(57)【要約】【課題】配線間のショート発生頻度を低減する、配線形成方法を提供する。【解決手段】配線間の亀裂に埋め込まれた導電性金属膜をフッ素含有ガスおよび酸素ガスを導入したプラズマ処理、若しくは酸化剤溶液により酸化し、酸化物を選択的に除去する薬液を用いて、溶解除去を行う。その結果、配線用金属膜を傷つけることなく亀裂中に埋め込まれた導電性金属膜を除去することができ、配線間ショートの発生頻度を低減することが出来る。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に第１の配線用溝と前記第１の配線用溝に平行な第２の配線用溝を形成する工程と、
前記第１、第２の配線用溝に配線用導電膜を堆積する工程と、
前記第１、第２の配線用溝からはみ出した、前記配線用導電膜を除去する工程と、
前記配線用導電膜の表面を酸化する工程と、
酸化させた前記配線用導電膜を除去する工程と、を備えた配線構造の形成方法。
【請求項２】
前記配線用導電膜の表面を酸化する工程において、酸素プラズマ処理を用いることを特徴とする、請求項１記載の配線構造の形成方法。
【請求項３】
前記配線用導電膜の表面を酸化する工程において、酸素ガスにフッ素含有ガスを添加したプラズマ処理を行うことを特徴とする、請求項２記載の配線構造の形成方法。
【請求項４】
前記フッ素含有ガスとして、ＣＦ４，ＣＨＦ３，を用いることを特徴とする、請求項３記載の配線構造の形成方法。
【請求項５】
前記配線用導電膜の表面を酸化する工程において、酸化剤を用いて行うことを特徴とする、請求項１記載の配線構造の形成方法。
【請求項６】
前記酸化剤として、過酸化水素水、もしくはオゾン水を用いて行うことを特徴とする、請求項５記載の配線構造の形成方法。
【請求項７】
前記第１の配線用溝と前記第２の配線用溝の間の距離が、０．２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の配線構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置における、配線構造の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線構造の形成方法として、特開平１０―２１４８３４号公報に示される方法があった。この従来の配線構造の形成方法を、絶縁膜に形成された配線溝に配線を形成する場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板の上に絶縁膜として、例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜１１を堆積した後、酸化膜１２の所定領域に該酸化膜１２を貫通する、例えば径が０．８μｍの配線溝１３をドライエッチング法により形成する。
【０００４】
次に、配線溝１３を含む酸化膜１２の上に全面に亘ってＰＶＤ法により、下層の導電膜としての膜厚３０ｎｍのチタン膜１４及び中間の導電膜層としての膜厚１００ｎｍの窒化チタン膜１５を順次堆積した後、窒化チタン膜１５の上に全面に亘ってＣＶＤ法により上層の導電膜としての膜厚１μｍのタングステン１６を堆積する。これにより３層構造の導電膜が堆積される。
【０００５】
その後、研磨剤を使用して化学機械研磨法を行って、図６（ｂ）に示すように、配線溝１３以外の領域に堆積されているタングステン膜１６、窒化チタン膜１５を除去することにより、配線溝１３以外の領域のチタン膜１４を完全に露出させる。
【０００６】
続いて、図６（ｃ）に示すように、化学機械研磨によりチタン膜１４を研磨し、配線溝１３以外の酸化膜１２を露出させ、配線溝１３内にタングステンからなるプラグ１７を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配線パタ−ンの微細化に伴い、配線とそれと隣合う配線との間隔（配線間隔）がより狭くなったために、配線間が短絡するという問題が生じてきた。それは、配線が微細構造になるにしたがって配線間の距離も小さくなり、配線形成過程において発生した亀裂が、配線と配線の間をまたがり、擬似的な架橋構造を作ってしまう場合があるためである。
【０００８】
具体的には、図５に示すように、絶縁膜１２２には銅配線１２１が平行に形成されており、配線と配線との間の絶縁膜に亀裂１２３が存在すると、亀裂１２３が配線間の架橋となる場合がある。また、この亀裂１２３に銅が埋め込まれると、配線と配線とが短絡してしまうことがわかる。
【０００９】
