(57)【要約】【課題】触媒金属の使用による配線抵抗上昇を抑制し、かつ、配線溝上の合金層の被覆性を良好に保つことを目的とする。【解決手段】配線溝１０３に形成された銅１０６もしくは銅合金上の一部の領域に、触媒金属を用いない無電解めっき法によって第一のコバルトタングステンリン膜１０７を形成する。次に、前記配線溝１０３上で第一のコバルトタングステンリン膜１０７に被覆されなかった部分１０８に、触媒金属を用いた無電解めっき法によって第二のコバルトタングステンリン膜１１０を形成する。これにより、配線が密な領域では、第一のコバルトタングステンリン膜１０７を介してパラジウム膜１０９が形成されるため、銅との合金が形成されず配線抵抗の上昇を抑制することができ、かつ、配線溝の上に被覆性良く合金層を形成できるため、低抵抗で信頼性の高い配線を形成することが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成された半導体基板上に銅溝配線が形成される半導体装置であって、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上部の所定の位置に形成された溝に埋め込まれた銅または銅合金からなる金属配線と、
前記金属配線の第１の領域上に形成される第１の合金層と、
前記金属配線上の前記第１の領域外である第２の領域上に形成される触媒金属膜と、
前記触媒金属膜上に形成される第２の合金膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の合金層上にも前記触媒金属膜及び前記第２の合金層とを形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上部の所定の位置に溝を形成する工程と、
前記溝に銅または銅合金を埋め込んで金属配線を形成する工程と、
前記金属配線の第１の領域上に無電解めっき法によって第１の合金層を形成する工程と、
前記金属配線上の前記第１の領域外である第２の領域上に置換めっき法によって触媒金属膜を形成する工程と、
前記触媒金属膜上に無電解めっき法によって第２の合金層を選択的に形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記触媒金属膜を形成する工程において、前記第１の合金層上にも前記触媒金属膜を形成することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６または請求項７または請求項８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
上記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項６または請求項７または請求項８または請求項９のいずれかに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、銅を含む金属配線上に銅の拡散を防止するためのキャップ膜が形成される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、高速化に伴い、配線用材料として従来用いられてきたアルミニウム合金に代わり、より比抵抗の低い銅を用いる技術が採用され始めている。銅は比抵抗が１．８μΩ・ｃｍとアルミニウムの２．７μΩ・ｃｍと比較して低く、高速化に有利な上、アルミニウム合金と比較してエレクトロマイグレーション耐性が高いため、配線の信頼性の観点からも有利である。
【０００３】
銅配線は一般に多層化して用いられる。その際、下層配線の銅が上層の絶縁膜へと拡散することを防止するため、下層配線上に、銅の拡散防止膜として機能するシリコン窒化膜からなるバリア膜が形成されている。しかしながら、シリコン窒化膜は銅との密着性が悪いため、配線を流れる電流の密度が増大した場合には、銅が界面に沿って拡散し、ボイド発生による配線不良を引き起こすことが懸念される。プロセスルールの微細化が進行し、４５ｎｍノード以細のデザインルールになると、配線を流れる電流密度が更に増大するため、このようなボイドが発生し、配線の信頼性が劣化する可能性が高くなる。このような配線の信頼性劣化を防止するため、銅配線上を、銅との密着性が高い合金からなるキャップ膜、例えば、Ｗ、Ｐが添加されたＣｏ合金膜（以下、コバルトタングステンリン膜と記す）等により被覆する方法が検討されている。このキャップ膜の形成方法としては、主に無電解めっきが用いられており、パラジウム等の触媒金属を用いる方法と、触媒金属を用いない方法の２通りが知られている。
【０００４】
まず、従来技術１でのキャップ膜の形成方法について図２を参照しながら説明する。
図２は従来技術１の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
