(57)【要約】【課題】優れたストレスマイグレーション耐性及びエレクトロマイグレーション耐性を有するダマシン配線を備えた半導体装置及びその方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に形成された絶縁膜１０１と、絶縁膜１０１の凹部１０２に埋め込まれた配線１０５とを備える。また、銅層１０５の上面に、無電解めっきにより形成されたＰｄ膜１０６を備える。Ｐｄ膜１０６の膜厚は、１原子層よりも大きく１０ｎｍ以下である。また、Ｐｄ膜１０６の上面には、無電解めっきにより形成されたＣｏＷＰ膜１０７を備える。これにより、ＣｏＷＰ膜１０７を構成する材質が銅層１０５へ拡散することをＰｄ膜１０６により防止することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に埋め込まれた配線と、
前記配線の上面に形成された、膜厚が１原子層よりも大きく１０ｎｍ以下である第１のキャップ層と、
前記第１のキャップ層の上面に形成された、前記配線を構成する材料の拡散を防止する第２のキャップ層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記配線は、バリア層と配線層とを含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線は、前記バリア層と前記配線層との間にシード層をさらに含む請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１のキャップ層は、前記第２のキャップ層よりも比抵抗が小さい材質からなる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のキャップ層は、前記第２のキャップ層よりも融点が高い材質からなる請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部に埋め込まれた配線を形成する工程と、
前記配線の上面に、無電解めっきにより第１のキャップ層を形成する工程と、
前記第１のキャップ層の上面に無電解めっきにより、前記配線を構成する材料の拡散を防止する第２のキャップ層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記配線を形成する工程は、
前記凹部が形成された絶縁膜上にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に配線層を形成する工程と、
前記凹部以外に形成された前記バリア層と前記配線層とを除去する工程と、
を含む請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１のキャップ層を形成する無電解めっきに使用されるめっき液のｐＨ値が５〜１２である請求項６または７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】
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ダマシン配線を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化にともなって、低抵抗な配線を形成する技術が必要になっている。配線を低抵抗化する技術として、銅材を主材料としたダマシン配線の開発が広く行われている。しかし、半導体装置のさらなる微細化とともに、ダマシン配線においても、配線抵抗の上昇及び信頼性の低下が懸念されている。そのため、ダマシン配線上にコバルト−タングステン−リン（ＣｏＷＰ）膜等の金属キャップ層を選択成長させ、ダマシン配線の信頼性の向上するプロセスが提案されている（例えば、特許文献１〜３等参照。）。
【０００３】
以下、図２を参照しながら、上記金属キャップ層が形成されたダマシン配線を備える半導体装置の製造方法について説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板（図示せず）上に絶縁膜２０１が形成される。当該絶縁膜２０１に対して、公知のリソグラフィー法及びドライエッチング法を適用することにより凹部２０２が形成される。凹部２０２が形成された絶縁膜２０１上には、スパッタリング法等によりタンタル（Ｔａ）等からなるバリア層２０３が形成される。
【０００４】
次に、図２（Ｂ）に示すように、バリア層２０３上にスパッタリング法等により銅からなるシード層２０４が形成される。続いて、図２（Ｃ）に示すように、シード層２０４を電極とした電解めっき法により、シード層２０４上に銅層２０５が形成される。このとき、凹部２０２の内部は、銅層２０５によって充填される。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法により、図２（Ｄ）に示すように、凹部２０２以外に形成された絶縁膜２０１上の、銅層２０５、シード層２０４、及びバリア層２０３が除去される。
【０００５】
その後、図２（Ｅ）に示すように、無電解めっき法により凹部２０２に充填された銅層２０５の上面にＣｏＷＰ膜２０６が１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚で形成される。ＣｏＷＰ膜を無電解めっき法で成長させるためには、ＣｏＷＰ膜を成長させる部位に触媒層が必要となる。しかしながら、銅は触媒活性度が低いためＣｏＷＰ膜を析出させる触媒層として十分に機能しない。このため、銅層２０５上にＣｏＷＰ膜２０６を成長させるために、まず、パラジウム（Ｐｄ）膜等の触媒層が銅層２０５の上面に形成される。
