(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔又は溝が形成された絶縁膜の表面を電解メッキ法によって銅又は銅合金の金属材料で被覆することにより、前記孔又は溝の内部に前記金属材料を充填して配線膜を形成する半導体配線膜の形成方法であって、
前記電解メッキを水素ガス又は水素イオンを含むメッキ浴中にて行い、
前記メッキ浴における電圧範囲を、メッキ浴中に平衡状態以上の水素ガスまたは水素イオンが含まれる状況を抑制した条件での最大電圧であって電流効率が９５パーセントのときの電圧より大きく、前記最大電圧＋５０００ｍＶより小さいものとすることで、膜中に水素を取り込みながら前記金属材料の配線膜を形成し、
その後、加熱処理することにより前記孔又は溝に前記金属材料を充填することを特徴とする半導体配線膜の形成方法。
【請求項２】
前記絶縁膜には、アスペクト比が２以上７．７以下の孔が形成されているものであって、
前記配線膜を形成した後の加熱処理を、高温高圧の不活性ガスを主成分とするガス雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体配線膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＬＳＩに代表される半導体の製造工程における配線膜の形成方法に関するものであり、とくに低電気抵抗で微細な配線構造の配線膜の形成方法に関するものであり、結果としていわゆるＵＬＳＩ等の半導体装置の高速演算、低駆動電圧化、低消費電力化を実現する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＵＬＳＩ分野では微細化を進めることによる高集積化が急速に進展しており、配線膜についても、従来のＡｌ系材料では微細化に伴う電気抵抗の増大による信号伝達の遅延がクローズアップされている。配線膜の低電気抵抗化には、従来のＡｌ系材料より低電気抵抗の材料として銅及び銅合金の利用が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
銅系の材料は低電気抵抗であることに加え、ＵＬＳＩの配線を流れる電流による配線の変形・断線現象（エレクトロマイグレーション）を生じにくいこと、更には低価格であることからもっとも有力な材料とされている。
この銅系金属の場合、Ａｌ系金属膜で従来行われてきた絶縁膜上にスパッタリング法にて成膜した後エッチング法により配線構造を形成することが困難であり、絶縁膜に孔・溝を形成した後、これらの孔・溝に銅系金属をメッキ法によって充填する方法が採用されている。メッキ法では、空孔の無いメッキ膜を得るために、孔底や平坦部での成膜速度調整等の観点から電解メッキ法が用いられているが、あらかじめ孔・溝の内部や半導体ウエハの表面に導電性を付与するためのシード層をスパッタリング法やＣＶＤ法によって形成しておくことが必要である。近年のＬＳＩの微細化の傾向から、孔については現状の０．２５ミクロン径から２００３年頃には０．１ミクロン径にまで小径化することが予想されており、０．１５ミクロン径以下の微細化に対して、アスペクト比と呼ばれる直径に対する深さの比が４以上になると、この孔や溝を金属配線材料で充填することは困難である。
【０００４】
さらに、前述のシード層が不完全な場合においては、現状の０．２５ミクロン径であっても空孔等の膜中の欠陥が発生することが知られている。この孔や溝の金属配線材料の充填が不完全であれば、電気抵抗の増加としてＵＬＳＩ特性を劣化させるだけでなく、エレクトロマイグレーションの起点となって信頼性を低下させることも知られている。