【０００５】
図２に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板２００の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜２０１を形成する。
【０００６】
次に、シリコン窒化膜２０１上に膜厚１５０ｎｍのシリコン酸化膜２０２を形成する（図２（ａ））。
次に、シリコン酸化膜２０２上にフォトレジストを用いて配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜２０２とシリコン窒化膜２０１をドライエッチング法により除去することにより配線溝２０３を形成する（図２（ｂ））。
【０００７】
次に、配線溝２０３の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜として、例えば２０ｎｍのＴａ膜２０４を形成する。
次に、スパッタリング法を用い、例えば３０ｎｍのＣｕ膜２０５を形成する（図２（ｃ））。
【０００８】
次に、電解めっき法を用いて配線溝２０３に銅２０６を埋め込む。電解めっきにより成膜する銅２０６の膜厚は配線溝２０３中で６００ｎｍである（図２（ｄ））。
次に、ＣＭＰ法により、配線溝２０３の上部の銅２０６とＴａ膜２０４を除去して平坦化することにより、配線溝２０３に金属配線を形成する（図２（ｅ））。
【０００９】
次に、上記半導体基板２００を、塩化パラジウム溶液に浸漬する。パラジウムは銅よりもイオン化傾向が小さいため、配線溝２０３の表面に露出した銅２０６と、溶液中のパラジウムイオンの置換めっき反応が生じ、配線溝２０３中の銅２０６の表面にパラジウム膜２０７が形成される（図２（ｆ））。
【００１０】
次に、無電解めっき法により、パラジウム膜２０７上にキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜２０８を堆積する。コバルトタングステンリン膜２０８の膜厚は１〜１０ｎｍである（図２（ｇ））。
【００１１】
以上の工程により、金属配線上に、従来技術１を用いてキャップ膜を形成した半導体装置が完成する（例えば、特許文献１参照）。
次に、従来技術２でのキャップ膜の形成方法について図３を参照しながら説明する。
【００１２】
図３は従来技術２の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
図３に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板３００の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜３０１を形成する。
【００１３】
次に、シリコン窒化膜３０１上に膜厚１５０ｎｍのシリコン酸化膜３０２を形成する（図３（ａ））。
次に、シリコン酸化膜３０２上にフォトレジストを用いて配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜３０２とシリコン窒化膜３０１をドライエッチング法により除去することにより配線溝３０３を形成する（図３（ｂ））。
【００１４】
次に、配線溝３０３の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜として、例えば２０ｎｍのＴａ膜３０４を形成する。
次に、スパッタリング法を用い、例えば３０ｎｍのＣｕ膜３０５を形成する（図３（ｃ））。
【００１５】
次に、電解めっき法を用いて配線溝３０３に銅３０６を埋め込む。電解めっきにより成膜する銅３０６の膜厚は配線溝３０３中で６００ｎｍである（図３（ｄ））。
次に、ＣＭＰ法により、配線溝３０３の上部の銅３０６とＴａ膜３０４を除去して平坦化することにより、配線溝３０３に金属配線を形成する（図３（ｅ））。
【００１６】
次に、無電解めっき法により、配線溝３０３にキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜３０７を堆積する（図３（ｆ））。コバルトタングステンリン膜３０７の膜厚は１〜１０ｎｍである。
【００１７】
以上の工程により、金属配線上に、従来技術２を用いてキャップ膜を形成した半導体装置が完成する（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２３０２２０号公報
【特許文献２】米国特許第５６９５８１０明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上で述べた従来技術１、従来技術２によるキャップ膜の形成方法はそれぞれに問題点をもっている。