【０００６】
銅層２０５上にＰｄ膜を形成するためには、置換めっきが使用される。例えば、塩化パラジウムの塩酸溶液中に、図２（Ｄ）に示す銅層２０５が形成された半導体基板を浸漬すると、溶液中に銅が溶解する。このとき、銅の溶解にともなって放出された電子は、銅よりもイオン化傾向が小さいパラジウムイオンに捕獲され、パラジウム原子が銅原子と置換される。このような置換は、銅層２０５の表面だけで発生する。したがって、銅層２０５の上面のみにＰｄ膜が形成される。このようにして形成されたＰｄ膜を触媒層として無電解めっきを実施することで、銅層２０５の上面のみにＣｏＷＰ膜２０６を選択的に成長させることができる。
【０００７】
以上により、配線上面にＣｏＷＰ膜２０６を備えた半導体装置を製造することができる。
【特許文献１】特表２００３−５０５８８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９５８９号公報
【特許文献３】特開２００４−２００２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＣｏＷＰ膜２０６は銅層２０５に比べて抵抗が高いため、半導体装置のさらなる微細化にともなって、配線抵抗の上昇が顕在化している。また、配線の抵抗上昇にともなう発熱により、上述した構造の配線では、抵抗の高いＣｏ原子が銅層２０５中へ拡散する。その拡散により、配線抵抗はさらに上昇する。この結果、ダマシン配線のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性が低下するという問題が発生する。
【０００９】
また、上述の製造方法では、触媒層を置換めっきにより形成している。置換めっきでは、Ｃｕ原子が置換されること、及び塩酸溶液にＣｕが溶解することにより、配線の主材料であるＣｕの量が減少する。さらに、Ｃｕの溶解が銅層２０５の粒界に沿って進行した場合、銅層２０５にボイドが形成されてしまう。このような現象も、配線のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性が低下する一因である。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、優れたストレスマイグレーション耐性及びエレクトロマイグレーション耐性を有するダマシン配線を備えた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、当該絶縁膜に埋め込まれた配線とを備える。また、配線の上面には、第１のキャップ層を備える。第１のキャップ層の膜厚は、１原子層よりも大きく１０ｎｍ以下である。また、第１のキャップ層の上面に形成された、配線を構成する材料の拡散を防止する第２のキャップ層を備える。
【００１２】
本構成によれば、第２のキャップ層を構成する材質が配線へ拡散することを第１のキャップ層により防止することができる。この結果、配線抵抗の上昇を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
上記構成において、配線はバリア層と配線層とを含む構成を採用することができる。これにより、配線層が絶縁膜中へ拡散することを防止することができる。また、配線は、バリア層と配線層との間にシード層をさらに備えてもよい。これにより、配線層とバリア層との密着性を向上させることができる。
【００１４】
また、配線抵抗を小さくする観点では、第１のキャップ層は、第２のキャップ層よりも比抵抗が小さいことが好ましい。さらに、第１のキャップ層は第２のキャップ層よりも融点が高いことが好ましい。これにより、半導体装置が加熱された場合であっても、第２のキャップ層が配線へ拡散することを第１のキャップ層により防止できる。
【００１５】
一方、他の観点では、本発明は半導体装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、半導体基板上に絶縁膜が形成される。次いで、絶縁膜に凹部が形成され、当該凹部に埋め込まれた配線が形成される。また、、配線の上面には、無電解めっきにより第１のキャップ層が形成される。そして、第１のキャップ層の上面には、無電解めっきにより第２のキャップ層が形成される。ここで、無電解めっきは、金属と還元剤を含んだ溶液を用いて、酸化還元反応により金属を析出させるめっき法を指す。
【００１６】
また、上記配線の形成は、以下のようにして行うことができる。まず、凹部が形成された絶縁膜上にバリア層が形成される。次いで、バリア層上に配線層が形成される。そして、上記凹部以外に形成された上記バリア層と上記配線層とが除去される。
【００１７】
