(57)【要約】【課題】ダマシン配線形成時に、シード膜を配線用溝の側壁に確実に形成する。【解決手段】下地絶縁膜１の上にプラズマシリコン窒化膜２、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３を形成する。プラズマＴＥＯＳ酸化膜３は、高周波電源および低周波電源を用いる２周波励起プラズマＣＶＤ装置により、膜密度が上部に行くほど小さくなるように形成される。配線用溝をＲＩＥ法により形成した後、ウェットエッチングで膜密度が小さい部分を速くエッチングすることでテーパ形状の配線用溝３ａを形成する。スパッタでバリアメタル膜４を形成する際に配線用溝３ａの側壁にも確実に形成でき、銅膜５のメッキをボイドなしに形成できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された下地絶縁膜上にダマシン配線を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記下地絶縁膜上に膜密度が下側で大きく且つ上側で小さくなるように配線用絶縁膜を形成する工程と、
前記配線用絶縁膜に配線用溝を異方性のドライエッチングで形成する工程と、
前記配線用溝の断面形状を上部側が開いた形状となるようにウェットエッチング処理をする工程と、
上部側が開いた断面形状とされた前記配線用溝の内面に沿ってバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜を形成した前記配線用溝内にめっきにより配線用導体を埋め込む工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線用絶縁膜を形成する工程では、低周波電源および高周波電源の２周波励起によるプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用い、前記低周波電源の出力を膜の成長と共に低下させるように変化させながら成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線用絶縁膜を形成する工程では、前記配線用絶縁膜としてプラズマＴＥＯＳ（tetra-ethoxy-silane）酸化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、
前記ウェットエッチングを行う工程では、ウェットエッチングの薬液として０．１０〜１０．０Ｗｔ％の範囲の濃度のフッ酸（ＨＦ）を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
下地絶縁膜と、
前記下地絶縁膜上に形成され、膜密度が下側で大きく且つ上側で小さくなるように形成された配線用絶縁膜と、
前記配線用絶縁膜に形成され、下側よりも上側で幅寸法が大きくなるように形成された配線用溝と、
前記配線用溝の内面に沿うように形成されたバリアメタル膜と、
前記配線用溝の内部に前記バリアメタル膜を介して埋め込まれた配線用導体とを備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダマシン配線を有する半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程における配線パターンの形成技術として、銅（Ｃｕ）を金属材料として用いたダマシン配線形成プロセスがある（例えば特許文献１参照）。ダマシン配線形成プロセスにおいては、配線形成部分の溝の加工後に、バリアメタルや銅シードをスパッタにて形成する際に、配線用溝内の側壁方向にも成膜が必要なため基板側にもバイアスパワーを印加して付いた膜をリスパッタしている。
【０００３】
しかしながら、設計ルールが３５ｎｍ以下の配線微細化に伴い、配線用溝内の側壁に膜成長が十分行われる前にリスパッタ膜が間口付近に成長してしまうため、側壁への銅シード膜の形成において膜厚不足が発生することがある。これに伴い、銅メッキ時に銅シード膜が膜厚不足の部分でメッキ膜が形成されずサイドボイドを引き起こし、埋め込み達成が困難となる恐れがある。
【０００４】