まず、従来技術１の問題点について述べる。触媒金属として例えばパラジウムを用いる場合、パラジウムイオンを含む前処理液に基板表面を曝し、配線溝の表面に置換めっきによりパラジウムを析出させた後、引き続く無電解めっきにより、パラジウムを核としてキャップ膜を析出させる。このような方法では、置換めっきを行う際に銅の溶出を伴うため、配線抵抗上昇を引き起こすことが懸念される。また、配線上に残留したパラジウムが配線材料である銅に拡散し、合金化することによる配線抵抗上昇を引き起こすという問題点があった。
【００１９】
次に、従来技術２の問題点について述べる。触媒金属を用いない場合、キャップ膜は配線溝表面の銅の触媒作用により析出する。ここで、銅の触媒性はパラジウム等の貴金属と比較して低いため、キャップ膜の初期核が形成する活性点の密度は、触媒金属を用いた場合と比較して少なくなると考えられる。このことにより、キャップメタルの成長にパターン間差が発生する。配線パターン率（全表面積に占める配線溝の表面積の割合）が密な配線パターンでは、配線溝の表面に活性点が存在する可能性が高いため、キャップ膜の成膜が開始しやすく配線溝の表面の全面がキャップ膜に被覆されると考えられる。一方、パターン率が１０％程度の孤立した配線パターンでは、配線溝の表面に活性点が存在する可能性が相対的に低くなるため、キャップ膜が析出しにくくなり、配線溝の表面にキャップ膜が被覆されない部分が発生し、被覆性が悪化すると考えられる。このようにキャップ膜による配線溝の表面の被覆性が悪い場合、キャップ膜で被覆されていない配線溝表面がシリコン窒化膜と接するため、十分な配線の信頼性を得ることが出来ないという問題点があった。
【００２０】
そこで本発明は、触媒金属使用による配線抵抗上昇を最小限に抑制し、かつ、配線溝の上に被覆性良くキャップ膜を形成することにより、低抵抗で信頼性の高い配線を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置であって、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上部の所定の位置に形成された溝に埋め込まれた銅または銅合金からなる金属配線と、前記金属配線の第１の領域上に形成される第１の合金層と、前記金属配線上の前記第１の領域外である第２の領域上に形成される触媒金属膜と、前記触媒金属膜上に形成される第２の合金膜とを有することを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記第１の合金層上にも前記触媒金属膜及び前記第２の合金層とを形成することを特徴とする。
さらに、前記第１の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。
さらに、前記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする。
【００２４】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された半導体基板に銅溝配線が形成される半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上部の所定の位置に溝を形成する工程と、前記溝に銅または銅合金を埋め込んで金属配線を形成する工程と、前記金属配線の第１の領域上に無電解めっき法によって第１の合金層を形成する工程と、前記金属配線上の前記第１の領域外である第２の領域上に置換めっき法によって触媒金属膜を形成する工程と、前記触媒金属膜上に無電解めっき法によって第２の合金層を選択的に形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
さらに前記触媒金属膜を形成する工程において、前記第１の合金層上にも前記触媒金属膜を形成することを特徴とする。
さらに、前記第１の合金層は、コバルト合金またはニッケル合金からなることを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記コバルト合金またはニッケル合金は、タングステン、リン、ホウ素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。
さらに、上記触媒金属膜は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする。
【００２７】
以上により、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上のように、銅配線上に第一のコバルトタングステンリン膜を形成し、さらに、第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されない銅配線部分及び第一のコバルトタングステンリン膜上にパラジウム膜を形成した上に、第二のコバルトタングステンリン膜を形成することにより、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
