(57)【要約】【課題】  本発明は、常圧で微細な溝や孔を含む大きさの異なる開口部を埋め込んでアルミニウム配線を形成することを可能にする点にあり、配線用の微細な溝や孔に、めっきによりアルミニウムを充填できるアルミニウム配線の形成方法をするものである。【解決手段】  本発明のアルミニウム配線の形成方法は、配線基板表面に開口部を有する絶縁層を設け、開口部内の底部及び側壁表面並びに絶縁層の表面にシード金属層を堆積し、めっきにより開口部内をアルミニウム又はアルミニウム合金で充填し、開口部内以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を含む金属層を除去することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板表面に開口部を有する絶縁層を設け、
前記開口部内の底部及び側壁表面並びに前記絶縁層の表面にシード金属層を堆積し、
めっきにより前記開口部内をアルミニウム又はアルミニウム合金で充填し、
前記開口部内以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を含む金属層を除去することを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項２】
前記開口部内の底部及び側壁表面並びに前記絶縁層の表面に接着層を堆積した後に、前記接着層の表面に前記シード金属層を堆積する工程を含むことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム配線の形成方法。
【請求項３】
請求項１，２記載のアルミニウム配線の形成方法において、前記シード金属層の厚さが、５〜３０ｎｍであることを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項４】
配線基板表面に開口部を有する絶縁層を設け、
前記開口部内の底部及び側壁表面並びに前記絶縁層の表面にシード金属層を堆積し、
シード層表面を真空中もしくは不活性雰囲気中に保持したままシード層をめっき液中に浸漬し、めっきにより前記開口部内をアルミニウム又はアルミニウム合金で充填し、
前記開口部内以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を含む金属層を除去することを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項５】
前記開口部内の底部及び側壁表面並びに前記絶縁層の表面に接着層を堆積した後に、前記接着層の表面に前記シード金属層を堆積する工程を含むことを特徴とする請求項４記載のアルミニウム配線の形成方法。
【請求項６】
請求項４，５記載のアルミニウム配線の形成方法において、前記シード金属層の厚さが、１〜３０ｎｍであることを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６記載のアルミニウム配線の形成方法において、前記開口部が、溝幅が１０〜１００ｎｍまたは穴径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項８】
半導体基板上に複数の回路素子領域が形成された半導体ウエハの主表面の上部に開口部を有する絶縁層を設け、前記開口部内に請求項１〜７記載のアルミニウム配線の形成方法を用いて、半導体集積回路装置を製造することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項９】
配線基板と、前記配線基板の表面に開口部を有する絶縁層と、前記開口部内の底部及び側壁表面に堆積したシード金属層と、前記開口部内にめっきにより充填したアルミニウム又はアルミニウム合金とを有することを特徴とするアルミニウム配線。
【請求項１０】
半導体基板と、前記半導体基板上に複数の回路素子領域が形成された半導体ウエハと、前記半導体ウエハの主表面の上部に形成された開口部を有する絶縁層と、前記開口部内の底部及び側壁表面に堆積したシード金属層と、前記開口部内にめっきにより充填したアルミニウム又はアルミニウム合金とを有することを特徴とする半導体集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路装置に使用されるアルミニウム配線の形成方法に関し、特に低抵抗なアルミニウム配線の形成に有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置における配線の微細化に伴って、配線が１００ｎｍ以下に微細化してきている。１００ｎｍ以下の微細な配線においては、低抵抗化を実現するためにもアルミニウムを用いた配線が有効であることが知られている。
【０００３】
