(57)【要約】【課題】アッシングによって酸化した窒化酸化金属膜に処理を加え、酸化珪素膜との密着性を高めることで、酸化珪素膜の剥がれを抑制した金属配線の製造方法及び金属配線を用いた半導体素子を提供する。【解決手段】レジストを除去するためのアッシング処理により窒化チタン膜２０１は変質し、窒化酸化チタン膜６０１となり、酸化珪素との密着性が低下する。そこで半導体ウェハ１０１の温度４５０℃で、水素をアルゴンで希釈したガスを用いプラズマを立てて窒化酸化チタン膜６０１の還元処理工程を行う。この還元処理により、窒化酸化チタン膜６０１は還元され、再び窒化チタン膜２０１に戻る。この還元処理で、次に形成される酸化珪素膜との密着性が、還元処理前に比べ改善されるため、酸化珪素膜の剥がれや、浮きという形状的問題の発生が抑えられる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ上に形成されたアルミニウム膜上に、窒化チタン、または窒化タングステン、または窒化チタンと窒化タングステンとの混合物、または窒化チタンと窒化タングステンとの化合物、または窒化チタンと窒化タングステンとの多層膜を用いて金属窒化膜を成膜する工程と、レジストを塗布する工程と、露光、現像を行い所望のレジストパターンを形成し、前記レジストパターンをマスクとして、前記金属窒化膜と前記アルミニウム膜とを絶縁膜が露出するまで異方性ドライエッチングする工程と、前記レジストをウェットエッチングにより除去する工程と、前記ウェットエッチング後に残留した前記レジストを、酸素プラズマを用いてアッシングし除去する工程と、前記アッシングにより酸化された前記金属窒化膜を還元処理する工程と、酸化珪素膜あるいは窒化珪素膜あるいは酸化窒化珪素膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする金属配線の形成方法。
【請求項２】
前記還元処理は、水素を含む雰囲気でのプラズマ処理、もしくはアンモニアを含む雰囲気でのプラズマ処理であることを特徴とする請求項１に記載の金属配線の製造方法。
【請求項３】
前記還元処理は、水素を含む雰囲気での熱処理、もしくはアンモニアを含む雰囲気での熱処理であることを特徴とする請求項１に記載の金属配線の製造方法。
【請求項４】
前記アルミニウム膜は、珪素と銅の少なくともいずれか一方が添加されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属配線の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属配線の製造方法によって製造された金属配線を有する半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ上に金属配線を形成する方法を提供することを目的とした金属配線の製造方法及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ上に金属配線を形成する方法として、背景技術として知られているものについて以下に説明する。
【０００３】
まず、半導体ウェハ上に成膜された酸化珪素膜上に、アルミニウムの異常拡散等を防止するための窒化チタン膜等からなるバリア膜を成膜する。
【０００４】
次に銅を加えたアルミニウムを用いて、アルミニウム膜を成膜する。アルミニウムに若干の銅を添加することでエレクトロマイグレーションを抑えることができ、アルミニウム配線の電気的信頼性を確保することができる。
【０００５】
ここで、エレクトロマイグレーションについて若干説明を加える。エレクトロマイグレーションとは、導体中に電流を流すことで、導体内の電子が移動し、この電子に押される形で金属原子が移動し、導体内に引け巣を作る現象である。特に、原子量の小さいアルミニウムで顕著に発生し、金属配線の信頼性を落とす要因となっている。対策としては、原子量の大きい銅などを添加する対策が用いられている。銅原子を添加して、アルミニウム原子の移動を抑えるくさびの役割を果たさせることで引け巣の発生を抑え、アルミニウム配線の電気的信頼性を確保することができる。
