(57)【要約】      （修正有）【課題】平坦な平面の金属配線を形成できる方法を提供する。【解決手段】  半導体基板上に下部金属配線３１を形成する段階と、下部金属の配線３１上に絶縁膜３３を蒸着する段階と、絶縁膜３３にダマシンエッチングパターン３５ａ、３５ｂを形成する段階と、ダマシンエッチングパターンを充填させるように絶縁膜３３上に導電物質３８を蒸着する段階と、導電層３８上に導電物質３８に対するエッチング選択比が大きい物質を蒸着しエッチング防止膜３９を形成する段階と、化学的機械的研磨により前記導電層３８が露出される時までエッチング防止膜３９の一部を除去する段階と、エッチング防止膜３９をエッチングマスクとして導電層３８をエッチングにより一部を除去する段階と、残留するエッチング防止膜３９と導電層３８を化学的機械的研磨により除去することにより、ダマシンエッチングパターンを充填している導電配線を形成する。【選択図】図３
2005150682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に下部金属配線を形成する段階と、
前記下部金属の配線上に絶縁膜を蒸着する段階と、
前記絶縁膜にダマシンエッチングパターンを形成する段階と、
前記ダマシンエッチングパターンを充填させることができるように前記絶縁膜上に導電物質を蒸着することにより、段差部分を含む導電層を形成する段階と、
前記導電層上に前記導電物質に対するエッチング選択比が大きい物質を蒸着することにより、エッチング防止膜を形成する段階と、
化学的機械的研磨により前記導電層が露出されるまで前記エッチング防止膜の一部を除去する段階と、
前記エッチング防止膜をエッチングマスクとして前記導電層をエッチング工程により一部を除去する段階と、
残留するエッチング防止膜と導電層とを化学的機械的研磨により除去することにより、前記ダマシンエッチングパターンを充填している導電配線を形成する段階と
を備えることを特徴とする半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項２】
前記エッチング防止膜は、タンタルであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項３】
前記エッチング防止膜を除去するための化学的機械的研磨の際、タンタル除去用スラリーを使用することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項４】
前記銅膜の蒸着厚さは、前記ダマシンエッチングパターンの深さと同じであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項５】
前記エッチング防止膜は、ＳｉＯ２膜またはＳｉＮ膜の絶縁膜からなることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項６】
前記エッチング防止膜を除去するための化学的機械的研磨の際、絶縁膜研磨用スラリーを使用することを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項７】
前記絶縁膜上に導電物質を蒸着する前に拡散防止用バリヤ膜を形成し、前記エッチング工程により前記エッチング防止膜の下部に位置する導電膜を除いて前記バリヤ膜上に位置する導電膜を除去することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【請求項８】
前記エッチング工程により導電膜を除去することによって露出される前記絶縁膜上のバリヤ膜は、前記導電物質とエッチング選択比が大きい化学物質を使用するスピンエッチングにより除去されることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子の金属配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の回路部品を相互接続する金属配線を形成するための方法に関し、さらに詳細にはダマシン(damascene)工程によりビアまたはトレンチに過充填されている金属をスピンエッチングとＣＭＰ(化学的機械的研磨:Chemical Mechanical Polishing)により迅速に除去しながら平坦な表面を提供できる半導体素子の金属配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子は、蒸着工程、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程などによりシリコンウェーハのチップ上に集積回路が形成されている素子である。前記の集積回路を構成する部品を接続するため、相対的に高い導電性を有する銅(Ｃｕ)のような金属物質の配線、すなわち金属配線が用いられる。このような金属配線を形成するためにはシングル(Single)またはデュアル(dual)ダマシン工程が用いられる。