この解決手段として、ＲＩＥ（reactive ion etching）法による加工時に、配線用溝の側壁を斜めに加工出来れば、基板側へのバイアスパワー印加を少なくした状態で側壁への成膜が可能となるため埋め込み性を向上させることが可能である。しかし、ＲＩＥ法による加工で側壁を斜めに加工するためにはデポ物を付けながら加工する必要があり、設計ルールが３５ｎｍ以下ではデポ物を付けると配線用溝加工時の溝底にも付いてしまい、結果としてエッチングが途中でストップしてしまう。このため、ＲＩＥ法により配線用溝の側壁を斜めに加工することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１７６９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ダマシン形成用の配線用溝の側壁を傾斜させた状態に加工された半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板に形成された下地絶縁膜上にダマシン配線を形成する半導体装置の製造方法であって、前記下地絶縁膜上に膜密度が下側で大きく且つ上側で小さくなるように配線用絶縁膜を形成する工程と、前記配線用絶縁膜に配線用溝を異方性のドライエッチングで形成する工程と、前記配線用溝の断面形状を上部側が開いた形状となるようにウェットエッチング処理をする工程と、上部側が開いた断面形状とされた前記配線用溝の内面に沿ってバリアメタル膜を形成する工程と、前記バリアメタル膜を形成した前記配線用溝内にめっきにより配線用導体を埋め込む工程とを備えたところに特徴を有する。
【０００８】
本発明の半導体装置の一態様は、下地絶縁膜と、前記下地絶縁膜上に形成され、膜密度が下側で大きく且つ上側で小さくなるように形成された配線用絶縁膜と、前記配線用絶縁膜に形成され、下側よりも上側で幅寸法が大きくなるように形成された配線用溝と、前記配線用溝の内面に沿うように形成されたバリアメタル膜と、前記配線用溝の内部に前記バリアメタル膜を介して埋め込まれた配線用導体とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、ダマシン形成時の配線用溝の加工で、配線用溝内の側壁を傾斜させた状態に加工した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式的な断面図
【図２】２周波励起プラズマＣＶＤ装置の概略的なブロック構成図
【図３】製造工程の各段階で示す模式的な断面図（その１）
【図４】製造工程の各段階で示す模式的な断面図（その２）
【図５】（ａ）低周波電源の出力と膜密度の関係を示す図、（ｂ）膜密度とウェットエッチング速度の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図１ないし図５を参照しながら説明する。尚、以下に参照する図面内の記載において、同一または類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１２】
図１はダマシン技術を用いて形成した配線部の断面構成を示す図である。この図１において、下地絶縁膜としてプラズマＴＥＯＳ（tetra-ethoxy-silane）酸化膜１がシリコン基板などの半導体基板上に形成されている。半導体基板にはメモリセルトランジスタや周辺回路部のトランジスタなどの半導体素子が作りこまれた状態とされており、プラズマＴＥＯＳ酸化膜１には図示はしていないが必要な部分にビアプラグあるいはコンタクトプラグが埋め込み形成されている。プラズマＴＥＯＳ酸化膜１上に形成するダマシン配線は、下層に設けられている半導体素子間を接続する配線、あるいは下層の配線層から接続されたビアプラグとの間の接続を行って配線をする部分などに適用されている。
【００１３】
プラズマＴＥＯＳ酸化膜１上に、溝加工時のストッパとして機能するプラズマシリコン窒化膜（Ｐ−ＳｉＮ）２が形成され、さらにその上面に配線用絶縁膜としてのプラズマＴＥＯＳ酸化膜３が積層形成されている。プラズマＴＥＯＳ酸化膜３は、プラズマシリコン窒化膜２に接する下側では膜密度が大きく、上面側では膜密度が小さくなるように形成されている。これは、後述する２周波励起プラズマＣＶＤ装置により形成される。また、膜密度が膜厚方向で変化するように形成されていることから、これに関連した物理的特性として誘電率も下側が大きく、上側が小さくなる特性を有している。
【００１４】
プラズマＴＥＯＳ酸化膜３およびプラズマシリコン窒化膜２には配線用溝３ａ、２ａが形成されている。この場合、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３に形成される配線用溝３ａは、下側の開口幅に比べて上側の開口幅が広くなるように形成されており、いわゆるテーパ形状とされている。また、プラズマシリコン窒化膜２の配線用溝２ａは、上側から下側に至るまで略同じ幅寸法で形成されている。
