(57)【要約】【課題】接続孔の開口部および配線溝上部におけるファセットの発生、肩落ちの発生を抑制して、配線信頼性の向上を可能とする。【解決手段】基板上にストッパ膜１５と絶縁膜１６とを形成し、絶縁膜１６に配線溝１７とその底部に接続孔１８とを形成し、接続孔１８底部を除く配線溝１７と接続孔１８との内面に第１バリア膜２１を形成し、さらに接続孔１８底部のストッパ膜１５を除去して接続孔１８を延長した後、少なくとも接続孔１８底部に第２バリア膜２２を形成し、この第２バリア膜２２と第１バリア膜２１とを介して配線材料２３を埋め込むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にストッパ膜と絶縁膜とを形成し、該絶縁膜に配線溝と該配線溝の底部に接続孔とを形成する工程と、
前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に第１バリア膜を形成する工程と、
前記接続孔底部の前記ストッパ膜を除去して前記接続孔を延長する工程と、
少なくとも前記接続孔の底部に第２バリア膜を形成する工程と、
前記配線溝および接続孔の内部に前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して配線材料を埋め込む工程と
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】
前記第１バリア膜は前記ストッパ膜を選択的にエッチングできる材料で形成されている
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】
前記第１バリア膜の形成工程と前記ストッパ膜の除去工程とを連続して行う
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】
前記第１バリア膜と前記第２バリア膜とを同一種の材料で形成する
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５】
前記第１バリア膜の形成工程と前記第１バリア膜の除去工程とを同一チャンバ内で行う
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６】
前記第１バリア膜の形成工程と前記第１バリア膜の除去工程と前記ストッパ膜の除去工程とを同一チャンバ内で行う
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７】
前記第１バリア膜の形成工程と前記第１バリア膜の除去工程と前記ストッパ膜の除去工程と前記第２バリア膜の形成工程とを同一チャンバ内で行う
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線溝とその底部に形成された接続孔とにバリア膜を形成した半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅（Ｃｕ）配線はアルミニウム（Ａｌ）系合金配線より低抵抗・低容量・高信頼性を与えることから、配線の寄生抵抗・寄生容量による回路遅延が支配的になる微細素子において重要性を増してきた。一般には銅はアルミニウム系合金配線と異なりドライエッチングが容易ではないため、いわゆるダマシンプロセスが広く受け入れられている。ダマシンプロセスとは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜などの層間絶縁膜に予め所定の溝を形成し、その溝に配線材料を埋め込み、その後余剰な配線材料を化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法などにより除去することで形成される配線形成プロセスである。さらに接続孔と配線溝を形成した後、一括して配線材料を埋め込み、余剰な配線材料を除去するデュアルダマシン法も工程数の削減、コストの削減に有効である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図８（１）に示すように、通常、銅（Ｃｕ）配線１１１上には、絶縁膜１２２に対するストッパ膜１２１として窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、炭化シリコン膜（ＳｉＣ）、窒化炭化シリコン膜（ＳｉＣＮ）のような酸素を含まない膜が用いられている。デュアルダマシン構造で配線を形成する際は、一般的に最後に接続孔１２３底部の上記ストッパ膜１２１を加工し、下層の銅配線１１１と導通をとるプロセスを用いる。
【０００４】
ここでのストッパ膜の加工は、図８（２）に示すように、通常、接続孔１２３が形成される絶縁膜１２２や銅配線１１１が形成される絶縁膜１１２上部のキャップ膜として用いる酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜や炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜に対して高選択比の加工が困難なため、接続孔１２３底部のストッパ膜１２１を除去する際に、接続孔１２３の開口部および配線溝１２４上部に肩落ち、ファセットが発生するといった問題が生じる。
【０００５】
この結果、ＬＳＩの設計ルールの微細化に伴い深刻化していく配線間のリークに対する余裕（マージン）が低下するといった問題に発展する。さらには、図９（３）に示すように、この接続孔１２３上部のファセット形状により、スパッタリングによって成膜されるバリアメタル膜１２５がオーバーハング形状となる。
【０００６】
そして、図９（４）に示すように、銅１２６の埋め込みを行うと、接続孔１２３内部にボイド１２７が形成されるといった問題が発生する。この結果、配線信頼性が急激に劣化するといった問題に発展する。
【０００７】