しかし、従来、アルミニウム配線の形成方法として用いられてきたアルミニウムをエッチングするプロセスでは微細化が困難なため、実用上の課題となっていた。この課題に対していくつかの改善策が提案されている。
【０００４】
特開平１０−９００３９号公報では、高圧リフローによってデュアルダマシン構造の配線を形成する方法が開示されている。
【０００５】
特開平１１−１４５１４３号公報では、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）を用いてリフローにより配線を形成する方法が開示されている。
【０００６】
特開平１１−３０７４７７号公報では、めっき法により配線を形成する方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−０９００３９号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５１４３号公報
【特許文献３】特開平１１−３０７４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、アルミニウムを用いて配線を形成する方法は種々検討されているが、それぞれ問題点を有する。
【０００９】
例えば、リフローで埋め込むものでは、配線幅の３倍以上の膜厚を必要とするため、余分なアルミニウムの成膜に時間がかかり、或いはＣＶＤ法を用いているものでは成膜速度が遅い。また、膜厚が薄い段階でリフローを行うものは、幅や深さの異なる配線を一度に埋め込むことができない。
【００１０】
ＣＶＤ法やスパッタリング法などは、０.１Ｐａ 以下の圧力の低い条件で成膜する装置から、リフローに用いる１０6Ｐａ 程度の圧力の高い条件で成膜する装置へと、基板を移動する必要がある。
【００１１】
このため、めっき法によってアルミニウムを埋め込む方法が検討されているが、アルミニウムは非常に酸化され易いため、めっきを行うまでに表面が酸化して絶縁性の膜となり、均一にめっきを行うことが難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、常圧で微細な溝や孔を含む大きさの異なる開口部を埋め込んでアルミニウム配線を形成することを可能にする点にあり、配線用の微細な溝や孔に、めっきによりアルミニウムを充填できるアルミニウム配線の形成方法をするものである。
【００１３】
以下に、本発明の実施態様の代表的なものの概要を説明する。
【００１４】
本発明のアルミニウム配線の形成方法は、配線基板表面に開口部を有する絶縁層を設け、開口部内の底部及び側壁表面並びに絶縁層の表面にシード金属層を堆積し、めっきにより開口部内をアルミニウム又はアルミニウム合金で充填し、開口部内以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を含む金属層を除去することを特徴とする。
【００１５】
また、開口部内の底部及び側壁表面並びに絶縁層の表面に接着層を堆積した後に、接着層の表面にシード金属層を堆積する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
また、シード金属層の厚さが、５〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００１７】
更に、本発明のアルミニウム配線の形成方法は、配線基板表面に開口部を有する絶縁層を設け、開口部内の底部及び側壁表面並びに絶縁層の表面にシード金属層を堆積し、シード層表面を真空中もしくは不活性雰囲気中に保持したままシード層をめっき液中に浸漬し、めっきにより開口部内をアルミニウム又はアルミニウム合金で充填し、開口部内以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を含む金属層を除去することを特徴とする。
【００１８】
また、シード層表面を真空中もしくは不活性雰囲気中に保持したままシード層をめっき液中に浸漬する場合、シード金属層の厚さは１〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００１９】
ここで、開口部は、溝幅が１０〜１００ｎｍまたは穴径が１０〜１００ｎｍである。
【００２０】
半導体集積回路装置の製造方法としては、半導体基板上に複数の回路素子領域が形成された半導体ウエハの主表面の上部に開口部を有する絶縁層を設け、開口部内に前述のアルミニウム配線の形成方法を用いて半導体集積回路装置を製造することも可能である。
【００２１】
また、アルミニウム配線としては、配線基板と、配線基板の表面に開口部を有する絶縁層と、開口部内の底部及び側壁表面に堆積したシード金属層と、開口部内にめっきにより充填したアルミニウム又はアルミニウム合金とを有することを特徴とする。
