(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記非晶質拡散防止膜上に銅膜を形成する段階と、を含んでなり、
前記拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つで形成され、
前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つであることを特徴とする半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項２】
前記拡散防止膜は、化学気相蒸着法で形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項３】
前記拡散防止膜は、１００〜１０００Åの厚さで形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項４】
前記不純物のイオン注入は２０〜１４０ＫｅＶの加速電圧と１０16〜１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 のドーズ量で遂行することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項５】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜を蝕刻して前記半導体基板を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
前記露出された半導体基板と層間絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記非晶質拡散防止膜上に銅膜を形成する段階と、を含んでなり、
前記拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つで形成され、
前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つであることを特徴とする半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項６】
前記拡散防止膜は、化学気相蒸着法で形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項７】
半導体基板上に第１銅膜を形成する段階と、
前記第１銅膜上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜を蝕刻して前記第１銅膜を露出させるブァイアホールを形成する段階と、
前記露出された第１銅膜と層間絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記非晶質拡散防止膜上に第２銅膜を形成する段階と、を含んでなり、
前記拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つで形成され、
前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つであることを特徴とする半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項８】
前記拡散防止膜は、化学気相蒸着法で形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項９】
半導体基板上に第１層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第１層間絶縁膜を蝕刻して前記半導体基板を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
前記露出された半導体基板及び第１層間絶縁膜上に第１拡散防止膜を形成する段階と、
前記第１拡散防止膜に不純物をイオン注入して第１非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記第１非晶質拡散防止膜上に第１銅膜を形成する段階と、
前記第１銅膜上に第２拡散防止膜を形成する段階と、
前記第２拡散防止膜上に不純物をイオン注入して第２非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記第２非晶質拡散防止膜の全面に第２層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第２層間絶縁膜及び第２非晶質拡散防止膜を蝕刻して前記第１銅膜を露出させるブァイアホールを形成する段階と、
前記ブァイアホールを形成した基板の全面に第３拡散防止膜を形成する段階と、
前記第３拡散防止膜上に不純物をイオン注入して第３非晶質拡散防止膜を形成する段階と、
前記第３非晶質拡散防止膜上に前記ブァイアホールを埋立し得るように第２銅膜を形成する段階と、を含んでなり、
前記第１ないし第３拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つで形成され、
前記第１ないし第３拡散防止膜にイオン注入する不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つであることを特徴とする半導体装置の銅金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記第１ないし第３拡散防止膜は、化学気相蒸着法で形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の銅金属配線形成方法。
【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、特に半導体装置の銅金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に半導体装置の金属配線方法は、半導体装置の作動速度、収率及び信頼性を決定する要因になるため、半導体製造工程中非常に重要な位置を占めている。従来集積度が低い半導体装置において、純粋アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）を使用して金属配線層を形成したが、アルミニウム層は焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）段階で温度が上がることによってシリコン基板からシリコン原子を吸収して接合スパイキング（ｓｐｉｋｉｎｇ）を発生するため、アルミニウムをシリコンで過飽和させたＡｌ−１％Ｓｉが金属配線層の材料で広く使われてきた。
【０００３】