なお、配線層がめっき液へ溶解することを防止するため、第１のキャップ層を形成する無電解めっきに使用されるめっき液のｐＨ値は、５〜１２であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、配線上に、１原子層以上の膜厚を有する第１のキャップ層を介して、第２のキャップ層が形成されているため、第２のキャップ層と配線とが直接接触しない。このため、第２のキャップ層がＣｏＷＰ膜等の高抵抗金属を含む膜であっても、その高抵抗金属が配線に拡散することを防止できる。したがって、配線抵抗の上昇を抑制することができる。この結果、エレクトロマイグレーション耐性及びストレスマイグレーション耐性を向上させるという格別の効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、ダマシン法を用いた半導体装置の製造方法に適用した事例により、本発明を具体化している。図１は、本実施形態の半導体装置の製造過程を示す断面図である。なお、図１において、絶縁膜１０１よりも下層には、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板が存在しているが、本発明に直接関係するものではないためここでの説明は省略する。
【００２０】
まず、図１（Ａ）に示すように、半導体基板上に絶縁膜１０１が形成される。ここで絶縁膜１０１は、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）あるいは酸素（Ｏ）あるいは窒素（Ｎ）などで構成される物質（ＳｉＣ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ等）からなる。次に、公知のリソグラフィー法及びドライエッチング法を絶縁膜１０１対して適用することにより、絶縁膜１０１の表面部に凹部１０２が形成される。凹部１０２が形成された絶縁膜１０１上には、スパッタリング法を用いてＴａからなる膜厚が２０ｎｍ程度のバリア層１０３が形成される。ここでの成膜条件は、ターゲットバイアス３０ｋＷ、基板バイアス３００Ｗ、Ａｒガス流量８ｓｃｃｍである。本実施形態では、バリア層１０３としてＴａ膜を使用しているが、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高融点金属や、これらにＮ、Ｃ、Ｓｉがドープされた材質からなる膜を使用することもできる。また、バリア層１０３は、これらの積層膜であってもよい。また、本実施形態では、バリア層１０３をスパッタリング法を用いて形成したが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて形成してもよい。
【００２１】
次いで、図１（Ｂ）に示すように、バリア層１０３上に、スパッタリング法を用いて銅（Ｃｕ）からなる膜厚が４０ｎｍ程度のシード層１０４が形成される。ここでの成膜条件はターゲットバイアス４０ｋＷ、基板バイアス６００Ｗである。本実施形態では、シード層１０４としてＣｕ膜を使用しているが、Ｒｕや白金（Ｐｔ）等、次工程において、電解めっきの電極として機能できる材質であれば任意の導体膜を使用することができる。また、シード層１０４を構成する導体膜には、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｔｉなどの金属がドープされていてもよい。さらに、シード層１０４は、スパッタリング法に限らず、ＣＶＤ法によって形成することもできる。
【００２２】
続いて、次に図１（Ｃ）に示すように、シード層１０４上に、電解めっき法により膜厚が１０００ｎｍ程度の銅層１０５が形成される。ここでは、シード層１０４が形成された半導体基板を、硫酸銅溶液内に浸漬し、シード層１０４に電流を供給することにより、銅層１０５（配線層）を形成している。当該電界めっきにより、凹部１０２の内部は、銅層１０５で充填される。なお、めっき液は硫酸銅を主成分とするめっき液であり、Ｃｕ濃度１０〜４０ｇ／Ｌ、硫酸濃度１０〜２００ｇ／Ｌである。めっき液温度は室温であり、シード層１０４に供給する電流の電流密度は５〜５０ｍＡ／ｍｍ2程度である。
【００２３】
銅層１０５の形成が完了すると、図１（Ｄ）に示すように、凹部１０２以外に形成された絶縁膜１０１上の銅層１０５、シード層１０４、及びバリア層１０３がＣＭＰ法により除去される。絶縁膜１０１上のバリア層１０３が除去された後、半導体基板をＮ2雰囲気中で酸性溶液にて洗浄する。ここでは、Ｎ2雰囲気で洗浄しているが、Ｆ2やＯ2などの高反応性ガスを含まない雰囲気であればよい。例えば、ＨｅやＡｒ等の不活性ガス雰囲気で洗浄を行ってもよい。
【００２４】
次に、図１（Ｅ）に示すように、凹部１０２に埋め込まれた銅層１０５上に無電解めっき法により第１のキャップ層１０６が形成される。本実施形態では、第１のキャップ層１０６を形成する無電解めっきは、上記酸性溶液による洗浄と同じ雰囲気中で行われる。例えば、当該雰囲気中で、基板中心を回転軸として周方向に回転する半導体基板の中心に、４０℃〜９５℃のめっき液が供給される。ここでは、塩化パラジウム０．０１ｍｏｌ／ｄｍ3、エチレンジアミン０．０８ｍｏｌ／ｄｍ3、ホスフィン酸ナトリウム０．０６ｍｏｌ／ｄｍ3、チオジグリコール酸３０ｍｇ／ｄｍ3を含むめっき液を使用している。なお、銅層１０５がめっき液へ溶解することを防止するため、めっき液のｐＨ値は、５〜１２の範囲であることが好ましく、６〜１０の範囲であることがより好ましい。また、めっき液を供給する際の半導体基板の回転数は５ｒｐｍ程度でよい。これにより、酸化還元反応により銅層１０５上にＰｄ膜が析出し、第１のキャップ層１０６が形成される。
【００２５】
当該第１のキャップ層１０６は、以降の工程で第１のキャップ層１０６上に形成される第２のキャップ層１０７の構成材料が、銅層１０５中に拡散することを防止する機能を有する。本実施形態では、置換めっき法ではなく、無電解めっき法により第１のキャップ層１０６を形成している。このため、第１のキャップ層１０６の膜厚を１原子層以上にすることができる。