【０００６】
次に窒化チタン膜を成膜する。アルミニウム膜は光の反射率が高く、アルミニウム膜に直接レジストを塗布し露光工程を行うと、ハレーションを起こし、露光を正常に行うことが困難となる。そのため、アルミニウム膜上に反射防止膜となる窒化チタン膜を成膜してからレジストを塗布する必要がある。また、この窒化チタン膜はレジスト剥離後に成膜される酸化珪素膜との密着性をよくする役割も兼ねている。
【０００７】
次にレジストを塗布し、露光、現像して所望のレジストパターンを形成する。
【０００８】
次に、このレジストパターンをマスクとして用い、絶縁膜が露出するまで金属窒化膜や金属をドライエッチングする。
【０００９】
ドライエッチング終了後、ウェットエッチングによりレジストをエッチングするが、ドライエッチングを行った後のレジストは変質しているため、ウェットエッチングのみではレジストを全て除去することが難しい。そこで、ウェットエッチング後、酸素プラズマを用いたアッシングを行い、レジストを灰化し除去することでレジストを全て取り除いている。
【００１０】
アッシング終了後、酸化珪素膜を成膜することで金属配線が完成する。
【００１１】
なお、背景技術として、金属配線を形成する方法としては、以下に示す方法などが知られている。
【００１２】
特許文献１にあるように、Ｃｕ膜等の金属配線層の酸化により配線抵抗が増大してしまう問題を除去するために、アッシングにより酸化した金属配線を還元性雰囲気で処理して再び金属に戻し、大気にさらすことなく酸化防止のための金属配線を形成する方法が知られている。
【００１３】
しかし、この方法では、還元性雰囲気での処理と、酸化防止のための金属膜を大気にさらすことなく形成することができる特別な装置が必要となり、設備投資が必要となるという問題が生じる。
【００１４】
また、特許文献２にあるように、金属膜の表面状態の劣化等を防止するために、酸化されやすい雰囲気にさらす工程で前記金属配線の表面に形成された酸化膜を還元性雰囲気中で還元する工程と、前記還元工程で還元された前記金属配線の表面に保護膜を形成する工程を用いる方法が知られている。
【００１５】
しかし、この方法では、還元された金属膜の表面に保護膜を形成する工程を行っているため、製造工程が増加するという問題が生じる。
【００１６】
また、特許文献３にあるように、アルミニウムを含む膜とＴｉＷ、ＴｉＮ膜との多層膜エッチング処理時の多層膜側壁の有機系、無機系の残留物を低減し、残留するハロゲン成分による腐食の発生を抑制するために、前記多層膜のエッチング処理後に同一エッチング処理室内で酸化性ガスと水素を含むガス及びアルゴンガスを用い、かつ高周波電源により試料にイオンエネルギを付加するプラズマ処理を行う方法が知られている。
【００１７】
しかし、この方法では、アルミニウムを含む膜とチタンタングステン膜、窒化チタン膜との多層膜エッチング処理時の多層膜側壁の有機系、無機系の残留物を低減することを目的としており、特許文献３のプラズマ処理は金属窒化膜を還元するものではなく、酸化珪素膜の剥がれを改善するものではない。
【００１８】
【特許文献１】特開平６−６９２０３号公報
【特許文献２】特開平１０−２２３９００号公報
【特許文献３】特開平７−２３５５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
窒化チタン膜は、耐酸化性が強く、大気中に放置しておいても安定な膜である。しかしながら、アッシングは強い酸化処理であるため、窒化チタン膜でも酸化され、窒化酸化チタン膜に変質してしまうという現象が現れることを出願人は発見した。窒化酸化チタン膜は、酸化珪素膜との密着性が窒化チタン膜と比べ劣るため、窒化酸化チタン膜上に形成された酸化珪素膜が時として剥がれるという不具合が懸念される。
【００２０】