しかし、このようなＡｌ−１％Ｓｉを使用して半導体装置の配線層を形成する場合、約４５０℃以上の温度で熱処理するとき配線層からシリコンが析出してシリコン残査を形成し、コンタクトホール（ｃｏｎｔａｃｔ  ｈｏｌｅ）ではシリコン粒子の固相エピタキシャル成長（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ）によりシリコンノジュール（Ｓｉ−ｎｏｄｕｌｅ）が形成され、金属配線層の抵抗も接触抵抗も増加させる。金属配線層とシリコン基板間の前記のような反応によるアルミニウムスパイキングやシリコン残査またはシリコンノジュールの形成を防止するため、金属配線層とシリコン基板、または絶縁層間に拡散防止膜、例えばＴｉＮ薄膜を形成することが公知になっている。
【０００４】
一方、半導体素子の面積の持続的な縮小により、従来のアルミニウム金属よりさらに低い比抵抗値を有する銅が次世代金属配線材料として注目されるようになてきた。
【０００５】
ところが、銅は拡散防止膜内の拡散速度がアルミニウムに比べて非常に大きく、既存のＴｉＮ膜では６００℃以上の温度で拡散防止力を喪失する。その原因はＴｉＮ薄膜は結晶粒子構造が円柱状構造（ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）なので、結晶粒界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）に沿って主に拡散する銅を効果的に遮断できないためである。また、ＴｉＮ薄膜はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方法により形成するため、輻射損失による薄膜の欠陥発生が高いだけでなく段差被覆性（ｓｔｅｐ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）が悪いという短所がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、段差被覆性が優秀で、結晶粒界を通じる銅の拡散を遮断し得る非晶質拡散防止膜を有する半導体装置の銅金属配線形成方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法は半導体基板上に層間絶縁膜（ｉｎｔｅｒ  ｌｅｖｅｌ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｌａｙｅｒ）及び拡散防止膜（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｆｉｌｍ）を順次に形成する。前記拡散防止膜はＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つを利用して形成する。続いて、前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成した後、前記非晶質拡散防止膜上に銅膜を形成する。前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つを利用する。こうすれば、前記銅膜の銅が非晶質拡散防止膜によって前記層間絶縁膜に拡散しなくなる。
【０００８】
また、本発明の他の例による半導体装置の銅金属配線形成方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成した後、蝕刻して前記半導体基板を露出させるコンタクトホールを形成する。続いて、前記露出した半導体基板と層間絶縁膜上に拡散防止膜を形成する。前記拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つを利用して形成する。次に、前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成する。前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つを利用する。続けて、前記非晶質拡散防止膜上に銅膜を形成する。こうすれば、前記銅膜の銅が非晶質拡散防止膜によって前記半導体基板へ拡散しなくなる。
【０００９】
また、本発明のまた他の例による半導体装置の銅金属配線形成方法は、半導体基板上に第１銅膜及び層間絶縁膜を順次に形成する。続いて、前記層間絶縁膜を蝕刻して前記第１銅膜を露出させるブァイアホール（ｖｉａ  ｈｏｌｅ）を形成した後、前記露出された第１銅膜と層間絶縁膜上に拡散防止膜を形成する。前記拡散防止膜は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つを利用して形成する。次に、前記拡散防止膜に不純物をイオン注入して非晶質拡散防止膜を形成した後、前記非晶質拡散防止膜上に第２銅膜を形成する。前記不純物は、ボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）中から選択された一つを利用する。
【００１０】
また、本発明のまた他の例による半導体装置の銅金属配線形成方法は、半導体基板上に第１層間絶縁膜を形成した後蝕刻し、前記半導体基板を露出させるコンタクトホールを形成する。続いて、前記露出した半導体基板及び第１層間絶縁膜上に第１拡散防止膜を形成した後、前記第１拡散防止膜に不純物をイオン注入し第１非晶質拡散防止膜を形成する。
【００１１】
次に、前記第１非晶質拡散防止膜上に第１銅膜及び第２拡散防止膜を順次に形成する。続いて、前記第２拡散防止膜上に不純物をイオン注入して第２非晶質拡散防止膜を形成する。続けて、前記第２非晶質拡散防止膜の全面に第２層間絶縁膜を形成した後、前記第２層間絶縁膜及び第２非晶質拡散防止膜を蝕刻し前記第１銅膜を露出させるブァイアホールを形成する。前記ブァイアホールを形成した基板の全面に第３拡散防止膜を形成した後、前記第３拡散防止膜上に不純物をイオン注入し、第３非晶質拡散防止膜を形成する。続いて、前記第３非晶質拡散防止膜上に前記ブァイアホールを埋立し得るように第２銅膜を形成する。
【００１２】
本発明の半導体装置の銅金属配線形成方法によれば、拡散防止膜を形成した後、拡散防止膜に不純物をイオン注入し、結晶構造を非晶質化させることによって結晶粒界を通じる銅の拡散を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明する。
図１に示すように、フィールド酸化膜３によって限定される半導体基板１の活性領域にゲート酸化膜５、ゲート電極７、スペーサ９、ソース／ドレーン領域１１及びキャッピング絶縁膜１３で構成されたトランジスターを形成する。このとき、フィールド絶縁膜３上にもゲート電極７及びキャッピング絶縁膜１３が形成される。続いて、トランジスターが形成された結果物全面に第１層間絶縁膜１５を形成する。
【００１４】