【００２６】
置換めっき法では、銅層１０５の表面に存在するＣｕ原子がＰｄ原子に置換される。このため、表面に露出していないＣｕ原子は置換されない。また、置換めっきでは、表面に露出しているＣｕ原子が全て置換されるわけではなく、その一部が置換されるに過ぎない。例えば、Ｃｕ原子１００個あたり１個のＣｕ原子がＰｄ原子に置換される程度である。したがって、置換めっき法で形成された第１のキャップ層１０６の膜厚は１原子層に満たず、第２のキャップ層１０７を構成する材料が銅層１０５へ拡散することを防止することができない。
【００２７】
これに対し、本実施形態では、第１のキャップ層１０６を１原子層以上の膜厚で形成することができるため、第２のキャップ層１０７を構成する材料が銅層１０５へ拡散することを防止することができる。また、無電解めっきでは、置換めっきのように、Ｃｕ原子が置換されて、配線のＣｕ量が減少することもない。なお、第１のキャップ層１０６の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。これは、第１のキャップ層１０６の膜厚が１０ｎｍを超えると、第１のキャップ層１０６を形成する工程で、絶縁膜１０１上に無電解めっき膜が意図せず成長する可能性が増大し、隣接する配線間のショートが発生しやすくなるからである。
【００２８】
続いて、図１（Ｆ）に示すように、第１のキャップ層１０６上に、無電解めっき法により、ＣｏＷＰ膜からなる第２のキャップ層１０７が１〜２０ｎｍ程度の膜厚で形成される。ここで、第２のキャップ層１０７は、配線（ここでは、銅層１０５）を構成する材料の拡散を防止する。なお、ＣｏＷＰ膜の形成には、例えば、硫酸コバルト、次亜リン酸ナトリウム、タングステン酸ナトリウムを主成分とし、キレート剤や有機酸などの添加剤を含むめっき液によりＣｏＷＰを成膜することができる。成膜温度は、例えば、４０〜９５℃程度にすればよい。
【００２９】
なお、本実施形態では、第１のキャップ層１０６として、Ｐｄ膜を使用したが、他の材料を使用することもできる。配線抵抗の上昇を抑制する観点では、第２のキャップ層１０７を構成する高抵抗金属（ここでは、Ｃｏ）よりも比抵抗の低い材料を使用することができる。例えば、Ｃｏよりも比抵抗の低いＡｕ、Ａｇ、Ｍｏなどを使用することができる。また、加熱環境下において、第２のキャップ層１０７を構成する材料の銅層１０５への拡散を防止する観点では、第２のキャップ層１０７を構成する高抵抗金属（ここでは、Ｃｏ）よりも融点の高い材料を使用することができる。例えば、Ｃｏよりも融点の高いＰｔ、Ｐｄなどを使用することができる。
【００３０】
以上のようにして配線が形成されると、半導体基板の全面に絶縁膜が形成される。そして、上層の配線を形成する場合には、上述した手順が繰り返し実施される。
【００３１】
以上の工程により形成された銅配線では、第２のキャップ層１０７からなる高抵抗金属が銅配線に直接接触することがない。このため、Ｃｕ配線中へＣｏが拡散することを防止することができる。この結果、配線抵抗の上昇が抑制される。そして、配線抵抗の上昇が抑制される結果、優れたストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を有する半導体装置を製造することができる。
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、ＣｏＷＰ膜等からなる第２のキャップ層を構成する高抵抗金属が配線へ拡散することを防止することができる。このため、配線抵抗の上層を抑制することができる。この結果、優れたストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を有する半導体装置を製造することができる。
【００３３】
なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、配線が、銅層、シード層、及びバリア層を備える事例を説明したが、シード層及びバリア層は本発明に必須の要素ではなく、配線が上述の構造に限定されるものではない。また、上記では、第２のキャップ層の材質が、ＣｏＷＰである事例を説明したが、第２のキャップ層は、銅の拡散防止機能を有する金属膜であればよい。例えば、第２のキャップ層は、コバルトやニッケルにタンクステンやモリブデンを添加した合金等により形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、配線のストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性を向上できるという効果を有し、半導体装置及び半導体装置の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態における半導体装置の製造過程を示す工程断面図
【図２】従来の半導体装置の製造過程を示す工程断面図
【符号の説明】
【００３６】
１０１  絶縁膜
１０２  凹部
１０３  バリア層
１０４  シード層
１０５  銅層（配線層）
１０６  第１のキャップ層（Ｐｄ膜）
１０７  第２のキャップ層（ＣｏＷＰ膜）
【図１】
2008192753.tif 000003
【図２】
2008192753.tif 000004