配線用溝３ａ、２ａ内には内面に沿ってバリアメタル膜４が薄い膜厚で形成され、その内側すなわち配線用溝３ａ、２ａ内を埋め込むように配線用導体として銅（Ｃｕ）膜５が形成されている。
【００１５】
上記構成では、配線用溝３ａの断面形状は上側の部分において開いた形状に形成されているので、後述するように製造工程上で利点があるとともに、構成上においては、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の誘電率が上部において小さくなるので、隣接する配線用導体としての銅膜５との間の配線結合容量を低減する効果がある。また、配線用溝３ａが上記したようにテーパ形状に形成されることから、銅膜５による配線抵抗を低減する効果もある。
【００１６】
次に、上記構成の製造工程について図２〜図５も参照して説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、図示しない半導体基板等の上部に下地絶縁膜としてプラズマＴＥＯＳ酸化膜１を形成する。このプラズマＴＥＯＳ酸化膜１には、図示はしないが、ダマシン配線に接続するためのコンタクトプラグあるいはビアプラグなどが形成され、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法により研磨されることで配線位置に対応して上面に露出した状態とされている。
【００１７】
プラズマＴＥＯＳ酸化膜１の上面に、ダマシン配線加工時のＲＩＥ法によるエッチング加工でのストッパ膜として機能するプラズマシリコン窒化膜２を積層形成する。さらに、このプラズマシリコン窒化膜２の上面にプラズマＴＥＯＳ酸化膜３を積層形成する。このプラズマＴＥＯＳ酸化膜３は、前述したように、膜密度が下側で大きく形成され上面にいくにしたがって徐々に小さくなるように形成されている。換言すれば、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３は、膜密度が下面部から徐々に小さくなるように変化させて形成される。
【００１８】
このプラズマＴＥＯＳ酸化膜３を形成する工程について図２を参照して説明する。図２は、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３を形成する際に使用する２周波励起プラズマＣＶＤ装置１０の概略構成を示している。反応容器はメタルチャンバー部（反応室）１１より構成されており、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）により流量を制御された原料ガスが原料ガス導入部１１ａからメタルチャンバー１１内に導入され、ガス分散板を兼ねたＲＦ電極１２を通して均一に分散して供給されるようになっている。原料ガスは、例えばモノシラン（ＳｉＨ4）ガス、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）ガス、窒素（Ｎ2）ガス、アンモニア（ＮＨ3）ガスなどである。
【００１９】
ＲＦ電極１２は、高周波電源１３および低周波電源１４からマッチング回路１５を介して給電される。高周波電源１３は、１０〜３０ＭＨｚの範囲の高周波出力を供給するもので、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波出力を供給する。低周波電源１４は、３００〜５００ｋＨｚの範囲の低周波出力を供給するもので、好ましくは３５０〜４５０ｋＨｚの範囲の低周波出力を供給するものである。また、低周波電源１４の低周波出力を、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の成膜中に変化させて供給する制御が可能に構成されている。高周波電源１３および低周波電源１４の各出力はマッチング回路１５にてマッチングされた状態でＲＦ電極１２に供給される。
【００２０】
高周波電源１３および低周波電源１４から給電すると、容量結合によりメタルチャンバー部１１内の空間に電力が供給されてプラズマが発生する。アースに接続された基板設置用電極１６はサセプタとしてシリコン基板Ｗを保持することが可能に構成されており、リフト機構が付随していることにより上部のＲＦ電極１２とシリコン基板Ｗとの間の距離を制御することができる。また、基板設置用電極１６は、内部にヒータが設けられており、上部に載置したシリコン基板Ｗを成膜時に必要な温度に加熱することができる。
また、メタルチャンバー部１１にはドライポンプ１７が接続されており、内部空間を真空状態に保持することができ、メタルチャンバーへの接続部１１ｂへの経路に設けたスロットルバルブ１８により圧力制御を行うことができるように構成されている。