また、図１０（１）に示すように、接続孔１２３が形成される絶縁膜１３１上に配線溝１２４が形成される絶縁膜１３２が例えばポリアリールエーテル膜１３３および炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜１３４で形成され、その上部に窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜からなるハードマスク１３５が形成されている場合であっても、図１０（２）に示すように、接続孔１２３底部のストッパ膜１２１を除去する工程で、配線溝１２４の開口部および接続孔１２３の開口部に肩落ちやファセットが発生する。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１-０４５８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする問題点は、接続孔の開口部および配線溝上部における肩落ちが発生する点であり、また接続孔の開口部および配線上部においてファセットが発生する点である。
【００１０】
本発明は、接続孔の開口部および配線溝上部におけるファセットの発生、肩落ちの発生を抑制して、配線信頼性の向上を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にストッパ膜と絶縁膜とを形成し、該絶縁膜に配線溝と該配線溝の底部に接続孔とを形成する工程と、前記接続孔底部を除く前記配線溝と接続孔との内面に第１バリア膜を形成する工程と、前記接続孔底部の前記ストッパ膜を除去して前記接続孔を延長する工程と、少なくとも前記接続孔の底部に第２バリア膜を形成する工程と、前記配線溝および接続孔の内部に前記第１バリア膜および第２バリア膜を介して配線材料を埋め込む工程とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法では、接続孔底部を除く配線溝と接続孔との内面に第１バリア膜を形成してから、ストッパ膜に接続孔を延長するので、ストッパ膜の除去加工において第１バリア膜がマスクの作用をする。このため、ストッパ膜を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔開口部、配線溝開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ストッパ膜を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔開口部、配線溝開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を、図１〜図４の製造工程断面図によって説明する。
【００１５】
図１（１）に示すように、基体（図示せず）に形成された下地１１上に配線層絶縁膜１２が形成されている。この配線層絶縁膜１２は、例えば炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜で形成される。この配線層絶縁膜１２に、バリア膜１３を介して銅（Ｃｕ）からなる第１配線１４を形成する。ここでは第１配線１４は、その高さが１５０ｎｍとなるよう形成され、第１配線１４上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜１５を形成する。このストッパ膜１５は、例えば炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜を例えば３５ｎｍの厚さに成膜して形成され、後の工程において、エッチングストッパとしても機能する。続けて上記ストッパ層１５上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜１６を形成する。この絶縁膜１６は、例えば炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜で形成される。そして、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチングにより、絶縁膜１６に配線溝１７およびこの配線溝１７の底部に接続孔１８を形成して、いわゆるデュアルダマシン構造を得る。
【００１６】
次に、上記接続孔１８底部を除く上記配線溝１７と接続孔１８との内面に第１バリア膜を形成する方法の一例を以下に説明する。まず、図１（２）に示すように、配線溝１７と接続孔１８との内面に第１バリア膜２１を形成する。この第１バリア膜２１は、接続孔１８底部のストッパ膜１５を除去加工する際に、接続孔１８開口部および配線溝１７上部の肩落ちを防止する機能を有する。したがって、第１バリア膜２１は上記ストッパ膜１５を選択的にエッチングできる材料で形成されている。例えばタンタル（Ｔａ）を例えば４ｎｍの厚さに成膜して形成される。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用い、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。ここでの第１バリア膜２１の膜厚は、ファセット防止として用いるため２ｎｍ以上あれば十分である。また、次工程で選択的に接続孔１８底部の第１バリア膜２１のみを除去するために、１０ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００１７】
次に、図２（３）に示すように、接続孔１８底部のストッパ膜１５を選択的に除去（開口）して、接続孔１８を延長形成する。この方法としては、タンタルターゲットが設置された指向性のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、基板バイアスを６００Ｗに、ターゲットＤＣパワーを５ｋＷに設定し、雰囲気をアルゴン１００％とし、雰囲気の圧力を１３３ｍＰａとして、タンタル（Ｔａ）の成膜とエッチングがいわゆるベタ膜上でプラスマイナスゼロとなるように設定して所定時間の放電処理を施す。これにより、配線溝１７の上部、側壁部、底部、および接続孔１８上部、側壁部では第１バリア膜２１が残存した状態を維持しながら、アスペクト比が高い接続孔１８底部では、バイアスエッチングの成分が大きくなることにより、第１バリア膜２１が選択的に除去される。
【００１８】