この課題を解決する手段として、これらの開口部が塞がった充填が不充分な孔・溝を有するＵＬＳＩ製造途中段階の材料、及びこれらの孔・溝の開口部を金属膜で塞いだ材料に対して高温下で高圧ガス圧力を作用させる方法（高圧アニール法）が提案されている。しかしながら、通常の電解メッキ法で形成された銅配線膜の場合には、この高圧アニール法を持ってしても圧力を１２０Ｍｐａ以上で温度を３５０℃以上とする高温処理が必要であり、一層のプロセスの低温化が求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため、本願発明において採用した方法は、孔又は溝が形成された絶縁膜の表面を電解メッキ法によって銅又は銅合金の金属材料で被覆することにより、前記孔又は溝の内部に前記金属材料を充填して配線膜を形成する半導体配線膜の形成方法であって、前記電解メッキを水素ガス又は水素イオンを含むメッキ浴中にて行い、前記メッキ浴における電圧範囲を、メッキ液内で水素ガス発生を抑制した条件での最大電圧より大きく、当該最大電圧＋５０００ｍＶより小さいものとすることで、膜中に水素を取り込みながら前記金属材料の配線膜を形成し、その後、加熱処理することにより前記孔又は溝に前記金属材料を充填している。
【０００６】
銅系金属配線膜を形成する際に、水素ガス又は水素イオンを含むメッキ浴から金属配線膜中に水素をドープさせることにより、金属配線膜材料の金属材料原子の拡散による移動が促進される。この原子の拡散現象の促進によって、成膜時に十分金属材料を充填できなかった孔・溝の確実な充填を、後工程の熱処理との組合せることで行うことができる。
このような水素の取り込みのためには、例えば、水素ガス供給源からメッキ浴中に水素ガスを供給する水素供給装置を設けることでも実現できる。しかし、電解メッキ法では、メッキ条件（電流電圧条件）を変更することによってメッキ時に水素ガス又は水素イオンを発生させることが可能である。そこで、本願発明では、前記メッキ浴における電圧範囲を、メッキ液内で水素ガス発生を抑制した条件での最大電圧より大きく、当該最大電圧＋５０００ｍＶより小さいものとしている。
【０００７】
通常の電解メッキ法では、メッキ中に水素ガスを発生させることは、水素による膜中への気孔発生などによる欠陥導入につながるとの観点と、電流効率の低下を招くとの観点から、実施しないことが常識であるが、本発明では、従来回避されることが常識であった水素ガス発生を伴う電流電圧条件での電解メッキによる銅系配線膜形成を行った。
また、本願発明においては、前記絶縁膜には、アスペクト比が２以上７．７以下の孔が形成されている。加えて、前記配線膜を形成した後の加熱処理を、高温高圧の不活性ガスを主成分とするガス雰囲気下で行うことを特徴とする。前記熱処理だけでは金属配線材料の完全な充填が困難なような径が細かい孔・溝の場合には、上記熱処理を高圧力による組成変形現象を利用して充填することができる。
なお、本発明の最も好ましい実施の形態としては、孔又は溝が形成された絶縁膜の表面を電解メッキ法によって銅又は銅合金の金属材料で被覆することにより、前記孔又は溝の内部に前記金属材料を充填して配線膜を形成する半導体配線膜の形成方法であって、前記電解メッキを水素ガス又は水素イオンを含むメッキ浴中にて行い、前記メッキ浴における電圧範囲を、メッキ浴中に平衡状態以上の水素ガスまたは水素イオンが含まれる状況を抑制した条件での最大電圧であって電流効率が９５パーセントのときの電圧より大きく、前記最大電圧＋５０００ｍＶより小さいものとすることで、膜中に水素を取り込みながら前記金属材料の配線膜を形成し、その後、加熱処理することにより前記孔又は溝に前記金属材料を充填するとよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明が適用される多層構造のＵＬＳＩの断面を図１に模式的に示す。図１において「ｎ・ｐウエル・ｎ」及び「ｐ・ｎウエル・ｐ」のトランジスタ１Ａが形成されたＳｉ基板１の上に絶縁膜２が形成される。絶縁膜２の上には第１層の金属配線Ｍ１が反応防止用のバリア膜を介して形成される。絶縁膜２にはコンタクトホール（孔）２Ａが形成され、タングステンをＣＶＤ法にて充填して第１層の金属配線Ｍ１に接続される。
【０００９】
