料容器４
５０に接続されている。この銅原料容器４５０は、温度
を一定に保つために、恒温層４５１に浸されており、ま
た、パイプ４２０ｂを介して反応容器４４０に接続され
ているものである。図示したように各パイプの所定の位
置にはバルブ４６０ａ、４６０ｂ、４６０ｃ、４６０
ｄ、４６０ｅが設けられている。銅原料容器４５０に流
入した水素でバブリングされたCu(HFA）₂ が反応容器内
４４０に流入することになる。ＣＶＤ膜形成系は、反応
容器４４０と、この反応容器４４０内に設けられたサセ
プタ４４１と、反応容器４４０の外側に設けられた高周
波加熱装置４４２とを有しており、さらに、反応容器４
４０の排気側はパイプ４２０ｃを介して真空ポンプ４８
０に接続されている。サセプタ４４１に保持された基板
１０は、高周波で加熱されて、反応容器４４０内に流入
した水素でバブリングされたCu(HFA）₂ と反応し、これ
により、基板１０上の所定の位置に銅が堆積される。

【００２２】なお、このときのＣＶＤ法の条件は、全圧
760TORR、全水素流量５ＳＬＭ、Cu(HFA）₂ 分圧を 20m
TORR、析出温度 300℃で行った。なお、堆積に要した時
間は１０分間であった。有機銅化合物としては、Cu(HF
A）₂ 以外のものでもよく、例えば、ジピバロイルメタ
ネイト銅、トリエチルフォスフィン−シクロペンタジエ
ニル銅、トリメチルフォスフィン−シクロオクタジエニ
ル銅、ヘキサフルオロアセチルアセトネイト−ビニルト
リメチルシラン銅等を用いることができ、また、これ以
外であっても、他の基が配位したCu化合物であってもよ
いことはいうまでもない。このとき用いられるＣＶＤ法
としては、本実施例で示した常圧ＣＶＤ法に限らず、減
圧ＣＶＤ法でも、熱ＣＶＤ法でも、プラズマＣＶＤ法で
も、あるいは光ＣＶＤ法でもよい。

【００２３】なお、比較実験として、本実施例のPdの粒
３２を析出させていないものについて、ＣＶＤ法を用い
てコンタクト孔３０内にCuを堆積させた。このときのＣ
ＶＤ法の条件は、Cu(HFA）₂ を原料とした水素雰囲気中
で、析出温度 500℃、堆積に要する時間を１０分間とし
て行った。このときCuは、１μｍ堆積したが、コンタク
ト孔３０以外の部分（例えば、絶縁膜２０上等）にも、
粒状物として析出したため、選択性を保つことができな
かった。

【００２４】次に、図３（ａ）に示すように、絶縁膜２
０上にスパッタ法でPdを堆積させ、膜厚の一様なPd膜４
０を形成し、このPd膜４０を所定の配線パターンに加工
する（ステップ１０５）。このパターニングは、露光装
置を用いてレジストパターンを形成した後、反応性イオ
ンエッチングによってなされる。なお、このとき、本実
施例のようなスパッタ法ではなく、イオンビーム蒸着法
等のＰＶＤ法を用いても、膜厚の一様なPd膜４０を形成
することができる。しかし、半導体の集積度が高くな
り、デザインルールも小さくなるにつれて、ＰＶＤ法で
は、アスペクト比の大きなコンタクト孔３０や、トレン
チ部の底部への堆積が困難になることに留意しなければ
ならない。また、ＣＶＤ法を用いてPdの膜を形成しても
よい。このときも前述と同様に微細加工技術を用いてパ
ターニングを行う必要がある。

【００２５】次に、図３（ｂ）に示すように、上述した
ＣＶＤ法を用いて、所定の配線パターンに加工されたPd
膜４０上にCuを選択的に堆積させ、Cu配線５０を形成し
て半導体装置を製造する（ステップ１０６）。即ち、予
めPd膜４０を形成していた部分にはCuが選択的に堆積
し、他の部分にはCuは堆積しない。このような性質は、
Pdに限らず、少なくともＶＩＩＩ族金属に属するもの
（Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Os、Ir、Pt）については認めら
れる。このように、ＶＩＩＩ族金属の膜を用いることに
よってCuの選択性を高めることは、本発明者らの種々の
試行の結果見出されたものである。

【００２６】これは、ＶＩＩＩ族金属によって水素が解
離し、この水素原子の強い還元作用によってCuの析出反
応が速やかに進行するためであると考えられる。この結
果、ＶＩＩＩ族金属の膜を形成した部分のみにCuが析出
し、他の部分にはCuが析出しないと考えられる。

【００２７】また、ＶＩＩＩ族金属がCuの析出を援助す
るので、Cuの核が生成するまでの時間が著しく短縮され
る。このため、従来のようにCuを析出されるときのよう
な平均的な成膜速度よりも、本実施例における成膜速度
のほうが速くなる。