そこで本発明は、アッシングによって酸化した窒化酸化金属膜に処理を加え、酸化珪素膜との密着性を高めることで、酸化珪素膜の剥がれを抑制できる金属配線の製造方法及び金属配線を用いた半導体素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明の金属配線の製造方法は、半導体ウェハ上に形成されたアルミニウム膜上に、窒化チタン、または窒化タングステン、または窒化チタンと窒化タングステンとの混合物、または窒化チタンと窒化タングステンとの化合物、または窒化タングステンと窒化チタンの多層膜を用いて金属窒化膜を成膜する工程と、レジストを塗布し露光、現像して所望のレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとして、前記金属窒化膜と前記アルミニウム膜とを絶縁膜が露出するまで異方性ドライエッチングする工程と、前記レジストをウェットエッチングにより除去する工程と、前記ウェットエッチング後に残留した前記レジストを、酸素プラズマを用いてアッシングし除去する工程と、前記アッシングにより酸化された前記金属窒化膜を還元処理する工程と、酸化珪素膜あるいは窒化珪素膜あるいは酸化窒化珪素膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする。
【００２２】
この製造方法によれば、残留したレジストをアッシングした時に酸化され生じた金属窒化酸化膜を還元し、もとの金属窒化膜に戻すことができる。還元処理された上記金属窒化膜は、酸化珪素膜や窒化珪素との密着性が高くなり、酸化珪素膜や窒化珪素膜の剥がれ等の問題が軽減される。また、本発明で用いている窒化チタン、または窒化タングステン、または窒化チタンと窒化タングステンとの混合物、または窒化タングステンと窒化チタンの多層膜からなる金属窒化膜は、大気中では殆ど酸化されないため、還元処理をした後、大気中に取り出すことができる。そのため、ドライエッチング装置と成膜装置とを別の筐体に分けることができる。そのため、エッチング装置と成膜装置との間を真空にして搬送するような特殊な処理装置が不必要となる。また、金属窒化膜は光の反射率がアルミニウム膜と比べて低いため、金属窒化膜をアルミニウム膜上に成膜することで、レジスト塗布後の露光工程でのハレーションを防ぎ、露光を正常に行うことができるようになる。
【００２３】
また、本発明の金属配線の製造方法は、前記還元処理は、水素を含む雰囲気でのプラズマ処理、もしくはアンモニアを含む雰囲気でのプラズマ処理であることを特徴とする。
【００２４】
この製造方法によれば、プラズマ処理を行うことで、水素ラジカルが発生するため、低温でも金属窒化酸化膜を還元でき、金属窒化酸化膜をもとの金属窒化膜に戻すことができる。また、金属窒化酸化膜を還元する際に、不純物を金属窒化膜に取り込むことなく還元処理が行える。水素は気相中に拡散していき、窒素は金属窒化膜の材料であるため、たとえ金属窒化膜に取り込まれても悪影響はない。
【００２５】
また、本発明の金属配線の製造方法では、前記還元処理は、水素を含む雰囲気での熱処理、もしくはアンモニアを含む雰囲気での熱処理であることを特徴とする。
【００２６】
この製造方法によれば、熱処理を用いることで、プラズマ起因の電荷蓄積により生じる、半導体ウェハ上に形成されている半導体素子への電気的影響を回避できる。また、この場合でも金属窒化膜に不純物を取り込むことなく還元処理が行える。
【００２７】
また、本発明の金属配線の製造方法は、前記アルミニウム膜は、珪素と銅の少なくともいずれか一方が添加されていることを特徴とする。
【００２８】
この製造方法によれば、アルミニウム膜に珪素を含ませた場合、すでにアルミニウム膜に珪素が添加されているため、アルミニウム膜に半導体ウェハに用いられる珪素が吸収され、ボイドを形成する現象が抑えられる。また、アルミニウム膜に銅を含ませた場合、銅はアルミニウムに比べ重い元素であるため、アルミニウム膜に電流を流し続けた時にアルミニウム原子が動き、転移することで生じるエレクトロマイグレーションを銅原子が抑えるため、電気的信頼性が向上する。
【００２９】
また、本発明の半導体素子は、請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体素子の製造方法によって製造されている。
