(57)【要約】【課題】エレクトロマイグレーションに弱い銅（Ｃｕ）金属配線とキャッピング膜との界面に選択的に銅の拡散を防止することが可能なチタニウム又はルテニウム金属を選択的に形成して金属配線の信頼性を確保することが可能な金属配線形成方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜をエッチングして金属配線形状のパターンを形成する段階と、前記金属配線形状のパターンが形成された結果物上に段差に沿って拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に銅膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜の上部の前記銅膜及び前記拡散防止膜を化学機械的研磨して銅金属配線を形成する段階と、前記銅金属配線上にのみ選択的にチタニウム又はルテニウム金属を吸着する段階と、前記吸着されたチタニウム又はルテニウム金属に対してアニーリングを行う段階とを含む。【選択図】図４
2004335998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜をエッチングして金属配線形状のパターンを形成する段階と、
前記金属配線形状のパターンが形成された結果物上に段差に沿って拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜上に銅膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜の上部の前記銅膜及び前記拡散防止膜を化学機械的研磨して銅金属配線を形成する段階と、
前記銅金属配線上にのみ選択的にチタニウム又はルテニウム金属を吸着する段階と、
前記吸着されたチタニウム又はルテニウム金属に対してアニーリングを行う段階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】
前記ルテニウム金属の吸着段階は、ルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）の溶液に前記銅金属配線を浸漬して行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項３】
前記チタニウム金属の吸着段階は、チタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）又は次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）が含まれた溶液に前記銅金属配線を浸漬して行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項４】
前記アニーリングは、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ2）又はアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で温度２００℃以上、且つ４００℃以下の範囲で１時間以上、且つ３時間以下行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項５】
前記アニーリング段階後、キャッピング膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項６】
前記キャッピング膜は、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）又はシリコンカーバイド膜（ＳｉＣ）で形成することを特徴とする請求項１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、半導体素子の製造方法に係り、さらに詳しくは、半導体素子の金属配線形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
素子の集積度の増加及び配線構造の多層化に伴い、金属配線としてアルミニウム（Ａl）よりは銅（Ｃｕ）を多く使用しており、この金属配線はダマシン（damascene）工程を主に適用している。
【０００３】
ダマシン工程とは、絶縁膜に対して写真工程及びエッチング工程を行ってトレンチ（trench）を形成し、このトレンチに銅（Ｃｕ）などの導電物質を充填しかつ必要な配線以外の導電物質を化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing）などの技術を用いて除去することにより、最初のトレンチ形状に配線を形成する技術である。
【０００４】
一般に、ダマシン工程は次のような過程からなる。まず、半導体基板上に第１層間絶縁膜を形成し、前記第１層間絶縁膜に、下部の導電領域を開口するコンタクトホールを形成した後、タングステンＷを蒸着し、その後、化学機械的研磨して前記コンタクトホール内にタングステンＷが埋め込まれた形態のコンタクトプラグを形成する。次に、コンタクトプラグが形成された結果物上に第２層間絶縁膜を形成し、金属配線を形成するために前記コンタクトプラグを開口するトレンチを形成する。その後、拡散防止膜としてＴａＮ膜を蒸着した後、銅シード層を形成する。次に、電気メッキ法で銅（Ｃｕ）膜をトレンチ内に埋め込んだ後、化学機械的研磨して第２層間絶縁膜の上部のバリア膜及び銅膜を除去して金属配線を形成する。その次に、金属配線上にキャッピング膜としてシリコン窒化膜を形成する。
【０００５】
