(57)【要約】【課題】トレンチ内の障壁金属層の上部にのみ化学気相蒸着方法を用いて選択的に比抵抗が低い金属層を蒸着し、熱処理を実施した後、平坦化して低抵抗金属配線を形成することができる半導体素子の金属配線形成方法を提供する。【解決手段】RFエッチング方法でトレンチ１０８の底面と絶縁膜パターンの下部側壁にのみ障壁金属層１２０を残留させる。ＭＰＡソースを前駆体として用いるＣＶＤ法を用い、障壁金属層１２０の上部にのみ選択的に比抵抗が低い金属層１３０を蒸着し、熱処理を実施した後、平坦化して金属配線１４０を形成する。熱処理を実施して金属物質でトレンチ１０８を完全に満たすことで平坦化する。かくして脆性のアルミニウム膜によるディッシングとスクラッチなどは発生せず、金属配線１４０としての高い信頼性が確保されて、低抵抗金属配線を形成する。【選択図】    図１Ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチが形成されるように半導体基板上に形成された絶縁膜の第１のエッチング工程を行う工程と、
前記トレンチを含む絶縁膜パターン上に障壁金属層を形成する工程と、
前記絶縁膜パターンの上部及び側壁の一部が露出されるように前記障壁金属層の第２のエッチング工程を行う工程と、
前記トレンチ内の障壁金属層上に金属層を形成する工程と、
前記金属層をリフローさせるために熱処理を実施する工程と、
前記金属層を平坦化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２】
前記絶縁膜パターンは、第１の酸化膜、窒化膜及び第２の酸化膜が順次積層されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項３】
前記障壁金属層は、Ti/TiNの積層膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項４】
前記障壁金属層は、前記トレンチの底面及び絶縁膜パターンの第１の酸化膜の側壁に残留することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項５】
前記障壁金属層は、RFエッチング方法でエッチングされることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項６】
前記RFエッチング方法は、アルゴン(Ar)ガスを反応ガスとし、RFパワーを100W〜500Wとして実施されることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項７】
前記RFエッチング方法は、前記絶縁膜パターンの上部に形成された障壁金属層が除去された後、絶縁膜パターンの第２の酸化膜が傾斜しながら一部エッチングされ、その後、窒化膜も傾斜しながら一部エッチングされるように行い、窒化膜と第1の酸化膜が接する地点でエッチングを停止することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項８】
前記金属層は、アルミニウム(Al)で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項９】
前記アルミニウムは、メチルピロリジンアラン(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA、分子式:(CH3)(CH2)4N・AlH3))ソースを前駆体として用いるCVD方法で形成されることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記MPAソースを前駆体として用いるCVD方法は、130℃〜140℃の温度で実施することを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１１】
前記熱処理は、前記半導体基板の温度を420℃〜450℃に上昇させることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１２】
前記金属層は、前記絶縁膜パターンの窒化膜が露出される時点まで化学的機械的研磨工程で平坦化されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１３】
前記平坦化時に前記絶縁膜パターンの第２の酸化膜及び窒化膜も研磨されることを特徴とする請求項１または１２に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１４】
前記絶縁膜の第１のエッチング工程を実施する工程の前に、さらにハードマスク膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１５】
前記金属層を平坦化する工程後に絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、障壁金属層の上部にのみ選択的に化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition; CVD)方法を用いて金属層を蒸着後に平坦化して低抵抗金属配線を形成する半導体素子の金属配線形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、トランジスタ、抵抗およびキャパシタなどで構成され、そうした半導体素子を半導体基板上に形成するうえで金属配線は必須のものである。金属配線は、電気信号を送信するために電気的抵抗が低くことが求められることはもとより、コスト的にも安価で信頼性の高いものが要求される。一般に、半導体素子の金属配線を形成する工程ではダマシン技法(Damascene Scheme)を通して形成される。参考までに、そのダマシン技法を用いた半導体素子の金属配線形成工程の概略を以下に説明する。