【００２１】
上記のように構成された２周波励起プラズマＣＶＤ装置１０により、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の成膜を行う。この場合、低周波電源１４の出力は、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の成膜開始時点から徐々に低下させる制御を行って供給する。２周波励起によるプラズマＴＥＯＳ酸化膜３の形成では、低周波電源１４の出力を低下させて成膜すると、形成される膜の膜密度が低下することがわかっている。例えば図５（ａ）に示すように、低周波電源１４の出力（Ｗ）と膜密度（ｇ／ｃｍ3）の関係は比例関係にあることが確認されている。一方、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３のウェットエッチングの速度（線形の任意目盛）は、図５（ｂ）に示すように、膜密度が小さくなると大きくなることが確認されている。
【００２２】
したがって、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３を、その膜密度を変化させるべく低周波電源１４の出力を低下させながら形成するので、ウェットエッチング処理に対して、膜の厚さ方向で上側ほどエッチング速度が速くなる特性を有したものを形成できる。
【００２３】
さて、以上のようにしてプラズマＴＥＯＳ酸化膜３を形成した後、続いて、その上面に側壁転写加工プロセスで用いる芯材としてプラズマシリコン窒化膜４を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、アモルファスシリコン膜からなる転写パターン７を形成する。まず、プラズマシリコン窒化膜４をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、形成されたパターンをスリミング処理でより狭い幅のパターンとなるように加工をして芯材パターンを形成する。続いて、芯材パターンを覆うようにマスク材となるアモルファスシリコン膜を所定膜厚で成膜し、これをスペーサ加工することでダマシン配線パターンに対応した転写パターン７を形成する。この後、芯材パターンを選択的に除去することで図３（ｂ）に示す転写パターン７を得る。この場合、転写パターン７は、芯材パターンを挟んだ側の面７ａと挟んでいない側の面７ｂとでは非対称の形状に形成されている。
【００２４】
続いて、図３（ｃ）に示すように、転写パターン７をマスクとして用いてＲＩＥ法によるエッチングを行い、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３をプラズマシリコン窒化膜２の上面に達するまで選択的にエッチング加工して配線用溝３ｂを形成する。この場合、ＲＩＥ法によるエッチングでは、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の配線用溝３ｂはほぼ垂直の側壁となるように加工されている。この後、エッチングに用いた転写パターン７のアモルファスシリコンは、コリン薬液にてウェットエッチング処理により除去する。
【００２５】
次に、図４（ｄ）に示すように、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の配線用溝３ｂをウェットエッチングによりテーパ状をなす配線用溝３ａに加工する。このウェットエッチング処理では、前述のように、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の膜密度が下側から上側に向かって徐々に小さくなるように調整されているので、膜密度の小さい上側ではエッチング速度が速く、膜密度の大きい下側ではエッチング速度が遅くなる原理を利用して、図示のようなテーパ形状の配線用溝３ａの形状を得ることができる。このウェットエッチング処理は、例えば、０．１〜１０Ｗｔ％の範囲の濃度の希フッ酸（ＨＦ）を用いることができる。また、好ましくは０．１〜０．３Ｗｔ％の範囲の濃度の希フッ酸を用いることで、エッチングの制御性を向上させることができる。なお、ウェットエッチング処理は等方的に進行することに起因し、配線用溝３ａの両肩部に凹状部３ｃが形成される。
【００２６】
この後、図４（ｅ）に示すように、再びＲＩＥ法によるエッチング加工を行い、プラズマシリコン窒化膜２をエッチング処理して下地絶縁膜のプラズマＴＥＯＳ酸化膜１を露出させることで配線用溝３ａにつながる配線用溝２ａを形成する。この配線用溝２ａはほぼ垂直にエッチングされている。