【０００３】
ダマシン工程は、下部金属配線上に積層された層間絶縁膜を選択的にエッチングして形成されたビア及び/またはトレンチに前記金属物質を過充填させる工程である。前記ダマシン工程により形成された金属配線の表面は、化学的機械的研磨(ＣＭＰ)により平坦化される。
【０００４】
例えば、ダマシン工程によりビア及び/またはトレンチに銅を充填させる場合、前記銅の蒸着の厚さが１μｍ以下である場合、化学的機械的研磨工程は常用化されている銅除去用スラリーを使用して６０００〜１００００Å／ｍｉｎの研磨速度で進行される。しかし、インダクター(inductor)のように厚さが数μｍ以上である銅膜を従来の常用化されている銅除去用スラリーを使用してＣＭＰ工程により研磨するには、非常に長い研磨時間が必要となり、その結果スラリー及び研磨パッドのような消耗品の使用量が急激に増加する。
【０００５】
また、次世代低誘電率の絶縁膜にダマシン工程を用いて銅配線を形成する場合、低誘電率の絶縁膜の機械的強度が脆弱なので、薄膜の剥離現象が発生する問題をもたらす。また、薄膜の剥離現象を防止するため、研磨圧力及び回転速度を低下させれば消耗品の使用量の増加をもたらす。
【０００６】
図１（ａ）を参照すれば、ダマシン工程により下部金属配線11上に形成された層間絶縁膜13に銅膜19を形成する場合、ビアとトレンチとの幅差などにより銅膜19の表面に段差が発生する。図１（ｂ）に示すように、化学的機械的研磨を実施すれば銅膜19の表面は平坦にならず、結果的に銅配線19ａの均一度も悪化させて半導体素子の信頼性を低下させる。なお層間絶縁膜13と銅膜19の間にはバリヤ膜17が形成されている。
【０００７】
一方、上述した問題点を解決するため、スピンエッチングのような化学的ウェットエッチング工程により大部分の金属を除去し、一部金属のみ化学的機械的研磨を使用して除去するハイブリッド工程(hybrid process）が提示された。しかし、図２に示すように、スピンエッチングは湿式工程を基盤としているため、銅膜29の段差に関係なくエッチングが同一になされるため、仮想線で表示された最終銅配線29ａの平坦化が根本的に不可能であるという問題点を伴う。なお図２において、21は下部配線であり、23は絶縁膜であり、27はバリヤ膜である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、導電膜を構成する第１金属よりエッチング選択比が大きい第２金属を前記導電膜上に積層した後、化学的機械的研磨と化学的ウェットエッチング工程を使用することにより、平坦な平面の金属配線を形成できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明によれば、半導体基板の金属配線の形成方法は、半導体基板上に下部金属配線を形成する段階と、前記下部金属の配線上に絶縁膜を蒸着する段階と、前記絶縁膜にダマシンエッチングパターンを形成する段階と、前記ダマシンエッチングパターンを充填させることができるように前記絶縁膜上に導電物質を蒸着することにより、段差部分を含む導電層を形成する段階と、前記導電層上に前記導電物質に対するエッチング選択比が大きい物質を蒸着することにより、エッチング防止膜を形成する段階と、化学的機械的研磨により前記導電層が露出されるまで前記エッチング防止膜の一部を除去する段階と、前記エッチング防止膜をエッチングマスクとして前記導電層をエッチング工程により一部を除去する段階と、残留するエッチング防止膜と導電層を化学的機械的研磨により除去することにより、前記ダマシンエッチングパターンを充填している導電配線を形成する段階とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、工程費用が相対的に安いスピンエッチングを適用して銅配線を形成することにより、ＣＭＰ工程における長時間研磨にともなう莫大な量のスラリーとパッド使用量を低減できるため、厚い銅を蒸着し除去しなければならない半導体素子の開発及び生産において工程コストを削減できる。
【００１１】
また、次世代低誘電率の絶縁膜を使用した銅配線ではＣＭＰ工程において薄膜の剥離現象を防止するために適用される低研磨速度工程で同じ原価低減効果を期待でき、薄膜の剥離と関連してＣＭＰ工程を補完または代えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係る金属配線の形成過程を順に示した図３及び図４と、本発明の好ましい他の実施の形態に係る金属配線の形成過程を順に示した図５及び図６を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００１３】
図３（ａ）は、ダマシンパターンの形成過程の図面であり、図３（ｂ）はエッチング防止膜の形成過程の図面であり、図３（ｃ）はエッチング防止膜の一部研磨過程の図面であり、図４（ａ）は金属膜の一部エッチング過程の図面であり、図４（ｂ）は金属配線の形成過程の図面である。