【０００３】
まず、ゲートなど所定の構造物が形成された半導体基板上に層間絶縁膜を蒸着した後、トレンチを形成し、トレンチを含む層間絶縁膜の上部にチタン(Ti)/チタンニトリド(TiN)成分の障壁金属層(barrier metal layer)を形成する。その後、障壁金属層の上部にトレンチを満たすようにタングステン膜を形成した後、タングステン膜とチタン(Ti)/チタンニトリド(TiN)の障壁金属層を所定領域エッチングしてタングステン金属配線を形成する。
【０００４】
近年、半導体製品はますます小型化する傾向にあり、高集積化に伴い金属配線の幅と厚さ寸法も微細化しつつ所要のプログラムスピード(program speed)が求められている。しかしながら、タングステンダマシンを用いたタングステンプラグ(W Plug)を形成する場合、集積化された素子特性にも増して、金属間のスペースが収縮することでキャパシタンス特性を得難い。
【０００５】
このようなキャパシタンスの問題を解決するために、インターコネクション工程で金属の高さを下げてキャパシタンス値を減らさなければならないが、この時、問題となるのが低くなった高さによる抵抗値の増加である。金属ラインの高さを低くしてキャパシタンス値を確保すると共に抵抗値の変化を与えない方法は、低いRs特性を有する物質を通じたインターコネクション工程を導入することである。したがって、低いRs特性を有する物質としてロジックで使用中の銅(Cu)と、現在ワイヤ物質として使用中のアルミニウム(Al)を通じたプラグ工程の導入がタングステンプラグに代替する工程として研究されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、現在のダマシン技法の適用のためのＣＶＤ方法を用いたアルミニウム(Al)導入の場合、障壁金属層の上部の全面にわたってアルミニウム膜が蒸着される。これにより、金属配線を形成するための化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;ＣＭＰ)工程時、脆性を有するアルミニウム膜によってディッシング(dishing)とスクラッチ(scratch)などの問題が発生し、これが金属配線の信頼性を低下させる要因となっている。
【０００７】
以上に鑑み、本発明の目的は、トレンチ内の障壁金属層の上部にのみ化学気相蒸着方法を用いて選択的に比抵抗が低い金属層を蒸着し、熱処理を実施した後、平坦化して低抵抗金属配線を形成することができる半導体素子の金属配線形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の代表的な半導体素子の金属配線形成方法は、トレンチが形成されるように半導体基板上に形成された絶縁膜の第１のエッチング工程を行う工程と、前記トレンチを含む絶縁膜パターン上に障壁金属層を形成する工程と、前記絶縁膜パターンの上部及び側壁の一部が露出されるように前記障壁金属層の第２のエッチング工程を行う工程と、前記トレンチ内の障壁金属層上に金属層を形成する工程と、前記金属層をリフローさせるために熱処理を実施する工程と、前記金属層を平坦化する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体素子の金属配線形成方法によれば、トレンチ内の障壁金属層の上部にのみ例えばＣＶＤ法で選択的に比抵抗の低い金属層を蒸着し、熱処理を実施して金属物質でトレンチを完全に満たすことで平坦化する。かくして脆性のアルミニウム膜によるディッシングとスクラッチなどが発生せず、金属配線としての高い信頼性が確保されて、低抵抗金属配線を形成できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態による半導体素子の金属配線形成方法についてその工程を順に示す断面図である。
【００１２】
まず、図１（Ａ）に示すように、半導体基板(100)上に第１の酸化膜(102)、窒化膜(104)、そして第２の酸化膜(106)を順次積層して絶縁膜を形成する。絶縁膜形成後、マスク(図示略)を用いた写真(photolithography)と、エッチング工程によってパターニングしてトレンチ(108)を有する絶縁膜パターン(110)を形成する。
【００１３】
第１の酸化膜(102)はシリコン酸化膜(SiO2)で形成することができ、この場合は酸化(
Oxidation)工程、あるいは化学気相蒸着（ＣＶＤ）方法のたとえば低圧化学気相蒸着(LowPressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD)方法で形成することができる。一方、第１の酸化膜(102)は後続でトレンチ(108)内の障壁金属層(図示略)上に形成される金属配線の厚さを考慮して目標厚さを調節する。
【００１４】
窒化膜(104)は、金属配線を形成するための後工程のＣＭＰ工程で平坦化する過程において、終了点(end point)を知らせる研磨停止膜(polishing stopper)である。そうした窒化膜(104)は、シリコン窒化膜(SixNy)またはシリコン酸化窒化膜(SiON)のような窒化物系列の物質(以下、単に「窒化膜」という)で形成することができる。また、第２の酸化膜(106)はシリコン酸化膜(SiO2)で形成することができる。それら窒化膜(104)と第２の酸化膜(106)はＣＶＤ方法で形成され、望ましくはLPCVD方法で形成することができる。