この第１層の金属配線Ｍ１上にも更に絶縁膜層が形成される。この絶縁層には第１層の金属配線Ｍ１と第２層の金属配線Ｍ２との接続のためのヴィアホール（孔）２Ｂが形成され、第２層の金属配線Ｍ２を形成するための溝２Ｃが形成される。このヴィアホール２Ｂは第２層の金属配線Ｍ２を形成するための溝２Ｃの充填と同時に行われる。
この場合、ヴィアホール２Ｂのみのアスペクト比は３程度であるが、溝２Ｃを併せると４〜６になることが多い。図中に示した第３層から第６層の配線膜Ｍ３〜Ｍ６及びそれらを接続するためのヴィアホールも同様の方法で形成される。
【００１０】
一般に、図１に示した多層配線構造を有するＵＬＳＩ製造工程では、一層形成毎に表面の平坦化処理が必要であり、ＣＭＰ工程と呼ばれる表面平坦化研磨工程が施される。この工程に先立ち、ＣＭＰ工程の安定な再現性を得ることと、一様な研磨を達成するために、基板全体を加熱してリフロー法と呼ばれる金属配線材料の熱処理が施される。このリフロー法は再結晶温度以上の温度に加熱した状態で顕著になると一般的にいわれている金属配線材料の表面拡散現象を利用している。銅系金属配線材料の再結晶温度は４００℃近傍であることが一般的に知られている。
【００１１】
しかし、水素ガスを発生させながら電解メッキ法によって形成された銅もしくは銅合金の配線膜（図２参照）は、メッキ工程において不可避的に水素ガスが膜中に取り込まれ、銅原子の拡散等が促進されるようになる。この結果、メッキ後の加熱処理（リフロー処理）温度を低減化させ、圧力も低減化させることができるようになる。
このような効果を得るためには、メッキ浴中に水素ガスまたは水素イオンが含まれればよいが、電解メッキ法ではメッキ条件を変更することによって容易にメッキ時に水素ガスを発生させることが可能である。
【００１２】
通常の電解メッキ法では図３に示すように水素ガスを発生させないことを前提に、工業的に利用できる電流密度において領域Ａ−Ｂ（銅が析出し水素が少ない領域）で示される範囲内で電流・電圧条件が決定される。なお、本領域はメッキ材、メッキ液の種類、メッキ液の濃度、及びメッキ時の温度により変化するが、逆にこれらの条件が決まれれば一義的に定まる領域である。なお、図３の数値は、あるメッキ作業条件下での単なる例示にすぎない。
メッキ中に水素ガスを発生させることは、水素による膜中への気孔発生等による欠陥導入につながるとの観点と、電流効率の低下を招くとの観点から、実施しないことが常識である。本発明では、水素ガス又は水素イオンを膜中に取り込むことによって銅系配線膜中の銅原子の拡散促進効果を得ることにより銅配線膜のリフロー特性を改善するため、従来回避されることが常識であった水素ガス発生を伴う電流・電圧条件での電解メッキによる銅系配線膜形成を行う。
【００１３】
銅メッキ浴としては、硫酸銅浴、ほう弗化銅浴又はピロリン酸銅浴が採用できる。後述の実施例では、硫酸銅浴を採用している。硫酸銅浴の代表的な浴組成は、「硫酸銅：１２５〜１５０ｇ／リットル、硫酸：３０〜１００あるいは１２５〜１５０ｇ／リットル、添加剤：適当量」である（「銅および銅合金の基礎と工業技術（改訂版）」１９９５年改訂版、発行日本伸銅協会、参照）。
水素ガス発生を伴う電流・電圧条件も、メッキ材、メッキ液の種類、メッキ液の濃度、及びメッキ時の温度により変化するが、当業者であれば、これらの条件が決まれば必要な電流電圧条件を見いだすことは容易である。図３に基づけば、Ｂより高電圧側の領域（銅が析出し水素も発生する領域）となる。
【００１４】
ただし、膜中に取り込まれる水素ガスが多すぎると、配線膜自体がポーラスな構造となるばかりでなく、配線膜以外の半導体構成材料に悪影響を及ぼす。このような理由により、電解メッキ時の電流電圧条件は、メッキ液に依存して一義的に決まる水素ガス発生を抑制した条件での（図３にＢ点として示した）最大電圧より大であって、Ｂ＋５，０００ｍＶを超えない領域Ｂ−Ｃで示す範囲内であることが望ましい。すなわち、通常の電解メッキ法で適正とされている領域より５Ｖ程度大きい範囲までが望ましい。電流効率（陰極電流効率：流した電流のうち、どの程度がＣｕ析出に使われたか）でいえば、従来の電解メッキでは９５〜１００パーセントであるところ、本発明では８０パーセント程度である。