【００３０】
この構成によれば、殆ど酸化されていない金属窒化膜を用いることができ、金属窒化膜上に成膜された酸化珪素膜の剥がれ等の問題が軽減された半導体素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３２】
図１〜図８は本実施形態で使用する金属配線の製造工程を示す工程断面図である。まず、図１について簡単に説明する。
【００３３】
トランジスタ１０２等が作りこまれている半導体ウェハ１０１上に、酸化珪素からなる層間絶縁膜１０３が形成されている。層間絶縁膜１０３上には、アルミニウムを主体とした下層金属配線１０４が形成されている。また、下層金属配線１０４上には酸化珪素を用いた層間絶縁膜１０５が形成されている。層間絶縁膜１０５表面は、化学機械研磨（ＣＭＰ、Chemical Mechanical Polish）工程により平坦化されている。そして、平坦化された層間絶縁膜１０５上に、銅を含んだアルミニウム膜１０６が形成されている。
【００３４】
図２は、アルミニウム膜１０６上に窒化チタン膜２０１を成膜する工程を実施した後の工程断面図である。アルミニウム膜１０６は、光の反射率が極めて高いため、アルミニウム膜１０６上に直接レジストを塗布して露光すると、ハレーションを起こして正常な露光が困難となる。そこで、レジスト塗布後の露光を正常に行うため、光の反射率がアルミニウム膜１０６よりも低い窒化チタン膜２０１をアルミニウム膜１０６上にスパッタ法を用いて成膜した。
【００３５】
図３は、窒化チタン膜２０１の上に、レジスト３０１を塗布した後の工程断面図である。レジスト３０１の所望の領域を露光、現像を行うことで残し、所望の金属配線形状を得るために、レジスト３０１は塗布されている。
、図４は露光、現像工程とドライエッチングが終了した後の工程断面図である。露光、現像工程により、レジスト３０１を所望のパターンに加工する。
【００３６】
次にレジスト３０１をマスクとして、窒化チタン膜２０１とアルミニウム膜１０６を塩素系のガスＢＣｌ３とＣｌ２を混合したエッチングガスを使用した異方性ドライエッチングを行う。エッチングはレジスト３０１が開口している領域全てに対して層間絶縁膜１０５が現れるまで行う。この処理により窒化チタン膜２０１とアルミニウム膜１０６を所望の形状に加工したものである。
【００３７】
図５は、ウェットエッチングによりレジスト３０１を除去した後の工程断面図である。塩素系のガスで処理されたレジスト３０１は変質しているため、ジエチレングリコールモノブチルエーテルとエタノールアミンを混合した有機系のエッチング液を用いたウェットエッチング工程のみではレジスト３０１は窒化チタン膜２０１上に残ってしまう。そのため、酸素プラズマを用いたアッシング処理が必要となる。
【００３８】
図６は、酸素プラズマを用いてレジスト３０１を除去する、アッシングと呼ばれる工程を終了した後の工程断面図である。アッシング条件は、高周波電力８００Ｗ、反応圧力５００ｍＴｏｒｒ（６６．５Ｐａ）で行っている。このアッシング処理により、レジスト３０１は完全に除去されるが、強い酸化工程であるアッシング処理により、窒化チタン層２０１が一部変質して、窒化酸化チタン膜６０１になる。窒化酸化チタン膜６０１は、層間絶縁膜に用いられている酸化珪素膜との密着性が窒化チタン膜に比べ悪いため、このまま層間絶縁膜を形成すると、層間絶縁膜が窒化酸化チタン膜６０１から剥がれてしまうことが懸念される。そこで、窒化酸化チタン膜６０１を窒化チタン膜２０１に還元する工程を行う。
【００３９】
図７は、アッシング処理により酸化された窒化酸化チタン膜６０１を窒化チタン膜２０１に還元する工程を行った後の工程断面図である。還元工程では、基板温度４５０℃、水素をアルゴンで希釈したガスを用いプラズマを立てて窒化酸化チタン膜６０１の還元処理工程を行う。この還元処理により、窒化酸化チタン膜６０１は還元され、再び窒化チタン膜２０１に戻る。この還元処理で、次に形成される酸化珪素膜との密着性が、還元処理前に比べ改善されているため、酸化珪素膜の剥がれや、浮きという形状的問題の発生が抑えられるため、ストレスの大きい酸化珪素膜を層間絶縁膜に用いることができる。