ところが、銅とキャッピング膜との界面がエレクトロマイグレーション（electromigration）に弱いものと知られている。銅とキャッピング膜との界面は、銅と拡散防止膜からなる界面より接着力などが良くなく、よって銅（Ｃｕ）の拡散度（diffusivity）が上部の表面、すなわちキャッピング膜側が速いものと知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、エレクトロマイグレーションに弱い銅（Ｃｕ）金属配線とキャッピング膜との界面に選択的に銅の拡散を防止することが可能なチタニウム又はルテニウム金属を選択的に形成して金属配線の信頼性を確保することが可能な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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜をエッチングして金属配線形状のパターンを形成する段階と、前記金属配線形状のパターンが形成された結果物上に段差に沿って拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に銅膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜の上部の前記銅膜及び前記拡散防止膜を化学機械的研磨して銅金属配線を形成する段階と、前記銅金属配線上にのみ選択的にチタニウム又はルテニウム金属を吸着する段階と、前記吸着されたチタニウム又はルテニウム金属に対してアニーリングを行う段階とを含む、半導体素子の金属配線形成方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体素子の金属配線形成方法によれば、化学機械的研磨の後、露出した銅金属配線の表面にのみチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属を選択的に形成することにより、銅の拡散を防止することができるので、銅金属配線の信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本発明に係る好適な実施例を詳細に説明する。ところが、本発明の実施例は、様々な変形実施が可能であるが、本発明は、下記の実施例に限定されるものと解釈されてはならない。これらの実施例は当技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記述される場合、これは他の層の真上に存在することもでき、あるいはその間に第３の層が介在されることもできる。また、図面において各層の厚さ又は大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張された。図面上において、同一の符号は同一の要素を指す。
【００１０】
次に、チタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）を、層間絶縁膜上には吸着されず、露出した銅（Ｃｕ）の表面にのみ吸着されるようにしてエレクトロマイグレーションを減少させることが可能な方法を説明する。
【００１１】
まず、無電解金属蒸着（electroless metal deposition）を用いて銅の表面上にのみ選択的にルテニウム金属を形成する方法を説明する。ルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）溶液に銅（Ｃｕ）金属膜を浸漬すると、下記の反応式１の如く銅（Ｃｕ）の表面にルテニウム（Ｒｕ）の金属が選択的に形成される。
【００１２】
〔反応式１〕
Ｃｕ＋Ｒｕ２＋  →  Ｃｕ２＋＋Ｒｕ
【００１３】
ルテニウム（Ｒｕ）クラスター又はルテニウム（Ｒｕ）ナノ金属粒子（nanometallic particle）が銅（Ｃｕ）の表面にのみ積もり、層間絶縁膜上には吸着されない。
【００１４】
以下、無電解還元（electroless reduction）法を用いてチタニウム（Ｔｉ）金属を選択的に銅の表面に形成する方法を説明する。チタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）及び次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）（hypo-phosphorous acid）が含まれた溶液に銅（Ｃｕ）金属膜を浸漬すると、反応式２のように銅（Ｃｕ）の表面にチタニウム（Ｔｉ）金属が選択的に形成される。
【００１５】
〔反応式２〕
４Ｈ３ＰＯ２−＋Ｔｉ４＋＋Ｈ２Ｏ  →  Ｔｉ＋２ＨＰＯ３２−＋３Ｈ２＋４Ｈ＋
【００１６】
ここで、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）はチタニウム（Ｔｉ）を還元させる還元剤として作用する。
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１ないし図４は本発明の好適な第１実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【００１９】
図１を参照すると、所定の導電層（図示せず）が形成された半導体基板100上に第１層間絶縁膜102を形成する。前記導電層は、半導体基板100に形成された不純物ドーピング領域或いは金属配線層とすることができる。第１層間絶縁膜102は例えば、ＳｉＯＣ（carbon doped silicon oxide）膜、ＰＳＧ（phosphorous silicate glass）膜、ＢＰＳＧ（boron phosphorous silicate glass）膜、ＵＳＧ（undoped silicate glass）膜、ＦＳＧ（fluorine doped silicate glass）膜、ＨＤＰ（high density plasma）膜、ＰＥ−ＴＥＯＳ（plasma enhanced-tetra ethyl ortho silicate）膜又はＳＯＧ（spin on glass）膜のような低誘電率を有する物質膜で形成することが好ましい。
【００２０】
次に、写真エッチング工程及びエッチング工程を用いて第１層間絶縁膜102をエッチングしてコンタクトホールを形成した後、導電物質で埋め込んでコンタクトプラグ104を形成する。前記導電物質はアルミニウム（Ａｌ）膜、タングステン（Ｗ）膜、銅（Ｃｕ）膜とすることができる。
【００２１】
コンタクトプラグ104が形成された結果物上にエッチング停止膜106を形成する。エッチング停止膜106はその上部に形成される第２層間絶縁膜108とのエッチング選択比が大きい物質、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）又はシリコンカーバイド膜（ＳｉＣ）で形成することが好ましい。
【００２２】
次に、エッチング停止膜106上に第２層間絶縁膜108を形成する。第２層間絶縁膜108は例えばＳｉＯＣ膜、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＵＳＧ膜、ＦＳＧ膜、ＨＤＰ膜、ＰＥ−ＴＥＯＳ膜又はＳＯＧ膜のような低誘電率を有する物質膜で形成することが好ましい。
