(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部構造が設けられた基板上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜の所定の領域をパターニングしてトレンチ及びコンタクトホールからなるダマシンパターンを形成する段階と、
洗浄工程を行った後、前記ダマシンパターンを含む全体構造上に拡散障壁層を形成する段階と、
前記拡散障壁層が形成された全体構造に対して銅の蒸着速度を加速化するためにヨード含有液体化合物、純粋ヨード、ヨード含有ガスのいずれか一つを利用し、或いはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔなどの７族元素の液体及びガス状態、そしてこれらの化合物の液体及びガス状態のうちいずれか一つを利用して化学強化剤処理を行って、前記拡散障壁層上に化学強化剤層を形成する段階と、
前記化学強化剤層が形成された全体構造に対して、湿式洗浄溶液を用いたスピン・リンシング工程を行う段階と、
ウォーム・アニーリングを行い、これにより前記コンタクトホールの内部にのみ化学強化剤層を残留させる段階と、
前記化学強化剤層の残留した全体構造上にＭＯＣＶＤ法によって第１銅層を形成し、前記第１銅層上に電解メッキ法によって第２銅層を形成する段階と、
アニーリング工程を行った後、研磨工程を行って前記層間絶縁膜の上部を露出させ、前記ダマシンパターンの内部にのみ前記第１及び第２銅層が埋め込まれるようにする段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２】
前記洗浄工程は、下地層がタングステン、アルミニウムの金属からなる場合にはＲＦプラズマを用いて行い、下地層が銅からなる金属層の場合にはリアクティブ・クリーニング法を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項３】
前記拡散障壁層は、ＴｉＮをイオン化ＰＶＤ及びＭＯＣＶＤ法のいずれかで蒸着して形成し、或いはＴａまたはＴａＮをイオン化ＰＶＤ法またはＣＶＤ法で蒸着して形成し、或いはＷＮをＣＶＤ法で蒸着して形成し、或いはＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮのいずれかをＰＶＤまたはＣＶＤ法で蒸着して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銅金属配線形成方法。
【請求項４】
前記化学強化剤処理の前にシード層を形成するか、プラズマ処理を行う段階をさらに含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項５】
前記シード層はＴｉ、Ａｌ、Ｃｕのいずれか一つを用いて５〜５００Åの厚さに形成することを特徴とする請求項４記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項６】
前記化学強化剤処理を１秒〜１０分間行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項７】
前記化学強化剤処理を−２０〜３００℃で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項８】
前記スピン・リンシング工程をＤＩ、ＤＩ＋Ｈ2ＳＯ4、ＢＯＥ、ＤＩ＋ＨＦなどの溶液を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項９】
前記スピン・リンシング工程を−２０〜５０℃の温度で１秒〜５分間行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記スピン・リンシング工程時のウェーハ回転速度を１〜３０００ｒｐｍとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１１】
前記ウォーム・アニーリング工程を常温〜２００℃で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１２】
前記ウォーム・アニーリング工程時のウェーハの回転速度を１〜２０００ｒｐｍとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１３】
前記第１銅層は、（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列などのｈｆａｃを用いた全種類の銅前駆体を用いて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銅金属配線形成方法。
【請求項１４】