図１は本発明の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図である。
【００３０】
図１に示すように、まず、トランジスタなどの素子、および下層の配線まで形成した半導体基板１００の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜１０１を形成する。ここで、シリコン窒化膜１０１は、比誘電率５．０以下であればよい。
【００３１】
次に、シリコン窒化膜１０１上に膜厚１５０ｎｍのシリコン酸化膜１０２を形成する。ここで、シリコン酸化膜１０２をはじめとする絶縁膜としては、比誘電率２．０〜３．０の低誘電率膜であればよい（図１（ａ））。
【００３２】
次に、シリコン酸化膜１０２上にフォトレジストを用いて幅１００ｎｍの配線溝のパターンを形成し、シリコン酸化膜１０２とシリコン窒化膜１０１をドライエッチング法により除去することにより配線溝１０３を形成する（図１（ｂ））。
【００３３】
次に、配線溝１０３の内壁に、スパッタリング法を用いてバリア膜としてＴａ膜１０４を形成する。このときのＴａ成膜条件は、ＤＣパワー＝３０ｋＷ、ＡＣバイアスパワー＝３５０Ｗであり、Ｔａ膜１０４の膜厚は２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、バリア膜はＴａ膜１０４に限定されるものではなく、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗあるいはそれらの化合物でもよい。成膜方法としては、スパッタリング法に限定されるものではなく、ＣＶＤ法等を用いてもよい。
【００３４】
次に、スパッタリング法を用い、Ｔａ膜１０４上全面にＣｕ膜１０５を形成する（図１（ｃ））。このときのＣｕ成膜条件は、ＤＣパワー＝３０ｋＷ、ＡＣバイアスパワー＝６００Ｗであり、Ｃｕ膜１０５の膜厚は３０ｎｍ以下であることが望ましい。また、Ｃｕ膜１０５は、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇを含むＣｕ合金膜であってもよい。
【００３５】
次に、電解めっき法を用いて配線溝１０３のＣｕ膜１０５上に銅１０６を埋め込む。このときの電解めっきの堆積条件は、電流密度＝１５ｍＡ／ｃｍ２、回転数＝２０ｒｐｍであり、電解めっき液としては、硫酸銅溶液を用いる。そして、電解めっきにより成膜する銅１０６の膜厚は６００ｎｍである。なお、銅１０６の埋め込み方法に関しては、電解めっき法に限定されるものではなく、無電解めっき法等を用いてもよい（図１（ｄ））。
【００３６】
次に、ＣＭＰ法により、配線溝１０３の上部の銅１０６と配線溝１０３外のＴａ膜１０４を除去して平坦化することにより、配線溝１０３に金属配線を形成する（図１（ｅ））。ＣＭＰ法による平坦化は、銅１０６を除去するステップと、Ｔａ膜１０４および余分なシリコン酸化膜１０２を除去するステップの２つのステップからなる。銅１０６を除去するステップのＣＭＰプロセス条件は、ｐｌａｔｅｎ回転数１００ｒｐｍ、圧力０．８ｐｓｉである。Ｔａ膜（１０４）およびシリコン酸化膜（１０２）を除去するステップのＣＭＰプロセス条件は、ｐｌａｔｅｎ回転数８０ｒｐｍ、圧力１．５ｐｓｉである。
【００３７】
次に、無電解めっき法により、配線溝１０３に第一のコバルトタングステンリン膜１０７を堆積する（図１（ｆ））。無電解めっき液の組成は、塩化コバルト、タングステン酸アンモニウム、次亜リン酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウムからなり、無電解めっき液のｐＨは１０である。また、無電解めっきのプロセス温度は５０〜９０℃である。この方法により、配線溝１０３の表面における銅の触媒作用により、配線溝１０３の上で選択的に、コバルトイオン、及びタングステン酸イオンの次亜リン酸イオンによる還元反応が進行し、第一のコバルトタングステンリン膜１０７が析出する。そして、第１のコバルトタングステンリン膜１０７は配線溝の領域内で島状に形成される。第一のコバルトタングステンリン膜１０７の膜厚は、配線パターンの面積率（全表面積に占める配線溝１０３の表面積の割合）が５０％の箇所にて、１〜１０ｎｍであることが望ましい。但し、銅の触媒活性は、パラジウム等の貴金属と比較して低いため、配線パターンの面積率が低くなると、配線溝１０３の表面に第一のコバルトタングステンリン膜１０７が析出しにくくなる現象が発生する。そのため、配線パターンの面積率が１０％程度の孤立した配線パターンでは、配線溝１０３の表面に第一のコバルトタングステンリン膜１０７に被覆されない部分１０８が発生する。