【００２３】
その後、写真エッチング工程及びエッチング工程を用いて第２層間絶縁膜108及びエッチング停止膜106をエッチングし、金属配線が形成されるべき領域の金属配線形状のパターンとなるトレンチ110を形成する。
【００２４】
図２を参照すると、トレンチ110が形成された結果物上に段差に沿って拡散防止膜112を蒸着する。拡散防止膜112は第１層間絶縁膜102及び金属膜114に対して接着性がよく、金属膜114の拡散を防止することが可能な物質膜、例えばＴｉ膜、ＴｉＮ膜などで形成することができる。拡散防止膜112はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で１００Å〜３００Å程度の厚さに蒸着することが好ましい。
【００２５】
拡散防止膜112上に金属シード層（図示せず）を形成した後、電気メッキ法を用いて金属膜114を形成する。前記金属膜114は銅（Ｃｕ）膜などとすることができる。
【００２６】
図３を参照すると、金属膜114を化学機械的研磨して金属配線114aを形成する。前記化学機械的研磨工程は第２層間絶縁膜108が露出されるまで行うことが好ましく、前記化学機械的研磨工程によって第２層間絶縁膜108上の拡散防止膜112及び金属膜114が除去される。
【００２７】
次に、前述したようにチタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）溶液又はルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）溶液を用いて無電解電気メッキ116を行う。すなわち、ルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）溶液に銅（Ｃｕ）金属配線を浸漬し、あるいはチタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）及び次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）が含まれた溶液に銅（Ｃｕ）金属配線114aを浸漬して銅（Ｃｕ）金属配線114aの表面にルテニウム（Ｒｕ）金属又はチタニウム（Ｔｉ）金属を選択的に形成する。
【００２８】
図４を参照すると、前記無電解電気メッキ116によってチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属が選択的に金属膜、例えば銅（Ｃｕ）の表面にのみ選択的に蒸着される。このように化学機械液研磨後、露出された銅（Ｃｕ）の表面にのみチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）を選択的に吸着させてエレクトロマイグレーションを減らして銅配線の信頼性を向上させることができる。銅（Ｃｕ）の表面をチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）などでコートすることによりチタニウム（Ｔｉ）／銅（Ｃｕ）又はルテニウム（Ｒｕ）／銅（Ｃｕ）層が形成され、エレクトロマイグレーションの耐性を増加させることができる。
【００２９】
チタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属118を金属膜114ａ上にのみ選択的に吸着した後、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ2）又はアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で温度２００℃以上、且つ４００℃以下程度の範囲で１時間以上、且つ３時間以下程度アニーリングを行う。
【００３０】
チタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属が選択的に形成された結果物上にキャッピング膜120を形成する。キャッピング膜120はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ4）又はシリコンカーバイド膜（ＳｉＣ）で形成する。
【実施例２】
【００３１】
図５ないし図８は本発明の好適な第２実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【００３２】
図５を参照すると、半導体基板200に導電層202を形成する。導電層202は半導体基板200上に形成された金属配線であることもでき、半導体基板200内に形成されたソース／ドレインのような活性領域であることもできる。
【００３３】
導電層202が形成された半導体基板200上に層間絶縁膜204を形成する。層間絶縁膜204は例えば、ＳｉＯＣ膜、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＵＳＧ膜、ＦＳＧ膜、ＨＤＰ膜、ＰＥ−ＴＥＯＳ膜又はＳＯＧ膜のような低誘電率を有する物質膜で形成することが好ましい。
【００３４】
層間絶縁膜204上にビアホール205を定義する第１感光膜パターン（図示せず）を形成する。前記第１感光膜パターンをエッチングマスクとして層間絶縁膜204をエッチングしてビアホール205を形成する。次に、回転塗布方式を用いて有機反射防止膜（図示せず）を塗布してビアホール205を埋め込む。その後、半導体基板200上に、トレンチ210を定義する第２感光膜パターン（図示せず）を形成する。前記第２感光膜パターンをエッチングマスクとして層間絶縁膜204の一部をエッチングしてトレンチ210を形成する。次に、前記第２感光膜パターンと残留する前記反射防止膜を除去してデュアルダマシンパターンを形成する。
【００３５】
次に、ビアホール205とトレンチ210からなるデュアルダマシンパターンが形成された半導体基板200上に段差に沿って銅の拡散を防止するための拡散防止膜212を蒸着する。拡散防止膜212は、層間絶縁膜204及び金属膜214に対して接着性がよく、金属膜214の拡散を防止することが可能な物質膜、例えばＴｉ膜、ＴｉＮ膜などで形成することができる。拡散防止膜212はＣＶＤ法で１００Å〜３００Å程度の厚さに蒸着することが好ましい。