【００４０】
また、この還元工程では、水素をアルゴンで希釈したガスを用いて、還元性プラズマを立てて還元処理を行っているが、これはプラズマを立てずに熱処理のみで行っても良い。この場合、電気的に中性な状態で還元処理が行えるため、トランジスタ１０２等に電気的ダメージを与えずに還元工程を行うことができる。
【００４１】
図８は、層間絶縁膜８０１を成膜した後の工程断面図である。下地に段差がある場合でも高い被覆率を保つ高密度プラズマ（HDP:High Density Plazma)法を用いて形成された酸化珪素膜を層間絶縁膜８０１としている。この層間絶縁膜８０１は、膜内部に大きなストレスを持っており、密着性が悪い下地上に形成すると、剥がれや、浮きという形状的な問題が発生する懸念があるが、窒化チタン膜２０１は、アルミニウム膜１０６とも、層間絶縁膜８０１とも良好な密着性を持っており、層間絶縁膜８０１の剥がれや、層間絶縁膜８０１の浮きという形状的な問題の発生は抑えられ、被覆性に優れた高密度プラズマ法を用いた層間絶縁膜８０１を形成することができる。
【００４２】
これらの工程により、アルミニウム膜１０６と窒化チタン膜２０１とが所望の形状に加工され、さらに所望の形状に加工されたアルミニウム膜１０６と窒化チタン膜２０１を層間絶縁膜８０１により埋め込むことで金属配線が製造される。
【００４３】
図８に示されるように、半導体ウェハ１０１上にはトランジスタ１０２が形成されている。これらのトランジスタを電気的に接続させていくことで所望の機能を果たす半導体素子が得られる。電気的に接続する手段として、本実施形態の製造方法で製造した金属配線を用いることで、層間絶縁膜８０１の剥がれや、層間絶縁膜８０１の浮き等、半導体素子の信頼性を落とす現象の発生が抑えられた、信頼性の高い半導体素子を得ることができる。
【００４４】
次に、本実施形態の効果について記述する。
（１）半導体ウェハ１０１上に形成されたアルミニウム膜１０６上に、窒化チタン膜２０１を成膜する工程と、レジスト３０１を塗布する工程と、露光、現像して所望のレジスト３０１を所望のパターンに形成し、レジスト３０１をマスクとして、窒化チタン膜２０１とアルミニウム膜１０６とを層間絶縁膜１０５が露出するまで異方性ドライエッチングする工程と、レジスト３０１を有機系のウェットエッチングにより除去する工程と、ウェットエッチング後に残留したレジスト３０１を、酸素プラズマを用いてアッシングし除去する工程と、アッシングにより酸化された窒化酸化チタン膜６０１を還元処理する工程と、酸化珪素膜からなる層間絶縁膜８０１を成膜する工程とを備えたため、窒化酸化チタン膜６０１と比べ、酸化珪素膜との密着性に優れた窒化チタン膜２０１をアルミニウム膜１０６と層間絶縁膜８０１との間に挟むことができ、層間絶縁膜８０１の剥がれや、浮きの発生が抑えられる。
（２）窒化酸化チタン膜６０１の還元処理を、水素をアルゴンで希釈した雰囲気でのプラズマ処理で行っているため、アッシング工程終了後に、別の装置に移し変えることなくガス種を変えることで還元処理が行える。そのため、移し変えなどの手間が掛からず、別の装置で還元処理を行う場合に比べ短い時間で還元処理を行うことができる。また、層間絶縁膜８０１の成膜装置に高密度プラズマ法を用いているため、層間絶縁膜８０１と同一装置を用い、成膜直前に還元処理を行うことも可能である。窒化チタン膜２０１は大気中で安定した膜ではあるが、例えば大気からの水分吸着などについても、確実に防ぐことができる。
（３）窒化酸化チタン膜６０１の還元処理を、水素をアルゴンで希釈した雰囲気での熱処理で行った場合は、トランジスタ１０２に電気的ダメージを与えることなく還元処理が行える。この場合でも、アッシング終了後に同一装置で還元処理を行う処理や、層間絶縁膜８０１成膜前に還元処理を行うことができる。
（４）アルミニウム膜１０６に若干の銅を加えておくことで、エレクトロマイグレーションを抑えることができ、アルミニウム配線の電気的信頼性を確保することができる。