そこで本発明は、金属配線間のショート発生頻度を減少させ、高性能な配線形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、絶縁膜に第１の配線用溝と前記第１の配線用溝に平行な第２の配線用溝を形成する工程と、第１、第２の配線用溝に配線用導電膜を堆積する工程と、第１、第２の配線用溝からはみ出した、配線用導電膜を除去する工程と、配線用導電膜の表面を酸化させる工程と、酸化させた配線用導電膜を除去する工程と、を備えた配線構造の形成方法を提供する。
【００１１】
これにより、配線間の微小な亀裂中に埋め込まれた金属を酸化することにより酸化物とし、その酸化物を選択的に除去することにより、配線間のショート発生頻度の低減を図ることが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施形態１）
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）の上に絶縁膜として、例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜１０１を堆積する。次に、シリコン酸化膜１０２の所定領域に該酸化膜１０２を貫通する、例えば径が０．３μｍの配線溝１０３をドライエッチング法により形成する。
【００１４】
次に、図１（ｂ）に示すように、配線溝１０３を含む酸化膜１０２の上に全面に亘ってスパッタ法により、膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜１０４及び膜厚１０ｎｍのタンタル膜１０５を順次堆積した後、タンタル膜１０５の上に全面に亘ってスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＣｕ膜１０６を堆積する。その後、メッキ法により、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜１０７を堆積する。
【００１５】
続いて、図２（ａ）に示すように、スラリーを用いた化学機械研磨法（ＣＭＰ）を行って、配線溝以外の領域に堆積されているＣｕ膜１０７、Ｃｕ膜１０６、タンタル膜１０５、窒化タンタル膜１０４を除去することにより、Ｃｕ配線１０８を形成する。この際、シリコン酸化膜１０２表面に深さ数十ｎｍ程度の微小な亀裂が形成され、この亀裂中に導電性のＣｕ削りかす１０９が埋め込まれる。
【００１６】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、酸素流量１０００ｍｌ／ｓｅｃ、マイクロ波出力１０００ｗ、チャンバー圧力２００Ｐａ、ステージ温度２５０℃の条件下で酸素プラズマ処理を、例えば５分行い、Ｃｕ配線１０８表面およびＣｕ削りかす１０９を５０ｎｍ程度酸化し、酸化銅（ＣｕＯ若しくはＣｕ２Ｏ）１１０を形成する。本工程が、本実施形態の特徴であり、後程詳述する。
【００１７】
その後、図２（ｃ）に示すように、酸化銅を溶解し、銅をほとんど溶解しない薬液（例えば、フッ酸や有機酸）で、酸化銅１１０を溶解除去し、配線構造を完成させる。
【００１８】
ここで、本実施形態の特徴である、酸化銅を形成する工程について説明する。酸化銅を形成する方法としては、主に２つあり、酸素プラズマ処理による方法と、酸化剤等の溶液を用いる方法である。
【００１９】
まず、酸素プラズマ処理による方法について説明する。
【００２０】
本実施形態の酸素プラズマ処理は、プラズマガスとして酸素に加えて、フッ素含有ガス、例えばＣＦ４ガスを導入する点に特徴がある。本実施形態のようにプラズマ処理時にフッ素含有ガスを導入すると、低温でも比較的速い酸化速度で表面処理（Ｃｕ表面の酸化）を行うことが出来る。
【００２１】
具体的には図３に示すように、ＣＦ４ガスを用いた場合と用いない場合における、ステージ温度とＣｕ酸化速度（プラズマ処理５分）の関係を示したものである。この図より、Ｃｕを酸化するのに実用的な酸化速度、例えば４０ｎｍ／５ｍｉｎを得るためには、ＣＦ４ガスを導入しない条件では、ステージ温度が２５０℃であるのに対し、ＣＦ４ガスを導入する条件では１５０℃の温度で実用的な酸化速度を得られることが分かる。以下、フッ素含有ガスを用いることにより、用いない場合と比較して低い温度で、かつ速い酸化速度が得られる理由について説明する。
【００２２】
まず、プラズマ処理中にＣＦ４などのフッ素を含んだガスを添加すると、プラズマによってフッ素ラジカル若しくはイオンが発生する。このフッ素ラジカルは電気陰性度が高いため、Ｃｕから容易に電子を抜き取りイオン化し、Ｃｕ−Ｆ結合が形成される。その後、プラズマガス中のＯラジカルもしくはＯイオンがＣｕ−Ｆ結合と反応して、より結合エネルギーが高く安定なＣｕＯ、若しくはＣｕ２Ｏが容易に形成される。
【００２３】