前記第１銅層は、ダイレクト・リキッド・インジェクション、コントロール・エバポレイション・ミキサ、オリフィスまたはスプレーなどのリキッド・デリバリ・システムが装着された全ての蒸着装備を用いたＭＯＣＶＤ法で銅を蒸着して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銅金属配線形成方法。
【請求項１５】
前記第１銅層形成時の銅前駆体の流量を０.１〜５.０ｓｃｃｍとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１６】
前記第１銅層はヘリウム、水素、アルゴンなどのキャリアガスを１００〜７００ｓｃｃｍの流量で流しながら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銅金属配線形成方法。
【請求項１７】
前記第１銅層形成時の反応チャンバの圧力を０.５〜５Ｔｏｒｒとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１８】
前記第１銅層形成時の反応チャンバの温度を蒸着装備の温度と同様に維持し、シャワーヘッドの温度を一定に維持することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１９】
前記第１銅層を５０〜３００℃の温度範囲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銅金属配線形成方法。
【請求項２０】
前記第１銅層形成の際、反応チャンバ内におけるシャワーヘッドとサセプタプレートとの間隔を５〜５００ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２１】
前記第２銅層を電解メッキ法によって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銅金属配線形成方法。
【請求項２２】
前記第２銅層形成後、水素還元ガス雰囲気、常温〜４５０℃の温度で１分〜３時間熱処理を行う段階をさらに含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２３】
前記水素還元雰囲気はＨ2のみを適用するか、Ｈ2に０〜９５％のＡｒまたはＮ2が混合された水素混合気体を使用することを特徴とする請求項２２記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に係り、特にＣＥＣＶＤ(Chemically Enhanced Chemical Vapor Deposition)法で銅を蒸着して金属配線を形成する際、 サイズが小さく且つアスペクト比が増加したホール部分で銅の埋込み特性を向上させるための半導体素子の銅金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代半導体素子は急激に高性能化されつつあり、これによりコンタクトサイズが減少しアスペクト比(aspect ration)が急激化して、金属配線形成の際に優れ たコンタクト埋込み特性及びステップ・カバレージ(step coverage)が要求される。
【０００３】
近年、半導体素子の金属配線形成方法としては、Ｔｉ薄膜を蒸着した後、ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)法またはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法で Ａｌを蒸着する方法、或いはＰＶＤ法によってＴａまたはＴａＮ薄膜を拡散防止膜として形成し、電気メッキ法で銅（Ｃｕ）を蒸着する方法が用いられている。しかし、前者の方法はアルミニウムが銅より高い抵抗を持つため、次世代高性能半導体素子の適用には困難であり、後者の方法はコンタクトサイズの急激な減少及びアスペクト比の増加によって銅の埋込み特性に限界がある。更に、銅の拡散防止膜として採用されているＴａＮ膜は拡散防止膜を適用しないアルミニウムに比べて抵抗増加効果が大きいので、極めて薄い薄膜が要求されるなどの問題点がある。このように、アルミニウム配線及び電気メッキを用いた銅配線の適用は次世代半導体素子に多くの問題点を招く。
【０００４】
かかる問題点を解決するために、銅配線蒸着時にＣＶＤ法を適用する方法に対する研究が行われているが、この方法は遅い蒸着速度によってバルク埋込み(bulk filling)に限界がある。
【０００５】