【００３８】
次に、上記半導体基板１００を、塩酸によりｐＨ＝１に調整した塩化パラジウム溶液に浸漬する。パラジウムは銅およびコバルトよりもイオン化傾向が小さいため、配線溝１０３の表面に露出した銅およびコバルトと、溶液中のパラジウムイオンの置換めっき反応が生じ、第一のコバルトタングステンリン膜１０７の表面、及び、第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面１０８にパラジウム膜１０９が形成される（図１（ｇ））。このとき、第一のコバルトタングステンリン膜１０７の表面及び第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面１０８の両方の上にパラジウム膜１０９を形成したが、第一のコバルトタングステンリン膜をマスクした状態で塩化パラジウム溶液に浸漬する等の方法で、少なくとも第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されなかった部分の配線溝の表面１０８上に形成すればよい。
【００３９】
次に、無電解めっき法により、パラジウム膜１０９上に第二のコバルトタングステンリン膜１１０を堆積する。無電解めっき液の組成、および成膜の条件は、前記の第一のコバルトタングステンリン膜１０７を堆積した際に用いたものと同等である。第二のコバルトタングステンリン膜１１０の膜厚は、１〜１０ｎｍである。パラジウムの触媒活性は銅と比較して高いため、パラジウム膜１０９の上に均一に第二のコバルトタングステンリン膜１１０が形成され、配線溝の上に被覆性良くキャップ膜を形成することができる（図１（ｈ））。また、配線が密な領域では、第一のコバルトタングステンリン膜１０７を介してパラジウム膜１０９が形成されるため、銅との合金が形成されず配線抵抗の上昇を抑制することができる。
【００４０】
以上の工程により、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜であるコバルトタングステンリン膜を形成した半導体装置が完成する。
本発明の実施形態によると、従来の触媒金属を用いた無電解めっき法を用いてコバルトタングステンリン膜を形成した場合でみられた１０〜２０％程度の配線抵抗上昇が、数パーセント程度に抑制することができ、かつ、従来の触媒金属を用いた無電解めっき法と同等の信頼性が得られる。
【００４１】
なお、上記の実施形態では、触媒金属としてパラジウムを用いたが、触媒金属としては、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムなどの貴金属元素あるいはそれらの合金を用いてもよい。また、キャップ膜に関しても、上記の実施形態で用いたコバルトタングステンリン膜に限定されるものではなく、タングステン、リン、ホウ素から選ばれる少なくとも１種を含むコバルト合金またはニッケル合金でもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、配線抵抗の上昇を抑制しながら、配線溝の表面に被覆性良くキャップ膜を形成することができ、銅を含む金属配線上に銅の拡散を防止するためのキャップ膜が形成される半導体装置及びその製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図
【図２】従来技術１の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図
【図３】従来技術２の半導体装置におけるキャップ膜の形成方法を示す工程断面図
【符号の説明】
【００４４】
１００    半導体基板
１０１    シリコン窒化膜
１０２    シリコン酸化膜
１０３    配線溝
１０４    Ｔａ膜
１０５    Ｃｕ膜
１０６    銅
１０７    第一のコバルトタングステンリン膜
１０８    第一のコバルトタングステンリン膜に被覆されない部分
１０９    パラジウム膜
１１０    第二のコバルトタングステンリン膜
２００    半導体基板
２０１    シリコン窒化膜
２０２    シリコン酸化膜
２０３    配線溝
２０４    Ｔａ膜
２０５    Ｃｕ膜
２０６    銅
２０７    パラジウム膜
２０８    コバルトタングステンリン膜
３００    半導体基板
３０１    シリコン窒化膜
３０２    シリコン酸化膜
３０３    配線溝
３０４    Ｔａ膜
３０５    Ｃｕ膜
３０６    銅
３０７    コバルトタングステンリン膜
【図１】
2008118063.tif 000003
【図２】
2008118063.tif 000004
【図３】
2008118063.tif 000005