【００２２】
更に、半導体集積回路装置としては、半導体基板と、半導体基板上に複数の回路素子領域が形成された半導体ウエハと、半導体ウエハの主表面の上部に形成された開口部を有する絶縁層と、開口部内の底部及び側壁表面に堆積したシード金属層と、開口部内にめっきにより充填したアルミニウム又はアルミニウム合金とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、常圧で微細な溝や孔を含む大きさの異なる開口部を埋め込んでアルミニウム配線を形成することを可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本形態におけるアルミニウム配線の形成方法の特徴とするところは、適切な厚さのシード層を形成するか、またはシード層表面の酸化を防ぎ、配線基板表面に形成された微細な溝や孔等の開口部をめっき法によりアルミニウムで充填することである。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
〔基板の作成〕
【００２６】
（実施例１）
図１及び図２は、アルミニウム配線の形成手順を示すものである。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、φ３００mmのシリコン基板１上に相補型金属酸化物半導体
(complimentary metal oxide semiconductor：ＣＭＯＳ) デバイスを形成し(図示は省略)、その上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）の絶縁層２を５００ｎｍ形成した。
【００２８】
シリコン基板１上に形成される半導体素子は、ＣＭＯＳデバイスに限定されず、バイポーラトランジスタ，抵抗，容量素子などとすることができる。
【００２９】
また、絶縁層２としては、ＳｉＯ2,ＳｉＯＦ，ＳｉＯＣ，ベンゾシクロブテン(ＢＣＢ)，メチルシロキサン（ＭＳＱ），ポリアリレンエーテル（ＰＡＥ）及びこれらの誘導体を用いることができる。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜の絶縁層２に反応性イオンエッチング
（reactive ion etching：ＲＩＥ）により半導体素子上への接続孔３を形成した。
【００３１】
図１（ｃ）に示すように、接続孔３を、ＣＶＤ法を用いて窒化チタン膜４を形成した後、タングステン５で埋め込み、接続孔３以外の窒化チタン膜およびタングステンを化学機械研磨法（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）により除去した。
【００３２】
図１（ｄ）に示すように、基板全面に絶縁層を３００ｎｍの厚さで形成した後、ＲＩＥにより幅５０ｎｍ〜１００００ｎｍの配線溝６を形成した。
【００３３】
図１（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法により接着層７として窒化チタンを２ｎｍの厚さで、シード層８としてアルミニウムを５ｎｍの厚さで堆積させた。なお、これらの厚さは、配線溝６の内部側面に形成された膜の厚さを基準として判断する。
【００３４】
接着層７としては、チタン，タンタル，タングステンなどの金属やその窒化物を用いることができる。また、これらの材料を積層した多層膜として用いることもできる。接着層７は、必ずしも必要ではないが、配線抵抗が問題にならない程度に堆積されていても良い。
【００３５】
基板は、シード層８の表面でのアルミニウム酸化膜の形成を防ぐため、ＣＶＤチャンバー内を真空にした後に、アルミニウムめっき装置中に移動した。ＣＶＤチャンバー内からめっき装置への移動の際は、窒素（Ｎ2 ）またはアルゴン（Ａｒ）等のような不活性雰囲気中にしても良い。
【００３６】
図２（ｆ）に示すように、シード層８上にアルミニウムの電気めっきを行い、配線溝６をアルミニウム９で埋め込んだ。めっき液はアルミニウム源として２.０mol／ｄｍ-3の塩化アルミニウムを用い、電解液として脱水処理を行ったジクロロベンゼンを含むプロピレンカーボネートを用いた。めっきは２０〜２５℃の範囲で５００ｎｍ行った。
【００３７】
また、めっきの際に、アルミニウム塩と同じ電位もしくは貴な電位で反応し、めっき液中での拡散がアルミニウム塩よりも遅い物質を加えることが好ましい。このような物質を添加することで開口部の底部からのアルミニウムの成長が可能となり、ボイドやシーム等の間隙を有しない微細な配線形成を実現できる。
【００３８】
めっき後の基板は、アルミニウムの再結晶を促進し、結晶粒径を大きくするために、水素（Ｈ2 ）雰囲気中で時間を２〜１２０分間、基板温度を１００〜５００℃の範囲で熱処理を行った。