【００１４】
まず、図３（ａ）を参照すれば、半導体基板(図示せず)上に蒸着工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程などにより、所定形状のパターンを有する所定厚さの下部金属配線31を形成する。下部金属配線31上に絶縁膜33とフォトレジストとを蒸着する。前記フォトレジストは、フォトリソグラフィ工程により所定形状のパターン(図示せず)にパターンニングされる。
【００１５】
また、フォトレジストパターンをエッチングマスクとするエッチング工程により絶縁膜33をパターンニングする。前記エッチング工程により絶縁膜33には下部配線と接続させるダマシンエッチングパターン、例えばトレンチ35ａ、35ｂが得られる。
【００１６】
その後、図３（ｂ）に示すように、トレンチ35ａ、35ｂが形成された絶縁膜33の全面に化学気相蒸着、または物理気相蒸着により通常ＴａまたはＴａＮを所定の厚さに蒸着し拡散を防止するバリヤ膜37を形成する。バリヤ膜37の全面に化学気相蒸着、または物理気相蒸着により第１金属、例えば銅をメッキして銅膜38を形成する。銅膜38の厚さはトレンチ35ａ、35ｂを完全に充填できる程度の充分の厚さを有する。銅膜38上に化学気相蒸着、または物理気相蒸着によりＴａを蒸着させてエッチング防止膜39を形成する。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態によれば、バリヤ膜37とエッチング防止膜39はＴａまたはＴａＮに限定されず、前記第１金属、例えば銅に比べてウェットエッチング率が小さな物質、すなわち銅とエッチング選択比が大きい第２金属とから構成されることができる。
【００１８】
図３（ｃ）を参照すれば、エッチング防止膜の除去用スラリー、例えばタンタル除去用スラリーを使用して化学的機械的研磨によりエッチング防止膜39の一部、特にトレンチ35ａ、35ｂの直上部に対応する段差部分を充填している部分を除いて導電層たる銅膜38の上部の表面上に積層されている部分のみを除去する。その結果、前記段差部分を充填しているエッチング防止膜39の一部は除去されずに残留するようになる。ここで、前記段差部分は、前記トレンチ35ａ、35ｂの直上部に対応する部分のみを例示したが、これに限定されず銅膜38の蒸着過程において形成される段差部を含むことができるということを理解しなければならない。
【００１９】
図４（ａ）を参照すれば、化学的ウェットエッチング工程、例えばスピンエッチングにより、前記段差部分に残留しているエッチング防止膜39の下部層と似た高さまで銅膜38を除去する。この場合、エッチング防止膜39を構成するタンタル成分は銅とエッチング選択比が大きいため、前記スピンエッチングにより容易にエッチングされず、前記化学的機械的研磨後に残留する形態を維持するようになる。結果的に、エッチング防止膜39の下部に位置する銅膜38の一部、すなわちトレンチ35ａ、35ｂを充填している銅膜38の一部は前記スピンエッチングによりエッチングされない。
【００２０】
図４（ｂ）を参照すれば、銅除去用スラリーとタンタル除去用スラリーを使用して化学的機械的研磨を行なって、絶縁膜33が露出されるまで図４（ａ）のスピンエッチング工程で残留するエッチング防止膜39と銅膜38の一部だけを除去することによって、トレンチ35ａ、35ｂを充填している銅配線38-1、38-2を形成する。
【００２１】
また、本発明の好ましい他の実施の形態を示している図５及び図６において、図５（ａ）はエッチング防止膜の形成過程の図面であり、図５（ｂ）はエッチング防止膜の一部研磨過程の図面であり、図６（ａ）は銅膜の一部エッチング過程の図面であり、図６（ｂ）は銅配線形成過程の図面である。
【００２２】
図５（ａ）を参照すれば、シリコンウェーハ(図示せず)上に蒸着工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により所定形状のパターンを有する所定厚さの下部金属配線41を形成する。下部金属配線41上に絶縁膜43を蒸着した後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程によりダマシンエッチングパターン、すなわちトレンチを形成する。
【００２３】
そして、トレンチを有する絶縁膜43の全面にＴａまたはＴａＮを蒸着工程により所定の厚さに蒸着することにより、拡散防止膜として作用するバリヤ膜47を形成する。バリヤ膜47の全面に銅、タングステンまたはアルミニウムからなるグループから選択される少なくとも一つの第１金属を蒸着工程により前記トレンチを完全に充填できる程度の所定の厚さに蒸着して金属膜48を形成する。この場合、金属膜48の蒸着厚さは絶縁膜43の厚さ、特に前記トレンチの深さ類似に維持することが好ましい。
【００２４】