最近に至っては、ヨード（Ｉ）触媒などの化学強化剤を用いたＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて銅薄膜を蒸着する方法に対する 研究が行われているが、このように化学強化剤を用いたＭＯＣＶＤ法をＣＥＣＶＤ(Chemically Enhanced Chemical Vapor Deposition)法という。ところで、 ＣＥＣＶＤ法では化学強化剤がダマシン構造全体にわたって均一に分布されるため、後続銅蒸着工程の際にサイズが小さく且つアスペクト比が増加したホールの底部にボイド(void)またはシーム(seam)が発生するという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、拡散防止膜を形成し、化学強化剤処理を行った後、ホールの底部のみに化学強化剤層を残留させることにより、後続の銅前駆体を用いた銅蒸着時にホールの底部で銅の成長率が増加するようにして、ボイドまたはシームの発生を防止することが出来る半導体素子の銅金属配線形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の銅金属配線形成方法は、下部構造が設けられた基板上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜の所定の領域をパターニングしてトレンチ及びコンタクトホールからなるダマシンパターンを形成する段階と、洗浄工程を行った後、前記ダマシンパターンを含む全体構造上に拡散障壁層を形成する段階と、前記拡散障壁層が形成された全体構造に対して銅の蒸着速度を加速化するためにヨード含有液体化合物、純粋ヨード、ヨード含有ガスのいずれか一つを利用し、或いはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔなどの７族元素の液体及びガス状態、そしてこれらの化合物の液体及びガス状態のうちいずれか一つを利用して化学強化剤処理を行って、前記拡散障壁層上に化学強化剤層を形成する段階と、前記化学強化剤層が形成された全体構造に対して、湿式洗浄溶液を用いたスピン・リンシング工程を行う段階と、ウォーム・アニーリングを行い、これにより前記コンタクトホールの内部にのみ化学強化剤層を残留させる段階と、前記化学強化剤層の残留した全体構造上にＭＯＣＶＤ法によって第１銅層を形成し、前記第１銅層上に電解メッキ法によって第２銅層を形成する段階と、アニーリング工程を行った後、研磨工程を行って前記層間絶縁膜の上部を露出させ、前記ダマシンパターンの内部にのみ前記第１及び第２銅層が埋め込まれるようにする段階とを含んでなることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００９】
図１ａ乃至図１ｆは本発明の一実施例に係る半導体素子の銅金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【００１０】
図１ａを参照すると、下部構造が設けられた基板１１上に第１層間絶縁膜１２及び下部金属層１３を形成し、全体構造上に第２層間絶縁膜１４を形成する。その後、シングル・ダマシン(Single damascene)またはデュアル・ダマシン(Dual damascene)工程で第２層間絶縁膜１４の所定の領域をパターニングしてコンタクトＡ及びトレンチＢからなるダマシンパターンを形成し、洗浄工程を行う。そして、ダマシンパターンが形成された全体構造上に拡散障壁層１５を形成する。
【００１１】
ここで、第２層間絶縁膜１４は酸化物または低誘電率を有する絶縁物質を用いて形成する。また、ダマシンパターン形成後の洗浄工程は、、下部金属層１３がタングステン、アルミニウムなどの金属からなる場合にはＲＦプラズマを用いて行い、下部金属層１３が銅からなる金属層の場合にはリアクティブ・クリーニング法を用いて行う。
【００１２】
そして、拡散障壁層１５は、ＴｉＮをイオン化ＰＶＤ、ＣＶＤ及びＭＯＣＶＤ法のいずれかで蒸着して形成し、或いはＴａまたはＴａＮをイオン化ＰＶＤ法またはＣＶＤ法で蒸着して形成し、或いはＷＮをＣＶＤ法で蒸着して形成し、或いはＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮのいずれかをＰＶＤまたはＣＶＤ法で蒸着して形成する。
【００１３】
図１ｂを参照すると、拡散障壁層１５が形成された全体構造上にシード層１６を形成するか、化学強化剤が均一に吸着されるようにするためプラズマ処理を行う。ここで、シード層１６はＴｉ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを用いて５〜５００Åの厚さに形成する。
【００１４】
図１ｃを参照すると、シード層１６が形成された全体構造に対して化学強化剤処理を行う。
【００１５】
ここで、用いられる化学強化剤としてはヨード含有液体化合物、純粋ヨード、ヨード含有ガスのいずれかを利用し、或いはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔなどの７族元素の液体及びガス状態、そしてそれら化合物の液体及びガス状態のいずれか一つを利用し、処理時間は１秒〜１０分とする。また、処理温度は−２０〜３００℃とする。