【００３９】
水素（Ｈ2 ）の還元性雰囲気に代えて、窒素（Ｎ2 ）またはアルゴン（Ａｒ）等のような不活性雰囲気または真空とすることもできる。
【００４０】
図２（ｇ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて、配線溝以外のアルミニウム（シード層を含む）及び接着層を除去した。
【００４１】
図２（ｈ）に示すように、配線溝上にエッチストップ層として窒化シリコン（ＳｉＮ）１０を堆積した。エッチストップ層１０としては、窒化シリコン膜に加えて、ＳｉＣ，
ＳｉＣＮなどを用いることができる。
【００４２】
図２（ｉ）に示すように、層間絶縁層１１を堆積し、配線溝６に至る直径５０ｎｍ〜
１００ｎｍの接続孔１２（ビア）及び配線溝（ライン）１３を形成した。
【００４３】
図２（ｊ）に示すように、これら接続孔１２及び配線溝１３は図１（ｅ）〜図２（ｈ）と同様の方法を用いてアルミニウムを埋め込んで配線とした。
【００４４】
（実施例２）
図３に示すように、接着層を成膜しないこと及びシード層の膜厚が１０ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００４５】
（実施例３）
シード層形成後からめっきまでの搬送雰囲気を真空中としたこと以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００４６】
（実施例４）
接着層を成膜しないこと及びシード層形成後からめっきまでの搬送雰囲気をアルゴン
（Ａｒ）ガス雰囲気としたこと以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００４７】
（実施例５）
シード層形成後からめっきまでの搬送雰囲気を真空中としたこと及びシード層の膜厚が１ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００４８】
（比較例１）
シード層の膜厚が１ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００４９】
（比較例２）
接着層を成膜しないこと及びシード層の膜厚が１ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００５０】
（比較例３）
シード層の膜厚が４０ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００５１】
（比較例４）
シード層形成後からめっきまでの搬送雰囲気を真空中としたこと及びシード層の膜厚が４０ｎｍであること以外は、実施例１と同様の方法で基板を作成した。
【００５２】
〔基板の評価〕
以下、本形態の実施例にかかるアルミニウム配線の評価方法を説明する。
【００５３】
評価項目としては、アルミニウムを埋め込んだ後の孔中にボイドが存在する割合、アルミニウムめっき膜厚の基板の面内均一性についての２項目とした。
【００５４】
ボイドが存在する割合については、めっき膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した結果から評価した。めっき終了後の基板をＦＩＢ（Focused Ion Beam）により加工し、Φ１００ｎｍの１０００個の孔について断面を観察し、それぞれボイドが発生している割合を調べ、アルミニウム配線中の埋め込みに関して評価した。
【００５５】
基板の面内均一性については、アルミニウムめっき後にめっき膜のシート抵抗を四短針抵抗測定し、面内４９点の測定値から求め評価した。
【００５６】
【表１】
2005311087.tif 000003
【００５７】
これらの結果を表１にまとめて示す。
【００５８】
実施例１，２では、シード層形成後からめっきまでの基板搬送雰囲気を大気中としたため、シード層のアルミニウムが酸化されて表面が絶縁性の酸化アルミニウムとなった。しかしながら、シード膜厚を５ｎｍと適切にしたため、めっき中に酸化膜を還元でき、ボイドの発生割合が非常に低く、めっき膜厚の面内均一性も良好であった。
【００５９】
一方、比較例１，２では、シード層の膜厚が１ｎｍと薄いため、シード層が全て酸化アルミニウムになってしまった。このため、比較例１では、めっきをするために抵抗の高い接着層を給電層とするので、均一なめっきができず多数のボイドが発生すると共に膜厚の面内均一性も低くなった。また、比較例２では、電流を流すことができないため全くめっきができなかった。
【００６０】
比較例３では、シード層の膜厚が４０ｎｍと厚いため、シード層で孔がほとんど埋まってしまい、めっきによる埋め込みが困難になった。このため、ボイドの発生割合が高かった。
【００６１】