以後、金属膜48上に前記第１金属に比べてウェットエッチング率が小さな物質を蒸着してエッチング防止膜49を形成する。ここで、エッチング防止膜49を構成する物質は、第１金属と、エッチング選択比が大きい金属、またはＳｉＯ２及びＳｉＮのような絶縁物質から構成されることができる。例えば、前記第１金属が銅であればエッチング防止膜49はタンタル(Ｔａ)から構成されることができる。
【００２５】
図５（ｂ）に示すように、エッチング防止膜構成物質除去用のスラリーを使用して化学的機械的研磨により金属膜48が露出される時までエッチング防止膜49の一部を除去する。その結果、絶縁膜43に形成されたトレンチの直上部に形成されているエッチング防止膜49は前記化学的機械的研磨により除去されずに残留するようになる。
【００２６】
図６（ａ）を参照すれば、化学的ウェットエッチング工程、例えばスピンエッチングによってバリヤ膜47上に積層されている金属膜48を除去する。この場合、エッチング防止膜49を構成する物質は、金属膜48を構成している第１金属とエッチング選択比が大きいので、前記スピンエッチングにより容易にエッチングできずその形態を維持するようになる。結果的に、エッチング防止膜49の下部に位置する金属膜48の一部、すなわち前記トレンチを充填している金属膜48の一部は、前記スピンエッチングによりエッチングされずに残留するようになる。
【００２７】
図６（ｂ）を参照すれば、エッチング防止膜の構成物質のみを除去できる化学物質を使用してスピンエッチングを行うことにより、残留するエッチング防止膜49を除去する。この場合、前記スピンエッチングによりバリヤ膜47の一部も絶縁膜43の最上部が露出されるまで除去されるので、前記トレンチを充填している銅配線48-1、48-2が形成される。
【００２８】
一方、本発明のまた他の実施の形態によれば、図６（ａ）に示しているように、残留するエッチング防止膜49はドライエッチング工程、例えばプラズマエッチング工程により除去できる。以後に、残留するバリヤ膜47は第１金属とエッチング選択比が大きい化学物質を使用してスピンエッチングを実施することにより除去できる。
【００２９】
また、エッチング防止膜49がＳｉＯ２またはＳｉＮのような絶縁物質から構成されている場合、上述したように、スピンエッチングによりバリヤ膜47上の金属膜48を除去する時残留するバリヤ膜47とエッチング防止膜49は化学的機械的研磨により除去される。この場合、前記化学的機械的研磨ではエッチング防止膜49をまず選択的にエッチングした後、残留するバリヤ膜47を除去する。
【００３０】
上述したように、銅とエッチング選択比が大きい物質を積層した後、化学的機械的研磨とスピンエッチングと化学的機械的研磨とを順に実施したり、または化学的機械的研磨とスピンエッチングとスピンエッチングとを順に実施することにより絶縁膜の上部に蒸着されている金属膜の一部を除去して銅配線を形成する工程は、次世代低誘電率の絶縁膜を使用した場合にも同様に適用でき、場合によっては第１金属の蒸着厚さを調節して後続化学的機械的研磨なしに化学的なエッチング工程のみでエッチング防止膜まで除去できるように構成することができる。
【００３１】
尚、本発明は、上記した本実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術に係る銅配線の形成過程を示す図面である。
【図２】従来技術に係るスピンエッチングによる銅膜のエッチング状態を示す図面である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態に係る金属配線の形成過程を示す図面である。
【図４】本発明の好ましい実施の形態に係る金属配線の形成過程を示す図面である。
【図５】本発明の好ましい他の実施の形態に係る金属配線の形成過程を示す図面である。
【図６】本発明の好ましい他の実施の形態に係る金属配線の形成過程を示す図面である。
【符号の説明】
【００３３】
11    …下部金属配線
13    …層間絶縁膜
17    …バリヤ膜
19    …銅膜
19ａ  …銅配線
21    …下部配線
23    …絶縁膜
27    …バリヤ膜
29    …銅膜
29ａ  …最終銅配線
31    …下部金属配線
33    …絶縁膜
35ａ  …トレンチ
35ｂ  …トレンチ
37    …バリヤ膜
38    …銅膜
39    …エッチング防止膜
41    …下部金属配線
43    …絶縁膜
47    …バリヤ膜
48    …金属膜
49    …エッチング防止膜
【図１】
2005150682.tif 000003
【図２】
2005150682.tif 000004
【図３】
2005150682.tif 000005
【図４】
2005150682.tif 000006
【図５】
2005150682.tif 000007
【図６】
2005150682.tif 000008