【００１６】
図１ｄを参照すると、化学強化剤処理によって化学強化剤層１７が形成された全体構造に対して、湿式洗浄溶液を用いてスピン・リンシング(spin rinsing)を行う。そして、残留する洗浄溶液を除去するためにウォーム・アニーリング(warm annealing)を行う。これにより、コンタクトホール（Ａ）部分のみに化学強化剤層１７が残留することになる。
【００１７】
スピン・リンシングは銅層がコンタクトホールの底部で高い成長率をもつようにするための工程である。湿式洗浄溶液を用いたスピン・リンシング工程はＤＩ、ＤＩ＋Ｈ2ＳＯ4、ＢＯＥ、ＤＩ＋ＨＦなどのように化学強化剤が容易に除去される溶液を用いて−２０〜５０℃の温度で１秒〜５分間行う。また、湿式洗浄溶液を用いたスピン・リンシング工程時のウェーハ回転速度は１〜３０００ｒｐｍとする。
【００１８】
一方、スピン・リンシング工程後のウォーム・アニーリング工程は、常温〜２００℃で行う。この際、洗浄溶液の除去を容易にするため、ウェーハを１〜２０００ｒｐｍの速度で回転させることが効果的である。
【００１９】
図１ｅを参照すると、コンタクトホール内のみに化学強化剤層１７が残留した全体構造上に第１銅層１８を形成する。この際、化学強化剤１７が残留してあるコンタクトホール（Ａ）部分で銅の蒸着が加速化されて銅の選択的部分埋込み(selective partial fill)が可能になる。
【００２０】
第１銅層１８は（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列などのｈｆａｃを用いた全種類の銅前駆体を用いてダイレクト・リキッド・インジェクション(Direct Liquid Injection ; DLI)、コ ントロール・エバポレイション・ミキサ(Control Evaporation Mixer ;CEM)、オリフィス(Orifice)またはスプレーなどのリキッド・デリバリ・システム(Liquid Delivery System ; LDS)が装着された全ての蒸着装備を用いたＭＯＣＶＤ法により銅を蒸着して形成する。この際、前駆体の流量は０.１〜５.０ｓｃｃｍとする。
【００２１】
一方、キャリアガスとしては１００〜７００ｓｃｃｍのヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ2）、アルゴン（Ａｒ）などを使用し、反応チャンバの圧力は０.５〜５Ｔｏｒとする。また、反応チャンバの温度を蒸着装備の温度と同様に維持し、シャワーヘッドの温度を一定にし、蒸着温度を５０〜３００℃の範囲とする。そして、反応チャンバにおけるシャワーヘッドとサセプタプレートとの間隔を５〜５００ｍｍとする。
【００２２】
その後、電解メッキ法によって第１銅層１８上に第２銅層１９を形成してダマシンパターンが埋め込まれるようにする。
【００２３】
このような方法で第１及び第２銅層１８、１９を形成した後は、水素還元ガス雰囲気、常温〜４５０℃の温度で１分〜３時間熱処理を行って、グレーン組織形態を変化させる。この際、水素還元雰囲気はＨ2のみを適用するか、Ｈ2に０〜９５％のＡｒまたはＮ2が混合された水素混合気体を使用する。
【００２４】
図１ｆを参照して、アニーリング工程を行った後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程を行って第２層間絶縁膜１４の上部を露出させ、ダマシンパターンの内部にのみ第１及び第２銅層１８、１９が埋め込まれるようにして銅金属配線２０を形成した後、洗浄工程を行う。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ＣＥＣＶＤ法で銅を蒸着して金属配線を形成する際、化学強化剤処理後に湿式洗浄溶液を用いたスピン・リンシング工程を行って、サイズが小さく且つアスペクト比が大きいホールの底部のみに化学強化剤を残留させることにより、ホールの底部で銅の選択的部分埋込み(selective partial fill)が可能になって、ホールの底部でボイドまたはシームが発生することを防止することが出来る。これにより、超微細パターンに対する銅の埋込みが可能になり、分止まりを向上させて工程コストを改善させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１ａ乃至図１ｆは本発明の一実施例に係る半導体素子の銅金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【符号の説明】
１１  基板
１２  第１層間絶縁膜
１３  下部金属層
１４  第２層間絶縁膜
１５  拡散障壁層
１６  シード層
１７  化学強化剤層
１８  第１銅層
１９  第２銅層
２０  銅金属配線
【図１】
0004790155.tif 000002