（５）半導体ウェハ１０１上にはトランジスタ１０２が形成されている。これらのトランジスタを電気的に接続させていくことで所望の機能を果たす半導体素子が得られる。電気的に接続する手段として、本実施形態の製造方法で製造した金属配線を用いることで、層間絶縁膜８０１の剥がれや、層間絶縁膜８０１の浮き等の半導体素子の信頼性を落とす現象の発生が抑えられた、信頼性の高い半導体素子を得ることができる。
＜変形例＞
・前記実施形態では、窒化チタン膜２０１を用いた例について述べているが、これはもちろん窒化タングステン、または窒化チタンと窒化タングステンとの混合物、または窒化チタンと窒化タングステンとの化合物、または窒化チタンと窒化タングステンとの多層膜を用いてもよい。
【００４５】
・前記実施形態では、還元処理に水素をアルゴンで希釈したガスを用いているが、これはもちろん純粋な水素雰囲気でもよく、またアンモニアを用いてもよい。
【００４６】
・前記実施形態では、銅を含んだアルミニウム膜１０６を用いているが、これはもちろん珪素を含むものでもよい。特に、金属配線と半導体基板１０１が接する一番半導体ウェハ１０１に近い配線では、半導体基板１０１から珪素がアルミニウム膜１０６に吸い上げられてしまう現象が発生する場合がある。この現象を防ぐために、あらかじめ珪素をアルミニウム膜１０６に含ませておくことで、半導体基板１０１から珪素を吸い上げてしまう現象を防ぐことができる。
【００４７】
・層間絶縁膜１０３、１０５、８０１に、酸化珪素膜を用いたもので説明しているが、これは窒化珪素膜及び窒化酸化珪素膜を用いてもよい。特に層間絶縁膜８０１は、膜構成によっては半導体ウェハ１０１から最も遠い膜となり、外部からの水分の浸入等を止める膜になる場合があり、この場合には窒化珪素膜がほぼ必須となる。
【００４８】
・前記実施例では、ウェットエッチングとアッシングの組み合わせでレジスト３０１を除去しているが、アッシングのみを用いてレジスト３０１を除去しても良い。アッシングのみでレジスト３０１を除去すればウェットエッチングに用いる薬液を用いなくて済む。
【００４９】
次に、前記実施形態及び変形例から把握できる請求項に記載した発明以外の技術的思想について、それらの効果とともに以下に記載する。
（イ）レジスト除去を全てアッシングで行うことを特徴とする金属配線の製造方法。このような方法を用いれば、ウェットエッチングに用いる薬液を用いなくて済む。そのため、薬液にかかるコストや、ウェットエッチング後に用いられる洗浄用の純水使用量を抑えることができる。酸素プラズマにさらされる時間はウェットエッチングを用いない場合に比べ長くなるため窒化チタン膜が窒化酸化チタン膜になる比率が高くなる懸念があるが、アッシング後還元処理を行う前提であれば問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施形態でアルミニウム膜成膜工程まで終了した半導体ウェハの工程断面図。
【図２】窒化チタン膜を成膜する工程を実施した後の工程断面図。
【図３】窒化チタン膜の上に、レジストを塗布した後の工程断面図。
【図４】露光、現像工程とドライエッチングが終了した後の工程断面図。
【図５】ウェットエッチングによりレジストを除去した後の工程断面図。
【図６】アッシング工程を終了した後の工程断面図。
【図７】窒化酸化チタン膜を窒化チタン膜に還元した後の工程断面図。
【図８】層間絶縁膜８０１を成膜した後の工程断面図。
【符号の説明】
【００５１】
１０１…半導体ウェハ、１０２…トランジスタ、１０３…層間絶縁膜、１０４…下層金属配線、１０５…層間絶縁膜、１０６…アルミニウム膜、２０１…金属窒化膜としての窒化チタン膜、３０１…レジスト、６０１…窒化酸化チタン膜、８０１…酸化珪素膜としての層間絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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