【００１５】
一方、第２の酸化膜(106)の上部には、マスクを用いたパターニング時に絶縁膜を保護するために酸化膜と窒化膜の積層構造からなるハードマスク膜(図示略)をさらに形成することができる。その後、ハードマスク膜及びマスクを除去する。このように、トレンチ(108)を含んで形成された絶縁膜パターン(110)は、一般にダマシンパターン(damascene pattern)と称する。
【００１６】
つぎに、図１（Ｂ）に示すように、トレンチ(108)を含む絶縁膜パターン(110)上に障壁金属層(120)を形成する。障壁金属層(120)は、後続の工程で金属層の形成時に絶縁膜パターン(110)との浮き上がり現象(lifting)を防止し、金属物質が下部基板に拡散されて発生する接合破壊(junction spiking)現象を防止するために形成し、チタン(Ti)/チタンニトリド(TiN)の積層膜で形成する。障壁金属層(120)は、望ましくは物理気相蒸着(Pysical  Vapor Deposition; PVD)方法であるたとえばスパッタリング(Sputtering)方法で形成される。
【００１７】
つぎに、図１（Ｃ）に示すように、絶縁膜パターン(110)の上部と、絶縁膜パターン(110)の第２の酸化膜(106)と、窒化膜(104)側壁の障壁金属層(120)をエッチングする。ここで、障壁金属層(120)は、乾式エッチング(dry etch)方法でエッチングし、望ましくはRFエッチング(radio-frequency etch)方法でエッチングする。
【００１８】
RFエッチング方法は、絶縁膜パターン(110)の上部に形成された障壁金属層(120)が除去された後、絶縁膜パターン(110)の第2の酸化膜(106)が傾斜しながら一部エッチングされ、その後、窒化膜(104)も傾斜しながら一部エッチングされるように行い、窒化膜(104)と第1の酸化膜(102)が接する地点でエッチングを停止する。
【００１９】
したがって、RFエッチングの深さ(depth)は、絶縁膜パターン(110)の上部に形成された障壁金属層(120)から第１の酸化膜(102)と窒化膜(104)の境界面までの高さ、つまり障壁金属層(120)、第２の酸化膜(106)と窒化膜(104)の厚さを合せた値と同一であり、ここで第１の酸化膜(102)はRFエッチングの深さの下部に形成される。
【００２０】
RFエッチング方法は、アルゴン(Ar)ガスを反応ガスとし、RFパワーを100〜500Wにして実施する。このように、RFエッチング方法を通じてトレンチ(108)の底面と絶縁膜パターン(110)の第１の酸化膜(102)の側壁にのみ障壁金属層(120)が残留する。
【００２１】
つぎに、図１（Ｄ）に示すように、トレンチ(108)内の障壁金属層(120)上に金属層(130)を形成する。金属層(130)は、後続の工程で形成される金属配線の抵抗を下げるために、比抵抗が低いアルミニウム(Al)で形成する。
【００２２】
特に、アルミニウム(Al)からなる金属層(130)は、障壁金属層(120)の部分にのみ選択的に蒸着されるように金属層では成長し、絶縁膜では成長しない特性を有するメチルピロリジンアラン(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA、分子式:(CH3)(CH2)4N・AlH3))ソースを前駆体(precursor)として用いるCVD方法で形成する。
【００２３】
より詳しくは、MPAソースを用いるCVD方法は、MPAソースが障壁金属層(120)のチタンニトリド(TiN)の表面(face)と反応して島(island)形態で成長し、その後、熱処理によって所々形成された島(island)がリフロー(reflow)されながら固まり、アルミニウム膜を形成する原理を利用する。
【００２４】
ここで、アルミニウム膜である金属層(130)を形成するためのＣＶＤ方法は、MPAを金属ソースとして130℃〜140℃の温度で実施する。アルミニウム膜を選択的に形成するためのＣＶＤ工程を実施する時、金属ソースを運送させるためのガス、つまり運送ガス(carrier gas)としては、アルゴン(Ar)ガスまたは水素(H2)ガスを用いる。これにより、MPAソースを用いるアルミニウムＣＶＤ方法を通して障壁金属層(120)上にトレンチ(108)を満たすアルミニウム膜である金属層(130)を形成する。一方、金属層(130)はトレンチ(108)を満たすだけでなく、トレンチ(108)の上部にも十分に形成することができる。
【００２５】
このように、金属層(130)が障壁金属層(120)の上部にのみ選択的に成長する理由は、MPAソースを前駆体として用いるＣＶＤ蒸着方式が下部膜との電子移動を通じた蒸着メカニズム(mechanism)に従うためである。
【００２６】
その後、金属層(130)をリフロー(reflow)させるために、アルゴン(Ar)ガスをチャンバ(Chamber)内に注入し、半導体基板(100)の温度を420〜450℃に上昇させる熱処理を実施する。これにより、半導体基板(100)の温度が上昇して障壁金属層(120)の上部に蒸着された金属層(130)がリフローされながらトレンチ(108)が完全に満たされるようになる。すなわち、熱処理を実施すれば、障壁金属層(120)上に金属層(130)の成長時に発生し得る空き空間も、リフローを通じて隙間なく埋められるようになる。