【００３６】
拡散防止膜212上に金属シード層（図示せず）を形成した後、電気メッキ法を用いて金属膜214を形成する。前記金属膜214は銅（Ｃｕ）膜などとすることができる。
【００３７】
図６を参照すると、金属膜214を化学機械的研磨して金属配線214aを形成する。前記化学機械的研磨工程は層間絶縁膜204が露出されるまで行うことが好ましく、前記化学機械的研磨工程によって層間絶縁膜204上の拡散防止膜212及び金属膜214が除去される。
【００３８】
次に、前述したように、チタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）溶液又はルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）溶液を用いて無電解電気メッキ216を行う。すなわち、ルテニウムクロライド（ＲｕＣｌ３）溶液に銅（Ｃｕ）金属配線を浸漬し、あるいはチタニウムクロライド（ＴｉＣｌ４）及び次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）が含まれた溶液に銅（Ｃｕ）金属配線214aを浸漬して銅（Ｃｕ）金属配線214aの表面にルテニウム（Ｒｕ）金属又はチタニウム（Ｔｉ）金属を選択的に形成する。
【００３９】
図７を参照すると、前記無電解電気メッキによってチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属218が選択的に金属膜、例えば銅（Ｃｕ）の表面にのみ選択的に蒸着される。このように化学機械的研磨後、露出された銅（Ｃｕ）の表面にのみチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）を選択的に吸着させてエレクトロマイグレーションを減らすことにより、銅配線の信頼性を向上させることができる。銅（Ｃｕ）の表面をチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）などでコートすることによりチタニウム（Ｔｉ）／銅（Ｃｕ）、或いはルテニウム（Ｒｕ）／銅（Ｃｕ）層が形成され、エレクトロマイグレーションの耐性を増加させることができる。
【００４０】
次に、チタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）の金属218を金属膜214ａ上にのみ選択的に吸着した後、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）又はアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で温度２００℃以上、且つ４００℃以下程度の範囲で１時間以上、且つ３時間以下程度アニーリングを行う。
【００４１】
図８を参照すると、チタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）金属が選択的に形成された結果物上にキャッピング膜220を形成する。キャッピング膜220はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）又はシリコンカーバイド膜（ＳｉＣ）で形成する。
【００４２】
上述した第２実施例の場合、デュアルダマシンパターンを形成する方法の一例を挙げて説明したものに過ぎず、本発明はかかる実施例にのみ限定されるものではなく、デュアルダマシンパターンを形成してトレンチ形状の金属配線を形成した後、金属配線上に選択的にチタニウム（Ｔｉ）又はルテニウム（Ｒｕ）の金属を形成する様々な方法に適用可能である。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、当分野で通常の知識を有する者であれば、様々な変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の好適な第１実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図２】本発明の好適な第１実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図３】本発明の好適な第１実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図４】本発明の好適な第１実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図５】本発明の好適な第２実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図６】本発明の好適な第２実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図７】本発明の好適な第２実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【図８】本発明の好適な第２実施例に係る半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００、２００    半導体基板
１０２    第１層間絶縁膜
１０４    コンタクトプラグ
１０６    エッチング停止膜
１０８    第２層間絶縁膜
１１０、２１０    トレンチ
１１２、２１２    拡散防止膜
１１４、２１４    金属膜
１１４ａ、２１４ａ    金属配線
１１６、２１６    無電解電気メッキ
１１８、２１８    チタニウム又はルテニウム金属
１２０、２２０    キャッピング膜
２０４    層間絶縁膜
２０５    ビアホール 
【図１】
2004335998.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004335998.tif 000005
【図４】
2004335998.tif 000006
【図５】
2004335998.tif 000007
【図６】
2004335998.tif 000008
【図７】
2004335998.tif 000009
【図８】
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