次に、図２（４）に示すように、接続孔１８底部のストッパ膜１５をエッチング除去して開口し、接続孔１８を延長形成する。このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、例えば、エッチングガスとしてのオクタフルオロシクロペンテン（Ｃ5Ｆ8）、一酸化炭素（ＣＯ）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ2）を用い、ガス流量比をＣ5Ｆ5：ＣＯ：Ａｒ：Ｏ2＝１：１０：５：１とし、バイアスパワーを１６００Ｗ、基板温度を２０℃に設定する。このエッチング条件ではタンタルからなる第１バリア膜２１との選択比が５０以上得られるため、接続孔１８開口部および配線溝１７上部の肩落ちは抑制されつつ、ストッパ膜１５のみが開口した、良好なデュアルダマシン構造を形成することが可能となる。
【００１９】
次に、図３（５）に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、上記配線溝１７および接続孔１８の内面に、上記第１バリア膜２１を介して第２バリア膜２２を形成する。この第２バリア膜２２は、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜となるもので、例えばタンタル（Ｔａ）を例えば１０ｎｍの厚さに成膜して形成する。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。
【００２０】
次に、図３（６）に示すように、上記配線溝１７および接続孔１８の内部に、上記第１バリア膜２１および第２バリア膜２２を介して、銅もしくは銅を含む合金からなる配線材料２３を埋め込む。この配線材料の形成は、例えば、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはＣＶＤ法を用いる。上記電解めっき法を用いる場合、予め、上記配線溝１７および接続孔１８の内面に銅めっきのシードとなる層（図示せず）を形成しておく。上記第２バリア膜２２の成膜は上記配線溝１７および接続孔１８の内面にカバレッジ良く形成される必要がある。そのため、例えばその成膜には、好ましくは指向性スパッタリング法を用いるのが良く、例えばそのような成膜方法には、自己放電イオン化スパッタリング法、遠距離スパッタリング法などがある。また、第１バリア膜２１と第２バリア膜２２は、同一の材料を用いるのが、信頼性向上の観点から望ましい。
【００２１】
次いで、絶縁膜１６上の余剰な配線材料２３および第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を除去する。この除去加工には、例えば化学的機械研磨を用いる。この結果、配線溝１７に第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を介して配線材料２３からなる第２配線２４が形成され、接続孔１８の内部に第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を介して配線材料２３からなるプラグ２５が形成される。
【００２２】
次に、図４（７）に示すように、銅の拡散および酸化を防止する防止層２６を形成する。この防止層２６は、例えば、炭化シリコン窒化膜（ＳｉＣＮ）膜で形成する。
【００２３】
上記製造方法（第１実施例）によれば、ストッパ膜１５を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔１８開口部、配線溝１７開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料の埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。
【００２４】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を、図５〜図７の製造工程断面図によって説明する。
【００２５】
図５（１）に示すように、基体（図示せず）に形成された下地１１上に配線層絶縁膜１２が形成されている。この配線層絶縁膜１２は、例えば炭化シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）2で形成される。この配線層絶縁膜１２に、バリア膜１３を介して銅（Ｃｕ）からなる第１配線１４を形成する。ここでは第１配線１４は、その高さが１５０ｎｍとなるよう形成され、第１配線１４上に銅の拡散および酸化を防止するストッパ膜１５を形成する。このストッパ膜１５は、例えば炭化シリコン窒化膜（ＳｉＣＮ）４を例えば３５ｎｍの厚さに成膜して形成され、後の工程において、エッチングストッパとしても機能する。続けて上記ストッパ層１５上に配線溝および接続孔を形成するための絶縁膜１６を形成する。この絶縁膜１６は、例えば炭化シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）５で形成される。そして、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチングにより、絶縁膜１６に配線溝１７およびこの配線溝１７の底部に接続孔１８を形成して、いわゆるデュアルダマシン構造を得る。
【００２６】
次に、上記接続孔１８底部を除く上記配線溝１７と接続孔１８との内面に第１バリア膜を形成するとともに、ストッパ膜１５を除去する方法の一例を以下に説明する。まず、図５（２）に示すように、配線溝１７と接続孔１８との内面に第１バリア膜２１を形成する。この第１バリア膜２１は、接続孔１８底部のストッパ膜１５を除去加工する際に、接続孔１８開口部および配線溝１７上部の肩落ちを防止する機能を有する。したがって、第１バリア膜２１は上記ストッパ膜１５を選択的にエッチングできる材料で形成されている。例えばタンタル（Ｔａ）を例えば４ｎｍの厚さに成膜して形成される。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用い、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。ここでの第１バリア膜２１の膜厚は、ファセット防止として用いるため２ｎｍ以上あれば十分である。また、次工程で選択的に接続孔１８底部の第１バリア膜２１のみを除去するために、８ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００２７】