【００２７】
続いて図１（Ｅ）に示すように、金属層(130)を絶縁膜パターン(110)の第1の酸化膜(102)が露出される時点まで平坦化する。平坦化は、化学的機械的研磨(ChemicalMechanical Polishing; CMP)工程で実施することが望ましい。一方、平坦化時に絶縁膜パターン(110)の第2の酸化膜(106)及び窒化膜(104)も研磨される。これにより、トレンチ(108)の内部に金属配線(140)が形成される。
【００２８】
このように、本実施形態においては、RFエッチングによって一部の障壁金属層(120)をエッチングしてトレンチ(108)の底面及び絶縁膜パターン(110)の第１の酸化膜(102)の側壁にのみ障壁金属層(120)を残留させる。その後、MPAソースを前駆体として用いるＣＶＤ方法で選択的に障壁金属層(120)の上部にのみ金属層(130)を形成し、熱処理を実施して金属物質でトレンチ(108)を完全に満たす。そうすることにより、トレンチ(108)ギャップフィル効率を高めながら後続の金属配線形成のためのＣＭＰ工程時に除去させる金属層(130)の領域は減少させてディッシングとスクラッチを減らし、低抵抗金属配線を安定的に形成することができる。
【００２９】
そして、図１（Ｆ）に示すように、金属配線(140)を含む第1の酸化膜(112)の上部に絶縁膜(150)、たとえばBPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)膜を形成し、後続工程を進行する。
【００３０】
以上、本実施形態について繰り返しになるが以下にまとめる。
【００３１】
絶縁膜パターンは、第１の酸化膜、窒化膜および第２の酸化膜が順次積層されて形成される。
【００３２】
障壁金属層は、チタン(Ti)/チタンニトリド(TiN)の積層膜で形成される。障壁金属層は、RFエッチング方法でエッチングされ、トレンチの底面と絶縁膜パターンの第１の酸化膜側壁に残留する。
【００３３】
RFエッチング方法は、アルゴン(Ar)ガスを反応ガスとし、RFパワーを100W〜500Wにして実施される。また、このRFエッチング方法では、絶縁膜パターンの上部に形成された障壁金属層が除去された後、絶縁膜パターンの第２の酸化膜が傾斜しながら一部エッチングされ、その後、窒化膜も傾斜しながら一部エッチングされるように行い、窒化膜と第１の酸化膜が接する地点でエッチングを停止する。
【００３４】
金属層は、アルミニウム(Al)で形成される。アルミニウムは、メチルピロリジンアラン(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA、分子式:(CH3)(CH2)4N・AlH3))ソースを前駆体として用いるＣＶＤ方法で形成される。MPAソースを前駆体として用いるＣＶＤ方法は、130℃〜140℃の温度で実施する。
【００３５】
熱処理は、半導体基板の温度を420℃〜450℃に上昇させる。金属層は、絶縁膜パターンの窒化膜が露出される時点までＣＭＰ工程で平坦化される。平坦化時に絶縁膜パターンの第２の酸化膜と窒化膜も研磨される。
【００３６】
絶縁膜の第１のエッチング工程を実施する工程前に、さらにハードマスク膜を形成する工程を含む。また、金属層を平坦化する工程後に絶縁膜を形成する段階を含む。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の配線形成方法によれば、低抵抗金属配線形成を通じてRC遅延を減らすことにより、半導体素子のプログラムスピード(Program Speed)を増加させ、消費電力を下げることができる。また、金属配線のディッシングとスクラッチを減らして金属配線の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、DRAM、SRAM、フラッシュ(Flash)素子だけでなく、微細伝導体回路線を具現するその他素子製造技術に多様に適用することができる。
【００３９】
なお、本発明について実施形態が説明されたが、その実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内でその他の実施形態、応用例、変形例およびそれらの組み合わせも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法の実施形態についてその工程を示す断面図。
【図１Ｂ】同実施形態における次の工程を示す断面図。
【図１Ｃ】同実施形態における次の工程を示す断面図。
【図１Ｄ】同実施形態における次の工程を示す断面図。
【図１Ｅ】同実施形態における次の工程を示す断面図。
【図１Ｆ】同実施形態における次の工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
100   半導体基板
102   第１の酸化膜
104   窒化膜
106   第２の酸化膜
108   トレンチ
110   絶縁膜パターン
120   障壁金属層
130   金属層
140   金属配線
150   絶縁膜
【図１Ａ】
2008153609.tif 000003
【図１Ｂ】
2008153609.tif 000004
【図１Ｃ】
2008153609.tif 000005
【図１Ｄ】
2008153609.tif 000006
【図１Ｅ】
2008153609.tif 000007
【図１Ｆ】
2008153609.tif 000008