図２に示すように、写真蝕刻工程を利用して前記第１層間絶縁膜１５を蝕刻して半導体基板のソース／ドレーン領域１１の表面を露出させるコンタクトホール１６を有する第１層間絶縁膜パターン１５ａを形成する。このとき、フィールド絶縁膜３上に形成されたキャッピング絶縁膜１３も蝕刻され、ゲート電極７を露出させるコンタクトホール１６を形成する。
【００１５】
図３に示すように、前記コンタクトホール１６によって露出した半導体基板１の全面に第１拡散防止膜を、例えばＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ及びその組合中から選択された一つを利用して１００〜１０００Åの厚さで形成する。前記拡散防止膜は欠陥発生が少なく、ステップカバレージが優秀な化学気相蒸着法、例えば低圧化学気相蒸着法（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ化学気相蒸着法（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）で３００〜６００℃の温度で形成する。続いて、前記第１拡散防止膜に不純物、例えばボロン（Ｂ）、窒素（Ｎ）またはシリコンを加速電圧２０〜１４０ＫｅＶ、ドーズ量１０16〜１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 でイオン注入して第１非晶質拡散防止膜１７を形成する。このとき、前記イオン注入された不純物は半導体基板１と第１非晶質拡散防止膜１７の界面に位置する。したがって、前記第１非晶質拡散防止膜１７は、前記イオン注入によって結晶構造が非晶質化しているため、８００℃まで銅が結晶粒界を通じて前記ソース／ドレーン領域１１及びゲート電極７へ拡散することを防止する。また、前記第１非晶質拡散防止膜１７は、前記第１層間絶縁膜パターン１５ａと後工程の第１銅膜との反応を防止する。
【００１６】
図４に示すように、前記第１非晶質拡散防止膜１７が形成された基板１の全面に第１銅膜１９を形成する。前記第１銅膜１９は金属有機化学気相蒸着法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）で形成する。前記第１銅膜１９上に第２非晶質拡散防止膜２１を形成する。前記第２非晶質拡散防止膜２１は、前記第１非晶質拡散防止膜１７と同一方法で形成する。前記第２非晶質拡散防止膜２１は、後工程で形成される第２層間絶縁膜パターン２３と第１銅膜１９の反応を防止する。
【００１７】
図５に示すように、前記第２非晶質拡散防止膜２１、第１銅膜１９及び第１非晶質拡散防止膜１７を蝕刻して第２非晶質拡散防止膜パターン２１ａ、第１銅膜パターン１９ａ及び第１拡散防止膜パターン１７ａを形成する。
【００１８】
図６に示すように、前記第２非晶質拡散防止膜パターン２１ａ、第１銅膜パターン１９ａ及び第１拡散防止膜パターン１７ａが形成された基板１の全面に第２層間絶縁膜を形成する。続いて、前記第２層間絶縁膜及び第２非晶質拡散防止膜パターン２１ａを蝕刻して前記半導体基板１上に形成された第１銅膜パターン２１ａを露出させるブァイアホール２４を有する第２層間絶縁膜パターン２３を形成する。
【００１９】
図７に示すように、前記ブァイアホール２４を埋立するように基板の全面に第３非晶質拡散防止膜２５を形成する。前記第３非晶質拡散防止膜２５は前記第１非晶質拡散防止膜１７と同一方法で形成する。前記第３非晶質拡散防止膜２５は前記第１銅膜パターン２１ａと後工程で形成される第２銅膜２７との反応を防止する。続けて、前記第３非晶質拡散防止膜２５上に第２銅膜２７を形成する。前記第２銅膜２７は、前記第１銅膜１９と同一方法で形成する。続いて、前記第２銅膜２７上に第４非晶質拡散防止膜２９を形成する。前記第４非晶質拡散防止膜２９は前記第１非晶質拡散防止膜１７と同一方法で形成する。前記第４非晶質拡散防止膜２９は第２銅膜２７と後工程の保護膜３１との反応を防止する。
【００２０】
図８に示すように、前記第４非晶質拡散防止膜２９、第２銅膜２７、及び第３非晶質拡散防止膜２５を蝕刻して第４非晶質拡散防止膜パターン２９ａ、第２銅膜パターン２７ａ及び第３非晶質拡散防止膜パターン２５ａを形成する。続いて、結果物全面に保護膜３１を形成することによって本発明の半導体装置を完成する。
【００２１】
次に、本発明の非晶質拡散防止膜及び従来の拡散防止膜の拡散防止特性を調べてみた。
具体的に、本発明によってシリコン基板上に非晶質拡散防止膜及び銅膜を順次に形成した次に、３００〜６００℃で３０分ないし１２０分間熱処理した後、銅膜を除去した状態のシリコン表面と、従来技術によってシリコン基板上に拡散防止膜及び銅膜を順次に形成し、次に、３００〜６００℃で３０分ないし１２０分間熱処理した後、銅膜を除去した状態のシリコン表面を比較観察した。その結果、従来方法による試験片では、銅が拡散防止膜を開けシリコン基板に四角形もようの欠陥が現れた。これに反して、本発明の方法による試験片では、銅が非晶質拡散防止膜を開けることなく四角形の欠陥も発生しないことが確かめられた。
【００２２】
【発明の効果】
前述したように本発明の半導体装置の銅金属配線形成方法によれば、欠陥が少なくて段差被覆性が優秀な化学気相蒸着法で拡散防止膜を形成した後、拡散防止膜に不純物、例えば窒素、シリコンまたはボロンをイオン注入して結晶構造を非晶質化させることによって結晶粒界を通じる銅の拡散を防止できる。
【００２３】
以上、本発明を具体的に説明したが、本発明はこれに限定されなく、当業者の通常的な知識の範囲でその変形でも改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図２】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図３】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図４】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図５】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図６】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図７】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【図８】  本発明の一例による半導体装置の銅金属配線形成方法を示した断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、
１５…第１層間絶縁膜、
１７…第１非晶質拡散防止膜、
１９…第１銅膜。
【図１】
0003704427.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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