【００２８】本発明におけるCu配線５０の膜質が良いも
のであるか否かを判断するために次のような実験を行っ
た。まず、本発明に係るＭＯＳＦＥＴのコンタクトプラ
グ３３の断面をマイクロオージェ電子分光法により組成
分析した。この結果、コンタクトプラグ３３には、Cu以
外の元素については殆ど含まれていない、即ち、バック
グラウンドノイズ以下であることが分かった。次に、本
発明と比較するために、Pdの粒３２等を形成しないで、
Cu(HFA）₂ を原料とした水素雰囲気中で行うＣＶＤ法に
より形成したコンタクトプラグ３３についてもオージェ
電子分光法により組成分析した。この結果、Pdの粒３２
等を形成しなかったものは、Cuの他に、０．８％の炭素
と、０．５％の酸素が検出された。

【００２９】このようにして製造られたＭＯＳＦＥＴ
は、図３（ｂ）に示すように、ｎ⁺ 領域１１を有するp-
Si基板１０上には、絶縁膜２０が形成され、この絶縁膜
２０上にはCu膜からなるCu配線５０が形成されている。
絶縁膜２０にはコンタクト孔３０が穿設され、その内周
面及び底面にはTiＮ膜３１が形成されている。このコン
タクト孔３０にコンタクトプラグ３３が設けられてい
る。そして、絶縁膜２０の上のCu配線５０と、p-Si基板
１０のｎ⁺ 領域１１の一部とはTiＮ膜３１を介してコン
タクトプラグ３３によって電気的に接続されている。こ
のようにして製造された半導体装置は次のような特徴が
ある。

【００３０】即ち、現在、各種半導体装置の内部配線と
しては、一般的にAlやAl合金が用いられているが、一方
で、半導体装置の集積度を向上させるため、微細化によ
る高集積化が進む一方でその弊害として、配線の上下に
形成されている層間絶縁膜２０等との間に生ずる応力を
起因とするストレスマイグレーションによる配線の劣化
や切断、あるいはエレクトロマイグレーションによる通
電中の配線の劣化・切断が大きな問題となっている。

【００３１】これに対し、本発明では、半導体装置の内
部配線やコンタクト孔３０としてCuを用いているので、
これらの問題が起こりにくい。その理由は、第１に、Cu
はAlに比べて抵抗値が低いため、ジュール熱による温度
上昇が低いうえに伝搬遅延時間も短いこと、第２に、Cu
はAlに比べて高融点であるため、高温強度が高いこと、
第３に、CuはAlに比べて原子量が大きいため、エレクト
ロマイグレーションやストレスマイグレーションが発生
しにくいことがあげられている。上記実施例において
は、Pdの粒３２およびPd膜４０に関するものについて説
明したが、これ以外の形状として、島状、あるいは球状
のものであってもよい。粒状、島状もしくは球状のもの
については、平均の径が少なくとも１００オングストロ
ーム以上あることが望ましい。また、膜状のものについ
ては、膜厚が少なくとも５０オングストローム以上ある
ことが望ましい。

【００３２】なお、Pdの粒３２およびPd膜４０を堆積さ
せる位置は、本実施例のものに限らず、堆積させようと
するCu膜との関係から最も適した位置であればよい。ま
た、Pdが析出する被体積物は、各種導電性物質（例え
ば、Al、Cu、Ｗ、Mo、Ti、Ta等の金属やこれらの合金、
SiやGa等の半導体、更に、TiＮ、Tiシリサイド、GaAs等
の化合物等）であっても絶縁物（例えば、SiＯ₂ 、ＮＳ
Ｇ、ＢＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＳＯＧ、ポリイミド
等）であってもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、Cu配線の形成を予定する所定の位置にＶＩＩＩ
族金属の膜を形成するので、ＣＶＤ法を用いて所定の位
置に選択的にCuを堆積させることができる。また、ＣＶ
Ｄ法を用いることから、低温でCu配線を形成することが
である。

【００３４】また、本発明によれば、ＶＩＩＩ族金属が
Cuの析出を援助するので、Cuの核が生成するまでの時間
が著しく短縮される。このため、従来のようにCuを析出
されるときのような平均的な成膜速度よりも、本発明に
おける成膜速度のほうが速くなる。従って、成膜速度の
向上にともない生産効率も向上した。

【００３５】さらに、本発明によれば、Cuの膜には不純
物がほとんど含まれていないので、膜質の良いものが得
られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を
示すフーローチャートである。

【図２】本実施例に係る半導体装置の各製造工程を示す
断面図である。

【図３】本実施例に係る半導体装置の各製造工程を示す
断面図である。

【図４】本実施例に係る半導体装置を製造する際に用い
るＣＶＤ装置の概念図である。

【符号の説明】

１０…Si基板、２０…絶縁膜、３０…コンタクト孔、３
１…TiＮ膜、３２…Pdの粒、３３…コンタクトプラグ、
４０…Pd膜、５０…Cu配線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線を形成する所定の位置にＶＩＩＩ族
   金属を堆積させる工程と、 有機銅化合物原料を供給
   し、水素雰囲気中で化学気相成長法により前記所定の位
   置にCu又はCu合金を堆積させて前記配線を形成すること
   を特徴とする半導体集積回路装置の配線の形成方法。
2. 【請求項２】 前記配線はパターニングされていること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置の配
   線の形成方法。
3. 【請求項３】 前記配線は半導体集積回路装置の絶縁膜
   に穿設された接続孔内に形成されることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体集積回路装置の配線の形成方法。