ここで、電気陰性度の高いフッ素が銅（Ｃｕ）をイオン化する方が、直接ＯラジカルもしくはＯイオンがＣｕ原子を攻撃してＣｕをイオン化するより、より少ないエネルギーでイオン化することが出来る。従って、低いステージ温度であっても、プラズマ処理時にフッ素含有ガスを導入することにより、まず電気陰性度の高いフッ素ラジカルがＣｕをイオン化し、イオン化されたＣｕは直ちにＯイオンと反応し、より安定なＣｕ酸化物を形成することが出来る。
【００２４】
その結果、フッ素含有ガスを用いた場合は、電気陰性度の高いＦラジカルを用いて反応時のエネルギー障壁を低下させ、Ｃｕのイオン化を促進するので、酸素ガスのみ用いた場合と比較して、低いステージ温度でＣｕの酸化速度を速くすることが出来る。例えば、ＣＦ４ガスを１０ｍｌ／ｓｅｃ添加すると、ステージ温度にもよるが、酸化速度を約２〜５倍に増加することができる。
【００２５】
また、本実施形態によると、Ｃｕ中のＯの拡散係数は非常に大きく、Ｃｕ酸化量の制御が困難な場合においても、一度Ｃｕ−Ｆの結合を形成した後に酸素プラズマ処理により酸化させることにより、Ｃｕ酸化量の制御が可能である。具体的には、電気陰性度の高いＦと結合した部分のＣｕが優先的に酸化され、Ｆとの結合が多いＣｕ部分を制御性良く酸化することができる。
【００２６】
その結果、図２（ｃ）に示すように、Ｃｕ配線１０８の膜厚を制御することが可能であり、Ｃｕ配線の膜減りや配線抵抗のばらつきを増大するのを防ぐことが出来る。
【００２７】
次に、酸化剤等の溶液を用いる方法について説明する。
【００２８】
酸化剤溶液を用いて亀裂中に埋め込まれたＣｕ等を除去する場合は、配線溝からはみ出したＣｕ膜を除去するＣＭＰ工程後、配線表面を洗浄する工程前に行う。酸化剤としては、濃度約１％の過酸化水素水、濃度約１０ｐｐｍのオゾン水等が用いられる。
【００２９】
このように酸化剤溶液を用いて、配線間の亀裂に埋め込まれたＣｕを酸化すると、基板表面や絶縁膜に傷等の物理的なダメージを与えることなく、不要な部分の酸化を行うことが出来る。
【００３０】
また、酸化剤溶液を用いて酸化する工程は、洗浄工程とほぼ同様の仕様で行うことが出来るため、短時間かつ簡単な手順で行うことが出来る。
【００３１】
その結果、より簡便な方法で、かつ絶縁膜等にダメージを与えることなく酸化銅を形成することが出来る。
【００３２】
最後に、本実施形態と従来例を比較した結果を示す。
【００３３】
図４に、本発明の実施形態で示した方法と従来技術を用いた方法をそれぞれ用いて、０．４μｍピッチの配線テストパターンの欠陥密度を電気的に測定した結果を示す。この結果より、本発明の場合は欠陥密度が０．１個／ｃｍ２であるのに対し、従来方法の場合は欠陥密度が、１０個／ｃｍ２であり、本発明により大きく欠陥密度の発生を減少させられることがわかる。つまり本発明を用いると、実用上十分な歩留まりが得られる欠陥密度０．５個／ｃｍ２以下を達成することが出来る。
【００３４】
以上実施形態によると、配線間の微小な亀裂中に埋め込まれた金属を、プラズマ若しくは酸化剤溶液を用いて酸化し、形成された酸化物を選択的に除去することにより、配線間のショート発生頻度の低減を図ることが出来る。特に配線パタ−ンの微細化に伴い、配線とその配線に平行に配置された配線との距離が近接していくにしたがって、配線間ショートの問題が顕著になる。配線間距離が０．２５μｍ以下になってくると、この問題が更に顕著となり、本実施形態の方法による配線間ショート問題への効果は大きくなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上本発明では、配線間の亀裂に埋め込まれた導電性金属膜を酸化し、酸化した金属膜を選択的に除去する。その結果、酸化されない配線用金属膜を傷つけることなく、配線間の亀裂に埋め込まれた導電性金属膜を除去することが出来、配線間ショートの発生頻度の低減を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の工程断面図
【図２】本発明の実施形態の工程断面図
【図３】ＣＦ４とステージ温度に対するＣｕ酸化速度を示す図
【図４】本発明と従来例の配線欠陥密度を示す図
【図５】配線間ショートを示す図
【図６】従来例の工程断面図
【符号の説明】
１０１　シリコン酸化膜
１０２　シリコン酸化膜
１０３　配線溝
１０４　窒化タンタル膜
１０５　タンタル膜
１０６　Ｃｕ膜
１０７　Ｃｕ膜
１０８　Ｃｕ配線
１０９　Ｃｕ削りかす
１１０　酸化銅
【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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【図６】
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