以上のことから、シード層の膜厚を５〜３０ｎｍとすることで、基板を大気中で搬送した際に生成した酸化膜をめっき中に還元でき、埋め込みへの悪影響がないため、ボイドがなく、めっき膜厚の面内均一性の良好なめっきができるという本形態の優位性が明らかとなった。
【００６２】
実施例４では、シード層形成後からめっきまでの基板搬送雰囲気を不活性なアルゴンガス雰囲気とすることで、シード層のアルミニウム表面の酸化を防止することができた。このため、めっきの際にボイドが全く観察されず、めっき膜厚の面内均一性も更に改善された。
【００６３】
実施例５では、シード層の膜厚を１ｎｍと薄くしたにもかかわらず、シード層形成後からめっきまでの基板搬送雰囲気を真空としたことでシード層表面が酸化されず、良好なめっきが可能であった。
【００６４】
比較例４では、シード層の膜厚を４０ｎｍと厚くしたため、シード層で孔がほとんど埋まってしまいめっきによる埋め込みが困難になった。このため、ボイドの発生割合が高かった。
【００６５】
以上のことから、シード層形成後からめっきまでの基板搬送雰囲気を不活性なアルゴンガス雰囲気としシード層の膜厚を１〜３０ｎｍとすることで、シード層のアルミニウム表面の酸化を防止することができ、ボイドがなく、めっき膜厚の面内均一性の良好なめっきができるという本形態の優位性が明らかとなった。
【００６６】
従来、銅がアルミニウムに比較して低抵抗であること、アルミニウムをエッチングするプロセスでは微細化が困難であったこと、などの理由で、銅による配線が有効であると考えられていた。
【００６７】
配線材料として銅を用いる場合には、ダマシンプロセスを用いる。ダマシンプロセスでは、絶縁層に溝，孔を形成し、そこに銅の拡散を防止するためのバリア層と電気めっきの給電層となる銅シード層を形成して、電気めっきにより銅を埋め込み、化学機械研磨により余分な銅を取り除いて配線を形成していた。
【００６８】
このダマシンプロセスには、配線用の溝と、配線と配線とを接続する層間接続用の孔とを異なる工程で埋め込むシングルダマシンプロセスと、配線用の溝と層間接続用の孔とを同時に埋め込むデュアルダマシンプロセスとがある。デュアルダマシンプロセスを用いることにより工程数の削減が可能となる。また、ダマシンプロセスによってより微細な銅配線形成が可能となり、銅配線が実用化されている。
【００６９】
しかし、配線が１００ｎｍと微細化されつつある現状を考えると、銅配線を用いても抵抗が下げられないことが問題となってきた。つまり、銅配線を用いる時には銅の拡散を防止するために銅の周囲をバリア層で完全に覆う必要がある。銅は絶縁層中を拡散しやすく、素子部分に到達して素子の性能を低下させるためである。
【００７０】
このバリア層として用いられるＴａ，Ｔｉ，Ｗやその窒化物などの材料は、抵抗が高く、配線抵抗を上昇させてしまう。また、銅の拡散を防止するためには、これらバリア層はある程度の膜厚が必要である。このため、配線材料として銅を用いてもバリア層の抵抗が高いために、配線全体としての抵抗が高くなってしまう。
【００７１】
また、微細化が進むにつれて配線全体に占めるバリア層の割合が増加するために、抵抗上昇は微細な配線ほど問題となる。さらに、配線材料自身の比抵抗が増大してしまう問題が現れてくる。
【００７２】
本形態の実施例によれば、こうした銅配線における技術課題をも解決することが可能となる。即ち、アルミニウムを用いた配線ではバリア層は必ずしも必要ではなく、バリア層による抵抗上昇は問題になりにくい。また、１００ｎｍ以下のアルミニウム配線の抵抗は銅と同等とすることができる。
【００７３】
したがって、アルミニウムの配線において、適切な厚さのシード層を形成することが必要であり、また、シード層表面の酸化を防いでアルミニウムめっきをするのが必要である。こうすることにより、絶縁層に形成した開口部内をアルミニウムで完全に充填することができる。
【００７４】
また、ボイドやシーム等の間隙を有しない微細な配線を形成可能なため、高密度な半導体集積回路装置の性能及びその製造歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】アルミニウム配線の形成方法を示した前半部分の説明図。
【図２】アルミニウム配線の形成方法を示した後半部分の説明図。
【図３】接着層を付さないアルミニウム配線の形成方法の一部を示した説明図。
【符号の説明】
【００７６】
１…シリコン基板、２…絶縁層、３，１２…接続孔、４…窒化チタン膜、５…タングステン、６，１３…配線溝、７…接着層、８…シード層、９…アルミニウム、１０…エッチストップ層、１１…層間絶縁層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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