次に、図６（３）に示すように、接続孔１８底部の第１バリア膜を選択的に除去（開口）して、連続して、接続孔１８底部の上記ストッパ膜１５を除去して、接続孔１８を延長形成する。この方法としては、タンタルターゲットが設置された指向性のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、基板バイアスを１０００Ｗに、ターゲットＤＣパワーを５ｋＷに設定し、雰囲気をアルゴン１００％とし、雰囲気の圧力を６７ｍＰａとして、タンタル（Ｔａ）の成膜とエッチングがいわゆるベタ膜上でプラスマイナスゼロとなるように設定して所定時間の放電処理を施す。これにより、配線溝１７の上部、側壁部、底部、および接続孔１８上部、側壁部では第１バリア膜２１が残存した状態を維持しながら、アスペクト比が高い接続孔１８底部では、バイアスエッチングの成分が大きくなることにより、第１バリア膜２１およびストッパ膜１５が選択的に除去される。これによって、接続孔１８が延長形成される。
【００２８】
次に、図６（４）に示すように、しかるべき脱ガス処理を行った後、上記配線溝１７および接続孔１８の内面に、上記第１バリア膜２１を介して第２バリア膜２２を形成する。この第２バリア膜２２は、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜となるもので、例えばタンタル（Ｔａ）を例えば１０ｎｍの厚さに成膜して形成する。この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、タンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法にて成膜する。
【００２９】
次に、図７（５）に示すように、上記配線溝１７および接続孔１８の内部に、上記第１バリア膜２１および第２バリア膜２２を介して、銅もしくは銅を含む合金からなる配線材料２３を埋め込む。この配線材料の形成は、例えば、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはＣＶＤ法を用いる。上記電解めっき法を用いる場合、予め、上記配線溝１７および接続孔１８の内面に銅めっきのシードとなる層（図示せず）を形成しておく。上記第２バリア膜２２の成膜は上記配線溝１７および接続孔１８の内面にカバレッジ良く形成される必要がある。そのため、例えばその成膜には、好ましくは指向性スパッタリング法を用いるのが良く、例えばそのような成膜方法には、自己放電イオン化スパッタリング法、遠距離スパッタリング法などがある。また、第１バリア膜２１と第２バリア膜２２は、同一の材料を用いるのが、信頼性向上の観点から望ましい。
【００３０】
次いで、絶縁膜１６上の余剰な配線材料２３および第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を除去する。この除去加工には、例えば化学的機械研磨を用いる。この結果、配線溝１７に第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を介して配線材料２３からなる第２配線２４が形成され、接続孔１８の内部に第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を介して配線材料２３からなるプラグ２５が形成される。
【００３１】
次に、図７（６）に示すように、銅の拡散および酸化を防止する防止層２６を形成する。この防止層２６は、例えば、炭化シリコン窒化膜（ＳｉＣＮ）膜で形成する。
【００３２】
上記製造方法（第２実施例）によれば、ストッパ膜１５を高い選択性をもって除去加工できるので、接続孔１８開口部、配線溝１７開口部での、いわゆる肩落ちの発生は起こらないため、より微細な世代に対しても配線間あるいは配線と接続孔との間のショートマージンが確保され、さらに配線材料の埋め込み時のピンチオフにも有利な形状とすることができるので、より微細な世代に対しても、高信頼性な配線構造となるという利点があり、従来の配線構造よりも桁違いの耐圧効果を得ることができる。また、接続孔１８底部の第１バリア膜２１およびストッパ膜１５の除去加工を連続して行うことから、第１実施例よりも製造工程が短縮されるとい利点がある。
【００３３】
上記第１、第２実施例では、配線溝１７が形成される絶縁膜１６が一層の絶縁膜であったが、複数層の絶縁膜を用いたデュアルダマシン構造においても、接続孔底部のストッパ膜を除去するプロセスにおいて、本発明の上記第１バリア膜２１、第２バリア膜２２を形成する製造工程を適用することができる。
【００３４】
また、上記第１、第２実施例において、第１バリア膜２１の形成工程と第１バリア膜２１の除去工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。また上記第１バリア膜２１の形成工程と上記第１バリア膜２１の除去工程と上記ストッパ膜１５の除去工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。さらには、第１バリア膜２１の形成工程と第１バリア膜２１の除去工程とストッパ膜１５の除去工程と第２バリア膜２２の形成工程とを同一チャンバ内で行うことが好ましい。このように同一チャンバ内で行うことにより、酸化性雰囲気にさらすことなくできるので、不必要な酸化膜の形成が成されないので、配線信頼性を高めることができる。また、工程館の搬送時間を無くすことができるので、ＴＡＴ（Turn
Around Time）の短縮が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程断面図である。
【図８】従来の半導体装置の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。
【図９】従来の半導体装置の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１５…ストッパ膜、１６…絶縁膜、１７…配線溝、１８…接続孔、２１…第１バリア膜、２２…第２バリア膜、２３…配線材料
【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】
2008010532.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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