【００１５】
既述した如く、現状技術では孔径が０．１５ミクロン以下、アスペクト比４以上の微細化に対して、図４（ａ）に示したような孔の奥底部へのボイド発生が懸念され、金属系配線材料の充填が困難であるとされている。このようなボイドに対しては、膜中の水素の拡散促進現象を利用した大気圧近傍のリフロー法では完全な金属配線膜材料の充填はできない。このような状況下では、リフロー処理を、高温高圧の不活性ガスを主成分とするガス雰囲気下で行うことが推奨される。図４（ｂ）は、この作用を模式的に示したものである。金属配線膜中に含まれた水素による金属配線膜原子の拡散促進機能により、金属配線膜材料の見かけの変形抵抗が小さくなり、塑性変形が容易となることから、高圧のガス圧力による金属配線膜材料が孔・溝の奥底部まで充填される。なお、本発明は、高圧リフロー時の圧力を水素を含まない配線膜材料の充填条件と同じにして温度を低下させることのみを規定するものではなく、温度を同じにして圧力を低減する条件、或いは両者ともに低減する条件も選択しうる。
【００１６】
【実施例】
Ｓｉ基板上に厚さ１．５ミクロンのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を形成して、パターンニング後、シリコン酸化膜をエッチングして表１に示すような孔・溝を形成した試料を用い、本発明の効果を検証した。なお、孔・溝の内面には、銅系配線材料で一般的に採用されるＴａＮバリア層を、更に銅シード層をスパッタリング法によって成膜した。処理条件は表１に示したとおりであり、一部従来法による成膜・リフロー処理を行い比較材とした。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
実施例１と比較例１の比較から、本発明の水素ガス含有メッキ膜を用いることによりリフロー温度の低減化が可能であること、即ち従来法よりも低温で孔への銅配線材料の充填が可能であることが確認できた。
また、実施例２と比較例２の比較から、溝の底に孔が形成されたデュアルダマシン構造でも、本発明の水素ガス含有メッキ膜を用いることによりリフロー温度の低減化が可能であること、即ち従来法よりも低温で孔・溝への銅配線材料の充填が可能であることが確認できた。
【００１９】
更に、実施例３と、比較例３の比較から、本発明の水素ガス含有メッキ膜に高圧ガス雰囲気下での高圧リフロー処理を施すことによって、金属配線材料を高アスペクト比の孔・溝へ充填可能であることが確認できた。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、低電気抵抗の観点から今後の配線材料として期待されている銅系配線材料の低温でのリフローが可能となり、高圧ガス雰囲気下でのリフロー処理と組み合わせれば、ますます微細化する孔・溝への充填が可能となる。本発明はこのような効果によって、金属配線膜材料を用いたＵＬＳＩの工業的生産プロセスの簡素化、信頼性向上に多大なる貢献を果たすことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  半導体の多層配線構造の一例を示す断面図である。
【図２】  電解メッキ法によって形成された銅配線の拡大断面図である。
【図３】  電解メッキ法の電流電圧条件を示す図である。
【図４】  （ａ）は、孔奥底部にボイドを有する配線断面図であり、（ｂ）は、高圧高圧のリフロー処理で孔が充填され水素が追い出された状態を示す配線断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  絶縁膜
２Ｂ  コンタクトホール
２Ｃ  溝
３  銅配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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