【００２７】
次に、図４（ｆ）に示すように、銅膜５に対するバリアメタル膜４を配線用溝３ａ、２ａ内を覆うようにスパッタにより形成する。バリアメタル膜４は銅膜５の形成時のシードとしても機能するものである。バリアメタル膜４形成のスパッタを行う際には、配線用溝３ａ内の側壁方向にも成膜をするため基板側にもバイアスパワーを印加して付いた膜をリスパッタしており、この場合に、配線用溝３ａがテーパ状に上部が開いた形状をしているので、配線用溝３ａ内の側壁に膜成長を十分行わせることができる。これにより、リスパッタ膜が配線用溝３ａの間口付近に成長しても内部の側壁へのバリアメタル膜４の形成を阻害するのを抑制でき、側壁部の膜厚不足を解消することができる。
【００２８】
この後、図４（ｇ）に示すように、銅シード膜としてのバリアメタル膜４を用いてメッキ処理を行い、銅メッキ膜５ａを形成する。このとき、上述のように、バリアメタル膜４が配線用溝３ａ、２ａ内に確実に形成されているので、銅メッキ膜５ａがサイドボイドなどを伴うことなく配線用溝３ａ、２ａ内に確実に充填した状態に形成できる。
【００２９】
次に、図１に示すように、上記のように形成した銅メッキ膜５ａをＣＭＰ法による研磨を行って配線用溝３ａ、２ａ内に残る程度となるまで平坦化すると共に除去する。このとき、プラズマＴＥＯＳ酸化膜３の上部も研磨により除去するので、ウェットエッチング処理時に形成された配線用溝３ａの肩部の凹状部３ｃも除去される。これにより、配線用導体としての銅膜５がダマシン配線パターンで形成される。
【００３０】
このような本実施形態によれば、２周波励起プラズマＣＶＤ装置１０を用いて、配線用絶縁膜としてのプラズマＴＥＯＳ酸化膜３を、下側で膜密度が大きく、上側で膜密度が小さくなるように途中の膜密度を徐々に変化させる構成としたので、ＲＩＥ法によるエッチング加工で配線用溝３ｂを形成した後、希フッ酸にてウェットエッチングを行うことで、上側が開いたテーパ状をなす配線用溝３ａを形成することができる。これによって、スパッタでバリアメタル膜４を形成する際に、配線用溝３ａの側壁部に確実に形成することができ、メッキ時にサイドボイドの発生を抑制して銅メッキ膜５ａを形成することができ、配線不良の発生を抑制して良好な銅膜５をダマシン配線として形成することができる。
【００３１】
また、テーパ形状をなす銅膜５を形成できるので、配線抵抗を低減した構成とすることができ、この場合でも、配線間に位置するプラズマＴＥＯＳ酸化膜３が上部において膜密度が低い状態すなわち誘電率が低い状態となっているので、配線間の容量結合を抑制する効果も得ることができる。
【００３２】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
配線用絶縁膜としてのプラズマＴＥＯＳ酸化膜３の形成では、低周波電源１４の出力を徐々に小さくする制御で膜密度が連続的に小さく変化するようにしたが、これに限らず、膜密度が段階的に変化するように形成しても良い。例えば、複数段階に変化させて形成しても良いし、上側の開口近傍のみを膜密度が大きく低下するように形成することもできる。また、連続的に変化する変化の仕方も、直線的に変化するパターン以外に、上側でラッパ状に開く形状あるいはその反対の形状に形成することもできる。
【００３３】
ウェットエッチング処理でのエッチング薬液は、０．１〜１０Ｗｔ％の範囲の濃度の希フッ酸（ＨＦ）を用いることができ、その場合、濃度が低い条件で使用すればエッチングの制御性を高めることができ、濃度の高い条件で使用すればエッチング速度を高めて短時間で加工することができる。
【００３４】
ダマシン配線は銅膜５を用いたが、他の配線用導体を用いることもできる。また、配線用溝３ａ、２ａの内面に沿ってバリアメタル膜４をスパッタにより形成した後、さらにスパッタによりバリアメタル膜４の内面に沿って銅膜を形成し、これらバリアメタル膜４および銅膜をシードとして配線用溝３ａ、２ａ内を銅メッキ膜５ａで埋め込むようにしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１はプラズマＴＥＯＳ酸化膜（下地絶縁膜）、３はプラズマＴＥＯＳ酸化膜（配線用絶縁膜）、３ａは配線用溝、４はバリアメタル膜、５は銅膜（配線用導体）、１０は２周波励起プラズマＣＶＤ装置、１３は高周波電源、１４は低周波電源を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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